龔筱欽,陳 飛,胡 靜,楊靈杰,戴春華,張開軍,游 濤,3*

(1.江蘇大學附屬醫(yī)院放療科,江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2.中國人民解放軍63680部隊醫(yī)院超聲科,江蘇 無錫 214400;3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第四師醫(yī)院放療科,新疆 伊犁 835000)

乳腺癌保乳術(shù)后輔助放射治療(放療)可進一步提高腫瘤局部控制率、降低術(shù)后復(fù)發(fā)風險。準確勾畫臨床靶區(qū)(clinical target volume, CTV)和危及器官(organs at risk, OAR)為放療重要環(huán)節(jié),也是生成放療計劃及精準實施放療的關(guān)鍵。自動勾畫可較人工勾畫節(jié)約時間、縮小不同醫(yī)師者間勾畫結(jié)果的差異[1-5],有助于制定放療計劃[6-7]。本研究分析自動勾畫CTV及OAR用于制定乳腺癌術(shù)后放療計劃的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2016年3月—2021年6月52例在江蘇大學附屬醫(yī)院接受放療的女性右側(cè)乳腺癌保乳術(shù)后患者,年齡29～67歲、中位年齡44.5歲;腫瘤臨床分期均為T1-2N0M0,術(shù)后僅行右側(cè)全乳補充放療,CTV體積325～1 374 cm3、中位體積536.5 cm3。排除合并其他系統(tǒng)惡性腫瘤及圖像質(zhì)量不佳者。本研究獲醫(yī)院倫理委員會審核通過(KY2021K0901)。檢查前由患者或家屬簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Philips 16排大孔徑CT模擬定位機(Brilliance Big Bore)進行放療定位。囑患者仰臥,雙手抱肘置于額頭,以真空墊固定其體位;以管電壓120 kV、管電流80 mA、層厚和層間距均為3 mm自下頜掃描至肝臟下緣。

1.2.1 手動勾畫CTV、OAR及制定放療計劃 將CT圖像上傳至Varian Eclipse治療計劃系統(tǒng),由1名放療科主任醫(yī)師(醫(yī)師1)參考相關(guān)指南[8]標準勾畫CTV和OAR(包括雙側(cè)肺、肝臟、心臟、健側(cè)乳腺、食管及脊髓),并由另1名主任醫(yī)師(醫(yī)師2)進行審核,以最終確定的CTV及OAR作為參考標準(reference standard, RS)。根據(jù)個體特點對乳腺癌原發(fā)灶瘤床進行加量,結(jié)合術(shù)中銀夾標記定位或術(shù)腔、瘢痕位置加以一定范圍外放。根據(jù)手動勾畫CTV和OAR設(shè)計放療計劃,生成計劃記為Plan-RS。見圖1。

圖1 于各層面胸部軸位CT圖中手動勾畫(綠色線)與自動勾畫(藍色線)CTV和OAR的示意圖

1.2.2 自動勾畫CTV、OAR及制定放療計劃 隨機選取40例(訓練集)CT數(shù)據(jù),將其導入AccuLearningTM深度學習(deep learning, DL)軟件,經(jīng)訓練學習生成自動勾畫模型,用于自動勾畫其余12例(測試集)CTV及OAR,并由醫(yī)師1對勾畫CTV結(jié)果進行手動修改。

根據(jù)醫(yī)師修改后的自動勾畫CTV和OAR 在Varian Eclipse 13.6計劃系統(tǒng)中設(shè)計調(diào)強放療計劃,采用4組對穿野,角度分別為65°、55°,45°、35°,245°、235°和225°、215°,布野時可根據(jù)CTV個體差異適當調(diào)整2°～3°;射線為6 MV X線,劑量率為600 MU/min,加速器為Truebeam STX。全乳放療CTV劑量50 Gy/25 Fx,單次劑量2 Gy,95%靶區(qū)體積接受的照射劑量(D95%)≥47.5 Gy。參照文獻[9],OAR中患側(cè)肺平均放療劑量(Dmean)<10 Gy,器官受到5 Gy劑量的相對體積(V5 Gy)<40%,器官受到20 Gy劑量的相對體積(V20 Gy)<20%;健側(cè)肺V5 Gy<20%;心臟(右側(cè)乳腺癌)Dmean<5 Gy,器官受到10 Gy劑量的相對體積(V10 Gy)<30%;健側(cè)乳腺Dmean<4 Gy,V20 Gy<5%;肝臟V5 Gy<20%;食管最大放療劑量(Dmax)<53 Gy;脊髓Dmax<40 Gy。最后將Plan-RS劑量投射于DL結(jié)果中,生成放療計劃,定義為Plan-DL。見圖2。

1.3 觀察指標 采用戴斯相似系數(shù)(dice similarity coefficient, DSC)[10]評估DL與RS勾畫相似度,見公式(1);其中VA代表手動勾畫輪廓的體積,VB代表自動勾畫輪廓的體積;DSC取值范圍為0～1,越接近1表示自動勾畫輪廓的精確度越高。

DSC=2(VA∩VB)/(VA+VB)

(1)

采用劑量-體積直方圖(dose-volume histogram, DVH)獲取CTV及OAR各劑量學參數(shù)。CTV劑量學參數(shù)包括D5%、D95%,V95%、V105%(VX%表示X%處方劑量所占靶區(qū)體積百分比),適形指數(shù)(conformity index, CI)[11]及均勻性指數(shù)(homegeneity index, HI)[12],見公式(2)和(3)。OAR劑量學參數(shù)包括患側(cè)肺Dmean、V5 Gy、V20 Gy,健側(cè)肺Dmean、V5 Gy,心臟Dmean、V10 Gy、V20 Gy,健側(cè)乳腺Dmean、V20 Gy,肝臟Dmean、V5 Gy,食管Dmax及脊髓Dmax。對比Plan-RS與Plan-DL中CTV和OAR劑量學參數(shù)的差異。

CI=(VT,ref/VT)×(VT,ref/Vref)

(2)

HI=D5%/D95%

(3)

其中,VT,ref表示參考等劑量線與靶區(qū)重疊部分體積,VT為靶區(qū)體積,Vref為參考等劑量線體積。CI取值范圍為0～1,值越大,適形度越好。D5%表示5%靶區(qū)體積劑量,D95%表示95%靶區(qū)體積劑量。HI值越大,表示處方劑量分布越不均勻。

記錄醫(yī)師1手動勾畫測試集CTV、OAR所需時間,以及自動勾畫模型勾畫CTV(輔以醫(yī)師1手動修改)、OAR的時間。

1.4 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 23.0統(tǒng)計分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計量資料,行t檢驗;以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示不符合者,行Wilcoxon秩和檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

自動勾畫與醫(yī)師手動勾畫測試集12例CTV的DSC為0.89,雙側(cè)肺、肝臟及心臟的DSC均>0.95,健側(cè)乳腺為0.85,脊髓為0.82,食管為0.81。Plan-RS與Plan-DL的CTV劑量學參數(shù)差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05);其間健側(cè)肺、心臟及健側(cè)乳腺Dmean差異有統(tǒng)計學意義(P均<0.05),其余OAR劑量學參數(shù)差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)。見表1、2。

表1 測試集12例Plan-RS與Plan-DL CTV劑量學參數(shù)比較

表2 測試集12例Plan-RS與Plan-DL OAR劑量學參數(shù)比較

針對測試集中12例,自動勾畫CTV(輔以醫(yī)師手動修改)的時間,以及除脊髓外自動勾畫各OAR的時間均較手動勾畫時間縮短(P均<0.001)。見表3。

表3 針對測試集12例手動與自動勾畫CTV、OAR用時比較(s)

3 討論

精確設(shè)計放療計劃是實現(xiàn)放療質(zhì)量控制的關(guān)鍵。目前已有較多自動勾畫軟件用于勾畫OAR,其精度與手動勾畫相接近[13-14];自動勾畫CTV效果亦較理想,但需經(jīng)臨床醫(yī)師審核修改[15-16]。通常以幾何學指標評估自動勾畫與手動勾畫結(jié)果的相似性,DSC是其中最常用且最直觀的評估指標之一。

本研究中,自動勾畫與醫(yī)師手動勾畫的CTV和OAR的DSC均>0.80,說明二者具有較好的輪廓重復(fù)性;但幾何學指標不能評價自動勾畫是否滿足臨床應(yīng)用要求[17]。本研究從劑量學和勾畫時間方面進一步分析自動勾畫用于制定放療計劃的可行性,發(fā)現(xiàn)Plan-RS與Plan-DL的CTV劑量學參數(shù)差異均無統(tǒng)計學意義,且CTV處方劑量均能滿足臨床要求[9],不存在靶區(qū)遺漏或異?！皠┝繜狳c”;Plan-RS及Plan-DL中,各結(jié)構(gòu)OAR的處方劑量均滿足臨床乳腺癌保乳術(shù)后放療計劃的劑量限值[9],且Plan-RS與Plan-DL之間除健側(cè)肺、心臟及健側(cè)乳腺Dmean差異有統(tǒng)計學意義外,其余OAR劑量學參數(shù)差異均無統(tǒng)計學意義,提示自動勾畫的精確度較高。健側(cè)肺、心臟及健側(cè)乳腺Dmean存在差異的原因可能在于自動勾畫健側(cè)乳腺部分層面不甚理想,影響心臟及同側(cè)肺受照劑量;且心臟輪廓邊界對比度低,如增強效果不明顯,可致部分層面不能很好地與周圍血管區(qū)分。進一步對比勾畫時間,本研究發(fā)現(xiàn),相比醫(yī)師手動勾畫,基于深度學習的自動勾畫可縮短勾畫用時。

綜上所述,基于深度學習的自動勾畫可用于早期乳腺癌保乳術(shù)后制定放療計劃,將經(jīng)人工修改的自動勾畫CTV及OAR用于制定放療計劃可滿足劑量要求,且能縮短勾畫時間。但本研究觀察對象均來自單中心,且樣本量有限,有待開展多中心大樣本研究進一步觀察。