Nghiên cứu ảnh hưởng của dị ảnh artifacts trên ảnh ct mô phỏng đến chất lượng kế hoạch xạ trị vmat cho bệnh nhân ung thư đầu cổ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng dị ảnh Artifacts ảnh CT mô đến chất lượng kế hoạch xạ trị VMAT cho bệnh ung thư đầu cổ VŨ THỊ LỆ levt09893@gmail.com Ngành Kỹ thuật Hạt nhân Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Tất Thắng Chữ ký GVHD Viện: Vật lý Kỹ thuật HÀ NỘI, 10/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: VŨ THỊ LỆ Đề tài luận văn: “Nghiên cứu ảnh hưởng dị ảnh Artifacts ảnh CT mô đến chất lượng kế hoạch xạ trị VMAT cho bệnh ung thư đầu cổ” Chuyên ngành: Kỹ thuật Hạt nhân Mã số HV: 20202101M Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Tất Thắng Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 31/10/2022 với nội dung sau:  Chỉnh sửa lại đồ thị;  Tương thích số liệu bảng biểu đồ;  Chỉnh sửa cách thức thích tài liệu tham khảo;  Biện luận giải thích chi tiết kết luận văn;  Cần nói rõ so sánh kết trường hợp bốn cung (QA-Quadruple Arc) Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Nguyễn Tất Thắng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Nguyễn Văn Thái Vũ Thị Lệ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Tên đề tài tiếng Việt: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DỊ ẢNH ARTIFACTS TRÊN ẢNH CT MÔ PHỎNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KẾ HOẠCH XẠ TRỊ VMAT CHO BỆNH UNG THƯ ĐẦU CỔ Tên đề tài tiếng Anh: EVALUATION OF THE EFFECT OF ARTIFACTS IN CT SIMULATION IMAGES TO THE VMAT PLAN QUALITY FOR HEAD AND NECK CANCER Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên TS Nguyễn Tất Thắng LỜI CAM ĐOAN Học viên xin cam đoan: Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng dị ảnh Artifacts ảnh CT mô đến chất lượng kế hoạch xạ trị VMAT cho bệnh ung thư đầu cổ” cơng trình nghiên cứu riêng học viên hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Tất Thắng, môn Kỹ thuật Hạt nhân Vật lý Môi Trường, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn có tham khảo nghiên cứu tài liệu khác nước, tất trích dẫn đầy đủ Các số liệu luận văn sử dụng trung thực, kết trình bày luận văn chưa tác giả cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Học viên Cao học Ký ghi rõ họ tên Ký ghi rõ họ tên TS Nguyễn Tất Thắng LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành sâu sắc tới TS Nguyễn Tất Thắng tận tình bảo, hướng dẫn tạo điều kiện cho em suốt thời gian thực luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến KS Nguyễn Văn Kiên giúp đỡ trình thu thập số liệu Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Thái, TS Trần Kim Tuấn, PGS.TS Phạm Đình Khang Thầy, Cô môn Kỹ thuật Hạt nhân & Vật lý Môi trường, Viện Vật lý Kỹ thuật tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức chuyên ngành suốt trình học tập Em xin cảm ơn TS Trần Ngọc Toàn, TS Đàm Ngun Bình, Thầy Cơ Hội đồng xem xét, đánh giá kỹ lưỡng luận văn đưa nhận xét, góp ý q báu, mang tính xây dựng giúp nâng cao chất lượng luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới trưởng khoa Ths.KS Lê Văn Tình, tồn thể kỹ sư, kỹ thuật viên khoa Vật lý xạ trị - Bệnh viện K tạo điều kiện thuận lợi cho em trình thực luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, người sẵn sàng chia sẻ giúp đỡ em công việc, học tập sống Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận văn Ký ghi rõ họ tên TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng dị ảnh (Artifacts) ảnh CT mô đến chất lượng kế hoạch xạ trị VMAT cho bệnh ung thư đầu cổ Tác giả luận văn: Vũ Thị Lệ Mã sinh viên: 20202101M Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Tất Thắng, Bộ môn Kỹ thuật Hạt nhân & Vật lý Môi trường - Viện Vật lý Kỹ thuật - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Từ khóa (Keyword): Artifacts, CT images, VMAT Nội dung tóm tắt: Trong quy trình xạ trị VMAT, cơng đoạn chụp CT mơ cơng đoạn góp phần khơng nhỏ việc lập kế hoạch điều trị Chất lượng ảnh mơ tốt gia tăng độ xác đánh giá lập kế hoạch Tuy nhiên, chất lượng ảnh chụp CT mô phụ thuộc vào nhiều yếu tố thiết bị, kỹ thuật chụp, Đặc biệt, chất lượng ảnh suy giảm đáng kể có bất thường xuất ảnh phận kim loại gắn vào bệnh nhân Trong liệu chụp CT mô phỏng, tái tạo ảnh cho phép loại bỏ kim loại để tạo chất lượng hình ảnh tốt Tuy nhiên, số tác nhân, chúng khơng thể triệt tiêu hồn tồn, dẫn đến dị ảnh vệt sáng tối mỏng từ kim loại Dị ảnh xuất nhiều có chuyển động vật thể có mật độ cao Mặc dù vùng đầu cổ có khả cố định tốt, q trình chụp CT mơ phỏng, bệnh nhân nuốt cử động hàm, dị ảnh dạng vệt bị khuyếch đại có xu hướng phát từ chất hàn kim loại Do việc nghiên cứu ảnh hưởng dị ảnh (artifacts) ảnh CT mô đến chất lượng kế hoạch xạ trị VMAT cần thiết Có số phương pháp xác định xử lý dị ảnh nhiều tác giả giới sử dụng nghiên cứu Cụ thể, tác giả Yusung Kim cộng (2006) [1] sử dụng phương pháp hiệu chỉnh tất điểm ảnh (mô mềm, xương, kim loại) đơn vị HU tương đương nước Phương pháp chưa thực cho kết sát với thực tế gộp mô mềm, xương, kim loại hiệu chỉnh giá trị HU Những năm tiếp theo, tác giả Chun-I Lin cộng (2018) [2], Kenta Kitagawa cộng (2020) [3], sử dụng phương pháp xử lý dị ảnh cách hiệu chỉnh giá trị HU/ED khơng xác giá trị HU/ED nước Tuy nhiên, giá trị CT nước mơ mềm có khác biệt, đó, phương pháp khắc phục tác giả nêu cho kết chưa sát với thực tế lâm sàng Chính vậy, nghiên cứu đưa phương pháp xác định vị trí vùng dị ảnh, tiến hành tính tốn giá trị Relative ED, sau hiệu chỉnh cách gán giá trị vừa tìm cho quan lành mơ mềm nhằm đem lại kết tính tốn phân bố liều xác Trong nghiên cứu này, vùng có dị ảnh xác định hiệu chỉnh sử dụng phần mềm Monaco Cụ thể vùng dị ảnh hiệu chỉnh theo cách đưa giá trị HU/ED giá trị hợp lý sử dụng công cụ FORCE ED Để đánh giá ảnh hưởng điều chỉnh, ảnh trước sau hiệu chỉnh đưa vào lập kế hoạch xạ trị VMAT tương ứng với trường hợp cung (SA-Single Arc), hai cung (DA-Double Arc), ba cung (TA-Triple Arc), bốn cung (QA-Quadruple Arc) Kết nghiên cứu ra, việc khắc phục dị ảnh chức FORCE ED phần mềm lập kế hoạch cho thấy hiệu việc tính tốn phân bố liều thơng qua kết phân bố liều kế hoạch số Gamma Passrate So với kế hoạch lập CT gốc kế hoạch lập CT hiệu chỉnh cho phân bố liều tốt số Gamma Passrate cao (~4%) Kết kế hoạch cung SA có khác biệt lớn liều lượng (~5%) kế hoạch hai cung DA, ba cung TA có ảnh hưởng nhỏ Trên thực tế lâm sàng, hiệu chỉnh dị ảnh phần mềm lập kế hoạch không phương pháp tối ưu phần giảm thiểu sai số khơng đáng có tính tốn, đem lại chất lượng kế hoạch tốt cải thiện chất lượng sống cho người bệnh MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG DỊ ẢNH TRONG CT MÔ PHỎNG 1.1 Kỹ thuật xạ trị VMAT chụp ảnh CT mô 1.2 Dị ảnh ảnh CT 1.2.1 Hiệu ứng làm cứng chùm tia Beam Hardening [4] 1.2.2 Dị ảnh dạng vệt Streak Artifacts [4] 1.2.3 Dị ảnh dạng cưa View Aliasing [4] 1.2.4 Nguyên nhân dị ảnh [5] 10 1.2.5 Một số vấn đề cần giải 10 Các phương pháp khắc phục ảnh hưởng dị ảnh 12 1.3 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 2.1 Xác định đối tượng nghiên cứu 16 2.2 Xử lý dị ảnh 16 2.3 Kiểm chứng kết hiệu chỉnh 19 2.3.1 Chỉ số trùng khớp CI [11] 21 2.3.2 Chỉ số đồng HI [12] 22 2.3.3 Chỉ số Gamma Pass Rate 22 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 3.1 Kết hình ảnh CT sau hiệu chỉnh 24 3.2 Kết hiệu chỉnh ảnh CT tới phân bố liều xạ trị 24 3.2.1 Phân bố liều tới PTV 26 3.2.2 Phân bố liều OAR 30 i 3.2.3 Chỉ số CI HI 35 3.2.4 Chỉ số Gamma Pass Rate 36 KẾT LUẬN 39 PHỤ LỤC 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 LÝ LỊCH KHOA HỌC 49 ii Từ bảng 3.5 cho thấy, giá trị liều trung bình PTV70 nhận kết số Gamma Passrate nghiên cứu nhóm nghiên cứu trước khơng có khác biệt lớn nhiên giá trị liều trung bình mà quan lành nhận (cụ thể khoang miệng) có chênh lệch lớn Theo tiêu chí đánh giá kế hoạch (bảng 2.1), ngưỡng liều trung bình khoang miệng phải chịu 40Gy, sai khác nghiên cứu 4,1% sai khác tác giả khác lên tới 19,73% Như vậy, việc có khơng hiệu chỉnh ảnh ảnh hưởng đến PTV ảnh hưởng lớn đến quan lành 38 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng dị ảnh (Artifacts) ảnh CT mô đến chất lượng kế hoạch xạ trị VMAT cho bệnh ung thư đầu cổ Kết thu cho thấy dị ảnh ảnh CT mơ khơng nên bỏ qua ảnh hưởng đến chất lượng kế hoạch Số CT không xác khiến tính tốn phân bố liều kế hoạch khơng xác, đó, khắc phục dị ảnh cách gán cho số CT hợp lý để giảm sai số tính tốn liều lượng sử dụng, cụ thể giá trị ED mô mềm khoang miệng thường lớn (giá trị dao động từ 1,044 đến 1,061) Giá trị ED mô mềm vùng hai bên má dao động xung quanh (giá trị dao động từ 0,975 đến 1,028) Với việc khảo sát, thu thập phân tích số, nghiên cứu phương pháp khắc phục dị ảnh lựa chọn FORCE ED phương pháp dễ thực hiện, tốn thời gian, phổ biến rộng rãi cho kỹ sư xạ trị sở khác, đồng thời phương pháp cho thấy hiệu việc tính tốn phân bố liều thơng qua kết phân bố liều kế hoạch số Gamma Passrate So với kế hoạch lập CT gốc kế hoạch lập CT hiệu chỉnh cho phân bố liều tốt số Gamma Passrate cao (~ 4%) Kết kế hoạch cung SA có khác biệt lớn liều lượng (~ 6%) kế hoạch hai cung DA, ba cung TA có ảnh hưởng nhỏ Nghiên cứu đạt mục tiêu đề sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh mật độ electron (ED) để xử lý dị ảnh Tuy nhiên, xử lý dị ảnh dừng lại việc khắc phục vùng dị ảnh dạng vệt sáng tối xung quanh kim loại, thân kim loại gắn khoang miệng bị bỏ qua coi xương Hơn nữa, kết tính tốn khảo sát phân bố liều đáng tin cậy kiểm chứng kết hiệu chỉnh thông qua phần mềm thứ riêng biệt xử lý dị ảnh Trên sở kết đạt được, thời gian tới nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu thêm phương pháp xử lý dị ảnh để nâng cao chất lượng ảnh chụp chất lượng sống cho người bệnh 39 PHỤ LỤC Kết kế hoạch có thay đổi vị trí hiệu chỉnh HU/ED cho trường hợp cụ thể Dưới bảng kết phân bố liều tới PTV quan nguy cấp tương ứng với trường hợp thay đổi vị trí hiệu chỉnh vùng có dị ảnh cho kết mật độ Electron tương đối Bảng 0.1 Kết phân bố liều tới PTV OAR Các trường PTVs/OAR Chỉ SA DA TA QA Dmean cGy 7358 7278 7263 7207 Dmax cGy 7895 7717 7821 7609 VPD % 95 95 95 95 PTV 60 VPD % 95,77 95,54 95,73 97,05 PTV 54 VPD % 92,4 97,44 95,01 98,26 Brainstem Dmax cGy 4794 4732 4733 4634 Relative Spinal Cord Dmax cGy 4074 4158 4203 3986 ED Lens Dmax cGy 614 576 569 577 Optic Chiasm Dmax cGy 5047 4978 4965 4973 Optic Nerves Dmax cGy 4763 4576 4540 4574 Parotid Gland L V30, % 54,27 49,54 49,31 1,047; Parotid Gland R V30, % 56,22 52,1 54,05 56,09 1,025; Eyes Dmax cGy 3124 1912 2590 2224 Mandible Dmax cGy 6808 6297 6603 6583 Pituitary Dmax cGy 5548 5540 5578 5573 Oral Cavity DmeancGy 4019 4140 4089 4038 hợp s PTV 70 số\Arc Trường hợp 1: Vị trí phía dị ảnh, giá trị vùng dị ảnh thuộc khoang miệng hai bên má trái, phải là: 45,91 1,029 40 Esophagu s DmeancGy 4801 4608 4691 Larynx DmeancGy 4252 4124 4616 Dmean cGy 7362 7337 7285 7210 Dmax cGy 7984 7920 7818 7632 VPD % 95 95 95 95 PTV 70 4718 3705 Trường PTV 60 VPD % 94,25 95 95,19 96,54 hợp 2: Vị PTV 54 VPD % 90,48 97,02 91,07 95,71 Brainstem Dmax cGy 4970 4875 4625 4572 Spinal Cord Dmax cGy 3966 4117 4149 3982 Lens Dmax cGy 522 646 551 494 Optic Chiasm Dmax cGy 5046 4918 5042 5005 Optic Nerves Dmax cGy 5129 5020 4924 5034 Parotid Gland L V30, % 58,5 55,54 53,83 50,99 trái, phải Parotid Gland R V30, % 49,69 47,85 47,73 45,18 là: Eyes Dmax cGy 2924 1940 2740 2560 1,054; Mandible Dmax cGy 6102 6237 6188 6174 Pituitary Dmax cGy 5802 5653 5519 5680 Oral Cavity DmeancGy 4024 4002 4136 4054 Esophagu s DmeancGy 4691 4655 4618 4569 Larynx DmeancGy 4721 4376 4580 Dmean cGy 7387 7290 7271 7175 Dmax cGy 8063 7761 7703 7593 VPD % 95 95 95 95 VPD % 93,82 95,34 96,37 97,45 trí phía bên phải dị ảnh, giá trị Relative ED vùng dị ảnh thuộc khoang miệng hai bên má 1,004; 0,994 4375 Trường hợp 3: Vị trí phía PTV 70 bên trái dị ảnh, PTV 60 41 giá trị PTV 54 VPD % 93,09 97,15 97,31 98,93 Brainstem Dmax cGy 4900 4885 4710 4761 Spinal Cord Dmax cGy 4145 4173 3915 4079 khoang Lens Dmax cGy 523 551 545 591 miệng Optic Chiasm Dmax cGy 4992 5030 4994 5007 Optic Nerves Dmax cGy 4988 4937 4875 5034 Parotid Gland L V30, % 49,97 49,19 46,49 45,73 Parotid Gland R V30, % 56,08 51,8 53,07 53,15 Eyes Dmax cGy 2677 1849 2899 2731 Mandible Dmax cGy 6827 6484 6550 6494 Pituitary Dmax cGy 5875 5594 5507 5613 Oral Cavity DmeancGy 4100 4140 4173 4050 Esophagu s DmeancGy 4775 4548 4785 4732 Larynx DmeancGy 4593 4338 4156 4216 Dmean cGy 7375 7275 7217 7243 Dmax cGy 8013 7827 7671 7743 VPD % 95 95 95 95 PTV 60 VPD % 93,02 95,74 95,92 96,07 vùng dị ảnh PTV 54 VPD % 92,78 96,54 95,46 95,39 thuộc Brainstem Dmax cGy 4777 4825 4670 4765 Dmax cGy 4026 4186 4088 4059 Dmax cGy 530 594 559 549 Dmax cGy 5002 4922 4971 4901 Relative ED vùng dị ảnh thuộc hai bên má trái, phải là: 1,044; 0,996; 0,990 Trường hợp 4: Vị trí phía PTV 70 dị ảnh, giá trị Relative ED khoang miệng Spinal Cord hai bên má trái, phải Lens là: Optic 1,061; Chiasm 42 0,994; Optic 0,991 Nerves Dmax cGy 4945 4872 4959 5031 V30, % 49,08 48,72 45,29 46,53 V30, % 59,24 56,66 51,47 50,19 Eyes Dmax cGy 2861 2012 2451 2220 Mandible Dmax cGy 6532 6454 6450 6589 Pituitary Dmax cGy 5669 5556 5680 5451 DmeancGy 4028 4089 4098 4087 DmeancGy 4759 4686 4686 4535 DmeancGy 4876 4272 3700 4314 Dmean cGy 7407 7335 7273 7223 Dmax cGy 8087 7888 7794 7660 VPD % 95 95 95 95 PTV 60 VPD % 94,89 95,38 94,96 95,97 Relative PTV 54 VPD % 92,23 98,18 94,45 96,25 ED Brainstem Dmax cGy 4792 4918 4587 4713 Dmax cGy 4013 4123 4099 4115 Dmax cGy 473 600 495 536 Dmax cGy 4863 4894 5017 4931 Dmax cGy 5120 4833 4941 4816 V30, % 50,64 49,04 47,87 46,61 V30, % 56,19 55,57 53,44 52,68 Parotid Gland L Parotid Gland R Oral Cavity Esophagu s Larynx Trường hợp 5: Vị PTV 70 trí phía bên phải dị ảnh, giá trị vùng dị ảnh thuộc khoang Spinal Cord miệng Lens hai bên má Optic trái, phải Chiasm là: 1,053; 1,003; 1,028 Optic Nerves Parotid Gland L Parotid 43 Gland R Eyes Dmax cGy 2694 1823 2305 2364 Mandible Dmax cGy 7010 6623 6379 6571 Pituitary Dmax cGy 5366 5523 5703 5530 DmeancGy 4208 4123 4130 4044 DmeancGy 4791 4845 4686 4696 DmeancGy 4395 4225 4390 4325 Dmean cGy 7374 7324 7210 7189 Dmax cGy 8059 7800 7629 7623 VPD % 95 95 95 95 PTV 60 VPD % 93,3 95,96 96,24 95,84 PTV 54 VPD % 89,21 98,29 96,02 97,53 Brainstem Dmax cGy 4992 4852 4655 4577 Dmax cGy 4185 4211 4143 3941 Dmax cGy 594 579 535 555 Dmax cGy 5125 5012 4998 4882 Dmax cGy 4970 4777 4768 4895 V30, % 52,54 47,94 44,75 46,52 V30, % 57 52,29 47,65 52,36 Eyes Dmax cGy 2502 1879 2236 2505 Mandible Dmax cGy 6430 6505 6552 6394 Pituitary Dmax cGy 5860 5423 5571 5508 Oral DmeancGy 4065 4133 4072 3973 Oral Cavity Esophagu s Larynx PTV 70 Trường hợp 6: Vị trí phía bên trái dị ảnh, giá trị Relative Spinal Cord ED vùng dị ảnh Lens thuộc Optic khoang Chiasm miệng hai bên má Optic Nerves trái, phải là: 1,059; Parotid Gland L 1,007; Parotid 0,981 Gland R 44 Cavity Esophagu s Larynx DmeancGy 4786 4772 4527 4634 DmeancGy 4480 4340 4047 4317 Từ bảng cho thấy, kết phân bố liều tới PTV, OARs khơng có khác biệt nhiều trường hợp thay đổi vị trí hiệu chỉnh vùng dị ảnh Tuy nhiên thấy rõ khác biệt qua cung SA, DA, TA, QA trường hợp Như vậy, vùng dị ảnh, vị trí lựa chọn để hiệu chỉnh không ảnh hưởng nhiều đến phân bố liều tới PTV quan lành hường hợp 8200 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Liều lượng (cGy) 8000 7800 7600 7400 7200 7000 6800 6600 SA DA TA QA SA DA TA QA SA DA TA QA SA DA TA QA SA DA TA QA SA DA TA QA TH1 TH2 TH3 TH4 Dmean Dmax TH5 VPD Hình 0.1 Biểu đồ thể phân bố liều tới PTV70 45 TH6 VPD(%) Phân bố liều PTV70 Phân bố liều PTV60, PTV54 100 98 VPD(%) 96 94 92 90 88 86 84 SA DA TA QA SA DA TA QA SA DA TA QA SA DA TA QA SA DA TA QA SA DA TA QA TH1 TH2 TH3 TH4 PTV 60 TH5 TH6 PTV 54 Hình 0.2 Biểu đồ thể phân bố liều tới PTV60, PTV54 Bảng 0.2 Phân bố liều tới OARs Spinal Brainstem cord Lens Chiasm Nerves TMT L TMT R Dmax