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放射治疗(简称:化疗)是当今医学界治疗恶性肿瘤三大主要手段之一,现代医疗器械硬件的快速发展,以及计算机数字化技术在医学领域的广泛应用,使得放疗技术异军突起。尤其是在计算机出现以后,现代信息科学技术的飞速发展,为放疗更快速地朝着精确定位、精确计划、精确治疗的方向不断发展提供了有力的数字化技术保障。随着各地医院信息化建设的不断加强,传统医疗服务模式也更趋于数字化,计算机软硬件技术在放疗领域的不断深入,各种治疗方法和数据处理算法不断创新,为治疗计划系统、放疗计划的验证、实施、监督和记录系统的不断优化提供了有效的技术实施保障。数据是信息化建设的基础载体,信息化的管理本质就是数据的管理,了解肿瘤放疗数据的内部结构及其元素结构,以及数据在临床中的产生过程,掌握放疗的医学数字影像和传输(digital imaging and communication in medicine radiotherapy,DICOM RT)标准中的数据结构以及数据解析方法,已成为临床数据集中化管理、提升临床科研水平的一个重要命题,也是提升放疗的现代化程度,加快放疗领域的信息化建设进程的必要条件。笔者就从放疗数据的基本构成、放疗数据库标准化构建、数据解析思路等方面进行综述,探讨数据解析在放疗领域的数字化建设中发挥的重要作用。
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国际上通用医学领域的数字传输标准是DICOM标准,在放疗领域的数字存储传输标准是DICOM RT标准。DICOM文件是由大量的数据元素(data element)形成的数据集合,数据元素是组成数据集(data set)的基本单位。一个完整的数据元素包括数据标签(data element tag)、值表达(value representation)、值长度(value length)和数据区(value field)[1]。数据标签是数据元素的唯一标识,包括群编号(group number)和元素编号(element number)两组16位无符号整数。值表达描述数据类型,分显式和隐式,显式的情况下为2或4字节字符串。数据区描述数据元素的具体值,长度为偶数字节。值长度描述数据区的字节长度,为16或32位无符号整数[2]。数据集中的数据元素严格按照数据标签的升序存放,从而包含了DICOM RT的各种字段信息(包括患者信息、诊断信息以及图像数据信息)。DICOM RT数据实体如图 1所示。
图 1 放射治疗的医学数字影像和传输数据实体示意图
Figure 1. Data set and data element structures of digital imaging and communication in medicine radiotherapy
在实际的放疗临床应用中,通过DICOM RT标准,医院可以实现不同厂家医学图像设备、医学图像的放疗设备、图像工作站以及相应的放疗计划系统、质量验证系统等之间的相互通信。此外,该标准为医院实现放疗信息的数字化管理提供了方便,也为多系统的数据融合提供了重要的网络标准和协议,是完成不同来源的医学数字化影像系统间互联和影像互操作性最直接、最有效的手段。DICOM RT对象在实际的临床治疗过程中,数据的具体产生过程如表 1所示。
通过以上的数据实施步骤,就形成了完整的包括RT结构集(RT structure set)、RT计划(RT plan)、RT剂量(RT dose)和RT图像(RT image)、体外照射治疗记录(beam treatment record)、近距离治疗记录(brachy therapy treatment record)和放射治疗综合记录(treatment summary record)的记录治疗传输数据[3]。DICOM RT数据的结构化层次如图 2所示。
图 2 放射治疗的医学数字影像和传输数据结构层次
Figure 2. Data structure of digital imaging and communication in medicine radiotherapy
序号 设备处理 数据生成 1 医学影像设备对患者进行CT扫描。 由CT、MRI等设备采集得到DICOM格式的图像序列。 2 模拟工作站请求CT使用DICOM接口发送CT图像,并对DICOM图像进行处理,进行三维重建。 生成RT结构集对象(包括病灶和受保护区域等)。 3 治疗计划系统生成初步的RT计划对象。 产生RT计划数据(包括射束几何尺寸等)。 4 利用重建技术产生RT图像对象。 产生RT图像数据。 5 治疗计划系统读取上述对象,计算剂量数据。 产生RT剂量对象,生成新的RT计划。 6 验证系统取得完整的RT计划,对直线加速器等治疗设备初始化。 产生验证图像,作为一个新的RT图像对象,可与RT图像数据进行比较,验证数据的有效性。 7 将有效数据送至治疗设备进行治疗,治疗设备和验证记录系统定期对治疗参数作记录。 产生RT治疗记录对象。 表中,DICOM:医学数字影像和传输;RT:放射治疗。 表 1 放射治疗的医学数字影像和传输数据生成过程
Table 1. Data generation process of digital imaging and communication in medicine radiotherapy
DICOM RT标准沿用了DICOM的数据编码的方式,包含了DICOM定义的26种内部数据类型中的大部分,引入数据项来表达嵌套结构,1个数据集包含数个数据元素,1个具有嵌套结构的数据元素可以包含1个或多个数据项,而1个数据项又包含1个独立的子数据集,如此嵌套进行[4]。DICOM RT数据文件的嵌套相当频繁,如RT结构集数据文件可出现4层嵌套结构[5],这就使得DICOM RT中用来记录数据集中内容类型相同的信息对像的数据结构更复杂,如轮廓、射野等数据。
数据解析在肿瘤放射治疗中的应用
Data analysis in the field of tumor radiation therapy
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摘要: 笔者在该文中介绍了肿瘤放射治疗中医学数字影像和传输数据文件的编码规则以及数据机构, 综合放疗数据的产生过程和实际分布, 阐述了放疗临床数据库标准化构建的相关问题, 关注数据之间的逻辑关系以及数据构建过程中的细节, 结合数据解析在放疗临床中的实际应用, 以及软件思维进行数据解析的方法, 进一步探讨了放疗数据深度整合中的相关问题和应用意义。Abstract: Described in this paper are the data structure and encoding rules of digital imaging and communication in medicine radiotherapy in tumor radiation therapy. The process and the actual distribution of the radiation data integrated. Expanded the relevant issues of data base standardization construction, focus on the logical relationship of data analysis and the details of the data construction process, combined the data processing in clinic with the method of software technology in data analysis, further explore the issues related to data integration and application in radiation therapy.
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表 1 放射治疗的医学数字影像和传输数据生成过程
Table 1. Data generation process of digital imaging and communication in medicine radiotherapy
序号 设备处理 数据生成 1 医学影像设备对患者进行CT扫描。 由CT、MRI等设备采集得到DICOM格式的图像序列。 2 模拟工作站请求CT使用DICOM接口发送CT图像,并对DICOM图像进行处理,进行三维重建。 生成RT结构集对象(包括病灶和受保护区域等)。 3 治疗计划系统生成初步的RT计划对象。 产生RT计划数据(包括射束几何尺寸等)。 4 利用重建技术产生RT图像对象。 产生RT图像数据。 5 治疗计划系统读取上述对象,计算剂量数据。 产生RT剂量对象,生成新的RT计划。 6 验证系统取得完整的RT计划,对直线加速器等治疗设备初始化。 产生验证图像,作为一个新的RT图像对象,可与RT图像数据进行比较,验证数据的有效性。 7 将有效数据送至治疗设备进行治疗,治疗设备和验证记录系统定期对治疗参数作记录。 产生RT治疗记录对象。 表中,DICOM:医学数字影像和传输;RT:放射治疗。 -
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