Manuel vs. automatisk konturindtegning måling af volumen og DSC på udvalgte risikoorganer ved patienter med hoved-halscancer

Transkript

1 Manuel vs. automatisk konturindtegning måling af volumen og DSC på udvalgte risikoorganer ved patienter med hoved-halscancer

2 Titelblad Manuel vs. automatisk konturindtegning - måling af volumen og DSC på udvalgte risikoorganer ved patienter med hoved-halscancer Bachelorprojekt af Julie Særmark Forup University College Lillebælt Radiografuddannelsen Hold: RAD513 S Vejleder: May-Lin Martinsen 6. Januar 2017 Denne opgave omfatter tegn inkl. mellemrum Denne opgave eller dele heraf må kun offentliggøres med forfatterens tilladelse Jf. Bekendtgørelse af lov om ophavsret nr af

3 Abstrakt (DK) Baggrund: Der diagnosticeres årligt ca nye tilfælde af hoved-halscancer (HH-cancer) i Danmark. Ca. 80% af disse patienter vil modtage strålebehandling som en primær del af den samlede behandling. Ifm. planlægning af strålebehandling indtegnes target og risikoorganer manuelt, hvilket kritiseres for at være en upræcis proces, som i høj grad varierer som følge af interpersonelle forskelle. Det ønskes således at belyse forskelle i volumen og Dice Similarity Coefficient (DSC) af udvalgte risikoorganer ved patienter med HH-cancer. Metode: Der udføres et eksperimentelt forsøg, hvortil der udvælges 30 CT-scanninger og ni risikoorganer. Der er på CT-scanningerne lægegodkendte manuelle indtegninger af risikoorganer, hvortil der tilføjes automatiske konturer genereret via SPICE, således det er muligt at måle volumen på disse. Efterfølgende beregnes DSC til bestemmelse af overlap mellem manuelle og automatiske konturer. Resultater: Resultaterne af forsøget viser, at forskelle i volumen og DSC mellem manuelle og automatiske konturer i høj grad afhænger af det pågældende risikoorgan. Procentvise forskelle i totalvolumen mellem manuelle og automatiske konturer, varierer fra 0,1% til 40,3%. Ligeledes ses en tendens til, at gennemsnittet af volumen af de automatiske konturer er større end gennemsnittet af volumen af de manuelle konturer. Dette gælder for syv ud af ni risikoorganer. Slutteligt viser resultaterne, at kun tre ud af ni risikoorganer har et tilfredsstillende overlap, altså en DSC > 0,85. Konklusion: Resultaterne gør det muligt at konkludere, at der ér forskel i volumen og overlap mellem manuel konturindtegning og automatisk konturindtegning og at graden af denne forskel afhænger af, hvilket risikoorgan der måles og beregnes på. Forfatter: Julie Særmark Forup (jsfo@stud.ucl.dk) 2

4 Abstract (ENG) Background: Approximately 1100 new cases of head and neck cancer is annually diagnosed in Denmark. About 80% of these patients will receive radiation therapy as a crucial part of the treatment. In the process of planning the radiation therapy, target volumes and organs at risk are manually defined. This process is criticized for being inaccurate and outmost variable due to interpersonal differences. This study will focus on the differences in the volume and Dice Similarity Coefficient (DSC) of selected organs at risk in patients with head and neck cancer. Method: An experimental study is conducted with the use of 30 CT-scans and nine organs at risk. Verified definitions of the organs at risk figures on the CT-scans, whereto automatic generated contours from SPICE is added, which makes it possible to measure the volume. Subsequently the DSC is calculated to decide the overlap between the manual and the automatic contours. Results: The results of the study show that differences in the volume and DSC between manually and automatically defined organs at risk are greatly dependent on the organ in question. In percentage, the differences in the total volume between manually and automatically defined contours, varies from 0.1% to 40.3%. Furthermore the mean volume of the automatically generated contours is larger, than the mean volume of the manual contours. This goes for seven out of nine organs at risk. In fine the results show that only three of the nine selected organs at risk have an adequately overlap, meaning a DSC > Conclusion: In conclusion, there is a difference in the volume of the organs at risk and the overlap, between manually and automatically defined contours and that the extent of this difference is highly dependent upon the organ at risk. Author: Julie Særmark Forup (jsfo@stud.ucl.dk) 3

5 Indholdsfortegnelse Titelblad 1 Abstrakt (DK) 2 Abstract (ENG) 3 Indledning 6 Problemfelt 7 Problemstillinger 7 Problemafgrænsning 9 Problemformulering 10 Forskningsspørgsmål 10 Teoretisk forskningsspørgsmål 10 Empiriske forskningsspørgsmål 10 Metode 10 Videnskabsteori 10 Naturvidenskab 11 Eksperimentel metode 12 Positivismens videnskabelighedskriterier 12 Forskningsetiske overvejelser 15 Valg af litteratur 16 Teori 20 Hoved-hals cancer 20 Behandling 20 Pinnacle 21 SPICE 21 Houndsfield Units (HU) 22 Dice Similarity Coefficient (DSC) 23 Risikoorganer og dosisspecifikation 24 Dose Volume Histogram (DVH) 26 Empiri 26 Forsøgsdesign 26 4

6 Dataanalyse og resultater 28 Resultater for volumen 28 Resultater for overlap samt beregning af DSC 31 Bias 34 Diskussion 35 Konklusion 41 Perspektivering 42 Referenceliste 44 5

7 Indledning I Danmark diagnosticeres ca nye cancertilfælde årligt og det estimeres at hver tredje dansker rammes af sygdommen i løbet af livet. (1) Hoved-Hals cancer (HH-cancer) er fællesbetegnelsen for malignitet lokaliseret i området fra oesophagus til sinus frontalis. Der diagnosticeres årligt ca nye tilfælde i Danmark. Danish Head and Neck Cancer Group (DAHANCA), den danske hoved-halscancergruppe, har gennem de seneste 30 år forsket i udredning og behandlingen af HH-cancer. DAHANCA har tradition for kliniske studier og retningslinjer og bygger på et multidisciplinært samarbejde i konstant udvikling, som er grundlæggende for behandlingen i onkologisk regi på landsbasis. Der udvikles evidensbaserede retningslinjer som bl.a. efterleves vha. pakkeforløb for HHcancer, som imødekommer hurtig og præcis udredning samt behandling. (2) Behandling af HH-cancer afhænger af placeringen og typen af malignitet, samt hvor fremskreden denne er % af alle HH-cancerpatienter behandles med strålebehandling, som afhængig af det enkelte tilfælde kan kombineres med kirurgi eller kemoterapi. (2) Bivirkninger ved strålebehandling kan opstå såvel akut som sent i forløbet og mængden af disse kan variere. Bivirkningerne kan have alvorlige konsekvenser for patienten, da det omkringliggende væv også bestråles og der f.eks. kan opstå oral mucositis som kan give irritation og synkebesvær. Derfor vil mange patienter med HH-cancer have tendens til vægttab og opleve generelt nedsat almen tilstand. Planlægning af strålebehandling er særlig vigtig for patientens samlede forløb, da en præcis fordeling af dosis kan minimere bivirkningerne. Dette gør det særligt interessant at undersøge hvilke faktorer i planlægningsprocessen, der kan være med til at optimere og øge kvaliteten af den samlede behandling. 6

8 Problemfelt I følgende afsnit belyses problemstillinger vedr. manuel og automatisk konturindtegning, herunder strålebehandling af patienter med HH-cancer, vigtighed af korrekt konturindtegning, teknologisk udvikling, retningslinjer samt ressourcer og tid. Problemstillingerne afgrænses og der præsenteres en konkret problemformulering samt forskningsspørgsmål. Problemstillinger En afgørende og dominerende risikofaktor for HH-cancer er tobaks- og alkoholforbrug. De hyppigste cancerformer i HH-området er i larynx, pharynx og cavitas oris og forud for disse ses ofte massivt tobaksmisbrug kombineret med overdrevet alkoholindtag. Den typiske patient er omkring 60 år eller ældre, men alle kan rammes af HH-cancer. Forekomsten af tobaks- og alkoholbetinget c. larynx er faldende, da befolkningen generelt ryger mindre. Virus, Epstein-Barr Virus (EBV) eller Human Papilloma Virus (HPV) kan også være årsag til cancer. Der ses en stigning i antallet af C. mesopharynx, hvoraf ca. 75% diagnosticeres som værende HPV-relaterede. Disse patienter er oftest yngre end patienter hvor sygdommen er betinget af tobaks- og alkoholmisbrug og har derfor typisk en bedre almen helbredstilstand og prognose. (2) Regeringens nyeste tiltag, Patienternes Kræftplan Kræftplan 4, belyser vigtigheden af at stræbe mod en røgfri generation hvor ingen børn eller unge ryger i Rygning er øverst på listen over risikofaktorer ifm. HH-cancer og ved sammenligning med andre nordiske lande, er der flest der ryger på daglig basis i Danmark. (3) Strålebehandling virker mest effektivt på celler der er veliltede og da rygning optager ilten fra cellerne og gør dem hypoxiske, er det vigtigt at patienter i strålebehandlingsforløb afstår fra rygning. I tillæg til dette kommer at heling og regenerering af raske celler ligeledes optimeres når patienten ikke ryger. For at planlægge et strålebehandlingsforløb kræves det, at relevant anatomi er fremstillet ved en CT-scanning, som danner udgangspunkt for indtegning af target og risikoorganer. Det er en nødvendighed med korrekte og anatomisk præcise indtegninger for at kunne beregne mængden af dosis, som det pågældende organ og væv udsættes for. Hvis et risikoorgan, der ligger i nær kontakt med target indtegnes ukorrekt, kan det have konsekvenser for resultatet af behandlingen. Afhængig af indtegningen kan det betyde at det pågældende organ får for høj dosis, eller at target ikke får tilstrækkelig dosis. Sidstnævnte kan betyde at cancercellerne 7

9 ikke destrueres og at patienten dermed ikke kureres for sin sygdom. Ukorrekt konturindtegning er derfor et problem for patienten og kvaliteten af behandlingen. (4) Den teknologiske udvikling spiller en afgørende rolle ifm. planlægning og udførelse af optimal strålebehandling. I den forbindelse er særligt planlægningsprocessen, herunder præcis konturindtegning af risikoorganer og individuelt tilpassede dosisplaner, afgørende for kvaliteten af strålebehandlingen. (5) På Sygehus X planlægges strålebehandling ud fra en CT-scanning. Billedmaterialet indlæses i dosisplanlægningssystemet Pinnacle, som anvendes til indtegning af risikoorganer og beregning af dosisplanen. For de fleste anatomiske områder gælder det, at der manuelt indtegnes risikoorganer og relevante strukturer på CT-scanningen. Dog er der områder, såsom hoved-hals, hvor der anvendes en software til automatisk definition og indtegning af konturer. (6) Ny teknologi som denne software, Smart Probabilistic Image Contouring Engine (SPICE), er endnu ikke så gennemtestet, at den kan indgå som en uafhængig del af dosisplanlægningen i arbejdet med konturindtegning. Dette er problematisk da der kræves et solidt erfaringsgrundlag forud for implementering, samt økonomiske og tidsmæssige ressourcer. Risikoorganer er organer i risiko for bestråling grundet placering nær target. For disse organer gælder en række constraints, som er en begrænsning ift. dosis. Ethvert risikoorgan og vævstype har en maksimal grænse for mængden af dosis, det kan tåle uden at gå til grunde. Constraints holder sig væsentligt under denne grænse, f.eks. er constraints for medulla Gy, mens den maksimale dosis før der er tale om risiko for medullært tværsnit er 60 Gy. I nogle tilfælde kan constraints kompromittere dosis til target, hvorfor prioritering og fordeling af dosis er en lægelig vurdering. (4) Dog gælder en prioriteret rækkefølge af risikoorganer, som tydeliggør hvilke organer der ingenlunde kan kompromitteres ift. constraints. Organerne er inddelt i fire grupper med hver deres krav til overholdelse af constraints. Disse krav spænder fra absolut overholdelse til skal/bør/kan overholdes. HH-området indeholder serielle og parallelle organer med funktioner, som har afgørende betydning for patientens samlede oplevelse af livskvalitet. Overskrides constraints til orbita, spytkirtler eller medulla kan dette medføre henholdsvis skade på synet, kronisk mundtørhed eller risiko for medullært tværsnit. Det er således problematisk hvis disse constraints for risikoorganerne ikke 8

10 overholdes. (7) Som tidligere nævnt indgår HH-cancer i et pakkeforløb med retningslinjer vedr. udredning, diagnosticering og behandling, som alle kræves overholdt. Behandlingsgarantien skal sikre at patienter opstartes rettidigt i behandling og på nuværende tidspunkt gælder, at der maksimalt må være to ugers ventetid til operation, to uger til medicinsk behandling samt fire uger til strålebehandling. (8) Ydermere kan mængden af patienter på onkologisk afdeling og dermed arbejdsbyrden variere, hvilket kan give udfordringer ift. fordeling af ressourcer. Det er derfor problematisk hvis arbejdsgange og fremgangsmåder ifm. planlægningen af strålebehandling ikke optimeres og effektiviseres mest muligt. Den manuelle arbejdsproces ifm. konturindtegning suppleres i stigende grad med automatisk konturindtegning, SPICE. (5) SPICE implementeres med det formål at være tidsbesparende samt skabe større ensartethed af indtegning af risikoorganer. Selvom manuel konturindtegning foretages af fagpersonale med kvalifikationer til dette, er dette en yderst personafhængig fremgangsmåde. (6) Patienternes Kræftplan Kræftplan 4 belyser vigtigheden af ensartethed og høj kvalitet af behandling. Konturindtegning er en kvalitetssikring af behandlingen, da det sikrer, at dosis målrettes target og minimeres til det omkringliggende væv. Det er derfor et problem for patienterne hvis konturindtegningen ikke er ensartet og af høj kvalitet, da dette kan medføre en øget mængde akutte og sene bivirkninger og dermed nedsat almentilstand. (2) Problemafgrænsning Ovenstående afsnit giver et indblik i de mange relevante problemstillinger, der gør sig gældende ift. udredning og behandling af cancer. På baggrund af oplevelser ifm. klinikophold samt personligt interesseområde vil opgaven specifikt gå i dybden med processen omkring konturindtegning af udvalgte risikoorganer ifm. dosisplanlægning ved patienter med HHcancer. Fokus vil være at undersøge overensstemmelse af konturer, i form af volumen og overlap mellem manuelle og automatiske konturer af udvalgte risikoorganer. Opgaven tager udgangspunkt i følgende problemformulering. 9

11 Problemformulering Hvor stor forskel er der i totalvolumen mellem manuel konturindtegning og automatisk konturindtegning SPICE af udvalgte risikoorganer ifm. strålebehandling af hoved-hals cancer, og hvor stort overlap er der mellem disse konturer? Forskningsspørgsmål Teoretiske forskningsspørgsmål - Hvorfor er præcis konturindtegning af risikoorganer afgørende ifm. planlægning af strålebehandling af patienter med HH-cancer? - Hvordan fungerer manuel konturindtegning i Pinnacle? - Hvordan fungerer automatisk konturindtegning vha. SPICE? Empiriske forskningsspørgsmål - Hvilken forskel er der i volumen af indtegningerne, mellem manuel og automatisk konturindtegning? - I hvilken grad er der overlap mellem automatiske og manuelle konturer af risikoorganer ved patienter med HH-cancer? Metode I følgende afsnit beskrives videnskabsteori, relevant paradigme, metodevalg samt de positivistiske videnskabelighedskriterier. Ydermere uddybes forskningsetiske overvejelser ift. opgavens empiriske del. Videnskabsteori Målet med denne videnskabeliggørelse består primært i at forme en praksis, hvor vi ikke blot handler ud fra det, vi tror eller mener, men ud fra det, vi ved er sandt. (9, p. 9) Ovenstående citat fra Jakob Birklers bog Videnskabsteori en grundbog beskriver vigtigheden af at have en teoretisk baggrund for al gøren og laden i sundhedsfaglige sammenhænge. Det afgørende er, at skabe en evidensbaseret praksis hvor fagpersonale kontinuerligt tilegner sig ny viden indenfor relevant fagområde. Videnskabsteori inddeles således i fire videnskabelige paradigmer; naturvidenskab, humanvidenskab, 10

12 samfundsvidenskab og sundhedsvidenskab. (9, p. 5) Paradigmet definerer en generel grundantagelse, en måde hvorpå verden anskues, ud fra et sæt spilleregler og kriterier. Med et radiograffagligt og stråleterapeutisk fokus arbejdes der typisk i relation til human- eller naturvidenskab. Humanvidenskabens fundament bygger på en hermeneutisk eller fænomenologisk tilgang. Hermeneutik er fortolkningskunst og grundtanken er, at forskeren formår at sætte egen forforståelse i spil og arbejde med, ikke imod, disse forventninger. (9, p ) Den fænomenologiske tilgang kræver derimod, at der sættes parentes om forskerens forforståelse samt at der ses bort fra meninger og holdninger. Dermed gøres der plads til at fortolke, udforske og undersøge ganske nye antagelser og fænomener. (9, p ) Ved humanvidenskabelige studier arbejdes der ud fra kvalitative metoder, f.eks. forskningsinterview, hvor meninger og holdninger belyses og individets opfattelse kommer til udtryk. (10) Naturvidenskaben arbejder ud fra en positivistisk tilgang hvor det videnskabelige arbejde skal begrænses til det positive, dvs. det, som faktisk forekommer og er givet, når vi systematisk observerer virkeligheden. (9, p. 52 ) Dette betyder, at det arbejde der udføres i videnskabeligt øjemed altså begrænses til det som rent objektivt kan måles og vurderes. Opgavens problemformulering besvares mest hensigtsmæssigt og fyldestgørende vha. det naturvidenskabelige paradigme, den positivistiske tilgang samt kvantitativ forskningsmetode, hvorfor dette uddybes i følgende afsnit. Naturvidenskab Den naturvidenskabelige tankegang tager afsæt i logik og empiri og dermed overbevisningen om, at videnskabelige problemstillinger løses via logisk analyse og/eller empirisk udforskning af verden. (9, p. 52) Et sæt positivistiske videnskabelighedskriterier skal sikre, at videnskabeligt frembragt data er troværdigt, logisk samt har et empirisk afsæt. Netop disse elementer danner grundlag for at søge en naturvidenskabelig årsagssammenhæng. Naturvidenskaben søger i videst mulig udstrækning sandheden, dog med bevidsthed om at det absolutte ikke præcist kan defineres. Formålet med videnskabelighedskriterierne er således, at eliminere fejlkilder, tilfældigheder og tvivl, for dermed at nærme sig en endelig 11

13 sandhed og årsagssammenhæng. (9) I naturvidenskabelige sammenhænge arbejdes der med kvantitative metoder, hvoraf eksperimentel metode samt korrelative og deskriptive undersøgelser er de mest almindelige. (11, p. 145) Ifm. indsamling af empiri til denne opgave, anvendes eksperimentel metode, som uddybes nedenfor. Eksperimentel metode Empiri er viden baseret på erfaring og anvendelsen af eksperimentel forskningsmetode giver mulighed for at indsamle data, som kan danne grundlag for evidensbaseret forskning. (12) Ved udførelsen af eksperimenter er der mulighed for at kontrollere udvalgte variabler og forske i korrelation mellem disse. For at udelukke eller minimere risikoen for at en eventuel korrelation opstår tilfældigt, må forsøgslederen have høj kontrol med variablerne. (11, p. 145) En systematisk forsøgsopstilling er et vilkår for at definere og registrere eventuelle bias og tilfældigheder, og dermed afgørende for forsøgets validitet og reliabilitet. (11, p. 29,56,60) Forsøgets opstilling og metode skal være specifikt beskrevet og resultater skal være målbare for at opfylde kriterierne om kvantificerbarhed og præcision. Overholdelsen af disse kriterier er ligeledes afgørende for hvorvidt forsøget kan gentages og man dermed kan konkludere om, der er tale om tilfældigheder eller i højere grad generelt gældende resultater. (11, p. 30,37,55) For at forsøgsresultaterne kan danne grundlag for en generel antagelse, er det ydermere vigtigt, at forsøget er objektivt, samt at stikprøven er repræsentativ for en given population. (11, p. 43) Positivismens videnskabelighedskriterier For kvantitative undersøgelser gælder de positivistiske videnskabelighedskriterier, som bør inddrages og vurderes ifm. empirisk forskning. Kriteriernes karakteristika og hvorledes disse inddrages i opgaven uddybes, da dette er medvirkende til at sikre kvaliteten af kvantitative undersøgelser. (11, p ) Systematik For at sikre at systematikken er et gennemgående element ved indsamling af empiri, er der i den forbindelse udarbejdet en præcis beskrivelse af forsøget og opstillingen hertil. Måling af volumen på udvalgte risikoorganer, ved henholdsvis manuel og automatisk indtegning af 12

14 Region of Interest (ROI), er udført præcist og noteret systematisk i et ordnet og overskueligt skema. Ligeledes er data ifm. DSC noteret i et skema, hvorefter det er muligt at opgøre resultaterne systematisk samt bearbejde al data ved en ordnet fremgangsmåde. Systematik er gennemgående i det skriftlige produkt, hvor afsnit og emner er tydeligt markeret ved overskrifter, for at skabe overblik for læseren, samt ifm. kildehenvisninger, jf. Formelle krav til skriftlige opgaver ved University College Lillebælt. (13) Kontrol For at sikre at der ikke er tale om tilfældige slutninger kontrolleres målinger og databehandling og der sluttes ud fra en fyldestgørende datamængde. De manuelle konturer hvorpå der måles volumen og DSC er ligeledes kontrolleret og godkendt af læger med speciale i HH-cancer. Resultaterne er systematisk noteret undervejs i forsøget, og efterfølgende kontrolleret. Præcision For at sikre præcision som gennemgående faktor i forsøget, er der lavet en grundig forsøgsbeskrivelse hvor alle elementer i undersøgelsen er kortlagt. Ligeledes er resultater og bearbejdning af disse lavet med høj præcision og systematik, så det er muligt at gentage forsøget. Ydermere følges kriterierne for indhold, referencer samt kildeangivelse gennem hele opgaven. (13) Objektivitet Kriteriet om objektivitet opfyldes, da al data fra den indsamlede empiri, herunder målinger af volumen samt udregning af DSC, er udført vha. software der anvendes i klinisk praksis og dermed i overensstemmelse med kliniske retningslinjer og procedurer. Der er indsamlet data og lavet målinger på en omfattende datamængde og måleresultater er systematisk og objektivt fremstillet samt angivet med korrekte måleenheder. Desuden er der ingen interessekonflikt ifm. forsøget, da resultater bygger på nye objektive målinger og produktinformation er suppleret med anden relevant litteratur. Kvantificerbarhed I opgaven præsenteres datamængde samt resultaterne af forsøget i tal, der suppleres med 13

15 deskriptiv statistik i form af diagrammer, for at skabe overblik over datamængden og de indsamlede resultater. I bilag er resultater noteret med fire decimaler, således at relativt små forskelle fremstilles. Repræsentativitet Der er udvalgt 30 CT-scanninger, vha. enkelte inklusions- og eksklusionskriterier, for at opnå repræsentativitet af patientgruppen. Patienterne skulle være diagnosticeret med HH-cancer i kurativt intenderede forløb og dosisplanerne skulle være godkendt på konference af ansvarlig team-læge. Risikoorganerne er ligeledes udvalgt så forskellige vævskarakteristika er repræsenteret. Gentagelse Alle informationer vedrørende forsøget, herunder inklusions- og eksklusionskriterier, udvælgelse af risikoorganer, fremgangsmåde, måleenheder samt præsentation af data og resultater fremgår ifm. forsøgsbeskrivelsen. Dette er gjort efter en systematisk fremgangsmåde samt med høj præcision, således det er muligt at gentage forsøget. Reliabilitet Indsamling af data, herunder håndtering af målinger, er gjort med høj præcision og systematik, vha. veldefinerede guidelines for selve undersøgelsen, samt skema til notering af resultater. Ydermere er datamængden omfattende, hvorfor det er muligt at drage en generel konklusion. Validitet Validiteten i undersøgelsen søges efterlevet vha. høj systematik, præcision og kontrol ifm. forberedelse af forsøg samt dataindsamling. Målinger gentages på 30 CT-scanninger og ni udvalgte risikoorganer for at opnå en repræsentativ og tilfredsstillende stikprøve, samt øge forsøgets generaliserbarhed. Desuden er der kritisk stillingtagen til teori, videnskabelige artikler samt produktinformation, hvilket ligeledes øger validiteten i den samlede opgave. Generaliserbarhed For denne opgave gør det sig gældende at alle ti positivistiske videnskabelighedskriterier 14

16 overholdes, hvilket gør det muligt at generalisere. Denne undersøgelse er lavet med udgangspunkt i godkendte dosisplaner, som er udført i henhold til kliniske retningslinjer på afdelingen. Der er udvalgt 30 CT-scanninger til dataindsamling, hvilket anses som værende en tilfredsstillende repræsentativ stikprøve hvilket gør det muligt at sige noget om en hel population, hvorfor det er sandsynligt, at andre ville opnå lignende forsøgsresultater. CT-scanningerne er af patienter med HH-cancer, og undersøgelsen måler ikke på fantom eller lignende, hvorfor det er muligt at drage en direkte sammenhæng til det virkelige liv. Forskningsetiske overvejelser I det følgende afsnit præsenteres de etiske retningslinjer for Sygeplejeforskning i Norden (14), samt hvilke overvejelser der er gjort vedrørende dette ifm. empiriindsamling og databearbejdelse. Det empiriske studie er ligeledes udarbejdet i henhold til Etik for Radiografer. (13) Princippet om autonomi I denne forskning er der ingen direkte inddragelse af patienter, hvorfor der ikke skal indhentes samtykke. Princippet om autonomi efterleves ved at sikre fuld anonymitet af billedmateriale, således at alle personfølsomme data der kan henføres til individet er anonymiseret. Al umiddelbar databearbejdning har fundet sted på sygehuset og intet data har forladt afdelingen før systematisk at være anonymiseret. Ydermere er sygehus, afdeling samt personale holdt anonym i opgaven. Princippet om at gøre godt Forskningen laves for at belyse manuel og automatisk konturindtegning, evt. forskelle mellem disse fremgangsmåder samt frembringe kvantificerbare resultater der kan bruges i klinisk praksis. Derved kan afdelingen anvende forskningen i relevante sammenhænge, og patienter drage nytte af resultaterne. Princippet om ikke at gøre skade Forskningen er retrospektiv, og der er således ingen patienter der er udsat for unødig bestråling eller anden belastning. CT-scanningerne er udvalgt fra en arbejdsliste, hvilket udelukkende er af administrativ karakter, hvorfor der ikke har været nogen form for 15

17 patientkontakt ifm. forskningen. Der har hverken været fysisk eller psykisk belastning eller skade af patienter ifm. forskningen, og ligeledes ingen påvirkning af patienternes behandlingsforløb, hvorfor sikkerhed har været garanteret under hele forskningen. Ligeledes har der ikke været nogen negativ påvirkning af Afdeling X og intet fagpersonale er inddraget i forsøget mod egen vilje. Princippet om retfærdighed De anvendte CT-scanninger i forskningen er udvalgt på baggrund af inklusions- og eksklusionskriterier ift. cancertype, behandlingens formål samt totale dosis. Der er således ingen inddragelse af personlige informationer vedr. social status, almentilstand eller personlige ressourcer. Ingen svage grupper er derfor udnyttet eller har lidt skade ifm. forskningen til denne opgave. Valg af litteratur I følgende afsnit præsenteres den anvendte teori og der argumenteres for relevans og validitet af denne. Videnskabsteori en grundbog - af Jacob Birkler, 2010 (9) Jacob Birkler er cand. mag. i filosofi og psykologi og har en ph.d. i medicinsk etik. Birkler er forfatter til en række bøger og artikler om etik i sundhedsvæsenet samt tidligere formand for Etisk Råd ( ), samt underviser på flere sundhedsfaglige uddannelser. Bogen er velegnet til undervisning i videnskabsteori og vurderes relevant og valid som primær litteratur til belysning af paradigmevalg samt metode. Kvantitative forskningsmetoder i psykologi og tilgrænsende fag af Emil Kruuse, 2007 (11) Emil Kruuse er uddannet lærer og cand. psych. i specialpædagogik. Ligeledes har han undervist og eksamineret i almen psykologi og videnskabsteori, med særligt fokus på forskningsmetoder. Bogen anvendes til undervisning på sundhedsfaglige uddannelser og anses som værende valid samt relevant ift. generel viden om forskningsmetoder og specifikke krav til de positivistiske videnskabelighedskriterier. 16

18 Sykepleiernes Samarbeid i Norden Northern Nurses Federation (NNF), 2003 (14) De etiske retningslinjer i Sykepleiernes Samarbeid i Norden er lavet af NNF, hvori der er repræsentanter fra seks nordiske sygeplejeforeninger. De etiske krav bygger på principper fra FN s menneskerettighedserklæring samt Helsinkideklarationen, hvorved validitet og relevans sikres. Seneste og nuværende udgave er fra Retningslinjerne er revideret således at nyeste version er opdateret ift. konventioner og love. De etiske retningslinjer anvendes ifm. forskningsetiske overvejelser samt indsamling af empiri, således at dette foregår forsvarligt samt etisk korrekt. DAHANCA Danish Head and Neck Cancer Group (2) Den danske hoved-halscancer gruppe DAHANCA er et nationalt samarbejde som står for udvikling ifm. evidensbaserede retningslinjer til brug ved diagnostik og behandling af HHcancer. Medlemmerne af DAHANCA består af onkologer, patologer, kirurger og fysikere og gældende retningslinjer er således i høj grad valide og relevante. Retningslinjer er brugt i opgaven ift. generel viden om HH-cancer, samt specifikke informationer vedr. strålebehandling. Philips Radiation Oncology (15) Philips er producenten bag softwaren Pinnacle og SPICE, som anvendes ifm. dosisplanlægning og automatisk konturindtegning på Sygehus X og på hjemmesiden er informationsmateriale tilgængelig. Materialet anvendes til viden om softwaren samt hvilke specifikke faktorer der ligger til grund for funktionerne. Brochurerne har i høj grad relevans for opgaven og anvendes ifm. besvarelse af teoretiske forskningsspørgsmål. De bruges med bevidstheden om at Philips er producent og ligeledes forfatter på materialet, hvorfor der suppleres med andet, objektivt materiale vedrørende emnet. Computed Tomography Physical Principles, Clinical Applications and Quality Control af Euclid Seeram, 2009 (16) Euclid Seeram er lektor og professor ved bl.a. University of Sydney og har i denne forbindelse udgivet flere lærebøger vedr. radiologi og CT teknik. I Computed Tomography er der bidrag fra flere fagfolk, herunder professorer, fysikere og radiologer, hvorfor bogen anses som valid. Bogen er især anvendt til specifik viden om Houndsfield Units og bruges i denne forbindelse 17

19 ligeledes som supplement til materiale fra Philips vedr. Pinnacle og SPICE. Dette anvendes ifm. besvarelse af teoretiske forskningsspørgsmål. Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students Ervin B. Podgorsak, 2005 (17) Ervin B. Podgorsak er professor i medicin og har undervist på The McGill University, Medical Physics Unit. Han har udgivet utallige publikationer, over 250 artikler og fire bøger, med onkologisk og stråleterapeutisk fokus. Bogen er fra 2005, men da den primært er anvendt ift. viden om Dose Volumen Histogram som ikke ændrer sig med tiden, anses bogen som værende valid og relevant for opgaven. Ligeledes bruges bogen til besvarelse af teoretiske forskningsspørgsmål. Prospective randomized double-blind study of atlas-based organ-at-risk autosegmentationassisted radiation planning in head and neck cancer., 2014 (Walker et al) (bilag 1) (18) Artiklen beskriver et randomiseret, prospektivt studie, der bl.a. har til formål at evaluere automatiske konturer af risikoorganer ifm. HH-cancer, ved at sammenholde disse med manuelle konturer. Artiklen er publiceret via Radiotherapy and Oncology, The Green Journal, som publicerer artikler om relevant forskning vedr. strålebehandling og onkologi. Tidsskriftet er peer-reviewed og har en Impact Factor på 4.817, (19) Forfatterene på artiklen arbejder indenfor det onkologiske speciale med tilknytning til bl.a. Department of Radiation Oncology og School of Biomedical Informatics ved University of Texas. Studiet er godkendt af Institutional Review Board, en Amerikansk komité, der har til opgave at godkende, kontrollere samt vurdere medicinsk forskning, for at sikre at forskningen er passende og ikke kompromitterer de involveredes velfærd. På baggrund af dette vurderes artiklen valid samt klinisk og teoretisk relevant, hvorfor denne anvendes som primær artikel i opgaven. Evaluation of an automatic segmentation algorithm for definition of head and neck organs at risk. 2014, (Thompson et al) (bilag 2) (5) Artiklen beskriver et forsøg hvor manuel og automatisk konturindtegning sammenlignes ved en evaluering af indtegnede risikoorganer på CT-scanninger af patienter med HH-cancer. Artiklen er publiceret i Radiation Oncology, via BioMed Central, et online tidsskrift hvori der publiceres artikler med relevante aspekter vedr. onkologisk forskning. Radiation Oncology er 18

20 peer-reviewed og har en impact-factor på 2.466, (20) Alle forfattere på artiklen er onkologiske specialister med tilknytning til bl.a. Department of Clinical Oncology, og Institute of Cancer Sciences, The University of Manchester, hvorfor artiklen vurderes valid og teknisk relevant for opgaven. Artiklen er bl.a. anvendt til at opnå indgående kendskab til DSC samt viden om specifik formel til udregning. Multi-institutional Quantitative Evaluation and Clinical Validation of Smart Probabilistic Contouring Engine (SPICE) Autosegmentation of Target Structures and Normal Tissue on Computer Tomography Images in the Head and Neck, Thorax, Liver and Male Pelvis Areas. 2013, (Zhu et al) (bilag 3) (21) Artiklen omhandler et studie lavet på tværs af institutioner og lande, med det formål at evaluere og vurdere automatisk konturindtegning af target og risikoorganer på CT-scanninger af hoved-hals, thorax, hepar og pelvis. Artiklen er publiceret i International Journal of Radiation Oncology Biology Physics (Red Journal), som publicerer artikler med onkologisk fokus. Red Journal er peer-reviewed, har en impact-factor på (22) Forfattere fra seks forskellige lande, herunder USA, Danmark og Tyskland, har bidraget til studiet og artiklen. Der er fagfolk med tilknytning til bl.a. Department of Radiation Oncology, Washington University samt Radiofysisk Laboratorium, Odense Universitets Hospital. Grundet dette anses artiklen som valid og klinisk relevant og er især anvendt til at skabe generel forståelse for forskningsmetoden samt specifik viden om SPICE og DSC. Supplerende litteratur I opgaven er der ligeledes anvendt supplerende litteratur til besvarelse af teoretiske forskningsspørgsmål. Kvalitative forskningsmetoder er anvendt til at give generel viden ifm. valg af metode. (10) Der er ydermere anvendt retningslinjer fra Sygehus X s infonet, herunder H-team: Targetdefinition ved bestråling af patienter med hoved-halscancer og H-team: CTsimulering af patienter med hoved-halscancer, kurativ, se bilag 7 og 8. (7)(6) Desuden er cancer.dk anvendt til statistisk informaiton om HH-cancer. (1) Ligeledes er Den sundhedsvidenskabelige opgave vejledning og værktøjskasse anvendt til generelt overblik og inspiration til opbygning af opgaven. (23) 19

21 Teori I følgende afsnit fremstilles den valgte teori, herunder generel viden om HH-cancer og behandling heraf, Pinnacle og SPICE samt relevant teori vedr. HU og DSC. Ligeledes fremstilles teori vedr. risikoorganer og dosisspecifikation, samt DVH. Følgende afsnit besvarer desuden de teoretiske forskningsspørgsmål. Hoved-hals cancer HH-cancer er en fællesbetegnelse der dækker over maligne tilstande og histologiske undertyper fra følgende organer; Cavitas Oris, Nasopharynx, Sinus, Thyroidea, Glandulae Salivaris, Larynx, Pharynx, samt halsens lymfer. (2) Der diagnosticeres ca nye tilfælde årligt, hvor den typiske patient er omkring 60 år eller ældre. Hovedparten af tilfældene er pladecelleepitelkarcinomer, hvor den væsentligste ætiologi er misbrug af alkohol og tobak, men for en mindre del af de diagnosticerede tilfælde gælder, at tumorerne er virusrelaterede. Den gennemsnitlige 5-års overlevelse for de forskellige typer af cancer er ca. 58% for mænd og 64% for kvinder. For begge køn gør det sig gældende, at den laveste 5-års overlevelse er ved pharynx cancer og den højeste ved thyroidea cancer. (24) Nedenstående ses en oversigt over incidens, fordeling af køn, alder samt 5-års overlevelse for de maligne tilstande, som samlet defineres som HH-cancer. Tabel 1. Oversigt over HH-cancer. (24) Behandling Det estimeres at omkring 80% af HH-cancerpatienter vil modtage strålebehandling som en del af det samlede behandlingsforløb. Sammen med strålebehandling er kirurgi og kemoterapi de mest anvendte former for behandling. Disse kan kombineres afhængig af den eksakte 20

22 diagnose. (2) For de fleste typer af cancer gælder, at der oftest tilbydes radikal operation hvis dette er muligt, afhængig af tumors lokalitet. Dette gælder ligeledes cancer i Cavitas Oris, Nasopharynx/Sinus, Thyroidea samt Gl. Salivaris. Afhængig af forløbet tilbydes ofte strålebehandling som supplement til operation. Ved C. Thyroidea behandles der i nogle tilfælde også med brachyterapi, hvor patienten indtager en kapsel eller væske indeholdende radioaktivt jod. C. Larynx og Pharynx behandles sjældent med operation da dette er teknisk vanskeligt og kan have store konsekvenser for patienten. Her behandles traditionelt med strålebehandling og evt. supplement af kemoterapi. (24) Pinnacle For at opnå en optimal strålebehandling af høj kvalitet er det et vilkår at have optimale og relevante redskaber til dosisplanlægning. Philips er producenten bag Pinnacle Radiation Treatment Planning System (Pinnacle), som netop er den software, der gør det muligt at planlægge højkvalitets strålebehandling. Ifølge Philips er Pinnacle designet til, vha. en effektiv og præcis fremgangsmåde, at reducere arbejdstiden ifm. dosisplanlægning og eventuel resimulering samt forbedre præcision ved dosisfordeling. (15) Udgangspunktet for selve dosisplanen er en CT-scanning hvorpå der manuelt indtegnes target og relevante risikoorganer. Dette gøres i henhold til gældende protokoller og udarbejdes vha. specifikke værktøjer og funktioner. I nogle anatomiske områder kan det være udfordrende at differentiere givne organer fra omkringliggende væv, da densitetsforskellene kan være små. Til at imødekomme denne problematik indeholder Pinnacle funktionen Syntegra; Multi Modality Image Fusion, som via algoritmer gør det muligt at fusionere billedmateriale på tværs af modaliteter, f.eks. PET-CT og MR-scanning, såfremt patienten er scannet med disse modaliteter. (15) Pinnacle indeholder ligeledes alle nødvendige funktioner ift. at udarbejde dosisplaner samt kontrollere dosisfordelingen, herunder Dose Volume Histogram (DVH) som genererer en oversigt over hvilken dosis udvalgte organer og områder bestråles med. Ydermere kan der måles volumen i cm 3 af indtegnede strukturer samt trækkes statistiske oplysninger til yderligere beregninger. (15) SPICE Indtegning af risikoorganer er traditionelt set en manuel proces, som kritiseres for at være 21

23 langtrukken og yderst personafhængig, samt med høj risiko for, at indtegne strukturer der ikke tilsvarer den specifikke anatomi. (18) Som supplement til den manuelle fremgangsmåde ses derfor i stigende grad automatisk konturindtegning, som har til formål at strømline konturindtegningsprocessen, være tidsbesparende samt opnå en højere grad af ensartethed ifm. indtegning af risikoorganer. (5) Philips er producenten bag Smart Probabilistic Image Contouring Engine (SPICE), en algoritme som integreres som en software i Pinnacle. SPICE er en kombination af atlasbaserede og model-baserede beregninger og kan via denne hybrid således generere automatiske strukturer af risikoorganer med udgangspunkt i billedmateriale fra CTscanninger. SPICE indeholder atlas, og kan dermed genererer konturer af risikoorganer, i henholdsvis abdomen, hoved-hals, thorax og pelvis. (15) Processen med automatisk konturindtegning består af flere delelementer. Først kortlægges en oversigt over strukturer ud fra en sandsynlighedsberegning af den gennemsnitlige organposition, baseret på referencer fra atlas. Dernæst registreres densiteten i det pågældende væv vha. CT-tal, også kaldet Houndsfield Units (HU). Vævets HU er altså afgørende for, om den pågældende voxel inkluderes i eller ekskluderes fra strukturen. Vha. denne registrering dannes en grov indtegning af organerne, som således danner grundlag for processens sidste skridt. Slutteligt anvendes en model-baseret tilgang som genererer udkast til strukturer og vha. kliniske eksperters manuelle indtegninger, tilpasses og finjusteres disse. (5)(15) Disse elementer indgår ydermere i en lighedsberegning hvor der anvendes Dice Similarity Coefficient (DSC). Vha. DSC sammenlignes ligheden i volumen mellem de automatisk genererede strukturer og den gennemsnitlige volumen af strukturerne fra atlas. Denne beregning foretages for at opnå så ideelle resultater som muligt, men er dog ikke afgørende for hvorvidt strukturerne er acceptable til klinisk brug. Dette er til stadighed en afgørelse der foretages af klinikere. (15) Formålet med denne algoritme er dog, ifølge Philips, at generere strukturer der kun kræver lidt eller slet ingen tilretning. Houndsfield Units (HU) Et element i algoritmen, som ligger til grund for genereringen af de automatiske konturer, afhænger af, at absorptionen i vævet og dermed svækkelsen af røntgenstrålingen kan defineres og registreres. Hver pixel i det rekonstruerede CT-billede tildeles et CT-tal, kaldet 22

24 HU, som er fastlagt med reference til svækkelsen i vand, som altid =0. (16, p ) Ydermere er HU relateret til den lineære attenuations koefficient; CT number(hu) =!"!"!"!! μt er svækkelsen i det målte væv, mens μw er svækkelsen for vand. K repræsenterer en kontrast faktor, som oprindeligt var fastsat til 500, og dermed en kontrastskala på 0,2% pr. CT-tal. Senere fordobledes kontrast faktoren til 1000, som således kunne udtrykke attenuations koefficienten med højere præcision vha. flere gråtoner, ved en kontrastskala på 0,1% pr CT-tal. Denne skala kaldes Houndsfield skala, og anvendes til klinisk brug med værdier fra til Som nævnt er værdien for vand = 0, luft = -1000, da der ingen svækkelse af røntgenstråling er og for kompakt knoglevæv er værdien = Det gælder således, som det ses i nedenstående figur, at jo højere HU væv har, des mere svækkes strålingen. (16, p ) Figur 1; Houndsfield scale, (16, p. 95) HU beregnes og udarbejdes som et numerisk resultat, men for radiologer som anvender disse informationer i klinisk praksis, er det relevant at tallene konverteres til en gråskala. Derfor repræsenterer værdierne nær og +1000, henholdsvis sort og hvid, og alle værdier herimellem er således gråtoner. (16, p ) 23

25 Dice Similarity Coefficient Endnu et element, som er et vilkår for algoritmen til automatisk konturindtegning, er Dice Similarity Coefficient (DSC). DSC er en statistisk beregning der anvendes til at sammenligne ligheden i volumen mellem de automatisk genererede strukturer fra SPICE og den gennemsnitlige volumen af strukturerne fra atlas. DSC-algoritmen kan ligeledes anvendes til sammenligning af manuelle og automatiske konturer, ved at beregne på overlappet mellem de to strukturer. Det optimale resultat for koefficienten er =1, da dette betegnes som et perfekt overlap, hvorimod DSC = 0 påviser total uenighed og manglende overlap. DSC = 0,85 betegnes som værende acceptabelt overlap, med behov for tilretning. (18) DSC er defineret ved følgende; DSC = 2!!"#$%&$'#!("!"#$%&!"!#$!"#!"!"#$%&' Volumen angives i cm 3, således er det 2 x overlap i cm 3 for den manuelle og den automatiske struktur, der divideres med summen af volumen i cm 3 for den manuelle og den automatiske struktur. Dette beregnes for hvert udvalgt risikoorgan. (5) Risikoorganer og dosisspecifikation Ifm. dosisplanlægning og bestråling af patienter med HH-cancer skal target defineres og inddækkes optimalt, mens omkringliggende væv og risikoorganer skånes mest muligt. Ovenstående afhænger i høj grad af præcis og detaljespecifik konturindtegning. Retningslinjer fra DAHANCA definerer og placerer risikoorganerne ift. prioritering således det sikres, at tolerancedoser overholdes. Overholdelse af disse tolerancedoser er afgørende for graden af såvel akutte som sene skader og dermed patientens generelle tilstand under og efter behandlingen. I nedenstående tabel ses prioriteringen, dosis samt eventuelle kommentarer for de udvalgte risikoorganer. (2) 24

26 Tabel 2. Oversigt over prioriteringsliste, dosisbegrænsning samt kommentarer til definition af organet. (2) Prioriteringen defineres på følgende måde: Tabel 3. Prioriteret rækkefølge af risikoorganer, HH-cancer. (2) Flere faktorer kan influere på vævets tolerance, herunder patientens alder, komorbiditet, rygning mm. Dog vides, at hvis tolerancedose ikke overholdes, stiger risikoen for, at påføre risikoorganerne skade og dermed medføre alvorlige bivirkninger for patienten. Eksempelvis kan nævnes, at overdosering af medulla spinalis kan medføre myelopati og dermed resultere i reduceret følefornemmelse eller lammelse. Ydermere kan risikoorganerne og vævet blive nekrotisk da cellerne dør som følge af overdosering. Parrede organer, som eks. Gl. 25

27 Submandibularis og Gl. Parotis, kan skånes højresidigt hvis venstre side bestråles, og således bevare en del af funktionen, her spytproduktionen. (2) Dose Volume Histogram Et redskab til at sikre, at risikoorganerne ikke får højere dosis end tolerancen tillader, er Dose Volume Histogram (DVH). Relevante risikoorganer indtegnes og dermed kan der beregnes og måles dosis til hvert enkelt organ. DVH summerer informationen fra 3D billedmaterialet og kan således anvendes i evalueringen af behandlingsplaner, da dosisfordelingen tydeliggøres. Ideelt set ville tærskelværdier til samtlige risikoorganer holdes under grænsen og gerne så lavt som muligt, mens target bestråles med så høj dosis som krævet. (17, p. 258) DVH giver mulighed for at sikre dosisspecifikationerne og måle dosis på eks. CTV1, som ifølge retningslinjerne vedr. targetdefinition på Afdeling X, er primærtumor og makroskopisk involverede lymfeknuder + 5 mm. CTV1 skal inddækkes så der bestråles med % af den ordinerede dosis. (7) Empiri I følgende afsnit præsenteres en detaljeret og præcis beskrivelse af forsøgets design. Ydermere fremstilles dataanalyse og resultater, som ligeledes præsenteres vha. tabeller og diagrammer (bilag 12 og 13). Slutteligt fremstilles forsøgets bias. De empiriske forskningsspørgsmål besvares i følgende afsnit. Forsøgsdesign Som udgangspunkt ønskes det at anvende eksperimentel forskningsmetode til at belyse forskelle i anvendt arbejdstid mellem manuel og automatisk konturindtegning, samt overlap beregnet vha. DSC. Efter dialog med Afdeling X klargøres det dog, at elementet vedr. arbejdstid ikke længere er relevant, da en opdatering i Pinnacle og SPICE har elimineret problematikken. Forsøget ændres således til at belyse forskelle i volumen ved manuel og automatisk indtegning af risikoorganer, samt graden af overlap beregnet vha. DSC. Den oprindelige plan var at få hjælp fra afdelingens fysikere samt software til beregning af DSC, da dette er en omfattende og tidskrævende proces. Dette viser sig ikke at være en mulighed, og beregningerne udarbejdes derfor selvstændigt. 26

28 Til forsøget anvendes 30 CT-scanninger af patienter med HH-cancer. Alle patienter modtager kurativ behandling, med en dosis på Gy, fordelt på henholdsvis 33 eller 34 fraktioner. Ved resimulering er det ligeledes et kriterium, at der til forsøget anvendes den oprindelige dosisplan hvor der er fuld dosis, da dette skaber bedst grundlag for sammenligning mellem de 30 CT-scanninger. Der udvælges ni risikoorganer som det ønskes at måle og beregne på. For at opnå bred repræsentativitet udvælges risikoorganer med forskellig vævstype. På hver CTscanning er der i forvejen indtegnet risikoorganer, som er godkendt af en læge fra H-teamet. Disse indtegninger må derfor kunne antages at leve op til kriterier og retningslinjer ift. indtegning af risikoorganer på CT-scanninger af patienter med HH-cancer. (2) Ifølge protokollen på Sygehus X anvendes SPICE til automatisk konturindtegning ifm. dosisplanlægning ved HH-cancer og de udvalgte indtegninger er således gjort i overensstemmelse med dette. (6) De udvalgte CT-scanninger sendes digitalt fra afdelingens CT-scanner til Pinnacle. I Pinnacle oprettes en særskilt mappe, SPICE H and N indtegning, som anvendes til opgavens forsøg. Dette sikrer at materiale til forsøget ikke blandes sammen med dosisplaner som anvendes til klinisk brug. Til mappen overføres og genindlæses en kopi af de udvalgte CTscanninger. Genindlæsning er en forudsætning for at anvende SPICE HH-atlas, da dette normalvis kun kan indlæses én gang pr. scanning. Ydermere indlæses også indtegnede og godkendte risikoorganer som således kan sammenlignes med strukturer genereret via SPICE. På samtlige CT-scanninger indlæses SPICE Head and Neck -atlas. Indlæsningen gennemgås og der slettes i strukturerne således, at de ni udvalgte risikoorganer er eneste tilbageværende strukturer. Hvert risikoorgan figurerer således to gange pr. patient, én manuel, lægegodkendt udgave og én automatisk udgave, genereret vha. SPICE. De udvalgte risikoorganer er følgende (navngivning fra Pinnacle er angivet i parentes, hvis denne afviger fra den latinske betegnelse); Medulla oblongata (hjernestammen/brainstem), medulla spinalis (spinalcord), cavum oris, mandibula (mandible), thyroidea (thyroid), gl. parotis sin. og dxt. (parotid sin. og dxt.), samt gl. submandibularis sin. og dxt. (subman sin. og dxt.). For at opnå præcision og systematik tilføjes farvekoder til konturerne, således at manuelle strukturer gøres blå og der tilføjes et M til navngivningen. Automatiske konturer gøres grønne og der tilføjes et S til navngivningen. Overlap vises med farven rød. 27

29 Data beregnes og vha. funktionerne Contours og Statistics præsenteres og registreres volumen på de udvalgte risikoorganer, både manuelle og automatiske. Til manuel beregning af DSC, kræves volumen i cm 3 af overlappet mellem den manuelle og automatiske kontur. Denne information beregnes i Pinnacle vha. statistiske funktioner, som gør det muligt at udvælge den manuelle struktur som kilde og derefter beregne overlappet mellem denne og den automatiske kontur og således generere resultatet i cm 3. Dette gentages og beregnes for alle risikoorganer på de udvalgte CT-scanninger. Dataanalyse og resultater Resultater for volumen For at belyse forskelle i totalvolumen mellem manuel og automatisk konturindtegning af de udvalgte risikoorganer, registreres disse i cm 3 og der udregnes et gennemsnit for at skabe et samlet overblik og sammenligningsgrundlag, for de 30 CT-scanninger. Dette fremstilles i tabel 4. Tabel 4. Oversigt over gennemsnitlig volumen i cm 3 for henholdsvis manuelle og automatiske konturer af udvalgte risikoorganer på 30 CT-scanninger. Ligeledes ses differencen i cm 3 samt i %. I ovenstående tabel ses, at forskelle i differencen i cm 3 mellem manuel og automatisk konturindtegning afhænger af det udvalgte risikoorgan. For ingen af de ni risikoorganer er der total overensstemmelse i volumen mellem det manuelle og automatiske gennemsnit. Den største forskel i cm 3 ses ved Cavum oris hvor gennemsnittet for de manuelle indtegninger er 111,06 cm 3 og gennemsnittet for de automatiske indtegninger er 80,17 cm 3. Således en forskel på 30,88 cm 3 38,5%. Den mindste forskel i cm 3 ses ved Mandibula, hvor differencen er begrænset til 0,04 cm3, en forskel på 0,1%. Følgende figurer visualiserer disse forskelle. 28

30 For de resterende risikoorganer er der ligeledes forskel i volumen mellem gennemsnittet af de manuelle konturer og gennemsnittet af de automatiske konturer, som fremstilles visuelt nedenfor. 29

31 For samtlige risikoorganer, undtaget Cavum Oris og Mandibula, er gennemsnittet af volumen på de automatiske konturer større end gennemsnittet af volumen på de manuelle konturer. Forskellene i volumen varierer fra 0,4% for Gl. Parotis sin., til 24% for Thyroidea og 40,3% for Gl. Parotis dxt. 30

32 Cavum Oris og Mandibula er de eneste to risikoorganer, hvor den gennemsnitlige volumen af de manuelle konturer er større end den gennemsnitlige volumen af de automatiske konturer. Denne forskel er henholdsvis 38,5% og 0,1%. Følgende diagram skaber således en oversigt over ovenstående data. Figur 9: Oversigt over gennemsnittet af volumen for 30 CT-scanninger på udvalgte risikoorganer. Resultater for overlap samt beregning af Dice Similarity Coefficient For at belyse graden af overlap mellem manuel og automatisk konturindtegning måles dette som udgangspunkt i cm 3. Tabel 5 viser det gennemsnitlige overlap for alle 30 CT-scanninger. 31

33 Tabel 5. Oversigt over gennemsnitlig volumen i cm 3 for henholdsvis manuelle og automatiske konturer af udvalgte risikoorganer på 30 CT-scanninger, samt overlap for disse, ligeledes angivet i cm 3. Volumen af en manuel kontur og en automatisk kontur bidrager ikke med viden om, hvorledes disse er placeret ift. hinanden. Derfor anvendes ovenstående data til at lave yderligere beregninger som belyser overlappet mellem konturerne. Dette gøres vha. DSC. En DSC = 0 defineres som ingen overlap og DSC = 1 som perfekt overlap. En score på 0,85 antages som værende god overensstemmelse. (18) Formlen er følgende: DSC = 2!!"#$%&$'#!("!"#$%&!"!#$!"#!"!"#$%&' Denne formel anvendes således på gennemsnittet af volumen for alle udvalgte risikoorganer. Nedenstående gives eksempler for beregning af data på Thyroidea og Mandibula, da disse har henholdsvis laveste og højeste score af DSC. DSC Thyroidea = 2! 11,6599 (18, ,4439) = 0,55 DSC Mandibula = 2! 62,4869 (64, ,4561) = 0,97 Nedenstående tabel viser beregninger af DSC samt standardafvigelse (SD) for udvalgte 32

34 risikoorganer, som uddybes umiddelbart efter figur 8. DSC er ligeledes præsenteret i diagram. Det ses i ovenstående tabel at tre ud af ni risikoorganer har en tilfredsstillende grad af overlap, ved beregning af gennemsnit for de 30 CT-scanninger. Således er det altså kun Gl. Parotis sin med DSC = 0,88 (±0,07), Medulla oblongata med DSC = 0,89 (±0,07) og Mandibula med DSC = 0,97 (±0,03) der lever op til det acceptable niveau på DSC = 0,85. 33

35 SD udtrykker hvor langt de enkelte målinger spreder sig fra middelværdien. Den laveste værdi findes på indtegninger af Mandibula med en SD = ±0,03. Den største SD ses ved Gl. Submandibularis dxt. og er på ±0,19. Bias I følgende afsnit beskrives eventuelle fejlkilder og betydningen af disse, hvorved validiteten af opgavens forsøg og resultater øges. CT-scanningerne til opgavens forsøg udvælges ud fra kriterierne om en totaldosis på 66 Gy/33 F eller 68 Gy/34 F, således kurativt intenderede behandlingsforløb. Disse udvælges direkte fra patientlisten på CT-scanneren ud fra ovenstående kriterium og kan altså have maligne tilstande i alle de organer der er dækket under fællesbetegnelsen HH-cancer. Havde der været tale om den samme type cancer, kunne der være draget yderligere sammenligninger, da valg af protokol og særlige forhold vedr. den eksakte malignitet ville have været ens for alle 30 CT-scanninger. Dog vurderes det at opgavens hovedfokus, nemlig måling og beregning af volumen og DSC på udvalgte risikoorganer, ikke påvirkes af denne variabel og bias herved er derfor minimale. Undervejs i dataindsamlingen registreres det, at der på fire CT-scanninger mangler ét af de udvalgte risikoorganer som der måles volumen og DSC på, da disse organer ikke er fysisk til stede ved patienterne. To CT-scanninger har således ingen manuel indtegning af Gl. Submandibularis sin., ligeledes gælder det for én CT-scanning med Gl. Submandibularis dxt. Slutteligt mangler manuel indtegning af Gl. Parotis sin., for én enkelt CT-scanning. Disse manglende data kan influere på det samlede gennemsnit af volumen, samt udregninger for overlap via. DSC. Derfor er data for disse CT-scanninger og pågældende risikoorgan fjernet ved beregning af resultater, således at der for Gl. Submandibularis sin. regnes et gennemsnit på 28 CT-scanninger og altså ikke den totale datamængde som er 30 CT-scanninger. Ligeledes beregnes der på 29 CT-scanninger for såvel Gl. Submandibularis dxt. og Gl. Parotis sin. Dette gøres for at belyse forskellene mest objektivt således, at de manglende data ikke influerer på det samlede gennemsnit af volumen og DSC. Indtegning af risikoorganer på de 30 CT-scanninger der anvendes til opgavens forsøg, er 34

36 udført af flere forskellige fagpersoner. Antallet af fagpersoner er ikke noteret ifm. forsøget, da dette ikke er hovedfokus i opgaven. I henhold til sammenligning af manuel og automatisk konturindtegning, kunne det dog have givet et mere tydeligt sammenligningsgrundlag, hvis alle manuelle konturer var indtegnet af én ekspert og disse derfor ikke varierede ift. interpersonelle forskelle. Dog afspejler fremgangsmåden den kliniske hverdag, da indtegning ifm. planlægning af strålebehandling varetages af flere fagpersoner. Al data ved empiriindsamlingen noteres i et Excel-skema som er systematisk opstillet til forsøget. Der figurerer 18 målinger af volumen pr. CT-scanning, hvilket giver en datamængde på 540 målinger af volumen. Ligeledes noteres volumen af overlappet mellem manuelle og automatiske konturer, således en mængde på 270 målte data. Det kan derfor ikke udelukkes at der kan være sket en tastefejl undervejs i processen, som kan have indflydelse på resultaterne. For at reducere sandsynligheden for denne bias er alle data dobbelttjekket og noteret med høj præcision og systematik. Diskussion I følgende afsnit synliggøres opgavens problemformulering, vha. en kort og præcis fremstilling af forsøgets resultater, således det er muligt at diskutere essensen af denne. Ydermere diskuteres opgavens empiri, teori og forskningsspørgsmål og der inddrages ekstern teori for at uddybe betydningsfulde fund. Forsøgets bias og begrænsninger diskuteres og der drages en sammenfatning for hvilken betydning dette eventuelt har for opgavens generaliserbarhed og kliniske relevans. Ekstern teori er vedlagt som bilag 14 og 15. De indsamlede data samt bearbejdningen belyser, at der for ingen af de udvalgte risikoorganer er total overensstemmelse i volumen mellem manuel og automatisk konturindtegning. Forskellene i totalvolumen, altså et gennemsnit af de 30 CT-scanninger, varierer fra den mindste afvigelse mellem manuel og automatisk indtegning på 0,0407 cm 3, svarende til 0,1% for Mandibula, til den største afvigelse på 30,8878 cm 3, svarende til 38,5% for Cavum oris. Disse to risikoorganer er ligeledes de eneste, hvor gennemsnittet af volumen for de manuelle konturer er større end gennemsnittet af volumen for de automatiske konturer. De resterende risikoorganer har følgende gennemsnitlige procentvise afvigelse, mellem manuelle og automatiske konturer: 35

37 Tabel 7: Oversigt over gennemsnitlig, procentvis afvigelse for udvalgte risikoorganer. For disse risikoorganer gælder, at gennemsnittet af volumen for de automatiske konturer er større, end gennemsnittet af volumen for de manuelle konturer. Der ses altså en tendens til at de automatiske konturer der genereres via SPICE, typisk har et større volumen end de manuelle. De manuelle konturer er lægegodkendt og anses derfor som værende facit, hvorfor det kan give anledning til at diskutere disse resultater. I artiklen af Zhu et al argumenteres der for, at den teknologiske udvikling ifm. strålebehandling, giver mulighed for at bestråle target med optimal dosis mens omkringliggende organer og væv skånes. Et essentielt vilkår for at drage nytte af denne udvikling og mulighed er, at konturindtegning af risikoorganer gøres med høj præcision og specificitet. (21) Indtegnes et risikoorgan nær target med større volumen end anatomisk tilsvarende, er der risiko for at dosis til target kompromitteres, hvorved der ikke opnås tilstrækkelig tumorkontrol. Ligeledes gælder det, at hvis et risikoorgan nær target indtegnes med mindre volumen end anatomisk tilsvarende, er der risiko for at organet bestråles med for høj dosis, og dermed være i risiko for at blive påført yderligere skade. Constraints til risikoorganer er dog fastsat lavere end tolerancedose, som er den grænse hvorved organet vil gå til grunde. Derfor kan det diskuteres hvor afgørende præcis konturindtegning af risikoorganer er og i hvilken grad forskelle i volumen vil påvirke mængden af bivirkninger for patienten. Alligevel fastslås det i samtlige af de anvendte artikler, at nøjagtig konturindtegning er et grundvilkår og yderst afgørende for en dosisplan og strålebehandling af høj kvalitet. (5)(18)(21) Resultaterne af det empiriske forsøg belyser dog at den automatiske konturindtegning ikke kan stå alene hvis kvaliteten af behandlingen skal opretholdes, hvorfor der altid må følge en klinisk vurdering og manuel tilretning. 36

38 Ligeledes er der forskel på resultaterne for DSC for de udvalgte risikoorganer. DSC = 0 defineres som intet overlap, og DSC = 1 defineres som perfekt overlap. Resultaterne af disse varierer fra 0,55 for Thyroidea, til 0,97 for Mandibula, som henholdsvis laveste og højeste score. De resterende risikoorganer har følgende DSC: Tabel 8: Oversigt over gennemsnitlig DSC for udvalgte risikoorganer. Resultaterne kan diskuteres i relation til de resultater der er opnået i forsøget i artiklen af Walker et al. (18) Der er, i artiklens forsøg, målt DSC for de samme risikoorganer i hoved-hals området, med undtagelse af Thyroidea, som er målt i opgaves forsøg. Dog er der i artiklen beregnet på en datamængde på 40 CT-scanninger og 16 risikoorganer, men det vurderes alligevel, at der kan drages en direkte sammenligning mellem disse resultater og opgavens resultater grundet den omfattende datamængde. For Medulla oblongata og Medulla Spinalis opnår artiklen en højere DSC, henholdsvis 0,97 og 0,90, end ved opgavens forsøg. For Cavum oris opnås der er DSC = 0,53. Forskelle i DSC for Mandibula er minimal, i artiklen opnås 0,98, altså 0,01 højere, end ved opgavens forsøg. I artiklen er der lavet en samlet DSC for Gl. Submandibularis sin. og dxt. og ligeledes for Gl. Parotis sin. og dxt. Disse DSC er henholdsvis 0,73 og 0,89. Der er altså forskel på resultaterne af DSC mellem opgavens og artiklens forsøg, hvorfor det bl.a. er relevant at diskutere hvilke standarder der sættes for en acceptabel DSC. I artiklen af Walker et al argumenteres der for et niveau på 0,85, da dette vurderes at kræve manuel tilretning i acceptabelt omfang. En uoverensstemmelse på mere end 15% vil være uforligneligt med det kliniske arbejdsflow. Denne grænse er ligeledes anvendt i opgavens forsøg. Dog findes der i andet litteratur, eks. artiklen af Thompson et al., andre acceptable 37