CN102204846A - 一种医学成像部件位置改变后对其快速精确定标的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种医学成像部件位置改变后对其快速精确定标的方法,先将成像部件置于基准位置，由第一测量系统对基准位置进行精确定标，得到基准位置精确定标值；同时由第二测量系统对成像部件的基准位置进行二次定标，得到基准位置参照定标值；利用第二测量系统测量成像部件当前位置，得到当前位置参照定标值；根据基准位置精确定标值、基准位置参照定标值和当前位置参照定标值，通过计算即可得到当前位置精确定标值。本方法定标方便、快速，能使医学成像系统有更大活动空间，使用更灵活，更利于提高成像系统的临床效果。
Description
技术领域
本发明涉及物体空间位置发生改变后对该物体改变后的空间位置快速精确定标的方法，具体指一种医学成像部件位置改变后对其快速精确定标的方法，属于医学成像技术领域。
背景技术
医学成像系统目前已广泛地用于医学诊疗中，如用于诊断，外科手术，介入式治疗，放射治疗和手术等的图像引导系统。
上述医学成像系统在采集病人的图像时，往往需要精确地知道成像系统在参照坐标系中的几何位置。如在用于放射治疗的图像引导系统中，系统需要通过比较实时采集的病人图像和预先采集的参照图像来确定病人的当前位置（相对于参照位置）。为实现这一目的，系统的成像部件，包括X射线球管和探测器，其位置都需要通过精确的定标过程来确定，而这一确定过程复杂、耗时长。
上述要求对成像系统的几何位置造成了较大的限制。如在某些放射治疗的图像引导系统中，X射线球管和探测器的位置只能是固定的，称之为基准位置；或者成像系统（或成像部件）只能沿预先设定好的固定的轨迹或路线运动，如在CT系统中那样。如果相对基准位置发生了位置改变，那么只有在精确地知道改变后的位置坐标后，所成的像才具有应用价值，而改变后的位置坐标目前也只能按基准位置那样的确定手段来进行确定，同样存在过程复杂、要求高、耗时长的弊端。另外，基准位置精确的定标经常需要使用某种电离辐射，而这对人体健康是有害的。
因此，几何位置的限制自然就限制了系统的临床效果，如不能选择最佳的成像距离和角度，因而成像效果、用时和剂量等未能实现最优化。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种医学成像部件位置改变后能对其快速定标的方法，且定标结果精确。
本发明解决上述技术问题的技术手段是这样实现的：
一种医学成像部件位置改变后对其快速精确定标的方法,其步骤为：
（1）先将需要确定位置的成像部件置于某个适合其应用的合理位置，此位置称之为基准位置，再由第一测量系统对该基准位置进行精确定标，得到基准位置精确定标值；同时由第二测量系统对成像部件的基准位置进行二次定标，得到基准位置参照定标值；
（2）当成像部件位置发生变动时，变动后的位置称之为当前位置，利用第二测量系统测量成像部件的当前位置，得到成像部件当前位置参照定标值；
（3）根据基准位置精确定标值、基准位置参照定标值和当前位置参照定标值，通过计算即可得到当前位置精确定标值，从而实现对成像部件位置改变后的精确定标。
所述成像部件的当前位置通过测量当前位置与基准位置的位置偏差来确定。成像部件位置偏差的测量方法可以但不局限于下述四种：
一、将一个或多个力学传感器安放在成像部件上，通过第二测量系统测量力学传感器记录的成像部件位置变动过程中的力学参数来计算该位置偏差。
二、将多个示踪标记物附着在成像部件上，第二测量系统为辅助光学成像系统（包括可见光和红外光），再通过辅助光学成像系统观测到的示踪标记物在影像上的位置变化来确定成像部件位置偏差。
三、将储能元件附着在成像部件上，该储能元件可以被电磁脉冲激发并在电磁脉冲结束后自主发出电磁信号，由第二测量系统测量储能元件被电磁脉冲激发后发出的电磁信号或电磁信号变化（在成像部件位置变动过程中），从而计算出成像部件位置偏差。
四、将发声器或换能器附着在成像部件上，这些发声器或换能器以某种确定的方式发出声波或超声波连续或脉冲信号，通过第二测量系统测量这些信号，从而计算出成像部件位置偏差。
本发明一旦成像部件基准位置由第一测量系统精确定标完成后，第一测量系统为现有的定标系统（精度虽然高，但速度慢，定标成本高），成像部件后续的位置变化即可通过第二测量系统实现定标。由于第二测量系统仅测量成像系统位置发生变动的部件，而不必象现有的测量系统（第一测量系统）那样需要测量整个成像系统，第一测量系统至少必须测量所有和成像几何关系相关的部件的位置；同时，第二测量系统定标的坐标系或零点也可以有别于第一测量系统，故本方法由于第二测量系统使用方便，快捷，从而使整个测量定标方便、快速，最后通过计算即可得到变化后的精确位置，从而实现了快速且精确的变化后位置定标。故采用本方法能使现有医学成像系统的几何位置有更大活动空间，突破了传统技术中成像部件只能位置固定或只能沿固定的轨迹运动的局限，使用更灵活，更利于提高成像系统的临床效果。
由于第一测量系统精确定标通常需要使用某种电离辐射，而第二测量系统中的测量方法通常不需要用到电离辐射，故采用本方法后能够避免电离辐射，扩大了临床应用范围，对人体健康更加有利。
本方法特别适合于医学成像系统的（临床）应用领域需要较精确的成像部件的位置信息，且成像系统中一个或多个部件是需要移动（位置不固定）的。第二测量系统测量成像部件的当前位置或当前位置与基准位置的偏差需要在较短时间内完成。
附图说明
图1-本发明一个具体实施例测量示意图。
具体实施方式
本发明医学成像部件位置改变后对其快速精确定标的方法,步骤为：
（1）先将需要确定位置的成像部件置于某个适合其应用的合理位置，此位置称之为基准位置，再由第一测量系统对该基准位置进行精确定标，得到基准位置精确定标值；同时由第二测量系统对成像部件的基准位置进行二次定标，得到基准位置参照定标值；
（2）当成像部件由于其特定应用的需要发生位置变动时，变动后的位置称之为当前位置，利用第二测量系统测量成像部件的当前位置，得到成像部件当前位置参照定标值；
（3）根据基准位置精确定标值、基准位置参照定标值和当前位置参照定标值，通过计算即可得到当前位置精确定标值，从而实现对成像部件位置改变后的精确定标。具体计算方法现有技术已有表述，在此不赘述。
本发明中，成像部件是医学成像系统中用于形成影像的部件。如X射线系统中的X射线管和成像仪就是成像部件。
所述成像部件的当前位置（包括位移和/或转动）通过测量当前位置与基准位置的位置偏差来确定。成像部件位置偏差的测量方法可以但不局限于下述四种：
一、将一个或多个力学传感器，如加速度传感器，角加速度传感器，陀螺仪等，安放在成像部件上，通过第二测量系统测量并记录该部件位置变动过程中的力学参数来推算移动前后的位置偏差。
二、将多个示踪标记物附着在成像部件上，并通过辅助光学（包括可见光和红外光等）成像系统观测到的示踪标记物在影像上的位置变化来确定成像部件的位置偏差。辅助光学成像系统即为第二测量系统。
三、可以通过测量电磁波方法实现。这一方法的一种实现方式是将一个或多个体积微小的储能元件附着在成像部件上。这种储能元件可以被电磁脉冲激发，在电磁脉冲结束后可以自主发出电磁信号，其工作原理类似于飞机上的询答机或应答器(transponder)。通过第二测量系统测量和分析这些储能元件在被激发后发出的电磁信号可以计算出它们（与基准位置相比较）的位置变化。
四、可以通过测量声波或超声波的方法实现。这一方法的一种实现方式是将一个或多个微型发声器或换能器附着在成像部件上。这些发声器或换能器以某种确定的方式发出声波或超声波连续或脉冲信号。通过第二测量系统测量和分析这些信号可以计算出它们（与基准位置相比较）的位置变化。
以下以一个具体测量实施例对本方法进行说明。本示例为以光学成像系统测量X射线成像组件位置的示例。
如图1所示，医学成像系统是一个X射线系统，其主要成像部件是一个X射线管1和一个成像仪2。本例中成像仪位置比较灵活可变，其背面或边缘轮廓上附着有多个光学标记物3。光学相机4作为辅助系统（第二测量系统）用于测量成像仪2的位置变化。本发明的应用过程如下：
首先将X射线管1和成像仪2安放在相对治疗床5合适的使用位置，该位置为基准位置，并对其基准位置进行测量和精确定标以确定其成像几何参数；
然后将光学相机4固定安放在适合观测成像仪上标记物3的位置，进行精确定标以确定其成像几何参数。对光学相机进行精确定标可以测定标记物的位置，而不仅是位置的变化。第二测量系统也可以直接测定成像组件位置变动后的新位置，只是其测量的位置零点不同于第一系统的零点。
使用光学相机4（从图像上）观测成像仪2位于基准位置时标记物3的当前位置作为参照位置；
当成像仪2位置相对基准位置发生变化时，使用光学相机4（从图像上）观测标记物3变化后的位置，与标记物前述参照位置进行比较，即可计算出成像仪2变化后的位置几何参数（该位置几何参数精度同第一步）。
这一方案中，X射线成像系统和光学成像系统的几何参数的测量和精确定标均可使用常规方法，如使用尺和角度仪测量和使用计算机视觉方法进行定标等，但都有较复杂和严格精确的步骤，耗时较长，可达数小时。光学相机可以是可见光，也可以是红外光相机，采用的标记物也可以是主动或被动式的红外标记物，或是与背景图案有显著区别的可见光标记物或标记线。标记物的安放方式和从光学图像中提取标记物位置，继而计算成像仪位置几何参数也有很多种图像处理和计算机视觉方法可以实现。在此不再赘述。
关于用红外相机实现标记物定位的方法，可参见加拿大NDI公司Polaris系统的说明书。该系统采用两个红外光相机对红外标记球定位，在较大范围内精度可达0.25毫米以下。如果采用分辨率更高的相机，定位精度还可以更高。如果在成像仪背面放置3个以上的标记球，通过测量他们在成像仪位于基准位置和新位置时的位置（变化），就可以据此推算出成像仪的位置变化，再结合成像仪的基准位置就可以得到成像仪新的位置参数。
使用声波定位系统的方案和以上方案类似。可将（一个或多个）声波发生器固定于成像仪上（作用类似于定标物），将一个或多个拾音器置于合适的位置（作用类似于光学相机）；声波发生器可按一定规律发出频率和幅度不同的声波脉冲；通过测量和分析各个拾音器捕捉到的声波脉冲的频率、幅度和相位等信息，可以推算出各声波发生器的位置。和以上光学系统方案类似，通过测量各声波发生器在成像仪位于基准位置和新位置时的位置（变化），就可以据此推算出成像仪的位置变化，再结合成像仪的基准位置就可以得到成像仪新的位置参数。
使用电磁定位系统的方案也和以上方案类似。可将（一个或多个）应答器（transponder）固定于成像仪上（作用类似于定标物），将有源天线阵列置于合适的位置（作用类似于光学相机）；有源天线阵列以一定规律发出某种特定激发脉冲；各应答器在激发脉冲结束后通过其储能机制发出电磁信号；有源天线阵列接受到这些信号后，经过计算可以得到这些应答器相对于有源天线阵列的位置。和以上光学系统方案类似，通过测量各应答器在成像仪位于基准位置和新位置时的位置（变化），就可以据此推算出成像仪的位置变化，再结合成像仪的基准位置就可以得到成像仪新的位置参数。这一机制的工作原理可以参见美国Calypso公司的4D定位系统说明和文献，
J.M. Balter, et al.， “Accuracy of a wireless localization system for radiotherapy”，Int J Radiat Oncol Biol Phys. ，2005 Mar 1;61(3):933-7。所不同的是，Calypso 系统是将应答器植入人体作肿瘤定位，而我们是将应答器安放在成像部件上。
使用力学传感器的方案工作原理略有不同。例如，可将加速度传感器和角加速度传感器固定在成像仪上；以成像仪位于基准位置时的读数为零点；纪录成像仪运动过程中的一连串加速度和角加速度读数；通过一次积分可以得到这一过程中的速度和角速度值；通过再次积分就可得到的运动距离和转角；再结合成像仪的基准位置就可以得到成像仪新的位置参数。
以上方案中，本发明的特点是采用一种辅助定标或测量手段（本例中的光学相机）来测量成像部件（本例中的X射线成像仪）位置变化后的几何参数。这种辅助手段和主成像系统（本例中的X射线系统）的精确定标方法相比，速度快，使用方便，而且不需要使用放射线。采用这一设计方案后，系统对X射线成像部件的位置不再需要严格限制或完全固定，赋予系统在几何布局上更大的自由度，有利于提高系统的性能和方便用户使用。
由称之系统对该以上方案仅为说明本发明的一种实施方式，可以有很多种变化，如光学系统可以包括一套或多套相机，以扩大覆盖范围等。
Claims (6)
1.一种医学成像部件位置改变后对其快速精确定标的方法,其特征在于：其步骤为：
（1）先将需要确定位置的成像部件置于某个适合其应用的合理位置，此位置称之为基准位置，再由第一测量系统对该基准位置进行精确定标，得到基准位置精确定标值；同时由第二测量系统对成像部件的基准位置进行二次定标，得到基准位置参照定标值；
（2）当成像部件位置发生变动时，变动后的位置称之为当前位置，利用第二测量系统测量成像部件的当前位置，得到成像部件当前位置参照定标值；
（3）根据基准位置精确定标值、基准位置参照定标值和当前位置参照定标值，通过计算即可得到当前位置精确定标值，从而实现对成像部件位置改变后的精确定标。
2.根据权利要求1所述的医学成像部件位置改变后对其快速精确定标的方法，其特征在于：所述成像部件的当前位置通过测量当前位置与基准位置的位置偏差来确定。
3.根据权利要求2所述的医学成像部件位置改变后对其快速精确定标的方法，其特征在于：所述成像部件位置偏差的测量方法为，将一个或多个力学传感器安放在成像部件上，通过第二测量系统测量力学传感器记录的成像部件位置变动过程中的力学参数来计算该部件的位置偏差。
4.根据权利要求2所述的医学成像部件位置改变后对其快速精确定标的方法，其特征在于：所述成像部件位置偏差的测量方法为，将一个或多个示踪标记物附着在成像部件上，第二测量系统为辅助光学成像系统，再通过辅助光学成像系统观测到的示踪标记物在影像上的位置变化来确定成像部件位置偏差。
5.根据权利要求2所述的医学成像部件位置改变后对其快速精确定标的方法，其特征在于：所述成像部件位置偏差的测量方法为，将储能元件附着在成像部件上，该储能元件可以被电磁脉冲激发并在电磁脉冲结束后自主发出电磁信号，在成像部件位置变动过程中，由第二测量系统测量储能元件被电磁脉冲激发后发出的电磁信号或电磁信号变化情况，从而计算出成像部件位置偏差。
6.根据权利要求2所述的医学成像部件位置改变后对其快速精确定标的方法，其特征在于：所述成像部件位置偏差的测量方法为，将发声器或换能器附着在成像部件上，这些发声器或换能器以某种确定的方式发出声波或超声波连续或脉冲信号，通过第二测量系统测量这些信号，从而计算出成像部件位置偏差。
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