束炅，王宏志，崔相利

1.中国科学院合肥物质科学研究院健康与医学技术研究所，安徽合肥 230031；2.中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽合肥 230026；3.中国科学院合肥肿瘤医院放疗中心，安徽合肥 230031

前言

在肿瘤临床治疗中放疗是主要手段之一，70%的肿瘤患者需要接受放射治疗［1-2］。近年来，精准放疗的提出和发展，要求在放疗过程中提高肿瘤放射剂量的同时有效保护正常组织，使肿瘤的局部控制率得到提高［3］。要达到精准二字，就需要制定准确的放疗计划，在计划制定过程中危及器官的准确勾画是非常重要的环节［4］。医生和物理师对危及器官手动勾画不仅费时费力，而且主观性较强，不同医生对同一器官勾画结果不尽相同，同一医生不同时间勾画结果也可能存在偏差［5］。为了减少危及器官勾画的时间并提高勾画精度，越来越多的研究开始专注于靶区及危及器官的自动勾画，从早期的基于图谱库的半自动勾画［6-7］，到现在的基于深度学习理论的自动勾画［8-9］，自动勾画技术发展非常迅速。目前，市面上的商用自动勾画软件在保证勾画精度的同时，缩短了勾画时间，大大减轻了医生和物理师的工作量［10-11］。本研究基于物理师手动勾画和勾画软件AccuContour 和DeepViewer 自动勾画，对比分析两种自动勾画软件的勾画准确度，以及同一软件在不同部位的勾画准确度差异。

1 资料与方法

1.1 勾画工具

自动勾画软件：AccuContour 是福建Manteia 公司开发的自动勾画软件，基于人工智能放疗影像工作站，对肿瘤靶区和危及器官进行自动勾画。DeepViewer是安徽慧软科技公司开发的AI自动器官勾画系统，基于深度学习框架识别人体器官，进行自动勾画［12］。

手动勾画工具：Elekta 公司Monaco5.0 计划系统中的勾画模块。

1.2 病例选取

回顾性选取中科院合肥肿瘤医院肿瘤患者60例，其中鼻咽癌、肺癌、乳腺癌、宫颈癌各15例。患者采取仰卧位，并用热塑体膜固定，使用飞利浦公司Brilliance 大孔径CT 进行扫描，CT 图像层厚为头颈部3 mm，胸腔及腹部5 mm。

1.3 实验方式

将病人原始CT 图像分别导入Monaco5.0 计划系统、AccuContour 和DeepViewer 软件，由同一个物理师使用Monaco5.0 计划系统中的勾画模块对选定的危及器官进行勾画，再分别使用自动勾画软件进行勾画（图1和图2）。为保证实验数据对比的准确性，必须使自动勾画与手动勾画的层数和相关参数设置一致。勾画完成后，记录各个危及器官在不同勾画软件下的勾画体积，并以物理师手动勾画结果为标准，分别计算两种软件与手动勾画结果的戴斯相似性系数（DSC）、绝对体积差（ΔV），将结果汇总并进行统计学分析［13-14］。

图1 头颈部勾画结果示意图Figure 1 Auto-segmentation results of organs-at-risk in head and neck

图2 胸腹部勾画结果示意图Figure 2 Auto-segmentation results of organs-at-risk in chest and abdomen

1.4 结果评估

DSC 是用来描述两个轮廓重叠区域比例的参数，其值范围是0～1，越接近1说明两个轮廓形状越相似［15］。DSC公式为：

ΔV 表示两个轮廓体积的差的绝对值，值越小说明两个轮廓差异越小［16］。ΔV公式为：

其中，VX表示自动勾画的轮廓体积，VY表示物理师手动勾画的轮廓体积。

1.5 统计学分析

使用SPSS26.0 软件对手动勾画与自动勾画结果进行分析，采用配对t检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两种软件勾画结果的DSC值

两种软件勾画结果的DSC 值见表1。DSC 值越接近1，说明两个勾画轮廓越相似，勾画效果越好。从表1可以看出，两种软件对所有危及器官的DSC均为0.6～1.0，在不同肿瘤部位的20 个危及器官中，有18 个器官DSC 值大于0.7，AccuContour 软件和DeepViewer 软件勾画结果的总体DSC 分别为0.90±0.11 和0.87±0.14（t=-5.029,P＜0.05）。对于体积较大的危及器官，如脑、肺、膀胱，DSC 值均大于0.9甚至接近1.0，而对于晶状体等体积较小器官，DSC值也能达到0.7 左右，这也说明两种自动勾画软件的整体勾画效果均比较好。

表1 两种软件自动勾画危及器官的DSC指数（± s）Table 1 DSC of organs-at-risk obtained by auto-segmentation software(Mean±SD)

表1 两种软件自动勾画危及器官的DSC指数（± s）Table 1 DSC of organs-at-risk obtained by auto-segmentation software(Mean±SD)

肿瘤宫颈癌肺癌乳腺癌鼻咽癌器官膀胱脊髓直肠左侧股骨头右侧股骨头心脏脊髓肝脏左肺右肺心脏脊髓肝脏左肺右肺脑左眼球右眼球左晶状体右晶状体AccuContour 0.97±0.01 0.87±0.03 0.74±0.23 0.86±0.11 0.87±0.10 0.94±0.03 0.87±0.02 0.96±0.00 0.97±0.01 0.97±0.01 0.95±0.03 0.87±0.02 0.94±0.01 0.98±0.00 0.98±0.00 0.99±0.00 0.86±0.03 0.86±0.04 0.74±0.08 0.71±0.11 DeepViewer 0.95±0.04 0.90±0.02 0.70±0.25 0.68±0.10 0.63±0.18 0.88±0.05 0.90±0.01 0.93±0.02 0.96±0.03 0.97±0.01 0.85±0.07 0.89±0.01 0.96±0.00 0.98±0.00 0.98±0.00 0.98±0.01 0.90±0.02 0.90±0.03 0.72±0.12 0.70±0.10 t值-2.491 2.87-0.405-3.943-4.727-4.011 3.299-3.978-0.594-0.207-5.626 3.764-7.919 3.222 0.882-3.982 3.034 2.624-1.149-0.621 P值0.026 0.012 0.692 0.001 0.001 0.001 0.005 0.001 0.562 0.839 0.001 0.002 0.001 0.006 0.393 0.001 0.009 0.020 0.270 0.544

2.2 两种软件在不同部位肿瘤勾画结果的DSC值

表2是两种软件勾画不同部位肿瘤危及器官的DSC 指数。从得到的数据来看，两种软件在不同部位肿瘤危及器官的总体DSC 均大于0.7，且AccuContour 软件在各个部位的勾画效果上均优于DeepViewer 软件，但二者勾画差异较小，均可达到满意的效果。对于AccuContour 软件，DSC 最高为乳腺癌（0.95±0.04），最低为鼻咽癌（0.83±0.12），对于DeepViewer 软件，DSC 最高为肺癌（0.93±0.05），最低为宫颈癌（0.77±0.19），其中，宫颈癌、乳腺癌、肺癌的两组结果之间的差异有统计学意义（P＜0.05），鼻咽癌的两组结果之间的差异无统计学意义（P＞0.05）。

表2 不同部位肿瘤危及器官的DSC指数（± s）Table 2 DSC of organs-at-risk in patients with tumors at different sites(Mean±SD)

表2 不同部位肿瘤危及器官的DSC指数（± s）Table 2 DSC of organs-at-risk in patients with tumors at different sites(Mean±SD)

肿瘤宫颈癌肺癌乳腺癌鼻咽癌AccuContour 0.86±0.14 0.94±0.04 0.95±0.04 0.83±0.12 DeepViewer 0.77±0.19 0.93±0.05 0.93±0.06 0.84±0.13 t值-4.881-2.760-2.789 0.359 P值0.001 0.007 0.007 0.720

2.3 两种软件勾画结果ΔV值

两种软件勾画结果的ΔV见表3。ΔV越小，说明两个勾画轮廓差异越小，勾画效果比较好。以物理师手动勾画结果为标准，AccuContour 软件和DeepViewer软件勾画结果的总体ΔV 分别为（13.23±18.77）和（29.89±45.27）cm3（t=7.344,P＜0.05）。由表3可以看出，在不同肿瘤部位的20 个危及器官中，有13 个器官的ΔV 均小于DeepViewer 勾画结果，这也说明AccuContour 软件勾画结果与物理师手动勾画结果更为接近。

表3 两种软件自动勾画危及器官的ΔV（cm3,± s）Table 3 ΔV of organs-at-risk obtained by auto-segmentation software(cm3,Mean±SD)

表3 两种软件自动勾画危及器官的ΔV（cm3,± s）Table 3 ΔV of organs-at-risk obtained by auto-segmentation software(cm3,Mean±SD)

肿瘤宫颈癌肺癌乳腺癌鼻咽癌器官膀胱脊髓直肠左侧股骨头右侧股骨头心脏脊髓肝脏左肺右肺心脏脊髓肝脏左肺右肺脑左眼球右眼球左晶状体右晶状体AccuContour 12.32±5.06 5.34±3.07 13.73±13.52 3.13±1.36 3.73±3.32 37.42±45.83 5.30±3.30 26.96±14.93 27.41±20.32 24.65±21.06 21.33±22.32 4.38±3.59 27.91±23.48 20.80±5.04 13.10±8.83 12.33±5.97 2.40±0.84 2.19±0.90 0.10±0.05 0.11±0.07 DeepViewer 13.10±8.99 2.91±2.70 17.20±16.35 10.29±7.19 13.79±7.24 84.71±95.98 2.10±2.45 78.61±43.79 33.36±22.24 53.96±23.99 112.17±73.81 3.18±3.24 74.00±24.25 25.37±10.67 40.64±15.75 31.07±18.72 0.49±0.45 0.75±0.58 0.06±0.04 0.09±0.06 t值0.272-2.114 0.871 3.519 5.904 2.074-2.926 5.234 0.804 3.975 5.016-1.089 5.503 1.399 5.954 3.964-7.861-5.164-2.355-0.685 P值0.790 0.053 0.398 0.003 0.001 0.057 0.011 0.001 0.435 0.001 0.001 0.295 0.001 0.184 0.001 0.001 0.001 0.001 0.034 0.505

2.4 两种软件在不同部位肿瘤勾画结果ΔV值

表4是两种软件勾画不同部位肿瘤危及器官的ΔV 值。对于AccuContour 软件，ΔV 最高为肺癌（24.35±27.35）cm3，最低为鼻咽癌（3.42±5.31）cm3，对于DeepViewer 软件，ΔV 最高为乳腺癌（51.07±52.40）cm3，最低为鼻咽癌（6.49±14.87）cm3，其中，宫颈癌、乳腺癌、鼻咽癌、肺癌的两组结果之间的差异均有统计学意义（P＜0.05）。

表4 两种软件不同部位肿瘤危及器官的ΔV（cm3,± s）Table 4 ΔV of organs-at-risk in patients with tumors at different sites(cm3,Mean±SD)

表4 两种软件不同部位肿瘤危及器官的ΔV（cm3,± s）Table 4 ΔV of organs-at-risk in patients with tumors at different sites(cm3,Mean±SD)

肿瘤宫颈癌肺癌乳腺癌鼻咽癌AccuContour 7.65±8.13 24.35±27.35 17.50±17.27 3.42±5.31 DeepViewer 11.46±10.72 50.55±57.91 51.07±52.40 6.49±14.87 t值3.179 4.355 5.791 2.100 P值0.002 0.001 0.001 0.039

3 讨论

为保证实验数据对比的准确性以及对软件勾画效果的客观评价，本文选取了两种软件以及手动勾画相同层数的勾画轮廓。在图像分割中，通常认为两个结构的DSC＞0.7 说明相似度较高，且DSC 值越大，相似度越高［17］。从计算得出的DSC 参数来看，两个软件对于结构比较大、界限比较明显的器官，如脑、心脏、膀胱，DSC均大于0.8，而对于体积较小的器官，如晶状体，勾画效果不太理想但也大于0.7，说明两种自动勾画软件的整体勾画效果都非常好，且对于体积较大的危及器官（膀胱、肺）勾画效果明显优于小体积器官（眼球、晶状体），这一结果与部分文献研究结果相似［18-19］。对于绝对体积差ΔV，其值越小，说明两个结构差异越小，从得出的数据来看，AccuContour 软件勾画的多数器官ΔV 都小于DeepViewer勾画的结果。

对于宫颈癌、肺癌、乳腺癌，AccuContour 勾画的DSC 值均大于DeepViewer，且ΔV 小于它，可以认为AccuContour 在宫颈癌、肺癌、乳腺癌的勾画效果要好于DeepViewer。对于鼻咽癌，两种软件勾画的DSC值分别为0.84和0.83，相差不大，但AccuContour的ΔV 要小于DeepViewer，说明AccuContour 在鼻咽癌的勾画效果更好。

从实际使用情况来看，本研究所使用版本的AccuContour 软件勾画效果要优于DeepViewer。随着技术的更新，版本的更新换代，软件的勾画效果会得到改进，本研究得出的结果仅针对软件当前版本。自动勾画技术的快速发展在很大程度上提高了靶区和危及器官的勾画效率，减轻了医生和物理师的工作量，但在实际使用中由于不同患者解剖结构可能存在差异［20］，自动勾画软件勾画的结果还需经过医生一定的修改及验证，方可应用于临床。