自動勾畫軟件在宮頸癌容積旋轉調強放射治療中的劑量學研究

陰曉娟（通信作者）

福建醫科大學附屬腫瘤醫院·福建省腫瘤醫院 （福建福州 350014）

容積旋轉調強放射治療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）是一種新型放射治療方法，其通過控制旋轉速度、輻射傳遞量和輻射屏蔽運動，減少腫瘤周圍正常組織的受量、縮短放射治療時間，達到提高放射治療準確度和治療效率的目的。為了避免靶區漏照和危及器官（organs at risk，OAR）過量照射，醫師應準確勾畫出靶區和OAR[1]。但是，宮頸癌患者的OAR 眾多，勾畫煩瑣，因此，自動勾畫（atlas-based autosegmentation，ABAS）軟件應運而生，其旨在縮短手工勾畫OAR 的時間、減少人為誤差，達到提高放射治療準確度的目的[2-4]。陳開強等[5]的研究結果表明，ABAS 軟件自動勾畫與手工勾畫的宮頸癌OAR 接近，但其并未比較兩者的劑量學差異。基于此，本研究用ABAS 軟件得到的單模板（一對一）和多模板（十對一）兩種方式，并將在兩種方式下自動勾畫的OAR 導入宮頸癌患者的CT圖像上，然后將以此得到的放射治療計劃與手工勾畫OAR的原始計劃進行劑量學比較，旨在評估ABAS 軟件在放射治療計劃中的劑量學精度，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018—2019年我院收治的10例宮頸癌患者，年齡47～70歲，中位年齡55歲。本研究經醫院醫學倫理委員會審核批準；所有患者均無遠處轉移，且接受VMAT。

1.2 自動勾畫的模板數據庫來源及ABAS 軟件自動勾畫原理

1.2.1 自動勾畫的模板數據庫來源

患者取仰臥位，在飛利浦Brilliance Bigbore 螺旋CT 下，以5 mm 的層厚掃描，將掃描得到的CT 圖像傳送至醫師工作站（OTP，醫科達公司），為保證勾畫的一致性，由1名有豐富經驗的放射治療醫師手工勾畫OAR（包括脊髓、左/右腎、直腸、膀胱、左/右股骨頭、左/右髂骨、小腸），并由上級主任醫師審查，然后將圖像傳輸到ABAS 軟件（V2.01，醫科達公司），以此作為自動勾畫的模板數據庫。

1.2.2 ABAS 軟件自動勾畫原理

另選取10例與研究對象一般資料無顯著差異的宮頸癌患者作為測試對象，在ABAS 軟件上進行單模板（隨機選取1例模板對1例測試患者圖像進行一對一的自動勾畫）和多模板（選取10例模板對1例測試患者圖像進行十對一的自動勾畫）兩種方式下的自動勾畫，最后將自動勾畫好的CT 圖像傳至放射治療計劃系統（Pinnacle 9.2m，飛利浦公司），并對其進行計劃設計，其中，OAR 受量限值同手工勾畫一致。

1.3 放射治療計劃設計

采用Pinnacle 9.2m 計劃設計系統和6 MV X 線，兩弧分別為順時針184°～176°和逆時針176°～184°；采用完全卷積算法計算劑量，計劃要求靶區處方劑量包繞95%的體積，計劃靶區（planning target volume，PTV）處方劑量為49.95 Gy/27次，OAR 的劑量限值參照國際輻射單位與測量委員會（International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU）83號報告[6]。

1.4 自動勾畫評估指標

相似性系數（dice similarity coefficient，DSC）為形狀吻合度的評估指標，范圍為0～1，當兩者有較好的相似性時，DSC接近1，并設定DSC＞0.70為吻合度高[7]。計算公式為DSC=Va∩Vb/（Va+Vb）/2，其中，Va為ABAS 軟件自動勾畫的器官體積，Vb為手工勾畫的器官體積，Va∩Vb為兩者重疊部分的體積。

1.5 放射治療計劃劑量學評估

將在手工勾畫OAR 的CT 圖像上制定的計劃定義為原始計劃，并將其分別導入單模板和多模板兩種方式下自動勾畫OAR 的CT 圖像上，得到相應的劑量分布；通過劑量體積直方圖（dose-volume histogram，DVH）評估10例患者在3種勾畫方式（手工勾畫、單模板勾畫和多模板勾畫）下OAR 的受量，即脊髓Dmax、腎V20、直腸V50、膀胱V50、股骨頭V45、髂骨V40、小腸V40（Vx表示器官接受x 劑量的體積占總體積的百分比，Dmax表示最大劑量）。

1.6 統計學處理

2 結果

2.1 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫OAR 的體積與DSC

無論是單模板還是多模板，自動勾畫中脊髓和左/右股骨頭的DSC均＞0.85，直腸、左/右髂骨、左/右腎的DSC均＞0.73，且多模板明顯高于單模板，其更接近手工勾畫；單模板和多模板兩種方式勾畫的膀胱、小腸的DSC均＜0.70，體積差異分別達到25.5%和37.7%，見表1。圖1是單模板和多模板兩種方式下自動勾畫的OAR 及手工勾畫的橫斷面示意圖，由圖可知，多數自動勾畫的OAR 與手工勾畫接近，其中多模板勾畫的OAR 與手工勾畫更接近；但對于層面差別較大的器官——膀胱和小腸，單模板和多模板兩種方式勾畫的結果與手工勾畫均存在一些偏差，需要修改后才能用于臨床。當不借助ABAS 軟件時，手工勾畫OAR 約需要60 min，ABAS 軟件單模板勾畫OAR 約需要2 min，ABAS 軟件多模板勾畫OAR 約需要10 min；醫師在自動勾畫圖像上修改約需要15 min。

圖1 基于模板自動勾畫OAR 與手工勾畫的結果比較

表1 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫OAR 的體積與DSC（±s，10例）

表1 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫OAR 的體積與DSC（±s，10例）

注：OAR 為危及器官，ABAS 軟件為自動勾畫軟件，DSC 為相似性系數

OAR 體積（cm3） DSC手工勾畫 單模板勾畫 多模板勾畫 單模板勾畫 多模板勾畫膀胱 411.08±150.35 281.72±98.57 306.34±102.53 0.53±0.31 0.61±0.10直腸 33.70±15.59 38.55±17.98 33.65± 16.71 0.73±0.26 0.81±0.08小腸 2 303.07±89.61 1 433.98±65.81 1 560.87± 71.62 0.33±0.2 0.41±0.14左髂骨 139.89±56.23 128.00±52.43 133.87± 58.76 0.75±0.16 0.81±0.05右髂骨 128.51±50.38 125.70±51.35 129.79± 55.74 0.78±0.14 0.83±0.06左腎 201.59±74.56 171.84±67.42 216.46± 85.21 0.81±0.13 0.83±0.02右腎 191.81±72.83 176.79±70.53 201.67± 75.54 0.82±0.15 0.84±0.03脊髓 28.50±12.45 27.71±11.73 28.37± 13.01 0.87±0.09 0.93±0.01左股骨頭 62.64±30.85 53.09±27.35 60.34± 29.73 0.85±0.12 0.89±0.04右股骨頭 63.63±31.09 56.44±29.63 60.73±3 0.12 0.87±0.03 0.91±0.07

2.2 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫的OAR 劑量分布比較

多模板勾畫的OAR 劑量優于單模板，更接近手工勾畫的計劃劑量；單模板勾畫及多模板勾畫的膀胱V50和小腸V40與手工勾畫比較，差異均有統計學意義（P＜0.05）；不同勾畫方式的其他劑量學指標比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），見表2。圖2是自動勾畫與手工勾畫OAR的DVH，由圖可知，多模板和單模板兩種自動勾畫方式的DVH 與手工勾畫大體一致。

圖2 自動勾畫與手工勾畫OAR 的DVH

表2 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫的OAR 劑量分布比較（±s，10例）

表2 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫的OAR 劑量分布比較（±s，10例）

注：OAR 為危及器官，ABAS 軟件為自動勾畫軟件；Vx 表示器官接受x 劑量的體積占總體積的百分比，Dmax 表示最大劑量；a表示手工勾畫與單模板勾畫比較，b 表示手工勾畫與多模板勾畫比較，c 表示單模板勾畫與多模板勾畫比較

OAR 手工勾畫 單模板勾畫 多模板勾畫 Pa Pb Pc膀胱V50（%） 39.75±15.47 45.18±20.16 45.09±21.34 ＜0.001 ＜0.001 0.281直腸V50（%） 36.35±13.61 25.19±8.37 20.15±4.73 0.143 0.215 0.312小腸V40（%） 12.26±4.14 25.31±8.16 25.42±9.52 ＜0.001 ＜0.001 0.543左髂骨V40（%） 22.05±5.93 24.39±6.59 23.14±6.05 0.237 0.351 0.457右髂骨V40（%） 22.01±5.74 27.21±8.01 25.18±8.23 0.264 0.382 0.416左腎V20（%） 21.30±6.43 25.12±7.59 21.46±5.78 0.361 0.394 0.472右腎V20（%） 18.59±3.05 26.14±8.61 20.34±5.26 0.325 0.409 0.453脊髓Dmax（cGy） 3 895.80±365.80 3 784.40±375.90 3 877.30±401.30 0.451 0.489 0.503左股骨頭V45（%） 3.60±0.60 6.10±0.70 5.20±0.30 0.531 0.578 0.619右股骨頭V45（%） 3.50±0.40 6.80±0.50 5.20±0.20 0.542 0.605 0.718

3 討論

作為目前國際先進的放射治療技術，VMAT 可利用具有影像引導功能的高性能直線加速器和治療計劃系統得到最優的放射治療計劃。與其他放射治療技術比較，VMAT的適應證更廣，引起的不良事件更少。該技術可達到提高腫瘤病灶控制率，延長患者生存時間的目的，這就要求醫師更加仔細地勾畫靶區和OAR。手工勾畫宮頸癌OAR 的時間較長（約需要1 h），因此，縮短醫師勾畫時間和提高勾畫精確度成了當前國內外研究的焦點。林金勇等[8]關于頭頸部腫瘤OAR 的勾畫研究發現，在ABAS 軟件中，以多模板勾畫的OAR 劑量分布與手工勾畫的原始計劃最相似。胡彩容等[9]關于食管癌OAR 的勾畫研究發現，單模板和多模板兩種自動勾畫方式與手工勾畫的劑量學比較無明顯差異。

在放射治療中，OAR 的受量影響了患者的生命質量，因此，本研究用ABAS 軟件得到單模板和多模板兩種方式，并將在兩種方式下自動勾畫的OAR 導入宮頸癌患者的CT圖像上，得到兩種方式下的放射治療計劃，并將其與手工勾畫OAR 的原始計劃的劑量學進行比較。本研究結果顯示，多模板勾畫OAR 的DSC高于單模板，其更接近手工勾畫，但兩種方式勾畫的膀胱、小腸的DSC均＜0.70，體積差異分別達到25.5%和37.7%，推測膀胱的DSC小可能與定位時患者膀胱的充盈情況不同有關，而小腸的DSC小可能由上、下層面變化較大導致。本研究結果亦顯示，多模板勾畫的OAR 劑量優于單模板，更接近手工勾畫的計劃劑量；單模板勾畫及多模板勾畫的膀胱V50和小腸V40與手工勾畫比較，差異均有統計學意義（P＜0.05）；不同勾畫方式的其他劑量學指標比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。

綜上所述，將ABAS 軟件應用于宮頸癌OAR 勾畫中，縮短了醫師勾畫OAR 的時間，且多模板勾畫方式相較于單模板更接近于手工勾畫。