于大宇，唐麗玉，李小波，徐本華，張建平

1.福州大學(xué)空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福建福州350116；2.福州大學(xué)地理空間信息技術(shù)國家地方工程研究中心，福建福州350116；3.福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院放射治療科，福建福州350001；4.福建醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)與工程學(xué)院，福建福州350004；5.福建醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)部，福建福州350108

前言

惡性腫瘤已成為威脅生命健康的主要疾病之一。放射治療、手術(shù)治療和化學(xué)治療作為腫瘤治療的三大手段，可有效降低腫瘤的威脅。近年來，放療技術(shù)已發(fā)展到可根據(jù)腫瘤的三維（Three-Dimensional,3D）形狀調(diào)節(jié)輻射強(qiáng)度，使高劑量輻射在分布上適形腫瘤靶區(qū)的3D 適形調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)（Three-Dimensional Conformal Radiotherapy,3D-CRT），從而減少靶區(qū)周圍正常組織的照射劑量，提供更好的治療效果，3D-CRT現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于臨床腫瘤治療［1］。調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity-Modulated Radiotherapy，IMRT）技術(shù)在計劃制定階段對目標(biāo)函數(shù)實施逆向優(yōu)化，可根據(jù)不同靶區(qū)處方劑量要求得到更加適形的非均勻的劑量分布，相比傳統(tǒng)3D-CRT技術(shù)更為復(fù)雜，對質(zhì)量保證與質(zhì)量控制有較高的要求［2］。

IMRT計劃的客觀目標(biāo)是根據(jù)目標(biāo)函數(shù)尋求最優(yōu)解，使等劑量曲線達(dá)到理想的分布，優(yōu)化過程依賴于商用3D-CRT治療計劃系統(tǒng)（Treatment Planning System,TPS）中的劑量計算引擎［3］。然而劑量計算引擎在精度上存在局限性，并受時間限制，計算過程中易產(chǎn)生不確定性，可能影響整體計算精度。Jeraj等［4］和李小波等［5］研究展示了IMRT優(yōu)化過程中使用筆形劑量計算算法存在的系統(tǒng)性誤差和收斂誤差。Prabhakar等［6］使用60例不同癌腫區(qū)域的病人數(shù)據(jù)研究Eclipse、Pinnacle等不同TPS對腫瘤組織體積的計算差異，結(jié)果表明所有TPS對同一腫瘤組織體積的計算結(jié)果都存在不同程度的差異。IMRT合作工作組討論了質(zhì)量保證的過程和劑量驗證的方法［2］。Ayyalasomayajula等［7］將Eclipse TPS計算的3D-CRT 劑量分布與研發(fā)的ROPS獨立計算的劑量分布作對比，以評估Eclipse 3D劑量分布。Nelson等［8］和Park等［9］分別開發(fā)了一個獨立的劑量評估系統(tǒng)，用于二次驗證及評估TPS計算的復(fù)雜的3D適形劑量分布。對IMRT這種高度適形放射治療技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制是十分重要的。

目前，國外的研究組織和醫(yī)療機(jī)構(gòu)對放射治療有相對廣泛深入的研究，國內(nèi)的研究主要集中在TPS的研發(fā)，以及放射治療劑量計算、優(yōu)化算法等［10-12］，對放射治療數(shù)據(jù)的可視化及質(zhì)量控制的研究相對較少。

DICOM-RT 是DICOM 標(biāo)準(zhǔn)的一個擴(kuò)展模塊，是NEMA協(xié)會成立的放射治療標(biāo)準(zhǔn)工作組專門制定的關(guān)于放射治療的數(shù)字影像和傳輸標(biāo)準(zhǔn)［13］。DICOM-RT已是放射治療領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的放射治療標(biāo)準(zhǔn)，主流商用TPS均支持以DICOM-RT格式導(dǎo)出數(shù)據(jù)。DICOMRT具有良好的可擴(kuò)展性但部分商用TPS具有封裝性，不同商用TPS的部分?jǐn)?shù)據(jù)無法互相傳輸與使用。

本研究為滿足研究團(tuán)隊研發(fā)的遠(yuǎn)程放射治療質(zhì)量控制數(shù)據(jù)的集成管理與應(yīng)用平臺的需要，以質(zhì)量保證/質(zhì)量控制為重點，并基于DIOCM協(xié)議研發(fā)放射治療數(shù)據(jù)可視化與分析系統(tǒng)（RTViewer）。系統(tǒng)可對TPS 生成的放射治療計劃文件進(jìn)行獨立的劑量體積直方圖（DVH）計算，提供不同TPS的DVH、點劑量及等劑量曲線分布圖對比，用于在服務(wù)器上了解和分析不同放射治療單位上傳的放射治療數(shù)據(jù)。

1 DICOM-RT解析及可視化

1.1 DICOM-RT對象及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

DICOM-RT 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編碼方式與DICOM標(biāo)準(zhǔn)一致。如圖1所示，DICOM 文件由文件頭和數(shù)據(jù)集兩大部分組成。文件頭由導(dǎo)言和前綴組成，主要用來標(biāo)識此文件是否為DICOM文件；數(shù)據(jù)集由一個個數(shù)據(jù)元素組成，數(shù)據(jù)元素是DICOM的基本組成單元，每個數(shù)據(jù)元素對應(yīng)現(xiàn)實世界的一個對象實例。數(shù)據(jù)元素包含標(biāo)簽、值表示、數(shù)據(jù)長度和值域這4部分。標(biāo)簽是數(shù)據(jù)元素的唯一標(biāo)識，值域是數(shù)據(jù)元素的值，值的字節(jié)長度由值長度定義，值表示描述值域的數(shù)據(jù)類型。DICOM 文件采用二進(jìn)制方式編碼，符合計算機(jī)邏輯運算，易于轉(zhuǎn)換，可靠性高。

圖1 DICOM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.1 DICOM data structure

DICOM-RT模塊增加了許多與放射治療相關(guān)的數(shù)據(jù)元素，主要分為5個對象：RT-Image、RT-Structure Set、RT-Plan、RT-Dose、RT-Record（圖2）。DICOM標(biāo)準(zhǔn)對每個RT對象都有詳盡的定義，不同RT對象含有特定數(shù)據(jù)元素，負(fù)責(zé)不同的存儲任務(wù)。RT-Image存儲數(shù)字重建透視圖、射野驗證圖像等放射治療圖像信息；醫(yī)生在TPS中勾畫的腫瘤靶區(qū)和危及器官等保存在RT-Structure Set對象中；RT-Dose主要存儲TPS計算的3D劑量分布和DVH信息；RT-Plan包括體位、處方、射野等照射治療計劃信息；RT-Record為放射治療記錄對象。

圖2 DICOM-RT對象關(guān)系圖Fig.2 DICOM-RT object relation diagram

DICOM-RT的對象之間相互參照、相互關(guān)聯(lián)，對象之間的邏輯關(guān)系較強(qiáng)。對DICOM-RT的解析涉及到實體關(guān)系模型的分析、元信息解讀和數(shù)據(jù)元素提取等,解析過程較為復(fù)雜。根據(jù)實際需要，本研究選取在劑量分布評估上重要且必須的RT-Structure Set和RT-Dose對象，論述其解析方法。其中，對DICOM-RT的解析使用DCMTK工具庫實現(xiàn)，解析和分析的結(jié)果使用Visualize Tookit（VTK）可視化。

1.2 RT-Structure Set對象解析及可視化

RT-Structure Set 文件包含以下數(shù)據(jù)模塊：Patient、Study、Series、Equipment、Structure Set。其中，前4 個為DICOM 文件中的常見數(shù)據(jù)模塊，Structure Set 為RT-Structure Set 對象的特有模塊。Structure Set 由Structure Set、ROI Contour、RT ROI Observation 和SOP Conmen 這4 個子數(shù)據(jù)集組成，每個子數(shù)據(jù)集嵌套一個或多個數(shù)據(jù)集。Structure Set中定義了放射治療中醫(yī)生勾畫的重要組織區(qū)域的三維體積輪廓，如身體外輪廓、危及器官、腫瘤靶區(qū)（包括腫瘤靶區(qū)、臨床靶區(qū)和計劃靶區(qū)）及其它感興趣區(qū)（ROI）［14-16］。ROI提取過程見圖3。

將ROI 保存到內(nèi)存后，利用Contour 的Referenced SOP Instance UID 與每一幀CT 影像的SOP Instance UID 做匹配分析，若相等，則認(rèn)為該Contour 位于該CT 影像上。將Contour 和CT 影像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)系，然后將兩個圖層（CT影像為第一圖層,Contour 為第二圖層）進(jìn)行疊加顯示，最終顯示結(jié)果見圖4。

ROI由醫(yī)生在TPS中根據(jù)經(jīng)驗繪制而成，一份完整腫瘤靶區(qū)勾畫的制作需2～4 h，是放射治療計劃中最為珍貴的數(shù)據(jù)。將腫瘤靶區(qū)勾畫從TPS中提取出，導(dǎo)入到Matlab、R 語言等獨立的分析環(huán)境中，可用于檢驗自動勾畫的準(zhǔn)確度、訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及進(jìn)行劑量計算等［14］。因此，該系統(tǒng)提供RT-Structure Set輸出接口，可以利用ASCⅡ編碼方式輸出腫瘤靶區(qū)結(jié)構(gòu)。

圖3 ROI提取Fig.3 Extraction of region of interest

圖4 ROI顯示結(jié)果Fig.4 Representation of region of interest

1.3 RT-Dose對象解析及可視化

TPS 計算的3D 劑量分布數(shù)據(jù)通常以3D 格網(wǎng)形式表達(dá)，在RT-Dose對象中通常用二維劑量平面形式表達(dá)3D劑量格網(wǎng)，即用多幀二維劑量圖像表示3D劑量分布［12］。

從圖5可以看出，完整的3D 劑量格網(wǎng)沿Z 軸按層切分，每一層被等分為體積相同的體素。通常用二維劑量圖像表示一層的體素，劑量圖像的Pixel Spacing（像素間隔）代表單個體素的長和寬，Slice Thickness（層厚）表示體素的高。體素是3D 劑量分布中最基礎(chǔ)的元素，其內(nèi)部的劑量分布是勻質(zhì)的，劑量值可通過像素值轉(zhuǎn)換而得，計算公式為：

其中，PV 為圖像的像素值，一般為int 類型；DGS 為DoseGridScaling數(shù)據(jù)元素（Tag：3004,000E）的值域，用以將像素值轉(zhuǎn)為指定單位的劑量值。劑量單位可通過Dose Units數(shù)據(jù)元素獲得。劑量分布的坐標(biāo)通過Image Position、Pixel Spacing和Grid Frame Offset Vector數(shù)據(jù)元素隱式地表示，Image Position可認(rèn)為是3D劑量格網(wǎng)的X、Y、Z 坐標(biāo)原點的真實世界坐標(biāo)值。Grid Frame Offset Vector數(shù)據(jù)元素為存有每一幀劑量圖像Z值的一維數(shù)組。基于以上數(shù)據(jù)元素，經(jīng)計算后，可獲得3D劑量格網(wǎng)內(nèi)任意位置的坐標(biāo)與劑量值。

除點劑量的顯示外，劑量分布常以劑量分布圖的形式直觀地顯示。要獲得某一區(qū)域的劑量分布圖，需先建立一幅對應(yīng)空間范圍的空像素值圖像，依次對圖像的每個像素填充像素值，像素值通過對應(yīng)坐標(biāo)的劑量格網(wǎng)的像素值獲取，具體方法見上述分析。填充所有像素后，即可得到灰度劑量分布圖。調(diào)用VTK庫的vtkLookupTable類，創(chuàng)建顏色映射表，可將灰度劑量分布圖映射為彩色圖像，凸顯劑量的差異［1］，結(jié)果如圖6所示。

圖6 劑量分布偽彩顯示Fig.6 Dose distribution in pseudo color

DVH 模塊是RT-Dose 對象中的一個可選模塊，部分TPS導(dǎo)出的RT-Dose內(nèi)部包含DVH模塊。DVH包括有差分型DVH和累積型DVH這兩種形式，需先根據(jù)DVH Type數(shù)據(jù)元素判斷其類型，然后再根據(jù)其類型，使用對應(yīng)的計算算法將DVH Data數(shù)據(jù)元素中的數(shù)據(jù)以DVH 的形式顯示。DVH 模塊與Structure Set類似，其部分?jǐn)?shù)據(jù)元素采用嵌套結(jié)構(gòu)，解析時由外向內(nèi)的順序逐層解析。解析完成后，依據(jù)Referenced ROI Number匹配到從RT-Structure Set中解析的相對應(yīng)ROI，獲取參照ROI 的名字、顏色等信息。圖7為RT-Dose對象中的Eclipse TPS計算的DVH。

圖7 Eclipse計算的DVHFig.7 Dose-volume histogram(DVH)calculated with Eclipse

1.4 RTViewer系統(tǒng)的實現(xiàn)

在Windows 10 64-bit操作系統(tǒng)上，采用C++開發(fā)語言，集成開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2015，利用DCMTK 開源庫和VTK 可視化開源庫，開發(fā)形成放射治療數(shù)據(jù)可視化與分析系統(tǒng)RTViewer。系統(tǒng)可對TPS 生成的放射治療計劃文件進(jìn)行獨立的DVH 計算，并提供不同TPS的DVH、點劑量及等劑量曲線分布圖，用于在服務(wù)器上了解和分析不同放射治療單位上傳的放射治療數(shù)據(jù)。

2 放射治療數(shù)據(jù)分析

2.1 DVH計算算法

DVH表達(dá)了3D劑量分布的統(tǒng)計學(xué)信息，為放射治療計劃評估及劑量驗證提供重要依據(jù)。一些TPS（如XIO）并沒有在RT-Dose 對象中提供DVH 模塊，同時，Ebert等［17］研究也發(fā)現(xiàn)不同TPS計算DVH所使用的算法各不一致，計算的DVH 也均有差異，因此，TPS計算的DVH無法用于對比不同TPS劑量分布的差異。目前，已有部分學(xué)者針對如何使用劑量分布和Structure Set 計算DVH 進(jìn)行研究［18-19］。本研究提出一種新的方法，以ROI 的Contour 作為掩膜截取劑量圖像，獲取ROI內(nèi)所包含體積對應(yīng)的劑量，用于計算DVH及其它統(tǒng)計學(xué)參數(shù)。圖8為一個ROI的DVH計算流程圖，要獲得所有ROI的DVH，遍歷所有ROI執(zhí)行算法即可。

由于CT 影像與劑量圖像的幀厚不一致（如Eclipse的CT幀厚為5.0 mm，劑量圖像幀厚為2.5 mm）。如果直接將CT的幀厚作為掩膜的厚度，會導(dǎo)致計算結(jié)果不精確，故在此算法中，掩膜的厚度x取CT幀厚和劑量圖像幀厚的最大公約數(shù)。數(shù)組A 含有n 個數(shù)值，每個數(shù)值代表體積為Dpw×Dph×x 的組織的劑量值，其中，Dpw 和Dph 分別為劑量圖像的像素寬和像素高。因此，該ROI包含的所有組織體積為：

ROI 在單幀CT 影像上的Contour 數(shù)據(jù)主要有3種類型（圖9）。環(huán)狀Contour 的ROI 區(qū)域為兩側(cè)Contour之間部分，然而在計算過程中，會基于內(nèi)側(cè)和外側(cè)Contour生成兩份掩膜，導(dǎo)致提取的劑量比實際情況多，需對其進(jìn)行特殊處理。故在制作掩膜之前，需先判斷該Contour 是否為環(huán)狀類型，若為環(huán)狀類型，需用內(nèi)側(cè)Contour 計算的數(shù)組對外側(cè)Contour 的數(shù)組取差集。

2.2 數(shù)據(jù)分析

圖8 DVH計算算法流程圖Fig.8 Flow chart of DVH calculation algorithm

為滿足放射治療數(shù)據(jù)控制的需要，實現(xiàn)對不同TPS數(shù)據(jù)的相互驗證和對比分析，該系統(tǒng)對劑量分布進(jìn)行獨立的DVH計算，以提供不同TPS數(shù)據(jù)的DVH對比分析以及劑量分布的統(tǒng)計信息對比、點劑量對比、劑量分布圖對比和等劑量線對比等分析功能。

當(dāng)前判斷放射治療計劃是否達(dá)標(biāo)主要憑借DVH分析。因此，該系統(tǒng)除可顯示和對比不同TPS 的DVH 外，還提供DVH 統(tǒng)計指標(biāo)：最小劑量、最大劑量、平均劑量、V95和均勻性指數(shù)。V95是達(dá)到95%處方劑量的體積百分比。HI用于分析和量化靶區(qū)體積內(nèi)劑量分布的均勻性，其定義為：

其中，D2%和D98%分別為受照劑量最高的2%和98%，例如，D98%代表至少98%的目標(biāo)體積達(dá)到這個劑量，因此D2%和D98%可認(rèn)為是最小劑量和最大劑量；DP為處方劑量。文獻(xiàn)［20-21］對HI有相同的定義，在理想情況下HI趨向等于0。

圖9 Contour的3種類型Fig.9 Three types of contour

對比不同TPS的DVH是評估劑量分布的一個較好方式［8,22-23］。為更好地分析劑量分布，RTViewer 可相互驗證和對比分析不同TPS的放射治療數(shù)據(jù)，提供基于同一套CT 的不同TPS 的DVH 對比分析。不同TPS 基于相同的序列CT 影像計算生成劑量分布后，導(dǎo)入到RTViewer 中，經(jīng)系統(tǒng)分別計算DVH 后，對比不同DVH 的差異。利用RTViewer 對比不同TPS 的DVH（圖10），對比的數(shù)據(jù)為XIO 和Eclipse 系統(tǒng)對同一份數(shù)據(jù)分別使用Superposition算法和AAA算法計算而得的3D-CRT劑量分布。表1為該系統(tǒng)根據(jù)不同TPS 中的數(shù)據(jù)計算的DVH 指標(biāo)值，數(shù)據(jù)來源于Eclipse 系統(tǒng)和XIO 系統(tǒng)基于同一份CT、靶區(qū)勾畫、處方劑量生成的3D-CRT 計劃，分別采用AAA 算法和Superposition算法，光子線處方劑量為5 040 cGy。

圖10 不同TPS的DVHs對比Fig.10 Comparison of DVH of different treatment planning system(TPS)

DVH分析的缺點在于未考慮劑量分布的空間位置信息，若僅憑借DVH指標(biāo)判斷劑量計劃是否達(dá)標(biāo)，會存在安全隱患。因此，為考慮到劑量分布的空間位置信息以全面地分析劑量分布，RTViewer 提供了不同TPS劑量分布的點劑量對比、劑量分布圖對比和等劑量線對比等功能。表2給出RTViewer系統(tǒng)計算的點劑量值，可對比任意空間位置的不同TPS計算的劑量值。圖11 為等劑量線對比圖，可對比不同TPS的等劑量線的差異。紅色和粉紅色分別為Eclipse和XIO 系統(tǒng)的50 Gy 等劑量線，綠色和淺綠色分別Eclipse和XIO系統(tǒng)的40 Gy等劑量線，藍(lán)色和淺藍(lán)色分別Eclipse和XIO系統(tǒng)的20 Gy等劑量線。圖12為不同TPS的劑量分布對比圖。

2.3 結(jié)果驗證

從XIO、Eclipse、Monaco、Pinnacle 及Raystation系統(tǒng)各隨機(jī)選取10例臨床病例數(shù)據(jù)導(dǎo)入到RTViewer中，將RTViewer 對臨床病例解析、顯示、分析的結(jié)果與原TPS 對比。經(jīng)過驗證，RTViewer 可兼容XIO、Eclipse、Monaco、Pinnacle 及Raystation 輸 出 的DICOM 格式數(shù)據(jù)，對序列CT 的解析及可視化正確，對靶區(qū)結(jié)構(gòu)勾畫、劑量分布信息的解析及分析與原系統(tǒng)一致。對于DVH 計算，各個TPS 的計算算法不一致，對同一份數(shù)據(jù)計算的DVH也均有略微差別，根據(jù)本研究提出的DVH計算算法計算而得的DVH，與原TPS的差異小于1%。

表1 Eclipse和XIO系統(tǒng)DVH指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of DVH indexes of Eclipse system and XIO system

表2 不同TPS的點劑量對比Tab.2 Comparison of point doses of different TPS

3 結(jié)論

圖11 不同TPS的等劑量曲線對比Fig.11 Comparison of isodose lines of different TPS

本研究研發(fā)的RTViewer能夠支持放射治療數(shù)據(jù)快速、簡便、精準(zhǔn)地提取，加載，顯示和分析，實現(xiàn)可自由調(diào)用主流TPS 的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相互驗證和對比分析。本研究也提供了一種DVH 計算算法，并可根據(jù)需要導(dǎo)出RT文件中的靶區(qū)勾畫、劑量分布等重要數(shù)據(jù)到Matlab 等環(huán)境。商用TPS 的DICOM 格式放射治療數(shù)據(jù)，經(jīng)RTViewer解析和可視化后，系統(tǒng)可對劑量分布進(jìn)行獨立的DVH 計算，并提供不同TPS 數(shù)據(jù)的DVH對比分析、劑量分布的統(tǒng)計信息對比、點劑量對比、劑量分布圖對比、等劑量線對比等功能。經(jīng)臨床病例驗證，系統(tǒng)兼容XIO、Eclipse 和Monaco，Pinnacle 和Raystation 等TPS 導(dǎo)出的放射治療數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的解析及可視化結(jié)果與原系統(tǒng)一致。系統(tǒng)具有友好的用戶界面，較強(qiáng)的交互性及操作性，可結(jié)合研究團(tuán)隊研發(fā)的遠(yuǎn)程放射治療質(zhì)量控制數(shù)據(jù)的集成管理與應(yīng)用平臺，用于腫瘤放射治療遠(yuǎn)程質(zhì)量控制。

圖12 不同TPS的劑量分布圖對比Fig.12 Comparison of dose distribution of different TPS