基于電子射野影像裝置通量變化的影像組學特征進行眼突放射治療擺位誤差探測的初步研究

張祥斌，戴谷宇，2，肖青，彭旭東，李光俊，柏森，2

1.四川大學華西醫(yī)院放療科，四川成都610041；2.四川大學華西臨床醫(yī)學院，四川成都610065

前言

基于錐形束CT（Cone-Beam CT, CBCT）的圖像引導(dǎo)放射治療是精準放射治療的有效質(zhì)量保證手段［1-2］。但是，CBCT 在提高放射治療精準度的同時，還會給患者帶來額外的輻射劑量。與帶來的治療獲益相比，相對低劑量的成像輻射劑量給惡性腫瘤患者帶來的損傷基本上可以忽略不計［3］。而眼突屬于良性病變，不屬于惡性腫瘤的范疇，在進行放射治療時應(yīng)該盡可能降低CBCT的使用頻率。然而，眼突病灶的照射區(qū)域又與對射線較為敏感的晶體距離較近，故需要精度較高的患者擺位?；陔娮由湟坝跋裱b置（Electronic Portal Imaging Device, EPID）的通量變化進行患者擺位誤差探測具有自動化、不會給患者帶來額外輻射的特點，在放射治療執(zhí)行的質(zhì)量控制方面具有十分巨大的潛力［4-6］。在EPID 通量變化的評估中，大多數(shù)研究采用的是傳統(tǒng)的γ 分析結(jié)果，而少有研究采用數(shù)據(jù)維度更高的影像組學特征。本文的目的是采用Pyradiomics 工具提取EPID 通量變化的影像組學特征［7］，驗證其是否可以區(qū)分眼突放療中臨床顯著的擺位誤差，進而探討既不增加成像劑量，又能保證眼突放射治療精度的質(zhì)量控制手段。

1 材料與方法

1.1 EPID通量變化圖像獲取

研究選取了8 例眼突患者，靶區(qū)處方劑量為20 Gy/10 f，VMAT 計劃在eclipse計劃系統(tǒng)中設(shè)計，并在varian Edge 加速器治療。在人體頭部仿真模體中，模擬真實的計劃照射中心點與計劃參數(shù)在加速器進行照射。以EPID 的dosimetry 模式，采集無擺位誤差和引入頭腳（SI）、前后（AP）、左右（LR）3 個方向平移2、4 mm不同組合擺位誤差情況下的EPID通量。

1.2 擺位誤差的分類

引入SI、AP、LR 3個方向2、4 mm的平移誤差，共有27種不同組合，其相對于無擺位誤差的位置偏差分別表示為（0,0,0）、（0,0,2）、（0,0,4）、（0,2,0）…（4,4,4）。而臨床上通常關(guān)注大于3 mm的擺位誤差。根據(jù)是否含有單方向4 mm的擺位誤差，將27種不同擺位誤差組合分為臨床顯著擺位誤差和臨床不顯著擺位誤差。

1.3 基于傳統(tǒng)γ分析的臨床顯著擺位誤差探測

在2 mm/2%的評估標準下，以無擺位誤差情況下采集的EPID圖像為基準，對引入不同擺位誤差情況下采集的EPID 圖像進行比較，并采用接受者操作特征（Receiver Operating Characteristic,ROC）曲線和曲線下面積（Area Under Curve,AUC）值對傳統(tǒng)γ分析區(qū)分臨床顯著擺位誤差和臨床不顯著擺位誤差能力進行評估。

1.4 基于EPID 通量變化圖像影像組學特征的臨床顯著擺位誤差探測

以無擺位誤差狀態(tài)下采集的EPID通量為基準，生成引入不同擺位誤差的EPID通量變化圖像（引入擺位誤差采集的EPID圖像減去無擺位誤差采集的EPID圖像）。基于python開源軟件包Pyradiomics提取不同擺位誤差的EPID通量變化圖像共107個影像組學特征，包含F(xiàn)irst Order、Shape（3D）、Shape（2D）、Gray Level Cooccurrence Matrix（GLCM）、Gray Level Size Zone Matrix（GLSZM）、Gray Level Run Length Matri（GLRLM）、Neighbouring Gray Tone Difference Matrix（NGTDM）及Gray Level Dependence Matrix（GLDM)7個區(qū)組，對提取的影像組學特征和擺位誤差3個方向上的矢量距離進行Spearman相關(guān)分析。然后，采用ROC曲線和AUC值對影像組學特征（單個特征及多個特征的嶺回歸分析）區(qū)分臨床顯著擺位誤差和不顯著誤差能力進行評估。

2 結(jié)果

2.1 基于傳統(tǒng)γ分析的臨床顯著擺位誤差探測分析結(jié)果

傳統(tǒng)γ 分析區(qū)分臨床顯著擺位誤差的ROC 曲線如圖1所示，其AUC值為0.79。

圖1 傳統(tǒng)γ分析區(qū)分臨床顯著擺位誤差的ROC曲線Fig.1 Receiver operating characteristic curve of traditional gamma analysis for the detection of setup errors

2.2 EPID 通量變化圖像影像組學特征與擺位誤差3個方向矢量長度的相關(guān)性分析結(jié)果

如表1所示，在選取的EPID 通量變化圖像的107個影像組學特征中，有74 個特征與引入擺位誤差3個方向上的矢量距離有顯著的相關(guān)性（P＜0.05），其中有20 個特征與引入擺位誤差3 個方向上的矢量距離相關(guān)度較高（r＞0.500,P＜0.001），相關(guān)度最高的特征是GLRLM組的Run Entropy（r=0.671）。

2.3 基于EPID 通量變化的影像組學特征區(qū)分臨床顯著擺位誤差的能力

基于相關(guān)度r＞0.6的3個特征的ROC曲線如圖2所示，相比于傳統(tǒng)γ分析的結(jié)果，影像組學特征具有更好的模型評估性能，其單個特征的AUC值就可以達到0.84，而采用嶺回歸對相關(guān)度r＞0.500的20個影像組學特征進行回歸分析，選取了其中權(quán)重因子最高的6個影像組學特征進行擬合，最終可以達到的AUC值為0.90。

表1 與擺位誤差3個方向的矢量長度相關(guān)系數(shù)較高的影像組學特征Tab.1 Radiomics features highly related to the vector length of 3 directions with setup errors

圖2 基于EPID通量提取的影像組學特征區(qū)分臨床顯著擺位誤差的ROC曲線Fig.2 Receiver operating characteristic curve of radiomics features-based method for the detection of setup errors

3 討論

在區(qū)分擺位誤差是否臨床顯著方面，Hsieh等［4］在顱腦立體定向放射治療的研究表明，以通過率是否小于95%為評估閾值，在3 mm/3%的通過率標準下，EPID通量只能檢測出大于5 mm的平移誤差，這說明了傳統(tǒng)的γ分析在進行EPID通量變化評估中的局限性。相比于傳統(tǒng)的γ分析，影像組學可以從圖像中提取高維數(shù)據(jù)特征［8-9］。筆者的研究結(jié)果就證實了，在基于EPID通量變化區(qū)分大于3 mm平移誤差方面，單個影像組學特征就可以達到比傳統(tǒng)γ分析更好的評估性能。另外，在基于EPID通量變化進行MLC到位誤差的分析中，Wootton等［10］和Nyflot等［11］也證實了影像組學分析方法要比傳統(tǒng)的γ分析方法具有更高的精度。Wolfs等［12］也驗證了影像組學分析方法在肺癌放療的解剖結(jié)構(gòu)變化、擺位誤差及MLC到位誤差區(qū)分方面的預(yù)測價值。但是，以上研究都是在軟件中進行模擬，并不涉及到在加速器的實際測量結(jié)果。而筆者基于在加速器的實際測量結(jié)果，提取了EPID通量變化圖像的多維影像組學特征，采用嶺回歸分析的結(jié)果表明多維影像組學特征在區(qū)分臨床顯著擺位誤差的潛力要遠大于傳統(tǒng)的γ分析。

為了在保證治療精度的同時，減少CBCT的使用頻次?？梢圆捎肅BCT修正患者擺位后（無擺位誤差）采集的EPID通量為基準，對患者后續(xù)放療分次采集的EPID通量進行比較，來驗證患者的擺位誤差是否超出了臨界值。而筆者在人體仿真模體中生成驗證計劃，以無擺位誤差采集的EPID通量為基準，對引入不同擺位誤差的EPID通量進行比較，驗證了擺位誤差與EPID通量變化圖像的影像組學特征具有良好的相關(guān)性。

但是，實際患者EPID通量的變化不僅來源于擺位誤差，還會受到加速器運行誤差的影響。在進行基于EPID通量變化區(qū)分臨床顯著擺位誤差的應(yīng)用中，應(yīng)當研究加速器運行誤差對EPID通量變化的影響程度。加速器運行誤差可以分為加速器運行系統(tǒng)誤差和加速器隨機誤差。加速器運行系統(tǒng)誤差主要有絕對劑量偏移、射線質(zhì)、射野平坦度及對稱性變化。Zhuang等［13］的研究表明加速器絕對劑量偏移與對EPID通量的影響呈高度的線性，這說明加速器絕對劑量的偏移對EPID通量的影響可以通過測量絕對劑量的方式來進行排除。而射線質(zhì)、平坦度及對稱性的變化難以量化調(diào)整并在加速器中模擬執(zhí)行。加速器運行隨機誤差則有機架角誤差、出束跳數(shù)誤差及MLC到位誤差。Kadoya等［14］的研究表明加速器運行隨機誤差對計劃3D劑量分布的影響基本可以忽略不計。為了驗證加速器運行隨機誤差對EPID通量的影響，筆者對無擺位誤差情況下連續(xù)出束兩次的EPID通量進行比較。如表2所示，無擺位誤差（LR：0, SI：0, AP：0）狀態(tài)下2 mm/2%的通過率為99.44%±0.73%，這說明了加速器運行隨機誤差對EPID通量的影響可以忽略不計。

表2 選取的8例患者不同擺位誤差在2 mm/2%評估標準下通過率（%,± s）Tab.2 Passing rates under different setup errors with 2 mm/2%criteria for Gamma analysis(%,Mean±SD)

表2 選取的8例患者不同擺位誤差在2 mm/2%評估標準下通過率（%,± s）Tab.2 Passing rates under different setup errors with 2 mm/2%criteria for Gamma analysis(%,Mean±SD)

引入的擺位誤差/mm LR:0,SI:0,AP:0 LR:2,SI:0,AP:0 LR:4,SI:0,AP:0 LR:0,SI:2,AP:0 LR:0,SI:4,AP:0 LR:0,SI:0,AP:2 LR:0,SI:0,AP:4 LR:2,SI:0,AP:4 LR:4,SI:0,AP:4 LR:4,SI:0,AP:2 LR:2,SI:0,AP:2 LR:2,SI:2,AP:0 LR:2,SI:4,AP:0 LR:4,SI:4,AP:0 LR:4,SI:2,AP:0 LR:0,SI:2,AP:2 LR:0,SI:2,AP:4 LR:0,SI:4,AP:4 LR:0,SI:4,AP:2 LR:2,SI:2,AP:2 LR:2,SI:2,AP:4 LR:2,SI:4,AP:4 LR:2,SI:4,AP:2 LR:4,SI:4,AP:2 LR:4,SI:2,AP:2 LR:4,SI:2,AP:4 LR:4,SI:4,AP:4 Gamma分析通過率99.44±0.73 96.61±2.46 91.84±3.45 96.75±1.66 94.19±1.50 96.75±0.76 91.17±3.39 90.05±3.60 86.98±5.31 90.49±3.31 88.25±7.88 91.42±5.01 88.99±5.46 85.32±6.42 85.73±6.95 86.04±9.34 83.51±8.33 83.47±9.66 87.78±6.67 85.44±9.90 83.87±9.37 83.22±9.51 83.97±7.62 80.49±6.26 83.17±5.80 80.08±6.59 81.73±9.06

研究只入組了8例患者，樣本量較小，故我們未進行數(shù)據(jù)集劃分來驗證數(shù)據(jù)的泛化能力。但是，單個患者有27個采樣點，在二分類的研究問題中總樣本數(shù)為216。另外，眼突病種的靶區(qū)和危及器官（晶體）的形狀和位置都相對固定，不同患者之間的解剖結(jié)構(gòu)差異相對較小。同時，眼突的計劃設(shè)計采用部分弧VMAT來實現(xiàn)，不同計劃之間的差異也相對不顯著。本研究最大的缺陷在于只進行了人體仿真模體的誤差模擬，沒有在實際患者的臨床應(yīng)用場景進行測量。其原因主要是實際患者的擺位誤差只能通過CBCT來定量評估，而采用了CBCT圖像引導(dǎo)的治療就必須要修正患者的擺位誤差，這就導(dǎo)致了引入擺位誤差的EPID通量無法獲取。但是，研究采用的人體仿真頭部模體是根據(jù)真實的人體解剖結(jié)構(gòu)制作，可以在一定程度上等效為患者的實際照射情況。根據(jù)在人體仿真模體測量的數(shù)據(jù)，筆者未來的研究方向是建立影像組學的臨床顯著擺位誤差區(qū)分模型。

4 結(jié)論

筆者提出了基于EPID通量變化的影像組學特征進行臨床顯著擺位誤差區(qū)分的方法，并驗證了基于影像組學特征的方法比傳統(tǒng)的γ 分析方法有更大的潛力。而這種不會給患者帶來額外輻射的放射治療質(zhì)控方式具有一定的臨床可行性。