面向放疗计划系统的3D数据分割技术分析

面向放疗计划系统的3D数据分割技术分析

邓惠俊

邓惠俊万博科技职业学院安徽合肥230031

摘要：放射治疗计划系统（TPS:TreatmentPlanningSystem）在实现精确放射治疗中起着关键的作用，精确地分割出病灶、危及器官是实现精确物理建模、精确剂量计算的前提，进而影响放疗方案的准确性，所以分割模块的精度对放疗计划系统的精度有着决定性作用。因此在TPS系统中应用3D分割技术具有重要理论意义和现实意义。

关键词：放射治疗；TPS系统；3D；分割技术

基金项目：安徽省高等学校自然科学研究项目（KJ2016A751）

引言

自50年代初放射外科概念被提出以来，放射治疗已经成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一。研究表明剂量精度每提高1%，治愈率便可提高2%，意味着每年可多存活14万人，因此精确放射治疗被公认为21世纪肿瘤放射治疗的发展方向，以最大限度地杀灭肿瘤细胞，有效地保护周围正常组织、重要器官为目标[1][2]。放射治疗计划系统（TPS:TreatmentPlanningSystem）是指利用计算机模拟放射治疗过程的软件系统，它被用来确定放射治疗方案的全过程，是实现精确放射治疗的核心技术[3]。

1市场分析和发展趋势

世界卫生组织建议每百万人口拥有加速器2-3台，英国为3.4台，美国8.2台，法国4台，而我国仅0.43台，加上60CO机也仅0.79台。有专家估计，未来十几年内，我国放射治疗计划系统的潜在市场约4000套，按每套50万RMB计算，则有20亿的市场。目前国内主要从国外公司进口Varian、CMS、SIEMIEN、PHILIPS等TPS产品，价格昂贵（每套约30万美金），且后期的维护和升级不便。

依赖进口不仅使得国家需要支付大量外汇，而且导致仅少数大医院可能拥有TPS系统，使得多数患者无法接受精确放射治疗，且治疗费昂贵。因此研究TPS系统的核心技术，发展民族品牌TPS不仅有很好经济效益，也有很大的社会效益——降低精确放疗系统成本，使得更多医院能够拥有精确放疗系统，从而使得更多患者能接受精确放射治疗，享受高科技的好处。通过调研，在国内安徽方拓医疗科技有限公司以中科院等离子体物理研究所多年的研究成果ARTS1.0[1][4]为基础研发的具有自主知识产权的TPS系统——ARTS，并依托公司的销售网络、客户群将新产品迅速推向国内市场，但是这些新产品还是处于比较低端的产品，需要技术提升，改善用户体验就是其中的一个重要方面。

2TPS系统的3D数据分割技术

2.1TPS系统的基本流程

TPS系统的基本流程如图1所示，其中分割模块（也称勾画模块）的作用是从三维医学影像数据（由一叠CT/MRI/PET影像切片构成）中分割出一系列有意义的子区域，这些子区域通常对应于病灶（如肿瘤区）、危及器官（如眼睛、肺、脊髓等）[1]。精确地分割出病灶、危及器官是实现精确物理建模、精确剂量计算的前提，进而影响放疗方案的准确性，所以勾画模块的精度对放疗计划系统的精度有着决定性作用；同时勾画模块也是TPS系统中

人机交互最多、最复杂的模块，它很大程度上决定了TPS系统用户界面的友好程度。

2.23D数据分割技术分析

根据操作模式，3D数据的分割技术可分为两大类：一类是基于2D切片的分割技术，另一类是3D分割技术[5]。

基于2D切片的分割技术：首先在每张2D切片中勾画出需要分割区域的轮廓线，然后使用3D重构技术将所有2D轮廓线连接起来形成3D轮廓。这类方法只需要在2D切片上进行操作，比较容易实现，但存在以下问题：（1）操作繁琐：因为一个器官通常存在于十几张、甚至几十张2D切片，医生需要在每张切片上进行重复勾画，整个过程费时且枯燥；（2）对一些复杂情况难以处理：如相邻轮廓线差别较大、相邻切片出现分支行、轮廓线很小等情况，如图2所示：

直接3D分割技术：3D分割技术具有直接、准确的特点，能克服基于2D切片分割技术的不足，和基于2D切片分割技术相配合能提高TPS系统的性能，但3D分割技术由于存在以下不足，一直没有在业界得到广泛使用：（1）计算量大，难以满足时间要求：在自动3D分割算法中，因为处理的是3D数据，所以计算量很大；在交互式手动3D分割中，因为要求能交互地显示3D数据，而3D数据显示的计算量也很大，因此对计算机的计算性能要求很高，早期的计算机难以满足要求；（2）3D交互复杂，实现困难：现有的人机界面都是WIMP（Windows-Icon-Menu-Pointer）模式，WIMP模式适合2D交互，但不适合3D交互。

基于2D切片的分割技术比较成熟，易于实现，在业界的应用非常广泛，现有TPS系统的勾画模块虽各有特点，但基本上都是采用基于2D切片的分割技术。笔者认为应用3D勾画技术是TPS系统发展的必然趋势，现将从市场、技术两个方面进行分析：

市场方面：现在TPS市场竞争非常激烈，作为TPS系统关键的勾画模块必将成为各TPS系统一争高下的重点领域。自90年代研发TPS系统以来，基于2D切片的分割技术就被各TPS厂商不断改进和优化，潜能基本上已被发挥到了极致，难以再有大的突破，因此下一个突破口必然是3D分割技术——谁先突破，谁就能占领勾画领域的制高点，谁就能拥有市场优势。因此为占据或保持市场优势，各TPS厂商必然会设法在其产品中应用到3D分割技术。

技术方面：随着计算机软、硬件技术的发展，以及学术界对3D分割技术的研究，在合理的前提下，笔者认为制约3D分割技术的两大问题已经得到了解决，3D分割技术具备了走向应用的条件。

（1）计算速度问题：在近年来图形学领域中，GPU（图形处理卡:GraphicProcessUnit）的出现是一个重要事件，它解决了计算机图形学、可视化等很多领域的大规模计算问题。随着可编程GPU技术的出现，GPGPU（GeneralPurposeComputingonGPU）技术一直快速发展，科学计算可视化、流体模拟、图像处理、数据压缩等领域研究了基于GPU的算法和技术，充分利用GPU强大的计算能力[6]。因此，利用GPU解决3D分割算法中的计算量问题完全有可能，如文献[7]报道的交互式体数据编辑技术就是一个有力的证据。

（2）交互模式问题：3D交互一直是HCI（Human-Computer-Interface）领域的研究重点，针对3D分割技术的研究也一直没有间断过，多年来积累了大量研究成果，基于3DWidget的交互技术就是其中之一。自1992年BrookshireD.Conner等首次提出3DWidget概念以来，就一直被研究人员所关注。文献[8]提出的称为“导轨Racks”的3DWidget，可以控制三维物体的形变，文献[9]提出了一种控制物体在三维空间运动的3DWidget，著名的可视化软件包VTK也集成了一组3DWidget。因此，研究基于3DWidget的3D分割技术完全可行，并具有很好的灵活性。

3结束语

综上所述，3D分割技术将会是TPS系统勾画模块的发展方向，本文从市场和技术两个方面对其进行了充分分析，因此在TPS系统中实现3D数据分割功能，提高TPS系统分割模块的性能，使其在数据分割技术方面达到TPS领域的最高水平。

参考文献：

[1]胡逸民.肿瘤放射物理学[M].北京:原子能出版社，1999.36-37.

[2]汪冬，裴曦，曹瑞芬，吴宜灿，FDS团队.多叶光柵控制软件的设计与实现[J].中国医学物理学杂志，2012，29(4):3523-3527.

[3]吴宜灿，李国丽，陶声祥等.精确放疗系统ARTS的研究和发展[J].中国医学物理学杂志，2005，22(6):683-691.

[4]赵攀.精确放疗信息处理方法研究及计划系统平台的初步建立[D].中科院等离子体物理研究所，2007.

[5]SarangLakare.3DSegmentationTechniquesforMedicalVolumes[R].NewYork:StateUniversityofNewYorkatStonyBrook,2000.

[6]薛晔.三维体数据的任意裁减技术及其应用研究[D].合肥工业大学，2009.

[7]K.Bürger,J.Krüger,R.Westermann.DirectVolumeEditing[J].IEEETransactionsonVisualizationandComputerGraphics.14(6):1388-1395.

[8]ScottSSnibbe,KennethPHemdon,DanielCRobbins,etc.UsingDeformationstoExplore3DWidgetDesign[C].Processing’sofSiGGRAPH'92,1992.351-352.

[9]J.D.liner,K.Hinrichs.InteractiveAnimated3DWidgets[S].ProceedingsofComputerGraphicsInternational'98,10\998,278-286.

作者简介：邓惠俊（1978—），女，安徽无为县人，万博科技职业学院讲师，硕士，研究方向：计算机辅助

设计，网络安全。