伽玛刀TPS中放射线剂量分布的三维可视化方法

医用TPS中辐射剂量分布三维可视化方法摘要：针对放射治疗计划系统GyroRTPS的需求，提出了一种实现放射剂量分布三维可视化的方法，以帮助医师从多个角度查看病灶组织任意截面的放射剂量分布。首先讨论了系统中体数据和剂量数据的坐标变换、插值计算等预处理；然后根据VTK工具包中可处理的数据类型对数据进行转换，呈现基于VTK的剂量分布三维显示及其与体数据的关联。融合展示方式。实例测试结果和临床使用表明，基于该方法开发的软件系统可靠，能更好地辅助医师进行放疗决策。关键词：医疗计划系统；辐射;剂量分布；可视化方法治疗计划系统（TPS）是伽玛刀治疗的配套软件。临床放疗前，通过对符合DICOM（医学数字成像与通信）要求的析，实现病灶区的精确定位，治疗计划系统模拟图像。放射照射过程中的剂量分布[1-2]，辅助医生制定准确的放射治疗方案，使放射治疗最大限度地杀死癌细胞，同时避免或减少对正常组织和重要器官的损伤。简单的二维TPS基于CT切片数据在一定方向上模拟辐射，只能显示单个切片上的剂量分布，不能完全反映病灶区完善的放疗TPS[3]需要准确描述病灶区与正常组织的空间关系，建立准确的剂量分布数据场[4]，最终能够对病变区域进行多角度、多层次的分析。人体病变组织的剂量空间分布。可视化显示和处理，帮助医生制定准确、详细的放疗方案，以达到提高放疗精度、减少辐射损伤的目的。剂量分布的三维可视化将成为伽玛刀放射治疗中不可或缺的1二维剂量分布显示剂量通常是指单次给药后药物治疗效果的量，这里用来表征辐射强度。在伽马刀放疗配套软件TPS中，剂量分布是指伽马射线粒子照射人体时人体吸收能量的空间分布。剂量计算通常由TPS中的单独模块完成。剂量计算完成后，将调用。传统的剂量显示是基于等值线绘制法获得平面等剂量图2分层等剂量云图显示效果平面显示器虽然可以方便地查看切片上的剂量分布，但无法提供三维(立体)的剂量分布显示[5],医生也无法将被照射组织内的剂量分布作为一个整体查看，因此仍然是医生需要依靠经验从多个二维图像中估计病变组织的大小和形状，并“概念化”剂量分布与病变组织之间的三维几何关2体积数据和剂量数据的预处理随着计算机图形学和科学计算可视化技术的发展，使用一些可视化工具包(如VTK等)对体数据进行3D重建，并为绘图结果提供任意曲面截面显示非常方便。6]。本文基于作者项目组开发的GyroRTPS(GyroRadiotherapyTreatmentPlanningSystem),探索使VTK化。本文所涉及的体数据为符合DICOM协议的CT或MRI图像数据，根据"陀螺刀"装置的制造原理，通过GyroRTPS计算剂在GyroRTPS中，剂量计算模块计算出的剂量数据存储在一个浮点型的三维数组中，在图3所示的坐标系中进行计算。为了使处理的数据量尽可能小尽可能不处理每张图片的所有像素，只计算感兴趣图像区域的剂量分布，由医生绘制感兴趣图像区域的大小和位置。因此，剂量数据分布的原点不是坐标系的原点。图3剂量坐标和体数据坐标示意图如图3所示，剂量分布原点所在坐标系为计算剂量数据的坐标系，外层坐标系为原始图像所在坐标系，分别为不是同一个坐标系。DICOM图像序列三维重建时的坐标系(这里只考虑XY轴方向的二维坐标系)是以原始图像坐标系的点 (0,N)为原点(N是原始DICOM图像的宽度),向右是X轴的正方向，向上是Y轴的正方向，X轴与原始DICOM图像的底部重合。因此，在对原始剂量数据进行3D重建之前，必须进行坐标变换，将剂量坐标系中的剂量数据转换为3D重建坐标系原始图像所在坐标系为S1，剂量分布坐标系为S2，三维重建坐标系为S3。现在S1中剂量分布坐标系S2的原点坐标为(x1,y1)，S1中的三维重建坐标系S3的坐标为(0,N)，其中N为宽度原始DICOM图像。目前的工作是将剂量坐标系S2下的所有点变换到坐标系S3。设坐标系S2中任意一点的坐标为x=x1+x2(1)y=N-y1-y2(2)由于坐标系S1的测量单位是像素长度，而坐标系S2和S3的测量长度都是物理长度，所以还需要在像素单位和物理单位之间进行数据转换。对于一个固定的DICOM图像序列，像素长度与物理长度的比值是相同的，所以所有的坐标变换都可以按照相同的比值进行。在DICOM头文件中，可以从0028、0030读取转换比例，分别用H和V表示。由于坐标系S2和S3的测量长度单位相同，只需转换原点坐标即可在S1中的坐标x=x1×H+x2(3)2.2插值处理在VTK处理的DICOM图像序列中，每个切片之间都有一定的距离，如图4所示。这个距离可以从DICOM头文件的0018、0050处读取，也可以通过读取DICOM图片从0020、0032中减去两个相邻图片的值。VTK在处理时，需要选择一种插值方法来对这些区间进行插值。由于剂量值是根据每张DICOM图像计算的，并且在两张DICOM图像之间的间隔处没有剂量值，因此在三维显示剂量分布时也需要进行插值处理。由于人体CT值在同一组织中可以近似认为是连续分布的，因此选择了相对简单、计算速度快的线性插值过程。在处理剂量数组时，系统只处理剂量值D大于最大剂量值Dmax的10%,即D≥0.1Dmax的数据，丢弃其他剂量数据的处理，可以大大减少要处理的数据。因此，在插值显示中，仅认为连续两张DICOM图像上Z轴方向相邻两点的剂量值大于最大剂量值的10%。插值计算的剂量值也要判断一次，将小于0.1Dmax的数据全部剔除，尽可能减少待处理的数据，提高系统的绘制速度。线性插值时，根据读取的两个DICOM图像之间的距离确定插值的层数。例如，假设两个相邻的DICOM图片A和B之间则需要在两者之间插入s+1层相邻点。数据，第n层剂量的值P=P1+n×(P2-P1)/(s+1)(5)根据公式(5)对三维剂量阵列中Z轴方向各层的剂量数据进行插值，最终得到一个新的三维剂量阵列来显示剂量。3剂量分布的3D可视化方法在绘制3D剂量分布之前，需要将剂量数组构造成VTK可以处理的数据类型。根据VTK中数据结构的不同（主要是的排列规则地放置在一个方形网格中。在3D医学图像处理项nts是一种具有规则拓扑和几何形状的数据类型。它的维度代表数据的拓扑性质，起点和空间间隔代表几何性质。在S它的数据是按顺序排列的。扑方向明确按照XYZ轴方向，不需要直接定义。几何方向由数组表示。数组中的每个元素都有三个项目，表示XYZ轴数据的拓扑属性是规则的，而几何属性是不规则的，并且网格的形状可能是弯曲的。数据的拓扑性质和几何性质是不规则的，所有的数据都可以用这种结构来表示，但是这种结构的数据量非常大，占由简单图形组成的更复杂的三维图形通常用这种数据集、多边形和三角形块组成，数据的拓扑和几何属性是不规PolygonalData类型与UnstructuredGrid有点类似，但UnstructuredGrid数据中的单元格可以是三维图形，如小圆锥、立方体等，而PolygonalData中的单元格只能是二维或一维图形，例如三角形补丁、多边形等。图5显示了PolygonalData的几种数据结构由于剂量阵列是线性插值的，所有剂量值D小于最大剂量值1/10（即D<0.1Dmax）的点都被消隐，整个剂量分布是一系列不均匀分布的点，而3D重建需要显示为身体结构，所以本系统使用PolygonalData作为剂量数据要构建的数据结构。在显示处理中，为了直接显示剂量大小，需要对剂量值进行归一化处理，建立与像素颜色的指标关系。处理规则为：设置0为红色，0.5为绿色，1为蓝色，取某一点的剂量值与最大剂量值的商作为像素点的颜色指标值，从0开始由红色到1逐渐变为蓝色，实现剂量值分布图的显示绘制。数据结构的具体处理过程如下：1)对剂量阵列进行线性插值处理；2)将所有符合条件的点坐标插入vtkPoints;3)将这些点的剂量值与最大剂量值的商插入vtkFloat4)将所有点构造成cel,I构造成vtkCelIArray;直接使用VTK提供的3D重建过程将剂量可视化[8],如图6所示。图7是没有体积的剂量分布三维显示效果图数据(图中白色虚线为用于对三维重建图像进行任意切片的框的一部3.2剂量分布与体积数据融合展示为了让医生直观地观察到剂量分布与人体组织的空间关系，需要将剂量分布图与体数据的三维重建图融合[2,9]进行对比展示。在同一个绘图窗口(vtkRenderWindow)中显示两幅图像时，如果它们的坐标系和坐标起点相同，则可以将两幅图像融合显示。对剂量数据进行预处理，DICOM图像上的坐标系和剂量分布与体数据的坐标严格对应。因此，VTK渲染器 (vtkRenderer)用于同时渲染体数据和剂量分布这两个角色对象。可以得到两者的融合。实际效果如图8所示，其中图8(a)是表面渲染剂量分布和表面渲染的融合，图8(b)是剂量分布和体积渲染的融合。图8体数据与剂量的融合绘制4。结论大多数商用医用放疗TPS一般只提供剂量分布的二维平面等值线或等剂量面的云图显示。虽然它可以让医生在每张CT图像上观察剂量分布，但它无法提供剂量分布和人体组织。空间分布关系不能提供截面上任意角度的剂量分布显示。剂量分布的三维显示正好弥补了这一缺陷，让医生更直观地观察剂量分布。在实现的系统中，只提供了剂量分布的三维可视化，并用不同的颜色来表示一个剂量值的范围，但不能提供特定点的剂量值。后续工作会考虑基于鼠标拾取加点。剂量值显示[1]薛定宇，颜梅，许新和，等。放射治疗剂量分布的计算机模拟[J]．东北大学学报:自然科学版,2007,28(5):627-630.[2]卓．基于VTK的可视化相关研究及其在医学TPS中的[3]吴俊生，陈洪初，李勇。基于CT图像Beijing的放疗治疗计划系统研究[C]//第三届生物信息学与生物医学工程国际会议.：[sn]，2009：1-4。[4]冯树.60Co治疗机剂量分布数据库的建立及图形显示[J].中国原