基于Pinnacle39.10的自動計(jì)劃與手工計(jì)劃在宮頸癌放療中的劑量學(xué)比較*

孫海濤，黃國森△，王寧△，劉穎，袁玲

1中山市中醫(yī)院放射治療部（廣東中山528400）；2廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院放療科（廣東廣州510700）

放療和手術(shù)、化療是當(dāng)今惡性腫瘤治療三大手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有70%的惡性腫瘤患者在不同時(shí)期需接受不同程度的放療［1］，所以開展放療技術(shù)的相關(guān)研究具有重要意義。目前，臨床上廣泛采用調(diào)強(qiáng)放射治療，調(diào)強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用不但保證靶區(qū)覆蓋率，而且降低周圍正常組織器官的受照射劑量，提高放療效果，降低放療不良反應(yīng)發(fā)生率［2－4］。計(jì)劃設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是計(jì)劃質(zhì)量的好壞，計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中需要對多個(gè)目標(biāo)函數(shù)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，靶區(qū)的劑量約束條件與OAR的劑量約束條件相互矛盾，目前多數(shù)計(jì)劃系統(tǒng)的計(jì)劃設(shè)計(jì)依賴于物理師的主觀經(jīng)驗(yàn)，通過不斷試錯(cuò)的方式不斷進(jìn)行調(diào)試，花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，但計(jì)劃設(shè)計(jì)的結(jié)果仍會出現(xiàn)的質(zhì)量差異大、計(jì)劃效率低等問題［5－7］。近年來已有用于臨床治療的帶有自動計(jì)劃AP（auto－planning，AP）模塊的治療計(jì)劃系統(tǒng)TPS（treatment plan system，TPS）研發(fā)出來，如飛利浦的Pinnacle39.10、瓦里安的eclipseTM等［8］。容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療VMAT（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技術(shù)是在出束過程中，加速器機(jī)架非勻速旋轉(zhuǎn)，劑量率和多頁光柵MLC（multi－leave collimators，MLC）動態(tài)調(diào)節(jié)來達(dá)到高度適形的靶區(qū)劑量分布，相比普通調(diào)強(qiáng)放療IMRT（intensity modulated radiation therapy，IMRT）所需治療時(shí)間和機(jī)器跳數(shù)明顯減少，提高放療效率［9－11］，廣泛應(yīng)用于各種部位的腫瘤治療。本研究通過Pinnacle39.10計(jì)劃系統(tǒng)TPS對10例宮頸癌患者的Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃進(jìn)行比較，探究兩種計(jì)劃方式的劑量學(xué)差異，評估Pinnacle39.10TPS的自動計(jì)劃模塊在宮頸癌放療計(jì)劃中的臨床可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2018年9—12月在中山市中醫(yī)院放射治療部實(shí)施治療的宮頸癌患者10例，年齡35～61歲，中位年齡46歲。根據(jù)國際婦產(chǎn)科聯(lián)合會FIGO（International Federation of Gynecology and Obstetrics，F(xiàn)IGO）分期標(biāo)準(zhǔn)［12］，其中Ⅱ期6例，Ⅲ期4例。

1.2 放療定位 在CT定位前飲水400～600 mL，憋尿30 min以上，在膀胱充盈狀態(tài)下進(jìn)行CT模擬定位，患者自然平躺位，雙手上舉置于額頭。使用Philips公司16排Brilliance CT Big Bore大孔徑CT模擬機(jī)進(jìn)行掃描定位，掃描層厚和層距均為5 mm，自胸10掃描至坐骨結(jié)節(jié)下5 cm，掃描范圍FOV為600，分辨率512×512pix，將掃描得到的患者CT數(shù)據(jù)傳輸?shù)絋PS進(jìn)行靶區(qū)勾畫以及計(jì)劃設(shè)計(jì)。

1.3 靶區(qū)及危及器官勾畫 由高年資醫(yī)生依據(jù)ICRU（international commission radiological units，ICRU）規(guī)范在CT圖像集上進(jìn)行腫瘤靶區(qū)GTV、臨床靶區(qū)CTV、計(jì)劃靶區(qū)PTV［13］的勾畫，GTV包括宮頸腫瘤原發(fā)灶和轉(zhuǎn)移的陽性淋巴結(jié)，CTV包括GTV、臨床灶及顯微鏡下可見的亞臨床灶（包括陰道、宮頸、宮體、宮旁、髂總、髂內(nèi)、骶前淋巴引流區(qū)等）。PTV由CTV外擴(kuò)生成，分別在左右、前后和外擴(kuò)5 mm及頭腳方向外擴(kuò)1 cm，處方劑量5 000 cGy／25分次。靶區(qū)外的危及器官OAR（Organ At Risk）主要包括膀胱、小腸和雙側(cè)股骨頭。

1.4 計(jì)劃設(shè)計(jì) 采用Pinnacle39.10計(jì)劃系統(tǒng)的VMAT技術(shù)的AP模塊，通過系統(tǒng)算法根據(jù)靶區(qū)位置自動優(yōu)化MLC及照射野形狀。10例患者由同一名經(jīng)驗(yàn)豐富的物理師根據(jù)RTOG0415（Radiation Therapy Oncology Group，RTOG）號報(bào)告［14］劑量限定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Auto－VMAT計(jì)劃和系統(tǒng)Manual－VMAT計(jì)劃。為減小研究誤差，10例Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃旋轉(zhuǎn)機(jī)架角度統(tǒng)一為－180～180°、子野總數(shù)設(shè)置為30個(gè)、最小子野面積大小為10 cm2、最小子野跳數(shù)設(shè)置為6 MU、計(jì)算網(wǎng)格大小為0.4 cm×0.4 cm×0.4 cm和調(diào)用直接機(jī)器參數(shù)優(yōu)化DMPO算法等計(jì)劃設(shè)計(jì)參數(shù)，并分別設(shè)置了相同的劑量約束和優(yōu)化參數(shù)。

1.5 劑量評估 為了使本研究更具有客觀性，在計(jì)劃評估前將兩組計(jì)劃均歸一至處方劑量50 Gy靶體積的95%，根據(jù)ICRU82（international commission radiological units，ICRU）號報(bào)告靶區(qū)的最大劑量Dmax（2%靶區(qū)體積所接受的照射劑量），最小劑量Dmin（98%靶區(qū)體積所接受的照射劑量），平均劑量Dmean（50%靶區(qū)體積所接受的照射劑量），計(jì)算靶區(qū)適形性指數(shù)（CI）、均勻性指數(shù)（HI）［15］。計(jì)算公式為：HI＝（Dmax－Dmin）／Dmean；CI＝（VTref／VT）×（VTref／Vref）；HI值越小靶區(qū)均勻性就越好，CI值越接近1靶區(qū)適形越好，其中VTref為參考等劑量線包含的靶體積，VT為靶體積，Vref為參考等劑量線的中總體積。比較直腸、膀胱、小腸及股骨頭等OAR的平均劑量Dmean，以及每一個(gè)OAR照射體積所占總體積的百分比V30、V40、V50。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件，對宮頸癌Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃結(jié)果參數(shù)進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)和危及器官劑量分布比較 10例宮頸癌患者Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃的劑量分布均能滿足臨床要求，Auto－VMAT計(jì)劃得到的靶區(qū)適形度CI、靶區(qū)均勻性HI以及靶區(qū)的均勻劑量Dmean與Manual－VMAT計(jì)劃相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），其中Auto－VMAT計(jì)劃的HI和CI優(yōu)于Manual－VMAT計(jì)劃，Auto－VMAT平均劑量Dmean高于Manual－VMAT計(jì)劃，Auto－VMAT計(jì)劃結(jié)果適形度和均勻性更好，且更容易達(dá)到靶區(qū)劑量，見表1。Auto－VMAT計(jì)劃的危及器官小腸的V30、V40、V50、Dmean；直腸和膀胱的V40、V50、Dmean以及左右股骨頭的V50、Dmean均顯著低于Manual－VMAT計(jì)劃（P＜0.05），其他參數(shù)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見表2。

表1 Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃靶區(qū)劑量參數(shù)比較±s

表1 Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃靶區(qū)劑量參數(shù)比較±s

PTV參數(shù) 例數(shù) Auto－VMAT計(jì)劃Manual－VMAT計(jì)劃 t值 P值Dmin（Gy）10 47.21±0.07 48.56±0.41 0.57 0.781 Dmax（Gy） 10 54.53±0.77 54.98±0.55 1.49 0.168 Dmean（Gy） 10 51.71±0.37 51.32±0.71 4.14 0.003 HI 10 0.06±0.02 0.08±0.06 10.50 0.000 CI 10 0.67±0.12 0.43±0.01 4.44 0.002

表2 Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃危及器官劑量參數(shù)比較 ±s

表2 Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃危及器官劑量參數(shù)比較 ±s

危及器官參數(shù) 例數(shù) Auto－VMAT計(jì)劃 Manual－VMAT計(jì)劃 t值 P值膀胱 V30（%）10 84.18±17.88 89.34±2.10 －2.88 0.180 V40（%） 10 60.00±14.72 72.90±10.31 －10.24 0.000 V50（%） 10 29.83±13.26 35.20±10.92 －9.58 0.000 Dmean（Gy） 10 41.67±4.47 48.26±2.10 －2.88 0.000直腸 V30（%） 10 78.75±10.29 80.53±28.51 －0.17 0.136 V40（%） 10 68.75±10.29 70.28±8.51 －0.16 0.040 V50（%） 10 46.47±2.65 49.78±6.63 7.10 0.000 Dmean（Gy） 10 45.06±2.48 47.04±9.24 0.35 0.000小腸 V30（%） 10 39.84±22.28 42.64±20.93 －4.64 0.001 V40（%） 10 20.14±1.75 28.69±2.18 －5.00 0.001 V50（%） 10 5.14±4.75 7.93±1.17 －4.56 0.001 Dmean（Gy） 10 22.99±5.8 29.91±6.30 －4.70 0.001左側(cè)股骨頭 V30 10 7.10±8.12 16.65±12.68 －5.8 0.168 V40 10 1.37±2.02 10.16±2.72 －1.5 1.712 V50 10 0.11±0.03 0.28±0.17 －1.5 0.000 Dmean 10 17.90±5.47 29.10±5.21 －5.67 0.000右側(cè)股骨頭 V30 10 5.87±4.12 17.50±10.56 －5.21 0.082 V40 10 1.37±2.08 7.50±5.75 －4.91 0.057 V50 10 1.21±1.72 1.37±2.08 －2.67 0.000 Dmean 10 17.80±5.80 21.84±4.97 －5.21 0.000

2.2 靶區(qū)和危及器官截面劑量分布及DVH比較 Auto－VMAT計(jì)劃得到的靶區(qū)覆蓋率、高劑量區(qū)域和低劑量區(qū)域的適形度優(yōu)于Manual－VMAT計(jì)劃，靶區(qū)4 750 cGy和5 000 cGy的劑量曲線距離危及器官OAR膀胱、股骨頭更遠(yuǎn)，見圖1～2。Auto－VMAT計(jì)劃靶區(qū)的劑量線跌落更陡峭，在相同劑量區(qū)域范圍Auto－VMAT計(jì)劃的危及器官OAR直腸、膀胱、小腸及股骨頭的劑量體積低于Manual－VMAT計(jì)劃。見圖3。

圖1 Auto－VMAT計(jì)劃等劑量曲線分布圖

圖2 Manual－VMAT計(jì)劃等計(jì)量曲線分布圖

圖3 Auto－VMAT計(jì)劃（實(shí)線）和Manual－VMAT計(jì)劃（虛線）危及器官DVH比較

2.3 放療計(jì)劃完成時(shí)間和機(jī)器跳數(shù) Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃的平均優(yōu)化時(shí)間分別為47 min和35 min，Auto－VMAT計(jì)劃平均優(yōu)化時(shí)間相比于Manual－VMAT計(jì)劃增加了34%。Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃的平均機(jī)器跳數(shù)MU分別為519 MU和374 MU，Auto－VMAT計(jì)劃跳數(shù)MU相比于Manual－VMAT計(jì)劃增加了18%。見表3。

表3 Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間與 機(jī)器跳數(shù)比較 ±s

表3 Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間與 機(jī)器跳數(shù)比較 ±s

參數(shù) 計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間（min） 機(jī)器跳數(shù)（MU）Auto－VMAT計(jì)劃47±11.5 519±32 Manual－VMAT計(jì)劃 35±7.2 374±19 t值 1.32 －4.7 P值0.014 0.000

3 討論

宮頸癌是全世界范圍內(nèi)女性最常見的惡性腫瘤之一，嚴(yán)重威脅著女性的生命安全。手術(shù)、化療、放療的綜合應(yīng)用可提高宮頸癌患者的局部控制率。目前，放療在宮頸癌治療中占有重要地位，可應(yīng)用于不同時(shí)期的宮頸癌治療，其效果也已得到廣泛認(rèn)可。Pinnacle39.10的AP模塊目前已應(yīng)用到臨床放療計(jì)劃設(shè)計(jì)中，AP模塊的優(yōu)化算法能夠自動生成危及器官及靶區(qū)的輔助結(jié)構(gòu)，并根據(jù)設(shè)定的靶區(qū)與危及器官之間的優(yōu)先級自動確定所有參數(shù)的權(quán)重值，因此可減少計(jì)劃設(shè)計(jì)對人工的依賴性［16－17］。Hazell等［18］介紹了Auto－Planning技術(shù)用于鼻咽癌放療的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自動計(jì)劃可以在無需人工干預(yù)的情況下獲得臨床可執(zhí)行的計(jì)劃，并且94%的自動計(jì)劃質(zhì)量優(yōu)于人工計(jì)劃。Cozzi等［19］在宮頸癌放療中對VMAT與IMRT進(jìn)行劑量學(xué)比較中，發(fā)現(xiàn)VMAT計(jì)劃應(yīng)用在宮頸癌治療中能夠獲得更好的劑量分布和靶區(qū)適形性，在提高計(jì)劃質(zhì)量的同時(shí)節(jié)省優(yōu)化和治療時(shí)間。Quan等［20］將madccAutoPlan自動計(jì)劃應(yīng)用于三期肺癌的放射治療中，Auto－VMAT計(jì)劃與人工IMRT計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn)，PTV靶區(qū)的適形度和均勻性分別提高17%和21%，心臟平均劑量降低17%，食管的V70減少19%。

本研究將Pinnacle39.10計(jì)劃系統(tǒng)自動計(jì)劃AP模塊應(yīng)用于宮頸癌旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強(qiáng)VMAT的計(jì)劃設(shè)中，通過Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃進(jìn)行劑量學(xué)比較，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種靶區(qū)的Dmin和Dmax結(jié)果差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），Auto－VMAT計(jì)劃和Manual－VMAT計(jì)劃得到的HI分別為0.06±0.02和0.08±0.06，CI分別為0.67±0.12和0.43±0.01，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），說明Auto－VMAT計(jì)劃在靶區(qū)劑量分布方面更具有優(yōu)勢。在保證靶區(qū)劑量滿足臨床治療需求的條件下，兩組計(jì)劃歸一至處方劑量50 Gy靶體積的95%，Auto－VMAT計(jì)劃得到小腸的V30、V40、V50、Dmean、直腸V40、V50、Dmean、膀胱V40、V50、Dmean以及左右股骨頭的V50、Dmean均顯著低于Manual－VMAT計(jì)劃差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），說明Auto－VMAT計(jì)劃降低了OAR的受照射劑量。另外，Auto－VMAT計(jì)劃相對于Manual－VMAT計(jì)劃機(jī)器跳數(shù)增加了28%，計(jì)劃計(jì)算時(shí)間增加了34%，是因?yàn)樽詣佑?jì)劃模塊在優(yōu)化時(shí)會自動添加多個(gè)的輔助結(jié)構(gòu)以及靶區(qū)劑量跌落限制環(huán)，不斷的修正劑量冷點(diǎn)和熱點(diǎn)，提高靶區(qū)的適形性和均勻性、降低靶區(qū)周圍危及器官劑量，說明Auto－VMAT計(jì)劃的單次優(yōu)化時(shí)間大于Manual－VMAT計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間，優(yōu)化的機(jī)器的過程更為復(fù)雜，需要消耗大量的時(shí)間并通過不斷試錯(cuò)的方法找到最優(yōu)的優(yōu)化參數(shù)。另外，Pinnacle39.10可通過編程建立病種Auto－VMAT計(jì)劃腳本，直接調(diào)用省去繁瑣的步驟，節(jié)省計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間。當(dāng)然，本研究基于Pinnacle39.10的自動計(jì)劃的設(shè)計(jì)過程中仍不能完全脫離人工干預(yù)，在自動計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中初始目標(biāo)的參數(shù)仍需像人工計(jì)劃那樣憑借臨床經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，比如本研究中VMAT治療的旋轉(zhuǎn)范圍、旋轉(zhuǎn)等中心點(diǎn)、優(yōu)化初始參數(shù)值及權(quán)重等，這些初始參數(shù)的選擇對計(jì)劃的質(zhì)量起到重要的作用，同樣也是計(jì)劃設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。在實(shí)際臨床上，在使用自動計(jì)劃AP模塊優(yōu)化時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況對基本參數(shù)進(jìn)行修正，在臨床上最大程度地發(fā)揮自動計(jì)劃的優(yōu)勢。

綜上所述，基于Pinnacle39.10計(jì)劃系統(tǒng)自動計(jì)劃模塊在宮頸癌放療計(jì)劃設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，Auto－VMAT計(jì)劃的靶區(qū)處方劑量分布和周圍正常器官的劑量明顯優(yōu)于Manual－VMAT，而且Auto－VMAT計(jì)劃減少了人工參與時(shí)間，降低了因人為因素對計(jì)劃質(zhì)量造成影響。因此對于宮頸癌的放射治療，自動計(jì)劃VMAT計(jì)劃可以作為現(xiàn)代臨床的一種選擇。