Summing actual delivered dose across an adapted radiotherapy course via deformable image registration and voxel-wise accumulation
Адаптивна променева терапія передбачає, що план лікування може змінюватися протягом курсу — але для оцінки безпеки й ефективності важливо знати не заплановану, а фактично доставлену дозу кожного дня. Це вимагає систематичного журналювання дози на рівні окремої фракції, ще до будь-якого підсумовування.
Оригінальний план опромінення розраховується один раз — на етапі планування, за даними планувальної КТ. Але анатомія пацієнта змінюється: пухлина може зменшуватися, сечовий міхур — наповнюватися по-різному, вага тіла — коливатися. Коли план адаптують у середині курсу (наприклад, перераховують після 10-ї фракції через усадку пухлини), кожна з попередніх і наступних фракцій фактично доставляє дещо іншу дозу, ніж було первісно заплановано.
Тому перший крок накопичувального дозиметричного контролю — це не підсумовування планів, а реєстрація реально доставленої дози для кожного окремого сеансу опромінення. Джерелами такої інформації є: лог-файли лінійного прискорювача (положення MLC, монітор-одиниці, кут гантрі в реальному часі), сигнали in-vivo дозиметрії (детектори на шкірі або в порожнинах тіла) та доза, реконструйована за щоденними зображеннями (CBCT, MVCT) з урахуванням фактичної геометрії пучка того дня.
Кожен запис фракції зберігається окремо, прив'язаний до конкретної дати та конкретної анатомії пацієнта в цей день — це первинний "цеглинка" для подальшого накопичення.
Оскільки анатомія пацієнта змінюється день у день, дозові сітки різних фракцій не можна просто накласти одна на одну — вони описані в різних, деформованих одна відносно одної геометріях. Деформівна реєстрація зображень (DIR) обчислює поле деформації, яке "розгортає" щоденну анатомію назад у єдину референсну систему координат.
Деформівна реєстрація обчислює нелінійне векторне поле переміщень (deformation vector field, DVF), що зіставляє кожен воксель зображення дня фракції з відповідним вокселем референсного зображення. На відміну від жорсткої реєстрації (лише зсув і поворот), DIR дозволяє органам "текти" — стискатися, розтягуватися, ковзати одне відносно одного, що потрібно для коректного узгодження, наприклад, кишківника чи сечового міхура.
Алгоритми варіюються від класичних деформівних моделей (демони, B-сплайнові вільноформні деформації, оптичний потік) до сучасних згорткових мереж, що навчені передбачати DVF напряму з пари зображень. Отримане поле деформації потім застосовується не до самого зображення, а до дозової сітки цього дня: кожен воксель дози "переноситься" вздовж вектора деформації у відповідну точку референсної анатомії.
Якість DIR критично впливає на подальші кроки: похибка суміщення 1–3 мм може здаватися малою, але в областях із високим дозовим градієнтом (межа мішені та органа ризику) вона здатна суттєво спотворити оцінку накопиченої дози. Тому клінічні протоколи вимагають візуальної перевірки та кількісної оцінки якості DIR (наприклад, за коефіцієнтом Дайса для контурів) перед підсумовуванням дози.
Похибка деформівної реєстрації є основним джерелом невизначеності у накопичувальній дозиметрії: чим більша міжфракційна варіабельність анатомії, тим менш надійним стає підсумований дозовий розподіл — це саме той параметр, який симулює повзунок "Anatomy Variability" на цій сторінці.
Після того як дозова сітка кожної фракції деформовано перенесена в референсну анатомію, наступний крок — пряме підсумовування: значення дози в кожному вокселі референсної сітки складаються по всіх пролікованих фракціях, формуючи карту дози, що зростає з кожним сеансом лікування.
Технічно підсумовування дози — проста арифметична операція: кумулятивна доза у вокселі v дорівнює сумі деформованих доз усіх пролікованих фракцій у цьому ж вокселі. Складність полягає не в самій сумі, а в тому, що кожен доданок вже пройшов через деформівну реєстрацію (Етап 2) і несе власну невизначеність.
На практиці кумулятивну карту оновлюють інкрементально: після кожної нової фракції її деформована дозова сітка додається до вже накопиченої карти попередніх фракцій. Це дозволяє відстежувати, як росте сумарна доза на мішень і на органи ризику в реальному часі протягом курсу, а не лише постфактум після завершення лікування.
Візуально це можна уявити як прозорі кольорові шари, що накладаються один на одного: кожна нова фракція додає малий приріст непрозорості на карту дози, і що більше фракцій проліковано, то інтенсивніший стає колір у ділянках із високою кумулятивною дозою. Якщо міжфракційна варіабельність анатомії висока, кожен новий шар трохи зміщений відносно попередніх — це "розмиває" межі високодозової області та ускладнює точну оцінку покриття мішені й дози на орган ризику.
Індивідуальний план фракції може виглядати повністю безпечним, але лише сума фактично доставлених доз по всьому курсу показує, чи не перевищено клінічне обмеження для органа ризику (OAR). Саме тому кумулятивний дозиметричний контроль — це запобіжник, якого не може дати жоден одиночний план фракції.
Кожна нова фракція додає невеликий приріст дози до спинного мозку, привушних залоз чи іншого критичного органа. Окремо взятий приріст зазвичай нешкідливий, але накопичена сума з часом може наблизитися до клінічного обмеження або перевищити його — особливо якщо анатомія пацієнта систематично зміщувала орган ризику ближче до високодозової області протягом кількох фракцій поспіль.
Система кумулятивного контролю порівнює поточну накопичену дозу з дозо-об'ємними обмеженнями (наприклад, максимальна точкова доза на спинний мозок 45 Гр, середня доза на привушну залозу 26 Гр) після кожної фракції, а не лише в кінці курсу. Це дозволяє виявити проблему рано — наприклад, після 18-ї з 30 запланованих фракцій — і скоригувати план для решти курсу: змінити кути пучків, знизити дозу на подальші фракції або повторно адаптувати план під нову анатомію.
Висока міжфракційна варіабельність анатомії напряму збільшує ризик порушення: похибки деформівної реєстрації та реальні зміщення органа ризику ближче до мішені проявляються як "стрибки" дози на окремих фракціях, які й підсумовуються у порушення обмеження.
Порушення обмеження для органа ризику, виявлене лише в кінці курсу — це вже занадто пізно для корекції. Тому кумулятивний контроль дози повинен виконуватися безперервно, фракція за фракцією, а не як одноразовий підсумковий звіт.
Після завершення курсу лікування будується фінальна кумулятивна гістограма доза-об'єм (DVH) — для мішені та для кожного органа ризику. Це підсумковий документ, який підтверджує (або спростовує), що реальна доставлена доза за весь курс відповідала клінічним обмеженням, попри всі проміжні адаптації плану.
Гістограма доза-об'єм (DVH) — це графік, що показує, який відсоток об'єму структури (мішені або органа ризику) отримав дозу не меншу за задане значення. Для мішені ідеальна кумулятивна DVH виглядає як крута "сходинка" біля призначеної дози: майже весь об'єм отримує близьку до однакової дози. Для органа ризику бажана крива, що швидко спадає до низьких доз при малому об'ємі, що отримав високу дозу.
На відміну від DVH окремого плану фракції, кумулятивна DVH будується на основі підсумованої, деформівно узгодженої дози за весь курс (Етапи 1–3) і тому відображає реальність лікування, а не теоретичний намір. Якщо крива DVH органа ризику перетинає вертикальну лінію клінічного обмеження на рівні об'єму, що перевищує допустимий, це фіксується як задокументоване порушення курсу — навіть якщо кожен окремий план фракції формально відповідав нормі.
Фінальний звіт DVH використовується для клінічного аудиту якості адаптивного лікування, порівняння з іншими пацієнтами та протоколами, а також як довідкова інформація, якщо пацієнту в майбутньому знадобиться повторний курс променевої терапії в тій самій ділянці — сумарна доза попереднього курсу обмежує, скільки можна безпечно призначити повторно.