陳光朋，崔劍雄，孫建國

400037重慶，陸軍軍醫(yī)大學新橋醫(yī)院 腫瘤科

作為腫瘤的主要治療手段之一，放射治療是70%的腫瘤患者在腫瘤病情的不同階段需接受的。歷經百余年發(fā)展，放療設備已經從功能單一的深部治療機、鈷60等發(fā)展到主流的直線加速器以及質子、重離子加速器等高精尖設備，放療技術也從傳統二維演進到現代的三維甚至四維，在射線強度調制、圖像引導、立體定向等方面發(fā)展飛躍[1]。現代放療廣泛應用于早期、中期、局部晚期乃至晚期腫瘤患者，腫瘤療效更好，正常組織損傷更輕，大大提高了放射治療的增益比[2]。放療技術的迅速發(fā)展帶來了海量的影像和治療數據，迫切需要進行大數據分析以提升放療臨床決策質量、提高放療各環(huán)節(jié)工作效率、優(yōu)化放療全流程質控，因此人工智能(antificial intelligence,AI)在放療領域的應用應運而生?，F代放療的基本特征在胡逸民主編[3]的《腫瘤放射物理學》以及李曄雄主編[4]的《腫瘤放射治療學》等放療專業(yè)主要參考書籍中尚未有專章論述。孫建國主編[5]的《數字化智能放療》依托于國家重點研發(fā)計劃項目，敏銳感知放療最前沿動向，對現代放射治療的多維度、多模態(tài)、大數據、智能化等四大特點進行宏觀上的歸納總結，探尋不同放療技術之間的共性，科學預見其未來發(fā)展方向，有助于放療同道開拓現代放療事業(yè)。在此，我們精選出該書中現代放射治療特征及未來智能放療趨勢的相關內容并進行解讀，以饗讀者。

1 放射治療的復雜性

現代放療是一類高度復雜的治療方式，包括放療設備、放療技術、放療流程、放療質控、放療監(jiān)管與隨訪以及放療安全防護的復雜性特征。

放療設備已經從過去相對單一、以加速器為主的體系，發(fā)展成以高精度治療頭、定位系統、影像系統、計劃軟件、管理軟件等輔助設備為一體的綜合性治療平臺[6]。因此現代放療設備具有高度的精密性和復雜性。同時，現代放療設備離不開輔助設備的應用，如體位固定輔助設備。體位固定技術、材料、固定方案等因人而異，各放療中心也不盡相同。因此，體位固定具有一定的復雜性。上述的放療設備和放療輔助設備的復雜性，是現代放療技術的基本體現。為保障設備高效準確地運行，必須對其有效監(jiān)管。監(jiān)管是放療全面質量管理的重要組成部分，因設備天然的復雜多樣性，其設備監(jiān)管的復雜性主要體現在機械和電氣安全連鎖電路的檢查，加速器、模擬機，機械和幾何參數的定期檢測。

放療設備的復雜性也伴隨著放療技術的復雜性。放療技術從簡單的傳統二維常規(guī)放療發(fā)展到三維適形放療、調強放療、圖像引導放療、立體定向放療、自適應放療[7-9]。不同的現代放療技術針對的治療目的不同，各具有不同的功能特點和技術參數，在適應證、治療精度、治療時間、劑量跌落、非共面特性以及是否具備圖像引導等諸多方面體現出各自的優(yōu)缺點和復雜性。而現代放療技術也離不開放療輔助技術的應用，高精度放療中病灶的定位、照射部位和角度及照射野的選擇，都是非常重要的。如何提高病灶定位的精度、確保靶區(qū)照射的準度、驗證放療擺位的細度、提升放射治療的速度、加強影像配準的維度，都是放療輔助技術的復雜性體現。

放療是一個流程復雜的高精度技術，其各階段流程包括：放療方案的制訂、體位固定及模擬定位、靶區(qū)勾畫、計劃設計、放療計劃評估、放療計劃驗證、實施放療等。而每個流程包含許多不確定性，所有這些不確定性都會影響最終結果的精度。每個環(huán)節(jié)都要保證良好的質量控制，否則將造成隱患甚至嚴重事故。因而包括對放療人員、放療設備、放療技術、放療流程、放療計劃、放療機房的放療質控，也是一個復雜的過程。同時放療計劃的制訂和實施是個多步驟的過程，放射治療也是一個漫長的經歷，放療不良反應可能逐漸表現，因此放療后的隨訪也是個漫長的過程。這些放療中的監(jiān)管和放療后的隨訪，也反映放療技術的復雜性。還需要強調的是，放射線既是腫瘤治療的重要手段，也會對放療患者的正常組織帶來損傷，同時也導致放療機房內外環(huán)境的電離輻射污染，潛在威脅放療工作人員。因此，放療安全防護是保證放療質量的前提，存在多樣性和復雜性，需要引起高度重視。

2 放療數據的多樣性

隨著醫(yī)學診斷檢驗數字化、電子病歷信息化、網絡化辦公等技術的應用普及，患者數據數字化信息的傳遞與存儲產生了海量數據。由于患者個體的特異性，檢驗診斷治療等技術方法因人而異，數據量大而繁瑣，形成了醫(yī)療數據的多樣性。由于腫瘤放療患者治療的特殊性，其醫(yī)療數據的多樣性具有更多特點。由于患者的病情及身體狀況、醫(yī)療資源、醫(yī)院設備、醫(yī)生經驗水平等不同，因而腫瘤患者的確診手段、治療方案、執(zhí)行過程等不具有標準性，造成了放療數據的復雜性。而且，放療患者的基本信息、各種檢驗指標等文字性數據是結構化數據，而放療技術相關的各種診斷報告、影像資料則為非結構化數據，這些來源不同、結構不同的個人信息、影像數據、放療流程數據、放療輔助流程數據、放療信息、分子信息等海量數據催化形成了放療數據的多樣性。

3 放療技術的高精度、快捷性、實時性和功能性

現代放療技術不僅是完成放射治療的基本功能，更向著高精度、快捷性、實時性和功能性的更高目標而發(fā)展，以期更好地殺傷腫瘤細胞，保護正常組織，提高治療增益比，從而增加了現代放療技術的設備要求、技術要求和智能化要求。

現代放療技術的高精度是為了確保高能射線束能夠精確到達靶標，以殺死目標細胞。高精度特點體現在以下幾個步驟。首先是精確模擬定位：采用CT模擬機以獲取的模擬圖像為參考，精確模擬定位并確定相適應的治療體位。然后是精確計算計劃：錨定腫瘤位置，明確射野相關參數并精準計算相關劑量，做出精確治療計劃。而后是精確驗證：先進行治療前驗證，驗證的對象主要是患者的擺位和射野形狀，加速器參數、達到設計精度的受照劑量；下一步進行在線驗證，以確認射線束能夠保形保量抵達目標位置，保證治療體位與定位體位一致，實現精確擺位。最后是精確放療實施：以精確的計劃對患者進行放療，在此過程中實時監(jiān)控靶區(qū)的相應變化。

現代放療技術的快捷性首先體現在圖像采集，具體包括模擬定位圖像采集和圖像引導采集的快捷性。其次是圖像配準的快捷，其快捷性受重建圖像質量的影響。圖像重建方式對圖像質量有不同的影響，低分辨率重建方式時間短，得到圖像質量差；高分辨率圖像質量高，重建需要時間長，一般作為離線分析使用；選用中分辨率的圖像質量既能滿足匹配需求，時間也短，在線配準最常用[10]。再次，靶區(qū)勾畫的快捷性：現代的放射治療計劃系統(treatment planning system，TPS)靶區(qū)勾畫模塊已經步入“半自動化”或者“部分自動化”模式，如肺、脊髓、全腦、骨骼等的自動勾畫，使得快捷易用性進一步提升，未來發(fā)展的方向是基于放療大數據的AI技術，實現靶區(qū)智能化勾畫，徹底實現靶區(qū)勾畫的快捷性。最后，放療計劃設計的快捷：計劃設計是TPS核心的功能模塊，計劃設計的快捷性能夠高效地實現精確放療?，F代精確放療計劃系統實現了可視化技術、用戶交互技術、先進的劑量計算算法和高效的逆向優(yōu)化算法等結合成一個精確高效、快捷的放療計劃設計平臺[11-12]。

現代放療的高精度和快捷性對現代放療的實時性有了更高的要求。放療進入影像引導時代后，大家著力關注的一個問題就是：能否“看”著靶區(qū)投射射線，且能夠根據靶區(qū)的變化相應地調整射線。由于技術限制，錐形束CT或電子射野影像系統無法實現治療過程中靶區(qū)運動及患者解剖結構變化，因而包括自適應放療、ExacTrac X-Ray、4D-CT和呼吸門控等靶區(qū)實時監(jiān)控系統應運而生，大大提高了放療的實時性[13-15]。

現代放療的功能性拓展主要體現在功能影像在靶區(qū)勾畫與放療計劃制訂中的逐步應用。MRI/磁共振波譜技術可獲取生理功能顯像，CT可獲取解剖結構，PET可通過分子代謝顯像融合技術獲取腫瘤內活體信息，綜合顯像、結構和活體信息勾畫出靶體積內代謝旺盛的活化區(qū)，該活化區(qū)稱為生物靶區(qū)，從而衍生出生物調強放射治療(biological intensity modulated radiation therapy,B-IMRT)等新概念和新理論[16-17]。B-IMRT建立在生物靶區(qū)之上，它考慮了腫瘤區(qū)內和正常組織的敏感性差異，并且這些因素的影響均可采用先進的影像學技術特別是分子影像學技術得以顯示。生物靶區(qū)的核心意義在于通過調整生物靶區(qū)內放射線的強度，使腫瘤代謝活躍旺盛的細胞接受較高劑量照射，形成精確的劑量控制與雕繪。

4 放射治療的多學科融合

放療與其他抗腫瘤治療手段的綜合運用一直是腫瘤治療的基本原則。積極采取放療結合手術，以及放療聯合全身治療，如化療、靶向治療、免疫檢測點抑制劑、抗血管生成治療、放療增敏劑以及正常組織保護劑等的綜合治療，相互結合、互相補充，來控制腫瘤的進展、延長患者的生命、提高生活質量?，F代放療聯合手術或全身治療的綜合治療，仍存在諸多尚待解決的問題，仍有大量工作有待進一步深入探索。無論放療聯合手術，還是放療聯合全身治療手段，都存在最佳治療方案的問題。比如，放療與手術、化療、靶向等治療的順序、時機、劑量等問題，至今沒有標準答案。近年來興起和發(fā)展的免疫檢測點抑制劑，其與放療的聯合具有顯著的協同增效效應，但也具有毒性反應的交叉、疊加和放療誘導的“記憶效應”等不利因素，目前只有基于回顧性分析或小樣本研究等循證級別較低的證據，有待今后的研究來貢獻最佳治療方案和技術選擇決策。至于如何解決這些問題，傳統的方法是設計大規(guī)模前瞻性隨機對照研究，需要耗費大量的人力、物力、財力和時間，況且未必獲得確定性結果。隨著大數據時代的來臨，數字化醫(yī)療和AI的快速發(fā)展，利用更為智能化的研究手段，可望達到多快好省的研究效果。

5 現代放療的智能化發(fā)展

AI是能模擬人類思考和判斷等智力工作的人造裝置。智能手術機器人、智能醫(yī)療診斷專家系統、智能醫(yī)院管理系統等AI 技術給醫(yī)療領域帶來了突破性變化[18-20]。腫瘤放療靶區(qū)和危及器官智能化自動化勾畫技術、智能放療的放射治療計劃模型、基于互聯網+的放療遠程智能化質控系統正在如火如荼地建設[21-23]。

腫瘤放療過程中，勾畫靶區(qū)及危及器官、制訂放療計劃十分關鍵，依靠并且體現了腫瘤放療醫(yī)師所儲備的大量知識和所建立的相應知識體系，但靶區(qū)和危及器官的勾畫在體現技術含量的同時也包含了大量繁復的工作，相當耗時耗力，占用了放療醫(yī)生大量的時間和精力，也加劇了現代放療人才和設備不足?；诖?，AI在上述方面迅速發(fā)展。如果能夠保障勾畫速度、準確性和適應性，建立相應的靶區(qū)和危及器官勾畫自動化智能化模型，將能有效提高醫(yī)師工作效率，并解決我國部分腫瘤發(fā)病率和死亡率逐年增加背景下現代放療人才和設備不足這一普遍問題。

在靶區(qū)智能勾畫方面，有傳統的非先驗依賴性模式、先驗依賴性模式、復合型智能靶區(qū)勾畫等3種模式[24-26]。其步驟為：1)預處理腫瘤多模態(tài)影像重建、去噪、增強、配準、融合；2)自動提取腫瘤影像特征；3)采用機器學習、深度學習、圖論、區(qū)域生長、幾何水平集進行智能化、自動化勾畫[27-30]。

在AI 化的放射治療計劃模型方面，目前常規(guī)放療計劃系統的自動化程度不高，人為的不確定性因素較多，醫(yī)師和物理師個人技術水平影響放療計劃的優(yōu)劣差異。通過AI可以彌補醫(yī)師和物理師經驗欠缺的不足，同時也可從AI化的放療計劃系統中得到提升?；诿商乜_等高效劑量算法，通過深度機器學習，應用數學建模建立患者個體特性與劑量學特性的相互關聯模型，從而自動預測劑量學目標，自動設計放療計劃。AI 化的放射治療計劃的進一步發(fā)展是以計劃設計流程為依據，智能計劃系統功能模塊為基礎，實現“云智能化”放療計劃系統[31-33]。近年來，國內科技公司和研究院所在這方面研究發(fā)力并持續(xù)投入，但尚處于早期階段。

在基于“互聯網+”的放療遠程、智能化質控系統方面，主要影響因素表現為區(qū)域發(fā)展不平衡、各層級水平參差不齊、分級診療難落實，這些因素均對我國的放療服務模式與質量帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。國內的大型研究型醫(yī)院是應對上述挑戰(zhàn)的主力軍，其在人才、技術、設備、數據等多方面具有顯著優(yōu)勢，足以促進患者在本地接受高質量的放療服務目標的實現。它們利用物理、醫(yī)學、信息領域前沿技術，建立基于大數據與智能化、分層次、多功能的遠程放療服務體系和新模式；以信息安全為保障，遠程放療服務為中心，建立集遠程支持、人員培訓、自動質控于一體的放療平臺；建立TPS 智能分析中心，制訂規(guī)章制度及醫(yī)療質控體系，組建放療服務團隊和運維團隊，以滿足各不同層級醫(yī)院應用需求，實現上述我國現代放療智能化發(fā)展的目標與方向。

6 總結與展望

現代放療技術的特點是以患者病種的多樣性、治療方案個體化的多樣性要求為基礎，形成了放療設備、放療技術、放療流程、放療質控、放療隨訪等方面的復雜性，在使用執(zhí)行過程中，形成了放療數據的多樣性和復雜性，不利于推進各放療單位同質化發(fā)展。

一方面，由于放療設備、技術的復雜性，對人員配置的要求較高，進一步限制了放療向優(yōu)質化、同質化方向發(fā)展。另一方面，在治療方面，放射治療向多學科融合、AI方向發(fā)展?；诂F代放療相關的AI和大數據技術可以減少人工干預，能顯著提高放療效率。目前我國已經部分實現基于“互聯網+” 和“精準云放療”平臺之上的多學科遠程會診、靶區(qū)勾畫、計劃審核，并實現智能靶區(qū)勾畫和放療AI場景選擇、在線自適應放療。未來“互聯網+放療”、“AI放療”和“共享放療”的新服務模式將打破傳統放療服務模式對于機構、地域、人員的限制，實現真正的共享、開放的同質化放療。同時，放療與多學科融合，與化療、靶向、免疫治療相結合，豐富了放療內涵，提高了放療技術。要實現現代放療的高效成熟、精確定位、精確計劃、精確治療，需要放療人員、放療設備、放療技術、放療流程、放療質控、放療網絡、放射物理、放射生物以及組學研究等各個方面向著更加數字化、自動化、智能化的方向發(fā)展，以此為現代放療技術的進步奠定堅實的基石及提供可靠的保障。