中华放射医学与防护杂志  2026, Vol. 46 Issue (9): 845-855   PDF    
保乳术后乳腺癌自适应放疗在Ethos平台不同射野策略旋转调强计划的剂量学与鲁棒性比较
姚凯宁 , 王美娇 , 刘嘉城 , 石晨 , 岳海振 , 吴昊 , 杜乙 , 王若曦     
北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科 恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室, 北京 100142
[摘要] 目的 评估乳腺癌自适应放疗中自定义射野优化策略对计划质量的提升,探讨其在Ethos平台上的可行性与剂量学优势。方法 回顾性纳入2022年1月至2024年12月北京大学肿瘤医院的40例保乳术后患者(左、右侧各20例),在Ethos平台模拟在线自适应流程。分别以4种Ethos标准射野模板及1种基于Eclipse的自定义容积调强射野生成计划。比较靶区覆盖、危及器官剂量、适形性、计划跳数与鲁棒性。结果 自定义射野计划在左、右侧病例中均可改善靶区覆盖(CTV D100%、PTV D95%显著提高,W左侧 = 0.82、0.64、0.56,W右侧 = 0.20、0.61、0.48,P<0.05)与适形性(CI值更优,W左侧 = 0.46、0.19,W右侧 = 0.10,P<0.05),同时显著降低心脏、患侧肺及肝脏剂量(W左侧=0.38、0.46、0.28、0.35,W右侧=0.28、0.27、0.32,P<0.05),且健侧低剂量外溢更少。计划跳数与Ethos VMAT计划相当。鲁棒性分析显示,自定义射野计划在摆位误差下剂量指标变化更小,更加稳健。结论 Eclipse自定义射野导入Ethos优化策略在乳腺癌自适应放疗中具有明确剂量学优势,可提升靶区覆盖与危及器官保护,计划鲁棒性更优,为个体化精准放疗提供了新的技术路径。
[关键词] 乳腺癌    自适应放疗    射野优化    计划鲁棒性    旋转调强放疗    
Comparison of dosimetric parameters and robustness of volumetric modulated arc therapy plans using different beam arrangement strategies on the Ethos platform for adaptive radiotherapy after breast-conserving surgery in breast cancer
Yao Kaining , Wang Meijiao , Liu Jiacheng , Shi Chen , Yue Haizhen , Wu Hao , Du Yi , Wang Ruoxi     
Key Laboratory of Carcinogenesis and Translational Research (Ministry of Education/Beijing), Department of Radiation Oncology, Peking University Cancer Hospital & Institute, Beijing 100142, China
[Abstract] Objective To evalucate the improvement in plan quality achieved by a customized beam arrangement optimization strategy in adaptive radiotherapy for breast cancer, and to explore its feasibility and dosimetric advantages on the Ethos platform. Methods Totally 40 patients who underwent breast-conserving surgery (20 left-sided and 20 right-sided) were retrospectively enrolled from Peking University Cancer Hospital between January 2022 and December 2024. Online adaptive radiotherapy workflows were simulated using the Ethos platform. Plans were generated using four standard Ethos beam arrangement templates and one Eclipse-based customized beam arrangement for volumetric modulated arc therapy. Target coverage, doses to organs at risk, conformity, monitor units, and robustness were compared. Results In both left- and right-sided cases, the customized beam arrangement improved target coverage (the doses received by 100% of the clinical target volume and by 95% of the planning target volume were significantly increased, Wleft=0.82, 0.64, 0.56, Wright=0.20, 0.61, 0.48, P < 0.05) and conformity (conformity index was significantly improved, Wleft=0.46, 0.19, Wright=0.10, P < 0.05). Moreover, doses to the heart, ipsilateral lung, and liver were significantly reduced (Wleft=0.38、0.46、0.28、0.35, Wright=0.28、0.27、0.32, P < 0.05), and there was less low-dose spillage to the contralateral side. Plan monitor units were comparable to those of Ethos volumetric modulated arc therapy plans. In robustness analysis, the customized beam arrangement showed smaller variations in dosimetric parameters under setup errors, indicating improved robustness. Conclusions The strategy of importing Eclipse-based customized beam arrangements into Ethos for optimization has clear dosimetric advantages in adaptive radiotherapy for breast cancer. It can improve target coverage and organs-at-risk sparing, and has better plan robustness, providing a new technical pathway for personalized precision radiotherapy.
[Key words] Breast cancer    Adaptive radiotherapy    Beam arrangement optimization    Plan robustness    Volumetric modulated arc therapy    

乳腺癌保乳术后放疗能有效降低局部复发率、提高长期生存率[1-2]。自适应放疗(adaptive radiotherapy, ART)通过每日影像引导实时调整治疗计划,应对解剖结构变化(如乳腺变形、血肿收缩),可提高治疗精度[3-4]。在线平台如瓦里安Ethos,结合人工智能与智能优化引擎(intelligent optimization engine, IOE)可自动生成计划。研究表明,ART能显著改善乳腺癌靶区覆盖,降低心脏、肺等危及器官照射剂量,减少放射性心脏疾病及二次患癌风险[5-7]。

射野设置对乳腺癌计划质量具有决定性影响。传统切线野基于乳腺解剖特点,可有效覆盖靶区并最小化对侧组织照射,但剂量均匀性欠佳。调强放疗普及后,射野趋于多样化,切线野衍生射野(如“蝴蝶野”)可提高靶区覆盖率,同时降低患侧肺及心脏剂量[8-10]。

当前Ethos系统仅支持标准化射野方案。默认配置虽能通过IOE生成可接受计划[6, 11],但无法针对乳腺解剖特性优化射野设计。既往研究多聚焦标准模板,如Galand等[12]指出Ethos的人工智能(AI)勾画虽能提高效率,但计划质量高度依赖射野设置,限制了其在乳腺癌中进一步优化的潜力。本研究基于Ethos平台,引入自定义射野优化策略,系统评估其对乳腺癌自适应计划质量(靶区覆盖、危及器官剂量等指标)及鲁棒性的影响,以填补当前研究空白。

资料与方法

1. 患者队列信息:回顾性纳入2022年1月至2024年12月于北京大学肿瘤医院接受保乳术后放疗的乳腺癌病例40例,左、右侧病例各20例。年龄38~71岁(中位49.5岁),临床分期为T1-2N1M0,病理为浸润性导管癌。纳入标准:病理确诊乳腺癌;1~2个前哨淋巴结阳性未行淋巴结清扫;未接受新辅助治疗;接受同侧瘤床同步推量放疗。本研究经北京大学肿瘤医院伦理委员会批准(2022YJZ100)。

2. 靶区勾画与处方剂量:患者于专用乳腺体板行热塑膜固定,5 mm层厚CT模拟定位,靶区勾画参照中国医师协会2020指南[13]。乳腺临床靶区(CTVbreast)包括患侧乳腺及腋窝Ⅰ组、Ⅱ组淋巴引流区,边界如下:上界胸锁关节,下界乳腺下皱襞或对侧腺体消失层面,前界皮下3~5 mm,后界胸大肌筋膜,内界胸骨外侧缘,外界腋中线或参考对侧乳腺外轮廓。瘤床临床靶区(CTVtumor)以术中钛夹位置为基准外放1.0~1.5 cm勾画。计划靶区(PTVbreast和PTVtumor)由相应CTV外扩生成(患侧和前侧3 mm,其余方向5 mm,并收回皮下2 mm)。处方剂量:CTVbreast 50 Gy/25次,CTVtumor 60 Gy/25次,同步推量。剂量要求:CTV D100% ≥ 99%,PTV D100% ≥ 95%。

3. Ethos自适应计划工作流程:Ethos在线自适应放疗流程包含4步:①每日治疗前获取CBCT,生成伪CT。②自动勾画靶区和危及器官(OARs),由医生审核修改。③IOE根据解剖变化重新优化计划,由医生及物理师审核。④治疗前计划验证并实施治疗。

4. 射野设置

(1) 标准模板射野:为评价自定义射野计划,每例均用Ethos内置标准射野模板自动生成的计划作为对照,含4类模板:7野等角均分固定射野(7F)、9野等角均分固定射野(9F)、侧向7野等角均分固定射野(Lat_7F)和2个半弧容积旋转调强射野(Lat_2Arc)。Lat_7F和Lat_2Arc计划的射野角度见图 1。

图 1 Ethos系统内置两类偏心射野角度  A.左侧病例Lat_7F计划;B. 右侧病例Lat_7F计划;C. 左侧病例Lat_2Arc计划;D. 右侧病例Lat_2Arc计划 Figure 1 Two built-in eccentric beam angles in the Ethos system A. Lat_7F, left-sided; B. Lat_7F, right-sided; C. Lat_2Arc, left-sided; D. Lat_2Arc, right-sided

(2) 自定义射野:为克服Ethos射野设置的局限,本研究利用Eclipse计划系统(v15.6,美国瓦里安公司)中人为设置乳腺专用容积调强射野,导出至Ethos后重新优化和计算生成自适应计划。右侧设置3个181° ~ 60°部分弧;左侧设置3个179° ~ 300°部分弧(图 2)。准直器角度设为5°、0°和355°,使靶区长轴与准直器平行以最大限度利用准直器。由自定义射野生成的计划称为Par_3Arc计划。

图 2 自定义射野的角度  A. 左侧病例Par_3Arc计划;B. 右侧病例Par_3Arc计划 Figure 2 Customized beam angles A. Par_3Arc, left-sided; B. Par_3Arc, right-sided

5. 计划优化:所有计划均使用Ethos IOE自动优化。IOE所需的计划优先级列表经人工迭代优化确定,详细参数列于表 1。参数权重分P1~P4共4级。优先级逐级降低(P1最高,P4最低),同级内按排列顺序决定优先级,位置越靠前优先级越高。优化目标按层级设定:靶区剂量居首,其次为高风险危及器官(患侧肺、健侧乳、心脏、左冠状动脉)剂量限制,末为剂量衰减与均匀性优化。危及器官权重综合考量射线敏感性、放射损伤发生率及临床要求等因素分配。因本研究中危及器官数量有限,未设P3级别。标准模板射野计划于Plan Preview模块自动生成,自定义射野计划则在定制化射野导入Ethos后重新优化计算。计划验证采用Mobius3D独立完成。

表 1 Ethos系统乳腺癌放疗计划优化的优先级列表 Table 1 Priority list for optimization of breast cancer radiotherapy plans using the Ethos system

6. 计划评估

(1) 质量评估:计划质量评估时,所有由Ethos系统生成的计划(标准模板和自定义)均导入Eclipse系统进行剂量学指标统计比较。靶区覆盖以D100%、D95%和Dmax评估,分别对应100%和95%靶区体积的最低剂量及最大剂量。计划适形性以适形指数(conformity index, CI)量化[14-15]:CI=$ \frac{V_{P T V 50}}{V_{P T V}} \times \frac{V_{P T V}}{V_{50}} $,式中,VPTV50为接受50 Gy的PTV体积,cm3;VPTV为PTV总体积,cm3;V50为接受50 Gy的总体积,cm3。CI越接近1适形度越好。由于本研究使用同步推量,未评估均匀性指数。危及器官剂量学评估包括剂量体积参数(V5 Gy、V20 Gy、V35 Gy、V40 Gy)和平均剂量(Dmean)。同时记录各计划总跳数(monitor units, MUs)以表征计划复杂度。

(2) 鲁棒性评估:以名义计划(无摆位误差)剂量分布为参考,对比标准模板与自定义射野计划的鲁棒性。基于最差情景分析,统计同一计划在最大摆位误差(5 mm)与无误差情景下靶区及危及器官剂量参数的变化幅度,以此量化计划鲁棒性。将名义计划等中心沿上下、左右、前后各方向平移5 mm,生成6个最差情景计划,计算剂量分布及剂量学指标,统计各指标变化幅度。

7. 统计学处理:鉴于左侧乳腺癌靶区与心脏及冠状动脉解剖关系密切,其计划优化及危及器官界定较右侧更为复杂。为避免解剖差异混淆剂量学评估,本研究对左、右侧病例数据分开统计比较。采用SciPy工具包进行统计学分析。连续变量先行正态性检验,符合正态分布者用x±s表示,两组间比较行配对t检验;不符合正态分布者用M (Q1,Q3)表示,行Wilcoxon符号秩检验。多组比较时,不符合正态分布者行Friedman检验整体比较,随后行Wilcoxon符号秩检验两两比较。P<0.05为差异有统计学意义。

结果

1. 左侧病例的剂量学对比

(1) 靶区剂量学指标:与Ethos模板计划相比,自定义射野计划在靶区覆盖和适形性方面表现更优。具体表现为:自定义射野计划显著提高了CTVbreast D100%、PTVbreast D95%和PTVtumor D95%,同时改善了PTVbreast和PTVtumor的适形性指数(W = 0.19、0.64、0.56、0.46、0.19,P<0.05,表 2)。自定义计划与Lat_2Arc计划间靶区覆盖差异无统计学意义。相较于7F、9F及Lat_7F计划,自定义射野计划在PTVbreast D95%(r = 1.065)和PTVtumor D95%(r = 1.065, 1.033, 1.033)方面优势显著(P<0.05)。与Lat_7F计划相比,自定义射野计划的CTVbreast D100% 亦显著提高(r = 0.854, P<0.01)。

表 2 左侧不同射野自适应计划的靶区剂量学比较[M (Q1, Q3)] Table 2 Comparison of dosimetric parameters of target volumes in left-sided adaptive plans with different beam arrangements [M (Q1, Q3)]

(2) 危及器官剂量学指标:表 3展示了左侧病例中自定义与标准模板射野计划之间危及器官剂量学比较,仅展示统计学差异显著的参数。与标准模板射野计划相比,自定义射野计划危及器官保护效果较好,具体体现为心脏和左冠状动脉(LAD)的平均剂量(Dmean)更低(W = 0.38、0.46,P<0.001),以及患侧肺的V5 Gy和Dmean较低(W = 0.28、0.35,P<0.001)。

表 3 左侧不同射野自适应计划的危及器官剂量比较[M (Q1, Q3)] Table 3 Comparison of dosimetric parameters of organs at risk in left-sided adaptive plans with different beam arrangements [M (Q1, Q3)]

9F计划获得健侧乳Dmean、患侧肺V20 Gy以及健侧肺V5 Gy和Dmean的最低值,Lat_2Arc计划获得LAD V35 Gy最低值。自定义射野计划在上述参数中均居次,但与各自最佳计划(健侧器官的9F计划和LAD V35 Gy的Lat_2Arc计划)的配对比较差异无统计学意义。随机病例剂量分布图(图 3)显示,自定义射野计划较9F计划产生更局限的低剂量浴,健侧乳及肺的剂量外溢明显减少。

图 3 左侧自定义射野计划与9个等角均分固定射野计划的低剂量区案例图示  A. 9F计划案例;B. 自定义射野计划案例 Figure 3 Illustration of cases with low-dose regions for the left-sided customized beam arrangement and nine-field fixed-beam plan with equally spaced beam angles A. The 9F plan; B. The customized beam arrangement

2. 右侧病例的剂量学对比

(1) 靶区剂量学指标:右侧病例中,自定义射野计划较标准模板计划靶区覆盖更优:CTVbreast D100%、PTVbreast D95%和PTVtumor D95%升高,PTVbreast Dmax降低,PTVbreast适形性也显著改善(W = 0.20、0.61、0.48、0.10,P<0.05,表 4)。自定义射野与Lat_2Arc计划间靶区覆盖无统计学差异。较7F、9F及Lat_7F计划,自定义射野计划的PTVbreast D95%(r = 1.07)和PTVtumor D95%(r = 1.01、0.94、0.97)更高(P<0.05);较7F和9F计划,其高量更低(有利,r = 0.70、0.66,P<0.05)。

表 4 右侧不同射野自适应计划的靶区剂量学比较[M (Q1, Q3)] Table 4 Comparison of dosimetric parameters of target volumes in right-sided adaptive plans with different beam arrangements [M (Q1, Q3)]

(2) 危及器官剂量学指标:表 5比较了右侧病例中自定义与标准模板射野计划的危及器官剂量,仅显示有统计学差异的参数。自定义射野计划显著降低心脏Dmean、患侧肺V5 Gy及肝脏V5 Gy和Dmean (W = 0.28、0.27、0.32,P<0.001)。患侧肺V20 Gy和Dmean以及健侧乳Dmean的最低值由9F计划实现。自定义射野计划虽居次,但配对分析显示两者差异无统计学意义。右侧病例剂量分布个案(图 4)与左侧一致,自定义射野计划产生更局限的低剂量浴。

表 5 右侧不同射野自适应计划的危及器官剂量比较[M (Q1, Q3)] Table 5 Comparison of dosimetric parameters of organs at risk in right-sided adaptive plans with different beam arrangements [M (Q1, Q3)]

图 4 右侧自定义射野计划与9个等角均分固定射野计划的低剂量区案例图示  A. 9F计划案例;B. 自定义射野计划案例 Figure 4 Illustration of cases with low-dose regions for the right-sided customized beam arrangement and nine-field fixed-beam plan with equally spaced beam angles A. 9F plan; B. The customized beam arrangement

3. 计划鲁棒性比较:以剂量学优势明显且射野角度分配合理Lat_2Arc计划为参考,比较其与Par_3Arc计划的剂量学参数极值,评估自定义射野计划鲁棒性(图 5~6)。

注:Lat_2Arc计划代表2个半弧容积旋转调强射野计划;Par_3Arc计划代表自定义射野计划 图 5 左侧乳腺癌患者中Lat_2Arc和Par_3Arc计划的剂量学参数极值比较  A~B. 靶区剂量(A:最大值;B:最小值);C~D. 部分危及器官的体积参数(C:最大值;D:最小值);E~F. 部分危及器官的平均剂量(E:最大值;F:最小值) Figure 5 Comparison of maximum and minimum dosimetric parameters between Lat_2Arc and Par_3Arc plans in left-sided breast cancer patients A-B. Target dose (A: maximum; B: minimum); C-D. Volume parameters of selected organs at risk (C: maximum; D: minimum); E-F. Mean doses of selected organs at risk (E: maximum; F: minimum)

注:Lat_2Arc计划代表2个半弧容积旋转调强射野计划;Par_3Arc计划代表自定义射野计划 图 6 右侧乳腺癌患者中Lat_2Arc和Par_3Arc计划的剂量学参数极值比较  A~B. 靶区剂量(A:最大值;B:最小值);C~D. 部分危及器官的体积参数(C:最大值;D:最小值);E~F. 部分危及器官的平均剂量(E:最大值;F:最小值) Figure 6 Comparison of maximum and minimum dosimetric parameters between Lat_2Arc and Par_3Arc plans in right-sided breast cancer patients A-B. Target dose (A: maximum; B: minimum); C-D. Volume parameters of selected organs at risk (C: maximum; D: minimum); E-F. Mean doses of selected organs at risk (E: maximum; F: minimum)

最大值参数(图 5~6A、C、E)方面,靶区覆盖上,Par_3Arc计划的CTV D100%在左右侧病例中均显著高于Lat_2Arc计划(t = -2.45、-2.66,P<0.05),左侧PTV D95%亦显著提高(t = -2.18、-2.14,P<0.05,P<0.05)。危及器官保护方面,Par_3Arc计划的心脏Dmean(t左侧 = 2.55;t右侧 = 2.54,P<0.05)、患侧肺剂量(V5 Gy、V20 Gy和Dmean;t左侧 = 4.45、3.88、3.93;t右侧 = 6.69、3.34、5.50,P<0.05)、健侧肺剂量(V5 Gy和Dmean;t左侧 = 5.76、5.54;t右侧 = 7.12、6.51,P<0.05)及健侧乳Dmean(t左侧 = 6.30;t右侧 = 5.79,P<0.05)均显著降低。

最小值参数(图 5~6B、D、F)方面,在最坏情况下Par_3Arc计划鲁棒性更优。靶区剂量维持上,Par_3Arc计划CTV D100%在左右侧均高于Lat_2Arc计划,右侧差异有统计学意义(t = -2.87、-3.02,P<0.05)。危及器官保护上,Par_3Arc计划心脏Dmean(w左侧 = 67,t右侧 = 2.35,P<0.05)、患侧肺剂量(V5 Gy、V20 Gy和Dmean;t左侧 = 4.57、2.95、3.84,t右侧 = 6.66、2.49、5.39,P<0.05)、健侧肺剂量(V5 Gy和Dmean;t左侧 = 6.14、5.47,t右侧 = 7.21、6.37,P<0.05)及健侧乳Dmean(t左右侧 = 5.04,P<0.05)均显著低于Lat_2Arc计划。综上,Par_3Arc计划在多数DVH指标中波动幅度均小于Lat_2Arc计划,表明其在摆位误差下剂量递送更稳健。

4. 计划跳数比较:MUs可间接反映计划复杂度,各类计划MU比较列于表 6。左、右侧病例中,自定义射野计划的MU均显著小于7F、9F及Lat_7F 3种固定射野计划(左右侧r = 1.07,P<0.001),但与Lat_2Arc计划差异无统计学意义。5类计划的优化与计算时间见图 7:IMRT计划优化约为2 min,VMAT计划约为10 min;各类计划剂量计算时间相近,均约为40 s,左右侧间差异较小。

表 6 自定义射野计划与标准模板射野计划的跳数比较[M (Q1, Q3)] Table 6 Comparison of monitor units between the customized beam arrangement and standard beam arrangement templates [M (Q1, Q3)]

图 7 各类计划剂量优化和计算的时间 Figure 7 Time required for dose optimization and calculation across various plans

讨论

Ethos平台整合了在线自适应放疗所需的多种技术,如AI自动勾画、图像形变配准、智能优化引擎和AcurosXB剂量计算算法[16]。但其内置射野模板并非对所有治疗部位最优,尤其不适用于对射野布置高度敏感的乳腺放疗。为了改善Ethos平台保乳术后乳腺癌计划质量,本研究基于临床经验设计定制射野并导入Ethos生成计划,与默认模板射野计划比较。结果显示,自定义射野计划在靶区覆盖和危及器官保护方面均更优,且所有计划均通过完整在线自适应工作流程模拟生成,不增加额外时间,确保临床可行性。

靶区覆盖方面,自定义射野计划不仅满足处方要求,还改善了适形性、减少了热点及高剂量体积。自定义射野计划确保PTV 100%处方剂量覆盖,同时提高接受处方剂量的CTV体积比例,有助于减轻急性皮肤反应[17-18]。危及器官保护方面,自定义射野计划始终优于默认计划,患侧肺、健侧乳及心脏等重要器官剂量均更低。降低患侧肺剂量有助于遵守更严格的剂量限制,与放射性肺炎的发生率降低相关[19-21];更低心脏剂量则有助于降低放射性缺血性心脏病的风险[22-23]。尽管9F计划剂量学结果与自定义射野计划相似,但其低剂量外溢较大,可能增加二次患癌风险[24-25],临床应当避免。

鲁棒性方面,自定义射野计划较Lat_2Arc计划具有更优的计划质量和摆位误差容错能力,可能与三弧设计通过增加控制点数量和角度分布灵活性实现更精细的剂量调制有关[26]。计划MU反映复杂度,与实施效率负相关。自定义射野与Lat_2Arc计划跳数均较低,表明复杂度最低、效率最高。受智能优化引擎对VMAT优化策略及计划质量要求驱动等因素影响,VMAT计划优化耗时较长,但计划质量与鲁棒性增益值得这一时间成本,临床可按需开展自适应放疗。本研究针对保乳术后乳腺放疗,结果可能不适用于其他治疗部位;鲁棒性评估仅模拟摆位平移,未纳入解剖形变,有待后续验证。

综上,基于Eclipse设计射野并于Ethos生成的自适应计划,在靶区覆盖和危及器官保护方面均优于标准模板计划,具备更优的质量与鲁棒性,为乳腺自适应放疗提供了更优的射野选择策略,且跳数较低,利于临床实施。

利益冲突  无

作者贡献声明  姚凯宁负责计划设计、论文撰写;王美娇、刘嘉城负责数据整理分析;石晨负责靶区勾画和计划审核;岳海振、吴昊指导计划设计;杜乙、王若曦指导论文修改

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