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面向肺癌近距离放疗手术的自动定位实时追踪系统
资料介绍
为辅助医生完成肺癌近距离放疗粒子植入手术,实现远距离监控下的穿刺用模板自动定位,研发了由机器人定位系统、电磁定位追踪系统和治疗计划系统(TPS)组成的模板自动定位实时追踪系统.针对术中空间配准,提出了四元数(quaternion)-最近点迭代(ICP)混合算法,CT环境下的现场实验结果表明,其配准精度达到(0.87±0.11),mm.模板定位追踪实验结果表明,系统的追踪精度达到(1.01±0.10),mm,满足手术需求.该系统的应用实现了模板的精确快速定位,对降低医生工作强度、减少病人所受辐射与加快肺癌近距离放疗手术进程,有着重要的临床意义.
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（完整内容请下载后查看）第 51 卷 第 4 期
2018 年 4 月
天津大学学报(自然科学与工程技术版)
Vol. 51 No. 4
Apr. 2018
Journal of Tianjin University(Science and Technology)
DOI:10.11784/tdxbz201706028
面向肺癌近距离放疗手术的自动定位实时追踪系统
姜 杉，陈超民，窦怀素，杨志永
(天津大学机械工程学院，天津 300350)
摘
要：为辅助医生完成肺癌近距离放疗粒子植入手术，实现远距离监控下的穿刺用模板自动定位，研发了由机器
人定位系统、电磁定位追踪系统和治疗计划系统(TPS)组成的模板自动定位实时追踪系统．针对术中空间配准，提
出了四元数(quaternion)-最近点迭代(ICP)混合算法，CT 环境下的现场实验结果表明，其配准精度达到(0.87±
0.11),mm．模板定位追踪实验结果表明，系统的追踪精度达到(1.01±0.10),mm，满足手术需求．该系统的应用实现
了模板的精确快速定位，对降低医生工作强度、减少病人所受辐射与加快肺癌近距离放疗手术进程，有着重要的临
床意义．
关键词：近距离放疗；模板；自动定位；空间配准；实时追踪
中图分类号：TP24；TP391
文献标志码：A
文章编号：0493-2137(2018)04-0373-07
Automatic Positioning and Real-Time Tracking System for
Lung Cancer Brachytherapy
Jiang Shan，Chen Chaomin，Dou Huaisu，Yang Zhiyong
(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China)
Abstract：To assist the surgeons in lung cancer brachytherapy，an automatic positioning and real-time tracking sys-
tem consisting of robotic positioning system，electromagnetic-positioning and tracking system and treatment planning
system(TPS)was developed to achieve the automatic template positioning under remote monitoring．To cope with the
issue of spatial registration，a quaternion-based iterative closest point(QICP)algorithm was proposed．Results of field
experiment in a CT room show that the proposed QICP algorithm achieves a registration accuracy of (0.87±
0.11),mm．It is also validated by the tracking experiments that the proposed system achieves a tracking accuracy of
(1.01±0.10),mm，which meets the clinical requirements．The application of the system accomplishes precise and
quick positioning of the template，which is of great significance in lessening the workload of surgeons，reducing the
CT radiation injury to the patient and accelerating the progress of a lung brachytherapy surgery.
Keywords：brachytherapy；template；automatic positioning；spatial registration；real-time tracking
肺癌是我国乃至世界上最常见的呼吸系统恶性
[4-6]
板引导 125,I 放射性粒子植入治疗肺癌的规范化技术
[1-3]
肿瘤之一 ．近年来，将放射性粒子通过穿刺的方
[7-9]
流程，在肺癌治疗中取得了令人满意的疗效 ．该
法植入到肿瘤内的近距离治疗手术已成为我国临床
流程的主要技术路线如下：首先，患者在术前按照手
术体位进行 CT 扫描；其次，将所得医学图像信息以
DICOM 格式导入 TPS，进行术前计划，包括靶区勾
画、粒子空间布置、最佳进针路径选择与在进针方向
肿瘤治疗的热点之一 ．中国北方放射性粒子多中
心协作组通过大量临床研究，结合治疗计划系统
(treatment planning system，TPS)制定的 CT 联合模
收稿日期：2017-06-12；修回日期：2017-08-20.
作者简介：姜 杉（1973—
），女，教授，
通讯作者：陈超民，
基金项目：国家自然科学基金重点项目(51775368)；天津市科技重大专项项目(14ZCDZGX00490)；广东省省级科技计划项目
(2017B020210004).
Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.,51775368)，the Key Technology and Development Program of the Tian-
jin Municipal Science and Technology Commission(No.,14ZCDZGX00490)and the Technology Planning Project of Guangdong
Province，China(No.,2017B020210004).
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天津大学学报(自然科学与工程技术版)
第 51 卷 第 4 期
[12-13]
术导航系统中
，本文正是选用电磁定位追踪系
上生成虚拟模板；之后，提取出虚拟模板的位置、角
度信息，在患者体表手动安装、调整和固定模板．最
后，通过模板上均匀设计的引导针道将插植针一次性
插入，完成粒子植入手术．
统，主要承担两部分功能：将一路电磁接收器固定于
[14]
探针尾部完成标定后 可直接获取患者体表所贴标
记点在真实空间中的坐标并储存，用以完成空间配
准；将另一路电磁接收器固定于模板上，用以完成对
模板位姿的实时追踪．
随着医学图像处理及剂量规划计算等技术的快
[10-11]
速发展，理想的术前计划可以在TPS 中得以制定
.
然而，术前计划能否精准地在临床手术中得以实现，
很大程度上取决于穿刺用模板的实际定位精度．目
前，在临床肺癌近距离放疗手术中，外科医生在完成
术前治疗计划之后，不可避免地要花费大量时间和精
力，通过手动方式借助简易的粒子植入定位装置完成
模板的安装和调整，以求达到术前计划所确定的理想
位置和角度．而且，手动定位的方式精度通常不高
(低于 3,mm)，因此在术中需要对模板的定位通过多
次的 CT 扫描加以确认，才能保证最终的插植针实际
进针路径的准确性．
（a）机器人辅助定位系统
（b）电磁定位追踪系统
为此，本文从临床实际需求出发，研发了一套面
向肺癌近距离放疗手术的模板自动定位实时追踪系
统．该系统借助辅助定位机器人、电磁定位追踪技术
和 TPS，旨在辅助外科医生远程完成穿刺模板的精
确、快速定位及对该自动过程的监控，将医生从繁琐
的模板定位现场解放出来，降低医生工作强度，减少
CT 扫描次数，加快穿刺手术的进程，从而提高手术
效率．
（c）治疗计划系统 TPS
图 1 自动定位实时追踪系统关键组成
Fig.1 Key components of automatic positioning and real-
time tracking system
1 系统整体设计
治疗计划系统(TPS)(图 1(c)所示)由本实验室
独立研发，除了含有常规的三维重建、术前计划等模
块，更创新性地设计了手术导航模块，包括机器人驱
动控制、空间配准与模板的追踪与可视化功能．机器
人在自动定位的过程中，将电磁定位系统实时追踪的
模板位姿信息通过空间配准映射到 TPS 中三维重建
的虚拟空间，实时刷新虚拟模板在该空间的位姿信
息，实现模板定位在 TPS 窗口中的可视化，使得医生
在远离 CT 室的监控室内对机器人辅助定位这一自
动过程进行监测和评估成为可能．本文在 TPS 中实
现了追踪结果的实时图像显示，该可视化模块的软件
界面如图 2 所示．
1.1 系统结构
本文提出的肺癌近距离放疗手术的自动定位追
踪系统，由机器人辅助定位系统、电磁定位追踪系统
和 TPS 三部分组成，如图 1 所示．
作为夹持模板实现自动定位的直接载体，本实验
室独立研发了一套机器人辅助定位系统，如图 1(a)
所示．机械结构上，该机器人采用连床式安装，根据
患者体部肿瘤的位置，可选择固定于 CT 床左侧或右
侧，圆弧导轨结构的引入方便了患者进行术中躺
位．穿刺用模板则被夹持于机器人的末端执行器
上．控制方面，机器人采用基于 ARM 的嵌入式控制
系统，上位机运动控制模块则被集成于 TPS 中．手术
中，医生从 TPS 的治疗诊断结果中提取出模板的位
姿信息后与机器人实时通讯，即可直接驱动机器人完
成模板的自动定位．
1.2 手术流程
结合现行的肺癌近距离放疗手术的技术流程，应
用本文研发的自动定位实时追踪系统，根据临床需求
制定的机器人辅助定位的肺癌近距离放疗手术流程
如图 3 所示．
空间定位是实现模板运动追踪的关键．电 磁 定
位技术凭借其使用方便、价格较低、无追踪盲区、较
为理想的精度等优势，已被越来越多地应用于临床手
术前，在患者胸部粘贴 6～12 枚可以包裹住肺部
并且可在 CT 中呈明亮清晰图像的标记点．患者接受
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