自動(dòng)化計(jì)劃設(shè)計(jì)在胸中上段食管癌調(diào)強(qiáng)放療中的應(yīng)用研究

彭圣賢，劉 悅，龐 亞

放射治療作為腫瘤治療的重要手段之一，約75%的惡性腫瘤病人需要做放療。放療也是中晚期食管癌患者的主要選擇[1]。近年來(lái)，調(diào)強(qiáng)放療雖然提高了腫瘤控制概率和降低了正常組織并發(fā)癥概率，但物理師在制定放療計(jì)劃時(shí)，需要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)并花大量時(shí)間優(yōu)化靶區(qū)和危及器官劑量，尋找最優(yōu)的計(jì)劃方案，計(jì)劃質(zhì)量參差不齊且耗時(shí)耗力。手工放療計(jì)劃質(zhì)量與人為因素有很大關(guān)系，自動(dòng)計(jì)劃能很好地解決人為差異，提高計(jì)劃質(zhì)量。近年來(lái)，隨著人工智能在腫瘤放療中的應(yīng)用[2]，研究自動(dòng)計(jì)劃是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[3-5]。本研究以食管癌放療為例，首先由物理師在Pinnacle3 v9.10計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)制定手工計(jì)劃，再基于Pinnacle中的Autoplan自動(dòng)模塊制定自動(dòng)計(jì)劃，比較手工計(jì)劃和自動(dòng)計(jì)劃的劑量學(xué)特性，分析自動(dòng)計(jì)劃在胸中上段食管癌放療應(yīng)用中的可行性，為臨床提供參考。現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料和方法

1.1 臨床資料

選取2020年1月至2021年1月在自貢市第一人民醫(yī)院治療的25例胸中上段食管癌患者做回顧性分析，男12例，女13例，年齡50～68歲，中位年齡60歲。CT定位為Philips CT，掃描厚度0.5 cm，體位為仰臥位，雙手交叉上舉，行增強(qiáng)掃描。醫(yī)生勾畫(huà)靶區(qū)，原發(fā)病灶為CT下縱隔窗和肺窗顯示的腫瘤。臨床靶區(qū)(clinical target volume,CTV)為GTV 基礎(chǔ)上軸向外擴(kuò)0.5 cm，上下方向各外擴(kuò)3.0 cm，包括食管旁淋巴結(jié)、縱膈淋巴結(jié)引流區(qū)。GTV和CTV在三維方向上分別外擴(kuò)0.5 cm形成計(jì)劃靶區(qū)(planning target volume)PTV1和PTV2。勾畫(huà)左右肺、心臟、脊髓等危及器官(organs at risk，OAR)。

1.2 手工計(jì)劃與自動(dòng)計(jì)劃設(shè)計(jì)

所有患者均在Pinnacle3 v9.10計(jì)劃系統(tǒng)和Varian Trilogy加速器完成，手工IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)按照臨床實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)計(jì)劃，手工添加輔助環(huán)結(jié)構(gòu)，給定基本參數(shù)和權(quán)重。射線質(zhì)均為6MV X射線，網(wǎng)格大小4 mm×4 mm×4 mm，算法為筒串卷積(collapsed cone convolution，CCC)算法。靶區(qū)處方劑量采用同步推量，分別為高劑量PTV1 6 000 cGy·28F-1和低劑量PTV2 5 100 cGy·28F-1。各危及器官優(yōu)化條件由物理師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，在優(yōu)化中不斷改進(jìn)至無(wú)明顯改善。Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)帶有輔助結(jié)構(gòu)邏輯運(yùn)算能力、IMRT逆向優(yōu)化及 AUTO-plan優(yōu)化模塊。自動(dòng)IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)射線質(zhì)、射野數(shù)、射野中心點(diǎn)、劑量率、治療機(jī)器、處方劑量等條件與人工計(jì)劃相同。整個(gè)過(guò)程無(wú)人為因素干預(yù)。

1.3 放療計(jì)劃評(píng)估參數(shù)

根據(jù)劑量—體積直方圖(dose-volume histogram，DVH)來(lái)評(píng)價(jià)靶區(qū)和危及器官的劑量學(xué)參數(shù)，參考ICRU83號(hào)報(bào)告。靶區(qū)的劑量學(xué)參數(shù)：D2、D98、平均劑量Dmean，其中D2、D98分別為包圍靶區(qū)體積2%、98%的最小劑量；均勻性指數(shù)定義為HI=(D2-D98)/Dmean，HI值越小，則PTV劑量越均勻。適形度指數(shù)為CI=(VT,r/VT)×(VT,r/Vr)，其中VT為PTV體積，VT,r為處方劑量所包繞的PTV體積，Vr為處方劑量所包繞的總體積，CI值上限為1，越大說(shuō)明靶區(qū)越適形。各OAR的劑量評(píng)價(jià)指標(biāo)為雙肺(全肺，左右肺行布爾邏輯運(yùn)算)V5、V10、V15、V20、V30、V40、Dmean；心臟V30、V40、Dmean；脊髓Dmax。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

數(shù)據(jù)處理之前用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 22.0驗(yàn)證，服從正態(tài)分布時(shí)，手工計(jì)劃與人工計(jì)劃采用配對(duì)t檢驗(yàn)；不服從正態(tài)分布時(shí)，則用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 PTV和OAR劑量學(xué)指標(biāo)

手工計(jì)劃(manual plan)與自動(dòng)計(jì)劃(auto plan)靶區(qū)PTV1均能滿足臨床劑量要求。手工計(jì)劃Dmean比自動(dòng)計(jì)劃大，自動(dòng)計(jì)劃適行指數(shù)CI比手工計(jì)劃好，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。而D2、D98、HI差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見(jiàn)表1。手工計(jì)劃(manual plan)與自動(dòng)計(jì)劃(auto plan)靶區(qū)PTV2均能滿足臨床劑量要求。手工計(jì)劃Dmean高于自動(dòng)計(jì)劃，自動(dòng)計(jì)劃適行指數(shù)CI比手工計(jì)劃好，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。而D2、D98差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見(jiàn)表2。

表1 PTV1劑量學(xué)指標(biāo)比較

表2 PTV2劑量學(xué)指標(biāo)比較

自動(dòng)計(jì)劃全肺的V5、V15、V20、V30、Dmean均小于手工計(jì)劃，結(jié)果有顯著差異(P<0.05)，而V10、V40差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.326，0.135)，見(jiàn)表3。心臟V30、Dmean受量為自動(dòng)計(jì)劃小于手工計(jì)劃，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而V40差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.121)。脊髓Dmax為自動(dòng)計(jì)劃小于手工計(jì)劃，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。大多數(shù)參數(shù)顯示自動(dòng)計(jì)劃與手工計(jì)劃相比能很好降低危及器官受量，見(jiàn)表3。

表3 OAR劑量學(xué)指標(biāo)比較

2.2 機(jī)器跳數(shù)及計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間比較

手工計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)(monitor unit，MU)為(1 534±432)MU，自動(dòng)計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)為(1 203±181)MU。自動(dòng)計(jì)劃比手工計(jì)劃MU減少約27.5%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。手工計(jì)劃的平均計(jì)劃制定時(shí)間為(40.25±11.51) min，自動(dòng)計(jì)劃的平均計(jì)劃制定時(shí)間為(25.16±6.14) min，計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間減少37.49%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

3 討論

放射治療是食管癌患者的一種重要治療方式[6-7]。但在調(diào)強(qiáng)計(jì)劃制作時(shí)，需要物理師做出放療計(jì)劃，并根據(jù)臨床需求反復(fù)優(yōu)化及嘗試設(shè)計(jì)，選擇最優(yōu)的放療計(jì)劃。這個(gè)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，放療計(jì)劃的好壞取決于物理師的臨床經(jīng)驗(yàn)與操作技巧積累。而智能化的自動(dòng)計(jì)劃為物理師的臨床工作減輕負(fù)擔(dān)提供了可能，近年來(lái)，自動(dòng)計(jì)劃技術(shù)被引入到各部位腫瘤放療計(jì)劃設(shè)計(jì)中[8-9]。Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)置的自動(dòng)優(yōu)化模塊，沒(méi)有增加放療計(jì)劃的繁瑣程度，且加大了調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的魯棒優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)了靶區(qū)劑量的高劑量和周圍正常器官低量，在不同腫瘤放療中均有報(bào)道[10-11]。本研究以胸中上段食管癌為例，基于Pinnacle3 v9.10計(jì)劃系統(tǒng)探討IMRT自動(dòng)計(jì)劃與手工計(jì)劃的區(qū)別，利用Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)置的Auto-plan模塊進(jìn)行自動(dòng)計(jì)劃設(shè)計(jì)。

有報(bào)道顯示，與手工計(jì)劃相比，自動(dòng)計(jì)劃在部分腫瘤放療計(jì)劃中能夠有效地實(shí)現(xiàn)計(jì)劃時(shí)間與質(zhì)量的優(yōu)化[9-10]。對(duì)食管癌手工計(jì)劃與自動(dòng)計(jì)劃價(jià)值，未見(jiàn)有明確報(bào)道，本研究結(jié)果顯示，手工計(jì)劃與自動(dòng)計(jì)劃對(duì)于靶區(qū)CI和Dmean有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。手工計(jì)劃CI不如自動(dòng)計(jì)劃，胸中上段食管癌自動(dòng)計(jì)劃的靶區(qū)適形性能夠改善，這與Ong等[12]的研究結(jié)果類似。危及器官方面，肺、心臟、脊髓等大多數(shù)指標(biāo)手工計(jì)劃高于自動(dòng)計(jì)劃，自動(dòng)計(jì)劃全肺的V5、V15、V20、V30、Dmean均小于手工計(jì)劃，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而V10、V40結(jié)果無(wú)顯著差異(P=0.326，0.135)。心臟V30、Dmean結(jié)果為自動(dòng)計(jì)劃小于手工計(jì)劃，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而V40結(jié)果差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.121)。Gallio等[6]比較了肝癌立體定向放射治療Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)的自動(dòng)計(jì)劃與手工計(jì)劃靶區(qū)和危及器官劑量學(xué)參數(shù)、機(jī)器跳數(shù)、計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間等，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)劃能降低脊髓劑量和減少計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間，這與本研究結(jié)論基本一致，本研究自動(dòng)計(jì)劃肺、心臟、脊髓等危及器官劑量降低，且計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間減少37.49%。Hazell等和Nawa等結(jié)論類似，頭頸部和前列腺腫瘤的自動(dòng)計(jì)劃危及器官劑量降低[13-14]。

近年來(lái)，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)在放療領(lǐng)域的應(yīng)用，F(xiàn)an等[7]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法提出了可以預(yù)言劑量分布的自動(dòng)計(jì)劃。本文中的自動(dòng)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃設(shè)計(jì)程序是基于Pinnacle內(nèi)置的腳本完成，不需要物理師添加額外的輔助模塊，優(yōu)化過(guò)程沒(méi)有物理師干擾。Zhang等[8]比較了早期鼻咽癌自動(dòng)計(jì)劃與手工計(jì)劃特點(diǎn)，自動(dòng)計(jì)劃不僅有很好的靶區(qū)均勻性和適行度，還降低了脊髓、腦干的劑量，降低了機(jī)器跳數(shù)和計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間，這與本研究結(jié)果基本一致。自動(dòng)計(jì)劃的研究和應(yīng)用彌補(bǔ)了計(jì)劃設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)技巧欠缺的不足。減少了添加輔助結(jié)構(gòu)和調(diào)試時(shí)間，提高了臨床效率，提高了醫(yī)療資源利用率，使物理師有更多時(shí)間做質(zhì)控工作。

綜上所述，基于Pinnacle3計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)的胸中上段食管癌自動(dòng)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，能夠達(dá)到與手工計(jì)劃靶區(qū)處方劑量的同時(shí)能進(jìn)一步降低心臟、肺、脊髓等危及器官的劑量，也可縮短計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間，提高計(jì)劃質(zhì)量，值得臨床推廣。