《Radiology and Oncology》雜志 2025 年6月21日刊載[59(2):285-292.]美國Roswell Park Comprehensive Cancer Center,的Victor Goulenko , Robert J Plunkett , Matthew B Podgorsak , Dheerendra Prasad 撰寫的《追求完美的計(jì)劃：伽瑪?shù)斗派渫饪?/span>Lightning逆向計(jì)劃與 GammaPlan Wizard的比較。In the pursuit of perfect planning: comparison between Lightning Inverse Planning and GammaPlan Wizard for gamma knife radiosurgery》（doi: 10.2478/raon-2025-0039. ）。

背景：

Lightning?軟件，被添加到伽瑪?shù)兜腖eksell GammaPlan?作為一個全自動逆向計(jì)劃器，不同于以前的軟件，GammaPlan Wizard?。本文比較了它們的治療計(jì)劃能力和質(zhì)量。

伽瑪?shù)斗派渫饪疲?/span>GKRS）的計(jì)劃自1967年成立以來不斷發(fā)展，隨著成像的改進(jìn)，計(jì)算平臺的進(jìn)步和準(zhǔn)直器配置的變化，新機(jī)器機(jī)型的發(fā)布。從Leksell GammaPlan?（LGP） 5.34版本開始，計(jì)劃優(yōu)化以及靶點(diǎn)（等中心）放置可作為LGP中Wizard?下的選項(xiàng)。計(jì)劃的質(zhì)量在很大程度上取決于計(jì)劃者所獲得的技能和經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)不足的計(jì)劃者可能會發(fā)現(xiàn)，提前計(jì)劃的學(xué)習(xí)曲線非常陡峭，尤其是非常復(fù)雜的情況下在涉及危險結(jié)構(gòu)的區(qū)域或復(fù)雜的形狀導(dǎo)致計(jì)劃時間延長。這可能會影響患者的等待時間，這對于在顱骨上安裝立體定向框架的患者來說是特別值得關(guān)注的。延長的計(jì)劃時間也會影響患者的數(shù)量。

開發(fā)出不同的技術(shù)和軟件，以提高計(jì)劃的質(zhì)量并規(guī)范治療。新的逆向計(jì)劃工具Lightning?（Elekta AG, Stockholm, Sweden）最近被添加到LGP軟件中，用于伽瑪?shù)斗派渫饪频闹委熡?jì)劃，作為全自動逆向計(jì)劃器。它允許單獨(dú)或同時計(jì)劃幾個靶標(biāo)，并根據(jù)用戶決定的計(jì)劃約束計(jì)算理想劑量計(jì)劃。這允許優(yōu)先考慮覆蓋范圍、選擇性、低劑量下降、正常大腦中的劑量梯度以及危及器官（OAR）的劑量約束。

在本文中，我們將LGP優(yōu)化與Wizard?和Lightning?進(jìn)行比較，以確定它們的優(yōu)點(diǎn)和局限性。手動正前向計(jì)劃高度依賴于用戶，因此將其沒有用作比較的基準(zhǔn)。

材料與方法：

采用四種不同的計(jì)劃技術(shù)對38例患者進(jìn)行比較。首先，在Wizard?優(yōu)化工具的幫助下進(jìn)行手動向前計(jì)劃。第二，使用Wizard?進(jìn)行逆向計(jì)劃。第三和第四種方案使用Lightning?，考慮或不考慮器官風(fēng)險（OAR）。對它們進(jìn)行分析：計(jì)劃時間、靶點(diǎn)數(shù)、覆蓋率、選擇性、梯度指數(shù)、開始時間和OAR劑量。由于他們的特質(zhì)，增加了基于病理的比較。為了進(jìn)行質(zhì)量比較，將劑量-體積直方圖（DVH）與根據(jù)我們的治療標(biāo)準(zhǔn)制定的計(jì)劃進(jìn)行比較。腫瘤體積和計(jì)劃時間與Pearson系數(shù)相關(guān)。

Wizard?用于臨床委托的伽瑪?shù)墩?，而Lightning?的測試版用于研究機(jī)器。對38例采用4種不同計(jì)劃技術(shù)的病例進(jìn)行比較，并根據(jù)總計(jì)劃時間（TP）、注射次數(shù)（SH）、覆蓋率(C)、選擇性(S)、梯度指數(shù)（GI）、治療遞送時間（DT）和OAR接受的最大劑量對結(jié)果進(jìn)行分析和比較。所有這些病例都是基于以前在我們機(jī)構(gòu)治療的真實(shí)患者，他們在計(jì)劃中提出了挑戰(zhàn)。臨床治療獨(dú)立于本研究，不受這些模擬的影響。為了標(biāo)準(zhǔn)化，治療劑量和分?jǐn)?shù)與原患者的處方相同。Wizard?和Lightning?都保持在默認(rèn)模式。OARs的限制劑量是根據(jù)目前的臨床指南制定的。我們限制了耳蝸小蝸的最大劑量為4.5 Gy，視覺器官在單次治療中最大受照劑量為8 Gy，在3次治療中最大受照劑量為18 Gy。使用的第一種技術(shù)是LGP，由計(jì)劃人員手動選擇等中心放置和準(zhǔn)直器選擇（4,8或16mm），直到覆蓋率大于90%，然后進(jìn)行Wizard?優(yōu)化（M+OP）。Wizard?優(yōu)化器上的默認(rèn)設(shè)置允許相同權(quán)重的覆蓋率和選擇性和0.25權(quán)重的波束時間（BOT）。其次，使用自動填充工具的逆向規(guī)劃（IP），然后使用默認(rèn)設(shè)置的Wizard?優(yōu)化。在M+OP和IP方法中繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，直到優(yōu)化器窗口中顯示的目標(biāo)函數(shù)沒有顯著改善。第三，使用Lightning?，不限制OAR（LNR）。第四，Lightning?與約束OAR（LWR）一起使用。38例中有15例不需要特定OAR的限制，因此不使用LWR。目的是比較兩種軟件的優(yōu)化能力，不一定要獲得臨床可交付的計(jì)劃，這可能不同于基于偶然BOT和其他臨床考慮的劑量學(xué)上的優(yōu)越計(jì)劃。針對特定病例的所有計(jì)劃都規(guī)定了相同的治療劑量、分次數(shù)和OAR限值，并且在前兩種模式中，規(guī)定了相同的等劑量線（IDL）用于標(biāo)準(zhǔn)化。Lightning?自動選擇標(biāo)準(zhǔn)化IDL，并且近似接近其他模式的IDL需要以一種不直觀且很少在臨床環(huán)境中使用的方式操作Lightning?設(shè)置。對所有患者和每個診斷亞組的比較統(tǒng)計(jì)進(jìn)行了評估，因?yàn)樗麄兊奈恢谩⑿螤詈吞囟ǖ?/span>OAR可能會帶來獨(dú)特的計(jì)劃挑戰(zhàn)。計(jì)算計(jì)劃時間（TP）與病變體積之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，比較每種計(jì)劃模式。

結(jié)果：

Lightning?具有較好的覆蓋率（8%）和梯度指數(shù)（15%），但選擇性降低了12%。計(jì)劃和交付時間分別減少了57%和5%，盡管靶點(diǎn)數(shù)是原來的三倍。在所有計(jì)劃中，只有具有OAR保護(hù)的Lightning?符合劑量約束。DVH表現(xiàn)出類似的計(jì)劃品質(zhì)。

總體

在38個病例模擬中，M+OP和IP并不總是能夠生成覆蓋率大于95%的計(jì)劃，但確實(shí)具有更好的選擇性。雖然LWR的中位TP短于LNR，但這僅在VS患者中觀察到。LWR具有較高的選擇性和較低的GI，但以較長的DT為代價。(圖1;表1)。使用Lightning?和LGP的優(yōu)化方案的中位數(shù)結(jié)果顯示，計(jì)劃時間縮短了57%，覆蓋率提高了8%，GI提高了15%，交付時間縮短了5%，選擇性降低了12%，靶點(diǎn)次數(shù)增加了226%。(表2)

前庭神經(jīng)鞘瘤

使用Lightning?伴OAR和非OAR 的計(jì)劃結(jié)果相似，比其他技術(shù)更好，但需要更多的靶點(diǎn)和更長時間的DT。與逆向計(jì)劃相比，手動計(jì)劃的靶點(diǎn)數(shù)大約少了7倍，但導(dǎo)致覆蓋率折衷，分別為0.88和0.91[Inverse planning and manual planning had approximately 7 times less shots but resulted in compromise in coverage, 0.88 and 0.91 respectively (]（表3）。OAR 保護(hù)如圖2所示。

腦膜瘤

IP和LNR的時間最快，分別為00:44 和00:36，但Lightning?的覆蓋范圍更廣。雖然LWR的計(jì)劃時間比逆向計(jì)劃的要長，但它具有更好的覆蓋范圍和OAR保護(hù)的好處（表3）。OAR保護(hù)如圖3A和B所示。

轉(zhuǎn)移瘤

在本分析的12例轉(zhuǎn)移瘤患者中，沒有人需要明確的OARs，因此，他們僅用3種技術(shù)進(jìn)行評估。逆向計(jì)劃略快（44.1秒），選擇性為手動計(jì)劃的90%，但GI和DT高于Lightning?的。LNR具有最好的覆蓋率、GI和DT（表3）。

外科瘤腔

對10例術(shù)后瘤腔進(jìn)行分析。Lightning?較快，具有較好的覆蓋率，相似的GI和較快的治療時間。逆向規(guī)劃和手動計(jì)劃具有相似的覆蓋范圍、選擇性和靶點(diǎn)數(shù)。雖然逆向計(jì)劃具有最好的GI，但它具有最長的DT（表3）。

垂體腺瘤

垂體腺瘤可提供很大的挑戰(zhàn)，由于腫瘤接近視神經(jīng)結(jié)構(gòu)。LWR在42,8秒內(nèi)完成了一個計(jì)劃，覆蓋率為99%，GI為2.65，DT為49分鐘。Wizard?不僅需要較長的計(jì)劃時間，而且沒有達(dá)到足夠的覆蓋率，治療時間也更長（表3）。OAR保護(hù)如圖3C和D所示。

GBM

所有GBM患者均無OAR，僅使用了3種方式。兩種逆向計(jì)劃技術(shù)都具有相似的TP，但Lightning?具有較高DT，且靶點(diǎn)數(shù)約為5倍。

其他

在圖1中，我們可以注意到兩種Lightning?方案非常相似，都有增加靶點(diǎn)數(shù)的趨勢，但與GBM不同的是，交付時間更快。

計(jì)劃時間

總體而言，Lightning?的計(jì)劃時間更快，如圖1和表2所示。在手術(shù)瘤腔和有OAR保護(hù)的計(jì)劃中，計(jì)劃的時間增加了，這歸因于這類病變的更大復(fù)雜性，直接影響了計(jì)劃過程的計(jì)算開銷。由于體積和形狀可以挑戰(zhàn)計(jì)算引擎，但只有體積可以客觀量化；計(jì)算腫瘤體積與四種方式的計(jì)劃時間之間的Pearson相關(guān)系數(shù)（PC），在IP和LNR上具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，r=。分別為0.74和0.84,p<0.0001, M+OP (r=。03, p=0.8)和LWR (r=。45, p=0.2)，不符合統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。它們的散點(diǎn)圖如圖4所示。

劑量-體積直方圖

所提出的DVH是將LWR和LNR與可交付的遠(yuǎn)期計(jì)劃進(jìn)行比較。曲線顯示它們的質(zhì)量相似，具有足夠的參數(shù)來安全提供治療。第一例為斜坡腦膜瘤（圖5a和B）， LWR對視神經(jīng)的最大照射劑量為7.25Gy，而治療劑量為8 Gy。Lightning?也能夠保持更大的覆蓋范圍。在第二例前庭神經(jīng)鞘瘤中觀察到相同的模式，其中LWR具有更大的覆蓋范圍和更大的Modiolus保護(hù)（圖5 C和D）。

討論：

Wizard?功能于2000年在LGP版本5.34中推出，標(biāo)志著它是市場上第一個可用于伽瑪?shù)兜哪嫦蛴?jì)劃工具。然而，這個早期版本的局限性在于其解決幾個目標(biāo)函數(shù)以找到最低懲罰解決方案的方法過于簡單，并且它很容易陷入次優(yōu)解決方案（局部最小值）中，因?yàn)樗皇亲鳛橥姑妫╟onvexity）問題建模的。它沒有充分考慮到危及器官（OARs）。采用梯度指數(shù)概念，在LGP版本10（2010）中開發(fā)了更復(fù)雜的逆向計(jì)劃工具。這個更新的軟件承諾加強(qiáng)臨床工作流程，特別是在非關(guān)鍵領(lǐng)域計(jì)劃更大的球形目標(biāo)。因?yàn)槟繕?biāo)使用相對等劑量（而不是絕對劑量），并且靶點(diǎn)位置可以改變，因此即使在此版本的Wizard?中，優(yōu)化問題仍然存在固有的困難（非凸面（convexity）），無法管理多個目標(biāo)并強(qiáng)制執(zhí)行諸如槳的最大劑量等標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，對于更復(fù)雜的目標(biāo)，人工計(jì)劃仍然是首選方法，特別是在專家計(jì)劃者中Lightning?將逆向計(jì)劃建模為一個凸面（convexity）問題，該問題既快又不容易陷入次優(yōu)解決方案Wizard?在預(yù)定的等劑量線內(nèi)使用重新定位，相對重量和準(zhǔn)直器設(shè)置，并可以刪除不必要的靶點(diǎn)以達(dá)到最佳解決方案。根據(jù)計(jì)劃人員的目標(biāo)，根據(jù)覆蓋范圍、選擇性、梯度和交付時間使用不同的設(shè)置進(jìn)行懲罰，這可能會限制計(jì)劃的質(zhì)量，但如果經(jīng)驗(yàn)豐富的計(jì)劃人員使用得當(dāng)，則可以提高計(jì)劃的質(zhì)量。此外，可以設(shè)置固定準(zhǔn)直器和固定位置的選擇，但限制了野的描繪勾畫。

Lightning?通過將計(jì)劃分為：放置等中心，優(yōu)化和排序來實(shí)現(xiàn)凸面（convexity）性。在第一階段選擇的等中心點(diǎn)在計(jì)劃的其余部分中保持固定。在優(yōu)化階段，競爭目標(biāo)被合并為一個加權(quán)和。通過改變權(quán)重，可以探索可實(shí)現(xiàn)的權(quán)衡?？赡艿陌袠?biāo)包括靶向劑量，保護(hù)OAR，以及一種新的-高效的-出束時間（BOT）懲罰。在優(yōu)化過程中，允許每個扇區(qū)和準(zhǔn)直器的時間獨(dú)立變化。在測序階段，這些時間被轉(zhuǎn)換成可交付的靶點(diǎn)?？偟膩碚f，該算法試圖在給定劑量的基礎(chǔ)上找到最佳配置，定義最佳等劑量線，并將“劑量云”轉(zhuǎn)換為劑量。它也能夠同時計(jì)劃多個病變，同時考慮他們的劑量貢獻(xiàn)，不同于Wizard?是無法做這些行動。設(shè)置可以被懲罰到BOT和“較低的可接受劑量”，這可以用來推動計(jì)劃者期望的等劑量線。在這個測試版中，等中心的數(shù)目是原來的3倍。觀察到兩種模式。首先，高權(quán)重靶點(diǎn)被幾個低權(quán)重靶點(diǎn)包圍，這有助于更好地描繪復(fù)雜形狀目標(biāo)的劑量。其次，不同準(zhǔn)直器設(shè)置和重量的重疊靶點(diǎn)，不僅有助于劑量描繪，而且有助于減少遞送時間，并在劑量適當(dāng)下降的情況下允許更高的IDL，而不會損害V12。在更短的時間內(nèi)遞送高適形計(jì)劃的能力會降低腫瘤細(xì)胞的修復(fù)能力，影響腫瘤控制。減少患者等待治療的時間，縮短照射時間，直接影響患者的耐受性和科室的日常動態(tài)。PC結(jié)果表明，靶體積與計(jì)劃時間之間存在良好的正相關(guān)關(guān)系，而靶體積與計(jì)劃時間之間的相關(guān)性較弱，可以解釋為需要確定最大OAR保護(hù)劑量。手工計(jì)劃的低靶點(diǎn)數(shù)可能是M+OP組TP與病變體積缺乏直接相關(guān)性的一個解釋。計(jì)劃質(zhì)量差異與計(jì)劃人員的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，可以通過Lightning?將其最小化。新的計(jì)劃人員和新的中心可以使用這個軟件作為學(xué)習(xí)工具來提高他們的計(jì)劃技能，特別是當(dāng)OAR在保持足夠的覆蓋方面受到限制時。這使得計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)化，從而在多中心研究中更好地評估治療。

在計(jì)劃時必須考慮功能的保存。因此，重要結(jié)構(gòu)如耳蝸/小耳蝸和視結(jié)構(gòu)所接受的劑量必須量化。Lightning?可以根據(jù)計(jì)劃者指定的最大OAR約束劑量進(jìn)行計(jì)劃。在以前版本的LGP中，OAR應(yīng)該通過計(jì)劃器或“動態(tài)整形”選項(xiàng)對靶點(diǎn)的新定義來保護(hù)。在這個分析中，沒有使用這個工具。為了提高IP效率，已經(jīng)提出了不同的軟件解決方案，每個解決方案都取得了不同的結(jié)果，但并不總是能成功地提高OAR保護(hù)，并對覆蓋范圍和DT產(chǎn)生負(fù)面影響，這可能是一個問題，因?yàn)槌唐谛迯?fù)的生物有效劑量會受到損害LWR在所有測試方案中都能夠在保護(hù)OAR的同時保持足夠的覆蓋范圍，而其他模式僅在圖4所示的3個部分治療的垂體腫瘤中實(shí)現(xiàn)了視神經(jīng)結(jié)構(gòu)的保護(hù)，這可能歸因于病例的解剖結(jié)構(gòu)和處方的劑量，而不是優(yōu)化的能力。

結(jié)論：

Lightning?允許計(jì)劃者探索不同的優(yōu)化參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)適合手頭臨床問題的計(jì)劃。相比Wizard?，Lightning?花了較少的時間來計(jì)算靶點(diǎn)位置，OAR保護(hù)和理想的等劑量線。這有助于在較快的時間內(nèi)計(jì)劃多個和復(fù)雜的靶標(biāo)，增加患者的耐受性，并且可能通過影響分割內(nèi)修復(fù)而具有放射生物學(xué)優(yōu)勢。

追求完美的腫瘤治療方案可能面臨許多挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)母采w率、選擇性、梯度指數(shù)和遞送時間可能非常耗時，而犧牲其中一個因素可能導(dǎo)致計(jì)劃的妥協(xié)。了解優(yōu)化工具如何工作以及如何調(diào)整其設(shè)置的實(shí)踐可以克服這種復(fù)雜性，提高計(jì)劃的質(zhì)量，并為患者提供最佳解決方案的信心。這對新中心了解制定復(fù)雜計(jì)劃的潛力和改善他們的學(xué)習(xí)曲線尤其有益。Lightning?使我們能夠快速創(chuàng)建多個計(jì)劃，改進(jìn)復(fù)雜的病例并優(yōu)化到單個或多個療程，根據(jù)患者的需求定制最終計(jì)劃。Lighting?的加入受到經(jīng)驗(yàn)豐富和新的伽瑪?shù)吨行牡臍g迎，允許快速計(jì)劃復(fù)雜和多發(fā)性腫瘤，具有較短的交付時間和良好的一致性，導(dǎo)致患者較好的耐受性，更動態(tài)的日常工作，增加每日治療次數(shù)，并通過優(yōu)化交付時間，通過影響分割內(nèi)修復(fù)具有放射生物學(xué)優(yōu)勢。