CN115814288A - 一种放疗治疗床形变测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于放射治疗技术领域，具体涉及一种放疗治疗床形变测量装置及方法，该装置包括摄像头、标记线a和图像处理设备，标记线a设在治疗床板a底部，摄像头放置在治疗床板a下一定高度并偏离标记线a所在竖直平面一定距离处，摄像头和图像处理设备连接。本发明作为动态调整治疗床的姿态的依据，降低治疗床形变对治疗的影响。本发明的测量可以在随摆位过程实时进行，当使用倾斜等方法对摆位误差进行调整时，由于额外倾角的存在，采用间接测量的方法都会产生额外的不确定性，而本发明不会受到影响，能够更准确的进行床位置的动态补偿，提高治疗的精准度。

Description

一种放疗治疗床形变测量装置及方法

技术领域

本发明属于放射治疗技术领域，具体涉及一种放疗治疗床形变测量装置及方法。

背景技术

精准放疗是肿瘤治疗的重要手段，在治疗过程中，摆位精度是十分重要的技术指标。摆位需要通过移动治疗床，将由CT等医学影像确定的患者肿瘤，移动到加速器等中心附近。因此治疗床所确定的位置精度成为问题的关键。治疗床的位置精度除受运动控制精度的影响外，其自身的形变也是不可忽视的因素。

针对治疗床形变带来的位置误差，有两个解决思路：其一是通过结构强度，控制形变的产生；其二是通过运动控制系统对形变进行补偿。

对于增加治疗床强度，以减小形变产生的方案，一种是增加床板的厚度，另一种是通过复杂的支撑结构，将床板上受到的压力尽快传递到其它支撑结构上。增加床板厚度，必然导致床板对照射剂量的吸收同时增加，降低了射线使用效率，因此该方案通常不能彻底解决形变问题。现有技术中其他增加支撑结构的方案，会遇到复杂结构带来的成本和控制难度上的问题，同时由于运动机构增加，还会引入运动同步、碰撞等新的问题和安全风险。

采用形变补偿的方法一般假定床板上重量具有确定的分布特征，针对治疗床上的总重量，或治疗床某一点的形变量进行补偿。然而患者的体型各异，躺在治疗床上的位置也有差别。因此即使患者体重相同，床板产生的形变也不尽相同。从而这种补偿的方式仍会不可避免的存在一定的误差。

治疗床形变的补偿，还可以通过影像引导的方式实现，但此种方法通常需要进行X射线成像，患者必须接受一定的辐射剂量；并且，摆位过程相对复杂，从而加长了治疗总时间。因此比较适合于首次治疗和关键治疗节点使用，但并不是一种适合于每一次治疗的位置补偿方法。

肿瘤通常是具有不规则形状的立体结构，床板的形变不仅造成了其中心位置的偏移，还造成了一定程度的旋转。目前床形变的补偿要么不对旋转进行补偿，而三维治疗床无法实现角度补偿，要么仅针对床上某一固定位置对俯仰角度进行补偿，且一般不对左右翻滚进行补偿。

因此需要提供一种放疗治疗床形变测量装置及方法，以解决现有技术存在的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种放疗治疗床形变测量装置及方法，作为动态调整治疗床的姿态的依据，降低治疗床形变对治疗的影响。

实现本发明目的的技术方案：

一种放疗治疗床形变测量装置，该装置包括摄像头、标记线a和图像处理设备，标记线a设在治疗床板a底部，摄像头放置在治疗床板a下一定高度并偏离标记线a所在竖直平面一定距离处，摄像头和图像处理设备连接。

所述的标记线a通过刻画或激光面投射的方式设在治疗床板a底部。

所述的摄像头获取未形变的标记线a及由于受力而发生形变后的治疗床板b上发生弯曲的标记线b影像，图像处理设备通过比较标记线a和标记线b的影像，计算出治疗床板a在治疗中心区域的下降数据。

所述的在治疗床板a正下方安装固定激光灯支架，激光灯支架另一端固定激光灯，激光灯输出竖直方向的激光平面，激光平面照射在治疗床板a底侧，在治疗床板a下表面形成标记线a。

所述的在治疗床板a的支撑结构附近安装云台支架，云台支架一端连接治疗床板a，另一端固定连接摄像头，摄像头随治疗床板a一同运动，采集的图像不受治疗床板a位置影响。

所述的激光灯采用红外光，摄像头的镜头使用与激光灯波长相同的滤光片，去除环境光的干扰。

一种放疗治疗床形变测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：标定参数，获得摄像头获取图像中像素点与真实空间中位置的对应关系；

步骤2：测量单点竖直方向形变；

步骤3：测量治疗床板a的倾斜情况。

所述的步骤1包括以下步骤：

步骤1.1在治疗床板a下表面标记线a的特定位置摆放已知尺寸的标定物：

步骤1.2采用摄像头对标记线a及标定物拍摄图像；

步骤1.3根据标定图像中标定物的像素点数量，确定摄像头像素坐标与空间位置的关系。

所述的步骤1.1包括：

步骤1.1.1准备标定物，标定物高度h大于治疗床板a的最大形变，其中被摄像头拍摄的表面布满黑白交错的格子；

步骤1.1.2安放标定物，将标定物安装在治疗床板a底面，并使有黑白交错的格子一面的长边重叠在标记线a上；

步骤1.1.3检查治疗床板a的形变，并将治疗床板a调整水平。

所述的步骤1.3包括：

步骤1.3.1利用计算机软件在标定物图片中识别各个格子交叉点的像素坐标；

步骤1.3.2计算交叉点对应像素坐标和实际空间坐标的对应关系，并存入查找表。

所述的步骤2包括以下分步骤：

步骤2.1在患者处于治疗床板a上时，用摄像头对准标记线a拍摄图像；

步骤2.2根据测量图像中标记线a的变形情况，计算治疗床板a的形变量；

步骤2.2.1在图像中，识别治疗关心位置的标记线a对应的像素坐标；

步骤2.2.2在步骤1.3.2得的查找表中，找出与待测量像素坐标最为接近的基准像素的坐标值；

步骤2.2.3通过插值，计算出待测量像素在真实空间中的位置，从而得到治疗床板a的形变量。

所述的步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：在治疗床板a上测定两个位置的竖直方向形变量；

步骤3.2：计算这两个位置连线方向的倾角。

所述的步骤3.2中对于俯仰倾斜的测量方法为：分别测量沿床长边Y方向的标记线a上，已知间距为Δy的两个点的形变量，计算其形变量的差值记为Δz，则治疗床板a在此处的俯仰倾角为：

所述的步骤3.2中对于翻滚倾斜的测量方法为：在治疗床板a底部设置两条沿床长边Y方向的标记线，两条标记线间距为d，分别测量治疗床板a在两条标记线上的竖直方向形变数据，分别记为Δz1和Δz2，则翻滚倾角为：

所述的标定物为拥有一个以上已知尺寸的物体。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明可以准确的测量床板的形变情况，为治疗系统提供准确的信息用于位置的校正和补偿，从而实现精准的放射治疗；

(2)对于相同的治疗精度要求，本发明相较于增加床板厚度的方案，减少了床板对剂量的吸收，提高了治疗效率，从而减短治疗时间，降低加速器元件不必要的损耗；

(3)本发明与对床板增加额外的支撑结构的方法相比，结构更简洁，特别是针对结构约束较难实现的系统，比如系列产品中不便对床的结构进行大的升级，同时又对精度提高了要求时，本发明的方法和装置对原有系统的改动较少，将不可能变为可能，另外简化的结构成本较低，特别是因为摄像头随手机等消费产品高速发展，本发明的成本和测量精度的优势，随时间推移还会不断增加；

(4)本发明是对形变产生误差的直接测量，对比利用称重或测量床上某一固定点形变，再对治疗关心位置的形变进行计算的方法，本发明可以对床上任意点的变形进行直接测量，数据更加准确可靠，特别是患者体型特殊，或者除患者还需要将某些其它设备同时放置在治疗床上，或者加速器治疗系统在维护或维修过程中，需要将专用工装设备等与人的重量分布差异较大的载荷加在床板上时，直接测量的优势更加明显；

(5)本发明采用直接测量的方法，与计算位置误差的方法相比，完全不依赖计算参数的稳定性，比如床的刚度随温度、湿度、使用中的疲劳等因素，对本发明的方法不会产生任何影响；

(6)本发明除了能测量床变形造成的下沉，还可以通过对治疗关心区域内多点进行测量，获得床板俯仰和翻滚方向倾斜的信息，相对单一测量下沉的方法，提供了更多的信息，从而可以更好的进行补偿，因此从整机系统角度来看，摆位的精度更高，因此对患者的治疗更准确；

(7)本发明的测量可以在随摆位过程实时进行，当使用倾斜等方法对摆位误差进行调整时，由于额外倾角的存在，采用间接测量的方法都会产生额外的不确定性，而本发明不会受到影响，能够更准确的进行床位置的动态补偿，提高治疗的精准度。

附图说明

图1为本发明所提供的一种放疗治疗床形变测量装置使用装配图；

图2为本发明所提供的一种放疗治疗床形变测量装置实施例示意图

图3为本发明所提供的一种放疗治疗床形变测量装置上标定物的示意图；

图4为本发明所提供的一种放疗治疗床形变俯仰角度计算方法示意图；

图5为本发明所提供的一种放疗治疗床形变翻滚角度计算方法示意图；

图中：101-治疗床底座；102-摄像头；103-治疗床板a；104-标记线a；105-治疗床板b；106-标记线b；107-图像处理设备；501-激光平面；502-激光灯；503-激光灯支架；504-云台支架；601-标定物；602-黑白交错的格子。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，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、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。

如图1所示，本发明所提供的一种放疗治疗床形变测量装置，该装置包括摄像头102、标记线a104和图像处理设备107。摄像头102和图像处理设备107连接。

标记线a104设置在治疗床板a103底部，设置方式为刻画或者通过激光面投射。

摄像头102放置在治疗床板a103下一定高度ΔZ并偏离标记线a104所在竖直平面一定距离ΔX处。

在治疗床板a103上没有重物时，使用摄像头102获取未形变的标记线a104及其附近的图像。

通过摄像头102获取由于受力而发生形变后的治疗床板b105上发生弯曲的标记线b106影像。图像处理设备107通过将之与未变形的标记线a104进行对比，可以计算出治疗床板a103在治疗中心区域的下降数据。

该形变测量装置在使用时，一个实施例如图2所示：在治疗床板a103正下方，通过激光灯支架503固定激光灯502。激光灯支架503的另一端固定在治疗床板a103支撑结构附近，确保激光灯502的位置不随治疗床板a103形变而发生变化。激光灯502输出竖直方向的激光平面501。激光平面501照射在治疗床板a103底侧，在治疗床板a103下表面形成标记线a104。为了避免由于标记线a104和激光灯502之间的距离发生变化，而对标记线a104的粗细产生影响，将激光灯502固定在治疗床板a103上，并随之一起运动，同时也避免治疗床板a103垂直运动轴线与激光平面501不平行产生额外的误差。

在治疗床板a103的支撑结构附近安装云台支架504，云台支架504一端连接治疗床板a103，另一端固定连接摄像头102，摄像头102随治疗床板a103一同运动，因此采集的图像不受治疗床板a103位置影响。

为了充分利用摄像头102的分辨率，利用云台支架504精确的控制摄像头102指向，从而使摄像头102只获取治疗关心的区域附近的标记线a104的图像。

为了避免环境光对视频信号产生干扰，激光灯502的波长充分考虑环境光的情况，采用治疗环境中没有的红外光。摄像头102的镜头使用与激光灯502波长相同的滤光片，去除环境光的干扰。

本发明还提供了一种放疗治疗床形变测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：参数标定，获得摄像头102获取图像中像素点与真实空间中位置的对应关系；

参数标定是为了获得摄像头102获取图像中像素点，与真实空间中位置的对应关系，如大小比例关系和偏移量的系数，从而可以在后续测量过程中，通过标记线a104在图片中偏移的像素点数，计算实际空间中的位移。

参数标定过程只需进行一次，不必在每次测量之前都重复一遍。

步骤1.1在治疗床板a103下表面标记线a104的特定位置摆放已知尺寸的标定参照物：

步骤1.1.1准备标定物：

该标定物拥有至少一个已知尺寸，用于标定图像中的尺寸。如具有明确厚度的片或条，或者是刻画了网格的测试块，或者是贴有坐标纸的垂直表面；在本实施例采用如图3所示的标定物601进行标定过程。此标定物601以金属加工，各相邻的面相互垂直。标定物高度h大于治疗床板a103可能产生的最大形变，其中被摄像头102拍摄的表面布满黑白交错的格子602。

步骤1.1.2安放标定物：

将此标定物601靠在治疗床板a103底面，并使有黑白交错的格子602一面的长边重叠在标记线a104上。

将此标定物601的一个顶点置于在治疗床板a103上已知坐标点的位置上，如等中心点在治疗床板a103上的投影位置，并固定。

步骤1.1.3将治疗床板a103调整水平：

如果是六维床，将床的俯仰倾角设置为零。如果是三维床可以直接进行下面步骤。

步骤1.1.4检查治疗床板a103的形变：

使用激光水平仪检查治疗床板a103床面完全处于水平线上，如发现有不水平的状况，则表明治疗床板a103因标定物的重量发生了不可忽视的形变，应采用适当的支撑并调整，使治疗床板a103恢复到完全水平。

步骤1.2采用摄像头102对标记线a104及标定物601拍摄图像；

步骤1.3根据标定图像中标定物601的像素点数量，确定摄像头102像素坐标与空间位置的关系；

摄像头102像素坐标与空间位置的关系根据计算方法的不同有多种选择，如计算图像与空间位置之间的关系函数。本实施例中采用查找表作为关系参数承载实体，包括以下步骤：

步骤1.3.1利用计算机软件，在标定物图片中，识别各个格子交叉点的像素坐标；

步骤1.3.2计算交叉点对应像素坐标和实际空间坐标的对应关系，并存入查找表。这些已知位置的像素点称为：基准像素点。

步骤2：单点竖直方向形变测量；

步骤2.1在患者处于治疗床板a103上时，用摄像头102对准标记线a104拍摄图像；

步骤2.2根据测量图像中标记线a104的变形情况，计算治疗床板a103的形变量；

步骤2.2.1在图像中，识别治疗关心位置的标记线a104对应的像素坐标；

步骤2.2.2在步骤1.3.2获得的查找表中，找出与待测量像素坐标最为接近的基准像素的坐标值；

步骤2.2.3通过插值，计算出待测量像素在真实空间中的位置，从而得到治疗床板a103的形变量。

步骤3：测量治疗床板a103的倾斜情况

如果治疗系统采用的是三维以上的治疗床，可以利用此数据对倾斜进行矫正。由于三维以下的治疗床，或没有角度矫正的需求，此步骤可以不进行。此步骤可以进一步细化：

步骤3.1：在治疗床板a103上测定两个位置的竖直方向形变量；

步骤3.2：计算这两个位置连线方向的倾角。

治疗床长边方向(Y方向)上的俯仰倾斜和治疗床短边方向(X方向)上的翻滚倾斜是最关注的，而其它方向的倾斜可以分解为这两个方向的倾斜。因此下面对这两个方向倾斜的测量进行详细说明：

如图4所示，对于俯仰倾斜的测量方法为：分别测量沿床长边(Y)方向的标记线a104上，已知间距为Δy的两个点的形变量。计算其形变量的差值，记为Δz，则治疗床板a103在此处的俯仰倾角为：

如图5所示，对于翻滚倾斜的测量方法为：在治疗床板a103底部设置两条沿床长边(Y)方向的标记线。标记线间距为d，分别测量治疗关心的位置处，治疗床板a103在两条标记线上的竖直方向形变数据，分别记为Δz1和Δz2，则指定点附近的翻滚倾角为：

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (15)

1.一种放疗治疗床形变测量装置，其特征在于：该装置包括摄像头(102)、标记线a(104)和图像处理设备(107)，标记线a(104)设在治疗床板a(103)底部，摄像头(102)放置在治疗床板a(103)下一定高度并偏离标记线a(104)所在竖直平面一定距离处，摄像头(102)和图像处理设备(107)连接。

2.根据权利要求1所述的一种放疗治疗床形变测量装置，其特征在于：所述的标记线a(104)通过刻画或激光面投射的方式设在治疗床板a(103)底部。

3.根据权利要求2所述的一种放疗治疗床形变测量装置，其特征在于：所述的摄像头(102)获取未形变的标记线a(104)及由于受力而发生形变后的治疗床板b(105)上发生弯曲的标记线b(106)影像，图像处理设备(107)通过比较标记线a(104)和标记线b(106)的影像，计算出治疗床板a(103)在治疗中心区域的下降数据。

4.根据权利要求3所述的一种放疗治疗床形变测量装置，其特征在于：所述的在治疗床板a(103)正下方安装固定激光灯支架(503)，激光灯支架(503)另一端固定激光灯(502)，激光灯(502)输出竖直方向的激光平面(501)，激光平面(501)照射在治疗床板a(103)底侧，在治疗床板a(103)下表面形成标记线a(104)。

5.根据权利要求4所述的一种放疗治疗床形变测量装置，其特征在于：所述的在治疗床板a(103)的支撑结构附近安装云台支架(504)，云台支架(504)一端连接治疗床板a(103)，另一端固定连接摄像头(102)，摄像头(102)随治疗床板a(103)一同运动，采集的图像不受治疗床板a(103)位置影响。

6.根据权利要求5所述的一种放疗治疗床形变测量装置，其特征在于：所述的激光灯(502)采用红外光，摄像头(102)的镜头使用与激光灯(502)波长相同的滤光片，去除环境光的干扰。

7.根据权利要求6所述的一种放疗治疗床形变测量装置的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：标定参数，获得摄像头(102)获取图像中像素点与真实空间中位置的对应关系；

步骤2：测量单点竖直方向形变；

步骤3：测量治疗床板a(103)的倾斜情况。

8.根据权利要求7所述的一种放疗治疗床形变测量装置的测量方法，其特征在于：所述的步骤1包括以下步骤：

步骤1.1在治疗床板a(103)下表面标记线a(104)的特定位置摆放已知尺寸的标定物(601)：

步骤1.2采用摄像头(102)对标记线a(104)及标定物(601)拍摄图像；

步骤1.3根据标定图像中标定物(601)的像素点数量，确定摄像头(102)像素坐标与空间位置的关系。

9.根据权利要求8所述的一种放疗治疗床形变测量装置的测量方法，其特征在于：所述的步骤1.1包括：

步骤1.1.1准备标定物(601)，标定物(601)高度h大于治疗床板a(103)的最大形变，其中被摄像头(102)拍摄的表面布满黑白交错的格子(602)；

步骤1.1.2安放标定物(601)，将标定物(601)安装在治疗床板a(103)底面，并使有黑白交错的格子(602)一面的长边重叠在标记线a(104)上；

步骤1.1.3检查治疗床板a(103)的形变，并将治疗床板a(103)调整水平。

10.根据权利要求9所述的一种放疗治疗床形变测量装置的测量方法，其特征在于：所述的步骤1.3包括：

步骤1.3.1利用计算机软件在标定物图片中识别各个格子交叉点的像素坐标；

步骤1.3.2计算交叉点对应像素坐标和实际空间坐标的对应关系，并存入查找表。

11.根据权利要求10所述的一种放疗治疗床形变测量装置的测量方法，其特征在于：所述的步骤2包括以下分步骤：

步骤2.1在患者处于治疗床板a(103)上时，用摄像头(102)对准标记线a(104)拍摄图像；

步骤2.2根据测量图像中标记线a(104)的变形情况，计算治疗床板a(103)的形变量；

步骤2.2.1在图像中，识别治疗关心位置的标记线a(104)对应的像素坐标；

步骤2.2.2在步骤1.3.2得的查找表中，找出与待测量像素坐标最为接近的基准像素的坐标值；

步骤2.2.3通过插值，计算出待测量像素在真实空间中的位置，从而得到治疗床板a(103)的形变量。

12.根据权利要求11所述的一种放疗治疗床形变测量装置的测量方法，其特征在于：所述的步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：在治疗床板a(103)上测定两个位置的竖直方向形变量；

步骤3.2：计算这两个位置连线方向的倾角。

13.根据权利要求12所述的一种放疗治疗床形变测量装置的测量方法，其特征在于：所述的步骤3.2中对于俯仰倾斜的测量方法为：分别测量沿床长边Y方向的标记线a(104)上，已知间距为Δy的两个点的形变量，计算其形变量的差值记为Δz，则治疗床板a(103)在此处的俯仰倾角为：

14.根据权利要求13所述的一种放疗治疗床形变测量装置的测量方法，其特征在于：所述的步骤3.2中对于翻滚倾斜的测量方法为：在治疗床板a(103)底部设置两条沿床长边Y方向的标记线，两条标记线间距为d，分别测量治疗床板a(103)在两条标记线上的竖直方向形变数据，分别记为Δz1和Δz2，则翻滚倾角为：

15.根据权利要求8所述的一种放疗治疗床形变测量装置的测量方法，其特征在于：所述的标定物(601)为拥有一个以上已知尺寸的物体。

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