姜?杉，陳超民，竇懷素，楊志永

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面向肺癌近距離放療手術(shù)的自動(dòng)定位實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)

姜?杉，陳超民，竇懷素，楊志永

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350)

為輔助醫(yī)生完成肺癌近距離放療粒子植入手術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控下的穿刺用模板自動(dòng)定位，研發(fā)了由機(jī)器人定位系統(tǒng)、電磁定位追蹤系統(tǒng)和治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)組成的模板自動(dòng)定位實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)．針對(duì)術(shù)中空間配準(zhǔn)，提出了四元數(shù)(quaternion)-最近點(diǎn)迭代(ICP)混合算法，CT環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其配準(zhǔn)精度達(dá)到(0.87±0.11),mm．模板定位追蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的追蹤精度達(dá)到(1.01±0.10),mm，滿足手術(shù)需求．該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了模板的精確快速定位，對(duì)降低醫(yī)生工作強(qiáng)度、減少病人所受輻射與加快肺癌近距離放療手術(shù)進(jìn)程，有著重要的臨床意義．

近距離放療；模板；自動(dòng)定位；空間配準(zhǔn)；實(shí)時(shí)追蹤

肺癌是我國乃至世界上最常見的呼吸系統(tǒng)惡性腫瘤之一[1-3]．近年來，將放射性粒子通過穿刺的方法植入到腫瘤內(nèi)的近距離治療手術(shù)已成為我國臨床腫瘤治療的熱點(diǎn)之一[4-6]．中國北方放射性粒子多中心協(xié)作組通過大量臨床研究，結(jié)合治療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)制定的CT聯(lián)合模板引導(dǎo)125,I放射性粒子植入治療肺癌的規(guī)范化技術(shù)流程，在肺癌治療中取得了令人滿意的療效[7-9]．該流程的主要技術(shù)路線如下：首先，患者在術(shù)前按照手術(shù)體位進(jìn)行CT掃描；其次，將所得醫(yī)學(xué)圖像信息以DICOM格式導(dǎo)入TPS，進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃，包括靶區(qū)勾畫、粒子空間布置、最佳進(jìn)針路徑選擇與在進(jìn)針方向上生成虛擬模板；之后，提取出虛擬模板的位置、角度信息，在患者體表手動(dòng)安裝、調(diào)整和固定模板．最后，通過模板上均勻設(shè)計(jì)的引導(dǎo)針道將插植針一次性插入，完成粒子植入手術(shù)．

隨著醫(yī)學(xué)圖像處理及劑量規(guī)劃計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展，理想的術(shù)前計(jì)劃可以在TPS中得以制定[10-11].然而，術(shù)前計(jì)劃能否精準(zhǔn)地在臨床手術(shù)中得以實(shí)現(xiàn)，很大程度上取決于穿刺用模板的實(shí)際定位精度．目前，在臨床肺癌近距離放療手術(shù)中，外科醫(yī)生在完成術(shù)前治療計(jì)劃之后，不可避免地要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，通過手動(dòng)方式借助簡(jiǎn)易的粒子植入定位裝置完成模板的安裝和調(diào)整，以求達(dá)到術(shù)前計(jì)劃所確定的理想位置和角度．而且，手動(dòng)定位的方式精度通常不高(低于3,mm)，因此在術(shù)中需要對(duì)模板的定位通過多次的CT掃描加以確認(rèn)，才能保證最終的插植針實(shí)際進(jìn)針路徑的準(zhǔn)確性．

為此，本文從臨床實(shí)際需求出發(fā)，研發(fā)了一套面向肺癌近距離放療手術(shù)的模板自動(dòng)定位實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)．該系統(tǒng)借助輔助定位機(jī)器人、電磁定位追蹤技術(shù)和TPS，旨在輔助外科醫(yī)生遠(yuǎn)程完成穿刺模板的精確、快速定位及對(duì)該自動(dòng)過程的監(jiān)控，將醫(yī)生從繁瑣的模板定位現(xiàn)場(chǎng)解放出來，降低醫(yī)生工作強(qiáng)度，減少CT掃描次數(shù)，加快穿刺手術(shù)的進(jìn)程，從而提高手術(shù)效率．

1?系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的肺癌近距離放療手術(shù)的自動(dòng)定位追蹤系統(tǒng)，由機(jī)器人輔助定位系統(tǒng)、電磁定位追蹤系統(tǒng)和TPS三部分組成，如圖1所示．

作為夾持模板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位的直接載體，本實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立研發(fā)了一套機(jī)器人輔助定位系統(tǒng)，如圖1(a)所示．機(jī)械結(jié)構(gòu)上，該機(jī)器人采用連床式安裝，根據(jù)患者體部腫瘤的位置，可選擇固定于CT床左側(cè)或右側(cè)，圓弧導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的引入方便了患者進(jìn)行術(shù)中躺位．穿刺用模板則被夾持于機(jī)器人的末端執(zhí)行器上．控制方面，機(jī)器人采用基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)，上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊則被集成于TPS中．手術(shù)中，醫(yī)生從TPS的治療診斷結(jié)果中提取出模板的位姿信息后與機(jī)器人實(shí)時(shí)通訊，即可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成模板的自動(dòng)定位．

空間定位是實(shí)現(xiàn)模板運(yùn)動(dòng)追蹤的關(guān)鍵．電磁定位技術(shù)憑借其使用方便、價(jià)格較低、無追蹤盲區(qū)、較為理想的精度等優(yōu)勢(shì)，已被越來越多地應(yīng)用于臨床手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中[12-13]，本文正是選用電磁定位追蹤系統(tǒng)，主要承擔(dān)兩部分功能：將一路電磁接收器固定于探針尾部完成標(biāo)定后[14]可直接獲取患者體表所貼標(biāo)記點(diǎn)在真實(shí)空間中的坐標(biāo)并儲(chǔ)存，用以完成空間配準(zhǔn)；將另一路電磁接收器固定于模板上，用以完成對(duì)模板位姿的實(shí)時(shí)追蹤．

圖1?自動(dòng)定位實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)關(guān)鍵組成

治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)(圖1(c)所示)由本實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立研發(fā)，除了含有常規(guī)的三維重建、術(shù)前計(jì)劃等模塊，更創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了手術(shù)導(dǎo)航模塊，包括機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制、空間配準(zhǔn)與模板的追蹤與可視化功能．機(jī)器人在自動(dòng)定位的過程中，將電磁定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)追蹤的模板位姿信息通過空間配準(zhǔn)映射到TPS中三維重建的虛擬空間，實(shí)時(shí)刷新虛擬模板在該空間的位姿信息，實(shí)現(xiàn)模板定位在TPS窗口中的可視化，使得醫(yī)生在遠(yuǎn)離CT室的監(jiān)控室內(nèi)對(duì)機(jī)器人輔助定位這一自動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估成為可能．本文在TPS中實(shí)現(xiàn)了追蹤結(jié)果的實(shí)時(shí)圖像顯示，該可視化模塊的軟件界面如圖2所示．

1.2?手術(shù)流程

結(jié)合現(xiàn)行的肺癌近距離放療手術(shù)的技術(shù)流程，應(yīng)用本文研發(fā)的自動(dòng)定位實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)，根據(jù)臨床需求制定的機(jī)器人輔助定位的肺癌近距離放療手術(shù)流程如圖3所示．

術(shù)前，在患者胸部粘貼6～12枚可以包裹住肺部并且可在CT中呈明亮清晰圖像的標(biāo)記點(diǎn)．患者接受常規(guī)CT掃描之后，在TPS中讀入所獲得的DICOM醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行圖像處理，三維重建出虛擬模型空間．在TPS中依次精確地提取出所有標(biāo)記點(diǎn)在該虛擬空間中的坐標(biāo)．此外，為保證患者在手術(shù)過程中體位不發(fā)生變化，將其用真空負(fù)壓墊固定于CT床．在患者體位固定的情況下，用電磁定位追蹤系統(tǒng)的標(biāo)定探針依次精確獲取各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在真實(shí)空間中的坐標(biāo)．將標(biāo)記點(diǎn)的兩組坐標(biāo)值作為配準(zhǔn)算法的輸入來自動(dòng)完成術(shù)中空間配準(zhǔn)．術(shù)中，醫(yī)生根據(jù)DICOM醫(yī)學(xué)圖像信息，制定術(shù)前治療計(jì)劃，由此確定第1根插植針在患者體表的刺入點(diǎn)位置與模板的角度，在TPS中利用機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制模塊完成該位姿信息向控制指令的轉(zhuǎn)譯．機(jī)器人與TPS完成通訊后，開啟自動(dòng)定位模式，即帶動(dòng)模板與固定其上的第1根插植針自動(dòng)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)．在機(jī)器人輔助定位的過程中，醫(yī)生可在TPS可視化窗口中以動(dòng)態(tài)圖像的形式實(shí)時(shí)觀測(cè)到模板與插植針的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與位姿信息．當(dāng)機(jī)器人到達(dá)終了位姿時(shí)，身處監(jiān)控室的醫(yī)生可直接依據(jù)可視化的模板圖像對(duì)CT室內(nèi)患者體表上方模板的定位做出精度評(píng)估；如果模板的終了位姿與術(shù)前計(jì)劃的預(yù)期位姿有偏差，微調(diào)機(jī)器人進(jìn)行補(bǔ)償即可，無需再次進(jìn)行CT掃描．考慮到可視化圖像可能產(chǎn)生的誤差，根據(jù)模板引導(dǎo)粒子植入的肺癌近距離放療手術(shù)的實(shí)際臨床需求，結(jié)合本文提出的自動(dòng)定位實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)自身的精度，本文選定系統(tǒng)精度評(píng)估參數(shù)如下：終了位姿下，可視化圖像中模板上第1根插植針針尖點(diǎn)與術(shù)前計(jì)劃確定的患者體表刺入點(diǎn)位置誤差不高于1.5,mm，模板在可視化圖像中與術(shù)前計(jì)劃確定的角度偏差不高于0.5°．

圖2?TPS可視化模塊軟件界面

圖3 應(yīng)用自動(dòng)定位實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)的肺癌近距離放療手術(shù)流程

從圖3的手術(shù)流程可以看出，空間配準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)CT室內(nèi)機(jī)器人輔助定位過程在TPS虛擬圖像空間中可視化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此本文在第2節(jié)中給予特別研究．

2?空間配準(zhǔn)

2.1?配準(zhǔn)理論分析

在機(jī)器人輔助定位過程中，若要實(shí)現(xiàn)對(duì)模板的實(shí)時(shí)追蹤與可視化，首先必須要對(duì)患者的實(shí)際體位與三維重建的虛擬模型進(jìn)行精確配準(zhǔn)，即建立起患者所處的真實(shí)空間與TPS中三維虛擬圖像空間之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，此即空間配準(zhǔn)．空間配準(zhǔn)是最終實(shí)現(xiàn)虛擬模板在TPS中可視化的前提，其精度直接影響到追蹤的準(zhǔn)確性與可視化的可靠性．

???(1)

針對(duì)上述數(shù)學(xué)問題，Horn引入齊次坐標(biāo)與四元數(shù)(quaternion)的理論，用最小二乘法推導(dǎo)出了該問題的求解方法；之后，Besl和Mckay提出了最近點(diǎn)迭代(ICP)算法，該算法配準(zhǔn)效果良好，尤其是在點(diǎn)集初值狀態(tài)理想的情況下，算法能獲得很高的精度，然而，如果初值不理想，傳統(tǒng)的ICP算法容易因?yàn)榫植渴諗慷萑刖植孔顑?yōu)解，導(dǎo)致配準(zhǔn)精度下降甚至出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤[15-17]．

2.2?混合算法QICP的提出

基于第2.1節(jié)的分析，針對(duì)傳統(tǒng)ICP算法對(duì)配準(zhǔn)點(diǎn)集初值狀態(tài)要求苛刻的限制，本文提出一種四元數(shù)-最近點(diǎn)迭代混合(QICP)算法．該算法的核心思想為先使用四元數(shù)算法對(duì)初始點(diǎn)集進(jìn)行一次配準(zhǔn)，優(yōu)化其初值狀態(tài)，為ICP算法的二次配準(zhǔn)避免了點(diǎn)集初值狀態(tài)不佳的可能，在保證傳統(tǒng)ICP算法的配準(zhǔn)精度的同時(shí)更增大其適用性．QICP算法的具體流程?如下．

??????(2)

???(3)

???(4)

???(5)

步驟3?當(dāng)＝＋1時(shí)，重復(fù)步驟2，則有

???(6)

???(7)

???(8)

否則，轉(zhuǎn)到步驟5．

3?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1?配準(zhǔn)算法仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證QICP混合算法的配準(zhǔn)精度和適用性，本文在CT環(huán)境下做圖4所示的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)．將患者假體模型擺放于CT床上，在模型胸部大致均勻地粘貼9枚包裹住肺部的標(biāo)記點(diǎn)．根據(jù)金屬在CT下成像比較明顯的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)中選取金屬錫作為標(biāo)記物．選用加拿大NDI公司生產(chǎn)的3D Guidance trakSTAR電磁定位追蹤系統(tǒng)完成空間定位，以固定好位置的電磁發(fā)射器自身所確定的坐標(biāo)系作為真實(shí)手術(shù)空間坐標(biāo)系．實(shí)驗(yàn)流程如下．

步驟1?體表粘有標(biāo)記點(diǎn)的假體模型接受CT掃描，獲取DICOM醫(yī)學(xué)圖像．

步驟2?在TPS中讀入DICOM圖像，在可視化窗口中依次獲取標(biāo)記點(diǎn)(呈像高亮)在虛擬圖像空間中的坐標(biāo)并保存．

步驟3?利用標(biāo)定后的探針分別獲取標(biāo)記點(diǎn)在真實(shí)手術(shù)空間的坐標(biāo)．

步驟4?改變發(fā)射器的位置，重復(fù)步驟3．

步驟5?數(shù)據(jù)處理．分別取步驟4中所獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，依次與步驟2中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)共同作為算法輸入，統(tǒng)計(jì)本文所提出的混合算法與四元數(shù)算法、傳統(tǒng)ICP算法的配準(zhǔn)結(jié)果．

圖4?配準(zhǔn)算法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

表1?3種空間配準(zhǔn)算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

Tab.1 Comparison of experiment results of three spatial reg-istration algorithms

為更直觀比較QICP與四元數(shù)算法的配準(zhǔn)精度，本文將第1組實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)集進(jìn)一步提取出來繪制出配準(zhǔn)點(diǎn)集圖，如圖5所示．各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與配準(zhǔn)點(diǎn)距離的貼合程度直接反映出相應(yīng)算法的精度．結(jié)果顯示，QICP在精度上明顯優(yōu)于四元數(shù)算法．

3.2?模板定位追蹤實(shí)驗(yàn)

結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)追蹤與可視化誤差為1.01±0.10,mm，大幅度提高了現(xiàn)行的肺癌近距離放療手術(shù)的模板定位精度，該系統(tǒng)在精度上被驗(yàn)證符合臨床需求．此外，在傳統(tǒng)手術(shù)過程中，模板手動(dòng)定位時(shí)間通常耗時(shí)40,min左右，這直接導(dǎo)致近距離放療手術(shù)時(shí)間偏長(zhǎng)．本次實(shí)驗(yàn)中，在醫(yī)生的遠(yuǎn)程監(jiān)控下模板自動(dòng)定位過程(包括術(shù)前空間配準(zhǔn)過程)平均用時(shí)僅為15,min．而且，借助于TPS可視化窗口，模板定位過程中只進(jìn)行了一次常規(guī)CT掃描，本系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上減少了醫(yī)生對(duì)CT的依賴．

（a）平面

（b）平面

（c）y-z平面

圖6?模板定位追蹤實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

（a）真實(shí)位姿信息提取??（b）模板可視化

表2?模板追蹤與可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Results of template tracking and visualization ex-periments

3.3?實(shí)驗(yàn)討論

在肺癌近距離放療手術(shù)中，呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)穿刺精度造成影響，但目前在近距離放療領(lǐng)域并沒有出現(xiàn)完善的解決方案，外放療的呼吸追蹤方法[18-19]無法應(yīng)用到近距離放療領(lǐng)域．在臨床中，術(shù)前通過負(fù)壓真空墊固定患者體位以減小患者運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)帶來的影響，術(shù)中首先植入一根定位針來限制腫瘤的運(yùn)動(dòng)，該方法在一定程度上減弱了患者運(yùn)動(dòng)、呼吸運(yùn)動(dòng)、組織變形等因素帶來的干擾．本文以假體模型作為實(shí)驗(yàn)載體，所做實(shí)驗(yàn)均未考慮呼吸運(yùn)動(dòng)、組織變形等影響，需要在該方面進(jìn)行更深一步的后續(xù)研究和實(shí)驗(yàn)．

4?結(jié)?語

本文針對(duì)臨床實(shí)際，研發(fā)了一套面向肺癌近距離放療手術(shù)的自動(dòng)定位實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)．介紹了該系統(tǒng)的軟硬件組成，制定了機(jī)器人輔助定位的手術(shù)流程．實(shí)驗(yàn)部分首先對(duì)提出的混合空間配準(zhǔn)算法做出了驗(yàn)證，然后在臨床環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)性能做了評(píng)估實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)在定位追蹤精度上滿足臨床需求，該系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)降低醫(yī)生工作強(qiáng)度、減少病人所受輻射與加快肺癌近距離放療手術(shù)進(jìn)程，有著重要的臨床意義．

［1］ Siegel R L，Miller K D，Jemal A. Cancer statistics[J].：，2016，66(1)：7-30.

［2］ Tsao A S，Scagliotti G V，Bunn P A Jr，et al. Scientific advances in lung cancer[J].，2016，11(5)：613-638.

［3］ Chen W，Zheng R，Baade P D，et al. Cancer statistics in China[J].：，2016，66(2)：115-132.

［4］ Stewart A，Parashar B，Patel M，et al. American Brachytherapy Society consensus guidelines for thoracic brachytherapy for lung cancer[J].，2015，15(1)：1-11.

［5］ Imamura F，Ueno K，Kusunoki Y，et al. High-dose-rate brachytherapy for small-sized peripherally located lung cancer[J].，2006，182(12)：703-707.

［6］ Li W，Guan J，Yang L，et al. Iodine-125 brachytherapy improved overall survival of patients with inoperable stage Ⅲ/Ⅳ non-small cell lung cancerversus the conventional radiotherapy[J].，2015，32(1)：395.

［7］ 霍?彬，王?磊，王海濤，等. 模板聯(lián)合肋骨鉆孔技術(shù)輔助放射性粒子植入治療肺癌的可行性[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版，2017，55(2)：26-31.

Huo Bin，Wang Lei，Wang Haitao，et al. Feasibility of radioactive seed implantation in the treatment of lung cancer assisted by template combined with rib drilling technique[J].：，2017，55(2)：26-31(in Chinese).

［8］ 韓明勇，霍?彬，張?穎，等. CT聯(lián)合模板引導(dǎo)放射性粒子植入治療肺癌技術(shù)流程[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版，2017，55(2)：14-20.

Han Mingyong，Huo Bin，Zhang Ying，et al. Technique procedure of template combined with CT-guided radioactive seeds implantation for lung cancer[J].：，2017，55(2)：14-20(in Chinese).

［9］ 霍?彬，侯朝華，葉劍飛，等. CT引導(dǎo)術(shù)中實(shí)時(shí)計(jì)劃對(duì)胸部腫瘤125I粒子植入治療的價(jià)值[J]. 中華放射腫瘤學(xué)雜志，2013，22(5)：400-403.

Huo Bin，Hou Zhaohua，Ye Jianfei，et al. The study of intraoperative real-time planning by CT-guided in125I seed implantation for thoracic malignance[J].，2013，22(5)：400-403(in Chinese).

［10］ Dempsey C. Erratum to：Methodology for commissioning a brachytherapy treatment planning system in the era of 3D planning[J].，2010，33(4)：373.

［11］ Min B J，Nam H，Jeong I S，et al. A simple DVH generation technique for various radiotherapy treatment planning systems for an independent information system [J].，2015，67(1)：254-259.

［12］ Racine E，Hautvast G，Binnekamp D，et al. Real-time electromagnetic seed drop detection for permanent implants brachytherapy：Technology overview and performance assessment[J].，2016，43(12)：6217-6225.

［13］ de Lambert A，Esneault S，Lucas A，et al. Electromagnetic tracking for registration and navigation in endovascular aneurysm repair：A phantom study[J].，2012，43：684-689.

［14］ 陳艷梅，楊志永，姜?杉. 機(jī)器人輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的注冊(cè)技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2015，27(5)：953-960.

Chen Yanmei，Yang Zhiyong，Jiang Shan. Registration technique of robot-aided image guided surgery[J].，2015，27(5)：953-960(in Chinese).

［15］ 白?晶，丁?輝，王廣志，等. 手術(shù)導(dǎo)航中人體標(biāo)志點(diǎn)注冊(cè)方法和注冊(cè)精度研究[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2008，25(6)：1242-1248.

Bai Jing，Ding Hui，Wang Guangzhi，et al. A study on the registration method and precision in image guided surgery[J].，2008，25(6)：1242-1248(in Chinese).

［16］ Wang H K. An improved method based on quaternion and planar segmentation fit in 3D registration[C]//()London，UK，2012：717-723.

［17］ Besl P J，Eric L. A method for registration of 3-D shapes[J].，2012，14(2)：239-256.

［18］ Schweikard A，Shiomi H，Adler J. Respiration tracking in radiosurgery[J].，2004，31(10)：2738-2741.

［19］ Maier-Hein L，Tekbas A，Seitel A，et al. In vivo accuracy assessment of a needle-based navigation system for CT-guided radio frequency ablation of the liver[J].，2008，35(12)：5385-5396.

(責(zé)任編輯：金順愛)

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)

To assist the surgeons in lung cancer brachytherapy，an automatic positioning and real-time tracking system 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.

brachytherapy；template；automatic positioning；spatial registration；real-time tracking

10.11784/tdxbz201706028

TP24；TP391

A

0493-2137(2018)04-0373-07

2017-06-12；

2017-08-20.

姜?杉（1973—??），女，教授，shanjmri@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

陳超民，cm_c@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51775368)；天津市科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(14ZCDZGX00490)；廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目???????(2017B020210004).

the National Natural Science Foundation of China(No.,51775368)，the Key Technology and Development Program of the Tianjin Municipal Science and Technology Commission(No.,14ZCDZGX00490)and the Technology Planning Project of Guangdong Province，China(No.,2017B020210004).