多次采集計劃CT評價前列腺癌靶區(qū)運動與直腸形變的相關(guān)性

田 龍，范學(xué)武，宋 曉，趙 鑫，胡逸民

(1.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院放療科，河北 張家口 075000；2.河北省人民醫(yī)院心血管內(nèi)科導(dǎo)管室，河北 石家莊 050051；3.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)強放射治療(volumetric modulated arc therapy， VMAT)對于前列腺癌效果明顯[1-3]，其中圖像引導(dǎo)技術(shù)具有重要作用[4-5]；但技術(shù)未應(yīng)用多次采集計劃CT(multiple acquisition planning CT， MAPCT)，且缺少治療前對靶區(qū)位移[6]及直腸形變[7-8]的評價，可能降低放射治療(簡稱放療)計劃質(zhì)量甚至療效。本研究應(yīng)用MAPCT計算靶區(qū)位移和直腸戴斯相似系數(shù)(Dice similarity coefficient， DSC)[9]，并觀察二者的相關(guān)性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 納入2018年8月—2019年8月12例于河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院接受治療的前列腺癌患者，年齡58～72歲，平均(68.5±4.1)歲；Gleason評分[10]≤6分1例，2例7分，9例≥8分。納入標(biāo)準(zhǔn)：①腫瘤僅適于接受放療；②體質(zhì)量指數(shù)18～25 kg/m2；③除前列腺特異性抗原外，其他生理、生化指標(biāo)未見明顯異常。排除標(biāo)準(zhǔn)：①前列腺肥大，伴嚴(yán)重鈣化；②合并直腸息肉或痔瘡。本研究通過醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)(倫理編號：W2021012)。患者對研究內(nèi)容均知情同意并簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Philips iU22彩色多普勒超聲診斷儀，端掃式9-4 v直腸探頭，頻率2～10 MHz。囑患者側(cè)臥，雙腿屈曲，雙手抱膝；局部麻醉直腸肛管并建立靜脈通道[11]后，以5 ml注射器和18G針頭隨超聲探頭進(jìn)入直腸，穿過直腸前壁刺入前列腺體，將3枚Visicoil helical線性金標(biāo)志物(IBA公司)置入靶區(qū)不同層面，間距≥15 mm。

于單次采集計劃CT后第1、2及3天，囑患者排空膀胱及直腸后仰臥于Philips Big Bore CT儀的掃描床上，行盆腔軸位CT平掃，管電壓120 kV，管電流300 mAs，層厚0.5 mm。見圖1。

圖1 患者男，72歲，前列腺癌 A～C.分別為治療前第1～3天軸位MAPCT圖像(體表輪廓正中和兩側(cè)點狀金屬密度影為定位鉛點，綠圈為前列腺，其內(nèi)部點狀金屬密度影為內(nèi)置金標(biāo)志物，紅圈為直腸)； D.第1與第2天MAPCT登記匹配圖像(前列腺內(nèi)2個毗鄰的金標(biāo)志物的距離為其放療前相對位移)

1.3 數(shù)據(jù)處理 采用體素匹配軟件MIM Maestro對3次MAPCT掃描圖像進(jìn)行兩兩配對，實現(xiàn)基于骨骼的登記匹配。將第1天掃描所獲MAPCT圖像分別與第2、3天圖像進(jìn)行基于骨骼的登記匹配，記錄不同MAPCT圖像上代表靶區(qū)位置的3枚內(nèi)置標(biāo)志物中心點在左右、前后及頭足方向上的位移，見圖1。第1天MAPCT掃描左右方向上靶區(qū)中心點位移DLR/day1=(dm/day1～2+dm/day1～3)/2[9]，dm/day1～2、dm/day1～3分別為第1天與第2、3天圖像基于骨骼登記匹配的靶區(qū)位置在左右方向上的位移；第2、3天及其他2個方向位移計算方式同前。于3個方向上各采集3個數(shù)據(jù)，以平均值作為結(jié)果。

以治療前第2天MAPCT圖像為參考，評價治療前第1天直腸形變量(第1次評價)；以治療前第3天圖像評價治療前第2天直腸形變量(第2次評價)；以治療前第1天圖像評價治療前第3天直腸形變量(第3次評價)。根據(jù)參考直腸輪廓和變形直腸輪廓計算直腸DSC，DSC(A，B)=2|A∩B|/(|A|+|B|)[12]，A為參考直腸輪廓線坐標(biāo)集合，B為形變直腸輪廓線坐標(biāo)集合，A∩B為A與B的交集；DSC數(shù)值范圍為0～1，數(shù)值越高代表直腸形變量越小，重合度越高，以DSC>0.7認(rèn)為直腸形變量處于可接受范圍[12]。于3個方向上各采集3個數(shù)據(jù)，以平均值作為結(jié)果。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件。以Shapiro-Wilk檢驗對靶區(qū)MAPCT登記匹配位移和直腸DSC進(jìn)行正態(tài)性檢驗，檢驗標(biāo)準(zhǔn)為P>0.2。以±s表示符合正態(tài)分布的計量資料，采用Pearson相關(guān)性分析評價二者間相關(guān)性，r>0呈正相關(guān)，r<0呈負(fù)相關(guān)。以直腸DSC為自變量(X)，以MAPCT登記匹配位移為因變量(Y)，對具有相關(guān)性的指標(biāo)進(jìn)行一元回歸分析。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 相關(guān)性分析 前后方向MAPCT登記匹配位移與直腸DSC呈明顯正相關(guān)(P<0.05)；左右及頭足方向APCT登記匹配位移與直腸DSC無明顯相關(guān)性(P均>0.05)，見表1。

表1 前列腺癌患者M(jìn)APCT登記匹配位移與直腸DSC的相關(guān)性分析(n=12，±s)

表1 前列腺癌患者M(jìn)APCT登記匹配位移與直腸DSC的相關(guān)性分析(n=12，±s)

方向位移(mm)直腸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頭足0.98±0.570.87±0.030.3970.201

2.2 一元回歸分析 前后方向MAPCT登記匹配位移與直腸形變量的一元回歸方程為Y=-20.39+26.56X(P=0.001),R2=0.84，調(diào)整后R2=0.82，標(biāo)準(zhǔn)估計的誤差為0.13，提示模型擬合較好；標(biāo)準(zhǔn)化殘差直方圖示左右兩側(cè)較對稱(圖2A)，標(biāo)準(zhǔn)化殘差P-P圖可見散點基本靠近斜線(圖2B)，提示殘差正態(tài)性檢驗結(jié)果較好；殘差獨立性檢驗提示殘差獨立，無自相關(guān)，表明模型擬合較好。

圖2 前列腺癌患者M(jìn)APCT登記匹配位移與直腸DSC的一元回歸模型殘差正態(tài)性檢驗圖 A.標(biāo)準(zhǔn)化殘差直方圖； B.標(biāo)準(zhǔn)化殘差P-P圖

3 討論

與4D CT相比，MAPCT成本低，易開展，可彌補4D CT分次內(nèi)無顯著位移部位應(yīng)用效果不佳的欠缺。本研究MAPCT登記匹配位移結(jié)果顯示，金標(biāo)志物在3個方向上均有不同程度位移，由于其發(fā)生于正式分次放療前而常被忽略，故僅以單次采集計劃CT作為放療計劃設(shè)計基礎(chǔ)和圖像引導(dǎo)校準(zhǔn)參考并不可靠。在靶區(qū)邊緣劑量陡變區(qū)域，忽略了分次治療前靶區(qū)位移的單次采集計劃CT不僅無法為設(shè)計放療計劃提供具有統(tǒng)計學(xué)意義的真實數(shù)據(jù)，還可能造成后續(xù)圖像引導(dǎo)校準(zhǔn)誤差。

目前自適應(yīng)放療計劃及圖像引導(dǎo)校準(zhǔn)均在單次采集計劃CT基礎(chǔ)上完成。根據(jù)MAPCT所獲數(shù)據(jù)修正靶區(qū)位置可優(yōu)化自適應(yīng)放療計劃；圖像引導(dǎo)校準(zhǔn)時，修正校準(zhǔn)數(shù)值可降低誤差。未來借鑒4D CT圖像融合技術(shù)而獲得MAPCT融合圖像，或可替代單次采集計劃CT。另外，對于分次內(nèi)顯著位移的腫瘤，通過優(yōu)化圖像處理算法有望獲得與4D CT相當(dāng)或更好的結(jié)果，但仍需深入研究。

本研究直腸DSC結(jié)果顯示，即使保持直腸排空狀態(tài)，前列腺癌放療中仍然無法避免形變，且前后方向形變與MAPCT登記匹配位移具有明顯相關(guān)性。直腸肌肉分為自主神經(jīng)支配的內(nèi)括約肌、聯(lián)合縱肌及軀體神經(jīng)支配的外括約肌、肛提肌。直腸內(nèi)括約肌和聯(lián)合縱肌收縮和舒張是造成直腸前后方向形變的主要原因[13]，且在治療初始階段尤為明顯，之后隨著治療延續(xù)其影響程度逐漸下降；在此過程中以超聲剪切波彈性模量法測量相關(guān)參數(shù)可反映肌肉變化[14]。另一方面，來自前后方向的腹腔內(nèi)壓力亦影響直腸形變程度，對此可采用腹腔鏡測量腹內(nèi)壓[15]進(jìn)行觀察。此外，消化功能不良或室溫不適宜致直腸內(nèi)充氣也可能影響其形變程度。本研究發(fā)現(xiàn)相同方向直腸形變對前列腺癌靶區(qū)左右、頭足方向位移的影響較小且不規(guī)律。對于造成靶區(qū)位移的原因仍需深入研究。

本研究通過一元回歸分析獲得相應(yīng)預(yù)估模型，但由于樣本量有限，且僅能間接反映MAPCT登記匹配位移與直腸形變量間的關(guān)系，未能量化分析造成直腸前后方向形變的直接原因，即肌肉和腹內(nèi)壓的影響。量化肌肉和腹內(nèi)壓的影響并行多元回歸分析修正回歸模型有助于獲得更加真實的預(yù)估結(jié)果。

總之，本研究通過MAPCT初步優(yōu)化放療計劃設(shè)計，降低圖像引導(dǎo)校準(zhǔn)誤差，并建立模型預(yù)估直腸形變量，有助于降低放療對正常組織的損傷。