CN114177545B - 一种用于放疗中无接触式呼吸节律监测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置和方法，该装置包括结构光投射模块、表面数据传感模块、数据预处理模块，成像重建模块、显示模块和反馈模块。所述具体包括以下步骤：通过结构光投射模块将结构光投射至目标人体胸腹部，在其表面形成光栅图案；利用光表面传感模块捕获目标表面光栅图案；将捕捉到的光表面数据传递给数据预处理模块，进行数据预处理，降低因噪声引起的额外误差；对预处理后表面数据进行三维重建并通过显示模块进行实时动态显示患者呼吸节律；将实时模型与放疗前预设定模型进行对比；将因呼吸节律而引起的患者放疗位置误差反馈在显示界面，辅助治疗师进行患者摆位调整，以达到降低因胸腹部肿瘤患者呼吸节律变化而引起的放疗误差，提高放疗精度。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置和方法。
背景技术
放疗是恶性肿瘤的三大治疗手段之一，属于局部区域治疗，可用来根治或缓解局部的原发肿瘤或转移灶，放疗可以单独应用，也可以联合手术和化疗共同治疗肿瘤。在癌症患者的诊治过程中，大约50-70％的患者需要采用放疗，根据世界卫生组织统计，45％的肿瘤可以被治愈，其中约有18％的恶性肿瘤通过放疗达到根治，22％通过手术根治，5％通过化疗达到根治。
精确放疗是在常规放疗基础上通过精确的肿瘤定位，精确的计划设计、剂量计算及在治疗机上精确执行的一种全新的肿瘤放疗技术，它融合了三维图像处理技术、高精度的剂量计算算法、尖端的直线加速器系列技术、先进的肿瘤诊断技术、放射生物学前沿研究成果。
在精确放疗的全过程中，每一步都强调精度，这相对于常规放疗是质的飞跃。进一步提高肿瘤照射剂量减少周围正常组织受量，从而提高肿瘤局控率及生存率，同时减少放射合并症和改进患者的生存质量是未来放疗发展的重要方向。
呼吸运动不但会使肺部的靶组织产生位移，而且还会波及上腹部脏器，这就是说肺部，胰腺，肝脏和其他胸腹部的肿瘤，均可随呼吸运动产生位移，一些呼吸引起位移的定量研究表明，在单次放射治疗中肿瘤的运动最大可达3cm。
因此，本发明旨在通过监测患者呼吸节律，来实时地通过患者位置来减少剂量误差，增大靶部位照射剂量，减少正常组织照射量，以减少放疗副作用，为精准放疗发展提供参考依据。
发明内容
本发明提供了一种用于放疗中无接触式呼吸节律监测装置和方法，以达到动态监测放疗病人的呼吸节律，根据患者呼吸节律及时调整患者位置，增加放疗精度。
本发明提供的技术方案如下：
一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置，所述装置包括结构光投射模块、表面数据传感模块、数据预处理模块、成像重建模块、显示模块和反馈模块；
所述结构光投射模块包括结构光光栅投射器，且被配置为投射结构光光栅至患者体表，以实时地形成患者表面光栅数据；
所述表面数据传感模块包括两台摄像机，该两台摄像机分置于所述结构光投射模块左右两侧，用于实时地捕获所述患者表面光栅数据，并传递给数据预处理模块；
所述数据预处理模块，将表面数据传感模块所捕获的数据进行降噪处理，剔除噪声过大的数据点，降低因噪声引起的数据误差；
所述成像重建模块，将经数据预处理模块处理后的数据进行三维重建，并将重建后的人体表面模型通过所述显示模块进行实时显示；
反馈模块，用于将成像重建模块重建后的三维模型与预设定摆位模型进行对比，并把因呼吸节律引起的位置误差反馈到显示模块，以显示提醒治疗师实时调节患者位置；
显示模块，用于显示三维重建后的人体表面模型和反馈模块所反馈的误差信息。
进一步的，所述结构光投射模块由一台结构光光栅投射器构成，该投射器可投射出网格图案、条纹图案、或栅栏图案的结构光；
投射出的结构光颜色可根据投射对象进行调整，所述颜色包括黄绿色、红色、或蓝色；所述投射器置于患者胸腹部正上方，光源中心位于患者身体中线正上方某高度平行线上。根据患者实际情况，在放疗开始前进行光源中心高度的调整，保证患者整个胸腹部都被均匀照射。
进一步的，所述表面数据传感模块由两台3D摄像机组成，分别位于结构光光栅投射器左右两侧，与结构光光栅投射器处于同一直线，该直线与患者身体中线垂直。
在放疗开始前，调整摄像机角度，保证被结构光投射到的目标患者胸腹部都在摄像机视野范围内；对两个摄像机进行相机标定，得到相机的内外参数。
进一步的，所述数据预处理模块对两个摄像机捕获的表面数据进行降噪处理，并对降噪后的两个方向的表面数据结合相机内外参数进行转换，得到一个完整人体胸腹部表面数据文件，将该文件传输给成像重建模块。
进一步的，所述成像重建模块对所述表面数据文件进行三维重建，得到一个时刻的三维模型；并且，所述成像重建模块对传输回的实时表面数据进行模型重建，每个呼吸循环为一个周期。
进一步的，所述显示模块由计算机或外连的显示屏组成，其显示界面包括：预设定的放疗前模型、实时显示的不同呼吸时刻的三维模型、反馈得到的因呼吸节律引起的患者位置误差。
进一步的，所述反馈模块被配置为通过放疗前模型与实时的三维模型进行对比，得出三个方向的位移和三个角度的旋转误差，并将六个维度的误差值反馈到显示界面。位移误差单位为毫米，保留小数点后两位，旋转误差单位为度，保留小数点后一位。
进一步的，正常成人呼吸频率为每分钟12到20次，每个所述周期为3到5秒；每个周期至少捕获50帧表面数据，每秒不少于10帧。
正常每个周期为3到5秒；每个周期至少捕获50帧表面数据，每秒不少于10帧。
进一步的，反馈模块对两模型的配比速度，快于模型重建速度。
上述每一模块进程都为实时进程。
本发明还公开了一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测方法，该方法用于辅助治疗师进行患者摆位调整，提高患者位置精度，该方法包括以下步骤：
S1，通过结构光光栅投射器将结构光投射至目标人体胸腹部，在人体表面形成光栅图案；
S2，利用结构光光栅投射器左右两侧的摄像机进行实时捕获目标表面光栅图案，并将捕捉到的光表面数据进行数据预处理，降低因噪声引起的额外误差；
S3，对预处理后表面数据进行三维重建得到实时模型并通过显示屏显示，以及进行实时动态的显示患者放疗过程中的呼吸节律；
S4，将实时模型与放疗前预设定模型进行对比，将因呼吸节律而引起的患者放疗位置误差反馈在显示界面，辅助治疗师进行患者摆位调整。
通过本发明，能辅助治疗师进行患者摆位调整，以达到降低因胸腹部肿瘤患者呼吸节律变化而引起的放疗误差，提高放疗精度。
附图说明
图1为本发明流程结构示意图；
图2为本发明各模块结构示意图；
图3为本发明装置结构示意图；
图4为本发明所述光栅示意图；
图5为本发明所涉及光学三角法摄影原理图。
具体实施步骤
以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面，尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。另外，附图中仅显示了本发明的部分结构而非全部结构。
实施例具体描述如下。
如附图2所示，本发明公开的一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置，包括结构光投射模块、表面数据传感模块、数据预处理模块、成像重建模块、显示模块和反馈模块；
所述结构光投射模块包括结构光光栅投射器，且被配置为投射结构光光栅至患者体表，以实时地形成患者表面光栅数据；
所述表面数据传感模块包括两台摄像机，该两台摄像机分置于所述结构光投射模块左右两侧，用于实时地捕获所述患者表面光栅数据，并传递给数据预处理模块；
所述数据预处理模块，将表面数据传感模块所捕获的数据进行降噪处理，剔除噪声过大的数据点，降低因噪声引起的数据误差；
所述成像重建模块，将经数据预处理模块处理后的数据进行三维重建，并将重建后的人体表面模型通过所述显示模块进行实时显示；
反馈模块，用于将成像重建模块重建后的三维模型与预设定摆位模型进行对比，并把因呼吸节律引起的位置误差反馈到显示模块，以显示提醒治疗师实时调节患者位置；
显示模块，用于显示三维重建后的人体表面模型和反馈模块所反馈的误差信息。
如图1和图2所示，本发明实施步骤如下：
步骤S1，通过结构光投射模块的结构光光栅投射器将结构光投射至目标人体胸腹部，在其表面形成光栅图案；
如图3所示，结构光投射模块，由一台结构光光栅投射器组成，置于患者胸腹部正上方，光源中心位于患者身体中线正上方某高度平行线，投射结构光光栅至患者体表，以实时的形成患者体表数据；
步骤S2，利用表面数据传感模块的两台摄像机进行实时捕获目标表面光栅图案(如图4所示)，并将捕捉到的光表面数据传输至数据预处理进行数据预处理，降低因噪声引起的额外误差。
如图3所示，表面数据传感模块由两台摄像机组成，分置于结构光投射模块左右两侧，与结构光投射器处于同一直线，该直线与患者身体中线垂直，用于实时的捕获患者表面光栅数据。
在放疗开始前，调整摄像机角度，保证被结构光投射到的目标患者胸腹部都在摄像机视野范围内，对两个摄像机进行相机标定，得到相机的内外参数，并把表面数据传递给数据预处理模块。
进一步的，基于正常成人呼吸频率为每分钟12到20次，每个呼吸周期为3到5秒，该发明要求每个呼吸周期至少捕获50帧表面数据，每秒不少于10帧。
步骤S3，将表面数据预处理后进行结构光表面模型三维重建，实时的将模型显示在显示装置，以监测呼吸节律。
具体的，S31，成像重建模块接收到表面数据预处理模块处理后的表面数据后，进行三维重建。
其中，所述的数据预处理模块，将表面数据传感模块所捕获的表面数据进行降噪处理，剔除噪声过大的数据点，降低因噪声引起的数据误差，对于降噪后的两个方向的表面数据结合相机内外参数进行转换，得到一个完整人体表面数据文件，将该文件传输给成像重建模块。
进一步的，所述的成像重建模块，将经数据预处理模块处理后的数据进行三维重建，每个呼吸循环为一个周期。
具体的，S32，通过显示模块的显示屏显示重建好的模型，进行实时动态的显示患者放疗过程中的呼吸节律。
其中，所述的显示模块，由计算机或外连的显示屏组成，用于显示三维后的人体表面模型和反馈模块所反馈的误差信息。
步骤S4，将实时模型与放疗前预设定模型进行对比，将因呼吸节律而引起的患者放疗位置误差反馈在显示界面，辅助治疗师进行患者摆位调整。以提高放疗精准度。
具体的，S41，在反馈模块中将实时模型与放疗前预设定模型进行对比，得出偏差信息。
其中，所述的反馈模块，用于将成像重建模块重建后的三维模型与预设定摆位模型进行对比，通过进行放疗前模型与实时的三维模型进行配准，得出三个方向的位移和三个角度的旋转误差。
进一步的，位移误差单位为毫米，保留小数点后两位，旋转误差单位为度，保留小数点后一位，将这六维度的位置误差反馈到显示模块，以显示提醒治疗师实时调节患者位置。
具体的，S42，将因呼吸节律而引起的患者放疗位置误差反馈在显示模块的显示界面，辅助治疗师进行患者摆位调整。
根据本发明实施例提出的一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置和方法，在放疗过程中可采集人体胸腹部的表面动态信息，从而根据采集到体表动态信息进一步的得到患者体表随呼吸节律而发生的误差变化。根据本发明实施例，可根据患者呼吸节律所产生的患者位置误差进行患者位置的调整，以提高放疗精度。本发明实施例提出的一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置和方法，实现了在无约束无标记无侵入的条件下，既保证了患者的舒适性，又提高了放疗精度。
下面结合具体实施例对本发明工作过程或原理作进一步说明。
所述结构光投射器和两个摄像机共同构成光学传感器，采用相位法进行数据的采集，具体的，将光栅图案投射到被测患者表面，受物体高度的调制，光栅条纹发生形变，这种变形条纹可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号；
通过两摄像机采集变形条纹并且对其进行解调可以得到包含高度信息的相位变化，最后根据三角法原理计算出高度，其理论依据仍为光学三角法。
所述的光学三角法如图5所示(以点状为例)：
结构光投射器与摄像头在同一水平线(称为基准线)上，其距离为s，摄像头焦距为f，结构光投射器与基准线的夹角为β；假设结构光投射目标在结构光投射器的照射下，反射回摄像头成像平面的位置为点P；由几何知识可作相似三角形，结构光投射器、摄像头与结构光投射目标组成的三角形，相似于摄像头、成像点P与辅助点P′。
另外，设像素单位大小为v，成像的像素坐标相对于成像中心的位置为pos；
设PP′＝x；
q、d如图所示，则由相似三角形可得：f/x＝q/s、q＝fs/x；
x可分为两部分计算：X＝x1+x2＝f/tanβ+v*pos；
最后，可求得距离d＝q/sinβ。
进一步的，所述的数据预处理模块，将表面数据传感模块所捕获的表面数据进行降噪处理，剔除噪声过大的数据点，降低因噪声引起的数据误差，对于降噪后的两个方向的表面数据结合相机内外参数进行转换，得到一个完整人体表面数据文件，将该文件传输给成像重建模块。
进一步的，所述的成像重建模块，将经数据预处理模块处理后的数据进行三维重建，并将重建后的文件进行实时显示，每个呼吸循环为一个周期。
进一步的，所述的显示模块，由计算机或外连的显示屏组成，用于显示三维后的人体表面模型和反馈模块所反馈的误差信息。
进一步的，所述的反馈模块，用于将成像重建模块重建后的三维模型与预设定摆位模型进行对比，通过代码进行放疗前模型与实时的三维模型进行配准，得出横轴、纵轴、垂直三个方向的位移和三个角度的旋转误差；
其中位移误差单位为毫米，保留小数点后两位，旋转误差单位为度，保留小数点后一位，这六维度的位置误差反馈到显示模块，以显示提醒治疗师实时调节患者位置。
进一步的，每一模块进程都为实时进程，且反馈模块的两模型配准速度，应快于模型重建速度，以避免卡帧的情况出现。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中线”、“横轴”、“纵轴”、“垂直”、“左”、“右”等指示，仅是为了方便对本发明进行简化描述，而不是指示装置或模块必须具有特定的位置，因此不能理解为对本发明的限制。另外，术语“安置”、“位于”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。在本说明书的描述中，参考术语“实施例”等的描述意指结合该实施例的具体特征包含于本发明的至少一个实施例中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例。
另外，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置，其特征在于，所述装置包括结构光投射模块、表面数据传感模块、数据预处理模块、成像重建模块、显示模块和反馈模块；
所述结构光投射模块包括结构光光栅投射器，且被配置为投射结构光光栅至患者体表，以实时地形成患者表面光栅数据；
所述表面数据传感模块包括两台摄像机，该两台摄像机分置于所述结构光投射模块左右两侧，用于实时地捕获所述患者表面光栅数据，并传递给数据预处理模块；
所述数据预处理模块，将表面数据传感模块所捕获的数据进行降噪处理，剔除噪声过大的数据点，降低因噪声引起的数据误差；
所述成像重建模块，将经数据预处理模块处理后的数据进行三维重建，并将重建后的人体表面模型通过所述显示模块进行实时显示；
所述反馈模块，用于将成像重建模块重建后的三维模型与预设定摆位模型进行对比得到位置误差，并把因呼吸节律引起的该位置误差反馈到显示模块，以显示提醒治疗师实时调节患者位置；
所述显示模块，用于显示三维重建后的人体表面模型和反馈模块所反馈的误差信息，
其中，所述数据预处理模块对两个摄像机捕获的表面数据进行降噪处理，并对降噪后的两个方向的表面数据结合相机内外参数进行转换，得到一个完整人体胸腹部表面数据文件，将该文件传输给成像重建模块，
其中，所述反馈模块被配置为通过放疗前模型与实时的三维模型进行对比，得出三个方向的位移和三个角度的旋转误差，并将六个维度的误差值反馈到显示界面。
2.根据权利要求1所述的一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置，其特征在于，所述结构光投射模块由一台结构光光栅投射器构成，该投射器可投射出网格图案、条纹图案、或栅栏图案的结构光；
投射出的结构光颜色可根据投射对象进行调整，所述颜色包括黄绿色、红色、或蓝色；
所述投射器置于患者胸腹部正上方，光源中心位于患者身体中线正上方某高度平行线上。
3.根据权利要求1所述的一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置，其特征在于，所述表面数据传感模块由两台3D摄像机组成，分别位于结构光光栅投射器左右两侧，与结构光光栅投射器处于同一直线，该直线与患者身体中线垂直。
4.根据权利要求1所述的一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置，其特征在于，所述成像重建模块对所述表面数据文件进行三维重建，得到一个时刻的三维模型；并且，所述成像重建模块对传输回的实时表面数据进行模型重建，每个呼吸循环为一个周期。
5.根据权利要求1所述的一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置，其特征在于，所述显示模块由计算机或外连的显示屏组成，其显示界面包括：预设定的放疗前模型、实时显示的不同呼吸时刻的三维模型、反馈得到的因呼吸节律引起的患者位置误差。
6.根据权利要求4所述的一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置，其特征在于，每个正常周期为3到5秒；每个周期至少捕获50帧表面数据，每秒不少于10帧。
7.根据权利要求4所述的一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测装置，其特征在于，反馈模块对两模型对比速度，快于模型重建速度。
8.一种用于放疗的无接触式呼吸节律监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1，通过结构光光栅投射器将结构光投射至目标人体胸腹部，在人体表面形成光栅图案；
S2，利用结构光光栅投射器左右两侧的摄像机进行实时捕获目标表面光栅图案，并将捕捉到的光表面数据进行数据预处理，降低因噪声引起的额外误差；
S3，对预处理后表面数据进行三维重建得到实时模型并通过显示屏显示，以及进行实时动态的显示患者放疗过程中的呼吸节律；
S4，将实时模型与放疗前预设定模型进行对比，将因呼吸节律而引起的患者放疗位置误差反馈在显示界面，辅助治疗师进行患者摆位调整，
其中，步骤S2中，对两个摄像机捕获的表面数据进行降噪处理，并对降噪后的两个方向的表面数据结合相机内外参数进行转换，得到一个完整人体胸腹部表面数据文件，将该文件传输以用于成像重建；
步骤S4中，通过放疗前预设定模型与实时的三维模型进行对比，得出三个方向的位移和三个角度的旋转误差，并将六个维度的误差值反馈到显示界面。
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