虚拟影像仿真系统在放射治疗相关应用中的研究进展

张静 段敬豪 王清鑫 王伟天津医科大学肿瘤医院放射治疗科，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市“肿瘤防治”重点实验室，天津市恶性肿瘤临床医学研究中心300060；山东省肿瘤防治研究院（山东省肿瘤医院），山东第一医科大学（山东省医学科学院），济南507

0 引 言

随着放疗技术的发展，超过50%的癌症患者在治疗过程中会接受放射治疗（放疗），用于根治性或辅助化疗，或者用于症状控制（姑息性放疗），因此放疗的临床需求呈逐年增长趋势，各地区医院致力于扩大放疗相关的技术。在放疗技术方面，剂量计算已经完成了从近似2D到基于物理的3D模拟，且临床治疗技术也早已引入反向计算的强度调制辐射技术。现今计算机的进步不仅促进机器学习的发展，也对虚拟现实（virtual reality,VR）技术在日常临床工作中的应用做出更深刻的变革[1-4]。

计算机技术的进步使得虚拟影像即虚拟现实技术（VR）重新得到重视。VR是一种多源信息融合并交互的三维动态视景和实体行为的仿真系统，结合高质量的立体显示器去展示一个沉浸式的3D环境，穿戴者能够与虚拟环境进行交互[5]。目前，基于VR的虚拟仿真系统在培训及评估临床外科手术技能方面已取得显著效果[2,6]，而VR应用于放疗领域，还需考虑放疗基本流程中的各个环节并结合多方面因素进行综合评估，因为现代放射治疗的实施是一个多环节、多步骤的复杂完整过程，每一个环节和步骤都须保证无差错连接，包括临床评估、体位固定、CT/MR定位、位置验证，且放疗需患者亲自参与配合，因此基于VR如何更直观展现并简化放疗实施过程中的各种复杂问题，以及减少预处理过程所需时间，对提高癌症患者治疗效率有重大意义[7-8]。

本文就VR技术在放射治疗相关应用中的进展进行综述，并对VR在放疗领域的发展进行展望。

1 虚拟放疗场景

现代放射治疗过程中，放疗医生只能根据CT图像从不同角度获得患者的2D信息，而基于VR设计的虚拟放疗系统中，通过处理真实治疗环境与患者的CT结构后，可实时呈现并模拟真实的治疗室及各种辅助工具、患者解剖结构与剂量分布等相关放疗的3D信息，以实现在没有患者参与的情况下，及时调整并提前预览整个治疗计划[9]。

虚拟治疗室包括：完整的直线加速器、治疗床和多叶光栅（multi-leaf collimator，MLC）；外部配备实际控制设备操作虚拟加速器，可用于后期交互式的操作训练；可提供直线加速器状态信息的显示屏；患者摆位使用的激光灯。虚拟设备中可显示患者皮肤表面以辅助摆位，2010年，Aarhus大学附属医院肿瘤科设立了直线加速器模型，主要用于临床相关的操作练习（图1）[10]。虚拟可视内容包括：患者在治疗床上的解剖结构，如肿瘤与危及器官（organ at risk,OAR）的3D结构、患者的影像数据（CT、MR、PET）及线束视观（beameye view,BEV）；浏览治疗射束及其组成部分；剂量分布的3D可视化，如等剂量线分布、肿瘤及OAR的剂量沉积。

图1 直线加速器模型

已有研究报道，基于VR系统可验证治疗模拟器与真实的加速器间治疗计划[2]。按比例将真实治疗间、直线加速器的模型缩小，根据CT重建患者3D数据，基于VR-交互式场景治疗技术人员可手动操作治疗床、机架角度，进行平移和旋转，并通过虚拟MLC模型、剂量计算分布软件等，模拟和可视化各种治疗方案，减少以传统方式让患者参与，减轻患者负担，进行完整的放疗流程的3D展示，从而帮助相关放疗工作人员操作、模拟和验证放疗计划（radiation treatment planning,RTP）。

2 VR在临床放疗中的应用

放疗领域中的“真实3D”展示的价值，早在20多年前就已被研究者发现[11]，但受当时的低帧速率和显示OAR与PTV重叠区域的限制，没有在临床得到广泛应用。随着计算机技术的发展，VR在放疗临床应用中的研究早已开展，诸如3D显像系统用于引导患者摆位、非共面治疗计划的自动碰撞检测、全息显像系统优化放疗计划等，以下对其进行详细介绍。

2.1 VR图像引导患者摆位

随着放疗技术的不断发展，要求提供更高适形度的剂量区域，目前，临床常用锥形束CT（conebeam computed tomography,CBCT）矫正患者刚性摆位误差，对于患者软组织变形和添加不规则形状的组织补偿物导致的变形（如根治术后乳腺癌、减肥、肿瘤缩小等），不能仅通过刚性配准进行简单矫正，因为这可能会扰乱患者解剖结构，降低治疗质量[12-13]。已有研究报道，基于AR（augmented reality）开发的图像引导系统，可在治疗过程用于患者摆位、位置的可视化引导，因此，治疗专家可在放疗过程中出现的任何偏离位置的情况进行即时纠正[6]。

基于AR技术开发的“增强显示”（augmented monitor）系统用于可视化监测，其使用摄像机获取直线加速器的治疗床和患者真实轮廓图像。在临近显示器上显示，从计划CT中获取患者体表轮廓的3D模型，使用AR软件将3D模型以正确位置叠加至摄录图像上，并可进行手动调整以匹配到正确的治疗位置，在摆位与治疗的过程中，就能浏览显示器并确认患者摆位的正确性。为了确保虚拟轮廓调整至正确位置，采用立方体将直线加速器与摄像机的位置进行匹配，即使用治疗间激光灯或CBCT配准带有AR表面追踪标记的立方体与等中心点[14-15]。因此，基于AR开发的增强显示系统，成为现有摆位方法的一种补充工具，实现了非刚性变形的检测。

将该系统投入至真实治疗环境时，对于患者的治疗感受可能会更有益处。因为在定位、复位时需要患者配合去除治疗部位的衣物，以将皮肤表面与轮廓相匹配，但这可能会引起患者不适应或反感；而基于AR的增强显示系统可在计算机处理辅助下，能够实现3D可视化图像中去除衣服等影响，从而提高患者就诊和治疗的配合度[16-17]。

2.2 VR图像在碰撞检测的应用

现代体外放射治疗中，通常采用共面治疗，以尽可能避免直线加速器的旋转机架与患者、治疗床发生碰撞。而在寻找最佳射野入射方向时，非共面治疗可提供更多选择，更有利于提高靶区剂量分布并保护OAR[18]，但在摆位与治疗时可能会发生碰撞，降低其使用效率；而基于可视化系统研发的RTStar系统[19]能够自动提示放疗人员在放疗过程中可能会发生的一系列碰撞，如患者制定非共面计划时、摆位或治疗过程时，从而为非共面放疗提供一种解决方案。基于RTStar设计非共面计划，需要先通过商业放疗计划评价系统（如CMSFocal,www.cms-stl.com）制定一组共面光束的放疗计划，然后上传至RTStar,借助其灵活多变的可视化图像和自动碰撞检测设施，放疗计划可手动调整一个或多个射野方向，以达到最佳入射位置。

RTStar所创建的虚拟环境包含患者模型、RT计划、治疗床和直线加速器，形成治疗间视图，放疗计划可视化还必须包含患者图像数据（CT、MR、PETCT等）、肿瘤靶区（CTV、PTV）、OAR、剂量分布、放射野及其MLC等相关结构，同时还要保证治疗床和直线加速器的模型要在3D空间上精确配准至实际用于放疗的设备上，这样才能预测治疗床上的患者与加速器之间的碰撞可能。RTStar系统采用双显示屏技术，其一为传统2D显示，即光束视图（beam's eye viem,BEV）,可提供肿瘤与OAR的重叠程度，以便物理师调整射野方向，减少此类重叠；另一为3D显示，即治疗间视图，可为物理师提供靶区及其周围OAR的深度感知，并通过3D等剂量表面视图和肿瘤彩色等剂量图展示已完成计划（图2）[19]，物理师就可据此修改现有计划的射野入射方向、调整靶区内冷热点位置，以提高靶区适行度。

图2 肿瘤及周围危及器官的彩色等剂量3D展示图

已有研究报道称[19]，基于RTStar系统已成功进行碰撞预警（如机架旋转指示灯变红），即当直线加速器的机架与治疗床或患者即将发生碰撞时发出预警，这样就可避免物理师优化出实际无法执行的计划。该系统已在前列腺癌和胸部肿瘤的非共面计划中应用，PTV、膀胱和直肠的Dmean、Dmax均有所降低。

2.3 VR辅助治疗计划设计

基于VR可更有效地提供患者解剖结构的3D展示图，对于计划设计、剂量分布、调整射野入射角度等有更深度的线索，从而可优化出质量更高的放疗计划[20-21]。目前，已有报道[22]使用软件PerspectaSpatial 3D System进行自动立体-360°的3D体积展示，因此放疗医生和物理师在讨论、改变放疗计划时可全方位、共同查看立体图像。

Perspecta系统将多个2D的横断面图像投影到以900 rpm旋转的扩散屏幕上，即生成直径25 cm的3D全息影像，由于视觉持久性及图像的全向扩散，3D图像像漂浮在61 cm圆顶内的空间中，且看起来是半透明的。为了进行数据传输，Perspecta系统还与治疗计划系统（如Pinnacle）间开发了软、硬件接口，诸如CT、OAR、参考点（Reference point）、剂量分布等就可在Perspecta系统显示。此外，Perspecta系统还包含3D鼠标（PHANTOMOmniTM,SensAble Technologies Inc.,Woburn,MA,USA），通过机械臂在图像内移动光标，以定义射野等中心点（Isocenter）(图3)[22]，之后使用3D鼠标可点击沿射野轴的任何点来定义射野方向，将以上内容同步至Pinnacle计划系统，利用定制软件（如RTStar）进行非共面放疗计划的自动碰撞检测，选取实际可执行的放疗计划。Perspecta系统还增加了一些计划工具，如3D工具尺，可用于射野形状的自动环绕、点剂量显示、指定光束与选择ROI相交部分的实时展示，因此更有利于检测PTV、OAR的受照剂量，促进全息图的治疗计划[23-24]。

图3 Perspecta系统

已有研究报道[22,25]，针对头颈、肺和腹部/盆腔的患者，基于全息影像产生的放疗计划在热点位置（是否在靶区内）、OAR（包括视神经、脊髓、肺、心脏、肝脏、肾脏、膀胱、直肠、股骨头等）的受照剂量等方面均优于基于2D图像制作的放疗计划（61%vs30%），而其中基于Perspecta制作的非共面计划更为常见（82%vs27%）。

3 VR在放疗宣传教育及教学培训中的应用

3.1 VR对放疗患者在宣传教育上的应用

放疗前对患者进行教育是提高放疗质量的重要因素，高质量对患者进行治疗前教育对患者治疗前接受程度、治疗过程中的配合程度、治疗后的心理建设程度均有积极影响[26-27]。患者治疗前教育的方法都是与当前可实现的先进技术相结合。随着计算机技术的不断变革，教育方法已从纸质信息、视频信息、网上信息进展为基于VR的人机交互的教育方式[28-29]。虚拟环境放疗培训系统（virtual environment for radiotherapy training,VERT）是一种混合虚拟现实工具，包含丰富的视觉信息，即放疗培训（RT）环境、动态视图及交互式环境，能有效提高患者放疗培训接受教育的接受度和满意度[30]。

基于VERT的患者治疗前教育，可在进入治疗室之前，浏览虚拟直线加速器、治疗房间和治疗床情况，可听取RT设备运转声音，还能通过VERT向患者展示放射治疗射束如何与虚拟模体相互作用[27]，从而向患者阐明如何达到治疗效果，同时VERT包含的丰富的视觉信息还能为前列腺癌、宫颈癌等患者提供肠道和膀胱准备情况[31]。已有研究表明，随着患者对RT过程及相关流程的熟悉程度增高，与RT相关的焦虑评分及压力等级会显著降低[15,30]，基于VERT教育的患者，能够通过展示的3D图像将注意力集中于RT治疗方面而不是焦虑于相关风险方面[32]。因此，随着各地区医院放疗的需求逐年增长，有必要为患者提供综合而全面的RT教育。

3.2 VR在放疗教学及临床培训中的应用

VR最早在医学教育培训方面展开应用，目前已被纳入医学院的教学课程中（作为解剖课程的辅助工具），并已成为多家医院中里宣传教育中心的模拟工具（图1）[10,33]。对于程序化培训，基于VR的模拟工具允许培训人员在学校使用，不受限于医院的培训区域，并且不会干扰临床工作流程，还可对学员的表现进行客观评价[34]。已有研究表明，在进入临床工作前使用VR进行耳鼻喉、内窥镜、外科手术培训能提高操作能力，减少手术时间，相较传统的优化模拟系统更真实有效[8]。

用于RT培训的VR包括安装临床软件的IT实验室、3D剂量分布计算软件以及直线加速器的沉浸式3D计算模型，以上工具可用于手动技能培训、治疗方案质量决策以及课堂教学中[35]。基于VR的教学培训在特定的教学环境中进行，学生可通过展示的3D模体的解剖结构和制作物理计划的3D剂量分布对肿瘤和OAR的位置、剂量分布有更深刻的认识，还可将自己制作的物理计划与专家计划进行比较，从而提高教学质量[10,20]。

4 展望

随着VR技术的进步，其有可能成为人机交互的典范，已在上述领域展开应用，目前临床实践中正致力于将基于VR技术的人机交互技术更深入地纳入进来，以使更多的患者及医务工作者受益，随后的研究也需要更深入了解与开发VR提供的新型可视化与交互工具，改善治疗的可重复性与准确性，在放射肿瘤相关的临床软件上安全而有效地提高放疗质量[1]。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突