鐘勝河

(崇左市人民醫(yī)院 腫瘤科，廣西 崇左 532200)

0 引言

肝癌作為一種常見的癌癥類型，目前已經(jīng)成為影響人民健康的重要因素之一。原發(fā)性肝癌包括肝細(xì)胞癌(HCC，75%-85%)和肝內(nèi)膽管癌(10%-15%)。絕大多數(shù)原發(fā)性肝癌患者不適合手術(shù)治療。手術(shù)切除、肝移植和經(jīng)皮穿刺是治療早期肝癌的有效方法[1]。放射治療是一種非手術(shù)替代療法，通常用于治療晚期肝癌患者[2,3]。由于在 20 世紀(jì) 90年代以前，放射治療的精度較差，導(dǎo)致放療的效果較差，且對(duì)肝腎臟損傷較大，因此對(duì) HCC 患者較少進(jìn)行放療。隨著精確放療技術(shù)發(fā)展迅速，放射治療技術(shù)日益成熟和廣泛應(yīng)用[4]。在物理師設(shè)計(jì)肝癌放療計(jì)劃前，腫瘤放射治療醫(yī)師需精確勾畫臨床治療靶區(qū)、正常肝組織、腎臟等器官。腎臟作為危及器官之一，其結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確勾畫對(duì)肝癌放療患者的計(jì)劃設(shè)計(jì)以及放療劑量分布有重要的影響。但放療醫(yī)師逐層手工勾畫腎臟輪廓，會(huì)花費(fèi)許多寶貴的時(shí)間。

本研究選取不同具有放射治療適應(yīng)癥的肝癌患者，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建肝癌DICOM自動(dòng)分割平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)肝癌患者腎臟自動(dòng)勾畫，并對(duì)比分析自動(dòng)勾畫和人工勾畫的效果，為肝癌放療患者腎臟自動(dòng)勾畫提供參考。

1 材料和方法

1.1 病例選擇

選取崇左市人民醫(yī)院收治的具有放射治療適應(yīng)癥肝癌患者50例，收治時(shí)間為2017年12月至2021年6月?；颊咂骄挲g48歲，中位年齡為50歲，年齡范圍30～62歲。對(duì)50例肝癌患者隨機(jī)進(jìn)行編號(hào)，并將前30例分入訓(xùn)練組，后20例分入測(cè)試組。

1.2 數(shù)據(jù)采集

利用真空墊進(jìn)行體位固定，CT 定位掃描使用的是飛利浦CT 模擬機(jī)，CT 重建的層厚為 5 mm，層間距為 5 mm。掃描結(jié)束后，將定位 CT 圖像傳輸至瓦里安Eclipse 13.5治療計(jì)劃系統(tǒng)。腫瘤放射治療專家使用 Eclipse13.5治療計(jì)劃系統(tǒng)的勾畫工具，在 CT圖像中將50例肝癌患者的左右腎臟輪廓并逐例勾畫，并記錄測(cè)試組患者的勾畫時(shí)間。將訓(xùn)練組勾畫的結(jié)果進(jìn)行圖像預(yù)處理，用于自動(dòng)分割平臺(tái)的訓(xùn)練，構(gòu)建肝癌患者腎臟自動(dòng)勾畫的平臺(tái)。將測(cè)試集數(shù)據(jù)導(dǎo)入，并完成自動(dòng)勾畫，記錄勾畫時(shí)間。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

用手工勾畫腎臟的輪廓為參考，對(duì)比自動(dòng)勾畫輪廓為的數(shù)據(jù)結(jié)果，計(jì)算兩種勾畫輪廓之間的體積差異、位置差異和形狀一致性程度，從而評(píng)價(jià)軟件自動(dòng)勾畫的效果。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括體積差異△V%、戴斯相似性系數(shù)(Dice Similarity Coefficient, DSC)和豪斯多夫距離(HausdorffDistance, HD)。

1.3.1 體積差異△V%

1.3.2 戴斯相似性系數(shù)(Dice Similarity Coefficient, DSC)

1.3.3 豪斯多夫距離(Hausdorff Distance, HD)

1.3.4 勾畫時(shí)間

統(tǒng)計(jì)分析測(cè)試組，腫瘤放射治療專家勾畫左右腎臟的時(shí)間和自動(dòng)勾畫時(shí)間。

2 結(jié)果

2.1 體積差異△V%

20例測(cè)試患者自動(dòng)勾畫和手動(dòng)勾畫左右腎臟體積差異如圖1所示，結(jié)果顯示左腎體積差異平均值為：1.13%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.86%，右腎體積差異平均值為：0.4%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.21%。

圖1 20例患者左右腎臟自動(dòng)勾畫和手動(dòng)勾畫體積差異

2.2 戴斯相似性系數(shù)(DSC)

如圖2所示為20例測(cè)試患者自動(dòng)勾畫和手動(dòng)勾畫左右腎臟DSC值，結(jié)果顯示右腎臟DSC平均值為：0.705，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0964，左腎臟DSC平均值為：0.711，標(biāo)準(zhǔn)差0.0799，結(jié)果表明大多數(shù)樣本的腎臟自動(dòng)勾畫結(jié)果和放療專家手動(dòng)勾畫結(jié)果形狀一致性較好。

圖2 20例患者左右腎臟自動(dòng)勾畫和手動(dòng)勾畫形狀相似性

2.3 豪斯多夫距離(HD)

如圖3所示為20例測(cè)試患者自動(dòng)勾畫和手動(dòng)勾畫左右腎臟HD值，結(jié)果顯示右腎臟HD平均值為：6.875mm標(biāo)準(zhǔn)差為1.7784，左腎臟HD平均值為：6.725mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.7922。

圖3 20例患者左右腎臟自動(dòng)勾畫和手動(dòng)勾畫豪斯多夫距離

2.4 勾畫時(shí)間

20例肝癌放療患者左右腎臟自動(dòng)勾畫平均用時(shí)5.7s，腫瘤放射治療專家人工勾畫平均用時(shí)863.5s，自動(dòng)勾畫能顯著降低左右腎臟勾畫時(shí)間。

3 討論

放射治療已成為肝癌放射治療的重要手段之一。逆向調(diào)強(qiáng)放射治療相對(duì)傳統(tǒng)三維二維放療技術(shù)，能夠明顯在改善腫瘤靶區(qū)內(nèi)放射劑量分布，并降低周圍正常器官的照射劑量，目前臨床放療應(yīng)用中占據(jù)主要地位[5]。靶區(qū)和危及器官的精確勾畫是保障肝癌調(diào)強(qiáng)放療實(shí)施中的重要內(nèi)容，腫瘤放射治療醫(yī)師在放療計(jì)劃設(shè)計(jì)前需要準(zhǔn)切完成臨床靶區(qū)以及正常器官輪廓的勾畫。然而，人工勾畫輪廓不僅耗時(shí)耗力，且受到放療醫(yī)生的勾畫經(jīng)驗(yàn)以及醫(yī)學(xué)影像質(zhì)量等相關(guān)因素的影響。

Kieselmann等[6]12例患者的治療前T1加權(quán)MR圖像構(gòu)建了影像圖庫(kù)，這些患者的腮腺、脊髓和下頜骨輪廓由臨床醫(yī)生進(jìn)行勾畫。并根據(jù)臨床醫(yī)師對(duì)OARs的勾畫結(jié)果提取特征值。然后構(gòu)建自動(dòng)分割算法，并對(duì)新患者的MR進(jìn)行自動(dòng)分割。并計(jì)算Dice相似系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和95%Hausdorff距離(HD和HD95)以及平均表面距離(measure surface distance，MSD)來測(cè)量幾何精度，其中手動(dòng)輪廓作為金標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果顯示平均Dice相似系數(shù)平均值大于0.8，平均MSD小于2mm，表明基于影像圖庫(kù)自動(dòng)勾畫軟件能有效的提高OARs自動(dòng)勾畫。Zhong等[7]開發(fā)了一套人工智能靶區(qū)勾畫體系，使用Dice相似系數(shù)和95%Hausdorff距離(HD95%)對(duì)危及器官輪廓自動(dòng)勾畫精度進(jìn)行量化，結(jié)果顯示該自動(dòng)系統(tǒng)在勾畫脊髓、腦干、顳葉、眼睛、視神經(jīng)、腮腺和喉部等危及器官方面表現(xiàn)最好(Dice相似系數(shù)＞0.7)，使用自動(dòng)輪廓后，勾畫時(shí)間從小時(shí)顯著縮短到分鐘，同時(shí)自動(dòng)和手動(dòng)勾畫獲得了極好的一致性，大多數(shù)OARs自動(dòng)勾畫可以達(dá)到臨床接受水平。上述研究雖然取得一定得效果，但這些算法在臨床放射治療應(yīng)用中仍然存在一些缺陷，譬如基于醫(yī)學(xué)影像灰度值的自動(dòng)分割方法對(duì)于 CT 影像中灰度值較為相似的區(qū)域自動(dòng)分割效果偏差，而基于圖譜庫(kù)模板的算法則對(duì)模板質(zhì)量要求較高，實(shí)際應(yīng)用中難以完全達(dá)到臨床需求，通常還需進(jìn)行大量人為修正[8-10]。

本文基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建肝癌放射治療患者的左右腎臟實(shí)現(xiàn)自動(dòng)勾畫，測(cè)試集左右腎臟DSC相似性指數(shù)平均值分別為0.711和0.705，一般 DSC 值超過 0.7 即可認(rèn)為勾畫效果較佳，有臨床應(yīng)用意義。同時(shí)在勾畫時(shí)間方面，自動(dòng)勾畫極大的降低了左右腎臟輪廓勾畫的時(shí)間。雖然本研究取得了一定成果，但仍然存在一定不足，譬如算法訓(xùn)練集病例過少，日后工作需加入更多病例訓(xùn)練，提供勾畫系統(tǒng)的精確度，讓肝癌腫瘤放療患者能夠得到更快、更精確的治療。