CN1372870A

CN1372870A - X射线对靶目标的计算机立体定位装置及其方法

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Publication number: CN1372870A
Application number: CN02116565A
Authority: CN
Inventors: 张祥康
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2002-10-09
Anticipated expiration: 2022-04-09
Also published as: CN1162129C

Abstract

本发明公开了一种X射线对靶目标的计算机立体定位装置及其方法。本发明应用计算机对X射线照射人体内靶目标如结石产生的X、Y轴平面图像及其位置传感器的三维位置数据进行数学分析,用设置参考点及二次位移测量的方法满足计算条件,通过计算后控制电动传动装置进行立体位置移动,达到自动控制人体内靶目标与治疗装置的焦点重合的目的。采用计算机控制操作简单省时,定位过程只需几帧图像,所以X射线装置高压电源只是瞬间接通,有效降低X射线对人员的辐射。本发明应用于通过X射线可以观察到的结石、肿瘤等多种疾病的诊断定位及物体探伤等定位作业中。

Description

X射线对靶目标的计算机立体定位装置及其方法

技术领域

本发明涉及X射线对靶目标的定位装置及其方法。

背景技术

目前临床应用中，X射线对靶目标的定位大部分靠医务人员观察图像、人为按动按钮操作传动装置完成定位操作。这里提到的靶目标为通过X射线照射人体可以观察到的结石、肿瘤等。例如X射线定位体外碎石机主要由摆臂式单束X射线装置及XTV电视系统、冲击波发生治疗装置、专用病床、具有三维自由度的电动传动装置等组成。XTV电视系统的影像增强器与摄像头安装于摆臂式单束X射线装置的可围绕水平轴线摆动的C形臂一端，X射线发生器的X射线球管安装于C形臂的另一端。X射线球管发射X射线，X射线穿透人体组织将体内靶目标(结石)成像于影像增强器的图像输入面上，摄像头将该图像摄取并传送至影像监视器供医务人员观察。冲击波发生治疗装置，其特点是通过聚焦将脉冲能量高度聚集于一个焦点上；采用机械刚性连接使该焦点始终对准C形臂围绕摆动的水平轴线与X射线束中心轴线的交点上，将靶目标(结石)置于该交点(焦点)即可进行体外碎石。专用病床供结石病人接受治疗。三维自由度电动传动装置可安装于C形臂等装置组成的主机也可安装于专用病床；其目的在于将人体内靶目标(结石)通过位移或相对位移与冲击波发生治疗装置的焦点重合。医务人员操作该设备时，首先观察影像监视器显示图像中靶目标(结石)的投影位置，人为按动相应按钮调整X、Y坐标位置将靶目标(结石)投影显示于影像监视器图像中心。而后将C形臂沿水平轴线摆动一个角度，此时如果病人体内靶目标(结石)未置于C形臂的水平摆动中心线上，靶目标(结石)在监视器图像上的投影位置将发生偏移，人为按动相应按钮调整Z坐标位置将靶目标(结石)投影显示于影像监视器图像中心完成定位操作。例如，2000年11月1日公开的公开号为2403369的中国实用新型专利所公开的一种利用X射线定位进行结石破碎的“体外冲击波碎石机”；其作用原理与以上叙述基本相仿。此类设备在对靶目标(结石)的定位过程中医务人员需观察连续变化的图像，人为按动按钮逐步调整病人体内靶目标(结石)至交点(焦点)。故病人需连续照射X射线；病人与医务人员接受的X射线辐射剂量较大，影响他们的健康；同时医务人员劳动强度较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种X射线对靶目标的计算机立体定位装置及其方法。

本发明通过计算机对X射线照射病人体内靶目标产生的平面图像等数据进行数学分析，确定靶目标的立体坐标位置并自动控制电动传动装置将病人体内靶目标位移或相对位移到与治疗装置的焦点重合的位置后进行治疗。本发明提到的靶目标为通过X射线照射人体可以观察到的结石、肿瘤等病变，也可以为通过X射线照射可以观察到的各种内在目标。

本发明的X射线对靶目标的计算机立体定位装置及其方法包括：

一个检测病人体内靶目标位置并可进行调整使治疗用经聚焦的能量的焦点与靶目标重合的装置，该装置包括摆臂式单束X射线装置与XTV电视系统，能将治疗用强脉冲能量聚焦于一个焦点的治疗装置，多个位置传感器和电动传动装置。

一个计算机控制装置，它包括一个含特定软件的计算机，一个显示人体内靶目标平面图像的图像显示装置和一个专用键盘。所述的计算机运行特定软件执行以下定位方法：将显示靶目标的X、Y坐标图像中靶目标的图像位置数据转换为长度位置数据、并将此位置数据与位置传感器检测的当前位置数据及预先载入的相关位置数据进行计算后，用设置参考点及二次位移测量的方法满足计算条件，通过计算后控制相应电动传动装置产生立体位置移动，达到自动控制人体内靶目标与治疗装置的焦点重合即定位的目的；摆臂式单束X射线装置连同XTV电视系统改变一个观察测量角度，计算机采集改变观测方位后的靶目标位置图像及位置传感器检测到的位置数据后计算出当前靶目标位置与冲击波发生装置的焦点间的位置偏差，控制Z坐标电动传动装置按该偏差数据进行位移操作，完成定位校验。

本发明的有益效果是，发明中充分应用了计算机控制技术，从而使它与已有技术相比使用方便，定位准确；只需操控计算机鼠标点击几下，系统即可自动完成立体定位动作；诊断过程快捷方便，缩短定位时间提高就诊效率，减轻医务人员的劳动强度；由于本定位装置中计算机只需对图像采集卡所采集的几帧图像进行处理，故X射线装置高压电源只是瞬间接通；医务人员操作熟练后，病人接受X射线照射的时间将以毫秒计算；整个诊断过程对人员的X射线辐射微乎其微。同时X射线装置的寿命也大为提高，并有效降低设备电力消耗。本发明适用于通过X射线照射人体可以观察到的如结石、肿瘤等多种疾病的诊断定位。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细具体的描述。

图1是本发明所采用的基本结构主视图；

图2是本发明所采用的基本结构侧视图；

图3是计算机屏幕显示靶目标X、Y坐标位置图像的示意图；

图4是图1中X射线照射路径简化后的XDZ平面示意图；

图5是图4以D点为中心在XDZ平面上摆动角度e后的示意图；

图6是计算机控制部分示意图；

图7是计算机软件流程图。

图中1.摄像头，2.影像增强器，3.图像输入面，4.C形臂，5.靶目标，6.X坐标电动传动装置，7.Z坐标电动传动装置，8.X射线球管，9.Y坐标电动传动装置，10.电动传动装置，11.电动传动装置，12.治疗装置，13.X坐标位置传感器，14.Z坐标位置传感器，15.位置传感器，16.角度传感器，17.Y坐标位置传感器，18.专用病床，19.中继单元，20.计算机，21.显示器，22.图像采集卡，23.转换卡，24.专用键盘。

具体实施方式

以下参照图1、图2和图6说明本发明的X射线对靶目标的计算机立体定位装置及其方法。

一个检测病人体内靶目标位置并可进行调整使经聚焦的治疗用能量的焦点与靶目标重合的装置：包括一个安装于可围绕水平轴线Y摆动的C形臂4，其一端安装影像增强器2与摄像头1，另一端安装发射X射线的X射线球管8，影像增强器2的图像输入面3接受X射线照射，令X射线球管8发射的X射线束的中心轴线贯穿图像输入面3的两坐标轴交点且垂直于图像输入面3，同时X射线束的中心轴线又与C形臂围绕摆动的水平轴线Y垂直；C形臂4与影像增强器2间装有电动传动装置10及位置传感器15，用以调整图像输入面3与X射线球管8间距离；驱动C形臂4围绕水平轴线Y摆动的电动传动装置11及角度传感器16；驱动X坐标位移的X坐标电动传动装置6和X坐标位置传感器13，驱动Y坐标位移的Y坐标电动传动装置9和Y坐标位置传感器17，驱动Z坐标位移的Z坐标电动传动装置7和Z坐标位置传感器14；可将治疗用脉冲能源聚焦于一个焦点的治疗装置12，采用特殊机械结构使该焦点始终同C形臂4围绕摆动的水平轴线Y与X射线束的中心轴线的交点D重合；治疗装置12的能源可以是高压电火花、激光、超声波、电磁波等可产生高能脉冲的装置；图中电动传动装置6、9和7及位置传感器13、17和14安装于专用病床18下，也可安装于C形臂4围绕摆动的水平轴线Y下，只要通过相对位移达到将靶目标5与治疗装置12的焦点即交点D重合的目的即可。

一个计算机控制装置：包括一个含特定软件的计算机20，接收摄像头1所摄图像的图像采集卡22，用于显示图像等数据的显示器21，用于人为发送指令与手动控制位移的专用键盘24，将传感器13、14、15、16和17检测的位置及角度数据经模/数或数/数转换为标准的数字量输入计算机20的转换卡23，将计算机20输出的位移信号经放大后驱动电动传动装置6、7、9、10和11的中继单元19。计算机20按下面将要说明的预定程序计算出靶目标5与冲击波发生装置12的焦点即交点D间的相对位置，将位移数据通过中继单元19驱动相应的电动传动装置，使靶目标5与交点D重合。

以下就本发明进行理论阐述。首先操作专用键盘24调控X、Y坐标电动传动装置6、9将靶目标5的投影置于显示器21的可观察范围。如图3，定位过程中视觉观察并通过计算机位移调整将靶目标5的X射线投影(以下简称投影)移到图像中心两坐标轴的交点B’。图3中靶目标5的投影初始位置假设为坐标点A’；A’点的X’坐标值为A’_x、Y’坐标值为A’_y。该图像是由影像增强器2的图像输入面3接收后经影像增强器2转换为可见光图像被摄像头1摄取后传输至图像采集卡22输入计算机20显示于显示器21；故我们等效认为图3所示图像即为X射线照射影像增强器2的图像输入面3上的实际影像。至此我们有条件将三维空间定位问题分解为XDZ与YDZ两个平面定位问题来处理。先分析XDZ平面，将图1中X射线照射路径简化为图4：图中A’_x、B’点均为图3中的相应点，存在于图像输入面3的X’坐标轴；图中O点为X射线球管8的X射线发射中心，为便于测量设置垂直测量轴线Z，OB’线段为X射线束的中心轴线并且当其呈垂直状态时与垂直测量轴线Z重合；图像输入面3与X射线束的中心轴线OB’垂直。前面提到D点为C形臂4围绕摆动的水平轴线Y与X射线束的中心轴线OB’的交点且与治疗装置12的焦点重合，在图4中定位过程需要将靶目标5移至与交点D重合的位置。为进行定位计算，在OB’线段任意点上设参考点b；为防止控制位移过量，设Ob＜OB。A点为靶目标5在XDZ平面的坐标点。在这里要说明的是计算机屏幕、影像增强器等数字图像处理设备显示及接收的任一图像均以横向的列坐标及纵向的行坐标构成的像素点组成，列与行像素间均以一固定间距排列，同一坐标中任意两像素点间的像素数加一乘相邻两像素点的平均间距就是长度位置数据；所以计算机20可直接测量图像输入面3所接收图像上任一点的X’、Y’坐标位置也可计算任意两点间距离。过A点设X’坐标轴的平行线AB，过b点设X’坐标轴的平行线ab；A’_x是图像输入面3中靶目标5投影的X’坐标值，线段A’_xB’可由计算机20计算求得；根据直角三角形原理可知A’_xB’与ab间存在比例关系，因Ob长度为已知，即可求得ab。将计算机鼠标光标对准显示器21的屏幕中靶目标5投影所在的坐标点A’点击一下，计算机20进行以下计算：

OB’＝m+n式中，m为影像增强器2的电动传动装置10置于行程最下限时，O点至图像

输入面3间的距离，

n为位置传感器15在当前位置检测影像增强器2电动传动装置10的

行程位置，设电动传动装置10在行程最下限时该值为零。

ab＝(A’_xB’/OB’)Ob

计算机20令X坐标电动传动装置6依ab线段长度做相应的位移后，靶目标5在XDZ平面的位置到达AB线段的C点，即AC＝ab。靶目标5通过第一次位移后其投影在图像输入面3的X’坐标值为C’_x。由O点做射线经过C点到达C’_x，线段OC’_x与线段ab相交，设该交点为c。将计算机鼠标光标对准显示器21的屏幕中靶目标5投影的新坐标点C’点击一下，计算机20进行以下运算：

cb＝(C’_xB’/OB’)Ob

∵AB/ab＝(AB-AC)/cb

AB×cb＝(AB-AC)×ab

AB×ab-AB×cb＝AC×ab

∴AB＝AC×ab/(ab-cb)

CB＝AB-AC

计算机20令X坐标电动传动装置6按CB线段长度做相应的位移后，靶目标5在X-Z平面的位置到达B点；至此系统完成对靶目标5在X坐标的定位过程。

进行YDZ平面分析时，只需将图4中的X坐标轴更换为Y坐标轴，将图像输入面3的X’坐标轴更换为Y’坐标轴；采用相同的方法和公式，令Y坐标电动传动装置9做相应的二次位移后，即可完成对靶目标5在Y坐标的定位操作。

以下进行Z坐标的定位计算；线段OD为已知，求DB：

OB＝Ob/(ab/AB)

DB＝OB-OD

计算机20令Z坐标电动传动装置7按DB线段长度做位移，靶目标5与D点重合。

至此理论上完成了通过X射线对靶目标5的立体定位。但由于靶目标5是立体的，而计算过程中依据的是X、Y轴平面图像；以下对Z坐标可能存在的误差进行校验操作。计算机20通过电动传动装置11将C形臂4围绕水平轴线Y(在图4中为D点)顺时针摆动任一角度e，以下分析参见图5。由于经过前述定位过程，靶目标5位于D点不远的垂直测量轴线Z上。我们假设靶目标5位于E点，投影于图像输入面的E’；将计算机鼠标光标对准显示器21的屏幕中靶目标5投影中心点击一下，线段OB’与OD为已知，线段E’B’可经计算机20计算求得，∠e为角度传感器16的测量结果，由O点做水平线相交于垂直测量轴线Z的F点，则：

∠E’OB’＝tg^-1(E’B’/OB’)

若E’点位于B’点右侧，则该角度值为负值。

OF＝OD×sin∠e

DF＝OD×cos∠e

∠DOF＝90°-∠e

∠EOF＝∠E’OB’+∠DOF

EF＝OF×tg∠EOF

ED＝EF-DF

计算机20令Z坐标电动传动装置7按ED线段长度做位移；完成对靶目标5定位过程的校验操作。

当然若C形臂4摆动一角度后，显示器21显示靶目标5投影的坐标位置仍在B’点，则证明靶目标5定位准确无需继续进行校验操作。

按照上述控制原理确定了计算机20的特定软件，其流程如图7所示。

参见图7，在步骤S01通过转换卡23接收位置传感器13、17、14和15采集的各电动传动装置的当前位置数据；通过角度传感器16检测C形臂4是否处于垂直状态，否则进行调整。步骤S02采集靶目标5的投影在显示器21图像中X’、Y’坐标位置并计算出首次位移数据，该位移数据被步骤S03输出经中继单元19放大后驱动X、Y坐标电动传动装置6、9，显示器21显示靶目标5投影向图像坐标中心靠近。步骤S04判断靶目标5投影是否在显示器21图像坐标交点，是则转到步骤S08，否则执行步骤S05，第二次采集靶目标5投影在显示器21图像中X’、Y’坐标位置并进入步骤S06计算出靶目标5与交点(焦点)D间的X、Y、Z坐标相对距离数据，而后进入步骤S07令X、Y、Z坐标电动传动装置6、9、7执行后，靶目标5与D点重合。步骤S08进入校验阶段，令电动传动装置11驱动C形臂4摆动一角度，变换观察角度以检验Z坐标定位准确度。步骤S09人为观察靶目标5投影是否仍在显示器21图像坐标交点，是则转到步骤S13，否则执行步骤S10，采集显示器21图像中靶目标5投影的坐标位置并进入步骤S11计算出靶目标5与交点(焦点)D间在Z坐标上的位置偏差，而后进入步骤S12令Z坐标电动传动装置7执行该偏差数据。完成对靶目标5的定位进入步骤S13，令系统恢复初始状态后程序退出。若靶目标5较小且操作人员有经验后执行步骤S07后即可转到步骤S13而不必进入校验程序段。

实施本发明就硬件方面讲：如目前国内现有大部分X射线定位体外碎石机稍加改进，如增设位移、角度传感器及计算机控制系统后即可采用本发明。位移、角度传感器可选择电位器、直线电位器、光栅编码器、电涡流、超声波等多种类型；模/数、数/数转换卡需与上述传感器输出信号量匹配。图像采集卡分辨率采用800×600或更高。计算机选用市面流行的机型也可选用工控机以提高可靠性，为便于观察显示器分辨率要求达到1024×768以上。对靶目标观察应具备较宽广的视野，建议选用9英寸或口径更大的影像增强器。

就软件方面谈：整个自动定位过程中，定位方法与计算公式在本文中已经有明确具体的阐述；只需将上述定位方法、计算公式、位移传感器反馈信息按软件流程编入计算机运行程序中，编程语言不限。

Claims

1.一种X射线对靶目标的计算机立体定位装置及其方法，它包括一个将脉冲能源聚焦于一个焦点的治疗装置(12)，一套摆臂式单束X射线装置与XTV电视系统其中含一个可围绕水平轴线Y摆动的C形臂(4)，其一端安装影像增强器(2)与摄像头(1)，另一端安装发射X射线的X射线球管(8)，影像增强器(2)的图像输入面(3)接受X射线照射，其特征在于包括：

一个检测病人体内靶目标位置并可进行调整使治疗装置(12)的焦点与靶目标重合的装置，该装置包括多个位置传感器和电动传动装置；

一个计算机控制装置，它包括一个含特定软件的计算机(20)，一个显示人体内靶目标平面图像的图像显示器(21)，一个图像采集卡(22)，一个将计算机(20)输出的位移信号放大后驱动电动传动装置的中继单元(19)，一个用于模/数或数/数数据转换的转换卡(23)和一个专用键盘(24)；计算机(20)运行特定软件执行定位方法：将X射线照射人体内靶目标的X、Y坐标图像中靶目标的图像位置数据转换为长度位置数据、并将此位置数据与位置传感器检测的当前位置数据及预先载入的相关位置数据进行数学分析，用设置参考点及二次位移测量的方法满足计算条件，通过计算后控制电动传动装置产生相应立体位置移动，达到自动控制人体内靶目标与治疗装置的焦点重合即定位的目的；摆臂式单束X射线装置连同XTV电视系统改变一个观察测量角度，计算机采集改变观测方位后的靶目标位置图像及位置传感器检测到的位置数据后计算出当前靶目标与治疗装置的焦点间在Z坐标的位置偏差，控制电动传动装置按该偏差数据进行位移操作，完成定位校验。

2.按照权利要求1所述的装置及其方法，其中所述的多个位置传感器和电动传动装置包括一个在水平方向控制位移的X坐标位置传感器(13)和X坐标电动传动装置(6)组成的传动系统，一个在水平方向控制位移的Y坐标位置传感器(17)和Y坐标电动传动装置(9)组成的传动系统，一个在高度方向控制位移的Z坐标位置传感器(14)和Z坐标电动传动装置(7)组成的传动系统，一个用于控制影像增强器(2)的图像输入面(3)与X射线球管(8)间距离的位置传感器(15)和电动传动装置(10)组成的传动系统，一个用于控制C形臂(4)围绕水平轴线Y摆动的角度传感器(16)和电动传动装置(11)组成的传动系统；所述前三个传动系统安装于供病人就诊的专用病床(18)的下部，也可安装于C形臂(4)围绕摆动的水平轴线Y的下部。

3.按照权利要求1所述的装置及其方法，其中所述将靶目标的X、Y坐标图像中靶目标位置的图像位置数据转换为长度位置数据：将显示器(21)显示靶目标的图像与图像输入面(3)接收靶目标图像的图像像素数设为完全一致，否则需乘以一转换系数；将图像同一坐标中任意两像素点间的像素数加一乘相邻两像素点平均间距即为长度位置数据。

4.按照权利要求1所述的装置及其方法，其中所述的定位方法：令X射线球管(8)发射的X射线束的中心轴线垂直于C形臂(4)围绕摆动的水平轴线Y，两轴线的交点为D，本装置中治疗装置的焦点始终与交点D重合；定位计算控制就是将人体内靶目标通过三坐标相对位移后与交点D重合；设图像输入面(3)的两个坐标轴为X’、Y’，其交点为B’，X射线球管(8)的X射线发射中心为O点，令X射线球管(8)发射的X射线束的中心轴线贯穿B’且垂直于图像输入面(3)，连接上述两点为线段OB’，交点D位于OB’线段上且在O、B’两点间；将图像输入面(3)所接收的图像作为一种长度位置测量源，将三维空间定位分解为XDZ与YDZ两个平面定位，假设人体内靶目标投影于图像输入面(3)的A’点，A’点的X’坐标值为A’_x、Y’坐标值为A’_y；在XDZ平面内，有线段A’_xB’；连接O、A’_x两点为线段OA’_x，A点为人体内靶目标在XDZ平面的坐标值存在于OA’_x线段上且在O、A’_x两点间，由A点设X’坐标轴的平行线AB交于线段OB’的B点；为进行定位计算，在OB’线段任意点上设参考点b，为防止控制位移过量，设Ob＜OB，由b点设X’坐标轴的平行线段ab交于线段OA’_x的a点；线段Ob、A’_xB’、OB’为已知量，采用数学方法求得线段ab；计算机令X坐标电动传动装置(6)产生ab长度的位移，人体内靶目标在XDZ平面的坐标值靠近B点到达C点，即AC＝ab；由O点发出的X射线将C点投影于X’坐标轴的C’_x点即为线段OC’_x；线段OC’_x与线段ab相交，其交点为c；仍采用数学方法求得线段CB；计算机令X坐标电动传动装置(6)产生线段CB长度的位移，人体内靶目标在XDZ平面的坐标值到达B点完成了对其在X坐标的定位过程；在YDZ平面内，采用与X坐标定位相似的方法可完成对人体内靶目标在Y坐标的定位过程；线段OD为已知，还是采用数学方法求得线段OB，线段OB减线段OD等于线段DB；计算机令Z坐标电动传动装置(7)产生线段DB长度的位移，人体内靶目标与交点D重合完成了定位过程；为校验该定位过程，将C形臂(4)围绕水平轴线Y摆动任一角度e，如Z坐标定位存在偏差则改变观察角度后人体内靶目标在图像输入面(3)的投影将偏离图像两坐标轴交点B’；为便于测量计算过交点D做垂直于水平面的垂直测量轴线Z，人体内靶目标位于离交点D点不远的垂直测量轴线Z上，我们假设人体内靶目标位于E点，投影于图像输入面(3)的E’点；线段E’B’、OB’与OD为已知，角度e可由角度传感器(16)测量获得，由O点做水平线相交于垂直测量轴线Z的F点；采用数学方法求得线段ED；计算机令Z坐标电动传动装置(7)产生ED长度的位移，完成对人体内靶目标定位的校验操作。