放療劑量驗證系統的設計與開發

吳凡，唐斌，康盛偉，黎杰，王培，萬斌

四川省腫瘤醫院&研究所 放療中心，四川 成都 610041

引言

隨著放射治療技術與設備的不斷發展與革新，臨床治療的精確度也在不斷地提升，而質量控制與保證這一環節的重要性也越來越受到重視[1-2]。放療劑量驗證作為質控的重要手段，目前臨床上主要有點劑量驗證、二維平面劑量驗證和三維劑量驗證三種方式[3-6]，而其中二維平面劑量驗證兼具可靠與操作性強的優點。

輻射顯色膠片[7-8]是一種常用的二維平面劑量采集設備，其特點為空間分辨率高，劑量響應范圍廣，能在放療劑量驗證時快速獲得二維劑量分布，常被應用于絕對劑量精度、多葉光柵到位精度、近距離放療中放射源到位精度等方面的驗證[9]。使用輻射顯色膠片進行平面劑量驗證則需要放療中心配備具有平面劑量導入和分析比較的軟件系統。目前，臨床上已有如RIT113、OmniPro等軟件系統，但大多數為商用付費使用及源代碼不公開。本研究旨在自主開發一套劑量驗證系統，提供輻射顯色膠片與治療計劃系統的二維平面劑量數據的導入、處理和劑量比對分析等功能，同時提供數據導出接口，供學者研究工作使用。

1 材料與方法

1.1 系統簡介

本劑量驗證系統——IMRTQA系統2.0版可安裝運行于Windows 2000/XP/7/10操作系統。系統采用MATLAB作為開發、設計平臺，全面支持醫學數字成像和通信標準DICOM[10-11]，系統交互方式為Windows圖形界面。

1.2 數據導入及處理

（1）膠片絕對劑量校準。將GAFCHROMIC?EBT膠片置于加速器等中心處，使用6 MV光子線在40 cm×40 cm照射野下對5張膠片分別照射100、200、300、400、500 cGy。將受照后的膠片的凈光學密度與照射劑量值相對應從而得到膠片的劑量刻度曲線[12-14]。

（2）使用一例臨床調強計劃對于膠片進行照射，膠片受照后經VidarVXR-16 DosimetryPro掃描儀使用16位灰度模式進行掃描，分辨率為71 dpi，圖像數字化處理為DICOM格式文件后導入IMRTQA系統。

（3）膠片圖像降噪。使用3×3均值濾波器對膠片掃描圖像進行降噪處理，處理后的圖像分辨率約為1 mm。

（4）將治療計劃系統（Treatment Planning System，TPS）中調強計劃的平面劑量DICOM數據導入本系統。

（5）圖像配準。分別對膠片圖像A和計劃圖像B使用灰度配準，由系統按公式(1)計算出配準誤差平方和（Sum of Squared Difference，SSD）。其中IA’和IB是分別來自配準后的膠片圖像A’和計劃圖像B上的對應點的灰度值，然后對SSD進行梯度優化后確定最優配準參數，最后進行圖像轉換，完成配準[15-16]。

1.3 數據分析

本系統目前提供兩種劑量顯示方式-劑量分布（Profile）和等劑量曲線（Isodoseline），以及兩種定量分析方法-吻合距離（Distance to Agreement，DTA）分析和Gamma分析。分析時需要先選定圖像范圍，然后在菜單中選擇分析方法及相應的分析標準，完成分析。最后可在結果輸出界面查看分析結果，如逐點劑量值、DTA吻合度及Gamma通過率等。

2 結果

系統運行主界面如圖1所示。系統各項功能均可通過菜單選擇、工具按鈕或快捷鍵等方式實現，與Windows傳統交互界面風格一致，操作簡便。

圖1 系統主界面

IMRTQA劑量驗證系統功能框架如圖2所示。該系統可實現膠片圖像的降噪、校準及與計劃圖像的配準一系列預處理功能，并可對輻射顯色膠片和治療計劃圖像進行Profile及Isodoseline顯示，劑量方式可選取DTA分析或Gamma分析。用戶可將經加速器照射后的劑量膠片掃描后導入本系統，并導入的由計劃系統中的平面劑量圖像進行灰度配準，為分析做好準備。然后根據需要，通過相應工具按鈕選擇分析方式，并可通過鼠標點選感興趣點或區域查看相應分析結果。

用戶將膠片圖像與計劃圖像配準完畢后，通過操作窗口界面的功能按鈕及下拉菜單指定所需分析方式與參數，調整結果顯示方式，分析結果將在新窗口對應顯示（圖3）。對于所得分析結果，系統可根據用戶的個性化需求進行導出或生成相關報告。

圖2 系統功能框架

圖3 分析結果界面

本系統經5名物理師經過25例放療患者驗證膠片進行分析測試。分析過程順暢，軟件運行穩定，DTA與Gamma分析均能順利完成，與Omnipro-Imrt的驗證結果比較無差異，表明本系統能正確進行劑量驗證分析。

3 討論

本系統提供了輻射顯色膠片掃描圖像的導入、校準及與治療計劃驗證圖像的配準、驗證分析等功能，能完整地實現臨床放射治療平面劑量的驗證流程，具有顯著的臨床應用價值。系統提供了臨床常用的DTA及Gamma分析方式，通過與商用軟件的驗證結果比對，證實了本系統分析結果的可靠性。

作為自主研發的系統，本系統可以按需添加更多實用功能，同時也配備友好的數據接口，方便數據研究工作的開展，這是使用其他非開源的商用軟件不具備的優勢。

本研究自主開發了一套放療劑量驗證系統，能夠滿足臨床劑量驗證的基本需求，同時可以按需輸出劑量學驗證信息，為后續研究提供數據工具。