大圖醫(yī)療rtStation軟件自動勾畫直腸癌患者膀胱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用分析

趙紫婷，秦偉，時(shí)飛躍,2，魏曉為，田書暢，吳倩倩，蔣紅兵,3

1. 南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院）a. 醫(yī)療設(shè)備處；b. 腫瘤放療中心，江蘇 南京 210006；2. 南京醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)物理研究中心，江蘇 南京 210029；3. 南京市急救中心，江蘇 南京 210003

引言

直腸癌是常見的惡性腫瘤之一，據(jù)中國2018年發(fā)布的腫瘤登記年報(bào)，全國直腸癌發(fā)病占比為9.74%，發(fā)病例數(shù)排位僅次于肺癌與胃癌[1]。直腸癌放射治療已經(jīng)成為直腸癌綜合治療的重要組成部分，在術(shù)前、術(shù)后應(yīng)用廣泛[2-3]。小腸是直腸癌放射治療計(jì)劃中的劑量限制器官，為防止過多小腸進(jìn)入盆腔，保護(hù)膀胱及盆腔周圍軟組織，可采用不同體位（仰臥位、俯臥位、斜位）、充盈膀胱、運(yùn)用有孔腹部定位裝置等方法。膀胱自主充盈狀態(tài)與排空狀態(tài)相比能減少膀胱、小腸照射劑量[4]，而在膀胱排空狀態(tài)時(shí)可得到更好的重復(fù)性。因此，膀胱結(jié)構(gòu)對于盆腔其他危及器官勾畫與放射計(jì)劃設(shè)計(jì)至關(guān)重要，而由于危及器官勾畫過程耗時(shí)耗力，各種自動勾畫工具應(yīng)運(yùn)而生。本研究測試并定量評估上海大圖科技有限公司的放射治療勾畫工作站rtStation軟件在直腸癌患者膀胱結(jié)構(gòu)自動勾畫結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 自動勾畫軟件

rtStation是一款基于云架構(gòu)的放療醫(yī)生工作站，通過云端計(jì)算，深度學(xué)習(xí)以及基于GPU的圖像顯示技術(shù)，為腫瘤放療醫(yī)生提供自動勾畫、配準(zhǔn)融合及劑量評估等工具。其自動勾畫模塊使用3D-Unet架構(gòu)執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)，建模數(shù)據(jù)來源于合作醫(yī)院及網(wǎng)上公開數(shù)據(jù)集，支持頭頸、胸腹部及盆腔等部位危及器官的自動勾畫。其中，膀胱結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)部驗(yàn)證結(jié)果為0.87。本研究使用rtStation 1.4.0，發(fā)布于2018年10月。

1.2 病例選擇

選取本院于2017年3月至2019年10月已進(jìn)行調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）的30例直腸癌患者，依據(jù)ID號升序排列并編號。其中男性20例，女性10例，中位年齡66.5歲（34～86歲）。患者均由熱塑體模固定，其中14人采用俯臥位行定位CT掃描，16人采用仰臥位。CT模擬定位機(jī)型號為西門子Sensation Open CT，掃描層厚5 mm，層間距5 mm。

1.3 數(shù)據(jù)采集

將放療定位CT圖像從Eclipse治療計(jì)劃系統(tǒng)導(dǎo)入至rtStation，通過危及器官勾畫工具自動勾畫患者膀胱結(jié)構(gòu)，并逐例記錄完成時(shí)間。將軟件勾畫生成的結(jié)構(gòu)文件導(dǎo)出至Eclipse系統(tǒng)，從中采集自動與手動勾畫膀胱結(jié)構(gòu)的體積與位置數(shù)據(jù)，分析與比較兩種勾畫方式的差異。所有手動勾畫的膀胱結(jié)構(gòu)均已經(jīng)過臨床確認(rèn)，為放療醫(yī)生依據(jù)《腫瘤放射治療危及器官勾畫》[5]中膀胱結(jié)構(gòu)的解剖邊界，在Eclipse系統(tǒng)中逐層勾畫得到。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用SPSS 20.0軟件，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.4 評價(jià)指標(biāo)

1.4.1 體積差異

1.4.2 Dice相似性指數(shù)

1.4.3 質(zhì)心偏差

其中x自動和x手動分別代表自動和手動勾畫結(jié)構(gòu)的幾何中心在x方向的坐標(biāo)值，y和z方向依此類推。質(zhì)心偏差（Deviation of Centroid，DC）反映兩個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何中心在三維空間上的位置偏移，數(shù)值越大表明兩種勾畫結(jié)果在空間位置的偏移越大[8-9]。

2 結(jié)果

2.1 體積差異

30例膀胱結(jié)構(gòu)的手動勾畫體積如圖1所示，不同體位用顏色加以區(qū)分。兩種勾畫方式的體積差異存在3例極大值分別對應(yīng)編號為7、10、12的患者。排除后，其余27例的ΔV%為（-4.44±16.25）%，表明與手動勾畫相比，自動勾畫的膀胱體積偏小。

圖1 30例膀胱結(jié)構(gòu)的手動勾畫體積

2.2 DSC結(jié)果

如圖2所示，除編號為7、10、12的3例患者（DSC分別為0.13，0.38，0.41），其余27例直腸癌患者膀胱結(jié)構(gòu)勾畫的DSC值為（0.89±0.05），表明大多數(shù)樣本的膀胱自動勾畫結(jié)果與手動勾畫形狀一致性較好。對比膀胱體積圖（圖1），發(fā)現(xiàn)3例特殊值對應(yīng)于較小的膀胱體積，且均為俯臥位圖像。

圖2 30例自動勾畫與手動勾畫膀胱結(jié)構(gòu)的形狀相似性

2.3 DC結(jié)果

自動與手動兩種勾畫方式在x、y、z三個(gè)方向上的差異分別為（0.25±0.92）、（0.28±0.63）、（0.34±0.66）cm，DC為（0.61±1.25）cm。兩種體位的位置參數(shù)如表1所示。

表1 30例直腸癌患者膀胱結(jié)構(gòu)的位置參數(shù)（±s，cm）

表1 30例直腸癌患者膀胱結(jié)構(gòu)的位置參數(shù)（±s，cm）

位置參數(shù) 仰臥位 俯臥位 總計(jì)Δx 0.42±1.26 0.06±0.04 0.25±0.92 Δy 0.44±0.83 0.10±0.09 0.28±0.63 Δz 0.53±0.87 0.13±0.10 0.34±0.66 DC 0.97±1.65 0.20±0.09 0.61±1.25

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

分析膀胱體積與DSC、ΔV%、DC的相關(guān)性，結(jié)果見表2。DSC與膀胱體積顯著正相關(guān)，DC與膀胱體積顯著負(fù)相關(guān)。去掉上述3例小膀胱體積樣本后，對兩種體位的DSC、ΔV%、DC行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。結(jié)果列于表表3。說明自動勾畫精度與膀胱充盈體積顯著相關(guān)，在不同體位圖像中無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

表2 30例勾畫結(jié)果與膀胱體積的相關(guān)性分析

3 討論

放射治療已成為直腸癌綜合治療的重要手段。IMRT相對傳統(tǒng)放療技術(shù)，能夠在改善腫瘤靶區(qū)內(nèi)放射劑量分布的同時(shí)降低周圍危及器官的照射劑量，在當(dāng)前臨床應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位[10]。靶區(qū)勾畫是實(shí)施直腸癌調(diào)強(qiáng)放療過程中的重要組成部分，醫(yī)生在放療計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中需要嚴(yán)格勾畫臨床靶區(qū)和相關(guān)危及器官輪廓，以保證在腫瘤靶區(qū)精確照射的前提下，最大限度保護(hù)周邊危及器官。然而，手動勾畫不僅耗時(shí)耗力，還受臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和影像質(zhì)量等主觀及客觀因素的影響。此外，由于膀胱、小腸等危及器官及腫瘤在分次治療間的形態(tài)和空間位置變化，使得調(diào)強(qiáng)放療帶來的精確劑量分布并不能免除實(shí)際療效的不確定性。自適應(yīng)放射治療[11]可以解決上述問題，但在放射治療分次間多次定位、準(zhǔn)確勾畫靶區(qū)及危及器官、修改治療計(jì)劃等要求，大大加重了醫(yī)生的工作負(fù)荷。此外，直腸癌調(diào)強(qiáng)放療時(shí)，為確保擺位的可重復(fù)性，患者可采用仰臥位體模固定，采用俯臥位腹板固定可減少腸道的照射。實(shí)際臨床應(yīng)用中會根據(jù)患者實(shí)際需求選擇合適的固定體位，這就需要軟件能夠滿足不同體位圖像的勾畫需求。

表3 27例直腸癌患者膀胱結(jié)構(gòu)勾畫結(jié)果（±s）

表3 27例直腸癌患者膀胱結(jié)構(gòu)勾畫結(jié)果（±s）

評價(jià)指標(biāo) 仰臥位 俯臥位 t值 P值 總計(jì)手動勾畫體積/cm3 390.32±218.80 432.33±289.50 -0.18 0.86 407.43±245.55自動勾畫體積/cm3 358.12±177.61 398.53±271.69 -0.43 0.67 374.59±216.79 ΔV%/cm3 -3.35±16.76 -6.03±16.15 -1.09 0.29 -4.44±16.25 DSC 0.90±0.04 0.88±0.06 1.43 0.16 0.89±0.05 DC/cm 0.19±0.10 0.26±0.24 -1.44 0.16 0.22±0.17勾畫時(shí)間/s 45.6±6.1 49.7±7.3 -1.30 0.20 47.3±6.8

臨床的迫切需求使得危及器官和靶區(qū)自動勾畫成為研究熱點(diǎn)。目前市場上已出現(xiàn)多種可以實(shí)現(xiàn)自動勾畫功能的商用軟件，包括ABAS，MIM maestrover， Raysation，iPlan[12]，OnQ[13]，VelocityAI等。國內(nèi)外對此進(jìn)行的相關(guān)研究多圍繞圖譜庫構(gòu)建方式對勾畫結(jié)果的影響[14-16]、自動勾畫軟件在各部位不同危及器官中的表現(xiàn)[17]、自動勾畫軟件之間的比較[18]、輪廓勾畫結(jié)果對劑量的影響[19]等。本文通過自動勾畫與人工勾畫結(jié)果在體積、形狀、位置三個(gè)方面的差異，定量評估rtStation軟件自動勾畫直腸癌患者膀胱結(jié)構(gòu)的幾何精度，并分析導(dǎo)致個(gè)別結(jié)果較差的因素。通過比較該軟件在兩種體位圖像中的勾畫結(jié)果，發(fā)現(xiàn)DSC與膀胱充盈體積顯著正相關(guān)，且在不同體位圖像中無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。排除膀胱充盈不足病例后，自動勾畫與手動勾畫結(jié)果的一致性較好，體積差異為（-4.44±16.25）%，DSC值為（0.89±0.05），DC為（0.22±0.17） cm。因此，在膀胱充盈良好的情況下，使用該軟件能獲得接近人工的勾畫精度。

綜上所述，在臨床應(yīng)用中，對于此類有膀胱充盈需求的盆腔照射放療計(jì)劃設(shè)計(jì)，該自動勾畫工具能夠起到一定的輔助作用，且對于仰臥與俯臥兩種固定體位的患者均可達(dá)到較高的勾畫精度，但在使用時(shí)需要保證膀胱充盈。雖然自動勾畫結(jié)果仍需要部分修改才能滿足臨床要求，但相比我院醫(yī)生手動勾畫膀胱結(jié)構(gòu)所需時(shí)間(平均每個(gè)病例約340 s)，自動勾畫軟件可減少約86.1%的工作時(shí)間，應(yīng)用前景較好。