CN109568811A - 一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法，包括以下步骤：首先对患者进行CT扫描；然后将CT图像导入到放射治疗计划系统软件中，得到患者体表轮廓坐标系，并确定肿瘤中心坐标点；接着将患者放置于治疗床上，使用3D体表光学成像设备拍摄，得到患者3D体表曲面坐标系，以及患者与治疗床之间的相互位置关系；再将患者体表轮廓坐标系与3D体表曲面坐标系进行配准，得到肿瘤中心在3D体表曲面坐标系中的位置；最后移动治疗床将肿瘤中心置于放疗设备照射中心点，完成患者坐标系与放疗设备治疗坐标系的匹配。本发明采用3D体表光学成像设备，无辐射，定位精度高，可达到亚毫米级空间精度，能够实施精确放疗。

Description

一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法

技术领域

本发明属于肿瘤放疗技术领域，特别是涉及一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法。

背景技术

放射治疗（简称放疗）是肿瘤治疗方法中重要的一种，精准放疗是放疗领域的重要发展方向。根据临床需要，在放疗执行过程中必须精确地确定患者的坐标位置，然后在放疗计划系统软件（如monaco软件）中准确设计治疗计划，才能实现准确的治疗，以获得良好的治疗效果。在临床治疗中，会由于患者位置的不准确，使射线不能精确地照射在患者的肿瘤位置上，从而降低治疗的有效性，增加并发症的发生概率。

当前的肿瘤放射治疗临床上通常采用铅点标记方法来建立患者的坐标系。以胸部肿瘤为例，具体做法是：

（1）在患者前部（即胸前）、两侧（即两肋下）分别放置一直径大约2-3mm的小铅点并在体表做标记，一共3个铅点。并利用定位专用激光灯，来确保三个铅点形成的平面与患者头脚方向垂直，

（2）对患者进行CT扫描。扫描后，将患者CT导入到放疗计划系统软件中，找到三个铅点所在的CT断层图，然后在该图层上经过前部（即胸前）的铅点向两侧（即两肋下）铅点形成的线段做垂线。 垂足即为患者治疗坐标系的参考点O（0,0,0）。

（3）在放疗计划系统软件中，基于该患者坐标系进行放射治疗计划的设计，并计算出参考点O（0,0,0）与肿瘤中心位置的偏差，

然后将患者置于放射设备（如医用直线加速器）的治疗床上， 利用定位专用激光灯，根据患者体表的标记，将患者坐标系的参考点O（0,0,0）置于加速器照射中心点。

（4）根据（3）中得到的参考点0（0,0,0）与肿瘤中心位置的偏差，通过移动治疗床将肿瘤中心置于放疗设备（加速器）照射中心点。 至此完成患者坐标与放疗设备（加速器）坐标的匹配，开始实施照射治疗。

这种通过铅点标记来建立患者放疗位置坐标的方法的不足：

（1）铅点的放置、对齐、检测等环节，均为手工操作，误差难以避免。

（2）由于铅点的体积为2-3mm， 通常CT扫描层间距为3-5mm， 所以通过铅点在CT图上的位置来定位，不可避免会带来系统误差

（3）铅点确定的坐标参考点，通常并不是肿瘤的治疗中心点，而是有一些偏离。后期治疗时需要通过治疗床走位来修正，这样会引入额外的误差。

（4）放置完铅点后，需要在患者体表皮肤上用记号笔做标记。由于出汗等原因，体表标记容易模糊，影响患者定位精度

（5）为了保持体表标记的清晰，一般不建议患者在放疗疗程中洗澡，由于一个疗程一般为20-30天，所以该方法给患者带来极大的不便

因此，如何在放疗中如何准确地建立患者的坐标系，准确地获取患者肿瘤中心的坐标位置，成为实施精确放疗的重点研究的方向。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法，能完全解决上述现有技术的不足之处。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法，包括以下步骤：

1）对患者进行CT扫描，获取患者的CT图像；

2）将患者CT图像导入到放射治疗计划系统软件中，自动或者手动对患者体表进行轮廓勾画，得到患者体表轮廓坐标系，并将肿瘤中心位置设为患者坐标系的参考原点O（0,0,0）；

3）将患者放置于治疗床上，使用3D体表光学成像设备对患者及治疗床进行拍摄，得到患者3D体表曲面坐标系，以及患者与治疗床之间的相互位置关系；

4）将2）中得到的患者体表轮廓坐标系与3）中得到的3D体表曲面坐标系进行配准，得到肿瘤中心在3D体表曲面坐标系中的位置；

5）根据3）中得到的患者与治疗床之间的相互位置关系，通过移动治疗床将肿瘤中心置于放疗设备照射中心点，完成患者坐标系与放疗设备治疗坐标系的匹配。

作为优选，所述步骤3）中放置方式为平躺。

作为优选，所述步骤3）中 3D体表光学成像设备包括支架、相机、结构光源模块、无线数据传输模块和系统服务器，所述相机固定在支架上，结构光源模块固定在支架中心，所述无线数据传输模块安装在支架的一端，无线数据传输模块分别与相机和结构光模块连接，并通过无线网络与系统服务器连接。

作为优选，所述相机为亚毫米级空间精度的工业相机。

作为优选，所述步骤5）中放疗设备包括直线加速器、伽马刀和质子重离子加速器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）采用3D体表光学成像设备，无辐射，定位精度高，可达到亚毫米级空间精度，能够实现准确地建立患者的坐标系，准确地获取患者肿瘤中心的坐标位置，实施精确放疗；

（2）全程系统自动运行，不引入额外的人为操作偏差；

（3）患者体表无需放置铅点，无需涂绘定位标记，清洁美观，不影响生活。

附图说明

图1是3D体表光学成像设备的结构示意图。

附图标记：1-支架，2-相机，3-结构光源模块，4-无线数据传输模块，5-无线数据传输模块安装槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法，包括以下步骤：

1）对患者进行CT扫描，获取患者的CT图像；

2）将患者CT图像导入到放射治疗计划系统软件中，得到患者CT图中解剖位置坐标系C1，自动或者手动对患者体表进行轮廓勾画，得到患者体表3D轮廓曲面S1，并将肿瘤中心位置坐标设为患者坐标系的参考原点O（0,0,0）；

3）将患者放置于治疗床上，使用3D体表光学成像设备对患者及治疗床进行拍摄，得到患者体位坐标系C2，患者体表3D轮廓曲面S2，以及患者与治疗床之间的相互位置关系；

4）将2）中得到的患者体表3D轮廓曲面S1与3）中得到的体表3D轮廓曲面S2进行形变配准，或刚性配准, 得到曲面S1和S2的对应转换关系F，由此即得到患者CT图中解剖位置坐标系C1中的肿瘤中心位置坐标O（0,0,0）在患者体位坐标系C2中的位置O’，本步骤中涉及将图像进行形变配准或刚性配准为业内现有成熟的技术方法，所述领域技术人员可从现有技术中获得该技术手段；

5）由于治疗床位置与加速器照射中心点的相对位置关系已知，因此根据3）中得到的患者与治疗床之间的相互位置关系，通过移动治疗床将患者体位坐标系C2中的肿瘤中心O’置于放疗设备照射中心点，完成患者坐标系与放疗设备治疗坐标系的匹配。

实施例中，步骤2）所述放射治疗计划系统软件（简称TPS）是放射治疗流程中为患者进行治疗方案设计及剂量计算的软件工具，目前已经有成熟的产品，如瑞典医科达公司的monaco， 瑞典raysearch公司的raystation，飞利浦公司的pinnacle等 ；步骤5）中所述放疗设备优选为医科达直线加速器Synergy，TPS和放疗设备是配合使用的，只需要在TPS中建立放疗设备的剂量学模型即可。TPS后台已经存储有放疗设备的剂量学模型，患者的CT图像导入到TPS中后，操作人员可在软件中自动或者手动勾画出患者体内各个器官的轮廓（如体表轮廓、肺部轮廓等）、设计具体的照射治疗方案、并模拟计算患者体内的照射剂量分布。

如附图1，步骤3）中所述的3D体表光学成像设备包括支架1、相机2、结构光源模块3、无线数据传输模块4和系统服务器（图中未示出），结构光源模块3固定在支架1中心，结构光模块2由一个投影仪和一个相机组成，投影仪的分辨率为1920*1280，相机分辨率大于1920*1280，支架1两端对称安装有工业用高精度高速相机2，两个相机相距400mm，支架1的左端设置有无线数据传输模块安装槽5，无线数据传输模块安装槽5内安装有无线数据传输模块4，无线数据传输模块4分别与相机2和结构光模块3连接，并通过无线网络与系统服务器连接，无线数据传输模块3采用ARM芯片并安装有全功能的Linux操作系统，可以实时预处理采集的图像及其他相关信息并实时传送至系统服务器，并可以根据接受到的系统服务器的指令及反馈，控制相机及结构光模块，系统服务器型号为HP Z6 workstation，无线数据传输模块3型号为济南有人物联网技术有限公司生产的DTU无线数据传输终端，相机1采用维视智选科技有限公司生产的MV-EM系列千兆网工业相机，2个相机1实时获取病人体表影像数据，通过无线数据传输模块3将数据传输至系统服务器进行实时处理，提取特征点，并对其进行三维重建，实时获取患者体表轮廓三维数据。

本发明通过3D体表光学成像设备扫描，得到患者实际的体表的光学三维轮廓图像，再将患者实际的体表三维轮廓与TPS中得到的体表轮廓进行配准，实现患者的实际位置与软件中模拟的患者位置相匹配，建立起患者治疗的位置坐标系，能够实现准确地建立患者的坐标系，准确地获取患者肿瘤中心的坐标位置，实施精确放疗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）对患者进行CT扫描，获取患者的CT图像；

2）将患者CT图像导入到放射治疗计划系统软件中，自动或者手动对患者体表进行轮廓勾画，得到患者体表轮廓坐标系，并将肿瘤中心位置设为患者坐标系的参考原点O（0,0,0）；

3）将患者放置于治疗床上，使用3D体表光学成像设备对患者及治疗床进行拍摄，得到患者3D体表曲面坐标系，以及患者与治疗床之间的相互位置关系；

4）将2）中得到的患者体表轮廓坐标系与3）中得到的3D体表曲面坐标系进行配准，得到肿瘤中心在3D体表曲面坐标系中的位置；

5）根据3）中得到的患者与治疗床之间的相互位置关系，通过移动治疗床将肿瘤中心置于放疗设备照射中心点，完成患者坐标系与放疗设备治疗坐标系的匹配。

2.根据权利要求1所述的一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法，其特征在于：所述步骤3）中放置方式为平躺。

3.根据权利要求1所述的一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法，其特征在于：所述步骤3）中 3D体表光学成像设备包括支架（1）、相机（2）、结构光源模块（3）、无线数据传输模块（4）和系统服务器，所述相机（2）固定在支架（1）上，结构光源模块（3）固定在支架（1）中心，所述无线数据传输模块（4）安装在支架（1）的一端，无线数据传输模块（4）分别与相机（2）和结构光模块（3）连接，并通过无线网络与系统服务器连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法，其特征在于：所述相机为亚毫米级空间精度的工业相机。

5.根据权利要求1所述的一种基于体表光学成像的放疗病人坐标系建立的方法，其特征在于：所述步骤5）中放疗设备包括直线加速器、伽马刀和质子重离子加速器。