基于DICOM RT的鼻咽癌放療計劃劑量限制結構自動勾畫研究

黃仕雄，楊松華，余功奕，曾德高，倪千喜

湖南省腫瘤醫院/中南大學湘雅醫學院附屬腫瘤醫院 放射物理技術部，湖南 長沙 410013

引言

鼻咽癌是我國常見的惡性腫瘤之一，由于鼻咽部生理解剖結構復雜，因此鼻咽癌患者首選的治療方式為調強放射治療（Intensity-Modulated Radiation Therapy，IMRT)[1-2]。在進行鼻咽癌IMRT計劃設計時，物理師需要根據計劃靶區及危及器官（Organs at Risk，OARs）的放療處方要求和相對位置關系，勾畫一定數量劑量限制結構（Dose Limited Structures，DLSs）輔助計劃設計[3]。常規的DLSs勾畫方式是利用放療計劃系統（Radiation Therapy Treatment Planning System，TPS）中提供的勾畫功能模塊進行人工逐個勾畫，這種方式極大地影響物理師計劃設計的效率。謝朝等[4]研究編寫AutoHotkey熱鍵腳本，模擬物理師在Eclipse TPS中勾畫DLSs時的鼠標點擊動作。一些商用TPS通過編譯腳本調用系統勾畫模塊功能[5]，也能夠完成部分DLSs的自動勾畫。

本研究提出一種基于醫學影像通信標準（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）放射治療（Radiation Therapy，RT）文件解析和數據處理的方式，使用Python語言編寫相關算法，不依賴TPS勾畫功能模塊實現鼻咽癌IMRT計劃中DLSs的自動勾畫，與常規人工逐個勾畫方法對比分析在勾畫精度上的差異和勾畫效率上的優勢，以及與主流TPS腳本方法對比分析在DLSs自動勾畫種類上的優勢，旨在探討其臨床應用價值。

1 材料與方法

1.1 DICOM RT協議和DICOM RTSs文件解析

DICOM協議是醫學圖像和相關信息的國際標準（ISO 12052），它定義了能滿足臨床需要的可用于數據交換的醫學圖像格式。DICOM RT作為DICOM協議的標準補充，專門用于處理RT設備間的數據傳輸[6-7]，主要包括五大部分：放療結構集合（RT Structure Set，RTSs）、放療計劃、放療劑量、放療影像和放療治療記錄。放療計劃中的靶區、OARs等輪廓結構是劑量計算和劑量評估的重要依據，其勾畫數據按照DICOM RTSs格式要求儲存。RTSs數據集中以dataElement為單元數據進行儲存，每個單元數據包括：標簽（tag）、數據類型、數據長度、數據值。靶區、OARs等輪廓數據主要儲存在輪廓模塊序列中[8-9]，對應的tag為[3006，0039]，其中包含了輪廓顏色、輪廓類型、坐標點數、坐標數據值等信息。

1.2 DLSs定義和勾畫方法

本研究參考作者所在科室關于鼻咽癌IMRT計劃設計流程定義了四種DLSs結構類型，并根據AAPM TG-263（The American Association of Physicists in Medicine Task Group 263）中關于非靶區結構命名的建議設計了DLSs的命名方法，如使用下劃線、非評估結構加z字母前綴、結合劑量命名時使用cGy單位、距離命名時使用mm單位等。

（1）計劃靶區（Planning Target Volume，PTV）內部的環狀DLSs結構。在原發腫瘤靶區（Nasopharynx Gross Tumorvolume，GTVnx）、轉移淋巴結（Lymph Node Gross Tumor Volume，GTVnd）的計劃靶區PGTV的基礎上外擴環結構，并用PTV減去該環結構形成的劑量緩沖區可用于限制靶區內的高劑量區和處理套疊靶區內的劑量梯度。

（2）PTV外部的環狀DLSs結構。用于協助靶區外劑量快速跌落。

（3）OARs計劃危及器官區（Planning Rish Volume，PRV）結構。在放療過程中某些串聯類型的OARs（例如脊髓）由于擺位、呼吸運動等原因導致位置的不確定性和變化，為了抵消這種OARs位置的不確定性和變化，對OARs外擴生成PRV結構。

（4）自定義形狀的DLSs，在凹形靶區的凹陷區勾畫扇形結構Fan_down和Fan_up、在頸部雙側PTV中間間隔處勾畫窄條形分割結構Mid，可用于防止頰面部淋巴回流受阻和脊髓腦干后方形成高劑量閉鎖，以及更好的保護口咽部正常器官[10]。DLSs結構命名及勾畫方法，見表1。

表1 DLSs結構命名原則及勾畫要求

1.3 DLSs自動勾畫流程

Python是一個高層次的結合了解釋性、編譯性、互動性和面向對象的腳本語言，由于其簡潔性、易讀性以及可拓展性，越來越多的研究者和機構使用Python做科學計算[11-12]。本研究使用Python語言，借助Pydicom工具包進行DICOM RT文件數據的讀取和解析，將讀取的數據整理后儲存到自定義數據字典中，并根據輪廓結構處理需求設計相關的數據處理功能模塊，如輪廓外擴、內收、裁剪、自定義規則圖形生成等，并搭建簡易的DICOM服務器，通過設置AE Title和IP地址實現DICOM數據的傳輸。因此首先從TPS將已勾畫靶區和OARs的鼻咽癌患者DICOM RTSs結構文件傳輸至Python DLSs自動勾畫程序開始勾畫DLSs，勾畫完畢后RTSs文件自動回傳至TPS，自動勾畫程序流程圖如圖1所示。

圖1 DLSs自動勾畫流程圖

1.4 功能測試

從2020年1月至2020年5月湖南省腫瘤醫院放療中心收治的鼻咽癌患者中抽取15例，其中男性9例，女性6例，年齡23～70歲，中位年齡為45歲。測試病例按照中國鼻咽癌分期2017版（2008鼻咽癌分期修訂專家共識）進行分期[13]，其中Ⅰ患者4例，Ⅱ患者8例，Ⅲ患者2例，Ⅳa期1例。由同一名放療醫師參照國際輻射單位及測量委員會（ICRU）83號報告勾畫GTVnx、GTVnd、高危臨床靶區（Clinical Target Volume 1，CTV1）、預防靶區（Clinical Target Volume 2，CTV2）和正常組織，并將上述靶區分別外擴生成計劃靶區PGTVnx、PGTVnd、PTV1、PTV2。

由三名物理師在Eclipse TPS對測試病例DLSs結構采用常規方法進行手工勾畫，并記錄單個病例的平均勾畫時間和平均TPS功能模塊調用次數。使用本研究的DLSs自動勾畫方法，完成測試病例的DLSs結構自動勾畫，記錄單個病例的自動勾畫時間與數據傳輸時間的總和，并核查輪廓結構、顏色、名稱、形狀和3D重建是否顯示正確。由于本研究的方法是不依賴TPS功能模塊，因此需要驗證勾畫精度，在TPS中使用測量工具手動測量自動勾畫的擴環、裁剪結構的精度，以及采用DSC相似性指數（Dice Similarity Coefficient，DSC）,其計算方法如公式(1)所示。

其中A為常規勾畫輪廓體積，B為自動勾畫輪廓體積，A∩B為常規勾畫與自動勾畫輪廓重疊區域體積，DSC結果越接近1說明兩種勾畫結果重疊程度越高，若DSC=1則表示兩種勾畫結果完全重疊。

1.5 統計學方法

采用SPSS 23.0對研究中的數據進行配對t檢驗分析，數據用平均值±標準差（±s）表示。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 DLSs自動勾畫輪廓顯示

15例測試病例DLSs自動勾畫生成的DICOM RTSs文件均能成功導入Eclipse TPS，輪廓結構顏色、名稱、形狀和3D重建能正確顯示，單例測試病例DLSs自動勾畫結果如圖2所示。

圖2 DLSs自動勾畫結果顯示

2.2 DLSs自動勾畫和常規勾畫結果對比

使用本研究中的鼻咽癌DLSs自動勾畫方法和常規方法對15例測試病例進行勾畫結果對比，使用Eclipse TPS系統布爾模塊和體積統計功能計算兩種勾畫結構的DSC相似度，對比結果如表2所示。

表2 測試病例DLSs自動勾畫和常規勾畫相似度指數

（1）四種DLSs結構類型中，PTV內部、外部環狀結構以及PRV結構的DSC相似度值接近1。如圖3a中以zPTV1_Ring10為例，以PTV1為基礎外擴10 mm后裁剪自身形成，圖中藍色區域為PTV1，紫紅色區域為常規方法勾畫，黃色輪廓線為自動方法勾畫，兩種方法勾畫的結果輪廓基本重合，使用Eclispe TPS系統測量工具測量環狀結構的寬度，采樣8次結果均值為1.01 cm。

（2）自定義形狀類型的DLSs對比結果顯示DSC相似指數比較低，說明該類型的DLSs結構使用本研究的自動方法勾畫的結果與常規方法勾畫結果之間具有一定差異，見圖3b。以zFan_down2500和zMid_4000為例，圖中藍色區域為PTV1，紫紅色區域與黃色輪廓分別為常規方法勾畫和自動勾畫的zMid_4000，紅色區域與綠色輪廓分別為常規方法勾畫和自動勾畫的zFan_down2500。

圖3 DLSs自動勾畫模塊精度分析

2.3 DLSs自動勾畫和常規勾畫效率對比

每個測試病例生成DLSs結構共計20個：PTV內部環狀結構2個、PTV外部環狀結構5個、PRV結構7個、自定義形狀結構6個。3名物理師在Eclipse TPS采用常規方法生成DLSs，每個病例在TPS系統功能模塊調用次數平均為54次，記錄常規方法勾畫平均耗時約為(1475.65±92.16）s，自動方法勾畫及數據傳輸平均耗時約為(44.94±1.56）s。DLSs自動勾畫耗時與常規勾畫耗時相比差異具有統計學意義（t=-43.788，P＜0.05）。

3 討論

腫瘤靶區或者OARs的勾畫本質上是一種圖像分割[14-16]，基于CT、MRI等解剖影像的人工視覺識別或者計算機視覺識別，有嚴格的勾畫要求和標準指南。而劑量限制結構DLSs的勾畫本質上是在腫瘤和器官的相對位置關系、靶區處方劑量、器官的劑量限制以及臨床醫師對計劃整體劑量分布要求的基礎上，物理師在計劃設計過程用于輔助劑量成型的經驗勾畫。實驗輪廓對比結果顯示，四種DLSs結構類型中PTV外部環結構、PTV內部環結構、PRV結構的DSC相似度指數均在0.95以上，這三類DLSs結構均是在靶區或者OARs輪廓基礎上進行固定參數的外擴和裁剪形成的，且實驗中以zPTV1_Ring10為例，使用Eclispe TPS系統測量工具測量環狀結構寬度的方式驗證了本研究中自動勾畫程序外擴、裁剪處理精度近似TPS系統的功能模塊精度，因此這三類DLSs結構類型在使用本研究的自動方法勾畫的結果可以用于臨床工作。實驗輪廓對比結果中，自定義形狀類型DLSs的DSC相似度指數在0.65左右，這是因為該類型DLSs結構在常規勾畫中大多是物理師使用TPS畫筆等工具人工勾勒出輪廓，而在本研究中該類型DLSs結構的自動勾畫方法是參考物理師手動勾勒習慣的基礎上，分析靶區和OARs的相對位置關系和坐標數據，在指定位置寫入適當大小的規則圖形坐標數據。因此在實驗對比中該類型DLSs的DSC相似度值較低，但是由于這類結構一般不參與劑量評估，只是在計劃設計過程中保證靶區劑量和保護OARs的前提下輔助優化較低劑量的整體分布，在實際臨床工作中對于這類的DLSs結構的勾畫精度和形狀上一般不做具體要求，因此自定義形狀的DLSs結構在使用本研究的自動方法勾畫的結果可以用于臨床工作。實驗效率對比結果顯示，常規方法勾畫平均耗時約為25 min，自動方法勾畫及數據傳輸平均耗時約為45 s，自動方法勾畫的效率明顯更高，且差異具有統計學意義（P＜0.05）。

本文作者所在科室擁有多種主流的商用TPS：Eclipse（13.6）、Pinnacle（9.2） 和 Monaco（5.11）：目 前 Monaco不具備腳本編譯功能；Eclipse(13.6)使用C#編寫的腳本支持讀取計劃信息，不支持寫入數據[17]，因此無法編寫DLSs自動勾畫腳本；Pinnacle能通過錄制腳本的形式實現部分DLSs結構類型的批處理[18]，但是本質上是通過腳本調用Pinnacle TPS系統的功能模塊，對于自定義形狀DLSs無法進行自動勾畫。因此通過DICOM RT數據處理實現了包括自定形狀在內的多種DLSs結構類型自動勾畫是本研究的創新之處。

4 結論

本研究通過編寫Python程序完成DICOM RT輪廓結構數據處理和設置AE Title自動回傳商用TPS能讀取的DICOM RTSs數據文件，實現了鼻咽癌放療計劃DLSs結構的自動勾畫，且鼻咽癌IMRT計劃屬于設計要求復雜、需要勾畫DLSs較多的計劃類型，對于本研究中的方法只需要簡單修改相關的模塊參數就能滿足不同治療部位或不同處方劑量要求的DLSs自動勾畫需求，因此該方法能有效地避免物理師在設計IMRT計劃時勾畫DLSs的重復勞動，提高了工作效率，具有一定的創新意義和臨床實用價值。