Pinnacle計劃系統(tǒng)腳本在醫(yī)用直線加速器碰撞防護中的應(yīng)用

苗俊杰，符貴山，牛傳猛，劉志強，田源，張可，李明輝，戴建榮

國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院，北京100021

前言

C 型臂類型的醫(yī)用直線加速器治療病人時，機頭在旋轉(zhuǎn)過程中存在與治療床、病人碰撞的風(fēng)險。隨著放療新技術(shù)容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強、圖像引導(dǎo)及立體定向放射治療的開展，加速器治療系統(tǒng)及附屬結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜［1-2］，這在一定程度上增大了碰撞風(fēng)險［3］。此外，對于偏中心照射、特殊固定體位以及使用特殊體位固定裝置等情況，機架旋轉(zhuǎn)時碰撞風(fēng)險增大，結(jié)果會導(dǎo)致計劃不能執(zhí)行，延誤病人治療，甚至產(chǎn)生嚴重的碰撞事故，造成病人受傷和機器損壞［4-6］。雖然有些加速器治療機在實際治療時有防碰撞連鎖，但當觸發(fā)碰撞連鎖時往往計劃已經(jīng)照射了一定的劑量，而此時病人已經(jīng)躺在治療床上，重新更改計劃又需要較長的時間，這在一定程度上增加了醫(yī)患矛盾。另外，二次計劃設(shè)計時要考慮已經(jīng)執(zhí)行部分的劑量，增大了計劃設(shè)計的難度。因此，在較早期的治療計劃設(shè)計階段及時檢測治療計劃是否存在潛在的碰撞風(fēng)險是十分必要的。

針對加速器治療過程中可能發(fā)生的碰撞，有研究通過構(gòu)建復(fù)雜模型等方法判斷是否有碰撞風(fēng)險［7-13］。但這些方法大都需要導(dǎo)出整個計劃到另外的系統(tǒng)，過程復(fù)雜費時，并且對一些使用特殊體位和擺位裝置的病人缺乏個體針對性［14-15］。目前很多主流的計劃系統(tǒng)都缺少碰撞警告的內(nèi)置模塊，主要依靠放療計劃設(shè)計者的個人經(jīng)驗進行粗略估計。由于計劃治療中心、體位固定裝置、治療床位置等參數(shù)對于不同的病人差別很大，依靠經(jīng)驗估算結(jié)果往往并不可靠?；诖?，本研究擬設(shè)計并實現(xiàn)一種可以在計劃設(shè)計過程中隨時可調(diào)用的腳本程序，當在計劃系統(tǒng)中調(diào)用此腳本時，會在CT 圖像上自動生成機頭轉(zhuǎn)動過程的臨界安全位置軌跡感興趣區(qū)（ROI），使計劃設(shè)計者在計劃設(shè)計時就能直觀判斷當前計劃是否存在碰撞風(fēng)險。

1 材料與方法

1.1 基本設(shè)備和系統(tǒng)

本研究采用的計劃系統(tǒng)為Pinnacle3V9.10（Philips Medical System,USA）。該系統(tǒng)在國內(nèi)放療界應(yīng)用十分廣泛，提供了豐富的腳本（Script）功能，可以在計劃系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)批量、規(guī)范、快速的數(shù)據(jù)處理，提高工作效率和工作規(guī)范性。同時該Script 還可以直接調(diào)用python、C 等高級語言程序及操作系統(tǒng)（Solaris）命令，實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和處理功能。

1.2 防碰撞模型構(gòu)建

加速器安裝后，機頭旋轉(zhuǎn)1周所經(jīng)過的空間軌跡是確定的，不隨病人的擺位而變化。加速器機頭旋轉(zhuǎn)一周，機頭上的點會形成一個圓形軌跡，如圖1所示。取加速器機頭上的點到治療中心最近距離為r（為保證安全，r取值通常比最小值小1 cm），治療機頭在進出床方向的長度為L。為保證治療安全，在治療床進出方向取相同的安全距離r，則安全邊界形成的軌跡為圓筒面。

圖1 加速器機頭防碰撞示意圖Fig.1 Schematic diagram of collision-free space of an accelerator gantry

1.3 加速器參數(shù)設(shè)置

加速器選擇Varian Edge、Novalis、Unique 和Elekta Versa HD、Synergy（Agility 機頭），經(jīng)測量并考慮安全冗余距離，選擇r=37 cm、L=72 cm（Varian）；r=42 cm、L=76 cm（Elekta），加速器治療床面與CT定位室的床面寬度相同，都為54 cm。

1.4 腳本程序設(shè)計

（1）建立move_path.Script腳本，該腳本首先保存當前計劃設(shè)置，將計劃設(shè)計參數(shù)寫入病人對應(yīng)的計劃目錄文件里。然后獲取當前計劃射野的治療中心位置、床面位置、加速器型號、病案號、計劃文件位置等信息。通過調(diào)用python 程序，將獲取的這些計劃信息以參數(shù)的形式傳遞給python，以保證不同計劃、不同病人的獨特性。對應(yīng)部分代碼如下：

（2）建立move_path.py 程序，在該python 程序中首先接收并解析move_path.Script腳本傳遞過來的計劃參數(shù)信息并將其轉(zhuǎn)化為python 內(nèi)的變量。通過判斷加速器的類型確定設(shè)置參數(shù)r和L值。通過讀取病人文件目錄下計劃對應(yīng)的主圖像文件ImageSet_x.header（通常為ImageSet_0.header），確定該病人計劃的圖像坐標信息，如3 個方向的維度信息x_dim、y_dim、z_dim，兩個像素點間的距離信息x_pixdim、y_pixdim、z_pixdim，起始位置坐標信息x_start、y_start、z_start 等。再結(jié)合床位置等參數(shù)確定式（1）及圖2中各參數(shù)的值。最后結(jié)合治療中心的位置及對應(yīng)的軌跡方程生成mrn.roi 文件。mrn 為病人的病案號，mrn.roi 文件的格式與計劃文件夾下plan.roi 的格式相同，主要由文件頭信息和ROI的三維坐標點集構(gòu)成。

（3）在move_path.Script 腳本中讀取經(jīng)過python數(shù)據(jù)處理后生成的mrn.roi 文件，將mrn.roi 文件的ROI坐標信息導(dǎo)入到計劃系統(tǒng)，生成加速器機頭旋轉(zhuǎn)過程中的最小安全軌跡ROI，腳本關(guān)鍵語句如下：

1.5 計劃系統(tǒng)中檢測是否存在碰撞

mrn.roi 文件信息讀入系統(tǒng)后，其作為中間過程文件將被腳本刪除。在Pinnacle 計劃系統(tǒng)中，根據(jù)新生成ROI 與CT 影像中治療床、病人的相對位置關(guān)系判斷放療計劃是否存在碰撞風(fēng)險。

2 結(jié)果

在Pinnacle計劃系統(tǒng)中生成輔助的ROI如圖2所示。在CT 影像橫斷面上，輔助ROI 為以射野治療中心為中心的圓。在Pinnacle 計劃系統(tǒng)的REV 視圖中可見輔助ROI 整體為圓筒面結(jié)構(gòu)，在不同的CT 層面上輔助ROI是半徑和中心相同的圓形結(jié)構(gòu)。

圖2 在Pinnacle計劃系統(tǒng)中產(chǎn)生的安全區(qū)域ROI圖Fig.2 ROI images of the safe region generated in Pinnacle planning system

圖3給出了幾種可能發(fā)生碰撞的常見情況，當病人使用俯臥板進行定位治療時，由于俯臥板的厚度比仰臥板的大，治療中心設(shè)置偏上時，會發(fā)生碰撞。圖3c 為肝癌計劃，由于靶區(qū)偏向病人的右側(cè)，當治療中心選擇過于靠右時，會導(dǎo)致機架與治療床發(fā)生碰撞。圖3d 為一個大腿部位的放射治療計劃，加速器治療時機架會與病人的健測腿發(fā)生碰撞。

圖3 放療計劃碰撞檢查示例Fig.3 Examples of collision detection for radiotherapy plans

計劃設(shè)計時，只需一次鼠標點擊調(diào)用腳本，即可快速（約2 s）生成輔助ROI。在ROI 與CT 的疊加圖像上可以逐層清楚直觀地判斷加速器機頭與治療床、病人身體是否存在碰撞風(fēng)險，避免等到計劃實際執(zhí)行時才發(fā)現(xiàn)問題甚至發(fā)生碰撞事故。該腳本在本科室應(yīng)用已有一年多時間，對數(shù)百例病人進行了碰撞風(fēng)險檢查，經(jīng)過該腳本程序檢查后的放療計劃基本杜絕了碰撞風(fēng)險的發(fā)生。

3 討論及結(jié)論

Philips 公司的Pinnacle 計劃系統(tǒng)提供了“HotScripts”模塊，允許用戶編寫腳本、調(diào)用python/C高級語言程序及Solaris 操作系統(tǒng)命令。在一定程度上，用戶可根據(jù)自己的需求制定腳本，完成特定的批處理操作，既可以顯著提升治療計劃設(shè)計的工作效率，也能很大程度保證計劃設(shè)計的安全性［16-20］。本腳本程序通過調(diào)用外部python 程序，針對不同病人CT圖像和治療中心位置動態(tài)生成有針對性的輔助ROI輪廓文件，為了避免多個計劃同時調(diào)用腳本程序時相互影響，新生成的輪廓文件命名為mrn.roi（mrn 為病人的病案號）。

本腳本程序在Pinnacle V9.10 計劃系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)，但是其設(shè)計理念和方法在支持腳本功能的其它計劃系統(tǒng)同樣適用。為增加腳本的通用性，可以將python生成的ROI 寫成標準DICOM 格式的文件，再通過計劃系統(tǒng)的“Dicom Import”功能導(dǎo)入到系統(tǒng)中。經(jīng)過實際測試，寫成DICOM 格式整個調(diào)用時間會比本文采用的方法長約5 s 的時間（主要原因為系統(tǒng)的導(dǎo)入模塊加載時掃描DICOM 文件目錄所需時間的增加），需要增加一定等待時間。另外，使用標準DICOM 格式導(dǎo)入時要注意病人采用的體位，在外部程序處理時要根據(jù)所選系統(tǒng)和病人固定體位提前做好坐標系變換。在Pinnacle V9.10中坐標變換為：

其中，XP、YP、ZP為Pinnacle 計劃系統(tǒng)中的坐標，單位cm；XD、YD、ZD為DICOM 坐標系中的對應(yīng)坐標，單位mm；Xsign、Ysign、Zsign為符號參數(shù)，取決于病人的擺位方向（例如病人體位是頭先進仰臥時，Xsign=1、Ysign=-1、Zsign=-1）。使用DICOM 格式的ROI 文件并結(jié)合系統(tǒng)自帶的導(dǎo)入模塊可以使本方法在多種計劃系統(tǒng)中適用。

本腳本程序不但可以用于檢查加速器機頭與治療床、體位固定裝置是否會發(fā)生碰撞，還可以用于特殊體位（如四肢、腹股溝等部位腫瘤）照射時，檢查加速器機頭與病人身體其它部位是否有碰撞風(fēng)險，保證治療安全。通常為保證劑量計算的準確和重復(fù)一致性，病人進行CT 定位和加速器治療時，采用的定位裝置和病人體位應(yīng)該是一致的。如果特殊情況下，治療體位、固定裝置與定位時不一致，則本腳本程序不適用，實際治療時仍然有碰撞風(fēng)險，需要計劃設(shè)計實施人員小心判斷。

在實際使用過程中，如果靶區(qū)、治療中心偏向病人的一側(cè)身體（如乳腺癌計劃），本腳本程序可能會判斷出治療機頭與病人身體健側(cè)方向的床板會發(fā)生碰撞，但根據(jù)就近布野原則，如果治療野實際執(zhí)行時不需要機架轉(zhuǎn)過該碰撞角度，則不會發(fā)生碰撞，原計劃仍然可以正常執(zhí)行。對于這種情況，建議計劃設(shè)計者在計劃報告單上注明標記，提醒技師治療時仍然要小心，掃描CBCT時應(yīng)該采用先挪床再回位或非全弧的策略，治療時注意加速器機頭的起始位置，避免碰撞發(fā)生。

本研究建模時使用中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院加速器的幾何結(jié)構(gòu)，由于不同公司、不同型號、不同附屬結(jié)構(gòu)的加速器結(jié)構(gòu)尺寸有一定的差別，使用時應(yīng)根據(jù)自己單位加速器的實際情況確定r和L等參數(shù)。本研究只考慮了共面治療的情況，非共面治療時治療床要旋轉(zhuǎn)一定的角度，計劃參數(shù)設(shè)置更復(fù)雜，加速器機頭與治療床及病人的碰撞風(fēng)險加大。另外，針對不同治療床角度，加速器機頭可使用的旋轉(zhuǎn)角度也受到嚴格限制，值得進一步的研究討論。

綜上所述，在Pinnacle 計劃系統(tǒng)上實現(xiàn)加速器機頭的碰撞檢測具有臨床可行性，在計劃設(shè)計階段可及時判斷放療計劃是否存在碰撞風(fēng)險，避免重復(fù)計劃延誤治療時間，保證治療安全。