自动勾画临床靶区和危及器官用于制定早期乳腺癌保乳术后放疗计划

龚筱钦,陈 飞,胡 静,杨灵杰,戴春华,张开军,游 涛,3*

(1.江苏大学附属医院放疗科,江苏 镇江 212000;2.中国人民解放军63680部队医院超声科,江苏 无锡 214400;3.新疆生产建设兵团第四师医院放疗科,新疆 伊犁 835000)

乳腺癌保乳术后辅助放射治疗(放疗)可进一步提高肿瘤局部控制率、降低术后复发风险。准确勾画临床靶区(clinical target volume, CTV)和危及器官(organs at risk, OAR)为放疗重要环节,也是生成放疗计划及精准实施放疗的关键。自动勾画可较人工勾画节约时间、缩小不同医师者间勾画结果的差异[1-5],有助于制定放疗计划[6-7]。本研究分析自动勾画CTV及OAR用于制定乳腺癌术后放疗计划的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性分析2016年3月—2021年6月52例在江苏大学附属医院接受放疗的女性右侧乳腺癌保乳术后患者,年龄29～67岁、中位年龄44.5岁;肿瘤临床分期均为T1-2N0M0,术后仅行右侧全乳补充放疗,CTV体积325～1 374 cm3、中位体积536.5 cm3。排除合并其他系统恶性肿瘤及图像质量不佳者。本研究获医院伦理委员会审核通过(KY2021K0901)。检查前由患者或家属签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Philips 16排大孔径CT模拟定位机(Brilliance Big Bore)进行放疗定位。嘱患者仰卧,双手抱肘置于额头,以真空垫固定其体位;以管电压120 kV、管电流80 mA、层厚和层间距均为3 mm自下颌扫描至肝脏下缘。

1.2.1 手动勾画CTV、OAR及制定放疗计划 将CT图像上传至Varian Eclipse治疗计划系统,由1名放疗科主任医师(医师1)参考相关指南[8]标准勾画CTV和OAR(包括双侧肺、肝脏、心脏、健侧乳腺、食管及脊髓),并由另1名主任医师(医师2)进行审核,以最终确定的CTV及OAR作为参考标准(reference standard, RS)。根据个体特点对乳腺癌原发灶瘤床进行加量,结合术中银夹标记定位或术腔、瘢痕位置加以一定范围外放。根据手动勾画CTV和OAR设计放疗计划,生成计划记为Plan-RS。见图1。

图1 于各层面胸部轴位CT图中手动勾画(绿色线)与自动勾画(蓝色线)CTV和OAR的示意图

1.2.2 自动勾画CTV、OAR及制定放疗计划 随机选取40例(训练集)CT数据,将其导入AccuLearningTM深度学习(deep learning, DL)软件,经训练学习生成自动勾画模型,用于自动勾画其余12例(测试集)CTV及OAR,并由医师1对勾画CTV结果进行手动修改。

根据医师修改后的自动勾画CTV和OAR 在Varian Eclipse 13.6计划系统中设计调强放疗计划,采用4组对穿野,角度分别为65°、55°,45°、35°,245°、235°和225°、215°,布野时可根据CTV个体差异适当调整2°～3°;射线为6 MV X线,剂量率为600 MU/min,加速器为Truebeam STX。全乳放疗CTV剂量50 Gy/25 Fx,单次剂量2 Gy,95%靶区体积接受的照射剂量(D95%)≥47.5 Gy。参照文献[9],OAR中患侧肺平均放疗剂量(Dmean)<10 Gy,器官受到5 Gy剂量的相对体积(V5 Gy)<40%,器官受到20 Gy剂量的相对体积(V20 Gy)<20%;健侧肺V5 Gy<20%;心脏(右侧乳腺癌)Dmean<5 Gy,器官受到10 Gy剂量的相对体积(V10 Gy)<30%;健侧乳腺Dmean<4 Gy,V20 Gy<5%;肝脏V5 Gy<20%;食管最大放疗剂量(Dmax)<53 Gy;脊髓Dmax<40 Gy。最后将Plan-RS剂量投射于DL结果中,生成放疗计划,定义为Plan-DL。见图2。

1.3 观察指标 采用戴斯相似系数(dice similarity coefficient, DSC)[10]评估DL与RS勾画相似度,见公式(1);其中VA代表手动勾画轮廓的体积,VB代表自动勾画轮廓的体积;DSC取值范围为0～1,越接近1表示自动勾画轮廓的精确度越高。

DSC=2(VA∩VB)/(VA+VB)

(1)

采用剂量-体积直方图(dose-volume histogram, DVH)获取CTV及OAR各剂量学参数。CTV剂量学参数包括D5%、D95%,V95%、V105%(VX%表示X%处方剂量所占靶区体积百分比),适形指数(conformity index, CI)[11]及均匀性指数(homegeneity index, HI)[12],见公式(2)和(3)。OAR剂量学参数包括患侧肺Dmean、V5 Gy、V20 Gy,健侧肺Dmean、V5 Gy,心脏Dmean、V10 Gy、V20 Gy,健侧乳腺Dmean、V20 Gy,肝脏Dmean、V5 Gy,食管Dmax及脊髓Dmax。对比Plan-RS与Plan-DL中CTV和OAR剂量学参数的差异。

CI=(VT,ref/VT)×(VT,ref/Vref)

(2)

HI=D5%/D95%

(3)

其中,VT,ref表示参考等剂量线与靶区重叠部分体积,VT为靶区体积,Vref为参考等剂量线体积。CI取值范围为0～1,值越大,适形度越好。D5%表示5%靶区体积剂量,D95%表示95%靶区体积剂量。HI值越大,表示处方剂量分布越不均匀。

记录医师1手动勾画测试集CTV、OAR所需时间,以及自动勾画模型勾画CTV(辅以医师1手动修改)、OAR的时间。

1.4 统计学分析 采用SPSS 23.0统计分析软件。以±s表示符合正态分布的计量资料,行t检验;以中位数(上下四分位数)表示不符合者,行Wilcoxon秩和检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

自动勾画与医师手动勾画测试集12例CTV的DSC为0.89,双侧肺、肝脏及心脏的DSC均>0.95,健侧乳腺为0.85,脊髓为0.82,食管为0.81。Plan-RS与Plan-DL的CTV剂量学参数差异均无统计学意义(P均>0.05);其间健侧肺、心脏及健侧乳腺Dmean差异有统计学意义(P均<0.05),其余OAR剂量学参数差异均无统计学意义(P均>0.05)。见表1、2。

表1 测试集12例Plan-RS与Plan-DL CTV剂量学参数比较

表2 测试集12例Plan-RS与Plan-DL OAR剂量学参数比较

针对测试集中12例,自动勾画CTV(辅以医师手动修改)的时间,以及除脊髓外自动勾画各OAR的时间均较手动勾画时间缩短(P均<0.001)。见表3。

表3 针对测试集12例手动与自动勾画CTV、OAR用时比较(s)

3 讨论

精确设计放疗计划是实现放疗质量控制的关键。目前已有较多自动勾画软件用于勾画OAR,其精度与手动勾画相接近[13-14];自动勾画CTV效果亦较理想,但需经临床医师审核修改[15-16]。通常以几何学指标评估自动勾画与手动勾画结果的相似性,DSC是其中最常用且最直观的评估指标之一。

本研究中,自动勾画与医师手动勾画的CTV和OAR的DSC均>0.80,说明二者具有较好的轮廓重复性;但几何学指标不能评价自动勾画是否满足临床应用要求[17]。本研究从剂量学和勾画时间方面进一步分析自动勾画用于制定放疗计划的可行性,发现Plan-RS与Plan-DL的CTV剂量学参数差异均无统计学意义,且CTV处方剂量均能满足临床要求[9],不存在靶区遗漏或异常“剂量热点”;Plan-RS及Plan-DL中,各结构OAR的处方剂量均满足临床乳腺癌保乳术后放疗计划的剂量限值[9],且Plan-RS与Plan-DL之间除健侧肺、心脏及健侧乳腺Dmean差异有统计学意义外,其余OAR剂量学参数差异均无统计学意义,提示自动勾画的精确度较高。健侧肺、心脏及健侧乳腺Dmean存在差异的原因可能在于自动勾画健侧乳腺部分层面不甚理想,影响心脏及同侧肺受照剂量;且心脏轮廓边界对比度低,如增强效果不明显,可致部分层面不能很好地与周围血管区分。进一步对比勾画时间,本研究发现,相比医师手动勾画,基于深度学习的自动勾画可缩短勾画用时。

综上所述,基于深度学习的自动勾画可用于早期乳腺癌保乳术后制定放疗计划,将经人工修改的自动勾画CTV及OAR用于制定放疗计划可满足剂量要求,且能缩短勾画时间。但本研究观察对象均来自单中心,且样本量有限,有待开展多中心大样本研究进一步观察。