Auto-planning在乳腺癌根治术后A-VMAT中的优化性能评估及临床应用

中国人民解放军总医院 第一医学中心放疗科，北京 100853

引言

目前，乳腺癌仍是对女性健康造成威胁的最常见恶性肿瘤之一，放射治疗是乳腺癌综合治疗的重要组成部分[1]；开展根治术或改良根治术后，放疗可以有效改善局部控制率和总体生存率，由于靶区主要包括患侧胸壁及锁骨上区，形状通常极不规则，因此极大增加放疗计划设计难度。容积旋转调强放疗技术（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）在获得更好的靶区覆盖度、剂量均匀性的前提下有效地减小患侧肺受量，但造成对侧乳腺有轻微的受照剂量但可接受的增加[2]。

VMAT计划采用逆向优化，所得结果主要依据设置的优化参数，不同计划设计者的临床工作经验不同导致计划结果存在差异，从而对患者放射治疗效果及不良反应产生影响。此外，计划设计过程中需要多次迭代优化以获得最优结果，这将大大地增加时间的消耗。近年来，自动计划逐渐成为放疗计划设计的发展趋势，能够最大程度地降低计划设计者的失误和个体化差异，使得治疗计划更加精准化与一致化，同时极大地提高计划设计效率。许多计划系统厂商开发出各具特色的自动计划模块，如Pinnacle39.10 Auto-planning（AP）（Philips Radiation Oncology Systems，Fitchburg，美国）、Varian RapidPlan（Varian Medical System，Palo Alto，美国）等。AP模块采用自动优化引擎，依据物理师给出相应目标函数使用反复减少冷点和热点的迭代优化方法实现放射治疗计划的自动设计[3]；RapidPlan则是通过利用先验知识建立剂量预测模型，而后基于预测所得剂量进行计划自动优化[4]。

为进一步探讨AP自动计划模块在乳腺癌根治术后VMAT计划中的自动优化性能及临床应用价值，本研究采用AP模块对接受手动容积旋转调强计划（Manual Volumetric Modulated Arc Therapy，M-VMAT）治疗的乳腺癌根治术后患者，采集临床已接受M-VMAT计划中的相关剂量体积直方图（Dose Volume Histogram，DVH）参数作为自动计划优化参数进行自动容积旋转调强计划（Automated Volumetric Modulated Arc Therapy，A-VMAT）优化，对A-VMAT计划与M-VMAT计划的相关剂量学参数、临床实施效率及模体验证通过率进行深入分析。

1 材料与方法

1.1 临床资料

选取24例（右侧：12例，左侧：12例）在我院接受治疗的同一主诊组中锁骨上淋巴结转移的女性乳腺癌根治术后放疗患者，纳入标准：择选CTV处方剂量为50 Gy、分割次数为25次临床治疗患者。患者年龄32～87岁，中位年龄为47岁。

1.2 定位扫描

患者躺于乳腺托架，仰卧位双上肢外展上举，具体角度根据患者身体状况而定，在自由呼吸状态下采用Siemens大孔径CT（Siemens SOMATOM Definition AS）实施CT扫描，层厚为5 mm，分辨率为512×512。扫描范围一般从中颈至膈下，将扫描所得图像以DICOM RT格式传输至Pinnacle3 9.10计划系统，由同一主诊组医生勾画靶区（CTV：胸壁及锁骨上淋巴结区，不超出皮下3 mm）及相应危及器官（左侧肺、右侧肺、心脏、脊髓、食管及健侧乳腺）。

1.3 治疗计划设计

利用Pinnacle3 9.10计划系统，基于瓦里安iX加速器手动设计容积旋转调强计划，采用2个半弧设计，射野机架角度范围 ：左侧乳腺通常为 179.9°～300°和 300°～179.9°；右侧乳腺通常为 180.1°～65°和 65°～180.1°，具体起止角度各个患者略有差异；各射野机头角度及X方向钨门宽度根据靶区形状进行合理调整；选择6 MV X线，默认剂量率600 MU/min；通过计划优化使95%处方剂量包绕95%的CTV体积。为了进一步提高靶区适形度及降低危及器官受量需手动勾画相应辅助结构。

自动计划优化参数设置：使用Pinnacle3 9.10计划系统AP模块进行A-VMAT计划的自动优化，相关目标函数参照M-VMAT计划DVH剂量学参数设置，包括：食管、脊髓及健侧乳腺的最大剂量（Dmax）；心脏V30；健侧肺V5；患侧肺V5、V10、V20及平均剂量（Dmean）；辅助结构体积参数Vx。自动计划优化最大迭代次数设置为60次，Tuning balance：11%，剂量跌落区间：2.6 cm，热点最大值为107%处方剂量，优化过程中冷点可自动生成。

1.4 剂量参数评估

主要包括：（1）靶区的Dmax、Dmean、CTV95%、CTV100%、CTV105%、HI和 CI[5]、机器跳数（MUs）以及射野出束时间。CTV95%、CTV100%及CTV105%分别为95%、100%及105%的处方剂量包绕的靶区体积百分比。HI=D5%/D95%，其中D5%为5%靶区体积所受到的照射剂量，D95%为95%靶区体积所受到的照射剂量；HI越接近1则靶区的剂量越均匀。其中Vt.ref为参考等剂量线所包绕的靶区体积，Vt为靶区体积，Vref是参考等剂量线包绕的总体积。CI值介于0～1之间，越接近于1，表示剂量分布适形度越好。（2）危及器官的评估参数主要包括Dmax、Dmean以及Vx。

1.5 计划验证

在计划系统中将各患者计划导入至ArcCheck的CT图像序列中进行剂量计算并导出模体单次放疗计划（RT Plan，RP）及放疗剂量（RT Dose，RD）文件；在加速器上完成实际剂量的验证测量；利用SNC Patient验证分析软件按照3%/3 mm的γ分析标准对导出注量数据与实际测量结果进行定量对比。

1.6 统计学方法

数据以均值±标准差表示，采用SPSS17.0软件，对各项指标进行配对t检验统计分析，α＜ 0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量参数

对于靶区CTV：A-VMAT计划的Dmax均小于M-VMAT计划，但只有右侧乳腺癌的结果具有统计学差异（t=3.17；P＜0.05）；HI与CI：左、右两侧乳腺癌A-VMAT计划结果 均 优 于 M-IMRT计 划（t=5.53、-4.42；3.84、-5.61；P＜0.05）。与M-VMAT计划相比A-VMAT计划的CTV105%等高剂量体积范围得到了有效的减小（t=3.54，4.63；P＜0.05）。具体结果如表1所示。

表1 乳腺癌患者手动容积旋转调强计划和自动计划的靶区剂量学比较（±s）

表1 乳腺癌患者手动容积旋转调强计划和自动计划的靶区剂量学比较（±s）

靶区 组别 Dmax/Gy Dmean/Gy HI CI CTV95%/% CTV100%/% CTV105%/%左侧M-VMAT 57.19±0.83 52.81±0.23 1.102±0.012 0.771±0.035 99.33±0.39 94.64±1.25 61.51±4.97 A-VMAT 56.76±0.50 52.44±0.39 1.091±0.012 0.801±0.029 99.52±0.34 95.36±0.85 49.46±12.88 t值 1.58 4.01 5.53 -4.42 -4.54 -2.11 3.54 P 值 0.148 0.003 ＜0.001 0.002 0.001 0.064 0.006右侧M-VMAT 57.47±0.55 52.90±0.22 1.100±0.010 0.76±0.025 99.45±0.419 95.29±1.47563.75±5.697 A-VMAT 56.31±0.83 52.25±0.36 1.084±0.011 0.809±0.021 99.63±0.171 95.41±1.365 42.94±12.04 t 值 3.17 4.49 3.84 -5.61 -1.65 -0.23 4.63 P 值 0.011 0.002 0.004 ＜0.001 0.133 0.826 0.001

2.2 危及器官剂量体积参数比较

在健侧肺受照剂量体积参数比较中，左、右两侧乳腺癌A-VMAT计划的超低剂量区体积参数V2值相对于M-VMAT计划有所增加，但不具有显著性差异，而V5及以上的体积参数则低于M-VMAT计划，且各组计划比较中V5均具有统计学差异（t=3.64，2.32；P＜0.05）。对于患侧肺组织，左、右两侧乳腺癌A-VMAT计划的V40等高剂量区体积参数均低于M-VMAT计划，但只有左侧乳腺癌具有统计学差异（t=2.82，2.60；P＜0.05）。

心脏受照剂量体积比较：左、右两侧乳腺癌A-VMAT计划的V2高于M-VMAT计划，左侧乳腺癌计划的V30也呈现相似结果，但均无统计学差异；而右侧乳腺癌患者心脏V5以上的各Vx则低于M-VMAT计划，且V20、V30的差异有统计学意义。食管的Dmax、V20及V30等结果A-VMAT计划显著低于M-VMAT计划（P＜0.05）；V2：左侧乳腺癌患者A-VMAT计划高于M-VMAT计划，而右侧乳腺癌患者则呈现相反趋势。对于健侧乳腺各参数：与V2结果不同，A-VMAT计划的Dmax及V5均低于M-VMAT计划。脊髓的Dmax：左、右两侧乳腺癌A-VMAT计划结果均显著低于M-VMAT计划（t=4.29，3.98；P＜0.05）。具体数值如表2～3所示。

表2 左侧乳腺癌患者手动容积旋转调强计划和自动计划中危及器官的剂量学统计评估(±s)

表2 左侧乳腺癌患者手动容积旋转调强计划和自动计划中危及器官的剂量学统计评估(±s)

危及器官 组别 Dmax/Gy Dmean/Gy V2 V5 V10 V20 V30 V40左侧肺M-VMAT 55.19±0.62 12.39±0.92 99.01±0.97 56.65±4.17 33.99±1.67 20.88±2.39 13.79±2.25 7.55±1.71 A-VMAT 54.55±0.78 12.20±1.13 98.94±1.49 55.99±7.92 33.86±2.55 20.69±2.75 13.28±2.41 6.91±1.50 t 值 2.34 1.88 0.30 0.34 0.40 0.54 1.83 2.82 P 值 0.043 0.093 0.768 0.739 0.701 0.604 0.100 0.020右侧肺M-VMAT 22.79±10.53 2.78±0.55 58.84±18.89 10.56±3.46 0.68±0.41 0.03±0.08 0.01±0.02 0 A-VMAT 20.47±9.96 2.70±0.41 62.25±14.66 6.92±2.19 0.32±0.29 0.02±0.06 0±0 0 t 值 2.72 0.72 -0.70 3.64 3.78 1.58 1.25 -P 值 0.024 0.489 0.500 0.005 0.004 0.148 0.244 -心脏M-VMAT 47.71±8.77 10.39±2.38 98.79±2.31 76.19±9.93 36.04±15.17 10.43±6.56 3.99±3.16 1.47±1.63 A-VMAT 47.58±7.54 9.96±2.50 99.94±0.13 76.84±13.49 31.59±15.48 9.30±6.77 4.10±3.65 1.42±1.49 t 值 0.19 1.55 -1.62 -0.34 2.22 1.42 -0.44 0.34 P 值 0.853 0.155 0.140 0.740 0.054 0.189 0.672 0.744食管M-VMAT 44.85±4.49 13.76±3.89 99.34±1.48 83.58±21.80 53.11±25.30 22.96±9.31 9.96±7.47 2.22±3.18 A-VMAT 41.52±5.53 11.88±3.63 99.63±1.07 77.68±27.07 45.04±22.71 17.73±9.65 6.22±5.24 0.77±1.49 t 值 4.44 5.73 -0.64 0.90 4.50 3.17 2.90 2.54 P 值 0.002 ＜0.001 0.537 0.390 0.001 0.011 0.018 0.032右侧乳腺M-VMAT 10.82±3.01 2.54±0.49 55.24±13.16 8.04±6.03 0.01±0.02 0 0 0 A-VMAT 9.13±2.90 2.52±0.43 56.63±12.44 6.32±4.74 0±0.01 0 0 0 t 值 3.76 0.20 -1.01 0.97 1.35 - - -P 值 0.004 0.847 0.339 0.358 0.210 - - -脊髓M-VMAT 17.19±6.44 5.42±2.57 - - - - - -A-VMAT 12.49±4.73 4.80±1.81 - - - - - -t 值 4.29 1.72 - - - - - -P 值 0.002 0.120 - - - - - -

表3 右侧乳腺癌患者手动容积旋转调强计划和自动计划中危及器官的剂量学统计评估(±s)

表3 右侧乳腺癌患者手动容积旋转调强计划和自动计划中危及器官的剂量学统计评估(±s)

危及器官 组别 Dmax/Gy Dmean/Gy V2 V5 V10 V20 V30 V40左侧肺M-VMAT 15.67±3.48 2.83±0.8260.63±29.26 10.35±4.79 0.41±0.33 0 0 0 A-VMAT 12.67±1.95 2.85±0.6068.35±22.32 7.61±2.00 0.24±0.29 0 0 0 t 值 2.93 -0.14 -2.05 2.32 1.83 - - -P 值 0.017 0.894 0.071 0.046 0.101 - - -右侧肺M-VMAT 54.97±1.13 12.53±0.56 98.88±1.11 59.19±4.25 34.54±2.07 21.39±1.54 13.80±1.15 7.02±1.03 A-VMAT 53.93±0.7112.70±0.6199.45±0.72 61.69±7.5535.39±2.4421.60±1.4713.83±1.12 7.01±0.90 t 值 3.34 -2.69 -1.54 -1.29 -3.42 -1.48 -0.30 0.01 P 值 0.009 0.025 0.158 0.228 0.008 0.172 0.774 0.991心脏M-VMAT 31.68±13.62 7.01±3.36 86.15±14.37 52.79±29.14 20.70±18.69 4.61±5.19 1.13±1.30 0.11±0.18 A-VMAT 28.28±12.65 0.58±2.92 92.92±7.98 52.75±30.09 16.41±17.17 2.72±3.71 0.41±0.62 0.01±0.02 t 值 2.49 1.10 -1.84 0.01 1.48 2.56 2.76 1.84 P 值 0.034 0.300 0.099 0.994 0.172 0.031 0.022 0.099食管M-VMAT 41.21±2.94 9.33±2.76 94.23±5.67 60.37±24.43 31.31±16.56 11.48±5.26 3.56±2.55 0.15±0.23 A-VMAT 36.81±3.82 8.63±2.20 93.79±10.62 61.92±22.36 30.55±14.10 7.46±3.48 1.48±1.56 0.02±0.05 t 值 5.66 2.58 0.20 -0.71 0.34 3.30 2.57 2.25 P 值 ＜0.001 0.030 0.846 0.496 0.744 0.009 0.030 0.051左侧乳腺M-VMAT 10.06±1.63 2.73±0.5866.79±20.69 7.28±3.49 0.01±0.01 0 0 0 A-VMAT 9.14±1.95 2.80±0.4170.02±14.66 6.81±3.01 0.01±0.02 0 0 0 t 值 2.15 -0.73 -1.02 0.46 -0.96 - - -P 值 0.060 0.486 0.332 0.659 0.363 - - -脊髓M-VMAT 19.57±7.60 5.74±2.15 - - - - - -A-VMAT 16.20±6.02 5.06±1.64 - - - - - -t 值 3.98 2.42 - - - - - -P 值 0.003 0.038 - - - - - -

2.3 机器跳数、计划验证通过率及出束时间

两组乳腺癌A-VMRT计划的平均MUs值均小于M-VMAT计划，但差异无统计学意义；各组内两种计划方式的出束时间差异无统计学意义。左侧和右侧乳腺癌患者A-VMRT计划的模体验证通过率均较M-VMAT计划有所提升，但差异无统计学意义，见表4。

表4 乳腺癌患者手动容积旋转调强计划和自动计划的机器跳数、出束时间及模体验证通过率的分析结果(±s)

表4 乳腺癌患者手动容积旋转调强计划和自动计划的机器跳数、出束时间及模体验证通过率的分析结果(±s)

危及器官 组别 机器跳数 出束时间/s验证通过率/%左侧M-VMAT 597.90±73.36 109.19±3.63 97.30±1.48 A-VMAT 583.40±96.40 109.29±3.64 97.62±0.98 t 值 0.51 -10.00 -0.56 P 值 0.620 0.063 0.591右侧M-VMAT 611.10±43.81 110.69±1.47 97.40±0.73 A-VMAT 596.80±53.50 109.48±0.79 97.82±0.63 t 值 0.69 2.52 -1.41 P 值 0.509 0.240 0.192

3 讨论

目前，自动计划是国内外放疗领域的研究热点之一[6-7]，对于在乳腺癌放疗中的应用也有相关研究[8-9]。本研究分别对基于Pinnacle3 9.10计划系统的左、右两侧乳腺癌患者的A-VMAT计划与M-VMAT计划进行剂量评价研究，结果表明A-VMAT计划在靶区适形度、剂量均匀性方面显著优于M-VMAT计划，与彭莹莹等[10]研究结果相一致；同时在OAR剂量方面：肺、心脏的高剂量区体积以及健侧乳腺、食管和脊髓的最大剂量方面具有明显优势。研究结果表明Pinnacle3 9.10计划系统的AP模块在乳腺癌VMAT计划自动优化时能对靶区和OAR的权重进行最大限度的调节，更好地实现剂量分布的优化，在保证靶区覆盖率及剂量均匀性的前提下尽可能地收紧对危及器官剂量的限制，同时可减小各个危及器官限量在相似靶区之间的变化，使得自动计划危及器官的最大剂量普遍比人工计划低，大大改善总体计划的质量[11]，这是自动计划最大的优势[12-13]。

AP自动优化过程需要人为预先设定各目标函数，其劣势在于无法精确确定合理的目标函数值，若某些参数设置不合理，则自动优化的最终放疗计划可能出现靶区剂量欠佳或OAR超剂量等问题，因此AP在放疗计划的个体化应用方面存在一定的局限性[14]。随着放疗物理技术的进步，当前放射治疗计划剂量预测模式逐渐成熟，从最初的使用距离目标直方图或器官体积直方图等进行OAR的DVH预测[15]，到使用深度学习进行放射治疗剂量分布的预测[16-17]，均能够得到良好的预测结果[18]。因此，使用预测所得精度更高的目标函数作为AP的自动优化目标函数，可以获得更适用于临床的放射治疗计划。

自动计划质量通常可以满足临床需求而无需人工干预，但对于特殊的临床剂量限制要求，可以在自动计划的基础上进一步实施人工优化以获得更高质量的计划。本研究中自动计划的初次优化结果显示靶区CTV的DVH曲线陡直，能有效控制剂量热点的生成，使得Dmax显著小于A-VMAT计划，同时也造成靶区处于严重欠量状态，为了提高靶区处方剂量覆盖度，需要放宽靶区Dmax的目标函数限值再次进行人工调试，同样对于靶区外的高剂量区也需要再次补充添加新的目标函数进行迭代优化，通常人工调试次数远低于单纯手动计划[19]。计划设计过程中发现A-VMAT计划初次迭代优化后的MUs值通常小于M-VMAT计划，但随着后续人工调试次数及目标函数的增加，MUs值呈增加趋势。临床应用过程中自动计划简化了计划优化过程，增强了计划的一致性，同时显著减少了治疗计划所需时间和医疗资源[20]。

总之，AP模块具备完善的自动优化性能，对于乳腺癌根治术后患者，可简化VMAT计划步骤，同时使计划设计流程更加规范化、计划质量趋于标准化。与M-VMAT计划相比，基于AP的A-VMAT计划具有更佳的靶区剂量分布及更低的正常组织受量，且同时可获得更高的计划优化效率。本研究为乳腺癌根治术后患者广泛开展基于A-VMAT计划的放射治疗提供一定的理论支持；但不足之处在于A-VMAT计划的目标函数主要参考M-VMAT计划所得的DVH参数，而M-VMAT计划结果易受计划设计者的临床经验与主观倾向影响；进而有可能造成A-VMAT计划无法实现对危及器官的最佳保护，从而无法准确展现其最优性能。后续研究将对更加精准的剂量预测目标函数获取方法进行探讨，以推进A-VMAT技术在放疗中的应用，从而有效改善患者生存质量。