基于元启发策略的肿瘤调强放疗自动计划方法

作者：杨晓喻; 赵于前; 杨振; 李书舟; 邵其刚; 曹瑛^*

来源：中华放射医学与防护杂志, 2023, 43(01).

• 放射治疗
• 自动计划
• 优化

目的提出一种基于元启发策略的放疗自动计划方法(ATP-STAR), 并验证其有效性。方法 ATP-STAR方法的主要过程为先对优化参数进行向量化编码, 采用高斯卷积修正优化参数, 再利用模拟退火选择备选优化参数向量集, 结合射野通量优化, 并行探索最优的优化参数组合, 实现计划自动试错。选取20例肿瘤个体化差异较大的病例进行方法测试。邀请具备5年以上临床工作经验的物理师进行人工计划设计。人工计划和ATP-STAR计划均基于开源matRad计划系统完成, 射野及处方剂量与临床治疗计划保持一致。分析不同病种ATP-STAR与人工计划的靶区和危及器官剂量学差异。结果对靶区而言, ATP-STAR计划的均匀性优于人工计划(脑瘤:z=2.28,P=0.022;肺癌:z=2.29,P=0.022;肝癌:z=2.11,P=0.035), 脑瘤和肝癌ATP-STAR计划的适形性与人工计划相当, 肺癌ATP-STAR计划的适形性略差于人工计划(z=2.29,P=0.022)。对脑瘤的危及器官而言, 相比于人工计划, ATP-STAR计划的左眼晶状体Dmean平均受量由2.19 Gy降至1.76 Gy(z=2.28,P=0.022), 左视神经Dmean由11.36 Gy降至10.22 Gy(z=2.28,P=0.022), 右视神经Dmax由32.92 Gy降至29.97 Gy(z=2.10,P=0.036), 垂体Dmax由39.53 Gy降至35.21 Gy(z=2.29,P=0.022)。对肺癌的危及器官而言, ATP-STAR计划的脊髓Dmax平均受量由38 Gy降至31.17 Gy(z=2.12, P=0.034), 双肺Dmean由8.51 Gy降至8.07 Gy(z=2.29,P=0.022), 心脏Dmean由3.21 Gy降至2.69 Gy(z=2.29,P=0.022)。对肝癌的危及器官而言, ATP-STAR计划的脊髓Dmax由18.19 Gy降至14.76 Gy(z=2.11, P=0.035), 肝脏Dmean由15.61 Gy降至14.45 Gy(z=2.11,P=0.035), 肾脏Dmean由4.76 Gy降至4.04 Gy(z=2.10,P=0.036)。结论 ATP-STAR方法较少依赖人工计划设计经验, 易于推广, 有望改善调强放疗计划质量及一致性, 并节省临床人力和时间成本。

• 单位
  中南大学湘雅医院; 中南大学; 自动化学院