知识驱动的自动计划能否跟上口咽癌放射治疗优化的前沿？——基于RapidArc动态技术的验证

《Frontiers in Oncology》：Can knowledge-based autoplanning keep up with advances in radiotherapy optimization for oropharyngeal cancer?

本文评估了在口咽癌放疗中，基于容积旋转调强放疗(VMAT)模型的知识型自动计划(RapidPlan)能否安全有效地应用于新型RapidArc动态(RAD)计划。研究表明，VMAT-RP模型可用于RAD优化，而RAD特有的RP模型可进一步改善中线危及器官(OAR)的剂量保护。RAD方案在缩短治疗时间的同时，有望降低吞咽困难和急性粘膜炎风险，为临床优化提供新思路。

　　

引言

放射治疗(RT)是头颈部癌(HNC)，特别是口咽癌(OPC)根治性治疗的重要策略。由于靶区邻近众多危及器官(OARs)，治疗计划复杂，已受益于调强放疗(IMRT)和容积旋转调强放疗(VMAT)等技术的进步。与此同时，自动计划已广泛应用于临床，以提高效率并减少计划质量对用户经验的依赖。RapidArc动态(RAD)是一种新型计划与传输方案，它通过在VMAT射野中集成静态角度调制射束(STAMPs)和动态准直器，增加了自由度，有望提升复杂HNC病例的计划质量。然而，中心若严重依赖基于知识的自动计划，就需要评估其现有的VMAT模型是否适用于RAD计划，或者是否需要基于新方案重新训练模型。本研究旨在通过比较使用基于VMAT训练的RapidPlan(RP)模型与基于RAD训练的RP模型所优化的OPC RAD计划质量，来解决这一问题。

材料与方法

1. 研究队列与设计

一项回顾性计划研究在Eclipse 18.1中进行，比较了使用两个RP模型产生的计划质量。第一个模型(RP-VMAT)基于111例历史HNC混合病例的VMAT计划训练而成，目前用于临床。第二个模型(RP-RAD)为本研究目的，使用同一组111个历史病例的RAD优化计划进行训练。评估队列包括48例独立的OPC病例，分别使用VMAT和RAD进行优化，并应用RP。每位患者产生四种计划：VMAT (RP-VMAT)、VMAT (RP-RAD)、RAD (RP-VMAT) 和 RAD (RP-RAD)。

2. 计划技术与目标

VMAT计划包括两个全弧，准直器角度通常为15°和345°。RAD计划包括一个全弧和一个位于机架角0°、准直器角90°的STAMP，且在机架旋转过程中使用动态准直器。所有计划采用同步整合推量技术，处方剂量为：对原发肿瘤和阳性淋巴结临床靶体积(CTV₆₈)给予68 Gy，对原发肿瘤周围扩展的CTV(CTV_61.2)给予61.2 Gy，对选择性CTV(CTV_51.68)给予51.68 Gy。所有计划均需满足靶区覆盖目标和脊髓、脑干的剂量约束。使用RP模型进行初始优化，若强制目标未达成，则手动调整目标并重复优化循环。RAD-RP模型的训练计划首先通过应用RP-VMAT优化，然后手动重复优化，直到在满足靶区、脊髓和脑干强制目标的前提下无法再改善OAR和正常组织目标。

3. 计划评估与统计分析

计划质量通过腮腺、下颌下腺、口腔、缩肌、喉、气管和食管的平均剂量(D_mean)进行评估。使用已发布的模型估计严重晚期口腔干燥症、中度晚期吞咽困难和严重急性口腔粘膜炎的正常组织并发症概率(NTCP)。此外，还比较了VMAT (RP-VMAT) 和 RAD (RP-VMAT) 计划在计划复杂性和可执行性方面的差异，考虑了六个复杂性指标，并对九例计划进行了Delta4体模测量验证。统计学分析采用相关样本Friedman双向秩次方差分析，显著性水平设为p=0.05，并对多重检验进行Bonferroni校正。

结果

1. 计划质量与OAR保护

所有评估病例的四种计划均满足了靶区覆盖率目标。对于RAD计划，基于RAD的RP模型改善了除腮腺外的所有OAR的保护。重要的是，当使用RP-VMAT优化时，RAD计划至少与VMAT计划等效，这表明初始使用基于VMAT的RP模型实施RAD是安全的。

为了评估RAD新自由度带来的改进，比较了使用RAD-RP模型优化的RAD与VMAT计划。结果显示，除了气管外，所有OAR在RAD (RP-RAD)计划中均得到显著更好的保护。喉部和缩肌的D_mean中位数分别降低了4.0 Gy和2.5 Gy。NTCP估计也显示，与VMAT (RP-RAD)相比，RAD (RP-RAD)显著降低了吞咽困难和中度晚期吞咽困难的风险。

2. 复杂性、可执行性与治疗时间

与VMAT计划相比，RAD计划的监测器单位(MU)数量中位数增加了100，并且在AAA、ALPO、BA和BM等复杂性指标上显著更高，表明复杂性增加。然而，这种复杂性的增加并未导致计划剂量与测量剂量之间的一致性变差。对于验证的九例计划，VMAT (RP-VMAT) 和 RAD (RP-VMAT) 的伽马通过率(2%/2 mm)中位数分别为98.5%和98.3%，无统计学显著差异。在治疗时间方面，RAD (RP-VMAT) 计划（单弧加静态角）的中位输送时间为81秒，相比VMAT (RP-VMAT) 的两弧计划（150秒）显著减少了46%。

讨论

本研究比较了使用RAD新方案和当前VMAT方案优化的48组计划。当使用RP-VMAT优化时，产生的RAD计划等同于或优于使用同一模型优化的VMAT计划。这表明，依赖RP进行HNC临床治疗的中心可以采用RAD技术，并使用其现有的VMAT-RP模型开始计划，而不会损害计划质量和OAR保护，尽管RAD增加了自由度并使用了新的优化器。然而，仍建议进行开放或闭环验证，以确保每个中心的RP模型适用于其特定的临床病例。

进一步的分析显示，RAD提供的新自由度改善了OAR保护。先前探索结合IMRT调制和VMAT弧形传输的混合策略通常以效率为代价，而本研究中新发布的RAD方案将治疗输送时间减少了46%。这种效率的提升和可比较的计划质量，得益于采用了一个全弧和一个STAMP的简化射束排列，并集成在一个传输序列中。

本研究表明，一旦基于RAD的RP模型取代基于VMAT的RP模型进行RAD优化，计划质量有望得到改善。当VMAT和RAD计划都用RP-RAD模型重新优化时，中线结构的D_mean显著降低。这种剂量减少反映在NTCP值上，显示吞咽困难和粘膜炎的风险平均显著降低。尽管降低幅度未达到通常比较光子和质子计划时的5个百分点水平，但考虑到中度晚期吞咽困难的预期发生率已经较低，以及从VMAT到RAD的渐进式发展，这些结果仍被认为具有临床意义。

结论

综上所述，现有的基于VMAT的RP模型在新型RAD解决方案进行优化时似乎仍然适用，直到新的改进模型被开发出来。此外，所选用的采用单弧和单STAMP的RAD射束排列方案，在提高效率和保护中线危及器官方面，为口咽癌的治疗展现了良好的前景。