（计算机系统结构专业论文）三维放射治疗计划系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 三维放射治疗计划系统足适形调强放射治疗系统的核心部分，已经被越米越 多的用在肿瘤特别是恶性肿瘤的治疗过程中。与此同时，实现三维放射治疗计划 系统的几个关键技术成为目前肿瘤放射治疗研究的热点。这些技术涉及放射核物 理学、计算机图形学、图像处理、生物医学工程、工业自动控制以及机械制造等 领域。本文首先介绍了一套自主开发的三维放射治疗计划系统的功能及特点，接 下来重点讨论了系统中三大关键技术的实现过程。提出了一种适合于医学影像的 三维形体重建算法；在光束投射法的基础上，结合三维线性插值和参数化光线等 技术，并加入加权因子，提出一种基于可变步长的数字重建放射图像生成算法； 最后提出一种用于三维剂量计算的改良正向剂量计算方法。本系统的成功研制将 从根本上改变外国公司对放射治疗系统等高端医疗设备的垄断局面，为发展我国 的放疗事业贡献力量。 关键词：治疗计划系统三维重建数字化放射图象剂量计算 a b s t r a c t a b s t r a c t t h r e ed i m e n s i o n a lt r e a t m e n tp l a n s y s t e m ( 3 d t p s ) ，c o r eo fc o n f o r m a la n d i n t e n s i t ym o d u l a t i o nr a d i a t i o nt h e r a p yp l a ns y s t e m ，i si n c r e a s i n g l ya p p l i e d t ot h e p r o c e s so fm a l i g n a n tt u m o rt h e r a p y m e a n w h i l e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so f 3 d t p sh a v e b e c o m ef o c u so ft u m o r t h e r a p yr e s e a r c h t h e s et e c h n o l o g i e si n v o l v et h ek n o w l e d g e o f c o m p u t e rg r a p h i c s ，i m a g ep r o c e s s ，b i o m e d i c i n e ，i n d u s t r ya u t o c o n t r o l ，a n dm e c h a n i c s f i r s to fa l l ，t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ef u n c t i o na n dt r a i to ft h et h r e ed i m e n s i o n a l t r e a t m e n tp l a ns y s t e mc r e a t e d b y u s a f t e rt h a t ，t h et o p i cd i s c u s st h e r ek e y t e c h n o l o g i e s i nt h e3 d t p s at h r e ed i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mw h i c hi sa p p r o p r i a t ef o r m e d i c a li m a g e o l o g yi sp r e s e n t ；o nt h eb a s i so f r a y c a s t i n g av e r y f a s tv a r i a b l es t e p s i z e b a s e da l g o r i t h mf o rd i g i t a l l yr e c o n s t r u c t e dr a d i o g r a p hi sp r e s e n t e d ；ar e f o r m e dd o s e c a l c u l a t i o na l g o r i t h mf o rt h r e ed i m e n s i o n a ld o s ec a l c u l a t i o n si sp r e s e n t t h es u c c e s s f u l d e v e l o p m e n to f t h i ss y s t e mw i l lr a d i c a l l yc h a n g et h es i t u a t i o nt h a tf o r e i g nc o m p a n i e s m o n o p o l i z e a d v a n c e dm e d i c a l e q u i p m e n t s a l lt h e t i m e ，w h i c h w i l lm a k e g r e a t c o n t r i b u t i o nt ot h er a d i o t h e r a p yc a u s eo fo u rc o u n t r y k e y w o r d ：t r e a t m e n t p l a ns y s t e m3 d r e c o n s t r u c t i o nd r rd o s ec a l c u l a t i o n 主塑 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究j = 作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中彳i 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已存论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垄煌日期晦l ? s 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 。 本人签名： 导师签名： 日期! ：兰：! ：笪 r 期哆纠谜 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 放射治疗发展历史与方向 自从1 8 9 5 年发现x 线以后4 i 久，在医学上，x 线就被用于对人体检查，进行 疾病诊断，形成了放射诊断学( d i a g n o s t i c r a d i o l o g y ) 的新学科，并奠定了医学影像 学( m e d i c a li m a g e o l o g y ) 的基础。为了使人体内部结构和器官形成影像，从而了解 人体解剖与生理功能状况以及病理变化，以达到诊断的目的，又相继出现了x 线 计算机体层成像( x r a yc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，x r a yc t 或c t ) 、磁共振成像 ( m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g e ，m r i ) 和发射体层成像( e m i s s i o nc o m p u t e d t o m o g r a p h y ，e c t ) ，如单光子发射体层成像( s i n g l ep h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e d t o m o g r a p h y ，s p e c t ) 与j 下电子发射体层成像( p o s i t r o n e m i s s i o n t o m o g r a p h y ，p e t ) 等新的成像技术。 目前，肿瘤的治疗主要仍然依靠手术、放疗、热疗和化疗等手段。根据卫生 部2 0 0 0 年统计，我国肿瘤发病现状如下：年肿瘤发病率为2 0 0 万人，死亡率为15 0 万人，五年生存率为2 5 。根据国际卫生组织w h o 统计，发达国家肿瘤病人的五年 生存率可达到4 5 ，其中手术方法的贡献为2 2 ，放射治疗的贡献为1 8 ，化学药 物治疗及其他的贡献为5 。可见放射治疗是肿瘤局部治疗的重要手段，专家估计 大约有5 0 一7 0 的肿瘤病人需要不同程度的接受放射治疗。 常规放射治疗技术迄今已经应用了大半个世纪，在肿瘤治疗中发挥了重要作 用。要提高放射治疗疗效减少副作用尚须进一步改进放射治疗的照射技术。近2 0 年来，肿瘤放射治疗技术发生了巨大变化，头部、体部伽马刀、x 一刀、三维适形 调强放疗等设各和技术的出现，为肿瘤治疗开辟了新的途径。特别是自从三维适 形放疗应用于临床后，大幅度提高了放射治疗增益比。从上个世纪末出现的通过 多叶准直器( m u l t i l e a f c o l l i m a t o r ，m l c ，也称多叶光栅) 进行精确放疗的方法， 实现了由粗放型的传统常规放疗发展到结合现代高科技的精确放疗，是放射治疗 史七的一次技术革命。而2 1 世纪进入了适形调强放射治疗的时代。 1 1 2 适形调强放射治疗 目前沿用的放射治疗都是让射线按一定角度投向肿瘤某一平面，不仅肿瘤吸收 的射线不匀，而且肿瘤周围的正常组织不可避免受到射线伤害。事实上肿瘤足存 三维放射治疗计划系统的研究与实现 在于体内的一个立体的高密度组织块，若放疗机能如螺旋c t 一样，也作一个旋转 照射，在每个相应部位都给予肿瘤形态相应的不均匀照射，经旋转惆后，就能 获得与肿瘤形态完全相适应的放射治疗方式，这种方式称为“适形立体放疗”，简称 “适形放疗”。 放射治疗追求的目标是努力提高放射治疗的增益比，即最大限度地将射线集中 到病变区内杀灭肿瘤细胞，而使周围正常组织和器官少受或免受不必要的照射。 肿瘤致死剂量与正常组织耐受剂量之间的差别一般不是很大，而且正常组织特别 是所谓“并行”组织的耐受剂量的大小取决于受照射组织的范围，范围越大，组 织耐受剂量的能力越少。在深部肿瘤的放射治疗中，一些重要的器官如脑干脊髓 肾等位于或接近中流( 靶区) ，特别要注意保护。因此，理想的放射治疗技术应该 按照肿瘤形状给靶区很高的致死剂量，而靶区周围的组织器官不受到照射。要使 治疗区形状跟病灶形状4 样，必须在三维方向上进行剂量分布的控制。x 线立体 定向治疗和高能质子治疗的成功i 临床经验揭示并证明了，采取物理手段不仅能够 改变病变与周围f 常组织和器官的剂量分布，而且能够有效的提高治疗增益比。 适形放射治疗( c o n f o r m a lr a d i a t i o nt h e r a p y ) 是一种提高治疗增益比的较有效物理 措施。适形治疗作为一种治疗技术，使得高剂量区分布的形状在三维方向上与病 变( 靶区) 形状一致。学术界将它称为三维适形放射治疗( 3d i m e n s i o n a l c o n f o r m a l r a d i a t i o nt h e r a p y 一3 d c r t ) 。为达到剂量分布的三维适形必须满足以下条件：( 1 ) 在 照射方向上，照射野的形状必须与病变( 靶区) 的形状一样；( 2 ) 要使靶区内及表 面的剂量处处相等，必须要求每个射野内诸点的输出剂量率能按要求的方式进 行调整。如图1 1 所示。满足第一个条件的我们称之为经典( 或狭义) 适形放射治 疗( c l a s s i c a lc o n f o r m a lr a d i a t i o nt h e r a p y - - c c r t ) ；同时满足两个条件的称之为 调强( 或广义) 适形放射治疗( ( i n t e n s i t y m o d u l a t i o n r a d i a t i o n t h e r a p y - - i m r t ) 。 ， ， 一， ， 一 ，一 一 ( b ) 图1 1 适形调强放射治疗的必要条件 适形放疗的优点为：1 、最大限地减少病灶周围正常组织的放射剂量。2 、提 、 ，孕， 、，十弋 第一章绪论 高了病灶接受放疗的分次剂量和总剂量。3 、能同时给放疗区内不同区域以不同 的照射量。4 、能在一次照射中同时照射数个独立的病灶，如多发性肝转移灶和 脑转移灶。 调强适形放射治疗( i m r t ) 是由s j a m g a r d ，k i j e w s k i 及其同事在2 0 世纪7 0 年 代最先提出，但由于当时的技术条件在临床上还不能实现，逆向治疗计划方法的 提出和微机控制多叶准直器( m u l t i l e a f c o l l i m a t o rm l c ) 技术的发展，为i m r t 的临 床应用提供厂必要的条件。调强放射治疗是在三维适形放射治疗的基础上，使靶 区内及表面的剂量处处相等，而且要求每一个射野内诸点的输出剂量能按要求的 方式进行调整，从而最大限度地将剂量均匀地传递到病灶区域而使周围的正常组 织接受最小的剂量。适形调强放射治疗极大地提高了肿瘤的单次照射剂量和总剂 量，同时缩短了放疗的总时间，使原来为中度敏感和低度敏感的肿瘤变成高度敏 感，使一些原来不能接受常规放疗的患者能够接受放疗。它是放射肿瘤学发展的 方向与未来，标志着肿瘤放射治疗进入“精确定位、精确计划、精确治疗”的时代。 1 1 3 三维适形放射治疗计划系统 治疗计划系统不仅是个替代手工计算剂量的剂量计算器，它还是整个治疗过 程有机连接体中的一个重要纽带。计划设计过程是一个对整体治疗过程不断进行 量化和优化的过程，包括三个方面：( ! ) c t m r i 等患者图像数据的输入与处理； 医生对治疗方案包括病灶及重要器官的定义、靶区剂量及其分布、重要器官及其 限量、剂量给定方式等；计划确认及计划中精度的检查和误差分析。 过去十几年中计算机及影像技术飞速发展，出现了三维适形放射治疗 ( 3 d c r t ) 和三维放疗计划系统( 3 d t p s ) ，以及将横断体层扫描、数字化重建x 光照片技术( d r r ) 等和模拟定位合为一体的c t 模拟定位机( c t s i m ) 。三维 放射治疗不仅仅对当前放射治疗技术进行一般化的改进，而是根本性的改变。 三维计划系统在二维计划系统的基础上发展而来，弥补了二维系统的局限性。 三维计划系统不仅有患者治疗部位三维图像的重建与显示，计划设计者有更多的 自由度去选择、观察和设定射野的入射方向及射野形状，或放射源的位置，能利 用三维剂量模型进行空间体积剂量计算。三维放射治疗以病人个体化设计为原则 进行三维剂量计算和显示，使空间剂量分布与三维靶体符合( 适形) ，尽量减少对 周围j f 常组织的剂量，并能反复模拟于验证治疗计划的准确性。总的来说，一个 完善的三维治疗计划系统应具备以f 十大基本功能： ( 1 ) 治疗部位解剖结构的三维描述 ( 2 ) 带有立体定位标记的c t m r i 等影像数据应成为计划设计的基础 ( 3 ) 照射野或放射源应有三维空间的描述，并可在任意方向上显示位置 三维放射治疗计划系统的研究与实现 ( d ) 在三维空间中显示剂量计算的结果 ( 5 ) 体外照射剂量计算必须计入下述影像因子： 患者外轮廓的三维形状 三维电子密度及其对原射线的影响 射野或放射源的三维形状和位置 射野三维扩散度、平坦度、对称性 楔行板、挡板、补偿器等线束修正装置对三维散射的影响 不均匀组织的三维散射的影响 ( 6 ) 剂量分布及其评估工具必须用三维方式 ( 7 ) 计算速度要足够快，便于治疗计划设计时的人机交互 ( 8 ) 计划系统必须带有计划验证和评估的手段和工具，以便验证计划的准确性 ( 9 ) 具有通过d r r 进行射野模拟显示的功能 ( 1 0 ) 具有逆向治疗计划的功能 1 2 本文研究的意义与内容 1 2 1 三维放疗计划系统的意义 肿瘤放射治疗计划系统在美国、德国等发达国家起步较早，相关学科的发展也 十分迅速。肿瘤放射治疗涉及到的学科十分广泛，除了肿瘤放射物理学、肿瘤放 射生物学等专业学科外，还有建立三维虚拟人体的计算机图形图像等技术。 而直到目前为止，我国的肿瘤放射治疗手段仍十分落后，除了个别大城市有一 定规模的医院外，肿瘤放射治疗仍停留在x 光模拟和二维计划上，照射野也只采 用与患者病灶并不完全一致的标准方形射野。造成目前这个局面的一方面原因是 使用c t 模拟和三维计划的医疗设备在软硬件方面部需要从国外进口，价格异常昂 贵；另一方面是我国肿瘤放射治疗领域起步较晚，而医疗仪器设备行业要求非常 高，很难在短时间内赶卜。目前西门子、瓦里安等国际知名医疗器械制造商各自 推出了它们的三维治疗计划系统用于临床治疗，而国内却鲜有类似产品出现。 在这种前提卜i ，作者参加设计开发的一套三维放射治疗计划系统，不仅具备三 维治疗计划系统应有的所有功能，达到了相应的性能指标，而且还有多个技术创 新点。该系统研制成功对于提高癌症治愈率，为人民的健康幸福将做出重要贡献， 具有巨大的社会效益和经济效益。具有完全自主知识产权的本系统是中国高级医 疗设备产业的重要成就。它将从根本上改变外国公司对放射治疗系统等高端医疗 设备的垄断局面，为发展我国的放疗事业贡献力量。 第一章绪论 1 2 2 本系统主要功能与关键技术 该系统是适形调强放射治疗系统的核心部分，能实施精确放射治疗，大大提高 治疗成功率。系统大致功能如下：对病人的c t 或m r j 数据应用三维图像重建技 术，再现病人肿瘤部位及邻近器官和组织：为医生勾画并确定肿瘤及紧要器官提 供方便的电子工具并用图形技术清晰地显示出来；根据医生的意见确定处方剂量， 选择射束种类、射束数目、能量、方向，并配置上放射治疗用的多叶光栅、补偿 器、模板等部件，作常规的或适形的放射治疗计划，或根据逆向治疗计划做调强 放射治疗计划。然后利用物理放射学原理，计算出肿瘤应接受放射的部分和剂量， 最后计划系统给出治疗设计评估，包括给出剂量直方图、等剂量曲线、数字x 光 片( d r r ) 、跳数等重要数据提交给医生。再经模拟机证实，之后可作实际放射治 疗操作，进而通过计算机去控制加速器与光栅发射出所需的电子杀死胂瘤细胞。 其中用到了医疗影像的分析处理、数据加密、图像配准与融合、图像分割与边 缘检测、医疗影像的三维重建、数字重建放射图像、三维剂量计算和逆向剂量计 算等技术；涉及物理学、医学、计算机软件、自控以及机械制造等领域。 本文对三维适形调强放射治疗计划系统的关键技术和实现方法进行了系统、深 入地研究，同时提出了一些新的思想和方法，并取得了一定的效果。主要研究内 容包括医学影像的三维重建、数字重建放射透视图像的生成和三维剂量计算。 现在先简单介绍这三个实现系统的关键技术，详细的介绍将分别在第三、四和 五章给出： ( 1 ) 三维重建 为制订手术方案和放射治疗计划提供客观依据，临床医生需要直观地了解病灶 和病变器官在三维立体空间的实际大小、形态、位置及毗邻关系，二维的医学影 像满足不了这样的要求，医学影像的三维重建技术应运而生。应用三维断层图像 处理与分析技术，医务工作者可以充分利用影像设备产生的数据，多方位地观察 人体解剖结构的三维显示、积极地参与计算机的操作，极大地提高诊断的方便性 和准确率。这不仅可以基于现有的医学影像设备来极大地提高医学临床诊断水平， 而且能为医学培训、医学研究与教学、计算机辅助l 临床外科手术等提供电子实现 手段，为医学的研究与发展提供坚实的基础，所以具有很大的医学应用价值。 本文介绍了一种三维重建方法，针对医学影像和人体解剖学的特点，提出了一 种准确快速的重建算法。该方法不仅简明易了，而且在特定应用下有较高的效率。 ( 2 ) 数字重建放射透视图像的生成 在三维放疗计划系统中，通常用x 射线片与计划系统中相应的b e v 图进行比 较来实现方案模拟与验证。而计算数字重建放射透视图像( d i g i t a lr e c o n s t r u c t e d 三维放射治疗训划系统的研究与实现 r a d i o g r a p h ，简称d r r ) 是利用治疗部位的c t 图像用数学方法重建出来的，它可 代替传统的x 射线片进行c t 模拟。可见，d r r 是实现c t 模拟和三维放射治疗计 划系统的重要步骤。不幸的是，像光束投射法这样的传统d r r 生成技术要花费大 量的计算时间。因此，d r r 的生成依然是大多数技术的瓶颈。本文提出种基于 可变步长的d r r 快速生成算法，使用此算法能对大量的数据进行预先处理，使在 基于可变步长计算下生成精确d r r 图像的时间远远快于传统的算法。 ( 3 ) 剂量计算 剂量计算( d o s ec a l c u l a t i o n ) 是三维放射治疗计划系统的核心内容之一。目前 剂量计算所使用的方法主要还是正向算法，正向算法的特点足根据已有照射野设 置情况和靶区规定剂量来求得虚拟人体内部各点的受照剂量情况。正向算法相对 简单，但对治疗医师有一定的要求，有经验的治疗医师能根据实际情况设簧合理 的照射方向和控制合理规定剂量。由于正向算法的局限性，有人提出了逆向算法， 其思想是根据治疗所要达到的目的来计算照射野设置情况，从而简单而又精确地 达到治疗目的。有几种逆向算法开始用于l 临床治疗，但由于其计算量巨大，往往 一台高性能的工作站需要耗时l o 几个小时来计算，难以得到缺乏耐心治疗医师的 垂青。目前开始有人研究分布式逆向算法，通过多台工作站同时运算来加快计算 进度。在逆向算法瓶颈突破之前，这是一种很实用的策略，但目前仍然未大规模 用于临床治疗。 1 3 论文结构 本文第一章绪论部分介绍了放射治疗、适形调强放射治疗及三位放射治疗计 划系统的定义和发展现状，给出了本文研究的意义和内容，作后简单介绍了实现 系统的三个关键技术的。 第二章首先介绍了一套自行研制的完整的三维放疗计划系统的功能与特点， 对每一个功能模块进行详细讲解，明确了系统大体框架，同时给出本系统的特点 及创新点。 第三章对医学影像三维重建技术作了深入地研究，提出了一套切实可行的二 维重建方法，对重建方法中涉及到的技术难点作了分析，并提出了解决方案。 第四章研究了数字化重建放射图像，对关键技术详细地讨论，并给予了深入 的分析和论证，提出了一种基于可变步长的快速放射图象的数字化重建方法。 第五章讨论了剂量计算的相关方法，针对原有算法提出了一些改进措施，使 得算法效率得以改善。 最后是对3 d t p s 的设计其实现进行了客观评价，展望了3 d - t p s 的应用前景 以及还需要进一步完成的工作。 第二章二维放疗计划系统的功能与特点 第二章三维放疗计划系统的功能与特点 三维放射治疗计划系统( 3 d t p s ) 是一种通过对放射源和患者的信息进行数 字化处理后建立模型来模拟计划实施放疗的过程。通过模拟计划制定的每一个细 节，利用系统的计划剂量评诂可直观的预测出此次计划的合理性，经过反复的修 正和完善，最终获得用于临床的详细可行的治疗方案。 作为适形调强放射治疗系统的核心部分，本系统与放射治疗设备和临床治疗 紧密结合在一起，是辅助放疗医生或医学物理师进行剂量规划的一种计算辅助工 具。该软件系统主要的接口如图2 1 所示： - _ - 一_ _ _ 一_ _ 一 d a t a b a s e 医 图 病 照 剂 计 学 f i l ms c a n n e ! 象 灶 维 射 划 控 输 定 重 野 计 评 p r i n t e r 制 影 入 义 建 布 算 估 置 系 象v i d e o c dc d t a p e 统 图2 1 三维放射治疗计划系统接口 我们本次设计的三维放射治疗计划系统达到或接近了国际同类产品的水平，领 先国内同类产品。在功能设计上更多的满足我国实际临床需要，使用上应适应国 内临床医生与物理师们的习惯和要求。 在本章中，我们将详细介绍本系统的各个功能模块，然后给出系统的实现与主 要特点和创新点。 2 13 d t p s 详细功能介绍 为恶性肿瘤患者设计放射治疗方案时一个完整的治疗计划是非常必要的。 3 d t p s 通过对病人医学影像数据的输入和处理，从网络或其它介质上获得c t m r i 图像；在定位系统参数的基础上进行拟合，向用户提供病灶和感兴趣组织的位置、 体积等几何描述，通过对病变组织及重要器官的轮廓勾画和各组织的密度信息进 行三维数字重建形成一个三维的数字模型。医生和物理人员结合加速器的参数进 行照射野的多种方式布野计划，在计划结束后通过系统的剂量计算结果在三维视 图、b e v 视图、横截而、冠状面、矢状面等视图上剂量场的模拟显示以及苴观的 d v h 体积直方图的评诂，通过对计划的评诂进行不断的修正完善，最终确定治疗 参数、处方剂量和治疗时间等治疗细节，将一个可用于临床的计划结果输出给控 制系统实施。图2 2 给出了3 d t p s 的功能架构框： 二维放射治疗计划系统的研究与实现 2 1 1 系统设置模块 图2 - 2 功能架构框图 系统设置模块分为系统登录、操作员管理和医院管理三个子模块。 系统的登录模块主要保证本系统的安全，杜绝非法的用户使用本系统。运行计 划系统后，系统提示口令输入，对使用系统用户是否合法进行检验，保证其有效 性，并通过检验确定其在此系统中能操作的权限。 l 到2 - 3 用户管理 我们对本系统操作权限进能分级管理，分超级用户、管理员、操作员三级用户。 超级用户为不可见用户( 不在用户列表中显示) ，其职责主要是能新建、修改、删 除管理员用户，密码由本公司指定其他人无法更改。管理员用户职责主要是能新 第二章三维放疗计划系统的功能与特点 建、修改、删除操作员用户，有着可更改自身和操作员的密码和输入各设备参数 的权力和职责。操作员用户只能修改自身的密码和处理计划制定的事宜。 为了对本系统的各医院的数据和参数信息及其计划进行管理，系统提供了一个 医院管理模块，提供了对新增、修改、删除医院和选取当前处理医院等功能。另 外还提供了以f 功能：为每个新增的医院分配一个一一经确定就无法更改的唯。标 志( 即i d ) ；具有导出当前选取医院或系统全部医院信息及设备参数的功能，对于 特定设备参数不全的医院信息不能导出；对导出的信息提供相应的导入功能，导 入时验证医院的合法性并保证系统中医院不能重复；可直接察看选取医院的设备 信息，并可对其提供修改手段。 2 1 2 参数设置模块 参数设置包括光栅的参数设置、加速器的参数设置和定位系统的参数设置。 a ) 光栅参数设置 光栅参数的设置为做计划时设置照射野提供光栅的各项数据，能详细反映出光 栅的物理特性和详细信息，能设置不均匀的叶片宽度，确定光栅的坐标系，能设 置光栅出口到等中心面的距离，防止其旋转可能与其它设备发生碰撞的处理，另 外，参数信息提供打印输出。 图2 4 参数设置模块 b ) 加速器参数的设置 为设计计划时设置照射野提供加速器的各项数据以及提供剂量计算的基础数 据，系统提供了键盘输入、扫描曲线( 如o a r 、p d d 、t m r 等) 和直接读入剂量 胶片数据三种加速器参数设置方式。 c ) 定位系统参数设置 定位系统参数设置能详细反映出不同定位系统的物理形状和详细信息，确定定 位系统的坐标系及与加速器坐标系的关系，防止其旋转可能与其它设备发生碰撞 三维放射治疗计划系统的研究与实现 的处理，为三维重建提供拟合所需要的信息，以及保证临床治疗时的重复定位精 度。 2 1 3 图像输入模块 一个新计划的开始，要先进行患者医学影像采集。我们的支持多种图象输入方 式：c t m r i 电子数据、视频信号、胶片的c c d 摄像机或扫描仪高分辨数据采集； 可以从扫描仪、网络或本地硬盘上获得患者图像数据。另外，图像输入模块还包 括以下功能： 为每一个新计划分配一个本系统唯一标识 提供患者详细资料和治疗医生与物理师等信息的输入 提供必要的定位信息输入 对患者图像进行合法性检查，保证其有效性 能进行c t m r i 融合 必要时重新调入患者病案，进行修改和删除 提供图像缩放功能，及窗口或对比度调整功能 直接获得d i c o m 3 数据的有用数据信息等 自动或手工设置整体拓扑图 图2 - 5 图像输入模块 第二章三维放疗计划系统的功能与特点 2 1 4 病灶定义模块( 手工和自动提取轮廓) 本模块对病灶进行定义，包括对病灶和重要器官的轮廓勾画。轮廓是在一层横 截面图上对应于某一组织结构的一组闭合线段，物理师要对患者图像进行轮廓编 辑，包括轮廓的自动提取与手工描绘，这样做一方面准确地确定出病灶及重要器 官的形状和位置，一方面能为后面的三维重建提供必要的数据。病灶定义模块的 界面如图2 - 6 所示。 图2 - 6 病灶定义模块 病灶定义模块包括了以下功能： 提供所有图像的缩略索引图 用户可对任意图像进行缩放查看，方便的在各层图象上进行切换 提供窗宽窗位的调整功能，能看到更细致的图像信息，如血管骨骼等 图2 7 同一副图象不同窗口窗位的效果 用户可用鼠标手工勾画轮廓，有逐点勾画、矩形勾画和椭圆形勾画等多种 手工勾画模式可供选择 可以选择画笔的颜色 提供自动提取轮廓功能，这一方法主要是依据不同解剖结构显示灰度的差 别自动生成解剖轮廓，所以适用于对比度大的图像 能同时对多张图片进行自动轮廓提取 维放射治疗计划系统的研究与实现 能一键完成所有图片外轮廓自动提取功能 有自动边界缩放功能，输入不同方向上的外放园子进行自动缩放。使用三 维自动边界扩放时新轮廓将保持基础轮廓的基本形状轮廓线上的各点与 基础轮廓的距离将不少于用户指定的边界值 列已完成勾画的轮廓可重新调入并修改 图2 - 8 方便的轮廓修改t 具 背景和轮廓都具有开关设置 具有边缘增强、特征增强、图像锐化等工具 对处理的任何步可打印输出 2 1 5 图像重建可视化模块 图像重建可视化包括对患者图像进行数字化重建及三维重建等，使得医务工作 者在制定治疗计划时能多方位地观察人体解剖结构的三维显示、积极地参与计算 机的操作。 此模块主要功能如下： 可进行矢状面、冠状面、横截面及任意切面的图像重建鼎示，其中矢状面 和冠状面重建能设置离轴距离 能自动进行数字重建放射透视图像的生成；d r r 的生成使用自行研制的基 于可变步长的快速算法，解决了速度上的瓶颈 剥勾画出的轮廓进行三维重建；三维重建后的组织模型具有实体、轮廓线、 透明、网格等显示方式；重建的各个器官具有显示的开关设置；各器官的 颜色可选；在实现三维形体重建时，结合实际情况，使用第二章所讨论的 多轮廓线三维形体重建技术 第二章三维放疗计划系统的功能与特点 2 1 6 照射野设计 图2 - 9 三维重建出的体表、脊髓和病灶模型 这部分是在虚拟的三维形体空间上的操作。照射野的设置提供了自动设置和手 动设置两种方法。自动设置是根据计划师提供的射野个数和平均剂量设置等分照 射野，这些照射野在一个平面上，完全是关于治疗参考点中心对称的。手动设置 是在自动设置的基础上添加、删除和修改照射野。对于每个照射野射线束的形状 及其调整问题，设计了光栅叶片模拟功能。为了便于计划师设置照射野，需要给 计划师一幅可供其参考的人体任意方向的截面图，即数字化重建放射图。详细功 能如下： 二维和三维图像同时进行显示，更准确地进行布野 图2 1 0 设置了三个射野的计划 能进行常规治疗、静态适形治疗和动态适形治疗多中治疗方式的选择 三维放射治疗计划系统的研究与实现 根据临床需要，选择治疗照射野的照射角度( 即：床角和机架角等) 、形 状、尺寸、数目等，可任意删除或添加照射野 布野时各设备的角度包括机床角、机架角和机头角可由手动输入、三维模 型上拖动和在可视化工具上操作 光栅的位置和角度能在b e v 图及三维图像中体现出来，光栅的位置及权 重在b e v 图中可进行调整修正 能在b e v 图上显示数字重建放射透视图像 能进行自动导轨设置 适形治疗时，光栅的位置按光栅设置里的参数自动完成布野，有自动光栅 跟随的功能 幽2 - 1 1 照射野设置 支持有楔形板、挡块和补偿器等修正装置情况下的剂量计算 可根据l 临床需要，对各个照射野设置不同的权重 能有选择的对图片进行剂量计算，就是说能只选择某些图片而不需选取全 部图片进行剂量计算，这样能节省不少计算时间 可选择不同精度进行剂量计算 高精确快速的三维剂量算法 2 1 7 计划评估模块 在计划评估模块中，提供了多种手段的计划评估和多种信息选择进行治疗计划 评估。评价一个计划否可行的主要手段有：切面剂量分布图、三维剂量分布模型、 第二章三维放疗计划系统的功能与特点 d v h 图和剂量统计表。 进行三维剂量计算，鼠标跟踪显示每个象素点的空间位置、相对卣分比剂 量值、以及绝对剂量值等 在三维结构显示中，迭加显示某相对百分比剂量的闭合包络曲面及位置 在冠状面、矢状面和横断面上显示多条等剂量曲线和多个点剂量 ( a ) 任意横断面 ( b ) 冠状面和矢状面 图2 1 2 冠状面、矢状面和横断面上显示等剂量曲线 多个器官的d v h ( 剂量体积直方图) 和剂量统计表对剂量统计结果进行不 同侧面的归纳，便于和标准的医学指标进行比较比较 三维计量模型的显示，三维剂量分布模型更直观地反映出虚拟人体各部分 受照射的程度，比二维剂量分布图更具有表现力，更直观的观察计划的剂 量分布情况 动态射野权重修改，既修改某个射野的权重而不需重新进行剂量计算 6 i 维放射治疗计划系统的研究与实现 l 麓塞曼薹差劐囊 黧j 。；。秦、墨! ! 攀。蒸霪霪；蒸；篡霉篡。 i 蘸蓊：瓣爨赣蠹橐璧囊囊 2 1 8 计划输出模块 图2 1 3 多个器官d v h 罔 3 d t p s 系统可以通过网络或者串行口连接到射线加速器控制系统，能控制加 速器治疗头、治疗架和治疗床运动，能控制照射剂量，并对它们物理运动的安全 性作检测。另外3 d t p s 系统还需要打印一份完整的治疗方案数据供医师或患者察 看。输出内容包括： 患者详细资料；计划制定的医师的资料 射野参数的详细列表 靶区剂量、分次方式 若干断层面、冠状面、矢状面的等剂量分布曲线 剂量体积直方图 b e v d r r 输出定位系统数据 参考中心和治疗中心数据 每个射野的光栅形状数据 电子治疗文件 完整的治疗文件 多叶光栅控制文件 第二章三维放疗计划系统的功能与特点 2 2 1 硬件环境 2 2 系统实现环境 硬件环境需要一台高性能的i b mp c 机以及计算机网络，硬件配置要求内存不 少于5 2 6 m b ，处理器使用奔腾四1 8 g 以上或同类产品。建议在n t 图形工作站上 运行本系统。辅助或相关硬件有c t 机，放射治疗直线加速器，三维激光灯定位仪， a 3 彩色打印机。 2 2 2 软件环境 系统的软件环境包括操作系统、应用工具和程序开发工具。 操作系统：w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w s x p 及w i n d o w s 2 0 0 3 。 应用工具：与c t 机通信的p a c s 系统，图形引擎o p e n g l 。 程序开发工具： v i s u a lc + + 6 0 、o p e n g l l 垂l 数库、p r o f u i s 界面开发工具，a s i c 图 形图像引擎 数据库使用s q l s e r v e r 作后台保存 其他辅助工具：n a t i o n a lr o s e ，d e v p a r t n e rs t u d i o 等。 2 3 系统的主要特点与创新点 综上所述，我们的三维放射治疗计划系统具有以下特点与创新点： 计划设计过程简单易用 计划设计本来就是一个鼓噪繁琐的过程，但又不能有一点掉以轻心。我们 的系统中提供方便的轮廓手工和自动勾画方式；智能的自动提取器官功能，可 一次完成皮肤、双肺、脊髓等器官边界的自动识别：提供靶区中心自动计算； 多样化的射野添加方式，提供标准射野库，自定义射野库；这些都就使得普通 的医师经过一定培训后能很好的使用本系统，改变了放射治疗计划系统只适合 被一些资深的医师的局面。 界面简单友好 整个系统界面整洁有序，在操作上提供了很多快捷的工具，且不易令操作 者产生歧义，危险操作时出现醒目警告。界面简单友好，丰富的i 维图形显示 三维采用网络、半透明和光滑面三种方式：能任意自由选择所需三维组织信息， 如表皮、肿瘤、敏感组织以及靶点等；自动生成横断面、冠状面和矢状面切而 三维放射治疗计划系统的研究与实现 显示，图形色彩柔和；提供高质量的三维重建，可形成三维人体透射虚拟图形； 基于d r r 算法；剂量图、剂量线和感兴趣点等多种剂量显示方式；治疗床面 自动识别，减少了重新勾画的工作量；窗宽窗位调整工具可迅速调节出所感兴 趣的组织。 定位精确 肿瘤放射治疗对于肿瘤的定位很高。本系统所采用的是三维激光灯定位系 统，经过c t 室、放疗室二次定位后，能很好地控制参考中心与靶区中一h 确 保肿瘤治疗过程中与计划制订时中心位置的一致性。 计划评估细微、逼真 提供多个器官的d v h 比较；肿瘤控制率t c p 和正常组织并发症概率n t c p 的自动计算；冠状而、矢状面和横断面的点剂量、等剂量曲线比较：计划叠加 功能可用于制作复杂计划；模拟治疗：逼真模拟放射治疗的整个过程，预测诮 划的可实施性，避免在治疗过程中的碰撞；敏感组织的剂量b e v 和 d o s e v o l u m e ( 体积剂量曲线) 三重验证与保护；高精度的定位和剂量计算保 证。 安全方便的医生工作站 提供独立的医生工作系统，与网络的无缝连接，实现双向资源共享。治疗 计划的权限控制，不同权限的用户进行不同模块的操作。医生可进行远程病人 器官的勾画和计划的评估。基于t c p i p 的数据文件传输功能可直接和多种医 疗设备连接通讯。 第三章医学影像的三维重建 1 9 第三章医学影像的三维重建技术 为制订手术方案和放疗计划提供客观依据，临床医生需要直观地了解病灶和病 变器官在三维立体空间的实际火小、形态、位置及毗邻关系，二维的医学影像满 足不了这样的要求，医学影像的三维重建技术应运而生，二维重建技术是3 d t p s 中最关键、最具研究价值的技术之一。 应用三维断层图像处理与分析技术，医务工作者可以充分利用影像设备产生的 数据，多方位地观察人体解剖结构的三维显示，极大地提高诊断的方便性和准确 率。这不仅可以基于现有的医学影像设备来极大地提高医学临床诊断水平，而且 能为医学培训、医学研究与教学、计算机辅助临床外科手术等提供电子实现手段， 为医学的研究与发展提供坚实的基础，所以具有很大的医学应用价值。 关于这一课题，早在上世纪7 0 年代就有研究成果出现，2 0 余年来，不时有新 的研究成果发表，从简单到复杂，不断深入。然而很多方法的局限性却一直存在， 由轮廓线重建三维形体，轮廓对应、轮廓拼接以及对轮廓出现分叉等情况的处理 都是十分棘手，因为，切片级重建是个弱约束性问题，导致了在轮廓对应、拼接 和分叉处理具有很大的随意性。这使得在有些场合下不得不配合其它三维重建方 法一起使用。本章结合医学影像和人体模型的特点，在原有的一些算法技术上， 特出一套改进方案，能很好地解决类似问题。 本系统使用的医学影像三维重建技术是在获取一系列二维图像基础上，进行 d i c o m 格式医学图像分析处理、图像分割提取轮廓衄线、曲线插值、构造连接相 邻轮廓线的三角面片、曲面的光顺处理等步骤，最终形成三维模型。所涉及的领 域包括医学影像的分析与处理、计算机图像处理、计算机图形学、计算机视觉等 内容，主要研究三维断层图像的处理与分析技术。 医学影像的三维重建的设计思想如下： 对d i c o m 医学影像文件进行预处理，包括按d i c o m 标准读出文件的影像属 性，并根据影像属性读取图像的电子密度值( c t 值) 对每份c t 图的数据进行分析，根据特定的c t 值阀值进行图像分割，提取出 一系列相应的轮廓曲线 插值，为了提高三维重建的精确度，可以在某些轮廓曲线之问进行插值 用得到的一一系列二维轮廓曲线，重建出三维形体 对重建出的三维形体进行光顺处理 三维放射治疗计划系统的研究与实现 整个医学影像三维重建技术的流程图如下 输入一系列d i c o m 格式的c t 图文件 d i c o m 医学影像文件的预处理 图像分割，提取出系列轮廓曲线 7 y ：麓善戮之 、间的距离太大7 l插值 n 重建出二维形体 对三维形体进行光顺处理 验证并输山结果 图3 - 1 三维重建技术流程图 3 1 d i c o m 医学影像文件的预处理 随着七十年代计算机断层扫描技术的引入，以及计算机在医学领域q j 得到的越 来越多的应用，世界医学界认识到，建立起一个统一的标准的重要性，以实现在 不同厂商生产的设备实现图像以及相关信息的传输。医学数字图像和通信标准 ( d i g i t a li m a g i n g a n dc o m m u n i c a t i o n s i nm e d i c i n e ，d i c o m ) 正是为解决上述问题 而制订的。我们医学影像三维重建的原始数据，就是一系列d i c o m 格式的c t 图 像文件。 d i c o m 格式的c t 图像文件中保存着病人信息、c t 机设备信息、物理师信息、 拍片时间、影像属性和像素数据等信息，其中影像属性和像素数据是我们所关心 的信息。像素数据中保存着横截面图像的电子密度值或者叫c t 值数据，人体横截 面的影像情况就是由这些数据表示的；而影像属性中保存着每张c t 图的宽和高像 第二章医学影像的三维重建 素值、z 坐标、每像素对应的实际大小( 毫米) ，c t 网的拍片厚度等。 人体内不同化学成分组成的组织用不同的值来表示并保存到d i c o m 格式的文 件中，这些值我们