一種基于立體視覺的呼吸門控系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)字化自動控制領(lǐng)域，具體涉及一種利用立體視覺技術(shù)對病人的呼吸 信號進行采集和分析，并在設(shè)定的閾值處輸出呼吸門控信號的系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在應用醫(yī)學影像設(shè)備(如CT、MRI等）時，由于患者的呼吸運動，通常會在胸腹部成 像時產(chǎn)生呼吸偽影，從而對所成圖像的清晰度產(chǎn)生明顯的影響，由此導致成像質(zhì)量下降，從 而影響了對病灶的診斷。在目前的醫(yī)療影像設(shè)備中，為了解決胸腹部成像偽影問題，通常采 用呼吸門控技術(shù)進行規(guī)避和補償。
[0003] 呼吸門控技術(shù)的原理是通過呼吸監(jiān)控設(shè)備（RPM，RespiratoryPercentMinute) 對呼吸信號進行采集，生成呼吸節(jié)律曲線，并人為設(shè)置閾值，在達到閾值時，會輸出門控信 號，控制醫(yī)學影像設(shè)備的采集開始和結(jié)束，從而達到呼吸門控的目標。目前，呼吸監(jiān)控設(shè)備 RPM沒有標準化，它所輸出的呼吸信號除了振幅信號外，還有可能是相位信號，或能反映肺 的運動周期的其他參數(shù)信號。為了實現(xiàn)呼吸門控，一般醫(yī)學影像設(shè)備需要和內(nèi)部集成或指 定提供的RPM設(shè)備在耦合的狀態(tài)下進行工作。
[0004] 呼吸門控系統(tǒng)按獲取呼吸信號的方式不同，大致可以分為如下三類。
[0005] 1?基于呼吸流量的呼吸門控技術(shù)。
[0006] 該類呼吸門控技術(shù)的基本原理是：通過呼吸流量計或肺活量計等將被檢測到的呼 吸流量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，設(shè)置閾值，由此產(chǎn)生門控信號。
[0007]如申請?zhí)柺?00720005748. 6、名稱為"數(shù)字化主動型呼吸門控系統(tǒng)"的專利中提出 了一種基于呼吸流量的呼吸門控技術(shù)，以及實現(xiàn)該技術(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過與呼吸整合裝 置相連接的呼吸流量計把被檢者呼吸流量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳輸?shù)接嬎銠C上，并根據(jù)檢測 到的潮氣量，通過操作者控制裝置由患者口含的具有單向閥門作用的呼吸器主動控制被檢 者的呼吸。
[0008]又如醫(yī)科大公司（Elekta)的主動呼吸控制系統(tǒng)（ActiveBreathingControl,ABC)，該系統(tǒng)利用帶有活瓣的呼吸導管控制患者呼吸。我們設(shè)定的治療時肺的體積為最大 吸氣量的75%，屏氣的開始和持續(xù)的時間由患者手中的支配活瓣開關(guān)的按鈕控制。患者在治 療時可以通過顯示屏幕看到自己的呼吸信息，當患者看到自己的呼吸深度到達設(shè)定的范圍 時，按下手中的控制按鈕，這時，活瓣將通氣導管關(guān)閉，患者開始屏氣，并讓加速器開始出束 治療。只有當患者的屏氣體積和設(shè)定范圍高度一致時，系統(tǒng)才實施治療。
[0009] 2.基于傳感器(如壓力傳感器、熱敏傳感器等）的呼吸門控技術(shù)。
[0010] 該類呼吸門控技術(shù)的原理是：通過壓力、熱敏等傳感器直接或間接測量由于呼吸 運動產(chǎn)生的信號變化，設(shè)置閾值，由此產(chǎn)生門控信號。
[0011] 如申請?zhí)柺?1205027. 6、名稱為"醫(yī)用X線拍胸腹片曝光控制器"的專利中提出了 一種熱敏電阻式呼吸門控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由熱敏電阻、放大器、采樣保持電路、比較器、單穩(wěn)定 接口組成，利用熱敏電阻作為探頭，放到患者鼻口處，讓患者做幾次深呼或深吸，與探頭相 連的相關(guān)電路保存這幾次深呼或深吸的最大值，操作時，操作者按允許曝光開關(guān)，將取樣電 路保存的最大呼吸信號與實時的呼吸信號比較，一旦實時呼吸信號達到或超過保持的最大 信號，則立刻曝光，拍出最佳的X光片。
[0012] 又如申請?zhí)枮?00810055806. 5、名稱為"一種氣壓式呼吸門控系統(tǒng)"的專利中提出 了一種氣壓式呼吸門控系統(tǒng)。該呼吸門控系統(tǒng)由呼吸腹帶、壓力傳感器、信號處理單元、PC 機等組成，將呼吸腹帶固定在病人的腹部并充氣，病人的呼吸運動會導致呼吸腹帶內(nèi)的氣 壓變化，連接的壓力傳感器能夠?qū)⑦@種氣壓變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)對呼吸信號的采集。
[0013] 3.基于體表特征或標記物的呼吸門控技術(shù)。
[0014] 該類呼吸門控技術(shù)的原理是：通過相機實時采集體表特征或標記物的圖像，利用 圖像處理的方法獲取它們的坐標變化，推算出呼吸信號，設(shè)置閾值，由此產(chǎn)生門控信號。
[0015] 如申請?zhí)枮?00810105863. 4、名稱為"基于腹部體表輪廓線參數(shù)數(shù)字化呼吸門控 信號的方法"的專利中提出了一種體表特征的呼吸門控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的由一臺數(shù)字相機、計 算機組成，利用相機實時采集腹部體表輪廓線，利用圖像處理的方法獲取呼吸信號。
[0016]如美國Varian公司生產(chǎn)的RPM(Real-timePositionManagement)系統(tǒng)是一種 基于體表標記物的呼吸門控系統(tǒng)(鏈接地址：http://www.varian.com/ascns/oncology/ radiation_oncology/clinac/;rpm_;respi;rato;ry_gating.html)，該系統(tǒng)由--臺紅外足艮蹤相 機和計算機組成，利用相機跟蹤放置在病人胸腹部的靶標來測量病人的呼吸運動曲線和運 動幅度，并將這些信息以曲線的方式進行顯示。門控閾值設(shè)置在呼吸運動周期的理想位置 (比如波谷)，這些閾值決定了影像設(shè)備采集的開和關(guān)。
[0017]然而，上述的多重呼吸門控系統(tǒng)均存在不足： 1. 基于呼吸流量的呼吸門控技術(shù)的缺點在于需要病人佩戴口罩等來測量氣流量，其耐 受性較差； 2. 基于壓力傳感器的呼吸門控技術(shù)的缺點在于使用時需要將氣囊束縛在體表，給病人 帶來不適，操作也較復雜，針對老人和兒童操作更為困難； 3. 基于熱敏傳感器的呼吸門控技術(shù)由于要放在病人的口鼻處，容易造成患者間的交叉 感染； 4. 基于體表特征的呼吸門控技術(shù)需要病人將胸腹部全部露出，給病人會帶來隱私方面 的顧慮，對于體表特征不明顯的肥胖者和兒童，門控效果不佳；同時，如基于體表標記物的 美國Varian公司的RPM系統(tǒng)，由于采用單相機進行圖像采集，這對靶標的要求較高，必須由 具有標準間距的多個特征點組成，此外，輸出的呼吸信號只能是二維坐標方向，而實際靶標 運動是三維坐標方向，因而對呼吸運動的分析不夠充分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明要研發(fā)的"一種基于立體視覺的呼吸門控系統(tǒng) 及控制方法"，利用立體視覺技術(shù)，實現(xiàn)具有一種操作方便、可靠、高精度的呼吸門控系統(tǒng)。
[0019] 為了解決上述技術(shù)問題，實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)： 本發(fā)明獲取呼吸信號的方法是立體視覺技術(shù)，即采用兩個或兩個以上的相機搭建的立 體視覺測量系統(tǒng)，對放置在病人胸腹部的靶標進行實時空間（三維）定位，獲取隨時間變化 的體表運動幅度曲線。
[0020] 本發(fā)明的技術(shù)方案包括五個部分，即靶標、立體視覺測量單元、數(shù)據(jù)分析單元、通 信單元、控制單元。該技術(shù)方案的工作流程是：將靶標放置在病人的胸部或腹部，利用立體 視覺測量單元實時跟蹤定位祀標，獲取三維坐標序列，數(shù)據(jù)分析單元對坐標序列處理，獲得 呼吸運動曲線，并在設(shè)定的閾值處產(chǎn)生呼吸門控信號，通信系統(tǒng)負責與醫(yī)學影像設(shè)備交互， 完成呼吸門控信號對醫(yī)學影像設(shè)備的觸發(fā)采集。
[0021] 現(xiàn)有技術(shù)獲取呼吸信號的方法分別是：呼吸流量監(jiān)測技術(shù)，即采用呼吸流量計監(jiān) 測病人的呼吸流量，獲取隨時間變化的呼吸流量強度曲線；傳感器技術(shù)，即采用傳感器將病 人因呼吸運動而帶來氣壓、熱量等變化轉(zhuǎn)換為電信號，獲取隨時間變化的電信號強度曲線； 單目視覺技術(shù)，即采用單個相機采集體表或已放置標記物的體表的圖像，對體表的運動進 行二維監(jiān)測，獲取隨時間變化的體表運動幅度曲線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益 效果： 1. 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單：在硬件方面，本發(fā)明只需要兩臺普通分辨率的數(shù)字相機、一臺計 算機或單片機處理器、機械支持結(jié)構(gòu)等組成； 2. 本發(fā)明精度高、可靠性高：本發(fā)明采用了立體視覺技術(shù)，能夠給出靶標的空間坐標， 呼吸運行信號的采集更加貼近實際狀態(tài)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析后給出的呼吸門控信號更加準確； 3. 本發(fā)明易于操作：在操作方面，將靶標放置在胸腹部的任何位置，立體視覺測量單元 在保證靶標落入測量范圍的情況下，位置可任意放置，保證了操作靈活性和簡便性。
[0022] 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。 本發(fā)明的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細給出。本發(fā)明多處僅僅對做出改進的