放疗信息系统（共7篇）
放疗信息系统 篇1
0 引言
放射治疗科作为技术依赖、设备依赖型科室, 对网络的要求极高。一方面, 多种治疗计划系统、各种治疗设备都是通过网络进行连接的;另一方面, 放疗网络还需要外接到医院信息系统 (hospital information system, HIS) 、影像归档与传输系统 (picture archiving and communication systems, PACS) 等, 其网络构成非常复杂。
作为全国首批数字化示范医院之一, 我院对信息化网络的建设一直很重视。全院建立了较完整的数字化医疗业务处理平台, 例如HIS[1,2]、PACS[3]、实验室检验系统 (laboratory information system, LIS) 等。
尽管全院信息化程度很高, 但放疗科在进行网络建设时仍然遇到较大挑战[4]。我科拥有多种放疗设备, 如ELEKTA公司的Precise、Synergy, Nucletron公司的HDR, Tomo Therapy公司的Hi-Art系统以及模拟定位机、CT定位机等。2011年以来, 又陆续引进Accuray公司的Cyber Knife、Variance公司的Rapid Arc、国产圣爱γ-knife等多种技术, 共计不同种类医疗设备9台。设备种类、网络构成非常复杂, Mosaiq、Aria、Tomo、Cyberknife 4种放疗局域网共存, 却并不相通, 同时还有术中放疗[5]、γ刀等无网络设备。这不仅直接制约了治疗科室自身的信息共享、流程改进和业务发展, 而且不便于医院对治疗科室进行工作量统计、成本核算和人员绩效考核等精细化管理, 已成为医院整体信息化进程中的一块短板[6]。
为改变这种被动局面, 我科协同计算机应用管理科针对治疗科室业务流程特点, 梳理治疗信息采集共享需求, 围绕流程优化和科室管理, 自行研制通用治疗申请与管理软件。该软件不仅能够灵活地采集治疗申请、执行确认、项目费用、人员设备等信息, 还具有各项统计功能。目前, 软件已试用1 a多, 取得了良好效果。
1 材料与方法
1.1 需求分析
放射治疗过程非常复杂, 从患者就诊开始, 历经模拟定位、CT定位、靶区和正常组织轮廓勾画、处方制定、计划设计与优化、计划质控、录入计价、治疗预约、治疗实施等步骤。期间根据患者治疗情况, 还需适当调整治疗方案, 甚至重新拟定放疗方案。
与PACS相比, 放射治疗的流程复杂化程度大大增加: (1) 一个疗程周期内, 患者需要定时接受多次治疗; (2) 患者的一次治疗费用数额较大, 通常需花费数万元, 因此, 患者有一次交清疗程费用的, 也有分批缴费的; (3) 系统需要准确计算患者已治疗费用, 并参考押金总额计算其是否欠费; (4) 患者治疗计划制定后, 技师执行治疗操作, 记录患者的治疗进展, 必要时通知医生变更治疗方案、调整治疗内容; (5) 不同治疗技术之间由于技术原理、设备性能等原因, 流程存在差异。
此外, 医院对科室进行工作量统计、成本核算和人员绩效考核等管理[7], 需要实时采集治疗人次、收费、患者分布、人员工作量、设备工作量等数据, 以进行管理分析。
1.2 功能流程
基于我科放疗技术种类繁多、流程复杂的特点, 为研制实用治疗管理软件, 首先对现有治疗流程进行梳理, 确定关键流程节点, 实时采集治疗业务数据;然后, 利用信息存储数据库, 通过对治疗过程、治疗费用、患者通过量和设备负荷的信息进行共享, 满足医院绩效管理、科室流程管理等需求。
原有治疗流程如图1 (a) 所示, 患者经接诊决定做放疗后, 医师开具治疗申请单和计价单;患者在收费处缴纳治疗押金, 到录入室由录入员将治疗计价单的计价项目明细录入信息系统, 确认患者押金数额;随后, 患者开始按疗程治疗;最后, 疗程结束, 患者到收费处结算。
原有流程存在的主要问题有: (1) 患者仅预交押金, 其数额与实际治疗费有偏差, 技师治疗时无法得知其缴费情况, 导致欠费甚至漏费; (2) 无法做到单机工作量及收费等实时统计。
改进后流程如图1 (b) 所示, 在患者确定治疗, 预约定位后, 即给患者建立数据库, 并预交部分押金, 录入相关费用。在计划设计完成后, 根据治疗计划初步确定患者该疗程所需费用, 通知患者补齐押金, 开始治疗。在每次治疗时, 自动计算该次治疗费用, 并在押金中自动扣除。
通过押金分开缴纳以及治疗确认2个关键流程点的优化, 大大地方便了患者缴费、科室管理, 不仅方便患者分次缴纳费用, 有效避免欠费、漏费等现象, 而且可以关联治疗时间、设备、医生、技师等要素, 对工作量统计、成本核算和人员绩效考核等绩效项目进行统计分析, 实现数字化管理。
新设计软件治疗申请与计价流程如图2所示。在该流程中, 强化了登记处及治疗机房2处在流程中的节点地位, 通过这2个节点进行数据采集, 为科室信息管理提供数据。
软件功能模块见表1。其中, 核心功能包括: (1) 在登记处, 录入人员建立每个患者的放疗基本信息, 录入治疗申请项目和每项费用信息, 并提供信息修改功能; (2) 在治疗机房, 治疗师确认每次治疗情况, 并记录该次治疗实施的人员、设备、时间及计价信息; (3) 判断本次疗程是否结束, 如未结束, 则提示技师及患者疗程尚需继续治疗;否则通知患者疗程结束, 需找经治医生开具治疗小结, 并到收费处结算; (4) 判断是否欠费, 如已欠费, 则提示技师督促患者及时缴纳押金; (5) 根据各节点采集的数据, 提供统计分析功能, 从而实时查询全科室治疗信息, 对科室治疗情况进行统筹安排。
1.3 系统设计与接口
系统程序开发语言采用C#, 运用Microsoft Visual Studio 2010作为集成开发环境。用户群主要分为3种:录入护士、治疗技师、管理物理师。其中录入护士权限为新增申请、修改申请;治疗技师权限为治疗确认;物理师负责系统管理, 权限为查询统计、字典维护、系统设置。统计查询可以将数据汇总导出, 以便为医院、科室决策提供数据支持[8]。
系统与HIS无缝连接, 患者在申请登记时可直接调用HIS中的相关信息, 包括患者身份信息、治疗情况、费用缴纳情况。系统与HIS的接口技术采用逻辑层的异构访问, 通过开发应用程序端, 在应用端安装应用程序实现异构连接数据的访问, 方案如图3所示。该接口技术在程序运行时发出指令, 进行连接, 不会影响原有数据库系统, 安全性较高。
1.4 实现功能
鉴于放射治疗过程的复杂性、治疗设备的多样性, 本软件研制的主要目的在于优化流程, 方便患者诊治及费用缴纳, 提高科室管理水平。因此软件既要尽可能优化流程, 又要采集足够信息。为此, 在软件研制过程中采用以下技术, 确保软件使用便捷、数据采集完整、用户交互友好。
1.4.1 建立放疗数据库, 完善管理
我科仅放疗网络就有Monaiq、Varia、TOMO、Cyberknife等多套不同系统。采取不同技术实施治疗的患者, 缺乏联系的纽带, 给科室管理带来很大的困扰。通过该软件, 为患者建立数据库, 进行统一管理和标志, 建立治疗号机制。一个疗程对应唯一一个治疗号, 该号将此疗程的定位、计划设计、执行确认、计价费用、治疗设备等各个环节信息联接起来。通过条形码技术, 使得在流程各环节中都能便捷获取治疗信息。
1.4.2 后台自动信息采集机制
放疗环节众多, 包括模拟定位、CT定位、靶区及危及器官勾画、计划设计与优化、质控与验证、治疗实施等多个步骤, 而这些工作涉及不同设备、人员和岗位。为实现精细化管理, 需要区分治疗前和治疗中的人员、设备、费用等信息。本软件采用端到端机制, 在代表治疗起点的登记处和代表治疗最终实施的治疗机房2个关键节点进行信息采集及校验, 实现放疗信息的自动采集, 以完善科室治疗信息数据库。
1.4.3 后台自动计价机制
对于不同环节涉及到的不同设备、人员、岗位、收费项目, 系统采取治疗地后台自动计价机制。其原理是建立治疗计价分类字典, 将每条治疗计价项目按照执行地点分类, 如专用X线复杂模拟定位等项目属于模拟定位, 碘帕醇注射液等项目属于CT定位, 加速器疗法、实时显像与剂量监测等项目属于放射治疗。不同阶段的治疗师在实施确认时, 仅需扫描条形码, 系统会自动识别本项目的执行地点, 自动搜索并列出计价项目, 从而实现后台自动计价。
1.4.4 基于数据集成实现流程无缝对接
通过与HIS的数据集成, 本软件可以实时提取患者基本信息、治疗信息、治疗收费项目明细及价表、治疗设备信息等。支持将治疗计价信息实时返回到门诊患者的待收费明细表和住院患者的住院费用明细表中。
2 结果
本软件由我院计算机应用与管理科根据放疗科的特殊情况, 与放疗科共同开发研制, 迄今已运行1 a多。从运行情况来看, 软件优化了放疗流程, 方便了患者费用缴纳, 进一步改善了医患关系;改变了科室多个放疗网络缺乏联系纽带、信息散乱的现状, 统一了科室对放疗人员、设备、费用的管理;实现了治疗业务信息与HIS的共享。不仅有效避免了治疗欠费、漏费、大额退费现象的发生, 而且通过数据共享, 大大方便了技师、医生对患者治疗情况的及时掌握, 提高了科室绩效管理水平。
通过在放疗科的试点, 本软件拟进一步完善, 增加各个科室的特有项目, 进而推广到全院, 作为本院所有科室, 尤其是医技辅诊相关科室的通用计价收费管理软件。
在现有基础上继续改进, 进一步优化流程和提高科室精细化管理及信息化水平: (1) 与门诊系统集成, 实现医生工作站直接发送电子申请, 简化录入工作流程; (2) 与分诊叫号系统集成, 支持待治疗患者的报到、排队和语音叫号, 进一步规范患者治疗秩序, 提升治疗科室服务质量; (3) 逐步实现与放疗计划工作站系统 (treatment planning system, TPS) 的集成, 实现治疗计划数据的在线获取与集成; (4) 加入预约排程功能, 提高设备利用效率, 方便患者治疗。
3 讨论
医院信息化方兴未艾, 以数字化医疗设备、IT基础设施和各类临床信息系统为支撑的数字化医疗正在改变着传统的医疗工作模式, 在提高医疗质量、减少医疗差错、优化医疗工作流程等方面表现出巨大潜力[9]。
随着肿瘤发病率的日益提高以及放射治疗在肿瘤综合治疗中的重要作用, 放疗科在全国乃至全世界都在蓬勃发展。在国外, 放疗信息系统已经相当成熟, 工作流程基本信息化;但是国内医院发展滞后, 由于客观条件的限制, 大部分放疗中心仅拥有最简单的放疗网络, 即使引进先进网络, 也无法充分利用。
部分放疗中心引进国外知名网络系统, 但这些“洋品牌”尽管功能强大, 却很难适应中国放疗设备构成复杂、治疗患者众多、后续投入难的特殊情况。更由于技术壁垒、语言、使用习惯、与医院网络不兼容等原因, 利用程度仍然相对偏低。国内的部分软件厂商也尝试开发本土放疗信息系统, 但由于技术、投入、市场等原因, 表现不佳, 已有的成熟产品虽已投入市场, 但仍需不断完善。
放疗科作为设备依赖型科室, 具有资产成本高、收益率高、设备故障率高等特点, 同时由于患者病情复杂、心理压力大、周转慢, 如无有效的管理途径, 很容易造成资源利用不均衡, 医患矛盾加剧。本软件立足科室的实际需要, 首先整合了科室资源, 解决了流程信息化的问题, 促进了业务发展, 提高了治疗效率;同时, 有助于实现全院各临床科室与治疗科室之间治疗流程的优化和治疗信息的共享, 对临床业务工作的提升起到至关重要的支撑作用;此外, 本着以人为本的原则, 在费用的缴纳、治疗过程提醒等方面方便了患者, 提高了患者满意度, 改善了医患关系;也为更先进放疗信息系统的研发提供了有益参考。
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肿瘤放疗前沿:质子治疗系统 篇2
从早期常规放射治疗设备到以医用直线加速器为代表的放疗治疗系统, 放疗技术发展迅速。其中质子治疗已成为医学物理界的前沿热点, 它是在电子直线加速器基础上的质的飞跃[1,2,3]。自1946 年美国哈佛大学Wilson提出质子治疗建议以来, 质子治疗经历了漫长的发展道路。质子治疗作为最新的放射治疗技术, 国内相关报道较少, 本文主要介绍这一新技术的特点、优势及其设备的发展和应用现状, 旨在为肿瘤治疗提供相关信息。
1 质子治疗概述
1.1 原理
质子与中子结合形成各种原子核, 再加上电子, 组成各种元素。质子粒子极其微小, 带正电, 可以经电场高速运动, 产生极高的能量。质子在人体内是直线型照射前进的, 用于放射治疗的质子是氢 (H2) 电离后形成的。质子在人体中的能量衰减速度起初不大, 后快速上升形成一个峰值, 通常称为Bragg峰 (布拉格峰) , 然后又急速下降到零, 见图1。
早在20 世纪50 年代人们就己知道质子治疗的原理, 但是受定位精度、质子加速器、计算机传输速率等条件的限制, 直到21 世纪质子治疗才在加速器应用技术、计算机技术和CT影像诊断技术等高科技的基础上逐步得到了发展。目前放射治疗技术虽在肿瘤治疗中取得了明显疗效, 但由于X射线、γ 射线等放射线以指数形式衰减, 射程无法控制, 所以对正常组织的损伤较大。而质子射线在能量释放过程中会出现Bragg峰, 这种Bragg峰的优良剂量分布促使质子束的能量能集中释放在癌细胞处[4]。用自动化技术人为控制射线能量释放的方向和部位, 称为“定点爆破”技术, 可显著提高肿瘤的治疗剂量, 同时减少正常组织的损伤。质子治疗时, 质子峰值部分对准肿瘤病灶处, 肿瘤处受照剂量最大, 而肿瘤前方的正常细胞的受照剂量只有峰值的1/3~1/2, 肿瘤后方的正常细胞基本上不会受到任何放射损害。这种物理特性决定质子治疗比电子线、γ 射线、X射线等目前主要的肿瘤放疗手段, 在肿瘤治疗上有能量大、穿透力强、对周边组织损伤小和治疗时间短等显著优势[5]。此外质子还有半影小、旁散射少等优良特性, 因而质子治疗被认为是当前最先进的肿瘤放射治疗技术。
1.2 系统优势
质子治疗系统的关键设备是射线源发生器, 有回旋加速器和同步加速器两种。最早在美国进行的治疗实验采用的是核物理研究用的回旋加速器。随着治疗实验的进一步深入, 美国FNAL实验室首先研制了治疗专用的同步加速器。质子治疗系统主要由加速器、能量选择系统、束流输运系统、治疗头、控制系统、剂量测量与定标系统以及治疗与装置数据库、专用准直器与补偿器加工中心、呼吸门开关控制等部分组成。
与传统放疗技术相比, 质子治疗具有以下优势:1 提高肿瘤照射水平。治疗用的质子束需要根据病人病变情况进行精细改造, 以达到最佳剂量分布, 符合治疗需求。2提高局部控制率。质子治疗可使肿瘤接受最大照射剂量, 而正常细胞基本上不会受到伤害, 降低了由于肿瘤局部剂量不足导致治疗失败的可能。3 减少并发症。普通放射线在杀死癌细胞的同时会损伤癌细胞周围的正常组织, 引发严重的并发症。质子治疗由于其特殊的物理特性能够显著减少治疗后的并发症, 还能降低患者继发第2 种肿瘤的风险。4 加强放、化疗的治疗效果。和传统治疗方法联合使用, 质子治疗还可以提高患者的生存期。日本筑波大学的研究表明, 肝癌患者在接受质子治疗后, 中位生存期提高到29个月, Ⅰ期+ Ⅱ期患者的5 年生存率达到了46% ;前列腺癌患者在接受质子治疗后, 5 年生存率提高到84%~94%。
2 质子治疗系统的发展现状
2.1 发展历程
1946 年Wilson首次提出了将高能粒子用于放射治疗的设想, 他详细地描述了人体内各种高速粒子的深度计量分布图-Bragg峰。1954 年Tobias等人在美国加州大学进行了世界上第1 例质子治疗。此后瑞典Uppsala大学、美国哈佛回旋加速器实验室、前苏联等相继开展了质子治疗的临床研究。20 世纪80 年代末, 日本、瑞士、瑞典及英格兰的科学家们纷纷加入这一研究行列。1991 年美国Loma Linda大学医学中心首先启用了专为医学设计的质子装置。此装置体积小、费用低, 正式宣告质子治疗进入临床医学领域。1986 年第1 个国际性粒子治疗协作组成立, 目前已有包含美国、日本、俄罗斯、德国、瑞士、瑞典、英国、法国、南非、加拿大、意大利、中国等在内的26 个国家的研究中心正在开展质子治疗[6]。
2.2 应用现状
1975 年, 美国麻省总医院和哈佛大学将质子治疗应用于眼球脉络膜黑色素瘤、颅底软骨瘤、脊索瘤和前列腺癌。1976 年, 美国马萨诸塞州将质子治疗引入眼葡萄膜黑色素瘤的治疗中。1979 年, 日本也开始进行肿瘤质子治疗。20世纪80 年代后期, 日本筑波大学在肝癌、食道癌、肺癌等内脏器官肿瘤上做了大量临床研究工作。20 世纪90 年代初期, 我国研究人员开始学习质子治疗的基础知识、物理知识以及临床知识等。1995 年国家科委启动了国家攀登计划“核医学与放疗中先进技术的基础研究”, 明确了中国发展先进放疗技术基础研究的战略。为进一步促进该技术在中国的发展, 1999 年中国科学院高能物理研究所邀请部分专家撰写了《质子治疗技术基础》, 2004 年北京质子医疗中心组织了肿瘤医学、高能物理、医学工程、环境保护、辐射防护等领域的专家编写了《肿瘤质子治疗学》, 以使国内放射肿瘤学界学者们较全面地了解质子治疗的发展历史、相关物理学和生物学基础、治疗装置构成及临床治疗结果等。2004 年11 月, 国内第1 台医用质子治疗系统在山东淄博万杰医院建成并应用于临床, 至今已用于治疗200 多例肿瘤患者[6]。
目前质子治疗的适应症主要包括中枢神经系统肿瘤如脑转移瘤、垂体瘤、脑动静脉畸形、脑膜瘤、星形细胞瘤等;颅底肿瘤如脊索瘤、软骨肉瘤等;眼部脉络膜黑色素瘤、黄斑变性、眼眶肿瘤等;头颈部肿瘤如鼻咽癌、口咽癌等;胸腹部肿瘤如肺癌、肝癌、食道癌等;盆腔肿瘤如前列腺癌、子宫肿瘤及脊索瘤、软骨瘤等[7,8,9,10]。
3 展望
质子治疗是核技术、计算机技术、精密机械、图像处理、数据通讯、自动控制和医用影像等相互交叉和整体集成的产物, 复杂性高。目前国际上只有欧美少数几家大医院采用质子治疗系统开展了肿瘤质子治疗。相信随着我国经济、科技的发展和人们健康意识的不断增强, 在不远的将来, 国内也会逐步开展相关研究工作。
摘要：本文介绍了质子治疗的原理、特点及优势, 并阐述了质子治疗系统的基本结构、发展历程及其临床应用现状, 指出质子治疗作为前沿放疗技术将为肿瘤治疗带来新的发展方向。
关键词：肿瘤放疗,质子治疗系统,Bragg峰,回旋加速器,同步加速器
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快速调强放疗系统通过鉴定 篇3
山东新华医疗器械股份有限公司研发成功的快速调强放疗系统, 经北京医疗器械质量监督检验中心检测, 性能指标符合YZB/国1712-2009“医用电子直线加速器”和YZB/国1992-2011“多叶准直器”等相关标准要求。日前通过专家鉴定, 认为该产品的整体技术达到国际先进水平。
该快速调强放疗系统是由高性能医用电子直线加速器、多叶准直器 (MLC) 、集成控制与治疗参数验证系统 (RVS) 、逆向调强三维放疗计划系统 (3D-TPS) 等组成的。该系统的主要创新点包括:优化了三维放疗计划系统软件的子野算法, 实现了快速调强;改进微波传输技术, 使加速器剂量率达到600 MU/min;改进准直器设计, 实现了多叶准直器与加速器治疗头的内置集成;开发加速器集成控制与治疗参数验证系统, 提高了临床治疗的可靠性;优化剂量监控系统, 提高了低MU时的剂量精度, 可保证调强放疗精度。
螺旋断层放疗系统的临床应用 篇4
螺旋断层放疗 (Tomotherapy) 机的外形和结构就是一台兆伏级的螺旋CT机, 只是将传统CT机X线球管换成了一个小型6MV直线加速器。该加速器可产生双能兆伏级X射线, 既可以像传统螺旋CT一样扫描病人, 也可以用调强后的射线来治疗肿瘤病人。治疗过程相当于逆向CT重建, 可以产生非常精确的、按照肿瘤形状分布的理想剂量分布。
传统加速器的核心技术和构架在过去40年里几乎没有实质性的改变, 但是放疗技术本身和临床需要已经从初期粗放的二维治疗方式, 发展到三维适形, 再到调强放疗 (IMRT) , 现在已进入影像引导放射治疗 (IGRT) 时代, 下一步将是自适应剂量引导放疗 (ART) 或剂量引导放疗 (DGRT) 。而断层放疗的发明顺应了放射肿瘤学的发展方向, 颠覆了传统的C型臂加速器技术, 给放射治疗带来了革命。
与此相对应, 螺旋断层放疗机从一开始就被视为是为调强放疗而出生的, 加上它本身就是CT机, 因而也被视为天生的IGRT设备[1,2,3]。除此之外, 它能在治疗前产生MVCT图像, 然后根据该CT图像快速计算出当天患者所受剂量, 如有必要可依据肿瘤及器官解剖的变化重新进行计划优化, 进而产生自适应后的新计划[4,5,6]。
螺旋断层放疗机由美国威斯康辛州HI ART (High Integrated Adaptive Radiation Therapy) 公司生产, 2002年通过美国FDA批准, 于2004年在美国正式销售用于临床治疗, 目前全球装机超过450台。我院为我国首家引进螺旋断层放疗系统的单位, 于2007年9月份开始治疗患者, 至2012年8月底共治疗患者2253例, 其中头颈部肿瘤占40.7%, 盆腔肿瘤占27.2%, 腹部肿瘤占17.0%, 胸部肿瘤占7.7%, 其他部位肿瘤占7.4%;并对不同部位肿瘤螺旋断层放疗的计量学特点及临床疗效进行了较系统的研究和观察。
2 螺旋断层放疗的独特性
如何理解螺旋断层放疗的调强理念?或者为什么说螺旋断层放疗机就是为调强放疗而生?我们可以简单地回顾一下放疗技术的发展历史。
从三维适形放疗开始看:放射线从多个角度经过按照肿瘤形状切割的二维铅挡块或多叶光栅后进行照射, 形成的剂量分布大致在三维方向上符合肿瘤的形状。因为在射野区域射线强度是均匀的, 所以三维适形放疗技术也可认为是二维调强技术, 适用于形状及解剖关系简单肿瘤的放疗。
设想, 如果射线投射角度很多 (如每2°一个投射, 360°形成180个投射) , 就变成几乎连续地改变铅挡块孔径形状 (通常用MLC连续移动) 进行适形照射, 此为拉弧照射 (Arc Therapy) 的实质。投射角度增多使得优化自由度增大, 从而可达到很好的适形度。但这样做的前提是肿瘤形状 (靶区) 不能太复杂, 因为射线在每个投射角度上, 只有适形而没有调强[7,8,9,10]。
从三维适形放疗发展到调强放疗 (三维调强, IMRT) , 可以通过固定式三维铅挡块或可变式MLC两种途径来实现。前者铅块被切割成凹凸不平的厚度, 使得每个射野中的强度不再均一, 最后多个角度的投射叠加在一起实现了三维调强放疗。后者在每个投射角度MLC叶片多次变换位置, 既可以是叶片到位后再出射线 (停-射式) , 也可以是叶片边运动边出射线 (动态调强) , 在几个固定的投射角度上形成非均匀的剂量通量图, 与三维铅挡块所产生的效果相同。增加投射角度可以提高适形优化的自由度, 而在每个角度上提高调强能力, 则可以提高剂量分布的适形度和均匀度。但由于MLC叶片移动的速度有限 (通常在2 cm/s左右) , 加上需要验证叶片到位精度, 如在每个投射角度上形成高度调强或复杂的剂量通量, 会耗费很多时间。所以现代加速器在每个投射角上的调强程度一般不会太大 (5~7级) , 投射角度 (主野数) 不会太多 (5~9个) 。要获得调强放疗的理想境界, 既有大量的投射角度可用, 又能在每个投射角度上实现高度调强, 就必须改变传统MLC调强的方式。这也是螺旋断层放疗系统的独特优势以及核心技术之一:二元气动多叶光栅[11,12,13]。
螺旋断层放疗系统采用的气动MLC, 其叶片移动的速度为250 cm/s, 是传统MLC叶片速度的125倍, 因此在相同时间内, 对射线的调制能力也是传统MLC的100倍以上。虽然螺旋断层放疗在360°中有51个投射角, 但由于是螺距比 (Pitch) 为0.2~0.4之间的螺旋扫描, 每一个断层可以接受到3~4次的重复照射。因此对每一个断层总的投射可达150~250次, 对每一次投射的剂量调制可达100个层级 (即在每个照射角度上有百倍的调强能力) 。由此螺旋断层放疗系统在旋转照射的过程中, 既有大量的投射角度可以选择, 又能在每个角度上实现高度调强。
除此之外, 螺旋断层扫描的治疗方式还可以突破传统加速器治疗范围的局限性。如传统加速器通常一次治疗40 cm以内的区域, 做复杂调强放疗时范围更小;而螺旋断层放疗系统可以像螺旋CT扫描那样, 一次治疗的长度可达160 cm, 横断面 (直径) 最大可达60 cm, 所以可以对多处病灶、大体积或长形肿瘤实施调强放疗, 无须进行多野衔接。
再从IGRT的观点来看, 螺旋断层放疗系统的CT扫描功能是与生俱来的。因为它本身就是一台CT机, 可以在每次治疗前进行极低剂量的CT扫描, 验证病人的摆位精度。另外, 由于螺旋断层放疗系统的MVCT图像和传统的CT图像本质一样, 其CT值与电子密度之间呈精确的线性关系, 因而可以用来做准确的剂量计算。这又使得螺旋断层放疗系统走进了DGRT或自适应放疗 (ART) 的新境界。
3 螺旋断层放疗的临床优势
3.1 解剖结构复杂的肿瘤
如临近重要器官肿瘤 (鼻咽癌等头颈部肿瘤, 前列腺癌、宫颈癌等盆腔肿瘤等) 的首程放疗或肿瘤复发后的再程放疗[14,15,16,17]。
我院的计量学研究发现, 螺旋断层放射治疗鼻咽癌, 靶区的适形度、剂量的均匀性, 以及对腮腺、颞颌关节和喉-气管-食管的保护性均优于常规加速器静态调强放疗。2007年9月~2009年9月, 73例初治鼻咽癌患者接受螺旋断层放疗。处方剂量:原发肿瘤及转移性淋巴结计划靶区70~74 Gy/33F, 高危计划靶区60~62.7 Gy/33F, 低危计划靶区52~56 Gy/33F。出束治疗时间平均为468.8 s, 较常规加速器静态调强放疗至少缩短近5 min。急性反应主要为1~2级。口干症随时间逐渐缓解, 至放疗结束后1年无≥2级口干。中位随访时间14.8个月。1年无复发生存率、无远处转移生存及总生存率分别为95.6%、97.2%和94.8%。
3.2 解剖结构特殊的肿瘤
如双侧乳腺癌、胸膜间皮瘤的放疗及头皮恶性肿瘤的全头皮放疗。
3.3 长度与范围较大的肿瘤
如全中枢神经系统 (全脑及脊髓) 放疗, 全骨髓放疗 (TMI) 全淋巴放疗 (TLI) , 大范围的腹-盆腔放疗。
在全中枢神经系统放疗中无需常规放疗所需的接野。以全骨髓放疗代替骨髓移植前的全身放疗, 可显著降低正常组织受照剂量, 从而使患者的耐受性得到提高, 所以可望通过提高照射剂量来提高白血病的治疗效果。在大范围的腹-盆腔放疗时, 可有效地保护肾脏、肝脏、脊髓等正常器官。
3.4 多发病灶肿瘤
如对颅内多发转移瘤的放疗, 可一次完成治疗, 无需因更换靶点而中断放疗, 同时也免了三维适形放疗由于照射野过少导致剂量重叠而造成的“热点”。
3.5 DGRT或ART
很多研究显示, 在肿瘤的放疗过程中, 不但肿瘤的体积和位置会发生改变, 而且邻近的正常器官的体积和位置也会发生变化, 从而导致包括脊髓在内的正常器官的实际照射剂量高于原治疗计划。每一次螺旋断层放疗前的图像引导不但可以校正摆位误差, 而且可以计算出每一次治疗的实际剂量分布, 从而可以及时调整治疗计划, 避免正常器官受到高剂量照射[18,19,20,21,22]。
放疗信息系统 篇5
关键词：放疗呼叫系统,CC2530芯片,Zigbee技术,呼叫报警器
0前言
放疗是癌症三大治疗手段之一。它用X线、γ线、电子线等放射线照射肿瘤, 是抑制和杀灭癌细胞的一种治疗方法[1]。对癌症虽是一种有效的治疗方法, 但放疗会产生放射性皮炎、放射性食管炎以及食欲下降、恶心、呕吐、腹痛、腹泻或便秘等诸多毒副反应, 使患者饱受痛苦。在放疗过程中, 放疗病人都是被特殊的固定装置固定好体位, 使患者无法自由移动体位。特别是一些特殊患者, 如喉癌患者, 在放疗的过程中肢体固定, 气管切开, 无法发声。在放疗过程中感到不适或痰液堵塞气管时, 就需要一种能够及时方便呼叫工作人员的设备。其次, 新疆是一个多民族聚居的地方, 包括47个民族。其中, 维吾尔族是主体民族, 人数占全区人口的47.5%;而汉、哈萨克、回、蒙古、柯尔克孜、锡伯、塔吉克、乌孜别克、满、达斡尔、塔塔尔、俄罗斯等12个民族在新疆也有较长的居住历史。新疆主要的13个民族, 各民族语言不同, 文化教育相对有差异, 因此患者和工作人员用语言沟通比较困难。本文提出的放疗室呼叫系统主要就是针对于这种实际情况而设计, 以方便放疗患者在身体不适时能够及时地呼叫工作人员, 使其得到快速处理, 从而减轻患者痛苦和防止意外事件的发生。
1 Zigbee技术简介
为了减少重新布线的成本和工作量, 本文设计的放疗室呼叫系统采用了Zigbee技术。Zigbee技术是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议定制的一种无线技术规范。该技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术[2]。在无线数据传输及互联网领域有及其广泛的应用前景和实用价值。一般情况下, Zigbee传输距离通常为几十米, 通过功率放大可以使传输距离达到数千米。另外, 由于Zigbee中的设备使用了16位地址码, 从理论上说可以扩展多达65535个无线模块, 它们可以共存于同一个Zigbee网络中, 这个网络内的每一个Zigbee节点之间都可以互相收发数据, 而且可以指定向某一个节点或者协调器发送数据, 由Zigbee网络自动选择最佳路由, 因此, 数据能够可靠的传输到目标节点。
本系统工作于2.4GHz的医疗与无线电爱好者开放频段, 使用无需申请。系统具备中继和自动选择路由的能力, 因此, 患者发出的呼叫信息能够及时地发送到工作人员和放疗操作室, 从而让患者得到及时的处理。
2 呼叫系统硬件设计
系统由一个Zigbee协调器、若干中继路由器、多个终端呼叫器以及呼叫报警器构成。其中, 协调器负责启动整个网络, 它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID, 随后启动整个网络, 一旦网络启动完成, 协调器的工作就充当路由器的角色。路由器负责网络的中继和转发功能, 它的上端可以连接协调器, 下端可以连接终端节点, 平级还可以连接与它同一级别的协调器, 用以扩大网络的覆盖范围[3], 很好地解决了放疗机房屏蔽的问题。除此之外, 路由器本身也可以作为终端节点的功能来使用。呼叫器和呼叫报警器属于Zigbee网络中的终端设备。呼叫器用于病人在感到不适时向工作人员发出求助信息;而报警器由工作人员随身携带, 随时都可以接收到病人发来的求助信号, 并可以及时处理特殊情况。
整个呼叫系统使用对等网络拓扑结构, 在对等网络结构中, 每个设备可以和任何在其范围内的所有设备进行通信。在本系统中, 对网络中的设备做了一定的限制, 使得呼叫器只能和报警器之间进行通信。系统结构, 见图1。其中, C负责启动网络, 在启动网络之后, 它所扮演的角色也就结束了;R表示为协调器;D表示医技护工作人员;P表示患者。在该网络拓扑结构中, 网络中的任何一个节点都可以作为路由器, Zigbee网络会自动选择合适的路由, 将数据准确无误的发送到指定的接收节点。
在本系统中, 网络中的设备使用TI公司的CC2530芯片作为控制器及Zigbee收发器。CC2530芯片用于2.4GHz的Zig Bee应用解决方案, 它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530芯片结合了领先的RF收发器的优良性能, 业界标准的增强型8051 CPU, 系统内可编程闪存, 8-KB RAM和许多其他强大的功能。因此, 系统中每一个节点只需要一片CC2530芯片就可辅以其他周边设备实现所需功能。系统节点结构框图, 见图2。
患者呼叫器和医技护工作人员接收器均使用相同的硬件电路, 减少了硬件设计的工作量, 但在软件设计上有所区别, 从而使其担任不同的角色。在该电路中, 使用CC2530芯片作为系统控制器。该芯片内部集成了一个增强型的8051核和一个2.4GHz的无线收发核, 让使用者不必去考虑射频电路部分的设计, 而只需要考虑天线匹配部分即可。除此之外, 系统使用电池供电, 因此不得不考虑每个终端的功耗问题。首先, 外部电路要增加电池电量监测电路, 从而使得系统供电不足时能够提示用户更换电池。其次, 在考虑系统性能的同时, 为了降低功耗, 系统使用了32MHz的高速晶振和32.768k Hz的休眠时钟, 由于该设备在绝大多数时候都处于睡眠状态, 使用休眠时钟可以极大地降低功耗, 延长电池的使用寿命;而在数据收发的过程中, 系统需要快速响应, 必须有高速晶振为其提供脉冲。患者通过按键向医技护工作人员发送求助信息, 并等待工作人员的响应, 得到响应后指示灯亮。在该电路中, 天线匹配电路尤为重要, 它直接影响无线信号的传输距离。因此, 在布局和布线过程中, 天线匹配电路需要对称, 并且周围必须敷地, 从而最大程度的避免接收到干扰信号。
3 软件设计
软件是基于TI公司提供的Zstack协议栈开发的, 它经过了Zig Bee联盟的认可, 并且为全球众多开发商所广泛采用。Zstack实际上是帮助程序员方便开发Zig Bee的一套系统, 它采用轮转查询式操作系统OSAL。该系统提供的功能包括任务的注册、初始化、开始, 任务间的消息交换、任务同步、中断处理、时间管理、内存分配等功能[4]。另外, 在Zstack协议栈中, 已经完成了底层硬件层、中间协议层以及高端应用层的初始化, 各层具体功能, 见图3。
在系统启动之后, 首先会由网络中的Coordinator负责建立网络, Coordinator必须是一个全功能设备, 并且是孤立设备。建立网络时, 协调器首先扫描信道, 在其通信范围内广播信标帧, 如果没有收到返回信号, 则表明该范围内没有已经存在的网络, 然后自己建立一个新的Zigbee网络, 等待其他节点的加入。
在本系统中, 呼叫器以及报警器都属于Zigbee网络中的设备, 它们都必须加入到Coordinator所建立的网络中去, 成为网络中的节点。节点加入网络的过程是复杂的, 首先需要发送节点加入网络请求, 得到路由器的响应后, 再次发送关联命令, 并等待上一级的响应, 最后发送数据请求命令[5]。经过3次请求才会真正加入网络, 然后实现数据通信功能。该节点也具备路由器的功能, 可以中继其他节点发来的数据, 也可以允许新的节点的加入。Zigbee网络中的任何一个节点可以随时离开其所在的网络, 从而不会影响其他节点信号的传输, 保证了网络的可靠性, 使得呼叫器发送的求助命令可以准确及时地发送到工作人员和操作室报警器上[6,7,8]。
4 结束语
本文根据新疆多民族地区和放射治疗的实际环境, 结合Zigbee技术和支持Z-Stack协议的CC2530处理器设计了放疗室呼叫系统。利用Zigbee网络实现组网、数据传输、中继等功能, 使得其覆盖面积达到预定的范围。该系统可以使患者在治疗过程中, 在行动和发声受限、语言交流比较困难的情况下, 实时呼叫工作人员, 从而使得工作人员可以及时了解患者的需求, 减轻病患的痛苦和防止意外事件的发生。
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核通调强放疗计划系统的临床应用 篇6
1 图像的扫描与导入
患者采用仰卧位, 采用头颈肩面膜加以固定, 颅顶 (vertex) 至气管隆突水平按顺序无间隔以5mm的层厚扫描 (原发灶的区域可选择2.5 mm层厚, PET/CT按已设置好的3.75mm层厚扫描) , 扫描前按常规CT检查要求注射影像增强剂。CT图像在GE公司的LightSpeed RT型CT扫描, PET-CT图像在discovery ST扫描。CT和PET-CT图像通过网络传输到核通治疗计划系统上。
2 靶区勾画
临床医生根据CT图像参考MR图像确定鼻咽原发大体肿瘤靶区GTVnx, 根据PET-CT确定PET-GTV, PGTVnx为GTVnx+10 mm (但在脑干、脊髓、视交叉、视神经等处时与上述器官应有3~5mm距离) , GTVnd:为增强CT或增强MRI显示的颈部转移淋巴结。CTV1:定义为鼻咽肿瘤亚临床靶区和高危淋巴引流区, CTV2:定义为颈部预防照射区 (高危淋巴结区之外的颈淋巴结区) , CTV1、CTV2外扩3 mm构成PTV1、PTV2。同时勾画出正常组织和器官。
3 计划设计
首先在靶区周围定义剂量成形结构 (Dose Shaping Structures) , 在PTV1、PTV2周围定义包围靶区的壳层 (Ring-PTV1, Ring-Body) , 在靶区凹陷部位的定义扇形区 (Fan-up Fan-down) , 定义剂量热点和冷点 (Tgl-Hot, Tgl-Cold) , 这些假靶为了让靶区更适形。最后采用5~7野等均分布野, 给射野加上MLC。其7野的射野方向推荐如图1。
4 计划优化
该计划系统有两种优化模式:一种是通常说的“三步法”, 先找到最优解, 再确定子野序列, 最后进行剂量计算;另一种是通常说的“两步法”, 是采用直接子野优化模式 (Direct step and shot, DSS) 进行计划优化, 该模式根据预先给定的最多子野允许数, 直接优化每个子野的形状和权重, 一步确定照射子野序列, 最后进行精确计算。我们对这两种方法进行比较之后, 通常采用“两步法”进行计划优化, 根据医生处方剂量要求进行物理目标函数和剂量体积约束条件的设定, 同时为了得到好的剂量适形度, 对剂量成形结构也进行剂量限定。多次修改约束条件之后得到一个最为满意的剂量分布。
5 计划评估
完成计划之后, 分别对每个计划进行评估。评估内容包括剂量体积直方图 (DVH) , 适形度指数 (conformality index, CI) , 靶区各个层面的等剂量分布。一列病人的DVH图如图2所示, 靶区的等剂量分布图如图3所示。其中在DVH图上面, 比较靶区覆盖度 (D95, V100) 靶区均匀性 (Dmax/Dmin) , 正常器官的最大受量Dmax和体积量, 而且还要求靶区接受>110%的处方剂量的体积应<20%, 靶区接受<93%的处方剂量的体积应<3%, 靶区外的任何地方不能出现>110%处方剂量。其中D95定义为95%的靶体积所接受的剂量, V100定义为接受100%处方剂量的靶区体积, 靶区接受的最大剂量Dmax定义为1%靶体积所接受的剂量, 靶区接受的最小剂量Dmin定义为99%靶体积所接受的剂量.参考ICRU62号报告[2], CI定义为:为100%的参考等剂量线所包绕的靶区的体积, V (Target) 为100%的参考等剂量面所包括的所有区域的体积, 为靶体积。对靶区各个层面的等剂量分布的评估方法是, 查看各种等剂量线对靶区的覆盖度, 让靶区内不出现冷点, 正常器官内不出现热点。如果出现, 标记出来, 再进行剂量限制, 直到满意为止。
6 计划的传输与执行
各种治疗参数通过局域网传送到Elekta工作站上, 在Elekta S5746上进行治疗。放疗技师对病人进行摆位治疗。
7 总结
核通的调强放疗计划系统设计的计划能够有效的提高肿瘤治疗效果, 它实现了对剂量分布的三维控制, 使每一射野内各点的输出剂量率能按要求进行调整, 这样极大的优化了病人靶区的剂量分布特性, 能最大可能的满足了我们的临床需要。
参考文献
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堆叠技术在放疗网络系统中的应用 篇7
放疗中心是肿瘤医院不可缺少的科室, 我院放疗中心设有模拟定位室、模型室、后装治疗室、物理室、放疗技术组和热疗室, 承担全院放射治疗方面的临床、科研、教学工作。放疗中心现有Varian、Mosaiq、Precise、HIS等网络系统。经过前期的信息化建设, 建成了基本适应放射治疗应用系统要求的网络基础平台。随着近两年应用系统的快速发展, 大型医疗设备、治疗计划系统及各用户终端数量的不断增加, 医疗数据的急剧膨胀使现有的放疗网络不能满足正常工作, 放疗网络的改造和优化迫在眉睫。本文主要采用堆叠技术对放疗网络进行改造和优化, 使网络系统具有简化管理、简化业务、弹性扩展和高性能, 以满足放疗中心日益发展的需要[3]。
1 网络系统现状与问题
我院放疗网络是采用简单的交换机连接组成一个小型的局域网, 各医疗设备通过单链路互联接入交换机。全网都采用普通百兆双绞线直接接入到桌面, 实现科室内图像和医疗数据的传输, 满足基本的放疗业务的需要。随着科室的医疗应用设备的增加、放疗技术不断发展以及放疗数据的不断增大, 原有的网络系统已经不能满足放疗中心的应用需要, 网络系统主要存在以下问题:
(1) 网络架构简单。改造前的网络架构是简单的二层结构, 其优点是交换速度快, 缺点是容易引起广播风暴, 不能充分发挥网络交换机的性能, 甚至导致网络瘫痪, 而且中央节点的负担较重, 形成瓶颈大。由于网络的规模在不断扩大, 工作站与服务器之间传输的数据加大, 网络性能就会明显下降, 在数据传输高峰期网络整体速度缓慢, 导致资源浪费。由于节点太多容易出现网络链路致命的错误——网络回路现象。
(2) 网络设备老化。网络设备老化, 维修、更换困难, 造成维修更换过程耗时过长, 网络设备一旦出现问题, 导致整个放疗网络的瘫痪。
(3) 多种网络、不同治疗计划系统的融合。放疗网络中有多套网络系统和多套治疗计划系统, 融合在一个网段中, 会产生网络安全隐患[4], 对网络的稳定提出了挑战。为了保证它们之间正常的通信, 可见网络稳定性、网络传输带宽、网络安全、网络管理等问题日趋严峻, 医院各种信息系统的开展受到了现有网络系统传输平台的制约[5]。
2 解决方案
网络信息化是现代化医疗发展的趋势, 能否提供更便捷、更系统的服务已成为各大医院赢得市场的关键[6,7]。为了提升放射治疗整体医疗服务水平和医疗应用系统的服务效率, 我们从以下几个方面考虑放疗网络系统平台的建设。
(1) 网络稳定需求。医疗行业的网络不仅需要网速快更需要稳定的网络性能, 因为网络稳定性关系到病人的治疗安全, 医院的各种应用系统和基础设备都要依存于网络的稳定性。系统的稳定性 (7×24 h稳定、可靠、持续运行) 是投入运行的医疗系统和医疗设备的生命线。
(2) 网络性能需求。目前放疗中心的应用系统主要是以治疗计划系统 (TPS) 为主, 同时还有医院信息 (HIS) 、网络传输系统、CT模拟定位机、直线加速器等等其他临床信息系统和医疗设备, 各种系统对网络的性能都有不一样的需要。这要求有足够的传输带宽来满足急剧增长的数据流量, 满足网络安全、可靠, 保证服务质量和高性能, 又要同时传输图像和数据等多种业务, 并可以弹性扩展。
(3) 网络安全需求。放疗网络的安全性主要从物理安全、网络安全、传输安全、存储以及数据安全等方面分析。
由以上的需求分析, 此次对网络系统改造采用叠加技术实现。堆叠就是用专门的堆叠线将交换机的背板连接到一起, 这种连接方式更加稳定, 传输性能也有所保证。因为背板速率要比普通端口高得多, 从而保证了各个治疗计划系统和网络系统能够快速的传输数据, 从而提高了网络的安全性。
首先, 对放疗中心的网络设备及物理链路扩容和改造, 对放疗中心主要的网络节点增加或更换高性能的交换设备, 并敷设新的光纤链路连接新放疗楼 (5号楼) 和老放疗楼 (4号楼) 之间的主交换机, 这样可以加快两座楼之间的数据传输数据, 以及网络的稳定性。
其次, 依照“核心—核心”的二层对等网络架构模型, 对目前放疗中心的逻辑结构进行调整和优化。将4号楼与5号楼使用同品牌同型号的高速网络交换机划分对等的虚拟局域网 (VLAN) , 通过交换机级联技术进行互相通信。
第三, 通过交换机堆叠, 将品牌型号相同的交换机堆叠在一起, 以实现不同治疗计划网络系统的融合。实现每个网络系统和放疗计划系统之间的工作站都在同一个交换机上通信。这样可以减少工作站与服务器之间的查找时间、减小广播风险, 加快工作站与服务器之间通信速度和数据交换速度等。
3 改造实施过程
3.1 前期准备
改造实施前先对放疗中心的网络信息进行收集。收集的信息包括:①网络拓扑结构;②网络IP地址使用信息;③网络设备信息;④基于网络的医疗设备。其中, 网络设备信息主要包括网络设备品牌、型号、端口数、管理IP地址等;基于网络的医疗设备主要包括设备品牌、网络数据传输协议、配用的网络管理系统等。
3.2 实施方案
根据前期的需求分析和收集的信息, 进行实施方案的撰写和确定。实施方案内容包括室外光缆敷设、设备安装上架、IP地址及VLAN的规划、二层交换规划、堆叠连接和设置、安全规划等。
3.3 模拟测试
通过搭建试验环境和模拟软件, 对改造和优化的网络系统进行模拟测试, 确保整个网络结构改造后的结果符合预期目标。
3.4 具体实施
网络系统设计, 采用H3C的千兆光纤交换机为主交换机, 实现4号楼与5号楼之间全网的数据转发和控制, 以2台S5120核心交换机与S5048千兆交换机堆叠, 使4号楼和5号楼都能满足医疗设备的需要。各治疗计划系统的终端都接入在同一个交换机上;直线加速器等医疗设备与相应的网络管理系统接入同一个交换机上, 见图1~2。
在上述的网络改造和优化的后, 放疗网络具体实现如下:
(1) 在两栋楼各配置1台H3C S5120千兆光纤交换机并划分3段VLAN, 目前只启用VLAN1, 其余两段备用, 以提升两栋楼之间数据交换的速度;4号楼主交换机中的VLAN1与5号楼主交换机中的VLAN1之间采用光纤进行级联, 将直线加速器、网络服务器、TPS服务器等挂载在VLAN1的端口上, 因为他们之间的通信数据量最大可达到几百兆的流量。
(2) 在4、5号楼的主交换机上再堆叠一个千兆的H3C S5048交换机, 这样可以保证各治疗计划系统的工作站之间的通信数据可以直接在本交换机上完成, 而不需要经过主交换机从而保证了数据的安全、稳定和速度等。
4 结束语
在放疗网络改造与优化中使用堆叠技术, 消除了单点故障, 提高了设备和链路的稳定性, 使放疗网络成为更加稳定、安全、高性能的网络, 保障了放疗业务的可持续运行, 并为我院数字化网络和医疗业务的进一步开展奠定了更加坚实的基础。放疗网络采用堆叠技术, 具有组网简单, 管理便捷, 业务简化, 可弹性扩展和高性能等优点, 适合在放疗网络中广泛应用。
参考文献
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