自動(dòng)勾畫(huà)臨床靶區(qū)和危及器官用于制定早期乳腺癌保乳術(shù)后放療計(jì)劃

龔筱欽,陳 飛,胡 靜,楊靈杰,戴春華,張開(kāi)軍,游 濤,3*

(1.江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院放療科,江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2.中國(guó)人民解放軍63680部隊(duì)醫(yī)院超聲科,江蘇 無(wú)錫 214400;3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第四師醫(yī)院放療科,新疆 伊犁 835000)

乳腺癌保乳術(shù)后輔助放射治療(放療)可進(jìn)一步提高腫瘤局部控制率、降低術(shù)后復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。準(zhǔn)確勾畫(huà)臨床靶區(qū)(clinical target volume, CTV)和危及器官(organs at risk, OAR)為放療重要環(huán)節(jié),也是生成放療計(jì)劃及精準(zhǔn)實(shí)施放療的關(guān)鍵。自動(dòng)勾畫(huà)可較人工勾畫(huà)節(jié)約時(shí)間、縮小不同醫(yī)師者間勾畫(huà)結(jié)果的差異[1-5],有助于制定放療計(jì)劃[6-7]。本研究分析自動(dòng)勾畫(huà)CTV及OAR用于制定乳腺癌術(shù)后放療計(jì)劃的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2016年3月—2021年6月52例在江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院接受放療的女性右側(cè)乳腺癌保乳術(shù)后患者,年齡29～67歲、中位年齡44.5歲;腫瘤臨床分期均為T1-2N0M0,術(shù)后僅行右側(cè)全乳補(bǔ)充放療,CTV體積325～1 374 cm3、中位體積536.5 cm3。排除合并其他系統(tǒng)惡性腫瘤及圖像質(zhì)量不佳者。本研究獲醫(yī)院倫理委員會(huì)審核通過(guò)(KY2021K0901)。檢查前由患者或家屬簽署知情同意書(shū)。

1.2 儀器與方法 采用Philips 16排大孔徑CT模擬定位機(jī)(Brilliance Big Bore)進(jìn)行放療定位。囑患者仰臥,雙手抱肘置于額頭,以真空墊固定其體位;以管電壓120 kV、管電流80 mA、層厚和層間距均為3 mm自下頜掃描至肝臟下緣。

1.2.1 手動(dòng)勾畫(huà)CTV、OAR及制定放療計(jì)劃 將CT圖像上傳至Varian Eclipse治療計(jì)劃系統(tǒng),由1名放療科主任醫(yī)師(醫(yī)師1)參考相關(guān)指南[8]標(biāo)準(zhǔn)勾畫(huà)CTV和OAR(包括雙側(cè)肺、肝臟、心臟、健側(cè)乳腺、食管及脊髓),并由另1名主任醫(yī)師(醫(yī)師2)進(jìn)行審核,以最終確定的CTV及OAR作為參考標(biāo)準(zhǔn)(reference standard, RS)。根據(jù)個(gè)體特點(diǎn)對(duì)乳腺癌原發(fā)灶瘤床進(jìn)行加量,結(jié)合術(shù)中銀夾標(biāo)記定位或術(shù)腔、瘢痕位置加以一定范圍外放。根據(jù)手動(dòng)勾畫(huà)CTV和OAR設(shè)計(jì)放療計(jì)劃,生成計(jì)劃記為Plan-RS。見(jiàn)圖1。

圖1 于各層面胸部軸位CT圖中手動(dòng)勾畫(huà)(綠色線)與自動(dòng)勾畫(huà)(藍(lán)色線)CTV和OAR的示意圖

1.2.2 自動(dòng)勾畫(huà)CTV、OAR及制定放療計(jì)劃 隨機(jī)選取40例(訓(xùn)練集)CT數(shù)據(jù),將其導(dǎo)入AccuLearningTM深度學(xué)習(xí)(deep learning, DL)軟件,經(jīng)訓(xùn)練學(xué)習(xí)生成自動(dòng)勾畫(huà)模型,用于自動(dòng)勾畫(huà)其余12例(測(cè)試集)CTV及OAR,并由醫(yī)師1對(duì)勾畫(huà)CTV結(jié)果進(jìn)行手動(dòng)修改。

根據(jù)醫(yī)師修改后的自動(dòng)勾畫(huà)CTV和OAR 在Varian Eclipse 13.6計(jì)劃系統(tǒng)中設(shè)計(jì)調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃,采用4組對(duì)穿野,角度分別為65°、55°,45°、35°,245°、235°和225°、215°,布野時(shí)可根據(jù)CTV個(gè)體差異適當(dāng)調(diào)整2°～3°;射線為6 MV X線,劑量率為600 MU/min,加速器為Truebeam STX。全乳放療CTV劑量50 Gy/25 Fx,單次劑量2 Gy,95%靶區(qū)體積接受的照射劑量(D95%)≥47.5 Gy。參照文獻(xiàn)[9],OAR中患側(cè)肺平均放療劑量(Dmean)<10 Gy,器官受到5 Gy劑量的相對(duì)體積(V5 Gy)<40%,器官受到20 Gy劑量的相對(duì)體積(V20 Gy)<20%;健側(cè)肺V5 Gy<20%;心臟(右側(cè)乳腺癌)Dmean<5 Gy,器官受到10 Gy劑量的相對(duì)體積(V10 Gy)<30%;健側(cè)乳腺Dmean<4 Gy,V20 Gy<5%;肝臟V5 Gy<20%;食管最大放療劑量(Dmax)<53 Gy;脊髓Dmax<40 Gy。最后將Plan-RS劑量投射于DL結(jié)果中,生成放療計(jì)劃,定義為Plan-DL。見(jiàn)圖2。

1.3 觀察指標(biāo) 采用戴斯相似系數(shù)(dice similarity coefficient, DSC)[10]評(píng)估DL與RS勾畫(huà)相似度,見(jiàn)公式(1);其中VA代表手動(dòng)勾畫(huà)輪廓的體積,VB代表自動(dòng)勾畫(huà)輪廓的體積;DSC取值范圍為0～1,越接近1表示自動(dòng)勾畫(huà)輪廓的精確度越高。

DSC=2(VA∩VB)/(VA+VB)

(1)

采用劑量-體積直方圖(dose-volume histogram, DVH)獲取CTV及OAR各劑量學(xué)參數(shù)。CTV劑量學(xué)參數(shù)包括D5%、D95%,V95%、V105%(VX%表示X%處方劑量所占靶區(qū)體積百分比),適形指數(shù)(conformity index, CI)[11]及均勻性指數(shù)(homegeneity index, HI)[12],見(jiàn)公式(2)和(3)。OAR劑量學(xué)參數(shù)包括患側(cè)肺Dmean、V5 Gy、V20 Gy,健側(cè)肺Dmean、V5 Gy,心臟Dmean、V10 Gy、V20 Gy,健側(cè)乳腺Dmean、V20 Gy,肝臟Dmean、V5 Gy,食管Dmax及脊髓Dmax。對(duì)比Plan-RS與Plan-DL中CTV和OAR劑量學(xué)參數(shù)的差異。

CI=(VT,ref/VT)×(VT,ref/Vref)

(2)

HI=D5%/D95%

(3)

其中,VT,ref表示參考等劑量線與靶區(qū)重疊部分體積,VT為靶區(qū)體積,Vref為參考等劑量線體積。CI取值范圍為0～1,值越大,適形度越好。D5%表示5%靶區(qū)體積劑量,D95%表示95%靶區(qū)體積劑量。HI值越大,表示處方劑量分布越不均勻。

記錄醫(yī)師1手動(dòng)勾畫(huà)測(cè)試集CTV、OAR所需時(shí)間,以及自動(dòng)勾畫(huà)模型勾畫(huà)CTV(輔以醫(yī)師1手動(dòng)修改)、OAR的時(shí)間。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料,行t檢驗(yàn);以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示不符合者,行Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

自動(dòng)勾畫(huà)與醫(yī)師手動(dòng)勾畫(huà)測(cè)試集12例CTV的DSC為0.89,雙側(cè)肺、肝臟及心臟的DSC均>0.95,健側(cè)乳腺為0.85,脊髓為0.82,食管為0.81。Plan-RS與Plan-DL的CTV劑量學(xué)參數(shù)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05);其間健側(cè)肺、心臟及健側(cè)乳腺Dmean差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05),其余OAR劑量學(xué)參數(shù)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。見(jiàn)表1、2。

表1 測(cè)試集12例Plan-RS與Plan-DL CTV劑量學(xué)參數(shù)比較

表2 測(cè)試集12例Plan-RS與Plan-DL OAR劑量學(xué)參數(shù)比較

針對(duì)測(cè)試集中12例,自動(dòng)勾畫(huà)CTV(輔以醫(yī)師手動(dòng)修改)的時(shí)間,以及除脊髓外自動(dòng)勾畫(huà)各OAR的時(shí)間均較手動(dòng)勾畫(huà)時(shí)間縮短(P均<0.001)。見(jiàn)表3。

表3 針對(duì)測(cè)試集12例手動(dòng)與自動(dòng)勾畫(huà)CTV、OAR用時(shí)比較(s)

3 討論

精確設(shè)計(jì)放療計(jì)劃是實(shí)現(xiàn)放療質(zhì)量控制的關(guān)鍵。目前已有較多自動(dòng)勾畫(huà)軟件用于勾畫(huà)OAR,其精度與手動(dòng)勾畫(huà)相接近[13-14];自動(dòng)勾畫(huà)CTV效果亦較理想,但需經(jīng)臨床醫(yī)師審核修改[15-16]。通常以幾何學(xué)指標(biāo)評(píng)估自動(dòng)勾畫(huà)與手動(dòng)勾畫(huà)結(jié)果的相似性,DSC是其中最常用且最直觀的評(píng)估指標(biāo)之一。

本研究中,自動(dòng)勾畫(huà)與醫(yī)師手動(dòng)勾畫(huà)的CTV和OAR的DSC均>0.80,說(shuō)明二者具有較好的輪廓重復(fù)性;但幾何學(xué)指標(biāo)不能評(píng)價(jià)自動(dòng)勾畫(huà)是否滿足臨床應(yīng)用要求[17]。本研究從劑量學(xué)和勾畫(huà)時(shí)間方面進(jìn)一步分析自動(dòng)勾畫(huà)用于制定放療計(jì)劃的可行性,發(fā)現(xiàn)Plan-RS與Plan-DL的CTV劑量學(xué)參數(shù)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,且CTV處方劑量均能滿足臨床要求[9],不存在靶區(qū)遺漏或異常“劑量熱點(diǎn)”;Plan-RS及Plan-DL中,各結(jié)構(gòu)OAR的處方劑量均滿足臨床乳腺癌保乳術(shù)后放療計(jì)劃的劑量限值[9],且Plan-RS與Plan-DL之間除健側(cè)肺、心臟及健側(cè)乳腺Dmean差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外,其余OAR劑量學(xué)參數(shù)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,提示自動(dòng)勾畫(huà)的精確度較高。健側(cè)肺、心臟及健側(cè)乳腺Dmean存在差異的原因可能在于自動(dòng)勾畫(huà)健側(cè)乳腺部分層面不甚理想,影響心臟及同側(cè)肺受照劑量;且心臟輪廓邊界對(duì)比度低,如增強(qiáng)效果不明顯,可致部分層面不能很好地與周圍血管區(qū)分。進(jìn)一步對(duì)比勾畫(huà)時(shí)間,本研究發(fā)現(xiàn),相比醫(yī)師手動(dòng)勾畫(huà),基于深度學(xué)習(xí)的自動(dòng)勾畫(huà)可縮短勾畫(huà)用時(shí)。

綜上所述,基于深度學(xué)習(xí)的自動(dòng)勾畫(huà)可用于早期乳腺癌保乳術(shù)后制定放療計(jì)劃,將經(jīng)人工修改的自動(dòng)勾畫(huà)CTV及OAR用于制定放療計(jì)劃可滿足劑量要求,且能縮短勾畫(huà)時(shí)間。但本研究觀察對(duì)象均來(lái)自單中心,且樣本量有限,有待開(kāi)展多中心大樣本研究進(jìn)一步觀察。