CN114176727B - 一种ct影像中标记呼吸相位点的系统及其使用方法 - Google Patents

一种ct影像中标记呼吸相位点的系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CT影像中标记呼吸相位点的系统及其使用方法，其中，系统包括：刻度标记物，安装于CT机；可移动标记物，沿着所述刻度标记物形成的刻度进行往复运动；呼吸监测装置，用于采样患者呼吸数据；控制器，获取所述呼吸监测装置采集的患者呼吸数据，并据此得到患者呼吸曲线，根据患者呼吸曲线控制所述可移动标记物沿着所述刻度做与用户呼吸曲线同步的运动本发明在CT内相应位置安装标记装置，在采集CT图像的同时获得对应的呼吸相位，医生根据所选CT图像规划并确定呼吸相位点，在穿刺过程可以在相应呼吸相位点根据规划入针，消除了呼吸运动带来的不确定性。

Description

一种CT影像中标记呼吸相位点的系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种CT影像中标记呼吸相位点的系统及其使用方法。
背景技术
传统的穿刺手术中，穿刺针穿刺到病灶这一过程需要医生依靠CT机的影像然后凭经验进行穿刺，精确度依赖于医生经验；随着技术的发展，开始出现了采用呼吸门控进行辅助穿刺的技术；现有的方案主要采用肺活量计来测量患者的呼吸量，用红外摄像装置来测量患者体表随呼吸起伏的高度差，或者用压力传感器等测量患者呼吸导致的压力差，将这些测量信号转换为呼吸周期信号。
但是现有技术不能直观的把呼吸相位与CT影像相结合，同时采用同轴扫描，需要捕捉至少一个呼吸周期的影像，导致患者所受的辐射剂量大大增加。
发明内容
发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种CT影像中标记呼吸相位点的系统及其使用方法，呼吸相位与CT影像结合，医生可以根据所选CT图像的横断面图像准确判断目标物位置、角度及呼吸相位点。
技术方案：
一种CT影像中标记呼吸相位点的系统，包括：
刻度标记物，安装于CT机；
可移动标记物，沿着所述刻度标记物形成的刻度进行往复运动；
呼吸监测装置，用于采样患者呼吸数据；
控制器，获取所述呼吸监测装置采集的患者呼吸数据，并据此得到患者呼吸曲线，根据患者呼吸曲线控制所述可移动标记物沿着所述刻度做与用户呼吸曲线同步的运动。
所述刻度标记物、可移动标记物由密度不同并可在CT影像中显示的材质制成。
所述刻度标记物、可移动标记物的截面面积不同。
所述控制器通过电机控制所述可移动标记物进行往复运动。
所述电机连接有传动机构，所述可移动标记物安装在所述传动机构上，所述电机通过所述传动机构驱动所述可移动标记物的往复运动。
所述传动机构为同步带轮。
所述控制器接收呼吸监测装置发送的至少一个周期的采样数据，计算得到距离最远的两个点，并分别计算其余采样点与该两个点之间的距离平均值，选取其中平均值更小的点作为基准点，并根据其余采样点与该基准点之间的距离、方向变化及采样时间得到患者随时间变化的呼吸曲线。
所述控制器得到呼吸监测装置发送的采样数据后对其进行异常检测，具体如下：
若|xi+1-xi-1|vα*max(|xi-xi-1|，|xi-xi+1|)，则认为第i个采样点存在异常，并将其数据值替换为前后两个采样点采样的数据值的平均值，即xi＝(xi+1+xi-1)/2；其中，xi代表第i个采样点的数据值，α表示阈值系数，xi+1、xi-1分别表示第i+1、i-1个采样点采样数据。
所述控制器以距离最远的两个点的距离作为呼吸运动范围Dbreath，根据所述刻度标记物得到所述可移动标记物的运动行程Dmotor，以所述刻度标记物形成的刻度最低位置处往上设定距离作为所述可移动标记物运动的最低处，以刻度标记物形成的刻度最高位置处往下设定距离作为可移动标记物运动的最高处，以此得到可移动标记物实际的运动范围，以此将呼吸运动范围Dbreath与可移动标记物实际的运动范围进行映射，并据此控制所述可移动标记物在得到的可移动标记物实际的运动范围内做与用户呼吸曲线同步的运动。
根据呼吸曲线上第i个采样点的数据值为pi，根据呼吸曲线采样频率得到相邻采样点之间的时间间隔并根据映射关系得到可移动标记物的实时运动位置qi＝pi，由此计算得到可移动标记物相邻实时运动位置之间的变化速度/>据此控制可移动标记物运动。
在所述可移动标记物的运动超出所述刻度标记物形成的刻度范围时，以将第i个采样点的在呼吸曲线上的数据值映射至所述可移动标记物的运动行程Dmotor内，据此计算可移动标记物相邻实时运动位置之间的变化速度并据此控制可移动标记物运动。
实时监测所述基准点变化量，并在其超过设定阈值时认为该基准点需要校准，并根据其周期变化性质，通过计算历史数据中对应基准点相位点处采样数据与该基准点采样数据的偏差，并将该偏差叠加到该基准点后采样数据。
所述设定距离为0.1*Dmotor。
所述呼吸监测装置采用呼吸腹带、红外呼吸跟踪装置或面罩式呼吸测量装置。
一种如前述CT影像中标记呼吸相位点的系统的使用方法，包括步骤：
(1)在CT机上安装刻度标记物及可移动标记物；在患者身上对应位置处安装呼吸监测装置；
(2)获取呼吸监测装置采集的患者呼吸数据，并据此得到患者呼吸曲线，根据患者呼吸曲线控制所述可移动标记物使得所述可移动标记物在所述刻度标记物形成的刻度上实现与所述患者呼吸曲线同步的运动，CT机同时扫描患者患处图像及可移动标记物在所述刻度上的运动位置图像；
(3)医生选取所需CT图像，并进行穿刺规划，根据该CT图像上所述可移动标记物在所述刻度标记物上所对应的刻度值，得到穿刺时患者的呼吸相位点；
(4)医生根据步骤(3)在后续穿刺过程当所述可移动标记物再次运动到对应的呼吸相位点时穿刺下针。
有益效果：本发明通过在CT内相应位置安装标记装置，可以在采集患者患处CT图像的同时对呼吸相位的标记装置进行成像，获得对应的呼吸相位，医生可以根据所选CT图像的横断面图像准确判断目标物位置、角度及呼吸相位点，在后续穿刺过程可以在相应呼吸相位点根据规划入针，消除了呼吸运动带来的不确定性。CT对患者患处成像的同时，对记录呼吸相位点的动丝与栅格同时成像，使得CT图像与呼吸相位结合，便于医生根据CT图像的横断面规划路径并在相应呼吸相位点根据规划入针。
附图说明
图1为本发明标记呼吸相位的标记装置示意图；
图2为本发明的使用场景及安装示意图；
图3为本发明的金属栅格与CT探测器位置关系示意图；
图4为本发明中患者呼吸曲线的获取流程图；
图5为本发明的穿刺操作的流程图。
图中，1.标记装置，11.侧板，12.金属栅格，13.支撑板，14.电机支撑板，15.同步带，16.金属动丝，17.控制器，18.带轮，19.电机，2.CT机，21.射线源，22.探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明提供了一种CT影像中标记呼吸相位点的系统，包括标记装置1、呼吸监测装置及上位机，标记装置1和呼吸监测装置分别与上位机连接。
图1为本发明的标记装置的示意图，如图1所示，本发明的标记装置1包括侧板11、支撑板13、金属栅格12、电机19、同步带15及金属动丝16。金属栅格12为直径为2～3mm的笔直金属丝，数量为若干，等间距安装在支撑板13与侧板11之间，控制间距精度使其具备刻度尺的功效。金属栅格12和金属动丝16均可以在CT图像中显示出来，除了金属材质，金属栅格与金属动丝还可以选择高密度非金属材料、骨质等可在CT影像中成像的其他材质。为了更好区别CT影像中的金属栅格与金属动丝，金属栅格与金属动丝的选择密度不同的材质制成，也可以将金属栅格与金属动丝的截面面积设计为不相同。
在支撑板13两端分别固定安装有带轮18，在带轮18外绕设有同步带；在支撑板13外侧还固定安装有电机支撑板14，在电机支撑板14其中一端固定安装有电机19，电机19的输出轴与其中一个带轮18固定连接，并带动其转动，进而带动同步带15运动。
金属动丝为直径2～3mm的金属或其他非金属笔直刚性物，可通过CT成像，其平行于金属栅格12固定安装在同步带15上，并随着同步带15运动。
在电机支撑板14上还固定安装有控制器17，该控制器17通过线缆与电机19连接，并控制电机19。该控制器17接收呼吸监测装置发送的信号，并发出可控制电机19的控制信号。在其他实施例中，控制器17并不限于固定于电机支撑板14，控制器17也可以是上位机，上位机可与呼吸监测装置、标记装置1进行信号传输。
图2为本发明的使用场景及安装示意图，如图2所示，本发明的标记装置1通过安装座固定在CT机2上，并位于射线源21与平板探测器22之间，同时金属栅格12与CT机2的床伸缩的方向平行，金属栅格12中心与CT机2的射线源正对，也即标记装置1的安装位置使得CT机2的射线源的中心射线通过金属栅格12的中心，如图3所示；在安装时确保标记装置1的金属栅格12、金属动丝16在CT机2射线范围内，标记装置1的其他结构在CT射线范围外。
在本发明中，由于病患处与标记装置是一起成像的，为了不影响医生对患者影像中病灶的识别和诊断，所以将标记装置1安装在CT机2内更靠近人体的位置处，从而使得病患处与标记装置1在成像的图像中紧凑集中，方便医生的观察与诊断。更具体地，将标记装置1安装在CT机2的外壳上，且位于CT机2的外壳内更靠近人体的位置处。
标记装置1的输入为呼吸监测装置，可以是呼吸腹带、红外呼吸跟踪装置或面罩式呼吸测量装置等，呼吸监测装置安装在患者对应位置，根据采样频率捕捉患者随时间变化的表征肺部呼吸的采样数据。
如图4所示，控制器接收呼吸监测装置发送的至少一个周期的采样数据，在采样数据中采用暴力解法、凸壳算法、K-D树算法等方法计算得到欧式距离最远的两个点，并分别计算其余采样点与该两个点之间的欧氏距离平均值，选取其中平均值更小的点作为基准点(也即吸气末点)，根据其余采样点与该基准点之间的欧氏距离、方向变化及采样时间得到患者随时间变化的呼吸曲线，同时以欧式距离最远的两个点的距离作为呼吸运动范围Dbreath。
本发明中，因人体不适移动、传感器零点漂移、呼吸测量装置移动等会引起基准点变化，那么通过实时监测基准点的变化量，并在其超过设定阈值的情况下认为基准点需要校准，并根据其周期变化性质，通过计算历史数据(也即历史呼吸曲线)中对应基准点相位点处采样数据与该基准点采样数据的偏差，并将该偏差叠加到该基准点后采样数据即可。
在本发明中，采集的呼吸数据有可能在三维情况下，则实时监测基准点在某一维度的变化量，并在其超过该维度设定阈值的情况下根据前述方法对基准点进行校准。
控制器接收呼吸监测装置发送的采样数据，并对其进行异常检测，并对异常采样点的数据值进行替换，采用前述方法得到随时间变化的呼吸曲线；
其中异常检测如下：
若|xi+1-xi-1|vα*max(|xi-xi-1|，|xi-xi+1|)，则认为第i个采样点存在异常，并将其数据值替换为前后两个采样点采样的数据值的平均值，即xi＝(xi+1+xi-1)/2；其中，xi代表第i个采样点的数据值，α表示阈值系数，一般取1.0；xi+1、xi-1分别表示第i+1、i-1个采样点采样数据；
控制器根据前述方法得到的呼吸运动范围Dbreath及根据前述金属栅格12设置得到金属动丝16的运动行程Dmotor，以金属栅格12形成的刻度最低位置处往上0.1*Dmotor作为金属动丝16运动的最低处，以金属栅格12形成的刻度最高位置处往下0.1*Dmotor作为金属动丝16运动的最高处，以此得到金属动丝16实际的运动范围，以此将呼吸运动范围Dbreath与金属动丝16的实际的运动范围进行映射；通过该设置可以预留金属栅格12形成的刻度最大值和最小值部分各0.1*Dmotor的行程，也即以0.8*Dmotor作为金属动丝16实际的运动范围，以避免患者刺激深吸气从而超过金属动丝16的运动行程下限；根据呼吸曲线上第i个采样点的数据值为pi，并根据采样频率得到相邻采样点之间的时间间隔并根据映射关系得到金属动丝16的实时运动位置qi＝pi，由此计算得到金属动丝相邻实时运动位置之间的变化速度并据此发送控制信号至电机19，通过电机19驱动金属动丝16实现其在金属栅格12形成的刻度上与呼吸曲线对应的同步运动，从而将呼吸监测装置获取得到的用户呼吸曲线在标记装置1上再现出来，通过如此设计，使得在患者患处的CT图像中可以同时获取得到金属动丝16在金属栅格12上的位置，进而根据金属动丝16与金属栅格12的位置关系判断对应的呼吸相位点；通信延时、控制延时、CT图像延时均为系统误差，经过计算后可以由系统做自动补偿消除。
本发明的采样频率在30Hz以上，因此上述形成的延迟不会影响穿刺相位提示；
通过前述得到的呼吸曲线可以直接驱动动丝运动更能直观真实呼吸运动，但是由于患者体质差异可能导致患者的呼吸运动范围Dbreath超过根据前述设定的金属动丝16实际的运动范围0.8*Dmotor，那么就需要将呼吸曲线的采样数据按照一定比例换算至金属动丝16的的实时运动位置，本发明中按照 将第i个采样点的在呼吸曲线上的数据值映射至金属动丝16的运动行程Dmotor内，并计算得到金属动丝相邻实时运动位置之间的变化速度vi，以控制金属动丝16的运动，以防止深呼吸冲突运动极限；其中，pmin为呼吸运动的最小值，pmax为呼吸运动的最大值；β为安全系数，一般取0.2。
医生可以根据所选CT图像的横断面图像准确判断金属动丝16在金属栅格12上的刻度位置，进而得到患者的呼吸相位点，并根据规划确定穿刺相位，在后续穿刺过程中，当金属动丝16再次运动到对应的穿刺相位时，医生控制执行穿刺下针，消除了呼吸运动带来的不确定性。
另外，由于金属动丝16和金属栅格12成像时都是点，那么医生可以根据形状或者粗细区分金属动丝16和金属栅格12。
本发明的工作原理如下：
医生通过依照金属栅格与探测器的位置关系，将标定装置1固定在CT机上，同时将呼吸监测装置输出线连接到装置的控制器上，引导患者正常呼吸；
控制器自动校准，根据呼吸监测装置输入的至少一周期的采样数据获得患者随时间变化的呼吸曲线，设定金属动丝16运动的最大幅值，确保金属动丝16的运动可很好地测量并不会超限程；
校准完成后，在患者正常呼吸中进行CT扫描，控制器根据呼吸监测装置输入的采样数据获得患者随时间变化的呼吸曲线，并据此控制电机驱动金属动丝16实现其在金属栅格12形成的刻度上与呼吸曲线对应的同步运动；医生根据影像选择适合穿刺的横断面，并记录相应的呼吸相位点，如果由机器人穿刺，可由系统自动识别呼吸相位点；医生根据规划入针路径，在对应的呼吸相位点进行穿刺，可以减小和消除呼吸运动带来的穿刺误差。
本发明基于前述CT影像中标记呼吸相位点的系统的使用方法，如图5所示，包括如下步骤：
(1)在CT机的探测器侧安装前述标记装置1，使得前述标记装置1位于探测器与射线源之间，同时金属栅格12与CT机2的床伸缩的方向平行；在患者身上对应位置处安装呼吸监测装置，用以采集患者随时间变化的呼吸数据；控制器分别与前述标记装置1的电机19和呼吸监测装置连接，并根据前述方法得到患者随时间变化的呼吸曲线；
(2)在CT机扫描患者患处图像同时，控制器根据得到的患者随时间变化的呼吸曲线控制电机驱动金属动丝16实现其在金属栅格12形成的刻度上与呼吸曲线对应的同步运动，从而将患者随时间变化的呼吸曲线在标记装置1上再现出来；
(3)医生选取所需CT图像，并进行穿刺规划，同时根据该CT图像上金属动丝16在金属栅格12上所对应的刻度值，得到穿刺时患者的呼吸相位点；
(4)经过计算后消除通信延时、控制延时、CT图像延时等系统误差，医生据此在后续穿刺过程当金属动丝16再次运动到对应的穿刺相位时穿刺下针。
本发明通过在CT内相应位置安装标记装置，CT对患者患处成像的同时，对记录呼吸相位点的动丝与栅格同时成像，使得CT图像与呼吸相位结合，可以在采集CT图像的同时获得对应的呼吸相位，医生可以根据所选CT图像的横断面图像准确判断目标物位置、角度及呼吸相位点，在后续穿刺过程可以在相应呼吸相位点根据规划入针，消除了呼吸运动带来的不确定性。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：包括：
刻度标记物，安装于CT机；
可移动标记物，沿着所述刻度标记物形成的刻度进行往复运动；
呼吸监测装置，用于采样患者呼吸数据；
控制器，获取所述呼吸监测装置采集的患者呼吸数据，并据此得到患者呼吸曲线，根据患者呼吸曲线控制所述可移动标记物沿着所述刻度做与用户呼吸曲线同步的运动；
所述控制器接收呼吸监测装置发送的至少一个周期的采样数据，计算得到距离最远的两个点，并分别计算其余采样点与该两个点之间的距离平均值，选取其中平均值更小的点作为基准点，并根据其余采样点与该基准点之间的距离、方向变化及采样时间得到患者随时间变化的呼吸曲线。
2.根据权利要求1所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：所述刻度标记物、可移动标记物由密度不同并可在CT影像中显示的材质制成。
3.根据权利要求1所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：所述刻度标记物、可移动标记物的截面面积不同。
4.根据权利要求1所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：所述控制器通过电机控制所述可移动标记物进行往复运动。
5.根据权利要求4所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：所述电机连接有传动机构，所述可移动标记物安装在所述传动机构上，所述电机通过所述传动机构驱动所述可移动标记物的往复运动。
6.根据权利要求5所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：所述传动机构为同步带轮。
7.根据权利要求1所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：所述控制器得到呼吸监测装置发送的采样数据后对其进行异常检测，具体如下：
若|xi+1-xi-1|<α*max(|xi-xi-1|,|xi-xi+1|)，则认为第i个采样点存在异常，并将其数据值替换为前后两个采样点采样的数据值的平均值，即xi＝(xi+1+xi-1)/2；其中，xi代表第i个采样点的数据值，α表示阈值系数，xi+1、xi-1分别表示第i+1、i-1个采样点采样数据。
8.根据权利要求1所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：所述控制器以距离最远的两个点的距离作为呼吸运动范围Dbreath，根据所述刻度标记物得到所述可移动标记物的运动行程Dmotor，以所述刻度标记物形成的刻度最低位置处往上设定距离作为所述可移动标记物运动的最低处，以刻度标记物形成的刻度最高位置处往下设定距离作为可移动标记物运动的最高处，以此得到可移动标记物实际的运动范围，以此将呼吸运动范围Dbreath与可移动标记物实际的运动范围进行映射，并据此控制所述可移动标记物在得到的可移动标记物实际的运动范围内做与用户呼吸曲线同步的运动。
9.根据权利要求1所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：根据呼吸曲线上第i个采样点的数据值为pi，根据呼吸曲线采样频率得到相邻采样点之间的时间间隔并根据映射关系得到可移动标记物的实时运动位置qi＝pi，由此计算得到可移动标记物相邻实时运动位置之间的变化速度/> 据此控制可移动标记物运动。
10.根据权利要求9所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：在所述可移动标记物的运动超出所述刻度的范围时，以 将第i个采样点的在呼吸曲线上的数据值映射至所述可移动标记物的运动行程Dmotor内，据此计算可移动标记物相邻实时运动位置之间的变化速度并据此控制可移动标记物运动。
11.根据权利要求1所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：实时监测所述基准点变化量，并在其超过设定阈值时认为该基准点需要校准，并根据其周期变化性质，通过计算历史数据中对应基准点相位点处采样数据与该基准点采样数据的偏差，并将该偏差叠加到该基准点后采样数据。
12.根据权利要求8所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：所述设定距离为0.1*Dmotor。
13.根据权利要求1所述的CT影像中标记呼吸相位点的系统，其特征在于：所述呼吸监测装置采用呼吸腹带、红外呼吸跟踪装置或面罩式呼吸测量装置。
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