王炳杰,王先良,溫愛萍,康盛偉,黎杰,吳駿翔
1.香港理工大學(xué) 醫(yī)療科技及咨詢學(xué)系,香港 999077;2.四川省腫瘤醫(yī)院/四川省腫瘤研究所/四川省癌癥防治中心/電子科技大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院 放療中心,四川 成都 610041;3.電子科技大學(xué) 醫(yī)學(xué)院,四川 成都 610054
近距離治療是宮頸癌放射治療的主要手段之一,近年來,隨著放射物理、放療設(shè)備、影像技術(shù)的發(fā)展,三維近距離治療逐漸廣泛應(yīng)用于臨床[1-2]。三維近距離治療是基于三維影像數(shù)據(jù)(CT/MRI),給予靶區(qū)處方劑量,對(duì)危及器官(Organs at Risk,OAR)給予劑量體積限制以提供更好的保護(hù),并通過劑量體積直方圖(Dose Volume Histograms,DVH)評(píng)估靶區(qū)和OAR 的受照劑量[3]。三維近距離治療相比傳統(tǒng)的二維治療,在靶區(qū)適形度、OAR 保護(hù)等方面優(yōu)勢(shì)明顯,可提高局部腫瘤控制率和降低OAR 的不良反應(yīng)[4-5]。
臨床中為實(shí)現(xiàn)相關(guān)治療方案,通常需要使用三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng)。治療計(jì)劃系統(tǒng)是放射治療流程中的核心組成部分,三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng)需提供影像數(shù)據(jù)的可視化、精準(zhǔn)快速的劑量計(jì)算、逆向優(yōu)化以及友好的用戶交互等功能[6-7]。目前,臨床上常用的三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng)大多為國外品牌,如瑞典Elekta 公司的Oncentra 系統(tǒng)、美國Varian 公司的GammaMed 系統(tǒng)等。國外公司出于技術(shù)保護(hù)和壟斷目的,用戶很難定制個(gè)性化的功能并缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口?;诖?,本研究旨在自主研發(fā)一套具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精準(zhǔn)三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng),以期為臨床近距離治療的計(jì)劃設(shè)計(jì)提供解決方案。
本研究中的三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的[軟件著作權(quán)名稱:三維近距離放射治療計(jì)劃系統(tǒng)V3.0(Scarts V3.0),登記號(hào):2022SR0382367,用途:近距離放射治療的計(jì)劃設(shè)計(jì)和評(píng)估]。三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng)采用窗口式交互界面,通過菜單或按鍵方式實(shí)現(xiàn)操作功能。該系統(tǒng)包括患者信息、靶區(qū)和OAR 勾畫、近距離計(jì)劃、計(jì)劃評(píng)估以及系統(tǒng)配置等模塊,可實(shí)現(xiàn)患者數(shù)據(jù)管理、靶區(qū)和OAR 的勾畫、施源器重建、劑量計(jì)算、逆向優(yōu)化、劑量評(píng)估以及數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出等功能,見圖1。系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)為Microsoft Visual C++[8],后期可根據(jù)用戶需求增加或更新功能模塊,數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Office Access,數(shù)據(jù)訪問則采用ADO(ActiveX Data Objece)技術(shù)[9],支持DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)協(xié)議[10]。系統(tǒng)使用德國offis 公司的DCMTK(DICOM Tool Kit)[11]開源函數(shù)庫解析DICOM 協(xié)議文件并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作功能。三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng)可在Windows 2000/XP/7/10 等主流系統(tǒng)上通過交互性的操作方式安裝運(yùn)行,安裝包使用Inno Setup 開源軟件制作[12]。首次使用時(shí)需對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè),根據(jù)注冊(cè)碼的不同,系統(tǒng)將開放全部或者部分功能。
圖1 三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng)功能模塊圖
本系統(tǒng)為提高靶區(qū)和OAR 的勾畫精準(zhǔn)度,在靶區(qū)勾畫模塊提供了多模態(tài)影像數(shù)據(jù)(CT/MRI)的圖像配準(zhǔn)功能。用戶可根據(jù)實(shí)際需求選取基于特征點(diǎn)的配準(zhǔn)和基于像素灰度的配準(zhǔn)兩種方式。
大家都說是念書累的,外祖母也說是念書累的,沒有什么要緊的;要出嫁的女兒們,總是先前瘦的,嫁過去就要胖了。
施源器是近距離放射治療中不可缺少的工具之一[13],在三維近距離治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)中需要在患者的CT 數(shù)據(jù)上重建施源器,其中本系統(tǒng)提供了兩種手動(dòng)重建施源器的方式:① 首先確定等中心的位置,然后在橫斷面、冠狀面和矢狀面分別旋轉(zhuǎn),在矢狀面或冠狀面獲取施源器管道的圖像,從而依次點(diǎn)出管道的位置;② 直接在橫斷面每層點(diǎn)出施源器管道的位置。
近距離治療源的劑量率計(jì)算方法使用美國醫(yī)用物理學(xué)家協(xié)會(huì)發(fā)布的TG43 和TG43U1 報(bào)告推薦的計(jì)算方法[14-15],具體計(jì)算方式如公式(1)所示。
DVH 的顯示采用了康奈爾大學(xué)的基于C/C++編寫的開源軟件SGraph。另外,為了使DVH的顯示更加美觀,該系統(tǒng)對(duì)坐標(biāo)軸刻度的標(biāo)定進(jìn)行了優(yōu)化,用程序根據(jù)數(shù)據(jù)變化的范圍動(dòng)態(tài)地設(shè)置坐標(biāo)軸的刻度,包括坐標(biāo)軸步長的規(guī)范化、起點(diǎn)的規(guī)范化和終點(diǎn)的規(guī)范化[18]。
為在保證劑量計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算速度,結(jié)合放射源周圍劑量分布的對(duì)稱性,該系統(tǒng)對(duì)劑量計(jì)算的算法進(jìn)行了改進(jìn)。在劑量計(jì)算開始之前先計(jì)算出一個(gè)沿放射源長軸方向(V 方向)和垂直于放射源長軸方向(U方向)的二維劑量率分布表T(m, n)存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中,劑量計(jì)算簡單查表乘以駐留時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)[16]。
該系統(tǒng)提供正向和逆向兩種優(yōu)化方式。正向優(yōu)化通過輸入駐留位置權(quán)重和駐留時(shí)間,或直接拖拽等劑量線的方式進(jìn)行優(yōu)化。而逆向優(yōu)化則是通過給予靶區(qū)和OAR 優(yōu)化目標(biāo)和權(quán)重的方式,經(jīng)過不斷試錯(cuò)的過程得到理想的劑量分布,該逆向算法采用基于梯度下降的算法[17],計(jì)算方式如公式(2)所示。
假定黏彈性梁在x=x0處存在上表面裂紋,則對(duì)初邊值問題式(7)~(9),式(11)和(13)關(guān)于時(shí)間t進(jìn)行Laplace變換,可得
5) 可靠性技術(shù)研究。研究多余度結(jié)構(gòu)的磁通切換電動(dòng)機(jī),提出切實(shí)可行的余度結(jié)構(gòu)方案;研發(fā)模塊化、集成化的控制器,優(yōu)化軟、硬件結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性。
式中,tm,n為第m 根施源器管道中的第n 個(gè)駐留位置的駐留時(shí)間;D0為靶區(qū)處方劑量或OAR 的劑量限制;Di為第i 個(gè)體元的劑量;H 為階躍函數(shù);PTAR和POAR分別為調(diào)節(jié)靶區(qū)和OAR 權(quán)重的參數(shù)。
2.2.1 患者信息模塊
2.2.3 近距離計(jì)劃和評(píng)估模塊
選取2016年2月—2018年2月進(jìn)入本院治療的脊柱骨折患者進(jìn)行此次實(shí)驗(yàn)的研究比較,將參與研究的患者隨機(jī)分成實(shí)驗(yàn)組(37例)和對(duì)照組(37例),實(shí)驗(yàn)組則對(duì)患者采取CT進(jìn)行診斷。實(shí)驗(yàn)組中男性患者26例,女性患者11例,平均年齡為(47.38±3.71)。對(duì)照組對(duì)患者采取X片平片進(jìn)行診斷,對(duì)照組中男性患者27例,女性患者10例,平均年齡為(48.26±3.56)。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組年齡、性別等不存在明顯差異(P>0.05)。對(duì)比分析分別應(yīng)用兩種檢查方式患者病情的檢出幾率。
式中,r 為感興趣點(diǎn)距離源中心的距離;θ 為極坐標(biāo)系下感興趣點(diǎn)與源中心的連線與源長軸的夾角;P(r0, θ0)為參考點(diǎn),其中r0=1 cm,θ0為π/2;Sk為空氣比釋動(dòng)能強(qiáng)度,單位為μGym2h-1Bq-1或cGycm2h-1Bq-1;Λ 為劑量率常數(shù),單位為cGyh-1U-1;g(r)為徑向劑量函數(shù),無量綱;F(r,θ)為各向異性函數(shù),無量綱;G(r,θ)為幾何因子,單位為cm-2。
2.2.4 系統(tǒng)配置模塊
歸一化處理后,C1、C2、C3、C5的各權(quán)重值為:ω11=0.109,ω12=0.413,ω13=0.283,ω15=0.196.
圖2 三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng)主界面
計(jì)劃評(píng)估是確定計(jì)劃質(zhì)量的重要過程,通過計(jì)劃評(píng)估確認(rèn)腫瘤區(qū)域和OAR 的受照劑量是否符合計(jì)劃方案,該系統(tǒng)中提供了DVH 和劑量分布兩種評(píng)估方式。DVH分為差分DVH 和積分DVH,具體計(jì)算方式分別如公式(3)和公式(4)所示。
貴陽城鎮(zhèn)化發(fā)展的現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為:一是城鎮(zhèn)人口的增加。根據(jù)貴陽統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《第六次人口普查》數(shù)據(jù)顯示,近十年城鎮(zhèn)人口增加了67萬人,居住在城鎮(zhèn)的人口約為290萬人,占68.1%。同2000年第五次人口普查數(shù)據(jù)相比,城鎮(zhèn)人口增加了約67萬人,與省內(nèi)其他城市相比,2010年至2015年貴陽市的常住人口城鎮(zhèn)化率也處于領(lǐng)先位置 (如圖1);二是城鎮(zhèn)化率發(fā)展領(lǐng)先。根據(jù)貴州省統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《貴州省城鎮(zhèn)化發(fā)展情況分析》顯示,2013年貴陽市以71.12%位居省內(nèi)城鎮(zhèn)化率第一位。
該模塊用于管理患者的基本信息,包括病案號(hào)、姓名、性別、出生日期、電話、病區(qū)、主管醫(yī)生和臨床診斷等;影像列表用戶可導(dǎo)入患者的DICOM 數(shù)據(jù)(CT/MRI),并瀏覽該患者相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)、刪除列表框中的影像數(shù)據(jù)和查詢?cè)摶颊叩乃杏跋駭?shù)據(jù);計(jì)劃列表支持計(jì)劃的新建、修改、復(fù)制和刪除等功能。
2.2.2 圖像顯示模塊
該模塊用于施源器重建、計(jì)劃設(shè)計(jì)和計(jì)劃評(píng)估等功能。在施源器重建模塊可以設(shè)置施源器每個(gè)導(dǎo)管的屬性,并將以上設(shè)置保存為模板從而減少用戶重復(fù)工作。計(jì)劃設(shè)計(jì)包括計(jì)算參數(shù)、靶區(qū)權(quán)重、計(jì)算網(wǎng)格和放射源參數(shù)等內(nèi)容,在計(jì)算參數(shù)中可選擇放射源模型的文件位置和優(yōu)化時(shí)的迭代次數(shù);靶區(qū)權(quán)重可設(shè)置靶區(qū)和OAR 的目標(biāo)函數(shù)和權(quán)重;計(jì)算網(wǎng)格可設(shè)置計(jì)算的范圍和計(jì)算網(wǎng)格大?。环派湓磪?shù)可修改源的名稱、半衰期和參考空氣比釋動(dòng)能率等參數(shù),使計(jì)劃系統(tǒng)中的源數(shù)據(jù)與后裝機(jī)保持一致。計(jì)劃評(píng)估包括劑量分布和DVH 等信息,見圖3。用戶可根據(jù)需求設(shè)置個(gè)性化的參數(shù)如等劑量線的范圍、等劑量線的顏色、等劑量線的絕對(duì)劑量或相對(duì)劑量、靶區(qū)和OAR 的劑量體積等。
式中,R 為劑量率;Pi為選定區(qū)域V 中的某一點(diǎn);Ri為某一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的劑量率。
該模塊用于圖像預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)、靶區(qū)和OAR的勾畫和DICOM 文件維護(hù)等功能。圖像配準(zhǔn)支持CT/MRI 等影像數(shù)據(jù)的手動(dòng)配準(zhǔn)、點(diǎn)配準(zhǔn)和灰度配準(zhǔn)。該系統(tǒng)提供圓圈刷和自由筆兩種手動(dòng)勾畫方式以及通過閾值法的自動(dòng)勾畫方式,并支持對(duì)當(dāng)前層和最近有該器官勾畫的層之間的層都進(jìn)行插值勾畫。另外,對(duì)于勾畫結(jié)構(gòu)支持三維方向的外放操作,以及統(tǒng)計(jì)已勾畫的器官體積、層數(shù)等信息。
圖3 計(jì)劃評(píng)估
三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng)主界面如圖2 所示,通過工具欄按鈕實(shí)現(xiàn)各功能,包括選擇計(jì)劃對(duì)話框、圖像放大縮小對(duì)話框、勾畫工具面板對(duì)話框、劑量評(píng)估面板對(duì)話框以及近距離計(jì)劃面板對(duì)話框。
該模塊包括器官配置模塊和輸出模塊。器官配置模塊可用于設(shè)置OAR 和靶區(qū)在系統(tǒng)內(nèi)的默認(rèn)顏色及結(jié)構(gòu)的類型(靶區(qū)、OAR 等)。輸出模塊則用于修改數(shù)據(jù)輸出的配置,用于管理數(shù)據(jù)(新建、修改和刪除)傳輸?shù)奈恢?,且用戶可按照?shí)際需求在傳輸時(shí)選擇傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(計(jì)劃參數(shù)、結(jié)構(gòu)、計(jì)劃劑量和DICOM 等數(shù)據(jù))。另外,本系統(tǒng)可以通過輸出后裝機(jī)可執(zhí)行的文件實(shí)現(xiàn)與后裝機(jī)的交互目的,最終可按照計(jì)劃參數(shù)實(shí)現(xiàn)照射。
黑龍江農(nóng)墾齊齊哈爾管理局依安農(nóng)場(chǎng)始建于1956年,耕地8.5萬畝,人口5000多人。經(jīng)過60多年幾代農(nóng)場(chǎng)人的艱苦奮斗,如今農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整基本到位,城鎮(zhèn)建設(shè)管理日趨完善,職工生活水平普遍高于區(qū)域平均水平,打造富裕、文明、和諧、亮麗的花園式農(nóng)場(chǎng)初步實(shí)現(xiàn),先后獲得國家生態(tài)示范區(qū)、省優(yōu)美城鎮(zhèn)、省平安農(nóng)場(chǎng)、省級(jí)文明單位、省優(yōu)秀企業(yè)等多項(xiàng)榮譽(yù)。
選取從2022 年1—12 月收治的6 例患者(均為女性,患者年齡42~52 歲,平均年齡46 歲。)分別使用本系統(tǒng)和商用計(jì)劃系統(tǒng)(Elekta 公司的Oncentra 系統(tǒng))進(jìn)行近距離治療計(jì)劃的設(shè)計(jì),驗(yàn)證本系統(tǒng)優(yōu)化算法和劑量計(jì)算算法的準(zhǔn)確性,結(jié)果顯示,兩種計(jì)劃系統(tǒng)在DVH 參數(shù)的偏差均小于0.53%,γ 通過率在98.24%以上,且未通過γ 驗(yàn)證點(diǎn)的位置對(duì)臨床的影響可忽略。
本文針對(duì)長距離鏈路中的數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)模式和特點(diǎn),設(shè)計(jì)了鏈路狀態(tài)自適應(yīng)的FEC編碼算法:AdaCode.將幀內(nèi)編碼和幀間編碼有機(jī)結(jié)合起來,根據(jù)鏈路狀態(tài)動(dòng)態(tài)選擇編碼率,以最小冗余解碼出最多數(shù)據(jù)幀,極大降低丟包導(dǎo)致的超時(shí)重傳;同時(shí)幀間編碼采用噴泉碼,需要的反饋信息少,能有效提高鏈路利用率.
計(jì)劃系統(tǒng)是現(xiàn)代腫瘤放射治療流程中的重要組成部分,系統(tǒng)的性能對(duì)于治療效果有至關(guān)重要的作用。三維近距離治療系統(tǒng)技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)優(yōu)化過程,而該系統(tǒng)的研發(fā)是一項(xiàng)較大的工程,涉及近距離治療物理學(xué)、影像醫(yī)學(xué)、軟件工程、圖像處理等專業(yè)。本研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過前期的研究已實(shí)現(xiàn)近距離治療中的圖像配準(zhǔn)功能[13]、劑量計(jì)算[16]和逆向優(yōu)化算法[17]等功能,本研究則通過Microsoft Visual C++平臺(tái)以上述功能為基礎(chǔ)開發(fā)出了具有窗口式交互界面、可使用菜單或按鍵方式進(jìn)行操作的三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善該系統(tǒng)的功能,增加了患者信息模塊、計(jì)劃評(píng)估模塊和系統(tǒng)配置等模塊。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近距離治療計(jì)劃設(shè)計(jì)的全流程功能,包括患者信息管理、靶區(qū)和OAR 勾畫、近距離計(jì)劃設(shè)計(jì)和計(jì)劃評(píng)估等功能??傮w而言,該系統(tǒng)可滿足近距離治療計(jì)劃設(shè)計(jì)的基本要求,具備臨床實(shí)用性。
近距離治療相比外照射放療可減小擺位誤差,在靠近源處劑量高、源周邊劑量跌落陡峭可以更好地保護(hù)OAR,對(duì)于宮頸癌等部位腫瘤的放射治療有不可替代的作用。三維近距離治療是目前近距離治療的主流技術(shù),與傳統(tǒng)二維相比可以通過逆向優(yōu)化功能實(shí)現(xiàn)患者的個(gè)體化治療,具有降低患者OAR 劑量的潛力[19-20]。而劑量計(jì)算算法和優(yōu)化算法是三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng)研發(fā)中的難點(diǎn),需要同時(shí)滿足精準(zhǔn)和高效等基本要求。本系統(tǒng)對(duì)劑量計(jì)算的算法進(jìn)行了改進(jìn),劑量計(jì)算通過簡單查表乘以駐留時(shí)間就能實(shí)現(xiàn),明顯提高了劑量計(jì)算的時(shí)間,并且計(jì)劃的平均驗(yàn)證γ 通過率大于98%。目前已有研究者對(duì)三維近距離治療的逆向優(yōu)化算法進(jìn)行了研究[21-22],研究中使用的算法均會(huì)產(chǎn)生部分駐留時(shí)間變化幅度較大的計(jì)劃,導(dǎo)致劑量分布均勻性較差,增加了治療過程中不確定性因素的影響。本系統(tǒng)使用了一種可以控制駐留時(shí)間變化幅度的三維近距離治療逆向優(yōu)化算法,使用該算法計(jì)算Fletcher 施源器的計(jì)劃結(jié)果與商用計(jì)劃系統(tǒng)的結(jié)果相近。
根據(jù)國家癌癥中心2020 年發(fā)布的數(shù)據(jù)[23],2018 年中國大陸地區(qū)放療單位1463 家,近距離治療機(jī)僅339 家,按照每家單位1 臺(tái)近距離治療機(jī)的配置比例,全國僅23.2%的單位可開展近距離治療技術(shù)。近距離治療技術(shù)與其他放療技術(shù)相比利用率較低,這與診療流程規(guī)范、適應(yīng)證患者的篩選以及醫(yī)院的經(jīng)濟(jì)條件有關(guān)。另外,主流的三維近距離治療系統(tǒng)大多為進(jìn)口設(shè)備,價(jià)格昂貴等因素限制了該技術(shù)的廣泛使用。目前國產(chǎn)的近距離治療系統(tǒng)仍以二維治療為主,本研究研發(fā)的國產(chǎn)三維近距離系統(tǒng)可應(yīng)用于國產(chǎn)近距離治療系統(tǒng),在一定程度上增加了國產(chǎn)三維近距離治療系統(tǒng)的競爭力。
人工智能技術(shù)已廣泛應(yīng)用于放療OAR 的自動(dòng)分割領(lǐng)域,如康盛偉等[24]使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在CT 數(shù)據(jù)上自動(dòng)分割頭頸部腫瘤的OAR,其OAR 自動(dòng)分割的器官與人工勾畫的接近。而在近距離治療的流程中,施源器的重建是整個(gè)過程中非常關(guān)鍵的一步,施源器重建的精度和時(shí)間均會(huì)影響患者的劑量分布甚至療效[25-26]。目前國內(nèi)外對(duì)近距離治療中施源器的自動(dòng)重建研究較少,本研究團(tuán)隊(duì)已通過構(gòu)建U-Net 網(wǎng)絡(luò),將CT 圖像進(jìn)項(xiàng)預(yù)處理后導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò),通過人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了施源器的自動(dòng)重建工作[27],后續(xù)將繼續(xù)完善這一工作,將該技術(shù)移植到本系統(tǒng)中,進(jìn)一步提高本系統(tǒng)的適用性。
當(dāng)然,本系統(tǒng)仍有不足之處,在后期的版本中將進(jìn)一步豐富功能、優(yōu)化系統(tǒng)界面、在勾畫模塊增加勾畫結(jié)構(gòu)的三維顯示和結(jié)構(gòu)之間的布爾運(yùn)算功能、近距離計(jì)劃模塊增加多個(gè)計(jì)劃的DVH 圖和劑量分布圖的對(duì)比功能以及提高優(yōu)化速度等。另外,本研究中的病例數(shù)較少,后期將增加病例數(shù)來進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)優(yōu)化算法和劑量計(jì)算算法的準(zhǔn)確性。
綜上所述,本研究自主研發(fā)了一套具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維近距離治療計(jì)劃系統(tǒng),具備臨床所需基本功能,可實(shí)現(xiàn)近距離治療的三維計(jì)劃設(shè)計(jì)。