Rapidplan優化模塊在左側乳腺癌術后調強放療中的應用研究*

桂記龍,鄒小艷

(四川省自貢市第一人民醫院:1.信息科;2.腫瘤科 643000)

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一。乳腺癌根治術后胸壁放射治療可以明顯降低腫瘤局部和區域淋巴結復發率,提高治愈率[1]。放射治療技術作為乳腺癌的一種重要的治療方式,目前已越來越廣泛地應用于臨床[2]。在傳統的計劃設計過程中,計劃的質量往往依賴于計劃設計者的經驗和技巧,不同地域、不同年資的物理師計劃質量存在差異性,且物理師花費大量時間優化靶區和危及器官劑量,尋找最優的計劃方案,耗時耗力。人工放療計劃質量與人為因素有很大關系,自動計劃能很好地解決人為差異，提高計劃質量,自動計劃是近年來的研究熱點[3-5]。具有代表性的有美國瓦里安公司Eclipse計劃系統的Rapidplan優化模塊及飛利浦公司Pinnacle計劃系統的Autoplan。本研究利用Rapidplan優化模塊建立左側乳腺癌根治術后胸壁固定野調強放療自動計劃,首先由物理師在Eclipse v13.6計劃系統(treatment planning system,TPS)制訂人工計劃,比較自動計劃和人工計劃的劑量學特性,分析Rapidplan優化模塊在左側乳腺癌根治術后胸壁固定野調強放療應用的可行性,為臨床提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

對2020年1月至2021年1月在本院治療的20例左側乳腺癌根治術后患者資料進行回顧性分析。放療靶區包括左側胸壁及鎖骨上淋巴引流區。使用熱塑膜及專用碳纖維板和枕頭固定患者,統一取仰臥位,采用CT模擬定位機進行增強掃描,CT掃描層厚3 mm,掃描范圍為環狀軟骨到第2腰椎。靶區勾畫參照ICRU-62號報告。本研究對象為乳腺癌根治術后患者,不涉及腫瘤區(gross target volume,GTV),僅有臨床靶區(clinical target volume,CTV)和計劃靶區(planning target volume,PTV)。勾畫CTV,其中CTV包括鎖骨上下淋巴引流區域、胸壁。CTV外放5 mm成為PTV。勾畫心臟、脊髓、健側乳腺、肱骨頭、食道、甲狀腺、肝臟及雙側肺組織等危及器官(organ at risk,OAR),所有患者胸壁放療技術均采用固定野調強放療。

1.2 方法

1.2.1計劃設計

瓦里安Eclipse V13.6計劃系統的Rapidplan模塊是一種基于先驗知識的機器學習方法,它通過提取分析模型庫中靶區和危及器官的空間位置信息及劑量分布信息,能夠很好地預測放療計劃,Rapidplan模塊需要通過計劃數據庫來建立和訓練劑量體積直方圖(dose volume histogram,DVH)預測模型。模型庫的具體創建流程[6]：首先,在模塊中創建一個新的模型,對其進行模型描述、臨床描述、適用范圍、添加結構等信息的填寫。然后導入選擇的20例左側乳腺病例制訂自動優化模塊,提取特定參數,訓練并核實,最終形成基于解剖特性和先驗知識的乳腺癌調強計劃自動優化模塊。處方劑量均為50 Gy/25 F。各危及器官的劑量參數為全肺V5<60%、V20<30%、 V30<20%；心臟 V30<40%、V40<30%、Dmean<12 Gy,脊髓Dmax<45 Gy,健側乳腺Dmean<5 Gy。人工計劃為既往臨床治療完成的計劃,均由物理師手工完成。人工計劃均采用與自動計劃相同的能量、處方、布野及優化算法。

1.2.2計劃評估

根據劑量-體積直方圖(dose-volume histogram,DVH)來評價靶區和危及器官的劑量學參數,參考ICRU-83號報告[7]。靶區的劑量學參數：D2、D98、平均劑量Dmean,其中D2、D98分別為包圍靶區體積2%、98%的最小劑量；均勻性指數(HI)=(D2-D98)/D50,其中D50為包圍靶區體積50%的最小劑量,HI值越接近0,表明靶區的均勻性越好。適形度指數(CI)=(VT,ref/VT)×(VT,ref/Vref),其中ref為95%處方劑量所覆蓋的靶區體積,VT為靶區體積,Vref為95%處方劑量所覆蓋的總體積,CI值越接近于1,說明靶區的適形度越好。各危及器官的劑量參數為全肺V5、V20、 V30；心臟 V30、V40、Dmean;脊髓Dmax;健側乳腺Dmean。此外,評估各計劃的機器跳數(monitor unit,MU)。

1.3 統計學處理

所有數據采用SPSS22.0軟件進行統計處理,采用配對t檢驗處理自動計劃與人工計劃的差異,P<0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 DVH比較

某個病例靶區和危及器官的DVH對比,自動計劃大部分危及器官受量低于人工計劃,自動計劃靶區均勻性也更好，見圖1。

圖1 自動計劃與人工計劃DVH對比

2.2 靶區和危及器官劑量學參數比較

基于Rapidplan模塊的自動計劃與物理師手動完成的人工計劃D2差異有統計學意義(P<0.05),但D98、Dmean、CI差異無統計學意義(P>0.05)；自動計劃的HI優于人工計劃,差異有統計學意義(P<0.05)，見表1。

表1 靶區劑量學參數比較

自動計劃全肺V5、V20均低于人工計劃,差異有統計學意義(P<0.05),但全肺 V30差異無統計學意義(P=0.789),自動計劃心臟 V30、V40、Dmean均比人工計劃低,差異有統計學意義(P<0.05)。脊髓Dmax、右乳(健側乳腺)Dmean也是自動計劃低于人工計劃,差異有統計學意義(P<0.05),見表2。

表2 危及器官劑量學參數比較

2.3 計劃優化效率與機器跳數比較

人工計劃的平均優化時間為(48.35±13.02)min,自動計劃平均優化時間為(35.53±12.35)min,差異有統計學意義(P<0.05)。人工計劃MU為1 506±311,自動計劃MU為1 192±182,差異有統計學意義(P<0.05)。

3 討 論

放射治療是乳腺癌患者的重要治療手段之一,在IMRT計劃設計中,需要物理師手動完成,并反復優化直至滿足臨床需求,為獲取更高質量的計劃,需要耗費大量的時間,計劃的質量依賴于設計者的經驗與技巧。而自動計劃可有效節約人力資源,降低不同設計者計劃設計的差異,滿足高質量的計劃設計要求。近年來,自動計劃技術被引入到各部位腫瘤放療計劃設計中[8-9]。在使用Rapidplan優化模塊過程中,其結果也不是全自動的,其優化過程往往需要手動調整靶區的權重和參數,仍然需要多次微調,但沒有增加計劃設計的復雜程度,優化的時間相對于人工計劃有大幅度降低(26.51%)。

固定野調強放療在保證靶區劑量的情況下保護了靶區周邊的危及器官,在多種腫瘤放療中均有報道[10-11]。減少肺、心臟等的照射劑量和照射體積可以降低放射性肺炎和放射性相關心臟病的發生[12]。本研究以左側乳腺癌為例,基于Eclipse v13.6計劃系統Rapidplan模塊探討IMRT自動計劃與人工計劃的區別,通過比較兩種放療計劃部分劑量學參數,探討自動計劃在左側乳腺癌術后胸壁固定野優化放療計劃的應用價值。臨床研究指出,與人工計劃相比,自動計劃在部分腫瘤放療計劃中能夠有效地實現計劃時間與質量的優化[13-14]。對左側乳腺癌術后胸壁放療自動計劃應用價值,未見有明確報道,本研究結果顯示,自動計劃比人工計劃靶區HI更有優勢(P<0.05),自動計劃的靶區均勻性明顯提高,這與吳建篪等[14]的研究結果類似。危及器官方面,肺、心臟、脊髓等大多數指標人工計劃高于自動計劃,自動計劃全肺的V5、V20均小于人工計劃,差異有統計學意義(P<0.05),而 V30差異無統計學意義(P=0.789)。心臟 V30、V40、Dmean結果為自動計劃小于人工計劃,差異有統計學意義(P<0.05)。GALLIO等[15]比較了肝癌立體定向放射治療Pinnacle計劃系統的自動計劃與人工計劃靶區和危及器官劑量學參數、機器跳數、計劃設計時間等,發現自動計劃能降低脊髓劑量和減少計劃設計時間,這與本研究結論基本一致。本研究自動計劃肺、心臟、脊髓等危及器官劑量降低,且計劃優化時間減少26.51%,提高了優化效率,根本原因在于Rapidplan是一種基于解剖結構和先驗知識的人工智能方法。在使用Rapidplan模塊進行計劃設計時,模塊既可以為每個危及器官提供一個預測區間供物理師參考,使用Rapidplan自動計劃生成的函數進行優化時,危及器官的劑量是按照預測區間的整個下限線進行優化。因此不僅可以有效地避免人工優化過程由于主觀性導致的欠優計劃,在優化過程中幫助物理師在制作過程中快速修改；而且對于每個危及器官而言,優化的目標參數也從常規的點擴大到了線,可以達到盡可能低的限值,從而獲得了比常規臨床計劃更佳的劑量分布,也提高了計劃制作的效率[6]。ZHANG等[16]和任江平等[17]比較了鼻咽癌自動計劃與人工計劃特點,認為自動計劃不僅有很好的靶區均勻性和適行度,還降低了脊髓、腦干的劑量,降低了機器跳數和計劃設計時間,這與本研究結果基本一致。

綜上所述,在左側乳腺癌根治術后胸壁固定野調強放療計劃中,使用Rapidplan優化模塊,在達到人工計劃靶區處方劑量的同時能進一步降低肺、心臟、脊髓等危及器官的劑量,也可縮短計劃設計時間,提高計劃質量,值得臨床推廣。