Auto-planning技術(shù)用于胸中段食管癌調(diào)強(qiáng)放療的可行性

徐曉捷，侯 鵬，雷亞楠，張瑞英，韓振坤

食管癌是我國(guó)最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，發(fā)病率占第三位，死亡率占第四位[1-2]。食管癌患者早期臨床癥狀不明顯，確診時(shí)多已為中晚期，錯(cuò)過(guò)了手術(shù)治療的最佳時(shí)機(jī)，化療和放療成為治療食管癌的主要手段。調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiotherapy,IMRT)以其良好的適形度，緊湊的劑量收斂能力和危及器官劑量限制能力，成為目前放射治療的主流技術(shù)之一[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代到來(lái)，放射治療技術(shù)也步入了機(jī)器智能階段。自動(dòng)計(jì)劃是利用優(yōu)化算法從已有的治療計(jì)劃庫(kù)中用數(shù)據(jù)挖掘深度學(xué)習(xí)技術(shù)提煉出相關(guān)信息，用于預(yù)測(cè)患者治療計(jì)劃的劑量分布，提高患者的計(jì)劃質(zhì)量[4-7]。本研究對(duì)24例食管癌放療患者，對(duì)比Pinnacle3V 9.10版本自帶的Auto-planning模塊的自動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)劃(auto-planning intensity modulated radiotherapy,ap-IMRT)和常規(guī)人工手動(dòng)計(jì)劃(manual intensity modulated radiotherapy,m-IMRT)兩種計(jì)劃設(shè)計(jì)方案，對(duì)比其靶區(qū)劑量分布和正常危及器官的受照劑量體積參數(shù)，探索適合食管癌放療的較好的計(jì)劃方案優(yōu)化方式。

1 材料和方法

1.1 臨床資料病例選自2019年4月至2020年1月在河南科技大學(xué)第一附屬醫(yī)院進(jìn)行放射治療的食管癌患者，為保證計(jì)劃對(duì)比質(zhì)量，篩選出24例胸中段的食管癌病例。篩選條件：腫瘤靶區(qū)GTV照射劑量每30次60 Gy，計(jì)劃靶區(qū)PTV照射劑量每30次54 Gy。其中男性9例，女性15例，年齡54～90歲，中位年齡70歲。所有病例均用Pinnacle3V 9.10計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)人工設(shè)計(jì)計(jì)劃方案m-IMRT，同時(shí)用自帶的Auto-planning模塊設(shè)計(jì)ap-IMRT計(jì)劃。

1.2 CT圖像采集所有病例均采用平靜呼吸狀態(tài)仰臥位，雙臂上舉雙手交叉置于頭頂用熱縮體膜固定。患者平躺在碳纖維固定架上，利用定位激光燈配合參考金標(biāo)確定定位體位坐標(biāo)，采用Philips 16排大孔徑CT進(jìn)行掃描，掃描層厚5 mm。將定位掃描的圖像傳到Pinnacle3V 9.10計(jì)劃系統(tǒng)，然后三維重建得到患者的CT定位圖像。

1.3 靶區(qū)勾畫(huà)及處方劑量經(jīng)過(guò)Pinnacle3計(jì)劃系統(tǒng)重建定位CT圖像，根據(jù)食管癌臨床放射治療相關(guān)要求勾畫(huà)靶區(qū)和周圍正常危及器官(organs at risk,OARs)。靶區(qū)包括腫瘤靶區(qū)GTV、臨床靶區(qū)CTV和計(jì)劃靶區(qū)PTV，其中計(jì)劃靶區(qū)PTV是由臨床靶區(qū)CTV前后方向、左右方向、頭腳方向外擴(kuò)0.5～0.7cm而得。腫瘤靶區(qū)GTV的處方劑量為每30次60 Gy，PTV的處方劑量為每30次54 Gy，每周5次，單次1.8～2.0 Gy。勾畫(huà)出左肺、右肺、心臟、脊髓等危及器官。要求肺V5≤60%、V20≤30%，心臟V30≤40%、V40≤30%，脊髓的最大量Dmax<45 Gy。

1.4 計(jì)劃設(shè)計(jì)用Pinnacle3V 9.10計(jì)劃系統(tǒng)，分別進(jìn)行人工靜態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃m-IMRT和自動(dòng)計(jì)劃ap-IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)。調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃射線能量均采用6 MV的X射線，且均選擇前1后4的5野調(diào)強(qiáng)照射。m-IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)：手動(dòng)設(shè)置照射野，手動(dòng)設(shè)置靶區(qū)和周圍正常器官的劑量限值，靶區(qū)劑量的權(quán)重最大，其次是左肺、右肺、心臟、脊髓。靶區(qū)的約束條件包括Min Dose、Max Dose、Min DVH，危及器官的物理約束條件包括Max DVH、Uniform Dose、MaxDose等，計(jì)劃達(dá)標(biāo)要求為：GTV的D95>60 Gy，PTV的D95>54 Gy，左肺和右肺均是V5<60%、V20<30%，心臟V30<40%、V40<30%，脊髓的Dmax<45 Gy。ap-IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)：物理約束條件和劑量限值條件與m-IMRT計(jì)劃相同，利用Pinnacle3V 9.10計(jì)劃系統(tǒng)Treatment techniques治療技術(shù)對(duì)靶區(qū)和危及器官進(jìn)行預(yù)處理，將處理后的靶區(qū)和危及器官的限值條件在Auto-planning模塊中進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，得到ap-IMRT計(jì)劃。

1.5 劑量體積評(píng)估利用劑量體積直方圖(dose volume histogram，DVH)對(duì)m-IMRT和ap-IMRT的GTV、PTV和OARs的受照劑量進(jìn)行計(jì)量學(xué)的統(tǒng)計(jì)分析。靶區(qū)受照量分析指標(biāo)包括：GTV和PTV的最大劑量(Dmax)、最小劑量(Dmin)、平均劑量(Dmean)、D2、D5、D50、D95、D98，適形度指數(shù)(conformity index，CI)和均勻性指數(shù)(homogeneity index，HI)；OARs的參數(shù)包括：雙肺的V5、V10、V20、V30、Dmean、Dmax，脊髓的最大劑量Dmax，心臟的V20、V30、V40、Dmean。CI=(VT,ref×VT,ref)/(VT×Vref)[8]，其中Vref、VT,ref分別為95%的參考等劑量線所包圍的所有體積和所覆蓋的PTV體積，VT為靶區(qū)PTV的體積。CI值為0～1，CI值越大說(shuō)明劑量線的適形度越好，CI=1是最理想的狀態(tài)。HI=(D2-D98)/D50[9]，HI值越接近0說(shuō)明劑量均勻性越好，反之，HI值越大說(shuō)明靶區(qū)的均勻性越差。

1.6 統(tǒng)計(jì)方法采用SPSS 23.0軟件行配對(duì)t檢驗(yàn)，P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 m-IMRT和ap-IMRT計(jì)劃靶區(qū)劑量參數(shù)比較GTV的Dmin(t=-2.233,P=0.036)略有增加、均勻性指數(shù)HI (t=2.205,P=0.038) 參數(shù)略有減小，PTV的D98(t=-2.241,P=0.035)略有增加、均勻性指數(shù)HI(t=2.543,P=0.018)略有減小、適形度指數(shù)CI(t=-2.497,P=0.020)參數(shù)略有增加，均是ap-IMRT計(jì)劃優(yōu)于m-IMRT計(jì)劃，且均有顯著性差異。其他參數(shù)均無(wú)顯著性差異，詳見(jiàn)表1。

表1 24例食管癌患者兩種計(jì)劃間計(jì)劃靶區(qū)劑量參數(shù)比較

2.2 m-IMRT和ap-IMRT計(jì)劃OARs劑量參數(shù)比較左肺的V20(t=4.412,P=0.000)略有減小、V30(t=5.243,P=0.000)略有減小，心臟的V30(t=2.546,P=0.018)略有減小、V40(t=2.404,P=0.025)略有減小、Dmean(t=2.565,P=0.017) 參數(shù)略有減小，均是ap-IMRT計(jì)劃優(yōu)于m-IMRT計(jì)劃，且均有顯著性差異。脊髓的Dmax(t=-2.122,P=0.045)參數(shù)略有增加， m-IMRT計(jì)劃顯著優(yōu)于ap-IMRT計(jì)劃，詳見(jiàn)表2。

表2 24例食管癌患者兩種計(jì)劃間危及器官劑量參數(shù)比較

2.3 m-IMRT和ap-IMRT計(jì)劃參數(shù)比較兩種計(jì)劃的子野數(shù)相差不大，機(jī)器跳數(shù)MU (t=-2.691,P=0.013)參數(shù)略有增加，m-IMRT計(jì)劃顯著優(yōu)于ap-IMRT計(jì)劃，詳見(jiàn)表3。

表3 24例食管癌患者兩種計(jì)劃參數(shù)比較

3 討論

近年來(lái)機(jī)器智能快速發(fā)展,已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)代放射治療計(jì)劃系統(tǒng)中，自動(dòng)計(jì)劃也成為研究的熱點(diǎn)[10-11]。美國(guó)飛利浦公司基于Pinnacle3V 9.10平臺(tái)的Auto-planning也是比較成熟的自動(dòng)計(jì)劃模塊[12]，Auto-planning 模擬經(jīng)驗(yàn)豐富的計(jì)劃設(shè)計(jì)師，使用卷積迭代算法在優(yōu)化過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化參數(shù)或權(quán)重來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)劃的不斷優(yōu)化。本研究中就是用的Pinnacle3V 9.10自帶的Auto-planning模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)劃ap-IMRT計(jì)劃，與人工計(jì)劃m-IMRT進(jìn)行劑量學(xué)比較。

王繼平等[13]用Pinnacle3計(jì)劃系統(tǒng)的Auto-planning模塊研究在直腸癌調(diào)強(qiáng)放療中的應(yīng)用，結(jié)果顯示自動(dòng)計(jì)劃的靶區(qū)有更好的適形度，減少熱點(diǎn)和冷點(diǎn)，同時(shí)降低OARs受照劑量，更好地保護(hù)正常器官。王雪桃等[14]用瑞典Raysearch公司的RayStation 計(jì)劃系統(tǒng)研究了其在宮頸癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)(volume modulated arc therapy,VMAT)中的應(yīng)用，結(jié)果顯示RayStation 計(jì)劃系統(tǒng)能夠快速高效的完成高質(zhì)量的宮頸癌VMAT計(jì)劃。程志垚等[15]用MD安德森癌癥治療中心研發(fā)的MdaccAutoPlan自動(dòng)計(jì)劃軟件搭載在Pinnacle3計(jì)劃系統(tǒng)研究了鼻咽癌患者的靜態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，結(jié)果顯示自動(dòng)計(jì)劃可有效減少某些危及器官的受照劑量，可減少計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間，提高計(jì)劃效率。

本研究選取了24例食管癌患者，對(duì)比了Pinnacle3計(jì)劃系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)計(jì)和人工設(shè)計(jì)的治療計(jì)劃的劑量學(xué)差異。在靶區(qū)劑量分布方面，自動(dòng)計(jì)劃ap-IMRT的靶區(qū)劑量分布在GTV的Dmin、HI，計(jì)劃靶區(qū)PTV的D98、HI、CI均略優(yōu)于m-IMRT。在危及器官受照劑量方面，左肺的V20、V30，心臟的V30、V40、Dmean劑量參數(shù)，自動(dòng)計(jì)劃均優(yōu)于人工計(jì)劃。但脊髓的最大受照劑量Dmax人工計(jì)劃優(yōu)于自動(dòng)計(jì)劃，且有7例自動(dòng)計(jì)劃的脊髓最大受照劑量大于45 Gy。Auto-planning模塊只支持DMPO和Smartarc兩種優(yōu)化方式，本研究中用的均是DMPO的優(yōu)化方式，通過(guò)治療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)根據(jù)優(yōu)化條件自動(dòng)生成劑量成形結(jié)構(gòu)(dose shaping structure，DSS)，自動(dòng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，將以往獲得的治療經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)入到調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的優(yōu)化中，以獲得最優(yōu)的治療計(jì)劃。人工計(jì)劃就是憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)人工設(shè)置優(yōu)化條件，也用DMPO算法，直接優(yōu)化子野形狀和權(quán)重，通過(guò)更改添加優(yōu)化參數(shù)，得到接近最優(yōu)解的劑量分布。人工計(jì)劃要求物理師有較高的物理知識(shí)儲(chǔ)備和臨床經(jīng)驗(yàn)，對(duì)物理師的技術(shù)水平要求較高。Auto-planning模塊中內(nèi)置的有計(jì)劃參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化控制，求取最優(yōu)的計(jì)劃解，能提高計(jì)劃設(shè)計(jì)效率。

綜上所述，由研究結(jié)果可得Pinnacle3計(jì)劃系統(tǒng)的Auto-planning模塊對(duì)于胸中段食管癌放射治療計(jì)劃設(shè)計(jì)可提高靶區(qū)劑量的適形性和均勻性，且對(duì)于降低并行危及器官受量取得很好的效果，可以明顯降低患者左肺和心臟的不良反應(yīng)，有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。自動(dòng)計(jì)劃能夠明顯提高治療技術(shù)設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)大大減少物理師的工作量，但在串行器官脊髓的最大受照劑量保護(hù)方面不及人工計(jì)劃。結(jié)合本文研究結(jié)果，作者認(rèn)為可以將自動(dòng)計(jì)劃和人工計(jì)劃相結(jié)合，由自動(dòng)計(jì)劃完成較好的靶區(qū)適形度，均勻性和并行器官較低的受照劑量。結(jié)合人工計(jì)劃手動(dòng)設(shè)置優(yōu)化條件，限制串行器官脊髓的最大受照劑量。結(jié)合兩種計(jì)劃，能否得到最優(yōu)的治療計(jì)劃方案，還需要進(jìn)一步的研究。