放射治疗计划助手——一种简化且完全自动化的放射治疗计划系统

摘要

放射治疗是一种高度复杂的癌症治疗方法，在实施前需要多位专家共同制定治疗计划并进行质量保证（QA）。本方案描述了使用全自动系统——放射治疗计划助手（Radiation Planning Assistant, RPA）——来生成高质量放射治疗计划的方法。

摘要

放射治疗计划助手（Radiation Planning Assistant，RPA）是一套用于全自动制定放射治疗计划的系统，可为头颈部癌症患者生成容积旋转调强放射治疗（VMAT）计划，以及为宫颈癌患者生成四野箱式放射治疗计划。该系统由专门开发的内部软件组成，通过应用程序编程接口与商用放射治疗计划系统进行通信，同时与商用的二次剂量验证软件相连接。系统所需的输入信息包括经放射肿瘤科医生批准的治疗计划申请单，以及经放射技师确认的模拟计算断层扫描（CT）图像。RPA 随后将生成完整的放射治疗计划。对于宫颈癌的治疗计划，从开始到计划完成无需额外的人工干预。对于头颈部治疗计划，系统首先在 CT 图像上自动勾画正常组织和部分靶区结构，随后由放射肿瘤科医生对轮廓进行审核，并在必要时进行修改，同时手动勾画大体肿瘤体积（GTV）。之后，RPA 继续完成治疗计划流程，生成 VMAT 计划。最终，完成的治疗计划必须由具备资质的临床工作人员进行审核。

引言

在放射治疗诊所，国际原子能机构（IAEA）建议每300例患者配备1名治疗计划师，每400例接受年度治疗的患者配备1名放射物理师¹在许多国家，治疗计划师和物理师的职责是合并的。在另一些国家，放射治疗技师（常称为放射科技师）也承担治疗计划工作。中低收入国家（LMICs）在放射肿瘤医师、医学物理师和放射治疗技师方面存在严重短缺。据估计，到2020年，我们将额外需要12,000名放射肿瘤医师、10,000名医学物理师和29,000名技师。²这些估计基于公共领域中多个数据集的数据（.，国际原子能机构（IAEA），其人员配置水平依据欧洲放射肿瘤学学会的建议 & 肿瘤学（ESTRO）与国际原子能机构（IAEA）³培训需求巨大。例如，对于医学物理师，大多数指南建议在完成医学物理研究生学业后，还需进行为期2至3年的实习或住院培训。^4,5,6这一为期4年的承诺意味着，仅为了弥补全球医学物理师的短缺，就需要4万个工年（man-years）的培训投入。

治疗计划的自动化可以缓解部分人员短缺问题，特别是医学物理师和计划设计人员的不足。自动化计划能够减少放射肿瘤学家在治疗计划上所花费的时间³，并在绘制放射治疗射野孔径方面发挥重要作用。本研究介绍了一种完全自动化的治疗计划系统——放射治疗计划助手（Radiation Planning Assistant, RPA）的运行过程，该系统由美国国家癌症研究所资助的项目开发，旨在最终提升全球对高质量放射治疗的可及性⁷。

图1展示了在机器人流程自动化（RPA）中实现的自动化治疗计划流程的概览。治疗计划任务通过治疗计划系统中的功能（所用计划系统的详细信息见材料表）执行，这些功能通过应用程序编程接口（API）进行控制，或使用自行开发的功能实现。RPA的一个关键组成部分是对所有已自动化任务进行独立验证⁸。该验证通过第二套不同算法/功能实现。用于治疗计划的主算法结果将与次级算法的结果进行比较，若差异超过预设标准，则会被标记⁹。通过独立验证及本地工作人员进一步人工审核的治疗计划，即可用于患者治疗。RPA的输出文档经过专门设计，以简化人工审核流程。

从用户角度来看，RPA 系统的工作流程如下所示 图2系统的输入为已批准的计划申请单和已批准的CT图像。放射肿瘤科医生制定并批准包含患者基本信息及预期计划详细内容（处方剂量、治疗类型）的计划申请单。 等等）。CT图像集还必须经过CT技术人员的批准，以确保计划基于正确的CT图像进行计算。这一点在对同一患者采集了多组CT图像时尤为重要。一旦放射治疗计划自动化系统（RPA）接收到经批准的计划指令和经批准的CT图像集，治疗计划将自动生成。在某些情况下，例如生成宫颈癌的四野盒式治疗计划时，以下步骤完全自动化，直至治疗计划完成前无需额外的人工干预。而在其他情况下，例如生成头颈部容积调强弧形治疗（VMAT）计划时，则需要在自动化治疗流程的中途进行人工干预。对于头颈部计划，放射肿瘤医师需审核并编辑系统自动生成的轮廓，并需勾画大体肿瘤体积（GTV）。在此情形下，RPA在接收到经批准的计划指令和CT图像后，首先执行部分初始勾画任务，包括正常组织和部分靶区的轮廓勾画。随后由放射肿瘤医师对这些轮廓进行审核与确认，之后RPA继续完成剩余的治疗计划工作。当前系统已分别使用带均整滤过器的6 MV和18 MV X射线束，对头颈部和宫颈治疗计划进行了测试。治疗计划完成后，系统将生成一份文件，供相关临床工作人员审核与批准。 例如， 物理学家和放射肿瘤科医生。其中部分任务可委托给其他工作人员。

现代治疗计划系统已经提供了一些自动化的计划流程。RPA 尽可能整合了这些功能，提供完整的自动化计划流程，使用户无需打开复杂的治疗计划系统界面即可生成治疗方案。本文描述了 RPA 的操作规程，并展示了治疗计划流程输出的一些示例结果。

方案

用于评估RPA的所有患者数据均为回顾性使用，并已获得德克萨斯大学MD安德森癌症中心机构审查委员会的批准。

1. 监测计划进展

1. 打开放射治疗计划辅助控制中心工作区并登录。
2. 要查看当前所有活跃的患者数据，请点击 所有患者。
3. 若要通过患者的病历号（MRN）查找患者，请点击 选择患者。
4. 要查看任何已获批CT或已获批计划申请（或两者皆有）患者的计划状态，请查看 RPA 计划 部分。状态选项在此部分上方以及 消息 部分中进行了汇总。
5. 要查看任何已完成计划的详细信息，请点击（RPA 部分中的）患者。其计划申请和 CT 的详细信息也可在 计划申请 和 CT 审核 部分中查看。
   1. 要批准一个已完成的计划，请点击 批准。各医疗机构可设置不同级别的批准权限（医师、物理师和技术员）。
6. 要查看 RPA 的任务历史记录，请点击 日志。
7. 要查看任何计划申请的详细信息（包括尚未获批的申请），请在 计划申请 部分中点击相应患者。
8. 要查看任何 CT 图像集的详细信息（包括尚未获批的图像集），请在 CT 审核 部分中点击相应患者。

2. 计划订单审批

注意：在放射治疗师创建治疗计划之前，必须获得计划审批（通常由放射肿瘤学家批准）。

1. 打开计划订单工作区。可通过独立图标打开，或从放射治疗规划助手控制中心工作区进入。
2. 按以下步骤创建新的计划订单。
   1. 点击新建。
   2. 填写第1部分 - 人口统计信息；此部分内容始终相同。
      1. 输入病历号和患者姓名。
      2. 选择相应的治疗部位。可选项包括头颈部、宫颈、乳腺及其他部位。
         注：随着开发工作的推进，该列表将不断扩展。此选择将影响下方第3部分中的可选项。
   3. 填写第2部分 - 一般治疗信息；此部分内容始终相同。
      1. 回答有关性别/妊娠状态、既往放疗史、起搏器及其他植入物的问题。
      2. 回答有关自动启动或技术人员启动的问题。
         注：选择“自动启动”后，当系统中存在已批准的计划订单和已批准的CT图像时，RPA将自动开始规划流程。选择“技术人员启动”则需要技术人员手动启动自动规划流程，该操作可在控制中心工作区完成。
   4. 填写第3部分 - 特定治疗信息。
      注：本示例适用于头颈部治疗。
      1. 通过选择相应的单选按钮，确定头颈部原发灶及阳性淋巴结受累情况；后续相关部分将根据此选择自动设定。
      2. 通过选择相应的单选按钮，确认或修改颈段及咽后淋巴结的覆盖范围。然后选择相应的单选按钮，标明这些区域属于CTV1还是CTV2（CTV：临床靶区体积）。
      3. 选择治疗设备和治疗技术。
      4. 通过点击相应的单选按钮选择治疗方式（本示例为VMAT治疗）。
         1. 确认或修改治疗处方。如需修改，请在文本框中输入所需的分次剂量。
         2. 确认正常组织剂量限制的合理性。
   5. 保存计划订单；系统将生成该计划订单的PDF文件。
   6. 审核最终的计划订单。
      1. 若最终计划订单无误，点击批准。
      2. 若最终计划订单有误，点击编辑并进行相应修改。
3. 关闭计划订单工作区。

3. CT 图像审核

注意：在 RPA 制定治疗方案之前，必须获得 CT 批准。

1. 打开 CT 审核 工作区。
   注意：可通过独立图标或从 放射治疗计划辅助控制中心 工作区进入。
2. 点击待审核的 CT 扫描图像。
   注意：若 CT 扫描未显示，则表示 RPA 尚未接收到该数据。
3. 查看以等中心点为中心的 CT 断层图像。
   1. 点击 加载全部 以查看所有 CT 图像。
   2. 评估等中心点位置及 CT 图像质量。
4. 若 CT 图像、断层数量、方向和数据均正确，点击 批准。

4. 启动自动治疗计划

注意：仅当计划顺序中的 Autoplan 开始 设置为 技术人员 时，才需要执行此步骤。

1. 在 Control Center 工作区中选择正确的患者/计划订单/CT，然后单击 Add RPA Plan。

5. 轮廓勾画审核与批准

注意：对于某些治疗，例如头颈部 VMAT，需要进行勾画审核与批准。这通常由放射肿瘤科医生完成。

1. 等待患者数据状态显示 W （等待）在控制中心；现在已可进行轮廓勾画审核。
2. 点击 W 图标，或在 ROI 批准 （ROI：感兴趣区域）。请注意 轮廓勾画审核与批准 工作区将打开。
   注意：此处可用的轮廓取决于要生成的计划类型（在计划订单中选择）。
3. 复查所有勾画的组织/靶区。如需编辑结构，首先选择目标结构（下拉列表），然后单击 轻推 图标并编辑每个CT切片上的轮廓。
4. 如有必要（例如， 对于头/颈部计划），手动勾画大体肿瘤体积（GTV）和阳性淋巴结。为此，请选择感兴趣结构（例如，从下拉列表中选择GTV，然后单击 手动勾画 图标，并在每个CT切片上绘制结构。
5. 创建临床靶区体积（CTV1）（适用于头颈部病例）
   1. 为扩大GTV和阳性淋巴结，单击 GTV->CTV.
   2. 手动绘制 CTV1 时，选择 CTV1 从结构列表（下拉列表）中，点击手动勾画图标，并在每张CT切片上绘制该结构。
   3. 根据需要审查并修改 CTV1。
6. 创建计划靶区体积（PTVs）。
   1. 点击 CTV->PTV. 综述.
   2. 如有必要可进行编辑，但需注意这些扩展范围已考虑了轮廓勾画和患者摆位中的多种不确定性。要编辑 PTV，请从下拉列表中选择相应的 PTV，然后单击 轻推 图标（或其他编辑图标之一），
7. 批准轮廓。
   1. 检查所有轮廓，然后单击 批准 ROIROI 确认后，治疗计划流程将自动进行。请注意任何警告信息，并根据需要添加说明性备注。

6. 放射治疗计划的审查与批准

1. 当治疗计划准备就绪可供审阅时进行审阅；该计划将以 Plan Review Document（PDF 格式）的形式出现在 Control Center 中。
   注意：计划可分阶段进行审阅（可根据可用人员情况合并阶段）。每页页脚处会显示相应的审阅阶段。
2. 执行 技术审阅。
   注意：此步骤可与物理师审阅合并进行。
   1. 审阅首页。
      1. 审阅并确认患者的人口学信息、处方及计划细节是否恰当。
      2. 检查所有自动计划验证检查是否均已通过。
   2. 检查标记的等中心点。
      1. 回答表单中的问题，以确认标记的等中心点已被正确识别。必要时与模板病例进行比对。
   3. 执行 体轮廓审阅。
      1. 回答表单中的问题，以确认体轮廓勾画是否正确。必要时与模板病例进行比对。
   4. 执行 射野光阑审阅。
      1. 回答表单中的问题，以确认射野光阑设置是否恰当。
   5. 执行 剂量分布审阅。
      1. 回答表单中的问题，以确认剂量计算是否恰当。
   6. 如需批准或拒绝该计划，请点击 Tech. Approve。
3. 执行 医师审阅。
   1. 根据治疗类型，审阅剂量分布和射野光阑。
   2. 如需更改该计划的批准状态为批准或拒绝，请点击 MD Approve。
4. 执行 物理师审阅。
   1. 按照标准流程审阅该计划。请参见以下指南以进行补充检查。
   2. 审阅 医师审阅 和 技术审阅 部分。
   3. 审阅独立验证质控的结果：移除表格、体轮廓检查、等中心点检查。
   4. 审阅针对特定治疗部位的额外独立验证检查结果——例如，针对四野宫颈癌治疗的挡块检查。
   5. 审阅将当前计划的射野和计划参数与患者群体数据进行比较的结果。
   6. 审阅剂量验证报告。
   7. 审阅附加数据。文档末尾的附加数据应进行一致性审阅——包括原始的计划申请（Plan Order）和 CT 审批（CT Approval）。
   8. 如需将该计划的批准状态更改为批准或拒绝，请点击 Physics Approve。

7. 最终计划转移

1. 计划获批后，导出该计划。后续步骤取决于本地设置、记录与验证软件以及治疗计划系统。同时，这些步骤也受伦理协议和本地临床工作流程的影响。以下步骤仅为适当的示例。
2. 将 DICOM 计划传输至本地记录与验证（R&V）系统。
3. 使用软件工具比较原始计划与 R&V 系统中的计划，以验证数据传输的正确性。

结果

一个为头颈部病例制定的治疗计划示例显示如下 图3. 图4 显示了一例舌根鳞状细胞癌患者自动生成的容积旋转调强放疗（VMAT）计划的剂量分布^7,10由主管放射肿瘤科医生进行的审核确认该计划可用于治疗。平均而言，头颈部VMAT计划的制定耗时46分钟（双弧计划），我们预计通过采用更快的剂量计算算法以及分布式架构实现自动勾画步骤后，可将时间缩短至30分钟以内。

图5展示了为一名宫颈癌患者设计的四野盒式治疗自动生成的射野孔径。经经验丰富的放射肿瘤科医生审核，确认其中90-96%的射野具有临床适用性^7,11。这些计划平均耗时21分钟。

治疗计划制定完成后，系统会自动生成文档，供放射肿瘤学家、技术人员、医学物理师和放射技师进行审核。我们设计了一套配有图示的操作流程，引导用户依次检查标记的等中心点和体表轮廓识别、患者体位/左右侧/治疗部位的一致性、射野光阑（以四野箱式照射为例）以及图像或剂量计算伪影的存在情况¹²。该操作流程的每一步均配有简明的操作说明和参考示例库，供用户查阅。操作说明示例如 图6 所示。

尽管已有充分文献记录表明需要物理师和放射肿瘤医师对计划进行审核，但其他辅助人员在此过程中的作用尚未得到评估。我们通过为16例宫颈癌患者创建计划文档来评估这一问题，其中12例计划中故意引入了错误：等中心位置错误（3例）、体轮廓错误（3例）、CT扫描床板去除错误（1例）、射野光阑错误（5例）、剂量计算错误（1例）以及射野数量错误（1例）。这些计划随后由4名在放射治疗方面经验极少且无计划核查经验的志愿者进行审查。最终版本的计划文档需要约30分钟的培训。平均每个计划的核查耗时8分钟。测试者能够发现所有体轮廓、基于标记物确定的等中心位置以及剂量计算伪影中的错误。但他们无法可靠地识别射野光阑中的微小（但具有临床重要性）错误。此外，他们也无法识别出仅包含3个射野而非4个射野的病例——这是一种未被特定检查清单项目覆盖的、难以预料的错误。综上所述，这些结果表明，由自动化流程生成的放射治疗计划中某些关键特征的初步核查工作，可交由放射治疗经验有限的人员完成，从而在医师审查前及时发现是否需要采取补救措施。然而，这些人员无法发现所有错误，因此仍需由合格专业人员（放射肿瘤医师和物理师）进行额外核查，这仍是放射治疗计划工作流程中至关重要的环节。

图1．自动化治疗计划流程示意图。图中的人形图标表示需要人工干预的工作流程节点，其余步骤均为自动化。在计划流程中的每个自动化步骤均包含一个主算法（用于生成实际计划）和一个次级算法（用于验证主算法的结果）。如果任何验证检查未通过（即超出预设标准），或放射肿瘤科医生未批准该计划，则必须转为手动规划流程。本图未显示治疗计划过程中其他重要的质量控制程序，特别是由合格的医学物理师执行的常规检查。请点击此处查看此图的放大版本。

图 2。从用户视角看 RPA 的示意图。 放射肿瘤科医生负责完成并批准医师计划申请。在获取患者的模拟影像后，由放射技师或其他在场的适当工作人员进行审核确认。随后 RPA 自动启动并生成放射治疗计划。本工作的目标是在 30 分钟内完成每一份放射治疗计划，包括相关文档记录。 请点击此处查看此图的放大版本。

图3 头颈部容积调强弧形治疗（VMAT）计划的示例治疗计划医嘱。 计划订单显示患者标识符（姓名、病历号， 等等），患者的一些基本信息，以及一些与治疗相关的信息，包括剂量处方、靶区覆盖范围和正常组织的剂量限制。

图4。自动生成的头颈部容积调强弧形治疗（VMAT）计划示例。 阴影区域显示计划靶区体积——红色、蓝色和黄色分别对应PTV1、PTV2和PTV3。线条表示自动生成计划的等剂量线分布。

图5。宫颈癌四野盒式照射计划中自动生成射野孔径的示例。显示了前后位（AP）、后前位（PA）、左侧位和右侧位射野。

图6．使用RPA自动生成放疗计划时，用于辅助图表回顾的示例说明。 本示例页面用于回顾自动生成的身体轮廓，包括主算法的结果、若干用户需回答的问题，以及供用户参考的病例库示例

讨论

本文描述了一项利用放射治疗计划辅助系统（Radiation Planning Assistant, RPA）创建自动化治疗计划的方案。从用户角度来看，关键步骤包括：(1) CT 图像确认；(2) 计划申请确认；(3) 头颈部病例的轮廓勾画审核/编辑；以及 (4) 治疗计划审核。前两个步骤的顺序可以互换。目前，放射治疗计划辅助系统可自动为头颈部肿瘤（容积旋转调强放疗，VMAT）和宫颈癌（四野箱式放疗）生成放疗计划，我们正在开发乳腺癌治疗的自动化计划。最终目标是实现所有病种和放疗模式治疗计划的全面自动化，从而构建一个能够生成安全且有效放疗方案的工具。

当前系统存在若干局限性。首先，该系统无法为所有治疗部位和治疗方案制定计划，尽管我们预期其功能将随时间推移而不断改进，但在实现所有治疗部位的完全自动化方面仍有相当距离。此外，用户可能过度依赖自动化，这一风险已通过引入多项独立验证检查（图1）加以缓解。研究证明，使用我们专门开发的计划文档来核查治疗计划，可使经验相对不足的工作人员识别出部分潜在错误，但放射肿瘤科医师的审核以及其他合格人员的计划核查仍然至关重要。

我们预计将根据用户反馈不断改进 RPA 界面。然而，总体工作流程和任务应与本文档中所述内容基本保持一致。因此，本文档将继续具有参考价值。此外，还将提供其他相关文档，以说明任何修改内容以及针对方案核查的培训， 等等.

目前已有针对放射治疗计划中特定步骤实现自动化的实例。据我们所知，这是首个实现整个工作流程完全自动化、几乎无需用户输入的系统。本方案从用户角度描述了操作放射治疗计划助手并生成放射治疗计划所需的关键步骤。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Eclipse	Varian Medical Systems	na	治疗计划系统
Mobius 3D	Mobius Medical Systems	na	剂量计算验证系统