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直肠癌术后病理标本与术前MRI/CT定义肿瘤范围的对比研究*

2017-07-31刘媛媛朱苏雨陈晓艳文露李金娇鲍绪杰周菊梅聂少麟

中国肿瘤临床 2017年13期
关键词:勾画直肠癌标本

刘媛媛 朱苏雨 陈晓艳 文露 李金娇 鲍绪杰 周菊梅 聂少麟

·临床研究与应用·

直肠癌术后病理标本与术前MRI/CT定义肿瘤范围的对比研究*

刘媛媛①②③朱苏雨①③陈晓艳④文露⑤李金娇①②③鲍绪杰①②③周菊梅①③聂少麟⑥

目的:比较直肠癌术后病理标本与术前MRI(T1WI、T2WI、DWI)和/或CT显示的肿瘤范围的差异。方法:选取2016年3月至2016年5月间于湖南省肿瘤医院拟行全直肠系膜切除术(TME)的直肠癌患者22例,术前行盆腔MRI(T1WI、T2WI、DWI)和/或增强CT检查。分别测量肿瘤沿肠管纵轴长度、垂直肠管横轴位肿瘤最宽径和横轴位肿瘤实际面积,并与术后病理标本测量对应参数比较,评估各影像测量的精确性。结果:病理长度(Lpath-L)为(4.06±1.14)cm,LT1-L、LT2-L、LDWI-L、LCT-L分别为(3.91±1.51)、(4.62±1.41)、(3.39±1.05)、(3.94±1.23)cm,与Lpath-L的相关系数分别为0.688、0.635、0.688、0.720(P<0.05);T2WI测量结果存在平均6 mm高估,T1WI、DWI、CT测量结果存在1~6 mm不同程度的低估。病理横截面肿瘤最宽径(Lpath-W)为(2.56±0.94)cm,LT1-W、LT2-W、LDWI-W、LCT-W分别为(3.62±0.99)、(3.66±0.76)、(3.23±0.58)、(3.64±1.04)cm,测量结果存在平均5.1~11.1 mm的高估。肿瘤病理实际面积(Apath)为(4.30±2.83)cm2,AT1、AT2、ADWI、ACT分别为(8.98±3.90)、(8.99±3.43)、(8.41±3.09)、(9.63±4.40)cm2,各影像测量实际面积存在约2倍程度高估。结论:在病变长度方面,各影像存在-6~6 mm差异;最大横截面方面均存在不同程度高估。因此在直肠癌放疗GTV勾画时,断面侧方应适当保守内收,而上下端也不应过多延伸。

直肠癌 病理标本 磁共振影像 计算机断层影像 大体肿瘤体积

“等待和观察”是直肠癌新辅助放化疗后达到临床完全缓解(clinical complete response,cCR)患者治疗的新策略,部分前期研究结果显示,该策略疗效与再行根治手术相似[1-3]。这个治疗新概念强调了新辅助治疗中放疗的重要性,尤其是提高直肠癌肿瘤局部放疗剂量以期达到手术前更高比例cCR,从而使疗效最大化[4]。调强放疗是直肠癌术前高剂量放疗的核心技术,其关键是大体肿瘤体积(GTV)的定义和勾画。目前主要根据术前影像MRI和/或CT来定义,其精确性还有待验证。本研究测量直肠癌术后标本显示的体积参数,并与术前影像(T1WI、T2WI、DWI)和/或CT测量对应参数进行比较,分析术前影像定义大体肿瘤体积(GTV)的精确性,旨在为直肠癌术前放疗GTV精确勾画提供参考和科学依据。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取2016年03月至2016年05月间于湖南省肿瘤医院拟行全直肠系膜切除(TME)手术的直肠癌患者22例,其中男性12例,女性10例,年龄32~71岁,中位年龄62岁。临床分期为T1-4aN0-2M0,Ⅰ~Ⅲ期,肿块下缘距肛缘距离≤5cm为8例,5~10cm为10例,>10cm为4例。术后病理高中分化腺癌1例,中分化腺癌18例,中低分化腺癌1例,黏液细胞癌2例。除常规检查外,术前均行MRI盆腔序列影像和/或盆腔增强CT检查,无影像学检查禁忌证。影像学检查距手术时间为1~23d,中位时间为5 d。所有入组患者术前均未行任何治疗,无手术禁忌证,对于有术前新辅助放疗指征的患者,因自身原因拒绝行新辅助治疗。本研究经医院伦理委员会审查同意,所有患者签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 MRI扫描、GTV勾画及测量 患者取仰卧位,采用GE MR360进行扫描,扫描序列包括T2WI、LAVAT1WI及DWI,轴位扫描方位与矢状位直肠长轴方向垂直。获取图像后,将图像传至CAD软件,由两位消化道肿瘤MRI影像诊断医师逐层进行测量勾画,当存在较大差异时,相互协商确定,或请第三位医师进行确认。T2WI图像上以肠壁增厚,直肠壁黏膜、黏膜下层及肌层信号带异常作为GTV勾画标准;LAVA-T1WI及DWI图像上以高信号区为GTV范围(图1)。T2WI图像在矢状位上测量沿直肠轴向肠腔内病变长度(LT2-L),病变较长时,在生理弯曲点将病变分两部分,两部分长度之和为病变总长度;T1WI及DWI图像均在轴位图像上根据病变的层数计算病变长度(LT1-L、LDWI-L)。根据T1WI、T2WI和DWI影像勾画GTV的层面图,选含肿瘤浸润最宽截面,测量GTV最宽径(LT1-W、LT2-W、LDWI-W)及其实际勾画GTV横断面积(AT1、AT2、ADWI),面积由软件计算得出。

图1 直肠癌患者不同影像大体肿瘤体积(GTV)勾画Figure 1 Example of the gross tumor volume(GTV)delineation in a rectal cancer patient

1.2.2 CT扫描、GTV勾画及测量 应用SOMATOM DEFINITION AS 64排增强CT扫描,静脉注射碘海醇增强。患者取仰卧位,在平静呼吸下进行扫描,5 mm层厚,5 mm层间距。获取图像后,将图像传至CAD软件,由两位消化道肿瘤CT医师逐层进行勾画,当存在争议时,由第三位医师进行确认。以直肠壁增厚超过5mm、局限性或环形肠壁增厚,局部可见强化和/或肠腔不规则狭窄为标准勾画GTV(图1),轴位图像上根据CT图像GTV层面数目测量病变长度(LCT-L),并测量肿瘤浸润最宽截面图上肿瘤最宽径(LCT-W)及肿瘤实际面积(ACT)。面积由软件计算得出。

1.2.3 大体标本处理和病理测量 22例患者均接受TME手术。标本离体后尽快将直肠沿肿瘤主体对侧纵向剖开,并测量纵轴方向上肿瘤肉眼可见最长径(Lpath-L)。测定后取肉眼可见肠管横轴肿瘤浸润最宽截面标本,切取厚约5 mm环形肠管一段,自然状态下,将肠管复原,并用大头针固定于镂空板条上,制成病理大切片,以消除标本回缩影响。将大头针固定的新鲜标本置于10%福尔马林中常规固定24h。应用高清数码相机对固定后标本拍照。后将固定后大标本进行常规脱水、浸蜡、包埋(采用自制包埋框进行包埋),制成蜡块,将其置于(莱卡RM2235轮转式)切片机上连续切片(厚度为4 μm),通过免疫组织化学染色制成病理玻片(图2)。由消化道肿瘤病理医师在不借鉴任何影像资料的情况下,应用CAD软件,在固定后标本上,结合病理玻片,勾画出肿瘤边界,并测量肿瘤最宽径(Lpath-W)及实际浸润面积(Apath)(图2)。

1.3 体积计算

本研究并未对术后病理标本进行三维立体重建,未计算真实体积,而是通过测量的参数来定义。病变“体积”=面积(肿瘤浸润最宽截面实际面积)×长度。病理和各影像计算体积分别以Vpath、VT1、VT2、VDWI和 VCT来代表。

1.4 统计学分析

采用SPSS 18.0软件进行统计学分析。对不同影像测量肿瘤长度、横截面最宽径、横截面实际面积及“体积”分别与术后标本肿瘤长度、横截面最宽径、横截面实际面积及“体积”行Pearson相关分析。其两两之间的一致性评估采用Bland-Altman分析方法。以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 各成像测量肿瘤长度与病理测量长度相关性

4种图像上测量的GTV长度和术后病理标本的病变长度相关性分析,以及一致性分析结果见表1。除T2WI所测LT2-L平均有6 mm高估外,其余3种影像测量均值有1~6 mm低估。各影像测量值与其病理测量值有明显相关性。

图2 直肠癌病理标本的处理和肿瘤体积参数测量Figure 2 Processing of pathological specimen and measurement of tumor volume parameters for rectal cancer

表1 22例直肠癌患者不同影像测量的大体肿瘤体积长度与术后标本病变长度的Pearson相关分析Table 1 Correlation between rectal tumor length measured by MRI sequences(T1WI,T2WI,DWI),CT,and by pathological specimen

2.2 各影像测量肿瘤横截面最宽径及实际面积与病理测量相关性

22例患者中有5例因肿块较小和/或病理横截面获取失败未纳入研究,共入组17例,病理横截面肿瘤最宽径(Lpath-W)为(2.56±0.94)cm,LT1-W、LT2-W、LDWI-W、LCT-W分别为(3.62±0.99)、(3.66±0.76)、(3.23±0.58)、(3.64±1.04)cm,与Lpath-W的相关系数分别为0.620(P=0.024)、0.472(P=0.076)、0.856(P=0.002)、0.724(P=0.028);Bland-Altman分析图(图 3)表明,相较于Lpath-W,LT1-W、LT2-W、LDWI-W、LCT-W有5.1 ~11.1 mm程度不等的高估。DWI测量结果与病理测量一致性最高。最大横截面肿瘤病理实际面积(Apath)为(4.30±2.83)cm2,AT1、AT2、ADWI、ACT分别为(8.98±3.90)、(8.99±3.43)、(8.41±3.09)、(9.63±4.40)cm2,与Apath相比,各影像测量实际面积存在约2倍程度高估。

2.3 各影像测量肿瘤“体积”与病理测量相关性

入组 17 例,Vpath为(19.20±14.60)cm3,VT1、VT2、VDWI、VCT分 别 为(40.18± 23.44)、(46.35± 20.83)、(31.96±17.71)、(37.90±22.57)cm3。各影像均存在高估现象,DWI测量结果最接近病理测量。

图3 不同影像测量与病理测量最大横截面肿瘤最宽径的Bland-Altman一致性分析Figure 3 Bland-Altman plots showing the difference against mean maximum tumor width perpendicular to rectal axis measured on three imaging modalities and pathological parameters

3 讨论

目前放疗定位主要采用以CT为基础的模拟定位系统,随着图像融合软件的开发及成像技术的发展,MRI、DWI、PET/CT等常被应用于放疗计划制定。一系列对肺癌、食道癌和喉癌的研究提示根据影像(CT、MRI、PET/CT)勾画的GTV与实际肿瘤范围有一定的差异[5-8],与手术病理标本勾画GTV对比能够更客观反映这些差异,因而病理GTV被认为是验证影像勾画GTV精确性的“金标准”。Buijsen等[9]对26例直肠癌的前瞻性研究显示盆腔CT及T2WI高估了肿瘤长度,PET-CT基于臀大肌的靶区/本底SUV值自动勾画的肿块最长直径与手术病理标本最接近,且具有较强的一致性。随后针对PET-CT不同SUV值勾画靶区的对比研究表明在矢状面上30%SUVmax勾画的肿瘤长径及40%SUVmax勾画的肿瘤宽径与病理标本最接近[10],为临床靶区勾画提供了可靠依据。但PET/CT相对昂贵,在临床上并不常用于直肠癌术前放疗模拟定位,尤其对直肠癌的分期和诊断价值有限而未在NCCN指南中推荐。MRI是目前直肠癌诊断和分期中最常用的影像检查方法。但有关基于MRI序列影像勾画GTV的精确性,及其与病理标本差异研究目前尚缺乏报道。

本研究不仅从MRI不同序列(T1WI、T2WI、DWI)和CT等不同成像测量的肿瘤长度与术后病理进行比较,并对直肠癌在不同影像轴位方向中浸润范围与术后病理标本轴位方向上肿瘤实际浸润范围进行了对比。研究结果显示在T2WI图像上测量的肿瘤长度与既往相关研究结果相似[9],显示其高估了肿瘤长度(平均高估6 mm);但发现在MRI其他序列影像T1WI和DWI,以及CT图像上测量的肿瘤长度存在不同程度的低估(平均1~6 mm),而一系列关于食道癌、肺癌、头颈部肿瘤研究显示,CT图像常常高估了肿瘤范围[5-8],这可能与CT影像本身对直肠癌病变细节显示欠精确,尤其在对直肠癌黏膜表浅病变的判断上主要依赖病变厚度来判断有关,因而在测量直肠病变上下长度时会出现观察者差异。采用MRI和CT定义直肠癌肿瘤范围时,其在直肠侧位水平方向上均存在较大程度的高估,与既往Daisne等[5]研究结果相似,其通过对9例喉癌的术后病理标本与术前影像对比发现CT、MRI及PET均高估了肿瘤的外侵,相对来讲,采用功能分子影像(PET)勾画的GTV较解剖影像(CT/MRI)勾画GTV更接近病理标本体积大小。本研究也得到了类似的发现,DWI成像(水弥散加权功能成像)在肿瘤水平方向浸润测量与病理的测量结果最接近,且一致性最高;新兴的功能成像技术DWI,能从分子水平上,通过分析各组织成分之间水分子交换的功能状态对疾病作出早期的诊断,其图像上高信号区间接反映了肿瘤组织的范围。在直肠癌方面,DWI成像在肿瘤中的诊断分期及再分期的准确性、敏感性及特异性均高于常规解剖影像[11-12]。Burbach等[13]研究结果显示T2WI勾画的直肠肿瘤体积较DWI平均高估了19.85 cm3,但其研究结果未从病理“金标准”上进行验证。本研究通过与病理标本对照得到了类似的发现,DWI图像无论显示直肠癌的长度还是侧位水平方向的浸润宽度和面积均小于T2WI所测数据,进一步证实了该结论。

与既往研究相比,本研究具有以下优势:1)与Buijsen等[9]研究相比,本研究入组患者术前均未行短程放疗和新辅助化疗,术后病理测量结果不受之前治疗影响因而更客观;除1位患者因经济原因导致手术日期延后外,余入组患者影像学检查时间距手术时间无较长间隔(中位时间为5 d)。2)肿瘤最大横截面宽径测量及面积测量,均在福尔马林固定后,而关于肺癌、前列腺癌的相关研究表明[7-8,14],经福尔马林固定后标本存在变形和退缩。本研究充分考虑了这方面因素,在最原始的4例标本中曾尝试采用直肠系膜筋膜作为影像“在体”和手术标本“离体”的参照物,并计算手术标本离体后的退缩因子来修正相应测量数值。结果发现如将手术标本切片采用大头针方法固定在镂空板上,则病理标本切片在病理处理过程中将无明显退缩和形变。因此,在福尔马林固定标本前,将新鲜标本切片放在镂空板上摊平恢复原状,采用大头针固定肿瘤组织,保障病理测量“金标准”本身的精确和可靠性。在后续的研究中,将尝试在患者行影像学检查前,经肠镜在肿瘤上下及左右端各植入标记物,以其为参照点,分别测量影像学上各标记物在矢状位上下端距离、轴位上左右端及与直肠系膜筋膜的距离。在获得术后病理标本时,同样测量以上参数,并与影像参数进行比较,进而校正病变“在体”与“离体”的形变。

本研究仍存在以下不足:1)未进行不同影像勾画的GTV与病理GTV(GTVpath)进行错配比较,未进一步探讨图像融合技术的价值。Caldas-Magalhaes等[15]的对比研究发现CT、MRI、PET都明显地高估了10例喉癌/下咽癌实际肉眼病理标本病变的大小,尽管采用PET勾画的GTV最接近GTVpath大小。但同时发现手术标本与CT、MRI、PET勾画的靶区分别有约15%、12%、23%体积互相不重叠;且直肠癌通过MRI与PET/CT勾画的靶区体积也存在互相不重叠现象[16]。2)在行磁共振DWI扫描时,已知随b值的提高,直肠癌与周围组织信号差异越明显,病变检出的敏感性和特异性提高,但b值进一步增高,噪声和图像变形也进一步加重,侯栋梁等[17]对29例食管癌的研究表明不同b值测量的肿瘤长度不一,b值为600、800 s/mm2时,低估了肿瘤范围,选择b值为400 s/mm2较为合适。本研究仅针对b值为800 s/mm2进行比较,未比较不同b值勾画靶区的差异及与病理靶区的相关性。3)直肠为空腔脏器,其内残余粪便与空气对图像有一定影响;本研究要求病理位置与影像相一致,但实际操作过程中可能存在少许偏差。4)较以往相关研究比较,本研究从横断面方向比较不同影像肿瘤面积与术后病理的差别,但并未进行三维影像数字重建立体方向进行比较。

综上所述,磁共振序列影像(T1WI、T2WI、DWI)和CT影像均明显高估直肠癌轴位肿瘤范围,且T2WI高估肿瘤沿肠管纵轴方向的长度,但T1WI、DWI和CT一定程度上低估了肿瘤长度,这一结论对直肠癌术前高精放疗,尤其是肿瘤局部高剂量放疗时GTV的精确勾画有一定的指导意义。因此,在逐层影像勾画直肠癌GTV时可适当考虑内收范围,在最顶端和最底端层面影像GTV勾画时也无需过度上下外延(考虑常用影像层厚5 mm)。另外,直肠癌肿瘤病理影像三维立体重建与各影像肿瘤体积三维重建的匹配研究,将有助于更精确了解各影像对肿瘤显示的精确性。

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(2016-12-30收稿)

(2017-06-27修回)

(编辑:武斌 校对:郑莉)

Comparison of rectal cancer tumor volume parameters measured by MRI sequences and CT with those by pathological specimen

Yuanyuan LIU1,2,3,Suyu ZHU1,3,Xiaoyan CHEN4,Lu WEN5,Jinjiao LI1,2,3,Xujie BAO1,2,3,Jumei ZHOU1,3,Shaolin NIE6

Suyu ZHU;E-mail:zhusuyu@hnszlyy.com

Objective:This study aimed to compare rectal cancer tumor volume parameters measured by MRI sequences(T1WI,T2WI,and DWI)and/or CT with those by pathological specimen.Methods:Twenty-two patients with rectal cancer were prospectively enrolled.MRI sequences including T1WI,T2WI,and DWI,and/or CT of the pelvis were performed before operation.Volume parameters,such as tumor length along the rectal axis,maximum tumor width perpendicular to rectal axis,and tumor actual area in that perpendicular plane,were measured on T1WI,T2WI,DWI,and CT,respectively,for each patient.The respective pathological parameters were further measured in surgical specimen after total mesorectal excision.The two kinds of parameter values measured in imaging and pathology were statistically compared and accuracy appraisal was performed.Results:The mean Lpath-Lwas 4.06±1.14 cm.The mean LT1-L,LT2-L,LDWI-L,and LCT-Lwere 3.91±1.51,4.62±1.41,3.39±1.05,and 3.94±1.23 cm,respectively.Correlation coefficients were 0.688,0.635,0.688,and 0.720(P<0.05).An average 6 mm overestimation was found in T2WI,and 1 to 6 mm underestimation in T1WI,DWI,and CT in length values compared with those measured in surgical specimen.The mean Lpath-Wwas 2.56 ±0.94 cm.The mean LT1-W,LT2-W,LDWI-W,and LCT-Wwere 3.62±0.99,3.66±0.76,3.23±0.58,and 3.64±1.04 cm,respectively.The magnitude of mean overestimation ranged from 5.1 to 11.1 mm.The Apathwas 4.30 ±2.83 cm2.AT1,AT2,ADWI,and ACTwere 8.98±3.90,8.99±3.43,8.41±3.09,and 9.63±4.40 cm2,respectively,which double overestimated the tumor area in the perpendicular rectal plane.Conclusion:The difference in longitudinal length between MRI sequences/CT and pathological specimen was intherangeof−6mmto6mm.Themeanmaximumtumor widthandareas inthemaximumtumor perpendicular planewereoverestimated.This study indicated that gross tumor volume delineation based on CT or MRI for rectal cancer irradiation should be conservative in theaxial images of rectum,and meticulous consideration is required along the rectum.

rectal cancer,pathological specimen,MRI,computer-assisted tomography,gross tumor volume delineation

10.3969/j.issn.1000-8179.2017.13.490

①湖南省肿瘤医院,湘雅医学院附属肿瘤医院腹部/淋巴瘤放疗科(长沙市410013);②南华大学研究生院;③生物靶区调强放疗研究室;④病理科;⑤放射科;⑥结直肠外科

*本文课题受新国家自然科学基金(编号:61271382)和湖南省卫计委课题(编号:B2017102)资助

朱苏雨 zhusuyu@hnszlyy.com

1Department of Radiation Oncology,Lymphoma and Abdominal Section,Hunan Cancer Hospital,the Affiliated Cancer Hospital of Xiang Ya School of Medicine,Central South University,Changsha 410013,China;2Graduate School,China University of South China,Hengyang 421001,China;3Biological Targeting Modulated Radiotherapy Research Laboratory,China;4Pathology Department;5Diagnostic Radiology Department;6Intestinal Surgery Department,Hunan Cancer Hospital,the Affiliated Cancer Hospital of Xiang Ya School of Medicine,Central South University,Changsha 410013,China

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.61271382)and the Health and Family Planning Commission of Hunan Province(No.B2017102)

刘媛媛 专业方向为直肠癌的临床治疗,肿瘤精准靶区勾画。

E-mail:yuanyuaniu@qq.com

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