CN101510454B - 机器视觉系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器视觉系统。荧光标记物标记多叶片准直器的叶片和/或视野内的参考点。标记物被光照射，该光被调谐为使标记物发出波长不同于照射光的荧光。照相机然后检测荧光。提供了用于放射治疗设备的多叶片准直器，其包括至少一个带有荧光标记物的叶片。标记物发射光的波长通常长于入射光。标记物的合适材料是红宝石。还提供了放射治疗设备，其包括多叶片准直器，和观看荧光标记物的照相机。用于荧光标记物的照射源为单色或几乎单色的。照相机可具有滤光器，其基本阻止照射源发射的波长的光进入照相机。该设备还可包括在光学上与辐射源处于相同位置的照射源。该源基本是单色的。滤光器置于放射治疗设备的输出位置，以阻断标记物波长的光。

Description

机器视觉系统

技术领域

本发明涉及一种机器视觉系统。它针对在恶劣或其它困难环境下机器视觉应用中出现的问题提出了解决方案，所述环境例如在放射治疗设备的内部。

背景技术

放射治疗设备包括电离辐射束的产生，通常为X射线或电子束或其它亚原子粒子束。其被引导至患者的癌性区域，并且对抗肿瘤细胞，使得患者症状得到缓解。通常，优选的是限定(delimit)辐射束使得剂量在肿瘤细胞中最大化，且在患者的健康细胞中最小化，因为这提高了治疗的效率并减小了患者所承受的副作用。这样做的多种方法被发展起来。

限定辐射剂量的一个主要部件为所谓的“多叶片准直器”(MLC)。这是一种由大量在阵列中左右排列的伸长的薄叶片组成的准直器。每个叶片可纵向移动，使得其尖端能延伸到辐射野(radiation field)中或者从辐射野中收回。由此可以定位叶片尖端阵列，以便定义准直器的可变边缘。可收回所有叶片来打开辐射野，或者可以延伸所有的叶片来关闭辐射野。可选地，一些叶片可以被收回而一些叶片被延伸，以便在操作极限内定义任何希望的形状。多叶片准直器通常由两组这样的阵列组成，每组从准直器的相对侧突出到辐射野中。

为了提供反馈并允许对叶片的位置进行精确调整，监控叶片的当前实际位置当然是必要的。迄今，人们使用两种主要方法来达到这一目的，即：

·光学视觉位置感测

·传统的位置感测，例如电位计，编码器等

附图1给出了本申请人迄今对精确的叶片位置读出(positional readout)问题所采用的方法。该解决方案基于视觉系统，由此照相机系统“观看”84个不同的反射器。这些反射器中的4个反射器为参考标记，可见区域的每个角落处有一个参考标记物，并且这些反射器中的80个反射器标记在这两个相对的叶片组中的每个叶片的个体位置，每个叶片组各有40个叶片。每个叶片的位置由此可被计算出。该反射器具有回射的性质，也就是光沿着与入射光相同的路径被反射回。

因此，照相机10经由一对倾斜可调整的镜子16，18观看准直器叶片12，14，所述镜子允许照相机位于辐射束之外。分束器20被放置在光路(该光路介于两个镜子16，18之间，使得它也位于辐射束之外)中，以允许投光器(lightprojector)22沿着相同的光路照射准直器叶片12，14。可提供另外的镜子或多个镜子24，以便将投光器(和/或其它元件)放置在方便的位置中。

其它检测倾向于利用传统的测量方法。这包括通过单独的传感器测量每个叶片的位置。共同的设计要求为故障容错，或“单故障容错”，这意味着为了保证单个叶片的正确定位，必须使用辅助传感器或备用传感器。这因此使得需要的位置传感器的数量加倍。

两种方法都存在各种问题。光学方法和其它目前的机器视觉解决方案需要照射的高度均匀性，这导致难以识别有效反射器。由于灰尘和表面损坏，叶片反射器材料只有有限的寿命。反射器材料必须被高度精确地安装。杂散光和/或来自内部反射和/或治疗台上部的反射的杂散反射可能干扰该系统。最后，叶片标记物的回射性质要求光源和照相机位置位于光学上相同的位置(在非常小的公差内)，否则标记物的形状和视在亮度将发生变化。

传统的位置测量方法也面临许多困难。特别是需要大量传感器——每个叶片最少需要两个传感器以提供一个主回读和一个备用回读。需要的精度和使用的传感器数量共同意味着该系统作为一个整体具有普遍较低的可靠性。另外，以充分紧凑的设计封装所需数量的传感器存在困难，且由于在其使用领域内不可避免的辐射破坏，传感器面临潜在的低可靠性。

发明内容

本发明包括使用荧光标记物以便标记视野内的叶片和/或参考点。用光照射该标记物，所述光被调谐为使所述标记物发出波长不同于照射光的波长的荧光。该荧光然后被照相机检测。这种方法允许图像被照相机捕获，并具有增强的对比度。

荧光标记物是接受入射光能量并发射不同波长(或频率)的光的标记物。这不同于反射光的波长基本上与入射光相同的简单反射或回射。

相应地，本发明提供了一种用于放射治疗设备的多叶片准直器，其包括至少一个具有荧光标记物的叶片。

自然地，优选的是基本上所有的准直器叶片都具有荧光标记物。然而，不难想像可提出一种混合系统。

所述叶片通常将被安装在某种框架中。对于框架本身来说具有一个或多个荧光标记物通常是有利的，优选地具有几个标记物，以便共同指示准直器的最大视野并提供框架参考。

荧光标记物发射的光的波长通常长于入射光，允许提供合适的滤光器来区分标记物所发射的光。用于荧光标记物的一种合适的材料是红宝石。它可以为球形或圆柱形或者另一种合适的形状。当然可以在单个叶片或多个叶片上提供几个标记物，理想地所述标记物处于不同的配置中，以便达到较高的识别精确度和/或鲁棒性。

本发明还提供了一种放射治疗设备，其包括如上定义的多叶片准直器，和布置为观看荧光标记物的照相机。用于荧光标记物的照射源也是有用的并且理想地为单色或几乎单色的。该照相机可具有滤光器，该滤光器布置为基本上阻止照射源发射的波长的光进入照相机，从而提高图像的对比度。

该放射治疗设备还可以包括光学上与辐射源处于相同位置的照射源，以允许操作者在视觉上检查正被发射或者将被发射的辐射野。该处于相同位置的源优选为基本上单色的，在荧光标记物的波长处基本上不发射光。然后可以将滤光器放置在放射治疗设备的输出处，用于阻断荧光标记物的波长的光，并且从而增强所拍摄的荧光标记物的图像的对比度。

附图说明

现通过例子参照附图对本发明的实施例进行描述，其中：

上述的附图1为已知的位置读出布置；以及

附图2为依照本发明的位置读出布置。

具体实施方式

将关于感测放射治疗设备内的大量MLC叶片的位置来描述本发明。如上文所述，就电离辐射而言，这些叶片在苛刻的环境中运行，有意地在放射治疗头部内产生所述电离辐射并且为了执行其功能所述叶片必须突出到该电离辐射中。该苛刻性使得难以长期提供稳定并且可靠的机器视觉解决方案来实施叶片监控。关于MLC叶片所采取的解决方案当然可应用于其它情形，特别是(但并不排他地)苛刻的或在区分被照射的标记物方面存在困难的环境。

附图2示出了本发明的示例。为了便于说明，省略了附图1中的聚酯薄膜镜子18，因此该光学系统的一些的直线路径被示出。实际上，当然要提供该镜子，使得敏感部件从辐射束中被移除并且使得部件可被放置在辐射头的方便位置中。附图1中的镜子16，24不再需要，这导致更加简单、便宜且潜在地更加准确的解决方案。

因此，MLC叶片100，102被两个不同源照射。第一个为绿色场投光器(greenfield light projector)104，该绿色场投光器发射覆盖整个场的绿光束106，该绿色场投光器采取点源的形式以允许明显的叶片清晰度。该光被叶片100，102(以及任何其它可能存在的准直器)准直并且经由绿光选通的聚酯薄膜屏108被允许射出该头部。该光因此落在治疗台上或其上的患者上并且允许操作者校验多叶片准直器的操作。

第二光源为410nm的单色源110，其采取漫射源的形式以提供良好的机器视觉特性。在此示例中，它包括提供漫射高强度光源116的410nm发光二极管112，114的阵列。该光被绿光选通滤光器108阻挡且由此不落到治疗台或患者身上；结果，它不扰乱投射光场的形状并且该源不需要在光学上与辐射源处于相同位置。因此它可以被放置为允许对叶片100，102的明亮且均匀的照射。

每个叶片具有至少一个红宝石标记物118。当用特定波长的光照射时，红宝石晶体会发出暗红\近红外波段的荧光——标称为695nm。有许多所谓的“泵浦”波长可被用于激励这一行为，特别是绿色波段的525nm和紫色/近紫外波段的410nm。

由此，该红宝石标记物118将被410nm的单色源110照射，并且也被绿色场投光器104照射，在530nm或左右的绿色场投光器104可以充分接近于红宝石材料的525nm的激励波长。这将导致红宝石发出荧光，发出的光沿着各种不同的方向，包括向上的光120，该向上的光射到二色分光镜122上，其将光的一部分转向至由红外选通的滤光器126保护的照相机124。假如辐射头内没有这个波长上的其它光源，该IR选通滤光器126将入射在照相机124上的光限制为由荧光红宝石标记物118发射的光。

可通过在红宝石标记物的背面涂敷镜子来增强荧光。该镜子将透射的光通过红宝石反射回去，使其发出更多荧光。

本发明的特定优点在于消除了反射器。在MLC头部的狭窄而苛刻的环境中，这些对光学感测系统的性能和寿命施加了限制。灰尘和污垢的堆积要求定期清理标记物以保持正确的功能。然而，定期清理本身可以降低反射器的光学性能，操作条件可能减弱使其保持在适当位置的粘合剂的有效性，进而导致反射器的脱落。

并且，回射器(retroreflector)的使用对光源和照相机的定位施加了进一步的限制。在狭窄的空间内这一限制引起的问题是不可忽视的。正如上文所述，本发明避免了这种限制。

使用诸如红宝石的荧光标记物能够帮助克服这些问题。首先，红宝石是刚玉族的成员并且因此非常坚硬和能够经受重工业环境。定期清理不会影响标记物的性能。第二，使用一个激励波长而检测另一个允许将外来干扰过滤在系统之外。

第三，光源和照相机的位置现在可以彼此独立，并且(对于MLC来说)患者照射和机器视觉照射现在也彼此独立。

因此，通过用410nm或525nm的充足光源照射由红宝石反射器标记的叶片，红宝石标记物将辐射红光，可通过在视频照相机上使用近红外滤光器从背景照射中提取该红光。另外，通过过滤射出和射入头部的外部光，外部照明效应所带来的影响可以被最小化。

可使用红宝石轴承(bearing)来标记叶片。这些轴承易于在商业上获得且具有极好的尺寸精确性。该尺寸精确性，一致性和稳定性使得该轴承可通过打小于该轴承的大小的埋头孔(counter sinking)或锥口孔而被精确地安装。因此安装公差潜在地是锥口孔(counter bore)加工工艺公差，这比通过粘合剂附着的反射器更有利。

该系统配置类似于我们原始的光学系统，虽然有一些主要的不同之处：

1)回射材料将被使用精确的锥口孔放置的红宝石标记物取代。

2)投光器被修改以提供两种光源；用于患者设置的525-530nm源，以及用来激励红宝石标记物发出荧光的410nm源。该光源还可以用阻止红光的光学滤光器来补充，以移除该所感测波段中的污染，即＞600nm。

3)照相机将配备有红外选通的滤光器，该滤光器理想地通过由荧光产生的695nm的光。这可以通过使用以695nm为中心的带通滤光器来进一步优化。

4)外部的聚酯薄膜屏是光学带通过滤的以便只允许用于患者照射的波长的光通过。为了最大化信噪比，这理想地应该不通过在600nm以上波长的光。

潜在的优势包括叶片定位准确度的增加，反射器寿命的增加(因为标记物更容易被清理和保持)，由于更精确更简单地放置反射器引起的装配时间的减少，由于被感测的光与照射光为不同的波长，对内部杂散反射的增强的容差，对外部光干扰的增强的容差。另外，由于标记物安装方法的精确性，如果需要替代标记物，在不需重新校准的情况下就可以实现。

当然可以理解的是，可以对上述实施例进行多种变化，而不脱离本发明的范围。

Claims (18)

1.一种用于放射治疗设备的多叶片准直器的叶片，其具有荧光标记物。

2.一种用于放射治疗设备的多叶片准直器，其包括至少一个具有荧光标记物的叶片。

3.根据权利要求2所述的多叶片准直器，其中基本上所有的准直器叶片都具有荧光标记物。

4.根据权利要求2所述的多叶片准直器，其中至少一个叶片具有多个荧光标记物。

5.根据权利要求4所述的多叶片准直器，其中多个叶片具有多个荧光标记物，每个叶片带有以与其它叶片的配置不同的配置的荧光标记物。

6.根据权利要求2或权利要求3所述的多叶片准直器，其中叶片被安装在框架上，并且该框架具有至少一个荧光标记物。

7.根据权利要求6所述的多叶片准直器，其中框架具有多个荧光标记物，所述多个荧光标记物共同指示准直器的最大视野。

8.根据权利要求7所述的多叶片准直器，其中所述荧光标记物被布置为发射波长长于入射光的光。

9.根据权利要求8所述的多叶片准直器，其中所述荧光标记物包括红宝石。

10.根据权利要求9所述的多叶片准直器，其中所述荧光标记物是球形的。

11.根据权利要求9所述的多叶片准直器，其中所述荧光标记物是圆柱形的。

12.放射治疗设备，其包括根据权利要求2-11中的任一项所述的多叶片准直器、布置为观看所述荧光标记物的照相机、用于荧光标记物的照射源，

其中所述照相机具有滤光器，该滤光器被布置为基本上阻止由用于荧光标记物的照射源发射的波长的光进入照相机。

13.根据权利要求12所述的放射治疗设备，其中所述照射源为漫射源。

14.根据权利要求13所述的放射治疗设备，包括在光学上与辐射源处于相同位置且与用于荧光标记物的照射源不同的照射源。

15.根据权利要求14所述的放射治疗设备，其中所述处于相同位置的照射源是基本上单色的。

16.根据权利要求14或权利要求15所述的放射治疗设备，其中所述处于相同位置的照射源为点源。

17.根据权利要求14或权利要求15所述的放射治疗设备，其中所述处于相同位置的照射源在荧光标记物的波长处基本上不发光。

18.根据权利要求17所述的放射治疗设备，包括其输出位置处的滤光器，用于阻断荧光标记物的波长的光。

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