王景，季茹，裴曦，汪志

1. 安徽醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230032；2. 安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放療科，安徽 合肥 230022；3. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 放射醫(yī)學(xué)物理中心，安徽 合肥 230025

引言

放射治療是腫瘤治療的主要方式之一，70%的腫瘤患者可以通過放療提高腫瘤局部控制率，減少正常組織并發(fā)癥[1-2]。放射治療的質(zhì)量與放療計劃息息相關(guān)，放療計劃的挑戰(zhàn)之一，是如何在保證靶區(qū)劑量的同時保護(hù)正常組織[3]，物理師難以先驗評估這種平衡，因此物理師和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的水平經(jīng)驗不同，會導(dǎo)致計劃質(zhì)量的差異，基于先驗知識的自動計劃（Knowledge Based Planning，KBP）目前已經(jīng)被建議作為一種解決方案，來減少這種差異[4-5]。Varian公司在其Eclipse計劃系統(tǒng)13.5版本正式推出基于先驗知識的Rapidplan自動計劃模塊，通過先驗知識建立模型，以模型進(jìn)行放療計劃參數(shù)的自動設(shè)計，即自動計劃，旨在實現(xiàn)計劃的一致性，改進(jìn)計劃質(zhì)量和提高放射治療的效率[6]。一經(jīng)推出就受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并已經(jīng)研究了其在肝臟[7]、骨盆[8]、食管[9]、頭頸部腫瘤[10-11]、乳腺癌[12]、肺癌的立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）[13]、脊髓SBRT[14]、前列腺癌[15]等癌癥以及在質(zhì)子放射治療領(lǐng)域[16]和新冠肺炎的大背景下放射治療中的應(yīng)用[17]。但是Rapidplan自動模型的實施、驗證和培訓(xùn)過程相當(dāng)耗時[18]，過去的研究一定程度上忽略了模型建立對于醫(yī)療機(jī)構(gòu)水平經(jīng)驗的高要求。本文研究驗證一種Rapidplan簡化模型在宮頸癌容積調(diào)強(qiáng)（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）治療中的應(yīng)用，摒棄傳統(tǒng)的反復(fù)篩選驗證的訓(xùn)練過程，嘗試簡化建模方式，解決處于放射治療發(fā)展初期的醫(yī)療機(jī)構(gòu)水平經(jīng)驗不足，無法處理復(fù)雜的建模流程，從而無法應(yīng)用Rapidplan模型來穩(wěn)定放射治療質(zhì)量的問題，進(jìn)一步探索Rapidplan自動計劃在臨床成規(guī)模應(yīng)用的可行性。

1 材料和方法

1.1 臨床資料

選取安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院腫瘤放療科2018年12月至2020年3月宮頸癌VMAT放療計劃60例?；颊呔恃雠P位，雙手抱肘置于額頭，真空體模固定，行大孔徑CT（GE Discovery RT 590）以5 mm層厚掃描，采用相同處方劑量（50 Gy/25 f），Vitalbeam直線加速器單中心VMAT雙整弧照射，計劃由資深物理師通過Varian公司Eclipse13.6計劃系統(tǒng)優(yōu)化，且由主治醫(yī)生認(rèn)可并已經(jīng)臨床應(yīng)用。另外抽取10例臨床病例，作為測試組。

1.2 Rapidplan簡化模型訓(xùn)練

將60例宮頸癌VMAT放療計劃導(dǎo)入Rapidplan模塊，進(jìn)行模型訓(xùn)練。簡化模型結(jié)合宮頸癌VMAT放射治療的實際臨床需求，只進(jìn)行膀胱，直腸和小腸三個危及器官（Organ At Risk，OAR）的訓(xùn)練，將病例導(dǎo)入后進(jìn)行第一次模型訓(xùn)練，此時訓(xùn)練日志會列出強(qiáng)影響點（鑒別工具為cook’s distance，CD，閾值為4），幾何異常點（鑒別工具為modified Z-score，mZ，閾值為3.5）和劑量異常點（鑒別工具為Studentized Residual，SR，閾值為3，Areal difference of estimate，dA，閾值為3），以及靶區(qū)和各OAR的DVH圖，刪去DVH圖中異常曲線和超過系統(tǒng)閾值所代表的計劃和結(jié)構(gòu)，剩余48例病例，之后進(jìn)行第二次訓(xùn)練，得到最終的自動計劃模型。將第二次訓(xùn)練得到的簡化模型投入臨床測試。表1展示了簡化訓(xùn)練完成后統(tǒng)計得到的自動計劃模型擬合結(jié)果主要統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

表1 自動計劃模型擬合結(jié)果統(tǒng)計主要分析數(shù)據(jù)

1.3 計劃評估

將選取的10例手動優(yōu)化臨床應(yīng)用（Clinical Manual Optimization，CMO）計劃，利用Rapidplan模型生成自動計劃，過程中保證除模型生成自動計劃參數(shù)步驟外，其他所有條件不變。再將優(yōu)化完成的Rapidplan自動計劃和CMO計劃進(jìn)行計劃靶區(qū)和重要參數(shù)的對比，從而確定自動計劃的可用性。

基于國際放射性單位委員會83號報告[19]，以D2和D98作為靶區(qū)近似最大劑量和近似最小劑量，評估靶區(qū)劑量分布，均為越接近處方劑量越好。適形度指數(shù)（Conformity Index，CI）值評估靶區(qū)適形度，值介于0～1之間，越接近1說明適形度越好，均勻度指數(shù)（Homogeneity Index，HI）值評估靶區(qū)劑量分布均勻度，HI越小說明均勻度越好。結(jié)合臨床實際，在處方劑量為50 Gy/25 f的宮頸癌放射治療中，OAR的限量參數(shù)要求膀胱與直腸V40<50%，小腸V50<10%。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

本文運用SPSS 20.0軟件比較Rapidplan簡化模型生成的自動計劃和CMO計劃的數(shù)據(jù)差異，以Shapiro-Wilk法對數(shù)據(jù)組進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，對符合正態(tài)分布的行配對樣本t檢驗，對不符合正態(tài)分布的行Wilcoxon符號秩和檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

CMO計劃與Rapidplan自動計劃結(jié)果劑量分布均滿足臨床需求。圖1分別展示了CMO計劃與Rapidplan自動計劃的靶區(qū)的D2、D98、HI和CI 值對比，表2展示了CMO計劃與Rapidplan自動計劃靶區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。相比于CMO計劃，自動計劃的計劃靶區(qū) ( Planning Target Volume，PTV ) 的CI值等于0.89±0.02，二者無統(tǒng)計學(xué)差異（P=0.085）；HI值為 0.08±0.01 降低了 0.01（P=0.018）；D2為（5341.1±30.1）cGy，降低了0.8%（P=0.003）；D98為（4938.3±19.6）cGy，提高了0.5%（P=0.04）。圖2展示了CMO與Rapidplan自動計劃的靶區(qū)劑量截面圖分布對比圖，顯示Rapidplan計劃的靶區(qū)高量更低。圖3展示了CMO計劃與Rapidplan計劃的OAR劑量對比，表3展示了CMO計劃與Rapidplan自動計劃OAR相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。結(jié)果為CMO計劃和Rapidplan自動計劃的直腸V40與小腸V50無統(tǒng)計學(xué)差異（P=0.721，P=0.271），膀胱V40則降低了7%，為34.8%±9.2%（P=0.03）。

表2 CMO計劃與Rapidplan自動計劃靶區(qū)統(tǒng)計值

表3 CMO計劃與Rapidplan自動計劃OAR統(tǒng)計值

圖1 CMO計劃與Rapidplan自動計劃相關(guān)數(shù)據(jù)對比

圖2 CMO計劃和Rapidplan自動計劃的劑量截面圖

圖3 CMO計劃與Rapidplan自動計劃OAR相關(guān)劑量對比

3 討論

宮頸癌在婦科惡性腫瘤的發(fā)病率僅次于卵巢癌，并且有研究指出新發(fā)患者有年輕化趨勢，且在城市中年輕婦女的死亡率呈上升趨勢，這已經(jīng)引起全世界醫(yī)療工作者的廣泛關(guān)注[20-21]。放射治療是宮頸癌治療的重要手段，且治療方案通常為內(nèi)外照射同步進(jìn)行。由于近距離放射治療的OAR照射量難以準(zhǔn)確評估，所以在外照射中要求盡量降低OAR的照射量。近年來，隨著VMAT技術(shù)的推廣應(yīng)用，宮頸癌照射外照射時間和執(zhí)行效率相比于傳統(tǒng)的IMRT技術(shù)有明顯改善[22]。然而VMAT計劃算法復(fù)雜，在設(shè)計階段運算量大，尤其是在Eclipse15.5版本以下沒有GPU加速功能，每一次優(yōu)化時間相比于調(diào)強(qiáng)放療大大延長，且?guī)缀趺總€計劃都需要優(yōu)化數(shù)次，十分影響計劃的設(shè)計效率。而且相比于多次優(yōu)化帶來的時間成本，醫(yī)療機(jī)構(gòu)和物理師的經(jīng)驗不足，特別是近年來我國放射治療在城鄉(xiāng)全面鋪開，優(yōu)秀的物理師缺口很大，可能使放療計劃不能達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或者不能得到進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化才是更重要的問題。

Varian公司推出的Rapidplan自動計劃，一定程度上解決了這些問題，其一經(jīng)推出就成為一個熱點研究領(lǐng)域。在過去的研究中已經(jīng)反復(fù)論證了Rapidplan 自動計劃模塊在臨床中的可用性[7-17]，但是模型的建立方式很少作為重點提及，建模方式多參照Varian公司運營手冊的建議[23]，手冊要求任何的異常值都需要被仔細(xì)的重新檢查并重新規(guī)劃[24]，費時費力，要求很高。近年來，也有新的模型庫訓(xùn)練方法提出，如Fogliata等[25]提出一種迭代方式建立模型庫，F(xiàn)usella等[26]提出一種利用APQM評分法等。

本文對Rapidplan自動計劃模型的建模流程進(jìn)行簡化，拋棄復(fù)雜的篩選過程，只進(jìn)行兩次訓(xùn)練，一次篩選，旨在降低模型的建立難度、提高建模效率的同時模型精度也滿足臨床的需求。篩選過程必不可少，完全不經(jīng)篩選，只進(jìn)行60例病例一次訓(xùn)練生成模型，同樣10例患者的測試組中出現(xiàn)一例小腸受量異常，V50為14.39%（限量為<10%，同樣的數(shù)據(jù)在簡化模型和CMO計劃中分別為7.2%，6.96%），模型的精度達(dá)不到臨床應(yīng)用要求。經(jīng)過兩次訓(xùn)練后，10例病例進(jìn)行靶區(qū)和OAR的相關(guān)參數(shù)與照射量的分析測試，結(jié)果表明簡化模型生成的自動計劃不僅滿足宮頸癌放射治療的臨床劑量限定，且相比于手動優(yōu)化的計劃，各項參數(shù)均持平或者有所改善，該結(jié)果也符合Tinoco等[27]關(guān)于Rapidplan在宮頸癌中應(yīng)用的研究。

本文在通過兩次訓(xùn)練得到了可臨床應(yīng)用的Rapidplan簡化模型，解決了模型建立對醫(yī)療機(jī)構(gòu)高水平要求問題，這對于進(jìn)一步推廣自動計劃的臨床應(yīng)用，減少不同醫(yī)療機(jī)構(gòu)的計劃水平差異，提高計劃優(yōu)化效率有一定意義。但是目前的自動計劃也存在相應(yīng)的問題，如當(dāng)靶區(qū)侵犯OAR過多時，對于靶區(qū)覆蓋度和OAR的保護(hù)之間的取舍，各人理解不同，這時自動計劃就無法根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的變化改變優(yōu)化策略。高度個體化定制的自動放療計劃設(shè)計，這可能是未來自動計劃的發(fā)展方向之一。