超聲成像在前列腺癌圖像引導放療中的應用

趙超越，田龍

河北北方學院附屬第一醫院 放療科，河北 張家口 075000

引言

針對前列腺癌（Prostate Cancer，PCa）的圖像引導放療（Image Guided Radiotherapy，IGRT）已被證明能夠有效改善患者預后并延長生存期[1-3]。PCa IGRT 的關鍵在于靶區定位，高精度的靶區位置校準是獲得一系列治療增益的先決條件[4-6]。大量研究證明，基于內置黃金基準標志物（Gold Fiducial Marker，GFM）的錐形束CT（Cone Beam CT，CBCT）校準不僅臨床可行性高，而且精度顯著高于其他圖像引導技術[7-9]。然而，分次治療前基于GFM 的CBCT 校準存在一定局限性：① PCa常規分割照射次數已接近30 次，分次治療期的CBCT 校準使患者受到較多額外照射； 查元梓等[10]發現，單次盆部CBCT 掃描額外劑量約為（5.12±0.01） cGy（準直器選擇F0）；IGRT 結束時，患者額外照射劑量可能會高達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生率[11-13]。② CBCT 校準只能糾正分次治療間靶區位置誤差，無法實時糾正分次治療內誤差；目前，較為成熟的分次治療內實時靶區位置校準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GFM 置入并對置入位置進行評價。

近年來，隨著軟硬件水平的提高，USG 技術已廣泛應用于PCa IGRT 中。其中，以經腹超聲（Trans-Abdominal Ultrasound，TAUS）、經直腸超聲（Trans-Rectal Ultrasound，TRUS）和經會陰超聲（Trans-Perineal Ultrasound，TPUS）為主。相比CBCT 等圖像引導技術，USG 技術具有多功能、無輻射、無創傷、低成本和高精度等優勢[17-19]。同時，基于USG 的靶區位置校準可糾正分次治療間或內的兩種靶區位置誤差[20]。為了讓放療從業者更深入地了解USG 技術在PCa IGRT 中的應用，本文對TAUS、TRUS和TPUS這3種技術進行了系統性綜述。

1 TAUS技術

1.1 應用過程

TAUS 操作最為簡易，主要用于分次治療間或內的PCa 靶區位置校準。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 靶區成像。通過將二維PCa 靶區超聲影像同首次治療前影像進行比較和校準，糾正靶區位置誤差。

1.2 應用優勢、局限與進展

TAUS 的唯一優勢為操作簡易。作為一種最早應用于IGRT 的USG 技術，TAUS 存在較多局限：① 探頭相對前列腺較遠，圖像質量較低，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 靶區位移同時提高TAUS 校準精度，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放射性炎癥；③ TAUS 用于分次治療內實時靶區位置校準時，內含金屬的探頭會對輸出劑量造成影響；④ TAUS校準精度易受探頭壓力和聲速影響。鑒于優勢不明顯且局限較多，未來TAUS 將逐漸被其他USG 技術所取代。

2 TRUS技術

2.1 應用過程

TRUS 的操作較為復雜，主要用于引導GFM 置入和對置入位置進行評價。圖1a 為TRUS 引導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）設備對GFM 置入位置進行驗證。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 引導和細針抽吸術將GFM 置入PCa 靶區內 ；通過CX 設備上模擬量角器將其設置為同床 0/90°角；最后通過球管拍攝正/側位GFM 位置驗證片。圖1b 為CX 設備拍攝的包含探頭和針頭在內的側位驗證片。

除用于引導GFM 置入外，TRUS 還可用于對GFM置入位置進行評價。GFM 置入位置不能緊鄰尿道區域或前列腺包膜區域，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 置入后可發生自發性位移或旋轉，根據TRUS 影像評價GFM 位置變化以保證GFM 的穩定性。

2.2 應用優勢、局限與進展

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

TRUS 的局限在于會引發諸多不良事件：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，并通過經會陰途徑穿刺置入GFM。② 無論經直腸還是經會陰途徑穿刺置入GFM，均會引發相應部位的感染，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GFM 置入和對置入位置進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、嚴重鈣化或炎癥等并發癥，探頭可能會加劇GFM 置入所引發的前列腺出血和炎癥。大量研究表明，TRUS 引導下GFM 置入過程中前列腺嚴重出血率為4%～7%[26-27]，因此，TRUS 在引導GFM 置入和對置入位置進行評價時可能會加劇出血程度。

目前，TRUS 作為一種獨特的GFM 置入引導和位置評價技術，需首先處理好探頭可能對患者造成的不良事件。TRUS 的探頭必須經過嚴格的消毒處理，同時盡量小型化以減小對器官的刺激。TRUS 在PCa IGRT 中的應用為開展基于GFM 的IGRT 奠定了基礎。通過基于GFM 的IGRT進一步提高了PCa靶區位置準確度，從而提高了IGRT增益。

3 TPUS技術

3.1 應用過程

TPUS 操作最為復雜，主要用于分次治療間或內的PCa 靶區位置校準。TPUS 的操作可分為基于GFM 的PCa 靶區位置校準和基于軟組織的靶區位置校準兩種。本文以Clarity 系統為例，對第一種操作分4 步進行了詳述[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 系統基座，下同）；將基座置于放療機床上距恥骨聯合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 系統探頭）。② 計劃設計階段。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 系統靶區勾畫工作站；通過工作站勾畫靶區和危及器官，特別注意GFM 的準確勾畫，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成像，獲得驗證TPUS 影像，通過Clarity 系統圖像引導工作站進行基于GFM 的“目標體積覆蓋估計”計算，獲取GFM 在左右、頭腳、腹背3 個方向上的位移。④ 根據位移結果糾正擺位誤差?；谲浗M織的TPUS 操作差別僅在于“目標體積覆蓋估計”對象由GFM 變為前列腺。

圖2 定位階段患者和Clarity系統位置

3.2 應用比較

本文收集了基于GFM 的TPUS 校準同其他主流校準方法的比較，包括CBCT 和EPID 兩種。以CBCT 為參考，Camps 等[29]評價了TPUS 在PCa 分次治療間校準中的應用價值。該研究對PCa 患者進行了分次治療間基于GFM的CBCT 和TPUS 校準，發現兩種方法校準數據在左右、頭腳、腹背3 個方向上一致性良好，3 個方向上TPUS 相對CBCT 校準數據差異＜3 mm 的對數均＞75%。以EPID為參考，冀鑫等[28]評價了TPUS 在PCa 分次治療內校準中的應用價值。該研究對PCa 患者進行了分次治療內的實時EPID 和TPUS 校準，發現兩種方法校準數據在左右、頭腳、腹背3 個方向上均具有中度以上的相關性和良好的一致性?？傊?，同主流分次治療間圖像引導技術相比，TPUS 校準結果同其一致性較好且相差較小，具有替代前者的潛力；同主流分次治療內實時圖像引導技術相比，TPUS 綜合優勢更顯著，可作為前者的替代方法。

3.3 應用優勢、局限與進展

TPUS 的優勢：① TPUS 用于分次治療間PCa 靶區位置校準時精度可媲美CBCT，用于分次治療內實時靶區位置校準時精度高于EPID，因此，TPUS 可取代二者成為靶區位置校準的主要方法。② 相較于二維的TAUS，能夠提供三維靶區位置校準數據的TPUS 顯然更具優勢；另外，如前所述，TPUS 還可作為TRUS 的補充，在無法執行TRUS 時引導GFM 置入和對置入位置進行評價。

TPUS 的局限[30]：① 探頭壓力。盡管在定位和治療階段嚴格控制了患者和設備的位置，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因探頭位置和壓力變化而導致的誤差。造成該問題的原因可能是由于患者和設備位置重復性差，存在一定的位移（特別是更換探頭后導致的位移和壓力差），也可能是探頭耦合劑涂抹不均勻。② 劑量擾動。在分次治療內進行實時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 的研究熱點主要集中于同其他醫學影像進行融合方面。TPUS 同CT、磁共振（Magnetic Resonance，MR）等影像進行融合具有重要的臨床意義：① 融合后圖像更有利于靶區的勾畫。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更加準確，可獲得高質量的計劃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的器官邊界處偽影和失真。TPUS 在PCa IGRT 中的應用為顯著提高PCa 靶區位置準確度奠定了基礎，特別是聯合TRUS和GFM時。較高的靶區位置準確度最終提高了IGRT 增益。

4 總結與展望

PCa IGRT 中應用過程最為簡易的TAUS 優勢不明顯且局限較多，將被其他USG 技術所取代。應用過程較為復雜的TRUS 和TPUS 優勢明顯且局限相對較少，將成為PCa IGRT 中的應用和研究熱點。同時，上述兩種USG 技術將進一步提高PCa IGRT 增益。