放射治疗计划系统架构设计

放射治疗计划系统是放射治疗解决方案中不可或缺的核心部分。放射治疗临床医生可以利用放射治疗计划系统模拟整个治疗过程，并得到一些定量的治疗结果数据，如吸收剂量。

通过对这些数据的分析和评估，制定出更加合理的治疗方案，从而有效的减少了放射治疗过程中的副作用，提高了治疗质量。

CT/MRI/PET等设备的图像数据通过DICOM 络协议或磁盘介质传送到RTPS工作站，RTPS工作站对患者进行解剖建模、制定治疗计划，形成计划数据的DICOM RT文件，通过DICOM 络协议或磁盘介质传送到加速器上位机，上位机根据计划数据进行加速器的控制治疗。

放射治疗计划系统既是一个复杂的软件系统，又是一种医疗器械。国家食品药品监督管理局将放射治疗计划系统划分为三类医疗器械产品，也就是安全级别要求最高的产品。

放射治疗计划系统的功能性、安全性和剂量计算的精确性必须符合相关的国家法律法规和国际法律法规的强制性要求。

鉴于放射治疗计划系统软件的复杂性，我们采用了模块化的设计方法，在设计上应用了设计模式的思想，使各个模块之间的耦合度达到最小，从而最大限度地实现分块设计，分块实现，降低软件设计开发的风险。在各个模块的设计上也充分考虑了治疗计划系统相关的法律法规要求。

架构设计方案

考虑到放射治疗计划系统软件的用户界面非常复杂，而且关于用户界面的需求很容易发生变化，软件架构采用了MVC模式。在进行系统模块划分时不仅仅从功能的角度进行模块的划分，而且也考虑了数据结构和相关操作，避免了进入功能分解的误区[27]，使系统的架构更稳定，可维护性和扩展性更好。

在系统的设计中为保证系统的可扩展性和稳定性，大量地使用了成熟的设计模式，比如单件模式，模版模式，MVC模式等[28-30]。这些模式的应用，有力地保证了系统的健壮性、稳定性、可扩展性和易用性。

根据RTPS产品的安全性和功能性的需求[8,18]，系统的功能模块包括图像数据的获取，患者信息的管理、患者的解剖建模、治疗计划的制定、剂量学数据的管理、可视化、质量保证和控制、治疗方案的输出等功能。系统构成如图2.4所示。

系统功能模块设计和实现技术

（1）权限管理模块

使用放射治疗计划系统的用户具有不同的专业背景和角色，主要包括肿瘤医生，放射治疗物理师，计划员等。这些用户对于系统的功能需求有很大的不同，为保证系统的使用安全，非常有必要对使用系统的用户进行角色的分配和权限的划分。

用户权限管理模块是保证放射治疗计划系统能够被安全使用的首要前提。

用户权限的管理采用了基于角色的访问控制(RBAC)技术[31-34]。RBAC是一种将权限和用户分离的模型，能够灵活地表达和实现组织结构的安全策略。

采用RBAC模型一个最大的好处就是将用户和权限分离开来，管理员可以将用户授权和权限划分分别处理，将权限授予角色，将用户授予某个角色，从而完成授权的操作。

权限管理模块由身份识别模块和资源访问模块组成。权限管理模块的系统组成以及它与放射治疗计划系统的关系如图2.5所示。

（2）图像获取模块

图像数据是建立患者解剖结构的基础，它的获得方式和数据的完整性将直接影响治疗方案设计的优劣和患者的治疗安全[8,18,35]。现代放射治疗计划系统中，图像数据主要取自CT/MRI及其它影像装置。

CT图像是计划设计的基本图像，但也需要诸如PET、MRI等影像的辅佐。PET/MRI图像可帮助医生和计划设计者精确勾画出肿瘤和周围淋巴结（即GTV）的范围，以及周围重要的组织和器官的大小。

另外，所有的解剖结构是以CT值的三维矩阵转换成相应的电子密度方式表示的，这也是剂量计算中密度非均匀性的基础。

放射治疗计划系统需要的图像主要来自于两个部分： 络数据源和介质数据源。

络数据源是指来自于CT/MRI/PET等影像设备的患者影像数据；介质数据源是指来自于磁盘、光盘和扫描设备的患者影像数据。

图像获取模块（DataAcquire）通过DICOM 3.0医学影像文件协议的SCP服务接受来自于 络的数据。DataAcquire将获得的影像数据存储在放射治疗计划系统所在工作站的数据库中。

DataAcquire是放射治疗计划系统对外的输入接口，外来的数据首先要通过DataAcquire的确认、拷贝、登记三步操作后，放射治疗计划系统才能够使用这些数据。

DataAcquire作为独立的应用程序与放射治疗计划系统运行于不同的计算机上，从而实现影像数据和应用系统的分离，保证了患者数据的安全。DataAcquire模块与放射治疗计划系统的关系如图2.6所示。

（3）患者信息管理模块

患者信息管理模块(PatInfoManage)是放射治疗计划系统中用来统一管理数据的模块，其中包括患者基本数据集合和计划数据集合。

患者基本数据集合包括患者姓名、性别、年龄、图像数据的格式、图像数据的检查日期和图像的数量。

计划数据集合包括制定计划的物理师，肿瘤医生，计划师以及其它必要的信息。

PatInfoManage的核心是一套完整的数据结构，包含了放射治疗计划系统中所有需要用到的DICOM和DICOM RT的全部数据信息，同时也包含一些自有的资源以方便和用户进行交互。

为了便于进行功能扩展，PatInfoManage被设计成一个独立的DLL动态库模块，这样就可以通过简单的DLL调用实现PatInfoManage与RTPS系统的集成。

PatInfoManage通过远程访问数据库的方式，从DataAcquire模块的工作站上将需要的数据导入到放射治疗计划系统的工作站上。

图2.7给出了PatInfoManage模块与放射治疗计划系统的关系。

（4）可视化模块

可视化是放射治疗计划系统中的核心技术之一，通过可视化技术医生可以勾画治疗靶区和重要的组织器官，利用三维重建可以形象地观察靶区、重要组织器官和照射束、患者摆位之间的相对关系。

通过可视化医生还可以观察剂量分布的结果，以及对剂量计算的结果进行评估。可视化是治疗计划得以安全制定和执行不可缺少的工具。

可视化模块(Visual)提供了图像的二维和三维显示功能。二维图像显示包括CT图像的断层、矢状面和冠状面显示。图像的三维可视化技术是当前研究的热点问题[36-41]。

目前三维可视化技术主要有两种方案。一种是基于OpenGL的面显示技术，另一种是基于体素的三维医学图像重建技术。

面显示技术是医学图像三维重建的重要内容，其主要目的是通过对具有三维立体感的面显示图像进行医学分析，起到医疗辅助诊断的作用。经典的算法有Marching Cubes、Marching Tetrahedral 和Dividing Cubes算法等[36,37]。

这些算法的共同之处就是采用许多的三角面片对等值曲面进行拟合，这些算法的优点是能利用OpenGL渲染算法和显卡实现硬件加速。

缺点是从原始数据到最终显示必然要生成许多的中间数据，另外形成的面模型为一壳体，没有内部信息，因此在切割后观察到的是内表面而不是期望的内部组织信息。

近年来，由于计算机软硬件运行速度的大幅提高，人们又开始倾向于基于体素的三维医学图像重建技术的研究。基于体素的医学三维图像重建在整合三维面显示、三维体显示、MPR和虚拟内窥镜等方面有非常好的优势，已成为近年来研究的热点[38-40]。

Visual模块被设计成是一个独立的动态库模块，它负责CT图像数据的三维重建和显示，以及其它二维和三维数据的显示（比如剂量的三维显示）。图2.8为肾脏三维重建的结果。

（5）剂量学数据采集和管理模块

治疗计划系统软件是和加速器配套使用的软件系统，治疗计划系统制定的治疗计划是与特定的加速器相关的。所以，治疗计划系统在应用于临床制定治疗计划之前必须输入加速器的相关硬件参数[7,18,42]。

剂量学数据包括治疗机数据和射线束数据两部分，分别形成治疗机数据文件（TUF）和射线束剂量文件（BDF），最后合成为总剂量学文件。

对每一台治疗机，都必须由用户实测提供完整准确的百分深度剂量（PDD）、组织最大比（TMR）以及离轴比（OAR）等数据。

这些剂量学数据是剂量计算模型所必需的，根据这些数据可以有针对性地调整剂量计算模型，从而使剂量计算模型与特定治疗机的射束特征更加匹配。

放射治疗计划系统必须具备管理这些剂量学数据的功能，才能更好地设计放射治疗计划。

这些数据将直接影响到治疗计划的执行情况，直接与患者的治疗安全相关。因此，对这些数据的使用和管理必须采用限制的方式，对使用这些数据的人要严格加以限制。

根据目前的临床实际情况，剂量学数据的采集和管理一般都是由物理师进行，在系统进行权限管理分配的时候，应当只给物理师分配使用这个模块的权限，而对其他人员禁止访问这个模块。

（6）患者建模模块

患者建模是指根据获得的患者影像信息，利用图像处理的方法勾画靶区以及关键组织。

病灶及敏感组织的提取在三维放疗计划里是必不可少的一项工作，它可以很直观地在三维效果上体现病灶和体内各重要器官敏感组织的解剖位置关系，这样临床医生就可以在制定治疗方案时尽量避开重要器官和敏感组织，从而使治疗效果更理想。

此外，通过组织提取可以独立地计算和显示各重要器官敏感组织以及病灶的剂量分布，从而为医生设计照射方案提供量化的依据。

放射治疗计划系统应该提供丰富的图像处理工具以方便医生的操作。对于组织提取应采用自动方式，手动方式和自动与手动交互的方式。

对于皮肤、身体轮廓和肺等密度对比明显的组织和器官，医生只要点击相应的功能按钮就能实现皮肤和身体轮廓的提取。

为了最大限度地发挥医生的临床经验，手动和自动相结合的方式辅助医生勾画靶区和关键组织也是必要的。

医生也可以进行靶区和关键组织的三维重建显示，以观察组织分割和提取的效果以及靶区与其它组织间的相对关系。图2.9显示了靶区和关键组织勾画的结果以及三维重建的结果。

（7）治疗计划制定模块

治疗计划制定模块是RTPS系统的核心模块。治疗计划的制定主要包括射束的设置，感兴趣点的选择，多叶光栅（MLC）和楔形板等射束补偿装置的设计，剂量计算等功能[42]。

剂量计算是放射治疗计划系统的核心技术，也是放射治疗计划系统开发过程中的瓶颈问题。目前学术界对于剂量计算的建模有很多技术方案，主流的剂量计算方法一般有3种。

第一种是基于测量数据的经验剂量计算，这种算法在进行剂量计算时直接使用标准源皮距（SSD）或源轴距（SAD）下各种射野的百分深度剂量（PDD）和不同深度下的离轴比(OAR)数据，再结合射野转换、表面形状的修正、输出因子、模体散射因子等进行剂量计算[43]。

第二种是基于模型的剂量计算。这种算法包括笔形束模型[44-46]和基于核函数的卷积/叠加模型[47-52]。基于模型的剂量计算算法使用具有物理意义的模型参数（比如能谱、源的大小等）来描述源的特征，计算过程可以反映电离辐射的实际输运过程。

第三种是基于Monte Carlo方法[53,54]。这种算法是目前公认的计算精度最高的剂量计算方法，但由于它的计算量较大，计算的时间比较长，因此目前还很难适用于临床实际。

（8）质量保证和质量控制模块

放射治疗的质量保证是指经过周密计划而采取的一系列必要的措施，保证放射治疗的整个服务过程中各个环节按照国际标准准确安全地执行[8,35,61]。

质量保证模块应提供剂量显示和剂量评估的功能，用以帮助医生制订更加安全和切实可行的治疗计划。

剂量分布显示可以为医生制定放疗照射方案提供更为直观的依据，临床上最常用的主要有以下几种显示方式：

（a）彩色剂量分布：彩色剂量分布是利用不同的颜色表示不同剂量区段，这种显示可以大大增强视觉区分效果，被临床上广泛应用。

（b）等剂量线：用不同的色彩将不同的百分比剂量（或绝对剂量）值曲线叠加到断层、矢状面、或者冠状面图像上，供设计人员进行评估和调整。

（c）等剂量面：计划设计者可任意提取某一个等剂量面，检查它和病变表面的吻合情况。提取另一个等剂量面，检查它对重要敏感器官的威胁程度。

（d）等剂量体：计划设计者可任意指定某一剂量值，使超过此剂量的正常器官部分的体积和小于此剂量的病变部分的体积都显示为红色，以示警告；而对低于此剂量的正常器官的相应部分的体积和超过此剂量的病变部分的体积显示为绿色或蓝色，以示安全。这是一种三维空间内的显示，并可以任意旋转从不同角度观察。

质量保证和控制模块应该提供射野方向视图（Beam’s eye view, BEV），治疗室方向视图（Room’s EyeView ,REV）和数字重建图像DRR（Digital Reconstructed Radiograph）的显示功能。

通过这些视图医生可以从不同的角度观察射线、楔形板和多叶光栅与靶区相对关系，从而能够更形象地模拟放射治疗实施的真实过程，有效地保障了放射治疗方案的质量。

数字重建图像DRR是放射治疗模拟过程中一项关键技术，对于放射治疗过程中的质量控制具有非常重要的意义[35,62]。

DRR是根据患者的CT图像数据用数学的方法生成的投影图像，随着CT扫描技术的发展，DRR被越来越多地用于取代传统模拟定位机所用的胶片图像。

DRR不仅能用来对放射治疗中的射野大小和形状进行设计，而且能用于肿瘤靶区的定义、验证和确认。

DRR 通常与BEV视图联合使用来确定肿瘤的范围，或者确定挡块和MLC的射野适形情况，以确保病人在接受治疗时与制定治疗计划时的摆位一致。

图2.10为治疗计划评估的BEV视图，其中A和B分别为剂量在矢状面和冠状面上的叠加显示，C为剂量在断层图像上的叠加显示，D为DRR图像以及MLC在BEV视图下适形的结果（其中红色为靶区）。

REV给出了所有射束和患者的相对关系，这样有助于避免从一个虚拟计划向实际治疗转换时患者摆位发生的潜在冲突。

图2.11为治疗计划评估的REV视图，所使用的图像为一个模体数据，其中红色为照射靶区。

剂量体积直方图(Dose Volume Histogram, DVH)是评估放射治疗方案的一个重要工具[63-65]。

DVH是描述一个解剖结构中，照射剂量水平和照射体积之间统计学关系的直方图。

DVH图可以显示成差分DVH图，这个图像中纵坐标表示一定的体积接受了横坐标上标定的剂量。

DVH图也可以表示成积分DVH图，这个图中纵坐标表示体积或百分体积接受了等于或者大于横坐标标定的剂量。

图2.12为一个典型的积分剂量体积直方图，其中绿色为要照射的靶区，蓝色曲线为关键组织。

（9）治疗计划输出模块

放射治疗计划系统制定的治疗方案要以 告或者文件的形式传输给治疗机，然后治疗机根据这些参数进行放射治疗的实施。RTPS应该提供治疗计划的硬拷贝打印输出方式和DICOM RT输出方式。

在治疗的过程中，要求提供打印彩色等剂量线、DVH、PDD、OAR曲线和数据以及打印屏幕、治疗单、剂量汇总单等。为了制作适形调强挡块，还要能打印出任意投影方向上的非共面适形调强挡块的形状。