三维近距离治疗计划系统的研究与开发

王炳杰，王先良，温爱萍，康盛伟，黎杰，吴骏翔

1.香港理工大学 医疗科技及咨询学系，香港 999077；2.四川省肿瘤医院/四川省肿瘤研究所/四川省癌症防治中心/电子科技大学附属肿瘤医院 放疗中心，四川 成都 610041；3.电子科技大学 医学院，四川 成都 610054

引言

近距离治疗是宫颈癌放射治疗的主要手段之一，近年来，随着放射物理、放疗设备、影像技术的发展，三维近距离治疗逐渐广泛应用于临床[1-2]。三维近距离治疗是基于三维影像数据（CT/MRI），给予靶区处方剂量，对危及器官（Organs at Risk，OAR）给予剂量体积限制以提供更好的保护，并通过剂量体积直方图（Dose Volume Histograms，DVH）评估靶区和OAR 的受照剂量[3]。三维近距离治疗相比传统的二维治疗，在靶区适形度、OAR 保护等方面优势明显，可提高局部肿瘤控制率和降低OAR 的不良反应[4-5]。

临床中为实现相关治疗方案，通常需要使用三维近距离治疗计划系统。治疗计划系统是放射治疗流程中的核心组成部分，三维近距离治疗计划系统需提供影像数据的可视化、精准快速的剂量计算、逆向优化以及友好的用户交互等功能[6-7]。目前，临床上常用的三维近距离治疗计划系统大多为国外品牌，如瑞典Elekta 公司的Oncentra 系统、美国Varian 公司的GammaMed 系统等。国外公司出于技术保护和垄断目的，用户很难定制个性化的功能并缺乏相应的数据接口。基于此，本研究旨在自主研发一套具有我国自主知识产权的精准三维近距离治疗计划系统，以期为临床近距离治疗的计划设计提供解决方案。

1 资料与方法

1.1 系统简介

本研究中的三维近距离治疗计划系统具有自主知识产权的[软件著作权名称：三维近距离放射治疗计划系统V3.0（Scarts V3.0），登记号：2022SR0382367，用途：近距离放射治疗的计划设计和评估]。三维近距离治疗计划系统采用窗口式交互界面，通过菜单或按键方式实现操作功能。该系统包括患者信息、靶区和OAR 勾画、近距离计划、计划评估以及系统配置等模块，可实现患者数据管理、靶区和OAR 的勾画、施源器重建、剂量计算、逆向优化、剂量评估以及数据导入和导出等功能，见图1。系统的开发平台为Microsoft Visual C++[8]，后期可根据用户需求增加或更新功能模块，数据库采用Microsoft Office Access，数据访问则采用ADO（ActiveX Data Objece）技术[9]，支持DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）协议[10]。系统使用德国offis 公司的DCMTK（DICOM Tool Kit）[11]开源函数库解析DICOM 协议文件并实现数据操作功能。三维近距离治疗计划系统可在Windows 2000/XP/7/10 等主流系统上通过交互性的操作方式安装运行，安装包使用Inno Setup 开源软件制作[12]。首次使用时需对该系统进行注册，根据注册码的不同，系统将开放全部或者部分功能。

图1 三维近距离治疗计划系统功能模块图

1.2 图像配准

本系统为提高靶区和OAR 的勾画精准度，在靶区勾画模块提供了多模态影像数据（CT/MRI）的图像配准功能。用户可根据实际需求选取基于特征点的配准和基于像素灰度的配准两种方式。

大家都说是念书累的，外祖母也说是念书累的，没有什么要紧的；要出嫁的女儿们，总是先前瘦的，嫁过去就要胖了。

1.3 施源器重建

施源器是近距离放射治疗中不可缺少的工具之一[13]，在三维近距离治疗计划的设计中需要在患者的CT 数据上重建施源器，其中本系统提供了两种手动重建施源器的方式：① 首先确定等中心的位置，然后在横断面、冠状面和矢状面分别旋转，在矢状面或冠状面获取施源器管道的图像，从而依次点出管道的位置；② 直接在横断面每层点出施源器管道的位置。

1.4 剂量计算和逆向优化

近距离治疗源的剂量率计算方法使用美国医用物理学家协会发布的TG43 和TG43U1 报告推荐的计算方法[14-15]，具体计算方式如公式（1）所示。

DVH 的显示采用了康奈尔大学的基于C/C++编写的开源软件SGraph。另外，为了使DVH的显示更加美观，该系统对坐标轴刻度的标定进行了优化，用程序根据数据变化的范围动态地设置坐标轴的刻度，包括坐标轴步长的规范化、起点的规范化和终点的规范化[18]。

为在保证剂量计算精度的前提下提高计算速度，结合放射源周围剂量分布的对称性，该系统对剂量计算的算法进行了改进。在剂量计算开始之前先计算出一个沿放射源长轴方向（V 方向）和垂直于放射源长轴方向（U方向）的二维剂量率分布表T（m, n）存放在计算机内存中，剂量计算简单查表乘以驻留时间就能实现[16]。

该系统提供正向和逆向两种优化方式。正向优化通过输入驻留位置权重和驻留时间，或直接拖拽等剂量线的方式进行优化。而逆向优化则是通过给予靶区和OAR 优化目标和权重的方式，经过不断试错的过程得到理想的剂量分布，该逆向算法采用基于梯度下降的算法[17]，计算方式如公式（2）所示。

假定黏弹性梁在x=x0处存在上表面裂纹,则对初边值问题式(7)～(9),式(11)和(13)关于时间t进行Laplace变换,可得

5) 可靠性技术研究。研究多余度结构的磁通切换电动机，提出切实可行的余度结构方案；研发模块化、集成化的控制器，优化软、硬件结构，提高系统抗干扰能力和可靠性。

式中，tm,n为第m 根施源器管道中的第n 个驻留位置的驻留时间；D0为靶区处方剂量或OAR 的剂量限制；Di为第i 个体元的剂量；H 为阶跃函数；PTAR和POAR分别为调节靶区和OAR 权重的参数。

1.5 计划评估

2.2.1 患者信息模块

2.2.3 近距离计划和评估模块

选取2016年2月—2018年2月进入本院治疗的脊柱骨折患者进行此次实验的研究比较，将参与研究的患者随机分成实验组（37例）和对照组（37例），实验组则对患者采取CT进行诊断。实验组中男性患者26例，女性患者11例，平均年龄为（47.38±3.71）。对照组对患者采取X片平片进行诊断，对照组中男性患者27例，女性患者10例，平均年龄为（48.26±3.56）。实验组和对照组年龄、性别等不存在明显差异（P＞0.05）。对比分析分别应用两种检查方式患者病情的检出几率。

式中，r 为感兴趣点距离源中心的距离；θ 为极坐标系下感兴趣点与源中心的连线与源长轴的夹角；P(r0, θ0)为参考点，其中r0=1 cm，θ0为π/2；Sk为空气比释动能强度，单位为µGym2h-1Bq-1或cGycm2h-1Bq-1；Λ 为剂量率常数，单位为cGyh-1U-1；g(r)为径向剂量函数，无量纲；F(r,θ)为各向异性函数，无量纲；G(r,θ)为几何因子，单位为cm-2。

2 结果

2.1 三维近距离治疗计划系统主界面

2.2.4 系统配置模块

归一化处理后，C1、C2、C3、C5的各权重值为：ω11=0.109，ω12=0.413，ω13=0.283，ω15=0.196.

图2 三维近距离治疗计划系统主界面

2.2 模块分析

计划评估是确定计划质量的重要过程，通过计划评估确认肿瘤区域和OAR 的受照剂量是否符合计划方案，该系统中提供了DVH 和剂量分布两种评估方式。DVH分为差分DVH 和积分DVH，具体计算方式分别如公式（3）和公式（4）所示。

贵阳城镇化发展的现状主要表现为：一是城镇人口的增加。根据贵阳统计局发布的《第六次人口普查》数据显示，近十年城镇人口增加了67万人，居住在城镇的人口约为290万人，占68.1%。同2000年第五次人口普查数据相比，城镇人口增加了约67万人，与省内其他城市相比，2010年至2015年贵阳市的常住人口城镇化率也处于领先位置 （如图1）；二是城镇化率发展领先。根据贵州省统计局发布的《贵州省城镇化发展情况分析》显示，2013年贵阳市以71.12%位居省内城镇化率第一位。

该模块用于管理患者的基本信息，包括病案号、姓名、性别、出生日期、电话、病区、主管医生和临床诊断等；影像列表用户可导入患者的DICOM 数据（CT/MRI），并浏览该患者相应的影像数据、删除列表框中的影像数据和查询该患者的所有影像数据；计划列表支持计划的新建、修改、复制和删除等功能。

2.2.2 图像显示模块

该模块用于施源器重建、计划设计和计划评估等功能。在施源器重建模块可以设置施源器每个导管的属性，并将以上设置保存为模板从而减少用户重复工作。计划设计包括计算参数、靶区权重、计算网格和放射源参数等内容，在计算参数中可选择放射源模型的文件位置和优化时的迭代次数；靶区权重可设置靶区和OAR 的目标函数和权重；计算网格可设置计算的范围和计算网格大小；放射源参数可修改源的名称、半衰期和参考空气比释动能率等参数，使计划系统中的源数据与后装机保持一致。计划评估包括剂量分布和DVH 等信息，见图3。用户可根据需求设置个性化的参数如等剂量线的范围、等剂量线的颜色、等剂量线的绝对剂量或相对剂量、靶区和OAR 的剂量体积等。

式中，R 为剂量率；Pi为选定区域V 中的某一点；Ri为某一点对应的剂量率。

该模块用于图像预处理、图像配准、靶区和OAR的勾画和DICOM 文件维护等功能。图像配准支持CT/MRI 等影像数据的手动配准、点配准和灰度配准。该系统提供圆圈刷和自由笔两种手动勾画方式以及通过阈值法的自动勾画方式，并支持对当前层和最近有该器官勾画的层之间的层都进行插值勾画。另外，对于勾画结构支持三维方向的外放操作，以及统计已勾画的器官体积、层数等信息。

图3 计划评估

三维近距离治疗计划系统主界面如图2 所示，通过工具栏按钮实现各功能，包括选择计划对话框、图像放大缩小对话框、勾画工具面板对话框、剂量评估面板对话框以及近距离计划面板对话框。

该模块包括器官配置模块和输出模块。器官配置模块可用于设置OAR 和靶区在系统内的默认颜色及结构的类型（靶区、OAR 等）。输出模块则用于修改数据输出的配置，用于管理数据（新建、修改和删除）传输的位置，且用户可按照实际需求在传输时选择传输的数据（计划参数、结构、计划剂量和DICOM 等数据）。另外，本系统可以通过输出后装机可执行的文件实现与后装机的交互目的，最终可按照计划参数实现照射。

黑龙江农垦齐齐哈尔管理局依安农场始建于1956年，耕地8.5万亩，人口5000多人。经过60多年几代农场人的艰苦奋斗，如今农业结构调整基本到位，城镇建设管理日趋完善，职工生活水平普遍高于区域平均水平，打造富裕、文明、和谐、亮丽的花园式农场初步实现，先后获得国家生态示范区、省优美城镇、省平安农场、省级文明单位、省优秀企业等多项荣誉。

2.3 系统优化算法和剂量计算算法验证

选取从2022 年1—12 月收治的6 例患者（均为女性，患者年龄42～52 岁，平均年龄46 岁。）分别使用本系统和商用计划系统（Elekta 公司的Oncentra 系统）进行近距离治疗计划的设计，验证本系统优化算法和剂量计算算法的准确性，结果显示，两种计划系统在DVH 参数的偏差均小于0.53%，γ 通过率在98.24%以上，且未通过γ 验证点的位置对临床的影响可忽略。

本文针对长距离链路中的数据帧出错模式和特点，设计了链路状态自适应的FEC编码算法：AdaCode.将帧内编码和帧间编码有机结合起来，根据链路状态动态选择编码率，以最小冗余解码出最多数据帧，极大降低丢包导致的超时重传；同时帧间编码采用喷泉码，需要的反馈信息少，能有效提高链路利用率.

3 讨论

计划系统是现代肿瘤放射治疗流程中的重要组成部分，系统的性能对于治疗效果有至关重要的作用。三维近距离治疗系统技术是一个复杂的计算机优化过程，而该系统的研发是一项较大的工程，涉及近距离治疗物理学、影像医学、软件工程、图像处理等专业。本研究团队经过前期的研究已实现近距离治疗中的图像配准功能[13]、剂量计算[16]和逆向优化算法[17]等功能，本研究则通过Microsoft Visual C++平台以上述功能为基础开发出了具有窗口式交互界面、可使用菜单或按键方式进行操作的三维近距离治疗计划系统，并在此基础上进一步完善该系统的功能，增加了患者信息模块、计划评估模块和系统配置等模块。本系统实现了近距离治疗计划设计的全流程功能，包括患者信息管理、靶区和OAR 勾画、近距离计划设计和计划评估等功能。总体而言，该系统可满足近距离治疗计划设计的基本要求，具备临床实用性。

近距离治疗相比外照射放疗可减小摆位误差，在靠近源处剂量高、源周边剂量跌落陡峭可以更好地保护OAR，对于宫颈癌等部位肿瘤的放射治疗有不可替代的作用。三维近距离治疗是目前近距离治疗的主流技术，与传统二维相比可以通过逆向优化功能实现患者的个体化治疗，具有降低患者OAR 剂量的潜力[19-20]。而剂量计算算法和优化算法是三维近距离治疗计划系统研发中的难点，需要同时满足精准和高效等基本要求。本系统对剂量计算的算法进行了改进，剂量计算通过简单查表乘以驻留时间就能实现，明显提高了剂量计算的时间，并且计划的平均验证γ 通过率大于98%。目前已有研究者对三维近距离治疗的逆向优化算法进行了研究[21-22]，研究中使用的算法均会产生部分驻留时间变化幅度较大的计划，导致剂量分布均匀性较差，增加了治疗过程中不确定性因素的影响。本系统使用了一种可以控制驻留时间变化幅度的三维近距离治疗逆向优化算法，使用该算法计算Fletcher 施源器的计划结果与商用计划系统的结果相近。

根据国家癌症中心2020 年发布的数据[23]，2018 年中国大陆地区放疗单位1463 家，近距离治疗机仅339 家，按照每家单位1 台近距离治疗机的配置比例，全国仅23.2%的单位可开展近距离治疗技术。近距离治疗技术与其他放疗技术相比利用率较低，这与诊疗流程规范、适应证患者的筛选以及医院的经济条件有关。另外，主流的三维近距离治疗系统大多为进口设备，价格昂贵等因素限制了该技术的广泛使用。目前国产的近距离治疗系统仍以二维治疗为主，本研究研发的国产三维近距离系统可应用于国产近距离治疗系统，在一定程度上增加了国产三维近距离治疗系统的竞争力。

人工智能技术已广泛应用于放疗OAR 的自动分割领域，如康盛伟等[24]使用深度卷积神经网络在CT 数据上自动分割头颈部肿瘤的OAR，其OAR 自动分割的器官与人工勾画的接近。而在近距离治疗的流程中，施源器的重建是整个过程中非常关键的一步，施源器重建的精度和时间均会影响患者的剂量分布甚至疗效[25-26]。目前国内外对近距离治疗中施源器的自动重建研究较少，本研究团队已通过构建U-Net 网络，将CT 图像进项预处理后导入网络，通过人工智能技术实现了施源器的自动重建工作[27]，后续将继续完善这一工作，将该技术移植到本系统中，进一步提高本系统的适用性。

当然，本系统仍有不足之处，在后期的版本中将进一步丰富功能、优化系统界面、在勾画模块增加勾画结构的三维显示和结构之间的布尔运算功能、近距离计划模块增加多个计划的DVH 图和剂量分布图的对比功能以及提高优化速度等。另外，本研究中的病例数较少，后期将增加病例数来进一步验证本系统优化算法和剂量计算算法的准确性。

4 结论

综上所述，本研究自主研发了一套具有中国自主知识产权的三维近距离治疗计划系统，具备临床所需基本功能，可实现近距离治疗的三维计划设计。