放疗中人体胸腹表面的动态三维测量及区域呼吸运动分析与时空一体预测

During the radiotherapy, respiration causes the simultaneous movement and deformation of the thoracoabdominal tumor and surface. The former may cause the deviation of the dose, which will affect the cure and lead to complications. Hopefully, the latter can be used to predict the motion and deformation of the tumor. Focused on the demand of the radiotherapy, we research a dynamic 3D measurement approach for human thoracoabdominal surface based on the combination of the Fourier fringe analysis of the single GRB compound fringe pattern and time phase unwrapping. For the approach, the new triple-frequency time phase unwrapping model is with high accuracy and able to judge and remove big error. Also, increasing time variables to form the 3D Fourier fringe analysis can diminish the leakage and overlap of the spectrum. Furthermore, we research the mathematical description of the respiration motion of the thoracoabdominal surface, including using features to describe regional respiration motion and using quasi-periodic function to describe single-point respiration motion. We also research the analysis method for the respiration motion of the thoracoabdominal surface and obtain its law, which includes the analysis methods and motion laws of the single-point, regional and global respiration motion. Finally, we research a regional feature space-time unification approach for the respiration motion prediction, which utilizes the regional features and predicts the time delay and space correlation simultaneously. This approach breaks the limitation that the 3D measurement and the respiration motion analysis & prediction are only implemented on the thoracoabdominal surface, which will not only provide the theoretical basis and technical support for the detection, analysis and prediction of the tumor respiration motion during the radiotherapy, but be applied into other surface dynamic 3D measurement and motion analysis.

放疗中呼吸导致胸腹肿瘤和胸腹表面同时移动变形，前者造成剂量偏差影响疗效并导致并发症，后者可望用来推断肿瘤移动变形。针对放疗需求，研究基于一幅GRB复合条纹图案的傅里叶条纹分析结合时间相位展开的人体胸腹表面动态三维测量方法，其中，三频时间相位展开新模型准确度高并可判断剔除大误差点，增加时间变量形成三维傅里叶条纹分析可减小频谱泄露和重叠；研究胸腹表面呼吸运动的数学描述，包括采用特征量描述区域呼吸运动和采用准周期函数描述单点呼吸运动；研究胸腹表面呼吸运动分析方法并得到其运动规律，包括点、区域和全局呼吸运动的分析方法和运动规律；研究区域特征时空一体化呼吸运动预测方法，采用区域特征量并同时预测时间滞后和空间相关。这突破了以往放疗中仅针对胸腹表面点进行三维测量及呼吸运动分析与预测的局限性，将为放疗中肿瘤呼吸运动的检测及分析与预测提供理论基础和技术支撑，并可应用于其他表面动态三维测量和运动分析与预测。

将近70%的癌症患者需要接受放射治疗。放疗时呼吸会使胸腹肿瘤和正常组织一起移动和变形，结果肿瘤难以获得高剂量而周围正常组织却受到损伤，因此放疗效果与肿瘤精确定位密切相关。胸腹肿瘤与其他组织或器官的呼吸运动之间因人体生物组织结构而存在时空对应关系，基于胸腹表面特定点的呼吸运动来推断肿瘤呼吸运动在临床上已经被证明是有效的。所以，人体胸腹表面呼吸运动的三维测量与预测是提高放疗效果的有效手段，对于癌症治疗具有重要意义。. 本成果主要研究了人体胸腹表面呼吸运动的三维测量和预测。三维测量研究集中在相位测量方法，主要包括三维变换域条纹分析、多频模拟码时间相位展开、数字码模拟码结合相位展开、基于单幅颜色复合条纹图像的测量原理与装置；预测研究集中在全局描述和高斯过程预测，主要包括胸腹部表面呼吸运动的三维图像序列、标志点三维坐标和标志区域表面积三种表征描述、基于单任务和多任务高斯过程的呼吸运动预测。.提出和实现了一种人体胸腹表面呼吸运动三维测量与预测方法，可得到呼吸状态下胸腹表面的三维图像和预测出其延迟一定时间后的三维图像，具有简单、非接触、无创无损、帧频三维成像等优势，为人体胸腹相关组织器官呼吸运动的体外追踪与预测提供了新途径。. 相位测量是仪器科学领域的一个基本问题，其中截断相位提取及展开属于经典的信号处理问题。为提高抗干扰能力，通过增加时间维将变换域提取截断相位从二维扩展到三维，提供了截断相位获取新方法；通过构建双频时间相位展开新模型和数字码与模拟码新组合方式，提供了截断相位展开新方法。. 提供了整个被测表面所有像素点呼吸运动轨迹的三维坐标、给出了标志区域表面积呼吸运动描述及规律，突破了以往单坐标和标志点描述的限制；引入高斯过程实现了呼吸运动预测，提供了呼吸运动预测新方法。. 本成果不仅在肿瘤治疗领域具有广阔的应用前景，还可用于自适应光学、光学测量、雷达测距、磁共振成像等诸多领域。