Auto-planning技術用于胸中段食管癌調強放療的可行性

徐曉捷，侯 鵬，雷亞楠，張瑞英，韓振坤

食管癌是我國最常見的惡性腫瘤之一，發病率占第三位，死亡率占第四位[1-2]。食管癌患者早期臨床癥狀不明顯，確診時多已為中晚期，錯過了手術治療的最佳時機，化療和放療成為治療食管癌的主要手段。調強放射治療(intensity modulated radiotherapy,IMRT)以其良好的適形度，緊湊的劑量收斂能力和危及器官劑量限制能力，成為目前放射治療的主流技術之一[3]。隨著計算機技術的發展，大數據時代到來，放射治療技術也步入了機器智能階段。自動計劃是利用優化算法從已有的治療計劃庫中用數據挖掘深度學習技術提煉出相關信息，用于預測患者治療計劃的劑量分布，提高患者的計劃質量[4-7]。本研究對24例食管癌放療患者，對比Pinnacle3V 9.10版本自帶的Auto-planning模塊的自動設計計劃(auto-planning intensity modulated radiotherapy,ap-IMRT)和常規人工手動計劃(manual intensity modulated radiotherapy,m-IMRT)兩種計劃設計方案，對比其靶區劑量分布和正常危及器官的受照劑量體積參數，探索適合食管癌放療的較好的計劃方案優化方式。

1 材料和方法

1.1 臨床資料病例選自2019年4月至2020年1月在河南科技大學第一附屬醫院進行放射治療的食管癌患者，為保證計劃對比質量，篩選出24例胸中段的食管癌病例。篩選條件：腫瘤靶區GTV照射劑量每30次60 Gy，計劃靶區PTV照射劑量每30次54 Gy。其中男性9例，女性15例，年齡54～90歲，中位年齡70歲。所有病例均用Pinnacle3V 9.10計劃系統設計人工設計計劃方案m-IMRT，同時用自帶的Auto-planning模塊設計ap-IMRT計劃。

1.2 CT圖像采集所有病例均采用平靜呼吸狀態仰臥位，雙臂上舉雙手交叉置于頭頂用熱縮體膜固定。患者平躺在碳纖維固定架上，利用定位激光燈配合參考金標確定定位體位坐標，采用Philips 16排大孔徑CT進行掃描，掃描層厚5 mm。將定位掃描的圖像傳到Pinnacle3V 9.10計劃系統，然后三維重建得到患者的CT定位圖像。

1.3 靶區勾畫及處方劑量經過Pinnacle3計劃系統重建定位CT圖像，根據食管癌臨床放射治療相關要求勾畫靶區和周圍正常危及器官(organs at risk,OARs)。靶區包括腫瘤靶區GTV、臨床靶區CTV和計劃靶區PTV，其中計劃靶區PTV是由臨床靶區CTV前后方向、左右方向、頭腳方向外擴0.5～0.7cm而得。腫瘤靶區GTV的處方劑量為每30次60 Gy，PTV的處方劑量為每30次54 Gy，每周5次，單次1.8～2.0 Gy。勾畫出左肺、右肺、心臟、脊髓等危及器官。要求肺V5≤60%、V20≤30%，心臟V30≤40%、V40≤30%，脊髓的最大量Dmax<45 Gy。

1.4 計劃設計用Pinnacle3V 9.10計劃系統，分別進行人工靜態調強計劃m-IMRT和自動計劃ap-IMRT計劃設計。調強放療計劃射線能量均采用6 MV的X射線，且均選擇前1后4的5野調強照射。m-IMRT計劃設計：手動設置照射野，手動設置靶區和周圍正常器官的劑量限值，靶區劑量的權重最大，其次是左肺、右肺、心臟、脊髓。靶區的約束條件包括Min Dose、Max Dose、Min DVH，危及器官的物理約束條件包括Max DVH、Uniform Dose、MaxDose等，計劃達標要求為：GTV的D95>60 Gy，PTV的D95>54 Gy，左肺和右肺均是V5<60%、V20<30%，心臟V30<40%、V40<30%，脊髓的Dmax<45 Gy。ap-IMRT計劃設計：物理約束條件和劑量限值條件與m-IMRT計劃相同，利用Pinnacle3V 9.10計劃系統Treatment techniques治療技術對靶區和危及器官進行預處理，將處理后的靶區和危及器官的限值條件在Auto-planning模塊中進行目標函數優化，得到ap-IMRT計劃。

1.5 劑量體積評估利用劑量體積直方圖(dose volume histogram，DVH)對m-IMRT和ap-IMRT的GTV、PTV和OARs的受照劑量進行計量學的統計分析。靶區受照量分析指標包括：GTV和PTV的最大劑量(Dmax)、最小劑量(Dmin)、平均劑量(Dmean)、D2、D5、D50、D95、D98，適形度指數(conformity index，CI)和均勻性指數(homogeneity index，HI)；OARs的參數包括：雙肺的V5、V10、V20、V30、Dmean、Dmax，脊髓的最大劑量Dmax，心臟的V20、V30、V40、Dmean。CI=(VT,ref×VT,ref)/(VT×Vref)[8]，其中Vref、VT,ref分別為95%的參考等劑量線所包圍的所有體積和所覆蓋的PTV體積，VT為靶區PTV的體積。CI值為0～1，CI值越大說明劑量線的適形度越好，CI=1是最理想的狀態。HI=(D2-D98)/D50[9]，HI值越接近0說明劑量均勻性越好，反之，HI值越大說明靶區的均勻性越差。

1.6 統計方法采用SPSS 23.0軟件行配對t檢驗，P<0.05為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 m-IMRT和ap-IMRT計劃靶區劑量參數比較GTV的Dmin(t=-2.233,P=0.036)略有增加、均勻性指數HI (t=2.205,P=0.038) 參數略有減小，PTV的D98(t=-2.241,P=0.035)略有增加、均勻性指數HI(t=2.543,P=0.018)略有減小、適形度指數CI(t=-2.497,P=0.020)參數略有增加，均是ap-IMRT計劃優于m-IMRT計劃，且均有顯著性差異。其他參數均無顯著性差異，詳見表1。

表1 24例食管癌患者兩種計劃間計劃靶區劑量參數比較

2.2 m-IMRT和ap-IMRT計劃OARs劑量參數比較左肺的V20(t=4.412,P=0.000)略有減小、V30(t=5.243,P=0.000)略有減小，心臟的V30(t=2.546,P=0.018)略有減小、V40(t=2.404,P=0.025)略有減小、Dmean(t=2.565,P=0.017) 參數略有減小，均是ap-IMRT計劃優于m-IMRT計劃，且均有顯著性差異。脊髓的Dmax(t=-2.122,P=0.045)參數略有增加， m-IMRT計劃顯著優于ap-IMRT計劃，詳見表2。

表2 24例食管癌患者兩種計劃間危及器官劑量參數比較

2.3 m-IMRT和ap-IMRT計劃參數比較兩種計劃的子野數相差不大，機器跳數MU (t=-2.691,P=0.013)參數略有增加，m-IMRT計劃顯著優于ap-IMRT計劃，詳見表3。

表3 24例食管癌患者兩種計劃參數比較

3 討論

近年來機器智能快速發展,已經應用到現代放射治療計劃系統中，自動計劃也成為研究的熱點[10-11]。美國飛利浦公司基于Pinnacle3V 9.10平臺的Auto-planning也是比較成熟的自動計劃模塊[12]，Auto-planning 模擬經驗豐富的計劃設計師，使用卷積迭代算法在優化過程中自動調整優化參數或權重來實現計劃的不斷優化。本研究中就是用的Pinnacle3V 9.10自帶的Auto-planning模塊實現自動計劃ap-IMRT計劃，與人工計劃m-IMRT進行劑量學比較。

王繼平等[13]用Pinnacle3計劃系統的Auto-planning模塊研究在直腸癌調強放療中的應用，結果顯示自動計劃的靶區有更好的適形度，減少熱點和冷點，同時降低OARs受照劑量，更好地保護正常器官。王雪桃等[14]用瑞典Raysearch公司的RayStation 計劃系統研究了其在宮頸癌容積旋轉調強(volume modulated arc therapy,VMAT)中的應用，結果顯示RayStation 計劃系統能夠快速高效的完成高質量的宮頸癌VMAT計劃。程志垚等[15]用MD安德森癌癥治療中心研發的MdaccAutoPlan自動計劃軟件搭載在Pinnacle3計劃系統研究了鼻咽癌患者的靜態調強計劃，結果顯示自動計劃可有效減少某些危及器官的受照劑量，可減少計劃設計時間，提高計劃效率。

本研究選取了24例食管癌患者，對比了Pinnacle3計劃系統自動設計和人工設計的治療計劃的劑量學差異。在靶區劑量分布方面，自動計劃ap-IMRT的靶區劑量分布在GTV的Dmin、HI，計劃靶區PTV的D98、HI、CI均略優于m-IMRT。在危及器官受照劑量方面，左肺的V20、V30，心臟的V30、V40、Dmean劑量參數，自動計劃均優于人工計劃。但脊髓的最大受照劑量Dmax人工計劃優于自動計劃，且有7例自動計劃的脊髓最大受照劑量大于45 Gy。Auto-planning模塊只支持DMPO和Smartarc兩種優化方式，本研究中用的均是DMPO的優化方式，通過治療計劃系統(treatment planning system，TPS)根據優化條件自動生成劑量成形結構(dose shaping structure，DSS)，自動優化目標函數，將以往獲得的治療經驗導入到調強計劃的優化中，以獲得最優的治療計劃。人工計劃就是憑借個人經驗人工設置優化條件，也用DMPO算法，直接優化子野形狀和權重，通過更改添加優化參數，得到接近最優解的劑量分布。人工計劃要求物理師有較高的物理知識儲備和臨床經驗，對物理師的技術水平要求較高。Auto-planning模塊中內置的有計劃參數，實現自動優化控制，求取最優的計劃解，能提高計劃設計效率。

綜上所述，由研究結果可得Pinnacle3計劃系統的Auto-planning模塊對于胸中段食管癌放射治療計劃設計可提高靶區劑量的適形性和均勻性，且對于降低并行危及器官受量取得很好的效果，可以明顯降低患者左肺和心臟的不良反應，有一定的臨床應用價值。自動計劃能夠明顯提高治療技術設計的效率，同時大大減少物理師的工作量，但在串行器官脊髓的最大受照劑量保護方面不及人工計劃。結合本文研究結果，作者認為可以將自動計劃和人工計劃相結合，由自動計劃完成較好的靶區適形度，均勻性和并行器官較低的受照劑量。結合人工計劃手動設置優化條件，限制串行器官脊髓的最大受照劑量。結合兩種計劃，能否得到最優的治療計劃方案，還需要進一步的研究。