自動勾畫輪廓軟件在頭頸部錐形束CT中的應用

胡曉偉 ，孫新臣，李金凱 ，昌志剛，成紅艷

1.南京醫科大學特種醫學系，江蘇南京210009；2.南京醫科大學第一附屬醫院放療科，江蘇南京210009

前言

在鼻咽癌的綜合治療中，調強放射治療（Intensity-Modulated Radiotherapy,IMRT）是當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的形狀一致，還可以在靶區和正常組織之間產生一個陡峭的劑量跌落，能夠保證給予靶區規定照射劑量的同時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、淋巴結和腺體體積的變化、患者體質量減輕等因素導致靶區和危及器官的體積和位置發生明顯的變化［4］。自適應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劃之間的差異并對其進行修正，重新優化生成新的放療計劃后再進行治療，能夠減少靶區的漏照和正常組織的受照劑量［5-7］。

圖像引導放療（Image Guide Radiation Therapy,IGRT）獲取的錐形束CT（CBCT）圖像可以實時了解腫瘤及正常器官的解剖結構變化，是自適應放療的關鍵技術。但目前CBCT的應用尚局限于校正擺位誤差。本研究的目的是探討利用MIM軟件進行頭頸部CBCT圖像靶區和危及器官輪廓自動勾畫的可行性，從而實現快速評價靶區和危及器官在放療過程中的變化，為重新制定治療計劃提供臨床指導。

1 材料與方法

1.1 病例資料

選取2018年1月～7月在江蘇省人民醫院放療中心進行兩次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，口含壓舌板，用頭頸肩熱塑膜進行體位固定。使用大口徑CT（SOMATOM Sensation Open,CT）進行掃描，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醫生工作站。

1.3 CT圖像的靶區勾畫及計劃設計

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

在Monaco計劃系統進行計劃設計，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 33次；PTV2：5 096 cGy，分割次數28次。采用9野均分IMRT，要求處方劑量至少包繞95%的靶區體積。

1.4 CBCT圖像的掃描

利用Elekta's Synergy X-Ray Volume Imaging（XVI）系統采用頭頸部模式，S20準直器，F0散射板，電壓100 kV，電流10 mA，進行掃描。選取1程治療前掃描的1CBCT圖像及2程治療前掃描的2CBCT圖像導入MIM軟件系統。

1.5 輪廓自動勾畫的方法

本文利用MIM v.6.8.3軟件系統，采用基于約束強度的自由形態形變配準算法，通過以下兩種方法對2CBCT進行輪廓的勾畫：（1）通過形變配準將1CT中的結構輪廓映射至2CBCT；（2）先通過剛性配準，將1CT中的結構輪廓復制至1CBCT，然后將1CBCT中的結構映射至2CBCT。

由于CBCT圖像密度分辨率較差，對比度較低，無法在CBCT圖像上進行結構的精確勾畫，因此選用計劃2CT中醫師勾畫的結構為參考，比較兩種方法勾畫結果的精度。將兩種方法得到的結構復制至計劃2CT，采用2程的治療計劃，對兩種方法勾畫的結構進行劑量計算，以2程計劃2CT的劑量為參考，比較兩種方法勾畫的靶區和危及器官與參考計劃之間的劑量偏差。

1.6 評價參數

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

其中，Vreference表示參考圖像輪廓的體積，Vtested表示自動勾畫輪廓的體積。DSC的范圍是0～1，值越大表示兩個輪廓的相似性越高［8］。DSC＞0.7代表兩個結構重合較好［9-10］。

其中，HD用來測量參考圖像的輪廓R與自動勾畫的輪廓T之間的最大歐幾里得距離，r為R中的一個點，t為T中的一個點［11］。HD值越小，表明兩個輪廓之間的距離越小［12-13］。

1.62 劑量差異靶區的評價指標包括：PTVnx、PTVnd、PTV1的Dmean。危及器官的評價指標包括：脊髓、腦干、垂體、晶體、視交叉、視神經的Dmax，眼球、喉、下頜骨、顳下頜關節的Dmean，顳葉的D5%，腮腺的Dmean。

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

1.7 統計學方法

使用SPSS 20.0軟件對參數進行統計學分析，計量資料用均數±標準差表示，比較兩種方法的靶區和危及器官評價指標均采用配對t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 自動勾畫精度

對采用1CT-2CBCT方法勾畫的結構中，DSC＞0.7的包括：PTVnx、PTV1、眼球、腮腺、下頜骨、顳下頜關節。在1CBCT-2CBCT中DSC＞0.7的結構包括：PTVnx、PTV1、腦干、眼球、腮腺、垂體、喉、下頜骨、顳下頜關節、顳葉。除了脊髓、晶體、下頜骨和左顳下頜關節，1CBCT-2CBCT的DSC均大于1CT-2CBCT，HD均小于1CT-2CBCT，說明1CBCT-2CBCT的方法優于1CT-2CBCT，在PTVnx、PTVnd、PTV1、腦干、視交叉、視神經、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和醫生手工勾畫結果的比較，可以看出1CBCT-2CBCT勾畫的輪廓更加接近醫生勾畫的輪廓。

表1 兩種方法對靶區和危及器官勾畫結果的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節外，1CBCT-2CBCT中其余結構與參考計劃的劑量偏差均小于1CT-2CBCT；在PTVnd、PTV1、眼球、右視神經、腮腺中差距具有統計學意義（P＜0.05）。1CBCT-2CBCT中除了體積小于10 cm3（骨性結構除外）的結構（視交叉、晶體、眼球、視神經、垂體），其他結構的劑量偏差均小于±3%。結果見表2。

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

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

3 討論

MIM軟件的形變配準是基于約束強度的自由形態形變配準算法，能夠糾正治療部位變化造成的配準錯誤，是具備高自由度的形變配準算法，能夠用于重新計劃的自適應重新勾畫［14-15］。

本研究將此算法應用于頭頸部CBCT靶區和危及器官的勾畫中，評估形變配準在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造成配準錯誤［16］，由此猜想利用1CBCT-2CBCT的形變配準會優于1CT-2CBCT的形變配準。因此，本文采用1CT-2CBCT和1CBCT-2CBCT兩種方法，分別對2CBCT進行器官輪廓的自動勾畫，得出結論：除了脊髓、晶體、下頜骨和左顳下頜關節，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節在兩種方法中差距較小，認為1CBCT-2CBCT的方法優于1CT-2CBCT。

在1CBCT-2CBCT中，除PTVnd、脊髓、晶體、視神經、視交叉、眼球及垂體外，其他結構的DSC均大于0.7，HD均小于2 cm，與2CT的劑量偏差在±3%以內，得到的結果較為滿意。至于PTVnd、脊髓、晶體、視神經、視交叉、眼球及垂體勾畫結果較差的原因，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為不連續的區域，單個頸部轉移性淋巴結的體積較小；（3）晶體、視神經、視交叉、眼球和垂體的體積較小［18］。

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