基于紅外攝像裝置的Triniti呼吸門控系統的設計和性能驗證

劉穎，王鑫，徐瑤瑤，袁玲，潘宇龍

廣州醫科大學附屬第五醫院 放療科，廣東 廣州 510000

引言

隨著計算機技術、醫學影像技術、放射生物學及放射物理學等放療相關學科的快速發展，放射治療已從傳統的普通放射治療、三維適形放射治療發展為調強放射治療、圖像引導放射治療，充分體現了“精確放療”的發展趨勢[1]。呼吸運動是影響胸部腫瘤“精確放療”的主要因素之一。由于呼吸中膈肌的影響，肺下葉及上腹部的移動度最大可達50 mm[2]。根據國內外的研究表明，可通過一定的技術手段測量體表的呼吸運動度，并且可將測量得到的呼吸運動度與腫瘤的運動相關聯。盧曉光等[3]的研究表明，腫瘤運動與呼吸運動的周期和動度基本一致。因此，可通過患者呼吸運動規律推測腫瘤的位置，從而提高治療的精確度。

近年來國內外研發了多種呼吸運動管理裝置，如腹壓帶固定技術、呼吸門控技術、自主呼吸控制技術及實時跟蹤治療技術[4]。腹壓帶門控技術將氣壓帶纏繞腹部一周，通過內嵌的壓力傳感器將腹部變化實時轉換為氣壓變化，從而得到呼吸運動信號。此方法操作方便，但重復性較差，不適用于部分實施壓腹裝置的患者[5]。呼吸門控技術是放射治療中呼吸運動管理最有效的方法之一。該方法需要在患者腹部放置熒光標記塊，通過固定在CT 定位床尾部的攝像設備記錄患者呼吸過程中熒光標記塊的運動信號，并通過計算機將此信號轉變為數字信號，從而得到患者的呼吸運動曲線[6]。根據呼吸運動的特點，設置合適的閾值觸發加速器出束。呼吸門控技術對患者的肺功能有一定要求，在前期需訓練患者呼吸頻率，使患者的呼吸更加平穩有規律，且延長了治療時間，同時可顯著減少CT 模擬定位掃描偽影，并降低放療中靶區的偏移程度，在臨床上得到了廣泛應用[6]。現已投入臨床使用的呼吸門控系統包括實時位置管理（Real Position Management，RPM）系統[7]、美國瓦里安醫療系統（Varian Medical System）[8]、主動呼吸控制系統（Active Breathing Coordinator?）[9]、AZ-733V（ANZAI Medical，日本）[10]、Sentinel（C-RAD AB，瑞典） 系統[11]。

本中心配備腹壓帶門控的大孔徑CT 和帶RPM 系統的瓦里安直線加速器。由于紅外攝像裝置追蹤的運動精度高，更便于探測患者的呼吸運動，同時支持CT 和直線加速器兩端采用相同的追蹤技術采集呼吸曲線從而實現門控治療，故本中心聯合廣州科萊瑞迪公司開發了基于紅外攝像裝置的Triniti 呼吸門控系統裝置替代腹壓帶門控設備。本研究將腹壓帶信號觸發CT 掃描轉換為紅外攝像觸發信號，分析2 種方式下采集的呼吸曲線和4DCT 影像的一致性，并通過Triniti 呼吸門控系統實現門控束流，最后測量呼吸門控出束及停止出束延遲時間，以測量門控治療的精確度。

1 Triniti呼吸門控系統的設計

1.1 Triniti呼吸門控系統聯通CT和直線加速器的流程設計

系統的整體運行流程如圖1 所示，在CT 端通過紅外攝像追蹤患者呼吸運動幅度，在CT 端設置回顧式或前瞻式門控進行4DCT 掃描，在特定的呼吸相位或幅度控制CT 出束，獲取特定呼吸狀態的CT 影像。將呼吸運動曲線、相關的呼吸基線和門控窗的位置保存到數據庫，并將重建的4DCT 影像傳入治療計劃設計系統（Treatment Planning System，TPS）中。研究由醫生勾畫靶區，物理師設計計劃，在直線加速器端設置前瞻式門控并實施治療。治療時，用紅外攝像監測模體的呼吸運動狀態，當呼吸曲線進入門控窗內時，Triniti 門控系統觸發直線加速器出束，呼吸曲線離開門控窗口時，直線加速器自動停止出束。

圖1 Triniti系統整體的運行流程

1.2 Triniti呼吸門控系統總體構成及改造方案

本實驗中使用的設備有CT（Brilliance CT Big Bore，飛利浦，荷蘭）、直線加速器（Trilogy，瓦里安，美國）、TPS 系統（Eclipse，瓦里安，美國）、呼吸運動模體（008A，CIRS，美國）及呼吸門控系統（Triniti 系統，廣州科萊瑞迪公司）。Triniti 系統包含將紅外攝像機拍攝的呼吸運動轉化為呼吸曲線的系統軟件，支持呼吸曲線vxp 文件導出，方便對其進行分析。本研究呼吸門控系統通過紅外攝像裝置探測呼吸運動信號，并根據呼吸運動信號觸發CT 掃描；然后在TPS 中分析呼吸運動規律，并選取合適的門控窗范圍，在TPS 中設計放射治療計劃；最后根據選取的門控范圍，設置計劃執行過程中的出束窗，并由直線加速器端的Triniti 呼吸門控系統采集呼吸運動信號。當呼吸運動信號位于出束窗中時，執行放射治療計劃。

針對CT 端呼吸門控信號的改造，對CT 配置腹壓帶，首先實現了用Triniti 探測的呼吸運動信號觸發CT 掃描，Triniti 通過紅外攝像裝置拍攝患者體表標記塊的運動，形成呼吸運動信號文件，重建CT 影像。最后將直線加速器由RPM 系統觸發改造為Triniti 呼吸門控系統觸發，具體思路如圖2 所示。

圖2 改造后的呼吸門控系統流程圖

2 Triniti呼吸門控系統的驗證

2.1 Triniti系統與腹壓帶呼吸運動信號一致性驗證

為驗證腹壓帶與Triniti 系統探測到的呼吸運動信號的一致性，在研究中利用CIRS 在胸部呼吸運動模體中導入原始曲線（Mc），將Mc曲線設置為4 組：標準余弦（Cos）運動曲線，Sharkfin 運動曲線，Patient1、Patient2 真實患者的曲線驅動CIRS 模體運動。用腹壓帶采集記錄的曲線Mf，Triniti 采集記錄的運動曲線Mh，在MATLAB 軟件分析Mc、Mf與Mh的一致性。

2.2 Triniti系統與腹壓帶采集信號重建4DCT影像一致性驗證

CT 選擇4DCT 掃描模式，根據呼吸運動波形，得到各時相的CT 影像，實時記錄腫瘤及相應器官隨呼吸運動的位移，并量化腫瘤或相應器官在三維方向上隨呼吸運動的幅度。為確保Mf與Mh呼吸運動波形觸發掃描的4DCT 一致性，采用同一CIRS 運動模體。利用腹壓帶和Triniti 的紅外攝像裝置記錄呼吸曲線，選擇相同的掃描參數，獲取2 組4DCT 影像。在相同的時相選擇相同的感興趣區域（Region of Interest，ROI），利用TPS的測量工具測量同一相位上的ROI 長度。

2.3 Tiriniti在直線加速器端的改造和驗證

將Triniti 系統采集到的標準正弦波驅動下CIRS 模體運動的4DCT 影像傳入Eclipse 計劃系統，并將呼吸周期0～25%、10%～45%的相位設為門控窗，在計劃中添加kV 級擺位野驗證擺位精確性[12]。將Triniti 采集的呼吸運動信號接入到瓦里安直線加速器系統中，并以設定的0～25%、10%～45%呼吸門控窗閾值作為門控觸發信號控制射線的開啟和關閉。將Triniti 的信號經由24pin 線纜連接原瓦里安門控控制盒，通過電頻信號的形式發送到門控盒，以Triniti 信號作為門控觸發信號，實現直線加速器的門控操作。

2.4 Triniti呼吸門控系統控制直線加速器出束與停止出束延遲時間測試

在直線加速器端，利用Tiniti 直線加速器治療室內天花板上安裝的雙目紅外相機追蹤標記塊的運動幅度，并將標記塊的運動幅度作為患者的呼吸運動幅度。將CIRS 運動模體在治療床上擺好，用相機采集運動模體的呼吸運動曲線。當呼吸曲線到達門控窗內，系統以電頻信號形式觸發門控盒，門控盒鑰匙打開至Beamon 的狀態，控制直線加速器出束。在機載影像系統（OBI）中選擇透視模式，觀察模體是否運動到閾值內，在閾值范圍內時擺位野可變成綠色，控制直線加速器出束。

另外，呼吸門控治療時間延遲是放療臨床重點關注的因素之一[13]。理論上直線加速器Beam-on 和Beamoff時間點在門控窗周期內無延遲，但由于系統信號、硬件的延遲，Beam-on 和Beam-off會延遲，從而影響放療精度[13-14]。目前有幾種方法測量門控的延遲時間，本文采用基于空間位移的方法利用相位角度來量化Beamon 和Beam-off的時間延遲，采用正弦運動方式來模擬呼吸運動[15]。

3 結果

3.1 紅外攝像呼吸運動信號與RPM系統呼吸運動信號一致性驗證

首先，通過MATLAB 導入波形數據，在同一坐標系上擬合3 組數據曲線，對比相位及幅度的變化，見圖3。在2 組標準運動曲線和2 組真實患者呼吸曲線的驅動下，Triniti 系統采集的運動曲線與原始的曲線、腹壓帶采集的曲線在相位和幅度上高度重合。為再次驗證二者之間的相似性，采用皮爾遜相關系數進行分析。

圖3 Mc、Mf和Mh之間的標準余弦（a）、Sharkfin（b）、Patient1（c）、Patient2（d）呼吸曲線一致性

如表1 所示，通過4 組曲線數據的兩兩對比，皮爾遜相關系數均大于0.8（均P＜0.001），表示4 組曲線數據兩兩對比具有線性相關，證明Mf和Mc、Mh和Mc、Mf和Mh之間4 組數據的幅度和相位高度一致，說明Triniti 系統紅外攝影裝置采集模體的運動信號與壓腹帶采集的信號一致性高。因此，可使用Triniti 系統紅外攝像替代腹壓帶采集的信號作為呼吸門控CT 端觸發信號。

表1 Mc、Mf、Mh曲線數據之間的相關系數

3.2 兩種方式下采集的4DCT圖像一致性驗證

在CT 掃描時選擇4DCT 掃描模式，根據呼吸運動波形，得到各時相的CT 圖像，實時記錄腫瘤及相應器官隨呼吸運動的位移，并量化腫瘤或相應器官在三維方向上隨呼吸運動的幅度。為確保Mf與Mh呼吸運動波形觸發掃描的4DCT 的一致性，采用同一運動模體進行掃描重建。

在相同的時相上選擇相同關注的ROI，利用TPS 的測量工具進行測量，在各個相位上測量同一ROI 的長度距離，見圖4。

圖4 腹壓帶4D成像（a）和Triniti 4D成像（b）

對比觀察兩組4DCT 圖像，由于其結構及運動差異較小，可清晰分辨出模體在升降方向做正弦周期的規律運動。表2 為根據紅外攝像裝置獲取的呼吸運動波形重建的4DCT 圖像和利用腹壓帶重建的4DCT 圖像在各個時相內測量得到的相同掃描層下相同ROI 的測量長度，可看出相同ROI 的運動幅度差異較小，測量ROI 的幅度相差（0.065±0.069） cm，差異無統計學意義（P＞0.05），說明Triniti 重建的4DCT 圖像與用腹壓帶呼吸運動信號重建的4DCT 圖像基本一致，因此Triniti 系統重建的4DCT 圖像可替代壓腹帶的方式進行4DCT 影像掃描重建。

表2 腹壓帶和Triniti采集的4DCT影像在不同相位下測量相同ROI的移動距離（cm）

3.3 Triniti呼吸門控系統控制直線加速器出束與停止出束延遲時間測試

在此實驗中，以5 mm 直徑的錐形光柵的方式出束，用膠片記錄輻射曝光長度，再用數字掃描儀掃描曝光的膠片。由于曝光的覆蓋率基于射線強度進行測量，因此測量的精度主要取決于曝光帶兩端局部最大的曝光范圍。為減小測量誤差，每次重復曝光3 次。首先得到非門控全周期的曝光長度，得到CIRS 模體正弦運動下實際的膠片曝光范圍。設置門控參數時，設置正弦曲線相位前瞻式門控觸發束流：A（0～25%）的相位門控窗，B（10%～45%）相位門控窗，設置加速器500 MU 出束，并分別在正弦運動模體的膠片上曝光3 次，得到實際曝光長度，再利用相位周期的角度函數得到相位的角度值。

理論曝光和實際曝光長度測量數據如表3 所示。已知模體運動的正弦呼吸曲線，得出Beam-on 和Beam-off的時間分別為（0.116±0.053）s 和（0.464±0.098）s。按照AAPM TG-142 報告建議，腫瘤在以不大于20 mm/s 的速度運動時，對應的門控延遲時間應不大于100 ms[16]。相對比以往研究，例如Jin 等[17]測量RPM 系統結合直線加速器的時間延遲為（0.17±0.03）s；Smith 等[18]研究表明基于瓦里安和RPM 門控系統的時間延遲為0.07～0.10 s。由此可見，使用Triniti 的門控系統控制瓦里安直線加速器的出束時間延遲能達到與進口產品RPM 系統相當的性能。

表3 理論曝光和實際曝光長度測量數據（ ±s，mm）

表3 理論曝光和實際曝光長度測量數據（ ±s，mm）

項目A（0～25%）B（10%～45%）非門控理論曝光長度16.022.4-實際曝光長度119.625.731.8實際曝光長度220.225.331.9實際曝光長度320.125.932.8 x-±s19.96±0.3225.63±0.3132.16±0.55

4 討論

呼吸門控作為一種精準放療的臨床應用技術，對胸腹部腫瘤的呼吸運動管理具有優勢，可顯著提升放療計劃實施精度，將射線精準投射到腫瘤上，并更好地保護腫瘤周圍的正常組織，降低放療副反應[19]。目前實現患者呼吸追蹤的方式有多種，有基于紅外標記探測的相機追蹤，有被動呼吸控制的呼吸閥門裝置，也有腹壓綁帶傳感器的追蹤方式。放療配置的CT 要想實現4DCT 的功能，只要將掃描CT 時第三方記錄的呼吸信號傳給工作站重建即可[20]，但是在實現前瞻性門控掃描如屏氣時，需要在掃描CT 時記錄患者的呼吸，包括呼吸基線、呼吸門控窗位置，以便于在直線加速器治療時重現呼吸狀態，從而保證門控治療的重復性[21]。本系統的設計優勢在于CT 端和直線加速器端同步安裝了相同的相機，工作站之間建立了數據庫并保存了患者數據，使得模擬定位時追蹤的呼吸狀態在直線加速器上能夠同步實現，保證相同狀態下的門控出束治療。

對本研究綜合分析可知，紅外攝像裝置在探測患者呼吸運動時具有一定優勢，其在追蹤掃描的精度和重建圖像還原方面可替代壓腹帶門控的方式。研究通過運功模體驗證了廣州科萊瑞迪研發的基于紅外攝像裝置的Triniti 呼吸門控系統在CT 定位和直線加速器門控治療流程中的可行性，驗證了Triniti 系統在CT 定位房間通過紅外雙目相機采集呼吸運動信號，并將此呼吸信號與模擬CT 連接，實現模擬CT 的4DCT 功能。在直線加速器房間采集到的呼吸信號與門控盒連通，可實現門控閾值內的出束，實現精確的門控治療。因此，將臨床操作實施在同一套系統上和將門控治療數據保存在同一數據庫內對于臨床操作更加集中且簡單。另外，通過掃描CIRS 模體，患者4DCT 的圖像可明顯顯示呼吸運動對腫瘤的位置影響。對胸腹部進行模擬定位掃描時可選擇4DCT 來確定腫瘤運動范圍，或選擇深吸氣屏氣、深呼氣屏氣的方式來降低呼吸運動對腫瘤放療帶來的影響，從而精確實施肺癌或乳腺癌等的放射治療，將靶區劑量推高的同時更好地保護危及器官，達到精準門控放療的目的[22]。

在應用呼吸門控過程中，研究發現，有規律的呼吸運動波形可提高門控效率，而人體的自由呼吸規律性不一致，尤其是對于心肺功能較差的患者，其呼吸運動規律性較差。在前瞻式呼吸門控中，需要患者主動配合，有意識地進行有規律的呼吸，例如進行4DCT 門控時盡可能規律地自由呼吸。屏氣門控要求患者長時間憋氣，因此在實施門控前期，對患者進行呼吸訓練尤為重要，后期設計可以考慮在呼吸門控系統中增加呼吸訓練模塊，在掃描或治療前，通過訓練模塊提高患者呼吸的重復性和穩定性，從而提高門控治療的效率。