DeepViewer軟件自動勾畫乳腺癌保乳術后患者心臟結(jié)構(gòu)的應用

時飛躍，王敏，秦偉，趙環(huán)宇，魏曉為

1. 南京醫(yī)科大學附屬南京醫(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 醫(yī)學物理研究中心，江蘇 南京 210029

引言

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一，嚴重危害廣大女性的身心健康，其發(fā)病率居女性常見惡性腫瘤第1位，死亡率居所有惡性腫瘤第6位[1]。乳腺癌保乳術+術后放療的方法，可在保證患者生存率的同時，兼顧乳房美觀，提高患者生活質(zhì)量，目前已成為早期乳腺癌的首選治療方式[2-3]。調(diào)強放療技術可以更好地降低正常組織并發(fā)癥的發(fā)生率，同時提高腫瘤局控率，所以越來越多的應用于乳腺癌保乳術后的放療中[4]。對于乳腺癌放療患者，尤其是左側(cè)乳腺癌，心臟是重要的危及器官，需要進行精確勾畫并對其劑量進行認真評估。然而，現(xiàn)有的治療計劃系統(tǒng)（Therapy Planning System，TPS）一般具有自動勾畫肺和脊髓的功能，但是不具有自動勾畫心臟結(jié)構(gòu)的功能。近年來，隨著人工智能和自動輪廓勾畫技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種自動勾畫軟件[5-8]。安徽慧軟科技的DeepViewer軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對30余種危及器官的自動勾畫，目前國內(nèi)尚無對其測試和評估的文獻報道。本文應用DeepViewer軟件自動勾畫乳腺癌保乳術后患者的心臟結(jié)構(gòu)，對自動勾畫的可行性和準確性進行測試和評估。

1 材料與方法

1.1 DeepViewer軟件

安徽慧軟科技有限公司的DeepViewer軟件，是一種人工智能器官勾畫系統(tǒng)，可識別并自動勾畫30余種人體器官，可以簡化放療醫(yī)師的工作，并具有執(zhí)行流程自動化和數(shù)據(jù)來源多樣化的特點。本研究使用的DeepViewer軟件，版本號為V1.0。

1.2 病例選擇

選取2017年11月至2019年6月南京醫(yī)科大學附屬南京醫(yī)院收治的乳腺癌保乳術后患者20例，其中左側(cè)乳腺癌和右側(cè)乳腺癌患者各10例，平均年齡49.2歲，中位年齡為47.5歲，年齡范圍28～71歲。以1～20的數(shù)字對20例患者進行編號，其中1～10號為左側(cè)乳腺癌患者，11～20號為右側(cè)乳腺癌患者。

1.3 心臟結(jié)構(gòu)勾畫

在放療日常工作中，使用西門子Sensation Open CT模擬機對上述乳腺癌患者進行定位CT掃描，患者均為仰臥位，使用ORFIT碳纖維固定底板配合泡沫墊塊，實現(xiàn)乳腺癌患者的定位擺位，CT層厚和層間距均為5 mm，掃描結(jié)束后定位CT圖像傳輸至Eclipse的TPS系統(tǒng)。① 自動勾畫：將20例乳腺癌患者的放療定位CT圖像從Eclipse傳輸至DeepViewer軟件，應用DeepViewer軟件對每例CT圖像建立結(jié)構(gòu)集合，選擇僅勾畫心臟結(jié)構(gòu)，其余正常組織和器官不勾畫，自動勾畫完成后將勾畫好的DICOM文件傳輸并導回Eclipse；② 手工勾畫：在放療日常工作中，放療工作人員已對20例乳腺癌患者進行了心臟結(jié)構(gòu)的手工勾畫，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)保存在Eclipse中。

1.4 評價指標

主要通過檢測自動勾畫與手工勾畫兩者之間的百分體積差異、位置差異、形狀一致性和勾畫時間，評估DeepViewer軟件自動勾畫心臟結(jié)構(gòu)的應用效果。以手工勾畫作為參考數(shù)據(jù)，以自動勾畫作為測試數(shù)據(jù)。

（1）自動勾畫與手工勾畫的百分體積差異定義為：

其中，V自動和V手工手動分別代表自動勾畫和手工勾畫的心臟結(jié)構(gòu)體積。

（2）自動勾畫與手工勾畫的總位置差異（ΔL）定義為：

其中，Δx2=|x自動-x手工|，Δy=|y自動-y手工|，Δz=|z自動-z手工|，分別表示x（左右）、y（腹背）和z（頭腳）方向的位置差異。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。

（3）自動勾畫與手工勾畫的形狀一致性由形狀相似性指數(shù)（Dice Similarity Coefficient，DSC）評價，定義為：

DSC值范圍為0～1，DSC值越大表示兩個結(jié)構(gòu)輪廓形狀的相似性越高。

1.5 統(tǒng)計學分析

分別對20例乳腺癌患者、10例左側(cè)乳腺癌患者和10例右側(cè)乳腺癌患者的6種參數(shù)（ΔV%、Δx、Δy、Δz、ΔL和DSC）進行統(tǒng)計分析。使用獨立樣本t檢驗，對左側(cè)乳腺癌和右側(cè)乳腺癌的兩組DSC值進行分析比較，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

圖1、圖2和圖3，分別顯示了心臟結(jié)構(gòu)自動勾畫和手工勾畫的百分體積差異ΔV%、位置差異和DSC值。表1、表2和表3分別顯示了全部20例、左側(cè)10例及右側(cè)10例乳腺癌患者6種參數(shù)（ΔV%、Δx、Δy、Δz、ΔL和DSC）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括最大值、最小值、平均值和標準差。

圖1 心臟結(jié)構(gòu)自動勾畫和手工勾畫的百分體積差異

圖2 心臟結(jié)構(gòu)自動勾畫和手工勾畫的位置差異

圖3 乳腺癌保乳術后患者心臟結(jié)構(gòu)的DSC值

表1 20例乳腺癌保乳術后患者心臟結(jié)構(gòu)勾畫的統(tǒng)計

表2 10例左側(cè)乳腺癌患者心臟結(jié)構(gòu)勾畫的統(tǒng)計

表3 10例右側(cè)乳腺癌患者心臟結(jié)構(gòu)勾畫的統(tǒng)計

使用獨立樣本t檢驗，對左側(cè)乳腺癌和右側(cè)乳腺癌的兩組DSC值數(shù)據(jù)進行比較，P=0.059>0.05，表明兩組數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)計學差異。此外，關于兩種勾畫方法所用的時間，使用DeepViewer軟件自動勾畫心臟結(jié)構(gòu)的平均時間約為45 s，而本部門手動勾畫心臟結(jié)構(gòu)的平均時間約為284 s。自動勾畫相比于手工勾畫，節(jié)約了大約84%的時間。

3 討論

心臟是一個中空的肌纖維性器官，位于兩肺之間縱膈間隙內(nèi)，由含有纖維漿液性結(jié)構(gòu)心包膜包繞。大多數(shù)商用TPS提供了自動勾畫肺和脊髓的功能，但是沒有提供自動勾畫心臟的功能。放射治療可導致心臟結(jié)構(gòu)發(fā)生放射性損傷，其損傷的臨床表現(xiàn)呈現(xiàn)出多樣化。因此，心臟在胸部腫瘤患者的放療中需嚴格保護，而心臟結(jié)構(gòu)的準確勾畫對保護心臟有重要意義。乳腺癌患者（尤其是左側(cè)乳腺癌患者），需要精確勾畫心臟結(jié)構(gòu)并在計劃設計時對其進行保護[9]。左側(cè)乳腺癌保乳術后患者，對心臟的平均劑量要求較高[10]。

近年來，隨著人工智能技術的發(fā)展進步，自動輪廓勾畫技術在放射治療領域的應用越來越廣泛，出現(xiàn)了許多商用自動輪廓勾畫軟件，如ABAS[5,11-12]、MIM[6,13-15]、OnQ[7]、Raysation[8]、連心醫(yī)療的智能放療云平臺（RAIC·OIS）和大圖醫(yī)療的rtStation等。使用這些軟件，不僅可以縮短危及器官的勾畫時間，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。使用ABAS、MIM、Raysation、OnQ等軟件的研究和應用，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[11-15]。使用RAIC·OIS、rtStation和本研究中DeepViewer軟件的應用，在軟件發(fā)布之前，廠家已經(jīng)使用了許多病例數(shù)據(jù)作為訓練集來獲得自動勾畫的配置參數(shù)，軟件應用時直接被用來智能勾畫患者的危及器官結(jié)構(gòu)。從目前研究的病種來看，頭頸部腫瘤（如鼻咽癌）和盆腔部位腫瘤（如宮頸癌和直腸癌）等較多，胸部腫瘤（如乳腺癌）較少。

由圖1及表1～3中ΔV%的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，ΔV%均為負值，表明自動勾畫的心臟體積普遍小于手工勾畫的心臟體積。經(jīng)與廠家溝通咨詢，原因在于所使用的訓練集數(shù)據(jù)來自安徽某些醫(yī)院，在河南某些醫(yī)院使用時，反映自動勾畫的心臟結(jié)構(gòu)偏大，因此廠家對軟件進行了修改，使心臟結(jié)構(gòu)比原來自動勾畫的要小。這反映出，不同地區(qū)的放療部門，對于危及器官勾畫的標準并不統(tǒng)一，這需要相關機構(gòu)或?qū)W會組織對勾畫的標準進行統(tǒng)一和規(guī)范。由圖2及表1～3中位置差異的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，x（左右）和y（腹背）方向的位置差異普遍小于z（頭腳）方向的位置差異。20例數(shù)據(jù)的總位置差異（ΔL為）為（0.37±0.19）cm。左側(cè)乳腺癌和右側(cè)乳腺癌相比，除了y方向外（Δy的平均值相差0.06 cm），位置差異的數(shù)據(jù)相差不大。由圖3及表1～3中DSC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，20例數(shù)據(jù)的DSC的平均值達到0.84。一般DSC>0.7即認為兩個輪廓的重合較好[16-17]。這表明DeepViewer軟件勾畫心臟結(jié)構(gòu)的整體效果較好。左側(cè)乳腺癌和右側(cè)乳腺癌相比，DSC值差異較小，比較結(jié)果顯示沒有統(tǒng)計學差異。由結(jié)果中的勾畫時間數(shù)據(jù)的比較可見，使用DeepViewer軟件自動勾畫乳腺癌患者的心臟結(jié)構(gòu)，可明顯縮短勾畫時間，提高工作效率。需要注意的是，對于軟件自動勾畫的心臟結(jié)構(gòu)，必須由放療醫(yī)師審核并手工修改，本研究的勾畫時間數(shù)據(jù)未計入手工修改的時間。

綜上所述，DeepViewer軟件對乳腺癌患者的心臟結(jié)構(gòu)進行自動勾畫，能夠達到滿意的效果。使用該軟件，可縮短心臟結(jié)構(gòu)的勾畫時間，提高放射治療工作效率。本版本自動勾畫，心臟結(jié)構(gòu)普遍偏小，需要進一步優(yōu)化改進。

致謝

感謝中國科學技術大學裴曦教授和安徽慧軟科技有限公司在DeepViewer軟件使用中提供的技術支持。