基于Pinnacle39.10的自动计划与手工计划在宫颈癌放疗中的剂量学比较*

孙海涛，黄国森△，王宁△，刘颖，袁玲

1中山市中医院放射治疗部（广东中山528400）；2广州医科大学附属第五医院放疗科（广东广州510700）

放疗和手术、化疗是当今恶性肿瘤治疗三大手段。据统计，约有70%的恶性肿瘤患者在不同时期需接受不同程度的放疗［1］，所以开展放疗技术的相关研究具有重要意义。目前，临床上广泛采用调强放射治疗，调强技术的应用不但保证靶区覆盖率，而且降低周围正常组织器官的受照射剂量，提高放疗效果，降低放疗不良反应发生率［2－4］。计划设计的关键就是计划质量的好坏，计划设计过程中需要对多个目标函数同时进行优化，靶区的剂量约束条件与OAR的剂量约束条件相互矛盾，目前多数计划系统的计划设计依赖于物理师的主观经验，通过不断试错的方式不断进行调试，花费大量的时间和精力，但计划设计的结果仍会出现的质量差异大、计划效率低等问题［5－7］。近年来已有用于临床治疗的带有自动计划AP（auto－planning，AP）模块的治疗计划系统TPS（treatment plan system，TPS）研发出来，如飞利浦的Pinnacle39.10、瓦里安的eclipseTM等［8］。容积旋转调强放疗VMAT（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技术是在出束过程中，加速器机架非匀速旋转，剂量率和多页光栅MLC（multi－leave collimators，MLC）动态调节来达到高度适形的靶区剂量分布，相比普通调强放疗IMRT（intensity modulated radiation therapy，IMRT）所需治疗时间和机器跳数明显减少，提高放疗效率［9－11］，广泛应用于各种部位的肿瘤治疗。本研究通过Pinnacle39.10计划系统TPS对10例宫颈癌患者的Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划进行比较，探究两种计划方式的剂量学差异，评估Pinnacle39.10TPS的自动计划模块在宫颈癌放疗计划中的临床可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2018年9—12月在中山市中医院放射治疗部实施治疗的宫颈癌患者10例，年龄35～61岁，中位年龄46岁。根据国际妇产科联合会FIGO（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）分期标准［12］，其中Ⅱ期6例，Ⅲ期4例。

1.2 放疗定位 在CT定位前饮水400～600 mL，憋尿30 min以上，在膀胱充盈状态下进行CT模拟定位，患者自然平躺位，双手上举置于额头。使用Philips公司16排Brilliance CT Big Bore大孔径CT模拟机进行扫描定位，扫描层厚和层距均为5 mm，自胸10扫描至坐骨结节下5 cm，扫描范围FOV为600，分辨率512×512pix，将扫描得到的患者CT数据传输到TPS进行靶区勾画以及计划设计。

1.3 靶区及危及器官勾画 由高年资医生依据ICRU（international commission radiological units，ICRU）规范在CT图像集上进行肿瘤靶区GTV、临床靶区CTV、计划靶区PTV［13］的勾画，GTV包括宫颈肿瘤原发灶和转移的阳性淋巴结，CTV包括GTV、临床灶及显微镜下可见的亚临床灶（包括阴道、宫颈、宫体、宫旁、髂总、髂内、骶前淋巴引流区等）。PTV由CTV外扩生成，分别在左右、前后和外扩5 mm及头脚方向外扩1 cm，处方剂量5 000 cGy／25分次。靶区外的危及器官OAR（Organ At Risk）主要包括膀胱、小肠和双侧股骨头。

1.4 计划设计 采用Pinnacle39.10计划系统的VMAT技术的AP模块，通过系统算法根据靶区位置自动优化MLC及照射野形状。10例患者由同一名经验丰富的物理师根据RTOG0415（Radiation Therapy Oncology Group，RTOG）号报告［14］剂量限定标准进行Auto－VMAT计划和系统Manual－VMAT计划。为减小研究误差，10例Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划旋转机架角度统一为－180～180°、子野总数设置为30个、最小子野面积大小为10 cm2、最小子野跳数设置为6 MU、计算网格大小为0.4 cm×0.4 cm×0.4 cm和调用直接机器参数优化DMPO算法等计划设计参数，并分别设置了相同的剂量约束和优化参数。

1.5 剂量评估 为了使本研究更具有客观性，在计划评估前将两组计划均归一至处方剂量50 Gy靶体积的95%，根据ICRU82（international commission radiological units，ICRU）号报告靶区的最大剂量Dmax（2%靶区体积所接受的照射剂量），最小剂量Dmin（98%靶区体积所接受的照射剂量），平均剂量Dmean（50%靶区体积所接受的照射剂量），计算靶区适形性指数（CI）、均匀性指数（HI）［15］。计算公式为：HI＝（Dmax－Dmin）／Dmean；CI＝（VTref／VT）×（VTref／Vref）；HI值越小靶区均匀性就越好，CI值越接近1靶区适形越好，其中VTref为参考等剂量线包含的靶体积，VT为靶体积，Vref为参考等剂量线的中总体积。比较直肠、膀胱、小肠及股骨头等OAR的平均剂量Dmean，以及每一个OAR照射体积所占总体积的百分比V30、V40、V50。

1.6 统计学方法 采用SPSS 22.0统计软件，对宫颈癌Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划结果参数进行配对t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区和危及器官剂量分布比较 10例宫颈癌患者Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划的剂量分布均能满足临床要求，Auto－VMAT计划得到的靶区适形度CI、靶区均匀性HI以及靶区的均匀剂量Dmean与Manual－VMAT计划相比差异有统计学意义（P＜0.05），其中Auto－VMAT计划的HI和CI优于Manual－VMAT计划，Auto－VMAT平均剂量Dmean高于Manual－VMAT计划，Auto－VMAT计划结果适形度和均匀性更好，且更容易达到靶区剂量，见表1。Auto－VMAT计划的危及器官小肠的V30、V40、V50、Dmean；直肠和膀胱的V40、V50、Dmean以及左右股骨头的V50、Dmean均显著低于Manual－VMAT计划（P＜0.05），其他参数差异无统计学意义（P＞0.05）。见表2。

表1 Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划靶区剂量参数比较±s

表1 Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划靶区剂量参数比较±s

PTV参数 例数 Auto－VMAT计划Manual－VMAT计划 t值 P值Dmin（Gy）10 47.21±0.07 48.56±0.41 0.57 0.781 Dmax（Gy） 10 54.53±0.77 54.98±0.55 1.49 0.168 Dmean（Gy） 10 51.71±0.37 51.32±0.71 4.14 0.003 HI 10 0.06±0.02 0.08±0.06 10.50 0.000 CI 10 0.67±0.12 0.43±0.01 4.44 0.002

表2 Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划危及器官剂量参数比较 ±s

表2 Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划危及器官剂量参数比较 ±s

危及器官参数 例数 Auto－VMAT计划 Manual－VMAT计划 t值 P值膀胱 V30（%）10 84.18±17.88 89.34±2.10 －2.88 0.180 V40（%） 10 60.00±14.72 72.90±10.31 －10.24 0.000 V50（%） 10 29.83±13.26 35.20±10.92 －9.58 0.000 Dmean（Gy） 10 41.67±4.47 48.26±2.10 －2.88 0.000直肠 V30（%） 10 78.75±10.29 80.53±28.51 －0.17 0.136 V40（%） 10 68.75±10.29 70.28±8.51 －0.16 0.040 V50（%） 10 46.47±2.65 49.78±6.63 7.10 0.000 Dmean（Gy） 10 45.06±2.48 47.04±9.24 0.35 0.000小肠 V30（%） 10 39.84±22.28 42.64±20.93 －4.64 0.001 V40（%） 10 20.14±1.75 28.69±2.18 －5.00 0.001 V50（%） 10 5.14±4.75 7.93±1.17 －4.56 0.001 Dmean（Gy） 10 22.99±5.8 29.91±6.30 －4.70 0.001左侧股骨头 V30 10 7.10±8.12 16.65±12.68 －5.8 0.168 V40 10 1.37±2.02 10.16±2.72 －1.5 1.712 V50 10 0.11±0.03 0.28±0.17 －1.5 0.000 Dmean 10 17.90±5.47 29.10±5.21 －5.67 0.000右侧股骨头 V30 10 5.87±4.12 17.50±10.56 －5.21 0.082 V40 10 1.37±2.08 7.50±5.75 －4.91 0.057 V50 10 1.21±1.72 1.37±2.08 －2.67 0.000 Dmean 10 17.80±5.80 21.84±4.97 －5.21 0.000

2.2 靶区和危及器官截面剂量分布及DVH比较 Auto－VMAT计划得到的靶区覆盖率、高剂量区域和低剂量区域的适形度优于Manual－VMAT计划，靶区4 750 cGy和5 000 cGy的剂量曲线距离危及器官OAR膀胱、股骨头更远，见图1～2。Auto－VMAT计划靶区的剂量线跌落更陡峭，在相同剂量区域范围Auto－VMAT计划的危及器官OAR直肠、膀胱、小肠及股骨头的剂量体积低于Manual－VMAT计划。见图3。

图1 Auto－VMAT计划等剂量曲线分布图

图2 Manual－VMAT计划等计量曲线分布图

图3 Auto－VMAT计划（实线）和Manual－VMAT计划（虚线）危及器官DVH比较

2.3 放疗计划完成时间和机器跳数 Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划的平均优化时间分别为47 min和35 min，Auto－VMAT计划平均优化时间相比于Manual－VMAT计划增加了34%。Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划的平均机器跳数MU分别为519 MU和374 MU，Auto－VMAT计划跳数MU相比于Manual－VMAT计划增加了18%。见表3。

表3 Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划优化时间与 机器跳数比较 ±s

表3 Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划优化时间与 机器跳数比较 ±s

参数 计划优化时间（min） 机器跳数（MU）Auto－VMAT计划47±11.5 519±32 Manual－VMAT计划 35±7.2 374±19 t值 1.32 －4.7 P值0.014 0.000

3 讨论

宫颈癌是全世界范围内女性最常见的恶性肿瘤之一，严重威胁着女性的生命安全。手术、化疗、放疗的综合应用可提高宫颈癌患者的局部控制率。目前，放疗在宫颈癌治疗中占有重要地位，可应用于不同时期的宫颈癌治疗，其效果也已得到广泛认可。Pinnacle39.10的AP模块目前已应用到临床放疗计划设计中，AP模块的优化算法能够自动生成危及器官及靶区的辅助结构，并根据设定的靶区与危及器官之间的优先级自动确定所有参数的权重值，因此可减少计划设计对人工的依赖性［16－17］。Hazell等［18］介绍了Auto－Planning技术用于鼻咽癌放疗的情况，结果发现自动计划可以在无需人工干预的情况下获得临床可执行的计划，并且94%的自动计划质量优于人工计划。Cozzi等［19］在宫颈癌放疗中对VMAT与IMRT进行剂量学比较中，发现VMAT计划应用在宫颈癌治疗中能够获得更好的剂量分布和靶区适形性，在提高计划质量的同时节省优化和治疗时间。Quan等［20］将madccAutoPlan自动计划应用于三期肺癌的放射治疗中，Auto－VMAT计划与人工IMRT计划的实验结果相比较发现，PTV靶区的适形度和均匀性分别提高17%和21%，心脏平均剂量降低17%，食管的V70减少19%。

本研究将Pinnacle39.10计划系统自动计划AP模块应用于宫颈癌旋转容积调强VMAT的计划设中，通过Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划进行剂量学比较，研究结果发现两种靶区的Dmin和Dmax结果差异无统计学意义（P＞0.05），Auto－VMAT计划和Manual－VMAT计划得到的HI分别为0.06±0.02和0.08±0.06，CI分别为0.67±0.12和0.43±0.01，且差异有统计学意义（P＜0.05），说明Auto－VMAT计划在靶区剂量分布方面更具有优势。在保证靶区剂量满足临床治疗需求的条件下，两组计划归一至处方剂量50 Gy靶体积的95%，Auto－VMAT计划得到小肠的V30、V40、V50、Dmean、直肠V40、V50、Dmean、膀胱V40、V50、Dmean以及左右股骨头的V50、Dmean均显著低于Manual－VMAT计划差异有统计学意义（P＜0.05），说明Auto－VMAT计划降低了OAR的受照射剂量。另外，Auto－VMAT计划相对于Manual－VMAT计划机器跳数增加了28%，计划计算时间增加了34%，是因为自动计划模块在优化时会自动添加多个的辅助结构以及靶区剂量跌落限制环，不断的修正剂量冷点和热点，提高靶区的适形性和均匀性、降低靶区周围危及器官剂量，说明Auto－VMAT计划的单次优化时间大于Manual－VMAT计划优化时间，优化的机器的过程更为复杂，需要消耗大量的时间并通过不断试错的方法找到最优的优化参数。另外，Pinnacle39.10可通过编程建立病种Auto－VMAT计划脚本，直接调用省去繁琐的步骤，节省计划设计时间。当然，本研究基于Pinnacle39.10的自动计划的设计过程中仍不能完全脱离人工干预，在自动计划设计过程中初始目标的参数仍需像人工计划那样凭借临床经验进行设置，比如本研究中VMAT治疗的旋转范围、旋转等中心点、优化初始参数值及权重等，这些初始参数的选择对计划的质量起到重要的作用，同样也是计划设计的难点。在实际临床上，在使用自动计划AP模块优化时，根据实际情况对基本参数进行修正，在临床上最大程度地发挥自动计划的优势。

综上所述，基于Pinnacle39.10计划系统自动计划模块在宫颈癌放疗计划设计上的应用，Auto－VMAT计划的靶区处方剂量分布和周围正常器官的剂量明显优于Manual－VMAT，而且Auto－VMAT计划减少了人工参与时间，降低了因人为因素对计划质量造成影响。因此对于宫颈癌的放射治疗，自动计划VMAT计划可以作为现代临床的一种选择。