新型无框架无面罩机器人头部运动补偿系统在立体定向放射外科中的临床环境性能评估

　　为解决传统SRS（立体定向放射外科）中头架和热塑面具固定法带来的患者不适与精度不足问题，研究人员开发了机器人头部运动补偿（RHMC）系统。该研究在模拟临床环境中对健康志愿者进行测试，结果显示RHMC使所有适用志愿者在95%以上束流照射时间内成功将头部运动控制在1.0mm和1.0deg以内，显著提升了治疗精度与舒适度，为无创精准SRS提供了新方案。

　　

在当今医疗技术飞速发展的时代，立体定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery, SRS）已成为治疗脑部小肿瘤和血管畸形的重要非侵入性方法。它通过高精度、高剂量的辐射束精确摧毁病变组织，避免开颅手术的风险。然而，传统的SRS技术面临一个长期未能很好解决的矛盾：为了达到亚毫米级的治疗精度，患者必须忍受极大的不适——要么是将金属头架直接用螺钉固定在颅骨上，要么是戴上紧密包裹的热塑面具。这两种固定方法不仅给患者带来疼痛和恐惧，还存在明显的临床局限性。头架固定属于有创操作，无法用于分次治疗，且对颅骨结构异常者不适用；而面具虽较无创，却容易因材料伸缩、患者体重变化或面部水肿导致靶区漂移，精度难以保证。更令人担忧的是，许多患者反映面具带来强烈的幽闭恐惧感，甚至因无法耐受而中断治疗。据统计，仅在美国，2017至2021年间每年平均有超过9万例原发性脑肿瘤病例，这些患者都可能从更舒适、更精准的SRS技术中获益。

正是在这样的临床需求背景下，宾夕法尼亚大学放射肿瘤学系的Xinmin Liu、Ahmad Sakaamini、Wenbo Gu、Carl Denis、Michelle Alonso-Basanta和Rodney D. Wiersma团队开展了一项创新性研究，他们开发了一套全新的机器人头部运动补偿（Robotic Head Motion Compensation, RHMC）系统，首次实现了真正意义上的无框架、无面罩SRS治疗。这项研究在模拟真实临床环境的情况下，对健康志愿者进行了系统验证，取得了令人振奋的结果，相关成果发表在辐射肿瘤学领域的专业期刊上。

研究人员为开展这项研究，主要采用了几个关键技术方法：首先，他们设计了一种紧凑型六自由度（6DoF）并联机构（hexapod）机器人，将其安装在直线加速器（Linac）治疗床末端，位于患者肩部下方，避免了与机架碰撞的问题；其次，采用商业化的表面引导放射治疗（Surface-Guided Radiation Therapy, SGRT）系统进行实时头部六维位置跟踪，替代了传统的红外标记物；第三，通过特殊设计的碳纤维头部支撑器与患者头部形成柔性耦合；第四，使用动态头部模体模拟真实头动数据对系统进行验证；最后，对20名健康志愿者进行模拟SRS治疗，采集头动数据并分析不同容差条件下的达标率。

研究结果部分显示，在系统性能验证方面，使用动态模体的测试表明，RHMC能将模体头部位置在99%的时间内维持在1.0mm和1.0deg的容差范围内，而未经补偿时这一比例不足20%。在志愿者实验部分，20名志愿者中有2名因设备适配问题被排除（一名因头型较小导致头架耦合不佳，另一名因颈部旧伤限制活动），其余18名志愿者全部达到了主要成功指标DC95%1.0mm&1.0deg（即在95%以上的束流照射时间内将头部运动控制在1.0mm和1.0deg以内）。在没有RHMC补偿的情况下，只有9名志愿者能达到这一标准。对于更严格的DC95%1.0mm&0.5deg容差，有17名志愿者在使用RHMC时达标，而未使用时仅有4人达标。具体数据表明，使用RHMC时，18名志愿者在1.0mm&1.0deg容差下的平均达标时间为99%（范围96-100%），而未使用时平均仅为73%（范围9-100%）。

在讨论部分，研究人员指出，这是首个能够在无需头架或面具的情况下实现临床标准SRS精度的运动补偿系统。与传统方法相比，RHMC系统具有多重优势：其位于肩部下方的机器人设计确保了360度机架旋转无障碍，解决了先前原型机存在的机架碰撞问题；采用SGRT表面跟踪技术避免了在患者面部粘贴标记物带来的不便和误差；连续、渐进的头部位置调整比传统的人工干预更加精确和及时。然而，研究也发现当前系统的性能略低于早期使用固定帧率红外相机的原型机，这主要归因于SGRT系统的可变帧率带来的控制挑战。研究人员建议未来可采用增益调度反馈控制等更先进的控制算法，或使用固定帧率的SGRT相机来进一步提升性能。

该研究的结论部分强调，RHMC系统在模拟临床条件下成功地将所有适用志愿者的头部运动维持在临床标准容差范围内（1.0mm和1.0deg）超过95%的治疗时间，首次实现了真正意义上的无框架、无面罩SRS治疗。这种创新技术不仅能够提高患者的治疗舒适度和依从性，减少 setup 时间，还可能扩大SRS的适用人群范围，包括那些因解剖结构异常或心理恐惧而无法接受传统固定方法的患者。随着进一步的技术优化和临床验证，RHMC系统有望成为未来精准放射治疗的重要工具，为脑部疾病患者提供更加人性化、更加精准的治疗选择。