智能放療云平臺自動勾畫食管癌患者心臟結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

時飛躍，王敏，秦偉，金洵，趙環(huán)宇

1.南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院）腫瘤放療中心，江蘇南京210006；2.南京醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)物理研究中心，江蘇南京210029；3.南京中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，江蘇南京210023

前言

食管癌是我國高發(fā)的惡性腫瘤之一，其發(fā)病率和死亡率均居我國惡性腫瘤的第4 位，早期不易發(fā)現(xiàn)，多數(shù)患者確診時已為中晚期，預(yù)后較差，局部控制率和生存期均不理想［1-3］。食管癌好發(fā)于中老年，而且90%病理組織類型為鱗狀細胞癌，對放射線敏感，因此放射治療在食管癌治療中起到不可或缺的作用［4］。隨著放療技術(shù)的發(fā)展，以放射治療為主的綜合治療成為中晚期食管癌的標準治療方法之一，調(diào)強放射治療（IMRT）已廣泛應(yīng)用于食管癌的治療中［5-8］。對于食管癌放療患者，放療醫(yī)師需要對所有靶區(qū)和相關(guān)危及器官（包括心臟、雙肺、脊髓等）進行勾畫，此過程費時費力，占用了臨床醫(yī)師大量寶貴時間。近年來，隨著自動勾畫技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種自動勾畫軟件，如ABAS 軟件、MIM、OnQ 等軟件［9-11］。連心醫(yī)療的智能放療云平臺（RAIC.OIS），其自動勾畫工具可以實現(xiàn)對多種危及器官進行自動勾畫，目前國內(nèi)尚無對其測評的報道。本文應(yīng)用智能放療云平臺的自動勾畫工具對食管癌患者的心臟結(jié)構(gòu)進行自動勾畫，并比較分析自動和手動兩種勾畫方式的差異。

1 材料與方法

1.1 智能放療云平臺

連心醫(yī)療的智能放療云平臺（RAIC.OIS）是以放療患者為中心，建立護士、放療醫(yī)師、物理師、放療技師等多角色的協(xié)同辦公，貫穿患者登記、建立處方劑量、患者靶區(qū)定位、智能勾靶、計劃申請、計劃審簽、計劃劑量驗證、患者復(fù)位驗證、患者治療過程管理、加速器質(zhì)控管理的放療全流程智能管理平臺。

RAIC.OIS的自動勾畫工具，可以對頭、頸、胸、腹和盆腔的多個危及器官結(jié)構(gòu)進行自動勾畫。對心臟結(jié)構(gòu)，該工具不僅可自動勾畫心臟外輪廓，還可自動勾畫左右心房和左右心室。本研究使用的RAIC.OIS，發(fā)布于2018年10月，版本號為v2.0.16。

1.2 病例選擇

選取2018年2月～11月南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院）收治的食管癌患者20 例，男17 例，女3 例，中位年齡為69 歲（43～87 歲）。對20 例患者進行編號，分別為P1、P2、P3、…、P20。在放療日常工作中，使用西門子Sensation Open CT 模擬機對食管癌患者進行CT 定位掃描，層厚5 mm，掃描結(jié)束后將CT圖像傳輸至Eclipse治療計劃系統(tǒng)。

1.3 心臟勾畫

自動勾畫：首先將20例食管癌患者的放療CT 圖像從Eclipse 治療計劃系統(tǒng)傳輸至智能放療云平臺（RAIC.OIS），應(yīng)用RAIC.OIS 對每例CT 圖像建立結(jié)構(gòu)集合，選擇胸部的自動勾畫模塊，選擇僅勾畫心臟，其余正常組織和器官不勾畫，自動勾畫完成后將勾畫好的結(jié)構(gòu)文件傳輸并導(dǎo)入Eclipse。

手工勾畫：所選取的20例食管癌患者，均已經(jīng)過放療工作人員使用Eclipse 的勾畫工具進行心臟結(jié)構(gòu)的手工勾畫，手工勾畫的心臟結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)保存在Eclipse中。

1.4 評價指標

通過檢測自動勾畫與手工勾畫兩者之間的體積差異、位置差異以及形狀一致性來評估自動勾畫與手工勾畫的吻合度，研究中以手工勾畫為參考。

（1）自動勾畫與手工勾畫的體積差異定義為：

其中，V自動和V手工分別代表自動勾畫和手工勾畫的結(jié)構(gòu)體積。

（2）自動勾畫與手工勾畫的位置差異定義為：

其中，x自動和x手工分別代表自動和手工兩種情形結(jié)構(gòu)幾何中心坐標在x 方向的坐標值。y 和z 方向依此類推。ΔL代表總位置差異。

（3）自動勾畫與手工勾畫的形狀一致性定義為：

相似性指數(shù)（Dice Similarity Coefficient,DSC）值范圍為0～1，值越大表示兩個輪廓形狀的相似性越高。DSC＞0.7代表兩個結(jié)構(gòu)重合較好［12-13］。

2 結(jié)果

圖1、圖2和圖3分別顯示自動勾畫與手工勾畫之間的體積差異、位置差異和形狀一致性。由圖1可知，自動勾畫與手工勾畫之間的體積差異?V%均小于0，這表明與手工勾畫相比，自動勾畫的心臟體積偏小。圖2顯示，大部分患者心臟的自動勾畫與手動勾畫之間的位置差異較小，除P17 之外，心臟自動勾畫的位置差異在x、y、z 方向上分別小于2.9、2.5、5.2 mm。從圖3可以看出，除P17之外（DSC=0.65），心臟自動勾畫的DSC 值均大于0.70，表明自動勾畫和手工勾畫心臟的形狀有較好的吻合性。

圖1 自動和手工兩種方式勾畫食管癌患者心臟的體積差異Fig.1 Volume differences between automatic and manual segmentations for patients with esophageal cancer

圖2 自動和手工兩種方式勾畫20例食管癌患者心臟的位置差異Fig.2 Position differences of x,y and z directions between automatic and manual segmentations for 20 patients with esophageal cancer

圖3 自動和手工兩種方式勾畫食管癌患者心臟的DSC值Fig.3 Dice similarity coefficient values of automatic and manual segmentations for patients with esophageal cancer

由圖1、圖2和圖3可知，P17患者的數(shù)據(jù)與其他患者的數(shù)據(jù)差異較大，重新檢查該患者的CT圖像，發(fā)現(xiàn)該患者心臟形狀和位置特殊（圖4），可能是因為患者做過相關(guān)手術(shù)導(dǎo)致心臟偏向一側(cè)。因此，去除該患者的數(shù)據(jù)，對其他19例患者的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果列于表1。由表1可知，自動和手工兩種方式勾畫食管癌患者心臟結(jié)構(gòu)的體積差異為（-17.08±8.66）%，DSC 值為0.87±0.05。x、y 和z 這3 個方向的位置差異分別為（0.12±0.09）、（0.11±0.08）和（0.22±0.16）cm，總位置差異為（0.31±0.14）cm。

圖4 有特殊形狀和位置心臟的P17患者的CT圖像Fig.4 CT images of P17 patient with a heart of special shape and position

表1 19例患者心臟勾畫的統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.1 Statistical data of automatic heart segmentation for 19 patients

對19 例患者兩種方式勾畫心臟結(jié)構(gòu)的時間進行統(tǒng)計分析和比較。自動勾畫和手工勾畫時間的均數(shù)值±標準差分別為（83±12）和（284±58）s。關(guān)于本研究中手工勾畫心臟結(jié)構(gòu)的時間數(shù)據(jù)，是對19 例患者重新勾畫并計時得到的。相比于手工勾畫，自動勾畫減少大約71%的時間。

3 討論

現(xiàn)代精確放射治療要求對腫瘤靶區(qū)進行高劑量精確照射，同時保護周圍正常組織和重要危及器官免受或少受損傷。這就對放療醫(yī)師勾畫腫瘤靶區(qū)和危及器官的準確性提出更高的要求。然而，危及器官的勾畫是技術(shù)含量相對較低的重復(fù)性勞動，耗費放療醫(yī)師大量的時間和精力，并且危及器官的勾畫還易受到醫(yī)師個體知識背景和經(jīng)驗的影響。利用計算機輔助自動或半自動勾畫危及器官，不僅可以縮短勾畫時間，而且可以有效減少不同醫(yī)師個體主觀判斷所致勾畫的差異［14-16］。近年來，自動輪廓勾畫技術(shù)在放療領(lǐng)域的應(yīng)用日益增加，出現(xiàn)了多種商用自動輪廓勾畫軟件，如ABAS、MIM、Raysation、OnQ等。ABAS 軟件可使用單模板和多模板兩種方式對危及器官進行自動輪廓勾畫。使用ABAS 軟件，陰曉娟等［17］、胡江等［18］對頭頸部腫瘤患者的危及器官自動勾畫進行研究，陳開強等［19］對宮頸癌患者的危及器官的自動勾畫進行研究。MIM 軟件的Atlas 數(shù)據(jù)庫使用基于交互信息的算法，選擇一個與測試患者最佳匹配病例的勾畫輪廓進行形變，將形變的結(jié)果映射到測試患者CT 上，形成自動勾畫的輪廓［20］。使用MIM 軟件，谷珊珊等［10］、顧科等［21］對鼻咽癌患者，蔣璠等［22］對鼻咽癌、乳腺癌、直腸癌患者，孫宇晨等［23］對宮頸癌患者的危及器官的自動勾畫進行了研究。單書燦等［24］比較了Raysation 和MIM 兩種自動勾畫軟件對鼻咽癌患者CT 圖像靶區(qū)和危及器官的勾畫效果。張藝寶等［11］以乳腺癌和直腸癌計劃為例，測評OnQ 軟件基于圖譜庫自動勾畫的危及器官與臨床標準的幾何差異，并驗證其有效性與準確性。

上述應(yīng)用和研究，多采用基于圖譜庫的方法，需要選取一部分或一個病例數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集或單個模板，然后使用另一部分患者數(shù)據(jù)作為測試集。本研究與上述研究的不同之處在于，本研究沒有使用本單位的一部分病例數(shù)據(jù)作為圖譜庫，而是直接使用智能放療云平臺的自動勾畫工具來勾畫患者的心臟結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，本版本的RAIC.OIS 在發(fā)布之前，廠家使用了許多病例數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集來獲得自動勾畫的配置參數(shù)。與使用圖譜庫的應(yīng)用方法相比，本研究的應(yīng)用方法更為簡單直接。

對于食管癌放療患者，放療醫(yī)師通常需要在其定位CT 圖像上，勾畫左右雙肺、脊髓、心臟等危及器官。目前，大多數(shù)商用治療計劃系統(tǒng)（例如瓦里安的Eclipse）提供了自動勾畫肺和脊髓的功能，但是沒有提供心臟的自動勾畫功能。心臟是胸部腫瘤患者放療計劃中需要嚴格保護的器官，因而心臟結(jié)構(gòu)的準確勾畫對食管癌患者（尤其是中下段食管癌患者）的精確計劃設(shè)計和劑量評估具有重要的意義。本研究的結(jié)果顯示，RAIC.OIS 的自動勾畫與手工勾畫心臟結(jié)構(gòu)兩種方式的DSC 值為0.87±0.05（19 例患者的統(tǒng)計數(shù)據(jù)）。這表明，對絕大多數(shù)食管癌患者，自動勾畫和手工勾畫符合較好。一般DSC＞0.7 即認為重合較好，在本研究中，除了P17 患者外，其余19 例患者的DSC 值均大于0.7。體積差異?V%的數(shù)據(jù)表明，自動勾畫的心臟體積比手工勾畫的體積偏小，平均偏小17%左右。位置差異數(shù)據(jù)的結(jié)果表明，自動勾畫心臟的幾何中心與手工勾畫的幾何中心在三維空間上平均偏移0.31 cm，這3 個方向比較顯示，z 軸（頭腳）方向的偏移最大。自動勾畫和手動勾畫的時間統(tǒng)計結(jié)果表明，對于心臟結(jié)構(gòu)，自動勾畫比手工勾畫大約節(jié)約71%的時間。這表明，自動勾畫可節(jié)約勾畫時間，有效提高放療工作效率。

綜上所述，智能放療云平臺（RAIC.OIS）的自動勾畫工具，對絕大部分食管癌患者的心臟勾畫能達到滿意的結(jié)果。使用該工具，可縮短心臟勾畫時間，提高放療工作效率。當(dāng)然，本版本RAIC.OIS的自動勾畫工具和本研究尚存在不足之處。首先，RAIC.OIS的自動勾畫工具對P17這種特殊形狀和位置的心臟結(jié)構(gòu)勾畫效果不好，DSC值小于0.7。其次，對于自動勾畫的心臟結(jié)構(gòu)，尚需放療醫(yī)師審核并手工修改，本研究的勾畫時間尚未計入手工修改的時間。期望通過不斷的優(yōu)化和改進，將來智能放療云平臺對放療危及器官自動勾畫的能力越來越高，輔助放療工作的效果越來越好。

致謝：衷心感謝連心醫(yī)療葉大亮和何飛躍在智能放療云平臺使用中提供的幫助和支持。