物理·技术·生物
基于EUD的鼻咽癌VMAT计划危及器官DVH预测方法
中华放射肿瘤学杂志, 2023,32(5) : 430-437. DOI: 10.3760/cma.j.cn113030-20211208-00505
摘要
目的

评估通过最小化基于等效均匀剂量(EUD)的损失函数优化放疗计划中危及器官(OAR)剂量体积直方图(DVH)预测方法的实用性。

方法

随机选取2020—2021年在中国医学科学院肿瘤医院深圳医院完成鼻咽癌容积调强弧形治疗(VMAT)的66例患者的治疗计划,其中50例用于训练循环神经网络(RNN)模型,其余16例用于测试模型。研究基于RNN构建了DVH预测模型,并为66例患者均设计了一个9野等权重的三维适形计划。训练时将OAR每个分野对应的DVH作为模型输入,VMAT计划的DVH为预期输出,通过最小化基于EUD的损失函数计算的预测误差训练模型。预测准确度用预测值和真实值之间的平均偏差和标准偏差表示。根据DVH预测结果为测试病例重新优化计划,使用Wilcoxon配对检验和箱线图比较新计划和原计划OAR的EUD和感兴趣DVH参数(如脊髓等串型器官的最大剂量)的一致性和差异性。

结果

基于EUD的损失函数训练得到的神经网络能够得到更好的DVH预测结果。根据预测DVH得到的新计划与原计划具有很好的一致性:在绝大多数情况下,两组计划的计划靶区(PTV)的D98%都大于95%处方剂量,脑干、脊髓和晶状体的最大剂量和EUD的差异均无统计学意义(P>0.05)。相较于原计划,新计划在视交叉、视神经和眼球的最大剂量平均减少1.56 Gy以上,EUD平均减少1.22 Gy以上,颞叶的最大剂量和EUD分别平均增加了0.60 Gy和0.30 Gy。

结论

基于EUD的损失函数提高了DVH预测的准确性,确保预测的DVH能够在治疗方案优化中给出适当的剂量目标,并提高计划质量的一致性。

引用本文: 李惠娟, 李阳, 庄永东, 等.  基于EUD的鼻咽癌VMAT计划危及器官DVH预测方法 [J] . 中华放射肿瘤学杂志, 2023, 32(5) : 430-437. DOI: 10.3760/cma.j.cn113030-20211208-00505.
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由于鼻咽癌靶区解剖结构复杂,且毗邻多个重要器官,设计鼻咽癌放疗计划往往需要很长的时间且很依赖物理师的经验。近年来,很多研究者都开展了基于“先验知识”的放疗计划研究,这些研究对提高计划设计效率具有积极意义。目前最流行的方法是通过总结过往的治疗计划的结果和规律对危及器官(organ at risk,OAR)的剂量体积直方图(dose volume histogram,DVH)进行预测,帮助物理师在优化时能够对OAR设置恰当的剂量目标,节省试错和微调的时间。近期研究表明,使用剂量学信息能够得到更好的DVH和剂量分布预测结果。同时有研究表明,引入射野方向信息有助于提高预测准确度。本研究基于中国医学科学院肿瘤医院深圳医院本研究组的工作基础,沿用了神经网络的输入,进一步优化了神经网络结构和训练方式。

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