苗俊杰，符貴山，牛傳猛，劉志強(qiáng)，田源，張可，李明輝，戴建榮

國(guó)家癌癥中心/國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院，北京100021

前言

C 型臂類型的醫(yī)用直線加速器治療病人時(shí)，機(jī)頭在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中存在與治療床、病人碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。隨著放療新技術(shù)容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)、圖像引導(dǎo)及立體定向放射治療的開(kāi)展，加速器治療系統(tǒng)及附屬結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜［1-2］，這在一定程度上增大了碰撞風(fēng)險(xiǎn)［3］。此外，對(duì)于偏中心照射、特殊固定體位以及使用特殊體位固定裝置等情況，機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)碰撞風(fēng)險(xiǎn)增大，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致計(jì)劃不能執(zhí)行，延誤病人治療，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的碰撞事故，造成病人受傷和機(jī)器損壞［4-6］。雖然有些加速器治療機(jī)在實(shí)際治療時(shí)有防碰撞連鎖，但當(dāng)觸發(fā)碰撞連鎖時(shí)往往計(jì)劃已經(jīng)照射了一定的劑量，而此時(shí)病人已經(jīng)躺在治療床上，重新更改計(jì)劃又需要較長(zhǎng)的時(shí)間，這在一定程度上增加了醫(yī)患矛盾。另外，二次計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)要考慮已經(jīng)執(zhí)行部分的劑量，增大了計(jì)劃設(shè)計(jì)的難度。因此，在較早期的治療計(jì)劃設(shè)計(jì)階段及時(shí)檢測(cè)治療計(jì)劃是否存在潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)是十分必要的。

針對(duì)加速器治療過(guò)程中可能發(fā)生的碰撞，有研究通過(guò)構(gòu)建復(fù)雜模型等方法判斷是否有碰撞風(fēng)險(xiǎn)［7-13］。但這些方法大都需要導(dǎo)出整個(gè)計(jì)劃到另外的系統(tǒng)，過(guò)程復(fù)雜費(fèi)時(shí)，并且對(duì)一些使用特殊體位和擺位裝置的病人缺乏個(gè)體針對(duì)性［14-15］。目前很多主流的計(jì)劃系統(tǒng)都缺少碰撞警告的內(nèi)置模塊，主要依靠放療計(jì)劃設(shè)計(jì)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行粗略估計(jì)。由于計(jì)劃治療中心、體位固定裝置、治療床位置等參數(shù)對(duì)于不同的病人差別很大，依靠經(jīng)驗(yàn)估算結(jié)果往往并不可靠?；诖耍狙芯繑M設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種可以在計(jì)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中隨時(shí)可調(diào)用的腳本程序，當(dāng)在計(jì)劃系統(tǒng)中調(diào)用此腳本時(shí)，會(huì)在CT 圖像上自動(dòng)生成機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的臨界安全位置軌跡感興趣區(qū)（ROI），使計(jì)劃設(shè)計(jì)者在計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)就能直觀判斷當(dāng)前計(jì)劃是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 基本設(shè)備和系統(tǒng)

本研究采用的計(jì)劃系統(tǒng)為Pinnacle3V9.10（Philips Medical System,USA）。該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)放療界應(yīng)用十分廣泛，提供了豐富的腳本（Script）功能，可以在計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)批量、規(guī)范、快速的數(shù)據(jù)處理，提高工作效率和工作規(guī)范性。同時(shí)該Script 還可以直接調(diào)用python、C 等高級(jí)語(yǔ)言程序及操作系統(tǒng)（Solaris）命令，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和處理功能。

1.2 防碰撞模型構(gòu)建

加速器安裝后，機(jī)頭旋轉(zhuǎn)1周所經(jīng)過(guò)的空間軌跡是確定的，不隨病人的擺位而變化。加速器機(jī)頭旋轉(zhuǎn)一周，機(jī)頭上的點(diǎn)會(huì)形成一個(gè)圓形軌跡，如圖1所示。取加速器機(jī)頭上的點(diǎn)到治療中心最近距離為r（為保證安全，r取值通常比最小值小1 cm），治療機(jī)頭在進(jìn)出床方向的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。為保證治療安全，在治療床進(jìn)出方向取相同的安全距離r，則安全邊界形成的軌跡為圓筒面。

圖1 加速器機(jī)頭防碰撞示意圖Fig.1 Schematic diagram of collision-free space of an accelerator gantry

1.3 加速器參數(shù)設(shè)置

加速器選擇Varian Edge、Novalis、Unique 和Elekta Versa HD、Synergy（Agility 機(jī)頭），經(jīng)測(cè)量并考慮安全冗余距離，選擇r=37 cm、L=72 cm（Varian）；r=42 cm、L=76 cm（Elekta），加速器治療床面與CT定位室的床面寬度相同，都為54 cm。

1.4 腳本程序設(shè)計(jì)

（1）建立move_path.Script腳本，該腳本首先保存當(dāng)前計(jì)劃設(shè)置，將計(jì)劃設(shè)計(jì)參數(shù)寫入病人對(duì)應(yīng)的計(jì)劃目錄文件里。然后獲取當(dāng)前計(jì)劃射野的治療中心位置、床面位置、加速器型號(hào)、病案號(hào)、計(jì)劃文件位置等信息。通過(guò)調(diào)用python 程序，將獲取的這些計(jì)劃信息以參數(shù)的形式傳遞給python，以保證不同計(jì)劃、不同病人的獨(dú)特性。對(duì)應(yīng)部分代碼如下：

（2）建立move_path.py 程序，在該python 程序中首先接收并解析move_path.Script腳本傳遞過(guò)來(lái)的計(jì)劃參數(shù)信息并將其轉(zhuǎn)化為python 內(nèi)的變量。通過(guò)判斷加速器的類型確定設(shè)置參數(shù)r和L值。通過(guò)讀取病人文件目錄下計(jì)劃對(duì)應(yīng)的主圖像文件ImageSet_x.header（通常為ImageSet_0.header），確定該病人計(jì)劃的圖像坐標(biāo)信息，如3 個(gè)方向的維度信息x_dim、y_dim、z_dim，兩個(gè)像素點(diǎn)間的距離信息x_pixdim、y_pixdim、z_pixdim，起始位置坐標(biāo)信息x_start、y_start、z_start 等。再結(jié)合床位置等參數(shù)確定式（1）及圖2中各參數(shù)的值。最后結(jié)合治療中心的位置及對(duì)應(yīng)的軌跡方程生成mrn.roi 文件。mrn 為病人的病案號(hào)，mrn.roi 文件的格式與計(jì)劃文件夾下plan.roi 的格式相同，主要由文件頭信息和ROI的三維坐標(biāo)點(diǎn)集構(gòu)成。

（3）在move_path.Script 腳本中讀取經(jīng)過(guò)python數(shù)據(jù)處理后生成的mrn.roi 文件，將mrn.roi 文件的ROI坐標(biāo)信息導(dǎo)入到計(jì)劃系統(tǒng)，生成加速器機(jī)頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的最小安全軌跡ROI，腳本關(guān)鍵語(yǔ)句如下：

1.5 計(jì)劃系統(tǒng)中檢測(cè)是否存在碰撞

mrn.roi 文件信息讀入系統(tǒng)后，其作為中間過(guò)程文件將被腳本刪除。在Pinnacle 計(jì)劃系統(tǒng)中，根據(jù)新生成ROI 與CT 影像中治療床、病人的相對(duì)位置關(guān)系判斷放療計(jì)劃是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)果

在Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)中生成輔助的ROI如圖2所示。在CT 影像橫斷面上，輔助ROI 為以射野治療中心為中心的圓。在Pinnacle 計(jì)劃系統(tǒng)的REV 視圖中可見(jiàn)輔助ROI 整體為圓筒面結(jié)構(gòu)，在不同的CT 層面上輔助ROI是半徑和中心相同的圓形結(jié)構(gòu)。

圖2 在Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)中產(chǎn)生的安全區(qū)域ROI圖Fig.2 ROI images of the safe region generated in Pinnacle planning system

圖3給出了幾種可能發(fā)生碰撞的常見(jiàn)情況，當(dāng)病人使用俯臥板進(jìn)行定位治療時(shí)，由于俯臥板的厚度比仰臥板的大，治療中心設(shè)置偏上時(shí)，會(huì)發(fā)生碰撞。圖3c 為肝癌計(jì)劃，由于靶區(qū)偏向病人的右側(cè)，當(dāng)治療中心選擇過(guò)于靠右時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)架與治療床發(fā)生碰撞。圖3d 為一個(gè)大腿部位的放射治療計(jì)劃，加速器治療時(shí)機(jī)架會(huì)與病人的健測(cè)腿發(fā)生碰撞。

圖3 放療計(jì)劃碰撞檢查示例Fig.3 Examples of collision detection for radiotherapy plans

計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，只需一次鼠標(biāo)點(diǎn)擊調(diào)用腳本，即可快速（約2 s）生成輔助ROI。在ROI 與CT 的疊加圖像上可以逐層清楚直觀地判斷加速器機(jī)頭與治療床、病人身體是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，避免等到計(jì)劃實(shí)際執(zhí)行時(shí)才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題甚至發(fā)生碰撞事故。該腳本在本科室應(yīng)用已有一年多時(shí)間，對(duì)數(shù)百例病人進(jìn)行了碰撞風(fēng)險(xiǎn)檢查，經(jīng)過(guò)該腳本程序檢查后的放療計(jì)劃基本杜絕了碰撞風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

3 討論及結(jié)論

Philips 公司的Pinnacle 計(jì)劃系統(tǒng)提供了“HotScripts”模塊，允許用戶編寫腳本、調(diào)用python/C高級(jí)語(yǔ)言程序及Solaris 操作系統(tǒng)命令。在一定程度上，用戶可根據(jù)自己的需求制定腳本，完成特定的批處理操作，既可以顯著提升治療計(jì)劃設(shè)計(jì)的工作效率，也能很大程度保證計(jì)劃設(shè)計(jì)的安全性［16-20］。本腳本程序通過(guò)調(diào)用外部python 程序，針對(duì)不同病人CT圖像和治療中心位置動(dòng)態(tài)生成有針對(duì)性的輔助ROI輪廓文件，為了避免多個(gè)計(jì)劃同時(shí)調(diào)用腳本程序時(shí)相互影響，新生成的輪廓文件命名為mrn.roi（mrn 為病人的病案號(hào)）。

本腳本程序在Pinnacle V9.10 計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，但是其設(shè)計(jì)理念和方法在支持腳本功能的其它計(jì)劃系統(tǒng)同樣適用。為增加腳本的通用性，可以將python生成的ROI 寫成標(biāo)準(zhǔn)DICOM 格式的文件，再通過(guò)計(jì)劃系統(tǒng)的“Dicom Import”功能導(dǎo)入到系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，寫成DICOM 格式整個(gè)調(diào)用時(shí)間會(huì)比本文采用的方法長(zhǎng)約5 s 的時(shí)間（主要原因?yàn)橄到y(tǒng)的導(dǎo)入模塊加載時(shí)掃描DICOM 文件目錄所需時(shí)間的增加），需要增加一定等待時(shí)間。另外，使用標(biāo)準(zhǔn)DICOM 格式導(dǎo)入時(shí)要注意病人采用的體位，在外部程序處理時(shí)要根據(jù)所選系統(tǒng)和病人固定體位提前做好坐標(biāo)系變換。在Pinnacle V9.10中坐標(biāo)變換為：

其中，XP、YP、ZP為Pinnacle 計(jì)劃系統(tǒng)中的坐標(biāo)，單位cm；XD、YD、ZD為DICOM 坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，單位mm；Xsign、Ysign、Zsign為符號(hào)參數(shù)，取決于病人的擺位方向（例如病人體位是頭先進(jìn)仰臥時(shí)，Xsign=1、Ysign=-1、Zsign=-1）。使用DICOM 格式的ROI 文件并結(jié)合系統(tǒng)自帶的導(dǎo)入模塊可以使本方法在多種計(jì)劃系統(tǒng)中適用。

本腳本程序不但可以用于檢查加速器機(jī)頭與治療床、體位固定裝置是否會(huì)發(fā)生碰撞，還可以用于特殊體位（如四肢、腹股溝等部位腫瘤）照射時(shí)，檢查加速器機(jī)頭與病人身體其它部位是否有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，保證治療安全。通常為保證劑量計(jì)算的準(zhǔn)確和重復(fù)一致性，病人進(jìn)行CT 定位和加速器治療時(shí)，采用的定位裝置和病人體位應(yīng)該是一致的。如果特殊情況下，治療體位、固定裝置與定位時(shí)不一致，則本腳本程序不適用，實(shí)際治療時(shí)仍然有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，需要計(jì)劃設(shè)計(jì)實(shí)施人員小心判斷。

在實(shí)際使用過(guò)程中，如果靶區(qū)、治療中心偏向病人的一側(cè)身體（如乳腺癌計(jì)劃），本腳本程序可能會(huì)判斷出治療機(jī)頭與病人身體健側(cè)方向的床板會(huì)發(fā)生碰撞，但根據(jù)就近布野原則，如果治療野實(shí)際執(zhí)行時(shí)不需要機(jī)架轉(zhuǎn)過(guò)該碰撞角度，則不會(huì)發(fā)生碰撞，原計(jì)劃仍然可以正常執(zhí)行。對(duì)于這種情況，建議計(jì)劃設(shè)計(jì)者在計(jì)劃報(bào)告單上注明標(biāo)記，提醒技師治療時(shí)仍然要小心，掃描CBCT時(shí)應(yīng)該采用先挪床再回位或非全弧的策略，治療時(shí)注意加速器機(jī)頭的起始位置，避免碰撞發(fā)生。

本研究建模時(shí)使用中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院加速器的幾何結(jié)構(gòu)，由于不同公司、不同型號(hào)、不同附屬結(jié)構(gòu)的加速器結(jié)構(gòu)尺寸有一定的差別，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)自己?jiǎn)挝患铀倨鞯膶?shí)際情況確定r和L等參數(shù)。本研究只考慮了共面治療的情況，非共面治療時(shí)治療床要旋轉(zhuǎn)一定的角度，計(jì)劃參數(shù)設(shè)置更復(fù)雜，加速器機(jī)頭與治療床及病人的碰撞風(fēng)險(xiǎn)加大。另外，針對(duì)不同治療床角度，加速器機(jī)頭可使用的旋轉(zhuǎn)角度也受到嚴(yán)格限制，值得進(jìn)一步的研究討論。

綜上所述，在Pinnacle 計(jì)劃系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)加速器機(jī)頭的碰撞檢測(cè)具有臨床可行性，在計(jì)劃設(shè)計(jì)階段可及時(shí)判斷放療計(jì)劃是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，避免重復(fù)計(jì)劃延誤治療時(shí)間，保證治療安全。