胸部腫瘤放療擺位系統的研究范文

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《臨床醫學工程雜志》2014年第八期

1材料與方法

1．1攝像機定標模塊如下圖2所示，為攝像機定標模塊的主界面，攝像機定標的目的是為了提取出實物攝像機三維世界坐標系到二維圖像平面坐標系之間的變換矩陣，其變換關系可用如下公式1來表示，其中令M＝［X''''，Y''''］T為圖像平面坐標系的坐標，N＝［X，Y，Z］T為世界坐標系坐標。

1．2放療擺位的圖像配準模塊如下圖3所示，為每分次放療擺位誤差計算的圖像配準模塊主界面，左邊是第一次治療擺位時的基準圖像，右邊是從第二次放療擺位時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圖像相配準比較。在此我們采用基于SIFT圖像特征匹配［7－8］的算法，從而識別到這兩幅圖像中小金粒的準確位置，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聯起來。

1．3小金粒位置誤差計算模塊如下圖4所示，為計算小金粒位置誤差的主界面，經過模塊2的圖像配準后，提取出三個小金粒在兩幅圖像中的二維平面坐標。

2結果

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志上［9］（此時，金粒與病人的身體可以看作是一個剛性移動的整體，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，實時拍攝病人的擺位圖像，經過實時監控后我們發現，小金粒因病人呼吸運動引起位置變化誤差度為0．1mm數量級，則可忽略不計。將第一次的擺位圖像作為基準圖像，通過擺位驗證系統，最終計算出這連續八次放療重復性擺位的三個小金粒位置誤差，計算結果如表1所示；然后再根據誤差的指示，對病人的身體姿勢進行細微的調整，而后再進行拍片和擺位驗證系統的計算，最后得出校準后的位置誤差結果如表2。根據表1和表2的計算結果對比，我們可以發現，經過擺位驗證系統的檢驗和校準后，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：通過三點激光定位燈目測擺位的方法，對放療病人進行位置誤差的校準；使用加速器自帶的EPID設備進行實時拍片驗證；利用跟放療加速器同機融合的錐形束CT進行三維立體的圖像引導擺位誤差修正；以及本研究提到的通過高清攝像的方式，實時跟蹤病人體表標記物的三維坐標位置，以驗證病人在放療擺位過程中誤差的大小和方向，從而保證了準確的擺位誤差校準。本研究介紹的這種方法也是屬于圖像引導放射治療的范疇，但有別于過去采用EPID和錐形束CT設備的X射線成像方式進行圖像引導，通過利用高清攝像機實時采集擺位圖像并進行誤差的計算和修正，從而避免了放療病人在每次做放療擺位修正的時候都要吸收額外的X射線劑量，減輕了發生正常組織并發癥的風險。同時，實現本方法不需要用到昂貴的設備，只需配置一套高分辨率攝像系統以及一臺用于安裝擺位校準軟件以實現誤差計算的通用計算機，操作簡單方便，在放射治療的實施過程中，并不需要占用過多的時間。本方法利用高分辨率圖像配準的SIFT算法，能夠準確地識別出病人體表具有算法特征性的標記物，從而可以使擺位誤差校準精確度達到mm數量級。但使用本方法進行實時放療擺位誤差的校準，其精確度會受到如下幾方面因素的制約：①高清攝像機定標的精確度；②采集擺位圖像的信噪比和分辨率；③SIFT特征圖像配準算法對識別小金粒位置的準確性，以及小金粒本身在采集圖像上的SIFT算法特征性是否明確。高清攝像機的定標是實現本方法的第一個環節，攝像機定標方法有多種，但無論采用何種方法，由于受到攝像機本身內部結構以及外界環境因素的干擾，其定標結果都會存在一定的誤差；采集圖像的分辨率也會直接影響到SIFT算法提取特征標記物位置的準確度，而且如果圖像受到噪聲干擾較大的情況下，會發生小金粒位置坐標的誤識別。最后，SIFT特征圖像配準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，小金粒應放置在病人骨性標記上，否則其位置容易受到病人呼吸運動以及體型變化的影響，從而導致擺位誤差的計算和校正準確度大大降低。

作者：伍銳牛道立楊波許文偉楊滿珊單位：廣州醫科大學第一附屬醫院放療科