本發(fā)明涉及放射治療過程中患者位置驗(yàn)證技術(shù)領(lǐng)域,尤其是涉及一種用于放射治療中患者擺位的實(shí)時(shí)驗(yàn)證裝置及方法。
背景技術(shù):
放射治療(簡稱放療)是癌癥治療的三大技術(shù)手段之一,精確放療是放療領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)。患者精確擺位是精確放療的前提和基礎(chǔ),在執(zhí)行放療計(jì)劃中必須對(duì)患者進(jìn)行準(zhǔn)確擺位,才能獲得期望的良好治療效果。在臨床治療中,病灶靶區(qū)中心位置會(huì)因?yàn)閷?duì)患者擺位的不準(zhǔn)確和患者在治療中的無意識(shí)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生變化,使射線不能準(zhǔn)確地照射在患者的病灶靶區(qū)位置上,給治療帶來較大的誤差,從而不能徹底治愈患者的疾病,同時(shí)也會(huì)因?yàn)閷?duì)患者正常組織的過多照射從而引起并發(fā)癥。因此,如何對(duì)患者進(jìn)行快速精確的擺位驗(yàn)證并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者在治療中無意識(shí)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的體位偏差是實(shí)施精確放療的關(guān)鍵所在。
現(xiàn)有技術(shù)中主流的圖像引導(dǎo)放療患者擺位驗(yàn)證技術(shù)主要是使用X射線成像、kV級(jí)錐形束CT(CBCT)以及MRI成像技術(shù)來對(duì)患者進(jìn)行分次間擺位驗(yàn)證以及擺位誤差的修正。其存在的缺點(diǎn)是成像不夠清晰,或者會(huì)給患者正常組織帶來額外的輻射劑量,有引起患者并發(fā)癥的可能。同事其獲得圖像后,需要較長的配準(zhǔn)融合時(shí)間來驗(yàn)證患者的擺位,不能做到實(shí)時(shí)的擺位驗(yàn)證。
所以,現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是在成像過程中會(huì)使患者受到額外的輻射劑量,增加了患者正常組織患病的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)利用獲得的圖像進(jìn)行擺位驗(yàn)證的算法運(yùn)算步驟比較復(fù)雜,很難做到實(shí)時(shí)的擺位驗(yàn)證,有影響患者治療療效的的可能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種用于放射治療中患者擺位的實(shí)時(shí)驗(yàn)證裝置及方法。從而有效解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:所述的一種用于放射治療中患者擺位的實(shí)時(shí)驗(yàn)證裝置,其特點(diǎn)是包括設(shè)置在治療室內(nèi)的治療床周圍的第一光學(xué)攝像機(jī)、第二光學(xué)攝像機(jī)和第三光學(xué)攝像機(jī),每臺(tái)光學(xué)攝像機(jī)安裝在對(duì)應(yīng)的支架上,其中第一光學(xué)攝像機(jī)設(shè)置在正對(duì)治療床的前方,第二光學(xué)攝像機(jī)和第三光學(xué)攝像機(jī)分別設(shè)置在治療床的兩側(cè),三臺(tái)光學(xué)攝像機(jī)通過視頻線連接在視頻采集卡上,視頻采集卡安裝在圖形工作站上,視頻標(biāo)定板對(duì)應(yīng)患者的頭部、腳部、左側(cè)、右側(cè)設(shè)置在治療床上,視頻標(biāo)定板分別采集標(biāo)定圖像來標(biāo)定攝像機(jī),圖形工作站通過算法和軟件控制攝像機(jī)來進(jìn)行患者擺位的實(shí)時(shí)驗(yàn)證。
所述的治療床位旋轉(zhuǎn)式治療床,所述的第一光學(xué)攝像機(jī)的支架高度為1.8米-2.0米,第二光學(xué)攝像機(jī)和第三光學(xué)攝像機(jī)的支架高度為1.2米-2.0米,三臺(tái)光學(xué)攝像機(jī)的支架底座距離治療床中心的水平距離2.5米-3.0米,第二光學(xué)攝像機(jī)和第三光學(xué)攝像機(jī)擺放位置連線垂直于治療床且經(jīng)過治療床中心,攝像機(jī)從上向下拍攝治療床以及固定在其上的患者。
所述的一種用于放射治療中患者擺位的實(shí)時(shí)驗(yàn)證方法,其特點(diǎn)是包括如下步驟:
(1)患者首次擺位和標(biāo)準(zhǔn)參考圖像的獲?。夯颊呤状卧谥委熓医邮苤委煏r(shí),將三臺(tái)攝像機(jī)按照所述的驗(yàn)證裝置設(shè)置連接好,打開驗(yàn)證裝置圖形工作站上的控制軟件;按照治療計(jì)劃系統(tǒng)輸出的患者擺位參數(shù)對(duì)患者擺位,通過常規(guī)的擺位驗(yàn)證方法即通過常規(guī)的DR設(shè)備采集的圖像和治療計(jì)劃系統(tǒng)輸出的DRR圖像配準(zhǔn),來確定患者的正確擺位,使用圖像工作站上的算法軟件獲取每個(gè)攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)參考擺位光學(xué)圖像,并將該光學(xué)圖像存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中;
(2)差值圖像的獲?。涸谶M(jìn)行患者后續(xù)分次治療時(shí),每個(gè)攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)視頻圖像和該攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像進(jìn)行差值計(jì)算,即將每幀實(shí)時(shí)圖像的每個(gè)像素的RGB值減去對(duì)應(yīng)攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像的每個(gè)像素的RGB值,獲取擺位偏差圖像;
(3)感興趣區(qū)域的獲?。簩?duì)擺位偏差圖像首先使用5*5內(nèi)核的均值濾波器和7*7內(nèi)核的高斯濾波器進(jìn)行平滑濾波,將平滑濾波后的差值圖像使用canny算子進(jìn)行輪廓提取獲取包含所有輪廓的最大矩形區(qū)域坐標(biāo),即感興趣區(qū)域坐標(biāo);
(4)患者擺位驗(yàn)證:計(jì)算感興趣區(qū)域坐標(biāo)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像和實(shí)時(shí)視頻圖像上的角點(diǎn),并將兩幅圖像的角點(diǎn)進(jìn)行匹配;獲取匹配角點(diǎn)的坐標(biāo)偏差值,如果偏差值小于設(shè)定的1毫米閾值,則認(rèn)定患者擺位正確,如果偏差值大于1毫米,則根據(jù)偏差值對(duì)患者進(jìn)行重新擺位;
(5)獲取患者擺位偏差:將獲得的ROI區(qū)域坐標(biāo)映射到參考圖像和和實(shí)時(shí)視頻圖像上,對(duì)映射的區(qū)域通過改進(jìn)的ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)角點(diǎn)提取配準(zhǔn)算法提取角點(diǎn),配準(zhǔn)兩幅圖像上ROI區(qū)域內(nèi)的角點(diǎn);;在自動(dòng)獲取的ROI區(qū)域內(nèi)使用ORB算法提取角點(diǎn)并且獲取角點(diǎn)的描述算子,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參考圖像好實(shí)時(shí)視頻圖像上的角點(diǎn)和角點(diǎn)描述算子進(jìn)行匹配;并改進(jìn)ORB算法,刪除其中坐標(biāo)位置、方向、和描述算子完全一致的背景角點(diǎn);在同一個(gè)坐標(biāo)系下計(jì)算配準(zhǔn)角點(diǎn)之間的位置偏差值,根據(jù)對(duì)每個(gè)攝像頭的標(biāo)定參數(shù)計(jì)算出在該攝像頭下配置點(diǎn)的實(shí)際偏差距離;
(6)患者擺位驗(yàn)證:如果某一個(gè)或者幾個(gè)攝像頭中視頻圖像的角點(diǎn)坐標(biāo)偏差與其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像上配準(zhǔn)的角點(diǎn)坐標(biāo)大于1毫米,則根據(jù)攝像頭的位置和角點(diǎn)坐標(biāo)偏差值引導(dǎo)醫(yī)務(wù)人員對(duì)患者擺位進(jìn)行校正調(diào)整,調(diào)整后重新進(jìn)行步驟(2)的運(yùn)算,直到患者在每個(gè)攝像頭下的視頻圖像和該攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像偏差值小于1毫米,符合治療要求則本發(fā)明裝置輸出信號(hào)給治療控制系統(tǒng),開始治療;
(7)實(shí)時(shí)監(jiān)控治療中的患者體位:患者治療過程中,三個(gè)攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控患者的體位,攝像頭的實(shí)時(shí)視頻圖像與各自的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像進(jìn)行差值運(yùn)算,對(duì)差值運(yùn)算圖像進(jìn)行自動(dòng)的輪廓提取,獲取的輪廓面積如果大于10平方像素,則需要停止治療,對(duì)患者進(jìn)行擺位調(diào)整,如果輪廓面積小于10平方像素,則繼續(xù)治療;
(8)患者擺位實(shí)時(shí)監(jiān)控:在患者治療的過程中,攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控患者,當(dāng)患者的無意識(shí)運(yùn)動(dòng)引起的視頻圖像和擺位參考圖像之間的差分值大于設(shè)定的閾值1毫米時(shí),系統(tǒng)將發(fā)出信號(hào)傳遞給治療控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)停止放療,醫(yī)務(wù)人員根據(jù)擺位偏差參數(shù)對(duì)患者進(jìn)行重新擺位,然后恢復(fù)治療。
本發(fā)明的有益效果是:所述的一種用于放射治療中患者擺位的實(shí)時(shí)驗(yàn)證裝置及方法,其設(shè)計(jì)使用多路普通光學(xué)攝像機(jī)多角度成像的方法來對(duì)患者進(jìn)行快速精確的擺位驗(yàn)證,并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者在治療中的體位狀態(tài),將運(yùn)算獲得的信號(hào)反饋給放療控制系統(tǒng),對(duì)患者進(jìn)行精確擺位引導(dǎo)和驗(yàn)證,大大提高了放療的精度。其優(yōu)點(diǎn)還包括:(1)其價(jià)格低廉,成像精度高;(2)光學(xué)攝像頭成像不對(duì)患者增加任何額外的輻射劑量,有效的降低了患者在治療時(shí)因?yàn)槭艿筋~外輻射劑量而罹患并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn);(3)改進(jìn)的算法增加了運(yùn)算速度,可以對(duì)患者進(jìn)行快速的在線擺位引導(dǎo)和驗(yàn)證;(4)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)控患者無意識(shí)運(yùn)動(dòng),一經(jīng)發(fā)現(xiàn)患者出現(xiàn)擺位誤差可以立即采取措施保護(hù)患者;(5)可以有效減少患者擺位的時(shí)間,客觀上減少患者以及操作人員受到額外輻射劑量照射的風(fēng)險(xiǎn);(6)減少了擺位時(shí)間,能夠有效減少放療加速器的等待時(shí)間,因而能夠降低治療成本;(7)光學(xué)成像系統(tǒng)不受治療室內(nèi)電磁干擾的影響,能夠適應(yīng)治療室內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境,適應(yīng)性強(qiáng)。
附圖說明:
圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是本發(fā)明的實(shí)施方法流程結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是三個(gè)攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像;
圖4是第一光學(xué)攝像頭提取的角點(diǎn)及其配準(zhǔn)畫面;
圖5是第二光學(xué)攝像頭提取的角點(diǎn)及其配準(zhǔn)畫面;
圖6是第三光學(xué)攝像頭提取的角點(diǎn)及其配準(zhǔn)畫面。
圖中所示:1.第一光學(xué)攝像機(jī);2.第二光學(xué)攝像機(jī);3.第三光學(xué)攝像機(jī);4.治療床;5.視頻采集卡;6.圖形工作站;7.視頻標(biāo)定板;8.支架。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖所示之最佳實(shí)例作進(jìn)一步詳述:
如圖1和2所示,所述的一種用于放射治療中患者擺位的實(shí)時(shí)驗(yàn)證裝置,其特點(diǎn)是包括設(shè)置在治療室內(nèi)的治療床4周圍的第一光學(xué)攝像機(jī)1、第二光學(xué)攝像機(jī)2和第三光學(xué)攝像機(jī)3,每臺(tái)光學(xué)攝像機(jī)安裝在對(duì)應(yīng)的支架8上,其中第一光學(xué)攝像機(jī)1設(shè)置在正對(duì)治療床的前方,第二光學(xué)攝像機(jī)2和第三光學(xué)攝像機(jī)3分別設(shè)置在治療床4的兩側(cè),三臺(tái)光學(xué)攝像機(jī)通過視頻線連接在視頻采集卡5上,視頻采集卡5安裝在圖形工作站6上,視頻標(biāo)定板7對(duì)應(yīng)患者的頭部、腳部、左側(cè)、右側(cè)設(shè)置在治療床4上,視頻標(biāo)定板7分別采集標(biāo)定圖像來標(biāo)定攝像機(jī),圖形工作站6通過算法和軟件控制攝像機(jī)來進(jìn)行患者擺位的實(shí)時(shí)驗(yàn)證。
所述的治療床位旋轉(zhuǎn)式治療床,所述的第一光學(xué)攝像機(jī)1的支架高度為1.8米-2.0米,第二光學(xué)攝像機(jī)2和第三光學(xué)攝像機(jī)3的支架高度為1.2米-2.0米,三臺(tái)光學(xué)攝像機(jī)的支架8底座距離治療床中心的水平距離2.5米-3.0米,第二光學(xué)攝像機(jī)2和第三光學(xué)攝像機(jī)3擺放位置連線垂直于治療床且經(jīng)過治療床4中心,攝像機(jī)從上向下拍攝治療床以及固定在其上的患者。
所述的一種用于放射治療中患者擺位的實(shí)時(shí)驗(yàn)證方法,其特點(diǎn)是包括如下步驟:
(1)患者首次擺位和標(biāo)準(zhǔn)參考圖像的獲?。夯颊呤状卧谥委熓医邮苤委煏r(shí),將三臺(tái)攝像機(jī)按照所述的驗(yàn)證裝置設(shè)置連接好,打開驗(yàn)證裝置圖形工作站上的控制軟件;按照治療計(jì)劃系統(tǒng)輸出的患者擺位參數(shù)對(duì)患者擺位,通過常規(guī)的擺位驗(yàn)證方法即通過常規(guī)的DR設(shè)備采集的圖像和治療計(jì)劃系統(tǒng)輸出的DRR圖像配準(zhǔn),來確定患者的正確擺位,使用圖像工作站上的算法軟件獲取每個(gè)攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)參考擺位光學(xué)圖像,并將該光學(xué)圖像存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中;
(2)差值圖像的獲取:在進(jìn)行患者后續(xù)分次治療時(shí),每個(gè)攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)視頻圖像和該攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像進(jìn)行差值計(jì)算,即將每幀實(shí)時(shí)圖像的每個(gè)像素的RGB值減去對(duì)應(yīng)攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像的每個(gè)像素的RGB值,獲取擺位偏差圖像;
(3)感興趣區(qū)域的獲?。簩?duì)擺位偏差圖像首先使用5*5內(nèi)核的均值濾波器和7*7內(nèi)核的高斯濾波器進(jìn)行平滑濾波,將平滑濾波后的差值圖像使用canny算子進(jìn)行輪廓提取獲取包含所有輪廓的最大矩形區(qū)域坐標(biāo),即感興趣區(qū)域坐標(biāo);
(4)患者擺位驗(yàn)證:計(jì)算感興趣區(qū)域坐標(biāo)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像和實(shí)時(shí)視頻圖像上的角點(diǎn),并將兩幅圖像的角點(diǎn)進(jìn)行匹配;獲取匹配角點(diǎn)的坐標(biāo)偏差值,如果偏差值小于設(shè)定的1毫米閾值,則認(rèn)定患者擺位正確,如果偏差值大于1毫米,則根據(jù)偏差值對(duì)患者進(jìn)行重新擺位;
(5)獲取患者擺位偏差:將獲得的ROI區(qū)域坐標(biāo)映射到參考圖像和和實(shí)時(shí)視頻圖像上,對(duì)映射的區(qū)域通過改進(jìn)的ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)角點(diǎn)提取配準(zhǔn)算法提取角點(diǎn),配準(zhǔn)兩幅圖像上ROI區(qū)域內(nèi)的角點(diǎn);;在自動(dòng)獲取的ROI區(qū)域內(nèi)使用ORB算法提取角點(diǎn)并且獲取角點(diǎn)的描述算子,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參考圖像好實(shí)時(shí)視頻圖像上的角點(diǎn)和角點(diǎn)描述算子進(jìn)行匹配;并改進(jìn)ORB算法,刪除其中坐標(biāo)位置、方向、和描述算子完全一致的背景角點(diǎn);在同一個(gè)坐標(biāo)系下計(jì)算配準(zhǔn)角點(diǎn)之間的位置偏差值,根據(jù)對(duì)每個(gè)攝像頭的標(biāo)定參數(shù)計(jì)算出在該攝像頭下配置點(diǎn)的實(shí)際偏差距離;
(6)患者擺位驗(yàn)證:如果某一個(gè)或者幾個(gè)攝像頭中視頻圖像的角點(diǎn)坐標(biāo)偏差與其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像上配準(zhǔn)的角點(diǎn)坐標(biāo)大于1毫米,則根據(jù)攝像頭的位置和角點(diǎn)坐標(biāo)偏差值引導(dǎo)醫(yī)務(wù)人員對(duì)患者擺位進(jìn)行校正調(diào)整,調(diào)整后重新進(jìn)行步驟(2)的運(yùn)算,直到患者在每個(gè)攝像頭下的視頻圖像和該攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像偏差值小于1毫米,符合治療要求則本發(fā)明裝置輸出信號(hào)給治療控制系統(tǒng),開始治療;
(7)實(shí)時(shí)監(jiān)控治療中的患者體位:患者治療過程中,三個(gè)攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控患者的體位,攝像頭的實(shí)時(shí)視頻圖像與各自的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像進(jìn)行差值運(yùn)算,對(duì)差值運(yùn)算圖像進(jìn)行自動(dòng)的輪廓提取,獲取的輪廓面積如果大于10平方像素,則需要停止治療,對(duì)患者進(jìn)行擺位調(diào)整,如果輪廓面積小于10平方像素,則繼續(xù)治療;
(8)患者擺位實(shí)時(shí)監(jiān)控:在患者治療的過程中,攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控患者,當(dāng)患者的無意識(shí)運(yùn)動(dòng)引起的視頻圖像和擺位參考圖像之間的差分值大于設(shè)定的閾值1毫米時(shí),系統(tǒng)將發(fā)出信號(hào)傳遞給治療控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)停止放療,醫(yī)務(wù)人員根據(jù)擺位偏差參數(shù)對(duì)患者進(jìn)行重新擺位,然后恢復(fù)治療。
具體實(shí)施例如圖3所示,本發(fā)明用于人體仿真體模擺位引導(dǎo)與驗(yàn)證實(shí)施,使用三個(gè)??低暤母咔鍞z像頭從左、右、前上三個(gè)角度實(shí)時(shí)引導(dǎo)放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的人體塑膠仿真模型擺位,并驗(yàn)證擺位的正確性,將攝像頭通過視頻線和視頻采集卡連接在圖形工作站計(jì)算機(jī)上,采集三個(gè)攝像頭實(shí)時(shí)視頻圖像,并確定三個(gè)攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)參考圖像。使用一個(gè)棋盤格標(biāo)定板給每個(gè)攝像頭參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,棋盤格標(biāo)定板的規(guī)格為每個(gè)小格尺寸為5毫米*5毫米,棋盤格為20格*20格。將人體塑膠仿真模型擺位向下偏移20毫米后,將視頻圖像和標(biāo)準(zhǔn)參考圖像進(jìn)行計(jì)算,獲得引導(dǎo)擺位的偏差數(shù)據(jù)。如圖4所示,引導(dǎo)患者擺位實(shí)施,第一攝像頭實(shí)時(shí)視頻圖像感興趣區(qū)域的角點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)參考圖像如圖3的角點(diǎn)配準(zhǔn),攝像頭1配準(zhǔn)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)偏差平均值x=1.95像素,y=21.17像素。根據(jù)第一攝像頭的標(biāo)定參數(shù),1.25像素=1毫米,計(jì)算可得攝像頭1圖像偏移為17.01毫米,與標(biāo)準(zhǔn)參考圖像擺位的誤差為2.99毫米。第二攝像頭2實(shí)時(shí)視頻圖像感興趣區(qū)域的角點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)參考圖像如圖5所示。第二攝像頭2配準(zhǔn)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)偏差平均值x=55.41像素,y=-2.01像素。根據(jù)第二攝像頭2的標(biāo)定參數(shù),2.76像素=1毫米,計(jì)算可得攝像頭2圖像偏移為19.96毫米,與標(biāo)準(zhǔn)參考圖像擺位的誤差為0.04毫米。第三攝像頭3實(shí)時(shí)視頻圖像感興趣區(qū)域的角點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)參考圖像的角點(diǎn)配準(zhǔn)如圖6所示,攝像頭3配準(zhǔn)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)偏差平均值x=-64.75像素,y=0.127像素。根據(jù)攝像頭3的標(biāo)定參數(shù),3.43像素=1毫米,計(jì)算可得攝像頭3圖像偏移為-18.99毫米,與標(biāo)準(zhǔn)參考圖像擺位的誤差為1.01毫米。根據(jù)三個(gè)攝像頭的擺放位置和它們各自的標(biāo)定參數(shù)計(jì)算出體模的當(dāng)前擺位和標(biāo)準(zhǔn)擺位的偏差為體模向腳方向移動(dòng)的距離和實(shí)際偏移距離最大不超過2.99毫米,并且考慮三個(gè)攝像頭的總體效果,計(jì)算結(jié)果和實(shí)際距離偏差為0.04毫米,證實(shí)本發(fā)明裝置及方法的可行性,到達(dá)實(shí)際應(yīng)用的要求。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。