CN111773564A - 一种肿瘤实时定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了放疗定位技术领域的一种肿瘤实时定位方法，包括：步骤S10、对磁传感器阵列的各磁传感器进行标定；步骤S20、测量各永磁体作用在各标定后的磁传感器上的磁感应强度数据；步骤S30、基于所述磁感应强度数据，利用毕奥‑萨伐尔定律创建误差目标函数；步骤S40、利用优化算法，找出使所述误差目标函数取值最小的定位数据；步骤S50、基于所述定位数据计算肿瘤的质心和半径；步骤S60、计算机利用所述位置和体积对肿瘤进行定位，进而控制放疗机器人夹持直线加速器对肿瘤进行精准化疗。本发明的优点在于：实现对肿瘤进行实时定位，并极大的提升了定位速度以及精度，减少了辐射。

Description

一种肿瘤实时定位方法

技术领域

本发明涉及放疗定位技术领域，特别指一种肿瘤实时定位方法。

背景技术

肺癌是人类癌症死亡的主要原因，而提高肺癌治愈率的有效手段是早期诊断和早期治疗。因此，超过60％的肺癌患者需要在疾病的不同阶段接受放射治疗。然而，肺部肿瘤放射治疗过程中，人体呼吸会导致肿瘤的动态移位，从而影响放射治疗的疗效。

Yu等人通过理论模型计算出在放射治疗中，呼吸运动引起的剂量偏差可达100％。Erridge等人通过成像系统研究肺癌患者肺部肿瘤的运动范围，研究表明，头脚方向上肿瘤的移动距离为5.2mm到19.8mm，横向移动距离为4.6mm到10mm。Hanley等人通过CT观察，肺癌在头足、前后、左右方向的移位幅度分别在20mm、13mm和1mm以内。以上研究结果表明，呼吸运动对肺部肿瘤移动有影响，对头脚方向的影响更为显著。由此可见，呼吸引起的肿瘤运动是导致肺癌放疗失败的主要因素之一。

精确跟踪放疗过程中的肿瘤运动轨迹是放疗机器人位姿控制的前提，通过减小呼吸运动引起的定位误差，保证放疗剂量的准确性，提高肺部肿瘤的治愈率。针对肿瘤的定位，传统上存在如下方法：

方法一：在被治疗肿瘤周边放置三个微型无线交变电磁线圈，通过外部交变磁场激励交变电磁线圈若干秒以后停止激励，体内微型无线交变电磁线圈被激励以后向外部发射交变电磁信号，体外电磁接收线圈阵列接收到无线交变电磁线圈转发的信号并通过算法求解得到三个微型无线交变电磁线圈的实时位姿，进而对肿瘤进行定位；但是存在体内微型无线交变电磁线圈仅作为激励信号转发用途，限制了系统的跟踪定位速率和精度的缺点，跟踪速度慢，且大多数电磁跟踪设备都是有线连接的，存在电气安全隐患。

方法二：在肿瘤周围植入金标，利用X光成像设备获取肿瘤靶区的位置坐标；该方法存在如下缺点：由于长时间暴露在X射线下会导致肿瘤周围的正常组织受到伤害。

方法三：基于肿瘤-磁性纳米颗粒(MNP)的方法，采用由五个传感器组成的传感器阵列获得产生的声信号，利用声信号定位肿瘤，存在声信号跟踪容易受到环境噪声影响的缺点。

因此，如何提供一种肿瘤实时定位方法，实现对肿瘤进行实时定位，并提升定位速度以及精度，减少辐射，成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种肿瘤实时定位方法，实现对肿瘤进行实时定位，并提升定位速度以及精度，减少辐射。

本发明提供了一种肿瘤实时定位方法，包括如下步骤：

步骤S10、将磁传感器阵列设于患者胸部的上端或者下端，对磁传感器阵列的各磁传感器进行标定；

步骤S20、将各永磁体通过穿刺或者自然管道导引方式按照固定间隔放入肿瘤周围，测量各永磁体作用在各标定后的磁传感器上的磁感应强度数据；

步骤S30、基于所述磁感应强度数据，利用毕奥-萨伐尔定律创建误差目标函数；

步骤S40、利用优化算法，找出使所述误差目标函数取值最小的定位数据；

步骤S50、基于所述定位数据计算肿瘤的质心和半径；

步骤S60、计算机利用所述位置和体积对肿瘤进行定位，进而控制放疗机器人夹持直线加速器对肿瘤进行精准化疗。

进一步地，所述步骤S10具体包括：

步骤S11、在定位区域内设定若干个标定点，将永磁体按预设方向分别设于各所述标定点上，测量各磁传感器的真实磁场强度，并用毕奥-萨伐尔定律计算各磁传感器的理论磁场强度；

步骤S12、计算各磁传感器的真实磁场强度与理论磁场强度的误差分值，累加各所述误差分值得到误差值；

步骤S13、调整各磁传感器的灵敏度、位置以及方向，使所述误差值的取值最小，进而完成各磁传感器的标定。

进一步地，所述步骤S20具体为：

设定一距离阈值，当各永磁体的间距小于所述距离阈值时，将永磁体组作为一个磁偶极子；当各永磁体的间距大于等于所述距离阈值时，将各永磁体分别作为一个磁偶极子；

当仅存在一个磁偶极子时，各永磁体作用在各标定后的磁传感器上的磁感应强度数据为：

当存在至少两个磁偶极子时，各永磁体作用在各标定后的磁传感器上的磁感应强度数据为：

其中B_f表示第f个永磁体在磁传感器上的磁感应强度；f表示永磁体的个数，M表示永磁体的总数，且f和M均为正整数；B表示磁传感器受到的磁场强度；l表示磁传感器的个数，且l∈[1,N]，N表示磁传感器的总数，l和N均为正整数；H₀表示永磁体的方向矢量，且H₀＝(m_q,n_q,p_q)^T，

P_l表示从永磁体位置(a_q,b_q,c_q)到第l个磁传感器位置(x_l,y_l,z_l)的矢量；B_T表示永磁体的特征参数；B_Tq表示第q个永磁体的特征参数；R_l表示第l个磁传感器到永磁体组的距离；i、j、k分别表示x轴、y轴和z轴方向的单位矢量；R_lq表示第l个磁传感器到第q个永磁体的距离；q表示永磁体的个数，为正整数；B_lx表示第l个磁传感器的磁感应强度在x轴的分量；B_ly表示第l个磁传感器的磁感应强度在y轴的分量；B_lz表示第l个磁传感器的磁感应强度在z轴的分量。

进一步地，所述步骤S30中，所述误差目标函数具体为：

其中E表示总误差；

表示x轴方向的误差分量；

表示y轴方向的误差分量；

表示z轴方向的误差分量。

进一步地，所述步骤S40中，所述定位数据包括(a_q,b_q,c_q,m_q,n_q,p_q)。

本发明的优点在于：

1、通过在肿瘤的周围环设永磁体，在患者胸部的上端或者下端设置磁传感器阵列，通过磁传感器阵列测量各永磁体的磁感应强度数据，基于磁感应强度数据创建误差目标函数，再利用优化算法找出使误差目标函数取值最小的定位数据，通过定位数据即可实时计算肿瘤的质心和半径，实现对肿瘤进行实时定位，进而通过计算机控制放疗机器人夹持直线加速器对肿瘤进行精准化疗；且定位的过程中不需要借助任何辅助影像设备，结构简单，操作便捷，极大的提升了定位的速度。

2、通过永磁体组和磁传感器阵列对肿瘤进行定位，即通过永磁体发出的静态磁场进行定位跟踪，相对于电磁跟踪设备，对人体没有副作用，极大的减少了辐射，不需要配备能源，系统可长时间运行；相对于肿瘤-磁性纳米颗粒的方法，无噪声干扰，进而极大的提升了定位精度。

3、在肿瘤消融后永磁体会聚集在一起，可将永磁体装载在穿刺刀末端进行吸附，放疗后即可取出，即植入的永磁体不会留在肺部或周围组织中，消除了后期的隐患。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种肿瘤实时定位方法的流程图。

图2是本发明一种肿瘤实时定位装置的电路原理框图。

图3是本发明一种肿瘤实时定位装置的结构示意图。

图4是本发明永磁体坐标和方向示意图。

标记说明：

100-一种肿瘤实时定位装置，1-永磁体组，2-磁传感器阵列，3-计算机，4-放疗机器人，5-直线加速器，11-永磁体，21-磁传感器。

具体实施方式

请参照图1至图4所示，本发明一种肿瘤实时定位方法需使用如下一种肿瘤实时定位装置100，包括：

永磁体组1，环设于肿瘤的周围，并贴近肿瘤；

磁传感器阵列2，与所述永磁体组1磁感应连接，设于患者胸部的上端或者下端，用于测量所述永磁体组1在磁传感空间各点上产生的磁场强度信号；

计算机3，与所述磁传感器阵列2连接，用于对磁传感器阵列2测量的磁场强度信号进行数据采集和处理，并基于位姿跟踪算法得到各永磁体的位姿信息，即各永磁体的3维位置和2维姿态；

放疗机器人4，与所述计算机3连接；所述放疗机器人4具备机械臂，用于抓取所述直线加速器5对肿瘤进行精准放疗；

直线加速器5，与所述计算机3连接，并设于所述放疗机器人4上，是用于患者肿瘤或其他病灶放射治疗的一种医疗器械。

所述永磁体组1包括二个或者三个永磁体11，各所述永磁体11等间距环设于肿瘤的周围。

所述永磁体11为圆柱体，表面设有生物安全性防护涂层(未图示)，避免对人体健康产生影响。

所述磁传感器阵列2包括若干个磁传感器21；各所述磁传感器21的一端与计算机3连接，另一端与所述永磁体组1磁感应连接。

所述磁传感器21的维数之和大于永磁体11个数的5倍。日常的空间维度由长、宽、高三个维度组成，而磁传感器可以测量这三个维度的磁场强度；因此，磁传感器按轴向可分为单轴、双轴和三轴；单轴传感器只能测量一个方向上的磁场强度，双轴可以测量两个方向上的磁场强度，三轴可以测量三个方向上的磁场强度。

本发明一种肿瘤实时定位方法的较佳实施例，包括如下步骤：

步骤S10、将磁传感器阵列设于患者胸部的上端或者下端，对磁传感器阵列的各磁传感器进行标定，即设定各磁传感器的灵敏度、位置以及方向；

步骤S20、将各永磁体通过穿刺或者自然管道导引方式按照固定间隔放入肿瘤周围，测量各永磁体作用在各标定后的磁传感器上的磁感应强度数据；

步骤S30、基于所述磁感应强度数据，利用毕奥-萨伐尔定律创建误差目标函数；

步骤S40、利用优化算法，找出使所述误差目标函数取值最小的定位数据；所述优化算法优选为LM算法，具有执行效率快的优点，极大的提升了定位速度；

步骤S50、基于所述定位数据计算肿瘤的质心和半径：

其中(a₁,b₁,c₁)、(a₂,b₂,c₂)以及(a₃,b₃,c₃)分别表示三个永磁体的位置；(a,b,c)表示肿瘤的质心；r表示肿瘤的半径；M表示永磁体的数量。

步骤S60、计算机利用所述位置和体积对肿瘤进行定位，进而控制放疗机器人夹持直线加速器对肿瘤进行精准化疗。

进一步地，所述步骤S10具体包括：

步骤S11、在定位区域内设定若干个标定点，将永磁体按预设方向分别设于各所述标定点上，测量各磁传感器的真实磁场强度，并用毕奥-萨伐尔定律计算各磁传感器的理论磁场强度；

步骤S12、计算各磁传感器的真实磁场强度与理论磁场强度的误差分值，累加各所述误差分值得到误差值；

步骤S13、利用优化算法调整各磁传感器的灵敏度、位置以及方向，使所述误差值的取值最小，进而完成各磁传感器的标定。

所述步骤S20具体为：

设定一距离阈值，当各永磁体的间距小于所述距离阈值时，将永磁体组作为一个磁偶极子；当各永磁体的间距大于等于所述距离阈值时，将各永磁体分别作为一个磁偶极子；

当仅存在一个磁偶极子时，各永磁体作用在各标定后的磁传感器上的磁感应强度数据为：

当存在至少两个磁偶极子时，各永磁体作用在各标定后的磁传感器上的磁感应强度数据为：

其中B_f表示第f个永磁体在磁传感器上的磁感应强度；f表示永磁体的个数，M表示永磁体的总数，且f和M均为正整数；B表示磁传感器受到的磁场强度；l表示磁传感器的个数，且l∈[1,N]，N表示磁传感器的总数，l和N均为正整数；H₀表示永磁体的方向矢量，且H₀＝(m_q,n_q,p_q)^T，由于第q个永磁体的方向由2维方向参数确定，因此增加

的约束条件；P_l表示从永磁体位置(a_q,b_q,c_q)到第l个磁传感器位置(x_l,y_l,z_l)的矢量；B_T表示永磁体的特征参数；B_Tq表示第q个永磁体的特征参数；R_l表示第l个磁传感器到永磁体组的距离；i、j、k分别表示x轴、y轴和z轴方向的单位矢量；R_lq表示第l个磁传感器到第q个永磁体的距离；q表示永磁体的个数，为正整数；B_lx表示第l个磁传感器的磁感应强度在x轴的分量；B_ly表示第l个磁传感器的磁感应强度在y轴的分量；B_lz表示第l个磁传感器的磁感应强度在z轴的分量。

所述步骤S30中，所述误差目标函数具体为：

其中E表示总误差；

表示x轴方向的误差分量；

表示y轴方向的误差分量；

表示z轴方向的误差分量。

所述步骤S40中，所述定位数据包括(a_q,b_q,c_q,m_q,n_q,p_q)，即第q个永磁体的位置参数和方向参数。

由于要求解使总误差E最小的位置参数以及方向参数，是一个最小平方误差问题，通过LM算法求解；还需要

分别对(a_q,b_q,c_q,m_q,n_q,p_q)求偏导数，构成雅可比矩阵。即通过LM算法求解第q个永磁体的位置参数(a_q,b_q,c_q)和方向参数(m_q,n_q,p_q)作为永磁体的定位数据。一个永磁体包括5个未知参数(3个位置参数，2个方向参数)，所以M个永磁体有5×M个未知量，因此要求磁传感器的维数之和大于永磁体个数的5倍，即磁传感器维数至少为5×M维。

例如对3个永磁体定位，一维磁传感器至少要15个，或二维磁传感器至少要8个，或三维磁传感器至少要5个。而磁传感器数目上限没有限制，由于磁传感器信号强度与磁传感器和永磁体之间的间距的逆三次方关系，可以布置更多的磁传感器，使某些磁传感器到永磁体的间距缩小，有利于信噪比提高；同时更多的磁传感器对信号会起平均的作用；可见所有磁传感器都在计算中有贡献，布置更多的磁传感器会改善定位精度。

下面对所述步骤S20做进一步说明：

当除磁传感器以及永磁体外的其它单元机构采用非磁性材料时，可认为永磁体产生的磁场和周围非磁性材料所构成的环境结构无关，只同永磁体的位置和方向有关；由于永磁体周围空间的磁场分布是静态场，是不变的，当选用的永磁体为沿轴均匀磁化的圆柱形永久磁铁，并且永磁体的尺寸远小于检测点和永磁体间的距离时，永磁体可等效为图4中的磁偶极子，图中(a₁,b₁,c₁)、(a₂,b₂,c₂)以及(a₃,b₃,c₃)分别表示三个永磁体的位置；(x_l,y_l,z_l)表示被测点的位置；

表示永磁体磁场方向，且

此时套用毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart定律)算出空间各点的磁感应强度：

其中M_T＝πδ²LM₀，

μ_r表示介质的相对磁导率；μ₀表示真空磁导率(T·m/A)；H₀表示永磁体的磁矩向量；

表示永磁体中心(a,b,c)与某一被测点(x_l,y_l,z_l)的距离向量,

为标量，即距离值。

如果有N个磁传感器，单个圆柱形永磁体在第l个磁传感器处的磁通量密度为：

B_l＝B_lxi+B_lyj+B_lzk,l＝1,2,…,N；

其中B_lx、B_ly以及B_lz分别表示磁通量密度沿x轴、y轴以及z轴的正交分量。

如果有M个永磁体，各磁性目标之间的距离以及磁性目标到磁通量密度测量点的距离大于磁性目标内置永磁体的尺寸10倍以上，磁传感器的磁场可视为各永磁体产生的磁场之线性叠加：

综上所述，本发明的优点在于：

1、通过在肿瘤的周围环设永磁体，在患者胸部的上端或者下端设置磁传感器阵列，通过磁传感器阵列测量各永磁体的磁感应强度数据，基于磁感应强度数据创建误差目标函数，再利用优化算法找出使误差目标函数取值最小的定位数据，通过定位数据即可实时计算肿瘤的质心和半径，实现对肿瘤进行实时定位，进而通过计算机控制放疗机器人夹持直线加速器对肿瘤进行精准化疗；且定位的过程中不需要借助任何辅助影像设备，结构简单，操作便捷，极大的提升了定位的速度。

2、通过永磁体组和磁传感器阵列对肿瘤进行定位，即通过永磁体发出的静态磁场进行定位跟踪，相对于电磁跟踪设备，对人体没有副作用，极大的减少了辐射，不需要配备能源，系统可长时间运行；相对于肿瘤-磁性纳米颗粒的方法，无噪声干扰，进而极大的提升了定位精度。

3、在肿瘤消融后永磁体会聚集在一起，可将永磁体装载在穿刺刀末端进行吸附，放疗后即可取出，即植入的永磁体不会留在肺部或周围组织中，消除了后期的隐患。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种肿瘤实时定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S10、将磁传感器阵列设于患者胸部的上端或者下端，对磁传感器阵列的各磁传感器进行标定；

步骤S20、将各永磁体通过穿刺或者自然管道导引方式按照固定间隔放入肿瘤周围，测量各永磁体作用在各标定后的磁传感器上的磁感应强度数据；

步骤S30、基于所述磁感应强度数据，利用毕奥-萨伐尔定律创建误差目标函数；

步骤S40、利用优化算法，找出使所述误差目标函数取值最小的定位数据；

步骤S50、基于所述定位数据计算肿瘤的质心和半径；

步骤S60、计算机利用所述位置和体积对肿瘤进行定位，进而控制放疗机器人夹持直线加速器对肿瘤进行精准化疗。

2.如权利要求1所述的一种肿瘤实时定位方法，其特征在于：所述步骤S10具体包括：

步骤S11、在定位区域内设定若干个标定点，将永磁体按预设方向分别设于各所述标定点上，测量各磁传感器的真实磁场强度，并用毕奥-萨伐尔定律计算各磁传感器的理论磁场强度；

步骤S12、计算各磁传感器的真实磁场强度与理论磁场强度的误差分值，累加各所述误差分值得到误差值；

步骤S13、调整各磁传感器的灵敏度、位置以及方向，使所述误差值的取值最小，进而完成各磁传感器的标定。

3.如权利要求1所述的一种肿瘤实时定位方法，其特征在于：所述步骤S20具体为：

设定一距离阈值，当各永磁体的间距小于所述距离阈值时，将永磁体组作为一个磁偶极子；当各永磁体的间距大于等于所述距离阈值时，将各永磁体分别作为一个磁偶极子；

当仅存在一个磁偶极子时，各永磁体作用在各标定后的磁传感器上的磁感应强度数据为：

当存在至少两个磁偶极子时，各永磁体作用在各标定后的磁传感器上的磁感应强度数据为：

其中B_f表示第f个永磁体在磁传感器上的磁感应强度；f表示永磁体的个数，M表示永磁体的总数，且f和M均为正整数；B表示磁传感器受到的磁场强度；l表示磁传感器的个数，且l∈[1,N]，N表示磁传感器的总数，l和N均为正整数；H₀表示永磁体的方向矢量，且H₀＝(m_q,n_q,p_q)^T，

P_l表示从永磁体位置(a_q,b_q,c_q)到第l个磁传感器位置(x_l,y_l,z_l)的矢量；B_T表示永磁体的特征参数；B_Tq表示第q个永磁体的特征参数；R_l表示第l个磁传感器到永磁体组的距离；i、j、k分别表示x轴、y轴和z轴方向的单位矢量；R_lq表示第l个磁传感器到第q个永磁体的距离；q表示永磁体的个数，为正整数；B_lx表示第l个磁传感器的磁感应强度在x轴的分量；B_ly表示第l个磁传感器的磁感应强度在y轴的分量；B_lz表示第l个磁传感器的磁感应强度在z轴的分量。

4.如权利要求3所述的一种肿瘤实时定位方法，其特征在于：所述步骤S30中，所述误差目标函数具体为：

其中E表示总误差；

表示x轴方向的误差分量；

表示y轴方向的误差分量；

表示z轴方向的误差分量。

5.如权利要求3所述的一种肿瘤实时定位方法，其特征在于：所述步骤S40中，所述定位数据包括(a_q,b_q,c_q,m_q,n_q,p_q)。

Images