AccuContour软件自动勾画镜面人患者4D-CT图像心脏结构的应用分析

时飞跃，秦伟，赵紫婷，王敏，赵环宇，魏晓为

1. 南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院） a. 肿瘤放疗中心；b. 医疗设备处，江苏 南京 210006；2. 南京医科大学 医学物理研究中心，江苏 南京 210029

引言

镜面人，又称镜子人或镜像人，镜面人的心脏、肝脏、脾脏等器官的位置与正常人相反，心脏、脾脏位于右边，肝脏在左边，心、肝、脾的位置好像是正常人脏器的镜中像[1]。对于镜面人放疗患者，放疗医师在其定位CT图像上勾画上述危及器官时，与普通放疗患者不同，需要改变左右习惯来进行认真勾画。在肿瘤放疗工作中，心脏是胸部肿瘤患者的重要危及器官之一，需要进行精确勾画并对其剂量进行认真评估[2]。近年来，随着人工智能技术的不断发展，出现了多种基于图谱库或基于深度学习的自动轮廓勾画软件，可用于危及器官和部分肿瘤靶区的自动勾画[3-4]。然而，由于镜面人在肿瘤患者中的比例很小，目前为止自动勾画的相关研究均没有涉及镜面人患者，尚无对镜面人患者的危及器官进行自动勾画效果测评的研究，商用自动勾画软件是否能够准确勾画镜面人患者的危及器官尚无数据支持。厦门Manteia公司基于深度学习的AccuContour软件，能够自动勾画心脏等多种危及器官，已有研究对AccuContour软件自动勾画肿瘤患者危及器官的效果进行了分析与评价[5]。因此，本研究选取某位镜面人患者的10套四维CT（4D-CT）图像序列，应用AccuContour软件自动勾画心脏结构，对自动勾画的可行性和准确性进行测试和评估，为使用相关软件自动勾画镜面人患者的危及器官提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 病例选择

选取2019年7月南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院）收治的1例肺癌患者进行研究。该患者为男性，年龄70岁，图1所示为其某层CT图像横截面及相应的冠状面和矢状面图像截图。使用西门子Sensation Open CT模拟机，配合瓦里安RPM系统，对该患者行定位CT扫描，患者仰卧位，重建10套呼吸时相（0，10%，……，90%）的CT序列，层厚3 mm，层间距3 mm。镜面人放疗患者非常少，即使是较大的肿瘤放疗中心，收集10例以上的CT图像序列也很困难。恰好本部门收治的该患者需要使用4D-CT图像辅助勾画肿瘤靶区，而4D-CT图像包含了10个呼吸时相的CT序列。因此，我们收集了这10个呼吸时相的CT图像序列和结构数据进行了本项研究。

图1 该镜面人患者某层CT图像横截面及相应的冠状面和矢状面截图

1.2 AccuContour软件

AccuContour软件是由Manteia（中国）公司开发的一款基于深度学习的自动勾画软件。该软件可对放疗患者定位CT图像中头颈部、胸部、腹部和下腹部的多种危及器官和部分肿瘤靶区（鼻咽癌、食管癌、直肠癌和宫颈癌）进行自动勾画。本研究中，所用软件版本号为1.1.5。

1.3 心脏结构勾画

手工勾画：放疗工作人员使用Eclipse治疗计划系统的手工勾画工具，在每个时相的CT图像中勾画该患者的心脏结构。由于该患者是镜面人，心脏结构偏右侧，与一般患者相反，因此在手工勾画时需要注意这一点，克服平时勾画心脏时的习惯。自动勾画：首先将该患者的10套CT图像和相关结构文件从Eclipse系统中导出，然后传输并导入AccuContour软件中，最后选择AccuContour软件中胸部心脏的自动勾画模板进行自动勾画，并记录自动勾画时间。

1.4 评价指标

使用AccuContour软件中的相应工具，获取自动勾画和手工勾画心脏结构的位置数据，然后计算得到位置差异；使用Eclipser的相应工具，获取心脏体积相关数据，然后计算得到体积差异和形状一致性相关参数的值。主要通过自动勾画与手工勾画两者之间的体积差异、位置差异、形状一致性和勾画时间，评估软件自动勾画心脏结构的应用效果。以手工勾画作为参考数据，以自动勾画作为测试数据。

（1）体积差异定义如式(1)：

其中V手工和V自动分别代表手工勾画和自动勾画的心脏结构体积。

（2）位置差异分别定义如式(2～5)：

其中Δx、Δy和Δz，分别表示x（左右）、y（腹背）和z（头脚）方向的位置差异，ΔL表示总位置差异。x自动、y自动和z自动分别代表自动勾画的心脏结构几何中心在x、y和z方向的坐标；x手工、y手工和z手工分别代表手工勾画的心脏结构几何中心在x、y和z方向的坐标。

（3）DSC（Dice Similarity Coefficient，Dice相似性系数）定义如式(6)[6]：

（4）敏感性指数（Sensitivity Index，SI）定义如式(7)[7]：

（5）包容性指数（ Inclusiveness Index，IncI）定义如式(8)[8]：

（6）Jaccard指数（Jaccard Index，JAC）定义如式(9)[9]：

DSC、SI、IncI和JAC四个参数用于评价轮廓形状一致性，取值范围均为0～1[10]。DSC值越接近1，表示两个结构轮廓形状的相似性越高；SI反映自动勾画轮廓与手动勾画轮廓的匹配程度；IncI反映手动勾画轮廓中包含自动勾画轮廓的概率；JAC用于度量两个集合之间的相似性，在0～1的范围内，JAC数值越大，相似度越高。

1.5 统计分析

对该患者10个呼吸时相的数据，分别对9种参数体积、位置和形状相关的参数进行统计分析，统计数据包括最大值、最小值、平均值±标准差等；对两种不同勾画的体积数据使用配对t检验进行比较，对三个方向的位置差异使用配对t检验两两比较，以P＜0.05为有统计学差异。

2 结果

图2和图3分别显示了该镜面人患者10套呼吸时相CT序列中心脏结构自动勾画和手工勾画的体积和体积差异、位置差异和形状一致性的数据。表1 所示为体积、体积差异、位置差异和形状一致性参数的统计数据。

图2 心脏结构自动勾画和手工勾画

图3 心脏结构自动勾画和手工勾画

表1 体积差异、位置差异和形状一致性参数的统计数据

对两种不同勾画的体积数据V手工和V自动，使用配对t检验进行比较，P=0.00011＜0.05，差异有统计学意义。对Δx、Δy和Δz两两进行配对t检验，P值分别为0.032（Δx vs.Δy）、0.00057（Δxvs.Δz）和 8.7×10-6，P值均小于 0.05，差异有统计学意义。

使用AccuContour软件自动勾画心脏结构，平均用时约49 s，而本部门工作人员正常勾画一例心脏结构的时间平均约284 s，使用软件自动勾画大约节约了83%的时间。

3 讨论

镜面人，又称全内脏反位，是一种罕见的先天性解剖异常，表现为右位心脏、正常腹部器官镜像和其他先天性异常，发生率约0.01%。镜面人在日常生活中不多见，一般从外表看不出和普通人的区别，但是他们的内脏位置与普通人相反，在CT影像中能明显看出差异。在肿瘤放疗患者中，镜面人的比例更是很小。近年来，基于图谱库和基于深度学习的自动轮廓勾画软件（或软件模块），在放疗中的应用越来越广泛，如ABAS、MIM、Raystation、Velocity等基于图谱库的进口自动勾画软件（或软件模块）[11-16]，以及 RAIC.OIS、rtStation、DeepViewer、AccuContour等基于深度学习的国产自动勾画软件[17-20]。而上述研究中图谱库和深度学习训练集的组成元素，都是普通人患者的CT图像和手工勾画的结构，没有采用镜面人患者的CT图像和结构，那么这些自动勾画软件对镜面人患者能否实现正确且准确勾画。国内学者使用AccuContour软件，已对一些普通人放疗患者进行了自动勾画方面的研究，显示了AccuContour软件自动勾画危及器官的有效性和准确性[5,20]。本研究对AccuContour软件自动勾画镜面人患者的心脏结构进行了测试和评价。

由图2及表1可见，除了70%时相外，其余9个时相的ΔV%均为正值，表明自动勾画的心脏体积普遍略大于手工勾画的心脏体积，且根据配对t检验数据可见，两种体积数据有统计学差异。由图3a及表1中的位置差异数据可见，y（腹背）方向的位置差异最小，z（头脚）方向的位置差异最大，x（左右）方向的位置差异介于两者之间且接近于y（腹背）方向的数据，三个方向的位置数据互相之间有统计学差异。总位置差异（ΔL）为（2.28±0.45）mm。由图3b及表1中DSC的统计数据可见，所有DSC值都大于0.89，DSC的平均值达到0.909。一般DSC＞0.7即认为两个轮廓的重合较好[5]，临床工作中放射肿瘤医师认为软件轮廓勾画的DSC达0.95左右时，基本不需要调整，或仅需轻微修改[15]。本研究中DSC＞0.89表明，AccuContour软件自动勾画心脏结构在形状一致性方面的整体效果很好。前期我们已使用连心医疗的智能放疗云平台软件（版本2.0.16）自动勾画食管癌患者的心脏结构[12]，ΔV%的平均值为17.08%，ΔL的平均值为3.1 mm， DSC的平均值为0.87；已使用安徽慧软的DeepViewer软件（版本1.0）自动勾画乳腺癌患者的心脏结构[13]，ΔV%的平均值为21.43%，ΔL的平均值为3.7 mm，DSC的平均值为0.84。三款软件自动勾画心脏结构的数据互相比较可见，AccuContour软件比当时版本的另外两款软件自动勾画效果更好。图3b及表1中SI、IncI和JAC三个参数数据，也表明了AccuContour软件自动勾画该镜面人患者的心脏结构由较好的形状一致性。由勾画时间的数据可见，使用AccuContour软件自动勾画该镜面人患者的心脏结构，明显缩短了勾画时间，提高了放疗工作效率。

综上所述，使用AccuContour软件对镜面人偏右侧的心脏结构进行自动勾画，在体积、位置、形状和时间方面都能够达到比较好的效果。本工作的不足之处，在于仅对一例镜面人肺癌患者进行了研究。将来若要对较多镜面人放疗患者进行软件自动勾画效果的评估测试，尚需多家医院的放疗部门联合起来共同开展。

致谢

感谢厦门Manteia公司袁兴文和吕云龙在AccuContour软件使用中提供的技术支持。