超聲成像在前列腺癌圖像引導(dǎo)放療中的應(yīng)用

趙超越，田龍

河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院 放療科，河北 張家口 075000

引言

針對前列腺癌（Prostate Cancer，PCa）的圖像引導(dǎo)放療（Image Guided Radiotherapy，IGRT）已被證明能夠有效改善患者預(yù)后并延長生存期[1-3]。PCa IGRT 的關(guān)鍵在于靶區(qū)定位，高精度的靶區(qū)位置校準(zhǔn)是獲得一系列治療增益的先決條件[4-6]。大量研究證明，基于內(nèi)置黃金基準(zhǔn)標(biāo)志物（Gold Fiducial Marker，GFM）的錐形束CT（Cone Beam CT，CBCT）校準(zhǔn)不僅臨床可行性高，而且精度顯著高于其他圖像引導(dǎo)技術(shù)[7-9]。然而，分次治療前基于GFM 的CBCT 校準(zhǔn)存在一定局限性：① PCa常規(guī)分割照射次數(shù)已接近30 次，分次治療期的CBCT 校準(zhǔn)使患者受到較多額外照射； 查元梓等[10]發(fā)現(xiàn)，單次盆部CBCT 掃描額外劑量約為（5.12±0.01） cGy（準(zhǔn)直器選擇F0）；IGRT 結(jié)束時，患者額外照射劑量可能會高達(dá)150 cGy，接近一個分次的處方劑量；額外劑量增加了患者二次原位癌發(fā)生率[11-13]。② CBCT 校準(zhǔn)只能糾正分次治療間靶區(qū)位置誤差，無法實時糾正分次治療內(nèi)誤差；目前，較為成熟的分次治療內(nèi)實時靶區(qū)位置校準(zhǔn)方法為電子射野影像裝置（Electronic Portal Imaging Device，EPID）成像和超聲成像（Ultrasonography，USG）[14-16]。③ CBCT 無法引導(dǎo)GFM 置入并對置入位置進(jìn)行評價。

近年來，隨著軟硬件水平的提高，USG 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于PCa IGRT 中。其中，以經(jīng)腹超聲（Trans-Abdominal Ultrasound，TAUS）、經(jīng)直腸超聲（Trans-Rectal Ultrasound，TRUS）和經(jīng)會陰超聲（Trans-Perineal Ultrasound，TPUS）為主。相比CBCT 等圖像引導(dǎo)技術(shù)，USG 技術(shù)具有多功能、無輻射、無創(chuàng)傷、低成本和高精度等優(yōu)勢[17-19]。同時，基于USG 的靶區(qū)位置校準(zhǔn)可糾正分次治療間或內(nèi)的兩種靶區(qū)位置誤差[20]。為了讓放療從業(yè)者更深入地了解USG 技術(shù)在PCa IGRT 中的應(yīng)用，本文對TAUS、TRUS和TPUS這3種技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性綜述。

1 TAUS技術(shù)

1.1 應(yīng)用過程

TAUS 操作最為簡易，主要用于分次治療間或內(nèi)的PCa 靶區(qū)位置校準(zhǔn)。TAUS 的操作過程為：將探頭固定于下腹部前列腺上方，在膀胱充盈時對PCa 靶區(qū)成像。通過將二維PCa 靶區(qū)超聲影像同首次治療前影像進(jìn)行比較和校準(zhǔn)，糾正靶區(qū)位置誤差。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢、局限與進(jìn)展

TAUS 的唯一優(yōu)勢為操作簡易。作為一種最早應(yīng)用于IGRT 的USG 技術(shù)，TAUS 存在較多局限：① 探頭相對前列腺較遠(yuǎn)，圖像質(zhì)量較低，尤其是肥胖患者下腹部脂肪較厚時，探頭聲波會加劇衰減并形成偽影；② 為了限制PCa 靶區(qū)位移同時提高TAUS 校準(zhǔn)精度，需使患者膀胱充盈，而上述操作會提高放療中膀胱壁劑量并引發(fā)放射性炎癥；③ TAUS 用于分次治療內(nèi)實時靶區(qū)位置校準(zhǔn)時，內(nèi)含金屬的探頭會對輸出劑量造成影響；④ TAUS校準(zhǔn)精度易受探頭壓力和聲速影響。鑒于優(yōu)勢不明顯且局限較多，未來TAUS 將逐漸被其他USG 技術(shù)所取代。

2 TRUS技術(shù)

2.1 應(yīng)用過程

TRUS 的操作較為復(fù)雜，主要用于引導(dǎo)GFM 置入和對置入位置進(jìn)行評價。圖1a 為TRUS 引導(dǎo)GFM 置入實際操作范例[21-23]，操作中使用了C 型臂X 線（C-arm X-ray，CX）設(shè)備對GFM 置入位置進(jìn)行驗證。將仰臥于放療定位用的真空塑形墊上的患者雙腿置于固定支架上，使其保持截石位；通過 TRUS 引導(dǎo)和細(xì)針抽吸術(shù)將GFM 置入PCa 靶區(qū)內(nèi) ；通過CX 設(shè)備上模擬量角器將其設(shè)置為同床 0/90°角；最后通過球管拍攝正/側(cè)位GFM 位置驗證片。圖1b 為CX 設(shè)備拍攝的包含探頭和針頭在內(nèi)的側(cè)位驗證片。

除用于引導(dǎo)GFM 置入外，TRUS 還可用于對GFM置入位置進(jìn)行評價。GFM 置入位置不能緊鄰尿道區(qū)域或前列腺包膜區(qū)域，避免尿道破裂時因排尿或滑入包膜而丟失。TRUS 軟組織分辨率較高，根據(jù)TRUS 影像評價GFM 置入位置以避免上述不良事件。另外，GFM 置入后可發(fā)生自發(fā)性位移或旋轉(zhuǎn)，根據(jù)TRUS 影像評價GFM 位置變化以保證GFM 的穩(wěn)定性。

2.2 應(yīng)用優(yōu)勢、局限與進(jìn)展

TRUS 的優(yōu)勢在于較高的實時成像質(zhì)量：① 同其他X 線成像設(shè)備相比，TRUS 可實時成像，GFM 位置驗證方法除上文提到的CX 設(shè)備外，還包括CT 和CBCT，但是上述X 線成像設(shè)備均不具備實時性，無法實時引導(dǎo)和修正GFM 置入；② 同其他USG 技術(shù)相比，TRUS 距離前列腺最近，更容易分辨前列腺內(nèi)各組織結(jié)構(gòu)，從而將GFM 置于合適位置。TAUS 和TPUS 顯然距離前列腺較遠(yuǎn)，成像和引導(dǎo)質(zhì)量無法同TRUS 相比。

TRUS 的局限在于會引發(fā)諸多不良事件：① 若患者肛門或直腸存在病變，則無法插入探頭，在此情況下，只能選擇TAUS 或TPUS，并通過經(jīng)會陰途徑穿刺置入GFM。② 無論經(jīng)直腸還是經(jīng)會陰途徑穿刺置入GFM，均會引發(fā)相應(yīng)部位的感染，大量研究表明，GFM 置入中直腸和會陰的感染率分別為5%～10%和5%～8%[24-25]。因此，TRUS 在引導(dǎo)GFM 置入和對置入位置進(jìn)行評價時可能會加劇感染程度。③ 探頭存在一定體積，會擠壓前列腺體；若患者存在前列腺肥大、嚴(yán)重鈣化或炎癥等并發(fā)癥，探頭可能會加劇GFM 置入所引發(fā)的前列腺出血和炎癥。大量研究表明，TRUS 引導(dǎo)下GFM 置入過程中前列腺嚴(yán)重出血率為4%～7%[26-27]，因此，TRUS 在引導(dǎo)GFM 置入和對置入位置進(jìn)行評價時可能會加劇出血程度。

目前，TRUS 作為一種獨(dú)特的GFM 置入引導(dǎo)和位置評價技術(shù)，需首先處理好探頭可能對患者造成的不良事件。TRUS 的探頭必須經(jīng)過嚴(yán)格的消毒處理，同時盡量小型化以減小對器官的刺激。TRUS 在PCa IGRT 中的應(yīng)用為開展基于GFM 的IGRT 奠定了基礎(chǔ)。通過基于GFM 的IGRT進(jìn)一步提高了PCa靶區(qū)位置準(zhǔn)確度，從而提高了IGRT增益。

3 TPUS技術(shù)

3.1 應(yīng)用過程

TPUS 操作最為復(fù)雜，主要用于分次治療間或內(nèi)的PCa 靶區(qū)位置校準(zhǔn)。TPUS 的操作可分為基于GFM 的PCa 靶區(qū)位置校準(zhǔn)和基于軟組織的靶區(qū)位置校準(zhǔn)兩種。本文以Clarity 系統(tǒng)為例，對第一種操作分4 步進(jìn)行了詳述[28]：① 定位階段。將患者置于放療用真空塑形墊或其他定位裝置上，處截石位并排空膀胱和直腸，矢狀位上，股骨翹起約15°～30°（圖2a）；冠狀位上，雙腿分開約30°（圖2b，黑箭頭指Clarity 系統(tǒng)基座，下同）；將基座置于放療機(jī)床上距恥骨聯(lián)合10 cm 處，將探頭固定于基座上并觸及前列腺會陰投影處（圖2c，紅箭頭指Clarity 系統(tǒng)探頭）。② 計劃設(shè)計階段。采用C5-2 低頻凸陣探頭采集患者三維盆腔影像并上傳至Clarity 系統(tǒng)靶區(qū)勾畫工作站；通過工作站勾畫靶區(qū)和危及器官，特別注意GFM 的準(zhǔn)確勾畫，獲得計劃TPUS 影像。③ 計劃驗證階段。將Autoscan 探頭固定于基座上完全同定位時位置相同并在分次治療間或內(nèi)成像，獲得驗證TPUS 影像，通過Clarity 系統(tǒng)圖像引導(dǎo)工作站進(jìn)行基于GFM 的“目標(biāo)體積覆蓋估計”計算，獲取GFM 在左右、頭腳、腹背3 個方向上的位移。④ 根據(jù)位移結(jié)果糾正擺位誤差。基于軟組織的TPUS 操作差別僅在于“目標(biāo)體積覆蓋估計”對象由GFM 變?yōu)榍傲邢佟?/p>

圖2 定位階段患者和Clarity系統(tǒng)位置

3.2 應(yīng)用比較

本文收集了基于GFM 的TPUS 校準(zhǔn)同其他主流校準(zhǔn)方法的比較，包括CBCT 和EPID 兩種。以CBCT 為參考，Camps 等[29]評價了TPUS 在PCa 分次治療間校準(zhǔn)中的應(yīng)用價值。該研究對PCa 患者進(jìn)行了分次治療間基于GFM的CBCT 和TPUS 校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)兩種方法校準(zhǔn)數(shù)據(jù)在左右、頭腳、腹背3 個方向上一致性良好，3 個方向上TPUS 相對CBCT 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)差異＜3 mm 的對數(shù)均＞75%。以EPID為參考，冀鑫等[28]評價了TPUS 在PCa 分次治療內(nèi)校準(zhǔn)中的應(yīng)用價值。該研究對PCa 患者進(jìn)行了分次治療內(nèi)的實時EPID 和TPUS 校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)兩種方法校準(zhǔn)數(shù)據(jù)在左右、頭腳、腹背3 個方向上均具有中度以上的相關(guān)性和良好的一致性。總之，同主流分次治療間圖像引導(dǎo)技術(shù)相比，TPUS 校準(zhǔn)結(jié)果同其一致性較好且相差較小，具有替代前者的潛力；同主流分次治療內(nèi)實時圖像引導(dǎo)技術(shù)相比，TPUS 綜合優(yōu)勢更顯著，可作為前者的替代方法。

3.3 應(yīng)用優(yōu)勢、局限與進(jìn)展

TPUS 的優(yōu)勢：① TPUS 用于分次治療間PCa 靶區(qū)位置校準(zhǔn)時精度可媲美CBCT，用于分次治療內(nèi)實時靶區(qū)位置校準(zhǔn)時精度高于EPID，因此，TPUS 可取代二者成為靶區(qū)位置校準(zhǔn)的主要方法。② 相較于二維的TAUS，能夠提供三維靶區(qū)位置校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的TPUS 顯然更具優(yōu)勢；另外，如前所述，TPUS 還可作為TRUS 的補(bǔ)充，在無法執(zhí)行TRUS 時引導(dǎo)GFM 置入和對置入位置進(jìn)行評價。

TPUS 的局限[30]：① 探頭壓力。盡管在定位和治療階段嚴(yán)格控制了患者和設(shè)備的位置，特別是探頭相對會陰處的位置和壓力，但依然有可能在成像時出現(xiàn)因探頭位置和壓力變化而導(dǎo)致的誤差。造成該問題的原因可能是由于患者和設(shè)備位置重復(fù)性差，存在一定的位移（特別是更換探頭后導(dǎo)致的位移和壓力差），也可能是探頭耦合劑涂抹不均勻。② 劑量擾動。在分次治療內(nèi)進(jìn)行實時TPUS 成像時，探頭中的金屬可能會對輸出劑量造成影響。截至目前還沒有研究量化探頭中金屬對劑量的擾動程度，但已有輻射透性的探頭研制成功。③ 聲速。Clarity 系統(tǒng)通常采用固定聲速（1540 m/s）成像，該聲速適用于大部分人體軟組織，但該聲速在各器官邊界容易形成偽影和圖像失真。可通過相同定位條件下的CT重建影像來修正偽影和失真。

目前，TPUS 的研究熱點(diǎn)主要集中于同其他醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行融合方面。TPUS 同CT、磁共振（Magnetic Resonance，MR）等影像進(jìn)行融合具有重要的臨床意義：① 融合后圖像更有利于靶區(qū)的勾畫。相比CT 和MR 影像，TPUS 影像空間分辨率較低。因此，利用融合圖像勾畫靶區(qū)更加準(zhǔn)確，可獲得高質(zhì)量的計劃TPUS 影像。② 融合后圖像有助于降低USG 偽影和失真。例如，通過相同定位條件下的CT 重建影像同TPUS 影像融合，可修正由于聲速或折射等因素引發(fā)的器官邊界處偽影和失真。TPUS 在PCa IGRT 中的應(yīng)用為顯著提高PCa 靶區(qū)位置準(zhǔn)確度奠定了基礎(chǔ)，特別是聯(lián)合TRUS和GFM時。較高的靶區(qū)位置準(zhǔn)確度最終提高了IGRT 增益。

4 總結(jié)與展望

PCa IGRT 中應(yīng)用過程最為簡易的TAUS 優(yōu)勢不明顯且局限較多，將被其他USG 技術(shù)所取代。應(yīng)用過程較為復(fù)雜的TRUS 和TPUS 優(yōu)勢明顯且局限相對較少，將成為PCa IGRT 中的應(yīng)用和研究熱點(diǎn)。同時，上述兩種USG 技術(shù)將進(jìn)一步提高PCa IGRT 增益。