CN107872983A - 监控系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于与放射治疗装置一起使用的监控系统，包括：目标表面(36a、36b)，其具有在其上提供的一个或多个三维突出部(38)，每个突出部(38)具有多个平坦侧表面(S)；立体摄像机(14)，其能够操作来获得目标表面(36a、36b)的图像；以及处理模块(200)，其能够操作来处理由所述立体摄像机(14)获得的目标表面(36a、36b)的图像连同识别立体摄像机(14)相对于空间中的规定点的位置和定向的数据，以确定由至少一个或多个三维突出部(36a、36b)限定的平坦侧表面(S)的相对于空间中的所述规定点的位置。

Description

监控系统
技术领域
本发明涉及监控系统。更特别地，本发明涉及用于在放射治疗期间的患者定位和监控中使用的监控系统。
背景技术
放射治疗(RT)包括将辐射束投射到患者的身体的预定区域上以便破坏或消除存在于其中的肿瘤。这样的治疗通常周期性地和重复地被执行。在每次医疗干预时，辐射源必须相对于患者来定位，以便以最高可能的准确度照射选定区域。
已知的RT装置被校准，以使得所生成的辐射束聚焦在被称为治疗等中心的东西上，且患者监控系统用于监控患者的位置以确保等中心与正被治疗的肿瘤重合。这样的监控系统通常包括能够跟踪患者的位置的一个或多个立体摄像机。如果患者位于机械躺椅上，则在监控系统的控制下，机械躺椅将患者定位在正确的位置上，使得等中心聚焦于肿瘤上。
立体摄像机监控在患者身体上的自然特征或被施加至患者的表面上的物理标记。摄像机通常在从位于离患者1.5到2m远的治疗室的天花板悬挂的固定位置上。在固定位置上使摄像机能够被校准，以便识别患者相对于治疗等中心的相对位置。同时，远离患者的摄像机不阻碍治疗装置本身。
对于立体定向手术，特别是当治疗脑部肿瘤时，患者必须相对于RT输送系统以非常高的准确度被定位，以使得辐射被输送到肿瘤而不是周围的健康组织。由于该原因，经历立体定向手术的患者的头部经由框架或面罩牢固地附着到躺椅，以使得患者不能在治疗期间移动他们的头部。
虽然现有的患者监控系统能够以高准确度监控患者，但另外的改进(这样的系统可使用这些改进来监控患者)是期望的。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于与放射治疗装置一起使用的监控系统，包括：具有在其上提供的一个或多个三维突出部的目标表面，每个突出部具有多个平坦侧表面；能够操作来获得目标表面的图像的立体摄像机；以及处理模块，其能够操作来处理由立体摄像机获得的至少一个目标表面的图像连同识别立体摄像机相对于空间中的规定点的位置和定向的数据，以确定由一个或多个三维突出部限定的平坦侧表面的相对于空间中的规定点的位置。
利用立体摄像机来对具有多个平坦侧表面的三维突出部进行成像使三维突出部的表面的模型能够被创建。在已知三维突出部具有多个平坦侧表面的情况下，可确定对平坦侧表面的最佳拟合的平面和因而表面的位置和定向。
在一个实施例中，在三维突出部中的每个上的平坦侧表面会聚以限定一个点，且处理模块能够操作来确定由至少一个或多个三维突出部限定的点特征的相对于空间中的规定点的位置。
对应于平坦表面的最佳拟合的平面的交叉点因此使所识别的点的位置能够以高准确度被确定。
具有会聚以限定点特征的多个平坦侧表面的三维突出部的使用意味着点特征的位置的识别可根据在平坦表面上的多个点的测量来确定。因此，点特征的位置的测量取决于大量数据测量，且因此较不易于出错。
此外，对应于平坦表面的平面的确定可提供指示目标表面的相对定向的数据。
在一个实施例中，目标表面设置在头部安装架上，使患者的头部的位置和定向能够被确定。
在多个三维突出部被提供的情况下，由多个三维突出部识别的点特征的相对位置使目标表面的定向能够被确定。
优选地，提供不同高度的突出部，或以非对称图案布置突出部。这是优选的，因为它简化不同突出部的识别，且意味着目标表面的定向可被唯一地确定。
在一些实施例中，可提供沿圆周间隔开的两个目标表面。在两个或多个目标表面处提供增加了至少一个目标表面对立体摄像机是可见的可能性。
现在将参考附图仅通过示例更特别地描述本发明，其中：
附图说明
图1是包括根据本发明的实施例的监控系统的治疗系统的透视图，
图2是图1的系统的示意性侧视图，
图3是头架的透视图，待监控的示例性目标表面附着到该头架，以及
图4是可选的目标表面的透视图。
具体实施方式
在图1和2中，治疗系统10包括治疗装置12(例如用于施加放射治疗的线性加速器或用于规划放射治疗的x射线模拟器)、立体摄像机14和计算机16。在该实施例中，立体监控摄像机14从治疗室的天花板悬挂在远离患者和治疗装置12的距离(例如1.5-2m)处。
摄像机14无线地连接到计算机16(在图2中由虚线示出)。摄像机也可经由物理线路连接到计算机16。计算机16还经由电线18连接到治疗装置12。
提供机械躺椅20，患者22在治疗期间躺在机械躺椅20上。治疗装置12和机械躺椅20被布置成使得在计算机16的控制下，机械躺椅20和治疗装置12的相对位置可以横向地、垂直地、纵向地和旋转地改变。
如可在图1中看到的，治疗装置12包括主体24，台架26从主体24延伸。准直器28设置在台架26的远离治疗装置12的主体24的端部处。为了改变辐射照射患者22的角度，台架26在计算机16的控制下布置成围绕穿过治疗装置12的主体的中心的轴旋转。此外，也可通过旋转在台架26的端部处的准直器28来改变由治疗装置照射的位置。
现在参考图3，其为头架30的透视图，待监控的示例性目标表面附着到该头架。图3示出固定到患者22并接着固定到机械躺椅20的环形头部安装架30，使患者将他们的头部保持在相对于机械躺椅的固定位置和定向上。头部安装架30具有纵轴X，并包括通常在纵轴X的方向上从安装架30延伸的突出部32和固定经历治疗的患者22的头部23的固定螺钉34。
第一目标表面36a和第二目标表面36b固定到头部安装架30。第一目标表面36a和第二目标表面36b在纵轴(X)周围沿圆周间隔开距离D。第一目标表面36a具有第一轴FA1和垂直于第一轴FA1的第二轴SA1。第二目标表面36b具有第一轴FA2和在该实施例中垂直于第一轴FA2的成θ的角度的第二轴SA2。第一目标表面36a的第一轴FA1平行于第二目标表面36b的第一轴FA2。在可选的实施例中，可不同地布置目标表面，关键要求是考虑机械躺椅和台架的可能位置，足够的目标表面可由立体摄像机成像以使表面能够准确地被跟踪。
每个目标表面36a、36b在该实施例中具有设置在其上的四个相同的基于正方形的棱锥38。每个棱锥38具有正方形底座和相等面积的侧表面S。棱锥38对称地布置在正方形矩阵中，以使得边缘线EX在目标表面36a、36b的轴X的方向上并平行于目标表面36a、36b的轴X延伸，且边缘线EPX在垂直于轴X的方向上延伸并与轴X间隔开。每个侧表面S朝着点特征(棱锥的顶点)40会聚并具有高度H。
如将解释的，目标表面36a、36b使得对应于棱锥38的顶点40的点可由监控系统以非常高的准确度识别出，且因此患者的头部的位置和定向可在治疗期间以非常高的准确度被监控。
返回到图1和2，摄像机14在远侧位置处安装在天花板上并具有视场40(图1)，可以看出，视场40确保摄像机14在与目标表面36a、36b的直接视线中。
摄像机14是立体摄像机，其众所周知在监控RT系统中的诸如治疗装置的物体和患者时使用，且因此在本文未详细描述，简单来说，散斑投影仪44(图2)与摄像机14集成(以便形成模块)，且它通常包括两个透镜46L、46R，其位于被包含在模块内的诸如CMOS有源像素传感器或电荷耦合设备的图像检测器(未示出)的前方。图像检测器布置在透镜46L、46R后面，以便捕获目标表面36a、36b的图像。散斑投影仪44位于两个透镜46L、46R之间，并布置成以红外光的伪随机散斑图案照亮棱锥38，使得当棱锥38的图像由两个图像检测器捕获时，所捕获的图像的相应部分可被区分开。为此，散斑投影仪44包括诸如LED的光源和其上印刷有伪随机散斑图案的薄膜。在使用中，来自光源的光经由膜被投影，且因此，由亮和暗区域组成的图案投影到棱锥38的表面S上。所捕获的图像可接着被处理以确定在棱锥38的表面上的一组点的位置和定向。
为了使计算机16处理从摄像机14接收到的图像，由在磁盘上提供的软件或通过经由通信网络将电信号接收到处理模块200来配置计算机14。处理模块200能够处理来自摄像机14的图像以确定棱锥38和因而患者22的位置和定向。
头架的位置和定向和因而患者22的位置和定向如下获得：
首先，校准摄像机14，以便能够处理来自摄像机的图像并确定在那些图像中捕获的物体的位置和定向。为了这么做，必须确定摄像机的各种内部参数(例如焦距、任何透镜失真等)，使得图像可与在真实世界中的距离相关。
简要地，提供以校准板(例如诸如铝或钢的平坦刚性材料的40x40cm板)的形式的校准物体，在板的表面上的图案显露在已知位置处的圆形的20x20矩阵。此外，朝着校准板的中心的是相邻于四个圆的四个较小的标记物，圆的中心一起识别已知尺寸的正方形的四个角。校准板的图像由位置确定模块获得并处理以在图像内识别在图像中的四个标记物及其相关圆的位置。从由在图像中的标记物识别的圆的相对位置中，确定投影转换，其解释限定图像中的平行四边形的角的识别出的圆的所估计的中心，这由于校准板和获得图像的摄像机14的透镜46L、46R的相对定向而产生。可选地且为了进一步增加圆的中心的所估计的位置的准确度，所计算的转换接着依次应用于每个识别出的圆以转换圆的椭圆形状。接着通过识别所转换的圆的中心并利用逆变换来确定四个圆的中心的位置，以确定在原始图像中的所估计的圆中心的相应位置。当针对图像计算出在校准板上的圆的每个表示的所有中心的坐标时，可接着根据图像中的这些点的相对位置和在校准板的表面上的这些圆的已知相对位置来计算跟踪摄像机的透镜的相对定向，如在“A Versatile Camera CalibrationTechinque for High-Accuracy3D Machine Vision Metrology Using Off the Shelf TVCameras and Lenses”,Roger Tsai,IEEE Journal of Robotics and Automation,Vol.Ra-3,No.4,August 1987中详细描述的。进一步根据各个图像中的点的相对位置，也可以确定内部摄像机参数，例如在摄像机图像内的焦距和径向失真。
确定了摄像机14的透镜的相对位置和存在于摄像机图像中的任何透镜失真后，下一步骤是确定摄像机14相对于治疗装置12的等中心的位置和定向。
这通过对已知尺寸的校准立方体成像来实现，校准立方体在其中心在治疗装置12的等中心处的位置处位于治疗装置12的机械躺椅20上，如由在立方体的外部上的标记与在等中心处交叉的激光十字准线的投影的重合度指示的。利用摄像机透镜的相对位置的前面获得的测量和关于在图像中存在的任何失真的存在的任何数据来处理校准立方体的图像以生成立方体的表面的3D计算机模型。因为立方体具有已知的尺寸且在已知位置处并在如由激光十字准线指示的相对于治疗装置的等中心的已知定向上，在校准立方体的所生成的3D模型和校准立方体的尺寸和位置的已知参数之间的比较使摄像机14的位置和定向能够相对于等中心被确定，使得相对于摄像机14确定的随后的位置和定向信息可以被转换成相对于治疗装置等中心的位置和定向信息。
可选地，可使用例如在WO2015/008040中描述的用于确定摄像机14相对于等中心的相对位置和定向的其它方法，该专利的内容通过引用包含于此。
在确定了摄像机14相对于治疗装置12的等中心的相对位置和定向后，摄像机14获得目标表面36a、b的棱锥38的图像。在Vision RT的专利US7889906中描述了用于将表面的图像转换成表面的3D模型的适当方法，该专利的内容通过引用包含于此。
简要地，从摄像机14的投影仪44投影到在头部安装架30上的棱锥38的表面S上的散斑图案的图像由摄像机14的左透镜46L和右透镜46R获得。
处理模块200之后继续确定转换以识别并匹配由左透镜46L和右透镜46R接收的图像的相应部分(一般，分析是大约16x16像素的图像分块的)。这些图像的相应部分的匹配连同在左透镜46L和右透镜46R后面的图像检测器的图像平面的相对位置的了解一起使对应于棱锥表面S上的点的位置和点特征40的位置能够在每个棱锥38上被识别。
之后可以确定对应于棱锥的顶点的点的位置。更特别地，可确定对应于每个棱锥的各个表面S的点的集合。在允许误差的情况下，在特定表面上的所有点应当位于公共平面上。可确定对应于最佳拟合的平面的数学平面。可为其它表面S确定最佳拟合的类似平面，且那些平面的交叉点将唯一地识别棱锥的顶点的位置。
将认识到，通过提供突出部，诸如具有在点40处相接的多个表面S的棱锥38，可以以非常高的准确度确定那个点40的位置，因为从投影到棱锥38的表面S上的散斑图案的多个测量来推断出点40的位置。
也将认识到，提供多个棱锥38进一步增加准确度，因为它增加可由图像检测器捕获并被处理的点特征40的数量。相同的原理适用于在两个目标表面36a、b上提供突出部。此外，使目标表面36a、b间隔开确保在摄像机14和目标表面36a、b之间的视线部分地被阻挡的情况下足够数量的点特征40是可见的。
一旦是已知的，如果患者相对于治疗等中心被正确地定位，点特征的位置就可与所存储的点特征140的期望位置的参考数据比较。如果存在对准，则RT输送可继续。如果没有对准，则计算机16可输出患者运动指令以移动机械躺椅20来相对于RT输送定位患者22以确保等中心位于肿瘤上，或停止治疗。
在图4中，四个可选的突出部138设置在每个目标表面36a、36b上。突出部138与关于图1到3所述的那些突出部相同，除了不透射线的材料(诸如钨)的球50嵌在每个突出部138的通道52内以外。球50布置成使得它们在被成像时可从任何角度单独地被区分，特别是使得球在计算机断层(CT)扫描期间从不叠加在彼此上，其目的将在下面被描述。
在患者经历辐射治疗之前，通过执行CT扫描来获得患者的参考体积图像。这些图像用于准确地确定在患者体内的肿瘤的位置，并使辐射治疗的计划能够确保辐射束聚焦在肿瘤而不是周围的组织上。假定棱锥138和球50被制造到严格的制造公差，以及精确的测量通过使用坐标测量机器可获得，则可以以高准确度确定球50相对于棱锥138的表面S的位置。与棱锥138的轮廓的图像在CT扫描期间获得相比，球50的图像是更可辨别的，且因此在患者体内的肿瘤相对于球50和因而相对于表面S的位置由于它们的已知固定关系而可以以高准确度获得。
当患者经历放射治疗时，因为棱锥138的表面S相对于等中心的位置以及摄像机14相对于等中心的位置(通过如上所述的校准)是已知的，在CT扫描期间确定了在棱锥138的表面S和球50之间的位置关系后，肿瘤相对于等中心的位置也是已知的。知道肿瘤相对于治疗装置的等中心的位置使辐射能够施加到肿瘤。
在上面的实施例中，棱锥38和因而点特征40以对称图案布置。在可选的实施例中，棱锥可以非对称图案布置或具有不同的高度。提供非对称图案或棱锥可能是有利的，因为它便于在处理图像数据时识别各个棱锥。
虽然在上面所述的实施例中，描述了基于正方形的棱锥，但本发明不需要限于基于正方形的棱锥，例如基于三角形的棱锥也可设置在目标表面上。
上面的实施例描述从投影到棱锥的表面S上的散斑图案的多个测量确定棱锥的顶点的位置。在可选的实施例中，在棱锥的两个表面上的散斑图案的多个测量被处理以确定那些表面的位置而不是那些交叉表面的顶点。
在可选的实施例中，棱锥不需要具有由点限定的顶点，例如它们可具有圆形顶点。类似地，平坦表面可在它们相接时具有圆形边缘。将认识到，这样的圆形边缘/顶点的数学建模使它们的位置能够被确定，而不管物理点特征或边缘的缺乏。
在上面的实施例中所述的目标表面设置在头部安装架30上，头部安装架30使患者22的头部23的位置和定向能够被确定，这在立体定向手术中是必要的。将认识到，目标表面不需要限于设置在头部安装架30上，且可设置在任何物体上，该物体的位置和定向需要以高准确度被监控。

Claims (18)

1.一种用于与放射治疗装置一起使用的监控系统，包括：
目标表面(36a、36b)，其具有在其上提供的一个或多个三维突出部(38)，每个突出部(38)具有多个平坦侧表面(S)，
立体摄像机(14)，其能够操作来获得所述目标表面(36a、36b)的图像；以及
处理模块(200)，其能够操作来处理由所述立体摄像机(14)获得的所述目标表面(36a、36b)的图像连同识别所述立体摄像机(14)相对于空间中的规定点的位置和定向的数据，以确定由所述至少一个或多个三维突出部(36a、36b)限定的平坦侧表面(S)的相对于空间中的所述规定点的位置。
2.根据权利要求1所述的监控系统，其中在所述三维突出部(38)中的每个上的所述平坦侧表面(S)会聚以限定点特征(40)，且所述处理模块(200)能够操作来确定由所述至少一个或多个三维突出部(36a、36b)限定的点特征的相对于空间中的所述规定点的位置。
3.根据权利要求1或2所述的监控系统，还包括待监控的并具有纵轴(X)的物体(30)，所述表面(36a、36b)固定到所述物体(30)并能够随其移动。
4.根据权利要求1或2所述的监控系统，其中所述至少一个三维突出部(38)是多个三维突出部。
5.根据权利要求4所述的监控系统，其中所述多个三维突出部(38)中的一个具有与所述多个三维突出部中的另一个不同的体积。
6.根据权利要求5所述的监控系统，其中所述多个三维突出部(38)中的一个具有与所述多个三维突出部(38)中的另一个不同的高度(H)。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的监控系统，其中所述三维突出部(38)以对称图案布置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的监控系统，其中所述目标表面包括第一目标表面(36a)和第二目标表面(36b)。
9.根据权利要求8在从属于权利要求3时所述的监控系统，其中所述第一目标表面(36a)和第二目标表面(36b)围绕所述纵轴(X)在所述物体(30)上沿圆周间隔开。
10.根据权利要求8或9所述的监控系统，其中所述第一目标表面(36a)和第二目标表面(36b)各自具有平行于彼此延伸的第一轴(FA1、FA2)和相对于它们的各自的第一轴(FA1、FA2)成一角度延伸的第二轴(SA1、SA2)。
11.根据权利要求10所述的监控系统，其中所述第一轴(FA1、FA2)垂直于它们的各自的第二轴(SA1、SA2)而延伸。
12.根据权利要求10或11在从属于权利要求3时所述的监控系统，其中所述第一轴(FA1、FA2)各自在平行于所述物体(30)的所述纵轴(X)的方向上延伸。
13.根据前述权利要求中任一项所述的监控系统，包括用于将预定义图案投影到所述至少一个目标表面(36a、36b)上的投影仪(44)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的监控系统，其中所述至少一个三维突出部(38)是棱锥(38)。
15.根据权利要求14所述的监控系统，其中所述棱锥是基于正方形的棱锥。
16.一种放射治疗系统，包括：
治疗装置(12)；以及
根据前述权利要求中任一项所述的监控系统。
17.一种用于与监控系统一起使用的目标表面(36a、36b)，所述目标表面具有在其上提供的一个或多个三维突出部(38)，每个突出部(38)具有多个平坦侧表面(S)。
18.根据权利要求17所述的目标表面(36a、36b)，其中所述一个或多个三维突出部(38)中的每一个包括嵌入其中的球(50)。
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