直肠癌在我国属高发肿瘤，早期患者术后放疗能显著降低局部复发率^[1-2]，而术后同步放化疗显著提高局部控制率的同时提高了患者的生存率^[3-5]。调强放疗(intensity-modulated radiation therapy，IMRT)作为一种精确治疗应用于直肠癌，肿瘤靶区适形度高，危及器官受量低。目前有许多文献关于调强放射治疗在直肠癌方面的研究^[5-7]，IMRT基于剂量-体积的优化方法依靠人为经验对靶区和器官进行限量并设置目标函数参与逆向优化，物理师经验不同，计算结果不同，需要反复优化和调整才能达到理想的结果，花费大量时间和精力。目前Pinnacle等运用Atlas模板库初步实现了感兴趣区域(ROI)自动勾画^[8]。Auto-Planning(AP)作为一种新的调强放疗优化方法，通过由TPS系统生成剂量成形结构(dose shaping structure，DSS)，自动优化目标函数，将以往获得的治疗经验融入到调强放疗优化中，以获得最优的治疗计划^[9]。本研究对10例直肠癌放疗患者，采用常规IMRT计划和AP计划两种计划设计方案，比较两种不同计划的剂量体积直方图，分析肿瘤靶区适形度指数(CI)、均匀性指数(HI)和危及器官(OAR)受照剂量的不同，探讨AP自动优化计划在直肠癌计划设计中的剂量学优势。

1.病例选择：随机抽样选取黄冈市中心医院2018年3月至6月接受直肠癌术后调强放射治疗患者10例，其中，男性6例，女性4例，年龄51~72岁，中位年龄为56岁。所有患者和家属均同意采用调强放射治疗，并签署知情同意书。

2.体位固定及CT影响采集：所有病例均采用俯卧位，先将腹盆板放置在模拟机床上，利用定位激光灯对好双侧刻度记录数值，让患者自然俯卧于板子上，至舒适体位，使其下颌放于板子头颈部凹槽。用激光灯找到左、右、上3个十字作为参考标记，并在患者体表和体膜上做好标记。患者到CT模拟机上进行增强扫描，采用美国GE公司的Lightspeed 128排螺旋CT进行计算机断层成像，扫描层厚及层间距均为5 mm，横断面图像分辨率为512×512，扫描范围包括全盆腔及上、下外扩10 cm，然后将CT图像通过DICOM网络传输至Philips Pinnacle³ 9.10计划系统。

3.靶区和危及器官勾画及处方剂量给予：利用Pinnacle³ 9.10计划系统，根据临床放射治疗相关要求勾画靶区和危及器官。靶区包括临床靶区(CTV)和计划靶区(PTV)，其中PTV由CTV前后、左右外扩0.8 cm，上下外扩1.2 cm而成，危及器官包括膀胱、股骨头和小肠。PTV处方剂量为50 Gy。要求膀胱V₄₅≤50%，小肠V₄₀≤ 40%、V₃₀≤ 50%，股骨头V₅₀ < 5%。

4.调强计划设计：利用Pinnacle³ 9.10系统，分别进行IMRT和AP计划设计。调强放疗计划射线能量选用6 MV X射线，总处方剂量为50 Gy/25次(2 Gy/次)。选择7野调强，射野角度分别为40°、90°、135°、180°、230°、280°、330°。IMRT计划设计：手动设置靶区和OAR限量，靶区剂量权重最大，小肠、膀胱和股骨头权重次之，物理约束条件包括D_min、D_max、Uniform Dose、Min DVH、Max DVH等，计划达标要求为：95%PTV>50 Gy，小肠V₄₀ < 40%、V₃₀ < 50%，膀胱V₄₅ < 50%，股骨头V₅₀ < 5%。AP计划设计：物理约束条件和剂量限制同IMRT计划，利用Pinnacle³脚本对靶区和OAR进行处理，将处理后的靶区和OAR进行目标函数优化，由系统自动作出DSS结构使得剂量成型，并自动限定出热点和冷点已达到剂量均匀。

5.剂量体积评价指标：根据剂量体积直方图来评估靶区和危及器官的剂量体积分布。靶区评估参数包括：接受处方剂量95%、105%体积百分比(PTV_95%、PTV_105%)、最大受照剂量D_max，最小受照剂量D_min、平均受照剂量D_mean，以及靶区HI和CI。HI=D_2%/D_98% (D_2%为2%的靶区体积所接受的照射剂量/D_98%为98%的靶区体积所接受的照射剂量)。CI=CF(Cover Factor)×SF(Spill Factor)，式中CF定义为PTV接受处方剂量的体积与PTV体积之比，SF为接受处方剂量的PTV体积与接受处方剂量的全身体积之比。HI值越小，靶区内剂量分布越均匀。CI值范围为0~1，CI值越接近1，说明靶区适形度越好。危及器官评估参数包括：膀胱、小肠体积指标V₃₀、V₄₀、V₄₅和V₅₀；左右股骨头：体积指标V₃₀、V₄₀、V₄₅。

6.统计学处理：数据符合正态分布，以x±s表示。采用SPSS 20.0软件进行分析，各项参数应用配对t检验进行每两组间比较。P < 0.05为差异有统计学意义。

1. AP和IMRT计划比较：选取其中1例患者进行比较，AP计划和IMRT计划相比，左右股骨头受量有明显降低，膀胱和小肠受量略有下降，靶区适形度和剂量也略有提高(图 1)。

注：AP.自动化计划设计；IMRT.手动调强放射治疗计划 图 1 AP计划(实线所示)与IMRT计划(虚线所示)DVH比较 Figure 1 DVH comparison of Auto-Planning (solid lines) and IMRT planning (dotted lines)

2.靶区剂量参数：结果列于表 1。与IMRT相比，AP计划中靶区D_mean和D_min略有增加，D_max略有减小，差异有统计学意义(t=-1.36、-3.03、0.37，P < 0.05)。D₂、D₉₅、D₉₈差异均无统计学意义(P>0.05)。AP计划中靶区的HI值有所降低，CI值有所提高，差异有统计学意义(t=1.24、0.10，P < 0.05)。

表 1(Table 1)

表 1 10例患者两种方案的靶区剂量学分布(x±s) Table 1 Dosimetric distribution of target areas of 10 cases (x±s) PTV AP IMRT t值 P值 Dmean(cGy) 5 262±29.65 5 248±30.11 -1.36 0.034 D2(cGy) 5 430±12.38 5 474±13.06 -3.12 0.241 D95(cGy) 5 009±21.37 5 005±18.32 1.18 0.068 D98(cGy) 4 921±65.38 4 925±71.56 -2.29 0.126 Dmin(cGy) 4 450±70.23 4 352±68.63 -3.03 0.001 Dmax(cGy) 5 604±27.96 5 860±25.38 0.37 0.038 CI 0.89±0.04 0.88±0.04 0.10 0.036 HI 0.10±0.01 0.11±0.01 1.24 0.042   注：PTV.临床靶区前后、左右外扩0.8 cm，上下外扩1.2 cm；AP.自动化计划设计；IMRT.手动调强放射治疗计划；CI.适形指数；HI.均匀性指数

表 1 10例患者两种方案的靶区剂量学分布(x±s) Table 1 Dosimetric distribution of target areas of 10 cases (x±s)

2.危及器官剂量：结果列于表 2。由表 2可知，危及器官中膀胱V₄₀、V₅₀，小肠的V₃₀、V₄₅、V₅₀，左右股骨头V₃₀、V₄₀，在AP计划与IMRT计划比较中差异有统计学意义(t=-3.21~1.02，P < 0.05)。膀胱V₃₀、V₄₅，小肠V₄₀及左右股骨头V₄₅受照剂量体积均略低于IMRT计划，但差异无统计学意义(P>0.05)。具体分析结果列于表 2。

表 2(Table 2)

表 2 10例患者两种方案的危及器官剂量学分布(%, x±s) Table 2 Dosimetric distribution of risky organs in the two plannings of 10 cases(%, x±s) 危及器官 参数 AP IMRT t值 P值 膀胱 V30 62.30±7.53 62.51±6.89 -2.37 0.127 V40 44.12±10.32 44.98±9.68 -1.59 0.048 V45 35.02±9.63 35.74±9.45 0.36 0.098 V50 21.63±8.57 22.02±9.01 1.02 0.004 小肠 V30 42.30±12.31 46.48±15.63 -1.88 0.042 V40 21.66±3.69 23.52±4.56 -2.03 0.156 V45 13.28±5.96 15.20±4.98 0.24 0.036 V50 5.49±1.12 7.69±0.95 -0.09 0.006 左股骨头 V30 16.07±5.63 28.25±7.38 -2.48 0.046 V40 1.98±0.86 6.12±0.91 -1.86 0.028 V45 0.23±0.11 1.97±0.15 -0.29 0.171 右股骨头 V30 16.86±4.62 29.70±5.38 -1.78 0.007 V40 1.81±0.86 7.39±2.31 -3.21 0.019 V45 0.23±0.02 2.43±0.34 2.34 0.218   注：AP.自动化计划设计；IMRT.手动调强放射治疗计划

表 2 10例患者两种方案的危及器官剂量学分布(%, x±s) Table 2 Dosimetric distribution of risky organs in the two plannings of 10 cases(%, x±s)

本研究以直肠癌为例，将AP计划和IMRT计划优化得到的靶区处方剂量、均匀性指数与适形度指数，以及上述两种方法优化后的3种危及器官剂量学参数进行了比较。相比IMRT计划，AP计划靶区平均剂量整体有所上升，靶区最小剂量提高了近100 cGy，最大剂量下降了近200 cGy，在采用AP计划设计优化法后得到靶区处方剂量、均匀性指数与适形度指数均优于IMRT计划。AP计划设计组中危及器官膀胱、小肠、左右股骨头V₃₀、V₄₀、V₄₅也低于IMRT计划组，说明采用AP计划设计优化对于降低危及器官受量取得很好的效果，可以明显降低患者膀胱和小肠的不良反应。

调强放射治疗已经成为直肠癌综合辅助治疗中的一个重要环节^[10-11]，通过调节多叶准直能很好地实现靶区剂量分布与形状的高度一致，同时更好地保护膀胱、小肠和股骨头等危及器官^[12-13]。Pinnacle³计划系统进行调强优化时一般采用DMPO算法，直接优化子野形状和权重，从而得到接近最优解的剂量分布，要求物理师要有较高的临床经验。低年资物理师在设计放疗计划时，往往容易出现靶区外剂量热点、适形度不好等问题，原因是优化程序只依据定义的参数设置最优化子野。这类现象的常用解决方法是定义剂量成形结构，在最优化过程中给定相应的剂量限定。主要包括靶区处方剂量和最低剂量限定、凹形靶区凹陷区危及器官的剂量体积约束限定、最大剂量和最小剂量限定等^[9]。Auto-Planning拥有计划参数全部模板、自动优化控制和算法、DVH数据快速评估列表3大主要模块，通过生成DSS，自动优化目标函数，求取最优解，在保证计划质量的同时，显著提高了计划设计效率。

本研究结果显示，AP计划在剂量分布的均匀性、适形性、剂量热点、危及器官受量等指标上明显优于IMRT计划(P < 0.05)。相关的研究显示，头颈肿瘤、直肠癌的自动计划在设计的均匀性、适形性上也明显优于手工计划^[14-15]。张国前等^[16]发现基于Auto-planning的自动优化方式能够简化调强计划设计过程，并一定程度上改善靶区的剂量分布，降低OAR的受照剂量。Auto-planning在肺癌方面的应用，李慧君等^[17]研究发现AP放疗计划很好地控制了脊髓的最高剂量，减少了脊髓的平均受量，一定程度上降低了双肺的平均剂量和特定剂量的受照体积(V₃₀，V₂₀)，在保护心脏的平均剂量和V₄₀方面也稍有优势。Pinnacle³计划系统具有强大的脚本功能，通过编程自动调用可以节省很多时间。参数调试方面，Auto-Planning技术模拟计划设计者思维，自动生成剂量成形结构、修正剂量热点冷点和优化迭代等，用高效率的计算机试错替代低效率的人工试错，从而找出计划的最优解，这些都是全自动过程，不需要任何人工参与，物理师用在一位患者身上的时间便可成倍地降低。Hazell等^[18]基于Auto-Planing技术设计完成了26例鼻咽癌放疗计划，鼻咽癌靶区形状复杂，危及器官种类多，剂量限制条件苛刻，在满足临床医师要求的同时，AP计划与人工设计计划相比，大大减少了人工参与设计计划的时间。这表明对靶区形状复杂、危及器官多的病例，运用Auto-planning技术亦可以提高工作效率。综上所述，AP计划剂量指标显著优于手工IMRT计划，有效的降低靶区最高剂量区域，减少热点出现，降低危及器官受照剂量，同时大大减轻物理师工作量，为患者计划设计节省时间，能更好地满足临床需求。