放疗剂量验证系统的设计与开发
引言
随着放射治疗技术与设备的不断发展与革新，临床治疗的精确度也在不断地提升，而质量控制与保证这一环节的重要性也越来越受到重视[1-2]。放疗剂量验证作为质控的重要手段，目前临床上主要有点剂量验证、二维平面剂量验证和三维剂量验证三种方式[3-6]，而其中二维平面剂量验证兼具可靠与操作性强的优点。
辐射显色胶片[7-8]是一种常用的二维平面剂量采集设备，其特点为空间分辨率高，剂量响应范围广，能在放疗剂量验证时快速获得二维剂量分布，常被应用于绝对剂量精度、多叶光栅到位精度、近距离放疗中放射源到位精度等方面的验证[9]。使用辐射显色胶片进行平面剂量验证则需要放疗中心配备具有平面剂量导入和分析比较的软件系统。目前，临床上已有如RIT113、OmniPro等软件系统，但大多数为商用付费使用及源代码不公开。本研究旨在自主开发一套剂量验证系统，提供辐射显色胶片与治疗计划系统的二维平面剂量数据的导入、处理和剂量比对分析等功能，同时提供数据导出接口，供学者研究工作使用。
1 材料与方法
1.1 系统简介
本剂量验证系统——IMRTQA系统2.0版可安装运行于Windows 2000/XP/7/10操作系统。系统采用MATLAB作为开发、设计平台，全面支持医学数字成像和通信标准DICOM[10-11]，系统交互方式为Windows图形界面。
1.2 数据导入及处理
（1）胶片绝对剂量校准。将GAFCHROMIC® EBT胶片置于加速器等中心处，使用6 MV光子线在40 cm×40 cm照射野下对5张胶片分别照射100、200、300、400、500 cGy。将受照后的胶片的净光学密度与照射剂量值相对应从而得到胶片的剂量刻度曲线[12-14]。
（2）使用一例临床调强计划对于胶片进行照射，胶片受照后经VidarVXR-16 DosimetryPro扫描仪使用16位灰度模式进行扫描，分辨率为71 dpi，图像数字化处理为DICOM格式文件后导入IMRTQA系统。
（3）胶片图像降噪。使用3×3均值滤波器对胶片扫描图像进行降噪处理，处理后的图像分辨率约为1 mm。
（4）将治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）中调强计划的平面剂量DICOM数据导入本系统。
（5）图像配准。分别对胶片图像A和计划图像B使用灰度配准，由系统按公式(1)计算出配准误差平方和（Sum of Squared Difference，SSD）。其中IA’和IB是分别来自配准后的胶片图像A’和计划图像B上的对应点的灰度值，然后对SSD进行梯度优化后确定最优配准参数，最后进行图像转换，完成配准[15-16]。
1.3 数据分析
本系统目前提供两种剂量显示方式-剂量分布（Profile）和等剂量曲线（Isodoseline），以及两种定量分析方法-吻合距离（Distance to Agreement，DTA）分析和Gamma分析。分析时需要先选定图像范围，然后在菜单中选择分析方法及相应的分析标准，完成分析。最后可在结果输出界面查看分析结果，如逐点剂量值、DTA吻合度及Gamma通过率等。
2 结果
系统运行主界面如图1所示。系统各项功能均可通过菜单选择、工具按钮或快捷键等方式实现，与Windows传统交互界面风格一致，操作简便。
图1 系统主界面
IMRTQA剂量验证系统功能框架如图2所示。该系统可实现胶片图像的降噪、校准及与计划图像的配准一系列预处理功能，并可对辐射显色胶片和治疗计划图像进行Profile及Isodoseline显示，剂量方式可选取DTA分析或Gamma分析。用户可将经加速器照射后的剂量胶片扫描后导入本系统，并导入的由计划系统中的平面剂量图像进行灰度配准，为分析做好准备。然后根据需要，通过相应工具按钮选择分析方式，并可通过鼠标点选感兴趣点或区域查看相应分析结果。
用户将胶片图像与计划图像配准完毕后，通过操作窗口界面的功能按钮及下拉菜单指定所需分析方式与参数，调整结果显示方式，分析结果将在新窗口对应显示（图3）。对于所得分析结果，系统可根据用户的个性化需求进行导出或生成相关报告。
图2 系统功能框架
图3 分析结果界面
本系统经5名物理师经过25例放疗患者验证胶片进行分析测试。分析过程顺畅，软件运行稳定，DTA与Gamma分析均能顺利完成，与Omnipro-Imrt的验证结果比较无差异，表明本系统能正确进行剂量验证分析。
3 讨论
本系统提供了辐射显色胶片扫描图像的导入、校准及与治疗计划验证图像的配准、验证分析等功能，能完整地实现临床放射治疗平面剂量的验证流程，具有显著的临床应用价值。系统提供了临床常用的DTA及Gamma分析方式，通过与商用软件的验证结果比对，证实了本系统分析结果的可靠性。
作为自主研发的系统，本系统可以按需添加更多实用功能，同时也配备友好的数据接口，方便数据研究工作的开展，这是使用其他非开源的商用软件不具备的优势。
本研究自主开发了一套放疗剂量验证系统，能够满足临床剂量验证的基本需求，同时可以按需输出剂量学验证信息，为后续研究提供数据工具。
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Design and Development of Dosimetry Verification System for Radiotherapy