AccuContour和DeepViewer兩款軟件自動勾畫胰腺癌患者腎臟結(jié)構(gòu)的比較

霍新穎，王敏，時飛躍，趙環(huán)宇，魏曉為

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

引言

胰腺癌是一種轉(zhuǎn)移能力強、預(yù)后差、生存率低的一種侵襲性疾病，也是導(dǎo)致全球癌癥死亡的五大主要原因之一[1‐2]。美國1990年開始進行胰腺癌新輔助放療的探索[3]，以往的經(jīng)驗認為新輔助放療會增加術(shù)后并發(fā)癥等風險，最新的研究發(fā)現(xiàn)并無明顯增加[4]。新輔助治療是目前交界可切除胰腺癌患者的首選治療方式，體能狀態(tài)良好的交界可切除胰腺癌患者，建議開展術(shù)前新輔助治療[5]。對于胰腺癌放療患者，腎臟是重要的危及器官，照射時應(yīng)該盡量減少危及器官的劑量，需要精確勾畫并對劑量進行評估。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是一門新興的技術(shù)科學(xué)，利用計算機模型和算法來復(fù)制模擬類似于人類的智能并執(zhí)行特定的任務(wù)。AI廣泛地應(yīng)用于腫瘤放射治療的多個方面，主要包括腫瘤靶區(qū)及危及器官自動勾畫。危及器官的勾畫是一項耗時耗力重復(fù)性高的工作，而基于AI的自動勾畫軟件使用簡單、易上手?；谏疃葘W(xué)習和圖譜的危及器官自動勾畫方法是目前主要的兩種方法，本研究使用基于深度學(xué)習的兩款國產(chǎn)軟件AccuContour和DeepViewer進行自動勾畫，評估和比較兩款國產(chǎn)軟件自動勾畫胰腺癌患者腎臟結(jié)構(gòu)的準確性，為臨床使用提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 自動勾畫軟件

使用福建廈門MANTEIA數(shù)據(jù)科技有限公司的AccuContour軟件（版本3.0）和安徽慧軟科技有限公司的DeepViewer軟件（版本1.0），進行本項研究。這兩款國產(chǎn)軟件，都具有自動勾畫腫瘤放療患者多種危及器官的功能。

1.2 病例選擇

選擇2014年8月至2019年1月期間南京市第一醫(yī)院收治的20例胰腺癌患者進行研究，將患者按照ID號升序排列，使用1至20編號，男女各10例，年齡為（65±12）歲，所有患者均為仰臥位，經(jīng)體部熱塑膜固定后，使用西門子Sensation Open CT模擬機采集定位CT圖像，層厚和層間距均為5 mm。

1.3 數(shù)據(jù)采集

手工勾畫：在放療日常工作中，放療工作人員使用Eclipse治療計劃系統(tǒng)的工具，手工勾畫包含腎臟在內(nèi)的胰腺癌患者的危及器官。

自動勾畫：從Eclipse治療計劃系統(tǒng)中導(dǎo)出患者的定位CT圖像，傳輸至AccuContour和DeepViewer兩款軟件中。分別使用各自軟件的勾畫工具，自動勾畫腎臟結(jié)構(gòu)。將全部自動勾畫和手工勾畫生成的結(jié)構(gòu)文件導(dǎo)入AccuContour軟件中，使用AccuContour的評價分析工具，分析相應(yīng)的體積、位置和形狀數(shù)據(jù)。

1.4 評價指標

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)，通過檢測兩種勾畫之間的體積差異、位置差異和形狀一致性，評估軟件自動勾畫腎臟結(jié)構(gòu)的效果。

（1）體積差異定義為：

其中，VA和VM手動分別代表自動勾畫和手工勾畫的腎臟結(jié)構(gòu)體積，ΔV% 絕對值越大，表明自動勾畫與手動勾畫結(jié)構(gòu)體積相差越大。

（2）質(zhì)心偏差（Deviation of Centroid，DC）定義為：

其中，Δx=|xA-xM|，Δy=|yA-yM|，Δz=|zA-zM|，分別表示 x（左右）、y（腹背）和z（頭腳）方向的位置差異。xA、yA和zA分別代表自動勾畫情形肝臟幾何中心坐標在x、y和z方向的坐標值；xM、yM和zM分別代表手工勾畫情形結(jié)構(gòu)幾何中心坐標在x、y和z方向的坐標值。DC數(shù)值越大表明兩種勾畫結(jié)果在空間位置的偏移越大[6‐7]。

（3）Dice相 似 性 指 數(shù)（Dice Similarity Coefficient，DSC）定義為：

DSC的值范圍為0～1。DSC值越大表示兩個結(jié)構(gòu)輪廓形狀的相似性越高，DSC > 0.7代表兩個結(jié)構(gòu)重合度較好[8]。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

使用折線圖進行統(tǒng)計描述，使用配對t檢驗，對兩款軟件的數(shù)據(jù)進行分析比較，P<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

圖1為AccuContour和DeepViewer兩款軟件自動勾畫腎臟結(jié)構(gòu)的體積差異趨勢圖。由圖1可知，體積差異分布較均勻，其中，在左腎勾畫的ΔV%折線圖中，2號和13號患者差別明顯；3號患者右腎勾畫的ΔV%差別較大。

圖1 兩款軟件勾畫腎臟結(jié)構(gòu)體積差異的比較

圖2為AccuContour和DeepViewer兩款軟件自動勾畫腎臟結(jié)構(gòu)的位置差異趨勢圖。圖2顯示，大部分患者兩種軟件腎臟的自動勾畫的位置差異較小，左腎13號患者總位置差異較大，右腎5號患者總位置差異較大。

圖2 兩款軟件勾畫腎臟結(jié)構(gòu)總位置差異的比較

圖3為AccuContour和DeepViewer兩款軟件自動勾畫腎臟結(jié)構(gòu)的形狀一致性的趨勢圖。從圖3可以看出，兩款軟件腎臟自動勾畫的DSC值均大于0.70，有較好的吻合性。

圖3 兩款軟件勾畫腎臟結(jié)構(gòu)DSC值的比較

表1為兩款軟件自動勾畫腎臟結(jié)構(gòu)的ΔV%、DC和DSC值的統(tǒng)計描述數(shù)據(jù)，包括最大值、最小值、平均值和標準差。

表1 20例腎臟結(jié)構(gòu)△V%、DC、DSC值的統(tǒng)計描述值

對兩款軟件左腎和右腎的ΔV%、DC、DSC進行配對t檢驗，結(jié)果均無統(tǒng)計學(xué)差異（P>0.05），結(jié)果見表2。

表2 兩款軟件各參數(shù)的統(tǒng)計檢驗

使用AccuContour和DeepViewer兩款軟件自動勾畫兩個腎臟結(jié)構(gòu)，所用的時間分別約為46 s和47 s，而手工勾畫腎臟結(jié)構(gòu)的時間平均約為477 s。使用軟件自動勾畫腎臟結(jié)構(gòu)，節(jié)約了大約90%的時間。

3 討論

腎臟是人體的重要器官，在胰腺的前部，具有保證機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，保持正常新陳代謝的重要作用。胰腺癌患者的放射治療可導(dǎo)致腎臟結(jié)構(gòu)發(fā)生放射性損傷，現(xiàn)代精確放射治療對保護腫瘤靶區(qū)周圍的危及器官免受或少受損傷，提出了更高的要求。然而，在放射治療領(lǐng)域，危及器官的勾畫是技術(shù)含量不高的重復(fù)性勞動，手動勾畫會耗費臨床醫(yī)生大量的時間和精力，并且危及器官的勾畫還易受到醫(yī)生知識背景、經(jīng)驗等因素的影響。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勾畫者個體主觀判斷所致勾畫的差異。隨著臨床的需求和AI的發(fā)展，危及器官的自動勾畫技術(shù)引起了研究者的興趣，市場上涌現(xiàn)了多種自動勾畫軟件并在放療部門得到應(yīng)用，近年來已有學(xué)者進行了相關(guān)報道，如ABAS[9‐10]、MIM[11‐12]、Raystation[13]、Velocity 等 基 于 圖 譜庫，使用模板庫或單一模板的進口自動勾畫軟件[14‐15]，以及 rtStation[16]、DeepViewer[17]、AccuContour[18]等基于深度學(xué)習的國產(chǎn)自動勾畫軟件。這些基于AI技術(shù)的軟件均具有較高的準確性和精度，可以很好地輔佐醫(yī)生，提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量。

本文通過比較兩款軟件在體積差異、總位置差異和形狀相似性指數(shù)這三種評價指標的差別，由圖1及表1～2中ΔV%的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，ΔV%數(shù)值正負分布均勻，自動勾畫腎臟的體積有時小于手動勾畫的體積，我們對于體積差異較大值進行了排查，發(fā)現(xiàn)均無異常。圖2及表1～2中DC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，兩款軟件自動勾畫與手動勾畫相比位置差異都不大。DSC是一項評價自動勾畫與手動勾畫危及器官重合性的指標，大于0.7表示重合度較好[19]。由圖3及表1～2中DSC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，兩款軟件的DSC的平均值都在0.93左右，可見兩款軟件在形狀相似性方面勾畫效果都比較好，重合度高。經(jīng)過配對t檢驗，兩款軟件三種指標都沒有統(tǒng)計學(xué)差異（P>0.05），均可達到滿意的勾畫效果。由結(jié)果中勾畫時間的數(shù)據(jù)可見，使用兩款軟件自動勾畫胰腺癌患者的腎臟結(jié)構(gòu)，可明顯縮短勾畫時間，提高工作效率。當然要注意的是，對于軟件自動勾畫的腎臟結(jié)構(gòu)，仍然必須由放療醫(yī)師審核并手動修改。

綜上所述，AccuContour和DeepViewer兩款國產(chǎn)自動輪廓勾畫軟件，對絕大部分胰腺癌患者的腎臟結(jié)構(gòu)的勾畫，都能夠達到滿意的效果。經(jīng)過軟件自動勾畫，再輔以適當?shù)娜斯ば薷?，即可完成腎臟結(jié)構(gòu)的勾畫，提高放療工作效率。這種測試評估和反饋給軟件公司升級軟件版本提供重要的意見，對國產(chǎn)軟件的優(yōu)化進步有重要意義。隨著不斷的優(yōu)化和技術(shù)進步，國產(chǎn)輪廓勾畫軟件自動勾畫的效果將會越來越好。

致謝

感謝廈門MANTEIA公司袁興文和呂云龍在AccuContour軟件安裝和使用中提供的指導(dǎo)和幫助，感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shù)支持。