徐晓捷，侯 鹏，雷亚楠，张瑞英，韩振坤

食管癌是我国最常见的恶性肿瘤之一，发病率占第三位，死亡率占第四位[1-2]。食管癌患者早期临床症状不明显，确诊时多已为中晚期，错过了手术治疗的最佳时机，化疗和放疗成为治疗食管癌的主要手段。调强放射治疗(intensity modulated radiotherapy,IMRT)以其良好的适形度，紧凑的剂量收敛能力和危及器官剂量限制能力，成为目前放射治疗的主流技术之一[3]。随着计算机技术的发展，大数据时代到来，放射治疗技术也步入了机器智能阶段。自动计划是利用优化算法从已有的治疗计划库中用数据挖掘深度学习技术提炼出相关信息，用于预测患者治疗计划的剂量分布，提高患者的计划质量[4-7]。本研究对24例食管癌放疗患者，对比Pinnacle3V 9.10版本自带的Auto-planning模块的自动设计计划(auto-planning intensity modulated radiotherapy,ap-IMRT)和常规人工手动计划(manual intensity modulated radiotherapy,m-IMRT)两种计划设计方案，对比其靶区剂量分布和正常危及器官的受照剂量体积参数，探索适合食管癌放疗的较好的计划方案优化方式。

1 材料和方法

1.1 临床资料病例选自2019年4月至2020年1月在河南科技大学第一附属医院进行放射治疗的食管癌患者，为保证计划对比质量，筛选出24例胸中段的食管癌病例。筛选条件：肿瘤靶区GTV照射剂量每30次60 Gy，计划靶区PTV照射剂量每30次54 Gy。其中男性9例，女性15例，年龄54～90岁，中位年龄70岁。所有病例均用Pinnacle3V 9.10计划系统设计人工设计计划方案m-IMRT，同时用自带的Auto-planning模块设计ap-IMRT计划。

1.2 CT图像采集所有病例均采用平静呼吸状态仰卧位，双臂上举双手交叉置于头顶用热缩体膜固定。患者平躺在碳纤维固定架上，利用定位激光灯配合参考金标确定定位体位坐标，采用Philips 16排大孔径CT进行扫描，扫描层厚5 mm。将定位扫描的图像传到Pinnacle3V 9.10计划系统，然后三维重建得到患者的CT定位图像。

1.3 靶区勾画及处方剂量经过Pinnacle3计划系统重建定位CT图像，根据食管癌临床放射治疗相关要求勾画靶区和周围正常危及器官(organs at risk,OARs)。靶区包括肿瘤靶区GTV、临床靶区CTV和计划靶区PTV，其中计划靶区PTV是由临床靶区CTV前后方向、左右方向、头脚方向外扩0.5～0.7cm而得。肿瘤靶区GTV的处方剂量为每30次60 Gy，PTV的处方剂量为每30次54 Gy，每周5次，单次1.8～2.0 Gy。勾画出左肺、右肺、心脏、脊髓等危及器官。要求肺V5≤60%、V20≤30%，心脏V30≤40%、V40≤30%，脊髓的最大量Dmax<45 Gy。

1.4 计划设计用Pinnacle3V 9.10计划系统，分别进行人工静态调强计划m-IMRT和自动计划ap-IMRT计划设计。调强放疗计划射线能量均采用6 MV的X射线，且均选择前1后4的5野调强照射。m-IMRT计划设计：手动设置照射野，手动设置靶区和周围正常器官的剂量限值，靶区剂量的权重最大，其次是左肺、右肺、心脏、脊髓。靶区的约束条件包括Min Dose、Max Dose、Min DVH，危及器官的物理约束条件包括Max DVH、Uniform Dose、MaxDose等，计划达标要求为：GTV的D95>60 Gy，PTV的D95>54 Gy，左肺和右肺均是V5<60%、V20<30%，心脏V30<40%、V40<30%，脊髓的Dmax<45 Gy。ap-IMRT计划设计：物理约束条件和剂量限值条件与m-IMRT计划相同，利用Pinnacle3V 9.10计划系统Treatment techniques治疗技术对靶区和危及器官进行预处理，将处理后的靶区和危及器官的限值条件在Auto-planning模块中进行目标函数优化，得到ap-IMRT计划。

1.5 剂量体积评估利用剂量体积直方图(dose volume histogram，DVH)对m-IMRT和ap-IMRT的GTV、PTV和OARs的受照剂量进行计量学的统计分析。靶区受照量分析指标包括：GTV和PTV的最大剂量(Dmax)、最小剂量(Dmin)、平均剂量(Dmean)、D2、D5、D50、D95、D98，适形度指数(conformity index，CI)和均匀性指数(homogeneity index，HI)；OARs的参数包括：双肺的V5、V10、V20、V30、Dmean、Dmax，脊髓的最大剂量Dmax，心脏的V20、V30、V40、Dmean。CI=(VT,ref×VT,ref)/(VT×Vref)[8]，其中Vref、VT,ref分别为95%的参考等剂量线所包围的所有体积和所覆盖的PTV体积，VT为靶区PTV的体积。CI值为0～1，CI值越大说明剂量线的适形度越好，CI=1是最理想的状态。HI=(D2-D98)/D50[9]，HI值越接近0说明剂量均匀性越好，反之，HI值越大说明靶区的均匀性越差。

1.6 统计方法采用SPSS 23.0软件行配对t检验，P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 m-IMRT和ap-IMRT计划靶区剂量参数比较GTV的Dmin(t=-2.233,P=0.036)略有增加、均匀性指数HI (t=2.205,P=0.038) 参数略有减小，PTV的D98(t=-2.241,P=0.035)略有增加、均匀性指数HI(t=2.543,P=0.018)略有减小、适形度指数CI(t=-2.497,P=0.020)参数略有增加，均是ap-IMRT计划优于m-IMRT计划，且均有显著性差异。其他参数均无显著性差异，详见表1。

表1 24例食管癌患者两种计划间计划靶区剂量参数比较

2.2 m-IMRT和ap-IMRT计划OARs剂量参数比较左肺的V20(t=4.412,P=0.000)略有减小、V30(t=5.243,P=0.000)略有减小，心脏的V30(t=2.546,P=0.018)略有减小、V40(t=2.404,P=0.025)略有减小、Dmean(t=2.565,P=0.017) 参数略有减小，均是ap-IMRT计划优于m-IMRT计划，且均有显著性差异。脊髓的Dmax(t=-2.122,P=0.045)参数略有增加， m-IMRT计划显著优于ap-IMRT计划，详见表2。

表2 24例食管癌患者两种计划间危及器官剂量参数比较

2.3 m-IMRT和ap-IMRT计划参数比较两种计划的子野数相差不大，机器跳数MU (t=-2.691,P=0.013)参数略有增加，m-IMRT计划显著优于ap-IMRT计划，详见表3。

表3 24例食管癌患者两种计划参数比较

3 讨论

近年来机器智能快速发展,已经应用到现代放射治疗计划系统中，自动计划也成为研究的热点[10-11]。美国飞利浦公司基于Pinnacle3V 9.10平台的Auto-planning也是比较成熟的自动计划模块[12]，Auto-planning 模拟经验丰富的计划设计师，使用卷积迭代算法在优化过程中自动调整优化参数或权重来实现计划的不断优化。本研究中就是用的Pinnacle3V 9.10自带的Auto-planning模块实现自动计划ap-IMRT计划，与人工计划m-IMRT进行剂量学比较。

王继平等[13]用Pinnacle3计划系统的Auto-planning模块研究在直肠癌调强放疗中的应用，结果显示自动计划的靶区有更好的适形度，减少热点和冷点，同时降低OARs受照剂量，更好地保护正常器官。王雪桃等[14]用瑞典Raysearch公司的RayStation 计划系统研究了其在宫颈癌容积旋转调强(volume modulated arc therapy,VMAT)中的应用，结果显示RayStation 计划系统能够快速高效的完成高质量的宫颈癌VMAT计划。程志垚等[15]用MD安德森癌症治疗中心研发的MdaccAutoPlan自动计划软件搭载在Pinnacle3计划系统研究了鼻咽癌患者的静态调强计划，结果显示自动计划可有效减少某些危及器官的受照剂量，可减少计划设计时间，提高计划效率。

本研究选取了24例食管癌患者，对比了Pinnacle3计划系统自动设计和人工设计的治疗计划的剂量学差异。在靶区剂量分布方面，自动计划ap-IMRT的靶区剂量分布在GTV的Dmin、HI，计划靶区PTV的D98、HI、CI均略优于m-IMRT。在危及器官受照剂量方面，左肺的V20、V30，心脏的V30、V40、Dmean剂量参数，自动计划均优于人工计划。但脊髓的最大受照剂量Dmax人工计划优于自动计划，且有7例自动计划的脊髓最大受照剂量大于45 Gy。Auto-planning模块只支持DMPO和Smartarc两种优化方式，本研究中用的均是DMPO的优化方式，通过治疗计划系统(treatment planning system，TPS)根据优化条件自动生成剂量成形结构(dose shaping structure，DSS)，自动优化目标函数，将以往获得的治疗经验导入到调强计划的优化中，以获得最优的治疗计划。人工计划就是凭借个人经验人工设置优化条件，也用DMPO算法，直接优化子野形状和权重，通过更改添加优化参数，得到接近最优解的剂量分布。人工计划要求物理师有较高的物理知识储备和临床经验，对物理师的技术水平要求较高。Auto-planning模块中内置的有计划参数，实现自动优化控制，求取最优的计划解，能提高计划设计效率。

综上所述，由研究结果可得Pinnacle3计划系统的Auto-planning模块对于胸中段食管癌放射治疗计划设计可提高靶区剂量的适形性和均匀性，且对于降低并行危及器官受量取得很好的效果，可以明显降低患者左肺和心脏的不良反应，有一定的临床应用价值。自动计划能够明显提高治疗技术设计的效率，同时大大减少物理师的工作量，但在串行器官脊髓的最大受照剂量保护方面不及人工计划。结合本文研究结果，作者认为可以将自动计划和人工计划相结合，由自动计划完成较好的靶区适形度，均匀性和并行器官较低的受照剂量。结合人工计划手动设置优化条件，限制串行器官脊髓的最大受照剂量。结合两种计划，能否得到最优的治疗计划方案，还需要进一步的研究。