SegRap 2023——用于放疗计划的高危器官和肿瘤的分割

医学处理分析专家

发布于 2023-08-17 09:12:19

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今天将分享放疗计划的高危器官和肿瘤的分割完整实现版本，为了方便大家学习理解整个流程，将整个流程步骤进行了整理，并给出详细的步骤结果。感兴趣的朋友赶紧动手试一试吧。

一、SegRap 2023介绍

放疗是最重要的癌症治疗方法之一，通过照射杀死癌细胞。治疗计划对于放射治疗至关重要，它为肿瘤和普通器官设定了辐射剂量分布。规划的目标是确保癌细胞接受足够的辐射，并防止危及器官 (OAR) 中的正常细胞受到过多损伤。例如，头部的视神经和视交叉不能接受过多的辐射。否则，患者有失去视力的风险。GTV是通过CT扫描成像的大体肿瘤的位置和范围，即可以看到的。放射治疗计划的一个关键步骤是划定 GTV 和数十个 OAR 的边界。然而，对于放射肿瘤学家来说，在 CT 扫描中逐层手动描绘既乏味又耗时。自动描绘 GTV 和 OAR 将大大减少治疗计划时间，从而提高放射治疗的效率。

在这个挑战中，提供鼻咽癌 (NPC) 患者的 CT 扫描数据集，其中分割目标将包括 OAR、鼻咽总目标体积 (GTVnx) 和淋巴结总目标体积 (GTVnd) . 该数据集将包含来自 200 名患者（分别用于训练、验证和测试的 120、20 和 60 名患者）的 CT 扫描，每名患者有两个 CT 扫描（一个无对比 CT 和一个对比增强 CT），具有像素级GTVnx、GTVnd 和 45个OAR的注释。

二、SegRap 2023任务

任务1：从无对比和对比增强 CT 扫描中分割出45个OAR：脑、脑干、视交叉、左耳蜗、右耳蜗、食道、左咽鼓管、右咽鼓管、左眼、右眼、左海马、右海马、左内耳道、右内耳道、喉、喉声门、喉声门上，左晶状体，右晶状体，左下颌骨，右下颌骨，左乳突，右乳突，左中耳，右中耳，左视神经，右视神经，口腔，左腮腺，右腮腺，咽缩肌，垂体, 脊髓, 左下颌下骨, 右下颌下骨, 左颞叶, 右颞叶, 甲状腺, 左颞下颌关节, 右颞下颌关节, 气管, 左鼓室, 右鼓室, 左前庭半规管, 右前庭半规管。

任务2：来自无对比和对比增强 CT 扫描的 GTVnx 和 GTVnd 分割：鼻咽总靶体积 (GTVnx) 和淋巴结总靶体积 (GTVnd)。

三、SegRap 2023数据集

SegRap 2023 数据集将由西门子 CT 扫描仪采集的 CT 图像组成，扫描条件如下：电压，120 kV；电流，300 毫安；扫描厚度，3.0 mm；分辨率，1024×1024或 512×512 ；注射造影剂，碘海醇（体积，60~80 mL；速率，2 mL/s；无延迟）。该数据集由鼻咽癌患者治疗前临床所需的对比和非对比头颈部 CT 图像组成。

训练数据将包括来自 120 名鼻咽癌患者的 CT 图像以及相应的标签图，该标签图被手动分割为 45 个 OAR 和 2 个 GTV：大脑、脑干、交叉、左侧耳蜗、右侧耳蜗、食道、左侧咽鼓管、右侧咽鼓管、左眼，右眼，左海马，右海马，左内耳道，右内耳道，喉，喉声门，喉声门上，晶状体左，晶状体右，左下颌骨，右下颌骨，左乳突，右乳突，中耳左侧、右侧中耳、左侧视神经、右侧视神经、口腔、左侧腮腺、右侧腮腺、咽、垂体、脊髓、左侧颌下、右侧颌下、左侧颞叶、右侧颞叶、甲状腺、左侧颞下颌关节、右颞下颌关节，左气管，鼓室，右侧鼓室、左侧前庭半规管、右侧前庭半规管、鼻咽总靶体积 (GTVnx) 和淋巴结总靶体积 (GTVnd)。

验证和测试数据将包括分别来自 20 名和 60 名鼻咽癌患者的 CT 图像。

分割指标：骰子相似系数 (DSC) 和归一化表面骰子 (NSD)。

四、技术路线

任务1、45个高危器官分割

1、头颈区域提取，首先使用固定阈值（-800，最大像素值）和最大连通域法获取整个人体ROI区域，然后采用肺分割方法提取肺部区域，然后人体ROI区域减去整个肺部区域后再求最大连通域方法就可以获得头颈ROI区域。

2、分析ROI图像，得到图像平均大小是360x390x108，因此将图像缩放到固定大小256x256x128。图像预处理，对步骤1的原始图像进行（-300，1500）窗宽窗位截断，然后采用均值为0，方差为1的方式进行归一化处理。然后将数据分成训练集和验证集，对训练集做10倍数据增强处理。

3、搭建VNet3d网络，使用AdamW优化器，学习率是0.001，batchsize是1，epoch是600，损失函数采用多分类的dice和交叉熵。

4、训练结果和验证结果