基于TiGRT计划系统乳腺癌保乳术后放疗自动计划方法的研究

【作 者】解传滨 ，戴相昆，申红峰，陈高翔，王海洋，葛瑞刚，巩汉顺，杨涛，徐寿平，张高龙，曲宝林

1 中国人民解放军总医院 第一医学中心 放射治疗科，北京市，100853

2 北京航空航天大学 物理学院，北京市，100191

0 引言

乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一，保乳术联合放疗不仅可有效去除肿瘤，还可极大提高患者生活质量，逐渐成为标准治疗模式[1-2]。传统标准全乳照射通常采用2个楔形切线射野沿胸壁进行全乳照射。随着放疗技术发展，调强放疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）以其较好的剂量特性在实现靶区较好剂量分布同时有效降低危及器官（organs at risk，OARs）受照剂量，进而提升患者生存率[3-4]，已成为乳腺癌放疗的主流技术，而计划设计作为IMRT重要环节成为影响治疗质量的关键所在。常规IMRT逆向计划设计是根据患者影像并结合临床要求，给出确定剂量目标函数，通过设置射野参数、优化目标约束、计划优化、计划结果显示、计划评估等步骤对计划进行不断优化直至满足临床要求，这个过程不仅耗时耗力[5]，且计划效果极度依赖于计划设计者的经验与水平[6]，计划质量一致性得不到保证。近年来，自动计划（automatic plan，AP）成为各放疗中心的研究热点[7-8]，各治疗计划系统（treatment planning system,TPS）厂商也提出了基于预测模型的AP、基于协议的自动迭代优化以及多目标优化等多种AP方法。而对于乳腺癌保乳术后病例的计划设计，射野参数设置直接影响计划效果，且不同病例之间射野参数（机架角度、准直器角度等）差异较大，对于AP设计特别是射野添加部分提出了更高要求。因此如何通过物理师过往病例的计划制作经验，总结出一套可行的计划设计方案，是乳腺癌保乳术后放疗AP的关键。本研究提出一种程序化、自动化的AP设计方法，进而完成基于TiGRT 计划系统的AP设计与结果评估，并与手动计划（manual plan，MP）进行比较分析，以期为乳腺癌保乳术后及其他相关类型肿瘤的放疗AP提供参考。

1 材料与方法

1.1 AP优化方法

计划优化过程是根据已设置的射野参数和优化约束，生成一个可执行的治疗计划，共分为四个阶段：①准备阶段，即指定患侧肺和靶区，选择机器数据；②添加射野阶段；③添加约束条件阶段；④计划优化和评估阶段。

1.1.1 添加射野

（1）“切线野”添加

一般情况下，乳腺癌术后放疗计划切线野共有2个角度且角度接近对穿（相差接近180°）。首先将判断是否为切线野的条件量化为：在当前机架角条件下，射野方向观（beam eye’s view,BEV）上患侧肺与靶区的重叠面积最小。因此，只需要逐角度地计算二者的重叠面积即可得到最优的切线野机架角，切线野机架角计算流程，如图2所示。

图2 切线野机架角计算流程Fig.2 The process of calculating the gantry angle

（2）“固定铅门野（Fixed Jaw，FJ）”添加

相对切线野，FJ的机架角相对切线野一般偏转10°～30°左右，分布4～6个不等；射野边缘尽量贴合患侧肺边缘，同时足以包括弧度接近入射角度的部分靶区，使射野切肺尽可能少。布野以BEV上靶区前边界或者后边界为边界，固定铅门野钨门范围计算流程，如图3所示。固定铅门野示例，如图4所示。以它为例，经过等中心点且垂直于机架角平面将靶区切分为两部分，如图5所示，即上半部分靶区和下半部分靶区；分别计算两部分BEV轮廓，如图6所示，可见上部轮廓是需要保留的，铅门范围即为上部轮廓范围外扩边界。

图3 固定铅门野钨门范围计算流程Fig.3 The process of calculating the fixed jaw

图4 固定铅门野示例Fig.4 The example of fixed jaw

图5 切分靶区为两部分Fig.5 The target is divided into two parts

图6 靶区两部分的BEV轮廓Fig.6 BEV outline of two parts of the target

（3）准直器角度和铅门范围设置

调整准直器角度，以更好地适形靶区形状，同时切肺较少；同时外放铅门范围，使患者在呼吸过程中，铅门始终完整地包括靶区，减少漏照射现象，同时放宽靠近皮肤铅门范围以减小呼吸影响。

1.1.2 添加约束条件

（1）辅助器官：R0.5（PTV外扩5 mm-PTV），R1.5（PTV外扩15 mm–PTV外扩5 mm），R2.5（PTV外扩25 mm–PTV外扩15 mm）。

（2）优化约束：靶区和辅助器官（R0.5，R1.5，R2.5）的剂量和剂量体积约束。按照靶区处方为2 Gy×25次，约束条件，如图7所示。

图7 计划约束条件Fig.7 The constrains of plans

1.2 计划自动评估方法

将靶区要求（适形度、均匀度等）和OARs限量要求具体化为推荐评价标准并形成推荐评分表，在计划完成后，直接给出当前计划的评分，用以自动评估计划优劣。以评价PTV的D95为例，当D95≤49.2 Gy（X1），Y1得分为0（Y1），当D95≥50 Gy，得分为15（Y2），如表1所示。

1.3 计划设计与评估分析

选取10例保乳术后放疗的乳腺癌患者（左侧患者6例，右侧患者4例）CT图像经DiCOM网络传输到TiGRT系统，手动勾画靶区并应用自动勾画模块完成OARs勾画，按照系统要求选择机器数据，加速器选择VenusX（雷泰医疗，中国），光栅采用双层光栅，剂量网格为0.3，分割时上层光栅做CRT，Margin设为1.0，下层光栅实施滑窗调强，射野采用自动快速添加，约束条件调用标准模板，处方设为50 Gy/25 F，启动AP设计，计划完成后根据预设评分表自动给出计划分数。同时，由资深物理师对10例患者进行MP设计。两组计划均要求处方剂量线包绕95%靶区体积，评估指标包括靶区适形度CI、均匀度HI，患侧肺及总肺的V5、V20、V30、心脏的Dmean、V5、脊髓的Dmax，并对每个指标做配对t检验，P<0.05差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量学参数

两组计划均实现了处方剂量对靶区的较好覆盖，在靶区剂量指标方面，AP靶区D98高于MP，但差异无统计学意义（P=0.87），而D2两组计划差异较小；AP的CI明显高于MP，且差异有统计学意义（P=0.02）；AP的HI略优于MP，但优势不明显，如表2所示。

表2 两组计划靶区剂量学参数比较（±s）Tab.2 Comparison of dosimetric parameters of targets between the two groups of plans

表2 两组计划靶区剂量学参数比较（±s）Tab.2 Comparison of dosimetric parameters of targets between the two groups of plans

2.2 OARs剂量学参数

AP组患侧肺和总肺V5、V20、V30均低于MP；AP组心脏平均剂量略高于MP，V30略低于MP；AP组脊髓受量低于MP。如表3所示。

表3 两组计划OARs剂量学参数比较（±s）Tab.3 Comparison of dosimetric parameters of OARs between the two groups of plans

表3 两组计划OARs剂量学参数比较（±s）Tab.3 Comparison of dosimetric parameters of OARs between the two groups of plans

2.3 机器跳数和评估得分

AP组机器跳数为（1 158±184）MU，明显高于MP组的（997±255）MU，且差异具有统计学意义（P=0.04）；AP最终评估得分为72.62±23.85，明显高于MP组得分68.64±25.16，但差异无统计学意义（P=0.07）。

3 讨论

对于AP的开发与应用，国内外学者已做了大量研究，首先是基于先验知识（knowledge based planning,KBP）的AP，建立了解剖结构与计划剂量体积直方图（dose volume histogram，DVH）之间的关系[9]，此方法针对相关病例的研究已有报道，但这些病例多为前列腺癌、宫颈癌和鼻咽癌等射野方向较为固定的病种[10-11]；而剂量预测（dose prediction）方法直接通过神经网络深度学习的方法建立解剖结构与最终剂量的关系[12-13]，类似于DVH预测，该方法也主要集中应用在鼻咽癌等病例上[14-15]；在商用软件系统中应用较为广泛的Auto-plan技术则使用脚本来模拟手动计划时勾画冷热点、反复优化的过程[16-17]，这种方法对各类病种具备普适性并在乳腺癌计划设计中已有相关研究[18-19]，但计划设计时间相对较长。本研究针对乳腺癌保乳术后的计划制作，程序化的完成射野添加步骤，总结出一套成熟的优化约束表，并将此方法集成在雷泰医疗的TiGRT TPS上，实现了乳腺癌保乳术后全AP设计以及自动评估，大大提高了计划效率。

从计划质量上看，AP整体优于MP，AP靶区CI值明显较高，均值达到0.81，OARs受量有所减少，但AP相较MP的MU值增加了16.1%。在计划设计中，发现一例患者计划质量较差，特别是靶区适形度和均匀性，分析发现该患者的胸壁较薄，同时靶区弯曲幅度较大，在射野角度设计时，需尽可能拉大射野间角度间隔。因此，在此类病例情况下，在设计固定铅门野与切线野机架角间隔时，原设定间隔已无法满足实际临床需求，而是要将靶区弯曲幅度考虑进来，建立机架角间隔和弯曲幅度之间的关系。另有一例患者靶区包含乳腺部分及锁骨上区域，采用原布野方式造成了患侧肺和总的V5、V20、V3y均偏高，这也说明了现有优化布野方式对于一些特殊病例还存在局限性。因此，在后续AP的改进中，需考虑靶区多样性，并针对需要照射锁骨上及内乳区患者能够进一步自动分割出胸壁部分、锁骨上部分以及内乳区部分，进而给出一套更为全面合理的射野设计方案，这也将是我们后续研究的重点。

综上，本研究提出了一种乳腺癌保乳术后病例AP设计方法，在有效地将计划制作程序化、自动化同时保证了计划质量，可以应用于乳腺癌保乳术后放射治疗计划设计。