吳江月

基于Android平臺(tái)的放射誘導(dǎo)肺損傷計(jì)算

吳江月

目的：在Android平臺(tái)上進(jìn)行放射誘導(dǎo)的肺損傷（radiation-induced lung toxicity，RILT）發(fā)生率綜合指標(biāo)計(jì)算，來評(píng)估待選胸部放療計(jì)劃中肺組織的不同劑量體積指標(biāo)優(yōu)劣交錯(cuò)的情況。方法：利用NTCP-Lyman模型將劑量體積直方圖（dose volume histograms，DVH）數(shù)據(jù)綜合為正常組織并發(fā)癥概率（nalcomplication probability，NTCP），基于Android平臺(tái)開發(fā)RILT發(fā)生率計(jì)算軟件。結(jié)果：在Android系統(tǒng)的模擬機(jī)和真機(jī)上調(diào)試運(yùn)行，能夠快速計(jì)算出RILT發(fā)生率，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。結(jié)論：Android平臺(tái)不需版權(quán)費(fèi)用，具有穩(wěn)定性、便攜性、開放性好等特點(diǎn)，利用其計(jì)算放射誘導(dǎo)肺損傷，可輔助評(píng)估胸部放療計(jì)劃。

Android平臺(tái)；放射誘導(dǎo)肺損傷；積分計(jì)算

0 引言

周圍正常組織產(chǎn)生并發(fā)癥較少，并且腫瘤控制率最大，才是一個(gè)理想的放射治療計(jì)劃。肺癌患者接受根治性放療，在6周～6個(gè)月后，發(fā)生放射誘導(dǎo)肺損傷（radiation-induced lung toxicity，RILT）的有13%～37%。被廣泛接受的三維放療計(jì)劃評(píng)估方法是劑量體積直方圖（dose volume histograms，DVH），臨床上通常把Vdose（接受某一照射劑量的肺體積占全肺體積的百分比）作為評(píng)估放療計(jì)劃優(yōu)劣和預(yù)測(cè)肺損傷的指標(biāo)[1]。

Vdose只是DVH中的一個(gè)點(diǎn)，其余信息并不能體現(xiàn)。各種DVH參數(shù)和放射性肺炎的發(fā)生均有密切的關(guān)系，并非相互獨(dú)立。單一的DVH參數(shù)對(duì)放射性肺炎的發(fā)生并不具有非常好的預(yù)測(cè)作用。正常組織的一定體積接受一定劑量照射后，發(fā)生正常組織并發(fā)癥的概率就是正常組織并發(fā)癥概率（nalcomplication probability，NTCP）。NTCP能夠全面體現(xiàn)整個(gè)DVH的信息，其與放射性肺損傷之間的相關(guān)性是現(xiàn)有的治療方法中最為密切的。不同計(jì)劃的優(yōu)劣，通過綜合DVH得到的正常組織發(fā)生并發(fā)癥概率的大小一目了然。因此，各種DVH參數(shù)融合為NTCP與RILT更具有相關(guān)性。

如圖1所示，3個(gè)待選放療計(jì)劃中，肺受量分別在V10、V20、V30等處具有優(yōu)勢(shì)，難以作出合理的取舍。而單一的劑量體積指標(biāo)無法給出一個(gè)選擇的標(biāo)準(zhǔn)。RILT發(fā)生概率指標(biāo)涵蓋了全部劑量體積指標(biāo)，并且可以直接比較不同治療方案治療后的RILT發(fā)生概率，治療后獲得RILT發(fā)生率低的治療方案較好。但是RILT發(fā)生概率涉及等效體積和積分的復(fù)雜運(yùn)算，難以推廣應(yīng)用。

圖1 3個(gè)放療方案的肺劑量體積圖

1 放射誘導(dǎo)的肺損傷發(fā)生率的計(jì)算方法

周衛(wèi)兵等[2]研究了NTCP-RSM、NTCP-Lyman、LQ-Poisson-TCP、Poisson-TCP、Logit-TCP和Zaider-TCP 6種NTCP模型，其中NTCP-Lyman模型計(jì)算放射誘導(dǎo)的肺損傷與臨床比較吻合。文獻(xiàn)[3]中也廣泛采用NTCP-Lyman模型預(yù)測(cè)放射肺炎的發(fā)生率。NTCP-Lyman模型為[4]

式中：n為無單位的體積效應(yīng)系數(shù)，表示體積效應(yīng)的大?。籱為劑量效應(yīng)曲線的斜率；D50（V=1）、D50（V）分別為整個(gè)肺容積、部分肺容積受到照射的2種情況中，產(chǎn)生50%患者輻射誘導(dǎo)的肺損傷所需的劑量。m、n值是用以上公式擬合臨床資料的劑量和并發(fā)癥發(fā)生率之間的關(guān)系曲線而得出。肺的D50、n、m值分別為124.5 Gy、0.87和0.18。

事實(shí)上肺受到的并非均勻的照射，在應(yīng)用NTCPLyman公式時(shí)必須轉(zhuǎn)化為模型假設(shè)的整個(gè)器官或組織及其一部分受到的均勻照射劑量。較常用的轉(zhuǎn)化方法是Kutcher算法，根據(jù)DVH數(shù)據(jù)計(jì)算出器官的等效體積（Veff），該體積小于或等于最大劑量均勻照射整個(gè)器官體積所受到的器官損傷[5]。用不規(guī)則形狀的累積劑量體積直方圖計(jì)算等效體積，把不均勻的劑量體積直方圖轉(zhuǎn)化成一定高度的體積和劑量，直方圖中的最大劑量就是Dmax[6]。假設(shè)原直方圖與轉(zhuǎn)化后的直方圖產(chǎn)生相同的并發(fā)癥，并假設(shè)各個(gè)階梯高度直方圖之和的擴(kuò)展間符合冪律關(guān)系，則

式中：n是一個(gè)標(biāo)量參數(shù)。直方圖的每一階梯應(yīng)用此方程，得到整個(gè)直方圖的Veff：

式

（1）中的積分區(qū)間為[-∞，t]，不便于進(jìn)行數(shù)值積分運(yùn)算，經(jīng)過以下變換的積分區(qū)間為[0，t]：

數(shù)值積分采用矩形公式要達(dá)到同樣精度，需要更多循環(huán)次數(shù)來計(jì)算更多數(shù)據(jù)，占據(jù)了進(jìn)程，影響電話接聽等其他應(yīng)用，也使劑量體積數(shù)據(jù)輸入量增大，因此，采用梯形數(shù)值積分公式計(jì)算[7]。

2 軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

放射誘導(dǎo)肺損傷計(jì)算系統(tǒng)的架構(gòu)總體上采取人機(jī)互動(dòng)型架構(gòu)的MVC（模型—視圖—控制器）設(shè)計(jì)模式，劃分了層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由View層、Controller層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)交互層構(gòu)成?？刂破魇且晥D和模型之間連接的橋梁，確保視圖和模型同步?？刂破鹘邮找晥D傳遞過來的指令，交給模型進(jìn)行邏輯處理后，模型通知控制器按照處理的結(jié)果更新視圖。

View作為用戶視圖層，主要由放射誘導(dǎo)肺損傷計(jì)算系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的界面組成。設(shè)計(jì)該軟件是為了廣大醫(yī)生用Android手機(jī)綜合劑量體積數(shù)據(jù)來評(píng)估放射性肺炎發(fā)生的概率，而Android手機(jī)的品種規(guī)格繁多，在不同屏幕上的顯示效果不同。為此，采用盡可能簡(jiǎn)潔的視圖小工具，以便在多樣化Android手機(jī)上都有較一致的顯示效果。因?yàn)閿?shù)據(jù)較多，采用了全屏列表框加Android菜單鍵。編輯修改所需要的輸入法占據(jù)一半左右的屏幕，另外設(shè)置了一個(gè)編輯活動(dòng)界面；刪除操作無需輸入法，以長按彈出菜單實(shí)現(xiàn)。計(jì)算前需要核對(duì)全部輸入數(shù)據(jù)，用不能修改數(shù)據(jù)的列表框加按鈕實(shí)現(xiàn)。按鈕在列表最下方，點(diǎn)擊按鈕后，壓縮列表框，按鈕跳到上方邊側(cè)，下方顯示計(jì)算結(jié)果。設(shè)置了3個(gè)活動(dòng)界面：顯示數(shù)據(jù)（3個(gè)菜單）、編輯修改數(shù)據(jù)（2個(gè)按鈕）、計(jì)算數(shù)據(jù)（1個(gè)按鈕）。添加界面就是插入新記錄后的編輯界面，活動(dòng)界面和菜單都統(tǒng)一用XML定義[8]。

在界面切換中伴隨信息處理過程較復(fù)雜，不便于規(guī)劃和設(shè)計(jì)。輸入數(shù)據(jù)越多，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，但是超過20個(gè)數(shù)據(jù)后，精度就無顯著提高。輸入數(shù)據(jù)多少不確定，也是不采用活動(dòng)界面?zhèn)鬟f參數(shù)而用數(shù)據(jù)庫的原因。在數(shù)據(jù)庫內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)表格，有數(shù)據(jù)序號(hào)、劑量和體積3個(gè)字段。由于數(shù)據(jù)庫的操作相對(duì)較慢，為了提高效率，只在啟動(dòng)程序的時(shí)候進(jìn)行一次數(shù)據(jù)庫操作，將表格中的所有數(shù)據(jù)都讀入到內(nèi)存中。這是通過managedQuery()來獲取Cursor。Cursor返回是一個(gè)二維的表格，行是具體的元素，列是該元素具體的屬性[9]。

模型在另外2個(gè)層次是暗箱操作，根據(jù)該請(qǐng)求的數(shù)據(jù)查看和數(shù)據(jù)源作為更新后的關(guān)聯(lián)邏輯處理視圖。添加處理各種業(yè)務(wù)邏輯，并在相關(guān)活動(dòng)的數(shù)據(jù)交換，需要寫進(jìn)與交互層交互的數(shù)據(jù)庫。主要程序代碼如下：

doublea=1.149;doublem=0.18;double D50=24.5;

cursor.moveToFirst();

temptwo[0]=Double.valueOf(cursor.getString(2));

tempthree[0]=Double.valueOf(cursor.getString(3));

double temp=tempthree[0];

cursor.moveToNext();

for(int i=1;i＜j;i++){

temptwo[i]=Double.valueOf(cursor.getString(2));

tempthree[i]=Double.valueOf(cursor.getString(3));

tempfour[i]=Math.pow(temptwo[i]/temptwo[0],a);

tempfive[i]=tempthree[i]-tempthree[i-1];

temp=temp+tempfour[i]*tempfive[i];

cursor.moveToNext();

}

double tempone=tempthree[j-1];

double VE=temp/tempone;//

double TT=D50*Math.pow(VE，-1/a);

double TB=(temptwo[0]-TT)/(10*m*TT);

double BB=Math.exp(-100*TB*TB/2)+1;

for(int k=1;k＜10;k++){

BB=BB+2*Math.exp(-k*TB*k*TB/2);

}

DecimalFormat df = new DecimalFormat(" #0.00000");

String NTCPS=df.format(0.5+TB*BB/(2*Math. sqrt(2*Math.PI)));

double NTCP=Double.valueOf(NTCPS);

3 應(yīng)用分析

在Android系統(tǒng)的模擬機(jī)和真機(jī)上調(diào)試運(yùn)行，能夠快速計(jì)算出RILT發(fā)生率，完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。不同版本的Android系統(tǒng)具有一致的顯示效果，可輔助評(píng)估胸部放療計(jì)劃。軟件主要界面如圖2所示。

圖2 軟件主要運(yùn)行界面

圖1所示的3個(gè)胸部腫瘤放療計(jì)劃中，方案一V10最低而V30最高，方案二V20最高而V30最低，方案三V10最高而V20最低，各有利弊。將3個(gè)方案的DVH數(shù)據(jù)分別輸入本文的RILT計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果是方案一的NTCP=0.013 41，方案二的NTCP=0.021 46，方案三的NTCP=0.032 47。這樣，綜合各個(gè)劑量點(diǎn)體積數(shù)據(jù)的NTCP指標(biāo)，就可以直接看出方案一比方案二、方案三在肺的保護(hù)上更好些。

4 結(jié)語

由三維計(jì)劃DVH得到NTCP，使治療方案的評(píng)估和比較可以從生物效應(yīng)分布的角度進(jìn)行，不僅能預(yù)測(cè)輻射的正常組織的生物效應(yīng)，也可以比較不同治療計(jì)劃的利弊。尤其對(duì)于并行器官的肺組織，單一劑量點(diǎn)指標(biāo)在不同放療方案中可能優(yōu)劣交錯(cuò)，難以取舍。另外，各種DVH參數(shù)和放射性肺炎的發(fā)生均有密切關(guān)系，并非相互獨(dú)立。單一的DVH參數(shù)對(duì)放射性肺炎的發(fā)生并不具有非常好的預(yù)測(cè)作用，從綜合劑量體積數(shù)據(jù)的NTCP指標(biāo)可以直接全面地看出各個(gè)備選方案的優(yōu)劣。因?yàn)橛嘘P(guān)軟件尚未被商業(yè)化和其設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，以及基于不利于普及的高性能臺(tái)機(jī)，所以基于NTCP指標(biāo)的放療方案評(píng)估方法并沒有廣泛采用。隨著Android平臺(tái)硬件性能的不斷提升，并且具有不需版權(quán)費(fèi)用、穩(wěn)定性、便攜性、開放性等特點(diǎn)，必將成為醫(yī)療軟件開發(fā)應(yīng)用的主流系統(tǒng)平臺(tái)之一[10]。

[1] 王冬青，翟利民，高敏，等.肺劑量體積直方圖參數(shù)與非小細(xì)胞肺癌放射性肺炎的相關(guān)性[J].中華臨床醫(yī)師雜志：電子版，2013（8）：3 372-3 376.

[2] 周衛(wèi)兵，馮炎，陳佳藝，等.放射生物模型在乳腺癌放療計(jì)劃評(píng)價(jià)中的比較[J].中華放射腫瘤學(xué)雜志，2008，17（4）：293-297.

[3] Korreman S S，Pedersen A N，Aanrup L R，et al.Reduction of cardiac and pulmonary complication probabilities after breathing adapted radiontherapy for breast cancer[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，2006，65（5）：1 375-1 380.

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[5] Sehuhheiss T E.The controversies and pitfalls in modeling normal tissue radiation injury/damage[J]. Semin Radiat Oncol，2001（11）：210-214.

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[7] 姜煒，黑月林，呂仲虹.正常組織并發(fā)癥概率的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2004，21（1）：134-137.

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[9] 彭艷.基于嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite的智能導(dǎo)游系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20（4）：254-256.

[10]任國宏.移動(dòng)醫(yī)療中平板計(jì)算機(jī)的應(yīng)用及不同操作系統(tǒng)的對(duì)比分析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（6）：81-83.

（收稿：2014-04-03 修回：2014-10-20）

Radiation-induced lung toxicity calculation based on Android platform

WU Jiang-yue
（Anqing Municipal Hospital,Anqing 246003,Anhui Province,China）

ObjectiveTo calculate the incidence rate of radiation-induced lung toxicity(RILT)based on Android platform so as to evaluate the indexes of lung dose volume of different chest radiotherapy plans.MethodsNTCP-Lyman model was used to transform dose volume histogram(DVH)into normal tissue complication probability(NTCP).The software was developed for calculating RILT incidence rate based on Android platform.ResultsTrials on simulation machine and real machine with Android system proved the desired functions were realized for calculating the incidence rate of RILT rapidly.ConclusionAndroid platform,with high stability,portability,compatibility and no need for copyright fee,can be used to calculate RILT for auxiliary evaluation of chest radiotherapy plan.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（4）：48-50]

Android platform;radiation-induced lung toxicity;integral calculation

R318；R818

A

1003-8868（2015）04-0048-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.04.048

吳江月（1974—），男，物理師，工程師，主要從事放射治療方面的研究工作，E-mail：wujiangyue@vip.163.com。

246003安徽安慶，安慶市立醫(yī)院（吳江月）