放療方案不用苦熬數(shù)小時，人工智能一鍵高效出精品！近日，中山大學腫瘤防治中心孫穎、周冠群團隊在國際權威期刊《類生命系統(tǒng)》（Cyborg and Bionic Systems）發(fā)表重要研究成果。該研究針對一站式（All-in-one）在線放療中如何實現(xiàn)既“保質(zhì)”又“高效”的計劃設計這一核心瓶頸，構建并系統(tǒng)驗證了一套面向鼻咽癌的AI自動計劃模型（點擊文末閱讀原文查看）。該研究基于大規(guī)模臨床數(shù)據(jù)開展模型迭代優(yōu)化，并通過多中心回顧性評估及真實世界前瞻性臨床應用驗證，實現(xiàn)了在3.5分鐘內(nèi)穩(wěn)定生成高質(zhì)量的放療計劃的核心突破。

啃下“硬骨頭”，鼻咽癌放療計劃設計的困境

在腫瘤放療臨床領域，一站式在線放療將模擬定位，靶區(qū)勾畫，計劃設計與治療整合為一個在線工作流，使患者放療等待時間從2-3周縮短為30分鐘，極大程度降低了患者治療等待期間解剖變化導致的放療誤差。可鼻咽癌卻一直是放療界公認的“硬骨頭”！該病癥病灶周邊解剖結構錯綜復雜，放療約束標準嚴苛，是臨床里最難制定放療計劃的病種。在臨床實踐中，通常通過長時間的人工反復調(diào)節(jié)與優(yōu)化來進行計劃設計，尤其在復雜病例中，往往需要數(shù)小時甚至數(shù)天才能完成滿意方案。此外，手工計劃質(zhì)量高度依賴物理師經(jīng)驗，不同操作者、不同中心間存在顯著個體差異，影響計劃質(zhì)量的一致性與可復制性。如何滿足在線工作流對“速度”和“質(zhì)量”的雙重要求，是當前面臨的核心痛點。

為了解決當前問題，研究團隊建立了基于AI的鼻咽癌自動計劃流程。效率層面，通過AI自動優(yōu)化策略實現(xiàn)快速計劃生成，顯著縮短人工反復調(diào)參時間；質(zhì)量層面，通過AI模型驅(qū)動的理想劑量分布預測與標準化優(yōu)化路徑，確保計劃輸出的計劃質(zhì)量和一致性。

透明迭代路徑，監(jiān)督AI計劃模型精準進化

經(jīng)過全方位技術優(yōu)化升級后，這套 AI 智能放療模型迎來實力蛻變！依托高效運算模塊與智能加速技術，如今僅需3.5 分鐘，就能快速產(chǎn)出一份高標準、高質(zhì)量的鼻咽癌放療計劃，徹底告別人工反復調(diào)試的繁瑣流程。AI自動計劃模型歷經(jīng)4個版本的系統(tǒng)性迭代開發(fā)，逐步攻克了計劃質(zhì)量、魯棒性與計算效率三大核心挑戰(zhàn)。

圖1 AI自動計劃模型的迭代架構與技術演進

V1（基線模型）：構建以CAD-3DUNet為核心的劑量預測網(wǎng)絡，結合多維度計劃質(zhì)量調(diào)整策略，實現(xiàn)基本自動計劃生成，接受率達60%。

V2（質(zhì)量優(yōu)化）：引入標簽引導的Pareto最優(yōu)劑量分布選擇機制，以及基于優(yōu)先級的硬約束控制策略，實現(xiàn)靶區(qū)覆蓋與危及器官保護之間的智能權衡，一次優(yōu)化計劃效果接受率提升至80%。

V3（復雜病例攻堅）：針對T4期高難度病例專項強化——引入分位數(shù)損失函數(shù)提升預測魯棒性，擴充50例T4期訓練數(shù)據(jù)，并以隨機平臺優(yōu)化（SPO）替換傳統(tǒng)FMO算法，改善劑量適形度與均勻性。

V4（效率提升）：面向在線工作流的計算提速改造——部署CT-MCDL模塊實現(xiàn)快速蒙特卡洛劑量估算，引入CPU并行優(yōu)化與GPU加速劑量計算，將平均優(yōu)化時間從15至18分鐘大幅壓縮至3.5分鐘，正式具備實時臨床部署能力。

AI自動計劃模型的性能演進

以“臨床需求驅(qū)動—算法迭代—提升量化”為主線，每一版本改進均對應明確的臨床問題并經(jīng)標準化指標驗證，形成透明可解釋的演進路徑。該“研發(fā)-驗證”框架可直接遷移至其他病種或AI輔助放療任務，為智能放療系統(tǒng)的規(guī)范化研發(fā)與系統(tǒng)評估提供參考范本。

臨床三層驗證，確保AI計劃模型可靠落地

第一層：5中心回顧性基準測試

研究納入來自訓練中心以及4家外部獨立中心的共計245例患者，覆蓋T1至T4各分期，系統(tǒng)評估AI自動計劃計劃模型的跨中心泛化能力。

圖3 AI自動計劃與人工計劃在四個外部驗證中心之間的劑量學比較

AI計劃在劑量分布上不僅展示出優(yōu)于或不劣于各中心專家人工計劃的質(zhì)量，還具有更高的穩(wěn)定性與一致性。模型在未經(jīng)本地數(shù)據(jù)微調(diào)的前提下，跨越不同成像協(xié)議、勾畫習慣與劑量處方方案實現(xiàn)穩(wěn)定運行，為后續(xù)多機構快速推廣應用提供了關鍵可行性依據(jù)。

第二層：全球最大規(guī)模前瞻性臨床驗證

隨后，本研究前瞻性連續(xù)納入242例接受一站式在線放射治療的鼻咽癌患者，在真實臨床環(huán)境下全面評估自動計劃系統(tǒng)的臨床可行性與實用性。研究設計符合真實世界研究核心標準，所得結論直接反映AI計劃系統(tǒng)的日常臨床實際表現(xiàn)，代表目前該領域最高級別的前瞻性真實世界循證證據(jù)。

前瞻性隊列研究的結果統(tǒng)計

前瞻性隊列中，自動計劃的各靶區(qū)平均覆蓋率均超過99%，各危及器官受量均控制在臨床限值以內(nèi)，單次優(yōu)化臨床接受率約為95%，計劃質(zhì)量的穩(wěn)定有效降低了物理師與醫(yī)師的工作負荷，為高患者容量放療機構的規(guī)模化運營提供可量化的效率支撐。平均計劃生成時間為3.5分鐘，計劃效率的提高縮短了流程等待時間，直接降低分次內(nèi)運動風險，從源頭保障劑量投照精度。

第三層：雙重劑量驗證

所有計劃均通過兩級劑量質(zhì)量保證體系：在3%/3mm標準下第三方算法獨立劑量驗算的Gamma通過率達99.95%，EPID in vivo在體實時劑量驗證的Gamma通過率達98.53%。雙重劑量驗證確保了AI自動計劃計算劑量分布的可靠性以及計劃的高度可執(zhí)行性。

中山大學腫瘤防治中心的孫穎教授、周冠群主任醫(yī)師，以及浙江省腫瘤醫(yī)院姜鋒教授為該論文的共同通訊作者，中山大學腫瘤防治中心的王光宇物理師、楊鑫副研究員，以及湖南省腫瘤醫(yī)院倪千喜教授為共同第一作者。

主要研究者簡介：

通訊作者：孫穎 教授

中山大學腫瘤防治中心副主任、副院長，二級教授，國家重大人才工程入選者、享受政府特殊津貼專家、人社部國家百千萬人才工程“有突出貢獻中青年專家”、科技部創(chuàng)新人才推進計劃-中青年科技創(chuàng)新領軍人才。2026“全國五一勞動獎章”獲得者。現(xiàn)任中國抗癌協(xié)會第九屆理事會理事，中國臨床腫瘤學會（CSCO）鼻咽癌專委會副主任委員，中國抗癌協(xié)會腫瘤大數(shù)據(jù)與真實世界研究專委會副主任委員等職。作為聯(lián)合主席牽頭制定了《中國-美國臨床腫瘤學會鼻咽癌臨床診治國際指南》；近5年來，作為通訊/一作（含共同）發(fā)表高水平論著50余篇，包括Nature、N Engl J Med、Lancet、JAMA、BMJ、Nat Med、Cancer Cell、Lancet Oncol、JCO、Radiology、Nat Commun等；主持國家重點研發(fā)計劃項目1項、國自然重大研究計劃重點支持項目1項、國自然數(shù)學天元基金數(shù)學與醫(yī)療健康交叉重點專項1項及國自然基金面上項目4項；發(fā)明專利已授權15項，轉(zhuǎn)讓5項；作為主要完成人之一獲國家科技進步二等獎3項，省部級科技獎一等獎8項。

通訊作者：周冠群 主任醫(yī)師

中山大學腫瘤防治中心放療科主任醫(yī)師、博士生導師。擅長鼻咽癌、喉癌、下咽癌等頭頸部惡性腫瘤的放療。主要研究方向為鼻咽癌的個體化治療和正常組織損傷。第一或共同第一作者發(fā)表SCI論文40余篇，包括Nature Medicine、Cancer Cell, Lancet Oncol、Nat Commun兩篇、Clin Cancer Res兩篇、Int J Radia Oncol Bio Phys三篇等。主持國家重點研發(fā)計劃課題，國家自然科學基金聯(lián)合專項，國家自然科學基金青年項目，廣東省自然科學基金面上項目，廣東省青年提升項目等項目。獲得2014年“中華醫(yī)學科技獎一等獎”，2014年“廣東省科技進步一等獎”和2014年“教育部科學技術進步一等獎”。

第一作者：王光宇 物理師

中山大學腫瘤防治中心放療科物理師。主要從事放射治療計劃設計、質(zhì)控等工作，致力于精準放射治療物理與技術的研究與應用。主持國家自然科學基金青年科學基金項目，參與國家重點研發(fā)計劃項目，國自然專項項目，廣東省自然科學基金面上項目等多個項目。參與起草NCC/T-RT指南1項，參編人民衛(wèi)生出版社“醫(yī)學+X”新醫(yī)科系列教材《精準放療質(zhì)控與數(shù)理融合創(chuàng)新教程》。以第一作者在 Cyborg and Bionic Systems、Medical Physics、Radiation Oncology 等國際期刊發(fā)表SCI論文5篇，國內(nèi)外共發(fā)表學術論文二十余篇，獲批國家發(fā)明專利2項。作為核心成員參與的項目，獲“創(chuàng)青春”第二屆全國衛(wèi)生健康行業(yè)青年創(chuàng)新大賽金獎、2025全國顛覆性技術創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎。獲2025年第一季度“Wiley威立中國高貢獻作者獎”。

來源：中山大學腫瘤防治中心訂閱號

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