三维放疗计划系统及关键技术分析

张帆

河南省南阳市中心医院，河南南阳473000

三维放疗计划系统及关键技术分析

张帆

河南省南阳市中心医院，河南南阳473000

伴随医学的飞速发展与进步，三维放疗系统已在肿瘤放射治疗中占据重要地位。三维放疗系统是一个多类学科的综合体，包括图象处理技术、生物医学工程、计算机图象等多方面的内容。为了进一步研究三维放疗系统在医疗中的应用功效，做了系统结构及其相关技术的详细分析。首先由三维放疗系统的构造入手，然后进入系统常用工具的简单介绍，之后进入重点—三维放疗计划体系关键技能的探索及其功效的体现。作为三维放疗计划系统关键技术的理论探索，为后期研究提供了充足的理论依据。

CT模拟；三维放疗计划系统；关键技术

三维放射治疗计划系统是在早前的二维医治计划体系之上发展起来的，伴随PC机图形硬件装备的变更，近年来，该项体系有了快速的进展。该体系目的明确，即根据肿瘤的生长及其生长的形态，再有针对性的进行照射，使得肿瘤组织和正常组织之间有了一个较明显的坡度，如医生用手术刀切除肿瘤，会产生整齐的边缘，肿瘤不用开刀就可与外科手术治疗所获得的效果相同。

1 三维放疗计划体系构造探讨

三维放疗计划体系是一个内容非常丰富的体系，不只是包括简单的计划生成和输出，还包括对病人信息的管理，医疗设备的控制管理等。涉及到的范畴包含广阔，包罗了图象处置、软件研发、器械监控、肿瘤放射学等。

1.1 网络结构

三维放疗系统包含了计划治疗、CT影像机以及查询工作站、模拟定位仪、加速器治疗机等联合组成，可以说三维放疗系统是一个多元化网络系统的集成。CT影像机主要是对患者的断层图象采用扫描并对信息进行输入，再由计算机网络装备进入系统后将患者的放射医治方案由三维计划治疗体系设计出来，放疗科的医务人员和加速器的科技人员依照系统设置的方案进行模拟机的试验，待试验合格后便可对其患者实施临床的放疗医治。

1.2 组织结构

三维放疗体系从总体上看是由系统筹备、图象筹备、规划设计以及设计计划四大部分所构成。系统准备：主要负责系统安全处理以及用户系统建立，建立机械计量学数据，检查机器特性以及设备相关参数。图象筹备：以胶片、MRI或CT座位进行图象的输入，标定图象比例和图像密度，并重点勾勒与鉴别靶区及重要的组织器官。规划计划：按照患者的实际疾病状况选择合适患者的照射方法及照射程度，同时还应对射野指数进行合理设置，中心照射、旋转照射、源皮照射是经常使用的几种照射方法。设计计划：依照规划计划的相关内容对照射的剂量进行具体计算，再以多视觉、多方位、二维及三维等多种多样的方式对组织器官以及肿瘤分布区域的剂量进行详细观察和测验，同时评估放疗计划实施的可行度[2]。这四部分程序可由计算机网络化、后台操作以及分离形式完成。

2 三维放疗计划体系常用工具和反向治疗研讨

2.1 常用工具分析

从计算机发明以来，就以飞快发展的速度渗透到了生活中的各行各业。计算机在院内放射科范畴的使用也有很久远的历史了。最初常用的是PC-12与RDA-8二维放射治疗仪，后来随着技术的不断进步慢慢改进到三维放射技术。最原始的二维放疗科技中，仅仅是简单的进行代入公式，且放射剂量的计算也受到控制。国外研究人员最先开始了三维放射治疗的研究，对计算剂量和图像显示进行了详细的探讨，这种研究的原理主要是在二维放射治疗的基础上，加速图片显示的循环速度，使得二维的彩色等级量面和解剖轮廓产生了三维的视觉效果。Vande等人开始钻研经由三维模仿的方法实行放射剂量的统计。BEV线束轴向视图显示方法研究出来之后，为三维放疗技术的发展提供了一个大的进步[3]。BEV线束轴向视图显示方法比定位模拟图像具有相似性，都是沿着术中轴的方向进行观察。紧接着X光照片和CT数字化计算的应用，使得三维放射技术的发展更进一步。我国对于三维放疗技术的研究是通过剂量体积直方图来观察，去评价三维放疗的效果。三维放疗在图像的获取和应用上，能够更加清晰准确地勾画出肿瘤靶区以及靶区结构和正常组织[3]。三维放疗计划系统通过光照、纹理、透视等三维表面来渲染多种轮廓，然后通过蒙特卡洛计算方法来计算。蒙特卡洛计算方法可以精确的计算出在不同状况中的剂量分布情况。CT模拟定位机包含了激光投影定位装备、CT扫描装备、三维放射医治计划。该体系可以进行准确无误地定位和重建CT三维图，并顺着术中轴实行方向透视或者直接实行放射医治。但CT扫描同时也会带有一定的缺陷，就是扫描时间过于太长，对人体的移动组织和器官、大野照射等情况并不适用。

2.2 优化方式与逆向医治

三维放疗体系尤为强调的是主动进行优化，而对于分散不均匀的剖面放疗，则更加需要实行逆向医治方案。因为肿瘤监控不单单依靠于物理剂量，更和总剂量的模式、分次次数、分次剂量有着紧密联系。所以，针对方法如何优质化得到越来越多人的关心。通常来说，计算机优化有两部分构成：第一，优化条件制定。第二，优化公式使用。还应思考正常组织损伤率、肿瘤控制率、生存质量等标准。有了对应的优化基础以后，依照函数公式明确所需最大、最小的剂量参考值。在现实的应用中，因为无法得出理论条件下产生的负分布，所以为优化强度调节疗效，可应用图象重建逼近法、无遗漏搜索法、模拟退火法以及二次方程法等来满足对非负抵偿的控制。

3 三维放疗计划体系关键技能探索

数字化重建放射透视图像（DRR），又称放射图象，该项技术在一定程度上对医疗工作者判断患者病情并制订治疗方案时有着重大的作用。放射图象获得人体构造和内部各个组织器官等的灰色图象是采用光等射线进行透视成像而产生的。与放射图象有区别不同，这里的数字化重建放射图象在数据采取上非直接通过机体，在进行类似于放射图象的重建功能是建立在机器采取样本数据的基础之上，而这完整的程序只是在一个虚幻的人体内实施。数字化重建放射图像在减少病人痛苦的同时，还能够最大限度增大设备的机动灵活性，节约医疗成本。模拟的理论定义是利用数字化重建放射透视图像代替模拟定位机拍出射线片的一个过程，而在三维放疗系统中，剖面解析图、构造图以及等剂量曲线图都是通过数字化重建放射图像间接完成的。

3.1 光线放射法

光线放射法是实践中常使用的方法，也是最先被提出的方法，我们把它看作是射线成像的数学模型的凸显。发展经过可大致分为五个步骤，如下：

①成立三维体素方阵；②从虚源顺着射线透视的方向分为若干投影线条，一个平面内像素对应一条投影线；③顺次累加每一条投影线经由的体素矩阵的交点的电子密度值；④求得投影线通过体素矩阵的有效射线长度；⑤把射线长度乘以累加值，两者相乘所得值采用灰度分级表示，形成DRR图象。

图象中的若干个体素单位经投影线所透过，影像平面的像素单位计量则是顺着投影线上所有体素单位的减退量所进行的累加。基于所限制步长是光束投射法的最大特性，换言之，每个体素的长度相等经投影线穿过之后。

3.2 快速生成算法

该算法的实现步骤与光束投射法类似，但要比光束投射方法更加科学，它在统计像素值时，可通过转变从而改变步长。这种算法要求首先对大量的数据资料进行先处理，能够提高时间效率，再加上步长的改变，此算法的优势更是得到展现。

4 三维放疗计划体系的功效体现

4.1 三维放疗计划体系的认知

考虑到人均生活消费水平的快速提高，加上放疗相关的医疗器材的变换更新，再与前面我们所进行的对比结合起来，发现目前的计划体系不能再满足肿瘤放射临床实践医治的现实状况。但我国大多地方的多数医院及其医疗部门体系处于旧阶段，即传统医疗计划系统，使得在一定程度上我国肿瘤患者的放疗效果没有保证。

三维放疗计划系统的功效设计不单是对原有的二维医治计划系统功能的一种改造，经改造后有很多独特又重要的功能，就工作流程对比而言，与先前的二维医治计划系统有着很大的区分。在一体系之中，可以把全部框架分为两大部分，即管理模块和功能模块。管理支持

模块只要用于调解整个体系的工作程序，对功能模块里面的四个子模块之间的消息传导发挥作用及对数据资料库进行管理，同时协调人与机器的相通，由于用户使用中存在问题，所以用于规范合理操作和监督合法使用。管理模块还一个功效就是管理多个合并规划。功能模块由四个小部分构成。①医学图象的采集；②三维计划的设计；③三维计划的评判；④计划输出控制。四个模块在功能和操作上都具有一定的独立性。医学图像采集主要在模拟室，三维设计是在计划室进行，同时在计划室完成的还有三维评估，但由于各种原因，通常是由专业医师或医疗团队进行计划控制又是在放疗室。因为三维计划设计与三维计划评估是整个系统的要点，便成为了设计和开发的难点，该两模块中集中了多半重点技术。

4.2 三维放疗计划体系的详细实现应用

4.2.1 主要功能模块的实现（1）患者资料的监管：患者资料可通过医院内网获取，也可通过患者在放疗室由医疗器械操作人员对患者信息输入本地数据库，一旦输入后不可轻易更改，拥有特定权限的操作人员能对患者的资料进行一定程度上的更改和删减。

（2）医学图象资料的收集：三维放疗计划系统通过专用的网络通路获得的基本信息主要源自医院内部网络和核磁共振仪等设备，该系统也支持其他医学影像资料，如通过扫描仪的纸制图像资料。

（3）三维计划的设计：这里的三维计划是指专业放疗人员的较为全面具体的计划，其中包括两部分的实现，三维形体重建以及模拟照射。

（4）三维剂量计算：根据己布置的射野情况和预定的照射要求，需要通过计算来获得每个照射野的剂量。预定的照射要求有若干个约束条件，包括计算精度的选择、靶区规定剂量设定等。

（5）三维计划的评估：经验模型现在仍是肿瘤放射治疗评估的主要方式，依照系统给予的工具与模型进行一个比较，将对比结果用来衡量一个三维放疗计划的优劣程度。一般该体系的评定项目包含肿瘤限制概率、并发症状的发生几率、靶区最佳剂量。

（6）对计划输出的限制：待以上程序均完成且通过之后，下一步要针对具体状况实施实际医治手段。经过系统严格的对外接口方式来控制加速器对患者所实行的医治。为方便医师进行观测治疗，还可通过专用打印机将计划输出到纸上。

4.2.2 管理模块的实现一个计划由于规模不一，所花费的时间也不同，从开始到制订完成，时间花费在几小时到数天不等，并且由于每个计划最为麻烦的是剂量的计算，为了不浪费时间在剂量的计算中，我们通常会通过后台程序进行计算，或在空闲时针对计划特定部分进行修改，在某些程序执行上可能会存在错误。而进行反复的重复执行，要求我们在各个计划的确定过程中需随时查看与其相关的计划，并对其进行监察，并要随时于所制定的计划对比。由于这些程序使得强功能的计划流程管理能力成为整个完整的系统的最基本的要求，同时又能对多个并行的计划进行合并管理，所以管理模块被要求本身拥有高效能的计划规划。

通过上述所需，该项体系在设计之初就支持计划合并，体现在不仅可以处理数个短期内的计划，同时能在各种不同的计划间进行更换。而且针对后台优先级方面也有所调整，解决了在后台执行计算任务的计划中所有的优先级问题。优先级别的设定是根据各个不同的计划规模和该计划实施的执行阶段，同时为了方便变换，后台的优先关系还可通过人为进行修改，已达到理想效果，确保某些紧急的计划被设定而进行优先执行[8]。按照规划的优先级别，各种规划有所不同，其所占用的硬件资源也将按比例进行分配排序。为了对所有并行计划进行规范化的统一管理，系统能自行默认为正在编辑的计划所处的优先级最高，没有参与编辑的后台计算的计划将被拖后，即优先级被默认为最低。

5 结语

综上可知，三维放疗体系是一个科学的医疗器械，它波及到许多方面的知识。随着人们对医疗技术要求的不断提高，许多疾病需要通过放疗来控制，三维放疗一定会应用的更加普及。它不仅在提升病灶局控率的同时，还提高病患的生存率以及生存时间，通过减少对正常组织的损伤、增加肿瘤提及剂量等用来提高患者生存疗效，都具有尤为重要的意义。

[1]周兆德,石光耀,陈然.CT与MRI图像融合技术在原发性肝癌三维适形放疗靶区确定中的应用[J].中国实用医药,2012（25）:84-85.

[2]叶云飞,杨倞,孟岩,等.三维适形放疗技术的治疗原发性肝癌的影响因素分析[J].现代生物医学进展,2012（27）:5347-5349，5389.

[3]陈泽，高彩琴，郝光军，等.宫颈癌根治性放疗中三维适形调强放疗技术的应用[J].中国美容医学,2012（8）:108-109.

[4]宁瑞霞,李永利,赵庆书,等.再谈三维适形放疗时CT模拟定位扫描技术的应用价值[J].中国辐射卫生,2013（2）:232-233.

[5]陈文芬,谢翡娜.三维适形放疗和适形调强放疗技术对鼻咽癌放疗后颞颌关节损伤的观察[J].中国卫生产业,2013（13）: 152，154.

[6]章毅.三维适形放疗技术治疗食管癌患者临床观察[J].基层医学论坛,2014（28）:3879-3880.

[7]欧瑶.三维适形放疗技术治疗非小细胞肺癌89例疗效分析[J].吉林医学,2014（28）:6285-6286.

[8]王冰.CT与MRI影像融合技术在脑肿瘤三维适形放疗中的应用[J].牡丹江医学院学报,2010（3）:40-42.

Three-dimensional Radiotherapy Planning System and the Analysis of Key Technology

ZHANG Fan
Nanyang Center Hospital,Nanyang,Henan Province,473000 China

With the rapid development and progress of medical science,three-dimensional radiotherapy system has been an important role in tumor radiotherapy.Three dimensional radiotherapy system is a complex of many kinds of disciplines, including image processing technology,biomedical engineering,computer graphics,etc..In order to further study the application effect of 3D radiotherapy system in medical treatment,this paper makes a detailed analysis of the system structure and related technology.First,the construction of three-dimensional radiation system,and then enter the system commonly used tools of the simple introduction,after entering the focus of this paper-the key techniques of three-dimensional radiotherapy planning system to explore its effectiveness.This paper is a theoretical exploration of the key technology of 3D radiotherapy planning system,which provides a theoretical basis for the later research.

CT simulation；Three dimensional radiotherapy；Key technology

R730.5

A

1672-5654（2015）08（a）-0140-03

10.16659/j.cnki.1672-5654.2015.22.140

2015-04-26）

张帆(1986.9-)，男，河南南阳人，本科，技师，研究方向：放疗方面。