定量評價Atlas模板庫病例數(shù)目對宮頸癌危及器官自動勾畫的影響

王金媛，徐壽平，2，劉博，鄭慶增，張慧娟，楊微，曲寶林，2

1.中國人民解放軍總醫(yī)院放療科，北京100853；2.北航大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)醫(yī)療高精尖創(chuàng)新中心，北京100083；3.北京航空航天大學(xué)圖像處理中心，北京100191；4.北京老年醫(yī)院放療科，北京100095

前言

放射治療是惡性腫瘤的主要治療手段之一，約50%～70%的腫瘤患者需要在治療過程中實施放射治療［1］。新技術(shù)的發(fā)展對放射治療過程中每個環(huán)節(jié)的精確度要求嚴(yán)苛，為確保精確治療，3D圖像上精確的輪廓勾畫是一個重要環(huán)節(jié)。放射治療開始之前，腫瘤及其相關(guān)的所有危及器官都要被勾畫出來，以便在實施劑量計算后對靶區(qū)和各危及器官進(jìn)行定量的評估。常規(guī)的醫(yī)生手動勾畫存在諸多弊端：過程繁瑣，耗費大量的時間和人力，從而導(dǎo)致器官勾畫效率較為低下；輪廓的勾畫存在人為誤差，帶有一定的主觀性，準(zhǔn)確性、重復(fù)性差。自動勾畫軟件的出現(xiàn)能夠在一定程度上改善這種差異。目前市場上已出現(xiàn)多種可以實現(xiàn)自動勾畫功能的商用軟件，其中大部分軟件是基于圖譜的自動勾畫（Atlas-Based Auto-Segmentation,ABAS），即將已有CT圖像上的輪廓形變配準(zhǔn)到新CT圖像上。雖然自動勾畫完成后的結(jié)果仍需要部分的修改才能滿足臨床要求，但與手動勾畫相比仍能夠大大減少臨床人員勾畫的時間和工作負(fù)荷［2］。

本研究基于圖譜實施宮頸癌危及器官自動勾畫，探討和評價圖譜庫入庫病例數(shù)對自動勾畫結(jié)果的影響，以期探索影響自動勾畫優(yōu)劣的可能因素，得出臨床上可實施的解決方案，從而為自動輪廓勾畫更好運用于臨床提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗方法

選取2014年7月～2017年4月解放軍總醫(yī)院收治的130例宮頸癌患者，其中120例為建庫圖像，10例為目標(biāo)圖像。患者均采用體膜固定，仰臥位行定位掃描，定位前0.5 h飲用500 mL水并進(jìn)行憋尿。采用Siemens大孔徑CT（Siemens SOMATOM 64排）實施CT掃描，層厚為3 mm，將所得圖像通過DICOM傳輸至Eclipse計劃系統(tǒng)（Ver10.0）。由一名經(jīng)驗豐富的臨床醫(yī)生在CT圖像上手動勾畫出危及器官，目標(biāo)勾畫包括膀胱、直腸和雙側(cè)股骨頭，對目標(biāo)圖像勾畫進(jìn)行計時并定義為參考勾畫（Vref）。

應(yīng)用MIM Maestro軟件（Ver 6.6.5）采用留一法（Leave-one-out）建立4套病例數(shù)不同的宮頸癌圖譜庫（30、60、90、120例），分別應(yīng)用4個圖譜庫、不同的勾畫匹配數(shù)目（3和9）對10例目標(biāo)圖像進(jìn)行危及器官的自動勾畫并分別計時，將勾畫匹配數(shù)目選擇為3時，30、60、90、120例圖譜庫的自動勾畫（Automatic Contouring,AC）結(jié)果定義為VAC-30-3、VAC-60-3、VAC-90-3、VAC-120-3；將勾畫匹配數(shù)目選擇為9時，自動勾畫結(jié)果分別定義為VAC-30-9、VAC-60-9、VAC-90-9、VAC-120-9。運用評價參數(shù)，將各組自動勾畫的結(jié)果與Vref進(jìn)行比較，得出模板數(shù)目對自動勾畫結(jié)果的影響。

1.2 評價參數(shù)

勾畫時間：包括自動勾畫和手動勾畫的時間。手動勾畫時間為從打開CT圖像到最后一個危及器官勾畫完成的時間。自動勾畫時間為從打開CT圖像到勾畫結(jié)束的時間。

Dice相似性系數(shù)（Dice Similarity Coefficient,DSC）［3］：

其中，Vref為參考勾畫的體積，Vauto為自動勾畫的體積。

質(zhì)心偏差（Deviation of Centroid,DC）：

敏感性指數(shù)（Sensitivity Index,SI）［4］：

包容性系數(shù)（Inclusiveness Index,IncI）［5］：

Jaccard系數(shù)（Jaccard Index,JAC）［6］：

Hausdorff距離（Hausdorff Distance,HD）［7］，假設(shè)有兩組集合X={x1,…,xn}、Y={y1,…,yn}，則這兩個點集合之間的Hausdorff距離定義為：

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 22軟件分析MIM軟件的勾畫結(jié)果，采用單因素方差法對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，并采用最小顯著性差異法（LSD）進(jìn)行事后多重比較，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

勾畫匹配數(shù)為3時，危及器官勾畫結(jié)果的對比如圖1所示，勾畫結(jié)果參數(shù)統(tǒng)計如表1所示；勾畫匹配數(shù)為9時，危及器官勾畫結(jié)果如表2所示。

圖1 不同模板數(shù)目勾畫結(jié)果示意圖（匹配數(shù)目為3）Fig 1 Schematic diagram of segmentation results obtained by different Atlas databases(matching number:3)

2.1 時間結(jié)果

當(dāng)匹配數(shù)目為3和9時，4組自動勾畫時間基本相同（1.31～1.39 min，5.07～5.24 min），均小于手動勾畫所需時間（10.25 min），表明圖譜庫中模板病例數(shù)的增加不引起自動勾畫時間的增加。勾畫匹配數(shù)的增加會引起自動勾畫時間的增加，但仍低于手動勾畫所需時間。

2.2 膀胱結(jié)果

勾畫匹配數(shù)為3時，30、60、90例圖譜庫的自動勾畫結(jié)果分別與120例圖譜庫自動勾畫結(jié)果之間的SI具有顯著性差異（P＜0.05），120例圖譜庫自動勾畫結(jié)果的SI低于其他3組，其他3組結(jié)果之間沒有差異性；勾畫匹配數(shù)為9時，各圖譜庫自動勾畫結(jié)果之間無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。

2.3 直腸結(jié)果

匹配數(shù)目為3時，30例圖譜庫的DSC（0.44±0.13）差于120例圖譜庫勾畫結(jié)果（0.57±0.14）（P＜0.05），其他3組勾畫結(jié)果基本一致（DSC均值0.52～0.57），SI顯示30例圖譜庫的勾畫結(jié)果顯著小于90、120例圖譜庫的勾畫結(jié)果（P＜0.05），HD顯示120例圖譜庫顯著小于30例和60例圖譜庫（P＜0.05），JAC表明30例圖譜庫顯著小于120例圖譜庫勾畫結(jié)果（P＜0.05）；勾畫匹配數(shù)為9時，各評價參數(shù)中僅HD有統(tǒng)計學(xué)意義，30、60、90例圖譜庫的自動勾畫結(jié)果大于120例圖譜庫的自動勾畫結(jié)果。

2.4 雙側(cè)股骨頭結(jié)果

匹配數(shù)目為3和9時，4組圖譜庫的自動勾畫結(jié)果之間沒有顯著性差異，均處于較好的水平。

3 討論

放療技術(shù)的飛速發(fā)展使治療方式從二維照射發(fā)展為三維適形、調(diào)強(qiáng)和立體定向放射治療，新技術(shù)的發(fā)展對放射治療過程中每個環(huán)節(jié)的精確度要求逐漸嚴(yán)格，為了提高腫瘤控制率、最大限度地保護(hù)危及器官、確保精確治療，精確的輪廓勾畫是重要的一步。常規(guī)的醫(yī)生手動勾畫危及器官，不僅花費的時間較長，而且還存在勾畫者間的差異性，對于自適應(yīng)放療來說，雖然重新定位以及制定計劃會明顯地提高其腫瘤覆蓋率并且極大程度地保護(hù)危及器官［8］，但重復(fù)定位后的輪廓勾畫在無形中加重了醫(yī)生的任務(wù)，因而臨床上對自動勾畫軟件工具的需求迫切［9］。

表1 不同圖譜庫自動勾畫危及器官的結(jié)果（匹配數(shù)為3）（±s）Tab 1 Results of auto-segmentation of organs-at-risk by different Atlas databases(matching number:3)(Mean±SD)

表1 不同圖譜庫自動勾畫危及器官的結(jié)果（匹配數(shù)為3）（±s）Tab 1 Results of auto-segmentation of organs-at-risk by different Atlas databases(matching number:3)(Mean±SD)

DSC：Dics相似性系數(shù)；SI：敏感性指數(shù)；IncI：包容性指數(shù)；DC：質(zhì)心偏差；JAC：Jaccard系數(shù)；HD：Hausdorff距離；各個符號代表不同組之間具有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05），*表示VAC-30-3與VAC-120-3之間具有統(tǒng)計學(xué)差異；△表示VAC-60-3與VAC-120-3之間具有統(tǒng)計學(xué)差異；○表示VAC-90-3與VAC-120-3之間具有統(tǒng)計學(xué)差異；□表示VAC-30-3與VAC-90-3之間具有統(tǒng)計學(xué)差異

參數(shù)膀胱DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC直腸DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC左側(cè)股骨頭DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC右側(cè)股骨頭DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC VAC-30-3VAC-60-3VAC-90-3VAC-120-3P值0.79±0.15 0.95±0.03 0.70±0.19 0.98±0.85 3.68±2.15 0.67±0.18 0.84±0.07 0.95±0.03 0.75±0.10 0.61±0.32 2.88±1.09 0.72±0.10 0.83±0.09 0.94±0.04 0.76±0.13 0.67±0.46 3.18±1.52 0.72±0.13 0.84±0.05 0.90±0.07 0.80±0.11 0.65±0.38 3.20±2.01 0.73±0.08 0.65*△○0.46 0.40 0.78 0.77 0.44±0.13 0.40±0.15 0.52±0.14 1.66±0.99 3.85±0.41 0.29±0.12 0.52±0.06 0.50±0.06 0.56±0.12 1.59±0.80 3.84±0.78 0.36±0.06 0.54±0.07 0.52±0.08 0.57±0.11 1.61±0.76 3.68±0.57 0.37±0.07 0.57±0.14 0.56±0.18 0.61±0.14 1.03±0.63 3.03±1.40 0.41±0.12**□0.55 0.27*△*0.87±0.02 0.90±0.07 0.85±0.04 0.16±0.07 1.18±0.38 0.78±0.05 0.86±0.04 0.87±0.09 0.87±0.05 0.23±0.14 1.28±0.42 0.75±0.06 0.86±0.03 0.87±0.07 0.86±0.06 0.23±0.13 1.26±0.41 0.76±0.04 0.88±0.03 0.90±0.06 0.87±0.05 0.19±0.11 1.08±0.31 0.79±0.05 0.28 0.59 0.70 0.44 0.65 0.26 0.86±0.03 0.93±0.06 0.81±0.05 0.25±0.12 1.44±0.25 0.76±0.04 0.85±0.03 0.88±0.07 0.83±0.06 0.27±0.17 1.32±0.31 0.74±0.05 0.85±0.05 0.89±0.06 0.83±0.09 0.27±0.20 1.42±0.39 0.75±0.07 0.87±0.03 0.90±0.07 0.86±0.06 0.18±0.10 1.46±0.29 0.78±0.04 0.56 0.38 0.42 0.50 0.77 0.49

表2 不同圖譜庫自動勾畫危及器官的參數(shù)結(jié)果（匹配數(shù)為9）（±s）Tab 2 Results of auto-segmentation of organs-at-risk by different Atlas databases(matching number:9)(Mean±SD)

表2 不同圖譜庫自動勾畫危及器官的參數(shù)結(jié)果（匹配數(shù)為9）（±s）Tab 2 Results of auto-segmentation of organs-at-risk by different Atlas databases(matching number:9)(Mean±SD)

各個符號代表不同組之間具有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05），*表示VAC-30-9與VAC-120-9之間具有統(tǒng)計學(xué)差異；△表示VAC-60-9與VAC-120-9之間具有統(tǒng)計學(xué)差異；○表示VAC-90-9與VAC-120-9之間具有統(tǒng)計學(xué)差異

參數(shù)膀胱DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC直腸DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC左側(cè)股骨頭DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC右側(cè)股骨頭DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC VAC-30-9VAC-60-9VAC-90-9VAC-120-9P值0.81±0.14 0.96±0.02 0.72±0.20 0.90±0.76 3.20±1.91 0.69±0.18 0.85±0.09 0.94±0.03 0.79±0.14 0.65±0.54 2.85±1.36 0.75±0.12 0.86±0.10 0.95±0.03 0.79±0.15 0.61±0.59 2.81±1.66 0.76±0.13 0.87±0.05 0.93±0.05 0.82±0.10 0.48±0.17 2.22±0.60 0.77±0.07 0.51 0.31 0.44 0.35 0.50 0.55 0.52±0.13 0.45±0.16 0.64±0.13 1.42±0.81 3.23±0.68 0.35±0.11 0.51±0.11 0.46±0.14 0.61±0.14 1.74±0.81 3.64±0.64 0.35±0.10 0.50±0.11 0.45±0.13 0.60±0.14 1.66±0.82 3.25±0.62 0.34±0.10 0.60±0.15 0.56±0.18 0.68±0.17 1.03±0.67 2.31±0.55 0.44±0.14 0.28 0.30 0.60 0.19*△○0.15 0.89±0.02 0.91±0.05 0.87±0.06 0.18±0.07 0.86±0.27 0.80±0.03 0.88±0.02 0.88±0.05 0.89±0.04 0.18±0.10 0.80±0.14 0.79±0.03 0.87±0.07 0.87±0.14 0.93±0.09 0.20±0.14 0.83±0.27 0.77±0.08 0.89±0.02 0.88±0.05 0.90±0.04 0.19±0.10 0.86±0.15 0.80±0.04 0.60 0.78 0.36 0.99 0.94 0.65 0.88±0.03 0.91±0.06 0.86±0.05 0.20±0.10 0.82±0.28 0.79±0.04 0.87±0.03 0.90±0.06 0.85±0.05 0.25±0.12 0.84±0.28 0.78±0.05 0.87±0.06 0.89±0.11 0.87±0.06 0.21±0.16 0.87±0.36 0.77±0.09 0.89±0.02 0.90±0.04 0.88±0.03 0.17±0.11 0.84±0.27 0.80±0.04 0.70 0.90 0.57 0.44 0.99 0.65

在國內(nèi)外對于自動輪廓勾畫的研究中發(fā)現(xiàn)，自動勾畫軟件可以一定程度上改善勾畫者間的差異性，對于復(fù)雜部位的勾畫能得到較為滿意的結(jié)果，并且可減少醫(yī)生的勾畫時間，從而提高工作效率。大部分的研究內(nèi)容圍繞單圖譜和多圖譜［10-11］之間的勾畫結(jié)果比較、對自動勾畫軟件的勾畫結(jié)果評價［12］、自動勾畫軟件間比較［13］、勾畫者差異性比較［14-15］、對劑量的影響［16］等，對于勾畫優(yōu)劣影響因素的探索、多評價指數(shù)分析以及大數(shù)據(jù)勾畫模板庫的建立使用并沒有較多研究提及［17-19］。

本研究通過改變圖譜庫入庫病例數(shù)發(fā)現(xiàn)，對于MIM軟件而言圖譜庫中模板病例數(shù)的增加不會引起自動勾畫時間的增加，說明圖譜庫的大小不會影響勾畫效率，與手動勾畫相比節(jié)省了勾畫時間。

對于邊界較為明顯的膀胱來說，勾畫匹配數(shù)選擇3時，30例圖譜庫的DSC平均值為0.79，而其他3組的DSC平均值為0.83～0.84，說明30例圖譜庫的勾畫結(jié)果較其他3組略差，但都高于0.70［20］，均基本可滿足臨床應(yīng)用需要，而且隨著模板數(shù)增加存在變好的趨勢。60例和90例圖譜庫的勾畫結(jié)果較為相近，120例圖譜庫的勾畫結(jié)果相對較好，勾畫匹配數(shù)選擇為9時得出了類似的結(jié)論。

對于直腸的自動勾畫，勾畫匹配數(shù)選擇3時，30例圖譜庫的勾畫結(jié)果差于其他3組，4組結(jié)果的DSC均處于較低值范圍（0.44～0.57），30例與60例圖譜庫的結(jié)果相近，90例與120例圖譜庫結(jié)果相近；勾畫匹配數(shù)選擇9時，30、60、90例圖譜庫的勾畫結(jié)果相似，都略差于120例圖譜庫的勾畫結(jié)果，120例圖譜庫的勾畫結(jié)果相對較好，但綜合比較發(fā)現(xiàn)，不管模板數(shù)增加與否，直腸作為形變較大的器官，其充盈程度無法控制，而且直腸的形狀因人而異，是勾畫較為困難的組織，勾畫結(jié)果的DSC均在0.5左右浮動，勾畫結(jié)果整體略差。

對于雙側(cè)股骨頭來說，由于其骨性標(biāo)志明顯，即使利用較小圖譜庫也能得到較好的勾畫結(jié)果（DSC＞0.85）。

綜上所述，對于骨性標(biāo)志明顯的結(jié)構(gòu)，由于邊界清晰，圖譜庫選擇30例就能夠得到較好的效果，但對于其他器官，采用30例圖譜庫勾畫時整體結(jié)果較差，對60例以上的圖譜庫而言雖然較大的圖譜庫略有優(yōu)勢，但臨床中建立120例與60例圖譜庫相比，工作量增加1倍。因此，對于宮頸癌患者來說，利用MIM軟件實施基于圖譜的自動勾畫時建議采用60例作為臨床模板庫病例數(shù)就基本能滿足臨床的需要。當(dāng)然，對于影響自動勾畫結(jié)果的更多因素，仍需進(jìn)一步的探索。