盆腔腫瘤IMRT 自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃比較研究

李新暢，李 超，駱志國(guó)

（十堰市太和醫(yī)院，湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬醫(yī)院腫瘤科，湖北十堰 442000）

0 引言

近年來(lái)，調(diào)強(qiáng)放療（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）技術(shù)在直腸癌與宮頸癌等盆腔腫瘤放療中得到廣泛應(yīng)用，因其可以在保證腫瘤靶區(qū)得到充分劑量照射的同時(shí)有效地保護(hù)周?chē)＝M織，不僅降低了放療患者的急性和慢性反應(yīng)發(fā)生率，還提高了生存率[1-4]，從而進(jìn)一步改善盆腔腫瘤患者的生存質(zhì)量。放療計(jì)劃質(zhì)量在一定程度上影響著IMRT療效，人工計(jì)劃的設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜且依賴于物理師的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)與技巧，而自動(dòng)計(jì)劃能有效降低不同物理師之間治療計(jì)劃的差異，并且可以縮短人工時(shí)間，從而提高患者整個(gè)放療過(guò)程的效率和質(zhì)量。目前，有研究將自動(dòng)計(jì)劃應(yīng)用在鼻咽癌[5-6]、前列腺癌[7-8]和食管癌[9]的IMRT 上，結(jié)果表明自動(dòng)計(jì)劃在劑量分布和時(shí)間方面均優(yōu)于人工計(jì)劃。本研究使用Pinnacle39.10計(jì)劃系統(tǒng)中的Autoplan 自動(dòng)模塊，通過(guò)運(yùn)用系統(tǒng)算法，不斷優(yōu)化模型參數(shù)、自動(dòng)生成各種輔助結(jié)構(gòu)來(lái)得到直腸癌與宮頸癌的治療計(jì)劃，并與人工計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比，探討盆腔腫瘤IMRT 自動(dòng)計(jì)劃在臨床上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 資料和方法

1.1 臨床資料

選擇我院2017 年10 月至2018 年8 月的60 例盆腔腫瘤放療患者的臨床資料進(jìn)行回顧性分析，均獲得患者本人或家屬的知情同意且本研究獲得醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）經(jīng)病理檢查確診為盆腔腫瘤；（2）需要對(duì)盆腔進(jìn)行放射治療且滿足放療適應(yīng)證。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）除盆腔部位有原發(fā)腫瘤還患有其他癌癥；（2）有放療禁忌證。其中，宮頸癌術(shù)后患者30 例，病理類(lèi)型全部為鱗癌；直腸癌術(shù)后患者30例，病理類(lèi)型全部為腺癌。所有患者定位時(shí)采用真空墊固定，取仰臥位，雙手交叉握桿，在CT 模擬機(jī)上進(jìn)行模擬定位掃描，掃描層厚5 mm。由于本文采用回顧性分析方法，臨床治療計(jì)劃均是之前在Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)上完成的，故放療物理師在設(shè)計(jì)自動(dòng)計(jì)劃時(shí)，需將所選患者的CT 圖像（包括靶區(qū)及危及器官）從Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)發(fā)送至Pinnacle39.10 計(jì)劃系統(tǒng)上，再進(jìn)行自動(dòng)計(jì)劃的設(shè)計(jì)。

1.2 靶區(qū)勾畫(huà)及處方劑量

由同一臨床腫瘤醫(yī)生在所有患者的CT 圖像上勾畫(huà)臨床腫瘤靶區(qū)（clinical tumor volume，CTV），其中宮頸癌CTV 勾畫(huà)以RTOG-0418[10]號(hào)報(bào)告為參考依據(jù)，包括陰道上段、陰道殘端以及盆腔淋巴引流區(qū)；直腸癌CTV 包括吻合口區(qū)域、殘端直腸等原發(fā)病灶高危區(qū)和直腸系膜區(qū)域等淋巴引流區(qū)[11]；計(jì)劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）由CTV 均勻外擴(kuò)5 mm 形成。靶區(qū)以外的危及器官主要包括膀胱、小腸和左右側(cè)股骨頭，宮頸癌患者的危及器官還包括直腸。PTV 處方劑量均為50 Gy/25 次。

1.3 計(jì)劃設(shè)計(jì)

所有IMRT 人工計(jì)劃均在Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)上按照臨床實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。計(jì)劃優(yōu)化前由人工勾畫(huà)各種輔助環(huán)結(jié)構(gòu)，并給定基本參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)，射野方式為5 野（36°、108°、180°、252°、324°）均分，采用6 MV X 射線，劑量計(jì)算網(wǎng)格為2.5 mm×2.5 mm×2.5 mm。各危及器官優(yōu)化條件由物理師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，所有計(jì)劃經(jīng)反復(fù)修改再優(yōu)化，遵循靶區(qū)劑量達(dá)到要求的同時(shí)盡可能降低危及器官劑量，直到?jīng)]有明顯改善為止。所有自動(dòng)計(jì)劃在Pinnacle39.10 計(jì)劃系統(tǒng)上進(jìn)行，能量、射野中心點(diǎn)、射野角度、治療機(jī)器以及靶區(qū)和危及器官基本優(yōu)化條件均與人工計(jì)劃保持一致。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將60 例患者的IMRT 人工和自動(dòng)計(jì)劃分別導(dǎo)出，提取PTV 對(duì)應(yīng)2%、50%、95%、98%體積的劑量記為D2、D50、D95、D98，計(jì)算靶區(qū)的均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）和適形性指數(shù)（conformity index，CI）：HI=（D2-D98）/D50，CI=（VPTV/Vprescribed）。其中，Vprescribed為處方劑量包繞的靶區(qū)體積，VPTV為靶區(qū)體積。CI 值越接近1 說(shuō)明PTV 的劑量適形性越好，HI 值越接近0 表明PTV 的劑量分布越均勻。統(tǒng)計(jì)膀胱的V40、V50和Dmean，小腸的V40、V50和Dmean，雙側(cè)股骨頭的V30、V40和Dmean。其中，宮頸癌患者還需統(tǒng)計(jì)直腸的V40、V50和Dmean。此外，對(duì)2 種計(jì)劃的截面劑量分布以及平均優(yōu)化時(shí)間進(jìn)行比較與分析。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量比較

表1 為60 例患者自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃得到的PTV 劑量D95、Dmean及HI 和CI 等劑量學(xué)參數(shù)的比較結(jié)果。由表1 可知，宮頸癌自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃的結(jié)果均相近，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。直腸癌自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃的D95、Dmean和HI 相近，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）；自動(dòng)計(jì)劃的CI 略優(yōu)于人工計(jì)劃，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

2.2 危及器官劑量對(duì)比

人工計(jì)劃和自動(dòng)計(jì)劃危及器官劑量對(duì)比詳見(jiàn)表2。由表2 可知，自動(dòng)計(jì)劃膀胱的V40、V50和Dmean，小腸的V40、V50和Dmean，雙側(cè)股骨頭的V30、V40和Dmean均低于人工計(jì)劃。此外，宮頸癌患者中自動(dòng)計(jì)劃直腸的V40、V50和Dmean相對(duì)于人工計(jì)劃而言也有所下降。

表1 人工計(jì)劃和自動(dòng)計(jì)劃PTV 劑量D95、Dmean及HI 和CI 對(duì)比

表2 人工計(jì)劃和自動(dòng)計(jì)劃危及器官劑量對(duì)比

2.3 PTV 與危及器官各截面劑量分布以及膀胱、左側(cè)股骨頭和小腸劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）對(duì)比

圖1 為某例宮頸癌患者的2 種計(jì)劃?rùn)M斷面、矢狀面以及冠狀面的等劑量分布圖。由圖1 可知，自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃對(duì)PTV 的覆蓋相近，均能滿足臨床要求，但自動(dòng)計(jì)劃的低劑量區(qū)域適形度和劑量跌落均優(yōu)于人工計(jì)劃。自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃危及器官以膀胱、左側(cè)股骨頭和小腸為例的平均DVH 對(duì)比如圖2 所示。由圖2 可知，自動(dòng)計(jì)劃的膀胱、小腸以及左側(cè)股骨頭的平均劑量比人工計(jì)劃在低劑量區(qū)域均有所降低，這在一定程度上更好地保護(hù)了危及器官。

圖1 2 種計(jì)劃等劑量分布圖

2.4 Pinnacle3 9.10 人工計(jì)劃和Eclipse 人工計(jì)劃對(duì)比

本研究中選取的人工計(jì)劃都是之前在Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)上完成的，而自動(dòng)計(jì)劃均是現(xiàn)階段在Pinnacle39.10 計(jì)劃系統(tǒng)上完成的。為了觀察2 個(gè)系統(tǒng)在計(jì)劃優(yōu)化方面有無(wú)顯著性差別，隨機(jī)選取60 例盆腔腫瘤患者中的20 例在Pinnacle39.10 計(jì)劃系統(tǒng)上重新進(jìn)行人工計(jì)劃的設(shè)計(jì)，并與之前在Eclipse 系統(tǒng)上的人工計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比，二者劑量對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表3。結(jié)果表明，2 種計(jì)劃系統(tǒng)的PTV 與危及器官的平均劑量相近，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

2.5 2 種不同計(jì)劃方式的平均優(yōu)化時(shí)間對(duì)比

自動(dòng)計(jì)劃的平均優(yōu)化時(shí)間為（29.17±5.31）min，遠(yuǎn)少于人工計(jì)劃的（45.26±6.37）min，縮短了35.6%，差異有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=-8.332，P<0.001）。

3 討論

盆腔腫瘤相比腦腫瘤而言，其危及器官較少，靶區(qū)變化比胸部腫瘤小，計(jì)劃設(shè)計(jì)和技術(shù)需求相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，IMRT 在盆腔腫瘤的治療中具有重要的意義，該技術(shù)在給予靶區(qū)足夠劑量的同時(shí)可以較好地保護(hù)周?chē)＝M織[4]。目前，IMRT 人工計(jì)劃需要物理師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定射野角度、靶區(qū)和危及器官的劑量體積限值以及對(duì)應(yīng)的權(quán)重，計(jì)劃質(zhì)量很大程度上取決于物理師的臨床經(jīng)驗(yàn)且需要大量時(shí)間。近年來(lái)，隨著自動(dòng)計(jì)劃技術(shù)被引入到各部位腫瘤放療計(jì)劃設(shè)計(jì)中，大大減輕了物理師的臨床工作負(fù)擔(dān)，將工作中心轉(zhuǎn)移到了同等重要的加速器質(zhì)量保證（quality assurance，QA）中。Quan 等[12]的研究表明，自動(dòng)計(jì)劃的肺以及心臟的平均劑量相比人工計(jì)劃而言均有所下降，且自動(dòng)計(jì)劃可以減少人工依賴，對(duì)危及器官的保護(hù)也更具優(yōu)勢(shì)。Krayenbuehl 等[13]和Hazell 等[5]證實(shí)了鼻咽癌放療使用自動(dòng)計(jì)劃可以在保證靶區(qū)劑量與人工計(jì)劃一致的同時(shí)，更好地保護(hù)危及器官。何垠波等[14]驗(yàn)證了自動(dòng)計(jì)劃不僅能夠顯著減少計(jì)劃時(shí)間，還能避免因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)不足等人為因素對(duì)計(jì)劃質(zhì)量造成的不必要影響。本研究使用Pinnacle39.10 計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)60 例盆腔腫瘤患者進(jìn)行IMRT 自動(dòng)計(jì)劃設(shè)計(jì)，得到與上述研究類(lèi)似的結(jié)論，自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃在靶區(qū)的劑量以及HI、CI 等參數(shù)方面均無(wú)明顯差異，且自動(dòng)計(jì)劃更好地保護(hù)了正常組織。

圖2 60 例盆腔腫瘤患者膀胱、左側(cè)股骨頭、小腸的平均DVH

表3 Pinnacle3 9.10 人工計(jì)劃和Eclipse 人工計(jì)劃PTV 與危及器官的平均劑量對(duì)比 單位：Gy

IMRT 自動(dòng)計(jì)劃不需要設(shè)置靶區(qū)的權(quán)重，對(duì)危及器官而言也只需要根據(jù)臨床實(shí)際需求對(duì)器官的重要性選擇High、Medium、和Low 3 個(gè)參數(shù)，在優(yōu)化過(guò)程中還會(huì)根據(jù)靶區(qū)與危及器官的相對(duì)位置自動(dòng)生成很多輔助結(jié)構(gòu)，從而獲得最佳的劑量?jī)?yōu)化方案。而對(duì)人工計(jì)劃而言，限量環(huán)的位置和數(shù)量、靶區(qū)和危及器官目標(biāo)函數(shù)值以及對(duì)應(yīng)權(quán)重的設(shè)置一直都是IMRT 計(jì)劃設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，這些步驟不僅耗時(shí)，更依賴于物理師的經(jīng)驗(yàn)。陳穎等[15]的研究就表明了限量環(huán)個(gè)數(shù)對(duì)宮頸癌IMRT 計(jì)劃的治療效率有一定的影響。自動(dòng)計(jì)劃可以有效縮短計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間，減小不同物理師之間的計(jì)劃設(shè)計(jì)質(zhì)量差距，保證高質(zhì)量計(jì)劃的一致性[16]。另外，本研究中IMRT 自動(dòng)計(jì)劃危及器官的平均劑量普遍低于人工計(jì)劃，這說(shuō)明人工計(jì)劃在開(kāi)始優(yōu)化時(shí)為了保證靶區(qū)覆蓋率，降低了對(duì)危及器官的限制要求。同時(shí)根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)耗時(shí)的考慮，物理師在進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)為了保證靶區(qū)覆蓋率無(wú)法在最大程度上限制危及器官的劑量，最終使得一些副反應(yīng)相對(duì)較低的危及器官受照量偏高，這也在一定程度上導(dǎo)致了人工計(jì)劃質(zhì)量不及自動(dòng)計(jì)劃。目前，國(guó)內(nèi)大部分放療機(jī)構(gòu)腫瘤放療患者數(shù)量劇增，而人工計(jì)劃優(yōu)化耗時(shí)較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)人工計(jì)劃耗費(fèi)了物理師大量的時(shí)間和精力，在一定程度上影響了放療計(jì)劃的質(zhì)量。自動(dòng)計(jì)劃的采用不僅使得短時(shí)高效的計(jì)劃產(chǎn)出成為了可能[17-18]，還使得物理師能夠?qū)⒏嗟臅r(shí)間和精力投入在QA 上。

本研究的不足之處如下：首先，自動(dòng)計(jì)劃和人工計(jì)劃的設(shè)計(jì)所采用的計(jì)劃系統(tǒng)不同，分別為Pinnacle39.10 和Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)。Pinnacle39.10 計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)強(qiáng)優(yōu)化時(shí)采用的是直接機(jī)器參數(shù)優(yōu)化（direct machine parameter optimization，DMPO）算法以及靜態(tài)調(diào)強(qiáng)的步進(jìn)出束方式，直接優(yōu)化子野形狀和權(quán)重。而Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)采用的是筆形束卷積算法（pencil beam convolution，PBC）以及動(dòng)態(tài)滑窗方式來(lái)進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到采用不同算法和多葉準(zhǔn)直光柵（multi-leaf collimator，MLC）運(yùn)動(dòng)方式給2 種計(jì)劃的參數(shù)對(duì)比帶來(lái)的影響，本研究隨機(jī)選取了20例盆腔腫瘤患者在Pinnacle39.10 計(jì)劃系統(tǒng)上重新進(jìn)行了手動(dòng)計(jì)劃的設(shè)計(jì)，并與Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)劑量分布并無(wú)顯著性差異，這與Phillip[19]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明2 種計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果可以直接比較，有研究意義，但系統(tǒng)誤差仍會(huì)給研究結(jié)果帶來(lái)一定的影響。其次，為了減小由于射野角度不同對(duì)自動(dòng)計(jì)劃和人工計(jì)劃的結(jié)果帶來(lái)的影響，2 種計(jì)劃方式統(tǒng)一采用5 野均分設(shè)定射野角度，但是采用不同的射野數(shù)量以及角度來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)劃是否可以得到更優(yōu)的結(jié)果尚不明確。有研究[20]曾采用不同的布野數(shù)量和角度對(duì)直腸癌放療計(jì)劃中小腸和膀胱的受量進(jìn)行分析，認(rèn)為在俯臥位下的前五野照射可以降低放射性腸炎的發(fā)生率。此外，自動(dòng)計(jì)劃技術(shù)目前還未完全成熟，在使用自動(dòng)計(jì)劃優(yōu)化時(shí)，仍需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行一定的人工調(diào)整和修改，才能得到以上臨床優(yōu)勢(shì)，而且在臨床使用前還需要做進(jìn)一步的質(zhì)量控制。最后，不同病種之間自動(dòng)計(jì)劃所需要的時(shí)間以及劑量學(xué)之間的差異比較都是下一步要繼續(xù)研究的問(wèn)題。

綜上所述，使用Pinnacle39.10 自動(dòng)計(jì)劃模塊設(shè)計(jì)的盆腔腫瘤IMRT 計(jì)劃，一方面能在保證與人工計(jì)劃靶區(qū)處方劑量相近的同時(shí)進(jìn)一步降低正常器官的劑量，計(jì)劃設(shè)計(jì)效率和計(jì)劃質(zhì)量也有所提高；另一方面，自動(dòng)計(jì)劃無(wú)需人工干預(yù)，可以避免由于物理師主觀經(jīng)驗(yàn)的一些因素對(duì)放療計(jì)劃質(zhì)量的影響，因此自動(dòng)計(jì)劃應(yīng)用于盆腔腫瘤的放療是可行的。