直腸癌放射治療中快速自動計(jì)劃設(shè)計(jì)的可行性研究

張海英，陳元華，朱 驥，李桂超，胡偉剛，彭佳元

復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射治療中心，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032

直腸癌是常見的消化道腫瘤之一［1］。放射治療是直腸癌的常規(guī)治療手段之一［2-5］。現(xiàn)有的放射治療計(jì)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）能夠進(jìn)行調(diào)強(qiáng)適形放療（intensitymodulated radiotherapy，IMRT）計(jì)劃設(shè)計(jì)，幫助計(jì)劃設(shè)計(jì)者優(yōu)化劑量分布，使其與靶區(qū)適形并保護(hù)正常組織。在IMRT治療中，治療計(jì)劃質(zhì)量對放療的潛在療效有直接影響，且計(jì)劃質(zhì)量高度依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)水平。此外，傳統(tǒng)IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)反復(fù)優(yōu)化迭代的過程，較為耗時(shí)。

為提高計(jì)劃設(shè)計(jì)效率，并使計(jì)劃質(zhì)量保持在較高水平，自動計(jì)劃設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，目前已發(fā)展出幾大分支［6］：一種是基于腳本語言的自動計(jì)劃設(shè)計(jì)技術(shù)；另一種是基于知識的自動計(jì)劃設(shè)計(jì)技術(shù)。在以上的自動計(jì)劃方法中，計(jì)劃設(shè)計(jì)者仍然需要通過耗時(shí)的優(yōu)化過程才能達(dá)成目標(biāo)。而對于復(fù)雜病例，迭代優(yōu)化過程中還需反復(fù)試錯(cuò)，才能找到可行方案。

如何才能突破放射治療中IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)效率的瓶頸呢？在自適應(yīng)放射治療領(lǐng)域，當(dāng)患者在不同的治療分次中，體內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)（尤其是腫瘤靶區(qū)形狀）發(fā)生變化時(shí)，會通過自適應(yīng)技術(shù)調(diào)整治療計(jì)劃，使調(diào)整后的治療計(jì)劃更加適用于當(dāng)前狀態(tài)的患者解剖結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的自適應(yīng)方法可以由計(jì)劃設(shè)計(jì)者針對患者變化的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工二次計(jì)劃設(shè)計(jì)。當(dāng)患者解剖結(jié)構(gòu)未發(fā)生根本性變化時(shí)，研究人員通過使用基于射野形變的自動計(jì)劃設(shè)計(jì)技術(shù)來快速調(diào)整之前的放療計(jì)劃［7］，使劑量分布與當(dāng)前分次的靶區(qū)更加適形。

受自適應(yīng)放射治療中射野形變技術(shù)的啟發(fā)，我們開發(fā)了快速自動計(jì)劃（quick auto-planning，QAP）系統(tǒng)，并將其運(yùn)用于不同直腸癌患者的IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)中。通過新的快速射野形變算法與射野權(quán)重計(jì)算方法，研究以下可行性：將直腸癌的調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間縮短到10 s以內(nèi)；快速自動計(jì)劃設(shè)計(jì)的計(jì)劃質(zhì)量接近于模板計(jì)劃質(zhì)量和人工計(jì)劃質(zhì)量。

1 材料和方法

1.1 QAP方法

QAP算法流程見圖1，主要包含以下步驟。

1.1.1 3D靶區(qū)投影得到2D輪廓

一般來說，3D靶區(qū)就是計(jì)劃靶區(qū)體積（planning target volume，PTV）。模板計(jì)劃是一個(gè)臨床已接受的用于實(shí)際治療的典型治療計(jì)劃樣本，目標(biāo)計(jì)劃是新患者待設(shè)計(jì)計(jì)劃。目標(biāo)計(jì)劃的射野分布繼承于模板計(jì)劃的射野分布。對于所有射野方向，PTV被投影至等中心平面以獲得在該射野方向視觀內(nèi)的2D PTV輪廓。等中心平面為穿過等中心點(diǎn)，正交于射野中心軸的平面。因?yàn)樯湟耙话銉H限于PTV區(qū)域，所以不需要考慮PTV外其他結(jié)構(gòu)。

1.1.2 模板PTV輪廓與目標(biāo)PTV輪廓的邊界分析

將模板PTV輪廓S與目標(biāo)PTV輪廓S’的質(zhì)心對齊之后，通過邊界分析將S映射到S’。該步驟在極坐標(biāo)下進(jìn)行，將模板輪廓S和目標(biāo)輪廓S’分別描述為R=S（θ）與R’=S’（θ），模板輪廓函數(shù)S與半徑R和角度θ相關(guān)，而目標(biāo)輪廓函數(shù)S’與半徑R’和角度θ相關(guān)。如果形變函數(shù)為V（θ），則得到下式：

那么，形變函數(shù)為：

1.1.3 射野開口形變

將模板計(jì)劃射野開口F與目標(biāo)計(jì)劃射野開口F’分別描述為R=F（θ）與R'=F'（θ），模板計(jì)劃射野開口函數(shù)F與半徑R、角度θ相關(guān)，目標(biāo)計(jì)劃射野開口函數(shù)F’與半徑R’、角度θ相關(guān)。由式⑵得到形變函數(shù)V（θ）之后，目標(biāo)計(jì)劃射野開口F’，可通過模板計(jì)劃射野開口F由下式得到：

對所有射野方向的所有子野都進(jìn)行射野開口形變。

1.1.4 射野權(quán)重計(jì)算

由于目標(biāo)患者腫瘤位置及其尺寸可能與模板患者不同，需要重新計(jì)算目標(biāo)計(jì)劃的劑量權(quán)重，使目標(biāo)計(jì)劃各射野貢獻(xiàn)于參考點(diǎn)（等中心點(diǎn)）的劑量與模板計(jì)劃相同。

對于等中心照射技術(shù)，等中心的點(diǎn)劑量（point dose，PD）由式⑷、⑸得到［8］：

下標(biāo)s與t分別表示模板計(jì)劃射野與目標(biāo)計(jì)劃射野，MU為計(jì)劃的總跳數(shù)，W為射野權(quán)重，TMR為組織最大劑量比，OF是校準(zhǔn)距離為SCD的輸出因子，SAD因子等于(SCD/SAD)2。使：

可以得到：

因此，目標(biāo)計(jì)劃射野權(quán)重可由下式得到：

根據(jù)式⑻，目標(biāo)計(jì)劃所有射野的總權(quán)重為：

其中，j為射野編號，n為射野總數(shù)。最后，將式⑻中的射野權(quán)重Wt歸一到式⑼中的總射野權(quán)重Wtotal_t。目標(biāo)計(jì)劃各射野的最終射野權(quán)重為：

其中，i也為射野編號。

最后，目標(biāo)計(jì)劃由得到的射野開口和對應(yīng)的射野權(quán)重組合而生成。所有步驟均由自制的基于MATLAB（美國MathWorks公司產(chǎn)品）環(huán)境開發(fā)的QAP系統(tǒng)執(zhí)行。最后再將計(jì)劃導(dǎo)回Pinnacle TPS，借助劑量計(jì)算引擎，完成劑量計(jì)算和劑量評價(jià)。

圖 1 QAP算法流程圖Fig. 1 The work fl ow of the methodology of the QAP algorithm

1.2 可行性分析

本研究選取了9例直腸癌患者對QAP技術(shù)進(jìn)行可行性驗(yàn)證。處方劑量為50 Gy（2 Gy/次）的等劑量線至少覆蓋95%的PTV。1號患者的IMRT計(jì)劃在Pinnacle TPS（荷蘭Philips公司產(chǎn)品）上設(shè)計(jì)完成，在Elekta Synergy VMAT加速器（瑞典Elekta公司產(chǎn)品）上執(zhí)行，該計(jì)劃共包含7個(gè)共面6 MV光子射野。將該計(jì)劃作為模板計(jì)劃樣本，通過QAP系統(tǒng)為其他8例目標(biāo)患者生成QAP計(jì)劃。為比較QAP計(jì)劃與人工計(jì)劃的質(zhì)量，8例目標(biāo)患者由劑量師完成人工計(jì)劃設(shè)計(jì)，用于隨后的QAP計(jì)劃與人工計(jì)劃之間的比較。

對于QAP計(jì)劃設(shè)計(jì)，首先將模板計(jì)劃與目標(biāo)計(jì)劃的PTV導(dǎo)入QAP系統(tǒng)，然后將模板計(jì)劃信息（包括射野角度、射野中心、射野形狀及劑量權(quán)重等）導(dǎo)入QAP系統(tǒng)。通過上述射野形變和權(quán)重計(jì)算算法，生成QAP計(jì)劃。最后將新生成的8例目標(biāo)患者的計(jì)劃回傳至Pinnacle TPS，借助劑量計(jì)算引擎來進(jìn)行最終的劑量計(jì)算與劑量評價(jià)。

在劑量評價(jià)中，靶區(qū)的評價(jià)指標(biāo)為D1%、D99%、Dmean、均勻指數(shù)（homogeneity index，HI）和適形指數(shù)（conformity index，CI）。HI=(D2%-D98%)/Dp，CI=VRI/TV，其中Dx%為x%靶區(qū)體積接受的劑量，Dp為處方劑量，VRI為處方劑量線所包裹的體積，TV為靶區(qū)體積。HI值越小，說明靶區(qū)內(nèi)劑量越均勻；CI越接近于1，說明適形性越好。對于正常組織，膀胱，左右股骨頭的評價(jià)指標(biāo)為Dmean。

QAP計(jì)劃與人工計(jì)劃各項(xiàng)劑量評價(jià)指標(biāo)，通過SPSS 22.0軟件，采用配對t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 QAP效率評估

QAP系統(tǒng)在MacBook Pro筆記本電腦上運(yùn)行，該電腦硬件配置為：2.8 GHz Intel Core i7 處理器，10 GB 1 222 MHz DDR3內(nèi)存和1塊固態(tài)硬盤。8例目標(biāo)計(jì)劃的計(jì)算時(shí)間均小于6 s（不包括靶區(qū)文件和計(jì)劃文件的讀取時(shí)間）。相比于人工計(jì)劃設(shè)計(jì)用時(shí)（平均1 h），QAP計(jì)劃所用時(shí)間明顯縮短，顯著提高了計(jì)劃設(shè)計(jì)的效率。

2.2 QAP計(jì)劃質(zhì)量評估

表1為模板計(jì)劃、QAP計(jì)劃、人工計(jì)劃的靶區(qū)劑量和正常組織劑量統(tǒng)計(jì)。通過比較模板計(jì)劃和QAP計(jì)劃的劑量指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，QAP計(jì)劃的PTV D99%略小于模板計(jì)劃，PTV D1%略大于模板計(jì)劃。QAP計(jì)劃在膀胱與左股骨頭的Dmean上略大于模板計(jì)劃，右股骨頭Dmean略小于模板計(jì)劃。

通過對比QAP計(jì)劃與人工計(jì)劃的靶區(qū)和正常組織劑量指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，QAP計(jì)劃的PTV D99%略小于人工計(jì)劃，PTV D1%略大于人工計(jì)劃。對于正常組織，QAP計(jì)劃在膀胱Dmean上略小于人工計(jì)劃；在左、右股骨頭Dmean上略大于人工計(jì)劃。其他劑量指標(biāo)詳見表1。其中V100%為靶區(qū)體積接受100%處方劑量的體積百分?jǐn)?shù)。

表 1 模板計(jì)劃、QAP計(jì)劃、人工計(jì)劃的靶區(qū)劑量和正常組織劑量統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Dose statistics for PTV and organs at risk dose of the template plan, QAP plans and manual plans

PTV與正常組織（膀胱與左右兩側(cè)股骨頭）在兩個(gè)正交等中心層面（0°和90°）上的相對位置與體積交疊情況見圖2。模板計(jì)劃（圖2A）與隨機(jī)選取的3例QAP計(jì)劃（圖2B～2D），在PTV與正常組織的相對位置及體積交疊情況差異較大，是QAP計(jì)劃與模板計(jì)劃正常組織劑量存在差異的原因所在。

模板計(jì)劃（3A）與1例QAP計(jì)劃（3B）的PTV形狀和劑量分布見圖3。在冠狀位和矢狀位層面上，該QAP計(jì)劃的PTV在頭腳方向與模板計(jì)劃存在較大差異，但QAP系統(tǒng)完成了從模板計(jì)劃到QAP計(jì)劃的形變。最終，QAP計(jì)劃的100%、95%與90%等劑量線與模板計(jì)劃一樣，都緊緊包繞在PTV周圍。雖然QAP計(jì)劃的CI值略差于模板計(jì)劃，但是QAP計(jì)劃的劑量分布同樣與PTV適形。

圖 2 模板計(jì)劃（A）和QAP計(jì)劃（B～D）在0°和90°射野方向視觀上PTV與正常組織的位置及交疊情況Fig. 2 PTV and organ at risk locations and overlapping in 0° and 90° BEV directions of the template plan (A) and the QAP plans (B-D)

圖 3 模板計(jì)劃（A）與1例QAP計(jì)劃（B）PTV形狀和劑量線（處方劑量的100%、95%與90%）Fig. 3 PTV shape and iso-dose line (100%, 95% and 90% of the prescription dose) of the template (A) and one QAP plan (B)

3 討 論

在本研究中，本中心自主開發(fā)了基于PTV輪廓邊界分析的射野形變算法和射野權(quán)重計(jì)算方法，并將其整合到QAP系統(tǒng)中。此方法快速高效地完成了直腸癌的IMRT自動計(jì)劃設(shè)計(jì)，雖然計(jì)劃質(zhì)量略低于模板計(jì)劃和人工計(jì)劃，但是非常接近。另外，計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間從人工優(yōu)化的1 h縮短到了本系統(tǒng)的6 s內(nèi)，這使得在醫(yī)師完成靶區(qū)及正常組織勾畫后立刻自動生成放射治療計(jì)劃并開始進(jìn)行放射治療成為可能。

此前的射野開口形變技術(shù)主要局限于自適應(yīng)放療領(lǐng)域［7］，用于應(yīng)對治療過程中解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化，其有效性已經(jīng)得到證實(shí)。在Ahunbay等［7］的方法中，笛卡爾坐標(biāo)系下的射野形變向量與X及Y的位置有關(guān)。為進(jìn)一步提高效率，本研究在極坐標(biāo)下進(jìn)行輪廓變形和射野開口形變。為更好地適用于患者間的計(jì)劃生成，本研究直接使用TMR和OF計(jì)算射野權(quán)重，而不是采用Ahunbay等［7］的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化方法。

本系統(tǒng)可以利用其快速計(jì)劃設(shè)計(jì)能力在小于6 s的時(shí)間內(nèi)完成IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)。有報(bào)道指出，腫瘤體積在放射治療前的等待期內(nèi)會發(fā)生變化［9］，等待時(shí)間是放療預(yù)后的不利因素。在計(jì)劃設(shè)計(jì)期間，腫瘤體積或位置可能隨時(shí)間的變化而變化，這會影響劑量評價(jià)的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡可能減少患者等待時(shí)間［10］。本系統(tǒng)顯著地縮短了計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間，從而可以在一定程度上減少患者放射治療前等待時(shí)間。

本研究結(jié)果表明，QAP系統(tǒng)可以勝任在PTV形狀具有較大差異時(shí)的射野形變工作并達(dá)到接近于模板計(jì)劃和人工計(jì)劃的質(zhì)量。然而，也觀察到自動計(jì)劃中正常組織與模板計(jì)劃和人工計(jì)劃存在差異。其原因在于：首先，目標(biāo)計(jì)劃中的正常組織與模板計(jì)劃的正常組織位置和大小存在差異；其次，射野形變中未考慮正常組織的因素。在后續(xù)的研究中，正常組織的因素也將納入射野形變中，以求對正常組織給予更有效的保護(hù)。

本QAP系統(tǒng)開發(fā)了新的射野形變技術(shù)，并將該技術(shù)在直腸癌患者IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)中進(jìn)行了可行性測試。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)可顯著提高直腸癌的計(jì)劃設(shè)計(jì)效率，并且其計(jì)劃質(zhì)量接近于傳統(tǒng)的IMRT優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)的計(jì)劃質(zhì)量。