CN103099630B - 肿瘤放射治疗中靶器官的定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明是医疗设备领域内的一种肿瘤放射治疗中靶器官的定位方法，由下述步骤组成：第一步，Ｃ形臂置于六自由度的机器人手臂上，Ｘ射线源与Ｘ射线接收器分别固定于Ｃ形臂的两端；第二步，在患者体表放置应变片，获得患者的呼吸运动随时间变化的幅度图；第三步，获取第一幅患者靶器官金标的Ｘ射线图像，再调整Ｃ形臂的位置，于相同的呼吸相位上进行第二次放射，获取第二幅图像；第四步，计算出患者体内金标的空间坐标，从而实现对靶器官的定位。本发明提供的肿瘤放射治疗中靶器官的定位方法，操作方便，能够更好的反映患者体内靶器官的三维位置信息，并可以对靶器官的运动进行定位跟踪。

Description

肿瘤放射治疗中靶器官的定位装置

技术领域：

本发明涉及医疗设备领域，具体是一种肿瘤放射治疗中靶器官的定位方法。

背景技术：

放射治疗是进行肿瘤治疗的重要手段之一。肿瘤放射治疗的目的是给肿瘤靶区最大的治疗剂量，而使肿瘤周围的正常组织和器官吸收的照射剂量最小，从而提高肿瘤的局部控制率，减少正常组织的并发症。因此，放射治疗必须做到“精确诊断、精确设计、精确定位、精确治疗”。 现有技术对靶器官的定位，大多都是通过在该器官组织上植入金标，用对金标的定位方法来完成对靶器官组织的定位。美国Accuray公司的CyberKnife系统和德国BraiLab公司的Novalis系统中，对靶器官组织定位是将两个X射线源固定于治疗室的天花板上，两个X射线接收器放置于地上的某个位置，Ｘ射线源和接收器的位置必须保证两束Ｘ射线在靶器官目标组织处正交。定位过程是通过将患者初始定位CT重建的数字影像DDR与两个射线方向的图像进行融合，从而得到靶器官金标的位置信息。对金标的植入有严格的要求，才能得到合格的X射线图像。该方法X射线源和X射线接收器固定，两个X射线的投影方向固定，不利于更好的反映患者体内金标的三维位置信息。

对于受呼吸动作影响较大的器官，如肺、肝、胰等，其形状、体积和位置都有一定的变化，在定位的时候就必须考虑呼吸运动对靶器官位置的影响。 

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有技术X射线源和X射线接收器固定，不能对靶器官的运动进行定位跟踪的缺陷，提供一种操作方便，能够更好的反映患者体内靶器官的三维位置信息，并可以对靶器官的运动进行定位跟踪的肿瘤放射治疗中靶器官的定位方法。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的： 

本发明的肿瘤放射治疗中靶器官的定位方法其特征在于由下述步骤组成：第一步，Ｃ形臂（1）置于六自由度的机器人手臂（3）上，Ｘ射线源（4）与Ｘ射线接收器（5）分别固定于Ｃ形臂（1）的两端，用于产生靶器官的Ｘ射线图像；第二步，靶器官已植入金标的患者（6）置于数控治疗床（7）上，在患者（6）体表放置应变片，应变片随患者（6）的呼吸动作发生相应的形变，产生相应的电信号，处理后获得患者（6）的呼吸运动随时间变化的幅度图；第三步，将Ｃ形臂置于合适的位置，Ｘ射线源（4）放射Ｘ射线，在Ｘ射线接收器（5）上获取第一幅患者（6）靶器官金标的Ｘ射线图像，保存图像信息，再调整Ｃ形臂到与第一次放射方向正交的位置，于患者（6）第一次放射时相同的呼吸相位上进行第二次放射，获取第二幅患者（6）靶器官金标的Ｘ射线图像，保存图像信息；第四步，对患者（6）第一幅和第二幅Ｘ射线图像进行图像处理，得到已植入患者（6）体内的金标在第一幅和第二幅图像上的平面坐标，再加上两次放射对应的机器人手臂（3）末端的空间坐标、两次放射对应的机器人手臂（3）末端的旋转角度、两次放射对应的Ｃ形臂沿着导轨划动的角度和C形臂的半径，计算出患者（6）体内金标的空间坐标，从而实现对靶器官的定位。     

上述方案中，所述第四步中，得到已植入患者（6）体内的金标在第一幅和第二幅图像上的平面坐标，分别为x₀、y₀和x₁、y₁，两次放射对应的机器人手臂（3）末端的位置坐标分别为x_a、y_a、z_a和x_b、y_b、z_b，两次放射对应的机器人手臂（3）末端的旋转角度分别为θ₀和θ₁，两次放射对应的机器人手臂3末端沿C形臂导轨划动的角度分别为α₀和α₁，C形臂的半径为R，代入下述公式，分别得到两次放射对应的X射线源（4）的空间坐标x_sa、y_sa、z_sa 和x_sb、y_sb、z_sb，两次放射对应的金标在Ｘ射线接收器（5）上投影点的空间坐标x_fa、y_fa、z_fa和x_fb、y_fb、z_fb：

其中

和

称为绕z轴的旋转矩阵；

和

称为绕x轴的旋转矩阵；

再代入下述公式，得到患者（6）体内金标的空间坐标x、y、z：

为了方便表达，可令

所以求解的方程可表示为

由Gauss消去法解得

。

上述方案中，所述肿瘤放射治疗中靶器官的定位方法所用装置由六维自由度机器人（2）、Ｃ形臂（1）、数控治疗床（7）组成，其中，Ｃ形臂（1）置于六自由度的机器人手臂（3）上，Ｘ射线源（4）与Ｘ射线接收器（5）分别固定于Ｃ形臂（1）的两端，用于产生靶器官的Ｘ射线图像；应变片放置在患者（6）体表上，应变片随患者（6）的呼吸动作发生相应的形变，产生相应的电信号，处理后获得患者（6）的呼吸运动随时间变化的幅度图。 

本发明的肿瘤放射治疗中靶器官的定位方法可用在各种高低能同位素放射源和X射线源的放射治疗系统中，特别是用于机器人放射治疗系统。其优点在于本发明采用六维自由度机器人手臂和C形臂来改变X射线的投射方向，C形臂能够分别围绕待测目标体的轴线方向旋转和移动，使其能够灵活的选择最佳的X射线的投射方向，为得到更准确的靶器官位置信息提供基础。克服了现有的靶器官定位方法中X射线方向相对固定、对金标的植入有严格要求的缺陷，更好的反应了患者体内靶器官的准确位置信息。 

根据本发明采用装置的结构和组成特点，发明人设计出了配准靶器官金标定位的算法，能够迅速计算出金标的空间位置。 

由于肺、肝、胰、肾等器官受呼吸作用其位置会发生明显的变化，因此不同个体患者的呼吸运动必须个体化加以检测，才能实现不同患者靶器官的运动定位。本发明采用应变片的方法来跟踪患者的呼吸运动，解决了受呼吸运动影响较大的器官的靶器官金标定位的问题，即在患者体表放置一定数量的应变片，当呼吸运动时，应变片发生相应的形变，产生相应的电信号，处理这些信号后获得呼吸相位幅度，实现对患者呼吸运动引起的靶器官运动进行跟踪。 

由于连续不断对患者进行X射线的投射，将会导致患者吸收的X射线的剂量过量而损害正常组织，因此，本发明采用周期性的追踪金标的方式，即每隔一定的时间，对患者体内的金标进行一次定位，为治疗提供保证。 

本发明还为整个放射治疗系统中呼吸追踪系统提供了保证，为后续治疗过程中实时追踪打下了基础。 

因此，本发明克服了现有技术X射线源和X射线接收器固定，不能对靶器官的运动进行定位跟踪的缺陷，提供的肿瘤放射治疗中靶器官的定位方法，操作方便，能够更好的反映患者体内靶器官的三维位置信息，并可以对靶器官的运动进行定位跟踪。 

附图说明：

图1是本发明的装置示意图。

图2是本发明A，B两个成像位置点的数学模型示意图。 

图3是本发明的金标投影在X射线图像中的坐标图。 

图4是本发明的呼吸运动随时间变化的示意图。 

图5是本发明的C形臂第一个投影时的运动情况示意图。 

图6是本发明的C形臂第二个投影时的运动情况示意图。 

附图中，各数字的含义为：1：C形臂，2：机器人，3：机器人手臂，4：X射线源，5：X射线接收器，6：患者，7：数控治疗床，8：治疗床升降转轴，O：患者体内金标的空间位置，Sa：第一次投影过程中X射线源的空间位置，Oa：患者体内金标第一次投影在X射线接收器上的投影点，Sb：第二次投影过程中X射线源的空间位置, Ob：患者体内金标第二次投影在X射线接收器上的投影点，Ia：金标投影到X射线接收器5所形成的图像中坐标位置。 

具体实施方式：

下面结合附图及实施例进一步详述本发明，但本发明不仅限于所述实施例。

实施例一 

本例的肿瘤放射治疗中靶器官的定位方法如图1所示，其特征在于由下述步骤组成：第一步，Ｃ形臂1置于六自由度的机器人手臂3上，Ｘ射线源4与Ｘ射线接收器5分别固定于Ｃ形臂1的两端，用于产生靶器官的Ｘ射线图像；第二步，靶器官已植入金标的患者6置于数控治疗床7上，在患者6体表放置应变片，应变片随患者6的呼吸动作发生相应的形变，产生相应的电信号，处理后获得患者6的呼吸运动随时间变化的幅度图；第三步，将Ｃ形臂置于合适的位置，Ｘ射线源4放射Ｘ射线，在Ｘ射线接收器5上获取第一幅患者6靶器官金标的Ｘ射线图像，保存图像信息，再调整Ｃ形臂到与第一次放射方向正交的位置，于患者6第一次放射时相同的呼吸相位上进行第二次放射，获取第二幅患者6靶器官金标的Ｘ射线图像，保存图像信息；第四步，对患者6第一幅和第二幅Ｘ射线图像进行图像处理，得到已植入患者6体内的金标在第一幅和第二幅图像上的平面坐标，分别为x₀、y₀和x₁、y₁，再加上两次放射对应的机器人手臂3末端的空间坐标分别为x_a、y_a、z_a和x_b、y_b、z_b，两次放射对应的机器人手臂3末端的旋转角度分别为θ₀和θ₁，两次放射对应的机器人手臂3末端沿C形臂导轨划动的角度分别为α₀和α₁，C形臂的半径为R，代入下述公式，计算出两次放射对应的X射线源4的空间坐标x_sa、y_sa、z_sa 和x_sb、y_sb、z_sb，两次放射对应的金标在Ｘ射线接收器5上投影点的空间坐标x_fa、y_fa、z_fa和x_fb、y_fb、z_fb。

计算公式如下： 

其中，

和

称为绕z轴的旋转矩阵；

 和

称为绕x轴的旋转矩阵；

再代入下述公式，得到患者6体内金标的空间坐标x、y、z，从而实现对靶器官的定位。

所以求解的方程可表示为

由Gauss消去法解得

本例中，所用装置如图1所示，由六维自由度机器人2、Ｃ形臂1、数控治疗床7组成，其中，Ｃ形臂1置于六自由度的机器人手臂3上，Ｘ射线源4与Ｘ射线接收器5分别固定于Ｃ形臂1的两端，用于产生靶器官的Ｘ射线图像；应变片放置在患者6体表上，应变片随患者6的呼吸动作发生相应的形变，产生相应的电信号，处理后获得患者6的呼吸运动随时间变化的幅度图。X射线源4能量为80--150kV，X射线接收器5为非晶体硅(硒)平板探测器，图像尺寸为40cm×30cm，图像分辨率为2048×1536或者2048×1536，图像采集速度为15~30(100)幅/秒。X射线源4和X射线接收器5可绕其轴向作±180°的旋转运动，C形臂1可引导X射线源4和X射线接收器5作大于180°运动，数控治疗床7可在竖直方向运动，配合X射线源4和X射线接收器5到达相对的指定位置。

定位及计算过程的详细描述： 

根据DDR（数字影像）图像中金标的位置信息和带有治疗机器人的状态信息，系统能够自动的选择一个最优的投影方向，避免C形臂与治疗机器人之间发生碰撞且使金标之间无投影重合。

通过控制机器人手臂（安装有C形臂的机器人）各关节的转动、C形臂1及数控治疗床7的姿态和高度，以使X射线源4和X射线接收器5置于最佳投影位置，如图2所示，抽象出了X射线源4、X射线接收器5、成像后目标体和待跟踪目标体的位置关系，其中Sa为X射线源4的空间位置，Oa为金标第一次投影在X射线接收器上的投影点，O为目标体患者6体内金标的空间位置，如此之后得到这个检测周期的第一幅X射线的图像。 

要确定目标O的空间坐标位置至少需要得到2个方向的X射线图像，因此至少还需要从另一个方向对目标体进行X射线投影，同样地，通过控制机器人的状态信息，系统自动选择一个最优的投影方向，这个位置既能避免C形臂与治疗机器发生碰撞，还能得到X射线成像效果最好的投影效果，两次投影方向在空间正交。这个过程是通过控制机器人手臂3和C形臂1来使X射线源4和X射线接收器5到达指定的位置，如图2所示的Sb点、 Ob点的位置关系，其中Sb为第二次投影过程中X射线源4的空间位置，Ob为金标第二次投影在X射线接收器上的投影点。 

第一个投影方向：如图3所示金标投影到X射线接收器5所形成的图像中坐标位置Ia(x₀，y₀)，如图5所示，机器人手臂3末端沿C形臂导轨划动的角度为α₀，机器人手臂3末端的旋转角度为θ₀，机器人手臂3末端的坐标为(x_a，y_a，z_a)。由空间坐标的平移和旋转的方法，得到Sa，Oa的空间位置，其中的坐标可分别表示为X射线源4的空间坐标Sa(x_sa，y_sa，z_sa)，金标投影的空间坐标Oa(x_fa，y_fa，z_fa)， 

其中，

称为绕z轴的旋转矩阵，

称为绕x轴的旋转矩阵，

R表示C臂的半径。

第二个投影方向：金标投影到X射线接收器5所形成的图像中坐标位置(x₁，y₁)，如图5所示，机器人手臂3末端沿C形臂导轨划动的角度为α₁，机器人手臂3末端的旋转角度为θ₁，机器人手臂3末端的坐标为(x_b，y_b，z_b)。由空间坐标的平移和旋转的方法，得到Sb，Ob的空间位置，其中的坐标可分别表示为X射线源4的空间坐标Sb(x_sb，y_sb，z_sb)，金标投影的空间坐标Ob(x_fb，y_fb，z_fb)。 

用上述第一个投影方向的方法，同理可得到 

其中，

称为绕z轴的旋转矩阵，

称为绕x轴的旋转矩阵。

金标的空间坐标（x，y，z）：通过上述方法得到了Sa，Oa，Sb，Ob四点的空间坐标，由图2所示四点的空间位置关系，即直线SaOa与直线SbOb正交，可得到方程组 

   为了方便表达，可令

所以求解的方程可表示为

那么由Gauss消去法解得

如果在跟踪一些受呼吸运动影响较大的组织器官时，两次投影时金标的位置可能已经随呼吸运动发生变化。为了解决这一问题，本发明采用将应变片附于患者腹部或胸部，应变片会随呼吸运动而发生变形，通过转换电路将其变为电信息，经分析处理得到患者的呼吸情况。

如图4所示，图中表示了一个患者的呼吸深度随时间的变化情况，图中Sa，Sb两点表示在两个不同周期的两个方向上的X射线投射点，Sa表示患者在呼吸深度达最深处时进行的一次X射线投射，Sb表示患者在另一个周期位于另一处患者呼吸深度到最深时的X射线投射，这样就保证了在两个投射方向金标相对于器官组织的位置相同，才能保证后续的通过数学模型计算出金标空间位置的可适用性。 

Claims (2)

1.一种肿瘤放射治疗中靶器官的定位装置，其特征在于所述装置由六维自由度机器人（2）、Ｃ形臂（1）和数控治疗床（7）组成，其中，Ｃ形臂（1）置于六自由度的机器人手臂（3）上，Ｘ射线源（4）与Ｘ射线接收器（5）分别固定于Ｃ形臂（1）的两端，应变片放置在患者（6）体表上；所述肿瘤放射治疗中靶器官的定位装置的使用方法如下：第一步，靶器官已植入金标的患者（6）置于数控治疗床（7）上，在患者（6）体表放置应变片，应变片随患者（6）的呼吸动作发生相应的形变，产生相应的电信号，处理后获得患者（6）的呼吸运动随时间变化的幅度图；第二步，将Ｃ形臂置于合适的位置，Ｘ射线源（4）放射Ｘ射线，在Ｘ射线接收器（5）上获取第一幅患者（6）靶器官金标的Ｘ射线图像，保存图像信息，再调整Ｃ形臂到与第一次放射方向正交的位置，于患者（6）第一次放射时相同的呼吸相位上进行第二次放射，获取第二幅患者（6）靶器官金标的Ｘ射线图像，保存图像信息；第三步，对患者（6）第一幅和第二幅Ｘ射线图像进行图像处理，得到已植入患者（6）体内的金标在第一幅和第二幅图像上的平面坐标，再加上两次放射对应的机器人手臂（3）末端的空间坐标、两次放射对应的机器人手臂（3）末端的旋转角度、两次放射对应的Ｃ形臂沿着导轨划动的角度和C形臂的半径，计算出患者（6）体内金标的空间坐标。

2.根据权利要求1所述的肿瘤放射治疗中靶器官的定位装置，其特征在于：所述定位装置的使用方法的第三步中，得到已植入患者（6）体内的金标在第一幅和第二幅图像上的平面坐标，分别为x₀、y₀和x₁、y₁，两次放射对应的机器人手臂（3）末端的位置坐标分别为x_a、y_a、z_a和x_b、y_b、z_b，两次放射对应的机器人手臂（3）末端的旋转角度分别为θ₀和θ₁，两次放射对应的机器人手臂3末端沿C形臂导轨划动的角度分别为α₀和α₁，C形臂的半径为R，代入下述公式，分别得到两次放射对应的X射线源（4）的空间坐标x_sa、y_sa、z_sa 和x_sb、y_sb、z_sb，两次放射对应的金标在Ｘ射线接收器（5）上投影点的空间坐标x_fa、y_fa、z_fa和x_fb、y_fb、z_fb：

其中，

 和  

称为绕z轴的旋转矩阵；

 和 

称为绕x轴的旋转矩阵；

再代入下述公式，得到患者（6）体内金标的空间坐标x、y、z：

为了方便表达，可令

所以求解的方程可表示为

由Gauss消去法解得

。