自動(dòng)勾畫技術(shù)在前列腺癌自適應(yīng)放射治療中的臨床應(yīng)用研究

崔志強(qiáng) 邱 杰* 楊 波 劉 峽 龐廷田 劉 楠 于 浪 李文博 董婷婷 汪之群 王 貝

當(dāng)前，調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)已成為治療前列腺癌的主要方式，其在減少疾病復(fù)發(fā)和改善臨床預(yù)后等方面發(fā)揮著重要的作用。調(diào)強(qiáng)放射治療在靶區(qū)得到精確處方劑量分布的同時(shí)，可以更好地保護(hù)周圍的危及器官(organs at risk，OAR)[1-3]。但實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)勢(shì)的前提是必須在患者定位CT圖像上，準(zhǔn)確定義與勾畫出靶區(qū)和OAR的輪廓。傳統(tǒng)定位圖像上的手工勾畫占用醫(yī)生臨床工作的大部分時(shí)間，且易形成不同勾畫者間的差異[2-5]。這已經(jīng)遲緩了自適應(yīng)放射治療(adaptive radiotherapy，ART)技術(shù)快速發(fā)展的腳步[6]。

ART的特點(diǎn)需要在放射治療間期更為快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)的勾畫。在這樣的前提下，OAR甚至靶區(qū)的自動(dòng)勾畫成為研究的焦點(diǎn)[6-9]。因此，一些自動(dòng)，半自動(dòng)勾畫軟件應(yīng)運(yùn)而生，并應(yīng)用于臨床實(shí)踐中。然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)于自動(dòng)勾畫技術(shù)多聚焦于頭頸部腫瘤的研究，并顯示出在提高勾畫效率，即勾畫結(jié)果的準(zhǔn)確性較高、勾畫時(shí)間明顯減少、減少不同醫(yī)師之間的勾畫差異以及明顯降低勾畫誤差等方面的潛力[6-10]。但對(duì)于器官位置及形態(tài)變化較大的腹腔、盆腔器官相關(guān)輪廓的勾畫是該技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)，且相關(guān)研究報(bào)道較少?；诖耍狙芯刻接懬傲邢侔┳赃m應(yīng)放射治療中基于圖譜集的自動(dòng)勾畫技術(shù)(atlasbased auto-segmentation，ABAS)對(duì)于OAR自動(dòng)勾畫臨床應(yīng)用的可行性，評(píng)價(jià)與分析Prostate和General兩種算法的性能。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

1.2 儀器設(shè)備

CT模擬定位采用Brilliance CT(Big Bore)型16排大孔徑螺旋CT模擬機(jī)(荷蘭Philips)進(jìn)行掃描；勾畫工具采用ABAS自動(dòng)勾畫軟件(瑞典Elekta)；最后采用Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)(美國(guó)Varian)對(duì)勾畫結(jié)果進(jìn)行分析。

1.3 定位方法

患者均取仰臥位，為了在ART進(jìn)程中更為準(zhǔn)確的評(píng)估OAR的受量，在CT模擬定位之前要求其排空直腸；飲水充盈膀胱并利用B超評(píng)價(jià)膀胱充盈情況；熱塑體膜固定。掃描參數(shù)：①CT掃描條件，掃描電壓140 kV，掃描電流280 mAs；②掃描范圍，從腰3椎體上緣至坐骨結(jié)節(jié)下緣，包括整個(gè)盆腔；③掃描重建，層厚5 mm。

1.4 硬件工具

ABAS(Version 2.01)為形變配準(zhǔn)自動(dòng)勾畫工具，主要由圖譜集(參考圖像)和待勾畫患者定位圖像(目標(biāo)圖像)組成，其通過在軟件中選擇不同算法對(duì)兩種圖像進(jìn)行相應(yīng)的形變配準(zhǔn)。獲取參考圖像的形變向量，將參考圖像上的感興趣器官的結(jié)構(gòu)輪廓以非線性方式映射到目標(biāo)圖像上，最終完成對(duì)目標(biāo)圖像的自動(dòng)勾畫[8-10]。

1.5 勾畫流程

由一名住院醫(yī)師在計(jì)劃系統(tǒng)上對(duì)所有患者兩程定位CT圖像上的OAR進(jìn)行手工勾畫，并由一名主治醫(yī)師對(duì)第1程和第2程手工勾畫的結(jié)果進(jìn)行校對(duì)，并記錄第2程定位圖像上手工勾畫與修改時(shí)間。以患者第1程定位圖像作為參考圖像，重新拷貝第2程定位圖像作為目標(biāo)圖像，將兩程圖像以醫(yī)學(xué)數(shù)字影像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)的格式傳輸至ABAS自動(dòng)勾畫系統(tǒng)中。勾畫標(biāo)準(zhǔn)參考國(guó)際放射輻射單位和計(jì)量測(cè)量委員會(huì)(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)發(fā)布的62號(hào)文件。勾畫的OAR包括膀胱、左右髖骨、左右股骨頭及直腸。

在ABAS系統(tǒng)中選用單一圖譜自動(dòng)勾畫方式下用于腹部勾畫的General和Prostate兩種形變配準(zhǔn)算法，進(jìn)行兩種算法的自動(dòng)勾畫。將自動(dòng)勾畫結(jié)果傳輸至Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)中與醫(yī)師手工勾畫結(jié)果進(jìn)行比對(duì)及分析(如圖1所示)。

圖1 自動(dòng)勾畫流程圖

1.6 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)通過Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)，以醫(yī)生手工勾畫的OAR輪廓為“金標(biāo)準(zhǔn)”，評(píng)價(jià)自動(dòng)勾畫的OAR與手工勾畫結(jié)果吻合程度。

(2)形狀相似性系數(shù)(dice similarity coefficient，DSC)與交叉指數(shù)(overlap index，OI)。使用DSC和OI評(píng)價(jià)自動(dòng)勾畫與手動(dòng)勾畫OAR的重合性。其值位于0～1之間，越接近1表示自動(dòng)勾畫與手工勾畫的重合性越好，反之則兩種勾畫方式無重合。在圖像重合度研究中，建議DSC＞0.7為重合度較好的標(biāo)準(zhǔn)[11-13]。DSC和OI計(jì)算為公式1、公式2：

式中Va為自動(dòng)勾畫器官的體積；Vm為手工勾畫器官的體積；Va∩Vm為自動(dòng)勾畫與手工勾畫重合的體積。

教師不但要在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行監(jiān)管和引導(dǎo)，同時(shí)在發(fā)布各個(gè)任務(wù)之前，應(yīng)該設(shè)定對(duì)應(yīng)任務(wù)規(guī)劃目標(biāo)。在任務(wù)設(shè)計(jì)完成以后，需要開展項(xiàng)目分析及課程結(jié)構(gòu)分析等工作。探究教學(xué)提綱以及課程框架，獲取各個(gè)知識(shí)模板教學(xué)框架。同時(shí)，將各個(gè)項(xiàng)目任務(wù)劃分為多個(gè)模塊，同時(shí)各個(gè)模塊均要結(jié)合對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)將其劃分成多個(gè)部分教學(xué)內(nèi)容。教師可以根據(jù)教學(xué)要求和內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)教學(xué)任務(wù)的設(shè)計(jì)，將各個(gè)學(xué)習(xí)知識(shí)隱藏在各個(gè)任務(wù)中，讓學(xué)生在落實(shí)各個(gè)任務(wù)時(shí)實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的科學(xué)應(yīng)用，提升學(xué)習(xí)能力[4]。此外，結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)模板及各個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)特性進(jìn)行小組分配，同時(shí)下發(fā)對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，給實(shí)施環(huán)節(jié)做好準(zhǔn)備。

(3)體積差異(volume difference，ΔV)。正值表示自動(dòng)勾畫高估了目標(biāo)體積(過度勾畫)，負(fù)值表示自動(dòng)勾畫低估了目標(biāo)體積(勾畫不足)，其絕對(duì)值越接近0，表明自動(dòng)勾畫結(jié)果變化程度越小，越接近“金標(biāo)準(zhǔn)”[10-13]。ΔV計(jì)算為公式3：

式中Va-Vm為自動(dòng)勾畫與“金標(biāo)準(zhǔn)”的體積差值。

(4)勾畫時(shí)間比較。分別記錄兩種算法自動(dòng)勾畫，并經(jīng)同一名主治醫(yī)生對(duì)結(jié)果進(jìn)行手工修改的時(shí)間與第2程定位圖像單純手工勾畫與修改的時(shí)間。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 21.0軟件對(duì)自動(dòng)勾畫與手工勾畫相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本的非參數(shù)檢驗(yàn)--Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩種自動(dòng)勾畫算法與手工勾畫OAR結(jié)果

(1)當(dāng)參考圖像和目標(biāo)圖像為同一患者時(shí)，左右髖骨及左右股骨頭自動(dòng)勾畫的DSC、OI值均＞0.8，顯示出與手工勾畫具有良好的重合性。Prostate算法左右髖骨DSC值為0.85±0.06和0.84±0.09，OI值為0.84±0.11和0.83±0.17，均高于General算法，而左右股骨頭在不同算法下的DSC及OI值近似。對(duì)于具有相同密度的骨性組織，左右髖骨DSC、OI值均＞左右股骨頭，如Prostate法左髖骨DSC為0.85±0.06，左股骨頭為0.82±0.05。在ΔV中顯示出近似的結(jié)果，左右髖骨ΔV的絕對(duì)值＜左右股骨頭。如Prostate法左髖骨ΔV為-0.11±0.10，左股骨頭為-0.17±0.13。骨性組織的ΔV＜0，表明自動(dòng)勾畫對(duì)其勾畫不足(見表1)。

(2)兩種自動(dòng)勾畫算法在左髖骨體積均值存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。Prostate算法左髖骨體積值＞General算法，且更接近手工勾畫。膀胱，直腸在自動(dòng)勾畫器官體積、DSC及OI值均顯示出統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。膀胱的兩種自動(dòng)勾畫DSC，OI結(jié)果均＞0.7。Prostate算法DSC為0.76±0.08，OI為0.74±0.09，均高于General算法(見表2)。

(3)對(duì)于接受ART的前列腺癌患者，自動(dòng)勾畫結(jié)果在應(yīng)用放射治療計(jì)劃設(shè)計(jì)之前，需進(jìn)行必要的校準(zhǔn)及修改。

2.2 兩種自動(dòng)勾畫算法CT圖像

(1)Prostate算法膀胱ΔV為0.10±0.05，絕對(duì)值＜General算法，且DSC，OI均高于General算法。Prostate算法勾畫結(jié)果更接近手工勾畫如圖2所示。

圖2 Prostate算法自動(dòng)勾畫膀胱接近手工勾畫示圖

表1 兩種自動(dòng)勾畫算法與手工勾畫OAR結(jié)果

表1 兩種自動(dòng)勾畫算法與手工勾畫OAR結(jié)果

注：表中OAR為危及器官；DSC為形狀相似性系數(shù)；OI為交叉指數(shù)；△V為體積差異。

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表2 兩種自動(dòng)勾畫算法統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(2)兩種自動(dòng)勾畫算法與手工勾畫方式器官體積差異最大的是直腸，GeneralΔV為0.31±0.11，ProstateΔV為0.25±0.09。直腸手工勾畫器官體積為86.65±23.47，General為118.52±25.16，Prostate為93.47±28.92，General與Prostate自動(dòng)勾畫器官體積均大于手動(dòng)勾畫結(jié)果(如圖3所示)。

圖3 兩種自動(dòng)勾畫算法直腸體積勾畫示圖

(3)自動(dòng)勾畫對(duì)于像直腸及膀胱這樣位置及形態(tài)不恒定的器官顯示出過度勾畫，ΔV值均為正值。第2程定位CT圖像利用Prostate和General算法進(jìn)行自動(dòng)勾畫，時(shí)間約為30 s。自動(dòng)勾畫加上手工修改平均耗時(shí)約6 min，明顯少于單純進(jìn)行手工勾畫平均耗時(shí)(約13 min)，其時(shí)間縮短近54%。

3 討論

由于放射治療期間，大部分患者會(huì)發(fā)生體重減輕、腫瘤收縮、周圍組織繼發(fā)炎性反應(yīng)等因素，以致于腫瘤和OAR體積及位置會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[12-14]。為了更好地發(fā)揮具有良好適形度和陡峭劑量變化梯度治療技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，需要對(duì)這些患者再次進(jìn)行定位CT掃描并重新制定放射治療計(jì)劃，這就要求對(duì)同一患者進(jìn)行多次相關(guān)輪廓的勾畫。因此，需要自動(dòng)勾畫軟件應(yīng)用于自適放射治療過程，以減少手工勾畫靶區(qū)和OAR的時(shí)間，同時(shí)降低手工勾畫出現(xiàn)的各種差異與誤差[14-16]。

在接受前列腺癌ART的患者中，特別對(duì)于高密度的組織和器官，與周圍組織形成了較為鮮明的密度差異，因而自動(dòng)勾畫的結(jié)果與“金標(biāo)準(zhǔn)”相比具有較高的重合性[10-13]。左右髖骨及左右股骨頭DSC，OI值均＞0.8。部分CT層面上經(jīng)過較小范圍的修改或不經(jīng)修改的情況下即可滿足臨床要求，其結(jié)果低于彭應(yīng)林等[17]報(bào)道的對(duì)于下頜骨及顳頜關(guān)節(jié)DSC(0.96；0.93)的自動(dòng)勾畫。考慮可能由于正常人在腹式呼吸的影響下，盆腔骨性結(jié)構(gòu)位移引起的兩程圖像上配準(zhǔn)誤差。此外兩種算法左右髖骨的DSC、OI值均高于左右股骨頭，此結(jié)果也與上述的研究中下頜骨的DSC值為0.96高于顳頜關(guān)節(jié)DSC的結(jié)果0.93相一致，再次證明了影響自動(dòng)勾畫結(jié)果的因素除了與器官密度相關(guān)外，還與體積有關(guān)，即密度越高，體積越大，勾畫效果越好。同樣的情況也影響著膀胱的自動(dòng)勾畫。尿液的充盈所形成密度上的差異是自動(dòng)勾畫算法識(shí)別膀胱輪廓的基礎(chǔ)與前提。對(duì)于本研究接受自適應(yīng)放射治療的患者，在每一程CT圖像定位之前，囑患者飲水充盈膀胱后利用便攜式B超估算患者膀胱大體容積，這在一定程度上盡可能保持多次定位過程中膀胱充盈的一致性，最終在目標(biāo)圖像上得到了較為理想的結(jié)果DSC＞0.7。由于膀胱體部得到良好的充盈，兩種自動(dòng)勾畫結(jié)果與手工勾畫形成了良好的重合度，這與膀胱頂部情況形成了巨大的反差。原因可能為近似球形的膀胱，其頂部容積減小以致增厚的膀胱壁與附近的腸管重合，導(dǎo)致局部勾畫效果不佳。但由于Prostate算法在密度識(shí)別，修正運(yùn)動(dòng)器官配準(zhǔn)差異等方面優(yōu)于General算法，Prostate算法有效勾畫面積(綠線)大于General算法(藍(lán)線)[3,4,12]。

受腸內(nèi)容物及腸管蠕動(dòng)的影響，直腸個(gè)體間差異顯著，即便同一患者隨著時(shí)間的推移，在位置形態(tài)上也會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，由于直腸與鄰近腸管結(jié)構(gòu)近似，有時(shí)在CT斷層圖像上對(duì)于醫(yī)生也很難精確的識(shí)別出分界線，以致于在手工勾畫情況下不可避免的會(huì)把部分相鄰腸管包入其中。觀察自動(dòng)勾畫結(jié)果發(fā)現(xiàn)，往往造成直腸在頭尾方向過度勾畫明顯要大于其他方向。定位CT圖像中直腸與乙狀結(jié)腸形成分界，但兩種自動(dòng)勾畫算法(綠藍(lán)線)無法認(rèn)別。在直腸已消失的層面上，兩種算法明顯過度勾畫。

前列腺底部與膀胱頸及其精囊腺，在遠(yuǎn)端與直腸相鄰且密度接近，像這種與相鄰組織缺乏明顯對(duì)比度的結(jié)構(gòu)必會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)勾畫結(jié)果嚴(yán)重變形[3-4]。在臨床實(shí)踐中，可以利用MRI成像優(yōu)勢(shì)來提高前列腺與周圍軟組織對(duì)比度，所以前列腺病變最佳手工勾畫方法是應(yīng)用CT-MRI融合圖像。但在目前，ABAS無法識(shí)別MRI圖像，因此該研究排除了對(duì)前列腺癌靶區(qū)的自動(dòng)勾畫。

4 結(jié)語

理論上只要選擇合適的參考圖像，單一圖譜的勾畫方式可以滿足臨床要求。對(duì)于接受自適應(yīng)放射治療的前列腺癌患者，選用這種勾畫方式主要考慮到，前后兩程定位圖像部分器官具有一致的解剖輪廓(如左右髖骨，左右股骨頭)，而且在定位之前采用了合理準(zhǔn)備措施--排空直腸并對(duì)膀胱的充盈做到有效的估算，盡可能的保證直腸、膀胱這樣的器官(隨著充盈的不同處于不斷變化)在兩程定位圖像上其輪廓的近似一致性。該研究最終得到的結(jié)果表明，Prostate算法勾畫的精確程度要優(yōu)于General算法。但在臨床中，對(duì)于新定位的患者，由于個(gè)體的差異性的普便存在，是選擇與參考圖像近似的單一圖譜勾畫方式進(jìn)行勾畫，還是選擇多重圖譜勾畫方式，即利用更多的參考圖像去覆蓋整個(gè)器官變化的范圍，這是對(duì)類似的研究提出了新的命題。