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基于生物力学呼吸运动描述的四维放射治疗剂量计算。

Four-dimensional radiotherapeutic dose calculation using biomechanical respiratory motion description.

机构信息

Laboratoire d'InfoRmatique en Image et Systèmes d'information LIRIS; CNRS UMR 5205, Université Claude Bernard Lyon 1, 69622 , Villeurbanne, France,

出版信息

Int J Comput Assist Radiol Surg. 2014 May;9(3):449-57. doi: 10.1007/s11548-013-0935-2. Epub 2013 Sep 1.

DOI:10.1007/s11548-013-0935-2
PMID:23996090
Abstract

PURPOSE

Organ motion due to patient breathing introduces a technical challenge for dosimetry and lung tumor treatment by hadron therapy. Accurate dose distribution estimation requires patient-specific information on tumor position, size, and shape as well as information regarding the material density and stopping power of the media along the beam path. A new 4D dosimetry method was developed, which can be coupled to any motion estimation method. As an illustration, the new method was implemented and tested with a biomechanical model and clinical data.

METHODS

First, an anatomical model of the lung and tumor was synthesized with deformable tetrahedral grids using computed tomography (CT) images. The CT attenuation values were estimated at the grid vertices. Respiratory motion was simulated biomechanically based on nonlinear finite element analysis. Contrary to classical image-based methods where motion is described using deformable image registration algorithms, the dose distribution was accumulated over tetrahedral meshes that are deformed using biomechanical modeling based on finite element analysis.

RESULTS

The new method preserves the mass of the objects during simulation with an error between 1.6 and 3.6%. The new method was compared to an existing dose calculation method demonstrating significant differences between the two approaches and overall superior performance using the new method.

CONCLUSION

A unified model of 4D radiotherapy respiratory effects was developed where biomechanical simulations are coupled with dose calculations. Promising results demonstrate that this approach has significant potential for the treatment for moving tumors.

摘要

目的

由于患者呼吸引起的器官运动给剂量学和通过强子疗法治疗肺部肿瘤带来了技术挑战。准确的剂量分布估计需要有关肿瘤位置、大小和形状的患者特异性信息,以及有关沿射束路径的介质密度和阻止能力的信息。开发了一种新的 4D 剂量测定方法,该方法可以与任何运动估计方法相结合。作为说明,使用生物力学模型和临床数据实施并测试了新方法。

方法

首先,使用基于 CT 图像的可变形四面体网格合成肺和肿瘤的解剖模型。在网格顶点处估算 CT 衰减值。基于非线性有限元分析模拟呼吸运动的生物力学。与经典的基于图像的方法不同,后者使用基于可变形图像配准算法的运动描述,剂量分布是在使用基于有限元分析的生物力学建模的四面体网格上积累的。

结果

新方法在模拟过程中保持物体的质量,误差在 1.6%到 3.6%之间。将新方法与现有的剂量计算方法进行了比较,结果表明两种方法之间存在显著差异,并且新方法的整体性能更优。

结论

开发了一种统一的 4D 放射治疗呼吸效应模型,其中生物力学模拟与剂量计算相结合。有希望的结果表明,这种方法对于治疗移动肿瘤具有重要的潜力。

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