桂記龍,鄒小艷

(四川省自貢市第一人民醫(yī)院:1.信息科;2.腫瘤科 643000)

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一。乳腺癌根治術(shù)后胸壁放射治療可以明顯降低腫瘤局部和區(qū)域淋巴結(jié)復(fù)發(fā)率,提高治愈率[1]。放射治療技術(shù)作為乳腺癌的一種重要的治療方式,目前已越來越廣泛地應(yīng)用于臨床[2]。在傳統(tǒng)的計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中,計(jì)劃的質(zhì)量往往依賴于計(jì)劃設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和技巧,不同地域、不同年資的物理師計(jì)劃質(zhì)量存在差異性,且物理師花費(fèi)大量時(shí)間優(yōu)化靶區(qū)和危及器官劑量,尋找最優(yōu)的計(jì)劃方案,耗時(shí)耗力。人工放療計(jì)劃質(zhì)量與人為因素有很大關(guān)系,自動(dòng)計(jì)劃能很好地解決人為差異，提高計(jì)劃質(zhì)量,自動(dòng)計(jì)劃是近年來的研究熱點(diǎn)[3-5]。具有代表性的有美國(guó)瓦里安公司Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)的Rapidplan優(yōu)化模塊及飛利浦公司Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)的Autoplan。本研究利用Rapidplan優(yōu)化模塊建立左側(cè)乳腺癌根治術(shù)后胸壁固定野調(diào)強(qiáng)放療自動(dòng)計(jì)劃,首先由物理師在Eclipse v13.6計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system,TPS)制訂人工計(jì)劃,比較自動(dòng)計(jì)劃和人工計(jì)劃的劑量學(xué)特性,分析Rapidplan優(yōu)化模塊在左側(cè)乳腺癌根治術(shù)后胸壁固定野調(diào)強(qiáng)放療應(yīng)用的可行性,為臨床提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

對(duì)2020年1月至2021年1月在本院治療的20例左側(cè)乳腺癌根治術(shù)后患者資料進(jìn)行回顧性分析。放療靶區(qū)包括左側(cè)胸壁及鎖骨上淋巴引流區(qū)。使用熱塑膜及專用碳纖維板和枕頭固定患者,統(tǒng)一取仰臥位,采用CT模擬定位機(jī)進(jìn)行增強(qiáng)掃描,CT掃描層厚3 mm,掃描范圍為環(huán)狀軟骨到第2腰椎。靶區(qū)勾畫參照ICRU-62號(hào)報(bào)告。本研究對(duì)象為乳腺癌根治術(shù)后患者,不涉及腫瘤區(qū)(gross target volume,GTV),僅有臨床靶區(qū)(clinical target volume,CTV)和計(jì)劃靶區(qū)(planning target volume,PTV)。勾畫CTV,其中CTV包括鎖骨上下淋巴引流區(qū)域、胸壁。CTV外放5 mm成為PTV。勾畫心臟、脊髓、健側(cè)乳腺、肱骨頭、食道、甲狀腺、肝臟及雙側(cè)肺組織等危及器官(organ at risk,OAR),所有患者胸壁放療技術(shù)均采用固定野調(diào)強(qiáng)放療。

1.2 方法

1.2.1計(jì)劃設(shè)計(jì)

瓦里安Eclipse V13.6計(jì)劃系統(tǒng)的Rapidplan模塊是一種基于先驗(yàn)知識(shí)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法,它通過提取分析模型庫中靶區(qū)和危及器官的空間位置信息及劑量分布信息,能夠很好地預(yù)測(cè)放療計(jì)劃,Rapidplan模塊需要通過計(jì)劃數(shù)據(jù)庫來建立和訓(xùn)練劑量體積直方圖(dose volume histogram,DVH)預(yù)測(cè)模型。模型庫的具體創(chuàng)建流程[6]：首先,在模塊中創(chuàng)建一個(gè)新的模型,對(duì)其進(jìn)行模型描述、臨床描述、適用范圍、添加結(jié)構(gòu)等信息的填寫。然后導(dǎo)入選擇的20例左側(cè)乳腺病例制訂自動(dòng)優(yōu)化模塊,提取特定參數(shù),訓(xùn)練并核實(shí),最終形成基于解剖特性和先驗(yàn)知識(shí)的乳腺癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃自動(dòng)優(yōu)化模塊。處方劑量均為50 Gy/25 F。各危及器官的劑量參數(shù)為全肺V5<60%、V20<30%、 V30<20%；心臟 V30<40%、V40<30%、Dmean<12 Gy,脊髓Dmax<45 Gy,健側(cè)乳腺Dmean<5 Gy。人工計(jì)劃為既往臨床治療完成的計(jì)劃,均由物理師手工完成。人工計(jì)劃均采用與自動(dòng)計(jì)劃相同的能量、處方、布野及優(yōu)化算法。

1.2.2計(jì)劃評(píng)估

根據(jù)劑量-體積直方圖(dose-volume histogram,DVH)來評(píng)價(jià)靶區(qū)和危及器官的劑量學(xué)參數(shù),參考ICRU-83號(hào)報(bào)告[7]。靶區(qū)的劑量學(xué)參數(shù)：D2、D98、平均劑量Dmean,其中D2、D98分別為包圍靶區(qū)體積2%、98%的最小劑量；均勻性指數(shù)(HI)=(D2-D98)/D50,其中D50為包圍靶區(qū)體積50%的最小劑量,HI值越接近0,表明靶區(qū)的均勻性越好。適形度指數(shù)(CI)=(VT,ref/VT)×(VT,ref/Vref),其中ref為95%處方劑量所覆蓋的靶區(qū)體積,VT為靶區(qū)體積,Vref為95%處方劑量所覆蓋的總體積,CI值越接近于1,說明靶區(qū)的適形度越好。各危及器官的劑量參數(shù)為全肺V5、V20、 V30；心臟 V30、V40、Dmean;脊髓Dmax;健側(cè)乳腺Dmean。此外,評(píng)估各計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)(monitor unit,MU)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

所有數(shù)據(jù)采用SPSS22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,采用配對(duì)t檢驗(yàn)處理自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃的差異,P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 DVH比較

某個(gè)病例靶區(qū)和危及器官的DVH對(duì)比,自動(dòng)計(jì)劃大部分危及器官受量低于人工計(jì)劃,自動(dòng)計(jì)劃靶區(qū)均勻性也更好，見圖1。

圖1 自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃DVH對(duì)比

2.2 靶區(qū)和危及器官劑量學(xué)參數(shù)比較

基于Rapidplan模塊的自動(dòng)計(jì)劃與物理師手動(dòng)完成的人工計(jì)劃D2差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),但D98、Dmean、CI差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；自動(dòng)計(jì)劃的HI優(yōu)于人工計(jì)劃,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見表1。

表1 靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)比較

自動(dòng)計(jì)劃全肺V5、V20均低于人工計(jì)劃,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),但全肺 V30差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.789),自動(dòng)計(jì)劃心臟 V30、V40、Dmean均比人工計(jì)劃低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。脊髓Dmax、右乳(健側(cè)乳腺)Dmean也是自動(dòng)計(jì)劃低于人工計(jì)劃,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),見表2。

表2 危及器官劑量學(xué)參數(shù)比較

2.3 計(jì)劃優(yōu)化效率與機(jī)器跳數(shù)比較

人工計(jì)劃的平均優(yōu)化時(shí)間為(48.35±13.02)min,自動(dòng)計(jì)劃平均優(yōu)化時(shí)間為(35.53±12.35)min,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。人工計(jì)劃MU為1 506±311,自動(dòng)計(jì)劃MU為1 192±182,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

3 討 論

放射治療是乳腺癌患者的重要治療手段之一,在IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)中,需要物理師手動(dòng)完成,并反復(fù)優(yōu)化直至滿足臨床需求,為獲取更高質(zhì)量的計(jì)劃,需要耗費(fèi)大量的時(shí)間,計(jì)劃的質(zhì)量依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)與技巧。而自動(dòng)計(jì)劃可有效節(jié)約人力資源,降低不同設(shè)計(jì)者計(jì)劃設(shè)計(jì)的差異,滿足高質(zhì)量的計(jì)劃設(shè)計(jì)要求。近年來,自動(dòng)計(jì)劃技術(shù)被引入到各部位腫瘤放療計(jì)劃設(shè)計(jì)中[8-9]。在使用Rapidplan優(yōu)化模塊過程中,其結(jié)果也不是全自動(dòng)的,其優(yōu)化過程往往需要手動(dòng)調(diào)整靶區(qū)的權(quán)重和參數(shù),仍然需要多次微調(diào),但沒有增加計(jì)劃設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度,優(yōu)化的時(shí)間相對(duì)于人工計(jì)劃有大幅度降低(26.51%)。

固定野調(diào)強(qiáng)放療在保證靶區(qū)劑量的情況下保護(hù)了靶區(qū)周邊的危及器官,在多種腫瘤放療中均有報(bào)道[10-11]。減少肺、心臟等的照射劑量和照射體積可以降低放射性肺炎和放射性相關(guān)心臟病的發(fā)生[12]。本研究以左側(cè)乳腺癌為例,基于Eclipse v13.6計(jì)劃系統(tǒng)Rapidplan模塊探討IMRT自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃的區(qū)別,通過比較兩種放療計(jì)劃部分劑量學(xué)參數(shù),探討自動(dòng)計(jì)劃在左側(cè)乳腺癌術(shù)后胸壁固定野優(yōu)化放療計(jì)劃的應(yīng)用價(jià)值。臨床研究指出,與人工計(jì)劃相比,自動(dòng)計(jì)劃在部分腫瘤放療計(jì)劃中能夠有效地實(shí)現(xiàn)計(jì)劃時(shí)間與質(zhì)量的優(yōu)化[13-14]。對(duì)左側(cè)乳腺癌術(shù)后胸壁放療自動(dòng)計(jì)劃應(yīng)用價(jià)值,未見有明確報(bào)道,本研究結(jié)果顯示,自動(dòng)計(jì)劃比人工計(jì)劃靶區(qū)HI更有優(yōu)勢(shì)(P<0.05),自動(dòng)計(jì)劃的靶區(qū)均勻性明顯提高,這與吳建篪等[14]的研究結(jié)果類似。危及器官方面,肺、心臟、脊髓等大多數(shù)指標(biāo)人工計(jì)劃高于自動(dòng)計(jì)劃,自動(dòng)計(jì)劃全肺的V5、V20均小于人工計(jì)劃,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),而 V30差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.789)。心臟 V30、V40、Dmean結(jié)果為自動(dòng)計(jì)劃小于人工計(jì)劃,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。GALLIO等[15]比較了肝癌立體定向放射治療Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)的自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃靶區(qū)和危及器官劑量學(xué)參數(shù)、機(jī)器跳數(shù)、計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間等,發(fā)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)劃能降低脊髓劑量和減少計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間,這與本研究結(jié)論基本一致。本研究自動(dòng)計(jì)劃肺、心臟、脊髓等危及器官劑量降低,且計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間減少26.51%,提高了優(yōu)化效率,根本原因在于Rapidplan是一種基于解剖結(jié)構(gòu)和先驗(yàn)知識(shí)的人工智能方法。在使用Rapidplan模塊進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí),模塊既可以為每個(gè)危及器官提供一個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)間供物理師參考,使用Rapidplan自動(dòng)計(jì)劃生成的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí),危及器官的劑量是按照預(yù)測(cè)區(qū)間的整個(gè)下限線進(jìn)行優(yōu)化。因此不僅可以有效地避免人工優(yōu)化過程由于主觀性導(dǎo)致的欠優(yōu)計(jì)劃,在優(yōu)化過程中幫助物理師在制作過程中快速修改；而且對(duì)于每個(gè)危及器官而言,優(yōu)化的目標(biāo)參數(shù)也從常規(guī)的點(diǎn)擴(kuò)大到了線,可以達(dá)到盡可能低的限值,從而獲得了比常規(guī)臨床計(jì)劃更佳的劑量分布,也提高了計(jì)劃制作的效率[6]。ZHANG等[16]和任江平等[17]比較了鼻咽癌自動(dòng)計(jì)劃與人工計(jì)劃特點(diǎn),認(rèn)為自動(dòng)計(jì)劃不僅有很好的靶區(qū)均勻性和適行度,還降低了脊髓、腦干的劑量,降低了機(jī)器跳數(shù)和計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間,這與本研究結(jié)果基本一致。

綜上所述,在左側(cè)乳腺癌根治術(shù)后胸壁固定野調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃中,使用Rapidplan優(yōu)化模塊,在達(dá)到人工計(jì)劃靶區(qū)處方劑量的同時(shí)能進(jìn)一步降低肺、心臟、脊髓等危及器官的劑量,也可縮短計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間,提高計(jì)劃質(zhì)量,值得臨床推廣。