自動勾畫軟件在腫瘤放射治療教學的應用

馬海琳，王紀全，車少敏，韓蘇夏

(西安交通大學第一附屬醫院腫瘤放射治療科，陜西 西安 710061)

放射治療是惡性腫瘤常規治療手段之一。隨著醫學影像、功能與分子影像、放射治療設備與技術的進步，促成了精確放療時代的到來；與日俱增的精確放療需求，迫切地要求醫務人員提高工作效率，滿足患者及時、高效、精確治療的渴望。

精確放療依賴于計算機斷層掃描成像(CT)、核磁共振成像(MRI)、正電子發射斷層掃描成像(PET/CT)、錐形束計算機斷層掃描成像(CBCT)和相應的醫學圖像信息智能處理技術，臨床靶區(CTV)、危及器官(OAR)的高精度勾畫是實施精確放療的前提和關鍵技術。目前，臨床上主要依靠醫生手工勾畫OAR、CTV，不僅效率低下，而且主觀性較強；因此，借助計算機信息處理和人工智能技術的發展，提供腫瘤放射治療CTV和OAR智能化、自動化勾畫軟件來解決問題，必然有廣闊的應用前景。

腫瘤放射治療學是專科醫學教育階段課程，基本內容涉及醫學影像學、臨床病理學、腫瘤學、放射物理學、放射生物學、放射治療技術及其它臨床學科，涵蓋知識面非常廣泛[1]。我國現有的專科醫學教育多采用大班授課、分組實習為基礎的傳統教學模式，在實際教學工作中已經顯現出不足，基于帶教教師的認識和臨床經驗，對于同一危及器官(OAR)和臨床靶區(CTV)，不同的教師會有不同的勾畫結果，甚至同一教師在不同時期亦有所不同，致使臨床教學缺乏系統性、規范性和實踐性。因此，要充分認識腫瘤放射治療學科的專業性與特殊性、實踐性與拓展性，在傳統教學模式的基礎上，充分利用新媒體教學、靶區自動勾畫軟件等現有資源，揚長避短，開展腫瘤放射治療學的臨床教學工作。

1 放射治療的實施過程

腫瘤放射治療是一個復雜的過程(圖1)，需要腫瘤放療醫師、模擬定位技師、物理師、劑量師、治療技師、護士等多重角色參與，涉及到成像系統、定位系統、計劃系統、治療系統、質控QA系統、信息管理系統等多個獨立的子系統。其中，靶區勾畫是臨床醫生和放療專業醫學生所必須掌握的基本技能。針對基于單一CT、MRI或PET影像進行腫瘤靶區勾畫的不足，需要聯合腫瘤診斷PET/CT、PET/MRI、MRI、增強CT和放療模擬定位CT、在線CBCT等臨床上所有可用影像信息進行腫瘤放療靶區和危及器官高精度勾畫。

圖1 放射治療工作流程

2 傳統手工勾畫的優缺點

醫生根據患者CT圖像、CT/MRI、CT/PET等融合圖像手動勾畫放療靶區和危及器官，目的是最大限度提升靶區內放射劑量，而周圍正常組織或器官免受或減少不必要的放射損傷。手動勾畫需要逐層閱片、勾畫，其優點是可詳細了解腫瘤病變信息、毗鄰關系，全面而準確的勾畫出CTV和OAR。然而，其缺點同樣突出，勾畫過程非常耗時；特別是頭頸部惡性腫瘤，如鼻咽癌、口咽癌等，在解剖結構上，腫瘤周圍眾多危及器官毗鄰，且常糾纏不清。放療醫生不僅僅是靶區勾畫，更為重要的是針對每一位患者制定合理的、個體化診療方案和全程管理；勾畫靶區、計劃設計耗時過長，降低診療效率的同時，更是延誤了患者的治療時間，易造成醫患矛盾，不利于構建和諧的醫患關系。

在制定放射治療計劃過程中，醫生基于患者CT圖像、CT/MRI融合圖像勾畫出OAR，而一個標準的CT圖像包含上百張圖片，醫生需要單獨在每個二維斷層中勾畫出危及器官的位置，其過程耗時；并且依賴于醫生認知水平和熟練程度，不同層次的醫生效率參差不一；尤其是在基層醫院，缺乏經驗豐富的放療科醫生，更為拖沓。CTV是靶區勾畫技術難度最高、最耗時的部分，是放射治療控制腫瘤、防止復發轉移的關鍵；受限于每位醫生的從業機構、知識結構、認知水平和臨床經驗，專家勾畫與低年資醫生勾畫的重合程度較低；因為每位醫生的從業經歷和經驗不同，具體的治療方案也會不同，靶區兼顧的側重點也不盡相同，很難有統一的標準。

3 自動勾畫軟件的臨床應用

腫瘤放射治療的基礎是依據醫學影像、功能與分子影像技術來明確腫瘤部位、邊界，準確區分腫瘤與周圍正常組織器官的解剖關系。常規CT圖像分辨率較低，故不能僅憑CT圖像來準確區分腫瘤邊界。因此，利用自動勾畫軟件系統的圖像配準與融合技術，將增強CT、MRI及PET/CT等多模態影像與定位CT相結合，直觀地顯現更全面、精細的解剖結構信息，從而有助于靶區的精確性；在提高臨床靶區受照射劑量的同時，降低危及器官放療并發癥的概率。OAR、CTV的智能化、自動化勾畫，其步驟包括：① 腫瘤多模態影像重建、配準、融合等；② 自動提取腫瘤影像特征，從CT、CBCT、MRI、PET等多模態圖像數據中提取相應的腫瘤影像組信息；③ 采用深度學習、人工智能、幾何水平集和/或統計理論方法等，進行CTV和OAR的智能化、自動化勾畫。

目前，常用的自動勾畫軟件，如MIM、ABAS等能夠自動勾畫正常組織、器官和多模態圖像配準融合，能有效解決手工勾畫效率低、主觀性強、精度差等問題，并最終影響放射治療計劃精確性和治療療效等[2-3]。它可以處理一整幅包含所有切片的CT圖像，以及一次性勾畫所有OAR，不需要很復雜的預處理及后處理；能夠在保證靶區勾畫高精準的前提下，將勾畫時間大大縮短。陰秀娟等[4]用ABAS自動勾畫軟件評估了40例頭頸部腫瘤OAR自動勾畫的幾何精度，得到了與醫生手工勾畫偏差較小的結果，節省了42%～72%的勾畫時間。自動勾畫完成，醫生只需要對自動勾畫的靶區進行審核、微調和修改，大大提高了工作效率、減少了工作量；同時經過自動勾畫的影像可以給低年資醫生和醫學生提供參考，提升勾畫準確率，減少出錯概率，實時地幫助醫生提高靶區勾畫的效率[5-6]。

自動勾畫軟件系統可以存貯已經勾畫好的相關靶區的先驗數據集，通過找出與待勾畫病灶最相似的靶區勾畫方案，與模板相配準，實現靶區的自動勾畫；在節省勾畫時間的同時，提高靶區和危及器官勾畫的一致性和規范性[7]。但是，基于圖譜庫的OAR、CTV自動勾畫，對于結構差異和解剖部位不同的勾畫效果有所差別，需審核、修正才能滿足臨床需要[8]。統計分析發現，對于OAR的勾畫，專家勾畫與自動勾畫的重合程度達到85%左右；CTV的實現難度會稍大一些，因為每位醫生的認知水平和經驗不同，很難做到統一。因此，數據庫數量越大越全，選擇模板圖像的吻合度越高，自動勾畫會越精確。

同樣在制定放射治療計劃過程中，基于大數據進行計劃自動設計，基于先驗知識自動制定最優放療計劃。針對每一例患者的治療計劃，通常需要放療醫師與物理師、劑量師對治療計劃進行討論和反復修改，從而增加了工作量、延遲計劃時間。我們讓自動勾畫軟件系統學習優秀醫生和劑量師的經驗，解決耗費時間、計劃質量參差不齊等問題；通過分析病例，根據分配的優先級別選擇最終方案的先驗的變化范圍，在分鐘量級內優化出最優放療計劃。

4 自動勾畫軟件在腫瘤放射治療教學的應用

自2016年購買MIM軟件并臨床應用，主要用于頭頸部腫瘤及婦科腫瘤的靶區和OAR自動勾畫，并逐步開展臨床教學。針對不同期別頭頸部惡性腫瘤的靶區勾畫，因其解剖位置特殊、復雜的淋巴引流分區，相對狹小的空間內功能重要的危及器官眾多，包括腦干、脊髓、眼球、晶體、視神經及視交叉、內耳、中耳、腮腺、頜下腺、顳頜關節、下頜骨、口腔、喉等危及器官或組織。傳統的人工勾畫需要高年資醫師連續工作4～8小時方能完成，且隨著放療的進行，部分患者會出現體重減輕、腫瘤縮小、組織水腫等現象，導致解剖結構的形變，從而需要多次勾畫，進一步加重了工作負擔。現階段我們已積累、篩選構建了部分頭頸部腫瘤及婦科腫瘤圖像數據庫，用于臨床工作與教學；數據庫中包含CT圖像和醫生手動勾畫的靶區與危及器官輪廓信息。在臨床教學過程中，例如鼻咽癌患者，首先由上級醫師指導年輕醫師、研究生實習醫師，選取合適病例，取仰臥位，以頭頸肩熱塑膜固定，選擇飛利浦大孔徑螺旋CT，以3mm層厚行增強掃描 CT 圖像，掃描得到的CT圖像數據傳送至醫生工作站，由年輕醫師在數據庫中選取相應的模板自動勾畫CTV和OAR，自我修改后再由上級醫師審核并適當修改。通過近兩年的教學實踐，基于圖譜數據庫的MIM軟件系統，有效減少了勾畫時間，時長縮短為2～4小時，主要體現在OAR自動勾畫。在婦科腫瘤如宮頸癌的靶區勾畫中，時間縮短約1/3，這可能與宮頸癌放療計劃涉及OAR數目較少、膀胱充盈與排空狀態等有關。

MIM軟件系統的應用，保證自動勾畫精度基本達到手工勾畫的要求，但對于小體積器官如視神經、視交叉，邊界欠清器官如顳葉，仍與手工勾畫存在一定偏差。相比于傳統的手工勾畫，我們發現自動勾畫軟件具有諸多優勢。年輕醫師可以調閱數據庫中已有的典型病例和不同期別的腫瘤圖譜資料，便于初學者自學和重復學習；在自動勾畫基礎上自我修改，減少了因經驗、認識不足出現錯誤和漏洞的可能，同時減少了人為誤差和差異，增加了靶區勾畫的一致性；最后由上級醫師審核，可以及時發現問題、修正錯誤與不足，加深理解，有利地促進的年輕醫師的快速成長。在今后的臨床實踐和教學工作中，隨著更多的患者資料積累、篩選進入數據庫，并根據患者的性別、年齡、體重、腫瘤位置、腫瘤體積、臨床分期(TNM)等基本信息進行分組，必將獲得更好的形變結果，進一步提高勾畫的精確性、縮短勾畫時間、減少勾畫差異。

為適應和滿足現代高等醫學教育的發展和社會對高素質醫學人才的需求，低年資醫師和醫學生的臨床實踐能力和科研創新能力是當前培養的重中之重。專科教學應順應教學改革的變化和趨勢，有效整合優勢資源，提升教學質量[9]。在目前教學體系，腫瘤學專科教師資源相對匱乏，他們承擔繁忙的臨床工作和科研任務，難以抽出更多時間手把手帶教，提升學生閱片、靶區勾畫及計劃設計等能力。因此，借助多媒體、微信群或公眾號等[10]平臺將腫瘤學基礎知識、診療規范、學科進展、靶區勾畫指南與共識等定向推送，并與自動勾畫軟件系統有效銜接，優化課程設計，拓展教學內容，增加實戰演練，提高教學質量；通過理論與實踐的結合，培養低年資醫師和醫學生臨床思維和實戰能力，使臨床教學立體感增強，便于知識融會貫通，提高臨床實踐能力，改觀崗位勝任能力。利用新媒體教學[11]和自動勾畫軟件系統，將典型病例的影像學診斷、精準放療靶區勾畫與計劃設計，形象、直觀的呈現出來；不僅可以提高學生對授課內容的掌握和理解，同時激發學習、參與的興趣，從而提升教學效果。

醫學是與生命打交道的科學，是客觀的、嚴謹的；作為腫瘤放射治療專業的醫師和醫學生，靶區勾畫和計劃設計是必備臨床技能，自動勾畫軟件簡化了工作流程，減少了工作量，提高了靶區勾畫的規范性、一致性和精確性；但不能因此而懈怠，要充分認識到腫瘤臨床靶區(CTV)和危及器官(OAR)的重要性，避免因工作失誤而造成不可挽回的放射損傷。在全面信息化的時代，醫學大數據的寶貴性和重要性與日俱增；基于大數據的自動勾畫軟件系統，在精準放療的應用和臨床教學必然有著廣闊的前景[12]。