AiPlan放射治療計劃系統的臨床劑量學測試

廖雄飛，袁珂，徐鵬，李廚榮，劉敏，吳駿翔，黎杰

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，四川 成都 610041

引言

放射治療是治療腫瘤的主要手段之一，放射治療計劃系統（Treatment Planning System，TPS）是放射治療的核心組成部分[1-2]，TPS隨著影像以及計算機技術的發展而日新月異。目前廣泛應用于臨床實踐的進口品牌放射治療計劃系統有Eclipse（德國Varian公司）、Monaco（瑞典Elekta公司）、Pinnacle（荷蘭Philips公司）、Raystation（瑞典ResearchLab公司）等，國產品牌主要包括AiPlan（北京連心）、uRT-TPS（上海聯影）、TiGRT（蘇州雷泰）等[3]。TPS的主要功能是針對患者靶區以及全身危及器官劑量進行精確的計算，算法的準確性需要應用相關的測量實驗來證實[1]。因此，在TPS系統進入臨床實踐前均須對其進行嚴格科學的檢驗，作為該產品市場準入的前提，也是該產品臨床應用的常規質量保證項目。國內自主研發的TPS系統在核心算法精確性以及支持容積調強治療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）技術等方面一直都是“短板”，AiPlan系統支持極速蒙特卡洛算法，在核心算法方面屬于突破性進展。

國家市場監督管理總局分別在2010年和2013年發布了YY 0775[4]和YY/T 0889[5]號行業標準，明確指出放療計劃軟件在進入市場和臨床使用之前要做的檢測項目。本研究主要根據YY/T 0889號國家標準對AiPlanTPS系統極速蒙特卡洛算法進行劑量學檢測，并將檢測結果與Pinnacle系統進行比較。

1 材料與方法

1.1 AIPlan系統

AIPlan是連心公司自主研發的基于人工智能的自動放療計劃系統，該系統合規性達到IEC 62083、 IAEA 1540、AAPM TG 119等國際標準[6-8]，同時滿足國家藥品監督管理局于2014年提出的全新注冊標準YY0889、YY0775和YY0637[9]。AIPlan系統劑量算法包括CCC+和極速蒙特卡洛兩種，支持VMAT、動態調強和靜態調強三種技術，同時具有智能勾畫和智能計劃設計等功能。

1.2 一般資料

隨機選取已接受治療的臨床患者60例，其中頭頸部22例，胸腹部18例，盆腔部19例和四肢部1例。該60例臨床病例的放療計劃（靜態調強計劃，Step and Shot模式）均已在Pinnacle計劃系統上完成，并得到高級醫師確認。將60例病例的CT圖像和RT Structures通過 DICOM 網絡傳輸至AiPlan計劃系統并進行計劃設計（動態調強計劃，Sliding Window模式），應用Gamma分析[10-14]比較兩組計劃等中心及等中心上下1 cm和2 cm層面的平面劑量學差異。

1.3 AiPlan計劃設計及劑量驗證

AiPlan計劃設計所應用的加速器參數與Pinnacle計劃系統一致，均為醫科達Infinity加速器，射野個數及射野角度的選擇兩類計劃保持一致，計算網格大小均為3 mm，Pinnacle計劃系統采用CCC算法，AiPlan采用極速蒙特卡洛算法進行劑量計算，臨床處方劑量相同。

劑量驗證主要分為兩種，絕對點劑量和二維平面劑量驗證。點劑量驗證模體由30 cm×30 cm多層固體水組合而成，電離室上下各10 cm厚度固體水，采用0.6 cc標準電離室在臨床實際照射角度進行點劑量測量。根據公式(1)計算點劑量計算的準確性。

式中，δ表示點劑量計算的準確性，Dc表示計劃系統計算的劑量，Dm表示實際測量的劑量，Dp表示靶區實際得到的分次處方劑量。點劑量計算準確性要求在靶區內誤差不超過±4.5%。

二維面劑量驗證模體主要是應用Multicube模體結合Matrixx二維電離室矩陣以及配套軟件Omnipro I'mRT 1.7版本（瑞典IBA 公司）進行。放射治療計劃射野歸一為0，測量一個計劃中所有射野的復合劑量分布，與計劃系統計算的等中心平面進行Gamma分析，Gamma分析參數定義為3 mm、3%、10%閾值范圍內，要求Gamma通過率需大于88%方可認定此計劃平面劑量復合臨床要求。分別對AiPlan和Pinnacle兩組計劃進行絕對點劑量和二維平面劑量驗證，并采用統計學分析比較兩組驗證結果的差異性；同時運用Gamma分析比較兩組臨床計劃等中心以及等中心±1 cm和±2 cm五個層面平面劑量的差異。

1.4 統計學分析

采用SPSS 19.0軟件對AiPlan和Pinnacle兩組放射治療計劃驗證結果進行統計學分析，劑量資料以均數±標準差（±s）表示，服從正態分布進行配對t檢驗；不服從正態分布采用相關樣本非參數檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 絕對點劑量誤差結果比較

AiPlan與Pinnacle兩組放射治療計劃均能滿足臨床劑量學要求，兩組計劃絕對點劑量驗證結果如表1所示。AiPlan組絕對點劑量驗證誤差范圍為-3.27%～3.98%，Pinnacle組絕對劑量驗證誤差范圍為-1.96%～2.42%，統計學分析表明兩組絕對點劑量驗證差異無統計學差異（t=0.149，P=0.882）。

表1 兩組計劃絕對點劑量誤差對比

2.2 二維面劑量Gamma通過率結果比較

AiPlan與Pinnacle兩組計劃二維平面劑量驗證結果如表2所示。AiPlan與Pinnacle兩組計劃二維平面劑量Gamma分析統計結果為（97.5%±2.8% ；96.7%±2.5%；t=1.858，P=0.068），此結果達到國標要求。

表2 兩組計劃二維面劑量Gamma通過率對比

2.3 兩組臨床計劃等中心及附近層面平面劑量Gamma分析結果

AiPlan與Pinnacle兩組臨床計劃在等中心及上下1 cm、上下2 cm層面五個層面二維平面劑量Gamma分析 結 果 為 97.2%±1.7%、97.4%±2.6%、96.9%±3.2%、97.8%±2.2%、97.1%±2.9%，五個層面二維平面劑量Gamma通過率均值達到96.9%以上，表明兩組計劃基于CT圖像計算的劑量分布相似度較高，劑量分布一致性好。

3 討論

TPS是現代腫瘤放療重要的基礎設施，隨著科學技術的快速發展，人工智能技術逐漸與TPS相結合，有望實現智能化TPS，從而突破現代放療計劃設計中的一些“主觀因素”，同時減少計劃設計耗費的人力資源[2]。AiPlan是國內首批自主研發的智能化TPS之一，該系統具備智能勾畫和自動計劃設計等特色功能，其核心劑量算法采用的是CCC+和極速蒙特卡洛兩種，其中極速蒙特卡洛算法在自主研發TPS中屬于創新技術，本研究目的在于驗證該算法劑量計算準確性。

本研究中放射治療計劃劑量驗證方法主要參考“國標YY/T 0889-2013”中介紹的方法針對AiPlan計劃系統劑量計算準確性進行驗證。本研究結果顯示，AiPlan計劃系統能夠實現臨床各類腫瘤病例的復雜調強放射治療計劃設計，并且劑量分布能夠達到臨床要求。放射治療計劃絕對點劑量與二維平面劑量分布驗證結果顯示，AiPlan計劃驗證結果均能夠滿足“國標YY/T 0889-2013”要求，絕對點劑量偏差范圍為-3.27%～3.98%；二維平面劑量Gamma通過率為97.5%±2.8%。同時該結果與進口計劃系統Pinnacle進行統計學分析發現，絕對點劑量與二維平面劑量分布的結果均無統計學差異（P>0.05），兩組計劃在等中心及±1 cm、±2 cm層面劑量分布Gamma分析結果通過率達到96.9%以上，表明劑量分布相似度高。該結果表明在針對復雜調強放射治療計劃設計及劑量計算方面，AiPlan計劃系統已達到進口產品相似水平。

早期國產自主品牌產品在D-IMRT（Dynamic-Intensity Modulated Radiation Therapy）、IGRT（Image Guided Radiation Therapy）和VMAT等技術方面與進口設備相比還是存在一定的差距。隨著科技的發展以及國家針對自主研發技術的大力投入，國內自主研發技術和團隊（如北京連心公司，上海聯影公司等）在先進性、質量的可靠性、產品的一致性和穩定性方面都得到了不同程度的提升[15-23]。通過本研究結果可見，AiPlan三維放射治療計劃系統在劑量計算精確性方面能夠達到同類型設備的國際水平，在臨床治療中是安全有效的。