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1997年美国Yan等[1]首次提出自适应放疗（Adaptive Radiotherapy，ART）的概念，这一概念将整个放疗过程的模拟定位、计划设计、计划验证及放疗执行作为一个可自我响应、自我修正的动态闭环系统。ART的主要特点是在分次放疗过程中治疗计划的更新，更新计划有离线和在线两种方式[2]。离线方式是指完成若干次分次放疗后重新进行计划设计，继续剩余分次的治疗。离线方式实现比较容易，可根据个体化患者设置相应的靶区外放边界，主要解决分次治疗间的系统误差。而对于随机误差以及形变误差，则必须进行在线的计划修正。在线ART是指根据分次内的影像反馈信息，即每次治疗前患者实时的解剖结构来更新治疗计划，并按照修改后的治疗计划实施当前分次治疗，其中包括三维CT图像的在线获取、结构的自动勾画、变形配准及计划的再优化，这些步骤需要在患者摆位完成至放疗前的较短时间内完成[3]。荷兰飞利浦公司的Pinnacle 治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）是目前国内应用较广泛的放疗计划制定软件平台之一，其动态计划模块能够实现靶区形变和计划移植等功能。然而，该模块仅对高版本用户提供有偿开放。本研究探讨在没有配置动态计划模块的情况下，分别通过脚本函数及人工手动操作实现鼻咽癌放疗计划的移植、靶区和危及器官轮廓的刚性移植和修改、计划评估、新计划的自动生成和剂量的在线验证，基于我科现有设备，实现流程化的在线ART。

1 材料与方法

1.1 设备和资料

TPS为Pinnacle V9.10，配置有图像融合、自动计划和计划评分卡模块等，无动态计划模块。加速器选择SIMENS ONCOR Impression直线加速器，自带的一体化SOMATOM Sensation 40排CT系统，可实现在线的CT图像采集和摆位误差的校准。质控设备选择IBA Compass三维剂量验证系统。选取我院鼻咽癌放疗患者1例，基本临床资料如下：① 活检病理为“非角化性癌”；② 分期为Ⅳ期；③ 年龄56岁；④ KPS评分≥70。患者签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 模拟定位CT扫描和初次计划设计

患者仰卧，U型热塑面膜固定。采用美国GE公司生产的Lightspeed 16排螺旋CT进行模拟定位图像采集。图像完成采集后由网络系统传输至Pinnacle V9.10计划系统，临床医生勾画以下靶区和危及器官：GTVnx、GTVnd、CTV1、CTV2，脊髓、脑干、颞叶、眼球、视交叉、晶体、视神经、内耳、腮腺、颌下腺、下颌骨、喉、颞颌关节等。处方剂量要求如下：PGTVnx 70 Gy，PGTVnd 66 Gy，PTV1 60 Gy，PTV2 54 Gy，分32 次完成。剂量师采用Pinnacle V9.10系统进行计划设计。计划由临床主管医生和物理师审核通过后经Mosaiq网络系统传至SIMENS ONCOR Impression直线加速器。此外，利用脚本程序将该患者模拟定位CT图像、靶区及危及器官轮廓、初始计划射野参数导出至计划系统本地文件夹，同时保存计划优化目标函数，以该患者住院号命名。

对于脚本具体来说包括以下操作步骤：① 编辑脚本“ExportBeams&image”；② 对脚本进行保存：将脚本文件保存在Unix操作系统目录的/home/p3rtp/User-Scripts/路径下，并将文件命名为“ExportBeams&image.Script”；③ 建立文件导出触发器：在Pinnacle TPS的HotScripts界面建立新的脚本运行触发器“ExportBeams&image”其作用是将后台执行脚本指向“ExportBeams&image.Script”脚本文件；④ 发送执行脚本命令：在HotScripts界面触发新建的计划导出触发器“ExportBeams&image”，即将当前放疗计划所包含的照射野参数，包括每一个照射野的能量、角度、子野对应的MLC形状导出并存储在/home/p3rtp/inout/路径的临时文件中，同时靶区、危及器官轮廓导出至TPS本地文件夹下。

1.2.2 放疗前滑轨CT扫描及摆位误差校准

放疗前技术员对患者进行摆位，然后使用SOMATOM Sensation 40排CT系统进行患者放疗体位下的在线图像采集，在COHENERENCE Therapist V2.3系统中，本次采集的CTx图像（x代表分次治疗次数）与模拟定位CT进行自动灰度或人工手动配准，得到三个方向（左右、头脚、腹背）的偏移坐标，即摆位误差。技术员对摆位误差进行纠正。将CTx图像经网络传至Pinnacle计划系统，以备该分次治疗前初始计划的剂量评估和修改。

1.2.3 CTx图像靶区和危及器官轮廓的获取

由于Pinnacle V9.10版本中无靶区形变功能，本研究中采用刚性移植和人工修改相结合的方式实现二次靶区和危及器官轮廓的勾画。具体来说，首先将CTx图像作为基准图像，模拟定位CT作为浮动图像进行图像融合，图像融合选择CT-CT融合，采用手动、自动或二者相结合的方式，算法选择归一化互信息。融合完毕后即可将本地文件夹中存储的该患者模拟定位CT图像靶区及危及器官轮廓导入到CTx图像中，由于该过程属刚性移植，仍需主管医生在线对靶区进行手动修改和审核。其中，对于密度边界清晰的危及器官可利用Pinnacle系统的Mesh选项进行该器官轮廓的自动勾画微调，其余靶区或危及器官则需在刚性移植的轮廓基础上手动修改微调。至此，TPS获得该患者纠正摆位误差后的在线CTx图像及靶区和危及器官轮廓。

1.2.4 初次放疗计划移植

在获得患者在线CTx并完成靶区和危及器官轮廓的修改后进行初次放疗计划移植，模拟在线CTx上执行初始治疗计划，对其剂量分布进行评估，决定是否执行该计划。首先在CTx影像空间设置照射等中心点，然后执行编写的脚本程序完成照射野导入和设置权重，完成初始放疗计划在不同影像空间的移植[4]。执行流程如下。

（1）基于图像配准后的摆位误差数据，在CTx图像空间上设置射野中心点。由于已经在线纠正了患者的摆位误差，初始计划在移植前射野中心需同时进行纠正。具体来说，首先在横断面CTx图像上找到患者体表的3个标记点；在3个mark点同时出现的CT层面，设置能连接3个标记点的十字线；然后在十字线的交叉处定位为CTx图像空间的坐标原点O，复制O点坐标添加一个新的射野中心Ox；最后基于摆位误差，即图像配准后得出的三个方向（左右、头脚、腹背）的偏移值，对Ox的Local Coordinates处三个方向（左右、头脚、腹背）的数值进行修改，获得患者该次射野照射中心。

（2）执行脚本程序将首程放疗计划照射野的参数导入后程图像空间。编辑、保存并执行“ImportBeams.Script”脚本文件，将最近一次执行“ExportBeams”命令所导出的放疗计划所有照射野及其相关各项参数，包括每一个照射野的能量、角度、子野对应的MLC位置，即子野形状，导入当前CT图像，导入的放疗计划自动识别名为Ox的等中心点，从而完成首程放疗计划参数导入在线CTx图像空间的操作。

（3）通过执行脚本程序设置导入的各照射野权重。编辑、保存并执行“BeamWeights.Script”脚本程序，设置导入放疗计划各照射野的权重，完成放疗计划在由模拟定位 CT到在线CTx图像空间的移植，同时利用脚本自动完成剂量网格的添加和剂量的计算。

1.2.5 移植计划的评价

编辑、保存并执行“ScorecardEva.Script”脚本程序，自动打开计分卡模块并调出记分卡模板库，计算不同靶区和危及器官预设的首要目标和次要目标函数结果，分别以绿色“Met”或红色“Not Met”直观地显示剂量结果是否满足要求，并由临床主管医师做出判断是否接受该计划，如是则患者继续执行原始计划；如否，则该计划需重新进行优化，进入到下一环节。

1.2.6 新放疗计划的优化

编辑、保存并执行“Reoptimize.Script”脚本程序，将初始计划的目标函数Load到当前CTx图像空间的计划IMRT模块，重新进行优化。优化结束执行“ScorecardEva.Script”脚本程序，评价结果，直至该计划满足临床要求，进入下一环节。

1.2.7 新计划三维剂量验证

优化后的新计划采用Compass系统在线计算验证的方式进行。编写、保存、执行“QAexport.Script”脚本程序，将CTx计划的 RT Plans、RT Structures、RT Dose中的Dose per prescription及Dicom Image导出至本地文件夹。经网络传输至Compass三维剂量验证系统，利用其独立的剂量计算功能模块重新对导入的治疗计划参数进行计算，并与TPS导出的剂量分布进行对比，由主管医生和物理师对比较结果进行在线评价，并作出是否执行该计划的指令。评价指标包括DVH图，50%处方剂量线所包含体积的平均γ值，以及靶区的γ通过率。验证通过后即可执行该计划。整个自适应治疗方法的流程如图1所示。

2 结果

在医生、物理师和技术员的共同参与下，利用脚本函数及人工手动操作相结合的方式完成了该患者总疗程中第1～3周每周一次共4个分次的在线ART，分次CT扫描图像中靶区体积变化如表1所示。初始计划为Plan 0，第1～3周分次计划分别为Plan 1、Plan 2、Plan 3，其中第三周CT经计划移植、靶区和器官轮廓的移植和修改、计划评估后认为该计划靶区平均剂量偏高，且出现靶区剂量不足区域，临床无法接受，需进行更新，生成新计划Plan 3’，五个分次计划靶区和部分危及器官剂量参数如表2所示。计划更新耗时约25 min，Compass在线验证后50%等剂量线所包含体积的平均γ指数（Gamma Index，GI）为0.3，同时γ通过率（3%/3 mm标准）为96.8%，验证通过，予以执行治疗。CT横断面靶区及剂量分布示意图如图2所示。

3 讨论

头颈部解剖结构复杂，靶区常毗邻重要危及器官，如脊髓、腮腺、脑干、晶体等。随着放疗次数的增加患者可能出现头面部消瘦，在分次放疗间靶区及周围器官的空间结构和位置可能会产生不同程度的变化，使初始治疗计划设计时不在照射野内的正常组织器官进入射野内。对于解剖结构复杂的头颈部肿瘤特别是鼻咽癌患者，ART更显现其优势。Hu等[5]的研究显示，ART对明显提高鼻咽癌靶区的剂量覆盖并降低同侧腮腺的平均剂量。Chen等[6]研究报道等研究报道ART可以提高头颈部肿瘤患者的局部控制率从而让患者获益。Luo等[7]对132例鼻咽癌患者进行分析后认为调强放疗中再计划能够提高T3/T4期患者的五年局部无复发生存率。多变量分析中，IMRT重新计划被确定为LRFS的独立预后因素。上述研究提示ART离线再计划可使鼻咽癌患者危及器官减少因体积改变带来的不必要照射剂量，降低副反应。

然而，目前在线ART的实现仍面临以下几个方面的问题。首先是速度问题，即如何在临床允许的时间范围内完成治疗计划的更新。GPU强大的快速处理能力提供了一种解决方案，GU等[8]应用GPU研究了笔形束的剂量算法，结果显示，应用NVIDIAC1060型芯片比2.27 GHz的Intet CPU计算速度提高200～400倍，计算1例9野前列腺IMRT计划的剂量的时间＜1 s。Men等[9]研究认为基于当前患者解剖结构实时变化的在线ART有望显著降低正常组织毒性和（或）改善肿瘤控制。基于GPU生成高质量在线计划仅需 0.7～3.8 s。

另外一个问题是形变配准算法的精度，靶区轮廓推衍及剂量叠加都离不开形变配准算法，近年来很多学者都对形变配准算法准确性的验证进行了研究[10]，但目前还未有一种验证形变配准算法的金标准。此外，对于ART时机、频率、患者的选择，目前仍存在争议[7,11]。其中，作者前期研究中认为对于早中期鼻咽癌患者，建议在第16次治疗前修改放疗计划；对于局部晚期鼻咽癌患者，建设在第11次治疗前和第21次治疗前分别修改计划[12]。

对于Pinnacle计划系统脚本的应用，很多学者进行了探讨。其中包括脚本函数配合Python语言实现乳腺癌最优切线野的添加[13]，通过脚本文件实现快速查找患者并定位到患者记录[14]，实现自适应计划的剂量评估[4]，Pinnacle TPS计划设计过程备份与还原可行性探讨[15]等，上述研究表明利用脚本文件能够简化计划设计过程中的操作步骤并缩短计划时间，提高工作效率。

本方法通过滑轨CT在线纠正了摆位误差，并且在实时分次治疗CT影像的基础上对移植计划进行评估，相比利用在线CBCT影像进行计划评估的模式，大大提高了剂量精度。由于并未配置Pinnacle的动态计划模块或第三方的靶区形变工具，本研究中靶区的形变环节仍需要临床医生的在线人工修改。同样放疗过程中累积剂量的评估也要通过第三方软件进行。此外，本研究中ART流程中增加了在线计划验证环节，对于Compass平台在头颈部肿瘤调强放疗计划验证中的应用，作者前期已经进行了探讨[16]。利用Compass软件对剂量计算进行第三方的验证，在一定程度上提高了计划执行的安全性[17]。

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脚本函数在鼻咽癌在线自适应放疗中的可行性研究

引言

1 材料与方法

1.1 设备和资料

1.2 方法

2 结果

3 讨论