2009 三维放射治疗计划系统的研究

收稿日期:2008-01-22　基金项目:国家自然科学基金项目(10471019)资助.　作者简介:李建东,男,1975年生,博士研究生,研究方向为放射治疗,医疗影像,信息安全;张　铁,男,1955年生,博士,教授,博士生导师,研究方向为医疗影像,微分方程;康　雁,男,1964年生,博士,教授,博士生导师,研究方向为医疗影像,计算机辅助诊断.三维放射治疗计划系统的研究李建东1,2,张　铁1,康　雁2,3,王中文41(东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110004)2(东软医疗系统有限公司,辽宁沈阳110179)3(东北大学中荷生物医学与信息工程学院,辽宁沈阳110004)4(辽宁省肿瘤医院放射治疗科,辽宁沈阳110042)E-mail:J iandong.J ackson.L i@摘　要:论述三维放射治疗计划系统(R T PS-2000)的设计方案和实现技术.阐释系统的总体结构和系统的功能模块,给出各个功能模块实现的技术和采取的方案.RT P S -2000采用面向对象设计的思想,使用V C ++作为开发工具,实现了基于CT 图像的三维放射治疗计划系统.RT P S-2000系统采用模块化的设计方法,在设计上应用设计模式的思想,使各个模块之间的耦合度达到最小,从而最大限度地实现了分块设计,分块实现,降低了软件设计开发的风险.RT P S -2000系统包括图像数据的获取,患者信息的管理,患者的解剖建模,治疗计划的制定,剂量学数据的管理,可视化,质量保证和控制,治疗计划方案的输出等功能.关键词:放射治疗计划系统;系统集成;虚拟现实;质量保证中图分类号:T P 311 文献标识码:A 文章编号:1000-1220(2009)07-1404-08Research of Three Dimension Radiation Treatment Planning SystemL I Jian-dong 1,2,ZHA N G T ie 1,KA N G Y an 2,3,WA N G Zho ng-w en 41(Sc hool of Inf or mation S cience &Eng ineer ing ,N or theaster n Univ er sity ,S heny ang 110004,China )2(Ne usof t M e dic al System Company L imited ,S henyang 110179,China )3(Sc hool of S ino -Dutch Biomed ical &Inf ormation E nginee ring ,N ortheastern Univ ersity ,S heny ang 110004,Ch ina )4(De p artment of Rad iation T herapy ,L iaoning Cancer H osp ital ,S heny ang 110042,China )Abstract :Descr ibed the desig n solutio n and implem ention techno lo gy o f t he thr ee dimensio n r adiatio n tr eatment planningsystem (RT P S -2000)based on dev elo pment pr actice ,presenting sy stem st ructure ,functio n o rg anizatio n ,and used technolog y and so lution o f function mo dules.R T PS -2000applies o bject-o rient ed desig n and select s VC ++ 6.0as developing to ol,accomplishing thr ee dimensio n r adiatio n treat ment planning system based o n CT imag e .T he sy st em applies module design methods and ideas o f desig n patter ns,in o r der t o reduce soft war e co upling degr ee,im plementing mo dule desig ning and module implement atio n ,and r educing development r isks .Functio ns o f the sy stem mainly include imag e da ta acquir ing ,patient infor mation manag ement ,patient anat omy modeling ,planning ,do simetr y data manag ement ,v isual,quality assur ance and contr ol,planning repor t o ut put.Key words :radiat ion tr eatment pla nning sy stem;sy stem integ rating;vir tual reality ;quality assurance1　引　言放射治疗是一个复杂的工程,它的有效执行依赖于多种医疗设备,多种专业背景人员的协作.放射治疗计划系统是与医用加速器配套使用的一个专用计算机软件系统.放射治疗计划系统为临床医生提供一个交互式图像的三维重构和数据可视化工具,能够输入和处理图像数据、确定体表、靶区及体内感兴趣组织的几何描述,通过治疗参数设计、治疗处方剂量的给定和治疗时间的计算,制定出放射治疗方案,通过虚拟现实技术为用户提供放射治疗方案的直观表示,并最终生成特定格式的治疗文件供加速器使用.其主要目的是使靶区达到最大的照射剂量,而正常组织得到最小的照射剂量.放射治疗计划系统作为放射治疗解决方案中的一个不可或缺的组成部分在放射治疗的执行中起着至关重要的作用.放射治疗计划系统设计上的潜在缺陷,交付产品测试的不够全面,以及使用人员的专业知识缺乏和操作失误都有可能引起严重的放射治疗事故.据I CR P 86出版物的报道[1],因为放射治疗计划和剂量计算系统出现问题而导致的放射治疗事故在总体事故统计结果的比例高达28.0%.从这个惊人的数字,不难看出,放射治疗计划系统安全的极端重要性.如何能够设计一个安全、可靠和易用性好的放射治疗计划系统软件,是放射治疗工作者研究的一个主要课题[2-4].本文根据放射治疗计划系统的开发实践,给出了治疗计划系统RT P S -2000的设计方案和实现技术.分析了系统的模块组小型微型计算机系统Jo urnal of Chinese Co mput er Sy st ems 2009年7月第7期成,以及各个模块实现的技术和采取的方案.R T P S -2000采用了现在广泛流行的W indow s 操作平台,使用了面向对象的V C ++作为开发工具.RT PS -2000系统中的剂量计算采用了商业治疗计划系统中广泛使用的光子卷积叠加算法.RT PS -2000系统提供了D ICOM 3.0和DICOM R T 的标准影像数据接口,能够保证系统与医疗影像设备和治疗设备进行正确连接.RT PS -2000系统经过临床医生的使用和评估,以及经过权威检测机构的检测,在软件的稳定性、可靠性、易用性和剂量计算的精确性方面都达到了临床使用的要求.2　系统的整体设计放射治疗临床医生可以利用放射治疗计划系统模拟整个治疗过程,并得到一些定量的治疗结果数据,如吸收剂量等,通过对这些结果数据的分析和评估,可以制定出更加合理的治疗方案,从而有效的减少了放射治疗过程中的副作用,提高了治疗质量.典型的医院放射治疗的解决方案如图1所示.图1　典型的医院放射治疗解决方案F ig.1　Radiot her apy so lutio n of hospitalCT /M RI /PET 等设备的图像数据通过Dico m 网络协议或磁盘介质传送到R T P S-2000工作站,R T P S-2000工作站对患者进行解剖建模、制定治疗计划等工作,形成计划数据的Dico m R T 文件,通过Dico m 网络协议或磁盘介质传送到加速器上位机,上位机根据计划数据进行加速器的控制治疗.放射治疗计划系统即是一个复杂的软件系统,又是一种医疗器械.国家食品药品监督管理局将放射治疗计划系统划分为三类医疗器械产品,也就是安全级别要求最好的产品.因此,放射治疗计划系统的功能性、安全性和剂量计算的精确性必须符合相关的国家法律、法规,以及国际的法律法规的强制性要求.RT PS -2000采用了模块化的设计方法,在设计上应用了设计模式的思想,使各个模块之间的耦合度达到最小,降低软件设计开发的风险.在各个模块的设计上也充分考虑了治疗计划系统的相关的法律法规的要求.考虑到放射治疗计划系统软件的用户界面非常复杂,而且关于用户界面的需求很容易发生变化,R T P S-2000的软件架构采用了M V C 模式.在进行系统模块划分时不仅仅从功能的角度进行模块的划分,而且也考虑了数据结构和相关操作,避免了进入功能分解的误区[5],使R T PS -2000系统的架构更稳定,可维护性和扩展性更好.RT PS-2000系统的功能模块包括图像数据的获取,患者信息的管理、患者的解剖建模、治疗计划的制定、剂量学数据的管理、可视化、质量保证和控制、治疗方案的输出等功能.RT P S-2000的系统构成如图2所示.RT P S-2000系统各个模块的设计思想和实现技术将在下面的章节中论述.图2　R T P S-2000系统构成F ig .2　System str uctur e of R T PS -20003　系统功能模块设计和实现3.1　权限管理模块RT P S -2000系统采用了基于角色(R BA C )的访问控制技术实现用户权限的管理[6-9].采用R BA C 模型一个最大的好处就是将用户和权限分离开来,管理员可以将用户授权和权限划分分别处理,将权限授予角色,将用户授予某个角色,从而完成授权的操作.这种权限分离的思想充分体现了面向对象的思想,使得开发出来的权限管理模块的通用性和可复用性更强,最大限度地避免了开发人员的重复性工作.R BA C 模型的权限管理的思想非常符合放射治疗计划系统的应用实践,所以在放射治疗计划系统的应用中能够起到良好的安全效果,保障了患者信息的安全和放射治疗方案安全.图3　权限管理模块的系统组成,以及它与RT P S -2000系统的关系F ig.3　System str uctur e and r elat ion w ith R T PS -2000权限管理模块包括身份识别模块和资源访问模块组成.权限管理模块的系统组成,以及它与RT PS -2000系统的关系如图3所示.3.2　图像获取模块RT P S-2000需要的图像主要来自于两个部分:网络数据源和介质数据源.网络数据源是指来自于CT /M R I /P ET 等影像设备的患者影像数据;介质数据源是指来自于磁盘、光盘和扫描设备的患者影像数据.图像获取模块(Data Acquire )通过DICOM 3.0医学影像文件协议的SCP 服务接受来自于网络的数据.DataA cquir e 将获得的影像数据存储在RT PS -2000系统所在工作站的数据库中.Dat aAcquire 是RT PS-2000系统对外的输入接口.外来的数据首先要通过DataA cquir e 的确14057期 李建东等:三维放射治疗计划系统的研究 认、拷贝、登记三步操作后,RT PS -2000系统才能够使用这些数据.DataA cquire 作为独立的应用程序与RT PS-2000运行于不同的计算机上,从而实现影像数据和应用系统的分离,保证了患者数据的安全.DataA cquire 模块与RT PS-2000系统的关系如图4所示.图4　D ataA cquir e 模块与RT PS-2000系统的关系Fig .4　Relatio n of data acquir e and R T P S -20003.3　患者信息管理模块患者信息管理模块(P atInfo M anage)是在RT P S-2000系统中用来统一管理数据的模块,其中包括病人数据集合和计划数据集合.P atInfoM anag e 的核心是一套完整的数据结构,包含了R T P S -2000系统中所有需要用到的Dico m 和Dicom RT 的全部数据信息,同时也包含一些自有的资源以方便和用户进行交互.为了便于进行功能扩展,Pa tInfoM anag e 被设计成一个独立的D LL 动态库模块.这样就可以通过简单的DL L 调用实现Pat InfoM anag e 与R T PS -2000系统的集成.Pat InfoM anag e 通过远程访问数据库的方式,从Da taA cquir e模块的工作站上将需要的数据导入到R T PS -2000系统的工作站上.图5给出了Pat InfoM anag e 模块与RT PS-2000系统的关系.图5　Pa tInfoM anag e 模块与R T P S -2000系统的关系Fig.5　Relation of P atInfoM ana ge and R T P S-20003.4　可视化模块可视化模块(Visual)提供了图像的二维和三维显示功能.二维图像显示包括CT 图像的断层、矢状面和冠状面显示.图像的三维可视化技术是当前研究的热点问题.目前三维可视化技术主要有两种方案.一种是基于OpenGL 的面显示技术,另一种是基于体素的三维医学图像重建技术.面显示技术目的是通过具有三维立体感的面显示图像,进行医学分析,起到医疗辅助诊断的作用.经典的算法有M arching Cubes 、M ar ching T etr ahedral 和D ividing Cubes 算法等[10].这些算法的共同之处就是采用许多的三角面片对等值曲面进行拟合,这些算法的优点是能利用O penG L 等渲染算法及利用显卡等实现硬件加速.但缺点是从原始数据到最终显示必然要生成许多的中煎数据,另外形成的面模型为一壳体,没有内部信息,因此在切割后观察到的是内表面而不是期望的内部组信息.近年来,由于计算机软硬件运行速度的大幅提高,人又开始倾向于基于体素的三维医学图像重建技术的研究.基于体素的医学三维图像重建在整合三维面显示、三维体显示、M IP 和虚拟内窥镜等方面有非常好的优势,已成为近年来研究的热点[11].RT P S -2000系统中的三维可视化部分采用了基于光线追踪的Ray -Cast ing 算法[12].R ay-Casting 算法采用基于体素的医学三维物体模型体积重建及三维物体的二维直接显示技术,因此图像重建结果更加直接和精确,可以为肿瘤医学诊断提供辅助手段,同时该算法并行性好,易于采用硬件方法实现加速.在R T P S-2000系统中V isual 模块是一个独立的动态库模块,它负责CT 图像数据的三维重建和显示,以及其它二维和三维数据的显示(比如剂量的三维显示).图6为肾脏三维重建的结果.图6　肾脏三维重建结果Fig .6　3D visual of kidney3.5　剂量学数据管理治疗计划系统制定的治疗计划是与特定的加速器相关的.所以,治疗计划系统在应用于临床制定治疗计划之前必须输入加速器的相关硬件参数,比如治疗床的旋转方式、机架角度和机架的旋状方式、准直器的几何尺寸和运动方式、多叶光栅(M L C)的叶片信息等相关参数和楔形板的信息等硬件的参数.另外,无论采用什么样的剂量计算模型,都需要针对某台具体加速器的能量特性对剂量计算模型的相关参数进行调整,例如根据测量的实际数据调整射束的能谱信息,以使剂量计算的模型与加速器的射束特征相匹配,所以治疗计划系统还要具备管理这些剂量学数据的功能.剂量学数据主要包括百分深度剂量、离轴比、输出因子,以及其它需要测量的数据.3.6　患者建模模块患者建模是指根据获得的患者影像信息,利用图像处理的方法勾画靶区以及关键组织.RT PS -2000提供了丰富的图像处理工具,以方便医生的操作.对于组织提取采用了自动、手动和自动与手动交互的方式.对于皮肤、身体轮廓和肺等密度对比明显的组织和器官,医生只要点击相应的功能按钮就能实现皮肤和身体轮廓的提取.为了最大限度地发挥医生的临床经验,RT P S -2000提供了手动和自动相结合的方式辅助医生勾画靶区和关键组织.医生也可以进行靶区和关键组织的三维重建显示,以观察组织分割和提取的效果,以及靶区与7(见下页)显示了靶区和关键组织以及三维重建的结果.3.7　治疗计划制定治疗计划制定模块是R T PS -2000系统的核心模块,治疗计划的制定主要包括射束的设置,感兴趣点的选择,剂量计算等功能.剂量计算是放射治疗计划系统的核心技术,也是放射治疗计划系统开发过程中的瓶颈问题.主流的剂量计算方法一般有3种:第一种是基于测量数据的经验剂量计算,这种算法在进行剂量计算时直接使用标准SSD 或SAD 下各种射野图7　靶区勾画和三维重建的结果Fig.7　T ar g et co ntour and 3D visual的PDD 和不同深度下的离轴比(OA R ),再结合射野转换、表面形状的修正、输出因子、模体散射因子等进行剂量计算;第二种是基于模型的剂量计算.这种算法包括笔形束模型[13-15]和基于核函数的卷积/叠加模型[16-20].基于模型的剂量计算算法使用具有物理意义的模型参数(比如能谱、源的大小等)来描述源的特征,计算过程可以反映电离辐射的实际输运过程;第三种是基于M o nte Carlo 方法[21,22].这种算法是目前公认的计算精度最高的剂量计算方法,但由于它的计算量较大,计算的时间比较长,因此,目前还很难适用于临床实际.目前的精确治疗计划系统大多采用精度和速度较高的卷积/叠加模型.按照采用卷积核的形式又可细分为基于点核的卷积/迭加模型和基于笔形束核的卷积/迭加模型.在第一种模型中,剂量计算通过将放射线在人体中的T ER M A 分布与一个点扩展函数(Point Spr ead Distr ibutio n)或卷积核相卷积来实现.在第二种模型中,则通过将放射线在模体表面的注量分布(Fluence D istribution )与一个线形的卷积核相卷积来实现.因为第二种方法直接与注量分布相关,可以建立剂量与注量的函数关系,所以可以适用于调强射野的剂量计算.如果算法中应用的核是空间不变的,则可以通过快速傅立叶变换(F FT )来完成对卷积的加速;如果考虑组织密度的变化,则核是空间可变的,无法利用快速傅立叶变换来加速.RT P S -2000中的光子剂量计算采用了基于点核的卷积/迭加模型.点核的卷积/叠加模型采用三维的全卷积方式,对于非均匀介质能得到更高的计算精度,缺点是速度较慢,目前国际上的放射治疗计划系统厂商,如A DA C 采用的就是这个图8　百分深度剂量曲线和离轴比曲线的计算值和测量值的比较F ig .8　Calculat ed and m easur ed percent dept h dose curv esand t ransver se pr ofiles fo r the fields of 10×10cm 2方案.为了提高基于点核的卷积/迭加模型的计算速度,RT P S-2000采用了A.A hnesjo 1989年提出的Co llapsed cone 卷积算法对光子剂量计算算法进行加速[23].同时,又根据人体组织连续性的特点,引进了自适应卷积的思想用于加速[24,25].能量核的产生使用了EGSnrc M onte Car le Co de [26,27].使用的能谱是基于公开的M o han 能谱[28],并结合实际情况对M o han 能谱进行了简化.剂量计算的精确性如何直接决定了三维放射治疗计划系统的性能.图8显示了光子射束能量为6M V ,射野为10×10cm 2条件下,R T P S-2000的计算结果和三维水箱的测量结果的比较图,其中实线为测量结果,虚线为计算结果.3.8　质量保证和控制放射治疗的质量保证是指经过周密计划而采取的一系列必要的措施,保证放射治疗的整个服务过程中各个环节按照国际标准准确安全地执行[29,30].RT P S-2000系统中的质量保证模块提供了剂量显示和剂量评估的功能,用以帮助医生制订更加安全和切实可行的14077期 李建东等:三维放射治疗计划系统的研究 治疗计划.剂量显示包括等剂量线、等剂量面、等剂量体的显示,并且剂量分布可以叠加到冠状面、矢状面、和横断面图像上.RT P S -2000系统提供射野方向视图(Beam s ey e view ,BEV ),治疗室方向视图(Ro om s Eye V iew ,R EV )和数字重建图像DR R (Dig ital Reconstr ucted Radio gr aph )的显示功能.通过这些视图医生可以从不同的角度观察射线、楔形板和多叶光栅与靶区相对关系,从而能够更形象地模拟放射治疗实施的真实过程,有效地保障了放射治疗方案的质量.数字重建图像是放射治疗虚拟模拟过程中一项关键技术,对于放射治疗过程中的质量控制具有非常重要的意义[31,32].DR R 是根据图9　治疗计划的BEV 评估视图Fig .9　BEV r eview v iew of t reatm ent plan患者的CT 图像数据用数学的方法生成的投影图像,随着CT 扫描技术的发展,DRR 被越来越多地用于取代传统模拟定位机所用的胶片图像.DRR 不仅能用来对放射治疗中的射野大小和形状进行设计,而且能用于肿瘤靶区的定义、验证和确认.D RR 通常与BEV 视图联合使用来确定肿瘤的范围,或者确定档块和M L C 的射野适形情况,以确保病人在接受治疗图10　治疗计划的REV 评估视图F ig.10　REV r eview v iew of tr eatment plan时与制定治疗计划时的摆位一致.图9为治疗计划评估的BEV 视图,其中A 和B 分别为剂量在矢状面和冠状面上的叠加显示,C 为剂量在断层图像上的叠加显示,D 为DR R 图像以及M L C 在BEV 视图下适形的结果(其中红色为靶区).REV 给出了所有射束和患者的相对关系,这样有助于避免从一个虚拟的计划向实际的患者准备时的潜在冲突.图10为治疗计划评估的REV 视图,所使用的图像为一个模拟水箱数据,其中红色为照射靶区.剂量体积直方图(Dose V olume Histog r am ,DV H )是评估放射治疗方案的一个重要工具[30,31].DV H 是描述一个解剖结构中,照射剂量水平和照射体积之间统计学关系的直方图.DV H 图可以显示成差分D VH 图,这个图像中纵坐标表示一图11　积分剂量体积直方图F ig.11　Integ ral DV H定的体积接受了横坐标上标定的剂量;D VH 图也可以表示成积分DV H 图,纵坐标表示体积或百分体积接受了等于或者大于横坐标标定的剂量.图11为一个典型的积分剂量体积直方图,其中绿色为要照射的靶区,蓝色曲线为关键组织.3.9　治疗计划输出治疗计划系统制定的治疗方案要以报告或者文件的形式传输给治疗机,然后治疗机根据这些参数进行放射治疗的实施.RT P S -2000提供了治疗计划的硬拷贝打印输出方式和DICOM RT 输出方式.DICOM (Dig ital I maging and Communicatio ns in M edicine)标准是医学影像传输和归档的规范.DICO M RT 是DI CO M 标准的一个扩展,它规定了放射治疗数据传输和归档的规范[32,33].DICOM RT 包括五个对象,即RT Imag e 、RT Plan 、RT Str uct ur e set 、R T Dose 和RT T r eatment Recor d.根据市场调研和临床的需要,RT P S-2000实现了RTPlan .RT Plan 是放射治疗计划传输要求的规范,其范围包括体外或近距离治疗过程的几何参数和剂量数据,例如射束角度、准直器开张程度、射束修整器、近距离治疗的通道和射线源等指标.通过R T Plan 标准,R T P S-2000就可以和任何厂家的治疗机相连实现放射治疗计划文件的传输,从而更有效地完成放射治疗方案的实施.4　RTPS -2000系统验证治疗计划系统的验证主要考虑两个方面的问题,即系统的安全性和剂量计算的准确性.RT PS -2000的安全性验证必须足了IEC 制定的治疗计划系统安全性要求标准62083[34].IEC 62083主要从以下几个方面规定了治疗计划系统应该满1408 小　型　微　型　计　算　机　系　统 2009年表1　AA P M 55报告推荐的剂量计算精确性测试条件T able 1　Do simetr ic tests pr opo sed by A A PM 55序号能量(M V)射野(cm)S SD(cm)简单描述深度值取样点(cm)离轴距取样点(cm)145×580水模1,3,5,10,15,20,25,350,±1,±52410×1080水模1,3,5,10,15,20,250,±3,±93425×2580水模1,3,5,10,15,20,25,350,-9,-19445×2580水模1,3,5,10,20,25,350,±1,±55425×580水模1,3,5,10,15,20,25,350,-9,-196410×1070水模1,5,9,13,17,21,25,330,±2.5,±7749×980水模,楔形过滤器1,3,5,10,15,20,25,35±2.58410×1080水模,离中心平面1,3,5,10,15,20,25,350,±3,±89416×1680非规则野(L 形)1,3,5,10,15,20,25,350,-610410×1080斜入射1,3,5,10,15,200,±311185×5100水模3,5,10,15,20,25,350,±1,±5121810×10100水模3,5,10,15,20,25,350,±3,±9131825×25100水模3,5,10,15,20,25,350,±9,-1914185×25100水模3,5,10,15,20,25,350,±1,±5151825×5100水模3,5,10,15,20,25,350,±9,-19161810×1085水模3,5,10,15,20,25,350,±2.5,±717189×9100水模,楔形过滤器3,5,10,15,20,25,35±2.5181810×10100水模,离中心平面3,5,10,15,20,25,350,±3,±8191816×16100肺非均匀介质11,11.5,12,15,20,25,350,±2,±5201816×16100骨非均匀介质7.5,8,10,15,20,25,350,±4211816×16100非规则射野(L 形)3.01,5.01,10.01,15.01,20.01,250,-6表2　剂量计算精确性测试结果T a ble 2　D osimetr ic test r esults序号简单描述中心轴剂量束内剂量束外剂量辐射场宽度误差(%)取样点数误差(%)取样点数误差(%)取样点数误差(cm)取样点数14M V,水模,5×50.2973580.520215160.117892160.101361624M V,水模,10×100.2268670.66354140.3841314-0.05824143*4M V,水模,25×250.792868 1.4550480.692878-0.1792844M V,水模,5×250.591447 1.032639140.69937614-0.2941145*4M V,水模,25×50.5645781.292858 1.8294780.1074864M V ,水模,10×100.3556780.76347160.37894160.264251674M V ,楔形过滤器0.785868 1.2978280.8413780.271171684M V ,水模,10×10 1.2125380.4956416 1.12349160.23533-1694M V ,水模,16×160.8936780.534368————104M V ,水模,10×100.741336 1.2487812————1118M V,水模,5×50.7648470.75427140.66685140.12637141218M V,水模,10×100.8290370.879140.67414-0.154881413*18M V,水模,25×250.8349670.6142414 1.0567970.201271418M V,水模,5×250.7546870.80372140.3472140.106071415*18M V,水模,25×50.8154870.66428140.8967970.123671618M V,水模,10×10,85cm SS D 0.7426670.44535140.4562614-0.25582141718M V,楔形过滤器0.8374170.926117 1.046270.17467141818M V,水模,离中心平面 1.107777 1.13567140.45909140.16317141918M V,肺非均匀介质0.694970.9252328——-0.16939142018M V,骨非均匀介质0.9207870.8643414——0.10913142118M V,非规则射野(L 形) 1.4515360.754626————注1:“*”辐射场宽度只比较了X 负方向的位置误差.注2:“—”表示AAPM 55号报告中不要求比较.注3:辐射场宽度是指在给定比较深度点,中心轴至两侧中心轴剂量的50%处之间的距离之和.14097期 李建东等:三维放射治疗计划系统的研究 足的安全性要求:(1)开发期试验(2)安装期试验(3)日期和时间格式(4)坐标系统和标尺(5)治疗机设备建模(6)患者解剖结构建模(7)数据的输入输出(8)治疗计划报告单(9)软件的人为错误(10)软件版本的变更IEC62083重点强调的是治疗计划系统的安全性,这种安全性不仅体现在程序本身,而且也要保证系统的随行文件要保持和软件的一致性.剂量计算的准确性也是治疗计划系统验证的一个不可缺少的内容.国际上对光子束剂量计算精度要求为3%,辐射场的宽度误差为3mm[35].R T P S-2000系统剂量计算的验证采用了公认的美国医学物理学会提供的AA P M55报告的测试数据[36].测试的基本步骤为:首先将AA P M55号报告的测试数据输入到RT PS-2000系统,然后对各测试方案进行剂量计算,最后将计算的数据与A A PM55号报告提供的实测数据和等剂量曲线图形对比.剂量计算的精度由标准偏差确定,公式如下:ST D=1N-1∑Ni=1(x i-x i)2 (1)其中x i为计算值,x i为测量值,N为采样点的个数.测试的条件见上页表1,测试的结果见上页表2,我们对表3　剂量计算精确性测试结果统计T able3　Summ ary of Do simetr ic test r esults序号简单描述中心轴剂量误差(%)束内剂量误差(%)束外剂量误差(%)辐射场宽度误差(cm) 14,18M V,水模,方野0.83496<1 1.45504<2 1.05679<20.2012<0.324M V,水模,矩形野0.59144<1 1.29285<2 1.82947<2-0.2941<0.3 18M V,水模,矩形野(25×5)0.81548<10.80372<10.89679<10.1236<0.234M V,水模,非规则野0.89367<10.53436<1——18M V,水模,非规则野 1.45153<20.75462<1——44M V,水模,斜入射0.74133<1 1.24878<2——518M V,非均匀介质:骨,肺0.92078<10.92523<1—-0.1693<0.2 618M V,水模,离中心平面 1.10777<2 1.13567<20.45909<10.16317<0.2 74,18M V,水模,楔形过滤器0.83741<1——0.27117<0.3 8改变SS D(序号6,16)0.74266<10.76347<20.45626<20.26425<0.3注1:表中的误差值取的都是最大值.测试的结果进行了统计,统计的结果见表3.5　结　语本文从开发实践的角度出发,论述了三维放射治疗计划系统R T PS-2000的设计方案和实现技术.阐释了系统的总体结构和系统的功能模块,给出了各个功能模块实现的技术,以及核心技术采取的解决方案.R T PS-2000系统经过临床医生的使用和评估,以及权威机构的检测,在软件的稳定性、可靠性、易用性和剂量计算的精确性方面都达到了临床使用的要求.放射治疗计划系统是一个涉及到多个学科的复杂的软件系统,又是一种医疗器械,它的安全与否将关乎人的健康,因此设计者在设计开发放射治疗计划系统的过程中应该本着“健康第一”、“安全第一”的思想.同时,在设计中也要遵循人类工程学原理,充分考虑人的因素和软件系统的特点,使二者的作用各得其所,建立最佳的人-机系统,使设计出的软件系统使用起来轻松、舒适、减少工作疲劳,避免伤亡事故,提高肿瘤治疗的效率.Ref erences:[1]ICRP Publication86.Prevention of accidental exposures topatients un dergoing rad iation therapy[R].Oxford,Pergamon Pres s,2000.[2]Liu Wen-yao,Chen Xiao-qing,Dong Shi-h ong,et al.Development of the stereotactic radio ther apy treatment planning s ystem[J].Jou rnal of T ian jin U nivers ity(Science and T ech nology),2001,34(3):336-339.[3]Yang Dai-lun,Wu Zhang-w en,Su n 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