VR/AR應用于智能放療的若干焦點問題

趙利榮，孫建國

(陸軍軍醫大學新橋醫院腫瘤科，重慶 400037)

世界衛生組織(WHO)發布了2020年《世界癌癥報告》，明確指出癌癥是威脅人類健康的第二大死亡原因。2018年，全球共有1 810萬人被診斷患有癌癥，960萬人死于癌癥[1]。在腫瘤綜合治療中，放療有著重要的地位，對早期腫瘤可采用根治性放療，對術后腫瘤可輔助放療以減少復發，對晚期腫瘤可作為姑息手段以減輕患者癥狀。放療已有一個多世紀的歷史，在過去20年得到了快速發展，尤其是隨著大數據和人工智能技術的快速發展，近年來，智能放療在放療輪廓勾畫、放療計劃設計、放療流程優化、放療云平臺搭建等方面得到廣泛應用。由于智能放療具有更高的精確性、專業性和復雜性，引進虛擬現實(virtual reality，VR)/增強現實(augmented reality，AR)技術具有重要的意義，通過與虛擬環境的實時交互，可使醫患溝通情景化、放療培訓虛擬化、放療流程精細化、放療計劃可視化，大幅提升工作效率、放療質量和服務水平[2-4]。以虛擬現實培訓(virtual environment radiotherapy training,VERT)系統為代表，其為放療過程的風險性和復雜性提供了良好的解決方案，使放療技術具有更高的精確性、快捷性、安全性和為放療患者帶來舒適性體驗[5-7]。然而，VR/AR技術應用于智能放療還處于起步階段，設備普及性、在線實時性、同質化標準、技術新形態等方面存在問題，需要依靠快速革新而逐漸成熟、不斷突破及多元化發展的人工智能技術，從而使智能放療向更高層次推進。本文就VR/AR技術應用于智能放療的研究現狀及焦點問題做一闡述，以期為智能放療從業人員和VR/AR研究人員提供未來探索的方向。

1 VR/AR技術應用于智能放療的研究現狀

1.1 智能放療研究現狀

隨著計算機醫學和人工智能技術的快速發展，現代放療技術向著精確計劃、精準定位、個體化治療的方向發展，更加趨于數字化、信息化和智能化。智能放療主要在大數據、靶區自動勾畫、自動放療計劃以及“互聯網+”等多方面有重大突破。

大數據作為臨床治療的客觀量化資料，已經成為促進臨床治療及科學研究創新不可或缺的一部分[8]。放療大數據主要由醫院信息系統、放射治療計劃系統及影像學檢查設備3個方面產生，包括電子健康記錄、治療計劃數據、核磁共振成像記錄等[9]，除了患者的性別、年齡、癥狀等常規信息外，還包括治療的計劃、程序、方法及放射影像、劑量等非常規數據[10]。對放療大數據進行合理、高效地整合、集成與解析，包括結構化、半結構化及非結構化的數據，使得數據形式趨向多樣化、多元化和異構性[11]。

放療的靶區勾畫對于腫瘤病灶定位、放療療效及患者預后至關重要，對放療醫生的專業知識、治療經驗均是較大的考驗，患者進行CT腫瘤的模擬定位后大約有200張圖像，醫生需要對不同層面的圖像逐一勾畫標注，費時費力，勾畫的準確性受主觀因素影響較大。應用人工智能技術建立腫瘤靶區自動勾畫模型，能夠有效提高放療醫生的工作效率，大大增加靶區勾畫的準確性，提高放療的療效。目前國內外正在開發放療靶區輪廓自動勾畫的軟件，主要在勾畫危及器官結構上達到較高的精度；腫瘤靶區的自動勾畫探索主要在頭頸部腫瘤，林金勇等[12]將ABAS自動勾畫軟件用于頭頸部腫瘤靶區和危及器官的自動勾畫，基本可以達到手工勾畫的要求。

自動放療計劃是多學科、多層面、多維度的綜合性智能放療自動計劃平臺，能夠綜合多項技術及多種臨床數據，給出最佳的優化方案。SMITH等[13]選取20例前列腺癌患者，分別做了Pinnacle自動放療計劃和Eclipse基于經驗的自動放療計劃，均可以得到高質量放療計劃，并且計劃評分也無明顯差異。范嘉偉等[14]選取240例左側乳腺癌患者，基于深度學習網絡來預測乳腺癌調強放療計劃的劑量分布，與臨床治療計劃的劑量分布相比，靶區(除同步加量的PTV 48 Gy)和危及器官的劑量值相近，具備自動放療計劃的基本能力。

“互聯網+”以互聯網平臺為基礎，將現代信息技術手段(如手機通信技術、云計算、大數據、物聯網等)與傳統行業進行深度融合，創造新形態下的新產業?！盎ヂ摼W+”的實踐和應用也已融入醫療行業，并在放療應用中顯示出巨大潛力[15-16]。以云端放療大數據庫為基礎，通過放療云操作系統，各級單位管理者和使用者均可直觀詳實地了解所需信息，并客觀準確地指導放療工作。例如，通過互聯網在線服務，使患者放療流程規范化、電子化，形成以患者為中心的流程管理系統；可以使用圖像分析和識別技術，自動識別醫療影像數據或者挖掘放療計劃制訂、放療實施過程中諸多參數及臨床預后的關系，從而為醫師提出診療建議；可以通過與醫院已有的軟硬件互聯互通，打破各個放療科數據孤島的現狀，實現數據整合與信息共享[17-18]。

1.2 VR、AR技術的定義

VR利用計算機生成模擬環境，是視覺、聽覺、觸覺等多源信息融合的交互式 3D 動態視景和實體行為的系統仿真。用戶借助特殊的輸入/輸出設備沉浸到該環境中，臨場感的強弱是檢驗VR設備及內容是否優秀的標準。

AR利用計算機技術，將虛擬的信息應用到真實世界中，在現有的真實環境基礎上實時地疊加虛擬的物體。VR與AR不同：VR需要用不透明頭戴顯示設備(簡稱頭顯設備)完成虛擬世界里的沉浸體驗，而AR需要透明清晰的頭戴設備看清真實世界和重疊在上面的信息和圖像。

1.3 VR/AR技術在智能放療中的應用

VR/AR技術已在智能放療中發揮重要作用。首先，VR/AR具有交互性、沉浸性、可操作、多感知性等優勢，可以用于放療教育培訓，通過虛擬的教學環境充分調動學生的主動性和創造性。2009年10月西英格蘭大學最早將VR技術(VERT系統)用于放療教學培訓[19]，創建出高度逼真的虛擬放療環境，從而在具有趣味性和互動性的過程中增強對放療技術的理解，體驗三維環境中人、放療設備和放療軟件的多重交互，完全超越傳統的學習感受。隨后，VR技術應用于放療技術培訓在國內外興起[20-22]，愛爾蘭牛津大學調研結果顯示，58%的學生贊成用VR進行放療教學[23]。李小波等[24]將VR/AR技術用于放療技術的培訓，包括患者體位固定、CT模擬定位、加速器質量控制等模塊，提升了放療物理師的模擬學習效率和實時操作感受。

其次，VR/AR技術在對放療患者的宣傳教育中發揮重要作用，讓放療患者在一個非常逼真的放療環境中模擬感受真實的放療場景，能充分理解復雜的放療流程[25]。華中科技大學同濟醫學院GAO等[26]通過問卷調查和研究生理學指標發現，相較于放療前只接受傳統知識宣教的患者，VR/AR技術對患者的放療宣教可減少患者對放療過程的焦慮和恐懼。美國某放療中心采用頭戴式VR設備進行放療前宣傳教育，顯著減少了放療患者的治療恐懼和焦慮，提高了放療效果[27]。

2 VR/AR技術應用于智能放療的焦點問題

2.1 VR智能放療的設備普及性有待技術革新

VR技術綜合應用各種數字化技術制造出逼真的模擬環境，可以有效地模擬人在自然環境中的各種感知行為，給人一種身臨其境的感覺，如同進入了一個真實的客觀世界。虛擬技術的交互性使人能夠自然地和虛擬世界中的對象進行交互操作。虛擬環境可使人沉浸其中并且獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而深化概念并萌發新意，啟發人的創造性思維。

然而，VR技術作為高速發展的新型技術，不可避免地會有各種問題，例如產品體驗的高價位問題、用戶視覺體驗問題等。當前，VR技術需要進行技術革新，像智能手機一樣更加平民化地走進每個放療中心，成為智能放療的主流模式。例如：VR頭顯設備會給用戶帶來眩暈、嘔吐等不適感，造成用戶的體驗性不佳。再如：頭顯設備的不適感可能讓用戶產生VR技術是否會對自身的健康造成損害的擔憂，必將影響VR技術在未來的普及和發展。隨著VR技術的不斷進步，未來將實現人機交互的全新模式，頭顯設備小型化是發展趨勢，甚至不需穿戴頭顯設備就能使加速器和患者進行實時交互。

2.2 VR技術用于智能放療的在線實時性有待大幅度提高

解決VR/AR的在線實時性，最好的途徑是“5G”技術。5G技術讓萬物實現智能互聯，實現放療過程中人和機器的實時交互，在5G技術支持下，海量放療數據與放療工作人員、醫療加速器、質量控制設備之間實現前所未有的互聯，將會給新型放療行業提供極好的機遇。

在5G技術支持下，開發者應當首先對應用和產品進行測試，更加關注用戶的健康和舒適問題，開發其他感官、運動交互界面，而不僅僅是聽和看，嘗試用手指去操控并形成真實的內部和外部力的觸覺和反饋，如果發明一副有觸覺反饋并對所有手指都產生力的手套，將會是一個革命性的技術創新。

虛擬環境下的可視化對計算速度的要求更高，對于鼻咽癌等復雜靶區的計算還需要平衡計算速度和精度，這也對計算機硬件和網絡傳輸提出了更高的要求。隨著物聯網技術和5G技術的誕生，可以解決當前頭顯設備因為清晰度和分辨率不足的問題，通過至少5G或更優秀的網絡傳輸，避免造成視覺的延遲，保證圖像的同步。

2.3 AR技術用于智能放療的動態顯示有待技術突破

當前的VR技術只顯示靜態圖像，沒有考慮患者呼吸運動等自然活動，也沒有考慮放療過程中的體位變化。能將患者的呼吸運動和體位變化也考慮在內，實現真正意義上的實時糾正患者擺位誤差和腫瘤移動追蹤。未來，AR技術需要對患者呼吸動度進行全面系統的研究，可以通過輸入患者的呼吸波形圖，以了解患者的運動幅度與周圍環境的關系，并將其整合到VR技術中，在虛擬治療室中重現患者的真實運動，借此改善呼吸運動對照射劑量的影響。

同時，在加速器機房安裝360度攝像頭，用以捕捉真實的放療機房里真實患者體位數據進行3D重構模擬，放療工作人員可以像移動電腦鼠標一樣輕松操縱虛擬形象，機房內患者可以看到自己的虛擬形象，對自己的感官運動行為給予視覺反饋，增強醫患之間在虛擬環境中的交互。另一方面，通過對虛擬患者的實時監測和射線追隨，結合CT、影像引導放射治療(IGRT)等影像設備評估患者腫瘤的大小、形態、位置的變化，分析實際治療計劃和原計劃的差異，經過大數據處理中心集成處理展示實時的患者劑量，從而指導后續分次治療計劃的設計，實現真正的自適應放療和腫瘤追蹤放療，從而提高靶區劑量覆蓋率，并更好地保護正常組織。

2.4 AR技術用于智能放療的同質化標準還有待開發統一

不同層級醫院之間、同層級不同放療中心之間，放療流程實施存在較大的異質性，各放療單位在擺位精確度、放療輪廓勾畫要求、放療計劃設計、放療設備和放療計劃的質控，都存在顯著的不同，尤其是區縣基層單位在缺乏足夠人力、設備、質控技術的情況下，實現放療同質化存在巨大的困難。

隨著智能放療和互聯網的推行，AR技術有望全面提高各放療單位之間的同質化，建立AR技術下的放療流程新標準，包括放療擺位誤差、腫瘤靶區和危及器官的勾畫精度、放療計劃的優化程度、放療設備的質控通過率、圖像引導和自適應放療的技術條件、精準放療云平臺的數據共享、遠程放療指導的會診服務等，在全國層面建立智能放療新規則，建立遠程化、自動化、智能化的放療新模式，有效利用醫療資源，推動分級診療，極大改變現有醫療格局。

2.5 AR技術用于智能放療的技術新形態還亟待更多探索

真實世界中不允許用真實患者進行放療試驗，AR技術提供了一個很好的環境，可以在其中進行試驗和測試?，F有AR技術在腫瘤放療領域的逐漸應用，尚不足以滿足更大范圍、更高層次、更多維度的虛擬技術需求，以數字孿生、虛擬生理人為代表的新形態有待更多突破。

數字孿生是物理資產的虛擬圖像，數字孿生模型(大到加速器，小到物理質控中的電離室等設備)在虛擬環境中測試驗證所有的物理參數的精確性，可以在臨床測試階段發現問題并及時在模型中做出糾正。在放療應用中，可以通過數字孿生模型來模擬放療計劃，計算及其產生的物理學效應，可優化放療劑量的計算和放療計劃的設計，是人工智能與VR/AR技術完美結合的典范。

虛擬生理人是通過數字技術模擬真實的人體器官而合成的三維模型，不僅具有人體外形及肝臟、心臟、腎臟等各個器官，而且具備各器官的新陳代謝機能，能較為真實地反映出人體的生理狀態和各種病理變化，在計劃設計時可以真實、實時地反映劑量計算的過程，幫助物理師設計出更優化的放療計劃。有望開發可視化的新技術，實現放療計劃優化、劑量計算和放療質控質的飛躍。

3 VR/AR技術用于智能放療的未來展望

3.1 VR技術的未來關鍵環節

VR技術在智能放療領域的推廣普及，需要更強大的硬件、超快的網速、豐富的內容作為支撐?；谔摂M系統技術的交互性、沉浸性的特點，以及受網絡傳輸速率的制約，如何實時模擬逼真的動態環境是虛擬系統技術能否實現的保證。因此，未來的VR技術將在穿戴式硬件、傳輸網速、虛擬內容等關鍵環節上快速發展，迎來VR產業的爆發拐點，成為顛覆傳統模式的智能放療人機交互平臺。

3.2 AR技術的新形式

數字孿生和虛擬生理人是AR技術發展的高級階段，可能在未來蓬勃發展。數字孿生是物理資產的虛擬圖像，可以模擬加速器、電離室等各類放療設備，從而在虛擬環境中形成反映真實物理實體的物理參數，在臨床測試階段發現問題并及時糾正，其模擬放療劑量計算，優化放療計劃設計，可以在放療質控中發揮重要作用。虛擬生理人是通過數字技術模擬真實的人體器官而合成的三維模型，不僅具有人體外形及內臟器官，而且具備“新陳代謝機能”，能反映人體的生理狀態和病理變化，從而“真實、實時”地反映放射劑量在人體的吸收過程，幫助放療醫生更精準地制訂放療方案，幫助物理師更加優化放療計劃設計，從而實現精準放療質的飛躍。

3.3 VR/AR技術將改變放療從業人員工作方式

隨著VR/AR技術和智能放療的快速發展，放療專業人員的工作方式將發生重大變化。傳統的醫生培訓、醫患交流、放療流程、質控模式、操控方式都將徹底改變，機器人更多參與到放療流程，人機交互使“人找事”變成“事找人”，簡單重復勞動將被取代，虛擬遠程交互使多學科團隊及放療單位之間的溝通變得遠程、虛擬、逼真且實時，使得日常放療工作更加流暢和自動化，從而使放療患者更加受益。