基于Android平台的放射诱导肺损伤计算

吴江月

基于Android平台的放射诱导肺损伤计算

吴江月

目的：在Android平台上进行放射诱导的肺损伤（radiation-induced lung toxicity，RILT）发生率综合指标计算，来评估待选胸部放疗计划中肺组织的不同剂量体积指标优劣交错的情况。方法：利用NTCP-Lyman模型将剂量体积直方图（dose volume histograms，DVH）数据综合为正常组织并发症概率（nalcomplication probability，NTCP），基于Android平台开发RILT发生率计算软件。结果：在Android系统的模拟机和真机上调试运行，能够快速计算出RILT发生率，实现预期的功能。结论：Android平台不需版权费用，具有稳定性、便携性、开放性好等特点，利用其计算放射诱导肺损伤，可辅助评估胸部放疗计划。

Android平台；放射诱导肺损伤；积分计算

0 引言

周围正常组织产生并发症较少，并且肿瘤控制率最大，才是一个理想的放射治疗计划。肺癌患者接受根治性放疗，在6周～6个月后，发生放射诱导肺损伤（radiation-induced lung toxicity，RILT）的有13%～37%。被广泛接受的三维放疗计划评估方法是剂量体积直方图（dose volume histograms，DVH），临床上通常把Vdose（接受某一照射剂量的肺体积占全肺体积的百分比）作为评估放疗计划优劣和预测肺损伤的指标[1]。

Vdose只是DVH中的一个点，其余信息并不能体现。各种DVH参数和放射性肺炎的发生均有密切的关系，并非相互独立。单一的DVH参数对放射性肺炎的发生并不具有非常好的预测作用。正常组织的一定体积接受一定剂量照射后，发生正常组织并发症的概率就是正常组织并发症概率（nalcomplication probability，NTCP）。NTCP能够全面体现整个DVH的信息，其与放射性肺损伤之间的相关性是现有的治疗方法中最为密切的。不同计划的优劣，通过综合DVH得到的正常组织发生并发症概率的大小一目了然。因此，各种DVH参数融合为NTCP与RILT更具有相关性。

如图1所示，3个待选放疗计划中，肺受量分别在V10、V20、V30等处具有优势，难以作出合理的取舍。而单一的剂量体积指标无法给出一个选择的标准。RILT发生概率指标涵盖了全部剂量体积指标，并且可以直接比较不同治疗方案治疗后的RILT发生概率，治疗后获得RILT发生率低的治疗方案较好。但是RILT发生概率涉及等效体积和积分的复杂运算，难以推广应用。

图1 3个放疗方案的肺剂量体积图

1 放射诱导的肺损伤发生率的计算方法

周卫兵等[2]研究了NTCP-RSM、NTCP-Lyman、LQ-Poisson-TCP、Poisson-TCP、Logit-TCP和Zaider-TCP 6种NTCP模型，其中NTCP-Lyman模型计算放射诱导的肺损伤与临床比较吻合。文献[3]中也广泛采用NTCP-Lyman模型预测放射肺炎的发生率。NTCP-Lyman模型为[4]

式中：n为无单位的体积效应系数，表示体积效应的大小；m为剂量效应曲线的斜率；D50（V=1）、D50（V）分别为整个肺容积、部分肺容积受到照射的2种情况中，产生50%患者辐射诱导的肺损伤所需的剂量。m、n值是用以上公式拟合临床资料的剂量和并发症发生率之间的关系曲线而得出。肺的D50、n、m值分别为124.5 Gy、0.87和0.18。

事实上肺受到的并非均匀的照射，在应用NTCPLyman公式时必须转化为模型假设的整个器官或组织及其一部分受到的均匀照射剂量。较常用的转化方法是Kutcher算法，根据DVH数据计算出器官的等效体积（Veff），该体积小于或等于最大剂量均匀照射整个器官体积所受到的器官损伤[5]。用不规则形状的累积剂量体积直方图计算等效体积，把不均匀的剂量体积直方图转化成一定高度的体积和剂量，直方图中的最大剂量就是Dmax[6]。假设原直方图与转化后的直方图产生相同的并发症，并假设各个阶梯高度直方图之和的扩展间符合幂律关系，则

式中：n是一个标量参数。直方图的每一阶梯应用此方程，得到整个直方图的Veff：

式

（1）中的积分区间为[-∞，t]，不便于进行数值积分运算，经过以下变换的积分区间为[0，t]：

数值积分采用矩形公式要达到同样精度，需要更多循环次数来计算更多数据，占据了进程，影响电话接听等其他应用，也使剂量体积数据输入量增大，因此，采用梯形数值积分公式计算[7]。

2 软件开发设计

放射诱导肺损伤计算系统的架构总体上采取人机互动型架构的MVC（模型—视图—控制器）设计模式，划分了层次结构进行设计，由View层、Controller层、业务逻辑层和数据交互层构成。控制器是视图和模型之间连接的桥梁，确保视图和模型同步。控制器接收视图传递过来的指令，交给模型进行逻辑处理后，模型通知控制器按照处理的结果更新视图。

View作为用户视图层，主要由放射诱导肺损伤计算系统各个功能模块的界面组成。设计该软件是为了广大医生用Android手机综合剂量体积数据来评估放射性肺炎发生的概率，而Android手机的品种规格繁多，在不同屏幕上的显示效果不同。为此，采用尽可能简洁的视图小工具，以便在多样化Android手机上都有较一致的显示效果。因为数据较多，采用了全屏列表框加Android菜单键。编辑修改所需要的输入法占据一半左右的屏幕，另外设置了一个编辑活动界面；删除操作无需输入法，以长按弹出菜单实现。计算前需要核对全部输入数据，用不能修改数据的列表框加按钮实现。按钮在列表最下方，点击按钮后，压缩列表框，按钮跳到上方边侧，下方显示计算结果。设置了3个活动界面：显示数据（3个菜单）、编辑修改数据（2个按钮）、计算数据（1个按钮）。添加界面就是插入新记录后的编辑界面，活动界面和菜单都统一用XML定义[8]。

在界面切换中伴随信息处理过程较复杂，不便于规划和设计。输入数据越多，计算结果越准确，但是超过20个数据后，精度就无显著提高。输入数据多少不确定，也是不采用活动界面传递参数而用数据库的原因。在数据库内创建一个表格，有数据序号、剂量和体积3个字段。由于数据库的操作相对较慢，为了提高效率，只在启动程序的时候进行一次数据库操作，将表格中的所有数据都读入到内存中。这是通过managedQuery()来获取Cursor。Cursor返回是一个二维的表格，行是具体的元素，列是该元素具体的属性[9]。

模型在另外2个层次是暗箱操作，根据该请求的数据查看和数据源作为更新后的关联逻辑处理视图。添加处理各种业务逻辑，并在相关活动的数据交换，需要写进与交互层交互的数据库。主要程序代码如下：

doublea=1.149;doublem=0.18;double D50=24.5;

cursor.moveToFirst();

temptwo[0]=Double.valueOf(cursor.getString(2));

tempthree[0]=Double.valueOf(cursor.getString(3));

double temp=tempthree[0];

cursor.moveToNext();

for(int i=1;i＜j;i++){

temptwo[i]=Double.valueOf(cursor.getString(2));

tempthree[i]=Double.valueOf(cursor.getString(3));

tempfour[i]=Math.pow(temptwo[i]/temptwo[0],a);

tempfive[i]=tempthree[i]-tempthree[i-1];

temp=temp+tempfour[i]*tempfive[i];

cursor.moveToNext();

}

double tempone=tempthree[j-1];

double VE=temp/tempone;//

double TT=D50*Math.pow(VE，-1/a);

double TB=(temptwo[0]-TT)/(10*m*TT);

double BB=Math.exp(-100*TB*TB/2)+1;

for(int k=1;k＜10;k++){

BB=BB+2*Math.exp(-k*TB*k*TB/2);

}

DecimalFormat df = new DecimalFormat(" #0.00000");

String NTCPS=df.format(0.5+TB*BB/(2*Math. sqrt(2*Math.PI)));

double NTCP=Double.valueOf(NTCPS);

3 应用分析

在Android系统的模拟机和真机上调试运行，能够快速计算出RILT发生率，完全实现预期功能。不同版本的Android系统具有一致的显示效果，可辅助评估胸部放疗计划。软件主要界面如图2所示。

图2 软件主要运行界面

图1所示的3个胸部肿瘤放疗计划中，方案一V10最低而V30最高，方案二V20最高而V30最低，方案三V10最高而V20最低，各有利弊。将3个方案的DVH数据分别输入本文的RILT计算系统进行计算，结果是方案一的NTCP=0.013 41，方案二的NTCP=0.021 46，方案三的NTCP=0.032 47。这样，综合各个剂量点体积数据的NTCP指标，就可以直接看出方案一比方案二、方案三在肺的保护上更好些。

4 结语

由三维计划DVH得到NTCP，使治疗方案的评估和比较可以从生物效应分布的角度进行，不仅能预测辐射的正常组织的生物效应，也可以比较不同治疗计划的利弊。尤其对于并行器官的肺组织，单一剂量点指标在不同放疗方案中可能优劣交错，难以取舍。另外，各种DVH参数和放射性肺炎的发生均有密切关系，并非相互独立。单一的DVH参数对放射性肺炎的发生并不具有非常好的预测作用，从综合剂量体积数据的NTCP指标可以直接全面地看出各个备选方案的优劣。因为有关软件尚未被商业化和其设计的复杂性，以及基于不利于普及的高性能台机，所以基于NTCP指标的放疗方案评估方法并没有广泛采用。随着Android平台硬件性能的不断提升，并且具有不需版权费用、稳定性、便携性、开放性等特点，必将成为医疗软件开发应用的主流系统平台之一[10]。

[1] 王冬青，翟利民，高敏，等.肺剂量体积直方图参数与非小细胞肺癌放射性肺炎的相关性[J].中华临床医师杂志：电子版，2013（8）：3 372-3 376.

[2] 周卫兵，冯炎，陈佳艺，等.放射生物模型在乳腺癌放疗计划评价中的比较[J].中华放射肿瘤学杂志，2008，17（4）：293-297.

[3] Korreman S S，Pedersen A N，Aanrup L R，et al.Reduction of cardiac and pulmonary complication probabilities after breathing adapted radiontherapy for breast cancer[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，2006，65（5）：1 375-1 380.

[4] Lyman J T，Wolbarst A B.Optimization of radiation therapy，III：a method of assessing complication probabilities from dose-volume histograms[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，1987，13（1）：103-109.

[5] Sehuhheiss T E.The controversies and pitfalls in modeling normal tissue radiation injury/damage[J]. Semin Radiat Oncol，2001（11）：210-214.

[6] 杨瑞杰，戴建荣，胡逸民.放疗的生物学评估和优化[J].中华放射肿瘤学杂志，2006，15（3）：172-175.

[7] 姜炜，黑月林，吕仲虹.正常组织并发症概率的计算机实现[J].生物医学工程学杂志，2004，21（1）：134-137.

[8] 姚昱旻，刘卫国.Android的架构与应用开发研究[J].计算机系统应用，2008，17（11）：110-112，24.

[9] 彭艳.基于嵌入式数据库SQLite的智能导游系统[J].计算机系统应用，2011，20（4）：254-256.

[10]任国宏.移动医疗中平板计算机的应用及不同操作系统的对比分析[J].医疗卫生装备，2013，34（6）：81-83.

（收稿：2014-04-03 修回：2014-10-20）

Radiation-induced lung toxicity calculation based on Android platform

WU Jiang-yue
（Anqing Municipal Hospital,Anqing 246003,Anhui Province,China）

ObjectiveTo calculate the incidence rate of radiation-induced lung toxicity(RILT)based on Android platform so as to evaluate the indexes of lung dose volume of different chest radiotherapy plans.MethodsNTCP-Lyman model was used to transform dose volume histogram(DVH)into normal tissue complication probability(NTCP).The software was developed for calculating RILT incidence rate based on Android platform.ResultsTrials on simulation machine and real machine with Android system proved the desired functions were realized for calculating the incidence rate of RILT rapidly.ConclusionAndroid platform,with high stability,portability,compatibility and no need for copyright fee,can be used to calculate RILT for auxiliary evaluation of chest radiotherapy plan.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（4）：48-50]

Android platform;radiation-induced lung toxicity;integral calculation

R318；R818

A

1003-8868（2015）04-0048-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.04.048

吴江月（1974—），男，物理师，工程师，主要从事放射治疗方面的研究工作，E-mail：wujiangyue@vip.163.com。

246003安徽安庆，安庆市立医院（吴江月）