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        個(gè)性化容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)準(zhǔn)直器角度優(yōu)化在宮頸癌放療中的應(yīng)用

        2019-12-05 01:42:36明淑鳳童光武童肖廣黃衛(wèi)彬吳志權(quán)
        中國癌癥防治雜志 2019年5期
        關(guān)鍵詞:劑量學(xué)弧長靶區(qū)

        明淑鳳 童光武童肖廣 黃衛(wèi)彬 吳志權(quán)

        作者單位:435300 黃岡 湖北省黃岡市蘄春縣人民醫(yī)院1腫瘤科,2腫瘤外科,3骨科

        宮頸癌是臨床常見的婦科惡性腫瘤之一,放療是主要的治療手段,其中放療方式主要有調(diào)強(qiáng)放療和容積調(diào)強(qiáng)[1-2]。研究表明,與固定野調(diào)強(qiáng)(fixed-field intensity-modulated radiotherapy,F(xiàn)F-IMRT)相比,容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)(volumetric modulated arc therapy,VMAT)具有機(jī)器跳數(shù)(machine unit,MU)利用率高、照射時(shí)間短、靶區(qū)適形度和均勻性好等特點(diǎn)[3-4]。因此,VMAT已在宮頸癌等多種腫瘤放射治療中得到廣泛應(yīng)用[5-6]。由于目前商業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)還不允許多葉準(zhǔn)直器(multi-leaf collimator,MLC)角度優(yōu)化,因此在VMAT優(yōu)化過程中,MLC角度主要由人工基于靶區(qū)大小和形狀,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定并在整個(gè)弧中固定不變,其中在宮頸癌VMAT計(jì)劃中的MLC角度大多數(shù)設(shè)置在20°左右[7-9]。本研究擬設(shè)計(jì)一種宮頸癌個(gè)性化的VMAT準(zhǔn)直器角度優(yōu)化方法,根據(jù)靶區(qū)投影形狀將全弧分成3個(gè)段弧,計(jì)算每段弧的最優(yōu)長度和準(zhǔn)直器角度并設(shè)計(jì)VMATapt計(jì)劃,同時(shí)與傳統(tǒng)固定準(zhǔn)直器角度 20°的VMAT20計(jì)劃比較,以期為臨床宮頸癌VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì)提供參考。

        1 資料與方法

        1.1 一般資料

        選取2016年10月到2017年2月本院收治的早期宮頸癌術(shù)后輔助治療患者。納入標(biāo)準(zhǔn):⑴經(jīng)病理證實(shí)為宮頸鱗狀細(xì)胞癌,且僅有1個(gè)病灶;⑵FIGO分期為ⅡB~ⅣA期;⑶行廣泛子宮切除術(shù)+盆腔淋巴結(jié)清掃術(shù);⑷首次接受放射治療。排除標(biāo)準(zhǔn):有智力或認(rèn)知障礙、精神疾病患者;合并其他腫瘤者。本研究最終共納入10例患者,年齡43~60歲,中位年齡為53歲。

        1.2 方法

        1.2.1 靶區(qū)勾畫 患者取仰臥位,真空墊固定體位,大孔徑CT模擬定位,掃描電壓為120 kV,層厚為3 mm。按照RTOG宮頸癌術(shù)后放療靶區(qū)共識和ICRU50號報(bào)告要求勾畫靶區(qū),臨床靶區(qū)(clinical target volume,CTV)包括術(shù)前腫瘤床及以下的淋巴引流區(qū)域,包括第4腰椎以下髂總、髂內(nèi)、髂外、閉孔、宮旁、宮頸旁及第5腰椎至第3骶椎的骶前淋巴結(jié)。宮頸癌術(shù)后盆腔CTV包括陰道上段1/2及殘端、陰道旁軟組織和盆腔淋巴引流區(qū)域(包括髂總、髂外、髂內(nèi)、閉孔及骶前淋巴結(jié)區(qū)),范圍為上界達(dá)第L4~5腰椎間、下界達(dá)閉孔下緣水平。CTV在三維方向上均勻外擴(kuò)0.7 cm生成計(jì)劃靶區(qū)(planning target volume,PTV)。本研究PTV 體積為 880.6~1 237.7 cm3,平均體積為 1 099.3 cm3,同時(shí)勾畫膀胱、直腸、小腸、骨盆、左右股骨頭等危及器官。靶區(qū)外低劑量區(qū)域(PTV+2cm)定義為患者皮膚外輪廓減去PTV外擴(kuò)2 cm后的區(qū)域。

        1.2.2 VMAT弧度范圍和準(zhǔn)直器角度優(yōu)化方法 采用EclipseTM13.5治療計(jì)劃系統(tǒng),將患者CT計(jì)劃圖像和勾畫結(jié)構(gòu)(structure,Str)以DICOM文件格式導(dǎo)出,并基于MATLAB自編程重建靶區(qū)三維,計(jì)算最優(yōu)準(zhǔn)直器角度,具體公式和圖解思路如下:⑴導(dǎo)出DICOM CT和Str文件,基于MATLAB 2017b進(jìn)行三維PTV重建。⑵從179°到181°等中心旋轉(zhuǎn)計(jì)算機(jī)架一周,每5°生成一副射野方向觀(beam eyes view,BEV)下的PTV 影像 Sn(n=1,2,3,…,73),共 73 張。⑶將 360°全弧分為Arc1、Arc2和Arc3共3段弧,計(jì)劃系統(tǒng)最小優(yōu)化弧長為 30°,因此每段弧范圍為 30°~300°。根據(jù)生成的Sn影像,每段弧長均設(shè)置為5°的倍數(shù),通過排列組合計(jì)算共有1 540種分割方案。⑷分別計(jì)算第i(i=1,2,3,…,1 540)種分割方案中Arc1i、Arc2i和Arc3i3段弧內(nèi)各自所有的Sn影像并集,同時(shí)分別加和為U1i、U2i和U3i。⑸根據(jù)最小面積法分別計(jì)算U1i、U2i和 U3i的最優(yōu)準(zhǔn)直器角度 Coll1i、Coll2i和Coll3i及其相對應(yīng)的X,Y鎢門范圍(構(gòu)成Jaw_xy1i、Jaw_xy2i和Jaw_xy3i)。⑹將Jaw_xy1i與本段弧內(nèi)的所有角度靶區(qū)BEV投影Sn取差集,作為漏射面積△Sn;對△Sn面積求和為△S1i,并定義為第i種分割第1段弧內(nèi)的總漏射面積。⑺重復(fù)⑷~⑹步驟,計(jì)算第i種情況其余2段弧的總漏射面積△S2i和△S3i,并求和得到第i種分割的總漏射面積△Si。⑻取所有分割方案中最小的△Si,并定義其Arc1i、Arc2i和Arc3i及對應(yīng)的Coll1i、Coll2i和Coll3i為最優(yōu)段弧范圍和段弧準(zhǔn)直器角度。

        1.2.3 VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì) 采用Varian Eclipse 13.5計(jì)劃系統(tǒng)(Varian 23IX型加速器,配備60對MLC葉片,射束為6 MV光子線),10例宮頸癌患者分別設(shè)計(jì)VMATapt和VMAT20計(jì)劃。VMATapt計(jì)劃采用“1.2.2 VMAT弧度范圍和準(zhǔn)直器角度優(yōu)化方法”計(jì)算的3段段弧范圍、準(zhǔn)直器角度和鎢門范圍,構(gòu)成一段逆時(shí)針全弧,然后復(fù)制生成另一段順時(shí)針全弧。VMAT20計(jì)劃設(shè)計(jì)2段全弧,準(zhǔn)直器角度為20°,鎢門范圍為包含所有機(jī)架角度BEV下的PTV投影。兩種計(jì)劃采用相同的優(yōu)化條件優(yōu)化2次,第2次優(yōu)化為基于第1次優(yōu)化的再優(yōu)化。劑量計(jì)算方法采用3A算法,劑量網(wǎng)格設(shè)置為2.5 mm;數(shù)據(jù)計(jì)算采用MATLAB。處方劑量為50.4 Gy/28 F,所有計(jì)劃均要求達(dá)到95%PTV體積接受100%的處方劑量照射。危及器官劑量限制:小腸最大劑量(Dmax)<54 Gy;直腸 Dmax<54 Gy,平均劑量(Dmean)<39 Gy;骨盆 V10<90%、V30<50%;左股骨頭V30<15%;右股骨頭V30<15%。V10和V30分別表示劑量超過10 Gy和10 Gy的體積占整個(gè)器官體積的百分比。

        1.3 計(jì)劃參數(shù)評估

        采用劑量體積直方圖(dose volume histogram,DVH)評估兩種計(jì)劃靶區(qū)的劑量學(xué)指標(biāo),包括98%的靶區(qū)劑量 D98、D95、D2、D1,均勻性指數(shù)(homogeneity index,HI)和適形指數(shù)(conformal index,CI)。D98、D95、D2和D1分別表示在DVH中98%、95%、2%和1%體積所對應(yīng)的劑量。HI計(jì)算公式:HI=(D2-D98)/D50,HI越低,代表劑量分布越均勻。CI計(jì)算公式:CI=95%處方劑量線所包繞的靶區(qū)體積2/(95%處方劑量線所包繞的所有體積×PTV),CI值越接近1,代表95%處方劑量線與靶區(qū)的一致性越高。同時(shí)比較危及器官劑量參數(shù),包括小腸、直腸的Dmax和Dmean,骨盆的V10和V30,左右股骨頭的V30等;總機(jī)器跳數(shù)(monitor units,MUs);平均塢門面積;PTV+2cm的平均劑量[10]。

        1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

        采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,兩組計(jì)劃比較采用配對t檢驗(yàn)。以雙側(cè)P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

        2 結(jié)果

        2.1 10例宮頸癌患者的最優(yōu)準(zhǔn)直器角度和平均鎢門面積

        根據(jù)MLC角度優(yōu)化方法計(jì)算出VMATapt計(jì)劃的3段弧弧長及其對應(yīng)的最優(yōu)MLC角度,見表1。VMATapt計(jì)劃的鎢門面積為17.4~19.5 cm2,平均鎢門面積為(18.5±0.7)cm2;VMAT20計(jì)劃的鎢門面積為 19.0~22.2 cm2,平均鎢門面積為(20.2±0.9)cm2;兩種計(jì)劃的平均鎢門面積比較,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=8.392,P<0.001)。

        表1 10例宮頸癌患者VMATapt計(jì)劃的弧長及其對應(yīng)的最優(yōu)MLC角度Tab.1 The arc lengths of the VMATapt plan in 10 patients with cervical cancer and their corresponding optimal MLC angles

        2.2 兩種計(jì)劃劑量學(xué)參數(shù)比較

        10例患者的VMATapt和VMAT20計(jì)劃靶區(qū)劑量均能滿足臨床劑量學(xué)要求,兩種計(jì)劃的劑量學(xué)參數(shù)比較見表2。VMATapt計(jì)劃靶區(qū)HI優(yōu)于VMAT20計(jì)劃[(0.05±0.02)vs(0.06±0.01),t=5.232,P=0.001],但兩種計(jì)劃的PTV參數(shù)、危及器官參數(shù)、CI比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。VMATapt計(jì)劃的MUs較VMAT20計(jì)劃減少13.5%,兩者比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.033)。VMATapt計(jì)劃PTV+2cm區(qū)域劑量優(yōu)于VMAT20計(jì)劃,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.023)。

        3 討論

        MLC角度是計(jì)劃優(yōu)化中的一個(gè)重要參數(shù),通過MLC角度優(yōu)化,可使MLC葉片與靶區(qū)輪廓更適形,減少漏射劑量[10-11]。現(xiàn)階段的調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)是通過MLC葉片運(yùn)動(dòng)調(diào)制靶區(qū)劑量,在機(jī)架旋轉(zhuǎn)過程中,若MLC角度能根據(jù)靶區(qū)和危及器官位置動(dòng)態(tài)改變,可能提高計(jì)劃質(zhì)量[7]。有研究表明,在VMAT計(jì)劃中根據(jù)靶區(qū)投影與危及器官的位置關(guān)系設(shè)定MLC角度能得到更優(yōu)的劑量分布[9-13]。此外,XIE 等[14]研究認(rèn)為VMAT計(jì)劃的塢門范圍在一定程度內(nèi)減小,同時(shí)保證MLC運(yùn)動(dòng)方向與靶區(qū)的長軸準(zhǔn)直,可有效降低MLC葉片運(yùn)動(dòng)距離,減少M(fèi)U、漏射劑量和靶區(qū)外低劑量。本研究采用個(gè)性化的VMAT準(zhǔn)直器角度優(yōu)化方法并設(shè)計(jì)宮頸癌患者VMATapt計(jì)劃,與傳統(tǒng)固定準(zhǔn)直器角度20°的VMAT20計(jì)劃相比,VMATapt計(jì)劃的塢門面積明顯減小,在滿足靶區(qū)基本劑量學(xué)指標(biāo)D2、D1、D95和D98的同時(shí)降低了MUs和靶區(qū)外低劑量區(qū)PTV+2cm的劑量;在危及器官的保護(hù)上,VMATapt計(jì)劃與VMAT20計(jì)劃相當(dāng),與上述文獻(xiàn)報(bào)道一致,說明個(gè)性化的VMAT準(zhǔn)直器角度優(yōu)化方法可應(yīng)用于宮頸癌VMAT設(shè)計(jì)。HI和CI是評估放療計(jì)劃的重要指標(biāo),HI指數(shù)越高說明靶區(qū)劑量越均勻;CI指數(shù)越高則表明劑量與靶區(qū)更適形,靶區(qū)外劑量降低[15]。本研究結(jié)果顯示,VMATapt計(jì)劃的靶區(qū)HI明顯優(yōu)于VMAT20計(jì)劃,可能得益于VMATapt計(jì)劃根據(jù)靶區(qū)形狀將全弧分成3個(gè)段弧并對每個(gè)段弧進(jìn)行MLC角度優(yōu)化,相當(dāng)于一個(gè)全弧有3種MLC角度,使同一層面的劑量有更多的葉片參與調(diào)制,從而顯著增加靶區(qū)的HI指數(shù)。本研究中兩種計(jì)劃的靶區(qū)CI并無明顯差異,推測可能與VMATapt計(jì)劃根據(jù)最小面積計(jì)算的塢門面積和準(zhǔn)直器角度未使用MLC葉片對靶區(qū)外輪廓進(jìn)行適形有關(guān)。

        表2VMATapt和VMAT20計(jì)劃劑量學(xué)參數(shù)比較(±s)Tab.2 Comparison of the dosimetric parameters between VMATapt and VMAT20 plans(±s)

        表2VMATapt和VMAT20計(jì)劃劑量學(xué)參數(shù)比較(±s)Tab.2 Comparison of the dosimetric parameters between VMATapt and VMAT20 plans(±s)

        Structure VMAT20 VMATapt t p PTV 50.4(cGy)D1 5262.6 ±73.62 5309.62±60.93 -1.843 0.162 D2 5286.45±59.75 5300.32±59.72 -1.646 0.183 D98 4995.89±32.36 4997.86±53.73 -1.023 0.819 D95 5044.32±11.12 5057.54±28.48 -1.327 0.246 HI 0.06±0.01 0.05±0.02 5.232 0.001 CI 0.85±0.03 0.85±0.03 -1.659 0.313 Intestine(cGy)Dmax 4952.86±30.67 4985.45±32.65 -1.702 0.343 Dmean 2653.78±75.00 2649.43±77.76 1.569 0.194 Rectum(cGy)Dmax 4808.34 ±40.72 4814.35±40.41 -1.032 0.758 Dmean 3759.23±27.92 3800.65±31.98 -1.297 0.623 Left femoral head16.56±3.43 16.52±2.28 1.178 0.934 V30(%) Right femoral head18.76±3.21 16.78±3.79 -1.347 0.249 V30(%) Pelvis(%)V10 87.86±5.47 88.09±5.39 -1.353 0.236 V30 54.81±8.08 55.03±6.51 -1.076 0.793 MUs 465.65±24.52 402.55±29.02 2.307 0.033 PTV+2 cm(cGy) 1694.43±32.59 1583.69±36.22 2.956 0.023

        有研究發(fā)現(xiàn),靶區(qū)外的劑量有誘發(fā)二次腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)[16-17],而VMAT計(jì)劃與FF-IMRT計(jì)劃、三維適形計(jì)劃相比,在一定程度上增加了靶區(qū)外的低劑量區(qū)域范圍[18]。因此,如何降低VMAT計(jì)劃靶區(qū)外劑量,對提高VMAT計(jì)劃質(zhì)量有重要意義。本研究采用個(gè)性化VMAT準(zhǔn)直器角度優(yōu)化方法所設(shè)計(jì)的VMATapt計(jì)劃,與傳統(tǒng)固定準(zhǔn)直器角度的VMAT20計(jì)劃相比,能夠顯著降低靶區(qū)外PTV+2cm區(qū)域劑量,可能有助于降低二次腫瘤發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),有關(guān)方面值得進(jìn)一步深入研究。

        AHN 等[13]研究將全弧分成 40°~90°若干段弧,發(fā)現(xiàn)段弧弧長越小(總段弧數(shù)量越多),總MUs降低越顯著,在腹部、頭頸、胸部段弧長為40°(共9段?。┑挠?jì)劃中MU分別降低32.5%、38.1%和31.5%。KIM等[9]在設(shè)計(jì)腦部不規(guī)則靶區(qū)VMAT計(jì)劃時(shí),將全弧分成多個(gè)固定長度的分段弧并對每段弧準(zhǔn)直器角度進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果亦發(fā)現(xiàn)分段弧計(jì)劃能更好地保護(hù)部分危及器官和顯著降低MU。此外,ZHANG等[12]提出一種準(zhǔn)直器軌跡優(yōu)化算法,根據(jù)不同機(jī)架角度BEV下靶區(qū)和脊髓的位置關(guān)系調(diào)整MLC角度,使葉片運(yùn)動(dòng)方向與脊髓平行,該方法設(shè)計(jì)的計(jì)劃較固定準(zhǔn)直器角度的VMAT計(jì)劃可降低危及器官脊髓的受照射劑量。本研究采用個(gè)性化的VMAT準(zhǔn)直器角度優(yōu)化方法,根據(jù)靶區(qū)投影形狀將全弧分成3個(gè)段弧,計(jì)算每段弧的最優(yōu)長度和準(zhǔn)直器角度并設(shè)計(jì)VMATapt計(jì)劃,與VMAT20計(jì)劃相比,MUs降低了13.5%,降低幅度小于AHN等[13]報(bào)道的結(jié)果,分析原因可能是VMATapt計(jì)劃的每段弧長平均為120°,顯著大于AHN等[13]報(bào)道的段弧長度40°,造成VMATapt計(jì)劃的降低幅度較小。

        本研究在VMATapt計(jì)劃中還發(fā)現(xiàn),10例患者的3 段弧長均值分別為 160°、70.5°、129.5°,對于大部分宮頸癌術(shù)后放療患者,如采取3段弧形式,可按此分段范圍進(jìn)行分段。MLC角度除第1,3,6,8編號患者的部分弧為 90°外,其余均在 0°,20°,340°左右,尤其是第三段弧的MLC角度均約為340°。對MLC角度為90°的患者進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)此類患者體型較胖,宮旁淋巴結(jié)橫向徑較靶區(qū)上下界長,將其MLC角度設(shè)為90°,能減少M(fèi)LC葉片運(yùn)動(dòng)距離,提高調(diào)制精度,因此使用時(shí)需加以注意。

        綜上所述,采用個(gè)性化VMAT準(zhǔn)直器角度優(yōu)化方法所設(shè)計(jì)的VMATapt計(jì)劃,能夠滿足宮頸癌患者臨床處方劑量要求,與VMAT20計(jì)劃比較,能夠提高均勻指數(shù),降低機(jī)器跳數(shù)和靶區(qū)外PTV+2cm區(qū)域劑量,且可能有助于降低二次腫瘤發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),臨床上值得推廣應(yīng)用。

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