超声成像在前列腺癌图像引导放疗中的应用

赵超越，田龙

河北北方学院附属第一医院 放疗科，河北 张家口 075000

引言

针对前列腺癌（Prostate Cancer，PCa）的图像引导放疗（Image Guided Radiotherapy，IGRT）已被证明能够有效改善患者预后并延长生存期[1-3]。PCa IGRT 的关键在于靶区定位，高精度的靶区位置校准是获得一系列治疗增益的先决条件[4-6]。大量研究证明，基于内置黄金基准标志物（Gold Fiducial Marker，GFM）的锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）校准不仅临床可行性高，而且精度显著高于其他图像引导技术[7-9]。然而，分次治疗前基于GFM 的CBCT 校准存在一定局限性：① PCa常规分割照射次数已接近30 次，分次治疗期的CBCT 校准使患者受到较多额外照射； 查元梓等[10]发现，单次盆部CBCT 扫描额外剂量约为（5.12±0.01） cGy（准直器选择F0）；IGRT 结束时，患者额外照射剂量可能会高达150 cGy，接近一个分次的处方剂量；额外剂量增加了患者二次原位癌发生率[11-13]。② CBCT 校准只能纠正分次治疗间靶区位置误差，无法实时纠正分次治疗内误差；目前，较为成熟的分次治疗内实时靶区位置校准方法为电子射野影像装置（Electronic Portal Imaging Device，EPID）成像和超声成像（Ultrasonography，USG）[14-16]。③ CBCT 无法引导GFM 置入并对置入位置进行评价。

近年来，随着软硬件水平的提高，USG 技术已广泛应用于PCa IGRT 中。其中，以经腹超声（Trans-Abdominal Ultrasound，TAUS）、经直肠超声（Trans-Rectal Ultrasound，TRUS）和经会阴超声（Trans-Perineal Ultrasound，TPUS）为主。相比CBCT 等图像引导技术，USG 技术具有多功能、无辐射、无创伤、低成本和高精度等优势[17-19]。同时，基于USG 的靶区位置校准可纠正分次治疗间或内的两种靶区位置误差[20]。为了让放疗从业者更深入地了解USG 技术在PCa IGRT 中的应用，本文对TAUS、TRUS和TPUS这3种技术进行了系统性综述。

1 TAUS技术

1.1 应用过程

TAUS 操作最为简易，主要用于分次治疗间或内的PCa 靶区位置校准。TAUS 的操作过程为：将探头固定于下腹部前列腺上方，在膀胱充盈时对PCa 靶区成像。通过将二维PCa 靶区超声影像同首次治疗前影像进行比较和校准，纠正靶区位置误差。

1.2 应用优势、局限与进展

TAUS 的唯一优势为操作简易。作为一种最早应用于IGRT 的USG 技术，TAUS 存在较多局限：① 探头相对前列腺较远，图像质量较低，尤其是肥胖患者下腹部脂肪较厚时，探头声波会加剧衰减并形成伪影；② 为了限制PCa 靶区位移同时提高TAUS 校准精度，需使患者膀胱充盈，而上述操作会提高放疗中膀胱壁剂量并引发放射性炎症；③ TAUS 用于分次治疗内实时靶区位置校准时，内含金属的探头会对输出剂量造成影响；④ TAUS校准精度易受探头压力和声速影响。鉴于优势不明显且局限较多，未来TAUS 将逐渐被其他USG 技术所取代。

2 TRUS技术

2.1 应用过程

TRUS 的操作较为复杂，主要用于引导GFM 置入和对置入位置进行评价。图1a 为TRUS 引导GFM 置入实际操作范例[21-23]，操作中使用了C 型臂X 线（C-arm X-ray，CX）设备对GFM 置入位置进行验证。将仰卧于放疗定位用的真空塑形垫上的患者双腿置于固定支架上，使其保持截石位；通过 TRUS 引导和细针抽吸术将GFM 置入PCa 靶区内 ；通过CX 设备上模拟量角器将其设置为同床 0/90°角；最后通过球管拍摄正/侧位GFM 位置验证片。图1b 为CX 设备拍摄的包含探头和针头在内的侧位验证片。

除用于引导GFM 置入外，TRUS 还可用于对GFM置入位置进行评价。GFM 置入位置不能紧邻尿道区域或前列腺包膜区域，避免尿道破裂时因排尿或滑入包膜而丢失。TRUS 软组织分辨率较高，根据TRUS 影像评价GFM 置入位置以避免上述不良事件。另外，GFM 置入后可发生自发性位移或旋转，根据TRUS 影像评价GFM 位置变化以保证GFM 的稳定性。

2.2 应用优势、局限与进展

TRUS 的优势在于较高的实时成像质量：① 同其他X 线成像设备相比，TRUS 可实时成像，GFM 位置验证方法除上文提到的CX 设备外，还包括CT 和CBCT，但是上述X 线成像设备均不具备实时性，无法实时引导和修正GFM 置入；② 同其他USG 技术相比，TRUS 距离前列腺最近，更容易分辨前列腺内各组织结构，从而将GFM 置于合适位置。TAUS 和TPUS 显然距离前列腺较远，成像和引导质量无法同TRUS 相比。

TRUS 的局限在于会引发诸多不良事件：① 若患者肛门或直肠存在病变，则无法插入探头，在此情况下，只能选择TAUS 或TPUS，并通过经会阴途径穿刺置入GFM。② 无论经直肠还是经会阴途径穿刺置入GFM，均会引发相应部位的感染，大量研究表明，GFM 置入中直肠和会阴的感染率分别为5%～10%和5%～8%[24-25]。因此，TRUS 在引导GFM 置入和对置入位置进行评价时可能会加剧感染程度。③ 探头存在一定体积，会挤压前列腺体；若患者存在前列腺肥大、严重钙化或炎症等并发症，探头可能会加剧GFM 置入所引发的前列腺出血和炎症。大量研究表明，TRUS 引导下GFM 置入过程中前列腺严重出血率为4%～7%[26-27]，因此，TRUS 在引导GFM 置入和对置入位置进行评价时可能会加剧出血程度。

目前，TRUS 作为一种独特的GFM 置入引导和位置评价技术，需首先处理好探头可能对患者造成的不良事件。TRUS 的探头必须经过严格的消毒处理，同时尽量小型化以减小对器官的刺激。TRUS 在PCa IGRT 中的应用为开展基于GFM 的IGRT 奠定了基础。通过基于GFM 的IGRT进一步提高了PCa靶区位置准确度，从而提高了IGRT增益。

3 TPUS技术

3.1 应用过程

TPUS 操作最为复杂，主要用于分次治疗间或内的PCa 靶区位置校准。TPUS 的操作可分为基于GFM 的PCa 靶区位置校准和基于软组织的靶区位置校准两种。本文以Clarity 系统为例，对第一种操作分4 步进行了详述[28]：① 定位阶段。将患者置于放疗用真空塑形垫或其他定位装置上，处截石位并排空膀胱和直肠，矢状位上，股骨翘起约15°～30°（图2a）；冠状位上，双腿分开约30°（图2b，黑箭头指Clarity 系统基座，下同）；将基座置于放疗机床上距耻骨联合10 cm 处，将探头固定于基座上并触及前列腺会阴投影处（图2c，红箭头指Clarity 系统探头）。② 计划设计阶段。采用C5-2 低频凸阵探头采集患者三维盆腔影像并上传至Clarity 系统靶区勾画工作站；通过工作站勾画靶区和危及器官，特别注意GFM 的准确勾画，获得计划TPUS 影像。③ 计划验证阶段。将Autoscan 探头固定于基座上完全同定位时位置相同并在分次治疗间或内成像，获得验证TPUS 影像，通过Clarity 系统图像引导工作站进行基于GFM 的“目标体积覆盖估计”计算，获取GFM 在左右、头脚、腹背3 个方向上的位移。④ 根据位移结果纠正摆位误差。基于软组织的TPUS 操作差别仅在于“目标体积覆盖估计”对象由GFM 变为前列腺。

图2 定位阶段患者和Clarity系统位置

3.2 应用比较

本文收集了基于GFM 的TPUS 校准同其他主流校准方法的比较，包括CBCT 和EPID 两种。以CBCT 为参考，Camps 等[29]评价了TPUS 在PCa 分次治疗间校准中的应用价值。该研究对PCa 患者进行了分次治疗间基于GFM的CBCT 和TPUS 校准，发现两种方法校准数据在左右、头脚、腹背3 个方向上一致性良好，3 个方向上TPUS 相对CBCT 校准数据差异＜3 mm 的对数均＞75%。以EPID为参考，冀鑫等[28]评价了TPUS 在PCa 分次治疗内校准中的应用价值。该研究对PCa 患者进行了分次治疗内的实时EPID 和TPUS 校准，发现两种方法校准数据在左右、头脚、腹背3 个方向上均具有中度以上的相关性和良好的一致性。总之，同主流分次治疗间图像引导技术相比，TPUS 校准结果同其一致性较好且相差较小，具有替代前者的潜力；同主流分次治疗内实时图像引导技术相比，TPUS 综合优势更显著，可作为前者的替代方法。

3.3 应用优势、局限与进展

TPUS 的优势：① TPUS 用于分次治疗间PCa 靶区位置校准时精度可媲美CBCT，用于分次治疗内实时靶区位置校准时精度高于EPID，因此，TPUS 可取代二者成为靶区位置校准的主要方法。② 相较于二维的TAUS，能够提供三维靶区位置校准数据的TPUS 显然更具优势；另外，如前所述，TPUS 还可作为TRUS 的补充，在无法执行TRUS 时引导GFM 置入和对置入位置进行评价。

TPUS 的局限[30]：① 探头压力。尽管在定位和治疗阶段严格控制了患者和设备的位置，特别是探头相对会阴处的位置和压力，但依然有可能在成像时出现因探头位置和压力变化而导致的误差。造成该问题的原因可能是由于患者和设备位置重复性差，存在一定的位移（特别是更换探头后导致的位移和压力差），也可能是探头耦合剂涂抹不均匀。② 剂量扰动。在分次治疗内进行实时TPUS 成像时，探头中的金属可能会对输出剂量造成影响。截至目前还没有研究量化探头中金属对剂量的扰动程度，但已有辐射透性的探头研制成功。③ 声速。Clarity 系统通常采用固定声速（1540 m/s）成像，该声速适用于大部分人体软组织，但该声速在各器官边界容易形成伪影和图像失真。可通过相同定位条件下的CT重建影像来修正伪影和失真。

目前，TPUS 的研究热点主要集中于同其他医学影像进行融合方面。TPUS 同CT、磁共振（Magnetic Resonance，MR）等影像进行融合具有重要的临床意义：① 融合后图像更有利于靶区的勾画。相比CT 和MR 影像，TPUS 影像空间分辨率较低。因此，利用融合图像勾画靶区更加准确，可获得高质量的计划TPUS 影像。② 融合后图像有助于降低USG 伪影和失真。例如，通过相同定位条件下的CT 重建影像同TPUS 影像融合，可修正由于声速或折射等因素引发的器官边界处伪影和失真。TPUS 在PCa IGRT 中的应用为显著提高PCa 靶区位置准确度奠定了基础，特别是联合TRUS和GFM时。较高的靶区位置准确度最终提高了IGRT 增益。

4 总结与展望

PCa IGRT 中应用过程最为简易的TAUS 优势不明显且局限较多，将被其他USG 技术所取代。应用过程较为复杂的TRUS 和TPUS 优势明显且局限相对较少，将成为PCa IGRT 中的应用和研究热点。同时，上述两种USG 技术将进一步提高PCa IGRT 增益。