一種基于立體視覺的呼吸門控系統及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于數字化自動控制領域，具體涉及一種利用立體視覺技術對病人的呼吸 信號進行采集和分析，并在設定的閾值處輸出呼吸門控信號的系統及控制方法。
【背景技術】
[0002] 在應用醫學影像設備(如CT、MRI等）時，由于患者的呼吸運動，通常會在胸腹部成 像時產生呼吸偽影，從而對所成圖像的清晰度產生明顯的影響，由此導致成像質量下降，從 而影響了對病灶的診斷。在目前的醫療影像設備中，為了解決胸腹部成像偽影問題，通常采 用呼吸門控技術進行規避和補償。
[0003] 呼吸門控技術的原理是通過呼吸監控設備（RPM，RespiratoryPercentMinute) 對呼吸信號進行采集，生成呼吸節律曲線，并人為設置閾值，在達到閾值時，會輸出門控信 號，控制醫學影像設備的采集開始和結束，從而達到呼吸門控的目標。目前，呼吸監控設備 RPM沒有標準化，它所輸出的呼吸信號除了振幅信號外，還有可能是相位信號，或能反映肺 的運動周期的其他參數信號。為了實現呼吸門控，一般醫學影像設備需要和內部集成或指 定提供的RPM設備在耦合的狀態下進行工作。
[0004] 呼吸門控系統按獲取呼吸信號的方式不同，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。
[0006] 該類呼吸門控技術的基本原理是：通過呼吸流量計或肺活量計等將被檢測到的呼 吸流量轉化為數字信號，設置閾值，由此產生門控信號。
[0007]如申請號是200720005748. 6、名稱為"數字化主動型呼吸門控系統"的專利中提出 了一種基于呼吸流量的呼吸門控技術，以及實現該技術的系統。該系統通過與呼吸整合裝 置相連接的呼吸流量計把被檢者呼吸流量轉化為數字信號并傳輸到計算機上，并根據檢測 到的潮氣量，通過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控制被檢 者的呼吸。
[0008]又如醫科大公司（Elekta)的主動呼吸控制系統（ActiveBreathingControl,ABC)，該系統利用帶有活瓣的呼吸導管控制患者呼吸。我們設定的治療時肺的體積為最大 吸氣量的75%，屏氣的開始和持續的時間由患者手中的支配活瓣開關的按鈕控制。患者在治 療時可以通過顯示屏幕看到自己的呼吸信息，當患者看到自己的呼吸深度到達設定的范圍 時，按下手中的控制按鈕，這時，活瓣將通氣導管關閉，患者開始屏氣，并讓加速器開始出束 治療。只有當患者的屏氣體積和設定范圍高度一致時，系統才實施治療。
[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。
[0010] 該類呼吸門控技術的原理是：通過壓力、熱敏等傳感器直接或間接測量由于呼吸 運動產生的信號變化，設置閾值，由此產生門控信號。
[0011] 如申請號是91205027. 6、名稱為"醫用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。該系統由熱敏電阻、放大器、采樣保持電路、比較器、單穩定 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 連的相關電路保存這幾次深呼或深吸的最大值，操作時，操作者按允許曝光開關，將取樣電 路保存的最大呼吸信號與實時的呼吸信號比較，一旦實時呼吸信號達到或超過保持的最大 信號，則立刻曝光，拍出最佳的X光片。
[0012] 又如申請號為200810055806. 5、名稱為"一種氣壓式呼吸門控系統"的專利中提出 了一種氣壓式呼吸門控系統。該呼吸門控系統由呼吸腹帶、壓力傳感器、信號處理單元、PC 機等組成，將呼吸腹帶固定在病人的腹部并充氣，病人的呼吸運動會導致呼吸腹帶內的氣 壓變化，連接的壓力傳感器能夠將這種氣壓變化轉換為數字信號，實現對呼吸信號的采集。
[0013] 3.基于體表特征或標記物的呼吸門控技術。
[0014] 該類呼吸門控技術的原理是：通過相機實時采集體表特征或標記物的圖像，利用 圖像處理的方法獲取它們的坐標變化，推算出呼吸信號，設置閾值，由此產生門控信號。
[0015] 如申請號為200810105863. 4、名稱為"基于腹部體表輪廓線參數數字化呼吸門控 信號的方法"的專利中提出了一種體表特征的呼吸門控系統。該系統的由一臺數字相機、計 算機組成，利用相機實時采集腹部體表輪廓線，利用圖像處理的方法獲取呼吸信號。
[0016]如美國Varian公司生產的RPM(Real-timePositionManagement)系統是一種 基于體表標記物的呼吸門控系統(鏈接地址：http://www.varian.com/ascns/oncology/ radiation_oncology/clinac/;rpm_;respi;rato;ry_gating.html)，該系統由--臺紅外足艮蹤相 機和計算機組成，利用相機跟蹤放置在病人胸腹部的靶標來測量病人的呼吸運動曲線和運 動幅度，并將這些信息以曲線的方式進行顯示。門控閾值設置在呼吸運動周期的理想位置 (比如波谷)，這些閾值決定了影像設備采集的開和關。
[0017]然而，上述的多重呼吸門控系統均存在不足： 1. 基于呼吸流量的呼吸門控技術的缺點在于需要病人佩戴口罩等來測量氣流量，其耐 受性較差； 2. 基于壓力傳感器的呼吸門控技術的缺點在于使用時需要將氣囊束縛在體表，給病人 帶來不適，操作也較復雜，針對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需要病人將胸腹部全部露出，給病人會帶來隱私方面 的顧慮，對于體表特征不明顯的肥胖者和兒童，門控效果不佳；同時，如基于體表標記物的 美國Varian公司的RPM系統，由于采用單相機進行圖像采集，這對靶標的要求較高，必須由 具有標準間距的多個特征點組成，此外，輸出的呼吸信號只能是二維坐標方向，而實際靶標 運動是三維坐標方向，因而對呼吸運動的分析不夠充分。
【發明內容】
[0018] 為克服現有技術中的不足，本發明要研發的"一種基于立體視覺的呼吸門控系統 及控制方法"，利用立體視覺技術，實現具有一種操作方便、可靠、高精度的呼吸門控系統。
[0019] 為了解決上述技術問題，實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現： 本發明獲取呼吸信號的方法是立體視覺技術，即采用兩個或兩個以上的相機搭建的立 體視覺測量系統，對放置在病人胸腹部的靶標進行實時空間（三維）定位，獲取隨時間變化 的體表運動幅度曲線。
[0020] 本發明的技術方案包括五個部分，即靶標、立體視覺測量單元、數據分析單元、通 信單元、控制單元。該技術方案的工作流程是：將靶標放置在病人的胸部或腹部，利用立體 視覺測量單元實時跟蹤定位祀標，獲取三維坐標序列，數據分析單元對坐標序列處理，獲得 呼吸運動曲線，并在設定的閾值處產生呼吸門控信號，通信系統負責與醫學影像設備交互， 完成呼吸門控信號對醫學影像設備的觸發采集。
[0021] 現有技術獲取呼吸信號的方法分別是：呼吸流量監測技術，即采用呼吸流量計監 測病人的呼吸流量，獲取隨時間變化的呼吸流量強度曲線；傳感器技術，即采用傳感器將病 人因呼吸運動而帶來氣壓、熱量等變化轉換為電信號，獲取隨時間變化的電信號強度曲線； 單目視覺技術，即采用單個相機采集體表或已放置標記物的體表的圖像，對體表的運動進 行二維監測，獲取隨時間變化的體表運動幅度曲線。與現有技術相比，本發明具有以下有益 效果： 1. 本發明結構簡單：在硬件方面，本發明只需要兩臺普通分辨率的數字相機、一臺計 算機或單片機處理器、機械支持結構等組成； 2. 本發明精度高、可靠性高：本發明采用了立體視覺技術，能夠給出靶標的空間坐標， 呼吸運行信號的采集更加貼近實際狀態，經數據分析后給出的呼吸門控信號更加準確； 3. 本發明易于操作：在操作方面，將靶標放置在胸腹部的任何位置，立體視覺測量單元 在保證靶標落入測量范圍的情況下，位置可任意放置，保證了操作靈活性和簡便性。
[0022] 上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段， 并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。 本發明的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細給出。本發明多處僅僅對做出改進的