CC BY
68
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Сер. 10. 2009. Вып. 4
УДК 004.9
Д. А. Овсянников, С. Л. Сергеев, А. Б. Стученков, В. А. Шишов
СКАНПЛАН: СИСТЕМА ДОЗИМЕТРИЧЕСКОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ УСКОРИТЕЛЕЙ
Введение. Лучевая терапия является эффективным средством воздействия на опухоли в процессе лечения онкологических больных. Основная ее задача - подведение к опухоли терапевтической дозы при минимально возможной нагрузке на прилегающие здоровые органы. Задача планирования лучевой терапии заключается в том, чтобы на основе индивидуальной анатомо-топометрической информации, радиобиологических параметров и допустимых уровней нагрузок на критические органы выбрать из множества возможных условий облучения их оптимальную комбинацию [1-10].
Источниками излучения чаще всего служат линейные ускорители электронов с энергиями 5-25 МэВ и гамма-аппараты с источниками 60Co [11, 12]. При использовании достаточно простых методик облучения (статическое прямоугольное поле, прямоугольный блок, клиновидный фильтр, болюс и т. п.), наиболее широко применяемых в нашей стране, планирование облучения производится на основе одного или нескольких поперечных срезов тела пациента [13-16]. В этом случае используются достаточно простые 2-мерные системы планирования. Из таких систем в России наиболее известны отечественная система ГАММА-ПЛАН и американская система ROCS, поставлявшаяся в комплекте с линейными ускорителями SL75-5. По мере устаревания аппаратных средств эти системы постепенно выходят из обращения, потому существует потребность в функционально эквивалентных системах, реализованных на современных компьютерных платформах с современными операционными системами. Стратегия развития зарубежных систем планирования привела к созданию 3-мерных систем, требующих большого объема топометрической информации, функционально избыточных и вследствие этого чрезвычайно дорогостоящих. Применение данных систем обосновано для методик конформного облучения, однако область, где конформное облучение
Овсянников Дмитрий Александрович — доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теории систем управления электрофизической аппаратурой факультета прикладной математики—процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета. Количество опубликованных работ: 198. Научные направления: прикладная математика, процессы управления. E-mail: [email protected].
Сергеев Сергей Львович — кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой технологии программирования факультета прикладной математики—процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета. Количество опубликованных работ: 72. Научные направления: технологии программирования, математическое моделирование, компьютерные технологии в медицине. E-mail: [email protected].
Стученков Александр Борисович — старший преподаватель кафедры технологии программирования факультета прикладной математики—процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета. Количество опубликованных работ: 8. Научные направления: технологии программирования, обучающие системы, компьютерные технологии в медицине. E-mail: [email protected].
Шишов Владислав Анатольевич — кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории НПК ЛУЦ НИИ имени Д. В. Ефремова. Количество опубликованных работ: 96. Научные направления: ускорители заряженных частиц, рентгеновская визуализация, дозиметрическое планирование. E-mail: [email protected].
© Д. А. Овсянников, С. Л. Сергеев, А. Б. Стученков, В. А. Шишов, 2009
имеет по эффективности лечения решающие преимущества по сравнению с конвенциональным, сравнительно невелика. Поэтому актуальным является внедрение систем с современным русско-язычным интерфейсом.
Настоящая статья описывает систему дозиметрического планирования СКАН-ПЛАН, разработанную совместно коллективами Санкт-Петербургского государственного университета и НИИ электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова. На систему получено «Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ»*) .
В качестве базовой платформы для системы СКАНПЛАН выбрано семейство операционных систем Microsoft Windows. В данный момент система поддерживает работу на любой из современных версий MS Windows: 2000, XP, Vista.
В качестве средства разработки был выбран пакет Microsoft Visual Studio. Все базовые компоненты системы написаны на Visual C+—+.
Ориентация на решения Microsoft обусловлена широкой распространенностью операционных систем семейства Windows, их удобством и универсальным интерфейсом. Выбор средства разработки объясняется его широкими возможностями и тесной интеграцией с операционной системой.
Система СКАНПЛАН снабжена дружественным графическим интерфейсом, построенным на базе стандартных элементов управления Windows, что придает ему универсальность и способствует легкости освоения программы.
СКАНПЛАН изначально разрабатывалась как самостоятельная система и не является ни русскоязычной версией, ни усовершенствованным вариантом какой-либо из существующих систем. Она обладает свойствами расширяемости и масштабируемости. То есть решения, заложенные при ее разработке, позволяют без проблем осуществлять дальнейшее ее развитие, увеличивая как функциональность, так и объем обрабатываемых данных. В процессе работы с системой имеется возможность гибкой настройки ее параметров.
В настоящее время существует довольно много типов лучевых терапевтических установок. Система дает возможность планировать сеансы облучения для любых установок.
Настраиваемый графический интерфейс позволяет адаптировать элементы отображения (настраивать размеры, цвета, окантовку для отображаемых объектов) к нуждам конкретного пользователя. Несмотря на большое количество настроек, система проста в использовании, это достигается не только за счет дружественного, интуитивно понятного интерфейса, но и рекомендаций пользователю о следующем действии, «всплывающих» в соответствии со стандартным процессом работы.
Еще одна проблема, связанная с лучевой терапией, - необходимость точного документирования всех действий по облучению. Это вызвано, во-первых, необходимостью анализа проведенного лечения при последующих обращениях, во-вторых, возможной юридической ответственностью медицинского персонала за проведенные действия.
Система СКАНПЛАН предоставляет средства для документирования. Более того, в ней невозможны незадокументированные действия.
Система СКАНПЛАН предоставляет возможность работы только авторизованным пользователям. При загрузке системы пользователь обязан пройти аутентификацию, т. е. ввести свое имя и пароль. Неавторизованным пользователям доступ в систему
*) Программная система планирования лучевой терапии (СКАНПЛАН): Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, № 2005612599. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 6 октября 2005 г.
закрыт. Для обеспечения дополнительной безопасности системы ведется журнал регистраций.
Методика дозиметрического планирования. Подготовка сеанса лучевой терапии состоит из нескольких видов работ (рис. 1).
1 1 ! Данные ! 1 1 і і і і ! Анатомии ! I ! Параметры
; пациента ; | 1 і і і і і 1 | установки 1
1 ■ 1 1 1 1_ „ і і _ I I 1 1
АНАТОМИЯ
ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ
ОБЩАЯ БАЗА ДАННЫХ СИСТЕМЫ
ПЛАН
Рис. 1. Схема взаимодействия медицинского персонала (медиков, медицинских физиков) с программным комплексом СКАНПЛАН
Пунктирными линиями показаны блоки вводимой информации, сплошными - блоки системы.
На первом этапе в базу данных (БД) заносятся данные о пациенте (фамилия и т. д., информация о заболевании).
На втором этапе в БД заносятся анатомии пациента. В системе СКАНПЛАН под анатомией понимается набор параллельных срезов, описывающих некоторый анатомический объем пациента. При этом производится не просто копирование рисунков, полученных с помощью томографа или иных средств. Модуль «Анатомия» предоставляет также средства для их редактирования.
Третий вид работ - планирование. На этом этапе из БД выбирается некоторая анатомия. Планом является набор параметров, позволяющих реализовать некоторый сеанс облучения. Такими параметрами будут набор пучков (лучей), дозные поля, дозы по отдельным точкам и т. п. Оптимальный подбор данных параметров и является главной целью планирования. Фактически план - это совокупность анатомии (набора срезов) и параметров облучения.
В системе СКАНПЛАН свобода работы с планами и анатомиями сознательно несколько ограничивается. Такой вариант взаимодействия с пользователем подразумевает разрешение лишь тех действий, для которых уже имеются данные. Подобный подход способствует повышению надежности системы и резко снижает вероятность ошибок.
Предусмотрено, что одному пациенту могут принадлежать несколько анатомий и планов. Реализован вариант, предоставляющий возможность работы одновременно с несколькими срезами, принадлежащими, возможно, разным анатомиям или планам, но позволяющий вносить изменения лишь в один, активный, документ. В системе
СКАНПЛАН исключается возможность одновременной работы с анатомиями или планами нескольких пациентов.
Еще один вид информации, необходимой для планирования, - это определение характеристик терапевтических установок. Получение такой информации носит название «инициализация». Ее роль заключается в получении и обработке физических данных терапевтических установок, сведений о возможных режимах облучения и различных геометрических характеристик (углов поворота консоли, на которой установлен источник излучения, расстояний от источника облучения до изоцентра - центра окружности вращения консоли, расстояний от источника облучения до подставки для блоков, формирующих вместе с диафрагмой необходимый вид поперечного сечения луча, допустимых размеров диафрагмы и т. д.).
Основне данные, обрабатываемые в ходе инициализации, - дозиметрические характеристики, определяющие распределение поглощенной дозы при облучении в водном фантоме (прямоугольном резервуаре). Предполагается работа с двумя видами представления дозиметрических данных: глубинными распределениями и профилями.
Глубинные распределения выражают зависимость поглощаемой дозы от глубины на центральной оси пучка. Для каждого размера поля (ширины пучка) строится свое глубинное распределение.
Профили - это зависимость поглощаемой дозы от расстояния до оси пучка на фиксированной глубине. Для каждого значения глубины и размера поля строится свой профиль. Таким образом, количество профилей равно произведению количества фиксированных глубин и количества размеров поля.
Обработанные данные сохраняются в общей БД и используются затем при расчете дозных полей в теле пациента с учетом известных связей коэффициентов поглощения тканей тела и воды.
Архитектура системы СКАНПЛАН. Система СКАНПЛАН включает в себя:
• модуль «Анатомия» (подготовка анатомо-топометрической информации);
• модуль «Инициализация» (подготовка дозиметрических характеристик для терапевтических установок);
• модуль «План» (подготовка планов облучения и их расчет);
• общую БД, где хранятся данные о пациентах (в частности, графическая и текстовая информация по исходным анатомическим срезам и планы сеансов лучевой терапии), характеристики облучающих устройств и параметры настройки системы.
Модуль «И нициализаци я». Основное назначение модуля -обработка исходных дозиметрических данных, полученных экспериментально, с целью приведения их к виду, пригодному для дальнейшего использования в модуле «План» (т. е. для планирования).
Схема подготовки дозиметрических данных для терапевтических установок выглядит следующим образом: экспериментально полученные дозиметрические данные поступают в модуль в качестве исходных, в процессе обработки в модуле они приводятся к виду, пригодному для дальнейшего использования в процедуре планирования (производимой в модуле «План»).
Для приведения дозиметрических данных к физически корректной форме применяется механизм сглаживания, который позволяет выявлять точки, нарушающие общую динамику изменения (экспериментальный «шум»), и исправлять значения в них. Сглаживание применяется как к кривым глубинных распределений, так и к профилям.
Диапазон применения дозиметрических данных (глубина, иногда размер поля) ограничен размерами используемого при измерении водного фантома. Для расширения условий применения дозиметрических данных можно производить копирование кривых и экстраполяцию данных на большие глубины и размеры поля.
Рис. 2. Главное окно модуля «Инициализация»
На рис. 2 показано главное окно модуля «Инициализация». Оно разделено на две части - окно просмотра кривых (большее окно справа) и панель инструментов для управления параметрами глубинных распределений и профилей (слева). В окне просмотра кривых изображен набор кривых профиля для размера поля 12 см. Одна из кривых (видна как набор черных точек) сглажена, остальные - не сглажены (содержат «шум»).
С точки зрения современного объектного программирования, весь набор кривых (глубинных распределений или профилей), полученных для поля фиксированного размера, есть «документ».
Модуль «Анатомия». Логикой работы с данным модулем управляет программа, представляющая собой MDI-приложение (Multi Document Interface, MDI). Каждое дочернее окно этого приложения содержит один анатомический срез.
Управление функциями этого модуля осуществляется посредством главного меню и панелей рабочих инструментов, которые позволяют осуществлять конкретные действия, динамически изменяясь в соответствии с логикой задачи. То есть в каждый момент на панели присутствуют только те инструменты, которые могут понадобиться на данном этапе.
Далее будут описаны основные функции модуля «Анатомия».
Работа с пациентом:
1. Регистрация пациента. При регистрации нового пациента для него создается каталог, который содержит подкаталог планов и подкаталог анатомий.
2. Выбор зарегистрированного пациента из БД.
Работа с анатомиями выбранного пациента. Анатомическим срезом мы называем группу контуров, где каждый контур задает границы области определенного типа. Как правило, контуры ограничивают области с различной плотностью и таким образом области соответствуют разным органам пациента. Особым типом области является «Мишень». Она не обязательно совпадает с каким-нибудь органом и служит для обозначения области, подлежащей облучению.
Помимо набора контуров анатомический срез может содержать информацию о точках, значение дозного поля в которых может представлять интерес при планировании. Такие точки называются точками интереса, или точками ROI (Region Of Interest).
Типичный интерфейс модуля «Анатомия» (рис. 3) представляет собой главное окно приложения, разделенное на две части: окно просмотра срезов (большее окно справа) и панель инструментов для управления параметрами среза (слева).
В окне просмотра срезов изображен срез головы пациента с очагом заболевания (опухолью) справа. В верхнем левом углу окна просмотра срезов схематически показано положение пациента в планируемом сеансе.
Дополнительное удобство в использовании достигается в возможностях настройки элементов отображения (цвета, размеры и границы контуров и других визуальных объектов). Возможна индивидуальная настройка параметров для каждого пользователя системы.
С анатомиями возможны следующие работы:
1. Создание нового анатомического среза пациента. В системе предусмотрено два способа создания новой анатомии:
а) с использованием графических изображений, полученных со сканера (графические изображения представляют собой томограммы либо рентгеновские снимки данного пациента);
б) ввод анатомических контуров с дигитайзера. При создании новой анатомии осуществляется ее запись в БД системы.
2. Выбор любой из существующих анатомий пациента и ее редактирование с возможностью последующего сохранения всех внесенных в нее изменений.
Работа с анатомическими контурами:
1. Ввод нового контура нанесением его на план с помощью мыши или дигитайзера («сколка»).
2. Удаление старого контура.
3. Изменение внесенного контура. Система предоставляет возможность менять как положение любой точки контура, так и их количество.
Рис. 3. Типичный интерфейс модуля «Анатомия»
Модуль «План». Программный модуль подготовки планов облучения «План» предназначен для создания, редактирования и расчета планов облучения по пациентам.
Создание планов облучения производится следующим образом: на полученную в модуле «Анатомия» группу анатомических срезов (анатомию) накладывается схема облучения, т. е. задаются форма, расположение и другие параметры облучающих пучков, после чего производится расчет дозных полей, соответствующих данной схеме облучения, и результаты расчета отображаются в виде изодоз (линий, вдоль которых величина рассчитанного поля постоянна). Созданный план сохраняется в БД. При необходимости он может быть отредактирован и затем утвержден. После утверждения дальнейшее редактирование плана запрещено.
Типичный интерфейс модуля «План» (рис. 4) представляет собой главное окно приложения, разделенное на две части: окно просмотра планов (большее окно справа) и панель инструментов с вкладками для управления параметрами плана (слева).
В окне просмотра планов изображен рассчитанный план (с двумя пучками) для созданного в модуле «Анатомия» среза головы пациента. Результаты расчета представлены в виде изолиний, показывающих картину распределения дозного поля. Для двух областей: опухоли (рис. 4, справа) и произвольной области интереса (слева), вычислены средние поглощаемые дозы.
■б^зФу.,
Рис. 4. Типичный интерфейс модуля «План»
Как и программа системы СКАНПЛАН, реализующая модуль «Анатомия», управляющая программа модуля «План» осуществляет общее управление логикой работы данного модуля. Она также является MDI-приложением, каждое дочернее окно которого представляет один срез плана.
Доступ к функциям модуля «План» системы СКАНПЛАН производится, как и в модуле «Анатомия», с помощью главного меню и панелей рабочих инструментов. Основные функции модуля «План» представлены ниже.
Работа с пациентом:
выбор зарегистрированного пациента из БД (регистрация пациента осуществляется в модуле «Анатомия»).
Ра,бота с плана,ми облучения:
1. Выбор из БД одной из анатомий, принадлежащих пациенту. Создание плана облучения пациента с использованием этой анатомии. Новый план записывается в БД. Одна и та же анатомия может использоваться для создания нескольких различных планов.
2. Выбор любого из существующих планов облучения пациента и его редактирование. Сохранение всех внесенных в план изменений.
Работа с контурами. Модуль «План» позволяет задавать на срезе области интереса (ИОІ), например такие области, отпуск дозы в которые не должен превышать определенных пределов. В данном модуле изменению подлежат лишь такие контура. Анатомические контура менять нельзя.
1. Ввод нового контура нанесением его на план с помощью мыши («сколка»).
2. Удаление существующего контура.
3. Изменение вне контура. Система предоставляет возможность менять как положение любой точки контура, так и их количество.
Работа с пучками:
1. Добавление нового пучка. Система СКАНПЛАН поддерживает до 10 пучков в одном плане облучения.
2. Удаление пучка из плана.
3. Изменение пучка. При этом пользователь может менять следующие характеристики пучка:
- режим облучения (статический или динамический);
- расстояние от излучателя до пациента;
- угол поворота консоли облучателя;
- вертикальное и горизонтальное смещение стола;
- параметры диафрагмы;
- поворот головки облучателя;
- угол ротации (для динамического режима облучения);
- наличие и параметры клина.
Кроме того, в системе реализована возможность задавать набор прямоугольных блоков для каждого пучка. Для блоков предусмотрены стандартные операции: а) добавление нового блока; б) удаление блока; в) изменение параметров блока.
Подготовка и осуществление расчета дозного поля:
1. Задание точек дозировки. Под точкой дозировки подразумевается точка, для которой заранее планируется получаемая доза. Точки дозировки можно добавлять к плану облучения, удалять из него, менять их положение. Без точки дозировки расчет невозможен.
2. Задание точек нормировки. Под точкой нормировки подразумевается точка, значение дозы в которой принимается за 100%. Точки нормировки влияют лишь на показ изодоз, но не на расчетное значение дозного поля. Их также можно добавлять к плану облучения, удалять из него, менять их положение.
3. Задание соотношений вкладов каждого из пучков в точку дозировки.
4. Задание суммарной дозы, привнесенной в точку дозировки всеми пучками.
5. Установка шага сетки по горизонтали и вертикали при расчете.
6. Расчет дозного поля. В настоящее время он осуществляется методом прямой дозиметрии на основе экспериментальных данных, полученных на водном фантоме. После проведения расчета дозное поле представляется в виде изолиний (изодоз). Перспективным направлением развития системы является внедрение нового варианта расчета методом «карандашных пучков» - Pencil Beam.
7. Показ значений дозного поля в заранее заданных точках (точках интереса).
8. Настройка параметров изодоз. Параметрами изодозы являются ее значение и цвет изображения.
Заключение. Система СКАНПЛАН обладает полной функциональностью, необходимой для проведения процедуры дозиметрического планирования. Она имеет модульную структуру и состоит из трех основных взаимосвязанных модулей: «Плана», «Анатомии» и «Инициализации». Разбиение на модули позволяет гибко распределять обязанности по работе с системой между несколькими операторами.
Литература
1. British Journal of Radiology. Supplement 25. Central Axis Depth Dose Data for Use in Radiotheraphy. British Institute of Radiology. 1996. N 905749 38 3. 70 p.
2. Curran B., Starkschall G. A Program For Quality Assurance of Dose Planning Computers // ACMP Symposium Quality Assurance in Radiotherapy Physics. Galveston, TX, May 1991. 56 p.
3. Van Dyk J., Barnett R. B., Cygler J. E., Shragge P. C. Commissioning and Quality assurance of treatment planning computers // Intern. J. Rad. Onc. Biol. Phys. 1993. Vol. 26. P. 261—273.
4. ICRU Report 42: Use of Computers in External Beam Radiotherapy Procedures with High-Energy Photons and Electrons, International Commission on Radiation Units and Measurements. Maryland, USA, 1987. 62 p.
5. ICRU Report 50: Prescribing, Recording, and Reporting Photon Beam Therapy. Intern. Commission on Radiation Units and Measurements. Maryland, USA, 1993. 82 p.
6. Knoos T., Ceberg C., Weber L., Nilsson P. The dosimetric verification of a pencil beam based treatment planning system // Phys. Med. Biol. 1994. Vol. 39. P. 1609-1628.
7. Kosunen A., Jarvinen H., Vatnitskij S. et al. Intercomparison of radiotherapy treatment planning systems for external photon and electron beam dose calculations // Radiotherapy and Oncology. 1993. Vol. 29. P. 327-335.
8. McCullough E. C., Krueger A. M. Performance evaluation of computerized treatment planning systems for radiotherapy: external photon beams // Intern. J. Rad. Oncol. Biol. Phys. 1980. Vol. 6, N 11. P. 1599-1605.
9. IPEMB Report 68: A guide to commissioning and quality control of treatment planning systems. Institution of Physics and Engineering in Medicine and Biology. York, England, 1996. 44 p.
10. Kappas C., Rosenwald J. C. Quality control of inhomogeneity correction algorithms used in treatment planning systems // Intern. J. Rad. Onc. Biol. Phys. 1995. Vol. 32, N 3. P. 847-58.
11. Канаев С. В., Ворогушин М. Ф., Тихомиров А. С., Шишов В. А. Характеристики отечественного комплекса для обеспечения лучевой терапии онкологических больных // Вопросы онкологии. 2003. Т. 49, № 5. С. 668-675.
12. Westermann C. F., Mijnheer B. J., van Kleffens H. J. Determination of the accuracy of different computer planning systems for treatment with external photon beams// Radiotherapy and Oncology. 1984. Vol. 1, N 4. P. 339-347.
13. Dahlin H., Lamm I. L., Landberg T. at al. User requirements on CT-based computed dose planning systems in radiation therapy // Acta Radiologica — Oncology. 1983. Vol. 22, N 5. P. 397-415.
14. Канаев С. В., Ворогушин М. Ф., Тихомиров А. С., Шишов В. А. Предлучевая подготовка онкологических больных на топометрической системе для радиотерапии ТСР-100 // Вопросы онкологии. 2003. Т. 49, № 5. C. 676-682.
15. IEC 62083: Equipment for radiotherapy, nuclear medicine and radiation dosimetry. Specially Ed. 1: Electromedical equipment - Particular requirements for the safety of radiotherapy treatment planning systems. Intern. Electrotechnical Commission, 30.10.1998 version.
16. ACR/NEMA Standards Publication PS3, DICOM3.
Статья принята к печати 28 мая 2009 г.
