王金媛，徐壽平，2，劉博，鄭慶增，張慧娟，楊微，曲寶林，2

1.中國人民解放軍總醫(yī)院放療科，北京100853；2.北航大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)醫(yī)療高精尖創(chuàng)新中心，北京100083；3.北京航空航天大學(xué)圖像處理中心，北京100191；4.北京老年醫(yī)院放療科，北京100095

前言

放射治療是惡性腫瘤的主要治療手段之一，約50%～70%的腫瘤患者需要在治療過程中實(shí)施放射治療［1］。新技術(shù)的發(fā)展對(duì)放射治療過程中每個(gè)環(huán)節(jié)的精確度要求嚴(yán)苛，為確保精確治療，3D圖像上精確的輪廓勾畫是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。放射治療開始之前，腫瘤及其相關(guān)的所有危及器官都要被勾畫出來，以便在實(shí)施劑量計(jì)算后對(duì)靶區(qū)和各危及器官進(jìn)行定量的評(píng)估。常規(guī)的醫(yī)生手動(dòng)勾畫存在諸多弊端：過程繁瑣，耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，從而導(dǎo)致器官勾畫效率較為低下；輪廓的勾畫存在人為誤差，帶有一定的主觀性，準(zhǔn)確性、重復(fù)性差。自動(dòng)勾畫軟件的出現(xiàn)能夠在一定程度上改善這種差異。目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)多種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)勾畫功能的商用軟件，其中大部分軟件是基于圖譜的自動(dòng)勾畫（Atlas-Based Auto-Segmentation,ABAS），即將已有CT圖像上的輪廓形變配準(zhǔn)到新CT圖像上。雖然自動(dòng)勾畫完成后的結(jié)果仍需要部分的修改才能滿足臨床要求，但與手動(dòng)勾畫相比仍能夠大大減少臨床人員勾畫的時(shí)間和工作負(fù)荷［2］。

本研究基于圖譜實(shí)施宮頸癌危及器官自動(dòng)勾畫，探討和評(píng)價(jià)圖譜庫入庫病例數(shù)對(duì)自動(dòng)勾畫結(jié)果的影響，以期探索影響自動(dòng)勾畫優(yōu)劣的可能因素，得出臨床上可實(shí)施的解決方案，從而為自動(dòng)輪廓勾畫更好運(yùn)用于臨床提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

選取2014年7月～2017年4月解放軍總醫(yī)院收治的130例宮頸癌患者，其中120例為建庫圖像，10例為目標(biāo)圖像?；颊呔捎皿w膜固定，仰臥位行定位掃描，定位前0.5 h飲用500 mL水并進(jìn)行憋尿。采用Siemens大孔徑CT（Siemens SOMATOM 64排）實(shí)施CT掃描，層厚為3 mm，將所得圖像通過DICOM傳輸至Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)（Ver10.0）。由一名經(jīng)驗(yàn)豐富的臨床醫(yī)生在CT圖像上手動(dòng)勾畫出危及器官，目標(biāo)勾畫包括膀胱、直腸和雙側(cè)股骨頭，對(duì)目標(biāo)圖像勾畫進(jìn)行計(jì)時(shí)并定義為參考勾畫（Vref）。

應(yīng)用MIM Maestro軟件（Ver 6.6.5）采用留一法（Leave-one-out）建立4套病例數(shù)不同的宮頸癌圖譜庫（30、60、90、120例），分別應(yīng)用4個(gè)圖譜庫、不同的勾畫匹配數(shù)目（3和9）對(duì)10例目標(biāo)圖像進(jìn)行危及器官的自動(dòng)勾畫并分別計(jì)時(shí)，將勾畫匹配數(shù)目選擇為3時(shí)，30、60、90、120例圖譜庫的自動(dòng)勾畫（Automatic Contouring,AC）結(jié)果定義為VAC-30-3、VAC-60-3、VAC-90-3、VAC-120-3；將勾畫匹配數(shù)目選擇為9時(shí)，自動(dòng)勾畫結(jié)果分別定義為VAC-30-9、VAC-60-9、VAC-90-9、VAC-120-9。運(yùn)用評(píng)價(jià)參數(shù)，將各組自動(dòng)勾畫的結(jié)果與Vref進(jìn)行比較，得出模板數(shù)目對(duì)自動(dòng)勾畫結(jié)果的影響。

1.2 評(píng)價(jià)參數(shù)

勾畫時(shí)間：包括自動(dòng)勾畫和手動(dòng)勾畫的時(shí)間。手動(dòng)勾畫時(shí)間為從打開CT圖像到最后一個(gè)危及器官勾畫完成的時(shí)間。自動(dòng)勾畫時(shí)間為從打開CT圖像到勾畫結(jié)束的時(shí)間。

Dice相似性系數(shù)（Dice Similarity Coefficient,DSC）［3］：

其中，Vref為參考勾畫的體積，Vauto為自動(dòng)勾畫的體積。

質(zhì)心偏差（Deviation of Centroid,DC）：

敏感性指數(shù)（Sensitivity Index,SI）［4］：

包容性系數(shù)（Inclusiveness Index,IncI）［5］：

Jaccard系數(shù)（Jaccard Index,JAC）［6］：

Hausdorff距離（Hausdorff Distance,HD）［7］，假設(shè)有兩組集合X={x1,…,xn}、Y={y1,…,yn}，則這兩個(gè)點(diǎn)集合之間的Hausdorff距離定義為：

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 22軟件分析MIM軟件的勾畫結(jié)果，采用單因素方差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，并采用最小顯著性差異法（LSD）進(jìn)行事后多重比較，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

勾畫匹配數(shù)為3時(shí)，危及器官勾畫結(jié)果的對(duì)比如圖1所示，勾畫結(jié)果參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示；勾畫匹配數(shù)為9時(shí)，危及器官勾畫結(jié)果如表2所示。

圖1 不同模板數(shù)目勾畫結(jié)果示意圖（匹配數(shù)目為3）Fig 1 Schematic diagram of segmentation results obtained by different Atlas databases(matching number:3)

2.1 時(shí)間結(jié)果

當(dāng)匹配數(shù)目為3和9時(shí)，4組自動(dòng)勾畫時(shí)間基本相同（1.31～1.39 min，5.07～5.24 min），均小于手動(dòng)勾畫所需時(shí)間（10.25 min），表明圖譜庫中模板病例數(shù)的增加不引起自動(dòng)勾畫時(shí)間的增加。勾畫匹配數(shù)的增加會(huì)引起自動(dòng)勾畫時(shí)間的增加，但仍低于手動(dòng)勾畫所需時(shí)間。

2.2 膀胱結(jié)果

勾畫匹配數(shù)為3時(shí)，30、60、90例圖譜庫的自動(dòng)勾畫結(jié)果分別與120例圖譜庫自動(dòng)勾畫結(jié)果之間的SI具有顯著性差異（P＜0.05），120例圖譜庫自動(dòng)勾畫結(jié)果的SI低于其他3組，其他3組結(jié)果之間沒有差異性；勾畫匹配數(shù)為9時(shí)，各圖譜庫自動(dòng)勾畫結(jié)果之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。

2.3 直腸結(jié)果

匹配數(shù)目為3時(shí)，30例圖譜庫的DSC（0.44±0.13）差于120例圖譜庫勾畫結(jié)果（0.57±0.14）（P＜0.05），其他3組勾畫結(jié)果基本一致（DSC均值0.52～0.57），SI顯示30例圖譜庫的勾畫結(jié)果顯著小于90、120例圖譜庫的勾畫結(jié)果（P＜0.05），HD顯示120例圖譜庫顯著小于30例和60例圖譜庫（P＜0.05），JAC表明30例圖譜庫顯著小于120例圖譜庫勾畫結(jié)果（P＜0.05）；勾畫匹配數(shù)為9時(shí)，各評(píng)價(jià)參數(shù)中僅HD有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，30、60、90例圖譜庫的自動(dòng)勾畫結(jié)果大于120例圖譜庫的自動(dòng)勾畫結(jié)果。

2.4 雙側(cè)股骨頭結(jié)果

匹配數(shù)目為3和9時(shí)，4組圖譜庫的自動(dòng)勾畫結(jié)果之間沒有顯著性差異，均處于較好的水平。

3 討論

放療技術(shù)的飛速發(fā)展使治療方式從二維照射發(fā)展為三維適形、調(diào)強(qiáng)和立體定向放射治療，新技術(shù)的發(fā)展對(duì)放射治療過程中每個(gè)環(huán)節(jié)的精確度要求逐漸嚴(yán)格，為了提高腫瘤控制率、最大限度地保護(hù)危及器官、確保精確治療，精確的輪廓勾畫是重要的一步。常規(guī)的醫(yī)生手動(dòng)勾畫危及器官，不僅花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，而且還存在勾畫者間的差異性，對(duì)于自適應(yīng)放療來說，雖然重新定位以及制定計(jì)劃會(huì)明顯地提高其腫瘤覆蓋率并且極大程度地保護(hù)危及器官［8］，但重復(fù)定位后的輪廓勾畫在無形中加重了醫(yī)生的任務(wù)，因而臨床上對(duì)自動(dòng)勾畫軟件工具的需求迫切［9］。

表1 不同圖譜庫自動(dòng)勾畫危及器官的結(jié)果（匹配數(shù)為3）（±s）Tab 1 Results of auto-segmentation of organs-at-risk by different Atlas databases(matching number:3)(Mean±SD)

表1 不同圖譜庫自動(dòng)勾畫危及器官的結(jié)果（匹配數(shù)為3）（±s）Tab 1 Results of auto-segmentation of organs-at-risk by different Atlas databases(matching number:3)(Mean±SD)

DSC：Dics相似性系數(shù)；SI：敏感性指數(shù)；IncI：包容性指數(shù)；DC：質(zhì)心偏差；JAC：Jaccard系數(shù)；HD：Hausdorff距離；各個(gè)符號(hào)代表不同組之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05），*表示VAC-30-3與VAC-120-3之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；△表示VAC-60-3與VAC-120-3之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；○表示VAC-90-3與VAC-120-3之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；□表示VAC-30-3與VAC-90-3之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異

參數(shù)膀胱DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC直腸DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC左側(cè)股骨頭DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC右側(cè)股骨頭DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC VAC-30-3VAC-60-3VAC-90-3VAC-120-3P值0.79±0.15 0.95±0.03 0.70±0.19 0.98±0.85 3.68±2.15 0.67±0.18 0.84±0.07 0.95±0.03 0.75±0.10 0.61±0.32 2.88±1.09 0.72±0.10 0.83±0.09 0.94±0.04 0.76±0.13 0.67±0.46 3.18±1.52 0.72±0.13 0.84±0.05 0.90±0.07 0.80±0.11 0.65±0.38 3.20±2.01 0.73±0.08 0.65*△○0.46 0.40 0.78 0.77 0.44±0.13 0.40±0.15 0.52±0.14 1.66±0.99 3.85±0.41 0.29±0.12 0.52±0.06 0.50±0.06 0.56±0.12 1.59±0.80 3.84±0.78 0.36±0.06 0.54±0.07 0.52±0.08 0.57±0.11 1.61±0.76 3.68±0.57 0.37±0.07 0.57±0.14 0.56±0.18 0.61±0.14 1.03±0.63 3.03±1.40 0.41±0.12**□0.55 0.27*△*0.87±0.02 0.90±0.07 0.85±0.04 0.16±0.07 1.18±0.38 0.78±0.05 0.86±0.04 0.87±0.09 0.87±0.05 0.23±0.14 1.28±0.42 0.75±0.06 0.86±0.03 0.87±0.07 0.86±0.06 0.23±0.13 1.26±0.41 0.76±0.04 0.88±0.03 0.90±0.06 0.87±0.05 0.19±0.11 1.08±0.31 0.79±0.05 0.28 0.59 0.70 0.44 0.65 0.26 0.86±0.03 0.93±0.06 0.81±0.05 0.25±0.12 1.44±0.25 0.76±0.04 0.85±0.03 0.88±0.07 0.83±0.06 0.27±0.17 1.32±0.31 0.74±0.05 0.85±0.05 0.89±0.06 0.83±0.09 0.27±0.20 1.42±0.39 0.75±0.07 0.87±0.03 0.90±0.07 0.86±0.06 0.18±0.10 1.46±0.29 0.78±0.04 0.56 0.38 0.42 0.50 0.77 0.49

表2 不同圖譜庫自動(dòng)勾畫危及器官的參數(shù)結(jié)果（匹配數(shù)為9）（±s）Tab 2 Results of auto-segmentation of organs-at-risk by different Atlas databases(matching number:9)(Mean±SD)

表2 不同圖譜庫自動(dòng)勾畫危及器官的參數(shù)結(jié)果（匹配數(shù)為9）（±s）Tab 2 Results of auto-segmentation of organs-at-risk by different Atlas databases(matching number:9)(Mean±SD)

各個(gè)符號(hào)代表不同組之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05），*表示VAC-30-9與VAC-120-9之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；△表示VAC-60-9與VAC-120-9之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；○表示VAC-90-9與VAC-120-9之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異

參數(shù)膀胱DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC直腸DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC左側(cè)股骨頭DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC右側(cè)股骨頭DSC SI IncI DC/cm HD/cm JAC VAC-30-9VAC-60-9VAC-90-9VAC-120-9P值0.81±0.14 0.96±0.02 0.72±0.20 0.90±0.76 3.20±1.91 0.69±0.18 0.85±0.09 0.94±0.03 0.79±0.14 0.65±0.54 2.85±1.36 0.75±0.12 0.86±0.10 0.95±0.03 0.79±0.15 0.61±0.59 2.81±1.66 0.76±0.13 0.87±0.05 0.93±0.05 0.82±0.10 0.48±0.17 2.22±0.60 0.77±0.07 0.51 0.31 0.44 0.35 0.50 0.55 0.52±0.13 0.45±0.16 0.64±0.13 1.42±0.81 3.23±0.68 0.35±0.11 0.51±0.11 0.46±0.14 0.61±0.14 1.74±0.81 3.64±0.64 0.35±0.10 0.50±0.11 0.45±0.13 0.60±0.14 1.66±0.82 3.25±0.62 0.34±0.10 0.60±0.15 0.56±0.18 0.68±0.17 1.03±0.67 2.31±0.55 0.44±0.14 0.28 0.30 0.60 0.19*△○0.15 0.89±0.02 0.91±0.05 0.87±0.06 0.18±0.07 0.86±0.27 0.80±0.03 0.88±0.02 0.88±0.05 0.89±0.04 0.18±0.10 0.80±0.14 0.79±0.03 0.87±0.07 0.87±0.14 0.93±0.09 0.20±0.14 0.83±0.27 0.77±0.08 0.89±0.02 0.88±0.05 0.90±0.04 0.19±0.10 0.86±0.15 0.80±0.04 0.60 0.78 0.36 0.99 0.94 0.65 0.88±0.03 0.91±0.06 0.86±0.05 0.20±0.10 0.82±0.28 0.79±0.04 0.87±0.03 0.90±0.06 0.85±0.05 0.25±0.12 0.84±0.28 0.78±0.05 0.87±0.06 0.89±0.11 0.87±0.06 0.21±0.16 0.87±0.36 0.77±0.09 0.89±0.02 0.90±0.04 0.88±0.03 0.17±0.11 0.84±0.27 0.80±0.04 0.70 0.90 0.57 0.44 0.99 0.65

在國內(nèi)外對(duì)于自動(dòng)輪廓勾畫的研究中發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)勾畫軟件可以一定程度上改善勾畫者間的差異性，對(duì)于復(fù)雜部位的勾畫能得到較為滿意的結(jié)果，并且可減少醫(yī)生的勾畫時(shí)間，從而提高工作效率。大部分的研究?jī)?nèi)容圍繞單圖譜和多圖譜［10-11］之間的勾畫結(jié)果比較、對(duì)自動(dòng)勾畫軟件的勾畫結(jié)果評(píng)價(jià)［12］、自動(dòng)勾畫軟件間比較［13］、勾畫者差異性比較［14-15］、對(duì)劑量的影響［16］等，對(duì)于勾畫優(yōu)劣影響因素的探索、多評(píng)價(jià)指數(shù)分析以及大數(shù)據(jù)勾畫模板庫的建立使用并沒有較多研究提及［17-19］。

本研究通過改變圖譜庫入庫病例數(shù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于MIM軟件而言圖譜庫中模板病例數(shù)的增加不會(huì)引起自動(dòng)勾畫時(shí)間的增加，說明圖譜庫的大小不會(huì)影響勾畫效率，與手動(dòng)勾畫相比節(jié)省了勾畫時(shí)間。

對(duì)于邊界較為明顯的膀胱來說，勾畫匹配數(shù)選擇3時(shí)，30例圖譜庫的DSC平均值為0.79，而其他3組的DSC平均值為0.83～0.84，說明30例圖譜庫的勾畫結(jié)果較其他3組略差，但都高于0.70［20］，均基本可滿足臨床應(yīng)用需要，而且隨著模板數(shù)增加存在變好的趨勢(shì)。60例和90例圖譜庫的勾畫結(jié)果較為相近，120例圖譜庫的勾畫結(jié)果相對(duì)較好，勾畫匹配數(shù)選擇為9時(shí)得出了類似的結(jié)論。

對(duì)于直腸的自動(dòng)勾畫，勾畫匹配數(shù)選擇3時(shí)，30例圖譜庫的勾畫結(jié)果差于其他3組，4組結(jié)果的DSC均處于較低值范圍（0.44～0.57），30例與60例圖譜庫的結(jié)果相近，90例與120例圖譜庫結(jié)果相近；勾畫匹配數(shù)選擇9時(shí)，30、60、90例圖譜庫的勾畫結(jié)果相似，都略差于120例圖譜庫的勾畫結(jié)果，120例圖譜庫的勾畫結(jié)果相對(duì)較好，但綜合比較發(fā)現(xiàn)，不管模板數(shù)增加與否，直腸作為形變較大的器官，其充盈程度無法控制，而且直腸的形狀因人而異，是勾畫較為困難的組織，勾畫結(jié)果的DSC均在0.5左右浮動(dòng)，勾畫結(jié)果整體略差。

對(duì)于雙側(cè)股骨頭來說，由于其骨性標(biāo)志明顯，即使利用較小圖譜庫也能得到較好的勾畫結(jié)果（DSC＞0.85）。

綜上所述，對(duì)于骨性標(biāo)志明顯的結(jié)構(gòu)，由于邊界清晰，圖譜庫選擇30例就能夠得到較好的效果，但對(duì)于其他器官，采用30例圖譜庫勾畫時(shí)整體結(jié)果較差，對(duì)60例以上的圖譜庫而言雖然較大的圖譜庫略有優(yōu)勢(shì)，但臨床中建立120例與60例圖譜庫相比，工作量增加1倍。因此，對(duì)于宮頸癌患者來說，利用MIM軟件實(shí)施基于圖譜的自動(dòng)勾畫時(shí)建議采用60例作為臨床模板庫病例數(shù)就基本能滿足臨床的需要。當(dāng)然，對(duì)于影響自動(dòng)勾畫結(jié)果的更多因素，仍需進(jìn)一步的探索。