吳凡，萬(wàn)斌，王培，黎杰，康盛偉，唐斌

四川省腫瘤醫(yī)院·研究所 放療中心，四川 成都 610041

引言

靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療中，治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）中的逆向優(yōu)化算法可以根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的靶區(qū)劑量目標(biāo)及周?chē)Ｆ鞴傧蘖縼?lái)優(yōu)化生成各角度射野平面內(nèi)射線(xiàn)不均勻的強(qiáng)度分布方案。為了實(shí)現(xiàn)這種方案，通常需要使用加速器內(nèi)置多葉準(zhǔn)直器（Multiple Leaf Collimator，MLC）[1-3]，借助于MLC 的多次運(yùn)動(dòng)形成一系列形狀各異的照射子野，從而使平面內(nèi)各點(diǎn)處累加特定強(qiáng)度的射線(xiàn)。另一種方法則是借助于物理補(bǔ)償器[4]，由于物理補(bǔ)償器各處的厚度不同，射線(xiàn)穿過(guò)其后便可直接形成不均勻的強(qiáng)度分布。

部分基層放療中心的加速器并未配備MLC 部件，此時(shí)調(diào)強(qiáng)放射治療可以采用專(zhuān)用五軸切割機(jī)來(lái)制作出特定患者的物理補(bǔ)償器以實(shí)現(xiàn)。然而TPS 通常只能輸出DICOM 標(biāo)準(zhǔn)文件，不具備直接輸出為切割機(jī)加工文件的功能，這對(duì)物理補(bǔ)償器在調(diào)強(qiáng)放療中的應(yīng)用造成了阻礙。因此，為了填補(bǔ)這個(gè)環(huán)節(jié)空缺，本文通過(guò)對(duì)于DICOM 放療計(jì)劃文件內(nèi)容的分析研究，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套能將DICOM 標(biāo)準(zhǔn)文件轉(zhuǎn)換為切割機(jī)加工文件的系統(tǒng)。而對(duì)于臨床中使用美國(guó)瓦里安MLC 進(jìn)行調(diào)強(qiáng)放療的場(chǎng)景，為了應(yīng)對(duì)DICOM 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)缺失或故障的情況，本系統(tǒng)也添加了將DICOM 標(biāo)準(zhǔn)文件轉(zhuǎn)換為醫(yī)用直線(xiàn)加速器能直接執(zhí)行的MLC 控制文件的功能。

1 總體設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Visual Studio 2010 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可運(yùn)行于Windows XP/7/10 操作系統(tǒng)上，采用了圖形界面以方便用戶(hù)操作。

1.2 DICOM協(xié)議

DICOM 協(xié)議為醫(yī)學(xué)圖像和相關(guān)信息的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，也是絕大多數(shù)臨床TPS 的輸出標(biāo)準(zhǔn)。為了讀取TPS 導(dǎo)出的RTplan 計(jì)劃文件信息，本系統(tǒng)采用了DCMTK 開(kāi)源庫(kù)[5]來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于DICOM 協(xié)議的支持。DCMTK 可直接運(yùn)行于Visual Studio 平臺(tái)上，方便系統(tǒng)導(dǎo)入患者的放療計(jì)劃RTplan 文件。

1.3 系統(tǒng)流程

用戶(hù)將TPS 系統(tǒng)導(dǎo)出的患者RTplan 文件放入指定文件夾中后，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)RTplan 文件的導(dǎo)入、分析，并按需選擇將RTplan 文件轉(zhuǎn)換為“MLC 控制文件”或“切割機(jī)加工文件”，然后進(jìn)行文件輸出。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

1.4 MLC控制文件的生成

系統(tǒng)將每一角度的射野逐一輸出為MLC 類(lèi)型控制文件。MLC 文件中包含F(xiàn)irst Name、Last Name、Patient ID等患者基本信息及Number of Fields、Number of Leaves、Gantry 等子野和葉片的總體信息，最后附加上每個(gè)子野的機(jī)器跳數(shù)MU 及子野中每一對(duì)葉片（如Leaf 1A、Leaf 1B、Leaf 2A、Leaf 2B 等）的位置信息。MLC 文件包含了放療計(jì)劃中各射野及其子野實(shí)現(xiàn)的所有必要信息，能夠被瓦里安直線(xiàn)加速器控制端直接調(diào)用執(zhí)行。

1.5 切割機(jī)加工文件的生成

1.5.1 補(bǔ)償材料的衰減系數(shù)

由于物理補(bǔ)償器的厚度與材料衰減系數(shù)呈相關(guān)性，分別測(cè)量加速器特定能量的相同強(qiáng)度射線(xiàn)照射不同厚度的低熔點(diǎn)鉛和黃銅兩種材料的透射量，并輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)由射線(xiàn)的指數(shù)衰減定律：

其中，Y 為透射量，x 為材料厚度。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，得出入射量A 和衰減系數(shù)μ。

1.5.2 補(bǔ)償器厚度矩陣的確立

用戶(hù)在2～8 mm 范圍內(nèi)選取補(bǔ)償器的空間分辨率R（例如3 mm），對(duì)于任一機(jī)架角度的射野，分別在X 方向和Y方向按分辨率劃分其射野平面（Xmax×Ymax）形成厚度二維矩陣Tij（1 ≤i ≤Xmax/R，1 ≤j ≤Ymax/R,），并生成與之尺寸一致的機(jī)器跳數(shù)矩陣MUij。然后分析RTplan 文件內(nèi)子野信息（MLC 葉片位置和機(jī)器跳數(shù)MU），統(tǒng)計(jì)射野平面內(nèi)某點(diǎn)Pn（Pn∈序號(hào)為i,j 的矩陣網(wǎng)格）處各子野Fm下的機(jī)器跳數(shù)Mmn之和，并存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)幾何位置的機(jī)器跳數(shù)矩陣中，見(jiàn)公式(2)：

由公式(3)將機(jī)器跳數(shù)矩陣MUij轉(zhuǎn)換為厚度矩陣Tij：

其中，MUtotal為單個(gè)射野的總跳數(shù)，Tmax為補(bǔ)償材料的最大厚度，最大厚度由材料的衰減系數(shù)決定，效果為將原射線(xiàn)衰減至2%。

1.5.3 切割機(jī)加工文件生成

系統(tǒng)為每個(gè)機(jī)架角度的射野生成一個(gè)切割機(jī)的輸入文件，文件格式為純文本文件，文件內(nèi)容為先前得到的厚度矩陣，矩陣中的每個(gè)數(shù)據(jù)代表相應(yīng)的位置需要切割的深度。

2 結(jié)果

系統(tǒng)的主界面如圖2 所示，主要包含以下幾個(gè)功能模塊。

圖2 射野強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主界面

（1）DICOM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入。從治療計(jì)劃系統(tǒng)直接導(dǎo)出患者的RTplan 文件后，將其放置在系統(tǒng)的導(dǎo)入路徑“DICOM”下，系統(tǒng)便可以讀取各患者的基本信息和計(jì)劃治療機(jī)信息，供用戶(hù)選擇調(diào)用。在數(shù)據(jù)量較小時(shí)用戶(hù)可以快速選取待轉(zhuǎn)換的計(jì)劃，但后期隨著計(jì)劃數(shù)量的逐漸累加，還需加入搜索功能以方便用戶(hù)查找。

（2）補(bǔ)償器材料的物理衰減數(shù)據(jù)錄入。臨床上，物理補(bǔ)償器可以選用銅、鉛等材料，用戶(hù)可以錄入選用材料的衰減數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)根據(jù)公式(2)、(3)自動(dòng)擬合出此材料的衰減系數(shù)及對(duì)應(yīng)補(bǔ)償器的最大厚度，如圖3 所示。

（3）MLC 控制文件的轉(zhuǎn)換及切割機(jī)加工文件的轉(zhuǎn)換。用戶(hù)選擇待轉(zhuǎn)換的患者計(jì)劃文件后，可以按照瓦里安加速器標(biāo)準(zhǔn)生成各個(gè)射野的MLC 控制文件，文件內(nèi)容如1.4 所述，生成的文件中部分內(nèi)容如圖4 所示。若需要轉(zhuǎn)換為切割機(jī)執(zhí)行文件，用戶(hù)在選擇補(bǔ)償器材料后，系統(tǒng)會(huì)生成包含補(bǔ)償器厚度矩陣信息（圖5）的切割機(jī)執(zhí)行文件，并傳輸至切割機(jī)。

圖3 補(bǔ)償器材料的衰減物理數(shù)據(jù)錄入界面

圖4 MLC控制文件的部分內(nèi)容

圖5 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的補(bǔ)償器厚度矩陣的三維顯示

3 討論與結(jié)論

調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)憑借其更好的靶區(qū)適型度、均勻度以及更低的正常器官受量的優(yōu)勢(shì)[6-9]，成為了當(dāng)代放療臨床的主流技術(shù)。射野強(qiáng)度分布的調(diào)節(jié)除了借助于加速器內(nèi)/外置的MLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)以外，制作物理補(bǔ)償器并放置于射野路徑中也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。研究表明，使用物理補(bǔ)償器進(jìn)行的調(diào)強(qiáng)放射治療，具有較好的魯棒性、較高的強(qiáng)度分布分辨率、簡(jiǎn)便的制作方式與質(zhì)控流程[10-12]。原則上來(lái)講，較之物理補(bǔ)償器技術(shù)，運(yùn)用MLC 來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)節(jié)效率較為低下，因?yàn)閱蝹€(gè)射野內(nèi)的強(qiáng)度分布圖需要依靠連續(xù)單個(gè)靜態(tài)的MLC 子野來(lái)組合完成，MLC 葉片的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和幾何限制都是延長(zhǎng)治療時(shí)間的因素。而基于MLC 的調(diào)強(qiáng)放射治療有著自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，這一點(diǎn)對(duì)于治療射野較多的情況下尤為明顯，目前大多數(shù)臨床放療中心也是采用MLC 來(lái)進(jìn)行調(diào)強(qiáng)治療。不過(guò)，對(duì)于治療野數(shù)較少的患者或者加速器上未配備MLC 的部分基層醫(yī)院，物理補(bǔ)償器未嘗不是一個(gè)好的調(diào)強(qiáng)治療方案。

多年前的商用治療計(jì)劃系統(tǒng)如XiO?具備直接計(jì)算補(bǔ)償器厚度矩陣的功能，但僅局限于特定的某補(bǔ)償材料[13]，因此用戶(hù)無(wú)法自主選擇補(bǔ)償器材料。Pinnacle 治療計(jì)劃系統(tǒng)可以將射線(xiàn)強(qiáng)度分布圖輸出到.decimal 公司提供的專(zhuān)業(yè)軟件并由公司來(lái)制作相應(yīng)的補(bǔ)償器[14]。目前，臨床多數(shù)商用治療計(jì)劃系統(tǒng)僅支持醫(yī)療影像行業(yè)的通用標(biāo)準(zhǔn)-DICOM 協(xié)議，而無(wú)法輸出射野強(qiáng)度分布信息為切割機(jī)能直接使用的補(bǔ)償器制作文件。因此對(duì)于多數(shù)放療中心而言，從治療計(jì)劃系統(tǒng)到切割機(jī)之間仍存在著較大的溝壑。本信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過(guò)對(duì)治療計(jì)劃系統(tǒng)導(dǎo)出的患者RTplan 文件的分析，轉(zhuǎn)換成為某種材料補(bǔ)償器的厚度矩陣，并直接輸出為切割機(jī)能執(zhí)行的文本文件，完成特定患者的物理補(bǔ)償器制作，從而在MLC 設(shè)備缺失或者故障的情況下實(shí)現(xiàn)調(diào)強(qiáng)放射治療。陳超敏等[15]也開(kāi)發(fā)了一套轉(zhuǎn)換物理補(bǔ)償器的制作方法，其直接將TPS 中的射野三維強(qiáng)度分布圖轉(zhuǎn)換為物理補(bǔ)償器幾何信息，如果制作工藝允許，此種方法支持較高的射線(xiàn)強(qiáng)度三維分辨率，可以較好地提升計(jì)劃質(zhì)量。但是目前大多臨床TPS無(wú)法直接輸出射線(xiàn)強(qiáng)度分布圖，所以這種方法使用范圍較為局限。本研究則是運(yùn)用TPS 的通用輸出標(biāo)準(zhǔn)-DICOM 文件來(lái)作為系統(tǒng)的輸入，因此能夠兼容所有TPS。但其局限性在于，本系統(tǒng)生成的切割矩陣三維分辨率始終受限于輸入RTplan 文件的MLC 幾何寬度和子野的數(shù)量，從而無(wú)法從根源上提升放療劑量分布的精度。不過(guò)其劑量結(jié)果精度依然可靠，據(jù)本團(tuán)隊(duì)先前的研究[16-17]，使用本系統(tǒng)制作的物理補(bǔ)償器的放療劑量分布與使用MLC 時(shí)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

另外，多數(shù)放療中心的患者放療計(jì)劃通常是從計(jì)劃系統(tǒng)輸出后，通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)傳遞到直線(xiàn)加速器進(jìn)行執(zhí)行。但部分基層醫(yī)院未購(gòu)置放療信息網(wǎng)絡(luò)，而即便有信息網(wǎng)絡(luò)的放療中心也會(huì)發(fā)生故障甚至癱瘓的情況，此時(shí)患者的放射治療計(jì)劃則無(wú)法有效傳輸?shù)街本€(xiàn)加速器，治療因此被擱置。此時(shí)可以由信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將放療計(jì)劃文件轉(zhuǎn)換生成MLC 控制文件，并直接傳遞給加速器控制端，完成計(jì)劃實(shí)施，這可以作為一個(gè)放療中心網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)的應(yīng)急方案。

本研究開(kāi)發(fā)的放療射野強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以有效地將患者的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃文件轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償器切割信息或者M(jìn)LC控制文件，實(shí)現(xiàn)基于補(bǔ)償器的調(diào)強(qiáng)放療，并在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)提供患者治療的應(yīng)急方案。