Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng phần mềm hỗ trợ đánh giá kế hoạch điều biến thể tích cung tròn tại Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec - Times City

Bài viết Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng phần mềm hỗ trợ đánh giá kế hoạch điều biến thể tích cung tròn tại Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec - Times City nghiên cứu, phát triển và ứng dụng phần mềm phân tích dữ liệu biểu đồ liều - thể tích, RTplanEVA, giúp tăng độ chính xác, khách quan và hiệu quả trong quá trình đánh giá kế hoạch xạ trị điều biến thể tích cung tròn tại Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec - Times City.

XẠ TRỊ - KỸ THUẬT PHÓNG XẠ NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HỖ TRỢ ĐÁNH GIÁ KẾ HOẠCH ĐIỀU BIẾN THỂ TÍCH CUNG TRỊN TẠI BỆNH VIỆN ĐA KHOA QUỐC TẾ VINMEC - TIMES CITY TRẦN BÁ BÁCH1, NGŨN ĐÌNH LONG2, ĐỒN TRUNG HIỆP3 TÓM TẮT Mục tiêu: Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng phần mềm phân tích dữ liệu biểu đồ liều - thể tích, RTplanEVA, giúp tăng độ chính xác, khách quan và hiệu quả quá trình đánh giá kế hoạch xạ trị điều biến thể tích cung tròn tại Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec - Times City RTplanEVA được thiết kế đặc biệt để đánh giá các kế hoạch vùng đầu - cổ, nó cũng có thể được áp dụng cho tất cả các vùng khác Đối tượng, phương pháp: Tổng số 15 bệnh nhân ung thư đầu - cổ đã được xạ trị điều biến thể tích cung tròn tại Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec - Times City từ tháng 1/2015 đến tháng 1/2017 Mỗi bệnh nhân có kế hoạch đã được lập hệ thống lập kế hoạch xạ trị Eclipse phiên bản 13.0: một kế hoạch thử nghiệm chưa đạt yêu cầu đánh giá bằng phương pháp thủ công và một kế hoạch cuối đã đạt yêu cầu Để đánh giá các kế hoạch này sử dụng phần mềm RTplanEVA, kế hoạch được xuất một tệp định dạng chuẩn chứa các dữ liệu biểu đồ liều-thể tích Các tệp dữ liệu này sau đó được đọc và xử lý bởi phần mềm RTplanEVA thiết kế nền tảng ngôn ngữ lập trình Matlab RTplanEVA thực hiện đánh giá kế hoạch một cách tự động dựa việc phân tích dữ liệu biểu đồ liều-thể tích của kế hoạch Độ chính xác của RTplanEVA được xác minh bằng cách so sánh kết quả đánh giá kế hoạch phần mềm với kết quả đánh giá kế hoạch thủ công Kết quả: RTplanEVA đã được nghiên cứu và phát triển thành công Với kế hoạch xạ trị điều biến thể tích cung tròn, thời gian đánh giá sử dụng RTplanEVA khoảng 05 giây, việc đánh giá kế hoạch thủ công mất khoảng 20 phút và còn có thể gặp sai số lỗi của người Kết luận: RTplanEVA đã được nghiên cứu, phát triển và có thể sử dụng hiệu quả việc đánh giá kế hoạch xạ trị điều biến thể tích cung tròn tại Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec - Times City Từ khóa: Đánh giá kế hoạch, Xạ trị điều biến thể tích cung tròn, Biểu đồ liều - thể tích, Matlab ABSTRACT Research, develop and apply an assistant software for evaluating volumetric modulated arc therapy plans at Vinmec International Hospital - Times City Purpose: Develop and apply a dose-volume histogram analysis software called as RTplanEVA, to increase the accurate, objective and efficient evalutaiton of volumetric modulated arc therapy treatment plans at Vinmec International Hospital - Times City This software was designed specifically for head and neck plans and it can be used at any other treatment planning sites Materials and Methods: Total 15 head and neck patients were treated by volumetric modulated arc therapy technique at Vinmec International Hospital - Times City from Jan 2015 to Jan 2017 Each patient has plans were planned on the treatment planning system Eclipse version 13.0: one trial plan was not accepted by manual evaluation method and one final plan which was accepted In order to evaluate these plans using RTplanEVA software, each plan was exported into a standard format file with dose-volume histograms data After, these files were read and processed by RTplanEVA software which was developed on Matlab RTplanEVA perform evaluating VMAT plan automatic by analyzed dose-volume histograms data of the plan The accuracy of the software was validated by comparing results of RTplanEVA method with manual evaluation method ThS.KS Trưởng - Trung tâm xạ trị - Bệnh viện ĐKQT Vinmec Times City KS Xạ trị-Trung tâm xạ trị - Bệnh viện ĐKQT Vinmec Times City ThS.BS Phụ trách Ung Bướu người lớn Trung tâm xạ trị - Trung tâm xạ trị - Bệnh viện ĐKQT Vinmec Times City TẠP CHÍ UNG THƯ HỌC VIỆT NAM 175 XẠ TRỊ - KỸ THUẬT PHÓNG XẠ Results: RTplanEVA has researched and developed succsessful For each volumetric modulated arc therapy plan, RTplanEVA processed data in approx 05 seconds, while manual evaluation plan method needed approx 20 minutes and included significant human error Conclusion: RTplanEVA software has been researched and developed that can be efficiently used for evaluating volumetric modulated arc therapy plans at Vinmec International Hospital - Times City Key words: Plan evaluation, Volumetric modulated arc therapy, dose-volume histogram, Matlab… GIỚI THIỆU Ngày xạ trị điều biến cường độ (IMRT: Intensity Modulated Radiation Therapy) trở thành mơ thức chuẩn cho phép phân phát liều có độ đồng cao so với kỹ thuật xạ trị tương thích chiều (3D-CRT: Three-Dimension Confomal Radiation Therapy) Một phát triển IMRT kỹ thuật xạ trị điều biến thể tích cung trịn (VMAT: Volumetric Modulated Arc Therapy) cho phép phân phát liều có độ đồng cao hơn, khoảng thời gian điều trị ngắn lượng MU (Monitor Unit) phát so với kỹ thuật IMRT thông thường[1,2] RapidArc (Varian Medical Systems, Palo Alto, CA) tên gọi khác kỹ thuật VMAT phát triển hãng Varian, Mỹ Tại Việt Nam, RapidArc lần áp dụng thành công máy gia tốc xạ trị Clinac IX Trung tâm Xạ trị Bệnh viện ĐKQT Vinmec-City vào tháng 12/2014 Các kế hoạch IMRT/VMAT lập kế hoạch ngược (inverse planning) với tối ưu hóa tính liều tự động dựa thông số cài sẵn Với bệnh nhân, người lập kế hoạch phải tiến hành tối ưu hóa nhiều lần để tạo kế hoạch đạt yêu cầu Mỗi lần tối ưu hóa, máy tính sẽ cho kế hoạch thử nghiệm (trial plan) Kế hoạch sẽ đánh giá, đạt yêu cầu, trở thành kế hoạch cuối (final plan) Việc đánh giá kế hoạch bao gồm điểm chính: Đánh giá phân bố liều cách định tính cách quan sát hệ thống lập kế hoạch xạ trị (TPS: Treatment Planning System) độ bao phủ liều lên thể tích bia (GTV: Gross Tumour Volume, CTV: Clinical Target Volume, PTV: Planning Target Volume) khả tránh liều vào quan nguy cấp (OAR: Organ At Risk) Đánh giá bán định lượng: sử dụng biểu đồ liềuthể tích (DVH: Dose Volume Histogram) cách định lượng cách xác định giá trị liều như: liều cực đại (Dmax), liều cực tiểu (Dmin), liều trung bình (Dmean), liều bao phủ 95% thể tích (D95%), thể tích nhận liều ≥ 50Gy (V50Gy)… so sánh với tiêu chuẩn đánh giá Tuy nhiên, khuôn khổ nghiên cứu này, tập trung vào việc đánh giá kế hoạch 176 khía cạnh bán định lượng bỏ qua việc đánh giá định tính phân bố liều Thông thường việc đánh giá kế hoạch thực thủ công cách quan sát đọc trực tiếp liệu DVH TPS so sánh với tiêu chuẩn đánh giá Theo cách này, lần đánh giá sẽ khảng 20 phút Nhiều trung tâm xạ trị giới tự phát triển cho riêng phần mềm đánh giá kế hoạch tự động giúp rút ngắn thời gian đánh giá từ rút ngắn thời gian lập kế hoạch Ở Việt Nam vẫn chưa có cơng bố đưa liên quan đến đề tài phát triển phần mềm đánh giá kế hoạch tự động Chính vậy, thực nghiên cứu, phát triển ứng dụng phần mềm phân tích liệu biểu đồ liều - thể tích, RTplanEVA, giúp tăng độ xác, khách quan hiệu trình đánh giá kế hoạch IMRT/VMAT Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec - Times City Ban đầu RTplanEVA thiết kế đặc biệt để đánh giá kế hoạch vùng đầu - cổ, sau áp dụng cho tất vùng khác ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP Đối tượng Tổng số 15 bệnh nhân ung thư đầu - cổ xạ trị VMAT hệ thống máy gia xạ trị Clinac iX với chuẩn trực đa (MLC: Multi-Leaf Collimator) bao gồm 120 (lá tâm có độ rộng 0.5cm), hai mức lượng photon MV 15 MV Các kế hoạch VMAT bệnh nhân lập hệ thống lập kế hoạch xạ trị Eclipse phiên 13.0 hãng Varian, Mỹ Các định nghĩa liều thống kê Liều cực tiểu (Dmin): Liều nhỏ mà đơn vị thể tích (voxel) bên thể tích bia nhận Liều cực đại (Dmax): Liều lớn mà voxel bên thể tích bia nhận Liều định (PD: Prescribed Dose): đường đồng liều bao 95 % thể tích bia Liều trung vị (Dmedian): liều chia đơi phổ phân bố liều Liều trung bình (Dmean): TẠP CHÍ UNG THƯ HỌC VIỆT NAM XẠ TRỊ - KỸ THUẬT PHÓNG XẠ D98% ≥93% ≥90% D95% ≥98% ≥95% Dmean ≤105% ≤107% Dmax ≤50.0Gy ≤54.0Gy Dmax ≤55.0Gy ≤60.0Gy D1% ≤55.0Gy ≤60.0Gy Dmax ≤40.0Gy ≤45.0Gy Dmax ≤45.0Gy ≤50.0Gy D1cc ≤45.0Gy ≤50.0Gy Lens_L Dmax ≤10.0Gy ≤12.0Gy Lens_R Dmax ≤10.0Gy ≤12.0Gy Dmax ≤70.0Gy ≤75.0Gy N Dmean   V i   Di  i 1 với N số voxel N VXGy: Thể tích nhận liều ≥XGy liều định DX%: Liều bao phủ X% thể tích BrainStem_PRV Kê liều cho thể tích bia: SpinalCord Thể tích bia Liều định Liều / phân liều PTV-70 70.0Gy 2.0Gy PTV-63 63.0Gy 1.8Gy PTV-56 56.0Gy 1.6Gy SpinalCord_PRV Tiêu chuẩn chấp nhận kế hoạch theo RTOG 0225 (Radiation Therapy Oncology Group) ICRU 50, 62, 83 (International Commission on Radiation Units) Danh pháp đặt tên cấu trúc thể tích tiếng Anh theo Lakshmi Santanam[3]) Giới hạn liều Cấu trúc thể tích PTV70 PTV63 PTV56 BrainStem Tốt Mandible D1cc ≤70.0Gy ≤75.0Gy OpticChiasm Dmean ≤52.0Gy ≤55.0Gy Parotid_L Dmean ≤26.0Gy ≤30.0Gy Parotid_R Dmean ≤26.0Gy ≤30.0Gy Tiêu chuẩn (Preferable) Chấp nhận được (Acceptable) D2% ≤110% ≤115% Larynx Dmean ≤45.0Gy ≤50.0Gy D98% ≥93% ≥90% Thyroid Dmean ≤45.0Gy ≤50.0Gy D95% ≥98% ≥95% Esophagus Dmean ≤45.0Gy ≤50.0Gy Dmean ≤105% ≤107% D2% ≤110% ≤115% D98% ≥93% ≥90% D95% ≥98% ≥95% Dmean ≤105% ≤107% D2% ≤110% ≤115% OralCavity Dmean ≤40.0Gy ≤45.0Gy MuscleConstrict Dmean ≤45.0Gy ≤50.0Gy Biểu đồ liều-thể tích: DVH bao gồm dạng tích phân (cDVH: cumulative DVH) vi phân (dDVH: differential DVH) Trong nghiên cứu sử dụng liệu cDVH 15 kế hoạch thử nghiệm 15 kế hoạch cuối xuất dạng tệp tin định dạng bảng liệu (Tabular Format) có cấu trúc Hình đây: Tệp liệu DVH Thông tin chung bệnh nhân: họ tên, mã hồ sơ, ngày lập kế hoạch, tên kế hoạch, khóa điều trị, liều định, loại DVH, … Dữ liệu của tất cấu trúc thể tích bao gồm khối u/bia quan nguy cấp Thông tin chung cấu trúc thể tích: tên cấu trúc, kích thước cấu trúc, liều cự tiểu, liều cực đại, liều trung bình, … Bảng liệu DVH của cấu trúc thể tích: liều tuyệt đối (cGy), phần tram liều (%), phần trăm thể tích (%) Hình Minh họa cấu trúc tệp dữ liệu DVH Phương pháp TẠP CHÍ UNG THƯ HỌC VIỆT NAM 177 XẠ TRỊ - KỸ THUẬT PHÓNG XẠ Phương pháp phát triển phần mềm RTplanEVA thiết kế ngơn ngữ lập trình Matlab (Mathworks Inc., Natick, MA) phiên R2013b Máy tính có tốc độ xử lý Core i7 3.4 GHz nhớ truy xuất ngẫu nhiên 8192 MB RAM Sơ đồ hoạt động sơ đồ thuật tốn phần mềm RTplanEVA hình đây: Eclipse v13.0 TPS Thời gian đánh giá ≈ 20 phút Tệp liệu biểu đồ DVH Đọc xử lý liệu thủ cơng Chương trình Matlab RTplanEVA Phân tích thống kê Đọc xử lý liệu tự động Kế hoạch IMRT/VMAT khác Kế hoạch IMRT/VMAT đầu-cổ Các yêu cầu chất lượng kế hoạch: giới hạn D2%, D98%, D95%, Dmean, Dmin, Dmax, V50Gy… cho PTVs OARs Bảng kết đánh giá kế hoạch Thời gian đánh giá ≈ giây Nhập liều DVH của kế hoạch cần đánh giá Đọc liệu thông tin chung bệnh nhân N=0 Kết thúc tệp liệu? S Đ Phân tích liệu DVH N=N+1 Đọc bảng liệu DVH cấu trúc thể tích thứ N Đọc liệu thơng tin chung cấu trúc thể tích thứ N Kết đánh giá kế hoạch Hình Sơ đồ hoạt động và sơ đồ thuật toán của phần mềm RTplanEVA 178 TẠP CHÍ UNG THƯ HỌC VIỆT NAM XẠ TRỊ - KỸ THUẬT PHÓNG XẠ Phương pháp phân tích hồi cứu Tổng số 15 bệnh nhân ung thư đầu - cổ xạ trị điều biến thể tích cung trịn Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec - Times City từ tháng 1/2015 đến tháng 1/2017 Mỗi bệnh nhân có kế hoạch lập hệ thống lập kế hoạch xạ trị Eclipse phiên 13.0: kế hoạch thử nghiệm chưa đạt yêu cầu đánh giá phương pháp thủ công kế hoạch cuối đạt yêu cầu Để đánh giá kế hoạch sử dụng phần mềm RTplanEVA, kế hoạch xuất tệp định dạng chuẩn chứa liệu biểu đồ liều-thể tích Các tệp liệu sau đọc xử lý phần mềm RTplanEVA mà nghiên cứu, phát triển Tương tự, để tính thể tích V nhận liều D, hay VD (ví dụ: V50Gy), ta cần tìm DVH điểm (D1, V1) (D2, V2) cho D1, D2 gần D D1