放射醫(yī)學(xué)論文放射線醫(yī)學(xué)論文：醫(yī)學(xué)TPS中放射線劑量分布的三維可視化方法

1、放射醫(yī)學(xué)論文放射線醫(yī)學(xué)論文：醫(yī)學(xué)TPS中放射線劑量分布的三維可視化方法摘要: 針對放射治療計(jì)劃系統(tǒng)GyroRTPS需要,給出了一個(gè)放射線劑量分布三維可視化的實(shí)現(xiàn)方法,以幫助醫(yī)師多角度查看病灶組織任意剖面上的放射線劑量分布情況。首先論述系統(tǒng)中對體數(shù)據(jù)和劑量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換、插值計(jì)算等預(yù)處理;然后根據(jù)VTK工具包中可處理的數(shù)據(jù)類型對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,給出了基于VTK實(shí)現(xiàn)劑量分布三維顯示及其與體數(shù)據(jù)融合顯示的方法。實(shí)例測試結(jié)果和臨床使用表明,基于該方法開發(fā)的軟件系統(tǒng)運(yùn)行可靠,可更好地輔助醫(yī)師進(jìn)行放射治療決策。關(guān)鍵詞: 醫(yī)學(xué)治療計(jì)劃系統(tǒng);放射線;劑量分布;可視化方法0引言治療計(jì)劃系統(tǒng)(Treatment P

2、lanning System, TPS)是伽瑪?shù)吨委煹呐涮总浖?。在臨床放射治療前,通過對滿足DICOM(Digital Imaging and Communications inMedicine)的醫(yī)學(xué)序列CT ( Computed Tomography)或MRI (Magnetic ResonanceImaging)等圖像的分析,實(shí)現(xiàn)對病灶區(qū)域的精確定位,同時(shí)由治療計(jì)劃系統(tǒng)模擬射線照射時(shí)的劑量分布情況1-2,輔助醫(yī)生制訂準(zhǔn)確的放療方案,使放射治療最大限度殺死癌變細(xì)胞的同時(shí),避免或減少對正常組織和重要器官的傷害。簡單的二維TPS依據(jù)某一方向的CT切片數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬放射,只能顯示單張切片上的劑量分

3、布情況,不能全面地反映病灶區(qū)的受劑量情況,無法模擬真實(shí)的立體放射治療。一個(gè)完善的放射治療TPS3,需要精確描述病灶區(qū)域和正常組織的空間關(guān)系,建立準(zhǔn)確的劑量分布數(shù)據(jù)場4,最終能夠?qū)θ梭w患病組織的劑量空間分布進(jìn)行多角度多層面的可視化顯示處理,幫助醫(yī)生制訂準(zhǔn)確詳盡的放射治療方案,以期達(dá)到提高放射治療精度、減少放射損傷的目的。對劑量分布采用三維立體方式的可視化,將成為伽瑪?shù)斗派渲委熤幸粋€(gè)不可缺少的功能。1二維劑量分布顯示劑量通常是指一次給藥后產(chǎn)生藥物治療效果的數(shù)量,這里則用于表征射線強(qiáng)度。在伽瑪?shù)斗派渲委煹呐涮总浖PS中,劑量分布是指伽瑪射線的粒子照射到人體中能量吸收的空間分布。劑量計(jì)算一般由TPS

4、中的單獨(dú)模塊完成,劑量計(jì)算完成后,空間某點(diǎn)的劑量值存放在一個(gè)三維數(shù)組中供顯示模塊調(diào)用。傳統(tǒng)的劑量顯示按照等值線繪制方式得到平面等劑量線圖,如圖1所示;或者顯示空間各層的等劑量云圖,如圖2所示。雖然平面顯示可方便地查看某一切片上的劑量分布情況,但是無法提供一個(gè)三維(立體)的劑量分布顯示5,醫(yī)生也無法從整體上查看受照射病灶組織中劑量分布情況,所以仍然需要醫(yī)生依靠經(jīng)驗(yàn),由多幅二維圖像估計(jì)病灶組織的大小及形狀,“構(gòu)思”劑量分布與病灶組織的三維幾何關(guān)系。2體數(shù)據(jù)和劑量數(shù)據(jù)的預(yù)處理隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)的發(fā)展,可以很方便地利用一些可視化工具包(例如VTK等)對體數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建,并對繪制結(jié)果

5、提供任意面剖切顯示6。本文依據(jù)作者所在項(xiàng)目組從事研發(fā)的“陀螺刀”放射治療計(jì)劃系統(tǒng)GyroRTPS(Gyro Radiotherapy Treatment Planning System)來探索利用VTK進(jìn)行劑量分布的三維可視化研究。本文中涉及的體數(shù)據(jù)為符合DICOM協(xié)議的CT或MRI圖像數(shù)據(jù),劑量則依據(jù)“陀螺刀”設(shè)備的制造原理由GyroRTPS計(jì)算得到。2. 1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在GyroRTPS中,由劑量計(jì)算模塊計(jì)算得到的劑量數(shù)據(jù)存放在一個(gè)float型的三維數(shù)組中,其計(jì)算是在如圖3所示的坐標(biāo)系中進(jìn)行。為了使處理的數(shù)據(jù)量盡可能小,并不是對每張圖片的所有像素都做處理,只計(jì)算興趣圖像區(qū)內(nèi)的劑量分布,興趣圖像

6、區(qū)的大小和位置由醫(yī)師勾勒得出。所以,劑量數(shù)據(jù)的分布原點(diǎn)也不是坐標(biāo)系的原點(diǎn)。如圖3所示,劑量分布原點(diǎn)所在的坐標(biāo)系為計(jì)算劑量數(shù)據(jù)時(shí)所用的坐標(biāo)系,其外層的坐標(biāo)系則為原始圖像所在坐標(biāo)系,兩者所用并不是一個(gè)坐標(biāo)系。而在對DICOM圖像序列進(jìn)行三維重建時(shí)的坐標(biāo)系(在此只考慮XY軸方向的二維坐標(biāo)系)則是以原始圖像坐標(biāo)系的點(diǎn)(0,N)為原點(diǎn)(N為原始DICOM圖像的寬度),以向右為X軸正方向,以向上為Y軸正方向,X軸與原始DICOM圖像下邊重合的坐標(biāo)系。所以在對原始劑量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建之前,必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,將劑量坐標(biāo)系下的劑量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維重建坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。設(shè)原始圖像所在坐標(biāo)系為S1,劑量分布坐標(biāo)系為S2

7、,三維重建坐標(biāo)系為S3?，F(xiàn)已知?jiǎng)┝糠植甲鴺?biāo)系S2的原點(diǎn)在S1中的坐標(biāo)為(x1,y1),三維重建坐標(biāo)系S3在S1中的坐標(biāo)為(0,N),N為原始DICOM圖像的寬度?，F(xiàn)在的工作是需要將劑量坐標(biāo)系S2下的所有點(diǎn)轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系S3下。設(shè)坐標(biāo)系S2下任意一點(diǎn)的坐標(biāo)為(x2,y2),轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系S3下的坐標(biāo)為(x,y),則轉(zhuǎn)換公式為:x =x1+x2(1)y =N -y1-y2(2)又由于坐標(biāo)系S1的度量單位為像素長度,而坐標(biāo)系S2和S3的度量長度均為物理長度,故還需要對數(shù)據(jù)在像素單位和物理單位之間作一個(gè)轉(zhuǎn)換。對于固定的DICOM圖像序列,其像素長度和物理長度的比例都是一致的,所以可以將所有的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換都按同

8、一比例進(jìn)行。在DICOM的頭文件中,從0028, 0030處可以讀到該轉(zhuǎn)換比例,以H和V表示。由于坐標(biāo)系S2和S3的度量長度單位一致,故只需要對坐標(biāo)系S2原點(diǎn)在S1中的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。最后轉(zhuǎn)換公式為: x =x1×H+x2(3)y = (N -y1)×V-y2(4)2. 2插值處理VTK所處理的DICOM圖像序列中,每張切片之間都有一定的間距,如圖4所示。這個(gè)距離可以從DICOM頭文件的0018, 0050處讀得,也可以通過從0020, 0032處讀取DICOM圖片的位置,用相鄰兩張圖片位置的值相減求得。VTK在對其進(jìn)行處理的時(shí)候,需要選擇一種插值方法,對這些間隔進(jìn)行插值

9、處理。由于劑量值是根據(jù)每張DICOM圖片計(jì)算的,并沒有兩張DICOM圖片間隔處的劑量值,故在對劑量分布進(jìn)行三維顯示的時(shí)候也需要進(jìn)行插值處理。由于人體CT值在同一組織中可近似認(rèn)為是連續(xù)分布,故選用比較簡單、計(jì)算速度比較快的線性插值處理。在對劑量數(shù)組進(jìn)行處理時(shí),系統(tǒng)采用只處理劑量值D大于10%最大劑量值Dmax的數(shù)據(jù)即D0.1Dmax,舍棄其他劑量數(shù)據(jù)的處理,這樣可以大大減少需要處理的數(shù)據(jù)。故在進(jìn)行插值顯示的時(shí)候,也只考慮連續(xù)兩張DICOM圖片上,相鄰兩點(diǎn)在Z軸方向上劑量值至少有一個(gè)點(diǎn)大于最大劑量值10%的部分。對插值計(jì)算出的劑量值,也要進(jìn)行一次判斷,去掉所有小于0.1Dmax的數(shù)據(jù),盡最大可能地

10、減少需要處理的數(shù)據(jù),提高系統(tǒng)繪制速度。線性插值時(shí),按讀到的兩張DICOM圖片的間距來決定插值的層數(shù)。例如,假設(shè)相鄰的兩張DICOM圖片A和B的間距是s,在圖片A、B上相鄰兩點(diǎn)的劑量值分別是P1和P2,則需要在該相鄰兩點(diǎn)間插值s+1層數(shù)據(jù),第n層劑量的值P為:P =P1+n×(P2-P1) /(s+1)(5)對三維劑量數(shù)組中Z軸方向的每一層劑量數(shù)據(jù)都按照式(5)進(jìn)行插值處理,最后得到一個(gè)新的三維劑量數(shù)組來進(jìn)行劑量的顯示處理。3劑量分布的三維可視化方法3. 1劑量的三維顯示在對劑量分布進(jìn)行三維繪制之前,需要將劑量數(shù)組構(gòu)造為VTK可以處理的數(shù)據(jù)類型。根據(jù)VTK中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(主要是幾何結(jié)構(gòu)和拓

11、撲結(jié)構(gòu))的不同,可以將其數(shù)據(jù)類型分為5種7。1)結(jié)構(gòu)化點(diǎn)集(Structured Points)。其點(diǎn)與cell(單元,相鄰的八個(gè)采樣點(diǎn)構(gòu)成的立方體)的排列是規(guī)則地放在方形的格子里。在三維醫(yī)學(xué)圖像處理的項(xiàng)目中,讀入圖像文件的數(shù)據(jù)就是這一種類型。StructuredPoints是拓?fù)渑c幾何都規(guī)則的數(shù)據(jù)類型,其維度代表數(shù)據(jù)的拓?fù)鋵傩?起始點(diǎn)與空間間隔代表幾何屬性。在StructuredPoints中,無需明確定義每一個(gè)點(diǎn)的位置,因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)排列是按順序的。2)線性網(wǎng)格(RectilinearGrid)。數(shù)據(jù)的拓?fù)鋵傩允且?guī)則的,而幾何屬性為半規(guī)則。拓?fù)涞姆较蚴敲鞔_按XYZ軸方向而無需直接定義,幾何方向

12、要用數(shù)組來代表,該數(shù)組中每個(gè)元素有三項(xiàng)分別代表XYZ軸三個(gè)方向上的數(shù)據(jù)(點(diǎn)集)。3)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(Structured Grid)。數(shù)據(jù)的拓?fù)鋵傩允且?guī)則的,而幾何屬性不規(guī)則,其網(wǎng)格的形狀可能是彎曲的。4)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(Unstructured Grid)。數(shù)據(jù)的拓?fù)鋵傩耘c幾何屬性都不規(guī)則,所有的數(shù)據(jù)都可以以這種結(jié)構(gòu)來表示,但這種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)量非常大,占用最多的計(jì)算機(jī)資源。5)多邊形數(shù)據(jù)(PolygonalData)。用簡單的圖形組成的比較復(fù)雜的三維圖形通常是用這種數(shù)據(jù)格式表示。一個(gè)多邊形數(shù)據(jù)通常由頂點(diǎn)、頂點(diǎn)集合、線、線集、多邊形和三角面片組成,其數(shù)據(jù)的拓?fù)鋵傩耘c幾何屬性都不規(guī)則。Polygonal

13、 Data類型與Unstructured Grid有些相似,但Unstructured Grid數(shù)據(jù)中的cell可以為三維圖形,如小錐體、立方體等,而PolygonalData中的cell只能為二維或一維的圖形,像三角面片、多邊形之類。圖5為PolygonalData的幾種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于對劑量數(shù)組進(jìn)行過線性插值,并且將所有劑量值D小于最大劑量值的1/10(即D <0.1Dmax)的點(diǎn)全部置空,故整個(gè)劑量分布為一系列不均勻分布的點(diǎn),而三維重建又需要將其顯示為一個(gè)體結(jié)構(gòu),故本系統(tǒng)采用PolygonalData作為劑量數(shù)據(jù)將要構(gòu)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行顯示處理時(shí),為直觀顯示劑量大小,需要對劑量值作

14、歸一化處理,并建立它與像素顏色的索引關(guān)系。處理規(guī)則是:設(shè)0值對應(yīng)紅色, 0. 5對應(yīng)綠色, 1對應(yīng)藍(lán)色,以某點(diǎn)的劑量值與最大劑量值的商作為該像素點(diǎn)的顏色索引值,按從01由紅到藍(lán)色遞進(jìn)變化來實(shí)現(xiàn)劑量值分布圖的顯示繪制。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體處理過程如下:1)對劑量數(shù)組進(jìn)行線性插值處理;2)將所有符合條件的點(diǎn)坐標(biāo)插入vtkPoints;3)將這些點(diǎn)的劑量值與最大劑量值之商插入vtkFloatArray;4)將所有點(diǎn)構(gòu)造成cel,l插入vtkCellArray;5)通過SetPoints ( vtkPoints), SetVerts ( vtkCellArray),SetScalars(vtkFloatAr

15、ryay),構(gòu)造出最終的vtkPolyData。構(gòu)造成多邊形數(shù)據(jù)(PolygonalData)后,就可以直接使用VTK提供的三維重建流程進(jìn)行劑量的可視化處理8,如圖6所示。圖7為不含體數(shù)據(jù)的劑量分布三維顯示效果圖(圖中白色虛線是對三維重建圖像進(jìn)行任意面剖切時(shí)所用框架的一部分)。3. 2劑量分布與體數(shù)據(jù)融合顯示為了使醫(yī)生可以很直觀地觀察劑量分布與人體組織的空間關(guān)系,需要將劑量分布圖與體數(shù)據(jù)三維重構(gòu)圖2, 9融合在一起進(jìn)行對比顯示。將兩幅圖像顯示在同一個(gè)繪制窗口(vtkRenderW indow)的時(shí)候,如果其坐標(biāo)系、坐標(biāo)起點(diǎn)等都相同,則可以將兩幅圖像融合顯示。劑量數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理,其坐標(biāo)系及劑量在

16、DICOM圖片上的分布與體數(shù)據(jù)的坐標(biāo)都嚴(yán)格對應(yīng),因此,利用VTK的渲染器(vtkRenderer)同時(shí)對體數(shù)據(jù)和劑量分布兩個(gè)角色對象進(jìn)行渲染,就可以得到兩者的融合顯示。實(shí)際效果如圖8所示,其中圖8(a)是面繪制劑量分布與面繪制的融合,圖8(b)是劑量分布與體繪制的融合。4結(jié)語多數(shù)商用醫(yī)學(xué)放射治療TPS一般只對劑量分布的二維平面等值線或等劑量面提供云圖顯示,雖然可以使醫(yī)生觀察每一張CT圖片上的劑量分布情況,但是無法提供劑量分布與人體組織的空間分布關(guān)系,也無法提供在任意角度的剖面上的劑量分布顯示。而劑量分布的三維顯示正好彌補(bǔ)了這一缺陷,使醫(yī)生可以更直觀地觀察劑量分布情況。在已實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中,僅僅提供

17、了劑量分布的三維可視化顯示,用不同的顏色代表劑量值的一個(gè)大小區(qū)間,但無法提供某一具體點(diǎn)的劑量值,后續(xù)工作將考慮增加基于鼠標(biāo)拾取的點(diǎn)劑量數(shù)值顯示功能。參考文獻(xiàn):1薛定宇,劉艷梅,徐心和,等.放射治療劑量分布的計(jì)算機(jī)仿真J.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2007, 28(5): 627-630.2陳卓.基于VTK的可視化相關(guān)研究及其在醫(yī)學(xué)TPS中的應(yīng)用D.合肥:合肥工業(yè)大學(xué), 2006.3WU JUNSHENG, CHEN HONGCHU, LIYONG. The research ofradiotherapy treatment planning system based on CT imageC/The 3rd International Conference on Bioinformatics and BiomedicalEngineering. Beijing: s. n. , 2009: 1-4.4豐樹強(qiáng). 60Co治療機(jī)劑量分布數(shù)據(jù)庫的建立與圖形顯示J.中國原子能科學(xué)研究院年報(bào), 2007(1): 310-311.5馬永忠,王時(shí)進(jìn),蘇旭.立體定向放射治療中靶外劑量分布的研究