光学表面成像系统在肿瘤放射治疗中的临床应用

李紫薇，葛宁，钟娟，耿涛

湖北省妇幼保健院 肿瘤科，湖北 武汉 430070

引言

放射治疗存在分次间和分次内的摆位误差，分次间的误差由加速器、激光灯等的机械精度、患者摆位精度、靶区体积及形状的变化及患者生理结构的改变（如膀胱、直肠不同充盈状态）等产生，分次内的误差由患者不自主位移（如咳嗽）和生理运动（如呼吸运动）产生。临床上通过图像引导来减少误差，图像引导的方式有电离辐射及非电离辐射两类，光学表面成像（Optical Surface Imaging，OSI）系统即属于后者。OSI系统利用激光束扫描患者并接收反射光束，以亚毫米级的精度追踪患者三维体表轮廓信息，通过图像配准来确定实时位置及位移误差。OSI的三维成像传感器将电磁能投射至物体表面，通过记录电磁能脉冲从物体反射回来的时间计算距离，摄像机使用立体视觉技术及三角测量法来创建一个含有上万个几何结点的高分辨率三维体表图像，利用刚性配准算法将该成像曲面与参考曲面进行比较[1]。在放射治疗过程中，OSI系统可实时监测0.1 mm的位移变化，根据治疗的部位和方式设定容差范围、分辨率、刷新频率，当监测到患者运动范围超过设定阈值时，通过连锁机制控制直线加速器停止出射线，确保患者处于正确位置时出束。

目前市场上常见的OSI系统包括：英国伦敦VisionRT公司生产的AlignRT系统、瑞典C-RAD公司生产的Catalyst系统及德国Humediq公司生产的identify系统。由于OSI系统的一系列应用优势，如：零辐射、亚毫米级误差及一次性提供6个自由度的位置误差，用于治疗前辅助摆位和治疗中的实时监测。该系统被广泛应用于立体定向放射治疗（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT），自由呼吸下乳腺癌放疗，深吸气屏气（Deep Inhalation Breath Hold，DIBH）下乳腺癌术后照射，头颈部、胸腹部、四肢等部位及儿童肿瘤患者的放射治疗中。

1 OSI在立体定位放射治疗中的应用

立体定向放射外科（Stereotaxic Radio Surgery，SRS）的准确性在很大程度上取决于患者定位的精确性和固定的稳定性。最初，SRS使用侵入性框架，如Brown-Roberts-Well框架[2]，并随后在临床上引入了几种可调节式框架，其中最常用的是Gill-Thomas-Cosman（GTC）框架[3]。该框架使用定制咬合块，枕部固定器和尼龙搭扣来固定患者头部。GTC框架固定方式为分次式SBRT提供了可能，但与侵入性框架相比，其定位准确性大大降低[4-6]。21世纪初，由于图像引导放疗方式的兴起，EPID探测板、kVCBCT及MV-CBCT的应用，进一步减少了放疗前摆位及分次间治疗误差[7-8]。这些基于电离辐射的图像引导方式会给患者带来额外的辐射损伤且增加治疗前摆位时间，在一些SRS常用的非共面床角验证中也存在限制[9]。

采用光学图像引导的无框架SBRT模式大大提高了患者的舒适度，并能在分次内进行监测和实时调节，操作也更加简便[10]。通过定制的热塑膜固定患者体位，利用OSI跟踪患者的头部运动，红外摄像机追踪患者的固定咬合块，以确保在整个治疗过程中保持一致的体位[11]。然而，长时间使用咬合块，患者会出现不适，在疲劳状态下追踪反而更不准确，并且不适用于无牙患者[12]。Cerviño等[13]通过扩大对头部感兴趣区域的追踪，包括眼睛、鼻子、前额和太阳穴等，精确度可达亚毫米级别，效果与红外追踪咬合块的方式相当。Wen等[14]证明OSI可准确追踪模体表面运动至0.1 mm，系统端到端定位精度为（0.5±0.2）mm，在90次测量中最大偏差为0.9 mm，所有计划验证使用3%/1 mm伽马标准的合格率均大于90%。由此得出OSI引导的无框架SBRT的精准性高，可与机器人或侵入式框架放射治疗系统相媲美。

为了评估利用OSI开展体表引导（Surface Image Guidance，SG）的SBRT效性，Leong等[15]回顾性地对比分析了63例SBRT患者（SG-SBRT26例，非SG-SBRT 37例），284个治疗分次（SG-SBRT113次，非SG-SBRT 171次），非SG-SBRT组中位移超过3、2和1 cm的比例分别为2.9%、5.8%、45.6%，SG-SBRT组中这一比例分别为0、1.8%、16.8%，使用SG-SBRT能显著降低治疗前摆位和治疗过程中的位移误差，差异有统计学意义（P<0.05）。在使用kV级正交片验证图像引导有效性方面，SG-SBRT组中只有19%需要再次定位，而非SG-SBRT组达到51%。由此可见，使用光学引导可减少拍摄射野验证片的辐射剂量。

2 OSI在乳腺放射治疗中的应用

乳房由大量易形变的腺体组织构成，皮肤和内部解剖结构之间的非刚性联系限制了MV和kV级射线引导系统在乳腺放疗中的应用。使用OSI系统可实时评估乳房位置和形态，降低分次内和分次间的治疗误差。由于不需要额外的辐射，进一步减少了心脏、肺及肝脏等正常组织的损伤。Chang等[16]研究了23名乳腺癌患者放射治疗的207个分次，所有患者手术时在瘤床置入了银夹。将CT扫描数据作为参考图像，利用激光灯对皮肤标记进行初始摆位，拍摄kV级胸壁正交片，进行骨性标记得到误差值，之后使用OSI进行患者表面成像，与参考图像进行比较后调整治疗床的位置，再次拍摄kV正交片和表面成像。将激光灯对皮肤标记点、kV级正交验证片、OSI表面成像与参考图像上的银夹位置对照并进行回顾性分析，前两者在各方向的摆位精度在5 mm以内，而表面成像小于2 mm。经计算三种摆位方式的矢量空间误差值分别为（8.8±4.2）、（8.3±3.8）和（4.0±2.3）mm，表面成像摆位误差最小，优于其他两种摆位技术。

乳腺癌放射治疗的研究重点是降低正常组织的剂量以减少晚期副反应的发生率，如缺血性心脏病、冠状动脉疾病和继发性癌症等[17]。DIBH状态下进行放疗可显著减少心脏的照射量，特别是在治疗左侧乳腺癌时。深吸气状态下胸壁上移，可将心脏尽可能多地移出切线方向照射野，以降低心脏和冠状动脉左前降支的辐射量，尤其是对于胸壁+区域淋巴结（包括内乳淋巴结）放疗的患者[18]。OSI在DIBH期间监测胸壁位置，通过语音或视听指导，患者能够重复体位至体表标记线与激光灯相吻合的位置，并保持稳定状态。Shyam等[19]对比研究了148名乳腺癌术后放疗患者，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引导下的DIBH模式，通过训练屏气时间保持在20～25 s。DIBH模式和FB模式的正常组织受量分别为：心脏平均剂量（138 cGyvs.256 cGy）、心脏 V5（3.8%vs.8%）、心脏V30（0vs.1.5%）、肺平均剂量（923 cGyvs.992 cGy）、肺 V20（17.1%vs.18.7%），DIBH模式的正常组织受量均低于FB模式。

OSI也可应用于加速局部乳房照射（Accelerated Partial Breast Irradiation，APBI）技术。APBI作为早期乳房肿瘤切除患者术后的超分割放疗技术，单次剂量大，总治疗次数少，典型的分割方式为总剂量38.6 Gy，分10次照射[12]。大剂量超分割的治疗模式更要精准的靶区定位，Gierga等[20]研究发现，不用呼吸门控和采用OSI系统引导下的呼吸门控，目标配准误差分别为6.2 mm和3.2 mm，通过OSI引导呼吸门控的方式可最大程度地减小移动误差。

Batin等[21]研究发现，与射野验证片技术相比，表面成像可以更准确地定位患者胸壁，并且可以大大缩短摆位时间，从11 min减少至6 min。

3 OSI在胸腹部放射治疗中的应用

由于呼吸等生理运动的影响，胸腹部肿瘤在治疗分次间的重复性较难保证。在CT模拟室内安装OSI系统，可实时测量患者体表轮廓，为4DCT提供呼吸运动信息，引导吸气或呼气屏气。根据4DCT获取不同时相的图像数据，在治疗计划中设计内靶区和外扩计划靶区[22]。在治疗过程中，根据患者的呼吸相位，配合定位时OSI获取的呼吸信号控制加速器的出束。

呼吸门控技术能提高非小细胞肺癌根治性放疗的疗效。该技术需要获得患者的肺活量通气信号，然而肺活量信号基线的漂移趋势很难测定。Simon等[23]利用OSI（VisionRT系统）研究体表图像与通气信号的相关性。使用两种视觉跟踪技术，一种是获取视觉跟踪点信号（VisionRT Tracked Point，VRT-TP），即追踪位于肚脐和剑突中间的一点，另一种是获取视觉衍生体积信号（VisionRT Surface Derived Volume，VRT- SDV），即三维体表成像。选取11名非小细胞肺癌患者，采用5种不同的呼吸方式：正常呼吸、腹部呼吸、胸部呼吸、深呼吸和浅呼吸。其中9例患者的呼吸信号与肺活量有良好的相关性（r>0.80），所有受试者VRT-SDV信号与肺活量的相关性优于VRT-TP。OSI提供的VRT-TP和VRT-SDV信号在放疗过程中引导呼吸门控均具有潜在的应用价值，可以用作4DCT图像排序的信号，并驱动4DCT单参数和多参数运动模型。胸部和腹部OSI的其他应用还包括使用DIBH技术治疗纵隔淋巴瘤等[24]。

4 OSI在四肢肿瘤放射治疗中的应用

由于四肢容易移动，且不在治疗床中心，肢体摆位必须合理才能避免正常组织不必要的照射[25]。正常组织剂量过量会抑制伤口愈合，导致关节僵硬、淋巴水肿或纤维化的发生。并且部分肢体肿瘤与周围软组织的关系较骨性标记更可靠，OSI引导的应用可能比常规X线引导更具优势。Gierga等[26]利用OSI对16名肉瘤患者236次治疗的摆位不确定性进行了定量分析，评估OSI是否能提高患者定位的准确性。分次内的系统误差和随机误差皆≤1.3 mm，运动幅度较小。分次间的系统误差和随机误差，当基于CT图像为参考表面时，范围在3.1～7.9 mm，而基于OSI获取的体表图像为参考表面时，范围可降至3～4 mm。使用OSI系统能更精确地指导摆位，降低摆位误差。

5 OSI在儿童放射治疗中的应用

儿童患者皮肤上的定位线因为玩耍出汗而更容易消失，或是自己揉搓抹掉，这些情况都会降低摆位的重复性[27]。儿童自制力相对成年人较差，在治疗期间常常需要使用镇静药物。引入OSI系统进行体表成像，不需要在皮肤上画定位标记，当监测到儿童患者运动范围超过设定阈值时，可以自动暂停治疗，调整体位至设定的阈值内，立即恢复射线出束。在引入OSI之前，7岁以下儿童都需要镇静，引入OSI之后，4岁以上的儿童可以在不使用镇静的情况下进行体表成像引导的放射治疗[12]。

Lundgaard等[28]研究了OSI光学表面引导DIBH在儿童放疗中的可行性和依从性。选取33名平均年龄8.5岁（5～15岁）的儿童（18名健康儿童和15名住院癌症儿童），在自愿情况下进行DIBH，使用OSI系统提供视觉反馈并进行监测。完成3次稳定的、20 s/次的DIBH，并保持不动被认为符合DIBH标准。共有28名（85%）儿童符合DIBH标准，其中20名儿童能立即理解DIBH并配合使用，另外8名通过定制的固定装置或额外的DIBH训练后能达到屏气目的。符合与不符合DIBH标准的儿童的平均年龄分别为8.9岁（5～15岁）和6岁（5～9岁）。这项研究表明，5岁以上的儿童可在OSI引导下进行DIBH的放射治疗，稳定性和重复性较好。

使用OSI不仅降低了儿童肿瘤患者整个疗程的镇静剂使用量，并且这种非侵入性、非辐射类的监测方法能够保证儿童肿瘤患者放射治疗的顺利进行。

6 OSI在使用中存在的问题

OSI技术只能反映体表运动情况，几乎所有的OSI系统都是基于体表与内部组织及肿瘤的运动有完美对应关系这一假设而设计的，而实际上两者之间位移并非呈线性变化。图像配准时可能会产生配准滑动效应[27]。体表轮廓与内部解剖之间的差异，成为限制OSI放疗应用中的一个关键性因素。

对于使用CT生成的参考表面的OSI和工作流程来说，识别CT扫描重建的患者体表与光学系统探测的体表之间的潜在差异是很重要的[29]。例如，CT重建产生伪影，导致参考表面有偏差，则不能准确描述患者的真实情况。于是在临床使用时，常利用OSI系统进行第一次摆位校准后得到的体表图像作为参考表面。

OSI技术要求系统能够探测到患者的皮肤表面，因此在体位固定时不能遮盖过多的患者皮肤。是选择更好的OSI效果，还是更好的患者体位固定方式，需要进行权衡。治疗室中的机架、CBCT手臂或其他部件不能遮挡OSI的光学路径，否则无法对患者进行成像。同样，衣物、毛毯或床单等物品的反射性和再现性差，要避免在OSI中使用这些物品。

7 OSI未来展望

目前，已经开始了将OSI系统应用于质子放射治疗[30]、螺旋断层放疗[31]、Halcyon加速器[32]的研究，包括对摆位及治疗过程进行实时监测、辅助呼吸门控等。

随着图形算法的不断发展和计算能力的提高，可以预期未来的光学成像技术将获得更高分辨率的患者体表图像。OSI也可结合生物特征识别技术的最新发展，通过人脸识别或其他表面识别来增强患者识别。随着人工智能的发展以及刚性和可变形的配准算法的改进，OSI可自动检测患者体重变化以及肿瘤大小的变化，更精准地匹配肿瘤与体表的位置关系。OSI在整个处理过程中连续记录位置数据的能力，是通过在一个治疗分野或治疗全程中获得的位置不确定度信息来告知目标边界来实现的，因此，OSI可结合机器学习技术，进行自适应治疗模式，即利用患者自身体表成像运动的历史数据来指导后期的治疗。