周 含，趙本新，朱錫旭，陳 穎，沈澤天

放射治療需要經(jīng)過(guò)幾個(gè)步驟， 包括體位固定及CT 掃描、靶區(qū)勾畫、計(jì)劃設(shè)計(jì)、計(jì)劃驗(yàn)證等。其中靶體積和正常組織的勾畫是制定調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃的關(guān)鍵步驟之一，盡管手動(dòng)勾畫是建立在一定的標(biāo)準(zhǔn)指南上面， 不同的腫瘤放射治療醫(yī)師之間仍有很大的差異。 多項(xiàng)研究表明，不同醫(yī)院的腫瘤醫(yī)師之間的輪廓一致性較差，為了解決放射治療的這一問(wèn)題，許多研究都集中在放射治療靶區(qū)與正常組織自動(dòng)輪廓上[1，2]。Song Y 等[3]研究基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法自動(dòng)勾畫直腸癌放射治療靶區(qū)和正常組織的信息，獲得了很高的臨床勾畫質(zhì)量及更短的勾畫時(shí)間等。

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力及圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，放射治療的靶區(qū)和危及器官（organ at risk，OAR）自動(dòng)勾畫軟件也不斷發(fā)展，基于放射治療大數(shù)據(jù)自動(dòng)勾畫方法成為這幾年比較熱門的研究，其中基于圖譜庫(kù)和基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)成為兩項(xiàng)熱門自動(dòng)勾畫技術(shù)。早在2009 年，Mahdavi SS 團(tuán)隊(duì)[4]就開(kāi)始自動(dòng)勾畫的研究， 其中前列腺癌超聲圖像自動(dòng)分割應(yīng)用于臨床，該方法在減少時(shí)間的同時(shí)，成為了前列腺精確勾畫的重要方法。

精確的輪廓勾畫不僅起到減少正常組織的毒性反應(yīng)作用，且有利于患者更長(zhǎng)的生存時(shí)間，比如鼻咽癌（nasopharynx cancer，NPC）、乳腺癌和直腸癌等預(yù)后較好的患者。因此，筆者主要以手動(dòng)勾畫為參考，研究NPC、 乳腺癌及直腸癌等的自動(dòng)勾畫軟件的臨床應(yīng)用評(píng)價(jià)，以及在劑量學(xué)方面的差異。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選擇2019 年10 月至2020 年10 月在東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院放射治療科行調(diào)強(qiáng)放射治療的患者33 例，其中男性11 例，女性22 例；年齡38 ～81 歲，平均年齡63.4 歲（標(biāo)準(zhǔn)差10.9 歲）；NPC 13 例，乳腺癌10 例，直腸癌10 例。 所有患者均行增強(qiáng)CT 掃描。

1.2 方法

1.2.1 固定體位和CT 掃描

患者取仰臥位，NPC 患者采用頭頸肩膜固定，乳腺癌采用托架聯(lián)合托架膜，直腸癌采用盆腔膜。在荷蘭飛利浦（Philips Big Bore） 模擬定位機(jī)上行CT 掃描，NPC掃描層厚為3 mm，乳腺癌和直腸癌掃描層厚5 mm。

1.2.2 靶區(qū)勾畫與計(jì)劃設(shè)計(jì)

手動(dòng)勾畫： 所有OAR 均由相同腫瘤放射治療醫(yī)師，在Multiple 2.4.1（Accuracy Inc，USA）醫(yī)生工作系統(tǒng)上進(jìn)行勾畫。勾畫NPC 的OAR 為眼球、晶狀體、視神經(jīng)、腮腺、腦干及脊髓；乳腺癌的OAR 為肺、心臟、脊髓；直腸癌的OAR 為膀胱、股骨頭[5]。

自動(dòng)勾畫： 所有的OAR 使用自動(dòng)勾畫軟件AccuContour（Manteia，中國(guó)），在同一CT 圖像上進(jìn)行自動(dòng)勾畫。 AccuContour 精確自動(dòng)勾畫軟件提出了一種基于深度學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)算法模型結(jié)合的方法，該方法分為數(shù)據(jù)收集及標(biāo)注、模型訓(xùn)練、模型預(yù)測(cè)產(chǎn)生結(jié)果這三個(gè)部分，其中模型訓(xùn)練為核心模塊。 該模塊在獲取訓(xùn)練集數(shù)據(jù)后，依次構(gòu)建損失函數(shù)池、圖像分割模型池和可選擇參數(shù)池；基于所述可選擇參數(shù)池隨機(jī)選擇相應(yīng)的損失函數(shù)、圖像分割模型和訓(xùn)練參數(shù)值構(gòu)建訓(xùn)練模型， 并基于訓(xùn)練集數(shù)據(jù)對(duì)訓(xùn)練模型進(jìn)行訓(xùn)練，獲取訓(xùn)練好的訓(xùn)練模型；然后，對(duì)每一個(gè)訓(xùn)練好的訓(xùn)練模型在對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證集上進(jìn)行Dice 值計(jì)算處理， 獲取每個(gè)訓(xùn)練好的訓(xùn)練模型驗(yàn)證測(cè)試的Dice 值；最后，選擇Dice 值最高的對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練好的訓(xùn)練模型作為最終的OAR 自動(dòng)勾畫模型[6]。

1.2.3 自動(dòng)勾畫幾何學(xué)評(píng)估

以手動(dòng)勾畫為標(biāo)準(zhǔn)，采用勾畫定性分析方法評(píng)價(jià)自動(dòng)勾畫的質(zhì)量，如勾畫時(shí)間、Dice 相似性指數(shù)（Dice similarity coefficient，DSC）、劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）參數(shù)[7]。

勾畫時(shí)間：從靶區(qū)導(dǎo)入到勾畫完成的整個(gè)完整的時(shí)間，記為勾畫時(shí)間。

DSC：DSC（A，B） = 2（A ∩B）/（A ＋B），其中：A和B 分別表示自動(dòng)輪廓和手動(dòng)輪廓OAR 幾何學(xué)數(shù)值。DSC 值范圍在0 ～1，當(dāng)手動(dòng)和自動(dòng)勾畫成為一個(gè)完整的交集時(shí)，DSC 相當(dāng)于1。 當(dāng)DSC ＞0.700 時(shí)，可以認(rèn)定勾畫達(dá)到較好的重疊。

DVH 參數(shù)： 自動(dòng)勾畫完成，OAR 將回傳至Pinnacle 計(jì)劃系統(tǒng)（Version 9.8，Philips Radiation Oncology Systems。 美國(guó)）。 在手動(dòng)勾畫基礎(chǔ)上劑量學(xué)信息被復(fù)制到自動(dòng)勾畫的器官上，進(jìn)行劑量學(xué)參數(shù)的比較評(píng)估。 NPC 處方劑量為66 Gy/33 F，乳腺癌50 Gy/25 F，直腸癌50 Gy/25 F。 圖1 顯示勾畫及劑量評(píng)估整個(gè)工作流程，OAR 的劑量評(píng)估參考劑量限量放射治療腫瘤協(xié)作組0615、0225、0822 標(biāo)準(zhǔn) （Radiation Therapy OncologyGroup，RTOG）[8]。晶狀體＜10 Gy，腦干＜54 Gy，心臟V33＜60 Gy、V67＜45 Gy，脊髓＜45 Gy，膀胱V35＜70 Gy，股骨頭V25＜45 Gy。

圖1 手動(dòng)、自動(dòng)勾畫及劑量評(píng)估工作流程Fig.1 Flow chart of manual,automatic contour and dose assessment

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所有的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析通過(guò)Origin 2019 軟件進(jìn)行分析。勾畫時(shí)間、DSC 及DVH 劑量學(xué)參數(shù)使用配對(duì)t 檢驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估分析。 P ＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 勾畫時(shí)間比較

手動(dòng)勾畫OAR 所需的勾畫時(shí)間，NPC（56.5 ±9.0）min，乳腺癌（23.12 ± 4.23） min，直腸癌（45.23 ±2.39）min。自動(dòng)勾畫分別需要（1.50±0.23）min、（1.45±0.78）min、（1.80±0.56）min。自動(dòng)勾畫所需要的時(shí)間較手動(dòng)勾畫節(jié)省65%， 兩者差異均有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.000）。 見(jiàn)表1。

表1 33 例患者自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫OAR 的時(shí)間比較Tab. 1 Comparison of time between manual contour and manual contour of OAR in 3 groups

2.2 Dice 相似性指數(shù)比較

考慮到自動(dòng)勾畫的成熟性，臨床需求和自動(dòng)軟件的臨床使用， 試驗(yàn)只選擇了部分OAR 進(jìn)行比較。 在NPC 患者中，評(píng)估眼球、晶狀體、視神經(jīng)、腮腺、腦干和脊髓；乳腺癌中，評(píng)估肺、心臟、脊髓；直腸癌中，評(píng)估膀胱、股骨頭。

DSC 值在0 ～1，DSC ＞0.700 表示獲得很好的勾畫重疊[9，10]，通過(guò)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差評(píng)估自動(dòng)生成的輪廓的參數(shù)。 對(duì)于NPC， 自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫相比較，眼球最佳DSC 為0.907±0.020，脊髓最差的DSC為0.459±0.112（圖2）；對(duì)于乳腺癌，所有OAR 中肺、心臟與脊髓都獲得很好的勾畫效果，其中肺最佳DSC為0.944±0.030， 脊髓最差的DSC 為0.709±0.100；對(duì)于直腸癌的OAR 勾畫，膀胱最佳的DSC 為0.91±0.04，股骨頭最差DSC 為0.43±0.10。 見(jiàn)表2。

表2 NPC 與乳腺癌+ 直腸癌自動(dòng)勾畫和手動(dòng)勾畫的OAR 的DSC 值比較Tab.2 Comparison of DSC values of OAR between automatic contour and manual contour of NPC and breast cancer+rectal cancer

圖2 自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫較差的圖例Fig.2 Images of the poor contours between automatic contour and manual contour

2.3 劑量直方圖參數(shù)評(píng)估

從自動(dòng)勾畫和手動(dòng)勾畫中為每例患者生成DVH參數(shù)，這些劑量學(xué)評(píng)估點(diǎn)包括平均劑量（Dmean）、勾畫中x%體積的最小劑量（Dx）。 所有參數(shù)的評(píng)估值見(jiàn)表1 ～6。 盡管大部分器官都得出很好的自動(dòng)勾畫效果，然而自動(dòng)勾畫的劑量學(xué)參數(shù)卻有重要的差別， 其中NPC 中眼球具有最佳的幾何重疊， 但劑量與手動(dòng)勾畫差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＜0.05）。 勾畫效果較差的小體積器官如晶狀體、 視神經(jīng)的劑量學(xué)參數(shù)差異卻無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＞0.05）（圖3），而勾畫的大體積器官的劑量學(xué)參數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＜0.05）。 見(jiàn)表3 ～6。

圖3 小體積勾畫的劑量分布圖（劑量分布差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義）Fig.3 Images of dose distribution of small volume contour(no statistical difference between manual contour and automatic contour)

表3 NPC 患者中自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫的OAR 體積和劑量中的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差比較Tab.3 Comparison of mean and standard deviation in volumes and doses of automatic contour and manual contour OAR in NPC patients

續(xù)表3 NPC 患者中自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫的OAR 體積和劑量中的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差比較Tab.3（Continued） Comparison of mean and standard deviation in volumes and doses of automatic contour and manual contour OAR in NPC patients

表4 乳腺癌患者中肺組織自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫的OAR 體積和劑量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差比較Tab.4 Comparison of mean and standard deviation in volumes and doses of automatic contour and manual contour OAR in breast patients

表5 乳腺癌患者中心臟、脊髓自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫的OAR 體積和劑量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差比較Tab.5 Comparison of mean and standard deviation of volumes and doses of heart and spinal cord for automatic contour and manual contour OAR in breast cancer patients

表6 直腸癌患者中自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫的OAR 體積和劑量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差比較Tab.6 Comparison of mean and standard deviation in volumes and doses of automatic contour and manual contour OAR in breast patients in rectum cancer

3 討論

在筆者研究中， 使用AccuContour 軟件對(duì)NPC、乳腺癌和直腸癌部分OAR 進(jìn)行勾畫。 自動(dòng)勾畫技術(shù)在臨床放射治療中得到了廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)在臨床放射治療中具有很好的應(yīng)用前景。從表1 中可以看出深度學(xué)習(xí)自動(dòng)勾畫軟件AccuContour， 為臨床腫瘤醫(yī)師提供顯著的省時(shí)工作。有很多學(xué)者對(duì)自動(dòng)勾畫和手動(dòng)勾畫進(jìn)行多種比較，Ciardo D 等[9]、Arsene-Henry A等[10]研究乳腺癌患者，很大程度上減少了人工勾畫時(shí)間。Eldesoky AR 等[5]研究同樣顯示比手動(dòng)勾畫的平均時(shí)間減少到94%。 Macchia ML 等[11]比較3 個(gè)商業(yè)自動(dòng)勾畫軟件（ABAS、MIM Maestro、Velocity AI），將它們應(yīng)用于前列腺、 頭頸和胸膜間皮瘤患者自動(dòng)勾畫，最長(zhǎng)可以節(jié)省1 h。

與手動(dòng)勾畫相比，自動(dòng)勾畫軟件明顯的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了時(shí)間，然而獲取更快的勾畫時(shí)間是否能達(dá)到滿足臨床實(shí)踐要求是目前關(guān)注焦點(diǎn)。放射治療需要精確的劑量照射和精確的OAR 勾畫， 劑量的精確輻射與OAR 的精確勾畫同樣具有相關(guān)性[12]，腫瘤患者的放射治療毒副反應(yīng)也與接受OAR 劑量的風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。 因此由AccuContour 自動(dòng)勾畫的DVH 參數(shù)， 驗(yàn)證Accu-Contour 能否完全應(yīng)用與臨床使用至關(guān)重要。 因此通過(guò)筆者的研究得出勾畫的幾何學(xué)參數(shù)不能完全反映劑量的分布水平，這個(gè)結(jié)果與Kaderka R 等[13]研究結(jié)果相似。 筆者研究自動(dòng)勾畫對(duì)全身腫瘤患者OAR 輻射劑量估計(jì)的影響。結(jié)果表明，CT 圖像自動(dòng)勾畫的劑量學(xué)信息與DSC 數(shù)值不同。 研究幾何參數(shù)評(píng)估如DSC，它受到結(jié)構(gòu)體積的嚴(yán)重影響，自動(dòng)勾畫不一定能準(zhǔn)確地代表實(shí)際照射劑量，因此臨床使用自動(dòng)勾畫系統(tǒng)時(shí)需要正確的人工勾畫為金標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)勾畫在一定程度上對(duì)人工勾畫的準(zhǔn)確起到監(jiān)督的作用。

對(duì)于NPC，除了晶狀體、視神經(jīng)和脊髓，筆者研究其他OAR 均達(dá)到了良好的DSC（＞0.7）。 較小體積的器官更容易勾畫偏大，如晶狀體等。 而大體積的器官如股骨頭等，上下界勾畫存在偏差。此外，對(duì)于組織邊界不清的視神經(jīng)等小器官，AccuContour 與手動(dòng)勾畫之間仍存在一定的偏差。 另一方面，頭頸部脊髓的體積和劑量都有很大差異。由于脊髓和腦干的連接處延髓勾畫，在手動(dòng)勾畫中脊髓勾畫至頸椎2 水平。 因此自動(dòng)勾畫中脊髓的劑量AccuContour 偏高；對(duì)于乳腺癌，無(wú)論體積還是DVH 劑量分布，肺和心臟大小差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＞0.05），同時(shí)可以看到胸部的脊髓比頸部勾畫更準(zhǔn)確。很多研究者研究自動(dòng)勾畫都開(kāi)始于乳腺癌， 主要由于乳腺癌放射治療中OAR 的邊界清晰，密度對(duì)比明顯，易于勾畫?；谌橄侔┗颊叩难芯恐衃12]，均取得了很好的臨床驗(yàn)證，在筆者中關(guān)于乳腺癌放射治療OAR 的勾畫也發(fā)現(xiàn)了同樣的臨床驗(yàn)證趨勢(shì)。 因此DSC、體積或劑量參數(shù)方面得到很好相關(guān)度； 對(duì)于直腸癌，OAR 勾畫均可滿足臨床要求，膀胱邊界清楚也具有相似劑量分布。其他研究采用不同的方法對(duì)直腸的自動(dòng)勾畫進(jìn)行研究，如Song Y 等[3]利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)對(duì)直腸癌術(shù)后放射治療進(jìn)行了研究，很好地描述直腸癌CTV 和OAR 的高質(zhì)量勾畫。 根據(jù)研究者的臨床經(jīng)驗(yàn)，由于股骨頭的骨標(biāo)記物明顯，其輪廓將獲得更好的結(jié)果，然而在筆者研究中勾畫和劑量都有差異。 從圖2 中明顯地看出，勾畫上面有很大的差異，可清楚地分辨出手動(dòng)勾畫僅僅部分股骨頭，在與放射腫瘤醫(yī)師溝通后，根據(jù)指南對(duì)勾畫方法進(jìn)行修改。

綜上，通過(guò)對(duì)NPC、乳腺癌和直腸癌的自動(dòng)勾畫進(jìn)行研究， 發(fā)現(xiàn)DSC 的值不能完全反映劑量分布的準(zhǔn)確度，但體積和劑量的差異具有一定的關(guān)系。 對(duì)于明顯的心臟、肺、膀胱邊界，可以采用自動(dòng)勾畫。 然而對(duì)于小體積的OAR 需要嚴(yán)格的驗(yàn)證； 對(duì)于勾畫準(zhǔn)則不明且依賴人為經(jīng)驗(yàn)及各個(gè)放射治療中心要求，如股骨頭、脊髓和腦干，可以在需要時(shí)使用半自動(dòng)勾畫方法和驗(yàn)證。