中國人民解放軍總醫(yī)院 第一醫(yī)學中心放療科，北京 100853

引言

目前，乳腺癌仍是對女性健康造成威脅的最常見惡性腫瘤之一，放射治療是乳腺癌綜合治療的重要組成部分[1]；開展根治術或改良根治術后，放療可以有效改善局部控制率和總體生存率，由于靶區(qū)主要包括患側(cè)胸壁及鎖骨上區(qū)，形狀通常極不規(guī)則，因此極大增加放療計劃設計難度。容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療技術（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）在獲得更好的靶區(qū)覆蓋度、劑量均勻性的前提下有效地減小患側(cè)肺受量，但造成對側(cè)乳腺有輕微的受照劑量但可接受的增加[2]。

VMAT計劃采用逆向優(yōu)化，所得結(jié)果主要依據(jù)設置的優(yōu)化參數(shù)，不同計劃設計者的臨床工作經(jīng)驗不同導致計劃結(jié)果存在差異，從而對患者放射治療效果及不良反應產(chǎn)生影響。此外，計劃設計過程中需要多次迭代優(yōu)化以獲得最優(yōu)結(jié)果，這將大大地增加時間的消耗。近年來，自動計劃逐漸成為放療計劃設計的發(fā)展趨勢，能夠最大程度地降低計劃設計者的失誤和個體化差異，使得治療計劃更加精準化與一致化，同時極大地提高計劃設計效率。許多計劃系統(tǒng)廠商開發(fā)出各具特色的自動計劃模塊，如Pinnacle39.10 Auto-planning（AP）（Philips Radiation Oncology Systems，F(xiàn)itchburg，美國）、Varian RapidPlan（Varian Medical System，Palo Alto，美國）等。AP模塊采用自動優(yōu)化引擎，依據(jù)物理師給出相應目標函數(shù)使用反復減少冷點和熱點的迭代優(yōu)化方法實現(xiàn)放射治療計劃的自動設計[3]；RapidPlan則是通過利用先驗知識建立劑量預測模型，而后基于預測所得劑量進行計劃自動優(yōu)化[4]。

為進一步探討AP自動計劃模塊在乳腺癌根治術后VMAT計劃中的自動優(yōu)化性能及臨床應用價值，本研究采用AP模塊對接受手動容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃（Manual Volumetric Modulated Arc Therapy，M-VMAT）治療的乳腺癌根治術后患者，采集臨床已接受M-VMAT計劃中的相關劑量體積直方圖（Dose Volume Histogram，DVH）參數(shù)作為自動計劃優(yōu)化參數(shù)進行自動容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃（Automated Volumetric Modulated Arc Therapy，A-VMAT）優(yōu)化，對A-VMAT計劃與M-VMAT計劃的相關劑量學參數(shù)、臨床實施效率及模體驗證通過率進行深入分析。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選取24例（右側(cè)：12例，左側(cè)：12例）在我院接受治療的同一主診組中鎖骨上淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的女性乳腺癌根治術后放療患者，納入標準：擇選CTV處方劑量為50 Gy、分割次數(shù)為25次臨床治療患者。患者年齡32～87歲，中位年齡為47歲。

1.2 定位掃描

患者躺于乳腺托架，仰臥位雙上肢外展上舉，具體角度根據(jù)患者身體狀況而定，在自由呼吸狀態(tài)下采用Siemens大孔徑CT（Siemens SOMATOM Definition AS）實施CT掃描，層厚為5 mm，分辨率為512×512。掃描范圍一般從中頸至膈下，將掃描所得圖像以DICOM RT格式傳輸至Pinnacle3 9.10計劃系統(tǒng)，由同一主診組醫(yī)生勾畫靶區(qū)（CTV：胸壁及鎖骨上淋巴結(jié)區(qū)，不超出皮下3 mm）及相應危及器官（左側(cè)肺、右側(cè)肺、心臟、脊髓、食管及健側(cè)乳腺）。

1.3 治療計劃設計

利用Pinnacle3 9.10計劃系統(tǒng)，基于瓦里安iX加速器手動設計容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃，采用2個半弧設計，射野機架角度范圍 ：左側(cè)乳腺通常為 179.9°～300°和 300°～179.9°；右側(cè)乳腺通常為 180.1°～65°和 65°～180.1°，具體起止角度各個患者略有差異；各射野機頭角度及X方向鎢門寬度根據(jù)靶區(qū)形狀進行合理調(diào)整；選擇6 MV X線，默認劑量率600 MU/min；通過計劃優(yōu)化使95%處方劑量包繞95%的CTV體積。為了進一步提高靶區(qū)適形度及降低危及器官受量需手動勾畫相應輔助結(jié)構(gòu)。

自動計劃優(yōu)化參數(shù)設置：使用Pinnacle3 9.10計劃系統(tǒng)AP模塊進行A-VMAT計劃的自動優(yōu)化，相關目標函數(shù)參照M-VMAT計劃DVH劑量學參數(shù)設置，包括：食管、脊髓及健側(cè)乳腺的最大劑量（Dmax）；心臟V30；健側(cè)肺V5；患側(cè)肺V5、V10、V20及平均劑量（Dmean）；輔助結(jié)構(gòu)體積參數(shù)Vx。自動計劃優(yōu)化最大迭代次數(shù)設置為60次，Tuning balance：11%，劑量跌落區(qū)間：2.6 cm，熱點最大值為107%處方劑量，優(yōu)化過程中冷點可自動生成。

1.4 劑量參數(shù)評估

主要包括：（1）靶區(qū)的Dmax、Dmean、CTV95%、CTV100%、CTV105%、HI和 CI[5]、機器跳數(shù)（MUs）以及射野出束時間。CTV95%、CTV100%及CTV105%分別為95%、100%及105%的處方劑量包繞的靶區(qū)體積百分比。HI=D5%/D95%，其中D5%為5%靶區(qū)體積所受到的照射劑量，D95%為95%靶區(qū)體積所受到的照射劑量；HI越接近1則靶區(qū)的劑量越均勻。其中Vt.ref為參考等劑量線所包繞的靶區(qū)體積，Vt為靶區(qū)體積，Vref是參考等劑量線包繞的總體積。CI值介于0～1之間，越接近于1，表示劑量分布適形度越好。（2）危及器官的評估參數(shù)主要包括Dmax、Dmean以及Vx。

1.5 計劃驗證

在計劃系統(tǒng)中將各患者計劃導入至ArcCheck的CT圖像序列中進行劑量計算并導出模體單次放療計劃（RT Plan，RP）及放療劑量（RT Dose，RD）文件；在加速器上完成實際劑量的驗證測量；利用SNC Patient驗證分析軟件按照3%/3 mm的γ分析標準對導出注量數(shù)據(jù)與實際測量結(jié)果進行定量對比。

1.6 統(tǒng)計學方法

數(shù)據(jù)以均值±標準差表示，采用SPSS17.0軟件，對各項指標進行配對t檢驗統(tǒng)計分析，α＜ 0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量參數(shù)

對于靶區(qū)CTV：A-VMAT計劃的Dmax均小于M-VMAT計劃，但只有右側(cè)乳腺癌的結(jié)果具有統(tǒng)計學差異（t=3.17；P＜0.05）；HI與CI：左、右兩側(cè)乳腺癌A-VMAT計劃結(jié)果 均 優(yōu) 于 M-IMRT計 劃（t=5.53、-4.42；3.84、-5.61；P＜0.05）。與M-VMAT計劃相比A-VMAT計劃的CTV105%等高劑量體積范圍得到了有效的減?。╰=3.54，4.63；P＜0.05）。具體結(jié)果如表1所示。

表1 乳腺癌患者手動容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃和自動計劃的靶區(qū)劑量學比較（±s）

表1 乳腺癌患者手動容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃和自動計劃的靶區(qū)劑量學比較（±s）

靶區(qū) 組別 Dmax/Gy Dmean/Gy HI CI CTV95%/% CTV100%/% CTV105%/%左側(cè)M-VMAT 57.19±0.83 52.81±0.23 1.102±0.012 0.771±0.035 99.33±0.39 94.64±1.25 61.51±4.97 A-VMAT 56.76±0.50 52.44±0.39 1.091±0.012 0.801±0.029 99.52±0.34 95.36±0.85 49.46±12.88 t值 1.58 4.01 5.53 -4.42 -4.54 -2.11 3.54 P 值 0.148 0.003 ＜0.001 0.002 0.001 0.064 0.006右側(cè)M-VMAT 57.47±0.55 52.90±0.22 1.100±0.010 0.76±0.025 99.45±0.419 95.29±1.47563.75±5.697 A-VMAT 56.31±0.83 52.25±0.36 1.084±0.011 0.809±0.021 99.63±0.171 95.41±1.365 42.94±12.04 t 值 3.17 4.49 3.84 -5.61 -1.65 -0.23 4.63 P 值 0.011 0.002 0.004 ＜0.001 0.133 0.826 0.001

2.2 危及器官劑量體積參數(shù)比較

在健側(cè)肺受照劑量體積參數(shù)比較中，左、右兩側(cè)乳腺癌A-VMAT計劃的超低劑量區(qū)體積參數(shù)V2值相對于M-VMAT計劃有所增加，但不具有顯著性差異，而V5及以上的體積參數(shù)則低于M-VMAT計劃，且各組計劃比較中V5均具有統(tǒng)計學差異（t=3.64，2.32；P＜0.05）。對于患側(cè)肺組織，左、右兩側(cè)乳腺癌A-VMAT計劃的V40等高劑量區(qū)體積參數(shù)均低于M-VMAT計劃，但只有左側(cè)乳腺癌具有統(tǒng)計學差異（t=2.82，2.60；P＜0.05）。

心臟受照劑量體積比較：左、右兩側(cè)乳腺癌A-VMAT計劃的V2高于M-VMAT計劃，左側(cè)乳腺癌計劃的V30也呈現(xiàn)相似結(jié)果，但均無統(tǒng)計學差異；而右側(cè)乳腺癌患者心臟V5以上的各Vx則低于M-VMAT計劃，且V20、V30的差異有統(tǒng)計學意義。食管的Dmax、V20及V30等結(jié)果A-VMAT計劃顯著低于M-VMAT計劃（P＜0.05）；V2：左側(cè)乳腺癌患者A-VMAT計劃高于M-VMAT計劃，而右側(cè)乳腺癌患者則呈現(xiàn)相反趨勢。對于健側(cè)乳腺各參數(shù)：與V2結(jié)果不同，A-VMAT計劃的Dmax及V5均低于M-VMAT計劃。脊髓的Dmax：左、右兩側(cè)乳腺癌A-VMAT計劃結(jié)果均顯著低于M-VMAT計劃（t=4.29，3.98；P＜0.05）。具體數(shù)值如表2～3所示。

表2 左側(cè)乳腺癌患者手動容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃和自動計劃中危及器官的劑量學統(tǒng)計評估(±s)

表2 左側(cè)乳腺癌患者手動容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃和自動計劃中危及器官的劑量學統(tǒng)計評估(±s)

危及器官 組別 Dmax/Gy Dmean/Gy V2 V5 V10 V20 V30 V40左側(cè)肺M-VMAT 55.19±0.62 12.39±0.92 99.01±0.97 56.65±4.17 33.99±1.67 20.88±2.39 13.79±2.25 7.55±1.71 A-VMAT 54.55±0.78 12.20±1.13 98.94±1.49 55.99±7.92 33.86±2.55 20.69±2.75 13.28±2.41 6.91±1.50 t 值 2.34 1.88 0.30 0.34 0.40 0.54 1.83 2.82 P 值 0.043 0.093 0.768 0.739 0.701 0.604 0.100 0.020右側(cè)肺M-VMAT 22.79±10.53 2.78±0.55 58.84±18.89 10.56±3.46 0.68±0.41 0.03±0.08 0.01±0.02 0 A-VMAT 20.47±9.96 2.70±0.41 62.25±14.66 6.92±2.19 0.32±0.29 0.02±0.06 0±0 0 t 值 2.72 0.72 -0.70 3.64 3.78 1.58 1.25 -P 值 0.024 0.489 0.500 0.005 0.004 0.148 0.244 -心臟M-VMAT 47.71±8.77 10.39±2.38 98.79±2.31 76.19±9.93 36.04±15.17 10.43±6.56 3.99±3.16 1.47±1.63 A-VMAT 47.58±7.54 9.96±2.50 99.94±0.13 76.84±13.49 31.59±15.48 9.30±6.77 4.10±3.65 1.42±1.49 t 值 0.19 1.55 -1.62 -0.34 2.22 1.42 -0.44 0.34 P 值 0.853 0.155 0.140 0.740 0.054 0.189 0.672 0.744食管M-VMAT 44.85±4.49 13.76±3.89 99.34±1.48 83.58±21.80 53.11±25.30 22.96±9.31 9.96±7.47 2.22±3.18 A-VMAT 41.52±5.53 11.88±3.63 99.63±1.07 77.68±27.07 45.04±22.71 17.73±9.65 6.22±5.24 0.77±1.49 t 值 4.44 5.73 -0.64 0.90 4.50 3.17 2.90 2.54 P 值 0.002 ＜0.001 0.537 0.390 0.001 0.011 0.018 0.032右側(cè)乳腺M-VMAT 10.82±3.01 2.54±0.49 55.24±13.16 8.04±6.03 0.01±0.02 0 0 0 A-VMAT 9.13±2.90 2.52±0.43 56.63±12.44 6.32±4.74 0±0.01 0 0 0 t 值 3.76 0.20 -1.01 0.97 1.35 - - -P 值 0.004 0.847 0.339 0.358 0.210 - - -脊髓M-VMAT 17.19±6.44 5.42±2.57 - - - - - -A-VMAT 12.49±4.73 4.80±1.81 - - - - - -t 值 4.29 1.72 - - - - - -P 值 0.002 0.120 - - - - - -

表3 右側(cè)乳腺癌患者手動容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃和自動計劃中危及器官的劑量學統(tǒng)計評估(±s)

表3 右側(cè)乳腺癌患者手動容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃和自動計劃中危及器官的劑量學統(tǒng)計評估(±s)

危及器官 組別 Dmax/Gy Dmean/Gy V2 V5 V10 V20 V30 V40左側(cè)肺M-VMAT 15.67±3.48 2.83±0.8260.63±29.26 10.35±4.79 0.41±0.33 0 0 0 A-VMAT 12.67±1.95 2.85±0.6068.35±22.32 7.61±2.00 0.24±0.29 0 0 0 t 值 2.93 -0.14 -2.05 2.32 1.83 - - -P 值 0.017 0.894 0.071 0.046 0.101 - - -右側(cè)肺M-VMAT 54.97±1.13 12.53±0.56 98.88±1.11 59.19±4.25 34.54±2.07 21.39±1.54 13.80±1.15 7.02±1.03 A-VMAT 53.93±0.7112.70±0.6199.45±0.72 61.69±7.5535.39±2.4421.60±1.4713.83±1.12 7.01±0.90 t 值 3.34 -2.69 -1.54 -1.29 -3.42 -1.48 -0.30 0.01 P 值 0.009 0.025 0.158 0.228 0.008 0.172 0.774 0.991心臟M-VMAT 31.68±13.62 7.01±3.36 86.15±14.37 52.79±29.14 20.70±18.69 4.61±5.19 1.13±1.30 0.11±0.18 A-VMAT 28.28±12.65 0.58±2.92 92.92±7.98 52.75±30.09 16.41±17.17 2.72±3.71 0.41±0.62 0.01±0.02 t 值 2.49 1.10 -1.84 0.01 1.48 2.56 2.76 1.84 P 值 0.034 0.300 0.099 0.994 0.172 0.031 0.022 0.099食管M-VMAT 41.21±2.94 9.33±2.76 94.23±5.67 60.37±24.43 31.31±16.56 11.48±5.26 3.56±2.55 0.15±0.23 A-VMAT 36.81±3.82 8.63±2.20 93.79±10.62 61.92±22.36 30.55±14.10 7.46±3.48 1.48±1.56 0.02±0.05 t 值 5.66 2.58 0.20 -0.71 0.34 3.30 2.57 2.25 P 值 ＜0.001 0.030 0.846 0.496 0.744 0.009 0.030 0.051左側(cè)乳腺M-VMAT 10.06±1.63 2.73±0.5866.79±20.69 7.28±3.49 0.01±0.01 0 0 0 A-VMAT 9.14±1.95 2.80±0.4170.02±14.66 6.81±3.01 0.01±0.02 0 0 0 t 值 2.15 -0.73 -1.02 0.46 -0.96 - - -P 值 0.060 0.486 0.332 0.659 0.363 - - -脊髓M-VMAT 19.57±7.60 5.74±2.15 - - - - - -A-VMAT 16.20±6.02 5.06±1.64 - - - - - -t 值 3.98 2.42 - - - - - -P 值 0.003 0.038 - - - - - -

2.3 機器跳數(shù)、計劃驗證通過率及出束時間

兩組乳腺癌A-VMRT計劃的平均MUs值均小于M-VMAT計劃，但差異無統(tǒng)計學意義；各組內(nèi)兩種計劃方式的出束時間差異無統(tǒng)計學意義。左側(cè)和右側(cè)乳腺癌患者A-VMRT計劃的模體驗證通過率均較M-VMAT計劃有所提升，但差異無統(tǒng)計學意義，見表4。

表4 乳腺癌患者手動容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃和自動計劃的機器跳數(shù)、出束時間及模體驗證通過率的分析結(jié)果(±s)

表4 乳腺癌患者手動容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃和自動計劃的機器跳數(shù)、出束時間及模體驗證通過率的分析結(jié)果(±s)

危及器官 組別 機器跳數(shù) 出束時間/s驗證通過率/%左側(cè)M-VMAT 597.90±73.36 109.19±3.63 97.30±1.48 A-VMAT 583.40±96.40 109.29±3.64 97.62±0.98 t 值 0.51 -10.00 -0.56 P 值 0.620 0.063 0.591右側(cè)M-VMAT 611.10±43.81 110.69±1.47 97.40±0.73 A-VMAT 596.80±53.50 109.48±0.79 97.82±0.63 t 值 0.69 2.52 -1.41 P 值 0.509 0.240 0.192

3 討論

目前，自動計劃是國內(nèi)外放療領域的研究熱點之一[6-7]，對于在乳腺癌放療中的應用也有相關研究[8-9]。本研究分別對基于Pinnacle3 9.10計劃系統(tǒng)的左、右兩側(cè)乳腺癌患者的A-VMAT計劃與M-VMAT計劃進行劑量評價研究，結(jié)果表明A-VMAT計劃在靶區(qū)適形度、劑量均勻性方面顯著優(yōu)于M-VMAT計劃，與彭瑩瑩等[10]研究結(jié)果相一致；同時在OAR劑量方面：肺、心臟的高劑量區(qū)體積以及健側(cè)乳腺、食管和脊髓的最大劑量方面具有明顯優(yōu)勢。研究結(jié)果表明Pinnacle3 9.10計劃系統(tǒng)的AP模塊在乳腺癌VMAT計劃自動優(yōu)化時能對靶區(qū)和OAR的權重進行最大限度的調(diào)節(jié)，更好地實現(xiàn)劑量分布的優(yōu)化，在保證靶區(qū)覆蓋率及劑量均勻性的前提下盡可能地收緊對危及器官劑量的限制，同時可減小各個危及器官限量在相似靶區(qū)之間的變化，使得自動計劃危及器官的最大劑量普遍比人工計劃低，大大改善總體計劃的質(zhì)量[11]，這是自動計劃最大的優(yōu)勢[12-13]。

AP自動優(yōu)化過程需要人為預先設定各目標函數(shù)，其劣勢在于無法精確確定合理的目標函數(shù)值，若某些參數(shù)設置不合理，則自動優(yōu)化的最終放療計劃可能出現(xiàn)靶區(qū)劑量欠佳或OAR超劑量等問題，因此AP在放療計劃的個體化應用方面存在一定的局限性[14]。隨著放療物理技術的進步，當前放射治療計劃劑量預測模式逐漸成熟，從最初的使用距離目標直方圖或器官體積直方圖等進行OAR的DVH預測[15]，到使用深度學習進行放射治療劑量分布的預測[16-17]，均能夠得到良好的預測結(jié)果[18]。因此，使用預測所得精度更高的目標函數(shù)作為AP的自動優(yōu)化目標函數(shù)，可以獲得更適用于臨床的放射治療計劃。

自動計劃質(zhì)量通?？梢詽M足臨床需求而無需人工干預，但對于特殊的臨床劑量限制要求，可以在自動計劃的基礎上進一步實施人工優(yōu)化以獲得更高質(zhì)量的計劃。本研究中自動計劃的初次優(yōu)化結(jié)果顯示靶區(qū)CTV的DVH曲線陡直，能有效控制劑量熱點的生成，使得Dmax顯著小于A-VMAT計劃，同時也造成靶區(qū)處于嚴重欠量狀態(tài)，為了提高靶區(qū)處方劑量覆蓋度，需要放寬靶區(qū)Dmax的目標函數(shù)限值再次進行人工調(diào)試，同樣對于靶區(qū)外的高劑量區(qū)也需要再次補充添加新的目標函數(shù)進行迭代優(yōu)化，通常人工調(diào)試次數(shù)遠低于單純手動計劃[19]。計劃設計過程中發(fā)現(xiàn)A-VMAT計劃初次迭代優(yōu)化后的MUs值通常小于M-VMAT計劃，但隨著后續(xù)人工調(diào)試次數(shù)及目標函數(shù)的增加，MUs值呈增加趨勢。臨床應用過程中自動計劃簡化了計劃優(yōu)化過程，增強了計劃的一致性，同時顯著減少了治療計劃所需時間和醫(yī)療資源[20]。

總之，AP模塊具備完善的自動優(yōu)化性能，對于乳腺癌根治術后患者，可簡化VMAT計劃步驟，同時使計劃設計流程更加規(guī)范化、計劃質(zhì)量趨于標準化。與M-VMAT計劃相比，基于AP的A-VMAT計劃具有更佳的靶區(qū)劑量分布及更低的正常組織受量，且同時可獲得更高的計劃優(yōu)化效率。本研究為乳腺癌根治術后患者廣泛開展基于A-VMAT計劃的放射治療提供一定的理論支持；但不足之處在于A-VMAT計劃的目標函數(shù)主要參考M-VMAT計劃所得的DVH參數(shù)，而M-VMAT計劃結(jié)果易受計劃設計者的臨床經(jīng)驗與主觀傾向影響；進而有可能造成A-VMAT計劃無法實現(xiàn)對危及器官的最佳保護，從而無法準確展現(xiàn)其最優(yōu)性能。后續(xù)研究將對更加精準的劑量預測目標函數(shù)獲取方法進行探討，以推進A-VMAT技術在放療中的應用，從而有效改善患者生存質(zhì)量。