机器学习在肺癌VMAT计划中对危及器官剂量预测的可行性

目的:探讨机器学习在肺癌容积旋转调强（VMAT）治疗计划对心脏和肺的剂量体积直方图（DVH）预测的可行性。方法:选取51例肺癌VMAT计划,随机选取其中43例为训练组,剩余8例为验证组。分析训练组中患者的解剖信息与两侧肺V5、V20和心脏V30、V40的相关性。采用机器学习方法,以解剖信息为输入、危及器官（OAR）的DVH为输出,分别构建并训练关于两侧肺以及心脏的人工神经网络模型。将验证组中8例VMAT计划中的解剖信息分别输入到已经构建好的人工神经网络模型,分别预测OAR的DVH。结果:两侧肺V5、V20和心脏V30、V40受自身体积大小影响可忽略,受OAR与靶区的空间相对位置关系影响较大。患侧肺、对侧肺、心脏的人工神经网络结构模型中隐藏层分别含有41、38、34个神经结点,线性回归系数分别为0.994、0.975、0.986。对验证组中患侧肺和对侧肺的V5、V20的预测误差分别为2.70%[±]1.83%、2.84[%±]1.97%和13.7%[±]7.8%、0.72[%±]0.75%,对心脏V30、V40的预测误差分别为3.20[%±]0.63%、2.1[%±]1.5%,仅对侧肺V5的预测值和实际值差异有统计学意义（P<0.05）。结论:采用人工神经网络方法可以对肺癌VMAT计划中解剖信息与OAR的DVH数据进行学习,构建的人工神经网络模型可预测出患侧肺、心脏V25[~]V60和对侧肺V20的DVH数据,可为临床计划设计提供参考。     

非小细胞肺癌容积旋转调强与适形调强放疗的剂量学比较

目的:比较容积旋转调强放疗（VMAT）和适形调强放疗（IMRT）技术在非小细胞肺癌靶区和危及器官（OAR）的剂量学差异。 方法:选取首程接受放射治疗的20例非小细胞肺癌患者,分别设计5野IMRT（5F-IMRT）、7野IMRT（7F-IMRT）、双弧VMAT（D-VMAT）和部分弧VMAT（P-VMAT）计划,比较靶区剂量分布、OAR剂量体积参数。 结果:4种计划中计划靶区的Dmean比较差异无统计学意义（P>0.05）;两种VMAT计划中计划靶区的均匀性指数和适形度指数均优于两种IMRT（P<0.05）;4种计划中D-VMAT肺平均剂量高于其余3种计划（P<0.05）;P-VMAT的双肺V5、V10稍好于D-VMAT（P<0.05）,但两种VMAT计划均高于两种IMRT计划（P<0.05）;4种计划中P-VMAT的双肺V20最优,且4种计划相互间比较差异有统计学意义（P<0.05）;D-VMAT与P-VMAT双肺的V30相当（P>0.05）,但均优于两种IMRT计划（P<0.05）;4种计划双肺V40和心脏的V30、V40比较差异无统计学意义（P>0.05）。P-VMAT计划的脊髓Dmax最低,与其余计划相比差异均有统计学意义（P<0.05）。 结论:非小细胞肺癌靶区剂量分布D-VMAT和P-VMAT好于IMRT计划。P-VMAT在OAR的保护方面体现的优势更多。综合考虑,非小细胞肺癌的放疗优先推荐P-VMAT,但对于重点考虑肺低剂量区,而次要考虑靶区剂量分布的病例推荐7F-IMRT。     

DVH预测模型在VMAT计划培训中的应用

目的:以宫颈癌为例，探索使用剂量体积直方图（DVH）预测模型培训放疗物理师容积旋转调强（VMAT）计划设计的可行性及其效果。方法:随机选取20例宫颈癌测试病例对3名见习物理师进行两个阶段培训（第一阶段15例，第二阶段5例）。每位物理师分别采用两种方法设计VMAT计划:传统人工计划（MP）和基于DVH预测模型引导的自动计划（KBP）。对比不同阶段两种计划靶区和危及器官的各种剂量学参数，并做相应统计分析。结果:与人工计划相比，自动计划在明显提高PGTV靶区V60覆盖（P<0.001），改善高剂量控制（V66）（P=0.027）的情况下，显著降低膀胱（P<0.001）、直肠（P<0.001）、左右肾（P=0.001和P<0.001）以及左右侧股骨头（P<0.001和P<0.001）等绝大部分正常组织器官的受照剂量。在提高计划合格率的同时，亦减小了计划者间的质量差异。结论:DVH预测模型有助于深化物理师对VMAT初始优化参数设置的理解，加快培训进度，提升VMAT计划设计水平。     

宫颈癌后装放疗中剂量的体积优化和逆向模拟退火优化的比较分析

目的:比较宫颈癌腔内联合组织间插植三维后装计划中体积优化和模拟退火逆向优化（IPSA）剂量分布的差异,为其在治疗中计划设计优化方案的选择提供依据。 方法:选取15例进行了三维后装治疗的宫颈癌患者,原执行体积优化,基于原始图像重新设计IPSA计划,配对t检验两种优化方法的剂量学差异。 结果:在两组间靶区V100%和V150%以及均匀性指数方面无统计学差异（P>0.05）。而靶区的适形度指数的平均值有着显著差异［体积优化（0.77±0.11）,IPSA优化（0.82±0.07）］,且具有统计学差异（P<0.05）。在OAR方面,与体积优化相比,IPSA优化使OAR的受照剂量明显降低,统计学差异明显（P<0.05）。 结论:与体积优化方法相比,IPSA优化在提高靶区适形度指数的同时,更好地对OAR起到保护作用,且计算过程相对简捷,是临床上更可取的计划优化算法。     

容积旋转调强在局部晚期鼻咽癌放疗中的剂量学特点

目的:研究容积旋转调强（VMAT）放射治疗技术在局部晚期鼻咽癌放疗中的剂量学特点。方法:选取70例局部晚期鼻咽癌患者,分别对入组患者进行等效均匀剂量优化+双弧VMAT计划设计（EUD组）和剂量-体积优化+双弧VMAT计划设计（DV组）,比较两种计划的靶区和部分危及器官（OAR）剂量参数和截面剂量分布情况。结果:EUD组均匀性指数和适形度指数均显著低于DV组,靶区和OAR剂量参数显著低于DV组（P<0.05）,尤其是EUD组脑干区域最高剂量在52 Gy以下,显著降低了治疗中损伤脑干的风险;EUD组靶区剂量分布更加均匀,能够减少靶区外高剂量分布和颈部高剂量体积。结论:将VMAT技术应用于局部晚期鼻咽癌放疗中时,采取等效均匀剂量优化方法,能够提升靶区均匀性与适形度,有助于改善肿瘤局部控制率,并且能够降低OAR接受剂量,保护作用更加显著。     

Auto-planning在脑胶质瘤非共面容积调强放疗计划中的应用

目的:通过比较基于Auto-planning的胶质瘤非共面自动容积旋转调强放疗(AP-VMAT)计划与常规手动非共面VMAT(M-VMAT)计划在靶区和危及器官(OAR)的剂量学差异,探讨自动优化在非共面胶质瘤VMAT计划中应用的可行性。方法:选取2016-02-15~2016-12-18在广州医科大学附属肿瘤医院放疗科接受治疗的8例胶质瘤患者,进行CT模拟定位及靶区和OAR的勾画,采用Pinnacle 9.10治疗计划系统基于同一CT图像分别设计M-VMAT计划和AP-VMAT计划,比较手动和自动两种调强计划的靶区覆盖、分析靶区均匀性指数、适形度指数及OAR受照剂量差异。结果:两种计划靶区覆盖率、平均剂量(D_(mean))、均匀性指数差异均无统计学意义(P0.05)。AP-VMAT计划的适形度指数明显优于M-VMAT计划,差异有统计学意义[(0.890±0.046)vs(0.750±0.046),P0.001];两种计划OAR中脑干最大剂量、D_5,同侧眼球、晶体、视神经最大剂量、D_(mean)差异均无统计学意义(P0.05),而AP-VMAT计划中脑干D_(mean)及视交叉、对侧眼球、晶体、视神经和正常脑组织的剂量评价参数均优于M-VMAT计划,差异有统计学意义(P0.05)。结论:相比M-VMAT计划,基于Auto-planning的自动优化方式能够简化调强计划设计过程,并一定程度上改善靶区的剂量分布,降低OAR的受照剂量。     

宫颈癌固定野调强和容积旋转调强放疗计划剂量学分析

目的 比较固定野调强（IMRT）和容积旋转调强（VMAT）在宫颈癌放疗中的剂量学差异。方法 选取20例仰卧位放疗的宫颈癌患者,勾画计划靶区和危及器官后,给予计划靶区PTV 50 Gy/25次的治疗剂量,每例患者设计5野IMRT和2弧VMAT两组计划,采用相同的优化参数。评估两组计划的靶区VPTV105%、Dmin、均匀性指数HIptv、适形度指数CIptv;危及器官OAR平均剂量Dmean、V40、V30、V20;机器跳数（MU）及治疗时间（Time）差异进行评估,并进行统计分析。结果 两组计划中VMAT的靶区VPTV105%、Dmin、HIptv、CIptv优于IMRT,差异具有统计学意义（P＜0.05）;两组计划中VMAT的膀胱平均剂量（Dmean）、V40、V30优于IMRT,差异具有统计学意义（P＜0.05）。两侧股骨头和直肠所受剂量比较,差异无统计学意义（P＞0.05）;两组计划中VMAT的MU和Time优于IMRT,差异具有统计学意义（P＜0.05）。结论 与IMRT相比,VMAT在宫颈癌放疗的靶区剂量分布更优,膀胱的照射体积和平均剂量更小,两侧股骨头和直肠未见明显优势。治疗跳数大幅降低,对加速器的损耗相对更小,患者治疗时间明显缩。在不考虑治疗费用这一经济因素的情况下,VMAT治疗计划进一步地提高了靶区的剂量分布,对膀胱进行更好的保护,具有较好的剂量学优势。     

KylinRay-IMRT与Pinnacle3胸部肿瘤计划剂量学比较分析

IMRT 5.0的逆向计划优化功能。方法:从例题库选取15例胸部例题并导入至调强放射治疗计划系统KylinRay-IMRT,在KylinRay-IMRT计划系统中进行优化计算并确认优化结果,从TPS提取剂量学指标值并记录,数据比较进行t检验。结果:两组TPS计划的靶区均匀性指数（HI）、适形度指数（CI）、剂量分布满足临床要求,KylinRay-IMRT计划在靶区HI上略优于对照TPS组（t=4.480;P=0.001）。KylinRay-IMRT计划肺的V10、V20、V30、平均剂量（t=2.594、6.672、3.471、6.225;P<0.05）略优于对照TPS组,心脏的V30、V40、平均剂量（t=6.078、6.466、8.712;P<0.05）明显优于对照TPS组。两组靶区CI（t=-1.548;P=0.144）、肺的V5（t=1.339;P=0.202）、脊髓最大剂量（t=1.465;P=0.165）无统计学意义。结论:对于胸部例题而言,由于TPS自身因素和人为因素导致两者计算结果存在差异,KylinRay-IMRT的计划质量在临床可接受的程度范围内,其逆向计划优化功能满足了临床应用的安全性和准确性要求。     

固定铅门技术应用于胸中段食管癌调强放疗的剂量学研究

【摘要】目的:探讨固定铅门调强计划（fj-IMRT）相对于常规分野调强计划（sf-IMRT）在胸中段食管癌放疗中的潜在剂量学优势。方法:选择10例接受根治性放疗的胸中段食管癌患者,分别制定sf-IMRT和fj-IMRT计划,统计靶区适形度指数、均匀性指数、靶区和危及器官的剂量体积参数、总射野数和机器跳数,各指标差异采用配对t检验。结果:sf-IMRT计划靶区D2%低于fj-IMRT计划（P=0.025）。双肺平均剂量（Dmean）、V5、V10、V20,左肺Dmean、V5、V10、V20、V30、V40,右肺Dmean、V5、V10,心脏Dmean和V40,靶区外身体Dmean、V5、V10、V20有显著差异（P<0.05）,fj-IMRT优于sf-IMRT计划。两计划射野总数相同,fj-IMRT计划和sf-IMRT计划机器跳数分别为（1 081.98±241.32） MU和（997.12±209.73） MU,sf-IMRT计划显著低于fj-IMRT计划（P=0.013）。结论:对于胸中段食管癌,fj-IMRT相较sf-IMRT能够显著降低肺、心脏和全身的低剂量照射,同时保证相似的靶区剂量覆盖和治疗实施效率。     

两种皮肤通量外扩方法在乳腺癌根治术后调强放疗计划中的剂量学比较

目的:比较两种皮肤通量外扩方法在乳腺癌调强放疗计划中的剂量学差异。方法:对20例左乳腺癌根治术后患者的调强放疗计划分别采用瓦里安Eclipse治疗计划系统（11.0版）提供的Nearest cell（NC）和Erosion-dilation（ED）两种方法进行皮肤通量外扩,生成8FIMRT-NC和8FIMRT-ED计划。比较两组治疗计划的剂量体积直方图、靶区和危及器官的剂量分布、计划验证通过率和单次总机器跳数。结果:两种计划的通量和剂量线均已向胸壁皮肤外扩,两组计划的靶区剂量分布均达到临床处方剂量要求。PTV的最大剂量、平均剂量、大于110%处方剂量受照的体积、适形度指数、均匀性指数、梯度测量值等差异均无统计学意义。主要危及器官肺、心脏和脊髓等的剂量基本相似,差异均无统计学意义。两组计划的验证通过率差异无统计学意义,且均能应用于临床治疗。8FIMRT-ED计划比8FIMRT-NC计划的单次总机器跳数更少,分别为（1 282.35±184.84） MU和（1 302.05±195.37） MU,具有统计学意义（t=2.590, P<0.05）。结论:在乳腺癌根治术后的调强放疗临床计划中,采用NC和ED两种外扩方法均可以将皮肤通量有效外扩,且靶区剂量和危及器官受量均能满足临床治疗要求,两者剂量学无显著差异,但采用ED方法进行外扩,单次总机器跳数更少。     

A new method of incorporating systematic uncertainties in intensity-modulated radiotherapy optimization

Uncertainties in tumor position during intensity-modulated radiotherapy (IMRT) plan optimization are usually accounted for by adding margins to a clinical target volume (CTV), or additionally, to organs at risk (OAR). The former approach usually favors target coverage over OAR protection, whereas the latter does not account for correlation in target and OAR movement. We investigate a new approach to incorporate systematic errors in tumor and organ position. The method models a distribution of systematic errors due to setup error and organ motion with displaced replicas of volumes of interest, each representing the patient geometry for a possible systematic error, and maximizes a score function that counts the number of replicas meeting dose or biological constraints for both CTV and OAR. Dose constraints are implemented by logistic functions of Niemierko's generalized model of equivalent uniform dose (EUD). The method is applied to prostate and nasopharynx IMRT plans, in which CTV and OAR each consists of five replicas, one representing no error (the position in the planning CT) and the other four discrete systematic setup displacements in one dimension with equal probability. The resulting IMRT plans are compared with those from two other EUD-based optimizations: a standard planning target volume (PTV) approach consisting of a single replica of each OAR in the planned position and a single PTV encompassing all CTV replicas, and a PTV-PRV approach consisting of a single PTV and a single planning risk volume (PRV) for each OAR encompassing all replicas. When systematic error is present, multiple-replica optimization provides better critical organ protection while maintaining similar target coverage compared with the PTV approach, and provides better CTV-to-OAR therapeutic ratio compared with the PTV-PRV instances where there is substantial PTV-PRV overlap. The method can be used for other systematic errors due to organ motion and deformation.     

宫颈癌直线加速器放疗时保卵巢对靶区和危及器官的影响

目的:探究宫颈癌直线加速器放疗时保卵巢对计划靶区和危及器官的剂量学影响。方法:随机选取16例保卵巢宫 颈癌直线加速器放疗患者,基于XiO计划系统为每例患者设计7野均分调强计划,并通过归一使95%计划靶区剂量达到 45 Gy。在除卵巢外其他优化参数相同的情况下,生成保卵巢组和不保卵巢组两组治疗计划,比较两组计划的靶区和危及 器官的剂量学差异。结果:两组计划均满足临床要求。对于计划靶区,保卵巢组与不保卵巢组的适形度指数和均匀性指 数分别为0.708±0.051、0.808±0.056（P<0.05）和0.135±0.023、0.087±0.012（P<0.05）,保卵巢组适形度和均匀性显著下降。 对于危及器官,保卵巢组小肠、膀胱、直肠和左股骨头的Dmax均大于不保卵巢组（P<0.05）,而Dmean、V45、V40、V30、V20和V10无 统计学差异（P>0.05）;保卵巢组脊髓Dmean、Dmax无统计学差异（P>0.05）。结论:保卵巢显著影响计划靶区的剂量分布,对 危及器官影响甚微。     

Estimated limits of IMRT dose escalation using varied planning target volume margins

To estimate the limits of dose escalation for prostate cancer as a function of planning target volume (PTV) margins, the maximum achievable dose (MAD) was determined through iterative plan optimizations from data sets of 18 patients until the dose constraints for rectum, bladder and PTV could no longer be met. PTV margins of 10, 5 and 3 mm yielded a mean MAD of 83.0 Gy (range, 73.8-108.0 Gy), 113.1 Gy (range, 90.0-151.2 Gy) and 135.9 Gy (range, 102.6-189.0 Gy), respectively. All comparisons of MAD among margin groups were statistically significant (P < 0.001). Comparison of prostate volumes of 30-50 mL (n = 8) with volumes of 51-70 mL (n = 7) and 71-105 mL (n = 3) showed an inverse relationship with MAD. Decreases in PTV margin significantly decreased the PTV overlap of the rectum (P < 0.001 for all margin comparisons). With decreases in the PTV margin and maintenance of identical dose constraints, doses well above those currently prescribed for treatment of localized prostate cancer appear feasible. However, the dose escalation suggested by these findings is a theoretical estimate, and additional dose constraints will likely be necessary to limit toxicity to normal tissue.     

On the beam direction search space in computerized non-coplanar beam angle optimization for IMRT-prostate SBRT

In a recent paper, we have published a new algorithm, designated 'iCycle', for fully automated multi-criterial optimization of beam angles and intensity profiles. In this study, we have used this algorithm to investigate the relationship between plan quality and the extent of the beam direction search space, i.e. the set of candidate beam directions that may be selected for generating an optimal plan. For a group of ten prostate cancer patients, optimal IMRT plans were made for stereotactic body radiation therapy (SBRT), mimicking high dose rate brachytherapy dosimetry. Plans were generated for five different beam direction input sets: a coplanar (CP) set and four non-coplanar (NCP) sets. For CP treatments, the search space consisted of 72 orientations (5° separations). The NCP CyberKnife (CK) space contained all directions available in the robotic CK treatment unit. The fully non-coplanar (F-NCP) set facilitated the highest possible degree of freedom in selecting optimal directions. CK(+) and CK(++) were subsets of F-NCP to investigate some aspects of the CK space. For each input set, plans were generated with up to 30 selected beam directions. Generated plans were clinically acceptable, according to an assessment of our clinicians. Convergence in plan quality occurred only after around 20 included beams. For individual patients, variations in PTV dose delivery between the five generated plans were minimal, as aimed for (average spread in V(95): 0.4%). This allowed plan comparisons based on organ at risk (OAR) doses, with the rectum considered most important. Plans generated with the NCP search spaces had improved OAR sparing compared to the CP search space, especially for the rectum. OAR sparing was best with the F-NCP, with reductions in rectum D(Mean), V(40Gy), V(60Gy) and D(2%) compared to CP of 25%, 35%, 37% and 8%, respectively. Reduced rectum sparing with the CK search space compared to F-NCP could be largely compensated by expanding CK with beams with relatively large direction components along the superior-inferior axis (CK(++)). Addition of posterior beams (CK(++) → F-NCP) did not lead to further improvements in OAR sparing. Plans with 25 beams clearly performed better than 11-beam plans. For CP plans, an increase from 11 to 25 involved beams resulted in reductions in rectum D(Mean), V(40Gy), V(60Gy) and D(2%) of 39%, 57%, 64% and 13%, respectively.     

各向异性分析算法和光子笔形束卷积算法在食管癌放射治疗中的剂量学比较

目的比较食管癌调强放射治疗各向异性分析算法（AAA）与光子笔形束卷积（PBC）算法的剂量学差异。方法选取9例食管癌患者,其中男性6例,女性3例;年龄54-68岁,平均年龄61岁。用瓦里安Eclipse 8.6治疗计划系统设计5野均分逆向调强计划,分别用AAA和PBC算法模型计算并利用COMPASS进行剂量验证。利用剂量体积直方图比较靶区、肺、心脏和脊髓照射剂量和体积。数据应用SPSS15.0进行配对t检验分析。结果大体肿瘤区（GTV）的均匀性指数（HI）、适合度指数（CI）、Dmean及计划靶区（PTV）的HI,AAA结果均优于PBC算法,差异均有统计学意义（P〈0.05）。AAA双肺各指标差值为-0.02%～-1.87%,即低估了肺2%以内的受量。PBC算法双肺各指标差值为-3.95%～1.05%,低剂量区（V5～15）低估了肺4%以内的受量,高剂量区（V20～30）则稍高估。对于脊髓,AAA和PBC算法分别高估了1.57%、4.49%。两种算法都低估了心脏的受量,但AAA相对准确。结论食管癌放射治疗中采用AAA优于PBC算法。     

TCP/NTCP生物模型在胸中上段食管癌调强放疗中的应用

目的:探究TCP/NTCP生物模型在胸中上段食管癌放疗计划优化中的应用及剂量学特点。方法:回顾性分析47例胸中上段食管癌患者,为每位患者制定基于剂量体积（DV）限制的IMRT计划,在DV计划基础上添加对计划靶区（PTV）的TCP（限值90%、95%）生物模型以及危及器官的NTCP（限值10%、5%）模型优化,依次生成[PlanTCP90%]、[PlanTCP95%]、[PlanNTCP10%]、[PlanNTCP5%]4组计划。从剂量学及生物学参数方面评估计划间差异。结果:[PlanTCP90%]、[PlanTCP95%]相比于DV计划,靶区剂量参数均提高（P<0.05）,其中[Dmean]、[D2%]、[D98%]分别提高（2.1%、9.8%）、（1.9%、9.8%）和（1.7%、9.3%）,CI分别降低5%、20%,HI相近,TCP值分别提高2%、7%;危及器官受照剂量均有不同程度提高,[PlanTCP95%]增加更显著（P<0.05）。经TCP优化后的计划仅[PlanTCP90%]满足临床要求;[PlanNTCP5%]与DV计划相比,靶区、心脏相关剂量参数间差异没有统计学意义（P>0.05）,但双肺[Dmean]、[V5 Gy]、[V10 Gy]、[V20 Gy]、NTCP值降低4.4%、1.6%、2.6%、6.2%、0.52%（P<0.05）。[PlanNTCP10%]与DV计划相比,PTV及危及器官相关剂量学参数间差异没有统计学意义（P>0.05）。结论:TCP/NTCP生物学优化可以使靶区及危及器官剂量更符合生物学要求,建议在胸中上段食管癌放疗DV计划优化后引入TCP/NTCP的评估,进而进行选择性的靶向深入优化。