前列腺癌容積旋轉調(diào)強放療中標志物可探測性研究

田龍 閆潔誠 胡逸民 李丹 李慧超

1 河北北方學院附屬第一醫(yī)院放療科，河北省張家口 075000；2 中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院放療科，北京 100021

容積旋轉調(diào)強放療（volume-modulated arc therapy, VMAT）的圖像引導技術能夠有效監(jiān)測治療中靶區(qū)運動，防止等中心發(fā)生位移，從而保證輸出劑量的準確性和保護周圍正常組織[1-2]。在各種基于植入標志物校準的前列腺癌VMAT 圖像引導技術中，千伏級錐形束CT 的應用較為廣泛[3-4]，但額外產(chǎn)生的輻射劑量相對較高，可能對患者造成影響[5-8]。而利用治療射線進行成像的兆伏級電子射野影像裝置（electronic portal imaging device, EPID）則不存在額外輻射劑量的問題，且能節(jié)省治療時間[9-11]。但是，EPID 的圖像質(zhì)量劣于錐形束CT，如何在現(xiàn)有基礎上最大程度提高EPID 的校準精度具有重要的研究意義[12]。

在現(xiàn)有基礎上基于植入標志物的EPID 校準精度關鍵取決于標志物質(zhì)心準確性[12-13]，質(zhì)心準確性又取決于標志物的可探測性，而可探測性主要受標志物植入位置的影響。因此，標志物植入位置極大地影響了前列腺癌圖像引導放療（image-guided radiotherapy, IGRT）設備的校準精度，尋找標志物最佳植入位置具有重要臨床意義，甚至關乎EPID的應用前景。本研究通過尋找多種情況下植入標志物最高可探測性分數(shù)位置，旨在提高前列腺癌IGRT 的校準精度和療效。

1 材料與方法

1.1 標志物植入

利用超聲引導針和網(wǎng)格模板[14]（美國CIVCO公司）將4 枚線性金標志物（0.8 mm×0.8 mm×1.0 mm，比利時IBA 公司）植入到Random 仿真人體模型（比利時IBA 公司）的盆腔部位。定義坐標軸：X軸為左右方向、Y軸為頭腳方向、Z軸為腹背方向。標志物按照4 種模式植入：X-Z平面植入（A 模式）、X-Y平面植入（B 模式）、斜植入（C 模式）和分散植入（D 模式）。其中，A 模式下植入坐標為（-3a,0,0）、（-a,0,0）、（a,0,0）、（3a,0,0）和（a,0,a）、（ -a,0,a）、（ a,0,-a）、（-a,0,-a）；B 模式下植入坐標為（a,b,0）、（-a,b,0）、（a,-b,0）、（-a,-b,0）；C 模式下植入坐標為（a,b,a）、（-a,b,-a）、（a,-b,a）、（-a,-b,-a）；D 模式下植入坐標為（0,3b,0）、（a,b,a）、（-a,-b,-a）、（0,-3b,0）。每種植入模式下的組級坐標組合分別見表1～4。

表1 VMAT 標志物植入的X-Z 平面（Y=0）（模式A）下4 種組級坐標組合Table 1 Four group-level coordinate combinations under marker implantation mode A on the X-Z plane (Y=0)in volume-modulated arc therapy

表2 VMAT 標志物植入的X-Y 平面（Z=0）（模式B）下12 種組級坐標組合Table 2 Twelve group-level coordinate combinations under marker implantation mode B on the X-Y plane (Z=0) in volumemodulated arc therapy

表3 VAMT 標志物植入的斜植入（模式C）下12 種組級坐標組合（X,Y,Z≠0）Table 3 Twelve group-level coordinate combinations under marker oblique implantation mode C (X,Y,Z≠0) in volumemodulated arc therapy

表4 VAMT 標志物植入的分散植入（模式D）下12 種組級坐標組合（X,Y,Z≠0）Table 4 Twelve group-level coordinate combinations under marker dispersed implantation mode D (X,Y,Z≠0) in volumemodulated arc therapy

1.2 照射方法

調(diào)取25 例治療已結束的前列腺癌患者的VMAT 計劃（每例2 個對稱弧，共50 個?。褂肧ynergy Platform 加速器（瑞典醫(yī)科達公司）分別對包含4 枚標志物的40 種坐標組合的盆腔假體進行基于EPID 的IGRT 標準照射，單次劑量約為60 Gy。在照射中，從弧上每個控制點獲取EPID 平片并用于下一步計算和分析。

1.3 可探測性分數(shù)的計算

另外，本實驗還引入了2 種加權因子：標志物數(shù)量加權因子Wn和標志物重疊加權因子Wo，分別懲罰每張EPID 平片上可探測到的標志物數(shù)量n＜3 和每張EPID 平片上發(fā)生標志物重疊的情況。

（1）標志物數(shù)量加權因子Wn：首先，規(guī)定若任一枚標志物實際未遮擋或未重疊面積大于以標志物中心為圓心的圓面積（半徑r=3 mm）的3/4，即總面積A 的3/16時，則可探測標志物數(shù)量+1。然后，規(guī)定每張EPID 平片上可探測到的標志物數(shù)量n≥3 時，Wn=1；n=2 時，Wn=2/3；n=1 時，Wn=1/3；n=0 時，Wn=0。

（2）標志物重疊加權因子Wo：規(guī)定在每張EPID平片上，4 枚標志物均未發(fā)生重疊時，Wo=1；2 枚標志物發(fā)生重疊時，Wo=0.5；3 枚及以上標志物發(fā)生重疊時，Wo=1/3。

最終，完善后的可探測性分數(shù)D的計算公式如下：

1.4 最佳植入坐標組合與模式確定

分析40 種坐標組合的D，確定標志物最佳植入坐標組合與模式。另外，考慮到臨床實踐中由于患者前列腺體差異和操作條件的不同，并不是所有患者均適用于上述結果。因此，本研究應用SPSS 19.0 軟件的曲線擬合功能尋找標志物在所有模式下及坐標組合中的最佳植入位置參數(shù)a 值和b 值，從而使得某些不適用上述結果的患者仍可在其他模式下或坐標組合中獲得相對較高的D，計算方法如下。

（1）a 值：除A 模式外（A 模式下直接計算4 個坐標組合的D與a 值的關系即可），分別計算每種模式下，每個a 值組4 個坐標組合（例如：B5-Ⅰ、B5-Ⅱ、B5-Ⅲ、B5-Ⅳ）的D。建立a 值與D的函數(shù)關系，進行曲線擬合，尋找最大D時的a 值。

（2）b 值：除A 模式外（A 模式下b 值均為0，直接計算4 個坐標組合的D與b 值的關系即可），分別計算每種模式下，每個b 值組3 個坐標組合（例如：B5-Ⅰ、B10-Ⅰ、B15-Ⅰ）的D。建立b 值與D的 函數(shù)關系，進行曲線擬合，尋找最大D時的b 值。

2 結果

2.1 可探測性分數(shù)

40 個組級坐標組合25 次照射的D按降序排列的結果見圖1，按模式A～D 排列的結果見圖2。

2.2 最佳植入坐標組合與模式

由圖1（組級結果）可見，B10-Ⅰ組D最高（0.2652 分），C5-Ⅳ組最低（0.2191 分）。由圖2（模式級結果）可見，每種模式的相同a 值組中，D基本隨著b 值的增加而降低；4 種模式中D 模式的D的均值最高（0.2489 分），其余依次為B 模式（0.2447 分）、A 模式（0.2357 分）、C 模式（0.2350分）。由此可見，本研究中最佳植入坐標組合為B10-Ⅰ組，即（10,3,0）、（-10,3,0）、（10,-3,0）、（-10,-3,0），最佳植入模式為D 模式。

圖1 VMAT 標志物植入中40 個組級坐標組合25 次照射的可探測性分數(shù)均值（ D）按降序排列的結果Figure 1 The mean detectability score D for 40 group-level coordinate combinations after 25 times of radiation in volume-modulated arc therapy marker implantation is arranged in descending order

圖2 VMAT 標志物植入中40 個組級坐標組合25 次照射的可探測性分數(shù)均值（ D）按模式A～D 排列的結果Figure 2 The mean detectability score D for 40 group-level coordinate combinations after 25 times of radiation volume-modulated arc therapy marker implantation is arranged in mode A-D order

2.3 曲線擬合結果

a、b 值分別與D擬合的曲線見圖3、4。其中，由圖3 可見，擬合曲線R2=0.237，擬合結果差，曲線峰值處橫坐標a=9.6 mm；由圖4 可見，擬合曲線R2=0.721，擬合結果良好，曲線峰值處橫坐標b=4.6 mm。綜上，當a=9.6 mm、b=4.6 mm時，各種模式下均能獲得較為理想的D。

圖3 VMAT 標志物植入中植入坐標參數(shù)a 值同可探測性分數(shù)均值（ D）的擬合曲線Figure 3 Fitting curve of the implantation coordinate parameter a and the mean detectability score D in volume-modulated arc therapy marker implatation

圖4 VMAT 標志物植入中植入坐標參數(shù)b 值同可探測性分數(shù)均值（ D）的擬合曲線Figure 4 Fitting curve of the implantation coordinate parameter b and the mean detectability score D in volume-modulated arc therapy marker implatation

3 討論

本研究結果顯示，對于常規(guī)患者（腺體完整，無殘缺或畸形），組級最佳結果為B10-Ⅰ，模式級最佳結果為D 模式。因此，在充分考慮了手術操作難易程度，是否會給患者帶來不良影響等問題后，可參考上述結果進行標志物的植入。通過上述操作，可以最大程度地提高標志物的可探測性，進而提高其質(zhì)心準確性，從而優(yōu)化EPID 的校準精度。

本研究中曲線擬合結果還顯示，縱坐標（D）隨橫坐標（a 值或b 值）變化的趨勢均為先上升、后下降。對此，可能的原因如下。（1）曲線上升部分：當標志物距離中心原點位置過近時，由于缺乏外周標志物探測信息，無法準確反映前列腺靶區(qū)的旋轉變化。隨著a 值和b 值逐漸增大，標志物距離中心原點距離增加，外周標志物探測信息逐漸豐富，因此能夠較準確地反映前列腺靶區(qū)旋轉變化，總體探測分數(shù)逐漸增加。（2）曲線下降部分：在VMAT 典型弧形野中，動態(tài)多葉準直器最有可能在前列腺靶區(qū)治療等中心原點周圍打開，距離中心較近的標志物被多葉準直器遮擋的概率不大。隨著射野中心距離的增加，外周標志物被多葉準直器遮擋的概率大大增加，因此D呈現(xiàn)快速下降的趨勢。以上2 種解釋同樣適用于所有組級坐標組合D按模式排列結果中A、B、C 模式的下降部分和D 模式。Ma 等[14]也利用相同的理論解釋了相似的實驗結果。

總之，標志物在X、Y、Z3 個方向上相對中心原點的坐標是決定其可探測性分數(shù)的主要因素，過小或過大的直線距離分別會導致旋轉信息量的減少和多葉準直器遮擋概率的增加[15]，因此，將可探測性分數(shù)峰值處的a 值和b 值代入并應用到各種模式中，計算出的最佳坐標組合即為各種模式下標志物最理想的植入位置。對于一些前列腺靶區(qū)情況復雜、植入操作特殊的患者（如前列腺癌術后放療患者、腺體殘缺患者），或許不適合參考最佳組級，甚至模式級結果進行植入手術，上述結果為這類患者在其他坐標組合或模式下進行手術提供了重要臨床參考。

綜上，本研究獲得了標志物最佳植入位置的組級和模式級結果，同時通過對該結果進行擬合曲線分析獲得了所有情況下各種模式和坐標組合均較為理想的參數(shù)。本研究結果不僅充分考慮了常規(guī)和特殊患者的臨床實踐情況，具有普適性，同時也為基于EPID 聯(lián)合標志物的前列腺癌IGRT 提供了重要臨床參考數(shù)據(jù)和依據(jù)，從而提高了其校準精度和治療效果，拓寬了EPID 的應用前景。

利益沖突本研究由署名作者按以下貢獻聲明獨立開展，不涉及任何利益沖突。

作者貢獻聲明田龍負責研究過程的實施、實驗的實施、論文的起草和最終版本的修訂；閆潔誠、李丹、李慧超負責數(shù)據(jù)的獲取與分析；胡逸民負責研究命題的提出和設計。