一種基于放療計劃系統的近距離插植引導模板輔助設計軟件開發

曹璐，李毅紅，王婷，張皓，李賢富

1.川北醫學院附屬醫院 腫瘤科，四川 南充 637000；2.西南科技大學 國防科技學院，四川 綿陽 621002

引言

近距離放療是腫瘤放療的主要方式之一，包括腔內放療、組織間插植放療、表面敷貼放療三種治療模式，主要用于婦科宮頸腫瘤、肺部腫瘤、胰腺腫瘤、前列腺腫瘤、皮膚軟組織腫瘤以及各種復發轉移瘤等局部實體腫瘤[1]。其中，組織間插植放療由于需要手術植入施源器（插植針），療效依賴于手術時施源器植入精度與空間分布是否合理，其對施源器植入位置、方向以及深度有嚴格要求[2]。由此，施源器植入時的精準立體引導是決定療效與安全的關鍵[3]，因對手術者要求較高而未能常規推廣。近年來，快速發展的3D打印技術可以創建常規加工無法制造的復雜組件[4-5]，可生產帶有坐標系并能實現立體定向引導的個性化3D打印插植引導模板[6]，利用此技術能實現在術前有效規劃插植路徑、固定施源器入針位置、方向、深度等參數，術中實施精確引導插植，術后實現精準劑量覆蓋的目的。然而，現今插植導板設計所采用的軟件皆是如MIMICS、AUTOCAD等計算機輔助設計軟件[7-9]，此類軟件無法實現放療計劃系統（Treatment Planning System，TPS）數據的有效提取及施源器（插植針）與人體表面輪廓的空間轉換映射，只能手動設置施源器坐標信息，存在過多人工干預，具有一定的誤差和不確定性。因此，本研究以點云為三維信息轉化接口，設計一種從ONCENTRA TPS系統提取模型信息、實現結構坐標轉換映射的插植引導模板輔助設計軟件（Brachytherapy 3D，BT3D），同時簡化相關設計流程，以期保證TPS計劃數據向3D打印機進行模型轉化的精確性和便捷性。

1 材料與方法

1.1 系統要求

BT3D軟件基于Microsoft Visual C++ 2017&Qt5開發環境，利用Open CASCADE開源庫進行三維結構設計，使用開放圖形庫（Open Graphics Library，OpenGL）以及開放場景圖（Open Scene Graph，OSG）三維渲染引擎進行三維場景結構管理與顯示。

1.2 模塊化開發框架

BT3D軟件采用模塊化開發設計，按照程序功能進行模塊劃分以實現高內聚、低耦合。模塊設計框架設置了開始模塊、DICOM數據提取模塊、點云處理模塊、實體表面重建模塊、模型結構生成模塊、模型導出模塊、三維顯示模塊等相關模塊，后期可根據需要更新或增加功能模塊，可以有效降低開發難度及后續維護成本。相關模塊構成如圖1所示。

圖1 模塊設計框架

其中，DICOM數據提取模塊用于從TPS計劃數據中提取出各組織的點云數據以及插值針的信息；數據預處理模塊通過基于自適應最優鄰域的濾波算法[10-11]，對原始數據進行預處理，降低其中的噪聲數據，以提高表面重建的質量；表面重建模塊通過Nurbs算法[12]實現由點云數據重建組織輪廓的三維曲面；結構生成模塊將感興趣區的三維曲面加厚為三維實體，并在此基礎上根據插值針信息生成插值針通道及輔助定位裝置。模型導出模塊將生成的三維實體模型導出為可用于3D打印的stl文件。操作過程的可視化在顯示模塊的OSG中完成。相應的模塊功能實現流程如圖2所示。

圖2 模塊實現流程圖

1.2.1 DICOM數據提取模塊設計

本研究設計的BT3D通過點云轉換方式來實現靶區輪廓和施源器（插植針）三維信息的提取、轉化以及相應坐標映射。點云是在同一空間參考系下表達目標空間分布和目標表面特性的海量點集合，是實現TPS計劃系統原始模型結構信息向設計模型進行三維信息轉換的有效手段。重建結構的點云數據可以從TPS輸出的DICOM文件中提取[13]。TPS輸出的DICOM文件分為RT Image、RT Structure Set、RT Dose、RT Plan和RT Record等五個模塊。對于每個模塊內容，DICOM標準給出了相關的信息對象定義，并形成標準服務功能以實現對放療信息的有效傳輸和完整表達[14-15]。根據DICOM國際標準3.5版本的第五部分：數據結構和編碼[16]，本研究對DICOM文件結構進行解析得到圖3中的樹形數據結構并從RT Structure Set中提取感興趣結構的點云信息，從RT Plan中提取施源器的點云信息如圖4所示。

圖3 DICOM數據結構中的數據元信息（a）以及模擬構建的解析樹（b）

圖4 感興趣區結構

1.2.2 點云處理模塊設計

生成基于表面輪廓的導板幾何模型時，需要對點坐標信息進行重建與處理（圖5）。由于組織間插植進針位置一般只限定在小范圍區域進行，不需要重建整個皮膚表面，只需要對插針區域進行重建，因此只需保留插針區域的點云數據即可。由于原始數據源于CT掃描數據，不可避免地會存在噪聲，而這些噪聲會影響表面重建的準確性[17]。本文通過基于自適應最優鄰域的濾波算法對原始數據進行處理，并在保留結構特征的情況下進行下采樣以減少數據數量，可以有效地加速表面重建過程。

圖5 BT3D軟件中輪廓點云重建

一種典型的基于最優鄰域的濾波方法，計算方法如公式(1)所示。

其中，nj為鄰域點法向矢量，hj為權值函數，也是最優鄰域的選擇函數，T為角度閾值。當降噪點與鄰域點法向矢量相似度小于給定的閾值時選擇函數選擇具有相同幾何特性的點作為鄰域點，從而可以獲得保持尖銳特征的光順表面。

1.2.3 實體表面重建模塊設計

CT圖像屬于切片掃描圖像，整個圖像結構由多層切片構成，所分析提取的點云三維信息也具有分層特性。如果將小部分點云結構擬合成表面實體，常用的有貪婪投影、移動立方體、泊松方程以及非均勻有理樣條曲線（Non Uniform Rational B-spline，NURBS）等算法。本文從重建精度、重建時間以及所占內存等多方面特性的比較分析來看，NURBS算法為本研究軟件設計的最佳選擇[18]，可以將每層的數據擬合為一條NURBS，然后按照層級順序排列輸入NURBS曲面重建算法中，即可得到一個較為平滑但也保留原始特征的三維曲面，后續所有操作均是以此曲面作為基礎[19]。NURBS曲線定義如公式(2)所示。

其中，P(u)為曲線上的位置向量，wi為權因子，pi為控制點，u為節點矢量，Ni,k(u)為k次樣條基函數，遞推公式為式(3)。

其中，pi,j為控制點，wi,j為權因子，Ni,k1(u)，Ni,k2(v)分別是沿u的k1次和沿v向的k2次樣條基函數。

1.2.4 結構生成模塊設計

結構生成模塊基于Open CASCADE開源庫進行設計[19-20]。通過曲面加厚獲得基板三維模體，并映射插植針點云信息到基板上生成相應的插植引導孔，插植引導孔與先前生成的基板通過并集操作進行相加即可得到帶有導向結構的插植引導模板。此過程沒有對原始數據進行空間坐標變換，并且生成基板的過程和生成插植針通道的過程在同一空間中完成，因此，插植針通道與基板的角度可以和TPS系統中預設保持一致，保證了成型模板與預計劃插植針的匹配精度。BT3D軟件中曲面重建界面，見圖5。

1.2.5 模型導出模塊設計

模型導出采用STL格式——一種用于立體光刻計算機輔助設計軟件的通用文件格式，包含所有三角形法線及頂點坐標的完整列表[21]。模型導出模塊利用Open CASCADE中的儲存模塊完成，先將制作完成的模型進行三角網格化處理，再轉化儲存為STL格式。

2 結果

該軟件六大模塊相互獨立實現各自功能，能完成TPS系統數據向3D打印機輸出的所有步驟，達到最終進針結果與預計劃極好匹配的目的，可滿足如肺癌插植模板、宮頸癌插植模板以及轉移腫瘤插植模板等各種實體腫瘤插植立體定向引導模板的輔助設計需求（圖6～7）。相較商用第三方輔助設計軟件，本軟件設計模板的實際插植路徑與預計劃插植路徑吻合率由91.4%提高至95%；同時，本軟件簡化了模板設計流程，同一病例模板設計平均時間由120 min減少至30 min；插植針平均CT引導次數也由每針7次下降至3次。

圖6 BT3D軟件中曲面重建界面

圖7 BT3D軟件制作的肺癌插植引導模板

圖8 BT3D軟件制作的盆腔轉移瘤插植引導模板

3 討論

隨著放療技術的不斷發展，腫瘤放療進入以“精準定位、精確計劃、精確治療”為標準的精準放療新時代。近距離組織間插植放療是精準放療中的微創放療手段，可以“錨定”腫瘤組織，實現臨床腫瘤靶區高劑量的準確覆蓋，能提供超越“外科手術”的“精準打擊”，對提高局控率、降低并發癥反應有顯著作用[22]，但該技術實施技巧高、操作難度大，稍有不慎便會造成腫瘤鄰近血管或者神經損傷。利用3D打印模板輔助，能極大程度減少圖像引導下徒手插植發生的誤差，實現精準放療[23-24]。由于放療TPS常為封閉式系統，在設計插植引導模板時，不能直接引入計算機輔助設計功能。而第三方計算機輔助設計軟件如MIMICS、AUTOCAD又無法將TPS中預計劃信息直接進行轉化設計，整個設計流程需要經過5項流程：① TPS系統中插植路徑設計；② 通過第三方軟件工具實現計劃數據提取；③ 手動重建組織輪廓表面并生成基板；④ 手動設計插植通道及輔助裝置；⑤ 模型導出用于3D打印[25-28]。過程②～③中存在數據以及空間坐標的轉換，并且整個過程人工參與較多，會造成模型建模失真從而導致模板最終成型精度受到影響。為了降低這種不確定性，本研究以點云為三維信息轉換接口，將過程②～⑤集成為一個平臺，簡化流程，省去空間坐標轉換，減少人工參與，實現插植針坐標與各結構坐標系準確映射，最終達到TPS預計劃信息向3D打印機高精度輸出的目的。利用此軟件可以輕松實現各種實體腫瘤插植引導模板的輔助設計，保證了近距離組織間插植放療的精準性和便捷性而利于臨床推廣。未來隨著BT3D軟件研發工作的進展，將加入更多的CAD模塊以進一步實現近距離施源器設計等應用模塊功能，為近距離放療施源器輔助設計提供有利基礎。