Pinnacle計劃系統自動與手動容積弧形調強計劃劑量學比較

曾廣平，康盛偉，唐斌，黎杰，王培

1.廣元市第一人民醫院 腫瘤血液科，四川 廣元 628017；2.四川省腫瘤醫院·研究所 四川省癌癥防治中心 電子科技大學醫學院 放射腫瘤學四川省重點實驗室 放射腫瘤中心，四川 成都 610041

引言

自動計劃因為能夠盡量避免計劃設計者在設計放療計劃時的人為失誤，與不同設計者設計計劃的差異，以及避免大量的人為干預調停來進行調試而被各大放療機構所采用[1-2]。國外也有研究表明，Pinnacle3 9.10自動計劃確實能夠使危及器官的受照射劑量更低，靶區的適形度更好[3]。但是，目前缺少對自動計劃功能客觀的評估研究，本研究旨在應用標準劑量驗證模體和劑量目標作為客觀評價標準，評估自動計劃與手動計劃的優劣。

1 材料與方法

1.1 研究所用標準模體和標準靶區勾畫

本研究使用的美國醫學物理學會（AAPM）第119號報告所用標準模體和標準靶區勾畫[4]。所用模體有多靶區模體、前列腺模體、頭頸模體、C shape結構模體（簡單、復雜）。多靶區模體為上中下三個靶區，這三個圓柱形的靶區處在同一個旋轉中心，每一個靶區的直徑和長度都大概為4 cm。前列腺模體為前列腺臨床靶體積（Clinical Target Volume，CTV）、計 劃 靶 體 積（Planning Target Volume，PTV），直腸和膀胱；前列腺CTV大致是一個左右、上下、前后尺寸分別為4.0、2.6、6.5 cm的橢圓形器官；PTV是在CTV的基礎上各個方向擴大0.6 cm；直腸是一個直徑為1.5 cm緊鄰前列腺后方成犬牙交錯的橢圓形器官；膀胱大致是一個左右、上下、前后尺寸分別為5.0、4.0、5.0 cm，位置在前列腺的后方。頭頸模體包括頭頸PTV、脊髓和腮腺；PTV從皮膚向里縮進0.6 cm，脊髓和靶區之間相隔1.5 cm，腮腺在PTV的上面并且被隔開。C shape模體包括PTV和脊髓；在中心位置的脊髓是一個半徑為1 cm的圓柱體，脊髓和PTV之間的距離是0.5 cm；PTV內側圓弧半徑為1.5 cm，PTV外側圓弧半徑是3.7 cm；PTV長度為8 cm，脊髓長度為10 cm。多靶區模體和前列腺模體的冠狀面和橫斷面分別如圖1和圖2所示，頭頸模體和C shape結構模體的橫斷面和3D顯示分別如圖3和圖4所示。

圖1 多靶區模體

圖2 前列腺模體

圖3 頭頸模體

圖4 C shape模體

1.2 每個標準靶區勾畫的劑量設定目標和AAPM計劃設計平均值

本研究使用AAPM第119號報告所用標準模體和標準靶區勾畫，本文在設計放療計劃時以AAPM第119號報告中九家醫院計劃的平均值為參考指標，除多靶區模體Central靶區D10和C shape模體（復雜）沒有達到要求外，其余指標在很大程度上優于該參考值。

1.3 計劃評估

利用Pinnacle3 9.10計劃系統對AAPM第119號報告中所使用模體分別做自動容積弧形調強（Automated Volumetric Modulated Arc Therapy，Auto-VMAT）與 手 動容積弧形調強（Manual Volumetric Modulated Arc Therapy，Manual-VMAT）放療計劃，利用劑量體積直方圖統計不同模體中危及器官和靶區的相關劑量參數、靶區適形度指數（Conformity Index，CI）、靶區均勻性指數（Homogeneity Index，HI）以及對兩種計劃設計所需總優化時間、人工調停次數以及機器跳數（Monitor Unit，MU）進行比較。其中，CI與HI的計算如式(1)和式(2)所示。

式(1)中，VTref為參考等劑量面包繞的靶區體積，VT為靶區體積，Vref為參考等劑量面包繞的所有區域的體積，CI越接近1，靶區適形度越好[5]。

式(2)中，D2%為近似最大劑量，D98%為近似最小劑量，HI越接近0，靶區均勻性越好[6-7]。

1.4 計劃設計參數

多靶區模體計劃中心點取在中間靶區的中心點；前列腺模體計劃中心點取在PTV的中心點；頭頸模體計劃中心點取在PTV的中心點；C shape結構模體計劃中心點取垂直方向距離PTV中心2.5 cm的地方。能量為6 MV，所有模體計劃均使用179°～181°和181°～179°的兩個往返治療弧，計劃設計在醫科達公司的Axesse型加速器上。

1.5 計劃系統參數

在計劃設計過程中發現，系統參數如果保持默認很難達到目標值，自動計劃在自動優化時也因達不到設定目標值很容易報錯。因此對每一個放療計劃均將其默認參數改為表1中參數值。

1.6 劑量評價參數說明

在多靶區模體中比較99%靶區所對應的劑量D99和10%靶區所對應的劑量D10；在前列腺模體中比較計劃靶區PTV的D95和D5，直腸和膀胱的D30和D10；在頭頸模體中比較PTV的D99、D90和D20，脊髓的最大劑量Dmax以及腮腺的D50；在C shape模體中比較PTV的D95和D10，脊髓的D10。

表1 計劃系統參數調整

2 結果

2.1 多靶區模體

在多靶區模體中，當兩種計劃方式都達到靶區D99的要求時，Auto-VMAT能夠做到更低靶區D10值，Superior和Inferior靶區的CI和HI更優，但對于Central靶區Manual-VMAT的靶區CI和HI更優，如表2。

表2 多靶區模體

2.2 前列腺模體

前列腺模體中，當Auto-VMAT和Manual-VMAT均達到靶區D95＞7560時，Auto-VMAT計劃的靶區D5值更低，膀胱D30、D10更低，靶區CI和HI更優；但對于直腸的保護，Manual-VMAT更好，如表3。

2.3 頭頸模體

當靶區D90、D99達到目標時，Auto-VMAT計劃的靶區D20更低，靶區CI和HI更優，Manual-VMAT對于腮腺的保護更好，如表4。

表3 前列腺模體

表4 頭頸模體

2.4 C shape簡單模體

當靶區D95=5000時，Auto-VMAT的靶區D10更低，靶區CI和HI更優，Manual-VMAT的脊髓劑量更低，如表5。

表5 C shape簡單模體

2.5 C shape復雜模體

當靶區D95=5000時，Auto-VMAT的靶區D10更低，靶區CI和HI更優，Manual-VMAT的脊髓劑量更低，如表6。

表6 C shape復雜模體

2.6 人工調試次數、優化時間、機器跳數

對不同模體的Manual-VMAT和Auto-VMAT計劃的人工調試次數（次），計劃總優化時間（min）和MU，分別見圖5、圖6和圖7。計劃調試次數和總優化時間不計達到該目標繼續調試后，結果無改善的調試次數和優化時間。

圖5 調試次數

圖7 機器跳數

3 討論

VMAT是根據IGRT融合了集新型高精尖加速器與逆向優化治療計劃設計軟件、精密三維和兩維的劑量驗證設備于一身的腫瘤放療最新技術[8]，能夠在360°任何角度放出射線對腫瘤進行治療，照射調制范圍更大，治療更準確，治療效率更高[9-10]。但在設計放療計劃的過程中，放療計劃的質量在很大程度上依賴于計劃設計者的經驗水平，即使是同一個計劃設計者在不同的時間設計的放療計劃也會有所不同。自動計劃能夠盡量避免操作者的失誤和個體差異，讓治療計劃更科學化、精準化、一致化。放療計劃的質量同時也影響著放射治療的效果。此外，計劃過程中需要多次人工調停進行條件的優化，這也是放射治療計劃設計過程中最花費時間的方面。然而，隨著優化算法的不斷發展，特別是一些依靠機器學習的自動計劃，現在已經能夠做到設計一個放療計劃不需要或者只需要很少的人工干預調試[1-2,11-12]。

本文分別應用Pinnacle3 9.10計劃系統的自動計劃和手動計劃模塊以AAPM第119號報告所使用標準劑量驗證模體和劑量目標作為客觀評價標準分別設計VMAT計劃，然后對比實驗結果得到以下結論。在多靶區模體中，Auto-VMAT在Central靶區的D10和CI、HI不及Manual-VMAT，Superior和Inferior靶區優于Manual-VMAT，但都達到AAPM報告中平均值，計劃的機器跳數更高，人工調試次數低于手動計劃，但因自動計劃單次優化時間更長，總優化時間長于手動計劃，所以在臨床中遇到該類病例時可以優先選擇手動計劃；在前列腺模體，自動計劃中靶區D5、CI、HI、膀胱劑量、調試次數和優化時間均優于手動計劃，直腸劑量和機器跳數略高于手動計劃，但都遠比常規直腸限量要求低。這與Voet等[13]和Buschmann等[14]使用Auto-plan技術對于前列腺癌計劃設計的研究得到類似的結果。在臨床中遇到該類病例時，優先選擇自動計劃；在頭頸模體中，手動計劃對于危及器官的保護更為明顯，靶區D99、CI、HI、機器跳數、調試次數和優化時間自動計劃更優.這與Krayenbuehl等[15]和Hazell等[16]使用Auto-plan技術對于鼻咽癌計劃設計的研究得到類似的結果。在臨床中遇到該類病例時，根據醫生的實際要求靈活選擇手動計劃或自動計劃；在C shape簡單劑量目標模體中，自動計劃除脊髓的劑量略高于手動計劃外，其余指標皆優于手動計劃，而在C shape復雜劑量目標模體中，手動計劃和自動計劃脊髓的劑量均未達到AAPM第119報告要求，但達到AAPM第119報告平均值，其余指標也是自動計劃優于手動計劃，這提示我們，在臨床中遇到該類病例時應該優先選擇自動計劃。

當然，本研究仍有一定的局限性。本研究使用的是標準劑量驗證模體和劑量目標作為客觀評價標準，降低了實際病例計劃設計結果的不確定性，但也正是由于模體的單一性在一定程度上代表不了臨床上的多樣性。自動計劃的tuning balance功能可以設置計劃系統在自動優化時更傾向于靶區的設定目標或者危及器官的設定目標，此參數的設置是設計自動計劃的一大難點。另外，設計自動計劃時仍需根據經驗對基本參數進行一定的調整和修改，才能得到本文中所提到的臨床上的優勢。

綜上，在臨床上遇到前列腺模體、C shape模體病例時優先選擇自動計劃；遇到頭頸模體模體病例時如果更注重危及器官的保護優先選擇手動計劃，如果更注重靶區均勻性和適形度優先選擇自動計劃；遇到類似多靶區模體的病例優先選擇手動計劃。另外，自動計劃在處理靶區和危及器官劑量目標矛盾非常大的計劃時，會增加計劃優化的時間，如本研究中在設計多靶區模體和C shape復雜模體計劃時間明顯加長。