基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的放療靶區(qū)自動勾畫系統(tǒng)設(shè)計與功能實現(xiàn)

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；放療；自動勾畫；危及器官；大體腫瘤體積；臨床腫瘤體積

0 引言

近年來，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)在醫(yī)療信息化領(lǐng)域中的深入應(yīng)用，信息技術(shù)在輔助臨床診療方面發(fā)揮著越來越重要的作用。深度學(xué)習(xí)作為人工智能的重要分支，在醫(yī)學(xué)圖像自動分割領(lǐng)域具有準(zhǔn)確性高、可靠性高、學(xué)習(xí)性強、數(shù)據(jù)處理能力強等優(yōu)勢，展現(xiàn)出巨大潛力并得到廣泛應(yīng)用[1]，而臨床診療手段也在隨著信息技術(shù)的進步不斷豐富和完善。

放射治療是惡性腫瘤常規(guī)治療手段之一。在放射治療的過程中，醫(yī)生需要逐層對患者的CT掃描圖像進行腫瘤靶區(qū)和危及器官（Organ At Risk，OAR） 的精準(zhǔn)勾畫。以往主要依靠放射科臨床醫(yī)生手動完成病人放療前OAR、大體腫瘤體積（Gross Tumor Volume，GTV） 、臨床腫瘤體積（Clinical Tumor Volume，CTV） 的勾畫，不僅耗費時間長、診療效率低，而且不同醫(yī)生勾畫的正常器官也會有所差異[2]，更有可能延誤患者的治療時間，增加醫(yī)患矛盾，不利于構(gòu)建和諧安寧的醫(yī)患關(guān)系。

腫瘤治療通常有三種方式：手術(shù)治療、化學(xué)藥物治療、放射治療。放療技術(shù)的進步促進了精準(zhǔn)放療的發(fā)展，在與日俱增的精準(zhǔn)放療需求背景下，為使治療時間縮短、效果提高、副作用減少、不良反應(yīng)降低，迫切要求醫(yī)務(wù)人員提高工作效率，滿足患者及時、高效、精確治療的需求。精準(zhǔn)放療不僅依賴于先進的成像與治療設(shè)備，OAR、GTV、CTV的高精度勾畫也是實施精確放療的關(guān)鍵技術(shù)和手段。對此，醫(yī)院引入一套基于OAR自動分割以及器官和組織三維重建等技術(shù)的放療靶區(qū)自動勾畫系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一套專門針對放射治療圖像處理的軟件，能輔助醫(yī)生在放療前完成對腫瘤及相關(guān)器官和組織的輪廓勾畫。醫(yī)生利用系統(tǒng)分析處理后的影像信息，確定腫瘤靶區(qū)和OAR的邊界，為患者制訂個性化放射治療計劃提供了依據(jù)[3]。

該系統(tǒng)與醫(yī)院現(xiàn)有的放療系統(tǒng)及影像歸檔和通信系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication System，PACS） 無縫對接，通過人工智能技術(shù)實現(xiàn)OAR、GTV、CTV的自動勾畫。同時，系統(tǒng)能根據(jù)臨床醫(yī)生的勾畫風(fēng)格調(diào)整完成自適應(yīng)模型，滿足科室的臨床應(yīng)用及科研需求，不僅提高了影像勾畫的精準(zhǔn)度和患者滿意度，也提升了放療科醫(yī)療、教學(xué)、科研等各項工作的質(zhì)量和效率。本文介紹了上述基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的放療靶區(qū)自動勾畫系統(tǒng)，對其設(shè)計與功能實現(xiàn)進行了闡述，并對其應(yīng)用效果作出了說明。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用主流可擴展的B/S軟件架構(gòu)，系統(tǒng)開發(fā)采用主流的編程語言：前端界面開發(fā)使用HTML、tChSoSn、、JCa+v+aS等cr語ipt言等，語算言法，設(shè)后計端使開用發(fā)C使++用、PJyathvoanSc等rip語t、言Py。?在保證數(shù)據(jù)安全性、時效性、準(zhǔn)確性和易用性的同時，系統(tǒng)具有更方便的功能擴充和與其他系統(tǒng)對接融合的能力。

系統(tǒng)遵循國際醫(yī)學(xué)數(shù)字成像與通信（Digital Imag? ing and Communications in Medicine，DICOM） 3.0標(biāo)準(zhǔn)，可處理CR、DX、CT、MR、PET、SPECT 等設(shè)備輸出的DICOM 3.0接口圖像，可輸出DICOM 3.0格式圖像文件和RT Structure文件。系統(tǒng)支持DICOM Query/Re? trieve、DICOM Storage SCP（Service Class Provider） 、SDeIrCvOicMe 等St接ora口ge服 SC務(wù)U，（S支erv持ic放e C療la靶ss 區(qū)Us勾er）畫 、影DIC像O數(shù)M 據(jù)W傳eb輸、勾畫、配準(zhǔn)等功能，并包含了國內(nèi)多家頂級三甲醫(yī)院醫(yī)生的臨床診斷勾畫標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)支持的DICOM接口服務(wù)內(nèi)容如表1所示。

1.2 接口設(shè)計

系統(tǒng)接口分為內(nèi)部接口和外部接口。內(nèi)部接口是客戶端與服務(wù)器之間進行的數(shù)據(jù)交互，接口設(shè)計遵從表象化狀態(tài)轉(zhuǎn)變（Representational State Transfer，REST） 應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，采用輕量級、無狀態(tài)的數(shù)據(jù)交互方式。客戶端通過REST協(xié)議與服務(wù)器進行交互，獲得后臺系統(tǒng)算法分析得出的數(shù)據(jù)結(jié)果，從而為用戶的臨床診斷勾畫提供輔助。外部接口是服務(wù)器與PACS系統(tǒng)之間進行的數(shù)據(jù)交互，接口設(shè)計遵從DICOM協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。服務(wù)器通過DICOM協(xié)議與PACS系統(tǒng)進行通信，接收PACS系統(tǒng)傳輸?shù)腄ICOM 格式數(shù)據(jù)并進行分析處理，最后將分析處理的圖像數(shù)據(jù)回傳到PACS服務(wù)器中進行存儲歸檔。

1.3 安全性設(shè)計

系統(tǒng)安全性設(shè)計涵蓋網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全兩個方面。

在網(wǎng)絡(luò)安全方面，系統(tǒng)部署于醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)，并通過防火墻、防病毒軟件等安全設(shè)備保障運行環(huán)境的安全。

在數(shù)據(jù)安全方面，系統(tǒng)采用賬號密碼認(rèn)證和用戶權(quán)限管理機制，確保只有被授權(quán)的用戶才能訪問相應(yīng)數(shù)據(jù)；此外，系統(tǒng)僅允許通過Web客戶端瀏覽器進行數(shù)據(jù)訪問，進一步提高了數(shù)據(jù)的安全性。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

人工智能，特別是深度學(xué)習(xí)技術(shù)，已在自然語言處理、模式識別、圖像識別、語音識別等領(lǐng)域取得顯著成效。與傳統(tǒng)方法相比，深度學(xué)習(xí)在特征學(xué)習(xí)、魯棒性、泛化能力以及通用性等方面具有明顯優(yōu)勢。深度學(xué)習(xí)技術(shù)能夠自動提取數(shù)據(jù)的特征，無須人工干預(yù)，從而大幅度降低了特征工程的復(fù)雜性和對專業(yè)知識的依賴[4]。同時，基于深度學(xué)習(xí)的圖像分割方法能夠使用多種方式自動提取更豐富的特征信息，在器官分割中具有快速、準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)勢，已逐漸成為圖像分割領(lǐng)域的首選方法[5]。

放療靶區(qū)自動勾畫系統(tǒng)基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單一鍵輕松勾畫。在PACS系統(tǒng)將患者圖像信息傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)后，放療科醫(yī)生只須點擊勾畫按鍵，即可實現(xiàn)OAR、GTV、CTV的自動勾畫，而放療科醫(yī)生只須進行少量修改甚至某些器官無須修改即可完成。但任何自動勾畫技術(shù)只能輔助臨床診療，圖像在經(jīng)自動勾畫處理后，必須經(jīng)人工審核及修改后才能用于患者的治療[1，6-7]。

系統(tǒng)包括勾畫客戶端和系統(tǒng)管理端兩部分，實現(xiàn)用戶權(quán)限管理、影像組學(xué)分析、影像數(shù)據(jù)獲取、腫瘤區(qū)域標(biāo)定、腫瘤區(qū)域分割、腫瘤特征提取和量化、影像數(shù)據(jù)庫建立、輔助靶區(qū)勾畫等功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 勾畫客戶端主要功能

1） 用戶訪問控制。用戶通過用戶名和密碼登錄客戶端系統(tǒng)，若輸入錯誤系統(tǒng)會提示錯誤信息。管理員可對用戶角色及權(quán)限進行配置，根據(jù)不同用戶角色配置不同的功能權(quán)限。

2） 影像數(shù)據(jù)管理。影像數(shù)據(jù)管理包括公共數(shù)據(jù)集和個人數(shù)據(jù)集兩種數(shù)據(jù)集的管理。

公共數(shù)據(jù)集：公用數(shù)據(jù)的存儲空間，存放系統(tǒng)與大型醫(yī)療設(shè)備直聯(lián)獲取的影像，或與PACS系統(tǒng)對接獲取的影像，并按來源對影像設(shè)備進行分類管理。管理員在后臺對公共數(shù)據(jù)集進行配置，使獲得授權(quán)的用戶能查看公共數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)，并能進行勾畫、修改、刪除等操作。

個人數(shù)據(jù)集：用戶個人的數(shù)據(jù)存儲空間，用戶可新建、編輯或刪除個人數(shù)據(jù)集中的文件夾，實現(xiàn)對影像數(shù)據(jù)的個性化管理。系統(tǒng)支持用戶將公共數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)歸檔到個人數(shù)據(jù)集，或從移動存儲介質(zhì)拷貝影像存入個人數(shù)據(jù)集的不同文件夾。

3） 影像勾畫。影像勾畫是系統(tǒng)的核心功能，包含多種專業(yè)性的醫(yī)學(xué)影像分析處理和勾畫工具，主要用于系統(tǒng)性地顯示放療影像以及對腫瘤靶區(qū)進行定位勾畫。在臨床診療過程中，放療科醫(yī)生結(jié)合患者影像，并借助系統(tǒng)自動識別其日常閱片和影像勾畫習(xí)慣的性能，能準(zhǔn)確劃定出患者的腫瘤范圍，為后續(xù)給患者實施腫瘤放射治療提供了高效準(zhǔn)確的技術(shù)性支持。影像處理和勾畫工具主要包括斷層影像滾動、三維影像融合、影像聯(lián)動設(shè)置、畫筆、替換、反向替換、筆刷、圓形輪廓、復(fù)制輪廓層、撤銷輪廓編輯、擦除輪廓等。

4） 影像融合。影像融合功能可以將每位患者多種成像模式的影像信息結(jié)合在一起，即將患者在不同影像設(shè)備、不同時期所做的檢查圖像結(jié)合起來。通過空間位置的匹配，并結(jié)合各種不同類型模態(tài)圖像的優(yōu)點和特征信息[8]，使臨床醫(yī)生能夠同時瀏覽多種形式的圖像，從而針對患者的病情進行精準(zhǔn)定位和快速綜合分析。

系統(tǒng)能實現(xiàn)不同類型三維影像之間的相互融合，包括兩種CT設(shè)備影像、兩種MR設(shè)備影像、CT設(shè)備影像與MR設(shè)備影像等不同模態(tài)三維影像之間的融合。為方便臨床醫(yī)生操作，系統(tǒng)影像融合界面包括三個區(qū)域：影像信息區(qū)、工具區(qū)和圖像顯示區(qū)。

影像信息區(qū)：包含患者數(shù)據(jù)、信息以及相關(guān)操作等內(nèi)容，如患者姓名、圖像總數(shù)和圖像序列描述、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖等屬性。用戶可在此區(qū)域選擇查看被加載和選中序列的影像詳情，進而選擇具體的序列在顯示區(qū)進行圖像展示。

工具區(qū)：包含圖像瀏覽過程中的常規(guī)基本處理工具，如顯示和隱藏信息層、顯示和隱藏十字線、設(shè)置窗寬和窗位、縮放、拖動、放大鏡、重置等。

圖像顯示區(qū)：主要以多平面重建（Multi-Planar Re? construction，MPR） 方式呈現(xiàn)當(dāng)前需要融合的兩個序列的圖像。MPR是指先將掃描范圍內(nèi)所有軸位圖像疊加起來，再對某些標(biāo)線標(biāo)定的重組線所制定的組織進行冠狀面、矢狀面、橫斷面圖像顯示。兩個序列圖像在同一個空間創(chuàng)建MPR，默認(rèn)只顯示一個二維橫斷面視圖、二維矢狀面視圖和二維冠狀面視圖[7]，用戶也可根據(jù)實際需要更改顯示設(shè)置。

5） 輔助靶區(qū)勾畫。輔助靶區(qū)勾畫功能主要包括全身OAR自動勾畫、多癌種GTV、CTV勾畫、對腫瘤區(qū)域進行標(biāo)定、分割、腫瘤特征的提取和量化、勾畫顯示、手動勾畫、個性化勾畫等。

2.2 系統(tǒng)管理端主要功能

1） 管理員訪問控制。系統(tǒng)可設(shè)置一個超級管理員賬號，該賬號擁有所有權(quán)限，且不可被刪除。所有子賬號都在該賬號管理下操作，所有子賬號的創(chuàng)建、刪除等權(quán)限都通過超級管理員賬號授予。

2） 機構(gòu)管理。機構(gòu)管理用于管理機構(gòu)和科室。系統(tǒng)可顯示醫(yī)院和科室的詳情介紹，包括醫(yī)院的概況和員工清單、每個科室的基礎(chǔ)信息和科室人員列表等信息。管理員可根據(jù)實際情況對機構(gòu)或科室信息進行編輯、添加、刪除等維護操作。

3） 數(shù)據(jù)與設(shè)備管理。主要包括對公共數(shù)據(jù)集、影像設(shè)備、接收器、規(guī)則等內(nèi)容的管理。公共數(shù)據(jù)集管理用于對公共數(shù)據(jù)進行分類管理，能顯示公共數(shù)據(jù)集列表和公共數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)信息，便于管理員查詢和管理公共數(shù)據(jù)。設(shè)備管理用于管理接入系統(tǒng)的影像設(shè)備，系統(tǒng)能顯示設(shè)備列表以及設(shè)備名稱、IP地址、端口號等基礎(chǔ)信息，便于管理員對影像設(shè)備進行增、刪、改、查等維護管理操作。接收器管理能顯示接收器列表及其基礎(chǔ)信息，包括接收器的名稱、端口號、創(chuàng)建時間等內(nèi)容。規(guī)則管理用于管理數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則，管理員可自定義數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)規(guī)則，根據(jù)需要設(shè)置規(guī)則名稱、準(zhǔn)入設(shè)備等條件，以及定義OAR的模板和數(shù)據(jù)自動導(dǎo)出的參數(shù)。

4） 用戶管理。系統(tǒng)提供了用戶權(quán)限分級分類管理，用以保障系統(tǒng)分級授權(quán)審批和數(shù)據(jù)安全，支持權(quán)限從高到低的系統(tǒng)管理員、高級用戶和普通用戶三種用戶類型，且低級別的用戶不能創(chuàng)建高級別的用戶。

5） 結(jié)構(gòu)管理。主要包括勾畫設(shè)置、結(jié)構(gòu)設(shè)置、模板設(shè)置等功能。勾畫設(shè)置提供CTV設(shè)置選項，管理員可根據(jù)臨床實際工作需要創(chuàng)建某個科室專用的、與檢查明細(xì)關(guān)聯(lián)的CTV。結(jié)構(gòu)設(shè)置分類型詳細(xì)列出系統(tǒng)支持的所有OAR，管理員可根據(jù)需要通過結(jié)構(gòu)名稱或代碼來搜索對應(yīng)的OAR結(jié)構(gòu)，并可根據(jù)個人習(xí)慣修改備注、類型或顏色等參數(shù)。模板設(shè)置提供OAR模板設(shè)置功能，管理員可根據(jù)臨床實際工作需要創(chuàng)建某個科室專用的模板。

6） 系統(tǒng)管理。主要包括系統(tǒng)快捷方式設(shè)置、掛片布局設(shè)置、窗寬和窗位設(shè)置、勾畫設(shè)置及頭頸部CT顯示參數(shù)、通用配置、后處理功能、頭頸部CT顯示參數(shù)、MR序列定義等高級功能設(shè)置。

7） 日志管理。日志管理用于記錄用戶日常操作和系統(tǒng)運行狀況，回溯歷史信息。管理員可在操作日志中通過設(shè)置操作模塊、操作時間范圍等條件來查詢用戶曾在系統(tǒng)上執(zhí)行過的操作，根據(jù)日期查詢系統(tǒng)運行日志，以便在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能快速準(zhǔn)確地定位原因，提高問題處理效率。

8） 意見管理。意見管理支持顯示意見列表，管理員可在意見管理界面統(tǒng)一管理用戶反饋的意見，根據(jù)提交的用戶名稱和時間范圍查詢意見信息。

3 結(jié)束語

本文從深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)圖像分割中的優(yōu)勢，以及傳統(tǒng)手動腫瘤勾畫的弊端和精準(zhǔn)放療需求進行切入，引入了放療靶區(qū)自動勾畫系統(tǒng)在放射治療中的優(yōu)勢與作用，介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計與核心功能實現(xiàn)。與依賴醫(yī)生經(jīng)驗且存在主觀差異的手動勾畫相比，自動勾畫方法可顯著減輕醫(yī)生工作量，提高勾畫效率和一致性，具有更高的臨床應(yīng)用價值[9]。

放療靶區(qū)自動勾畫系統(tǒng)的引入不僅提高了臨床腫瘤靶區(qū)勾畫的效率，減輕放療科醫(yī)生工作負(fù)擔(dān)，加速放療準(zhǔn)備階段，使患者能更快接受治療[10-12]，提高影像勾畫的精準(zhǔn)度和患者滿意度，同時也滿足科室的臨床應(yīng)用及科研需求，提升了放療科醫(yī)、教、研、防等各項工作的質(zhì)量和效率。未來將繼續(xù)加強深度學(xué)習(xí)技術(shù)在提高魯棒性和泛化能力、優(yōu)化實時性能、提高腫瘤靶區(qū)勾畫精準(zhǔn)度等方面的研究，使其更適用于實際應(yīng)用場景。