CN115137998A - 一种放射治疗的患者自动摆位系统及患者自动摆位方法 - Google Patents

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CN115137998A CN202210920370.1A CN202210920370A CN115137998A CN 115137998 A CN115137998 A CN 115137998A CN 202210920370 A CN202210920370 A CN 202210920370A CN 115137998 A CN115137998 A CN 115137998A
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杨海波
王晓勇
洪晴
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Abstract

本发明公开一种放射治疗的患者自动摆位系统及患者自动摆位方法，该种放射治疗的患者自动摆位系统包括识别标签、治疗床、双目视觉单元、机械臂、机械臂控制单元、放射治疗计划系统和CT模拟机，识别标签粘贴在患者皮肤表面，治疗床位于治疗室内，供患者倾躺以进行放射治疗，双目视觉单元安装在治疗室内，获取治疗室内的影像，机械臂与治疗床连接，调节治疗床的位置和角度，机械臂控制单元与机械臂电连接，向机械臂发出驱动指令，放射治疗计划系统接收CT模拟机传输的CT影像数据、接收双目视觉单元获取的治疗室内的影像数据并机械臂控制单元发出调节指令，本发明替代全程机械自动摆位，减小医护人员的工作强度和时间，并且提高摆位的精准性。

Description

一种放射治疗的患者自动摆位系统及患者自动摆位方法
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体为一种放射治疗的患者自动摆位系统及患者自动摆位方法。
背景技术
肿瘤已经逐渐成为世界上的多发病，发病率逐年增加，严重影响身体健康与生命。放射治疗是治疗肿瘤的一种常用手段，随着技术的发展，对于放射治疗的精确性也提出了越来越高的要求。对于肿瘤放射治疗来说，需要最大程度地将放疗剂量集中在治疗靶区位置，提高肿瘤局部剂量，并尽可能减少周围正常组织受到的照射剂量，从而提高肿瘤治愈率，有效保护正常组织。为了达到良好的治疗效果，治疗过程中患者的位置至关重要。
通常在放射治疗之前，需要由医师和物理师通过治疗计划系统确定治疗方案。治疗计划系统依靠患者医学影像信息，包括计算机断层扫描成像（CT），核磁共振成像（MRI），在医学影像中勾画出治疗靶区（GTV）以及各个重要的人体器官的感兴趣区域（ROI），并通过蒙特卡洛程序计算放疗剂量，并最终确定包括患者定位在内的治疗方案。除了需要对整个治疗过程进行精确的计划以外，在实施放疗过程中，需要严格按照治疗计划确定的治疗方案对患者进行准确摆位，如果摆位误差过大，病灶靶区中心位置会发生变化，从而导致肿瘤靶区的剂量不足或者周边正常组织的剂量过高，无法达到期望的治疗效果。对于质子或者中子等先进粒子治疗方法，通常射束出口位置固定，无法像传统的放射治疗那样通过调整安装在机架上的射束出口位置补偿摆位误差。
目前在放射治疗计划的执行时，虽然会采用一些辅助摆位装置，比如安装在墙壁上的可以发生十字形光线的激光灯，或者在患者皮肤表面画上标记，但是不可避免的需要人工手动操作，浪费医护人员大量时间，并且人工手动摆位操作，也容易导致患者摆位误差大，患者达不到预想的治疗效果。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
因此，本发明的目的是提供一种放射治疗的患者自动摆位系统及患者自动摆位方法，替代了传统人工对患者摆位的方式，全程机械自动摆位，减小医护人员的工作强度和时间，并且提高摆位的精准性。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种放射治疗的患者自动摆位系统，其包括：
识别标签，粘贴在患者皮肤表面；
治疗床，位于治疗室内，供患者倾躺以进行放射治疗；
双目视觉单元，安装在治疗室内，获取治疗室内的影像；
机械臂，与所述治疗床连接，调节治疗床的位置和角度；
机械臂控制单元，与所述机械臂电连接，向所述机械臂发出驱动指令；
放射治疗计划系统，接收CT模拟机传输的CT影像数据、接收双目视觉单元获取的治疗室内的影像数据并机械臂控制单元发出调节指令；
CT模拟机，对粘贴有识别标签的患者进行CT扫描，获取患者医学影像数据。
作为本发明所述的一种放射治疗的患者自动摆位系统的一种优选方案，其中，所述治疗床与所述机械臂的法兰盘通过卡扣连接。
作为本发明所述的一种放射治疗的患者自动摆位系统的一种优选方案，其中，所述双目视觉单元由两个对称安装在治疗室内的高清摄像头组成。
作为本发明所述的一种放射治疗的患者自动摆位系统的一种优选方案，其中，所述治疗床由碳纤维材料制成。
一种放射治疗的患者自动摆位方法，其具体步骤如下：
S1、在模拟定位室内通过CT模拟机对患者进行CT扫描，扫描之前在患者皮肤表面粘贴若干识别标签；
S2、将CT模拟机扫描得到的患者医学影像数据导入至放射治疗计划系统中，按照医师给出的目标剂量制定放疗照射方案，包括照射时间与照射角度（t, Xt, Yt, Zt, At,Bt, Ct），其中t为照射时间，（Xt， Yt， Zt）为射束出口中心在医学影像坐标系下的空间坐标；（At, Bt, Ct）为射束中心线在医学影像坐标系下与X轴、Y轴、Z轴的角度参数；
S3、在放射治疗计划系统中确定治疗计划的同时，根据多个识别标签在CT影像中的不同状态对多个识别标签进行S1、S2、S3....
编号，并对编号后的多个识别标签提取其中心坐标：（S1x, S1y, S1z），（S2x,S2y, S2z），（S3x, S3y, S3z）……；
S4、在患者开始治疗前，患者在治疗床上躺好，并用相应的辅助摆位装置将患者固定，机械臂控制单元控制治疗床到达一个指定的初始位置，并记录此时在治疗室空间坐标系下的机械臂位置参数（X0, Y0, Z0, A0, B0, C0），其中（X0, Y0, Z0）为机械臂的位移参数，（A0, B0, C0）为机械臂的角度参数；
S5、双目视觉单元获取治疗室的的图像并进行特征提取，获得粘贴在患者皮肤表面的标签中的各个识别标签的圆心所在位置，并根据双目视觉单元中三维空间坐标计算方法算出在治疗室三维空间坐标系下的各个识别标签的圆心的三维空间坐标（Q1x, Q1y,Q1z），（Q2x, Q2y, Q2z），（Q3x, Q3y, Q3z）……；
S6、机械臂控制单元从放射治疗计划系统中获取照射时间与照射角度（t, Xt,Yt, Zt, At, Bt, Ct）以及在CT影像中各个识别标签的坐标（S1x, S1y, S1z），（S2x, S2y,S2z），（S3x, S3y, S3z）……，并将S1x, S1y, S1z），（S2x, S2y, S2z），（S3x, S3y,S3z）……和（Q1x, Q1y, Q1z），（Q2x, Q2y, Q2z），（Q3x, Q3y, Q3z）……进行配准，得到治疗计划中医学影像坐标系与治疗室三维空间坐标系之间的相互关系，根据治疗计划中医学影像坐标系与治疗室三维空间坐标系之间的相互关系以及在治疗计划系统中的照射参数（Xt, Yt, Zt, At, Bt, Ct），计算在治疗室三维空间坐标系下的机械臂（400）最终位置参数（X1, Y1, Z1, A1, B1, C1），其中（X1, Y1, Z1）为机械臂（400）的位移参数，（A1, B1,C1）为机械臂的角度参数；
S7、机械臂控制单元根据机械臂最终位置参数驱动机械臂带动治疗床（200）到达设定的位置；
S8、治疗床到达与放射治疗计划系统中设定的照射位置一致的坐标后，自动摆位系统给出允许照射的信号，等待治疗开始，照射结束后，机械臂控制单元驱动机械臂带动治疗床自动复位至原始位置。
作为本发明所述的一种放射治疗的患者自动摆位方法的一种优选方案，其中，所述坐标（S1x, S1y, S1z），（S2x, S2y, S2z），（S3x, S3y, S3z）……，并将S1x, S1y, S1z），（S2x, S2y, S2z），（S3x, S3y, S3z）……和（Q1x, Q1y, Q1z），（Q2x, Q2y, Q2z），（Q3x,Q3y, Q3z）……采用矩阵变换的方式进行配准。
作为本发明所述的一种放射治疗的患者自动摆位方法的一种优选方案，其中，所述步骤S4中，采用热塑膜将将患者固定在治疗床上。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：该种放射治疗的患者自动摆位系统及患者自动摆位方法，替代了传统人工对患者摆位的方式，全程机械自动摆位，减小了医护人员的工作强度和时间，并且提高了摆位的精准性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一种放射治疗的患者自动摆位系统的应用场景示意图；
图2为本发明一种放射治疗的患者自动摆位系统的原理框图；
图3为本发明识别标签的第一状态组合示意图；
图4为本发明识别标签的第二组合示意图；
图5为本发明识别标签的第三组合示意图；
图6为本发明识别标签的另一方向的结构示意图；
图7为本发明识别标签的标识部件的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供一种放射治疗的患者自动摆位系统及患者自动摆位方法，替代了传统人工对患者摆位的方式，全程机械自动摆位，减小医护人员的工作强度和时间，并且提高摆位的精准性。
实施例1
图1和图2示出的是本发明一种放射治疗的患者自动摆位系统的应用场景示意图和系统原理图，请参阅图1-图2，该种放射治疗的患者自动摆位系统，其包括识别标签100、治疗床200、双目视觉单元300、机械臂400、机械臂控制单元500、放射治疗计划系统600和CT模拟机700。
识别标签100粘贴在患者皮肤表面，在本实施方式中，请参阅图3-图7，该识别标签100包括圆环100、坐标定位球200和标识部件300，圆环100贴附在患者皮肤表面进行定位，在本实施方式中，圆环100的底部具有粘贴层130，粘贴层130上贴合有离型纸层，在使用时，将离型纸层从粘贴层130上撕下，然后将粘贴层130粘贴在患者皮肤上即可将圆环100于患者皮肤接合，坐标定位球200位于圆环100的圆心处，且由金属材料制成，用于CT模拟机进行扫描并获取坐标信息，作为优选，坐标定位球200的半径小于2mm，圆环100的内壁设置有多个支撑杆110，且多个支撑杆110的端部与坐标定位球200的外端面连接，用于支撑坐标定位球200，为了使患者自动摆位识别标签可以在CT模拟机内高亮显示，在本实施方式中，坐标定位球200由铅材料制成，标识部件300，与所述圆环100的外侧壁连接，且该标识部件300可相对所述圆环100作圆周旋转，由于在对患者摆位时，一般需要在患者皮肤表面贴附至少三个摆位识别标签，而且每个摆位识别标签的状态都要不同以供CT模拟机和视觉系统根据摆位识别标签的不同状态来对每个摆位识别标签进行编号区分，而为了实现不同的状态，因此，可以通过设置不同数量的标识部件30与圆环100组合，并使标识部件300相对圆环100作圆周旋转以形成不同的组合状态，如图3、图4和图5所示，作为优选，在本实施方式中，圆环100的外侧壁开设有圆环槽120，标识部件300包括位于圆环槽120内并与圆环槽120贴合的弧形块310、一端部与弧形块310外壁连接的连接部320和与连接部320另一端连接的圆板330，弧形块310的顶部具有限位柱310a，圆环槽120的内壁顶部开设有环形槽道，限位柱310a延伸至环形槽道内。
治疗床20位于治疗室内，供患者倾躺以进行放射治疗，作为优选，在本实施方式中，治疗床20与所述机械臂40的法兰盘通过卡扣连接，治疗床20由碳纤维材料制成。
双目视觉单元30安装在治疗室内，获取治疗室内的影像，作为优选，在本实施方式中，双目视觉单元30由两个对称安装在治疗室内的高清摄像头组成。
机械臂40与所述治疗床20连接，调节治疗床20的位置和角度；
机械臂控制单元50与所述机械臂40电连接，向所述机械臂40发出驱动指令；
放射治疗计划系统60接收CT模拟机70传输的CT影像数据、接收双目视觉单元30获取的治疗室内的影像数据并机械臂控制单元50发出调节指令；
CT模拟机70对粘贴有识别标签10的患者进行CT扫描，获取患者医学影像数据。
实施例2
本发明还提供一种一种放射治疗的患者自动摆位方法，具体步骤如下：
一种放射治疗的患者自动摆位方法，其具体步骤如下：
S1、在模拟定位室内通过CT模拟机70对患者进行CT扫描，扫描之前在患者皮肤表面粘贴若干识别标签10；
S2、将CT模拟机70扫描得到的患者医学影像数据导入至放射治疗计划系统60中，按照医师给出的目标剂量制定放疗照射方案，包括照射时间与照射角度（t, Xt, Yt, Zt,At, Bt, Ct），其中t为照射时间，（Xt， Yt， Zt）为射束出口中心在医学影像坐标系下的空间坐标；（At, Bt, Ct）为射束中心线在医学影像坐标系下与X轴、Y轴、Z轴的角度参数；
S3、在放射治疗计划系统60中确定治疗计划的同时，根据多个识别标签10在CT影像中的不同状态对多个识别标签10进行S1、S2、S3....
编号，并对编号后的多个识别标签（10）提取其中心坐标：（S1x, S1y, S1z），（S2x,S2y, S2z），（S3x, S3y, S3z）……；
S4、在患者开始治疗前，患者在治疗床20上躺好，并用采用热塑膜等相应的辅助摆位装置将患者固定，机械臂控制单元50控制治疗床20到达一个指定的初始位置，并记录此时在治疗室空间坐标系下的机械臂位置参数（X0, Y0, Z0, A0, B0, C0），其中（X0, Y0,Z0）为机械臂的位移参数，（A0, B0, C0）为机械臂的角度参数；
S5、双目视觉单元30获取治疗室的的图像并进行特征提取，获得粘贴在患者皮肤表面的标签中的各个识别标签10的圆心所在位置，并根据双目视觉单元30中三维空间坐标计算方法算出在治疗室三维空间坐标系下的各个识别标签（10）的圆心的三维空间坐标（Q1x, Q1y, Q1z），（Q2x, Q2y, Q2z），（Q3x, Q3y, Q3z）……；
S6、机械臂控制单元（50）从放射治疗计划系统60中获取照射时间与照射角度（t,Xt, Yt, Zt, At, Bt, Ct）以及在CT影像中各个识别标签10的坐标（S1x, S1y, S1z），（S2x, S2y, S2z），（S3x, S3y, S3z）……，并将S1x, S1y, S1z），（S2x, S2y, S2z），（S3x,S3y, S3z）……和（Q1x, Q1y, Q1z），（Q2x, Q2y, Q2z），（Q3x, Q3y, Q3z）……进行配准，得到治疗计划中医学影像坐标系与治疗室三维空间坐标系之间的相互关系，根据治疗计划中医学影像坐标系与治疗室三维空间坐标系之间的相互关系以及在治疗计划系统中的照射参数（Xt, Yt, Zt, At, Bt, Ct），计算在治疗室三维空间坐标系下的机械臂40最终位置参数（X1, Y1, Z1, A1, B1, C1），其中（X1, Y1, Z1）为机械臂40的位移参数，（A1, B1, C1）为机械臂的角度参数，其中，其中，所述坐标（S1x, S1y, S1z），（S2x, S2y, S2z），（S3x,S3y, S3z）……，并将S1x, S1y, S1z），（S2x, S2y, S2z），（S3x, S3y, S3z）……和（Q1x,Q1y, Q1z），（Q2x, Q2y, Q2z），（Q3x, Q3y, Q3z）……采用矩阵变换的方式进行配准。
S7、机械臂控制单元50根据机械臂40最终位置参数驱动机械臂40带动治疗床20到达设定的位置；
S8、治疗床20到达与放射治疗计划系统60中设定的照射位置一致的坐标后，自动摆位系统给出允许照射的信号，等待治疗开始，照射结束后，机械臂控制单元50驱动机械臂40带动治疗床20自动复位至原始位置。
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种放射治疗的患者自动摆位系统，其特征在于，包括：
识别标签（10），粘贴在患者皮肤表面；
治疗床（20），位于治疗室内，供患者倾躺以进行放射治疗；
双目视觉单元（30），安装在治疗室内，获取治疗室内的影像；
机械臂（40），与所述治疗床（20）连接，调节治疗床（20）的位置和角度；
机械臂控制单元（50），与所述机械臂（400）电连接，向所述机械臂（400）发出驱动指令；
放射治疗计划系统（60），接收CT模拟机（70）传输的CT影像数据、接收双目视觉单元（30）获取的治疗室内的影像数据并机械臂控制单元（500）发出调节指令；
CT模拟机（70），对粘贴有识别标签（10）的患者进行CT扫描，获取患者医学影像数据。
2.根据权利要求1所述的一种放射治疗的患者自动摆位系统，其特征在于，所述治疗床（20）与所述机械臂（40）的法兰盘通过卡扣连接。
3.根据权利要求1所述的一种放射治疗的患者自动摆位系统，其特征在于，所述双目视觉单元（30）由两个对称安装在治疗室内的高清摄像头组成。
4.根据权利要求1所述的一种放射治疗的患者自动摆位系统，其特征在于，所述治疗床（20）由碳纤维材料制成。
5.一种放射治疗的患者自动摆位方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、在模拟定位室内通过CT模拟机（70）对患者进行CT扫描，扫描之前在患者皮肤表面粘贴若干识别标签（10）；
S2、将CT模拟机（70）扫描得到的患者医学影像数据导入至放射治疗计划系统（60）中，按照医师给出的目标剂量制定放疗照射方案，包括照射时间与照射角度（t, Xt, Yt, Zt,At, Bt, Ct），其中t为照射时间，（Xt， Yt， Zt）为射束出口中心在医学影像坐标系下的空间坐标；（At, Bt, Ct）为射束中心线在医学影像坐标系下与X轴、Y轴、Z轴的角度参数；
S3、在放射治疗计划系统（60）中确定治疗计划的同时，根据多个识别标签（10）在CT影像中的不同状态对多个识别标签（10）进行S1、S2、S3....
编号，并对编号后的多个识别标签（10）提取其中心坐标：（S1x, S1y, S1z），（S2x,S2y, S2z），（S3x, S3y, S3z）……；
S4、在患者开始治疗前，患者在治疗床（20）上躺好，并用相应的辅助摆位装置将患者固定，机械臂控制单元（50）控制治疗床（20）到达一个指定的初始位置，并记录此时在治疗室空间坐标系下的机械臂位置参数（X0, Y0, Z0, A0, B0, C0），其中（X0, Y0, Z0）为机械臂的位移参数，（A0, B0, C0）为机械臂的角度参数；
S5、双目视觉单元（30）获取治疗室的的图像并进行特征提取，获得粘贴在患者皮肤表面的标签中的各个识别标签（10）的圆心所在位置，并根据双目视觉单元（30）中三维空间坐标计算方法算出在治疗室三维空间坐标系下的各个识别标签（10）的圆心的三维空间坐标（Q1x, Q1y, Q1z），（Q2x, Q2y, Q2z），（Q3x, Q3y, Q3z）……；
S6、机械臂控制单元（50）从放射治疗计划系统（60）中获取照射时间与照射角度（t,Xt, Yt, Zt, At, Bt, Ct）以及在CT影像中各个识别标签（10）的坐标（S1x, S1y, S1z），（S2x, S2y, S2z），（S3x, S3y, S3z）……，并将S1x, S1y, S1z），（S2x, S2y, S2z），（S3x,S3y, S3z）……和（Q1x, Q1y, Q1z），（Q2x, Q2y, Q2z），（Q3x, Q3y, Q3z）……进行配准，得到治疗计划中医学影像坐标系与治疗室三维空间坐标系之间的相互关系，根据治疗计划中医学影像坐标系与治疗室三维空间坐标系之间的相互关系以及在治疗计划系统中的照射参数（Xt, Yt, Zt, At, Bt, Ct），计算在治疗室三维空间坐标系下的机械臂（40）最终位置参数（X1, Y1, Z1, A1, B1, C1），其中（X1, Y1, Z1）为机械臂（40）的位移参数，（A1, B1,C1）为机械臂的角度参数；
S7、机械臂控制单元（50）根据机械臂（40）最终位置参数驱动机械臂（400）带动治疗床（20）到达设定的位置；
S8、治疗床（20）到达与放射治疗计划系统（60）中设定的照射位置一致的坐标后，自动摆位系统给出允许照射的信号，等待治疗开始，照射结束后，机械臂控制单元（50）驱动机械臂（40）带动治疗床（20）自动复位至原始位置。
6.根据权利要求5所述的一种放射治疗的患者自动摆位方法，其特征在于，所述坐标（S1x, S1y, S1z），（S2x, S2y, S2z），（S3x, S3y, S3z）……，并将S1x, S1y, S1z），（S2x,S2y, S2z），（S3x, S3y, S3z）……和（Q1x, Q1y, Q1z），（Q2x, Q2y, Q2z），（Q3x, Q3y,Q3z）……采用矩阵变换的方式进行配准。
7.根据权利要求5所述的一种放射治疗的患者自动摆位方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用热塑膜将将患者固定在治疗床（20）上。
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