伽瑪?shù)秚ps中放射線劑量分布的三維可視化方法

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1、醫(yī)學TPS中放射線劑量分布的三維可視化方法摘　要:針對放射治療計劃系統(tǒng)GyroRTPS需要,給出了一個放射線劑量分布三維可視化的實現(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)的坐標變換、插值計算等預處理;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)進行轉換,給出了基于VTK實現(xiàn)劑量分布三維顯示及其與體數(shù)據(jù)融合顯示的方法。實例測試結果和臨床使用表明,基于該方法開發(fā)的軟件系統(tǒng)運行可靠,可更好地輔助醫(yī)師進行放射治療決策。關鍵詞:醫(yī)學治療計劃系統(tǒng);放射線;劑量分布;可視化方法0

2、　引言治療計劃系統(tǒng)(TreatmentPlanningSystem,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(DigitalImagingandCommunicationsinMedicine)的醫(yī)學序列CT(ComputedTomography)或MRI(MagneticResonanceImaging)等圖像的分析,實現(xiàn)對病灶區(qū)域的精確定位,同時由治療計劃系統(tǒng)模擬射線照射時的劑量分布情況[1-2],輔助醫(yī)生制訂準確的放療方案,使放射治療最大限度殺死癌變細胞的同時,避免或減少對正常組織和重要器

3、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)進行模擬放射,只能顯示單張切片上的劑量分布情況,不能全面地反映病灶區(qū)的受劑量情況,無法模擬真實的立體放射治療。一個完善的放射治療TPS[3],需要精確描述病灶區(qū)域和正常組織的空間關系,建立準確的劑量分布數(shù)據(jù)場[4],最終能夠對人體患病組織的劑量空間分布進行多角度多層面的可視化顯示處理,幫助醫(yī)生制訂準確詳盡的放射治療方案,以期達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€不可缺少的功能。1　二維劑量分布顯示劑量通常是指

4、一次給藥后產生藥物治療效果的數(shù)量,這里則用于表征射線強度。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。劑量計算一般由TPS中的單獨模塊完成,劑量計算完成后,空間某點的劑量值存放在一個三維數(shù)組中供顯示模塊調用。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)

5、生依靠經驗,由多幅二維圖像估計病灶組織的大小及形狀,“構思”劑量分布與病灶組織的三維幾何關系。2　體數(shù)據(jù)和劑量數(shù)據(jù)的預處理隨著計算機圖形學和科學計算可視化技術的發(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)進行三維重建,并對繪制結果提供任意面剖切顯示[6]。本文依據(jù)作者所在項目組從事研發(fā)的“陀螺刀”放射治療計劃系統(tǒng)GyroRTPS(GyroRadiotherapyTreatmentPlanningSystem)來探索利用VTK進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

6、像數(shù)據(jù),劑量則依據(jù)“陀螺刀”設備的制造原理由GyroRTPS計算得到。2.1　坐標轉換在GyroRTPS中,由劑量計算模塊計算得到的劑量數(shù)據(jù)存放在一個float型的三維數(shù)組中,其計算是在如圖3所示的坐標系中進行。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,只計算興趣圖像區(qū)內的劑量分布,興趣圖像區(qū)的大小和位置由醫(yī)師勾勒得出。所以,劑量數(shù)據(jù)的分布原點也不是坐標系的原點。如圖3所示,劑量分布原點所在的坐標系為計算劑量數(shù)據(jù)時所用的坐標系,其外層的坐標系則為原始圖像所在坐標系,兩者所用并不是一個坐標系。而在對DIC

7、OM圖像序列進行三維重建時的坐標系(在此只考慮XY軸方向的二維坐標系)則是以原始圖像坐標系的點(0,N)為原點(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系。所以在對原始劑量數(shù)據(jù)進行三維重建之前,必須進行坐標轉換,將劑量坐標系下的劑量數(shù)據(jù)轉換為三維重建坐標系下的數(shù)據(jù)。設原始圖像所在坐標系為S1,劑量分布坐標系為S2,三維重建坐標系為S3?，F(xiàn)已知劑量分布坐標系S2的原點在S1中的坐標為(x1,y1),三維重建坐標系S3在S1中的坐標為(0,N),N為原始DIC

8、OM圖像的寬度?，F(xiàn)在的工作是需要將劑量坐標系S2下的所有點轉換到坐標系S3下。設坐標系S2下任意一點的坐標為(x2,y2),轉換到坐標系S3下的坐標為(x,y),則轉換公式為:x=x1+x2(1)y=N-y1-y2(2)又由于坐標系S1的度量單位為像素長度,而坐標系S2和S3的度量長度均為