CN112998757A - 一种超声联合腹压板的运动管理方法 - Google Patents

一种超声联合腹压板的运动管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种超声联合腹压板的运动管理方法，基于超声联合腹压板的运动管理装置实现步骤包括：S1:超声探头和腹压板连接于床板，并在采集超声数据时保证二者相对于床板位置的固定，即二者在实验室或治疗室坐标系中位置的固定；S2:调节腹压板压迫位置和腹压板高度，迫使患者进入浅呼吸状态，记录腹压板位置；S3:调节超声探头扫描位置和超声探头高度，记录超声探头在水平方向和竖直方向上的位置；S4:超声探头在所调位置处采集患者腹部超声图像，追踪算法追踪超声图像中感兴趣器官或肿瘤的运动，获取感兴趣器官或肿瘤的位置、运动幅度及变形程度。本发明减小了腹部器官或肿瘤运动幅度和变形程度，提高了超声图像中腹部器官可追踪性及追踪可靠性。

Description

一种超声联合腹压板的运动管理方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及用于放疗的一种超声联合腹压板的运动管理方法。
背景技术
腹压板作为一种压迫腹部来迫使人体浅呼吸的装置，其在放疗中得到了广泛的应用。现有与腹压板相结合应用的运动管理手段是CT或X线透视，利用CT或X线透视进行腹部器官或肿瘤的运动检测，已验证了腹压板可有效降低腹部器官或肿瘤的运动幅度。但CT或X线透视的软组织分辨力不好，提供的信息有限，同时也使病人受到额外的照射剂量，加重病人的身体负担。超声成像具有动态成像速度快，软组织分辨力好，安全无辐射，便捷的优点，因此利用超声可快速获得对比度高的肿瘤和软组织图像，有望实现腹部器官的运动检测。但超声成像视野小，受呼吸运动影响大的腹部器官或肿瘤会因运动幅度过大导致器官或肿瘤的追踪标志超出超声图像的视野，或因器官变形过大导致器官或肿瘤的追踪标志外观变化较大，造成追踪的失败，影响运动的评估。呼吸抑制之后再用超声进行运动追踪，有望减小器官或肿瘤运动幅度和变形程度，从而提高超声中目标追踪的可靠性。
发明内容
要解决的技术问题：
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的目的是减小器官和肿瘤运动幅度和变形程度，提高器官和肿瘤在超声图像中的可视性和可追踪性，实现超声图像中目标的自动追踪。为此，本发明提供一种超声联合腹压板的运动管理方法。
为达成本发明目的，本发明提供一种超声联合腹压板的运动管理方法，基于一种超声联合腹压板的运动管理设备实现所述运动管理方法的步骤包括：
步骤S1:超声探头和腹压板连接于床板，并在采集超声数据时保证二者相对于床板位置的固定，即二者在实验室或治疗室坐标系中位置的固定；
步骤S2:调节腹压板压迫位置和腹压板高度，迫使患者进入浅呼吸状态，记录腹压板位置；
步骤S3:调节超声探头扫描位置和超声探头高度，记录超声探头在水平方向和竖直方向上的位置；
步骤S4:超声探头在所调位置处采集患者腹部超声数据，追踪算法追踪超声数据中感兴趣器官或肿瘤的运动，获取感兴趣器官或肿瘤的位置、运动幅度及变形程度。
本发明的有益效果：本发明将超声探头和腹压板联合，可利用超声实时准确的追踪腹压板抑制后的腹部器官运动。腹压板降低腹部器官运动幅度和变形程度，保证所追踪标志始终显示在超声的成像视野里，从而提高了器官和肿瘤在超声图像中的可视性和可追踪性，同时利用归一化互相关匹配法，实现超声图像中目标的自动追踪，为超声引导放疗提供一个新的途径。另一方面，超声探头固定在腹压板上，其与患者的空间关系相对稳定，提高了超声定位的可重复性。根据21个志愿者的实验结果显示，未施加腹压板前肝脏运动幅度最大达到了3.94cm，施加腹压板后肝脏运动幅度都抑制在1.20cm以内，表明该方法有效减小了腹部器官的运动幅度，且超声图像中显示抑制后的肝脏或胰腺变形程度相比于抑制前有明显减小。因此施加腹压板一方面减小了呼吸运动幅度，从而减小了呼吸运动导致的靶区边界外放，也避免了器官或肿瘤的追踪标志超出超声图像的视野，另一方面减小了器官的变形程度，从而避免了器官或肿瘤追踪标志外观变化过大，这提高了腹部器官和肿瘤在超声图像中的可追踪性及追踪可靠性，为超声在放疗计划制定前的运动评估和放疗中的实时运动管理提供了一个新的应用途径。另外，本发明的方法也可用于超声引导的活检和放疗以外的其它治疗方法。
附图说明
图1是本发明基于一种超声联合腹压板的运动管理装置的结构示意图；
图2是本发明一种超声联合腹压板的运动管理方法流程图；
图3是本发明一种超声联合腹压板的运动管理方法步骤S3中前后滑块结构示意图；
图4是本发明一种超声联合腹压板的运动管理方法步骤S3中左右滑块结构示意图；
图5是本发明一种超声联合腹压板的运动管理方法步骤S3中超声探头示意图；
图6是志愿者1在自由呼吸状态下，一个呼吸周期内两个相位的超声图像比较，其中(a)图是呼气末相位图，(b)图是吸气末相位图；
图7是在采集完志愿者1自由呼吸状态的数据后，随即施加腹压板迫使其浅呼吸状态下，一个呼吸周期内两个相位的超声图像比较，其中(a)图是呼气末相位图，(b)图是吸气末相位图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明，其作为本说明书的一部分，通过实施来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
请参阅图1-图2,图5，示出本发明一种超声联合腹压板的运动管理方法，是基于一种超声联合腹压板的运动管理装置实现的，所述装置含有底座1、支撑柱2、调高滑柱3、支撑板4、腹压板5、连接柱6、前后滑块7、调高螺丝8、固定螺母9、调高螺母10、左右滑块11、超声探头12a、固定模具12b、直角具13这几部分。
请参阅图2，示出本发明一种超声联合腹压板的运动管理方法流程，本发明是基于一种超声联合腹压板的运动管理装置实现所述运动管理方法的步骤包括：
步骤S1:超声探头12a和腹压板5连接于床板，并在采集超声数据时保证二者相对于床板位置的固定，即二者在实验室或治疗室坐标系中位置的固定；
步骤S2:调节腹压板5压迫位置和腹压板5高度，迫使患者进入浅呼吸状态，记录腹压板5位置；
步骤S3:调节超声探头12a扫描位置和超声探头12a高度，记录超声探头12a在水平方向和竖直方向上的位置；
步骤S4:超声探头12a在所调位置处采集患者腹部超声图像，追踪算法追踪超声图像中感兴趣器官或肿瘤的运动，获取感兴趣器官或肿瘤的位置、运动幅度及变形程度。
其中，所述床板可以是扫描床、治疗床或者光学平台，在CT，MRI模拟成像中应用的床板是扫描床，在放射治疗中应用的床板是治疗床，在实验中应用的是光学平台。
其中，所述超声探头12a和腹压板5或是分别与各自对应的装置连接，或是超声探头12a和腹压板5连接在同一装置上。
其中，所述调节腹压板12a压迫位置具体为沿着床板前后平移底座1，同时带动整个装置平移，当腹压板5前缘处在人体剑突下距离肋骨下边缘3-4cm合适位置处时，将底座1固定连接在床板上，腹压板5在水平方向上的位置即可固定。
其中，所述调节腹压板5高度是通过调高台中调高滑柱3的调节来实现的；具体调节方式为沿着支撑柱2上下滑动调高滑柱3，当腹压板5给予腹部的压力产生明显的压迫感且压力大小患者可接受时，将调高滑柱3固定于支撑柱2，即可固定腹压板5高度。
其中，所述调节超声探头12a扫描位置是通过位移台中前后滑块7和左右滑块11的调节来实现的。具体调节方式为分别在前后和左右方向平移前后滑块7和左右滑块11，当感兴趣器官或肿瘤位于超声图像中合适位置时，固定前后滑块7和左右滑块11，即可固定超声探头12a在前后和左右方向的扫描位置。
其中，所述调节超声探头12a高度是通过调高台中调高螺丝10的调节来实现的。具体调节方式为转动调高螺母8，调节调高螺丝10高度，当超声探头12a给予皮肤的压力大小适当时，利用固定螺母9固定调高螺丝10，即可固定超声探头高度。
其中，所述床板的前后两边应标有刻度用于腹压板5在水平方向上的位置记录；支撑柱2侧边应标有刻度用于腹压板5的高度记录；支撑板4上的凸起平台14上应标有刻度用于超声探头12a的前后位置记录；前后滑块11上应标有刻度用于超声探头12a的左右位置记录；调高螺丝10上应标有刻度用于超声探头12a的高度记录。
其中，所述追踪算法采用归一化互相关匹配法。
其中，利用所述追踪算法分别追踪施加腹压板5前自由状态下，和施加腹压板5后浅呼吸状态下采集的超声图像中器官或肿瘤的运动，分析两个状态下运动幅度和变形程度的差异；具体地，在一次实验中先后采集同一志愿者自由呼吸状态和施加腹压板5后浅呼吸状态的包含有肝脏和胰腺截面的超声视频，每个超声视频的采集时间为8分钟；之后利用自动追踪算法进行目标追踪，比较同一次实验中自由状态和浅呼吸状态下器官的运动和变形差异。如果在追踪的过程中某些帧的目标追踪失败，则手动勾画该帧目标。按不同的日期在每个志愿者身上做三次实验，以验证实验的可重复性，相邻两次实验的时间间隔大于两天。对多个志愿者的数据综合分析，获得具有普适性意义的综合结果，分析验证施加腹压板后用超声进行目标追踪的可行性。
下面是对相关机械各个部分及其之间相互连接的具体实施例：
具体地，所述底座1起到将整个装置固定到光学平台上的作用。底座1是直径为80mm厚度为20mm的圆柱体，其上打有通孔，M6螺丝穿透通孔拧进光学平台上对应的螺纹孔中，将整个装置与光学平台固定；支撑柱2高500mm，支撑柱2上标有刻度范围为0-500mm、精度为1mm。
具体地，所述支撑板4具有两个安装孔，具有八个通孔，其中四个通孔分布于支撑板的中间，另外四个通孔分布于支撑板的左右两侧；所述每个调高滑柱3为空心柱体，在每个调高滑柱3的侧壁上设有两个调节螺丝孔，在每个调高滑柱3上表面设有两个螺纹孔。将两个螺丝穿透支撑板4上左右两侧对应的通孔并拧进调高滑柱3上表面对应的螺纹孔中，从而将位于支撑板4底部的调高滑柱3与支撑板4固定连接。
具体地，所述每个支撑柱2的下端与各自的底座1固定连接，所述每个支撑柱2垂直于光学平台，并且两个支撑柱2相互平行，每个支撑柱2的上端穿设于支撑板4的各自的安装孔中并位于支撑板4的上方；每个支撑柱2的中段安置于各自的调高滑柱3中，并由两个调节螺丝拧进对应于调高滑柱3的调节螺丝孔中与每个支撑柱的中段固定连接，通过调节调高滑柱3的位置来调节腹压板5高度，用以在人可接受的压力范围内抑制呼吸；调高滑柱3是壁厚5mm的空心柱，调高滑柱3是根据人体厚度大小和腹压板5给予的压力程度来调节整个装置高低的元件。
具体地，续请参阅图1示出支撑板4，所述支撑板4包括：凸起平台14、大凹槽15、小凹槽16、长方型孔洞17。支撑板4与调高滑柱3固定连接，支撑板4为超声探头12a及腹压板5提供支撑，并为超声探头12a及腹压板5两者之间坐标系的相互对应提供了桥梁。支撑板4是一个650×250×20mm3的长方体，支撑板4还包括：上面开设的80×110×20mm3的长方型孔洞17，长方型孔洞17两侧分别设有一个30×110×10mm3的凸起平台14，凸起平台14上标记有前后滑块7在前后方向上滑动的范围及刻度，刻度范围为0-110mm,刻度精度为1mm,两个凸起平台14为前后滑块7的滑动提供支撑作用。在每个凸起平台14上设有大凹槽15和小凹槽16，所述大凹槽15的尺寸为6×100×20mm3，大凹槽15是为前后滑块7的运动提供空间，所述小凹槽16的尺寸为3×50×20mm3，小凹槽16是用于插入直尺对人体皮肤进行标记。
具体地，所述腹压板5的前端边缘形状与人体肋骨边缘形状相贴合，腹压板5的后端在人体肚脐下方。根据人的体型大小设计了两个不同大小的腹压板5。对应支撑板4中间分布的四个通孔，在腹压板5上设置四个螺纹孔。腹压板5放置在人体剑突下，距离肋骨下边缘3-4cm的位置。
具体地，所述腹压板与支撑板的连接是通过连接柱来实现的。具有四根连接柱6位于支撑板4的下方，四根连接柱6的顶端各设置有螺纹孔，四根连接柱6底端各设置有与腹压板5上的螺纹孔尺寸相匹配的螺纹，螺丝自上而下依次穿透支撑板4上中间的通孔和拧进连接柱6顶端的螺纹孔，将支撑板4与连接柱6固定。连接柱6底端的螺纹拧进腹压板5上设置的螺纹孔，将连接柱6与腹压板5固定，由此实现支撑板4与腹压板5的固定。如需更换腹压板5，先将固定支撑板4与连接柱6的螺丝松开，卸下连接柱6和腹压板5，再将连接柱6与腹压板5分开，即可更换腹压板5。连接柱6起到连接支撑板4与腹压板5，并保持支撑板4与腹压板5两者平行的作用。
具体地，续请参阅图1和图3示出步骤S3中的前后滑块7，所述前后滑块7含有两个T字型滑道23，前后滑块7沿着支撑板4上的两个凸起平台14平移，用以调节超声探头12a在前后方向上的位置。两个T字型滑道23开在前后滑块7的侧边，T字型滑道23与具有T字型滑臂的左右滑块11滑动连接。两个螺丝自下而上从支撑板4底部及大凹槽15穿过并拧进前后滑块7中的两个螺纹孔内，将支撑板4与前后滑块7固定；松开两个螺丝，前后滑块7可沿着凸起平台14前后平移，大凹槽15为前后滑块7的运动提供了空间。
具体地，所述调高螺丝8起到调节超声探头12a高度的作用。调高螺丝8长为200mm，在调高螺丝8的一面上标有刻度，刻度范围为0-190mm，精度为1mm。
具体地，所述固定螺母9与调高螺母10分别起到固定和调节调高螺丝8高度的作用。
具体地，请参阅图1和图4示出左右滑块11，所述左右滑块11包括：底部18、T字型滑臂19、端口20、长方型槽21、螺纹孔22，左右滑块11起到在左右方向上调节超声探头12a位置的作用。T字型滑臂19的尺寸稍小于T字型滑道23的尺寸，将T字型滑臂19放进T字型滑道23里，即可左右滑动左右滑块11。左右滑块11由一底部18和两个T字型滑臂19组成为一凸字型中空结构，所述凸字型中空结构由两个T字型滑臂的上部组成一端口20，在所述底部18中设有长方型槽21和一螺纹孔22，长方型槽21的尺寸小于底部的尺寸，螺纹孔22是穿透底部18和长方型槽21的通孔，两个T字型滑臂19、螺纹孔22与长方型槽21为同中心，调高螺丝8穿透于含有端口20的凸字型中空结构，并与位于长方体槽21中的调高螺母10固定连接。
续请参阅图5示出超声探头12a，所述超声探头12a置于固定模具12b内部。所述固定模具12b起到将超声探头12a与调高螺丝8相连的作用。固定模具12b的内壁形状与超声探头12a的外壁形状相吻合，固定模具12b的内部为空结构用于放置超声探头12a。拧紧固定模具12b的两侧螺丝便可固定超声探头12a。调高螺丝8的下段开设有四个螺纹孔，固定模具12b的上段设有与调高螺丝8的下段的四个螺纹孔对应的四个螺纹孔，通过四个M4螺丝自上而下穿过调高螺丝8下段的螺纹孔和固定模具12b上段的螺纹孔，从而将固定模具12b与调高螺丝8相连。
直角具13起到标记人体位置的作用。8个直角具两个为一组，共分成四组。每个直角具13上开有M6螺纹孔，通过M6螺丝将直角具13固定在光学平台上，志愿者的左右两边各有两组直角具13，四组直角具13都处在志愿者上腹部区域的一条垂直于人体矢状面的一条直线上。志愿者完成第一次试验之后利用长直角尺对准直角具13，在志愿者上腹部两侧画出横断面的标记。
本发明技术主要涉及到腹压板与超声探头的联合与目标追踪。作为一种方法可行性的初始研究，实验选择在光学平台上开展，以保证人体所躺平面的平整性。
具体地，在一次实验操作中，首先人体平躺于光学平台，并根据两脚底在光学平台上刻度的一致性保证人体与光学平台的平行。
其次，根据志愿者体型大小选择合适大小的腹压板5，将超声探头12a和腹压板5连接于支撑板4，通过底座1与支撑柱2，将支撑板4连接于光学平台。
再其次，根据人体的肋骨位置和光学平台上的刻度调整底座1的固定连接位置，当腹压板5上边缘在人体剑突下距离肋骨下边缘1—3cm的合适位置时，将底座1固定在光学平台上，记录底座1位置。
之后，根据人体的体厚和可接受的压力范围调节调高滑柱3的高度，由此来调整腹压板5对人体的压力，确保压力在人体的可接受范围内，记录调高滑柱3高度。
之后调节前后滑块7、左右滑块11的位置来调节超声探头12a的扫描位置，找到合适的视野后固定前后滑块7和左右滑块11，记录前后滑块7和左右滑块11位置。然后转动调高螺母10，超声探头给予皮肤的压力大小合适时利用固定螺母9固定调高螺丝8，记录调高螺丝8高度。
最后，超声探头12a采集超声视频数据，在获得的超声序列中选择感兴趣的目标区域，利用在Matlab编写好的追踪算法在超声序列上进行运动的追踪，获取一次实验中的感兴趣器官或肿瘤的运动幅度和变形程度数据。
志愿者完成第一次试验之后，利用长直角尺13对准放置在一条直线上的四组直角具13，在志愿者上腹部两侧画出横断面的标记。再利用与支撑板4上小凹槽16配套的直尺在左右两边对准小凹槽，在志愿者上腹部画出矢状面的标记，以便确保该志愿者实验的可重复性。
根据附图6，在自由呼吸状态，呼气末相位图像(a)与吸气末相位图像(b)相比较，肝脏和胰腺都产生了较大的运动幅度和较大的形变，在呼气末的肝脏中箭头指出的追踪标志在吸气末图像中已经消失，导致利用该标志进行肝脏运动追踪的失败，另外由于胰腺的大变形也易导致胰腺追踪的失败。
根据附图7，在施加腹压板5后的浅呼吸状态，呼气末相位图像(a)与吸气末相位图像(b)相比较，肝脏和胰腺的运动幅度和变形程度都很小，在呼气末的图像中箭头指出的肝脏追踪标志仍然可以以较小的外观变化显示在吸气末图像中，由此可以连续不间断的利用该标志进行肝脏运动的追踪。另由于胰腺的在两个相位图像中的变形很小，可以使胰腺变得更加容易追踪。
需要说明的是，具体实施中超声探头12a是放置在固定模具12b中，在实验中使用的是迈瑞公司M9Vet超声机和C5-1探头，固定模具12b的内壁形状应由具体所用超声探头12a的外形决定。
该方法所涉及装置中的底座1在现有实验中根据其与光学平台的固定特点所设计，在临床中可根据其与扫描床或治疗床的固定特点所设计。
除固定模具12b和直角具13的材料为聚四氟乙烯外，其余部件的材料均为亚克力玻璃，临床中所有部件材料都可转变为碳纤维材料或者其它更适合的材料用于放射治疗和其它相关医学应用。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超声联合腹压板的运动管理方法，其特征在于：基于一种超声联合腹压板的运动管理装置实现所述运动管理方法的步骤包括：
步骤S1:超声探头和腹压板连接于床板，并在采集超声数据时保证二者相对于床板位置的固定，即二者在实验室或治疗室坐标系中位置的固定；
步骤S2:调节腹压板压迫位置和腹压板高度，迫使患者进入浅呼吸状态，记录腹压板位置；
步骤S3:调节超声探头扫描位置和超声探头高度，记录超声探头在水平方向和竖直方向上的位置；
步骤S4:超声探头在所调位置处采集患者腹部超声数据，追踪算法追踪超声数据中感兴趣器官或肿瘤的运动，获取感兴趣器官或肿瘤的位置、运动幅度及变形程度。
2.根据权利要求1所述一种超声联合腹压板的运动管理方法，其特征在于：所述床板可以是扫描床、治疗床或者光学平台。
3.根据权利要求1所述一种超声联合腹压板的运动管理方法，其特征在于：所述超声探头和腹压板或是分别与各自对应的装置连接，或是超声探头和腹压板连接在同一装置上。
4.根据权利要求1所述一种超声联合腹压板的运动管理方法，其特征在于：所述调节腹压板压迫位置具体为沿着床板前后平移底座，同时带动整个装置平移，当腹压板前缘处在人体剑突下距离肋骨下边缘3-4cm处，将底座固定连接在床板上，腹压板在水平方向上的位置即可固定。
5.根据权利要求1所述一种超声联合腹压板的运动管理方法，其特征在于：所述调节腹压板高度是通过调高台中调高滑柱的调节来实现的。
6.根据权利要求1所述一种超声联合腹压板的运动管理方法，其特征在于：所述调节超声探头扫描位置是通过位移台中前后滑块和左右滑块的调节来实现的。
7.根据权利要求1所述一种超声联合腹压板的运动管理方法，其特征在于：所述调节超声探头高度是通过调高台中调高螺丝的调节来实现的。
8.根据权利要求1所述一种超声联合腹压板的运动管理方法，其特征在于：所述床板的左右两边应标有刻度用于腹压板在水平方向上的位置记录；支撑柱侧边应标有刻度用于腹压板的高度记录；支撑板上的凸起平台上应标有刻度用于超声探头的前后位置记录；前后滑块上应标有刻度用于超声探头的左右位置记录；调高螺丝上应标有刻度用于超声探头的高度记录。
9.根据权利要求1所述一种超声联合腹压板的运动管理方法，其特征在于：所述追踪算法采用归一化互相关匹配法来进行追踪。
10.根据权利要求1所述一种超声联合腹压板的运动管理方法，其特征在于：利用所述追踪算法分别追踪施加腹压板前自由状态下和施加腹压板后浅呼吸状态下采集的超声数据中器官或肿瘤的运动，分析两个状态下器官或肿瘤运动幅度和变形程度的差异；对多个志愿者的数据综合分析，获得普适性意义的综合结果，分析验证施加腹压板后用超声进行目标追踪的可行性。
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