盆腔腫瘤IMRT 自動計劃與人工計劃比較研究

李新暢，李 超，駱志國

（十堰市太和醫院，湖北醫藥學院附屬醫院腫瘤科，湖北十堰 442000）

0 引言

近年來，調強放療（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）技術在直腸癌與宮頸癌等盆腔腫瘤放療中得到廣泛應用，因其可以在保證腫瘤靶區得到充分劑量照射的同時有效地保護周圍正常組織，不僅降低了放療患者的急性和慢性反應發生率，還提高了生存率[1-4]，從而進一步改善盆腔腫瘤患者的生存質量。放療計劃質量在一定程度上影響著IMRT療效，人工計劃的設計過程復雜且依賴于物理師的長期經驗與技巧，而自動計劃能有效降低不同物理師之間治療計劃的差異，并且可以縮短人工時間，從而提高患者整個放療過程的效率和質量。目前，有研究將自動計劃應用在鼻咽癌[5-6]、前列腺癌[7-8]和食管癌[9]的IMRT 上，結果表明自動計劃在劑量分布和時間方面均優于人工計劃。本研究使用Pinnacle39.10計劃系統中的Autoplan 自動模塊，通過運用系統算法，不斷優化模型參數、自動生成各種輔助結構來得到直腸癌與宮頸癌的治療計劃，并與人工計劃進行對比，探討盆腔腫瘤IMRT 自動計劃在臨床上的應用優勢。

1 資料和方法

1.1 臨床資料

選擇我院2017 年10 月至2018 年8 月的60 例盆腔腫瘤放療患者的臨床資料進行回顧性分析，均獲得患者本人或家屬的知情同意且本研究獲得醫院倫理委員會批準。納入標準：（1）經病理檢查確診為盆腔腫瘤；（2）需要對盆腔進行放射治療且滿足放療適應證。排除標準：（1）除盆腔部位有原發腫瘤還患有其他癌癥；（2）有放療禁忌證。其中，宮頸癌術后患者30 例，病理類型全部為鱗癌；直腸癌術后患者30例，病理類型全部為腺癌。所有患者定位時采用真空墊固定，取仰臥位，雙手交叉握桿，在CT 模擬機上進行模擬定位掃描，掃描層厚5 mm。由于本文采用回顧性分析方法，臨床治療計劃均是之前在Eclipse計劃系統上完成的，故放療物理師在設計自動計劃時，需將所選患者的CT 圖像（包括靶區及危及器官）從Eclipse 計劃系統發送至Pinnacle39.10 計劃系統上，再進行自動計劃的設計。

1.2 靶區勾畫及處方劑量

由同一臨床腫瘤醫生在所有患者的CT 圖像上勾畫臨床腫瘤靶區（clinical tumor volume，CTV），其中宮頸癌CTV 勾畫以RTOG-0418[10]號報告為參考依據，包括陰道上段、陰道殘端以及盆腔淋巴引流區；直腸癌CTV 包括吻合口區域、殘端直腸等原發病灶高危區和直腸系膜區域等淋巴引流區[11]；計劃靶區（planning target volume，PTV）由CTV 均勻外擴5 mm 形成。靶區以外的危及器官主要包括膀胱、小腸和左右側股骨頭，宮頸癌患者的危及器官還包括直腸。PTV 處方劑量均為50 Gy/25 次。

1.3 計劃設計

所有IMRT 人工計劃均在Eclipse 計劃系統上按照臨床實踐標準進行。計劃優化前由人工勾畫各種輔助環結構，并給定基本參數與目標函數，射野方式為5 野（36°、108°、180°、252°、324°）均分，采用6 MV X 射線，劑量計算網格為2.5 mm×2.5 mm×2.5 mm。各危及器官優化條件由物理師根據經驗設定，所有計劃經反復修改再優化，遵循靶區劑量達到要求的同時盡可能降低危及器官劑量，直到沒有明顯改善為止。所有自動計劃在Pinnacle39.10 計劃系統上進行，能量、射野中心點、射野角度、治療機器以及靶區和危及器官基本優化條件均與人工計劃保持一致。

1.4 數據統計

將60 例患者的IMRT 人工和自動計劃分別導出，提取PTV 對應2%、50%、95%、98%體積的劑量記為D2、D50、D95、D98，計算靶區的均勻性指數（homogeneity index，HI）和適形性指數（conformity index，CI）：HI=（D2-D98）/D50，CI=（VPTV/Vprescribed）。其中，Vprescribed為處方劑量包繞的靶區體積，VPTV為靶區體積。CI 值越接近1 說明PTV 的劑量適形性越好，HI 值越接近0 表明PTV 的劑量分布越均勻。統計膀胱的V40、V50和Dmean，小腸的V40、V50和Dmean，雙側股骨頭的V30、V40和Dmean。其中，宮頸癌患者還需統計直腸的V40、V50和Dmean。此外，對2 種計劃的截面劑量分布以及平均優化時間進行比較與分析。

1.5 統計學方法

2 結果

2.1 靶區劑量比較

表1 為60 例患者自動計劃與人工計劃得到的PTV 劑量D95、Dmean及HI 和CI 等劑量學參數的比較結果。由表1 可知，宮頸癌自動計劃與人工計劃的結果均相近，差異無統計學意義（P>0.05）。直腸癌自動計劃與人工計劃的D95、Dmean和HI 相近，差異無統計學意義（P>0.05）；自動計劃的CI 略優于人工計劃，差異有統計學意義（P＜0.05）。

2.2 危及器官劑量對比

人工計劃和自動計劃危及器官劑量對比詳見表2。由表2 可知，自動計劃膀胱的V40、V50和Dmean，小腸的V40、V50和Dmean，雙側股骨頭的V30、V40和Dmean均低于人工計劃。此外，宮頸癌患者中自動計劃直腸的V40、V50和Dmean相對于人工計劃而言也有所下降。

表1 人工計劃和自動計劃PTV 劑量D95、Dmean及HI 和CI 對比

表2 人工計劃和自動計劃危及器官劑量對比

2.3 PTV 與危及器官各截面劑量分布以及膀胱、左側股骨頭和小腸劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）對比

圖1 為某例宮頸癌患者的2 種計劃橫斷面、矢狀面以及冠狀面的等劑量分布圖。由圖1 可知，自動計劃與人工計劃對PTV 的覆蓋相近，均能滿足臨床要求，但自動計劃的低劑量區域適形度和劑量跌落均優于人工計劃。自動計劃與人工計劃危及器官以膀胱、左側股骨頭和小腸為例的平均DVH 對比如圖2 所示。由圖2 可知，自動計劃的膀胱、小腸以及左側股骨頭的平均劑量比人工計劃在低劑量區域均有所降低，這在一定程度上更好地保護了危及器官。

圖1 2 種計劃等劑量分布圖

2.4 Pinnacle3 9.10 人工計劃和Eclipse 人工計劃對比

本研究中選取的人工計劃都是之前在Eclipse計劃系統上完成的，而自動計劃均是現階段在Pinnacle39.10 計劃系統上完成的。為了觀察2 個系統在計劃優化方面有無顯著性差別，隨機選取60 例盆腔腫瘤患者中的20 例在Pinnacle39.10 計劃系統上重新進行人工計劃的設計，并與之前在Eclipse 系統上的人工計劃進行對比，二者劑量對比結果詳見表3。結果表明，2 種計劃系統的PTV 與危及器官的平均劑量相近，差異無統計學意義（P＞0.05）。

2.5 2 種不同計劃方式的平均優化時間對比

自動計劃的平均優化時間為（29.17±5.31）min，遠少于人工計劃的（45.26±6.37）min，縮短了35.6%，差異有顯著統計學意義（t=-8.332，P<0.001）。

3 討論

盆腔腫瘤相比腦腫瘤而言，其危及器官較少，靶區變化比胸部腫瘤小，計劃設計和技術需求相對簡單。因此，IMRT 在盆腔腫瘤的治療中具有重要的意義，該技術在給予靶區足夠劑量的同時可以較好地保護周圍正常組織[4]。目前，IMRT 人工計劃需要物理師根據經驗給定射野角度、靶區和危及器官的劑量體積限值以及對應的權重，計劃質量很大程度上取決于物理師的臨床經驗且需要大量時間。近年來，隨著自動計劃技術被引入到各部位腫瘤放療計劃設計中，大大減輕了物理師的臨床工作負擔，將工作中心轉移到了同等重要的加速器質量保證（quality assurance，QA）中。Quan 等[12]的研究表明，自動計劃的肺以及心臟的平均劑量相比人工計劃而言均有所下降，且自動計劃可以減少人工依賴，對危及器官的保護也更具優勢。Krayenbuehl 等[13]和Hazell 等[5]證實了鼻咽癌放療使用自動計劃可以在保證靶區劑量與人工計劃一致的同時，更好地保護危及器官。何垠波等[14]驗證了自動計劃不僅能夠顯著減少計劃時間，還能避免因為經驗不足等人為因素對計劃質量造成的不必要影響。本研究使用Pinnacle39.10 計劃系統對60 例盆腔腫瘤患者進行IMRT 自動計劃設計，得到與上述研究類似的結論，自動計劃與人工計劃在靶區的劑量以及HI、CI 等參數方面均無明顯差異，且自動計劃更好地保護了正常組織。

圖2 60 例盆腔腫瘤患者膀胱、左側股骨頭、小腸的平均DVH

表3 Pinnacle3 9.10 人工計劃和Eclipse 人工計劃PTV 與危及器官的平均劑量對比 單位：Gy

IMRT 自動計劃不需要設置靶區的權重，對危及器官而言也只需要根據臨床實際需求對器官的重要性選擇High、Medium、和Low 3 個參數，在優化過程中還會根據靶區與危及器官的相對位置自動生成很多輔助結構，從而獲得最佳的劑量優化方案。而對人工計劃而言，限量環的位置和數量、靶區和危及器官目標函數值以及對應權重的設置一直都是IMRT 計劃設計中的難點，這些步驟不僅耗時，更依賴于物理師的經驗。陳穎等[15]的研究就表明了限量環個數對宮頸癌IMRT 計劃的治療效率有一定的影響。自動計劃可以有效縮短計劃設計時間，減小不同物理師之間的計劃設計質量差距，保證高質量計劃的一致性[16]。另外，本研究中IMRT 自動計劃危及器官的平均劑量普遍低于人工計劃，這說明人工計劃在開始優化時為了保證靶區覆蓋率，降低了對危及器官的限制要求。同時根據臨床經驗以及對耗時的考慮，物理師在進行計劃設計時為了保證靶區覆蓋率無法在最大程度上限制危及器官的劑量，最終使得一些副反應相對較低的危及器官受照量偏高，這也在一定程度上導致了人工計劃質量不及自動計劃。目前，國內大部分放療機構腫瘤放療患者數量劇增，而人工計劃優化耗時較長，設計人工計劃耗費了物理師大量的時間和精力，在一定程度上影響了放療計劃的質量。自動計劃的采用不僅使得短時高效的計劃產出成為了可能[17-18]，還使得物理師能夠將更多的時間和精力投入在QA 上。

本研究的不足之處如下：首先，自動計劃和人工計劃的設計所采用的計劃系統不同，分別為Pinnacle39.10 和Eclipse 計劃系統。Pinnacle39.10 計劃系統進行調強優化時采用的是直接機器參數優化（direct machine parameter optimization，DMPO）算法以及靜態調強的步進出束方式，直接優化子野形狀和權重。而Eclipse計劃系統采用的是筆形束卷積算法（pencil beam convolution，PBC）以及動態滑窗方式來進行優化。考慮到采用不同算法和多葉準直光柵（multi-leaf collimator，MLC）運動方式給2 種計劃的參數對比帶來的影響，本研究隨機選取了20例盆腔腫瘤患者在Pinnacle39.10 計劃系統上重新進行了手動計劃的設計，并與Eclipse 計劃系統進行對比，發現劑量分布并無顯著性差異，這與Phillip[19]的研究結果一致，說明2 種計劃系統計算的結果可以直接比較，有研究意義，但系統誤差仍會給研究結果帶來一定的影響。其次，為了減小由于射野角度不同對自動計劃和人工計劃的結果帶來的影響，2 種計劃方式統一采用5 野均分設定射野角度，但是采用不同的射野數量以及角度來實現自動計劃是否可以得到更優的結果尚不明確。有研究[20]曾采用不同的布野數量和角度對直腸癌放療計劃中小腸和膀胱的受量進行分析，認為在俯臥位下的前五野照射可以降低放射性腸炎的發生率。此外，自動計劃技術目前還未完全成熟，在使用自動計劃優化時，仍需根據經驗對基本參數進行一定的人工調整和修改，才能得到以上臨床優勢，而且在臨床使用前還需要做進一步的質量控制。最后，不同病種之間自動計劃所需要的時間以及劑量學之間的差異比較都是下一步要繼續研究的問題。

綜上所述，使用Pinnacle39.10 自動計劃模塊設計的盆腔腫瘤IMRT 計劃，一方面能在保證與人工計劃靶區處方劑量相近的同時進一步降低正常器官的劑量，計劃設計效率和計劃質量也有所提高；另一方面，自動計劃無需人工干預，可以避免由于物理師主觀經驗的一些因素對放療計劃質量的影響，因此自動計劃應用于盆腔腫瘤的放療是可行的。