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Current Status and Prospects of Radiation Therapy Guided by Optical Surface Monitoring Technology
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摘要: 光学体表监测技术(surface guided radiation therapy，SGRT)是一种在放射治疗过程中对患者进行连续体位监测的无辐射、无创性技术，通过先进的3D光学表面定位及追踪技术，快速获取患者的体表轮廓信息，生成高精度的3D体表轮廓，可在放射治疗期间对患者进行实时监测，保证放射治疗的精准性。SGRT已广泛应用于乳腺、颅内、头颈和四肢等不同部位肿瘤的放射治疗中，其优势在于减少初始摆位误差、实时监测治疗过程，并与呼吸门控和深吸气屏气治疗技术相结合。SGRT还可通过减少锥形束CT的使用进而降低辐射剂量，提高患者应用固定装置的舒适性，提升临床工作效率和安全性等。本文阐述SGRT常用系统及其临床应用，并探讨其局限性和未来发展前景。Abstract: Surface guided radiation therapy (SGRT) is a non-radiation, non-invasive technology that provides continuous postural monitoring of patients during radiotherapy. Using advanced 3D optical surface localization and tracking technology, SGRT quickly captures the surface contour information of patients through optical means to generate high-precision 3D surface contours, enabling real-time monitoring of patients during radiotherapy to ensure its accuracy. This image-guided technology has been widely applied in radiotherapy for tumors in different parts of the body, such as breast, intracranial, head and neck, and limbs. SGRT can reduce initial setup errors and provide real-time monitoring during treatment, or be combined with respiratory gating and deep inspiration breath-hold techniques. SGRT can also reduce radiation dose by reducing the use of CBCT, improve patient comfort with the use of immobilization devices, and enhance clinical speed, efficiency, and safety. This review aims to provide an overview of the commonly used technology and clinical applications of SGRT, and discuss its current limitations and future prospects.
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图像引导技术是现代放射治疗精确规划和实施过程中不可或缺的一环。精准放射治疗技术旨在提升靶区剂量、改善靶区适形度，并降低正常组织器官的受照体积和剂量，而其实施均需依赖图像引导技术[1]。位置浅表的肿瘤，基于皮肤标记线和激光进行放射治疗摆位是最初始的图像引导，在治疗过程中，患者的呼吸等生理运动增加治疗分次内靶区位置的不确定性；患者位置或姿势的变化，肿瘤大小、形状及正常器官的生理变化也可增加放射治疗分次间的误差。对于深部肿瘤，临床上引入不同模式的影像引导技术，如透视图像、CBCT (cone beam CT)、MRI等，直接反应肿瘤的内部情况，以进一步精准定位肿瘤[1-2]。但MRI监测耗时长，透视图像和CBCT将给患者带来额外的辐射剂量，且不能监测分次内的误差。故规律的CBCT图像引导系统更多应用于运动幅度较大肿瘤(如肺癌、肝癌等)的立体定向放射治疗(stereotactic radiotherapy，SRT)中[1-3]，以精细控制肿瘤动度，确保放射治疗的精准实施。
光学体表监测技术(surface guided radiation therapy，SGRT)是一种无辐射性定位技术，采用光学表面成像实现表面引导放射治疗。SGRT应用1个或多个摄像头单元，在患者体表映射多个任意点，并接收反射光束，快速获取患者的体表轮廓信息，生成高精度3D体表轮廓[4]。SGRT还可连续监测患者的位置，以高精确度和可重复性完成标准化工作流程。SGRT的优势在于：(1)减少分次间的摆位误差；(2)监测分次内患者的位置移动；(3)使用门控或深吸气屏气技术实现放射治疗中的呼吸运动管理，具有无创、无辐射特性，尤其在儿童患者放射治疗中发挥重要作用[5]。本文旨在阐述SGRT常用系统及其临床应用，并讨论其局限性及未来发展前景。
1. SGRT常用系统
目前，已有多种光学表面监测技术投入临床使用或正在开发中[6-7]。已投入临床使用的SGRT系统包括：(1)AlignRTTM系统(Vision，英国)，由英国Vision公司开发；(2)SentinelTM/Catalyst HD监控与摆位验证系统(C-RAD，瑞典)，由瑞典C-RAD公司开发；(3)Varian IDENTIFYTM系统(Palo Alto，CA，美国)，由美国Palo Alto的Varian公司开发。上述3种系统在临床应用中均取得了良好效果，其各具优势(表 1)。
表 1 3种SGRT常用系统比较Table 1. Comparison of three SGRT systems类别 AlignRTTM(英国) Catalyst HD(瑞典) Varian IDENTIFYTM(美国) 实时监测和调整 近红外光在患者体表产生纹理图案，自带的双体表技术实现六维高精度体位 1个红色光源和1个绿色光源，计算出的摆位误差直接投射至患者体表进行纠正 彩色叠加提供现实场景，指导患者位置和姿势的调整 显示系统 体表投影及六维方向的数字，超出阈值显示为红色 体表投影，高于参考表面的部分投影为红色，低于参考表面的部分为黄色 实时视频源及六维方向的数字，超出阈值显示为红色 特点 将组件集成至治疗机架内部，更紧密地与治疗设备结合 Sentinel的单独子系统，监测患者剑突附近位置的上升和下降，作为呼吸周期的替代指标 更大视野的3D摄像机，可用于检测与位置相关的附件 1.1 AlignRTTM系统
AlignRTTM系统利用光学投射器和光学相机生成患者的3D体表轮廓，投影仪和高清摄像机安装在治疗室天花板的3个吊舱中，以确保图像各个位置的完整性。治疗时投射仪发出近红外光，在患者体表产生纹理图案，光学相机应用这些纹理图案生成患者的实时体表轮廓，并使用刚性配准将此体表与参考表面进行比较(图 1)。同时，该系统可通过姿势纠正功能提升运动位置较大、非刚性部位(如手臂、下颌)以达到精确摆位。除此之外，软件自带的双体表技术，通过自由呼吸体表基准摆位、深吸气屏气体表，实现六维高精度体位和屏气量监测的门控治疗。AlignRTTM系统与加速器相连，当3个轴位移和3个轴旋转中任一矢量超出阈值时，显示条将从绿色切换为红色(即超出阈值)，停止束流。AlignRTTM的性能已在光学表面引导的立体定向放射外科(stereotactic radiosurgery，SRS)、乳腺和其他部位疾病的治疗中进行了深入研究[8-9]。
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图 1 AlignRTTM系统表面成像图示A. 用户界面，显示参考表面(粉色)、活动表面(绿色)及6个维度的监测值；B. 室内设置，近红外光投射至患者身上；C. 姿势纠正功能Figure 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 function1.2 Catalyst HD系统
Catalyst HD系统的作用原理与AlignRTTM类似，应用近紫光范围内的投射器绘制患者的体表轮廓，目前已被用于乳腺癌相关研究中[10]。该系统还采用1个红色光源和1个绿色光源，将计算出的摆位误差直接投射至患者体表，从而告知治疗师如何纠正患者姿势，使其与计划的治疗位置相匹配(图 2)。此外，CT模拟室中还配置1个Sentinel的单独子系统，该系统应用激光监测患者剑突附近肌肉的上升和下降，此处随时间变化的信号幅度可作为患者呼吸周期的替代指标, 便于监测患者的呼吸运动[11]。
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图 2 Catalyst HD系统表面成像图示A. 投影演示图；B. 用户界面Figure 2. Diagram of Catalyst HD surface imaging systemA. Projection demonstration diagram; B. User interface1.3 Varian IDENTIFYTM
Varian IDENTIFYTM系统近年已投入临床使用，相较于前两者，Varian IDENTIFYTM系统的图像为彩色叠加图像，为治疗师提供了增强现实场景，可指导患者位置和姿势的调整。且该系统采用了更大视野的3D摄像机，用于检测与位置相关的附件，如固定装置的位置，并指导其准确放置。Varian IDENTIFYTM系统与Catalyst HD系统类似，也配备了可用于呼吸指导和门控的单独模块[12]。
2. SGRT系统的临床应用
2.1 在放射治疗流程中的应用
2.1.1 模拟定位与治疗前摆位
SGRT系统是减少整体治疗时间和最小化成像剂量的有效工具。其主要优势包括：(1)可提供患者完整体表和位置的实时信息；(2)对于浅表肿瘤(表面偏差可作为肿瘤运动的替代物)，可提高定位精度[10]，且在SGRT系统与图像引导验证重复性良好的前提下，减少每日CBCT或MVCT的成像次数[13]；(3)对于位置较深的肿瘤(表面偏差与肿瘤移动之间无直接相关性)，可减少图像配准所需的时间，并防止多次成像[14]。美国医学物理学家协会(American Association of Physicists in Medicine, AAPM)-TG 75报告中指出，鼓励应用低剂量辐射方法进行图像引导，SGRT系统可在无电离辐射的情况下完成图像引导步骤，具有较大优势[10]。
2.1.2 监测治疗过程
SGRT系统在整个放射治疗过程中对患者体表进行实时动态监控，提高了治疗的安全级别。若患者体表部分偏离基于计划CT设置的参考位置，或计算的等中心偏差超过某个阈值，治疗射束则可关联停止[11]。
2.1.3 配合特殊治疗
SGRT系统可配合深吸气屏气(deep inspiration breath-hold，DIBH)技术，对接近皮肤表面的肿瘤(如乳腺癌)进行特殊条件下的治疗；且可在共面和非共面颅内肿瘤治疗中，配合开放式面部固定面罩，实时监测患者的体表变化，进行门控放射治疗[15]，这些均是近年来临床研究的热点。
2.2 在肿瘤放射治疗中的应用
2.2.1 颅内肿瘤
SGRT系统已成为颅内肿瘤SRS中的辅助定位方法，实现患者在所有治疗位置的亚毫米级定位[15]。Gopan等[9]将SGRT与开放式口罩相结合用于颅内SRS，在治疗期间对患者进行连续监测，与传统激光摆位相比，两系统间的一致性在1 mm/度以内。相较于更具侵入性的固定装置，开放式面罩舒适度更高，可降低患者因不舒适而移动的可能性，同时具有足够的固定性和运动检测精度。相关研究显示，SGRT系统与基于体表标记的激光摆位系统具有一致性[16]，且通过CBCT验证摆位误差，发现校正后的平均偏差小于2 mm[17]。此外，Pan等[18]对134例接受SGRT治疗的脑转移瘤患者进行回顾性研究发现，相较于基于体表标记的激光摆位系统，应用SGRT技术辅助SRS，患者的局部控制率和总生存率等临床疗效无显著差异。
SGRT系统也被用于治疗各种良性颅内疾病，包括三叉神经痛[19]和颅骨良性肿瘤[20]等，其效果与传统方法相当，证实了无辐射监测技术在良性疾病中应用的优势，尤其在儿童肿瘤、良性疾病的放射治疗图像引导成像方面具有一定应用前景。
2.2.2 头颈部肿瘤
目前，SGRT系统的应用逐渐拓展至头颈部肿瘤。Li等[21]研究发现，开放式面罩可提供与封闭式面罩相当的固定性，且适用于难以忍受全头/颈面罩的幽闭恐惧症患者，能够提高患者的舒适性，有效缓解其焦虑。Lee等[22]应用SGRT系统配合六维床，在头颈部肿瘤放射治疗中起到精准定位、实时监测的作用，有可能成为头颈部肿瘤放射治疗的标准治疗推荐。
2.2.3 乳腺癌
乳房包含大量腺体软组织，具有高度变形性，且乳房表面形态与内部骨骼解剖结构之间的位置关系可变，从而限制了MV和KV成像在乳腺疾病患者中的应用。若仅每周1次进行成像验证，则患者分次间的差异可能很大。而SGRT系统则可实时评估乳房位置和形状，避免患者接受额外的辐射，且SGRT系统配合DIBH技术，可减少对正常组织器官(如心脏、肺和肝脏)的照射剂量。
对于左侧乳腺癌患者，放射治疗期间对心脏的照射将增加缺血性心脏病和冠状动脉相关疾病的发生风险[23]，且因缺血性心脏病、冠状动脉疾病和继发性癌症等增加患者的死亡率[24]。DIBH是一种旨在减少心脏辐射的治疗技术，指导左侧乳腺癌患者进行DIBH，可使左侧乳腺与心脏的距离增加，减少心脏的辐射剂量，亦不会导致过多的肺部辐射剂量。
SGRT系统可用于DIBH期间监测乳房位置。在放射治疗过程中，治疗师指导患者重复进行DIBH，屏气期间维持胸壁位置稳定及可重复性，以确保患者始终在深吸气屏气状态下接受射线治疗，降低危及重要器官的照射剂量，确保DIBH技术的剂量学优势[25-26]。除全乳照射外，也可将SGRT系统用于部分乳房照射(partial breast irradiation，PBI)，以减少配准误差[27]。相关研究指出，在乳腺及淋巴引流区照射中应用SGRT系统及DIBH技术，可提高治疗位置的准确性[28]。
2.2.4 胸/腹/盆腔肿瘤
在胸/腹部肿瘤治疗过程中，呼吸等生理运动可造成目标运动或移位，而光学表面监测技术可实时测量患者的皮肤表面，并为4D-CT提供相关呼吸参数，而后者的肿瘤运动对内靶区(internal target volume，ITV)的体积和剂量至关重要[29]。研究指出，将光学表面成像作为呼吸运动的替代指标是一种趋势[11]。Schaerer等[30]对腹部光学体表监测技术的应用研究发现，相较于传统的体表标记激光摆位法，SGRT系统可在表面与内部解剖结构关联上提供更为准确的信息，平均误差为1.09 mm。此外，SGRT系统也可用于前列腺癌等盆腔肿瘤，可与DIBH技术结合治疗纵隔淋巴瘤[31]、肺癌[32]、肝癌[33]及胃癌等[34]。
2.2.5 肢体肿瘤
对于肢体肿瘤(如肉瘤)患者，由于肢体的活动性和摆放存在问题，给外放射治疗带来了挑战，需图像技术引导及较大的外放边界。而SGRT系统无辐射，可重复验证用于患者肢体摆位。Gierga等[35]应用SGRT系统评估接受放射治疗的四肢肉瘤患者位置的准确性，获取16例患者共236次治疗前后的三维表面图像，进行离线图像配准，分析治疗与定位误差，结果显示平均三维矢量位移为2.1 mm，提示SGRT系统可最大限度减少治疗中的运动误差，实现精准摆位与治疗。
3. 小结与展望
SGRT系统通过实时监测患者的体表位置和形态变化，确保放射束准确照射至目标区域。该技术在放射治疗领域取得了显著进展，为患者带来获益，为医务人员提供了帮助。SGRT系统的独特优势如下：(1)无创定位，采用非接触式体表监测，避免传统标记方法可能引起的不适或损伤，提高患者的舒适度；(2)精准治疗，为医疗人员提供实时监测位置信息，可更准确地照射肿瘤，最大程度地保护周围的正常组织器官；(3)实时调整，可在放射治疗过程中实时监测体表的变化，使医疗专业人员能够及时调整患者位置，确保精准治疗的实施。
SGRT系统可应用于不同治疗部位，包括头颈部、胸部、腹部和盆腔等。随着技术的进步，将人工智能和机器学习应用于SGRT系统，可实现更加智能化的体表监测和定位，以适应不同患者的个体特点，实现个体化治疗，进一步提高其治疗的精确性。同时，SGRT系统可与其他放射治疗技术或影像技术相结合，实现更加全面的治疗计划。
目前，SGRT系统应用于临床仍存在一定的局限性。首先，外表面与内部解剖之间的关系并不足以准确定位体内肿瘤，因此SGRT系统并不能完全取代CT等放射成像系统，仅可作为其补充。其次，SGRT系统要求患者皮肤表面无遮挡，因此对固定技术要求较多者，需在表面成像和固定度间进行权衡。
随着计算能力和生物识别技术的发展，SGRT系统将获取更高分辨率、更详细的表面信息，对患者的识别能力也更强，改进的配准算法可允许其自动检测患者的体质量或肿瘤大小变化，衍生出一种新型的适应性放射治疗，使肿瘤的放射治疗更为精准。总之，SGRT系统在放射治疗领域发挥重要作用，随着技术的不断进步，其将提供更高的精确度和舒适度。
作者贡献：沈晶负责文献检索、数据收集及论文撰写；陈琬琦负责文献检索及数据收集；侯晓荣负责论文指导及修改；邱杰负责论文指导。利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突 -
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图 1 AlignRTTM系统表面成像图示
A. 用户界面，显示参考表面(粉色)、活动表面(绿色)及6个维度的监测值；B. 室内设置，近红外光投射至患者身上；C. 姿势纠正功能
Figure 1. Diagram of AlignRTTM surface imaging system
A. 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
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图 2 Catalyst HD系统表面成像图示
A. 投影演示图；B. 用户界面
Figure 2. Diagram of Catalyst HD surface imaging system
A. Projection demonstration diagram; B. User interface
表 1 3种SGRT常用系统比较
Table 1 Comparison of three SGRT systems
类别 AlignRTTM(英国) Catalyst HD(瑞典) Varian IDENTIFYTM(美国) 实时监测和调整 近红外光在患者体表产生纹理图案，自带的双体表技术实现六维高精度体位 1个红色光源和1个绿色光源，计算出的摆位误差直接投射至患者体表进行纠正 彩色叠加提供现实场景，指导患者位置和姿势的调整 显示系统 体表投影及六维方向的数字，超出阈值显示为红色 体表投影，高于参考表面的部分投影为红色，低于参考表面的部分为黄色 实时视频源及六维方向的数字，超出阈值显示为红色 特点 将组件集成至治疗机架内部，更紧密地与治疗设备结合 Sentinel的单独子系统，监测患者剑突附近位置的上升和下降，作为呼吸周期的替代指标 更大视野的3D摄像机，可用于检测与位置相关的附件 
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