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1、 . . . 医学TPS中放射线剂量分布的三维可视化方法摘要: 针对放射治疗计划系统GyroRTPS需要,给出了一个放射线剂量分布三维可视化的实现方法,以帮助医师多角度查看病灶组织任意剖面上的放射线剂量分布情况。首先论述系统中对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,给出了基于VTK实现剂量分布三维显示与其与体数据融合显示的方法。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运行可靠,可更好地辅助医师进行放射治疗决策。关键词: 医学治疗计划系统;放射线;剂量分布;可视化方法0引言治疗计划系统(Treatment Planning
2、 System, TPS)是伽玛刀治疗的配套软件。在临床放射治疗前,通过对满足DICOM(Digital Imaging and Communications inMedicine)的医学序列CT ( Computed Tomography)或MRI (Magnetic ResonanceImaging)等图像的分析,实现对病灶区域的精确定位,同时由治疗计划系统模拟射线照射时的剂量分布情况1-2,辅助医生制订准确的放疗方案,使放射治疗最大限度杀死癌变细胞的同时,避免或减少对正常组织和重要器官的伤害。简单的二维TPS依据某一方向的CT切片数据进行模拟放射,只能显示单切片上的剂量分布情况,不能全面
3、地反映病灶区的受剂量情况,无法模拟真实的立体放射治疗。一个完善的放射治疗TPS3,需要精确描述病灶区域和正常组织的空间关系,建立准确的剂量分布数据场4,最终能够对人体患病组织的剂量空间分布进行多角度多层面的可视化显示处理,帮助医生制订准确详尽的放射治疗方案,以期达到提高放射治疗精度、减少放射损伤的目的。对剂量分布采用三维立体方式的可视化,将成为伽玛刀放射治疗中一个不可缺少的功能。1二维剂量分布显示剂量通常是指一次给药后产生药物治疗效果的数量,这里则用于表征射线强度。在伽玛刀放射治疗的配套软件TPS中,剂量分布是指伽玛射线的粒子照射到人体中能量吸收的空间分布。剂量计算一般由TPS中的单独模块完成
4、,剂量计算完成后,空间某点的剂量值存放在一个三维数组中供显示模块调用。传统的剂量显示按照等值线绘制方式得到平面等剂量线图,如图1所示;或者显示空间各层的等剂量云图,如图2所示。虽然平面显示可方便地查看某一切片上的剂量分布情况,但是无法提供一个三维(立体)的剂量分布显示5,医生也无法从整体上查看受照射病灶组织中剂量分布情况,所以仍然需要医生依靠经验,由多幅二维图像估计病灶组织的大小与形状,“构思”剂量分布与病灶组织的三维几何关系。2体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,可以很方便地利用一些可视化工具包(例如VTK等)对体数据进行三维重建,并对绘制结果提供任意面剖切显
5、示6。本文依据作者所在项目组从事研发的“陀螺刀”放射治疗计划系统GyroRTPS(Gyro Radiotherapy Treatment Planning System)来探索利用VTK进行剂量分布的三维可视化研究。本文中涉与的体数据为符合DICOM协议的CT或MRI图像数据,剂量则依据“陀螺刀”设备的制造原理由GyroRTPS计算得到。2. 1坐标转换在GyroRTPS中,由剂量计算模块计算得到的剂量数据存放在一个float型的三维数组中,其计算是在如图3所示的坐标系中进行。为了使处理的数据量尽可能小,并不是对每图片的所有像素都做处理,只计算兴趣图像区的剂量分布,兴趣图像区的大小和位置由医师
6、勾勒得出。所以,剂量数据的分布原点也不是坐标系的原点。如图3所示,剂量分布原点所在的坐标系为计算剂量数据时所用的坐标系,其外层的坐标系则为原始图像所在坐标系,两者所用并不是一个坐标系。而在对DICOM图像序列进行三维重建时的坐标系(在此只考虑XY轴方向的二维坐标系)则是以原始图像坐标系的点(0,N)为原点(N为原始DICOM图像的宽度),以向右为X轴正方向,以向上为Y轴正方向,X轴与原始DICOM图像下边重合的坐标系。所以在对原始剂量数据进行三维重建之前,必须进行坐标转换,将剂量坐标系下的剂量数据转换为三维重建坐标系下的数据。设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S
7、3。现已知剂量分布坐标系S2的原点在S1中的坐标为(x1,y1),三维重建坐标系S3在S1中的坐标为(0,N),N为原始DICOM图像的宽度。现在的工作是需要将剂量坐标系S2下的所有点转换到坐标系S3下。设坐标系S2下任意一点的坐标为(x2,y2),转换到坐标系S3下的坐标为(x,y),则转换公式为:x =x1+x2(1)y =N -y1-y2(2)又由于坐标系S1的度量单位为像素长度,而坐标系S2和S3的度量长度均为物理长度,故还需要对数据在像素单位和物理单位之间作一个转换。对于固定的DICOM图像序列,其像素长度和物理长度的比例都是一致的,所以可以将所有的坐标转换都按同一比例进行。在DIC
8、OM的头文件中,从0028, 0030处可以读到该转换比例,以H和V表示。由于坐标系S2和S3的度量长度单位一致,故只需要对坐标系S2原点在S1中的坐标进行转换即可。最后转换公式为:x =x1H+x2(3)y = (N -y1)V-y2(4)2. 2插值处理VTK所处理的DICOM图像序列中,每切片之间都有一定的间距,如图4所示。这个距离可以从DICOM头文件的0018, 0050处读得,也可以通过从0020, 0032处读取DICOM图片的位置,用相邻两图片位置的值相减求得。VTK在对其进行处理的时候,需要选择一种插值方法,对这些间隔进行插值处理。由于剂量值是根据每DICOM图片计算的,并没
9、有两DICOM图片间隔处的剂量值,故在对剂量分布进行三维显示的时候也需要进行插值处理。由于人体CT值在同一组织中可近似认为是连续分布,故选用比较简单、计算速度比较快的线性插值处理。在对剂量数组进行处理时,系统采用只处理剂量值D大于10%最大剂量值Dmax的数据即D0.1Dmax,舍弃其他剂量数据的处理,这样可以大大减少需要处理的数据。故在进行插值显示的时候,也只考虑连续两DICOM图片上,相邻两点在Z轴方向上剂量值至少有一个点大于最大剂量值10%的部分。对插值计算出的剂量值,也要进行一次判断,去掉所有小于0.1Dmax的数据,尽最大可能地减少需要处理的数据,提高系统绘制速度。线性插值时,按读到
10、的两DICOM图片的间距来决定插值的层数。例如,假设相邻的两DICOM图片A和B的间距是s,在图片A、B上相邻两点的剂量值分别是P1和P2,则需要在该相邻两点间插值s+1层数据,第n层剂量的值P为:P =P1+n(P2-P1) /(s+1)(5)对三维剂量数组中Z轴方向的每一层剂量数据都按照式(5)进行插值处理,最后得到一个新的三维剂量数组来进行剂量的显示处理。3剂量分布的三维可视化方法3. 1剂量的三维显示在对剂量分布进行三维绘制之前,需要将剂量数组构造为VTK可以处理的数据类型。根据VTK中数据结构(主要是几何结构和拓扑结构)的不同,可以将其数据类型分为5种7。1)结构化点集(Struct
11、ured Points)。其点与cell(单元,相邻的八个采样点构成的立方体)的排列是规则地放在方形的格子里。在三维医学图像处理的项目中,读入图像文件的数据就是这一种类型。StructuredPoints是拓扑与几何都规则的数据类型,其维度代表数据的拓扑属性,起始点与空间间隔代表几何属性。在StructuredPoints中,无需明确定义每一个点的位置,因为其数据排列是按顺序的。2)线性网格(RectilinearGrid)。数据的拓扑属性是规则的,而几何属性为半规则。拓扑的方向是明确按XYZ轴方向而无需直接定义,几何方向要用数组来代表,该数组中每个元素有三项分别代表XYZ轴三个方向上的数据(
12、点集)。3)结构化网格(Structured Grid)。数据的拓扑属性是规则的,而几何属性不规则,其网格的形状可能是弯曲的。4)非结构化网格(Unstructured Grid)。数据的拓扑属性与几何属性都不规则,所有的数据都可以以这种结构来表示,但这种结构的数据量非常大,占用最多的计算机资源。5)多边形数据(PolygonalData)。用简单的图形组成的比较复杂的三维图形通常是用这种数据格式表示。一个多边形数据通常由顶点、顶点集合、线、线集、多边形和三角面片组成,其数据的拓扑属性与几何属性都不规则。Polygonal Data类型与Unstructured Grid有些相似,但Unstr
13、uctured Grid数据中的cell可以为三维图形,如小锥体、立方体等,而PolygonalData中的cell只能为二维或一维的图形,像三角面片、多边形之类。图5为PolygonalData的几种数据结构。由于对剂量数组进行过线性插值,并且将所有剂量值D小于最大剂量值的1/10(即D 0.1Dmax)的点全部置空,故整个剂量分布为一系列不均匀分布的点,而三维重建又需要将其显示为一个体结构,故本系统采用PolygonalData作为剂量数据将要构建的数据结构。在进行显示处理时,为直观显示剂量大小,需要对剂量值作归一化处理,并建立它与像素颜色的索引关系。处理规则是:设0值对应红色, 0. 5
14、对应绿色, 1对应蓝色,以某点的剂量值与最大剂量值的商作为该像素点的颜色索引值,按从01由红到蓝色递进变化来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)对剂量数组进行线性插值处理;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之商插入vtkFloatArray;4)将所有点构造成cel,l插入vtkCellArray;5)通过SetPoints ( vtkPoints), SetVerts ( vtkCellArray),SetScalars(vtkFloatArryay),构造出最终的vtkPolyData。构造成多边形数据(Polygon
15、alData)后,就可以直接使用VTK提供的三维重建流程进行剂量的可视化处理8,如图6所示。图7为不含体数据的剂量分布三维显示效果图(图中白色虚线是对三维重建图像进行任意面剖切时所用框架的一部分)。3. 2剂量分布与体数据融合显示为了使医生可以很直观地观察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三维重构图2, 9融合在一起进行对比显示。将两幅图像显示在同一个绘制窗口(vtkRenderW indow)的时候,如果其坐标系、坐标起点等都一样,则可以将两幅图像融合显示。剂量数据经过预处理,其坐标系与剂量在DICOM图片上的分布与体数据的坐标都严格对应,因此,利用VTK的渲染器(vtk
16、Renderer)同时对体数据和剂量分布两个角色对象进行渲染,就可以得到两者的融合显示。实际效果如图8所示,其中图8(a)是面绘制剂量分布与面绘制的融合,图8(b)是剂量分布与体绘制的融合。4结语多数商用医学放射治疗TPS一般只对剂量分布的二维平面等值线或等剂量面提供云图显示,虽然可以使医生观察每一CT图片上的剂量分布情况,但是无法提供剂量分布与人体组织的空间分布关系,也无法提供在任意角度的剖面上的剂量分布显示。而剂量分布的三维显示正好弥补了这一缺陷,使医生可以更直观地观察剂量分布情况。在已实现的系统中,仅仅提供了剂量分布的三维可视化显示,用不同的颜色代表剂量值的一个大小区间,但无法提供某一具体点的剂量值,后续工作将考虑增
