[发明专利]一种基于呼吸状态空间重构的体内组织呼吸运动估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于一维呼吸状态信号测量而实现的体内组织呼吸运动估计的方法。

背景技术

随着技术的发展，医疗领域对于精度的要求越来越高。在放射治疗、穿刺活检等领域，由于自主呼吸作用的影响，体内的组织器官会产生运动，使得实际医疗操作情况会与术前计划的有所不同。

传统的方法会使用B超等可实时成像的设备给予术中的图像显示和引导，但是实时成像的精度毕竟不高，再加上成像对象的运动，容易造成图像伪影。因此，很有必要提供一种可实时估算体内组织运动信息的方法。

发明内容

发明目的

本发明的目的在于提出一种基于呼吸状态空间重构的体内组织呼吸运动估计方法，利用时间对应关系，建立呼吸状态与体内组织呼吸运动间的关联模型，从而实现依靠实测的一维呼吸状态信号来估计体内组织运动信号的目的。

技术方案

本发明的目的是这样实现的：

在建模阶段，同步采集一维呼吸状态信号和体内组织的三维运动信号，针对一维状态信号利用延时嵌入法重构状态空间S，依据时间对应关系，构建呼吸状态空间-体内运动空间数据集T；在估计阶段，实测当前时刻的呼吸状态信号，在状态空间S中找到其相似状态，根据时间对应关系，估计当前的体内组织运动信号。本发明的核心包括状态空间S的重构、相似状态的判断、体内组织运动信号的估计。

进一步地，本发明中所述的状态空间S的重构，包括以下步骤：

对于采集到的体外运动状态信号{x(i)：1≤i≤N}，根据延时嵌入法，可以重构得到一组向量s(i)＝[x(i)，x(i+τ)，…，x(i+(d-1)τ)]，i＝1，2，…，N-(d-1)τ，其中，d和τ分别是嵌入维数和嵌入延迟；状态空间S重构为S＝{s(i)|i＝1，2，…，N-(d-1)τ}。

进一步地，本发明中所述的相似状态的判断，包括以下步骤：

采集到当前时刻的呼吸状态信号，记为x(t)，该信号与其过去时刻的d个信号共同构建一个重构向量s′＝[x(t-(d-1)τ)，x(t-(d-2)τ)，…，x(t-τ)，x(t)]；在状态空间S中通过求取下式的M个最小值找到向量s′的M个相似状态集合(记为{s′_NN(k)：k＝1，2，…，M})：

进一步地，本发明所述的体内组织运动信号的估计，包括以下步骤：

根据相似状态集合{s′_NN(k)：k＝1，2，…，M}，在呼吸状态空间-体内运动空间数据集T中，找到与之时间对应的体内组织运动信号集合(记为{y(k)：k＝1，2，…，M})，则当前的体内组织运动信号估计为

有益效果

综上所述，本发明的有益效果在于：利用时间延迟法重构呼吸状态空间，不同于仅依靠单一标量刻画呼吸运动周期性的方法，而是对大量的数据进行综合处理，重构呼吸系统的原动力系统模型。在寻找实测体外信号的相似状态时，关联其过去时刻的信号值，避免微小的信号扰动影响，因而更具有鲁棒性。

附图说明

本发明的原理框图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图示说明如下。

附图是本发明的原理框图，步骤包括：

(1)同步采集体内组织运动信号{y(i)：1≤i≤N}和呼吸状态信号{x(i)：1≤i≤N}；

(2)利用延时嵌入法，重构状态空间S；

重构步骤如下：

S＝{s(i)|i＝1，2，…，N-(d-1)τ}

s(i)＝[x(i)，x(i+τ)，…，x(i+(d-1)τ)]，i＝1，2，…，N-(d-1)τ

其中，d和τ分别是嵌入维数和嵌入延迟。

(3)根据同步采集的时间对应关系，建立呼吸状态空间-体内运动空间数据集T；

T＝{(s(j)，y(j+(d-1)τ))|j＝1，2，…，N-(d-1)τ}

(4)实测当前时刻呼吸状态信号x(t)；

(5)x(t)与其过去时刻的d个信号共同构建一个重构向量s′；

构建方法为：s′＝[x(t-(d-1)τ)，x(t-(d-2)τ)，…，x(t-τ)，x(t)]。

(6)在状态空间S中找到与s′相似的M个状态{s′_NN(k)：k＝1，2，…，M}；

具体方法为：用公式定义两个状态向量的相似性，取其最小的前M个向量组成集合{s′_NN(k)：k＝1，2，…，M}。