《Physical and Engineering Sciences in Medicine》：An open-source motion platform that replicates time synchronised internal and external patient motion for real-time image-guided radiotherapy
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本研究针对实时图像引导放疗(IGRT)技术研发与临床安全实施过程中，对能够复现时间同步的患者内外运动的、稳健且可重复质量保证(QA)设备的需求，研发并表征了一种名为IntERAct的新型同步运动平台。该设备集成了一个6自由度(6DoF)机器人臂和一个1自由度(1DoF)运动执行器，分别用于复现6DoF内部肿瘤运动和1DoF外部体表运动。验证实验表明，该设备能将内外运动同步至0.1秒内，几何精度优于2毫米。其全部细节已在GitHub上作为开源资源发布，供医学物理界使用。
在精准打击癌症的放射治疗战场上，一个挥之不去的“幽灵”让医生们头疼不已——呼吸。当高剂量的放射线射向肿瘤时，患者的每一次呼吸都可能导致肺部、肝脏等部位的肿瘤随之上下起伏、甚至旋转。这种被称为“分次内”的运动，可能导致肿瘤照射剂量不足，而周围的健康组织却无辜“躺枪”，引发严重的并发症。为了解决这个问题，实时图像引导放疗(Real-time Image-guided Radiotherapy, IGRT)技术应运而生，它们像精准的“狙击手”一样，试图在治疗过程中持续追踪移动的肿瘤。
然而，要让这些先进技术安全、可靠地走进医院，一个必不可少的环节是质量保证(Quality Assurance, QA)——就像狙击手需要校准瞄准镜一样。现有的商业QA设备，如HexaMotion，虽然精度不错，但在运动自由度（特别是旋转）和成本效益方面存在局限。例如，肺部肿瘤在治疗中可旋转高达45°，肝脏肿瘤也可达29°，但许多现有设备无法复现如此大范围的旋转。更重要的是，许多前沿的IGRT技术（如CyberKnife、Radixact系统等）依赖同时监测内部肿瘤和外部体表运动，并建立两者之间的关联模型来持续追踪肿瘤。这就迫切需要一种能够同步、精确复现患者内部复杂6维（3个平移+3个旋转）肿瘤运动和外部1维体表呼吸运动的QA设备。正是这一迫切需求，催生了本项研究。
研究人员开展了一项名为“IntERAct”（Internal-External Robotic Actuator，内外机器人执行器）的开源质量保证设备的研发与性能表征研究。为了回答现有QA设备在同步复现复杂内外运动方面的不足，他们设计并构建了一个集成系统。这项研究成果发表在《Physical and Engineering Sciences in Medicine》期刊上。
为开展此项研究，作者采用了几个关键技术方法：首先，硬件集成，将一台商用Universal Robots的6自由度(6DoF)机械臂与一个基于Firgelli Automation线性执行器的1自由度(1DoF)平台相结合，前者复现内部肿瘤运动，后者复现外部体表的前后向呼吸运动。其次，软件开发，使用C#编写了专用的运动控制软件，通过Modbus TCP/IP和串口通信分别控制两个平台，并实现两者间的时间同步。第三，性能验证，利用来自LIGHT SABR和LARK两项临床试验的真实患者运动轨迹数据（包括肺和肝癌患者的6DoF内部肿瘤运动与1DoF外部表面运动数据）对设备进行测试。第四，测量与分析，使用Intel RealSense深度感应相机同时测量两个平台的输出运动，以量化其几何精度、时间同步误差和可重复性，评估指标包括均方根误差(RMSE)、Bland-Altman一致性界限和功率谱密度分析等。
研究方法
本部分概述了IntERAct系统的三大组成部分及其验证方案。核心硬件包括一个用于复现6DoF内部肿瘤运动的通用机器人机械臂，和一个用于复现1DoF外部体表（前后向）呼吸运动的线性执行器平台。核心软件是自主开发的开源运动控制程序，能够同步驱动两个平台。性能表征严格遵循美国医学物理学家协会(AAPM)的相关质量保证协议，在实验室和临床放疗中心两种环境下，使用真实的患者运动轨迹数据进行测试，主要评估动态定位几何精度、时间同步精度以及系统可重复性。
结果
验证测试结果
在实验室和临床环境下的测试表明，IntERAct设备表现出高精度和高重复性。对于6DoF平台，在实验室测试中，所有运动轨迹的输入与输出位置差异平均值均≤0.0毫米，均方根误差(RMSE)平均为0.7毫米；在临床测试中，通过机器人自身反馈系统测量的误差更小，平均值≤0.0毫米，标准偏差≤0.1毫米，RMSE≤0.1毫米。对于1DoF平台，实验室测试的平均位置误差≤0.0毫米，RMSE≤1.9毫米；临床测试的平均误差≤0.0毫米，RMSE≤1.3毫米。最为关键的是，两个运动平台之间的时间同步误差平均为0.1秒，交叉相关延迟也小于0.1秒，完全满足实时追踪技术对同步性的要求。功率谱密度分析显示，在呼吸频率波段(0.15-0.4 Hz)，6DoF平台复现的功率比接近1，表明运动保真度高；1DoF平台则存在一定波动，但几何精度仍在可接受范围内。
讨论
本研究成功开发并表征了IntERAct——一个能够高精度、高重复性地同步复现6DoF内部肿瘤运动和1DoF外部体表运动的开源QA设备。其性能达到了AAPM推荐的医用直线加速器QA空间精度阈值（2毫米），在时间同步方面更是实现了0.1秒内的高精度。与现有商业设备（如HexaMotion）相比，IntERAct不仅提供了完整的6DoF运动能力（包括高达360°的全范围旋转，足以覆盖临床观察到的最大肿瘤旋转角度），还创新性地集成了同步的1DoF外部运动复现功能，这对于测试那些基于内外运动关联模型的先进IGRT技术至关重要。该设备的开源特性是其另一大亮点，全部源代码、设计图纸和使用指南已在GitHub上公开，极大地降低了其他研究机构使用和改良的门槛，促进了协作与创新。目前，该设备已成功应用于澳大利亚12个放疗部门的多中心临床试验中。
结论
总而言之，IntERAct同步运动平台的研发，为实时图像引导放疗技术的质量保证提供了一种强大而灵活的新工具。它有效解决了复现复杂、同步的患者生理运动以验证前沿IGRT技术的难题。其亚毫米级几何精度、0.1秒内的时间同步能力、支持重型体模的负载以及开源可定制等优势，使其能够满足立体定向放射外科(SABR)等精确放疗的严格QA要求。这项研究不仅推动了放疗质量保证技术的进步，其开源共享的理念也有助于加速整个医学物理社区在运动管理和精准放疗领域的研发进程，最终惠及广大癌症患者。
