AccuContour軟件自動勾畫鏡面人患者4D-CT圖像心臟結(jié)構(gòu)的應(yīng)用分析

時飛躍，秦偉，趙紫婷，王敏，趙環(huán)宇，魏曉為

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

引言

鏡面人，又稱鏡子人或鏡像人，鏡面人的心臟、肝臟、脾臟等器官的位置與正常人相反，心臟、脾臟位于右邊，肝臟在左邊，心、肝、脾的位置好像是正常人臟器的鏡中像[1]。對于鏡面人放療患者，放療醫(yī)師在其定位CT圖像上勾畫上述危及器官時，與普通放療患者不同，需要改變左右習慣來進行認真勾畫。在腫瘤放療工作中，心臟是胸部腫瘤患者的重要危及器官之一，需要進行精確勾畫并對其劑量進行認真評估[2]。近年來，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種基于圖譜庫或基于深度學習的自動輪廓勾畫軟件，可用于危及器官和部分腫瘤靶區(qū)的自動勾畫[3-4]。然而，由于鏡面人在腫瘤患者中的比例很小，目前為止自動勾畫的相關(guān)研究均沒有涉及鏡面人患者，尚無對鏡面人患者的危及器官進行自動勾畫效果測評的研究，商用自動勾畫軟件是否能夠準確勾畫鏡面人患者的危及器官尚無數(shù)據(jù)支持。廈門Manteia公司基于深度學習的AccuContour軟件，能夠自動勾畫心臟等多種危及器官，已有研究對AccuContour軟件自動勾畫腫瘤患者危及器官的效果進行了分析與評價[5]。因此，本研究選取某位鏡面人患者的10套四維CT（4D-CT）圖像序列，應(yīng)用AccuContour軟件自動勾畫心臟結(jié)構(gòu)，對自動勾畫的可行性和準確性進行測試和評估，為使用相關(guān)軟件自動勾畫鏡面人患者的危及器官提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 病例選擇

選取2019年7月南京醫(yī)科大學附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院）收治的1例肺癌患者進行研究。該患者為男性，年齡70歲，圖1所示為其某層CT圖像橫截面及相應(yīng)的冠狀面和矢狀面圖像截圖。使用西門子Sensation Open CT模擬機，配合瓦里安RPM系統(tǒng)，對該患者行定位CT掃描，患者仰臥位，重建10套呼吸時相（0，10%，……，90%）的CT序列，層厚3 mm，層間距3 mm。鏡面人放療患者非常少，即使是較大的腫瘤放療中心，收集10例以上的CT圖像序列也很困難。恰好本部門收治的該患者需要使用4D-CT圖像輔助勾畫腫瘤靶區(qū)，而4D-CT圖像包含了10個呼吸時相的CT序列。因此，我們收集了這10個呼吸時相的CT圖像序列和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行了本項研究。

圖1 該鏡面人患者某層CT圖像橫截面及相應(yīng)的冠狀面和矢狀面截圖

1.2 AccuContour軟件

AccuContour軟件是由Manteia（中國）公司開發(fā)的一款基于深度學習的自動勾畫軟件。該軟件可對放療患者定位CT圖像中頭頸部、胸部、腹部和下腹部的多種危及器官和部分腫瘤靶區(qū)（鼻咽癌、食管癌、直腸癌和宮頸癌）進行自動勾畫。本研究中，所用軟件版本號為1.1.5。

1.3 心臟結(jié)構(gòu)勾畫

手工勾畫：放療工作人員使用Eclipse治療計劃系統(tǒng)的手工勾畫工具，在每個時相的CT圖像中勾畫該患者的心臟結(jié)構(gòu)。由于該患者是鏡面人，心臟結(jié)構(gòu)偏右側(cè)，與一般患者相反，因此在手工勾畫時需要注意這一點，克服平時勾畫心臟時的習慣。自動勾畫：首先將該患者的10套CT圖像和相關(guān)結(jié)構(gòu)文件從Eclipse系統(tǒng)中導出，然后傳輸并導入AccuContour軟件中，最后選擇AccuContour軟件中胸部心臟的自動勾畫模板進行自動勾畫，并記錄自動勾畫時間。

1.4 評價指標

使用AccuContour軟件中的相應(yīng)工具，獲取自動勾畫和手工勾畫心臟結(jié)構(gòu)的位置數(shù)據(jù)，然后計算得到位置差異；使用Eclipser的相應(yīng)工具，獲取心臟體積相關(guān)數(shù)據(jù)，然后計算得到體積差異和形狀一致性相關(guān)參數(shù)的值。主要通過自動勾畫與手工勾畫兩者之間的體積差異、位置差異、形狀一致性和勾畫時間，評估軟件自動勾畫心臟結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果。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)。

（1）體積差異定義如式(1)：

其中V手工和V自動分別代表手工勾畫和自動勾畫的心臟結(jié)構(gòu)體積。

（2）位置差異分別定義如式(2～5)：

其中Δx、Δy和Δz，分別表示x（左右）、y（腹背）和z（頭腳）方向的位置差異，ΔL表示總位置差異。x自動、y自動和z自動分別代表自動勾畫的心臟結(jié)構(gòu)幾何中心在x、y和z方向的坐標；x手工、y手工和z手工分別代表手工勾畫的心臟結(jié)構(gòu)幾何中心在x、y和z方向的坐標。

（3）DSC（Dice Similarity Coefficient，Dice相似性系數(shù)）定義如式(6)[6]：

（4）敏感性指數(shù)（Sensitivity Index，SI）定義如式(7)[7]：

（5）包容性指數(shù)（ Inclusiveness Index，IncI）定義如式(8)[8]：

（6）Jaccard指數(shù)（Jaccard Index，JAC）定義如式(9)[9]：

DSC、SI、IncI和JAC四個參數(shù)用于評價輪廓形狀一致性，取值范圍均為0～1[10]。DSC值越接近1，表示兩個結(jié)構(gòu)輪廓形狀的相似性越高；SI反映自動勾畫輪廓與手動勾畫輪廓的匹配程度；IncI反映手動勾畫輪廓中包含自動勾畫輪廓的概率；JAC用于度量兩個集合之間的相似性，在0～1的范圍內(nèi)，JAC數(shù)值越大，相似度越高。

1.5 統(tǒng)計分析

對該患者10個呼吸時相的數(shù)據(jù)，分別對9種參數(shù)體積、位置和形狀相關(guān)的參數(shù)進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括最大值、最小值、平均值±標準差等；對兩種不同勾畫的體積數(shù)據(jù)使用配對t檢驗進行比較，對三個方向的位置差異使用配對t檢驗兩兩比較，以P＜0.05為有統(tǒng)計學差異。

2 結(jié)果

圖2和圖3分別顯示了該鏡面人患者10套呼吸時相CT序列中心臟結(jié)構(gòu)自動勾畫和手工勾畫的體積和體積差異、位置差異和形狀一致性的數(shù)據(jù)。表1 所示為體積、體積差異、位置差異和形狀一致性參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖2 心臟結(jié)構(gòu)自動勾畫和手工勾畫

圖3 心臟結(jié)構(gòu)自動勾畫和手工勾畫

表1 體積差異、位置差異和形狀一致性參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)

對兩種不同勾畫的體積數(shù)據(jù)V手工和V自動，使用配對t檢驗進行比較，P=0.00011＜0.05，差異有統(tǒng)計學意義。對Δx、Δy和Δz兩兩進行配對t檢驗，P值分別為0.032（Δx vs.Δy）、0.00057（Δxvs.Δz）和 8.7×10-6，P值均小于 0.05，差異有統(tǒng)計學意義。

使用AccuContour軟件自動勾畫心臟結(jié)構(gòu)，平均用時約49 s，而本部門工作人員正常勾畫一例心臟結(jié)構(gòu)的時間平均約284 s，使用軟件自動勾畫大約節(jié)約了83%的時間。

3 討論

鏡面人，又稱全內(nèi)臟反位，是一種罕見的先天性解剖異常，表現(xiàn)為右位心臟、正常腹部器官鏡像和其他先天性異常，發(fā)生率約0.01%。鏡面人在日常生活中不多見，一般從外表看不出和普通人的區(qū)別，但是他們的內(nèi)臟位置與普通人相反，在CT影像中能明顯看出差異。在腫瘤放療患者中，鏡面人的比例更是很小。近年來，基于圖譜庫和基于深度學習的自動輪廓勾畫軟件（或軟件模塊），在放療中的應(yīng)用越來越廣泛，如ABAS、MIM、Raystation、Velocity等基于圖譜庫的進口自動勾畫軟件（或軟件模塊）[11-16]，以及 RAIC.OIS、rtStation、DeepViewer、AccuContour等基于深度學習的國產(chǎn)自動勾畫軟件[17-20]。而上述研究中圖譜庫和深度學習訓練集的組成元素，都是普通人患者的CT圖像和手工勾畫的結(jié)構(gòu)，沒有采用鏡面人患者的CT圖像和結(jié)構(gòu)，那么這些自動勾畫軟件對鏡面人患者能否實現(xiàn)正確且準確勾畫。國內(nèi)學者使用AccuContour軟件，已對一些普通人放療患者進行了自動勾畫方面的研究，顯示了AccuContour軟件自動勾畫危及器官的有效性和準確性[5,20]。本研究對AccuContour軟件自動勾畫鏡面人患者的心臟結(jié)構(gòu)進行了測試和評價。

由圖2及表1可見，除了70%時相外，其余9個時相的ΔV%均為正值，表明自動勾畫的心臟體積普遍略大于手工勾畫的心臟體積，且根據(jù)配對t檢驗數(shù)據(jù)可見，兩種體積數(shù)據(jù)有統(tǒng)計學差異。由圖3a及表1中的位置差異數(shù)據(jù)可見，y（腹背）方向的位置差異最小，z（頭腳）方向的位置差異最大，x（左右）方向的位置差異介于兩者之間且接近于y（腹背）方向的數(shù)據(jù)，三個方向的位置數(shù)據(jù)互相之間有統(tǒng)計學差異?？偽恢貌町悾é）為（2.28±0.45）mm。由圖3b及表1中DSC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，所有DSC值都大于0.89，DSC的平均值達到0.909。一般DSC＞0.7即認為兩個輪廓的重合較好[5]，臨床工作中放射腫瘤醫(yī)師認為軟件輪廓勾畫的DSC達0.95左右時，基本不需要調(diào)整，或僅需輕微修改[15]。本研究中DSC＞0.89表明，AccuContour軟件自動勾畫心臟結(jié)構(gòu)在形狀一致性方面的整體效果很好。前期我們已使用連心醫(yī)療的智能放療云平臺軟件（版本2.0.16）自動勾畫食管癌患者的心臟結(jié)構(gòu)[12]，ΔV%的平均值為17.08%，ΔL的平均值為3.1 mm， DSC的平均值為0.87；已使用安徽慧軟的DeepViewer軟件（版本1.0）自動勾畫乳腺癌患者的心臟結(jié)構(gòu)[13]，ΔV%的平均值為21.43%，ΔL的平均值為3.7 mm，DSC的平均值為0.84。三款軟件自動勾畫心臟結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)互相比較可見，AccuContour軟件比當時版本的另外兩款軟件自動勾畫效果更好。圖3b及表1中SI、IncI和JAC三個參數(shù)數(shù)據(jù)，也表明了AccuContour軟件自動勾畫該鏡面人患者的心臟結(jié)構(gòu)由較好的形狀一致性。由勾畫時間的數(shù)據(jù)可見，使用AccuContour軟件自動勾畫該鏡面人患者的心臟結(jié)構(gòu)，明顯縮短了勾畫時間，提高了放療工作效率。

綜上所述，使用AccuContour軟件對鏡面人偏右側(cè)的心臟結(jié)構(gòu)進行自動勾畫，在體積、位置、形狀和時間方面都能夠達到比較好的效果。本工作的不足之處，在于僅對一例鏡面人肺癌患者進行了研究。將來若要對較多鏡面人放療患者進行軟件自動勾畫效果的評估測試，尚需多家醫(yī)院的放療部門聯(lián)合起來共同開展。

致謝

感謝廈門Manteia公司袁興文和呂云龍在AccuContour軟件使用中提供的技術(shù)支持。