發布時間：2021-04-29所屬分類：醫學職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 【摘要】目的：分析二次擺位中靶區位姿在生物力學影響下的器官腫瘤變形規律，控制機械臂位置來補償此誤差。方法：利用解剖學和生物力學相關知識，通過Mimicsv17.0軟件建立包含腫瘤的肺組織有限元模型，將建立的有限元模型導入ANSYS15.0，利用前人總結的生物
【摘要】目的：分析二次擺位中靶區位姿在生物力學影響下的器官腫瘤變形規律，控制機械臂位置來補償此誤差。方法：利用解剖學和生物力學相關知識，通過Mimicsv17.0軟件建立包含腫瘤的肺組織有限元模型，將建立的有限元模型導入ANSYS15.0，利用前人總結的生物力學特性參數仿真分析肺和腫瘤的變形誤差。結果：得到在二次擺位中肺組織最大變形為21.24mm，腫瘤最大變形為3.17mm，并利用二次多項式擬合給出了誤差模型，擺位驗證后其誤差變形均在此范圍內，其中頭腳方向變形最大。結論：基于自主設計的六自由度擺位醫用機械臂提出一種通過前饋修正的位置控制方法，該方法在二次擺位過程中可以預先補償腫瘤的位移誤差，提高放療精度和效率，減少對治療靶區周圍正常組織的損傷。
【關鍵詞】靶區位姿;生物力學;變形誤差;前饋修正
前言
惡性腫瘤的發病率越來越高，當下如何有效治療癌癥得到廣泛關注[1]。隨著醫療技術的快速發展，人們發現重離子放射治療腫瘤具有非常好的治療效果[2]。放療尤其實現精確放療成為人們追求的目標，放療擺位中引起放療誤差的原因除了擺位及檢測等設備系統誤差外，患者器官移動引起的誤差也影響放療效果[3]。目前在精確放療中對于腫瘤靶區位姿的控制方法主要有放大計劃靶區[4]、屏氣技術[5]、呼吸門控技術[6]以及實時追蹤技術[7]等。擴大計劃靶區可以保證臨床靶區一直處在計劃靶區內部，但是更多正常組織進入束流射野范圍從而受到不必要的損傷;屏氣技術是通過簡易訓練讓患者在治療過程中屏住呼吸直到治療結束，此方法對肺功能障礙患者的不可控性太大;呼吸門控并非減少腫瘤運動，而是使束流放射周期與呼吸同步，與實時追蹤技術一樣，時間延遲所帶來的問題在一定意義上并不能實現真正的精確放療。由于放射治療對腫瘤的位姿精度要求很高，為了進一步提高放療精度，在進行初次擺位后需進行二次擺位來提高放療精度，如何在二次擺位過程中對腫瘤位姿實現精確定位成為研究的重點。
對于靶區腫瘤位置可以通過體表的標記點與內部器官的關系預測，通過建立模型后采用神經網絡[8]或濾波算法[9]等求解體內腫瘤的運動，但不確定性和個體差異性太大;對于人體器官的生物力學特性可以進行有限元分析[10]，利用人體解剖學原理和生物力學相關知識建立精確的人體有限元模型。本文針對內部器官及腫瘤在生物力學作用下的靶區位姿誤差，通過仿真調整機械臂位置，探尋末端患者器官和內部腫瘤分別在各個方向相應調整角度后的變形，得到末端靶區隨機械臂運動的誤差規律，提出機械臂在二次擺位中控制精度的方法。
1材料與方法
1.1三維模型
生物軟組織模型的建立向來是個難題，利用常規的三維建模軟件建立人體組織模型尤其是軟組織三維模型有相當大的局限性，模型的準確性可以很好地還原軟組織結構特征。目前常用的軟組織建模是基于醫學CT圖像，例如基于CT和NURBS技術的CAD表面重建[11]，可以重建軟組織結構特征，但是此方法較為繁瑣。本研究采用交互式醫學影像控制系統Mimics17.0軟件進行DICOM格式CT數據的處理，此軟件可以與很多逆向處理及有限元分析軟件簡易通訊，滿足后期對模型簡化并分析的需求。
本研究數據來源為CancerImagingArchive網站的一名中年男性患者的胸腔CT影像數據，該數據集由美國國立癌癥研究所和美國國立衛生研究院(FNIH)基金會聯合建立的胸部X線斷層掃描數據庫提供。每層圖像像素均為512×512，切片層厚為1mm，共計305張DICOM格式的CT圖像。圖1可以看出患者腫瘤位置(十字光標中心)在右肺上葉靠近肺尖位置處。
肺組織由于呼吸等運動的存在是一個動態過程，我們選取初始時刻CT影像為基礎數據。由于不同器官組織灰度值不同，可以通過閾值分割選定需要器官的蒙版，然后通過區域增長對彼此不相連的區域進行進一步細分。針對建立肺和腫瘤蒙版進行布爾操作減去相互重疊的部分，準確還原組織結構關系，最后依靠選定的蒙版建立肺組織及內部腫瘤的三維模型，如圖2所示。
1.2有限元模型
對肺組織進行有限元建模工作最早始于Mead等[12]學者，他們將肺組織模擬為一個非線性彈簧網絡，但精度有限，后來諸多學者開始對生物軟組織建立有限元模型進行分析。對建立的三維模型可以利用GeomagicStudio處理，它是一款常用的逆向處理軟件，但針對CT獲取的三維模型，逆向重建的功能得不到最大限度的應用。我們選用3-matic對建立的三維模型進行圖像光順簡化等處理并劃分面網格與體網格，使用邊界明確的CT圖像建立圖3所示的四節點四面體單元有限元模型，肺組織節點數為195067，網格數為1172283，腫瘤節點數為7028，網格數為24483�？紤]腫瘤位于肺組織右肺上肺葉中，為簡化處理模型，只建立了包含腫瘤的右肺有限元模型。
1.3材料屬性
通過解剖學相關知識了解到由于肺裂的存在，右肺分左2右3共5葉，是人體呼吸的重要器官，而腫瘤是在各種致癌因子作用下組織突變產生的新生物，通常密度比正常組織大。生物軟組織在體內的變化與剛性體不同，為了考慮軟組織的變形，采用力學含義明確的生物力學模型解釋軟組織的變形行為很有必要。人體軟組織具有諸多特性，如彈性、非線性、超彈性等。超彈性是指材料存在一個彈性勢能函數，該函數表示應變張量的標量函數，其對應變分量的導數是對應的應力分量，應力和應變不再是線性對應的關系，而是以彈性能函數的形式一一對應。前人對生物軟組織的材料及超彈性本構方程有諸多研究[13]，Rivlin在Mooney理論基礎上提出的Mooney-Rivilin模型[14]在描述百分百拉伸變形時此模型可以很好地體現出材料的變形行為，其應變能密度函數用公式
2結果與驗證
2.1有限元分析
將所建立的患者有限元模型導入ANSYS中進行求解，建立患者胸腔定義為肺組織邊界條件，施加不同方向重力模擬患者隨治療終端機械臂角度的變化，施加位移載荷模擬患者生理運動造成的變形，定義肺組織與胸腔接觸類型為無摩擦滑動，模擬肺組織在胸腔內的滑移行為，定義腫瘤與肺組織接觸類型為綁定接觸，模擬腫瘤完全填充于肺組織中，模擬組織相互作用力。得到包含腫瘤的肺組織有限元模型擺位后肺(圖4a)及內部腫瘤(圖4b)的位移分布圖。其中肺組織和最大變形為21.24mm，腫瘤的最大變形為3.17mm，可以看出肺中葉肺下葉由于缺少內部肝臟等器官的支撐，變形顯然較大。
2.2誤差模型
為了獲取腫瘤中心位移誤差，在腫瘤表面選取30個腫瘤節點，將所有節點變形誤差均值定義為腫瘤中心位移，將繞單軸擺位不同角度后得到的腫瘤中心位移進行多項式數據擬合，得到繞固定軸旋轉特定角度時肺組織最大變形和腫瘤中心點在各坐標軸上的誤差與擺位角度的關系(圖5~圖7)，如下：
2.3誤差驗證
為了驗證本文提出的肺組織和腫瘤在生物力學影響下的擺位誤差模型的正確性，利用中國科學院近代物理研究重離子放療治療室相關前期研發設備(圖8)驗證擺位時的腫瘤變形誤差。實驗器材包括：重離子束流末端治療室;SM-50HF-B-D移動式X射線機;自帶平板DR的RAYERISCOUTImage-guidedpositioningsystem(圖像引導放療系統)等，考慮到驗證的是肺組織及腫瘤的位移誤差，所以使用現有的六維治療床模擬擺位角度的調整可以進行驗證誤差模型的準確性。首先拍攝患者術前CT，在重離子放療過程一次擺位完成后得到的DR影像與術前治療計劃中CT序列影像經過光線追蹤算法并進行器官標記勾畫后DRR圖像進行校對驗證，可以得到胸腔肺組織和腫瘤在各個方向轉動時的擺位誤差的均值與標準差(表1)，與仿真分析中得到的誤差模型具有一致性。
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目前在放療治療過程中通常會將臨床靶區(CTV)向外擴展形成計劃靶區(PTV)，用來補償一些動態誤差帶來的擺位誤差，但無形中增大了對正常組織的損傷。為此進一步有分析肺組織在生物力學影響下橫斷面、矢狀面、冠狀面的誤差，在制定放療計劃利用現有公式M=2Σ+0.7δ制定PTV區域時可以減少對正常組織的損傷，節省束流資源。
3二次擺位精度控制
3.1運動學控制模型
自主設計法的重離子放療擺位機械臂如圖9所示，由底座、升降機構、大臂、小臂、翻轉機構、俯仰機構及偏轉機構等組成。
3.2前饋誤差
補償為了補償二次擺位中腫瘤移動造成的擺位誤差，本文提出了一種在放療擺位過程中通過控制機械臂補償擺位誤差的方法。重離子放療過程中，在一次擺位完成后將驗證平板DR影像與術前治療計劃中CT序列影像經過光線追蹤算法得出的DRR圖像進行校對驗證，給出二次擺位目標位姿[P']，輸入前饋誤差修正器中對比目標點與擺位前靶區中心位姿變化，結合前文分析給出的誤差模型求得腫瘤中心擺位后與目標位姿的誤差[∆P]，然后賦予機械臂控制器修正后的末端位姿[P-∆P]，通過運動學逆解求得各關節變量，控制機械臂各關節變量補償腫瘤中心變形誤差。擺位完成后再次通過DR驗證，保證靶區中心與束流中心在誤差范圍內保持一致，便可開始放療。此前饋補償腫瘤運動誤差流程見圖10。
4討論
人體軟組織是不同于其它結構規則的物體。岳玉亮等[18]運用MATLAB軟件通過數字圖像處理技術獲得人體器官的點云數據，在CATIA軟件中建立人體器官的三維實體模型，但常規建模軟件及方法對生物軟組織的三維建模并不適用，為了得到精確的軟組織結構，我們利用CT影像通過醫學影像處理軟件Mimics聯合ANSYS精確建立了人體肺組織及其內部腫瘤三維模型和有限元模型。
對所建立的患者有限元模型進行分析，考慮到患者最終定位指標是腫瘤中心，選取腫瘤輪廓上標記點計算腫瘤中心的位移，得出腫瘤在擺位時的變形誤差規律，可以看出在一定范圍內腫瘤中心位移誤差隨繞單軸旋轉角度增加相應變大，由此對腫瘤的誤差模型進行擬合時可以近似采用多項式擬合，得到腫瘤中心位移與旋轉角度的關系。并且分析了腫瘤在頭腳、左右及前后方向的最大變形，旨在引導制定放療計劃時盡可能避免損傷正常組織。
現有的放療過程中對靶區病灶的精度控制中，Schweikard等[19]提出可以通過控制束流達到精確定位的目的，但對于固定束流的重離子治療系統中通過調整束流的方式顯然不可行，而圖像引導的三維適形放療配合六自由度機械臂的精準擺位可以很好地解決這一問題。本文提出的依靠擺位機械臂補償擺位過程中肺組織和腫瘤變形位移誤差的方法在小范圍二次擺位調整中可行。本文采用靜態CT圖像建立有限元模型分析二次擺位過程中由于位姿角度的調整帶來的肺組織和腫瘤的變形誤差，雖然考慮了生物力學特性材料參數和組織間接觸等因素，但并沒有考慮呼吸以及心臟跳動等對腫瘤帶來的周期性位移誤差，后期可以利用4D-CT圖像對周期內呼吸等生理運動造成的誤差進行更精確的分析。
5結論
本文在前人對人體軟組織材料力學特性研究的基礎上，基于人體解剖學和生物力學相關知識，探尋重離子放療擺位過程中器官及內部腫瘤變形誤差與靶區規律;通過有限元分析模擬了肺組織及內部腫瘤在二次擺位過程中隨著機械臂角度的調整帶來的變形誤差，給出了二次擺位目標位姿及體內肺組織和內部腫瘤在生物力學影響下的誤差模型，并驗證了模型的準確性。針對在固定束流二次擺位中目標靶區存在的變形提出了前饋誤差補償方法，通過調整終端機械臂運動位置控制靶區變形誤差，大大提高了放療精度和效率。——論文作者：李瑞星1，張來喜1，陳惠賢1，宋明濤2，雷武樂1，張鵬1
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