胸部腫瘤放療擺位系統(tǒng)的研究范文

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《臨床醫(yī)學(xué)工程雜志》2014年第八期

1材料與方法

1．1攝像機(jī)定標(biāo)模塊如下圖2所示，為攝像機(jī)定標(biāo)模塊的主界面，攝像機(jī)定標(biāo)的目的是為了提取出實(shí)物攝像機(jī)三維世界坐標(biāo)系到二維圖像平面坐標(biāo)系之間的變換矩陣，其變換關(guān)系可用如下公式1來表示，其中令M＝［X''''，Y''''］T為圖像平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)，N＝［X，Y，Z］T為世界坐標(biāo)系坐標(biāo)。

1．2放療擺位的圖像配準(zhǔn)模塊如下圖3所示，為每分次放療擺位誤差計(jì)算的圖像配準(zhǔn)模塊主界面，左邊是第一次治療擺位時(shí)的基準(zhǔn)圖像，右邊是從第二次放療擺位時(shí)所拍攝的病人體位圖像，我們將其定義為待匹配圖像，每分次放療擺位完畢后，便將所拍攝的病人體位圖像跟基準(zhǔn)圖像相配準(zhǔn)比較。在此我們采用基于SIFT圖像特征匹配［7－8］的算法，從而識(shí)別到這兩幅圖像中小金粒的準(zhǔn)確位置，并通過兩幅圖像中同一小金粒的位置，將這兩幅圖像中病人的體位變化情況相關(guān)聯(lián)起來。

1．3小金粒位置誤差計(jì)算模塊如下圖4所示，為計(jì)算小金粒位置誤差的主界面，經(jīng)過模塊2的圖像配準(zhǔn)后，提取出三個(gè)小金粒在兩幅圖像中的二維平面坐標(biāo)。

2結(jié)果

選取一例胸部腫瘤病人，用真空袋體模固定，并將三顆小金粒放置在其胸部的骨性標(biāo)志上［9］（此時(shí)，金粒與病人的身體可以看作是一個(gè)剛性移動(dòng)的整體，則金粒位置變化可以反映病人身體體位的變化），從第一次放療擺位開始一直到第八次，每次擺位完畢后，通過控制固定位置的高清攝像機(jī)，實(shí)時(shí)拍攝病人的擺位圖像，經(jīng)過實(shí)時(shí)監(jiān)控后我們發(fā)現(xiàn)，小金粒因病人呼吸運(yùn)動(dòng)引起位置變化誤差度為0．1mm數(shù)量級(jí)，則可忽略不計(jì)。將第一次的擺位圖像作為基準(zhǔn)圖像，通過擺位驗(yàn)證系統(tǒng)，最終計(jì)算出這連續(xù)八次放療重復(fù)性擺位的三個(gè)小金粒位置誤差，計(jì)算結(jié)果如表1所示；然后再根據(jù)誤差的指示，對(duì)病人的身體姿勢(shì)進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，而后再進(jìn)行拍片和擺位驗(yàn)證系統(tǒng)的計(jì)算，最后得出校準(zhǔn)后的位置誤差結(jié)果如表2。根據(jù)表1和表2的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過擺位驗(yàn)證系統(tǒng)的檢驗(yàn)和校準(zhǔn)后，金粒1的dX1位置誤差減少了4．5~7．3mm，dY1的位置誤差減少5．6~8．1mm；金粒2的dX2位置誤差減少5．6~7．8mm，dY2位置誤差減少5．7~7．8mm；金粒3的dX3位置誤差減少5．3~8．4mm，dY3位置誤差減少6．0~7．0mm。

3討論

目前，放療擺位誤差修正主要采用如下幾種方法：通過三點(diǎn)激光定位燈目測(cè)擺位的方法，對(duì)放療病人進(jìn)行位置誤差的校準(zhǔn)；使用加速器自帶的EPID設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)拍片驗(yàn)證；利用跟放療加速器同機(jī)融合的錐形束CT進(jìn)行三維立體的圖像引導(dǎo)擺位誤差修正；以及本研究提到的通過高清攝像的方式，實(shí)時(shí)跟蹤病人體表標(biāo)記物的三維坐標(biāo)位置，以驗(yàn)證病人在放療擺位過程中誤差的大小和方向，從而保證了準(zhǔn)確的擺位誤差校準(zhǔn)。本研究介紹的這種方法也是屬于圖像引導(dǎo)放射治療的范疇，但有別于過去采用EPID和錐形束CT設(shè)備的X射線成像方式進(jìn)行圖像引導(dǎo)，通過利用高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集擺位圖像并進(jìn)行誤差的計(jì)算和修正，從而避免了放療病人在每次做放療擺位修正的時(shí)候都要吸收額外的X射線劑量，減輕了發(fā)生正常組織并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)本方法不需要用到昂貴的設(shè)備，只需配置一套高分辨率攝像系統(tǒng)以及一臺(tái)用于安裝擺位校準(zhǔn)軟件以實(shí)現(xiàn)誤差計(jì)算的通用計(jì)算機(jī)，操作簡(jiǎn)單方便，在放射治療的實(shí)施過程中，并不需要占用過多的時(shí)間。本方法利用高分辨率圖像配準(zhǔn)的SIFT算法，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出病人體表具有算法特征性的標(biāo)記物，從而可以使擺位誤差校準(zhǔn)精確度達(dá)到mm數(shù)量級(jí)。但使用本方法進(jìn)行實(shí)時(shí)放療擺位誤差的校準(zhǔn)，其精確度會(huì)受到如下幾方面因素的制約：①高清攝像機(jī)定標(biāo)的精確度；②采集擺位圖像的信噪比和分辨率；③SIFT特征圖像配準(zhǔn)算法對(duì)識(shí)別小金粒位置的準(zhǔn)確性，以及小金粒本身在采集圖像上的SIFT算法特征性是否明確。高清攝像機(jī)的定標(biāo)是實(shí)現(xiàn)本方法的第一個(gè)環(huán)節(jié)，攝像機(jī)定標(biāo)方法有多種，但無論采用何種方法，由于受到攝像機(jī)本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外界環(huán)境因素的干擾，其定標(biāo)結(jié)果都會(huì)存在一定的誤差；采集圖像的分辨率也會(huì)直接影響到SIFT算法提取特征標(biāo)記物位置的準(zhǔn)確度，而且如果圖像受到噪聲干擾較大的情況下，會(huì)發(fā)生小金粒位置坐標(biāo)的誤識(shí)別。最后，SIFT特征圖像配準(zhǔn)算法的精確度也取決于小金粒本身在采集圖像上的SIFT算法特征性是否明確，同時(shí)，小金粒應(yīng)放置在病人骨性標(biāo)記上，否則其位置容易受到病人呼吸運(yùn)動(dòng)以及體型變化的影響，從而導(dǎo)致擺位誤差的計(jì)算和校正準(zhǔn)確度大大降低。

作者：伍銳牛道立楊波許文偉楊滿珊?jiǎn)挝唬簭V州醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放療科