基于深度學(xué)習(xí)的正常組織自動勾畫在計(jì)劃設(shè)計(jì)中的劑量準(zhǔn)確度評估

陳旭明，劉勇

上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院 放療科，上海 201620

引言

在患者的定位CT圖像上勾畫危及器官（Organs-at-Risk，OAR）是放療計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)之一。然而傳統(tǒng)的手動勾畫十分費(fèi)時費(fèi)力[1-2]，因此近年來自動勾畫在臨床工作中得到了廣泛的應(yīng)用，以提高勾畫速度，減少患者等待治療所需時間[3]。大量研究已經(jīng)表明，基于深度學(xué)習(xí)算法的自動勾畫技術(shù)能夠顯著減少勾畫所需時間，同時可達(dá)到接近專家的勾畫精度水平[4-10]。然而此類研究主要聚焦于勾畫準(zhǔn)確性，對實(shí)際計(jì)劃設(shè)計(jì)中可能存在的劑量偏差鮮有涉及。Nelms等[11]研究表明，同樣的劑量分布在不同的勾畫結(jié)果之間可能存在巨大的劑量差異，對計(jì)劃評估造成顯著影響。因此，本研究的目的在于考察將自動勾畫結(jié)果直接應(yīng)用于放療計(jì)劃設(shè)計(jì)時與專家手動勾畫結(jié)果之間存在的劑量偏差，評估自動勾畫結(jié)果在實(shí)際計(jì)劃設(shè)計(jì)中的具體可行性。

1 材料與方法

1.1 Ua-Net架構(gòu)

Ua-Net[12]是我們此前設(shè)計(jì)的一款基于U-Net[13]的深度學(xué)習(xí)框架，可以自動勾畫28個頭頸部OAR，其勾畫精度可達(dá)到專家相似水平，同時可以大幅度減少正常組織勾畫所需要的時間。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由兩個子網(wǎng)構(gòu)成：① OAR探測，主要目的是首先框定各OAR所在的位置和大小；② OAR勾畫：在OAR探測的范圍基礎(chǔ)上對各OAR進(jìn)行精細(xì)化勾畫。由于采用了先探測后勾畫的兩段式設(shè)計(jì)，本網(wǎng)絡(luò)相較U-Net架構(gòu)具備以下優(yōu)點(diǎn)：① 只在局部范圍內(nèi)進(jìn)行勾畫，所以明顯大幅壓縮了散在于目標(biāo)器官外的假陽性點(diǎn)；② 與U-Net在整個圖像范圍內(nèi)進(jìn)行特征采樣不同，該網(wǎng)絡(luò)僅需在OAR探測范圍內(nèi)進(jìn)行特征上采樣，因此模型訓(xùn)練所需時間明顯縮短；③ 在勾畫中采用局部對比歸一，可顯著提高一些在CT圖像上對比度不明顯的OAR的勾畫精度。前人研究中介紹了Ua-Net 的具體細(xì)節(jié)[12]。

1.2 患者資料

回顧性選取2019年6月至2020年5月在本科接受放療的鼻咽癌患者30例，其中男22例，女8例。

1.3 OAR勾畫

參考相關(guān)指南[14]，在患者的定位CT圖像上手工勾畫以下28個OAR：臂叢神經(jīng)、腦干、咽縮肌、兩側(cè)中耳、兩側(cè)眼球、垂體、喉、兩側(cè)晶體、下頜骨、視交叉、兩側(cè)視神經(jīng)、口腔、兩側(cè)腮腺、兩側(cè)頜下腺、脊髓、舌下腺、兩側(cè)顳葉、甲狀腺、兩側(cè)顳頜關(guān)節(jié)、氣管，為手工勾畫組（Manual Delineation，MD）。另外，由Ua-Net勾畫28個相同的OAR，為自動勾畫組（Automatic Delineation，AD）。

患者定位CT為GE Discovery 590 RT，圖像層厚為2.5 mm，圖像分辨率為512×512。

1.4 勾畫精度評估

使用 Dice相似度指數(shù)[15]（Dice Similarity Coefficient，DSC）評估AD與MD之間的勾畫相似度：

式中Mp和Mg分別表示自動勾畫和手工勾畫的器官體積，DSC介于0～1，越接近于1表示兩者的重合度越高。

1.5 計(jì)劃設(shè)計(jì)與評估

為評估AD直接應(yīng)用于臨床計(jì)劃設(shè)計(jì)的可行性，在每一例患者的AD圖像組上設(shè)計(jì)放療計(jì)劃，直接使用自動勾畫的OAR進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化及計(jì)算。計(jì)劃完成后再將其移植到MD組的圖像上，使用劑量-體積直方圖評估兩組OAR在相同劑量分布中存在的劑量差異。對于臂叢神經(jīng)、腦干、晶體、視交叉、視神經(jīng)、脊髓、顳葉以及氣管，評估其最大劑量的差異，其余OAR則評估其平均劑量的差異。采用雙側(cè)配對t檢驗(yàn)的方法對兩組勾畫結(jié)果的劑量差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P<0.05代表差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

計(jì)劃處方劑量為鼻咽原發(fā)灶PGTV1：70 Gy/32 Fx，PGTV2：66 Gy/32 Fx，PTV1：60 Gy/32 Fx；雙 側(cè) 頸 部PGTVLn：66 Gy/32 Fx，PTVLn：60 Gy/32 Fx；鎖 骨 上PTV2：50 Gy/25 Fx。所有計(jì)劃均采用Varian Eclipse 13.6計(jì)劃系統(tǒng)，使用雙弧旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強(qiáng)技術(shù)，治療設(shè)備為Edge直線加速器，同時在優(yōu)化過程中使用鉛門跟隨技術(shù)。

2 結(jié)果

2.1 勾畫示例

典型層面的勾畫結(jié)果如圖1所示，圖中AD列代表Ua-Net自動勾畫的結(jié)果，MD列代表手工勾畫的結(jié)果。勾畫結(jié)果的三維視角如圖2所示。

圖1 勾畫典型層面示例

圖2 勾畫結(jié)果的三維視角

2.2 自動勾畫精度評估

28個OAR勾畫結(jié)果的DSC如表1所示。其中，變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）定義為標(biāo)準(zhǔn)差與均數(shù)之比，用于衡量比較各OAR勾畫結(jié)果DSC的離散程度，數(shù)值越低則表明結(jié)果越均一、穩(wěn)定。由表1結(jié)果可見：17個OAR的平均DSC>0.80，臂叢神經(jīng)、垂體、視交叉、舌下腺的結(jié)果相對欠佳（DSC<0.70）。此外，臂叢神經(jīng)、垂體、兩側(cè)晶體、視交叉、兩側(cè)視神經(jīng)以及舌下腺的變異度較大（CV>10%）。

表1 28個OAR的勾畫結(jié)果DSC和變異系數(shù)

2.3 劑量差異評估

兩組勾畫結(jié)果對應(yīng)的器官平均劑量如表2所示。其中，臂叢神經(jīng)、腦干、晶體、視交叉、視神經(jīng)、脊髓、顳葉以及氣管的劑量為最大劑量，其余為器官平均劑量。

表2 28個OAR的劑量分析（cGy）

其中，咽縮肌、左側(cè)眼球、喉、下頜骨、左側(cè)顳葉、右側(cè)顳頜關(guān)節(jié)的劑量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其劑量差異（AD-MD）如圖3所示，最大差值發(fā)生在左側(cè)顳葉，為-346.80 cGy。其平均差值分別為-93.48、24.79、-40.16、17.21、29.11、-41.45 cGy。

圖3 劑量差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的OAR的劑量差值箱形圖

在30個患者共840個OAR中，劑量偏差大于500 cGy的情況發(fā)生28次，全部出現(xiàn)在DSC<0.70的情況下，且全部出現(xiàn)在臂叢神經(jīng)、垂體、視交叉和兩側(cè)視神經(jīng)中，其中垂體次數(shù)最多，為9次，極端最大差值出現(xiàn)在左側(cè)視神經(jīng)（AD-MD=1456.2 cGy，對應(yīng)DSC為0.64）。

3 討論

近年來，各類自動勾畫工具越來越廣泛的應(yīng)用于放療科的日常臨床工作中，協(xié)助醫(yī)生和物理師完成正常組織或靶區(qū)的勾畫[3,16]。然而其應(yīng)用仍然涉及劑量安全，以往的研究更多聚焦于勾畫的準(zhǔn)確性，對直接應(yīng)用自動勾畫所得的OAR于計(jì)劃設(shè)計(jì)及其劑量安全性涉及相對較少。因此，我們將自動勾畫結(jié)果直接應(yīng)用于計(jì)劃設(shè)計(jì)，評估其劑量安全性。

在本研究中，我們首先再次測評了Ua-Net的勾畫精度。其中17個OAR的平均DSC>0.8，但臂叢神經(jīng)、垂體、視交叉、舌下腺的結(jié)果相對欠佳，這也與以往的一些研究結(jié)果相類似[4-5,17-19]。此現(xiàn)象可能與這些OAR的體積相對較小有一定關(guān)系，由于DSC的計(jì)算方式?jīng)Q定了體積較小的OAR，即使只有輕微的偏差，也會嚴(yán)重影響DSC的計(jì)算結(jié)果；同時，這些器官在CT圖像上相對較低的密度分辨率也可能對結(jié)果造成一定的影響[20]。CV也同樣體現(xiàn)了相同的結(jié)果，即體積相對較小的OAR，其勾畫結(jié)果的DSC變異也較大，更易受到小體積偏差的干擾。因此，總體而言，大部分OAR的自動勾畫結(jié)果可以接受，但部分小體積器官仍需一定的人工介入、核查。

咽縮肌、左側(cè)眼球、喉、下頜骨、左側(cè)顳葉、右側(cè)顳頜關(guān)節(jié)的劑量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，然而其差值普遍較低（平均值均在100 cGy以內(nèi)，極端最大差值為-346.8 cGy），在臨床上可以接受。由于這些器官的DSC都相對較高，因此這種劑量偏差有可能來自樣本量相對較少。同時我們發(fā)現(xiàn)垂體的劑量偏差較大，差值大于500 cGy的頻次是所有OAR中最高的，這可能是由于垂體相對較低的DSC和較小的體積所導(dǎo)致的。其余OAR的劑量偏差普遍較低，且未發(fā)生超出推薦劑量限值范圍的情況。

Rooij等[21]曾研究11個自動勾畫OAR的劑量準(zhǔn)確度，發(fā)現(xiàn)劑量偏差普遍可接受，然而與我們普遍發(fā)生于小體積OAR不同，其最大劑量偏差發(fā)生在頜下腺，這可能與他們的自動勾畫算法建模數(shù)據(jù)有關(guān)，且他們的研究方法為分別在AD和MD設(shè)計(jì)兩套計(jì)劃，最后將兩套計(jì)劃在MD上評價(jià)劑量差異，然而這種方法并未能完全反映自動勾畫在計(jì)劃優(yōu)化中的直接應(yīng)用。

4 結(jié)論

綜上所述，直接將Ua-Net的自動勾畫結(jié)果應(yīng)用于計(jì)劃設(shè)計(jì)中時，總體安全可靠，但仍需關(guān)注部分小體積器官，如垂體、視交叉、視神經(jīng)等，在計(jì)劃設(shè)計(jì)前需對這些器官進(jìn)行人工審查及修改，以避免發(fā)生劑量偏差現(xiàn)象。本研究的局限性在于，所有測試均在本科室內(nèi)部完成，在勾畫精度上可能存在一定主觀偏差，未來尚需多中心廣泛應(yīng)用研究推廣。