三维计划治疗中等剂量线绘制的改进
作者：李光明 李树祥 吕庆文 江贵平
单位：李光明 李树祥 吕庆文 江贵平；第一军医大学生物医学工程系医学图像全军重点实验室(广州 510515)
关键词：网格；链码；等剂量线；三维治疗计划；X刀
北京生物医学工程990104 摘 要 本文提出了一种称做链码法的等剂量线绘制的改进算法，该方法与传统的网格法相比，无需求解直线之间的交点和两点间的距离，大大地简化了计算量，同时该算法还能遍历所有可能的等剂量点，不会出现网格法中搜索死循环现象，有效地探索出了多个环形等剂量线。
An Improvement of Ploting Isodose Curve in
3D Planning Treatment
, 百拇医药
Li Guangming, Li Shuxiang, Lü Qingwen, Jiang Guiping
(The Medical Image Laboratory of PLA,Department of Biomedical Enineering, First Military Medical University,Guangzhou 510515)
Abstract Presented in this paper: an improving method,named linkcode-method,for ploting isodose curve in 3D planning treatment.Compared to the traditional net method.It is not nece-ssary to find solutions of the points of intersection of two straight lines and distances between two points,so the calculation is greatly simplied .And can search all possible isodose points and avoid endless cycling,that can happen in grid-method.Multi-ringlike isodose curves were found out.
, 百拇医药
Key words:Net;Linkcode;Isodose curve;3D treatment planning;X knife
0 引 言
随着国内外三维计划治疗的深入开展，利用Co60放射源的γ射线和直线加速器产生的高能X射线在治疗许多不同类型的良性和恶性肿瘤中发挥了越来越重要的作用[1]。把病人的CT、MRI和血管造影等数据输入计算机，在勾画完成病灶及应受照射保护的关键器官后，通过重建、信息融合等技术，准确地计算出病灶靶区的位置与形状，从而制订出可行的治疗计划。通过计算机对治疗计划效果进行仿真，即是如何评价治疗计划的质量好坏[2]，最直观的方法是观察各层切片上等剂量线的分布。等剂量线顾名思义就是具有相同的剂量的点连成相应的线。等剂量线的绘制方法传统地有网格法[3]，网格法的计算比较复杂，而且容易出现死循环不能继续跟踪完成等剂量线等缺点，受图像处理中用链码表示进行边缘检测的启发，提出一种叫做链码法的绘制等剂量线的改进方法[4]。
, 百拇医药
1 传统的等剂量线追踪算法——网格法
网格法的基本思路是将剂量数据场分立成独立的网格，每个剂量数据代表网格结点上的数据，考虑到网格横向和纵向的分辨率可能不一样，假定横向网格的单元长度为LengX，纵向网格的单元长度为LengY，取出其中的一个网格(i,j),(i+1,j),(i+1,j+1),(i,j+1)。网格点的剂量值为DOSEi,j，DOSEi+1,j,DOSEi+1,j+1，DOSEi,j+1。设当前等剂量线的剂量值为DOSE，网格法首先求出网格横边与纵边的等剂量点，再根据一定规则把这些等剂量点连接成相应的等剂量线。
网格横边等剂量点的计算方法是：
如果(DOSEi,j-DOSE)与(DOSEi+1,j-DOSE)的乘积大于零
, 百拇医药
则此横边上无等剂量点
否则，如果(DOSEi,j-DOSE)与(DOSEi+1,j-DOSE)的乘积等于零
那么，等剂量点位于网格点本身，把等剂量点位置增加一个修正量
如果前两个条件都不满足
那么此横边上存在等剂量点，等剂量点在横边的位置为Xij=(DOSE-DOSEi，j)/(DOSEi+1，j-DOSEi，j)×LENGX与网格横边等剂量点的计算类似，网格纵边等剂量点如果存在，那么等剂量点在纵边的位置为Yij=(DOSE-DOSEi，j)/(DOSEi,j+1-DOSEi，j)×LENGY
, 百拇医药
在计算出所有横边与纵边的等剂量点以后，按照一定规则将这些点连接成等剂量线，对一个如图1所示的网格，假设当前等剂量点P2位于网格底边上，那么下一个等剂量点P3可能出现的位置为P31、P32、P33，根据等剂量线的走向以及距离当前等剂量点的远近，追踪下一个等剂量点
P3的算法思路如下：
(1)当P31、P33均存在且到底边的距离不同时，选择靠近网格底边的点作为P3
(2)当P31、P33均存在且到底边的距离相同时，选择与P2靠近的点作为P3
(3)当P31、P33只存在其中的一个时，存在的点即为P3
, 百拇医药
(4)当P31、P33均不存在时，则底边的对边必存在的等剂量点P32即为P3
图1 一个网格
以上只是分析了当前等剂量点在底边的情况，可见，网格法用来追踪等剂量线的计算比较复杂，需要求解两点间的距离，还要考虑等剂量线原来的走向，这种方法虽经典但费时，对于特殊的剂量数据场，还有可能出现死循环现象。
2 链码法追踪等剂量线
2.1 曲线的链码表示
如果把剂量数据场理解成一个二维的网格数据，网格点的交叉点称为网格结点，在所有网格交叉点中，寻找与曲线起始点最接近的网格点，将此点作为新曲线的起始点，顺着曲线向前搜索于网格线的交点，搜索的方向有8个方向，如图2(c)所示。选择最接近起始点的网格点，这个网格点即为曲线的网格近似点，在这个网格近似点的基础上，继续按8方向向前搜索直到曲线的终点，这个过程称为曲线的网格离散化，如图2(a)所示。曲线近旁位于网格线交叉点上的点就是曲线的网格离散化点集。从曲线起始点开始，依次将曲线的网格近似点用线段相连，如图2(b)所示。8个不同的方向用0、1、2、3、4、5、6、7来表示，这样一条曲线被网格离散化以后，这条曲线就可以用其各个不同线段的方向代码表示：An=a1a2…an,ai∈{0,1,2,3,4,5,6,7},i=1,2,…,n,An称之为曲线的链码。
, 百拇医药
(a) (b) (c)
图2 链码及曲线的网格离散化
2.2 等剂量线的链码搜索
讨论了曲线的链码表示后，反过来，根据剂量数据场找出等剂量线的起始点，依据一定的搜索条件，按8方向搜索追踪出等剂量线，具体思路如下面框图所示：
依照此算法，在工作站上，对大小为512×512的切片剂量数据场进行了等剂量线的链码搜索，如图3所示，所用时间不到3秒，同时它还能有效地搜索相应剂量大小的不同环形等剂量线，如图3中剂量为2000cGy、1600cGy的等剂量线情形。
图3 病人横截面的等剂量线
, http://www.100md.com
3 结 论
采用链码搜索等剂量线，因为是用网格交叉点近似代替实际的等剂量点，存在一定的误差，但这种误差可以通过增加网格点的分辨率来有效地限制，同时该方法与网格法相比，无需求解直线之间的交点和两点间的距离，大大地简化了计算量，同时该算法还能遍历所有可能的等剂量点，不会出现网格法中搜索死循环现象，有效地搜索出了多个环形等剂量线。该算法已经成功地应用于三维计划治疗系统软件——X刀的临床实际中。
作者简介:李光明：男，28岁，讲师。
从事图像处理与信号处理的科研、教学工作及医疗器械的开发。
4 参考文献
[1]Kooy HM,Nedzi LA,Loeffler JS.Treatment planning for stereotactic radiosurgery of intracraniallesions.Int J Radiat Oncol Biol Phys,1991,21:683
[2]Andrzej Niemierko,Michael Goitein.Random sampling for evaluating treatment plans.Med Phys,1990,17:753
[3]孙家广，等.计算机图形学.清华大学出版社，1986；P66
[4]徐建华.图像处理与分析.科学出版社，1994；P221
(1998-05-04收稿，1998-06-18修回), 百拇医药
单位：李光明 李树祥 吕庆文 江贵平；第一军医大学生物医学工程系医学图像全军重点实验室(广州 510515)
关键词：网格；链码；等剂量线；三维治疗计划；X刀
北京生物医学工程990104 摘 要 本文提出了一种称做链码法的等剂量线绘制的改进算法，该方法与传统的网格法相比，无需求解直线之间的交点和两点间的距离，大大地简化了计算量，同时该算法还能遍历所有可能的等剂量点，不会出现网格法中搜索死循环现象，有效地探索出了多个环形等剂量线。
An Improvement of Ploting Isodose Curve in
3D Planning Treatment
, 百拇医药
Li Guangming, Li Shuxiang, Lü Qingwen, Jiang Guiping
(The Medical Image Laboratory of PLA,Department of Biomedical Enineering, First Military Medical University,Guangzhou 510515)
Abstract Presented in this paper: an improving method,named linkcode-method,for ploting isodose curve in 3D planning treatment.Compared to the traditional net method.It is not nece-ssary to find solutions of the points of intersection of two straight lines and distances between two points,so the calculation is greatly simplied .And can search all possible isodose points and avoid endless cycling,that can happen in grid-method.Multi-ringlike isodose curves were found out.
, 百拇医药
Key words:Net;Linkcode;Isodose curve;3D treatment planning;X knife
0 引 言
随着国内外三维计划治疗的深入开展，利用Co60放射源的γ射线和直线加速器产生的高能X射线在治疗许多不同类型的良性和恶性肿瘤中发挥了越来越重要的作用[1]。把病人的CT、MRI和血管造影等数据输入计算机，在勾画完成病灶及应受照射保护的关键器官后，通过重建、信息融合等技术，准确地计算出病灶靶区的位置与形状，从而制订出可行的治疗计划。通过计算机对治疗计划效果进行仿真，即是如何评价治疗计划的质量好坏[2]，最直观的方法是观察各层切片上等剂量线的分布。等剂量线顾名思义就是具有相同的剂量的点连成相应的线。等剂量线的绘制方法传统地有网格法[3]，网格法的计算比较复杂，而且容易出现死循环不能继续跟踪完成等剂量线等缺点，受图像处理中用链码表示进行边缘检测的启发，提出一种叫做链码法的绘制等剂量线的改进方法[4]。
, 百拇医药
1 传统的等剂量线追踪算法——网格法
网格法的基本思路是将剂量数据场分立成独立的网格，每个剂量数据代表网格结点上的数据，考虑到网格横向和纵向的分辨率可能不一样，假定横向网格的单元长度为LengX，纵向网格的单元长度为LengY，取出其中的一个网格(i,j),(i+1,j),(i+1,j+1),(i,j+1)。网格点的剂量值为DOSEi,j，DOSEi+1,j,DOSEi+1,j+1，DOSEi,j+1。设当前等剂量线的剂量值为DOSE，网格法首先求出网格横边与纵边的等剂量点，再根据一定规则把这些等剂量点连接成相应的等剂量线。
网格横边等剂量点的计算方法是：
如果(DOSEi,j-DOSE)与(DOSEi+1,j-DOSE)的乘积大于零
, 百拇医药
则此横边上无等剂量点
否则，如果(DOSEi,j-DOSE)与(DOSEi+1,j-DOSE)的乘积等于零
那么，等剂量点位于网格点本身，把等剂量点位置增加一个修正量
如果前两个条件都不满足
那么此横边上存在等剂量点，等剂量点在横边的位置为Xij=(DOSE-DOSEi，j)/(DOSEi+1，j-DOSEi，j)×LENGX与网格横边等剂量点的计算类似，网格纵边等剂量点如果存在，那么等剂量点在纵边的位置为Yij=(DOSE-DOSEi，j)/(DOSEi,j+1-DOSEi，j)×LENGY
, 百拇医药
在计算出所有横边与纵边的等剂量点以后，按照一定规则将这些点连接成等剂量线，对一个如图1所示的网格，假设当前等剂量点P2位于网格底边上，那么下一个等剂量点P3可能出现的位置为P31、P32、P33，根据等剂量线的走向以及距离当前等剂量点的远近，追踪下一个等剂量点
P3的算法思路如下：
(1)当P31、P33均存在且到底边的距离不同时，选择靠近网格底边的点作为P3
(2)当P31、P33均存在且到底边的距离相同时，选择与P2靠近的点作为P3
(3)当P31、P33只存在其中的一个时，存在的点即为P3
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(4)当P31、P33均不存在时，则底边的对边必存在的等剂量点P32即为P3
图1 一个网格
以上只是分析了当前等剂量点在底边的情况，可见，网格法用来追踪等剂量线的计算比较复杂，需要求解两点间的距离，还要考虑等剂量线原来的走向，这种方法虽经典但费时，对于特殊的剂量数据场，还有可能出现死循环现象。
2 链码法追踪等剂量线
2.1 曲线的链码表示
如果把剂量数据场理解成一个二维的网格数据，网格点的交叉点称为网格结点，在所有网格交叉点中，寻找与曲线起始点最接近的网格点，将此点作为新曲线的起始点，顺着曲线向前搜索于网格线的交点，搜索的方向有8个方向，如图2(c)所示。选择最接近起始点的网格点，这个网格点即为曲线的网格近似点，在这个网格近似点的基础上，继续按8方向向前搜索直到曲线的终点，这个过程称为曲线的网格离散化，如图2(a)所示。曲线近旁位于网格线交叉点上的点就是曲线的网格离散化点集。从曲线起始点开始，依次将曲线的网格近似点用线段相连，如图2(b)所示。8个不同的方向用0、1、2、3、4、5、6、7来表示，这样一条曲线被网格离散化以后，这条曲线就可以用其各个不同线段的方向代码表示：An=a1a2…an,ai∈{0,1,2,3,4,5,6,7},i=1,2,…,n,An称之为曲线的链码。
, 百拇医药
(a) (b) (c)
图2 链码及曲线的网格离散化
2.2 等剂量线的链码搜索
讨论了曲线的链码表示后，反过来，根据剂量数据场找出等剂量线的起始点，依据一定的搜索条件，按8方向搜索追踪出等剂量线，具体思路如下面框图所示：
依照此算法，在工作站上，对大小为512×512的切片剂量数据场进行了等剂量线的链码搜索，如图3所示，所用时间不到3秒，同时它还能有效地搜索相应剂量大小的不同环形等剂量线，如图3中剂量为2000cGy、1600cGy的等剂量线情形。
图3 病人横截面的等剂量线
, http://www.100md.com
3 结 论
采用链码搜索等剂量线，因为是用网格交叉点近似代替实际的等剂量点，存在一定的误差，但这种误差可以通过增加网格点的分辨率来有效地限制，同时该方法与网格法相比，无需求解直线之间的交点和两点间的距离，大大地简化了计算量，同时该算法还能遍历所有可能的等剂量点，不会出现网格法中搜索死循环现象，有效地搜索出了多个环形等剂量线。该算法已经成功地应用于三维计划治疗系统软件——X刀的临床实际中。
作者简介:李光明：男，28岁，讲师。
从事图像处理与信号处理的科研、教学工作及医疗器械的开发。
4 参考文献
[1]Kooy HM,Nedzi LA,Loeffler JS.Treatment planning for stereotactic radiosurgery of intracraniallesions.Int J Radiat Oncol Biol Phys,1991,21:683
[2]Andrzej Niemierko,Michael Goitein.Random sampling for evaluating treatment plans.Med Phys,1990,17:753
[3]孙家广，等.计算机图形学.清华大学出版社，1986；P66
[4]徐建华.图像处理与分析.科学出版社，1994；P221
(1998-05-04收稿，1998-06-18修回), 百拇医药