口咽癌自動(dòng)固定野調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃的可行性研究*

胡勁偉，付波，康盛偉，黎杰，吳駿翔

610051成都，成都醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院·核工業(yè)四一六醫(yī)院 腫瘤科(胡勁偉、付波); 610041成都，四川省腫瘤醫(yī)院·研究所，四川省癌癥防治中心，電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院 放射腫瘤學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(康盛偉、黎杰、吳駿翔)

口咽癌是我國(guó)常見的惡性腫瘤之一，固定野調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy,IMRT)和容積旋轉(zhuǎn)弧形調(diào)強(qiáng)治療(volumetric modulated arc therapy,VMAT)是目前口咽癌常用的兩種放療技術(shù)。相比于IMRT技術(shù)，VMAT技術(shù)對(duì)于靶區(qū)可以獲得更優(yōu)的均勻性和適形性、降低危及器官受照射劑量，并有效地縮短治療時(shí)間，提高治療效率，已成熟應(yīng)用于臨床[1-4]。雖然大多數(shù)部位VMAT技術(shù)的計(jì)劃質(zhì)量?jī)?yōu)于IMRT技術(shù)，但在國(guó)內(nèi)IMRT技術(shù)仍是主要照射技術(shù)，根據(jù)《2019年中國(guó)大陸地區(qū)放療人員和設(shè)備基本情況調(diào)查研究》[5]，大陸地區(qū)放療單位1 463家，其中能開展IMRT技術(shù)的1 121家，占所有單位76.6%，而開展VMAT技術(shù)的僅424家，占29.0%。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者嘗試使用各種技術(shù)提高IMRT的計(jì)劃質(zhì)量，如增加照射野個(gè)數(shù)[6]、調(diào)整床板角度[7]、固定鉛門技術(shù)[8]、無均整器模式[9]等。

除照射技術(shù)外，計(jì)劃質(zhì)量還跟物理師的能力和經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，在計(jì)劃設(shè)計(jì)中根據(jù)患者的實(shí)際情況不斷修改目標(biāo)函數(shù)以達(dá)到最優(yōu)方案。近年來，自動(dòng)計(jì)劃不斷發(fā)展并逐漸應(yīng)用于臨床以減少因物理師能力導(dǎo)致的計(jì)劃質(zhì)量差異，有效減少計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間，在宮頸癌[10]、肺癌[11]、頭頸部癌[12]和前列腺癌[13]等癌種表現(xiàn)出優(yōu)于人工計(jì)劃的潛力。目前少有關(guān)于使用自動(dòng)計(jì)劃提高IMRT計(jì)劃質(zhì)量和自動(dòng)計(jì)劃應(yīng)用于口咽癌的相關(guān)研究。本研究選取25例口咽癌患者，在Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)中分別設(shè)計(jì)自動(dòng)IMRT計(jì)劃和人工VMAT計(jì)劃，比較兩組計(jì)劃的劑量學(xué)參數(shù)，評(píng)估自動(dòng)IMRT計(jì)劃在口咽癌應(yīng)用的可行性。

1 資料與方法

1.1 患者資料

選擇2021年1月至2021年6月本院收治的25例口咽癌患者，年齡41～62歲，中位年齡45歲，其中男性13例，女性12例。

1.2 CT定位和靶區(qū)危及器官勾畫

所有患者均采用仰臥位，頭頸肩熱塑膜固定體位，采用Philips BrillianceTMCT BigBore4 16排大孔徑CT模擬機(jī)上進(jìn)行模擬定位，掃描層厚0.3 cm。掃描后將患者CT數(shù)據(jù)傳送至美國(guó)MIM Software公司的 MIM Maestro軟件由主管醫(yī)生根據(jù)口咽癌勾畫指南[14]勾畫靶區(qū)和危及器官(organ at risk,OAR)。靶區(qū)包括淋巴引流區(qū)(clinical target volume of lymph nodes,PCTVln)、原發(fā)腫瘤(gross target volume,PGTV)、低危亞臨床病灶(low-risk clinical target volume,PCTV2)、高危亞臨床病灶(high-risk clinical target volume,PCTV1)、陽性淋巴結(jié)(gross target volume of lymph nodes,PGTVln)，處方劑量和照射次數(shù)分別為54 Gy、70 Gy、60 Gy、66Gy、70 Gy，33次。危及器官包括腦干、脊髓、口腔、喉、腮腺、下頜骨。

1.3 計(jì)劃設(shè)計(jì)

使用Pinnacle39.10計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)，劑量計(jì)算采用Adaptive Convolve算法，分別設(shè)計(jì)口咽癌的自動(dòng)IMRT計(jì)劃(IMRTauto)和人工VAMT計(jì)劃(VMATmanu)，且均采用相同的劑量限制條件(表1)、優(yōu)化迭代次數(shù)80次，直線加速器采用瑞典醫(yī)科達(dá)公司的Axesse(6 MV X射線)，配置80對(duì)0.5 cm的多葉光柵，最大劑量率均為600 MU/min。自動(dòng)IMRT計(jì)劃：7野，153°、102°、51°、0°、309°、258°、207°，總子野數(shù)≤70個(gè)，最小子野面積4 cm2，最小子野跳數(shù)4 MU，優(yōu)化方式機(jī)器直接子野優(yōu)化(direct machine parameter optimization，DMPO)。人工VMAT計(jì)劃：雙弧VMAT計(jì)劃(弧1順時(shí)針181°～179°，弧2逆時(shí)針179°～181°)，間隔4°出束，優(yōu)化算法SmartArc。人工計(jì)劃中需構(gòu)建控制靶區(qū)外劑量分布的輔助結(jié)構(gòu)，包括：Ring1_ PGTVln+PGTV(PGTVln+ PGTV外擴(kuò)1.0 cm減去PGTVln+ PGTV外擴(kuò)0.5 cm)、Fan1(皮膚-靶區(qū)之和外擴(kuò)1.5 cm)和Fan2(皮膚-靶區(qū)之和外擴(kuò)2.0 cm)；而自動(dòng)計(jì)劃中無需人工構(gòu)建輔助結(jié)構(gòu)。

表1 危及器官劑量限制條件

1.4 計(jì)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)估PCTVln、PCTV2、PCTV1、PGTVln、PGTV等靶區(qū)的D95、D2、Dmean、均勻性指數(shù)(homogeneity index,HI)[15]以及PGTV和PGTVln的適形性指數(shù)(conformity index,CI)[16]。均勻性指數(shù)的公式為：HI=(D2-D98)/D50。其中D2、D50和D98為2%、50%和98%靶區(qū)體積所對(duì)應(yīng)的劑量。HI越接近0表示均勻性越好。

適形指數(shù)的公式為：CI=(TVPV)2/(TV/PV)。其中TVPV為處方劑量所覆蓋靶區(qū)的體積，TV為靶區(qū)的體積，PV為處方劑量線所覆蓋的總體積。CI越接近1表示適形度越高。OAR的評(píng)估指標(biāo)包括腦干和脊髓的Dmax、D1、口腔、喉和腮腺的V30和Dmean以及下頜骨的V50和Dmean。另外，還比較了兩組計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)、優(yōu)化時(shí)間以及優(yōu)化次數(shù)。并使用三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)ArcCheck(Sun Nuclear公司)檢測(cè)兩組計(jì)劃的執(zhí)行準(zhǔn)確性，比較兩組計(jì)劃3 mm/3%的γ通過率。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 23.0對(duì)本研究中兩組計(jì)劃的劑量學(xué)參數(shù)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)分析，數(shù)據(jù)以表示。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)

表2為兩組計(jì)劃的靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)，靶區(qū)覆蓋等參數(shù)均滿足臨床要求。自動(dòng)計(jì)劃組PCTV1的D95低于人工計(jì)劃組(P<0.05)，其余靶區(qū)的D95和CI的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。自動(dòng)計(jì)劃組靶區(qū)PCTVln、PCTV2和PCTV1的Dmean低于人工計(jì)劃組，而PGTVln和PGTV的Dmean高于人工計(jì)劃組(P<0.05)。自動(dòng)計(jì)劃組PCTV2的D2低于人工計(jì)劃組，PCTV1、PGTVln和PGTV等靶區(qū)高于人工計(jì)劃組(P<0.05)。自動(dòng)計(jì)劃組PCTV1、PGTVln和PGTV等靶區(qū)的HI值略差于人工計(jì)劃組(P<0.05)。

表2 VMATmanu和IMRTauto靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)

2.2 危及器官劑量學(xué)參數(shù)

兩組計(jì)劃的危及器官劑量學(xué)參數(shù)見表3，其中兩組計(jì)劃的脊髓、口腔、喉和腮腺等危及器官的劑量學(xué)參數(shù)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。自動(dòng)計(jì)劃組的腦干Dmax和下頜骨V50優(yōu)于人工計(jì)劃組，分別降低了2.5 Gy和5.64%(P<0.05)。

表3 VMATmanu和IMRTauto危及器官劑量學(xué)參數(shù)

2.3 劑量分布、機(jī)器跳數(shù)、優(yōu)化時(shí)間、優(yōu)化次數(shù)和驗(yàn)證通過率比較

圖1為兩組計(jì)劃的劑量分布圖，劑量線由3 500～7 700 cGy，從圖中可知兩組計(jì)劃在劑量分布上沒有明顯差異。圖2為兩組計(jì)劃隨機(jī)選取了10例患者的機(jī)器跳數(shù)、優(yōu)化時(shí)間和優(yōu)化次數(shù)的比較，其中白色斜杠的是VMATmanu組，黑色實(shí)心的是IMRTauto。自動(dòng)計(jì)劃和人工計(jì)劃組的機(jī)器跳分別為數(shù)1 114 MU和956 MU，自動(dòng)計(jì)劃組增加了16.5%(P<0.05)；優(yōu)化時(shí)間分別為38.9 min和88.1 min，自動(dòng)計(jì)劃組減少了55.8%(P<0.05)。自動(dòng)計(jì)劃和人工計(jì)劃組的優(yōu)化次數(shù)分別為3.0和4.0，差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。兩組計(jì)劃的平均γ通過率均>90%，其中自動(dòng)計(jì)劃組和人工計(jì)劃組的γ通過率分別為98.8%和97.9%(P<0.05)。

圖1 兩組計(jì)劃的劑量分布比較圖

圖2 兩組計(jì)劃的優(yōu)化時(shí)間、機(jī)器跳數(shù)和優(yōu)化次數(shù)的比較

3 討 論

放射治療計(jì)劃設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，需根據(jù)患者實(shí)際情況、治療指南、加速器和計(jì)劃系統(tǒng)性能等情況并消耗大量時(shí)間尋找最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)(劑量體積限值和權(quán)重)，經(jīng)過不斷的試錯(cuò)法以達(dá)到最接近最優(yōu)的放療計(jì)劃。而以上過程中，人為因素影響很大，計(jì)劃的質(zhì)量很大程度上取決于計(jì)劃設(shè)計(jì)者的技巧和經(jīng)驗(yàn)，例如構(gòu)建控制靶區(qū)外劑量分布的輔助結(jié)構(gòu)、控制靶區(qū)內(nèi)劑量冷、熱點(diǎn)的輔助結(jié)構(gòu)、設(shè)置靶區(qū)和危及器官的目標(biāo)函數(shù)和權(quán)重等，不同計(jì)劃設(shè)計(jì)者做出的計(jì)劃質(zhì)量差異很大且需要消耗大量時(shí)間[17]?；诖?，自動(dòng)計(jì)劃逐漸開始應(yīng)用于臨床以解決上述問題。目前，自動(dòng)計(jì)劃主要研究方向分為3種：1)基于三維劑量分布的自動(dòng)計(jì)劃；2)基于劑量體積直方圖的自動(dòng)計(jì)劃；3)基于自動(dòng)化腳本的自動(dòng)計(jì)劃。本研究選取的Pinnacle自動(dòng)計(jì)劃模塊Auto-Planning模塊屬于第三種自動(dòng)計(jì)劃方法，基于漸進(jìn)式的自動(dòng)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的計(jì)劃設(shè)計(jì)，與人工VMAT計(jì)劃比較，探討自動(dòng)計(jì)劃是否能夠提高IMRT的計(jì)劃質(zhì)量和優(yōu)化效率。

自動(dòng)計(jì)劃的優(yōu)化流程類似于經(jīng)驗(yàn)豐富的計(jì)劃設(shè)計(jì)者不斷通過試錯(cuò)法修改靶區(qū)和危及器官的目標(biāo)函數(shù)值和權(quán)重，自動(dòng)勾畫控制靶區(qū)外劑量分布的輔助結(jié)構(gòu)，并根據(jù)優(yōu)化后的劑量結(jié)果自動(dòng)生成控制冷熱點(diǎn)的輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)一步繼續(xù)優(yōu)化以達(dá)到最優(yōu)的計(jì)劃。自動(dòng)計(jì)劃優(yōu)化前后目標(biāo)函數(shù)變化及自動(dòng)生成輔助結(jié)構(gòu)具體見表4，其中PTV_AP_HS和PTV_AP_CS為自動(dòng)生成的用于控制靶區(qū)熱點(diǎn)和冷點(diǎn)的輔助結(jié)構(gòu)，而TargetSurround_AP和BodyMinusTaget_AP為自動(dòng)生成的用于控制靶區(qū)外劑量分布的“環(huán)”和“皮膚-靶區(qū)外擴(kuò)”等輔助結(jié)構(gòu)。靶區(qū)和危及器官目標(biāo)函數(shù)(劑量體積參數(shù)和權(quán)重)的設(shè)置、輔助結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是計(jì)劃設(shè)計(jì)流程中的難點(diǎn)和耗時(shí)最多的地方。對(duì)于一個(gè)新的計(jì)劃，其初始目標(biāo)函數(shù)需要計(jì)劃設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的修改，而計(jì)劃的質(zhì)量與計(jì)劃設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)。自動(dòng)計(jì)劃在靶區(qū)和危及器官的目標(biāo)函數(shù)設(shè)置上更加簡(jiǎn)易，并且可以自動(dòng)生成常用的輔助結(jié)構(gòu)，縮短了計(jì)劃設(shè)計(jì)流程中該部分的時(shí)間。對(duì)于靶區(qū)只需給出處方劑量，無需設(shè)置劑量對(duì)應(yīng)的體積和權(quán)重；而危及器官需給出劑量體積，權(quán)重提供“High、Medium和Low”3種選擇，無需給出具體的權(quán)重值。這里要注意的是，雖然自動(dòng)計(jì)劃降低了計(jì)劃設(shè)計(jì)的難度，但是仍需要經(jīng)驗(yàn)豐富的計(jì)劃設(shè)計(jì)者提供合理的危及器官初始劑量體積，因?yàn)槌跏寄繕?biāo)函數(shù)的設(shè)置會(huì)對(duì)后續(xù)自動(dòng)計(jì)劃的優(yōu)化產(chǎn)生較大的影響。

表4 自動(dòng)計(jì)劃優(yōu)化前后對(duì)比表

本研究選取25例口咽癌患者，對(duì)于靶區(qū)，人工VMAT計(jì)劃優(yōu)于自動(dòng)IMRT，特別是靶區(qū)的均勻性等參數(shù)，其中人工計(jì)劃組的D2和HI等參數(shù)優(yōu)于自動(dòng)計(jì)劃，分別提高0.76 Gy、1.82 Gy、1.83 Gy和0.01、0.02、0.03(P<0.05)。在大多數(shù)的研究中[12,17]，自動(dòng)計(jì)劃不能提高靶區(qū)的劑量學(xué)參數(shù)，與人工計(jì)劃相比，對(duì)于靶區(qū)沒有顯著差異。這可能是兩種計(jì)劃方法的優(yōu)化思路上存在一定的差異，自動(dòng)計(jì)劃更側(cè)重于靶區(qū)和危及器官的達(dá)到最優(yōu)的平衡，而人工計(jì)劃則是在危及器官在耐受范圍內(nèi)得到更優(yōu)的靶區(qū)劑量；自動(dòng)計(jì)劃對(duì)于危及器官的保護(hù)略優(yōu)于人工計(jì)劃，其中自動(dòng)計(jì)劃組的腦干Dmax和下頜骨V50與人工計(jì)劃組相比分別降低了2.5 Gy和5.64%(P<0.05)。該結(jié)果與其他研究者的結(jié)果類似，自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃相比可以提高計(jì)劃質(zhì)量，給予危及器官更好的保護(hù)，Hazell等[12]選取了26例頭頸部計(jì)劃，自動(dòng)計(jì)劃組與人工計(jì)劃組相比，脊髓最大值降低2.75 Gy、左右側(cè)腮腺分別降低3.93和5.81 Gy(P<0.05)，94%自動(dòng)計(jì)劃的計(jì)劃質(zhì)量?jī)?yōu)于人工計(jì)劃；Quan等[11]使用基于Pinnacle的mdaccAutoPlan自動(dòng)計(jì)劃應(yīng)用于肺癌，自動(dòng)IMRT計(jì)劃與人工IMRT計(jì)劃相比，肺和心臟平均劑量分別降低了17%和26%。本研究自動(dòng)IMRT計(jì)劃質(zhì)量略優(yōu)于人工VMAT，而在其他研究中[18-19]自動(dòng)計(jì)劃的質(zhì)量均顯著優(yōu)于人工計(jì)劃，這可能與兩種治療技術(shù)有關(guān)，對(duì)于大多數(shù)部位的腫瘤，VMAT計(jì)劃質(zhì)量?jī)?yōu)于IMRT計(jì)劃，VMAT技術(shù)與IMRT技術(shù)相比可以從更多的角度出束，產(chǎn)生更多的控制點(diǎn)。另外，本研究中自動(dòng)計(jì)劃組的γ通過率高于人工計(jì)劃組，這可能跟VMAT和IMRT這兩種照射技術(shù)有關(guān)，VMAT生成的子野數(shù)更多，子野形狀更復(fù)雜。從另一方面也說明自動(dòng)計(jì)劃不會(huì)降低劑量投照的準(zhǔn)確性，能夠滿足臨床治療和質(zhì)控要求。

另外，自動(dòng)計(jì)劃可以提高計(jì)劃設(shè)計(jì)效率，Voet等[13]研究中自動(dòng)計(jì)劃提高了60%的計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間；Yang等[20]研究中自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃相比，平均降低了優(yōu)化時(shí)間5.2 min。在本研究中自動(dòng)計(jì)劃和人工計(jì)劃的優(yōu)化次數(shù)分別為3.0和4.0(P>0.05)，自動(dòng)計(jì)劃和人工計(jì)劃的優(yōu)化時(shí)間分別為38.9 min和88.1 min(P<0.05)，自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃相比優(yōu)化時(shí)間減少了55.8%，顯著提高了計(jì)劃設(shè)計(jì)效率。本研究自動(dòng)計(jì)劃提高計(jì)劃優(yōu)化效率的原因與其他研究不同，其他研究中自動(dòng)計(jì)劃之所以提高計(jì)劃效率主要是因?yàn)闇p少了優(yōu)化次數(shù)，而本研究中兩組計(jì)劃的優(yōu)化次數(shù)差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間的減少主要是因?yàn)镮MRT計(jì)劃的優(yōu)化速度本身就快于VMAT計(jì)劃，在相同的優(yōu)化次數(shù)時(shí)，IMRT計(jì)劃的優(yōu)化時(shí)間遠(yuǎn)低于VMAT計(jì)劃。自動(dòng)計(jì)劃節(jié)約的時(shí)間不僅可以使物理師把更多的精力放在質(zhì)控上，而且可以將自動(dòng)計(jì)劃作為高質(zhì)量計(jì)劃的起點(diǎn)進(jìn)一步人工調(diào)節(jié)。

不足之處在于，本研究使用自動(dòng)計(jì)劃仍需人工布置射野角度等參數(shù)。由于口咽癌靶區(qū)分布較規(guī)則，且靶區(qū)屬于中央型，固定野角度采用7野或9野均分即可，人工布置射野角度不會(huì)給計(jì)劃設(shè)計(jì)者產(chǎn)生較大的難度。相比于提升加速器硬件實(shí)現(xiàn)VMAT功能，本研究使用的自動(dòng)計(jì)劃只需要在現(xiàn)有的TPS基礎(chǔ)上提升軟件能力即可實(shí)現(xiàn)類似于VMAT的計(jì)劃質(zhì)量，有助于節(jié)約成本，這對(duì)于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的西部地區(qū)的放療具有更現(xiàn)實(shí)的意義。另一方面，IMRT與VMAT相比，對(duì)于質(zhì)控要求相對(duì)較低，進(jìn)一步減少了物理師的工作量。

綜上所述，對(duì)于口咽癌的放療計(jì)劃，自動(dòng)IMRT計(jì)劃可以達(dá)到類似于VMAT的計(jì)劃質(zhì)量的同時(shí)顯著地提高了優(yōu)化效率，減少了計(jì)劃質(zhì)量對(duì)于計(jì)劃設(shè)計(jì)者能力的依賴性，降低了人為因素對(duì)于計(jì)劃的影響。針對(duì)我國(guó)大多數(shù)放療單位僅能開展IMRT技術(shù)，相比于硬件的提升，使用自動(dòng)計(jì)劃更適合在基層放療單位推廣應(yīng)用，并具有臨床可行性。

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