高精度永磁体定位技术研究及其应用
发布时间：2021-01-16 21:47
目前肿瘤患者接受最多的治疗方式是放射治疗,较好的剂量分布是治疗成功的重要前提。然而,肺部肿瘤患者自身呼吸运动引起的肿瘤运动,极大影响了放射治疗准确性,使患者无法得到很好的治疗效果。在放疗过程中,对肺部肿瘤的定位跟踪,可以借助一种无源无线的磁定位技术来实现。与传统的放疗定位跟踪方法相比,磁定位技术具有跟踪目标小,不受视线遮挡的限制,毫米级定位精度,对人体无辐射伤害等优点。为解决上述问题,本文对高精度永磁体定位技术及其在肺部肿瘤运动跟踪上的应用展开了深入研究。由于磁体本身在远距离时磁场强度迅速减弱以及环境磁场干扰,磁定位系统的定位精度随着磁体与传感器阵列距离的增大而急剧变差。为了扩展跟踪范围,本文提出了两种新颖的方法。首先,采用了先进的三轴隧道磁阻（TMR）传感器来搭建传感器阵列,该传感器比其他类型的磁阻传感器具有显着的高灵敏度和低本底噪声。同时提出了一种融合方法来扩展跟踪范围。将基于磁偶极子模型的粒子群优化-Levenberg Marquardt（PSOLM）方法应用于近距离区域（磁体距离传感器阵列较近区域）,将基于先验知识的反向传播神经网络（PKBPNN）用于远距离区域（磁体距离传感器...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Cyberknife系统
中北大学学位论文2得定位系统更加复杂、占据空间也比较大，而且通常需要花费巨额资金来购买和维护，从而限制了这类方法的广泛应用性。图1-1.Cyberknife系统图1-2.BrainLAB公司的ExacTrac系统Figure1-1.CyberknifesystemFigure1-2.BrainLab"sExactracsystem1.2课题研究的目的和意义本研究的主要目的是实现高精度的单磁性目标定位技术和多磁性目标定位技术，并探究实现基于磁定位技术的肺部肿瘤实时跟踪系统。磁定位是直接定位中的一种非X射线成像定位方法。由于磁铁可以产生静态磁场信号，人体相当于透明的状态，通过高精度磁定位系统可以直接确定磁铁的位置和方位参数，具有较高的定位精度，快速便捷，适用于实时定位和跟踪。磁定位方法一直是众多研究人员关注的焦点。磁定位是通过测量周围磁场来定位磁源的技术。在待定位的磁体处于不同的位姿时会产生相对应的特定分布的磁场，由定位系统的传感器阵列获取磁场信息，并将测量数据进行拟合、滤波等处理后，输入到定位算法中求解磁源的位置和方向信息。在肺部肿瘤患者在进行肺部肿瘤放疗中，就需要对患者的体内的肺部肿瘤进行实时跟踪。然而，考虑到人体组织器官的透光性较差，在放射治疗过程中无法进行视觉定位来直接跟踪肿瘤运动。磁定位技术适用于在小范围场景定位，具有毫米级定位精度、定位速度快、系统小巧便携等优点，而基于永磁体的定位跟踪系统由于不受视野遮挡的限制而成为非常有应用价值的优选方案[9]如图1-3。同时，它具有优异的定位跟踪性能，可以提高照射的准确性，使靶区得到足够剂量的照射，可以大大减少靶区照不全或完全照不到的现象，能尽可能地不损伤
中北大学学位论文3周围其他组织，起到保护正常器官组织的作用，接受治疗完成后的副作用减小，而且患者不必屏住呼吸或对患者进行体表运动检测。图1-3.通过定位永磁体来跟踪肺部肿瘤运动Figure1-3.Trackinglungtumormotionbypositioningpermanentmagnets1.3国内外的研究现状和分析当前，定位跟踪技术已经成为推进计算机辅助医疗发展的核心技术之一。在受到视线遮挡或光照条件不好地情况下，磁定位技术被大量应用在小范围内高精度实时定位跟踪中[10]。相对于其他先进的定位跟踪技术，磁定位技术作为一个不受视线遮挡限制的高精度定位方法，它在手术医疗机器人、肿瘤跟踪、体内药物跟踪等计算机辅助医疗领域有巨大的应用潜力[11-13]。1.3.1国内外研究现状近几十年，使用永磁体作为定位目标的定位方法受到国内外很多研究者的重视。Schlageter等人实现了一个五自由度的磁跟踪系统并研究了偏移量、灵敏度失配和传感器数目与系统的精度的关系。该系统可实现高达14cm的探测距离（在一个小时内无需校准），有效定位距离为14cm，定位速度快，系统小巧便携[14]。Prakash等人实现了在体外对体内单个磁标记的定位方法。该定位方法可用于测量体内标记物的位置和方位参数，所获得的参数可以可靠地用于测量标记物的运动频率。该研究的初步结果表明，该方法可用于胃肠动力和转运的研究[15]。王旋等人将磁定位系统应用在获取放疗时的呼吸曲线上，将磁体黏附在人体胸腹部位置，通过磁定位系统求解磁体的位置信息，对其进行加工处理获得人体的呼吸曲线[16]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种人体移动对胶囊内窥镜磁定位干扰的补偿方法[J]. 任宇鹏,胡超,项圣,冯忠晴,宋霜. 传感技术学报. 2015(11)
[2]一种基于多磁偶极子模型的磁传感手术导航方法[J]. 杜承阳,陈晓冬,牛德森,汪毅,郁道银. 中国激光. 2015(08)
[3]基于磁定位技术的放疗呼吸曲线检测系统的设计与应用[J]. 王旋,敦煌俊秋,汤福南,张可,吴小玲. 中国医疗设备. 2015(06)
[4]用于胶囊内窥镜方位求解的LM人工蜂群算法[J]. 杨菲,郭旭东,翟刚. 中国医学物理学杂志. 2015(03)
[5]一种磁性目标定位跟踪系统的标定方法[J]. 胡超,任宇鹏,王文虎,宋霜,冯忠晴,王永辉,袁小英. 集成技术. 2014(05)
[6]胶囊内窥镜位置方向磁场定位技术的研究[J]. 胡超,宋霜,阳万安,孟庆虎,李抱朴,曾德文,李萧萧,朱红梅. 集成技术. 2012(01)
[7]永磁体磁能的数值分析及应用研究[J]. 宋伟,韩学政. 赤峰学院学报(自然科学版). 2011(03)
[8]改进PSO算法及在PID参数整定中应用研究[J]. 任子武,伞冶,陈俊风. 系统仿真学报. 2006(10)
[9]基于微粒群优化的非线性方程组求解研究[J]. 郭海燕,金鑫,胡小兵. 计算机工程与应用. 2006(15)
博士论文
[1]人工智能在放射治疗中的若干应用研究[D]. 陈海斌.南方医科大学 2018
硕士论文
[1]呼吸门控在肺癌放射治疗中的应用研究[D]. 陈博.西安医学院 2019
[2]4D-CT联合呼吸门控技术在肺癌立体定向放射治疗中的应用研究[D]. 张小妮.吉林大学 2019
[3]鲸鱼优化算法及其应用研究[D]. 凌颖.广西民族大学 2018
[4]基于磁传感的胶囊内镜定位技术[D]. 牛德森.天津大学 2017
[5]呼吸门控系统在肺癌放射治疗中的应用研究[D]. 周琼.南华大学 2015
[6]永磁体空间磁场分布规律及其在传感器中的应用[D]. 李鑫.南京师范大学 2015
[7]单方向X射线成像的肿瘤定位算法比较[D]. 郑超.北京协和医学院 2013
[8]呼吸与肺部肿瘤位移关系的研究[D]. 李振环.华中科技大学 2011
本文编号：2981600
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Cyberknife系统
中北大学学位论文2得定位系统更加复杂、占据空间也比较大，而且通常需要花费巨额资金来购买和维护，从而限制了这类方法的广泛应用性。图1-1.Cyberknife系统图1-2.BrainLAB公司的ExacTrac系统Figure1-1.CyberknifesystemFigure1-2.BrainLab"sExactracsystem1.2课题研究的目的和意义本研究的主要目的是实现高精度的单磁性目标定位技术和多磁性目标定位技术，并探究实现基于磁定位技术的肺部肿瘤实时跟踪系统。磁定位是直接定位中的一种非X射线成像定位方法。由于磁铁可以产生静态磁场信号，人体相当于透明的状态，通过高精度磁定位系统可以直接确定磁铁的位置和方位参数，具有较高的定位精度，快速便捷，适用于实时定位和跟踪。磁定位方法一直是众多研究人员关注的焦点。磁定位是通过测量周围磁场来定位磁源的技术。在待定位的磁体处于不同的位姿时会产生相对应的特定分布的磁场，由定位系统的传感器阵列获取磁场信息，并将测量数据进行拟合、滤波等处理后，输入到定位算法中求解磁源的位置和方向信息。在肺部肿瘤患者在进行肺部肿瘤放疗中，就需要对患者的体内的肺部肿瘤进行实时跟踪。然而，考虑到人体组织器官的透光性较差，在放射治疗过程中无法进行视觉定位来直接跟踪肿瘤运动。磁定位技术适用于在小范围场景定位，具有毫米级定位精度、定位速度快、系统小巧便携等优点，而基于永磁体的定位跟踪系统由于不受视野遮挡的限制而成为非常有应用价值的优选方案[9]如图1-3。同时，它具有优异的定位跟踪性能，可以提高照射的准确性，使靶区得到足够剂量的照射，可以大大减少靶区照不全或完全照不到的现象，能尽可能地不损伤
中北大学学位论文3周围其他组织，起到保护正常器官组织的作用，接受治疗完成后的副作用减小，而且患者不必屏住呼吸或对患者进行体表运动检测。图1-3.通过定位永磁体来跟踪肺部肿瘤运动Figure1-3.Trackinglungtumormotionbypositioningpermanentmagnets1.3国内外的研究现状和分析当前，定位跟踪技术已经成为推进计算机辅助医疗发展的核心技术之一。在受到视线遮挡或光照条件不好地情况下，磁定位技术被大量应用在小范围内高精度实时定位跟踪中[10]。相对于其他先进的定位跟踪技术，磁定位技术作为一个不受视线遮挡限制的高精度定位方法，它在手术医疗机器人、肿瘤跟踪、体内药物跟踪等计算机辅助医疗领域有巨大的应用潜力[11-13]。1.3.1国内外研究现状近几十年，使用永磁体作为定位目标的定位方法受到国内外很多研究者的重视。Schlageter等人实现了一个五自由度的磁跟踪系统并研究了偏移量、灵敏度失配和传感器数目与系统的精度的关系。该系统可实现高达14cm的探测距离（在一个小时内无需校准），有效定位距离为14cm，定位速度快，系统小巧便携[14]。Prakash等人实现了在体外对体内单个磁标记的定位方法。该定位方法可用于测量体内标记物的位置和方位参数，所获得的参数可以可靠地用于测量标记物的运动频率。该研究的初步结果表明，该方法可用于胃肠动力和转运的研究[15]。王旋等人将磁定位系统应用在获取放疗时的呼吸曲线上，将磁体黏附在人体胸腹部位置，通过磁定位系统求解磁体的位置信息，对其进行加工处理获得人体的呼吸曲线[16]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种人体移动对胶囊内窥镜磁定位干扰的补偿方法[J]. 任宇鹏,胡超,项圣,冯忠晴,宋霜. 传感技术学报. 2015(11)
[2]一种基于多磁偶极子模型的磁传感手术导航方法[J]. 杜承阳,陈晓冬,牛德森,汪毅,郁道银. 中国激光. 2015(08)
[3]基于磁定位技术的放疗呼吸曲线检测系统的设计与应用[J]. 王旋,敦煌俊秋,汤福南,张可,吴小玲. 中国医疗设备. 2015(06)
[4]用于胶囊内窥镜方位求解的LM人工蜂群算法[J]. 杨菲,郭旭东,翟刚. 中国医学物理学杂志. 2015(03)
[5]一种磁性目标定位跟踪系统的标定方法[J]. 胡超,任宇鹏,王文虎,宋霜,冯忠晴,王永辉,袁小英. 集成技术. 2014(05)
[6]胶囊内窥镜位置方向磁场定位技术的研究[J]. 胡超,宋霜,阳万安,孟庆虎,李抱朴,曾德文,李萧萧,朱红梅. 集成技术. 2012(01)
[7]永磁体磁能的数值分析及应用研究[J]. 宋伟,韩学政. 赤峰学院学报(自然科学版). 2011(03)
[8]改进PSO算法及在PID参数整定中应用研究[J]. 任子武,伞冶,陈俊风. 系统仿真学报. 2006(10)
[9]基于微粒群优化的非线性方程组求解研究[J]. 郭海燕,金鑫,胡小兵. 计算机工程与应用. 2006(15)
博士论文
[1]人工智能在放射治疗中的若干应用研究[D]. 陈海斌.南方医科大学 2018
硕士论文
[1]呼吸门控在肺癌放射治疗中的应用研究[D]. 陈博.西安医学院 2019
[2]4D-CT联合呼吸门控技术在肺癌立体定向放射治疗中的应用研究[D]. 张小妮.吉林大学 2019
[3]鲸鱼优化算法及其应用研究[D]. 凌颖.广西民族大学 2018
[4]基于磁传感的胶囊内镜定位技术[D]. 牛德森.天津大学 2017
[5]呼吸门控系统在肺癌放射治疗中的应用研究[D]. 周琼.南华大学 2015
[6]永磁体空间磁场分布规律及其在传感器中的应用[D]. 李鑫.南京师范大学 2015
[7]单方向X射线成像的肿瘤定位算法比较[D]. 郑超.北京协和医学院 2013
[8]呼吸与肺部肿瘤位移关系的研究[D]. 李振环.华中科技大学 2011
本文编号：2981600
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