AccuLearning自動(dòng)勾畫(huà)臨床靶區(qū)和危及器官用于宮頸癌術(shù)后放療的可行性研究

陳飛 龔筱欽 余云鵬 游濤 王旭 戴春華 胡靜

江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院放療科（江蘇鎮(zhèn)江 212000）

宮頸癌早期患者常選擇手術(shù)聯(lián)合術(shù)后輔助放射治療，從而能控制腫瘤復(fù)發(fā)以及提高患者生存率［1-3］。調(diào)強(qiáng)放射治療（intensity modulated radiation therapy， IMRT）是宮頸癌放療的主要手段之一，其中臨床靶區(qū)（clinical target volume，CTV）和危及器官（organs at risk，OARs）的準(zhǔn)確勾畫(huà)是實(shí)施IMRT的必要前提［4-7］。手動(dòng)勾畫(huà)是一項(xiàng)耗時(shí)費(fèi)力的任務(wù)，目前較多研究集中于自動(dòng)勾畫(huà)軟件的研發(fā)［8-9］。但因醫(yī)生手動(dòng)勾畫(huà)的認(rèn)知不同，自動(dòng)勾畫(huà)軟件無(wú)法一直滿足各放療中心對(duì)自動(dòng)勾畫(huà)精度的要求［10］。AccuLearning （AL）是一款基于U-net 的深度學(xué)習(xí)自主訓(xùn)練軟件，可供臨床訓(xùn)練數(shù)據(jù)從而生成新的自動(dòng)勾畫(huà)模型，但是關(guān)于其能否應(yīng)用臨床還尚未有相關(guān)研究。本研究基于本院宮頸癌術(shù)后患者CT 影像數(shù)據(jù)，分析AL 模型自動(dòng)勾畫(huà)CTV和OARs 的幾何學(xué)和劑量學(xué)精度，評(píng)估其應(yīng)用于臨床可行性。

1 資料與方法

1.1 臨床資料選取2019 年1 月至2022 年12 月本院收治的75 例早期宮頸癌術(shù)后放療患者，放療體位為仰臥位，以負(fù)壓真空墊固定。CT 定位使用Philips 公司大孔徑模擬定位CT（Brilliance CT big bore），重建CT 層厚和層間距為3 mm。將掃描獲取CT 圖像傳輸至Eclipse 13.6 治療計(jì)劃系統(tǒng)，由2 名放療醫(yī)師手動(dòng)勾畫(huà)CTV 及OARs。CTV 勾畫(huà)參照RTOG 宮頸癌臨床靶區(qū)勾畫(huà)標(biāo)準(zhǔn)。OARs 包括：腸袋、直腸、膀胱、骨髓、右側(cè)股骨頭和左側(cè)股骨頭，其中腸袋勾畫(huà)是將小腸與乙狀結(jié)腸、升結(jié)腸、橫結(jié)腸和降結(jié)腸最外邊緣相連。所有勾畫(huà)結(jié)構(gòu)均由有經(jīng)驗(yàn)的主任醫(yī)師審核并修改確認(rèn)，并定義為評(píng)估自動(dòng)勾畫(huà)效果的“金標(biāo)準(zhǔn)”。本研究獲醫(yī)院倫理委員會(huì)審核通過(guò)（KY2023K0903）。

1.2 方法隨機(jī)抽取60 例CT 圖像數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，應(yīng)用AL 訓(xùn)練數(shù)據(jù)生成新的自動(dòng)勾畫(huà)模型。自動(dòng)勾畫(huà)模型導(dǎo)入至AccuContour 并對(duì)剩余15 例CT進(jìn)行自動(dòng)勾畫(huà)測(cè)試，統(tǒng)計(jì)15 例患者自動(dòng)勾畫(huà)輪廓的相關(guān)幾何學(xué)參數(shù)以及勾畫(huà)效率進(jìn)行分析。

1.3 放療計(jì)劃設(shè)計(jì)物理師用Eclipse 13.6 計(jì)劃系統(tǒng)在自動(dòng)勾畫(huà)CTV 和OARs 的CT 上設(shè)計(jì)IMRT計(jì)劃，直線加速器選擇Truebeam STx，能量是6 MV X 射線，劑量率是600 MU/min。計(jì)劃選用固定7 野動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)，射野角度為160°、115°、50°、0°、310°、245°以及200°。處方劑量為50 Gy/25 次，且要求100%的處方劑量線包含95%的CTV。OARs限量如下：腸袋V30（接受≥ 30 Gy 劑量照射的體積占總體積的百分比，下同）＜ 40%，V40 ＜ 30%；直腸 V40 ＜ 60%，V50 ＜ 30%；膀胱V50 ＜ 50%；骨髓平均劑量Dmean ＜ 30 Gy；右側(cè)股骨頭以及左側(cè)股骨頭 Dmean ＜ 15 Gy。所有計(jì)劃均由2 名資深物理師復(fù)核，最后將上述15 例測(cè)試集患者的IMRT 計(jì)劃導(dǎo)入到手動(dòng)勾畫(huà)的CT 上形成新的劑量分布。

1.4 評(píng)估指標(biāo)戴斯相似系數(shù)（dice similarity coefficient，DSC），用來(lái)評(píng)估兩種勾畫(huà)方式的重合相似度，范圍0 ～ 1，越接近1 表示重合度越好。計(jì)算公式DSC =2（Vm∩Vα）/（Vm+Vα），Vm、Va 分別表示手動(dòng)勾畫(huà)和自動(dòng)勾畫(huà)結(jié)構(gòu)；Hausdorff 距離（Hausdorff Distance，HD），表示手動(dòng)和自動(dòng)勾畫(huà)輪廓最短距離的最大值，其值越小表示自動(dòng)勾畫(huà)輪廓的重復(fù)度越高。假設(shè)兩組結(jié)構(gòu)集合X=｛x1，x2，······，xn｝，Y=｛y1，y2，······，yn｝，則HD 公式為

通過(guò)劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）統(tǒng)計(jì)兩種勾畫(huà)方式的CTV 和OARs 的劑量學(xué)參數(shù)。CTV 參數(shù)如下：2%、98% CTV 所接受的照射劑量D2、D98；90%、95%的處方劑量覆蓋CTV的百分比V90%、V95%；平均劑量（mean dose，Dmean）；均勻指數(shù)（homogeneity index，HI），計(jì)算公式HI = D5/D95，D5、D95 表示5%、95% CTV 所接受的照射劑量；OARs 參數(shù)如下：腸袋和直腸V30、V40、V50、Dmean，膀胱V50、Dmean，骨髓、右側(cè)股骨頭以及左側(cè)股骨頭Dmean。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法采用SPSS 22.0 軟件統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，勾畫(huà)效率和劑量學(xué)參數(shù)比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)，P＜ 0.05 則認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 勾畫(huà)效率比較由表1可見(jiàn)，CTV和OARs各結(jié)構(gòu)自動(dòng)勾畫(huà)所需平均時(shí)間在34 s左右。手動(dòng)勾畫(huà)各結(jié)構(gòu)所需時(shí)間長(zhǎng)短不等，CTV的手動(dòng)勾畫(huà)時(shí)間最長(zhǎng)（3 158.00 s）；其次是骨髓和腸袋，分別為1 582.87 s和1 382.00 s；膀胱、直腸、右側(cè)股骨頭和左側(cè)股骨頭手動(dòng)勾畫(huà)時(shí)間較少，都在100 ～ 300 s 之間。自動(dòng)勾畫(huà)各結(jié)構(gòu)所需時(shí)間均明顯少于手動(dòng)勾畫(huà)所需時(shí)間，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜ 0.001）。

表1 手動(dòng)勾畫(huà)與自動(dòng)勾畫(huà)各結(jié)構(gòu)的時(shí)間比較Tab.1 Time comparision for each structure between auto and manual segmentation ±s

表1 手動(dòng)勾畫(huà)與自動(dòng)勾畫(huà)各結(jié)構(gòu)的時(shí)間比較Tab.1 Time comparision for each structure between auto and manual segmentation ±s

參數(shù)CTV腸袋直腸膀胱骨髓右側(cè)股骨頭左側(cè)股骨頭手動(dòng)勾畫(huà)（s）3 158.00 ± 405.78 1 382.00 ± 145.71 174.20 ± 13.76 212.80 ± 12.66 1 582.87 ± 51.81 138.60 ± 7.50 137.40 ± 8.93自動(dòng)勾畫(huà)（s）34.93 ± 3.77 33.80 ± 2.78 34.00 ± 2.90 34.27 ± 2.74 34.00 ± 2.98 34.00 ± 2.80 34.40 ± 2.61時(shí)間節(jié)省百分比（%）98.89 97.55 80.48 83.90 97.85 75.47 74.64 t值29.873 35.829 39.405 50.548 115.394 49.138 46.195 P值＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001

2.2 幾何學(xué)參數(shù)結(jié)果圖1 為CTV 和OARs 的CT示意圖，可看出大多數(shù)層面的自動(dòng)勾畫(huà)效果較好，部分層面仍需要人工修改。表2 結(jié)果顯示：CTV 的DSC 均值為0.90；腸袋和直腸DSC 低于其他OARs，均值≤ 0.90；膀胱、骨髓、股骨頭DSC 均值≥ 0.91。腸袋和直腸HD 值最大，均值在10 mm 左右；其次是CTV 和膀胱，分別為4.23 mm 和4.48 mm；其余結(jié)構(gòu)HD均值＜ 3 mm。表3 將本研究中DSC 值與其他文獻(xiàn)做了對(duì)比，顯示 AL 模型與其他研究結(jié)果DSC值相當(dāng)［11-15］。

圖1 手動(dòng)勾畫(huà)和自動(dòng)勾畫(huà)CT圖像橫斷面示意圖Fig.1 Cross-section diagram of CT image of auto and manual segmentation

表2 各結(jié)構(gòu)自動(dòng)勾畫(huà)輪廓幾何學(xué)參數(shù)結(jié)果（n=15）Tab.2 Geometric results of automatic segmentation for all structures （n=15）±s

表2 各結(jié)構(gòu)自動(dòng)勾畫(huà)輪廓幾何學(xué)參數(shù)結(jié)果（n=15）Tab.2 Geometric results of automatic segmentation for all structures （n=15）±s

參數(shù)DSC HD（mm）CTV 0.90 ± 0.02 4.23 ± 0.92腸袋0.90 ± 0.03 10.58 ± 3.43直腸0.87 ± 0.07 9.48 ± 7.82膀胱0.91 ± 0.08 4.48 ± 3.97骨髓0.92 ± 0.01 1.56 ± 0.33右側(cè)股骨頭0.94 ± 0.03 1.79 ± 0.83左側(cè)股骨頭0.94 ± 0.02 2.55 ± 0.97

表3 AL 自動(dòng)勾畫(huà)DSC 值與其他類(lèi)似研究結(jié)果對(duì)比（均值）Tab.3 Summary of DSC values of AL and other similar study （mean）

2.3 劑量學(xué)參數(shù)比較圖2 為1 例宮頸癌術(shù)后患者DVH 圖，由圖可看出OARs 受照劑量相當(dāng)，部分手動(dòng)勾畫(huà)CTV 劑量不足。表4 顯示手動(dòng)勾畫(huà)CTV的D98、V90%、V95%、Dmean、HI 值和自動(dòng)勾畫(huà)CTV 相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜ 0.05）；D2 值的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞ 0.05）。腸袋V50，膀胱V50的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜ 0.05）。

圖2 自動(dòng)勾畫(huà)和手動(dòng)勾畫(huà)劑量體積直方圖Fig.2 A dose volume histogram of auto and manual segmentation

表4 自動(dòng)勾畫(huà)與手動(dòng)勾畫(huà)劑量學(xué)參數(shù)比較結(jié)果Tab.4 The dosimetirc difference between auto and maunal segmentation ±s

表4 自動(dòng)勾畫(huà)與手動(dòng)勾畫(huà)劑量學(xué)參數(shù)比較結(jié)果Tab.4 The dosimetirc difference between auto and maunal segmentation ±s

參數(shù)CTV D98（Gy）D2（Gy）V90（%）V95（%）Dmean（Gy）HI腸袋V30（%）V40（%）V50（%）Dmean（Gy）直腸V30（%）V40（%）V50（%）Dmean（Gy）膀胱V50（%）Dmean（Gy）骨髓Dmean（Gy）右側(cè)股骨頭Dmean（Gy）左側(cè)側(cè)股骨頭Dmean（Gy）手動(dòng)勾畫(huà)47.54 ± 1.00 51.52 ± 0.12 99.25 ± 0.49 98.09 ± 0.85 50.64 ± 0.09 1.05 ± 0.01 36.38 ± 4.52 17.39 ± 4.04 4.16 ± 2.07 26.25 ± 1.88 84.88 ± 3.90 43.35 ± 6.44 2.59 ± 1.68 37.19 ± 0.68 19.95 ± 7.50 43.31 ± 2.32 25.70 ± 0.84 11.41 ± 1.33 11.20 ± 1.33自動(dòng)勾畫(huà)49.70 ± 0.05 51.52 ± 0.13 100.00 ± 0.00 100.00 ± 0.00 50.82 ± 0.05 1.03 ± 0.00 34.92 ± 1.32 15.76 ± 2.52 2.95 ± 1.01 26.01 ± 1.06 85.94 ± 3.56 44.51 ± 5.37 2.31 ± 1.63 37.40 ± 0.74 17.01 ± 5.29 42.64 ± 2.00 25.75 ± 0.88 11.32 ± 1.41 11.43±1.55 t值-8.212-0.435-5.856-8.675-7.315 7.005 1.472 2.049 2.579 0.558-1.036-0.927 0.622-0.922 4.063 1.927-0.996 0.636-1.954 P值＜ 0.001 0.670＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001＜ 0.001 0.163 0.060 0.022 0.586 0.318 0.370 0.544 0.372 0.001 0.074 0.336 0.535 0.071

3 討論

隨著放療技術(shù)精度的日益增高以及自適應(yīng)放療技術(shù)的發(fā)展，腫瘤靶區(qū)和危及器官自動(dòng)勾畫(huà)的研究顯得尤為重要［16-19］。目前基于深度學(xué)習(xí)的自動(dòng)勾畫(huà)技術(shù)已明顯優(yōu)于基于圖庫(kù)自動(dòng)勾畫(huà)技術(shù)，但AL 軟件應(yīng)用于臨床的可行性還有待進(jìn)一步研究［20-21］。幾何學(xué)指標(biāo)雖然能從相似度方面評(píng)估自動(dòng)勾畫(huà)的效果，但其沒(méi)考慮到劑量學(xué)差異，因此不能直接作為自動(dòng)勾畫(huà)是否滿足臨床應(yīng)用的評(píng)價(jià)指標(biāo)［22-25］。因此本研究從幾何學(xué)、劑量學(xué)以及勾畫(huà)效率方面對(duì)AL 自動(dòng)勾畫(huà)的CTV 和OARs 能否應(yīng)用于宮頸癌術(shù)后放療做了詳細(xì)分析。

本研究將手動(dòng)勾畫(huà)和自動(dòng)勾畫(huà)的時(shí)間做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)勾畫(huà)大大縮短了時(shí)間，提高了放療效率。其中股骨頭節(jié)省時(shí)間最少，約75%；CTV、腸袋以及骨髓，節(jié)省時(shí)間達(dá)到了95%以上。DSC、HD 是評(píng)價(jià)自動(dòng)勾畫(huà)精度常用的指標(biāo)，何奕松等［26］認(rèn)為DCS ＞ 0.7 且HD ＜ 20 mm 時(shí)，自動(dòng)勾畫(huà)與手動(dòng)勾畫(huà)相似性較高。本研究中DSC 值最小為0.87，HD 值最大才10 mm 左右，均滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)出較高的相似性。而且本研究結(jié)果與近幾年類(lèi)似研究相比，發(fā)現(xiàn)DSC 值與其他研究結(jié)果相當(dāng)，這也表明AL 對(duì)于宮頸癌術(shù)后CTV 和OARs 的自動(dòng)勾畫(huà)效果是理想的。

本研究中物理師基于自動(dòng)勾畫(huà)的CTV和OARs設(shè)計(jì)IMRT 計(jì)劃，并將其導(dǎo)入到手動(dòng)勾畫(huà)CTV 和OARs的CT上，比較其劑量分布差異。CTV除了D2差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其余劑量學(xué)評(píng)估指標(biāo)均具有差異性。表明CTV 高劑量區(qū)沒(méi)有差別，手動(dòng)勾畫(huà)CTV 部分區(qū)域劑量不足，所以CTV 在應(yīng)用于設(shè)計(jì)IMRT 計(jì)劃之前，仍需對(duì)其做進(jìn)一步的修改。OARs 的劑量均滿足IMRT 計(jì)劃的限值要求，僅有部分劑量參數(shù)存在一定的差異性，但并不影響其應(yīng)用于臨床，因此在臨床使用中，可適當(dāng)放寬對(duì)危及器官精度的要求。

雖然本研究結(jié)果表現(xiàn)出較好的自動(dòng)勾畫(huà)效果，但仍有一些局限性：（1）驗(yàn)證病例數(shù)較少；（2）所有CT 影像數(shù)據(jù)均來(lái)自本放療中心，不能代表其他放療中心。今后可嘗試增加病例數(shù)以及多中心建模，從而測(cè)試AL 軟件的魯棒性和泛化能力。

綜上所述，AL 生成的宮頸癌術(shù)后CTV 和OARs自動(dòng)勾畫(huà)模型取得了較好的自動(dòng)勾畫(huà)效果。AL自動(dòng)勾畫(huà)技術(shù)提高了臨床醫(yī)生勾畫(huà)各結(jié)構(gòu)的效率，OARs 具有直接應(yīng)用于臨床的可能性，但CTV在應(yīng)用于臨床前仍需做進(jìn)一步修改。在今后研究中，可考慮優(yōu)化改進(jìn)自動(dòng)勾畫(huà)模型，嘗試提高CTV自動(dòng)勾畫(huà)精度。

【Author contributions】CHEN Fei designed the study and wrote the article. GONG Xiaoqin and YU Yunpeng performed the study.YOU Tao and WANG Xu collected and analyzed the data. DAI Chunhua reviewed the study process. HU Jing designed the study and revised the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.

【Conflict of interest】The authors declare no conflict of interest.