一种具有床位移校正和视觉反馈功能的新型呼吸替代系统在计算机断层扫描中的应用及其对深吸气屏气和四维成像质量的提升

　　本研究针对CT放疗中呼吸运动管理因床位移或下沉导致的临床替代系统和视觉引导不准确问题，开发了一种新型运动校正替代与反馈系统。通过体模和患者测试验证，该系统有效减少了床位移对呼吸信号的影响，在DIBH和4DCT中显著提升了呼吸信号稳定性和基线稳定性，改善了影像质量与治疗精度。

　　

在放射治疗中，精确的影像引导对靶区定位和保护正常组织至关重要。呼吸运动是影响计算机断层扫描（CT）成像质量和治疗准确性的主要因素之一。深吸气屏气（Deep Inspiration Breath-Hold, DIBH）和四维CT（4DCT）是广泛应用的两种管理呼吸运动的技术。DIBH通过增加心脏与胸壁的距离来减少心脏受照剂量，而4DCT能够捕捉肿瘤在不同呼吸时相的运动，从而为治疗计划优化提供依据。然而，这两种技术都高度依赖呼吸替代系统来同步图像采集或引导患者呼吸，但目前临床常用的替代系统和视觉引导方法存在一个常见但容易被忽视的局限——无法区分真实的呼吸运动与CT床移动引起的信号干扰。床移动或因患者体重导致的床下沉会影响呼吸信号的测量，进而可能引起影像伪影或引导误差，尤其在基于幅度的4DCT重建和视觉反馈系统中，即使是几毫米的偏差也可能导致呼吸时相错误或图像质量下降。

为此，来自德国埃尔朗根-纽伦堡大学医院放射肿瘤科的研究团队开发了一种新型的光学呼吸替代与视觉反馈系统，该系统集成了床位移与下沉校正功能，能够有效抑制床运动对呼吸信号的干扰。他们的研究成果发表在《Physics and Imaging in Radiation Oncology》上，文章详细介绍了该系统的设计原理、验证实验及在体模、患者和志愿者中的测试结果。

研究人员采用多项关键技术开展本研究。系统硬件基于Polaris Spectra光学跟踪仪（Northern Digital Inc., Canada），可同时追踪患者标记和床标记，实现呼吸信号与床位移的实时解耦。通过坐标变换和旋转校正，将全局坐标转换为以患者为参考的前后向运动信号，并据此计算校正后的呼吸曲线。软件部分使用Python 3.7.14编写，利用scikit-surgerynditracker库进行数据采集与处理。体模实验使用CIRS 008A胸部运动体模，在不同负载条件下（最高104 kg）评估系统抗床下沉性能。患者数据来源于5例临床扫描，其中2例接受DIBH，3例接受4DCT。志愿者研究共纳入10名健康受试者，在不同反馈模式（音频、视觉）和床移动条件下评估呼吸信号质量。

研究结果分为几个部分：

在体模测量中，研究团队发现商用系统（如RGSC和SimRT）在床负载增加时出现显著基线漂移（最高-5 mm），而新系统在整个负载范围内保持了较高的信号稳定性，DIBH幅度误差仅-0.2 mm，4DCT基线漂移低于0.25 mm。

在患者测量中，Polaris系统显著改善了DIBH平台的稳定性，信号漂移为-0.2 mm/s，远低于RGSC（-0.8 mm/s）和SimRT（-0.9 mm/s）。在4DCT中，新系统的基线漂移为-0.2±0.2 mm，也低于其他两种系统。

志愿者研究进一步验证了视觉反馈的有效性。在DIBH场景中，使用视觉反馈后，屏气幅度的标准差从音频反馈下的1.1 mm降低到0.5 mm，表明呼吸重复性得到提高。在4DCT中，虽然视觉反馈并未显著改善呼吸幅度和周期的稳定性，但它帮助受试者实现了更一致的呼吸模式，减少了受试者间的变异性。

研究表明，这种新型呼吸替代系统能够有效校正因床位移和下沉引起的信号伪影，提高DIBH和4DCT成像中呼吸信号的质量和稳定性。尤其在DIBH应用中，视觉反馈显著提升了屏气重复性和平台稳定性。而在4DCT中，虽然视觉反馈对呼吸规律性的改善效果有限，但系统本身通过床位移校正显著降低了基线漂移，有助于提高影像重建准确性。

该研究的成功不仅为解决CT引导放疗中的呼吸运动管理问题提供了新技术手段，也凸显了多模态反馈与运动校正结合在临床中的应用潜力。未来，进一步优化视觉反馈算法、扩大样本规模以及推动系统临床应用，将有助于提升放射治疗的整体精确性和安全性。