基于三维近距离的放射治疗计划系统研究

2023-02-06

通常来说近距离放射治疗被称为近距离治疗, 指的是把密封完好的放射源利用施源装置以及输源导管设备在不需要进行其他辅助设备的情况下导入病人身体的肿瘤区域开展照射作业, 近距离放射治疗是和远距离放射治疗相对应的概念, 其主要特点为将放射源尽可能靠近病人体内肿瘤区域, 一方面肿瘤本身能够接收到足够的杀伤剂量, 另外一方面肿瘤附近的正常身体区域因为辐射剂量和距离呈正相关关系, 接收到的辐射剂量不大, 所以能够最大程度的避免肿瘤附近的正常身体部位受到辐射[1]。

一般情况下近距离放射治疗技术不会独立进行应用, 很多时候在进行外部照射的情况下起到辅助治疗的作用, 能够对于比较特殊的区域比如外照射残存的肿瘤组织提供比较高的辐射剂量, 最终能够改善肿瘤组织的局部控制效果[2]。

一、近距离放射治疗概况

根据近距离放射治疗形式来说, 近距离放射治疗包括表面施源装置照射、管内照射、组织间插值照射以及腔内照射等形式, 和病人体外放射治疗措施相比较而言, 近距离放射治疗拥有很多特点, 首先是近距离照射有比较高的肿瘤和正常组织剂量的分配比例, 因此对于靠近放射源位置的肿瘤癌组织具有比较强的伤害水平, 但是对于正常组织剂量的分布突然下降, 所以能够防止外部照射对于人体正常细胞比较大的破坏;其次因为近距离放射治疗的治疗周期大幅度降低进而可以让病人体内肿瘤细胞繁殖的速度变慢;最后因为近距离放射治疗的剂量率可以控制在比较低的水平, 因而让射线在进行人体肿瘤组织杀伤过程中对于外界氧的需求不算太高, 从而在一定程度上改善了肿瘤内部乏氧细胞对于放射的抗拒性能[3]。

二、三维近距离放射治疗计划系统

在近距离放射治疗过程中, 近距离放射治疗计划系统具有十分关键的影响, 近距离放射治疗计划系统能够利用对于超声序列图像、MRI、CT等原始检测数据进行分析研究, 建立人体三维仿真解剖模型, 而且能够为进行治疗的医疗人员准确掌握病人肿瘤组织在身体内部生产位置以及大小提供有效帮助, 并且放射治疗计划系统能够对于医疗人员进行粒子安放的全部操作进行模拟, 利用放射源的物理以及生物特性还有人体的生理以及解剖指标开展推算分析, 得到放射剂量的三维分布数据, 进而利用虚拟现实方式进行展示, 还能够对放射治疗计划系统进行不同类型的评估分析[4]。

(一) 三维近距离放射治疗计划系统组成结构

一般来说, 三维近距离放射治疗计划系统包括如下内容, 计划输出、粒子分布子系统, 其中包含评估警告以及剂量分析、三维可视化以及重新构建、二维序列的图形分析、数据取得等, 放射治疗计划系统结构示意图如图1所示。

三维近距离放射治疗计划系统的信息基本上是通过B超、MR以及CT等措施进行收集重新建立起来的断层图形序列, 因为这些信息通常都会利用磁带或者胶片等储存设备进行存储, 所以必须利用其它的措施如活动图像采集装置或者扫描设备将收集到的数据信息进行重新采集取样并且进行图像数据格式的转变, 比如JPEG、BMP或者DICOM等格式, 可以方便计算机设备进行相应处理。

伴随着医疗单位信息化程度的逐步提高, 图像存储以及传输系统渐渐成为了放射治疗计划系统的基本构成内容, 从功能角度来分析, 图像存储以及传输系统能够分成几个主要功能部件, 图像以及数据采集部件, 可以利用制造图形的装置接受入口, 得到常用图形的数据信息, 并且可以把图形数据信息变换成为DICOM图形格式, 之后才传递给图形存储以及传输系统的管理和存储位置;控制和存储部件, 是整个图形存储以及传输系统的关键部件, 可以对其他功能部件进行有效管理, 进行图形归档整理、接受图形搜索指令以及从采样位置接受数据信息等, 从而可以让图形存储以及传输系统作为一个完整的系统进行运作;工作站处理部件, 能够及时传输医疗多媒体的有效数据, 并且对相关图形开展图像分析以及三位重新构建, 同时给医疗工作人员创造理想诊断环境;网络部件可以为图形存储以及传输系统创造较为稳定和安全的数据传递平台。

(二) 二维序列图像处理

在整个三维近距离放射治疗计划系统的运行过程中应当开展三维模型的重新构建工作, 而对于系统收集到的二维图像数据开展预先分析处理, 主要操作是进行图形序列的配合调整以及分割、图形图像的增强以及滤波等。

如果收集整理的MRI、CT等序列图形区域位置确定环节较为理想的情况, 能够得出结论在不同片层内部大体上可以进行互相匹配, 不过考虑到解剖切片的角度, 必须通过切片、摄片、洗片、扫描以及录入等相关环境之后才能够将最后的多媒体影响资料变换成为数字化的图像数据, 因此在一定程度上会出现错位的情况, 而在对原始序列图形开展预先处理的阶段, 第一步应当利用配准清理上述图像处理中出现的选择或者位置移动等错位情况, 进而可以完成单独的医疗处理图像和其他医疗处理图形在相互对应坐标在区域内部的一致性, 依靠标准的不同, 配准能够相应划分成为不同的类型, 基本配准的分类见表1所示。

通常在系统中的配准类型基本上是2D基于体素的单独患者的单模配准措施, 而配准的多媒体影响信息基本上来自于MRI、CT等设备, 在系统里完成了自动化、人工辅助交互式以及手动操作等三类基本的配准措施, 而人工辅助的措施基本上可以采用标志性物体对于图形开展配准, 通过人工方式对不同层的标志性物体进行标记, 之后可以对图形开展缩小放大变换、二维选择以及水平移动等操作, 进而清理不同层之间的形状变化和影响偏差。

进行自动化配准的措施不少, 一般包括主轴中心方法、空域互相关方法以及频域互相关方法等措施, 对于主轴中心方法来说计算过程较为简单, 容易掌握, 但计算的误差程度不算小, 而相应的空域互相关方法以及频域互相关方法的计算过程比较复杂, 不容易很快掌握, 而且计算花费的时间比较多, 不过计算的误差程度相对较小。

综合考虑三种方法的利弊, 可以选取主轴中心方法作为基本方法并且进行针对性的调整, 首先可以对收集到的图形图像数据信息开展滤波作业, 清理掉背景噪音信息, 之后可以加窗挑选特定位置开展主轴的配准, 确保该区域的灰度分布方差不高, 可以使得配准的实际效果得到一定程度的改善。

整个系统在完成三维图形重新构建作业的阶段, 第一步应当把MRI、CI等医疗多媒体影响中较为重要的人体组织以及器官轮廓进行有效描绘, 同时把处理的图形图像按照不同的位置进行划分, 不同的位置和不同的人体组织进行对应, 而且还能够判断该类组织是软组织结构还是骨骼结构。整个序列图形的分割指的是对于区域内的不同持续的二维层面选择较为重要的位置, 在得到该位置空间坐标的情况下, 利用相关数据信息对人体肿瘤和器官开展三维坐标下的重新构建作业。

一般来说进行图形图像的分割包括全自动分割、半自动交互式分割以及人工手动作业分割等三种措施, 通常人工手动进行分割的精度比较高, 对噪声的抵抗性能比较强, 而且可以在不同影像模式下都能进行正常操作, 因此可以适应不同用户的实际要求, 不过手动分割花费时间较长, 操作速度不快, 因此不能在必须进行三维实施重新构件表示的情况下使用;自动分割方法的操作速度很快, 能够适应在三维试试重新构件情况的实际需求, 不过不同类型的自动分割计算方法没有通用性, 无法相互交换运行, 同时其计算精度不够高, 抵抗干扰的能力不强;而半自动的交互式分割措施特点是在上述两种措施之间, 如果对于实时性的需求较低的情况可以首先利用自动分割的措施, 然后在对重要区域开展手动调节和修正, 但也能够利用交互式的分割算法进行直接操作。

三、三维近距离放射治疗计划系统应用

2018年1月份, 济南市中心医院放疗科新加速器安装完成, 该加速器支持当前肿瘤放射治疗新技术 (旋转调强VMART) , 因此利用飞利浦三维适形及调强放射治疗计划系统 (TPS) 用于制定肿瘤病人放射治疗计划。

由于医院需要开展VMART技术, 对物理模型精确度的要求比普通放疗高很多。为了能保证计划系统的准确性, 主要在两个方面进行把控。

首先是原始数据采集方面的质控。数据采集使用了目前SUNNUCLEAR最先进的3DSCAN水箱。对加速器原始数据的采集前对加速器性能进行了一次全面检查, 然后在测量过程严格按照ICEA要求进行, 并额外增加了数据样本量。对小照射野 (如2cm X2cm, 3cm X3cm的照射野) 的数据采集方面更是使用了半导体探头进行不同深度profile数据, 保证加速器半影的准确性。每个照射野的百分深度量测量深度也较以往增加了5cm达到35cm深度。对小射野输出因子使用了两种规格探头 (0.01cc和0.125cc) 分别测量, 然后使用excel进行数据处理, 得出更精确的输出因子。

其次是TPS物理模型的质控。先将原始数据按照TPS要求进行转格式换然后导入TPS, 使用TPS的建模功能自动生成一个模型, 然后根据经验值调整模型并commissioning。然后开始根据实际病人制定治疗计划并输送到加速器以及VMART验证设备对治疗计划进行验证。在验证过程中发现验证通过率不高, 90%左右, 需要调整模型。对每个参数进行详细检查。首先是调整模型的半影, 然后使用调整后的模型计算之前计划并与测量结果比较, 能提升通过率2~3个百分点, 没有达到预计效果。继续研究模型后发现由于TPS工厂给出的该加速器机型model的部分参数 (主要是MLC的offset) 设置不是很合理, 由于该加速器使用了其新一代多页准直器 (MLC) , 该类型MLC的参数较前一代产品有很大变化, 如厚度增加、弧度增大, 使得MLC的offset值变化较多, 需要重新测定。MLC的offset值现场测量难度大, 只能利用慢感光胶片进行多个照射野多次测量得出一个曲线, 然后在TPS中反复修正TPS的计算结果跟实际测量结果比对) , 最终得出了一个理想的offset值, 使得治疗计划的通过率达到98%以上。

这次的TPS安装验收成功能提高科室的放射治疗水平, 对肿瘤患者的治疗更精确, 在杀死肿瘤细胞过程中更有利于保护患者的正常器官。对今后的TPS建模有着很大借鉴作用。

四、结论

伴随着国内各个行业信息化水平的提高, 三维近距离放射治疗计划系统在医疗系统内部的使用, 为医疗结构的工作人员创造了更为理想的治疗环境, 医疗人员可以更为精准更为快速的掌握剂量分布情况, 可以有效的对患者肿瘤生长位置进行科学的位置确定, 还能够使用三维近距离放射治理计划系统包含的优化措施对于粒子分布进行调整, 最终可以使得近距离放射治疗的操作效率和治疗效果得到大幅度的提升。

摘要：近距离放射治疗的应用历史悠久, 而随着国内信息化程度的提高以及新型放射性元素的出现, 已经成为对肿瘤进行治疗的基本措施之一, 本文对于三维近距离放射治疗进行了阐述, 并且对三维近距离放射治疗计划系统进行了详细分析和研究, 可供有关单位参考。

关键词：三维,近距离,放射治疗