基于DICOM RT的鼻咽癌放療計(jì)劃劑量限制結(jié)構(gòu)自動勾畫研究

黃仕雄，楊松華，余功奕，曾德高，倪千喜

湖南省腫瘤醫(yī)院/中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院 放射物理技術(shù)部，湖南 長沙 410013

引言

鼻咽癌是我國常見的惡性腫瘤之一，由于鼻咽部生理解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此鼻咽癌患者首選的治療方式為調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity-Modulated Radiation Therapy，IMRT)[1-2]。在進(jìn)行鼻咽癌IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，物理師需要根據(jù)計(jì)劃靶區(qū)及危及器官（Organs at Risk，OARs）的放療處方要求和相對位置關(guān)系，勾畫一定數(shù)量劑量限制結(jié)構(gòu)（Dose Limited Structures，DLSs）輔助計(jì)劃設(shè)計(jì)[3]。常規(guī)的DLSs勾畫方式是利用放療計(jì)劃系統(tǒng)（Radiation Therapy Treatment Planning System，TPS）中提供的勾畫功能模塊進(jìn)行人工逐個(gè)勾畫，這種方式極大地影響物理師計(jì)劃設(shè)計(jì)的效率。謝朝等[4]研究編寫AutoHotkey熱鍵腳本，模擬物理師在Eclipse TPS中勾畫DLSs時(shí)的鼠標(biāo)點(diǎn)擊動作。一些商用TPS通過編譯腳本調(diào)用系統(tǒng)勾畫模塊功能[5]，也能夠完成部分DLSs的自動勾畫。

本研究提出一種基于醫(yī)學(xué)影像通信標(biāo)準(zhǔn)（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）放射治療（Radiation Therapy，RT）文件解析和數(shù)據(jù)處理的方式，使用Python語言編寫相關(guān)算法，不依賴TPS勾畫功能模塊實(shí)現(xiàn)鼻咽癌IMRT計(jì)劃中DLSs的自動勾畫，與常規(guī)人工逐個(gè)勾畫方法對比分析在勾畫精度上的差異和勾畫效率上的優(yōu)勢，以及與主流TPS腳本方法對比分析在DLSs自動勾畫種類上的優(yōu)勢，旨在探討其臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 DICOM RT協(xié)議和DICOM RTSs文件解析

DICOM協(xié)議是醫(yī)學(xué)圖像和相關(guān)信息的國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 12052），它定義了能滿足臨床需要的可用于數(shù)據(jù)交換的醫(yī)學(xué)圖像格式。DICOM RT作為DICOM協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充，專門用于處理RT設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸[6-7]，主要包括五大部分：放療結(jié)構(gòu)集合（RT Structure Set，RTSs）、放療計(jì)劃、放療劑量、放療影像和放療治療記錄。放療計(jì)劃中的靶區(qū)、OARs等輪廓結(jié)構(gòu)是劑量計(jì)算和劑量評估的重要依據(jù)，其勾畫數(shù)據(jù)按照DICOM RTSs格式要求儲存。RTSs數(shù)據(jù)集中以dataElement為單元數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，每個(gè)單元數(shù)據(jù)包括：標(biāo)簽（tag）、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)值。靶區(qū)、OARs等輪廓數(shù)據(jù)主要儲存在輪廓模塊序列中[8-9]，對應(yīng)的tag為[3006，0039]，其中包含了輪廓顏色、輪廓類型、坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)、坐標(biāo)數(shù)據(jù)值等信息。

1.2 DLSs定義和勾畫方法

本研究參考作者所在科室關(guān)于鼻咽癌IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)流程定義了四種DLSs結(jié)構(gòu)類型，并根據(jù)AAPM TG-263（The American Association of Physicists in Medicine Task Group 263）中關(guān)于非靶區(qū)結(jié)構(gòu)命名的建議設(shè)計(jì)了DLSs的命名方法，如使用下劃線、非評估結(jié)構(gòu)加z字母前綴、結(jié)合劑量命名時(shí)使用cGy單位、距離命名時(shí)使用mm單位等。

（1）計(jì)劃靶區(qū)（Planning Target Volume，PTV）內(nèi)部的環(huán)狀DLSs結(jié)構(gòu)。在原發(fā)腫瘤靶區(qū)（Nasopharynx Gross Tumorvolume，GTVnx）、轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)（Lymph Node Gross Tumor Volume，GTVnd）的計(jì)劃靶區(qū)PGTV的基礎(chǔ)上外擴(kuò)環(huán)結(jié)構(gòu)，并用PTV減去該環(huán)結(jié)構(gòu)形成的劑量緩沖區(qū)可用于限制靶區(qū)內(nèi)的高劑量區(qū)和處理套疊靶區(qū)內(nèi)的劑量梯度。

（2）PTV外部的環(huán)狀DLSs結(jié)構(gòu)。用于協(xié)助靶區(qū)外劑量快速跌落。

（3）OARs計(jì)劃危及器官區(qū)（Planning Rish Volume，PRV）結(jié)構(gòu)。在放療過程中某些串聯(lián)類型的OARs（例如脊髓）由于擺位、呼吸運(yùn)動等原因?qū)е挛恢玫牟淮_定性和變化，為了抵消這種OARs位置的不確定性和變化，對OARs外擴(kuò)生成PRV結(jié)構(gòu)。

（4）自定義形狀的DLSs，在凹形靶區(qū)的凹陷區(qū)勾畫扇形結(jié)構(gòu)Fan_down和Fan_up、在頸部雙側(cè)PTV中間間隔處勾畫窄條形分割結(jié)構(gòu)Mid，可用于防止頰面部淋巴回流受阻和脊髓腦干后方形成高劑量閉鎖，以及更好的保護(hù)口咽部正常器官[10]。DLSs結(jié)構(gòu)命名及勾畫方法，見表1。

表1 DLSs結(jié)構(gòu)命名原則及勾畫要求

1.3 DLSs自動勾畫流程

Python是一個(gè)高層次的結(jié)合了解釋性、編譯性、互動性和面向?qū)ο蟮哪_本語言，由于其簡潔性、易讀性以及可拓展性，越來越多的研究者和機(jī)構(gòu)使用Python做科學(xué)計(jì)算[11-12]。本研究使用Python語言，借助Pydicom工具包進(jìn)行DICOM RT文件數(shù)據(jù)的讀取和解析，將讀取的數(shù)據(jù)整理后儲存到自定義數(shù)據(jù)字典中，并根據(jù)輪廓結(jié)構(gòu)處理需求設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理功能模塊，如輪廓外擴(kuò)、內(nèi)收、裁剪、自定義規(guī)則圖形生成等，并搭建簡易的DICOM服務(wù)器，通過設(shè)置AE Title和IP地址實(shí)現(xiàn)DICOM數(shù)據(jù)的傳輸。因此首先從TPS將已勾畫靶區(qū)和OARs的鼻咽癌患者DICOM RTSs結(jié)構(gòu)文件傳輸至Python DLSs自動勾畫程序開始勾畫DLSs，勾畫完畢后RTSs文件自動回傳至TPS，自動勾畫程序流程圖如圖1所示。

圖1 DLSs自動勾畫流程圖

1.4 功能測試

從2020年1月至2020年5月湖南省腫瘤醫(yī)院放療中心收治的鼻咽癌患者中抽取15例，其中男性9例，女性6例，年齡23～70歲，中位年齡為45歲。測試病例按照中國鼻咽癌分期2017版（2008鼻咽癌分期修訂專家共識）進(jìn)行分期[13]，其中Ⅰ患者4例，Ⅱ患者8例，Ⅲ患者2例，Ⅳa期1例。由同一名放療醫(yī)師參照國際輻射單位及測量委員會（ICRU）83號報(bào)告勾畫GTVnx、GTVnd、高危臨床靶區(qū)（Clinical Target Volume 1，CTV1）、預(yù)防靶區(qū)（Clinical Target Volume 2，CTV2）和正常組織，并將上述靶區(qū)分別外擴(kuò)生成計(jì)劃靶區(qū)PGTVnx、PGTVnd、PTV1、PTV2。

由三名物理師在Eclipse TPS對測試病例DLSs結(jié)構(gòu)采用常規(guī)方法進(jìn)行手工勾畫，并記錄單個(gè)病例的平均勾畫時(shí)間和平均TPS功能模塊調(diào)用次數(shù)。使用本研究的DLSs自動勾畫方法，完成測試病例的DLSs結(jié)構(gòu)自動勾畫，記錄單個(gè)病例的自動勾畫時(shí)間與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的總和，并核查輪廓結(jié)構(gòu)、顏色、名稱、形狀和3D重建是否顯示正確。由于本研究的方法是不依賴TPS功能模塊，因此需要驗(yàn)證勾畫精度，在TPS中使用測量工具手動測量自動勾畫的擴(kuò)環(huán)、裁剪結(jié)構(gòu)的精度，以及采用DSC相似性指數(shù)（Dice Similarity Coefficient，DSC）,其計(jì)算方法如公式(1)所示。

其中A為常規(guī)勾畫輪廓體積，B為自動勾畫輪廓體積，A∩B為常規(guī)勾畫與自動勾畫輪廓重疊區(qū)域體積，DSC結(jié)果越接近1說明兩種勾畫結(jié)果重疊程度越高，若DSC=1則表示兩種勾畫結(jié)果完全重疊。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 23.0對研究中的數(shù)據(jù)進(jìn)行配對t檢驗(yàn)分析，數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 DLSs自動勾畫輪廓顯示

15例測試病例DLSs自動勾畫生成的DICOM RTSs文件均能成功導(dǎo)入Eclipse TPS，輪廓結(jié)構(gòu)顏色、名稱、形狀和3D重建能正確顯示，單例測試病例DLSs自動勾畫結(jié)果如圖2所示。

圖2 DLSs自動勾畫結(jié)果顯示

2.2 DLSs自動勾畫和常規(guī)勾畫結(jié)果對比

使用本研究中的鼻咽癌DLSs自動勾畫方法和常規(guī)方法對15例測試病例進(jìn)行勾畫結(jié)果對比，使用Eclipse TPS系統(tǒng)布爾模塊和體積統(tǒng)計(jì)功能計(jì)算兩種勾畫結(jié)構(gòu)的DSC相似度，對比結(jié)果如表2所示。

表2 測試病例DLSs自動勾畫和常規(guī)勾畫相似度指數(shù)

（1）四種DLSs結(jié)構(gòu)類型中，PTV內(nèi)部、外部環(huán)狀結(jié)構(gòu)以及PRV結(jié)構(gòu)的DSC相似度值接近1。如圖3a中以zPTV1_Ring10為例，以PTV1為基礎(chǔ)外擴(kuò)10 mm后裁剪自身形成，圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)镻TV1，紫紅色區(qū)域?yàn)槌Ｒ?guī)方法勾畫，黃色輪廓線為自動方法勾畫，兩種方法勾畫的結(jié)果輪廓基本重合，使用Eclispe TPS系統(tǒng)測量工具測量環(huán)狀結(jié)構(gòu)的寬度，采樣8次結(jié)果均值為1.01 cm。

（2）自定義形狀類型的DLSs對比結(jié)果顯示DSC相似指數(shù)比較低，說明該類型的DLSs結(jié)構(gòu)使用本研究的自動方法勾畫的結(jié)果與常規(guī)方法勾畫結(jié)果之間具有一定差異，見圖3b。以zFan_down2500和zMid_4000為例，圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)镻TV1，紫紅色區(qū)域與黃色輪廓分別為常規(guī)方法勾畫和自動勾畫的zMid_4000，紅色區(qū)域與綠色輪廓分別為常規(guī)方法勾畫和自動勾畫的zFan_down2500。

圖3 DLSs自動勾畫模塊精度分析

2.3 DLSs自動勾畫和常規(guī)勾畫效率對比

每個(gè)測試病例生成DLSs結(jié)構(gòu)共計(jì)20個(gè)：PTV內(nèi)部環(huán)狀結(jié)構(gòu)2個(gè)、PTV外部環(huán)狀結(jié)構(gòu)5個(gè)、PRV結(jié)構(gòu)7個(gè)、自定義形狀結(jié)構(gòu)6個(gè)。3名物理師在Eclipse TPS采用常規(guī)方法生成DLSs，每個(gè)病例在TPS系統(tǒng)功能模塊調(diào)用次數(shù)平均為54次，記錄常規(guī)方法勾畫平均耗時(shí)約為(1475.65±92.16）s，自動方法勾畫及數(shù)據(jù)傳輸平均耗時(shí)約為(44.94±1.56）s。DLSs自動勾畫耗時(shí)與常規(guī)勾畫耗時(shí)相比差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=-43.788，P＜0.05）。

3 討論

腫瘤靶區(qū)或者OARs的勾畫本質(zhì)上是一種圖像分割[14-16]，基于CT、MRI等解剖影像的人工視覺識別或者計(jì)算機(jī)視覺識別，有嚴(yán)格的勾畫要求和標(biāo)準(zhǔn)指南。而劑量限制結(jié)構(gòu)DLSs的勾畫本質(zhì)上是在腫瘤和器官的相對位置關(guān)系、靶區(qū)處方劑量、器官的劑量限制以及臨床醫(yī)師對計(jì)劃整體劑量分布要求的基礎(chǔ)上，物理師在計(jì)劃設(shè)計(jì)過程用于輔助劑量成型的經(jīng)驗(yàn)勾畫。實(shí)驗(yàn)輪廓對比結(jié)果顯示，四種DLSs結(jié)構(gòu)類型中PTV外部環(huán)結(jié)構(gòu)、PTV內(nèi)部環(huán)結(jié)構(gòu)、PRV結(jié)構(gòu)的DSC相似度指數(shù)均在0.95以上，這三類DLSs結(jié)構(gòu)均是在靶區(qū)或者OARs輪廓基礎(chǔ)上進(jìn)行固定參數(shù)的外擴(kuò)和裁剪形成的，且實(shí)驗(yàn)中以zPTV1_Ring10為例，使用Eclispe TPS系統(tǒng)測量工具測量環(huán)狀結(jié)構(gòu)寬度的方式驗(yàn)證了本研究中自動勾畫程序外擴(kuò)、裁剪處理精度近似TPS系統(tǒng)的功能模塊精度，因此這三類DLSs結(jié)構(gòu)類型在使用本研究的自動方法勾畫的結(jié)果可以用于臨床工作。實(shí)驗(yàn)輪廓對比結(jié)果中，自定義形狀類型DLSs的DSC相似度指數(shù)在0.65左右，這是因?yàn)樵擃愋虳LSs結(jié)構(gòu)在常規(guī)勾畫中大多是物理師使用TPS畫筆等工具人工勾勒出輪廓，而在本研究中該類型DLSs結(jié)構(gòu)的自動勾畫方法是參考物理師手動勾勒習(xí)慣的基礎(chǔ)上，分析靶區(qū)和OARs的相對位置關(guān)系和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在指定位置寫入適當(dāng)大小的規(guī)則圖形坐標(biāo)數(shù)據(jù)。因此在實(shí)驗(yàn)對比中該類型DLSs的DSC相似度值較低，但是由于這類結(jié)構(gòu)一般不參與劑量評估，只是在計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中保證靶區(qū)劑量和保護(hù)OARs的前提下輔助優(yōu)化較低劑量的整體分布，在實(shí)際臨床工作中對于這類的DLSs結(jié)構(gòu)的勾畫精度和形狀上一般不做具體要求，因此自定義形狀的DLSs結(jié)構(gòu)在使用本研究的自動方法勾畫的結(jié)果可以用于臨床工作。實(shí)驗(yàn)效率對比結(jié)果顯示，常規(guī)方法勾畫平均耗時(shí)約為25 min，自動方法勾畫及數(shù)據(jù)傳輸平均耗時(shí)約為45 s，自動方法勾畫的效率明顯更高，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

本文作者所在科室擁有多種主流的商用TPS：Eclipse（13.6）、Pinnacle（9.2） 和 Monaco（5.11）：目 前 Monaco不具備腳本編譯功能；Eclipse(13.6)使用C#編寫的腳本支持讀取計(jì)劃信息，不支持寫入數(shù)據(jù)[17]，因此無法編寫DLSs自動勾畫腳本；Pinnacle能通過錄制腳本的形式實(shí)現(xiàn)部分DLSs結(jié)構(gòu)類型的批處理[18]，但是本質(zhì)上是通過腳本調(diào)用Pinnacle TPS系統(tǒng)的功能模塊，對于自定義形狀DLSs無法進(jìn)行自動勾畫。因此通過DICOM RT數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)了包括自定形狀在內(nèi)的多種DLSs結(jié)構(gòu)類型自動勾畫是本研究的創(chuàng)新之處。

4 結(jié)論

本研究通過編寫Python程序完成DICOM RT輪廓結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理和設(shè)置AE Title自動回傳商用TPS能讀取的DICOM RTSs數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)了鼻咽癌放療計(jì)劃DLSs結(jié)構(gòu)的自動勾畫，且鼻咽癌IMRT計(jì)劃屬于設(shè)計(jì)要求復(fù)雜、需要勾畫DLSs較多的計(jì)劃類型，對于本研究中的方法只需要簡單修改相關(guān)的模塊參數(shù)就能滿足不同治療部位或不同處方劑量要求的DLSs自動勾畫需求，因此該方法能有效地避免物理師在設(shè)計(jì)IMRT計(jì)劃時(shí)勾畫DLSs的重復(fù)勞動，提高了工作效率，具有一定的創(chuàng)新意義和臨床實(shí)用價(jià)值。