头颈部肿瘤中手工勾画危及器官的组间和组内差异性

程燕铭

福建医科大学附属肿瘤医院·福建省肿瘤医院 （福建福州 350014）

精准调强放射治疗作为一种重要的鼻咽癌放射治疗手段，为肿瘤靶区提供精确的靶区剂量分布，同时更好地保护正常组织器官。但保证精确放射治疗的前提是医师必须在放射治疗计划的设计过程中严格精确地勾画靶区和危及器官（organ at risk，OAR）并对合适的目标函数进行剂量限制[1]。对于头颈部肿瘤患者的靶区及OAR 的勾画非常耗时，并且对同一器官的勾画存在较大的人为差别，或者同一医师在不同时间勾画也存在偏差[2-3]。为此，基于CT 图像模板的自动勾画软件（alas-based autosegmentation, ABAS）应运而生，该软件已越来越受到欢迎并被临床应用，其为医师们节省大量勾画时间的同时能够改善医师之间的勾画差异[4-5]。本研究通过观察手工勾画头颈部肿瘤患者的OAR，分析人为因素和时间因素给OAR 勾画带来的体积、相似性指数（dice similarity coefficient, DSC）及剂量的差异性，同时比较手工勾画带来的主观判断差异性与ABAS 软件自动勾画产生的不确定性，现报道如下。

1 材料与方法

1.1 病例选择

选取2017年7月至2018年7月于我院进行调强放射治疗的5例头颈部肿瘤患者的计划CT 图像。

1.2 方法

由5 名专业组高年资医师在医师工作站（OTP，Version4.3，Elekta）分别对计划CT 图像按照临床要求进行OAR 的手工勾画；同时采用ABAS 软件自动勾画OAR。OAR 包括脊髓、脑干、视神经、视交叉、眼球、腮腺、下颌骨及颞颌关节等。

1.3 评价指标

1.4 统计学处理

2 结果

2.1 ΔV 及DSC

不同医师同一时间手工勾画的OAR，ΔV存在明显差异，同一医师不同时间手工勾画的OAR，ΔV无明显差异，体积较小的OAR，如视神经、视交叉等，手工勾画的ΔV更大，OAR 体积越大，勾画的ΔV越小；体积较大的OAR，如脑干、脊髓、腮腺和眼球等结构，不同医师同一时间手工勾画、同一医师不同时间手工勾画的DSC 均＞0.8，勾画重合度较好，体积较小的OAR，如视神经、视交叉和颞颌关节等结构，不同医师同一时间勾画的DSC 差异较大，同一医师不同时间勾画的所有危机器官（除视交叉外），其DSC 均＞0.7，且统计学分析显示P＞0.05，见表1～2。

表1 不同医师同一时间手工勾画OAR 的ΔV 和DSC 比较（±s）

表1 不同医师同一时间手工勾画OAR 的ΔV 和DSC 比较（±s）

注：a～e 分别代表5 名医师；ΔV 为体积偏差，DSC 为体积相似性指数

参数Eye-LEye-RPG-LPG-RCordStemSM-LSM-RTP-LTP-RON-LON-RCHI ΔV（%）a-0.13±0.16 -0.16±0.17 -0.03±0.22 -0.07±0.18 0.30±0.29 -0.10±0.22 0.04±0.11 0.05±0.08 -0.44±0.23 -0.44±0.21 -0.36±0.27 -0.39±0.23 0.11±0.58 b 0.27±0.26 0.24±0.23 0.24±0.28 0.21±0.21 0.12±0.28 0.22±0.31 0.09±0.10 0.08±0.08 0.14±0.44 0.14±0.43 0.33±0.56 0.22±0.43 0.47±0.61 c-0.08±0.22 -0.12±0.18 -0.14±0.22 -0.13±0.20 0.14±0.29 -0.13±0.24 0.01±0.10 0.02±0.09 -0.30±0.36 -0.29±0.31 -0.16±0.44 -0.13±0.55 0.10±0.56 d-0.04±0.26 -0.04±0.18 0.01±0.18 -0.03±0.17 0.39±0.31 -0.08±0.23 0.06±0.11 0.11±0.07 -0.22±0.32 -0.20±0.33 -0.15±0.47 -0.15±0.33 0.11±0.44 e-0.22±0.15 -0.21±0.14 0.15±0.27 0.18±0.24 -0.25±0.20 -0.10±0.21 0.20±0.12 0.23±0.11 -0.13±0.31 -0.12±0.30 -0.12±0.40 -0.03±0.31 0.27±0.52 F63.16115.5873.0184.2781.4574.9235.941.1666.9083.2638.1424.8612.34 P 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 DSC a0.89±0.06 0.88±0.06 0.89±0.04 0.88±0.06 0.97±0.01 0.87±0.08 0.96±0.03 0.97±0.02 0.65±0.13 0.65±0.13 0.67±0.17 0.66±0.11 0.63±0.2 b0.98±0.02 0.98±0.02 0.96±0.02 0.96±0.02 0.94±0.03 0.96±0.04 0.98±0.02 0.98±0.01 0.89±0.06 0.89±0.07 0.91±0.11 0.91±0.07 0.75±0.13 c0.91±0.07 0.89±0.06 0.85±0.07 0.86±0.07 0.92±0.1 0.86±0.08 0.96±0.03 0.96±0.02 0.72±0.14 0.74±0.13 0.76±0.17 0.76±0.13 0.62±0.19 d0.94±0.05 0.93±0.05 0.91±0.04 0.90±0.04 0.98±0.02 0.88±0.07 0.97±0.02 0.98±0.01 0.78±0.11 0.79±0.11 0.73±0.15 0.75±0.09 0.63±0.09 e0.84±0.07 0.85±0.06 0.93±0.03 0.93±0.03 0.81±0.08 0.87±0.07 0.99±0.02 0.98±0.01 0.82±0.05 0.83±0.06 0.74±0.16 0.80±0.08 0.69±0.09 F67.5752.5643.8145.3235.5150.1724.942255.3653.6759.0633.505.14 P 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00

2.2 ΔD

不同医师同一时间手工勾画的OAR（除下颌骨外），ΔD存在明显差异（P＜0.05），同一医师不同时间手工勾画的OAR，ΔD无明显差异，体积较小的OAR，如视神经、视交叉等，不同医师及不同时间手工勾画的ΔD存在明显差异，其中左、右视神经ΔDmax分别为31%、18%，视交叉ΔDmax为75%，见表3和图1。

图1 不同医师同一时间手工勾画的ΔD

表3 不同医师同一时间手工勾画、同一医师不同时间手工勾画的ΔD 比较

2.3 SD

手工勾画与自动勾画产生的ΔV和DSC 的SD相近，但对小体积OAR 勾画时，自动勾画的ΔV的SD小于手工勾画，如图2所示。

图2 手工勾画与自动勾画产生的ΔV 和DSC 的SD

3 讨论

针对各病种OAR 的勾画均存在组间或组内差异，且没有一种可靠的系统软件能确保轮廓勾画的准确性[8]。Geets 等[2]研究表明，医师在CT 和MRI 上进行靶区和OAR 勾画，组内差异不显著；Tao 等[6]研究发现，在手工勾画OAR 中存在显著的组间差异性，进而影响到OAR 剂量的显著变化；Nelms 等[8]研究指出，临床上勾画OAR 有着显著的组间差异，勾画OAR 体积的差异最终导致OAR平均剂量变化为-289%～56%，OAR 最大剂量变化为-22%～35%。有研究发现，基于患者图谱库的ABAS 自动勾画系统，对鼻咽癌IMRT 计划的大部分OAR 能够达到较满意的自动勾画结果，而自动勾画对OAR 的实际受照剂量是否存在明显的偏差并未研究[9]。有文献报道，基于ABAS 软件自动勾画OAR，在此基础上再进行人为修改可以有效提高放射治疗计划设计中OAR勾画效率和准确性[4-6]。

表2 同一医师不同时间手工勾画的ΔV 和DSC 比较（±s）

表2 同一医师不同时间手工勾画的ΔV 和DSC 比较（±s）

注：T1～T5 分别代表5 个时间；ΔV 为体积偏差，DSC 为体积相似性指数

参数Eye-LEye-RPG-LPG-RCordStemSM-LSM-RTP-LTP-RON-LON-RCHI ΔV（%）T1-0.02±0.27 -0.02±0.26 0.03±0.29 0.03±0.26 0.13±0.34 -0.05±0.29 0.07±0.12 0.10±0.09 -0.18±0.44 -0.17±0.41 -0.04±0.56 -0.03±0.44 0.21±0.53 T2-0.08±0.25 -0.10±0.23 0.04±0.28 0.03±0.23 0.16±0.34 -0.04±0.26 0.09±0.12 0.10±0.10 -0.20±0.37 -0.20±0.36 -0.02±0.53 -0.01±0.52 0.19±0.56 T3-0.07±0.26 -0.08±0.24 0.07±0.26 0.05±0.22 0.20±0.38 -0.05±0.26 0.09±0.10 0.09±0.08 -0.21±0.39 -0.21±0.38 -0.11±0.46 -0.11±0.41 0.21±0.57 T4-0.01±0.27 -0.06±0.24 0.05±0.25 0.04±0.25 0.13±0.36 -0.02±0.29 0.07±0.13 0.10±0.13 -0.20±0.38 -0.17±0.36 -0.16±0.43 -0.18±0.38 0.21±0.55 T5-0.04±0.31 -0.03±0.24 0.04±0.28 0.02±0.26 0.08±0.35 -0.03±0.27 0.08±0.16 0.11±0.17 -0.16±0.41 -0.15±0.38 -0.12±0.48 -0.15±0.40 0.24±0.60 F1.676.550.770.493.320.861.450.170.861.912.882.90.15 P0.160.000.550.740.010.490.220.960.490.120.030.030.96 DSC T10.92±0.07 0.91±0.07 0.90±0.06 0.90±0.06 0.93±0.07 0.88±0.08 0.97±0.03 0.98±0.02 0.77±0.14 0.78±0.15 0.77±0.19 0.79±0.12 0.67±0.14 T20.90±0.08 0.89±0.08 0.90±0.06 0.91±0.05 0.94±0.07 0.89±0.08 0.98±0.02 0.98±0.02 0.78±0.13 0.78±0.13 0.77±0.17 0.81±0.10 0.67±0.18 T30.90±0.08 0.90±0.08 0.92±0.04 0.92±0.05 0.94±0.07 0.89±0.08 0.98±0.02 0.98±0.02 0.76±0.14 0.76±0.13 0.76±0.18 0.77±0.12 0.66±0.15 T40.92±0.07 0.91±0.07 0.91±0.06 0.90±0.07 0.92±0.10 0.89±0.08 0.97±0.03 0.97±0.02 0.77±0.13 0.79±0.12 0.75±0.17 0.75±0.13 0.67±0.16 T50.92±0.06 0.92±0.05 0.91±0.06 0.90±0.06 0.90±0.11 0.89±0.08 0.97±0.03 0.97±0.03 0.78±0.13 0.79±0.13 0.76±0.17 0.76±0.15 0.65±0.14 F4.884.962.531.673.031.794.511.340.481.131.282.790.2 P0.000.000.050.160.020.140.000.260.750.350.290.300.94

本研究结果显示，不同医师同一时间手工勾画的OAR，ΔV和ΔD存在显著差异。手工勾画与自动勾画产生的ΔV和DSC 的SD相近，但对小体积OAR 勾画时，自动勾画的ΔV的SD小于手工勾画，与其他文献报道[3，6，10]相似。众多潜在因素导致不同医师同一时间指标差异产生，如医师对CT 图像的解读不一致、组织边界模糊不清；同时，临床医师勾画OAR 的精确性还受限于个人的临床工作经验、影像诊断知识水平，这些情况也将导致指标差异显著。表3及图1显示勾画OAR 的ΔV组间差异显著影响OAR 的实际受照剂量，尤其对颞颌关节。此外，由于头颈部肿瘤患者的OAR 更靠近靶区的剂量陡降区域，并且医师们勾画OAR 轮廓的存在的较大偏差，这些势必导致OAR 受量变化更为明显，尤其对于小体积器官。

综上所述，不同勾画者对头颈部肿瘤患者的OAR 进行勾画时，OAR 的ΔV和ΔD存在明显差异；自动勾画OAR 的不确定性与手工勾画的不确定性相当。临床上，医师勾画OAR 应特别注意人为之间的差异性，尽可能地减少人为因素的影响，甚至可以考虑应用自动勾画软件代替手工勾画，并在其基础上进行适当的修正，从而更好、更客观地评估放射治疗计划。