人工智能實施頭頸部患者組織結(jié)構(gòu)自動勾畫的評價研究

鞏漢順 戴相昆 曲寶林 章 樺 徐壽平

精確放療時代下放療計劃中組織結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確劑量評估主要基于精確的三維輪廓勾畫，因此靶區(qū)及危及器官(organs-at-risk,OARs)勾畫的準(zhǔn)確性是實現(xiàn)患者放療療效的重要前提條件之一[1]。但臨床工作中OARs勾畫的是一項極其耗時且繁瑣的工作；同時受勾畫者的主觀性及自身不同專業(yè)素質(zhì)的限制[2-3]，很難保證勾畫效果的一致性及準(zhǔn)確度[4]，這些差異不僅會影響治療計劃的優(yōu)化及質(zhì)量，并且會影響療效評估以及臨床模式的評估[5-6]。

頭頸部腫瘤尤其是鼻咽癌患者，其腫瘤靶區(qū)形狀復(fù)雜、周圍OARs結(jié)構(gòu)眾多，OARs勾畫工作會更加繁瑣耗時。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，不同類別的自動勾畫軟件越來越多地被開發(fā)出來?；趫D譜庫的自動勾畫軟件發(fā)展起步較早[7]，主要包括ABAS(Elekta Medical System，Stockholm，Sweden)、SmartAdapt和Velocity(Varian Medical Systems，Palo Alto，USA)、RayDeformable(RaySearch Laboratories，Stockholm，Sweden)、MIM(MIM Software Inc，Cleveland，USA)等[8]，但該類方法對圖譜庫的選擇策略以及通常耗時的配準(zhǔn)本身的魯棒性非常敏感[9]?；诓煌窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)的自動分割技術(shù)近年來也逐步應(yīng)用于OARs的勾畫，在保證勾畫精度的前提下，大大提高勾畫效率、降低勾畫者之間的差異性[10-11]，使得放療工作者從勾畫等大量重復(fù)性的工作中解脫出來，更高效地完成對患者的診療收治工作[12]。由于模型構(gòu)建及算法的差異導(dǎo)致危及器官尤其是微小結(jié)構(gòu)的勾畫結(jié)果與真實結(jié)構(gòu)存在一定差異。本研究通過利用改進(jìn)型U-Net神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的眼周聯(lián)合分割優(yōu)化模型對頭頸部患者的組織結(jié)構(gòu)自動與人工勾畫進(jìn)行分析比較。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

隨機選取本院放療科同一主診組治療的鼻咽癌患者118例?；颊呷⊙雠P位，采用熱塑頭肩膜固定，雙臂平行放于身體兩側(cè)。在西門子CT(SOMATOM Definition AS)下模擬定位，掃描層厚為3 mm，層間距3 mm；掃描范圍一般從頭頂至隆突。

1.2 人工勾畫危及器官

將定位掃描所得圖像通過DICOM傳輸至Pinnacle計劃系統(tǒng)。由主診組經(jīng)驗豐富的醫(yī)生在CT圖像上手動勾畫出危及器官。

1.3 基于人工智能危及器官自動勾畫

U-Net分割框架由Ronneberger等在全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(fully convolutional neural networks，F(xiàn)CN)[13]基礎(chǔ)上提出的，與基于塊的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network，CNN)相比，U-Net框架的優(yōu)勢在于使用跨層鏈接方式，通過裁剪與復(fù)制方式對整個圖像的上下文進(jìn)行綜合考慮，將多尺度特征信息集成，最終實現(xiàn)對圖像低分辨率和高分辨率信息的完美融合；組織結(jié)構(gòu)分割結(jié)果更加精確，圖像細(xì)節(jié)還原效果更好[14]。

本研究中利用改進(jìn)型U-Net神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的眼周聯(lián)合分割優(yōu)化模型創(chuàng)建頭頸部患者危及器官自動勾畫模型。此深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)主要通過使用TensorFlow后端的Keras構(gòu)建和實現(xiàn)，其中層分類網(wǎng)絡(luò)主要由深度可分離卷積和最大池化層組成；分割網(wǎng)絡(luò)是從2D U-Net的編解碼器結(jié)構(gòu)中提煉出來。訓(xùn)練集優(yōu)選自三家不同醫(yī)院343例中勾畫質(zhì)量好的72例，驗證集患者18例，測試集來源于本單位同一主診醫(yī)師收治的118患者，對所得結(jié)構(gòu)勾畫效果與人工勾畫進(jìn)行分析。

1.4 評價指標(biāo)

2 結(jié)果

對于DSC指標(biāo)，大部分器官分割效果較為穩(wěn)定，其中眼球(Eye_L/R)、口腔(Oral Cavity)、腦干(Brainstem)、腮腺(Parotid_L/R)、頜下腺(Submandibular gland_L/R，SMG_L/R)分割效果較好，平均值均在0.820以上，眼球甚至達(dá)到0.900以上；耳蝸(Cochlea_L/R)、晶狀體(Lens_ L/R)、視神經(jīng)(Optic_Nerve_L/R)、甲狀腺(Thyroid)、脊髓(Spinal Cord)、下頜關(guān)節(jié)(TMJ_L/R)分割效果一般；垂體(Pituitary)、視交叉(Optic_Chiasm)分割效果較差，最低僅為0.559。

HD值與危及器官大小相關(guān)，小體積器官均相對穩(wěn)定；而脊髓自動勾畫效果較差，HD值為23.758。與HD相似，大部分器官的ASSD值較穩(wěn)定，脊髓的ASSD系數(shù)較大。

由于RVD主要體現(xiàn)勾畫的體積偏差，對于體積較小的器官更容易造成偏差較大，其中垂體自動勾畫范圍偏小，偏差值為-0.445；視神經(jīng)、視交叉勾畫效果也相對偏小。右下頜關(guān)節(jié)由于器官本身體積比較小，造成兩種勾畫體積差別較大。具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表1。

表1 118例頭頸部患者危及器官深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動勾畫與手動勾畫分析結(jié)果

3 討論

目前，基于特征的深度學(xué)習(xí)方法通過捕獲不同組織間的差異并將其整合至預(yù)測模型中以解決臨床工作中遇到的相關(guān)問題，已是國內(nèi)外放療學(xué)者的一項研究熱點[20-22]。Zhu等[23]基于AnatomyNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對頭頸部不同組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動勾畫所得DSC為0.7925；門闊等[24]利用深度反卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對頭頸部多個危及器官進(jìn)行自動勾畫，平均DSC為0.81；Ibragimov等[25]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對頭頸部相關(guān)危及器官進(jìn)行自動勾畫，所得DSC值范圍為0.374～0.895；本研究中所得頭頸部各危及器官的平均DSC為0.559～0.905。通過對脊髓等各項指標(biāo)進(jìn)行分析，其DSC值較低，而HD及ASSD值較高，對比勾畫效果圖發(fā)現(xiàn)自動勾畫與人工勾畫的標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，目前該算法會把腰椎勾畫在內(nèi)；修改脊髓的頭腳對比范圍，只對有勾畫的層面進(jìn)行再次對比，DSC均值從0.747提升至0.850，而HD及ASSD值均有所降低。

對于體積較大的危及器官，較小的體積勾畫差異并不會造成整體器官體積指標(biāo)參數(shù)的顯著差異，但對小體積的器官即使只在某一層面存在勾畫差異也可能會對整個器官結(jié)構(gòu)體積造成較大的差別。雖然采用深度學(xué)習(xí)的方法能夠獲得危及器官較好的自動勾畫結(jié)果，但在實際臨床應(yīng)用過程中仍然存在某些固有的局限性；深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于解剖位置相對固定，但體積較小的危及器官的自動勾畫存在一定難度；由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在多次卷積迭代及池化過程，較易造成小體積危及器官勾畫輪廓信息丟失；而頭頸部位本身就包含眾多的小體積危及器官，例如晶體、視神經(jīng)、視交叉及垂體等，其結(jié)果對自動勾畫的整體精度造成一定負(fù)面影響。目前，為提高小體積危及器官的勾畫精度通常采用增加訓(xùn)練樣本數(shù)量或改用計算精度更高的函數(shù)等兩種常規(guī)方法；通過創(chuàng)建患者個性化訓(xùn)練模型也可提高模型勾畫精度。Ren等[26]交叉使用多個3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(3D-CNN)實現(xiàn)頭頸部CT圖像小組織的自動分割：視交叉、視神經(jīng)的平均DCS分別為(0.58±0.17)、(0.71±0.08)；HD95分別為(2.81±1.56)mm、(2.23±0.90) mm。本研究中對于晶體等小體積危及器官，為進(jìn)一步地提高勾畫精度，利用改進(jìn)型U-Net神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的眼周聯(lián)合分割優(yōu)化模型創(chuàng)建頭頸部患者微小危及器官自動勾畫模型，對于眼球，則取得了很好的勾畫效果，平均DSC在0.900以上；晶體DSC也接近0.800；而視神經(jīng)及視交叉RVD值偏小，主要與訓(xùn)練集勾畫數(shù)據(jù)較少存在一定關(guān)系。與人工勾畫相比，本研究中所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行OARs自動勾畫可以顯著降低時間消耗，頭頸部勾畫平均需要6 min；并且采用后臺工作模式，可一次將多個病例集中導(dǎo)入系統(tǒng)進(jìn)行自動勾畫，進(jìn)一步減少等待時間，提高勾畫效率。

深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在放療靶區(qū)勾畫方面的研究[27]相對較少；同時由于不同醫(yī)療機構(gòu)甚至不同醫(yī)師之間對靶區(qū)勾畫具體準(zhǔn)則差異性較大，以及目前用于深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在腫瘤靶區(qū)邊緣界定方面存在一定的不確定性，從而導(dǎo)致靶區(qū)自動勾畫精度的較大差異性。Li等[28]利用U-Net模型自動分割鼻咽癌患者腫瘤靶區(qū)，原發(fā)性腫瘤整體DSC為0.740，淋巴結(jié)為0.659；HD分別為12.85 mm和32.10 mm。Kuo等[29]使用深度反卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對鼻咽癌臨床靶區(qū)，原發(fā)病灶和轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)進(jìn)行自動勾畫，其DSC分別為：0.826、0.809及0.623。隨著技術(shù)進(jìn)步及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，靶區(qū)自動勾畫將是放療領(lǐng)域下一步研究的熱點。

總之，采用高精度優(yōu)化模型的人工智能對解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的頭頸部腫瘤患者組織結(jié)構(gòu)的自動勾畫基本可能夠滿足臨床需求，隨著模型中優(yōu)質(zhì)勾畫患者數(shù)量的增加及對構(gòu)建模型的不斷優(yōu)化，其勾畫準(zhǔn)確性和精度將獲得進(jìn)一步的提升；雖然對于某些結(jié)構(gòu)輪廓仍需要進(jìn)一步人工修改，但人工智能勾畫已在很大程度上把放療工作者從繁瑣而重復(fù)的工作中解脫出來，減少了在勾畫方面不必要的工作量，應(yīng)該可作為一種高效的放療輔助工具。