CN108619621B - 一种用于肿瘤患者放射治疗精准定位及摆位的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于肿瘤患者放射治疗精准定位及摆位的系统，包括影像装置、定位床和影像处理系统，该影像装置用于对定位床或治疗床上的患者的体表区域投射和接收光信号并将该光信号转化为电信号，该影像处理系统对接受到的该电信号进行图像重建和图像匹配等处理并根据匹配的结果移动治疗床的位置。

Description

一种用于肿瘤患者放射治疗精准定位及摆位的系统

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，涉及一种用于肿瘤患者放射治疗精准定位及摆位的系统及方法。

背景技术

放射治疗(下简称“放疗”)是恶性肿瘤治疗的主要手段之一。随着放疗相关硬件和软件的发展，特别是放疗中多模态影像(PET-CT、MRI、SPET-CT、 PET-MR等)融合技术引入和治疗计划系统(下简称“TPS”)算法的不断优化更新，使得肿瘤靶区勾画更加精准，放疗剂量计算更加精确，肿瘤的控制疗效显著提高，而与放疗相关的毒性反应则不同程度的降低，从而使得放疗的地位进一步得到巩固，适应症的范围得到进一步扩展。

照射靶区和技术精度的提高，对患者在定位和摆位环节的精准度提出了更高的要求。临床实践表明，如果放疗中定位及治疗摆位精准性差，不但降低照射靶区和技术精度提高所带来的好处，而且直接影响放疗疗效。因此提高放疗定位和摆位的精准性，与照射靶区和技术精度的提高意义同等重要。此外，如果能够实时监控患者治疗过程中可能出现的不自主运动，则有助于及时改进治疗方案(即适应性放疗)，更好的保证治疗疗效和患者的生活质量。

除了极少数皮肤肿瘤直视可见外，绝大多数肿瘤位于体内较深区域，无法直视可见。为了准确的定位和摆位，通常在CT影像的引导下，在激光灯的辅助下在患者体表的正前方(0°和两侧方90°、-90°)用油性不易褪色墨水画三个“十”形标记线，根据三点共面、垂直相交的原理确定肿瘤治疗的中心层面。后续的治疗则以三个“十”字线为对位参考坐标。坐标对好，则默认为体内肿瘤位置对准。

这种方式在头颈部肿瘤患者中比较可靠。这些患者通常采用热塑形头颈面罩模具固定，标记线位于模具上，受患者皮肤牵拉、皱褶及挤压等形变影响较小，故而可以获得较好的位置精度(通常位置偏差≤3毫米)。但在体部肿瘤，包括胸、腹、盆腔部位以及四肢肿瘤的定位中，基于“十”字线的定位和摆位方式可靠性相对较差，而这些部位的肿瘤患者构成了放疗患者的80％左右，包括常见的乳腺癌、肺癌、食管癌、胃癌、肝癌、胰腺癌、大肠癌、宫颈癌、前列腺癌等。如定位“十”字标记线多勾画在患者体表皮肤上，受患者皮肤变形影响较大，尤其在老年及肥胖患者身上表现尤为明显，有时治疗摆位偏差甚至高达10毫米。

基于体表辅助线方法(“十”线)的传统定位和摆位技术已经沿用近一个世纪，虽然简便易行，但显然不能满足现代精确放疗对位置精准度的要求，其存在诸多局限性，包括：(1)标记线受患者皮肤变形影响较大，尤其在老年及肥胖患者身上表现尤为明显；(2)用作定位标记的水笔，目前没有一个具体统一的标准，各医疗单位工作人员甚至同一放疗技术人员每次勾画出的标记线粗细、深浅、曲直不一。(3)不利于发现和纠正患者位置存在的旋转偏移，特别是当线条较短粗时。(4)受患者皮肤出汗、油脂、衣服摩擦等因素影响，表皮标记线易褪色模糊，补加色后标记线变形、变粗、混杂难以辨认； (5)部分患者对于体表标记线的油墨存在不同程度的过敏，增加了患者医疗成本及心理负担，甚至影响治疗的进度。(6)现行的模式不具备治疗中实时位置检测的功能，因而对于患者在治疗过程中出现的不自在或自主体为变动不能做出实时判断，构成了影响放疗疗效风险的因素之一。(7)目前的治疗摆位过程主要由治疗师单独进行，缺乏有效的实时记录监督和摆位回顾跟踪分析机制，因而存在人为因素导致的摆位偏差，这种情况尤其在晚班治疗时更易于发生。因此急需建立新的机制和流程来防止和杜绝这类人为错误。

发明内容

为避免现行肿瘤定位及摆位方法不能满足精确放疗对位置精准度、可重复性和可回顾性的要求，本发明提供一种用于肿瘤患者放射治疗精准定位及摆位的系统及方法。

根据本发明提供的一种用于肿瘤患者放射治疗精准定位及摆位的系统，其特征在于，该系统包括影像装置、定位床或治疗床和影像处理系统，该影像装置用于对定位床或治疗床上的患者的体表区域投射和接收光信号并将该光信号转化为电信号，该影像处理系统对接受到的该电信号进行影像重建和影像匹配处理并根据匹配的结果移动定位床或治疗床的位置；该影像处理系统包括影像重建单元，该影像重建单元用于将该电信号进行影像重建以确定体表区域浅表血管走行分布图，其中，该体表区域浅表血管走行分布图包括基准体表区域浅表血管走行分布图、校正前体表区域浅表血管走行分布图和校正后体表区域浅表血管走行分布图；该影像处理系统包括影像匹配单元，该影像匹配单元用于将该基准体表区域浅表血管走行分布图与校正前体表区域浅表血管走行分布图进行吻合度匹配，获得校正前体表区域浅表血管走行分布图与基准体表区域浅表血管走行分布图的差异度，如果该差异度超出宽容度范围，该影像匹配单元用于移动定位床或治疗床的位置以进行校正，直至使得校正后体表区域浅表血管走行分布图与基准体表区域浅表血管走行分布图的差异度在宽容度范围内。

采用该系统进行定位校正，可使得摆位与定位时的误差控制在差异度范围内，例如水平方向偏差≤3mm，角度偏差≤5，避免了现行肿瘤定位及摆位方法不能满足精确放疗对位置精准度、可重复性和可回顾性的要求。

优选的，该影像处理系统还包括红外线衰减计算单元，该红外线衰减计算单元用于对影像装置投射和接收的光信号转化的的电信号进行分析和对比，形成初步红外线衰减信息；该影像重建单元对初步红外线衰减信息，进行处理，确定患者的体表区域浅表血管走行分布图。

优选的，该影像装置包括向患者的体表区域投射红外线的发射源、用于接收患者的体表区域反射的红外线的红外线反射接收器。

优选的，该宽容度范围为基准体表区域浅表血管走行分布图与校正前体表区域浅表血管走行分布图或基准体表区域浅表血管走行分布图与校正后体表区域浅表血管走行分布图在水平方向上偏差小于3mm，角度偏差小于5°。

优选的，该红外线发射源发射的红外线波长介于介于650nm-1100nm，优选的，该红外线波长介于730nm-740nm。此范围波长红外线被血液中的脱氧血红蛋白吸收的能力最强，对反射红外线的影响最为明显，故重建的成像质量更好。

优选的，该影像装置还包括光学投影装置。该光学投影装置将体表区域浅表血管走行分布图以可见光的形式投射到患者的体表区域。

优选的，该定位床或治疗床是六维床。使基准体表区域浅表血管走行分布图和校正前体表区域浅表血管走行分布图实现快速化、自动化匹配。

优选的，该影像装置通过支架固定于室内，该支架具有标尺。

优选的，该支架包括可调节该系统内定位床或治疗床和影像装置相对位置的框架组件或伸缩杆。

一种应用该系统进行肿瘤患者放射治疗精准定位和摆位的方法，包括以下步骤：S1，获取肿瘤所在体表区域的基准体表区域浅表血管走行分布图； S2，获取肿瘤所在体表区域的校正前体表区域浅表血管走行分布图；S3，通过影像匹配单元将基准体表区域浅表血管走行分布图和校正前体表区域浅表血管走行分布图进行吻合度匹配，获得两者的差异度，并判断该差异度是否在宽容度范围内，若不在则计算出治疗床或定位床所需移动的方向和数据； S4，待校正完成后，再次参照S1采集校正后体表区域浅表血管走行分布图与基准体表区域浅表血管走行分布图进行匹配，获得差异度，若差异度在宽容度范围内，则对患者进行放射治疗，否则，需重复前述S1-S3过程，直至差异度在宽容度范围内。S5，在治疗过程中，每5-30秒钟采集一次校正前体表区域浅表血管走行分布图，并与基准体表区域浅表血管走行分布图匹配获得差异度，实时监控患者的位置状态，如差异度超过预设宽容度范围，则即时停止治疗，参照S3进行校正。

本发明提供的一种用于肿瘤患者放射治疗精准定位及摆位的系统具有以下优点(1)利用患者自身血管分布图进行匹配，自然且无需体表勾画标记线，有助于降低体表画线带给患者的心理压力，完全避免油墨过敏的可能性和对患者日常生活(如淋浴等)的影响，极大改善了患者的生活质量。(2)浅静脉处于皮下，相比表皮具有更好的稳定性，受皮肤牵拉、褶皱等变形程度小。 (3)匹配对象为放疗相应部位的浅表血管分布模式(“体表区域浅表血管走行分布图”)，包括长短、粗细、间隔、夹角等丰富信息量，较传统的“十”字标记线对位精准度更高。(4)自动匹配和位置偏移校正，极大地降低了放疗技术人员人为因素带来的误差，保证治疗的精确度，预防医疗事故的发生；同时有助于降低不同放疗技术人员之间对位和校正前的差异，有助于治疗质量的稳定性。(5)治疗全程可实时监测、存储位置匹配信息，显示患者位移偏差，位置精度保证程度高。(6)可离线回顾、跟踪分析每位患者的每次校正前匹配数据，预测患者放疗副反应和治疗效果。(7)结合最新放疗“六维床”技术，匹配过程可快速化、自动化。(8)医生可以离线分析和评估放疗技术人员的校正前准确性，特别是在晚班治疗时，进而掌握患者的治疗安全性。(9)对于发生了放疗相关毒副反应的患者，医生可以回顾性的分析患者治疗时的位置数据，排除或明确校正前因素在其中的可能影响。

附图说明

图1为本发明提供的一个优选实施例的定位摆位系统示意图；

图2示出了本发明提供的一个优选实施例的影像装置在室内的位置；

图3示出了本发明提供的另一优选实施例的影像装置在室内的位置；

图4示出了本发明提供的又一优选实施例的影像装置在室内的位置；

图5示出了发明提供的一个优选实施例的工况示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的具体实施方式，对本发明的技术方案进行详细的说明，但如下实施例仅是用以理解本发明，而不能限制本发明，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明提供一种用于肿瘤患者放射治疗精准定位及摆位的系统，如图1- 图2所示，包括影像装置1、定位床2(或治疗床)和计算机3，其中，该影像装置1通过金属支架11安装于正对定位床2的墙面上，以向位于定位床2 上的患者的体表区域投射和接收光信号。该影像装置1与计算机3通信连接，进行信息交互。该金属支架11可向下成角，以适应影像装置1在定位床2上的患者的体表区域投射红外线和可见光的需要，成角的角度可测量，可记录。

该影像装置1包括红外线的发射源12、红外线反射接收器13和光学投影装置14。其中，该红外线发射源12用于向平躺在定位床2上的患者的体表区域(在本实施例中为腹部约50cm×50cm的区域)投射红外线波长在650nm 至1100nm的红外线，该红外线被患者血液中的脱氧血红蛋白部分吸收后反射至红外线反射接收器13，形成光信号。该光信号经红外线反射接收器13中的光电转换器转换成电信号，并传输至计算机3中的影像处理系统进行图像的重建，获得患者肿瘤所在体表区域浅表血管的走行分布图(即定位血管指纹 31)，在计算机3的监视器上直接显示，并且经由光学投影装置14以可见光的形式投射到患者肿瘤所在体表区域。

具体地，该影像处理系统包含由红外线衰减计算单元和影像重建单元。该红外线衰减计算单元负责对投射的红外线和接收到的反射红外线进行分析和比对处理，形成初步红外线衰减信息；该影像重建单元将初步红外线衰减信息，结合背景噪音及坐标矩阵等进行影像重建，确定红外线扫描部位的血管指纹。上述数据信息记录于计算机芯片内，以备离线或后期质控和数据分析。

本发明提供的用于肿瘤患者放射治疗精准定位及摆位的系统具有基准模式、校正前模式(即摆位模式)和校正后模式。在基准模式下，定位床2被设置于一基准位置，通过该系统可获得基准血管指纹311，参见图5。在校正前模式下，定位床2被设置于一校正前位置，通过该系统可获得校正前血管指纹312，参见图5。在校正后模式下，定位床2被移动至一校正后位置，通过该系统可获得校正后血管指纹313。

进一步地，该影像处理系统还包含影像匹配单元，该影像匹配单元将基准血管指纹311和校正前血管指纹312的大小、形状、位置进行分析并进行吻合度的匹配计算，获得两者的差异度。设置系统宽容度范围，例如，在本实施例中宽容度范围为水平方向偏差≤3mm，角度偏差≤5°。若差异度在宽容度范围内，则表示位置基本吻合，可进行后续的治疗。若差异度超出宽容度范围(如：水平方向偏差＞3mm，角度偏差＞5°)，则表示位置偏差，需进行校正。

该影像匹配单元计算出使校正前血管指纹312与基准血管指纹311一致时，定位床2所需移动的方向和数据并显示在计算机3的监视器上。据此移动定位床2。此后，再获取一次校正后血管指纹313，并再次与基准血管指纹 311进行匹配直至偏差在宽容度范围内。

在另一实施例中，如图3所示，影像装置1通过可伸缩杆4垂直安装于定位床2的天花板上，影像装置1固定于伸缩杆头部41。根据需要可下拉或上推伸缩杆4，以调整投射区域的大小和范围。下拉或上推的幅度可测量，可记录。

在又一实施例中，如图4所示，影像装置1通过框架组件5安装固定，该框架组件5包括：滑轨51、移动框架臂52、上方框架53和滑行支架54。其中，上方框架53和滑轨51间通过移动框架臂52连接，影像装置1通过滑行支架54固定于上方框架53上。如此，通过滑行支架54使影像装置1在上方框架53上移动，通过移动框架臂52在滑轨51上的移动，实现上方框架53及影像装置1的同步运动，以适应在定位床2上的患者的不同体表区域投射红外线的需要。

实施例1

根据本发明还提供一种应用该系统进行肿瘤患者放射治疗精准定位和摆位的方法包括以下步骤：

S1，获取肿瘤所在区域的基准血管指纹311。具体地，参见图1，根据肿瘤部位，患者仰卧或俯卧于定位床2上(本实施例所示为患者仰卧位定位)。对患者身体予以适当固定后，开启影像装置1的红外线发射源12，向患者肿瘤所在体表区域投射波长在730nm-740nm的红外线，此范围波长红外线被血液中的脱氧血红蛋白吸收的能力最强，对反射红外线的影响最为明显，故重建的成像质量更好。在患者的胸腹部投射一个30cm×40cm的红外线照射区，此区即为肿瘤所在体表区域。红外线被肿瘤所在区域的血液中的脱氧血红蛋白部分吸收后反射至红外线反射接收器13。红外反射线经红外线衰减计算单元和影像重建单元后，肿瘤所在体表区域的基准血管指纹311。该基准血管指纹311 显示于计算机3的监视器，并通过光学投影装置14投射于患者肿瘤所在的体表区域。该患者的个体化基准血管指纹311储存于放疗网络系统，用于后续的校正前位置匹配。

S2，获取肿瘤所在区域的校正前血管指纹312。具体地，参见定位时的要求再次固定好患者(本实施例为患者仰卧位定位)。参照S1获得患者的校正前血管指纹312。

S3，通过影像匹配单元将基准血管指纹311和校正前血管指纹312的大小、形状、位置进行分析并进行吻合度的匹配计算，获得两者的差异度，并判断该差异度是否在宽容度范围内，若不在则计算出定位床2所需移动的方向和数据。具体地，在本实施例中，参见图5，基准血管指纹311和校正前血管指纹 312的位置出现15°偏差且定位床2的高度过低。该差异度不在宽容度内，通过影像位置位移偏差算法计算，经过(1)旋转、(2)升高床位、(3)匹配和 (4)精确匹配后，对患者的位置予以校正，使校正后血管指纹313与基准血管指纹311的差异度在宽容度范围内。

S4，待校正完成后，再次参照S1采集校正后血管指纹313与基准血管指纹311进行匹配，获得差异度，若差异度在宽容度内，则可进行后续治疗；否则，需重复前述S1-S3过程，直至差异度在宽容度内。

S5，在治疗过程中，每5-30秒钟采集一次校正前血管指纹312，并与基准血管指纹311进行差异度计算，实时监控患者的位置状态，如差异度超过预设宽容度范围，则即时停止治疗，参照S3进行校正，进一步保证治疗的安全和精确。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种用于肿瘤患者放射治疗精准定位及摆位的系统，其特征在于，该系统包括影像装置、定位床或治疗床和影像处理系统，所述影像装置包括用于对定位床或治疗床上的患者的体表区域投射波长介于730nm-740nm之间的红外线的发射源和用于接收患者的体表区域反射的红外线的光信号并将该光信号转化为电信号的红外线反射接收器，所述影像处理系统对收到的该电信号进行影像重建和影像匹配处理并根据匹配的结果移动定位床或治疗床的位置；所述影像处理系统包括影像重建单元，所述影像重建单元用于将所述电信号进行影像重建以确定体表区域浅表血管走行分布图并将其储存于放疗网络系统，其中，该体表区域浅表血管走行分布图包括基准体表区域浅表血管走行分布图、校正前体表区域浅表血管走行分布图和校正后体表区域浅表血管走行分布图；

所述影像处理系统包括影像匹配单元，所述影像匹配单元用于将所述基准体表区域浅表血管走行分布图与校正前体表区域浅表血管走行分布图进行吻合度匹配，获得校正前体表区域浅表血管走行分布图与基准体表区域浅表血管走行分布图的差异度，如果该差异度超出宽容度范围，该影像匹配单元用于移动定位床或治疗床的位置以进行校正，直至使得校正后体表区域浅表血管走行分布图与基准体表区域浅表血管走行分布图的差异度在宽容度范围内。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述影像处理系统还包括红外线衰减计算单元，所述红外线衰减计算单元用于对影像装置投射和接收的光信号转化的电信号进行分析和对比，形成初步红外线衰减信息；该影像重建单元对初步红外线衰减信息，进行处理，确定患者的体表区域浅表血管走行分布图。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述宽容度范围为基准体表区域浅表血管走行分布图与校正前体表区域浅表血管走行分布图或基准体表区域浅表血管走行分布图与校正后体表区域浅表血管走行分布图在水平方向上偏差小于3mm，角度偏差小于5°。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述影像装置还包括光学投影装置。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定位床或治疗床是六维床。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述影像装置通过支架固定于室内，所述支架具有标尺。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述支架包括可调节该系统内定位床或治疗床和影像装置相对位置的框架组件或伸缩杆。

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