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基于smart LMC算法的動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)技術(shù)在舌癌術(shù)后放療中的劑量學(xué)研究

2019-11-29 09:03岳堃姚原賈曉斌董曉慶袁崢璽
關(guān)鍵詞:靶區(qū)劑量葉片

岳堃,姚原,賈曉斌,董曉慶,袁崢璽

1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院放療科,上海201900;2.上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,上海200444;3.同濟(jì)大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院放療科,上海200072

前言

全球腫瘤發(fā)病率和死亡率呈快速上升趨勢,腫瘤的放射治療是腫瘤治療的手段之一,目前腫瘤的調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)為主流技術(shù)[1]。隨著物理及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,多葉準(zhǔn)直器(Multileaf Collimator,MLC)技術(shù)日趨完善,使得調(diào)強(qiáng)放療(IMRT)在腫瘤臨床放射治療中得到越來越廣泛的應(yīng)用[2-7]。在IMRT治療中,射線強(qiáng)度的調(diào)制是借助MLC葉片的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)劑量的不均勻分布。根據(jù)葉片運(yùn)動(dòng)方式和出束關(guān)系的不同,通常以兩種模式來實(shí)現(xiàn):靜態(tài)調(diào)強(qiáng)[8-10]和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)[11-14]。在靜態(tài)調(diào)強(qiáng)方法中,不同調(diào)制強(qiáng)度的子野按照特定的順序以“步進(jìn)”的方式進(jìn)出束,即葉片在運(yùn)動(dòng)的過程中加速器處于停止出束的狀態(tài),葉片運(yùn)動(dòng)到達(dá)各自指定位置并保持靜止后才開始出束。而在動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)中,葉片以不斷變化的速度始終保持運(yùn)動(dòng),且在整個(gè)葉片運(yùn)動(dòng)過程中,加速器均處于出束狀態(tài)。在Varian自主研發(fā)的治療計(jì)劃系統(tǒng)Eclipse中,這兩種調(diào)強(qiáng)方式可通過靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放療(Step-and-Shoot,SS)和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)放療(Sliding Window,SW)技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)。

在前期的研究中,國內(nèi)外學(xué)者比較了兩種優(yōu)化方式在鼻咽癌、前列腺癌及乳腺癌等病例中的劑量學(xué)差異,發(fā)現(xiàn)采用SW技術(shù)具有較好的靶區(qū)劑量分布,而SS模式對(duì)正常組織的保護(hù)則略優(yōu)于SW[15-16]。在SS技術(shù)下,優(yōu)化結(jié)果也會(huì)受到強(qiáng)度級(jí)數(shù)的影響。Budgell[17]研究表明SS模式下,強(qiáng)度級(jí)數(shù)為15~25,足以滿足計(jì)劃需求。Keller-Reichenbecher等[18]報(bào)道,普通的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃,強(qiáng)度級(jí)數(shù)只需等級(jí)5即可。葛寧等[19]對(duì)不同強(qiáng)度級(jí)數(shù)SS及SW在治療效率、靶區(qū)和危及器官的劑量學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較,建議強(qiáng)度級(jí)數(shù)10的SS模式進(jìn)行鼻咽癌放射治療。Chui等[15]研究發(fā)現(xiàn),SS強(qiáng)度級(jí)數(shù)為10時(shí),就能得出具有與SW相當(dāng)?shù)挠?jì)算結(jié)果;強(qiáng)度級(jí)數(shù)增至20以上,優(yōu)化結(jié)果也幾乎沒有獲益。對(duì)一些非復(fù)雜計(jì)劃,使用強(qiáng)度級(jí)數(shù)5即可完成。

13.6版本的Eclipse治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)中,對(duì)SW技術(shù)采用一種新的葉片運(yùn)動(dòng)優(yōu)化算法smart LMC(smart Leaf Motion Calculator),配合高精度多葉準(zhǔn)直器(High-Definition Multileaf Collimator,HD-MLC;120葉準(zhǔn)直器,總寬度22 cm,中心32對(duì)葉片寬度0.25 cm,兩邊各14對(duì)葉片寬度0.50 cm)的速鋒刀(EDGE),使得調(diào)強(qiáng)計(jì)劃具有更為優(yōu)化的劑量分布。本文旨在探討裝配了全新軟硬件設(shè)施的速鋒刀上不同調(diào)強(qiáng)技術(shù)的劑量學(xué)比較。

1 材料與方法

1.1 病例選擇

結(jié)合上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院頭頸腫瘤外科的特色,選取26例舌癌(分期為T2-3N1-2M0)術(shù)后的病例,其中男16例,女10例,年齡45~68歲,中位年齡55歲。由于速鋒刀的葉片總寬度僅為22 cm,在兼顧計(jì)劃復(fù)雜性的同時(shí),選取病人的靶區(qū)頭腳方向長度均小于20 cm。

1.2 CT定位和靶區(qū)勾畫

根據(jù)患者手術(shù)前后的臨床檢查、CT/MRI等影像學(xué)資料、病理及ICRU 83號(hào)報(bào)告靶區(qū)定義原則,在掃描層厚為2.5 mm的定位CT上由同一位副主任醫(yī)師進(jìn)行靶區(qū)和正常組織的勾畫。高危亞臨床靶區(qū)(術(shù)前瘤體邊緣3D方向加1.0~1.5 cm,若原發(fā)灶不明或外放后未包術(shù)床時(shí)則需將術(shù)床作為靶區(qū))及高危淋巴結(jié)區(qū)(轉(zhuǎn)移淋巴區(qū)及其下一站淋巴區(qū))給予60 Gy/30 F的照射劑量;對(duì)側(cè)頸部低危預(yù)防區(qū)(如pN1即需包括對(duì)側(cè)II-IV區(qū)淋巴結(jié))給予54 Gy/30 F的劑量照射[17]。

1.3 計(jì)劃制定

對(duì)26例病例分別制定3個(gè)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃,每個(gè)計(jì)劃采用6 MV的X線以九野均分的方式進(jìn)行照射。在計(jì)劃優(yōu)化時(shí)分別選擇SW和SS兩種方式進(jìn)行,其中SS優(yōu)化時(shí),結(jié)合前人研究結(jié)果,強(qiáng)度級(jí)數(shù)選擇默認(rèn)等級(jí)10。EDGE作為TrueBeam系列的高端機(jī)型,結(jié)合新版本Eclipse中的smart LMC算法,可在軟硬件上支持一種新的技術(shù)—鉛門跟隨(Jaw Tracking),因此第3個(gè)計(jì)劃基于smart LMC算法的新動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)放療(SW-smart)即采用smart LMC算法,運(yùn)用Jaw Tracking技術(shù)的SW優(yōu)化方式。

1.4 計(jì)劃評(píng)估

將計(jì)劃歸一為60 Gy處方劑量覆蓋95%的PTV60體積,參考ICRU 83號(hào)報(bào)告,分別對(duì)3個(gè)計(jì)劃進(jìn)行劑量學(xué)的分析與評(píng)估。

1.4.1 靶區(qū)評(píng)估在評(píng)估靶區(qū)時(shí),主要評(píng)估靶區(qū)的以下幾項(xiàng)參數(shù):近似最小劑量D98%,近似最大劑量D2%,中位劑量D50%,均勻性指數(shù)(HI)及適形度指數(shù)(CI)。HI=(D2%-D98%)/D50%,CI=VT,ref/VT×VT,ref/Vref,其 中 D2%、D98%、D50%分別表示2%、98%和50%PTV所受的照射劑量;VT,ref為參考等劑量線包繞的靶區(qū)體積,VT為靶區(qū)體積,Vref為全身接受處方劑量的體積。HI值越接近0,靶區(qū)均勻性越好;CI值小于等于1,越接近1,靶區(qū)適形度越高??紤]到PTV60的影響,PTV54的CI值此處不作評(píng)估。

1.4.2 危及器官評(píng)估脊髓和腦干的最高劑量(Dmax),喉的平均劑量(Dmean)及50 Gy劑量線包繞的體積V50,左右腮腺Dmean及30 Gy劑量線包繞的體積V30,咽縮肌及唇Dmean。

1.5 機(jī)器跳數(shù)及治療時(shí)間的測量

分別記錄所有病人3種計(jì)劃的平均機(jī)器跳數(shù)和治療時(shí)間(不包括擺位時(shí)間,從第一個(gè)野出束開始至最后一個(gè)野出束完成所需的時(shí)間),比較不同計(jì)劃的臨床實(shí)施效率。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

用SPSS軟件對(duì)優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。每個(gè)病例的3種優(yōu)化結(jié)果均采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,均值比較采用單因素方差分析(one-wayANOVA)。組間的兩兩比較選用LSD-t檢驗(yàn),P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)評(píng)估

3種不同技術(shù)優(yōu)化結(jié)果中,靶區(qū)的劑量學(xué)評(píng)估比較及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果如表1和表2所示。由結(jié)果可以看出,3種算法的靶區(qū)評(píng)估比較對(duì)于高危靶區(qū)和預(yù)防靶區(qū),體現(xiàn)出相同的規(guī)律:(1)與SS相比,SW可有效控制靶區(qū)的高量,且運(yùn)用Jaw Tracking技術(shù)SW-smart靶區(qū)D2%最低,高量控制最好;3種算法結(jié)果之間的比較均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。(2)對(duì)靶區(qū)近似最小劑量D98%的評(píng)估,3種算法之間不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。(3)動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)技術(shù)在降低中位劑量D50%、提高靶區(qū)HI及CI方面體現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。SW與SW-smart的靶區(qū)D50%均小于SS(更接近處方劑量),CI值均高于SS(更接近1),HI值均小于SS(更接近0),結(jié)果均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;SW-smart這3項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)略優(yōu)于SW,但二者之間的比較沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 不同計(jì)劃的靶區(qū)評(píng)估比較(±s)Tab.1 Comparison of target evaluations among different treatment plans(Mean±SD)

表1 不同計(jì)劃的靶區(qū)評(píng)估比較(±s)Tab.1 Comparison of target evaluations among different treatment plans(Mean±SD)

images/BZ_22_1308_842_2303_917.pngPTV60 PTV54 D2%/cGy D98%/cGy D50%/cGy CI HI D2%/cGy D98%/cGy D50%/cGy HI 6 278.89±43.87 5 942.69±23.18 6 157.04±25.34 0.91±0.03 0.06±0.01 5 647.25±44.85 5 411.71±44.47 5 554.47±39.62 0.04±0.01 6 402.45±47.93 5 932.09±22.72 6 197.23±34.57 0.85±0.08 0.07±0.01 5 745.21±56.00 5 389.19±47.29 5 594.79±39.65 0.07±0.01 6 334.30±49.56 5 935.75±21.79 6 170.17±36.49 0.89±0.04 0.06±0.01 5 679.80±56.32 5 403.58±41.82 5 571.02±40.18 0.05±0.01

2.2 危及器官評(píng)估

各危及器官的劑量學(xué)評(píng)估比較及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果如表3和表4所示。對(duì)于所有危及器官的計(jì)算結(jié)果,均是SW-smart最優(yōu),SS次之,SW計(jì)劃對(duì)正常組織的保護(hù)最差。但是統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明,SW與SS之間的比較沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,僅SW-smart與其余兩項(xiàng)技術(shù)相比,在正常組織的保護(hù)上具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的優(yōu)勢。同時(shí),對(duì)于評(píng)估劑量體積的參數(shù),如喉的V50及左右腮腺的V30,3種計(jì)劃的優(yōu)化結(jié)果之間均不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.3 機(jī)器跳數(shù)及治療時(shí)間的比較

3種計(jì)劃的平均跳數(shù)及治療時(shí)間如表5所示。在這3種計(jì)劃中,SS的跳數(shù)最少,SW-smart和SW之間沒有明顯差異。SS的治療時(shí)間則是三者當(dāng)中最長的,SW-smart和SW之間同樣沒有明顯差異,二者治療用時(shí)比SS節(jié)省約22%。

3 討論

本文對(duì)舌癌病例不同優(yōu)化方法的比較研究,結(jié)果顯示在新機(jī)型EDGE上,無論是傳統(tǒng)的SW技術(shù)還是結(jié)合新算法的SW-smart技術(shù)與強(qiáng)度級(jí)數(shù)為10的SS模式比較,靶區(qū)劑量分布具有統(tǒng)計(jì)學(xué)優(yōu)勢[20]。固定野動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)能更好地控制靶區(qū)高量,且有更優(yōu)的靶區(qū)適形度、均勻性及更接近處方的中位劑量。如圖1所示,SS和SW的不同優(yōu)化方法導(dǎo)致上述的結(jié)果。圖1中實(shí)線表示劑量強(qiáng)度曲線,左右點(diǎn)線分別表示一對(duì)葉片(leading leaf&trailing leaf)的運(yùn)動(dòng)路徑。SS的優(yōu)化方式是步進(jìn)式的,其劑量強(qiáng)度曲線是離散的,而SW方式是在葉片運(yùn)動(dòng)的過程中不斷出束,劑量強(qiáng)度曲線的變化是連續(xù)的。與SS階梯狀的劑量強(qiáng)度相比,SW的分布曲線更加圓滑,這也使得SW方法的優(yōu)化結(jié)果更加接近最終實(shí)際的劑量分布。

表2 靶區(qū)各評(píng)估參數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析Tab.2 Statistical analysis on evaluation parameters of target areas

對(duì)危及器官受量的分析比較可知,SS和SW對(duì)于正常組織的保護(hù)沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異。Eclipse的SW方法是葉片對(duì)按照從左往右的固定方向運(yùn)動(dòng),開始出束時(shí)葉片對(duì)位于靶區(qū)的左邊界。靶區(qū)需接受大劑量照射的部分,葉片對(duì)是開放的,且處在靶區(qū)內(nèi)部。需低劑量照射的部分,葉片對(duì)會(huì)在治療開始時(shí),在左側(cè)準(zhǔn)直器后面停留一段時(shí)間,之后這些葉片對(duì)在安全的情況下開始以最快的速度向右移動(dòng)。當(dāng)出束結(jié)束時(shí),所有的葉片對(duì)都將停留在靶區(qū)的右邊界。而在出束過程中,每對(duì)葉片中至少有一根葉片在以最大速度運(yùn)動(dòng)(值得注意的是,此處的最大速度和每對(duì)葉片起始及終止位置及強(qiáng)度分布的復(fù)雜度有關(guān),因此每對(duì)葉片有獨(dú)特的最大速度,并不是設(shè)備所允許的固定的最大機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度)。SW連續(xù)的劑量強(qiáng)度曲線在提供比SS方法更好的靶區(qū)劑量分布的同時(shí),不可避免地增加正常組織暴露在射野內(nèi)的時(shí)間和體積。但是上述的SW優(yōu)化策略盡可能縮短了出束時(shí)間,減少了漏射劑量。因此SS方法對(duì)正常組織的保護(hù)雖然略優(yōu)于SW,但是二者之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。而SW-smart方法在傳統(tǒng)優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上采用Jaw Tracking技術(shù),在MLC運(yùn)動(dòng)過程中,鉛門位置并不是停留在靶區(qū)左右邊界之外,而是在不影響靶區(qū)劑量的情況下一直跟隨MLC一同運(yùn)動(dòng),更好地減少葉片間的漏射。因此SW-smart與其余兩種方法相比,對(duì)正常組織的保護(hù)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的優(yōu)勢。

表4 不同計(jì)劃的危及器官評(píng)估比較(±s)Tab.4 Comparison of organs-at-risk evaluation among different treatment plans(Mean±SD)

表4 不同計(jì)劃的危及器官評(píng)估比較(±s)Tab.4 Comparison of organs-at-risk evaluation among different treatment plans(Mean±SD)

images/BZ_24_541_578_718_652.pngimages/BZ_24_541_787_718_921.pngimages/BZ_24_541_1056_718_1131.pngimages/BZ_24_718_578_907_652.pngimages/BZ_24_907_578_1261_652.pngimages/BZ_24_1261_578_1616_652.pngan/cGy 50/cc 2 965.52±72.61 1.56±0.70 3 013.20±70.5 1.76±0.72images/BZ_24_718_787_907_921.pngimages/BZ_24_718_1056_907_1131.pngimages/BZ_24_907_787_1261_921.pngimages/BZ_24_907_1056_1261_1131.pngimages/BZ_24_1261_787_1616_921.pngimages/BZ_24_1261_1056_1616_1131.png結(jié)構(gòu)脊髓喉右側(cè)腮腺唇Dmax/cGy Dme V Dmean/cGy V30/cc Dmean/cGy參數(shù) SW-smart 3 488.01±90.22 2 276.70±34.26 26.10±5.43 1 401.67±21.71 SS 3 568.03±100.98 6 2 355.70±50.33 27.25±5.51 1 428.11±21.34 SW 3 595.07±82.24 3 418.78±139.07 3 040.03±75.67 1.85±0.72 2 343.45±58.41 28.94±5.32 2 359.25±52.25 27.85±5.23 4 089.01±128.06 1 435.36±21.13

表5 不同技術(shù)機(jī)器跳數(shù)及治療時(shí)間比較Tab.5 Comparison of delivery time and monitor units among different techno logies

圖1 SW和SS出束方式示意圖Fig.1 Delivery modes of SW and SS

評(píng)估喉和腮腺的劑量體積參數(shù)時(shí),3種方法之間均沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差別。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是優(yōu)化參數(shù)的目標(biāo)設(shè)定過于寬松,3種方法的優(yōu)化結(jié)果均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目標(biāo)(喉的V50<20%,左右腮腺的V30<50%),并不能體現(xiàn)出各方法的優(yōu)劣。這也為今后的計(jì)劃設(shè)計(jì)提供思路,這些較輕易達(dá)到的正常組織限量可適當(dāng)嚴(yán)格目標(biāo)函數(shù),為患者提供更好的保護(hù)。

與傳統(tǒng)的SW方法相比,新技術(shù)并未增加計(jì)劃跳數(shù)和計(jì)劃的執(zhí)行時(shí)間,雖然連續(xù)出束導(dǎo)致的跳數(shù)比SS方法增加,但計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間卻減少約22%。在臨床實(shí)踐中可有效提高工作效率,并減少因治療時(shí)間過長而引入的靶區(qū)位置誤差,提高治療精度。

綜上所述,Varian的速鋒刀機(jī)型結(jié)合新版本Eclipse中的smart LMC算法,與傳統(tǒng)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)相比,在頭頸部舌癌術(shù)后放射治療計(jì)劃的優(yōu)化上具有明顯的優(yōu)勢。新技術(shù)可提供更好的靶區(qū)劑量分布,提高HI及CI,降低靶區(qū)高量。不同于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng),新技術(shù)在提升靶區(qū)優(yōu)化的同時(shí),新算法的Jaw Tracking技術(shù)為危及器官提供更好的保護(hù)。新技術(shù)并未增加計(jì)劃跳數(shù)和計(jì)劃的執(zhí)行時(shí)間,結(jié)合醫(yī)院的特色,是提高效率、改善舌癌術(shù)后放射治療計(jì)劃的有效可行方案。

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