构建混合多尺度神经网络自动分割Graves眼病的放疗临床靶区

目的：构建混合多尺度神经网络（HMnet）实现放疗临床靶区的自动勾画,提供一个高精度的CT影像自动分割模型。方法：HMnet是一种端到端的卷积神经网络,使用深度残差网络提取特征,由4个不同内核的卷积层组成的多尺度特征融合模块进行处理,以适应不同尺度大小的临床靶区;再引入注意力残差模块对多尺度特征融合模块输出的有效特征进行强化。共采用117例Graves眼病病例的CT影像数据和临床靶区轮廓训练和评估HMnet,选择骰子相似系数（DSC）、95%豪斯多夫距离（95HD）作为评估指标。结果：采用HMnet进行Graves眼病放疗临床靶区自动勾画的DSC为0.874 9,95HD为2.525 4 mm,均优于Unet、Vnet、ResAttUnet3D网络,也优于同一位医生两次勾画结果的平均DSC。结论：HMnet能准确实现Graves眼病放疗临床靶区的自动勾画,可提高放疗医生的工作效率及勾画的一致性。     

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。     

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。     

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。     

利用堆叠式神经网络提高格蕾丝眼病放疗靶区的自动勾画精度

相较于以往将靶区作为单独区域进行自动分割的神经网络,本文提出了一种利用靶区周围器官的位置及形状信息来限定靶区形状及位置,并通过多个网络的叠加融合空间位置信息,从而提高医学图像自动分割精度的堆叠式神经网络。本文以格蕾丝眼病为例,基于全卷积神经网络构建了堆叠式神经网络,对其左右两侧放疗靶区分别进行分割。以医生手动勾画结果为标准,计算体积戴斯相似系数(DSC)和双向豪斯多夫距离(HD)。相较于全卷积神经网络,堆叠式神经网络勾画结果可以使左右两侧体积DSC分别提高1.7%和3.4%,同时左右两侧的双向HD距离分别下降0.6。结果表明,堆叠式神经网络在提升自动分割结果与手动勾画靶区重合度的同时,减小了小区域靶区的分割误差,进一步说明堆叠式神经网络能有效地提高格蕾丝眼病放疗靶区的自动勾画精度。     

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。     

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。     

结合伪MRI信息的腹部CT危及器官自动勾画

目的:结合伪MRI（sMRI）软组织信息,提出新的腹部器官自动勾画模型,改进CT软组织的勾画效果。方法:使用两个独立的深度神经网络分步完成病人腹部危及器官的自动勾画。首先,基于CycleGAN网络构建由CT图像转换sMRI图像的模型,采用去噪判别器等改进方法,得到器官轮廓一致的高清晰度sMRI。其次,使用sMRI与手工勾画信息训练自动勾画模型Residual U-Net,在CT和sMRI上分别自动勾画危及器官轮廓,Residual U-Net的残差模块能够充分利用提取到的特征来区分不同的器官。采用戴斯相似性系数（DSC）作为自动勾画模型分割精度的评价标准,35例宫颈癌与35例前列腺癌患者用于自动勾画模型的训练和评估。结果:结合sMRI信息的自动勾画模型在直肠、膀胱、左右股骨头的平均DSC分别为0.779±0.021、0.944±0.006、0.834±0.006、0.845±0.021。结论:使用结合sMRI信息的腹部CT自动勾画方法,可以在直肠获得更精确的自动勾画结果。     

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。     

特征区域再聚焦提升全卷积神经网络勾画较小靶区准确度

在卷积神经网络基础之上介绍一种特征区域再聚焦的勾画方法。方法:利用端到端的全卷积神经网络,采用正常勾画及特征区域再聚焦勾画两种方法分别对鼻咽癌肿瘤体积（GTVnx）进行自动勾画。选取60例鼻咽癌患者数据,其中40例用于训练,20例用于测试。Dice相似系数（DSC）用于评估自动勾画准确度。结果:正常勾画方法DSC为0.352±0.084,特征区域再聚焦方法DSC为0.524±0.079。对20例测试例勾画结果进行统计学检验结果显示P<0.01。结论:相比正常勾画方法,特征再聚焦勾画方法能够提高对GTVnx的勾画效果,提升较小靶区的勾画精度。     

基于3D卷积网络和多模态MRI的脑胶质瘤自动分割

目的:基于三维（3D）卷积神经网络和多模态MRI实现脑胶质瘤的自动分割。方法:首先对来自BraTS2020公共数据集的369例脑胶质瘤的4个模态MRI数据进行3D剪裁、重采样、去伪影、归一化的预处理。其次将MRI数据和脑胶质瘤标注信息输入到基于U-net的3D卷积神经网络模型进行训练和测试。利用相似性系数、召回率和精确率评价整体肿瘤区域、核心肿瘤区和增强肿瘤区的分割结果。结果:在74例测试数据集上,整体肿瘤区域、核心肿瘤区域和增强肿瘤区域的相似系数平均值分别为0.88、0.77和0.73,中位值分别为0.90、0.84和0.81,召回率平均值分别为0.88、0.78和0.78,中位值分别为0.90、0.84和0.84,精确率平均值分别为0.89、0.83和0.75,中位值分别为0.91、0.89和0.79。结论:基于U-net的3D卷积神经网络在多模态MRI数据集上获得了较好的分割结果,显示其在脑胶质瘤自动分割方面的潜力,可为临床诊断分级和治疗策略选择提供参考。     

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。     

放疗影像自动分割效果评估中几何参数与剂量学参数之间的关联性

目的:通过分析感兴趣区域（ROI）的几何参数与剂量学参数之间的关联性,探讨放疗影像自动分割效果评估时联合使用几何参数与剂量学参数的必要性。方法:利用卷积神经网络构建的分割模型对18例宫颈癌术后患者的危及器官与靶区进行自动分割,把自动分割结果与医生手动勾画结果进行比较,用于评估的几何参数包括基于体积/面积的Dice相似性系数、相对体积差与基于距离的几何参数:最大Hausdorff距离、95% Hausdorff距离、质心差,剂量学参数包括针对危及器官的平均剂量差、针对靶区的ΔD95和ΔD98。采用线性回归方法研究不同分割方式下ROI几何学参数与剂量学参数间的关系,并使用Spearman相关性分析获得几何参数间的相关性及医生勾画与自动分割间剂量学的相关性。结果:所有ROI的几何参数与剂量学参数间的关系均较弱（63.3%的R2<0.4）且不稳定;同时几何参数间的相关系数|r|不超过0.625,互为弱相关或不相关。结论:在对放疗领域的图像分割结果进行评估时,应该同时考虑到几何参数与剂量学参数。选择几何参数时,应联合基于面积/体积的评估方式与基于距离的评估方式。     

基于深度学习方法的食管癌术后调强放疗三维剂量分布预测

目的:构建一种深度学习网络模型预测食管癌调强放疗的三维剂量分布。方法:取100例中上段食管癌术后患者的调强放疗计划为研究对象,以患者计划的计算机断层扫描（CT）图像、靶区和危及器官的勾画图像以及适形射束信息作为输入数据,调强适形放射治疗（IMRT）的三维剂量分布作为输出数据,通过搭建的3D U-Res-Net混合网络进行训练并得到预测模型,利用该模型对测试集进行三维剂量预测。采用平均预测偏差[δ]、平均绝对误差（MAE）、戴斯相似性系数（DSC）和豪斯多夫距离（HD95）评价预测结果的精确性。结果:测试集的平均预测偏差为-0.23%~0.78%,MAE为1.67%~3.07%,两组计划等剂量面DSC均值大于0.91,尤其30 Gy以下的DSC达到0.95以上,平均HD95为0.51~0.73 cm。预测计划的剂量学参数均在临床允许的范围之内且相对剂量偏差小于2%,除靶区D2、脊髓Dmax、全肺V30差异有统计意义外（P<0.05）,其余剂量学参数差别不大。结论:本研究构建的3D U-Res-Net深度学习网络模型可以实现对食管癌术后IMRT三维剂量分布的精确预测。