莫文杰，黃金漢，徐 升，羅傳文

（恩施土家族苗族自治州中心醫(yī)院腫瘤放療中心，湖北恩施 445000）

0 引言

調(diào)強放射治療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）因其能夠形成高度適形的劑量分布，現(xiàn)已成為一種主流放射治療技術(shù)[1]。為了控制和調(diào)整劑量分布，基于計劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）和危及器官（organs at risk，OAR）建立危及器官計劃體積（planning organs at risk volume，PRV）、劑量緩沖區(qū)、劑量控制環(huán)等劑量限制結(jié)構(gòu)成為制訂IMRT計劃時必不可少的步驟[2]。臨床工作中，放療物理師在使用美國瓦里安（Varian）公司醫(yī)用電子直線加速器配套軟件Eclipse制訂IMRT計劃時，需要以手工操作方式建立劑量限制結(jié)構(gòu)。雖然手工操作方式技術(shù)難度不高，但是步驟煩瑣、容易誤操作，放療物理師需要花費大量時間，降低了工作效率。謝朝等[3]使用AutoHotkey熱鍵腳本語言，編寫程序腳本來模擬放療物理師手工操作時的鍵盤和鼠標(biāo)的鍵擊動作，在一定程度上簡化了生成劑量限制結(jié)構(gòu)的操作。然而模擬手工操作的程序腳本運行速度較慢，且依賴于特定的計算機軟硬件環(huán)境，兼容性不佳，使用較為不便。為了使放療物理師能夠在Eclipse軟件中自動化創(chuàng)建劑量限制結(jié)構(gòu)，減少手工操作步驟、節(jié)省操作時間、提高工作效率，本文利用Eclipse軟件內(nèi)置的應(yīng)用程序開發(fā)接口Eclipse Scripting API，以Eclipse功能插件的形式開發(fā)了劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)[4]，可直接在Eclipse軟件中調(diào)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 需求分析

劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)的主要功能是檢索并顯示IMRT計劃中的PTV和OAR，接收用戶指定的操作對象和參數(shù)，對指定PTV和OAR進行相應(yīng)處理，從而生成劑量限制結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)檢索、結(jié)構(gòu)生成和界面顯示3個模塊。劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)開發(fā)流程

劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)的開發(fā)流程主要包括原理架構(gòu)設(shè)計、技術(shù)選型、界面設(shè)計、程序編碼、測試和臨床應(yīng)用反饋6個步驟。劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)開發(fā)流程

1.3 系統(tǒng)實現(xiàn)原理及架構(gòu)

為實現(xiàn)在Eclipse軟件中創(chuàng)建劑量限制結(jié)構(gòu)的功能，劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)與Eclipse軟件的交互主要包括：（1）讀取 IMRT計劃包含的PTV和OAR 的相關(guān)信息；（2）調(diào)用Eclipse的輪廓體積處理功能生成劑量限制結(jié)構(gòu)。Eclipse ScriptingAPI作為Eclipse軟件提供的應(yīng)用程序開發(fā)接口，使用戶可以編寫應(yīng)用程序讀取和操作Eclipse軟件中存儲的患者基本信息、放療影像和放療計劃等信息。本系統(tǒng)利用EclipseScriptingAPI檢索并讀取IMRT計劃中PTV和OAR的名稱、體積、三維輪廓等信息，通過調(diào)用Eclipse軟件自身的功能進行新建結(jié)構(gòu)、體積外擴和裁剪等操作，從而生成劑量限制結(jié)構(gòu)。劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.4 開發(fā)技術(shù)

劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)開發(fā)工具為Microsoft Visual Studio 2015，開發(fā)語言為Eclipse Scripting API指定編程語言C#，客戶端顯示技術(shù)采用WPF（WindowsPresentationFoundation），軟件開發(fā)框架.NETFramework版本為Eclipse V11版軟件中指定版本4.0。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 界面顯示模塊

劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)在安裝了Eclipse V11版軟件的計算機上均可以運行。用戶使用具有Eclipse軟件寫入操作權(quán)限的賬戶登錄后，在外照射計劃模塊中使用Tools菜單Scripts命令，選擇并運行程序文件DLS Generation System.esapi.dll，即可啟動本系統(tǒng)。

劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)啟動后，主界面作為Eclipse軟件的子窗口以模態(tài)窗口的形式顯示在Eclipse軟件主窗口之上，用戶必須關(guān)閉主界面才能繼續(xù)操作Eclipse軟件[5]。劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)主界面如圖4所示，分為PRV生成、劑量緩沖區(qū)生成、劑量控制環(huán)生成3個部分。通過調(diào)用結(jié)構(gòu)檢索模塊中按類型檢索功能，主界面將IMRT計劃中可以操作的所有PTV和OAR分別顯示在對應(yīng)區(qū)域，用戶可以選擇需要操作的對象，并指定相應(yīng)參數(shù)，點擊生成按鈕即可完成劑量限制結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。

圖4 劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)主界面

2.2 結(jié)構(gòu)檢索模塊

結(jié)構(gòu)檢索模塊由界面顯示模塊或結(jié)構(gòu)生成模塊調(diào)用，循環(huán)讀取IMRT計劃中的所有結(jié)構(gòu)（忽略未實際勾畫的空結(jié)構(gòu)），可以按照結(jié)構(gòu)類型或者結(jié)構(gòu)名稱檢索需要處理的PTV和OAR，檢索結(jié)果以列表的形式返回給界面顯示模塊或結(jié)構(gòu)生成模塊。結(jié)構(gòu)檢索模塊運行流程如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)檢索模塊運行流程圖

結(jié)構(gòu)檢索模塊應(yīng)用效果如圖6所示。其左側(cè)Eclipse軟件Context欄中列出了擬制訂IMRT計劃的結(jié)構(gòu)組CT_Plan，通過調(diào)用結(jié)構(gòu)檢索模塊，PRV生成區(qū)列出了類型為Organ的所有OAR（不包含Body結(jié)構(gòu)），劑量緩沖區(qū)生成區(qū)和劑量控制環(huán)生成區(qū)列出了類型為臨床靶區(qū)（clinicaltargetvolume，CTV）、腫瘤靶區(qū)（gross tumor volume，GTV）或 PTV 的結(jié)構(gòu)，忽略了 Esophagus、計劃臨床靶區(qū)（planning clinical target volume，PCTV）等4個未勾畫的結(jié)構(gòu)。

圖6 結(jié)構(gòu)檢索模塊應(yīng)用效果圖

2.3 結(jié)構(gòu)生成模塊

結(jié)構(gòu)生成模塊包括PRV生成、劑量控制環(huán)生成和劑量緩沖區(qū)生成3個子模塊。

2.3.1 PRV生成子模塊

在腫瘤放射治療過程中，某些串聯(lián)類型的OAR（例如脊髓）由于擺位、呼吸運動等原因?qū)е铝宋恢玫牟淮_定性和變化[6]。為了補償這種位置不確定性和變化，在IMRT計劃制訂過程中，放療物理師使用由OAR體積外擴生成的PRV進行劑量優(yōu)化和計劃評估。

用戶可以在本系統(tǒng)PRV生成區(qū)的OAR列表中勾選一個或多個OAR，并在OAR名稱后輸入需要外擴的寬度（單位為mm）。點擊生成按鈕后，PRV生成子模塊調(diào)用結(jié)構(gòu)檢索模塊檢索當(dāng)前結(jié)構(gòu)組中是否已經(jīng)存在對應(yīng)名稱的PRV，如果存在則引用該結(jié)構(gòu)，如果不存在則生成新結(jié)構(gòu)，然后按指定寬度對OAR的體積進行外擴生成一個新的體積，最后將新生成的體積賦值給目標(biāo)PRV，從而生成相應(yīng)的PRV。PRV生成子模塊運行流程如圖7所示。

圖7 PRV生成子模塊運行流程圖

2.3.2 劑量緩沖區(qū)生成子模塊

部分IMRT計劃具有2個不同處方劑量的PTV，且低劑量PTV與高劑量PTV部分重疊甚至完全包含，如圖 8（a）所示。圖中所示IMRT計劃存在名為PCTV和計劃腫瘤靶區(qū)（planning gross tumor volume，PGTV）的2個PTV，分別給予5 000和6 000 cGy的處方劑量，其中PCTV完全包含PGTV。如果按單一PTV的優(yōu)化方式對PCTV和PGTV各自設(shè)定劑量最低限值和最高限值，則產(chǎn)生了相互矛盾的優(yōu)化目標(biāo)，即PCTV的最高限值使PGTV無法達到處方劑量，同時PGTV的最低限值使PCTV內(nèi)出現(xiàn)超過限值的受照劑量。此時放療物理師需要裁剪PCTV來建立劑量緩沖區(qū)，以避免優(yōu)化目標(biāo)之間的矛盾。

劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)建立劑量緩沖區(qū)步驟如下：（1）將PGTV按指定的寬度進行體積外擴；（2）PCTV的體積減去PGTV外擴后的體積，生成名為PTV-Low 的結(jié)構(gòu)[圖 8（b）淺灰色空心圓結(jié)構(gòu)]；（3）使用PGTV外擴后的體積減去PGTV的體積，生成劑量緩沖區(qū)DoseBuffer[圖8（b）中深灰色空心圓結(jié)構(gòu)]。劑量緩沖區(qū)生成后，PGTV優(yōu)化目標(biāo)不變，放療物理師按原PCTV的優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化PTV-Low結(jié)構(gòu)，同時給予劑量緩沖區(qū)適當(dāng)?shù)膬?yōu)化目標(biāo)，使劑量緩沖區(qū)的受照劑量由6 000 cGy平滑過渡至5 000 cGy，從而避免了優(yōu)化目標(biāo)相互矛盾，使2個PTV均達到處方要求。

圖8 2個不同處方劑量的PTV和劑量緩沖區(qū)示意圖

2.3.3 劑量控制環(huán)生成子模塊

在制訂IMRT計劃時，放療物理師使用劑量控制環(huán)控制和調(diào)整PTV之外的劑量分布。劑量控制環(huán)是由PTV從內(nèi)至外多次外擴再反向裁剪生成的多層同心圓環(huán)式結(jié)構(gòu)。

劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)可按用戶指定的寬度在PTV之外生成4層控制環(huán)，把PTV邊緣向外的3層控制環(huán)依次命名為Ring1、Ring2和Ring3，第4層控制環(huán)是除PTV和內(nèi)層3個控制環(huán)之外的所有區(qū)域，命名為Ring4。劑量控制環(huán)的具體生成步驟如下：（1）將PTV體積外擴生成中間結(jié)構(gòu)V1，將V1體積外擴生成V2，將V2體積外擴生成V3；（2）用患者的整個Body結(jié)構(gòu)減去 V3，得到 Ring4；（3）用 V3 減去 V2，得到 Ring3，用 V2 減去 V1，得到 Ring2；（4）用 V1 減去PTV，得到最內(nèi)層控制環(huán)Ring1。

3 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

3.1 響應(yīng)用戶調(diào)用

為了在Eclipse軟件中響應(yīng)用戶的調(diào)用并使用Eclipse Scripting API的功能，劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)在源代碼文件中引用Eclipse V11版軟件提供的VMS.TPS.Common.Model.API.dll和VMS.TPS.Common.Model.Types.dll文件，其默認(rèn)安裝位置為C:Program Files(x86)VarianVision11.0Bin64，使用 using指令導(dǎo)入VMS.TPS.Common.Model.API和VMS.TPS.Common.Model.Types命名空間。響應(yīng)用戶調(diào)用的主要代碼如下：

namespace VMS.TPS

{

public class Script

{

public Script()

{}

public void Execute(ScriptContext context)

{

Patient patient=context.Patient;//引用當(dāng)前患者

StructureSet stSet=context.StructureSet;//引用當(dāng)前結(jié)構(gòu)組

//……顯示主界面等其他功能代碼

}

}

}

按照Eclipse Scripting API規(guī)范，上述代碼將程序的命名空間設(shè)置為VMS.TPS，同時定義名為Script的類，并在該類中定義Execute方法。Execute方法中包含名為context的ScriptContext類型參數(shù)，代表Eclipse軟件當(dāng)前載入的患者、影像、放療計劃等項目信息[7]。用戶調(diào)用劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)時，Eclipse軟件將自動運行Execute方法中的程序語句。

3.2 結(jié)構(gòu)檢索

劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)通過IEnumerable接口使用foreach循環(huán)語句讀取IMRT計劃中每一個結(jié)構(gòu)的名稱、類型等信息來完成結(jié)構(gòu)檢索。按類型檢索時使用結(jié)構(gòu)的DicomType屬性進行篩選，按名稱檢索時使用結(jié)構(gòu)的Id屬性進行篩選[8]。

3.3 新建結(jié)構(gòu)

劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)創(chuàng)建劑量限制結(jié)構(gòu)時，使用IMRT計劃結(jié)構(gòu)組的AddStructure方法新建對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。在調(diào)用AddStructure方法時，應(yīng)提供以字符串表示的新結(jié)構(gòu)的類型和新結(jié)構(gòu)的名稱2個參數(shù)。

3.4 體積的外擴與裁剪

在Eclipse Scripting API中，結(jié)構(gòu)的SegmentVolume屬性代表該結(jié)構(gòu)在三維空間中的輪廓體積。在對結(jié)構(gòu)的體積進行外擴時，調(diào)用其SegmentVolume屬性的Margin方法，以mm為單位進行外擴。在對結(jié)構(gòu)的體積進行裁剪時，調(diào)用其SegmentVolume屬性的Sub方法，即可從當(dāng)前結(jié)構(gòu)中減去目標(biāo)結(jié)構(gòu)。

4 應(yīng)用效果

4.1 功能與性能測試

在我院Eclipse軟件中，隨機調(diào)取OAR（包含腦干和脊髓）的IMRT計劃10例，測試劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)的PRV生成功能，PRV生成參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為腦干和脊髓均外擴5 mm。隨機調(diào)取具有2個PTV且處方劑量不同的IMRT計劃10例，測試劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)的劑量緩沖區(qū)生成功能，劑量緩沖區(qū)寬度統(tǒng)一設(shè)置為10 mm。隨機調(diào)取具有單一PTV的IMRT計劃10例，測試劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)的劑量控制環(huán)生成功能，統(tǒng)一設(shè)置第一至第三層控制環(huán)寬度均為10 mm。逐一運行劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)生成劑量限制結(jié)構(gòu)，記錄生成操作完成后信息提示窗口上顯示的操作時間。放療物理師在同一計算機上按相同參數(shù)手動生成相同類型劑量限制結(jié)構(gòu)，并記錄操作時間。測試結(jié)果詳見表1。

表1 2種生成方式平均用時對比（n=10）s

2種生成方式生成劑量限制結(jié)構(gòu)的平均用時對比顯示，劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)自動生成的劑量限制結(jié)構(gòu)外形輪廓、體積數(shù)值、顏色與手工生成完全一致，而操作用時大幅減少，符合功能設(shè)計要求。

4.2 臨床應(yīng)用

2018年7—12月間我院腫瘤放療中心放療物理師使用劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)累計對392個IMRT計劃生成劑量限制結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)因其操作簡單、運行快速、與Eclipse軟件完全兼容的優(yōu)勢，成功代替了放療物理師手工創(chuàng)建劑量限制結(jié)構(gòu)的操作，可滿足臨床工作需求。

5 結(jié)語

不同于模擬鍵盤和鼠標(biāo)動作的程序腳本，本文采用Eclipse Scripting API開發(fā)的劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)以功能插件的形式整合于Eclipse軟件中，擴展了Eclipse軟件的功能，使放療物理師在制訂IMRT計劃時，無需離開Eclipse軟件主界面即可直接調(diào)用系統(tǒng)實現(xiàn)自動化生成劑量限制結(jié)構(gòu)。劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)具有操作簡單、運行快速、與Eclipse軟件完全兼容等優(yōu)點，簡化了劑量限制結(jié)構(gòu)生成步驟，避免了放療物理師的重復(fù)勞動，減少了操作用時，提高了工作效率。但在劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)投入臨床應(yīng)用后，也暴露了劑量緩沖區(qū)生成模塊處理功能不足的缺陷。因其同時只能處理2個PTV，不能滿足部分IMRT計劃同時處理3~4個不同處方劑量PTV的需求。劑量限制結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)的下一步研究方向是開發(fā)具有處方劑量適應(yīng)功能的劑量緩沖區(qū)生成模塊，使其能夠自動完成低劑量PTV裁剪高劑量PTV，并根據(jù)PTV處方劑量的差值生成相應(yīng)寬度劑量緩沖區(qū)，從而能夠處理包含2個以上PTV的IMRT計劃。