CN112691305B - 一种眼球肿瘤放疗中基于眼球运动定位的质子重离子束流门控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种眼球肿瘤放疗中基于眼球运动定位的质子重离子束流门控系统利用眼球运动图像采集设备获取眼球实时图像，利用虹膜直径进行像素刻度，分析获得眼球实时运动位移曲线，设定位置偏差阈值，通过通信单元给质子重离子治疗系统输出门控信号，进而控制质子重离子束流的中断与恢复。本发明实现质子重离子放射治疗眼球恶性肿瘤时的眼球运动门控，当眼球位置与参考位置偏差达到一定阈值时，中止质子重离子装置的束流；当眼球位置与参考位置偏差低于阈值时，恢复束流，实现对眼内肿瘤的精准放射治疗,提高治疗效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种放射性医疗领域，具体涉及一种眼球肿瘤放疗中基于眼球运动定位的质子重离子束流门控系统。
背景技术
葡萄膜恶性黑色素瘤是一种罕见的眼球恶性肿瘤，包括脉络膜恶黑，睫状体恶黑和虹膜恶黑。欧洲发病率每百万人5-7例/年，亚洲发病率每百万人0.4-0.6例/年。主要治疗手段包括眼球摘除，局部切除，温热疗法，光子放疗，粒子短程放疗，和离子放疗。放射治疗已经成为主要的眼球恶性肿瘤治疗手段。有文献报道在肿瘤控制、眼睛保护、视力和不良事件发生率等方面，质子、重离子放疗可以提供更优的效果。
眼球恶性肿瘤离子放射治疗时，由于照射技术、射野数量以及照射剂量的不同，治疗照射时间可能从数十秒到数分钟不等。由于患者眼球不自主运动，在进行放射治疗时，通常会利用眼球追踪设备对眼球位置进行实时追踪，在眼球位置偏差较大时手动停止束流，从而确保治疗的精度和剂量准确性。然而手动操作无法对眼球位置偏差定量化，停止和恢复束流的时机受到人为主观因素的影响，且容易产生操作失误。
例如我国专利申请公布号为CN107875526A，名称为“一种眼部肿瘤自适应放射治疗时放疗仪器的精准控制方法”的专利中提出了一种眼部肿瘤自适应放射治疗时加速器的门控方法。该方法用OCT对眼球的运动情况进行连续采集，并通过OCT与CT图像配准获取眼部肿瘤位置。用多通道生理信号采集系统获取眼球运动的EOG实时信号图，判断肿瘤位置与设定的偏差允许阈值的关系，反馈信号加速器控制系统，控制加速器终止信号，暂停和恢复出束。该专利还提出了一种自适应放射治疗时多叶光栅自动跟踪的控制方法，然而上述眼球运动门控技术存在不足，需要配合眼动电图(electrooculogram,EOG)信号获得眼部肿瘤的实时位置信号图，在临床实际的离子束治疗过程中，EOG金属电极贴片若放置于束流入射路径上，可能影响质子重离子束流射程或影响放置开睑器，影响质子重离子放射治疗精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，从而保证眼球肿瘤区域获得准确的照射剂量，也避免或者减少正常组织不必要的照射剂量。具体为一种眼球肿瘤放疗中基于眼球运动定位的质子重离子束流门控系统。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种眼球肿瘤放疗中基于眼球运动定位的质子重离子束流门控系统包括以下步骤：
(1)在治疗床上对患者的头部采用治具进行定位，在眼球的上方设置有LED点光源阵列，LED点光源阵列横纵排布有单独控制点亮功能的LED灯珠，在眼球的上方设置图像采集设备连续采集眼球运动的实时图像，图像采集设备与患者眼球的相对位置保持固定；
(2)点亮患者治疗眼球正上方的LED灯珠，患者凝视眼球正上方LED灯，将LED灯放映在的光源点处于眼球的虹膜中心位置，在图像采集设备采集的图像的画幅区域内利用虹膜的实际直径长度为基准建立眼球运动的参考坐标系，以上述眼球的虹膜中心为参考坐标系原点；
图像的画幅区域内建立的参考坐标系的刻度方法公式：
其中，
CFpixel是像素-长度转换刻度因子，
Diris是虹膜的实际或估计直径，
Piris是自动识别出虹膜的直径所包含的像素数；
(3)通过患者凝视治疗位对应的LED灯珠，使得眼球位移，眼球的肿瘤部位落入质子重离子束流作用范围内；
(4)根据眼球运动的实时图像获取眼球虹膜中心在参考坐标系中的X方向以及Y方向的坐标值，并获得X方向以及Y方向的眼球运动的位移曲线；运动位移曲线以时间为横坐标，以虹膜中心在X方向以及Y方向距离眼球运动坐标系原点的位移为纵坐标；
(5)定义眼球运动的偏差阈值，以治疗位眼球运动位置为基准，判断眼球实时位置与治疗位眼球位置的偏差与所定义的偏差阈值的关系，将判断结果通过通信单元给质子重离子治疗系统输出门控信号；
判断逻辑：眼球实时运动位置与治疗位眼球位置的偏差在设定偏差阈内则控制质子重离子束流的开始或恢复工作；眼球实时运动位置与治疗位眼球位置的偏差在设定偏差阈外则控制质子重离子束流的中断；
其中眼球实时位置与治疗位眼球位置的偏差，其计算公式：
DevX＝(Xpos-Xref)×CFpixel (公式2)
DevY＝(Ypos-Yref)×CFpixel (公式3)
其中，
DevX和DevY分别是X方向和Y方向眼球运动的实时位置与治疗位眼球位置的偏差，
Xpos和Ypos分别是X方向和Y方向眼球虹膜中心的实时坐标值，
Xref和Yref分别是患者凝视治疗位时，X方向和Y方向眼球虹膜中心的参考坐标值。
作为优选的：所述的眼球运动坐标系采用网格图的二维坐标系。
作为优选的：步骤(1)中采用的治具为塑形面罩和口咬器任一一种或者组合进行固定，保持患者头部与图像采集设备的相对位置固定。
作为优选的：步骤(2)和(3)中采集的图像采用图像处理软件进行透视畸变矫正处理。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1.通过本发明可以实现质子重离子放射治疗眼球恶性肿瘤时的眼球运动门控，当眼球位置与参考位置偏差达到一定阈值时，中止质子重离子装置的束流；当眼球位置与参考位置偏差低于阈值时，恢复束流，实现对眼内肿瘤的精准放射治疗,提高治疗效率。
2.通过相机采集虹膜中心位置，从而确定眼球位置。对眼球和周围组织干扰少，对质子重离子束流无干扰。
3.眼球运动门控实现离子束治疗眼内肿瘤时束流的自动控制，降低了操作的复杂程度，减小了操作失误出现的概率，同时减少了主观因素对治疗精度的影响，提高治疗精度。
附图说明
图1是本发明实施例的门控方法逻辑示意图。
图2是本发明实施例的门控系统硬件示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
参见图1-图2，本实施例涉及一种眼球肿瘤放疗中基于眼球运动定位的质子重离子束流门控系统包括以下步骤：
(1)在治疗床上对患者的头部采用治具进行定位，在眼球的上方设置有LED点光源阵列，LED点光源阵列横纵排布有单独控制点亮功能的LED灯珠，在眼球的上方设置图像采集设备连续采集眼球运动的实时图像，图像采集设备与患者头部的相对位置保持固定；
(2)点亮患者治疗眼球正上方的LED灯珠，患者凝视眼球正上方LED灯，将LED灯放映在的光源点处于眼球的虹膜中心位置，在图像采集设备采集的图像的画幅区域内利用虹膜的实际直径长度为基准建立眼球运动的参考坐标系，以上述眼球的虹膜中心为参考坐标系原点；
图像的画幅区域内建立的参考坐标系的刻度方法公式：
其中，
CFpixel是像素-长度转换刻度因子，
Diris是虹膜的实际或估计直径，
Piris是自动识别出虹膜的直径所包含的像素数；
(3)通过患者凝视治疗位对应的LED灯珠，使得眼球位移，眼球的肿瘤部位落入质子重离子束流作用范围内；
(4)根据眼球运动的实时图像获取眼球虹膜中心在参考坐标系中的X方向以及Y方向的坐标值，并获得X方向以及Y方向的眼球运动的位移曲线；运动位移曲线以时间为横坐标，以虹膜中心在X方向以及Y方向距离眼球运动坐标系原点的位移为纵坐标；
(5)定义眼球运动的偏差阈值，以治疗位眼球运动位置为基准，判断眼球实时位置与治疗位眼球位置的偏差与所定义的偏差阈值的关系，将判断结果通过通信单元给质子重离子治疗系统输出门控信号；
判断逻辑：眼球实时运动位置与治疗位眼球位置的偏差在设定偏差阈内则控制质子重离子束流的开始或恢复工作；眼球实时运动位置与治疗位眼球位置的偏差在设定偏差阈外则控制质子重离子束流的中断；
其中眼球实时位置与治疗位眼球位置的偏差，其计算公式：
DevX＝(Xpos-Xref)×CFpixel (公式2)
DevY＝(Ypos-Yref)×CFpixel (公式3)
其中，
DevX和DevY分别是X方向和Y方向眼球运动的实时位置与治疗位眼球位置的偏差，
Xpos和Ypos分别是X方向和Y方向眼球虹膜中心的实时坐标值，
Xref和Yref分别是患者凝视治疗位时，X方向和Y方向眼球虹膜中心的参考坐标值。
所述的眼球运动坐标系采用网格图的二维坐标系。
步骤(1)中采用的治具为塑形面罩和口咬器任一一种或者组合进行固定，保持患者头部与图像采集设备的相对位置固定。
步骤(2)和(3)中采集的图像采用图像处理软件进行透视畸变矫正处理。
本实施例涉及的一种实现质子重离子放射治疗眼球恶性肿瘤时的眼球运动门控方法，其基于虹膜直径对应画幅像素的刻度，建立眼球运动的坐标系，监控眼球实际位置与约定位置偏差的阈值，给出门控信号与质子重离子设备之间进行交互，基于本方法的门控系统中，图像采集设备采集连接处理图像数据的监测处理主机(本实施例采用千兆网线进行通信，保证通信实时性)，检测处理主机载有图像处理软件，实现获取实时图像，分析眼球位置，设置眼球参考位置，通过识别虹膜完成图像单位像素实际长度的刻度，并对眼球实时运动位移进行处理，并以曲线的形式显示眼球运动信息，并载有逻辑控制软件系统，实现阈值监控，使得监测处理主机通过协议链路与质子重离子放疗设备的控制单元通信耦合实现交互，实现协调控制质子重离子设备束流的中断及恢复。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种眼球肿瘤放疗中基于眼球运动定位的质子重离子束流门控系统，其特征在于，门控系统包括以下步骤：
(1)在治疗床上对患者的头部采用治具进行定位，在眼球的上方设置有LED点光源阵列，LED点光源阵列横纵排布有单独控制点亮功能的LED灯珠，在眼球的上方设置图像采集设备连续采集眼球运动的实时图像，图像采集设备与患者头部的相对位置保持固定；
(2)点亮患者治疗眼球正上方的LED灯珠，患者凝视眼球正上方LED灯，将LED灯放映在的光源点处于眼球的虹膜中心位置，在图像采集设备采集的图像的画幅区域内利用虹膜的实际直径长度为基准建立眼球运动的参考坐标系，以上述眼球的虹膜中心为参考坐标系原点；
图像的画幅区域内建立的参考坐标系的刻度方法公式：
其中，
CFpixel是像素-长度转换刻度因子，
Diris是虹膜的实际或估计直径，
Piris是自动识别出虹膜的直径所包含的像素数；
(3)通过患者凝视治疗位对应的LED灯珠，使得眼球位移，眼球的肿瘤部位落入质子重离子束流作用范围内；
(4)根据眼球运动的实时图像获取眼球虹膜中心在参考坐标系中的X方向以及Y方向的坐标值，并获得X方向以及Y方向的眼球运动的位移曲线；运动位移曲线以时间为横坐标，以虹膜中心在X方向以及Y方向距离眼球运动坐标系原点的位移为纵坐标；
(5)定义眼球运动的偏差阈值，以治疗位眼球运动位置为基准，判断眼球实时位置与治疗位眼球位置的偏差与所定义的偏差阈值的关系，将判断结果通过通信单元给质子重离子治疗系统输出门控信号；
判断逻辑：眼球实时运动位置与治疗位眼球位置的偏差在设定偏差阈内则控制质子重离子束流的开始或恢复工作；眼球实时运动位置与治疗位眼球位置的偏差在设定偏差阈外则控制质子重离子束流的中断；
其中眼球实时位置与治疗位眼球位置的偏差，其计算公式：
DevX＝(Xpos-Xref)×CFpixel (公式2)
DevY＝(Ypos-Yref)×CFpixel (公式3)
其中，
DevX和DevY分别是X方向和Y方向眼球运动的实时位置与治疗位眼球位置的偏差，
Xpos和Ypos分别是X方向和Y方向眼球虹膜中心的实时坐标值，
Xref和Yref分别是患者凝视治疗位时，X方向和Y方向眼球虹膜中心的参考坐标值。
2.根据权利要求1所述的眼球肿瘤放疗中基于眼球运动定位的质子重离子束流门控系统，其特征在于：所述的眼球运动坐标系采用网格图的二维坐标系。
3.根据权利要求1所述的眼球肿瘤放疗中基于眼球运动定位的质子重离子束流门控系统，其特征在于：步骤(1)中采用的治具为塑形面罩和口咬器任一一种或者组合进行固定，保持患者头部与图像采集设备的相对位置固定。
4.根据权利要求1所述的眼球肿瘤放疗中基于眼球运动定位的质子重离子束流门控系统，其特征在于：步骤(2)和(3)中采用双目图像采集设备进行采集的图像并采用图像处理软件进行透视畸变矫正处理。
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