口咽癌自動固定野調強放療計劃的可行性研究*

胡勁偉，付波，康盛偉，黎杰，吳駿翔

610051成都，成都醫學院第二附屬醫院·核工業四一六醫院 腫瘤科(胡勁偉、付波); 610041成都，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(康盛偉、黎杰、吳駿翔)

口咽癌是我國常見的惡性腫瘤之一，固定野調強放射治療(intensity modulated radiation therapy,IMRT)和容積旋轉弧形調強治療(volumetric modulated arc therapy,VMAT)是目前口咽癌常用的兩種放療技術。相比于IMRT技術，VMAT技術對于靶區可以獲得更優的均勻性和適形性、降低危及器官受照射劑量，并有效地縮短治療時間，提高治療效率，已成熟應用于臨床[1-4]。雖然大多數部位VMAT技術的計劃質量優于IMRT技術，但在國內IMRT技術仍是主要照射技術，根據《2019年中國大陸地區放療人員和設備基本情況調查研究》[5]，大陸地區放療單位1 463家，其中能開展IMRT技術的1 121家，占所有單位76.6%，而開展VMAT技術的僅424家，占29.0%。國內外很多學者嘗試使用各種技術提高IMRT的計劃質量，如增加照射野個數[6]、調整床板角度[7]、固定鉛門技術[8]、無均整器模式[9]等。

除照射技術外，計劃質量還跟物理師的能力和經驗有關，在計劃設計中根據患者的實際情況不斷修改目標函數以達到最優方案。近年來，自動計劃不斷發展并逐漸應用于臨床以減少因物理師能力導致的計劃質量差異，有效減少計劃設計時間，在宮頸癌[10]、肺癌[11]、頭頸部癌[12]和前列腺癌[13]等癌種表現出優于人工計劃的潛力。目前少有關于使用自動計劃提高IMRT計劃質量和自動計劃應用于口咽癌的相關研究。本研究選取25例口咽癌患者，在Pinnacle計劃系統中分別設計自動IMRT計劃和人工VMAT計劃，比較兩組計劃的劑量學參數，評估自動IMRT計劃在口咽癌應用的可行性。

1 資料與方法

1.1 患者資料

選擇2021年1月至2021年6月本院收治的25例口咽癌患者，年齡41～62歲，中位年齡45歲，其中男性13例，女性12例。

1.2 CT定位和靶區危及器官勾畫

所有患者均采用仰臥位，頭頸肩熱塑膜固定體位，采用Philips BrillianceTMCT BigBore4 16排大孔徑CT模擬機上進行模擬定位，掃描層厚0.3 cm。掃描后將患者CT數據傳送至美國MIM Software公司的 MIM Maestro軟件由主管醫生根據口咽癌勾畫指南[14]勾畫靶區和危及器官(organ at risk,OAR)。靶區包括淋巴引流區(clinical target volume of lymph nodes,PCTVln)、原發腫瘤(gross target volume,PGTV)、低危亞臨床病灶(low-risk clinical target volume,PCTV2)、高危亞臨床病灶(high-risk clinical target volume,PCTV1)、陽性淋巴結(gross target volume of lymph nodes,PGTVln)，處方劑量和照射次數分別為54 Gy、70 Gy、60 Gy、66Gy、70 Gy，33次。危及器官包括腦干、脊髓、口腔、喉、腮腺、下頜骨。

1.3 計劃設計

使用Pinnacle39.10計劃系統進行計劃設計，劑量計算采用Adaptive Convolve算法，分別設計口咽癌的自動IMRT計劃(IMRTauto)和人工VAMT計劃(VMATmanu)，且均采用相同的劑量限制條件(表1)、優化迭代次數80次，直線加速器采用瑞典醫科達公司的Axesse(6 MV X射線)，配置80對0.5 cm的多葉光柵，最大劑量率均為600 MU/min。自動IMRT計劃：7野，153°、102°、51°、0°、309°、258°、207°，總子野數≤70個，最小子野面積4 cm2，最小子野跳數4 MU，優化方式機器直接子野優化(direct machine parameter optimization，DMPO)。人工VMAT計劃：雙弧VMAT計劃(弧1順時針181°～179°，弧2逆時針179°～181°)，間隔4°出束，優化算法SmartArc。人工計劃中需構建控制靶區外劑量分布的輔助結構，包括：Ring1_ PGTVln+PGTV(PGTVln+ PGTV外擴1.0 cm減去PGTVln+ PGTV外擴0.5 cm)、Fan1(皮膚-靶區之和外擴1.5 cm)和Fan2(皮膚-靶區之和外擴2.0 cm)；而自動計劃中無需人工構建輔助結構。

表1 危及器官劑量限制條件

1.4 計劃評價指標

評估PCTVln、PCTV2、PCTV1、PGTVln、PGTV等靶區的D95、D2、Dmean、均勻性指數(homogeneity index,HI)[15]以及PGTV和PGTVln的適形性指數(conformity index,CI)[16]。均勻性指數的公式為：HI=(D2-D98)/D50。其中D2、D50和D98為2%、50%和98%靶區體積所對應的劑量。HI越接近0表示均勻性越好。

適形指數的公式為：CI=(TVPV)2/(TV/PV)。其中TVPV為處方劑量所覆蓋靶區的體積，TV為靶區的體積，PV為處方劑量線所覆蓋的總體積。CI越接近1表示適形度越高。OAR的評估指標包括腦干和脊髓的Dmax、D1、口腔、喉和腮腺的V30和Dmean以及下頜骨的V50和Dmean。另外，還比較了兩組計劃的機器跳數、優化時間以及優化次數。并使用三維劑量驗證系統ArcCheck(Sun Nuclear公司)檢測兩組計劃的執行準確性，比較兩組計劃3 mm/3%的γ通過率。

1.5 統計學處理

采用SPSS 23.0對本研究中兩組計劃的劑量學參數進行配對t檢驗分析，數據以表示。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 靶區劑量學參數

表2為兩組計劃的靶區劑量學參數，靶區覆蓋等參數均滿足臨床要求。自動計劃組PCTV1的D95低于人工計劃組(P<0.05)，其余靶區的D95和CI的差異無統計學意義(P>0.05)。自動計劃組靶區PCTVln、PCTV2和PCTV1的Dmean低于人工計劃組，而PGTVln和PGTV的Dmean高于人工計劃組(P<0.05)。自動計劃組PCTV2的D2低于人工計劃組，PCTV1、PGTVln和PGTV等靶區高于人工計劃組(P<0.05)。自動計劃組PCTV1、PGTVln和PGTV等靶區的HI值略差于人工計劃組(P<0.05)。

表2 VMATmanu和IMRTauto靶區劑量學參數

2.2 危及器官劑量學參數

兩組計劃的危及器官劑量學參數見表3，其中兩組計劃的脊髓、口腔、喉和腮腺等危及器官的劑量學參數差異無統計學意義(P>0.05)。自動計劃組的腦干Dmax和下頜骨V50優于人工計劃組，分別降低了2.5 Gy和5.64%(P<0.05)。

表3 VMATmanu和IMRTauto危及器官劑量學參數

2.3 劑量分布、機器跳數、優化時間、優化次數和驗證通過率比較

圖1為兩組計劃的劑量分布圖，劑量線由3 500～7 700 cGy，從圖中可知兩組計劃在劑量分布上沒有明顯差異。圖2為兩組計劃隨機選取了10例患者的機器跳數、優化時間和優化次數的比較，其中白色斜杠的是VMATmanu組，黑色實心的是IMRTauto。自動計劃和人工計劃組的機器跳分別為數1 114 MU和956 MU，自動計劃組增加了16.5%(P<0.05)；優化時間分別為38.9 min和88.1 min，自動計劃組減少了55.8%(P<0.05)。自動計劃和人工計劃組的優化次數分別為3.0和4.0，差異沒有統計學意義(P>0.05)。兩組計劃的平均γ通過率均>90%，其中自動計劃組和人工計劃組的γ通過率分別為98.8%和97.9%(P<0.05)。

圖1 兩組計劃的劑量分布比較圖

圖2 兩組計劃的優化時間、機器跳數和優化次數的比較

3 討 論

放射治療計劃設計過程復雜，需根據患者實際情況、治療指南、加速器和計劃系統性能等情況并消耗大量時間尋找最優的目標函數(劑量體積限值和權重)，經過不斷的試錯法以達到最接近最優的放療計劃。而以上過程中，人為因素影響很大，計劃的質量很大程度上取決于計劃設計者的技巧和經驗，例如構建控制靶區外劑量分布的輔助結構、控制靶區內劑量冷、熱點的輔助結構、設置靶區和危及器官的目標函數和權重等，不同計劃設計者做出的計劃質量差異很大且需要消耗大量時間[17]。基于此，自動計劃逐漸開始應用于臨床以解決上述問題。目前，自動計劃主要研究方向分為3種：1)基于三維劑量分布的自動計劃；2)基于劑量體積直方圖的自動計劃；3)基于自動化腳本的自動計劃。本研究選取的Pinnacle自動計劃模塊Auto-Planning模塊屬于第三種自動計劃方法，基于漸進式的自動優化算法實現自動化的計劃設計，與人工VMAT計劃比較，探討自動計劃是否能夠提高IMRT的計劃質量和優化效率。

自動計劃的優化流程類似于經驗豐富的計劃設計者不斷通過試錯法修改靶區和危及器官的目標函數值和權重，自動勾畫控制靶區外劑量分布的輔助結構，并根據優化后的劑量結果自動生成控制冷熱點的輔助結構進一步繼續優化以達到最優的計劃。自動計劃優化前后目標函數變化及自動生成輔助結構具體見表4，其中PTV_AP_HS和PTV_AP_CS為自動生成的用于控制靶區熱點和冷點的輔助結構，而TargetSurround_AP和BodyMinusTaget_AP為自動生成的用于控制靶區外劑量分布的“環”和“皮膚-靶區外擴”等輔助結構。靶區和危及器官目標函數(劑量體積參數和權重)的設置、輔助結構的構建是計劃設計流程中的難點和耗時最多的地方。對于一個新的計劃，其初始目標函數需要計劃設計的經驗和反復的修改，而計劃的質量與計劃設計者的經驗密切相關。自動計劃在靶區和危及器官的目標函數設置上更加簡易，并且可以自動生成常用的輔助結構，縮短了計劃設計流程中該部分的時間。對于靶區只需給出處方劑量，無需設置劑量對應的體積和權重；而危及器官需給出劑量體積，權重提供“High、Medium和Low”3種選擇，無需給出具體的權重值。這里要注意的是，雖然自動計劃降低了計劃設計的難度，但是仍需要經驗豐富的計劃設計者提供合理的危及器官初始劑量體積，因為初始目標函數的設置會對后續自動計劃的優化產生較大的影響。

表4 自動計劃優化前后對比表

本研究選取25例口咽癌患者，對于靶區，人工VMAT計劃優于自動IMRT，特別是靶區的均勻性等參數，其中人工計劃組的D2和HI等參數優于自動計劃，分別提高0.76 Gy、1.82 Gy、1.83 Gy和0.01、0.02、0.03(P<0.05)。在大多數的研究中[12,17]，自動計劃不能提高靶區的劑量學參數，與人工計劃相比，對于靶區沒有顯著差異。這可能是兩種計劃方法的優化思路上存在一定的差異，自動計劃更側重于靶區和危及器官的達到最優的平衡，而人工計劃則是在危及器官在耐受范圍內得到更優的靶區劑量；自動計劃對于危及器官的保護略優于人工計劃，其中自動計劃組的腦干Dmax和下頜骨V50與人工計劃組相比分別降低了2.5 Gy和5.64%(P<0.05)。該結果與其他研究者的結果類似，自動計劃與人工計劃相比可以提高計劃質量，給予危及器官更好的保護，Hazell等[12]選取了26例頭頸部計劃，自動計劃組與人工計劃組相比，脊髓最大值降低2.75 Gy、左右側腮腺分別降低3.93和5.81 Gy(P<0.05)，94%自動計劃的計劃質量優于人工計劃；Quan等[11]使用基于Pinnacle的mdaccAutoPlan自動計劃應用于肺癌，自動IMRT計劃與人工IMRT計劃相比，肺和心臟平均劑量分別降低了17%和26%。本研究自動IMRT計劃質量略優于人工VMAT，而在其他研究中[18-19]自動計劃的質量均顯著優于人工計劃，這可能與兩種治療技術有關，對于大多數部位的腫瘤，VMAT計劃質量優于IMRT計劃，VMAT技術與IMRT技術相比可以從更多的角度出束，產生更多的控制點。另外，本研究中自動計劃組的γ通過率高于人工計劃組，這可能跟VMAT和IMRT這兩種照射技術有關，VMAT生成的子野數更多，子野形狀更復雜。從另一方面也說明自動計劃不會降低劑量投照的準確性，能夠滿足臨床治療和質控要求。

另外，自動計劃可以提高計劃設計效率，Voet等[13]研究中自動計劃提高了60%的計劃設計時間；Yang等[20]研究中自動計劃與人工計劃相比，平均降低了優化時間5.2 min。在本研究中自動計劃和人工計劃的優化次數分別為3.0和4.0(P>0.05)，自動計劃和人工計劃的優化時間分別為38.9 min和88.1 min(P<0.05)，自動計劃與人工計劃相比優化時間減少了55.8%，顯著提高了計劃設計效率。本研究自動計劃提高計劃優化效率的原因與其他研究不同，其他研究中自動計劃之所以提高計劃效率主要是因為減少了優化次數，而本研究中兩組計劃的優化次數差異沒有統計學意義(P>0.05)。計劃優化時間的減少主要是因為IMRT計劃的優化速度本身就快于VMAT計劃，在相同的優化次數時，IMRT計劃的優化時間遠低于VMAT計劃。自動計劃節約的時間不僅可以使物理師把更多的精力放在質控上，而且可以將自動計劃作為高質量計劃的起點進一步人工調節。

不足之處在于，本研究使用自動計劃仍需人工布置射野角度等參數。由于口咽癌靶區分布較規則，且靶區屬于中央型，固定野角度采用7野或9野均分即可，人工布置射野角度不會給計劃設計者產生較大的難度。相比于提升加速器硬件實現VMAT功能，本研究使用的自動計劃只需要在現有的TPS基礎上提升軟件能力即可實現類似于VMAT的計劃質量，有助于節約成本，這對于經濟欠發達的西部地區的放療具有更現實的意義。另一方面，IMRT與VMAT相比，對于質控要求相對較低，進一步減少了物理師的工作量。

綜上所述，對于口咽癌的放療計劃，自動IMRT計劃可以達到類似于VMAT的計劃質量的同時顯著地提高了優化效率，減少了計劃質量對于計劃設計者能力的依賴性，降低了人為因素對于計劃的影響。針對我國大多數放療單位僅能開展IMRT技術，相比于硬件的提升，使用自動計劃更適合在基層放療單位推廣應用，并具有臨床可行性。

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