CN106730422A - 一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法 - Google Patents

一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法。肿瘤放射治疗的精确实施要求在多次进行放射治疗时，病人的***始终与治疗计划时保持一致。为了实现该目的，通常会使用负压袋等***固定装置来辅助固定患者***。但是在实际操作中，由于患者的移动、体形变化等因素，易使得***固定装置与患者之间存在偏差，从而导致治疗时的患者***与计划时不相符，进而影响放射治疗的精确实施。针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是找到一种能够快速反馈放射治疗摆位中人与***固定装置偏差的方法。

Description

一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装 置偏差的方法
技术领域
本发明公开一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法。
背景技术
肿瘤放射治疗的精确实施要求在多次进行放射治疗时，病人的***始终与治疗计划时保持一致。为了实现该目的，通常会使用负压袋等***固定装置来辅助固定患者***。
但是在实际操作中，由于患者的移动、体形变化等因素，易使得***固定装置与患者之间存在偏差，从而导致治疗时的患者***与计划时不相符，进而影响放射治疗的精确实施。
鉴于上述问题，有必要找到一种能够快速反馈放射治疗摆位中人与***固定装置偏差的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是找到一种能够快速反馈放射治疗摆位中人与***固定装置偏差的方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，包括体表扫描模块、***固定装置配准模块和监控显示模块。
体表扫描模块包括高精度红外监控设备和体表扫描辅助设备。
***固定装置配准模块包括***固定装置及固定于其上的定位标识工具。
监控显示模块包括计算机软件，计算机软件可进行插值、匹配、计算、显示操作。
本发明揭示了一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，包括如下步骤：
S1：使用***固定装置固定患者***，并在***固定装置上固定多个定位标识工具；
在本发明的至少一个实施例中，所述***固定装置上固定的定位标识工具个数优选为3个。
在本发明的至少一个实施例中，所述定位标识工具是可被所述高精度红外监控设备识别的定位小球，但是所述领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用其他具有明显红外特征的材质制成的其他形状标记物体代替所述的定位小球。因此类似的技术方案也没有超过本发明所公开并要求保护的范围。
S2：通过计算机断层图像扫描工具，扫描得到患者带***固定装置及固定于其上的定位标识工具的计算机断层图像，并传输给计算机。
S3：在计算机上勾画出定位标识工具的轮廓，计算并记录其在计算机断层图像坐标系下的坐标集合X和患者体表数据f′。
S4：让患者深吸一口气至最大状态，开启高精度红外监控设备，应用体表扫描辅助设备扫描并记录此时的体表；
在本发明的至少一个实施例中，所述体表扫描辅助设备是用多个定位标识工具串联制成的。
进一步地，所述体表扫描辅助设备中的定位标识工具是可被所述高精度红外监控设备识别的定位小球，但是所述领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用其他具有明显红外特征的材质制成的其他形状标记物体代替所述的定位小球。因此类似的技术方案也没有超过本发明所公开并要求保护的范围。
优选地，所述体表扫描辅助设备的定位标识工具个数为7个，以保证其配合高精度红外监控设备使用扫描得到的体表能够较完整地描绘整个体表形态变化。如果采用不足7个定位标识工具，会影响定位精度，超过7个定位标识工具，虽然能提高精确度，但是计算复杂度提高太多，从实际应用上不值得。
S5：让患者呼尽一口气至最大状态，应用体表扫描辅助设备扫描并记录此时的体表；
S6：计算机根据由S4、S5得到的2组体表线性插值得到N个不同呼吸时相下的体表，该N个时相下的体表集合记为F，F中包含的N组体表，分别记为f1，f2，……，fN。
在本发明的至少一个实施例中，所述通过线性插值得到的不同呼吸时相下的体表个数N优选为10个。若少于10个，则不能全面描述体表因呼吸运动所造成的类周期性变化，若多于10个，虽然呼吸运动引起的体表的类周期性变化得到更精确的描述，但计算复杂度提高太多，从实际应用上不值得。
S7：高精度红外监控设备测量得到固定于***固定装置上的定位标识工具的坐标集合Y，并传输给计算机；
在本发明的至少一个实施例中，所述***固定装置上的定位标识工具是可被所述高精度红外监控设备识别的定位小球，但是所述领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用其他具有明显红外特征的材质制成的其他形状标记物体代替所述的定位小球。因此类似的技术方案也没有超过本发明所公开并要求保护的范围。
S8：计算机接收S7测量得到的***固定装置上的定位标识工具在高精度红外坐标系下的三维位置坐标集合Y，结合S3记录的所述***固定装置上的定位标识工具在计算机断层图像坐标系下的三维位置坐标集合X，配准、计算得到高精度红外坐标系到计算机断层扫描图像坐标系的转换矩阵TY-X。
S9：利用S8求得的转换矩阵TY-X将S6中获得的N个时相下的体表集合F转换到计算机断层图像坐标系下，获得对应的体表集合记为C，C中包含的N组体表分别记为C1，C2……CN。
S10：优化查找求得C中各呼吸时相下的体表C1，C2，……，CN分别与f’最匹配的转换矩阵P1，P2，……，PN，该转换矩阵集合记为P，及这些转换矩阵分别作用于对应体表后所得到的变换后的体表C1′，C2′，……，CN′，该体表集合记为C′。
在本发明的至少一个实施例中，所述优化查找的方法是单纯形优化算法。但是所述领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用其他的优化算法代替所述单纯形优化算法。因此类似的技术方案也没有超过本发明所公开要求保护的范围。
在本发明的至少一个实施例中，所述匹配评估方法是欧式距离变换算法。但是所述领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用其他的匹配评估算法代替所述欧式距离变换算法。因此类似的技术方案也没有超过本发明所公开要求保护的范围。
S11：优化查找S10变换后的体表C1′，C2′，……，CN′中与计算机断层图像记录的人体体表f′最相似的体表形状Ci′，该Ci′所对应的转换矩阵Pi(Pi∈P)即为所求的偏差矩阵。
进一步地，所述最相似的体表形状的判断依据是S10中Ci′(i∈{0，1……N})各点在距离变换空间中与f’最近点间的距离分布的方差最小。方差计算公式是∑j(Vij-μi)2，其中Vij是Ci′上每一个点在欧式距离变换空间中的值，μi是所有Vij的均值。
进一步地，所述转换矩阵Pi(Pi∈P)均为4×4矩阵，包含三个旋转误差和三个平移误差。该矩阵可以表示为
其中θ、γ为旋转误差参数，Tx、Ty、Tz为平移误差参数。
本发明的有效益果在于：给出了一套易于实践的衡量人与***固定装置偏差的方法，摆脱了过去医生仅凭经验，无法定量衡量人与***固定装置偏差的窘境。
附图说明
图1是体表扫描辅助设备示意图。
图2是治疗中使用体表扫描辅助设备扫描人体示意图。
图3是二维距离变换空间体表优化平面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
使用***固定装置固定患者***，并在***固定装置上固定多个定位标识工具，通过计算机断层图像扫描工具，扫描得到患者带***固定装置及固定于其上的定位标识工具的计算机断层图像，并传输给计算机。在计算机上勾画出定位标识工具的轮廓，计算并记录其在计算机断层图像坐标系下的坐标集合X和患者体表数据f′。
在本发明的至少一个实施例中，所述***固定装置上固定的定位标识工具个数优选为3个
参考图1，所示体表扫描辅助设备是由多个定位标识工具串联制成的，所述定位标识工具是可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球。红外定位小球表面覆盖一层能够反射绝大部分入射红外光线的材料。高精度红外监控设备发射红外光被小球反射回来，监控设备接收反射回来的红外光线，分析数据计算得到小球的三维位置坐标，实现了监控定位标识工具的目的。在该图所示实施例中，所示体表扫描辅助设备上的定位标识工具的个数是优选个数——7个。
参考图2，所示体表扫描辅助设备是由多个定位标识工具串联制成。在该图所示实施例中，所示***固定装置是负压袋。***固定装置上的定位标识工具是可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球。红外定位小球表面覆盖一层能够反射绝大部分入射红外光线的材料。高精度红外监控设备发射红外光被小球反射回来，监控设备接收反射回来的红外光线，分析数据计算得到小球的三维位置坐标，实现了监控定位标识工具的目的。在该图所示实施例中，体表扫描辅助设备上定位标识工具一共有7个，***固定装置上定位标识工具一共有3个。
参考图2，让患者深吸气至最大状态并保持该状态不变，医生两只手各拎体表扫描辅助设备的一头，让定位标识工具紧贴人体，保持串联带光滑、松弛，在感兴趣部位的体表上匀速刷过，在使用体表扫描辅助设备刷感兴趣区域体表的过程中，要求高精度红外监控设备实时测量并记录体表扫描辅助设备上各定位标识工具的坐标并传输到计算机中，最终在计算机中得到并显示一组吸气至最大状态下感兴趣区域的体表；
让患者呼气至最大状态并保持该状态不变，重复操作体表扫描辅助设备，最终在计算机中得到并显示一组呼气至最大状态下感兴趣部位的体表；
参考图2，高精度红外监控设备测量得到固定于***固定装置上的定位标识工具的坐标集合Y，并传输给计算机。结合已获得的该多个定位标识工具在计算机断层图像坐标系下的坐标集合X，配准、计算得到高精度红外坐标系到计算机断层扫描图像坐标系的转换矩阵TY-X。
利用图2所示操作获取的吸气到最大状态、呼气到最大状态的2组体表线性插值得到N个不同呼吸时相下的体表，该N个时相下的体表集合记为F，F中包含的N组体表，分别记为f1，f2，……，fN。
在本发明的至少一个实施例中，所述通过线性插值得到的不同呼吸时相下的体表个数N优选为10个。若少于10个，则不能全面描述体表因呼吸运动所造成的类周期性变化，若多于10个，虽然呼吸运动引起的体表的类周期性变化得到更精确的描述，但计算复杂度提高太多，从实际应用上不值得。
通过将高精度红外坐标系到计算机断层扫描图像坐标系的转换矩阵TY-X分别作用于f1，f2，……，fN得到的在计算机断层扫描图像坐标系下的各呼吸时相下的体表C1，C2，……，CN，记为集合C。
参考图3，粗线条代表由计算机断层图像坐标系下的人体体表f′，细线条代表计算机断层图像坐标系下待匹配体表C1，C2，……，CN，方格中的数字代表距离变换空间中该点与f′所有点的距离中的最小值。该图所示是二维距离变换空间。在本发明的至少一个实施例中，所述距离变换空间是三维，可由图3示例推广至三维得到。
以在距离变换空间中所有点距离和最小为目标进行优化查找，求得C中各呼吸时相下的体表C1，C2，……，CN分别与f’最匹配的转换矩阵P1，P2，……，PN，该转换矩阵集合记为P，及这些转换矩阵分别作用于对应体表后所得到的变换后的体表C1′，C2′，……，CN′，该体表集合记为C′。本发明所期望得到的描述人与***固定装置偏差的矩阵存在于矩阵集合P中。在本轮的优化查找中，我们以Ck′(k＝1，2，…，N)上所有点距离和最小作为目标函数，但是不能保证在距离和最小的情况下Ck′与f′形状最相似。
在本发明的至少一个实施例中，所述优化查找的方法是单纯形优化算法。但是所述领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用其他的优化算法代替所述单纯形优化算法。因此类似的技术方案也没有超过本发明所公开要求保护的范围。
在本发明的至少一个实施例中，所述匹配评估方法是欧式距离变换算法。但是所述领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用其他的匹配评估算法代替所述欧式距离变换算法。因此类似的技术方案也没有超过本发明所公开要求保护的范围。
为从P1，P2，……，PN中筛选出排除呼吸作用影响的人与***固定装置间的偏差，需要从该各转换矩阵所对应的呼吸时相体表C1′，C2′，……，CN′中找到与f′形状最接近的体表，即找到了最接近于计算机断层图像扫描时的呼吸时相。该操作为：利用方差优化查找变换后的体表C1′，C2′，……，CN′中与计算机断层图像记录的人体体表f′最相似的体表形状Ci′。所述最相似的体表形状的判断依据是Ci′(i∈{0，1……N})各点在距离变换空间中与f’距离最近点间的距离分布的方差和最小。方差公式：∑j(Vij-μi)2，其中Vij是Ci′上每一个点在欧式距离变换空间中的值，μi是所有Vij的均值。经过第二轮优化查找，找到与f′形状最相似的Ci′，因而可以认为Ci′对应的Pi(Pi∈P)即包含所求的人与***固定装置间的偏差。

Claims (10)

1.本发明公开一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，其特征在于：所述方法包括体表扫描模块、***固定装置配准模块和监控显示模块；
所述体表扫描模块包括高精度红外监控设备和体表扫描辅助设备；
所述***固定装置配准模块包括***固定装置及固定于其上的定位标识工具；
所述监控显示模块包括计算机软件，计算机软件可进行插值、匹配、计算、显示操作。
2.如权利要求1所述的一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，其特征在于，所述体表扫描模块中的体表扫描辅助设备是由多个定位标识工具串联制成的。
3.如权利要求2所述的一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，其特征在于，所述定位标识工具是可被所述高精度红外监控设备识别的定位小球，个数优选为7个。
4.如权利要求1所述的一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，其特征在于，所述***固定装置配准模块中的固定于***固定装置上的定位标识工具是可被所述高精度红外监控设备识别的定位小球。
5.如权利要求1所述的一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使用***固定装置固定患者***，并在***固定装置上固定多个定位标识工具；(2)通过计算机断层图像扫描工具，扫描得到患者带***固定装置及固定于其上的定位标识工具的计算机断层图像，并传输给计算机；(3)在计算机上勾画出定位标识工具的轮廓，计算并记录其在计算机断层图像坐标系下的坐标集合X和患者体表数据f′。
6.如权利要求5所述的一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，其特征在于，所述固定于***固定装置上的定位标识工具数量优选为3个。
7.如权利要求1所述的一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)让患者分别保持呼气至最大状态和吸气至最大状态，开启高精度红外监控设备，应用体表扫描辅助设备扫描并记录这两个状态时的体表；(2)计算机根据获得的两个状态下的体表，线性插值得到多个不同呼吸时相下的体表，该多个时相下的体表集合记为F，F中包含的N组体表，分别记为f1，f2，……，fN。
8.如权利要求7所述的一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，其特征在于，所述线性插值得到多个不同呼吸时相下的体表个数优选为10个。
9.如权利要求1所述的一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)高精度红外监控设备测量得到固定于***固定装置上的定位标识工具的坐标集合Y，并传输给计算机；(2)计算机接收坐标集合Y，结合计算机断层图像坐标系下的固定于***固定装置上的定位标识工具的三维位置坐标集合X，配准、计算得到高精度红外坐标系到计算机断层扫描图像坐标系的转换矩阵TY-X。
10.如权利要求1所述的一种基于红外引导下的放射治疗摆位中测量人与***固定装置偏差的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用高精度红外坐标系到计算机断层扫描图像坐标系的转换矩阵TY-X将高精度红外坐标系下多个不同时相的体表集合F转换到计算机断层图像坐标系下，获得对应的体表集合记为C，C中包含的N组体表分别记为C1，C2……CN；(2)优化查找使得体表C1，C2，……，CN分别与计算机断层图像记录的人体体表f’最匹配的转换矩阵P1，P2，……，PN，该转换矩阵集合记为P，及这些转换矩阵分别作用于对应体表后所得到的变换后的体表C1′，C2′，……，CN′，该体表集合记为C′；(3)优化查找变换后的体表C1′，C2′，……，CN′中与计算机断层图像记录的人体体表f′最相似的体表形状Ci′，该Ci′所对应的转换矩阵Pi(Pi∈P)即为所求偏差矩阵。
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Application publication date: 20170531

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