張帆

河南省南陽(yáng)市中心醫(yī)院，河南南陽(yáng)473000

三維放療計(jì)劃系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)分析

張帆

河南省南陽(yáng)市中心醫(yī)院，河南南陽(yáng)473000

伴隨醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展與進(jìn)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(gè)多類學(xué)科的綜合體，包括圖象處理技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)圖象等多方面的內(nèi)容。為了進(jìn)一步研究三維放療系統(tǒng)在醫(yī)療中的應(yīng)用功效，做了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)的詳細(xì)分析。首先由三維放療系統(tǒng)的構(gòu)造入手，然后進(jìn)入系統(tǒng)常用工具的簡(jiǎn)單介紹，之后進(jìn)入重點(diǎn)—三維放療計(jì)劃體系關(guān)鍵技能的探索及其功效的體現(xiàn)。作為三維放療計(jì)劃系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)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(jì)劃系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

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

1 三維放療計(jì)劃體系構(gòu)造探討

三維放療計(jì)劃體系是一個(gè)內(nèi)容非常豐富的體系，不只是包括簡(jiǎn)單的計(jì)劃生成和輸出，還包括對(duì)病人信息的管理，醫(yī)療設(shè)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(xué)等。

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

三維放療系統(tǒng)包含了計(jì)劃治療、CT影像機(jī)以及查詢工作站、模擬定位儀、加速器治療機(jī)等聯(lián)合組成，可以說(shuō)三維放療系統(tǒng)是一個(gè)多元化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成。CT影像機(jī)主要是對(duì)患者的斷層圖象采用掃描并對(duì)信息進(jìn)行輸入，再由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)裝備進(jìn)入系統(tǒng)后將患者的放射醫(yī)治方案由三維計(jì)劃治療體系設(shè)計(jì)出來(lái)，放療科的醫(yī)務(wù)人員和加速器的科技人員依照系統(tǒng)設(shè)置的方案進(jìn)行模擬機(jī)的試驗(yàn)，待試驗(yàn)合格后便可對(duì)其患者實(shí)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(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)計(jì)劃四大部分所構(gòu)成。系統(tǒng)準(zhǔn)備：主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)安全處理以及用戶系統(tǒng)建立，建立機(jī)械計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)，檢查機(jī)器特性以及設(shè)備相關(guān)參數(shù)。圖象籌備：以膠片、MRI或CT座位進(jìn)行圖象的輸入，標(biāo)定圖象比例和圖像密度，并重點(diǎn)勾勒與鑒別靶區(qū)及重要的組織器官。規(guī)劃計(jì)劃：按照患者的實(shí)際疾病狀況選擇合適患者的照射方法及照射程度，同時(shí)還應(yīng)對(duì)射野指數(shù)進(jìn)行合理設(shè)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(shè)計(jì)計(jì)劃：依照規(guī)劃計(jì)劃的相關(guān)內(nèi)容對(duì)照射的劑量進(jìn)行具體計(jì)算，再以多視覺、多方位、二維及三維等多種多樣的方式對(duì)組織器官以及腫瘤分布區(qū)域的劑量進(jìn)行詳細(xì)觀察和測(cè)驗(yàn)，同時(shí)評(píng)估放療計(jì)劃實(shí)施的可行度[2]。這四部分程序可由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化、后臺(tái)操作以及分離形式完成。

2 三維放療計(jì)劃體系常用工具和反向治療研討

2.1 常用工具分析

從計(jì)算機(jī)發(fā)明以來(lái)，就以飛快發(fā)展的速度滲透到了生活中的各行各業(yè)。計(jì)算機(jī)在院內(nèi)放射科范疇的使用也有很久遠(yuǎn)的歷史了。最初常用的是PC-12與RDA-8二維放射治療儀，后來(lái)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步慢慢改進(jìn)到三維放射技術(shù)。最原始的二維放療科技中，僅僅是簡(jiǎn)單的進(jìn)行代入公式，且放射劑量的計(jì)算也受到控制。國(guó)外研究人員最先開始了三維放射治療的研究，對(duì)計(jì)算劑量和圖像顯示進(jìn)行了詳細(xì)的探討，這種研究的原理主要是在二維放射治療的基礎(chǔ)上，加速圖片顯示的循環(huán)速度，使得二維的彩色等級(jí)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(shí)行放射劑量的統(tǒng)計(jì)。BEV線束軸向視圖顯示方法研究出來(lái)之后，為三維放療技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)大的進(jìn)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(shù)中軸的方向進(jìn)行觀察。緊接著X光照片和CT數(shù)字化計(jì)算的應(yīng)用，使得三維放射技術(shù)的發(fā)展更進(jìn)一步。我國(guó)對(duì)于三維放療技術(shù)的研究是通過(guò)劑量體積直方圖來(lái)觀察，去評(píng)價(jià)三維放療的效果。三維放療在圖像的獲取和應(yīng)用上，能夠更加清晰準(zhǔn)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(jì)劃系統(tǒng)通過(guò)光照、紋理、透視等三維表面來(lái)渲染多種輪廓，然后通過(guò)蒙特卡洛計(jì)算方法來(lái)計(jì)算。蒙特卡洛計(jì)算方法可以精確的計(jì)算出在不同狀況中的劑量分布情況。CT模擬定位機(jī)包含了激光投影定位裝備、CT掃描裝備、三維放射醫(yī)治計(jì)劃。該體系可以進(jìn)行準(zhǔn)確無(wú)誤地定位和重建CT三維圖，并順著術(shù)中軸實(shí)行方向透視或者直接實(shí)行放射醫(yī)治。但CT掃描同時(shí)也會(huì)帶有一定的缺陷，就是掃描時(shí)間過(guò)于太長(zhǎng)，對(duì)人體的移動(dòng)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(qiáng)調(diào)的是主動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，而對(duì)于分散不均勻的剖面放療，則更加需要實(shí)行逆向醫(yī)治方案。因?yàn)槟[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(duì)方法如何優(yōu)質(zhì)化得到越來(lái)越多人的關(guān)心。通常來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)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(yīng)思考正常組織損傷率、腫瘤控制率、生存質(zhì)量等標(biāo)準(zhǔn)。有了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化基礎(chǔ)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(shí)的應(yīng)用中，因?yàn)闊o(wú)法得出理論條件下產(chǎn)生的負(fù)分布，所以為優(yōu)化強(qiáng)度調(diào)節(jié)療效，可應(yīng)用圖象重建逼近法、無(wú)遺漏搜索法、模擬退火法以及二次方程法等來(lái)滿足對(duì)非負(fù)抵償?shù)目刂啤?/p>

3 三維放療計(jì)劃體系關(guān)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(xiàng)技術(shù)在一定程度上對(duì)醫(yī)療工作者判斷患者病情并制訂治療方案時(shí)有著重大的作用。放射圖象獲得人體構(gòu)造和內(nèi)部各個(gè)組織器官等的灰色圖象是采用光等射線進(jìn)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(guò)機(jī)體，在進(jìn)行類似于放射圖象的重建功能是建立在機(jī)器采取樣本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，而這完整的程序只是在一個(gè)虛幻的人體內(nèi)實(shí)施。數(shù)字化重建放射圖像在減少病人痛苦的同時(shí)，還能夠最大限度增大設(shè)備的機(jī)動(dòng)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(jī)拍出射線片的一個(gè)過(guò)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(guò)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(shí)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(xué)模型的凸顯。發(fā)展經(jīng)過(guò)可大致分為五個(gè)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(gè)平面內(nèi)像素對(duì)應(yīng)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(diǎn)的電子密度值；④求得投影線通過(guò)體素矩陣的有效射線長(zhǎng)度；⑤把射線長(zhǎng)度乘以累加值，兩者相乘所得值采用灰度分級(jí)表示，形成DRR圖象。

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

3.2 快速生成算法

該算法的實(shí)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(xué)，它在統(tǒng)計(jì)像素值時(shí)，可通過(guò)轉(zhuǎn)變從而改變步長(zhǎng)。這種算法要求首先對(duì)大量的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行先處理，能夠提高時(shí)間效率，再加上步長(zhǎng)的改變，此算法的優(yōu)勢(shì)更是得到展現(xiàn)。

4 三維放療計(jì)劃體系的功效體現(xiàn)

4.1 三維放療計(jì)劃體系的認(rèn)知

考慮到人均生活消費(fèi)水平的快速提高，加上放療相關(guān)的醫(yī)療器材的變換更新，再與前面我們所進(jìn)行的對(duì)比結(jié)合起來(lái)，發(fā)現(xiàn)目前的計(jì)劃體系不能再滿足腫瘤放射臨床實(shí)踐醫(yī)治的現(xiàn)實(shí)狀況。但我國(guó)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(jì)劃系統(tǒng)，使得在一定程度上我國(guó)腫瘤患者的放療效果沒有保證。

三維放療計(jì)劃系統(tǒng)的功效設(shè)計(jì)不單是對(duì)原有的二維醫(yī)治計(jì)劃系統(tǒng)功能的一種改造，經(jīng)改造后有很多獨(dú)特又重要的功能，就工作流程對(duì)比而言，與先前的二維醫(yī)治計(jì)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(gè)體系的工作程序，對(duì)功能模塊里面的四個(gè)子模塊之間的消息傳導(dǎo)發(fā)揮作用及對(duì)數(shù)據(jù)資料庫(kù)進(jìn)行管理，同時(shí)協(xié)調(diào)人與機(jī)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(gè)功效就是管理多個(gè)合并規(guī)劃。功能模塊由四個(gè)小部分構(gòu)成。①醫(yī)學(xué)圖象的采集；②三維計(jì)劃的設(shè)計(jì)；③三維計(jì)劃的評(píng)判；④計(jì)劃輸出控制。四個(gè)模塊在功能和操作上都具有一定的獨(dú)立性。醫(yī)學(xué)圖像采集主要在模擬室，三維設(shè)計(jì)是在計(jì)劃室進(jìn)行，同時(shí)在計(jì)劃室完成的還有三維評(píng)估，但由于各種原因，通常是由專業(yè)醫(yī)師或醫(yī)療團(tuán)隊(duì)進(jìn)行計(jì)劃控制又是在放療室。因?yàn)槿S計(jì)劃設(shè)計(jì)與三維計(jì)劃評(píng)估是整個(gè)系統(tǒng)的要點(diǎn)，便成為了設(shè)計(jì)和開發(fā)的難點(diǎn)，該兩模塊中集中了多半重點(diǎn)技術(shù)。

4.2 三維放療計(jì)劃體系的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用

4.2.1 主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)（1）患者資料的監(jiān)管：患者資料可通過(guò)醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)獲取，也可通過(guò)患者在放療室由醫(yī)療器械操作人員對(duì)患者信息輸入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，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(duì)患者的資料進(jìn)行一定程度上的更改和刪減。

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

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

（4）三維劑量計(jì)算：根據(jù)己布置的射野情況和預(yù)定的照射要求，需要通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得每個(gè)照射野的劑量。預(yù)定的照射要求有若干個(gè)約束條件，包括計(jì)算精度的選擇、靶區(qū)規(guī)定劑量設(shè)定等。

（5）三維計(jì)劃的評(píng)估：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ同F(xiàn)在仍是腫瘤放射治療評(píng)估的主要方式，依照系統(tǒng)給予的工具與模型進(jìn)行一個(gè)比較，將對(duì)比結(jié)果用來(lái)衡量一個(gè)三維放療計(jì)劃的優(yōu)劣程度。一般該體系的評(píng)定項(xiàng)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(duì)計(jì)劃輸出的限制：待以上程序均完成且通過(guò)之后，下一步要針對(duì)具體狀況實(shí)施實(shí)際醫(yī)治手段。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)嚴(yán)格的對(duì)外接口方式來(lái)控制加速器對(duì)患者所實(shí)行的醫(yī)治。為方便醫(yī)師進(jìn)行觀測(cè)治療，還可通過(guò)專用打印機(jī)將計(jì)劃輸出到紙上。

4.2.2 管理模塊的實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)劃由于規(guī)模不一，所花費(fèi)的時(shí)間也不同，從開始到制訂完成，時(shí)間花費(fèi)在幾小時(shí)到數(shù)天不等，并且由于每個(gè)計(jì)劃最為麻煩的是劑量的計(jì)算，為了不浪費(fèi)時(shí)間在劑量的計(jì)算中，我們通常會(huì)通過(guò)后臺(tái)程序進(jìn)行計(jì)算，或在空閑時(shí)針對(duì)計(jì)劃特定部分進(jìn)行修改，在某些程序執(zhí)行上可能會(huì)存在錯(cuò)誤。而進(jìn)行反復(fù)的重復(fù)執(zhí)行，要求我們?cè)诟鱾€(gè)計(jì)劃的確定過(guò)程中需隨時(shí)查看與其相關(guān)的計(jì)劃，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)察，并要隨時(shí)于所制定的計(jì)劃對(duì)比。由于這些程序使得強(qiáng)功能的計(jì)劃流程管理能力成為整個(gè)完整的系統(tǒng)的最基本的要求，同時(shí)又能對(duì)多個(gè)并行的計(jì)劃進(jìn)行合并管理，所以管理模塊被要求本身?yè)碛懈咝艿挠?jì)劃規(guī)劃。

通過(guò)上述所需，該項(xiàng)體系在設(shè)計(jì)之初就支持計(jì)劃合并，體現(xiàn)在不僅可以處理數(shù)個(gè)短期內(nèi)的計(jì)劃，同時(shí)能在各種不同的計(jì)劃間進(jìn)行更換。而且針對(duì)后臺(tái)優(yōu)先級(jí)方面也有所調(diào)整，解決了在后臺(tái)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的計(jì)劃中所有的優(yōu)先級(jí)問題。優(yōu)先級(jí)別的設(shè)定是根據(jù)各個(gè)不同的計(jì)劃規(guī)模和該計(jì)劃實(shí)施的執(zhí)行階段，同時(shí)為了方便變換，后臺(tái)的優(yōu)先關(guān)系還可通過(guò)人為進(jìn)行修改，已達(dá)到理想效果，確保某些緊急的計(jì)劃被設(shè)定而進(jìn)行優(yōu)先執(zhí)行[8]。按照規(guī)劃的優(yōu)先級(jí)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(jìn)行分配排序。為了對(duì)所有并行計(jì)劃進(jìn)行規(guī)范化的統(tǒng)一管理，系統(tǒng)能自行默認(rèn)為正在編輯的計(jì)劃所處的優(yōu)先級(jí)最高，沒有參與編輯的后臺(tái)計(jì)算的計(jì)劃將被拖后，即優(yōu)先級(jí)被默認(rèn)為最低。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上可知，三維放療體系是一個(gè)科學(xué)的醫(yī)療器械，它波及到許多方面的知識(shí)。隨著人們對(duì)醫(yī)療技術(shù)要求的不斷提高，許多疾病需要通過(guò)放療來(lái)控制，三維放療一定會(huì)應(yīng)用的更加普及。它不僅在提升病灶局控率的同時(shí)，還提高病患的生存率以及生存時(shí)間，通過(guò)減少對(duì)正常組織的損傷、增加腫瘤提及劑量等用來(lái)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(yáng)人，本科，技師，研究方向：放療方面。