CN112076400A - 一种重复定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重复定位方法及系统，涉及放疗摆位领域，其方法在于：构建目标物虚拟信息，其中，目标物其位置与目标母体相对固定，且位于目标母体上无法直接定位的区域；建立通信，将目标物虚拟信息导入虚拟环境；匹配定位,将虚拟环境与真实环境叠加，其中，目标物虚拟机信息与目标母体相匹配；本发明还公开了一种使用上述重复定位方法的系统，包括用于构建目标物虚拟信息的构建模块；用于将目标物虚拟信息导入虚拟环境的通信模块；用于将虚拟环境与真实环境叠加，并将目标物虚拟机信息与目标母体相匹配的匹配模块；其优点在于，可以对无法直接定位的目标在不同的空间、时间进行重复精准定位，尤其适用于放疗摆位定位。

Description

一种重复定位方法及系统
技术领域
本发明涉及一种定位方法，具体地说，是一种重复定位方法及系统。
背景技术
在肿瘤放射治疗中，定位摆位准确性与治疗的疗效密切相关，严格控制定位摆位误差，不但可以提高肿瘤治疗的准确性，而且还可以减少正常组织反应。
国内外目前解决放射治疗定位摆位的精准性问题的常规方式是采用机载成像设备做图像引导放射治疗，提高IGRT技术应用于放疗摆位的精确性。虽然IGRT技术能够提高放射治疗的精确度，但机载影像的质量一般不高，在其图像中识别出肿瘤的准确性欠佳；且只能对某一特定时刻的人体进行成像，与计划中CT某一时刻的影像配准时存在一定的误差，此外每一次摆位时都会使患者接受机载成像设备带来的辐射；在放疗过程中患者体位的改变会导致内脏器官的变形、患者的呼吸运动等也会导致患者肿瘤位置的改变。
还有一种基于视频的精确放疗摆位系统，利用双目摄像头重建患者定位时的三维模型，求出标志点的三维坐标，与摆位时患者的标志点坐标进行比较，计算患者位置的偏差并实现自动调整治疗床的位置，提高了摆位的效率与精确度；但这种方法在调整患者体位时直观性较差，并且受限于患者的体表轮廓图像的提取。
中国专利申请CN106943678A公开了一种自动放疗摆位的方法及装置，其方法包括：在患者被固定在所述床架上定位时，通过对床架外空间建立放疗空间坐标系，并确定标记在患者体表上的标记点在所述放疗空间坐标系中的定位空间位置；在患者被固定在所述床架上摆位时，通过对标记在患者体表上的标记点进行探测，确定所述标记点在放疗空间坐标系中的摆位空间位置；通过将所述摆位空间位置与所述定位空间位置进行匹配处理，得到空间位置差；根据空间位置差，对移动式床架进行位置调整，使所述摆位空间位置与所述定位空间位置相一致。其可减少摆位时对患者的移动，提高患者舒适度，减少人为因素造成的摆位误差，提高工作效率；但其依然没有解决患者体位固定的问题，而是提供一种控制治疗床的空间位置的方法，并通过记录空间中的标记点来替代患者体表的标记点，其依然对患者体位与体型有较大要求，精确度依然难以保证。
综上所述，亟需一种提高患者放射治疗精准性、简化操作流程、有效的提高重复定位精度的重复定位方法及系统。
发明内容
本发明的目的是，提供一种提高患者放射治疗精准性、简化操作流程、有效的提高重复定位精度的重复定位方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种重复定位方法，其特征在于，包括：构建目标物虚拟信息，其中，目标物其位置与目标母体相对固定，且位于目标母体上无法直接定位的区域；建立通信，将目标物虚拟信息导入虚拟环境；匹配定位，将虚拟环境与真实环境叠加，其中，目标物虚拟机信息与目标母体相匹配。
作为一种优选的技术方案，构建目标物虚拟信息包括：获取目标母体内的目标物信息；根据所述目标物信息构建目标物虚拟信息。
作为一种优选的技术方案，目标母体为患者体表，目标物为病灶区，其中，获取目标母体内的目标物信息包括：对病灶区进行CT/MRI扫描，获取CT/MRI图像；根据所述目标物信息构建目标物虚拟信息包括：对CT/MRI图像进行三维模型重建，其中，重建步骤包括对病灶区重建并导出模型文件；将模型文件导入开发引擎。
作为一种优选的技术方案，将模型文件导入开发引擎还包括：对模型文件进行定位标记，其中，定位标记为反映于目标母体上的标记，用于构建坐标系原点。
作为一种优选的技术方案，所述定位标记为骨性标志位，其中，骨性标志位为左胸锁关节、右胸锁关节及剑突。
作为一种优选的技术方案，建立通信包括：将开发引擎与显示设备之间建立通信。
作为一种优选的技术方案，匹配定位包括：构建三维动作捕捉分析系统，捕捉真实环境，其中，真实环境中目标母体上与所述定位标记对应的位置设有标记物；统一三维动作捕捉分析系统中真实环境与显示设备中虚拟环境的坐标；目标物虚拟信息与目标母体匹配叠加，显示于显示设备中。
本发明的再一目的是，提供一种提高患者放射治疗精准性、简化操作流程、有效的提高重复定位精度的重复定位系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种重复定位系统，其特征在于，包括：构建模块：用于构建目标物虚拟信息；通信模块：用于将目标物虚拟信息导入虚拟环境；匹配模块：用于将虚拟环境与真实环境叠加，并将目标物虚拟机信息与目标母体相匹配。
作为一种优选的技术方案，构建模块包括：用于三维模型重建的Mimics，用于模型文件转化的3ds Max，用于通信连接的开发引擎；通信模块包括Unity-HoloLens通信；匹配模块包括Qualisys三维运动采集分析系统；
作为一种优选的技术方案，应用于放疗摆位定位，包括放射治疗仪，还包括以下步骤：令目标母体即患者体表位于放射治疗仪中；利用所述重复定位方法进行目标物即病灶区定位；将放射治疗仪的放射线对准与患者体表匹配的病灶区，进行治疗。
本发明优点在于：
1、本发明所述重复定位方法包括构建目标物虚拟信息，建立通信，匹配定位；可以对目标母体内不能直接定位的目标物进行精准的重复定位，特别是对定位环境难以维持，定位复杂，操作周期长的环境提供了一套高效的定位方法及系统，可以对无法直接定位的目标在不同的空间、时间进行重复精准定位。
2、本发明尤其适用于符合上述情形的放疗摆位定位需求；实现患者无体表物理标记的放射定位；提高了放疗定位的精确性和准确度，可避免因患者体表的物理标记线不清晰而引起的定位精确度下降，实现精准定位治疗，同时避免患者重复定位，减少定位过程中的不确定性，降低患者辐射剂量吸收，在提高治疗精准性的同时节约医疗资源，减轻了医务工作者的负担；减轻患者由于体表的物理标记而产生的心理负担；可以让放射治疗技师对患者体位变化有更直观的了解，从而及时调整，减少摆位误差。
附图说明
附图1是本发明一种重复定位方法的流程示意图。
附图2是本发明一种重复定位系统的模块示意图。
附图3是本实施例重建后的三维模型。
附图4是本实施例开发引擎中的三维模型示意图。
附图5是本实施例目标母体标记物示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
22.构建模块 24.通信模块 26.匹配模块
实施例1
附图1是本发明一种重复定位方法的流程示意图，如图1所示，该方法至少包括步骤 S102-S106：
步骤S102：构建目标物虚拟信息，其中，目标物为目标母体上无法直接定位的区域；
应理解的是，本实施例中所述目标物可以为目标本身，还可以包括目标物附近位置相对固定具有标志性的物体，并在其虚拟信息表示方式上进行区分，如不同的着色处理等
在一些可选的实施例中，构建目标物虚拟信息包括：
步骤S1022：获取目标母体内的目标物信息；
如实施例中，当目标母体为目标母体为患者体表，目标物为病灶区时，获取目标母体内的目标物信息则包括：通过对病灶区进行CT/MRI扫描，获取CT/MRI图像；
步骤S1024：根据所述目标物信息构建目标物虚拟信息：
在上述实施例中，根据所述目标物信息构建目标物虚拟信息包括：对CT/MRI图像进行三维模型重建，其中，重建步骤包括对病灶区重建并导出模型文件；将模型文件导入开发引擎；
将CT/MRI图像导入Mimics进行骨骼结构重建及病变组织三维重建，导出.stl模型文件；再将.stl模型文件导入3ds Max进一步转化为.fbx模型文件，并将该文件导入Unity开发引擎中，并对骨骼结构与病变组织进行区分着色；
在一些实施例中，需要对模型文件进行定位标记，其中，定位标记为反映于目标母体上的标记，用于构建坐标系原点，如在上述实施例中通过Unity开发引擎分别在左胸锁关节、右胸锁关节及剑突三个骨性标志位上设置marker标记球，加以颜色进行区分，并以左右胸锁关节连线的中点与剑突连线的中点为坐标系原点，可尽可能减轻呼吸运动对定位的影响；
步骤S104：建立通信，将目标物虚拟信息导入虚拟环境；
将开发引擎与显示设备之间建立通信；使目标物的虚拟信息显示于显示设备的虚拟环境之中；
在上述实施例中，在Unity开发引擎与HoloLens显示设备之间通过IP连接建立Unity-HoloLens通信；
步骤S106：匹配定位，将虚拟环境与真实环境叠加，其中，目标物虚拟机信息与目标母体相匹配；
通过匹配定位，可以将目标物虚拟信息显示于目标母体上，令目标物其位置可见于目标母体；
在一些优选的实施方式中，匹配定位包括：
步骤S1062：构建三维动作捕捉分析系统，捕捉真实环境，其中，真实环境中目标母体上与所述定位标记对应的位置设有标记物；在匹配定位中，通过标记物与虚拟信息中的定位标记的重合度来确定定位精度，并进行对应的调整；而应理解的是，随着增强现实、混合现实等技术的成熟与进步，其亦可由对应的显示设备直接捕捉真实环境。
步骤S1064：统一三维动作捕捉分析系统中真实环境与显示设备中虚拟环境的坐标；
通过三维动作捕捉分析系统捕捉目标母体的真实环境信息，将真实环境与虚拟环境相融合，便于相应仪器如计算机对重合精度进行微调；因理解的是，随着技术的成熟与发展，其操作者可通过混合现实直接进行微调。
步骤S1066：目标物虚拟信息与目标母体匹配叠加，显示于显示设备中；
操作人员通过携带相应的显示设备，令目标物与目标母体相叠加的画面显示于显示设备上，使操作人员针对被定位的目标物进行相应操作。
需要说明的是：本发明所述重复定位方法包括构建目标物虚拟信息，建立通信，匹配定位；可以对目标母体内不能直接定位的目标物进行精准定位，特别是对于需要跨时间、跨空间的定位，使其无需在对定位目标物重复操作时进行重复定位或必须维持上次定位的定位环境，尤其适合放疗摆位定位等定位复杂，操作周期长，定位装置与操作装置不同，环境定位难以维持的定位需求，可以对无法直接定位的目标在不同的空间、时间进行重复精准定位；本发明通过虚实结合的方式，令难以直接定位的目标物直接显示于真实场景中的目标母体上，反映其实时位置，便于对定位目标进行进一步的操作。
附图2是本发明一种重复定位系统的模块示意图，如图2所示，该装置至少包括构建模块22、通信模块24、匹配模块26；其中：
构建模块22：用于构建目标物虚拟信息；
通信模块24：用于将目标物虚拟信息导入虚拟环境；
匹配模块26：用于将虚拟环境与真实环境叠加，并将目标物虚拟机信息与目标母体相匹配；
需要说明的是，图2所示实施例的优选实施方式可以参见图1所示实施例的相关描述，此处不再赘述。
实施例2
本实施例结合将结合具体应用对本发明进行阐述。
对于需要进行胸膜肿瘤放射治疗的患者；
S2：获取目标母体内的目标物信息；
利用CT对患者胸腔拍摄CT图像；
S4：根据所述目标物信息构建目标物虚拟信息：
请参看附图3，附图3是本实施例重建后的三维模型；将获得的CT图像导入Mimics软件，利用该软件首先对骨骼结构进行重建，生成骨骼三维模型，再利用该软件对病灶区肿瘤即病变组织结构进行重建，生成病变组织三维模型，需注意的是，上述骨骼三维模型与病变组织三维模型均在CT图像的基础上构建，其相对位置无法被改变，即患者体内病灶区与骨骼结构的相对位置与三维模型所呈现的位置关系一致且骨骼与病变组织的相对位置稳定性极高，尤其适合作为定位参考标志；请参看附图4，附图4是本实施例开发引擎中的三维模型示意图；为使该虚拟信息与显示设备HoloLens相适配，先导出.stl模型文件，再通过3ds Max进一步转化为.fbx模型文件，并将该文件导入Unity开发引擎中，并利用Unity 对骨骼结构与病变组织进行区分着色，在左胸锁关节、右胸锁关节及剑突三个骨性标志位上设置marker标记球，加以颜色进行区分；
S6：建立通信，将目标物虚拟信息导入虚拟环境；
在Unity中对接HoloLens IP地址，建立通信，使Unity中目标物的虚拟信息包括marker 标记球皆显示于HoloLens显示设备中；
S8：构建三维动作捕捉分析系统，捕捉真实环境，其中，真实环境中目标母体上与所述定位标记对应的位置设有标记物；
请参看附图5，附图5是本实施例目标母体标记物示意图；利用Qualisys运动捕捉摄像头搭建三维动作捕捉分析系统，在QTM中完成摄像机标定搭建真实环境，治疗时包括放射治疗仪、患者及设置于患者体表左、右胸锁关节及剑突上的标记物，可以尽可能减轻呼吸运动对定位的影响，其标记物均能被Qualisys清晰捕捉；
S10：统一三维动作捕捉分析系统中真实环境与显示设备中虚拟环境的坐标；
将HoloLens放置在Qualisys标定装置的凹槽内，统一坐标；
S12：目标物虚拟信息与目标母体匹配叠加，显示于显示设备中；
放疗操作人员佩戴HoloLens显示设备，注视患者体表的标记物，操作者的视野里即为虚实模型叠加的结果，在Unity该模型的Inspect中Transform面板中更改参数，进行微调，使匹配更加精确。
当患者后续进行摆位治疗时，只需固定于治疗床上，无需与定位时的体位保持完全一致，操作人员通过本发明所述重复定位系统及定位方法实现了患者病灶区位置的可视化，以操作放射性射线对准患者病变组织，利于患者后续治疗；本发明所述定位摆位方法及系统极大的克服了患者进行放射治疗的疗程中，定位效果难以保证，操作复杂的问题，可以让放射治疗技师对患者体位变化有更直观的了解，从而减少摆位误差。
需要说明的是：本发明尤其适用于符合上述实施例所述的放疗摆位定位；本发明的应用将带动混合现实技术在放射治疗领域的应用，实现了患者去体表物理标记的放射治疗新模式；提高放疗的精确性和准确度，避免因患者体表的物理标记线不清晰而引起的定位精确度下降，实现精准治疗，亦可避免患者重复定位，减少定位过程中的不确定性，降低患者辐射剂量吸收；减少了医生画摆位线的次数，，在提高治疗精准性的同时节约医疗资源，减少医务工作者的不必要的重复性劳动，减轻负担；还可减轻患者由于维护体表的物理标记而产生的心理负担；可以让放射治疗技师对患者体位变化有更直观的了解，从而减少摆位误差。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器 (RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种重复定位方法，其特征在于，包括：
构建目标物虚拟信息，其中，目标物其位置与目标母体相对固定，且位于目标母体上无法直接定位的区域；
建立通信，将目标物虚拟信息导入虚拟环境；
匹配定位,将虚拟环境与真实环境叠加，其中，目标物虚拟机信息与目标母体相匹配。
2.根据权利要求1所述重复定位方法，其特征在于，构建目标物虚拟信息包括：
获取目标母体内的目标物信息；
根据所述目标物信息构建目标物虚拟信息。
3.根据权利要求2所述重复定位方法，其特征在于，目标母体为患者体表，目标物为病灶区，其中，
获取目标母体内的目标物信息包括：对病灶区进行CT/MRI扫描，获取CT/MRI图像；
根据所述目标物信息构建目标物虚拟信息包括：对CT/MRI图像进行三维模型重建，其中，重建步骤包括对病灶区重建并导出模型文件；将模型文件导入开发引擎。
4.根据权利要求3所述重复定位方法，其特征在于，将模型文件导入开发引擎还包括：
对模型文件进行定位标记，其中，定位标记为反映于目标母体上的标记，用于构建坐标系原点。
5.根据权利要求4所述重复定位方法，其特征在于，所述定位标记为骨性标志位，其中，骨性标志位为左胸锁关节、右胸锁关节及剑突。
6.根据权利要求3所述重复定位方法，其特征在于，建立通信包括：
将开发引擎与显示设备之间建立通信。
7.根据权利要求6所述重复定位方法，其特征在于，匹配定位包括：
构建三维动作捕捉分析系统，捕捉真实环境，其中，真实环境中目标母体上与所述定位标记对应的位置设有标记物；
统一三维动作捕捉分析系统中真实环境与显示设备中虚拟环境的坐标；
目标物虚拟信息与目标母体匹配叠加，显示于显示设备中。
8.一种重复定位系统，其特征在于，包括：
构建模块：用于构建目标物虚拟信息；
通信模块：用于将目标物虚拟信息导入虚拟环境；
匹配模块：用于将虚拟环境与真实环境叠加，并将目标物虚拟机信息与目标母体相匹配；
所述重复定位系统用于执行1-7任一项所述重复定位方法。
9.根据权利要求8所述的重复定位系统，其特征在于，
构建模块包括：用于三维模型重建的Mimics，用于模型文件转化的3ds Max，用于通信连接的开发引擎；
通信模块包括Unity-HoloLens通信；
匹配模块包括Qualisys三维运动采集分析系统。
10.根据权利要求8所述的重复定位系统，其特征在于，应用于放疗摆位定位，包括放射治疗仪，还包括以下步骤：
令目标母体即患者体表位于放射治疗仪中；
利用权利1-7所述任一项重复定位方法进行目标物即病灶区定位；
将放射治疗仪的放射线对准与患者体表匹配的病灶区，进行治疗。
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