Pinnacle计划系统自动与手动容积弧形调强计划剂量学比较

曾广平，康盛伟，唐斌，黎杰，王培

1.广元市第一人民医院 肿瘤血液科，四川 广元 628017；2.四川省肿瘤医院·研究所 四川省癌症防治中心 电子科技大学医学院 放射肿瘤学四川省重点实验室 放射肿瘤中心，四川 成都 610041

引言

自动计划因为能够尽量避免计划设计者在设计放疗计划时的人为失误，与不同设计者设计计划的差异，以及避免大量的人为干预调停来进行调试而被各大放疗机构所采用[1-2]。国外也有研究表明，Pinnacle3 9.10自动计划确实能够使危及器官的受照射剂量更低，靶区的适形度更好[3]。但是，目前缺少对自动计划功能客观的评估研究，本研究旨在应用标准剂量验证模体和剂量目标作为客观评价标准，评估自动计划与手动计划的优劣。

1 材料与方法

1.1 研究所用标准模体和标准靶区勾画

本研究使用的美国医学物理学会（AAPM）第119号报告所用标准模体和标准靶区勾画[4]。所用模体有多靶区模体、前列腺模体、头颈模体、C shape结构模体（简单、复杂）。多靶区模体为上中下三个靶区，这三个圆柱形的靶区处在同一个旋转中心，每一个靶区的直径和长度都大概为4 cm。前列腺模体为前列腺临床靶体积（Clinical Target Volume，CTV）、计 划 靶 体 积（Planning Target Volume，PTV），直肠和膀胱；前列腺CTV大致是一个左右、上下、前后尺寸分别为4.0、2.6、6.5 cm的椭圆形器官；PTV是在CTV的基础上各个方向扩大0.6 cm；直肠是一个直径为1.5 cm紧邻前列腺后方成犬牙交错的椭圆形器官；膀胱大致是一个左右、上下、前后尺寸分别为5.0、4.0、5.0 cm，位置在前列腺的后方。头颈模体包括头颈PTV、脊髓和腮腺；PTV从皮肤向里缩进0.6 cm，脊髓和靶区之间相隔1.5 cm，腮腺在PTV的上面并且被隔开。C shape模体包括PTV和脊髓；在中心位置的脊髓是一个半径为1 cm的圆柱体，脊髓和PTV之间的距离是0.5 cm；PTV内侧圆弧半径为1.5 cm，PTV外侧圆弧半径是3.7 cm；PTV长度为8 cm，脊髓长度为10 cm。多靶区模体和前列腺模体的冠状面和横断面分别如图1和图2所示，头颈模体和C shape结构模体的横断面和3D显示分别如图3和图4所示。

图1 多靶区模体

图2 前列腺模体

图3 头颈模体

图4 C shape模体

1.2 每个标准靶区勾画的剂量设定目标和AAPM计划设计平均值

本研究使用AAPM第119号报告所用标准模体和标准靶区勾画，本文在设计放疗计划时以AAPM第119号报告中九家医院计划的平均值为参考指标，除多靶区模体Central靶区D10和C shape模体（复杂）没有达到要求外，其余指标在很大程度上优于该参考值。

1.3 计划评估

利用Pinnacle3 9.10计划系统对AAPM第119号报告中所使用模体分别做自动容积弧形调强（Automated Volumetric Modulated Arc Therapy，Auto-VMAT）与 手 动容积弧形调强（Manual Volumetric Modulated Arc Therapy，Manual-VMAT）放疗计划，利用剂量体积直方图统计不同模体中危及器官和靶区的相关剂量参数、靶区适形度指数（Conformity Index，CI）、靶区均匀性指数（Homogeneity Index，HI）以及对两种计划设计所需总优化时间、人工调停次数以及机器跳数（Monitor Unit，MU）进行比较。其中，CI与HI的计算如式(1)和式(2)所示。

式(1)中，VTref为参考等剂量面包绕的靶区体积，VT为靶区体积，Vref为参考等剂量面包绕的所有区域的体积，CI越接近1，靶区适形度越好[5]。

式(2)中，D2%为近似最大剂量，D98%为近似最小剂量，HI越接近0，靶区均匀性越好[6-7]。

1.4 计划设计参数

多靶区模体计划中心点取在中间靶区的中心点；前列腺模体计划中心点取在PTV的中心点；头颈模体计划中心点取在PTV的中心点；C shape结构模体计划中心点取垂直方向距离PTV中心2.5 cm的地方。能量为6 MV，所有模体计划均使用179°～181°和181°～179°的两个往返治疗弧，计划设计在医科达公司的Axesse型加速器上。

1.5 计划系统参数

在计划设计过程中发现，系统参数如果保持默认很难达到目标值，自动计划在自动优化时也因达不到设定目标值很容易报错。因此对每一个放疗计划均将其默认参数改为表1中参数值。

1.6 剂量评价参数说明

在多靶区模体中比较99%靶区所对应的剂量D99和10%靶区所对应的剂量D10；在前列腺模体中比较计划靶区PTV的D95和D5，直肠和膀胱的D30和D10；在头颈模体中比较PTV的D99、D90和D20，脊髓的最大剂量Dmax以及腮腺的D50；在C shape模体中比较PTV的D95和D10，脊髓的D10。

表1 计划系统参数调整

2 结果

2.1 多靶区模体

在多靶区模体中，当两种计划方式都达到靶区D99的要求时，Auto-VMAT能够做到更低靶区D10值，Superior和Inferior靶区的CI和HI更优，但对于Central靶区Manual-VMAT的靶区CI和HI更优，如表2。

表2 多靶区模体

2.2 前列腺模体

前列腺模体中，当Auto-VMAT和Manual-VMAT均达到靶区D95＞7560时，Auto-VMAT计划的靶区D5值更低，膀胱D30、D10更低，靶区CI和HI更优；但对于直肠的保护，Manual-VMAT更好，如表3。

2.3 头颈模体

当靶区D90、D99达到目标时，Auto-VMAT计划的靶区D20更低，靶区CI和HI更优，Manual-VMAT对于腮腺的保护更好，如表4。

表3 前列腺模体

表4 头颈模体

2.4 C shape简单模体

当靶区D95=5000时，Auto-VMAT的靶区D10更低，靶区CI和HI更优，Manual-VMAT的脊髓剂量更低，如表5。

表5 C shape简单模体

2.5 C shape复杂模体

当靶区D95=5000时，Auto-VMAT的靶区D10更低，靶区CI和HI更优，Manual-VMAT的脊髓剂量更低，如表6。

表6 C shape复杂模体

2.6 人工调试次数、优化时间、机器跳数

对不同模体的Manual-VMAT和Auto-VMAT计划的人工调试次数（次），计划总优化时间（min）和MU，分别见图5、图6和图7。计划调试次数和总优化时间不计达到该目标继续调试后，结果无改善的调试次数和优化时间。

图5 调试次数

图7 机器跳数

3 讨论

VMAT是根据IGRT融合了集新型高精尖加速器与逆向优化治疗计划设计软件、精密三维和两维的剂量验证设备于一身的肿瘤放疗最新技术[8]，能够在360°任何角度放出射线对肿瘤进行治疗，照射调制范围更大，治疗更准确，治疗效率更高[9-10]。但在设计放疗计划的过程中，放疗计划的质量在很大程度上依赖于计划设计者的经验水平，即使是同一个计划设计者在不同的时间设计的放疗计划也会有所不同。自动计划能够尽量避免操作者的失误和个体差异，让治疗计划更科学化、精准化、一致化。放疗计划的质量同时也影响着放射治疗的效果。此外，计划过程中需要多次人工调停进行条件的优化，这也是放射治疗计划设计过程中最花费时间的方面。然而，随着优化算法的不断发展，特别是一些依靠机器学习的自动计划，现在已经能够做到设计一个放疗计划不需要或者只需要很少的人工干预调试[1-2,11-12]。

本文分别应用Pinnacle3 9.10计划系统的自动计划和手动计划模块以AAPM第119号报告所使用标准剂量验证模体和剂量目标作为客观评价标准分别设计VMAT计划，然后对比实验结果得到以下结论。在多靶区模体中，Auto-VMAT在Central靶区的D10和CI、HI不及Manual-VMAT，Superior和Inferior靶区优于Manual-VMAT，但都达到AAPM报告中平均值，计划的机器跳数更高，人工调试次数低于手动计划，但因自动计划单次优化时间更长，总优化时间长于手动计划，所以在临床中遇到该类病例时可以优先选择手动计划；在前列腺模体，自动计划中靶区D5、CI、HI、膀胱剂量、调试次数和优化时间均优于手动计划，直肠剂量和机器跳数略高于手动计划，但都远比常规直肠限量要求低。这与Voet等[13]和Buschmann等[14]使用Auto-plan技术对于前列腺癌计划设计的研究得到类似的结果。在临床中遇到该类病例时，优先选择自动计划；在头颈模体中，手动计划对于危及器官的保护更为明显，靶区D99、CI、HI、机器跳数、调试次数和优化时间自动计划更优.这与Krayenbuehl等[15]和Hazell等[16]使用Auto-plan技术对于鼻咽癌计划设计的研究得到类似的结果。在临床中遇到该类病例时，根据医生的实际要求灵活选择手动计划或自动计划；在C shape简单剂量目标模体中，自动计划除脊髓的剂量略高于手动计划外，其余指标皆优于手动计划，而在C shape复杂剂量目标模体中，手动计划和自动计划脊髓的剂量均未达到AAPM第119报告要求，但达到AAPM第119报告平均值，其余指标也是自动计划优于手动计划，这提示我们，在临床中遇到该类病例时应该优先选择自动计划。

当然，本研究仍有一定的局限性。本研究使用的是标准剂量验证模体和剂量目标作为客观评价标准，降低了实际病例计划设计结果的不确定性，但也正是由于模体的单一性在一定程度上代表不了临床上的多样性。自动计划的tuning balance功能可以设置计划系统在自动优化时更倾向于靶区的设定目标或者危及器官的设定目标，此参数的设置是设计自动计划的一大难点。另外，设计自动计划时仍需根据经验对基本参数进行一定的调整和修改，才能得到本文中所提到的临床上的优势。

综上，在临床上遇到前列腺模体、C shape模体病例时优先选择自动计划；遇到头颈模体模体病例时如果更注重危及器官的保护优先选择手动计划，如果更注重靶区均匀性和适形度优先选择自动计划；遇到类似多靶区模体的病例优先选择手动计划。另外，自动计划在处理靶区和危及器官剂量目标矛盾非常大的计划时，会增加计划优化的时间，如本研究中在设计多靶区模体和C shape复杂模体计划时间明显加长。