馬秀瑞 張建英 李婷婷 張玉潔 肖 寒 孫 菁 吳泇俁 嵇衛(wèi)星

（復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院放療科 上海 200032）

放射治療的重要目標(biāo)是提高腫瘤控制率，同時降低正常組織的不良反應(yīng)發(fā)生率。要達到這一目標(biāo)，靶區(qū)和正常器官的準(zhǔn)確勾畫是整個治療過程的關(guān)鍵一環(huán)。但是，由于個人的主觀辨識能力不同和軟件勾畫精度不同，靶區(qū)與正常器官的勾畫結(jié)果往往差異較大［1-2］。為了保證勾畫結(jié)果的一致性，目前臨床上主要使用基于圖譜庫（Atlas）［3-4］和基于深度學(xué)習(xí)的自動勾畫方法?；趫D譜庫（Atlas）的自動勾畫方法在臨床上使用已有一段時間，該方法的精度受到建模數(shù)據(jù)和配準(zhǔn)方式的影響，普適性較差?；谏疃葘W(xué)習(xí)的自動勾畫方法使自動勾畫精度到達了一個新的水平，已有部分產(chǎn)品逐步投入臨床，如AccuContour［5］、DeepViewer［5］、AI Contour［6］等。在 相 關(guān) 的 產(chǎn) 品 和文獻中，一般采用自動與人工勾畫的幾何差異，如戴斯相似系數(shù)（Dice similarity coefficient，DSC）、豪斯多夫距離（Hausdorff distance，HD）等，來評估自動勾畫結(jié)果。例如，據(jù)Sahiner等［7］統(tǒng)計顯示，在部分研究中，肺、肝、脾、腎的DSC可以達到0.94～0.97，胰腺、膀胱、前列腺的DSC為0.71～0.87，部分靶區(qū)的DSC在0.6～0.9，不同器官和靶區(qū)的自動勾畫準(zhǔn)確性差異較大。

僅帶有幾何評估參數(shù)的自動勾畫技術(shù)是否可以直接用于臨床，臨床關(guān)注的問題是自動與人工勾畫導(dǎo)致的劑量差異有多大，是否會對治療及預(yù)后產(chǎn)生影響。Zhu等［8］研究了自動與人工勾畫在食管癌中的劑量差異，兩種勾畫方式導(dǎo)致的危及器官的劑量差異＜1 Gy或1%，在臨床上可以接受；該研究中，肺、心臟、脊髓以及脊髓PRV的DSC分別為0.97、0.93、0.84和0.92，但是二者之間的關(guān)系作者并未進一步分析。那么，一個好的幾何參數(shù)是否意味著劑量差異很小？這是決定該自動勾畫技術(shù)能否用于臨床的關(guān)鍵。本研究采用自動及人工兩種方式勾畫同一器官，研究這兩種勾畫方式的DSC與對應(yīng)的劑量參數(shù)差異之間的關(guān)系，分析基于深度學(xué)習(xí)的自動勾畫技術(shù)應(yīng)用于臨床的可靠性。

資料和方法

數(shù)據(jù)收集本研究已通過復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審核（批件號：B2021-546），所有患者均已簽署知情同意書。研究中使用的數(shù)據(jù)來自2019年3月至2021年3月在復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院放療科進行過上腹部調(diào)強放療的43例患者?；颊吣挲g37～87歲，其中男性32人，女性11人；肝癌13例，膽囊癌2例，胃癌4例，胰腺癌18例，后腹膜6例；放射治療計劃單次劑量在175～200 cGy，次數(shù)25～28次。所有患者的CT圖像均采用仰臥位-頭先進（head first supine，HFS）的方式，由西門子模擬定 位 設(shè) 備（CT Siemens Somato，德 國Siemens Healthcare公司）進行采集。每層圖像重建分辨率為512×512，層厚為3 mm。將這些患者的CT圖像和治療計劃文件以DICOM格式從原始治療計劃系統(tǒng)（Monaco，瑞典Elekta AB公司）中導(dǎo)出，并利用開源軟件dicompyler［9］對這些文件進行姓名和治療號匿名化處理。

器官的人工和自動勾畫參考文獻用DSC評估自動勾畫的結(jié)果［7］，本研究也采用該評價參數(shù)。DSC介于0到1，數(shù)值越大代表自動勾畫的效果越好。本研究選擇胃和十二指腸兩個器官進行分析研究。胃和十二指腸的人工勾畫由經(jīng)驗豐富的劑量師參照RTOG指南［10］重新勾畫，并由主管醫(yī)師審核確認(rèn)。胃的勾畫范圍：賁門（靠近心臟）、胃底、胃體、胃竇和幽門；十二指腸的勾畫范圍：上部、降部、水平部和升部。AccuContour系 統(tǒng)［5］是由廈門Manteia公司開發(fā)的一種基于深度學(xué)習(xí)的自動勾畫軟件。該系統(tǒng)可對患者CT圖像中頭頸部、胸部、上腹部和下腹部的多種器官和靶區(qū)（鼻咽癌、食管癌、直腸癌等）進行自動勾畫。本研究基于AccuContour系統(tǒng)對43例患者進行胃和十二指腸進行自動勾畫，排除胃或十二指腸切除者，共得到40例胃部和38例十二指腸的勾畫結(jié)果，通過DSC進行體積間的相關(guān)性分析。

劑量參數(shù)處理分析文獻發(fā)現(xiàn)，胃和十二指腸相關(guān)不良反應(yīng)的評價參數(shù)較多，常見的有V25、V35、最大劑量等［11-13］。其中V25、V35分別是指劑量體積直方圖曲線（dose volume histogram，DVH）上25 Gy及以上劑量和35 Gy及以上劑量對應(yīng)的百分體積。因此，本研究設(shè)定的劑量參數(shù)包括DVH參數(shù)、最大劑量和平均劑量，其中DVH參數(shù)是指從DVH曲線上得到的參數(shù)，包括V5到V50，以5Gy遞增。這些參數(shù)反映了臨床常用的劑量限值類型，可以代表串行和并行兩類器官。其中ΔVx（x代表不同的劑量），ΔDmax以及ΔDmean的計算公式如下：

如公式（1）到（3）所示，auto和manual分別表示自動及人工勾畫。本研究認(rèn)為同一個患者的胃和十二指腸勾畫結(jié)果是兩個獨立樣本，因為器官的自動勾畫由對應(yīng)的模型來完成，一個器官的勾畫結(jié)果并不會影響另外一個器官。對差異為0的結(jié)果，人工檢查自動和人工勾畫的結(jié)果，若二者都為0，則刪除該數(shù)據(jù)。為了減少數(shù)據(jù)量對統(tǒng)計結(jié)果的影響，本研究對數(shù)據(jù)進行了分組。分組原則是以DSC的0.01為遞進步長，如果該區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)量≥10個，則以該區(qū)間為一組，不做進一步處理，否則按照臨近原則，將該組數(shù)據(jù)與下一組數(shù)據(jù)進行合并，直至組內(nèi)樣本量≥10個，不同數(shù)據(jù)對應(yīng)DSC的加權(quán)平均值為這一組數(shù)據(jù)的DSC。

統(tǒng)計學(xué)處理采用SPSS 21.0軟件對體積與DSC間的關(guān)系進行Spearman相關(guān)分析。因為每組DSC對應(yīng)的劑量學(xué)數(shù)據(jù)為偏態(tài)分布，所以在分析時采用中位數(shù)及四分位距表示每組數(shù)據(jù)的分布。

結(jié) 果

自動與人工勾畫結(jié)果比較同一個患者部分層面胃和十二指腸的勾畫差異如圖1所示。其中1A、1B、1C分別代表胃和十二指腸在橫斷面、矢狀面和冠狀面的勾畫結(jié)果。深藍色和紅色代表胃的人工和自動勾畫結(jié)果，天藍色和洋紅色代表十二指腸的人工和自動勾畫結(jié)果。胃的自動勾畫結(jié)果要優(yōu)于十二指腸的自動勾畫結(jié)果。在很多地方，即使有明顯的灰度差異，十二指腸的自動勾畫模型仍然不能完美地勾畫出所有的體積。本研究進一步分析了自動與人工勾畫結(jié)果體積之間的關(guān)系，圖2A和2B分別代表胃和十二指腸的結(jié)果。就體積而言，胃的自動與人工勾畫結(jié)果相關(guān)性較高，而十二指腸的體積相關(guān)性較差。對數(shù)據(jù)進行線性擬合，胃的R2達到0.9491，斜率為1.0812，接近1，說明二者勾畫結(jié)果一致性較高。十二指腸體積的R2為0.452，斜率為0.7476，二者的一致性較差。

圖1 胃與十二指腸自動勾畫的結(jié)果Fig 1 Results of automatic delineation for stomach and duodenum

圖2 自動勾畫與人工勾畫體積之間的關(guān)系Fig 2 Volume relationship between auto and manual contoured structures

DSC與不同類型劑量限值的關(guān)系分析ΔVx、ΔDmean以 及ΔDmax與DSC之間的關(guān)系如圖3～5所示。針對胃和十二指腸兩種器官，ΔVx和DSC之間呈現(xiàn)出類似的規(guī)律（圖3A、3B）。將兩個器官的數(shù)據(jù)融合在一起，并進行分組，統(tǒng)計每組數(shù)據(jù)的中位數(shù)及四分位距（圖3D）。隨著DSC增大，ΔVx的四分位距縮小明顯，而且中位數(shù)越來越趨近于0。以散點圖的方式將DSC＞0.85的部分放大顯示（圖3C），當(dāng)DSC＞0.95以后，ΔVx都能到達5%以下，且大部分低于3%。

圖3 胃和十二指腸ΔVx與DSC間的關(guān)系Fig 3 Relationship betweenΔVx and DSC in stomach and duodenum

針對胃和十二指腸兩種器官，ΔDmean和DSC之間呈現(xiàn)出類似的規(guī)律（圖4A、4B）。利用與圖3D一樣的方法處理兩個器官的數(shù)據(jù)，ΔDmean的四分位距隨著DSC增大而明顯縮小，中位數(shù)也同樣越來越趨近于0（圖4D）。以散點圖的方式將DSC＞0.85的部分放大顯示（圖4C），當(dāng)DSC＞0.95以后，ΔDmean降到2 Gy以下，且大部分低于1 Gy。

圖4 胃和十二指腸ΔDmean與DSC的關(guān)系Fig 4 Relationship betweenΔDmean and DSC in stomach and duodenum

ΔDmax與DSC之間的關(guān)系如圖5所示。對于ΔDmax，并未發(fā)現(xiàn)如上兩種劑量限值類似的規(guī)律，即人工與自動勾畫結(jié)果的劑量差異會隨著DSC的增大而減小。在胃的某個勾畫結(jié)果中，在DSC高達0.975時，最大劑量的差異仍然達到-20.93 Gy。

圖5 胃和十二指腸ΔDmax與DSC的關(guān)系Fig 5 Relationship betweenΔDmax and DSC in stomach and duodenum

討 論

在基于深度學(xué)習(xí)的自動勾畫研究中，用DSC來評估兩個輪廓之間相似程度是被普遍采用的方法。一般認(rèn)為DSC＞0.7表示自動和人工勾畫效果好，是可以接受的結(jié)果［14］，符合臨床使用的要求。在分析幾何評估參數(shù)與劑量差異關(guān)系的文獻［15］中，二者的相關(guān)性往往較差，即較高的DSC與較低的劑量差異不相關(guān)。與以往研究不同的是，在本研究中，對于平均劑量以及DVH參數(shù)，劑量差異將會隨著DSC的增加而減小。但是DSC＞0.7并不能達到臨床接受的標(biāo)準(zhǔn)，在本研究中DSC應(yīng)該高于0.95。如果某個器官為并行器官，即以平均劑量以及DVH參數(shù)作為劑量評估參數(shù)，而且該器官的自動勾畫結(jié)果DSC大于0.95，那么將該器官的自動勾畫結(jié)果用于臨床將較為安全。Kaderka等［16］研究發(fā)現(xiàn)，即使DSC很小，有時候其劑量學(xué)參數(shù)也符合臨床要求。本研究也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，即使DSC很低，仍有很多劑量參數(shù)差異集中在0附近。

另外，在本次研究中最大劑量差異并不會隨著DSC增大而減小，這表明DSC并不是適合預(yù)測最大劑量的幾何參數(shù)。但是，無論是哪種幾何評估參數(shù)，器官所有位置的勾畫誤差都會同等地影響最后的幾何評估參數(shù)，而放療中的劑量分布是有方向的，越接近靶區(qū)劑量越大，因此不同劑量場處，相同的幾何誤差也會導(dǎo)致不同的劑量差異。所以，即使是同一個危及器官，針對不同病種訓(xùn)練不同的勾畫模型，并在臨床使用前評估該模型的幾何評估參數(shù)以及對應(yīng)的劑量差異，將有更為重要的臨床意義，也是我們下一步工作的重點。

目前，針對一些小體積器官，如小腸、胰腺、血管等，因為圖像占比小、形狀變化大等原因，其勾畫精度仍難以令人滿意［7］。本研究的結(jié)果也體現(xiàn)了這一點，比較胃和十二指腸的自動勾畫結(jié)果，以DSC來衡量，十二指腸要低于胃。由于通用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［17］在描述小體積目標(biāo)時不夠精確，因此研究性能更優(yōu)的、針對小體積器官的自動勾畫網(wǎng)絡(luò)對臨床實踐有著重要意義。

病例的增多會增加結(jié)論的可靠性，但是在我們科的臨床實踐中上腹部的病例并非主流，我們搜索了相關(guān)的病例，符合倫理標(biāo)準(zhǔn)的如本文中所示。為此，本研究特意選擇胃和十二指腸兩個形態(tài)上差異極大的器官進行分析，我們認(rèn)為在兩類器官上都體現(xiàn)出來的結(jié)論具有一定的普遍性。本研究的另一個局限性是所有數(shù)據(jù)均來自單一中心，在人工勾畫時可能存在一定主觀偏差，因此也期待其他中心進行類似研究，以得到更加普遍的結(jié)論。

綜上所述，本研究比較了胃和十二指腸自動勾畫的DSC與各類型劑量差異的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)DVH參數(shù)和平均劑量差異隨著DSC增加而減小，最大劑量差異與DSC無關(guān)。從安全性考慮，即使較好的DSC也不能保證所有類型的劑量差異都符合臨床要求。因此，將基于深度學(xué)習(xí)的自動勾畫技術(shù)安全地用于放療，除了需要DSC以外，對應(yīng)器官勾畫模型導(dǎo)致的劑量參數(shù)差異也是必須考慮的參數(shù)。

作者貢獻聲明馬秀瑞資料收集，數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計分析，論文撰寫。張建英研究設(shè)計，資料收集，論文修改。李婷婷，張玉潔，肖寒，孫菁，吳泇俁資料收集，論文修改。嵇衛(wèi)星研究設(shè)計，數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計分析，論文修改。

利益沖突聲明所有作者均聲明不存在利益沖突。