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DICOMRT:XXX Target Volume,各种目标体积浅析

2020/8/11 20:14:02 文章标签:

题记:

记得某一堂课上,学数学的管理学老师讲过一句话,“科学就是分类”,通俗而易懂。此篇博文成文于三年前,当时作为初入该领域的调研资料,为了区分好诸多专业术语而整理而成。因为只有从基础概念入手理清楚了才能逐步深入。现如今发上来供大家讨论与批评指正。

一、背景介绍

肿瘤放射治疗是肿瘤治疗的三大手段之一,放射治疗(没有特殊说明,这里的放射治疗专指外照射,external beam radiotherapy)主要包括调强放疗(IMRT,Intensity Modulated Radiation Therapy)、图像引导放疗(IGRT,Image-Guided Radiation Therapy)、容积旋转调强放疗(VMAT,Volumetric Arc Therapy)等。三维适形放疗(3D Conformal Radiation Therapy)是一种将治疗过程中的射束形变以匹配肿瘤实体表面形状的技术(三维指的就是肿瘤体积的表面,适形指的就是每一个平面上都将射束调整到与该平面上肿瘤体积表面(这时候已经降维成了二维闭合曲线)最大程度吻合),确保癌变组织接受足够的剂量的同时,尽可能降低对周围正常组织的损伤。目标体积定义(Target Volume Definition)是三维适形治疗技术的先决条件,因此需要将肿瘤区域精确描述出来(包括勾画和定义)——这关乎到肿瘤治疗的精度和效果。 理想状态下放疗技术可以确保目标治疗体积(volume to be treated)均匀接受剂量,并且周围正常组织没有任何辐射。例如医生的处方剂量(Prescribing)是60Gy,在治疗过程中的记录剂量(Recording)也是60Gy,以及最终报告(Reporting,用于总结、统计分析、或多机构间的交流讨论)中剂量也是60Gy,即

在这里插入图片描述然而现实世界中,由于不同的机构间没有统一的标准,且不同的治疗环境与治疗各环节中存在变化和不确定性(如下表所示),因此很难准确描述肿瘤目标体积。为了各机构间能够有一种公共语言来交互试验和临床信息,确保机构间治疗策略的一致性,便于各机构间治疗结果对比以及从历史数据中获取经验,ICRU(International Commission on Radiation Units & Measurements)在1993年(Report 50)和1999年(Report 62)分别发布了两份报告,给出了目标体积的各类描述(诸如GTV、CTV、PTV、ITV、PRV)、边界(Margins)、危及器官(Organs at Risk),以及剂量变化和不确定性(Dose Variations & Uncertainties)的定义。

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表1:各种变化和不确定性

二、xTV Define in ICRU 62

随着新技术、新治疗方案的出现,ICRU标准也在变化。对于目标体积(Target Volume)的定义也从最初的Target Volume、Treated Volume和Irradiated Volume,到GTV、CTV、PTV、Treated Volume和Irradiated Volume,再到现如今最新的GTV、CTV、ITV、PTV、PRV、Treated Volume和Irradiated Volume,定义越来越细,越来越全。

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这里我们直接介绍《ICRU 62:Prescribing, Recording and Reporting Photon Beam Therapy》中对于xTV的描述,
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【备注】:Prescribing、Recording、Reporting分别代表不同的阶段和操作,

  1. Precribing:开处方。是肿瘤放射医生根据临床经验开具的各肿瘤目标体积的剂量
  2. Recording:记录。是肿瘤放射治疗过程中各环节的记录,目的是确保后续的治疗和愈后;确保治疗条件稳定、安全、可重复;为持续的临床试验提供数据;也可以确保跨机构间治疗信息的交互
  3. Reporting:报告。对之前记录进行统计整理,便于跨机构间交互或者发表相关研究

Documents、Records、Reports三者的区别和联系
Documents All the written information (electronic or hard copy) “in the organization” is comprised of documents.
Records are a special category of documents which are a snapshot history of an activity.
Reports are documents which are compilations or explanations of records. (Example - an organization may have a series of 100 inspection records on the production of a widget on four separate machines. A report of the inspection records might conclude that one of the four machines ought to be retired because it does not seem capable of maintaining control over critical dimensions.)
Ref.:https://elsmar.com/Forums/showthread.php?t=3122

1. GTV(Gross Tumor Volume)

GTV,Gross Tumor Volume,是大体的显而易见的恶性肿瘤的区间范围。包括原发肿瘤(GTV Primary)和可能的转移性淋巴结肿大(GTV nodal)或其他转移(GTV M)。特点:
  1. 在临床外科手术后很可能找不到GTV
  2. GTV的形状、大小和位置可通过临床诊断(检验、触诊或内窥镜)或多种影像技术(X-Ray、CT、MRI、PET)来确定
  3. 选择的成像技术不同或相同技术的不同检查时间,GTV的形状、大小和位置会存在差异(图1.1)
  4. 不同的医生勾画的GTV区域也存在差异 (图1.2)
  5. 为了达到放疗效果,必须确保足够的剂量辐射至整个GTV区域
  6. GTV的精确描述利于肿瘤的TNM分期划分(Staging)
  7. 治疗期内GTV的回归特性可以用于预测肿瘤的反应

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图1.1 不同检查技术显示的GTV区域有差异

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图1.2 不同医生、不同患者的GTV勾画区域有差异

2. CTV(Clinical Target Volume)

CTV,Clinical Target Volume,是包含显而易见的GTV体积与亚临床病变区域。为了达到放疗效果,CTV区域必须接受充足的剂量。特点:
  1. CTV,与GTV相同,都属于临床-解剖学概念
  2. 从宏观上来看,GTV区域可能会有明显的边界,也可能没有(图2.1)
  3. 从微观来看,可以GTV周围找到亚临床病灶,例如局部淋巴结(regional lymph nodes,N0)(图2.2)
  4. GTV周边的亚临床组织分为两类:围绕GTV的亚临床组织和有一定距离的淋巴结(图2.3)
  5. 随着成像技术的进步,会影响CTV区域
  6. 现阶段对于多模态影像(PET、MRI)融合所知甚少,对CTV的贡献不大
  7. 病理依然是金标准

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图2.1

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图2.2

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图2.3

3. PTV(Planning Target Volume)

PTV,Planning Target Volume,是一个几何概念,对CTV区域进行一定的外放,为了考虑到放射治疗过程中的各项变化和不确定性,诸如目标体积定位、大小、形状、患者摆位、射束定位,以及单次治疗各环节间与多次治疗间的变化(表1)。特点:
  1. PTV是一个几何概念,用于定义放疗计划中设置适当的射束大小和形状,确保处方剂量能够准确传递到CTV体积(包含GTV体积)。
  2. PTV是一个与临床解剖结构相关的几何结构,可能超出正常解剖边界
  3. 根据病种、临床环境(如患者状况、CTV分布)和选择的治疗技术不同,PTV有可能与CTV相近(如比较小的皮肤癌、垂体瘤等),也有可能比CTV大很多(比如肺癌)。

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PTV可以简单的认为是在CTV基础上,考虑各环节的变化和不确定性而添加的外扩边缘(Margin)。边缘的确定需要肿瘤医生根据临床经验做出一定的妥协,如果边缘过小,会导致治疗过程中部分CTV因为跑到治疗区域外部而导致欠剂量,无法达到治疗效果;如果边缘过大,会导致周边正常组织超出承受范围,引发病变。因此尽可能精确的确定边缘,将各类变化和不确定性分成两类:内部边缘和设置边缘。

3.1 IM(Internal-Margin) 和ITV(Internal Target Volume)

IM,内部边缘是CTV周边的不对称区域,为了弥补周边或内部组织器官因内部自身原因,诸如呼吸、膀胱或直肠充盈度、吞咽、心跳、肠蠕动等,而导致的定位、大小和形状的移动和变化。 CTV与IM的整合被定义为Internal Target Volume,由Landberg1996年提出。

3.2 SM(Setup-Margin)

SM,设置边缘是为了弥补因患者摆位、治疗射束对其而导致的不确定性(例如不准确和确保可重复性)。导致设置不确定的因素主要有:
  1. 患者摆位的差异
  2. 机械不确定性(机架、光栅、治疗床的松动)
  3. 剂量校验设备的不确定性
  4. 计划传输的不准确性(从CT模拟定位到治疗机)
  5. 人为操作的因素

4. TV(Treated Volume)

由于放疗技术的局限性,接受处方剂量的体积并不能与PTV完全匹配,往往会大一些(有时候会大很多)。这一部分区域就是Treated Volume概念,即满足医生处方剂量要求的等剂量面包围的体积。待放射治疗流程确认完毕后(诸如射束设置、能量等),即可完成TV体积的勾画。精确勾画TV区域以及他的形状、大小和相对于PTV的位置主要有以下几个原因:
  1. 评估解释局部复发的原因
  2. 评估解释正常组织(在TV与PTV之间的)的病发

4.1 CI(Conformity Index)适形度指数

CI,Conformity Index,等于TV与PTV的比值,当TV包含PTV时,即

CI=TVTreatedVolumePTVPlanningTargetVolumeCI=\frac{TV_{Treated Volume}}{PTV_{Planning Target Volume}}

CI主要用于放射治疗优化流程。

5. IV(Irradiated Volume)

IV,Irradiated Volume,用于表示相较于正常组织耐受度有显著关系的受剂量体积。

6. OR 或 OAR(Organs at Risk)

OR 或 OAR,Organs at Risk,指的是辐射敏感性可能显著影响放射治疗计划和/或处方剂量的正常组织器官。

7. PRV(Planning Organ at Risk Volume)

PTV对于CTV类似于PRV相对于OR。PTV与PRV有可能会重叠。

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至此ICRU Report 60报告中关于各类TV的描述已经介绍完了,整体各部分之间的关系图如下:

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三、xTV named in References(资料中对TV的命名)

标准设立的目的是希望能够统一规范,实现各机构间、机构内部更好、更准确的交流。然而却并未强制所有机构、医生按照同一个标准来实施,因此在现实生活中会发现,对于TV的命名五花八门,这里我们尝试的做一下总结。

1. ICRU Report 60标准中

标准报告中出现的关于CTV的命名大致有几处:
  1. 在定义GTV时,分别给出了原发肿瘤GTV primary、疑似转移性淋巴结GTV nodal,以及其他转移GTV M。
  2. NO:在给出CTV定义时,对于局部淋巴结肿大的描述用NO来表示。
  3. CTVI:对于GTV周边临近的亚临床区域通常用CTVI表示,在经过外科手术切除GTV后的周边临近亚临床区域也用CTVI表示
  4. CTV II、CTV III:对于距离GTV有一定距离的亚临床组织,例如区域淋巴结等,可以用CTV II,CTV III表示

除此以外,标准中并未给出其他TV命名方式,只是给出了GTV、CTV、PTV等的建议渲染颜色等。

2. LUND University(隆德大学)

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其中对于GTV(大体肿瘤体积)的分类分为三种:

  • GTV-T:原发肿瘤
  • GTV-N:区域淋巴结转移
  • GTV-M:远端转移

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其中对于CTV(临床目标体积)的分类分为:

  • CTV-T:处方剂量同时应用于GTV和CTV
  • CTV-N:包含区域淋巴结等亚临床组织

【备注】:CTV-T和CTV-N分别对应于ICRU 62报告中的CTV I 和CTV II
这张图(截取自ICRU 报告71)更形象一些:

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3. IAEA:Aarhus University Hospital

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上图中出现的新的CTV的命名有:

  • CTV-E:高风险的区域

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该图中的HR-CTV与IR-CTV应该分别代表的是(参考文献:Critical structure movement in cervix brachytherapy)

  • HR-CTV:high risk CTV
  • IR-CTV:intermediate risk CTV
  • LR-CTV:low risk CTV

参考文献:Tumor and Target Volumes and Adaptive Radiotherapy中给出了所有的关于HR、IR、LR的定义,并且再一次明确了一下几点:

  • -T:primary tumor原发病灶
  • -N:lymp node淋巴结
  • -M:distant metastasis远端转移

【备注】:文献中还给GTV、CTV和PTV添加了影像技术的下标,例如GTVMRGTV_{MR}

4. Washington University and University of Michigan:Margins in Radiataion Therapy

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给出了一个包含置信区间的PTV

四、xTV named in reality(现实中对TV的命名)

目前手里的原始资料多来自于同一家西南三甲医院,另外其他大多是来自于书籍和网络公开的PPT相关讲义资料,诸如

  • 复旦大学附属肿瘤医院放疗中心(书籍《恶性肿瘤调强放射治疗临床计划设计与评估》)
  • 中山大学附属肿瘤医院放疗科(《鼻咽癌靶区勾画建议 罗伟》、《鼻咽癌靶区勾画(肇庆》)
  • 北京大学临床肿瘤学院(《鼻咽癌的靶区勾画》)
  • 协和(《食道癌靶区勾画(协和)》)
  • 医科院肿瘤医院(《鼻咽癌放射治疗靶区勾画原则(医科院肿瘤医院)》)
  • 《肿瘤放射治疗——精确靶区勾画图解》

对文献资料中的数据整理如下:

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某三甲医院数据整理结果如下:

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作者:zssure@163.com

时间:2020-08-11

zssure CSDN认证博客专家 视觉/OpenCV Python PyTorch
从不抽烟,应酬时喝酒,早睡早起。一个喜欢折腾自己的人,一个连续创业的劳动者,做过很多事,想过很多事,看破不说破是自省,看破也说破是成长。

本文链接: http://www.dtmao.cc/news_show_100304.shtml

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