随着计算机技术的发展，三维可视化AR技术在医学中的应用已越来越广泛，三维可视化应用于医学当中，可以直观地观察病灶组织^[1]，有效提高医学判断的准确率。增强现实(augmented reality，AR)技术作为三维可视化技术的一种正逐渐发展壮大。AR利用计算机生成一种逼真的视、听、力、触、动等感觉的虚拟环境，并通过一些传感设备实现用户和环境直接地进行自然交互^[2-3]。Porpiglia等^[4]利用AR机器人来辅助肾切除手术，减少术后并发症和肾损伤，但AR技术在放射治疗临床中应用少见报道。Talbot等^[5]尝试将AR应用于放疗中，从CT数据获得患者的外轮廓三维模型，并利用AR跟踪软件将三维模型叠加到视频图像(真实模型)的位置，受制于当时技术此系统仅使用一个摄像头，空间感知度差，因此仅使用了模体进行了试验。

近年来，表面引导放射治疗(SGRT)作为一种新的摆位辅助装置，已经应用于临床放疗中。SGRT硬件包括3个安装在天花板上的成像系统^[6]，每个成像系统包含一个近红外投射装置及两个摄像头^[7], 主要是以光学方式监测患者表面^[8-9]，并将其与计划CT数据生成参考表面进行比较^[10-11]，在治疗过程中，只有在患者处于给定阈值范围内时才允许射线出束^[12-13]。SGRT的摆位误差在2 mm左右，明显小于传统摆位的6 mm误差^[14]。实验结果表明，SGRT除了有无创、无辐射^[15]的优势外，定位精度高，尤其是和深吸气屏气技术结合对乳腺肿瘤的放射治疗方面优势明显^[16]。但Walter等^[17]认为光学体表的配准在y(TG)方向上缺少可信度，且当患者皮肤发黑、破损等情况时也会影响摆位精度。

本研究的目的是探索利用三维可视化AR技术提高放疗摆位精度的可行性，并开发一种无创、无辐射的放疗摆位引导系统，运用三维可视化技术重现患者定位时的体位，并以此为依据进行放疗摆位，减小放疗定位摆位误差。

选择2020年6月至2021年4月于常州第二人民医院40例放疗患者作为研究对象，其中乳腺部位20例患者、盆腔部位20例患者，所有患者均能自主活动。以锥形束CT(CBCT)采集数据为金标准，对每位患者进行三维可视化AR引导摆位和传统摆位, 分析两种摆位的误差。每位患者每隔1周采集1次，共3次，所有患者共获取240次摆位误差数据。x轴表示左右方向，y轴表示头脚方向，z轴表示腹背方向。所有患者放疗前均签署放疗知情同意书。

(1) 系统设置：系统由包括3台监视器设备(iPad Pro平板12.9英寸)及其固定架组成，见图 1。3台监视器设备利用Multipeer-Connectivity近距离通信技术进行监视器联机，实现信息数据的实时共享。对任意1台监视器进行交互操作，另外两台监视器随之发生实时更新，减少了因设备移动带来的误差。

图 1 三维可视化引导放疗摆位系统整体设置 Figure 1 Overall setting of 3D visualization-guided patient positioning system for radiotherapy

(2) CT数据的获取与三维建模：对患者进行CT扫描，德国西门子CT(SOMATOM Force)，扫描条件为120 kV，320 mAs，扫描及重建层厚均为3 mm，并将CT数据导入治疗计划系统(TPS)进行放射治疗靶区和重要保护器官组织轮廓的勾画，导出为DICOM-RT数据集。将DICOM-RT数据集中的Structure文件导入医学图像处理软件(3D Slicer版本4.11美国国立卫生院)进行三维模型的构建。

(3) 系统的开发：将三维虚拟模型导入Unity软件，以ARKit作为底层SDK搭建AR交互系统，通过三维建模还原患者定位体位，然后在三维环境下实时驱动对象运动，实现移动端上的AR仿真。主要利用视觉惯性测量技术(VIO)将来自移动设备的陀螺仪、加速计、LiDAR传感器等运动传感器的数据与摄像机采集的图像数据相结合，进行跟踪定位，完成三维虚拟模型和现实环境的完美融合。本实验采用的主要跟踪技术为3D物体跟踪识别，以尺寸16 cm×16 cm×16 cm的校准模体为参考物体，对参考物体进行扫描，预先记录其空间特征信息，当使用系统进行3D物体识别定位时，将会对摄像头获取到的图像特征点与参考物体特征点进行比对, 一旦比对成功将会根据对应特征点坐标确定相机相对于真实物体的位姿，再融合运动传感器信息构建虚拟世界和现实世界之间的映射，以此为依据在现实环境中显示三维虚拟模型，完成三维虚拟模型与真实世界的完美融合，主要步骤包括特征点提取、特征点匹配、相机位姿估计。

(4) 特征点提取及匹配：通过VIO获取的视频图像中明暗、颜色、灰度差异较大的点作为特征点。特征点提取完成后创建特征点的描述子，以特征点为圆心，以d为半径做圆，选取圆内N个点对P1(A, B)、P2(A, B)…Pn(A, B)，并对各点对τ^[18]进行操作，见公式(1)，得到两个描述子向量如公式(2)、(3)所示, 则描述子在欧式空间下的差别如公式(4)所示，特征点描述子在欧式空间下的差别越小则两个特征之间的相似程度越高，以此来实现特征点的匹配。

式中，I_A为点A的灰度，I_B为点B的灰度。

式中，n为描述子元素的总数；x_i为特征点附近两个随机像素的大小关系，值为0或1。

式中，n为描述子元素的总数；y为特征点附近两个随机像素的大小关系，值为0或1。

式中，x_i为brief₁的第i个元素；y_i为brief₂的第i个元素；n是描述子元素的总数。

(5) 相机位姿估计：本实验采用LiDAR传感器获取特点深度信息, 相邻两帧特征点进行精确匹配后，根据特征点对估计相机的运动。设相邻两帧第i对匹配点分别为p_i、q_i, 则匹配点误差项如公式(5)所示，其误差平方和如公式(6)所示，式中，p_i、q_i是第i对匹配点，R为旋转矩阵，t为平移向量，n为匹配点总数，E(R, t)是第n对匹配点的平均误差。当公式(6)达到最小时，p_i和q_i之间误差最小，此时可通过求得的旋转向量R和平移向量t来估计相机的位姿。

式中，p_i、q_i为第i对匹配点；R为旋转矩阵；t为平移向量；e_i是第i对匹配点的误差。

式中，p_i、q_i为第i对匹配点；R为旋转矩阵；t为平移向量；n为匹配点总数；E(R, t)为第n对匹配点的平均误差。

(6) 三维虚拟模型的等中心校准：系统利用物体识别技术显示三维虚拟模型后需要对其进行交互操作以确保三维虚拟模型处于加速器等中心点处。

由图 2可见，在TPS进行计划设计时，创建一个与校准模体相同尺寸的虚拟立方体，并使其中心位于加速器等中心处中红色箭头所指的绿色线条即为虚拟立方体的横截面图)，将虚拟立方体与患者模型一同进行三维建模。在临床操作中，对校准模体进行物体识别，识别成功后加载三维虚拟模型，对其进行交互操作使得三维虚拟模型中的虚拟立方体在各个方向上都与校准模体对齐，此时三维虚拟模型处于加速器等中心处。

图 2 三维可视化引导放疗摆位系统的等中心校准A.人体横截面图，虚拟立方体(红色箭头)；B.识别校准模体加载三维虚拟模型；C.虚拟立方体在各个方向上与校准模体对齐 Figure 2 Isocentric calibration of 3D visualization-guided patient positioning system for radiotherapy A. Cross-section of human body(virtual cube established shown by the red arrow); B.Identification of calibration phantom and loading of 3D virtual model; C.Alignment of the virtual cube with calibration phantom in all directions

对于乳腺和盆腔扫描患者，传统方法主要借助激光线以患者体表标记线调整患者体位实施摆位，借助于Infinity直线加速器的X射线容积影像系统(X-ray volume imaging，XVI，瑞典医科达公司)进行CBCT扫描, 管电压120 kV，扫描旋转速度180°/min，准直器M20，滤线器为F1，采集帧数660，机架旋转360°，扫描完成后重建层厚为3 mm，回传到Monaco计划系统，记录传统摆位误差。

将三维虚拟模型移动到加速器等中心点后关闭系统的物体识别功能，此时三维虚拟模型将固定在等中心处，再进行患者摆位。以三维虚拟模型作为参考对象，适当调整患者体位，见图 3。当与三维虚拟模型(尤其是PTV区域)在空间上获得满意的视觉一致性时，进行CBCT扫描，记录AR引导摆位误差。

图 3 三维可视化增加现实引导乳腺扫描患者的摆位A.移除校准模体，三维虚拟模型固定在等中心处；B.根据三维虚拟模型对患者进行摆位，红色箭头.三维虚拟模型，黄色箭头.摆位体位；C.摆位体位和三维虚拟模型保持一致 Figure 3 3D visualization AR-guided patient positioning A. Removal of calibration phantom and fixing of 3D virtual model at the isocentral position; B. Patient positioning according to the 3D virtual model (the red arrow and yellow arrow respectively denoting the 3D virtual model and the actual patient); C. Actual patient consistent with the 3D virtual model

以CBCT扫描结果作为金标准，采用SPSS22.0统计学处理软件处理研究中所有相关数据。数据经正态检验符合正态分布。设定以3 mm摆位误差为标准，对扫描乳腺和盆腔两部位的误差分布率进行χ²检验，P < 0.05为差异具有统计学意义。分别对两部位中的AR引导摆位误差和传统摆位误差进行配对t检验。P < 0.05为差异具有统计学意义。

AR引导摆位和传统摆位方法误差>3 mm的累计分布比例，见表 1，对于A组患者两组摆位误差分布率在y轴方向差异具有统计学意义(χ²=7.481，P < 0.05)，对于B组患者两组摆位误差分布率在x、y、z轴方向差异均具有统计学意义(χ²=5.900、6.415、7.200，P < 0.05)。

表 1(Table 1)

表 1 不同部位放疗患者不同摆位方式不同方向的摆位误差分布(%) Table 1 Distribution of positioning errors in different positioning modes and directions of radiotherapy patients in different positions (%) 摆位方式 乳腺 盆腔 x y z x y z AR摆位 22.2 16.6 27.7 16.7 11.1 22.2 传统摆位 38.9 61.1 50 55.6 50 66.7 χ2值 1.178 7.481 1.870 5.900 6.415 7.200 P值 0.278 0.006 0.171 0.015 0.011 0.007 注：AR.增强现实；x.左右；y.升降；z.头脚

表 1 不同部位放疗患者不同摆位方式不同方向的摆位误差分布(%) Table 1 Distribution of positioning errors in different positioning modes and directions of radiotherapy patients in different positions (%)

将两种摆位误差取绝对值，分别对A组和B组患者两种摆位方法误差数据使用配对t检验进行统计学分析，见表 2。A、B组在y、z轴上摆位误差差异均有统计学意义(t=2.956~5.734, P < 0.05)。在A、B组中，AR引导摆位较传统摆位在x、y、z轴上误差分别下降了38.83%、52.40%、33%和36.84%、54.04%和52.58%。由此可知，对于乳腺和盆腔部位的患者，AR引导摆位较传统摆位更加稳定，误差更小，而传统摆位误差浮动更大，误差随机性更大。

表 2(Table 2)

表 2 不同部位放疗患者AR引导摆位与传统摆位误差比较(mm, $\overline x $±s) Table 2 Comparison errors of AR-guided positioning with manual positioning in radiotheray patients at different positions (mm, $\overline x $±s) 摆位方法 例数 乳腺 盆腔 x y z x y z AR摆位 20 1.92±1.23 2.04±1.16 1.77±1.37 2.07±1.08 1.33±0.88 1.99±1.25 传统摆位 20 3.13±1.59 4.28±2.01 2.81±1.44 3.27±1.45 2.89±0.81 4.19±2.27 t值 1.518 3.453 5.734 2.536 2.956 4.997 P值 0.189 0.018 0.002 0.052 0.032 0.004 注：AR.增强现实；x.左右；y.升降；z.头脚

表 2 不同部位放疗患者AR引导摆位与传统摆位误差比较(mm, $\overline x $±s) Table 2 Comparison errors of AR-guided positioning with manual positioning in radiotheray patients at different positions (mm, $\overline x $±s)

本研究的三维可视化AR引导放疗摆位系统，它能够在无创、无辐射的前提下，对患者的放射治疗计划进行三维建模，通过三维可视化AR技术将三维虚拟模型与真实空间进行融合，给放疗摆位提供指导。本实验选取了乳腺部位和盆腔部位的患者进行摆位，实验证明了该方法在放疗摆位中的可用性，能有效减小摆位误差。

乳腺部位形状特殊，属于非刚性器官，活动度较大^[19]，在分次治疗间容易出现摆位误差，影响治疗效果。乳腺部位摆位误差较大的原因比较复杂，皮肤牵拉、乳腺组织移位、体位的舒适度都会影响摆位的准确性，因此在放疗摆位时，必须保持胸壁、手臂等在相对一致的位置^[20]，不能随意改变肢体位置。目前乳腺放疗的常用体位固定方式主要有乳腺托架固定技术、真空垫固定技术和热塑膜固定技术^[20]。乳腺托架作为刚性结构，贴合度不高，对于软组织的固定效果不理想，且易受到乳腺大小、患者体型等因素的影响^[21]，不同次之间的重复率不高，在x、y、z轴方向误差分别为2.38、3.88、4.11 mm^[22]。真空垫固定技术贴合度高，但主要以身侧定位线标准进行摆位，体表定位线易受牵拉挤压产生误差，对于皮肤较为松弛及肥胖的患者重复性更差^[23-24]，x、y、z轴平均摆位误差在3.25、4.51和2.67 mm左右^[22]。采用热塑膜固定技术对患者进行固定易挤压患者乳腺组织和皮肤，摆位重复性差, 在x、y、z轴方向误差分别为2.65、4.36、2.87 mm^[21]。本研究利用三维可视化AR引导放疗摆位技术对定位体位进行三维重建并叠加到正确治疗位置上进行摆位引导，能准确引导乳腺、胸壁、手臂位置的摆放，摆位重复性高，且不会出现皮肤牵拉的情况，解决了乳腺摆位方面的难题，在x、y、z轴平均摆位误差为1.93、2.04和1.77 mm，有效提高了摆位精度。对于盆腔部位扫描患者影响摆位误差的主要因素包括放疗过程中患者膀胱的充盈程度^[25-26]、双腿的分开程度、患者的腰椎曲度等，目前常用于盆部摆位的技术为真空垫固定技术，在x、y、z轴平均摆位误差分别为2.91、4.68和4.26 mm^[27]。真空垫固定技术主要以对齐患者的体表定位线为准，但在摆位过程中常会有皮肤牵拉的情况出现，尤其对于肥胖或者皮肤松弛的患者更加明显，且在没有CBCT的帮助下，无法判断患者治疗时的膀胱充盈程度、患者的腰椎曲度、双腿的位置是否与模拟定位时的保持一致。本实验开发的三维可视化AR引导放疗摆位系统可以在无创、无辐射的前提下，以三维可视化的方式将患者模拟定位时的体位呈现在正确的治疗位置上，以此来引导盆部患者的摆位可以推断患者膀胱是否处于过充盈或者欠充盈状态，还可以观察到患者的双腿、腰椎是否与模拟定位时的体位吻合。

但是，本研究提出的三维可视化AR引导放疗摆位系统处于初步研发阶段，在未来的研究工作中，将逐渐实现三维可视化AR引导放疗摆位系统的智能化和多功能化，同时将深度学习、神经网络等内容融入系统中，最后也会增加临床研究的病例数。

综上，实验证明将三维可视化AR技术用于提高放疗摆位精度是可行的，三维可视化AR引导摆位误差与传统摆位误差的差异具有统计学意义，三维可视化AR引导摆位误差明显小于传统摆位误差。

利益冲突  无

志谢 本研究受江苏省卫健委面上项目(M2020006)、常州市医学物理重点实验室项目(CM20193005)、常州市卫生高层次人才资助项目(2016CZLJ004)、常州市卫健委青年项目(QN201718)支持

作者贡献声明  李春迎负责论文撰写、实验设计和数据分析；陆正大、和睦、毕卉、孙佳伟、高留刚、谢凯、林涛、眭建锋负责实验数据采集；倪昕晔负责审阅并提出修改意见