腫瘤磁感應熱療目前已成為重要的腫瘤治療手段,為保障治療的成功實施,醫生必須在術前使用計劃系統制定熱療計劃。針對患者信息及放射科影像資料的準確獲取、處理后的影像存儲、報告的共享及審批等磁感應熱療中的信息傳播,提出一種將其與現代醫療信息系統集成應用的網絡流程,并基于集成醫療企業(IHE)框架和醫學數字成像和通信(DICOM)等標準在磁感應熱療計劃系統中進行實現。結果證明本系統提高了磁感應熱療的計劃效率,同時可以節約醫療資源和降低人工成本,對于磁感應熱療應用于臨床治療具有極大的推動作用。
引用本文： 卓子寒, 翟偉明, 蔡東陽, 王婕, 張曉冬, 唐勁天. 腫瘤磁感應熱療計劃系統與現代醫療信息系統集成應用研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(1): 187-191. doi: 10.7507/1001-5515.20140036 復制
引言
腫瘤磁感應熱療是近年興起的一種全新腫瘤治療方法，其基本原理是利用植入腫瘤組織內的鐵磁性熱介質在交變磁場下感應發熱，將腫瘤靶區加熱到一定熱劑量，進而殺死腫瘤細胞。為了精確規劃熱介質排布、治療時間等核心熱療問題，達到最優的治療效果，在術前需要使用磁感應熱療計劃系統(magnetic induction hyperthermia treatment planning system,MHTPS)根據患者的醫學影像信息構建虛擬患者、剝離病變組織，并對熱療的溫度場、損傷場分布等進行數值計算模擬和仿真，這些結果對醫生有非常重要的臨床指導意義。
在制定磁感應熱療計劃時，患者信息及放射科影像資料的準確獲取、處理后的影像存儲、報告的共享及審批等醫療信息流程是十分重要和必要的。隨著現代醫療信息技術的發展，HL7/醫學數字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine,DICOM)3.0標準協議接口的醫院信息系統(hospital information system,HIS)/影像歸檔和通信系統(picture archiving and communication system,PACS)/放射學信息系統(radiology information system,RIS)等信息系統的投入使用，醫學診斷實現了標準化、規范化和通用化[1]。磁感應熱療計劃流程(magnetic induction hyperthermia workflow,MHWF)如何合理地嵌入現代醫療信息系統預定工作流程中集成應用，是MHTPS目前研究的重點和難點之一。
1 現代醫療信息系統預定工作流程簡介
目前醫療行業信息化水平在不斷提高，各種信息系統在臨床上得到了廣泛使用，發展形成相互協作的業務系統[2]，可以加強醫院科學、規范的現代管理，提高工作效率，從而改進醫療質量。預定工作流程(scheduled workflow,SWF)集成模式是集成醫療企業(Integration Healthcare Enterprise,IHE)推出的放射學技術框架下的第一個集成模式[3-4]，其定義了從預約檢查到影像獲取、顯示以及診斷的整個放射科的基本工作流程(見圖 1a)。
圖1
腫瘤MHTPS及SWF集成模式集成應用圖
(a)IHE SWF；(b)三維磁感應熱療計劃系統；(c)MHWF嵌入SWF示意圖
Figure1. Integrated application of tumor MHTPS and SWF integration profile(a) IHE SWF; (b) system of MHTPS-3D v1.0; (c) integration of MHWF and SWF
其中HIS實現了患者掛號及信息注冊；RIS提供影像科室的業務管理，當接收到HIS傳來的患者信息和檢查申請時，根據設備情況進行預約；PACS接收RIS的預約申請并產生DICOM影像設備工作列表(modality worklist,MWL)，檢查完畢后影像設備(modality,MOD)將獲取的圖像傳輸到PACS進行存儲和管理，此外PACS提供影像數據給放射科醫生制作放射診斷報告，隨后臨床醫生獲取PACS中的圖像和放射診斷報告，進行最終診斷[5]。
2 MHWF設計
目前國內外針對腫瘤磁感應熱療的研究很多，主要研究方向集中在三個方面：磁感應熱療設備研制、計劃系統相關研究及鐵磁性熱介質的合成。本文基于磁感應實驗設備MIH-500和配套的三維磁感應熱療計劃系統MHTPS-3D v1.0(見圖 1b)，對MHWF進行了實驗性探索，總結得到主體計劃步驟包括：
1) 影像導入和管理：遵循DICOM 標準導入患者的醫學影像數據，并寫入數據庫分類；
2) 計劃創建和查詢：針對患者創建或查詢熱療計劃，相關信息可根據DICOM標準由影像數據中解析獲得；
3) 影像處理及勾畫：構建3D虛擬患者，并重構任意方向的切片信息，測量關鍵數據、勾畫病灶及體表輪廓，確定靶區；
4) 熱介質計劃及熱場分布計算：輸入期望靶區熱劑量，進行熱介質排布，并通過數值方法計算靶區內的熱損傷分布；
5) 計劃結果顯示及評估：繪制二維及三維等劑量分布圖，評估熱損傷區域，避免治療冷點和熱點；
6) 計劃報告輸出及打印：醫生填寫最終熱療計劃方案報告并輸出以提供操作指導。
熱療計劃系統在進行上述應用時，并未考慮與醫療信息系統的網絡集成問題，例如數字影像數據需要人工去放射科或影像中心拷貝，最終的計劃報告輸出存儲成文檔形式共享等，在實際使用時導致了計劃效率降低以及人工成本提高等問題。針對以上弊端，本文對MHWF進行了改進和創新，基于DICOM和HL7標準協議將其嵌入SWF集成模式中(見圖 1c)，實現了MHTPS的網絡工作流程設計。在圖 1(c)所示的工作流程中，磁感應熱療科室的MHTPS根據DICOM標準協議獲取和產生數據流，與醫院已有的PACS系統和報告資料庫聯系，在不影響醫院原有信息系統的基礎上，減少了人工成本且提升了磁感應熱療計劃的效率。
在該流程中，磁感應熱療患者的注冊、熱療請求及影像拍攝仍然由SWF模式中的HIS、RIS和MOD完成，當患者影像傳輸至PACS以后，熱療科醫生使用MHTPS由PACS上下載所需影像序列，進而完成上文提到的6個主體工作步驟，同時，經醫生處理過后的重要影像標注、截圖、數字熱療報告等分別根據DICOM標準生成新的影像序列，傳輸到PACS系統中繼續進行標準的SWF流程。
3 MHWF實現
本文使用臨床醫學影像和對象管理dcm4chee開源軟件包模擬現實醫院的PACS系統，dcm4chee嚴格遵循IHE規范，提供了HL7標準和DICOM標準接口，并可以方便地通過基于WEB的用戶界面進行操作，實現醫學影像檢索、存取和工作事務流程等功能[6]。在MHWF的實現過程中，dcm4chee同時作為DICOM服務類的提供者(service class provider,SCP)和使用者(service class user,SCU)角色，MHTPS的相關流程功能均使用DICOM標準[7]的規定進行實現。
3.1 影像查詢獲取
MHTPS在制定熱療計劃前需要從PACS服務器上查詢及獲取患者的相關影像資料，其中查詢影像使用DICOM標準中的C-FIND協議，此協議需要MHTPS按照標準格式構建查詢請求發送至PACS，查詢消息經PACS處理后，將查詢結果回執給MHTPS，其中包含符合查詢條件的患者影像基本信息，經MHTPS解析后可構建所需影像的基本信息結構并進行顯示(見圖 2a、b)，實驗證明結果的正確性。
圖2
影像查詢獲取
(a)影像歸檔與通信系統中包含的影像資料(2組患者)；(b)熱療計劃系統查詢結果(姓名包含ZHANG，影像類型為CT)；(c)熱療計劃系統成功執行C-MOVE協議(共接收24幅)；(d)獲取部分圖像顯示(前4幅)
Figure2. Results of image C-FIND and C-MOVE(a) image data of PACS; (b) results of MHTPS C-FIND; (c) results of MHTPS C-MOVE (total 24 images); (d) image display (the first 4 images)
從PACS中查詢到熱療患者的影像信息后，影像的獲取可以使用DICOM標準中的C-GET協議或C-MOVE協議。其中C-MOVE協議需要將MHTPS的名稱(AETitle)、地址(IP)及端口號(Port)與PACS進行綁定設置，因此具有更高的獲取安全性。本文實現的MHTPS采用C-MOVE協議，PACS在收到MHTPS發出的獲取特定影像序列請求后，判斷請求來源的AETitle和IP是否與設定匹配，若通過安全審核，則使用C-Store向請求來源申請傳輸數據，同時MHTPS轉換成為SCP角色，接收PACS發來的影像數據信息，實現影像的獲取功能(見圖 2c、d)。
3.2 影像傳輸
醫生在獲取熱療患者影像后，構建虛擬患者進行熱療計劃，在計劃過程中可能會產生一系列重要的圖像處理和標注信息，其中針對源切片的二維圖像處理信息可以使用DICOM標準中的GSPS (grayscale softcopy presentation state)對象進行存儲和恢復，只需將操作生成的PR(presentation)對象上傳至PACS進行保存，而三維重建后的各方向切面及3D顯示圖的重要信息需要建立一個新圖像序列進行傳輸。MHTPS中影像序列傳輸使用DICOM標準中的C-STORE協議實現。MHTPS根據PACS服務器的配置信息，以特定格式向PACS發送影像存儲請求，PACS作為SCP響應消息，進行存儲和歸檔操作。影像在傳輸的過程中，需要指明其影像類型，這是由DICOM標準中的SOP Class UID字段值決定的，比如CT影像存儲(CT image storage)值為“1.2.840.10008.5.1 .4 .1.1.2”等，可在PACS存儲字段信息中查詢。
實驗表明，MHTPS產生的遵循DICOM標準的重要圖像備注序列(見圖 3a)可用C-STORE協議傳輸到PACS，且序列結構和圖像不會產生失真(見圖 3b)。
圖3
影像序列傳輸
(a)熱療計劃系統生成的重要圖像備注序列(4幅圖像)；(b)重要圖像備注序列上傳影像歸檔與通信系統結果
Figure3. C-STORE of image series(a) important image series generated by MHTPS (total 4 images); (b) results of C-STORE
3.3
磁感應熱療報告結構化
磁感應熱療計劃完成后，醫生必須填寫數字病情報告和計劃報告，該報告如何以一定格式在SWF以及IHE的報告工作流程(report workflow,RWF)中實現共享、修改和審核等醫療規范操作，同樣是MHTPS的難點之一。本文提出的MHTPS采用DICOM標準中的結構化報告(structured reporting,SR)解決該問題。DICOM SR是2000年以來DICOM標準(第三章)研究的新內容，包含了DICOM標準中的各種數據信息，通過內容樹維護層級結構，保證高度擴展性和通用性[8]，同時規定了報告的編碼、傳輸以及儲存問題[9]。DICOM SR是結構化的文檔[10](見圖 4a)，其內容包括文本信息以及鏈接數據(圖片、波形、坐標信息等)，對于大規模的臨床評估數據收集具有十分重要的意義[11]。
圖4
磁感應熱療報告結構化
(a)結構化報告數據模型；(b)影像歸檔與通信系統接收到MHTPS簡單報告示例
Figure4. Magnetic induction hyperthermia structured reporting(a) data model of DICOM SR; (b) simple example of MHTPS SR
MHTPS生成DICOM SR以后，利用3.2節提出的影像傳輸功能(影像類型為SR)，可以將其上傳至PACS服務器(見圖 4b)，從而進入標準工作流程進行共享。
4 總結
腫瘤MHTPS向醫生提供術前熱劑量分布規劃、模擬，指導選擇合適的治療參數和熱介質植入路徑信息，對于預測腫瘤熱療的控制率及保障臨床治療成功具有重要意義。本文在不改變醫院現有的醫療信息系統的基礎上，通過DICOM標準等協議實現了磁感應熱療計劃的網絡流程嵌入IHE框架的預定工作流程集成模式，提高了磁感應熱療的計劃效率，同時節約了醫療資源并且降低了人工成本。實踐證明本文的研究成果對于磁感應熱療應用于臨床治療具有極大的推動作用，對于現代醫療信息系統的功能拓展也有一定的參考價值。
引言
腫瘤磁感應熱療是近年興起的一種全新腫瘤治療方法，其基本原理是利用植入腫瘤組織內的鐵磁性熱介質在交變磁場下感應發熱，將腫瘤靶區加熱到一定熱劑量，進而殺死腫瘤細胞。為了精確規劃熱介質排布、治療時間等核心熱療問題，達到最優的治療效果，在術前需要使用磁感應熱療計劃系統(magnetic induction hyperthermia treatment planning system,MHTPS)根據患者的醫學影像信息構建虛擬患者、剝離病變組織，并對熱療的溫度場、損傷場分布等進行數值計算模擬和仿真，這些結果對醫生有非常重要的臨床指導意義。
在制定磁感應熱療計劃時，患者信息及放射科影像資料的準確獲取、處理后的影像存儲、報告的共享及審批等醫療信息流程是十分重要和必要的。隨著現代醫療信息技術的發展，HL7/醫學數字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine,DICOM)3.0標準協議接口的醫院信息系統(hospital information system,HIS)/影像歸檔和通信系統(picture archiving and communication system,PACS)/放射學信息系統(radiology information system,RIS)等信息系統的投入使用，醫學診斷實現了標準化、規范化和通用化[1]。磁感應熱療計劃流程(magnetic induction hyperthermia workflow,MHWF)如何合理地嵌入現代醫療信息系統預定工作流程中集成應用，是MHTPS目前研究的重點和難點之一。
1 現代醫療信息系統預定工作流程簡介
目前醫療行業信息化水平在不斷提高，各種信息系統在臨床上得到了廣泛使用，發展形成相互協作的業務系統[2]，可以加強醫院科學、規范的現代管理，提高工作效率，從而改進醫療質量。預定工作流程(scheduled workflow,SWF)集成模式是集成醫療企業(Integration Healthcare Enterprise,IHE)推出的放射學技術框架下的第一個集成模式[3-4]，其定義了從預約檢查到影像獲取、顯示以及診斷的整個放射科的基本工作流程(見圖 1a)。
圖1
腫瘤MHTPS及SWF集成模式集成應用圖
(a)IHE SWF；(b)三維磁感應熱療計劃系統；(c)MHWF嵌入SWF示意圖
Figure1. Integrated application of tumor MHTPS and SWF integration profile(a) IHE SWF; (b) system of MHTPS-3D v1.0; (c) integration of MHWF and SWF
其中HIS實現了患者掛號及信息注冊；RIS提供影像科室的業務管理，當接收到HIS傳來的患者信息和檢查申請時，根據設備情況進行預約；PACS接收RIS的預約申請并產生DICOM影像設備工作列表(modality worklist,MWL)，檢查完畢后影像設備(modality,MOD)將獲取的圖像傳輸到PACS進行存儲和管理，此外PACS提供影像數據給放射科醫生制作放射診斷報告，隨后臨床醫生獲取PACS中的圖像和放射診斷報告，進行最終診斷[5]。
2 MHWF設計
目前國內外針對腫瘤磁感應熱療的研究很多，主要研究方向集中在三個方面：磁感應熱療設備研制、計劃系統相關研究及鐵磁性熱介質的合成。本文基于磁感應實驗設備MIH-500和配套的三維磁感應熱療計劃系統MHTPS-3D v1.0(見圖 1b)，對MHWF進行了實驗性探索，總結得到主體計劃步驟包括：
1) 影像導入和管理：遵循DICOM 標準導入患者的醫學影像數據，并寫入數據庫分類；
2) 計劃創建和查詢：針對患者創建或查詢熱療計劃，相關信息可根據DICOM標準由影像數據中解析獲得；
3) 影像處理及勾畫：構建3D虛擬患者，并重構任意方向的切片信息，測量關鍵數據、勾畫病灶及體表輪廓，確定靶區；
4) 熱介質計劃及熱場分布計算：輸入期望靶區熱劑量，進行熱介質排布，并通過數值方法計算靶區內的熱損傷分布；
5) 計劃結果顯示及評估：繪制二維及三維等劑量分布圖，評估熱損傷區域，避免治療冷點和熱點；
6) 計劃報告輸出及打印：醫生填寫最終熱療計劃方案報告并輸出以提供操作指導。
熱療計劃系統在進行上述應用時，并未考慮與醫療信息系統的網絡集成問題，例如數字影像數據需要人工去放射科或影像中心拷貝，最終的計劃報告輸出存儲成文檔形式共享等，在實際使用時導致了計劃效率降低以及人工成本提高等問題。針對以上弊端，本文對MHWF進行了改進和創新，基于DICOM和HL7標準協議將其嵌入SWF集成模式中(見圖 1c)，實現了MHTPS的網絡工作流程設計。在圖 1(c)所示的工作流程中，磁感應熱療科室的MHTPS根據DICOM標準協議獲取和產生數據流，與醫院已有的PACS系統和報告資料庫聯系，在不影響醫院原有信息系統的基礎上，減少了人工成本且提升了磁感應熱療計劃的效率。
在該流程中，磁感應熱療患者的注冊、熱療請求及影像拍攝仍然由SWF模式中的HIS、RIS和MOD完成，當患者影像傳輸至PACS以后，熱療科醫生使用MHTPS由PACS上下載所需影像序列，進而完成上文提到的6個主體工作步驟，同時，經醫生處理過后的重要影像標注、截圖、數字熱療報告等分別根據DICOM標準生成新的影像序列，傳輸到PACS系統中繼續進行標準的SWF流程。
3 MHWF實現
本文使用臨床醫學影像和對象管理dcm4chee開源軟件包模擬現實醫院的PACS系統，dcm4chee嚴格遵循IHE規范，提供了HL7標準和DICOM標準接口，并可以方便地通過基于WEB的用戶界面進行操作，實現醫學影像檢索、存取和工作事務流程等功能[6]。在MHWF的實現過程中，dcm4chee同時作為DICOM服務類的提供者(service class provider,SCP)和使用者(service class user,SCU)角色，MHTPS的相關流程功能均使用DICOM標準[7]的規定進行實現。
3.1 影像查詢獲取
MHTPS在制定熱療計劃前需要從PACS服務器上查詢及獲取患者的相關影像資料，其中查詢影像使用DICOM標準中的C-FIND協議，此協議需要MHTPS按照標準格式構建查詢請求發送至PACS，查詢消息經PACS處理后，將查詢結果回執給MHTPS，其中包含符合查詢條件的患者影像基本信息，經MHTPS解析后可構建所需影像的基本信息結構并進行顯示(見圖 2a、b)，實驗證明結果的正確性。
圖2
影像查詢獲取
(a)影像歸檔與通信系統中包含的影像資料(2組患者)；(b)熱療計劃系統查詢結果(姓名包含ZHANG，影像類型為CT)；(c)熱療計劃系統成功執行C-MOVE協議(共接收24幅)；(d)獲取部分圖像顯示(前4幅)
Figure2. Results of image C-FIND and C-MOVE(a) image data of PACS; (b) results of MHTPS C-FIND; (c) results of MHTPS C-MOVE (total 24 images); (d) image display (the first 4 images)
從PACS中查詢到熱療患者的影像信息后，影像的獲取可以使用DICOM標準中的C-GET協議或C-MOVE協議。其中C-MOVE協議需要將MHTPS的名稱(AETitle)、地址(IP)及端口號(Port)與PACS進行綁定設置，因此具有更高的獲取安全性。本文實現的MHTPS采用C-MOVE協議，PACS在收到MHTPS發出的獲取特定影像序列請求后，判斷請求來源的AETitle和IP是否與設定匹配，若通過安全審核，則使用C-Store向請求來源申請傳輸數據，同時MHTPS轉換成為SCP角色，接收PACS發來的影像數據信息，實現影像的獲取功能(見圖 2c、d)。
3.2 影像傳輸
醫生在獲取熱療患者影像后，構建虛擬患者進行熱療計劃，在計劃過程中可能會產生一系列重要的圖像處理和標注信息，其中針對源切片的二維圖像處理信息可以使用DICOM標準中的GSPS (grayscale softcopy presentation state)對象進行存儲和恢復，只需將操作生成的PR(presentation)對象上傳至PACS進行保存，而三維重建后的各方向切面及3D顯示圖的重要信息需要建立一個新圖像序列進行傳輸。MHTPS中影像序列傳輸使用DICOM標準中的C-STORE協議實現。MHTPS根據PACS服務器的配置信息，以特定格式向PACS發送影像存儲請求，PACS作為SCP響應消息，進行存儲和歸檔操作。影像在傳輸的過程中，需要指明其影像類型，這是由DICOM標準中的SOP Class UID字段值決定的，比如CT影像存儲(CT image storage)值為“1.2.840.10008.5.1 .4 .1.1.2”等，可在PACS存儲字段信息中查詢。
實驗表明，MHTPS產生的遵循DICOM標準的重要圖像備注序列(見圖 3a)可用C-STORE協議傳輸到PACS，且序列結構和圖像不會產生失真(見圖 3b)。
圖3
影像序列傳輸
(a)熱療計劃系統生成的重要圖像備注序列(4幅圖像)；(b)重要圖像備注序列上傳影像歸檔與通信系統結果
Figure3. C-STORE of image series(a) important image series generated by MHTPS (total 4 images); (b) results of C-STORE
3.3
磁感應熱療報告結構化
磁感應熱療計劃完成后，醫生必須填寫數字病情報告和計劃報告，該報告如何以一定格式在SWF以及IHE的報告工作流程(report workflow,RWF)中實現共享、修改和審核等醫療規范操作，同樣是MHTPS的難點之一。本文提出的MHTPS采用DICOM標準中的結構化報告(structured reporting,SR)解決該問題。DICOM SR是2000年以來DICOM標準(第三章)研究的新內容，包含了DICOM標準中的各種數據信息，通過內容樹維護層級結構，保證高度擴展性和通用性[8]，同時規定了報告的編碼、傳輸以及儲存問題[9]。DICOM SR是結構化的文檔[10](見圖 4a)，其內容包括文本信息以及鏈接數據(圖片、波形、坐標信息等)，對于大規模的臨床評估數據收集具有十分重要的意義[11]。
圖4
磁感應熱療報告結構化
(a)結構化報告數據模型；(b)影像歸檔與通信系統接收到MHTPS簡單報告示例
Figure4. Magnetic induction hyperthermia structured reporting(a) data model of DICOM SR; (b) simple example of MHTPS SR
MHTPS生成DICOM SR以后，利用3.2節提出的影像傳輸功能(影像類型為SR)，可以將其上傳至PACS服務器(見圖 4b)，從而進入標準工作流程進行共享。
4 總結
腫瘤MHTPS向醫生提供術前熱劑量分布規劃、模擬，指導選擇合適的治療參數和熱介質植入路徑信息，對于預測腫瘤熱療的控制率及保障臨床治療成功具有重要意義。本文在不改變醫院現有的醫療信息系統的基礎上，通過DICOM標準等協議實現了磁感應熱療計劃的網絡流程嵌入IHE框架的預定工作流程集成模式，提高了磁感應熱療的計劃效率，同時節約了醫療資源并且降低了人工成本。實踐證明本文的研究成果對于磁感應熱療應用于臨床治療具有極大的推動作用，對于現代醫療信息系統的功能拓展也有一定的參考價值。
