后裝調(diào)強放療計劃系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

余輝，張書旭

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放療中心，廣東 廣州 510095

后裝調(diào)強放療計劃系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

余輝，張書旭

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放療中心，廣東 廣州 510095

0 前言

作為一種補量照射手段，后裝放療（Afterloading Brachytherapy）技術(shù)目前主要應(yīng)用于治療宮頸癌、前列腺癌、鼻咽癌等，療效肯定。近10年來，隨著圖像引導(dǎo)技術(shù)和施源器的發(fā)展，后裝放療計劃系統(tǒng)從基于X光片的二維系統(tǒng)，逐漸演變?yōu)榛贑T、MRI、PET等多模態(tài)圖像的三維系統(tǒng)[1]，大幅度提升了后裝劑量的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步提高了后裝放療的療效。特別是近幾年來，后裝調(diào)強放療計劃系統(tǒng)已在國外進(jìn)行臨床應(yīng)用，一些研究認(rèn)為該系統(tǒng)能滿足個性化的后裝治療需求，在提高靶區(qū)劑量的同時，不明顯增加直腸和膀胱的受照劑量[2-5]。

目前在國外應(yīng)用于臨床的后裝調(diào)強放療計劃系統(tǒng)主要為荷蘭核通公司的Oncentra GYN和美國瓦利安公司的BrachyVisionTM，產(chǎn)品價格昂貴。目前國內(nèi)大多數(shù)放療單位仍采用傳統(tǒng)的基于X光片的二維系統(tǒng)，對于三維系統(tǒng)的應(yīng)用報道較少，特別是關(guān)于后裝調(diào)強放療計劃系統(tǒng)的應(yīng)用或研發(fā)鮮有報道。

本研究擬通過計算機編程，開發(fā)一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的后裝調(diào)強放療計劃系統(tǒng)，主要解決兩個關(guān)鍵技術(shù)：①后裝劑量的逆向優(yōu)化，與外照射的調(diào)強優(yōu)化過程類似，給定靶區(qū)受量和重要器官的限量，通過數(shù)學(xué)算法尋找一種最佳的后裝放療方案；② 應(yīng)用圖像配準(zhǔn)技術(shù)將后裝劑量形變到外照射的圖像上并與外照射劑量相結(jié)合，綜合評估患者經(jīng)內(nèi)外照射后的劑量分布。

1 材料與方法

1.1 采集圖像與勾畫靶區(qū)

選擇一例具有放療指征的宮頸癌患者，在采用四野盒式照射（外照射）30 Gy后，再采用前后對穿野照射20 Gy，中間用多葉光柵（MLC）遮擋宮體。后裝治療前，插入3根施源器（1根在宮體，2根在隆穹），然后應(yīng)用CT采集放療部位圖像，并將圖像導(dǎo)入治療計劃系統(tǒng)Pinnacle TPS，由放療醫(yī)生勾畫高危臨床靶區(qū)體積（HR-CTV），以及左右隆穹、直腸和膀胱體積。最后由TPS導(dǎo)出5種類型的DICOM文件：外照射圖像、外照射靶區(qū)器官的輪廓、外照射前后對穿的劑量、后裝照射圖像和后裝照射靶區(qū)器官的輪廓。

1.2 軟件開發(fā)流程

采用Microsoft Visual Studio 2008 VC++為開發(fā)工具，開發(fā)環(huán)境為Windows XP。下面是本系統(tǒng)的軟件開發(fā)步驟：

（1）開發(fā)一個讀取DICOM文件的模塊，“一鍵式”讀取上述5種DICOM文件，并生成矢狀面和冠狀面。

（2）在CT圖像上描繪施源器，然后采用空間向量法，以2.5 mm為間隔，重建施源器中的駐點坐標(biāo)。計算源外一點的劑量采用美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)會（AAPM）推薦的計算模型，此模型考慮特定放射源的各向異性，計算精度比傳統(tǒng)模型高[6-7]。

（3）給定靶區(qū)受量和重要器官限量，從所有駐點中自動激活一些須參與調(diào)強優(yōu)化的駐點，然后采用模擬退火算法逆向計算被激活駐點的時間。

（4）計算所有橫斷面、矢狀面和冠狀面圖像上的劑量分布。

（5）生成體積劑量直方圖（DVH），給出靶區(qū)和重要器官的最大、最小和平均劑量值，靶區(qū)的D90，重要器官的D2cc等評估指標(biāo)。

（6）設(shè)置靶區(qū)和器官的細(xì)胞存活因子α/β，根據(jù)分次2 Gy的等效劑量（Equivalent Dose in 2 Gy/f，EQD2）的計算公式，將后裝劑量和外照射劑量轉(zhuǎn)換成生物等效劑量（Biological Equivalent Dose，BED）。

（7）采用三維B樣條彈性配準(zhǔn)算法，先對后裝圖像與外照射圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，然后提取他們之間的空間形變場，將后裝劑量形變到外照射圖像上，最后與外照射劑量相融合，綜合評估患者經(jīng)內(nèi)外照射后的劑量分布。

（8）針對特定型號的后裝治療機，導(dǎo)出符合其實施的治療計劃。

2 實現(xiàn)后裝調(diào)強計劃系統(tǒng)的兩個關(guān)鍵技術(shù)

2.1 模擬退火算法實現(xiàn)后裝劑量的調(diào)強優(yōu)化

有資料表明[8]，基于曼徹斯特系統(tǒng)的A點優(yōu)化方法統(tǒng)一采用相同的劑量參考點，沒有考慮腫瘤的具體形態(tài)大小，容易造成靶區(qū)欠量或重要器官受量過高，影響療效。而調(diào)強優(yōu)化方法則不同，可以個體化的解剖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，兼顧靶區(qū)受量和重要器官的限量，通過數(shù)學(xué)算法尋找一種最佳的后裝放療方案。

在本研究中，每一個靶區(qū)或器官均有2種劑量約束類型：輪廓表面約束和輪廓內(nèi)部約束。靶區(qū)和器官通常均有表面約束條件，內(nèi)部約束條件主要用于靶區(qū)，防止相鄰駐點的駐留時間大起大落，以保證靶區(qū)劑量的均勻性。在給定靶區(qū)器官的約束條件后，調(diào)強優(yōu)化過程的總懲罰因子，式中m為約束條件個數(shù)，n為在每一個約束條件中參與計算CFi的點個數(shù)。若某一個點i的劑量Di＜最小約束劑量Dmin，則懲罰因子CFi=Wmin·|Di-Dmin|，Wmin為最小約束劑量的權(quán)重；同理，若Di＞最大約束劑量Dmax，則CFi=Wmax·|Di-Dmax|。

本研究采用模擬退火算法求解最佳治療方案，此算法是一種全局優(yōu)化方法,通過模擬物理系統(tǒng)逐步降溫的退火過程而獲得優(yōu)化問題的全局最優(yōu)解。模擬退火算法實現(xiàn)后裝劑量調(diào)強優(yōu)化的流程圖，見圖1。k代表循環(huán)迭代次數(shù)，T代表溫度，r代表降溫速率，s代表駐留時間衰減系數(shù)。此算法的中心思想是先預(yù)設(shè)閾值（最大迭代次數(shù)和最低溫度）范圍，隨機改變一些駐點的駐留時間，并計算懲罰因子CF(k+1)，然后將CF(k+1)與改變駐點時間之前的懲罰因子CF(k)進(jìn)行比較，判斷已改變的駐點時間是否被接受；同時降低溫度，進(jìn)入下一個循環(huán)。

圖1 模擬退火算法實現(xiàn)后裝劑量調(diào)強優(yōu)化的流程圖

2.2 應(yīng)用圖像配準(zhǔn)技術(shù)融合后裝劑量和外照射劑量

圖像配準(zhǔn)是劑量融合過程中的一個重要環(huán)節(jié)。由于后裝照射的分次劑量與外照射不同，為了綜合評估患者經(jīng)內(nèi)外照射后的劑量分布，ESTRO提出[9]將后裝劑量和外照射劑量分別折算為分次2 Gy的等效劑量（EQD2），據(jù)此本研究可將后裝劑量和外照射劑量轉(zhuǎn)換成生物等效劑量（BED），計算公式為：BED=EQD2[1+2/(α/β)]=nd[1+d/(α/β)]，式中n為治療次數(shù)，d為單次的物理劑量，α/β為細(xì)胞存活因子。不同的腫瘤細(xì)胞或重要器官細(xì)胞有不同的存活因子，通常靶區(qū)的α/β取10，其他器官取3。

本研究結(jié)合Elastix工具包，采用三維B樣條彈性配準(zhǔn)算法，先對后裝照射的CT圖像與外照射的CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，提取他們的空間形變域，然后將后裝劑量形變到外照射的CT圖像，最后相加兩者的劑量，得到融合劑量。此算法在作者的即往工作[10]中均有應(yīng)用，在此不作詳述，它與二維配準(zhǔn)算法相比，具有配準(zhǔn)精度高、速度快等特點。后裝劑量形變到外照射圖像的基本流程圖，見圖2?；颊邉┝糠植紙D，見圖3。后裝劑量與外照射劑量融合圖，見圖4。

圖2 后裝劑量形變到外照射圖像的基本流程圖

圖3 患者劑量分布圖

圖4 后裝劑量與外照射劑量融合圖（從左到右，分別是后裝劑量、外照射劑量、融合劑量；紅色等劑量線代表20 Gy，藍(lán)色15 Gy，黃色5 Gy，綠色3 Gy）。

3 結(jié)果

本實驗設(shè)定后裝源的強度為4.606 Ci，模擬退火算法的最大迭代次數(shù)為1000次，初始溫度T0=2000 ℃，降溫速率r=0.97，駐留時間衰減系數(shù)s=0.8。系統(tǒng)設(shè)置調(diào)強約束條件的窗口圖，見圖5。靶區(qū)器官的約束條件：

（1）HR-CTV、左右隆穹。表面約束：Dmin=5 Gy，Dmax=6 Gy，權(quán)重Wmin=100，Wmax=80；內(nèi)部約束：Dmin=4 Gy，權(quán)重Wmin=90。

（2）直腸。表面約束：Dmax=4 Gy，權(quán)重Wmin=90。

（3）膀胱。表面約束：Dmax=3 Gy，權(quán)重Wmin=70。

圖5 系統(tǒng)設(shè)置調(diào)強約束條件的窗口圖（圖中顯示的時間為采用模擬退火算法逆向計算的結(jié)果）。

在調(diào)強優(yōu)化時，本系統(tǒng)先按施源器的重建長度，以2.5 mm為間隔計算所有駐點的三維坐標(biāo)，然后根據(jù)HR-CTV的范圍，自動激活一些需參與調(diào)強優(yōu)化的駐點，接著，通過模擬退火算法尋找出一種最佳的治療計劃，即逆向計算被激活駐點的駐留時間（表1和表2）。

表1 第1根施源器（放置在宮體部位）的駐點時間（s）

表2 第2、3根施源器（放置在隆穹部位）的駐點時間（s）

4 結(jié)論

目前，設(shè)計一個后裝放療計劃，通常是先人為激活一些需參與治療的駐點，再以某種優(yōu)化方法（A點優(yōu)化法、距離優(yōu)化法、體積優(yōu)化法等）計算這些駐點的時間。而人為激活駐點的方式須借助解剖圖像和放療醫(yī)生的經(jīng)驗，但本系統(tǒng)的調(diào)強優(yōu)化方式則不同，它可根據(jù)靶區(qū)的范圍自動激活一些需要的駐點。由表1可知，第1根施源器的頂端一部分沒有HR-CTV靶區(qū)輪廓，則在計算結(jié)果中，第1～6個駐點的時間為0。此外，若采用常用的A點優(yōu)化方法計算駐留時間，則每個駐點的時間都一樣，但調(diào)強優(yōu)化得到的時間則不同（表1和表2），每個駐點的時間均不相同，目的是為了同時兼顧靶區(qū)受量和重要器官的限量，從而得到滿意的劑量分布（圖3）。

目前該系統(tǒng)能針對個體化的宮頸癌病例，逆向?qū)ふ页鲆环N最佳的符合臨床治療要求的后裝治療方案。整個逆向優(yōu)化過程不需要人為干預(yù)，劑量分布與解剖圖像相互關(guān)聯(lián)，克服了目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的基于X片的二維系統(tǒng)在劑量分布與組織器官脫離方面的缺點，并且后裝劑量能與外照射劑量相融合（圖4），以BED評估患者經(jīng)內(nèi)外照射后的劑量分布，對預(yù)防靶區(qū)劑量過少或重要器官受量過高有重要意義。近年來，施源器有了很大的進(jìn)展，在患者體內(nèi)放置常規(guī)施源器后，還可以在施源器的周圍輔加一些插針，對腫瘤進(jìn)行局部加量，這樣的布源方式更需要調(diào)強優(yōu)化功能，逆向得到一種最佳的放療方案，而傳統(tǒng)的A點優(yōu)化方法難以得到滿意的劑量分布。

雖然后裝治療療效肯定，但國外昂貴的后裝三維系統(tǒng)難以在國內(nèi)推廣。筆者曾開發(fā)了基于CT圖像的三維后裝系統(tǒng)，并采用熱釋光劑量片（TLD）和仿真人體盆腔模型對其進(jìn)行劑量驗證，實驗數(shù)據(jù)肯定了該系統(tǒng)軟件在后裝劑量計算方面的可靠性[11-13]。本文工作是在此基礎(chǔ)上的進(jìn)一步延伸，在接下來的工作中，將對本系統(tǒng)重新進(jìn)行劑量驗證和臨床測試，以期該系統(tǒng)能夠在國內(nèi)得以推廣應(yīng)用。

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Software Design of Inverse Planning System for Afterloading Brachytherapy

YU Hui, ZHANG Shu-xu

Radiotherapy Center, Cancer Center of Guangzhou Medical University, Guangzhou Guangdong 510095, China

目的 通過計算機編程，自主開發(fā)一套后裝調(diào)強放療計劃系統(tǒng)。方法 以VC++為編程工具，讀取一套宮頸癌患者的CT圖像；在CT圖像上重建后裝施源器，根據(jù)靶區(qū)器官的限量約束條件，自動激活需參與調(diào)強優(yōu)化的駐點，以模擬退火算法逆向計算被激活駐點的時間，實現(xiàn)后裝劑量的調(diào)強優(yōu)化；再應(yīng)用三維圖像配準(zhǔn)技術(shù)融合后裝劑量與外照射劑量，以等效劑量EQD2評估患者經(jīng)內(nèi)外照射后的劑量分布。結(jié)果 該系統(tǒng)能同時兼顧靶區(qū)受量和重要器官限量，逆向?qū)ふ页鲆环N最佳的符合臨床治療要求的后裝治療方案。結(jié)論 本系統(tǒng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，可基本滿足個體化后裝治療的需求。

宮頸癌；后裝治療；調(diào)強優(yōu)化；模擬退火算法；計劃系統(tǒng)

Objective To develop an inverse planning system for afterloading brachytherapy with computer programming. Methods Based on VC++ programming, the afterloading source applicator were reconstructed on a series of CT images of a patient with cervical cancer and then several stationary points which should be used in intensity-modulated optimization process were automatically activated. Then the activation time of these stationary points was calculated inversely with simulated annealing algorithm to implement the intensity-modulated optimization of afterloading dose. Then the afterloading dose and external irradiation dose were fused with 3D image registration technology as well as the dose distribution of the patient underwent internal and external irradiation was evaluated with equivalent dose in 2Gy/f (EQD2). Results The optimal afterloading therapy schedule in line with clinical requirements can be found inversely with the system which can give consideration to both of absorbed dose of target regions and limited radiation dose of vital organs. Conclusion The system with proprietary intellectual property rights can basically meet the individualized requirements of afterloading brachytherapy.

cervical cancer; afterloading brachytherapy; intensity-modulated optimization; simulated annealing algorithm; planning system

R730.55

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.06.007

1674-1633(2014)06-0018-04

2014-01-16

2014-05-05

廣東省醫(yī)學(xué)科研基金（B2013186）；廣州市醫(yī)藥衛(wèi)生科技項目（20131A011162）；廣州醫(yī)學(xué)院青年科研項目（2012A17）。

本文作者：余輝，碩士，放療物理師。

作者郵箱：bme2000-yuhui@163．com