陳艷，劉宏嘉，王海洋，黃宇亮，王佳琦，田洪波，吳昊，陳晨，李全福，張藝寶

1.綿陽市第三人民醫(yī)院腫瘤放療中心/四川省精神衛(wèi)生中心，四川 綿陽 621000；2.北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所放療科/惡性腫瘤發(fā)病機(jī)制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100142；3.北京大學(xué)電子學(xué)院，北京 100871；4.鄂爾多斯市中心醫(yī)院腫瘤科，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000

前言

RapidPlan（Varian Medical Systems,Palo Alto,CA）作為一種基于先驗(yàn)知識的自動計劃方法,利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)從歷史計劃中提取劑量分布、解剖結(jié)構(gòu)、布野條件等數(shù)據(jù)建立劑量體積直方圖（Dose Volume Histogram,DVH）預(yù)測模型，該模型可根據(jù)新病例的解剖特征和射野設(shè)置等預(yù)測可能實(shí)現(xiàn)的劑量分布，并由此生成個體化優(yōu)化參數(shù)以實(shí)現(xiàn)計劃的自動優(yōu)化。文獻(xiàn)研究表明，RapidPlan 不僅可以實(shí)現(xiàn)計劃效率的提升［1］，而且可以減少因物理師主觀差異造成的不一致性［2］，實(shí)現(xiàn)與人工計劃相似甚至更好的質(zhì)量［3-9］，具有良好的臨床應(yīng)用前景。

RapidPlan 的應(yīng)用對計劃系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境有更高的要求，包括支持光子優(yōu)化（Photon Optimizer,PO）算法的高版本Eclipse 計劃系統(tǒng)，以及RapidPlan 商業(yè)證書等，升級費(fèi)用較高。此外在技術(shù)層面，建立一個符合臨床要求的RapidPlan 模型非常耗時耗力，不僅需要準(zhǔn)備充足的歷史優(yōu)質(zhì)病例作為訓(xùn)練集數(shù)據(jù)，還要求物理師具備建模的理論基礎(chǔ)及豐富的臨床計劃設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。而模型從初步建立到統(tǒng)計學(xué)分析和清洗［10-11］，再到模型參數(shù)調(diào)試、驗(yàn)證和迭代優(yōu)化的試錯，整個過程繁瑣復(fù)雜［12］，也在一定程度上阻礙了該技術(shù)的臨床推廣，尤其是在資源相對缺乏的基層醫(yī)院的應(yīng)用。以綿陽市第三人民醫(yī)院為例，應(yīng)用RapidPlan 技術(shù)的主要困難包括：（1）由于經(jīng)費(fèi)限制，本院Eclipse 系統(tǒng)為較老的V10.0 版本，不具備RapidPlan 所需的PO 算法，且未購買RapidPlan 模塊的商業(yè)證書；（2）人力資源限制，本院僅有2 名物理師，均不具備RapidPlan 建模所需的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，且大部分工作時間需應(yīng)對臨床計劃設(shè)計和質(zhì)控等工作；（3）歷史數(shù)據(jù)缺乏，尤其是建模所需的大量、一致性高的優(yōu)質(zhì)病例相對不足，這些也是基層醫(yī)院使用RapidPlan技術(shù)所面臨的普遍共性問題。

在無商業(yè)證書的環(huán)境下，對外院RapidPlan 模型進(jìn)行共享和拓展性應(yīng)用，是解決上述問題的思路之一，使更多的醫(yī)院和患者在有限資源條件下、以更低的成本盡快獲益于人工智能放療計劃設(shè)計［13］，尤其是通過RapidPlan模型“移植”高水平醫(yī)院的先進(jìn)技術(shù)和治療規(guī)范，提升計劃效率和一致性的同時，減少物理師主觀因素對放療的影響，改進(jìn)患者服務(wù)和醫(yī)療水平。

在復(fù)雜多變的跨中心應(yīng)用環(huán)境下，尤其是在沒有RapidPlan 商用證書的平臺上，如何發(fā)揮自動計劃的作用，以及RapidPlan 在多中心不同技術(shù)條件下的應(yīng)用效果等，國內(nèi)外文獻(xiàn)尚無相關(guān)報道，本工作對此問題進(jìn)行探討。

1 材料與方法

1.1 北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院RapidPlan食管癌模型

本工作擬移植的模型來自北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院放療科（以下簡稱北京模型）已發(fā)表的食管癌RapidPlan模型［14］，該模型基于15.6 版本Eclipse，由301 例歷史優(yōu)質(zhì)容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）食管癌計劃訓(xùn)練完成，并由40 例未參與建模的本地病例獨(dú)立驗(yàn)證和調(diào)參，最終模型可實(shí)現(xiàn)絕大部分本地病例的一次性自動優(yōu)化，滿足臨床要求。

該模型的訓(xùn)練集包含了復(fù)雜的靶區(qū)部位解剖分段和多種處方形式。其中頸上段占比8.64%，胸中上段占比42.86%，胸中下段（含食管胃結(jié)合部）占比24.3%，全段占比21.3%，鎖骨淋巴結(jié)或腹腔淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移占比3%；訓(xùn)練集中既包含60 Gy/50.4 Gy（40.86%）、60 Gy/54 Gy（11.96%）、50 Gy/45 Gy（5%）、46 Gy/41.4 Gy（9.3%）、56 Gy/50.4 Gy（6%）、54 Gy/50.4 Gy（3.3%）等同步推量處方，也包含60、50.4、45、54 Gy 等其他單處方。所有訓(xùn)練集病例均由PO 算法優(yōu)化，光子劑量算法（Acuros External Beam,AXB）算法完成劑量計算，其中既有使用Millennium 120 多葉準(zhǔn)直器（MMLC）的計劃（占比96.68%），也有使用High Definition 120 多葉準(zhǔn)直器（HDMLC）的計劃（占比3.32%），使用6 MV 光子的計劃占比20.60%，6 MV-FFF 光子的計劃占比2.33%，10 MV 光子的計劃占比66.45%，10 MV-FFF 光子的計劃占比10.63%，不同加速器之間已進(jìn)行束流匹配。

1.2 模型跨中心應(yīng)用環(huán)境和無商業(yè)證書“移植”方案

模型擬遷移應(yīng)用的單位，綿陽市第三人民醫(yī)院放療科（以下簡稱綿陽三院）的硬件條件和軟件環(huán)境與北京模型的開發(fā)單位存在諸多不同，主要包括：綿陽三院僅有一臺配置MMLC 的Trilogy 加速器，僅使用6 MV 單一光子能量（未做束流匹配）的固定野調(diào)強(qiáng)（Intensity-Modulated Radiation Therapy,IMRT）技術(shù)，采用Dose Volume Optimizer（DVO）優(yōu)化算法，使用較低版本Eclipse（V10.0）系統(tǒng)且無PO 算法和RapidPlan 模塊商業(yè)證書（license），劑量計算采用相對較老的各向異性分析算法（Anisotropic Analytical Algorithm,AAA）等，如表1所示。

表1 北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院建模環(huán)境和綿陽市第三人民醫(yī)院移植應(yīng)用環(huán)境比較Table 1 Comparison of modeling environment in Peking University Cancer Hospital and application environment in the Third Hospital of Mianyang

上述平臺環(huán)境導(dǎo)致綿陽三院無法通過常規(guī)方法直接“移植”和使用北京模型進(jìn)行食管癌放療計劃的劑量預(yù)測和自動優(yōu)化。為了解決上述平臺性問題，本工作采取的移植技術(shù)方案包括：（1）本組之前發(fā)表的研究提示基于VMAT 計劃訓(xùn)練的模型可以用于IMRT 計劃的預(yù)測和參數(shù)生成［15］，因此本工作將綿陽三院完成勾畫和IMRT 布野的病例傳輸?shù)奖本┐髮W(xué)腫瘤醫(yī)院的Eclipse 平臺；（2）基于上述勾畫和布野條件，在北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院Eclipse 環(huán)境中選擇與綿陽三院應(yīng)用環(huán)境相符的6 MV 光子和MMLC，采用PO算法進(jìn)行RapidPlan 預(yù)測并自動生成個體化優(yōu)化條件；（3）將生成的優(yōu)化條件保存并導(dǎo)出，其中RapidPlan 獨(dú)有的DVH Line 條件被轉(zhuǎn)化為一系列劑量-體積點(diǎn)；（4）將上述圖像文件、勾畫結(jié)構(gòu)、布野條件（包括IMRT機(jī)架和準(zhǔn)直器角度、MMLC和6 MV光子能量）和RapidPlan 生成的優(yōu)化參數(shù)傳回并導(dǎo)入綿陽三 院Eclipse V10.0 環(huán)境；（5）利用遠(yuǎn)程獲得的RapidPlan 個體優(yōu)化條件，在DVO 優(yōu)化算法和AAA等較低版本環(huán)境下，完成本地病例IMRT 計劃的優(yōu)化，且優(yōu)化過程不對優(yōu)化條件進(jìn)行人工干預(yù)，以評估本方法的可行性和效果。

1.3 驗(yàn)證病例和參考計劃

為評估移植計劃與人工計劃的質(zhì)量水平，參照RTOG9405［16］并結(jié)合綿陽三院實(shí)際情況，選擇26例食管癌患者作為驗(yàn)證病例，處方劑量為本地最常見的60 Gy/50.4 Gy，并以其歷史臨床計劃（人工設(shè)計，A 計劃）作為參考標(biāo)準(zhǔn)。驗(yàn)證病例包含頸上段3 例（11.54%），胸中上段15 例（57.70%），胸中下段5 例（19.23%），全段食管癌3例（11.54%）。其中男性21例（80.77%）、女性5例（19.23%），中位年齡59.5歲，年齡范圍47～81歲。靶區(qū)勾畫標(biāo)準(zhǔn)以ICRU50［17］、ICRU62［18］號報告為依據(jù)，計劃評估參照《2019 NCCN 食管和食管胃結(jié)合部癌第2 版》［19］并結(jié)合本單位臨床要求，人工設(shè)計的臨床計劃根據(jù)病例難易程度選擇5～7 個IMRT 射野，處方要求至少保證計劃腫瘤靶區(qū)（Planning Gross Target Volume,PGTV）95%的體積在28 次治療中接受不低于60 Gy 的劑量，計劃靶區(qū)（Planning Target Volume,PTV）95%的體積在28 次治療中接受不低于50.4 Gy的劑量。

保持臨床A計劃布野條件不變，通過上節(jié)所述方法，采用RapidPlan遠(yuǎn)程生成個體化優(yōu)化參數(shù)，在綿陽三院Eclipse 平臺利用DVO 算法重新優(yōu)化26 例食管癌IMRT 計劃，并利用AAA 計算劑量分布，獲得B 計劃（即綿陽三院環(huán)境下遠(yuǎn)程移植RapidPlan計劃）。

為評估跨中心模型移植應(yīng)用的效果和準(zhǔn)確性，并比較RapidPlan模型生成的相同優(yōu)化參數(shù)在不同版本Eclipse和算法等環(huán)境下的劑量學(xué)差異，本工作還基于相同的病例和參數(shù)設(shè)置，在北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院Eclipse V15.6版本計劃系統(tǒng)，采用PO算法優(yōu)化并用（AXB）算法計算劑量分布，得到有RapidPlan商業(yè)證書的正常高版本Eclipse環(huán)境下的自動計劃（正常RapidPlan環(huán)境下的自動計劃，C計劃）。將B、C計劃的靶區(qū)劑量歸一至與A計劃相似的覆蓋率，以便于比較危及器官劑量。

1.4 劑量學(xué)比較和統(tǒng)計學(xué)方法

本工作定量評估并比較了3 組計劃的劑量學(xué)指標(biāo)：（1）靶區(qū) PGTV、PTV 的均勻性指數(shù)（Heterogeneous Index,HI），HI=（D2%-D98%）/D50%，HI越小表示靶區(qū)內(nèi)的劑量分布越均勻，其中Dx%表示x%的體積對應(yīng)的劑量；（2）靶區(qū)PTV 的適形度指數(shù)（Conformal Index,CI），CI=V100%/Vtarget，CI越接近于1表示靶區(qū)的適形度越好，其中V100%表示處方劑量所包括的體積，Vtarget表示靶區(qū)的體積；（3）按照指南和臨床要求對于危及器官的劑量要求，統(tǒng)計VxGy（最小接受劑量為xGy的體積），Dxcc（xcm3體積接受的最小劑量），平均劑量Dmean，最大劑量Dmax等。

利用SPSS 25.0軟件對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smirnov），對于符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)（P＞0.05）采用ANOVA檢驗(yàn)，反之采用非參數(shù)檢驗(yàn)，設(shè)P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。將3組計劃從Eclipse計劃系統(tǒng)中導(dǎo)出的文本格式DVH數(shù)據(jù)傳至自編Python程序中，提取劑量學(xué)參數(shù)并計算平均DVH 數(shù)據(jù)，利用SigmaPlot軟件繪制平均DVH圖進(jìn)行比較。

2 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)表明雖然存在表1所展示的諸多差異，通過應(yīng)用RapidPlan 生成可移植的個體優(yōu)化參數(shù)，在遠(yuǎn)程跨中心跨技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動計劃設(shè)計具有可行性。

通過表2和圖1得知3 組計劃均符合臨床要求，僅在靶區(qū)的均勻性（HIPGTV、HIPTV）、脊髓外放5 mm 及Body Dmax數(shù)據(jù)上有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 討論

表2和圖1均提示，在無RapidPlan商業(yè)證書的環(huán)境下，遠(yuǎn)程利用模型生成的自動優(yōu)化參數(shù)獲得的B組計劃可以滿足臨床質(zhì)量要求，從表2統(tǒng)計的22 個參數(shù)中，與人工計劃A 相比，B 組優(yōu)于A 組計劃的參數(shù)占12 項(xiàng)（54.55%），提示即使在無RapidPlan 商用證書的環(huán)境下，通過遠(yuǎn)程應(yīng)用RapidPlan生成的優(yōu)化參數(shù)，仍能實(shí)現(xiàn)符合臨床要求的自動計劃且與人工水平相當(dāng)，大部分參數(shù)還能更好，且自動計劃避免了人工試錯過程，效率大幅提高。

圖1 3組計劃的平均劑量體積直方圖比較Figure 1 Mean DVH comparison among 3 groups

相比之下，在正常RapidPlan 證書下使用更高版本Eclipse環(huán)境獲得的自動計劃（C組），表2統(tǒng)計的22項(xiàng)參數(shù)中有15 項(xiàng)（63.64%）表現(xiàn)最好，提示正常環(huán)境下使用RapidPlan 進(jìn)行自動計劃設(shè)計仍有一定優(yōu)勢，但3組間ANOVA或非參數(shù)分析提示絕大部分差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

由于技術(shù)資源和資金條件有限，很多基層醫(yī)院的計劃系統(tǒng)版本較舊，不支持RapidPlan所需的PO算法，或沒有購買RapidPlan商業(yè)證書，因而無法直接使用已開發(fā)模型完成自動計劃設(shè)計。食管癌是我國西南地區(qū)的高發(fā)癌種之一，同時也是綿陽三院的常見放療病例，計劃設(shè)計難度相對較大，也耗費(fèi)物理師很多時間［20-22］，因此對自動計劃的應(yīng)用具有迫切需求，包括通過人工智能技術(shù)縮小與大醫(yī)院在放療計劃設(shè)計質(zhì)量方面的差異，同時通過流程自動化提高設(shè)計效率和經(jīng)濟(jì)效益，從而為更多基層患者提供更好、更同質(zhì)化的放療服務(wù)。在復(fù)雜多變的環(huán)境下跨中心移植和應(yīng)用RapidPlan模型也在更大的范圍內(nèi)具有良好的臨床意義，滿足臨床試驗(yàn)同質(zhì)化等科研需求。

本工作的創(chuàng)新性在于,將RapidPlan 的應(yīng)用拓展到無商業(yè)證書環(huán)境下、使用DVO 算法的IMRT 計劃設(shè)計，并證明了其可行性和良好的劑量學(xué)表現(xiàn)。該結(jié)果的理論依據(jù)在于，雖然RapidPlan 強(qiáng)制要求使用為其專門研發(fā)的PO 算法，但該算法僅在模型的預(yù)測和優(yōu)化參數(shù)生成階段發(fā)揮作用，因此在無PO 算法條件下，移植其他單位計算出的個體優(yōu)化參數(shù)具有理論可行性，而以一系列劑量-體積點(diǎn)代替Line 參數(shù)也被證明具有良好的效果。

值得一提的是，雖然危及器官之間存在相互競爭導(dǎo)致RapidPlan和人工計劃的DVH 存在交叉，但無論有無商業(yè)證書，RapidPlan 自動計劃的效率均大幅優(yōu)于人工計劃，且無需反復(fù)試錯調(diào)整優(yōu)化參數(shù)。表2的數(shù)據(jù)還提示，以B、C 組為代表的自動計劃15 項(xiàng)劑量學(xué)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差也≤人工計劃，占比68.18%，說明自動計劃的一致性更好，受到計劃設(shè)計者主觀因素的影響較小，能夠滿足基層醫(yī)院對于提高臨床效率和質(zhì)量同質(zhì)化的多元化需求。

表2 RapidPlan跨中心應(yīng)用3組計劃劑量學(xué)參數(shù)比較（±s）Table 2 Dosimetric comparison among 3 groups for assessing cross-institutional applications of RapidPlan(Mean±SD)

表2 RapidPlan跨中心應(yīng)用3組計劃劑量學(xué)參數(shù)比較（±s）Table 2 Dosimetric comparison among 3 groups for assessing cross-institutional applications of RapidPlan(Mean±SD)

參數(shù)HIPGTV HIPTV CIPTV雙肺V5Gy/%雙肺V20Gy/%雙肺V30Gy/%雙肺Dmean/Gy心臟V30Gy/%心臟V40Gy/%心臟Dmean/Gy脊髓Dmax/Gy脊髓外放5 mm Dmax/Gy肝V20Gy/%肝Dmean/Gy胃Dmax/Gy胃Dmean/Gy左腎Dmean/Gy右腎Dmean/Gy腸D5cc/Gy腸Dmax/Gy Body Dmax/%跳數(shù)A計劃0.08±0.01 0.26±0.01 0.94±0.02 49.29±13.74 20.26±6.62 11.20±3.93 10.87±2.93 33.60±23.20 19.65±13.54 21.89±12.23 35.14±1.57 40.57±2.19 25.99±5.65 12.12±2.39 54.84±19.31 22.43±11.13 9.01±5.06 4.79±2.22 25.81±15.46 52.56±6.96 111.51±1.85 1 190.35±167.31 B計劃0.08±0.01 0.26±0.01 0.94±0.01 48.38±12.49 21.94±6.72 10.85±4.04 10.81±2.73 36.38±23.01 18.46±13.67 21.92±12.14 35.35±1.36 39.26±1.91 23.13±6.27 11.24±2.17 54.80±19.35 23.61±11.53 7.67±3.54 6.18±2.18 28.26±17.44 53.48±5.14 111.05±2.19 1 238.19±139.04 C計劃0.07±0.01 0.24±0.01 0.93±0.02 45.31±10.86 21.70±6.66 10.56±3.96 10.42±2.61 35.66±22.63 18.14±13.58 21.71±12.06 34.81±1.33 38.54±1.85 22.89±6.27 11.03±2.15 54.36±19.21 23.27±11.39 7.55±3.57 6.08±2.19 28.33±17.70 53.95±5.98 109.77±1.94 1 241.04±139.75 P值＜0.01＜0.01 0.17 0.18 0.29 0.85 0.65 0.95 0.84 0.97 0.07＜0.01 0.68 0.72 0.95 0.98 0.61 0.24 0.99 0.97 0.01 0.83

4 結(jié)論

本研究提出了在無RapidPlan商業(yè)證書的多中心環(huán)境下，在較低版本的計劃系統(tǒng)上采用不同的算法和治療技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動計劃設(shè)計的方法，并在食管癌病例上驗(yàn)證了該方法的可行性和劑量學(xué)表現(xiàn)，該方法有利于RapidPlan自動計劃技術(shù)的跨中心移植推廣和應(yīng)用，讓更多基層醫(yī)院以更低的經(jīng)濟(jì)成本和資源門檻，獲益于人工智能技術(shù)帶來的效率提升和放療計劃同質(zhì)化，也為未來放療計劃的集中化、規(guī)?；h(yuǎn)程設(shè)計提供了可能。