恶性肿瘤是全球人群发病和死亡的重要原因，目前我国恶性肿瘤整体发病率呈持续上升趋势^[1]。放疗作为治疗恶性肿瘤的手段之一，作用不断提升^[2]。在精准放疗时代，图像引导技术(IGRT)有助于更准确地实施计划、验证和治疗复杂病例^[3]。然而，常规图像引导如锥形束CT(CBCT)、正交kV-kV验证等会增加患者的额外辐射，一次CBCT验证患者皮肤剂量可高至1.5 cGy，放射性皮炎等风险增加^[4-5]。表面光学图像引导放疗(SGRT)作为一种零辐射的新型放疗摆位引导方式，已广泛应用于头颈、胸腹、四肢等人体各部位^[6-8]。SGRT系统利用光学跟踪患者体表，能一次性提供患者6个自由度的亚毫米级位置偏差^[9]，并可实时捕获患者体表影像，提高定位精度^[10]。研究表明，SGRT引导放疗摆位时监测精度易受患者体表状态如肤色、皮肤弹性、膀胱容积等因素的影响^[11-13]。临床应用中发现，不同体表轮廓对SGRT监测准确性也存在影响。患者胸腹部的体表轮廓较平缓接近椭圆弧状，而头颈、四肢的轮廓更接近圆弧状。不同患者的体表轮廓存在差异，同一患者的不同部位轮廓也显著不同；在放疗后期，患者同一部位的体表轮廓还可能发生不同程度改变。关于不同的体表轮廓如何影响SGRT监测准确性，SGRT引导放疗摆位是否适合所有的肿瘤患者，目前少见报道。因此，本研究旨在探讨不同部位的体表轮廓对Catalyst HD系统监测摆位的影响，为患者放疗的体位设计及SGRT临床应用提供依据。

1. 实验对象选取：实验通过3D打印技术打印出不同的体表轮廓模型(图 1)。支架底座和3D曲面共同构成底角为5° ~ 45°(以5°为步长)的模型；将以圆弧或椭圆弧为长，宽为30 cm的白色聚乳酸(PLA)塑料板粘贴于3D曲面上。模型分为圆模型和椭圆模型，因底角45°时椭圆与圆模型相同，共计9个模型。所有模型均使用稳定、不易变形的PLA材料打印。

A. 9个3D曲面；B. 3D曲面与支架底座；C. 模型横向放置；D. 模型纵向放置 图 1 体表轮廓模型 A. Nine 3D curved surfaces; B. A 3D Surface combined with a base; C. A transversely placed phantom; D. A longitudinally placed phantom Figure 1 Phantoms for different body contours

2. Catalyst HD系统参数设置：捕获模型的表面影像前，Catalyst HD系统使用Daily Check phantom进行校准^[14]。治疗床步进精度和光学体表系统监测精度除按美国医学物理师协会(AAPM)TG142号^[15]和TG147号^[16]报告进行质量控制外(两项质量控制精度均为1 mm/0.5°)，还将坐标纸平铺于治疗床上验证左右(LR)及头脚(SI)方向，利用三角尺验证腹背(AP)方向；后续质量控制显示坐标纸及三角尺实际到位精度最大偏差为0.2 mm，即保证了实验时治疗床的精度在0.2 mm。模型初始定位方式如下：将卡条置于治疗床头部H4卡位，模型紧靠卡条；LR方向床值固定为0 cm，同时激光灯对准模型底部正中的接口标记；模型横向放置时SI方向床值固定为92.5 cm，纵向放置为102.5 cm。由于Catalyst HD系统需采集表面影像信息用于分析，为确保其摄像头到模型表面的距离一致，避免因监测距离变化而影响监测，AP方向统一设置源皮距(SSD)为100 cm。将加速器大小机头调整至0°，以便于测量SSD，且能避免遮挡Catalyst HD系统摄像头。

在Catalyst HD系统中，为获取最佳体表影像，需适当调节相机参数：增益(%)和积分时间(μs)，即光信号转换成电荷的放大倍数和光的吸收时间，以适应不同患者体表的光反射情况，避免曝光不足或过度。本研究采集完整的模型表面影像，并以图像上刚好出现红色曝光点为标准调节参数，增益依次设置为0至1 200%(步长为100%)；调节并记录相应的积分时间(步长为100 μs)。同一增益下，Catalyst HD系统监测的曝光不足、最佳及曝光过度表面影像见图 2所示，前100 μs的影像表现为曝光不足，后100 μs的影像表现为曝光过度。在移床过程中，模型横向放置时SI方向移床不会产生曲率变化，仅存在因位置移动而产生的表面影像变化。为进一步详细分析，通过将模型纵向放置，将曲率的变化转移到SI方向来进行补充研究。后续依次将所有模型按横向及纵向放置，分别按上述流程重复摆位和参数设置。

A. 积分时间-100 μs (曝光不足)；B. 恰好出现红色曝光点；C. 积分时间+100 μs (曝光过度) 图 2 Catalyst HD系统监测的模型表面影像 A. Under an integration time of -100 μs (underexposed); B. Under an integration time when red exposure spots begin appearing; C. Under an integration time of +100 μs (overexposed) Figure 2 Images of the phantom surface monitored using the Catalyst HD system

3.影像采集与配准：参数设置完成后，利用Catalyst HD系统采集模型的表面影像并拍摄作为参考，此时光学监测偏差在LR、SI、AP 3个方向上均为0。随后模型先按LR、SI、AP顺序，每个方向分别移动-5、-3、-1、1、3和5 mm，完成单方向的治疗床移动；再按LR+SI、LR+AP、SI+AP组合顺序，每对组合分别按上述单方向的移床距离完成双方向移动；最后按LR+SI+AP组合，仅朝正方向按相同移动距离(1、3和5 mm)完成3个方向移动。每个模型单方向移床数据6组，双方向移床数据72组，3个方向移床数据27组，共计105组数据。更替模型重复上述步骤；每次移床后，应用Catalyst HD系统采集表面实时影像，并与参考配准，记录所有模型在LR、SI和AP方向上的光学监测偏差和真实移床偏差。本实验数据处理均以加速器坐标系为准(“左侧、头侧、背侧”为正方向)。

4. 统计学处理：所有分析采用Origin 9.0和SPSS 22.0统计软件完成。将Catalyst HD增益、积分时间与不同体表轮廓的模型进行关联性分析；两种不同放置方式下的摆位误差不符合正态分布，采用Wilcoxon符号秩和检验进行差异性分析；Catalyst HD监测误差与床值误差若符合正态分布则采用Pearson法进行相关性分析，否则采用Spearman法进行相关性分析。P < 0.05为差异具有统计学意义。

1. Catalyst HD系统参数与不同体表轮廓模型的关联性：本实验选取圆模型5个，椭圆模型4个，每个模型有横、纵2种放置方式，即分为圆模型横放、圆模型纵放、椭圆模型横放、椭圆模型纵放；所有模型在不同放置方式下均进行Catalyst HD系统参数设置。使用Catalyst HD系统分别进行左、中、右3个相机的最佳表面影像获取，记录13个增益和对应的积分时间，共计702组数据。

在不同体表轮廓模型下，随增益的增大Catalyst HD最佳表面影像的积分时间先大幅度下降随后趋于平缓，增益从0开始每增加100%，左右摄像头的积分时间变化量级为1 000~2 000 μs，中间摄像头变化量级更是到达了3 000~4 000 μs；增益逐渐接近1 200%时，左右摄像头的积分时间变化量级减小为200 μs，中间摄像头变化量级减小到300 μs。增益与积分时间对数关系见图 3，所有模型中，积分时间随增益增大而减小，其对数与增益为显著线性负相关，不受体表轮廓的影响，公式为lnTi=-0.001G+y。式中，Ti为积分时间，G为增益，y为线性拟合的截距。计算所有模型的横纵比r，5°、15°、25°、35°、45°对应的r分别为16、4、2.286、1.455、1；截距与模型横纵比的关系见图 4。增益相同时，所有模型在两侧摄像头监测下，横向放置时所需积分时间小于纵向放置，而在中间摄像头下则相反；且两侧摄像头监测时所需积分时间小于中间摄像头监测所需积分时间。

注：L、M、R分别为左、中、右侧相机；5~45为模型底角度数 图 3 增益-积分时间对数图  A. 圆模型横向放置；B. 圆模型纵向放置；C. 椭圆模型横向放置；D. 椭圆模型纵向放置 Figure 3 Gain vs. the logarithm of the integration time A. For transversely placed arc-shaped phantoms; B. For longitudinally placed arc-shaped phantoms; C. For transversely placed oval arc-shaped phantoms; D. For longitudinally placed oval arc-shaped phantoms

A. 圆模型横向放置；B. 圆模型纵向放置；C. 椭圆模型横向放置；D. 椭圆模型纵向放置 图 4 截距与横纵比关系图 A. For transversely placed arc-shaped phantoms; B. For longitudinally placed arc-shaped phantoms; C. For transversely placed oval arc-shaped phantoms; D. For longitudinally placed oval arc-shaped phantoms Figure 4 Intercept vs. the ratio of transverse to longitudinal dimensions

所有模型横向放置时，相同增益下，随角度增加，两侧摄像头积分时间对数约减小0.1，均在25°时出现突变；中间摄像头积分时间对数随角度增加，基本不变，仅有圆模型在25°时出现突变。而纵向放置时，随角度增加，两侧摄像头积分时间对数基本不变；中间摄像头积分时间对数约降低0.3，圆模型在35°和45°基本无差异，而椭圆模型在35°时积分时间对数反而增大了0.1。

2. 模型在不同放置方式下的摆位差异性分析：Catalyst HD系统监测的模型在不同放置方式下摆位误差的差异性分析，见表 1。每个模型均有单方向移床数据18组，双方向移床数据108组，三方向移床数据(正方向)27组。Catalyst HD系统监测误差减去相应的移床值，记录为监测精度。

表 1(Table 1)

表 1 Catalyst HD系统监测不同体表轮廓模型在不同放置方式下的精度分析(mm, x±s) Table 1 Accuracy of phantoms for different body surface contours under different placement conditions monitored using a Catalyst HD system (mm, x±s) 角度 横纵比 方向 圆模型放置 Z值 P值 椭圆模型放置 Z值 P值 横向 纵向 横向 纵向 5° 16 LR 0.041±2.495 -0.513±3.422 -0.79 0.430 -0.579±3.443 -0.693±3.377 -3.24 0.001 SI -0.845±3.326 -0.726±3.261 -0.59 0.554 -0.730±3.348 -0.741±3.339 -4.22 < 0.001 AP 0.069±0.263 0.132±0.336 -1.74 0.810 0.145±0.247 -0.142±0.268 -6.22 < 0.001 15° 4 LR -0.610±3.262 -0.913±3.371 -5.61 < 0.001 -0.720±2.561 -0.629±3.268 -0.02 0.982 SI -0.766±3.361 -0.642±3.205 -3.28 0.001 -0.824±3.359 -0.151±2.779 -0.33 0.745 AP 0.094±0.242 -0.111±0.314 -4.43 < 0.001 -0.059±0.298 -0.325±0.322 -5.47 < 0.001 25° 2.286 LR -0.552±2.699 -0.745±3.376 -2.37 0.018 -0.759±3.126 -0.544±3.105 -1.89 0.059 SI -0.852±3.294 -0.570±2.892 -2.56 0.010 -0.772±3.311 -0.058±2.075 -0.25 0.807 AP -0.001±0.250 -0.006±0.269 -0.14 0.885 0.049±0.276 -0.063±0.323 -2.46 0.014 35° 1.455 LR -0.873±2.763 -0.839±3.291 -0.44 0.664 -0.429±2.865 -0.645±3.255 -1.49 0.137 SI -0.710±3.336 -0.623±2.244 -0.90 0.367 -0.806±3.425 0.452±2.322 -0.81 0.417 AP 0.008±0.267 -0.137±0.306 -3.29 0.001 0.034±0.284 0.135±0.266 -2.66 0.008 45° 1 LR -0.923±2.332 -0.451±3.231 -1.28 0.201 — — — — SI -0.776±3.313 -1.033±1.925 -0.95 0.341 — — — — AP 0.132±0.271 -0.504±0.317 -8.59 < 0.001 — — — — 注：LR. 左右方向；SI. 头脚方向；AP. 腹背方向；“-”为无数据

表 1 Catalyst HD系统监测不同体表轮廓模型在不同放置方式下的精度分析(mm, x±s) Table 1 Accuracy of phantoms for different body surface contours under different placement conditions monitored using a Catalyst HD system (mm, x±s)

由表 1可见，同一模型在不同放置方式下监测精度存在一定差异(Z=-8.59 ~ -0.02，P < 0.05)。圆模型在LR和SI方向上，仅15°和25°模型监测精度差异显著，在LR方向上横向放置监测精度更高，在SI方向上纵向放置监测精度更高；在AP方向上，15°，35°，45°模型横向放置条件下监测精度均高于纵向放置，精度可达0.1 mm。椭圆模型在LR和SI方向上，仅5°模型监测精度差异显著，横向放置精度更高，可达到0.5 mm；在AP方向上，除5°外其他模型横向放置监测精度均高于纵向放置，可达0.1 mm。

3. Catalyst HD系统监测误差与床值误差的相关性分析：由于移床时模型在横向放置的SI方向和纵向放置的LR方向无轮廓改变，Catalyst HD系统虽然能监测到模型移动，但监测数据基本无变化，故进行Catalyst HD系统监测误差与床值误差的相关性分析时，在LR方向和SI方向分别选取模型横向和纵向放置时的数据，AP方向两种放置方式的数据均选取。

如表 2所示，所有模型在LR和SI方向上，底边角度 < 25°时Catalyst HD系统监测偏差值与实际移床值存在较多弱相关或无相关；≥ 25°时，相关性较强。Catalyst HD监测偏差与床值偏差在AP方向均相关性显著(R > 0.9)，其中在不同放置方式下的监测偏差差异无统计学意义(P > 0.05)。所有模型均在单方向移床时，Catalyst HD监测偏差与床值偏差的相关性最好，双方向次之，3个方向移床的相关性最差。

表 2(Table 2)

表 2 Catalyst HD系统监测误差与床值误差的相关性分析(R值) Table 2 Correlation of the monitoring errors of the Catalyst HD system and the couch value errors (R value) 模型 移动方向 5° 15° 25° 35° 45° 圆模型 LR方向横向放置 单方向 0.899 0.617a 0.834 0.907 0.908 双方向 0.646 0.200a 0.696 0.668 0.839 三方向 0.639 -0.073a 0.415 0.213a 0.474 SI方向纵向放置 单方向 — -0.655a -0.118a 0.895 0.895 双方向 0.113a 0.259 0.670 0.851 0.890 三方向 -0.108a 0.264a 0.123a 0.819 -0.837 AP方向横向放置 单方向 1.000 1.000 0.999 0.999 0.998 双方向 0.987 0.987 0.987 0.986 0.987 三方向 0.945 0.946 0.945 0.944 0.947 AP方向纵向放置 单方向 0.999 0.998 0.997 0.999 1.000 双方向 0.986 0.987 0.986 0.987 0.987 三方向 0.946 0.946 0.946 0.945 0.945 椭圆模型 LR方向横向放置 单方向 -0.147a 0.658 0.322 0.555 - 双方向 0.646 0.200a 0.696 0.668 - 三方向 -0.129a 0.593 0.217a 0.231a - SI方向纵向放置 单方向 — 0.820 0.941 0.883 - 双方向 0.054a 0.532 0.836 0.795 - 三方向 0.041a 0.566 0.802 0.472 - AP方向横向放置 单方向 0.987 0.987 0.997 0.996 - 双方向 0.987 0.987 0.987 0.986 - 三方向 0.946 0.944 0.947 0.945 - AP方向纵向放置 单方向 0.997 0.997 0.997 0.996 - 双方向 0.986 0.986 0.986 0.987 - 三方向 0.945 0.944 0.944 0.946 - 注：“-”为无数据。a P > 0.05，Catalyst HD系统监测误差与床值误差间无相关关系

表 2 Catalyst HD系统监测误差与床值误差的相关性分析(R值) Table 2 Correlation of the monitoring errors of the Catalyst HD system and the couch value errors (R value)

SGRT系统以不同形式的光投射到患者体表，获取患者体表信息，并与参考影像实时配准，提高了日常摆位的准确性^[17]。该系统应用广泛，不仅用于引导如鼻咽癌、乳腺癌等一类的浅表肿瘤摆位，在肝癌、肺癌等深部肿瘤中也有报道^[18-19]。Gierga等^[20]在肢体肉瘤的研究中报道，每日应用SGRT系统引导摆位可减少总体误差，且可将整体均方根误差降低至2 mm。SGRT系统主要监测体表信息，而不同的体表轮廓对监测存在影响。因此，本研究应用Catalyst HD表面光学系统研究其对患者不同体表轮廓监测的准确性。

人的体表轮廓呈现一定弧度，胸腹部近似椭圆弧状，头颈部及四肢近似圆弧状。在对人体进行蒙特卡罗模拟时，通常也将人体模拟为圆柱状^[21-22]。Stieler等^[23]在其关于Catalyst的相关研究中表明白色模型在较小的增益和积分时间下即能完整显示。Peng等^[24]的关于色彩的研究也提及，Catalyst HD系统对于白色模型的监测准确性是有保障的。因此，实验利用常规3D打印材料PLA制作白色圆弧或椭圆弧模型。

在Catalyst HD系统临床应用中，放射治疗师常需根据患者实际体表状态来逐步调节相机参数(增益和积分时间)，以期获得清晰真实的体表影像。研究体表轮廓与相机参数的关联性，可帮助治疗师快速准确地获取最佳体表影像，提高工作效率。本实验发现随增益增大，同一体表轮廓所需积分时间减小；获取最佳影像时，二者呈显著线性负相关。建议厂家进行软件更新，将参数调节中的积分时间设置成对数，更方便调节。目前在实际临床应用中，当增益 < 600%时，对于积分时间的调节可适当加大步级；当增益较大时，对积分时间的调节也需要更加精细化，以期减少试错，降低调整参数的时间，降低患者焦虑；同时通过公式计算，可快速对参数进行调整，保障光学监测准确性的同时提高工作效率。Catalyst HD 3个摄像机的积分时间对数与增益保持-0.001的固定斜率，但截距有差异。两侧摄像机截距相近，而中间摄像机的截距大于两侧；相同增益下中间摄像机所需积分时间远大于两侧摄像机。主要原因是本研究中间摄像机最先安装，而两侧为系统升级后加装，虽系统版本一致，但与中间摄像机相比使用时间短，老化程度低。另外，在同中心前期关于肤色的研究中，积分时间对数与增益保持-0.002的斜率^[12]，这与两个研究所用同一增益下积分时间的调节步长不同有关：本研究采用系统设置的固定步长(100 μs)进行调节，同时随版本升级，增益区间为0~1 200%；而肤色研究中，由于色卡面积较小，手动选择了更为精细的步长(10 μs)。积分时间对数与增益的拟合截距，与不同体表轮廓的横纵比也存在一定关系，因此在Catalyst HD系统引导放疗摆位的临床实践中，放射治疗师可根据上述规律以及设备使用情况，快速设置适当的系统参数，捕获最佳监测影像的同时提高治疗效率。

相同增益下，模型横向放置和纵向放置所需的积分时间不同。一方面是由模型本身面积导致的，横向放置时，模型在两侧摄像头下监测面积大，在中间摄像头下监测面积小；而纵向放置时，情况恰好与横向放置时相反。另一方面，模型的轮廓也导致了所需积分时间的变化，在横向放置时，随模型角度增加，轮廓增大，更有利于反射光线，相同增益下所需积分时间越小，因此，横向放置在Catalyst HD系统摄像头的监测下有优势。而此时圆模型在25°时出现异于规律的突变值，所需积分时间增高；椭圆模型则为35°时所需积分时间增高。根据雷金艳等^[25]关于盆腔横纵比和摆位误差关系的研究以及姚文燕等^[26]关于胸廓横纵比的研究，本研究将横纵比作为一个体型特征参数进行对比，发现体表轮廓横纵比接近2时，会影响Catalyst HD系统摄像头监测，相同增益下需要更大的积分时间。

上述结果有利于更快设置参数，获取最佳监测体表；在此基础上为论证不同体表轮廓对Catalyst HD系统监测摆位的影响，本研究进一步分析了Catalyst HD系统摆位精度及表面摆位误差与床值误差的相关性。在LR和AP方向上，模型横向放置监测精度大于纵向放置，最大可达0.1 mm；而在SI方向上，纵向放置监测精度大于横向放置。说明当存在曲率的变化时，对Catalyst HD系统监测更有利，这与Peng等^[24]研究结果一致。临床中采集体表影像时应尽量覆盖有曲率变化的区域，若只选择平坦区域，会导致虽然有监测数值，但该数据不能代表真实的摆位误差。横向放置的模型其轮廓呈现在LR方向上，而日常放疗中，患者在治疗床上的体位摆放同样呈现出轮廓在LR方向的特征。Naidoo和Leech^[27]关于乳腺癌放疗的系统评价中，提及使用SGRT系统后在LR及AP方向上相较传统纹身摆位残余误差平均减少量为50%和40%，而在SI方向上观察到两种方式之间的差异存在更大的变异性，本研究结果与其一致，Catalyst HD系统在LR及AP方向的摆位监测存在优势。但临床中观察到的Catalyst HD系统在SI方向监测准确性低，主要是因为在该方向缺少轮廓变化。当SI方向出现轮廓变化时，如人体头颈部、耳部等以及研究中的纵向放置，Catalyst HD系统对其监测的准确性仍有保证。在Catalyst HD系统监测误差与实际移床值的相关性研究中发现，LR和SI方向上，当模型底边角度 < 25°时，监测偏差值与实际移床值相关性小，底边角度≥25°时，相关性较大；AP方向监测偏差与实际床值均呈强相关(R>0.9)。本研究中可见精度结果在LR和SI方向上标准差与平均值差距较大，而在AP方向则差距较小。这些提示Catalyst HD系统对高度的变化最为敏感。在实际临床应用中需要对体型偏瘦、偏扁平的患者以及体型偏胖、偏圆润的患者进行及时的参数调整，依据患者体型的改变而改变监测条件，从而增加Catalyst HD系统摆位的准确性。并且由于其对AP方向变化的敏感，对胸廓起伏的监测也更为准确，有利于呼吸门控的实施，能方便计划的调整，进一步提高治疗的精准度^[28]。

本研究存在一定的局限性：首先，人体体表轮廓是连续的，考虑到实验操作及3D打印实施，模型设计以5°为一级，既有代表性又降低了操作复杂度。其次，由于系统限制，当增益达到1 000% 以上时，模型在系统可调节的最低积分时间(500 μs)就出现曝光过度，然而实验发现其对结果影响不大，且临床实践中很少会设置如此高的增益。最后，Catalyst HD系统能提供6个自由度的亚毫米级摆位误差，为简化实验，本研究并未将3个旋转方向的误差纳入分析，也未进行立体定向放射治疗(SBRT)中所需的亚毫米级的数据分析；然而Yang等^[29]研究表明，不纠正旋转误差可能会引起计划靶区(PTV)内100%的处方等剂量线覆盖的体积(V_100%)和PTV最大剂量(D_max)的最大变化仅为8.36%和6.06%。后续针对旋转及亚毫米误差，可展开进一步分析。

综上所述，Catalyst HD系统影像采集的参数自身存在固定的关系，同时与体表轮廓存在一定关联。在调节增益和积分时间参数获得最佳影像下，精度也能得到提升，但Catalyst HD系统监测精度仍会受到体表轮廓的影响。因此，在放疗中，需密切关注患者体型变化，及时调节Catalyst HD系统增益和积分时间；同时出于Catalyst HD系统监测精度考虑，对于体表轮廓横纵比>2或者身体截面更为扁平的患者，需在表面光学系统的使用中适当保持IGRT的频率，才能保证位置偏差的准确监测和纠正，实现精准放疗。

利益冲突  所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明  代馨瑶负责实施研究和论文撰写；成宇负责分析数据；曹潘潘负责采集数据；彭海燕负责设计实验及统计分析；靳富负责技术指导