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AI勾画危及器官对鼻咽癌放疗计划剂量优化的影响

2023-07-11 141 上传者：管理员

摘要：探讨PV-iCurve人工智能(artificial intelligence, AI)勾画系统勾画的危及器官(organ at risk, OAR)直接应用于鼻咽癌放疗计划设计优化的可行性。方法:52例鼻咽癌病例纳入本研究。以医生手工勾画的危及器官(OAR-M)为参考，通过戴斯相似系数(Dice similarity coefficient, DSC)、体积差异(volume difference, VD)两个指标去评估PV-iCurve人工智能勾画系统自动勾画的危及器官(OAR-A)的几何准确性。基于OAR-M优化生成计划Plan-M,基于OAR-A优化生成计划Plan-A。比较Plan-A与Plan-M两组计划靶区PCTV2、PGTVnx的适形度指数(conformity index, CI)和均匀性指数(heterogeneity index, HI),并比较两组计划的危及器官受照剂量。结果:脑干、脊髓、左右眼球、口腔、下颌骨、左右腮腺、喉等体积较大的危及器官，AI勾画结果的DSC值均在0.7以上，VD值更接近0;而左右晶体、左右视神经、视交叉等体积较小的危及器官，AI勾画结果的DSC值基本都在0.7以下，VD值也更大。PCTV2适形度Plan-A与Plan-M两组计划对比为0.84±0.02 vs 0.84±0.02(P>0.05);PGTVnx适形度Plan-A与Plan-M两组计划对比为0.84±0.04 vs 0.86±0.02(P<0.05),PGTVnx均匀性Plan-A与Plan-M两组计划对比为0.07±0.02 vs 0.06±0.02(P<0.05)。危及器官受照剂量方面，Plan-A的OAR-M与Plan-M的OAR-M受照剂量对比情况，除下颌骨和左侧视神经外，其余OAR-M的受照剂量Plan-A均高于Plan-M，脊髓、口腔、左腮腺、喉、左右晶体等6个OAR-M两组计划对比P<0.05，差异有统计学意义。结论：PViCurve人工智能勾画系统在头颈部大体积危及器官的勾画准确性较高，小体积危及器官则有所欠缺。将OAR-A直接用于调强放疗计划的设计优化，会导致真实的危及器官受照剂量升高，增加正常组织发生并发症的概率。为了能够准确反映危及器官的受照剂量，建议在应用于鼻咽癌调强放疗计划设计之前，对危及器官勾画的准确性进行检查修改。

关键词：
人工智能
危及器官
放射治疗
自动勾画
鼻咽癌
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危及器官(organ at risk, OAR)的勾画是放射治疗工作中重要的一环，勾画是否准确直接关系到放疗计划的设计优化和评估。PV-iCurve人工智能(artificial intelligence, AI)自动勾画技术在放疗领域的应用日益增加，大量研究表明，基于深度学习AI勾画技术在OAR自动勾画方面能达到比较满意的勾画效果，减轻了医生的工作负担、提高了工作效率[1,2,3,4,5]。但是大部分研究是从几何形状方面去评估自动勾画的准确性，鲜有研究从剂量分布方面去评估自动勾画的准确性，而将AI勾画的OAR直接应用于放疗计划设计优化的前提，应该在保证靶区剂量覆盖的同时能够准确评估OAR的体积剂量。本研究将从几何形状准确性指标和剂量评估准确性指标两方面，去评价将AI勾画的头颈部OAR直接应用于鼻咽癌放疗计划设计优化的可行性。

1、资料与方法

1.1一般临床资料

选取2021年01月至2021年10月在我院接受放疗的鼻咽癌患者52例，男性37例，女性15例，年龄19～75岁，中位年龄48岁。根据国际抗癌联盟(Union for International Cancer Control, UICC)第八版鼻咽癌原发肿瘤(T)分期法，52例鼻咽癌患者中包含T1期、T2期、T3期、T4期病例各13例。按T分期选取入组患者主要是考虑不同T分期肿瘤与OAR的距离不同，对剂量优化、剂量分布、OAR受照剂量影响不同。处方剂量：PGTVnx 70 Gy、PGTVnd 64～70 Gy、PCTV1 60～62 Gy、PCTV2 54～56 Gy,分33～35次照射。

1.2 CT模拟定位

患者穿薄衣仰卧位，采用塑形垫及头颈肩热塑膜进行体位固定，使用西门子大孔径CT模拟定位机(Somatom Sensation Open)扫描。扫描范围头顶至气管分叉，扫描条件120 kV、230 mA,扫描层厚3 mm,层间距3 mm。

1.3肿瘤靶区以及OAR勾画

扫描获取的CT图像分别传输到瓦里安Eclipse 13.5治疗计划系统，以及基于小样本深度学习技术、结合多模态影像进行OAR自动勾画的柏视医疗PV-iCurve人工智能勾画系统。传到Eclipse 13.5治疗计划系统上的图像，由主管医生依据国际辐射单位与测量委员会(ICRU)50/62号报告以及《中国鼻咽癌放射治疗指南(2020版)》进行靶区勾画。主管医生参考磁共振图像并结合内镜检查结果，在CT图像上分别勾画靶区和OAR。靶区包括鼻咽癌肿瘤病灶GTVnx和区域转移淋巴结GTVnd,CTV1包括GTVnx及其周围亚临床病灶区域，CTV2包括CTV1及其外缘5 mm范围以及GTVnd和需要预防性照射的颈部淋巴结引流区。各靶区外放3 mm生成计划靶区PGTVnx、PGTVnd、PCTV1、PCTV2;OAR包括脑干、脊髓、眼球、晶体、视神经、视交叉、口腔、下颌骨、腮腺、喉等，手工勾画的OAR命名为“OAR-M”,如脑干：Brainstem-M。主管医生手工勾画的靶区和OAR由主任医师进行最终审核确认。

传到PV-iCurve人工智能勾画系统上的CT图像，则由AI勾画系统自动勾画OAR后再传输至Eclipse 13.5治疗计划系统。在计划系统上将自动勾画OAR的CT图像导入同一个患者目录下，将医生手工勾画的CT图像和自动勾画的CT图像进行配准后，把AI勾画的OAR拷贝到手工勾画的CT图像上。AI勾画的OAR命名为“OAR-A”,如脑干：Brainstem-A。

1.4放疗计划的设计优化

物理师根据医生手工勾画的靶区和OAR,在Eclipse 13.5治疗计划系统上进行调强放疗计划设计优化。采用9野动态调强方式，基于瓦里安UNIQUE医用直线加速器、6 MV光子线，优化使用的剂量限制环依据靶区生成，OAR剂量限制使用OAR-M。靶区目标剂量：各靶区95%的体积所接受剂量不小于处方剂量(D95%≥处方剂量),靶区最大剂量小于110%处方剂量(Dmax<110%处方剂量);危及器官剂量限值：脑干接受60 Gy的剂量体积小于1%(V60<1%),脊髓接受最大剂量小于45 Gy(Dmax<45 Gy),视神经、视交叉接受最大剂量小于54 Gy (Dmax<54 Gy),晶体接受最大剂量小于10 Gy(Dmax<10 Gy),下颌骨1立方厘米体积接受的剂量小于75 Gy(D1 cc<75 Gy),腮腺接受30 Gy的剂量体积小于50%(V30<50%),口腔平均剂量小于40 Gy(Dmean<40 Gy)。经以上条件优化生成的调强放疗计划由医生评估通过后用于患者的治疗，并命名为Plan-M。复制Plan-M的布野方式、直线加速器机型、射线能量、靶区和依据靶区生成的剂量限制环以及优化计划的体积剂量限制参数等，采用OAR-A的勾画重新优化生成计划Plan-A。计划Plan-A不用于患者治疗，只用于评估基于OAR-A优化的计划质量，如靶区剂量分布的适形度和均匀性、OAR的受照剂量等。

1.5 AI勾画OAR与手工勾画的几何相似性

分别记录手工勾画和AI勾画的脑干、脊髓、眼球、晶体、视神经、视交叉、口腔、下颌骨、腮腺、喉等OAR的体积，以及记录两种勾画方法所勾画OAR的相交体积。手工勾画的体积记为Vm,AI勾画的体积记为Va,相交体积记为Va∩Vm。以医生手工勾画的OAR-M为标准，使用DSC值[6,7,8,9,10]和VD[11]值去评估AI勾画的相似性。

DSC=2×(Va∩Vm)/(Va+Vm),用于评估AI勾画与手工勾画结果的重叠性，DSC值的范围介于0～1之间，值越接近1越好，表明AI勾画的结果和手工勾画的结果重叠性越高。

VD=(Va-Vm)/Vm,VD指AI勾画体积与手工勾画体积的差值占手工勾画体积的百分比，用于评估AI勾画与手工勾画结果的体积差异，VD值越接近0越好，越接近于0表明两种方法勾画的危及器官体积大小越接近，+VD值表示AI勾画体积大于手工勾画体积，反之亦然。

1.6使用OAR-A优化对计划剂量分布影响评估

为评价将AI勾画的OAR直接用于计划设计优化的可行性，对比Plan-A和Plan-M两组计划靶区PCTV2剂量分布的CI和PGTVnx剂量分布的CI和HI差异，以及比较Plan-A的OAR-M和Plan-M的OAR-M的受照剂量差异。根据ICRU83号报告：CI=(TVRI/TV)×(TVRI/VRI),TVRI为处方等剂量线包裹的靶体积、TV为靶体积、VRI为处方等剂量线包裹的体积，CI值越接近1表明靶区剂量分布的适形度越好；HI=(D2-D98)/D50,D2指2%靶体积接受的剂量近似最大剂量、D98指98%靶体积接受的剂量近似最小剂量，D50指50%靶体积接受的剂量，HI值越接近0说明靶区剂量分布越均匀；OAR的剂量，脑干、脊髓、眼球、晶体、视神经、视交叉为最大剂量(Dmax),下颌骨为1立方厘米体积接受的剂量(D1 cc),口腔、腮腺、喉为平均剂量(Dmean)。

1.7统计学分析

使用SPSS 19.0软件进行统计学分析，计量数据使用均值±标准差表示，采用配对t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2、结果

2.1 AI勾画OAR的几何相似性评估结果

如表1所示，脑干、脊髓、左右眼球、口腔、下颌骨、左右腮腺、喉等体积较大的OAR,AI勾画结果的DSC值均在0.7以上，VD值更接近0;而左右晶体、左右视神经、视交叉等体积较小的OAR,AI勾画结果的DSC值基本都在0.7以下，VD值也更大。进一步分析发现，在左右眼球、左右晶体、视交叉、左右视神经等7个视觉系统OAR的364个VD值中，负VD值有172个，占比47.3%。而脑干、脊髓、口腔、下颌骨、左右腮腺、喉等7个OAR的364个VD值中，负值只有69个，占比18.96%。

表1人工智能勾画OAR的DSC值和VD值(x¯±s)

2.2使用OAR-A优化的计划剂量分布评估结果

2.2.1两组计划靶区剂量分布的适形度和均匀性比较

如表2所示，靶区PCTV2的CI两组计划对比差异无统计学意义。而PGTVnx的CI和HI两组计划对比显示差异有统计学意义，Plan-M的CI和HI略好但优势并不明显，两组计划的CI和HI都达到一个较高的水平。

表2 Plan-A与Plan-M的靶区适形度指数和均匀性指数比较(x¯±s)

2.2.2两组计划OAR的受照剂量比较

表3是Plan-A的OAR-M与Plan-M的OAR-M受照剂量对比情况，除下颌骨和左侧视神经外，其余OAR-M的受照剂量Plan-A均高于Plan-M,脊髓、口腔、左腮腺、喉、左右晶体等6个OAR-M两组计划对比P<0.05,差异有统计学意义。

表3 Plan-A的OAR-M与Plan-M的OAR-M受照剂量比较(x¯±s,cGy)

3、讨论

AI勾画技术应用于放射治疗OAR的勾画越来越广泛[12,13,14,15,16],而OAR作为一个参与放疗计划设计优化以及评估的重要结构，其准确勾画显得尤为重要。如何评估AI勾画结果的准确性，早在1994年ZIJDENBOS等[17]的研究就推荐使用戴斯相似系数(DSC),认为当DSC>0.7时两个结构有较好的重叠性，勾画相似性较好。ZOU等[18]认为DSC是一个简单且有用的空间重叠度验证指标，可用于评估图像分割的可重复性和准确性。PV-iCurve人工智能勾画系统在OAR勾画几何准确性方面，本研究结果显示，脑干、脊髓、口腔、下颌骨、左右腮腺、喉、左右眼球等体积较大的OAR,DSC值均在0.7以上，VD值更接近0;而左右晶体、左右视神经、视交叉等体积较小的OAR,人工智能勾画结果的DSC值基本都在0.7以下，VD值也更大。再看VD值中大体积OAR和小体积OAR正负值的比例，显示小体积的OAR-A更容易勾画得比OAR-M小。说明在大体积的危及器官PV-iCurve人工智能勾画系统的勾画效果较好、准确性高，而在体积较小的OAR勾画结果则有欠缺。这也与其他一些人工智能勾画系统的研究结果一致[19,20,21,22,23],大体积OAR勾画效果较好、小体积OAR勾画效果较差，是目前各种不同人工智能勾画系统的共性。

将OAR-A直接应用于调强放疗计划设计优化的剂量分布方面。在靶区的剂量分布方面，本研究结果显示，PCTV2适形度Plan-A与Plan-M两组计划对比为0.84±0.02 vs 0.84±0.02,差异无统计学意义(P>0.05);PGTVnx适形度Plan-A与Plan-M两组计划对比为0.84±0.04 vs 0.86±0.02(P<0.05),PGTVnx均匀性Plan-A与Plan-M两组计划对比为0.07±0.02 vs 0.06±0.02,差异均有统计学意义(P<0.05),Plan-M的适形度和均匀性略好但优势并不明显，两组计划靶区PGTVnx的适形度和均匀性都达到一个较高的水平。说明不管OAR-A的DSC值和VD值是高还是低，在保持其他优化条件参数不变的情况下，将OAR-A代替OAR-M直接应用于调强放疗计划的设计优化，对靶区剂量分布的适形度和均匀性影响不大。与郭红博等[24]的研究结果一致，其研究结果显示，靶区的CI及HI两组计划对比分别为0.89±0.02 vs 0.89±0.02(P>0.05)、0.05±0.01 vs 0.05±0.01,差异均无统计学意义(P>0.05),认为自动勾画的OAR对计划剂量分布的影响并不显著。在OAR的受照剂量方面，表3中的结果显示，除下颌骨和左侧视神经外，其余OAR-M的受照剂量Plan-M均低于Plan-A,脊髓、口腔、左腮腺、喉、左右晶体等6个OAR-M两组计划对比P<0.05,差异有统计学意义。说明直接用OAR-A优化得出的调强放疗计划，会导致真实的OAR受照剂量升高，增加正常组织发生并发症的概率。

综上所述，PV-iCurve人工智能勾画系统在头颈部大体积OAR的勾画准确性较高，小体积OAR则有所欠缺。但将OAR-A直接用于调强放疗计划的设计优化，会导致真实的OAR受照剂量升高，增加正常组织发生并发症的概率。所以，为了能够准确反映OAR的受照剂量，建议在应用于鼻咽癌调强放疗计划设计之前，应该对OAR勾画的准确性进行检查修改。

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基金资助:广西壮族自治区梧州市科技计划项目(编号:202002140);

文章来源:李陆军,游雁,谢金莲等.AI勾画危及器官对鼻咽癌放疗计划剂量优化的影响[J].现代肿瘤医学,2023,31(15):2899-2903.