Rapidplan優(yōu)化模塊在左側(cè)乳腺癌術(shù)后調(diào)強放療中的應(yīng)用研究*

桂記龍,鄒小艷

(四川省自貢市第一人民醫(yī)院:1.信息科;2.腫瘤科 643000)

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一。乳腺癌根治術(shù)后胸壁放射治療可以明顯降低腫瘤局部和區(qū)域淋巴結(jié)復(fù)發(fā)率,提高治愈率[1]。放射治療技術(shù)作為乳腺癌的一種重要的治療方式,目前已越來越廣泛地應(yīng)用于臨床[2]。在傳統(tǒng)的計劃設(shè)計過程中,計劃的質(zhì)量往往依賴于計劃設(shè)計者的經(jīng)驗和技巧,不同地域、不同年資的物理師計劃質(zhì)量存在差異性,且物理師花費大量時間優(yōu)化靶區(qū)和危及器官劑量,尋找最優(yōu)的計劃方案,耗時耗力。人工放療計劃質(zhì)量與人為因素有很大關(guān)系,自動計劃能很好地解決人為差異，提高計劃質(zhì)量,自動計劃是近年來的研究熱點[3-5]。具有代表性的有美國瓦里安公司Eclipse計劃系統(tǒng)的Rapidplan優(yōu)化模塊及飛利浦公司Pinnacle計劃系統(tǒng)的Autoplan。本研究利用Rapidplan優(yōu)化模塊建立左側(cè)乳腺癌根治術(shù)后胸壁固定野調(diào)強放療自動計劃,首先由物理師在Eclipse v13.6計劃系統(tǒng)(treatment planning system,TPS)制訂人工計劃,比較自動計劃和人工計劃的劑量學(xué)特性,分析Rapidplan優(yōu)化模塊在左側(cè)乳腺癌根治術(shù)后胸壁固定野調(diào)強放療應(yīng)用的可行性,為臨床提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

對2020年1月至2021年1月在本院治療的20例左側(cè)乳腺癌根治術(shù)后患者資料進行回顧性分析。放療靶區(qū)包括左側(cè)胸壁及鎖骨上淋巴引流區(qū)。使用熱塑膜及專用碳纖維板和枕頭固定患者,統(tǒng)一取仰臥位,采用CT模擬定位機進行增強掃描,CT掃描層厚3 mm,掃描范圍為環(huán)狀軟骨到第2腰椎。靶區(qū)勾畫參照ICRU-62號報告。本研究對象為乳腺癌根治術(shù)后患者,不涉及腫瘤區(qū)(gross target volume,GTV),僅有臨床靶區(qū)(clinical target volume,CTV)和計劃靶區(qū)(planning target volume,PTV)。勾畫CTV,其中CTV包括鎖骨上下淋巴引流區(qū)域、胸壁。CTV外放5 mm成為PTV。勾畫心臟、脊髓、健側(cè)乳腺、肱骨頭、食道、甲狀腺、肝臟及雙側(cè)肺組織等危及器官(organ at risk,OAR),所有患者胸壁放療技術(shù)均采用固定野調(diào)強放療。

1.2 方法

1.2.1計劃設(shè)計

瓦里安Eclipse V13.6計劃系統(tǒng)的Rapidplan模塊是一種基于先驗知識的機器學(xué)習(xí)方法,它通過提取分析模型庫中靶區(qū)和危及器官的空間位置信息及劑量分布信息,能夠很好地預(yù)測放療計劃,Rapidplan模塊需要通過計劃數(shù)據(jù)庫來建立和訓(xùn)練劑量體積直方圖(dose volume histogram,DVH)預(yù)測模型。模型庫的具體創(chuàng)建流程[6]：首先,在模塊中創(chuàng)建一個新的模型,對其進行模型描述、臨床描述、適用范圍、添加結(jié)構(gòu)等信息的填寫。然后導(dǎo)入選擇的20例左側(cè)乳腺病例制訂自動優(yōu)化模塊,提取特定參數(shù),訓(xùn)練并核實,最終形成基于解剖特性和先驗知識的乳腺癌調(diào)強計劃自動優(yōu)化模塊。處方劑量均為50 Gy/25 F。各危及器官的劑量參數(shù)為全肺V5<60%、V20<30%、 V30<20%；心臟 V30<40%、V40<30%、Dmean<12 Gy,脊髓Dmax<45 Gy,健側(cè)乳腺Dmean<5 Gy。人工計劃為既往臨床治療完成的計劃,均由物理師手工完成。人工計劃均采用與自動計劃相同的能量、處方、布野及優(yōu)化算法。

1.2.2計劃評估

根據(jù)劑量-體積直方圖(dose-volume histogram,DVH)來評價靶區(qū)和危及器官的劑量學(xué)參數(shù),參考ICRU-83號報告[7]。靶區(qū)的劑量學(xué)參數(shù)：D2、D98、平均劑量Dmean,其中D2、D98分別為包圍靶區(qū)體積2%、98%的最小劑量；均勻性指數(shù)(HI)=(D2-D98)/D50,其中D50為包圍靶區(qū)體積50%的最小劑量,HI值越接近0,表明靶區(qū)的均勻性越好。適形度指數(shù)(CI)=(VT,ref/VT)×(VT,ref/Vref),其中ref為95%處方劑量所覆蓋的靶區(qū)體積,VT為靶區(qū)體積,Vref為95%處方劑量所覆蓋的總體積,CI值越接近于1,說明靶區(qū)的適形度越好。各危及器官的劑量參數(shù)為全肺V5、V20、 V30；心臟 V30、V40、Dmean;脊髓Dmax;健側(cè)乳腺Dmean。此外,評估各計劃的機器跳數(shù)(monitor unit,MU)。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理

所有數(shù)據(jù)采用SPSS22.0軟件進行統(tǒng)計處理,采用配對t檢驗處理自動計劃與人工計劃的差異,P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 DVH比較

某個病例靶區(qū)和危及器官的DVH對比,自動計劃大部分危及器官受量低于人工計劃,自動計劃靶區(qū)均勻性也更好，見圖1。

圖1 自動計劃與人工計劃DVH對比

2.2 靶區(qū)和危及器官劑量學(xué)參數(shù)比較

基于Rapidplan模塊的自動計劃與物理師手動完成的人工計劃D2差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),但D98、Dmean、CI差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；自動計劃的HI優(yōu)于人工計劃,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，見表1。

表1 靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)比較

自動計劃全肺V5、V20均低于人工計劃,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),但全肺 V30差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.789),自動計劃心臟 V30、V40、Dmean均比人工計劃低,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。脊髓Dmax、右乳(健側(cè)乳腺)Dmean也是自動計劃低于人工計劃,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),見表2。

表2 危及器官劑量學(xué)參數(shù)比較

2.3 計劃優(yōu)化效率與機器跳數(shù)比較

人工計劃的平均優(yōu)化時間為(48.35±13.02)min,自動計劃平均優(yōu)化時間為(35.53±12.35)min,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。人工計劃MU為1 506±311,自動計劃MU為1 192±182,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

3 討 論

放射治療是乳腺癌患者的重要治療手段之一,在IMRT計劃設(shè)計中,需要物理師手動完成,并反復(fù)優(yōu)化直至滿足臨床需求,為獲取更高質(zhì)量的計劃,需要耗費大量的時間,計劃的質(zhì)量依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗與技巧。而自動計劃可有效節(jié)約人力資源,降低不同設(shè)計者計劃設(shè)計的差異,滿足高質(zhì)量的計劃設(shè)計要求。近年來,自動計劃技術(shù)被引入到各部位腫瘤放療計劃設(shè)計中[8-9]。在使用Rapidplan優(yōu)化模塊過程中,其結(jié)果也不是全自動的,其優(yōu)化過程往往需要手動調(diào)整靶區(qū)的權(quán)重和參數(shù),仍然需要多次微調(diào),但沒有增加計劃設(shè)計的復(fù)雜程度,優(yōu)化的時間相對于人工計劃有大幅度降低(26.51%)。

固定野調(diào)強放療在保證靶區(qū)劑量的情況下保護了靶區(qū)周邊的危及器官,在多種腫瘤放療中均有報道[10-11]。減少肺、心臟等的照射劑量和照射體積可以降低放射性肺炎和放射性相關(guān)心臟病的發(fā)生[12]。本研究以左側(cè)乳腺癌為例,基于Eclipse v13.6計劃系統(tǒng)Rapidplan模塊探討IMRT自動計劃與人工計劃的區(qū)別,通過比較兩種放療計劃部分劑量學(xué)參數(shù),探討自動計劃在左側(cè)乳腺癌術(shù)后胸壁固定野優(yōu)化放療計劃的應(yīng)用價值。臨床研究指出,與人工計劃相比,自動計劃在部分腫瘤放療計劃中能夠有效地實現(xiàn)計劃時間與質(zhì)量的優(yōu)化[13-14]。對左側(cè)乳腺癌術(shù)后胸壁放療自動計劃應(yīng)用價值,未見有明確報道,本研究結(jié)果顯示,自動計劃比人工計劃靶區(qū)HI更有優(yōu)勢(P<0.05),自動計劃的靶區(qū)均勻性明顯提高,這與吳建篪等[14]的研究結(jié)果類似。危及器官方面,肺、心臟、脊髓等大多數(shù)指標(biāo)人工計劃高于自動計劃,自動計劃全肺的V5、V20均小于人工計劃,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),而 V30差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.789)。心臟 V30、V40、Dmean結(jié)果為自動計劃小于人工計劃,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。GALLIO等[15]比較了肝癌立體定向放射治療Pinnacle計劃系統(tǒng)的自動計劃與人工計劃靶區(qū)和危及器官劑量學(xué)參數(shù)、機器跳數(shù)、計劃設(shè)計時間等,發(fā)現(xiàn)自動計劃能降低脊髓劑量和減少計劃設(shè)計時間,這與本研究結(jié)論基本一致。本研究自動計劃肺、心臟、脊髓等危及器官劑量降低,且計劃優(yōu)化時間減少26.51%,提高了優(yōu)化效率,根本原因在于Rapidplan是一種基于解剖結(jié)構(gòu)和先驗知識的人工智能方法。在使用Rapidplan模塊進行計劃設(shè)計時,模塊既可以為每個危及器官提供一個預(yù)測區(qū)間供物理師參考,使用Rapidplan自動計劃生成的函數(shù)進行優(yōu)化時,危及器官的劑量是按照預(yù)測區(qū)間的整個下限線進行優(yōu)化。因此不僅可以有效地避免人工優(yōu)化過程由于主觀性導(dǎo)致的欠優(yōu)計劃,在優(yōu)化過程中幫助物理師在制作過程中快速修改；而且對于每個危及器官而言,優(yōu)化的目標(biāo)參數(shù)也從常規(guī)的點擴大到了線,可以達到盡可能低的限值,從而獲得了比常規(guī)臨床計劃更佳的劑量分布,也提高了計劃制作的效率[6]。ZHANG等[16]和任江平等[17]比較了鼻咽癌自動計劃與人工計劃特點,認(rèn)為自動計劃不僅有很好的靶區(qū)均勻性和適行度,還降低了脊髓、腦干的劑量,降低了機器跳數(shù)和計劃設(shè)計時間,這與本研究結(jié)果基本一致。

綜上所述,在左側(cè)乳腺癌根治術(shù)后胸壁固定野調(diào)強放療計劃中,使用Rapidplan優(yōu)化模塊,在達到人工計劃靶區(qū)處方劑量的同時能進一步降低肺、心臟、脊髓等危及器官的劑量,也可縮短計劃設(shè)計時間,提高計劃質(zhì)量,值得臨床推廣。