自动化计划设计在胸中上段食管癌调强放疗中的应用研究

彭圣贤，刘 悦，庞 亚

放射治疗作为肿瘤治疗的重要手段之一，约75%的恶性肿瘤病人需要做放疗。放疗也是中晚期食管癌患者的主要选择[1]。近年来，调强放疗虽然提高了肿瘤控制概率和降低了正常组织并发症概率，但物理师在制定放疗计划时，需要依靠个人经验并花大量时间优化靶区和危及器官剂量，寻找最优的计划方案，计划质量参差不齐且耗时耗力。手工放疗计划质量与人为因素有很大关系，自动计划能很好地解决人为差异，提高计划质量。近年来，随着人工智能在肿瘤放疗中的应用[2]，研究自动计划是近年来的研究热点[3-5]。本研究以食管癌放疗为例，首先由物理师在Pinnacle3 v9.10计划系统(treatment planning system，TPS)制定手工计划，再基于Pinnacle中的Autoplan自动模块制定自动计划，比较手工计划和自动计划的剂量学特性，分析自动计划在胸中上段食管癌放疗应用中的可行性，为临床提供参考。现报道如下。

1 材料和方法

1.1 临床资料

选取2020年1月至2021年1月在自贡市第一人民医院治疗的25例胸中上段食管癌患者做回顾性分析，男12例，女13例，年龄50～68岁，中位年龄60岁。CT定位为Philips CT，扫描厚度0.5 cm，体位为仰卧位，双手交叉上举，行增强扫描。医生勾画靶区，原发病灶为CT下纵隔窗和肺窗显示的肿瘤。临床靶区(clinical target volume,CTV)为GTV 基础上轴向外扩0.5 cm，上下方向各外扩3.0 cm，包括食管旁淋巴结、纵膈淋巴结引流区。GTV和CTV在三维方向上分别外扩0.5 cm形成计划靶区(planning target volume)PTV1和PTV2。勾画左右肺、心脏、脊髓等危及器官(organs at risk，OAR)。

1.2 手工计划与自动计划设计

所有患者均在Pinnacle3 v9.10计划系统和Varian Trilogy加速器完成，手工IMRT计划设计按照临床实践标准设计计划，手工添加辅助环结构，给定基本参数和权重。射线质均为6MV X射线，网格大小4 mm×4 mm×4 mm，算法为筒串卷积(collapsed cone convolution，CCC)算法。靶区处方剂量采用同步推量，分别为高剂量PTV1 6 000 cGy·28F-1和低剂量PTV2 5 100 cGy·28F-1。各危及器官优化条件由物理师根据经验设定，在优化中不断改进至无明显改善。Pinnacle计划系统带有辅助结构逻辑运算能力、IMRT逆向优化及 AUTO-plan优化模块。自动IMRT计划设计射线质、射野数、射野中心点、剂量率、治疗机器、处方剂量等条件与人工计划相同。整个过程无人为因素干预。

1.3 放疗计划评估参数

根据剂量—体积直方图(dose-volume histogram，DVH)来评价靶区和危及器官的剂量学参数，参考ICRU83号报告。靶区的剂量学参数：D2、D98、平均剂量Dmean，其中D2、D98分别为包围靶区体积2%、98%的最小剂量；均匀性指数定义为HI=(D2-D98)/Dmean，HI值越小，则PTV剂量越均匀。适形度指数为CI=(VT,r/VT)×(VT,r/Vr)，其中VT为PTV体积，VT,r为处方剂量所包绕的PTV体积，Vr为处方剂量所包绕的总体积，CI值上限为1，越大说明靶区越适形。各OAR的剂量评价指标为双肺(全肺，左右肺行布尔逻辑运算)V5、V10、V15、V20、V30、V40、Dmean；心脏V30、V40、Dmean；脊髓Dmax。

1.4 统计学方法

数据处理之前用统计学软件SPSS 22.0验证，服从正态分布时，手工计划与人工计划采用配对t检验；不服从正态分布时，则用Wilcoxon秩和检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 PTV和OAR剂量学指标

手工计划(manual plan)与自动计划(auto plan)靶区PTV1均能满足临床剂量要求。手工计划Dmean比自动计划大，自动计划适行指数CI比手工计划好，差异有统计学意义(P<0.05)。而D2、D98、HI差异无统计学意义(P>0.05)，见表1。手工计划(manual plan)与自动计划(auto plan)靶区PTV2均能满足临床剂量要求。手工计划Dmean高于自动计划，自动计划适行指数CI比手工计划好，差异有统计学意义(P<0.05)。而D2、D98差异无统计学意义(P>0.05)，见表2。

表1 PTV1剂量学指标比较

表2 PTV2剂量学指标比较

自动计划全肺的V5、V15、V20、V30、Dmean均小于手工计划，结果有显著差异(P<0.05)，而V10、V40差异无统计学意义(P=0.326，0.135)，见表3。心脏V30、Dmean受量为自动计划小于手工计划，差异有统计学意义(P<0.05)，而V40差异无统计学意义(P=0.121)。脊髓Dmax为自动计划小于手工计划，差异有统计学意义(P<0.05)。大多数参数显示自动计划与手工计划相比能很好降低危及器官受量，见表3。

表3 OAR剂量学指标比较

2.2 机器跳数及计划优化时间比较

手工计划的机器跳数(monitor unit，MU)为(1 534±432)MU，自动计划的机器跳数为(1 203±181)MU。自动计划比手工计划MU减少约27.5%，差异有统计学意义(P<0.05)。手工计划的平均计划制定时间为(40.25±11.51) min，自动计划的平均计划制定时间为(25.16±6.14) min，计划优化时间减少37.49%，差异有统计学意义(P<0.05)。

3 讨论

放射治疗是食管癌患者的一种重要治疗方式[6-7]。但在调强计划制作时，需要物理师做出放疗计划，并根据临床需求反复优化及尝试设计，选择最优的放疗计划。这个过程费时费力，放疗计划的好坏取决于物理师的临床经验与操作技巧积累。而智能化的自动计划为物理师的临床工作减轻负担提供了可能，近年来，自动计划技术被引入到各部位肿瘤放疗计划设计中[8-9]。Pinnacle计划系统内置的自动优化模块，没有增加放疗计划的繁琐程度，且加大了调强计划的鲁棒优越性，实现了靶区剂量的高剂量和周围正常器官低量，在不同肿瘤放疗中均有报道[10-11]。本研究以胸中上段食管癌为例，基于Pinnacle3 v9.10计划系统探讨IMRT自动计划与手工计划的区别，利用Pinnacle计划系统内置的Auto-plan模块进行自动计划设计。

有报道显示，与手工计划相比，自动计划在部分肿瘤放疗计划中能够有效地实现计划时间与质量的优化[9-10]。对食管癌手工计划与自动计划价值，未见有明确报道，本研究结果显示，手工计划与自动计划对于靶区CI和Dmean有统计学差异。手工计划CI不如自动计划，胸中上段食管癌自动计划的靶区适形性能够改善，这与Ong等[12]的研究结果类似。危及器官方面，肺、心脏、脊髓等大多数指标手工计划高于自动计划，自动计划全肺的V5、V15、V20、V30、Dmean均小于手工计划，差异有统计学意义(P<0.05)，而V10、V40结果无显著差异(P=0.326，0.135)。心脏V30、Dmean结果为自动计划小于手工计划，差异有统计学意义(P<0.05)，而V40结果差异无统计学意义(P=0.121)。Gallio等[6]比较了肝癌立体定向放射治疗Pinnacle计划系统的自动计划与手工计划靶区和危及器官剂量学参数、机器跳数、计划设计时间等，发现自动计划能降低脊髓剂量和减少计划设计时间，这与本研究结论基本一致，本研究自动计划肺、心脏、脊髓等危及器官剂量降低，且计划优化时间减少37.49%。Hazell等和Nawa等结论类似，头颈部和前列腺肿瘤的自动计划危及器官剂量降低[13-14]。

近年来，随着深度学习技术在放疗领域的应用，Fan等[7]基于神经网络的深度学习方法提出了可以预言剂量分布的自动计划。本文中的自动调强计划设计程序是基于Pinnacle内置的脚本完成，不需要物理师添加额外的辅助模块，优化过程没有物理师干扰。Zhang等[8]比较了早期鼻咽癌自动计划与手工计划特点，自动计划不仅有很好的靶区均匀性和适行度，还降低了脊髓、脑干的剂量，降低了机器跳数和计划设计时间，这与本研究结果基本一致。自动计划的研究和应用弥补了计划设计经验技巧欠缺的不足。减少了添加辅助结构和调试时间，提高了临床效率，提高了医疗资源利用率，使物理师有更多时间做质控工作。

综上所述，基于Pinnacle3计划系统设计的胸中上段食管癌自动调强计划，能够达到与手工计划靶区处方剂量的同时能进一步降低心脏、肺、脊髓等危及器官的剂量，也可缩短计划设计时间，提高计划质量，值得临床推广。