陳飛 龔筱欽 余云鵬 游濤 王旭 戴春華 胡靜

江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院放療科（江蘇鎮(zhèn)江 212000）

宮頸癌早期患者常選擇手術(shù)聯(lián)合術(shù)后輔助放射治療，從而能控制腫瘤復(fù)發(fā)以及提高患者生存率［1-3］。調(diào)強放射治療（intensity modulated radiation therapy， IMRT）是宮頸癌放療的主要手段之一，其中臨床靶區(qū)（clinical target volume，CTV）和危及器官（organs at risk，OARs）的準確勾畫是實施IMRT的必要前提［4-7］。手動勾畫是一項耗時費力的任務(wù)，目前較多研究集中于自動勾畫軟件的研發(fā)［8-9］。但因醫(yī)生手動勾畫的認知不同，自動勾畫軟件無法一直滿足各放療中心對自動勾畫精度的要求［10］。AccuLearning （AL）是一款基于U-net 的深度學(xué)習(xí)自主訓(xùn)練軟件，可供臨床訓(xùn)練數(shù)據(jù)從而生成新的自動勾畫模型，但是關(guān)于其能否應(yīng)用臨床還尚未有相關(guān)研究。本研究基于本院宮頸癌術(shù)后患者CT 影像數(shù)據(jù)，分析AL 模型自動勾畫CTV和OARs 的幾何學(xué)和劑量學(xué)精度，評估其應(yīng)用于臨床可行性。

1 資料與方法

1.1 臨床資料選取2019 年1 月至2022 年12 月本院收治的75 例早期宮頸癌術(shù)后放療患者，放療體位為仰臥位，以負壓真空墊固定。CT 定位使用Philips 公司大孔徑模擬定位CT（Brilliance CT big bore），重建CT 層厚和層間距為3 mm。將掃描獲取CT 圖像傳輸至Eclipse 13.6 治療計劃系統(tǒng)，由2 名放療醫(yī)師手動勾畫CTV 及OARs。CTV 勾畫參照RTOG 宮頸癌臨床靶區(qū)勾畫標準。OARs 包括：腸袋、直腸、膀胱、骨髓、右側(cè)股骨頭和左側(cè)股骨頭，其中腸袋勾畫是將小腸與乙狀結(jié)腸、升結(jié)腸、橫結(jié)腸和降結(jié)腸最外邊緣相連。所有勾畫結(jié)構(gòu)均由有經(jīng)驗的主任醫(yī)師審核并修改確認，并定義為評估自動勾畫效果的“金標準”。本研究獲醫(yī)院倫理委員會審核通過（KY2023K0903）。

1.2 方法隨機抽取60 例CT 圖像數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，應(yīng)用AL 訓(xùn)練數(shù)據(jù)生成新的自動勾畫模型。自動勾畫模型導(dǎo)入至AccuContour 并對剩余15 例CT進行自動勾畫測試，統(tǒng)計15 例患者自動勾畫輪廓的相關(guān)幾何學(xué)參數(shù)以及勾畫效率進行分析。

1.3 放療計劃設(shè)計物理師用Eclipse 13.6 計劃系統(tǒng)在自動勾畫CTV 和OARs 的CT 上設(shè)計IMRT計劃，直線加速器選擇Truebeam STx，能量是6 MV X 射線，劑量率是600 MU/min。計劃選用固定7 野動態(tài)調(diào)強，射野角度為160°、115°、50°、0°、310°、245°以及200°。處方劑量為50 Gy/25 次，且要求100%的處方劑量線包含95%的CTV。OARs限量如下：腸袋V30（接受≥ 30 Gy 劑量照射的體積占總體積的百分比，下同）＜ 40%，V40 ＜ 30%；直腸 V40 ＜ 60%，V50 ＜ 30%；膀胱V50 ＜ 50%；骨髓平均劑量Dmean ＜ 30 Gy；右側(cè)股骨頭以及左側(cè)股骨頭 Dmean ＜ 15 Gy。所有計劃均由2 名資深物理師復(fù)核，最后將上述15 例測試集患者的IMRT 計劃導(dǎo)入到手動勾畫的CT 上形成新的劑量分布。

1.4 評估指標戴斯相似系數(shù)（dice similarity coefficient，DSC），用來評估兩種勾畫方式的重合相似度，范圍0 ～ 1，越接近1 表示重合度越好。計算公式DSC =2（Vm∩Vα）/（Vm+Vα），Vm、Va 分別表示手動勾畫和自動勾畫結(jié)構(gòu)；Hausdorff 距離（Hausdorff Distance，HD），表示手動和自動勾畫輪廓最短距離的最大值，其值越小表示自動勾畫輪廓的重復(fù)度越高。假設(shè)兩組結(jié)構(gòu)集合X=｛x1，x2，······，xn｝，Y=｛y1，y2，······，yn｝，則HD 公式為

通過劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）統(tǒng)計兩種勾畫方式的CTV 和OARs 的劑量學(xué)參數(shù)。CTV 參數(shù)如下：2%、98% CTV 所接受的照射劑量D2、D98；90%、95%的處方劑量覆蓋CTV的百分比V90%、V95%；平均劑量（mean dose，Dmean）；均勻指數(shù)（homogeneity index，HI），計算公式HI = D5/D95，D5、D95 表示5%、95% CTV 所接受的照射劑量；OARs 參數(shù)如下：腸袋和直腸V30、V40、V50、Dmean，膀胱V50、Dmean，骨髓、右側(cè)股骨頭以及左側(cè)股骨頭Dmean。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法采用SPSS 22.0 軟件統(tǒng)計分析，計量資料以均數(shù)±標準差表示，勾畫效率和劑量學(xué)參數(shù)比較采用配對t檢驗，P＜ 0.05 則認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 勾畫效率比較由表1可見，CTV和OARs各結(jié)構(gòu)自動勾畫所需平均時間在34 s左右。手動勾畫各結(jié)構(gòu)所需時間長短不等，CTV的手動勾畫時間最長（3 158.00 s）；其次是骨髓和腸袋，分別為1 582.87 s和1 382.00 s；膀胱、直腸、右側(cè)股骨頭和左側(cè)股骨頭手動勾畫時間較少，都在100 ～ 300 s 之間。自動勾畫各結(jié)構(gòu)所需時間均明顯少于手動勾畫所需時間，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜ 0.001）。

表1 手動勾畫與自動勾畫各結(jié)構(gòu)的時間比較Tab.1 Time comparision for each structure between auto and manual segmentation ±s

表1 手動勾畫與自動勾畫各結(jié)構(gòu)的時間比較Tab.1 Time comparision for each structure between auto and manual segmentation ±s

參數(shù)CTV腸袋直腸膀胱骨髓右側(cè)股骨頭左側(cè)股骨頭手動勾畫（s）3 158.00 ± 405.78 1 382.00 ± 145.71 174.20 ± 13.76 212.80 ± 12.66 1 582.87 ± 51.81 138.60 ± 7.50 137.40 ± 8.93自動勾畫（s）34.93 ± 3.77 33.80 ± 2.78 34.00 ± 2.90 34.27 ± 2.74 34.00 ± 2.98 34.00 ± 2.80 34.40 ± 2.61時間節(jié)省百分比（%）98.89 97.55 80.48 83.90 97.85 75.47 74.64 t值29.873 35.829 39.405 50.548 115.394 49.138 46.195 P值＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001

2.2 幾何學(xué)參數(shù)結(jié)果圖1 為CTV 和OARs 的CT示意圖，可看出大多數(shù)層面的自動勾畫效果較好，部分層面仍需要人工修改。表2 結(jié)果顯示：CTV 的DSC 均值為0.90；腸袋和直腸DSC 低于其他OARs，均值≤ 0.90；膀胱、骨髓、股骨頭DSC 均值≥ 0.91。腸袋和直腸HD 值最大，均值在10 mm 左右；其次是CTV 和膀胱，分別為4.23 mm 和4.48 mm；其余結(jié)構(gòu)HD均值＜ 3 mm。表3 將本研究中DSC 值與其他文獻做了對比，顯示 AL 模型與其他研究結(jié)果DSC值相當［11-15］。

圖1 手動勾畫和自動勾畫CT圖像橫斷面示意圖Fig.1 Cross-section diagram of CT image of auto and manual segmentation

表2 各結(jié)構(gòu)自動勾畫輪廓幾何學(xué)參數(shù)結(jié)果（n=15）Tab.2 Geometric results of automatic segmentation for all structures （n=15）±s

表2 各結(jié)構(gòu)自動勾畫輪廓幾何學(xué)參數(shù)結(jié)果（n=15）Tab.2 Geometric results of automatic segmentation for all structures （n=15）±s

參數(shù)DSC HD（mm）CTV 0.90 ± 0.02 4.23 ± 0.92腸袋0.90 ± 0.03 10.58 ± 3.43直腸0.87 ± 0.07 9.48 ± 7.82膀胱0.91 ± 0.08 4.48 ± 3.97骨髓0.92 ± 0.01 1.56 ± 0.33右側(cè)股骨頭0.94 ± 0.03 1.79 ± 0.83左側(cè)股骨頭0.94 ± 0.02 2.55 ± 0.97

表3 AL 自動勾畫DSC 值與其他類似研究結(jié)果對比（均值）Tab.3 Summary of DSC values of AL and other similar study （mean）

2.3 劑量學(xué)參數(shù)比較圖2 為1 例宮頸癌術(shù)后患者DVH 圖，由圖可看出OARs 受照劑量相當，部分手動勾畫CTV 劑量不足。表4 顯示手動勾畫CTV的D98、V90%、V95%、Dmean、HI 值和自動勾畫CTV 相比，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜ 0.05）；D2 值的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞ 0.05）。腸袋V50，膀胱V50的差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜ 0.05）。

圖2 自動勾畫和手動勾畫劑量體積直方圖Fig.2 A dose volume histogram of auto and manual segmentation

表4 自動勾畫與手動勾畫劑量學(xué)參數(shù)比較結(jié)果Tab.4 The dosimetirc difference between auto and maunal segmentation ±s

表4 自動勾畫與手動勾畫劑量學(xué)參數(shù)比較結(jié)果Tab.4 The dosimetirc difference between auto and maunal segmentation ±s

參數(shù)CTV D98（Gy）D2（Gy）V90（%）V95（%）Dmean（Gy）HI腸袋V30（%）V40（%）V50（%）Dmean（Gy）直腸V30（%）V40（%）V50（%）Dmean（Gy）膀胱V50（%）Dmean（Gy）骨髓Dmean（Gy）右側(cè)股骨頭Dmean（Gy）左側(cè)側(cè)股骨頭Dmean（Gy）手動勾畫47.54 ± 1.00 51.52 ± 0.12 99.25 ± 0.49 98.09 ± 0.85 50.64 ± 0.09 1.05 ± 0.01 36.38 ± 4.52 17.39 ± 4.04 4.16 ± 2.07 26.25 ± 1.88 84.88 ± 3.90 43.35 ± 6.44 2.59 ± 1.68 37.19 ± 0.68 19.95 ± 7.50 43.31 ± 2.32 25.70 ± 0.84 11.41 ± 1.33 11.20 ± 1.33自動勾畫49.70 ± 0.05 51.52 ± 0.13 100.00 ± 0.00 100.00 ± 0.00 50.82 ± 0.05 1.03 ± 0.00 34.92 ± 1.32 15.76 ± 2.52 2.95 ± 1.01 26.01 ± 1.06 85.94 ± 3.56 44.51 ± 5.37 2.31 ± 1.63 37.40 ± 0.74 17.01 ± 5.29 42.64 ± 2.00 25.75 ± 0.88 11.32 ± 1.41 11.43±1.55 t值-8.212-0.435-5.856-8.675-7.315 7.005 1.472 2.049 2.579 0.558-1.036-0.927 0.622-0.922 4.063 1.927-0.996 0.636-1.954 P值＜ 0.001 0.670＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001 0.163 0.060 0.022 0.586 0.318 0.370 0.544 0.372 0.001 0.074 0.336 0.535 0.071

3 討論

隨著放療技術(shù)精度的日益增高以及自適應(yīng)放療技術(shù)的發(fā)展，腫瘤靶區(qū)和危及器官自動勾畫的研究顯得尤為重要［16-19］。目前基于深度學(xué)習(xí)的自動勾畫技術(shù)已明顯優(yōu)于基于圖庫自動勾畫技術(shù)，但AL 軟件應(yīng)用于臨床的可行性還有待進一步研究［20-21］。幾何學(xué)指標雖然能從相似度方面評估自動勾畫的效果，但其沒考慮到劑量學(xué)差異，因此不能直接作為自動勾畫是否滿足臨床應(yīng)用的評價指標［22-25］。因此本研究從幾何學(xué)、劑量學(xué)以及勾畫效率方面對AL 自動勾畫的CTV 和OARs 能否應(yīng)用于宮頸癌術(shù)后放療做了詳細分析。

本研究將手動勾畫和自動勾畫的時間做了對比，發(fā)現(xiàn)自動勾畫大大縮短了時間，提高了放療效率。其中股骨頭節(jié)省時間最少，約75%；CTV、腸袋以及骨髓，節(jié)省時間達到了95%以上。DSC、HD 是評價自動勾畫精度常用的指標，何奕松等［26］認為DCS ＞ 0.7 且HD ＜ 20 mm 時，自動勾畫與手動勾畫相似性較高。本研究中DSC 值最小為0.87，HD 值最大才10 mm 左右，均滿足上述標準，表現(xiàn)出較高的相似性。而且本研究結(jié)果與近幾年類似研究相比，發(fā)現(xiàn)DSC 值與其他研究結(jié)果相當，這也表明AL 對于宮頸癌術(shù)后CTV 和OARs 的自動勾畫效果是理想的。

本研究中物理師基于自動勾畫的CTV和OARs設(shè)計IMRT 計劃，并將其導(dǎo)入到手動勾畫CTV 和OARs的CT上，比較其劑量分布差異。CTV除了D2差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義，其余劑量學(xué)評估指標均具有差異性。表明CTV 高劑量區(qū)沒有差別，手動勾畫CTV 部分區(qū)域劑量不足，所以CTV 在應(yīng)用于設(shè)計IMRT 計劃之前，仍需對其做進一步的修改。OARs 的劑量均滿足IMRT 計劃的限值要求，僅有部分劑量參數(shù)存在一定的差異性，但并不影響其應(yīng)用于臨床，因此在臨床使用中，可適當放寬對危及器官精度的要求。

雖然本研究結(jié)果表現(xiàn)出較好的自動勾畫效果，但仍有一些局限性：（1）驗證病例數(shù)較少；（2）所有CT 影像數(shù)據(jù)均來自本放療中心，不能代表其他放療中心。今后可嘗試增加病例數(shù)以及多中心建模，從而測試AL 軟件的魯棒性和泛化能力。

綜上所述，AL 生成的宮頸癌術(shù)后CTV 和OARs自動勾畫模型取得了較好的自動勾畫效果。AL自動勾畫技術(shù)提高了臨床醫(yī)生勾畫各結(jié)構(gòu)的效率，OARs 具有直接應(yīng)用于臨床的可能性，但CTV在應(yīng)用于臨床前仍需做進一步修改。在今后研究中，可考慮優(yōu)化改進自動勾畫模型，嘗試提高CTV自動勾畫精度。

【Author contributions】CHEN Fei designed the study and wrote the article. GONG Xiaoqin and YU Yunpeng performed the study.YOU Tao and WANG Xu collected and analyzed the data. DAI Chunhua reviewed the study process. HU Jing designed the study and revised the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.

【Conflict of interest】The authors declare no conflict of interest.