CN111132730A - 与放射治疗设备一起使用的患者监测系统的校准方法 - Google Patents

Abstract

本申请描述了校准监测系统(10,14)的方法，其中校准体模(70)定位成其中心大约位于治疗设备(16)设置成导控辐射通过其的治疗室等中心处，其中校准体模(70)的最靠近监测系统(10,14)的图像捕获装置(72)的表面相对于该监测系统的图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度。之后，使用图像捕获装置(72)捕获校准体模(70)的图像，处理这些图像以生成校准体模的成像表面的模型。之后，生成的、校准体模(70)的成像表面的模型用于识别校准体模(70)的中心与图像捕获装置(72)的摄像机平面的相对位置，其然后用于确定图像捕获装置的摄像机平面与治疗室等中心的相对位置。

Description

与放射治疗设备一起使用的患者监测系统的校准方法

本发明涉及用于在放射治疗期间监测患者的位置的患者监测系统的校准方法。本发明尤其涉及监测系统中的图像检测器如摄像机相对于治疗室等中心的位置的识别方法。

放射治疗包括将辐射束投射到患者身体的预定区域以破坏或消除其中存在的瘤。这样的治疗通常周期性及反复地进行。在每次医疗干预时，为了以最高可能准确度辐照所选区域，辐射源必须相对于患者定位，以避免辐照辐射束辐照在其上将有害的相邻组织。为此，已提出多种用于在放射治疗期间帮助患者定位的监测系统，例如在Vision RT的早前专利及专利申请中描述的那些监测系统，例如参见美国专利7,889,906、7,348,974、8,135,201、9,028,422和美国专利申请2015/265852和2016/129283，所有这些通过引用组合于此。

在Vision RT的专利及专利申请描述的系统中，患者的图像被获得并处理以产生确定对应于患者表面上的多个点的大量点的3D位置的数据。这样的数据可与在先前时候产生的数据比较并用于以一致的方式定位患者或者在患者移动到不适当位置时提供警报。通常，前述比较包括进行普鲁克(Procrustes)分析以确定使通过基于现场图像产生的数据确定的患者表面上的点与通过先前时候产生的数据确定的患者表面上的点之间的位置差异最小化的变换。

Vision RT的患者监测系统能够产生患者表面的高度准确的(例如亚毫米级)模型。为实现此，监测系统被校准以建立摄像机参数，其确定图像捕获装置/摄像机的相对位置和定向、每一图像检测器/摄像机的透镜的光学设计引起的任何光学失真如桶形、枕形及须形失真及偏心/切向失真、及摄像机/图像捕获装置的其它内部参数(例如焦距、图像中心、纵横比歪斜、像素间隔等)。一旦知道，摄像机参数可用于操纵所获得的图像以获得无失真的图像。3D位置测量结果则可通过处理从不同位置获得的图像并从这些图像及图像捕获装置/摄像机的相对位置和定向得到3D位置而进行确定。

此外，前述监测系统还必须校准以识别该监测系统的摄像机与治疗设备产生的辐射朝向其进行引导的治疗室等中心的相对位置。

早先，放射治疗中的等中心主要验证方法是测量安装在治疗设备的机架上端上的机械指针尖端与安装在治疗台上的固定点之间的距离。这样的方法为人工方法，既费力又耗时。该方法的准确度取决于人观察员，且还受所使用的指针的尖端的大小限制。

改进的技术由哈佛医学院的Lutz,Winston和Maleki在1988年提出，其在Int JRadiat Oncol Biol Phys.1988；14(2):373-81中由Lutz W,Winston K R,Maleki N发表的“A system for stereotactic radiosurgery with a linear accelerator”(具有线性加速计的用于立体放射外科学的系统)中描述。在Winston-Lutz系统中，包括由钢、钛或钨制成的小金属球的校准体模通过锁定机构固定在治疗台上。体模位置可借助于测微计工具三向调节。用于放射治疗的准直器连接到机架上端，及通过使体模上的标记与治疗室激光对准而将金属球尽可能靠近等中心放置。准直光束用于暴露垂直于光束方向安装在球后的座上的射线测试胶片。球阴影中心与场地中心之间的差确定真实等中心与通过治疗室激光指明的等中心之间的差。使用透明模板指导比例尺或者通过扫描测试胶片和软件分析获知每一胶片上的偏移。

用于分析放射线Winston Lutz图像的数学方法被开发并在Low D A、Li Z、Drzymala R E发表的“Minimization of target positioning error in accelerator-based radiosurgery”(Med Phys.1995；22(4):443-48)中描述，其使用通过胶片测得的、针对八种机架角度和诊察台设置的等中心位置误差来找到体模座的适当偏移，以使治疗设备等中心与目标之间的距离最小化。Grimm等追随类似的目标，其开发了从在某些诊察台和机架角度取得的二维射线胶片图像并将它们与数字摄像机取得的激光图像结合而重构三维Winston-Lutz体模球位置的算法。该方法在Grimm J、Grimm S L、Das I J等发表的“Aquality assurance method with sub-millimeter accuracy for stereotactic linearaccelerators”(J Appl Clin Med Phys.2011；12(1):182-98)中描述。

自动处理射线体模图像的另一例子在E Schriebmann、E Elder和T Fox发表的“Automated Quality Assurance for Image-Guided Radiation Therapy”(J Appl ClinMed Phys.2009:10(1):71-79)中描述，其讨论了质量保证方法的自动化，以确保兆伏级(MV)治疗光束与集成的千伏电压(kV)或体积测定锥面光束CT一致。在该论文中，校准立方体被描述为使用激光标记定位在估计的治疗室等中心位置处。之后获得通过辐照立方体产生的射线图像并进行处理以确定定位的立方体与通过MV、kV和体积测定锥面光束确定的等中心的偏移程度。

之后，可基于射线Winston Lutz图像的分析调节校准体模的位置，直到该体模准确地位于治疗室等中心处为止。已识别等中心的位置，之后，等中心的位置可通过使用一组激光器生成激光平面突出，为此，许多校准体模具有外部标记，使得一旦体模已位于等中心处，激光可被调节，使得生成的激光平面与外部标记一致，当体模被移走时，等中心的位置通过激光束的交叉确定。

之后，摄像机相对于治疗设备的等中心的定位可通过对已知大小的校准立方体成像而确定，校准立方体位于治疗设备上其中心处于治疗设备的等中心的位置。通常，校准立方体的定位通过该立方体外部上的标记与跨越在等中心处交叉的毛发的激光投影重合而实现。之后，获取校准立方体的图像，并利用先前获得的摄像机相对位置的测量结果及关于图像中出现的任何失真的存在的任何数据进行处理，产生该立方体的表面的3D计算机模型。产生的3D模型与校准立方体的已知大小和位置参数之间的比较使在建模软件的坐标系中进行的测量能被转换为治疗室中相对于治疗等中心的真实世界测量。

尽管校准与放射治疗设备一起使用的立体摄像机系统的传统方法高度准确，但仍希望进一步提高准确度。

根据本发明的一方面，提供一种校准监测系统的方法，其中校准体模定位成其中心大约位于治疗室的等中心处，其中，在平面图中，校准体模的最靠近监测系统的图像捕获装置的表面相对于监测系统的图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度。之后，使用图像捕获装置捕获校准体模的图像，处理这些图像以生成校准体模的成像表面的模型。生成的校准体模的成像表面的模型之后用于识别校准体模的中心与图像捕获装置的摄像机平面的相对位置，其进而用于确定图像捕获装置的摄像机平面与治疗设备设置成导控辐射通过其的治疗室等中心的相对位置。

申请人已确定，校准体模尤其是校准立方体的表面倾斜，使得在平面图中，校准体模的最靠近图像捕获装置的表面相对于监测系统的图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度提高前述监测系统生成校准体模的模型的准确度，因此提高确定图像捕获装置与治疗室等中心的相对位置的准确度。

在一些实施例中，校准体模定位成其中心大约位于治疗室的等中心处，其中，在平面图中，校准体模的最靠近图像捕获装置的表面相对于图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度，可包括：使用激光照明系统突出治疗室的等中心，通过使用于突出治疗室的等中心的激光与校准体模的外部上提供的标记对准而定位校准体模。校准立方体形式的校准体模上的标记可包括沿该立方体的边缘延伸的标记；将该立方体等分的标记；和/或在该立方体的对角线相对角之间延伸的十字形。

在一些实施例中，校准体模可包括包含辐照目标的校准体模。在这样的实施例中，定位用于在辐射治疗期间监测患者定位的监测系统的图像捕获装置与治疗设备设置成导控辐射通过其的治疗室等中心的相对位置可包括：获取治疗设备辐照的校准体模的射线图像，分析获得的射线图像以确定治疗室等中心与校准体模的中心的相对位置。

在前述实施例中，在治疗室等中心与校准体模的中心的相对位置已确定之后，校准体模可改变位置，改变位置后的体模的图像可由监测系统获得并用于确定图像捕获装置与治疗室等中心的相对位置。

作为备选，治疗室等中心与校准体模的中心的相对位置可与生成的校准体模的模型一起使用，无需重新定位体模来确定图像捕获装置与治疗室等中心的相对位置。

在一些实施例中，监测系统可包括多个图像捕获装置。

在一些实施例中，监测系统可包括用于将光投射到位于治疗室等中心附近的物体表面上的投影仪。这样的投影仪可包括用于将网格图案或者激光线形式的结构光投射到位于治疗室等中心附近的物体表面上的投影仪。这前述系统中，为了生成校准体模的成像表面的模型，获得的、结构光已投射到其上的校准体模的图像可被处理以分析图像中出现的、结构光投射图案的失真。

在其它实施例中，投影仪可包括用于将光散斑图案投射到位于治疗室等中心附近的物体表面上的投影仪。在这样的系统中，监测系统可包括立体摄像机系统，及处理获得的图像以生成校准体模的成像表面的模型可包括处理获得的、光散斑图案已投射到其上的校准体模的立体图像，生成校准体模的成像表面的模型以在所获得的图像中识别物体的对应部分。

监测系统可包括一个或多个摄像机吊舱，每一摄像机吊舱包含一个或多个图像捕获装置，其中摄像机吊舱从治疗室的天花板悬吊。在监测系统包括多个摄像机吊舱的情形下，摄像机吊舱均可位于治疗室的同一侧，及摄像机吊舱可按对称图案在治疗室内进行布置。

在前述实施例中，校准体模可设置成其中心大约位于治疗室等中心处，在平面图中，校准体模的最靠近摄像机吊舱之一的图像捕获装置的表面相对于该摄像机吊舱上的图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度。

在一些前述实施例中，监测系统可包括中央摄像机吊舱，其两侧各有一个其它摄像机吊舱，定位校准体模可包括将校准体模大约定位在治疗室等中心处，在平面图中，校准体模的最靠近中央摄像机吊舱的图像捕获装置的表面相对于该中央摄像机吊舱的图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度。

在本发明的另一方面，提供用在任何上面描述的方法中的校准体模。这样的校准体模可包括其外部上具有标记的校准立方体，标记有助于该立方体的定向从而由监测系统的摄像机/图像捕获装置成像。前述标记可包括选自下组的标记：沿该立方体的边缘延伸的标记；将该立方体等分的标记；和在该立方体的对角线相对角之间延伸的十字形。在一些实施例中，校准体模可包含用于由治疗设备辐照的辐照目标。

附图说明

现在将结合附图更详细地描述本发明的实施例，其中：

图1为治疗设备和患者监测器的示意性立体图；

图2为图1的患者监测器的摄像机吊舱的前向立体图；

图3为图1的患者监测器的计算机系统的示意性框图；

图4为用于识别摄像机系统与治疗室等中心的相对位置的校准立方体的传统布置的平面图；

图5为用于识别摄像机系统与治疗室等中心的相对位置的传统校准立方体的示意性立体图；

图6为根据本发明实施例的用于识别摄像机系统与治疗室等中心的相对位置的校准立方体的布置的平面图；

图7为根据本发明实施例的用于识别摄像机系统与治疗室等中心的相对位置的校准立方体的示意性立体图；及

图8-10为根据本发明另外的实施例的用于识别摄像机系统与治疗室等中心的相对位置的校准立方体的布置的平面图。

具体实施方式

在描述根据本发明的、用于监测患者定位的监测系统的摄像机/图像检测器与治疗室等中心的相对位置的确定方法之前，将首先参考图1-5描述可使用所描述的及传统的识别患者监测系统的摄像机/图像检测器与治疗室等中心的相对位置的方法校准的患者监测系统和放射治疗设备。

图1为包括摄像机系统的示例性患者监测系统的示意性立体图，摄像机系统包括安装在多个摄像机吊舱10内的多个摄像机，图1中示出了摄像机吊舱10之一，其通过布线(未示出)连接到计算机14。计算机14还连接到治疗设备16，诸如用于施加放射治疗的线性加速器。提供机械诊察台18作为治疗设备的一部分，患者20在治疗期间躺在该诊察台18上。治疗设备16和机械诊察台18布置成使得在计算机14的控制下，机械诊察台18和治疗设备16的相对位置可以横向、垂直、纵向和旋转地变化，如由图中靠近诊察台的箭头所指示的。

治疗设备16包括主体22，机架24从该主体22延伸。准直器26设置在机架24的远离治疗设备16的主体22的端部处。为了改变辐射照射患者20的角度，在计算机14的控制下，机架24布置成围绕穿过治疗设备16的主体22的中心的轴线旋转，如图中所示。另外，治疗设备的照射方向也可以通过在机架24的端部处旋转准直器26来改变，同样如图中箭头所示。

为在患者监测系统中获得合理的视场，包含监测患者20的摄像机的摄像机吊舱10通常距一定距离(例如距被监测的患者1-2米)观察患者20。在图1的示例性图示中，图1中所示的摄像机吊舱10的视场由远离摄像机吊舱10延伸的虚线标示。

如图1中所示，前述摄像机吊舱10通常从治疗室的天花板悬吊并远离机架24定位，使得摄像机吊舱10不干扰机架24的旋转。在一些系统中，使用仅包括单一摄像机吊舱10的摄像机系统。然而，在其它系统中，摄像机系统优选包括多个摄像机吊舱10，因为在机架24或机械诊察台18处于特定定向时，机架24的旋转可能完全或部分阻挡观察患者20。提供多个摄像机吊舱10还有助于从多个方向对患者进行成像，这可增加系统的准确度。

可提供激光照明系统(未示出)，通常为布置成产生三个激光平面的一组激光形式，以突出治疗室等中心(治疗室中的位置，治疗设备16布置成导控辐射通过该位置，不管准直器26和机架24的定向和位置如何)。当患者20被定位进行治疗时，这治疗室等中心应与计划接收最大量的辐射的组织重合。

图2是示例性摄像机吊舱10的前向透视图。

在该例子中，摄像机吊舱10包括壳体41，该壳体41经由铰链44连接到支架42。支架42使得摄像机吊舱10能够在固定位置附接到治疗室的天花板，同时铰链44允许摄像机吊舱10的方向相对于支架42进行定向，以使得摄像机吊舱10可布置成观察机械诊察台18上的患者20。一对透镜46安装在壳体41的前表面48的任一端。这些透镜46定位在壳体41内包含的图像捕获装置/摄像机(诸如CMOS有源像素传感器或电荷耦合器件(未示出))的前面。摄像机/图像检测器布置在透镜46后面以便经由透镜46捕获患者20的图像。

在该例子中，散斑投影仪52设置在图2中所示的摄像机吊舱10中的两个透镜46之间即壳体41的前表面48的中间。在该例子中，散斑投影仪52布置成用非重复散斑图案的红光照射患者20，以使得当安装在摄像机吊舱10内的两个图像检测器捕获患者20的图像时，可以更容易地区分所捕获图像的对应部分。为此，散斑投影仪包括诸如LED的光源和胶片，其中在胶片上印刷有随机散斑图案。在使用中，来自光源的光经由胶片投射，并且因此，由亮区和暗区组成的图案被投射到患者20的表面上。在一些监测系统中，散斑投影仪52可用设置成将光线或光栅图案形式的结构光(如激光)投射到患者20的表面上的投影仪替代。在一些监测系统中，投影仪52可省略。

图3是图1的患者监测器的计算机14的示意性框图。为了计算机14处理从摄像机吊舱10接收的图像，计算机14由在盘54上提供的软件或通过经由通信网络接收电信号55到多个功能模块56-64中来配置。在该例子中，功能模块56-64包括：3D位置确定模块56，用于处理从摄像机吊舱10接收的图像；模型生成模块58，用于处理由3D位置确定模块56生成的数据，并将数据转换为成像表面的3D丝网模型；生成模型存储器60，用于存储成像表面的3D丝网模型；目标模型存储器62，用于存储先前生成的3D丝网模型；以及匹配模块64，用于确定将生成的模型与目标模型匹配所需的旋转和平移。

在使用中，当由摄像机吊舱10的图像捕获装置/摄像机获得图像时，这些图像由3D位置确定模块56处理。该处理使得3D位置确定模块能够在多对图像中识别患者20的表面上的相应点的3D位置。在示例性系统中，这通过3D位置确定模块56识别由摄像机吊舱10获得的多对图像中的对应点，然后基于所获得的多对图像中的对应点的相对位置和针对摄像机吊舱10的每一图像捕获装置/摄像机存储的摄像机参数确定这些点的3D位置来实现。

由3D位置确定模块56生成的位置数据被传送到模型生成模块58，该模型生成模块58处理位置数据以生成由立体摄像机10成像的患者20的表面的3D丝网模型。3D模型包括三角形丝网模型，其中模型的顶点对应于由3D位置确定模块56确定的3D位置。当已经确定这种模型时，将其存储在生成模型存储器60中。

当存储了患者20的表面的丝网模型时，然后，调用匹配模块64以确定在基于由立体摄像机10获得的当前图像的所生成的模型与存储在目标模型存储器62中的患者的先前生成的模型表面之间的匹配平移和旋转。然后，可以将确定的平移和旋转作为指令发送到机械诊察台18，以使得诊察台将患者20相对于治疗设备16定位在与他们先前接受治疗时所处位置相同的位置。

随后，摄像机吊舱10的图像捕获装置/摄像机可以继续监测患者20，并且可以通过生成另外的模型表面并将那些生成的表面与存储在目标模型存储器62中的目标模型进行比较来识别位置的任何变化。如果确定患者20已经移出位置，则可以停止治疗设备16或者可触发警报并且重新定位患者20，从而避免照射患者20的错误部分。

现在将参考图4和5描述识别监测系统的摄像机相对于治疗室等中心的相对位置的传统方法。

图4为校准体模的示意性平面图，其在该例子中为通过三个摄像机或摄像机吊舱72-76进行成像的校准立方体70形式。当识别监测系统的摄像机相对于治疗室等中心的相对位置时，校准立方体70定位成其中心处于治疗室等中心处。这通过使用传统技术识别等中心的位置并通过三个激光平面的交叉突出等中心的位置而实现，激光平面之中的两个80、82在图4中由粗虚线标示。第三平面(未在图4中示出)应与该图的表面平行定向，识别等中心相对于该图表面的“高度”。

如图中所示，摄像机吊舱72-76通常远离等中心位置一定距离定位，以在治疗设备16从不同角度和位置辐照等中心时不干扰治疗设备16的移动。通常，在患者监测系统中，提供三个摄像机吊舱72-76，及如图4中所示，布置成具有中央摄像机吊舱72，中央摄像机吊舱两侧各有一个摄像机吊舱74、76。如图4中所示，这些次要摄像机吊舱74、76通常对称地位于中央摄像机吊舱72的两侧并与中央摄像机吊舱72一样位于治疗室等中心的同一侧。在一些系统中，次要摄像机吊舱74、76可设置成位于等中心的任一侧且与等中心实质上一致(即视线实质上沿突出治疗室等中心的激光平面80的线定向)。

当识别监测系统的摄像机相对于治疗室等中心的相对位置时，校准立方体70定向使得在平面图中，校准立方体70的表面之一与中央摄像机吊舱72的摄像机/图像检测器的图像平面实质上平行。通常，该定向通过对准平面图中的中央摄像机吊舱72的图像平面以与突出治疗室等中心的位置的激光平面之一80平行而实现。之后，在立方体表面上提供标记，使校准立方体70能被正确地对准，使得该立方体的朝向中央摄像机吊舱72的表面与中央摄像机吊舱72的摄像机/图像检测器的图像平面平行，并定位成使得校准立方体70的中心处于治疗室等中心处。通常，这样的标记为校准立方体的每一表面上的十字形84的形式，如图5中所示。

当从校准立方体70的图像生成模型时，对于以斜角成像的表面，生成模型的准确度通常降低，为此，校准立方体70的表面通常优先使用以最小斜角观察表面的图像数据建模。

按使校准立方体70的前表面与中央摄像机吊舱72的摄像机/图像检测器的图像平面实质上平行而对校准立方体定向使得中央摄像机吊舱72观察校准立方体70的角度最小化，及在如图4中所示的定向中，其它摄像机吊舱74、76以微小角度观察校准立方体70的最靠近它们的表面。

由于校准立方体70定位成其中心位于治疗室等中心处及立方体70的表面与中央摄像机吊舱72的摄像机/图像检测器的图像平面平行，突出治疗室等中心的激光平面将与校准立方体70上的标记84重合。

当校准立方体70已定位成其中心位于治疗室等中心处时，摄像机吊舱72-76的摄像机/图像检测器捕获校准立方体70的图像。这些图像之后被传给计算机14，其处理这些图像以识别校准立方体70的表面上的点的3D位置。之后，治疗室等中心在监测系统的模型空间中的相对位置可基于处理后的图像而被识别为校准立方体70的模型最适合所识别的立方体表面的点的中心。

申请人已意识到，如典型患者监测系统中那样，多个摄像机吊舱位于治疗室等中心的同一侧，当对校准立方体成像时，通常没有摄像机获得校准立方体70的位于等中心另一侧的表面的图像。

因而，例如，在图4中所示监测系统情形下，摄像机吊舱72-76的观察点由远离摄像机吊舱72-76的示意性图示延伸的点线图示，摄像机吊舱72-76均未获得校准立方体70的远离中央摄像机吊舱72的表面的图像，图4中突出显示为校准立方体70的在其右手边的表面并用点线突出。

申请人还已意识到，这种未获得校准立方体70的该表面的图像在监测系统的模型空间中确定治疗等中心的位置时是可能的误差源。

为解决该问题，申请人提出，不是按图4中所示的方式定位校准立方体70(其中校准立方体70的表面与中央摄像机吊舱72的摄像机/检测器的图像表面实质上平行)，而是校准立方体将按图6中所示进行定向(即旋转45度，使得在平面图中，校准立方体70的最靠近中央摄像机吊舱72的表面相对于中央摄像机吊舱72的图像表面成45度，校准立方体的一边缘指向摄像机吊舱70)。如图6中所示，按这样的定向，校准立方体70的远离中央摄像机的表面由其它摄像机吊舱74、76成像。

按图6中所示的定向，应意识到，校准立方体70的由中央摄像机吊舱72成像的表面，相较于校准立方体70按图4中所示定向时，相对于摄像机吊舱72的摄像机/图像检测器的图像平面的斜角更大。尽管在该例子中相对定向角度为约45度，申请人已发现这并未使得表面的3D位置建模准确度有任何明显降低。

还应意识到，如图所示，校准立方体的远离中央摄像机吊舱72的表面仅由处于相当斜角的其它摄像机吊舱74、76成像。通常，对以相当斜角成像的表面的3D位置建模相当不准确。然而，尽管如此，申请人已确定，任何不准确性超过监测系统对校准立方体70的表面区域的更大比例成像因而建模所实现的补偿。

在图4和6的平面图图像中尽管不完全显而易见，应记住，通常，如图1中所示，患者监测系统的摄像机吊舱从治疗室的天花板悬吊并位于治疗室等中心的平面上方。因而，在如图4中所示的校准立方体70的定向的情形下，校准立方体的上表面的远离摄像机吊舱72-76的一部分相较该表面的更靠近摄像机吊舱72-76的部分以更大的斜角进行观察。这限制了患者监测系统生成校准立方体的以更大斜角观察的部分的准确模型的能力，及在图4中所示的定向情形下，通常仅校准立方体70的最靠近摄像机吊舱72-76的部分被建模。

与图4中所示的定向相比较，当按图6中所示定向的校准立方体70被成像时，获得另外的信息，甚至好像仅校准立方体70的位于激光平面80所示平面的远侧的一小部分可被建模，上表面的三个角(角落)可被识别，连同校准立方体70的尺寸的预先了解，使能更准确地识别校准立方体70的位置。而与此相比，当按图4中所示定向时，对校准立方体70的最靠近摄像机吊舱72-76的部分建模仅导致该立方体的两个角落的建模。

申请人已确定，与预期相反，如图6中定向的，关于立方体的角落的另外的信息在识别治疗室等中心的位置时比因摄像机吊舱72-76以更大的斜角对校准立方体70的前面部分成像或者仅以相当斜角对校准立方体70的远部成像而出现的不准确性更重要，因此，将校准立方体定位成在平面图中其表面相对于中央摄像机吊舱72的图像表面成45度提高了在监测系统的模型空间中识别治疗室等中心的准确度。

按图6中所示的方式对校准立方体70定向有助于校准立方体70的最靠近中央摄像机吊舱72的角落的建模，个别地及全体地使用来自所有三个摄像机吊舱72-76的图像数据，而不依赖于以高度斜角获得的图像数据。这与校准立方体70的尺寸的了解一起使能在摄像机空间中识别校准立方体的中心位置。

如果所有三个摄像机吊舱被完美校准，通过识别来自每一个别摄像机吊舱的图像的匹配部分而生成的表面模型均将一致。然而，不可避免地出现较小误差。在所示配置中，摄像机吊舱72-76对称地布置。就使用外面的两个摄像机吊舱74、76对校准立方体70的表面建模时出现的误差来说，前述误差将彼此抵消，由中央摄像机吊舱72生成的模型表面识别接近使用来自其它两个摄像机吊舱74、76的图像生成的表面的平均的表面，因此，三个摄像机吊舱全体将使校准立方体70的最靠近中央摄像机吊舱72的角落的位置能被准确识别，而误差有限。

按图6中所示的方式定位校准立方体70，即该立方体的表面在平面图中相对于与治疗室等中心一致定向的中央摄像机吊舱72的摄像机平面成45度角，可通过使得校准立方体70按图7中所示进行标记而容易实施。与如图5中所示的校准立方体70上的传统标记相比，在图7中，图5中所示的传统十字形标记84由立方体70的上表面上在立方体的相对角落之间延伸的对角线十字86代替，把校准立方体70一分为二的线88及一系列线90使立方体70的边缘突出。

当按图6中所示的方式布置校准立方体70时，改进的标记86-90有助于校准立方体70的布置，因为该立方体可通过使用于识别治疗室等中心的激光平面80、82与校准立方体70上的改进的标记86-90对准而定位成其中心处于治疗室等中心处。

尽管在上面已在利用立体摄像机系统的监测系统上下文中描述了监测系统中的摄像机相对于治疗室等中心的位置的识别方法，应意识到，上面描述的方法(其中校准立方体的前表面在平面图中以相对于中央摄像机吊舱的摄像机/图像检测器的图像平面约45度角成像)可同等地应用于其它类型的基于摄像机的患者监测系统的校准。因而，例如，不是识别基于立体摄像机的监测系统中的摄像机的位置，上面描述的方法而是可同等地应用于在基于飞行时间的监测系统中或者在基于结构光投射到拟监测表面上的成像的监测系统中确定摄像机与治疗室等中心的相对位置。

尽管在上面已描述监测系统的校准，其中校准立方体70被定位在通过三个激光平面的交叉而突出的治疗室等中心处，应意识到，上面描述的方法可同等地应用于其它识别患者监测系统中的摄像机与等中心的相对位置的方法。

因而，例如，不是依赖于治疗室等中心的识别通过激光平面的交叉进行，例如可利用Vision RT的在前美国专利申请US 2016-129283中描述的方法。

在这样的方法中，在开始，校准立方体形式的、包含辐照目标如一个或多个小金属球或者由钢、钛或钨等制成的其它金属目标的校准体模定位成该体模的中心处于放射治疗设备的等中心的估计位置，校准立方体的前表面在平面图中相对于形成监测系统的一部分的摄像机的图像平面成约45度角。之后，校准体模使用放射治疗设备进行辐照。然后，通过分析包含辐照目标的校准体模的辐照射线图像而确定校准体模的中心与放射治疗的等中心的相对位置。

在一些实施例中，校准体模之后可改变位置，例如向校准体模安装于其上的可移动诊察台发送指令以将与所确定的、校准体模的中心和放射治疗设备的等中心的相对位置对应的偏移应用于校准体模。之后，通过捕获改变位置的、定位成使其中心位于治疗室等中心处的校准立方体的图像，可确定监测系统的摄像机与治疗室等中心的相对位置。

作为备选，如US 2016-129283中提出的，无需物理上重新定位校准立方体，即可确定摄像机与治疗室等中心的相对位置。更具体地，校准立方体可按上面描述的方式定位在放射治疗设备的等中心的估计位置。之后，可获取其前表面在平面图中相对于形成监测系统的一部分的摄像机的图像平面成约45度角的校准立方体的图像，然后可生成该立方体的相应表面的3D计算机模型。校准立方体也可无需改变其位置进行辐照，可获得被辐照的立方体尤其是立方体内的辐照目标的射线图像并进行处理以确定该立方体与治疗室等中心的相对位置。然而，可基于通过分析射线图像确定的任何偏移及通过处理监测设备捕获的图像生成的立方体在摄像机空间中的表示，确定治疗室等中心相对于监测系统的摄像机位置的位置。

应意识到，采用上面描述的任一方法避免因激光辅助照明系统识别治疗室等中心的任何不准确性出现的误差，因为，在任一方法中，治疗室等中心通过分析校准立方体70内包含的目标的辐照图像而确定。在这样的实施例中，可能省略激光辅助照明系统。然而，优选地，将不省略激光辅助照明系统，因为激光辅助照明系统连同校准立方体70的表面上的标记86-90一起有助于校准立方体按正确定向初始定位且其中心非常接近(如果未完美对准的话)治疗室等中心。

尽管在图4和6中所示的例子中，示出了一组摄像机吊舱72-76，其中所有摄像机吊舱均位于通过治疗室等中心的平面的同一侧，还应当理解，摄像机吊舱72-76可按不同的位置进行布置。

具体地，应意识到，上面描述的校准监测系统的方法将同等地应用于其中次要摄像机吊舱74、76与通过治疗室等中心且平行于或实质上平行于中央摄像机吊舱72的摄像机/图像捕获装置的图像平面的平面对准的监测系统，如图8中所示。在这样的配置中，如图8中所示，最靠近摄像机72-76中的每一个的每一表面在平面图中相对于对该表面成像的摄像机的图像平面成约45度角。因而，在这样的配置中，摄像机观察校准体模70的相对倾斜度最小化，同时仍然使监测系统能观察校准体模70的所有四侧及顶表面。在包括三个摄像机吊舱72-76的摄像机系统的校准情形下(其中摄像机吊舱中的两个74、76设置成在中央摄像机吊舱72的两侧实质上对称)，优选使该立方体的表面在平面图中相对于中央摄像机吊舱72的摄像机/图像捕获装置的图像平面成约45度角，因为摄像机吊舱74、76的布置对称性和校准立方体70的对称性导致次要摄像机吊舱74、76捕获校准立方体70的类似图像，因此，在确定校准立方体的位置时，基于次要摄像机吊舱74、76捕获的图像出现的任何误差将彼此抵消。

还应意识到，在其它实施例中，包含单一摄像机吊舱(例如仅中央摄像机吊舱72)的监测系统可利用上面描述的校准立方体70的定向方法进行校准，使得该立方体的前表面(即最靠近监测该立方体的摄像机吊舱72的摄像机/图像检测器的图像平面的表面)在平面图中相对于摄像机的图像平面倾斜，如图9中所示。

还应意识到，可省略中央摄像机吊舱72，而包括一对摄像机吊舱74、76的监测系统可使用上面描述的方法校准，如图10中所示。

尽管在上面描述的实施例中，校准立方体的对准已被描述为使得立方体的表面在平面图中相对于摄像机吊舱72的摄像机/图像捕获装置的图像平面成约45度，应意识到，为获得本发明的益处，该立方体的对准不必精确地处于45度角，允许偏离45度一些。

Claims (16)

1.一种用于在放射治疗期间监测患者定位的监测系统的图像捕获装置与治疗设备设置成导控辐射通过其的治疗室等中心的相对位置的确定方法，所述方法包括：

将校准体模定位成其中心大约位于治疗室等中心处，其中，在平面图中，校准体模的最靠近图像捕获装置的表面相对于图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度；

使用图像捕获装置获取校准体模的图像；

处理获取的图像以生成校准体模的成像表面的模型；

利用生成的校准体模的成像表面的模型识别校准体模的中心与图像捕获装置的摄像机平面的相对位置；及

利用所识别的、校准体模的中心与图像捕获装置的摄像机平面的相对位置确定图像捕获装置的摄像机平面与治疗设备设置成导控辐射通过其的治疗室等中心的相对位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将校准体模定位成其中心大约位于治疗室等中心处，其中，在平面图中，校准体模的最靠近图像捕获装置的表面相对于图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度包括：

使用激光照明系统突出治疗室等中心；

通过使用于突出治疗室等中心的激光与校准体模的外部上提供的标记对准而将校准体模定位成其中心大约位于治疗室等中心处，其中，在平面图中，校准体模的最靠近图像捕获装置的表面相对于图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中校准体模包括立方体，及校准体模的外部上提供的标记包括选自下组的标记：沿所述立方体的边缘延伸的标记、将所述立方体等分的标记、和在所述立方体的对角线相对角之间延伸的十字形。

4.根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述校准体模包含一个或多个辐照目标，所述方法还包括：

获取治疗设备辐照的校准体模的射线图像；

分析所获取的、治疗设备辐照的校准体模的射线图像以确定治疗室等中心与校准体模的中心的相对位置。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括改变校准体模的位置使得校准体模的中心位于治疗室等中心处。

6.根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述监测系统包括多个图像捕获装置。

7.根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述监测系统还包括用于将光投射到位于治疗室等中心附近的物体表面上的投影仪。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述投影仪用于将网格图案或者激光线形式的结构光投射到位于治疗室等中心附近的物体表面上，其中处理获取的图像以生成校准体模的成像表面的模型包括处理所获取的、结构光已投射到其上的校准体模的图像并基于图像中出现的结构光图案的失真而生成校准体模的成像表面的模型。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述投影仪用于将光散斑图案投射到位于治疗室等中心附近的物体表面上，其中监测系统包括立体摄像机系统，及处理获得的图像以生成校准体模的成像表面的模型包括处理获得的、光散斑图案已投射到其上的校准体模的立体图像，及基于立体摄像机获得的立体图像中所成像物体的对应部分的识别而生成校准体模的成像表面的模型。

10.根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述监测系统包括一个以上摄像机吊舱，每一摄像机吊舱包含一个或多个图像捕获装置，其中将校准体模定位成其中心大约位于治疗室等中心处、校准体模的最靠近图像捕获装置的表面相对于图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度包括将校准体模定位成其中心大约位于治疗室等中心处，其中校准体模的最靠近摄像机吊舱之一的图像捕获装置的表面相对于该摄像机吊舱上的图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述一个以上摄像机吊舱包括多个摄像机吊舱，及所述多个摄像机吊舱均位于治疗室的同一侧。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述一个以上摄像机吊舱在治疗室内按对称模式进行布置。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述监测系统包括三个摄像机吊舱，每一摄像机吊舱包含一个或多个图像捕获装置，其中将校准体模定位成其中心大约位于治疗室等中心处、在平面图中校准体模的最靠近图像捕获装置的表面相对于图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度包括将校准体模定位成其中心大约位于治疗室等中心处，其中在平面图中校准体模的最靠近居中定位的摄像机吊舱的图像捕获装置的表面相对于居中定位的摄像机吊舱上的图像捕获装置的摄像机平面倾斜约45度，居中定位的摄像机吊舱两侧各有一个另外的摄像机吊舱。

14.根据权利要求10-13之一所述的方法，其中所述摄像机吊舱从治疗室的天花板悬吊。

15.一种校准体模，用于确定在辐射治疗期间监测患者定位的监测系统的图像捕获装置与治疗设备设置成导控辐射通过其的治疗室等中心的相对位置，所述校准体模包括校准立方体，所述校准立方体的外部上具有选自下组的标记：沿所述立方体的边缘延伸的标记、将所述立方体等分的标记、和在所述立方体的对角线相对角之间延伸的十字形。

16.根据权利要求15所述的校准体模，其中所述校准体模包含用于由治疗设备辐照的辐照目标。

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