自動(dòng)調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃與手動(dòng)調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃的劑量學(xué)比較研究*

曾廣平 康盛偉 唐 斌 黎 杰 王 培

自動(dòng)計(jì)劃因?yàn)槟軌虮M量避免計(jì)劃設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)放射治療計(jì)劃時(shí)的人為失誤，與不同設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)計(jì)劃的差異，以及避免大量的人為干預(yù)調(diào)停來(lái)進(jìn)行調(diào)試的優(yōu)勢(shì)，而被廣泛采用[1-2]。Pinnacle39.10自動(dòng)計(jì)劃確實(shí)能夠使危及器官(organ at risk，OAR)的受照射劑量更低，靶區(qū)的適形度更好[3]。然而，目前缺少對(duì)自動(dòng)計(jì)劃相對(duì)手動(dòng)計(jì)劃設(shè)計(jì)的客觀評(píng)價(jià)研究。為此，本研究旨在應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)劑量驗(yàn)證模體和劑量目標(biāo)作為客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估自動(dòng)調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)計(jì)劃在臨床中的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備與材料

放射治療設(shè)備采用Axesse型加速器(瑞典醫(yī)科達(dá)公司)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)模體和標(biāo)準(zhǔn)靶區(qū)勾畫

本研究使用的美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)會(huì)(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)第119號(hào)報(bào)告所用標(biāo)準(zhǔn)模體和標(biāo)準(zhǔn)靶區(qū)勾畫[4]。所用模體有多靶區(qū)模體、前列腺模體、頭頸模體、Cshape結(jié)構(gòu)模體(簡(jiǎn)單、復(fù)雜)4種。多靶區(qū)模體為上、中、下3個(gè)圓柱形靶區(qū)，并擁有同一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，每個(gè)靶區(qū)的直徑和長(zhǎng)度均為4 cm，多靶區(qū)模體冠狀面和橫斷面見圖1。

前列腺模體為前列腺臨床靶區(qū)(clinical target volume，CTV)、計(jì)劃靶區(qū)(planing target volume，PTV)、OAR直腸和膀胱。前列腺CTV是一個(gè)左右、上下及前后尺寸分別為4.0 cm、2.6 cm和6.5 cm的橢圓形器官。PTV是在CTV的基礎(chǔ)上各個(gè)方向擴(kuò)大0.6 cm。直腸是一個(gè)直徑為1.5 cm緊鄰前列腺后方成犬牙交錯(cuò)的橢圓形器官。膀胱是一個(gè)左右、上下及前后尺寸分別為5.0 cm、4.0 cm和5.0 cm，位置在前列腺的后方，前列腺模體冠狀面和橫斷面見圖2。

圖2 前列腺模體示圖

頭頸模體包括頭頸PTV、脊髓和腮腺。PTV從皮膚向內(nèi)縮進(jìn)0.6 cm，脊髓和靶區(qū)之間相隔1.5 cm，腮腺在PTV的上面并且被隔開。橫斷面和3D顯示見圖3。

圖3 頭頸模體示圖

Cshape模體包括PTV和脊髓。中心位置的脊髓是一個(gè)半徑為1 cm的圓柱體，脊髓和PTV之間的距離是0.5 cm。因此，PTV內(nèi)側(cè)圓弧半徑為1.5 cm，PTV外側(cè)圓弧半徑是3.7 cm。PTV長(zhǎng)度為8 cm，脊髓長(zhǎng)度為10 cm。橫斷面和3D顯示見圖4。

圖4 Cshape模體示圖

1.3 劑量設(shè)定目標(biāo)

在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)靶區(qū)勾畫的劑量設(shè)定目標(biāo)中，使用AAPM第119報(bào)告中所用標(biāo)準(zhǔn)模體和標(biāo)準(zhǔn)靶區(qū)勾畫，在設(shè)計(jì)放射治療計(jì)劃時(shí)以AAPM第119號(hào)報(bào)告中九家醫(yī)院計(jì)劃的平均值為參考指標(biāo)，除多靶區(qū)模體Central靶區(qū)劑量(D10)和Cshape模體(復(fù)雜)未達(dá)到要求外，其余指標(biāo)在很大程度上優(yōu)于給出劑量目標(biāo)和AAPM平均值。

1.4 計(jì)劃評(píng)估

利用Pinnacle39.10計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)AAPM第119號(hào)報(bào)告中所使用模體的靶區(qū)勾畫分別做Auto-IMRT和Manual-IMRT放射治療計(jì)劃，利用劑量-體積直方圖(dose-volume histogram，DVH)統(tǒng)計(jì)不同模體中OAR和靶區(qū)的相關(guān)劑量參數(shù)、靶區(qū)適形度指數(shù)和靶區(qū)均勻性指數(shù)，對(duì)兩種計(jì)劃設(shè)計(jì)所需總優(yōu)化時(shí)間、人工調(diào)停次數(shù)以及機(jī)器跳數(shù)(MU)進(jìn)行比較。

靶區(qū)適形度指數(shù)計(jì)算為公式1：

式中VTref為參考等劑量面包繞的靶區(qū)體積，VT為靶區(qū)體積，Vref為參考等劑量面包繞的所有區(qū)域的體積，CI越接近1，靶區(qū)適形度越好[5])。

靶區(qū)均勻性指數(shù)計(jì)算為公式2：

式中D2%為近似最大劑量，D98%為近似最小劑量，HI越接近0，靶區(qū)均勻性越好[6-7]。

1.5 計(jì)劃設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)計(jì)劃中心點(diǎn)：①多靶區(qū)模體計(jì)劃中心點(diǎn)取在中間靶區(qū)的中心點(diǎn)；②前列腺模體計(jì)劃中心點(diǎn)取在PTV的中心點(diǎn)；③頭頸模體計(jì)劃中心點(diǎn)取在PTV的中心點(diǎn)；④Cshape結(jié)構(gòu)模體計(jì)劃中心點(diǎn)取垂直方向距離PTV中心2.5 cm處。

(2)計(jì)劃參數(shù)：計(jì)劃設(shè)計(jì)使用Axesse型加速器，能量為6 MV；多靶區(qū)和前列腺模體計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)使用7野均分布野，機(jī)架角度為150°、100°、50°、0°、310°、260°和210°，頭頸和Cshape模體計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)使用9野均分布野，機(jī)架角度為179°、140°、100°、60°、20°、340°、300°、260°和220°。

1.6 計(jì)劃系統(tǒng)參數(shù)

在計(jì)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)參數(shù)如果保持默認(rèn)很難達(dá)到目標(biāo)值，自動(dòng)計(jì)劃在自動(dòng)優(yōu)化時(shí)也因達(dá)不到設(shè)定目標(biāo)值很容易報(bào)錯(cuò)。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，對(duì)每個(gè)放射治療計(jì)劃均將其默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行修改，其參數(shù)值見表1。

1.7 劑量評(píng)價(jià)指標(biāo)

在多靶區(qū)模體中比較99%靶區(qū)所對(duì)應(yīng)的劑量(D99)和10%靶區(qū)所對(duì)應(yīng)的劑量(D10)；在前列腺模體中比較計(jì)劃靶區(qū)PTV的D95和D5，直腸和膀胱的D30和D10；在頭頸模體中比較PTV的D99、D90和D20，脊髓的最大劑量(Dmax)，以及腮腺的D50；在Cshape模體中比較PTV的D95和D10，脊髓的D10。

2 結(jié)果

2.1 多靶區(qū)模體

在多靶區(qū)模體中，當(dāng)兩種計(jì)劃方式都達(dá)到靶區(qū)劑量D99的要求時(shí)，Auto-IMRT的D10值未做到目標(biāo)值，Superior和Inferior靶區(qū)的CI和HI更優(yōu)，但對(duì)于Central靶區(qū)Manual-IMRT的靶區(qū)CI和HI更優(yōu)，見表2。

表1 計(jì)劃系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整

表2 多靶區(qū)模體

2.2 前列腺模體

前列腺模體中，當(dāng)Auto-IMRT和Manual-IMRT均達(dá)到靶區(qū)劑量D95＞7560時(shí)，Auto-IMRT計(jì)劃靶區(qū)CI和HI更優(yōu)；但對(duì)于直腸和膀胱的保護(hù)，Manual-IMRT稍好，見表3。

2.3 頭頸模體

當(dāng)靶區(qū)劑量D90、D99達(dá)到目標(biāo)時(shí)，Auto-IMRT靶區(qū)CI和HI更優(yōu)，Manual-IMRT計(jì)劃靶區(qū)D20更低，對(duì)腮腺的保護(hù)更好，見表4。

2.4 Cshape簡(jiǎn)單模體

當(dāng)靶區(qū)劑量D95=5000時(shí)，Auto-IMRT的靶區(qū)D10更低，靶區(qū)CI和HI更優(yōu)，脊髓劑量無(wú)明顯差異，見表5。

2.5 C形復(fù)雜模體

當(dāng)靶區(qū)劑量D95=5000時(shí)，Auto-IMRT的靶區(qū)D10更低，靶區(qū)CI和HI更優(yōu)，脊髓劑量無(wú)明顯差異，見表6。

表3 前列腺模體

表4 頭頸模體

圖5 人工調(diào)試次數(shù)、優(yōu)化時(shí)間和機(jī)器跳數(shù)

表5 Cshape簡(jiǎn)單模體

2.6 人工調(diào)試次數(shù)、優(yōu)化時(shí)間和機(jī)器跳數(shù)

不同模體的Manual-IMRT和Auto-IMRT計(jì)劃的人工調(diào)試次數(shù)(次)，計(jì)劃總優(yōu)化時(shí)間(min)和機(jī)器跳數(shù)(MU)見圖5。計(jì)劃調(diào)試次數(shù)和總優(yōu)化時(shí)間為不計(jì)已達(dá)到不同模體中劑量目標(biāo)而繼續(xù)調(diào)試后結(jié)果無(wú)改善的調(diào)試次數(shù)和優(yōu)化時(shí)間。

3 討論

IMRT能夠調(diào)節(jié)每一射野的輸出強(qiáng)度，從而使得特殊形狀的腫瘤也能實(shí)現(xiàn)在三維空間上高劑量分布與靶區(qū)的三維形狀一致[8]。目前，人工調(diào)試方式的放射治療計(jì)劃需要不斷根據(jù)優(yōu)化結(jié)果更改目標(biāo)參數(shù)，同時(shí)不同劑量師計(jì)劃優(yōu)化的差異和人工的失誤也影響著放射治療計(jì)劃的質(zhì)量。然而，隨著優(yōu)化算法的不斷發(fā)展，特別是一些依靠機(jī)器學(xué)習(xí)的自動(dòng)計(jì)劃，現(xiàn)在已經(jīng)能夠做到設(shè)計(jì)一個(gè)放射治療計(jì)劃不需要或者只需要很少的人工干預(yù)調(diào)試[1-2，9-10]。

本研究分別應(yīng)用Pinnacle39.10計(jì)劃系統(tǒng)的Auto-IMRT計(jì)劃和Manual-IMRT計(jì)劃模塊以AAPM第119號(hào)報(bào)告中所使用標(biāo)準(zhǔn)劑量驗(yàn)證模體和劑量目標(biāo)作為客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)計(jì)IMRT計(jì)劃，然后對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在多靶區(qū)模體中，Auto-IMRT計(jì)劃Superior和Inferior靶區(qū)的CI和HI更優(yōu)，但對(duì)于Central靶區(qū)Manual-IMRT的靶區(qū)CI和HI更優(yōu)，自動(dòng)計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)更高，人工調(diào)試次數(shù)低于手動(dòng)計(jì)劃；在前列腺模體，自動(dòng)計(jì)劃中靶區(qū)D5、CI、HI、調(diào)試次數(shù)和優(yōu)化時(shí)間均優(yōu)于手動(dòng)計(jì)劃，直腸劑量、膀胱劑量和機(jī)器跳數(shù)略高于手動(dòng)計(jì)劃，但都遠(yuǎn)比常規(guī)直腸限量要求低；在頭頸模體中，手動(dòng)計(jì)劃對(duì)于OAR的保護(hù)略好，靶區(qū)D99、CI、HI、機(jī)器跳數(shù)、調(diào)試次數(shù)和優(yōu)化時(shí)間自動(dòng)計(jì)劃更優(yōu)；在Cshape簡(jiǎn)單劑量目標(biāo)模體和復(fù)雜劑量目標(biāo)模體中，脊髓的劑量無(wú)明顯差異，Auto-IMRT計(jì)劃的靶區(qū)熱點(diǎn)更低，總優(yōu)化時(shí)間和人工調(diào)試次數(shù)也更低。除多靶區(qū)模體中Central靶區(qū)D10外，自動(dòng)與Manual-IMRT計(jì)劃均能達(dá)到AAPM第119號(hào)報(bào)告中其余劑量學(xué)目標(biāo)值。自動(dòng)IMRT計(jì)劃能夠做到與Manual-IMRT計(jì)劃質(zhì)量相當(dāng)?shù)目捎糜谂R床的計(jì)劃。Kusters等[11]使用Auto-IMRT對(duì)于頭頸腫瘤的研究發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)計(jì)劃在靶區(qū)覆蓋和OAR受量上均能滿足臨床，計(jì)劃總優(yōu)化時(shí)間從4 h減少到＜30 min。Voet等[12]和Matin Buschmann等[13]使用Auto-plan技術(shù)用于前列腺癌計(jì)劃設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示自動(dòng)計(jì)劃能做到與手動(dòng)計(jì)劃相當(dāng)?shù)姆派渲委熡?jì)劃，同時(shí)計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間極大降低。Krayenbuehl等[14]和Hazell等[15]使用Auto-plan技術(shù)對(duì)于鼻咽癌計(jì)劃設(shè)計(jì)的研究發(fā)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)劃在靶區(qū)的適形性略差外，靶區(qū)均勻性和OAR的保護(hù)均有優(yōu)勢(shì)。

Pinnacle自動(dòng)IMRT計(jì)劃模塊能夠自動(dòng)生成靶區(qū)劑量跌落環(huán)，并自動(dòng)添加目標(biāo)函數(shù)和權(quán)重，能夠根據(jù)OAR目標(biāo)函數(shù)自動(dòng)生成相應(yīng)的劑量體積限制條件，在優(yōu)化過(guò)程中減少大量的人工干預(yù)，節(jié)省劑量師大量的計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間，但也由此本研究發(fā)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)劃比手動(dòng)計(jì)劃提高了機(jī)器跳數(shù)，增加了計(jì)劃執(zhí)行的時(shí)間；Pinnacle自動(dòng)IMRT計(jì)劃模塊能夠做到與手動(dòng)IMRT計(jì)劃模塊相當(dāng)?shù)目捎糜谂R床使用的放射治療計(jì)劃，在臨床上具有可行性。但設(shè)計(jì)自動(dòng)計(jì)劃時(shí)仍需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)整和修改，才能得到臨床上的優(yōu)勢(shì)。此外，自動(dòng)計(jì)劃的tuning balance功能可以設(shè)置計(jì)劃系統(tǒng)在自動(dòng)優(yōu)化時(shí)更傾向于靶區(qū)的設(shè)定目標(biāo)或者OAR的設(shè)定目標(biāo)，該參數(shù)的設(shè)置是設(shè)計(jì)自動(dòng)計(jì)劃的一大難點(diǎn)。