調強放射治療數據轉換系統的研發

吳凡，萬斌，王培，黎杰，康盛偉，唐斌

四川省腫瘤醫院·研究所 放療中心，四川 成都 610041

引言

靜態調強放射治療中，治療計劃系統（Treatment Planning System，TPS）中的逆向優化算法可以根據用戶設定的靶區劑量目標及周圍正常器官限量來優化生成各角度射野平面內射線不均勻的強度分布方案。為了實現這種方案，通常需要使用加速器內置多葉準直器（Multiple Leaf Collimator，MLC）[1-3]，借助于MLC 的多次運動形成一系列形狀各異的照射子野，從而使平面內各點處累加特定強度的射線。另一種方法則是借助于物理補償器[4]，由于物理補償器各處的厚度不同，射線穿過其后便可直接形成不均勻的強度分布。

部分基層放療中心的加速器并未配備MLC 部件，此時調強放射治療可以采用專用五軸切割機來制作出特定患者的物理補償器以實現。然而TPS 通常只能輸出DICOM 標準文件，不具備直接輸出為切割機加工文件的功能，這對物理補償器在調強放療中的應用造成了阻礙。因此，為了填補這個環節空缺，本文通過對于DICOM 放療計劃文件內容的分析研究，設計開發出一套能將DICOM 標準文件轉換為切割機加工文件的系統。而對于臨床中使用美國瓦里安MLC 進行調強放療的場景，為了應對DICOM 數據傳輸網絡缺失或故障的情況，本系統也添加了將DICOM 標準文件轉換為醫用直線加速器能直接執行的MLC 控制文件的功能。

1 總體設計與功能實現

1.1 系統開發設計

系統采用Visual Studio 2010 作為開發平臺，可運行于Windows XP/7/10 操作系統上，采用了圖形界面以方便用戶操作。

1.2 DICOM協議

DICOM 協議為醫學圖像和相關信息的國際標準，也是絕大多數臨床TPS 的輸出標準。為了讀取TPS 導出的RTplan 計劃文件信息，本系統采用了DCMTK 開源庫[5]來實現對于DICOM 協議的支持。DCMTK 可直接運行于Visual Studio 平臺上，方便系統導入患者的放療計劃RTplan 文件。

1.3 系統流程

用戶將TPS 系統導出的患者RTplan 文件放入指定文件夾中后，系統可實現RTplan 文件的導入、分析，并按需選擇將RTplan 文件轉換為“MLC 控制文件”或“切割機加工文件”，然后進行文件輸出。系統運行流程圖如圖1 所示。

圖1 系統運行流程圖

1.4 MLC控制文件的生成

系統將每一角度的射野逐一輸出為MLC 類型控制文件。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 等子野和葉片的總體信息，最后附加上每個子野的機器跳數MU 及子野中每一對葉片（如Leaf 1A、Leaf 1B、Leaf 2A、Leaf 2B 等）的位置信息。MLC 文件包含了放療計劃中各射野及其子野實現的所有必要信息，能夠被瓦里安直線加速器控制端直接調用執行。

1.5 切割機加工文件的生成

1.5.1 補償材料的衰減系數

由于物理補償器的厚度與材料衰減系數呈相關性，分別測量加速器特定能量的相同強度射線照射不同厚度的低熔點鉛和黃銅兩種材料的透射量，并輸入系統，系統由射線的指數衰減定律：

其中，Y 為透射量，x 為材料厚度。對數據進行最小二乘法擬合，得出入射量A 和衰減系數μ。

1.5.2 補償器厚度矩陣的確立

用戶在2～8 mm 范圍內選取補償器的空間分辨率R（例如3 mm），對于任一機架角度的射野，分別在X 方向和Y方向按分辨率劃分其射野平面（Xmax×Ymax）形成厚度二維矩陣Tij（1 ≤i ≤Xmax/R，1 ≤j ≤Ymax/R,），并生成與之尺寸一致的機器跳數矩陣MUij。然后分析RTplan 文件內子野信息（MLC 葉片位置和機器跳數MU），統計射野平面內某點Pn（Pn∈序號為i,j 的矩陣網格）處各子野Fm下的機器跳數Mmn之和，并存儲在對應幾何位置的機器跳數矩陣中，見公式(2)：

由公式(3)將機器跳數矩陣MUij轉換為厚度矩陣Tij：

其中，MUtotal為單個射野的總跳數，Tmax為補償材料的最大厚度，最大厚度由材料的衰減系數決定，效果為將原射線衰減至2%。

1.5.3 切割機加工文件生成

系統為每個機架角度的射野生成一個切割機的輸入文件，文件格式為純文本文件，文件內容為先前得到的厚度矩陣，矩陣中的每個數據代表相應的位置需要切割的深度。

2 結果

系統的主界面如圖2 所示，主要包含以下幾個功能模塊。

圖2 射野強度信息轉換系統主界面

（1）DICOM 數據導入。從治療計劃系統直接導出患者的RTplan 文件后，將其放置在系統的導入路徑“DICOM”下，系統便可以讀取各患者的基本信息和計劃治療機信息，供用戶選擇調用。在數據量較小時用戶可以快速選取待轉換的計劃，但后期隨著計劃數量的逐漸累加，還需加入搜索功能以方便用戶查找。

（2）補償器材料的物理衰減數據錄入。臨床上，物理補償器可以選用銅、鉛等材料，用戶可以錄入選用材料的衰減數據，然后系統根據公式(2)、(3)自動擬合出此材料的衰減系數及對應補償器的最大厚度，如圖3 所示。

（3）MLC 控制文件的轉換及切割機加工文件的轉換。用戶選擇待轉換的患者計劃文件后，可以按照瓦里安加速器標準生成各個射野的MLC 控制文件，文件內容如1.4 所述，生成的文件中部分內容如圖4 所示。若需要轉換為切割機執行文件，用戶在選擇補償器材料后，系統會生成包含補償器厚度矩陣信息（圖5）的切割機執行文件，并傳輸至切割機。

圖3 補償器材料的衰減物理數據錄入界面

圖4 MLC控制文件的部分內容

圖5 轉換系統輸出的補償器厚度矩陣的三維顯示

3 討論與結論

調強放射治療技術憑借其更好的靶區適型度、均勻度以及更低的正常器官受量的優勢[6-9]，成為了當代放療臨床的主流技術。射野強度分布的調節除了借助于加速器內/外置的MLC 來實現以外，制作物理補償器并放置于射野路徑中也是一個不錯的選擇。研究表明，使用物理補償器進行的調強放射治療，具有較好的魯棒性、較高的強度分布分辨率、簡便的制作方式與質控流程[10-12]。原則上來講，較之物理補償器技術，運用MLC 來進行強度調節效率較為低下，因為單個射野內的強度分布圖需要依靠連續單個靜態的MLC 子野來組合完成，MLC 葉片的運動時間和幾何限制都是延長治療時間的因素。而基于MLC 的調強放射治療有著自動化的優勢，這一點對于治療射野較多的情況下尤為明顯，目前大多數臨床放療中心也是采用MLC 來進行調強治療。不過，對于治療野數較少的患者或者加速器上未配備MLC 的部分基層醫院，物理補償器未嘗不是一個好的調強治療方案。

多年前的商用治療計劃系統如XiO?具備直接計算補償器厚度矩陣的功能，但僅局限于特定的某補償材料[13]，因此用戶無法自主選擇補償器材料。Pinnacle 治療計劃系統可以將射線強度分布圖輸出到.decimal 公司提供的專業軟件并由公司來制作相應的補償器[14]。目前，臨床多數商用治療計劃系統僅支持醫療影像行業的通用標準-DICOM 協議，而無法輸出射野強度分布信息為切割機能直接使用的補償器制作文件。因此對于多數放療中心而言，從治療計劃系統到切割機之間仍存在著較大的溝壑。本信息轉換系統通過對治療計劃系統導出的患者RTplan 文件的分析，轉換成為某種材料補償器的厚度矩陣，并直接輸出為切割機能執行的文本文件，完成特定患者的物理補償器制作，從而在MLC 設備缺失或者故障的情況下實現調強放射治療。陳超敏等[15]也開發了一套轉換物理補償器的制作方法，其直接將TPS 中的射野三維強度分布圖轉換為物理補償器幾何信息，如果制作工藝允許，此種方法支持較高的射線強度三維分辨率，可以較好地提升計劃質量。但是目前大多臨床TPS無法直接輸出射線強度分布圖，所以這種方法使用范圍較為局限。本研究則是運用TPS 的通用輸出標準-DICOM 文件來作為系統的輸入，因此能夠兼容所有TPS。但其局限性在于，本系統生成的切割矩陣三維分辨率始終受限于輸入RTplan 文件的MLC 幾何寬度和子野的數量，從而無法從根源上提升放療劑量分布的精度。不過其劑量結果精度依然可靠，據本團隊先前的研究[16-17]，使用本系統制作的物理補償器的放療劑量分布與使用MLC 時無統計學差異。

另外，多數放療中心的患者放療計劃通常是從計劃系統輸出后，通過信息網絡傳遞到直線加速器進行執行。但部分基層醫院未購置放療信息網絡，而即便有信息網絡的放療中心也會發生故障甚至癱瘓的情況，此時患者的放射治療計劃則無法有效傳輸到直線加速器，治療因此被擱置。此時可以由信息轉換系統將放療計劃文件轉換生成MLC 控制文件，并直接傳遞給加速器控制端，完成計劃實施，這可以作為一個放療中心網絡故障時的應急方案。

本研究開發的放療射野強度信息轉換系統可以有效地將患者的調強計劃文件轉換成補償器切割信息或者MLC控制文件，實現基于補償器的調強放療，并在網絡故障時提供患者治療的應急方案。