2018, Vol. 38
目前常用的放疗计划系统的优化结果很大程度上决定于计划设计者对于该计划系统的优化技巧，并且优化过程花费时间较长。在人工计划的优化过程中，需要消耗大量时间寻找靶区和危及器官最合理的剂量体积限值以及该限值对应的权重[1]。放疗计划通常具有大量的优化解，导致无法确定临床使用的放疗计划是否是最优计划。因此，如何减少优化时间同时提高计划质量、降低人为因素导致的计划质量差异，一直是研究的重要方向。目前已有很多机构开展了如何提高调强放射治疗(IMRT)计划设计效率的研究[2-4]和自动计划在临床使用潜力的研究[5-7]。本研究选取23例宫颈癌术后患者，比较Pinnacle3放射治疗计划系统容积弧形调强(VMAT)的人工计划和自动计划的剂量学差异，评估Pinnacle3自动计划在宫颈癌术后放疗的临床应用可行性。
资料与方法1.病例选择：选择2017年1月至5月在四川省肿瘤医院实施放射治疗的宫颈癌术后患者23例。病理类型全部为鳞癌，年龄35~60岁，中位年龄45岁。根据国际妇产科联合会(International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO)分期标准[8]，其中ⅡA期8例，ⅡB期15例，所有患者均无放疗禁忌证。
2.CT数据及靶区勾画：患者采用仰卧位，双手抱肘置于额头，体部热塑膜固定体位。通过荷兰飞利浦公司生产的16排BrillianceTM CT BigBore 4型号的CT机获得宫颈癌术后患者的CT数据。扫描层厚为3 mm，扫描范围自胸10至坐骨结节下5 cm，并将患者CT数据传送至飞利浦公司的Pinnacle3放射治疗计划系统进行靶区勾画以及计划设计。两种计划设计中的靶区分别为CTVln(盆腔淋巴引流区)、CTV1(阴道上段1/2)以及CTV2(阴道残端)，临床处方剂量均为45 Gy/25次。
3.VMAT计划设计：23例病例均使用Pinnacle3计划系统进行容积弧形调强人工和自动计划设计。首先，人工计划与自动计划的基本参数设置均采用181°~179°和179°~181°的两个往返治疗弧，X射线能量6 MV，剂量率上限为600 MU/min，优化类型为SmartArc，计算网格为4 mm×4 mm×4 mm，瑞典医科达公司的Axesse型加速器(6 MV X射线)。人工计划靶区和危及器官(OAR)的剂量体积限值以及对应的权重根据临床经验设置，并在优化过程中反复修改，直到优化无明显改善为止。自动计划初始优化时OAR的剂量体积限值与人工计划相同，剂量体积限值的权重只需根据OAR的重要性选择3个等级(高、中和低)，靶区处方剂量无需设置权重。
4.计划评估：在计划评估前，先将优化结果中剂量最低靶区的D95归一到45 Gy。对于靶区，比较：平均剂量Dmean和95%临床靶区所对应的剂量D95；适形指数(conformity index，CI)[9-10]，定义为处方剂量包裹的体积Vprescribed与靶区的体积VPTV的比值CI=Vprescribed/VPTV；均匀性指数(homogeneity index，HI)[10-11]，定义为1%靶区体积所对应的剂量与处方剂量的商HI=D1/Dprescribed。危及器官：直肠和膀胱的V35、V40和Dmean；小肠的V20、V25、V30和Dmean；骨(髂骨和骶骨)的V35和Dmean；两侧股骨头的V25、V30、V35和Dmean。此外，还比较两种计划的截面剂量分布、机器跳数、平均优化时间以及完成可执行计划的调试次数。
5.统计学处理：符合正态分布的数据用x±s表示。采用SPSS 23.0软件进行配对t检验分析。P < 0.05为差异有统计学意义。
结果1.靶区和危及器官剂量学比较：人工和自动VMAT计划的靶区和危及器官的剂量体积参数结果列于表 1，2。从表 1可见，人工计划组得到的靶区D95和自动计划组无明显差异(P>0.05)，而自动计划组得到的靶区Dmean、HI以及CI均明显优于人工计划组(t=4.65~14.92，P < 0.05)。由表 2可见，自动计划组得到的膀胱、小肠、直肠、骨、左侧股骨头和右侧股骨头等危及器官的剂量体积均优于人工计划组(t=3.30~14.42，P < 0.05)。
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表 1 人工和自动容积弧形调强计划靶区剂量参数比较(x±s) Table 1 Comparison of doses from targets between automated and manual VMAT plans(x±s) |
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表 2 人工和自动容积弧形调强计划危及器官剂量参数(x±s) Table 2 Comparison of doses from organ at risk between automatic and manual VMAT plans(x±s) |
2.靶区和危及器官的截面剂量分布及DVH比较：图 1为两种计划横截面的等剂量分布图。由图 1可见，自动计划得到的高剂量区域和低剂量区域的适形度优于人工计划，剂量线跌落更陡峭、对于靶区的包裹更好。图 2为人工计划和自动计划危及器官的DVH，可知自动计划得到的危及器官DVH均优于人工计划。
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图 1 两种计划等剂量分布图 A.人工计划；B.自动计划 注：浅橙色线为45 Gy，蓝色线42.5 Gy，粉色线40 Gy，绿色线37.5 Gy，橙色为35 Gy Figure 1 Transverse dose distribution comparison of two plans A.Automated plan; B. Manual plan |
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图 2 两种计划膀胱、直肠、小肠和骨的DVH比较 A.膀胱；B.直肠；C.小肠；D骨 Figure 2 Comparison of DVH from bladder, rectum, intestine and bone between automated and manual VMAT plans A. Bladder; B. Rectum; C. Intestine; D. Bone |
3.平均优化时间、调试次数以及跳数比较：图 3为23例宫颈癌术后患者分别使用人工计划和自动计划在设计计划时调试次数的比较图，从图 3中可知，23例自动计划共调试27次，平均调试次数约为2次，人工计划共调试59次，平均调试次数约为3次，自动计划的调试次数明显减少。在23例计划设计中，自动计划调试一次成功率高达87%，而人工计划调试一次成功率仅为22%。平均优化时间包括前期参数设置，以及优化到满足临床要求所需的全部时间。自动计划和人工计划的平均优化时间分别为72和104 min，自动计划平均优化时间相比于人工计划缩短了30.8%。自动计划和人工计划的平均机器跳数分别为(819±53)和(638±41) MU，自动计划跳数增加了28%。
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图 3 两种计划调试次数比较 Figure 3 Comparison of optimization times between automated and manual VMAT plans |
讨论
放射治疗的疗效很大程度上取决于放疗计划的质量[12]。如何提高放疗计划的质量、减少人为因素对计划质量的影响，具有重要的临床意义。自动计划在某些肿瘤的放疗计划中优化时间和计划质量均优于人工计划，在临床中得到越来越多的应用[1, 5-7, 13-14]。2011年，MD安德森医院的Zhang等[5]就提出他们研发的madccAutoPlan自动IMRT计划在肺癌的放射治疗计划设计中具有提高计划质量的潜力。Xhaferllari等[1]通过自主研发的脚本创建自动IMRT计划应用于前列腺癌、头颈部肿瘤以及肛管癌，并且该自动计划在明显减少计划优化时间的同时，提高了计划质量；Hazell等[13]将Pinnacle3计划系统中的自动计划模块应用于头颈部肿瘤，结果显示，自动计划可以在无需人工干预的情况下获得临床可以执行的计划，并且94%的自动计划质量类似或超过人工计划。Quan等[6]研发的madccAutoPlan自动计划可以设计出高质量的VMAT计划应用于Ⅲ期肺癌的放射治疗，自动VMAT计划与人工IMRT计划相比，PTV靶区适形度提高17%、心脏平均剂量减少17%、食管的V70减少19%。本研究将Pinnacle3计划系统中自动计划模块应用于宫颈癌术后VMAT计划的设计中，将自动VMAT计划与人工VMAT计划进行剂量学比较，研究结果与上述类似，自动计划得到的靶区Dmean、HI、CI优于人工计划，两者的D95无明显差别；自动计划得到的膀胱、小肠、直肠、骨，左侧股骨头和右侧股骨头等危及器官的剂量体积均优于人工计划。自动计划在危及器官的目标函数权重设置时不用给予具体的值，只需选择3个参数(高、中和低)，降低了计划设计难度。另外，自动计划为了达到使用者设置的危及器官的目标函数值，在优化时会自动增加很多该危及器官的辅助剂量体积限值条件。除此之外，自动计划在优化时会在靶区外自动生成剂量跌落限制环，并根据靶区剂量给予剂量跌落环目标函数和权重，通过剂量跌落环控制靶区外的剂量分布，提高了靶区的适形指数、减少了靶区周围危及器官多余的高剂量区域。由于自动计划在优化时自动生成了很多靶区和危及器官外的剂量跌落限制环以及对应的目标参数值，增加了计划的复杂程度，因此，自动计划相比于人工计划提高了28%的机器跳数，增加了计划执行时间。
VMAT技术相比于IMRT技术具有更多的自由度，靶区适形度高，剂量均匀性好，以及危及器官受照剂量低等优势，同时还减少了治疗时间，在宫颈癌中得到广泛应用[15-17]。但是，VMAT计划在优化过程中单次优化时间长于IMRT计划，并且VMAT计划在优化过程中参数的选择更加复杂，需要消耗大量时间通过试错法找到最优的优化参数[14]。VMAT技术对于计划设计者提出更高的要求，在计划设计中存在花费时间较长、人为因素影响较大以及计划质量难以保证等问题。国外有许多学者利用自动计划解决上述VMAT计划设计中存在的问题，如Voet等[14]将Erasmus-iCycle算法的自动计划应用于设计前列腺癌VMAT计划，结果显示所有自动VMAT计划均可以应用于临床，靶区覆盖和危及器官的受照剂量和人工计划相比没有差异，并且在优化过程中不需要人工干预，避免了剂量师在优化过程中对于优化参数的反复调试，计划设计时间从平均5 h减少到2 h。本研究中使用自动计划减少了宫颈癌VMAT计划30.8%的平均优化时间。自动计划可以自动生成剂量限制环，减少了前期勾画辅助器官所需的大量时间，并且明显减少计划的调试次数，将计划一次调试成功率由人工计划的22%提高到87%。
当然，本研究在使用自动计划设计宫颈癌VMAT计划时具有一定的局限性。使用自动计划之前仍需像人工计划那样根据临床经验设置基本参数，如VMAT治疗弧角度范围的选择以及优化初始目标参数的设置。治疗弧角度和初始目标参数的选择对于放疗计划的质量起到关键因素，同时也是放疗计划设计中的难点。由于宫颈癌靶区分布具有较强的规律性，且靶区位置居中，故在本研究中治疗弧角度为两个全弧。由于自动计划的某些初始目标参数设置不合理，导致平均调数次数为1.2次，仍需人工干预，且少数病例需要2~3次的微调。因此，在使用自动计划优化时，仍需根据经验对基本参数进行一定的调整和修改，才能得到以上临床优势。
综上所述，Pinnacle3计划系统的自动VMAT计划减少了计划优化时间，降低VMAT计划设计的难度，并且提高了计划质量。因此，在结合一定基础参数设置经验的前提下使用的宫颈癌术后自动VMAT计划具有临床可行性。
利益冲突 本文作者无可对研究结果产生影响的不正当财务关系，在此对研究的独立性和科学性予以保证作者贡献声明 吴骏翔负责本论文的设计及撰写；康盛伟和王培提出选题；唐斌、吴凡、许敬辉协助数据收集和统计分析；黎杰指导修改论文
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