三維近距離治療計劃系統的研究與開發

王炳杰，王先良，溫愛萍，康盛偉，黎杰，吳駿翔

1.香港理工大學 醫療科技及咨詢學系，香港 999077；2.四川省腫瘤醫院/四川省腫瘤研究所/四川省癌癥防治中心/電子科技大學附屬腫瘤醫院 放療中心，四川 成都 610041；3.電子科技大學 醫學院，四川 成都 610054

引言

近距離治療是宮頸癌放射治療的主要手段之一，近年來，隨著放射物理、放療設備、影像技術的發展，三維近距離治療逐漸廣泛應用于臨床[1-2]。三維近距離治療是基于三維影像數據（CT/MRI），給予靶區處方劑量，對危及器官（Organs at Risk，OAR）給予劑量體積限制以提供更好的保護，并通過劑量體積直方圖（Dose Volume Histograms，DVH）評估靶區和OAR 的受照劑量[3]。三維近距離治療相比傳統的二維治療，在靶區適形度、OAR 保護等方面優勢明顯，可提高局部腫瘤控制率和降低OAR 的不良反應[4-5]。

臨床中為實現相關治療方案，通常需要使用三維近距離治療計劃系統。治療計劃系統是放射治療流程中的核心組成部分，三維近距離治療計劃系統需提供影像數據的可視化、精準快速的劑量計算、逆向優化以及友好的用戶交互等功能[6-7]。目前，臨床上常用的三維近距離治療計劃系統大多為國外品牌，如瑞典Elekta 公司的Oncentra 系統、美國Varian 公司的GammaMed 系統等。國外公司出于技術保護和壟斷目的，用戶很難定制個性化的功能并缺乏相應的數據接口?；诖耍狙芯恐荚谧灾餮邪l一套具有我國自主知識產權的精準三維近距離治療計劃系統，以期為臨床近距離治療的計劃設計提供解決方案。

1 資料與方法

1.1 系統簡介

本研究中的三維近距離治療計劃系統具有自主知識產權的[軟件著作權名稱：三維近距離放射治療計劃系統V3.0（Scarts V3.0），登記號：2022SR0382367，用途：近距離放射治療的計劃設計和評估]。三維近距離治療計劃系統采用窗口式交互界面，通過菜單或按鍵方式實現操作功能。該系統包括患者信息、靶區和OAR 勾畫、近距離計劃、計劃評估以及系統配置等模塊，可實現患者數據管理、靶區和OAR 的勾畫、施源器重建、劑量計算、逆向優化、劑量評估以及數據導入和導出等功能，見圖1。系統的開發平臺為Microsoft Visual C++[8]，后期可根據用戶需求增加或更新功能模塊，數據庫采用Microsoft Office Access，數據訪問則采用ADO（ActiveX Data Objece）技術[9]，支持DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）協議[10]。系統使用德國offis 公司的DCMTK（DICOM Tool Kit）[11]開源函數庫解析DICOM 協議文件并實現數據操作功能。三維近距離治療計劃系統可在Windows 2000/XP/7/10 等主流系統上通過交互性的操作方式安裝運行，安裝包使用Inno Setup 開源軟件制作[12]。首次使用時需對該系統進行注冊，根據注冊碼的不同，系統將開放全部或者部分功能。

圖1 三維近距離治療計劃系統功能模塊圖

1.2 圖像配準

本系統為提高靶區和OAR 的勾畫精準度，在靶區勾畫模塊提供了多模態影像數據（CT/MRI）的圖像配準功能。用戶可根據實際需求選取基于特征點的配準和基于像素灰度的配準兩種方式。

大家都說是念書累的，外祖母也說是念書累的，沒有什么要緊的；要出嫁的女兒們，總是先前瘦的，嫁過去就要胖了。

1.3 施源器重建

施源器是近距離放射治療中不可缺少的工具之一[13]，在三維近距離治療計劃的設計中需要在患者的CT 數據上重建施源器，其中本系統提供了兩種手動重建施源器的方式：① 首先確定等中心的位置，然后在橫斷面、冠狀面和矢狀面分別旋轉，在矢狀面或冠狀面獲取施源器管道的圖像，從而依次點出管道的位置；② 直接在橫斷面每層點出施源器管道的位置。

1.4 劑量計算和逆向優化

近距離治療源的劑量率計算方法使用美國醫用物理學家協會發布的TG43 和TG43U1 報告推薦的計算方法[14-15]，具體計算方式如公式（1）所示。

DVH 的顯示采用了康奈爾大學的基于C/C++編寫的開源軟件SGraph。另外，為了使DVH的顯示更加美觀，該系統對坐標軸刻度的標定進行了優化，用程序根據數據變化的范圍動態地設置坐標軸的刻度，包括坐標軸步長的規范化、起點的規范化和終點的規范化[18]。

為在保證劑量計算精度的前提下提高計算速度，結合放射源周圍劑量分布的對稱性，該系統對劑量計算的算法進行了改進。在劑量計算開始之前先計算出一個沿放射源長軸方向（V 方向）和垂直于放射源長軸方向（U方向）的二維劑量率分布表T（m, n）存放在計算機內存中，劑量計算簡單查表乘以駐留時間就能實現[16]。

該系統提供正向和逆向兩種優化方式。正向優化通過輸入駐留位置權重和駐留時間，或直接拖拽等劑量線的方式進行優化。而逆向優化則是通過給予靶區和OAR 優化目標和權重的方式，經過不斷試錯的過程得到理想的劑量分布，該逆向算法采用基于梯度下降的算法[17]，計算方式如公式（2）所示。

假定黏彈性梁在x=x0處存在上表面裂紋,則對初邊值問題式(7)～(9),式(11)和(13)關于時間t進行Laplace變換,可得

5) 可靠性技術研究。研究多余度結構的磁通切換電動機，提出切實可行的余度結構方案；研發模塊化、集成化的控制器，優化軟、硬件結構，提高系統抗干擾能力和可靠性。

式中，tm,n為第m 根施源器管道中的第n 個駐留位置的駐留時間；D0為靶區處方劑量或OAR 的劑量限制；Di為第i 個體元的劑量；H 為階躍函數；PTAR和POAR分別為調節靶區和OAR 權重的參數。

1.5 計劃評估

2.2.1 患者信息模塊

2.2.3 近距離計劃和評估模塊

選取2016年2月—2018年2月進入本院治療的脊柱骨折患者進行此次實驗的研究比較，將參與研究的患者隨機分成實驗組（37例）和對照組（37例），實驗組則對患者采取CT進行診斷。實驗組中男性患者26例，女性患者11例，平均年齡為（47.38±3.71）。對照組對患者采取X片平片進行診斷，對照組中男性患者27例，女性患者10例，平均年齡為（48.26±3.56）。實驗組和對照組年齡、性別等不存在明顯差異（P＞0.05）。對比分析分別應用兩種檢查方式患者病情的檢出幾率。

式中，r 為感興趣點距離源中心的距離；θ 為極坐標系下感興趣點與源中心的連線與源長軸的夾角；P(r0, θ0)為參考點，其中r0=1 cm，θ0為π/2；Sk為空氣比釋動能強度，單位為μGym2h-1Bq-1或cGycm2h-1Bq-1；Λ 為劑量率常數，單位為cGyh-1U-1；g(r)為徑向劑量函數，無量綱；F(r,θ)為各向異性函數，無量綱；G(r,θ)為幾何因子，單位為cm-2。

2 結果

2.1 三維近距離治療計劃系統主界面

2.2.4 系統配置模塊

歸一化處理后，C1、C2、C3、C5的各權重值為：ω11=0.109，ω12=0.413，ω13=0.283，ω15=0.196.

圖2 三維近距離治療計劃系統主界面

2.2 模塊分析

計劃評估是確定計劃質量的重要過程，通過計劃評估確認腫瘤區域和OAR 的受照劑量是否符合計劃方案，該系統中提供了DVH 和劑量分布兩種評估方式。DVH分為差分DVH 和積分DVH，具體計算方式分別如公式（3）和公式（4）所示。

貴陽城鎮化發展的現狀主要表現為：一是城鎮人口的增加。根據貴陽統計局發布的《第六次人口普查》數據顯示，近十年城鎮人口增加了67萬人，居住在城鎮的人口約為290萬人，占68.1%。同2000年第五次人口普查數據相比，城鎮人口增加了約67萬人，與省內其他城市相比，2010年至2015年貴陽市的常住人口城鎮化率也處于領先位置 （如圖1）；二是城鎮化率發展領先。根據貴州省統計局發布的《貴州省城鎮化發展情況分析》顯示，2013年貴陽市以71.12%位居省內城鎮化率第一位。

該模塊用于管理患者的基本信息，包括病案號、姓名、性別、出生日期、電話、病區、主管醫生和臨床診斷等；影像列表用戶可導入患者的DICOM 數據（CT/MRI），并瀏覽該患者相應的影像數據、刪除列表框中的影像數據和查詢該患者的所有影像數據；計劃列表支持計劃的新建、修改、復制和刪除等功能。

2.2.2 圖像顯示模塊

該模塊用于施源器重建、計劃設計和計劃評估等功能。在施源器重建模塊可以設置施源器每個導管的屬性，并將以上設置保存為模板從而減少用戶重復工作。計劃設計包括計算參數、靶區權重、計算網格和放射源參數等內容，在計算參數中可選擇放射源模型的文件位置和優化時的迭代次數；靶區權重可設置靶區和OAR 的目標函數和權重；計算網格可設置計算的范圍和計算網格大??；放射源參數可修改源的名稱、半衰期和參考空氣比釋動能率等參數，使計劃系統中的源數據與后裝機保持一致。計劃評估包括劑量分布和DVH 等信息，見圖3。用戶可根據需求設置個性化的參數如等劑量線的范圍、等劑量線的顏色、等劑量線的絕對劑量或相對劑量、靶區和OAR 的劑量體積等。

式中，R 為劑量率；Pi為選定區域V 中的某一點；Ri為某一點對應的劑量率。

該模塊用于圖像預處理、圖像配準、靶區和OAR的勾畫和DICOM 文件維護等功能。圖像配準支持CT/MRI 等影像數據的手動配準、點配準和灰度配準。該系統提供圓圈刷和自由筆兩種手動勾畫方式以及通過閾值法的自動勾畫方式，并支持對當前層和最近有該器官勾畫的層之間的層都進行插值勾畫。另外，對于勾畫結構支持三維方向的外放操作，以及統計已勾畫的器官體積、層數等信息。

圖3 計劃評估

三維近距離治療計劃系統主界面如圖2 所示，通過工具欄按鈕實現各功能，包括選擇計劃對話框、圖像放大縮小對話框、勾畫工具面板對話框、劑量評估面板對話框以及近距離計劃面板對話框。

該模塊包括器官配置模塊和輸出模塊。器官配置模塊可用于設置OAR 和靶區在系統內的默認顏色及結構的類型（靶區、OAR 等）。輸出模塊則用于修改數據輸出的配置，用于管理數據（新建、修改和刪除）傳輸的位置，且用戶可按照實際需求在傳輸時選擇傳輸的數據（計劃參數、結構、計劃劑量和DICOM 等數據）。另外，本系統可以通過輸出后裝機可執行的文件實現與后裝機的交互目的，最終可按照計劃參數實現照射。

黑龍江農墾齊齊哈爾管理局依安農場始建于1956年，耕地8.5萬畝，人口5000多人。經過60多年幾代農場人的艱苦奮斗，如今農業結構調整基本到位，城鎮建設管理日趨完善，職工生活水平普遍高于區域平均水平，打造富裕、文明、和諧、亮麗的花園式農場初步實現，先后獲得國家生態示范區、省優美城鎮、省平安農場、省級文明單位、省優秀企業等多項榮譽。

2.3 系統優化算法和劑量計算算法驗證

選取從2022 年1—12 月收治的6 例患者（均為女性，患者年齡42～52 歲，平均年齡46 歲。）分別使用本系統和商用計劃系統（Elekta 公司的Oncentra 系統）進行近距離治療計劃的設計，驗證本系統優化算法和劑量計算算法的準確性，結果顯示，兩種計劃系統在DVH 參數的偏差均小于0.53%，γ 通過率在98.24%以上，且未通過γ 驗證點的位置對臨床的影響可忽略。

本文針對長距離鏈路中的數據幀出錯模式和特點，設計了鏈路狀態自適應的FEC編碼算法：AdaCode.將幀內編碼和幀間編碼有機結合起來，根據鏈路狀態動態選擇編碼率，以最小冗余解碼出最多數據幀，極大降低丟包導致的超時重傳；同時幀間編碼采用噴泉碼，需要的反饋信息少，能有效提高鏈路利用率.

3 討論

計劃系統是現代腫瘤放射治療流程中的重要組成部分，系統的性能對于治療效果有至關重要的作用。三維近距離治療系統技術是一個復雜的計算機優化過程，而該系統的研發是一項較大的工程，涉及近距離治療物理學、影像醫學、軟件工程、圖像處理等專業。本研究團隊經過前期的研究已實現近距離治療中的圖像配準功能[13]、劑量計算[16]和逆向優化算法[17]等功能，本研究則通過Microsoft Visual C++平臺以上述功能為基礎開發出了具有窗口式交互界面、可使用菜單或按鍵方式進行操作的三維近距離治療計劃系統，并在此基礎上進一步完善該系統的功能，增加了患者信息模塊、計劃評估模塊和系統配置等模塊。本系統實現了近距離治療計劃設計的全流程功能，包括患者信息管理、靶區和OAR 勾畫、近距離計劃設計和計劃評估等功能。總體而言，該系統可滿足近距離治療計劃設計的基本要求，具備臨床實用性。

近距離治療相比外照射放療可減小擺位誤差，在靠近源處劑量高、源周邊劑量跌落陡峭可以更好地保護OAR，對于宮頸癌等部位腫瘤的放射治療有不可替代的作用。三維近距離治療是目前近距離治療的主流技術，與傳統二維相比可以通過逆向優化功能實現患者的個體化治療，具有降低患者OAR 劑量的潛力[19-20]。而劑量計算算法和優化算法是三維近距離治療計劃系統研發中的難點，需要同時滿足精準和高效等基本要求。本系統對劑量計算的算法進行了改進，劑量計算通過簡單查表乘以駐留時間就能實現，明顯提高了劑量計算的時間，并且計劃的平均驗證γ 通過率大于98%。目前已有研究者對三維近距離治療的逆向優化算法進行了研究[21-22]，研究中使用的算法均會產生部分駐留時間變化幅度較大的計劃，導致劑量分布均勻性較差，增加了治療過程中不確定性因素的影響。本系統使用了一種可以控制駐留時間變化幅度的三維近距離治療逆向優化算法，使用該算法計算Fletcher 施源器的計劃結果與商用計劃系統的結果相近。

根據國家癌癥中心2020 年發布的數據[23]，2018 年中國大陸地區放療單位1463 家，近距離治療機僅339 家，按照每家單位1 臺近距離治療機的配置比例，全國僅23.2%的單位可開展近距離治療技術。近距離治療技術與其他放療技術相比利用率較低，這與診療流程規范、適應證患者的篩選以及醫院的經濟條件有關。另外，主流的三維近距離治療系統大多為進口設備，價格昂貴等因素限制了該技術的廣泛使用。目前國產的近距離治療系統仍以二維治療為主，本研究研發的國產三維近距離系統可應用于國產近距離治療系統，在一定程度上增加了國產三維近距離治療系統的競爭力。

人工智能技術已廣泛應用于放療OAR 的自動分割領域，如康盛偉等[24]使用深度卷積神經網絡在CT 數據上自動分割頭頸部腫瘤的OAR，其OAR 自動分割的器官與人工勾畫的接近。而在近距離治療的流程中，施源器的重建是整個過程中非常關鍵的一步，施源器重建的精度和時間均會影響患者的劑量分布甚至療效[25-26]。目前國內外對近距離治療中施源器的自動重建研究較少，本研究團隊已通過構建U-Net 網絡，將CT 圖像進項預處理后導入網絡，通過人工智能技術實現了施源器的自動重建工作[27]，后續將繼續完善這一工作，將該技術移植到本系統中，進一步提高本系統的適用性。

當然，本系統仍有不足之處，在后期的版本中將進一步豐富功能、優化系統界面、在勾畫模塊增加勾畫結構的三維顯示和結構之間的布爾運算功能、近距離計劃模塊增加多個計劃的DVH 圖和劑量分布圖的對比功能以及提高優化速度等。另外，本研究中的病例數較少，后期將增加病例數來進一步驗證本系統優化算法和劑量計算算法的準確性。

4 結論

綜上所述，本研究自主研發了一套具有中國自主知識產權的三維近距離治療計劃系統，具備臨床所需基本功能，可實現近距離治療的三維計劃設計。