头颈肿瘤调强放疗结构命名标准化的方法与实现

游依琪，郑万佳 ，郑智满，黄慎 ，陆世培，张俊 ，李存啸，陶亚岚，林承光 ，杨鑫，黄晓延 ，夏云飞

1.中山大学肿瘤防治中心/华南肿瘤学国家重点实验室/肿瘤医学协同创新中心/广东省鼻咽癌诊治研究重点实验室，广东广州510060；2.中山大学新华学院，广东广州510520

前言

放射治疗计划的设计和实施过程中缺乏统一的标准，使得安全性问题更为突出、引人关注［1］。对人体器官结构、剂量体积直方图的规范度量、剂量和体积单位的统一命名，以提高其清晰度和一致性，逐渐成为放疗实践的一种新需求［2］。标准化有多种好处，例如有助于临床试验的数据采集，使得机构之间的数据共享更安全，即使在一个机构内也能减少工作人员之间沟通的错误（如：医生与物理师之间、物理师与剂量师之间、多种计划系统之间）［3］，这也有利于治疗计划质量控制［4］和放射治疗科的IT管理［5］。为实现这一目标，AAPM TG-263（The American Association of Physicists in Medicine Task Group 263）提供了放射肿瘤结构命名报告［3,6］，以便用于计划设计、临床试验及数据集的采集与操作［7-8］。

由于调强放射治疗（IMRT）具有陡峭的剂量跌落梯度、精准的剂量调制、更好的危及器官保护能力，因此广泛应用在头颈部肿瘤［9］。在鼻咽癌IMRT中，危及器官勾画无论在放疗前计划设计、放疗前计划评估、疗程中修改治疗计划和影像引导等，都是一个至关重要的关键步骤［10］。且危及器官与靶区之间有着较为复杂的关系，鼻咽癌患者的脑干、脊髓、腮腺等重要器官与靶区位置毗邻［11］，在危及器官勾画时对结构命名上没有统一的准则与策略，容易造成疏漏与混淆，也给计划设计带来一定的难度，在后期进行剂量统计分析时，也带来不少困难［12］。因此，对头颈部肿瘤放疗结构的统一命名，显得尤为重要。国际上，已有研究团队基于AAPM TG-263的报告，进行有益的探索，并应用于实际临床［13］。本文通过编程实现头颈肿瘤放射治疗的结构文件命名的标准化。

1 资料与方法

1.1 病例选择

随机选择中山大学肿瘤防治中心的139例放射治疗计划，每位患者经主治医师初步勾画靶区后，由副主任或主任医师进行审核。其中鼻咽癌患者127例，其他头颈部肿瘤患者12例（如淋巴瘤、脑胶质瘤、喉癌）。在127例鼻咽癌肿瘤患者中，其中女性38例，男性89例。所有患者均接受IMRT治疗，放疗处方为68.1 Gy/30 F。本文所使用的病例资料、临床数据与实验结果，均上传至RDD（Research Data Deposit,www.researchdata.org.cn）平台进行审核（RDDB2018000256）。

1.2 程序解析

DICOM标准的全称即医学数字成像和通信标准，旨在规范化图像的格式，实现数字影像的通信。DICOM为医疗设备图像和信息传输提供了交互的标准协议和统一接口标准［14］。目前大多数医疗成像设备都符合DICOM 3.0标准，MATLAB的IPT（Image Processing Toolbox）提供了dicominfo()函数来读取DICOM图像源数据（metadata）的文件信息。调用后各种相关信息包含在一个结构体中返回［15］。

DICOM RT（Radiotherapy in DICOM）标准是对DICOM标准在放疗领域的补充［16］。DICOM RT标准中的放疗结构文件（Radiotherapy Structure File）或放疗结构集对象（Radiotherapy Structure Set）主要用于传送病人结构和相关数据，在结构集信息实体中，其主要包含结构集模块、医生感兴趣区域轮廓模块（ROI Contour）和感兴趣区域观察模块（ROI Observations）等［17］。

本文从放疗结构文件中抽取出轮廓数据（Contour data），实现对医生勾画待感兴趣区域的解析。解析方法如下：首先，找到每位患者放疗结构文件下的路径；然后，调用函数dicominfo()读取路径下结构文件DICOM的信息，返回在一个结构体中（rtssheader）；读取结构体下ROIContourSequence的结构数量（rtssheader.ROIContourSequence）后，在StructureSetROISequence下，依次读取ROIContourSequence结构数对应的感兴趣区域名字ROIName结构，返回结构字段于一个结构体中；最后，调用函数xlswrite()输出每个结构文件所对应的子结构字段到Excel保存。对所有子结构进行相同结构个数统计，找出命名规律及差异，并以靶区、危及器官、其他辅助结构为关键词进行结构的归类。

1.3 转换过程

按照AAPM TG-263报告命名标准化规则下制定的转化规则，经过程序的转换，将原结构文件下的结构命名成功转换为标准化命名，并另存为新的标准化命名放疗结构文件（图1）。

1.4 转换结果的输出

本文转换结果以新的标准化命名的DICOM RT文件进行输出。DICOM RT标准作为放疗信息传输的国际通用标准，放疗系统的整个流程由DICOM RT标准的各个模块组成［18］。

本文的输出采用一致的DICOM RT标准，实现放疗信息的标准化存储和规范化的管理，使得放疗信息能够通过网络实现放疗信息的交互，为今后放射治疗的临床应用奠定基础［19］。

2 结果

2.1 结构名的数量统计分析

图1 放疗结构命名标准化转化示意图Fig.1 Diagrams of standardization of structure nomenclatures

139例患者的DICOM Structure文件中，共有7 044个结构，其中靶区共2 217个［大体肿瘤靶区（GTV）510个、临床靶区（CTV）431个、计划靶区（PTV）1 276个］，危及器官4 069个，辅助结构758个，平均每位患者有（50.68±15.43）个结构（最多85个，最少7个）。所有的子结构中，共有1 096种写法（区分大小写及空格），包括靶区（GTV 201种、CTV 47种、PTV 301种）、危及器官（265种）、辅助结构（282种）的写法。

对所有归类后、标准化之前的结构名进行数量统计，前50种如图2所示，横坐标为结构数量，纵坐标为标准化之前的结构。危及器官脑干和脊髓在139例患者中的命名最为统一。

2.2 结构名种类统计分析

2.2.1 非靶区（危及器官）命名 在非靶区（危及器官）的写法中，对同一结构的不同写法种类进行统计，命名种类较多的5种结构（表1），其中写法最多的器官为视交叉，有42种（图3）。在视交叉的写法中最多的写法为OR OP chiasm、OR OP Nerve-Chia。

2.2.2 靶区命名 靶区结构命名方法比非靶区结构更为多样，有前缀和后缀的各种组合。如：用于定义靶区位置（GTVnd-L、PTVnd-R）、按靶区顺序（CTV1、PTV2）、按靶区类型（GTVnx、GTVnd）、按靶区剂量（CTV-54、PTV6800）等。在靶区的命名中，PTV的结构数量比GTV和CTV多，命名也最为复杂（图4）。

2.2.3 辅助结构命名 辅助结构经常被用作剂量优化的工具，而不是剂量评估。这类结构的创建由于计划设计时，不同人员命名上的习惯不同而存在多样性，极易与用于剂量评估的结构造成混淆，从而存在安全隐患。辅助结构主要有以下几类写法：（1）计划系统自动生成的剂量线结构，如：Dose 7400［cGy］；（2）用于计划设计时的一些辅助结构，如：Temp、Ring等；（3）其他一些自定义的名称结构，如：add54、limit46、down6000、up5040，以及纯数字 5400 等。AAPM TG-263报告建议，选择一个字符，例如“z”或“_”作为前缀的结构（如zRing），这确保前缀字母结构出现在结构列表底。

图2 结构数量前50名统计Fig.2 Top 50 structures

2.3 建立转换规则

AAPM TG-263报告在结构的创建中定义了一些指导规则［7］：一旦新的结构创建，遵循这些规则前，要确保命名在当前系统有可操作性和结构的一致性，确保能使用计算机的运算来辨别命名。例如，在非靶区结构中有以下命名规则：（1）所有的结构被限制在16个字符或者更少；（2）复数结构在结构尾端使用字母“s”或者“i”（如：Lungs、Hippocampi）；（3）首字母大写；（4）不使用空格，使用下划线；（5）空间范畴结构用“下划线尾端加字符”区分，如：左侧用“_L”标识；（6）腺体结构使用Glnd_、空腔体使用Spc_等命名指导规则。

根据AAPM TG-263报告的指导规则，制定转化规则，将结构与其标准化命名进行对应，以便后续结构的转换根据表2做相应的修改。

表1 不同结构写法统计Tab.1 Statistics of different structure nomenclatures

图3 同个结构（视交叉）不同写法统计Fig.3 Different nomenclatures of the same structure(Optic Chiasm)

图4 靶区命名写法数统计Fig.4 The number of target structure nomenclatures

2.4 标准化的转换

根据所制定的规则（表2），使用程序实现结构标准化命名的自动转换。在上述解析结构程序基础上，引入转换规则制定的索引表，调用函数strcmp()进行修改。最后，调用函数dicomwrite()另存为一个新的标准化命名结构文件输出。

2.5 转换结果的验证

本文将转换成功的结构文件重新导入Monaco计划系统，进行转换结果的验证。放疗结构名经过转换后，Monaco显示的结果如图5所示。CT图像进行三维重建能够直观反映目标大小、位置等空间结构，便于医生更好地进行判断，治疗计划系统（TPS）可对DICOM序列图像直接三维重建，并对放疗结构进行实时显示，进而检查并验证结构命名的准确性［20］。

3 讨论

DICOM RT标准实现放疗设备的集成与异构放疗系统之间放疗信息的交互，有利于提高放射治疗数据的传输速度，缩短放疗周期。同时，有利于建立严格的放射治疗质量保证体系，提高放疗诊断的质量。

本文通过头颈肿瘤调强放射治疗计划结构的统计分析，靶区和非靶区（危及器官）结构命名种类多，靶区较非靶区的命名更为多样，同个器官结构命名也有多种不同写法。由于其解剖结构的复杂，不同医生命名习惯的不同，大小写、空格的使用以及前缀和后缀的各种组合，因计划系统字符的限制等原因，均可能导致命名多样的出现。

表2 转化规则Tab.2 Protocol on the standardization of structure nomenclatures

图5 转换结果Fig.5 Result of automatic naming convention

基于AAPM TG-263的标准命名规则进行转换后，结构写法统一。腺体结构使用Glnd_、空腔体使用Spc_等命名在结构列表可以一起显示，命名也可以按照字母进行排序，计划设计及评估时工作人员可以快速识别结构，减少寻找结构的时间，提高工作效率。也可有效避免头颈部肿瘤因结构多、不规则或不适当的命名而导致混淆，如结构缩写的使用，在计划设计评估的时候有一定的困扰。标准化对提高临床工作的安全和质量有着重要意义。

通过实现头颈部肿瘤结构标准化，积累相关经验，但结构的标准化尚有许多方面需进一步探讨，如：同一单位、不同医生组之间的命名比较与统一；同一医生、不同癌种之间命名的比较与统一；多中心的比较与统一等。通过多视角的比较，评估规则的有效性，采用容易且适合机构或医生的命名标准，对肿瘤放射治疗的优化具有很大的意义。在今后的工作中，还可基于本工作，设计一套软件实现脱离TPS读取、显示CT和RT结构集（RT Structure）文件，并针对勾画的轮廓实现快速检测、纠错与标准化命名等功能［21］。