前列腺癌容积旋转调强放疗中标志物可探测性研究

田龙 闫洁诚 胡逸民 李丹 李慧超

1 河北北方学院附属第一医院放疗科，河北省张家口 075000；2 中国医学科学院肿瘤医院放疗科，北京 100021

容积旋转调强放疗（volume-modulated arc therapy, VMAT）的图像引导技术能够有效监测治疗中靶区运动，防止等中心发生位移，从而保证输出剂量的准确性和保护周围正常组织[1-2]。在各种基于植入标志物校准的前列腺癌VMAT 图像引导技术中，千伏级锥形束CT 的应用较为广泛[3-4]，但额外产生的辐射剂量相对较高，可能对患者造成影响[5-8]。而利用治疗射线进行成像的兆伏级电子射野影像装置（electronic portal imaging device, EPID）则不存在额外辐射剂量的问题，且能节省治疗时间[9-11]。但是，EPID 的图像质量劣于锥形束CT，如何在现有基础上最大程度提高EPID 的校准精度具有重要的研究意义[12]。

在现有基础上基于植入标志物的EPID 校准精度关键取决于标志物质心准确性[12-13]，质心准确性又取决于标志物的可探测性，而可探测性主要受标志物植入位置的影响。因此，标志物植入位置极大地影响了前列腺癌图像引导放疗（image-guided radiotherapy, IGRT）设备的校准精度，寻找标志物最佳植入位置具有重要临床意义，甚至关乎EPID的应用前景。本研究通过寻找多种情况下植入标志物最高可探测性分数位置，旨在提高前列腺癌IGRT 的校准精度和疗效。

1 材料与方法

1.1 标志物植入

利用超声引导针和网格模板[14]（美国CIVCO公司）将4 枚线性金标志物（0.8 mm×0.8 mm×1.0 mm，比利时IBA 公司）植入到Random 仿真人体模型（比利时IBA 公司）的盆腔部位。定义坐标轴：X轴为左右方向、Y轴为头脚方向、Z轴为腹背方向。标志物按照4 种模式植入：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 模式下植入坐标为（-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 模式下植入坐标为（a,b,0）、（-a,b,0）、（a,-b,0）、（-a,-b,0）；C 模式下植入坐标为（a,b,a）、（-a,b,-a）、（a,-b,a）、（-a,-b,-a）；D 模式下植入坐标为（0,3b,0）、（a,b,a）、（-a,-b,-a）、（0,-3b,0）。每种植入模式下的组级坐标组合分别见表1～4。

表1 VMAT 标志物植入的X-Z 平面（Y=0）（模式A）下4 种组级坐标组合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 标志物植入的X-Y 平面（Z=0）（模式B）下12 种组级坐标组合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 标志物植入的斜植入（模式C）下12 种组级坐标组合（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 标志物植入的分散植入（模式D）下12 种组级坐标组合（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

调取25 例治疗已结束的前列腺癌患者的VMAT 计划（每例2 个对称弧，共50 个弧），使用Synergy Platform 加速器（瑞典医科达公司）分别对包含4 枚标志物的40 种坐标组合的盆腔假体进行基于EPID 的IGRT 标准照射，单次剂量约为60 Gy。在照射中，从弧上每个控制点获取EPID 平片并用于下一步计算和分析。

1.3 可探测性分数的计算

另外，本实验还引入了2 种加权因子：标志物数量加权因子Wn和标志物重叠加权因子Wo，分别惩罚每张EPID 平片上可探测到的标志物数量n＜3 和每张EPID 平片上发生标志物重叠的情况。

（1）标志物数量加权因子Wn：首先，规定若任一枚标志物实际未遮挡或未重叠面积大于以标志物中心为圆心的圆面积（半径r=3 mm）的3/4，即总面积A 的3/16时，则可探测标志物数量+1。然后，规定每张EPID 平片上可探测到的标志物数量n≥3 时，Wn=1；n=2 时，Wn=2/3；n=1 时，Wn=1/3；n=0 时，Wn=0。

（2）标志物重叠加权因子Wo：规定在每张EPID平片上，4 枚标志物均未发生重叠时，Wo=1；2 枚标志物发生重叠时，Wo=0.5；3 枚及以上标志物发生重叠时，Wo=1/3。

最终，完善后的可探测性分数D的计算公式如下：

1.4 最佳植入坐标组合与模式确定

分析40 种坐标组合的D，确定标志物最佳植入坐标组合与模式。另外，考虑到临床实践中由于患者前列腺体差异和操作条件的不同，并不是所有患者均适用于上述结果。因此，本研究应用SPSS 19.0 软件的曲线拟合功能寻找标志物在所有模式下及坐标组合中的最佳植入位置参数a 值和b 值，从而使得某些不适用上述结果的患者仍可在其他模式下或坐标组合中获得相对较高的D，计算方法如下。

（1）a 值：除A 模式外（A 模式下直接计算4 个坐标组合的D与a 值的关系即可），分别计算每种模式下，每个a 值组4 个坐标组合（例如：B5-Ⅰ、B5-Ⅱ、B5-Ⅲ、B5-Ⅳ）的D。建立a 值与D的函数关系，进行曲线拟合，寻找最大D时的a 值。

（2）b 值：除A 模式外（A 模式下b 值均为0，直接计算4 个坐标组合的D与b 值的关系即可），分别计算每种模式下，每个b 值组3 个坐标组合（例如：B5-Ⅰ、B10-Ⅰ、B15-Ⅰ）的D。建立b 值与D的 函数关系，进行曲线拟合，寻找最大D时的b 值。

2 结果

2.1 可探测性分数

40 个组级坐标组合25 次照射的D按降序排列的结果见图1，按模式A～D 排列的结果见图2。

2.2 最佳植入坐标组合与模式

由图1（组级结果）可见，B10-Ⅰ组D最高（0.2652 分），C5-Ⅳ组最低（0.2191 分）。由图2（模式级结果）可见，每种模式的相同a 值组中，D基本随着b 值的增加而降低；4 种模式中D 模式的D的均值最高（0.2489 分），其余依次为B 模式（0.2447 分）、A 模式（0.2357 分）、C 模式（0.2350分）。由此可见，本研究中最佳植入坐标组合为B10-Ⅰ组，即（10,3,0）、（-10,3,0）、（10,-3,0）、（-10,-3,0），最佳植入模式为D 模式。

图1 VMAT 标志物植入中40 个组级坐标组合25 次照射的可探测性分数均值（ D）按降序排列的结果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

图2 VMAT 标志物植入中40 个组级坐标组合25 次照射的可探测性分数均值（ D）按模式A～D 排列的结果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 曲线拟合结果

a、b 值分别与D拟合的曲线见图3、4。其中，由图3 可见，拟合曲线R2=0.237，拟合结果差，曲线峰值处横坐标a=9.6 mm；由图4 可见，拟合曲线R2=0.721，拟合结果良好，曲线峰值处横坐标b=4.6 mm。综上，当a=9.6 mm、b=4.6 mm时，各种模式下均能获得较为理想的D。

图3 VMAT 标志物植入中植入坐标参数a 值同可探测性分数均值（ D）的拟合曲线Figure 3 Fitting curve of the implantation coordinate parameter a and the mean detectability score D in volume-modulated arc therapy marker implatation

图4 VMAT 标志物植入中植入坐标参数b 值同可探测性分数均值（ D）的拟合曲线Figure 4 Fitting curve of the implantation coordinate parameter b and the mean detectability score D in volume-modulated arc therapy marker implatation

3 讨论

本研究结果显示，对于常规患者（腺体完整，无残缺或畸形），组级最佳结果为B10-Ⅰ，模式级最佳结果为D 模式。因此，在充分考虑了手术操作难易程度，是否会给患者带来不良影响等问题后，可参考上述结果进行标志物的植入。通过上述操作，可以最大程度地提高标志物的可探测性，进而提高其质心准确性，从而优化EPID 的校准精度。

本研究中曲线拟合结果还显示，纵坐标（D）随横坐标（a 值或b 值）变化的趋势均为先上升、后下降。对此，可能的原因如下。（1）曲线上升部分：当标志物距离中心原点位置过近时，由于缺乏外周标志物探测信息，无法准确反映前列腺靶区的旋转变化。随着a 值和b 值逐渐增大，标志物距离中心原点距离增加，外周标志物探测信息逐渐丰富，因此能够较准确地反映前列腺靶区旋转变化，总体探测分数逐渐增加。（2）曲线下降部分：在VMAT 典型弧形野中，动态多叶准直器最有可能在前列腺靶区治疗等中心原点周围打开，距离中心较近的标志物被多叶准直器遮挡的概率不大。随着射野中心距离的增加，外周标志物被多叶准直器遮挡的概率大大增加，因此D呈现快速下降的趋势。以上2 种解释同样适用于所有组级坐标组合D按模式排列结果中A、B、C 模式的下降部分和D 模式。Ma 等[14]也利用相同的理论解释了相似的实验结果。

总之，标志物在X、Y、Z3 个方向上相对中心原点的坐标是决定其可探测性分数的主要因素，过小或过大的直线距离分别会导致旋转信息量的减少和多叶准直器遮挡概率的增加[15]，因此，将可探测性分数峰值处的a 值和b 值代入并应用到各种模式中，计算出的最佳坐标组合即为各种模式下标志物最理想的植入位置。对于一些前列腺靶区情况复杂、植入操作特殊的患者（如前列腺癌术后放疗患者、腺体残缺患者），或许不适合参考最佳组级，甚至模式级结果进行植入手术，上述结果为这类患者在其他坐标组合或模式下进行手术提供了重要临床参考。

综上，本研究获得了标志物最佳植入位置的组级和模式级结果，同时通过对该结果进行拟合曲线分析获得了所有情况下各种模式和坐标组合均较为理想的参数。本研究结果不仅充分考虑了常规和特殊患者的临床实践情况，具有普适性，同时也为基于EPID 联合标志物的前列腺癌IGRT 提供了重要临床参考数据和依据，从而提高了其校准精度和治疗效果，拓宽了EPID 的应用前景。

利益冲突本研究由署名作者按以下贡献声明独立开展，不涉及任何利益冲突。

作者贡献声明田龙负责研究过程的实施、实验的实施、论文的起草和最终版本的修订；闫洁诚、李丹、李慧超负责数据的获取与分析；胡逸民负责研究命题的提出和设计。