張艷賢 徐子海
計(jì)算機(jī)視覺是一門新興學(xué)科,主要研究如何通過攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)的連接獲取拍攝對(duì)象的數(shù)據(jù)和信息,即利用計(jì)算機(jī)模擬和延伸人的視覺功能,通過獲取二維圖像來識(shí)別與重構(gòu)三維環(huán)境信息,不僅包括物體的形狀、大小等表面特性,還包括位置、空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)等動(dòng)態(tài)信息,并能對(duì)以上信息進(jìn)行分析、處理、利用及存儲(chǔ)。
近年來,有學(xué)者將其應(yīng)用于放射治療過程中,可協(xié)助糾正患者體位誤差、監(jiān)測(cè)患者體位變化并協(xié)助呼吸門控開關(guān)起作用,全程充當(dāng)“醫(yī)師助手”,在提高治療精確度的同時(shí)簡(jiǎn)化放射治療擺位驗(yàn)證流程,展現(xiàn)出極大的臨床應(yīng)用潛力。通過重點(diǎn)介紹近年來計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在腫瘤放射治療擺位糾正中的研究現(xiàn)狀與發(fā)展,分析其優(yōu)缺點(diǎn),探討其臨床實(shí)用價(jià)值。
放射治療是腫瘤的三大治療手段之一,約有70%的腫瘤患者需在治療過程中接受放射治療。放射治療靶區(qū)的劑量高低決定腫瘤的局部控制率,而在治療過程中,機(jī)器誤差、擺位誤差及固定技術(shù)等外部因素,以及患者呼吸運(yùn)動(dòng)、體位、體重變化、腫瘤自身消退、腫瘤周圍正常組織器官運(yùn)動(dòng)及充盈程度等患者自身因素引起的位置變化均會(huì)影響靶區(qū)受照劑量的準(zhǔn)確性,影響治療效果。其中,對(duì)靶區(qū)位置變化影響最大的因素為呼吸運(yùn)動(dòng),故呼吸運(yùn)動(dòng)的跟蹤和建模有利于在外照射過程中精確制定治療計(jì)劃及計(jì)算劑量[1-2]。
目前,臨床常用的減少由呼吸運(yùn)動(dòng)引起誤差的方法有屏氣技術(shù)、實(shí)時(shí)腫瘤跟蹤技術(shù)及呼吸門控技術(shù)等,皆高度依賴X射線攝影和(或)透視成像,會(huì)增加患者受射線照射的頻率,且定位的標(biāo)志物多采用在患者體表或固定體模上做標(biāo)記,甚至手術(shù)植入金屬標(biāo)志物,為患者帶來不便[3-6]。
在患者定位過程中應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng),采用非接觸測(cè)量手段即可得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果[7-9]。在治療前依據(jù)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)探測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)擺位情況做出精確快速調(diào)整,還可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄腫瘤在放射治療過程中隨呼吸運(yùn)動(dòng)的位移情況,為患者提供精確可靠的擺位誤差信息,以評(píng)判放射治療計(jì)劃的優(yōu)劣及重新計(jì)劃的必要性,同時(shí)為靶區(qū)外擴(kuò)大小提供數(shù)據(jù)參考,提高擺位精度,強(qiáng)化治療效果。
自20世紀(jì)70年代以來,計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)從處理簡(jiǎn)單的二維圖像到研究復(fù)雜的三維視覺原理、模型及算法,至今已形成一套獨(dú)立的計(jì)算理論與算法,該技術(shù)涉及多門學(xué)科交叉,在圖像處理、數(shù)學(xué)、人工智能(artificial intelligence,AI)及醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
光學(xué)成像技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的分支之一,在放射治療領(lǐng)域已開發(fā)出一套基于可見光的表面掃描系統(tǒng)[10]。利用此類系統(tǒng)對(duì)患者體表進(jìn)行光學(xué)掃描跟蹤,并通過計(jì)算機(jī)軟件與實(shí)時(shí)獲得的體表影像匹配,將匹配結(jié)果以不同顏色投影到患者體表,可協(xié)助技術(shù)員根據(jù)投影顏色差異及時(shí)糾正患者體位誤差。還實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者體位隨其呼吸、運(yùn)動(dòng)等變化的情況,并協(xié)助呼吸門控開關(guān)起作用,提高治療精確度,簡(jiǎn)化擺位驗(yàn)證流程。
目前,計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中應(yīng)用的圖像視頻采集系統(tǒng)主要由電荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)攝像頭和采集卡組成。隨著電子科技的發(fā)展,數(shù)字?jǐn)z像機(jī)以其圖像質(zhì)量佳、畫面失落少、記錄密度高、可靠性高、機(jī)器體積小及使用成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)得到迅速推廣使用,其采集圖像的過程可概括為:光源照明條件下,數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝目標(biāo)物體后將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變成光電信號(hào),通過串行接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
在放射治療過程中,可通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)時(shí)獲取患者體表標(biāo)記物的三維空間坐標(biāo),將信息傳遞給反向跟蹤平臺(tái)系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體在治療過程中的位置變化情況,視覺實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)見圖1。
臨床中最常采用在患者體表設(shè)置標(biāo)記的方式,以保證預(yù)測(cè)腫瘤位置的準(zhǔn)確性及患者放射治療體位的可重復(fù)性,且標(biāo)記的位置多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇。為實(shí)現(xiàn)智能地選擇與腫瘤位置具有最佳相關(guān)性的體表標(biāo)記位置,Miandoab等[12]使用典型相關(guān)分析(canonical correlation analysis,CCA)和主成分分析(principal component analysis,PCA)兩種輸入算法,與自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(adaptive network-based fuzzy inference system,ANFIS)結(jié)合,制作出相關(guān)模型,輸出患者定位信息。結(jié)果表明,以上兩種輸入算法能合理地從給定區(qū)域選擇與腫瘤位置具有最佳相關(guān)性的體表標(biāo)記位置。
圖1 視覺實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)框圖
目前,用于監(jiān)測(cè)放射治療過程中患者位置變化的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)測(cè)量精度已基本能達(dá)到亞毫米級(jí),常見的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在測(cè)量精度方面的研究有Kinect攝像機(jī)、RGB-D攝像機(jī)、Madibreast系統(tǒng)及Catalyst光學(xué)系統(tǒng)等。
為實(shí)時(shí)監(jiān)控患者移動(dòng)狀況并幫助其重新定位,有學(xué)者應(yīng)用微軟公司旗下的Kinect攝像機(jī)對(duì)患者定位及呼吸觸發(fā)情況進(jìn)行深入研究。其中,Rihana等[13]應(yīng)用基于2臺(tái)Kinect攝像機(jī)的視覺放射治療(vision radiation therapy,VRT)系統(tǒng),利用其可同步產(chǎn)生彩色及深度數(shù)據(jù)信息的特點(diǎn),分別對(duì)靜態(tài)模體、動(dòng)態(tài)模體進(jìn)行測(cè)量,評(píng)估Kinect檢測(cè)患者呼吸信號(hào)的能力。研究顯示,Kinect攝像機(jī)測(cè)量距離其800~1000 mm的物體誤差<1 mm。同時(shí),其檢測(cè)到的呼吸信號(hào)與目前臨床常用設(shè)備Alice6檢測(cè)到信號(hào)的相似度達(dá)85%。Kinect具有構(gòu)建患者表面三維視圖和實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)的功能。Kinect攝像機(jī)構(gòu)成見圖2。
圖2 Kinect攝像機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
與臨床常用的減少擺位誤差的屏氣技術(shù)、X射線透視及呼吸門控技術(shù)等相比,RGB-D攝像機(jī)無需接觸患者即可提供目標(biāo)表面的實(shí)時(shí)深度信息,并可將該信息用于呼吸運(yùn)動(dòng)測(cè)量。Wijenayake等[14]基于此提出了新的呼吸運(yùn)動(dòng)跟蹤方法:通過RGB-D攝像機(jī)連續(xù)捕獲患者胸壁的深度圖像,利用PCA創(chuàng)建患者呼吸運(yùn)動(dòng)模型,以消除輸入深度數(shù)據(jù)的空間和時(shí)間噪聲。然后利用從RGB-D攝像機(jī)獲取的深度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量外部呼吸運(yùn)動(dòng),精度可達(dá)0.5 mm。此外,引入一種基于標(biāo)記的深度配準(zhǔn)技術(shù),將測(cè)量區(qū)域限制在與解剖學(xué)上一致的區(qū)域,幫助處理治療期間患者的運(yùn)動(dòng)。為分析所提出方法的運(yùn)動(dòng),將其與傳統(tǒng)肺活量計(jì)對(duì)比,相關(guān)系數(shù)為0.97,與以高精度著稱的激光線掃描技術(shù)對(duì)比,平均誤差僅為0.53 mm,測(cè)量精度效果相當(dāng)。研究表明,與基于標(biāo)記的方法對(duì)比,RGB-D攝像機(jī)空間分辨率高且提供整個(gè)目標(biāo)表面的深度信息,不僅可測(cè)量整個(gè)胸壁運(yùn)動(dòng),還可測(cè)量區(qū)域運(yùn)動(dòng),未來有望應(yīng)用該模型描述內(nèi)部腫瘤的運(yùn)動(dòng)。
Leduc等[15]設(shè)計(jì)一套基于計(jì)算機(jī)視覺的呼吸監(jiān)測(cè)和處理系統(tǒng),稱為Madibreast,其圖像分辨率在4 m內(nèi)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)亞毫米級(jí)。該系統(tǒng)選用2臺(tái)攝像機(jī),將攝像機(jī)1設(shè)置于患者側(cè)面,監(jiān)視乳房外部的前后運(yùn)動(dòng)和上下運(yùn)動(dòng);攝像機(jī)2設(shè)置于天花板,監(jiān)視乳房前表面的左右運(yùn)動(dòng)和上下運(yùn)動(dòng)。為保證直線加速器的手臂正常轉(zhuǎn)動(dòng),所有攝像機(jī)的位置均需距離患者至少2~3 m。Madibreast系統(tǒng)見圖3。
圖3 Madibreast系統(tǒng)示意圖
Leduc等[15]利用開源計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)(open computer vision library,Open CV)開發(fā)一套光學(xué)跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)由基于計(jì)算機(jī)視覺算法的特定軟件驅(qū)動(dòng),可光學(xué)跟蹤高對(duì)比度標(biāo)記,并在用戶界面顯示實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)和數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證Madibreast系統(tǒng)的空間和時(shí)間準(zhǔn)確性,研究者設(shè)計(jì)一個(gè)可模擬各種范圍胸部運(yùn)動(dòng)的機(jī)械模型,然后通過在模型和志愿者乳房上設(shè)置高對(duì)比度標(biāo)記,對(duì)不同呼吸模式下Madibreast系統(tǒng)的跟蹤精度進(jìn)行驗(yàn)證。
數(shù)據(jù)顯示,志愿者乳房皮膚前后運(yùn)動(dòng)與上下運(yùn)動(dòng)存在明顯差異。盡管正常呼吸模式的運(yùn)動(dòng)差異<1 mm,但呼吸困難模式的運(yùn)動(dòng)差異最大為4 mm。Madibreast系統(tǒng)可跟蹤乳房不同位置上以各種幅度和呼吸頻率運(yùn)動(dòng)的標(biāo)記,通過直觀地顯示標(biāo)記的即時(shí)軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)控,及時(shí)糾正位移偏差,顯示出0.5 mm的精度和可接受的潛伏期(延遲時(shí)間<100 ms)。Madibreast系統(tǒng)還可在皮膚上設(shè)置多個(gè)標(biāo)記,以增加標(biāo)記與實(shí)際腫瘤位置的相關(guān)性。
該系統(tǒng)的局限性在于當(dāng)光照不足以及呼吸模式非??鞎r(shí),跟蹤就會(huì)失敗。此外,延遲時(shí)間會(huì)隨著CPU占用的增加而增加。
Catalyst光學(xué)系統(tǒng)是使用可見光投影儀和CCD相機(jī)的一種新型掃描設(shè)備,安裝于直線加速器治療臺(tái)腳底上方的天花板,通過3個(gè)LED將波長(zhǎng)為405 nm(藍(lán)色),528 nm(綠色)和624 nm(紅色)的光投射到患者體表。其中,藍(lán)光為掃描患者的測(cè)量光,系統(tǒng)通過藍(lán)光檢測(cè)出患者的局部位移后,將位移結(jié)果以綠光、紅光的形式直接投影到患者體表,用于顯示實(shí)際掃描與參考掃描不匹配的位移區(qū)域,直觀展現(xiàn)患者的位移偏差。該系統(tǒng)同時(shí)具有監(jiān)視功能,可檢測(cè)患者在治療過程中的呼吸運(yùn)動(dòng)。Catalyst光學(xué)系統(tǒng)見圖4。
圖4 Catalyst光學(xué)系統(tǒng)示意圖
Stieler等[11]在帶有錐形束X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(cone-beam computed tomography,CBCT)的直線加速器室,額外安裝一套Catalyst光學(xué)系統(tǒng),將基于Catalyst光學(xué)系統(tǒng)表面匹配的患者定位數(shù)據(jù)與基于CBCT匹配的患者定位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,驗(yàn)證Catalyst光學(xué)系統(tǒng)的掃描質(zhì)量及可重復(fù)性,對(duì)其臨床性能進(jìn)行評(píng)估。CBCT和Catalyst測(cè)量所得數(shù)據(jù)間的總體平均偏差保持在1.5 mm和0.4 °以內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)偏差在4 mm和1.7 °以內(nèi),所有患者Catalyst位移與CBCT測(cè)量的偏差≤1 cm。
在體位可重復(fù)性上,Catalyst光學(xué)系統(tǒng)與CBCT具有較好一致性。Catalyst還能在不影響放射治療的同時(shí)對(duì)患者的整個(gè)治療過程進(jìn)行監(jiān)測(cè),CBCT只能在每次治療前進(jìn)行位置修正,治療過程中無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。臨床應(yīng)用中,可引入Catalyst光學(xué)系統(tǒng)以減少CBCT的掃描頻率,且Catalyst的監(jiān)視功能還能使分次定位誤差最小化。
Barbés等[16]利用2臺(tái)攝像機(jī)拍攝二維平面圖像,組建三維視覺空間,獲得空間點(diǎn)的三維位置信息,以此開發(fā)并測(cè)試一套定位和跟蹤空間中的點(diǎn)的新系統(tǒng),可自動(dòng)測(cè)量物體表面所設(shè)立標(biāo)志物的三維空間坐標(biāo),并監(jiān)測(cè)標(biāo)志物的線性和旋轉(zhuǎn)位移軌跡。如跟蹤患者體表一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的運(yùn)動(dòng),只需在區(qū)域上粘貼標(biāo)記并啟動(dòng)程序,用該系統(tǒng)測(cè)量標(biāo)記的位移,并計(jì)算實(shí)際位置和測(cè)量位置之間的差異。
Barbés等[16]應(yīng)用該系統(tǒng)跟蹤患者體表的461個(gè)點(diǎn),顯示其在三維空間方向上的跟蹤誤差<0.3 mm。同時(shí),監(jiān)測(cè)周期性運(yùn)動(dòng)的精度達(dá)0.5 mm,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)11.5 cm/s,跟蹤呼吸運(yùn)動(dòng)的精確度類似于其他更復(fù)雜的商業(yè)系統(tǒng),且在操作上不會(huì)增加治療時(shí)間及患者不適感。該系統(tǒng)可跟蹤身體任何部位的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),跟蹤點(diǎn)的數(shù)量不受限,校準(zhǔn)過程簡(jiǎn)單快捷,約1 min,如移動(dòng)攝像機(jī)只需重新校準(zhǔn)即可。
目前,該系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性已得到開發(fā)者驗(yàn)證,并在臨床應(yīng)用中被證實(shí)其對(duì)于實(shí)施放射治療的實(shí)時(shí)質(zhì)量控制是有效的,可在放射治療過程中檢測(cè)患者位置偏差情況,如偏差超過某固定閾值則會(huì)發(fā)出警告,提醒操作者,如檢測(cè)到較大幅度的運(yùn)動(dòng),可觸發(fā)直線加速器停止放射。
Belcher等[17]設(shè)計(jì)制作一個(gè)能由6個(gè)自由度(6 degree of freedom,6DOF)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械平臺(tái),可在6DOF工作空間內(nèi)進(jìn)行亞毫米及亞度精度的運(yùn)動(dòng),利用該平臺(tái)驗(yàn)證常用的計(jì)算機(jī)視覺跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。平臺(tái)在6DOF空間的運(yùn)動(dòng)軌跡是預(yù)知的,將模體固定在平臺(tái)上,利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)對(duì)模體6DOF位置進(jìn)行跟蹤,將計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)測(cè)得的模體的位置坐標(biāo)與平臺(tái)預(yù)先設(shè)定好的位置坐標(biāo)進(jìn)行比較,結(jié)果顯示,計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)6DOF位置跟蹤最大均方根誤差沿X軸、Y軸和Z軸平移分別為0.46 mm、0.60 mm和0.54 mm;繞X軸、Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)分別為0.06 °、0.11 °和0.08 °?;诖怂降钠揭坪托D(zhuǎn)精度,所觀察到的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)可能在亞毫米和亞度級(jí)別對(duì)放射治療患者的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效監(jiān)控。
AI是研究在計(jì)算機(jī)環(huán)境下模擬及延伸人的智能行為的技術(shù),以多種智能技術(shù)為基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)視覺可視為AI的一個(gè)分支,屬于模擬人類感知行為的應(yīng)用研究,即計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的發(fā)展可歸屬于AI應(yīng)用的發(fā)展。傳統(tǒng)的AI智能的實(shí)現(xiàn)依賴于邏輯符號(hào)模擬人腦邏輯思維,而計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)是通過數(shù)字信息或概率統(tǒng)計(jì)技術(shù)識(shí)別物體,模擬人的視覺功能[18-19]。視覺計(jì)算理論的基礎(chǔ)包括AI理論,AI的發(fā)展離不開計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,兩者相輔相成,共同促進(jìn)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)向更加實(shí)用及復(fù)雜的技術(shù)研究進(jìn)展[18]。
計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)作為AI中相對(duì)獨(dú)立的功能模塊,大部分尚未充分發(fā)揮智能監(jiān)控作用,若將AI技術(shù)更多應(yīng)用于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng),使之更加智能,預(yù)計(jì)將更明顯的提升監(jiān)控效果,減少安全隱患及人力物力消耗[19]。但目前對(duì)AI的研究尚處于初級(jí)階段,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用仍較少,計(jì)算機(jī)智能視覺系統(tǒng)面臨許多待解決的難題,需更多研究和探索打破其技術(shù)困境和局限性。
擺位重復(fù)性是對(duì)腫瘤放射治療準(zhǔn)確性和安全性的挑戰(zhàn)。目前,市場(chǎng)上用于擺位驗(yàn)證與校準(zhǔn)的各種商業(yè)系統(tǒng)費(fèi)用較為昂貴,計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)可突破醫(yī)院臨床放射治療中心的設(shè)備硬件及人員技術(shù)等條件限制,為不具備圖像引導(dǎo)設(shè)備的醫(yī)院提供擺位驗(yàn)證服務(wù)。醫(yī)院也可在原有驗(yàn)證設(shè)備基礎(chǔ)上附加一套計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)雙重保障,達(dá)成更直觀的擺位驗(yàn)證及校準(zhǔn),還可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄腫瘤隨呼吸運(yùn)動(dòng)的位移情況,為靶區(qū)擺位擴(kuò)邊提供數(shù)據(jù)參考。
在放射治療過程中運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)進(jìn)行患者體位運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)具有下列優(yōu)點(diǎn):①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量裝置易于移動(dòng)和重新校準(zhǔn),靈活性及便攜性強(qiáng);②與X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描和磁共振成像技術(shù)相比,患者接收額外劑量的輻射減少;③可實(shí)時(shí)獲取患者體表位置信息,精度高;④非接觸式光學(xué)方法,無創(chuàng)且成本低,數(shù)據(jù)收集不引起患者的任何不適,無跟蹤時(shí)間限制,即不延誤治療也不干擾患者周圍的物體,為患者提供舒適高效的治療,便于臨床推廣應(yīng)用。
目前,AI理論已逐步應(yīng)用于實(shí)踐,在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用成果不斷,但仍存在如下問題:①計(jì)算模型算法存在冗余,需不斷改進(jìn)算法以求更簡(jiǎn)便、快速及精確;②測(cè)量工具存在微小硬件誤差或小運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致可用方案之間存在差異;③能測(cè)量1個(gè)表面6DOF的系統(tǒng)較少;④與AI技術(shù)結(jié)合不足。
隨著科技進(jìn)步、計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展,結(jié)合AI的研究成果和經(jīng)驗(yàn),計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的理論框架將進(jìn)一步完善,其分辨率、圖像處理能力和分析能力等將不斷增強(qiáng),在臨床實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大作用,AI也會(huì)更好為人類服務(wù)。