基于動(dòng)態(tài)腳本語言的食管癌IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)

劉 磊，吳愛東，閆 冰，張紅雁

基于動(dòng)態(tài)腳本語言的食管癌IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)

劉 磊，吳愛東，閆 冰，張紅雁

目的利用Solaris 10操作系統(tǒng)中自帶的Perl程序創(chuàng)建具有自適應(yīng)性質(zhì)的動(dòng)態(tài)腳本，實(shí)現(xiàn)調(diào)強(qiáng)放射治療（IMRT）計(jì)劃設(shè)計(jì)的自動(dòng)執(zhí)行，并研究其在計(jì)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景。方法選取6例食管癌患者，利用Perl程序創(chuàng)建動(dòng)態(tài)腳本，通過腳本回放，實(shí)現(xiàn)IMRT放療計(jì)劃的設(shè)計(jì)，并利用體積劑量，計(jì)劃完成時(shí)間等參數(shù)與人工設(shè)計(jì)的計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果在不明顯改變計(jì)劃質(zhì)量的前提下，腳本計(jì)劃時(shí)間（12.70± 1.47）min相比人工計(jì)劃時(shí)間（27.72±2.29）min平均縮短15 min，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。結(jié)論 利用Perl程序創(chuàng)建動(dòng)態(tài)腳本能夠自適應(yīng)靶區(qū)與劑量，通過腳本回放可快速完成IMRT計(jì)劃的設(shè)計(jì)。

Perl；IMRT；腳本；食管癌

調(diào)強(qiáng)放射治療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）是一種先進(jìn)的放療方法，能夠在提高靶區(qū)劑量的同時(shí)保護(hù)正常組織。設(shè)計(jì)IMRT計(jì)劃是目前物理師的主要工作之一，并極大的占用了物理師的工作時(shí)間。為了避免重復(fù)勞動(dòng)、提高工作效率，國內(nèi)外很多學(xué)者利用Pinnacle治療計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)具有的腳本功能開發(fā)出各種腳本，通過腳本的回放，自動(dòng)完成各項(xiàng)計(jì)劃參數(shù)的設(shè)置。但是，目前的腳本在設(shè)計(jì)過程中只能針對(duì)固定的靶區(qū)名稱及常規(guī)的劑量進(jìn)行，如果計(jì)劃中靶區(qū)名稱或處方劑量改變，則固定IMRT計(jì)劃模板就不再適用。該研究基于Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)的IMRT逆向優(yōu)化模塊，結(jié)合Perl程序與Pinnacle腳本程序，以食管癌為例，編程實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)態(tài)模板的IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)。自編程序能夠根據(jù)靶區(qū)名稱及靶區(qū)劑量自動(dòng)生成出適應(yīng)當(dāng)前計(jì)劃的動(dòng)態(tài)模板，通過模板回放可快速完成計(jì)劃的設(shè)計(jì)。

1 材料與方法

1.1 材料本研究使用Pinnacle 9.6計(jì)劃系統(tǒng)以及Solaris10中自帶的Perl程序。Pinnacle 9.6計(jì)劃系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)腳本的記錄與回放功能，即可記錄在計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中執(zhí)行的一系列序貫操作，在以后相同病種的計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，只需要回放已記錄的腳本就可以執(zhí)行相同步驟的操作［1］。

1.2 病例資料選取2014年1～3月安徽省立醫(yī)院放療科中上段食管癌住院患者6例，病理檢查證實(shí)為鱗癌，無放療禁忌證，年齡47～81歲，中位年齡64歲。所有患者仰臥位，采用放療體架加真空袋固定，做上體表標(biāo)記并行螺旋CT掃描，掃描范圍從環(huán)狀軟骨至肋隔角下緣，掃描層厚為2.5 mm，患者的CT圖像經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇innacle治療計(jì)劃系統(tǒng)。

1.3 靶區(qū)和危及器官（organ at risk，OAR）的勾畫

由放療醫(yī)師在CT圖像上逐層勾畫淋巴結(jié)大體腫瘤靶體積（gross tumor volume of lymph nodes，GTVnd）、淋巴結(jié)計(jì)劃靶體積（planning gross tumor volume of lymph nodes，PGTVnd）、臨床靶體積（clinical tumor volume，CTV）、計(jì)劃靶體積（planning tumor volume，PTV）和OAR。靶區(qū)勾畫基本標(biāo)準(zhǔn)：PGTVnd是在GTVnd基礎(chǔ)上外擴(kuò)0.5 cm形成；CTV勾畫上界為環(huán)甲膜水平，下界為原發(fā)腫瘤下3 cm，包括鎖骨上淋巴結(jié)引流區(qū)及2、4、5、7區(qū)；PTV是在CTV基礎(chǔ)上外擴(kuò)0.5 cm形成；食管癌OAR主要是脊髓、肺和心臟。

1.4 基于動(dòng)態(tài)模板的計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相對(duì)于固定模板的計(jì)劃設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)模板能夠根據(jù)靶區(qū)名稱及處方劑量自動(dòng)產(chǎn)生適應(yīng)該計(jì)劃的動(dòng)態(tài)腳本，并通過腳本回放完成計(jì)劃設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

調(diào)用Per1程序→

生成動(dòng)態(tài)模板→

Pinnacle回放腳本→

完成治療計(jì)劃

Perl程序產(chǎn)生動(dòng)態(tài)模板的流程如下，第一步：通過在Solaris 10中調(diào)用Perl程序編譯程序，程序提示物理師輸入所要處理的靶區(qū)名稱（PGTVnd、PTV）、所在解剖位置（頭頸部、胸部、腹部）、劑量、分次數(shù)和照射野數(shù)目。第二步：①為避免因建成效應(yīng)造成靶區(qū)劑量不足影響計(jì)劃評(píng)價(jià)，根據(jù)靶區(qū)名稱（PGTVnd、PTV）將靶區(qū)收至皮膚下0.5 cm，生成對(duì)應(yīng)的計(jì)劃靶區(qū)（PGTVnd＿plan、PTV＿plan）。②為了約束劑量更加適形靶區(qū)，動(dòng)態(tài)模板程序會(huì)根據(jù)靶區(qū)產(chǎn)生從靶區(qū)到正常組織之間的，劑量從高到低過渡的環(huán)狀（ring）劑量約束區(qū)（PGTVnd＿ring、PTV＿ring1和PTV＿ring2）。③對(duì)于2個(gè)或2個(gè)以上的靶區(qū)，為了避免在計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)靶區(qū)劑量不足，重疊的部分的處理采取處方劑量低的靶區(qū)讓位于高的靶區(qū)，產(chǎn)生（PTV-PGTVnd）。④根據(jù)程序開始時(shí)讀入的靶區(qū)數(shù)量添加照射野，具體到食管癌中，統(tǒng)一采用6個(gè)照射野（210°、310°、0°、50°、120°、150°）。⑤根據(jù)計(jì)劃的要求設(shè)置處方以及劑量線顯示。⑥設(shè)置IMRT的射野優(yōu)化參數(shù)，選擇優(yōu)化方式為直接子野優(yōu)化（direct machine parameter optimization，DMPO），并設(shè)定最大子野個(gè)數(shù)50，最小子野面積5 cm2以及最小劑量5 MU；⑦逐一添加IMRT優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

Perl程序生成動(dòng)態(tài)模板以后，由物理師回放整個(gè)動(dòng)態(tài)腳本，完成計(jì)劃設(shè)計(jì)。程序運(yùn)行實(shí)例如圖2所示。

1.5 計(jì)劃評(píng)估 在上述所有病例中，為減少不同物理師因經(jīng)驗(yàn)高低不同所導(dǎo)致的時(shí)間差異，同一病例由同一物理師采用動(dòng)態(tài)腳本語言和人工方法分別進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)。通過靶區(qū)劑量體積參數(shù)、靶區(qū)劑量均勻性指數(shù)、靶區(qū)劑量適形度指數(shù)、OAR受量和完成治療計(jì)劃時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行計(jì)劃的對(duì)比，證明動(dòng)態(tài)模板創(chuàng)建的食管癌治療計(jì)劃的有效性及快速性。

1.5.1 靶區(qū)劑量體積參數(shù)：靶區(qū)的最大劑量Dmax、最小劑量Dmin、平均劑量Dmean。

1.5.2 靶區(qū)劑量均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）

HI的值大于1，HI值越低（即越接近1），表示靶區(qū)劑量均勻性越好；反之，HI值越大表明劑量不均勻性較大。

1.5.3 靶區(qū)劑量適形度指數(shù)（conformity index，CI）

其中VT，ref為參考等劑量線所覆蓋的所有PTV體積，VT為PTV體積，Vref為參考等劑量線所包圍的所有體積。CI值為0～1，CI值越大，表示適形度越好，等于1時(shí)最理想。

1.5.4OAR受量 在食管癌計(jì)劃中，主要評(píng)估的OAR為心臟、全肺、脊髓。約束劑量分別為心臟V30＜40%，V40＜30%；全肺V20＜25%；V5＜60%；脊髓最大劑量Dmax＜45Gy。

1.5.5計(jì)劃完成時(shí)間T 計(jì)劃完成時(shí)間T指物理師從計(jì)劃設(shè)計(jì)開始至計(jì)劃完成所需要的時(shí)間。T值越小，表示計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間短，效率高；T值越大，表示計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，效率低。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)以±s表示。對(duì)動(dòng)態(tài)腳本語言和人工設(shè)計(jì)方法中的不同組數(shù)據(jù)間進(jìn)行配對(duì)設(shè)計(jì)t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

程序運(yùn)行比較順利。通過Perl程序創(chuàng)建的動(dòng)態(tài)模板設(shè)計(jì)完成的ＩＭＲＴ計(jì)劃均滿足臨床要求。

2.1部分Perl程序代碼 本研究編寫的部分Perl程序代碼如下：

2.2 動(dòng)態(tài)模板計(jì)劃結(jié)果腳本計(jì)劃與人工計(jì)劃在靶區(qū)劑量體積參數(shù)、靶區(qū)HI、靶區(qū)CI和OAR受量方面差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而在計(jì)劃完成時(shí)間上，腳本計(jì)劃時(shí)間（12.70±1.47）min相比人工計(jì)劃時(shí)間（27.72±2.29）min平均縮短15 min，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。表明腳本計(jì)劃在不明顯改變計(jì)劃質(zhì)量的前提下，能夠大幅度節(jié)省計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間。見表1、2。

表1 人工計(jì)劃與腳本計(jì)劃靶區(qū)劑量比較（±s）

表1 人工計(jì)劃與腳本計(jì)劃靶區(qū)劑量比較（±s）

項(xiàng)目參數(shù)人工計(jì)劃腳本計(jì)劃t值P值PGTVndDmax（Gy）65.38±0.8365.53±0.92－1.180.29 Dmin（Gy）55.16±2.8055.55±2.80－0.960.38 Dmean（Gy）62.83±0.2162.81±0.260.600.57 CI0.68±0.170.68±0.17－0.190.86 HI0.086±0.0120.087±0.012－0.620.57 PTVDmax（Gy）65.38±0.8365.53±0.92－1.180.29 Dmin（Gy）36.48±5.4235.30±4.921.180.28 Dmean（Gy）54.90±0.9354.89±1.03－0.800.46 CI0.79±0.190.80±0.02－1.200.28 HI0.240±0.0220.240±0.0210.610.58

表2 人工計(jì)劃與腳本計(jì)劃OAR比較（±s）

表2 人工計(jì)劃與腳本計(jì)劃OAR比較（±s）

項(xiàng)目人工計(jì)劃腳本計(jì)劃t值P值脊髓Dmax（Gy）43.00±1.5742.96±1.410.250.81肺V20（%）20.20±1.6720.28±1.21－0.400.71肺V5（%）51.32±5.6251.43±5.780.590.58心臟V30（%）18.30±14.6618.21±14.730.710.51心臟V40（%）10.63±8.8710.60±8.760.310.77

3 討論

目前Pinnacle的腳本功能已在國內(nèi)外很多醫(yī)院得到廣泛應(yīng)用，美國Royal Perth［2］醫(yī)院還將研究結(jié)果匯制成集。單一利用腳本功能產(chǎn)生的固定模板已經(jīng)在鼻咽癌、乳腺癌等得到了應(yīng)用，陳維軍等［3］利用腳本功能完成了乳腺癌的計(jì)劃設(shè)計(jì)，柏朋剛［4］也利用腳本功能完成了鼻咽癌的計(jì)劃設(shè)計(jì)，通過腳本產(chǎn)生自動(dòng)三維靶區(qū)命名系統(tǒng)［5］，但由于單純利用腳本，功能單一，因此Pinnacle腳本和第三方嵌入式編程是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。利用Perl產(chǎn)生動(dòng)態(tài)腳本用于治療計(jì)劃的自動(dòng)確認(rèn)，利用Perl產(chǎn)生動(dòng)態(tài)腳本創(chuàng)建IMRT的QA計(jì)劃，利用動(dòng)態(tài)腳本自動(dòng)引導(dǎo)容積弧形調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃的設(shè)計(jì)過程，這些臨床應(yīng)用都證明了動(dòng)態(tài)腳本的有效性和快速性［6－8］。

3.1 初始化參數(shù)設(shè)置通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)各個(gè)固定模板之間的差異主要集中在靶區(qū)和OAR命名、靶區(qū)劑量和分次、照射野數(shù)量等方面，因此上述參數(shù)要求物理師手工輸入?？紤]到頭頸、胸和腹部的OAR相對(duì)固定，因此本文處理方法是由物理師輸入腫瘤所在解剖部位（頭頸、胸、腹），程序自動(dòng)添加該部位的所有器官名稱以及限量目標(biāo)函數(shù)。

3.2 照射野角度設(shè)置由于靶區(qū)與正常組織相對(duì)位置不同，因此并沒有固定的最優(yōu)照射野角度。王彬冰等［9］利用遺傳算法優(yōu)化三維適形放療計(jì)劃的入射野角度，為照射野角度的自動(dòng)選擇提供了理論依據(jù)。在本文處理中并不涉及照射野角度的優(yōu)化，物理師僅根據(jù)輸入的照射野數(shù)量，在360°的范圍內(nèi)均分整個(gè)照射野，最后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)再調(diào)整照射野角度。

3.3 多靶區(qū)處理方式對(duì)于含有多個(gè)靶區(qū)的計(jì)劃，為避免靶區(qū)相互重疊使優(yōu)化條件產(chǎn)生矛盾，需要將低劑量靶區(qū)讓位與高劑量靶區(qū)。本文采取的思路是依照靶區(qū)劑量高低對(duì)靶區(qū)名稱設(shè)定優(yōu)先級(jí)，在依次存入靶區(qū)名稱及劑量數(shù)組中。采用循環(huán)將靶區(qū)倒序相減，形成新靶區(qū)，命名為，并遍歷整個(gè)數(shù)組。如下式所示：

其中，ROIn表示靶區(qū)名稱數(shù)組中第n位的靶區(qū)名稱表示依照靶區(qū)名稱從第0位加至第n－1位。

對(duì)于每個(gè)靶區(qū)的ring劑量約束區(qū)，本文采用的方法是將每個(gè)靶區(qū)分別外擴(kuò)（0.3 cm、1 cm、2 cm）并分別存入3個(gè)靶區(qū)名稱數(shù)組中，即0.3ROIn、1ROIn、2ROIn。類似于靶區(qū)重疊處理方法，將0.3ROIn、1ROIn、2ROIn倒序相減，命名為ROIn＿ring。如下式所示：

本文利用第三方編程軟件Perl與腳本功能混合，通過物理師輸入相應(yīng)參數(shù)，由計(jì)算機(jī)生成適應(yīng)于該IMRT計(jì)劃的個(gè)性化腳本語句，提高了腳本的適應(yīng)性。從計(jì)劃設(shè)計(jì)的本質(zhì)上來說，動(dòng)態(tài)模版與人工或固定模版的計(jì)劃優(yōu)化初始條件相同且動(dòng)態(tài)模板并沒有涉及優(yōu)化參數(shù)的更新，因此兩者之間的優(yōu)化結(jié)果不應(yīng)有顯著差別，但由于靶區(qū)處理、添加照射野及優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是利用腳本完成，計(jì)劃完成時(shí)間顯著減少。

本文以食管癌計(jì)劃為例闡述了動(dòng)態(tài)模板的整個(gè)工作流程，臨床推廣至其他病種證明同樣是適用的，僅僅是靶區(qū)名稱、處方劑量及分次的不同，這對(duì)于放療計(jì)劃設(shè)計(jì)的智能化具有很重要的意義。然而這一程序目前并不能對(duì)照射野角度進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，未來還需進(jìn)一步深入研究。

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［3］ 柏朋剛.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的鼻咽癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃自動(dòng)化設(shè)計(jì)［J］.醫(yī)療裝備，2013，26（2）：6－9.

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IMRT design for esophageal carcinoma based on dynamic scripts

Liu Lei，Wu Aidong，Yan Bing，et al
（Dept of Radiotherapy and Oncology，The Affiliated Provincial Hospital of Anhui Medical University，Hefei 230001）

ObjectiveUnderwent adaptive dynamic scripts based on the Perl program of Solaris 10 operating system and scripting playback of pinnacle system which automatically performed the plan of intensity modulated radiotherapy and analyzed the dose distribution produced by the dynamic scripts，and then explored them in the treatment plan of intensity modulated radiotherapy.MethodsSix patients with esophageal carcinoma received radiotherapy were selected.Two IMRT plans for each patient were designed：the artificial plan and the plan based on the dynamic scripts through playback function.The dose volume histogram，plan completion time，and other parameters were compared respectively.ResultsThe average time of IMRT plan（12.70±1.47）minutes achieved by the application of dynamic scripts was 15 minutes shorter than that of the artificial plan（27.72±2.29）minutes，and the difference was statistically significant（P＜0.05）.ConclusionThe dynamic scripts based on the Perl program can adapt the targets and dose，and can quickly fulfill the IMRT plan through playback function.

Perl；IMRT；script；esophageal carcinoma

R 811.1

1000－1492（2015）02－0209－05

2014－09－30接收

安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：KJ2010B380）

安徽醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院放療科，合肥 230001

劉 磊，男，碩士研究生；吳愛東，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，責(zé)任作者，E-mail：aidongwu＠21cn.com