一种带建模功能的二维电子线放疗计划系统

赖佳路，钟仁明

四川大学华西医院 放疗科，成都市，610041

0 引言

目前，电子线放射治疗在肿瘤放射治疗中仍扮演着重要角色。据统计，在恶性肿瘤的放射治疗中，约有10%～15%的病人需要接受高能电子线放射治疗[1]。电子线与X射线的单野剂量分布不同。电子线治疗时体表到最大剂量点深度剂量分布比较均匀，超过最大剂量点，剂量跌落迅速。电子线这种特性决定了它只适合用于治疗表浅的病变。如乳腺癌、鼻咽癌颈部淋巴结、瘢痕等疾病。二维电子线计划设计同样不同于光子线。二维电子线计划设计是基于水模体，采用单野照射且射束垂直于模体，源皮距SSD=100 cm，最终剂量归一到剂量最大点。每个二维电子线计划设计参数通常仅存在能量和射野大小差异。计划设计过程中通过选择合适限光筒和适形挡铅便可以计算出达到医生所给处方量需要的机器跳数。临床上的计划设计大多采用国外商用计划系统（Monaco、Raystation、Pinnacle等）实现，其功能丰富，基本可以满足临床需求，但是用户个性化的功能却难以定制[2]。如我科室使用的Pinnacle(V9.2)计划系统在进行电子线计划设计时因该系统不具有挡铅适形功能，为了形成医生所给的射野，物理师需要手动拖动铅块，当遇见与之前相同射野参数的电子线计划时又得重复之前劳动。某些医院为了能快速完成电子线二维计划设计提前将不同能量不同射野大小组合计算得到的机器跳数做成Excel表格，每次二维电子线计划设计时通过查表获得机器跳数，这种方式效率虽高但却存在查表错误的风险，同时也不利于计划设计文档的保存。本研究基于Qt creator平台开发了一款二维电子线放疗计划系统，配备有基本的电子线计划设计功能，并能对计划设计进行保存。系统减少了物理师的重复劳动，提高了二维电子线计划设计效率。

1 资料与方法

1.1 系统简介

电子线计划设计系统采用窗口式交互界面，使用菜单或按键的方式实现各个功能。系统开发基于Windows 10 64位操作系统（内存8 GB）和Qt creator 4.7.1集成开发环境，采用C++语言进行开发，该系统易于扩展，可移植性强。

1.2 信号与槽机制

Qt作为跨平台的C++图形用户界面应用程序开发框架，它封装了端到端应用程序开发所需的所有基础结构，为程序员开发多平台应用程序提供了方便[3-5]，信号与槽（Signal &Slot）是Qt编程的基础，也是 Qt的一大创新。有了信号与槽的编程机制，在 Qt中处理界面各个组件的交互操作变得更加直观和简单。信号（Signal）是在特定情况下被发射的事件,槽（Slot）是对信号响应的函数。信号与槽关联采用 QObject::connect() 函数实现，其基本格式是：connect(sender,SIGNAL(signal()),receiver,SLOT(slot()))。其中，sender是发射信号的对象的名称，signal() 是信号名称。receiver是接收信号的对象名称，slot() 是槽函数的名称。开发的系统将采用大量的信号与槽机制来实现人机交互以及各个功能模块之间的交互。

1.3 模块化开发方式

为了简化编程工作，方便将来对系统升级改造，系统采取模块化的方式进行开发。开发过程中将每个主要功能看做一个模块。同时由于各个模块之间可能存在相互联系，系统开发过程中将使用上节提到的信号与槽机制。结合二维电子线计划设计需求分析，本系统主要涵盖六个模块，见图1。

图1 系统功能框图Fig.1 The system-function diagram

以下函数为工具栏五个按键与对应功能界面的信号与槽连接方式。

其中Patient_Data、Plan_Design、Plan_Report、Create_plan_pdf、Configure分别为病人数据、计划设计、计划预览、打印计划和数据建模五个模块按键，SLOT()括号里面对应的槽函数为按键触发后需要执行的函数。图1所示模块中登录模块用于权限验证，只有具备相应权限的用户才能登录该系统。登录界面提供了用户名或密码输入错误提醒功能。病人数据模块用于登记、保存病人基本信息以及医生诊断信息。计划设计模块作为本系统的核心模块主要用于设计计划所需参数，该模块涵盖电子线计划设计的必要参数。参数设计完成后，系统便会根据用户选择的参数计算出达到医生处方量所需的机器跳数。计划预览用于查看计划设计的结果，再次确认计划是否设计有误。计划打印模块用于打印计划报告（PDF格式），方便物理师签字确认，同时保存计划设计的电子文档。数据建模模块用于提前将商业计划系统Pinnacle计算的数据录入我们所开发的系统中。建模模块可实现一次建模永久使用，同时也增加了系统的可扩展性，方便其他机器使用。

2 结果

2.1 各功能界面介绍

在二维电子线放疗计划系统的主界面，各个功能模块可以通过工具栏中按键进行切换。系统符合Window经典交互使用习惯。按照二维计划设计流程，工具栏从左到右采取病人信息→计划设计→结果预览→计划打印的排列方式，这种排列方式逻辑清晰，易于上手。

病人信息窗口用于登记病人基本信息，其中姓名和病人ID标注为必填项。病人基本信息栏采用Qt中的QFormLayout表单布局管理器，其中的控件以两列的形式被布局在表单中。左边包含标签，如Label，右边包含输入控件如QLineEdit，函数调用方式如下所示：

第一行代码设置左边标签，第二行代码设置右边控件。整个病人信息窗口除病人基本信息栏外还包括病人照片、病人诊断、备注栏。点击窗口下方的保存按钮系统将保存病人的基本信息。

图2为计划设计窗口，该窗口用于填写计划所需参数，如计划阶段、处方剂量、治疗机器、能量、射野大小等信息。该窗口右下角“Show Cone”栏将实时显示限光筒和挡铅形成的射野形状信息。计划设计完成后可通过工具栏结果预览按键查看计划设计的结果。

图2 计划设计窗口Fig.2 Plan design window

确认无误后点击工具栏计划打印按键，选择合适位置后计划被保存为PDF文档。PDF文档将呈现病人基本信息以及计划设计结果。文档中包含为达到医生处方量所需要的机器跳数，以及显示计划打印时间以及计划打印人员等信息便于将来查看分析。

为了让系统能用于不同单位不同加速器的二维电子线计划设计，专门添加了数据建模模块。图3为该模块的工作界面。建模模块因涉及放疗数据的安全，想编辑该模块需要进行密码验证，在密码验证之前界面的数据均为只读模式不能对其进行修改。图中“2000/10f/L5/E5/A10X10/3X3/216”代表当处方剂量为2 000 cGy/10次时L5直线加速器上使用5 Mev电子线能量，限光筒选择10×10，射野大小为3×3时候计算得到的机器跳数为216跳。当分次剂量改变，射野参数不变时系统会自动按照比例进行计算。数据建模完成后点击保存，界面又变为只读模式，直到重新输入正确的用户名和密码才能对界面中数据进行修改。

图3 数据建模模块Fig.3 Data modeling module

2.2 系统运行测试

测试对于软件开发来说极其重要，直接决定了软件开发质量。在测试过程中可以发现软件的缺点和不足，及时进行改进和修正从而提高软件的实用性和准确性[6-7]。电子线计划设计系统在Windows XP、Window 7和Windows 10操作系统上运行只需包含libgcc_sdw2-1.dll、libstdc++-6.dll、libwinpthread-dll、Qt5Core.dll、Qt5Gui.dll、Qt5Widgets.dll六个动态衔接库，程序大小为25 MB左右。本系统经过3名物理师分别在三个操作操作系统上对10例电子线计划设计病人进行测试（见表1）。测试过程中系统均运行稳定，系统兼容性较好，各个系统上均能准确执行。通过测试，单个病人电子线计划设计时间在三个Windows操作系统无明显差异，都在2 min左右，设计速度均快于Pinnacle计划系统设计时间（约为6 min）。二维电子线放疗计划系统在三个Windows操作系统上启动时间约3 s，快于商用计划系统Pinnacle（约12 s）。分析Pinnacle启动较慢原因是因为Pinnacle计划系统庞大且包含有大量病人信息，每次启动时需要加载过多数据，因此用Pinnacle这样的商用计划系统来进行二维电子线计划设计反而不具有优势。

表1 系统测试Tab.1 System Testing

3 总结

目前在放疗领域，商用的放疗系统常常是封闭系统，对于科研工作的使用多不方便[8]。商用计划系统Pinnacle对于光子线调强计划设计来说功能强大，但对于二维电子线计划设计来说由于缺少挡铅适形功能让物理师计划设计效率大打折扣。同时由于商用计划系统价格昂贵，科室配备的资源有限，在商用计划系统上进行大量二维电子线计划设计将占用过多时间。我们基于Qt开发的二维电子线放疗计划系统实现了从病人信息录入到计划设计以及打印保存的基本功能，同时建模模块能实现不同医院不同加速器的建模，极大增加了系统的可扩展性。对于我院而言本系统解决了计划系统资源不足问题，极大提高了工作效率，让需要进行电子线照射的肿瘤病人即时放疗得到了保障。系统未来可随着临床需要添加更多功能模块。