CN104331919B

CN104331919B - 光动力治疗中投光方向的优化方法

Info

Publication number: CN104331919B
Application number: CN201410602863.6A
Authority: CN
Inventors: 胡晓明; 张凤娟; 曹群; 李勤
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2014-11-02
Filing date: 2014-11-02
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2034-11-02
Also published as: CN104331919A

Abstract

本发明涉及一种投光方向优化的方法，尤其是用于鲜红斑痣等光动力治疗中投光装置的控制，该方法在获得三维病灶区域的前提下，根据病灶三维曲面块对应的法向量加权优化照光方向，减小入射光与病灶三维曲面块之间形成的照光角度。此外，该方法利用视觉系统参数得到优化后投光装置的位置坐标，可控制投光装置以优化后的方向进行照光，提高投光装置单次照光的效率，进而改善单次光动力治疗疗效。

Description

光动力治疗中投光方向的优化方法

技术领域

本发明涉及一种光动力投光方向优化的方法，尤其是用于鲜红斑痣等光动力治疗中投光装置的控制，该方法在获得三维病灶区域的前提下，根据病灶三维曲面块对应的法向量加权优化照光方向，减小入射光与病灶三维曲面块之间形成的照光角度，提高投光装置单次照光的效率，进而改善单次光动力治疗鲜红斑痣的疗效。

背景技术

鲜红斑痣(Port Wine Stains，PWS)，俗称“红胎记”，是一种先天性的皮肤性疾病，由真皮浅层毛细血管畸形和异常扩张所致，其鲜红斑痣的发病率在人口出生率中占千分之三到五，我国现有患者达600多万，且每年不断增长。临床实践中，光动力疗法以其治疗光斑大、治疗后红斑消退均匀、适合大面积及病变部位集中的病例治疗等优势成为治疗鲜红斑痣的首选。目前，研究数据表明光动力治疗鲜红斑痣的有效率达90％以上，但治愈率一般为20％左右。其治疗过程中，光剂量是影响治疗效果的一个关键性因素。人体皮肤表面的形态特征复杂，即使采用平面光源照射，也难以保证病灶区域接收到到的最大光辐照度均达到治疗剂量的要求。

因此，根据各个曲面块的法向量和照光角度对照光方向进行优化，使接受到的最大光辐照度满足治疗要求的曲面块的数量增加，对提高投光装置的照光效率具有现实的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种照光方向的优化方法，根据所述的优化方法可优化出理想的照光方向并能得到优化后投光装置的位置信息，可改善鲜红斑痣等光动力治疗中病灶区域受光不均匀、光辐照度低的情况。

本发明具体采用以下技术方案：

一种照光方向优化方法。首先对病灶三维点云进行滤波移除噪声点，基于三维Delaunay三角化对病灶区域进行曲面重建，计算三角形面片的重心P_i、面积s_i和法向量n_i，其中1≤i≤N，N为三角形面片数。

投光方向向量的优化，包括以下部分：

三角形面片重心处的入射光线的方向向量d_i，计算该曲面块的照光角度θ_i：

按照三角形曲面块的照光角度的余弦值，绘制三角形角度余弦分布直方图。其中，cosθ∈[0,1]，以1/k为间隔统计照光角度余弦值位于第m个区间内的曲面块的面积之和ΔS_m，；并拟合出位于同一区间内曲面块的最佳法向量Δn_m。

设置各个区间曲面块在照光方向优化时的权重w_m:

计算照光方向：

对v单位化，得到优化后的照光方向。

投光装置以优化得到的照光方向对病灶区域进行照光，统计病灶区域曲面块的光辐照角度，按照三角形曲面块的照光角度的余弦值cosθ_ji，绘制三角形角度余弦分布直方图，对优化后的照光情况进行评估：

其中，j为优化次数，N为三角形面片数。设在初始照光方向下，当e₁＞e₀时，说明照光效果得到改善，相差越大说明优化效果越理想。

按照以上所述对照光方向进行优化，根据优化效果评估值判断出最佳的照光方向。

附图说明

图1为本发明鲜红斑痣光动力治疗中照光方向优化方法设计流程图。

图2为病灶区域所在的立体视觉系统。其中，O_c1-X_c1Y_c1Z_c1、O_c1-X_cY_cZ_c为摄像机坐标系，O_p-X_pY_pZ_p为投影仪坐标系。

图3为投光装置照光示意图。其中，O_p-X_pY_pZ_p、O'_p-X'_pY_p'Z'_p分别为优化前后投影仪坐标系，O(u,v)为投影仪光心坐标，G为病灶区域重心，P为病灶内一个三角面片重心，P_p、P_p'分别优化前后P在投影仪像平面上的对应点，L为照光距离，为优化得到的照光方向向量，θ、θ'分别为优化前后入射光线与法向量的夹角，即光辐照角度。

图4为光照分布评估图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步的详细说明。

图2为以摄像机和投影仪建立双目立体视觉系统，基于立体视觉系统三维测量原理获得病灶区域三维点云信息。投光控制过程中，以摄像机坐标系建立三维空间，投影仪作为投光装置对病灶区域进行照光。

1)基于多项式拟合对点云进行平滑和数据重采样，采用Delaunay算法对点云进行三角化，计算三角形面片的面积和重心。

2)投影仪作为投光装置，根据视觉系统参数，可计算出投影仪的初始位置信息，以及病灶区域在摄像机像平面上的三维坐标信息。

3)如图2所示，设一曲面块的重心为P，该点在投影仪像平面上的对应点为P_p，O_p为投影仪初始位置信息，投影仪光轴过病灶区域重心G。

则光照射角度的余弦值为：

计算所有三角面片的光照射角度余弦值，采用式(2)、(3)、(4)对投影仪投光方向进行优化和评估，得到单位向量v。

4)本发明在投光装置控制过程中，光心到病灶区域几何重心G(x₀,y₀,z₀)的距离为L保持不变，根据优化得到的照光方向向量，计算优化后投影仪的位置信息。设优化后投影仪坐标系原点为O'_p(x_p1,y_p1,z_p1)，则

且满足，

式(7)中f为投影仪焦距。

5)投影仪在优化后的位置，以优化得到的照光方向照射病灶区域，计算各三角面片上入射光线与法向量之间夹角的余弦值。

6)重复3)、4)、5)操作。

按照本发明所述的方法，设置优化次数为20，每次优化后光照分布评估值如图4所示，说明了该方法的可行性和稳定性。

Claims

1.一种光动力治疗中照光方向优化方法，其特征在于，实施步骤如下：

第一步：建立立体视觉系统，获得病灶区域的三维位置信息，并确定投光装置与病灶区域之间的空间位置关系；

第二步:根据病灶点云分布特点，对其进行平滑、滤波处理；

第三步：对病灶点云进行三角化处理，病灶区域并分为多个曲面块，各个三角面片作为入射光线的照光区域，面片重心作为光线入射点坐标，计算三角形面积和曲面法向量；

第四步：投光装置在初始位置对病灶区域进行照光，计算各个曲面块所对应的光辐照角度，计算光辐照角度的余弦值，光辐照度与其成正比例关系；

第五步：按照曲面块对应的照光角度的余弦值，绘制各三角面片对应的余弦值分布直方图，其中以1/k为间隔统计照光角度余弦值分布中位于第m个区间内的曲面块的面积之和；

第六步：各个区间曲面块对应的法向量进行拟合得到法向量n，同一区间的曲面块面积在病灶区域面积中占得比例w作为n在照光方向优化函数中的权重系数；

第七步：各个区间对应的w*n进行累加，得到一个三维向量，单位化后得到优化后的照光方向；

第八步：根据投光装置与病灶区域之间的空间位置关系以及优化得到的照光方向，计算优化后投光装置的位置信息；第九步：投光装置以优化后的照光方向对病灶区域进行照光，计算各个曲面块所对应的光辐照角度及其余弦值，对优化效果进行评价。

2.根据权利要求1所述的一种光动力治疗中照光方向优化方法，其特征在于，以同一将病灶区域按光辐照角度划分为多个小区域，依据各个区域面积的大小设置权重参数，作为法向量在优化函数中的系数。

3.根据权利要求1所述的一种光动力治疗中照光方向优化方法，其特征在于，以曲面块对应的光辐照度的余弦值作为其面积在照光效果评价函数中的权重系数。