CN110812710A - 加速器机架旋转角度测量系统、方法及放射治疗设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种加速器机架旋转角度测量系统、方法及放射治疗设备，涉及放疗技术领域。该系统包括：多组红外双目相机和四个红外点光源，双目相机等间隔地安装于加速器机架上，点光源安装于加速器床板上，点光源包括位于床板靠近机架一边中心处的第一点光源；位于第一点光源的远离机架一侧的第二至第四点光源，第二至第四点光源位于沿与该一边平行延伸的同一竖直线上且等间距设置。该系统通过设置多组双目相机和红外点光源，能够利用双目相机对治疗床上的点进行重建计算，并且能够用于通过坐标系之间的转化，计算出机架的旋转角度。该系统测量角度的实时性好、速度快、精度高，利用红外光，受环境光的影响小，并且可实现全方位的旋转测量。

Description

加速器机架旋转角度测量系统、方法及放射治疗设备
技术领域
本发明涉及放疗技术领域，具体涉及一种加速器机架旋转角度测量系统、方法及放射治疗设备。
背景技术
医用直线加速器是一种生物医学上用来对肿瘤进行放射治疗的粒子加速器。医用直线加速器在使用过程中，通过机架与准直器的旋转、治疗床的旋转与升降进行精确的目标定位。加速器在旋转治疗的过程中对机架的旋转精度有着很高的要求。
各个机构运动均通过相应的编码器来定位，编码器显示的是相对位置，通常在一定的使用周期后会发生偏移，当机架角度偏移量大于规定的允许误差时，则会导致治疗位置错误。因此加速旋转角度的测量具有着很重要的意义。
现有的做法是：物理师定期对机架旋转机构位置进行校准。校准时，使用工业水平仪进行找准机架的0度与180度。此种方法虽然能极大的避免因机架位置偏移导致的误治疗，但在一个校准周期内，仍无法完全排除这种情况的发生，且过短的校准周期会大大增加物理师的工作强度。
因此，需要提出一种能够自动对加速器机架旋转角度进行测量的方法或系统，以实现对机架旋转机构位置是否偏移进行校验，在校验不一致的时候，提出预警，使得物理师根据预警进行校准操作。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种加速器机架旋转角度测量系统、方法及放射治疗设备，以解决加速器机架旋转角度的测量问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提出了一种加速器机架旋转角度测量系统，包括：多组红外双目相机和四个红外点光源，多组红外双目相机等间隔地安装于加速器的机架上，四个红外点光源安装于加速器的床板上，四个红外点光源包括：位于床板的靠近机架的一边的中心处的第一红外点光源；位于第一红外点光源的远离机架的一侧的第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源，第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源位于沿与所述一边平行延伸的同一竖直线上，并且第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源等间距设置。
可选地，多组红外双目相机中的每一组红外双目相机均由两个相同的红外相机构成，并且每个红外相机的焦距为12mm，两个相同的红外相机之间的距离为10cm，两个相同的红外相机同步采集的帧率为30Hz。
可选地，四个红外点光源中的每一个红外点光源均为红外LED点光源，红外LED点光源的LED灯管的直径为3mm，红外波长为850nm。
可选地，竖直线与第一红外点光源之间的距离为30cm，并且第二红外点光源与第三红外点光源以及第三红外点光源与第四红外点光源之间的间距均为20cm。
第二方面，本发明提出了一种加速器机架旋转角度测量方法，用于根据第一方面所述的加速器机架旋转角度测量系统，该方法包括：
匀速旋转加速器的机架；
使机架上的多组红外双目相机中的旋转处于机架的顶端最高位置的一组红外双目相机同步采集四个红外点光源的图像；
实时提取该一组红外双目相机所采集的图像中的第一红外点光源；
计算第一红外点光源在左相机坐标系下的三维坐标，该一组红外双目相机包括彼此相同的左相机和右相机，左相机坐标系为基于左相机的坐标系；
通过预先获得的床板坐标系相对于基于左相机的坐标系的变换矩阵，计算左相机坐标系相对于床板坐标系的三维坐标，床板坐标系以第一红外点光源为坐标原点建立的坐标系，床板坐标系的y轴为第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源所位于的竖直线的延伸方向，床板坐标系的x轴为与该竖直线的延伸方向垂直的方向；
通过预设算法计算出机架的摆角平面以及由第一红外点光源的三维坐标点组成的圆弧圆心；
计算出多个时刻下第一红外点光源的三维坐标点到圆弧圆心的向量；
通过求解向量的夹角来计算获得机架的旋转角度。
可选地，在所述匀速旋转加速器的机架之前，所述方法还包括：
对机架上的多组红外双目相机中每一组红外双目相机进行分别标定，以获取对应的标定参数，标定参数包括左相机和右相机的焦距、左相机和右相机相对于该一组红外双目相机的轴心的偏移量；
分别计算床板坐标系相对于基于左相机的坐标系的变换矩阵和基于右相机的坐标系的变换矩阵；
对多组红外双目相机进行联合标定，以获得每个左相机之间的变换矩阵。
可选地，所述对机架上的多组红外双目相机中每一组红外双目相机进行分别标定，以获取对应的标定参数，包括：
根据机架上的多组红外双目相机中每一组红外双目相机的拍摄对象在物理世界上的坐标与在该每一组红外双目相机所采集的图像上的坐标之间的关系矩阵来计算标定参数。
可选地，所述通过预设算法计算出机架的摆角平面以及由第一红外点光源的三维坐标点组成的圆弧圆心，包括：
通过最小二乘法拟合计算机架的摆角平面以及由第一红外点光源的三维坐标点组成的圆弧圆心。
可选地，在所述通过求解向量的夹角来计算获得机架的旋转角度之后，还包括：
获取来自机架的编码器的编码旋转角度；
将计算获得的旋转角度与编码旋转角度进行比较，以得到旋转角度验证结果。
第三方面，本发明还提出了一种放射治疗设备，该放射治疗设备包括根据第一方面所述的加速器机架旋转角度测量系统，或者该放射治疗设备用于实施根据第二方面所述的加速器机架旋转角度测量方法。
本发明的有益效果包括：
本发明提供的加速器机架旋转角度测量系统，包括：多组红外双目相机和四个红外点光源，多组红外双目相机等间隔地安装于加速器的机架上，四个红外点光源安装于加速器的床板上，四个红外点光源包括：位于床板的靠近机架的一边的中心处的第一红外点光源；位于第一红外点光源的远离机架的一侧的第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源，第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源位于沿与所述一边平行延伸的同一竖直线上，并且第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源等间距设置。该加速器机架旋转角度测量系统通过设置多组双目相机和红外点光源，能够利用双目相机对治疗床上的点进行重建计算，并且能够用于通过床板坐标系和相机坐标系之间的转化，计算出机架的旋转角度。该系统测量角度的实时性好、速度快、精度高，利用红外光进行计算，受环境光的影响小，并且多组双目可以切换工作，可实现360度范围内全方位的旋转测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例提供的加速器机架旋转角度测量系统的结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的加速器机架旋转角度测量系统的标定流程示意图；
图3示出了本发明实施例提供的加速器机架旋转角度测量方法的流程示意图；
图4示出了本发明实施例提供的加速器机架摆角测量示意图。
图标：101-机架；102-红外双目相机；103-床板；104-红外点光源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于现有的加速器旋转机架的位置测量普遍都采用编码器来进行定位，在使用一定的时间后会产生偏移，定期来校准会增加大量物理师的工作；不知道何时出现偏移，若发生偏移，可能会对病人的治疗产生偏差。基于此，本发明实施例提供了一种基于双目的加速器机架旋转角度测量系统、方法及放射治疗设备，以解决加速器机架旋转角度的测量问题。
本发明实施例提出了一种加速器机架旋转角度测量系统，包括：多组红外双目相机和四个红外点光源，多组红外双目相机等间隔地安装于加速器的机架上，四个红外点光源安装于加速器的床板上，四个红外点光源包括：位于床板的靠近机架的一边的中心处的第一红外点光源；位于第一红外点光源的远离机架的一侧的第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源，第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源位于沿与所述一边平行延伸的同一竖直线上，并且第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源等间距设置。
具体地，图1示出了本发明实施例提供的加速器机架旋转角度测量系统的结构示意图，如图1所示，该系统包括例如三组红外双目相机102，4个红外点光源104。在本发明实施例中，红外点光源例如可以为红外LED(发光二极管)点光源。其中红外双目相机安装于旋转机架101上，并且等间隔安装。4个红外LED点光源装于床板103之上。双目相机装置由2个相同的红外相机构成，焦距选用12mm，两相机之间的距离为10cm，相机同步采集的帧率为30Hz；红外LED点光源的LED灯管直径3mm，红外波段850nm，左边的那个安装在床板左边的中心处，右边的3个在同一个竖直线上，距离左边的LED约30cm，这三个LED之间的距离为20cm。
该加速器机架旋转角度测量系统通过设置多组双目相机和红外点光源，能够利用双目相机对治疗床上的点进行重建计算，并且能够用于通过床板坐标系和相机坐标系之间的转化，计算出机架的旋转角度。该系统测量角度的实时性好、速度快、精度高，利用红外光进行计算，受环境光的影响小，并且多组双目可以切换工作，可实现360度范围内全方位的旋转测量。
另外，基于上述的加速器机架旋转角度测量系统，本发明实施例还提出了一种加速器机架旋转角度测量方法。该方法用于本发明上述实施例提供的加速器机架旋转角度测量系统，该方法包括：匀速旋转加速器的机架；使机架上的多组红外双目相机中的旋转处于机架的顶端最高位置的一组红外双目相机同步采集四个红外点光源的图像；实时提取该一组红外双目相机所采集的图像中的第一红外点光源；计算第一红外点光源在左相机坐标系下的三维坐标，该一组红外双目相机包括彼此相同的左相机和右相机，左相机坐标系为基于左相机的坐标系；通过预先获得的床板坐标系相对于基于左相机的坐标系的变换矩阵，计算左相机坐标系相对于床板坐标系的三维坐标，床板坐标系以第一红外点光源为坐标原点建立的坐标系，床板坐标系的y轴为第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源所位于的竖直线的延伸方向，床板坐标系的x轴为与该竖直线的延伸方向垂直的方向；通过预设算法计算出机架的摆角平面以及由第一红外点光源的三维坐标点组成的圆弧圆心；计算出多个时刻下第一红外点光源的三维坐标点到圆弧圆心的向量；通过求解向量的夹角来计算获得机架的旋转角度。
可选地，在所述匀速旋转加速器的机架之前，所述方法还包括：对机架上的多组红外双目相机中每一组红外双目相机进行分别标定，以获取对应的标定参数，标定参数包括左相机和右相机的焦距、左相机和右相机相对于该一组红外双目相机的轴心的偏移量；分别计算床板坐标系相对于基于左相机的坐标系的变换矩阵和基于右相机的坐标系的变换矩阵；对多组红外双目相机进行联合标定，以获得每个左相机之间的变换矩阵。
图2示出了本发明实施例提供的加速器机架旋转角度测量系统的标定流程示意图。具体地，参照图2，当进行标定时，需保证床板103不能移动。本实施例的床板坐标系原点为最左边的LED，水平方向为x轴，竖直方向为y轴。首先是分别标定每一组双目相机。双目相机标定的参数主要包括左相机和右相机的焦距f，左右相机相对于它们轴心的偏移tx，ty。
可以根据机架上的多组红外双目相机中每一组红外双目相机的拍摄对象在物理世界上的坐标与在该每一组红外双目相机所采集的图像上的坐标之间的关系矩阵来计算标定参数。
具体地，通过计算空间内的图像与相机采集的图像之间的关系矩阵，来计算焦距和偏移，关系矩阵如下：
Figure BDA0002242060240000081
式中，表示物理世界上的坐标，其既可以通过标定板获得，也可以使用床板上的LED点光源获得。
Figure BDA0002242060240000083
表示与
Figure BDA0002242060240000084
相对应的图像上的坐标。
接下来，进一步对床板坐标系统进行计算，分别计算床板坐标系统相对于两相机系统的变换矩阵Pl和Pr。变换矩阵P由一个旋转矩阵R和一个平移矩阵T构成。两相机之间的变换矩阵通过计算下式获得：
Figure BDA0002242060240000091
式中，
Figure BDA0002242060240000092
表示床板坐标系上的坐标，例如，图1所示的4个红外LED灯的坐标分别是
Figure BDA0002242060240000093
和
Figure BDA0002242060240000094
Figure BDA0002242060240000095
表示与
Figure BDA0002242060240000096
相对应的相机坐标系上的坐标。
最后，对所有双目相机进行联合标定，同样的利用上式，计算每个左相机之间的变换矩阵P1、P2和P3。
可选地，所述通过预设算法计算出机架的摆角平面以及由第一红外点光源的三维坐标点组成的圆弧圆心，包括：通过最小二乘法拟合计算机架的摆角平面以及由第一红外点光源的三维坐标点组成的圆弧圆心。旋转摆角测试示意图如图4所示。最后验证角度是否和机架编码器所传回来角度一致。具体地，可以获取来自机架的编码器的编码旋转角度；将计算获得的旋转角度与编码旋转角度进行比较，以得到旋转角度验证结果。
在实际应用中，图3示出了本发明实施例提供的加速器机架旋转角度测量方法的流程示意图。参照图3，当进行测量时，也需要保证床板不能移动。首先，匀速旋转机架，顶端的双目相机开始工作，同步采集图片。当此相机不处于最高的位置时，切换处于最高位置的相机开始工作，并将相机坐标系统转换成现在正在工作的坐标系统；接着，实时提取两相机图像中床板坐标系原点——即最左边的红外LED；接着通过双目系统，计算床板坐标系原点在左相机坐标系下的3维坐标；接着，通过之间标定获得的转化矩阵计算出左相机坐标系相对床板坐标系的3维坐标；接下来，利用最小二乘法拟合出机架的摆角平面及3维坐标组成的圆弧圆心，并由此计算出各个时刻的三维坐标点到圆心的向量，最后通过求解向量的夹角获得机架旋转的角度。图3中三维点的计算原理如下：
Figure BDA0002242060240000101
式中pl为左相机标定获得的变换矩阵，pr为右相机所获得的变换矩阵，ul为对应的相机的像素坐标，ur为对应的投影仪的坐标，Q为三维的坐标点。具体地，Q为如下的4维矩阵：Q＝[Q1 Q2 Q3 Q4]，第一维Q1表示坐标点的x值，第二维Q2表示坐标点的y值，第三维Q3表示坐标点的z值，第四维Q4为无含义值(Q4用于将Q构造为4维矩阵，以方便矩阵计算)，也就是说，通过矩阵Q的前三个维度值Q1、Q2、Q3来表示三维坐标点的坐标。对于Q的计算，可以通过引入张量行列式的方法，首先计算出下列的行列式：
式中I(k)为单位矩阵，其中，k的取值为1、2、3，则三维点Q的坐标(即Qk，k的取值为1、2、3)计算如下：
Figure BDA0002242060240000103
综上所述，本实施例提供的方法利用双目相机对治疗床上的点进行重建计算，并且能够用于通过床板坐标系和相机坐标系之间的转化，计算出机架的旋转角度。该方法的实时性好、速度快、精度高，利用红外光进行计算，受环境光的影响小，并且多组双目可以切换工作，可实现360度范围内全方位的旋转测量。依靠双目视觉的原理对角度进行测量，具有精度高，速度快的优点。当机架旋转角度出现偏差时，及时给出通知，减少医疗事故；只有在出现偏移时才进行校准，在保证精度的同时，减少物理师的工作。
另外，本发明实施例还提出了一种放射治疗设备，该放射治疗设备包括根据本发明上述实施例所提供的加速器机架旋转角度测量系统，或者该放射治疗设备用于实施根据本发明上述实施例所提供的加速器机架旋转角度测量方法。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种加速器机架旋转角度测量系统，其特征在于，包括：多组红外双目相机和四个红外点光源，所述多组红外双目相机等间隔地安装于加速器的机架上，所述四个红外点光源安装于所述加速器的床板上，
所述四个红外点光源包括：位于所述床板的靠近所述机架的一边的中心处的第一红外点光源；位于所述第一红外点光源的远离所述机架的一侧的第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源，所述第二红外点光源、所述第三红外点光源和所述第四红外点光源位于沿与所述一边平行延伸的同一竖直线上，并且所述第二红外点光源、所述第三红外点光源和所述第四红外点光源等间距设置。
2.根据权利要求1所述的加速器机架旋转角度测量系统，其特征在于，所述多组红外双目相机中的每一组红外双目相机均由两个相同的红外相机构成，并且每个红外相机的焦距为12mm，所述两个相同的红外相机之间的距离为10cm，所述两个相同的红外相机同步采集的帧率为30Hz。
3.根据权利要求1所述的加速器机架旋转角度测量系统，其特征在于，所述四个红外点光源中的每一个红外点光源均为红外LED点光源，所述红外LED点光源的LED灯管的直径为3mm，红外波长为850nm。
4.根据权利要求1所述的加速器机架旋转角度测量系统，其特征在于，所述竖直线与所述第一红外点光源之间的距离为30cm，并且所述第二红外点光源与所述第三红外点光源以及所述第三红外点光源与所述第四红外点光源之间的间距均为20cm。
5.一种加速器机架旋转角度测量方法，其特征在于，用于根据权利要求1至4中任一项所述的加速器机架旋转角度测量系统，所述方法包括：
匀速旋转加速器的机架；
使所述机架上的多组红外双目相机中的旋转处于所述机架的顶端最高位置的一组红外双目相机同步采集四个红外点光源的图像；
实时提取该一组红外双目相机所采集的图像中的第一红外点光源；
计算所述第一红外点光源在左相机坐标系下的三维坐标，该一组红外双目相机包括彼此相同的左相机和右相机，所述左相机坐标系为基于所述左相机的坐标系；
通过预先获得的床板坐标系相对于基于所述左相机的坐标系的变换矩阵，计算所述左相机坐标系相对于所述床板坐标系的三维坐标，所述床板坐标系以所述第一红外点光源为坐标原点建立的坐标系，所述床板坐标系的y轴为第二红外点光源、第三红外点光源和第四红外点光源所位于的竖直线的延伸方向，所述床板坐标系的x轴为与所述竖直线的延伸方向垂直的方向；
通过预设算法计算出所述机架的摆角平面以及由所述第一红外点光源的三维坐标点组成的圆弧圆心；
计算出多个时刻下所述第一红外点光源的三维坐标点到所述圆弧圆心的向量；
通过求解所述向量的夹角来计算获得所述机架的旋转角度。
6.根据权利要求5所述的加速器机架旋转角度测量方法，其特征在于，在所述匀速旋转加速器的机架之前，所述方法还包括：
对所述机架上的多组红外双目相机中每一组红外双目相机进行分别标定，以获取对应的标定参数，所述标定参数包括所述左相机和所述右相机的焦距、所述左相机和所述右相机相对于该一组红外双目相机的轴心的偏移量；
分别计算所述床板坐标系相对于基于所述左相机的坐标系的变换矩阵和基于所述右相机的坐标系的变换矩阵；
对所述多组红外双目相机进行联合标定，以获得每个左相机之间的变换矩阵。
7.根据权利要求6所述的加速器机架旋转角度测量方法，其特征在于，所述对所述机架上的多组红外双目相机中每一组红外双目相机进行分别标定，以获取对应的标定参数，包括：
根据所述机架上的多组红外双目相机中每一组红外双目相机的拍摄对象在物理世界上的坐标与在该每一组红外双目相机所采集的图像上的坐标之间的关系矩阵来计算标定参数。
8.根据权利要求5所述的加速器机架旋转角度测量方法，其特征在于，所述通过预设算法计算出所述机架的摆角平面以及所述第一红外点光源的三维坐标点组成的圆弧圆心，包括：
通过最小二乘法拟合计算所述机架的摆角平面以及所述第一红外点光源的三维坐标点组成的圆弧圆心。
9.根据权利要求5所述的加速器机架旋转角度测量方法，其特征在于，在所述通过求解所述向量的夹角来计算获得所述机架的旋转角度之后，还包括：
获取来自所述机架的编码器的编码旋转角度；
将计算获得的旋转角度与所述编码旋转角度进行比较，以得到旋转角度验证结果。
10.一种放射治疗设备，其特征在于，所述放射治疗设备包括根据权利要求1至4中任一项所述的加速器机架旋转角度测量系统，或者所述放射治疗设备用于实施根据权利要求5至9中任一项所述的加速器机架旋转角度测量方法。
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