自動勾畫軟件在宮頸癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療中的劑量學(xué)研究

陰曉娟（通信作者）

福建醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院·福建省腫瘤醫(yī)院 （福建福州 350014）

容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）是一種新型放射治療方法，其通過控制旋轉(zhuǎn)速度、輻射傳遞量和輻射屏蔽運動，減少腫瘤周圍正常組織的受量、縮短放射治療時間，達到提高放射治療準確度和治療效率的目的。為了避免靶區(qū)漏照和危及器官（organs at risk，OAR）過量照射，醫(yī)師應(yīng)準確勾畫出靶區(qū)和OAR[1]。但是，宮頸癌患者的OAR 眾多，勾畫煩瑣，因此，自動勾畫（atlas-based autosegmentation，ABAS）軟件應(yīng)運而生，其旨在縮短手工勾畫OAR 的時間、減少人為誤差，達到提高放射治療準確度的目的[2-4]。陳開強等[5]的研究結(jié)果表明，ABAS 軟件自動勾畫與手工勾畫的宮頸癌OAR 接近，但其并未比較兩者的劑量學(xué)差異。基于此，本研究用ABAS 軟件得到的單模板（一對一）和多模板（十對一）兩種方式，并將在兩種方式下自動勾畫的OAR 導(dǎo)入宮頸癌患者的CT圖像上，然后將以此得到的放射治療計劃與手工勾畫OAR的原始計劃進行劑量學(xué)比較，旨在評估ABAS 軟件在放射治療計劃中的劑量學(xué)精度，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018—2019年我院收治的10例宮頸癌患者，年齡47～70歲，中位年齡55歲。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審核批準；所有患者均無遠處轉(zhuǎn)移，且接受VMAT。

1.2 自動勾畫的模板數(shù)據(jù)庫來源及ABAS 軟件自動勾畫原理

1.2.1 自動勾畫的模板數(shù)據(jù)庫來源

患者取仰臥位，在飛利浦Brilliance Bigbore 螺旋CT 下，以5 mm 的層厚掃描，將掃描得到的CT 圖像傳送至醫(yī)師工作站（OTP，醫(yī)科達公司），為保證勾畫的一致性，由1名有豐富經(jīng)驗的放射治療醫(yī)師手工勾畫OAR（包括脊髓、左/右腎、直腸、膀胱、左/右股骨頭、左/右髂骨、小腸），并由上級主任醫(yī)師審查，然后將圖像傳輸?shù)紸BAS 軟件（V2.01，醫(yī)科達公司），以此作為自動勾畫的模板數(shù)據(jù)庫。

1.2.2 ABAS 軟件自動勾畫原理

另選取10例與研究對象一般資料無顯著差異的宮頸癌患者作為測試對象，在ABAS 軟件上進行單模板（隨機選取1例模板對1例測試患者圖像進行一對一的自動勾畫）和多模板（選取10例模板對1例測試患者圖像進行十對一的自動勾畫）兩種方式下的自動勾畫，最后將自動勾畫好的CT 圖像傳至放射治療計劃系統(tǒng)（Pinnacle 9.2m，飛利浦公司），并對其進行計劃設(shè)計，其中，OAR 受量限值同手工勾畫一致。

1.3 放射治療計劃設(shè)計

采用Pinnacle 9.2m 計劃設(shè)計系統(tǒng)和6 MV X 線，兩弧分別為順時針184°～176°和逆時針176°～184°；采用完全卷積算法計算劑量，計劃要求靶區(qū)處方劑量包繞95%的體積，計劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）處方劑量為49.95 Gy/27次，OAR 的劑量限值參照國際輻射單位與測量委員會（International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU）83號報告[6]。

1.4 自動勾畫評估指標(biāo)

相似性系數(shù)（dice similarity coefficient，DSC）為形狀吻合度的評估指標(biāo)，范圍為0～1，當(dāng)兩者有較好的相似性時，DSC接近1，并設(shè)定DSC＞0.70為吻合度高[7]。計算公式為DSC=Va∩Vb/（Va+Vb）/2，其中，Va為ABAS 軟件自動勾畫的器官體積，Vb為手工勾畫的器官體積，Va∩Vb為兩者重疊部分的體積。

1.5 放射治療計劃劑量學(xué)評估

將在手工勾畫OAR 的CT 圖像上制定的計劃定義為原始計劃，并將其分別導(dǎo)入單模板和多模板兩種方式下自動勾畫OAR 的CT 圖像上，得到相應(yīng)的劑量分布；通過劑量體積直方圖（dose-volume histogram，DVH）評估10例患者在3種勾畫方式（手工勾畫、單模板勾畫和多模板勾畫）下OAR 的受量，即脊髓Dmax、腎V20、直腸V50、膀胱V50、股骨頭V45、髂骨V40、小腸V40（Vx表示器官接受x 劑量的體積占總體積的百分比，Dmax表示最大劑量）。

1.6 統(tǒng)計學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫OAR 的體積與DSC

無論是單模板還是多模板，自動勾畫中脊髓和左/右股骨頭的DSC均＞0.85，直腸、左/右髂骨、左/右腎的DSC均＞0.73，且多模板明顯高于單模板，其更接近手工勾畫；單模板和多模板兩種方式勾畫的膀胱、小腸的DSC均＜0.70，體積差異分別達到25.5%和37.7%，見表1。圖1是單模板和多模板兩種方式下自動勾畫的OAR 及手工勾畫的橫斷面示意圖，由圖可知，多數(shù)自動勾畫的OAR 與手工勾畫接近，其中多模板勾畫的OAR 與手工勾畫更接近；但對于層面差別較大的器官——膀胱和小腸，單模板和多模板兩種方式勾畫的結(jié)果與手工勾畫均存在一些偏差，需要修改后才能用于臨床。當(dāng)不借助ABAS 軟件時，手工勾畫OAR 約需要60 min，ABAS 軟件單模板勾畫OAR 約需要2 min，ABAS 軟件多模板勾畫OAR 約需要10 min；醫(yī)師在自動勾畫圖像上修改約需要15 min。

圖1 基于模板自動勾畫OAR 與手工勾畫的結(jié)果比較

表1 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫OAR 的體積與DSC（±s，10例）

表1 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫OAR 的體積與DSC（±s，10例）

注：OAR 為危及器官，ABAS 軟件為自動勾畫軟件，DSC 為相似性系數(shù)

OAR 體積（cm3） DSC手工勾畫 單模板勾畫 多模板勾畫 單模板勾畫 多模板勾畫膀胱 411.08±150.35 281.72±98.57 306.34±102.53 0.53±0.31 0.61±0.10直腸 33.70±15.59 38.55±17.98 33.65± 16.71 0.73±0.26 0.81±0.08小腸 2 303.07±89.61 1 433.98±65.81 1 560.87± 71.62 0.33±0.2 0.41±0.14左髂骨 139.89±56.23 128.00±52.43 133.87± 58.76 0.75±0.16 0.81±0.05右髂骨 128.51±50.38 125.70±51.35 129.79± 55.74 0.78±0.14 0.83±0.06左腎 201.59±74.56 171.84±67.42 216.46± 85.21 0.81±0.13 0.83±0.02右腎 191.81±72.83 176.79±70.53 201.67± 75.54 0.82±0.15 0.84±0.03脊髓 28.50±12.45 27.71±11.73 28.37± 13.01 0.87±0.09 0.93±0.01左股骨頭 62.64±30.85 53.09±27.35 60.34± 29.73 0.85±0.12 0.89±0.04右股骨頭 63.63±31.09 56.44±29.63 60.73±3 0.12 0.87±0.03 0.91±0.07

2.2 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫的OAR 劑量分布比較

多模板勾畫的OAR 劑量優(yōu)于單模板，更接近手工勾畫的計劃劑量；單模板勾畫及多模板勾畫的膀胱V50和小腸V40與手工勾畫比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；不同勾畫方式的其他劑量學(xué)指標(biāo)比較，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），見表2。圖2是自動勾畫與手工勾畫OAR的DVH，由圖可知，多模板和單模板兩種自動勾畫方式的DVH 與手工勾畫大體一致。

圖2 自動勾畫與手工勾畫OAR 的DVH

表2 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫的OAR 劑量分布比較（±s，10例）

表2 ABAS 軟件自動勾畫和手工勾畫的OAR 劑量分布比較（±s，10例）

注：OAR 為危及器官，ABAS 軟件為自動勾畫軟件；Vx 表示器官接受x 劑量的體積占總體積的百分比，Dmax 表示最大劑量；a表示手工勾畫與單模板勾畫比較，b 表示手工勾畫與多模板勾畫比較，c 表示單模板勾畫與多模板勾畫比較

OAR 手工勾畫 單模板勾畫 多模板勾畫 Pa Pb Pc膀胱V50（%） 39.75±15.47 45.18±20.16 45.09±21.34 ＜0.001 ＜0.001 0.281直腸V50（%） 36.35±13.61 25.19±8.37 20.15±4.73 0.143 0.215 0.312小腸V40（%） 12.26±4.14 25.31±8.16 25.42±9.52 ＜0.001 ＜0.001 0.543左髂骨V40（%） 22.05±5.93 24.39±6.59 23.14±6.05 0.237 0.351 0.457右髂骨V40（%） 22.01±5.74 27.21±8.01 25.18±8.23 0.264 0.382 0.416左腎V20（%） 21.30±6.43 25.12±7.59 21.46±5.78 0.361 0.394 0.472右腎V20（%） 18.59±3.05 26.14±8.61 20.34±5.26 0.325 0.409 0.453脊髓Dmax（cGy） 3 895.80±365.80 3 784.40±375.90 3 877.30±401.30 0.451 0.489 0.503左股骨頭V45（%） 3.60±0.60 6.10±0.70 5.20±0.30 0.531 0.578 0.619右股骨頭V45（%） 3.50±0.40 6.80±0.50 5.20±0.20 0.542 0.605 0.718

3 討論

作為目前國際先進的放射治療技術(shù)，VMAT 可利用具有影像引導(dǎo)功能的高性能直線加速器和治療計劃系統(tǒng)得到最優(yōu)的放射治療計劃。與其他放射治療技術(shù)比較，VMAT的適應(yīng)證更廣，引起的不良事件更少。該技術(shù)可達到提高腫瘤病灶控制率，延長患者生存時間的目的，這就要求醫(yī)師更加仔細地勾畫靶區(qū)和OAR。手工勾畫宮頸癌OAR 的時間較長（約需要1 h），因此，縮短醫(yī)師勾畫時間和提高勾畫精確度成了當(dāng)前國內(nèi)外研究的焦點。林金勇等[8]關(guān)于頭頸部腫瘤OAR 的勾畫研究發(fā)現(xiàn)，在ABAS 軟件中，以多模板勾畫的OAR 劑量分布與手工勾畫的原始計劃最相似。胡彩容等[9]關(guān)于食管癌OAR 的勾畫研究發(fā)現(xiàn)，單模板和多模板兩種自動勾畫方式與手工勾畫的劑量學(xué)比較無明顯差異。

在放射治療中，OAR 的受量影響了患者的生命質(zhì)量，因此，本研究用ABAS 軟件得到單模板和多模板兩種方式，并將在兩種方式下自動勾畫的OAR 導(dǎo)入宮頸癌患者的CT圖像上，得到兩種方式下的放射治療計劃，并將其與手工勾畫OAR 的原始計劃的劑量學(xué)進行比較。本研究結(jié)果顯示，多模板勾畫OAR 的DSC高于單模板，其更接近手工勾畫，但兩種方式勾畫的膀胱、小腸的DSC均＜0.70，體積差異分別達到25.5%和37.7%，推測膀胱的DSC小可能與定位時患者膀胱的充盈情況不同有關(guān)，而小腸的DSC小可能由上、下層面變化較大導(dǎo)致。本研究結(jié)果亦顯示，多模板勾畫的OAR 劑量優(yōu)于單模板，更接近手工勾畫的計劃劑量；單模板勾畫及多模板勾畫的膀胱V50和小腸V40與手工勾畫比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；不同勾畫方式的其他劑量學(xué)指標(biāo)比較，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

綜上所述，將ABAS 軟件應(yīng)用于宮頸癌OAR 勾畫中，縮短了醫(yī)師勾畫OAR 的時間，且多模板勾畫方式相較于單模板更接近于手工勾畫。