放射治疗是当前癌症治疗的重要手段,图像引导放射治疗是精准放疗的一个重要研究方向。重离子束以其特有的生物物理特性可以将剂量最大限度的照射在肿瘤上,最大限度的保护患者的正常组织。重离子放疗的特性对图像引导精准定位验证技术的需求尤为强烈。当前常用的图像引导技术方法主要是正交数字X射线成像(DR)机、轨道CT、锥形束CT(CBCT)、X射线追踪植入金属标记点成像、红外标记点红外摄像机成像、激光扫描相机成像等技术,这些技术大多价格昂贵,设备复杂,更重要的是X射线成像技术会给患者增加额外的辐射剂量,会增加患者感染其他并发症和患病的风险,因而不能进行长时间实时的患者体位监控。为此,第一,本文设计出一套简单应用的普通光学摄像机实时定位监控硬件系统和算法流程;第二,本文研究使用普通的光学摄像机图像算法来进行患者放疗中摆位验证和体位监控,保证患者在治疗时的摆位精度;第三,使用普通光学摄像机图像提取患者胸腹部体表皮肤运动变化信号算法,根据体表皮肤变化信息获得患者的呼吸运动时相来引导重离子束治疗运动肿瘤。根据重离子治疗室的情况,本文设计了一套拥有三个普通光学摄像机的治疗室内图像引导放疗系统,三个摄像机在患者治疗床的三个不同方位照射治疗床,光学视频图像通过视频数据线和多通路视频采集卡传输到图形工作站上。文章设计一种图像自适应背景剔除算法,通过分析标准患者摆位图像和实时监控视频图像的差分图像,获得在监控视频图像中的只存在患者摆位体位部分的图像区域坐标(ROI),删除大量存在于图像中的静止不变的背景部分,通过提取图像特征角点,改进当前应用广泛的图像特征角点提取配准算法ORB算法。通过改进的ORB算法,将患者标准体位摆位参考图和实时视频图像中ROI区域内的特征角点进行提取匹配,再删除ROI区域内的背景部分角点,之后根据匹配的角点统计信息,获得患者实时摆位体位和标准摆位的偏差值,引导监控患者放射治疗。当患者在进行治疗时,如果获得的摆位体位偏差值大于治疗时要求的摆位精度阈值,则停止治疗,根据摆位偏差值进行引导摆位。为验证上述算法的可行性和准确性,我们在实验室搭设一套模拟治疗室和设计的普通光学引导系统进行试验,通过一套安装有标准医用患者定位热塑固定模的仿真人体模型,在不同的时间移动旋转不同的位移和角度,获得实时的摆位偏差值,通过实验结果可知,系统可以获得患者摆位偏差,获得的摆位偏差精度在1毫米和1度之内。为获得人体体表皮肤变化特征信号,本文设计出一套基于普通光学图像的患者呼吸信号提取算法,该算法能够使用普通光学摄像机图像通过分析患者胸腹部体表皮肤特征的变化,实时获得患者的呼吸信号时相信息。通过一套可以自由改变模拟人类呼吸频率和幅度的仿真人体呼吸模拟系统,验证了该算法的准确性。总之,基于普通光学图像的患者摆位引导验证系统和呼吸信号提取系统,在应用中不对患者增加任何额外的生理伤害和心里危害,并且可以适应重离子放射治疗室和其他任何放射治疗室的环境,价格低廉,简单易用,利用推广。未来,我们将在临床试验中验证该系统是有效性和可行性。