放射规划助理-一个流线型的全自动放疗治疗计划系统

Medicine
 

Summary

放射治疗是一个高度复杂的癌症治疗, 需要多个专家来制定治疗计划, 并提供质量保证 (QA) 之前交付给病人。该协议描述了使用全自动系统, 即辐射规划助理 (RPA), 以创建高质量的放射治疗计划。

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Court, L. E., Kisling, K., McCarroll, R., Zhang, L., Yang, J., Simonds, H., du Toit, M., Trauernicht, C., Burger, H., Parkes, J., Mejia, M., Bojador, M., Balter, P., Branco, D., Steinmann, A., Baltz, G., Gay, S., Anderson, B., Cardenas, C., Jhingran, A., Shaitelman, S., Bogler, O., Schmeller, K., Followill, D., Howell, R., Nelson, C., Peterson, C., Beadle, B. Radiation Planning Assistant - A Streamlined, Fully Automated Radiotherapy Treatment Planning System. J. Vis. Exp. (134), e57411, doi:10.3791/57411 (2018).

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Abstract

放射规划助理 (RPA) 是一个为全自动放射治疗计划而开发的系统, 包括用于头颈癌患者的容积调制电弧疗法 (VMAT) 计划, 以及4场箱计划的患者宫颈癌。它是专门开发的内部软件的组合, 使用应用程序编程接口与商业放疗治疗计划系统进行通信。它还与商业二级剂量验证软件接口。对系统的必要投入是一个治疗计划顺序, 由放射肿瘤学家批准, 并且一个模拟计算机断层扫描 (CT) 图像, 由技师批准。爱国军然后生成一个完整的放疗治疗计划。对于宫颈癌治疗计划, 在计划完成之前不需要额外的用户干预。对于头颈部治疗计划, 在正常组织和部分目标结构自动划定 CT 图像后, 放射肿瘤学家必须检查轮廓, 必要时进行编辑。他们还描绘了肿瘤的总体积。爱国军然后完成治疗计划过程, 创建一个 VMAT 计划。最后, 已完成的计划必须由合格的临床工作人员审查。

Introduction

在放射治疗诊所, 国际原子能机构 (IAEA) 建议每300名患者治疗计划者1人, 1 名放射物理学家每400名患者每年治疗1。在许多国家, 这些角色 (治疗计划者和物理学家) 结合在一起。在其他国家, 放射治疗技师 (通常称为技师) 也承担治疗规划的作用。低收入和中等收入国家 (LMICs) 在辐射肿瘤学家、医学物理学家和放射治疗技师中有严重的赤字。据估计, 到 2020年, 我们将需要额外的1.2万放射肿瘤学家、1万名医学物理学家和2.9万技术专家。2. 这些估计数是根据来自公共领域 (e. g) 的各种数据集的数据编制的, 根据欧洲放射治疗 & 肿瘤学会 (ESTRO) 和原子能机构3的建议, 人员配备水平。培训需要是巨大的。例如, 对于医学物理学家, 大多数指南建议2到3年的实习或居留, 通常在医学物理研究生院完成后4,5,6。这4年的承诺意味着需要4万人年的培训, 仅仅是为了解决全球医学物理学家的不足。

治疗规划的自动化可以减少其中一些人员不足, 特别是医学物理学家和规划人员。自动化规划可以减少辐射肿瘤学家在治疗计划上花费的时间3 , 当然在绘制放射治疗光束光圈方面也有重要作用。这项工作描述了一个完全自动化的治疗规划系统的运作, 辐射规划助理 (爱国军), 在一个由国家癌症研究所资助的项目下开发, 以最终改善全世界获得高质量放射治疗的机会。7

图 1显示了 RPA 中实现的自动处理规划过程的概览。治疗计划任务是使用处理计划系统中的任一功能 (参见使用应用程序编程接口 (API) 控制的材料表) 来执行, 或者使用内部开发的功能。RPA 的一个关键组件是对已自动8的所有任务的独立验证。这是使用第二组不同的算法/函数实现的。将用于处理计划的主要算法的结果与次算法的结果进行比较, 并在差异大于预先确定的条件9时标记。通过独立检查和当地工作人员进一步手动检查的治疗计划准备用于病人治疗。RPA 的输出文档专门用于简化手动检查过程。

从用户的角度来看, RPA 系统的工作流显示在图 2中。对系统的输入是批准的计划订单和已批准的 CT 图像。辐射肿瘤学家创建并批准包含基本病人信息的计划顺序和有关预期计划 (处方、治疗类型、) 的详细信息。ct 图像集也必须批准 (由 ct 技术员)。这是为了确保计划是根据正确的 CT 图像计算的。这很重要, 例如, 当多个 CT 图像集被采取的一个单一的病人。一旦 RPA 收到批准的计划订单和已批准的 CT 图像集, 将自动生成治疗计划。在某些情况下, 例如在创建4场盒宫颈癌治疗时, 以下步骤是完全自动化的, 在治疗计划就绪之前不需要额外的用户干预。在其他情况下, 如制定头部/颈部 VMAT 治疗计划, 干预是需要中途通过自动治疗过程。对于头部/颈部计划, 辐射肿瘤学家需要审查/编辑自动生成的轮廓。他们还需要描绘肿瘤的总体积 (GTV)。在这种情况下, 在收到批准的计划订单和 CTs 后, RPA 执行一些初始的轮廓任务, 包括正常组织的轮廓和某些目标。放射肿瘤学家然后审查和批准的轮廓, 和爱国军继续与其余的治疗计划任务。目前的系统已测试与 6 mv 和 18 mv x 射线的头部/颈部和子宫颈治疗计划, 分别与扁平过滤器。治疗计划完成后, 将创建一份文件, 供适当的临床工作人员、例如物理学家和辐射肿瘤学家审阅和批准。其中一些任务可以委派给其他工作人员。

现代治疗计划系统已经提供了一些自动化的规划过程。爱国军在可能的情况下集成了这些, 提供了一个完整的自动化规划过程, 这样用户就可以生成治疗计划, 而无需打开复杂的治疗规划系统界面。本手稿描述了 RPA 的协议, 然后给出了处理计划过程输出的一些示例结果。

Protocol

所有用于评估爱国军的病人数据都经过了德克萨斯大学安德森机构审查委员会的批准后, 回顾使用。

1. 监测规划进展情况

  1. 打开 "辐射规划助理控制中心" 工作区并登录。
  2. 要查看当前处于活动状态的所有患者数据, 请单击所有患者
  3. 要根据病历编号 (MRN) 查找病人, 请单击选择病人
  4. 若要查看具有已批准的 CT 或已批准计划顺序 (或两者都) 的任何患者的计划状态, 请查看RPA 计划部分。状态选项在本节的上方和消息部分中立即汇总。
  5. 要查看任何已完成计划的详细信息, 请单击该病人 (在 RPA 部分)。其计划顺序和 ct 的详细信息也可以在计划订单CT 审批部分中看到。
    1. 若要批准已完成的计划, 请单击审核。有一定程度的批准 (医生, 物理学家, 技术员), 可以为每个机构设置。
  6. 要查看 RPA 的任务历史记录, 请单击日志
  7. 要查看任何计划订单 (包括尚未批准的) 的详细信息, 请单击计划订单部分中的病人。
  8. 要查看任何 CT 图像集 (包括尚未批准的) 的详细信息, 请单击ct 审批部分中的患者。

2. 计划订单审批

注意: 在 RPA 创建治疗计划之前, 需要计划订单批准 (通常由放射肿瘤学家提供)。

  1. 打开计划订单工作区。使用独立图标, 或从辐射规划助理控制中心工作区执行此项。
  2. 按照以下方式创建新的计划订单。
    1. 单击新建
    2. 完成第1节-人口统计;此部分始终相同。
      1. 输入病历号码和病人姓名。
      2. 选择适当的治疗地点。选择头部/颈部, 子宫颈, 乳房, 和其他。
        注: 随着我们的发展努力的进展, 此列表将会增加。此选择将更改下面3节中提供的选项。
    3. 完成第2节-一般处理;此部分始终相同。
      1. 完成关于性/怀孕状况, 预先照射, 起搏器, 和其他植入物的问题。
      2. 在自动启动或 技术人员上完成问题。
        注意: 选择 "自动启动" 将导致 RPA 在有已批准的计划订单和已审核的 CT 图像的情况下, 在规划过程中进行自动化。选择技术人员将要求技术人员启动自动规划过程。这可以在控制中心工作区中完成。
    4. 完成第3节-特定于处理
      注: 本例为头颈部治疗。
      1. 选择合适的单选按钮, 选取头部/颈部主部位和阳性淋巴结受累;以下各节将根据这些选项自动选择。
      2. 通过选择合适的单选按钮, 确认或更改颈部颈部和咽后淋巴结覆盖部位。然后选择相应的单选按钮, 以指示它们是否对应于CTV1CTV2 (彩电: 临床目标卷)。
      3. 选择治疗机和处理技术。
      4. 通过单击相应的单选按钮 (此示例用于 VMAT 处理) 选择处理方法。
        1. 确认或更换治疗处方。要更改处方, 请在文本框中输入所需的分数剂量。
        2. 确认正常组织剂量限制的适当性。
    5. 保存计划订单;将生成计划订单的 pdf。
    6. 查看最终计划订单。
      1. 如果最终计划顺序正确, 请单击审核
      2. 如果最终计划顺序不正确, 请单击编辑并根据需要进行更改。
  3. 关闭计划订单工作区。

3. CT 图像审批

注: 在爱国军创建治疗计划之前需要 CT 批准。

  1. 打开CT 审批工作区。
    注意: 这可以从独立图标或辐射规划助理控制中心工作区完成。
  2. 点击 CT 扫描, 它将被批准。
    注: 如果 CT 扫描未显示, 则 RPA 未收到。
  3. 回顾以 isocenter 为中心的 CT 切片。
    1. 单击全部加载查看所有 CT 图像。
    2. 回顾 isocenter 位置和 CT 图像质量。
  4. 如果 CT 图像、切片数、方向和数据正确, 请单击批准

4. 启动自动处理计划

注意: 只有在Autoplan 启动(在计划订单中) 设置为技术人员时, 才需要执行此步骤。

  1. 控制中心工作区中选择正确的患者/计划顺序/CT, 然后单击添加 RPA 计划

5. 轮廓审查和批准

注意: 对于一些治疗, 如头/颈部 VMAT, 轮廓审查和批准是必需的。这通常由放射肿瘤学家执行。

  1. 等待患者数据状态指示控制中心中的W (等待);现在已经准备好进行轮廓审查了。
  2. 单击W图标或roi 审批(roi: 感兴趣的区域)。请注意,轮廓审阅和审批工作区将打开。
    注意: 此处可用的轮廓取决于要生成的计划的类型 (在计划订单中选择)。
  3. 检查所有的轮廓组织/目标。要编辑结构, 请首先选择感兴趣的结构 (下拉列表), 然后单击微图标并编辑每个 CT 切片上的轮廓。
  4. 如有必要 (例如,用于头部/颈部计划), 请手动划定总肿瘤体积 (GTV) 和阳性淋巴结。为此, 请从下拉列表中选择感兴趣的结构 (例如、GTV), 单击手动划分图标, 然后在每个 CT 切片上绘制结构。
  5. 创建临床靶容积 (CTV1) (用于头颈部病例)
    1. 要扩展 GTV 和正淋巴结, 请单击GTV > 彩电
    2. 要手动绘制 CTV1, 请从结构列表 (下拉列表) 中选择CTV1 , 单击手动划定图标, 然后在每个 CT 切片上绘制结构。
    3. 如有必要, 查看和编辑 CTV1。
  6. 创建规划目标卷 (PTVs)。
    1. 单击彩电 > PTV。检讨。
    2. 必要时进行编辑, 但请记住这些扩展帐户对于轮廓和患者设置中的许多不确定因素。要编辑 PTV, 请从下拉列表中选择适当的 PTV, 单击微图标 (或其他编辑图标之一),
  7. 批准轮廓。
    1. 查看所有轮廓, 然后单击审核 ROI。一旦 ROIs 被批准, 治疗计划过程就会自动进行。注意任何警告信息, 并根据需要添加解释性说明。

6. 放疗计划的审查和批准

  1. 审查治疗计划, 当它准备审查;它显示为控制中心中的计划审阅文档(pdf 格式)。
    注意: 该计划可以分期审查 (根据现有工作人员的情况可以合并)。适当的审阅阶段显示在每页的页脚中。
  2. 执行技术审查
    注: 这可以与物理复习相结合。
    1. 查看首页。
      1. 审查并确保患者的人口统计学, 处方和计划细节是适当的。
      2. 检查所有自动计划验证检查是否成功。
    2. 检查标记的 isocenter。
      1. 回答表单上的问题, 检查是否正确识别了标记的 isocenter。如有必要, 与图书馆案例进行比较。
    3. 执行正文轮廓检查
      1. 回答问题, 检查身体是否正确的轮廓。如有必要, 与图书馆案例进行比较。
    4. 执行字段光圈检查
      1. 回答表格上的问题, 检查是否合适。
    5. 执行剂量分布检查
      1. 回答表格上的问题以检查适当的剂量计算
    6. 要批准或拒绝此计划, 请单击技术批准
  3. 执行医生审阅
    1. 根据治疗类型, 检查剂量分布和场孔。
    2. 要将此计划的审批状态更改为 "批准" 或 "拒绝", 请单击MD 审批
  4. 执行物理审阅
    1. 使用标准过程查看计划。请参阅下面的补充检查指南。
    2. 查看医师审阅技术审查部分。
    3. 审查独立验证 QA 的结果: 表删除, 车身轮廓检查, isocenter 检查。
    4. 检查特定于治疗站点的其他独立验证检查的结果-例如, 对4场子宫颈治疗进行块检查。
    5. 查看与患者人数比较的领域和计划参数的结果。
    6. 检查剂量验证报告。
    7. 查看其他数据。文档末尾的附加数据应进行一致性检查, 这包括原始计划顺序和 CT 批准。
    8. 要将此计划的审批状态更改为 "批准" 或 "拒绝", 请单击物理审批

7. 最终计划转让

  1. 计划一经批准, 就将其导出。接下来的步骤取决于本地设置、记录和验证软件和处理计划系统。他们还依赖于伦理协议和当地临床工作流程。以下是相应步骤的示例。
  2. 将 DICOM 计划转移到本地记录和验证 (R & V) 系统。
  3. 使用软件工具将原始计划与 R & V 系统中的数据进行比较 (以验证数据传输是否正确)。

Representative Results

图 3中显示了为头部/颈部情况创建的处理计划顺序示例。图 4显示了一个由舌鳞癌 (7,10) 为基础的患者自动生成的 VMAT 计划的剂量分布。一位主治放射肿瘤学家的审查证实, 这个计划是可以接受的治疗。平均头/颈部 VMAT 计划需要46分钟的2弧计划, 我们预计将降低到不到30分钟, 与更快的剂量计算算法和分布式体系结构的自动化轮廓的步骤。

图 5显示自动生成的字段光圈, 用于4字段盒治疗宫颈癌患者。由一位经验丰富的放射肿瘤学家的回顾证实了90-96% 这些领域的临床适当性7,11。平均来说, 这些计划花了21分钟。

治疗计划就绪后, 将自动创建文档, 供放射肿瘤学家、技术人员、医学物理学家和技师审查。我们设计了一个插图程序, 引导用户通过检查标记的 isocenter 和身体轮廓识别, 病人定向/偏侧/治疗现场的一致性, 现场光圈 (4 场箱的例子), 和存在的图像或剂量计算工件12。该过程的每一步都有简单的说明和库示例, 用户可以引用这些实例。图 6中显示了说明的示例。

尽管对物理和辐射肿瘤学的审查的需要有很好的记录, 但还没有评估额外工作人员的作用。我们通过为16名宫颈癌患者创建计划文件, 其中12例包括有意错误: 不正确的 isocenter (3 例)、不正确的身体轮廓 (3 例)、不正确的 CT 沙发切除 (1 例)、不正确的领域光圈 (5 例)、剂量计算不正确 (1 例), 字段数不正确 (1 例)。然后, 4 名志愿者对这些计划进行了审查, 他们的放疗经验最少, 没有检查计划的经验。计划文档的最终版本需要30分钟的培训。平均来说, 计划检查要求每计划8分钟。测试人员能够发现身体轮廓上的所有错误, isocenter (基于基准标记) 和剂量计算工件。他们无法可靠地识别小的 (但临床上重要的) 错误的领域光圈。他们也无法识别仅有3个字段而不是4的情况--未通过特定检查列表项检查的意外错误的示例。总之, 这些结果表明, 初步检查的一些重要特征的放射治疗计划创建的自动化过程可能被分配给有限制放疗经验的工作人员, 允许任何必要的补救行动, 以确定之前医师审查。然而, 这些工作人员将不会发现所有的错误和更多的检查合格的工作人员 (辐射肿瘤学家和物理学家) 仍然是放射治疗规划工作流程的重要组成部分。

Figure 1
图 1.自动化治疗规划过程示意图。人的图标显示工作流中需要人工干预的点。所有其他步骤都是自动的。规划过程中的每个自动步骤都有一个主算法, 用于创建实际计划, 以及用于验证主算法结果的辅助算法。如果任何验证检查失败 (超出预定标准), 或者如果辐射肿瘤学家不批准该计划, 则需要手动规划过程。在治疗计划过程中重要的附加质量程序, 特别是一个合格的医学物理学家例行检查, 没有显示在这里。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2.从用户的角度看 RPA 的示意图.放射肿瘤学家负责完成和批准医生的计划命令。在拍摄病人的模拟图像后, 这是由技师或其他适当的工作人员批准。然后, RPA 自动启动并创建放疗治疗计划。这项工作的目标是在30分钟内创建每个放疗计划, 包括文件。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3用于头/颈部 VMAT 计划的示例处理计划顺序.计划订单显示患者标识符 (名称、MRN、), 有关患者的一些一般信息, 以及某些治疗特定信息。这包括剂量处方, 靶覆盖和正常组织限制。

Figure 4
图 4.一个示例自动生成头部/颈部 VMAT 计划。阴影区域显示规划目标卷-红色、蓝色和黄色分别对应于 PTV1 PTV2 和 PTV3。这些线显示自动生成的计划的等剂量分布。

Figure 5
图 5.一个例子, 自动产生的光圈4野战盒宫颈癌治疗。显示 AP、PA、左侧侧向和右侧侧向场。

Figure 6
图 6.图示说明的示例, 旨在帮助使用 RPA 自动生成的放疗计划的图表审查。本示例页用于审阅自动生成的正文轮廓。它包括主要算法的结果, 用户的一些问题, 以及一个库案例供用户审阅

Discussion

介绍了使用辐射规划助理 (RPA) 系统创建自动处理计划步骤的一项协议。从用户的角度来看, 关键步骤是 (1) CT 批准 (2) 计划订单批准 (3) 对头颈部病例进行轮廓检查/编辑, 以及 (4) 治疗计划审查。前两个步骤的顺序是可互换的。放射规划助理目前自动创建头部/颈部 (VMAT) 和宫颈癌的放疗计划 (4 场盒), 我们目前正在制定乳腺癌治疗计划。最终目标是全面自动化放疗治疗计划的所有地点/方式, 创建一个工具, 产生安全和有效的放疗治疗计划。

当前系统有几个限制。首先, 它不能为所有治疗地点和方法制定治疗计划, 尽管我们预计它的能力会随着时间的推移而改善, 但我们还是远离所有治疗场所的全自动自动化。此外, 用户对自动化的依赖也有可能过度-这是我们试图通过包括许多独立的验证检查 (图 1) 来降低的风险。据证明, 使用我们的目的制定的计划文件来检查治疗计划将使一些潜在的错误, 由相对缺乏经验的工作人员, 但由辐射肿瘤学家审查, 并计划检查由其他合格的员工很重要。

为了响应用户的反馈, 我们期望随着时间的推移改进 RPA 接口。但是, 一般工作流和任务应与本文档中描述的内容保持类似。因此, 这份文件应继续有用。还将提供其他文档, 描述任何修改、计划检查培训、

目前已有例子, 自动化的具体步骤的放疗治疗计划。根据我们的知识, 这是第一个系统, 整个工作流完全自动化, 几乎不需要用户输入。该协议从用户的角度描述了操作辐射规划助理所需的重要步骤, 并生成了放疗治疗计划。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgements

这项工作由国家癌症研究所提供资金, 并得到了瓦里安医疗系统和无国界医疗系统的额外支持。我们目前的系统使用 Eclipse 的治疗计划功能, 和莫得3D 的剂量计算验证。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Eclipse Varian Medical Systems na Treatment planning system
Mobius 3D Mobius Medical Systems na Dose calculation verification system

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References

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