趙利榮，孫建國

(陸軍軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院腫瘤科，重慶 400037)

世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)布了2020年《世界癌癥報告》，明確指出癌癥是威脅人類健康的第二大死亡原因。2018年，全球共有1 810萬人被診斷患有癌癥，960萬人死于癌癥[1]。在腫瘤綜合治療中，放療有著重要的地位，對早期腫瘤可采用根治性放療，對術(shù)后腫瘤可輔助放療以減少復(fù)發(fā)，對晚期腫瘤可作為姑息手段以減輕患者癥狀。放療已有一個多世紀(jì)的歷史，在過去20年得到了快速發(fā)展，尤其是隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，近年來，智能放療在放療輪廓勾畫、放療計劃設(shè)計、放療流程優(yōu)化、放療云平臺搭建等方面得到廣泛應(yīng)用。由于智能放療具有更高的精確性、專業(yè)性和復(fù)雜性，引進(jìn)虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(augmented reality，AR)技術(shù)具有重要的意義，通過與虛擬環(huán)境的實時交互，可使醫(yī)患溝通情景化、放療培訓(xùn)虛擬化、放療流程精細(xì)化、放療計劃可視化，大幅提升工作效率、放療質(zhì)量和服務(wù)水平[2-4]。以虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)(virtual environment radiotherapy training,VERT)系統(tǒng)為代表，其為放療過程的風(fēng)險性和復(fù)雜性提供了良好的解決方案，使放療技術(shù)具有更高的精確性、快捷性、安全性和為放療患者帶來舒適性體驗[5-7]。然而，VR/AR技術(shù)應(yīng)用于智能放療還處于起步階段，設(shè)備普及性、在線實時性、同質(zhì)化標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)新形態(tài)等方面存在問題，需要依靠快速革新而逐漸成熟、不斷突破及多元化發(fā)展的人工智能技術(shù)，從而使智能放療向更高層次推進(jìn)。本文就VR/AR技術(shù)應(yīng)用于智能放療的研究現(xiàn)狀及焦點問題做一闡述，以期為智能放療從業(yè)人員和VR/AR研究人員提供未來探索的方向。

1 VR/AR技術(shù)應(yīng)用于智能放療的研究現(xiàn)狀

1.1 智能放療研究現(xiàn)狀

隨著計算機(jī)醫(yī)學(xué)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代放療技術(shù)向著精確計劃、精準(zhǔn)定位、個體化治療的方向發(fā)展，更加趨于數(shù)字化、信息化和智能化。智能放療主要在大數(shù)據(jù)、靶區(qū)自動勾畫、自動放療計劃以及“互聯(lián)網(wǎng)+”等多方面有重大突破。

大數(shù)據(jù)作為臨床治療的客觀量化資料，已經(jīng)成為促進(jìn)臨床治療及科學(xué)研究創(chuàng)新不可或缺的一部分[8]。放療大數(shù)據(jù)主要由醫(yī)院信息系統(tǒng)、放射治療計劃系統(tǒng)及影像學(xué)檢查設(shè)備3個方面產(chǎn)生，包括電子健康記錄、治療計劃數(shù)據(jù)、核磁共振成像記錄等[9]，除了患者的性別、年齡、癥狀等常規(guī)信息外，還包括治療的計劃、程序、方法及放射影像、劑量等非常規(guī)數(shù)據(jù)[10]。對放療大數(shù)據(jù)進(jìn)行合理、高效地整合、集成與解析，包括結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)形式趨向多樣化、多元化和異構(gòu)性[11]。

放療的靶區(qū)勾畫對于腫瘤病灶定位、放療療效及患者預(yù)后至關(guān)重要，對放療醫(yī)生的專業(yè)知識、治療經(jīng)驗均是較大的考驗，患者進(jìn)行CT腫瘤的模擬定位后大約有200張圖像，醫(yī)生需要對不同層面的圖像逐一勾畫標(biāo)注，費時費力，勾畫的準(zhǔn)確性受主觀因素影響較大。應(yīng)用人工智能技術(shù)建立腫瘤靶區(qū)自動勾畫模型，能夠有效提高放療醫(yī)生的工作效率，大大增加靶區(qū)勾畫的準(zhǔn)確性，提高放療的療效。目前國內(nèi)外正在開發(fā)放療靶區(qū)輪廓自動勾畫的軟件，主要在勾畫危及器官結(jié)構(gòu)上達(dá)到較高的精度；腫瘤靶區(qū)的自動勾畫探索主要在頭頸部腫瘤，林金勇等[12]將ABAS自動勾畫軟件用于頭頸部腫瘤靶區(qū)和危及器官的自動勾畫，基本可以達(dá)到手工勾畫的要求。

自動放療計劃是多學(xué)科、多層面、多維度的綜合性智能放療自動計劃平臺，能夠綜合多項技術(shù)及多種臨床數(shù)據(jù)，給出最佳的優(yōu)化方案。SMITH等[13]選取20例前列腺癌患者，分別做了Pinnacle自動放療計劃和Eclipse基于經(jīng)驗的自動放療計劃，均可以得到高質(zhì)量放療計劃，并且計劃評分也無明顯差異。范嘉偉等[14]選取240例左側(cè)乳腺癌患者，基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測乳腺癌調(diào)強(qiáng)放療計劃的劑量分布，與臨床治療計劃的劑量分布相比，靶區(qū)(除同步加量的PTV 48 Gy)和危及器官的劑量值相近，具備自動放療計劃的基本能力。

“互聯(lián)網(wǎng)+”以互聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代信息技術(shù)手段(如手機(jī)通信技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等)與傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行深度融合，創(chuàng)造新形態(tài)下的新產(chǎn)業(yè)?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的實踐和應(yīng)用也已融入醫(yī)療行業(yè)，并在放療應(yīng)用中顯示出巨大潛力[15-16]。以云端放療大數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過放療云操作系統(tǒng)，各級單位管理者和使用者均可直觀詳實地了解所需信息，并客觀準(zhǔn)確地指導(dǎo)放療工作。例如，通過互聯(lián)網(wǎng)在線服務(wù)，使患者放療流程規(guī)范化、電子化，形成以患者為中心的流程管理系統(tǒng)；可以使用圖像分析和識別技術(shù)，自動識別醫(yī)療影像數(shù)據(jù)或者挖掘放療計劃制訂、放療實施過程中諸多參數(shù)及臨床預(yù)后的關(guān)系，從而為醫(yī)師提出診療建議；可以通過與醫(yī)院已有的軟硬件互聯(lián)互通，打破各個放療科數(shù)據(jù)孤島的現(xiàn)狀，實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合與信息共享[17-18]。

1.2 VR、AR技術(shù)的定義

VR利用計算機(jī)生成模擬環(huán)境，是視覺、聽覺、觸覺等多源信息融合的交互式 3D 動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真。用戶借助特殊的輸入/輸出設(shè)備沉浸到該環(huán)境中，臨場感的強(qiáng)弱是檢驗VR設(shè)備及內(nèi)容是否優(yōu)秀的標(biāo)準(zhǔn)。

AR利用計算機(jī)技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界中，在現(xiàn)有的真實環(huán)境基礎(chǔ)上實時地疊加虛擬的物體。VR與AR不同：VR需要用不透明頭戴顯示設(shè)備(簡稱頭顯設(shè)備)完成虛擬世界里的沉浸體驗，而AR需要透明清晰的頭戴設(shè)備看清真實世界和重疊在上面的信息和圖像。

1.3 VR/AR技術(shù)在智能放療中的應(yīng)用

VR/AR技術(shù)已在智能放療中發(fā)揮重要作用。首先，VR/AR具有交互性、沉浸性、可操作、多感知性等優(yōu)勢，可以用于放療教育培訓(xùn)，通過虛擬的教學(xué)環(huán)境充分調(diào)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。2009年10月西英格蘭大學(xué)最早將VR技術(shù)(VERT系統(tǒng))用于放療教學(xué)培訓(xùn)[19]，創(chuàng)建出高度逼真的虛擬放療環(huán)境，從而在具有趣味性和互動性的過程中增強(qiáng)對放療技術(shù)的理解，體驗三維環(huán)境中人、放療設(shè)備和放療軟件的多重交互，完全超越傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)感受。隨后，VR技術(shù)應(yīng)用于放療技術(shù)培訓(xùn)在國內(nèi)外興起[20-22]，愛爾蘭牛津大學(xué)調(diào)研結(jié)果顯示，58%的學(xué)生贊成用VR進(jìn)行放療教學(xué)[23]。李小波等[24]將VR/AR技術(shù)用于放療技術(shù)的培訓(xùn)，包括患者體位固定、CT模擬定位、加速器質(zhì)量控制等模塊，提升了放療物理師的模擬學(xué)習(xí)效率和實時操作感受。

其次，VR/AR技術(shù)在對放療患者的宣傳教育中發(fā)揮重要作用，讓放療患者在一個非常逼真的放療環(huán)境中模擬感受真實的放療場景，能充分理解復(fù)雜的放療流程[25]。華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院GAO等[26]通過問卷調(diào)查和研究生理學(xué)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，相較于放療前只接受傳統(tǒng)知識宣教的患者，VR/AR技術(shù)對患者的放療宣教可減少患者對放療過程的焦慮和恐懼。美國某放療中心采用頭戴式VR設(shè)備進(jìn)行放療前宣傳教育，顯著減少了放療患者的治療恐懼和焦慮，提高了放療效果[27]。

2 VR/AR技術(shù)應(yīng)用于智能放療的焦點問題

2.1 VR智能放療的設(shè)備普及性有待技術(shù)革新

VR技術(shù)綜合應(yīng)用各種數(shù)字化技術(shù)制造出逼真的模擬環(huán)境，可以有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知行為，給人一種身臨其境的感覺，如同進(jìn)入了一個真實的客觀世界。虛擬技術(shù)的交互性使人能夠自然地和虛擬世界中的對象進(jìn)行交互操作。虛擬環(huán)境可使人沉浸其中并且獲取新的知識，提高感性和理性認(rèn)識，從而深化概念并萌發(fā)新意，啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。

然而，VR技術(shù)作為高速發(fā)展的新型技術(shù)，不可避免地會有各種問題，例如產(chǎn)品體驗的高價位問題、用戶視覺體驗問題等。當(dāng)前，VR技術(shù)需要進(jìn)行技術(shù)革新，像智能手機(jī)一樣更加平民化地走進(jìn)每個放療中心，成為智能放療的主流模式。例如：VR頭顯設(shè)備會給用戶帶來眩暈、嘔吐等不適感，造成用戶的體驗性不佳。再如：頭顯設(shè)備的不適感可能讓用戶產(chǎn)生VR技術(shù)是否會對自身的健康造成損害的擔(dān)憂，必將影響VR技術(shù)在未來的普及和發(fā)展。隨著VR技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來將實現(xiàn)人機(jī)交互的全新模式，頭顯設(shè)備小型化是發(fā)展趨勢，甚至不需穿戴頭顯設(shè)備就能使加速器和患者進(jìn)行實時交互。

2.2 VR技術(shù)用于智能放療的在線實時性有待大幅度提高

解決VR/AR的在線實時性，最好的途徑是“5G”技術(shù)。5G技術(shù)讓萬物實現(xiàn)智能互聯(lián)，實現(xiàn)放療過程中人和機(jī)器的實時交互，在5G技術(shù)支持下，海量放療數(shù)據(jù)與放療工作人員、醫(yī)療加速器、質(zhì)量控制設(shè)備之間實現(xiàn)前所未有的互聯(lián)，將會給新型放療行業(yè)提供極好的機(jī)遇。

在5G技術(shù)支持下，開發(fā)者應(yīng)當(dāng)首先對應(yīng)用和產(chǎn)品進(jìn)行測試，更加關(guān)注用戶的健康和舒適問題，開發(fā)其他感官、運動交互界面，而不僅僅是聽和看，嘗試用手指去操控并形成真實的內(nèi)部和外部力的觸覺和反饋，如果發(fā)明一副有觸覺反饋并對所有手指都產(chǎn)生力的手套，將會是一個革命性的技術(shù)創(chuàng)新。

虛擬環(huán)境下的可視化對計算速度的要求更高，對于鼻咽癌等復(fù)雜靶區(qū)的計算還需要平衡計算速度和精度，這也對計算機(jī)硬件和網(wǎng)絡(luò)傳輸提出了更高的要求。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和5G技術(shù)的誕生，可以解決當(dāng)前頭顯設(shè)備因為清晰度和分辨率不足的問題，通過至少5G或更優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)傳輸，避免造成視覺的延遲，保證圖像的同步。

2.3 AR技術(shù)用于智能放療的動態(tài)顯示有待技術(shù)突破

當(dāng)前的VR技術(shù)只顯示靜態(tài)圖像，沒有考慮患者呼吸運動等自然活動，也沒有考慮放療過程中的體位變化。能將患者的呼吸運動和體位變化也考慮在內(nèi)，實現(xiàn)真正意義上的實時糾正患者擺位誤差和腫瘤移動追蹤。未來，AR技術(shù)需要對患者呼吸動度進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，可以通過輸入患者的呼吸波形圖，以了解患者的運動幅度與周圍環(huán)境的關(guān)系，并將其整合到VR技術(shù)中，在虛擬治療室中重現(xiàn)患者的真實運動，借此改善呼吸運動對照射劑量的影響。

同時，在加速器機(jī)房安裝360度攝像頭，用以捕捉真實的放療機(jī)房里真實患者體位數(shù)據(jù)進(jìn)行3D重構(gòu)模擬，放療工作人員可以像移動電腦鼠標(biāo)一樣輕松操縱虛擬形象，機(jī)房內(nèi)患者可以看到自己的虛擬形象，對自己的感官運動行為給予視覺反饋，增強(qiáng)醫(yī)患之間在虛擬環(huán)境中的交互。另一方面，通過對虛擬患者的實時監(jiān)測和射線追隨，結(jié)合CT、影像引導(dǎo)放射治療(IGRT)等影像設(shè)備評估患者腫瘤的大小、形態(tài)、位置的變化，分析實際治療計劃和原計劃的差異，經(jīng)過大數(shù)據(jù)處理中心集成處理展示實時的患者劑量，從而指導(dǎo)后續(xù)分次治療計劃的設(shè)計，實現(xiàn)真正的自適應(yīng)放療和腫瘤追蹤放療，從而提高靶區(qū)劑量覆蓋率，并更好地保護(hù)正常組織。

2.4 AR技術(shù)用于智能放療的同質(zhì)化標(biāo)準(zhǔn)還有待開發(fā)統(tǒng)一

不同層級醫(yī)院之間、同層級不同放療中心之間，放療流程實施存在較大的異質(zhì)性，各放療單位在擺位精確度、放療輪廓勾畫要求、放療計劃設(shè)計、放療設(shè)備和放療計劃的質(zhì)控，都存在顯著的不同，尤其是區(qū)縣基層單位在缺乏足夠人力、設(shè)備、質(zhì)控技術(shù)的情況下，實現(xiàn)放療同質(zhì)化存在巨大的困難。

隨著智能放療和互聯(lián)網(wǎng)的推行，AR技術(shù)有望全面提高各放療單位之間的同質(zhì)化，建立AR技術(shù)下的放療流程新標(biāo)準(zhǔn)，包括放療擺位誤差、腫瘤靶區(qū)和危及器官的勾畫精度、放療計劃的優(yōu)化程度、放療設(shè)備的質(zhì)控通過率、圖像引導(dǎo)和自適應(yīng)放療的技術(shù)條件、精準(zhǔn)放療云平臺的數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程放療指導(dǎo)的會診服務(wù)等，在全國層面建立智能放療新規(guī)則，建立遠(yuǎn)程化、自動化、智能化的放療新模式，有效利用醫(yī)療資源，推動分級診療，極大改變現(xiàn)有醫(yī)療格局。

2.5 AR技術(shù)用于智能放療的技術(shù)新形態(tài)還亟待更多探索

真實世界中不允許用真實患者進(jìn)行放療試驗，AR技術(shù)提供了一個很好的環(huán)境，可以在其中進(jìn)行試驗和測試。現(xiàn)有AR技術(shù)在腫瘤放療領(lǐng)域的逐漸應(yīng)用，尚不足以滿足更大范圍、更高層次、更多維度的虛擬技術(shù)需求，以數(shù)字孿生、虛擬生理人為代表的新形態(tài)有待更多突破。

數(shù)字孿生是物理資產(chǎn)的虛擬圖像，數(shù)字孿生模型(大到加速器，小到物理質(zhì)控中的電離室等設(shè)備)在虛擬環(huán)境中測試驗證所有的物理參數(shù)的精確性，可以在臨床測試階段發(fā)現(xiàn)問題并及時在模型中做出糾正。在放療應(yīng)用中，可以通過數(shù)字孿生模型來模擬放療計劃，計算及其產(chǎn)生的物理學(xué)效應(yīng)，可優(yōu)化放療劑量的計算和放療計劃的設(shè)計，是人工智能與VR/AR技術(shù)完美結(jié)合的典范。

虛擬生理人是通過數(shù)字技術(shù)模擬真實的人體器官而合成的三維模型，不僅具有人體外形及肝臟、心臟、腎臟等各個器官，而且具備各器官的新陳代謝機(jī)能，能較為真實地反映出人體的生理狀態(tài)和各種病理變化，在計劃設(shè)計時可以真實、實時地反映劑量計算的過程，幫助物理師設(shè)計出更優(yōu)化的放療計劃。有望開發(fā)可視化的新技術(shù)，實現(xiàn)放療計劃優(yōu)化、劑量計算和放療質(zhì)控質(zhì)的飛躍。

3 VR/AR技術(shù)用于智能放療的未來展望

3.1 VR技術(shù)的未來關(guān)鍵環(huán)節(jié)

VR技術(shù)在智能放療領(lǐng)域的推廣普及，需要更強(qiáng)大的硬件、超快的網(wǎng)速、豐富的內(nèi)容作為支撐?；谔摂M系統(tǒng)技術(shù)的交互性、沉浸性的特點，以及受網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的制約，如何實時模擬逼真的動態(tài)環(huán)境是虛擬系統(tǒng)技術(shù)能否實現(xiàn)的保證。因此，未來的VR技術(shù)將在穿戴式硬件、傳輸網(wǎng)速、虛擬內(nèi)容等關(guān)鍵環(huán)節(jié)上快速發(fā)展，迎來VR產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)拐點，成為顛覆傳統(tǒng)模式的智能放療人機(jī)交互平臺。

3.2 AR技術(shù)的新形式

數(shù)字孿生和虛擬生理人是AR技術(shù)發(fā)展的高級階段，可能在未來蓬勃發(fā)展。數(shù)字孿生是物理資產(chǎn)的虛擬圖像，可以模擬加速器、電離室等各類放療設(shè)備，從而在虛擬環(huán)境中形成反映真實物理實體的物理參數(shù)，在臨床測試階段發(fā)現(xiàn)問題并及時糾正，其模擬放療劑量計算，優(yōu)化放療計劃設(shè)計，可以在放療質(zhì)控中發(fā)揮重要作用。虛擬生理人是通過數(shù)字技術(shù)模擬真實的人體器官而合成的三維模型，不僅具有人體外形及內(nèi)臟器官，而且具備“新陳代謝機(jī)能”，能反映人體的生理狀態(tài)和病理變化，從而“真實、實時”地反映放射劑量在人體的吸收過程，幫助放療醫(yī)生更精準(zhǔn)地制訂放療方案，幫助物理師更加優(yōu)化放療計劃設(shè)計，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)放療質(zhì)的飛躍。

3.3 VR/AR技術(shù)將改變放療從業(yè)人員工作方式

隨著VR/AR技術(shù)和智能放療的快速發(fā)展，放療專業(yè)人員的工作方式將發(fā)生重大變化。傳統(tǒng)的醫(yī)生培訓(xùn)、醫(yī)患交流、放療流程、質(zhì)控模式、操控方式都將徹底改變，機(jī)器人更多參與到放療流程，人機(jī)交互使“人找事”變成“事找人”，簡單重復(fù)勞動將被取代，虛擬遠(yuǎn)程交互使多學(xué)科團(tuán)隊及放療單位之間的溝通變得遠(yuǎn)程、虛擬、逼真且實時，使得日常放療工作更加流暢和自動化，從而使放療患者更加受益。