自动勾画软件在宫颈癌容积旋转调强放射治疗中的剂量学研究

阴晓娟（通信作者）

福建医科大学附属肿瘤医院·福建省肿瘤医院 （福建福州 350014）

容积旋转调强放射治疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）是一种新型放射治疗方法，其通过控制旋转速度、辐射传递量和辐射屏蔽运动，减少肿瘤周围正常组织的受量、缩短放射治疗时间，达到提高放射治疗准确度和治疗效率的目的。为了避免靶区漏照和危及器官（organs at risk，OAR）过量照射，医师应准确勾画出靶区和OAR[1]。但是，宫颈癌患者的OAR 众多，勾画烦琐，因此，自动勾画（atlas-based autosegmentation，ABAS）软件应运而生，其旨在缩短手工勾画OAR 的时间、减少人为误差，达到提高放射治疗准确度的目的[2-4]。陈开强等[5]的研究结果表明，ABAS 软件自动勾画与手工勾画的宫颈癌OAR 接近，但其并未比较两者的剂量学差异。基于此，本研究用ABAS 软件得到的单模板（一对一）和多模板（十对一）两种方式，并将在两种方式下自动勾画的OAR 导入宫颈癌患者的CT图像上，然后将以此得到的放射治疗计划与手工勾画OAR的原始计划进行剂量学比较，旨在评估ABAS 软件在放射治疗计划中的剂量学精度，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2018—2019年我院收治的10例宫颈癌患者，年龄47～70岁，中位年龄55岁。本研究经医院医学伦理委员会审核批准；所有患者均无远处转移，且接受VMAT。

1.2 自动勾画的模板数据库来源及ABAS 软件自动勾画原理

1.2.1 自动勾画的模板数据库来源

患者取仰卧位，在飞利浦Brilliance Bigbore 螺旋CT 下，以5 mm 的层厚扫描，将扫描得到的CT 图像传送至医师工作站（OTP，医科达公司），为保证勾画的一致性，由1名有丰富经验的放射治疗医师手工勾画OAR（包括脊髓、左/右肾、直肠、膀胱、左/右股骨头、左/右髂骨、小肠），并由上级主任医师审查，然后将图像传输到ABAS 软件（V2.01，医科达公司），以此作为自动勾画的模板数据库。

1.2.2 ABAS 软件自动勾画原理

另选取10例与研究对象一般资料无显著差异的宫颈癌患者作为测试对象，在ABAS 软件上进行单模板（随机选取1例模板对1例测试患者图像进行一对一的自动勾画）和多模板（选取10例模板对1例测试患者图像进行十对一的自动勾画）两种方式下的自动勾画，最后将自动勾画好的CT 图像传至放射治疗计划系统（Pinnacle 9.2m，飞利浦公司），并对其进行计划设计，其中，OAR 受量限值同手工勾画一致。

1.3 放射治疗计划设计

采用Pinnacle 9.2m 计划设计系统和6 MV X 线，两弧分别为顺时针184°～176°和逆时针176°～184°；采用完全卷积算法计算剂量，计划要求靶区处方剂量包绕95%的体积，计划靶区（planning target volume，PTV）处方剂量为49.95 Gy/27次，OAR 的剂量限值参照国际辐射单位与测量委员会（International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU）83号报告[6]。

1.4 自动勾画评估指标

相似性系数（dice similarity coefficient，DSC）为形状吻合度的评估指标，范围为0～1，当两者有较好的相似性时，DSC接近1，并设定DSC＞0.70为吻合度高[7]。计算公式为DSC=Va∩Vb/（Va+Vb）/2，其中，Va为ABAS 软件自动勾画的器官体积，Vb为手工勾画的器官体积，Va∩Vb为两者重叠部分的体积。

1.5 放射治疗计划剂量学评估

将在手工勾画OAR 的CT 图像上制定的计划定义为原始计划，并将其分别导入单模板和多模板两种方式下自动勾画OAR 的CT 图像上，得到相应的剂量分布；通过剂量体积直方图（dose-volume histogram，DVH）评估10例患者在3种勾画方式（手工勾画、单模板勾画和多模板勾画）下OAR 的受量，即脊髓Dmax、肾V20、直肠V50、膀胱V50、股骨头V45、髂骨V40、小肠V40（Vx表示器官接受x 剂量的体积占总体积的百分比，Dmax表示最大剂量）。

1.6 统计学处理

2 结果

2.1 ABAS 软件自动勾画和手工勾画OAR 的体积与DSC

无论是单模板还是多模板，自动勾画中脊髓和左/右股骨头的DSC均＞0.85，直肠、左/右髂骨、左/右肾的DSC均＞0.73，且多模板明显高于单模板，其更接近手工勾画；单模板和多模板两种方式勾画的膀胱、小肠的DSC均＜0.70，体积差异分别达到25.5%和37.7%，见表1。图1是单模板和多模板两种方式下自动勾画的OAR 及手工勾画的横断面示意图，由图可知，多数自动勾画的OAR 与手工勾画接近，其中多模板勾画的OAR 与手工勾画更接近；但对于层面差别较大的器官——膀胱和小肠，单模板和多模板两种方式勾画的结果与手工勾画均存在一些偏差，需要修改后才能用于临床。当不借助ABAS 软件时，手工勾画OAR 约需要60 min，ABAS 软件单模板勾画OAR 约需要2 min，ABAS 软件多模板勾画OAR 约需要10 min；医师在自动勾画图像上修改约需要15 min。

图1 基于模板自动勾画OAR 与手工勾画的结果比较

表1 ABAS 软件自动勾画和手工勾画OAR 的体积与DSC（±s，10例）

表1 ABAS 软件自动勾画和手工勾画OAR 的体积与DSC（±s，10例）

注：OAR 为危及器官，ABAS 软件为自动勾画软件，DSC 为相似性系数

OAR 体积（cm3） DSC手工勾画 单模板勾画 多模板勾画 单模板勾画 多模板勾画膀胱 411.08±150.35 281.72±98.57 306.34±102.53 0.53±0.31 0.61±0.10直肠 33.70±15.59 38.55±17.98 33.65± 16.71 0.73±0.26 0.81±0.08小肠 2 303.07±89.61 1 433.98±65.81 1 560.87± 71.62 0.33±0.2 0.41±0.14左髂骨 139.89±56.23 128.00±52.43 133.87± 58.76 0.75±0.16 0.81±0.05右髂骨 128.51±50.38 125.70±51.35 129.79± 55.74 0.78±0.14 0.83±0.06左肾 201.59±74.56 171.84±67.42 216.46± 85.21 0.81±0.13 0.83±0.02右肾 191.81±72.83 176.79±70.53 201.67± 75.54 0.82±0.15 0.84±0.03脊髓 28.50±12.45 27.71±11.73 28.37± 13.01 0.87±0.09 0.93±0.01左股骨头 62.64±30.85 53.09±27.35 60.34± 29.73 0.85±0.12 0.89±0.04右股骨头 63.63±31.09 56.44±29.63 60.73±3 0.12 0.87±0.03 0.91±0.07

2.2 ABAS 软件自动勾画和手工勾画的OAR 剂量分布比较

多模板勾画的OAR 剂量优于单模板，更接近手工勾画的计划剂量；单模板勾画及多模板勾画的膀胱V50和小肠V40与手工勾画比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）；不同勾画方式的其他剂量学指标比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），见表2。图2是自动勾画与手工勾画OAR的DVH，由图可知，多模板和单模板两种自动勾画方式的DVH 与手工勾画大体一致。

图2 自动勾画与手工勾画OAR 的DVH

表2 ABAS 软件自动勾画和手工勾画的OAR 剂量分布比较（±s，10例）

表2 ABAS 软件自动勾画和手工勾画的OAR 剂量分布比较（±s，10例）

注：OAR 为危及器官，ABAS 软件为自动勾画软件；Vx 表示器官接受x 剂量的体积占总体积的百分比，Dmax 表示最大剂量；a表示手工勾画与单模板勾画比较，b 表示手工勾画与多模板勾画比较，c 表示单模板勾画与多模板勾画比较

OAR 手工勾画 单模板勾画 多模板勾画 Pa Pb Pc膀胱V50（%） 39.75±15.47 45.18±20.16 45.09±21.34 ＜0.001 ＜0.001 0.281直肠V50（%） 36.35±13.61 25.19±8.37 20.15±4.73 0.143 0.215 0.312小肠V40（%） 12.26±4.14 25.31±8.16 25.42±9.52 ＜0.001 ＜0.001 0.543左髂骨V40（%） 22.05±5.93 24.39±6.59 23.14±6.05 0.237 0.351 0.457右髂骨V40（%） 22.01±5.74 27.21±8.01 25.18±8.23 0.264 0.382 0.416左肾V20（%） 21.30±6.43 25.12±7.59 21.46±5.78 0.361 0.394 0.472右肾V20（%） 18.59±3.05 26.14±8.61 20.34±5.26 0.325 0.409 0.453脊髓Dmax（cGy） 3 895.80±365.80 3 784.40±375.90 3 877.30±401.30 0.451 0.489 0.503左股骨头V45（%） 3.60±0.60 6.10±0.70 5.20±0.30 0.531 0.578 0.619右股骨头V45（%） 3.50±0.40 6.80±0.50 5.20±0.20 0.542 0.605 0.718

3 讨论

作为目前国际先进的放射治疗技术，VMAT 可利用具有影像引导功能的高性能直线加速器和治疗计划系统得到最优的放射治疗计划。与其他放射治疗技术比较，VMAT的适应证更广，引起的不良事件更少。该技术可达到提高肿瘤病灶控制率，延长患者生存时间的目的，这就要求医师更加仔细地勾画靶区和OAR。手工勾画宫颈癌OAR 的时间较长（约需要1 h），因此，缩短医师勾画时间和提高勾画精确度成了当前国内外研究的焦点。林金勇等[8]关于头颈部肿瘤OAR 的勾画研究发现，在ABAS 软件中，以多模板勾画的OAR 剂量分布与手工勾画的原始计划最相似。胡彩容等[9]关于食管癌OAR 的勾画研究发现，单模板和多模板两种自动勾画方式与手工勾画的剂量学比较无明显差异。

在放射治疗中，OAR 的受量影响了患者的生命质量，因此，本研究用ABAS 软件得到单模板和多模板两种方式，并将在两种方式下自动勾画的OAR 导入宫颈癌患者的CT图像上，得到两种方式下的放射治疗计划，并将其与手工勾画OAR 的原始计划的剂量学进行比较。本研究结果显示，多模板勾画OAR 的DSC高于单模板，其更接近手工勾画，但两种方式勾画的膀胱、小肠的DSC均＜0.70，体积差异分别达到25.5%和37.7%，推测膀胱的DSC小可能与定位时患者膀胱的充盈情况不同有关，而小肠的DSC小可能由上、下层面变化较大导致。本研究结果亦显示，多模板勾画的OAR 剂量优于单模板，更接近手工勾画的计划剂量；单模板勾画及多模板勾画的膀胱V50和小肠V40与手工勾画比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）；不同勾画方式的其他剂量学指标比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。

综上所述，将ABAS 软件应用于宫颈癌OAR 勾画中，缩短了医师勾画OAR 的时间，且多模板勾画方式相较于单模板更接近于手工勾画。