光學表面成像系統在腫瘤放射治療中的臨床應用

李紫薇，葛寧，鐘娟，耿濤

湖北省婦幼保健院 腫瘤科，湖北 武漢 430070

引言

放射治療存在分次間和分次內的擺位誤差，分次間的誤差由加速器、激光燈等的機械精度、患者擺位精度、靶區體積及形狀的變化及患者生理結構的改變（如膀胱、直腸不同充盈狀態）等產生，分次內的誤差由患者不自主位移（如咳嗽）和生理運動（如呼吸運動）產生。臨床上通過圖像引導來減少誤差，圖像引導的方式有電離輻射及非電離輻射兩類，光學表面成像（Optical Surface Imaging，OSI）系統即屬于后者。OSI系統利用激光束掃描患者并接收反射光束，以亞毫米級的精度追蹤患者三維體表輪廓信息，通過圖像配準來確定實時位置及位移誤差。OSI的三維成像傳感器將電磁能投射至物體表面，通過記錄電磁能脈沖從物體反射回來的時間計算距離，攝像機使用立體視覺技術及三角測量法來創建一個含有上萬個幾何結點的高分辨率三維體表圖像，利用剛性配準算法將該成像曲面與參考曲面進行比較[1]。在放射治療過程中，OSI系統可實時監測0.1 mm的位移變化，根據治療的部位和方式設定容差范圍、分辨率、刷新頻率，當監測到患者運動范圍超過設定閾值時，通過連鎖機制控制直線加速器停止出射線，確?；颊咛幱谡_位置時出束。

目前市場上常見的OSI系統包括：英國倫敦VisionRT公司生產的AlignRT系統、瑞典C-RAD公司生產的Catalyst系統及德國Humediq公司生產的identify系統。由于OSI系統的一系列應用優勢，如：零輻射、亞毫米級誤差及一次性提供6個自由度的位置誤差，用于治療前輔助擺位和治療中的實時監測。該系統被廣泛應用于立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT），自由呼吸下乳腺癌放療，深吸氣屏氣（Deep Inhalation Breath Hold，DIBH）下乳腺癌術后照射，頭頸部、胸腹部、四肢等部位及兒童腫瘤患者的放射治療中。

1 OSI在立體定位放射治療中的應用

立體定向放射外科（Stereotaxic Radio Surgery，SRS）的準確性在很大程度上取決于患者定位的精確性和固定的穩定性。最初，SRS使用侵入性框架，如Brown-Roberts-Well框架[2]，并隨后在臨床上引入了幾種可調節式框架，其中最常用的是Gill-Thomas-Cosman（GTC）框架[3]。該框架使用定制咬合塊，枕部固定器和尼龍搭扣來固定患者頭部。GTC框架固定方式為分次式SBRT提供了可能，但與侵入性框架相比，其定位準確性大大降低[4-6]。21世紀初，由于圖像引導放療方式的興起，EPID探測板、kVCBCT及MV-CBCT的應用，進一步減少了放療前擺位及分次間治療誤差[7-8]。這些基于電離輻射的圖像引導方式會給患者帶來額外的輻射損傷且增加治療前擺位時間，在一些SRS常用的非共面床角驗證中也存在限制[9]。

采用光學圖像引導的無框架SBRT模式大大提高了患者的舒適度，并能在分次內進行監測和實時調節，操作也更加簡便[10]。通過定制的熱塑膜固定患者體位，利用OSI跟蹤患者的頭部運動，紅外攝像機追蹤患者的固定咬合塊，以確保在整個治療過程中保持一致的體位[11]。然而，長時間使用咬合塊，患者會出現不適，在疲勞狀態下追蹤反而更不準確，并且不適用于無牙患者[12]。Cervi?o等[13]通過擴大對頭部感興趣區域的追蹤，包括眼睛、鼻子、前額和太陽穴等，精確度可達亞毫米級別，效果與紅外追蹤咬合塊的方式相當。Wen等[14]證明OSI可準確追蹤模體表面運動至0.1 mm，系統端到端定位精度為（0.5±0.2）mm，在90次測量中最大偏差為0.9 mm，所有計劃驗證使用3%/1 mm伽馬標準的合格率均大于90%。由此得出OSI引導的無框架SBRT的精準性高，可與機器人或侵入式框架放射治療系統相媲美。

為了評估利用OSI開展體表引導（Surface Image Guidance，SG）的SBRT效性，Leong等[15]回顧性地對比分析了63例SBRT患者（SG-SBRT26例，非SG-SBRT 37例），284個治療分次（SG-SBRT113次，非SG-SBRT 171次），非SG-SBRT組中位移超過3、2和1 cm的比例分別為2.9%、5.8%、45.6%，SG-SBRT組中這一比例分別為0、1.8%、16.8%，使用SG-SBRT能顯著降低治療前擺位和治療過程中的位移誤差，差異有統計學意義（P<0.05）。在使用kV級正交片驗證圖像引導有效性方面，SG-SBRT組中只有19%需要再次定位，而非SG-SBRT組達到51%。由此可見，使用光學引導可減少拍攝射野驗證片的輻射劑量。

2 OSI在乳腺放射治療中的應用

乳房由大量易形變的腺體組織構成，皮膚和內部解剖結構之間的非剛性聯系限制了MV和kV級射線引導系統在乳腺放療中的應用。使用OSI系統可實時評估乳房位置和形態，降低分次內和分次間的治療誤差。由于不需要額外的輻射，進一步減少了心臟、肺及肝臟等正常組織的損傷。Chang等[16]研究了23名乳腺癌患者放射治療的207個分次，所有患者手術時在瘤床置入了銀夾。將CT掃描數據作為參考圖像，利用激光燈對皮膚標記進行初始擺位，拍攝kV級胸壁正交片，進行骨性標記得到誤差值，之后使用OSI進行患者表面成像，與參考圖像進行比較后調整治療床的位置，再次拍攝kV正交片和表面成像。將激光燈對皮膚標記點、kV級正交驗證片、OSI表面成像與參考圖像上的銀夾位置對照并進行回顧性分析，前兩者在各方向的擺位精度在5 mm以內，而表面成像小于2 mm。經計算三種擺位方式的矢量空間誤差值分別為（8.8±4.2）、（8.3±3.8）和（4.0±2.3）mm，表面成像擺位誤差最小，優于其他兩種擺位技術。

乳腺癌放射治療的研究重點是降低正常組織的劑量以減少晚期副反應的發生率，如缺血性心臟病、冠狀動脈疾病和繼發性癌癥等[17]。DIBH狀態下進行放療可顯著減少心臟的照射量，特別是在治療左側乳腺癌時。深吸氣狀態下胸壁上移，可將心臟盡可能多地移出切線方向照射野，以降低心臟和冠狀動脈左前降支的輻射量，尤其是對于胸壁+區域淋巴結（包括內乳淋巴結）放療的患者[18]。OSI在DIBH期間監測胸壁位置，通過語音或視聽指導，患者能夠重復體位至體表標記線與激光燈相吻合的位置，并保持穩定狀態。Shyam等[19]對比研究了148名乳腺癌術后放療患者，其中38名患者使用自由呼吸（Free Breathing，FB）模式，另外的110名患者使用OSI引導下的DIBH模式，通過訓練屏氣時間保持在20～25 s。DIBH模式和FB模式的正常組織受量分別為：心臟平均劑量（138 cGyvs.256 cGy）、心臟 V5（3.8%vs.8%）、心臟V30（0vs.1.5%）、肺平均劑量（923 cGyvs.992 cGy）、肺 V20（17.1%vs.18.7%），DIBH模式的正常組織受量均低于FB模式。

OSI也可應用于加速局部乳房照射（Accelerated Partial Breast Irradiation，APBI）技術。APBI作為早期乳房腫瘤切除患者術后的超分割放療技術，單次劑量大，總治療次數少，典型的分割方式為總劑量38.6 Gy，分10次照射[12]。大劑量超分割的治療模式更要精準的靶區定位，Gierga等[20]研究發現，不用呼吸門控和采用OSI系統引導下的呼吸門控，目標配準誤差分別為6.2 mm和3.2 mm，通過OSI引導呼吸門控的方式可最大程度地減小移動誤差。

Batin等[21]研究發現，與射野驗證片技術相比，表面成像可以更準確地定位患者胸壁，并且可以大大縮短擺位時間，從11 min減少至6 min。

3 OSI在胸腹部放射治療中的應用

由于呼吸等生理運動的影響，胸腹部腫瘤在治療分次間的重復性較難保證。在CT模擬室內安裝OSI系統，可實時測量患者體表輪廓，為4DCT提供呼吸運動信息，引導吸氣或呼氣屏氣。根據4DCT獲取不同時相的圖像數據，在治療計劃中設計內靶區和外擴計劃靶區[22]。在治療過程中，根據患者的呼吸相位，配合定位時OSI獲取的呼吸信號控制加速器的出束。

呼吸門控技術能提高非小細胞肺癌根治性放療的療效。該技術需要獲得患者的肺活量通氣信號，然而肺活量信號基線的漂移趨勢很難測定。Simon等[23]利用OSI（VisionRT系統）研究體表圖像與通氣信號的相關性。使用兩種視覺跟蹤技術，一種是獲取視覺跟蹤點信號（VisionRT Tracked Point，VRT-TP），即追蹤位于肚臍和劍突中間的一點，另一種是獲取視覺衍生體積信號（VisionRT Surface Derived Volume，VRT- SDV），即三維體表成像。選取11名非小細胞肺癌患者，采用5種不同的呼吸方式：正常呼吸、腹部呼吸、胸部呼吸、深呼吸和淺呼吸。其中9例患者的呼吸信號與肺活量有良好的相關性（r>0.80），所有受試者VRT-SDV信號與肺活量的相關性優于VRT-TP。OSI提供的VRT-TP和VRT-SDV信號在放療過程中引導呼吸門控均具有潛在的應用價值，可以用作4DCT圖像排序的信號，并驅動4DCT單參數和多參數運動模型。胸部和腹部OSI的其他應用還包括使用DIBH技術治療縱隔淋巴瘤等[24]。

4 OSI在四肢腫瘤放射治療中的應用

由于四肢容易移動，且不在治療床中心，肢體擺位必須合理才能避免正常組織不必要的照射[25]。正常組織劑量過量會抑制傷口愈合，導致關節僵硬、淋巴水腫或纖維化的發生。并且部分肢體腫瘤與周圍軟組織的關系較骨性標記更可靠，OSI引導的應用可能比常規X線引導更具優勢。Gierga等[26]利用OSI對16名肉瘤患者236次治療的擺位不確定性進行了定量分析，評估OSI是否能提高患者定位的準確性。分次內的系統誤差和隨機誤差皆≤1.3 mm，運動幅度較小。分次間的系統誤差和隨機誤差，當基于CT圖像為參考表面時，范圍在3.1～7.9 mm，而基于OSI獲取的體表圖像為參考表面時，范圍可降至3～4 mm。使用OSI系統能更精確地指導擺位，降低擺位誤差。

5 OSI在兒童放射治療中的應用

兒童患者皮膚上的定位線因為玩耍出汗而更容易消失，或是自己揉搓抹掉，這些情況都會降低擺位的重復性[27]。兒童自制力相對成年人較差，在治療期間常常需要使用鎮靜藥物。引入OSI系統進行體表成像，不需要在皮膚上畫定位標記，當監測到兒童患者運動范圍超過設定閾值時，可以自動暫停治療，調整體位至設定的閾值內，立即恢復射線出束。在引入OSI之前，7歲以下兒童都需要鎮靜，引入OSI之后，4歲以上的兒童可以在不使用鎮靜的情況下進行體表成像引導的放射治療[12]。

Lundgaard等[28]研究了OSI光學表面引導DIBH在兒童放療中的可行性和依從性。選取33名平均年齡8.5歲（5～15歲）的兒童（18名健康兒童和15名住院癌癥兒童），在自愿情況下進行DIBH，使用OSI系統提供視覺反饋并進行監測。完成3次穩定的、20 s/次的DIBH，并保持不動被認為符合DIBH標準。共有28名（85%）兒童符合DIBH標準，其中20名兒童能立即理解DIBH并配合使用，另外8名通過定制的固定裝置或額外的DIBH訓練后能達到屏氣目的。符合與不符合DIBH標準的兒童的平均年齡分別為8.9歲（5～15歲）和6歲（5～9歲）。這項研究表明，5歲以上的兒童可在OSI引導下進行DIBH的放射治療，穩定性和重復性較好。

使用OSI不僅降低了兒童腫瘤患者整個療程的鎮靜劑使用量，并且這種非侵入性、非輻射類的監測方法能夠保證兒童腫瘤患者放射治療的順利進行。

6 OSI在使用中存在的問題

OSI技術只能反映體表運動情況，幾乎所有的OSI系統都是基于體表與內部組織及腫瘤的運動有完美對應關系這一假設而設計的，而實際上兩者之間位移并非呈線性變化。圖像配準時可能會產生配準滑動效應[27]。體表輪廓與內部解剖之間的差異，成為限制OSI放療應用中的一個關鍵性因素。

對于使用CT生成的參考表面的OSI和工作流程來說，識別CT掃描重建的患者體表與光學系統探測的體表之間的潛在差異是很重要的[29]。例如，CT重建產生偽影，導致參考表面有偏差，則不能準確描述患者的真實情況。于是在臨床使用時，常利用OSI系統進行第一次擺位校準后得到的體表圖像作為參考表面。

OSI技術要求系統能夠探測到患者的皮膚表面，因此在體位固定時不能遮蓋過多的患者皮膚。是選擇更好的OSI效果，還是更好的患者體位固定方式，需要進行權衡。治療室中的機架、CBCT手臂或其他部件不能遮擋OSI的光學路徑，否則無法對患者進行成像。同樣，衣物、毛毯或床單等物品的反射性和再現性差，要避免在OSI中使用這些物品。

7 OSI未來展望

目前，已經開始了將OSI系統應用于質子放射治療[30]、螺旋斷層放療[31]、Halcyon加速器[32]的研究，包括對擺位及治療過程進行實時監測、輔助呼吸門控等。

隨著圖形算法的不斷發展和計算能力的提高，可以預期未來的光學成像技術將獲得更高分辨率的患者體表圖像。OSI也可結合生物特征識別技術的最新發展，通過人臉識別或其他表面識別來增強患者識別。隨著人工智能的發展以及剛性和可變形的配準算法的改進，OSI可自動檢測患者體重變化以及腫瘤大小的變化，更精準地匹配腫瘤與體表的位置關系。OSI在整個處理過程中連續記錄位置數據的能力，是通過在一個治療分野或治療全程中獲得的位置不確定度信息來告知目標邊界來實現的，因此，OSI可結合機器學習技術，進行自適應治療模式，即利用患者自身體表成像運動的歷史數據來指導后期的治療。