Abstract
Formål
Nøyaktig analyse av sammenhengen mellom deformasjon av prostata og forskyvning av tyngdepunktet (COG) er viktig for effektiv strålebehandling for prostatakreft. I denne studien har vi løst dette problemet ved å innføre en ny analyse tilnærming.
Metode
En planlegging computertomografi (CT) skanne og 7 gjenta kjegle-beam CT i løpet av behandlingen var oppnådd for 19 prostatakreft pasienter som gjennomgikk tredimensjonale konforme strålebehandling. En enkelt observatør profilert prostatakjertelen bare. For å evaluere den lokale deformasjon av prostata, ble det delt inn i 12 manuelt definerte segmenter. Prostata deformasjon ble beregnet ved hjelp av egenutviklet programvare. Korrelasjonen mellom forskyvningen av COG og den lokale deformasjon av prostata ble evaluert ved bruk av multiple regresjonsanalyse.
Resultatene
middelverdi og standardavvik (SD) av prostata deformasjon var 0,6 mm og 1,7 mm, henholdsvis. For flertallet av pasientene, den lokale SD av deformasjonen var litt pils i øvre og nedre segmenter. Multippel regresjonsanalyse
avdekket at
anterior-posterior forskyvning av grenseverdi på prostata hadde en meget signifikant korrelasjon med deformasjoner i midten-anterior (
p
0,01) og middels posterior (
p
0,01) segmenter av prostata overflaten (
R
2
= 0,84). Det var imidlertid ingen signifikant korrelasjon mellom forskyvningen av COG og deformasjonen av prostata overflate i andre segmenter.
Konklusjon
anterior-posterior forskyvning av tannhjuls av prostata er sterkt korrelert med deformasjon i sin middel fremre og bakre segmenter. I strålebehandling for prostatakreft, er det nødvendig å optimalisere den indre marginen for hver posisjon av prostata målt ved anvendelse av bildestyrt strålebehandling
relasjon:. Nakazawa T, Tateoka K, Saito Y, Abe T, Yano M, Yaegashi Y, et al. (2015) Analyse av Prostate deformasjon under et kurs for strålebehandling for prostatakreft. PLoS ONE 10 (6): e0131822. doi: 10,1371 /journal.pone.0131822
Redaktør: Zoran Culig, Innsbruck Medical University, ØSTERRIKE
mottatt: 24 januar 2015; Godkjent: 07.06.2015; Publisert: 29 juni 2015
Copyright: © 2015 Nakazawa et al. Dette er en åpen tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Data Tilgjengelighet: All relevant data er innenfor papir
finansiering:.. forfatterne har ingen støtte eller finansiering for å rapportere
konkurrerende interesser:. forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
målet med strålebehandling er å konsentrere stråledoser på svulsten mens eksponeringen av omliggende friskt vev minimere [1]. Dette målet kan oppnås ved å bruke to strålebehandling teknikker: tredimensjonalt konforme strålebehandling (3DCRT) og intensitet-modulert strålebehandling (IMRT) [2]. I tillegg er det mulig å redusere den set-up usikkerheten ved hjelp av bildestyrt strålebehandling (IGRT), som benytter en kilovoltage kjegle-bjelke CT (CBCT) system montert på en lineær akselerator [3, 4], i kombinasjon med de to ovennevnte teknikker.
planlegging målvolum (PTV) margin, som tar hensyn til både det indre margin (IM) og sette opp margin (SM), benyttes under strålebehandling planlegger å levere en foreskrevet absorbert dose til klinisk målvolum (CTV). Minimalisering av PTV margin kan redusere risikoen for toksisitet overfor omgivende normalt vev [5]. PTV margin reduksjon som ikke står for fysiologiske usikkerhet (f.eks rektum fylling) kan føre til biokjemisk svikt i strålebehandling for prostatakreft [6]. IM er vanligvis basert på forskyvning av tyngdepunktet (COG) i prostata eller implantat markører i prostatakjertelen [7, 8]. I strålebehandling for prostatakreft, imidlertid, IM ikke i tilstrekkelig grad tar hensyn til deformasjonen av prostata. Følgelig har betydelige deformasjoner prostata blitt demonstrert som kan føre til forskjeller mellom avgitt dose og den planlagte dose [9].
I de publiserte rapportene ble prostata deformasjon analyse utført ved anvendelse av computertomografi (CT) eller magnetisk resonans imaging (MRI) bilder som ble gjentatte ganger ervervet i løpet av strålebehandling for prostatakreft. Dermed Deurloo
et al
. kvantifisert deformasjonen av prostata og sædblæren ved hjelp gjenta CT-skanning og rapporterte at denne deformasjonen var liten i forhold til den prostata bevegelses [9]. van der Wielen
et al
. oppnådde lignende resultater basert på deformerbar bilderegistrering (DIR) av CT-bilder [10]. I kontrast, Nichol
et al
. oppdaget fysiologiske deformasjoner av prostata større enn 3 mm basert på kvantifisering av MR-bilder [11].
Deuloo
et al
. antas at prostata deformasjon forekommer bare i retning vinkelrett på overflaten av prostatakjertelen [9]. I sin studie, ble deformasjonen innhentet basert på skråkanten matching av hele prostata og sædblærene. Følgelig prostata deformasjon kan ha blitt påvirket av deformasjon av sædblærene [10]. På den annen side nøyaktigheten av DIR tilnærming, som ble brukt til å analysere prostata deformasjon av van der Wielen
et al
. og Nichol
et al
., varierer avhengig av sysselsatt [12] algoritme, og de tilsvarende avvik kan ha påvirket resultatene av analysen. Videre er hovedmålet med prostata deformasjon analyse hittil var å beregne standardavviket (SD) av deformasjonen av prostata, mens korrelasjonen mellom forskyvningen av prostata og dens deformasjon ikke tidligere har vært undersøkt. Siden IM definert av International Commission on Radiation Units (ICRU) rapporterer 62 tar hensyn til geometriske usikkerheten i forskyvning og deformasjon av målet, er det viktig å undersøke denne sammenhengen.
I denne studien har vi kvantifisert deformasjonen av prostata ved hjelp av en enkel metode som definerer deformasjonen retning og analysert korrelasjonen mellom deformasjon og forskyvning av den grenseverdi på prostata i strålebehandling.
Materialer og metoder
Pasienter
Nitten prostatakreftpasienter som ble behandlet mellom april 2011 og august 2012 med 3DCRT ble retrospektivt undersøkt. Den retrospektive analysen ble utført i henhold til Helsinki deklarasjonen, og studieprotokollen ble godkjent av medisinsk etikk komité av Kushiro by General Hospital. Pasientinformasjon ble anonymisert og avidentifisert før analyse. Svulsten kliniske faser var som følger: T1, 7 pasienter; T2, 8 pasienter; og T3, 4 pasienter. Elleve pasienter gjennomgikk hormonbehandling før 3DCRT (median varighet: 6 måneder, range: 3-21). Alle pasientene ble foreskrevet en dose på 70 Gy i 35 fraksjoner i løpet av 50-55 dager. De ble bedt om å tømme endetarmen og drikke 250 ml vann 30 min før planlegging CT (Light RT, GE Healthcare Ltd, Little Chalfont, Buckinghamshire, HP7 9na, Storbritannia) og behandling levering av blære fylling. De CBCT bildene ble kjøpt en gang hvert femte fraksjoner for totalt 7 datasett per pasient. Planleggingen CT og CBCT bildene ble rekonstruert ved hjelp av en 2,5 mm skive tykkelse og en 2,5-mm tilvekst. En enkelt observatør profilert prostata på alle CBCT bilder.
Prostatakreft volumanalyse
Sanguineti
et al
. rapporterte at prostatavolum avtar i tid under påvirkning av hormonbehandling [13]. For å undersøke hvorvidt prostata deformasjon omfatter en slik volumendring ble prostata volumendring i løpet av strålebehandling undersøkt. Middelverdien og SD av prostata volum ble beregnet med en strålebehandling planleggingssystem (Eclipse v 6.0, Varian Medical Systems, Palo Alto, California). Tiden utviklingen av prostatavolumendring ble evaluert ved hjelp av Spearmans rang korrelasjonskoeffisient.
Prostata deformasjon analyse
deformasjon av prostata ble definert som avstanden mellom prostata overflaten i planleggingen CT image og CBCT bilde for hver fraksjon. Prostata deformasjon analyse ble utført ved hjelp av egenutviklet programvare.
Først prematching ble utført. Rigid bein registrering mellom planlegging CT og CBCT bilder med profilerte prostata ble oppnådd med Velocity AI (Velocity Medical Systems, Atlanta, GA 9), som justert de to koordinatsystemer. Deretter ble konturer data i planlegging CT og CBCT bildene overført til egenutviklet programvare. Prostata forskyvning ble målt som forskyvning mellom COG av prostata i planlegging CT scan og CBCT skanner, og planlegging CT scan og alle CBCT skanner ble matchet basert på tannhjul av prostata oversettelse. Slik justerer du skiver av bunnen og toppen av prostata konturer i CBCT skanner og planlegging CT scan ble craniocaudal utsikt over prostata kontur i CBCT skanner enten utvides eller kontrahert midlertidig (fig 1A). Dersom antall skiver av prostata konturene i en CBCT scan var forskjellig fra den i planlegging CT scan, ble lineær interpolasjon mellom sektorene i CBCT scan benyttes til å matche de to tallene. De punkter hvor prostata konturer i planlegging CT scan og CBCT skanner krysses med en rett linje trukket hver 10 grader gjennom grenseverdi på prostata kontur for hver bit av planlegging CT-bildet ble beregnet som referansepunktene (fig 1B) . Til slutt ble returnert craniocaudal utsikt over prostata kontur i CBCT skanner til sin opprinnelige tilstand, og avstanden mellom de tilsvarende punktene ble målt som lokale forskyvninger av prostata (figur 1B). For å evaluere lokale deformasjoner, ble prostata delt inn i 12 manuelt definerte segmenter: overlegen-anterior (SA), overlegen-posterior (SP), overlegen høyre (SR), overlegen venstre (SL), middel anterior (MA), middel posterior (MP), i midten til høyre (MR), middel venstre (ML), mindreverdig-anterior (IA), mindreverdig-posterior (IP), dårligere høyre (IR), og dårligere venstre (IL) ( fig 2). Korrelasjonen mellom forskyvning av COG og den lokale deformasjon av prostata ble evaluert ved bruk av multippel regresjonsanalyse (trinnvis metode).
Den solide og stiplede linjer representerer prostata konturene i planlegging CT og CBCT skanner, henholdsvis. (A) En 2D fremstilling av sagittal konturene av prostata. For å justere posisjonene til bunnen og toppen av prostata konturer i CBCT skanner til de i planleggingen CT scan, ble craniocaudal utsikt over prostata kontur i CBCT skanner enten utvidet eller kontrakt. De ble returnert til sine opprinnelige statene etter justeringen. (B) En 2D representasjon av de aksiale konturene av et prostata. Krysset er COG av prostata i et representativt snitt. Pilene viser prostata deformasjoner retninger.
Superior-anterior (SA), overlegen-posterior (SP), overlegen høyre (SR), overlegen venstre (SL), middel anterior (MA ), middle-posterior (MP), i midten til høyre (MR), middel venstre (ML), mindreverdig-anterior (IA), mindreverdig-posterior (IP), dårligere høyre (IR), og dårligere venstre (IL ). Prostata ble delt i tre omtrent like segmenter i den skive dimensjon (den første 1/3 av prostatavolum ble benevnt den overlegne segmentet, og den siste tredjedel er betegnet mindreverdig segment) og inn i fire like segmenter i hver skive ( anterior, posterior, høyre og venstre segmenter).
Intra-observatør feil
For å utelukke inter-observatør feil, én observatør profilert prostata på alle bildene. For å vurdere intra-observatør feil ved hjelp av metoden introdusert av Deurloo
et al
. [9], ble prostata bilder tatt med planlegging CT og CBCT recontoured av samme observatør. Under denne prosessen ble observatøren blindet til de opprinnelige konturer. Intra-observatørvariasjon fører til overvurdering av sikkerhetsdatablad av den lokale forskyvning av prostata. Den målte SD av den lokale forskyvning (
SD
målt
) kan skrives som: 1where
SD
intra
er intra-observatør variasjon og
SD
selve
er selve SD av den lokale forskyvningen av prostata. De lokale forskyvninger mellom de første og andre konturer (
LD
i-s
) og deres SDS ble beregnet ved hjelp av tilnærmingen som er beskrevet i forrige avsnitt. Gitt at feilen forbundet med intra-observatørvariasjon ble introdusert to ganger i løpet av denne prosessen, ble disse SD-verdier dividert: 2where
n
er antall bildesett for hver pasient. Verdiene av
SD
faktiske
ble beregnet med likning 1.
Resultater
Prostatakreft volumanalyse
Det gjennomsnittlige verdier og SDS av prostatavolum var 30,7 ml og 15,9 ml henholdsvis. Volumet normalisert med hensyn til volum erholdt fra resultatene av planleggingen CT er vist i figur 3 som en funksjon av fraksjonen. De normaliserte volumer ble fordelt på de 19 pasientene. Den oppnådde determinantkoeffisient var 0,0463, og ingen signifikant lineær tidstrend ble observert (
p
= 0,28). Siden prostata volum ikke endret i løpet av strålebehandling, gjorde volumvariasjoner ikke forstyrre med evalueringen av prostata deformasjon.
Det var ingen signifikant trend over tid.
Prostate deformasjon analyse
Tabell 1 oppsummerer gjennomsnittlig prostata deformasjoner i de manuelt definerte segmenter. Det maksimale gjennomsnittlige prostata deformasjon var 1,3 mm i I-L-segmentet, og den gjennomsnittlige deformasjon verdien var under 1,0 mm i nesten alle segmentene. Den maksimale absolutte prostata deformasjon var 13,1 mm i anteroposteriore (AP) retning i den SP-segmentet av prostata.
SDS av prostata deformasjon i de manuelt definerte segmenter er oppsummert i tabell 2. gjennomsnittlig verdi på
SD
målt
var 2,0 mm. Selv
SD
intra
var under 1,0 mm i nesten alle segmenter, verdiene av 1,1-1,7 mm ble oppnådd for noen øvre og nedre segmenter.
Tabell 3 inneholder prostata fortrengnings statistikk for alle pasientene. I A-P og S-I-retninger, en prostata forskyvning av ble observert 3 mm ved 70% av tilfellene, mens en forskyvning av prostata ≥5 mm ble observert i 10% av tilfellene. Prostata forskyvning var under 1,5 mm i RL retning.
multippel regresjonsanalyse viste at AP forskyvning av grenseverdi på prostata hadde en meget signifikant korrelasjon med deformasjoner i MA (
p
0,01) og MP (
p
0,01) segmenter av prostata overflaten (
R
2
= 0,84). Det var imidlertid ingen signifikant korrelasjon mellom forskyvningen av COG og deformasjonen av prostata overflate i en hvilken som helst annen segment.
diskusjon
I denne studien evaluerte vi deformasjonen av prostata ved hjelp en enkel metode som definert deformasjonen retning av prostata og analysert korrelasjonen mellom forskyvning i tannhjuls av prostata og deformasjonen av dens overflate i strålebehandling.
SD
faktiske
av prostata deformasjon i alle segmentene var omtrent 1,5 mm, og den maksimale prostata deformasjonen var 13 mm i denne studien. I denne forbindelse, van der Wielen
et al
. implantert tre eller fire fiducial markører i hver pasient og gjennomført en gjentakelse CT scan før eller etter en behandling fraksjon i behandlings uker 2, 4 og 6. Som et resultat av dette SD av den oppnådde prostata deformasjon ble rapportert å være omtrent 1 mm [ ,,,0],10]. I avtalen, i studiet av Nichol
et al
. som også brukes fiducial markører og utført MRI før eller under en behandling fraksjon, SD- av prostata deformasjonen var omtrent 1 mm, og den maksimale prostata deformasjonen var 13 mm [11]. Selv om den maksimale prostata deformasjon i denne studien var lik som i publiserte rapporter, tilsvarende SD var litt større. Dette avviket kan skyldes forskjellene mellom vår metode for analyse og DIR metode som anvendes av van der Wielen
et al
. og Nichol
et al
. En fler institusjon deformerbar registreringsnøyaktighet studie [12] har vist at den midlere absolutte feil og den absolutte SD for prostata varierte 0,4 til 6,2 mm og fra 0,3 til henholdsvis 3,4 mm. Nøyaktigheten av det DIR fremgangsmåte varierer avhengig av algoritmen [12], og den punkt-til-punkt-korrespondanse mellom de to bildene er vanligvis ikke kjent. Dessuten er det ingen gullstandard for evaluering av resultatene av disse algoritmene [14]. Derfor, i dag, kan det være vanskelig å analysere organ deformasjon med tilstrekkelig nøyaktighet ved hjelp av DIR-metoden. I motsetning til dette, benyttet vi en fremgangsmåte med en enkel deformasjon modell som ikke bruker DIR, og påvirkning av prostata volumendring og intra-observatør feil ble tatt hensyn til. Derfor gjorde vår metodikk ikke lider av potensielle unøyaktigheter som følge av forskjeller i DIR algoritmer. Vi tror at den litt større verdien av
SD
faktiske
av prostata deformasjon er en konsekvens av anvendelsen av denne mindre partisk tilnærming. Egentlig gjorde prostata ikke deformeres langs en definert retning. Det er sannsynlig at den endelige deformasjon vektor blir bestemt av det innvendige trykk forbundet med prostata krymping eller svelling og utvendig trykk, for eksempel fra rektum fylling, og en algoritme som tar disse parametre i betraktning er nødvendig for den mest pålitelige evaluering.
Vi fant ingen signifikant korrelasjon mellom forskyvningen av COG og den lokale deformasjon av prostata i nesten alle segmenter av prostata. Derfor, i motsetning til forskyvningen av COG, prostata deformasjoner er sannsynlig å være hovedsakelig tilfeldig. Men A-P forskyvning av grenseverdi på prostata hadde en meget signifikant korrelasjon med deformasjoner i M-A (
p
0,01) og M-P (
p
0,01) segmenter. Det er kjent at forskyvning av den øvre endetarmen påvirker forskyvning av prostata [15], og som for utvidelse eller forskyvning kan også påvirke prostata deformert (figur 4) i betydelig grad. Selv i tilfelle av IGRT for prostatacancer ved bruk av implantat markører eller CBCT, vil en egnet IM må legges til CTV på grunn av prostata deformasjon som er uavhengig av dens forskyvning. Videre, hvis forskyvningen av prostata forekommer i A-P retning, kan det være mulig å justere IM basert på posisjonen av tannhjul. Hvis for eksempel prostata beveget i fremre retning, en mindre IM (f.eks null marg) kan anvendes i strålebehandling for prostatakreft. Wen et al. rapportert at forventet normalvevet komplikasjon sannsynlighet for sent rektal blødning ble redusert med 3,6% i gjennomsnitt når marginen ble redusert fra 10 mm og 6 mm på prostata /fremre endetarms vegg grensesnitt til henholdsvis 5 mm og 3 mm,. Videre er det ytterligere redusert med 1,0% i gjennomsnitt når marginen ble jevnt redusert til 3 mm [16]. Derfor kan selv en liten margin reduksjon i vesentlig grad redusere risikoen for sent rektal blødning, og det er en stor sannsynlighet for at strålebehandling med IM justert basert på posisjonen av tannhjul vil være effektiv i å redusere marginen.
Utvidelse eller forskyvning av rektum påvirker deformasjon av MP og MA segmenter av prostata.
PTV optimalisering av den margin som tar hensyn til deformasjonen av prostata korrelert med sin forskyvning vil bli gjenstand av våre fremtidige studier. For eksempel vil tilgjengeligheten av behandlingsplan maler med variable PTV marginer tillate å velge en passende plan for hver posisjon i prostata basert på IGRT. Vår fremgangsmåte kan være nyttig for et slikt adaptivt radioterapi for prostatakreft.
Konklusjon
I denne studien evaluerte vi deformasjonen av prostata ved hjelp av en enkel metode som definert i retning av deformasjonen og evaluert korrelasjonen mellom den forskyvning i tannhjuls av prostata og deformasjonen av dens overflate. Vår tilnærming løser problemet med variable nøyaktighet DIR algoritmer. Prostata deformasjon finner sted selv når den gjennomsnittlige prostatavolum forblir uendret i løpet av strålebehandling. Vår studie viste at A-P forskyvning av grenseverdi på prostata er sterkt korrelert med sin deformasjon i M-A og M-P segmenter. IGRT styrt optimalisering av behandlingsplan for hver posisjon av prostata er nødvendig for å øke effektiviteten av strålebehandling for prostatakreft.
Takk
Vi ønsker å erkjenne verdifulle samtaler med professor juni Takada (strålevern Laboratory, Sapporo Medical University), førsteamanuensis Kenichi Kamo (matematikk og Information Sciences, Sapporo Medical University), og høgskolelektor Kenichi Tanaka (strålevern Laboratory, Sapporo Medical University). Vi vil også gjerne takke stråling onkolog, medisinske fysikere, og stråling teknologer fra Kushiro by General Hospital for deres verdifulle kommentarer til denne artikkelen.
