CN103055430B - 一种基于红外引导的精确定位跟踪方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种基于红外引导的精确定位跟踪方法和系统，该方法和系统由影像导入模块，数据采集和查看模块，定位和跟踪工具制作模块，影像融合和配准模块和影像实时跟踪模块五大模块组成。通过使用该方法和系统中的模板和参数可针对具体的人体部位自行设计跟踪工具，提供了一种灵活并较全面的人机交互接口，本发明提高了定位的精度，同时可以提供实时跟踪，具有精度高、可操控性强、实时性好、简便易行的特点。

Description

一种基于红外引导的精确定位跟踪方法和系统

技术领域

本发明涉及放射治疗中病人摆位和靶区定位跟踪的方法和系统。

背景技术

随着放射治疗技术的发展，肿瘤放疗已经进入到“精确定位，精确计划设计，精确治疗”的阶段，精确放疗技术使得在肿瘤治疗上实现高精度，高剂量，高疗效和低损伤的现代放疗模式逐步成为现实。放疗摆位是放疗计划执行过程中一个重要环节。临床实践中，由于日常摆位不确定和患者器官移动引起的治疗中靶区位置和靶区体积变化等因素会给治疗带来很大的误差，甚至对患者造成难以弥补的损伤。同时在患者接受分次治疗的过程中,由于呼吸运动会导致身体治疗部位的位置和形状可能发生变化,也是影响精确治疗的关键因素之一。

对于摆位的实施，国内目前使用的摆位方法多是依靠医生的临床经验来定性确定的，还没有定量的依据，如使用面罩、身体定位框，通过在框上画标记或在身体上画标记，然后用激光交汇法来对准；采集MV级X射线和KV级X射线图像验证；在病人体内植入标记点或电磁波装置。采用激光灯定位精度差，摆位时间较长，无法满足精确放疗快速、高精度的摆位要求，通过图像的采集验证摆位需要相应的硬件支持，并且会给病人带来额外的附加照射剂量，植入式标记点，电磁波信号采集装置等用于摆位定位虽然可以提高精度，但会对病人带来附加的损伤和不适。

对呼吸运动的检测可通过跟踪测量与呼吸运动相关的物理参数的变化来实现。这些变化的物理量可以是人体内部器官或是标记点的几何位置，也可以是呼吸运动引起的体表标志的几何位置，应用于临床的有X射线透视、呼吸气流量检测、体表标志点摄像检测、腹带检测。X射线透视法会使病人接受更多的射线，另外对软组织部位肿瘤靶区，需要植入X射线可见的金属标记点才能进行跟踪，会给病人带来额外的损伤和痛苦。呼吸气流量检测方法需要限制病人呼吸，病人舒适度受到影响，同时因病人的呼吸常存在不确定的存气量，也会影响呼吸时相的判断的准确性。腹带检测方法中腹带的松紧度会影响甚至会改变病人的呼吸方式，从而影响测量精度。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的定位精度不高，跟踪效果差的问题，提供一种基于红外的精确定位跟踪方法和系统，能够实现无损，精确，实时定位和检测。

本发明技术解决方案：一种基于红外引导的精确定位跟踪方法，其特征实现步骤如下：

（1）将人体的影像数据导入到红外定位跟踪系统中，并显示影像数据的大小和位置信息；

（2）在步骤（1）中获得的人体影像数据上加载采集得到的红外标记位置信息；

（3）基于步骤（1）中的人体影像数据和步骤（2）中的红外标记位置信息，根据红外的位置信息自动给出工具模板库，进行制作主动或被动的定位跟踪工具，计算标记部位的空间信息；

（4）基于步骤（3）中的定位跟踪工具，能够进行定位和跟踪两种呼吸模式下的定位和跟踪功能；

（5）根据步骤（4）中呼吸模式的选择“定位”，利用步骤（3）中得到的空间信息和人体的影像数据信息进行配准，得到人体定位的偏移量；根据步骤（4）中呼吸模式的选择“跟踪”，利用步骤（3）中得到的空间信息直接输出偏移量，对人体的影像数据位置进行跟踪。

一种基于红外引导的精确定位跟踪系统，其特征包括：

影像导入模块，用于将人体的影像数据导入到红外定位跟踪系统中，并显示影像数据的大小和位置信息；

数据采集和查看模块，用于采集红外标记位置信息，并将之加载到由影像导入模块获得的人体影像数据上；

定位和跟踪工具制作模块，利用影像导入模块和数据采集和查看模块得到的信息，根据不同的治疗部位，设置定位和跟踪工具的形状，所需要的红外标记的数量和位置，自动给出工具模板库，制作主动或被动的定位跟踪工具，计算标记部位的空间信息；

影像融合和配准模块，利用定位和跟踪工具制作模块得到的定位跟踪工具的位置信息，将当前的位置信息和上一次的位置信息进行比较和配准，从而得到影像位置偏移的空间位置信息；

影像实时跟踪模块，利用定位和跟踪工具制作模块得到的定位跟踪工具的位置信息，实时准确地获取定位跟踪工具位置信息，并提供位置信息实时的显示和自动量化分析功能。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提出的红外实时定位跟踪系统利用红外定位中的红外摄像原理，可以进行位置检测，能够做到无损，精确，实时，可以根据红外标记位置信息，自动给出工具模板库进行匹配，进行制作主动或被动的定位跟踪工具。同时提供定位和跟踪两种模式下的位置检测。该方法检测精度高，系统构成和操作简单，病人可以自由呼吸，具有较好的舒适度，因此可以将其用在精确放疗之前的摆位验证，在治疗过程中，红外设备通过识别和记录主动标记点和被动标记点的运动从而对靶区运动进行实时跟踪检测，通过使用红外引导实时跟踪定位系统在线或离线指导摆位误差的修正，可以提高摆位的精度，减少摆位的不确定性，在维持或提高肿瘤控制率的同时，减少周围正常组织的照射，从而达到指导临床的目的。

附图说明

图1是本发明方法实现流程图；

图2是本发明系统的组成框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明定位方法具体实现如下：

（1）将人体的影像数据，如CT，MRI，PET等导入到红外定位跟踪系统中，并显示影像数据的大小和位置信息；

（2）在步骤（1）中获得的人体影像数据上，采集得到的红外标记位置信息，记录红外线发射和接收器得到的主动定位小球和被动定位小球的位置信息,通过红外线与定位小球相连，将红外定位跟踪系统的输出与计算机的输入相连,并将计算机的输出进行存储用于后续传输。通过接收测试区域的红外线，红外传感器反馈附着有红外反光小球工具的位置和方向的变化。将转换的数据和信息的标准输出给红外定位跟踪系统；

具体采集步骤如下：

a)放置红外传感器，确保它的测量范围覆盖所需的应用区域。如果单个传感器无法完全覆盖，可以考虑多个传感器串联来扩大测量范围。

b)将红外传感器连接到红外定位跟踪系统进行初始化设置。进行系统运行参数设定。例如：数据的显示类型，主机与系统控制单元的连接方式，标记点的数量等等。系统控制单元可以采集特征测量空间内红外标记点的坐标。

c)将红外标记点贴附在被测量部位上，放置在特征测量空间内。通过开关启动命令来开始捕捉被测量部位的运动。

d)开始命令一发出，按照系统控制单元的指令，标识点反射红外光，红外传感器侦测到红外标记点的发光。红外传感器将侦测到的标识点的坐标发送给系统控制单元，并由系统控制单元处理原始数据后发送给主机。

e)当软件发出停止命令时，数据采集停止。

（3）基于步骤（1）中的人体影像数据和步骤（2）中的红外标记位置信息，制作主动或被动的定位跟踪工具，计算标记部位的空间信息，将定位跟踪工具贴附在被测量部位上，放置在特征测量空间内。通过开关启动命令来开始捕捉被测量部位的运动；

（4）根据呼吸模式的选择为“定位”，利用步骤（3）中得到的空间信息和和人体的影像数据信息进行配准，得到人体定位的偏移量，将人体当前的位置信息和之前计划中的位置信息进行比较，并采用金字塔多分辨率互信息配准方法和标记点配准方法进行多模影像的配准，从而得到配准后影像的位置信息和偏移的误差信息；

（5）根据呼吸模式的选择为“跟踪”，利用步骤（3）中得到的空间信息直接输出偏移量，对人体的影像数据位置进行跟踪，实时准确地获取人体呼吸的时间节律，不同呼吸时相的呼吸运动的幅度等信息。

如图2所示，本发明中的基于红外引导的精确定位跟踪系统，包括：

影像导入模块，用于将人体的影像数据（如CT，MRI，PET等）导入到红外定位跟踪系统中，并显示影像数据的大小和位置信息；

数据采集和查看模块，用于采集红外标记位置信息，并将之加载到由影像导入模块获得的人体影像数据上，记录红外线发射和接收器得到的主动定位小球和被动定位小球的位置信息,通过红外线与定位小球相连，将红外定位跟踪系统的输出与计算机的输入相连,并将计算机的输出进行存储用于后续传输，接收测试区域的红外线，红外传感器反馈附着有红外反光小球工具的位置和方向的变化，将转换的数据和信息的标准输出给红外定位跟踪系统；

定位和跟踪工具制作模块，利用影像导入模块和数据采集和查看模块得到的信息，根据不同的治疗部位，设置定位和跟踪工具的形状，所需要的红外标记的数量和位置，制作主动或被动的定位跟踪工具，计算标记部位的空间信息；

影像融合和配准模块，利用定位和跟踪工具制作模块得到的定位跟踪工具的位置信息，将当前的位置信息和上一次的位置信息进行比较和配准，从而得到影像位置偏移的空间位置信息，将人体当前的位置信息和之前计划中的位置信息进行比较，并采用金字塔多分辨率互信息配准方法和标记点配准方法进行多模影像的配准，从而得到配准后影像的位置信息和偏移的误差信息；

影像实时跟踪模块，利用定位和跟踪工具制作模块得到的定位跟踪工具的位置信息，实时准确地获取定位跟踪工具位置信息，并提供位置信息实时的显示和自动量化分析。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于红外引导的精确定位跟踪方法，其特征在于，实现步骤如下：

(1)将人体的影像数据导入到红外定位跟踪系统中，并显示影像数据的大小和位置信息；

(2)在步骤(1)中获得的人体影像数据上加载采集得到的红外标记位置信息，且在采集过程中将红外标记点贴附在被测量部位上，放置在特征测量空间内；

(3)基于步骤(1)中的人体影像数据和步骤(2)中的红外标记位置信息，根据红外标记的位置信息自动给出工具模板库，进行制作主动或被动定位跟踪工具，计算标记部位的空间信息，将定位跟踪工具贴附在被测量部位上，放置在特征测量空间内；

(4)基于步骤(3)中的定位跟踪工具，能够进行定位和跟踪两种呼吸模式下的定位和跟踪功能；

(5)根据步骤(4)中呼吸模式的选择“定位”，利用步骤(3)中得到的空间信息和人体的影像数据信息进行配准，得到人体定位的偏移量；根据步骤(4)中呼吸模式的选择“跟踪”，利用步骤(3)中得到的空间信息直接输出偏移量，对人体的影像数据位置进行跟踪。

2.一种基于红外引导的精确定位跟踪系统，其特征包括：

影像导入模块，用于将人体的影像数据导入到红外定位跟踪系统中，并显示影像数据的大小和位置信息；

数据采集和查看模块，用于采集红外标记位置信息，且在采集过程中将红外标记点贴附在被测量部位上，放置在特征测量空间内，并将红外标记位置信息 加载到由影像导入模块获得的人体影像数据上；定位和跟踪工具制作模块，利用影像导入模块得到的人体影像数据及数据采集和查看模块得到的红外标记位置信息，根据不同的治疗部位，设置定位和跟踪工具的形状，所需要的红外标记的数量和位置，自动给出工具模板库，制作主动或被动的定位跟踪工具，计算标记部位的空间信息，其中定位跟踪工具被贴在被测量部位上，放置在特征测量空间内；

影像融合和配准模块，利用定位和跟踪工具制作模块得到的定位跟踪工具的位置信息，将当前的位置信息和上一次的位置信息进行比较和配准，从而得到影像位置偏移的空间位置信息；

影像实时跟踪模块，利用定位和跟踪工具制作模块得到的定位跟踪工具的位置信息，实时准确地获取定位跟踪工具位置信息，并提供位置信息实时的显示和自动量化分析功能。