面向危及器官重叠度的放疗自动计划优化方法研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kel002
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国内外各个放疗中心的标准医疗技术已逐步发展为调强放射治疗(Intensity Modulated Radiation Therapy,IMRT)。我国放疗行业的发展是不均衡的,具体表现为城乡不均衡、基层医院与三甲医院的不均衡。放疗行业发展的不均衡是多种原因造成的,其中医疗资源的不足,具体表现在缺少具有高级职称的医疗人员,而这一问题可以通过自动计划得到一定程度的缓解。使用IMRT自动计划,可以确保不同放疗中心在计划质量上处于相似的水平,保证患者得到安全高效的放射治疗。国内外有多家研究机构开展自动IMRT放疗技术研究,自动技术研究主要是以剂量体积直方图(Dose-volume Histogram,DVH)的估计值为基础。故本文以微分DVH计算模型为基础,对计划靶区(Planning target volume,PTV)与危及器官(Organs at risks,OARs)的重叠度展开了研究。本研究通过建立患者重叠度筛选模型,提出了脚本式自动计划方法,并在前列腺癌病例和乳腺癌病例上完成了测试与应用评估。主要内容如下:(1)首先对患者的勾画结构信息进行预处理,将计划靶区外扩直至覆盖所有关键器官,将PTV外扩的部分分隔成层厚3mm的子块。使用Pinnacle脚本导出各关键器官所有子块的微分DVH数据信息。接着通过对微分DVH建立偏正态高斯函数模型进行计算,根据PTV和OARs的重叠程度对病例进行分类。然后利用脚本预测各OARs微分DVH参数来指导计划,完成计划的自动优化。待计划优化完成后,通过比较原手工计划的DVH和自动计划的DVH对计划质量进行评估,选择临床上关注的评价指标,例如剂量体积直方图中的具体数值和等剂量线等等。统计学中t检验可以用来分析实验前后数据之间的关联度,得出实验结果的合理性。因此,本研究利用t检验对评价指标的数值进行分析,以此来检验模型的可行性。统计学中Spearman系数可以分析两组数据之间的相关程度。因此本研究利用Spearman相关系数来对治疗计划的指标差异值与重叠度之间的相关性进行分析,得出重叠度对治疗计划改善程度的影响。(2)开展上述方法的验证和临床病例的测试评估。同种类型的病例分为训练集、测试集,再根据重叠度数值大小将训练集与测试集进一步分类。模拟治疗设计流程,对测试集进行试验,量化分析选取的临床指标数值。根据临床上的评价标准,分析两种治疗计划的差异和变化规律。经过测试分析评估,面向重叠度筛选的微分DVH计算模型可以精确计算关键器官子块的DVH。结果显示重叠度越低,微分DVH的变化规律越明显。自动治疗计划中的各项指标均优于或者一致于原临床计划,并满足临床计划要求。相关性分析中,以前列腺中的膀胱为例,自动计划与原手工计划的危及器官膀胱V70、V60和V50的改善值与重叠度是负相关(相关系数=-0.357、-0.976*、-0.857**;P=0.385、0.000、0.007),重叠度越小,治疗计划改善的效果越好。该研究结果可以使得靶区剂量提高和关键器官照射剂量降低,为临床计划的制定给出参考,尤其为放疗物理师在制定重叠度较小的治疗计划时提供参考。
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