光學體表監測技術引導的放射治療應用現狀與前景

沈 晶，陳琬琦，侯曉榮，邱 杰

1中國醫學科學院北京協和醫院放射治療科，北京 100730 2中山大學腫瘤防治中心核醫學科，廣東中山 510060

圖像引導技術是現代放射治療精確規劃和實施過程中不可或缺的一環。精準放射治療技術旨在提升靶區劑量、改善靶區適形度，并降低正常組織器官的受照體積和劑量，而其實施均需依賴圖像引導技術[1]。位置淺表的腫瘤，基于皮膚標記線和激光進行放射治療擺位是最初始的圖像引導，在治療過程中，患者的呼吸等生理運動增加治療分次內靶區位置的不確定性；患者位置或姿勢的變化，腫瘤大小、形狀及正常器官的生理變化也可增加放射治療分次間的誤差。對于深部腫瘤，臨床上引入不同模式的影像引導技術，如透視圖像、CBCT(cone beam CT)、MRI等，直接反應腫瘤的內部情況，以進一步精準定位腫瘤[1-2]。但MRI監測耗時長，透視圖像和CBCT將給患者帶來額外的輻射劑量，且不能監測分次內的誤差。故規律的CBCT圖像引導系統更多應用于運動幅度較大腫瘤(如肺癌、肝癌等)的立體定向放射治療(stereotactic radiotherapy，SRT)中[1-3]，以精細控制腫瘤動度，確保放射治療的精準實施。

光學體表監測技術(surface guided radiation therapy，SGRT)是一種無輻射性定位技術，采用光學表面成像實現表面引導放射治療。SGRT應用1個或多個攝像頭單元，在患者體表映射多個任意點，并接收反射光束，快速獲取患者的體表輪廓信息，生成高精度3D體表輪廓[4]。SGRT還可連續監測患者的位置，以高精確度和可重復性完成標準化工作流程。SGRT的優勢在于：(1)減少分次間的擺位誤差；(2)監測分次內患者的位置移動；(3)使用門控或深吸氣屏氣技術實現放射治療中的呼吸運動管理，具有無創、無輻射特性，尤其在兒童患者放射治療中發揮重要作用[5]。本文旨在闡述SGRT常用系統及其臨床應用，并討論其局限性及未來發展前景。

1 SGRT常用系統

目前，已有多種光學表面監測技術投入臨床使用或正在開發中[6-7]。已投入臨床使用的SGRT系統包括：(1)AlignRTTM系統(Vision，英國)，由英國Vision公司開發；(2)SentinelTM/Catalyst HD監控與擺位驗證系統(C-RAD，瑞典)，由瑞典C-RAD公司開發；(3)Varian IDENTIFYTM系統(Palo Alto，CA，美國)，由美國Palo Alto的Varian公司開發。上述3種系統在臨床應用中均取得了良好效果，其各具優勢(表1)。

表1 3種SGRT常用系統比較Tab.1 Comparison of three SGRT systems

1.1 AlignRTTM系統

AlignRTTM系統利用光學投射器和光學相機生成患者的3D體表輪廓，投影儀和高清攝像機安裝在治療室天花板的3個吊艙中，以確保圖像各個位置的完整性。治療時投射儀發出近紅外光，在患者體表產生紋理圖案，光學相機應用這些紋理圖案生成患者的實時體表輪廓，并使用剛性配準將此體表與參考表面進行比較(圖1)。同時，該系統可通過姿勢糾正功能提升運動位置較大、非剛性部位(如手臂、下頜)以達到精確擺位。除此之外，軟件自帶的雙體表技術，通過自由呼吸體表基準擺位、深吸氣屏氣體表，實現六維高精度體位和屏氣量監測的門控治療。AlignRTTM系統與加速器相連，當3個軸位移和3個軸旋轉中任一矢量超出閾值時，顯示條將從綠色切換為紅色(即超出閾值)，停止束流。AlignRTTM的性能已在光學表面引導的立體定向放射外科(stereotactic radiosurgery，SRS)、乳腺和其他部位疾病的治療中進行了深入研究[8-9]。

圖1 AlignRTTM系統表面成像圖示A.用戶界面，顯示參考表面(粉色)、活動表面(綠色)及6個維度的監測值；B.室內設置，近紅外光投射至患者身上；C.姿勢糾正功能Fig.1 Diagram of AlignRTTM surface imaging systemA.User interface，displaying reference surface (pink)and active surface (green)，and monitoring values for 6 dimensions；B.Indoor settings，with near-infrared light projected onto the patient；C.Treatment capture function

1.2 Catalyst HD系統

Catalyst HD系統的作用原理與AlignRTTM類似，應用近紫光范圍內的投射器繪制患者的體表輪廓，目前已被用于乳腺癌相關研究中[10]。該系統還采用1個紅色光源和1個綠色光源，將計算出的擺位誤差直接投射至患者體表，從而告知治療師如何糾正患者姿勢，使其與計劃的治療位置相匹配(圖2)。此外，CT模擬室中還配置1個Sentinel的單獨子系統，該系統應用激光監測患者劍突附近肌肉的上升和下降，此處隨時間變化的信號幅度可作為患者呼吸周期的替代指標，便于監測患者的呼吸運動[11]。

圖2 Catalyst HD系統表面成像圖示A.投影演示圖；B.用戶界面Fig.2 Diagram of Catalyst HD surface imaging systemA.Projection demonstration diagram；B.User interface

1.3 Varian IDENTIFYTM

Varian IDENTIFYTM系統近年已投入臨床使用，相較于前兩者，Varian IDENTIFYTM系統的圖像為彩色疊加圖像，為治療師提供了增強現實場景，可指導患者位置和姿勢的調整。且該系統采用了更大視野的3D攝像機，用于檢測與位置相關的附件，如固定裝置的位置，并指導其準確放置。 Varian IDENTIFYTM系統與Catalyst HD系統類似，也配備了可用于呼吸指導和門控的單獨模塊[12]。

2 SGRT系統的臨床應用

2.1 在放射治療流程中的應用

2.1.1 模擬定位與治療前擺位

SGRT系統是減少整體治療時間和最小化成像劑量的有效工具。其主要優勢包括：(1)可提供患者完整體表和位置的實時信息；(2)對于淺表腫瘤(表面偏差可作為腫瘤運動的替代物)，可提高定位精度[10]，且在SGRT系統與圖像引導驗證重復性良好的前提下，減少每日CBCT或MVCT的成像次數[13]；(3)對于位置較深的腫瘤(表面偏差與腫瘤移動之間無直接相關性)，可減少圖像配準所需的時間，并防止多次成像[14]。美國醫學物理學家協會(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)-TG 75報告中指出，鼓勵應用低劑量輻射方法進行圖像引導，SGRT系統可在無電離輻射的情況下完成圖像引導步驟，具有較大優勢[10]。

2.1.2 監測治療過程

SGRT系統在整個放射治療過程中對患者體表進行實時動態監控，提高了治療的安全級別。若患者體表部分偏離基于計劃CT設置的參考位置，或計算的等中心偏差超過某個閾值，治療射束則可關聯停止[11]。

2.1.3 配合特殊治療

SGRT系統可配合深吸氣屏氣(deep inspiration breath-hold，DIBH)技術，對接近皮膚表面的腫瘤(如乳腺癌)進行特殊條件下的治療；且可在共面和非共面顱內腫瘤治療中，配合開放式面部固定面罩，實時監測患者的體表變化，進行門控放射治療[15]，這些均是近年來臨床研究的熱點。

2.2 在腫瘤放射治療中的應用

2.2.1 顱內腫瘤

SGRT系統已成為顱內腫瘤SRS中的輔助定位方法，實現患者在所有治療位置的亞毫米級定位[15]。Gopan等[9]將SGRT與開放式口罩相結合用于顱內SRS，在治療期間對患者進行連續監測，與傳統激光擺位相比，兩系統間的一致性在1 mm/度以內。相較于更具侵入性的固定裝置，開放式面罩舒適度更高，可降低患者因不舒適而移動的可能性，同時具有足夠的固定性和運動檢測精度。相關研究顯示，SGRT系統與基于體表標記的激光擺位系統具有一致性[16]，且通過CBCT驗證擺位誤差，發現校正后的平均偏差小于2 mm[17]。此外，Pan等[18]對134例接受SGRT治療的腦轉移瘤患者進行回顧性研究發現，相較于基于體表標記的激光擺位系統，應用SGRT技術輔助SRS，患者的局部控制率和總生存率等臨床療效無顯著差異。

SGRT系統也被用于治療各種良性顱內疾病，包括三叉神經痛[19]和顱骨良性腫瘤[20]等，其效果與傳統方法相當，證實了無輻射監測技術在良性疾病中應用的優勢，尤其在兒童腫瘤、良性疾病的放射治療圖像引導成像方面具有一定應用前景。

2.2.2 頭頸部腫瘤

目前，SGRT系統的應用逐漸拓展至頭頸部腫瘤。Li等[21]研究發現，開放式面罩可提供與封閉式面罩相當的固定性，且適用于難以忍受全頭/頸面罩的幽閉恐懼癥患者，能夠提高患者的舒適性，有效緩解其焦慮。 Lee等[22]應用SGRT系統配合六維床，在頭頸部腫瘤放射治療中起到精準定位、實時監測的作用，有可能成為頭頸部腫瘤放射治療的標準治療推薦。

2.2.3 乳腺癌

乳房包含大量腺體軟組織，具有高度變形性，且乳房表面形態與內部骨骼解剖結構之間的位置關系可變，從而限制了MV和KV成像在乳腺疾病患者中的應用。若僅每周1次進行成像驗證，則患者分次間的差異可能很大。而SGRT系統則可實時評估乳房位置和形狀，避免患者接受額外的輻射，且SGRT系統配合DIBH技術，可減少對正常組織器官(如心臟、肺和肝臟)的照射劑量。

對于左側乳腺癌患者，放射治療期間對心臟的照射將增加缺血性心臟病和冠狀動脈相關疾病的發生風險[23]，且因缺血性心臟病、冠狀動脈疾病和繼發性癌癥等增加患者的死亡率[24]。DIBH是一種旨在減少心臟輻射的治療技術，指導左側乳腺癌患者進行DIBH，可使左側乳腺與心臟的距離增加，減少心臟的輻射劑量，亦不會導致過多的肺部輻射劑量。

SGRT系統可用于DIBH期間監測乳房位置。在放射治療過程中，治療師指導患者重復進行DIBH，屏氣期間維持胸壁位置穩定及可重復性，以確保患者始終在深吸氣屏氣狀態下接受射線治療，降低危及重要器官的照射劑量，確保DIBH技術的劑量學優勢[25-26]。除全乳照射外，也可將SGRT系統用于部分乳房照射(partial breast irradiation，PBI)，以減少配準誤差[27]。相關研究指出，在乳腺及淋巴引流區照射中應用SGRT系統及DIBH技術，可提高治療位置的準確性[28]。

2.2.4 胸/腹/盆腔腫瘤

在胸/腹部腫瘤治療過程中，呼吸等生理運動可造成目標運動或移位，而光學表面監測技術可實時測量患者的皮膚表面，并為4D-CT提供相關呼吸參數，而后者的腫瘤運動對內靶區(internal target volume，ITV)的體積和劑量至關重要[29]。研究指出，將光學表面成像作為呼吸運動的替代指標是一種趨勢[11]。Schaerer等[30]對腹部光學體表監測技術的應用研究發現，相較于傳統的體表標記激光擺位法，SGRT系統可在表面與內部解剖結構關聯上提供更為準確的信息，平均誤差為1.09 mm。此外，SGRT系統也可用于前列腺癌等盆腔腫瘤，可與DIBH技術結合治療縱隔淋巴瘤[31]、肺癌[32]、肝癌[33]及胃癌等[34]。

2.2.5 肢體腫瘤

對于肢體腫瘤(如肉瘤)患者，由于肢體的活動性和擺放存在問題，給外放射治療帶來了挑戰，需圖像技術引導及較大的外放邊界。而SGRT系統無輻射，可重復驗證用于患者肢體擺位。Gierga等[35]應用SGRT系統評估接受放射治療的四肢肉瘤患者位置的準確性，獲取16例患者共236次治療前后的三維表面圖像，進行離線圖像配準，分析治療與定位誤差，結果顯示平均三維矢量位移為2.1 mm，提示SGRT系統可最大限度減少治療中的運動誤差，實現精準擺位與治療。

3 小結與展望

SGRT系統通過實時監測患者的體表位置和形態變化，確保放射束準確照射至目標區域。該技術在放射治療領域取得了顯著進展，為患者帶來獲益，為醫務人員提供了幫助。SGRT系統的獨特優勢如下：(1)無創定位，采用非接觸式體表監測，避免傳統標記方法可能引起的不適或損傷，提高患者的舒適度；(2)精準治療，為醫療人員提供實時監測位置信息，可更準確地照射腫瘤，最大程度地保護周圍的正常組織器官；(3)實時調整，可在放射治療過程中實時監測體表的變化，使醫療專業人員能夠及時調整患者位置，確保精準治療的實施。

SGRT系統可應用于不同治療部位，包括頭頸部、胸部、腹部和盆腔等。隨著技術的進步，將人工智能和機器學習應用于SGRT系統，可實現更加智能化的體表監測和定位，以適應不同患者的個體特點，實現個體化治療，進一步提高其治療的精確性。同時，SGRT系統可與其他放射治療技術或影像技術相結合，實現更加全面的治療計劃。

目前，SGRT系統應用于臨床仍存在一定的局限性。首先，外表面與內部解剖之間的關系并不足以準確定位體內腫瘤，因此SGRT系統并不能完全取代CT等放射成像系統，僅可作為其補充。其次，SGRT系統要求患者皮膚表面無遮擋，因此對固定技術要求較多者，需在表面成像和固定度間進行權衡。

隨著計算能力和生物識別技術的發展，SGRT系統將獲取更高分辨率、更詳細的表面信息，對患者的識別能力也更強，改進的配準算法可允許其自動檢測患者的體質量或腫瘤大小變化，衍生出一種新型的適應性放射治療，使腫瘤的放射治療更為精準。總之，SGRT系統在放射治療領域發揮重要作用，隨著技術的不斷進步，其將提供更高的精確度和舒適度。

作者貢獻：沈晶負責文獻檢索、數據收集及論文撰寫；陳琬琦負責文獻檢索及數據收集；侯曉榮負責論文指導及修改；邱杰負責論文指導。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突