多次采集计划CT评价前列腺癌靶区运动与直肠形变的相关性
2021-08-12范学武胡逸民
田 龙,范学武,宋 晓,赵 鑫,胡逸民
(1.河北北方学院附属第一医院放疗科,河北 张家口 075000;2.河北省人民医院心血管内科导管室,河北 石家庄 050051;3.中国医学科学院肿瘤医院放疗科,北京 100021)
容积旋转调强放射治疗(volumetric modulated arc therapy, VMAT)对于前列腺癌效果明显[1-3],其中图像引导技术具有重要作用[4-5];但技术未应用多次采集计划CT(multiple acquisition planning CT, MAPCT),且缺少治疗前对靶区位移[6]及直肠形变[7-8]的评价,可能降低放射治疗(简称放疗)计划质量甚至疗效。本研究应用MAPCT计算靶区位移和直肠戴斯相似系数(Dice similarity coefficient, DSC)[9],并观察二者的相关性。
1 资料与方法
1.1 一般资料 纳入2018年8月—2019年8月12例于河北北方学院附属第一医院接受治疗的前列腺癌患者,年龄58~72岁,平均(68.5±4.1)岁;Gleason评分[10]≤6分1例,2例7分,9例≥8分。纳入标准:①肿瘤仅适于接受放疗;②体质量指数18~25 kg/m2;③除前列腺特异性抗原外,其他生理、生化指标未见明显异常。排除标准:①前列腺肥大,伴严重钙化;②合并直肠息肉或痔疮。本研究通过医学伦理委员会批准(伦理编号:W2021012)。患者对研究内容均知情同意并签署知情同意书。
1.2 仪器与方法 采用Philips iU22彩色多普勒超声诊断仪,端扫式9-4 v直肠探头,频率2~10 MHz。嘱患者侧卧,双腿屈曲,双手抱膝;局部麻醉直肠肛管并建立静脉通道[11]后,以5 ml注射器和18G针头随超声探头进入直肠,穿过直肠前壁刺入前列腺体,将3枚Visicoil helical线性金标志物(IBA公司)置入靶区不同层面,间距≥15 mm。
于单次采集计划CT后第1、2及3天,嘱患者排空膀胱及直肠后仰卧于Philips Big Bore CT仪的扫描床上,行盆腔轴位CT平扫,管电压120 kV,管电流300 mAs,层厚0.5 mm。见图1。
图1 患者男,72岁,前列腺癌 A~C.分别为治疗前第1~3天轴位MAPCT图像(体表轮廓正中和两侧点状金属密度影为定位铅点,绿圈为前列腺,其内部点状金属密度影为内置金标志物,红圈为直肠); D.第1与第2天MAPCT登记匹配图像(前列腺内2个毗邻的金标志物的距离为其放疗前相对位移)
1.3 数据处理 采用体素匹配软件MIM Maestro对3次MAPCT扫描图像进行两两配对,实现基于骨骼的登记匹配。将第1天扫描所获MAPCT图像分别与第2、3天图像进行基于骨骼的登记匹配,记录不同MAPCT图像上代表靶区位置的3枚内置标志物中心点在左右、前后及头足方向上的位移,见图1。第1天MAPCT扫描左右方向上靶区中心点位移DLR/day1=(dm/day1~2+dm/day1~3)/2[9],dm/day1~2、dm/day1~3分别为第1天与第2、3天图像基于骨骼登记匹配的靶区位置在左右方向上的位移;第2、3天及其他2个方向位移计算方式同前。于3个方向上各采集3个数据,以平均值作为结果。
以治疗前第2天MAPCT图像为参考,评价治疗前第1天直肠形变量(第1次评价);以治疗前第3天图像评价治疗前第2天直肠形变量(第2次评价);以治疗前第1天图像评价治疗前第3天直肠形变量(第3次评价)。根据参考直肠轮廓和变形直肠轮廓计算直肠DSC,DSC(A,B)=2|A∩B|/(|A|+|B|)[12],A为参考直肠轮廓线坐标集合,B为形变直肠轮廓线坐标集合,A∩B为A与B的交集;DSC数值范围为0~1,数值越高代表直肠形变量越小,重合度越高,以DSC>0.7认为直肠形变量处于可接受范围[12]。于3个方向上各采集3个数据,以平均值作为结果。
1.4 统计学分析 采用SPSS 19.0统计分析软件。以Shapiro-Wilk检验对靶区MAPCT登记匹配位移和直肠DSC进行正态性检验,检验标准为P>0.2。以±s表示符合正态分布的计量资料,采用Pearson相关性分析评价二者间相关性,r>0呈正相关,r<0呈负相关。以直肠DSC为自变量(X),以MAPCT登记匹配位移为因变量(Y),对具有相关性的指标进行一元回归分析。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 相关性分析 前后方向MAPCT登记匹配位移与直肠DSC呈明显正相关(P<0.05);左右及头足方向APCT登记匹配位移与直肠DSC无明显相关性(P均>0.05),见表1。
表1 前列腺癌患者MAPCT登记匹配位移与直肠DSC的相关性分析(n=12,±s)
表1 前列腺癌患者MAPCT登记匹配位移与直肠DSC的相关性分析(n=12,±s)
方向位移(mm)直肠DSC(mm)r值P值左右0.38±0.270.88±0.020.3410.278前后2.46±1.110.86±0.040.9150.003头足0.98±0.570.87±0.030.3970.201
2.2 一元回归分析 前后方向MAPCT登记匹配位移与直肠形变量的一元回归方程为Y=-20.39+26.56X(P=0.001),R2=0.84,调整后R2=0.82,标准估计的误差为0.13,提示模型拟合较好;标准化残差直方图示左右两侧较对称(图2A),标准化残差P-P图可见散点基本靠近斜线(图2B),提示残差正态性检验结果较好;残差独立性检验提示残差独立,无自相关,表明模型拟合较好。
图2 前列腺癌患者MAPCT登记匹配位移与直肠DSC的一元回归模型残差正态性检验图 A.标准化残差直方图; B.标准化残差P-P图
3 讨论
与4D CT相比,MAPCT成本低,易开展,可弥补4D CT分次内无显著位移部位应用效果不佳的欠缺。本研究MAPCT登记匹配位移结果显示,金标志物在3个方向上均有不同程度位移,由于其发生于正式分次放疗前而常被忽略,故仅以单次采集计划CT作为放疗计划设计基础和图像引导校准参考并不可靠。在靶区边缘剂量陡变区域,忽略了分次治疗前靶区位移的单次采集计划CT不仅无法为设计放疗计划提供具有统计学意义的真实数据,还可能造成后续图像引导校准误差。
目前自适应放疗计划及图像引导校准均在单次采集计划CT基础上完成。根据MAPCT所获数据修正靶区位置可优化自适应放疗计划;图像引导校准时,修正校准数值可降低误差。未来借鉴4D CT图像融合技术而获得MAPCT融合图像,或可替代单次采集计划CT。另外,对于分次内显著位移的肿瘤,通过优化图像处理算法有望获得与4D CT相当或更好的结果,但仍需深入研究。
本研究直肠DSC结果显示,即使保持直肠排空状态,前列腺癌放疗中仍然无法避免形变,且前后方向形变与MAPCT登记匹配位移具有明显相关性。直肠肌肉分为自主神经支配的内括约肌、联合纵肌及躯体神经支配的外括约肌、肛提肌。直肠内括约肌和联合纵肌收缩和舒张是造成直肠前后方向形变的主要原因[13],且在治疗初始阶段尤为明显,之后随着治疗延续其影响程度逐渐下降;在此过程中以超声剪切波弹性模量法测量相关参数可反映肌肉变化[14]。另一方面,来自前后方向的腹腔内压力亦影响直肠形变程度,对此可采用腹腔镜测量腹内压[15]进行观察。此外,消化功能不良或室温不适宜致直肠内充气也可能影响其形变程度。本研究发现相同方向直肠形变对前列腺癌靶区左右、头足方向位移的影响较小且不规律。对于造成靶区位移的原因仍需深入研究。
本研究通过一元回归分析获得相应预估模型,但由于样本量有限,且仅能间接反映MAPCT登记匹配位移与直肠形变量间的关系,未能量化分析造成直肠前后方向形变的直接原因,即肌肉和腹内压的影响。量化肌肉和腹内压的影响并行多元回归分析修正回归模型有助于获得更加真实的预估结果。
总之,本研究通过MAPCT初步优化放疗计划设计,降低图像引导校准误差,并建立模型预估直肠形变量,有助于降低放疗对正常组织的损伤。