基于動態腳本語言的食管癌IMRT計劃設計

劉 磊，吳愛東，閆 冰，張紅雁

基于動態腳本語言的食管癌IMRT計劃設計

劉 磊，吳愛東，閆 冰，張紅雁

目的利用Solaris 10操作系統中自帶的Perl程序創建具有自適應性質的動態腳本，實現調強放射治療（IMRT）計劃設計的自動執行，并研究其在計劃設計中的應用前景。方法選取6例食管癌患者，利用Perl程序創建動態腳本，通過腳本回放，實現IMRT放療計劃的設計，并利用體積劑量，計劃完成時間等參數與人工設計的計劃進行對比。結果在不明顯改變計劃質量的前提下，腳本計劃時間（12.70± 1.47）min相比人工計劃時間（27.72±2.29）min平均縮短15 min，差異有統計學意義（P＜0.05）。結論 利用Perl程序創建動態腳本能夠自適應靶區與劑量，通過腳本回放可快速完成IMRT計劃的設計。

Perl；IMRT；腳本；食管癌

調強放射治療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）是一種先進的放療方法，能夠在提高靶區劑量的同時保護正常組織。設計IMRT計劃是目前物理師的主要工作之一，并極大的占用了物理師的工作時間。為了避免重復勞動、提高工作效率，國內外很多學者利用Pinnacle治療計劃系統內具有的腳本功能開發出各種腳本，通過腳本的回放，自動完成各項計劃參數的設置。但是，目前的腳本在設計過程中只能針對固定的靶區名稱及常規的劑量進行，如果計劃中靶區名稱或處方劑量改變，則固定IMRT計劃模板就不再適用。該研究基于Pinnacle計劃系統的IMRT逆向優化模塊，結合Perl程序與Pinnacle腳本程序，以食管癌為例，編程實現基于動態模板的IMRT計劃設計。自編程序能夠根據靶區名稱及靶區劑量自動生成出適應當前計劃的動態模板，通過模板回放可快速完成計劃的設計。

1 材料與方法

1.1 材料本研究使用Pinnacle 9.6計劃系統以及Solaris10中自帶的Perl程序。Pinnacle 9.6計劃系統可以實現腳本的記錄與回放功能，即可記錄在計劃設計過程中執行的一系列序貫操作，在以后相同病種的計劃設計時，只需要回放已記錄的腳本就可以執行相同步驟的操作［1］。

1.2 病例資料選取2014年1～3月安徽省立醫院放療科中上段食管癌住院患者6例，病理檢查證實為鱗癌，無放療禁忌證，年齡47～81歲，中位年齡64歲。所有患者仰臥位，采用放療體架加真空袋固定，做上體表標記并行螺旋CT掃描，掃描范圍從環狀軟骨至肋隔角下緣，掃描層厚為2.5 mm，患者的CT圖像經網絡傳輸到Pinnacle治療計劃系統。

1.3 靶區和危及器官（organ at risk，OAR）的勾畫

由放療醫師在CT圖像上逐層勾畫淋巴結大體腫瘤靶體積（gross tumor volume of lymph nodes，GTVnd）、淋巴結計劃靶體積（planning gross tumor volume of lymph nodes，PGTVnd）、臨床靶體積（clinical tumor volume，CTV）、計劃靶體積（planning tumor volume，PTV）和OAR。靶區勾畫基本標準：PGTVnd是在GTVnd基礎上外擴0.5 cm形成；CTV勾畫上界為環甲膜水平，下界為原發腫瘤下3 cm，包括鎖骨上淋巴結引流區及2、4、5、7區；PTV是在CTV基礎上外擴0.5 cm形成；食管癌OAR主要是脊髓、肺和心臟。

1.4 基于動態模板的計劃系統設計方法相對于固定模板的計劃設計，動態模板能夠根據靶區名稱及處方劑量自動產生適應該計劃的動態腳本，并通過腳本回放完成計劃設計，系統框圖如圖1所示。

調用Per1程序→

生成動態模板→

Pinnacle回放腳本→

完成治療計劃

Perl程序產生動態模板的流程如下，第一步：通過在Solaris 10中調用Perl程序編譯程序，程序提示物理師輸入所要處理的靶區名稱（PGTVnd、PTV）、所在解剖位置（頭頸部、胸部、腹部）、劑量、分次數和照射野數目。第二步：①為避免因建成效應造成靶區劑量不足影響計劃評價，根據靶區名稱（PGTVnd、PTV）將靶區收至皮膚下0.5 cm，生成對應的計劃靶區（PGTVnd＿plan、PTV＿plan）。②為了約束劑量更加適形靶區，動態模板程序會根據靶區產生從靶區到正常組織之間的，劑量從高到低過渡的環狀（ring）劑量約束區（PGTVnd＿ring、PTV＿ring1和PTV＿ring2）。③對于2個或2個以上的靶區，為了避免在計劃設計過程中出現靶區劑量不足，重疊的部分的處理采取處方劑量低的靶區讓位于高的靶區，產生（PTV-PGTVnd）。④根據程序開始時讀入的靶區數量添加照射野，具體到食管癌中，統一采用6個照射野（210°、310°、0°、50°、120°、150°）。⑤根據計劃的要求設置處方以及劑量線顯示。⑥設置IMRT的射野優化參數，選擇優化方式為直接子野優化（direct machine parameter optimization，DMPO），并設定最大子野個數50，最小子野面積5 cm2以及最小劑量5 MU；⑦逐一添加IMRT優化的目標函數。

Perl程序生成動態模板以后，由物理師回放整個動態腳本，完成計劃設計。程序運行實例如圖2所示。

1.5 計劃評估 在上述所有病例中，為減少不同物理師因經驗高低不同所導致的時間差異，同一病例由同一物理師采用動態腳本語言和人工方法分別進行計劃設計。通過靶區劑量體積參數、靶區劑量均勻性指數、靶區劑量適形度指數、OAR受量和完成治療計劃時間等參數進行計劃的對比，證明動態模板創建的食管癌治療計劃的有效性及快速性。

1.5.1 靶區劑量體積參數：靶區的最大劑量Dmax、最小劑量Dmin、平均劑量Dmean。

1.5.2 靶區劑量均勻性指數（homogeneity index，HI）

HI的值大于1，HI值越低（即越接近1），表示靶區劑量均勻性越好；反之，HI值越大表明劑量不均勻性較大。

1.5.3 靶區劑量適形度指數（conformity index，CI）

其中VT，ref為參考等劑量線所覆蓋的所有PTV體積，VT為PTV體積，Vref為參考等劑量線所包圍的所有體積。CI值為0～1，CI值越大，表示適形度越好，等于1時最理想。

1.5.4OAR受量 在食管癌計劃中，主要評估的OAR為心臟、全肺、脊髓。約束劑量分別為心臟V30＜40%，V40＜30%；全肺V20＜25%；V5＜60%；脊髓最大劑量Dmax＜45Gy。

1.5.5計劃完成時間T 計劃完成時間T指物理師從計劃設計開始至計劃完成所需要的時間。T值越小，表示計劃設計時間短，效率高；T值越大，表示計劃設計時間長，效率低。

1.6 統計學處理采用SPSS 17.0統計軟件進行分析，數據以±s表示。對動態腳本語言和人工設計方法中的不同組數據間進行配對設計t檢驗。

2 結果

程序運行比較順利。通過Perl程序創建的動態模板設計完成的ＩＭＲＴ計劃均滿足臨床要求。

2.1部分Perl程序代碼 本研究編寫的部分Perl程序代碼如下：

2.2 動態模板計劃結果腳本計劃與人工計劃在靶區劑量體積參數、靶區HI、靶區CI和OAR受量方面差異均無統計學意義；而在計劃完成時間上，腳本計劃時間（12.70±1.47）min相比人工計劃時間（27.72±2.29）min平均縮短15 min，差異有統計學意義（P＜0.05）。表明腳本計劃在不明顯改變計劃質量的前提下，能夠大幅度節省計劃設計時間。見表1、2。

表1 人工計劃與腳本計劃靶區劑量比較（±s）

表1 人工計劃與腳本計劃靶區劑量比較（±s）

項目參數人工計劃腳本計劃t值P值PGTVndDmax（Gy）65.38±0.8365.53±0.92－1.180.29 Dmin（Gy）55.16±2.8055.55±2.80－0.960.38 Dmean（Gy）62.83±0.2162.81±0.260.600.57 CI0.68±0.170.68±0.17－0.190.86 HI0.086±0.0120.087±0.012－0.620.57 PTVDmax（Gy）65.38±0.8365.53±0.92－1.180.29 Dmin（Gy）36.48±5.4235.30±4.921.180.28 Dmean（Gy）54.90±0.9354.89±1.03－0.800.46 CI0.79±0.190.80±0.02－1.200.28 HI0.240±0.0220.240±0.0210.610.58

表2 人工計劃與腳本計劃OAR比較（±s）

表2 人工計劃與腳本計劃OAR比較（±s）

項目人工計劃腳本計劃t值P值脊髓Dmax（Gy）43.00±1.5742.96±1.410.250.81肺V20（%）20.20±1.6720.28±1.21－0.400.71肺V5（%）51.32±5.6251.43±5.780.590.58心臟V30（%）18.30±14.6618.21±14.730.710.51心臟V40（%）10.63±8.8710.60±8.760.310.77

3 討論

目前Pinnacle的腳本功能已在國內外很多醫院得到廣泛應用，美國Royal Perth［2］醫院還將研究結果匯制成集。單一利用腳本功能產生的固定模板已經在鼻咽癌、乳腺癌等得到了應用，陳維軍等［3］利用腳本功能完成了乳腺癌的計劃設計，柏朋剛［4］也利用腳本功能完成了鼻咽癌的計劃設計，通過腳本產生自動三維靶區命名系統［5］，但由于單純利用腳本，功能單一，因此Pinnacle腳本和第三方嵌入式編程是目前國內外研究的熱點。利用Perl產生動態腳本用于治療計劃的自動確認，利用Perl產生動態腳本創建IMRT的QA計劃，利用動態腳本自動引導容積弧形調強放療計劃的設計過程，這些臨床應用都證明了動態腳本的有效性和快速性［6－8］。

3.1 初始化參數設置通過對比發現各個固定模板之間的差異主要集中在靶區和OAR命名、靶區劑量和分次、照射野數量等方面，因此上述參數要求物理師手工輸入。考慮到頭頸、胸和腹部的OAR相對固定，因此本文處理方法是由物理師輸入腫瘤所在解剖部位（頭頸、胸、腹），程序自動添加該部位的所有器官名稱以及限量目標函數。

3.2 照射野角度設置由于靶區與正常組織相對位置不同，因此并沒有固定的最優照射野角度。王彬冰等［9］利用遺傳算法優化三維適形放療計劃的入射野角度，為照射野角度的自動選擇提供了理論依據。在本文處理中并不涉及照射野角度的優化，物理師僅根據輸入的照射野數量，在360°的范圍內均分整個照射野，最后根據經驗再調整照射野角度。

3.3 多靶區處理方式對于含有多個靶區的計劃，為避免靶區相互重疊使優化條件產生矛盾，需要將低劑量靶區讓位與高劑量靶區。本文采取的思路是依照靶區劑量高低對靶區名稱設定優先級，在依次存入靶區名稱及劑量數組中。采用循環將靶區倒序相減，形成新靶區，命名為，并遍歷整個數組。如下式所示：

其中，ROIn表示靶區名稱數組中第n位的靶區名稱表示依照靶區名稱從第0位加至第n－1位。

對于每個靶區的ring劑量約束區，本文采用的方法是將每個靶區分別外擴（0.3 cm、1 cm、2 cm）并分別存入3個靶區名稱數組中，即0.3ROIn、1ROIn、2ROIn。類似于靶區重疊處理方法，將0.3ROIn、1ROIn、2ROIn倒序相減，命名為ROIn＿ring。如下式所示：

本文利用第三方編程軟件Perl與腳本功能混合，通過物理師輸入相應參數，由計算機生成適應于該IMRT計劃的個性化腳本語句，提高了腳本的適應性。從計劃設計的本質上來說，動態模版與人工或固定模版的計劃優化初始條件相同且動態模板并沒有涉及優化參數的更新，因此兩者之間的優化結果不應有顯著差別，但由于靶區處理、添加照射野及優化目標函數是利用腳本完成，計劃完成時間顯著減少。

本文以食管癌計劃為例闡述了動態模板的整個工作流程，臨床推廣至其他病種證明同樣是適用的，僅僅是靶區名稱、處方劑量及分次的不同，這對于放療計劃設計的智能化具有很重要的意義。然而這一程序目前并不能對照射野角度進行自動優化，未來還需進一步深入研究。

［1］ Pinnacle3 Planning reference guide［M］.9201-5136A-ENG Rev A.Fitchburg USA.Philips Medical System.2008.

［2］ S Geoghegan.Scripting on the Pinnacle3 Treatment Planning System［M］.Royal Perch Hospital，2007.

［3］ 柏朋剛.基于數據驅動的鼻咽癌調強計劃自動化設計［J］.醫療裝備，2013，26（2）：6－9.

［4］ 陳維軍，狄小云，王彬冰，等.Pinnacle計劃系統腳本在調強放療計劃中的應用研究［J］.中國醫學物理學雜志，2010，27（3）：1858－61.

［5］ Holdsworth C，Hummel-Kramer S M，Phillips M.Scripting in radiation therapy：an automatic 3D beam-naming system［J］.Med Dosim，2011，36（3）：272－5.

［6］ Yang D，Moore K L.Automated radiotherapy treatment plan integrity verification［J］.Med Phys，2012，39（3）：1542－51.

［7］ Yaddanapudi S，Yang D，Moore K，et al.SU-GG-T-202：Automation of patient specific IMRT QA plan generation［J］.Med Phys，2010，37（6）：3231.

［8］ Wu B，Pang D，Simari P，et al.Using overlap volume histogram and IMRT plan data to guide and automate VMAT planning：A head-and-neck case study［J］.Med Phys，2013，40（2）：021714.

［9］ 王彬冰，狄小云，陳維軍，等.基于遺傳算法的三維適形放療射野入射角度最優化研究［J］.中華放射腫瘤學雜志，2008，17（4）：304－7.

IMRT design for esophageal carcinoma based on dynamic scripts

Liu Lei，Wu Aidong，Yan Bing，et al
（Dept of Radiotherapy and Oncology，The Affiliated Provincial Hospital of Anhui Medical University，Hefei 230001）

ObjectiveUnderwent adaptive dynamic scripts based on the Perl program of Solaris 10 operating system and scripting playback of pinnacle system which automatically performed the plan of intensity modulated radiotherapy and analyzed the dose distribution produced by the dynamic scripts，and then explored them in the treatment plan of intensity modulated radiotherapy.MethodsSix patients with esophageal carcinoma received radiotherapy were selected.Two IMRT plans for each patient were designed：the artificial plan and the plan based on the dynamic scripts through playback function.The dose volume histogram，plan completion time，and other parameters were compared respectively.ResultsThe average time of IMRT plan（12.70±1.47）minutes achieved by the application of dynamic scripts was 15 minutes shorter than that of the artificial plan（27.72±2.29）minutes，and the difference was statistically significant（P＜0.05）.ConclusionThe dynamic scripts based on the Perl program can adapt the targets and dose，and can quickly fulfill the IMRT plan through playback function.

Perl；IMRT；script；esophageal carcinoma

R 811.1

1000－1492（2015）02－0209－05

2014－09－30接收

安徽省高校省級自然科學研究項目（編號：KJ2010B380）

安徽醫科大學附屬省立醫院放療科，合肥 230001

劉 磊，男，碩士研究生；吳愛東，男，副教授，碩士生導師，責任作者，E-mail：aidongwu＠21cn.com