虛擬影像仿真系統(tǒng)在放射治療相關(guān)應(yīng)用中的研究進(jìn)展

張靜 段敬豪 王清鑫 王偉天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院放射治療科，國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心，天津市“腫瘤防治”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市惡性腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心300060；山東省腫瘤防治研究院（山東省腫瘤醫(yī)院），山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院），濟(jì)南507

0 引 言

隨著放療技術(shù)的發(fā)展，超過(guò)50%的癌癥患者在治療過(guò)程中會(huì)接受放射治療（放療），用于根治性或輔助化療，或者用于癥狀控制（姑息性放療），因此放療的臨床需求呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，各地區(qū)醫(yī)院致力于擴(kuò)大放療相關(guān)的技術(shù)。在放療技術(shù)方面，劑量計(jì)算已經(jīng)完成了從近似2D到基于物理的3D模擬，且臨床治療技術(shù)也早已引入反向計(jì)算的強(qiáng)度調(diào)制輻射技術(shù)。現(xiàn)今計(jì)算機(jī)的進(jìn)步不僅促進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，也對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality,VR）技術(shù)在日常臨床工作中的應(yīng)用做出更深刻的變革[1-4]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使得虛擬影像即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）重新得到重視。VR是一種多源信息融合并交互的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的仿真系統(tǒng)，結(jié)合高質(zhì)量的立體顯示器去展示一個(gè)沉浸式的3D環(huán)境，穿戴者能夠與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互[5]。目前，基于VR的虛擬仿真系統(tǒng)在培訓(xùn)及評(píng)估臨床外科手術(shù)技能方面已取得顯著效果[2,6]，而VR應(yīng)用于放療領(lǐng)域，還需考慮放療基本流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)并結(jié)合多方面因素進(jìn)行綜合評(píng)估，因?yàn)楝F(xiàn)代放射治療的實(shí)施是一個(gè)多環(huán)節(jié)、多步驟的復(fù)雜完整過(guò)程，每一個(gè)環(huán)節(jié)和步驟都須保證無(wú)差錯(cuò)連接，包括臨床評(píng)估、體位固定、CT/MR定位、位置驗(yàn)證，且放療需患者親自參與配合，因此基于VR如何更直觀(guān)展現(xiàn)并簡(jiǎn)化放療實(shí)施過(guò)程中的各種復(fù)雜問(wèn)題，以及減少預(yù)處理過(guò)程所需時(shí)間，對(duì)提高癌癥患者治療效率有重大意義[7-8]。

本文就VR技術(shù)在放射治療相關(guān)應(yīng)用中的進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對(duì)VR在放療領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 虛擬放療場(chǎng)景

現(xiàn)代放射治療過(guò)程中，放療醫(yī)生只能根據(jù)CT圖像從不同角度獲得患者的2D信息，而基于VR設(shè)計(jì)的虛擬放療系統(tǒng)中，通過(guò)處理真實(shí)治療環(huán)境與患者的CT結(jié)構(gòu)后，可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)并模擬真實(shí)的治療室及各種輔助工具、患者解剖結(jié)構(gòu)與劑量分布等相關(guān)放療的3D信息，以實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有患者參與的情況下，及時(shí)調(diào)整并提前預(yù)覽整個(gè)治療計(jì)劃[9]。

虛擬治療室包括：完整的直線(xiàn)加速器、治療床和多葉光柵（multi-leaf collimator，MLC）；外部配備實(shí)際控制設(shè)備操作虛擬加速器，可用于后期交互式的操作訓(xùn)練；可提供直線(xiàn)加速器狀態(tài)信息的顯示屏；患者擺位使用的激光燈。虛擬設(shè)備中可顯示患者皮膚表面以輔助擺位，2010年，Aarhus大學(xué)附屬醫(yī)院腫瘤科設(shè)立了直線(xiàn)加速器模型，主要用于臨床相關(guān)的操作練習(xí)（圖1）[10]。虛擬可視內(nèi)容包括：患者在治療床上的解剖結(jié)構(gòu)，如腫瘤與危及器官（organ at risk,OAR）的3D結(jié)構(gòu)、患者的影像數(shù)據(jù)（CT、MR、PET）及線(xiàn)束視觀(guān)（beameye view,BEV）；瀏覽治療射束及其組成部分；劑量分布的3D可視化，如等劑量線(xiàn)分布、腫瘤及OAR的劑量沉積。

圖1 直線(xiàn)加速器模型

已有研究報(bào)道，基于VR系統(tǒng)可驗(yàn)證治療模擬器與真實(shí)的加速器間治療計(jì)劃[2]。按比例將真實(shí)治療間、直線(xiàn)加速器的模型縮小，根據(jù)CT重建患者3D數(shù)據(jù)，基于VR-交互式場(chǎng)景治療技術(shù)人員可手動(dòng)操作治療床、機(jī)架角度，進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)虛擬MLC模型、劑量計(jì)算分布軟件等，模擬和可視化各種治療方案，減少以傳統(tǒng)方式讓患者參與，減輕患者負(fù)擔(dān)，進(jìn)行完整的放療流程的3D展示，從而幫助相關(guān)放療工作人員操作、模擬和驗(yàn)證放療計(jì)劃（radiation treatment planning,RTP）。

2 VR在臨床放療中的應(yīng)用

放療領(lǐng)域中的“真實(shí)3D”展示的價(jià)值，早在20多年前就已被研究者發(fā)現(xiàn)[11]，但受當(dāng)時(shí)的低幀速率和顯示OAR與PTV重疊區(qū)域的限制，沒(méi)有在臨床得到廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，VR在放療臨床應(yīng)用中的研究早已開(kāi)展，諸如3D顯像系統(tǒng)用于引導(dǎo)患者擺位、非共面治療計(jì)劃的自動(dòng)碰撞檢測(cè)、全息顯像系統(tǒng)優(yōu)化放療計(jì)劃等，以下對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 VR圖像引導(dǎo)患者擺位

隨著放療技術(shù)的不斷發(fā)展，要求提供更高適形度的劑量區(qū)域，目前，臨床常用錐形束CT（conebeam computed tomography,CBCT）矯正患者剛性擺位誤差，對(duì)于患者軟組織變形和添加不規(guī)則形狀的組織補(bǔ)償物導(dǎo)致的變形（如根治術(shù)后乳腺癌、減肥、腫瘤縮小等），不能僅通過(guò)剛性配準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)單矯正，因?yàn)檫@可能會(huì)擾亂患者解剖結(jié)構(gòu)，降低治療質(zhì)量[12-13]。已有研究報(bào)道，基于AR（augmented reality）開(kāi)發(fā)的圖像引導(dǎo)系統(tǒng)，可在治療過(guò)程用于患者擺位、位置的可視化引導(dǎo)，因此，治療專(zhuān)家可在放療過(guò)程中出現(xiàn)的任何偏離位置的情況進(jìn)行即時(shí)糾正[6]。

基于AR技術(shù)開(kāi)發(fā)的“增強(qiáng)顯示”（augmented monitor）系統(tǒng)用于可視化監(jiān)測(cè)，其使用攝像機(jī)獲取直線(xiàn)加速器的治療床和患者真實(shí)輪廓圖像。在臨近顯示器上顯示，從計(jì)劃CT中獲取患者體表輪廓的3D模型，使用AR軟件將3D模型以正確位置疊加至攝錄圖像上，并可進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整以匹配到正確的治療位置，在擺位與治療的過(guò)程中，就能瀏覽顯示器并確認(rèn)患者擺位的正確性。為了確保虛擬輪廓調(diào)整至正確位置，采用立方體將直線(xiàn)加速器與攝像機(jī)的位置進(jìn)行匹配，即使用治療間激光燈或CBCT配準(zhǔn)帶有AR表面追蹤標(biāo)記的立方體與等中心點(diǎn)[14-15]。因此，基于AR開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)顯示系統(tǒng)，成為現(xiàn)有擺位方法的一種補(bǔ)充工具，實(shí)現(xiàn)了非剛性變形的檢測(cè)。

將該系統(tǒng)投入至真實(shí)治療環(huán)境時(shí)，對(duì)于患者的治療感受可能會(huì)更有益處。因?yàn)樵诙ㄎ?、?fù)位時(shí)需要患者配合去除治療部位的衣物，以將皮膚表面與輪廓相匹配，但這可能會(huì)引起患者不適應(yīng)或反感；而基于AR的增強(qiáng)顯示系統(tǒng)可在計(jì)算機(jī)處理輔助下，能夠?qū)崿F(xiàn)3D可視化圖像中去除衣服等影響，從而提高患者就診和治療的配合度[16-17]。

2.2 VR圖像在碰撞檢測(cè)的應(yīng)用

現(xiàn)代體外放射治療中，通常采用共面治療，以盡可能避免直線(xiàn)加速器的旋轉(zhuǎn)機(jī)架與患者、治療床發(fā)生碰撞。而在尋找最佳射野入射方向時(shí)，非共面治療可提供更多選擇，更有利于提高靶區(qū)劑量分布并保護(hù)OAR[18]，但在擺位與治療時(shí)可能會(huì)發(fā)生碰撞，降低其使用效率；而基于可視化系統(tǒng)研發(fā)的RTStar系統(tǒng)[19]能夠自動(dòng)提示放療人員在放療過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生的一系列碰撞，如患者制定非共面計(jì)劃時(shí)、擺位或治療過(guò)程時(shí)，從而為非共面放療提供一種解決方案?；赗TStar設(shè)計(jì)非共面計(jì)劃，需要先通過(guò)商業(yè)放療計(jì)劃評(píng)價(jià)系統(tǒng)（如CMSFocal,www.cms-stl.com）制定一組共面光束的放療計(jì)劃，然后上傳至RTStar,借助其靈活多變的可視化圖像和自動(dòng)碰撞檢測(cè)設(shè)施，放療計(jì)劃可手動(dòng)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)射野方向，以達(dá)到最佳入射位置。

RTStar所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境包含患者模型、RT計(jì)劃、治療床和直線(xiàn)加速器，形成治療間視圖，放療計(jì)劃可視化還必須包含患者圖像數(shù)據(jù)（CT、MR、PETCT等）、腫瘤靶區(qū)（CTV、PTV）、OAR、劑量分布、放射野及其MLC等相關(guān)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要保證治療床和直線(xiàn)加速器的模型要在3D空間上精確配準(zhǔn)至實(shí)際用于放療的設(shè)備上，這樣才能預(yù)測(cè)治療床上的患者與加速器之間的碰撞可能。RTStar系統(tǒng)采用雙顯示屏技術(shù)，其一為傳統(tǒng)2D顯示，即光束視圖（beam's eye viem,BEV）,可提供腫瘤與OAR的重疊程度，以便物理師調(diào)整射野方向，減少此類(lèi)重疊；另一為3D顯示，即治療間視圖，可為物理師提供靶區(qū)及其周?chē)鶲AR的深度感知，并通過(guò)3D等劑量表面視圖和腫瘤彩色等劑量圖展示已完成計(jì)劃（圖2）[19]，物理師就可據(jù)此修改現(xiàn)有計(jì)劃的射野入射方向、調(diào)整靶區(qū)內(nèi)冷熱點(diǎn)位置，以提高靶區(qū)適行度。

圖2 腫瘤及周?chē)＜捌鞴俚牟噬葎┝?D展示圖

已有研究報(bào)道稱(chēng)[19]，基于RTStar系統(tǒng)已成功進(jìn)行碰撞預(yù)警（如機(jī)架旋轉(zhuǎn)指示燈變紅），即當(dāng)直線(xiàn)加速器的機(jī)架與治療床或患者即將發(fā)生碰撞時(shí)發(fā)出預(yù)警，這樣就可避免物理師優(yōu)化出實(shí)際無(wú)法執(zhí)行的計(jì)劃。該系統(tǒng)已在前列腺癌和胸部腫瘤的非共面計(jì)劃中應(yīng)用，PTV、膀胱和直腸的Dmean、Dmax均有所降低。

2.3 VR輔助治療計(jì)劃設(shè)計(jì)

基于VR可更有效地提供患者解剖結(jié)構(gòu)的3D展示圖，對(duì)于計(jì)劃設(shè)計(jì)、劑量分布、調(diào)整射野入射角度等有更深度的線(xiàn)索，從而可優(yōu)化出質(zhì)量更高的放療計(jì)劃[20-21]。目前，已有報(bào)道[22]使用軟件PerspectaSpatial 3D System進(jìn)行自動(dòng)立體-360°的3D體積展示，因此放療醫(yī)生和物理師在討論、改變放療計(jì)劃時(shí)可全方位、共同查看立體圖像。

Perspecta系統(tǒng)將多個(gè)2D的橫斷面圖像投影到以900 rpm旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)散屏幕上，即生成直徑25 cm的3D全息影像，由于視覺(jué)持久性及圖像的全向擴(kuò)散，3D圖像像漂浮在61 cm圓頂內(nèi)的空間中，且看起來(lái)是半透明的。為了進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，Perspecta系統(tǒng)還與治療計(jì)劃系統(tǒng)（如Pinnacle）間開(kāi)發(fā)了軟、硬件接口，諸如CT、OAR、參考點(diǎn)（Reference point）、劑量分布等就可在Perspecta系統(tǒng)顯示。此外，Perspecta系統(tǒng)還包含3D鼠標(biāo)（PHANTOMOmniTM,SensAble Technologies Inc.,Woburn,MA,USA），通過(guò)機(jī)械臂在圖像內(nèi)移動(dòng)光標(biāo)，以定義射野等中心點(diǎn)（Isocenter）(圖3)[22]，之后使用3D鼠標(biāo)可點(diǎn)擊沿射野軸的任何點(diǎn)來(lái)定義射野方向，將以上內(nèi)容同步至Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)，利用定制軟件（如RTStar）進(jìn)行非共面放療計(jì)劃的自動(dòng)碰撞檢測(cè)，選取實(shí)際可執(zhí)行的放療計(jì)劃。Perspecta系統(tǒng)還增加了一些計(jì)劃工具，如3D工具尺，可用于射野形狀的自動(dòng)環(huán)繞、點(diǎn)劑量顯示、指定光束與選擇ROI相交部分的實(shí)時(shí)展示，因此更有利于檢測(cè)PTV、OAR的受照劑量，促進(jìn)全息圖的治療計(jì)劃[23-24]。

圖3 Perspecta系統(tǒng)

已有研究報(bào)道[22,25]，針對(duì)頭頸、肺和腹部/盆腔的患者，基于全息影像產(chǎn)生的放療計(jì)劃在熱點(diǎn)位置（是否在靶區(qū)內(nèi)）、OAR（包括視神經(jīng)、脊髓、肺、心臟、肝臟、腎臟、膀胱、直腸、股骨頭等）的受照劑量等方面均優(yōu)于基于2D圖像制作的放療計(jì)劃（61%vs30%），而其中基于Perspecta制作的非共面計(jì)劃更為常見(jiàn)（82%vs27%）。

3 VR在放療宣傳教育及教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用

3.1 VR對(duì)放療患者在宣傳教育上的應(yīng)用

放療前對(duì)患者進(jìn)行教育是提高放療質(zhì)量的重要因素，高質(zhì)量對(duì)患者進(jìn)行治療前教育對(duì)患者治療前接受程度、治療過(guò)程中的配合程度、治療后的心理建設(shè)程度均有積極影響[26-27]。患者治療前教育的方法都是與當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷變革，教育方法已從紙質(zhì)信息、視頻信息、網(wǎng)上信息進(jìn)展為基于VR的人機(jī)交互的教育方式[28-29]。虛擬環(huán)境放療培訓(xùn)系統(tǒng)（virtual environment for radiotherapy training,VERT）是一種混合虛擬現(xiàn)實(shí)工具，包含豐富的視覺(jué)信息，即放療培訓(xùn)（RT）環(huán)境、動(dòng)態(tài)視圖及交互式環(huán)境，能有效提高患者放療培訓(xùn)接受教育的接受度和滿(mǎn)意度[30]。

基于VERT的患者治療前教育，可在進(jìn)入治療室之前，瀏覽虛擬直線(xiàn)加速器、治療房間和治療床情況，可聽(tīng)取RT設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)聲音，還能通過(guò)VERT向患者展示放射治療射束如何與虛擬模體相互作用[27]，從而向患者闡明如何達(dá)到治療效果，同時(shí)VERT包含的豐富的視覺(jué)信息還能為前列腺癌、宮頸癌等患者提供腸道和膀胱準(zhǔn)備情況[31]。已有研究表明，隨著患者對(duì)RT過(guò)程及相關(guān)流程的熟悉程度增高，與RT相關(guān)的焦慮評(píng)分及壓力等級(jí)會(huì)顯著降低[15,30]，基于VERT教育的患者，能夠通過(guò)展示的3D圖像將注意力集中于RT治療方面而不是焦慮于相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)方面[32]。因此，隨著各地區(qū)醫(yī)院放療的需求逐年增長(zhǎng)，有必要為患者提供綜合而全面的RT教育。

3.2 VR在放療教學(xué)及臨床培訓(xùn)中的應(yīng)用

VR最早在醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)方面展開(kāi)應(yīng)用，目前已被納入醫(yī)學(xué)院的教學(xué)課程中（作為解剖課程的輔助工具），并已成為多家醫(yī)院中里宣傳教育中心的模擬工具（圖1）[10,33]。對(duì)于程序化培訓(xùn)，基于VR的模擬工具允許培訓(xùn)人員在學(xué)校使用，不受限于醫(yī)院的培訓(xùn)區(qū)域，并且不會(huì)干擾臨床工作流程，還可對(duì)學(xué)員的表現(xiàn)進(jìn)行客觀(guān)評(píng)價(jià)[34]。已有研究表明，在進(jìn)入臨床工作前使用VR進(jìn)行耳鼻喉、內(nèi)窺鏡、外科手術(shù)培訓(xùn)能提高操作能力，減少手術(shù)時(shí)間，相較傳統(tǒng)的優(yōu)化模擬系統(tǒng)更真實(shí)有效[8]。

用于RT培訓(xùn)的VR包括安裝臨床軟件的IT實(shí)驗(yàn)室、3D劑量分布計(jì)算軟件以及直線(xiàn)加速器的沉浸式3D計(jì)算模型，以上工具可用于手動(dòng)技能培訓(xùn)、治療方案質(zhì)量決策以及課堂教學(xué)中[35]?；赩R的教學(xué)培訓(xùn)在特定的教學(xué)環(huán)境中進(jìn)行，學(xué)生可通過(guò)展示的3D模體的解剖結(jié)構(gòu)和制作物理計(jì)劃的3D劑量分布對(duì)腫瘤和OAR的位置、劑量分布有更深刻的認(rèn)識(shí)，還可將自己制作的物理計(jì)劃與專(zhuān)家計(jì)劃進(jìn)行比較，從而提高教學(xué)質(zhì)量[10,20]。

4 展望

隨著VR技術(shù)的進(jìn)步，其有可能成為人機(jī)交互的典范，已在上述領(lǐng)域展開(kāi)應(yīng)用，目前臨床實(shí)踐中正致力于將基于VR技術(shù)的人機(jī)交互技術(shù)更深入地納入進(jìn)來(lái)，以使更多的患者及醫(yī)務(wù)工作者受益，隨后的研究也需要更深入了解與開(kāi)發(fā)VR提供的新型可視化與交互工具，改善治療的可重復(fù)性與準(zhǔn)確性，在放射腫瘤相關(guān)的臨床軟件上安全而有效地提高放療質(zhì)量[1]。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突