纵隔淋巴结数字化建模在肺癌放疗计划优化中的剂量学仿真

摘要

背景和目的：
　　胸部恶性肿瘤,如肺癌、食管癌等,是威胁人类健康的重要疾病。尤其是肺癌,是世界范围内最为常见的恶性肿瘤之一,国内肺癌的发病率和死亡率占城市恶性肿瘤之首位。在肺癌的综合治疗中,70％以上患者需要接受放射治疗。肺癌患者的淋巴结转移情况,尤其是纵隔淋巴结是否受累在很大程度上影响患者的治疗方案和预后。肿瘤放射治疗的原理是利用射线的电离辐射作用来杀伤肿瘤细胞。然而,射线在杀伤肿瘤细胞的同时不可避免会损伤人体部分正常组织和器官。放射治疗的根本目标在于给肿瘤区域足够的精确的治疗剂量,而使周围正常组织和器官受照射最少,以提高肿瘤的控制率,减少正常组织的放疗并发症。鉴于此,在肺癌放疗中,研究肺部病灶、纵隔淋巴结和危险器官在人体中的空间位置及其在医疗照射中的辐射剂量分布非常重要,而肺部病灶、纵隔淋巴结和危险器官空间位置和辐射剂量的分布无法通过仪表直接测量,因此探索一种新方法,来监测器官在人体中的空间位置以及在医疗照射中器官剂量的分布,就显得格外重要。
　　中国可视人体(ChineseVisibleHuman,CVH)胸部数据集的建立为肺癌放疗计算照射剂量提供了直观的国人人体模型基础,在放疗计划系统(TreatmentPlanningSystem,TPS)中,利用数据集构建的三维模型能更好地观察肺部病灶、纵隔淋巴结和危险器官的位置关系和模拟计算其剂量分布情况,从而制定出合理的放疗计划和获得更好的剂量分布,提高肺癌放疗疗效和减少放疗并发症。肺癌放疗后,肺部病灶、纵隔淋巴结和危险器官的实际受照剂量大小的监测离不开高度仿真性的辐照人体胸部模型,作为人体的替代品,可模拟人体各种组织和敏感器官在实际照射条件和环境中的受照情况,并通过安装探测设备来有效监测病灶和危险器官的实际受照剂量,逐渐成为现代放射治疗中的重要工具。国际辐射单位和测量委员会(InternationalCommissiononRadiationUnitsandMeasurements,ICRU)第48号报告已经明确建议,将体模及其数学模型运用于治疗。将数字化放射治疗模型与辐照仿真体模相结合来研究人体病灶和危险器官的辐射剂量,体现了计算机图形与数字化仿真和实物的物理模型相结合的特点。
　　本研究充分利用本校的数字化可视人体数据集和新桥医院放疗中心的成都剂量体模(ChengDuDosimetricPhantom,CDP)等先进的数字化技术,并融汇医学图像重建、图像格式转换、配准融合等多学科知识,首先对纵隔淋巴结进行三维重建,然后与CDP相结合进行纵隔淋巴结、肺部病灶和危险器官的实际受照剂量监测,评估不同肺癌放疗模式下的剂量分布,实现兼顾放疗疗效和并发症的放疗计划优化方案。
　　材料和方法：
　　1、利用首例中国女性数字化可视人体数据集,选取从胸廓入口到横膈层面的连续断层图像为研究对象,采用AdobePhotoshop软件对纵隔内淋巴结和相邻结构进行断层解剖学观察,分割出淋巴结和部分组织器官,获得各结构的轮廓线。应用Amira软件对纵隔淋巴结和相邻结构进行三维重建和虚拟现实显示。
　　2、在构建的纵隔淋巴结数字化解剖模型基础上,充分利用数字化人体胸段数据的高清晰度、高分辨率、高识别率的优势,结合同一例标本的胸部计算机断层扫描(ComputerTomography,CT)数据,采用Matlab软件实现数字化人体胸段数据向标准医学数字影像与传输(DigitalImagingandCommunicationsinMedicine,DICOM)数据转换。在Eclipse治疗计划系统中,将两组数据图像进行配准融合,使低识别率的CT数据具有了高识别率的特性。在融合后的图像上勾画纵隔淋巴结、危险器官,模拟勾画肺癌患者肺部病灶,采用三种放疗模式:三维适形放射治疗(Three-DimensionalConformalRadiationTherapy,3D-CRT)、调强放射治疗(IntensityModulatedRadiotherapy,IMRT)、容积旋转调强治疗(VolumetricModulatedArcTherapy,VMAT),制定三种模式下的放疗计划,观察肺部病灶、纵隔淋巴结和危险器官之间的空间位置关系和剂量分布情况,对各种放疗模式下靶区和危险器官剂量进行比较。
　　3、利用成都剂量体模,采用一定方法在纵隔淋巴结各分布区中心点、危险器官中心精确打孔,采用CT模拟定位机扫描定位。利用MIM系统弹性形变功能,将DICOM格式的纵隔淋巴结数字化解剖模型数据图像与CDP的CT定位数据图像进行配准融合。采用三种放疗模式:3D-CRT、IMRT、VMAT,制定三种模式下的放疗计划,观察肺部模拟病灶、纵隔淋巴结和危险器官剂量分布情况。在CDP的纵隔淋巴结分布区、危险器官打孔点和肺部模拟病灶中心安装剂量监测设备,执行放疗计划,监测不同放疗模式下纵隔淋巴结、肺部病灶和危险器官的实际受照剂量,比较各种放疗模式下靶区和危险器官实际受照剂量与制定放疗计划时的理论照射剂量。
　　结果:
　　1、在Amira软件系统中建立起纵隔淋巴结数字化模型,重建后的数字化模型能够较为清晰显示纵隔内淋巴结和相邻重要结构的形态和空间位置关系,各结构可单独显示和合成显示,并可进行任意角度旋转、切割。
　　2、数字化可视人体数据转换为标准DICOM格式数据,并与CT数据图像在纵隔区域和双肺较好融合。在融合后图像上,勾画了肺癌患者10种不同部位病灶和纵隔阳性淋巴结,优化设计了3种放疗模式下的放疗计划。通过观察剂量体积直方图(Dose-volumehistogram,DVH)并对靶区和危险器官剂量分布情况进行统计学分析发现,三者在计划靶体积(planningtargetvolume,PTV)、危险器官受照和CI方面差异有显著性(p<0.05),HI无显著差异(p>0.05)。在PTV方面,3D-CRT放疗时,D2、D98、Dmean高于IMRT和VMAT,后两者除D98外,无明显差别。采用IMRT和VMAT照射时CI较好,3D-CRT照射时CI较差。危险器官受照方面,IMRT照射时,双肺V20、V30、平均肺剂量(meanlungdose,MLD)最小,脊髓受照剂量最小;3D-CRT照射时,危险器官受照剂量最大;VMAT照射时,危险器官受照剂量居于两者之间。
　　3、成都剂量体模纵隔淋巴结分布区的2区、4区、7区的中心点实现精确打孔并安装剂量监测设备,建立了胸部放疗中纵隔淋巴结剂量监测的辐照仿真模型。通过MIM系统弹性形变,数字化可视人体胸段数据图像与CDP的CT定位数据图像在纵隔区域和双肺融合较好。在融合后图像上,实现3种放疗模式下的放疗计划。利用纵隔淋巴结剂量监测的辐照仿真模型,经过5次照射,监测到3种模式下靶区和危险器官的实际受照剂量。对各种方式下的实际受照剂量和理论照射剂量进行统计学分析发现,3种方式下,纵隔淋巴结2区、肺部病灶的实际值与理论值较为接近,其它各区及各危险器官放疗的理论照射剂量的偏差比例较大,提示在设计放疗计划时,要按照实际受照剂量对计划进行适当修正。
　　结论:
　　1、建立了纵隔淋巴结数字化模型,直观展示了纵隔区域淋巴结的分布规律及其与周围重要结构的空间位置关系,为基础解剖教学、临床外科手术、肺癌分期和放射治疗的研究提供了较好的形态学依据。
　　2、纵隔淋巴结数字化模型应用于肺癌放疗计划制定和优化,尤其在根治性放疗中,放疗方式首选IMRT照射。无论在靶区剂量分布还是正常肺组织保护方面,IMRT照射比3D-CRT和VMAT照射都具有一定优势。
　　3、在肺癌放疗中,胸部放疗中纵隔淋巴结剂量监测的辐照仿真模型,能够较好监测靶区与危险器官的实际受照剂量。3种放疗模式下,除2区和肿瘤靶区外,其它各区和各危险器官的理论剂量均较实测剂量有一定偏差,不同放疗方式下的放疗计划应进行适当修正。
　　研究意义:
　　1、实现了纵隔淋巴结数字化模型在放疗计划优化中的剂量学仿真,为深入开展肺癌放疗的剂量学研究奠定了基础,也为利用相近方法开展人体其它组织或器官的剂量学仿真工作提供了借鉴。
　　2、虽然仿真辐照体模是标准人体,但是可采用仿真人体的组织等效材料补偿、MIM系统的弹性形变等方法,进行临床肿瘤病人的个体化放疗计划优化的模拟。
　　3、该研究可改变现代放疗中无法对组织器官实际受照剂量监测的缺陷,达到放疗剂量监测的准确性、客观性和可重复性,有利于进一步提高临床放疗相关研究的真实有效性,进而提高放疗疗效,减少并发症,最终改善肿瘤患者预后和生活质量。

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缩略语表

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第一章 前言

第二章 纵隔淋巴结数字化建模

2.1 材料与方法

2.2 结果

2.3 讨论

2.4 小结

第三章 纵隔淋巴结数字化模型在肺癌放疗模式选择和计划评估中的意义

3.1 材料与方法

3.2 结果

3.3 讨论

3.4 小结

第四章 纵隔淋巴结数字化模型在肺癌放疗计划优化中的剂量学仿真

4.1 材料与方法

4.2 结果

4.3 讨论

4.4 小结

全文结论

参考文献

文献综述

参考文献

研究生期间发表文章

致谢