縱隔淋巴結數(shù)字化建模在肺癌放療計劃優(yōu)化中的劑量學仿真.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,是世界范圍內最為常見的惡性腫瘤之一,國內肺癌的發(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。肺癌患者的淋巴結轉移情況,尤其是縱隔淋巴結是否受累在很大程度上影響患者的治療方案和預后。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胞。然而,射線在殺傷腫瘤細胞的同時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、縱隔淋巴結和危險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、縱隔淋巴結和危險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算照射劑量提供了直觀的國人人體模型基礎,在放療計劃系統(tǒng)(TreatmentPlanningSystem,TPS)中,利用數(shù)據(jù)集構建的三維模型能更好地觀察肺部病灶、縱隔淋巴結和危險器官的位置關系和模擬計算其劑量分布情況,從而制定出合理的放療計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、縱隔淋巴結和危險器官的實際受照劑量

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際照射條件和環(huán)境中的受照情況,并通過安裝探測設備來有效監(jiān)測病灶和危險器官的實際受照劑量,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號報告已經(jīng)明確建議,將體模及其數(shù)學模型運用于治療。將數(shù)字化放射治療模型

5、與輻照仿真體模相結合來研究人體病灶和危險器官的輻射劑量,體現(xiàn)了計算機圖形與數(shù)字化仿真和實物的物理模型相結合的特點。
　　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)等先進的數(shù)字化技術,并融匯醫(yī)學圖像重建、圖像格式轉換、配準融合等多學科知識,首先對縱隔淋巴結進行三維重建,然后與CDP相結合進行縱隔淋巴結、肺部病灶和危險器官的實際受照劑量監(jiān)測,評估

6、不同肺癌放療模式下的劑量分布,實現(xiàn)兼顧放療療效和并發(fā)癥的放療計劃優(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軟件對縱隔內淋巴結和相鄰結構進行斷層解剖學觀察,分割出淋巴結和部分組織器官,獲得各結構的輪廓線。應用Amira軟件對縱隔淋巴結和相鄰結構進行三維重建和虛擬現(xiàn)實顯示。
　　2、在構建的縱隔淋巴結數(shù)字化解

7、剖模型基礎上,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,結合同一例標本的胸部計算機斷層掃描(ComputerTomography,CT)數(shù)據(jù),采用Matlab軟件實現(xiàn)數(shù)字化人體胸段數(shù)據(jù)向標準醫(yī)學數(shù)字影像與傳輸(DigitalImagingandCommunicationsinMedicine,DICOM)數(shù)據(jù)轉換。在Eclipse治療計劃系統(tǒng)中,將兩組數(shù)據(jù)圖像進行配準融合,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、危險器官,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)、調強放射治療(IntensityModulatedRadiotherapy,IMRT)、容積旋轉調強治療(VolumetricModulatedArcTherapy,VMAT),制定三種模式下的放療計劃,觀察肺部病灶、縱隔淋巴結和危險

9、器官之間的空間位置關系和劑量分布情況,對各種放療模式下靶區(qū)和危險器官劑量進行比較。
　　3、利用成都劑量體模,采用一定方法在縱隔淋巴結各分布區(qū)中心點、危險器官中心精確打孔,采用CT模擬定位機掃描定位。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)圖像進行配準融合。采用三種放療模式:3D-CRT、IMRT、VMAT,制定三種模式下的放療計劃,觀察肺部模擬病灶、縱隔淋巴結和危險器官

10、劑量分布情況。在CDP的縱隔淋巴結分布區(qū)、危險器官打孔點和肺部模擬病灶中心安裝劑量監(jiān)測設備,執(zhí)行放療計劃,監(jiān)測不同放療模式下縱隔淋巴結、肺部病灶和危險器官的實際受照劑量,比較各種放療模式下靶區(qū)和危險器官實際受照劑量與制定放療計劃時的理論照射劑量。
　　結果:
　　1、在Amira軟件系統(tǒng)中建立起縱隔淋巴結數(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淋巴結和相鄰重要結構的形態(tài)和空間位置關系,各結構可單獨顯示和合成顯示,

11、并可進行任意角度旋轉、切割。
　　2、數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)轉換為標準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,優(yōu)化設計了3種放療模式下的放療計劃。通過觀察劑量體積直方圖(Dose-volumehistogram,DVH)并對靶區(qū)和危險器官劑量分布情況進行統(tǒng)計學分析發(fā)現(xiàn),三者在計劃靶體積(planningtargetvolume,PTV)、危險器官受

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,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CI較好,3D-CRT照射時CI較差。危險器官受照方面,IMRT照射時,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,危險器官受照劑量最大;VMAT照射時,危險器

13、官受照劑量居于兩者之間。
　　3、成都劑量體?？v隔淋巴結分布區(qū)的2區(qū)、4區(qū)、7區(qū)的中心點實現(xiàn)精確打孔并安裝劑量監(jiān)測設備,建立了胸部放療中縱隔淋巴結劑量監(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,實現(xiàn)3種放療模式下的放療計劃。利用縱隔淋巴結劑量監(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)和危險器官的實際受照劑量。對各種方式下的實際

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

15、、縱隔淋巴結數(shù)字化模型應用于肺癌放療計劃制定和優(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)與危險器官的實際受照劑量。3種放療模式下,除2區(qū)和腫瘤靶區(qū)外,其它各區(qū)和各危險器官的理論劑量均較實測劑量有一定偏差,不同放療方式下的放療計劃應進行適當修正

16、。
　　研究意義:
　　1、實現(xiàn)了縱隔淋巴結數(shù)字化模型在放療計劃優(yōu)化中的劑量學仿真,為深入開展肺癌放療的劑量學研究奠定了基礎,也為利用相近方法開展人體其它組織或器官的劑量學仿真工作提供了借鑒。
　　2、雖然仿真輻照體模是標準人體,但是可采用仿真人體的組織等效材料補償、MIM系統(tǒng)的彈性形變等方法,進行臨床腫瘤病人的個體化放療計劃優(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際受照劑量監(jiān)測的缺陷,達到放