Tolerance level determination for automated EPID-based deep inspiration breath-hold (DIBH) instability evaluation in breast cancer patients

Abstract

Breast cancer is the most common cancer in women. Radiation therapy (RT) is the most recommended treatment to reduce local recurrence and improves the overall survival rate. However, RT has limitations regarding the patient's respiratory motion, especially in the left side breast. The irradiated field through the left side breast is projected near the heart, leading to cardiac morbidity and mortality. Currently, a deep inspiration breath-hold (DIBH) technique becomes standard respiratory motion management to reduce the cardiac dose during tangential field left breast radiotherapy. However, there is no current system to evaluate the patient's breath-hold capability towards DIBH accuracy in real-time. The cine images from an electronic portal imaging device (EPID) were acquired and analyzed to find the stability of the breath-hold during treatment delivery by using in-house MATLAB program. The Canny's edge detection is applied to find and track the lung depth, which represents the stability of the patient breath-hold. The system performance was tested from the three experimental setups with phantom to simulate the motion for test accuracy, reproducibility, and capability. For the clinical tests, there were randomly three patients for evaluating the breath-hold capability for multiple fractions during the treatment course. In addition, the tolerance level of breath-hold based on cardiac toxicity was determined using the dose calculation of various simulated organ motions using a RayStation system. For phantom studies, the maximum difference of accuracy test was -0.994 mm, the reproducibility showed a promising system, and the system can handle image blurring well (< 1mm maximum difference) but very sensitive to image noise (maximum difference was -73.2 mm). For clinical tests, the system was able to evaluate the patients' breath-hold capabilities corresponding to the amplitude setting from the treatment room. The tolerance level to switch from DIBH to free-breath (FB) delivery should be less than 11.00 mm in AP direction from the reference position. To sum up, the proposed system showed high accuracy (with less than a millimeter error) of detecting breath-hold capability that can be applied clinically.

มะเร็งเต้านมเป็นมะเร็งที่พบมากที่สุดในผู้หญิง การรักษาด้วยการฉายรังสีเป็นวิธีที่ได้รับการแนะนำเพื่อลดการกลับมาเป็นซ้ำ และช่วยเพิ่มอัตราการรอดชีวิต อย่างไรก็ตามการฉายรังสีมีข้อจำกัดเกี่ยวกับการหายใจของผู้ป่วยโดยเฉพาะที่เต้านมด้านซ้าย เนื่องจากรังสีที่ผ่านเต้านมด้านซ้ายเข้าใกล้หัวใจ ซึ่งนำไปสู่การเจ็บป่วย และการเสียชีวิตด้วยโรคหัวใจ ปัจจุบันเทคนิคการหายใจเข้าลึกแล้วกลั้นใจนิ่งขณะฉายรังสี กลายเป็นวิธีมาตรฐานในการจัดการการเคลื่อนไหวของระบบทางเดินหายใจ เพื่อลดปริมาณรังสีที่หัวใจได้รับในระหว่างการฉายรังสีบริเวณทรวงอกด้านซ้าย อย่างไรก็ตามเทคนิคดังกล่าวยังไม่มีระบบที่นำมาประเมินความถูกต้องของความสามารถในการกลั้นหายใจของผู้ป่วยในขณะฉายรังสี ในการศึกษานี้ภาพถ่ายขณะฉายรังสีจากอุปกรณ์รับภาพรังสีอิเล็กทรอนิกส์ถูกนำมาใช้วิเคราะห์ผลเพื่อหาความเสถียรของการกลั้นหายใจระหว่างการรักษาโดยการใช้โปรแกรมแมทแลป และอัลกอริทึมแคนนี่ในการตรวจจับลักษณะขอบเขตของภาพ เพื่อหาระยะความลึกของปอดซึ่งแสดงถึงความเสถียรของการกลั้นหายใจของผู้ป่วย ทั้งนี้มีการทดสอบประสิทธิภาพของระบบสามด้านจากหุ่นจำลองเสมือนมนุษย์ ได้แก่ ความถูกต้อง ความสามารถในการทำซ้ำ และความสามารถในการวิเคราะห์ผล สำหรับการทดสอบทางคลินิกมีผู้ป่วยที่ได้รับการคัดเลือกแบบสุ่ม 3 รายเพื่อประเมินความสามารถในการกลั้นหายใจในระหว่างการรักษา นอกจากนี้มีการศึกษาการกาหนดระดับความทนต่อการกลั้นหายใจตามความเป็นพิษของหัวใจ โดยการคำนวณจากการจำลองการเคลื่อนไหวของอวัยวะในระยะต่างๆ จากระบบวางแผนการรักษาเรย์เสิร์ช และเทียบกับปริมาณรังสีที่หัวใจได้รับ ผลการศึกษาประสิทธิภาพของระบบในหุ่นจำลองเสมือนมนุษย์ พบว่าความแตกต่างสูงสุดของการทดสอบความแม่นยำ คือ -0.994 มม. และความสามารถในการทำซ้ำแสดงให้เห็นถึงแนวโน้มระบบที่ดีและระบบสามารถจัดการความเบลอของภาพได้ดี (ความแตกต่างสูงสุด <1 มม.) แต่ระบบยังคงไวต่อสัญญาณรบกวนของภาพมาก (ความแตกต่างสูงสุดคือ -73.2 มม.) สำหรับการทดสอบทางคลินิกระบบสามารถประเมินความสามารถในการกลั้นหายใจของผู้ป่วยที่สอดคล้องกับการตั้งค่าแอมพลิจูดจากห้องฉายรังสี ระดับความอดทนในการเปลี่ยนจากเทคนิคกลั้นใจนิ่งเป็นการแบบหายใจแบบปกติควรน้อยกว่า 11.00 มม. ในทิศทางหน้าหลังจากตาแหน่งอ้างอิง สรุปได้ว่าระบบที่นำเสนอแสดงความแม่นยำสูง (โดยมีข้อผิดพลาดน้อยกว่ามิลลิเมตร) ในการตรวจวัดความสามารถในการกลั้นหายใจที่สามารถนำไปใช้งานในทางการแพทย์ได้