调强放射治疗数据转换系统的研发

吴凡，万斌，王培，黎杰，康盛伟，唐斌

四川省肿瘤医院·研究所 放疗中心，四川 成都 610041

引言

静态调强放射治疗中，治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）中的逆向优化算法可以根据用户设定的靶区剂量目标及周围正常器官限量来优化生成各角度射野平面内射线不均匀的强度分布方案。为了实现这种方案，通常需要使用加速器内置多叶准直器（Multiple Leaf Collimator，MLC）[1-3]，借助于MLC 的多次运动形成一系列形状各异的照射子野，从而使平面内各点处累加特定强度的射线。另一种方法则是借助于物理补偿器[4]，由于物理补偿器各处的厚度不同，射线穿过其后便可直接形成不均匀的强度分布。

部分基层放疗中心的加速器并未配备MLC 部件，此时调强放射治疗可以采用专用五轴切割机来制作出特定患者的物理补偿器以实现。然而TPS 通常只能输出DICOM 标准文件，不具备直接输出为切割机加工文件的功能，这对物理补偿器在调强放疗中的应用造成了阻碍。因此，为了填补这个环节空缺，本文通过对于DICOM 放疗计划文件内容的分析研究，设计开发出一套能将DICOM 标准文件转换为切割机加工文件的系统。而对于临床中使用美国瓦里安MLC 进行调强放疗的场景，为了应对DICOM 数据传输网络缺失或故障的情况，本系统也添加了将DICOM 标准文件转换为医用直线加速器能直接执行的MLC 控制文件的功能。

1 总体设计与功能实现

1.1 系统开发设计

系统采用Visual Studio 2010 作为开发平台，可运行于Windows XP/7/10 操作系统上，采用了图形界面以方便用户操作。

1.2 DICOM协议

DICOM 协议为医学图像和相关信息的国际标准，也是绝大多数临床TPS 的输出标准。为了读取TPS 导出的RTplan 计划文件信息，本系统采用了DCMTK 开源库[5]来实现对于DICOM 协议的支持。DCMTK 可直接运行于Visual Studio 平台上，方便系统导入患者的放疗计划RTplan 文件。

1.3 系统流程

用户将TPS 系统导出的患者RTplan 文件放入指定文件夹中后，系统可实现RTplan 文件的导入、分析，并按需选择将RTplan 文件转换为“MLC 控制文件”或“切割机加工文件”，然后进行文件输出。系统运行流程图如图1 所示。

图1 系统运行流程图

1.4 MLC控制文件的生成

系统将每一角度的射野逐一输出为MLC 类型控制文件。MLC 文件中包含First Name、Last Name、Patient ID等患者基本信息及Number of Fields、Number of Leaves、Gantry 等子野和叶片的总体信息，最后附加上每个子野的机器跳数MU 及子野中每一对叶片（如Leaf 1A、Leaf 1B、Leaf 2A、Leaf 2B 等）的位置信息。MLC 文件包含了放疗计划中各射野及其子野实现的所有必要信息，能够被瓦里安直线加速器控制端直接调用执行。

1.5 切割机加工文件的生成

1.5.1 补偿材料的衰减系数

由于物理补偿器的厚度与材料衰减系数呈相关性，分别测量加速器特定能量的相同强度射线照射不同厚度的低熔点铅和黄铜两种材料的透射量，并输入系统，系统由射线的指数衰减定律：

其中，Y 为透射量，x 为材料厚度。对数据进行最小二乘法拟合，得出入射量A 和衰减系数μ。

1.5.2 补偿器厚度矩阵的确立

用户在2～8 mm 范围内选取补偿器的空间分辨率R（例如3 mm），对于任一机架角度的射野，分别在X 方向和Y方向按分辨率划分其射野平面（Xmax×Ymax）形成厚度二维矩阵Tij（1 ≤i ≤Xmax/R，1 ≤j ≤Ymax/R,），并生成与之尺寸一致的机器跳数矩阵MUij。然后分析RTplan 文件内子野信息（MLC 叶片位置和机器跳数MU），统计射野平面内某点Pn（Pn∈序号为i,j 的矩阵网格）处各子野Fm下的机器跳数Mmn之和，并存储在对应几何位置的机器跳数矩阵中，见公式(2)：

由公式(3)将机器跳数矩阵MUij转换为厚度矩阵Tij：

其中，MUtotal为单个射野的总跳数，Tmax为补偿材料的最大厚度，最大厚度由材料的衰减系数决定，效果为将原射线衰减至2%。

1.5.3 切割机加工文件生成

系统为每个机架角度的射野生成一个切割机的输入文件，文件格式为纯文本文件，文件内容为先前得到的厚度矩阵，矩阵中的每个数据代表相应的位置需要切割的深度。

2 结果

系统的主界面如图2 所示，主要包含以下几个功能模块。

图2 射野强度信息转换系统主界面

（1）DICOM 数据导入。从治疗计划系统直接导出患者的RTplan 文件后，将其放置在系统的导入路径“DICOM”下，系统便可以读取各患者的基本信息和计划治疗机信息，供用户选择调用。在数据量较小时用户可以快速选取待转换的计划，但后期随着计划数量的逐渐累加，还需加入搜索功能以方便用户查找。

（2）补偿器材料的物理衰减数据录入。临床上，物理补偿器可以选用铜、铅等材料，用户可以录入选用材料的衰减数据，然后系统根据公式(2)、(3)自动拟合出此材料的衰减系数及对应补偿器的最大厚度，如图3 所示。

（3）MLC 控制文件的转换及切割机加工文件的转换。用户选择待转换的患者计划文件后，可以按照瓦里安加速器标准生成各个射野的MLC 控制文件，文件内容如1.4 所述，生成的文件中部分内容如图4 所示。若需要转换为切割机执行文件，用户在选择补偿器材料后，系统会生成包含补偿器厚度矩阵信息（图5）的切割机执行文件，并传输至切割机。

图3 补偿器材料的衰减物理数据录入界面

图4 MLC控制文件的部分内容

图5 转换系统输出的补偿器厚度矩阵的三维显示

3 讨论与结论

调强放射治疗技术凭借其更好的靶区适型度、均匀度以及更低的正常器官受量的优势[6-9]，成为了当代放疗临床的主流技术。射野强度分布的调节除了借助于加速器内/外置的MLC 来实现以外，制作物理补偿器并放置于射野路径中也是一个不错的选择。研究表明，使用物理补偿器进行的调强放射治疗，具有较好的鲁棒性、较高的强度分布分辨率、简便的制作方式与质控流程[10-12]。原则上来讲，较之物理补偿器技术，运用MLC 来进行强度调节效率较为低下，因为单个射野内的强度分布图需要依靠连续单个静态的MLC 子野来组合完成，MLC 叶片的运动时间和几何限制都是延长治疗时间的因素。而基于MLC 的调强放射治疗有着自动化的优势，这一点对于治疗射野较多的情况下尤为明显，目前大多数临床放疗中心也是采用MLC 来进行调强治疗。不过，对于治疗野数较少的患者或者加速器上未配备MLC 的部分基层医院，物理补偿器未尝不是一个好的调强治疗方案。

多年前的商用治疗计划系统如XiO®具备直接计算补偿器厚度矩阵的功能，但仅局限于特定的某补偿材料[13]，因此用户无法自主选择补偿器材料。Pinnacle 治疗计划系统可以将射线强度分布图输出到.decimal 公司提供的专业软件并由公司来制作相应的补偿器[14]。目前，临床多数商用治疗计划系统仅支持医疗影像行业的通用标准-DICOM 协议，而无法输出射野强度分布信息为切割机能直接使用的补偿器制作文件。因此对于多数放疗中心而言，从治疗计划系统到切割机之间仍存在着较大的沟壑。本信息转换系统通过对治疗计划系统导出的患者RTplan 文件的分析，转换成为某种材料补偿器的厚度矩阵，并直接输出为切割机能执行的文本文件，完成特定患者的物理补偿器制作，从而在MLC 设备缺失或者故障的情况下实现调强放射治疗。陈超敏等[15]也开发了一套转换物理补偿器的制作方法，其直接将TPS 中的射野三维强度分布图转换为物理补偿器几何信息，如果制作工艺允许，此种方法支持较高的射线强度三维分辨率，可以较好地提升计划质量。但是目前大多临床TPS无法直接输出射线强度分布图，所以这种方法使用范围较为局限。本研究则是运用TPS 的通用输出标准-DICOM 文件来作为系统的输入，因此能够兼容所有TPS。但其局限性在于，本系统生成的切割矩阵三维分辨率始终受限于输入RTplan 文件的MLC 几何宽度和子野的数量，从而无法从根源上提升放疗剂量分布的精度。不过其剂量结果精度依然可靠，据本团队先前的研究[16-17]，使用本系统制作的物理补偿器的放疗剂量分布与使用MLC 时无统计学差异。

另外，多数放疗中心的患者放疗计划通常是从计划系统输出后，通过信息网络传递到直线加速器进行执行。但部分基层医院未购置放疗信息网络，而即便有信息网络的放疗中心也会发生故障甚至瘫痪的情况，此时患者的放射治疗计划则无法有效传输到直线加速器，治疗因此被搁置。此时可以由信息转换系统将放疗计划文件转换生成MLC 控制文件，并直接传递给加速器控制端，完成计划实施，这可以作为一个放疗中心网络故障时的应急方案。

本研究开发的放疗射野强度信息转换系统可以有效地将患者的调强计划文件转换成补偿器切割信息或者MLC控制文件，实现基于补偿器的调强放疗，并在网络故障时提供患者治疗的应急方案。