基于激光测距的呼吸运动管理系统及方法

1.本发明涉及呼吸运动监测管理技术领域，尤其涉及基于激光测距的呼吸运动管理系统及方法。


背景技术：

2.呼吸运动是影响放疗精确度的一个重要误差来源，为了减少呼吸运动的影响，目前常采用4d ct、呼吸门控(gating)、追踪(tracking)、腹压 (abdominal compressing)及深吸气屏气(deep inspiration breath-hold，dibh)等技术。其中，dibh技术除了可以减少呼吸运动之外，还可以提高影像质量，减少剂量不确定性，以及减少乳腺癌照射时心脏和肺组织的剂量。因此，dbih技术是目前国际上放疗中一种常用的技术。然而，目前市面上实现dibh技术的产品均为进口产品，价格昂贵，只有少数大型放疗中心能够购买并在临床使用，严重限制了该技术的临床推广。
3.现有能实现dibh技术的产品包括：active breathing control(abc) (elekta)、spirodynxsdx system(spirodynr’x；france)、rpm(varian,palo alto, ca)、exac-trac(brainlab,feldkirchen,germany)、synchrony(accuray,morges, switzerland)、alignrt(visionrt,london,uk)、catalyst(c-rad,uppsala, sweden)等。
4.现有主要技术路线分为三类：
①
根据患者口含呼吸软管，根据患者呼吸经口的气流变化确定呼吸信号，引导进行dibh；该方法需要呼吸软管，气流涡轮，信号转换器，中央控制系统，充气泵及充气气囊等；一旦患者呼吸软管出现漏气，系统也无法进行监测；
②
在胸壁放置红外反射小球，红外反射小球随着胸壁的呼吸运动而运动，利用机房天花板上的摄像机获取红外小球的位置变化得到患者的呼吸信号；该方法需要在患者胸壁放置红外反射小球，小球需要用胶布进行固定，每次固定位置不一可能会对呼吸信号产生影响；
③
利用激光投影测距的方式，采用加速器机房天花板上安装三个激光源与摄像机，投射激光线条扫描患者胸壁轮廓，采用摄像机捕捉反射的光进行测距测量患者胸壁与摄像机的固定距离，根据胸壁轮廓的起伏获取呼吸信号。
5.方法
①②
需要额外添加辅助装置在患者身上，需要患者进行主动配合，方法
③
较方法
①②
使用简单，不需要在患者身上放置红外反射小球，也无需连接呼吸软管。但是，方法
①②③
都存在价格昂贵，操作相对复杂等缺点。同时，以上方法都没有考虑对患者进行呼吸训练以及呼吸运动预测的问题。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供基于激光测距的呼吸运动管理系统及方法，通过激光测距技术便捷、高效地进行呼吸运动管理。
7.为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
8.基于激光测距的呼吸运动管理系统，其特征在于，包括：
9.激光测距仪，所述激光测距仪上有发射激光的光源和用于接收散射光、漫反射光
的ccd摄像头，所述激光测距仪安装在摇臂上；
10.系统处理器，用于处理激光测距仪收集到的信号，控制摇臂和激光测距仪；
11.操作终端，用于接收操作人员对于激光测距仪和摇臂的操作指令，并将操作指令传送至系统处理器，所述操作终端通过通信模块与系统处理器通讯连接。
12.优选的，所述ccd摄像头前方设有光学透镜。
13.优选的，还包括固定杆，固定杆竖立且其与ct室、体位固定室或加速器治疗机房的床板边沿固定连接，所述摇臂固定端与固定杆固定连接，摇臂自由端与激光测距仪背面固定连接。
14.优选的，所述操作终端包括用于显示患者呼吸曲线的显示屏。
15.优选的，还包括语音模块，用于通过语音引导患者进行呼吸训练。
16.优选的，所述系统处理器与ct机相连。
17.优选的，所述系统处理器与放疗室的加速器相连。
18.基于激光测距的呼吸运动管理方法，包括以下步骤：
19.步骤s1：获取呼吸信号：操作摇臂使得激光测距仪的激光点或光圈投射至患者呼吸运动弧度最大处，采用激光三角法进行对于患者呼吸运动弧度最大处的连续测距，进而连续测量得到患者呼吸运动弧度最大处的呼吸运动度，将呼吸运动度的连续变化转换为呼吸信号；
20.步骤s2：呼吸运动训练：进行自由呼吸训练或深吸气屏气dibh训练；
21.所述自由呼吸训练包括：测量患者自由呼吸运动，测量周期为2-3分钟，根据所测的患者呼吸运动、通过深度神经网络学习所得到的患者呼吸运动曲线大数据模型生成适合患者的呼吸运动曲线，通过语音模块引导患者进行与适合患者的呼吸运动曲线相对应的呼吸运动；
22.所述深吸气屏气dibh训练包括：测量患者自由呼吸运动，测量周期为 2-3分钟，测量最大吸气量3-5次，根据最大吸气量的75％-90％设定屏气的阈值，根据所设定的阈值通过语音模块指导患者训练；
23.步骤s3：ct扫描：
24.若进行的是自由呼吸训练，将患者训练时的呼吸曲线与步骤s2中适合患者的呼吸运动曲线对比，若相匹配即可进行ct扫描，所述ct扫描为后门控式的4d ct扫描；
25.若进行的是深吸气屏气dibh训练，患者进行训练时的阈值与步骤s2中所设定的阈值一致，则在患者进行屏气时进行ct扫描；
26.步骤s4：加速器机房治疗：
27.若进行的是自由呼吸训练，根据ct定位时存储的患者呼吸曲线，通过语音模块引导患者调整呼吸，若实时的呼吸曲线与ct定位时存储的患者呼吸曲线相匹配即可进行cbct扫描，患者根据cbct影像配准调整治疗位置，调整治疗位置后再进行cbct扫描进行验证，然后根据计划系统设计计划时选择的门控窗进行出束治疗；
28.若进行的是深吸气屏气dibh训练，根据患者ct定位时时设定的屏气的阈值，通过语音模块引导患者进行屏气，若此时阈值与ct定位时的阈值一致，则在患者进行屏气时进行cbct扫描，根据cbct影像配准调整治疗位置，调整位置后再进行深吸气屏气dibh训练下的cbct扫描进行验证。
29.优选的，所述患者呼吸运动弧度最大处为人体剑突位置。
30.优选的，在所述连续测量患者呼吸运动弧度最大处的呼吸运动度中，测量精度为100μm，扫描频率为100hz。
31.本发明具有以下有益效果：
32.1、本发明采用单个激光测距仪(只要精度与扫描频率能满足需求)进行呼吸运动监测，不受场地限制，安装简单，价格便宜；
33.2、利用语音引导进行呼吸训练，提高患者呼吸运动幅度与频率的一致性，提高放疗的精准度；
34.3、操作简单，不需要在患者身上放置额外辅助装置，所需的呼吸监测点可以任意放置；
35.4、本发明可与4d ct扫描，门控治疗及吸气屏气dibh训练相结合，增强患者的呼吸训练效果。
附图说明
36.图1为本发明结构示意图；
37.图2为本发明具体实施方式示意图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
39.如图1、2所示，基于激光测距的呼吸运动管理系统，包括：
40.基于激光测距的呼吸运动管理系统，包括：
41.激光测距仪，所述激光测距仪上有发射激光的光源和用于接收散射光、漫反射光的ccd摄像头，所述激光测距仪安装在摇臂上。所述ccd摄像头前方设有光学透镜。
42.系统处理器，用于处理激光测距仪收集到的信号，控制摇臂和激光测距仪。
43.操作终端，用于接收操作人员对于激光测距仪和摇臂的操作指令，并将操作指令传送至系统处理器，所述操作终端通过通信模块与系统处理器通讯连接。
44.为固定激光测距仪，本发明还包括固定杆，固定杆竖立且其与ct 室、体位固定室或加速器治疗机房的床板边沿固定连接，所述摇臂固定端与固定杆固定连接，摇臂自由端与激光测距仪背面固定连接。
45.为显示患者呼吸曲线，所述操作终端包括用于显示患者呼吸曲线的显示屏。
46.为能够对使用者或病患进行语音提示，本发明还包括语音模块，用于通过语音引导患者进行呼吸训练。
47.同时，所述系统处理器与ct机相连。所述系统处理器与放疗室的加速器相连。
48.所述利用激光测距仪对患者胸壁固定点进行距离测量的原理如下：
49.使一束激光以特定角度照射到待测物体的参考位置上，激光在参考面上会发生散射、漫反射，将光敏传感器件放置在另一特定位置接收经透镜汇聚后的散射光、漫反射光。待测物体发生位移后，再使一束激光以特定角度照射到待测物体的待测位置上，将光敏传感器件放置在同一特定位置接收此时的散射光、漫反射光，因为待测物体位移前后激光散
射漫反射后的光路不同，光敏传感器件上光斑中心位置也不同，将前后两次光斑中心位置代入几何三角关系中，就可以计算得出物体的位移距离。
50.利用激光测距仪对患者胸壁固定点进行距离测量，获取患者胸廓起伏变化得到呼吸信号，激光测距仪安装方便，可安装于体位固定房间，ct定位房间，加速器治疗房间治疗床面等；因为只是获取患者的呼吸运动幅度，安装时可不考虑与加速器等等中心进行重合，对原有加速器已经安装其他辅助设备的也不影响本装置的使用效果；可上下左右调节，方便将激光源直接投射在患者胸壁呼吸运动最大的地方。可实现以下功能：
51.1、根据测量的患者呼吸运动幅度与频率，配合语音引导可以对患者进行呼吸训练，使患者的运动幅度与频率尽量保持一致，避免在后续的治疗过程中产生误差；
52.2、可与模拟定位ct关联，将呼吸信号以dicom rt格式传输到ct，实现4d ct扫描；
53.3、在加速器机房实际治疗时，可与加速器进行关联，自动或者手动控制 cbct扫描以及加速器治疗，实现呼吸门控治疗，或者是采用dibh技术治疗。
54.综上，可得到基于激光测距的呼吸运动管理方法，包括以下步骤：
55.步骤s1：获取呼吸信号：操作摇臂使得激光测距仪的激光点或光圈投射至患者呼吸运动弧度最大处，采用激光三角法进行对于患者呼吸运动弧度最大处的连续测距，进而连续测量得到患者呼吸运动弧度最大处的呼吸运动度，将呼吸运动度的连续变化转换为呼吸信号。
56.步骤s2：呼吸运动训练：进行自由呼吸训练或深吸气屏气dibh训练；
57.所述自由呼吸训练包括：测量患者自由呼吸运动，测量周期为2-3分钟，根据所测的患者呼吸运动、通过深度神经网络学习所得到的患者呼吸运动曲线大数据模型生成适合患者的呼吸运动曲线，通过语音模块引导患者进行与适合患者的呼吸运动曲线相对应的呼吸运动。
58.所述深吸气屏气dibh训练包括：测量患者自由呼吸运动，测量周期为 2-3分钟，测量最大吸气量3-5次，根据最大吸气量的75％-90％设定屏气的阈值，根据所设定的阈值通过语音模块指导患者训练。
59.步骤s3：ct扫描：
60.若进行的是自由呼吸训练，将患者训练时的呼吸曲线与步骤s2中适合患者的呼吸运动曲线对比，若相匹配即可进行ct扫描，所述ct扫描为后门控式的4d ct扫描。
61.若进行的是深吸气屏气dibh训练，患者进行训练时的阈值与步骤s2中所设定的阈值一致，则在患者进行屏气时进行ct扫描。
62.步骤s4：加速器机房治疗：
63.若进行的是自由呼吸训练，根据ct定位时存储的患者呼吸曲线，通过语音模块引导患者调整呼吸，若实时的呼吸曲线与ct定位时存储的患者呼吸曲线相匹配即可进行cbct扫描，患者根据cbct影像配准调整治疗位置，调整治疗位置后再进行cbct扫描进行验证，然后根据计划系统设计计划时选择的门控窗进行出束治疗。
64.若进行的是深吸气屏气dibh训练，根据患者ct定位时时设定的屏气的阈值，通过语音模块引导患者进行屏气，若此时阈值与ct定位时的阈值一致，则在患者进行屏气时进行cbct扫描，根据cbct影像配准调整治疗位置，调整位置后再进行深吸气屏气dibh训练下的cbct扫描进行验证。
65.在具体实施过程中，所述患者呼吸运动弧度最大处为人体剑突位置。在所述连续测量患者呼吸运动弧度最大处的呼吸运动度中，测量精度为100μ m，扫描频率为100hz。
66.当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。