图像引导放射治疗(image guided radiotherapy, IGRT)技术提高了肿瘤的摆位精度和治疗精度^[1]。目前主要的图像引导技术包括：电子射野影像系统(electronic portal imaging device, EPID)、kV级平面成像系统、4DCT、锥形束CT(cone beam CT, CBCT)等。以上设备对治疗中患者实时监测的功能效果不佳，且治疗中多次拍摄会造成不可忽视的额外剂量影响，容易增加患者二次肿瘤风险^[2-3]。光学引导跟踪系统(optical guided tracking system, OGTS)采用红外传感技术，通过光学位置传感器接受固定在患者体表的光学标记点反射的红外光，可实时探测患者运动状态。目前，国产研发的OGTS临床应用处于起步阶段，对其准确性的研究未见报道。本研究在模体和临床试验中，以二维图像引导定位系统(image guided positioning system, IGPS)校正摆位误差的偏移值为基准，对照同一情况下OGTS监测的实时位移，对比两者在综合平移方向的偏差值，初步探究OGTS在肿瘤放疗应用的追踪精度，同时建立临床使用流程。

1. 光学引导跟踪系统：OGTS(NDI, ϕ11.5 mm, 江苏瑞尔公司)由光学位置传感器(含光学标记点和光学标记点基座)、光学位置传感器机械悬挂装置、供电单元、控制计算机四部分组成。采用红外传感技术跟踪患者体表位移，即光学位置传感器连续发射红外光信号(> 20 Hz/s)，并持续接受光学标记点反射的红外光信号，通过探测光学标记点的实时位置，监测患者体表实时运动位置。

2. 模体验证

(1) OGTS检验模体(TEMP-07，江苏瑞尔公司)：分为模体底座、9孔平台及反光球平台(图 1)。模体底座尺寸为200 mm × 150 mm × 22 mm，9孔平台45 mm × 45 mm × 30 mm，反光球平台直径50 mm，高度60 mm。

A. 模体底座及9孔平台；B. 反光球平台；C. OGTS实验摆位 图 1 模体结构及模体实验摆位 A. Phantom base and the platform with nine holes; B. Reflector ball platform; C. OGTS experimental setup Figure 1 Structure and experimental setup of the phantom

(2) 跟踪准确性测试：将模体平放在检查床上，使之处于系统试场范围内，系统使用前需确认以下3个关键性能指标在规定阈值内。漂移：在系统规定的开机时间之后1 h内，漂移引起的位置偏差不超过0.5 mm；视场范围：x、y、z 3个方向不小于200 mm；系统数据刷新频率：不小于10 Hz。并将表面放有光学标记点的反光球平台放置于9孔平台原点(图 1)。将反光球平台于9孔平台的8个点之间移动，在三维方向上近似移动15 mm，平移方向的左右、前后和头脚分别以x、y和z表示，移动距离记为x_i, y_i, z_i。计算综合平移D_i：

启动光学引导跟踪软件，实时跟踪光学标记点位置变化。光学引导跟踪系统分别探测并记录反光球平台在8个点移动前后的平移x′_i, y′_i, z′_i。计算综合平移D′_i：

最后，计算两者综合平移的偏差△D_i：

(3) 跟踪重复性测试：在模体上将反光球平台移动到另一点上，并记录前后的偏差值，重复至少6次，最后计算综合平移偏差ΔD_i的标准偏差。

3. 临床验证

(1) 患者资料：本研究纳入2019年8月至10月收治的45例肿瘤放疗患者，头部、乳腺、直肠肿瘤患者各15例。其中男性18例，女性27例，年龄29~72岁(中位年龄53岁)。本研究通过医院伦理委员会论证，所有患者均签署知情同意书。

(2) 定位及计划设计：按照常规固定方式，所有患者均使用多功能一体架作为固定底板(Klarity R612, 广州科莱瑞迪公司)，头部肿瘤患者外加头颈肩热塑膜固定且双手自然置于身体两侧，直肠癌患者采用体部热塑膜固定且双手自然置于头部两侧。乳腺癌患者仅采用一体架固定并将双手置于体架手托处。体位固定后均行大孔径模拟CT(Brilliance CT Big Bore, 荷兰飞利浦公司)定位扫描，头部及乳腺癌患者扫描层厚2.5 mm，直肠癌患者扫描层厚5.0 mm。使用瓦里安治疗计划系统(Eclipse V.15.6，美国Varian公司)勾画靶区与正常组织，勾画经医师三级确认后行放疗计划设计。

(3) 治疗前准备：复位阶段切除热塑膜上相应区域，并用砂纸将边角毛刺打磨光滑，将光学标记点和金属标记点(即金标)固定在同一个标记点支架中，并将标记点基座粘贴在患者切除热塑膜部分的皮肤上。金属标记点作为IGPS图像引导系统(iSCOUT系统，江苏瑞尔公司)的配准参照点，光学标记点则反映摆位时移动的距离，光学标记探测的起始位置坐标(0, 0, 0)为多个标记点的中点。具体摆放位置为头部肿瘤患者：露出鼻头区域(≥30 mm × 30 mm)，额头上方区域(头脚方向≥40 mm，左右方向≥80 mm)。直肠肿瘤患者，可选两种切除热塑膜方式：在靶点附近，露出胸腹前方向上一块≥130 mm × 130 mm的区域；在靶点附近，露出胸腹前方向上3块≥30 mm ×30 mm的区域，两两区域之间不平行于患者左右和头脚方向，中心距离≥40 mm，且不遮挡热塑膜或体表上的标记线。乳腺癌患者直接在较为平坦的皮肤表面粘贴标记点支架和固定金标，如图 2所示。

A. 头部；B. 腹部；C. 光学标记点；D. 乳腺癌标记点粘贴位置 图 2 固定体膜及标记点粘贴 A. Head; B. Abdomen; C. Optical marker; D. Positions for pasting breast cancer markers Figure 2 A fixed body thermoplastic membrane with markers pasted

(4) IGPS和OGTS数据获取：患者在直线加速器(23 EX，美国Varian公司)下实施治疗，在患者前10次分次治疗中随机选取3个分次获取数据。根据机房激光线与标记线对患者进行摆位，以IGPS进行图像引导修正患者摆位误差，由OGTS系统跟踪此过程中的患者移动距离，对比二者计算的患者移动距离的一致性。具体流程示于图 3。

注：OGTS. 光学引导跟踪系统；IGPS. 二维图像引导定位系统 图 3 OGTS与IGPS的综合平移偏差的获取流程 Figure 3 Flow chart for deriving the comprehensive translational deviations of OGTS and IGPS

(5) 评价指标：用两个方法测量结果的综合平移偏差作为评价OGTS系统跟踪结果准确性的关键指标，即如果两个方法所获得的3个方向上综合平移偏差≤ 2 mm，则认为两个测量结果一致。使用“金标准”方法的参照产品(或称为参照设备)为IGPS图像引导放疗定位系统，两种设备的综合平移偏差计算公式如下：

式中，Δ_OGTS-IGPS表示两种系统在单个平移方向上的摆位误差之差。

4. 统计学处理：采用SPSS 26.0进行统计学分析，计量资料符合正态分布，用x±s表示。OGTS与IGPS各组数据采用配对t检验，两种方法在3个方向测量总的偏差进行Pearson相关分析。P＜0.05为差异具有统计学意义。

1. 模体跟踪准确性与重复性：反光球平台在9孔平台上8个点的综合平移D_i为固定值25.96 mm，表 1显示反光球平台与光学标记点的8个综合平移偏差ΔD_i取绝对值表示最小为0，最大为0.18 mm。选取其中一点进行重复测量，在重复测量6次后，计算反光球平台与光学标记点的综合平移偏差的标准差为0.03 mm。

表 1(Table 1)

表 1 OGTS准确性测量(mm) Table 1 Accuracy measurement of OGTS (mm) 光学标记点 x y z D′i ΔDi 1 12.80 -21.80 -5.90 25.96 0.00 2 13.60 -7.70 20.70 25.94 0.02 3 12.60 -21.70 -5.90 25.78 0.18 4 -16.20 -4.40 19.80 25.96 0.00 5 -17.20 -18.50 -6.70 26.13 -0.17 6 13.90 -7.80 20.50 25.97 -0.01 7 -17.10 -18.50 -6.60 26.04 -0.08 8 -16.30 -4.40 19.90 26.10 -0.14 注：OGTS. 光学引导跟踪系统

表 1 OGTS准确性测量(mm) Table 1 Accuracy measurement of OGTS (mm)

2. 两种引导方式三维校正位移：除外2例患者退出试验(1例头部肿瘤患者做完第1分次的试验后自愿退出本临床试验；1例乳腺肿瘤患者在第3分次试验中标记点脱落，无法获取数据，故无法进行有效性评价)，共获得129组数据，列于表 2。经IGPS和OGTS测量，结果显示，两组设备在头部z方向上差异有统计学意义(t=2.21，P＜0.05)，但在乳腺和直肠的x、y、z3个方向差异均无统计学意义(P＞0.05)。

表 2(Table 2)

表 2 图像引导定位系统和体表光学引导跟踪系统下头部、乳腺、直肠肿瘤患者在x、y、z方向上的平移误差对照(mm, x±s) Table 2 Comparison of translational errors in x, y, and z directions for patients with head, breast, and rectal tumors using IGPS and the surface OGTS (mm, x±s) 部位 测量次数 方向 IGPS OGTS t值 P值 头部 42 x 1.88±1.90 1.91±1.88 1.01 0.318 y 1.37±1.58 1.46±1.43 0.77 0.447 z 1.16±1.20 1.45±0.96 2.24 0.033 乳腺 42 x 3.48±3.58 3.42±3.52 -0.67 0.507 y 3.56±3.12 3.61±3.30 0.27 0.790 z 2.23±2.67 2.42±2.60 0.78 0.438 直肠 45 x 1.84±1.29 1.97±1.44 1.12 0.268 y 2.46±1.77 2.16±1.53 -1.38 0.175 z 2.35±2.03 2.57±2.14 1.39 0.172 注：IGPS. 图像引导定位系统；OGTS. 光学引导跟踪系统

表 2 图像引导定位系统和体表光学引导跟踪系统下头部、乳腺、直肠肿瘤患者在x、y、z方向上的平移误差对照(mm, x±s) Table 2 Comparison of translational errors in x, y, and z directions for patients with head, breast, and rectal tumors using IGPS and the surface OGTS (mm, x±s)

3. 综合平移偏差：使用两种设备进行摆位测量计算平移方向上的综合平移偏差，经计算两种设备的平均综合平移偏差为1.36 mm，IGPS与OGTS在头、乳腺、直肠的综合平移偏差分别为(0.91±0.62)、(1.64±1.30)、(1.52±1.29)mm，其中平均综合平移偏差分别为0.91、1.64、1.52 mm，结果符合两者偏差≤ 2 mm的要求。

在目前主要的图像引导技术中，EPID操作简单，在射线照射靶区时可同时获取图像^[4]；kV级平面成像系统成像速度快剂量低^[5]；CBCT是目前广泛应用的图像引导设备，可以提供内部结构信息并进行三维方向上的配准^[6]；4DCT包含了肿瘤在三维方向上的运动信息且增加了时间因素^[7]。这些技术虽然对提高靶区照射剂量，减小肿瘤周边正常组织及危及器官的损伤起到了一定效果，但治疗中患者靶区位置常因呼吸或身体不自主运动发生改变，无法实时探测患者运动状态，从而导致靶区没有得到最佳的放射治疗剂量而正常组织受到过高剂量，降低放射治疗精度^[8-9]，且多次拍摄会造成不可忽视的剂量。

本研究使用国产自主研发的光学引导跟踪系统，通过光学位置传感器接收光学标记点反射的红外光进行实时探测。探测中，光学标记点的相对位置变化以曲线形式可实时反映在操作窗口，借助OGTS曲线在阈值下的变化可在不增加创伤和电离辐射的情况下实时观察患者呼吸和位置变化。实验中经IGPS修正摆位误差，并以其修正误差作为金标准。目前IGPS精度已得到验证，郭静钰等^[10]对比研究了kV级图像引导放射治疗定位系统和射波刀Xsight脊柱追踪系统基于骨配准的临床一致性，结果表明两系统的差异为亚毫米级，角度偏差＜1，图像引导定位系统在图像引导配准中具有足够的精确性。而且，IGPS的两个X射线管可做到一次曝光获得配准影像，每次拍片产生的额外辐照仅为CBCT的十分之一左右^[11-13]。但IGPS缺少实时监测，不能及时反映患者呼吸和位置的变化，而OGTS可记录呼吸运动的轨迹和位置变化，对IGPS起到补充和辅助的作用。

光学表面成像系统(OSI)技术自提出以来，已经迅速应用于放射治疗过程中的引导摆位、分次内和分次间运动的监测，以及呼吸量测定和呼吸门控等方面，还被广泛应用于头颈、胸部和盆腔等部位的肿瘤治疗^[14]。李俊禹等^[15]通过比较传统体表标记线摆位和应用OSI引导乳腺癌术后患者摆位，发现相比传统体表标记摆位，OSI技术的摆位精度更佳，特别是在进出(z轴)和进出倾斜角(Pitch)方向，OSI引导摆位和传统体表标记摆位误差分别为0.13、0.23 cm和0.63°、0.99°，提示使用OSI有利于提高摆位精度。但OSI的运用需要采用其他补充方法进行监测，在患者表面的凹陷处容易丢失运动信息，表面识别系统不能单独使用^[16]。而本研究中光学引导跟踪系统的标记点基座可通过双面胶粘贴于患者体表凹陷处，从而通过光学位置传感器追踪到基座顶部光学标记点的运动，弥补OSI等常规光学体表系统容易丢失信息的缺点。

OGTS对刚性结构的探测结果与IGPS表现一致。对比光学标记点在模体中两点移动的距离和文件坐标检测的两点距离的差异。结果表明，模体测量的重复性和准确性偏差均在1 mm以内。以系统的固有精度为参照，将IGPS与OGTS的综合平移偏差＜2 mm认为是两种系统效果一致。与乳腺、直肠相比，本研究在头部的综合平移偏差最小，在头部测量结果中显示z方向上OGTS平移误差大于IGPS，可能原因是头部患者在鼻尖和额头各放置了一个光学标记点，两个标记点在一个方向上角度偏小，重合度高，导致采集的红外信号不准确。而IGPS采用45°和135°两个角度摄片对显示影响效果小，因此增加光学标记点的角度可能会提高监测准确性。

在运动器官中OGTS可辅助IGPS实现实时监测。治疗前将金属标记点和光学标记点重合贴于乳腺和直肠患者体表，采用金属标记点辅助IGPS系统配准，该方法结合IGPS弥补了乳腺和直肠在图像配准时缺少合适的骨性参照物产生的不足，达到图像引导配准效果。结果显示，有1例乳腺癌患者在第3分次试验中标记点脱落，考虑是乳腺形态特殊，质软且自由活动度较大，乳腺皮肤褶皱影响了粘贴的稳定性。针对此类患者可以增加光学标记点的放置数量，避免标记物脱落对后续治疗的影响。OGTS记录多个标记物变化时以全部标记物的坐标中点为准，因此，当标记物的数量超过一定数量时对探测精确性无显著增加。在腹部的标记点稳定性相对较好，在准确性上的效果与IGPS一致，但治疗前仍需进行呼吸训练，以避免随治疗时间增加而导致患者呼吸对光学标记点位置的影响。

本实验存在以下不足：一是保乳患者的乳腺表面存在褶皱和腺体形状改变，为符合光学标记点放置位置要求，因此乳腺癌患者未采用热塑膜，考虑到体位固定性和重复性可能对配准结果有影响，后期将对乳腺癌患者使用开窗式热塑膜，在开窗位置固定光学标记点减少整体配准差异。二是本研究所用的IGPS是采用kV级X射线立体平面成像技术，相比于CBCT在三维图像上信息显示有限，但IGPS可做到一次曝光获得配准影像，每次拍片的辐射剂量小，同时该系统成像速度快，对骨性标志配准效果好，结合体表粘贴的金属标记可快速准确地完成图像引导配准。OGTS追踪时会生成日志文件，从文件中提取光学标记点被监测过程中的坐标信息，根据坐标信息可进一步为下次治疗时的外扩边界提供依据。同时下一步研究将继续进行OGTS在呼吸运动监测中的应用研究，或者监测治疗分次内的位移变化。

OGTS操作技术简单，对光学标记点探测灵敏度高，在静态模体中最小可探测到0.2 mm左右的曲线波动。因此，当患者呼吸或位置发生轻微变化时，能够及时了解当前患者呼吸位置状态，对于呼吸控制好的患者可增加监测精度，监测中当光学标记点因呼吸运动导致相对位置曲线超过阈值时治疗中断。但该系统尚存一些不足，由于缺少旋转信息，仅依靠平移误差对治疗中呼吸运动的多种运动模式展示有限，但在显示窗口能直观地观察到呼吸曲线轨迹变化，可作为当前图像引导设备的一种补充手段，与IGPS联合使用时需注意以下几点：确定靶区位置后光学标记点离靶区位置距离不应超过10 mm，以减少呼吸运动不确定性；标记物放置数量不少于3个，标记物间角度不小于15°，增加数量和角度主要保证测量时对位置监测的准确性；保证光学标记点粘贴稳定性，防止抖动影响监测结果。

综上所述，IGPS与OGTS误差测量的结果相近，OGTS快速、无创、能减少额外电离辐射，日常工作可在IGPS修正患者摆位后将OGTS用于监测患者治疗中运动状态。两者联合使用能有效降低患者辐射剂量，提高治疗效果。

利益冲突  所有作者声明没有任何利益冲突，未接受任何不当的职务或财务利益

作者贡献声明  林漳华、邓显智、董芳芬负责设计研究方案、研究实施及论文撰写；陈静、郑芬、翁星负责协助实验与收集数据；徐本华负责技术指导；李小波提出研究思路，指导论文修改