CN112546459B - 一种牙套装置及运用该装置的头部肿瘤靶区定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于肿瘤靶区定位技术,公开了一种牙套装置及及运用该装置的头部肿瘤靶区定位方法。牙套装置包括底座、臂和上臂,且底座上设置电磁定位点,臂由两段可旋转方向的臂组成,臂的一端固定在底座上,另一端与上臂相连接,上臂上设置四个不同方向的杆,杆的一端与上臂连接,另一端部设置红外追踪球体。运用牙套装置的头部肿瘤靶区定位方法包括以下步骤:读取患者咬着牙套拍的CT图像,牙套坐标系的建立,靶区坐标系的建立与靶区追踪。本发明提供的牙套装置简单易制造,将该装置运用于头部肿瘤靶区定位方法,使患者只需要进行一次CT拍摄大大减少了患者受辐射的剂量。
Description
技术领域
本发明属于肿瘤靶区定位技术,涉及一种牙套装置及运用该装置的头部肿瘤靶区定位方法。
背景技术
头部肿瘤是指生长在颅腔的新生物,又称颅内肿瘤、脑癌,可起源于脑、脑膜、神经、血管及脑附件,或者由身体的其他组织/肝脏转移侵入颅内而形成,肿瘤的发生率为1.9~5.4人/(年.10万人),占全身各种肿瘤的1%~3%。常用的颅内肿瘤的基本治疗包括手术治疗、放射治疗和化学治疗。对于性质较良性、包膜较完整和较易于剥离的以及病程较短的脑肿瘤,手术治愈的希望较大,但对恶性程度高的或其它转移癌可行姑息性手术,如肿瘤部分切除、减压术、脑室脑池造瘘术以及脑室静脉分流术。目前多采用放疗性手术又称为立体照射,采用全方位的旋转放疗技术,使肿瘤在多方位受到照射后萎缩,甚至消失,达到和外科手术相同的效果。
在放疗过程影响放射治疗效果的诸多因素中,对病人的摆位、治疗中心位置的确定以及对治疗过程中病人的运动的控制是实施精确和影像导引放疗的关键。随着科学技术的进步,主要是快速成像技术的进步,使得放疗过程从制定放疗计划开始到实施计划的全过程,以及计划实施后对实施情况的评价都能以CT图像为主要信息源,具有个体特性的数据集为基础。这些技术的实施,大大提高了肿瘤治疗的准确性和疗效,是整个放射领域的发展方向。
在癌症放射治疗过程中,现在多根据呼吸运动的周期和影像定位系统拍摄的肿瘤运动轨迹,建立呼吸-肿瘤运动的相关性模型。整个治疗过程中,需要不断对比验证,评估呼吸周期中靶区实时位置,通过反馈系统控制机械部随呼吸做同步运动。一般采用三部红外摄像机和胸前有三个红光发射器的背心,红外摄像机拍摄胸壁的红外发生器随呼吸的运动,以32帧/秒的速度记录呼吸周期,X射线拍摄不同周期肿瘤的位置,通过算法建立体外红外发生器和肿瘤的关系。该过程需要经历一段时间的不断采集呼吸和肿瘤位置数据,建立红外发生器和肿瘤的关系,这大大加重了患者所受的辐射剂量。
中国发明专利CN109567941B公开了“一种自动配准牙套装置及系统”,主要包括:牙套本体,牙套本上设置的6个定位球和一个5自由度磁定位传感器。该专利方案给出了具体的结构方案,其特点是利用发明的自动配准牙套装置能够实现有效定位,帮助医生避开障碍,但该方案不易固定,且精密复杂;再者,并不能减少定位次数,因此该方案对于肿瘤放射治疗定位有局限性。
发明内容
为了在保证治疗精度的前提下,最大限度的减少患者所受辐射剂量。本发明通过牙套装置并将其运用到头部肿瘤靶区定位中,使得患者只需要进行一次CT拍摄就可以完成肿瘤位置和呼吸关系的建立。
本发明提供一种牙套装置,该装置包括底座、臂和上臂,底座上设置电磁定位点,臂由两段可旋转方向的臂组成,臂的一端固定在底座上,另一端与上臂相连接,上臂上设置四个不同方向的杆,杆的一端与上臂连接,另一端部设置红外追踪球体。
进一步地,所述电磁定位点为4个且分别位于底座的四个角。
本发明还提供一种运用牙套装置的头部肿瘤靶区定位方法,包括以下步骤:
S1.读取患者咬着牙套拍的CT图像;
S2.牙套坐标系的建立:依次读取图像的每一个像素,统计像素值,从直方图中获取波峰范围,分析成分,分割成分并将剔除无用部分,余下牙套有源部分和牙套无源部分,筛选出牙套中电磁定位点和红外追踪球体,依据电磁定位点集合B和红外追踪球体集合S建立坐标系,所述坐标系原点为,所述坐标系三个轴为电磁定位点集合B和红外追踪球体集合S求PCA得出的特征向量;
S3.靶区坐标系的建立:医生根据CT图像勾画靶区,获取靶区边缘,建立靶区坐标系;
S4.追踪靶区:比较牙套坐标系和靶区坐标系,确定靶区和牙套中有源部分关系,从而确定无源部分与靶区的关系,追踪无源部分定位靶区位置。
进一步地,步骤(1)中所述CT图像采用开源库DCMTK读取,用以获取DICOM图像信息如表1所示,用以图像显示及三维重建。
表1图像获取信息
进一步地,步骤(2)中所述无用部分包括空气和床板。
对运用牙套装置的头部肿瘤靶区定位方法进一步描述。
运用牙套装置的头部肿瘤靶区定位方法,包括以下步骤:
S1.读取患者咬着牙套拍的CT图像,采用开源库DCMTK读取,用以获取DICOM图像信息以图像显示及三维重建;
S2.牙套坐标系的建立;
S21.直方图统计:依次读取图像的每一个像素,统计像素值;
S22.直方图数据分析:观察直方图,获取明显的波峰范围,分析波峰代表的成分,直方图波峰范围代表的成分如表2所示;
表2直方图波峰范围代表的成分
范围 | 成分 |
[0,110] | 空气 |
[110,255] | 床板 |
[251,1200] | 牙套中无源的部分 |
[4000,4100] | 牙套中有源的部分 |
S23.剔除无用部分:根据直方图和已经分析出的成分,进行分割,将无用部分即空气和床板剔除,进一步筛选出牙套中无源部分和有源部分,其有源部分表示电磁定位点结构部分,无源部分表示红外追踪球体结构部分;
S24.建立牙套坐标系:从牙套中无源部分和有源部分筛选出牙套中电磁定位点和红外追踪球体,依据电磁定位点集合B和红外追踪球体集合S建立坐标系,设置为坐标系原点,电磁定位点集合B和红外追踪球体集合S求PCA得出的特征向量为坐标系的三个轴;
S3.靶区坐标系的建立:医生根据CT图像勾画靶区,获取靶区边缘,建立靶区坐标系;
S4.追踪靶区:比较牙套坐标系和靶区坐标系,确定靶区和牙套中有源部分关系,从而确定无源部分与靶区的关系,追踪无源部分定位靶区位置。
运用以上技术方案,本发明提供了一种牙套装置,该牙套装置简单易制造。将该装置运用于头部肿瘤靶区定位方法,发明了一种新型的肿瘤定位方式,使患者只需要进行一次CT拍摄,比较牙套坐标系和靶区坐标系,确定靶区和牙套中有源部分关系,进一步确定无源部分与靶区的关系,追踪无源部分定位靶区位置;该方法既保证了治疗精度,又大大减少了患者受辐射的剂量。
附图说明
图1是本发明的牙套装置示意图;
图2表示本发明实施例中头部肿瘤靶区定位流程图;
图3表示本发明实施例中分割流程;
图4表示本发明实施例中剔除流程;
图5表示本发明实施例中筛选电磁定位点的流程;
图6表示本发明实施例中筛选红外追踪球体的流程;
图7表示本发明实施例中靶区坐标系的建立流程。
具体实施例
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护范围。
如图1所示,本发明的牙套装置包括底座1、臂2和上臂3,底座1的四个角上分别设置一个电磁定位点4,臂2由两段可旋转方向的臂组成,臂2的一端固定在底座上,另一端与上臂3相连接,上臂上设置四个不同方向的杆5,杆5的一端与上臂3连接,另一端部设置红外追踪球体6。
运用该牙套装置的头部肿瘤靶区定位方法,具体流程如图2所示。该定位方法包括以下步骤:
S1.读取患者咬着牙套拍的CT图像,采用开源库DCMTK读取,用以获取DICOM图像信息如表1所示,用以图像显示及三维重建;
S2.牙套坐标系的建立
S21.直方图统计:依次读取图像的每一个像素,统计像素值;
S22.直方图数据分析:观察直方图,获取明显的波峰范围,分析波峰代表的成分,直方图波峰范围代表的成分如表2所示;
S23.剔除无用部分:根据直方图和已经分析出的成分,进行分割,将无用部分即空气和床板剔除,进一步筛选出牙套中无源部分和有源部分;
S24.建立牙套坐标系:从牙套中无源部分和有源部分筛选出牙套中电磁定位点和红外追踪球体,依据电磁定位点集合B和红外追踪球体集合S建立坐标系,设置为坐标系原点,电磁定位点集合B和红外追踪球体集合S求PCA得出的特征向量为坐标系的三个轴;
S3.靶区坐标系的建立:医生根据CT图像勾画靶区,获取靶区边缘,建立靶区坐标系;
S4.追踪靶区:比较牙套坐标系和靶区坐标系,确定靶区和牙套中有源部分关系,从而确定无源部分与靶区的关系,追踪无源部分定位靶区位置。
结合图3-图7就各步骤进一步进行描述。
本发明步骤S23剔除无用部分,根据直方图和已经分析出的成分进行分割,分割流程如图3所示,将无用部分剔除,首先剔除无用部分中空气,其次剔除无用部分中床板,接着将牙套中无源部分和有源部分分开。具体剔除流程如图4所示,设定剔除范围,遍历图像中的每一个像素,当所有像素遍历完成则该流程结束;若未遍历所有像素,首先确定该像素是否在剔除范围内,若在该范围内设置该点像素值为0,进行新一轮遍历;若该像素不在剔除范围内,直接进入新一轮遍历。
本发明步骤S24建立牙套坐标系,主要依据电磁定位点和红外追踪球体。
将得到的CT图像进行三维重建,获取空间范围,三维CT数字化重建,一以得到一组连续的,整数的三维CT,并使用一组和三维CT等大小的数组用来辅助标记三维CT中的某一点是否已经处理过,遍历三维空间所有点,对每个处理过的点求连通图直到所有点都处理过,得到一组由连通图构成的集合,筛选出电磁定位点。筛选电磁定位点的流程如图5所示,即将得到的CT图像三维重建,遍历空间中的点,当完成遍历时,取连通图集合中连通图个数处于2,3,4,5的连通图,即为电磁定位点集合B;当未完成全部遍历,对该点求连通图得到当前点的连通图,加入连通图集合。
依据球体的任何一个断面是一个圆的性质,且CT图像是断层扫描,先对每一张CT进行圆的检测,使用opencv提供的圆检测算法,将检测出的圆在三维空间重建。将三维CT转换为数字三维图像,继续在该空间求连通图,得到n个连通图,对每个连通图计算一次PCA得到特征值和特征向量。对于标准球体其PCA结果为:
e3=2*e2=2*e1
其中ei为特征向量,且
e3≥e2≥e1
对于存在噪声的或非完整球体,且球体体积大于3/4的,其特征值比值接近1:2:2。
所以若
e3=factor1*e2
e2=factor2*e1
该集合为球体。取
factor2=1.5
factor1=2.3
筛选红外追踪球体的具体流程如图6所示。
首先对每幅图像进行圆检测,其次对检测出的圆进行三维重建,遍历空间中的所有点,遍历结束后,对每个连通图求PCA,并根据特征值排序使得
e1<e2<e3
当
e1<factor1*e2,e3<factor2*e2
得到一个球体,并将球体加入到红外追踪球体集合S。对未处理的点求连通图,将该连通图加入连通图集合。
依据电磁定位点集合B和红外追踪球体集合S建立坐标系,设置坐标原点为
其中sum(S)表示点云坐标值的总和,count(S)表示点云中点的个数。
坐标系的三个轴为电磁定位点集合B和红外追踪球体集合S求PCA得出的特征向量。
如图7所示的靶区坐标系的建立流程,确定是否为最后一层,若是,将每一次层进行三维重建得到靶区轮廓模型,建立坐标系;若不为最后一层,设置靶区voi,将voi设置为roi,对roi区域进行边缘提取,重新回到是否为最后一层层级,重复以上过程,最终获取靶区边缘建立靶区坐标系。
Claims (3)
1.一种运用牙套装置的头部肿瘤靶区定位方法,其特征在于,所述牙套装置包括底座、臂和上臂,所述底座上设置电磁定位点,所述臂由两段可旋转方向的臂组成,臂的一端固定在底座上,另一端与上臂相连接,所述上臂上设置四个不同方向的杆,杆的一端与上臂连接,另一端部设置红外追踪球体;运用该装置的头部肿瘤靶区定位方法,包括以下步骤:
S1.读取患者咬着牙套拍的CT图像;
S2.牙套坐标系的建立:依次读取图像的每一个像素,统计像素值,从直方图中获取波峰范围,分析成分,分割成分并将剔除无用部分,余下牙套有源部分和牙套无源部分,筛选出牙套中电磁定位点和红外追踪球体,依据电磁定位点集合B和红外追踪球体集合S建立坐标系,所述坐标系原点为其中sum(S)表示点云坐标值的总和,count(S)表示点云中点的个数,所述坐标系三个轴为电磁定位点集合B和红外追踪球体集合S求PCA得出的特征向量;
S3.靶区坐标系的建立:医生根据CT图像勾画靶区,获取靶区边缘,建立靶区坐标系;
S4.追踪靶区:比较牙套坐标系和靶区坐标系,确定靶区和牙套中有源部分关系,从而确定无源部分与靶区的关系,追踪无源部分定位靶区位置。
2.根据权利要求1所述头部肿瘤靶区定位方法,其特征在于,步骤(1)中所述CT图像采用开源库DCMTK读取。
3.根据权利要求1所述头部肿瘤靶区定位方法,其特征在于,步骤(2)中所述无用部分包括空气和床板。
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