Auto-Planning在肺癌調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃中的劑量學(xué)研究

李慧君，王琳婧，王銳濠，張書旭

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院 放療中心，廣東 廣州 510095

引言

隨著放療技術(shù)的不斷發(fā)展，調(diào)強(qiáng)放射治療[1-2]（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）已經(jīng)成為非小細(xì)胞肺癌的主要治療手段之一[3-5]，其能夠在提高靶區(qū)劑量的同時保護(hù)正常組織，有效提高患者的腫瘤控制率及生存質(zhì)量。計(jì)劃設(shè)計(jì)作為精確放療實(shí)現(xiàn)的中樞環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響放療療效[7-9]。常規(guī)IMRT計(jì)劃是物理師根據(jù)臨床要求對靶區(qū)和危及器官進(jìn)行限量的逆向優(yōu)化過程，優(yōu)化過程中物理師根據(jù)劑量分布情況反復(fù)補(bǔ)充調(diào)整限量條件，最終得到臨床滿意的治療計(jì)劃，因此物理師的經(jīng)驗(yàn)對常規(guī)計(jì)劃質(zhì)量至關(guān)重要。Auto-Planning（AP）作為一種新的計(jì)劃設(shè)計(jì)方法[10-13]，將以往的治療經(jīng)驗(yàn)融入到計(jì)劃優(yōu)化中，由計(jì)劃系統(tǒng)自動生成劑量成形結(jié)構(gòu)（Dose Shaping Structure，DSS），并根據(jù)限量條件反復(fù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[14]，使其無限接近最優(yōu)解，在無需物理師外加干預(yù)的情況下得到臨床可用的治療計(jì)劃。本研究選取16例肺癌患者，分別進(jìn)行手動計(jì)劃和AP計(jì)劃，比較兩種計(jì)劃的劑量學(xué)差異[15-16]，探討AP自動優(yōu)化計(jì)劃在肺癌放療中可行性，以期更好的為臨床服務(wù)。

1 材料與方法

1.1 病例選擇

隨機(jī)選取2017年6月至2017年12月在我院接受調(diào)強(qiáng)放療的16例肺癌患者，其中右肺癌7例，左肺癌7例，中央型肺癌2例，年齡52～69歲，中位年齡59歲，選取病例均具有明確放療適應(yīng)癥。

1.2 CT模擬定位及靶區(qū)勾畫

患者均采用仰臥位，雙臂上舉，用熱塑體膜進(jìn)行體位固定。應(yīng)用美國GE公司的Lightspeed 16排螺旋CT進(jìn)行掃描，掃描范圍包括下頜至全胸廓的所有區(qū)域，掃描層厚設(shè)置為5 mm，掃描過程中患者保持自主平靜呼吸。掃描后的CT圖像傳至Pinnacle3V 9.10計(jì)劃系統(tǒng)，由醫(yī)生勾畫腫瘤靶區(qū)（Gross Tumor Volume，GTV）、臨床靶區(qū)（Clinical Target Volume，CTV）、計(jì)劃靶區(qū)（Planning Target Volume，PTV）及危及器官（Organs At Risk，OARs）。GTV包括肺內(nèi)原發(fā)灶、縱膈淋巴結(jié)和轉(zhuǎn)移肺門，CTV由GTV向肺部及轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)外放獲得，PTV考慮器官運(yùn)動范圍及擺位誤差，由CTV外放6 mm獲得，危及器官包括脊髓、心臟和雙肺組織。

1.3 計(jì)劃設(shè)計(jì)

利用Pinnacle3V9.10計(jì)劃系統(tǒng)對16例肺癌病例分別設(shè)計(jì)手動調(diào)強(qiáng)計(jì)劃和AP調(diào)強(qiáng)計(jì)劃。為方便比較，手動計(jì)劃和AP計(jì)劃均采用醫(yī)科達(dá)Synergy直線加速器6 MV X線，且設(shè)置相同射野，射野角度根據(jù)腫瘤位置設(shè)置為5野偏分或均分，處方劑量6000 cGy/30次。手動計(jì)劃由本院5年以上工作經(jīng)驗(yàn)的物理師首先對非重疊的靶區(qū)及OARs進(jìn)行外擴(kuò)處理，而對重疊的部分根據(jù)需要進(jìn)行內(nèi)縮處理，然后根據(jù)給定的靶區(qū)和OARs限量設(shè)置目標(biāo)函數(shù)及其權(quán)重，經(jīng)初步計(jì)算后，根據(jù)劑量分布情況，由物理師反復(fù)補(bǔ)充、調(diào)整限量條件使得劑量成型。AP計(jì)劃首先利用Pinnacle3V9.10系統(tǒng)中自帶的Technique對靶區(qū)和OARs進(jìn)行處理，對處理后的靶區(qū)和OARs進(jìn)行限量后自動優(yōu)化，優(yōu)化過程中由系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自動生成DSS結(jié)構(gòu)并反復(fù)補(bǔ)充優(yōu)化，使目標(biāo)函數(shù)無限接近最優(yōu)解，最終達(dá)到劑量成型。

1.4 計(jì)劃參數(shù)比較

根據(jù)劑量體積直方圖（Dose Volume Histogram，DVH）分析和比較兩種計(jì)劃的劑量分布差異，劑量分布指標(biāo)包括：

（1）靶區(qū)：最大受照劑量Dmax、平均受照劑量Dmean、最小受照劑量Dmin、靶區(qū)均勻性指數(shù)（Homogeneity Index，HI）和靶區(qū)適形度指數(shù)（Conformity Index，CI）。其中HI、CI指數(shù)公式如下：

HI=D5/D95

CI=(VPTV95%/VT)*( VPTV95%/VPTV)

其中D5為5%的靶區(qū)體積所接受的照射劑量，D95為95%的靶區(qū)體積所接受的照射劑量。HI值越小，靶區(qū)劑量越均勻。VPTV95%為95%處方劑量曲線覆蓋的PTV面積，VT為95%處方劑量曲線覆蓋的面積，VPTV為靶區(qū)體積。CI值越接近1（范圍為0～1），靶區(qū)適形度越好。

（2）危及器官：脊髓的最大劑量Dmax和平均劑量Dmean；雙肺的平均劑量Dmean和特定劑量受到的照射體積V30，V20，V5；心臟的平均劑量Dmean和特定劑量受到的照射體積 V40，V30。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件，對兩種計(jì)劃的各項(xiàng)劑量參數(shù)行配對t檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量比較

與手動計(jì)劃相比，AP計(jì)劃靶區(qū)平均劑量更接近處方劑量，比手動計(jì)劃少約19.38 cGy（t=-4.257，P=0.001）；最小劑量增加約72.55 cGy（t=2.903，P=0.011）；適形度優(yōu)于手動計(jì)劃（t=6.376，P=0.000012），差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。靶區(qū)的最大劑量和均勻性差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，具體結(jié)果見表1。

表1 兩種計(jì)劃的靶區(qū)劑量學(xué)分布（cGy）

2.2 危及器官劑量比較

與手動計(jì)劃相比，AP計(jì)劃脊髓的最大劑量和平均劑量分別減少約183.83 cGy（t=-3.933，P=0.001）、103.61 cGy（t=-2.865，P=0.012），差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。AP計(jì)劃心臟的平均劑量減少約 43.44 cGy（t=-2.332，P=0.036），V40減少約0.91%（t=-2.554，P=0.029），差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。V30差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。AP計(jì)劃雙肺的平均劑量減少約34.49 cGy（t=-5.257，P=0.000097），V30和V20分別減少約0.72%（t=-3.974，P=0.001）、0.53%（t=-3.46，P=0.003），差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。V5差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，具體分析見表2。

表2 兩種計(jì)劃的危及器官劑量學(xué)分布（cGy）

3 討論

隨著放療技術(shù)的發(fā)展，IMRT精確放療技術(shù)廣泛應(yīng)用于肺癌。初步結(jié)果表明，IMRT可提高肺癌靶區(qū)的受照劑量，同時降低危及器官，如肺、脊髓等的照射劑量。計(jì)劃設(shè)計(jì)作為放療的中樞環(huán)節(jié)，計(jì)劃質(zhì)量直接影響放療療效。因此如何高效優(yōu)質(zhì)的完成計(jì)劃設(shè)計(jì)對放療技術(shù)的臨床應(yīng)用具有重要意義。

IMRT計(jì)劃的本質(zhì)就是根據(jù)目標(biāo)函數(shù)直接優(yōu)化子野形狀和權(quán)重，逆向求得接近最優(yōu)解的劑量分布。但優(yōu)化程序只會依據(jù)定義的限量條件求最優(yōu)射野參數(shù)，對沒有描述到的正常組織區(qū)域不作要求，由此可能導(dǎo)致靶區(qū)適形度差，靶區(qū)外存在劑量熱點(diǎn)，腦干或脊髓等危及器官出現(xiàn)劑量“套圈”現(xiàn)象。針對此類現(xiàn)象，計(jì)劃設(shè)計(jì)者通過定義DSS結(jié)構(gòu)給定相應(yīng)限量解決這一問題。常用的DSS結(jié)構(gòu)包括3種：① 將靶區(qū)外廓一定范圍得到環(huán)狀結(jié)構(gòu)，對環(huán)狀結(jié)構(gòu)限定最大劑量約束，其作用能夠提高靶區(qū)適形度；② 凹形靶區(qū)的凹陷區(qū)，考慮凹陷區(qū)內(nèi)危及器官的受量要求，給定凹陷區(qū)一個劑量體積約束，同時限定最大劑量容許值，可以消除危及器官劑量“套圈”現(xiàn)象；③ 外擴(kuò)靶區(qū)與一些重要并行器官的重疊區(qū)，將危及器官與靶區(qū)的重疊區(qū)設(shè)定最大劑量約束，非重疊區(qū)給出最小劑量約束，可以在保證靶區(qū)劑量的同時減少危及器官某一劑量以上的體積。手動計(jì)劃中，物理師首先對非重疊的靶區(qū)及OARs進(jìn)行外擴(kuò)處理，而對重疊的部分根據(jù)需要進(jìn)行內(nèi)縮處理，然后根據(jù)臨床給定的要求設(shè)置限量條件及其權(quán)重，經(jīng)初步計(jì)算后，物理師繼續(xù)根據(jù)劑量分布情況補(bǔ)充、調(diào)整限量條件，最終使得劑量成型。由此可見DSS結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)極大程度上依賴物理師的臨床經(jīng)驗(yàn)，AP的精華即模仿有經(jīng)驗(yàn)的物理師，并且相對手動計(jì)劃，AP能不斷根據(jù)計(jì)算出的劑量分布系統(tǒng)生成DSS結(jié)構(gòu)，并自動給出限量條件，直到目標(biāo)函數(shù)無限接近最優(yōu)解，最終劑量成型。

本文分析比較了手動調(diào)強(qiáng)計(jì)劃和AP調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的劑量學(xué)特性，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AP放療計(jì)劃不僅能夠滿足臨床要求，而且相對手動計(jì)劃提高了靶區(qū)的最低劑量和適形度，平均劑量更接近處方劑量，并且很好的控制了脊髓的最高劑量，減少了脊髓的平均受量，一定程度上降低了雙肺的平均劑量和特定劑量的受照體積（V30，V20），在保護(hù)心臟的平均劑量和V40方面也稍有優(yōu)勢。

綜上所述，AP作為一種新的計(jì)劃設(shè)計(jì)方法，可以模仿有經(jīng)驗(yàn)的物理師，自動生成DSS結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，最終獲得滿足臨床要求的治療計(jì)劃。AP計(jì)劃能夠有效優(yōu)化靶區(qū)劑量分布，減少危及器官受照，實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃設(shè)計(jì)的自動化，減少了人工依賴以及人為因素影響，提高了物理師的工作效率，使治療計(jì)劃更趨智能科學(xué)。

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