JP2014518524A - 位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法 - Google Patents

Abstract

位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法において、前記医学画像形成設備の画像形成部品の最初位置を基準位置とし、第一測量システムが前記基準位置に対して精確なキャリブレーションを行って、基準位置の精確キャリブレーション値を獲得するとともに、第二測量システムが前記基準位置に対して二回のキャリブレーションを行って、基準位置の参照キャリブレーション値を獲得する。次は、前記第二測量システムで画像形成部品の現在位置を測量して、現在位置の参照キャリブレーション値を獲得する。次は、基準位置の精確キャリブレーション値、基準位置の参照キャリブレーション値と、現在位置の参照キャリブレーション値とに基づいて、計算をして現在位置の精確キャリブレーション値を獲得する。本発明によるキャリブレーションは、利便で、高速である。且つ医学画像形成システムの幾何的位置がより多きい自由空間を有するようにし、使用の自由度が高く、且つ画像形成部品の臨床効果を向上させることができる。

Description

本発明は、物体の空間位置が変化した後、空間位置を高速にキャリブレーションすることができる方法に関する。具体的には、医学画像形成部品の位置が変化された後、位置の変化を高速かつ精確にキャリブレーションする方法に関する。本発明は、医学画像形成分野に属する。

現在の医学画像形成システムは、医学診療に幅広く用いられている。例えば、診断、外科手術、介入式治療、放射治療、手術などの分野に画像ガイドシステムとして幅広く用いられている。

前記医学画像形成システムで患者の画像を取るとき、参照座標中の画像形成システムの幾何的位置を精確に把握しなければならない。例えば、放射治療に用いられる画像式ガイドシステムにおいて、このシステムは、随時に取った患者の画像と予め取った参照用画像とを比較することにより、患者の現在の（参照位置に相対する）位置を確定する。この目的を実現するためには、システムの画像形成部品がＸ線管球と検出器を含み、精確なキャリブレーションを行うことにより患者の位置を確定しなければならない。しかし、このような方法は、確定する過程が複雑で、時間が多くかかる欠点がある。

前記問題は、画像形成システムの幾何的位置を大きく制限する。例えば、ある医療画像形成及び放射性治療の画像式ガイドシステムにおいて、被測定物の多方向の複数投影を獲得しなければならないが、画像形成システム（又は画像形成部品）は、通常予め設定した軌道又は路線に沿って移動するしかない。例えば、ＣＴシステムの通りである。画像形成システムの最初位置が変化するとき、変化後の位置座標を正確に検出した場合のみ、獲得した投影画像が価値を有するようになる。一般のこのような画像形成又は治療設備は、画像形成システムが移動用軌道で機械的に移動することを直接に検出することにより、位置座標を獲得する。上述した技術を採用する従来の技術は、画像形成設備の機械部分に対する精度要求が高い。従って、使用により機械が摩損される場合、測量効果に非常に悪い影響を与えることができる。上述した通り、従来の技術は、複雑で、要求が高く、且つ時間が多くかかる欠点を有している。また、基準位置を精確にキャリブレーションするためには、電離放射を使用しなければならないので、人体の健康に悪い影響を与えるはずである。

上述した通り、幾何的位置が制限されることにより、システムの臨床効果に悪い影響を与える。即ち、適合な画像形成距離および角度を選ばなければ、画像形成効果、所要時間及び用量などの最適化を実現することができない。

前述課題を解決するため、本発明は、設備精度に対する要求が低く、且つ通常の機械的破損が生じても使用に悪い影響を与えず、位置変化後の医学画像形成部品を高速精確にキャリブレーションする方法を提供することを目的とする。

本発明の上述した技術的課題を解決する技術的手段は、次の通りである。

本発明の位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法は、第一測量システムと第二測量システムにより測量を行う。前記精確にキャリブレーションする方法は、
１、前記医学画像形成設備の画像形成部品の最初位置を基準位置とし、第一測量システムが前記基準位置に対して精確なキャリブレーションを行って、基準位置の精確キャリブレーション値を獲得するとともに、第二測量システムが前記基準位置に対して二回のキャリブレーションを行って、基準位置の参照キャリブレーション値を獲得するステップと、
２、前記医学画像形成設備の画像形成部品の位置が変化するとき、変化後の画像形成部品の位置を現在位置とし、且つ前記第二測量システムで測量を行って、画像形成部品の現在位置の参照キャリブレーション値を獲得するステップと、
３、ステップ１で獲得した基準位置の精確キャリブレーション値及び基準位置の参照キャリブレーション値と、ステップ２で獲得した現在位置の参照キャリブレーション値とに基づいて、計算をして現在位置の精確キャリブレーション値を獲得し、且つこれにより位置変化後の画像形成部品を精確にキャリブレーションするステップとを含む。

前記画像形成部品の現在位置は、現在位置と基準位置との間の位置偏差を測量することにより確定する。前記画像形成部品の位置偏差を測量する方法は、以下のような四種の方法を用いることができるが、この四種の方法にのみ限定されるものではない。

一個又は複数個の力学センサーを画像形成部品に取り付ける。第二測量システムで力学センサーが記録した画像形成部品の位置が変化するときの力学パラメーターを測量することにより、前記部品の位置偏差を算出する。

一個又は複数個の追跡標記物を画像形成部品に付着させる。第二測量システムとして補助光学画像形成システム（可視光及び赤外線を含む）を用いる。且つ補助光学画像形成システムが検出した追跡標記物の画像上の位置変化により、画像形成部品の位置偏差を確定する。

エネルギー蓄積装置を画像形成部品に取り付ける。前記エネルギー蓄積装置は、電磁パルスにより誘発された後に電磁パルスがなくなってしまっても自発的に電磁信号を発生することができる。画像形成部品の位置が変化する過程において、第二測量システムでエネルギー蓄積装置が電磁パルスにより誘発された後、（画像形成部品の位置が変化する過程で）発生する電磁信号の変化を測量することにより、画像形成部品の位置変化を算出する。

本発明において、第一測量システムにより画像形成部品の基準位置を精確にキャリブレーションした後、後続する画像形成部品の位置変化は、第二測量システムによりキャリブレーションすることができる。第一測量システムとして、従来のキャリブレーションシステム（制度が高いが、速度が遅く、且つキャリブレーションに掛かるコストが高い）に相当する。第二測量システムが画像形成システムの位置変化のみを測量する部品であるので、従来の測量システム（第一測量システム）のように全体の画像形成システムを測量する必要がなく、第一測量システムが少なくとも幾何的関係に関するすべての部品の位置を測量しなければならない。また、第二測量システムがキャリブレーションした座標又は原点と第二測量システムとが異なることができ、且つ第二測量システムを使用することが便利で、高速であるので、測量とキャリブレーションを利便で、高速に行うことができる。最後にパソコンにより変化後の精確位置を獲得することができるので、変化した位置を高速で、精確にキャリブレーションすることができる。即ち、本発明の方法を採用することにより、今の医学画像形成システムの幾何的位置がより多きい自由空間を有するようにし、且つ従来の画像形成部品の位置が固定されるか、或いは所定の軌道に沿って移動するしかない問題を解決することができる。従って、本発明は制限性が少なく、且つ画像形成部品の臨床効果を向上させることができる。

第一測量システムで精確なキャリブレーションをするとき、通常電離放射を使用する必要があるが、第二測量システムの測量は、通常電離放射を使用しない。従って、本方法を採用することにより、臨床応用範囲を広くし、人体の健康に対する影響を減少させることができる。

本発明は、医学画像形成システムの（臨床）応用領域において、高精度の画像形成部品の位置情報が必要な場合と、画像形成システム中の一個又は複数個の部品が移動する（位置が固定されない）場合に適用する。第二測量システムは、画像形成部品の現在位置、又は現在位置と基準位置との偏差を短時間に測量する必要がある。

図１は、本発明の具体的な実施例に係る測量方法を示す図である。

以下、図面及び実施例を参照しながら本発明を詳細に説明するが、本発明の技術的範囲が下記に説明する実施例にのみ限定されていると理解してはいけない。本発明の技術的要旨を離れない範囲内において、本領域の普通技術及び慣用技術により行う様々な取替え、変更等も本発明に含まれるべきである。

位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法は、第一測量システム及び第二測量システムを具備する医学画像形成設備を採用して測量する。精確にキャリブレーションする方法は、以下のようなステップを含む。

１．前記医学画像形成設備の画像形成部品の最初位置を基準位置とし、第一測量システムが前記基準位置に対して精確なキャリブレーションを行って、基準位置の精確キャリブレーション値を獲得する。それとともに、第二測量システムが前記基準位置に対して二回のキャリブレーションを行って、基準位置の参照キャリブレーション値を獲得する。

２．前記医学画像形成設備の画像形成部品の位置が変化するとき、変化後の画像形成部品の位置を現在位置と言う。前記第二測量システムで測量を行って、画像形成部品の現在位置の参照キャリブレーション値を獲得する。

３．ステップ１で獲得した基準位置の精確キャリブレーション値及び基準位置の参照キャリブレーション値と、ステップ２で獲得した現在位置の参照キャリブレーション値とに基づいて、計算をして現在位置の精確キャリブレーション値を獲得することができる。従って、位置変化後の画像形成部品を精確にキャリブレーションすることを実現することができる。

具体的に説明すると、位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法は、以下のようなステップを含む。即ち、（１）位置を確定しようとする画像形成部品を応用に適合する適合位置に置き、且つこの位置を基準位置と言う。この場合、第一測量システムが前記基準位置に対して精確なキャリブレーションを行って、基準位置の精確キャリブレーション値を獲得する。それとともに、第二測量システムが前記画像形成部品の基準位置に対して二回のキャリブレーションを行って、基準位置の参照キャリブレーション値を獲得する。（２）画像形成部品の特定応用の需要によりその位置が変化する場合、変化後の位置を現在位置と言う。この場合、前記第二測量システムを用いて前記画像形成部品の現在位置を測量して、画像形成部品の現在位置の参照キャリブレーション値を獲得する。（３）基準位置の精確キャリブレーション値、基準位置の参照キャリブレーション値と、現在位置の参照キャリブレーション値とに基づいて計算をすると、現在位置の精確キャリブレーション値を獲得することができる。従って、位置変化後の画像形成部品を精確にキャリブレーションすることができる。具体的な計算方法が従来技術に記載されているので、ここでは再び説明しない。

本発明の画像形成部品は、医学画像形成システムで画像を形成する部品である。例えば、Ｘ線システム中のＸ線管と画像形成器具が画像形成部品である。

前記画像形成部品の現在位置（移動および／または回転を含む）は、現在位置と基準位置との間の位置偏差を測量することにより確定する。画像形成部品の位置偏差の測量方法は、下記の四種の方法を使うことができるが、その四種の方法にのみ限定されるものではない。

一、一個又は複数個の力学センサーを、例えば加速度センサー、角加速度センサー、ジャイロスコープなどを画像形成部品に取り付ける。第二測量システムで前記部品の位置が変化する過程の力学パラメーターの変化を測量及び記録することにより、移動前後の位置偏差を推算する。

二、複数の追跡標記物を画像形成部品に付着させるとともに、補助光学（可視光、赤外線などを含む）画像形成システムで追跡標記物の画像上の位置変化を検出することにより、画像形成部品の位置偏差を確定する。この場合、補助光学画像形成システムが第二測量システムである。

三、電磁波を測量することにより実現することができる。その方法の一種の実現方法として、一個又は複数個の小型エネルギー蓄積装置を画像形成部品に取り付ける方法を用いることができる。このようなエネルギー蓄積装置は、電磁パルスにより誘発され、その後に電磁パルスがなくなってしまっても自発的に電磁信号を発生することができる。前記エネルギー蓄積装置の作動原理は、飛行機の質問機又はトランスポンダー（transponder）の作動原理に類似する。第二測量システムでエネルギー蓄積装置が電磁パルスにより誘発された後に発生する電磁信号を測量及び分析することにより、画像形成部品の（基準位置に対応する）位置変化を算出することができる。

四、音波又は超音波を測量することにより実現することができる。その方法の一種の実現方法として、一個又は複数個の小型音響発生器又はエネルギー変換装置を画像形成部品に取り付ける方法を用いることができる。それらの音響発生器又はエネルギー変換装置は、所定の方式により音波、超音波、又は連続的パルス信号を発生することができる。第二測量システムでこのような信号を測量及び分析することにより、画像形成部品の（基準位置に対応する）位置変化を算出することができる。

以下、１つの具体的な測量実施例により本発明の方法を説明する。本実施例は、光学画像形成システムでＸ線画像形成モジュールの位置を測量する実施例である。

図１に示す通り、医学画像形成システムは、Ｘ線システムであり、医学画像形成システムの主要な画像形成部品は、一個のＸ線管１と一個の画像形成器具２である。本実施例の画像形成器具の位置が自由に変化し、画像形成器具の背面又は辺縁には、複数個の光学標記物３が付着されている。光学カメラ４は、補助システム（第二測量システム）として画像形成器具２の位置変化を検出する。本発明を応用する過程は以下の通りである。

まず、Ｘ線管１及び画像形成器具２を治療用ベッド５に相対する所定の位置に取り付け、この位置を基準位置とする。且つ、その基準位置に対して測量と精確なキャリブレーションを行うことにより、画像形成の幾何パラメーターを確定する。次は、光学カメラに対して精確なキャリブレーションを行うことにより、標記物の位置を測定することができる。この場合、標記物の位置の変化のみを測定することではない。第二測量システムは、画像形成モジュールの位置が変化した後の新位置を直接に測定することができる。即ち、測量する位置の原点が第一システムの原点と異なることのみを測量する。

光学カメラ４（図面を参照する）を用いて、画像形成器具２が基準位置にあることを検出した場合、標記物３の現在位置を参照位置とする。

基準位置に相対する画像形成器具２の位置が変化するとき、光学カメラ４（図面を参照する）を用いて、標記物３の変化後の位置を検出する。即ち、その位置と標記物の参照位置を比較することにより、画像形成器具２の位置変化後の幾何パラメーターを算出することができる（その位置の幾何パラメーターの精度と第一ステップの精度が同様である）。

上記実施例において、Ｘ線画像形成システム及び光学画像形成システムの幾何パラメーターを測量及び精確にキャリブレーションする方法は、従来の方法を用いることができる。例えば、物差し及び角度測量装置を用いて測定することと、パソコンの視覚的方法によりキャリブレーションすることなどである。しかし、両方とも複雑で精確なステップを実行しなければならないので、数時間以上の長い時間がかかることもある。光学カメラは、可視光カメラであるか、或いは赤外線カメラであることができる。採用する標記物は、主動又は受動式赤外線標記物であるか、或いは背景図案と顕著な区別点を有している可視光標記物又は標記線である。標記物の取付け方法と、光学画像から標記物の位置を検出した後に画像形成器具位置のパラメーターを算出する方法とは、様々な画像処理方法とパソコン視覚方法により実現することができる。

赤外線カメラにより標記物の位置を決める方法は、カナダＮＤＩ会社のPolarisシステムの説明書を参照することができる。前記システムは、二個の赤外線カメラを採用して赤外線標記物の位置を決める。そのシステムは、大きい範囲内で０．２５ｍｍ以下の精度を実現することができる。画素がより高いカメラを採用する場合、位置を決める精度がさらに高くなることができる。画像形成器具の背面に３個以上の標記球を配置する場合、画像形成器具が基準位置と新位置に位置するときの前記標記球の位置（変化）を測量することにより、画像形成器具の位置変化を算出することができる。且つ、その位置変化と画像形成器具の基準位置との結合により、画像形成器具の新しい位置パラメーターを獲得することができる。

音波測位システムを用いる方法は、前述した方法に類似する。その方法は、（一個又は複数個の）音波発生器を画像形成器具に固定させるとともに、一個又は複数個の音波受信器（この作用が光学カメラに類似する）を所定の位置に取り付ける。前記音波発生器は、所定の規律に従って、周波数と幅が異なる音波パルスを発生する。各音波受信器が受信した音波パルスの周波数、幅及び位相などのような情報を測量及び分析することにより、各音波発生器の位置を算出することができる。光学システムが用いる方式のように、画像形成器具が基準位置と新位置に位置するときの各音波発生器の位置（変化）を測量することにより、画像形成器具の位置変化を算出することができる。且つ、その位置変化と画像形成器具の基準位置との結合により、画像形成器具の新しい位置パラメーターを獲得することができる。

電磁波測位システムを用いる方法も、前述した方法に類似する。（一個又は複数個の）トランスポンダー（transponder）（その作用がキャリブレーション物に類似する）を画像形成器具に固定させるとともに、アクティブアンテナマトリックス（この作用が光学カメラに類似する）を所定の位置に取り付ける。前記アクティブアンテナマトリックスは、所定の規律に従って所定の誘発用パルスを発生する。誘発用パルスがなくなった後、各トランスポンダーは、エネルギー蓄積機能により電磁信号を発生する。アクティブアンテナマトリックスは、前記信号を受信して計算することにより、各トランスポンダーがアクティブアンテナマトリックスに相対する位置を獲得することができる。光学システムが用いる方式のように、画像形成器具が基準位置と新位置に位置するときの各トランスポンダーの位置（変化）を測量することにより、画像形成器具の位置変化を算出することができる。且つ、その位置変化と画像形成器具の基準位置との結合により、画像形成器具の新しい位置パラメーターを獲得することができる。

上述した方法の作動原理は、アメリカCalypso会社の４Ｄ測位システムの説明書及び文献参照することができる。即ち、J．M．Balter，et al．，『Accuracy of a wireless localization system for radiotherapy』，Int J Radiat Oncol Biol Phys．，2005 Mar 1；61(3)：933-7を参照することができる。両者の間の相違点は、Calypsoシステムは、トランスポンダーを体内に取り付けて腫瘍の位置を決めるが、本発明は、トランスポンダーを画像形成部品に取り付ける。

力学センサーを用いる方法の作動原理は、前述した方法と少し異なる。例えば、加速度センサーと角加速度センサーを画像形成器具に固定させる。画像形成器具が基準位置に位置するときの数字を零点とする。画像形成器具が運動する過程に生じる連続的な加速度と角加速度の数字を記録する。一回目の積分により前記連続的な加速度値と角加速度値を獲得することができる。二回目の積分により移動距離と回転角度を獲得することができる。その情報と画像形成器具の基準位置との結合により、画像形成器具の新しい位置パラメーターを獲得することができる。

上述した方法に記載されている通り、本発明の特徴は、補助キャリブレーション手段と測量手段（本実施例中の光学カメラ）により、位置変化後の画像形成部品（本実施例中のX線画像形成器具）幾何パラメーターを測量することができる。このような補助手段は、主画像形成システム（本実施例中のＸ線システム）の精確キャリブレーション方法より、速度が速く、使用の利便性が高く、且つ放射線を使わない利点を有している。本発明の方法を用いる場合、システムがＸ線画像形成部品の位置を厳しく定位させるか、或いは完全に固定させる必要がないので、システムの立体的な配置により大きい自由度を与えるとともに、システムの機能と使用者の利便性を向上させることができる。

上述した実施例は、本発明の一部分の実施例に過ぎず、本発明は、より多い変更例を含むことができる。例えば、光学システムが一組又は複数組のカメラを含み、それにより検出範囲を広げることができる。

１ Ｘ線管
２ 画像形成器具
３ 光学標記物
４ 光学カメラ
５ 治療用ベッド

Claims (6)

1. 位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法において、前記医学画像形成部品は、第一測量システムと第二測量システムを含み、前記精確にキャリブレーションする方法は、
   １、前記医学画像形成設備の画像形成部品の最初位置を基準位置とし、第一測量システムが前記基準位置に対して精確なキャリブレーションを行って、基準位置の精確キャリブレーション値を獲得するとともに、第二測量システムが前記基準位置に対して二回のキャリブレーションを行って、基準位置の参照キャリブレーション値を獲得するステップと、
   ２、前記医学画像形成設備の画像形成部品の位置が変化するとき、変化後の画像形成部品の位置を現在位置とし、且つ前記第二測量システムで測量を行って、画像形成部品の現在位置の参照キャリブレーション値を獲得するステップと、
   ３、ステップ１で獲得した基準位置の精確キャリブレーション値及び基準位置の参照キャリブレーション値と、ステップ２で獲得した現在位置の参照キャリブレーション値とに基づいて、計算をして現在位置の精確キャリブレーション値を獲得し、且つこれにより位置変化後の画像形成部品を精確にキャリブレーションするステップとを含むことを特徴とする位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法。
2. 前記画像形成部品の現在位置は、現在位置と基準位置との間の位置偏差を測量することにより確定されることを特徴とする請求項１に記載の位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法。
3. 前記画像形成部品の位置偏差を測量する方法は、一個又は複数個の力学センサーを画像形成部品に取り付けた後、第二測量システムで力学センサーが記録した画像形成部品の位置が変化するときの力学パラメーターを測量することにより、前記部品の位置偏差を算出することを特徴とする請求項２に記載の位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法。
4. 前記画像形成部品の位置偏差を測量する方法は、一個又は複数個の追跡標記物を画像形成部品に付着させ、第二測量システムとして補助光学画像形成システムを用い、且つ補助光学画像形成システムで追跡標記物の画像上の位置変化を検出することにより、画像形成部品の位置偏差を確定することを特徴とする請求項２に記載の位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法。
5. 前記画像形成部品の位置偏差を測量する方法は、エネルギー蓄積装置を画像形成部品に取り付ける過程を含み、前記エネルギー蓄積装置は、電磁パルスにより誘発された後に電磁パルスがなくなっても自発的に電磁信号を発生することができ、且つ画像形成部品の位置が変化する過程において、第二測量システムでエネルギー蓄積装置が電磁パルスにより誘発された後に発生する電磁信号の変化を測量することにより、画像形成部品の位置変化を算出することを特徴とする請求項２に記載の位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法。
6. 前記画像形成部品の位置偏差を測量する方法は、音響発生器又はエネルギー変換装置を画像形成部品に取り付ける過程を含み、前記音響発生器又はエネルギー変換装置は、所定の方式により音波、超音波、又は連続的パルス信号を発生することができ、且つ第二測量システムでこのような信号を測量することにより、画像形成部品の位置変化を算出することを特徴とする請求項２に記載の位置変化後の医学画像形成部品を高速かつ精確にキャリブレーションする方法。