盆腔肿瘤IMRT 自动计划与人工计划比较研究

李新畅，李 超，骆志国

（十堰市太和医院，湖北医药学院附属医院肿瘤科，湖北十堰 442000）

0 引言

近年来，调强放疗（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）技术在直肠癌与宫颈癌等盆腔肿瘤放疗中得到广泛应用，因其可以在保证肿瘤靶区得到充分剂量照射的同时有效地保护周围正常组织，不仅降低了放疗患者的急性和慢性反应发生率，还提高了生存率[1-4]，从而进一步改善盆腔肿瘤患者的生存质量。放疗计划质量在一定程度上影响着IMRT疗效，人工计划的设计过程复杂且依赖于物理师的长期经验与技巧，而自动计划能有效降低不同物理师之间治疗计划的差异，并且可以缩短人工时间，从而提高患者整个放疗过程的效率和质量。目前，有研究将自动计划应用在鼻咽癌[5-6]、前列腺癌[7-8]和食管癌[9]的IMRT 上，结果表明自动计划在剂量分布和时间方面均优于人工计划。本研究使用Pinnacle39.10计划系统中的Autoplan 自动模块，通过运用系统算法，不断优化模型参数、自动生成各种辅助结构来得到直肠癌与宫颈癌的治疗计划，并与人工计划进行对比，探讨盆腔肿瘤IMRT 自动计划在临床上的应用优势。

1 资料和方法

1.1 临床资料

选择我院2017 年10 月至2018 年8 月的60 例盆腔肿瘤放疗患者的临床资料进行回顾性分析，均获得患者本人或家属的知情同意且本研究获得医院伦理委员会批准。纳入标准：（1）经病理检查确诊为盆腔肿瘤；（2）需要对盆腔进行放射治疗且满足放疗适应证。排除标准：（1）除盆腔部位有原发肿瘤还患有其他癌症；（2）有放疗禁忌证。其中，宫颈癌术后患者30 例，病理类型全部为鳞癌；直肠癌术后患者30例，病理类型全部为腺癌。所有患者定位时采用真空垫固定，取仰卧位，双手交叉握杆，在CT 模拟机上进行模拟定位扫描，扫描层厚5 mm。由于本文采用回顾性分析方法，临床治疗计划均是之前在Eclipse计划系统上完成的，故放疗物理师在设计自动计划时，需将所选患者的CT 图像（包括靶区及危及器官）从Eclipse 计划系统发送至Pinnacle39.10 计划系统上，再进行自动计划的设计。

1.2 靶区勾画及处方剂量

由同一临床肿瘤医生在所有患者的CT 图像上勾画临床肿瘤靶区（clinical tumor volume，CTV），其中宫颈癌CTV 勾画以RTOG-0418[10]号报告为参考依据，包括阴道上段、阴道残端以及盆腔淋巴引流区；直肠癌CTV 包括吻合口区域、残端直肠等原发病灶高危区和直肠系膜区域等淋巴引流区[11]；计划靶区（planning target volume，PTV）由CTV 均匀外扩5 mm 形成。靶区以外的危及器官主要包括膀胱、小肠和左右侧股骨头，宫颈癌患者的危及器官还包括直肠。PTV 处方剂量均为50 Gy/25 次。

1.3 计划设计

所有IMRT 人工计划均在Eclipse 计划系统上按照临床实践标准进行。计划优化前由人工勾画各种辅助环结构，并给定基本参数与目标函数，射野方式为5 野（36°、108°、180°、252°、324°）均分，采用6 MV X 射线，剂量计算网格为2.5 mm×2.5 mm×2.5 mm。各危及器官优化条件由物理师根据经验设定，所有计划经反复修改再优化，遵循靶区剂量达到要求的同时尽可能降低危及器官剂量，直到没有明显改善为止。所有自动计划在Pinnacle39.10 计划系统上进行，能量、射野中心点、射野角度、治疗机器以及靶区和危及器官基本优化条件均与人工计划保持一致。

1.4 数据统计

将60 例患者的IMRT 人工和自动计划分别导出，提取PTV 对应2%、50%、95%、98%体积的剂量记为D2、D50、D95、D98，计算靶区的均匀性指数（homogeneity index，HI）和适形性指数（conformity index，CI）：HI=（D2-D98）/D50，CI=（VPTV/Vprescribed）。其中，Vprescribed为处方剂量包绕的靶区体积，VPTV为靶区体积。CI 值越接近1 说明PTV 的剂量适形性越好，HI 值越接近0 表明PTV 的剂量分布越均匀。统计膀胱的V40、V50和Dmean，小肠的V40、V50和Dmean，双侧股骨头的V30、V40和Dmean。其中，宫颈癌患者还需统计直肠的V40、V50和Dmean。此外，对2 种计划的截面剂量分布以及平均优化时间进行比较与分析。

1.5 统计学方法

2 结果

2.1 靶区剂量比较

表1 为60 例患者自动计划与人工计划得到的PTV 剂量D95、Dmean及HI 和CI 等剂量学参数的比较结果。由表1 可知，宫颈癌自动计划与人工计划的结果均相近，差异无统计学意义（P>0.05）。直肠癌自动计划与人工计划的D95、Dmean和HI 相近，差异无统计学意义（P>0.05）；自动计划的CI 略优于人工计划，差异有统计学意义（P＜0.05）。

2.2 危及器官剂量对比

人工计划和自动计划危及器官剂量对比详见表2。由表2 可知，自动计划膀胱的V40、V50和Dmean，小肠的V40、V50和Dmean，双侧股骨头的V30、V40和Dmean均低于人工计划。此外，宫颈癌患者中自动计划直肠的V40、V50和Dmean相对于人工计划而言也有所下降。

表1 人工计划和自动计划PTV 剂量D95、Dmean及HI 和CI 对比

表2 人工计划和自动计划危及器官剂量对比

2.3 PTV 与危及器官各截面剂量分布以及膀胱、左侧股骨头和小肠剂量体积直方图（dose volume histogram，DVH）对比

图1 为某例宫颈癌患者的2 种计划横断面、矢状面以及冠状面的等剂量分布图。由图1 可知，自动计划与人工计划对PTV 的覆盖相近，均能满足临床要求，但自动计划的低剂量区域适形度和剂量跌落均优于人工计划。自动计划与人工计划危及器官以膀胱、左侧股骨头和小肠为例的平均DVH 对比如图2 所示。由图2 可知，自动计划的膀胱、小肠以及左侧股骨头的平均剂量比人工计划在低剂量区域均有所降低，这在一定程度上更好地保护了危及器官。

图1 2 种计划等剂量分布图

2.4 Pinnacle3 9.10 人工计划和Eclipse 人工计划对比

本研究中选取的人工计划都是之前在Eclipse计划系统上完成的，而自动计划均是现阶段在Pinnacle39.10 计划系统上完成的。为了观察2 个系统在计划优化方面有无显著性差别，随机选取60 例盆腔肿瘤患者中的20 例在Pinnacle39.10 计划系统上重新进行人工计划的设计，并与之前在Eclipse 系统上的人工计划进行对比，二者剂量对比结果详见表3。结果表明，2 种计划系统的PTV 与危及器官的平均剂量相近，差异无统计学意义（P＞0.05）。

2.5 2 种不同计划方式的平均优化时间对比

自动计划的平均优化时间为（29.17±5.31）min，远少于人工计划的（45.26±6.37）min，缩短了35.6%，差异有显著统计学意义（t=-8.332，P<0.001）。

3 讨论

盆腔肿瘤相比脑肿瘤而言，其危及器官较少，靶区变化比胸部肿瘤小，计划设计和技术需求相对简单。因此，IMRT 在盆腔肿瘤的治疗中具有重要的意义，该技术在给予靶区足够剂量的同时可以较好地保护周围正常组织[4]。目前，IMRT 人工计划需要物理师根据经验给定射野角度、靶区和危及器官的剂量体积限值以及对应的权重，计划质量很大程度上取决于物理师的临床经验且需要大量时间。近年来，随着自动计划技术被引入到各部位肿瘤放疗计划设计中，大大减轻了物理师的临床工作负担，将工作中心转移到了同等重要的加速器质量保证（quality assurance，QA）中。Quan 等[12]的研究表明，自动计划的肺以及心脏的平均剂量相比人工计划而言均有所下降，且自动计划可以减少人工依赖，对危及器官的保护也更具优势。Krayenbuehl 等[13]和Hazell 等[5]证实了鼻咽癌放疗使用自动计划可以在保证靶区剂量与人工计划一致的同时，更好地保护危及器官。何垠波等[14]验证了自动计划不仅能够显著减少计划时间，还能避免因为经验不足等人为因素对计划质量造成的不必要影响。本研究使用Pinnacle39.10 计划系统对60 例盆腔肿瘤患者进行IMRT 自动计划设计，得到与上述研究类似的结论，自动计划与人工计划在靶区的剂量以及HI、CI 等参数方面均无明显差异，且自动计划更好地保护了正常组织。

图2 60 例盆腔肿瘤患者膀胱、左侧股骨头、小肠的平均DVH

表3 Pinnacle3 9.10 人工计划和Eclipse 人工计划PTV 与危及器官的平均剂量对比 单位：Gy

IMRT 自动计划不需要设置靶区的权重，对危及器官而言也只需要根据临床实际需求对器官的重要性选择High、Medium、和Low 3 个参数，在优化过程中还会根据靶区与危及器官的相对位置自动生成很多辅助结构，从而获得最佳的剂量优化方案。而对人工计划而言，限量环的位置和数量、靶区和危及器官目标函数值以及对应权重的设置一直都是IMRT 计划设计中的难点，这些步骤不仅耗时，更依赖于物理师的经验。陈颖等[15]的研究就表明了限量环个数对宫颈癌IMRT 计划的治疗效率有一定的影响。自动计划可以有效缩短计划设计时间，减小不同物理师之间的计划设计质量差距，保证高质量计划的一致性[16]。另外，本研究中IMRT 自动计划危及器官的平均剂量普遍低于人工计划，这说明人工计划在开始优化时为了保证靶区覆盖率，降低了对危及器官的限制要求。同时根据临床经验以及对耗时的考虑，物理师在进行计划设计时为了保证靶区覆盖率无法在最大程度上限制危及器官的剂量，最终使得一些副反应相对较低的危及器官受照量偏高，这也在一定程度上导致了人工计划质量不及自动计划。目前，国内大部分放疗机构肿瘤放疗患者数量剧增，而人工计划优化耗时较长，设计人工计划耗费了物理师大量的时间和精力，在一定程度上影响了放疗计划的质量。自动计划的采用不仅使得短时高效的计划产出成为了可能[17-18]，还使得物理师能够将更多的时间和精力投入在QA 上。

本研究的不足之处如下：首先，自动计划和人工计划的设计所采用的计划系统不同，分别为Pinnacle39.10 和Eclipse 计划系统。Pinnacle39.10 计划系统进行调强优化时采用的是直接机器参数优化（direct machine parameter optimization，DMPO）算法以及静态调强的步进出束方式，直接优化子野形状和权重。而Eclipse计划系统采用的是笔形束卷积算法（pencil beam convolution，PBC）以及动态滑窗方式来进行优化。考虑到采用不同算法和多叶准直光栅（multi-leaf collimator，MLC）运动方式给2 种计划的参数对比带来的影响，本研究随机选取了20例盆腔肿瘤患者在Pinnacle39.10 计划系统上重新进行了手动计划的设计，并与Eclipse 计划系统进行对比，发现剂量分布并无显著性差异，这与Phillip[19]的研究结果一致，说明2 种计划系统计算的结果可以直接比较，有研究意义，但系统误差仍会给研究结果带来一定的影响。其次，为了减小由于射野角度不同对自动计划和人工计划的结果带来的影响，2 种计划方式统一采用5 野均分设定射野角度，但是采用不同的射野数量以及角度来实现自动计划是否可以得到更优的结果尚不明确。有研究[20]曾采用不同的布野数量和角度对直肠癌放疗计划中小肠和膀胱的受量进行分析，认为在俯卧位下的前五野照射可以降低放射性肠炎的发生率。此外，自动计划技术目前还未完全成熟，在使用自动计划优化时，仍需根据经验对基本参数进行一定的人工调整和修改，才能得到以上临床优势，而且在临床使用前还需要做进一步的质量控制。最后，不同病种之间自动计划所需要的时间以及剂量学之间的差异比较都是下一步要继续研究的问题。

综上所述，使用Pinnacle39.10 自动计划模块设计的盆腔肿瘤IMRT 计划，一方面能在保证与人工计划靶区处方剂量相近的同时进一步降低正常器官的剂量，计划设计效率和计划质量也有所提高；另一方面，自动计划无需人工干预，可以避免由于物理师主观经验的一些因素对放疗计划质量的影响，因此自动计划应用于盆腔肿瘤的放疗是可行的。