Исследование возможности расчета дозы на СВСТ при локализации опухоли в области живота и таза

Раздел - лучевая терапия

Исследование возможности расчета дозы на СВСТ при локализации опухоли в области живота и таза

Лисовская А.О.1,2, Логинова А.А.1, Коконцев Д.А.1, Нечеснюк А.В.1

Федеральное государственное бюджетное учреждение «ННПЦ ДГОИ им. Дмитрия Рогачева» Министерства здравоохранения Российской Федерации 2НИЯУ «МИФИ»

В представленной работе определены соотношения между числами Хаунсфилда и относительной электронной плотностью для стандартного режима сканирования на компьютерном томографе и для режимов компьютерной томографии в коническом пучке (СВСТ) областей таза и легких. Рассчитана доза для планов на СВСТ для малого и большого размеров фантома. Определены отклонения расчетной дозы на СВСТ от референсной дозы и измеренной. Рассмотрен пример расчета дозы на СВСТ для пациента с локализацией опухоли в области живота и таза.

Ключевые слова: числа Хаунсфилда, электронная плотность, расчет дозы, компьютерная томография в конусном пучке, область таза

The study of the calculating dose possibility on SVST in case of tumor localization in the abdomen and pelvis.

A.O. Lisovskaya, A.A. Loginova, D.A. Kokontsev, A.V. Nechesnyuk

1. Federal state budgetary institution "Dmitry Rogachev Scientific Center" of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation

2. NRNU MEPhI

In the present study are determined the relationship between the Hounsfield numbers and relative electron density for standard mode scanning computer tomography and computed tomography mode in a conical beam (SVST) areas of the pelvis and lungs. Dose is calculated at SVST for plans for small and large size of the phantom. Deviation is determined of the calculated dose at SVST from the reference and the measured dose. This study examines an example of the dose calculation on SVST for patients with localized tumor in the abdomen and pelvis.

Keywords: Hounsfield number, electron density, the calculation of the dose, computed tomography in cone beam, pelvis.

Сведения об авторах

Лисовская Анастасия Олеговна - техник -дозиметрист Логинова Анна Анзоровна - старший медицинский физик Коконцев Дмитрий Александрович - медицинский физик

Нечеснюк Алексей Владимирович - заведующий отделением лучевой терапии, к.м.н. Введение

Успех радиотерапии определяется точностью расчета дозы, поэтому необходимо

учитывать все факторы, которые могут повлиять на нее. Одним из таких факторов является

точное повторение всех условий облучения. Однако, при длительном лечении, нередки

ситуации, когда меняется анатомия пациента, либо опухоль меняет свои размеры и форму. В

таком случае прежнее лечение уже не будет столь эффективно - может возникнуть

переоблучение здоровых тканей или, наоборот, недооблучение мишени. Тогда возникает

необходимость перерасчета существующего плана на новой серии изображений, которую

можно получить при проведении регулярной процедуры компьютерной томографии в

коническом пучке (CBCT), использующейся для контроля укладки пациента.

Преимуществом такого подхода является быстрое его осуществление без повторения

процедуры разметки, что позволит продолжить лечение пациента без прерывания,

недостатком - чувствительность точности расчета дозы к условиям сканирования.

В зарубежной литературе появляется все больше исследований на тему расчета дозы на

СВСТ (Zhang, et al., 2015; Padmanaban et al., 2011; Emmens, 2011; Guibert, et al., 2014; Saw, et

al., 2005; Rong, et al., 2010; Takemura, et al., 2015). Некоторые иностранные клиники уже

применяют эту методику в своей рутинной практике. С учетом ориентации нашего центра на

педиатрическую онкологию и гематологию мы посчитали данное направление особенно актуальным.

Zhang J. с соавторами исследовали точность и целесообразность расчетов доз с использованием СВСТ для пациентов с раком шейки матки. Числа Хаунсфилда (HU) и кривая соотношения между числами Хаунсфилда и относительной электронной плотностью (HU-RED) были определены с использованием калибровочного фантома CIRS-062 для дальнейшего расчета планов на срезах, полученных с компьютерного томографа (CT) и CBCT. Эти изображения имеют разные значения чисел Хаунсфилда (максимальное отклонение - менее 2 %), поэтому необходимо нормализовать значения HU между СТ и CBCT. Авторы исследования утверждают, что использование СВСТ-изображений для расчета дозы возможно в терапии рака шейки матки, алгоритм коррекции чисел HU предлагает приемлемую точность (Zhang et al., 2015).

В своих исследованиях D. Emmens отмечает, что согласование между дозой, рассчитанной на СТ и СВСТ, составляет 1-2% в области головы, в нижней части шеи и плечах - в пределах 5%. На этом уровне числа Хаунсфилда мягких тканей, полученных на СВСТ, занижены на величину до 200 единиц. Автор предлагает использовать коррекцию значений HU, чтобы компенсировать эти изменения. Такая методика применяется для оценки значимости потери веса в тяжелых клинических случаях (Emmens, 2011).

Целью данной работы является исследование возможности расчета дозы на изображениях, полученных с помощью СВСТ, при локализации опухоли в области живота и таза.

Материалы и методы

Размеры объекта сканирования могут влиять на рассеяние, что особенно заметно в коническом пучке, поэтому для построения кривых HU-RED использовался фантом CIRS Density в двух размерах - большой фантом высотой 270 мм и шириной 330 мм, окруженный

дополнительным объемом, и маленький фантом, представляющий собой внутренний круг с различными плотностями диаметром 180 мм, также окруженный дополнительным объемом маленького диаметра (Рисунок 1) (CIRS, 2010).

СТ- и CBCT-изображения фантомов Freddie и Freepoint (CIRS), имитирующих пациентов разного возраста, были получены на СТ-сканере GE LightSpeed RT 16 (GE Company, 2008).

Рисунок 1. Фантом CIRS Density (по центру), окруженный дополнительным объемом, в двух вариантах (большой - слева и малый - справа).

С помощью планирующей системы (ПС) Monaco были созданы планы облучения с мишенями в области легкого и в области таза, алгоритмы Collapced Cone (ССС) и Monte-Carlo (MC). Экспериментальная проверка планов была проведена с использованием ионизационной камеры СС013 и электрометра DOSE1 (IBA) на линейном ускорителе Elekta Synergy. Сравнение планов, рассчитанных на CT и CBCT на область легких для большого и маленького размеров было проведено с использованием ПО Omni-Pro IMRT по гамма-критерию 3% 3 mm (IMPAC Medical Systems , 2014). Результаты исследования

Определение соотношения между числами Хаунсфилда и относительной электронной плотностью

Построены кривые HU-RED для трех протоколов сканирования и двух размеров фантома (Рисунок 2).

Рисунок 2. Кривая зависимости чисел Хаунсфилда от относительной электронной плотности для стандартного протокола сканирования на СТ и протокола для области таза Pelvis_M15 на СВСТ.

Таблица 1. Параметры протокола сканирования на СВСТ для области таза

Параметр Pelvis M15 Chest M20

Напряжение, кВ 120 120

Номинальное значение тока, мА 40 20

Номинальный временной интервал, мс 40 20

Тип коллиматора M15 M20

Тип фильтра F1 F1

Расчет дозы на СВСТ для области таза

Фантом Freddie, имитирующий пациента, отсканировали на СТ на стандартном режиме 120 кВ и на приведенном в таблице 1 режиме на СВСТ для области таза. После сканирования в каждой серии срезов были оконтурены мишень, артефакты от мишени, критические органы, легкие и кости. Мишенью для исследования фантома малого размера являлся объем, включающий ионизационную камеру, находившуюся в области таза.

Созданы планы для этих серий срезов (Рисунок 3). Параметры планов на область таза для малого размера фантома: 2 поля (по 100MU) под углами 90 и 270 размером 10х10 см и с энергией фотонов 6 МэВ. Алгоритм расчета дозы - Monte-Carlo (MC) и Collapsed Cone (CCC).

Рисунок 3. Создание плана на область живота.

Далее проводилось сравнение дозы, рассчитанной на СТ-изображениях и на СВСТ, с измеренной на линейном ускорителе с помощью ионизационной камеры. Отклонения расчетных значений от измеренных (А) представлены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение дозы, рассчитанной на СТ-изображениях и на СВСТ, с измеренной в фантоме малого размера для области таза

Название файла HU-RED Алгоритм расчета Доза, Гр A, %

CT1 (референс) Collapsed Cone 2,071 -0,81

Monte-Carlo 2,077 -0,53

Pelvis_M15_small Collapsed Cone 2,085 -0,14

Monte-Carlo 2,076 -0,57

Измеренная доза, Гр 2,088

При использовании HU-RED, соответствующего протоколу сканирования на СВСТ, рассчитанная на СВСТ-изображениях доза отличается от измеренной с разницей порядка 0,5 %.

При выборе соотношения HU-RED, полученного при сканировании на другом протоколе, отклонение расчетных значений дозы от измеренной колеблется от 2,6 % до 7 %, в то время как выбор соотношения, полученного при сканировании на данном протоколе, не учитывающего размер, приводит к отклонению в дозе меньше 1 %.

Далее фантом CIRS density большого размера с дополнительным объемом отсканировали на СТ на стандартном режиме 120 кВ и на СВСТ на режиме Pelvis_M15 для области таза. Создали планы на этом фантоме на полученных сериях срезов (Рисунок 4). Параметры планов на область таза для большого размера фантома: 3 поля под углами 15, 90 и 270 размером 7х7 см и с энергией фотонов 6 МэВ. Алгоритм расчета дозы - MC и CCC.

В плане, использующем серию срезов СТ1 и алгоритм МС, на мишень (вставку в центре фантома) приходилось 1,850 Гр. Эта величина дозы была принята за референсное значение, так как соотношение HU-RED было выбрано соответствующее данному режиму сканирования на СТ. На серии срезов СВСТ был сделан такой же план с теми же самыми значениями мониторных единиц. При этом на этой серии менялось соотношение HU-RED для разных режимов и рассчитывалась доза. Полученные данные представлены в таблице (Таблица 3).

Рисунок 4. Создание плана на область таза на фантоме большого размера Таблица 3. Сравнение дозы, рассчитанной на СТ-изображениях с референсной дозой, рассчитанной на серии срезов СВСТ

Название файла HU-RED Алгоритм расчета Доза, Гр A, %

CT1 (референс) Collapsed Cone 1,829 -

Monte-Carlo 1,850 -

Pelvis_M15_big Collapsed Cone 1,848 -0,11

Monte-Carlo 1,860 +0,54

При использовании для расчета дозы на СВСТ соотношения HU-RED, соответствующего протоколу сканирования, рассчитанная на СВСТ доза отличается от референсной с разницей 0,5 % и меньше.

Значения дозы, рассчитанные на СВСТ с соотношением HU-RED, полученным на другом режиме сканирования, отличаются от референсной в диапазоне от 7,5 % до 9,7 %, в то время как выбор HU-RED, соответствующего режиму сканирования, но не учитывающего размер фантома, приводит к отклонениям от 1,3 % до 2 %.

Далее с помощью гамма-критерия (3% 3мм) сравнивали дозовые распределения, полученные при расчете на СВСТ и на СТ алгоритмом МC (Рисунок 5). Получили количество точек, удовлетворяющих гамма-критерию 97,29 %.

Рисунок 5. Сравнение дозового распределения, полученных с помощью расчета на СВСТ- и СТ-срезах алгоритмом МС

Из рисунка 5 можно увидеть, что по краям фантома возникает наибольшее расхождение в дозе. С помощью планирующей системы была графически представлена электронная плотность фантома на серии срезов СВСТ (Рисунок 6). Оказалось, что по краям она сильно отличается от его реальной плотности, которая в действительности равномерна по всему объему фантома.

Рисунок 6. Графическое представление электронной плотности фантома на срезах СВСТ.

Полученный результат можно объяснить тем, что при сканировании коническим пучком через края сканируемого объекта на детектор поступает другое количество информации, что после реконструкции изображения приводит к изменению электронной плотности по краям объекта. Также стоит учитывать, что спектр по краям конического пучка отличается от спектра в центре пучка, что тоже вносит свой вклад и влияет на результат сканирования.

Пример расчета дозы на СВСТ для пациента с локализацией опухоли в области

таза

Рассмотрим метод проведения расчета дозы на СВСТ на примере одного из пациентов отделения лучевой терапии, который во время курса лечения сильно похудел (Рисунок 7). Было принято решение отсканировать его на СВСТ на протоколе Pelvis_M15 и создать QA-

план первоначального плана, рассчитанного на СТ, на эту серию срезов с применением соответствующего соотношения HU-RED (Рисунок 8). Передне-задний размер пациента соответствовал малому размеру фантома в пределах 3 см.

Рисунок 7. Изменение контуров пациента, обнаруженное при сканировании на СВСТ.

Как видно из рисунка 8, дозовое распределение заметно отличается при расчете плана на измененных контурах. В области мишени получается превышение предписанной дозы. Далее дозовые распределения, полученные при расчете первоначального плана и нового, сравнивали с помощью гамма-критерия (Рисунок 9). Количество точек, удовлетворяющих гамма-критерию 3% 3мм — 9,7 %.

Рисунок 8. Первоначальный план на пациенте (слева) и QA-план на СВСТ-изображениях (справа).

Рисунок 9. Сравнение дозовых распределений первоначального плана и нового с помощью гамма-критерия.

Далее, с помощью написанной в Mathlab программы, были оценены различия гистограмм PTV старого и нового планов (Рисунок 10). Средняя доза по PTV была превышена на 7 процентов.

В данном случае, исходя из клинической ситуации, врачами было принято решение не изменять лечебный план.

Рисунок 10. Сравнение гистограмм для двух планов (сплошная зеленая линия - PTV в первоначальном плане, зеленый пунктир - PTV в плане, рассчитанном на СВСТ, с коррекцией на изменение анатомии).

Обсуждение результатов

Следует отметить, что в данной работе, при сканировании на СВСТ калибровочный фантом CIRS Density окружали дополнительным объемом, чтобы учесть вклад рассеяния в коническом пучке. Также в данной работе осуществлялась оценка зависимости кривой HU-RED от объема фантома в пределах одного протокола сканирования. Таким образом, были исследованы два размера фантома, описанные выше, - большой и малый. В ходе эксперимента было отмечено, что при использовании кривой HU-RED, полученной для соответствующего протокола и размера фантома, результаты расчета дозы получаются точнее, чем при использовании кривой, полученной для соответствующего протокола, но другого объема фантома, хотя последние и укладываются в 3% допустимый интервал. Вследствие этого рекомендуется использовать кривую HU-RED, учитывающую и условия сканирования и размер объекта.

В плане на область живота и таза при использовании соответствующего соотношения HU-RED отклонение измеренной дозы от рассчитанной на СВСТ-изображениях порядка 0.5% как для малого размера фантома, так и для большого. Этот результат показывает, что точность расчета дозы на СВСТ-изображениях сравнима с точностью расчета дозы на СТ-изображениях, за исключением областей, расположенных на краях фантомов (пациентов). Можно говорить о том, что рассматриваемый в работе метод расчета доза на СВСТ можно использовать для расчета планов пациентов на область живота и таза.

Заключение

Разработана методика, позволяющая осуществлять расчет дозы в области живота и таза на основе данных СВСТ, рутинно получаемых при контроле положения пациента на лечебном столе ускорителя. Получаемая точность сопоставима с точностью расчета дозы на

СТ при использовании соотношения HU-RED соответствующего размеру фантома и протоколу сканирования.

Список литературы

1. D. Emmens. CBCT dose calculation accuracy in head and neck. Radiotherapy and Oncology. 2011. V. 99. P. 576. 1548 poster.

2. Guibert G., Cossmann P., Tamburella C., et al. CBCT-IGRT use to implement adaptive treatment: comparative study of CT- and CBCT-based dosimetries using the CIRS phantom and the gamma index. Three-day Conference of Medical Physics. Zurich. 2014.

3. Padmanaban S., Nagarajan V., Sukumar P. A study on evaluation of kV-CBCT-image-based treatment planning using anthropomorphic phantom. Journal of Medical and Biological Engineering. 2011. V. 31. N. 6. P. 429-435.

4. Rong Y., Smilowitz J., Tewatia D., et al. Dose calculation on KV cone beam CT images: An investigation of the Hu-Density conversion stability and dose accuracy using the site-specific calibration. Med Dosim. 2010. V. 35. I. 3. P. 195-207.

5. Saw C.B., Loper A., Komanduri K., et al. Determination of CT-to-density conversion relationship for image-based treatment planning systems. Med Dosim. 2005. V. 30. N. 3. P. 145-148.

6. Takemura A., Tanabe S., Tokai M., Ueda S. Long-term stability of the Hounsfield unit to electron density calibration curve in cone-beam computed tomography images for adaptive radiotherapy treatment planning. Journal of Radiotherapy in Practice. 2015. V. 14. P. 410-417.

7. Zhang J., Zhang W., Lu J. A correction algorithm for kilovoltage cone-beam computed tomography dose calculations in cervical cancer patients. Medical Physics. 2015. V. 42. N. 6. P. 3242.

8. CIRS Computerized imaging reference systems, inc. ATOM Manual Dosimetry Phantoms. PB ATOM 082310. 2010.

9. General Electric Company. LightSpeed RT 16, Xtra. Technical Reference Manual. 5161956-1 EN. Revision:7. 2008.

10. IMP AC Medical Systems, inc. LRMMON0001/7.0. Monaco Dose Calculation Technical Reference (Elekta). 2014.