CN106949835A - 医用放疗设备等中心三维坐标精准测量方法 - Google Patents

医用放疗设备等中心三维坐标精准测量方法 Download PDF

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李伟峰
姜卓然
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Abstract

本发明提供医用放疗设备等中心三维坐标精准测量方法。该方法利用光学成像设备（包括但不限于红外传感器成像、双目/多目立体扫描成像、结构光扫描成像）实时获取机架与治疗床上的特征点坐标，得到至少三组特征点的三维位置信息。根据测量得到的多组特征点三维位置信息，分别拟合机架与治疗床的旋转轴空间方程，由两轴线空间位置关系，得到设备等中心三维坐标。

Description

医用放疗设备等中心三维坐标精准测量方法
技术领域
本发明属于医疗设备测量领域，特别涉及一种利用光学信息，实时、快速、精准地测量医用放疗设备等中心三维坐标的方法，主要用于医用放疗设备(包括但不限于加速器、模拟定位机、钴机、伽马刀、定位激光灯等)在安装、维护、质量保证以及放疗病人临床实时摆位等需要测量和校准等中心的情况。
背景技术
放疗质量主要依赖于肿瘤中心能否准确放置于医疗设备等中心位置，若医疗设备等中心位置计算不准确，将导致放疗摆位出现重大错误，使放疗质量大打折扣，导致肿瘤复发，这也是中国肿瘤复发率居高不下的重要原因之一。因此，可以说医疗设备等中心的精度决定了放疗的质量。
传统测量方法利用角尺、水平尺、坐标纸、夹持固定物旋转机架、拍片等辅助工具和方法进行观察、目测和估计，通过人工计算与经验判断设备等中心精度是否准确，对测试人员的水平要求高，测量误差在1mm左右甚至更大。因此，很有必要提供一种自动地、精准地以及和测试人员水平无关地测量医用放疗设备等中心三维坐标的方法。本发明利用光学信息，通过计算机图像处理手段和数据计算方法，实时、快速和准确测量光学坐标系下等中心的三维坐标，并保证较高的精度（测量误差在0.5mm以内），使得放疗精确摆位成为可能。
发明内容
发明目的
放疗摆位的核心是肿瘤中心与设备等中心的重合问题，等中心的精准测量是准确摆位的前提，本发明的目的在于提出一种医用放疗设备等中心三维坐标的精准测量方法，利用光学成像设备（包括但不限于红外传感器成像、双目/多目立体扫描成像、结构光扫描成像）获取特征点，拟合放疗设备机架与治疗床的旋转轴，从而精准测量医用放疗设备等中心三维坐标，实现简单可靠的等中心测量获取方法，保证放疗质量，降低肿瘤复发率。
技术方法
本发明的目的是这样实现的：
在测量阶段，放疗设备机架与治疗床分别旋转多个角度，利用光学成像设备（包括但不限于红外传感器成像、双目/多目立体扫描成像、结构光扫描成像）实时获取机架与治疗床上的特征点坐标，得到至少三组特征点的三维位置信息。在计算阶段，根据测量得到的多组特征点三维位置信息，分别拟合计算机架与治疗床的旋转轴空间方程，由两轴线的空间位置关系，得到设备等中心的三维坐标。
进一步地，本发明中所述的“利用光学成像设备（包括但不限于红外传感器成像、双目/多目立体扫描成像、结构光扫描成像）实时获取机架与治疗床上的特征点坐标，得到至少三组特征点的三维位置信息”包括以下步骤：
将机架(A)、治疗床(B)分别旋转至任意角度，利用光学成像设备分别获取机架、治疗床上特征点的三维坐标。其中机架(A)旋转N次，每次旋转的角度不一样；治疗床(B)旋转M次，每次旋转的角度不一样。两组特征点的坐标数据集分别记为
其中，A、B分别表示随机架、治疗床旋转而变化的特征点三维坐标集合，i表示机架的第i次旋转，j表示治疗床的第j次旋转。
所述特征点是指具有明显光学成像识别特性的物体或几何结构的某固定点。在本发明的至少一个实施例中，所述特征点可以是具有红外反光特性的标记物，该标记物可以被红外传感器识别；所述特征点可以是机架、治疗床上的几何结构特征点（如床角、机架的机械机构凸起），该特征点可以通过双目/多目立体扫描成像或单目结构光扫描成像识别；所述特征点也可以是特征点集合，如形成的机架/床角的局部或整体表面形态，该特征可以通过双目/多目立体扫描成像或结构光扫描成像识别。
进一步地，本发明中所述的“根据测量得到的多组特征点三维位置信息，分别拟合计算机架与治疗床的旋转轴空间方程”，包括以下步骤：
对于机架旋转轴，根据“集合A中各空间点到旋转轴的距离之差最小”的原则，可优化拟合出机架旋转轴的轴线方程（表示为l A）；
对于治疗床旋转轴，根据“集合B中各空间点到旋转轴的距离之差最小”的原则，可优化拟合出治疗床旋转轴的轴线方程（表示为l B）。
在本发明所述的至少一个实施例中，所述机架和治疗床上的特征点个数均为1。但是本领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用多个特征点也可以拟合出旋转轴线，因此，类似的技术方案也没有超过本发明所公开并要求保护的范围。
进一步地，本发明中所述的“由两轴线的空间位置关系，得到设备等中心三维坐标”，包括以下步骤：
计算两条轴线间公垂线的两垂足，分别记为
和
，
则医用放疗设备等中心坐标估计为O=DA+λ(DB-DA)，λ∈[0,1]。参数λ的取值由操作者定义。
默认优选的λ取值为0，即以机架旋转轴上的垂足DA估计医用放疗设备等中心坐标。
有益效果
综上所述，本发明的有益效果在于：精准反映医用放疗设备等中心三维坐标，各方向上的测量误差保持在0.5mm以内，保证测量准确性；测量过程不需要专家操作，医务人员通过简单培训即可完成操作，测量结果不受测量人员技术水平影响；测量过程仅耗时1-2分钟，测量速度快，效率高，可重复性高。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明的示意图。
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1是本发明的原理框图，步骤包括：
1、分别旋转机架和治疗床N次和M次，每次旋转的角度不一致，在每次旋转时，利用光学成像设备（包括但不限于红外传感器成像、双目/多目立体扫描成像、结构光扫描成像）实时获取机架与治疗床上的特征点坐标，得到至少三组随着机架和治疗床旋转而变化的特征点三维位置信息。
为便于说明，将随机架旋转而产生变化的特征点三维坐标集合记录为
，
将随治疗床旋转而产生变化的特征点三维坐标集合记录为
。
进一步地，所述特征点是指具有明显光学成像识别特性的物体或几何结构的某固定点。在本发明的至少一个实施例中，所述特征点可以是具有红外反光特性的标记物，该标记物可以被红外传感器识别；所述特征点可以是机架、治疗床上的几何结构特征点（如床角、机架的机械机构凸起），该特征点可以通过双目/多目立体扫描成像或结构光扫描成像识别；所述特征点也可以是特征点集合，如形成的机架/床角的局部或整体表面形态，该特征可以通过双目/多目立体扫描成像或结构光扫描成像识别。
2、根据测量得到的多组三维位置信息，分别拟合机架与治疗床的旋转轴空间方程，具体步骤如下：
对于机架旋转轴，根据“集合A中各空间点到旋转轴的距离之差最小”的原则，可优化拟合出机架旋转轴的轴线方程（表示为l A）；
对于治疗床旋转轴，根据“集合B中各空间点到旋转轴的距离之差最小”的原则，可优化拟合出治疗床旋转轴的轴线方程（表示为l B）。
在本发明所述的至少一个实施例中，所述机架和治疗床上的特征点个数均为1。但是本领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用多个特征点也可以拟合出旋转轴线，因此，类似的技术方案也没有超过本发明所公开并要求保护的范围。
3、由两轴线的空间位置关系，得到设备等中心三维坐标，具体步骤如下：
计算两条轴线间公垂线的垂足，分别记为和，则医用放疗设备等中心坐标估计为O=DA+λ(DB-DA)，λ∈[0,1]。参数λ的取值由操作者定义。
优选地，λ取值为0，即以机架旋转轴上的垂足DA估计医用放疗设备等中心坐标。

Claims (7)

1.医用放疗设备等中心三维坐标精准测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在测量阶段，利用光学成像设备（包括但不限于红外传感器成像、双目/多目立体扫描成像、单目结构光扫描成像等）实时获取机架与治疗床上的特征点坐标，将放疗设备的机架与治疗床分别旋转多个角度，得到至少三组特征点的三维坐标信息；
（2）在计算阶段，根据测量得到的多组特征点三维坐标信息，分别拟合计算机架与治疗床旋转轴的空间方程，由两旋转轴线的空间位置关系，得到设备等中心的三维坐标。
2.如权利要求1所述的医用放疗设备等中心三维坐标精准测量方法，其特征在于：所述步骤1中的特征点是可被光学成像设备识别的物体或几何结构的某固定点。
3.如权利要求2所述的医用放疗设备等中心三维坐标精准测量方法，其特征在于：所述可被光学成像设备识别的物体或几何结构的某固定点，包括：(1)具有红外反光特性的标记物的特征点，(2)机架或治疗床的几何结构特征点，(3)机架或治疗床的局部或整体表面形态的特征点。
4.如权利要求1所述的医用放疗设备等中心三维坐标精准测量方法，其特征在于：所述步骤1中机架与治疗床上的特征点个数可以为1个或者多个。
5.如权利要求1所述的医用放疗设备等中心三维坐标精准测量方法，其特征在于：所述步骤2中根据测量得到的多组三维坐标信息，分别拟合出机架与治疗床的旋转轴空间方程包括：
对于机架旋转轴，利用其旋转产生的特征点坐标集合A，根据“集合A中各空间点到旋转轴的距离之差最小”的原则，可优化拟合出机架旋转轴的轴线方程；
对于治疗床旋转轴，利用其旋转产生的特征点坐标集合B，根据“集合B中各空间点到旋转轴的距离之差最小”的原则，可优化拟合出治疗床旋转轴的轴线方程。
6.如权利要求1所述的医用放疗设备等中心三维坐标精准测量方法，其特征在于：所述步骤2中由两轴线的空间位置关系，得到设备等中心的三维坐标包括以下步骤：计算出机架旋转轴和治疗床旋转轴的公垂线和公垂线的两个垂足，机架旋转轴上的垂足记为 D A = ( x A , y A , z A ) ，治疗床旋转轴上的垂足记为 D B = ( x B , y B , z B ) ，则医用放疗设备等中心坐标根据设备情况,可以确定为O=DA+λ(DB-DA),λ∈[0,1]，参数λ的取值由操作者定义。
7.如权利要求6所述的医用放疗设备等中心三维坐标精准测量方法，其特征在于：所述参数λ的优选值为0(一般默认 D A = ( x A , y A , z A ) 为等中心)。
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