智能放療云平臺在肝臟結(jié)構(gòu)自動勾畫中的應(yīng)用

秦偉，趙紫婷，時飛躍,2，王敏，魏曉為

1. 南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院） a. 腫瘤放療中心；b. 醫(yī)療設(shè)備處，江蘇 南京 210006；2. 南京醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)物理研究中心，江蘇 南京 210029

引言

現(xiàn)代精確放射治療要求在腫瘤靶區(qū) 進(jìn)行高劑量精確照射的同時，最大程度減少周圍正常組織和危及器官的受照劑量。因此，在影像中準(zhǔn)確定義靶區(qū)與危及器官至關(guān)重要，但手工勾畫過程不僅耗時耗力，占用臨床醫(yī)師大量寶貴時間與精力，還在不同醫(yī)生間存在較大的主觀差異[1]。近年來，人工智能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用使得自動勾畫技術(shù)成為研究熱點之一，出現(xiàn)了針對各種器官的自動勾畫算法框架。由于肝臟外形復(fù)雜，與鄰近器官組織，例如心臟、腹壁肌肉、膈肌等在影像上均缺乏良好的灰度對比，難以形成清晰的邊界，使得肝臟的自動醫(yī)學(xué)圖像分割仍是醫(yī)學(xué)圖像處理中的難點之一[2]。目前出現(xiàn)的ABAS、MIM、Raystation、Velocity等基于圖譜庫的自動勾畫軟件在骨性標(biāo)志相對固定的頭頸部腫瘤放療中應(yīng)用廣泛[3-5]，但在器官移動度較大的腹部少有研究報道。連心醫(yī)療的智能放療云平臺（RAIC.OIS）面向醫(yī)院放療科室、第三方影像與放療中心提供基于人工智能的器官自動勾畫、靶區(qū)勾畫、自動放療計劃、放療質(zhì)控等技術(shù)工具和云服務(wù)。其中的自動勾畫工具可實現(xiàn)頭、頸、胸、腹和盆腔等多部位的危及器官勾畫，我們前期已經(jīng)對該軟件自動勾畫食管癌患者心臟結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究[6]。本研究以手工勾畫結(jié)構(gòu)為參考標(biāo)準(zhǔn)，從準(zhǔn)確性和勾畫時間兩方面測試RAIC.OIS軟件自動勾畫腹部腫瘤患者肝臟結(jié)構(gòu)的可行性。

1 材料與方法

1.1 病例選擇

選取本院腫瘤放療中心于2018年2月至11月收治的20例腹部腫瘤患者（胃癌10例，轉(zhuǎn)移癌5例，胰腺癌2例，賁門癌2例，十二指腸癌1例）。其中，男15人，女5人，中位年齡為66.5歲（42～76歲）。所有患者均仰臥，經(jīng)熱塑膜固定后由西門子Sensation Open CT模擬機采集定位CT圖像，層厚和層間距均為5 mm。將20例患者按照ID號升序的順序排列，由1至20編號。

1.2 數(shù)據(jù)采集

自動勾畫數(shù)據(jù)：在Eclipse治療計劃系統(tǒng)中導(dǎo)出上述患者的定位CT圖像，傳輸至RAIC.OIS（v2.0.16）。在RAIC.OIS軟件中打開導(dǎo)入的待勾畫病例，在腹部的自動危及器官勾畫模塊中選擇肝臟，同時記錄自動勾畫時長。將全部20例自動勾畫生成的結(jié)構(gòu)文件導(dǎo)回Eclipse系統(tǒng)，采集相應(yīng)的體積與位置數(shù)據(jù)。

手工勾畫數(shù)據(jù)：根據(jù)文獻(xiàn)中肝臟的勾畫原則和參考圖譜[7]，在Eclipse中重新手工勾畫20例腹部患者的肝臟結(jié)構(gòu)，并記錄手工勾畫的時間，然后測量并記錄相應(yīng)的體積與位置數(shù)據(jù)。

1.3 評價指標(biāo)

定義V1為手工勾畫的輪廓體積，V2為自動勾畫的輪廓體積，x1和x2分別代表手工和自動兩種勾畫肝臟結(jié)構(gòu)的幾何中心坐標(biāo)在x方向的坐標(biāo)值，y和z方向依此類推。計算公式如下。

（1）體積差異ΔV%，見公式(1)。

（2）質(zhì)心偏差（Deviation Of Centroid，DC），見公式 (2)。

其中，Δx=|x2-x1|，Δy=|y2-y1|，Δz=|z2-z1|。DC反映兩種結(jié)構(gòu)的幾何中心在空間位置的偏移，數(shù)值越大表明兩種勾畫結(jié)構(gòu)在空間位置的偏移越大[8]。

（3）Dice相 似 性 指 數(shù)（Dice Similarity Coeffi cient，DSC），見公式(3)。

DSC用于評價兩個集合之間的重合性，一般認(rèn)為DSC＞0.7時，兩個結(jié)構(gòu)的一致性較好[9]。

（4）敏感性指數(shù)（Sensitivity Index，SI），見公式(4)。

SI反映自動勾畫輪廓與手動勾畫輪廓的匹配程度[10]。

（5）包容性指數(shù)（Inclusiveness Index，IncI），見公式 (5)。

IncI反映手動勾畫輪廓中包含自動勾畫輪廓的概率[11]。

（6）Jaccard指數(shù)（Jaccard Index，JAC），見公式(6)。

JAC用于度量兩個集合之間的相似性，在0～1的范圍內(nèi)，JAC數(shù)值越大，相似度越高[12]。

2 結(jié)果

肝臟結(jié)構(gòu)的參數(shù)及各評價指標(biāo)的結(jié)果列于表1。在20例測試病例中，兩種勾畫方式的肝臟體積差異平均值＞0，表明大多數(shù)自動勾畫的肝臟體積較手工勾畫肝臟體積偏大，平均偏大2.16%左右。

表1 20例患者肝臟結(jié)構(gòu)勾畫的統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖1為位置差異數(shù)據(jù)（Δx、Δy、Δz和DC）。由表1可見，自動勾畫肝臟的幾何中心與手工勾畫的幾何中心在三維空間上平均偏移0.38 cm。由圖1可見，位置偏差在x軸方向的值最大，為（0.24±0.21）cm，在y、z兩個方向上的值分別為（0.17±0.21）cm和（0.20±0.24）cm。

圖2所示為20例肝臟結(jié)構(gòu)勾畫相關(guān)的DSC、SI、IncI與JAC值。由圖2和表1可見，20例肝臟結(jié)構(gòu)自動勾畫的DSC值均大于0.8，最大值達(dá)到0.94，表明自動與手工勾畫的肝臟結(jié)構(gòu)形狀有較好的吻合性。

對20例患者的兩種勾畫方式時間進(jìn)行統(tǒng)計分析和比較，自動勾畫和手工勾畫時間分別為（4.4±0.4）s和（507±74）s，由兩種方式的勾畫時間比較可見，使用自動勾畫可減少約99%的時間。

圖1 自動和手工兩種方式勾畫肝臟結(jié)構(gòu)的位置偏差

圖2 肝臟結(jié)構(gòu)勾畫的DSC、SI、IncI和JAC值

對V1（手工勾畫的輪廓體積）和V2（自動勾畫的輪廓體積）兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行配對t檢驗，P=0.015＜0.05，兩組數(shù)據(jù)有統(tǒng)計學(xué)差異。對Δx、Δy、Δz三組數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩比較，結(jié)果表明，Δx和Δy有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05），Δx和Δz沒有統(tǒng)計學(xué)差異，Δy和Δz也沒有統(tǒng)計學(xué)差異。對DSC和SI、DSC和IncI、DSC和JAC，計算出的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.734（強相關(guān)）、0.891（極強相關(guān)）和0.998（極強相關(guān)）。這說明DSC值與其它三個參數(shù)有較好的相關(guān)性。

3 討論

隨著計算機硬件及軟件的發(fā)展，使用計算機輔助自動或半自動分割醫(yī)學(xué)圖像變成可能，這一技術(shù)在放療領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅將醫(yī)生從高強度的繁復(fù)勾畫工作中解脫出來，還有助于減少勾畫結(jié)果在不同醫(yī)生間的主觀差異[13]。目前，自動勾畫方法主要包括基于圖譜庫、基于模型以及兩種方法的結(jié)合[14]。基于圖譜庫的方法使用剛性和（或）形變配準(zhǔn)，將已有病例輪廓與測試患者匹配，通過形變配準(zhǔn)算法，將形變后的結(jié)果映射到測試患者CT圖像上，實現(xiàn)自動勾畫。由于頭頸部骨性標(biāo)志相對固定，器官移動少，易配準(zhǔn)，已有大量基于圖譜庫的自動勾畫軟件在頭頸腫瘤調(diào)強放射治療的應(yīng)用研究，包括不同軟件勾畫準(zhǔn)確性比較[15]，入庫病例數(shù)研究[16]，及劑量學(xué)精度研究等[17]。基于模型的自動勾畫使用一定數(shù)量的標(biāo)注數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，通過數(shù)據(jù)增強、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)建立模型，使用時無需建立病例圖譜庫。

張富利等[18]比較了基于深度學(xué)習(xí)和圖譜庫方法自動勾畫不同部位腫瘤危機器官輪廓的幾何學(xué)精度，發(fā)現(xiàn)前者在總體上更有優(yōu)勢。Macchia等[11]比較了三種基于模板庫的自動勾畫軟件（ABAS、MIM和VelocityAI）在頭頸部、胸部、腹部和盆腔腫瘤的危及器官勾畫結(jié)果。其中，三種軟件自動勾畫的肝臟結(jié)構(gòu)DSC分別為（0.93±0.02），（0.93±0.03）和（0.90±0.01），SI 分 別 為（0.92±0.02），（0.90±0.03）和（0.92±0.03），IncI分別為（0.93±0.03），（0.95±0.04）和（0.88±0.02）。本研究使用基于人工智能的連心醫(yī)療RAIC.OIS軟件，自動勾畫腹部腫瘤患者肝臟結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，在自動勾畫的20例病例中，肝臟結(jié)構(gòu)的DSC值為0.92±0.02，表明該軟件的自動勾畫結(jié)果與人工勾畫一致性較好。SI與IncI分別為（0.93±0.02）和（0.91±0.03），與上述基于圖譜庫方法的自動勾畫結(jié)果相近。這表明兩種自動勾畫方法在肝臟結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用均能得到較好的結(jié)果。

綜上所述，在未經(jīng)任何手工修正的情況下，應(yīng)用RAIC.OIS自動勾畫腹部腫瘤癌患者的肝臟結(jié)構(gòu)，能夠達(dá)到或接近手工勾畫的準(zhǔn)確性。臨床工作中，放射腫瘤醫(yī)生認(rèn)為軟件輪廓勾畫的DSC達(dá)0.95左右時，基本不需要調(diào)整，或僅需輕微修改[19]。本研究中自動勾畫的肝臟結(jié)構(gòu)DSC平均值達(dá)到0.92，已基本接近臨床要求。但是需要注意的是，自動勾畫結(jié)果仍需經(jīng)過放療醫(yī)師審核與手工修改才能用于臨床治療。雖然本研究未將手工修改時間納入評估指標(biāo)，但自動與手工勾畫時間的比較結(jié)果表明，使用該軟件能夠大大縮短勾畫時間，有效提高放療工作效率。

致謝

衷心感謝連心醫(yī)療葉大亮和何飛躍在智能放療云平臺使用中提供的幫助和支持。