田龍 閆潔誠 胡逸民 李丹 李慧超

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

容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（volume-modulated arc therapy, VMAT）的圖像引導(dǎo)技術(shù)能夠有效監(jiān)測(cè)治療中靶區(qū)運(yùn)動(dòng)，防止等中心發(fā)生位移，從而保證輸出劑量的準(zhǔn)確性和保護(hù)周圍正常組織[1-2]。在各種基于植入標(biāo)志物校準(zhǔn)的前列腺癌VMAT 圖像引導(dǎo)技術(shù)中，千伏級(jí)錐形束CT 的應(yīng)用較為廣泛[3-4]，但額外產(chǎn)生的輻射劑量相對(duì)較高，可能對(duì)患者造成影響[5-8]。而利用治療射線進(jìn)行成像的兆伏級(jí)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(shí)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(chǔ)上最大程度提高EPID 的校準(zhǔn)精度具有重要的研究意義[12]。

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

1 材料與方法

1.1 標(biāo)志物植入

利用超聲引導(dǎo)針和網(wǎng)格模板[14]（美國CIVCO公司）將4 枚線性金標(biāo)志物（0.8 mm×0.8 mm×1.0 mm，比利時(shí)IBA 公司）植入到Random 仿真人體模型（比利時(shí)IBA 公司）的盆腔部位。定義坐標(biāo)軸：X軸為左右方向、Y軸為頭腳方向、Z軸為腹背方向。標(biāo)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(biāo)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(biāo)為（a,b,0）、（-a,b,0）、（a,-b,0）、（-a,-b,0）；C 模式下植入坐標(biāo)為（a,b,a）、（-a,b,-a）、（a,-b,a）、（-a,-b,-a）；D 模式下植入坐標(biāo)為（0,3b,0）、（a,b,a）、（-a,-b,-a）、（0,-3b,0）。每種植入模式下的組級(jí)坐標(biāo)組合分別見表1～4。

表1 VMAT 標(biāo)志物植入的X-Z 平面（Y=0）（模式A）下4 種組級(jí)坐標(biāo)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(biāo)志物植入的X-Y 平面（Z=0）（模式B）下12 種組級(jí)坐標(biāo)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(biāo)志物植入的斜植入（模式C）下12 種組級(jí)坐標(biāo)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(biāo)志物植入的分散植入（模式D）下12 種組級(jí)坐標(biāo)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(jié)束的前列腺癌患者的VMAT 計(jì)劃（每例2 個(gè)對(duì)稱弧，共50 個(gè)弧），使用Synergy Platform 加速器（瑞典醫(yī)科達(dá)公司）分別對(duì)包含4 枚標(biāo)志物的40 種坐標(biāo)組合的盆腔假體進(jìn)行基于EPID 的IGRT 標(biāo)準(zhǔn)照射，單次劑量約為60 Gy。在照射中，從弧上每個(gè)控制點(diǎn)獲取EPID 平片并用于下一步計(jì)算和分析。

1.3 可探測(cè)性分?jǐn)?shù)的計(jì)算

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

（1）標(biāo)志物數(shù)量加權(quán)因子Wn：首先，規(guī)定若任一枚標(biāo)志物實(shí)際未遮擋或未重疊面積大于以標(biāo)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(shí)，則可探測(cè)標(biāo)志物數(shù)量+1。然后，規(guī)定每張EPID 平片上可探測(cè)到的標(biāo)志物數(shù)量n≥3 時(shí)，Wn=1；n=2 時(shí)，Wn=2/3；n=1 時(shí)，Wn=1/3；n=0 時(shí)，Wn=0。

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

最終，完善后的可探測(cè)性分?jǐn)?shù)D的計(jì)算公式如下：

1.4 最佳植入坐標(biāo)組合與模式確定

分析40 種坐標(biāo)組合的D，確定標(biāo)志物最佳植入坐標(biāo)組合與模式。另外，考慮到臨床實(shí)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(jié)果。因此，本研究應(yīng)用SPSS 19.0 軟件的曲線擬合功能尋找標(biāo)志物在所有模式下及坐標(biāo)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(jié)果的患者仍可在其他模式下或坐標(biāo)組合中獲得相對(duì)較高的D，計(jì)算方法如下。

（1）a 值：除A 模式外（A 模式下直接計(jì)算4 個(gè)坐標(biāo)組合的D與a 值的關(guān)系即可），分別計(jì)算每種模式下，每個(gè)a 值組4 個(gè)坐標(biāo)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(guān)系，進(jìn)行曲線擬合，尋找最大D時(shí)的a 值。

（2）b 值：除A 模式外（A 模式下b 值均為0，直接計(jì)算4 個(gè)坐標(biāo)組合的D與b 值的關(guān)系即可），分別計(jì)算每種模式下，每個(gè)b 值組3 個(gè)坐標(biāo)組合（例如：B5-Ⅰ、B10-Ⅰ、B15-Ⅰ）的D。建立b 值與D的 函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行曲線擬合，尋找最大D時(shí)的b 值。

2 結(jié)果

2.1 可探測(cè)性分?jǐn)?shù)

40 個(gè)組級(jí)坐標(biāo)組合25 次照射的D按降序排列的結(jié)果見圖1，按模式A～D 排列的結(jié)果見圖2。

2.2 最佳植入坐標(biāo)組合與模式

由圖1（組級(jí)結(jié)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(jí)結(jié)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(biāo)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(biāo)志物植入中40 個(gè)組級(jí)坐標(biāo)組合25 次照射的可探測(cè)性分?jǐn)?shù)均值（ D）按降序排列的結(jié)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(biāo)志物植入中40 個(gè)組級(jí)坐標(biāo)組合25 次照射的可探測(cè)性分?jǐn)?shù)均值（ D）按模式A～D 排列的結(jié)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(jié)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(jié)果差，曲線峰值處橫坐標(biāo)a=9.6 mm；由圖4 可見，擬合曲線R2=0.721，擬合結(jié)果良好，曲線峰值處橫坐標(biāo)b=4.6 mm。綜上，當(dāng)a=9.6 mm、b=4.6 mm時(shí)，各種模式下均能獲得較為理想的D。

圖3 VMAT 標(biāo)志物植入中植入坐標(biāo)參數(shù)a 值同可探測(cè)性分?jǐn)?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(biāo)志物植入中植入坐標(biāo)參數(shù)b 值同可探測(cè)性分?jǐn)?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(jié)果顯示，對(duì)于常規(guī)患者（腺體完整，無殘缺或畸形），組級(jí)最佳結(jié)果為B10-Ⅰ，模式級(jí)最佳結(jié)果為D 模式。因此，在充分考慮了手術(shù)操作難易程度，是否會(huì)給患者帶來不良影響等問題后，可參考上述結(jié)果進(jìn)行標(biāo)志物的植入。通過上述操作，可以最大程度地提高標(biāo)志物的可探測(cè)性，進(jìn)而提高其質(zhì)心準(zhǔn)確性，從而優(yōu)化EPID 的校準(zhǔn)精度。

本研究中曲線擬合結(jié)果還顯示，縱坐標(biāo)（D）隨橫坐標(biāo)（a 值或b 值）變化的趨勢(shì)均為先上升、后下降。對(duì)此，可能的原因如下。（1）曲線上升部分：當(dāng)標(biāo)志物距離中心原點(diǎn)位置過近時(shí)，由于缺乏外周標(biāo)志物探測(cè)信息，無法準(zhǔn)確反映前列腺靶區(qū)的旋轉(zhuǎn)變化。隨著a 值和b 值逐漸增大，標(biāo)志物距離中心原點(diǎn)距離增加，外周標(biāo)志物探測(cè)信息逐漸豐富，因此能夠較準(zhǔn)確地反映前列腺靶區(qū)旋轉(zhuǎn)變化，總體探測(cè)分?jǐn)?shù)逐漸增加。（2）曲線下降部分：在VMAT 典型弧形野中，動(dòng)態(tài)多葉準(zhǔn)直器最有可能在前列腺靶區(qū)治療等中心原點(diǎn)周圍打開，距離中心較近的標(biāo)志物被多葉準(zhǔn)直器遮擋的概率不大。隨著射野中心距離的增加，外周標(biāo)志物被多葉準(zhǔn)直器遮擋的概率大大增加，因此D呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)。以上2 種解釋同樣適用于所有組級(jí)坐標(biāo)組合D按模式排列結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

總之，標(biāo)志物在X、Y、Z3 個(gè)方向上相對(duì)中心原點(diǎn)的坐標(biāo)是決定其可探測(cè)性分?jǐn)?shù)的主要因素，過小或過大的直線距離分別會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)信息量的減少和多葉準(zhǔn)直器遮擋概率的增加[15]，因此，將可探測(cè)性分?jǐn)?shù)峰值處的a 值和b 值代入并應(yīng)用到各種模式中，計(jì)算出的最佳坐標(biāo)組合即為各種模式下標(biāo)志物最理想的植入位置。對(duì)于一些前列腺靶區(qū)情況復(fù)雜、植入操作特殊的患者（如前列腺癌術(shù)后放療患者、腺體殘缺患者），或許不適合參考最佳組級(jí)，甚至模式級(jí)結(jié)果進(jìn)行植入手術(shù)，上述結(jié)果為這類患者在其他坐標(biāo)組合或模式下進(jìn)行手術(shù)提供了重要臨床參考。

綜上，本研究獲得了標(biāo)志物最佳植入位置的組級(jí)和模式級(jí)結(jié)果，同時(shí)通過對(duì)該結(jié)果進(jìn)行擬合曲線分析獲得了所有情況下各種模式和坐標(biāo)組合均較為理想的參數(shù)。本研究結(jié)果不僅充分考慮了常規(guī)和特殊患者的臨床實(shí)踐情況，具有普適性，同時(shí)也為基于EPID 聯(lián)合標(biāo)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(zhǔn)精度和治療效果，拓寬了EPID 的應(yīng)用前景。

利益沖突本研究由署名作者按以下貢獻(xiàn)聲明獨(dú)立開展，不涉及任何利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明田龍負(fù)責(zé)研究過程的實(shí)施、實(shí)驗(yàn)的實(shí)施、論文的起草和最終版本的修訂；閆潔誠、李丹、李慧超負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的獲取與分析；胡逸民負(fù)責(zé)研究命題的提出和設(shè)計(jì)。