兩種自動(dòng)勾畫軟件對危及器官勾畫結(jié)果對比分析

束炅，王宏志，崔相利

1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院健康與醫(yī)學(xué)技術(shù)研究所，安徽合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院，安徽合肥 230026；3.中國科學(xué)院合肥腫瘤醫(yī)院放療中心，安徽合肥 230031

前言

在腫瘤臨床治療中放療是主要手段之一，70%的腫瘤患者需要接受放射治療［1-2］。近年來，精準(zhǔn)放療的提出和發(fā)展，要求在放療過程中提高腫瘤放射劑量的同時(shí)有效保護(hù)正常組織，使腫瘤的局部控制率得到提高［3］。要達(dá)到精準(zhǔn)二字，就需要制定準(zhǔn)確的放療計(jì)劃，在計(jì)劃制定過程中危及器官的準(zhǔn)確勾畫是非常重要的環(huán)節(jié)［4］。醫(yī)生和物理師對危及器官手動(dòng)勾畫不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且主觀性較強(qiáng)，不同醫(yī)生對同一器官勾畫結(jié)果不盡相同，同一醫(yī)生不同時(shí)間勾畫結(jié)果也可能存在偏差［5］。為了減少危及器官勾畫的時(shí)間并提高勾畫精度，越來越多的研究開始專注于靶區(qū)及危及器官的自動(dòng)勾畫，從早期的基于圖譜庫的半自動(dòng)勾畫［6-7］，到現(xiàn)在的基于深度學(xué)習(xí)理論的自動(dòng)勾畫［8-9］，自動(dòng)勾畫技術(shù)發(fā)展非常迅速。目前，市面上的商用自動(dòng)勾畫軟件在保證勾畫精度的同時(shí)，縮短了勾畫時(shí)間，大大減輕了醫(yī)生和物理師的工作量［10-11］。本研究基于物理師手動(dòng)勾畫和勾畫軟件AccuContour 和DeepViewer 自動(dòng)勾畫，對比分析兩種自動(dòng)勾畫軟件的勾畫準(zhǔn)確度，以及同一軟件在不同部位的勾畫準(zhǔn)確度差異。

1 資料與方法

1.1 勾畫工具

自動(dòng)勾畫軟件：AccuContour 是福建Manteia 公司開發(fā)的自動(dòng)勾畫軟件，基于人工智能放療影像工作站，對腫瘤靶區(qū)和危及器官進(jìn)行自動(dòng)勾畫。DeepViewer是安徽慧軟科技公司開發(fā)的AI自動(dòng)器官勾畫系統(tǒng)，基于深度學(xué)習(xí)框架識(shí)別人體器官，進(jìn)行自動(dòng)勾畫［12］。

手動(dòng)勾畫工具：Elekta 公司Monaco5.0 計(jì)劃系統(tǒng)中的勾畫模塊。

1.2 病例選取

回顧性選取中科院合肥腫瘤醫(yī)院腫瘤患者60例，其中鼻咽癌、肺癌、乳腺癌、宮頸癌各15例?；颊卟扇⊙雠P位，并用熱塑體膜固定，使用飛利浦公司Brilliance 大孔徑CT 進(jìn)行掃描，CT 圖像層厚為頭頸部3 mm，胸腔及腹部5 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方式

將病人原始CT 圖像分別導(dǎo)入Monaco5.0 計(jì)劃系統(tǒng)、AccuContour 和DeepViewer 軟件，由同一個(gè)物理師使用Monaco5.0 計(jì)劃系統(tǒng)中的勾畫模塊對選定的危及器官進(jìn)行勾畫，再分別使用自動(dòng)勾畫軟件進(jìn)行勾畫（圖1和圖2）。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比的準(zhǔn)確性，必須使自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫的層數(shù)和相關(guān)參數(shù)設(shè)置一致。勾畫完成后，記錄各個(gè)危及器官在不同勾畫軟件下的勾畫體積，并以物理師手動(dòng)勾畫結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算兩種軟件與手動(dòng)勾畫結(jié)果的戴斯相似性系數(shù)（DSC）、絕對體積差（ΔV），將結(jié)果匯總并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析［13-14］。

圖1 頭頸部勾畫結(jié)果示意圖Figure 1 Auto-segmentation results of organs-at-risk in head and neck

圖2 胸腹部勾畫結(jié)果示意圖Figure 2 Auto-segmentation results of organs-at-risk in chest and abdomen

1.4 結(jié)果評估

DSC 是用來描述兩個(gè)輪廓重疊區(qū)域比例的參數(shù)，其值范圍是0～1，越接近1說明兩個(gè)輪廓形狀越相似［15］。DSC公式為：

ΔV 表示兩個(gè)輪廓體積的差的絕對值，值越小說明兩個(gè)輪廓差異越?。?6］。ΔV公式為：

其中，VX表示自動(dòng)勾畫的輪廓體積，VY表示物理師手動(dòng)勾畫的輪廓體積。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS26.0 軟件對手動(dòng)勾畫與自動(dòng)勾畫結(jié)果進(jìn)行分析，采用配對t檢驗(yàn)，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩種軟件勾畫結(jié)果的DSC值

兩種軟件勾畫結(jié)果的DSC 值見表1。DSC 值越接近1，說明兩個(gè)勾畫輪廓越相似，勾畫效果越好。從表1可以看出，兩種軟件對所有危及器官的DSC均為0.6～1.0，在不同腫瘤部位的20 個(gè)危及器官中，有18 個(gè)器官DSC 值大于0.7，AccuContour 軟件和DeepViewer 軟件勾畫結(jié)果的總體DSC 分別為0.90±0.11 和0.87±0.14（t=-5.029,P＜0.05）。對于體積較大的危及器官，如腦、肺、膀胱，DSC 值均大于0.9甚至接近1.0，而對于晶狀體等體積較小器官，DSC值也能達(dá)到0.7 左右，這也說明兩種自動(dòng)勾畫軟件的整體勾畫效果均比較好。

表1 兩種軟件自動(dòng)勾畫危及器官的DSC指數(shù)（± s）Table 1 DSC of organs-at-risk obtained by auto-segmentation software(Mean±SD)

表1 兩種軟件自動(dòng)勾畫危及器官的DSC指數(shù)（± s）Table 1 DSC of organs-at-risk obtained by auto-segmentation software(Mean±SD)

腫瘤宮頸癌肺癌乳腺癌鼻咽癌器官膀胱脊髓直腸左側(cè)股骨頭右側(cè)股骨頭心臟脊髓肝臟左肺右肺心臟脊髓肝臟左肺右肺腦左眼球右眼球左晶狀體右晶狀體AccuContour 0.97±0.01 0.87±0.03 0.74±0.23 0.86±0.11 0.87±0.10 0.94±0.03 0.87±0.02 0.96±0.00 0.97±0.01 0.97±0.01 0.95±0.03 0.87±0.02 0.94±0.01 0.98±0.00 0.98±0.00 0.99±0.00 0.86±0.03 0.86±0.04 0.74±0.08 0.71±0.11 DeepViewer 0.95±0.04 0.90±0.02 0.70±0.25 0.68±0.10 0.63±0.18 0.88±0.05 0.90±0.01 0.93±0.02 0.96±0.03 0.97±0.01 0.85±0.07 0.89±0.01 0.96±0.00 0.98±0.00 0.98±0.00 0.98±0.01 0.90±0.02 0.90±0.03 0.72±0.12 0.70±0.10 t值-2.491 2.87-0.405-3.943-4.727-4.011 3.299-3.978-0.594-0.207-5.626 3.764-7.919 3.222 0.882-3.982 3.034 2.624-1.149-0.621 P值0.026 0.012 0.692 0.001 0.001 0.001 0.005 0.001 0.562 0.839 0.001 0.002 0.001 0.006 0.393 0.001 0.009 0.020 0.270 0.544

2.2 兩種軟件在不同部位腫瘤勾畫結(jié)果的DSC值

表2是兩種軟件勾畫不同部位腫瘤危及器官的DSC 指數(shù)。從得到的數(shù)據(jù)來看，兩種軟件在不同部位腫瘤危及器官的總體DSC 均大于0.7，且AccuContour 軟件在各個(gè)部位的勾畫效果上均優(yōu)于DeepViewer 軟件，但二者勾畫差異較小，均可達(dá)到滿意的效果。對于AccuContour 軟件，DSC 最高為乳腺癌（0.95±0.04），最低為鼻咽癌（0.83±0.12），對于DeepViewer 軟件，DSC 最高為肺癌（0.93±0.05），最低為宮頸癌（0.77±0.19），其中，宮頸癌、乳腺癌、肺癌的兩組結(jié)果之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），鼻咽癌的兩組結(jié)果之間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表2 不同部位腫瘤危及器官的DSC指數(shù)（± s）Table 2 DSC of organs-at-risk in patients with tumors at different sites(Mean±SD)

表2 不同部位腫瘤危及器官的DSC指數(shù)（± s）Table 2 DSC of organs-at-risk in patients with tumors at different sites(Mean±SD)

腫瘤宮頸癌肺癌乳腺癌鼻咽癌AccuContour 0.86±0.14 0.94±0.04 0.95±0.04 0.83±0.12 DeepViewer 0.77±0.19 0.93±0.05 0.93±0.06 0.84±0.13 t值-4.881-2.760-2.789 0.359 P值0.001 0.007 0.007 0.720

2.3 兩種軟件勾畫結(jié)果ΔV值

兩種軟件勾畫結(jié)果的ΔV見表3。ΔV越小，說明兩個(gè)勾畫輪廓差異越小，勾畫效果比較好。以物理師手動(dòng)勾畫結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，AccuContour 軟件和DeepViewer軟件勾畫結(jié)果的總體ΔV 分別為（13.23±18.77）和（29.89±45.27）cm3（t=7.344,P＜0.05）。由表3可以看出，在不同腫瘤部位的20 個(gè)危及器官中，有13 個(gè)器官的ΔV 均小于DeepViewer 勾畫結(jié)果，這也說明AccuContour 軟件勾畫結(jié)果與物理師手動(dòng)勾畫結(jié)果更為接近。

表3 兩種軟件自動(dòng)勾畫危及器官的ΔV（cm3,± s）Table 3 ΔV of organs-at-risk obtained by auto-segmentation software(cm3,Mean±SD)

表3 兩種軟件自動(dòng)勾畫危及器官的ΔV（cm3,± s）Table 3 ΔV of organs-at-risk obtained by auto-segmentation software(cm3,Mean±SD)

腫瘤宮頸癌肺癌乳腺癌鼻咽癌器官膀胱脊髓直腸左側(cè)股骨頭右側(cè)股骨頭心臟脊髓肝臟左肺右肺心臟脊髓肝臟左肺右肺腦左眼球右眼球左晶狀體右晶狀體AccuContour 12.32±5.06 5.34±3.07 13.73±13.52 3.13±1.36 3.73±3.32 37.42±45.83 5.30±3.30 26.96±14.93 27.41±20.32 24.65±21.06 21.33±22.32 4.38±3.59 27.91±23.48 20.80±5.04 13.10±8.83 12.33±5.97 2.40±0.84 2.19±0.90 0.10±0.05 0.11±0.07 DeepViewer 13.10±8.99 2.91±2.70 17.20±16.35 10.29±7.19 13.79±7.24 84.71±95.98 2.10±2.45 78.61±43.79 33.36±22.24 53.96±23.99 112.17±73.81 3.18±3.24 74.00±24.25 25.37±10.67 40.64±15.75 31.07±18.72 0.49±0.45 0.75±0.58 0.06±0.04 0.09±0.06 t值0.272-2.114 0.871 3.519 5.904 2.074-2.926 5.234 0.804 3.975 5.016-1.089 5.503 1.399 5.954 3.964-7.861-5.164-2.355-0.685 P值0.790 0.053 0.398 0.003 0.001 0.057 0.011 0.001 0.435 0.001 0.001 0.295 0.001 0.184 0.001 0.001 0.001 0.001 0.034 0.505

2.4 兩種軟件在不同部位腫瘤勾畫結(jié)果ΔV值

表4是兩種軟件勾畫不同部位腫瘤危及器官的ΔV 值。對于AccuContour 軟件，ΔV 最高為肺癌（24.35±27.35）cm3，最低為鼻咽癌（3.42±5.31）cm3，對于DeepViewer 軟件，ΔV 最高為乳腺癌（51.07±52.40）cm3，最低為鼻咽癌（6.49±14.87）cm3，其中，宮頸癌、乳腺癌、鼻咽癌、肺癌的兩組結(jié)果之間的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

表4 兩種軟件不同部位腫瘤危及器官的ΔV（cm3,± s）Table 4 ΔV of organs-at-risk in patients with tumors at different sites(cm3,Mean±SD)

表4 兩種軟件不同部位腫瘤危及器官的ΔV（cm3,± s）Table 4 ΔV of organs-at-risk in patients with tumors at different sites(cm3,Mean±SD)

腫瘤宮頸癌肺癌乳腺癌鼻咽癌AccuContour 7.65±8.13 24.35±27.35 17.50±17.27 3.42±5.31 DeepViewer 11.46±10.72 50.55±57.91 51.07±52.40 6.49±14.87 t值3.179 4.355 5.791 2.100 P值0.002 0.001 0.001 0.039

3 討論

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比的準(zhǔn)確性以及對軟件勾畫效果的客觀評價(jià)，本文選取了兩種軟件以及手動(dòng)勾畫相同層數(shù)的勾畫輪廓。在圖像分割中，通常認(rèn)為兩個(gè)結(jié)構(gòu)的DSC＞0.7 說明相似度較高，且DSC 值越大，相似度越高［17］。從計(jì)算得出的DSC 參數(shù)來看，兩個(gè)軟件對于結(jié)構(gòu)比較大、界限比較明顯的器官，如腦、心臟、膀胱，DSC均大于0.8，而對于體積較小的器官，如晶狀體，勾畫效果不太理想但也大于0.7，說明兩種自動(dòng)勾畫軟件的整體勾畫效果都非常好，且對于體積較大的危及器官（膀胱、肺）勾畫效果明顯優(yōu)于小體積器官（眼球、晶狀體），這一結(jié)果與部分文獻(xiàn)研究結(jié)果相似［18-19］。對于絕對體積差ΔV，其值越小，說明兩個(gè)結(jié)構(gòu)差異越小，從得出的數(shù)據(jù)來看，AccuContour 軟件勾畫的多數(shù)器官ΔV 都小于DeepViewer勾畫的結(jié)果。

對于宮頸癌、肺癌、乳腺癌，AccuContour 勾畫的DSC 值均大于DeepViewer，且ΔV 小于它，可以認(rèn)為AccuContour 在宮頸癌、肺癌、乳腺癌的勾畫效果要好于DeepViewer。對于鼻咽癌，兩種軟件勾畫的DSC值分別為0.84和0.83，相差不大，但AccuContour的ΔV 要小于DeepViewer，說明AccuContour 在鼻咽癌的勾畫效果更好。

從實(shí)際使用情況來看，本研究所使用版本的AccuContour 軟件勾畫效果要優(yōu)于DeepViewer。隨著技術(shù)的更新，版本的更新?lián)Q代，軟件的勾畫效果會(huì)得到改進(jìn)，本研究得出的結(jié)果僅針對軟件當(dāng)前版本。自動(dòng)勾畫技術(shù)的快速發(fā)展在很大程度上提高了靶區(qū)和危及器官的勾畫效率，減輕了醫(yī)生和物理師的工作量，但在實(shí)際使用中由于不同患者解剖結(jié)構(gòu)可能存在差異［20］，自動(dòng)勾畫軟件勾畫的結(jié)果還需經(jīng)過醫(yī)生一定的修改及驗(yàn)證，方可應(yīng)用于臨床。