Dicomhandler：DICOM文件处理的Python工具及其在放射外科中的应用

软件影响16（2023）100487原始软件出版物Dicomhandler：用于处理DICOM文件的Python工具及其在放射外科的应用José Alejandro Rojas-Lópeza，b，*，Jerónimo Fotinósa，Nicola Maddalozzoa，c科尔多瓦国立大学数学、天文学和物理学系（FaMAF-UNC），Bvd. Medina Allende s/n，大学城，X5000 HUA，科尔多瓦，阿根廷b阿拉木图医院，Av. Madero 1060，Second Section，21100，墨西卡利，下加利福尼亚州，墨西哥c都灵理工大学，Corso Duca degli Abruzzi，24，10129，都灵，意大利A R T I C L E I N F O关键词：DICOM结构放射治疗旋转边缘放射外科学[编辑]A B S T R A C TDicomhandler是用Python开发的一个软件包，用于管理DICOM无线电治疗文件，从DICOM文件中处理无线电治疗结构，并从其操作中提取特征。实现了用于对病变/结构执行几何变换、用于格式转换以及用于报告关于不同DICOM文件的数据总结的功能性功能。该软件包特别适用于从事新型和复杂放射治疗技术的临床工作人员，在这些技术中，诸如器官内部运动、呼吸、分数间和分数内运动等不确定来源在剂量递送中很重要。该软件包是独立于操作系统的，并且在Python 3.7和所有后续版本（3.11是当前版本）中对新安装进行了全面测试代码元数据当前代码版本v0.0.1此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2023-75可复制胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/3291396/tree/v1法律代码许可证MIT许可证使用git的代码版本控制系统Python使用的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境和依赖项Numpy、Pandas、Pydicom如果可用，请链接到开发人员文档/手册https://dicomhandler.readthedocs.io/en/latest/index.html问题支持电子alexrojas@ciencias.unam.mx1. 动机和意义在放射治疗中，肿瘤运动可能是由于不确定的分数内和分数间、呼吸、解剖学变化（内部器官运动、体重减轻或炎症）和血管线性加速器的不确定性[1，2]图-莫尔边缘的分配，考虑到这些几何学变化，结果[ 1，2 ]。 在胸部、腹部和颅骨靶点剂量递送的几何和剂量测定不确定性方面有显著改善[3然而，较大的边缘可能会对健康组织造成损害[6]。具有高剂量输送、剂量计和射束辐射调制的复杂技术，如立体定向颅骨和体部放射外科（SRS），需要对影响进行计数。等中心点（机架、校准器和工作台匹配的参考点）处每个处理中的移动和不确定性 [7几位作者报告了使用优化的边缘值进行计数旋转和平移以进行分数内和分数间移动的临床获益，这些边缘值占所有分数内和分数间移动的百分比。然而，这些研究要么只有一种静态的方法，要么是用内部软件进行的，这些软件可以临床界无法获得[10此外，大多数商业治疗规划系统（TPS）尚未实施一种方法来评估这些运动的剂量测定和几何学影响（见下文）。此评估需要对DICOM文件进行操作。本文中的代码（和数据）已被Code Ocean认证为可复制：（https://codeocean.com/）。有关再现性的更多信息徽章倡议可在https://www.elsevier.com/physical-sciences-and-engineering/computer-science/journals上查阅。* * 通讯作者：Almater医院，Av. 马德罗1060，第二部分，21100，墨西卡利，下加利福尼亚州，墨西哥。电子邮件地址：alexrojas@ciencias.unam.mx（J.A.Rojas-López），jerofoti@gmail.com（J. Fotinós），nicolamaddalozzo95@gmail.com（N.Maddalozzo）。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2023.1004872023年2月21日收到;2023年3月1日收到修订版;2023年3月2日接受2665-9638/©2023作者。由Elsevier B.V.发布。这是CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）下的开放获取文章。ScienceDirect上提供的内容列表软件的影响日记本 主页：www.journals.elsevier.com/software-impactsJ.A. 罗哈斯-洛佩斯，J.Fotinos和N.马达洛佐软件影响16（2023）1004872DICOM（医学中的数字成像和通信）是用于医疗目的的硬件之间的医学图像和数据传输的标准格式该标准最常见的应用是图像的显示、存储、打印和传输。[10]该协议包括文件格式的定义，即网络TCP/IP通信协议[15]。DICOM支持将多供应商扫描仪、服务器、工作站、打印机和网络硬件集成到图像存储和通信系统中。然而，DICOM文件既没有针对数据分析进行优化，也没有经过临床工作人员的审查。访问数据是困难的，并且一些属性是重复的或相互关联的。在这种情况下，动机是使用Python进行DICOM数据操作，因为它是一种高级编程语言，易于阅读，并且被科学界所接受。这项工作的动机是提供开源工具，用于将复杂DICOM文件转换为自然pythonic结构，以便于操作，并说明它们在复杂治疗中的平移和旋转位移研究中的用途，如用于多个脑转移的SRS。先前的研究报告了这些治疗中翻译位移的影响，并相应地分配了边际[16，17]。然而，旋转位移并没有被纳入到行动中来。计数。当损伤离等中心更远时，旋转的影响是最明显的。这是由于这样一个事实，即到等中心点的距离越大，弧径越大。等中心旋转并不能保持到原点的欧几里得距离。此外，必须考虑到旋转被穿孔的顺序，因为这组变换是不可交换的，所以这组变换是不可交换的。因此，移位病变的最终位置受旋转发生时的顺序和方向的影响[7]。[8]在这方面，放射治疗中的一个当前问题是对患者在预定位期间由旋转和平移引起的移位的这些移位的确定可以帮助医生和内科医生建立足够的边缘来辐射整个病变，并在危险中保护器官。[10]此外，由于病变的几何性质，移位可能会发生变化。[10]本工作的目标是提供一个Python开源工具，使用DICOM文件来提供和管理相关信息。用于研究和临床工作人员，并说明其在建立多发性脑转移SRS中颅内损伤的个体边缘方面的用途。2. 功能性和关键功能性Dicomhandler软件包用于管理DICOM文件中的无线电治疗结构，并从其操作中提取特征。Dicomhandler允许处理属于治疗计划不同阶段（结构、剂量和计划）的DICOM文件，方法是将患者的文件分组到一个单一的对象中。它也允许为。相关信息的提取，例如治疗计划中每个控制点的结构和多叶Collimator（MLC）位置的笛卡尔坐标。这是通过使用DicomInfo类实现的。它接收DICOM结构、剂量和计划文件（或这些文件的子集）的输入，并构造包含所有数据的单个对象。为患者提供的信息。通过匹配相同的患者信息来构建对象。根据可用的输入，用户可以执行不同的功能，例如：一般来说，由软件包提供的功能可以是 它被分为三个主要类别。第一个是转换，也就是说，以某种有意义的方式修改文件的信息。第二个是格式转换。DICOM文件既没有针对数据分析进行优化，也没有针对临床工作人员的直接前瞻性审查进行优化，而是针对硬件进行优化。出于这个原因，该软件包既提供了数据的科学处理，又提供了毫不费力地转换为临床友好格式的方法。第三个功能是报告有关不同DICOM文件的数据摘要，包括： 或者甚至关于文件之间的比较为了提供这些功能，该软件包具有两个模块。 第一个提供了软件包的主要功能，即DicomInfo类。它是配备了上面提到的几乎每一项功能... 可在一个单独的模块中使用的是用于比较两个不同文件的功能。我们在表1中总结了提供所提到的功能的方法-- alities。数学描述在补充资料中有详细的介绍。3. 伦理考虑因素数据和文件已被选择并匿名化。患者的信息和个人数据之间没有相关性，这是一个很好的例子。该临床机构的机构质量委员会批准并授权了本报告的信息、结果和伦理行为的使用（见下文）。4. 影响概述所提出的软件包是集成DICOM信息的第一次尝试，用于处理和提取未包含在这些文件本身中的数据。现代放射治疗领域的研究迫使临床工作人员使用更专业的软件，并确保对医疗参数的正确测定。[10]正如前面在引言中所概述的，该软件中有许多是自制的，这可能会导致临床分析和报告中的系统性偏倚。这个软件包，在一只手，是开源的。另一方面，我们提供标准化的定性和定量指标。代码使用PyTest测试框架进行了全面测试，也就是说，它具有100%的覆盖率。关于代码样式，它完全符合PEP-8标准。该软件包是独立于操作系统的，并且在Python 3.7和所有后续版本（目前为3.11当前版本）中对新安装进行了全面测试。最后，所实施的方法以这样一种方式设计，即它们是描述性的并且易于使用，因为一些临床工作人员不熟悉编程。在一些最相关的方法中，（1）通过将结构的轮廓替换为增大或减小的轮廓来分配边缘，通过边缘来增加从原始轮廓到结构质心的距离。（2）移动病变轮廓，以研究这些移动对放射治疗过程中的影响（10）。这些运动可以是自由的6个绿色（旋转和平移），允许基于这些运动的线性组合来执行任何一个实际的例子是多发性脑转移瘤的SRS病变中分数内运动的Dicomhandler提供了一种方便的实现优化算法的方法，例如遗传算法[18]，以解决SRS中所有方向的位移对单个等中心的多个脑转移的影响。 在补充信息中，详细描述了该示例。图中在图1中，示出了作为到等中心点的距离的函数计算的位移。临床工作人员使用这些信息来决定每种损伤的必要裕度。图。1显示了这些参数之间的强相关性（皮尔逊相关系数= 0.83），表明其可用于将个体边际与伤害相关联（也是Dicomhandler提供的函数性���图。 1场演出产生的旋转/平移运动高达0.2 °/0.2 mm。SRS允许的位移（≤1 mm）。对于多发性脑转移瘤治疗，不允许进行更高的运动以达到SRS值，并且必须考虑临床因素。图1示出了dicomhandler与医院工作流程的集成。2.此工作流不需要额外的时间从临床工作人员，因为dicomhandler自然地与放射治疗常规的要求相结合。 图。3显示影响力脑转移瘤接受的最大剂量（���max）和用12 Gy（12）剂量照射的健康脑的体积（以���立方厘米为单位），以计算图1中所示的位移。1并应用相应的安全裕度。最大和12分别是局部肿瘤控制和放射性坏死的指标。因此，dicomhandler允许通过降低12来维持转移瘤接受的剂量。���这些结果在放射治疗界是相关的。J.A. 罗哈斯-洛佩斯，J.Fotinos和N.马达洛佐软件影响16（2023）1004873表1方法描述[编辑]add_margin结构的尺寸可以按用户定义的任意量（以mm为单位）进行扩展或收缩。该保证金分配的数学描述在补充信息中提供了详细信息。anonymize它将诸如患者姓名或出生日期之类的属性替换为标准值。适用于使用和共享不包含敏感患者信息的数据。summarize_to_dataframe剂量、至等中心距离、质量的完整所有治疗病变的中心、最大、最小和平均半径均显示在一只熊猫中。用于后处理的DataFrame。此外，复杂性指标，如为刚果解放运动描述的领域，可能与评估治疗计划有关。该方法在熊猫中进行了报道。DataFrame用于单个治疗的每个控制点的每个MLC移动的mlc_to_csv有关每个机架角度和光束的控制点和MLC位置的信息在输出中提供。 CSV文件。以这种方式提供的信息可用于提供输入文件，以执行辐射传输的蒙特卡罗模拟，从而验证治疗的剂量测定参数。报告它比较了属于不同结构的相同结构的两个状态（置换状态和非置换状态）的保证金分配DicomInfo对象。这个故事是在一只熊猫身上给出的。包括结构半径的最大值、最小值、平均值、标准差和方差（与评估形状相关）以及整体结构点之间的距离（最大值、最小值、平均值）和质心之间的距离的数据框。移动单个结构可以相对于参照点进行移动。[10]默认情况下，旋转和平移是为等中心点穿孔的。然而，位移可以在用户定义的任意点处被穿孔（personate）。旋转和平移的数学描述也将在下一节中struct_to_csv对于临床工作人员，它可用于将单个结构或整个结构集的信息提取到一个易于格式化的文件中，以便进行后处理分析。此方法会写入具有所需结构的csv档案。输出文件提供Cartesian函数每个结构的坐标。图。1. 原始病变和移位病 变 质 心 之 间 的 距 离 是 到 等中心点距离的函数。J.A. 罗哈斯-洛佩斯，J.Fotinos和N.马达洛佐软件影响16（2023）1004874图2。 在放射治疗医院中整合dicomhandler的临床工作流程。图。3. 放射 外 科 手 术 中 优 化 运 动 和 边 缘 的 剂 量 测 定 对病 变 和健康大 脑 的 影 响 （ 20 1 0 年 ） 。J.A. 罗哈斯-洛佩斯，J.Fotinos和N.马达洛佐软件影响16（2023）10048755. 局限性和未来工作读者可能已经注意到这个第一个版本的Dicomhandler有一些限制。最值得注意的是，没有提供将可变保证金分配给损伤的方法。当肿瘤的一部分比肿瘤的其余部分对位移更敏感时，这种方法的实施是有用的。[10]例如，这是一个具有拉长球体形状的病变的情况。这一事实目前正在开发中，我们打算包括可变保证金分配的优化方法。Dicomhandler的未来版本将包括新的实现，如6. 结论Dicomhandler是一个用于处理DICOM文件的开源Python包。它的使用与商业TPS无关。该软件包是独立于操作系统的，并且在Python 3.7和所有后续版本（当前版本为3.11）中进行了全面测试。Dicomhandler可以处理来自不同放射治疗的任何文件。特别地，其功能的优点被应用于诸如SRS之类的复杂和新颖的技术以用于多个脑转移。它使您能够钻取结构相对于任何参考点的旋转和平移，并添加/删除边距。这一潜在的特征允许研究不同来源的放射治疗过程中的不确定性的一个例子CRediT作者贡献声明[编辑]José Alejandro Rojas-López：概念化，数据管理，形式分析，研究，方法学，软件，监督，可视化，写作Jerónimo Fotinós：概念化，形式分析，研究，方法论，项目管理，软件，监督，可视化，写作Nicola Maddalozzo：形式分析、研究、方法学、软件、验证、可视化。竞争利益声明书作者声明，他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些利益或个人关系似乎会影响本文所报道的工作。确认书，确认书致Daniel Venencia博士Zunino研究所提供资源和获取数据的途径。致Juan Cabral博士以评估和审查本项目。这项研究没有从公共、商业或非营利部门的任何资助机构获得任何具体的资助。附录A. 补充数据[编辑]与本文相关的补充材料可以在网上找到访问https://doi.org/10.1016/j.simpa.2023.100487。参考文献[1]T. Rosewall，P. Chung，A. Bayley等人，一个随机比较的interfrac-前列腺运动 ， 有 和 没 有 腹 部 压 迫 ， Radiother 。 Oncol 。 88 （ 1 ） （ 2008 ） 88http://dx.doi.org/10.1016/j.radonc.2008。01.019.[2] B. Wysocka，Z.卡萨姆，G. Lockwood等人，胃癌保形放射治疗期间的干扰和呼吸器官运动，Int.J.Ff Radiat.Oncol。生物学。物理学。 77（1）（2010）53 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrobp.2009。 04.046。[3]T. Shiinoki F.藤井，Y。Yuasa等人，使用新型六度自由度机器人移动体模对肺进行呼吸门控立体定向体放射治疗和实时肿瘤监测期间分数内平移和旋转的剂量测定影响分析，Med. Phys. 47（9）（2020）3870//dx.doi.org/10.1002/mp.14369。[4] J.Kim，J.Y. Jin，N. Wen等人，脊柱放射外科手术定位中角度偏差的剂量测定影响，J.J. SBRT放射外科1（4）（2012）265-272。[5]M.M. Eder，M.雷纳，C. Heinz等人，单等中心立体定向放射外科手术[编辑] 对于多发性脑转移瘤：患者错位对非共面治疗中靶点覆盖率的影响，Z. Fur Medizin。物理学32（3）（2022）296http://dx.doi.org/10.1016/j.zemedi.2022.02.005[6] M.T. 米兰，J。格林，A. Niemierko等人，脑的单次和多次立体定向放射外科剂 量 / 体 积 耐 受 性 ， Int.J. Radiat.Oncol。 生 物 物 理 学 110 （ 1 ） （ 2021 ）68http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrobp.2020.08.013[7]J.A. Rojas-López，R.M.迪亚兹·莫雷诺，C.D. Venencia，遗传算法在单等中心多转移瘤放射外科治疗中PTV优化的应用Brainlab Elements™ ， Phys. 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