该协议描述了一系列专为高质量放射治疗、自体轮廓和自动计划而设计的自动化工具,这些工具被打包到基于 Web 的服务中,以最大限度地提高稳健性和可扩展性,同时最大限度地降低运营成本。
全世界获得放射治疗的机会有限。放射计划助手 (RPA) 是一种全自动的、基于 Web 的工具,正在开发中,旨在为资源有限的诊所提供全自动放射治疗计划工具。目标是帮助临床团队扩大他们的工作范围,从而惠及更多的癌症患者。用户通过网页连接到RPA,完成服务请求(处方和有关放射治疗目标的信息),并上传患者的CT图像集。RPA 提供了两种自动化规划方法。在一步式规划中,系统使用服务请求和 CT 扫描自动生成必要的轮廓和治疗计划。在两步规划中,用户在 RPA 继续生成容量调制弧形治疗计划之前查看和编辑自动生成的轮廓。最终计划从RPA网站下载并导入用户的本地治疗计划系统,其中为本地委托的直线加速器重新计算剂量;如有必要,在批准临床使用之前对计划进行编辑。
预计到 2030 年,全球癌症病例数将增长到约 2460 万例,其中低收入和中等收入国家负担最重1。放疗是一种具有成本效益的治愈性姑息性癌症治疗方法,为大约 50% 的癌症患者和低收入国家 60-70% 的患者提供益处,这些患者更有可能在晚期就诊 2,3。然而,全世界获得放射治疗的机会有限4;例如,非洲没有一个国家具备满足其估计需求的放射治疗能力5。一些研究估计了这些即将到来的短缺以及满足即将到来的需求所需的条件6,7。
《柳叶刀》肿瘤学委员会提出了一个令人信服的理由,即投资于提高放射治疗能力不仅可以挽救生命,还可以带来积极的经济效益3。他们还特别指出,放射治疗轮廓和治疗计划的自动化可以通过显着减少肿瘤学家和物理学家在这些任务上花费的时间来帮助临床团队扩大他们的工作范围,从而使目标更容易实现。
我们的研究小组一直在与MD安德森和世界各地医院的临床团队合作,开发基于网络的自动化工具。这套工具(称为RPA)提供基于人工智能的轮廓(在CT扫描中勾勒出肿瘤和附近器官)和放射治疗计划(准确定义放射的传递方式)。这个基于网络的平台的优势在于减少了为每位患者准备高质量计划所需的时间和资源。
我们在MD安德森使用基于人工智能的工具的早期版本的经验表明,自动轮廓可以为每位患者节省多达2小时的时间,从而大大简化了工作流程。这意味着目前的临床工作人员将能够扩大他们的工作范围,用更高质量的放射治疗来治疗更多的患者。通过基于网络的全自动服务(辐射计划助手 [RPA] ,RPA.mdanderson.org)提供这些工具,我们可以最大限度地降低患者和提供者的成本,并最大限度地扩大该工具的覆盖范围。
我们开发 RPA 已有 6 年了,自从我们首次发布 RPA 工作流8 以来,已经进行了几项重大更改。其中包括将 RPA 开发成基于 Web 的工具,从而降低与安装和维护相关的成本,并提高系统的健壮性。其他改进包括更改用户界面以提高可用性并降低错误9 的风险,以及扩展治疗选择(特别是乳房切除术后乳房10 和脑转移11 的放射治疗计划)。因此,这里描述的协议比以前发布的初始版本先进得多。
RPA 使用一步式流程来创建轮廓和计划,在这种情况下,通常不需要编辑轮廓来创建治疗计划。这包括宫颈癌的四野箱治疗计划(基于骨标志或自动生成的软组织轮廓)12、13、14、15、切向或锁骨上野用于乳房切除术后乳腺癌11,以及用于全脑治疗的对侧野16。在不久的将来,我们预计将增加小儿癌症的颅脊髓治疗17,直肠癌的三领域治疗18,以及各种姑息性病例(椎体、髋关节和肋骨)19以及肺癌和膀胱癌的治疗计划。目前,更先进的治疗方法,特别是容量调制弧形疗法(VMAT),需要一个两步过程,在治疗计划之前编辑自动生成的轮廓13,20。然而,基于深度学习的自轮廓的质量如此之高,我们期望在未来将这些规划方法更改为一步到位的过程。该协议侧重于一步规划。
图 1 显示了使用 RPA 创建放射治疗计划的整体工作流程, 表 1 显示了有关不同任务的更多详细信息。总之,RPA 需要完整的服务请求(包括剂量处方和治疗方法等信息)和患者的个人 CT 扫描。放射肿瘤学家必须接受服务请求。临床用户必须接受 CT 扫描,以确保在正确的 CT 扫描上执行 RPA 计算。一旦 RPA 生成了计划,应从 RPA 网站下载并导入用户的治疗计划系统,并在其中重新计算剂量。这是必要的,因为 RPA 计算标准光束(可用于多种直线加速器型号)的计划,这可能与局部直线加速器的光束特性不完全匹配。采用这种方法是为了降低成本,但如果局部光束与我们的标准光束有很大不同,则可能需要定制。用户(治疗计划者和放射肿瘤学家)可以对计划进行编辑。然后,该计划进入用户的典型临床工作流程,包括本地质量保证检查。最后,用户应将其最终(重新计算和编辑)计划上传到 RPA 网站,在那里执行最终计划和 RPA 计划之间的自动比较。这是对整个工作流中数据完整性的有用检查。
图 1:自动化治疗计划流程的工作流程。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 1 中的任务 # | 任务描述 | 位置 | |||
查看任何既往患者的状态 | 主仪表板 | ||||
1 | 在RPA网站上完成服务请求 | “服务请求”仪表板 | |||
2 | 将 CT 扫描上传到 RPA 网站 | CT 扫描仪表板 | |||
3 | 检查患者的状态 | 主仪表板 | |||
查看并下载 RPA 计划 | 主仪表板 | ||||
4 | 将计划导入用户的 TPS,重新计算剂量,并根据需要进行编辑 | 本地 TPS | |||
5, 6 | 将最终计划上传到 RPA 网站 | 计划比较仪表板 | |||
查看最终计划和 RPA 计划的自动比较 | 计划比较仪表板 | ||||
– | 该计划进入用户的常规临床工作流程,包括定期的质量保证 | 用户自己的软件 |
表 1:使用 1 步工作流创建 RPA 计划所涉及的任务概述。 本地 TPS:用户的治疗计划系统。
本文描述了 RPA 的这一一步式工作流程,并介绍了治疗计划流程输出的一些示例结果。目前,以下规划方法使用这种一步式工作流程:i) 宫颈癌患者的四视野箱治疗计划(基于骨地标的孔);ii)宫颈癌患者的四野箱治疗方案(基于软组织的野孔);iii) 胸壁患者的切线和锁骨上治疗计划;iv) 全脑治疗计划。
该协议概述了使用 RPA 创建自动治疗计划的步骤。关键步骤是 (1) CT 上传和批准,(2) 服务请求完成和批准,(3) 计划下载并导入用户的 TPS 并重新计算剂量和计划编辑,以及 (4) 上传最终编辑的计划以与 RPA 计划进行比较。CT 审批和服务请求审批的顺序可以互换。一些计划,特别是针对头颈癌和宫颈癌的容量调制弧形治疗计划,是在两步过程中创建的,其中额外的用户交互以及轮廓和计划是单独生成的。然而,总体而言,这些过程是相似的,我们预计这些先进的治疗计划方法将来可以更改为一步法。这些工具以及正在为未来版本开发的工具可以预期的总体临床可接受性可以在我们已发表的著作10、12、14、15、16、17、18、19、20、21、22 中找到。
这些工具有几个局限性,正如我们之前的工作所述,该工作调查了在放射治疗诊所部署辐射计划助手时的风险 9,23。尽管用户界面的设计旨在最大限度地降低不适当数据输入的风险,例如具有足够视野的 CT 图像或手动数据输入中的错误,但仍存在错误的可能性。具体而言,人为错误、自动化偏差(过度依赖结果)和软件错误是值得关注的问题 9.仔细检查并在必要时编辑自动生成的轮廓和计划,对于安全使用辐射规划助手至关重要。一般而言,这些审查应遵循与物理学家和放射肿瘤学家审查临床计划相同的程序,尽管这可以通过使用专门制定的清单来支持,以补充对自动创建的治疗计划的人工审查24。
在某些情况下,RPA 将无法生成计划,并将向用户报告错误。在几乎所有情况下,这都是由于 RPA 遇到无法解释的意外数据引起的,例如视野或患者定位不足(例如,如果使用仰卧位拍摄 CT 图像,但患者处于俯卧位)。用户可能能够根据报告错误的位置来识别问题。在大多数情况下,这些情况只能通过手动轮廓或计划来解决。RPA 团队还可以查看日志文件以识别问题。
RPA 的设计和开发是专门为资源有限的诊所,尤其是低收入和中等收入国家的诊所提供高质量的自动轮廓和自动规划工具。我们目前正在通过监管、法律和行政程序,这些程序将导致 RPA 在临床上的应用。一旦发生这种情况,我们希望仔细监控使用情况,并对工作流程或用户界面进行更改,以应对任何意外风险或其他用户反馈。目标是提供支持放射治疗服务的工具,以便当地临床团队可以扩大他们的工作范围,改善获得高质量、一致的放射治疗计划的机会。我们希望这将改善患者的治疗效果,并减少等待时间。虽然目前的产品组合仅限于头颈癌、乳腺癌和宫颈癌,以及脑转移的全脑照射,但我们正在研究其他治疗方法,这些治疗方法将纳入未来的版本17,18,19中。
The authors have nothing to disclose.
这项工作由美国国家癌症研究所和惠康信托基金资助,并得到了瓦里安医疗系统的额外支持。我们目前的系统使用Eclipse进行治疗计划功能。我们还要感谢 UT MD Anderson 癌症中心研究医学图书馆编辑服务的 Ann Sutton。除了RPA开发的机构资金外,我们的研究团队还获得了德克萨斯州癌症预防和研究所(CPRIT)和德克萨斯大学MD安德森癌症中心癌症信息学创新基金的资助。