數(shù)據(jù)解析在腫瘤放射治療中的應(yīng)用

段永璇 鄒曉艷 段秀梅 李青

·綜述·

數(shù)據(jù)解析在腫瘤放射治療中的應(yīng)用

段永璇 鄒曉艷 段秀梅 李青

筆者在該文中介紹了腫瘤放射治療中醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和傳輸數(shù)據(jù)文件的編碼規(guī)則以及數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)，綜合放療數(shù)據(jù)的產(chǎn)生過(guò)程和實(shí)際分布，闡述了放療臨床數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建的相關(guān)問(wèn)題，關(guān)注數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系以及數(shù)據(jù)構(gòu)建過(guò)程中的細(xì)節(jié)，結(jié)合數(shù)據(jù)解析在放療臨床中的實(shí)際應(yīng)用，以及軟件思維進(jìn)行數(shù)據(jù)解析的方法，進(jìn)一步探討了放療數(shù)據(jù)深度整合中的相關(guān)問(wèn)題和應(yīng)用意義。

腫瘤治療方案；放射療法，計(jì)算機(jī)輔助；DICOM RT；數(shù)據(jù)解析；醫(yī)院信息化；數(shù)據(jù)整合

放射治療（簡(jiǎn)稱：化療）是當(dāng)今醫(yī)學(xué)界治療惡性腫瘤三大主要手段之一，現(xiàn)代醫(yī)療器械硬件的快速發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)數(shù)字化技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得放療技術(shù)異軍突起。尤其是在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以后，現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為放療更快速地朝著精確定位、精確計(jì)劃、精確治療的方向不斷發(fā)展提供了有力的數(shù)字化技術(shù)保障。隨著各地醫(yī)院信息化建設(shè)的不斷加強(qiáng)，傳統(tǒng)醫(yī)療服務(wù)模式也更趨于數(shù)字化，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)在放療領(lǐng)域的不斷深入，各種治療方法和數(shù)據(jù)處理算法不斷創(chuàng)新，為治療計(jì)劃系統(tǒng)、放療計(jì)劃的驗(yàn)證、實(shí)施、監(jiān)督和記錄系統(tǒng)的不斷優(yōu)化提供了有效的技術(shù)實(shí)施保障。數(shù)據(jù)是信息化建設(shè)的基礎(chǔ)載體，信息化的管理本質(zhì)就是數(shù)據(jù)的管理，了解腫瘤放療數(shù)據(jù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其元素結(jié)構(gòu)，以及數(shù)據(jù)在臨床中的產(chǎn)生過(guò)程，掌握放療的醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和傳輸（digitalimagingand communication inmedicine radiotherapy，DICOM RT）標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)解析方法，已成為臨床數(shù)據(jù)集中化管理、提升臨床科研水平的一個(gè)重要命題，也是提升放療的現(xiàn)代化程度，加快放療領(lǐng)域的信息化建設(shè)進(jìn)程的必要條件。筆者就從放療數(shù)據(jù)的基本構(gòu)成、放療數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建、數(shù)據(jù)解析思路等方面進(jìn)行綜述，探討數(shù)據(jù)解析在放療領(lǐng)域的數(shù)字化建設(shè)中發(fā)揮的重要作用。

1 放療數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu)

國(guó)際上通用醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)是DICOM標(biāo)準(zhǔn)，在放療領(lǐng)域的數(shù)字存儲(chǔ)傳輸標(biāo)準(zhǔn)是DICOM RT標(biāo)準(zhǔn)。DICOM文件是由大量的數(shù)據(jù)元素（data element）形成的數(shù)據(jù)集合，數(shù)據(jù)元素是組成數(shù)據(jù)集（data set）的基本單位。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)元素包括數(shù)據(jù)標(biāo)簽（data element tag）、值表達(dá)（value representation）、值長(zhǎng)度（value length）和數(shù)據(jù)區(qū)（value field）[1]。數(shù)據(jù)標(biāo)簽是數(shù)據(jù)元素的唯一標(biāo)識(shí)，包括群編號(hào)（group number）和元素編號(hào)（elementnumber）兩組16位無(wú)符號(hào)整數(shù)。值表達(dá)描述數(shù)據(jù)類型，分顯式和隱式，顯式的情況下為2或4字節(jié)字符串。數(shù)據(jù)區(qū)描述數(shù)據(jù)元素的具體值，長(zhǎng)度為偶數(shù)字節(jié)。值長(zhǎng)度描述數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)長(zhǎng)度，為16或32位無(wú)符號(hào)整數(shù)[2]。數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)元素嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)標(biāo)簽的升序存放，從而包含了DICOM RT的各種字段信息（包括患者信息、診斷信息以及圖像數(shù)據(jù)信息）。DICOM RT數(shù)據(jù)實(shí)體如圖1所示。

圖1 放射治療的醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和傳輸數(shù)據(jù)實(shí)體示意圖Fig.1 Data set and data element structures of digital imaging and communication inmedicine radiotherapy

在實(shí)際的放療臨床應(yīng)用中，通過(guò)DICOM RT標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)院可以實(shí)現(xiàn)不同廠家醫(yī)學(xué)圖像設(shè)備、醫(yī)學(xué)圖像的放療設(shè)備、圖像工作站以及相應(yīng)的放療計(jì)劃系統(tǒng)、質(zhì)量驗(yàn)證系統(tǒng)等之間的相互通信。此外，該標(biāo)準(zhǔn)為醫(yī)院實(shí)現(xiàn)放療信息的數(shù)字化管理提供了方便，也為多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合提供了重要的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，是完成不同來(lái)源的醫(yī)學(xué)數(shù)字化影像系統(tǒng)間互聯(lián)和影像互操作性最直接、最有效的手段。DICOM RT對(duì)象在實(shí)際的臨床治療過(guò)程中，數(shù)據(jù)的具體產(chǎn)生過(guò)程如表1所示。

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)實(shí)施步驟，就形成了完整的包括RT結(jié)構(gòu)集（RTstructureset）、RT計(jì)劃（RTplan）、RT劑量（RT dose）和RT圖像（RT image）、體外照射治療記錄（beam treatment record）、近距離治療記錄（brachy therapy treatment record）和放射治療綜合記錄（treatment summary record）的記錄治療傳輸數(shù)據(jù)[3]。DICOM RT數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化層次如圖2所示。

圖2 放射治療的醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次 圖中，RT：放射治療。Fig.2 Data structure of digital imaging and communication in medicine radiotherapy

DICOM RT標(biāo)準(zhǔn)沿用了DICOM的數(shù)據(jù)編碼的方式，包含了DICOM定義的26種內(nèi)部數(shù)據(jù)類型中的大部分，引入數(shù)據(jù)項(xiàng)來(lái)表達(dá)嵌套結(jié)構(gòu)，1個(gè)數(shù)據(jù)集包含數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)元素，1個(gè)具有嵌套結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)元素可以包含1個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，而1個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)又包含1個(gè)獨(dú)立的子數(shù)據(jù)集，如此嵌套進(jìn)行[4]。DICOM RT數(shù)據(jù)文件的嵌套相當(dāng)頻繁，如RT結(jié)構(gòu)集數(shù)據(jù)文件可出現(xiàn)4層嵌套結(jié)構(gòu)[5]，這就使得DICOM RT中用來(lái)記錄數(shù)據(jù)集中內(nèi)容類型相同的信息對(duì)像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，如輪廓、射野等數(shù)據(jù)。

表1 放射治療的醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和傳輸數(shù)據(jù)生成過(guò)程Table 1 Data generation processofdigital imaging and communication inmedicine radiotherapy

2 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

通過(guò)以上對(duì)DICOM RT數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和元素分析可以看出，由于放療數(shù)據(jù)較其他數(shù)據(jù)更為復(fù)雜，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次及附加信息量較其他數(shù)據(jù)更為龐大，因此放療數(shù)據(jù)的整合在放療領(lǐng)域一直是一個(gè)較難解決的問(wèn)題，一方面臨床數(shù)據(jù)涉及的數(shù)據(jù)內(nèi)容復(fù)雜，零散分布于各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，異構(gòu)數(shù)據(jù)多，數(shù)據(jù)量級(jí)大；另一方面受臨床醫(yī)師的專業(yè)及實(shí)際情況的限制，很難單方面去完成此類專業(yè)數(shù)據(jù)的深度整合。但隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，放療領(lǐng)域和醫(yī)院內(nèi)部的數(shù)據(jù)整合又勢(shì)在必行，因此必須重新正視放療數(shù)據(jù)的整合與數(shù)據(jù)規(guī)范化建設(shè)的問(wèn)題。DICOM RT文件包含的數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，既包括文本字段、圖像等常規(guī)數(shù)據(jù)，又包含計(jì)劃、治療、劑量體積直方圖、放射劑量等非常規(guī)數(shù)據(jù)[6]，對(duì)數(shù)據(jù)的傳遞性及關(guān)聯(lián)性要求較高，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)集之間的數(shù)據(jù)關(guān)系做明確而詳細(xì)的規(guī)劃，在理解DICOM RT數(shù)據(jù)集合的數(shù)據(jù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，包括數(shù)據(jù)縱向的傳遞關(guān)系，以及橫向的關(guān)聯(lián)性，設(shè)計(jì)必要的數(shù)據(jù)歸類方法，考慮數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，將數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分和歸類，為數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建提供參考。

DICOM RT是對(duì)DICOM的補(bǔ)充擴(kuò)展，DICOM標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)是針對(duì)信息對(duì)象定義（information objectdefinitions，IOD）而來(lái)的，因此DICOM RT標(biāo)準(zhǔn)與DICOM標(biāo)準(zhǔn)一樣采用實(shí)體-聯(lián)系方法的基本信息模型對(duì)實(shí)體進(jìn)行抽象描述，使用IOD的形式來(lái)建立放療領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型，并用服務(wù)類的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)放療信息對(duì)象的操作[7]，從而完成應(yīng)用層功能。不管是信息的存儲(chǔ)還是不同設(shè)備間的信息交換都是以IOD實(shí)例來(lái)進(jìn)行的，所以數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保持IOD的完整性，體現(xiàn)IOD之間的關(guān)系，可按照患者、研究、系列和圖像4個(gè)層次來(lái)進(jìn)行檢索和管理，保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性?；谝陨纤枷?，數(shù)據(jù)庫(kù)的框架結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量與DICOM RT標(biāo)準(zhǔn)信息模型保持一致。此外，由于DICOM RT的文件信息是按文件存儲(chǔ)和通訊的，相對(duì)于DICOM信息對(duì)象（CT、MR、PET等），DICOM RT信息對(duì)象的數(shù)據(jù)更龐大，除了普通的圖像信息，還包括劑量信號(hào)（劑量體積直方圖、等劑量線等）、射野信息（準(zhǔn)直器、擋塊）等。而且這些數(shù)據(jù)常常又對(duì)應(yīng)著大量浮點(diǎn)數(shù)據(jù)文件，不利于信息的檢索和存檔，因此需要通過(guò)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和解析，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)遵循邏輯結(jié)構(gòu)、信息對(duì)象關(guān)系、元素屬性、屬性值的表達(dá)方式等，盡量與DICOM RT標(biāo)準(zhǔn)保持對(duì)應(yīng)。通過(guò)數(shù)據(jù)解析手段將臨床放療中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，把重要的圖像信息及診斷信息從DICOM RT文件中提取出來(lái)，并按照一定的邏輯結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)在標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3 數(shù)據(jù)解析方法

通過(guò)以上方法，可以搭建起一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基于DICOMRT數(shù)據(jù)架構(gòu)的放療數(shù)據(jù)庫(kù)，如何將DICOM RT數(shù)據(jù)更好地提取和存入，就需要通過(guò)數(shù)據(jù)解析的手段進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。DICOM的數(shù)據(jù)集是描述現(xiàn)實(shí)世界醫(yī)學(xué)信息對(duì)象實(shí)例的手段，是DICOM文件的基本內(nèi)容組成，它采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，并且符合二進(jìn)制編碼規(guī)則[8]，這為在臨床應(yīng)用中的DICOM RT數(shù)據(jù)編譯轉(zhuǎn)換和解析的實(shí)現(xiàn)提供了數(shù)字化實(shí)現(xiàn)途徑。因此，可以按照DICOM RT的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)[8]，對(duì)各元素的數(shù)據(jù)地址順序讀取，并對(duì)此類數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，通過(guò)定位數(shù)據(jù)文件中包含的數(shù)據(jù)元素，讀取數(shù)據(jù)元素中的數(shù)據(jù)標(biāo)示符，從數(shù)據(jù)值域中獲得對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將其映射存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)字段中，從而獲得文件的信息內(nèi)容。以此思路為依據(jù)，可以通過(guò)編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)解析，將Tag值作為一條主線，相當(dāng)于一個(gè)指針。程序在解析、調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)，首先找到需要信息的Tag值，讀取此Tag后的Length值，再根據(jù)其Length值從后繼信息中找出所需內(nèi)容并將其顯示。在實(shí)際數(shù)據(jù)的解析過(guò)程中，根據(jù)DICOM文件頭和數(shù)據(jù)集合，通過(guò)讀取文件頭中80H位的“DICM”標(biāo)識(shí)來(lái)判斷是否為DICOM數(shù)據(jù)[9]，這樣就能在一堆混合文件中將其數(shù)據(jù)逐個(gè)解析出來(lái)，然后根據(jù)DICOM RT的特殊標(biāo)志位，萃取數(shù)據(jù)集合中患者姓名、圖像組名（seriesnumber）、圖像序列號(hào)（instance number）等基本信息[10]。通過(guò)以上方式的層層推進(jìn)，進(jìn)一步完成對(duì)放射劑量、劑量體積直方圖等信息的解析，最終通過(guò)數(shù)據(jù)整合，實(shí)現(xiàn)DICOM RT的數(shù)據(jù)解析。程序的解析模塊如圖3所示。

4 總結(jié)

放療已逐步邁入圖像引導(dǎo)的精確放療時(shí)代，數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)性保障顯得尤為重要，通過(guò)加深對(duì)放療數(shù)據(jù)的解析和理解，結(jié)合有效的技術(shù)手段，利于保證數(shù)據(jù)在放療信息系統(tǒng)中的有效傳輸，更好地使數(shù)據(jù)在臨床治療中發(fā)揮積極作用，并利用其演繹出更多的優(yōu)化算法，保證腫瘤放療的精準(zhǔn)性。此外，不同系統(tǒng)、治療設(shè)備間的信息數(shù)據(jù)整合，為醫(yī)師查閱患者治療信息以及對(duì)放療計(jì)劃進(jìn)行質(zhì)量保證、質(zhì)量控制提供了數(shù)字化基礎(chǔ)，為今后的放療數(shù)據(jù)分析及處理方法的深入研究，提供了必要的實(shí)踐基礎(chǔ)。以數(shù)字化資源為基礎(chǔ)，遵循循序漸進(jìn)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)用為主等基本原則，抓好醫(yī)院數(shù)據(jù)管理和信息化的建設(shè)工作，從技術(shù)、管理、應(yīng)用等各個(gè)層面真正把醫(yī)院的信息孤島連通起來(lái)，把海量的數(shù)據(jù)整合利用起來(lái)，從而有利于加快醫(yī)院信息化進(jìn)程，有利于加強(qiáng)放療的質(zhì)量保證，有利于放療數(shù)據(jù)的集中管理，有利于全面提升臨床工作。

圖3 放射治療的醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和傳輸數(shù)據(jù)解析程序模塊 圖中，DICOM RT：放射治療的醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和傳輸Fig.3 Data analysismodule of digital imaging and communication inmedicine radiotherapy

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Data analysis in the field of tumor radiation therapy

Duan Yongxuan*,Zou Xiaoyan,Duan Xiumei,Li Qing.*Department of Information Network,Shandong Institute of Medicine and Health Information, Shandong Academy ofMedicalSciences,Jinan 250062,China

Zou Xiaoyan,Email：34941269@qq.com

Described in this paperare the data structure and encoding rulesofdigital imaging and communication in medicine radiotherapy in tumor radiation therapy.The process and the actual distribution of the radiation data integrated.Expanded the relevant issues of data base standardization construction,focus on the logical relationship of data analysis and the details of the data construction process,combined the data processing in clinic with themethod of software technology in data analysis, furtherexplore the issues related to data integration and application in radiation therapy.

Antineoplastic protocols;Radiotherapy,computer-assisted;DICOM RT;Data analysis;Hospital information;Data integration

2015-08-11）

10.3760/cma.j.issn.1673-4114.2015.06.015

250062濟(jì)南，山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院山東省醫(yī)藥衛(wèi)生科技信息研究所信息網(wǎng)絡(luò)部（段永璇）；250004，濟(jì)南軍區(qū)聯(lián)勤部門診部（鄒曉艷）；250002濟(jì)南，山東省職業(yè)衛(wèi)生與職業(yè)病防治研究院腎內(nèi)科（段秀梅）；250001，濟(jì)南市第二人民醫(yī)院信息科（李青）

鄒曉艷（Email：34941269@qq.com）