基于食管癌放療的劑量學參數(shù)研究幾何指標評價自動勾畫輪廓準確度的可行性

鮮利勛，李光俊，肖青，陳黎，胡臻堯，柏森

1.四川大學華西醫(yī)院放療科，四川成都610041；2.四川大學物理科學與技術學院，四川成都610065

前言

當前成熟的商業(yè)自動勾畫軟件有很多，每個軟件的勾畫性能各有差異，其中基于圖譜集的自動勾畫軟件（ABAS）是采取非剛性形變的自動勾畫輪廓工具，它以CT 圖像為基礎，通過詳盡計算解剖結(jié)構(gòu)邊界，為放療治療計劃提供必須的輪廓勾畫［1-3］。有研究表明自動輪廓勾畫技術避免了逐層手動勾畫或基于插值的半自動勾畫方法，耗時、耗資源、勾畫輪廓的準確性受住院醫(yī)師經(jīng)驗影響等問題［4-5］，且能幫助臨床醫(yī)師節(jié)省大量時間，進而推動了自適應放療技術的發(fā)展［6］，因此保證自動勾畫輪廓的準確性就顯得尤為關鍵。若此步驟存在問題，會讓后續(xù)整個放療流程產(chǎn)生嚴重的系統(tǒng)誤差［7］，對于胸部危及器官的輪廓勾畫，若存在誤差則可能導致放射性肺炎等急性癥狀，其勾畫的準確性嚴重影響著患者的生存率。

目前自動勾畫輪廓準確性評估研究大多數(shù)都是直接采用定量評估方法，即利用幾何指標來表征自動勾畫結(jié)果的準確性。由HD以及HD衍生出的兩個變體HDmean、HD95%和DSC、Jaccard被廣泛應用于輪廓的準確性評估［8］，這些幾何指標雖然易于計算，但是卻未考慮臨床效應，缺乏臨床相關性［9-10］。此外，評估輪廓準確性的幾何指標之間也存在相當大的可變性。在假定的參考輪廓情況下（本研究把高年資醫(yī)生修改、審核后的ABAS勾畫結(jié)果視為參考輪廓），臨床評估放射治療輪廓勾畫準確性的方法是根據(jù)放射治療計劃的劑量分布來確定和預測自動勾畫輪廓的劑量偏差［9-11］。本研究選取ABAS 軟件勾畫的3 種大小類型的食管癌放療中的危及器官雙肺、心臟和脊髓，探究危及器官的位置、屬性與幾何指標、劑量學參數(shù)間的聯(lián)系，探討具有臨床指導意義的自動勾畫輪廓評估方法。

1 材料與方法

1.1 研究對象及工具

隨機選取2019年1月至12月在四川大學華西醫(yī)院放療科接受調(diào)強放療（IMRT）的15 例食管癌患者作為研究對象。利用Atlas-Based Autosegmentation（ABAS）（Elekta CMS, Stockholm, 2.01 版本）軟件進行胸部危及器官的自動勾畫，將待勾畫患者的定位CT圖像以DICOM 形式導入ABAS軟件中，通過與圖譜庫的參考圖像進行形變配準，獲取兩種圖像之間的形變矢量，并將形變矢量從模板圖像上已勾畫好的感興趣器官映射到新CT 圖像上，完成對危及器官雙肺、脊髓、心臟的勾畫。最后在ABAS 勾畫的結(jié)果上，由高年資醫(yī)生對危及器官輪廓進行修改與審核，并勾畫靶區(qū)。

1.2 幾何指標

本研究選用了5個被廣泛應用的幾何指標，即3個基于距離的指標HD、HDmean、HD95%和兩個基于體積的指標DSC、Jaccard。利用3D Slicer開源軟件4.10.2版本［12］，計算HD、HDmean、HD95%和DSC，由3D Slicer計算的HD 指標是雙向距離，雙向距離具有對稱性特點，較其他方法計算的單向距離穩(wěn)定。Jaccard 的計算根據(jù)其定義，讀取相應輪廓的體積參數(shù)，再利用公式Jaccard=|A∩B|/|A∪B|計算，其中，A代表參考輪廓，B代表自動勾畫輪廓。

1.3 劑量學參數(shù)指標

以95%的靶區(qū)體積接受5 040 cGy 的劑量為處方，在參考輪廓基礎上采用Raystation（Raysearch,Stockholm,Sweden）計劃系統(tǒng)設計5 個照射野的常規(guī)IMRT 放療計劃，計算網(wǎng)格精度為3 mm。為了確定危及器官輪廓變化導致的劑量學參數(shù)差異，本文采用的方法是將自動勾畫輪廓疊加到由參考輪廓獲得的原始劑量分布上，獲取危及器官的劑量學參數(shù)，雙肺V5、V20、V30、Dmean，脊髓Dmax，心臟V30、V40。

1.4 統(tǒng)計學方法

利用SPSS軟件21.0版本（StataCorp, Texas,USA）進行數(shù)據(jù)分析，用R2來量化幾何指標HD、HDmean、HD95%、DSC、Jaccard 與危及器官劑量學參數(shù)間的相關性。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

ABAS 勾畫的食管癌危及器官雙肺、心臟、脊髓的體積參數(shù)分別為：（3 676.1±840.1）、（580.3±130.3）、（71.3±12.8）cm3。

對于雙肺、脊髓、心臟的距離類幾何指標變化范圍見圖1，數(shù)據(jù)表明在這3 個幾何指標中，HD 的變化范圍最大，HD95%次之，HDmean最小。在這3種結(jié)構(gòu)中，雙肺的HD 值變化最大，心臟次之，脊髓最小，這種變化趨勢與它們自身相應的形狀、大小屬性有關，自動勾畫結(jié)果中，一個偏離整體結(jié)構(gòu)、沒有體積的離散點也可能引起HD 值的顯著變化。體積類幾何指標變化范圍見圖2，雙肺、脊髓、心臟都具有較高的DSC和Jaccard 值，總體大于0.75。數(shù)值上DSC 較Jaccard 系數(shù)大，但Jaccard 系數(shù)所評估的重疊區(qū)域（A∩B部分）較DSC 權(quán)重更為突出。相對距離類幾何指標值，體積類變化幅度小，這是因為距離類和體積類幾何指標的計算算法不同引起的，自動勾畫過程中產(chǎn)生的零星的異常點，距離類計算時也被當做勾畫結(jié)構(gòu)納入計算，而對于體積類，點不產(chǎn)生體積則排除在外，微小的波動不會對體積類指標造成很大的影響。

圖3 是危及器官參考輪廓的原始劑量與自動勾畫輪廓的劑量參數(shù)對比圖。數(shù)據(jù)表明，這兩種方式的勾畫結(jié)構(gòu)劑量變化情況整體接近，自動勾畫結(jié)構(gòu)所接受的劑量要稍大于參考輪廓的劑量，但是都在臨床可接受范圍內(nèi)。

圖1 雙肺、脊髓、心臟的距離類幾何指標Fig.1 Distance-related geometric indices of the lungs,spinal cord and heart

圖2 雙肺、脊髓、心臟的體積類幾何指標Fig.2 Volume-related geometric indices of the lungs,spinal cord and heart

基于同一病人不同器官（雙肺、心臟、脊髓）的幾何指標與劑量學參數(shù)間的關系，選取幾何指標HD 和劑量學參數(shù)進行圖示分析，圖4 分析得到的結(jié)果表明，少數(shù)病例存在線性關系，多數(shù)病例的幾何指標與劑量學參數(shù)間不存在線性關系。對雙肺、脊髓、心臟的幾何指標與劑量學參數(shù)進行線性回歸分析，見圖5。幾何指標與劑量學參數(shù)差異呈現(xiàn)的關系不是單一性、一致性的，45%的幾何指標與劑量學參數(shù)具有相關性［其中，多數(shù)呈弱相關（69%），少數(shù)呈中度相關（31%）］（P＜0.05）。

3 討論

現(xiàn)有的自動勾畫研究中，常常僅憑幾何指標值來評估自動勾畫結(jié)果的準確性程度。在使用客觀評價方法的情況下（即幾何指標），除了普遍認為的DSC＞0.7表示自動勾畫輪廓和手動勾畫輪廓的重合度高，勾畫效果好［13-16］，對于距離類幾何指標值（HD、HDmean、HD95%）也總是認為其值越小，越趨近零，表示其勾畫結(jié)果越好，臨床可接受度越高。但對于那些相互獨立的勾畫研究，這種說法是模棱兩可的。如對危及器官肝臟進行自動勾畫研究的文章表示HD=（37.7±13.8）mm勾畫輪廓的準確度高［17］，而另一篇文章HD=（15.77±1.00）mm也同樣表示準確度高［16］，雖然后者數(shù)值比前者小，但由于缺少一個通用的標準參照物，使得HD指標沒有可比較性，也不具有分辨性，進而無法具體表述這兩個獨立研究勾畫輪廓的準確性高低。有研究表明［18］HD指標與DSC指標的結(jié)合使用，能在最大限度上說明輪廓之間的符合程度和準確性。本研究的3種危及器官中，雙肺的HD值變化最大（高達44.7 mm），心臟次之，脊髓最小，但是雙肺和脊髓DSC的取值范圍相對集中，心臟的DSC值變化大且小于前兩者（三者DSC均大于0.7）。這種情況下出現(xiàn)了DSC結(jié)合HD值也不能清楚表述自動勾畫重合度的弊端，DSC和HD依然是幾何層次的體積參數(shù)，距離類指標和體積類指標間的結(jié)合使用有效地描述了自動勾畫輪廓與參考輪廓幾何層面的符合度，但它們用來評估自動勾畫結(jié)果的臨床可接受度卻是不完整的。

許多文章都表明量化勾畫輪廓的變異度或不確定性程度固然重要，但對其劑量的測定和確定臨床結(jié)果的影響更重要［9-10,19-20］。Van Rooij 等［20］研究了基于深度學習，頭頸部危及器官自動勾畫的幾何指標和劑量學參數(shù)評估，分析了頭頸部自動勾畫結(jié)果的幾何指標SDC（S?rensen-Dice similarity coefficient）和劑量差異的相關性，研究發(fā)現(xiàn)對于自動勾畫的所有危及器官，其SDC 和劑量差異間存在弱相關關系（r=-0.24,P=0.002），但是這種相關性無法體現(xiàn)到某一個具體的危及器官或病人。這與本研究結(jié)果類似，基于同一病人，3 個危及器官的HD 指標與劑量學參數(shù)間的關系不一致（圖4），多數(shù)病人的幾何指標與劑量學參數(shù)間不存在線性關系，這也更加表明幾何指標不可以準確評估所有的勾畫結(jié)構(gòu)。危及器官雙肺、脊髓、心臟的幾何指標與劑量學參數(shù)存在相關性，相關性的強弱關系卻不一致（圖5），也暗示著幾何指標值與劑量學參數(shù)間并不是一一對應的關系。危及器官雙肺的DSC 變化范圍相對較小且集中在0.97 左右（圖2），但是其對應的劑量學參數(shù)的變化范圍卻很大（圖3a 和圖3b）；危及器官脊髓的DSC 值：0.97～1.00，且脊髓自動勾畫輪廓的劑量學參數(shù)跟原始劑量學參數(shù)基本一致（圖3c）。這種幾何指標值變化小，而劑量學參數(shù)變化波動大或基本不變的情況，說明閾值范圍內(nèi)的幾何指標值DSC 并不一定代表著臨床可接受的劑量學參數(shù)，也解釋了有關文獻相互矛盾的內(nèi)容。Feng 等［21］研究認為口咽癌的危及器官輪廓變化對劑量影響不大，但Nelms等［22］認為這對劑量的影響很大。

圖3 雙肺、脊髓、心臟的劑量學參數(shù)指標Fig.3 Dosimetric parameters of the lungs,spinal cord and heart

圖4 基于同一病人幾何指標HD與劑量學參數(shù)的關系Fig.4 Relationship between geometric index HD and dosimetric parameters of the same patient

圖5 雙肺、脊髓、心臟幾何指標與劑量學參數(shù)的相關性Fig.5 Correlation between geometric indices and dosimetric parameters of the lungs,spinal cord and heart

靶區(qū)與危及器官的相對位置，以及危及器官的形狀、大小、放療計劃設置約束條件等都會影響劑量學參數(shù)，劑量學參數(shù)是多種因素的最終表現(xiàn)形式。對雙肺、心臟、脊髓進行研究的結(jié)果表明，幾何指標與劑量學參數(shù)的相關性和勾畫器官的大小的關系并不明顯，而受器官所在位置劑量梯度的影響要更加明顯，這也是通過加入更多的病種、病例數(shù)計劃著手驗證的后續(xù)研究方向。本研究分析幾何指標與劑量學參數(shù)間的相關性旨在表明，僅憑幾何指標值不能全面表征自動勾畫輪廓的臨床可接受性，以及對幾何指標設立閾值是沒有臨床意義的。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段對于自動勾畫的輪廓差異評估，僅考慮幾何層面的差異，缺乏臨床效應。此外幾何指標間的選擇也不應是隨意的，建議距離類指標聯(lián)合體積類指標進行輪廓差異評估。通過分析幾何指標和劑量學參數(shù)發(fā)現(xiàn)，幾何指標與劑量差異的不一致性，自動勾畫結(jié)果的臨床可接受性，不能單憑幾何指標來判斷所有勾畫結(jié)構(gòu)的準確度。因此，本文建議評估自動勾畫結(jié)果時，應加入劑量學參數(shù)這一指標，它可以更全面更準確更直接地解釋勾畫輪廓的臨床劑量響應關系。