縱隔淋巴結(jié)數(shù)字化建模在肺癌放療計(jì)劃優(yōu)化中的劑量學(xué)仿真.pdf

1、背景和目的：
　　胸部惡性腫瘤,如肺癌、食管癌等,是威脅人類健康的重要疾病。尤其是肺癌,是世界范圍內(nèi)最為常見的惡性腫瘤之一,國內(nèi)肺癌的發(fā)病率和死亡率占城市惡性腫瘤之首位。在肺癌的綜合治療中,70％以上患者需要接受放射治療。肺癌患者的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移情況,尤其是縱隔淋巴結(jié)是否受累在很大程度上影響患者的治療方案和預(yù)后。腫瘤放射治療的原理是利用射線的電離輻射作用來殺傷腫瘤細(xì)胞。然而,射線在殺傷腫瘤細(xì)胞的同時(shí)不可避免會損傷人體部分正常組織和器官

2、。放射治療的根本目標(biāo)在于給腫瘤區(qū)域足夠的精確的治療劑量,而使周圍正常組織和器官受照射最少,以提高腫瘤的控制率,減少正常組織的放療并發(fā)癥。鑒于此,在肺癌放療中,研究肺部病灶、縱隔淋巴結(jié)和危險(xiǎn)器官在人體中的空間位置及其在醫(yī)療照射中的輻射劑量分布非常重要,而肺部病灶、縱隔淋巴結(jié)和危險(xiǎn)器官空間位置和輻射劑量的分布無法通過儀表直接測量,因此探索一種新方法,來監(jiān)測器官在人體中的空間位置以及在醫(yī)療照射中器官劑量的分布,就顯得格外重要。
　　中國

3、可視人體(ChineseVisibleHuman,CVH)胸部數(shù)據(jù)集的建立為肺癌放療計(jì)算照射劑量提供了直觀的國人人體模型基礎(chǔ),在放療計(jì)劃系統(tǒng)(TreatmentPlanningSystem,TPS)中,利用數(shù)據(jù)集構(gòu)建的三維模型能更好地觀察肺部病灶、縱隔淋巴結(jié)和危險(xiǎn)器官的位置關(guān)系和模擬計(jì)算其劑量分布情況,從而制定出合理的放療計(jì)劃和獲得更好的劑量分布,提高肺癌放療療效和減少放療并發(fā)癥。肺癌放療后,肺部病灶、縱隔淋巴結(jié)和危險(xiǎn)器官的實(shí)際受照劑量

4、大小的監(jiān)測離不開高度仿真性的輻照人體胸部模型,作為人體的替代品,可模擬人體各種組織和敏感器官在實(shí)際照射條件和環(huán)境中的受照情況,并通過安裝探測設(shè)備來有效監(jiān)測病灶和危險(xiǎn)器官的實(shí)際受照劑量,逐漸成為現(xiàn)代放射治療中的重要工具。國際輻射單位和測量委員會(InternationalCommissiononRadiationUnitsandMeasurements,ICRU)第48號報(bào)告已經(jīng)明確建議,將體模及其數(shù)學(xué)模型運(yùn)用于治療。將數(shù)字化放射治療模型

5、與輻照仿真體模相結(jié)合來研究人體病灶和危險(xiǎn)器官的輻射劑量,體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)圖形與數(shù)字化仿真和實(shí)物的物理模型相結(jié)合的特點(diǎn)。
　　本研究充分利用本校的數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集和新橋醫(yī)院放療中心的成都劑量體模(ChengDuDosimetricPhantom,CDP)等先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù),并融匯醫(yī)學(xué)圖像重建、圖像格式轉(zhuǎn)換、配準(zhǔn)融合等多學(xué)科知識,首先對縱隔淋巴結(jié)進(jìn)行三維重建,然后與CDP相結(jié)合進(jìn)行縱隔淋巴結(jié)、肺部病灶和危險(xiǎn)器官的實(shí)際受照劑量監(jiān)測,評估

6、不同肺癌放療模式下的劑量分布,實(shí)現(xiàn)兼顧放療療效和并發(fā)癥的放療計(jì)劃優(yōu)化方案。
　　材料和方法：
　　1、利用首例中國女性數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集,選取從胸廓入口到橫膈層面的連續(xù)斷層圖像為研究對象,采用AdobePhotoshop軟件對縱隔內(nèi)淋巴結(jié)和相鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行斷層解剖學(xué)觀察,分割出淋巴結(jié)和部分組織器官,獲得各結(jié)構(gòu)的輪廓線。應(yīng)用Amira軟件對縱隔淋巴結(jié)和相鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建和虛擬現(xiàn)實(shí)顯示。
　　2、在構(gòu)建的縱隔淋巴結(jié)數(shù)字化解

7、剖模型基礎(chǔ)上,充分利用數(shù)字化人體胸段數(shù)據(jù)的高清晰度、高分辨率、高識別率的優(yōu)勢,結(jié)合同一例標(biāo)本的胸部計(jì)算機(jī)斷層掃描(ComputerTomography,CT)數(shù)據(jù),采用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化人體胸段數(shù)據(jù)向標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)學(xué)數(shù)字影像與傳輸(DigitalImagingandCommunicationsinMedicine,DICOM)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在Eclipse治療計(jì)劃系統(tǒng)中,將兩組數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)融合,使低識別率的CT數(shù)據(jù)具有了高識別率的特性。

8、在融合后的圖像上勾畫縱隔淋巴結(jié)、危險(xiǎn)器官,模擬勾畫肺癌患者肺部病灶,采用三種放療模式:三維適形放射治療(Three-DimensionalConformalRadiationTherapy,3D-CRT)、調(diào)強(qiáng)放射治療(IntensityModulatedRadiotherapy,IMRT)、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)治療(VolumetricModulatedArcTherapy,VMAT),制定三種模式下的放療計(jì)劃,觀察肺部病灶、縱隔淋巴結(jié)和危險(xiǎn)

9、器官之間的空間位置關(guān)系和劑量分布情況,對各種放療模式下靶區(qū)和危險(xiǎn)器官劑量進(jìn)行比較。
　　3、利用成都劑量體模,采用一定方法在縱隔淋巴結(jié)各分布區(qū)中心點(diǎn)、危險(xiǎn)器官中心精確打孔,采用CT模擬定位機(jī)掃描定位。利用MIM系統(tǒng)彈性形變功能,將DICOM格式的縱隔淋巴結(jié)數(shù)字化解剖模型數(shù)據(jù)圖像與CDP的CT定位數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)融合。采用三種放療模式:3D-CRT、IMRT、VMAT,制定三種模式下的放療計(jì)劃,觀察肺部模擬病灶、縱隔淋巴結(jié)和危險(xiǎn)器官

10、劑量分布情況。在CDP的縱隔淋巴結(jié)分布區(qū)、危險(xiǎn)器官打孔點(diǎn)和肺部模擬病灶中心安裝劑量監(jiān)測設(shè)備,執(zhí)行放療計(jì)劃,監(jiān)測不同放療模式下縱隔淋巴結(jié)、肺部病灶和危險(xiǎn)器官的實(shí)際受照劑量,比較各種放療模式下靶區(qū)和危險(xiǎn)器官實(shí)際受照劑量與制定放療計(jì)劃時(shí)的理論照射劑量。
　　結(jié)果:
　　1、在Amira軟件系統(tǒng)中建立起縱隔淋巴結(jié)數(shù)字化模型,重建后的數(shù)字化模型能夠較為清晰顯示縱隔內(nèi)淋巴結(jié)和相鄰重要結(jié)構(gòu)的形態(tài)和空間位置關(guān)系,各結(jié)構(gòu)可單獨(dú)顯示和合成顯示,

11、并可進(jìn)行任意角度旋轉(zhuǎn)、切割。
　　2、數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)DICOM格式數(shù)據(jù),并與CT數(shù)據(jù)圖像在縱隔區(qū)域和雙肺較好融合。在融合后圖像上,勾畫了肺癌患者10種不同部位病灶和縱隔陽性淋巴結(jié),優(yōu)化設(shè)計(jì)了3種放療模式下的放療計(jì)劃。通過觀察劑量體積直方圖(Dose-volumehistogram,DVH)并對靶區(qū)和危險(xiǎn)器官劑量分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn),三者在計(jì)劃靶體積(planningtargetvolume,PTV)、危險(xiǎn)器官受

12、照和CI方面差異有顯著性(p<0.05),HI無顯著差異(p>0.05)。在PTV方面,3D-CRT放療時(shí),D2、D98、Dmean高于IMRT和VMAT,后兩者除D98外,無明顯差別。采用IMRT和VMAT照射時(shí)CI較好,3D-CRT照射時(shí)CI較差。危險(xiǎn)器官受照方面,IMRT照射時(shí),雙肺V20、V30、平均肺劑量(meanlungdose,MLD)最小,脊髓受照劑量最小;3D-CRT照射時(shí),危險(xiǎn)器官受照劑量最大;VMAT照射時(shí),危險(xiǎn)器

13、官受照劑量居于兩者之間。
　　3、成都劑量體模縱隔淋巴結(jié)分布區(qū)的2區(qū)、4區(qū)、7區(qū)的中心點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精確打孔并安裝劑量監(jiān)測設(shè)備,建立了胸部放療中縱隔淋巴結(jié)劑量監(jiān)測的輻照仿真模型。通過MIM系統(tǒng)彈性形變,數(shù)字化可視人體胸段數(shù)據(jù)圖像與CDP的CT定位數(shù)據(jù)圖像在縱隔區(qū)域和雙肺融合較好。在融合后圖像上,實(shí)現(xiàn)3種放療模式下的放療計(jì)劃。利用縱隔淋巴結(jié)劑量監(jiān)測的輻照仿真模型,經(jīng)過5次照射,監(jiān)測到3種模式下靶區(qū)和危險(xiǎn)器官的實(shí)際受照劑量。對各種方式下的實(shí)際

14、受照劑量和理論照射劑量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn),3種方式下,縱隔淋巴結(jié)2區(qū)、肺部病灶的實(shí)際值與理論值較為接近,其它各區(qū)及各危險(xiǎn)器官放療的理論照射劑量的偏差比例較大,提示在設(shè)計(jì)放療計(jì)劃時(shí),要按照實(shí)際受照劑量對計(jì)劃進(jìn)行適當(dāng)修正。
　　結(jié)論:
　　1、建立了縱隔淋巴結(jié)數(shù)字化模型,直觀展示了縱隔區(qū)域淋巴結(jié)的分布規(guī)律及其與周圍重要結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系,為基礎(chǔ)解剖教學(xué)、臨床外科手術(shù)、肺癌分期和放射治療的研究提供了較好的形態(tài)學(xué)依據(jù)。
　　2

15、、縱隔淋巴結(jié)數(shù)字化模型應(yīng)用于肺癌放療計(jì)劃制定和優(yōu)化,尤其在根治性放療中,放療方式首選IMRT照射。無論在靶區(qū)劑量分布還是正常肺組織保護(hù)方面,IMRT照射比3D-CRT和VMAT照射都具有一定優(yōu)勢。
　　3、在肺癌放療中,胸部放療中縱隔淋巴結(jié)劑量監(jiān)測的輻照仿真模型,能夠較好監(jiān)測靶區(qū)與危險(xiǎn)器官的實(shí)際受照劑量。3種放療模式下,除2區(qū)和腫瘤靶區(qū)外,其它各區(qū)和各危險(xiǎn)器官的理論劑量均較實(shí)測劑量有一定偏差,不同放療方式下的放療計(jì)劃應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)修正

16、。
　　研究意義:
　　1、實(shí)現(xiàn)了縱隔淋巴結(jié)數(shù)字化模型在放療計(jì)劃優(yōu)化中的劑量學(xué)仿真,為深入開展肺癌放療的劑量學(xué)研究奠定了基礎(chǔ),也為利用相近方法開展人體其它組織或器官的劑量學(xué)仿真工作提供了借鑒。
　　2、雖然仿真輻照體模是標(biāo)準(zhǔn)人體,但是可采用仿真人體的組織等效材料補(bǔ)償、MIM系統(tǒng)的彈性形變等方法,進(jìn)行臨床腫瘤病人的個體化放療計(jì)劃優(yōu)化的模擬。
　　3、該研究可改變現(xiàn)代放療中無法對組織器官實(shí)際受照劑量監(jiān)測的缺陷,達(dá)到放