基于深度学习和图谱库方法自动勾画肿瘤放疗中危及器官的比较

【摘要】目的:评估比较基于深度学习（DL）和图谱库（Atlas）方法自动勾画不同部位肿瘤放疗中危及器官（OARs）轮廓的几何学精度,为临床应用提供依据。方法:选择40例肿瘤患者的CT图像（头颈部、胸部、腹部和盆腔肿瘤患者各10例）,由资深放射治疗医师手动勾画OARs,然后再分别使用基于DL和Atlas方法的自动勾画软件勾画OARs。采用形状相似性指数（DC）、Jaccard系数（JC）、Hausdorff距离（HD）、体积差异（VD）等多个指标评价基于DL和Atlas自动勾画与手动勾画OARs的几何学一致性。结果:除直肠外,采用DL方法勾画的多数OARs的DC指标高于0.7,优于Atlas方法,差异有统计学意义（P<0.05）。此外,DL方法的JC值除晶体、直肠、脊髓外也都大于0.7。HD中最大的是脊髓,两种方法均超过20 mm。DL方法中VD绝对值较大的是直肠。结论:基于DL方法自动勾画的OARs几何精确度总体上高于Atlas方法。下一步,通过继续增大训练集的数据量可进一步提高基于DL方法模型的鲁棒性,从而更好地辅助放射肿瘤医师,使肿瘤患者获益。     

体积对自动勾画软件勾画危及器官准确性的影响

【摘要】目的:评价基于人工智能的自动勾画系统（AccuContour自动勾画软件）对危及器官（OAR）勾画的几何准确性,探讨OAR自动勾画的几何准确性是否受OAR体积的影响。方法:选取161例患者,其中头颈部、胸部、盆腔肿瘤患者各40例,腹部肿瘤患者41例。分别采用AccuContour自动勾画软件和手动勾画的方式对晶体、视神经、眼球、垂体、脑干、腮腺、下颌骨、双肺、心脏、双肾、肝脏、直肠、膀胱、股骨头等部位进行勾画。统计各个勾画部位的戴斯相似系数（DSC）、豪斯多夫距离（HD）、Jaccard系数以及体积这4项参数,并使用DSC、Jaccard系数和HD评价自动勾画的几何准确性。对DSC、HD、Jaccard系数与体积进行Spearman相关性分析,并对晶体、视神经、眼球、腮腺、颞颌关节、双肺、双肾、股骨头等成对部位的DSC、HD、Jaccard系数之间进行Wilcoxon配对秩和检验。结果:各个部位的DSC均数均大于0.7;头颈部的Jaccard系数均数为0.557~0.880,其中最低的为右视神经,最高的为下颌骨。头颈部、胸部、盆腔的HD均数分别小于8、22、16 mm;除肝脏（HD=34.563 mm）外,腹部其他部位的HD均数均小于19 mm。DSCall、Jaccardall系数及HDall的大小与体积具有相关性（rDSC=0.757, PDSC=0.000;rJaccard=0.775, PJaccard=0.000;rHD=0.761, PHD=0.000）。晶体、视神经、眼球、垂体、脑干、腮腺、下颌骨、双肺、膀胱、股骨头等部位的DSC和Jaccard系数与OAR体积具有相关性（P<0.05）,HD与体积不具有相关性（P>0.05）。双肺之间的DSC和Jaccard系数差异具有统计学意义（PDSC＝0.000, PJaccard＝0.000）。结论:AccuContour自动勾画软件对于OAR的勾画具有较高的准确性,自动勾画的几何准确性受OAR体积大小的影响。     

人工智能云技术在乳腺癌患者心脏亚结构自动勾画中的应用

目的:评估人工智能云技术勾画平台（AI Contour）在乳腺癌患者心脏亚结构自动勾画中的准确性和可行性。方法:选取10例进行乳腺癌放射治疗患者的血管增强CT作为研究对象。在AI Contour上分别采用手动勾画、自动勾画和自动勾画后手动修改模式来完成10例患者的心脏亚结构勾画,包括左心房、右心房、左心室、右心室。比较Dice相似性系数（DSC）、Jaccard系数（JC）、Hausdorf距离（HD）、质心偏差（CMD）、包容性系数（IncI）、敏感性指数（SI）、勾画时间。结果:以手动勾画为金标准,自动勾画与手动勾画各心脏亚结构的DSC>0.8,JC>0.6,HD<9 mm,CMD<5 mm,IncI>0.8,SI>0.7。自动勾画后手动修改进一步提高了勾画精度,其中JC>0.8。自动勾画时间与手动勾画时间为（85.50±6.06） s vs （1 160.30±74.31） s,差异具有统计学意义（P<0.05）。自动勾画后手动修改总时间与手动勾画时间为（558.70±33.40） s vs （1 160.30±74.31） s,差异具有统计学意义（P<0.05）。结论:通过比较发现自动勾画技术能以较高的精度完成乳腺癌患者左心房、右心房、左心室、右心室的勾画,节省了大量时间,自动勾画后手动修改能进一步提高各心脏亚结构的勾画精度,同时云勾画平台具有远程协作的优势,值得推广运用。     

RT-Mind自动勾画技术应用于鼻咽癌放射治疗可行性研究

目的:探讨RT-Mind软件在鼻咽癌放疗临床靶区（CTV）、危及器官（OARs）自动勾画的可行性,为临床应用提供依据。方法:回顾性选取28例应用调强技术治疗的鼻咽癌患者,将放疗医师手动勾画CTV、OARs（脑干、脊髓、左右晶体、视交叉、左右视神经、左右腮腺、左右颞叶、左右颞颌关节、下颌骨）做为参考标准,再使用RT-Mind软件自动勾画CTV及OARs。对比手动与自动勾画在CTV和OARs区域的Dice相似性系数（DSC）、Jaccard系数（JAC）、敏感性指数（SI）、包容性系数（lncI）、质心偏差（DC）、Hausdorff距离（HD）等参数,从而评估自动勾画效果。结果:CTV的DSC、JAC、SI、lncl、DC、HD分别为:0.78±0.04、0.70±0.05、0.85±0.08、0.87±0.04、（7.76±5.03） mm、（12.3±1.16） mm,OARs中DC、HD值均在1 cm之内。结论:RT-Mind软件能够基本满足临床要求,能够较为准确地实现鼻咽癌患者CTV和OARs的自动勾画。由于病人既往病史的个体差异,放射治疗医师必须根据临床需要,对自动勾画的CTV和OARs进行修改后,才能用于治疗。若依据临床需求进一步完善自动勾画的个性化定制,相信RT-Mind软件在解剖结构复杂的鼻咽癌放疗中能够辅助放疗医生提高工作效率,更好地为患者服务。     

基于三维U-NET深度卷积神经网络的头颈部危及器官的自动勾画

勾画危及器官是放射治疗中的重要环节。目前人工勾画的方式依赖于医生的知识和经验,非常耗时且难以保证勾画准确性、一致性和重复性。为此,本研究提出一种深度卷积神经网络,用于头颈部危及器官的自动和精确勾画。研究回顾了496例鼻咽癌患者数据,随机选择376例用于训练集,60例用于验证集,60例作为测试集。使用三维(3D)U-NET深度卷积神经网络结构,结合Dice Loss和Generalized Dice Loss两种损失函数训练头颈部危及器官自动勾画深度卷积神经网络模型,评估参数为Dice相似性系数和Jaccard距离。19种危及器官Dice相似性指数平均达到0.91,Jaccard距离平均值为0.15。研究结果显示基于3D U-NET深度卷积神经网络结合Dice损失函数可以较好地应用于头颈部危及器官的自动勾画。     

算法和匹配数目对宫颈癌危及器官自动勾画的影响

目的:探讨基于Atlas实施宫颈癌危及器官自动勾画时勾画算法及匹配数目对自动勾画结果的影响。方法:基于MIM-Maestro软件建立宫颈癌Atlas模板库,入库病例数目为60例。随机选择Atlas库外10例宫颈癌患者,由临床医生手动勾画危及器官（膀胱、直肠和双侧股骨头）,并定义为参考勾画（Vref）。应用多数投票算法和STAPLE算法,匹配数分别选择1、3、5、7、9进行自动勾画。采用勾画时间（T）、相似性系数（DSC）、敏感性指数（SI）、质心偏差（DC）、Jaccard系数（JAC）、Hausdorff距离（HD）评价勾画结果,并进行单因素方差分析和配对样本t检验。结果:勾画时间随匹配数目增大呈线性增加,与勾画算法无关。多数投票算法和STAPLE算法勾画结果均显示,匹配数为1时膀胱的SI和左股骨头的DSC、HD、JAC与匹配数为3、5、7、9时有统计学差异。STAPLE算法中,直肠和双侧股骨头的SI均显示匹配数目为1、3与5、7、9有统计学差异。两种勾画算法的比较结果显示,仅双侧股骨头的SI有统计学差异。结论:基于Atlas实施危及器官自动勾画时,勾画算法对结果基本无影响,所需时间与匹配数呈正比,综合勾画结果建议匹配数目选择3。     

基于深度学习的危及器官自动勾画软件系统DeepViewer在放疗中的应用及评估

目的:将一款基于深度学习的危及器官自动勾画软件系统DeepViewer应用于临床,实现自动勾画肿瘤患者治疗计划中危及器官的功能。方法:DeepViewer使用改进后的全卷积神经网络U-Net来实现自动勾画患者CT扫描部位所包含的危及器官,并使用Dice相似性系数（DSC）对比分析这22种危及器官自动勾画与手动勾画的差异。结果:11种危及器官DSC平均值在0.9以上,5种危及器官DSC平均值为0.8~0.9,5种器官DSC平均值为0.7~0.8,视交叉DSC平均值最低,为0.676。总体结果表明DeepViewer系统能够较准确地自动勾画出危及器官,特别是左、右肺、膀胱、脑干等器官,已基本满足临床需求。结论:DeepViewer软件系统可以实现放疗肿瘤患者危及器官的自动勾画,准确性较高。同时,DeepViewer系统勾画完毕后,可以通过网络系统自动传输RTStructure DICOM3.0文件,无需其他操作,能极大地提高临床医生工作效率,降低治疗计划流程中的勾画总时间。     

定量评价Atlas模板库病例数目对宫颈癌危及器官自动勾画的影响

目的:探讨基于Atlas实施宫颈癌危及器官自动勾画时图谱库入库病例数的增加对自动勾画结果的影响,以期得到最优图谱库病例数。方法:运用MIM软件建立4组宫颈癌图谱库(入库病例数目分别为30、60、90、120例)。随机选择图谱库外10例宫颈癌患者图像,由一名临床经验丰富的医生进行危及器官(膀胱、直肠和双侧股骨头)的手动勾画,将其定义为参考勾画,并对该10例患者图像进行危及器官自动勾画,勾画匹配数目分别选择为3和9。通过定量评价勾画时间、相似性系数(DSC)、敏感性指数(SI)、包容性指数、质心偏差、Jaccard系数(JAC)、Hausdorff距离(HD),将自动勾画结果与参考勾画进行单因素方差分析,从而探讨不同图谱库病例数对自动勾画结果的影响。结果:勾画匹配数目选择为3时,4组模板中平均自动勾画时间小于手动勾画(1.31/1.33/1.35/1.39 min vs 10.25 min),匹配数目选9时具有同样的趋势(5.07/5.24/5.14/5.24 min vs 10.25 min),但各组间没有差异性。匹配数目为3时膀胱SI(P=0.018)、直肠SI(P=0.010)、直肠DSC(P=0.016)、直肠JAC(P=0.013)、直肠HD(P=0.042),以及匹配数目为9时直肠HD(P=0.002)均具有统计学差异,其他参数没有统计学意义。结论:基于Atlas实施危及器官自动勾画能够节省勾画时间,模板数目的增加不会影响勾画效率,30例图谱库勾画时整体结果较差,60例以上的图谱库略有优势,提高膀胱、直肠的勾画准确性,但考虑时间成本,对于宫颈癌的勾画建议采用60例作为临床模板库病例数。     

两种自动勾画软件对危及器官勾画结果对比分析

目的:比较和分析两种自动勾画软件（AccuContour和DeepViewer）勾画危及器官的精确度,以此评估它们在不同肿瘤放射治疗中的适用程度和优越性。方法: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,由同一个物理师在患者CT图像上手动勾画危及器官,再分别用两种自动勾画软件进行勾画。以手动勾画结果为标准,分别计算两种软件勾画结果的戴斯相似性系数（DSC）和绝对体积差（ΔV）,并对两种勾画结果的差异进行配对t检验,比较两种软件勾画结果。结果: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）,总体ΔV分别为（13.23±18.77）和（29.89±45.27） cm3（t=7.344, P<0.05）。在20个危及器官中,AccuContour软件勾画结果的所有DSC均大于0.7,其中最大DSC为脑（0.99±0.00）,最小DSC为右眼晶状体（0.71±0.11）;DeepViewer软件勾画的结果有18个器官DSC大于等于0.7,其中,最大DSC为肺（0.98±0.00）,最小DSC为右侧股骨头（0.63±0.18）。AccuContour软件勾画的13个器官的ΔV均小于DeepViewer勾画结果。结论:两种软件整体勾画效果均比较好,对于体积较大的危及器官,勾画效果要优于体积较小的器官,AccuContour软件勾画效果优于DeepViewer软件。     

基于FC_DenseNet深度学习网络自动分割肺癌放疗中的危及器官

目的:建立一种基于密集连接深度学习的端到端胸部CT图像危及器官自动分割方法,提供一个高精度的自动分割模型,减轻医师临床勾画的工作强度。方法:收集36例肺癌患者CT图像,27例作为训练集,随机取6例作为验证集进行交叉验证,测试集为9例,训练时间约为5 h,完成了左肺、右肺、脊髓、心脏4个危及器官的自动分割,并使用Dice系数、HD95距离与平均表面距离(ASD)3个指标对测试集进行测试。结果:测试集的分割结果显示,与U-Net与ResNet50相比,FC_DenseNet网络在Dice值、HD95、ASD指标上表现较好,但是不同网络之间的分割结果并没有显著差异(P>0.05),FC_DenseNet网络Dice值最高是左肺为0.98,最低为心脏0.84。结论:本研究的结果表明,密集连接结构的深度学习模型能够较为准确地分割左右肺、脊髓、心脏4个危及器官,这种特征图复用的思想为基于深度学习的医学图像分割提供了新思路。     

利用深度反卷积神经网络自动勾画放疗危及器官

目的:勾画危及器官是放射治疗中非常重要的常规工作。然而,目前的人工勾画非常耗时,而且依赖于医生的知识和经验。为此,本研究提出一种深度反卷积神经网络,用于自动和精确地勾画危及器官。 方法:深度反卷积神经网络是一个用于自动分割的端到端框架。实验使用了230例头颈部患者的数据,在其中随机选择了184例作为训练集,用于调制自动分割模型的参数,其余46例用作测试集评估方法的性能。用于分割的危及器官包括脑干、脊髓、左腮腺、右腮腺、左颞叶、右颞叶、甲状腺、喉、气管9个危及器官。自动分割精度的量化指标使用戴斯相似性系数和豪斯多夫距离。 结果:所有危及器官自动分割的戴斯相似性系数值均在0.70以上（平均值为0.81）,豪斯多夫距离值在5.0 mm内（平均值为4.3 mm）,表明本研究提出的自动分割方法能准确地分割危及器官。 结论:利用深度反卷积神经网络建立了一种自动分割危及器官的方法,可以得到较准确的结果,为放射治疗流程自动化提供了技术支持。     

直肠癌术前放疗危及器官与临床靶区自动勾画的可行性研究

目的:探讨AccuContour软件及定制化自动勾画模型在直肠癌术前容积旋转调强放疗中临床靶区（CTV）和危及器官（OAR）自动勾画几何轮廓及剂量学各项参数精度,为临床应用提供依据。方法:回顾性选取133例已接受直肠癌术前容积旋转调强放疗的患者,随机分组,65例作为训练集,16例作为验证集,52例作为测试集,构建并训练自动勾画模型,将其导入AccuContour软件并自动勾画CTV和4个OAR,对比自动勾画与手动勾画在CTV和OAR几何轮廓的体积差异（[ΔV]）、Dice相似性系数（DSC）、Jaccard系数（JAC）、敏感性指数（SI）、包容性系数（lncl）、质心偏差（DC）、Hausdorff距离（HD）等,以及自动勾画与手动勾画CTV和OAR在同一容积旋转调强计划中所受照射剂量学参数差异,从而评估自动勾画效果。结果:CTV的DSC值、JAC值、SI值、lncl值为:0.84±0.06、0.72±0.08、0.81±0.07、0.87±0.08,[ΔV]值、DC值、HD值为:10.93%（4.56%, 15.37%）、5.03（3.27, 8.77） mm、15.03（15.00, 24.70） mm;OAR的DSC值、SI值、lncl值、JAC值、[ΔV]值、DC值、HD值比较优劣顺序依次为:右股骨头、左股骨头、膀胱、小肠;自动勾画与手工勾画剂量学参数对比中,除膀胱V30、小肠Dmean、CTV D95的差异有统计学意义外（P<0.05）,其余均无统计学意义（P>0.05）。结论:在直肠癌术前容积旋转调强放疗中,本研究所采用的自动勾画系统,对于CTV和OAR的自动勾画有一定准确性,为临床医生节省大量时间,提高工作效率。     

基于有限训练样本的融合网络模型用于盆腔危及器官自动分割的研究

将深度学习应用到医学影像中危及器官自动分割领域时,为解决训练样本不足时三维卷积神经网络优化出现的退化、梯度消失等问题,本研究将Dense Net与V-Net两个网络模型进行融合,开发一种用于三维计算机断层扫描(CT)图像自动分割的Dense V-Network算法,勾画女性盆腔危及器官。采用戴斯相似性系数(DSC)、豪斯多夫距离(HD)、杰卡德距离(JD)三个参数来定量评估分割效果。结果显示膀胱、小肠、直肠、股骨头和脊髓自动分割的DSC值均在0.87以上(平均值是0.9);JD值均在2.3以内(平均值是0.18);除小肠外,HD值均在0.9 cm以内(平均值是0.62 cm)。经验证,Dense V-Network网络可精准地勾画盆腔危及器官。     

基于增强CT的手动勾画与基于PET-CT的自动勾画方法在鼻咽癌放疗中的对比研究

目的:探究基于增强CT的手动勾画与基于PET-CT的自动勾画方法在鼻咽癌放疗中的优劣性及应用价值。方法:采集34例鼻咽癌患者的PET-CT数据,比较医生分别在增强CT和PET-CT图像上勾画靶区的差异性,以CSCO指南在PET-CT双模态融合图像上手动勾画的靶区作为金标准,应用Matlab软件计算单一标准摄取值（SUV）阈值分割法和MIM软件自带的PET-EDGE分割法两者的重叠率Dice和豪斯多夫距离HD值,并采用t检验进行统计学分析。结果:基于增强CT图像的手动勾画法、基于PET-CT图像的单一SUV阈值法以及PET-EDGE自动勾画法,3者靶区分割结果的Dice值分别为0.706、0.736、0.806,HD值分别为12.601、11.631、6.143 mm。以PET-CT双模态图像作为参考的靶区手动勾画法与基于增强CT的手动勾画存在差异（Dice:P=8.33×10-7;HD:P=1.065×10-18）;MIM软件自带的PET-EDGE靶区分割法Dice和HD值高于单一SUV阈值法,差异具有统计学意义（Dice:P=0.019 8;HD:P=0.013 7）。结论:在鼻咽癌肿瘤靶区的分割性能上,基于PET-CT图像的自动勾画优于基于增强CT图像的手动勾画,MIM软件自带的PET-EDGE分割法优于单一SUV阈值分割法。     

金属伪影对鼻咽癌放疗危及器官自动勾画的影响

目的:评估CT金属伪影对鼻咽癌放疗危及器官（OAR）自动勾画的影响。方法:选取有无牙齿修复物的鼻咽癌患者各16例,由放疗医师和深度学习自动勾画平台AccuContour分别勾画26种OAR轮廓。比较有无金属伪影患者不同OAR轮廓三维相似性系数（DSC）和Hausdorff距离（HD）以及有无金属伪影横断面内口腔和下颌骨的二维DSC和HD。同时记录人工勾画和自动勾画全部OAR的时间。结果:所有OAR的三维DSC和HD在有无金属伪影患者组间均无显著差异（P>0.05）。无金属伪影横断面内口腔的二维DSC和HD优于有伪影横断面（P<0.01）,且伪影越严重,自动勾画的口腔轮廓局部偏离基准值越明显。自动勾画效率（<2 min）显著优于人工勾画效率（>70 min）。结论:牙齿修复物伪影对基于深度学习的鼻咽癌放疗OAR自动勾画的准确性和工作效率影响有限,较人工勾画方法仍然具备明显优势。     

智能放疗云平台自动勾画食管癌患者心脏结构的应用

【摘要】目的:测试和评估智能放疗云平台（RAIC.OIS）在食管癌患者心脏结构自动勾画中的应用。方法:选取2018年2月~11月收治的20例食管癌患者进行研究。首先,将20例患者的放疗定位CT图像从Eclipse治疗计划系统传输至连心医疗的智能放疗云平台（RAIC.OIS）;然后,使用RAIC.OIS的自动勾画工具,对CT图像中的心脏结构进行自动勾画;最后,将勾画好的结构文件传输并导入Eclipse。通过比较自动勾画和手工勾画的体积差异、位置差异、形状一致性和勾画时间,评估该软件的自动勾画工具应用于心脏结构自动勾画的可行性。结果:根据测量的数据结果,发现有1例患者的心脏形状和位置比较特殊,排除该患者的数据,对余下19例患者的数据进行统计分析。自动和手工两种方式勾画食管癌患者心脏结构的体积差异为（-17.08±8.66）%,相似性指数值为0.87±0.05。x、y和z这3个方向的位置差异分别为（0.12±0.09）、（0.11±0.08）和（0.22±0.16） cm,总位置差异为（0.31±0.14） cm。19例患者的自动勾画时间为（83±12） s,手工勾画时间为（284±58） s。结论:智能放疗云平台的自动勾画工具,对绝大部分食管癌患者的心脏勾画能够达到满意的结果。使用该工具可缩短心脏结构的勾画时间,提高放疗工作效率。