譚燕，王培，郎錦義，黎杰，王先良，唐斌

四川省腫瘤醫(yī)院 放療科，四川 成都 610041

引言

在放療定位CT圖像上勾畫腫瘤靶區(qū)與周圍正常器官是放射治療流程中至關(guān)重要的上流環(huán)節(jié)。目前，臨床上靶區(qū)的勾畫大多在國內(nèi)外廠家開發(fā)的商業(yè)治療計劃系統(tǒng)（Monaco?、PinnacleTM等）上完成，其功能比較豐富，基本可以滿足臨床需求，但是用戶個性化的功能卻難以定制。特別是當(dāng)前人工智能在醫(yī)學(xué)包括放療領(lǐng)域內(nèi)逐漸鋪開應(yīng)用背景下[1-5]，醫(yī)學(xué)影像中的灰度、紋理、區(qū)域統(tǒng)計等信息是大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)[6-13]，而目前臨床上廣泛使用的多數(shù)商業(yè)系統(tǒng)缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，相應(yīng)的研究工作也難以開展。本研究旨在自主開發(fā)一套放療靶區(qū)勾畫系統(tǒng)，配備基本的臨床功能，也同時開發(fā)出供學(xué)者研究的數(shù)據(jù)接口。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)簡介

本靶區(qū)勾畫系統(tǒng)——Scarts系統(tǒng)2.0版采用窗口式交互界面，使用菜單或按鍵的方式實現(xiàn)各功能。系統(tǒng)采用Visual C++作為系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計平臺[14]，具有開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和巨大的擴展能力，全面支持醫(yī)療行業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)DICOM。Scarts可安裝運行于Windows 2000/XP/7/10系統(tǒng)上，安裝包使用Inno Setup[15-16]開源軟件制作，安裝過程為交互性的操作方式。

1.2 DICOM標(biāo)準(zhǔn)

DICOM[17]（Digital Imaging and Communications in Medicine）是醫(yī)學(xué)圖像存儲和傳輸?shù)膰H通用標(biāo)準(zhǔn)。DICOM文件包含文件頭和數(shù)據(jù)集合，文件頭包含標(biāo)識數(shù)據(jù)集合的相關(guān)信息，數(shù)據(jù)集合包含醫(yī)學(xué)圖像及患者、序列等相關(guān)信息。本系統(tǒng)根據(jù)DICOM文件標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計讀取及存儲程序，方便與外界系統(tǒng)的直接對接。

1.3 圖像配準(zhǔn)

系統(tǒng)為多時序CT及MRI影像提供影像配準(zhǔn)的功能。用戶可采用點配準(zhǔn)或者灰度配準(zhǔn)方式：

（1）點配準(zhǔn)：分別在圖像A和圖像B上定義對應(yīng)的三組解剖結(jié)構(gòu)點或者標(biāo)志點，由系統(tǒng)按公式(1)計算出配準(zhǔn)相似度R。

其中pB和pA＇是分別來自圖像B和配準(zhǔn)后的圖像A上的對應(yīng)點的坐標(biāo)。然后對R進行優(yōu)化后確定最優(yōu)配準(zhǔn)參數(shù)，進行圖像轉(zhuǎn)換，完成配準(zhǔn)。

（2）灰度配準(zhǔn)：灰度配準(zhǔn)是基于兩幅圖像的數(shù)值灰度信息進行直接配準(zhǔn)的一種方式，本系統(tǒng)可以按公式(2)計算出圖像B及配準(zhǔn)后的圖像A＇的平均灰度方差R。

其中IB和IA＇分別為圖像B和配準(zhǔn)后的圖像A上對應(yīng)像素點的灰度值，N為像素點的數(shù)量，然后對R進行優(yōu)化后確定最優(yōu)配準(zhǔn)參數(shù)，進行圖像轉(zhuǎn)換，完成配準(zhǔn)。

（3）優(yōu)化過程：在多次的循環(huán)迭代中不斷更改配準(zhǔn)參數(shù)，配準(zhǔn)參數(shù)的更改方向在迭代中應(yīng)用梯度法來確定，在每一次迭代結(jié)束后計算配準(zhǔn)相似度指標(biāo)R，迭代過程持續(xù)到R達到收斂狀態(tài)，此時認(rèn)為最優(yōu)的配準(zhǔn)方式已經(jīng)達成，應(yīng)用此時對應(yīng)的配準(zhǔn)參數(shù)完成圖像配準(zhǔn)。

1.4 自動勾畫

目前本系統(tǒng)提供的自動勾畫算法為閾值勾畫法。首先選定需要勾畫的圖像灰度值范圍，然后在單幅或多幅圖像中尋找出符合選定灰度范圍的像素點，完成勾畫。在不同的圖像窗寬窗位條件下，閾值勾畫法可以自動勾畫出肺、骨骼、脊髓、腦室組織等密度與鄰近組織器官差異較大的正常器官。

2 結(jié)果

系統(tǒng)運行主界面，見圖1。系統(tǒng)各功能可通過菜單選擇，并以工具欄按鈕的方式來實現(xiàn)，符合Windows經(jīng)典交互的使用習(xí)慣。

圖1 系統(tǒng)主界面

Scarts勾畫系統(tǒng)可實現(xiàn)圖像預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)、靶區(qū)勾畫、靶區(qū)信息統(tǒng)計、DICOM文件信息維護五個主要功能，見圖2。用戶可以加載臨床最為常用的CT和（或）MRI圖像，并支持圖像窗寬窗位的調(diào)節(jié)，對于CT多時序圖像或者CT/MRI圖像提供手動配準(zhǔn)、點配準(zhǔn)和面配準(zhǔn)的配準(zhǔn)方法[18]，為臨床靶區(qū)勾畫做好準(zhǔn)備。用戶進行靶區(qū)勾畫時，可以選擇“圓圈刷”或“自由筆”的手動勾畫方式，或者采用自動閾值法對于肺、腦室等正常器官進行快速勾畫。對于已勾畫的靶區(qū)，可以統(tǒng)計勾畫的層數(shù)和體積等。

各患者的靶區(qū)及影像DICOM文件按照獨立文件夾的方式進行存放和管理，用戶可直接在特定患者文件夾內(nèi)通過復(fù)制、粘貼DICOM文件的操作來導(dǎo)入或?qū)С霭袇^(qū)及影像數(shù)據(jù)，操作直觀、快捷。存入文件夾的患者信息可以在病人列表中顯示查看及篩選（圖3）。一些個性化的輸出需求比如靶區(qū)勾畫的范圍、CT影像的灰度值信息也可以通過系統(tǒng)的輸出功能進行導(dǎo)出。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

圖3 病人數(shù)據(jù)列表

本系統(tǒng)經(jīng)5名放療醫(yī)師使用20例放療患者進行勾畫測試。勾畫過程順暢，軟件運行穩(wěn)定，臨床靶區(qū)及正常組織的勾畫均能順利完成。勾畫結(jié)果能正確導(dǎo)入其他臨床商用系統(tǒng)，兼容性較好，方便進行下一步的計劃制作。

3 討論

本系統(tǒng)實現(xiàn)了靶區(qū)及危及器官的手動勾畫功能，肺、脊髓、皮膚等器官可使用自動勾畫功能完成快速勾畫，提高了臨床工作效率。系統(tǒng)為多時序CT影像間提供灰度配準(zhǔn)方式，對于CT及MRI影像用戶也可選用點配準(zhǔn)方式進行影像配準(zhǔn)，方便在勾畫時做出更好的判斷。總體而言，勾畫系統(tǒng)可以滿足臨床的基本勾畫需求，具有完成臨床患者靶區(qū)勾畫的能力。在與國內(nèi)其他自主研發(fā)的勾畫系統(tǒng)（例如上海大圖云）相比，本勾畫系統(tǒng)功能還相對簡單，在今后的版本中，將視需求逐漸加入更多的臨床實用功能，如靶區(qū)波爾運算、勾畫的三維顯示、計劃劑量的查看與疊加、與PACS系統(tǒng)對接等。

在全面信息化的時代，數(shù)據(jù)的寶貴性和重要性不言而喻。醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用是當(dāng)今世界的重要研究方向，也是我國時下重點鼓勵與支持的熱點技術(shù)。目前臨床商用靶區(qū)勾畫系統(tǒng)雖功能比較完善，但數(shù)據(jù)的輸出和統(tǒng)計缺乏友好的接口，不利于自主研究的開展。本系統(tǒng)完全由筆者自主開發(fā)，初衷為研發(fā)出一套可同時滿足臨床與研究的雙重需求的有力工具，實現(xiàn)相關(guān)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的操作與輸出，為大數(shù)據(jù)及人工智能方面的研究提供基礎(chǔ)和保障。

4 結(jié)論

本研究自主開發(fā)了一套靶區(qū)勾畫系統(tǒng)，能滿足臨床勾畫的基本需求，同時可以按需輸出影像相關(guān)的信息，為影像數(shù)據(jù)研究工作提供工具。