張帆

河南省南陽市中心醫(yī)院，河南南陽473000

三維放療計劃系統(tǒng)及關鍵技術分析

張帆

河南省南陽市中心醫(yī)院，河南南陽473000

伴隨醫(yī)學的飛速發(fā)展與進步，三維放療系統(tǒng)已在腫瘤放射治療中占據(jù)重要地位。三維放療系統(tǒng)是一個多類學科的綜合體，包括圖象處理技術、生物醫(yī)學工程、計算機圖象等多方面的內(nèi)容。為了進一步研究三維放療系統(tǒng)在醫(yī)療中的應用功效，做了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其相關技術的詳細分析。首先由三維放療系統(tǒng)的構(gòu)造入手，然后進入系統(tǒng)常用工具的簡單介紹，之后進入重點—三維放療計劃體系關鍵技能的探索及其功效的體現(xiàn)。作為三維放療計劃系統(tǒng)關鍵技術的理論探索，為后期研究提供了充足的理論依據(jù)。

CT模擬；三維放療計劃系統(tǒng)；關鍵技術

三維放射治療計劃系統(tǒng)是在早前的二維醫(yī)治計劃體系之上發(fā)展起來的，伴隨PC機圖形硬件裝備的變更，近年來，該項體系有了快速的進展。該體系目的明確，即根據(jù)腫瘤的生長及其生長的形態(tài)，再有針對性的進行照射，使得腫瘤組織和正常組織之間有了一個較明顯的坡度，如醫(yī)生用手術刀切除腫瘤，會產(chǎn)生整齊的邊緣，腫瘤不用開刀就可與外科手術治療所獲得的效果相同。

1 三維放療計劃體系構(gòu)造探討

三維放療計劃體系是一個內(nèi)容非常豐富的體系，不只是包括簡單的計劃生成和輸出，還包括對病人信息的管理，醫(yī)療設備的控制管理等。涉及到的范疇包含廣闊，包羅了圖象處置、軟件研發(fā)、器械監(jiān)控、腫瘤放射學等。

1.1 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

三維放療系統(tǒng)包含了計劃治療、CT影像機以及查詢工作站、模擬定位儀、加速器治療機等聯(lián)合組成，可以說三維放療系統(tǒng)是一個多元化網(wǎng)絡系統(tǒng)的集成。CT影像機主要是對患者的斷層圖象采用掃描并對信息進行輸入，再由計算機網(wǎng)絡裝備進入系統(tǒng)后將患者的放射醫(yī)治方案由三維計劃治療體系設計出來，放療科的醫(yī)務人員和加速器的科技人員依照系統(tǒng)設置的方案進行模擬機的試驗，待試驗合格后便可對其患者實施臨床的放療醫(yī)治。

1.2 組織結(jié)構(gòu)

三維放療體系從總體上看是由系統(tǒng)籌備、圖象籌備、規(guī)劃設計以及設計計劃四大部分所構(gòu)成。系統(tǒng)準備：主要負責系統(tǒng)安全處理以及用戶系統(tǒng)建立，建立機械計量學數(shù)據(jù)，檢查機器特性以及設備相關參數(shù)。圖象籌備：以膠片、MRI或CT座位進行圖象的輸入，標定圖象比例和圖像密度，并重點勾勒與鑒別靶區(qū)及重要的組織器官。規(guī)劃計劃：按照患者的實際疾病狀況選擇合適患者的照射方法及照射程度，同時還應對射野指數(shù)進行合理設置，中心照射、旋轉(zhuǎn)照射、源皮照射是經(jīng)常使用的幾種照射方法。設計計劃：依照規(guī)劃計劃的相關內(nèi)容對照射的劑量進行具體計算，再以多視覺、多方位、二維及三維等多種多樣的方式對組織器官以及腫瘤分布區(qū)域的劑量進行詳細觀察和測驗，同時評估放療計劃實施的可行度[2]。這四部分程序可由計算機網(wǎng)絡化、后臺操作以及分離形式完成。

2 三維放療計劃體系常用工具和反向治療研討

2.1 常用工具分析

從計算機發(fā)明以來，就以飛快發(fā)展的速度滲透到了生活中的各行各業(yè)。計算機在院內(nèi)放射科范疇的使用也有很久遠的歷史了。最初常用的是PC-12與RDA-8二維放射治療儀，后來隨著技術的不斷進步慢慢改進到三維放射技術。最原始的二維放療科技中，僅僅是簡單的進行代入公式，且放射劑量的計算也受到控制。國外研究人員最先開始了三維放射治療的研究，對計算劑量和圖像顯示進行了詳細的探討，這種研究的原理主要是在二維放射治療的基礎上，加速圖片顯示的循環(huán)速度，使得二維的彩色等級量面和解剖輪廓產(chǎn)生了三維的視覺效果。Vande等人開始鉆研經(jīng)由三維模仿的方法實行放射劑量的統(tǒng)計。BEV線束軸向視圖顯示方法研究出來之后，為三維放療技術的發(fā)展提供了一個大的進步[3]。BEV線束軸向視圖顯示方法比定位模擬圖像具有相似性，都是沿著術中軸的方向進行觀察。緊接著X光照片和CT數(shù)字化計算的應用，使得三維放射技術的發(fā)展更進一步。我國對于三維放療技術的研究是通過劑量體積直方圖來觀察，去評價三維放療的效果。三維放療在圖像的獲取和應用上，能夠更加清晰準確地勾畫出腫瘤靶區(qū)以及靶區(qū)結(jié)構(gòu)和正常組織[3]。三維放療計劃系統(tǒng)通過光照、紋理、透視等三維表面來渲染多種輪廓，然后通過蒙特卡洛計算方法來計算。蒙特卡洛計算方法可以精確的計算出在不同狀況中的劑量分布情況。CT模擬定位機包含了激光投影定位裝備、CT掃描裝備、三維放射醫(yī)治計劃。該體系可以進行準確無誤地定位和重建CT三維圖，并順著術中軸實行方向透視或者直接實行放射醫(yī)治。但CT掃描同時也會帶有一定的缺陷，就是掃描時間過于太長，對人體的移動組織和器官、大野照射等情況并不適用。

2.2 優(yōu)化方式與逆向醫(yī)治

三維放療體系尤為強調(diào)的是主動進行優(yōu)化，而對于分散不均勻的剖面放療，則更加需要實行逆向醫(yī)治方案。因為腫瘤監(jiān)控不單單依靠于物理劑量，更和總劑量的模式、分次次數(shù)、分次劑量有著緊密聯(lián)系。所以，針對方法如何優(yōu)質(zhì)化得到越來越多人的關心。通常來說，計算機優(yōu)化有兩部分構(gòu)成：第一，優(yōu)化條件制定。第二，優(yōu)化公式使用。還應思考正常組織損傷率、腫瘤控制率、生存質(zhì)量等標準。有了對應的優(yōu)化基礎以后，依照函數(shù)公式明確所需最大、最小的劑量參考值。在現(xiàn)實的應用中，因為無法得出理論條件下產(chǎn)生的負分布，所以為優(yōu)化強度調(diào)節(jié)療效，可應用圖象重建逼近法、無遺漏搜索法、模擬退火法以及二次方程法等來滿足對非負抵償?shù)目刂啤?/p>

3 三維放療計劃體系關鍵技能探索

數(shù)字化重建放射透視圖像（DRR），又稱放射圖象，該項技術在一定程度上對醫(yī)療工作者判斷患者病情并制訂治療方案時有著重大的作用。放射圖象獲得人體構(gòu)造和內(nèi)部各個組織器官等的灰色圖象是采用光等射線進行透視成像而產(chǎn)生的。與放射圖象有區(qū)別不同，這里的數(shù)字化重建放射圖象在數(shù)據(jù)采取上非直接通過機體，在進行類似于放射圖象的重建功能是建立在機器采取樣本數(shù)據(jù)的基礎之上，而這完整的程序只是在一個虛幻的人體內(nèi)實施。數(shù)字化重建放射圖像在減少病人痛苦的同時，還能夠最大限度增大設備的機動靈活性，節(jié)約醫(yī)療成本。模擬的理論定義是利用數(shù)字化重建放射透視圖像代替模擬定位機拍出射線片的一個過程，而在三維放療系統(tǒng)中，剖面解析圖、構(gòu)造圖以及等劑量曲線圖都是通過數(shù)字化重建放射圖像間接完成的。

3.1 光線放射法

光線放射法是實踐中常使用的方法，也是最先被提出的方法，我們把它看作是射線成像的數(shù)學模型的凸顯。發(fā)展經(jīng)過可大致分為五個步驟，如下：

①成立三維體素方陣；②從虛源順著射線透視的方向分為若干投影線條，一個平面內(nèi)像素對應一條投影線；③順次累加每一條投影線經(jīng)由的體素矩陣的交點的電子密度值；④求得投影線通過體素矩陣的有效射線長度；⑤把射線長度乘以累加值，兩者相乘所得值采用灰度分級表示，形成DRR圖象。

圖象中的若干個體素單位經(jīng)投影線所透過，影像平面的像素單位計量則是順著投影線上所有體素單位的減退量所進行的累加。基于所限制步長是光束投射法的最大特性，換言之，每個體素的長度相等經(jīng)投影線穿過之后。

3.2 快速生成算法

該算法的實現(xiàn)步驟與光束投射法類似，但要比光束投射方法更加科學，它在統(tǒng)計像素值時，可通過轉(zhuǎn)變從而改變步長。這種算法要求首先對大量的數(shù)據(jù)資料進行先處理，能夠提高時間效率，再加上步長的改變，此算法的優(yōu)勢更是得到展現(xiàn)。

4 三維放療計劃體系的功效體現(xiàn)

4.1 三維放療計劃體系的認知

考慮到人均生活消費水平的快速提高，加上放療相關的醫(yī)療器材的變換更新，再與前面我們所進行的對比結(jié)合起來，發(fā)現(xiàn)目前的計劃體系不能再滿足腫瘤放射臨床實踐醫(yī)治的現(xiàn)實狀況。但我國大多地方的多數(shù)醫(yī)院及其醫(yī)療部門體系處于舊階段，即傳統(tǒng)醫(yī)療計劃系統(tǒng)，使得在一定程度上我國腫瘤患者的放療效果沒有保證。

三維放療計劃系統(tǒng)的功效設計不單是對原有的二維醫(yī)治計劃系統(tǒng)功能的一種改造，經(jīng)改造后有很多獨特又重要的功能，就工作流程對比而言，與先前的二維醫(yī)治計劃系統(tǒng)有著很大的區(qū)分。在一體系之中，可以把全部框架分為兩大部分，即管理模塊和功能模塊。管理支持

模塊只要用于調(diào)解整個體系的工作程序，對功能模塊里面的四個子模塊之間的消息傳導發(fā)揮作用及對數(shù)據(jù)資料庫進行管理，同時協(xié)調(diào)人與機器的相通，由于用戶使用中存在問題，所以用于規(guī)范合理操作和監(jiān)督合法使用。管理模塊還一個功效就是管理多個合并規(guī)劃。功能模塊由四個小部分構(gòu)成。①醫(yī)學圖象的采集；②三維計劃的設計；③三維計劃的評判；④計劃輸出控制。四個模塊在功能和操作上都具有一定的獨立性。醫(yī)學圖像采集主要在模擬室，三維設計是在計劃室進行，同時在計劃室完成的還有三維評估，但由于各種原因，通常是由專業(yè)醫(yī)師或醫(yī)療團隊進行計劃控制又是在放療室。因為三維計劃設計與三維計劃評估是整個系統(tǒng)的要點，便成為了設計和開發(fā)的難點，該兩模塊中集中了多半重點技術。

4.2 三維放療計劃體系的詳細實現(xiàn)應用

4.2.1 主要功能模塊的實現(xiàn)（1）患者資料的監(jiān)管：患者資料可通過醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)獲取，也可通過患者在放療室由醫(yī)療器械操作人員對患者信息輸入本地數(shù)據(jù)庫，一旦輸入后不可輕易更改，擁有特定權(quán)限的操作人員能對患者的資料進行一定程度上的更改和刪減。

（2）醫(yī)學圖象資料的收集：三維放療計劃系統(tǒng)通過專用的網(wǎng)絡通路獲得的基本信息主要源自醫(yī)院內(nèi)部網(wǎng)絡和核磁共振儀等設備，該系統(tǒng)也支持其他醫(yī)學影像資料，如通過掃描儀的紙制圖像資料。

（3）三維計劃的設計：這里的三維計劃是指專業(yè)放療人員的較為全面具體的計劃，其中包括兩部分的實現(xiàn)，三維形體重建以及模擬照射。

（4）三維劑量計算：根據(jù)己布置的射野情況和預定的照射要求，需要通過計算來獲得每個照射野的劑量。預定的照射要求有若干個約束條件，包括計算精度的選擇、靶區(qū)規(guī)定劑量設定等。

（5）三維計劃的評估：經(jīng)驗模型現(xiàn)在仍是腫瘤放射治療評估的主要方式，依照系統(tǒng)給予的工具與模型進行一個比較，將對比結(jié)果用來衡量一個三維放療計劃的優(yōu)劣程度。一般該體系的評定項目包含腫瘤限制概率、并發(fā)癥狀的發(fā)生幾率、靶區(qū)最佳劑量。

（6）對計劃輸出的限制：待以上程序均完成且通過之后，下一步要針對具體狀況實施實際醫(yī)治手段。經(jīng)過系統(tǒng)嚴格的對外接口方式來控制加速器對患者所實行的醫(yī)治。為方便醫(yī)師進行觀測治療，還可通過專用打印機將計劃輸出到紙上。

4.2.2 管理模塊的實現(xiàn)一個計劃由于規(guī)模不一，所花費的時間也不同，從開始到制訂完成，時間花費在幾小時到數(shù)天不等，并且由于每個計劃最為麻煩的是劑量的計算，為了不浪費時間在劑量的計算中，我們通常會通過后臺程序進行計算，或在空閑時針對計劃特定部分進行修改，在某些程序執(zhí)行上可能會存在錯誤。而進行反復的重復執(zhí)行，要求我們在各個計劃的確定過程中需隨時查看與其相關的計劃，并對其進行監(jiān)察，并要隨時于所制定的計劃對比。由于這些程序使得強功能的計劃流程管理能力成為整個完整的系統(tǒng)的最基本的要求，同時又能對多個并行的計劃進行合并管理，所以管理模塊被要求本身擁有高效能的計劃規(guī)劃。

通過上述所需，該項體系在設計之初就支持計劃合并，體現(xiàn)在不僅可以處理數(shù)個短期內(nèi)的計劃，同時能在各種不同的計劃間進行更換。而且針對后臺優(yōu)先級方面也有所調(diào)整，解決了在后臺執(zhí)行計算任務的計劃中所有的優(yōu)先級問題。優(yōu)先級別的設定是根據(jù)各個不同的計劃規(guī)模和該計劃實施的執(zhí)行階段，同時為了方便變換，后臺的優(yōu)先關系還可通過人為進行修改，已達到理想效果，確保某些緊急的計劃被設定而進行優(yōu)先執(zhí)行[8]。按照規(guī)劃的優(yōu)先級別，各種規(guī)劃有所不同，其所占用的硬件資源也將按比例進行分配排序。為了對所有并行計劃進行規(guī)范化的統(tǒng)一管理，系統(tǒng)能自行默認為正在編輯的計劃所處的優(yōu)先級最高，沒有參與編輯的后臺計算的計劃將被拖后，即優(yōu)先級被默認為最低。

5 結(jié)語

綜上可知，三維放療體系是一個科學的醫(yī)療器械，它波及到許多方面的知識。隨著人們對醫(yī)療技術要求的不斷提高，許多疾病需要通過放療來控制，三維放療一定會應用的更加普及。它不僅在提升病灶局控率的同時，還提高病患的生存率以及生存時間，通過減少對正常組織的損傷、增加腫瘤提及劑量等用來提高患者生存療效，都具有尤為重要的意義。

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Three-dimensional Radiotherapy Planning System and the Analysis of Key Technology

ZHANG Fan
Nanyang Center Hospital,Nanyang,Henan Province,473000 China

With the rapid development and progress of medical science,three-dimensional radiotherapy system has been an important role in tumor radiotherapy.Three dimensional radiotherapy system is a complex of many kinds of disciplines, including image processing technology,biomedical engineering,computer graphics,etc..In order to further study the application effect of 3D radiotherapy system in medical treatment,this paper makes a detailed analysis of the system structure and related technology.First,the construction of three-dimensional radiation system,and then enter the system commonly used tools of the simple introduction,after entering the focus of this paper-the key techniques of three-dimensional radiotherapy planning system to explore its effectiveness.This paper is a theoretical exploration of the key technology of 3D radiotherapy planning system,which provides a theoretical basis for the later research.

CT simulation；Three dimensional radiotherapy；Key technology

R730.5

A

1672-5654（2015）08（a）-0140-03

10.16659/j.cnki.1672-5654.2015.22.140

2015-04-26）

張帆(1986.9-)，男，河南南陽人，本科，技師，研究方向：放療方面。