CN117797415A - 肿瘤放射治疗的摆位方法及摆位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明关于肿瘤放射治疗的摆位方法及系统，由治疗计划系统获取计划治疗机坐标系，基于CT图像获取计划治疗机坐标系中的患者表面轮廓信息；基于AR装置获取治疗室内图像及摄像机坐标系，计算获得机房治疗机坐标系及在机房治疗机坐标系下的患者体表参考影像；配准两个坐标系，计算治疗室场景中摄像机坐标系下的患者体表参考影像；对比显示机房治疗机坐标系下及摄像机坐标系下的患者体表参考影像，由操作人员以虚拟图像为参照进行摆位。使用增强现实技术实现计划图像在治疗机坐标下的多角度可视化，解决CBCT引导技术下操作人员在机房内反复进出、患者受到额外辐射、观察角度受限等问题，提高摆位的便捷性和精确性。
Description
本发明是申请日为“2023.06.07”、申请号为“202310664564.4”、发明名称为“放射治疗的摆位方法及系统”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明主要关于放射治疗确认技术领域，特别是关于肿瘤放射治疗的摆位方法及摆位系统。
背景技术
在肿瘤放射治疗中，放疗计划是根据定位时患者体位和肿瘤的位置精确设计的。在放射治疗中需要利用X射线对肿瘤部位进行多次照射，在治疗时，由医师根据计划时的肿瘤中心坐标，把患者的肿瘤中心摆放到放疗设备的治疗中心，并对定位体位进行重复的环节称为摆位。精确的摆位是保证疗效的关键环节之一。
目前采用的摆位方式为：在定位时，根据三条正交的激光线在患者体表划线标记；摆位时治疗机房内也安装有三条正交激光线，通过将患者置于激光线和体表标记线重合的位置复现计划体位。摆放好之后，再通过治疗机房的影像装置，如正交数字影像、锥形束CT等采集治疗影像，将治疗过程中采集到的影像和计划影像进行配准，从而保证靶区定位的精确。通常在自动配准之后还需操作人员手动对计划影像和治疗影像进行进一步的调整和确认。如配准结果提示存在较大的摆位误差，则需要操作人员再次进入机房重复摆位过程，直至摆位误差满足治疗要求。
光学表面追踪是一种辅助摆位的技术，由摄像头获取患者体表散射光经计算机重建形成表面轮廓影像。由于使用激光或可见光，可以在无辐射、实时操作的情况下，对比定位和摆位时的体表轮廓。但现有的光学表面追踪技术摄像头设置在固定的位置，只能探测特定的部分体表区域(一般为胸部)，无法根据操作人员的视角进行变化。另外不具有显示设备，只能由报警装置提示摆位误差较大，不能向操作人员反馈具体的问题(如：手臂弯曲程度差异大等)。
因此，现有技术的放射治疗的摆位方法存在下述多种缺陷：
1、现有技术下，操作人员首先根据体表标记及激光线标示位置在治疗机房内操作，然后在操作间内采集影像并和计划影像配准。当患者体位有较大误差，不能通过治疗床的小范围移动校正时，操作人员需再次进入机房进行摆位，重复上述操作直至误差满足治疗要求。过程较为繁琐，耗时较长；
2、目前对体位变化的监测手段主要是进行锥形束CT(CBCT)扫描，是X射线扫描成像方式，因此在反复调整位置的过程中会给患者造成额外的辐射，增加患者发生二次肿瘤的风险；
3、由于目前的配准中只能观察横断面、矢状面和冠状位的三组影像，操作人员难以对微小的旋转和移动做出全面评估和调整。尤其当患者疗程较长时，可能出现体重变化，关节曲度变化等情况时，仅凭三个方向的二维影像很难准确摆位。
因此，有必要开展放射治疗的摆位方法方面的研究，在控制摆位误差、摆位耗时的同时降低医患承受的辐射剂量，且能给操作人员以实时的反馈。
前述背景技术知识的记载旨在帮助本领域普通技术人员理解与本发明较为接近的现有技术，同时便于对本申请发明构思及技术方案的理解，应当明确的是，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请技术方案的新创性。
发明内容
为解决上述背景技术中提及的至少一种技术问题，本发明的目的旨在采用增强现实技术辅助肿瘤放射治疗的摆位过程，使用增强现实技术实现计划图像在治疗机坐标下的多角度可视化，解决CBCT引导技术下操作人员在机房内反复进出、患者受到额外辐射、观察角度受限等问题，提高摆位的便捷性和精确性。
肿瘤放射治疗的摆位方法，包括：
S100、由治疗计划系统获取计划治疗机坐标系，基于患者定位扫描CT图像获取在计划治疗机坐标系中的患者表面轮廓信息；
S200、基于AR装置获取治疗室内图像及摄像机坐标系，计算获得机房治疗机坐标系及在摄像机坐标系下的患者体表参考影像；
S300、对所述机房治疗机坐标系与所述计划治疗机坐标系进行配准并使之重合，计算获得治疗室场景中摄像机坐标系下的患者体表参考影像；
S400、对比显示步骤S200及S300中获得的患者体表参考影像，由操作人员以虚拟图像为参照进行摆位。
肿瘤放射治疗的摆位系统，包括通信连接的3D视觉模块和控制端，其中
所述3D视觉模块配置为扫描治疗室场景，用以采集治疗室场景三维数据；
所述控制端配置为根据所述治疗室场景采集数据获取治疗室场景三维数据并实现上述放射治疗的摆位方法。
进一步的，所述3D视觉模块包括AR装置。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有可被处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上文所述的肿瘤放射治疗的摆位方法的至少一个步骤。
一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上文所述的肿瘤放射治疗的摆位方法的至少一个步骤。
本申请的有益效果为：
操作人员通过本发明可以在治疗机房内看到患者的虚拟定位体位，与传统的激光线对比摆位或现有的光学体表追踪方式相比，参照物更直观，摆位更加便捷，参考范围更广，可以多角度地对患者体位进行各个方向的微调，同时显著提高了放射治疗的效率和精准度；虚拟影像的摆位引导方式无辐射，避免了操作人员反复进出机房的繁琐流程，也减少了医患受到的辐射剂量。
附图说明
为让本发明的上述和/或其他目的、特征、优点与实例能更明显易懂，下面将对本发明的具体实施方式中所需要使用的附图进行简单的介绍，显然地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是肿瘤放射治疗的摆位方法流程框图；
图2是肿瘤放射治疗的摆位方法技术路线图。
具体实施方式
本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当替换和/或改动工艺参数实现，然而特别需要指出的是，所有类似的替换和/或改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明所述产品和制备方法已经通过较佳实例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的产品和制备方法进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语，具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。本发明使用本文中所描述的方法和材料；但本领域中已知的其他合适的方法和材料也可以被使用。本文中所描述的材料、方法和实例仅是说明性的，并不是用来作为限制。所有出版物、专利申请案、专利案、临时申请案、数据库条目及本文中提及的其它参考文献等，其整体被并入本文中作为参考。若有冲突，以本说明书包括定义为准。
除非具体说明，本文所描述的材料、方法和实例仅是示例性的，而非限制性的。尽管与本文所述的那些方法和材料类似或等同的方法和材料可用于本发明的实施或测试，但本文仍描述了合适的方法和材料。
为了便于理解本发明的实施例，首先对本发明实施例中可能涉及的缩略语和关键术语进行解释说明或定义。
以下详细描述本发明。
肿瘤放射治疗的摆位方法，包括：
S100、由治疗计划系统获取计划治疗机坐标系，基于患者定位扫描CT图像获取在计划治疗机坐标系中的患者表面轮廓信息；
S200、基于AR装置获取治疗室内图像及摄像机坐标系，计算获得机房治疗机坐标系及在摄像机坐标系下的患者体表参考影像；
S300、对所述机房治疗机坐标系与所述计划治疗机坐标系进行配准并使之重合，计算获得治疗室场景中摄像机坐标系下的患者体表参考影像；
S400、对比显示步骤S200及S300中获得的患者体表参考影像，由操作人员以虚拟图像为参照进行摆位。
作为对本申请技术方案的优选，步骤S100中，所述由治疗计划系统获取计划治疗机坐标系具体执行以下步骤：将定位CT解析为矩阵形式，以治疗计划中心点为坐标点(0,0,0)，以CT所用DICOM格式中的方向属性确定计划治疗机坐标系，记为XYZ1。
作为对本申请技术方案的优选，步骤S100中，所述基于患者定位扫描CT图像获取在计划治疗机坐标系中的患者表面轮廓信息具体执行以下步骤：在计划治疗机坐标系XYZ1下，勾画患者定位扫描CT图像中的患者表面轮廓信息，记为C1。
作为对本申请技术方案的优选，所述勾画的方法采用人工勾画、阈值自动分割、深度学习分割方法的其中一种。
作为对本申请技术方案的优选，步骤S200中，所述AR装置包括摄像机和显示装置，且所述摄像机和所述显示装置的相对位置保持固定不变。
作为对本申请技术方案的优选，所述显示装置是可移动的，包括手持式平板或AR眼镜等。
作为对本申请技术方案的优选，所述治疗室内设置有激光灯装置，其被配置为标识在治疗内的放疗设备的机械中心点及坐标系。
作为对本申请技术方案的优选，所述激光灯装置包括3-4只激光灯。
作为对本申请技术方案的优选，步骤S200中，所述基于AR装置获取治疗室内图像及摄像机坐标系，计算获得机房治疗机坐标系及在摄像机坐标系下的患者体表参考影像具体执行以下步骤：
由摄像机在当前所在位置进行拍摄，拍摄之后识别激光灯线条；
识别之后，将激光灯线条交点定义为世界坐标系中坐标原点(0,0,0)，根据激光灯线条的交角，计算当前摄像机坐标系XY3与机房治疗机坐标系XYZ2间的变换关系矩阵M1，使得XYZ2×M1＝XY3；进一步根据激光灯指示获取摄像机坐标系XY3下的患者体表参考影像S2。
作为对本申请技术方案的优选，步骤S300中，对机房治疗机坐标系XYZ2与计划治疗机坐标系XYZ1进行配准，得到变换关系矩阵M2，所述矩阵M2使得XYZ1×M2＝XYZ2。
作为对本申请技术方案的优选，步骤S300中，所述计算获得治疗室场景中摄像机坐标系下的患者体表参考影像执行以下步骤：
将所述计划治疗机坐标系XYZ1下的患者表面轮廓信息C1根据所述变换关系矩阵M2进行变换，得到在机房治疗机坐标系XYZ2下的计划表面轮廓矩阵C1'，C1'＝C1×M2；
将所述计划表面轮廓矩阵C1'由机房治疗机坐标系XYZ2中的三维数据转换为摄像机坐标系XY3中的患者体表参考影像S1，S1＝C1'×M1。
作为对本申请技术方案的优选，步骤S400具体包括：将S1和S2同时在所述显示装置中显示出来，操作人员根据所述显示装置所显示的场景，对患者姿态和位置进行精细调整，完成摆位。
本发明提供一种肿瘤放射治疗的摆位方法，整体构思是将增强现实技术应用于放疗摆位，采用移动式AR装置，在任意角度获取摆位体表数据，并将其和该角度下的计划体表数据同时显示出来，操作人员通过本发明方案可以在治疗机房内看到患者的虚拟定位体位，与传统的激光线对比摆位或现有的光学体表追踪方式相比，参照物更直观，摆位更加便捷，参考范围更广，可以多角度地对患者体位进行各个方向的微调；此外，虚拟影像的摆位引导方式无辐射，避免了操作人员反复进出机房的繁琐流程，也减少了医患受到的辐射剂量，本发明技术方案使得放疗摆位更加直观、便捷，提高了放射治疗的效率和精度。
肿瘤放射治疗的摆位系统，包括通信连接的3D视觉模块和控制端，其中
所述3D视觉模块配置为扫描治疗室场景，用以采集治疗室场景三维数据；
所述控制端配置为根据所述治疗室场景采集数据获取治疗室场景三维数据并实现上述放射治疗的摆位方法。
作为对本申请技术方案的优选，所述3D视觉模块包括AR装置。
作为对本申请技术方案的优选，所述AR装置包括用于扫描治疗室场景的光学相机，以采集不同角度下的激光线，以获取机房治疗机坐标系。
实施例1：
一种基于增强现实的肿瘤放射治疗的摆位方法，其流程框图如图1所示，技术路线如图2所示，具体包括下述步骤。
步骤1、在放疗计划系统中由患者的定位CT来提取计划治疗机坐标系XYZ1以及在该坐标系下的患者表面轮廓信息C1；
步骤1-1、将定位CT解析为矩阵形式，以治疗计划中心点为坐标点(0,0,0)，以CT所用DICOM格式中的方向属性确定计划治疗机坐标系XYZ1；
步骤1-2、勾画CT中患者表面轮廓，勾画方法可采用多种方式，本例采用人工勾画获得计划治疗机坐标系XYZ1下的患者表面轮廓信息C1。
步骤2、在治疗机房内设置一套AR装置，含有摄像机和显示装置；其中所述显示装置是可移动的，包括手持式平板或AR眼镜，摄像机和显示装置的相对位置保持固定不变。
步骤3、在治疗机房内设置一套激光灯装置，由4个激光灯组成，激光灯组用来标识在治疗机房内，放疗设备的机械中心点及坐标系。该装置在放疗中一般是标准配置，非本发明独创。
步骤4、在治疗机房由AR装置中的摄像机，根据激光灯指示获取机房治疗机坐标系XYZ2及摄像机坐标系XY3下患者体表参考影像S2；
步骤4-1、由摄像机在当前所在位置进行拍摄，拍摄之后采用阈值分割法识别激光灯线条；
步骤4-2、识别之后，将激光灯线条交点定义为世界坐标系中原点(0,0,0)；根据激光灯线条的交角，计算当前摄像机坐标系XY3与机房治疗机坐标系XYZ2间的变换关系矩阵M1，使得XYZ2×M1＝XY3。
步骤5、将步骤4中所述机房治疗机坐标系XYZ2和步骤1中所述计划治疗机坐标系XYZ1配准，得到变换关系矩阵M2，该矩阵使得XYZ1×M2＝XYZ2。
步骤6、将步骤1中所述计划治疗机坐标系XYZ1下的患者表面轮廓信息C1根据步骤5中所述变换关系矩阵M2进行变换，得到在机房治疗机坐标系XYZ2下的计划表面轮廓矩阵C1'，C1'＝C1×M2；
步骤7、将步骤6中所述计划表面轮廓矩阵C1'由计划治疗机坐标系XYZ1中的三维数据转换为摄像机坐标系XY3中的患者体表参考影像S1，S1＝C1'×M1。
步骤8、将S1和S2同时在步骤2中所述AR装置的显示装置中显示出来。
步骤9、操作人员根据步骤8中所显示的场景，对患者姿态和位置进行精细调整，完成摆位。
本发明方案首先通过放疗计划系统获取患者CT，并提取计划治疗机坐标系及在该坐标系下的患者表面轮廓，然后经由设置在治疗机房中的AR装置获取机房治疗机坐标系及在该坐标系下的患者体表参考影像，再将机房治疗机坐标系与计划治疗机坐标系进行配准获得变换关系矩阵，应用该变换关系矩阵对计划治疗机坐标系下的患者轮廓信息进行逆变换得到计划表面轮廓矩阵，再依据摄像机坐标系与机房治疗机坐标系间的变换关系矩阵得到摄像机坐标系中的患者体表参考影像，最后将机房治疗机坐标系下的患者体表参考影像和摄像机坐标系中的患者体表参考影像同时在AR装置的显示装置中显示出来，操作人员依据显示的场景即可完成摆位。本发明方案中，操作人员可在治疗机房内看到患者的虚拟定位体位，因此与传统摆位方式相比具有参照物更直观、摆位更加便捷、参考范围更广等优点，可以多角度地对患者体位进行各个方向的微调，显著提高了摆位的便捷性和精确性，同时还可减少医患受到的辐射剂量，具有较大的推广价值。
实施例2：
在前述实施例的基础上，提供一种基于增强现实的肿瘤放射治疗的摆位系统，包括通信连接的3D视觉模块和控制端，其中所述3D视觉模块包括多个用于扫描治疗室场景的光学相机，以采集不同角度下的激光线，以获取机房治疗机坐标系；所述控制端配置为根据所述治疗室场景采集数据获取治疗室场景三维数据并实现上述基于增强现实的放射治疗摆位方法。
实施例3：
在前述实施例的基础上，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有可被处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的基于增强现实的肿瘤放射治疗的摆位方法的至少一个步骤，，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
实施例4：
在前述实施例的基础上，提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述实施例所述的基于增强现实的放射治疗的肿瘤摆位方法的至少一个步骤，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PR AM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，故在此不再详细赘述。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。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修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
虽然上述具体实施方式已经显示、描述并指出应用于各种实施方案的新颖特征，但应理解，在不脱离本公开内容的精神的前提下，可对所说明的装置或方法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。另外，上述各种特征和方法可彼此独立地使用，或可以各种方式组合。所有可能的组合和子组合均旨在落在本公开内容的范围内。上述许多实施方案包括类似的组分，并且因此，这些类似的组分在不同的实施方案中可互换。虽然已经在某些实施方案和实施例的上下文中公开了本发明，但本领域技术人员应理解，本发明可超出具体公开的实施方案延伸至其它的替代实施方案和/或应用以及其明显的修改和等同物。因此，本发明不旨在受本文优选实施方案的具体公开内容限制。
本发明未尽事宜均为公知技术。
Claims (10)
1.肿瘤放射治疗的摆位方法，其特征在于包括：
S100、由治疗计划系统获取计划治疗机坐标系，基于患者定位扫描CT图像获取在计划治疗机坐标系中的患者表面轮廓信息；
S200、基于AR装置获取治疗室内图像及摄像机坐标系，计算获得机房治疗机坐标系及在摄像机坐标系下的患者体表参考影像；
S300、对所述机房治疗机坐标系与所述计划治疗机坐标系进行配准并使之重合，计算获得治疗室场景中摄像机坐标系下的患者体表参考影像；
S400、对比显示步骤S200及S300中获得的患者体表参考影像，由操作人员以虚拟图像为参照进行摆位；
步骤S100中，所述基于患者定位扫描CT图像获取在计划治疗机坐标系中的患者表面轮廓信息具体执行以下步骤：在计划治疗机坐标系XYZ1下，勾画患者定位扫描CT图像中的患者表面轮廓信息，记为C1；所述勾画的方法采用人工勾画、阈值自动分割、深度学习分割方法的其中一种。
2.根据权利要求1所述的肿瘤放射治疗的摆位方法，其特征在于：
步骤S100中，所述由治疗计划系统获取计划治疗机坐标系具体执行以下步骤：将定位CT解析为矩阵形式，以治疗计划中心点为坐标点(0,0,0)，以CT所用DICOM格式中的方向属性确定计划治疗机坐标系，记为XYZ1。
3.根据权利要求1所述的肿瘤放射治疗的摆位方法，其特征在于：
步骤S200中，所述AR装置包括摄像机和显示装置，且所述摄像机和所述显示装置的相对位置保持固定不变。
4.根据权利要求3所述的肿瘤放射治疗的摆位方法，其特征在于：
所述显示装置是可移动的，包括手持式平板或AR眼镜等。
5.根据权利要求1-4任一项所述的肿瘤放射治疗的摆位方法，其特征在于：
所述治疗室内设置有激光灯装置，其被配置为标识在治疗内的放疗设备的机械中心点及坐标系。
6.根据权利要求5所述的肿瘤放射治疗的摆位方法，其特征在于：
所述激光灯装置包括3-4只激光灯。
7.根据权利要求1-4任一项所述的肿瘤放射治疗的摆位方法，其特征在于：
步骤S400具体包括：将S1和S2同时在所述显示装置中显示出来，操作人员根据所述显示装置所显示的场景，对患者姿态和位置进行精细调整，完成摆位。
8.肿瘤放射治疗的摆位系统，其特征在于：
包括通信连接的3D视觉模块和控制端，其中
所述3D视觉模块配置为扫描治疗室场景，用以采集治疗室场景三维数据；
所述控制端配置为根据所述治疗室场景采集数据获取治疗室场景三维数据并实现权利要求1-7任一项所述肿瘤放射治疗的摆位方法。
9.根据权利要求8所述的肿瘤放射治疗的摆位系统，其特征在于：
所述3D视觉模块包括AR装置。
10.根据权利要求9所述的肿瘤放射治疗的摆位系统，其特征在于：
所述AR装置包括用于扫描治疗室场景的光学相机，以采集不同角度下的激光线，以获取机房治疗机坐标系。
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