三種自動(dòng)勾畫軟件應(yīng)用于中上腹部危及器官勾畫的準(zhǔn)確性研究

廣東省第二人民醫(yī)院 放療科，廣東 廣州 510317

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在臨床腫瘤的治療中，其高度的靶區(qū)適形度和陡峭的劑量梯度大大地提高了腫瘤治療的增益比[1-2]。因此在放療計(jì)劃設(shè)計(jì)階段就要求臨床醫(yī)師精確定義和勾畫靶區(qū)與危及器官（Organs at Risk，OAR）。傳統(tǒng)的手工勾畫OAR不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且重復(fù)性差，此外患者在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間放療后，身體的解剖結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，腫瘤縮小，則需要重新定位并制訂放療計(jì)劃[3-5]，而繁瑣重復(fù)的OAR勾畫無(wú)疑大幅降低放療計(jì)劃制定的效率，也給臨床醫(yī)師造成負(fù)擔(dān)。目前國(guó)內(nèi)外有基于圖譜庫(kù)和形變配準(zhǔn)融合自動(dòng)勾畫軟件應(yīng)用于頭頸部腫瘤[6-9]、胸部腫瘤[10-14]和下腹部腫瘤[15-20]的OAR自動(dòng)勾畫臨床可行性研究，較少檢索到關(guān)于中上腹部的危及器官自動(dòng)勾畫的臨床研究，以及基于深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的軟件在臨床上準(zhǔn)確性應(yīng)用的研究。

因此本文研究三款自動(dòng)勾畫軟件pinnacle、LinkingMed和Manteia對(duì)于中上腹部危及器官勾畫的準(zhǔn)確性，以及比較這三者自動(dòng)勾畫與手工勾畫間的幾何精度差異并探討在中上腹部腫瘤中自動(dòng)勾畫方式應(yīng)用于臨床的可行性分析。

1 材料與方法

1.1 自動(dòng)勾畫工具

Pinnacle 9.10是飛利浦公司的治療計(jì)劃系統(tǒng)，其中內(nèi)置有自動(dòng)勾畫模塊SPICE（Smart Probabilistic Image Contouring Engine），該模塊是通過(guò)匹配圖譜庫(kù)的模板進(jìn)行概率形變配準(zhǔn)得到的自動(dòng)輪廓。LinkingMed和Manteia是由國(guó)內(nèi)的公司開發(fā)的兩款自動(dòng)勾畫軟件，它們都是基于深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過(guò)對(duì)大量醫(yī)生所標(biāo)注的勾畫數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，不斷地調(diào)整卷積核和權(quán)重等參數(shù)所建立的算法模型。

1.2 病例選擇

選擇2019年9月至2020年3月在廣東省第二人民醫(yī)院接受放療的中上腹部腫瘤患者26例，其中肝癌（Ⅰ～Ⅱ期）15例，結(jié)腸癌7例，腰椎轉(zhuǎn)移瘤4例。行仰臥位，以熱塑體膜固定，在西門子大孔徑螺旋CT（Somaton Sensation Open）下，以3 mm的層厚層距掃描并重建CT圖像。掃描得到的CT圖像數(shù)據(jù)傳送至Pinnacle9.10放療計(jì)劃系統(tǒng)、LinkingMed和Manteia自動(dòng)勾畫系統(tǒng)。

1.3 OAR勾畫

由1名有經(jīng)驗(yàn)的放療醫(yī)師在Pinnacle9.10計(jì)劃系統(tǒng)上手工勾畫OAR，并要求上級(jí)主任醫(yī)師審核和修改。OAR包括：肝、脊髓、雙腎、胰腺和胃，并定義為參考勾畫Vref。Pinnacle9.10計(jì)劃系統(tǒng)的自動(dòng)勾畫的OAR為肝、脊髓和雙腎，定義為VP；LinkingMed和Manteia自動(dòng)勾畫的OAR與手工的一樣，分別定義為VL和VM，勾畫完畢即導(dǎo)入放療計(jì)劃系統(tǒng)，再傳入LinkingMed進(jìn)行比較評(píng)估。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

以手工勾畫為金標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算這三種自動(dòng)勾畫結(jié)果的質(zhì)心偏差（Center of Mass Deviation，DC）、Dice相似性系 數(shù)（Dice Similarity Coefficient，DSC）、Hausdorff 距 離（Hausdorff Distance，HD）、包容性指數(shù)（Inclusive Index，IncI）和敏感性指數(shù)（Sensitivity Index，SI）[15]，下列公式中下標(biāo)為ref的為手動(dòng)勾畫參考值，auto的為自動(dòng)勾畫值。DC、DSC計(jì)算公式見公式(1)～(2)：

用于比較有限樣本集之間的相似性與差異性，DSC值越大，樣本相似度越高。HD計(jì)算，見公式(3)：

用于表示某一集合中離另一集合最近點(diǎn)的所有距離的最大值。

IncI和SI的計(jì)算，見公式(4)～(5)：

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

建立Excel數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用SPSS 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用單因素方差法檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）的形式表現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 勾畫時(shí)間的比較

Lingkingmed和Manteia的勾畫時(shí)間是從圖像導(dǎo)入自動(dòng)勾畫系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)至勾畫結(jié)束，約為40 s。Pinnacle系統(tǒng)勾畫的時(shí)間從點(diǎn)擊Auto-segmentation自動(dòng)勾畫開始至勾畫結(jié)束，約為5 min，醫(yī)生人工勾畫的時(shí)間約為30 min。

2.2 三組自動(dòng)勾畫結(jié)果的DC比較

不同組勾畫結(jié)果的DC比較如圖1所示，統(tǒng)計(jì)學(xué)差異如表1所示。三組勾畫的肝、腎和脊髓的DC值<10 mm，其中右腎和脊髓的DC<5 mm。Pinnacle勾畫組的結(jié)果偏差比其他兩組大。LinkingMed和Manteia勾畫組肝、雙腎和脊髓的DC均值<7 mm，而胰腺和胃的DC值較大，其中LinkingMed勾畫組的結(jié)果比Manteia勾畫組的偏差大。LinkingMed和Manteia勾畫組與Pinnale勾畫組的結(jié)果，除脊髓外，均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。LinkingMed勾畫組和Manteia勾畫組胰腺的結(jié)果有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖1 三組自動(dòng)勾畫結(jié)果的DC

表1 三種自動(dòng)勾畫危及器官DC的結(jié)果（±s，mm）

表1 三種自動(dòng)勾畫危及器官DC的結(jié)果（±s，mm）

注：*是代表VL和 VM，VL和VP，VM和VP之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

參數(shù) VL VM VP P值肝 6.25±5.92 5.19±5.17 9.80±6.95 △○左腎 1.12±1.66 1.14±1.59 7.05±7.90 △○右腎 0.77±0.76 1.11±1.28 2.72±2.72 △○脊髓 4.93±7.10 2.90±4.73 3.43±5.19 0.432胃 23.89±17.62 16.88±18.00 0.162胰腺 21.02±18.22 8.84±12.64 *

2.3 三種自動(dòng)勾畫結(jié)果的DSC比較

不同自動(dòng)勾畫結(jié)果的Dice系數(shù)比較如圖2所示，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析如表2所示。肝、雙腎和脊髓的DSC平均值＞0.8，LinkingMed和Manteia的DSC均值＞0.9。Manteia勾畫組胃和胰腺的DSC均值＞0.7。LinkingMed勾畫組與Pinnale勾畫組的結(jié)果均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。Manteia勾畫組與Pinnale勾畫組的結(jié)果除了肝外，均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。胃和胰腺的勾畫結(jié)果顯示，LinkingMed和Manteia勾畫組有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖2 三組自動(dòng)勾畫結(jié)果的Dice系數(shù)比較

表2 三種自動(dòng)勾畫危及器官DSC比較結(jié)果（±s）

表2 三種自動(dòng)勾畫危及器官DSC比較結(jié)果（±s）

注：*是代表VL和 VM，VL和VP，VM和VP之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

參數(shù) VL VM VP P值肝 0.97±0.02 0.95±0.05 0.94±0.03 △左腎 0.96±0.06 0.96±0.05 0.81±0.16 △○右腎 0.98±0.02 0.96±0.04 0.9±0.11 △○脊髓 0.90±0.06 0.90±0.07 0.81±0.07 △○胃 0.54±0.25 0.75±0.15 *胰腺 0.43±0.26 0.71±0.16 *

2.4 三種自動(dòng)勾畫結(jié)果的HD比較

不同自動(dòng)勾畫結(jié)果的HD比較如圖3所示，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析如表3所示。三組勾畫結(jié)果的雙腎和脊髓的HD均值<20 mm，肝的HD均值<26 mm，Pinnacle勾畫組的結(jié)果偏差比其他兩組大。LinkingMed勾畫組的胃和胰腺的HD均值大于Manteia的勾畫結(jié)果。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果顯示，LinkingMed勾畫組雙腎的結(jié)果與Pinnale勾畫組的有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，LinkingMed勾畫組右腎和胰腺的結(jié)果與Manteia的結(jié)果有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，Manteia勾畫組左腎的結(jié)果與Pinnale勾畫組的有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，其他指標(biāo)均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖3 三組自動(dòng)勾畫結(jié)果的HD

表3 三種自動(dòng)勾畫危及器官結(jié)果的HD（±s，mm）

表3 三種自動(dòng)勾畫危及器官結(jié)果的HD（±s，mm）

注：*是代表VL和 VM，VL和VP，VM和VP之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

參數(shù) VL VM VP P值肝 22.27±15.76 18.87±12.55 25.95±12.40 0.182左腎 7.07±3.90 8.46±3.43 19.19±15.91 △○右腎 4.14±2.26 7.73±3.81 9.65±5.07 *△脊髓 15.14±18.77 8.54±10.82 9.59±13.08 0.222胃 54.21±36.68 40.27±32.11 0.145胰腺 46.44±37.64 19.01±21.66 *

2.5 三種自動(dòng)勾畫結(jié)果的IncI和SI分析比較

不同自動(dòng)勾畫結(jié)果的IncI和SI分析比較如圖4和圖5所示，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析如表4和表5所示。IncI是指自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫所重合的體積與自動(dòng)勾畫體積的比值，SI是指自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫所重合的體積與手動(dòng)勾畫體積的比值。因此當(dāng)自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫結(jié)果完全吻合的時(shí)候，IncI與SI的值為1，若兩者完全沒有重疊的話，這兩個(gè)值為0。三組勾畫結(jié)果的肝、腎和脊髓的IncI均值＞0.8，其中肝、右腎和脊髓的IncI均值＞0.9。LinkingMed和Manteia的勾畫組IncI均值大于Pinnacle勾畫組。LinkingMed勾畫組胃和胰腺的IncI均值大于Manteia勾畫組，兩者勾畫組均值＞0.7。三組勾畫結(jié)果的肝、腎和脊髓的SI均值＞0.87，除了Pinnacle勾畫組脊髓IncI均值為0.73。LinkingMed和Manteia的勾畫組SI均值大于Pinnacle勾畫組。Manteia勾畫組胃和胰腺的SI均值＞0.7，其結(jié)果優(yōu)于LinkingMed勾畫組結(jié)果。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果顯示，LinkingMed勾畫組和Manteia勾畫組的肝和雙腎的IncI值與Pinnale勾畫組的有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，LinkingMed勾畫組的右腎IncI值和Manteia的結(jié)果也有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，其他指標(biāo)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。LinkingMed勾畫組肝、雙腎和脊髓的SI結(jié)果與Pinnale勾畫組的均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，Manteia的結(jié)果除肝外，也均與Pinnacle組的有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，LinkingMed和Manteia的胃和胰腺的SI值也均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖4 三種自動(dòng)勾畫結(jié)果的IncI

圖5 三種自動(dòng)勾畫結(jié)果的SI

表4 三種自動(dòng)勾畫危及器官結(jié)果的IncI（±s）

表4 三種自動(dòng)勾畫危及器官結(jié)果的IncI（±s）

注：*是代表VL和 VM，VL和VP，VM和VP之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

參數(shù) VL VM VP P值肝 0.97±0.03 0.97±0.03 0.93±0.04 △○左腎 0.98±0.02 0.96±0.03 0.80±0.22 △○右腎 0.98±0.03 0.96±0.03 0.92±0.04 *△○脊髓 0.92±0.09 0.90±0.08 0.92±0.07 0.096胃 0.87±0.13 0.84±0.13 0.453胰腺 0.76±0.28 0.73±0.17 0.691

表5 三種自動(dòng)勾畫危及器官結(jié)果的SI指數(shù)（±s）

表5 三種自動(dòng)勾畫危及器官結(jié)果的SI指數(shù)（±s）

注：*是代表VL和 VM，VL和VP，VM和VP之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

參數(shù) VL VM VP P值肝 0.97±0.03 0.94±0.07 0.94±0.03 △左腎 0.95±0.09 0.97±0.09 0.87±0.09 △○右腎 0.97±0.03 0.96±0.07 0.90±0.14 △○脊髓 0.89±0.09 0.91±0.08 0.73±0.10 △○胃 0.45±0.26 0.72±0.21 *胰腺 0.34±0.24 0.71±0.19 *

3 討論

隨著自動(dòng)勾畫危及器官軟件越來(lái)越多地應(yīng)用于臨床，國(guó)內(nèi)外有諸多關(guān)于自動(dòng)勾畫軟件應(yīng)用于頭頸部、胸部和盆腔的研究，而對(duì)于中上腹部危及器官自動(dòng)勾畫的研究較少，中上腹部的危及器官主要有形狀變異小、邊界清晰的大體積器官如肝臟、雙腎和脊髓等，以及形狀變異大、組織對(duì)比度欠佳的結(jié)構(gòu)如胃和胰腺等。對(duì)于肝臟、腎臟和脊髓這樣邊界清晰的大結(jié)構(gòu)，本案中的三種自動(dòng)勾畫軟件均有較好的勾畫效果，其DSC均值都大于0.8，這個(gè)結(jié)論與Wittenstein等[21]在骨轉(zhuǎn)移瘤的危及器官勾畫的結(jié)果近似。LinkingMed和Manteia所勾畫的這三種結(jié)構(gòu)的DSC均值大于Pinnacle組的結(jié)果，而標(biāo)準(zhǔn)誤更小，可以認(rèn)為L(zhǎng)inkingMed和Manteia勾畫的更穩(wěn)定和準(zhǔn)確。DC和HD越小，則與手工勾畫的結(jié)果差異越小，IncI和SI越接近1，則自動(dòng)勾畫和手動(dòng)勾畫的結(jié)果就越吻合。根據(jù)對(duì)DC、DSC、HD、IncI和SI的各個(gè)數(shù)值的比較可以看出，LinkingMed和Manteia對(duì)于肝、雙腎和脊髓的勾畫效果略優(yōu)于Pinnacle的勾畫效果。在本案的研究中，Pinnacle組左腎的各項(xiàng)指標(biāo)與LinkingMed和Manteia組的差別比右腎的大，是因?yàn)镻innacle的SPICE是基于概率分割圖像，在相鄰結(jié)構(gòu)之間的對(duì)比度很小的情況下很難識(shí)別他們之間的邊緣以產(chǎn)生可接受的輪廓，因此在部分病例中pinnacle自動(dòng)勾畫左腎時(shí)將部分的脾臟也算入了左腎的輪廓中，導(dǎo)致了左腎的各項(xiàng)指標(biāo)偏差增大。由于SPICE是基于自身圖譜庫(kù)的概率分割圖像，因此只有有限的器官模板可以選擇自動(dòng)勾畫，且不能像ABAS那樣建立各種圖譜庫(kù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卷積算法是通過(guò)對(duì)海量的輪廓進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，訓(xùn)練得到更合適的權(quán)重使得該模型算法對(duì)于各個(gè)器官的識(shí)別和勾畫更加準(zhǔn)確，而且可以訓(xùn)練和勾畫各種想要的器官，因此本案研究中LinkingMed和Manteia組比Pinnacle組的結(jié)果更加優(yōu)。對(duì)于形狀變異大、組織對(duì)比度欠佳的結(jié)構(gòu)如胃和胰腺，王琳婧等[15]和王金媛等[16]在研究中提到，這樣的結(jié)構(gòu)，自動(dòng)勾畫軟件所勾畫的基本難以滿足臨床需要（如直腸的DSC值約為0.5），這個(gè)結(jié)論與LinkingMed勾畫結(jié)論相符，Manteia勾畫這兩者結(jié)構(gòu)的DSC均值＞0.7，與手工勾畫的重合度較好。從DC、HD、IncI和SI的各個(gè)數(shù)值的比較來(lái)看，Manteia的結(jié)果更優(yōu)，這是因?yàn)樵谏窠?jīng)卷積網(wǎng)絡(luò)算法中，不同的卷積核、訓(xùn)練權(quán)重和訓(xùn)練集等都導(dǎo)致模型算法的不同，并造成不同的識(shí)別和勾畫結(jié)果，Manteia對(duì)于這種形變較大，充盈程度無(wú)法控制及組織對(duì)比度欠佳的結(jié)構(gòu)識(shí)別勾畫的功能更強(qiáng)大一些。

綜上所述，在上腹部危及器官的自動(dòng)勾畫中，這三種軟件對(duì)肝臟、雙腎和脊髓均有著較好的勾畫效果，而Manteia對(duì)于胰腺和胃的勾畫也基本符合臨床需要，但考慮到臨床劑量評(píng)估的準(zhǔn)確性，應(yīng)當(dāng)在自動(dòng)勾畫的基礎(chǔ)上適當(dāng)進(jìn)行手工修改。由于本研究中所采用的Pinnacle9.10是2014年版本的軟件，而版本的更迭可能會(huì)對(duì)算法和勾畫效果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，LinkingMed和Manteia兩款軟件也還在臨床試驗(yàn)階段，算法還在不斷的優(yōu)化改進(jìn)中，因此本研究的分析結(jié)果僅限于當(dāng)前所使用軟件和版本。