胸部肿瘤放疗摆位系统的研究范文

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《临床医学工程杂志》2014年第八期

1材料与方法

1．1摄像机定标模块如下图2所示，为摄像机定标模块的主界面，摄像机定标的目的是为了提取出实物摄像机三维世界坐标系到二维图像平面坐标系之间的变换矩阵，其变换关系可用如下公式1来表示，其中令M＝［X''''，Y''''］T为图像平面坐标系的坐标，N＝［X，Y，Z］T为世界坐标系坐标。

1．2放疗摆位的图像配准模块如下图3所示，为每分次放疗摆位误差计算的图像配准模块主界面，左边是第一次治疗摆位时的基准图像，右边是从第二次放疗摆位时所拍摄的病人体位图像，我们将其定义为待匹配图像，每分次放疗摆位完毕后，便将所拍摄的病人体位图像跟基准图像相配准比较。在此我们采用基于SIFT图像特征匹配［7－8］的算法，从而识别到这两幅图像中小金粒的准确位置，并通过两幅图像中同一小金粒的位置，将这两幅图像中病人的体位变化情况相关联起来。

1．3小金粒位置误差计算模块如下图4所示，为计算小金粒位置误差的主界面，经过模块2的图像配准后，提取出三个小金粒在两幅图像中的二维平面坐标。

2结果

选取一例胸部肿瘤病人，用真空袋体模固定，并将三颗小金粒放置在其胸部的骨性标志上［9］（此时，金粒与病人的身体可以看作是一个刚性移动的整体，则金粒位置变化可以反映病人身体体位的变化），从第一次放疗摆位开始一直到第八次，每次摆位完毕后，通过控制固定位置的高清摄像机，实时拍摄病人的摆位图像，经过实时监控后我们发现，小金粒因病人呼吸运动引起位置变化误差度为0．1mm数量级，则可忽略不计。将第一次的摆位图像作为基准图像，通过摆位验证系统，最终计算出这连续八次放疗重复性摆位的三个小金粒位置误差，计算结果如表1所示；然后再根据误差的指示，对病人的身体姿势进行细微的调整，而后再进行拍片和摆位验证系统的计算，最后得出校准后的位置误差结果如表2。根据表1和表2的计算结果对比，我们可以发现，经过摆位验证系统的检验和校准后，金粒1的dX1位置误差减少了4．5~7．3mm，dY1的位置误差减少5．6~8．1mm；金粒2的dX2位置误差减少5．6~7．8mm，dY2位置误差减少5．7~7．8mm；金粒3的dX3位置误差减少5．3~8．4mm，dY3位置误差减少6．0~7．0mm。

3讨论

目前，放疗摆位误差修正主要采用如下几种方法：通过三点激光定位灯目测摆位的方法，对放疗病人进行位置误差的校准；使用加速器自带的EPID设备进行实时拍片验证；利用跟放疗加速器同机融合的锥形束CT进行三维立体的图像引导摆位误差修正；以及本研究提到的通过高清摄像的方式，实时跟踪病人体表标记物的三维坐标位置，以验证病人在放疗摆位过程中误差的大小和方向，从而保证了准确的摆位误差校准。本研究介绍的这种方法也是属于图像引导放射治疗的范畴，但有别于过去采用EPID和锥形束CT设备的X射线成像方式进行图像引导，通过利用高清摄像机实时采集摆位图像并进行误差的计算和修正，从而避免了放疗病人在每次做放疗摆位修正的时候都要吸收额外的X射线剂量，减轻了发生正常组织并发症的风险。同时，实现本方法不需要用到昂贵的设备，只需配置一套高分辨率摄像系统以及一台用于安装摆位校准软件以实现误差计算的通用计算机，操作简单方便，在放射治疗的实施过程中，并不需要占用过多的时间。本方法利用高分辨率图像配准的SIFT算法，能够准确地识别出病人体表具有算法特征性的标记物，从而可以使摆位误差校准精确度达到mm数量级。但使用本方法进行实时放疗摆位误差的校准，其精确度会受到如下几方面因素的制约：①高清摄像机定标的精确度；②采集摆位图像的信噪比和分辨率；③SIFT特征图像配准算法对识别小金粒位置的准确性，以及小金粒本身在采集图像上的SIFT算法特征性是否明确。高清摄像机的定标是实现本方法的第一个环节，摄像机定标方法有多种，但无论采用何种方法，由于受到摄像机本身内部结构以及外界环境因素的干扰，其定标结果都会存在一定的误差；采集图像的分辨率也会直接影响到SIFT算法提取特征标记物位置的准确度，而且如果图像受到噪声干扰较大的情况下，会发生小金粒位置坐标的误识别。最后，SIFT特征图像配准算法的精确度也取决于小金粒本身在采集图像上的SIFT算法特征性是否明确，同时，小金粒应放置在病人骨性标记上，否则其位置容易受到病人呼吸运动以及体型变化的影响，从而导致摆位误差的计算和校正准确度大大降低。

作者：伍锐牛道立杨波许文伟杨满珊单位：广州医科大学第一附属医院放疗科