自動(dòng)勾畫輪廓軟件在頭頸部錐形束CT中的應(yīng)用

胡曉偉 ，孫新臣，李金凱 ，昌志剛，成紅艷

1.南京醫(yī)科大學(xué)特種醫(yī)學(xué)系，江蘇南京210009；2.南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放療科，江蘇南京210009

前言

在鼻咽癌的綜合治療中，調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity-Modulated Radiotherapy,IMRT）是當(dāng)前最主要的治療方法［1］。IMRT治療可以使劑量分布在三維方向上與靶區(qū)的形狀一致，還可以在靶區(qū)和正常組織之間產(chǎn)生一個(gè)陡峭的劑量跌落，能夠保證給予靶區(qū)規(guī)定照射劑量的同時(shí)最大限度地降低正常組織的受照劑量［2-3］。但是，通常在放療5～7周后，由于腫瘤退縮、淋巴結(jié)和腺體體積的變化、患者體質(zhì)量減輕等因素導(dǎo)致靶區(qū)和危及器官的體積和位置發(fā)生明顯的變化［4］。自適應(yīng)放療可以通過在放療期間獲取病人解剖圖像信息，分析分次治療與初始計(jì)劃之間的差異并對其進(jìn)行修正，重新優(yōu)化生成新的放療計(jì)劃后再進(jìn)行治療，能夠減少靶區(qū)的漏照和正常組織的受照劑量［5-7］。

圖像引導(dǎo)放療（Image Guide Radiation Therapy,IGRT）獲取的錐形束CT（CBCT）圖像可以實(shí)時(shí)了解腫瘤及正常器官的解剖結(jié)構(gòu)變化，是自適應(yīng)放療的關(guān)鍵技術(shù)。但目前CBCT的應(yīng)用尚局限于校正擺位誤差。本研究的目的是探討利用MIM軟件進(jìn)行頭頸部CBCT圖像靶區(qū)和危及器官輪廓自動(dòng)勾畫的可行性，從而實(shí)現(xiàn)快速評價(jià)靶區(qū)和危及器官在放療過程中的變化，為重新制定治療計(jì)劃提供臨床指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 病例資料

選取2018年1月～7月在江蘇省人民醫(yī)院放療中心進(jìn)行兩次CT模擬定位掃描的10例鼻咽癌患者。年齡32～80歲，中位年齡60歲；男性6例，女性4例；均為低分化鱗癌。

1.2 體位固定和CT掃描

患者在27次治療后，重新進(jìn)行CT掃描定位。兩次CT掃描均使用相同的體位及掃描條件。患者均采用仰臥位，雙臂緊貼身體平行放置于左右兩側(cè)，口含壓舌板，用頭頸肩熱塑膜進(jìn)行體位固定。使用大口徑CT（SOMATOM Sensation Open,CT）進(jìn)行掃描，掃描范圍自頭頂至鎖骨頭下3 cm處，掃描層厚3 mm。將獲得的CT圖像通過DICOM格式傳輸至Monaco醫(yī)生工作站。

1.3 CT圖像的靶區(qū)勾畫及計(jì)劃設(shè)計(jì)

在醫(yī)生工作站上，臨床醫(yī)師參考ICRU第50號及62號文件勾畫靶區(qū)及危及器官。靶區(qū)包括：大體腫瘤（GTVnx）、頸部轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)（GTVnd）、臨床靶區(qū)1（CTV1）、臨床靶區(qū)2（CTV2）和由CTV外擴(kuò)3 mm生成的相應(yīng)計(jì)劃靶區(qū)（PTVnx、PTVnd、PTV1和PTV2）。危及器官包括腦干、脊髓、垂體、眼球、晶體、視神經(jīng)、視交叉、腮腺、喉、顳下頜關(guān)節(jié)、下頜骨、顳葉。兩次CT圖像的結(jié)構(gòu)勾畫均由同一位醫(yī)師完成。

在Monaco計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)，患者均采用同步推量放療。處方劑量PGTVnx：6 996 cGy，PGTVnd：6 996 cGy，PTV1：6 006 cGy，分割次數(shù) 33次；PTV2：5 096 cGy，分割次數(shù)28次。采用9野均分IMRT，要求處方劑量至少包繞95%的靶區(qū)體積。

1.4 CBCT圖像的掃描

利用Elekta's Synergy X-Ray Volume Imaging（XVI）系統(tǒng)采用頭頸部模式，S20準(zhǔn)直器，F(xiàn)0散射板，電壓100 kV，電流10 mA，進(jìn)行掃描。選取1程治療前掃描的1CBCT圖像及2程治療前掃描的2CBCT圖像導(dǎo)入MIM軟件系統(tǒng)。

1.5 輪廓自動(dòng)勾畫的方法

本文利用MIM v.6.8.3軟件系統(tǒng)，采用基于約束強(qiáng)度的自由形態(tài)形變配準(zhǔn)算法，通過以下兩種方法對2CBCT進(jìn)行輪廓的勾畫：（1）通過形變配準(zhǔn)將1CT中的結(jié)構(gòu)輪廓映射至2CBCT；（2）先通過剛性配準(zhǔn)，將1CT中的結(jié)構(gòu)輪廓復(fù)制至1CBCT，然后將1CBCT中的結(jié)構(gòu)映射至2CBCT。

由于CBCT圖像密度分辨率較差，對比度較低，無法在CBCT圖像上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的精確勾畫，因此選用計(jì)劃2CT中醫(yī)師勾畫的結(jié)構(gòu)為參考，比較兩種方法勾畫結(jié)果的精度。將兩種方法得到的結(jié)構(gòu)復(fù)制至計(jì)劃2CT，采用2程的治療計(jì)劃，對兩種方法勾畫的結(jié)構(gòu)進(jìn)行劑量計(jì)算，以2程計(jì)劃2CT的劑量為參考，比較兩種方法勾畫的靶區(qū)和危及器官與參考計(jì)劃之間的劑量偏差。

1.6 評價(jià)參數(shù)

1.61 勾畫精度運(yùn)用形狀相似性系數(shù)（Dice Similarity Coefficient,DSC）和豪斯多夫距離（Hausdorff Distance,HD）進(jìn)行評估：

其中，Vreference表示參考圖像輪廓的體積，Vtested表示自動(dòng)勾畫輪廓的體積。DSC的范圍是0～1，值越大表示兩個(gè)輪廓的相似性越高［8］。DSC＞0.7代表兩個(gè)結(jié)構(gòu)重合較好［9-10］。

其中，HD用來測量參考圖像的輪廓R與自動(dòng)勾畫的輪廓T之間的最大歐幾里得距離，r為R中的一個(gè)點(diǎn)，t為T中的一個(gè)點(diǎn)［11］。HD值越小，表明兩個(gè)輪廓之間的距離越?。?2-13］。

1.62 劑量差異靶區(qū)的評價(jià)指標(biāo)包括：PTVnx、PTVnd、PTV1的Dmean。危及器官的評價(jià)指標(biāo)包括：脊髓、腦干、垂體、晶體、視交叉、視神經(jīng)的Dmax，眼球、喉、下頜骨、顳下頜關(guān)節(jié)的Dmean，顳葉的D5%，腮腺的Dmean。

以2程計(jì)劃2CT的劑量為參考，計(jì)算兩種勾畫方法的劑量（Dt）與參考劑量（Dr）之間的偏差，計(jì)算公式為：。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS 20.0軟件對參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，比較兩種方法的靶區(qū)和危及器官評價(jià)指標(biāo)均采用配對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 自動(dòng)勾畫精度

對采用1CT-2CBCT方法勾畫的結(jié)構(gòu)中，DSC＞0.7的包括：PTVnx、PTV1、眼球、腮腺、下頜骨、顳下頜關(guān)節(jié)。在1CBCT-2CBCT中DSC＞0.7的結(jié)構(gòu)包括：PTVnx、PTV1、腦干、眼球、腮腺、垂體、喉、下頜骨、顳下頜關(guān)節(jié)、顳葉。除了脊髓、晶體、下頜骨和左顳下頜關(guān)節(jié)，1CBCT-2CBCT的DSC均大于1CT-2CBCT，HD均小于1CT-2CBCT，說明1CBCT-2CBCT的方法優(yōu)于1CT-2CBCT，在PTVnx、PTVnd、PTV1、腦干、視交叉、視神經(jīng)、顳葉中差距更加明顯（P＜0.05）。除了脊髓，1CT-2CBCT和1CBCT-2CBCT的HD值均小于2 cm。詳見表1。圖1為1例鼻咽癌患者分別由1CT-2CBCT、1CBCT-2CBCT和醫(yī)生手工勾畫結(jié)果的比較，可以看出1CBCT-2CBCT勾畫的輪廓更加接近醫(yī)生勾畫的輪廓。

表1 兩種方法對靶區(qū)和危及器官勾畫結(jié)果的DSC和HD比較Tab.1 Comparison of Dice similarity coefficient(DSC)and Hausdorff distance(HD)between two methods for the segmentation of target areas and organs-at-risk

2.2 劑量差異

除腦干、脊髓、下頜骨和右顳下頜關(guān)節(jié)外，1CBCT-2CBCT中其余結(jié)構(gòu)與參考計(jì)劃的劑量偏差均小于1CT-2CBCT；在PTVnd、PTV1、眼球、右視神經(jīng)、腮腺中差距具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。1CBCT-2CBCT中除了體積小于10 cm3（骨性結(jié)構(gòu)除外）的結(jié)構(gòu)（視交叉、晶體、眼球、視神經(jīng)、垂體），其他結(jié)構(gòu)的劑量偏差均小于±3%。結(jié)果見表2。

圖1 兩種勾畫方法的比較Fig.1 Comparison of two segmentation methods

表2 兩種方法對靶區(qū)和危及器官勾畫結(jié)果的劑量偏差比較（%）Tab.2 Comparison of dose deviations in target areas and organsat-risk(%)

3 討論

MIM軟件的形變配準(zhǔn)是基于約束強(qiáng)度的自由形態(tài)形變配準(zhǔn)算法，能夠糾正治療部位變化造成的配準(zhǔn)錯(cuò)誤，是具備高自由度的形變配準(zhǔn)算法，能夠用于重新計(jì)劃的自適應(yīng)重新勾畫［14-15］。

本研究將此算法應(yīng)用于頭頸部CBCT靶區(qū)和危及器官的勾畫中，評估形變配準(zhǔn)在CBCT中的適用性。這種算法的局限性在于兩幅圖像的亨氏單位不一致可能會(huì)造成配準(zhǔn)錯(cuò)誤［16］，由此猜想利用1CBCT-2CBCT的形變配準(zhǔn)會(huì)優(yōu)于1CT-2CBCT的形變配準(zhǔn)。因此，本文采用1CT-2CBCT和1CBCT-2CBCT兩種方法，分別對2CBCT進(jìn)行器官輪廓的自動(dòng)勾畫，得出結(jié)論：除了脊髓、晶體、下頜骨和左顳下頜關(guān)節(jié)，1CBCT-2CBCT的DSC均大于1CT-2CBCT，HD均小于1CT-2CBCT，而脊髓、晶體、下頜骨和左顳下頜關(guān)節(jié)在兩種方法中差距較小，認(rèn)為1CBCT-2CBCT的方法優(yōu)于1CT-2CBCT。

在1CBCT-2CBCT中，除PTVnd、脊髓、晶體、視神經(jīng)、視交叉、眼球及垂體外，其他結(jié)構(gòu)的DSC均大于0.7，HD均小于2 cm，與2CT的劑量偏差在±3%以內(nèi)，得到的結(jié)果較為滿意。至于PTVnd、脊髓、晶體、視神經(jīng)、視交叉、眼球及垂體勾畫結(jié)果較差的原因，可能包括：（1）CBCT掃描的范圍小于CT的掃描范圍，導(dǎo)致部分脊髓未能顯示在CBCT圖像中；（2）PTVnd與周圍組織的分辨率較差［17］，而且PTVnd為不連續(xù)的區(qū)域，單個(gè)頸部轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)的體積較??；（3）晶體、視神經(jīng)、視交叉、眼球和垂體的體積較?。?8］。

采用1CBCT-2CBCT方法，利用形變配準(zhǔn)勾畫的大部分結(jié)構(gòu)能夠得到較滿意的結(jié)果，但略差于Hvid等［19］、Bendall等［20］的研究結(jié)果，可能是他們選取的參考圖像與目標(biāo)圖像為同一幅圖像，使其DSC指數(shù)較高。由于CBCT圖像密度分辨率較差，對比度較低，使得CBCT的應(yīng)用尚局限于校正擺位誤差。本研究將形變配準(zhǔn)算法應(yīng)用于頭頸部CBCT中，能夠評價(jià)大部分結(jié)構(gòu)在放療過程中形態(tài)、位置及受照劑量的變化，可以為重新制定治療計(jì)劃提供臨床指導(dǎo)，輔助自適應(yīng)放療，實(shí)現(xiàn)精確的個(gè)體化放療。