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腔内和间质内近距离放射治疗累积剂量不确定度的估算

摘要

出身背景

图像引导的自适应近距离放射治疗表明,在施加正常组织时向肿瘤提供高剂量的能力。然而,交流剂量递送引入了高剂量估计的不确定性,这与正常组织毒性有关。本研究的目的是调查近距离放射治疗中两种涂抹方法的高剂量区域。

方法

对于32名宫颈癌患者,将每个部分的CT图像包裹成一个参考图像,并使用基于混合强度的变形配准算法计算位移向量场(DVF)。然后累积部分剂量以计算高剂量(D2cc)的位置和重叠在多重分数中。

后果

膀胱和直肠变形算法的总体骰子相似系数(DSC)分别为(0.97和0.91)。两个治疗探头之间未观察到显著差异。但是,腔内近距离放射治疗(ICBT)的位置高剂量区相对集中,膀胱和直肠D2cc的重叠体积分别为0.42和0.71,高于间质近距离放射治疗(ISBT)(0.26和0.31)使用GEC推荐方法时,ISBT患者的累积剂量被高估。膀胱和直肠D2cc与GEC方法的比率分别为0.99和1,高于ISBT方法(0.96和0.94)。

结论

基于不同治疗探头类型的近距离放射治疗的高剂量区域不同。3D打印ICBT比徒手ISBT具有更好的高剂量区域一致性,因此更具可预测性。

出身背景

图像引导自适应近距离放射治疗(IGBT)已被广泛应用,以提高治疗精度和提高生存率。由于使用高分数剂量和更陡的剂量梯度,评估肿瘤靶点和危险器官的累积剂量-体积(OARs)在近距离放射治疗中,多组分被认为是必不可少的。以前的研究报告,膀胱和直肠的剂量-体积直方图(DVH)参数值越高,辐射毒性风险越高[beplay体育提现不到账 ,beplay体育提现不到账 ]因此,治疗计划应满足欧洲放射治疗和肿瘤学会(GEC-ESTRO)推荐的2 cc最受照射膀胱和直肠最小剂量值(定义为D2cc)的要求[beplay体育提现不到账 然而,D2CC报道了高剂量给器官的递送,并且没有提供这些高剂量区域的空间分布的信息。此外,这种评估策略不考虑可能在部分之间甚至不重叠的区域。

可变形图像配准(DIR)搜索非线性空间变换关系,用于医学图像处理中基于atlas的分割[beplay体育提现不到账 ,beplay体育提现不到账 ]多模态图像融合[beplay体育提现不到账 ,beplay体育提现不到账 ]剂量累积是放射治疗期间DIR的一种应用[beplay体育提现不到账 ,beplay体育提现不到账 ].在固定CT和每个移动CT图像之间计算的DVF有助于通过移动CT图像中的辐射剂量映射固定图像.相关研究包括在外照射放射治疗(EBRT)中使用锥束CT(CBCT)来评估治疗当天肿瘤靶点和OAR接受的实际剂量[beplay体育提现不到账 ,beplay体育提现不到账 ]。累积eBRT和近距离放射治疗(BT)的剂量[beplay体育提现不到账 ],并计算BT组分之间的累积剂量[beplay体育提现不到账 ]。

不幸的是,剂量变形的准确性在很大程度上取决于图像变形。DIR的不确定度随DVF传输到累积剂量变形阶段,影响最终剂量分布,并引入其他不确定度。这些可能是由于BT中的描绘和DIR算法所获得的不确定性造成的[beplay体育提现不到账 ,beplay体育提现不到账 ]Thor等人报告了膀胱广义等效均匀剂量(gEUD)的大小差异,两种DIR算法的中位剂量分别为47 Gy和57 Gy[beplay体育提现不到账 ]Andersen等人报告说,使用较大的结构作为剂量累积的参考框架,当映射到较小的结构时,可能会导致高剂量区域的值增加[beplay体育提现不到账 ]此外,由于不同类型的治疗探头也可能出现不确定性。即使标准模式的治疗探头与外固定一起使用,插入操作也不可避免地导致差异。Lang等人比较了总剂量(EBRT + (英国电信)两个部分的一次插入和每个部分的单独插入之间的参数差异。他们观察到不同治疗部分之间的剂量分布差异,因此难以计算累积剂量。当串联和环形应用时,膀胱和乙状结肠D2cc剂量的变化为22%使用CATOR[beplay体育提现不到账 ]Andersen等人报告了使用腔内/间质(IC/IS)BT后剂量分布的显著差异,多个分数研究可能与更不一致的剂量分布相关[beplay体育提现不到账 ].对于ISBT,由于徒手插入,不同组分之间的剂量分布可能不同。高剂量D2cc的位置与正常组织的放射毒性密切相关。不可预测的位置导致评估困难。最近,有报道称,使用3D打印圆筒式治疗探头取得了有希望的进展,它可以提供更好的器官保护[20,21,beplay体育提现不到账 ].3D打印圆筒式治疗探头使用相对固定的导管位置、尺寸和形状。预计这将在各组分之间产生一致的剂量分布,从而降低治疗的不确定性。

定量和定位评价分割间高剂量非常重要,这是预测近距离放射治疗正常组织并发症概率的关键参数。从治疗计划的角度来看,不同的成像、轮廓和源分布会导致不同的剂量分布。对不同的插入方法使用合适的评估方法具有临床价值。如上所述,已经对一些治疗探头的分光剂量变化进行了研究。然而,3D打印滚筒的性能尚未报告。在本研究中,我们旨在比较两种插入方法的累积剂量,这使我们能够澄清高剂量区域的位置变化是否取决于各部分剂量分布的差异或器官位置和填充的变化。我们使用了一个3D打印的圆筒式ICBT涂敷器,使各部分之间的源分布一致,并将其与ISBT进行了比较。选择GEC推荐的高剂量区域计算方法作为基线。然后使用DIR方法计算高剂量区域的位置,并比较基线方法累积剂量计算的差异。

后果

(A) DIR性能

本研究共审查了97个变形。膀胱体积> 400cc或直肠体积> 100cc的案例数仍然很小。在表格中beplay体育提现不到账 变形体积差被呈现为固定和运动图像之间的体积的比率,这是可行范围的指示器。以前的作品建议它应该小于2;否则,DIR会导致意外结果[beplay体育提现不到账 ].差别对于ISBT的ICBT和0.64-1.67的膀胱为0.72-1.53​​,表现出没有显着差异(P = 0.24). 差别ICBT组和ISBT组的直肠平均长度分别为0.43–1.51和0.67–1.31,无显著差异(P = 0.19)。ICBT和ISBT的DSC评分均接近平均值。ISBT膀胱的DSC为0.98(范围0.76-0.99),直肠为0.97(范围0.8-0.98),而膀胱为0.97(范围0.81-0.99),直肠为0.95(范围0.87-1),无差异。

表1本研究中两种不同治疗探头的变形图像配准结果

(B) 高剂量区分布

根据对每个部分的观察,两种类型的治疗探头的高剂量区(D2cc)分布不同。图beplay体育提现不到账 显示2个CC区域在ICBT案例的每一部分中发生变化。D2CC区域分布在每个部分的子宫颈附近。从矢状景观中,膀胱和直肠上的2个CC区处于相同的位置。虽然膀胱和直肠体积在多级分之间不同,但在变形之后的2个CC位置仍然在矢状视图和轴向视图中重叠。直肠填充物在图2所示的级分之间是一致的。beplay体育提现不到账 但2cc位置在纵向分布上比ICBT更为分散。因此,变形后的重叠面积也小于ICBT。

图1
图1

具有ICBT累积剂量估计的患者。紫色轮廓代表膀胱,绿色轮廓代表直肠。高剂量区域分布在治疗探头周围。2 cc体积分布在每个部位的宫颈附近,如图所示A.D. 变形后的2 cc体积分布在膀胱后壁或直肠前壁,如图所示EF

图2
图2

采用ISBT方法估算累积剂量的患者。紫色轮廓代表膀胱,绿色轮廓代表直肠。各部分的D2cc区域如所示A.D各部分之间的2 cc体积分布不同。D2cc区域分布在图中所示的变形图像中EF

表中还总结了两个计划的D2cc容量分布beplay体育提现不到账 。13宗ISBT个案的总容量v全部的变形后膀胱D2cc的平均值为5.06 ± 2.44 cc,以及重叠体积vol是0.28 ± 0.25毫升。直肠压力为2毫升v全部的是5.90 ± 2.15 cc,以及vol为0.31 ± 0.32 cc。4例患者的膀胱D2cc体积没有重叠。同时,3例患者的直肠D2cc体积没有重叠。对于ICBT计划,D2cc体积没有重叠v全部的膀胱的平均值为4.43 ± 1.69毫升,以及vol是0.42 ± 0.40毫升。仅观察到1例膀胱D2cc和1例直肠D2cc,两部分之间没有重叠区域。

(C) GEC法累积剂量

不同涂抹器类型的实施可能导致总剂量估计的差异。选择GEC方法作为基线值。定义D2CC(DIR)/ D(GEC)的比率以证明从基线的累积DIR剂量变化。如评价,使用3D印刷涂抹器的ICBT还显示出良好的剂量值一致性,在不同的情况下也是不同的情况。桌子beplay体育提现不到账 显示膀胱和直肠的平均D2cc(DIR)/D(GEC)值分别为0.99(0.94–1.05)和1.00(0.96–1.08)。然而,ISBT的DIR累积D2cc和GEC方法之间的差异很大。插入ISBT治疗探头的平均DIR D2cc低于添加GEC D2cc的平均DIR D2cc,膀胱和直肠的值分别为0.96(0.91–1.07)和0.94(0.91–1.06)。

讨论

在本研究中,比较了两种治疗方法(3D打印圆柱ICBT和带针头植入的ISBT)获得的2 cc高剂量区域,以估算有无DIR的累积剂量。3D打印圆柱体ICBT方法可在可通过GEC累积准确预测的分数期间生成一致的高剂量区域位置。相反,GEC方法未能评估ISBT方法的总剂量。Andersen等人报告,简单的DVH参数添加将ICBT和ISBT的膀胱D2cc高估了1.5%。在2%的患者中发现相对于DIR的剂量偏差大于5%[beplay体育提现不到账 ]小林尊观察到,当所有组分相加时,膀胱D2cc的差异更为显著,为2.8%[beplay体育提现不到账 ]Molton等人比较了在EBRT/HDR-BT前列腺癌治疗与加载导管后金属治疗相结合的情况下,使用DIR加成和DVH加成的直肠剂量累积。他们发现DVH加成的D2cc比DIR加成的D2cc小3.5%[beplay体育提现不到账 ].我们的结果比他们的发现更为显著,在ISBT计划中,膀胱剂量增加的剂量变化约为4%,直肠剂量增加的剂量变化约为6%。

基于可变形配准的累积也被用于通过两种治疗探头方法评估2 cc高剂量区域。等高线内变形的传播(非常依赖于相对体积)变得非常关键,使得累积不准确。在这项工作中,使用了中值体积DIR算法策略。在CT扫描期间使用体积控制协议也避免了相对体积依赖性。Thörnqvist等人根据误差评估了DIR算法的性能。他们观察到,与固定图像相比,膀胱体积的减少导致DSC的减少。此外,当相对体积大于1.4时,DSC评分迅速下降[beplay体育提现不到账 ]。虽然DSC指标可以解释整个轮廓,但我们发现DSC指标的差异对膀胱DVH指标的影响有限,因为它通常在低剂量区域观察到。然而,即使是体积差异较小的病例,直肠也会出现意外变形。剂量变形的差异更为明显由于这个原因,正在努力通过图像预处理方法来改善变形质量。Flower等人报告说,由于气体、低图像对比度和直肠大变形的影响,骨盆DIR的不确定性增加[beplay体育提现不到账 ]Ryckman等人发现,可以通过将CT Hounsfield值分别分配给每个ROI来实现DIR过程的优化目标,从而在ROI之间创建更高的性能[beplay体育提现不到账 ]因此,可能很难预测何时进行不准确的直肠变形,有时可能会遇到较差的结果。

我们还定义了重叠体积vol和合并体积v全部的为了进一步估计各组分中高剂量区域的定位。Andersen等人评估了两组分之间结合IC/IS插入的D2cc位置的变化。他们发现,归类为“类似”的D2cc位置与归类为基于目视检查的“异类”[beplay体育提现不到账 ].因此,评估高剂量区域的定位非常重要。由于停留时间的原因,组间2 cc位置显示ICBT和ISBT方法之间存在明显差异,并且每个组分都加载了位置设置。此外,使用IC治疗探头提高了再现性,可以预测GEC方法可以更准确地进行计算。

本研究存在一些局限性。由于使用了不同的变形算法,结果可能会有所不同[beplay体育提现不到账 ].研究表明,通过直接比较各种算法的性能,在移位方面存在很大差异[beplay体育提现不到账 ]Jamema等人比较了两种DIR算法,并报告说,基于不同DIR算法的DIR可能会导致剂量的系统性低估,从而导致可变形剂量累积和直接添加之间的巨大差异[beplay体育提现不到账 ].在本研究中,我们选择ANACONDA作为DIR算法,但没有将其与其他算法进行比较。虽然在膀胱的上边界观察到差异,但本研究集中在膀胱下缘高剂量区的D2cc位置,差异对最终结果影响不大。

结论

GYN GEC ESTRO工作组建议的OAR部分剂量累积对于IGBT的治疗计划至关重要。在本研究中,观察了3D打印ICBT和ISBT方法在不同组分之间的高剂量区域分布。总量v全部的膀胱中最高的2 cc为4.43 ± 1.69毫升,含ICBT和5.06毫升 ± 2.44 cc,带ISBT。重叠体积vol也显示出相同的趋势,为0.42 ± 0.40毫升,含ICBT和0.28毫升 ± 0.25 cc,带ISBT。膀胱内平均D2cc(DIR)/D(GEC)值在ICBT组为0.99(0.94-1.05),在ISBT组为0.96(0.91-1.07)。我们得出结论,3D打印ICBT比徒手ISBT具有更好的高剂量区域一致性。我们还验证了GEC推荐的方法比变形剂量累积法预测的ICBT累积剂量计算结果更好。在未来的工作中,我们将使用各种变形算法验证不同介质和大体积变形之间的DIR精度。

方法

病人选择

从2016年2月至2019年10月,共选择32名宫颈癌患者进行本研究。19名患者接受了3D打印圆筒式敷料器用于子宫和阴道分娩。13例患者接受徒手钢间质针植入子宫体和子宫旁区域。接受其他治疗探头插入的患者被排除在本研究之外。该研究得到了研究伦理委员会的批准,并获得了所有患者的书面知情同意。对每一部分BT进行CT扫描,切片厚度为2.5mm。所有患者均接受3-5次部分BT方案治疗。根据GEC-ESTRO工作组的建议,划定了高危临床靶体积(HR-CTV)和OAR(膀胱、直肠和乙状结肠)[beplay体育提现不到账 ].40戈瑞的处方EQD2(α/β = 10 Gy)给予HR-CTV D90,膀胱D2cc剂量限制为40 GyEQD2(α/β = 3 Gy) and 30 GyEQD2(α/β = 直肠为3 Gy。

3D打印圆筒

3D打印治疗探头的经验包括易于操作,并通过获得的物理剂量的相似性提供重复精确的针引导[beplay体育提现不到账 ].在本研究中,对直径为35 mm、长度为180 mm的3D打印圆筒式治疗探头进行了建模。治疗探头有多个导管通道和一个串联插入中心通道,如图所示。beplay体育提现不到账 . 使用熔融沉积模型打印机(MBot 3D Grid II)对治疗头进行3D打印 + , Magicfirm)采用生物相容性材料(美国明尼苏达州伊甸草原Stratasys有限公司)。3D打印治疗头在开始临床使用之前由我们的卫生部门进行消毒。然后沿阴道圆柱表面放置导管,以调节所需的剂量分布。对于形状不规则的肿瘤,外周通道可以在维持正常组织约束的同时提供目标的不对称剂量覆盖。

图3
图3

三维打印ICBT敷贴器原型

DIR程序

以前的研究报道说,由于弹性的线性化,变形算法不适用于注册大的变形图像[beplay体育提现不到账 ]。选择最小或最大体积导致大变形,这可能导致变形故障。此外,当变形传播较小体积的剂量以更大的体积时,相应地扩大高剂量区域,这可以使所得剂量变化更大。在本研究中,选择具有中值膀胱/直肠体积的CT图像作为固定图像。在变形之前使用互信息进行刚性注册。固定图像是参考图像,并且移动图像被包裹以对齐它。变形过程在图2中说明。beplay体育提现不到账 .本研究采用基于强度的DIR算法(ANACONDA)[beplay体育提现不到账 ,beplay体育提现不到账 ].ANACONDA是一种混合算法,它将图像信息与轮廓图像集提供的解剖信息相结合。在变形前对感兴趣区域(ROI)进行轮廓化,然后根据感兴趣区域的边界和图像的灰度计算固定图像和运动图像之间的DVF。由于结合使用图像相似性和解剖信息,ANACONDA能够处理骨盆区域的低对比度区域[beplay体育提现不到账 ]。Anaconda的目标函数被定义为:

$$ f \ left(v \ light)= \ alpha c \ left(v \ light)+ \ left(\ beta h \ left(v \右)+ \ gamma s \ left(v \右)\右)+\ delta d \ left(v \ rice),$$

哪里\(C\左(v\右)\),\(\left(H\left(v\right)+S\left(v\right)\right)\)\(d(v)\)分别是图像相似性度量项、正则化项和控制结构项。与基于模型的DIR算法(使用有限元建模描述生物力学材料)不同,ANACONDA使用\(\gamma S\left(v\right)\)因此,由于膀胱和直肠充盈在合理范围内的差异,它具有处理大型解剖变化的灵活性。

图4
图4

多组分剂量累积的变形过程

在本研究中,膀胱、直肠和外部身体被视为焦点ROI。骰子相似系数是用来衡量两个样本相似性的统计数据[beplay体育提现不到账 ]在图像分割中,它被广泛用作两个轮廓的相似性度量。在本研究中,DSC被定义为运动图像轮廓与其在固定图像上对应轮廓的重合度。如果运动图像上的轮廓完全一致,则DSC值等于1。DSC的定义如下:

$$\mathrm{DSC}=\frac{2\left({V}{\mathrm{fixed}}}\cap{V}{\mathrm{moving}}\right}{{V}{\mathrm{fixed}}+{V}{\mathrm{moving}}}$$

DSC值通过对相应器官的轮廓进行布尔运算获得。

从DVF获得剂量映射作为累积剂量的级分。由于每种情况下D2CC剂量值的差异,很难将剂量直接比较。因此,该研究定义了剂量比D2CC(DIR)/ D(GEC)。这里,使用D2CC(GEC)作为GEC-ESTRO推荐的计算方法,并且从积聚剂量获得D2CC(DIR)。要解决D2CC轮廓的位置,重叠卷vol和合并体积v全部的D2CC轮廓被定义为从运动图像传播的总体积。

使用独立样本分析两种治疗探头方法的体积和剂量值之间的比较T-测试。所有统计检验均为双尾检验,统计显著性阈值为P-价值观 < 使用SPSS 25.0版软件进行统计分析。

缩写

欧洲复兴开发银行:

外照射放射治疗

英国电信:

近距离放射治疗

HR-CTV:

临床靶体积

ICBT:

腔内近距离放射治疗

ISBT:

间质近距离放射治疗

DVF:

位移矢量场

桨:

危险器官

格乌德:

广义等效均匀剂量

GEC-ESTRO:

小组EuropéendeCuriethérapie-欧洲放射疗法和肿瘤学会

目录:

可变形图像配准

工具书类

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致谢

作者真诚地感谢所有学习参与者。

基金

该研究得到了浙江省自然科学基金(LSY19H18000)、浙江省重点研究开发项目(2019C0300)和浙江省国家自然科学基金(2021PY039,2021KY0863)中国医药科技计划(12005190)的资助。

作者信息

隶属关系

作者

贡献

BW、WH、GS、XX对构思和设计做出了重大贡献。BW和XX参与了手稿的起草或重要知识内容的批判性修改。所有作者都阅读并批准了最终手稿。

通讯作者

通信徐晓贤.

道德宣言

道德认可和参与同意

本研究经浙江省肿瘤医院伦理委员会批准。

同意出版

所有研究参与者均书面同意发表。

竞争利益

作者声明他们没有竞争利益。

数据和材料的可用性

本研究中使用和/或分析的数据集可根据合理要求从相应作者处获得。

补充资料

出版商的注意事项

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权限

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王,B.,胡,W.,单,G。估算腔内和间质近距离放射治疗的累积剂量不确定度。BioMed Eng在线20,106(2021)。https://doi.org/10.1186/s12938-021-00942-z

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关键词

  • 累积剂量
  • 腔内近距离放射治疗
  • 间质近距离放射治疗
  • 可变形配准