基于食管癌放療的劑量學(xué)參數(shù)研究幾何指標(biāo)評(píng)價(jià)自動(dòng)勾畫(huà)輪廓準(zhǔn)確度的可行性

鮮利勛，李光俊，肖青，陳黎，胡臻堯，柏森

1.四川大學(xué)華西醫(yī)院放療科，四川成都610041；2.四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610065

前言

當(dāng)前成熟的商業(yè)自動(dòng)勾畫(huà)軟件有很多，每個(gè)軟件的勾畫(huà)性能各有差異，其中基于圖譜集的自動(dòng)勾畫(huà)軟件（ABAS）是采取非剛性形變的自動(dòng)勾畫(huà)輪廓工具，它以CT 圖像為基礎(chǔ)，通過(guò)詳盡計(jì)算解剖結(jié)構(gòu)邊界，為放療治療計(jì)劃提供必須的輪廓勾畫(huà)［1-3］。有研究表明自動(dòng)輪廓勾畫(huà)技術(shù)避免了逐層手動(dòng)勾畫(huà)或基于插值的半自動(dòng)勾畫(huà)方法，耗時(shí)、耗資源、勾畫(huà)輪廓的準(zhǔn)確性受住院醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)影響等問(wèn)題［4-5］，且能幫助臨床醫(yī)師節(jié)省大量時(shí)間，進(jìn)而推動(dòng)了自適應(yīng)放療技術(shù)的發(fā)展［6］，因此保證自動(dòng)勾畫(huà)輪廓的準(zhǔn)確性就顯得尤為關(guān)鍵。若此步驟存在問(wèn)題，會(huì)讓后續(xù)整個(gè)放療流程產(chǎn)生嚴(yán)重的系統(tǒng)誤差［7］，對(duì)于胸部危及器官的輪廓勾畫(huà)，若存在誤差則可能導(dǎo)致放射性肺炎等急性癥狀，其勾畫(huà)的準(zhǔn)確性嚴(yán)重影響著患者的生存率。

目前自動(dòng)勾畫(huà)輪廓準(zhǔn)確性評(píng)估研究大多數(shù)都是直接采用定量評(píng)估方法，即利用幾何指標(biāo)來(lái)表征自動(dòng)勾畫(huà)結(jié)果的準(zhǔn)確性。由HD以及HD衍生出的兩個(gè)變體HDmean、HD95%和DSC、Jaccard被廣泛應(yīng)用于輪廓的準(zhǔn)確性評(píng)估［8］，這些幾何指標(biāo)雖然易于計(jì)算，但是卻未考慮臨床效應(yīng)，缺乏臨床相關(guān)性［9-10］。此外，評(píng)估輪廓準(zhǔn)確性的幾何指標(biāo)之間也存在相當(dāng)大的可變性。在假定的參考輪廓情況下（本研究把高年資醫(yī)生修改、審核后的ABAS勾畫(huà)結(jié)果視為參考輪廓），臨床評(píng)估放射治療輪廓勾畫(huà)準(zhǔn)確性的方法是根據(jù)放射治療計(jì)劃的劑量分布來(lái)確定和預(yù)測(cè)自動(dòng)勾畫(huà)輪廓的劑量偏差［9-11］。本研究選取ABAS 軟件勾畫(huà)的3 種大小類(lèi)型的食管癌放療中的危及器官雙肺、心臟和脊髓，探究危及器官的位置、屬性與幾何指標(biāo)、劑量學(xué)參數(shù)間的聯(lián)系，探討具有臨床指導(dǎo)意義的自動(dòng)勾畫(huà)輪廓評(píng)估方法。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象及工具

隨機(jī)選取2019年1月至12月在四川大學(xué)華西醫(yī)院放療科接受調(diào)強(qiáng)放療（IMRT）的15 例食管癌患者作為研究對(duì)象。利用Atlas-Based Autosegmentation（ABAS）（Elekta CMS, Stockholm, 2.01 版本）軟件進(jìn)行胸部危及器官的自動(dòng)勾畫(huà)，將待勾畫(huà)患者的定位CT圖像以DICOM 形式導(dǎo)入ABAS軟件中，通過(guò)與圖譜庫(kù)的參考圖像進(jìn)行形變配準(zhǔn)，獲取兩種圖像之間的形變矢量，并將形變矢量從模板圖像上已勾畫(huà)好的感興趣器官映射到新CT 圖像上，完成對(duì)危及器官雙肺、脊髓、心臟的勾畫(huà)。最后在ABAS 勾畫(huà)的結(jié)果上，由高年資醫(yī)生對(duì)危及器官輪廓進(jìn)行修改與審核，并勾畫(huà)靶區(qū)。

1.2 幾何指標(biāo)

本研究選用了5個(gè)被廣泛應(yīng)用的幾何指標(biāo)，即3個(gè)基于距離的指標(biāo)HD、HDmean、HD95%和兩個(gè)基于體積的指標(biāo)DSC、Jaccard。利用3D Slicer開(kāi)源軟件4.10.2版本［12］，計(jì)算HD、HDmean、HD95%和DSC，由3D Slicer計(jì)算的HD 指標(biāo)是雙向距離，雙向距離具有對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)，較其他方法計(jì)算的單向距離穩(wěn)定。Jaccard 的計(jì)算根據(jù)其定義，讀取相應(yīng)輪廓的體積參數(shù)，再利用公式Jaccard=|A∩B|/|A∪B|計(jì)算，其中，A代表參考輪廓，B代表自動(dòng)勾畫(huà)輪廓。

1.3 劑量學(xué)參數(shù)指標(biāo)

以95%的靶區(qū)體積接受5 040 cGy 的劑量為處方，在參考輪廓基礎(chǔ)上采用Raystation（Raysearch,Stockholm,Sweden）計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)5 個(gè)照射野的常規(guī)IMRT 放療計(jì)劃，計(jì)算網(wǎng)格精度為3 mm。為了確定危及器官輪廓變化導(dǎo)致的劑量學(xué)參數(shù)差異，本文采用的方法是將自動(dòng)勾畫(huà)輪廓疊加到由參考輪廓獲得的原始劑量分布上，獲取危及器官的劑量學(xué)參數(shù)，雙肺V5、V20、V30、Dmean，脊髓Dmax，心臟V30、V40。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

利用SPSS軟件21.0版本（StataCorp, Texas,USA）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用R2來(lái)量化幾何指標(biāo)HD、HDmean、HD95%、DSC、Jaccard 與危及器官劑量學(xué)參數(shù)間的相關(guān)性。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

ABAS 勾畫(huà)的食管癌危及器官雙肺、心臟、脊髓的體積參數(shù)分別為：（3 676.1±840.1）、（580.3±130.3）、（71.3±12.8）cm3。

對(duì)于雙肺、脊髓、心臟的距離類(lèi)幾何指標(biāo)變化范圍見(jiàn)圖1，數(shù)據(jù)表明在這3 個(gè)幾何指標(biāo)中，HD 的變化范圍最大，HD95%次之，HDmean最小。在這3種結(jié)構(gòu)中，雙肺的HD 值變化最大，心臟次之，脊髓最小，這種變化趨勢(shì)與它們自身相應(yīng)的形狀、大小屬性有關(guān)，自動(dòng)勾畫(huà)結(jié)果中，一個(gè)偏離整體結(jié)構(gòu)、沒(méi)有體積的離散點(diǎn)也可能引起HD 值的顯著變化。體積類(lèi)幾何指標(biāo)變化范圍見(jiàn)圖2，雙肺、脊髓、心臟都具有較高的DSC和Jaccard 值，總體大于0.75。數(shù)值上DSC 較Jaccard 系數(shù)大，但Jaccard 系數(shù)所評(píng)估的重疊區(qū)域（A∩B部分）較DSC 權(quán)重更為突出。相對(duì)距離類(lèi)幾何指標(biāo)值，體積類(lèi)變化幅度小，這是因?yàn)榫嚯x類(lèi)和體積類(lèi)幾何指標(biāo)的計(jì)算算法不同引起的，自動(dòng)勾畫(huà)過(guò)程中產(chǎn)生的零星的異常點(diǎn)，距離類(lèi)計(jì)算時(shí)也被當(dāng)做勾畫(huà)結(jié)構(gòu)納入計(jì)算，而對(duì)于體積類(lèi)，點(diǎn)不產(chǎn)生體積則排除在外，微小的波動(dòng)不會(huì)對(duì)體積類(lèi)指標(biāo)造成很大的影響。

圖3 是危及器官參考輪廓的原始劑量與自動(dòng)勾畫(huà)輪廓的劑量參數(shù)對(duì)比圖。數(shù)據(jù)表明，這兩種方式的勾畫(huà)結(jié)構(gòu)劑量變化情況整體接近，自動(dòng)勾畫(huà)結(jié)構(gòu)所接受的劑量要稍大于參考輪廓的劑量，但是都在臨床可接受范圍內(nèi)。

圖1 雙肺、脊髓、心臟的距離類(lèi)幾何指標(biāo)Fig.1 Distance-related geometric indices of the lungs,spinal cord and heart

圖2 雙肺、脊髓、心臟的體積類(lèi)幾何指標(biāo)Fig.2 Volume-related geometric indices of the lungs,spinal cord and heart

基于同一病人不同器官（雙肺、心臟、脊髓）的幾何指標(biāo)與劑量學(xué)參數(shù)間的關(guān)系，選取幾何指標(biāo)HD 和劑量學(xué)參數(shù)進(jìn)行圖示分析，圖4 分析得到的結(jié)果表明，少數(shù)病例存在線(xiàn)性關(guān)系，多數(shù)病例的幾何指標(biāo)與劑量學(xué)參數(shù)間不存在線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)雙肺、脊髓、心臟的幾何指標(biāo)與劑量學(xué)參數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，見(jiàn)圖5。幾何指標(biāo)與劑量學(xué)參數(shù)差異呈現(xiàn)的關(guān)系不是單一性、一致性的，45%的幾何指標(biāo)與劑量學(xué)參數(shù)具有相關(guān)性［其中，多數(shù)呈弱相關(guān)（69%），少數(shù)呈中度相關(guān)（31%）］（P＜0.05）。

3 討論

現(xiàn)有的自動(dòng)勾畫(huà)研究中，常常僅憑幾何指標(biāo)值來(lái)評(píng)估自動(dòng)勾畫(huà)結(jié)果的準(zhǔn)確性程度。在使用客觀評(píng)價(jià)方法的情況下（即幾何指標(biāo)），除了普遍認(rèn)為的DSC＞0.7表示自動(dòng)勾畫(huà)輪廓和手動(dòng)勾畫(huà)輪廓的重合度高，勾畫(huà)效果好［13-16］，對(duì)于距離類(lèi)幾何指標(biāo)值（HD、HDmean、HD95%）也總是認(rèn)為其值越小，越趨近零，表示其勾畫(huà)結(jié)果越好，臨床可接受度越高。但對(duì)于那些相互獨(dú)立的勾畫(huà)研究，這種說(shuō)法是模棱兩可的。如對(duì)危及器官肝臟進(jìn)行自動(dòng)勾畫(huà)研究的文章表示HD=（37.7±13.8）mm勾畫(huà)輪廓的準(zhǔn)確度高［17］，而另一篇文章HD=（15.77±1.00）mm也同樣表示準(zhǔn)確度高［16］，雖然后者數(shù)值比前者小，但由于缺少一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)參照物，使得HD指標(biāo)沒(méi)有可比較性，也不具有分辨性，進(jìn)而無(wú)法具體表述這兩個(gè)獨(dú)立研究勾畫(huà)輪廓的準(zhǔn)確性高低。有研究表明［18］HD指標(biāo)與DSC指標(biāo)的結(jié)合使用，能在最大限度上說(shuō)明輪廓之間的符合程度和準(zhǔn)確性。本研究的3種危及器官中，雙肺的HD值變化最大（高達(dá)44.7 mm），心臟次之，脊髓最小，但是雙肺和脊髓DSC的取值范圍相對(duì)集中，心臟的DSC值變化大且小于前兩者（三者DSC均大于0.7）。這種情況下出現(xiàn)了DSC結(jié)合HD值也不能清楚表述自動(dòng)勾畫(huà)重合度的弊端，DSC和HD依然是幾何層次的體積參數(shù)，距離類(lèi)指標(biāo)和體積類(lèi)指標(biāo)間的結(jié)合使用有效地描述了自動(dòng)勾畫(huà)輪廓與參考輪廓幾何層面的符合度，但它們用來(lái)評(píng)估自動(dòng)勾畫(huà)結(jié)果的臨床可接受度卻是不完整的。

許多文章都表明量化勾畫(huà)輪廓的變異度或不確定性程度固然重要，但對(duì)其劑量的測(cè)定和確定臨床結(jié)果的影響更重要［9-10,19-20］。Van Rooij 等［20］研究了基于深度學(xué)習(xí)，頭頸部危及器官自動(dòng)勾畫(huà)的幾何指標(biāo)和劑量學(xué)參數(shù)評(píng)估，分析了頭頸部自動(dòng)勾畫(huà)結(jié)果的幾何指標(biāo)SDC（S?rensen-Dice similarity coefficient）和劑量差異的相關(guān)性，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于自動(dòng)勾畫(huà)的所有危及器官，其SDC 和劑量差異間存在弱相關(guān)關(guān)系（r=-0.24,P=0.002），但是這種相關(guān)性無(wú)法體現(xiàn)到某一個(gè)具體的危及器官或病人。這與本研究結(jié)果類(lèi)似，基于同一病人，3 個(gè)危及器官的HD 指標(biāo)與劑量學(xué)參數(shù)間的關(guān)系不一致（圖4），多數(shù)病人的幾何指標(biāo)與劑量學(xué)參數(shù)間不存在線(xiàn)性關(guān)系，這也更加表明幾何指標(biāo)不可以準(zhǔn)確評(píng)估所有的勾畫(huà)結(jié)構(gòu)。危及器官雙肺、脊髓、心臟的幾何指標(biāo)與劑量學(xué)參數(shù)存在相關(guān)性，相關(guān)性的強(qiáng)弱關(guān)系卻不一致（圖5），也暗示著幾何指標(biāo)值與劑量學(xué)參數(shù)間并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。危及器官雙肺的DSC 變化范圍相對(duì)較小且集中在0.97 左右（圖2），但是其對(duì)應(yīng)的劑量學(xué)參數(shù)的變化范圍卻很大（圖3a 和圖3b）；危及器官脊髓的DSC 值：0.97～1.00，且脊髓自動(dòng)勾畫(huà)輪廓的劑量學(xué)參數(shù)跟原始劑量學(xué)參數(shù)基本一致（圖3c）。這種幾何指標(biāo)值變化小，而劑量學(xué)參數(shù)變化波動(dòng)大或基本不變的情況，說(shuō)明閾值范圍內(nèi)的幾何指標(biāo)值DSC 并不一定代表著臨床可接受的劑量學(xué)參數(shù)，也解釋了有關(guān)文獻(xiàn)相互矛盾的內(nèi)容。Feng 等［21］研究認(rèn)為口咽癌的危及器官輪廓變化對(duì)劑量影響不大，但Nelms等［22］認(rèn)為這對(duì)劑量的影響很大。

圖3 雙肺、脊髓、心臟的劑量學(xué)參數(shù)指標(biāo)Fig.3 Dosimetric parameters of the lungs,spinal cord and heart

圖4 基于同一病人幾何指標(biāo)HD與劑量學(xué)參數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between geometric index HD and dosimetric parameters of the same patient

圖5 雙肺、脊髓、心臟幾何指標(biāo)與劑量學(xué)參數(shù)的相關(guān)性Fig.5 Correlation between geometric indices and dosimetric parameters of the lungs,spinal cord and heart

靶區(qū)與危及器官的相對(duì)位置，以及危及器官的形狀、大小、放療計(jì)劃設(shè)置約束條件等都會(huì)影響劑量學(xué)參數(shù)，劑量學(xué)參數(shù)是多種因素的最終表現(xiàn)形式。對(duì)雙肺、心臟、脊髓進(jìn)行研究的結(jié)果表明，幾何指標(biāo)與劑量學(xué)參數(shù)的相關(guān)性和勾畫(huà)器官的大小的關(guān)系并不明顯，而受器官所在位置劑量梯度的影響要更加明顯，這也是通過(guò)加入更多的病種、病例數(shù)計(jì)劃著手驗(yàn)證的后續(xù)研究方向。本研究分析幾何指標(biāo)與劑量學(xué)參數(shù)間的相關(guān)性旨在表明，僅憑幾何指標(biāo)值不能全面表征自動(dòng)勾畫(huà)輪廓的臨床可接受性，以及對(duì)幾何指標(biāo)設(shè)立閾值是沒(méi)有臨床意義的。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段對(duì)于自動(dòng)勾畫(huà)的輪廓差異評(píng)估，僅考慮幾何層面的差異，缺乏臨床效應(yīng)。此外幾何指標(biāo)間的選擇也不應(yīng)是隨意的，建議距離類(lèi)指標(biāo)聯(lián)合體積類(lèi)指標(biāo)進(jìn)行輪廓差異評(píng)估。通過(guò)分析幾何指標(biāo)和劑量學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，幾何指標(biāo)與劑量差異的不一致性，自動(dòng)勾畫(huà)結(jié)果的臨床可接受性，不能單憑幾何指標(biāo)來(lái)判斷所有勾畫(huà)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確度。因此，本文建議評(píng)估自動(dòng)勾畫(huà)結(jié)果時(shí)，應(yīng)加入劑量學(xué)參數(shù)這一指標(biāo)，它可以更全面更準(zhǔn)確更直接地解釋勾畫(huà)輪廓的臨床劑量響應(yīng)關(guān)系。