大圖醫療rtStation軟件自動勾畫直腸癌患者膀胱結構的應用分析

趙紫婷，秦偉，時飛躍,2，魏曉為，田書暢，吳倩倩，蔣紅兵,3

1. 南京醫科大學附屬南京醫院（南京市第一醫院）a. 醫療設備處；b. 腫瘤放療中心，江蘇 南京 210006；2. 南京醫科大學 醫學物理研究中心，江蘇 南京 210029；3. 南京市急救中心，江蘇 南京 210003

引言

直腸癌是常見的惡性腫瘤之一，據中國2018年發布的腫瘤登記年報，全國直腸癌發病占比為9.74%，發病例數排位僅次于肺癌與胃癌[1]。直腸癌放射治療已經成為直腸癌綜合治療的重要組成部分，在術前、術后應用廣泛[2-3]。小腸是直腸癌放射治療計劃中的劑量限制器官，為防止過多小腸進入盆腔，保護膀胱及盆腔周圍軟組織，可采用不同體位（仰臥位、俯臥位、斜位）、充盈膀胱、運用有孔腹部定位裝置等方法。膀胱自主充盈狀態與排空狀態相比能減少膀胱、小腸照射劑量[4]，而在膀胱排空狀態時可得到更好的重復性。因此，膀胱結構對于盆腔其他危及器官勾畫與放射計劃設計至關重要，而由于危及器官勾畫過程耗時耗力，各種自動勾畫工具應運而生。本研究測試并定量評估上海大圖科技有限公司的放射治療勾畫工作站rtStation軟件在直腸癌患者膀胱結構自動勾畫結果的準確性。

1 材料與方法

1.1 自動勾畫軟件

rtStation是一款基于云架構的放療醫生工作站，通過云端計算，深度學習以及基于GPU的圖像顯示技術，為腫瘤放療醫生提供自動勾畫、配準融合及劑量評估等工具。其自動勾畫模塊使用3D-Unet架構執行訓練任務，建模數據來源于合作醫院及網上公開數據集，支持頭頸、胸腹部及盆腔等部位危及器官的自動勾畫。其中，膀胱結構模型的內部驗證結果為0.87。本研究使用rtStation 1.4.0，發布于2018年10月。

1.2 病例選擇

選取本院于2017年3月至2019年10月已進行調強放射治療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）的30例直腸癌患者，依據ID號升序排列并編號。其中男性20例，女性10例，中位年齡66.5歲（34～86歲）。患者均由熱塑體模固定，其中14人采用俯臥位行定位CT掃描，16人采用仰臥位。CT模擬定位機型號為西門子Sensation Open CT，掃描層厚5 mm，層間距5 mm。

1.3 數據采集

將放療定位CT圖像從Eclipse治療計劃系統導入至rtStation，通過危及器官勾畫工具自動勾畫患者膀胱結構，并逐例記錄完成時間。將軟件勾畫生成的結構文件導出至Eclipse系統，從中采集自動與手動勾畫膀胱結構的體積與位置數據，分析與比較兩種勾畫方式的差異。所有手動勾畫的膀胱結構均已經過臨床確認，為放療醫生依據《腫瘤放射治療危及器官勾畫》[5]中膀胱結構的解剖邊界，在Eclipse系統中逐層勾畫得到。統計學分析采用SPSS 20.0軟件，P＜0.05為差異有統計學意義。

1.4 評價指標

1.4.1 體積差異

1.4.2 Dice相似性指數

1.4.3 質心偏差

其中x自動和x手動分別代表自動和手動勾畫結構的幾何中心在x方向的坐標值，y和z方向依此類推。質心偏差（Deviation of Centroid，DC）反映兩個結構的幾何中心在三維空間上的位置偏移，數值越大表明兩種勾畫結果在空間位置的偏移越大[8-9]。

2 結果

2.1 體積差異

30例膀胱結構的手動勾畫體積如圖1所示，不同體位用顏色加以區分。兩種勾畫方式的體積差異存在3例極大值分別對應編號為7、10、12的患者。排除后，其余27例的ΔV%為（-4.44±16.25）%，表明與手動勾畫相比，自動勾畫的膀胱體積偏小。

圖1 30例膀胱結構的手動勾畫體積

2.2 DSC結果

如圖2所示，除編號為7、10、12的3例患者（DSC分別為0.13，0.38，0.41），其余27例直腸癌患者膀胱結構勾畫的DSC值為（0.89±0.05），表明大多數樣本的膀胱自動勾畫結果與手動勾畫形狀一致性較好。對比膀胱體積圖（圖1），發現3例特殊值對應于較小的膀胱體積，且均為俯臥位圖像。

圖2 30例自動勾畫與手動勾畫膀胱結構的形狀相似性

2.3 DC結果

自動與手動兩種勾畫方式在x、y、z三個方向上的差異分別為（0.25±0.92）、（0.28±0.63）、（0.34±0.66）cm，DC為（0.61±1.25）cm。兩種體位的位置參數如表1所示。

表1 30例直腸癌患者膀胱結構的位置參數（±s，cm）

表1 30例直腸癌患者膀胱結構的位置參數（±s，cm）

位置參數 仰臥位 俯臥位 總計Δx 0.42±1.26 0.06±0.04 0.25±0.92 Δy 0.44±0.83 0.10±0.09 0.28±0.63 Δz 0.53±0.87 0.13±0.10 0.34±0.66 DC 0.97±1.65 0.20±0.09 0.61±1.25

2.4 統計學分析

分析膀胱體積與DSC、ΔV%、DC的相關性，結果見表2。DSC與膀胱體積顯著正相關，DC與膀胱體積顯著負相關。去掉上述3例小膀胱體積樣本后，對兩種體位的DSC、ΔV%、DC行獨立樣本t檢驗，結果均無統計學差異（P＞0.05）。結果列于表表3。說明自動勾畫精度與膀胱充盈體積顯著相關，在不同體位圖像中無統計學差異。

表2 30例勾畫結果與膀胱體積的相關性分析

3 討論

放射治療已成為直腸癌綜合治療的重要手段。IMRT相對傳統放療技術，能夠在改善腫瘤靶區內放射劑量分布的同時降低周圍危及器官的照射劑量，在當前臨床應用中占據主導地位[10]。靶區勾畫是實施直腸癌調強放療過程中的重要組成部分，醫生在放療計劃設計過程中需要嚴格勾畫臨床靶區和相關危及器官輪廓，以保證在腫瘤靶區精確照射的前提下，最大限度保護周邊危及器官。然而，手動勾畫不僅耗時耗力，還受臨床醫生的經驗和影像質量等主觀及客觀因素的影響。此外，由于膀胱、小腸等危及器官及腫瘤在分次治療間的形態和空間位置變化，使得調強放療帶來的精確劑量分布并不能免除實際療效的不確定性。自適應放射治療[11]可以解決上述問題，但在放射治療分次間多次定位、準確勾畫靶區及危及器官、修改治療計劃等要求，大大加重了醫生的工作負荷。此外，直腸癌調強放療時，為確保擺位的可重復性，患者可采用仰臥位體模固定，采用俯臥位腹板固定可減少腸道的照射。實際臨床應用中會根據患者實際需求選擇合適的固定體位，這就需要軟件能夠滿足不同體位圖像的勾畫需求。

表3 27例直腸癌患者膀胱結構勾畫結果（±s）

表3 27例直腸癌患者膀胱結構勾畫結果（±s）

評價指標 仰臥位 俯臥位 t值 P值 總計手動勾畫體積/cm3 390.32±218.80 432.33±289.50 -0.18 0.86 407.43±245.55自動勾畫體積/cm3 358.12±177.61 398.53±271.69 -0.43 0.67 374.59±216.79 ΔV%/cm3 -3.35±16.76 -6.03±16.15 -1.09 0.29 -4.44±16.25 DSC 0.90±0.04 0.88±0.06 1.43 0.16 0.89±0.05 DC/cm 0.19±0.10 0.26±0.24 -1.44 0.16 0.22±0.17勾畫時間/s 45.6±6.1 49.7±7.3 -1.30 0.20 47.3±6.8

臨床的迫切需求使得危及器官和靶區自動勾畫成為研究熱點。目前市場上已出現多種可以實現自動勾畫功能的商用軟件，包括ABAS，MIM maestrover， Raysation，iPlan[12]，OnQ[13]，VelocityAI等。國內外對此進行的相關研究多圍繞圖譜庫構建方式對勾畫結果的影響[14-16]、自動勾畫軟件在各部位不同危及器官中的表現[17]、自動勾畫軟件之間的比較[18]、輪廓勾畫結果對劑量的影響[19]等。本文通過自動勾畫與人工勾畫結果在體積、形狀、位置三個方面的差異，定量評估rtStation軟件自動勾畫直腸癌患者膀胱結構的幾何精度，并分析導致個別結果較差的因素。通過比較該軟件在兩種體位圖像中的勾畫結果，發現DSC與膀胱充盈體積顯著正相關，且在不同體位圖像中無統計學差異。排除膀胱充盈不足病例后，自動勾畫與手動勾畫結果的一致性較好，體積差異為（-4.44±16.25）%，DSC值為（0.89±0.05），DC為（0.22±0.17） cm。因此，在膀胱充盈良好的情況下，使用該軟件能獲得接近人工的勾畫精度。

綜上所述，在臨床應用中，對于此類有膀胱充盈需求的盆腔照射放療計劃設計，該自動勾畫工具能夠起到一定的輔助作用，且對于仰臥與俯臥兩種固定體位的患者均可達到較高的勾畫精度，但在使用時需要保證膀胱充盈。雖然自動勾畫結果仍需要部分修改才能滿足臨床要求，但相比我院醫生手動勾畫膀胱結構所需時間(平均每個病例約340 s)，自動勾畫軟件可減少約86.1%的工作時間，應用前景較好。