一種基于立體視覺的呼吸門控系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)字化自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種利用立體視覺技術(shù)對(duì)病人的呼吸 信號(hào)進(jìn)行采集和分析，并在設(shè)定的閾值處輸出呼吸門控信號(hào)的系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在應(yīng)用醫(yī)學(xué)影像設(shè)備(如CT、MRI等）時(shí)，由于患者的呼吸運(yùn)動(dòng)，通常會(huì)在胸腹部成 像時(shí)產(chǎn)生呼吸偽影，從而對(duì)所成圖像的清晰度產(chǎn)生明顯的影響，由此導(dǎo)致成像質(zhì)量下降，從 而影響了對(duì)病灶的診斷。在目前的醫(yī)療影像設(shè)備中，為了解決胸腹部成像偽影問(wèn)題，通常采 用呼吸門控技術(shù)進(jìn)行規(guī)避和補(bǔ)償。
[0003] 呼吸門控技術(shù)的原理是通過(guò)呼吸監(jiān)控設(shè)備（RPM，RespiratoryPercentMinute) 對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行采集，生成呼吸節(jié)律曲線，并人為設(shè)置閾值，在達(dá)到閾值時(shí)，會(huì)輸出門控信 號(hào)，控制醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的采集開始和結(jié)束，從而達(dá)到呼吸門控的目標(biāo)。目前，呼吸監(jiān)控設(shè)備 RPM沒有標(biāo)準(zhǔn)化，它所輸出的呼吸信號(hào)除了振幅信號(hào)外，還有可能是相位信號(hào)，或能反映肺 的運(yùn)動(dòng)周期的其他參數(shù)信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)呼吸門控，一般醫(yī)學(xué)影像設(shè)備需要和內(nèi)部集成或指 定提供的RPM設(shè)備在耦合的狀態(tài)下進(jìn)行工作。
[0004] 呼吸門控系統(tǒng)按獲取呼吸信號(hào)的方式不同，大致可以分為如下三類。
[0005] 1?基于呼吸流量的呼吸門控技術(shù)。
[0006] 該類呼吸門控技術(shù)的基本原理是：通過(guò)呼吸流量計(jì)或肺活量計(jì)等將被檢測(cè)到的呼 吸流量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，設(shè)置閾值，由此產(chǎn)生門控信號(hào)。
[0007]如申請(qǐng)?zhí)柺?00720005748. 6、名稱為"數(shù)字化主動(dòng)型呼吸門控系統(tǒng)"的專利中提出 了一種基于呼吸流量的呼吸門控技術(shù)，以及實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)與呼吸整合裝 置相連接的呼吸流量計(jì)把被檢者呼吸流量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，并根據(jù)檢測(cè) 到的潮氣量，通過(guò)操作者控制裝置由患者口含的具有單向閥門作用的呼吸器主動(dòng)控制被檢 者的呼吸。
[0008]又如醫(yī)科大公司（Elekta)的主動(dòng)呼吸控制系統(tǒng)（ActiveBreathingControl,ABC)，該系統(tǒng)利用帶有活瓣的呼吸導(dǎo)管控制患者呼吸。我們?cè)O(shè)定的治療時(shí)肺的體積為最大 吸氣量的75%，屏氣的開始和持續(xù)的時(shí)間由患者手中的支配活瓣開關(guān)的按鈕控制?；颊咴谥?療時(shí)可以通過(guò)顯示屏幕看到自己的呼吸信息，當(dāng)患者看到自己的呼吸深度到達(dá)設(shè)定的范圍 時(shí)，按下手中的控制按鈕，這時(shí)，活瓣將通氣導(dǎo)管關(guān)閉，患者開始屏氣，并讓加速器開始出束 治療。只有當(dāng)患者的屏氣體積和設(shè)定范圍高度一致時(shí)，系統(tǒng)才實(shí)施治療。
[0009] 2.基于傳感器(如壓力傳感器、熱敏傳感器等）的呼吸門控技術(shù)。
[0010] 該類呼吸門控技術(shù)的原理是：通過(guò)壓力、熱敏等傳感器直接或間接測(cè)量由于呼吸 運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)變化，設(shè)置閾值，由此產(chǎn)生門控信號(hào)。
[0011] 如申請(qǐng)?zhí)柺?1205027. 6、名稱為"醫(yī)用X線拍胸腹片曝光控制器"的專利中提出了 一種熱敏電阻式呼吸門控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由熱敏電阻、放大器、采樣保持電路、比較器、單穩(wěn)定 接口組成，利用熱敏電阻作為探頭，放到患者鼻口處，讓患者做幾次深呼或深吸，與探頭相 連的相關(guān)電路保存這幾次深呼或深吸的最大值，操作時(shí)，操作者按允許曝光開關(guān)，將取樣電 路保存的最大呼吸信號(hào)與實(shí)時(shí)的呼吸信號(hào)比較，一旦實(shí)時(shí)呼吸信號(hào)達(dá)到或超過(guò)保持的最大 信號(hào)，則立刻曝光，拍出最佳的X光片。
[0012] 又如申請(qǐng)?zhí)枮?00810055806. 5、名稱為"一種氣壓式呼吸門控系統(tǒng)"的專利中提出 了一種氣壓式呼吸門控系統(tǒng)。該呼吸門控系統(tǒng)由呼吸腹帶、壓力傳感器、信號(hào)處理單元、PC 機(jī)等組成，將呼吸腹帶固定在病人的腹部并充氣，病人的呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致呼吸腹帶內(nèi)的氣 壓變化，連接的壓力傳感器能夠?qū)⑦@種氣壓變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸信號(hào)的采集。
[0013] 3.基于體表特征或標(biāo)記物的呼吸門控技術(shù)。
[0014] 該類呼吸門控技術(shù)的原理是：通過(guò)相機(jī)實(shí)時(shí)采集體表特征或標(biāo)記物的圖像，利用 圖像處理的方法獲取它們的坐標(biāo)變化，推算出呼吸信號(hào)，設(shè)置閾值，由此產(chǎn)生門控信號(hào)。
[0015] 如申請(qǐng)?zhí)枮?00810105863. 4、名稱為"基于腹部體表輪廓線參數(shù)數(shù)字化呼吸門控 信號(hào)的方法"的專利中提出了一種體表特征的呼吸門控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的由一臺(tái)數(shù)字相機(jī)、計(jì) 算機(jī)組成，利用相機(jī)實(shí)時(shí)采集腹部體表輪廓線，利用圖像處理的方法獲取呼吸信號(hào)。
[0016]如美國(guó)Varian公司生產(chǎn)的RPM(Real-timePositionManagement)系統(tǒng)是一種 基于體表標(biāo)記物的呼吸門控系統(tǒng)(鏈接地址：http://www.varian.com/ascns/oncology/ radiation_oncology/clinac/;rpm_;respi;rato;ry_gating.html)，該系統(tǒng)由--臺(tái)紅外足艮蹤相 機(jī)和計(jì)算機(jī)組成，利用相機(jī)跟蹤放置在病人胸腹部的靶標(biāo)來(lái)測(cè)量病人的呼吸運(yùn)動(dòng)曲線和運(yùn) 動(dòng)幅度，并將這些信息以曲線的方式進(jìn)行顯示。門控閾值設(shè)置在呼吸運(yùn)動(dòng)周期的理想位置 (比如波谷)，這些閾值決定了影像設(shè)備采集的開和關(guān)。
[0017]然而，上述的多重呼吸門控系統(tǒng)均存在不足： 1. 基于呼吸流量的呼吸門控技術(shù)的缺點(diǎn)在于需要病人佩戴口罩等來(lái)測(cè)量氣流量，其耐 受性較差； 2. 基于壓力傳感器的呼吸門控技術(shù)的缺點(diǎn)在于使用時(shí)需要將氣囊束縛在體表，給病人 帶來(lái)不適，操作也較復(fù)雜，針對(duì)老人和兒童操作更為困難； 3. 基于熱敏傳感器的呼吸門控技術(shù)由于要放在病人的口鼻處，容易造成患者間的交叉 感染； 4. 基于體表特征的呼吸門控技術(shù)需要病人將胸腹部全部露出，給病人會(huì)帶來(lái)隱私方面 的顧慮，對(duì)于體表特征不明顯的肥胖者和兒童，門控效果不佳；同時(shí)，如基于體表標(biāo)記物的 美國(guó)Varian公司的RPM系統(tǒng)，由于采用單相機(jī)進(jìn)行圖像采集，這對(duì)靶標(biāo)的要求較高，必須由 具有標(biāo)準(zhǔn)間距的多個(gè)特征點(diǎn)組成，此外，輸出的呼吸信號(hào)只能是二維坐標(biāo)方向，而實(shí)際靶標(biāo) 運(yùn)動(dòng)是三維坐標(biāo)方向，因而對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)的分析不夠充分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明要研發(fā)的"一種基于立體視覺的呼吸門控系統(tǒng) 及控制方法"，利用立體視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有一種操作方便、可靠、高精度的呼吸門控系統(tǒng)。
[0019] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 本發(fā)明獲取呼吸信號(hào)的方法是立體視覺技術(shù)，即采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的相機(jī)搭建的立 體視覺測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)放置在病人胸腹部的靶標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)空間（三維）定位，獲取隨時(shí)間變化 的體表運(yùn)動(dòng)幅度曲線。
[0020] 本發(fā)明的技術(shù)方案包括五個(gè)部分，即靶標(biāo)、立體視覺測(cè)量單元、數(shù)據(jù)分析單元、通 信單元、控制單元。該技術(shù)方案的工作流程是：將靶標(biāo)放置在病人的胸部或腹部，利用立體 視覺測(cè)量單元實(shí)時(shí)跟蹤定位祀標(biāo)，獲取三維坐標(biāo)序列，數(shù)據(jù)分析單元對(duì)坐標(biāo)序列處理，獲得 呼吸運(yùn)動(dòng)曲線，并在設(shè)定的閾值處產(chǎn)生呼吸門控信號(hào)，通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)與醫(yī)學(xué)影像設(shè)備交互， 完成呼吸門控信號(hào)對(duì)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的觸發(fā)采集。
[0021] 現(xiàn)有技術(shù)獲取呼吸信號(hào)的方法分別是：呼吸流量監(jiān)測(cè)技術(shù)，即采用呼吸流量計(jì)監(jiān) 測(cè)病人的呼吸流量，獲取隨時(shí)間變化的呼吸流量強(qiáng)度曲線；傳感器技術(shù)，即采用傳感器將病 人因呼吸運(yùn)動(dòng)而帶來(lái)氣壓、熱量等變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，獲取隨時(shí)間變化的電信號(hào)強(qiáng)度曲線； 單目視覺技術(shù)，即采用單個(gè)相機(jī)采集體表或已放置標(biāo)記物的體表的圖像，對(duì)體表的運(yùn)動(dòng)進(jìn) 行二維監(jiān)測(cè)，獲取隨時(shí)間變化的體表運(yùn)動(dòng)幅度曲線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益 效果： 1. 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：在硬件方面，本發(fā)明只需要兩臺(tái)普通分辨率的數(shù)字相機(jī)、一臺(tái)計(jì) 算機(jī)或單片機(jī)處理器、機(jī)械支持結(jié)構(gòu)等組成； 2. 本發(fā)明精度高、可靠性高：本發(fā)明采用了立體視覺技術(shù)，能夠給出靶標(biāo)的空間坐標(biāo)， 呼吸運(yùn)行信號(hào)的采集更加貼近實(shí)際狀態(tài)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析后給出的呼吸門控信號(hào)更加準(zhǔn)確； 3. 本發(fā)明易于操作：在操作方面，將靶標(biāo)放置在胸腹部的任何位置，立體視覺測(cè)量單元 在保證靶標(biāo)落入測(cè)量范圍的情況下，位置可任意放置，保證了操作靈活性和簡(jiǎn)便性。
[0022] 上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說(shuō)明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。 本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。本發(fā)明多處僅僅對(duì)做出改進(jìn)的