Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)自動(dòng)與手動(dòng)容積弧形調(diào)強(qiáng)計(jì)劃劑量學(xué)比較

曾廣平，康盛偉，唐斌，黎杰，王培

1.廣元市第一人民醫(yī)院 腫瘤血液科，四川 廣元 628017；2.四川省腫瘤醫(yī)院·研究所 四川省癌癥防治中心 電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院 放射腫瘤學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 放射腫瘤中心，四川 成都 610041

引言

自動(dòng)計(jì)劃因?yàn)槟軌虮M量避免計(jì)劃設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)放療計(jì)劃時(shí)的人為失誤，與不同設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)計(jì)劃的差異，以及避免大量的人為干預(yù)調(diào)停來進(jìn)行調(diào)試而被各大放療機(jī)構(gòu)所采用[1-2]。國外也有研究表明，Pinnacle3 9.10自動(dòng)計(jì)劃確實(shí)能夠使危及器官的受照射劑量更低，靶區(qū)的適形度更好[3]。但是，目前缺少對自動(dòng)計(jì)劃功能客觀的評估研究，本研究旨在應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)劑量驗(yàn)證模體和劑量目標(biāo)作為客觀評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評估自動(dòng)計(jì)劃與手動(dòng)計(jì)劃的優(yōu)劣。

1 材料與方法

1.1 研究所用標(biāo)準(zhǔn)模體和標(biāo)準(zhǔn)靶區(qū)勾畫

本研究使用的美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)會（AAPM）第119號報(bào)告所用標(biāo)準(zhǔn)模體和標(biāo)準(zhǔn)靶區(qū)勾畫[4]。所用模體有多靶區(qū)模體、前列腺模體、頭頸模體、C shape結(jié)構(gòu)模體（簡單、復(fù)雜）。多靶區(qū)模體為上中下三個(gè)靶區(qū)，這三個(gè)圓柱形的靶區(qū)處在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)中心，每一個(gè)靶區(qū)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(jì) 劃 靶 體 積（Planning Target Volume，PTV），直腸和膀胱；前列腺CTV大致是一個(gè)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(chǔ)上各個(gè)方向擴(kuò)大0.6 cm；直腸是一個(gè)直徑為1.5 cm緊鄰前列腺后方成犬牙交錯(cuò)的橢圓形器官；膀胱大致是一個(gè)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(jìn)0.6 cm，脊髓和靶區(qū)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(gè)半徑為1 cm的圓柱體，脊髓和PTV之間的距離是0.5 cm；PTV內(nèi)側(cè)圓弧半徑為1.5 cm，PTV外側(cè)圓弧半徑是3.7 cm；PTV長度為8 cm，脊髓長度為10 cm。多靶區(qū)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(jié)構(gòu)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(qū)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)靶區(qū)勾畫的劑量設(shè)定目標(biāo)和AAPM計(jì)劃設(shè)計(jì)平均值

本研究使用AAPM第119號報(bào)告所用標(biāo)準(zhǔn)模體和標(biāo)準(zhǔn)靶區(qū)勾畫，本文在設(shè)計(jì)放療計(jì)劃時(shí)以AAPM第119號報(bào)告中九家醫(yī)院計(jì)劃的平均值為參考指標(biāo)，除多靶區(qū)模體Central靶區(qū)D10和C shape模體（復(fù)雜）沒有達(dá)到要求外，其余指標(biāo)在很大程度上優(yōu)于該參考值。

1.3 計(jì)劃評估

利用Pinnacle3 9.10計(jì)劃系統(tǒng)對AAPM第119號報(bào)告中所使用模體分別做自動(dòng)容積弧形調(diào)強(qiáng)（Automated Volumetric Modulated Arc Therapy，Auto-VMAT）與 手 動(dòng)容積弧形調(diào)強(qiáng)（Manual Volumetric Modulated Arc Therapy，Manual-VMAT）放療計(jì)劃，利用劑量體積直方圖統(tǒng)計(jì)不同模體中危及器官和靶區(qū)的相關(guān)劑量參數(shù)、靶區(qū)適形度指數(shù)（Conformity Index，CI）、靶區(qū)均勻性指數(shù)（Homogeneity Index，HI）以及對兩種計(jì)劃設(shè)計(jì)所需總優(yōu)化時(shí)間、人工調(diào)停次數(shù)以及機(jī)器跳數(shù)（Monitor Unit，MU）進(jìn)行比較。其中，CI與HI的計(jì)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(qū)體積，VT為靶區(qū)體積，Vref為參考等劑量面包繞的所有區(qū)域的體積，CI越接近1，靶區(qū)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(qū)均勻性越好[6-7]。

1.4 計(jì)劃設(shè)計(jì)參數(shù)

多靶區(qū)模體計(jì)劃中心點(diǎn)取在中間靶區(qū)的中心點(diǎn)；前列腺模體計(jì)劃中心點(diǎn)取在PTV的中心點(diǎn)；頭頸模體計(jì)劃中心點(diǎn)取在PTV的中心點(diǎn)；C shape結(jié)構(gòu)模體計(jì)劃中心點(diǎn)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(jì)劃均使用179°～181°和181°～179°的兩個(gè)往返治療弧，計(jì)劃設(shè)計(jì)在醫(yī)科達(dá)公司的Axesse型加速器上。

1.5 計(jì)劃系統(tǒng)參數(shù)

在計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)參數(shù)如果保持默認(rèn)很難達(dá)到目標(biāo)值，自動(dòng)計(jì)劃在自動(dòng)優(yōu)化時(shí)也因達(dá)不到設(shè)定目標(biāo)值很容易報(bào)錯(cuò)。因此對每一個(gè)放療計(jì)劃均將其默認(rèn)參數(shù)改為表1中參數(shù)值。

1.6 劑量評價(jià)參數(shù)說明

在多靶區(qū)模體中比較99%靶區(qū)所對應(yīng)的劑量D99和10%靶區(qū)所對應(yīng)的劑量D10；在前列腺模體中比較計(jì)劃靶區(qū)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(jì)劃系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整

2 結(jié)果

2.1 多靶區(qū)模體

在多靶區(qū)模體中，當(dāng)兩種計(jì)劃方式都達(dá)到靶區(qū)D99的要求時(shí)，Auto-VMAT能夠做到更低靶區(qū)D10值，Superior和Inferior靶區(qū)的CI和HI更優(yōu)，但對于Central靶區(qū)Manual-VMAT的靶區(qū)CI和HI更優(yōu)，如表2。

表2 多靶區(qū)模體

2.2 前列腺模體

前列腺模體中，當(dāng)Auto-VMAT和Manual-VMAT均達(dá)到靶區(qū)D95＞7560時(shí)，Auto-VMAT計(jì)劃的靶區(qū)D5值更低，膀胱D30、D10更低，靶區(qū)CI和HI更優(yōu)；但對于直腸的保護(hù)，Manual-VMAT更好，如表3。

2.3 頭頸模體

當(dāng)靶區(qū)D90、D99達(dá)到目標(biāo)時(shí)，Auto-VMAT計(jì)劃的靶區(qū)D20更低，靶區(qū)CI和HI更優(yōu)，Manual-VMAT對于腮腺的保護(hù)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(dāng)靶區(qū)D95=5000時(shí)，Auto-VMAT的靶區(qū)D10更低，靶區(qū)CI和HI更優(yōu)，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(fù)雜模體

當(dāng)靶區(qū)D95=5000時(shí)，Auto-VMAT的靶區(qū)D10更低，靶區(qū)CI和HI更優(yōu)，Manual-VMAT的脊髓劑量更低，如表6。

表6 C shape復(fù)雜模體

2.6 人工調(diào)試次數(shù)、優(yōu)化時(shí)間、機(jī)器跳數(shù)

對不同模體的Manual-VMAT和Auto-VMAT計(jì)劃的人工調(diào)試次數(shù)（次），計(jì)劃總優(yōu)化時(shí)間（min）和MU，分別見圖5、圖6和圖7。計(jì)劃調(diào)試次數(shù)和總優(yōu)化時(shí)間不計(jì)達(dá)到該目標(biāo)繼續(xù)調(diào)試后，結(jié)果無改善的調(diào)試次數(shù)和優(yōu)化時(shí)間。

圖5 調(diào)試次數(shù)

圖7 機(jī)器跳數(shù)

3 討論

VMAT是根據(jù)IGRT融合了集新型高精尖加速器與逆向優(yōu)化治療計(jì)劃設(shè)計(jì)軟件、精密三維和兩維的劑量驗(yàn)證設(shè)備于一身的腫瘤放療最新技術(shù)[8]，能夠在360°任何角度放出射線對腫瘤進(jìn)行治療，照射調(diào)制范圍更大，治療更準(zhǔn)確，治療效率更高[9-10]。但在設(shè)計(jì)放療計(jì)劃的過程中，放療計(jì)劃的質(zhì)量在很大程度上依賴于計(jì)劃設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)水平，即使是同一個(gè)計(jì)劃設(shè)計(jì)者在不同的時(shí)間設(shè)計(jì)的放療計(jì)劃也會有所不同。自動(dòng)計(jì)劃能夠盡量避免操作者的失誤和個(gè)體差異，讓治療計(jì)劃更科學(xué)化、精準(zhǔn)化、一致化。放療計(jì)劃的質(zhì)量同時(shí)也影響著放射治療的效果。此外，計(jì)劃過程中需要多次人工調(diào)停進(jìn)行條件的優(yōu)化，這也是放射治療計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中最花費(fèi)時(shí)間的方面。然而，隨著優(yōu)化算法的不斷發(fā)展，特別是一些依靠機(jī)器學(xué)習(xí)的自動(dòng)計(jì)劃，現(xiàn)在已經(jīng)能夠做到設(shè)計(jì)一個(gè)放療計(jì)劃不需要或者只需要很少的人工干預(yù)調(diào)試[1-2,11-12]。

本文分別應(yīng)用Pinnacle3 9.10計(jì)劃系統(tǒng)的自動(dòng)計(jì)劃和手動(dòng)計(jì)劃模塊以AAPM第119號報(bào)告所使用標(biāo)準(zhǔn)劑量驗(yàn)證模體和劑量目標(biāo)作為客觀評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)計(jì)VMAT計(jì)劃，然后對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論。在多靶區(qū)模體中，Auto-VMAT在Central靶區(qū)的D10和CI、HI不及Manual-VMAT，Superior和Inferior靶區(qū)優(yōu)于Manual-VMAT，但都達(dá)到AAPM報(bào)告中平均值，計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)更高，人工調(diào)試次數(shù)低于手動(dòng)計(jì)劃，但因自動(dòng)計(jì)劃單次優(yōu)化時(shí)間更長，總優(yōu)化時(shí)間長于手動(dòng)計(jì)劃，所以在臨床中遇到該類病例時(shí)可以優(yōu)先選擇手動(dòng)計(jì)劃；在前列腺模體，自動(dòng)計(jì)劃中靶區(qū)D5、CI、HI、膀胱劑量、調(diào)試次數(shù)和優(yōu)化時(shí)間均優(yōu)于手動(dòng)計(jì)劃，直腸劑量和機(jī)器跳數(shù)略高于手動(dòng)計(jì)劃，但都遠(yuǎn)比常規(guī)直腸限量要求低。這與Voet等[13]和Buschmann等[14]使用Auto-plan技術(shù)對于前列腺癌計(jì)劃設(shè)計(jì)的研究得到類似的結(jié)果。在臨床中遇到該類病例時(shí)，優(yōu)先選擇自動(dòng)計(jì)劃；在頭頸模體中，手動(dòng)計(jì)劃對于危及器官的保護(hù)更為明顯，靶區(qū)D99、CI、HI、機(jī)器跳數(shù)、調(diào)試次數(shù)和優(yōu)化時(shí)間自動(dòng)計(jì)劃更優(yōu).這與Krayenbuehl等[15]和Hazell等[16]使用Auto-plan技術(shù)對于鼻咽癌計(jì)劃設(shè)計(jì)的研究得到類似的結(jié)果。在臨床中遇到該類病例時(shí)，根據(jù)醫(yī)生的實(shí)際要求靈活選擇手動(dòng)計(jì)劃或自動(dòng)計(jì)劃；在C shape簡單劑量目標(biāo)模體中，自動(dòng)計(jì)劃除脊髓的劑量略高于手動(dòng)計(jì)劃外，其余指標(biāo)皆優(yōu)于手動(dòng)計(jì)劃，而在C shape復(fù)雜劑量目標(biāo)模體中，手動(dòng)計(jì)劃和自動(dòng)計(jì)劃脊髓的劑量均未達(dá)到AAPM第119報(bào)告要求，但達(dá)到AAPM第119報(bào)告平均值，其余指標(biāo)也是自動(dòng)計(jì)劃優(yōu)于手動(dòng)計(jì)劃，這提示我們，在臨床中遇到該類病例時(shí)應(yīng)該優(yōu)先選擇自動(dòng)計(jì)劃。

當(dāng)然，本研究仍有一定的局限性。本研究使用的是標(biāo)準(zhǔn)劑量驗(yàn)證模體和劑量目標(biāo)作為客觀評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，降低了實(shí)際病例計(jì)劃設(shè)計(jì)結(jié)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(dòng)計(jì)劃的tuning balance功能可以設(shè)置計(jì)劃系統(tǒng)在自動(dòng)優(yōu)化時(shí)更傾向于靶區(qū)的設(shè)定目標(biāo)或者危及器官的設(shè)定目標(biāo)，此參數(shù)的設(shè)置是設(shè)計(jì)自動(dòng)計(jì)劃的一大難點(diǎn)。另外，設(shè)計(jì)自動(dòng)計(jì)劃時(shí)仍需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對基本參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)整和修改，才能得到本文中所提到的臨床上的優(yōu)勢。

綜上，在臨床上遇到前列腺模體、C shape模體病例時(shí)優(yōu)先選擇自動(dòng)計(jì)劃；遇到頭頸模體模體病例時(shí)如果更注重危及器官的保護(hù)優(yōu)先選擇手動(dòng)計(jì)劃，如果更注重靶區(qū)均勻性和適形度優(yōu)先選擇自動(dòng)計(jì)劃；遇到類似多靶區(qū)模體的病例優(yōu)先選擇手動(dòng)計(jì)劃。另外，自動(dòng)計(jì)劃在處理靶區(qū)和危及器官劑量目標(biāo)矛盾非常大的計(jì)劃時(shí)，會增加計(jì)劃優(yōu)化的時(shí)間，如本研究中在設(shè)計(jì)多靶區(qū)模體和C shape復(fù)雜模體計(jì)劃時(shí)間明顯加長。