游依琪，鄭萬佳 ，鄭智滿，黃慎 ，陸世培，張俊 ，李存嘯，陶亞嵐，林承光 ，楊鑫，黃曉延 ，夏云飛

1.中山大學(xué)腫瘤防治中心/華南腫瘤學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/腫瘤醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心/廣東省鼻咽癌診治研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510060；2.中山大學(xué)新華學(xué)院，廣東廣州510520

前言

放射治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得安全性問題更為突出、引人關(guān)注［1］。對人體器官結(jié)構(gòu)、劑量體積直方圖的規(guī)范度量、劑量和體積單位的統(tǒng)一命名，以提高其清晰度和一致性，逐漸成為放療實(shí)踐的一種新需求［2］。標(biāo)準(zhǔn)化有多種好處，例如有助于臨床試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集，使得機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)共享更安全，即使在一個(gè)機(jī)構(gòu)內(nèi)也能減少工作人員之間溝通的錯(cuò)誤（如：醫(yī)生與物理師之間、物理師與劑量師之間、多種計(jì)劃系統(tǒng)之間）［3］，這也有利于治療計(jì)劃質(zhì)量控制［4］和放射治療科的IT管理［5］。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，AAPM TG-263（The American Association of Physicists in Medicine Task Group 263）提供了放射腫瘤結(jié)構(gòu)命名報(bào)告［3,6］，以便用于計(jì)劃設(shè)計(jì)、臨床試驗(yàn)及數(shù)據(jù)集的采集與操作［7-8］。

由于調(diào)強(qiáng)放射治療（IMRT）具有陡峭的劑量跌落梯度、精準(zhǔn)的劑量調(diào)制、更好的危及器官保護(hù)能力，因此廣泛應(yīng)用在頭頸部腫瘤［9］。在鼻咽癌IMRT中，危及器官勾畫無論在放療前計(jì)劃設(shè)計(jì)、放療前計(jì)劃評估、療程中修改治療計(jì)劃和影像引導(dǎo)等，都是一個(gè)至關(guān)重要的關(guān)鍵步驟［10］。且危及器官與靶區(qū)之間有著較為復(fù)雜的關(guān)系，鼻咽癌患者的腦干、脊髓、腮腺等重要器官與靶區(qū)位置毗鄰［11］，在危及器官勾畫時(shí)對結(jié)構(gòu)命名上沒有統(tǒng)一的準(zhǔn)則與策略，容易造成疏漏與混淆，也給計(jì)劃設(shè)計(jì)帶來一定的難度，在后期進(jìn)行劑量統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，也帶來不少困難［12］。因此，對頭頸部腫瘤放療結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一命名，顯得尤為重要。國際上，已有研究團(tuán)隊(duì)基于AAPM TG-263的報(bào)告，進(jìn)行有益的探索，并應(yīng)用于實(shí)際臨床［13］。本文通過編程實(shí)現(xiàn)頭頸腫瘤放射治療的結(jié)構(gòu)文件命名的標(biāo)準(zhǔn)化。

1 資料與方法

1.1 病例選擇

隨機(jī)選擇中山大學(xué)腫瘤防治中心的139例放射治療計(jì)劃，每位患者經(jīng)主治醫(yī)師初步勾畫靶區(qū)后，由副主任或主任醫(yī)師進(jìn)行審核。其中鼻咽癌患者127例，其他頭頸部腫瘤患者12例（如淋巴瘤、腦膠質(zhì)瘤、喉癌）。在127例鼻咽癌腫瘤患者中，其中女性38例，男性89例。所有患者均接受IMRT治療，放療處方為68.1 Gy/30 F。本文所使用的病例資料、臨床數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，均上傳至RDD（Research Data Deposit,www.researchdata.org.cn）平臺進(jìn)行審核（RDDB2018000256）。

1.2 程序解析

DICOM標(biāo)準(zhǔn)的全稱即醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信標(biāo)準(zhǔn)，旨在規(guī)范化圖像的格式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字影像的通信。DICOM為醫(yī)療設(shè)備圖像和信息傳輸提供了交互的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)［14］。目前大多數(shù)醫(yī)療成像設(shè)備都符合DICOM 3.0標(biāo)準(zhǔn)，MATLAB的IPT（Image Processing Toolbox）提供了dicominfo()函數(shù)來讀取DICOM圖像源數(shù)據(jù)（metadata）的文件信息。調(diào)用后各種相關(guān)信息包含在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中返回［15］。

DICOM RT（Radiotherapy in DICOM）標(biāo)準(zhǔn)是對DICOM標(biāo)準(zhǔn)在放療領(lǐng)域的補(bǔ)充［16］。DICOM RT標(biāo)準(zhǔn)中的放療結(jié)構(gòu)文件（Radiotherapy Structure File）或放療結(jié)構(gòu)集對象（Radiotherapy Structure Set）主要用于傳送病人結(jié)構(gòu)和相關(guān)數(shù)據(jù)，在結(jié)構(gòu)集信息實(shí)體中，其主要包含結(jié)構(gòu)集模塊、醫(yī)生感興趣區(qū)域輪廓模塊（ROI Contour）和感興趣區(qū)域觀察模塊（ROI Observations）等［17］。

本文從放療結(jié)構(gòu)文件中抽取出輪廓數(shù)據(jù)（Contour data），實(shí)現(xiàn)對醫(yī)生勾畫待感興趣區(qū)域的解析。解析方法如下：首先，找到每位患者放療結(jié)構(gòu)文件下的路徑；然后，調(diào)用函數(shù)dicominfo()讀取路徑下結(jié)構(gòu)文件DICOM的信息，返回在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中（rtssheader）；讀取結(jié)構(gòu)體下ROIContourSequence的結(jié)構(gòu)數(shù)量（rtssheader.ROIContourSequence）后，在StructureSetROISequence下，依次讀取ROIContourSequence結(jié)構(gòu)數(shù)對應(yīng)的感興趣區(qū)域名字ROIName結(jié)構(gòu)，返回結(jié)構(gòu)字段于一個(gè)結(jié)構(gòu)體中；最后，調(diào)用函數(shù)xlswrite()輸出每個(gè)結(jié)構(gòu)文件所對應(yīng)的子結(jié)構(gòu)字段到Excel保存。對所有子結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)，找出命名規(guī)律及差異，并以靶區(qū)、危及器官、其他輔助結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵詞進(jìn)行結(jié)構(gòu)的歸類。

1.3 轉(zhuǎn)換過程

按照AAPM TG-263報(bào)告命名標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則下制定的轉(zhuǎn)化規(guī)則，經(jīng)過程序的轉(zhuǎn)換，將原結(jié)構(gòu)文件下的結(jié)構(gòu)命名成功轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化命名，并另存為新的標(biāo)準(zhǔn)化命名放療結(jié)構(gòu)文件（圖1）。

1.4 轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出

本文轉(zhuǎn)換結(jié)果以新的標(biāo)準(zhǔn)化命名的DICOM RT文件進(jìn)行輸出。DICOM RT標(biāo)準(zhǔn)作為放療信息傳輸?shù)膰H通用標(biāo)準(zhǔn)，放療系統(tǒng)的整個(gè)流程由DICOM RT標(biāo)準(zhǔn)的各個(gè)模塊組成［18］。

本文的輸出采用一致的DICOM RT標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)放療信息的標(biāo)準(zhǔn)化存儲和規(guī)范化的管理，使得放療信息能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)放療信息的交互，為今后放射治療的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)［19］。

2 結(jié)果

2.1 結(jié)構(gòu)名的數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析

圖1 放療結(jié)構(gòu)命名標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化示意圖Fig.1 Diagrams of standardization of structure nomenclatures

139例患者的DICOM Structure文件中，共有7 044個(gè)結(jié)構(gòu)，其中靶區(qū)共2 217個(gè)［大體腫瘤靶區(qū)（GTV）510個(gè)、臨床靶區(qū)（CTV）431個(gè)、計(jì)劃靶區(qū)（PTV）1 276個(gè)］，危及器官4 069個(gè)，輔助結(jié)構(gòu)758個(gè)，平均每位患者有（50.68±15.43）個(gè)結(jié)構(gòu)（最多85個(gè)，最少7個(gè)）。所有的子結(jié)構(gòu)中，共有1 096種寫法（區(qū)分大小寫及空格），包括靶區(qū)（GTV 201種、CTV 47種、PTV 301種）、危及器官（265種）、輔助結(jié)構(gòu)（282種）的寫法。

對所有歸類后、標(biāo)準(zhǔn)化之前的結(jié)構(gòu)名進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，前50種如圖2所示，橫坐標(biāo)為結(jié)構(gòu)數(shù)量，縱坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)化之前的結(jié)構(gòu)。危及器官腦干和脊髓在139例患者中的命名最為統(tǒng)一。

2.2 結(jié)構(gòu)名種類統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1 非靶區(qū)（危及器官）命名 在非靶區(qū)（危及器官）的寫法中，對同一結(jié)構(gòu)的不同寫法種類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，命名種類較多的5種結(jié)構(gòu)（表1），其中寫法最多的器官為視交叉，有42種（圖3）。在視交叉的寫法中最多的寫法為OR OP chiasm、OR OP Nerve-Chia。

2.2.2 靶區(qū)命名 靶區(qū)結(jié)構(gòu)命名方法比非靶區(qū)結(jié)構(gòu)更為多樣，有前綴和后綴的各種組合。如：用于定義靶區(qū)位置（GTVnd-L、PTVnd-R）、按靶區(qū)順序（CTV1、PTV2）、按靶區(qū)類型（GTVnx、GTVnd）、按靶區(qū)劑量（CTV-54、PTV6800）等。在靶區(qū)的命名中，PTV的結(jié)構(gòu)數(shù)量比GTV和CTV多，命名也最為復(fù)雜（圖4）。

2.2.3 輔助結(jié)構(gòu)命名 輔助結(jié)構(gòu)經(jīng)常被用作劑量優(yōu)化的工具，而不是劑量評估。這類結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建由于計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，不同人員命名上的習(xí)慣不同而存在多樣性，極易與用于劑量評估的結(jié)構(gòu)造成混淆，從而存在安全隱患。輔助結(jié)構(gòu)主要有以下幾類寫法：（1）計(jì)劃系統(tǒng)自動生成的劑量線結(jié)構(gòu)，如：Dose 7400［cGy］；（2）用于計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)的一些輔助結(jié)構(gòu)，如：Temp、Ring等；（3）其他一些自定義的名稱結(jié)構(gòu)，如：add54、limit46、down6000、up5040，以及純數(shù)字 5400 等。AAPM TG-263報(bào)告建議，選擇一個(gè)字符，例如“z”或“_”作為前綴的結(jié)構(gòu)（如zRing），這確保前綴字母結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)列表底。

圖2 結(jié)構(gòu)數(shù)量前50名統(tǒng)計(jì)Fig.2 Top 50 structures

2.3 建立轉(zhuǎn)換規(guī)則

AAPM TG-263報(bào)告在結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建中定義了一些指導(dǎo)規(guī)則［7］：一旦新的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建，遵循這些規(guī)則前，要確保命名在當(dāng)前系統(tǒng)有可操作性和結(jié)構(gòu)的一致性，確保能使用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算來辨別命名。例如，在非靶區(qū)結(jié)構(gòu)中有以下命名規(guī)則：（1）所有的結(jié)構(gòu)被限制在16個(gè)字符或者更少；（2）復(fù)數(shù)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)尾端使用字母“s”或者“i”（如：Lungs、Hippocampi）；（3）首字母大寫；（4）不使用空格，使用下劃線；（5）空間范疇結(jié)構(gòu)用“下劃線尾端加字符”區(qū)分，如：左側(cè)用“_L”標(biāo)識；（6）腺體結(jié)構(gòu)使用Glnd_、空腔體使用Spc_等命名指導(dǎo)規(guī)則。

根據(jù)AAPM TG-263報(bào)告的指導(dǎo)規(guī)則，制定轉(zhuǎn)化規(guī)則，將結(jié)構(gòu)與其標(biāo)準(zhǔn)化命名進(jìn)行對應(yīng)，以便后續(xù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換根據(jù)表2做相應(yīng)的修改。

表1 不同結(jié)構(gòu)寫法統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of different structure nomenclatures

圖3 同個(gè)結(jié)構(gòu)（視交叉）不同寫法統(tǒng)計(jì)Fig.3 Different nomenclatures of the same structure(Optic Chiasm)

圖4 靶區(qū)命名寫法數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.4 The number of target structure nomenclatures

2.4 標(biāo)準(zhǔn)化的轉(zhuǎn)換

根據(jù)所制定的規(guī)則（表2），使用程序?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化命名的自動轉(zhuǎn)換。在上述解析結(jié)構(gòu)程序基礎(chǔ)上，引入轉(zhuǎn)換規(guī)則制定的索引表，調(diào)用函數(shù)strcmp()進(jìn)行修改。最后，調(diào)用函數(shù)dicomwrite()另存為一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)化命名結(jié)構(gòu)文件輸出。

2.5 轉(zhuǎn)換結(jié)果的驗(yàn)證

本文將轉(zhuǎn)換成功的結(jié)構(gòu)文件重新導(dǎo)入Monaco計(jì)劃系統(tǒng)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換結(jié)果的驗(yàn)證。放療結(jié)構(gòu)名經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，Monaco顯示的結(jié)果如圖5所示。CT圖像進(jìn)行三維重建能夠直觀反映目標(biāo)大小、位置等空間結(jié)構(gòu)，便于醫(yī)生更好地進(jìn)行判斷，治療計(jì)劃系統(tǒng)（TPS）可對DICOM序列圖像直接三維重建，并對放療結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，進(jìn)而檢查并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)命名的準(zhǔn)確性［20］。

3 討論

DICOM RT標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)放療設(shè)備的集成與異構(gòu)放療系統(tǒng)之間放療信息的交互，有利于提高放射治療數(shù)據(jù)的傳輸速度，縮短放療周期。同時(shí)，有利于建立嚴(yán)格的放射治療質(zhì)量保證體系，提高放療診斷的質(zhì)量。

本文通過頭頸腫瘤調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析，靶區(qū)和非靶區(qū)（危及器官）結(jié)構(gòu)命名種類多，靶區(qū)較非靶區(qū)的命名更為多樣，同個(gè)器官結(jié)構(gòu)命名也有多種不同寫法。由于其解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，不同醫(yī)生命名習(xí)慣的不同，大小寫、空格的使用以及前綴和后綴的各種組合，因計(jì)劃系統(tǒng)字符的限制等原因，均可能導(dǎo)致命名多樣的出現(xiàn)。

表2 轉(zhuǎn)化規(guī)則Tab.2 Protocol on the standardization of structure nomenclatures

圖5 轉(zhuǎn)換結(jié)果Fig.5 Result of automatic naming convention

基于AAPM TG-263的標(biāo)準(zhǔn)命名規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，結(jié)構(gòu)寫法統(tǒng)一。腺體結(jié)構(gòu)使用Glnd_、空腔體使用Spc_等命名在結(jié)構(gòu)列表可以一起顯示，命名也可以按照字母進(jìn)行排序，計(jì)劃設(shè)計(jì)及評估時(shí)工作人員可以快速識別結(jié)構(gòu)，減少尋找結(jié)構(gòu)的時(shí)間，提高工作效率。也可有效避免頭頸部腫瘤因結(jié)構(gòu)多、不規(guī)則或不適當(dāng)?shù)拿鴮?dǎo)致混淆，如結(jié)構(gòu)縮寫的使用，在計(jì)劃設(shè)計(jì)評估的時(shí)候有一定的困擾。標(biāo)準(zhǔn)化對提高臨床工作的安全和質(zhì)量有著重要意義。

通過實(shí)現(xiàn)頭頸部腫瘤結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化尚有許多方面需進(jìn)一步探討，如：同一單位、不同醫(yī)生組之間的命名比較與統(tǒng)一；同一醫(yī)生、不同癌種之間命名的比較與統(tǒng)一；多中心的比較與統(tǒng)一等。通過多視角的比較，評估規(guī)則的有效性，采用容易且適合機(jī)構(gòu)或醫(yī)生的命名標(biāo)準(zhǔn)，對腫瘤放射治療的優(yōu)化具有很大的意義。在今后的工作中，還可基于本工作，設(shè)計(jì)一套軟件實(shí)現(xiàn)脫離TPS讀取、顯示CT和RT結(jié)構(gòu)集（RT Structure）文件，并針對勾畫的輪廓實(shí)現(xiàn)快速檢測、糾錯(cuò)與標(biāo)準(zhǔn)化命名等功能［21］。