自動勾畫軟件在腫瘤放射治療教學(xué)的應(yīng)用

馬海琳，王紀(jì)全，車少敏，韓蘇夏

(西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院腫瘤放射治療科，陜西 西安 710061)

放射治療是惡性腫瘤常規(guī)治療手段之一。隨著醫(yī)學(xué)影像、功能與分子影像、放射治療設(shè)備與技術(shù)的進(jìn)步，促成了精確放療時代的到來；與日俱增的精確放療需求，迫切地要求醫(yī)務(wù)人員提高工作效率，滿足患者及時、高效、精確治療的渴望。

精確放療依賴于計算機(jī)斷層掃描成像(CT)、核磁共振成像(MRI)、正電子發(fā)射斷層掃描成像(PET/CT)、錐形束計算機(jī)斷層掃描成像(CBCT)和相應(yīng)的醫(yī)學(xué)圖像信息智能處理技術(shù)，臨床靶區(qū)(CTV)、危及器官(OAR)的高精度勾畫是實(shí)施精確放療的前提和關(guān)鍵技術(shù)。目前，臨床上主要依靠醫(yī)生手工勾畫OAR、CTV，不僅效率低下，而且主觀性較強(qiáng)；因此，借助計算機(jī)信息處理和人工智能技術(shù)的發(fā)展，提供腫瘤放射治療CTV和OAR智能化、自動化勾畫軟件來解決問題，必然有廣闊的應(yīng)用前景。

腫瘤放射治療學(xué)是?？漆t(yī)學(xué)教育階段課程，基本內(nèi)容涉及醫(yī)學(xué)影像學(xué)、臨床病理學(xué)、腫瘤學(xué)、放射物理學(xué)、放射生物學(xué)、放射治療技術(shù)及其它臨床學(xué)科，涵蓋知識面非常廣泛[1]。我國現(xiàn)有的專科醫(yī)學(xué)教育多采用大班授課、分組實(shí)習(xí)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，在實(shí)際教學(xué)工作中已經(jīng)顯現(xiàn)出不足，基于帶教教師的認(rèn)識和臨床經(jīng)驗(yàn)，對于同一危及器官(OAR)和臨床靶區(qū)(CTV)，不同的教師會有不同的勾畫結(jié)果，甚至同一教師在不同時期亦有所不同，致使臨床教學(xué)缺乏系統(tǒng)性、規(guī)范性和實(shí)踐性。因此，要充分認(rèn)識腫瘤放射治療學(xué)科的專業(yè)性與特殊性、實(shí)踐性與拓展性，在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，充分利用新媒體教學(xué)、靶區(qū)自動勾畫軟件等現(xiàn)有資源，揚(yáng)長避短，開展腫瘤放射治療學(xué)的臨床教學(xué)工作。

1 放射治療的實(shí)施過程

腫瘤放射治療是一個復(fù)雜的過程(圖1)，需要腫瘤放療醫(yī)師、模擬定位技師、物理師、劑量師、治療技師、護(hù)士等多重角色參與，涉及到成像系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、計劃系統(tǒng)、治療系統(tǒng)、質(zhì)控QA系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等多個獨(dú)立的子系統(tǒng)。其中，靶區(qū)勾畫是臨床醫(yī)生和放療專業(yè)醫(yī)學(xué)生所必須掌握的基本技能。針對基于單一CT、MRI或PET影像進(jìn)行腫瘤靶區(qū)勾畫的不足，需要聯(lián)合腫瘤診斷PET/CT、PET/MRI、MRI、增強(qiáng)CT和放療模擬定位CT、在線CBCT等臨床上所有可用影像信息進(jìn)行腫瘤放療靶區(qū)和危及器官高精度勾畫。

圖1 放射治療工作流程

2 傳統(tǒng)手工勾畫的優(yōu)缺點(diǎn)

醫(yī)生根據(jù)患者CT圖像、CT/MRI、CT/PET等融合圖像手動勾畫放療靶區(qū)和危及器官，目的是最大限度提升靶區(qū)內(nèi)放射劑量，而周圍正常組織或器官免受或減少不必要的放射損傷。手動勾畫需要逐層閱片、勾畫，其優(yōu)點(diǎn)是可詳細(xì)了解腫瘤病變信息、毗鄰關(guān)系，全面而準(zhǔn)確的勾畫出CTV和OAR。然而，其缺點(diǎn)同樣突出，勾畫過程非常耗時；特別是頭頸部惡性腫瘤，如鼻咽癌、口咽癌等，在解剖結(jié)構(gòu)上，腫瘤周圍眾多危及器官毗鄰，且常糾纏不清。放療醫(yī)生不僅僅是靶區(qū)勾畫，更為重要的是針對每一位患者制定合理的、個體化診療方案和全程管理；勾畫靶區(qū)、計劃設(shè)計耗時過長，降低診療效率的同時，更是延誤了患者的治療時間，易造成醫(yī)患矛盾，不利于構(gòu)建和諧的醫(yī)患關(guān)系。

在制定放射治療計劃過程中，醫(yī)生基于患者CT圖像、CT/MRI融合圖像勾畫出OAR，而一個標(biāo)準(zhǔn)的CT圖像包含上百張圖片，醫(yī)生需要單獨(dú)在每個二維斷層中勾畫出危及器官的位置，其過程耗時；并且依賴于醫(yī)生認(rèn)知水平和熟練程度，不同層次的醫(yī)生效率參差不一；尤其是在基層醫(yī)院，缺乏經(jīng)驗(yàn)豐富的放療科醫(yī)生，更為拖沓。CTV是靶區(qū)勾畫技術(shù)難度最高、最耗時的部分，是放射治療控制腫瘤、防止復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵；受限于每位醫(yī)生的從業(yè)機(jī)構(gòu)、知識結(jié)構(gòu)、認(rèn)知水平和臨床經(jīng)驗(yàn)，專家勾畫與低年資醫(yī)生勾畫的重合程度較低；因?yàn)槊课会t(yī)生的從業(yè)經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn)不同，具體的治療方案也會不同，靶區(qū)兼顧的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同，很難有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

3 自動勾畫軟件的臨床應(yīng)用

腫瘤放射治療的基礎(chǔ)是依據(jù)醫(yī)學(xué)影像、功能與分子影像技術(shù)來明確腫瘤部位、邊界，準(zhǔn)確區(qū)分腫瘤與周圍正常組織器官的解剖關(guān)系。常規(guī)CT圖像分辨率較低，故不能僅憑CT圖像來準(zhǔn)確區(qū)分腫瘤邊界。因此，利用自動勾畫軟件系統(tǒng)的圖像配準(zhǔn)與融合技術(shù)，將增強(qiáng)CT、MRI及PET/CT等多模態(tài)影像與定位CT相結(jié)合，直觀地顯現(xiàn)更全面、精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)信息，從而有助于靶區(qū)的精確性；在提高臨床靶區(qū)受照射劑量的同時，降低危及器官放療并發(fā)癥的概率。OAR、CTV的智能化、自動化勾畫，其步驟包括：① 腫瘤多模態(tài)影像重建、配準(zhǔn)、融合等；② 自動提取腫瘤影像特征，從CT、CBCT、MRI、PET等多模態(tài)圖像數(shù)據(jù)中提取相應(yīng)的腫瘤影像組信息；③ 采用深度學(xué)習(xí)、人工智能、幾何水平集和/或統(tǒng)計理論方法等，進(jìn)行CTV和OAR的智能化、自動化勾畫。

目前，常用的自動勾畫軟件，如MIM、ABAS等能夠自動勾畫正常組織、器官和多模態(tài)圖像配準(zhǔn)融合，能有效解決手工勾畫效率低、主觀性強(qiáng)、精度差等問題，并最終影響放射治療計劃精確性和治療療效等[2-3]。它可以處理一整幅包含所有切片的CT圖像，以及一次性勾畫所有OAR，不需要很復(fù)雜的預(yù)處理及后處理；能夠在保證靶區(qū)勾畫高精準(zhǔn)的前提下，將勾畫時間大大縮短。陰秀娟等[4]用ABAS自動勾畫軟件評估了40例頭頸部腫瘤OAR自動勾畫的幾何精度，得到了與醫(yī)生手工勾畫偏差較小的結(jié)果，節(jié)省了42%～72%的勾畫時間。自動勾畫完成，醫(yī)生只需要對自動勾畫的靶區(qū)進(jìn)行審核、微調(diào)和修改，大大提高了工作效率、減少了工作量；同時經(jīng)過自動勾畫的影像可以給低年資醫(yī)生和醫(yī)學(xué)生提供參考，提升勾畫準(zhǔn)確率，減少出錯概率，實(shí)時地幫助醫(yī)生提高靶區(qū)勾畫的效率[5-6]。

自動勾畫軟件系統(tǒng)可以存貯已經(jīng)勾畫好的相關(guān)靶區(qū)的先驗(yàn)數(shù)據(jù)集，通過找出與待勾畫病灶最相似的靶區(qū)勾畫方案，與模板相配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)靶區(qū)的自動勾畫；在節(jié)省勾畫時間的同時，提高靶區(qū)和危及器官勾畫的一致性和規(guī)范性[7]。但是，基于圖譜庫的OAR、CTV自動勾畫，對于結(jié)構(gòu)差異和解剖部位不同的勾畫效果有所差別，需審核、修正才能滿足臨床需要[8]。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，對于OAR的勾畫，專家勾畫與自動勾畫的重合程度達(dá)到85%左右；CTV的實(shí)現(xiàn)難度會稍大一些，因?yàn)槊课会t(yī)生的認(rèn)知水平和經(jīng)驗(yàn)不同，很難做到統(tǒng)一。因此，數(shù)據(jù)庫數(shù)量越大越全，選擇模板圖像的吻合度越高，自動勾畫會越精確。

同樣在制定放射治療計劃過程中，基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行計劃自動設(shè)計，基于先驗(yàn)知識自動制定最優(yōu)放療計劃。針對每一例患者的治療計劃，通常需要放療醫(yī)師與物理師、劑量師對治療計劃進(jìn)行討論和反復(fù)修改，從而增加了工作量、延遲計劃時間。我們讓自動勾畫軟件系統(tǒng)學(xué)習(xí)優(yōu)秀醫(yī)生和劑量師的經(jīng)驗(yàn)，解決耗費(fèi)時間、計劃質(zhì)量參差不齊等問題；通過分析病例，根據(jù)分配的優(yōu)先級別選擇最終方案的先驗(yàn)的變化范圍，在分鐘量級內(nèi)優(yōu)化出最優(yōu)放療計劃。

4 自動勾畫軟件在腫瘤放射治療教學(xué)的應(yīng)用

自2016年購買MIM軟件并臨床應(yīng)用，主要用于頭頸部腫瘤及婦科腫瘤的靶區(qū)和OAR自動勾畫，并逐步開展臨床教學(xué)。針對不同期別頭頸部惡性腫瘤的靶區(qū)勾畫，因其解剖位置特殊、復(fù)雜的淋巴引流分區(qū)，相對狹小的空間內(nèi)功能重要的危及器官眾多，包括腦干、脊髓、眼球、晶體、視神經(jīng)及視交叉、內(nèi)耳、中耳、腮腺、頜下腺、顳頜關(guān)節(jié)、下頜骨、口腔、喉等危及器官或組織。傳統(tǒng)的人工勾畫需要高年資醫(yī)師連續(xù)工作4～8小時方能完成，且隨著放療的進(jìn)行，部分患者會出現(xiàn)體重減輕、腫瘤縮小、組織水腫等現(xiàn)象，導(dǎo)致解剖結(jié)構(gòu)的形變，從而需要多次勾畫，進(jìn)一步加重了工作負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)階段我們已積累、篩選構(gòu)建了部分頭頸部腫瘤及婦科腫瘤圖像數(shù)據(jù)庫，用于臨床工作與教學(xué)；數(shù)據(jù)庫中包含CT圖像和醫(yī)生手動勾畫的靶區(qū)與危及器官輪廓信息。在臨床教學(xué)過程中，例如鼻咽癌患者，首先由上級醫(yī)師指導(dǎo)年輕醫(yī)師、研究生實(shí)習(xí)醫(yī)師，選取合適病例，取仰臥位，以頭頸肩熱塑膜固定，選擇飛利浦大孔徑螺旋CT，以3mm層厚行增強(qiáng)掃描 CT 圖像，掃描得到的CT圖像數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)生工作站，由年輕醫(yī)師在數(shù)據(jù)庫中選取相應(yīng)的模板自動勾畫CTV和OAR，自我修改后再由上級醫(yī)師審核并適當(dāng)修改。通過近兩年的教學(xué)實(shí)踐，基于圖譜數(shù)據(jù)庫的MIM軟件系統(tǒng)，有效減少了勾畫時間，時長縮短為2～4小時，主要體現(xiàn)在OAR自動勾畫。在婦科腫瘤如宮頸癌的靶區(qū)勾畫中，時間縮短約1/3，這可能與宮頸癌放療計劃涉及OAR數(shù)目較少、膀胱充盈與排空狀態(tài)等有關(guān)。

MIM軟件系統(tǒng)的應(yīng)用，保證自動勾畫精度基本達(dá)到手工勾畫的要求，但對于小體積器官如視神經(jīng)、視交叉，邊界欠清器官如顳葉，仍與手工勾畫存在一定偏差。相比于傳統(tǒng)的手工勾畫，我們發(fā)現(xiàn)自動勾畫軟件具有諸多優(yōu)勢。年輕醫(yī)師可以調(diào)閱數(shù)據(jù)庫中已有的典型病例和不同期別的腫瘤圖譜資料，便于初學(xué)者自學(xué)和重復(fù)學(xué)習(xí)；在自動勾畫基礎(chǔ)上自我修改，減少了因經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)識不足出現(xiàn)錯誤和漏洞的可能，同時減少了人為誤差和差異，增加了靶區(qū)勾畫的一致性；最后由上級醫(yī)師審核，可以及時發(fā)現(xiàn)問題、修正錯誤與不足，加深理解，有利地促進(jìn)的年輕醫(yī)師的快速成長。在今后的臨床實(shí)踐和教學(xué)工作中，隨著更多的患者資料積累、篩選進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)患者的性別、年齡、體重、腫瘤位置、腫瘤體積、臨床分期(TNM)等基本信息進(jìn)行分組，必將獲得更好的形變結(jié)果，進(jìn)一步提高勾畫的精確性、縮短勾畫時間、減少勾畫差異。

為適應(yīng)和滿足現(xiàn)代高等醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展和社會對高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才的需求，低年資醫(yī)師和醫(yī)學(xué)生的臨床實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力是當(dāng)前培養(yǎng)的重中之重。?？平虒W(xué)應(yīng)順應(yīng)教學(xué)改革的變化和趨勢，有效整合優(yōu)勢資源，提升教學(xué)質(zhì)量[9]。在目前教學(xué)體系，腫瘤學(xué)?？平處熧Y源相對匱乏，他們承擔(dān)繁忙的臨床工作和科研任務(wù)，難以抽出更多時間手把手帶教，提升學(xué)生閱片、靶區(qū)勾畫及計劃設(shè)計等能力。因此，借助多媒體、微信群或公眾號等[10]平臺將腫瘤學(xué)基礎(chǔ)知識、診療規(guī)范、學(xué)科進(jìn)展、靶區(qū)勾畫指南與共識等定向推送，并與自動勾畫軟件系統(tǒng)有效銜接，優(yōu)化課程設(shè)計，拓展教學(xué)內(nèi)容，增加實(shí)戰(zhàn)演練，提高教學(xué)質(zhì)量；通過理論與實(shí)踐的結(jié)合，培養(yǎng)低年資醫(yī)師和醫(yī)學(xué)生臨床思維和實(shí)戰(zhàn)能力，使臨床教學(xué)立體感增強(qiáng)，便于知識融會貫通，提高臨床實(shí)踐能力，改觀崗位勝任能力。利用新媒體教學(xué)[11]和自動勾畫軟件系統(tǒng)，將典型病例的影像學(xué)診斷、精準(zhǔn)放療靶區(qū)勾畫與計劃設(shè)計，形象、直觀的呈現(xiàn)出來；不僅可以提高學(xué)生對授課內(nèi)容的掌握和理解，同時激發(fā)學(xué)習(xí)、參與的興趣，從而提升教學(xué)效果。

醫(yī)學(xué)是與生命打交道的科學(xué)，是客觀的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模蛔鳛槟[瘤放射治療專業(yè)的醫(yī)師和醫(yī)學(xué)生，靶區(qū)勾畫和計劃設(shè)計是必備臨床技能，自動勾畫軟件簡化了工作流程，減少了工作量，提高了靶區(qū)勾畫的規(guī)范性、一致性和精確性；但不能因此而懈怠，要充分認(rèn)識到腫瘤臨床靶區(qū)(CTV)和危及器官(OAR)的重要性，避免因工作失誤而造成不可挽回的放射損傷。在全面信息化的時代，醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的寶貴性和重要性與日俱增；基于大數(shù)據(jù)的自動勾畫軟件系統(tǒng)，在精準(zhǔn)放療的應(yīng)用和臨床教學(xué)必然有著廣闊的前景[12]。