雙影像c臂系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】雙影像C臂系統(tǒng)
[0001] 所屬技術(shù)領(lǐng)域： 本發(fā)明屬于醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種雙影像C臂系統(tǒng)。
[0002]
【背景技術(shù)】： 在現(xiàn)有醫(yī)學(xué)影像技術(shù)中，C臂影像系統(tǒng)主要用于術(shù)中X光成像，是骨外科、血管介入、脊 柱手術(shù)等臨床治療中非常重要的工具。近些年來，放療技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于影像技術(shù)的要求越 來越高，C臂影像成像系統(tǒng)也開始作為放療的影像擺定位手段，應(yīng)用于放射治療過程中。而 放射治療發(fā)展的趨勢是精確放射治療，所謂精確放射治療技術(shù)，是指采用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī) 技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、放射生物技術(shù)、放射物理技術(shù)和臨床腫瘤治療技術(shù)為手段，對(duì)腫瘤進(jìn) 行"精確診斷、精確定位、精確計(jì)劃、精確治療"的一種新的放射治療技術(shù)。精確放射治療技 術(shù)能明顯提高腫瘤的局部控制率，降低正常組織的并發(fā)癥，從而提高治療效果。而先進(jìn)合 理的影像系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)精確放療的關(guān)鍵之一。在精確放療系統(tǒng)中，理想的影像系統(tǒng)應(yīng)該具有 如下特點(diǎn)：能夠有清晰的三維圖像對(duì)比、融合，清楚地看到腫瘤的形態(tài)，實(shí)現(xiàn)精確配準(zhǔn)和擺 位；在治療過程中，對(duì)于運(yùn)動(dòng)類腫瘤能夠非?？焖俚爻上?、跟蹤定位靶區(qū)位置，反饋信息，進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)精確定位和跟蹤。然而，傳統(tǒng)的C臂結(jié)構(gòu)僅采用一組影像系統(tǒng)，即一個(gè)球 管和一個(gè)平板，無法在同一時(shí)間進(jìn)行雙目成像。此外，現(xiàn)有技術(shù)出現(xiàn)了錐形束電腦斷層掃描 (CBCT)影像設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)三維成像，但是由于C臂結(jié)構(gòu)限制，還不能很好地應(yīng)用于放療領(lǐng) 域，并且不能與雙目成像集成使用，使得對(duì)腫瘤靶區(qū)有進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤要求的某些放療 技術(shù)受到限制。
[0003]

【發(fā)明內(nèi)容】
： 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有傳統(tǒng)C臂影像系統(tǒng)無法在同一時(shí)間進(jìn)行雙目成像的不 足，提供一種既能進(jìn)行放射治療初始擺位，又可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)雙目成像，還可以實(shí)現(xiàn)三維成像 的雙影像C臂系統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的： 本發(fā)明的雙影像C臂系統(tǒng)，主要由C臂環(huán)1和兩組影像系統(tǒng)組成；其特征在于所述C臂 環(huán)1安裝在支撐軸2上，并且具有三個(gè)自由度：繞C臂環(huán)1中心軸線的自轉(zhuǎn)自由度、繞支撐 軸2軸線的旋轉(zhuǎn)自由度和沿支撐軸2安裝面的線性移動(dòng)自由度；兩組影像系統(tǒng)每組包括一 個(gè)X射線源3和一個(gè)平板探測器4;X射線源3直接安裝在C臂環(huán)1上，或通過安裝支架6 安裝在C臂環(huán)1上；平板探測器4直接安裝在C臂環(huán)1上，或通過微調(diào)機(jī)構(gòu)5安裝在C臂環(huán) 1上，或通過微調(diào)機(jī)構(gòu)5和橫向安裝支架7安裝在C臂環(huán)1上；安裝支架6和橫向安裝支架 7關(guān)于C臂中心軸線相位相差180°。
[0005] 上述方案中，所述X射線源3和平板探測器4的成像面與C臂環(huán)所在縱向截面不 重合。
[0006] 上述方案中，所述支撐軸2安裝在水平地面、天花板、機(jī)器人機(jī)械臂末端、翻轉(zhuǎn)平 臺(tái)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、立柱或輔助硬件設(shè)備的支撐面上。
[0007] 上述方案中，所述C臂環(huán)1上配置有呼吸引導(dǎo)裝置，引導(dǎo)患者平順呼吸，使患者呼 吸規(guī)律平穩(wěn)，提高對(duì)于呼吸運(yùn)動(dòng)影響的靶區(qū)的跟蹤和定位精度；C臂環(huán)1上配置有呼吸追蹤 裝置，具體為紅外呼吸追蹤光學(xué)系統(tǒng)；C臂環(huán)1上設(shè)置有碰撞檢測傳感器，用于防止C臂與 墻壁、其他硬件設(shè)備發(fā)生碰撞干涉。
[0008] 上述方案中，所述雙影像C臂系統(tǒng)進(jìn)一步包括治療床8,支撐軸2安裝在治療床8 的支撐機(jī)構(gòu)上。
[0009] 上述方案中，所述雙影像C臂系統(tǒng)進(jìn)一步包括機(jī)器人加速器9,支撐軸2安裝在機(jī) 器人加速器9上。
[0010] 上述方案中，所述雙影像C臂系統(tǒng)配置有對(duì)射激光定位器組件。
[0011] 上述方案中，所述雙影像C臂系統(tǒng)配置有劑量驗(yàn)證系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)傳輸模塊、圖 像配準(zhǔn)模塊、輪廓映射模塊、組織變化分析模塊、四維圖像建模模塊、劑量重建模塊和劑量 評(píng)估模塊組成，其中，數(shù)據(jù)傳輸模塊與數(shù)據(jù)服務(wù)器相連，數(shù)據(jù)傳輸模塊還分別與圖像配準(zhǔn)模 塊、輪廓映射模塊、四維圖像建模模塊和劑量重建模塊相連；圖像配準(zhǔn)模塊分別與輪廓映射 模塊、四維圖像建模模塊和劑量評(píng)估模塊相連；輪廓映射模塊經(jīng)患者在線組織輪廓分別與 組織變化分析模塊和劑量評(píng)估模塊相連；組織變化分析模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊和四維（4D) 放射治療計(jì)劃系統(tǒng)相連；四維圖像建模模塊與劑量重建模塊相連；劑量重建模塊與劑量評(píng) 估模塊相連；劑量評(píng)估模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊和4D放射治療計(jì)劃系統(tǒng)相連。
[0012] 上述方案中，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊通過網(wǎng)絡(luò)連接與數(shù)據(jù)服務(wù)器通信，獲取劑量驗(yàn)證 所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，將驗(yàn)證結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器； 圖像配準(zhǔn)模塊圖像配準(zhǔn)模塊提供剛體和形變配準(zhǔn)方法，用于四維圖像建模模塊中四維CT/CBCT不同呼吸時(shí)相三維圖像的配準(zhǔn)；用于輪廓映射模塊中計(jì)劃CT圖像與CBCT圖像的 形變配準(zhǔn)； 輪廓映射模塊利用患者的計(jì)劃輪廓信息、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)模塊提供的計(jì)劃CT和在線CBCT圖 像之間的形變向量場，計(jì)算計(jì)劃輪廓向CBCT圖像的映射；對(duì)輪廓映射結(jié)果進(jìn)行修改后，得 到患者在線組織輪廓；輪廓映射模塊包括以下子模塊： a) 三維網(wǎng)格構(gòu)建子模塊：根據(jù)組織三維輪廓線，構(gòu)建組織的三維網(wǎng)格表面模型；具體 為：首先利用組織的原始三維輪廓線重建出組織的三維網(wǎng)格表面，然后利用形變場插值技 術(shù)，從配準(zhǔn)得到的形變向量場中得到每個(gè)三維網(wǎng)格頂點(diǎn)處的形變向量，并對(duì)網(wǎng)格頂點(diǎn)進(jìn)行 坐標(biāo)變換，得到輪廓映射目標(biāo)圖像坐標(biāo)系下的三維網(wǎng)格表面模型； b) 三維模塊剖切子模塊：利用形變后的三維網(wǎng)格表面模型剖切出任意平面上的三維輪 廓線；具體為：根據(jù)目標(biāo)圖像切片所在平面，對(duì)三維網(wǎng)格表面模型進(jìn)行剖切，計(jì)算剖切與每 個(gè)三維網(wǎng)格的剖切位置，并通過有序連接網(wǎng)格剖切點(diǎn)，得到對(duì)應(yīng)的輪廓線； c) 輪廓距離變換子模塊：利用組織三維輪廓線得到其對(duì)應(yīng)的三維距離圖；具體為：首 先根據(jù)原始輪廓線計(jì)算輪廓二值圖以及輪廓距離圖，輪廓距離圖的圖像坐標(biāo)系與用于勾畫 輪廓線的圖像一致，距離圖像中位于輪廓內(nèi)部的體素值為正，輪廓外部的體素值為負(fù)，其絕 對(duì)值為該點(diǎn)到三維輪廓表面的最近距離；然后利用形變向量場對(duì)三維距離圖進(jìn)行形變變 換，得到輪廓映射目標(biāo)圖像空間坐標(biāo)下的輪廓距離圖；最后提取距離圖中每個(gè)斷層圖像上 像素值為〇的等值線，該等值線即為三維輪廓線的映射結(jié)果； 組織變化分析模塊通過定量比較患者計(jì)劃輪廓以及患者在線組織輪廓來分析組織器 官在位置、體積和形狀方面的變化，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將患者在線組織輪廓保存到數(shù)據(jù) 服務(wù)器；還可同時(shí)查看和分析在多個(gè)分次下組織的形態(tài)，直觀顯示組織隨著治療過程的變 化情況； 四維圖像建模模塊利用圖像配準(zhǔn)模塊提供的四維CT影像不同時(shí)相之間的形變向量 場，建立患者的四維圖像模型；主要包括圖像配準(zhǔn)和四維運(yùn)動(dòng)建模兩個(gè)子模塊： a)圖像配準(zhǔn)子模塊對(duì)4DCT/4DCBCT中各組三維圖像按照呼吸時(shí)相的順序進(jìn)行兩兩配 準(zhǔn)，得到相鄰兩組三維圖像之間的形變向量場； b)四維運(yùn)動(dòng)建模子模塊綜合利用圖像配準(zhǔn)子模塊得到的各組形變向量場，依據(jù)呼吸運(yùn) 動(dòng)的連續(xù)性、周期性特點(diǎn)，構(gòu)建B樣條運(yùn)動(dòng)模型或者基于PCA(主成分分析法）的運(yùn)動(dòng)模型， 從而改善運(yùn)動(dòng)信息的準(zhǔn)確度； 劑量重建模塊利用四維圖像模型或者三維CBCT圖像重建出當(dāng)前分次患者承受的劑 量，主要包括電子密度標(biāo)定子模塊和劑量計(jì)算子模塊： a)電子密度標(biāo)定子模塊通過將計(jì)劃CT圖像配準(zhǔn)到CBCT圖像上，得到CBCT圖像中體 素f在計(jì)劃CT圖像上的對(duì)應(yīng)位置r，然后利用f處的HU值代替CBCT圖像中體素f處的HU 值，最終生成一組模擬的HU圖像用于組織電子密度的確定以及劑量計(jì)算； b)劑量計(jì)算子模炔基于已標(biāo)定電子密度的CBCT進(jìn)行劑量計(jì)算，估計(jì)患者在分次治療 中實(shí)際接受的劑量； 對(duì)于靜止靶區(qū)的分次劑量重建，劑量計(jì)算子模塊考慮了治療過程中患者體位變化對(duì)接 受劑量的影響； 對(duì)于運(yùn)動(dòng)靶區(qū)的分次劑量重建，劑量計(jì)算子模塊考慮了靶區(qū)和其他有關(guān)組織在治療過 程中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況、靶區(qū)追蹤治療的情況，從而估計(jì)出更準(zhǔn)確的患者接受劑量，具體為： 針對(duì)每一個(gè)射野，從治療過程文件中分析針對(duì)每個(gè)射野運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)準(zhǔn)直器的運(yùn)動(dòng)軌跡和 運(yùn)動(dòng)范圍，并將運(yùn)動(dòng)軌跡分成等距離間隔的N個(gè)子弧；獲取每個(gè)子