在即将开幕的第二届中国国际进口博览会（CIIE）上，全球放疗领导者瓦里安将展示世界领先的抗癌利器及解决方案。其中，HyperArc高解析度放射外科技术将首次在中国亮相。作为立体定向放射外科领域最新技术，它被认为是自动化智能（Automation Intelligence）技术典型代表。下面让我们提前领略一下HyperArc为高端肿瘤放射外科领域带来的卓越技术进步。
颅内立体定向放射外科技术蓬勃发展
根据《癌症治疗和生存统计》的数据，肿瘤患者中约有20%-40%会发生脑转移。据此推算，全球范围内五年内将有1500万脑转移瘤患者。中国癌症发病和死亡人数均位列全球第一，发病和死亡率最高的肺癌和乳腺癌更是发生脑转移的主要原发部位。据估计，中国每年有九十万以上的患者会发生脑转移，立体定向放射外科需求持续快速提高。
立体定向放射外科治疗技术不断发展。传统的治疗方式包括瑞典神经外科医生Lars Leksell发明伽玛刀(GammaKnife)（主要用于治疗颅内病变）和斯坦福大学神经外科医生John Adler 发明的射波刀（CyberKnife)技术。然而适应症范围较小和治疗时间长成为两者临床应用的主要局限。如何突破瓶颈，成为业内人士共同思考的问题。
进入二十一世纪，伴随着直线加速器技术和固定装置的性能提升、高质量图像引导技术的发展，以TrueBeam/EDGE等为代表的基于直线加速器的立体定向放射外科进入成熟应用阶段。根据耶鲁大学对美国癌症数据库（NCDB）在2004-2014年间的患者统计数据，发现基于直线加速器的立体定向放射外科比例逐年增加，到2018年，基于直线加速器的SRS治疗比例为54%，伽玛刀和射波刀分别占32%和14%。
颅内SRS技术应用平台以直线加速器为主（美国）
HyperArc技术就是在瓦里安TrueBeam平台结合先进的优化算法、加速硬件和机器人等技术打造的自动化智能（Automation Intelligence）解决方案。
自动治疗计划优化技术
基于直线加速器的颅内立体定向放射外科计划设计较常规放射治疗更为复杂，对于物理师/剂量师的要求更高。物理师/剂量师往往需要考虑多个非共面野与多个脑转移靶区之间的空间关系，使得计划设计复杂，设计时间长。HyperArc的出现让这个问题迎刃而解，它可以实现单等中心一次性照射多个靶区。
目前学界研究热门的4π技术，就是在球面空间寻找到合适的射束入射轨迹。
HyperArc的自动布野和轨迹优化即是在4π空间不同非共面治疗床角度上寻找最佳的机架入射角度，从而保证最大程度照射尽可能多的靶区，减少路径中的危及器官受量。
HyperArc自动优化射束入射路径
准直器角度的自动优化可以进一步提升计划的质量和效率。来自日本肿瘤中心的研究对比了准直器优化在HyperArc中的效果。通过26个病例的回顾性分析，对比经过准直器优化和未经优化的计划，并对比CI、HI、GI以及OAR这些剂量值，同时计算调制的复杂度（MSCV）和MU数，最后基于EPID对剂量进行测量和对比。结果发现HI、GI以及CI这些参数无差别，而对于多发转移瘤，基于准直器角度优化的HyperArc计划有更低的正常脑组织剂量（V4、V12和V14、V16），通过准直器优化，MLC叶片序列更加简单，因此MU数更低、照射时间更短，经过EPID的剂量实测，可以得到一致的结果。
图 机器性能检查可以全自动完成多种质量控制项目，可基于数据进行趋势分析
RapidPlan颅内SRS机器学习模型
HyperArc优化前的自动剂量（DVH）预测可基于RapidPlan的机器学习模型，在Eclipse中将内置颅内立体定向放射外科模型（UAB Model）。在设计HyperArc计划时，可以选择该模型来预测当前患者的DVH剂量-体积特征，并转换为优化目标和权重。RapidPlan支持临床科室基于自己的病例训练新的模型，或者导入其他肿瘤中心的训练模型。
通过RapidPlan颅内SRS预测模型可进大幅减少迭代次数
RapidPlan已被证实可以提升体部立体定向放射外科的质量和一致性。Saar等人评估了体积大于5cm的肺部肿瘤SABR治疗的预后情况。53例原发/复发性NSCLC SABR有30%出现三级毒性。文章作者利用RapidPlan建立并训练由没有毒性的计划集模型，并基于该模型重新评估无毒性和表现毒性患者的治疗计划。结果显示，RapidPlan计划显示放射性肺炎与对侧、全肺V5、肺平均剂量相关。在发生组织毒性的治疗计划中，作者发现50%的计划对侧肺平均剂量是RapidPlan计划的2.5倍，这意味着，使用RapidPlan设计计划或可避免放射性肺炎的出现。研究人员最终建议，RapidPlan应当是该中心计划设计的基准和标准规范。
不久以后基于RapidPlan设计颅内SRS的优势也会开始进行。相信RapidPlan也会对降低放射性脑损伤的发生率起到类似的积极作用。
对于部分需全脑照射（WBRT）或者WBRT联合SRS治疗的患者，RapidPlan也支持设计避让海马全脑计划。
通过RapidPlan全脑（海马保护）模型，可以迅速得到高质量的全脑计划，使得部分不适合单纯SRS治疗的患者得到全脑治疗（左）或全脑+SRS治疗（右）
机器人自动实施照射
TrueBeam漂亮的外部轮廓常常使我们忘记，它们也是运行着大量组件和电路芯片充满智慧的机器人。瓦里安HyperArc技术基于对加速器设备的高度自动化控制使颅内SRS治疗更加安全和高效。
波士顿动力Atlas 机器人，机器人技术的进化速度非常快
（图片来自网络）
治疗安全是HyperArc技术的重中之重。在计划设计可通过患者保护区和虚拟预运行保证治疗安全。具体而言，患者保护区通过定位影像生成患者轮廓区域和固定装置的虚拟3D图像，在计划设计时保证设备、治疗床和患者相互之间不会发生碰撞。HyperArc提供虚拟运行模式，可以在计划设计完毕后，虚拟预运行整个设计方案，包括每个照射野、不同治疗床角度和图像引导序列等，通过模拟实际治疗环境的端对端验证，再次保证治疗安全。
HyperArc设置患者保护区，保证等中心
设置在患者治疗安全位置
HyperArc可模拟完整治疗的运行情况（视频）MPC全称为机器性能检测（Machine Performance Check），使得HyperArc可以基于模体和自动化流程测量机械到位精度、图像系统几何精度、等中心和射野一致性等众多项目。治疗师或物理师仅需将MPC模体安装完毕，即可启动性能检查程序，一般来说仅需5分钟时间。这些数据被统一存储在数据库中，便于统计和趋势分析。
图 机器性能检查可以全自动完成多种质量控制项目，可基于数据进行趋势分析
HyperArc治疗实施可以实现“一键式”治疗——自动化执行所有治疗野和图像引导序列。治疗师无需进入治疗室内，这无疑会节省大量治疗时间，而前述的机器性能检查确保了切换非共面野的过程中的治疗安全。
HyperArc自动执行非共面射野和图像引导序列
HyperArc技术为临床带来切实价值
技术的发展最终要为临床患者服务。HyperArc可以在获得高质量SRS治疗的前提下大幅提升治疗效率。韩国亚洲医学中心对比了HyperArc和伽玛刀治疗方案的剂量学差异，研究对比了8个颅内脑转移瘤患者的治疗方案（处方32Gy）后发现，HyperArc的治疗计划与伽玛刀计划的适形度CI类似（HA:1.020 vs GK 1.077)，梯度GI（HA: 2.873 vs GK3.224）和均匀度HI（HA: 1.345 vs GK: 2.0)略优。从治疗时间上HyperArc显示明显的优势，其治疗时间约为10分钟，而伽玛刀治疗时长为76分钟。
HyperArc（右）与GammaKnife（左）剂量和治疗时间对比
HyperArc与射波刀的对比也有类似的结果。Krzysztof等2018年在《Radiotherapy and Oncology》的文章对比了HyperArc和CyberKnife(射波刀)治疗颅内多发转移瘤治疗计划，共15例患者，每个患者转移瘤数量3-8个。研究发现对正常脑组织的照射4Gy和12Gy剂量线包绕的体积中，HyperArc最小。从治疗时间来看，HyperArc每次治疗时间5-10分钟，CyberKnife每次治疗时间37-76分钟。Kadoya等人回顾性分析11例射波刀治疗计划并使用HyperArc进行计划设计，结果发现两者质量相当，具体而言，CyberKnife的GI更高，而HyperArc的CI、HI、肺体积V12均好于CyberKnife，肯定了HyperArc的计划质量。台湾奇美医院的Yu-Wei Lin 教授在ASTRO2019期间介绍了HyperArc的使用经验，他们将该技术的应用扩展至复发性鼻咽癌的治疗，通过对比HyperArc与CyberKnife的剂量结果得到类似的剂量结果，然而MU数降低了55%，这也意味着治疗效率的提升。
HyperArc与CyberKnife计划剂量学参数比较
可以看到，在面世后的短时间内，HyperArc已经显示了突出的临床优势。以人工智能技术（RapidPlan?）和机器人自动化技术相结合，自动化智能（Automation Intelligence）让立体定向放射外科在计划设计、机器性能检查、照射实施等环节走向更为安全、高效和舒适。相信在中国的临床应用会大大提升颅内转移瘤等患者的生存质量，让无惧癌症的未来早日到来。
注1：之所以称为4π技术是因为任何球体都有720的球面度（球面度是标准的国际单位制导出单位，用于描述立体角。球面度之于立体角，类似于赫兹之于频率的关系）。
注2：HyperArc计划结果可以自动计算（每个靶区）除了剂量-体积目标外的多种评价指标，如CI，GI， PCI，HI等，使得计划的评估非常简便，这些数据亦可用于科研和统计。
参考文献：
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Dose Distributions
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*TrueBeam，TrueBeam STx，Edge医用直线加速器:国械注进20183052621
*Eclipse：国械注进20153700987
本文转自：赵亮（瓦里安） 放疗界
