重疊體積直方圖描述子的計(jì)算方法和其在鼻咽癌IMRT計(jì)劃?rùn)z索中的應(yīng)用

王東東 周正東#* 宋 威 李 兵 沈君姝 朱錫旭

1(南京航空航天大學(xué)核科學(xué)與工程系， 南京 211106)2(江蘇省中醫(yī)院放療科， 南京 210029)3(南京軍區(qū)南京總醫(yī)院放療科， 南京 210002)

重疊體積直方圖描述子的計(jì)算方法和其在鼻咽癌IMRT計(jì)劃?rùn)z索中的應(yīng)用

王東東1周正東1#*宋 威2李 兵3沈君姝3朱錫旭3

1(南京航空航天大學(xué)核科學(xué)與工程系， 南京 211106)2(江蘇省中醫(yī)院放療科， 南京 210029)3(南京軍區(qū)南京總醫(yī)院放療科， 南京 210002)

調(diào)強(qiáng)放射治療(IMRT)計(jì)劃制定效率不高、難以保證治療計(jì)劃的高質(zhì)量是目前調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)中一直存在的問(wèn)題之一，基于形狀的IMRT計(jì)劃?rùn)z索技術(shù)為縮短IMRT計(jì)劃制定周期、提高放射治療計(jì)劃質(zhì)量提供了一種新方法。本研究建立了一種適用于IMRT計(jì)劃?rùn)z索的重疊體積直方圖(OVH)形狀關(guān)系的關(guān)系描述算子，提出一種基于Matlab的計(jì)算方法。利用一例臨床實(shí)際的鼻咽癌病例分析了OVH描述子的描述特性，利用22例臨床鼻咽癌IMRT計(jì)劃研究了其形狀關(guān)系檢索的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明OVH描述子能夠簡(jiǎn)潔的描述放療三維場(chǎng)景中靶區(qū)和危及器官間的三維形狀關(guān)系特征，并且能夠有效檢索出相似度較高的一組形狀，適合于基于形狀的IMRT計(jì)劃?rùn)z索。

重疊體積直方圖；形狀關(guān)系描述算子；調(diào)強(qiáng)放射治療；放療計(jì)劃優(yōu)化

引言

調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy, IMRT)是目前腫瘤放療中一種重要的技術(shù)，在臨床中運(yùn)用越來(lái)越廣泛。IMRT的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)靶區(qū)劑量覆蓋和正常組織接收劑量最少之間的最佳平衡[1-2]。IMRT計(jì)劃制定過(guò)程中，往往需要物理師依靠自身經(jīng)驗(yàn)反復(fù)調(diào)整治療計(jì)劃系統(tǒng)上的計(jì)劃參數(shù)，以使計(jì)劃劑量分布滿足劑量?jī)?yōu)化目標(biāo)并達(dá)到相對(duì)最優(yōu)化；而反復(fù)的參數(shù)調(diào)整和劑量計(jì)算將耗費(fèi)物理師大量的時(shí)間和精力，使得IMRT計(jì)劃制定效率不高，進(jìn)而影響放射治療計(jì)劃的質(zhì)量以及患者的及時(shí)治療。利用早期高質(zhì)量IMRT計(jì)劃的知識(shí)庫(kù)，借助檢索技術(shù)獲得相似病例的IMRT計(jì)劃來(lái)指導(dǎo)新病例IMRT計(jì)劃的設(shè)計(jì)，能夠縮短IMRT計(jì)劃制定周期并提高放射治療計(jì)劃的質(zhì)量[3-6]。

有效的檢索技術(shù)是利用早期高質(zhì)量IMRT計(jì)劃的知識(shí)庫(kù)的關(guān)鍵，而對(duì)IMRT計(jì)劃進(jìn)行檢索的關(guān)鍵之一是探索一種能夠有效描述IMRT計(jì)劃中靶區(qū)和危及器官形狀關(guān)系的描述子。本課題對(duì)一種新的形狀關(guān)系描述子OVH進(jìn)行了研究，提出一種基于Matlab的計(jì)算方法，并利用臨床實(shí)際的鼻咽癌病例研究了重疊體積直方圖(overlap volume histogram, OVH) 描述子的特性及其在IMRT計(jì)劃?rùn)z索中的性能，初步實(shí)現(xiàn)了基于OVH描述子IMRT治療計(jì)劃的有效檢索。

1 材料與方法

1.1OVH算子及其計(jì)算方法

描述子要適合IMRT計(jì)劃形狀檢索的要求，必須能夠簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確地描述出靶區(qū)和危及器官之間幾何關(guān)系。Hunt等提出用重疊體積來(lái)描述危及器官和靶區(qū)之間的幾何關(guān)系[7]，它能夠簡(jiǎn)潔反映出靶區(qū)和危及器官間的關(guān)系，然而單一的重疊體積數(shù)值涵蓋的信息有限，辨識(shí)能力也不是很強(qiáng)，而且要求所描述的對(duì)象必須重疊。

2009年Wu等提出了重疊體積直方圖描述算子，用于描述放療中靶區(qū)和危及器官之間的空間幾何關(guān)系。對(duì)于腫瘤T和危及器官O，O的OVH計(jì)算表達(dá)式為[8]

式中, |O|表示組織O的體積，{p∈O|d(p,T)≤t}表示O中到T距離小于t的部分組織的體積。即組織O在距離t處的OVH值為組織O中到腫瘤T距離小于t的組織的百分體積值。

根據(jù)OVH的定義可以確定一套OVH算子的計(jì)算方法，等距外擴(kuò)或者收縮靶區(qū)輪廓，完成對(duì)OVH算子的計(jì)算。首先，計(jì)算靶區(qū)和危及器官的重疊體積分?jǐn)?shù)，得到外擴(kuò)距離為0時(shí)的重疊體積分?jǐn)?shù)；然后等距收縮靶區(qū)的外輪廓，以d為步長(zhǎng)收縮靶區(qū)輪廓，計(jì)算危及器官與收縮靶區(qū)輪廓的重疊體積分?jǐn)?shù)，重復(fù)上述操作直至收縮的靶區(qū)輪廓完全脫離危及器官；最后等距外擴(kuò)靶區(qū)的外輪廓，以d為步長(zhǎng)外擴(kuò)靶區(qū)輪廓，計(jì)算危及器官與外擴(kuò)靶區(qū)輪廓的重疊體積分?jǐn)?shù)，重復(fù)上述操作直至外擴(kuò)的靶區(qū)輪廓完全包含危及器官；最后，以外擴(kuò)距離為橫軸，以重疊體積分?jǐn)?shù)為縱軸，建立坐標(biāo)系，描述上述離散點(diǎn)，連接上述離散點(diǎn)即可得到OVH曲線。圖1為原理示意。圖1(a)描述了靶區(qū)和危及器官的空間幾何關(guān)系，圖1(b)描述了不同收縮和外擴(kuò)距離下OVH的離散點(diǎn)。

依據(jù)上述原理，提出一套在MATLAB計(jì)算平臺(tái)上用于OVH算子計(jì)算的方法，包括4個(gè)計(jì)算步驟。

步驟1：獲取靶區(qū)和危及器官輪廓線，重建三維組織，計(jì)算危及器官體積；

步驟2：等距三維外擴(kuò)或收縮靶區(qū)，直至靶區(qū)完全包含危及器官或者完全與危及器官分離；保存具有不同外擴(kuò)或收縮距離的三維靶區(qū)輪廓；

步驟3：提取外擴(kuò)或收縮輪廓與危及器官的重疊區(qū)域輪廓，計(jì)算重疊體積；

步驟4：依次計(jì)算不同外擴(kuò)或收縮距離上的OVH值，繪制OVH曲線。

1.2OVH與DVH之間的關(guān)系

如果IMRT計(jì)劃的處方劑量適形均勻覆蓋靶區(qū)，那么靶區(qū)外的等劑量線將沿著靶區(qū)外輪廓等距外擴(kuò)，距離靶區(qū)越遠(yuǎn)的危及器官受照劑量越小。如圖2所示，一個(gè)圓形靶區(qū)PTV和兩個(gè)危及器官A和B，其中危及器官A與PTV之間的距離較遠(yuǎn)，危及器官B與PTV之間的距離較近。在處方劑量適形均勻覆蓋靶區(qū)的情況下，等劑量線沿靶區(qū)外輪廓等距離外擴(kuò)，即為一組以PTV為中心的同心圓；這時(shí)，A和B的OVH曲線和劑量體積直方圖(dose volume histogram, DVH)曲線分布如圖2(b)、(c)所示，距離PTV偏遠(yuǎn)的危及器官A，具有整體偏小的OVH曲線和DVH曲線。

在IMRT放射治療中，靶區(qū)的劑量分布的適形度較高，如果對(duì)于兩例計(jì)劃的同一危及器官A和B存在上述位置關(guān)系，A的OVH整體偏小，那么A的受照劑量應(yīng)該更低?；谶@一關(guān)系，就可以利用早期的IMRT計(jì)劃來(lái)控制和提高新病例的IMRT計(jì)劃質(zhì)量。

1.3實(shí)驗(yàn)

利用臨床鼻咽癌IMRT計(jì)劃來(lái)研究OVH描述子的性能。首先，用OVH描述子預(yù)測(cè)放療三維場(chǎng)景中靶區(qū)和危及器官間的三維形狀關(guān)系特征。選取一例早期的鼻咽癌IMRT計(jì)劃進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，IMRT計(jì)劃中包含了靶區(qū)、危及器官的輪廓線和CT斷層影像，實(shí)驗(yàn)選取臨床靶區(qū)1(clinical target volume 1,CTV1)作為靶區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中：首先，按照本研究提出的OVH計(jì)算方法計(jì)算出左右腮腺、腦干和脊髓的OVH曲線圖；然后，分析OVH曲線圖是否符合臨床計(jì)劃中實(shí)踐的空間幾何關(guān)系。然后，用OVH描述子對(duì)鼻咽癌IMRT計(jì)劃的靶區(qū)和腮腺形狀關(guān)系進(jìn)行相似度檢索。實(shí)驗(yàn)中，用22例臨床鼻咽癌IMRT計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)，用歐氏距離度量OVH和DVH數(shù)據(jù)的相似度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：首先，選取1例IMRT計(jì)劃作為檢索項(xiàng)，記作1號(hào)計(jì)劃；接著，將檢索項(xiàng)的OVH數(shù)據(jù)信息代入剩余計(jì)劃的OVH數(shù)據(jù)組中，逐項(xiàng)計(jì)算OVH曲線間的歐氏距離，比較計(jì)劃間的相似度；然后，按照OVH曲線歐氏距離從小到大對(duì)計(jì)劃排列，并對(duì)計(jì)劃編號(hào)；最后，重建靶區(qū)和腮腺的三維重建圖像，判斷靶區(qū)和腮腺幾何形狀關(guān)系的相似度；并逐項(xiàng)計(jì)算左側(cè)腮腺的DVH曲線間的歐氏距離，觀察OVH曲線和DVH曲線間是否存在相關(guān)性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1OVH描述子對(duì)三維形狀關(guān)系特征的預(yù)測(cè)

實(shí)驗(yàn)材料選取早期的鼻咽癌IMRT計(jì)劃，計(jì)劃中包含了靶區(qū)、危及器官的輪廓線和CT斷層影像，實(shí)驗(yàn)選取臨床靶區(qū)1(clinical target volume 1,CTV1)作為靶區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖3是按照上文OVH計(jì)算方法得到的左右腮腺、腦干和脊髓的OVH曲線圖。圖4是臨床病例中的包含靶區(qū)、左右側(cè)腮腺、腦干和脊髓輪廓的CT斷層影像和三維重建圖形檢驗(yàn)OVH描述子的預(yù)測(cè)結(jié)果：圖4(a)是鼻咽癌患者靶區(qū)、左右腮腺、腦干和脊髓的3維重建圖，圖4(b)是一張包含靶區(qū)、左右腮腺和腦干的CT斷層圖像，圖4(c)是一張包含靶區(qū)、左右腮腺和脊髓的CT斷層圖像。

從圖3中的OVH曲線可以看出：1)右側(cè)腮腺的OVH曲線在R=0時(shí)非零，說(shuō)明右側(cè)腮腺與靶區(qū)有重疊部分；2)脊髓的OVH曲線比其它危及器官的OVH曲線趨近于1的速度慢，可以推斷部分脊髓組織相對(duì)于其它組織遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離靶區(qū)；3)腦干的OVH比腮腺的OVH更快到達(dá)1，即左、右側(cè)腮腺到靶區(qū)的最遠(yuǎn)距離比腦干的大。從圖4中(a)、(b)可以看出：右側(cè)腮腺與靶區(qū)有明顯重疊部分，左、右側(cè)腮腺到靶區(qū)的最遠(yuǎn)距離比腦干的大。從圖4中(a)、(c)可以看出：雖然，橫斷面上腮腺到靶區(qū)的最遠(yuǎn)距離比脊髓的大；但是，在三維重建圖上部分脊髓遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離靶區(qū)。從上述結(jié)論可以看出，OVH曲線圖能夠比較理想地表征出患者靶區(qū)和危及器官的幾何位置關(guān)系。

2.2基于OVH的鼻咽癌IMRT計(jì)劃的靶區(qū)和腮腺形狀相似度檢索

在22例鼻咽癌IMRT計(jì)劃中利用OVH描述子進(jìn)行靶區(qū)和腮腺形狀相似度的檢索實(shí)驗(yàn)。圖5給出了22例計(jì)劃的OVH和DVH曲線的歐式距離及其變化曲線，可以看出：隨著OVH歐式距離的增大，DVH歐式距離呈上下波動(dòng)，但在總體上有明顯上升趨勢(shì)。圖6給出了前10例相似病例的靶區(qū)和腮腺的三維重建圖形，圖6(a)為檢索計(jì)劃的三維重建圖，圖6中(b)～(k)為前10例相似計(jì)劃的三維重建圖像；可以看出：OVH歐式距離越小對(duì)應(yīng)的形狀相似度越高，隨著OVH歐式距離的增大對(duì)應(yīng)的形狀相似度逐漸降低。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：OVH描述子能夠在多組計(jì)劃中完成對(duì)靶區(qū)和腮腺形狀形似度的排序，能夠有效的檢索出形狀關(guān)系相似度較高的計(jì)劃；同時(shí)，臨床IMRT計(jì)劃中OVH和DVH之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)DVH歐式距離呈現(xiàn)上下波動(dòng)，這可能與實(shí)際計(jì)劃中的劑量分布與靶區(qū)的適形程度不同有關(guān)。

3 結(jié)論

本課題研究了重疊體積直方圖(OVH)的計(jì)算方法，并結(jié)合臨床病例及其IMRT計(jì)劃對(duì)OVH描述子的性能進(jìn)行了較深入的研究，分析了OVH曲線與DVH曲線間的關(guān)系，并將OVH描述子應(yīng)用于鼻咽癌IMRT計(jì)劃的檢索。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：一方面，OVH描述子使用一維函數(shù)比較簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確地描述了放療三維場(chǎng)景中靶區(qū)與危及器官之間的三維形狀關(guān)系特征；另一方面，OVH描述子能夠有效地檢索出形狀關(guān)系相似度較高的IMRT計(jì)劃；此外，OVH曲線與DVH曲線間存在較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。綜上所述，OVH是一種適合IMRT計(jì)劃有效檢索的描述子；但是，目前僅僅依賴OVH描述子尚無(wú)法精確描述放療場(chǎng)景中若干幾何形狀之間的關(guān)系特征，今后將把OVH描述子與其它形狀描述子相結(jié)合，探索更精確的適合于IMRT計(jì)劃?rùn)z索的放療三維場(chǎng)景幾何形狀描述方法。

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TheCalculationMethodofOverlapVolumeHistogramanditsUsageinNasopharyngealCarcinomaIMRTPlansRetrieval

WANG Dong-Dong1ZHOU Zheng-Dong1#*SONG Wei2LI Bing3SHEN Jun-Shu3ZHU Xi-Xu3

1(DepartmentofNuclearScienceandEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)2(DepartmentofRadiationOncology,JiangsuProvinceHospitalofTCM,Nanjing210029,China)3(DepartmentofRadiationOncology,NanjingGeneralHospitalofNanjingMilitaryCommand,PLA,Nanjing210002,China)

overlap volume histogram (OVH); shape relationship descriptor; intensity modulated radiation therapy (IMRT); radiation treatment planning optimization

10.3969/j.issn.0258-8021. 2014. 03.016

2013-07-17， 錄用日期:2014-04-06

TP391.77

D

0258-8021(2014) 03-0373-06

#中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)員(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)，E-mail: zzd_msc@nuaa.edu.cn