基于Pinnacle39.10的自動計劃與手工計劃在宮頸癌放療中的劑量學比較*

孫海濤，黃國森△，王寧△，劉穎，袁玲

1中山市中醫院放射治療部（廣東中山528400）；2廣州醫科大學附屬第五醫院放療科（廣東廣州510700）

放療和手術、化療是當今惡性腫瘤治療三大手段。據統計，約有70%的惡性腫瘤患者在不同時期需接受不同程度的放療［1］，所以開展放療技術的相關研究具有重要意義。目前，臨床上廣泛采用調強放射治療，調強技術的應用不但保證靶區覆蓋率，而且降低周圍正常組織器官的受照射劑量，提高放療效果，降低放療不良反應發生率［2－4］。計劃設計的關鍵就是計劃質量的好壞，計劃設計過程中需要對多個目標函數同時進行優化，靶區的劑量約束條件與OAR的劑量約束條件相互矛盾，目前多數計劃系統的計劃設計依賴于物理師的主觀經驗，通過不斷試錯的方式不斷進行調試，花費大量的時間和精力，但計劃設計的結果仍會出現的質量差異大、計劃效率低等問題［5－7］。近年來已有用于臨床治療的帶有自動計劃AP（auto－planning，AP）模塊的治療計劃系統TPS（treatment plan system，TPS）研發出來，如飛利浦的Pinnacle39.10、瓦里安的eclipseTM等［8］。容積旋轉調強放療VMAT（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技術是在出束過程中，加速器機架非勻速旋轉，劑量率和多頁光柵MLC（multi－leave collimators，MLC）動態調節來達到高度適形的靶區劑量分布，相比普通調強放療IMRT（intensity modulated radiation therapy，IMRT）所需治療時間和機器跳數明顯減少，提高放療效率［9－11］，廣泛應用于各種部位的腫瘤治療。本研究通過Pinnacle39.10計劃系統TPS對10例宮頸癌患者的Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃進行比較，探究兩種計劃方式的劑量學差異，評估Pinnacle39.10TPS的自動計劃模塊在宮頸癌放療計劃中的臨床可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2018年9—12月在中山市中醫院放射治療部實施治療的宮頸癌患者10例，年齡35～61歲，中位年齡46歲。根據國際婦產科聯合會FIGO（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）分期標準［12］，其中Ⅱ期6例，Ⅲ期4例。

1.2 放療定位 在CT定位前飲水400～600 mL，憋尿30 min以上，在膀胱充盈狀態下進行CT模擬定位，患者自然平躺位，雙手上舉置于額頭。使用Philips公司16排Brilliance CT Big Bore大孔徑CT模擬機進行掃描定位，掃描層厚和層距均為5 mm，自胸10掃描至坐骨結節下5 cm，掃描范圍FOV為600，分辨率512×512pix，將掃描得到的患者CT數據傳輸到TPS進行靶區勾畫以及計劃設計。

1.3 靶區及危及器官勾畫 由高年資醫生依據ICRU（international commission radiological units，ICRU）規范在CT圖像集上進行腫瘤靶區GTV、臨床靶區CTV、計劃靶區PTV［13］的勾畫，GTV包括宮頸腫瘤原發灶和轉移的陽性淋巴結，CTV包括GTV、臨床灶及顯微鏡下可見的亞臨床灶（包括陰道、宮頸、宮體、宮旁、髂總、髂內、骶前淋巴引流區等）。PTV由CTV外擴生成，分別在左右、前后和外擴5 mm及頭腳方向外擴1 cm，處方劑量5 000 cGy／25分次。靶區外的危及器官OAR（Organ At Risk）主要包括膀胱、小腸和雙側股骨頭。

1.4 計劃設計 采用Pinnacle39.10計劃系統的VMAT技術的AP模塊，通過系統算法根據靶區位置自動優化MLC及照射野形狀。10例患者由同一名經驗豐富的物理師根據RTOG0415（Radiation Therapy Oncology Group，RTOG）號報告［14］劑量限定標準進行Auto－VMAT計劃和系統Manual－VMAT計劃。為減小研究誤差，10例Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃旋轉機架角度統一為－180～180°、子野總數設置為30個、最小子野面積大小為10 cm2、最小子野跳數設置為6 MU、計算網格大小為0.4 cm×0.4 cm×0.4 cm和調用直接機器參數優化DMPO算法等計劃設計參數，并分別設置了相同的劑量約束和優化參數。

1.5 劑量評估 為了使本研究更具有客觀性，在計劃評估前將兩組計劃均歸一至處方劑量50 Gy靶體積的95%，根據ICRU82（international commission radiological units，ICRU）號報告靶區的最大劑量Dmax（2%靶區體積所接受的照射劑量），最小劑量Dmin（98%靶區體積所接受的照射劑量），平均劑量Dmean（50%靶區體積所接受的照射劑量），計算靶區適形性指數（CI）、均勻性指數（HI）［15］。計算公式為：HI＝（Dmax－Dmin）／Dmean；CI＝（VTref／VT）×（VTref／Vref）；HI值越小靶區均勻性就越好，CI值越接近1靶區適形越好，其中VTref為參考等劑量線包含的靶體積，VT為靶體積，Vref為參考等劑量線的中總體積。比較直腸、膀胱、小腸及股骨頭等OAR的平均劑量Dmean，以及每一個OAR照射體積所占總體積的百分比V30、V40、V50。

1.6 統計學方法 采用SPSS 22.0統計軟件，對宮頸癌Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃結果參數進行配對t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區和危及器官劑量分布比較 10例宮頸癌患者Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃的劑量分布均能滿足臨床要求，Auto－VMAT計劃得到的靶區適形度CI、靶區均勻性HI以及靶區的均勻劑量Dmean與Manual－VMAT計劃相比差異有統計學意義（P＜0.05），其中Auto－VMAT計劃的HI和CI優于Manual－VMAT計劃，Auto－VMAT平均劑量Dmean高于Manual－VMAT計劃，Auto－VMAT計劃結果適形度和均勻性更好，且更容易達到靶區劑量，見表1。Auto－VMAT計劃的危及器官小腸的V30、V40、V50、Dmean；直腸和膀胱的V40、V50、Dmean以及左右股骨頭的V50、Dmean均顯著低于Manual－VMAT計劃（P＜0.05），其他參數差異無統計學意義（P＞0.05）。見表2。

表1 Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃靶區劑量參數比較±s

表1 Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃靶區劑量參數比較±s

PTV參數 例數 Auto－VMAT計劃Manual－VMAT計劃 t值 P值Dmin（Gy）10 47.21±0.07 48.56±0.41 0.57 0.781 Dmax（Gy） 10 54.53±0.77 54.98±0.55 1.49 0.168 Dmean（Gy） 10 51.71±0.37 51.32±0.71 4.14 0.003 HI 10 0.06±0.02 0.08±0.06 10.50 0.000 CI 10 0.67±0.12 0.43±0.01 4.44 0.002

表2 Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃危及器官劑量參數比較 ±s

表2 Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃危及器官劑量參數比較 ±s

危及器官參數 例數 Auto－VMAT計劃 Manual－VMAT計劃 t值 P值膀胱 V30（%）10 84.18±17.88 89.34±2.10 －2.88 0.180 V40（%） 10 60.00±14.72 72.90±10.31 －10.24 0.000 V50（%） 10 29.83±13.26 35.20±10.92 －9.58 0.000 Dmean（Gy） 10 41.67±4.47 48.26±2.10 －2.88 0.000直腸 V30（%） 10 78.75±10.29 80.53±28.51 －0.17 0.136 V40（%） 10 68.75±10.29 70.28±8.51 －0.16 0.040 V50（%） 10 46.47±2.65 49.78±6.63 7.10 0.000 Dmean（Gy） 10 45.06±2.48 47.04±9.24 0.35 0.000小腸 V30（%） 10 39.84±22.28 42.64±20.93 －4.64 0.001 V40（%） 10 20.14±1.75 28.69±2.18 －5.00 0.001 V50（%） 10 5.14±4.75 7.93±1.17 －4.56 0.001 Dmean（Gy） 10 22.99±5.8 29.91±6.30 －4.70 0.001左側股骨頭 V30 10 7.10±8.12 16.65±12.68 －5.8 0.168 V40 10 1.37±2.02 10.16±2.72 －1.5 1.712 V50 10 0.11±0.03 0.28±0.17 －1.5 0.000 Dmean 10 17.90±5.47 29.10±5.21 －5.67 0.000右側股骨頭 V30 10 5.87±4.12 17.50±10.56 －5.21 0.082 V40 10 1.37±2.08 7.50±5.75 －4.91 0.057 V50 10 1.21±1.72 1.37±2.08 －2.67 0.000 Dmean 10 17.80±5.80 21.84±4.97 －5.21 0.000

2.2 靶區和危及器官截面劑量分布及DVH比較 Auto－VMAT計劃得到的靶區覆蓋率、高劑量區域和低劑量區域的適形度優于Manual－VMAT計劃，靶區4 750 cGy和5 000 cGy的劑量曲線距離危及器官OAR膀胱、股骨頭更遠，見圖1～2。Auto－VMAT計劃靶區的劑量線跌落更陡峭，在相同劑量區域范圍Auto－VMAT計劃的危及器官OAR直腸、膀胱、小腸及股骨頭的劑量體積低于Manual－VMAT計劃。見圖3。

圖1 Auto－VMAT計劃等劑量曲線分布圖

圖2 Manual－VMAT計劃等計量曲線分布圖

圖3 Auto－VMAT計劃（實線）和Manual－VMAT計劃（虛線）危及器官DVH比較

2.3 放療計劃完成時間和機器跳數 Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃的平均優化時間分別為47 min和35 min，Auto－VMAT計劃平均優化時間相比于Manual－VMAT計劃增加了34%。Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃的平均機器跳數MU分別為519 MU和374 MU，Auto－VMAT計劃跳數MU相比于Manual－VMAT計劃增加了18%。見表3。

表3 Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃優化時間與 機器跳數比較 ±s

表3 Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃優化時間與 機器跳數比較 ±s

參數 計劃優化時間（min） 機器跳數（MU）Auto－VMAT計劃47±11.5 519±32 Manual－VMAT計劃 35±7.2 374±19 t值 1.32 －4.7 P值0.014 0.000

3 討論

宮頸癌是全世界范圍內女性最常見的惡性腫瘤之一，嚴重威脅著女性的生命安全。手術、化療、放療的綜合應用可提高宮頸癌患者的局部控制率。目前，放療在宮頸癌治療中占有重要地位，可應用于不同時期的宮頸癌治療，其效果也已得到廣泛認可。Pinnacle39.10的AP模塊目前已應用到臨床放療計劃設計中，AP模塊的優化算法能夠自動生成危及器官及靶區的輔助結構，并根據設定的靶區與危及器官之間的優先級自動確定所有參數的權重值，因此可減少計劃設計對人工的依賴性［16－17］。Hazell等［18］介紹了Auto－Planning技術用于鼻咽癌放療的情況，結果發現自動計劃可以在無需人工干預的情況下獲得臨床可執行的計劃，并且94%的自動計劃質量優于人工計劃。Cozzi等［19］在宮頸癌放療中對VMAT與IMRT進行劑量學比較中，發現VMAT計劃應用在宮頸癌治療中能夠獲得更好的劑量分布和靶區適形性，在提高計劃質量的同時節省優化和治療時間。Quan等［20］將madccAutoPlan自動計劃應用于三期肺癌的放射治療中，Auto－VMAT計劃與人工IMRT計劃的實驗結果相比較發現，PTV靶區的適形度和均勻性分別提高17%和21%，心臟平均劑量降低17%，食管的V70減少19%。

本研究將Pinnacle39.10計劃系統自動計劃AP模塊應用于宮頸癌旋轉容積調強VMAT的計劃設中，通過Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃進行劑量學比較，研究結果發現兩種靶區的Dmin和Dmax結果差異無統計學意義（P＞0.05），Auto－VMAT計劃和Manual－VMAT計劃得到的HI分別為0.06±0.02和0.08±0.06，CI分別為0.67±0.12和0.43±0.01，且差異有統計學意義（P＜0.05），說明Auto－VMAT計劃在靶區劑量分布方面更具有優勢。在保證靶區劑量滿足臨床治療需求的條件下，兩組計劃歸一至處方劑量50 Gy靶體積的95%，Auto－VMAT計劃得到小腸的V30、V40、V50、Dmean、直腸V40、V50、Dmean、膀胱V40、V50、Dmean以及左右股骨頭的V50、Dmean均顯著低于Manual－VMAT計劃差異有統計學意義（P＜0.05），說明Auto－VMAT計劃降低了OAR的受照射劑量。另外，Auto－VMAT計劃相對于Manual－VMAT計劃機器跳數增加了28%，計劃計算時間增加了34%，是因為自動計劃模塊在優化時會自動添加多個的輔助結構以及靶區劑量跌落限制環，不斷的修正劑量冷點和熱點，提高靶區的適形性和均勻性、降低靶區周圍危及器官劑量，說明Auto－VMAT計劃的單次優化時間大于Manual－VMAT計劃優化時間，優化的機器的過程更為復雜，需要消耗大量的時間并通過不斷試錯的方法找到最優的優化參數。另外，Pinnacle39.10可通過編程建立病種Auto－VMAT計劃腳本，直接調用省去繁瑣的步驟，節省計劃設計時間。當然，本研究基于Pinnacle39.10的自動計劃的設計過程中仍不能完全脫離人工干預，在自動計劃設計過程中初始目標的參數仍需像人工計劃那樣憑借臨床經驗進行設置，比如本研究中VMAT治療的旋轉范圍、旋轉等中心點、優化初始參數值及權重等，這些初始參數的選擇對計劃的質量起到重要的作用，同樣也是計劃設計的難點。在實際臨床上，在使用自動計劃AP模塊優化時，根據實際情況對基本參數進行修正，在臨床上最大程度地發揮自動計劃的優勢。

綜上所述，基于Pinnacle39.10計劃系統自動計劃模塊在宮頸癌放療計劃設計上的應用，Auto－VMAT計劃的靶區處方劑量分布和周圍正常器官的劑量明顯優于Manual－VMAT，而且Auto－VMAT計劃減少了人工參與時間，降低了因人為因素對計劃質量造成影響。因此對于宮頸癌的放射治療，自動計劃VMAT計劃可以作為現代臨床的一種選擇。