本發(fā)明公開一種基于紅外引導(dǎo)下的放射治療擺位中測量人與體位固定裝置偏差的方法。

背景技術(shù)：

腫瘤放射治療的精確實施要求在多次進行放射治療時，病人的體位始終與治療計劃時保持一致。為了實現(xiàn)該目的，通常會使用負(fù)壓袋等體位固定裝置來輔助固定患者體位。

但是在實際操作中，由于患者的移動、體形變化等因素，易使得體位固定裝置與患者之間存在偏差，從而導(dǎo)致治療時的患者體位與計劃時不相符，進而影響放射治療的精確實施。

鑒于上述問題，有必要找到一種能夠快速反饋放射治療擺位中人與體位固定裝置偏差的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是找到一種能夠快速反饋放射治療擺位中人與體位固定裝置偏差的方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種基于紅外引導(dǎo)下的放射治療擺位中測量人與體位固定裝置偏差的方法，包括體表掃描模塊、體位固定裝置配準(zhǔn)模塊和監(jiān)控顯示模塊。

體表掃描模塊包括高精度紅外監(jiān)控設(shè)備和體表掃描輔助設(shè)備。

體位固定裝置配準(zhǔn)模塊包括體位固定裝置及固定于其上的定位標(biāo)識工具。

監(jiān)控顯示模塊包括計算機軟件，計算機軟件可進行插值、匹配、計算、顯示操作。

本發(fā)明揭示了一種基于紅外引導(dǎo)下的放射治療擺位中測量人與體位固定裝置偏差的方法，包括如下步驟：

S1：使用體位固定裝置固定患者體位，并在體位固定裝置上固定多個定位標(biāo)識工具；

在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述體位固定裝置上固定的定位標(biāo)識工具個數(shù)優(yōu)選為3個。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述定位標(biāo)識工具是可被所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備識別的定位小球，但是所述領(lǐng)域的技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動，就應(yīng)該想到采用其他具有明顯紅外特征的材質(zhì)制成的其他形狀標(biāo)記物體代替所述的定位小球。因此類似的技術(shù)方案也沒有超過本發(fā)明所公開并要求保護的范圍。

S2：通過計算機斷層圖像掃描工具，掃描得到患者帶體位固定裝置及固定于其上的定位標(biāo)識工具的計算機斷層圖像，并傳輸給計算機。

S3：在計算機上勾畫出定位標(biāo)識工具的輪廓，計算并記錄其在計算機斷層圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)集合X和患者體表數(shù)據(jù)f′。

S4：讓患者深吸一口氣至最大狀態(tài)，開啟高精度紅外監(jiān)控設(shè)備，應(yīng)用體表掃描輔助設(shè)備掃描并記錄此時的體表；

在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述體表掃描輔助設(shè)備是用多個定位標(biāo)識工具串聯(lián)制成的。

進一步地，所述體表掃描輔助設(shè)備中的定位標(biāo)識工具是可被所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備識別的定位小球，但是所述領(lǐng)域的技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動，就應(yīng)該想到采用其他具有明顯紅外特征的材質(zhì)制成的其他形狀標(biāo)記物體代替所述的定位小球。因此類似的技術(shù)方案也沒有超過本發(fā)明所公開并要求保護的范圍。

優(yōu)選地，所述體表掃描輔助設(shè)備的定位標(biāo)識工具個數(shù)為7個，以保證其配合高精度紅外監(jiān)控設(shè)備使用掃描得到的體表能夠較完整地描繪整個體表形態(tài)變化。如果采用不足7個定位標(biāo)識工具，會影響定位精度，超過7個定位標(biāo)識工具，雖然能提高精確度，但是計算復(fù)雜度提高太多，從實際應(yīng)用上不值得。

S5：讓患者呼盡一口氣至最大狀態(tài)，應(yīng)用體表掃描輔助設(shè)備掃描并記錄此時的體表；

S6：計算機根據(jù)由S4、S5得到的2組體表線性插值得到N個不同呼吸時相下的體表，該N個時相下的體表集合記為F，F(xiàn)中包含的N組體表，分別記為f₁，f₂，……，f_N。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述通過線性插值得到的不同呼吸時相下的體表個數(shù)N優(yōu)選為10個。若少于10個，則不能全面描述體表因呼吸運動所造成的類周期性變化，若多于10個，雖然呼吸運動引起的體表的類周期性變化得到更精確的描述，但計算復(fù)雜度提高太多，從實際應(yīng)用上不值得。

S7：高精度紅外監(jiān)控設(shè)備測量得到固定于體位固定裝置上的定位標(biāo)識工具的坐標(biāo)集合Y，并傳輸給計算機；

在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述體位固定裝置上的定位標(biāo)識工具是可被所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備識別的定位小球，但是所述領(lǐng)域的技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動，就應(yīng)該想到采用其他具有明顯紅外特征的材質(zhì)制成的其他形狀標(biāo)記物體代替所述的定位小球。因此類似的技術(shù)方案也沒有超過本發(fā)明所公開并要求保護的范圍。

S8：計算機接收S7測量得到的體位固定裝置上的定位標(biāo)識工具在高精度紅外坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)集合Y，結(jié)合S3記錄的所述體位固定裝置上的定位標(biāo)識工具在計算機斷層圖像坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)集合X，配準(zhǔn)、計算得到高精度紅外坐標(biāo)系到計算機斷層掃描圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣T_Y-X。

S9：利用S8求得的轉(zhuǎn)換矩陣T_Y-X將S6中獲得的N個時相下的體表集合F轉(zhuǎn)換到計算機斷層圖像坐標(biāo)系下，獲得對應(yīng)的體表集合記為C，C中包含的N組體表分別記為C₁，C₂……C_N。

S10：優(yōu)化查找求得C中各呼吸時相下的體表C₁，C₂，……，C_N分別與f’最匹配的轉(zhuǎn)換矩陣P₁，P₂，……，P_N，該轉(zhuǎn)換矩陣集合記為P，及這些轉(zhuǎn)換矩陣分別作用于對應(yīng)體表后所得到的變換后的體表C₁′，C₂′，……，C_N′，該體表集合記為C′。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述優(yōu)化查找的方法是單純形優(yōu)化算法。但是所述領(lǐng)域的技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動，就應(yīng)該想到采用其他的優(yōu)化算法代替所述單純形優(yōu)化算法。因此類似的技術(shù)方案也沒有超過本發(fā)明所公開要求保護的范圍。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述匹配評估方法是歐式距離變換算法。但是所述領(lǐng)域的技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動，就應(yīng)該想到采用其他的匹配評估算法代替所述歐式距離變換算法。因此類似的技術(shù)方案也沒有超過本發(fā)明所公開要求保護的范圍。

S11：優(yōu)化查找S10變換后的體表C₁′，C₂′，……，C_N′中與計算機斷層圖像記錄的人體體表f′最相似的體表形狀C_i′，該C_i′所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣P_i(P_i∈P)即為所求的偏差矩陣。

進一步地，所述最相似的體表形狀的判斷依據(jù)是S10中C_i′(i∈{0，1……N})各點在距離變換空間中與f’最近點間的距離分布的方差最小。方差計算公式是∑_j(V_ij-μ_i)²，其中V_ij是C_i′上每一個點在歐式距離變換空間中的值，μ_i是所有V_ij的均值。

進一步地，所述轉(zhuǎn)換矩陣P_i(P_i∈P)均為4×4矩陣，包含三個旋轉(zhuǎn)誤差和三個平移誤差。該矩陣可以表示為

其中θ、γ為旋轉(zhuǎn)誤差參數(shù)，T_x、T_y、T_z為平移誤差參數(shù)。

本發(fā)明的有效益果在于：給出了一套易于實踐的衡量人與體位固定裝置偏差的方法，擺脫了過去醫(yī)生僅憑經(jīng)驗，無法定量衡量人與體位固定裝置偏差的窘境。

附圖說明

圖1是體表掃描輔助設(shè)備示意圖。

圖2是治療中使用體表掃描輔助設(shè)備掃描人體示意圖。

圖3是二維距離變換空間體表優(yōu)化平面示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)描述。

使用體位固定裝置固定患者體位，并在體位固定裝置上固定多個定位標(biāo)識工具，通過計算機斷層圖像掃描工具，掃描得到患者帶體位固定裝置及固定于其上的定位標(biāo)識工具的計算機斷層圖像，并傳輸給計算機。在計算機上勾畫出定位標(biāo)識工具的輪廓，計算并記錄其在計算機斷層圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)集合X和患者體表數(shù)據(jù)f′。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述體位固定裝置上固定的定位標(biāo)識工具個數(shù)優(yōu)選為3個

參考圖1，所示體表掃描輔助設(shè)備是由多個定位標(biāo)識工具串聯(lián)制成的，所述定位標(biāo)識工具是可被所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備識別的紅外定位小球。紅外定位小球表面覆蓋一層能夠反射絕大部分入射紅外光線的材料。高精度紅外監(jiān)控設(shè)備發(fā)射紅外光被小球反射回來，監(jiān)控設(shè)備接收反射回來的紅外光線，分析數(shù)據(jù)計算得到小球的三維位置坐標(biāo)，實現(xiàn)了監(jiān)控定位標(biāo)識工具的目的。在該圖所示實施例中，所示體表掃描輔助設(shè)備上的定位標(biāo)識工具的個數(shù)是優(yōu)選個數(shù)——7個。

參考圖2，所示體表掃描輔助設(shè)備是由多個定位標(biāo)識工具串聯(lián)制成。在該圖所示實施例中，所示體位固定裝置是負(fù)壓袋。體位固定裝置上的定位標(biāo)識工具是可被所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備識別的紅外定位小球。紅外定位小球表面覆蓋一層能夠反射絕大部分入射紅外光線的材料。高精度紅外監(jiān)控設(shè)備發(fā)射紅外光被小球反射回來，監(jiān)控設(shè)備接收反射回來的紅外光線，分析數(shù)據(jù)計算得到小球的三維位置坐標(biāo)，實現(xiàn)了監(jiān)控定位標(biāo)識工具的目的。在該圖所示實施例中，體表掃描輔助設(shè)備上定位標(biāo)識工具一共有7個，體位固定裝置上定位標(biāo)識工具一共有3個。

參考圖2，讓患者深吸氣至最大狀態(tài)并保持該狀態(tài)不變，醫(yī)生兩只手各拎體表掃描輔助設(shè)備的一頭，讓定位標(biāo)識工具緊貼人體，保持串聯(lián)帶光滑、松弛，在感興趣部位的體表上勻速刷過，在使用體表掃描輔助設(shè)備刷感興趣區(qū)域體表的過程中，要求高精度紅外監(jiān)控設(shè)備實時測量并記錄體表掃描輔助設(shè)備上各定位標(biāo)識工具的坐標(biāo)并傳輸?shù)接嬎銠C中，最終在計算機中得到并顯示一組吸氣至最大狀態(tài)下感興趣區(qū)域的體表；

讓患者呼氣至最大狀態(tài)并保持該狀態(tài)不變，重復(fù)操作體表掃描輔助設(shè)備，最終在計算機中得到并顯示一組呼氣至最大狀態(tài)下感興趣部位的體表；

參考圖2，高精度紅外監(jiān)控設(shè)備測量得到固定于體位固定裝置上的定位標(biāo)識工具的坐標(biāo)集合Y，并傳輸給計算機。結(jié)合已獲得的該多個定位標(biāo)識工具在計算機斷層圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)集合X，配準(zhǔn)、計算得到高精度紅外坐標(biāo)系到計算機斷層掃描圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣T_Y-X。

利用圖2所示操作獲取的吸氣到最大狀態(tài)、呼氣到最大狀態(tài)的2組體表線性插值得到N個不同呼吸時相下的體表，該N個時相下的體表集合記為F，F(xiàn)中包含的N組體表，分別記為f₁，f₂，……，f_N。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述通過線性插值得到的不同呼吸時相下的體表個數(shù)N優(yōu)選為10個。若少于10個，則不能全面描述體表因呼吸運動所造成的類周期性變化，若多于10個，雖然呼吸運動引起的體表的類周期性變化得到更精確的描述，但計算復(fù)雜度提高太多，從實際應(yīng)用上不值得。

通過將高精度紅外坐標(biāo)系到計算機斷層掃描圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣T_Y-X分別作用于f₁，f₂，……，f_N得到的在計算機斷層掃描圖像坐標(biāo)系下的各呼吸時相下的體表C₁，C₂，……，C_N，記為集合C。

參考圖3，粗線條代表由計算機斷層圖像坐標(biāo)系下的人體體表f′，細(xì)線條代表計算機斷層圖像坐標(biāo)系下待匹配體表C₁，C₂，……，C_N，方格中的數(shù)字代表距離變換空間中該點與f′所有點的距離中的最小值。該圖所示是二維距離變換空間。在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述距離變換空間是三維，可由圖3示例推廣至三維得到。

以在距離變換空間中所有點距離和最小為目標(biāo)進行優(yōu)化查找，求得C中各呼吸時相下的體表C₁，C₂，……，C_N分別與f’最匹配的轉(zhuǎn)換矩陣P₁，P₂，……，P_N，該轉(zhuǎn)換矩陣集合記為P，及這些轉(zhuǎn)換矩陣分別作用于對應(yīng)體表后所得到的變換后的體表C₁′，C₂′，……，C_N′，該體表集合記為C′。本發(fā)明所期望得到的描述人與體位固定裝置偏差的矩陣存在于矩陣集合P中。在本輪的優(yōu)化查找中，我們以C_k′(k＝1，2，…，N)上所有點距離和最小作為目標(biāo)函數(shù)，但是不能保證在距離和最小的情況下C_k′與f′形狀最相似。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述優(yōu)化查找的方法是單純形優(yōu)化算法。但是所述領(lǐng)域的技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動，就應(yīng)該想到采用其他的優(yōu)化算法代替所述單純形優(yōu)化算法。因此類似的技術(shù)方案也沒有超過本發(fā)明所公開要求保護的范圍。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，所述匹配評估方法是歐式距離變換算法。但是所述領(lǐng)域的技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動，就應(yīng)該想到采用其他的匹配評估算法代替所述歐式距離變換算法。因此類似的技術(shù)方案也沒有超過本發(fā)明所公開要求保護的范圍。

為從P₁，P₂，……，P_N中篩選出排除呼吸作用影響的人與體位固定裝置間的偏差，需要從該各轉(zhuǎn)換矩陣所對應(yīng)的呼吸時相體表C₁′，C₂′，……，C_N′中找到與f′形狀最接近的體表，即找到了最接近于計算機斷層圖像掃描時的呼吸時相。該操作為：利用方差優(yōu)化查找變換后的體表C₁′，C₂′，……，C_N′中與計算機斷層圖像記錄的人體體表f′最相似的體表形狀C_i′。所述最相似的體表形狀的判斷依據(jù)是C_i′(i∈{0，1……N})各點在距離變換空間中與f’距離最近點間的距離分布的方差和最小。方差公式：∑_j(V_ij-μ_i)²，其中V_ij是C_i′上每一個點在歐式距離變換空間中的值，μ_i是所有V_ij的均值。經(jīng)過第二輪優(yōu)化查找，找到與f′形狀最相似的C_i′，因而可以認(rèn)為C_i′對應(yīng)的P_i(P_i∈P)即包含所求的人與體位固定裝置間的偏差。