【作 者】解傳濱 ，戴相昆，申紅峰，陳高翔，王海洋，葛瑞剛，鞏漢順，楊濤，徐壽平，張高龍，曲寶林

1 中國人民解放軍總醫(yī)院 第一醫(yī)學中心 放射治療科，北京市，100853

2 北京航空航天大學 物理學院，北京市，100191

0 引言

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一，保乳術(shù)聯(lián)合放療不僅可有效去除腫瘤，還可極大提高患者生活質(zhì)量，逐漸成為標準治療模式[1-2]。傳統(tǒng)標準全乳照射通常采用2個楔形切線射野沿胸壁進行全乳照射。隨著放療技術(shù)發(fā)展，調(diào)強放療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）以其較好的劑量特性在實現(xiàn)靶區(qū)較好劑量分布同時有效降低危及器官（organs at risk，OARs）受照劑量，進而提升患者生存率[3-4]，已成為乳腺癌放療的主流技術(shù)，而計劃設(shè)計作為IMRT重要環(huán)節(jié)成為影響治療質(zhì)量的關(guān)鍵所在。常規(guī)IMRT逆向計劃設(shè)計是根據(jù)患者影像并結(jié)合臨床要求，給出確定劑量目標函數(shù)，通過設(shè)置射野參數(shù)、優(yōu)化目標約束、計劃優(yōu)化、計劃結(jié)果顯示、計劃評估等步驟對計劃進行不斷優(yōu)化直至滿足臨床要求，這個過程不僅耗時耗力[5]，且計劃效果極度依賴于計劃設(shè)計者的經(jīng)驗與水平[6]，計劃質(zhì)量一致性得不到保證。近年來，自動計劃（automatic plan，AP）成為各放療中心的研究熱點[7-8]，各治療計劃系統(tǒng)（treatment planning system,TPS）廠商也提出了基于預測模型的AP、基于協(xié)議的自動迭代優(yōu)化以及多目標優(yōu)化等多種AP方法。而對于乳腺癌保乳術(shù)后病例的計劃設(shè)計，射野參數(shù)設(shè)置直接影響計劃效果，且不同病例之間射野參數(shù)（機架角度、準直器角度等）差異較大，對于AP設(shè)計特別是射野添加部分提出了更高要求。因此如何通過物理師過往病例的計劃制作經(jīng)驗，總結(jié)出一套可行的計劃設(shè)計方案，是乳腺癌保乳術(shù)后放療AP的關(guān)鍵。本研究提出一種程序化、自動化的AP設(shè)計方法，進而完成基于TiGRT 計劃系統(tǒng)的AP設(shè)計與結(jié)果評估，并與手動計劃（manual plan，MP）進行比較分析，以期為乳腺癌保乳術(shù)后及其他相關(guān)類型腫瘤的放療AP提供參考。

1 材料與方法

1.1 AP優(yōu)化方法

計劃優(yōu)化過程是根據(jù)已設(shè)置的射野參數(shù)和優(yōu)化約束，生成一個可執(zhí)行的治療計劃，共分為四個階段：①準備階段，即指定患側(cè)肺和靶區(qū)，選擇機器數(shù)據(jù)；②添加射野階段；③添加約束條件階段；④計劃優(yōu)化和評估階段。

1.1.1 添加射野

（1）“切線野”添加

一般情況下，乳腺癌術(shù)后放療計劃切線野共有2個角度且角度接近對穿（相差接近180°）。首先將判斷是否為切線野的條件量化為：在當前機架角條件下，射野方向觀（beam eye’s view,BEV）上患側(cè)肺與靶區(qū)的重疊面積最小。因此，只需要逐角度地計算二者的重疊面積即可得到最優(yōu)的切線野機架角，切線野機架角計算流程，如圖2所示。

圖2 切線野機架角計算流程Fig.2 The process of calculating the gantry angle

（2）“固定鉛門野（Fixed Jaw，F(xiàn)J）”添加

相對切線野，F(xiàn)J的機架角相對切線野一般偏轉(zhuǎn)10°～30°左右，分布4～6個不等；射野邊緣盡量貼合患側(cè)肺邊緣，同時足以包括弧度接近入射角度的部分靶區(qū)，使射野切肺盡可能少。布野以BEV上靶區(qū)前邊界或者后邊界為邊界，固定鉛門野鎢門范圍計算流程，如圖3所示。固定鉛門野示例，如圖4所示。以它為例，經(jīng)過等中心點且垂直于機架角平面將靶區(qū)切分為兩部分，如圖5所示，即上半部分靶區(qū)和下半部分靶區(qū)；分別計算兩部分BEV輪廓，如圖6所示，可見上部輪廓是需要保留的，鉛門范圍即為上部輪廓范圍外擴邊界。

圖3 固定鉛門野鎢門范圍計算流程Fig.3 The process of calculating the fixed jaw

圖4 固定鉛門野示例Fig.4 The example of fixed jaw

圖5 切分靶區(qū)為兩部分Fig.5 The target is divided into two parts

圖6 靶區(qū)兩部分的BEV輪廓Fig.6 BEV outline of two parts of the target

（3）準直器角度和鉛門范圍設(shè)置

調(diào)整準直器角度，以更好地適形靶區(qū)形狀，同時切肺較少；同時外放鉛門范圍，使患者在呼吸過程中，鉛門始終完整地包括靶區(qū)，減少漏照射現(xiàn)象，同時放寬靠近皮膚鉛門范圍以減小呼吸影響。

1.1.2 添加約束條件

（1）輔助器官：R0.5（PTV外擴5 mm-PTV），R1.5（PTV外擴15 mm–PTV外擴5 mm），R2.5（PTV外擴25 mm–PTV外擴15 mm）。

（2）優(yōu)化約束：靶區(qū)和輔助器官（R0.5，R1.5，R2.5）的劑量和劑量體積約束。按照靶區(qū)處方為2 Gy×25次，約束條件，如圖7所示。

圖7 計劃約束條件Fig.7 The constrains of plans

1.2 計劃自動評估方法

將靶區(qū)要求（適形度、均勻度等）和OARs限量要求具體化為推薦評價標準并形成推薦評分表，在計劃完成后，直接給出當前計劃的評分，用以自動評估計劃優(yōu)劣。以評價PTV的D95為例，當D95≤49.2 Gy（X1），Y1得分為0（Y1），當D95≥50 Gy，得分為15（Y2），如表1所示。

1.3 計劃設(shè)計與評估分析

選取10例保乳術(shù)后放療的乳腺癌患者（左側(cè)患者6例，右側(cè)患者4例）CT圖像經(jīng)DiCOM網(wǎng)絡傳輸?shù)絋iGRT系統(tǒng)，手動勾畫靶區(qū)并應用自動勾畫模塊完成OARs勾畫，按照系統(tǒng)要求選擇機器數(shù)據(jù)，加速器選擇VenusX（雷泰醫(yī)療，中國），光柵采用雙層光柵，劑量網(wǎng)格為0.3，分割時上層光柵做CRT，Margin設(shè)為1.0，下層光柵實施滑窗調(diào)強，射野采用自動快速添加，約束條件調(diào)用標準模板，處方設(shè)為50 Gy/25 F，啟動AP設(shè)計，計劃完成后根據(jù)預設(shè)評分表自動給出計劃分數(shù)。同時，由資深物理師對10例患者進行MP設(shè)計。兩組計劃均要求處方劑量線包繞95%靶區(qū)體積，評估指標包括靶區(qū)適形度CI、均勻度HI，患側(cè)肺及總肺的V5、V20、V30、心臟的Dmean、V5、脊髓的Dmax，并對每個指標做配對t檢驗，P<0.05差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量學參數(shù)

兩組計劃均實現(xiàn)了處方劑量對靶區(qū)的較好覆蓋，在靶區(qū)劑量指標方面，AP靶區(qū)D98高于MP，但差異無統(tǒng)計學意義（P=0.87），而D2兩組計劃差異較??；AP的CI明顯高于MP，且差異有統(tǒng)計學意義（P=0.02）；AP的HI略優(yōu)于MP，但優(yōu)勢不明顯，如表2所示。

表2 兩組計劃靶區(qū)劑量學參數(shù)比較（±s）Tab.2 Comparison of dosimetric parameters of targets between the two groups of plans

表2 兩組計劃靶區(qū)劑量學參數(shù)比較（±s）Tab.2 Comparison of dosimetric parameters of targets between the two groups of plans

2.2 OARs劑量學參數(shù)

AP組患側(cè)肺和總肺V5、V20、V30均低于MP；AP組心臟平均劑量略高于MP，V30略低于MP；AP組脊髓受量低于MP。如表3所示。

表3 兩組計劃OARs劑量學參數(shù)比較（±s）Tab.3 Comparison of dosimetric parameters of OARs between the two groups of plans

表3 兩組計劃OARs劑量學參數(shù)比較（±s）Tab.3 Comparison of dosimetric parameters of OARs between the two groups of plans

2.3 機器跳數(shù)和評估得分

AP組機器跳數(shù)為（1 158±184）MU，明顯高于MP組的（997±255）MU，且差異具有統(tǒng)計學意義（P=0.04）；AP最終評估得分為72.62±23.85，明顯高于MP組得分68.64±25.16，但差異無統(tǒng)計學意義（P=0.07）。

3 討論

對于AP的開發(fā)與應用，國內(nèi)外學者已做了大量研究，首先是基于先驗知識（knowledge based planning,KBP）的AP，建立了解剖結(jié)構(gòu)與計劃劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）之間的關(guān)系[9]，此方法針對相關(guān)病例的研究已有報道，但這些病例多為前列腺癌、宮頸癌和鼻咽癌等射野方向較為固定的病種[10-11]；而劑量預測（dose prediction）方法直接通過神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習的方法建立解剖結(jié)構(gòu)與最終劑量的關(guān)系[12-13]，類似于DVH預測，該方法也主要集中應用在鼻咽癌等病例上[14-15]；在商用軟件系統(tǒng)中應用較為廣泛的Auto-plan技術(shù)則使用腳本來模擬手動計劃時勾畫冷熱點、反復優(yōu)化的過程[16-17]，這種方法對各類病種具備普適性并在乳腺癌計劃設(shè)計中已有相關(guān)研究[18-19]，但計劃設(shè)計時間相對較長。本研究針對乳腺癌保乳術(shù)后的計劃制作，程序化的完成射野添加步驟，總結(jié)出一套成熟的優(yōu)化約束表，并將此方法集成在雷泰醫(yī)療的TiGRT TPS上，實現(xiàn)了乳腺癌保乳術(shù)后全AP設(shè)計以及自動評估，大大提高了計劃效率。

從計劃質(zhì)量上看，AP整體優(yōu)于MP，AP靶區(qū)CI值明顯較高，均值達到0.81，OARs受量有所減少，但AP相較MP的MU值增加了16.1%。在計劃設(shè)計中，發(fā)現(xiàn)一例患者計劃質(zhì)量較差，特別是靶區(qū)適形度和均勻性，分析發(fā)現(xiàn)該患者的胸壁較薄，同時靶區(qū)彎曲幅度較大，在射野角度設(shè)計時，需盡可能拉大射野間角度間隔。因此，在此類病例情況下，在設(shè)計固定鉛門野與切線野機架角間隔時，原設(shè)定間隔已無法滿足實際臨床需求，而是要將靶區(qū)彎曲幅度考慮進來，建立機架角間隔和彎曲幅度之間的關(guān)系。另有一例患者靶區(qū)包含乳腺部分及鎖骨上區(qū)域，采用原布野方式造成了患側(cè)肺和總的V5、V20、V3y均偏高，這也說明了現(xiàn)有優(yōu)化布野方式對于一些特殊病例還存在局限性。因此，在后續(xù)AP的改進中，需考慮靶區(qū)多樣性，并針對需要照射鎖骨上及內(nèi)乳區(qū)患者能夠進一步自動分割出胸壁部分、鎖骨上部分以及內(nèi)乳區(qū)部分，進而給出一套更為全面合理的射野設(shè)計方案，這也將是我們后續(xù)研究的重點。

綜上，本研究提出了一種乳腺癌保乳術(shù)后病例AP設(shè)計方法，在有效地將計劃制作程序化、自動化同時保證了計劃質(zhì)量，可以應用于乳腺癌保乳術(shù)后放射治療計劃設(shè)計。