CN115999079A - 一种调强放疗设备等中心位置校准方法 - Google Patents
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Abstract
一种调强放疗设备等中心位置校准方法,利用红外双目成像设备捕捉红外标记点在不同旋转角度下的坐标点组，利用同平面最优圆拟合方法得到加速器和治疗床的旋转轴，根据两个旋转轴的空间位置得到它们之间的公垂线，通过逼近修正拟合方法得到校准后的等中心位置，其中将红外双目成像设备捕捉红外标记点坐标的有效视野范围扩大，对于不在任何一个晶格之内的红外标记点坐标，利用边缘视野修正的方法寻找其所属晶格，得到红外标记点的真实空间坐标。本发明解决了红外双目成像设备捕捉的红外标记点大都处于成像设备视野边缘的问题，从而能够精确记录红外标记点组坐标，并解决了通过坐标点组数据得到的两条旋转轴不相交从而无法精准确定等中心位置的问题。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备领域，涉及医疗设备的测量校准，为一种调强放疗设备等中心位置校准方法。
背景技术
由于治疗癌症的过程中采用放射治疗是主要途径之一，其在肿瘤治疗中的作用日益突出，放射治疗的疗效取决于放射精准度，精准度的高低对于治疗效果有着极其重要的影响。精准度低的放疗会对正常生理组织器官产生不好的影响，而精准定位等中心的放射治疗在达到治疗肿瘤组织的同时起到保护正常组织器官的效果，因此对于放射治疗的定位精准度有着更高的要求。
调强放射治疗装置包括：可旋转的加速器，可旋转的治疗床，红外标记点，采集红外标记点空间坐标的红外双目成像设备。调强放疗的等中心位置是加速器旋转轴与治疗床旋转轴的交点，通过在加速器和治疗床上放置红外标记点，分别围绕旋转轴以不同角度旋转加速器和治疗床，通过红外双目成像设备采集不同旋转角度下的红外标记点组坐标，再根据坐标点组计算得到两条旋转轴的空间位置，现有确定等中心坐标的方法大都采用圆拟合方法得到两条旋转轴之后取两条旋转轴公垂线的中点作为等中心坐标，但由于无法保证采集到的红外标记点的坐标有效性和精确性以及机械误差、计算误差等原因，导致很难满足临床放疗的高精准度要求。
发明内容
本发明要解决的问题是：现有调强放疗设备的等中心坐标校正确定方法精准度不足，不能满足使用需求，本发明提供一种调强放疗等中心位置校准方法，精确定位放疗等中心坐标位置。
本发明的技术方案为：一种调强放疗设备等中心位置校准方法，其特征是调强放射治疗装置包括：可旋转的加速器，可旋转的治疗床，红外标记点，以及用于采集红外标记点空间坐标的红外双目成像设备，将红外标记点固定于加速器及治疗床上，旋转加速器及治疗床，利用红外双目成像设备捕捉红外标记点在不同旋转角度下的坐标点组，根据采集到的红外标记点坐标点组，利用同平面最优圆拟合方法得到加速器和治疗床的旋转轴，根据两个旋转轴的空间位置得到它们之间的公垂线，通过逼近修正拟合方法得到校准后的等中心位置，其中捕捉红外标记点的坐标点时，将红外双目成像设备捕捉红外标记点坐标的有效视野范围扩大，将成像设备视场进行晶格划分，得到红外标记点所属晶格及真实空间坐标，对于处于成像设备视野但不在任何一个晶格之内的红外标记点坐标，利用边缘视野修正的方法寻找其所属晶格，得到红外标记点的真实空间坐标。
本发明的益处在于：本发明利用红外双目成像设备进行红外标记点的定位，针对视觉定位方案，解决了红外双目成像设备捕捉的红外标记点大都处于成像设备视野边缘的问题，从而能够精确记录红外标记点组坐标，接着解决了通过坐标点组数据得到的两条旋转轴不相交从而无法精准确定等中心位置的问题，从而精准反映调强放疗等中心的三维坐标，测量误差保持在0.1mm以内，操作简单，有利于实现放疗精准摆位。
附图说明
图1为本发明的原理流程框图。
图2为本发明中边缘红外标记点修正示意图。
图3为本发明中八点畸形晶格坐标修正示意图。
图4为本发明实施例的运用场景示意图。
图5为本发明实施例根据真实采集数据仿真图。
图6为本发明偏移修正的等中心确定方法原理图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种调强放疗等中心位置校准方法，精确定位放疗等中心坐标位置，最大限度保护正常生理组织器官的同时，实现高精准治疗肿瘤的作用。
本发明的技术方案主要分为两部分：第一部分，搭建用来采集红外标记点坐标的红外双目成像设备，该成像设备的定位精度在0.1mm以内，通过两次晶格转换得到红外标记点的空间坐标。捕捉位于成像设备视野边缘的红外标记点，计算得到一次定位空间坐标，之后将一次定位计算得到的坐标修正得到它实际所在的晶格，利用晶格修正算法计算得到红外标记点的二次定位三维坐标。将记录的晶格八点畸形坐标、理想坐标和计算得到的红外标记点坐标进行线性变换得到精确定位红外标记点三维坐标。经过修正之后的红外双目成像设备的精度能够达到0.05mm。第二部分，以不同角度旋转加速器和治疗床得到一系列红外标记点坐标点组，之后采用同平面最优圆拟合方法计算得到加速器和治疗床的旋转轴空间位置及旋转圆心。通过计算得到初步的加速器旋转轴和治疗床旋转轴的空间位置及它们之间的位置关系，一般都是处于不相交状态，无法确定等中心坐标，理想的等中心位置为两个轴的交点，且两个轴的夹角为90°。根据两个旋转轴之间的位置关系和它们之间的公垂线长度关系二次逼近修正拟合出新的加速器及治疗床旋转轴使它们恒定相交于一点，此时的交点即为等中心精确坐标。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实例对本发明进行详细的描述。
图1是本发明一种调强放疗等中心位置校准方法的流程图，具体实施方法是按照流程图所示。
本发明由一台红外双目成像设备采集加速器和治疗床上放置的红外标记点三维坐标，该成像设备的原理是通过两个红外镜头采集到的两幅二维图像中的红外标记点的二维坐标，再根据基本矩阵计算得到红外标记点的三维坐标，具体公式如下：
其中，x,y,z是初步计算得到的红外标记点三维坐标，4*4的矩阵为基本矩阵，xl,yl为左镜头采集得到的红外标记点二维像素坐标，xr,yr为右镜头采集得到的二维像素坐标。
经过基本矩阵计算得到的红外标记点坐标x,y,z为一次坐标，接着利用空间区域分割来逼近相机镜头的方法实现二次定位，将成像设备视野分割为一块一块的方形晶格，再通过晶格矩阵得到红外标记点的二次定位坐标。由于加速器上的红外标记点在旋转过程中一般都处于成像设备视野的边缘位置，经过基本矩阵变换之后可能会偏离成像设备的视野空间。
参考图2，对应一次坐标偏离成像设备视野空间的情况，显示了红外标记点的一次定位坐标不属于任何一个晶格的示意。本发明扩大视野有效范围，寻找该坐标所属的晶格，判断该坐标是否在成像设备视野范围之内，如果在则会显示所在晶格的cellId，不在则显示为-1，针对显示为-1的坐标进行修正，通过平移手段将该标记点移动到成像设备视野内部，移动距离为一个晶格的长度。
此时的红外标记点已被移动到成像设备视野内部，再根据目前的晶格矩阵计算得到红外标记点的三维坐标，计算公式如下所示：
R＝M*U
其中R为4*1的矩阵，R(0),R(1),R(2)是计算得到的红外标记点三维坐标，M是4*4的晶格矩阵，U为4*1的矩阵，其中U(0),U(1),U(2)是一次定位的三维坐标，U(3)等于1。
但是平移得到的晶格不一定是该红外标记点真实所在的晶格，因此需要重新遍历一遍周围的几个晶格，遍历的原则为初步得到的晶格邻近的几个晶格，以误差最小的一个为准。
镜头畸变等原因会导致成像设备晶格为畸变晶格，与实际的理想晶格有偏差。参考图3，采用八点线性变换的方法计算得到红外标记点在理想晶格中的坐标，计算公式为：
Qi＝Pi+Ri-Pi'
其中，Pi为计算得到的理想晶格的x,y,z三个方向的中心点，Pij为第j个晶格理想角点坐标，i为0表示x坐标，i为1表示y坐标，i为2表示z坐标，Pi'为计算得到的畸变晶格的中心点，Pij'为第j个晶格畸变角点坐标，Qi表示红外标记点在理想晶格中的坐标，Ri表示红外标记点的二次定位坐标。
参考图4，将加速器和治疗床分别以任意角度进行旋转，利用红外双目成像设备分别获取加速器和治疗床上的红外标记点的三维坐标。其中加速器旋转N次，治疗床旋转M次。两组红外标记点的坐标数据集分别记为：
其中，A,T分别表示随加速器和治疗床旋转得到的红外标记点三维坐标集合，n表示加速器的第n次旋转，m表示治疗床的第m次旋转。
分别求解加速器和治疗床的旋转轴。以加速器为例，理论上所有的离散点都在一个平面上，即A上的所有点都在一个平面方程中，方程和矩阵形式如下所示：
ax+by+cz-1＝0
Al＝L1
其中，A是红外标记点三维坐标集形成的3*n的矩阵，l为平面法向量，也是旋转轴的空间位置，L1是3*1的值全为1的矩阵，经过以下公式求解即可得到法向量l：
l＝(ATA)-1ATL1
依据此方法得到两条旋转轴的空间位置之后，参考图5发现，此时它们不相交，无法确定等中心具体坐标。采用带偏移修正的等中心确定方法，得到等中心坐标。具体过程参考图6所示，在得到两个旋转轴之后，找到它们的公垂线之后，以其中一个垂足开始以0.05mm为间隔确定等中心点，再依据原加速器和治疗床旋转的两个中心点形成两条相交的轴线，计算两条轴线之间的夹角，同时依据此时的等中心点坐标，加速器或治疗床上红外标记点坐标集和加速器及治疗床中心点坐标计算得到加速器和治疗床的旋转半径数据集：
其中，E,F分别表示计算得到的加速器和治疗床的旋转半径点集，Ern为加速器第n次旋转所得红外标记点重新计算得到的加速器旋转半径，Frm为治疗床第m次旋转所得红外标记点重新计算得到的治疗床旋转半径。接着利用该半径点集和拟合得到的半径作比较，得到误差之和，公式如下：
其中，RA,RT分别是利用同平面最优圆拟合方法得到加速器和治疗床的旋转轴对应的旋转半径，Δr是累积半径误差之和。
为了确保两个旋转轴之间的角度逼近90°，并且使得累积半径误差尽量小，使用本发明提出的逼近最小误差公式进行确定，公式如下：
s＝λ|∠lAPlT-90|+μΔr
其中，λ∈(0,1)，μ∈(0,1)，且λ+μ＝1，∠lAPlT为设定等中心P之后的两条旋转轴的夹角度数，s即为计算的结果，当s低于0.5时的等中心为合理校准等中心，本发明设定λ值为0.8，μ值为0.2。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上述所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种调强放疗设备等中心位置校准方法，其特征是调强放射治疗装置包括：可旋转的加速器，可旋转的治疗床，红外标记点，以及用于采集红外标记点空间坐标的红外双目成像设备，将红外标记点固定于加速器及治疗床上，旋转加速器及治疗床，利用红外双目成像设备捕捉红外标记点在不同旋转角度下的坐标点组，根据采集到的红外标记点坐标点组，利用同平面最优圆拟合方法得到加速器和治疗床的旋转轴，根据两个旋转轴的空间位置得到它们之间的公垂线，通过逼近修正拟合方法得到校准后的等中心位置，其中捕捉红外标记点的坐标点时，将红外双目成像设备捕捉红外标记点坐标的有效视野范围扩大，将成像设备视场进行晶格划分，得到红外标记点所属晶格及真实空间坐标，对于处于成像设备视野但不在任何一个晶格之内的红外标记点坐标，利用边缘视野修正的方法寻找其所属晶格，得到红外标记点的真实空间坐标。
2.根据权利要求1所述的一种调强放疗设备等中心位置校准方法，其特征是红外双目成像设备通过两个红外镜头采集到的两幅二维图像中的红外标记点的二维坐标，再根据基本矩阵计算得到红外标记点的三维坐标，具体公式如下：
其中，x,y,z是初步计算得到的红外标记点三维坐标，xl,yl为左镜头采集得到的红外标记点二维像素坐标，xr,yr为右镜头采集得到的二维像素坐标，设x,y,z为一次坐标，接着利用空间区域分割来逼近相机镜头实现二次定位，将红外双目成像设备视野分割为一块一块的晶格，再通过晶格矩阵得到红外标记点的二次定位坐标。
3.根据权利要求2所述的一种调强放疗设备等中心位置校准方法，其特征是判断红外标记点的一次坐标是否在红外双目成像设备视野范围之内，如果在则显示所在晶格的cellId，不在则显示为-1，针对显示为-1的坐标进行边缘视野修正，通过平移将该红外标记点移动到成像设备视野内部，移动距离为一个晶格的长度，再根据目前的晶格矩阵计算得到红外标记点的三维坐标，计算公式如下所示：
R＝M*U
其中R为4*1的矩阵，R(0),R(1),R(2)是计算得到的红外标记点三维坐标，即二次定位坐标，M是4*4的晶格矩阵，U为4*1的矩阵，其中U(0),U(1),U(2)是一次坐标，U(3)等于1。
4.根据权利要求3所述的一种调强放疗设备等中心位置校准方法，其特征是平移红外标记点时，遍历一遍周围的几个晶格，遍历的原则为初步平移得到的晶格邻近的几个晶格，最终以与一次坐标误差最小的二次定位坐标为准。
5.根据权利要求2或3所述的一种调强放疗设备等中心位置校准方法，其特征是利用红外双目成像设备捕获到红外标记点坐标及所属晶格之后，为消除镜头畸变影响，计算所得晶格的八个晶格角点坐标和理想八个晶格角点坐标，对应畸变晶格和理想晶格，经过畸形晶格向理想晶格的线性变换，得到红外标记点在理想晶格中的坐标，计算公式为：
Qi＝Pi+Ri-Pi'
其中，Pi为计算得到的理想晶格的x,y,z三个方向的中心点，Pij为第j个晶格理想角点坐标，i为0表示x坐标，i为1表示y坐标，i为2表示z坐标，Pi'为计算得到的畸变晶格的中心点，P′ij为第j个晶格畸变角点坐标，Qi表示红外标记点在理想晶格中的坐标，Ri表示红外标记点的二次定位坐标。
6.根据权利要求1所述的一种调强放疗设备等中心位置校准方法，其特征是以等中心在两个旋转轴的共垂线上为基准，利用逼近修正拟合方法得到最优的等中心坐标，是否为最优的判定公式如下：
其中，λ∈(0,1)，μ∈(0,1)，且λ+μ＝1，∠lAPlT为设定等中心P之后的两条旋转轴lA、lT的夹角度数，加速器旋转N次，治疗床旋转M次，Ern为加速器第n次旋转所得红外标记点重新计算得到的加速器旋转半径，Frm为治疗床第m次旋转所得红外标记点重新计算得到的治疗床旋转半径，RA,RT分别是利用同平面最优圆拟合方法得到加速器和治疗床的旋转轴对应的旋转半径，s为计算的结果，当s低于0.5时的等中心为优化校准等中心。
7.根据权利要求6所述的一种调强放疗设备等中心位置校准方法，其特征是设定λ值为0.8，μ值为0.2。
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| CN202310039680.7A CN115999079A (zh) | 2023-01-13 | 2023-01-13 | 一种调强放疗设备等中心位置校准方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117298471A (zh) * | 2023-11-29 | 2023-12-29 | 四川省肿瘤医院 | 空间分割放疗中晶格参数的优化方法及系统 |
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2023
- 2023-01-13 CN CN202310039680.7A patent/CN115999079A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117298471A (zh) * | 2023-11-29 | 2023-12-29 | 四川省肿瘤医院 | 空间分割放疗中晶格参数的优化方法及系统 |
| CN117298471B (zh) * | 2023-11-29 | 2024-01-30 | 四川省肿瘤医院 | 空间分割放疗中晶格参数的优化方法及系统 |
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