專利名稱：圖像和呼吸引導(dǎo)的輔助放療床墊系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于醫(yī)療器械輔助治療設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種圖像和呼吸引導(dǎo)的輔 助放療床墊系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在放射治療(放療)的過程中，患者的呼吸運動會引起肺部腫瘤位置的變化。為 了減少呼吸運動對放療帶來的不利影響，傳統(tǒng)的方法是擴大放療靶區(qū)，以充分覆蓋運動的 腫瘤，但這會對正常組織造成一定的傷害。隨后出現(xiàn)了呼吸屏氣(breath-hold)和呼吸門 控(respiratory gating)技術(shù)，即在病人屏氣或呼氣吸氣末的時候，對腫瘤區(qū)域進行放療， 以使用盡可能小的腫瘤靴區(qū)。如名稱為“Method and system for physiological gating of radiation therapy”(US6690965Bl)的美國專利文獻，通過光學(xué)或視頻圖像系統(tǒng)檢測患 者有規(guī)則的生理運動，當(dāng)運動超過某一閾值時，就啟動門控信號，暫停放射源的照射。但這 種方法對病人的呼吸狀態(tài)有嚴(yán)格的要求，需要病人的配合，并且病人躺在治療床上的時間 有很大一部分都不是在接受照射治療，使得治療設(shè)備不能充分發(fā)揮使用效率。也有專利文獻針對這一問題提出了研究呼吸狀態(tài)和腫瘤位置之間的關(guān)系的方法， 如名稱為“基于預(yù)測的圖像引導(dǎo)跟蹤方法”(公開號為CN1014^154A)和名稱為“動態(tài)腫瘤 實時跟蹤方法”(公開號為CN101423198A)的專利文獻，通過對輸入的腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像和 呼吸狀態(tài)特征集進行量化和分析，建立呼吸運動和腫瘤運動的相關(guān)性，并實時獲取動態(tài)腫 瘤的圖像和呼吸狀態(tài)特征，通過預(yù)測延時后的呼吸狀態(tài)特征，確定對應(yīng)的腫瘤形態(tài)變化區(qū) 間圖像序列，將其與實時獲取的動態(tài)腫瘤圖像進行匹配并從中選取最佳的腫瘤形態(tài)圖，以 實現(xiàn)對腫瘤的運動跟蹤。這兩個專利文獻通過多幅圖像的配準(zhǔn)來跟蹤腫瘤位置，計算比較 耗時，不能滿足實時跟蹤腫瘤運動的要求，另外，該專利文獻對如何將跟蹤腫瘤運動的結(jié)果 用于放療過程沒有給出有效的方法。目前也有多種預(yù)測方法可用于對呼吸狀態(tài)和腫瘤運動進行預(yù)測，如"Adaptive switching circuits “ (B. Widrow and Μ. Ε. Hoff, IRE Wescon Convention Record Part 4，pp. 96-104，1960.)中介紹 了一種卡爾曼(Kalman)濾波器；“A tutorial on particle filters for online nonlinear/non-Gaussian Bayesian tracking, " (M. S. Arulampalam, S. Maskel1, N. Gordon, and T. Clapp, IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 50, pp. 174-188，F(xiàn)eb 2002.)提出 了最小均方(least mean square, LMS)自適應(yīng)濾波器；Neural networks for pattern recognition (C. M. Bishop,New York Oxford University Press, Inc. , 1995.)介紹了 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network)方法。這些預(yù)測方法可以在預(yù)測的過程中對預(yù)測模型的參數(shù)進行自動調(diào)整。對 于圖像中的目標(biāo)檢測，模板匹配是一種比較常用的方法(參見R.0. Duda and P. Ε. Hart, Pattern classification and scene analysis. New York :Wiley, 1973.)。對于關(guān)系建 模，最小二乘法是一種常用的數(shù)據(jù)擬合方法(參見O.Bretscher，Linear algebra with applications,3rd ed. New York :Prentice Hall,1995·)。[0005]對于呼吸的檢測，目前主要有壓力傳感器法、電感體積描計法、熱敏電阻法、通過 心電信息獲取、阻抗呼吸描記和紅外攝像頭檢測等方法。如公開號為C擬885122Y的專利文 獻公開了一種《光電式腹式呼吸傳感器》，公開號為CN101212930的專利文獻也公開了一種 《呼吸檢測裝置》，均可以用于檢測得到人體的呼吸狀態(tài)。圖像引導(dǎo)放療(image-guided radiotherapy, IGRT)技術(shù)在放療過程中對腫瘤的 運動狀態(tài)進行實時跟蹤，根據(jù)腫瘤的運動動態(tài)調(diào)整放射源的位置或患者的位置，使放射源 的焦點與腫瘤的中心對齊。如名稱為“Dynamic tracking of moving targets”(公開號為 US20060074292)的美國專利介紹了一種動態(tài)腫瘤跟蹤放療的方法，在治療前利用采集的三 維計算機斷層掃描(three-dimensional computed tomography, 3D-CT)圖像序列或其它三 維圖像建立四維數(shù)學(xué)模型，以確定腫瘤目標(biāo)與解剖區(qū)域三維位置之間的關(guān)系，治療中將實 時采集的腫瘤圖像與數(shù)字重建放療圖像進行配準(zhǔn)，從而完成腫瘤目標(biāo)的跟蹤與實時定位。 該技術(shù)方案也需要通過圖像配準(zhǔn)來獲取腫瘤的位置，無法滿足實時跟蹤的要求。Accuray 公司生產(chǎn)的CyberKnif e機器人放療系統(tǒng)，將X射線線性加速器(1 inear acce 1 erator， LINAC)安裝在一個工業(yè)機器人臂上，采用兩個X線攝像機實時監(jiān)測腫瘤位置變化，并自動 將位置信息發(fā)送給機器人臂，機器人臂可按六個自由度重定位X光射線，使其對準(zhǔn)腫瘤。目 前CyberKnife機器人放療系統(tǒng)已應(yīng)用于臨床。現(xiàn)有的IGRT設(shè)備可以在一定程度上減少呼 吸運動對放療的影響，但這些IGRT設(shè)備價格昂貴，是傳統(tǒng)放療設(shè)備價格的2至3倍，目前僅 有少數(shù)醫(yī)院配備了 IGRT設(shè)備，在近幾年內(nèi)，大部分醫(yī)院仍將繼續(xù)使用傳統(tǒng)設(shè)備和傳統(tǒng)方法 對患者進行放療，即使有的醫(yī)院配備了 IGRT設(shè)備，也會同時使用傳統(tǒng)的放療設(shè)備。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提出一種圖像和呼吸引導(dǎo)的輔助放療床墊系統(tǒng)，該系統(tǒng)用 于放在現(xiàn)有放療設(shè)備的治療床上，可以對系統(tǒng)中床板的位置進行實時調(diào)整，使得放射源的 焦點始終位于所需的位置。。本實用新型提供的一種圖像和呼吸引導(dǎo)的輔助放療床墊系統(tǒng)，其特征在于，該系 統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理器、呼吸檢測器、輔助運動床墊和輔助運動床墊控制器；呼吸檢測器通過有線或者無線方式與數(shù)據(jù)處理器訊連接；輔助運動床墊用于放置 在現(xiàn)有放療設(shè)備的治療床上；輔助運動床墊控制器分別與數(shù)據(jù)處理器及輔助運動床墊連 接；數(shù)據(jù)處理器用于對呼吸檢測器提供的呼吸狀態(tài)進行處理，計算輔助運動床墊所需 的運動量，并提供給輔助運動床墊控制器；輔助運動床墊控制器控制輔助運動床墊運動。本實用新型系統(tǒng)配合現(xiàn)有放療設(shè)備一起使用，無需對現(xiàn)有放療設(shè)備進行改造，便 可使其具有圖像引導(dǎo)的放療功能，從而實現(xiàn)只需較低成本便可增強現(xiàn)有放療設(shè)備的功能的 目的。該系統(tǒng)可以實時、較準(zhǔn)確地預(yù)測出腫瘤的位移，并根據(jù)預(yù)測的腫瘤位移對輔助運動床 墊的床板位置進行調(diào)整，使得放射源的焦點始終位于所需的位置。這樣就可以在使用過程 中，使得腫瘤的中心始終處于放射源焦點位置或附近，從而減少患者的正常組織所受到的 射束毒性。同時，該系統(tǒng)根據(jù)同步采集的呼吸狀態(tài)和腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像建立患者的呼吸狀 態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān)系，對患者的呼吸沒有特殊的要求，因此具有較好的通用性。
圖1是本實用新型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實用新型一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型實例的安裝示意圖；圖4是本實用新型實例的輔助運動床墊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實用新型實例的呼吸檢測器外觀圖；圖6是本實用新型實例的呼吸狀態(tài)與腫瘤位移關(guān)系擬合曲線示意圖；圖7是本實用新型實例的實際呼吸狀態(tài)與預(yù)測呼吸狀態(tài)示意圖；圖8是本實用新型實例的預(yù)測腫瘤位移示意圖；附圖標(biāo)記說明1-數(shù)據(jù)處理器；2-呼吸檢測器；3-輔助運動床墊；4-輔助運動床 墊控制器；5-圖像處理模塊、6-呼吸狀態(tài)與腫瘤位移關(guān)系分析模塊；7-腫瘤位移預(yù)測模塊； 8-運動控制模塊；21-呼吸檢測盒；22-檢測束帶；301-底板；302-第一線性導(dǎo)軌；303-滑 塊；304-電機安裝板；305-第一滾珠絲杠支撐座；306-第二滾珠絲杠支撐座；307-滾珠絲 杠；308-第二線性導(dǎo)軌；309-移動平臺；310-伺服電機；311-聯(lián)軸器；312-床板。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實例對本實用新型作進一步詳細(xì)的說明。如圖1所示，本實用新型設(shè)計的圖像和呼吸引導(dǎo)的輔助放療床墊系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù) 處理器1、呼吸檢測器2、輔助運動床墊3和輔助運動床墊控制器4 ；數(shù)據(jù)處理器1可以是計算機或嵌入式設(shè)備或其它能進行計算處理的裝置，它用于 在放療前建立呼吸狀態(tài)和腫瘤位移之間的關(guān)系模型，在放療過程中根據(jù)接收的呼吸狀態(tài)對 下一時刻的呼吸狀態(tài)進行預(yù)測，根據(jù)下一時刻的預(yù)測呼吸狀態(tài)及呼吸狀態(tài)和腫瘤位移之間 的關(guān)系模型計算下一時刻的預(yù)測腫瘤位移，并根據(jù)已有的預(yù)測腫瘤位移數(shù)據(jù)計算輔助運動 床墊3的床板需要運動的運動量，向輔助運動床墊控制器4發(fā)出運動控制指令，從而實現(xiàn)通 過呼吸間接改變輔助運動床墊的床板的位置，這樣就可以使患者的腫瘤中心與放射源焦點 基本對齊。呼吸檢測器2是任何可以用于檢測患者呼吸狀態(tài)的裝置，該裝置用于檢測患者的 呼吸狀態(tài)，如胸廓變化、腹部起伏變化、肺活量、橫隔模的運動、肺部組織的運動等，并在建 立呼吸狀態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān)系模型時和預(yù)測腫瘤位置時，分別將呼吸狀態(tài)通過有線或 者無線的方式發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器1。輔助運動床墊3用于放在現(xiàn)有放療設(shè)備的治療床上，患者躺在上面接受放療，其 床板在輔助運動床墊控制器4的控制下在1個或2個或3個方向上移動，以改變患者的位置。輔助運動床墊控制器4用于接收數(shù)據(jù)處理器1發(fā)出的運動控制指令，控制輔助運 動床墊3的床板運動?，F(xiàn)舉例說明數(shù)據(jù)處理器1內(nèi)軟件模塊的具體設(shè)計方式，它包括有圖像處理模塊5、 呼吸狀態(tài)與腫瘤位移關(guān)系分析模塊6、腫瘤位移預(yù)測模塊7和運動控制模塊8，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像是指計算機斷層掃描(CT)圖像或核磁共振(MR)圖像或正電子發(fā)射斷層掃描(PET)圖像或X光圖像或超聲波(US)圖像或其它能反映腫瘤的解剖結(jié)構(gòu)的 圖像。實施時，通過醫(yī)學(xué)成像設(shè)備獲取并按時間順序排列后提供給數(shù)據(jù)處理器1。圖像處理模塊5用于對數(shù)據(jù)處理器1接收的按時間順序排列好的腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖 像序列I1, I2, Λ，Ik進行處理，從腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像序列I1, I2, Λ，Ik中確定腫瘤的位置， 生成腫瘤位移序列D1, D2, A，Dk,并將腫瘤位移序列D1, D2, A，Dk提供給呼吸狀態(tài)與腫瘤位 移關(guān)系分析模塊6，其中k為建立呼吸狀態(tài)與腫瘤位移的關(guān)系模型時接收的腫瘤解剖結(jié)構(gòu) 圖像的幅數(shù)。該模塊的具體處理過程為(1)數(shù)據(jù)處理器1接收按時間順序進行排列的腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像序列I1, I2, A， Ik，其中，第一幅圖像I1中有勾劃好的腫瘤區(qū)域；(2)圖像處理模塊5計算出第一幅圖像I1中腫瘤區(qū)域的質(zhì)心，并以該質(zhì)心的位置 作為第一幅圖像I1中腫瘤的位置P1 ；(3)對于腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像序列的所有其它圖像12，I3, A，Ik,圖像處理模塊5采 用模板匹配的方法或其它運動跟蹤方法，在所有其它圖像Ij(j = 2，3，A，k)中檢測出與腫 瘤區(qū)域最相似的圖像區(qū)域，并計算各圖像區(qū)域的質(zhì)心，以質(zhì)心的位置作為圖像中腫瘤的 位置Pj;在模板匹配方法中，一般是先給定一個模板(如一幅小圖像或一個圖像區(qū)域)，然 后在圖像或圖像的某個范圍區(qū)域中搜索與給定的模板最相似(或最接近)的區(qū)域，兩個圖 像區(qū)域的相似值通過某一衡量準(zhǔn)則計算得到，當(dāng)模板與圖像中的某塊區(qū)域的相似值最大， 就表示模板與該塊區(qū)域是最相似的，這塊區(qū)域就是所求的最相似的圖像區(qū)域。(4)將所有的腫瘤位置P1及Pj分別與第一幅圖像中的腫瘤位置P1相減，將得到的 結(jié)果按時間順序排列，得到腫瘤位移序列D1, D2, A，Dk。呼吸狀態(tài)與腫瘤位移關(guān)系分析模塊6用于將數(shù)據(jù)處理器1接收的呼吸狀態(tài)按時間 順序進行排列，形成第一呼吸狀態(tài)序列A1, A2，A，Ak，根據(jù)第一呼吸狀態(tài)序列A1, A2，A，Ak和 接收的腫瘤位移序列D1, D2, A，Dk,采用曲線擬合算法建立呼吸狀態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān)系 模型，并將該關(guān)系模型提供給腫瘤位移預(yù)測模塊7。由于呼吸狀態(tài)與腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像是同步采集的，故接收的呼吸狀態(tài)數(shù)與腫瘤解 剖結(jié)構(gòu)圖像的幅數(shù)相等，均為k。曲線擬合算法可以采用最小二乘法、B樣條或其他擬合算法。腫瘤位移預(yù)測模塊7用于在呼吸狀態(tài)預(yù)測模型參數(shù)確定過程中對數(shù)據(jù)處理器1接 收的呼吸狀態(tài)按時間順序進行排列，形成第二呼吸狀態(tài)序列B1，B2, Λ，Bm (m為確定呼吸狀態(tài) 預(yù)測模型的參數(shù)時接收的呼吸狀態(tài)數(shù))，然后以第二呼吸狀態(tài)序列B1, B2, Λ，Bm為訓(xùn)練數(shù)據(jù) 集，確定呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)，并預(yù)測患者m+1時刻的呼吸狀態(tài)，得到m+1時刻的預(yù)測 呼吸狀態(tài)B' ffl+1 ；設(shè)i用于在使用本實用新型系統(tǒng)時對接收呼吸狀態(tài)的時刻進行計數(shù)，初始 值為m+1，后面的每個時刻數(shù)都在前面的時刻數(shù)上加1 ；在實際使用過程中，用于根據(jù)i (i = m+l，m+2，...)時刻接收的呼吸狀態(tài)Bi和i時刻的預(yù)測呼吸狀態(tài)Bi'之間的差值，對呼吸狀 態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)進行調(diào)整，并預(yù)測患者i+Ι時刻的呼吸狀態(tài)B' i+1 ；根據(jù)i+Ι時刻的預(yù)測 呼吸狀態(tài)B' w和呼吸狀態(tài)與腫瘤位移的關(guān)系模型，計算i+Ι時刻的預(yù)測腫瘤位移D' i+1。預(yù)測患者的呼吸狀態(tài)和確定、調(diào)整呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)可以采用卡爾曼濾波 器、最小均方自適應(yīng)濾波器、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其它預(yù)測方法。[0039]運動控制模塊8用于根據(jù)腫瘤位移預(yù)測模塊7預(yù)測的i+Ι時刻的預(yù)測腫瘤位移 Di+/與i時刻的預(yù)測腫瘤位移Di'之間的偏差計算輔助運動床墊3需要運動的運動量 Mi+1，通過數(shù)據(jù)處理器1向輔助運動床墊控制器4發(fā)出運動控制指令。本實用新型系統(tǒng)使用時，先按以下步驟建立患者的呼吸狀態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān) 系模型(1)使用呼吸檢測器2和醫(yī)學(xué)成像設(shè)備同步采集患者一個呼吸周期內(nèi)的呼吸狀態(tài) 和腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像，將呼吸狀態(tài)通過有線或無線方式發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器1，將腫瘤解剖結(jié) 構(gòu)圖像按時間順序進行排列生成腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像序列11;12，A，Ik，通過有線或無線方式 發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器1。(2)圖像處理模塊5對數(shù)據(jù)處理器1接收的腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像序列I1, I2, A，Ik 進行處理，生成腫瘤位移序列D1, D2, Λ，Dk,并將腫瘤位移序列D1, D2, Λ，Dk提供給呼吸狀態(tài) 與腫瘤位移關(guān)系分析模塊6。(3)呼吸狀態(tài)與腫瘤位移關(guān)系分析模塊6將數(shù)據(jù)處理器1接收的呼吸狀態(tài)按時間 順序進行排列，形成第一呼吸狀態(tài)序列A1, A2, A，Ak，根據(jù)第一呼吸狀態(tài)序列A1, A2, A，Ak和 接收的腫瘤位移序列D1, D2, A，Dk,采用曲線擬合算法建立呼吸狀態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān)系 模型，并將該關(guān)系模型提供給腫瘤位移預(yù)測模塊7。曲線擬合算法可以采用最小二乘法、B 樣條或其他擬合算法。在建立患者的呼吸狀態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān)系模型后，按以下步驟預(yù)采集呼吸狀 態(tài)，確定呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)(1)將輔助運動床墊3放在放療設(shè)備的治療床上；(2)患者平躺在輔助運動床墊3上，對患者進行擺位；(3)采用呼吸檢測器2采集患者至少一個呼吸周期的呼吸狀態(tài)，并將呼吸狀態(tài)通 過有線或無線方式發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器1 ；(4)腫瘤位移預(yù)測模塊7將數(shù)據(jù)處理器1接收的呼吸狀態(tài)按時間順序進行排列，形 成第二呼吸狀態(tài)序列B1, B2, Λ，Bm，然后以第二呼吸狀態(tài)序列B1, B2, Λ，良為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，確 定呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)，并預(yù)測患者m+1時刻的呼吸狀態(tài)B' m+1，確定呼吸狀態(tài)預(yù)測模 型的參數(shù)和預(yù)測m+1時刻的呼吸狀態(tài)可以采用卡爾曼濾波器、最小均方自適應(yīng)濾波器、人 工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其它預(yù)測方法。在確定了呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)之后，按以下步驟使用本實用新型系統(tǒng)(1)在i (i初值為m+1)時刻通過呼吸檢測器2實時檢測患者的呼吸狀態(tài)Bi,并將 呼吸狀態(tài)Bi通過有線或無線方式發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器1 ；(2)腫瘤位移預(yù)測模塊7根據(jù)數(shù)據(jù)處理器1接收的呼吸狀態(tài)Bi和預(yù)測的i時刻的 呼吸狀態(tài)B' ii間的差值，對呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)進行調(diào)整；(3)腫瘤位移預(yù)測模塊7根據(jù)數(shù)據(jù)處理器1接收的呼吸狀態(tài)Bi、之前1-1個時刻 接收的呼吸狀態(tài)Bi_1+1，Bi_1+2，A，Bi^1和調(diào)整之后的呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)，預(yù)測患者i+1 時刻的呼吸狀態(tài)B' i+1，這里1是常量，表示預(yù)測時所需要的歷史數(shù)據(jù)的個數(shù)，預(yù)測患者的 呼吸狀態(tài)和調(diào)整呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)采用的方法與確定呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)的 方法相同；(4)腫瘤位移預(yù)測模塊根據(jù)預(yù)測的i+Ι時刻的呼吸狀態(tài)B' i+1和呼吸狀態(tài)與腫瘤
7位移的關(guān)系模型，計算i+Ι時刻的預(yù)測腫瘤位移D' i+1 ；(5)運動控制模塊8根據(jù)i+Ι時刻的預(yù)測腫瘤位移D' i+1與i時刻的預(yù)測腫瘤位 移D' 間的偏差計算輔助運動床墊3需要運動的運動量Mi+1，并通過數(shù)據(jù)處理器1向輔 助運動床墊控制器4中發(fā)出運動控制指令；(6)輔助運動床墊控制器4根據(jù)接收的運動控制指令控制輔助運動床墊3的床板 移動，對腫瘤的運動進行補償，從而使得i+Ι時刻患者體內(nèi)的腫瘤的中心位置與放射源焦 點基本對齊；(7)判斷放療的時間是否完成，如果放療的時間未到，則令i = i+Ι，轉(zhuǎn)到⑴繼續(xù) 進行放療；否則放療過程結(jié)束。實例為了使本實用新型所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚，以下結(jié) 合附圖及實例，對本實用新型做進一步詳細(xì)說明。本實例中，選擇計算機作為數(shù)據(jù)處理器1。 呼吸檢測器2可以采用現(xiàn)有的各種呼吸檢測傳感器或檢測裝置，也可以采用如圖5所示的 結(jié)構(gòu)，它由呼吸檢測盒21和檢測束帶外帶22組成。使用該呼吸檢測器檢測呼吸時，將檢測 束帶外帶22系于被檢測者胸部，并與呼吸檢測盒21的檢測束帶內(nèi)帶相連。檢測束帶外帶 22隨著被檢測者的胸部呼吸運動而帶動呼吸檢測盒21的內(nèi)部檢測機構(gòu)運動，呼吸檢測盒 21在內(nèi)部檢測機構(gòu)運動的作用下生成呼吸狀態(tài)，并將呼吸狀態(tài)通過無線數(shù)據(jù)接口輸出。如圖3、圖4所示，輔助運動床墊3由底板301、第一線性導(dǎo)軌302、滑塊303、電機 安裝板304、第一滾珠絲杠支撐座305、第二滾珠絲杠支撐座306、滾珠絲杠307、第二線性導(dǎo) 軌308、移動平臺309、伺服電機310、聯(lián)軸器311、床板312組成。第一線性導(dǎo)軌302、電機安 裝板304、第一滾珠絲杠支撐座305、第二滾珠絲杠支撐座306和第二線性導(dǎo)軌308通過螺 栓固定在底板301上，滑塊303與第一線性導(dǎo)軌302相連，用于支撐床板312，并在第一線性 導(dǎo)軌302上滑動，滾珠絲杠307通過軸承安裝在第一滾珠絲杠支撐座305和第二滾珠絲杠 支撐座306上，用于將伺服電機310的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，并驅(qū)動移動平臺309移動， 移動平臺309通過螺栓與滾珠絲杠307的螺母相連，并通過螺栓與第二線性導(dǎo)軌308上的 滑塊相連，用于帶動床板312移動，伺服電機310通過螺栓安裝在電機安裝板304上，其輸 出軸通過聯(lián)軸器311與滾珠絲杠307同軸相連，床板312通過螺栓固定在滑塊303和移動 平臺309上，第一線性導(dǎo)軌302、滑塊303和床板312由碳纖維材料制成。輔助運動床墊3還可以采用其它多種機械結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)，如采用齒輪齒條傳動結(jié) 構(gòu)和步進電機驅(qū)動的方式實現(xiàn)。將輔助運動床墊控制器4通過數(shù)據(jù)線分別與伺服電機310和計算機相連，將輔助 運動床墊3固定在放療設(shè)備的治療床上。放療前，按以下步驟采集腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像序列和呼吸狀態(tài)序列，建立患者的呼 吸狀態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān)系模型，本實例選用數(shù)字X線攝影機獲取的X光圖像作為本實 例的腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像，選擇胸廓變化作為呼吸狀態(tài)，選擇最小均方自適應(yīng)濾波器作為呼 吸狀態(tài)預(yù)測方法，選擇最小二乘法作為建立呼吸狀態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān)系模型的方法(1)患者平躺在數(shù)字X線攝影機的治療床上，將呼吸檢測器2的檢測束帶外帶22 系在患者的胸部，并與呼吸檢測盒21的檢測束帶內(nèi)帶相連，打開呼吸檢測器2和數(shù)字X線 攝影機的電源開關(guān)；[0064](2)使用數(shù)字X線攝影機和呼吸檢測器2同步采集患者一個呼吸周期內(nèi)的X光圖 像和呼吸狀態(tài)，將X光圖像按時間排序后生成X光圖像I1,12, Λ，Ik，通過有線方式發(fā)送給 計算機，其中k為建立呼吸狀態(tài)與腫瘤位移的關(guān)系模型時接收的X光圖像的幅數(shù)，呼吸檢測 器2的呼吸檢測盒21將呼吸狀態(tài)通過無線方式發(fā)送給計算機；(3)圖像處理模塊5對計算機接收的X光圖像序列I1, I2, A，Ik進行處理，生成腫 瘤位移序列D1, D2, A，Dk,并將腫瘤位移序列D1, D2, A，Dk提供給呼吸狀態(tài)與腫瘤位移關(guān)系 分析模塊6;(4)呼吸狀態(tài)與腫瘤位移關(guān)系分析模塊6將計算機接收的呼吸狀態(tài)按時間順序進 行排列，形成第一呼吸狀態(tài)序列A1, A2, Λ，Ak，然后將第一呼吸狀態(tài)序列A1, A2，A，Ak和接 收的腫瘤位移序列D1, D2, A，Dk按時間順序一一對應(yīng)起來，即將Ai (i = 1，2，Λ，k)與Di對 應(yīng)，再根據(jù)對應(yīng)之后的第一呼吸狀態(tài)序列A1, A2, Λ，Ak和接收的腫瘤位移序列D1, D2, Λ，Dk， 采用最小二乘法對呼吸狀態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān)系模型進行曲線擬合，如圖6所示，并將 該關(guān)系模型提供給腫瘤位移預(yù)測模塊7。在建立了患者的呼吸狀態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān)系模型后，按以下步驟預(yù)采集呼吸 狀態(tài)，確定呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)(1)將輔助運動床墊3放在放療設(shè)備的治療床上，將呼吸檢測器2的檢測束帶外帶 22系在患者的胸部，并與呼吸檢測盒21的檢測束帶內(nèi)帶相連，打開呼吸檢測器2的電源開 關(guān)；讓患者平躺在輔助運動床墊3的床板33上，對患者進行擺位；(2)采用呼吸檢測器2采集患者至少1個呼吸周期的呼吸狀態(tài)，由呼吸檢測器2的 呼吸檢測盒21將呼吸狀態(tài)通過無線方式發(fā)送給計算機；(3)腫瘤位移預(yù)測模塊7將計算機接收的呼吸狀態(tài)按時間順序進行排列，形成第 二呼吸狀態(tài)序列B1, B2, Λ，Bm，然后以第二呼吸狀態(tài)序列B1, B2, Λ，良為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，采用最 小均方自適應(yīng)濾波器確定呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)，并預(yù)測患者m+1時刻的呼吸狀態(tài)，得 到m+1時刻的預(yù)測呼吸狀態(tài)B ‘ m+1。在確定了呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)之后，按以下步驟使用本實用新型系統(tǒng)(1)在i時刻通過呼吸檢測器2實時檢測患者呼吸狀態(tài)Bi,并由呼吸檢測器2的 呼吸檢測盒21將呼吸狀態(tài)Bi通過無線方式發(fā)送給計算機中的腫瘤位移預(yù)測模塊7 ；(2)腫瘤位移預(yù)測模塊7根據(jù)i時刻接收的呼吸狀態(tài)Bi和i時刻的預(yù)測呼吸狀態(tài) B' i之間的差值，采用最小均方自適應(yīng)濾波器對呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)進行調(diào)整；C3)腫瘤位移預(yù)測模塊7根據(jù)接收的呼吸狀態(tài)B”之前1-1個時刻接收的呼吸狀態(tài) Bi_1+1，Bi_1+2，A，Bi^1和調(diào)整之后的呼吸狀態(tài)預(yù)測模型的參數(shù)，采用最小均方自適應(yīng)濾波器預(yù) 測患者i+Ι時刻的呼吸狀態(tài)B' i+1，最小均方自適應(yīng)濾波器的長度等于1。實際呼吸狀態(tài)與 預(yù)測呼吸狀態(tài)的示意圖如圖7所示；(4)腫瘤位移預(yù)測模塊7根據(jù)i+Ι時刻的預(yù)測呼吸狀態(tài)B' i+1和呼吸狀態(tài)與腫瘤 位移的關(guān)系模型，計算i+Ι時刻的預(yù)測腫瘤位移D' i+1，其示意圖如圖8所示；(5)運動控制模塊8根據(jù)i+Ι時刻的預(yù)測腫瘤位移D' i+1與i時刻的預(yù)測腫瘤位 移D' 間的偏差計算輔助運動床墊3需要運動的運動量Mi+1，并通過數(shù)據(jù)處理器1向輔 助運動床墊控制器4發(fā)出運動控制指令；(6)輔助運動床墊控制器4根據(jù)接收的運動控制指令控制輔助運動床墊3中的伺服電機310轉(zhuǎn)動，伺服電機310轉(zhuǎn)動驅(qū)使?jié)L珠絲杠307的絲杠轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠307的絲杠轉(zhuǎn) 動帶動滾珠絲杠307的螺母移動，從而帶動移動平臺309移動，并使與移動平臺309相連的 床板312移動，從而調(diào)整患者的位置，對腫瘤的運動進行補償，使得腫瘤的中心與在i+Ι時 刻與放射源的焦點基本對齊；(7)判斷放療的時間是否完成，如果放療的時間未到，則令i = i+Ι，轉(zhuǎn)到⑴繼續(xù) 進行放療；否則放療過程結(jié)束。以上所述為本實用新型的較佳實例，但本實用新型不應(yīng)該局限于該實例和附圖所 公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本實用新型所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本實 用新型保護的范圍。
權(quán)利要求1.一種圖像和呼吸引導(dǎo)的輔助放療床墊系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理器 (1)、呼吸檢測器(2)、輔助運動床墊(3)和輔助運動床墊控制器(4)；呼吸檢測器(2)通過有線或者無線方式與數(shù)據(jù)處理器(1)通訊連接；輔助運動床墊(3) 用于放置在現(xiàn)有放療設(shè)備的治療床上；輔助運動床墊控制器(4)分別與數(shù)據(jù)處理器(1)及輔助運動床墊(3)連接； 數(shù)據(jù)處理器(1)用于對呼吸檢測器(2)提供的呼吸狀態(tài)進行處理，計算輔助運動床墊 (3)所需的運動量，并提供給輔助運動床墊控制器(4);輔助運動床墊控制器(4)控制輔助 運動床墊(3)的床板運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像和呼吸引導(dǎo)的輔助放療床墊系統(tǒng)，其特征在于，輔助運 動床墊(3)包括底板(301)、第一、第二線性導(dǎo)軌(302、308)、滑塊(303)、電機安裝板(304)、 第一、第二滾珠絲杠支撐座(305、306)、滾珠絲杠(307)、移動平臺(309)、伺服電機(310)、 聯(lián)軸器(311)和床板(312)；第一線性導(dǎo)軌(302)、電機安裝板(304)、第一滾珠絲杠支撐座 (305)、第二滾珠絲杠支撐座(306)和第二線性導(dǎo)軌(308)固定在底板(301)上，滑塊(303) 與第一線性導(dǎo)軌(302)相連，用于支撐床板(312)，并在第一線性導(dǎo)軌(302)上滑動，滾珠 絲杠(307)通過軸承安裝在第一滾珠絲杠支撐座(305)和第二滾珠絲杠支撐座(306)上， 用于將伺服電機(310)的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，并驅(qū)動移動平臺(309)移動，移動平臺 (309)與滾珠絲杠(307)的螺母相連，并與第二線性導(dǎo)軌(308)上的滑塊(303)相連，用于帶 動床板(312)移動，伺服電機(310)安裝在電機安裝板(304)上，其輸出軸通過聯(lián)軸器(311) 與滾珠絲杠(307)同軸相連，床板(312)固定在滑塊(303)和移動平臺(309)上，第一線性 導(dǎo)軌(302)、滑塊(303)和床板(312)由碳纖維材料制成。
專利摘要本實用新型公開了一種圖像和呼吸引導(dǎo)的輔助放療床墊系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理器、呼吸檢測器、輔助運動床墊和輔助運動床墊控制器，呼吸檢測器將檢測的呼吸狀態(tài)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器；輔助運動床墊控制器分別與數(shù)據(jù)處理器及輔助運動床墊連接。本實用新型配合傳統(tǒng)放療設(shè)備使用，使傳統(tǒng)放療設(shè)備具有圖像引導(dǎo)放療的功能。使用時，基于同步采集的呼吸狀態(tài)序列和腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像序列建立呼吸狀態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān)系模型，在放療過程中根據(jù)當(dāng)前呼吸狀態(tài)和以前的呼吸狀態(tài)序列預(yù)測下一時刻的呼吸狀態(tài)，再由呼吸狀態(tài)與腫瘤位移之間的關(guān)系模型計算預(yù)測的腫瘤位移，并實時調(diào)整患者位置，使腫瘤中心與放射源焦點基本對齊，從而減少射線對患者正常組織的傷害。
文檔編號A61N5/00GK201880220SQ20102058832
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者劉宏, 宋恩民, 張祺, 李琴, 楊詞慧 申請人:華中科技大學(xué)