一种基于立体视觉的呼吸门控系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数字化自动控制领域，具体涉及一种利用立体视觉技术对病人的呼吸 信号进行采集和分析，并在设定的阈值处输出呼吸门控信号的系统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 在应用医学影像设备(如CT、MRI等）时，由于患者的呼吸运动，通常会在胸腹部成 像时产生呼吸伪影，从而对所成图像的清晰度产生明显的影响，由此导致成像质量下降，从 而影响了对病灶的诊断。在目前的医疗影像设备中，为了解决胸腹部成像伪影问题，通常采 用呼吸门控技术进行规避和补偿。
[0003] 呼吸门控技术的原理是通过呼吸监控设备（RPM，RespiratoryPercentMinute) 对呼吸信号进行采集，生成呼吸节律曲线，并人为设置阈值，在达到阈值时，会输出门控信 号，控制医学影像设备的采集开始和结束，从而达到呼吸门控的目标。目前，呼吸监控设备 RPM没有标准化，它所输出的呼吸信号除了振幅信号外，还有可能是相位信号，或能反映肺 的运动周期的其他参数信号。为了实现呼吸门控，一般医学影像设备需要和内部集成或指 定提供的RPM设备在耦合的状态下进行工作。
[0004] 呼吸门控系统按获取呼吸信号的方式不同，大致可以分为如下三类。
[0005] 1?基于呼吸流量的呼吸门控技术。
[0006] 该类呼吸门控技术的基本原理是：通过呼吸流量计或肺活量计等将被检测到的呼 吸流量转化为数字信号，设置阈值，由此产生门控信号。
[0007]如申请号是200720005748. 6、名称为"数字化主动型呼吸门控系统"的专利中提出 了一种基于呼吸流量的呼吸门控技术，以及实现该技术的系统。该系统通过与呼吸整合装 置相连接的呼吸流量计把被检者呼吸流量转化为数字信号并传输到计算机上，并根据检测 到的潮气量，通过操作者控制装置由患者口含的具有单向阀门作用的呼吸器主动控制被检 者的呼吸。
[0008]又如医科大公司（Elekta)的主动呼吸控制系统（ActiveBreathingControl,ABC)，该系统利用带有活瓣的呼吸导管控制患者呼吸。我们设定的治疗时肺的体积为最大 吸气量的75%，屏气的开始和持续的时间由患者手中的支配活瓣开关的按钮控制。患者在治 疗时可以通过显示屏幕看到自己的呼吸信息，当患者看到自己的呼吸深度到达设定的范围 时，按下手中的控制按钮，这时，活瓣将通气导管关闭，患者开始屏气，并让加速器开始出束 治疗。只有当患者的屏气体积和设定范围高度一致时，系统才实施治疗。
[0009] 2.基于传感器(如压力传感器、热敏传感器等）的呼吸门控技术。
[0010] 该类呼吸门控技术的原理是：通过压力、热敏等传感器直接或间接测量由于呼吸 运动产生的信号变化，设置阈值，由此产生门控信号。
[0011] 如申请号是91205027. 6、名称为"医用X线拍胸腹片曝光控制器"的专利中提出了 一种热敏电阻式呼吸门控系统。该系统由热敏电阻、放大器、采样保持电路、比较器、单稳定 接口组成，利用热敏电阻作为探头，放到患者鼻口处，让患者做几次深呼或深吸，与探头相 连的相关电路保存这几次深呼或深吸的最大值，操作时，操作者按允许曝光开关，将取样电 路保存的最大呼吸信号与实时的呼吸信号比较，一旦实时呼吸信号达到或超过保持的最大 信号，则立刻曝光，拍出最佳的X光片。
[0012] 又如申请号为200810055806. 5、名称为"一种气压式呼吸门控系统"的专利中提出 了一种气压式呼吸门控系统。该呼吸门控系统由呼吸腹带、压力传感器、信号处理单元、PC 机等组成，将呼吸腹带固定在病人的腹部并充气，病人的呼吸运动会导致呼吸腹带内的气 压变化，连接的压力传感器能够将这种气压变化转换为数字信号，实现对呼吸信号的采集。
[0013] 3.基于体表特征或标记物的呼吸门控技术。
[0014] 该类呼吸门控技术的原理是：通过相机实时采集体表特征或标记物的图像，利用 图像处理的方法获取它们的坐标变化，推算出呼吸信号，设置阈值，由此产生门控信号。
[0015] 如申请号为200810105863. 4、名称为"基于腹部体表轮廓线参数数字化呼吸门控 信号的方法"的专利中提出了一种体表特征的呼吸门控系统。该系统的由一台数字相机、计 算机组成，利用相机实时采集腹部体表轮廓线，利用图像处理的方法获取呼吸信号。
[0016]如美国Varian公司生产的RPM(Real-timePositionManagement)系统是一种 基于体表标记物的呼吸门控系统(链接地址：http://www.varian.com/ascns/oncology/ radiation_oncology/clinac/;rpm_;respi;rato;ry_gating.html)，该系统由--台红外足艮踪相 机和计算机组成，利用相机跟踪放置在病人胸腹部的靶标来测量病人的呼吸运动曲线和运 动幅度，并将这些信息以曲线的方式进行显示。门控阈值设置在呼吸运动周期的理想位置 (比如波谷)，这些阈值决定了影像设备采集的开和关。
[0017]然而，上述的多重呼吸门控系统均存在不足： 1. 基于呼吸流量的呼吸门控技术的缺点在于需要病人佩戴口罩等来测量气流量，其耐 受性较差； 2. 基于压力传感器的呼吸门控技术的缺点在于使用时需要将气囊束缚在体表，给病人 带来不适，操作也较复杂，针对老人和儿童操作更为困难； 3. 基于热敏传感器的呼吸门控技术由于要放在病人的口鼻处，容易造成患者间的交叉 感染； 4. 基于体表特征的呼吸门控技术需要病人将胸腹部全部露出，给病人会带来隐私方面 的顾虑，对于体表特征不明显的肥胖者和儿童，门控效果不佳；同时，如基于体表标记物的 美国Varian公司的RPM系统，由于采用单相机进行图像采集，这对靶标的要求较高，必须由 具有标准间距的多个特征点组成，此外，输出的呼吸信号只能是二维坐标方向，而实际靶标 运动是三维坐标方向，因而对呼吸运动的分析不够充分。
【发明内容】
[0018] 为克服现有技术中的不足，本发明要研发的"一种基于立体视觉的呼吸门控系统 及控制方法"，利用立体视觉技术，实现具有一种操作方便、可靠、高精度的呼吸门控系统。
[0019] 为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现： 本发明获取呼吸信号的方法是立体视觉技术，即采用两个或两个以上的相机搭建的立 体视觉测量系统，对放置在病人胸腹部的靶标进行实时空间（三维）定位，获取随时间变化 的体表运动幅度曲线。
[0020] 本发明的技术方案包括五个部分，即靶标、立体视觉测量单元、数据分析单元、通 信单元、控制单元。该技术方案的工作流程是：将靶标放置在病人的胸部或腹部，利用立体 视觉测量单元实时跟踪定位祀标，获取三维坐标序列，数据分析单元对坐标序列处理，获得 呼吸运动曲线，并在设定的阈值处产生呼吸门控信号，通信系统负责与医学影像设备交互， 完成呼吸门控信号对医学影像设备的触发采集。
[0021] 现有技术获取呼吸信号的方法分别是：呼吸流量监测技术，即采用呼吸流量计监 测病人的呼吸流量，获取随时间变化的呼吸流量强度曲线；传感器技术，即采用传感器将病 人因呼吸运动而带来气压、热量等变化转换为电信号，获取随时间变化的电信号强度曲线； 单目视觉技术，即采用单个相机采集体表或已放置标记物的体表的图像，对体表的运动进 行二维监测，获取随时间变化的体表运动幅度曲线。与现有技术相比，本发明具有以下有益 效果： 1. 本发明结构简单：在硬件方面，本发明只需要两台普通分辨率的数字相机、一台计 算机或单片机处理器、机械支持结构等组成； 2. 本发明精度高、可靠性高：本发明采用了立体视觉技术，能够给出靶标的空间坐标， 呼吸运行信号的采集更加贴近实际状态，经数据分析后给出的呼吸门控信号更加准确； 3. 本发明易于操作：在操作方面，将靶标放置在胸腹部的任何位置，立体视觉测量单元 在保证靶标落入测量范围的情况下，位置可任意放置，保证了操作灵活性和简便性。
[0022] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。 本发明的【具体实施方式】由以下实施例及其附图详细给出。本发明多处仅仅对做出改进的