PLoS ONE: Analyse af Prostata deformation under en bane af strålebehandling for prostata Cancer

Abstrakt

Formål

Præcis analyse af sammenhængen mellem deformation af prostata og fordrivelse af dets tyngdepunkt (CoG) er vigtig for effektiv strålebehandling for prostatakræft. I denne undersøgelse, behandles vi dette problem ved at indføre en ny analyse tilgang.

Metode

En planlægning computertomografi (CT) scanning og 7 gentage kegle-beam CT-scanninger i løbet af behandlingen var opnået i 19 prostatacancerpatienter der undergik tredimensionale konform strålebehandling. En enkelt observatør kontureret prostata kun kirtel. For at evaluere den lokale deformation af prostata blev det opdelt i 12 manuelt definerede segmenter. Prostata deformation blev beregnet ved hjælp af in-house udviklet software. Sammenhængen mellem forskydningen af ​​tandhjul og den lokale deformation af prostata blev evalueret ved hjælp af multipel regressionsanalyse.

Resultater

Middelværdi og standardafvigelse (SD) af prostata deformation var 0,6 mm og 1,7 mm. For hovedparten af ​​patienterne, den lokale SD af deformationen var lidt pilsner i øvre og nedre segmenter. Multipel regressionsanalyse

afslørede, at

anterior-posterior forskydning af tandhjul af prostata havde en yderst signifikant korrelation med deformationer i midten-anterior (

s

0,01) og midt- posterior (

s

0,01) segmenter af prostata overflade (

R

2

= 0,84). Der var imidlertid ingen signifikant korrelation mellem forskydningen af ​​tandhjul og deformationen af ​​prostata overflade i andre segmenter.

Konklusion

Anterior-posterior forskydning af COG’en af ​​prostata er stærkt korreleret med deformation i sine midt-forreste og bageste segmenter. I strålebehandling for prostatakræft, er det nødvendigt at optimere den interne margen for hver position af prostata målt med billede-vejledt strålebehandling

Henvisning:. Nakazawa T, Tateoka K, Saito Y, Abe T, Yano M, Yaegashi Y, et al. (2015) Analyse af Prostata deformation under en bane af strålebehandling for prostatakræft. PLoS ONE 10 (6): e0131822. doi: 10,1371 /journal.pone.0131822

Redaktør: Zoran Culig, Innsbruck Medical University, ØSTRIG

Modtaget: Januar 24, 2015; Accepteret: 7 juni 2015; Udgivet: 29 juni 2015

Copyright: © 2015 Nakazawa et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Data Tilgængelighed: Alle relevante data er inden papiret

finansiering:.. forfatterne har ingen støtte eller finansiering til at rapportere

konkurrerende interesser:. forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

målet med strålebehandling er at koncentrere strålingsdoser på tumoren samtidig minimere eksponering af omkringliggende raske væv [1]. Dette mål kan opnås ved at anvende to stråling terapi teknikker: tredimensionale konform strålebehandling (3DCRT) og intensitet-moduleret strålebehandling (IMRT) [2]. Desuden er det muligt at reducere opsætning usikkerhed ved anvendelse af billedanalyse-guided strålebehandling (IGRT), som benytter en kilovoltage kegle-beam CT (CBCT) monteret på en lineær accelerator [3, 4], i kombination med de to ovennævnte teknikker.

planlægning target volumen (PTV) margin, der tager hensyn til både den interne margin (IM) og opsætningen margin (SM), udnyttes under strålebehandlingen planlægning til at levere en ordineret absorberet dosis til målet volumen kliniske (CTV). Minimering af PTV margen kan reducere risikoen for toksicitet for omgivende normale væv [5]. PTV reduktion margen, tager ikke højde for fysiologiske usikkerheder (fx endetarmen påfyldning) kan føre til biokemisk svigt af strålebehandling for prostatacancer [6]. IM beregnes typisk baseret på forskydning af tyngdepunktet (CoG) af prostata eller implantat markører i prostatakirtlen [7, 8]. I strålebehandling for prostatacancer imidlertid IM ikke tilstrækkeligt hensyn deformationen af ​​prostata. Derfor har betydelige prostata deformationer påvist, der kan forårsage forskelle mellem det leverede dosis og den planlagte dosis [9].

I de offentliggjorte rapporter, blev prostata deformation analyse foretaget ved hjælp af computertomografi (CT) eller magnetisk resonans (MRI) billeder, der gentagne gange er erhvervet under strålebehandling for prostatakræft. Således Deurloo

et al

. kvantificeret deformationen af ​​prostata og sædblærer ved hjælp repeat CT-scanninger og rapporterede, at denne deformation var lille sammenlignet med prostata bevægelse [9]. van der Wielen

et al

. opnåede lignende resultater baseret på deformerbare billedregistrering (DIR) i CT-billeder [10]. I modsætning hertil Nichol

et al

. opdaget fysiologiske deformationer af prostata mere end 3 mm er baseret på kvantificering af MRI-billeder [11].

Deuloo

et al

. antages, at prostata deformation forekommer kun i retningen vinkelret på overfladen af ​​prostata [9]. I deres undersøgelse blev deformationen opnået baseret på affasning matchning af hele prostata og sædblærer. Derfor kan prostata deformation er blevet påvirket af deformation af sædblærer [10]. På den anden side, nøjagtigheden af ​​DIR fremgangsmåde, der blev anvendt til at analysere prostata deformation af van der Wielen

et al

. og Nichol

et al

., varierer afhængigt af den algoritme anvendes [12], og de tilsvarende forskelle kan have påvirket resultaterne af analysen. Desuden hovedformålet med prostata deformation analyse hidtil var at beregne standardafvigelsen (SD) af deformation af prostata, mens sammenhængen mellem forskydning af prostata og dens deformation ikke tidligere er blevet undersøgt. Siden IM fastlagt af International Commission on Radiation Units (ICRU) rapporterer 62 tager hensyn til den geometriske usikkerhed i fordrivelse og deformation af målet, er det vigtigt at undersøge denne sammenhæng.

I denne undersøgelse har vi kvantificeret deformationen af ​​prostata ved hjælp af en simpel metode, der definerer deformation retning og analyseret sammenhængen mellem deformation og forskydning af tandhjul i prostata i strålebehandling.

Materialer og metoder

Patienter

Nitten prostata cancer patienter behandlet i perioden april 2011 og august 2012 med 3DCRT blev retrospektivt undersøgt. Den retrospektive analyse blev gennemført i overensstemmelse med Helsingfors-erklæringen, og forsøgsprotokollen blev godkendt af medicinsk etik udvalg Kushiro By General Hospital. Patientinformation blev anonymiseret og de-identificeret før analyse. Tumoren kliniske faser var som følger: T1, 7 patienter; T2, 8 patienter; og T3, 4 patienter. Elleve patienter gennemgik hormonbehandling før 3DCRT (median: 6 måneder, interval: 3-21). Alle patienter blev ordineret en dosis på 70 Gy i 35 fraktioner over 50-55 dage. De blev instrueret i at tømme endetarmen og drikke 250 ml vand 30 min før planlægningen CT (LightSpeed ​​RT, GE Healthcare Ltd, Little Chalfont, Buckinghamshire, HP7 9NA, Storbritannien) og levering til blære påfyldning behandling. De CBCT billeder blev erhvervet hvert femte fraktioner for i alt 7 datasæt per patient. Planlægningen CT og CBCT billeder blev rekonstrueret under anvendelse af et 2,5 mm skivetykkelse og en 2,5-mm tilvækst. En enkelt observatør kontureret prostata på alle CBCT billeder.

Prostata volumen analyse

Sanguineti

et al

. rapporterede, at prostatavolumen aftager med tiden under påvirkning af hormonterapi [13]. For at undersøge om prostata deformation omfatter en sådan volumen ændring, blev ændring prostata volumen i løbet af strålebehandling undersøgt. Middelværdien og SD af prostata volumen blev beregnet med en strålebehandling planlægningssystem (Eclipse v 6.0, Varian Medical Systems, Palo Alto, CA). Tiden tendens prostatavolumen ændre den blev vurderet ved hjælp af Spearman rang korrelationskoefficient.

Prostata deformation analyse

deformation af prostata blev defineret som afstanden mellem prostata overflade i planlægningen CT image og CBCT billede for hver fraktion. Prostata deformation analyse blev udført ved hjælp af in-house udviklet software.

Først prematching blev udført. Stiv knogle registrering mellem planlægning CT og CBCT billeder med kurvede prostata blev opnået med Velocity AI (Velocity Medical Systems, Atlanta, GA 9), der flugter de to koordinatsystemer. Derefter blev profilgenererende data i planlægningen CT og CBCT billederne overføres til egenudviklede software. Prostata forskydning blev målt som forskydningen mellem tandhjul af prostata i planlægningen CT-scanning og CBCT scanninger, og planlægningen CT-scanning, og alle CBCT skanninger blev matchet baseret på tandhjul af prostata oversættelse. Sådan justeres skiver af basen og toppunktet af prostata konturer i CBCT skanninger og planlægning CT-scanning, blev craniocaudal udsigt over prostata kontur i CBCT scanninger enten udvides eller kontraheret midlertidigt (Fig 1A). Hvis antallet af skiver af prostata konturer i en CBCT scanning var anderledes end i planlægningen CT-scanning, blev lineær interpolation mellem skiverne i CBCT scanning bruges til at matche de to tal. De punkter, hvor prostata konturer i planlægningen CT-scanning og CBCT skanninger gennemskåret med en lige linje hver 10 grader gennem tandhjul af prostata kontur for hver skive af planlægningen CT billedet blev beregnet som referencepunkter (Fig 1B) . Endelig blev craniocaudal visninger af prostata kontur i CBCT scanninger tilbage til deres oprindelige tilstand, og afstandene mellem de tilsvarende punkter blev målt som lokale forskydninger af prostata (Fig 1B). For at evaluere lokale deformationer blev prostata opdelt i 12 manuelt definerede segmenter: overlegen-anterior (SA), overlegen-posterior (SP), overlegen-højre (SR), overlegen-venstre (SL), middle-anterior (MA), middle-posterior (MP), middle-højre (MR), middle-venstre (ML), ringere-anterior (IA), ringere-posterior (IP), ringere-højre (IR), og ringere-venstre (IL) ( fig 2). Korrelationen mellem forskydningen af ​​tandhjul og den lokale deformation af prostata blev vurderet ved anvendelse multipel regressionsanalyse (den trinvise metode).

optrukne og punkterede linier repræsenterer prostata konturer i planlægningen CT og CBCT scanninger, henholdsvis. (A) En 2D repræsentation af de sagittale konturer af prostata. Sådan justeres positionerne af basen og toppunktet af prostata konturer i CBCT scanninger til dem i planlægningen CT-scanning blev craniocaudal udsigt over prostata kontur i CBCT scanninger enten udvides eller kontraheret. De blev returneret til deres oprindelige tilstande efter justeringen. (B) En 2D repræsentation af de aksiale konturer af en prostata. Korset mærke er tandhjul i prostata i et repræsentativt udsnit. Pilene angiver prostata deformation retninger.

Superior-anterior (SA), overlegen-posterior (SP), overlegen-højre (SR), overlegen-venstre (SL), middle-anterior (MA ), middle-posterior (MP), middle-højre (MR), middle-venstre (ML), ringere-anterior (IA), ringere-posterior (IP), ringere-højre (IR), og ringere-venstre (IL ). Prostata blev delt i tre omtrent lige store segmenter i udsnit dimension (den første 1/3 af prostata volumen blev benævnt den overlegne segment, og den sidste 1/3 blev kaldt inferior segment) og i fire lige store segmenter i hver skive ( anterior, posterior, højre, og venstre segmenter).

Intra-observatør fejl

for at udelukke inter-observatør fejl, en enkelt observatør kontureret prostata på alle billeder. For at vurdere intra-observatør fejl ved hjælp af metoden indført ved Deurloo

et al

. [9], blev prostata billeder erhvervet med planlægning CT og CBCT recontoured af samme observatør. Under denne proces blev observatøren blindet for de oprindelige konturer. variation resultater intra-observatør i overvurdering SDS i den lokale forskydning af prostata. Den målte SD af den lokale fortrængning (

SD

målt

) kan skrives som: 1where

SD

intra

er intra-observatør variation og

SD

faktiske

er selve SD af den lokale forskydning af prostata. De lokale forskydninger mellem de oprindelige og anden konturer (

LD

i-s

) og deres SD’er blev beregnet ved hjælp af den fremgangsmåde, der er beskrevet i det foregående afsnit. Eftersom fejl i forbindelse med intra-observatør variation blev indført to gange under denne proces, blev disse SD-værdier divideret med: 2where

n

er antallet af billedsæt for hver patient. Værdierne for

SD

faktiske

blev beregnet med ligning 1.

Resultater

Prostata volumen analyse

Den gennemsnitlige værdier og SDS i prostata volumen var 30,7 ml og 15,9 ml. Volumenet normaliseres med hensyn til volumenet opnået fra resultaterne af planlægningen CT er vist i figur 3 som funktion af fraktionen. De normaliserede volumener blev et gennemsnit af de 19 patienter. Den opnåede determinationskoefficienten var 0,0463, og blev ikke observeret nogen signifikant lineær tid trend (

s

= 0,28). Da prostata volumen ikke ændrede i løbet af strålebehandling, har volumen variationer ikke gribe ind i vurderingen af ​​prostata deformation.

Der var ingen signifikant tid tendens.

Prostata deformation analyse

tabel 1 opsummerer de gennemsnitlige prostata deformationer i de manuelt definerede segmenter. Den maksimale gennemsnitlige prostata deformation var 1,3 mm i I-L-segmentet, og den gennemsnitlige deformation værdi var under 1,0 mm i næsten alle segmenter. Den maksimale absolutte prostata deformation var 13,1 mm i anteroposteriore (AP) retning i SP segment af prostata.

SDS af prostata deformation i de manuelt definerede segmenter er sammenfattet i tabel 2. gennemsnitlige værdi af

SD

målt

var 2,0 mm. Selvom

SD

intra

var under 1,0 mm i næsten alle segmenter, værdierne af 1,1-1,7 mm blev opnået for nogle overlegne og underlegne segmenter.

tabel 3 indeholder prostata forskydning statistik for alle patienterne. I A-P og S-I retninger, en prostata forskydning af blev observeret 3 mm 70% af tilfældene, mens der blev observeret en prostata forskydning af ≥5 mm 10% af tilfældene. Prostata forskydningen var under 1,5 mm i RL retning.

multipel regressionsanalyse viste, at AP forskydning af COG’en af ​​prostata havde en stærkt signifikant korrelation med deformationerne i MA (

s

0,01) og MP (

s

0,01) segmenter af prostata overflade (

R

2

= 0,84). Der var imidlertid ingen signifikant korrelation mellem forskydningen af ​​tandhjul og deformationen af ​​prostata overflade på anden segment.

Discussion

I denne undersøgelse vurderede vi deformationen af ​​prostata ved hjælp af en simpel metode, der er defineret deformation retning af prostata og analyseret sammenhængen mellem forskydningen i tandhjul af prostata og deformation af dens overflade i strålebehandling.

SD

faktiske

af prostata deformation i alle segmenter var omkring 1,5 mm, og den maksimale prostata deformation var 13 mm i denne undersøgelse. I denne henseende van der Wielen

et al

. implanteret tre eller fire referencemærker markører i hver patient og udførte en gentagelse CT scanning før eller efter en behandling fraktion i behandlingsugerne 2, 4 og 6. Som et resultat, SD af den opnåede prostata deformation blev rapporteret at være ca. 1 mm [ ,,,0],10]. Efter aftale, i studiet af Nichol

et al

. der også anvendes referencemærker markører og udføres MRI før eller under en brøkdel behandling, SD af prostata deformation var ca. 1 mm, og den maksimale prostata deformation var 13 mm [11]. Selvom den maksimale prostata deformation i den foreliggende undersøgelse svarede til det i de offentliggjorte rapporter, den tilsvarende SD var lidt større. Denne afvigelse kan skyldes forskellene mellem vores analysemetode og DIR-metoden anvendes af van der Wielen

et al

. og Nichol

et al

. En multi-institution deformerbart registreringsnøjagtighed undersøgelse [12] har vist, at den gennemsnitlige absolutte fejl og den absolutte SD for prostata fra 0,4 til 6,2 mm og fra 0,3 til 3,4mM, hhv. Nøjagtigheden af ​​DIR-metoden varierer afhængigt af algoritmen [12], og det punkt-til-punkt korrespondance mellem de to billeder er normalt ukendt. Desuden er der ingen gold standard for evalueringen af ​​udførelsen af ​​disse algoritmer [14]. Derfor, på nuværende tidspunkt, kan det være vanskeligt at analysere orgel deformation med tilstrækkelig nøjagtighed ved hjælp af DIR-metoden. I modsætning hertil anvendte vi en fremgangsmåde med en simpel deformation model, der ikke bruger DIR, og de påvirkninger af prostata volumenændring og intra-observatør fejl blev taget i betragtning. Derfor har vores metode ikke lider potentielle unøjagtigheder som følge af forskelle i DIR algoritmer. Vi mener, at den lidt større værdi af

SD

faktiske

af prostata deformation er en konsekvens af anvendelsen af ​​denne mindre forudindtaget tilgang. Faktisk, prostata ikke deformeres langs en defineret retning. Det er sandsynligt, at den endelige deformation vektor bestemmes af det indre tryk i forbindelse med prostata krympning eller hævelse og ydre tryk, for eksempel fra endetarmen påfyldning, og en algoritme, der tager hensyn til disse parametre er påkrævet for den mest pålidelige vurdering.

Vi fandt ingen signifikant korrelation mellem forskydningen af ​​tandhjul og den lokale deformation af prostata i næsten alle segmenter af prostata. Derfor i modsætning til forskydningen af ​​tandhjul, prostata deformationer sandsynligvis være overvejende tilfældigt. Men A-P forskydning af COG’en af ​​prostata havde en stærkt signifikant korrelation med deformationerne i M-A (

s Restaurant 0,01) og M-P (

s Restaurant 0,01) segmenter. Det er kendt, at forskydning af det øvre endetarmen signifikant påvirker forskydning af prostata [15], og en sådan udvidelse eller forskydning kan også påvirke prostata deformation (figur 4). Selv i tilfælde af IGRT for prostatacancer ved anvendelse implantat markører eller CBCT, vil en passende IM skal lægges til CTV grund af prostata deformation, der er uafhængig af dens bevægelse. Desuden, hvis forskydningen af ​​prostata forekommer i A-P retning, kan det være muligt at justere IM baseret på positionen af ​​COG’en. Hvis f.eks prostata bevæges i den forreste retning, en mindre IM (fx nul margin) kan anvendes i strålebehandling for prostatakræft. Wen et al. rapporterede, at den forventede normale væv komplikation sandsynlighed for sen rektal blødning blev reduceret med 3,6% i gennemsnit, når margenen blev reduceret fra 10 mm og 6 mm på prostata /anterior rektal væg grænseflader til 5 mm og 3 mm. Desuden er det yderligere faldt med 1,0% i gennemsnit, når margenen blev ensartet reduceret til 3 mm [16]. Derfor kan selv en lille reduktion marginen betydeligt reducere risikoen for sent rektal blødning, og der er en høj sandsynlighed for, strålebehandling med IM justeret baseret på positionen af ​​COG’en vil være effektiv til at reducere margenen.

Udvidelse eller forskydning af rektum påvirker deformation af MP og MA segmenter af prostata.

Optimering af PTV margen, der tager hensyn deformation af prostata korreleret med dens bevægelse vil være emnet af vores fremtidige studier. For eksempel ville tilgængeligheden af ​​behandlingsplan skabeloner med variable PTV margener tillade at vælge en passende plan for hver position i prostata baseret på IGRT. Vores metode kan være nyttig til en sådan adaptiv radioterapi for prostatacancer.

Konklusion

I denne undersøgelse vurderede vi deformationen af ​​prostata ved hjælp af en simpel metode, der er defineret retningen for deformation og evaluerede korrelation mellem forskydningen i COG’en af ​​prostata og deformation af dens overflade. Vores tilgang løser problemet med variabel nøjagtighed DIR algoritmer. Prostata deformation finder sted, selv når den gennemsnitlige prostatavolumen forbliver uændret under strålebehandling. Vores undersøgelse viste, at A-P forskydning af COG’en af ​​prostata er stærkt korreleret med dets deformation i M-A og M-P segmenter. IGRT-guidet optimering af planen for hver position af prostata behandling er nødvendig for at øge effektiviteten af ​​strålebehandling for prostatakræft.

Tak

Vi ønsker at anerkende værdifulde drøftelser med Professor juni Takada (Radiation Protection Laboratory, Sapporo Medical University), lektor Kenichi Kamo (Matematik og Information Sciences, Sapporo Medical University), og adjunkt Kenichi Tanaka (Radiation Protection Laboratory, Sapporo Medical University). Vi vil også gerne takke stråling onkolog, medicinske fysikere, og stråling teknologer af Kushiro By General Hospital for deres værdifulde kommentarer til dette dokument.