一种影像引导方法及装置与流程

本发明涉及影像引导技术领域，具体涉及一种影像引导方法及装置。

背景技术：

光声成像（photoacousticimaging，pai）是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法，当脉冲激光照射到（热声成像则特指用无线电频率的脉冲激光进行照射）生物组织中时，组织的光吸收域将产生超声信号，我们称这种由光激发产生的超声信号为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像结合了纯光学组织成像中高分辨特性和纯超声组织成像中深穿透特性的优点，可得到高分辨率和高对比度的组织图像，从原理上避开了光散射的影响，突破了高分辨率光学成像深度“软极限”（~1mm），可实现50mm的深层活体内组织成像。

放射治疗的基本目标是最大限度地将x射线集中到病变区域内，杀死肿瘤细胞，而使周围正常组织和器官少受或者免受不必要的照射，即破坏恶性肿瘤和保存正常组织。放射治疗的成功与失败很大程度上决定于靶区剂量的准确性。从患者治疗计划的设计到治疗实施过程的各个环节都会产生一定的误差；在患者接受为期几周的分次治疗过程中始终充满着变数，身体治疗部位的位置和形状都可能发生变化，位于体内的靶区形状以及它与周围器官的位置关系也会发生改变，这些不确定性因素影响肿瘤实际照射剂量的分布，造成肿瘤脱靶或者危及器官损伤增加。

为提高放疗精度，影像引导放疗图像技术应运而生。影像引导放疗技术又称图像引导放射治疗，是将放射治疗机与影像设备相结合，在放射治疗过程中，采集治疗区域二维或者三维图像，利用这些图像信息，指导此次治疗和后续的治疗计划，以达到精确放疗的目的，本发明仅是一种成像处理的方法，不属于医学诊断治疗方法。

目前有多种肿瘤放射治疗影像引导技术，各种影像引导方式各有其优缺点，最先进的放疗设备当数tomotherapy系统，简称拓姆刀，该系统为直线加速器与螺旋ct的结合，在ct引导下，对恶性肿瘤患者进行高效、精确的治疗。将螺旋ct与直线加速器相结合，在机械学上难度较大，制造和维护成本非常高；这一设备根据螺旋ct设备检测到的穿透人体组织后的x射线剂量反推靶区射线剂量，误差较大；另外，该基于ct的放疗影像引导技术的实时性、分辨率有待提高；最后，该技术获取的影像信息不能反应组织的功能信息。电子射野影像引导系统或者x射线摄片的影像引导系统难以检测放疗过程中软组织的相对形态变化，引导图像也不能反映靶区x射线剂量分布，不具有实时性、图像的分辨率有待提高。电子射野影像引导系统、x射线影像引导系统、与直线加速器分离的基于ct的影像引导系统，必然会给患者增加额外的辐射，这类图像引导方式增加了放射敏感组织和器官损伤的风险。另外，不同软组织结构对高能射线的吸收衰减差别不大，导致引导图像对比度低且较模糊。超声引导是一种经济、无创、无辐射的影像引导技术，但超声成像依赖于生物组织的声阻抗差别，图像分辨率低，而且传统的超声影像不能反映生物组织内部的x射线吸收分布。

也就是说，目前没有一种图像处理装置和方法能够得到清楚、精确反映生物组织内部的x射线吸收分布的图像，现有技术中得到的图像普遍存在分辨率不高的现象。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种影像引导方法及装置，旨在通过影像引导装置采集放疗时脉冲式x射线激发出的光声信号，应用光声成像算法获取反映组织中x射线剂量分布的光声图像，使得组织中x射线剂量分布的图像更加清晰、准确，并且图像分辨率高。所述影像引导装置可以作为放疗的实时影像引导设备，是一种经济、无创、无辐射的影像引导技术，所述装置可以提供剂量图像引导放疗，有利于实现精确放疗。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种影像引导装置，其中，所述装置包括：

直线加速器控制台，用于控制直线加速器产生脉冲式x射线；

直线加速器，在所述直线加速器控制台控制下产生脉冲式x射线辐照肿瘤部位的组织，同时被辐照的组织产生光声信号；

超声探头，用于接收放疗过程中肿瘤部位的组织产生的光声信号；

定位支架，用于固定超声探头，并使超声探头与待检测组织表面接触；

前置放大电路，用于放大超声探头接收肿瘤部位产生的光声信号；

光声信号采集组件，用于采集肿瘤部位产生的光声信号并保存到计算机中；

同步触发电路，用于控制光声信号采集组件在预定时间采集前置放大电路的光声信号；

计算机，用于接收光声信号采集组件采集的数据，并将采集的数据进行滤波、去噪处理，通过光声成像算法得到反映组织中x射线剂量分布的光声图像；

所述定位支架与超声探头连接，用于固定超声探头；所述直线加速器控制台控制直线加速器产生辐照肿瘤部位的组织的脉冲式x射线后，超声探头接收肿瘤部位的组织产生的光声信号；所述前置放大电路与超声探头连接，前置放大电路放大超声探头接收的光声信号；所述光声信号采集组件与前置放大电路连接，所述同步触发电路的输入端连接由直线加速器控制台引出的辐照脉冲信号，输出端与光声信号采集组件相连接，所述光声信号采集组件与计算机连接，同步触发电路控制光声信号采集组件在预定时间采集前置放大电路的光声信号，并发送到计算机，计算机接收光声信号采集组件采集的数据后，将采集的数据进行滤波、去噪处理，应用光声成像算法生成反映组织中x射线剂量分布的光声图像。

所述的影像引导方法，其中，所述超声探头为多元线性阵列探头或者环状阵列探头；所述超声探头的带宽20khz～10mhz。

所述的影像引导方法，其中，所述定位支架通过在放疗定位支架上开一个与超声探头形状匹配的孔来固定超声探头，并使探头紧贴待检测组织表面。

所述的影像引导方法，其中，所述同步触发电路的输入端连接由直线加速器控制台引出的辐照脉冲信号，同步触发电路的输出端连接光声信号采集组件，触发光声信号采集组件进行光声信号的同步采集。

一种影像引导方法，其中，包括以下步骤：

步骤a、通过直线加速器控制台控制直线加速器产生脉冲式x射线辐照肿瘤部位的组织，所述组织吸收脉冲式x射线产生光声信号；

步骤b、超声探头接收肿瘤部位产生的光声信号，经前置放大电路放大后输入到光声信号采集组件，同步触发电路触发光声信号采集，所述光声信号采集组件将采集的数据存储到计算机中；

步骤c、计算机将采集的数据进行滤波、去噪处理，通过光声成像算法得到反映组织中x射线剂量分布的光声图像。

所述的影像引导方法，其中，所述步骤a之前还包括：

步骤s，预先将超声探头固定在定位支架上，且与肿瘤部位皮肤通过耦合剂进行紧密接触。

所述的影像引导方法，其中，所述耦合剂为临床使用的超声耦合剂。

所述的影像引导方法，其中，所述步骤a具体包括：

步骤a1、直线加速器控制台根据预先制定的放疗计划控制直线加速器产生一定射线剂量与射野大小脉冲式x射线来辐照肿瘤部位的组织；

步骤a2、肿瘤部位的组织吸收脉冲式x射线后产生光声信号。

所述的影像引导方法，其中，所述步骤b具体包括：

步骤b1、预先设置同步触发电路的输入端连接由直线加速器控制台引出的辐照脉冲信号，同步触发电路的输出端连接光声信号采集组件；

步骤b2、超声探头接收肿瘤部位产生的光声信号，同时，通过同步触发电路触发光声信号采集组件进行光声信号的同步采集；

步骤b3、所述光声信号经前置放大电路放大后输入到光声信号采集组件，所述光声信号采集组件将采集的数据存储到计算机中。

所述的影像引导方法，其中，所述步骤c具体包括：

步骤c1、预先在计算机内设置自编的数据采集控制程序和光声图像重建程序；

步骤c2、当计算机接收到光声信号采集组件采集的数据后，将采集的数据进行滤波、去噪处理；

步骤c3、将处理后的数据通过光声成像算法得到反映组织中x射线剂量分布的光声图像。

本发明的有益效果：本发明提供的一种影像引导方法及装置，所述装置包括：用于控制直线加速器产生脉冲式x射线的直线加速器控制台；用于接收放疗过程中肿瘤部位的组织产生的光声信号的超声探头；用于固定超声探的定位支架；用于放大光声信号的前置放大电路；用于采集光声信号的光声信号采集组件；用于控制光声信号采集组件在预定时间采集前置放大电路的光声信号的同步触发电路；用于接收光声信号采集组件采集的数据，并将采集的数据进行滤波、去噪处理，通过光声成像算法得到反映组织中x射线剂量分布的光声图像的计算机。

本发明通过影像引导装置采集放疗时脉冲式x射线激发出的光声信号，应用光声成像算法获取反映组织中x射线剂量分布的光声图像，使得组织中x射线剂量分布的图像更加清晰、准确，图像分辨率高。所述影像引导装置可以作为放疗的实时影像引导设备，是一种经济、无创、无辐射的影像引导技术，所述装置可以提供剂量图像引导放疗，有利于实现精确放疗。。

附图说明

图1是本发明影像引导装置的较佳实施例的功能原理框图。

图2是本发明影像引导方法的较佳实施例的流程图。

图3是本发明影像引导方法中采集铅块的光声信号的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明较佳实施例所述的图1是本发明影像引导装置的较佳实施例的功能原理框图，如图1所示，所述装置包括：

直线加速器控制台10，用于控制直线加速器20产生脉冲式x射线；

直线加速器20，在所述直线加速器控制台10控制下产生脉冲式x射线辐照肿瘤部位的组织，同时被辐照的组织产生光声信号；

超声探头30，用于接收放疗过程中肿瘤部位的组织产生的光声信号；

定位支架40，用于固定超声探头30，并使超声探头30与待检测组织表面接触；

前置放大电路50，用于放大超声探头30接收肿瘤部位产生的光声信号；

光声信号采集组件60，用于采集肿瘤部位产生的光声信号并保存到计算机80中；

同步触发电路70，用于控制光声信号采集组件60在预定时间采集前置放大电路50的光声信号；

计算机80，用于接收光声信号采集组件60采集的数据，并将采集的数据进行滤波、去噪处理，通过光声成像算法得到反映组织中x射线剂量分布的光声图像；

所述定位支架40与超声探头30连接，用于固定超声探头30；所述直线加速器控制台10控制直线加速器20产生辐照肿瘤部位的组织的脉冲式x射线后，超声探头30接收肿瘤部位的组织产生的光声信号；所述前置放大电路50与超声探头30连接，前置放大电路50放大超声探头30接收的光声信号；所述光声信号采集组件60与前置放大电路50连接，所述同步触发电路70的输入端连接由直线加速器控制台10引出的辐照脉冲信号，输出端与光声信号采集组件60相连接，所述光声信号采集组件60与计算机80连接，同步触发电路70控制光声信号采集组件60在预定时间采集前置放大电路50的光声信号，并发送到计算机80，计算机80接收光声信号采集组件60采集的数据后，将采集的数据进行滤波、去噪处理，应用光声成像算法生成反映组织中x射线剂量分布的光声图像。

所述的影像引导装置，其中，所述超声探头30为多元线性阵列探头或者环状阵列探头；所述超声探头30的带宽20khz～10mhz。

所述的影像引导装置，其中，所述定位支架40通过在放疗定位支架上开一个与超声探头30形状匹配的孔来固定超声探头30，并使超声探头30紧贴待检测组织表面。

所述的影像引导装置，其中，所述同步触发电路70的输入端连接由直线加速器控制台10引出的辐照脉冲信号，同步触发电路70的输出端连接光声信号采集组件60，触发光声信号采集组件60进行光声信号的同步采集。

所述的影像引导装置，其中，所述计算机80内有自编的数据采集控制软件和光声图像重建程序。

另外，本发明还提供一种影像引导方法，如图2所示，所述影像引导方法包括以下步骤：

步骤s100、通过直线加速器控制台控制直线加速器产生脉冲式x射线辐照肿瘤部位的组织，所述组织吸收脉冲式x射线产生光声信号。

较佳地，所述步骤s100包括以下步骤：

步骤s101、直线加速器控制台根据预先制定的放疗计划控制直线加速器产生一定射线剂量与射野大小脉冲式x射线来辐照肿瘤部位的组织；

步骤s102、肿瘤部位的组织吸收脉冲式x射线后产生光声信号。

具体实施时，在所述步骤s100之前还包括：预先将超声探头固定在定位支架上，且与肿瘤部位皮肤通过耦合剂进行紧密接触；所述超声探头为多元线性阵列探头或者环状阵列探头，便于超声探头接收多个位置的光声信号，所述超声探头只负责接收放疗过程中组织产生的光声信号，不做发射信号用，探头的带宽为20khz～10mhz；所述定位支架可以通过在目前医院给患者制作的放疗定位支架上开一个与探头形状匹配的孔来固定超声探头，并使探头紧贴待测组织表面，方便实用。

耦合剂是一种水溶性高分子胶体，它是用来排除探头和被测物体之间的空气，使超声波能有效地穿入被测物达到有效检测目的，本发明中所述耦合剂为临床使用的超声耦合剂，是一种由新一代水性高分子凝胶组成的医用产品，ph值为中性，对人体无毒无害，不易干燥，不易酸败，超声显像清晰，粘稠性适宜，无油腻性，探头易于滑动，可湿润皮肤，消除皮肤表面空气，润滑性能好，易于展开；对超声探头无腐蚀、无损伤；市面上出现了具有杀菌消毒功能的超声耦合剂，相对于传统的普通型耦合剂，对于生产环境的更加严格，适用的范围也更广泛。

步骤s200、超声探头接收肿瘤部位产生的光声信号，经前置放大电路放大后输入到光声信号采集组件，同步触发电路触发光声信号采集，所述光声信号采集组件将采集的数据存储到计算机中。

较佳地，所述步骤s200包括以下步骤：

步骤s201、预先设置同步触发电路的输入端连接由直线加速器控制台引出的辐照脉冲信号，同步触发电路的输出端连接光声信号采集组件；

步骤s202、超声探头接收肿瘤部位产生的光声信号，同时，通过同步触发电路触发光声信号采集组件进行光声信号的同步采集；

步骤s203、所述光声信号经前置放大电路放大后输入到光声信号采集组件，所述光声信号采集组件将采集的数据存储到计算机中。

具体实施时，直线加速器控制台控制直线加速器产生脉冲式x射线，射线剂量、射野大小等依据放疗计划进行，同步触发电路的输入端连接由直线加速器控制台引出的辐照脉冲信号，同步触发电路的输出端连接光声信号采集组件，触发光声信号采集组件进行光声信号的同步采集。同步触发电路的作用是控制光声信号采集组件在何时进行光声信号采集。由于直线加速器控制台产生的是脉冲式的x射线信号，因此，要统一确定是在对应脉冲的上升沿开始采集光声信号还是在脉冲的下降沿开始采集，另外，在第几个x射线脉冲辐照时进行采集，都要通过设置同步触发电路来控制。

步骤s300、计算机将采集的数据进行滤波、去噪处理，通过光声成像算法得到反映组织中x射线剂量分布的光声图像。

较佳地，所述步骤s300具体包括：

步骤s301、预先在计算机内设置自编的数据采集控制程序和光声图像重建程序；

步骤s302、当计算机接收到光声信号采集组件采集的数据后，将采集的数据进行滤波、去噪处理；

步骤s303、将处理后的数据通过光声成像算法得到反映组织中x射线剂量分布的光声图像

具体地，当采用脉冲式x射线、高能电子、中子和其他带电粒子等照射肿瘤部位的组织时，组织吸收光能量而升温膨胀，又由于采用的是脉冲式的光照射肿瘤部位的组织，组织受到类似加热冷却的交替作用过程，并且不同组织对光吸收存在差异，组织中将产生光致热弹超声信号（也称光声信号），超声信号经耦合剂耦合被超声探头接收，接收的信号经前置放大电路放大后，再由多通道并行高速数据光声信号采集组件采集并存储到计算机，借助光声图像重建算法（本发明中光声图像重建算法为现有的基于脉冲激光照射的光声成像算法）重建出组织内部的光声图像，该图像反映了组织中放射线的剂量分布信息。

本发明的成像方法和装置可以提供放疗过程中组织中的x射线剂量分布图像，所述图像清新、准确、分辨率高。

本发明的方法和装置与现有技术相比具有如下优点及效果：

1.本发明将放疗用的x射线作为光声成像的激发光源，利用不同组织对x射线的吸收差异以及放疗过程中组织特性的改变，可以得到高分辨率高对比度的光声图像，所重建的图像不仅仅反应了组织的结构信息，还反映了组织光学特性的变化，可以提供更多的组织信息。

2.本发明巧妙地将放疗用的x射线作为光声成像的激发光源，因此，本发明的影像引导方法不需要引入额外的激发光源，不会给患者增加射线辐射。

3.采集到的是组织在接收放疗过程中产生的声信号，所重建的图像为放疗实时监测图像，具体为利用本发明装置的影像引导过程。

4.本发明中的影像引导装置由超声探头、前置放大电路、多通道并行实时采集系统和计算机等组成，整个成像装置的造价较现有的影像引导系统低。

5.应用光声图像作为放疗治疗的引导图像，不仅能敏感的探测出肿瘤部位的微小变化、还能实现反映组织功能的成像，比如组织的粘弹性变化、细胞代谢功能的改变等。因此，每次放疗得到的光声图像可以用来评价放疗效果。

6.采用放疗x射线作为光声成像的激发光源，可实现较深层组织成像，得到的图像信息更加清楚、准确。

为使得本发明的影像引导方法更加清楚，本发明以一个具体实施例进行说明，本实施例通过采集的铅块的光声信号来说明本发明的可行性及效果。

本发明提供一模拟实施例，如图3所示，为放疗x光辐照下检测到的光声信号图像，将铅块放置在水槽中，水槽中装满了水作为耦合剂，水浸式探头（olympus,v301-su）置于水中。

与探头连接的前置放大器（olympus5662）放大倍数设置为34db，使用示波器（tektronixdpo5054）为采集系统，采样频率设置为5mhz。

直线加速器型号为siemensprimus，选用低能6mv这一档，剂量设置为200mu/min，样品上x光的光斑为10cm*10cm。

将直线加速器x光脉冲信号作为同步触发电路的输入信号，采用下降沿触发采集。对512个x光脉冲辐照时采集到的光声信号进行平均以提高信噪比。

图3中80us~150us这一时间的信号为来自样本铅块所产生的光声信号，0~50us之前的信号为电磁干扰等环境噪声。

铅块上所产生的光声信号明显较强，反映了x光吸收的分布，若采用环形超声探头并行接收，将可以检测到多个角度下的光声信号，进而可以用光声重建算法得到x光脉冲辐照下的光声图像。

综上所述，本发明提供了一种影像引导方法及装置，所述装置包括：用于控制直线加速器产生脉冲式x射线的直线加速器控制台；用于接收放疗过程中肿瘤部位的组织产生的光声信号的超声探头；用于固定超声探的定位支架；用于放大光声信号的前置放大电路；用于采集光声信号的光声信号采集组件；用于控制光声信号采集组件在预定时间采集前置放大电路的光声信号的同步触发电路；用于接收光声信号采集组件采集的数据，并将采集的数据进行滤波、去噪处理，通过光声成像算法得到反映组织中x射线剂量分布的光声图像的计算机。本发明通过影像引导装置采集放疗时脉冲式x射线激发出的光声信号，应用光声成像算法获取反映组织中x射线剂量分布的光声图像，使得组织中x射线剂量分布的图像更加清晰、准确，图像分辨率高。所述影像引导装置可以作为放疗的实时影像引导设备，是一种经济、无创、无辐射的影像引导技术，所述装置可以提供剂量图像引导放疗，有利于实现精确放疗。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。