放療靶區勾畫系統的設計與開發

譚燕，王培，郎錦義，黎杰，王先良，唐斌

四川省腫瘤醫院 放療科，四川 成都 610041

引言

在放療定位CT圖像上勾畫腫瘤靶區與周圍正常器官是放射治療流程中至關重要的上流環節。目前，臨床上靶區的勾畫大多在國內外廠家開發的商業治療計劃系統（Monaco?、PinnacleTM等）上完成，其功能比較豐富，基本可以滿足臨床需求，但是用戶個性化的功能卻難以定制。特別是當前人工智能在醫學包括放療領域內逐漸鋪開應用背景下[1-5]，醫學影像中的灰度、紋理、區域統計等信息是大數據和深度學習技術應用的關鍵基礎[6-13]，而目前臨床上廣泛使用的多數商業系統缺乏相應的數據接口，相應的研究工作也難以開展。本研究旨在自主開發一套放療靶區勾畫系統，配備基本的臨床功能，也同時開發出供學者研究的數據接口。

1 材料與方法

1.1 系統簡介

本靶區勾畫系統——Scarts系統2.0版采用窗口式交互界面，使用菜單或按鍵的方式實現各功能。系統采用Visual C++作為系統開發、設計平臺[14]，具有開放的系統結構和巨大的擴展能力，全面支持醫療行業國際標準DICOM。Scarts可安裝運行于Windows 2000/XP/7/10系統上，安裝包使用Inno Setup[15-16]開源軟件制作，安裝過程為交互性的操作方式。

1.2 DICOM標準

DICOM[17]（Digital Imaging and Communications in Medicine）是醫學圖像存儲和傳輸的國際通用標準。DICOM文件包含文件頭和數據集合，文件頭包含標識數據集合的相關信息，數據集合包含醫學圖像及患者、序列等相關信息。本系統根據DICOM文件標準設計讀取及存儲程序，方便與外界系統的直接對接。

1.3 圖像配準

系統為多時序CT及MRI影像提供影像配準的功能。用戶可采用點配準或者灰度配準方式：

（1）點配準：分別在圖像A和圖像B上定義對應的三組解剖結構點或者標志點，由系統按公式(1)計算出配準相似度R。

其中pB和pA＇是分別來自圖像B和配準后的圖像A上的對應點的坐標。然后對R進行優化后確定最優配準參數，進行圖像轉換，完成配準。

（2）灰度配準：灰度配準是基于兩幅圖像的數值灰度信息進行直接配準的一種方式，本系統可以按公式(2)計算出圖像B及配準后的圖像A＇的平均灰度方差R。

其中IB和IA＇分別為圖像B和配準后的圖像A上對應像素點的灰度值，N為像素點的數量，然后對R進行優化后確定最優配準參數，進行圖像轉換，完成配準。

（3）優化過程：在多次的循環迭代中不斷更改配準參數，配準參數的更改方向在迭代中應用梯度法來確定，在每一次迭代結束后計算配準相似度指標R，迭代過程持續到R達到收斂狀態，此時認為最優的配準方式已經達成，應用此時對應的配準參數完成圖像配準。

1.4 自動勾畫

目前本系統提供的自動勾畫算法為閾值勾畫法。首先選定需要勾畫的圖像灰度值范圍，然后在單幅或多幅圖像中尋找出符合選定灰度范圍的像素點，完成勾畫。在不同的圖像窗寬窗位條件下，閾值勾畫法可以自動勾畫出肺、骨骼、脊髓、腦室組織等密度與鄰近組織器官差異較大的正常器官。

2 結果

系統運行主界面，見圖1。系統各功能可通過菜單選擇，并以工具欄按鈕的方式來實現，符合Windows經典交互的使用習慣。

圖1 系統主界面

Scarts勾畫系統可實現圖像預處理、圖像配準、靶區勾畫、靶區信息統計、DICOM文件信息維護五個主要功能，見圖2。用戶可以加載臨床最為常用的CT和（或）MRI圖像，并支持圖像窗寬窗位的調節，對于CT多時序圖像或者CT/MRI圖像提供手動配準、點配準和面配準的配準方法[18]，為臨床靶區勾畫做好準備。用戶進行靶區勾畫時，可以選擇“圓圈刷”或“自由筆”的手動勾畫方式，或者采用自動閾值法對于肺、腦室等正常器官進行快速勾畫。對于已勾畫的靶區，可以統計勾畫的層數和體積等。

各患者的靶區及影像DICOM文件按照獨立文件夾的方式進行存放和管理，用戶可直接在特定患者文件夾內通過復制、粘貼DICOM文件的操作來導入或導出靶區及影像數據，操作直觀、快捷。存入文件夾的患者信息可以在病人列表中顯示查看及篩選（圖3）。一些個性化的輸出需求比如靶區勾畫的范圍、CT影像的灰度值信息也可以通過系統的輸出功能進行導出。

圖2 系統功能架構

圖3 病人數據列表

本系統經5名放療醫師使用20例放療患者進行勾畫測試。勾畫過程順暢，軟件運行穩定，臨床靶區及正常組織的勾畫均能順利完成。勾畫結果能正確導入其他臨床商用系統，兼容性較好，方便進行下一步的計劃制作。

3 討論

本系統實現了靶區及危及器官的手動勾畫功能，肺、脊髓、皮膚等器官可使用自動勾畫功能完成快速勾畫，提高了臨床工作效率。系統為多時序CT影像間提供灰度配準方式，對于CT及MRI影像用戶也可選用點配準方式進行影像配準，方便在勾畫時做出更好的判斷。總體而言，勾畫系統可以滿足臨床的基本勾畫需求，具有完成臨床患者靶區勾畫的能力。在與國內其他自主研發的勾畫系統（例如上海大圖云）相比，本勾畫系統功能還相對簡單，在今后的版本中，將視需求逐漸加入更多的臨床實用功能，如靶區波爾運算、勾畫的三維顯示、計劃劑量的查看與疊加、與PACS系統對接等。

在全面信息化的時代，數據的寶貴性和重要性不言而喻。醫學大數據的應用是當今世界的重要研究方向，也是我國時下重點鼓勵與支持的熱點技術。目前臨床商用靶區勾畫系統雖功能比較完善，但數據的輸出和統計缺乏友好的接口，不利于自主研究的開展。本系統完全由筆者自主開發，初衷為研發出一套可同時滿足臨床與研究的雙重需求的有力工具，實現相關醫學影像數據的操作與輸出，為大數據及人工智能方面的研究提供基礎和保障。

4 結論

本研究自主開發了一套靶區勾畫系統，能滿足臨床勾畫的基本需求，同時可以按需輸出影像相關的信息，為影像數據研究工作提供工具。