廣東省第二人民醫(yī)院 放療科，廣東 廣州 510317

引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，調(diào)強放療技術(shù)被越來越廣泛地應用在臨床腫瘤的治療中，其高度的靶區(qū)適形度和陡峭的劑量梯度大大地提高了腫瘤治療的增益比[1-2]。因此在放療計劃設(shè)計階段就要求臨床醫(yī)師精確定義和勾畫靶區(qū)與危及器官（Organs at Risk，OAR）。傳統(tǒng)的手工勾畫OAR不僅費時費力，而且重復性差，此外患者在經(jīng)過一段時間放療后，身體的解剖結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，腫瘤縮小，則需要重新定位并制訂放療計劃[3-5]，而繁瑣重復的OAR勾畫無疑大幅降低放療計劃制定的效率，也給臨床醫(yī)師造成負擔。目前國內(nèi)外有基于圖譜庫和形變配準融合自動勾畫軟件應用于頭頸部腫瘤[6-9]、胸部腫瘤[10-14]和下腹部腫瘤[15-20]的OAR自動勾畫臨床可行性研究，較少檢索到關(guān)于中上腹部的危及器官自動勾畫的臨床研究，以及基于深度學習卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的軟件在臨床上準確性應用的研究。

因此本文研究三款自動勾畫軟件pinnacle、LinkingMed和Manteia對于中上腹部危及器官勾畫的準確性，以及比較這三者自動勾畫與手工勾畫間的幾何精度差異并探討在中上腹部腫瘤中自動勾畫方式應用于臨床的可行性分析。

1 材料與方法

1.1 自動勾畫工具

Pinnacle 9.10是飛利浦公司的治療計劃系統(tǒng)，其中內(nèi)置有自動勾畫模塊SPICE（Smart Probabilistic Image Contouring Engine），該模塊是通過匹配圖譜庫的模板進行概率形變配準得到的自動輪廓。LinkingMed和Manteia是由國內(nèi)的公司開發(fā)的兩款自動勾畫軟件，它們都是基于深度學習卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過對大量醫(yī)生所標注的勾畫數(shù)據(jù)進行訓練學習，不斷地調(diào)整卷積核和權(quán)重等參數(shù)所建立的算法模型。

1.2 病例選擇

選擇2019年9月至2020年3月在廣東省第二人民醫(yī)院接受放療的中上腹部腫瘤患者26例，其中肝癌（Ⅰ～Ⅱ期）15例，結(jié)腸癌7例，腰椎轉(zhuǎn)移瘤4例。行仰臥位，以熱塑體膜固定，在西門子大孔徑螺旋CT（Somaton Sensation Open）下，以3 mm的層厚層距掃描并重建CT圖像。掃描得到的CT圖像數(shù)據(jù)傳送至Pinnacle9.10放療計劃系統(tǒng)、LinkingMed和Manteia自動勾畫系統(tǒng)。

1.3 OAR勾畫

由1名有經(jīng)驗的放療醫(yī)師在Pinnacle9.10計劃系統(tǒng)上手工勾畫OAR，并要求上級主任醫(yī)師審核和修改。OAR包括：肝、脊髓、雙腎、胰腺和胃，并定義為參考勾畫Vref。Pinnacle9.10計劃系統(tǒng)的自動勾畫的OAR為肝、脊髓和雙腎，定義為VP；LinkingMed和Manteia自動勾畫的OAR與手工的一樣，分別定義為VL和VM，勾畫完畢即導入放療計劃系統(tǒng)，再傳入LinkingMed進行比較評估。

1.4 評價指標

以手工勾畫為金標準，分別計算這三種自動勾畫結(jié)果的質(zhì)心偏差（Center of Mass Deviation，DC）、Dice相似性系 數(shù)（Dice Similarity Coefficient，DSC）、Hausdorff 距 離（Hausdorff Distance，HD）、包容性指數(shù)（Inclusive Index，IncI）和敏感性指數(shù)（Sensitivity Index，SI）[15]，下列公式中下標為ref的為手動勾畫參考值，auto的為自動勾畫值。DC、DSC計算公式見公式(1)～(2)：

用于比較有限樣本集之間的相似性與差異性，DSC值越大，樣本相似度越高。HD計算，見公式(3)：

用于表示某一集合中離另一集合最近點的所有距離的最大值。

IncI和SI的計算，見公式(4)～(5)：

1.5 統(tǒng)計學處理

建立Excel數(shù)據(jù)庫，應用SPSS 19軟件進行數(shù)據(jù)分析。采用單因素方差法檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。數(shù)據(jù)以均值±標準差（±s）的形式表現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 勾畫時間的比較

Lingkingmed和Manteia的勾畫時間是從圖像導入自動勾畫系統(tǒng)開始計時至勾畫結(jié)束，約為40 s。Pinnacle系統(tǒng)勾畫的時間從點擊Auto-segmentation自動勾畫開始至勾畫結(jié)束，約為5 min，醫(yī)生人工勾畫的時間約為30 min。

2.2 三組自動勾畫結(jié)果的DC比較

不同組勾畫結(jié)果的DC比較如圖1所示，統(tǒng)計學差異如表1所示。三組勾畫的肝、腎和脊髓的DC值<10 mm，其中右腎和脊髓的DC<5 mm。Pinnacle勾畫組的結(jié)果偏差比其他兩組大。LinkingMed和Manteia勾畫組肝、雙腎和脊髓的DC均值<7 mm，而胰腺和胃的DC值較大，其中LinkingMed勾畫組的結(jié)果比Manteia勾畫組的偏差大。LinkingMed和Manteia勾畫組與Pinnale勾畫組的結(jié)果，除脊髓外，均有統(tǒng)計學差異。LinkingMed勾畫組和Manteia勾畫組胰腺的結(jié)果有統(tǒng)計學差異。

圖1 三組自動勾畫結(jié)果的DC

表1 三種自動勾畫危及器官DC的結(jié)果（±s，mm）

表1 三種自動勾畫危及器官DC的結(jié)果（±s，mm）

注：*是代表VL和 VM，VL和VP，VM和VP之間具有統(tǒng)計學差異。

參數(shù) VL VM VP P值肝 6.25±5.92 5.19±5.17 9.80±6.95 △○左腎 1.12±1.66 1.14±1.59 7.05±7.90 △○右腎 0.77±0.76 1.11±1.28 2.72±2.72 △○脊髓 4.93±7.10 2.90±4.73 3.43±5.19 0.432胃 23.89±17.62 16.88±18.00 0.162胰腺 21.02±18.22 8.84±12.64 *

2.3 三種自動勾畫結(jié)果的DSC比較

不同自動勾畫結(jié)果的Dice系數(shù)比較如圖2所示，統(tǒng)計學分析如表2所示。肝、雙腎和脊髓的DSC平均值＞0.8，LinkingMed和Manteia的DSC均值＞0.9。Manteia勾畫組胃和胰腺的DSC均值＞0.7。LinkingMed勾畫組與Pinnale勾畫組的結(jié)果均有統(tǒng)計學差異。Manteia勾畫組與Pinnale勾畫組的結(jié)果除了肝外，均有統(tǒng)計學差異。胃和胰腺的勾畫結(jié)果顯示，LinkingMed和Manteia勾畫組有統(tǒng)計學差異。

圖2 三組自動勾畫結(jié)果的Dice系數(shù)比較

表2 三種自動勾畫危及器官DSC比較結(jié)果（±s）

表2 三種自動勾畫危及器官DSC比較結(jié)果（±s）

注：*是代表VL和 VM，VL和VP，VM和VP之間具有統(tǒng)計學差異。

參數(shù) VL VM VP P值肝 0.97±0.02 0.95±0.05 0.94±0.03 △左腎 0.96±0.06 0.96±0.05 0.81±0.16 △○右腎 0.98±0.02 0.96±0.04 0.9±0.11 △○脊髓 0.90±0.06 0.90±0.07 0.81±0.07 △○胃 0.54±0.25 0.75±0.15 *胰腺 0.43±0.26 0.71±0.16 *

2.4 三種自動勾畫結(jié)果的HD比較

不同自動勾畫結(jié)果的HD比較如圖3所示，統(tǒng)計學分析如表3所示。三組勾畫結(jié)果的雙腎和脊髓的HD均值<20 mm，肝的HD均值<26 mm，Pinnacle勾畫組的結(jié)果偏差比其他兩組大。LinkingMed勾畫組的胃和胰腺的HD均值大于Manteia的勾畫結(jié)果。統(tǒng)計學分析結(jié)果顯示，LinkingMed勾畫組雙腎的結(jié)果與Pinnale勾畫組的有統(tǒng)計學差異，LinkingMed勾畫組右腎和胰腺的結(jié)果與Manteia的結(jié)果有統(tǒng)計學差異，Manteia勾畫組左腎的結(jié)果與Pinnale勾畫組的有統(tǒng)計學差異，其他指標均無統(tǒng)計學差異。

圖3 三組自動勾畫結(jié)果的HD

表3 三種自動勾畫危及器官結(jié)果的HD（±s，mm）

表3 三種自動勾畫危及器官結(jié)果的HD（±s，mm）

注：*是代表VL和 VM，VL和VP，VM和VP之間具有統(tǒng)計學差異。

參數(shù) VL VM VP P值肝 22.27±15.76 18.87±12.55 25.95±12.40 0.182左腎 7.07±3.90 8.46±3.43 19.19±15.91 △○右腎 4.14±2.26 7.73±3.81 9.65±5.07 *△脊髓 15.14±18.77 8.54±10.82 9.59±13.08 0.222胃 54.21±36.68 40.27±32.11 0.145胰腺 46.44±37.64 19.01±21.66 *

2.5 三種自動勾畫結(jié)果的IncI和SI分析比較

不同自動勾畫結(jié)果的IncI和SI分析比較如圖4和圖5所示，統(tǒng)計學分析如表4和表5所示。IncI是指自動勾畫與手動勾畫所重合的體積與自動勾畫體積的比值，SI是指自動勾畫與手動勾畫所重合的體積與手動勾畫體積的比值。因此當自動勾畫與手動勾畫結(jié)果完全吻合的時候，IncI與SI的值為1，若兩者完全沒有重疊的話，這兩個值為0。三組勾畫結(jié)果的肝、腎和脊髓的IncI均值＞0.8，其中肝、右腎和脊髓的IncI均值＞0.9。LinkingMed和Manteia的勾畫組IncI均值大于Pinnacle勾畫組。LinkingMed勾畫組胃和胰腺的IncI均值大于Manteia勾畫組，兩者勾畫組均值＞0.7。三組勾畫結(jié)果的肝、腎和脊髓的SI均值＞0.87，除了Pinnacle勾畫組脊髓IncI均值為0.73。LinkingMed和Manteia的勾畫組SI均值大于Pinnacle勾畫組。Manteia勾畫組胃和胰腺的SI均值＞0.7，其結(jié)果優(yōu)于LinkingMed勾畫組結(jié)果。統(tǒng)計學分析結(jié)果顯示，LinkingMed勾畫組和Manteia勾畫組的肝和雙腎的IncI值與Pinnale勾畫組的有統(tǒng)計學差異，LinkingMed勾畫組的右腎IncI值和Manteia的結(jié)果也有統(tǒng)計學差異，其他指標無統(tǒng)計學差異。LinkingMed勾畫組肝、雙腎和脊髓的SI結(jié)果與Pinnale勾畫組的均有統(tǒng)計學差異，Manteia的結(jié)果除肝外，也均與Pinnacle組的有統(tǒng)計學差異，LinkingMed和Manteia的胃和胰腺的SI值也均有統(tǒng)計學差異。

圖4 三種自動勾畫結(jié)果的IncI

圖5 三種自動勾畫結(jié)果的SI

表4 三種自動勾畫危及器官結(jié)果的IncI（±s）

表4 三種自動勾畫危及器官結(jié)果的IncI（±s）

注：*是代表VL和 VM，VL和VP，VM和VP之間具有統(tǒng)計學差異。

參數(shù) VL VM VP P值肝 0.97±0.03 0.97±0.03 0.93±0.04 △○左腎 0.98±0.02 0.96±0.03 0.80±0.22 △○右腎 0.98±0.03 0.96±0.03 0.92±0.04 *△○脊髓 0.92±0.09 0.90±0.08 0.92±0.07 0.096胃 0.87±0.13 0.84±0.13 0.453胰腺 0.76±0.28 0.73±0.17 0.691

表5 三種自動勾畫危及器官結(jié)果的SI指數(shù)（±s）

表5 三種自動勾畫危及器官結(jié)果的SI指數(shù)（±s）

注：*是代表VL和 VM，VL和VP，VM和VP之間具有統(tǒng)計學差異。

參數(shù) VL VM VP P值肝 0.97±0.03 0.94±0.07 0.94±0.03 △左腎 0.95±0.09 0.97±0.09 0.87±0.09 △○右腎 0.97±0.03 0.96±0.07 0.90±0.14 △○脊髓 0.89±0.09 0.91±0.08 0.73±0.10 △○胃 0.45±0.26 0.72±0.21 *胰腺 0.34±0.24 0.71±0.19 *

3 討論

隨著自動勾畫危及器官軟件越來越多地應用于臨床，國內(nèi)外有諸多關(guān)于自動勾畫軟件應用于頭頸部、胸部和盆腔的研究，而對于中上腹部危及器官自動勾畫的研究較少，中上腹部的危及器官主要有形狀變異小、邊界清晰的大體積器官如肝臟、雙腎和脊髓等，以及形狀變異大、組織對比度欠佳的結(jié)構(gòu)如胃和胰腺等。對于肝臟、腎臟和脊髓這樣邊界清晰的大結(jié)構(gòu)，本案中的三種自動勾畫軟件均有較好的勾畫效果，其DSC均值都大于0.8，這個結(jié)論與Wittenstein等[21]在骨轉(zhuǎn)移瘤的危及器官勾畫的結(jié)果近似。LinkingMed和Manteia所勾畫的這三種結(jié)構(gòu)的DSC均值大于Pinnacle組的結(jié)果，而標準誤更小，可以認為LinkingMed和Manteia勾畫的更穩(wěn)定和準確。DC和HD越小，則與手工勾畫的結(jié)果差異越小，IncI和SI越接近1，則自動勾畫和手動勾畫的結(jié)果就越吻合。根據(jù)對DC、DSC、HD、IncI和SI的各個數(shù)值的比較可以看出，LinkingMed和Manteia對于肝、雙腎和脊髓的勾畫效果略優(yōu)于Pinnacle的勾畫效果。在本案的研究中，Pinnacle組左腎的各項指標與LinkingMed和Manteia組的差別比右腎的大，是因為Pinnacle的SPICE是基于概率分割圖像，在相鄰結(jié)構(gòu)之間的對比度很小的情況下很難識別他們之間的邊緣以產(chǎn)生可接受的輪廓，因此在部分病例中pinnacle自動勾畫左腎時將部分的脾臟也算入了左腎的輪廓中，導致了左腎的各項指標偏差增大。由于SPICE是基于自身圖譜庫的概率分割圖像，因此只有有限的器官模板可以選擇自動勾畫，且不能像ABAS那樣建立各種圖譜庫。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卷積算法是通過對海量的輪廓進行深度學習，訓練得到更合適的權(quán)重使得該模型算法對于各個器官的識別和勾畫更加準確，而且可以訓練和勾畫各種想要的器官，因此本案研究中LinkingMed和Manteia組比Pinnacle組的結(jié)果更加優(yōu)。對于形狀變異大、組織對比度欠佳的結(jié)構(gòu)如胃和胰腺，王琳婧等[15]和王金媛等[16]在研究中提到，這樣的結(jié)構(gòu)，自動勾畫軟件所勾畫的基本難以滿足臨床需要（如直腸的DSC值約為0.5），這個結(jié)論與LinkingMed勾畫結(jié)論相符，Manteia勾畫這兩者結(jié)構(gòu)的DSC均值＞0.7，與手工勾畫的重合度較好。從DC、HD、IncI和SI的各個數(shù)值的比較來看，Manteia的結(jié)果更優(yōu)，這是因為在神經(jīng)卷積網(wǎng)絡(luò)算法中，不同的卷積核、訓練權(quán)重和訓練集等都導致模型算法的不同，并造成不同的識別和勾畫結(jié)果，Manteia對于這種形變較大，充盈程度無法控制及組織對比度欠佳的結(jié)構(gòu)識別勾畫的功能更強大一些。

綜上所述，在上腹部危及器官的自動勾畫中，這三種軟件對肝臟、雙腎和脊髓均有著較好的勾畫效果，而Manteia對于胰腺和胃的勾畫也基本符合臨床需要，但考慮到臨床劑量評估的準確性，應當在自動勾畫的基礎(chǔ)上適當進行手工修改。由于本研究中所采用的Pinnacle9.10是2014年版本的軟件，而版本的更迭可能會對算法和勾畫效果會產(chǎn)生一定的影響，LinkingMed和Manteia兩款軟件也還在臨床試驗階段，算法還在不斷的優(yōu)化改進中，因此本研究的分析結(jié)果僅限于當前所使用軟件和版本。