基于Auto-Planning的食管癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的劑量學(xué)比較

王銳濠，廖煜良，張書(shū)旭，陳宗榮，莫春槐，羅松桂，周丕校

1. 廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院 放療中心，廣東 廣州 510095；2. 廣東省第二人民醫(yī)院 設(shè)備科，廣東 廣州 510310

引言

放射治療是食管癌患者的常規(guī)治療手段之一[1]。隨著放射治療技術(shù)的不斷發(fā)展，具有劑量適形度和治療時(shí)間等優(yōu)勢(shì)的容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）技術(shù)備受有條件的放療單位關(guān)注和應(yīng)用[2-4]。然而當(dāng)前仍然依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行放射治療計(jì)劃設(shè)計(jì)，這種模式降低了物理師的工作效率、增加了人力操作成本[5]。此外，計(jì)劃設(shè)計(jì)者設(shè)置的條件參數(shù)不同可導(dǎo)致計(jì)劃結(jié)果的不同。因此，計(jì)劃設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)所花費(fèi)的時(shí)間很大程度上影響著計(jì)劃設(shè)計(jì)的質(zhì)量[6]。目前，已經(jīng)有不少研究者研究如何降低人為因素導(dǎo)致的計(jì)劃質(zhì)量差異和提高劑量設(shè)計(jì)的效率[7-8]。Pinnacle3 V9.10放射治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）新增了自動(dòng)計(jì)劃模塊（Auto-Planning），可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的治療計(jì)劃設(shè)計(jì)。目前Auto-Planning已運(yùn)用在宮頸癌、鼻咽癌和直腸癌等病例上，結(jié)果表明自動(dòng)計(jì)劃比人工計(jì)劃好[9-11]。但自動(dòng)計(jì)劃還很少應(yīng)用于胸部腫瘤上，因此本研究通過(guò)比較13例食管癌患者VMAT人工計(jì)劃設(shè)計(jì)和Auto-Planning 設(shè)計(jì)的劑量學(xué)差異，探討食管癌自動(dòng)VMAT計(jì)劃是否具有劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)，從而為食管癌臨床放射治療應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 病例選擇

隨機(jī)選取本院2018年6月至2019年9月期間行同期放化療的食管癌患者作為研究對(duì)象。納入標(biāo)準(zhǔn)：① 入院KPS評(píng)分≥80分；② 無(wú)遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移；③ 中上段食管鱗癌。13例患者納入研究，其中男性9例，女性4例；Ⅱ期5例、Ⅲ期8例；年齡范圍50～77歲，中位年齡64歲。本研究已獲廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院倫理審查委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 CT定位及靶區(qū)勾畫(huà)

患者頸胸?zé)崴荏w膜固定，仰臥位雙手臂上舉交叉于額前，在Philips機(jī)型CT模擬定位機(jī)下分別做自由平靜螺旋掃描和靜脈增強(qiáng)掃描，掃描范圍由下頜骨下緣至肝臟水平，層厚5 mm，獲得CT圖像在影像工作站進(jìn)行三維重建，重建后CT斷層圖像經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸至Pinnacle3 9.10 TPS。

所有患者均由科室有經(jīng)驗(yàn)的放療醫(yī)生根據(jù)ICRU第62號(hào)報(bào)告應(yīng)用Pinnacle3 9.10計(jì)劃系統(tǒng)在CT影像上勾畫(huà)出腫瘤靶區(qū)（Gross Target Volume，GTV）、臨床靶區(qū)（Clinical Target Volume，CTV）和危及器官（Organ At Risk，OAR），GTV為食管原發(fā)腫瘤病灶和局部區(qū)域腫大淋巴結(jié)，CTV由GTV前后左右外擴(kuò)0.5 cm，縱軸方向外擴(kuò)3 cm，包括食管旁淋巴結(jié)、縱隔淋巴結(jié)引流區(qū)等。計(jì)劃腫瘤靶區(qū)（Planned GTV，PGTV）和計(jì)劃臨床靶區(qū)（Planned CTV，PCTV）由GTV和CTV在三維方向上分別外放0.5 cm得到，OAR包括脊髓、心臟和雙側(cè)肺組織等。靶區(qū)體積大小如表1所示。

表1 13例食管癌患者靶區(qū)的體積大小（±s）

表1 13例食管癌患者靶區(qū)的體積大小（±s）

靶區(qū) 長(zhǎng)徑/cm 橫徑/cm 體積/cm3 PGTV 7.68 ± 2.94 5.07 ± 3.14 70.34 ± 53.04 PCTV 12.84 ± 2.25 8.22 ± 4.75 256.93 ± 126.64

1.3 治療計(jì)劃設(shè)計(jì)

利用Pinnacle3 9.10 TPS系統(tǒng)對(duì)13例食管癌患者分別設(shè)計(jì)手動(dòng)VMAT（Manual-VMAT）計(jì)劃和自動(dòng)VMAT（Auto-VMAT）計(jì)劃。為方便比較，兩種VMAT計(jì)劃均采用360°單弧計(jì)劃（機(jī)架從181°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至179°），選用Elekta Synergy S 加速器6 MV X線，搭配Agility 80對(duì)葉片的多葉光柵準(zhǔn)直（Multi-Leaf Collimator，MLC）小機(jī)頭，葉片寬度在等中心平面投影均為0.5 cm。

Manual-VMAT計(jì)劃由本院資深物理師設(shè)計(jì)完成，首先對(duì)靶區(qū)和OAR進(jìn)行外擴(kuò)處理，然后物理師憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)設(shè)置目標(biāo)函數(shù)及其權(quán)重，經(jīng)過(guò)TPS初步劑量計(jì)算后，根據(jù)當(dāng)前的劑量分布情況反復(fù)調(diào)試優(yōu)化，直到靶區(qū)和OAR的劑量滿足臨床要求。而Auto-VMAT首先利用Pinnacle3 V9.10系統(tǒng)中自帶的Technique對(duì)靶區(qū)和OAR進(jìn)行處理，對(duì)處理后的靶區(qū)和OAR進(jìn)行限量后自動(dòng)優(yōu)化，優(yōu)化過(guò)程中由系統(tǒng)自動(dòng)生成劑量成形結(jié)構(gòu)，并反復(fù)補(bǔ)充優(yōu)化，使目標(biāo)函數(shù)無(wú)限接近最優(yōu)解，最終達(dá)到劑量滿足臨床要求。

處方劑量均為PGTV 60 Gy/30次、PCTV 54 Gy/30次。兩組計(jì)劃均采用相同劑量約束條件和優(yōu)化參數(shù)，臨床處方劑量要求：95%處方劑量線包繞至少95%靶區(qū)體積，靶區(qū) Dmax＜66 Gy。OAR 處方劑量要求 ：雙肺 V5＜60%、V20＜30%、V30＜20%， 脊 髓 Dmax＜45 Gy， 心 臟 V30＜40%、V40＜30%。優(yōu)化權(quán)重設(shè)置：靶區(qū)（PGTV、PCTV）＞脊髓＞肺＞心臟。

1.4 計(jì)劃評(píng)估

通過(guò)劑量體積直方圖（Dose Volume Histogram，DVH）得到Manual-VMAT和Auto-VMAT計(jì)劃的靶區(qū)及OAR受照劑量-體積關(guān)系，然后兩兩進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）靶區(qū)。劑量分析指標(biāo)為PTV的平均劑量（Dmean）、2%、95%、98%靶區(qū)體積所受到的照射劑量（D2%、D95%、D98%）、適形度指數(shù)（Conformity Index，CI）、均勻性指數(shù)（Homogeneity Index，HI）等指標(biāo)，CI和HI的計(jì)算方法如公式(1)～(2)。

其中，Vt.ref為參考等劑量線面所包繞的靶區(qū)體積，Vt為靶區(qū)體積，Vref為參考等劑量線面所包繞的所有區(qū)域的體積，CI值越大，說(shuō)明劑量線適形度越好，而D2%和D98%分別是2%、98%的靶區(qū)體積接受的吸收劑量，DRx是指計(jì)劃設(shè)計(jì)設(shè)定的處方劑量，HI值越小，說(shuō)明劑量分布越均勻。

（2）OAR。劑量分析指標(biāo)為全肺分別受到不大于5、10、20和 30 Gy劑量照射的體積（V5、V10、V20和 V30），心臟的V30、V40和脊髓的最大點(diǎn)劑量（Dmax）等。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的均數(shù)均采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件先進(jìn)行正態(tài)分布分析，若滿足正態(tài)分布，則行配對(duì)t檢驗(yàn)，若不滿足正態(tài)分布，則行Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量分布比較

兩種計(jì)劃的靶區(qū)劑量分布均能滿足臨床劑量要求，但Auto-VMAT計(jì)劃在劑量分布均勻性和靶區(qū)覆蓋度方面均略優(yōu)于Munual-VMAT計(jì)劃（圖1）。對(duì)于PGTV來(lái)說(shuō)，與Manual-VMAT計(jì)劃比較，Auto-VMAT計(jì)劃中的Dmean、D2%、D98%和 HI分別平均降低1.3%、1.8%、0.3% 和16.7%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；而對(duì)于PCTV來(lái)說(shuō)，與Manual-VMAT計(jì)劃相比，Auto-VMAT計(jì)劃中的Dmean、D2%、D95%和HI分別平均降低0.9%、1.6%、0.8%和6.7%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；但CI增加了11.5%，差異也有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表2）。

圖1 1例食管癌患者的同一橫截面CT示例

表2 兩種VMAT計(jì)劃靶區(qū)劑量分布比較（±s）

表2 兩種VMAT計(jì)劃靶區(qū)劑量分布比較（±s）

靶區(qū) 參數(shù) Manual-VMAT Auto-VMAT t值 P 值PGTV Dmean/Gy 62.21 ± 0.65 61.41±0.25-3.18 ＜ 0.05 D2%/Gy 63.95±0.97 62.77±0.74 6.836 ＜ 0.05 D95%/Gy 60.59±0.74 60.34±0.37 1.724 ＞ 0.05 D98%/Gy 60.25±0.84 60.04±0.50-2.06 ＜ 0.05 CI 0.37±0.17 0.39±0.18 -1.23 ＞ 0.05 HI 0.06±0.02 0.05±0.02 6.73 ＜ 0.05 Dmean/Gy 59.27±1.31 58.72±1.33-2.97 ＜ 0.05 D2%/Gy 62.94±1.92 61.92±1.58-3.18 ＜ 0.05 D9%5/Gy 55.48±0.66 55.00±0.38-2.13 ＜ 0.05 D9%8/Gy 54.69±0.74 54.48±0.37 0.98 ＞ 0.05 CI 0.52±0.11 0.58±0.09 -3.84 ＜ 0.05 HI 0.15±0.04 0.14±0.02 -2.20 ＜ 0.05 PCTV

2.2 OAR劑量分布比較

從肺受量情況來(lái)看，與Manual-VMAT計(jì)劃比較，Auto-VMAT計(jì)劃中雙肺的Dmean降低3.1%，V20、V30分別降低9.0%、19.1%（P＜0.05）；但雙肺低劑量區(qū)V5、V10分別增加了5.7%、4.8%，但差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，僅V5的劑量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。與Manual-VMAT計(jì)劃比較，Auto-VMAT計(jì)劃的心臟Dmean、V30和V40分別平均降低12.25%、23.0%和24.0%，Auto-VMAT計(jì)劃中心臟、脊髓的劑量學(xué)指標(biāo)均比Manual-VMAT計(jì)劃中的明顯偏低，劑量差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（圖2、表3）。

圖2 Manual-VMAT計(jì)劃（實(shí)線）與Auto-VMAT計(jì)劃（虛線）的OAR DVH比較

表3 兩種VMAT計(jì)劃OAR劑量分布比較（±s）

表3 兩種VMAT計(jì)劃OAR劑量分布比較（±s）

OAR 參數(shù) Manual-VMAT Auto-VMAT t值 P值肺Dmean/Gy 12.57±1.82 12.18±2.13 1.59 ＞ 0.05 V5/% 54.09±5.10 57.18±7.78 -2.20 ＜ 0.05 V10/% 41.16±4.92 43.13±5.00 -1.42 ＞ 0.05 V20/% 24.13±3.74 21.97±5.78 -2.06 ＜ 0.05 V30/% 13.01±4.21 10.52±5.14 5.49 ＜ 0.05 Dmean/Gy 16.25±9.89 14.26±9.36 3.89 ＜ 0.05 V30/% 22.89±15.83 17.62±15.00 2.89 ＜ 0.05 V40/% 12.89±8.99 9.80±9.58 -2.35 ＜ 0.05脊椎 Dmax/Gy 40.93±1.78 39.46±2.41 2.35 ＜ 0.05心

2.3 計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間與機(jī)器跳數(shù)比較

計(jì)劃平均優(yōu)化時(shí)間包括前期各種參數(shù)的設(shè)置，以及優(yōu)化到滿足臨床處方要求所需的全部時(shí)間。本研究入組病例中，自動(dòng)計(jì)劃的平均優(yōu)化時(shí)間為50 min，而人工計(jì)劃受到靶區(qū)與OAR位置關(guān)系以及物理師經(jīng)驗(yàn)等因素的影響，優(yōu)化時(shí)間最短約55 min，最長(zhǎng)約100 min，平均優(yōu)化時(shí)間約85 min。在機(jī)器總跳數(shù)方面，Manual-VMAT計(jì)劃和Auto-VMAT計(jì)劃的平均機(jī)器總跳數(shù)分別為（381.8±66.7）MU和（422.3±60.7）MU，自動(dòng)計(jì)劃總跳數(shù)增加了9.6%（P＜0.05）。

3 討論與總結(jié)

放療計(jì)劃的質(zhì)量很大程度上取決于物理師在TPS上的優(yōu)化技巧和優(yōu)化時(shí)間。調(diào)強(qiáng)計(jì)劃設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和權(quán)重，TPS不斷對(duì)MLC進(jìn)行調(diào)制，優(yōu)化子野形狀，直到在一定范圍內(nèi)得到接近最優(yōu)解的劑量分布，這是一個(gè)逆向?qū)?yōu)的過(guò)程[12]。因此，在Manual-Planning的優(yōu)化過(guò)程中，計(jì)劃設(shè)計(jì)者在尋找靶區(qū)和OAR最合理的劑量體積限值和優(yōu)化權(quán)重方面需要花費(fèi)大量時(shí)間。然而，物理師的計(jì)劃設(shè)計(jì)思維和經(jīng)驗(yàn)存在差異，且TPS優(yōu)化結(jié)果通常具有大量的優(yōu)化解，導(dǎo)致不同計(jì)劃設(shè)計(jì)者的計(jì)劃無(wú)法確定是否為臨床的最優(yōu)計(jì)劃[13]。Auto-Planning可自動(dòng)模擬經(jīng)驗(yàn)豐富劑量師、物理師的計(jì)劃設(shè)計(jì)思維，根據(jù)初始給定的射線束和處方參數(shù)，自動(dòng)創(chuàng)建并添加額外的劑量適形輔助輪廓，修正劑量冷點(diǎn)、熱點(diǎn)，并通過(guò)反復(fù)調(diào)整IMRT/VMAT目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和權(quán)重，對(duì)OAR和靶區(qū)的重疊區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)最大化靶區(qū)劑量覆蓋和最小化OAR劑量[14]。

本研究結(jié)果顯示，兩種食管癌VMAT計(jì)劃的靶區(qū)劑量覆蓋均能滿足臨床處方要求，與Manual-VMAT計(jì)劃相比，Auto-VMAT計(jì)劃不僅沒(méi)有降低靶區(qū)劑量均勻性和適形度，而且靶區(qū)的受照劑量評(píng)估指標(biāo)均整體偏低，表明自動(dòng)計(jì)劃更具有優(yōu)勢(shì)。此外，本研究結(jié)果還顯示，Auto-VMAT計(jì)劃明顯減少了肺高劑量區(qū)（V20、V30）、脊髓、心臟的照射劑量，表明自動(dòng)VMAT計(jì)劃整體上降低了OAR的平均劑量，這與李凱旋等[11]的研究結(jié)果相似；這也說(shuō)明在人工計(jì)劃的設(shè)計(jì)過(guò)程中，計(jì)劃設(shè)計(jì)者由于經(jīng)驗(yàn)和時(shí)間有限，不能保證將每一個(gè)OAR限制到最低劑量，這或許是人工計(jì)劃質(zhì)量低于自動(dòng)計(jì)劃的重要原因。而自動(dòng)計(jì)劃最大的優(yōu)勢(shì)是在保證靶區(qū)覆蓋率的前提下盡可能地收緊對(duì)所有OAR劑量的限制，同時(shí)減小各個(gè)OAR限量在相似靶區(qū)之間的變化，在有限的時(shí)間內(nèi)保證治療計(jì)劃的質(zhì)量[15]。

然而，本研究結(jié)果還顯示，食管癌自動(dòng)VMAT計(jì)劃中的雙肺低劑量區(qū)（V5、V10）略微升高（僅V5的劑量差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義），但也在臨床可接受的范圍；升高的原因可能是 Auto-Planning計(jì)劃對(duì)脊髓、心臟等其他OAR的劑量限值過(guò)于嚴(yán)格，計(jì)劃優(yōu)化時(shí)，經(jīng)過(guò)該區(qū)域的VMAT調(diào)制通量減少，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)雙肺組織區(qū)域的通量增加。在本研究中，與人工計(jì)劃相比，每個(gè)計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)平均增加了41 MU，原因可能是自動(dòng)計(jì)劃通過(guò)添加更多的MLC調(diào)制從而實(shí)現(xiàn)了更好的計(jì)劃劑量分布。

本研究所選取的食管癌病例的靶區(qū)體積相對(duì)較小，因此基于Auto-Planning技術(shù)的VMAT計(jì)劃能達(dá)到滿意的結(jié)果；但本研究也嘗試做了特別復(fù)雜或靶區(qū)體積較大的食管癌病例的研究，自動(dòng)計(jì)劃未能很好地達(dá)到臨床處方要求，基于人工智能設(shè)計(jì)出來(lái)的放療計(jì)劃質(zhì)量都不會(huì)超過(guò)資深物理師自己設(shè)計(jì)的質(zhì)量。此外，Auto-Planning的局限性還在于不能自動(dòng)生成多處方或多中心點(diǎn)的治療計(jì)劃，不具備射野角度優(yōu)化功能，以及無(wú)法制作調(diào)強(qiáng)與適形的混合計(jì)劃[16]。

綜上所述，本研究顯示Auto-Planning適合做大量中低檔難度的、重復(fù)性高的早期病例；Auto-Planning的應(yīng)用可避免人工計(jì)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中重復(fù)和煩瑣的操作，縮短計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間，提升計(jì)劃設(shè)計(jì)效率，從而減輕物理師做計(jì)劃的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，Auto-Planning的應(yīng)用也有助于消除不同設(shè)計(jì)者之間計(jì)劃質(zhì)量差異，也可應(yīng)用于計(jì)劃設(shè)計(jì)初學(xué)者的訓(xùn)練。未來(lái)進(jìn)一步的研究也將探索Auto-Planning的臨床應(yīng)用價(jià)值。