专利名称：激光引导医疗设备自动定位系统及方法
技术领域：
本发明涉及医疗设备领域，包括医疗影像设备和治疗系统，特别是X射线设备和系统，涉及通过体表照射标记定位从而实现病人体位定位。
背景技术：
射线照射往往需要在病人体表的特定位置进行精确定位。精确而迅速的定位是实现成功照射的关键，并且能够缩短整个照射过程的时间，减少病人的不适。目前具有自动定位功能的数字射线系统(如GE公司Definium 8000系统，见图 1)，其病人定位过程一般包括如下步骤(i)选择病人；(ii)选择球管吊架OTS (overhead tube suspension)的起始位置(如图1. 1下拉菜单A所示)；(iii)按住自动定位按钮B (见图1. 2控制面板)，则OTS开始向目标位置移动，当OTS移动到目标位置时释放该按钮；(iv) 指示病人(在胸片架前、床上或其他位置)就位；(ν)手动将球管移动和/或旋转定位至病人体表照射标记处，并再次确认照射视野FOV(field of view)等。确认照射视野时，中心射线一般应对准病人体表照射标记。例如图2所示，对于卧位，一般球管(8)发射的中心射线(5)应垂直于病人，并位于体表照射标记(3)正上方的一定位置，体表照射标记(3)则位于照射视野FOV 的中心。由此可见，这类系统并不能完全实现自动对病人进行定位。其中，虽然OTS自动向目标位置移动，但是球管的移动和/或旋转定位是由手动进行的。通过这种方法实现对病人体表照射标记的精确定位，花费时间长，工作流程复杂。为了解决上述问题，本发明提出了一种激光引导医疗设备自动定位系统及方法， 用于对病人体表照射标记的精确定位。美国专利5，590，655公开了一种激光引导的内伤定位装置，但它并不针对体表照射标记进行定位。另一美国专利US5，598，269公开了一种协助CT计算机断层摄影装置进行定位的可移动的激光引导定位装置，它包括了激光线光源和扇形光源两个光源，结构复杂， 操作也不简便。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种医疗设备定位系统，包括医疗设备本身和定位部件，其中医疗设备上有移动部件，可移动到目标位置进行诊断或治疗，其特征在于定位部件包括激光发射装置，照相装置，以及计算装置；其中，激光发射装置发出的激光照射在病人体表的标记上；照相装置对激光照射点进行照相；计算装置通过对照相装置获得的图像进行计算，得到激光照射点的位置；医疗设备根据计算得到的照射点位置，将移动部件自动进行定位。优选地，所述激光发射装置是手持式的。所述激光发射装置上有控制器，控制持续发射激光脉冲。所述激光发射装置上的控制器一旦开始持续发射激光脉冲，则该控制器触发照相装置开始照相，照相装置采集频率高于激光脉冲的发射频率。优选地，所述照相装置的采集频率是激光脉冲频率的两倍。计算装置对照相装置获得的相邻图像进行剪影，得到激光照射点的位置。当计算装置得到激光照射点的位置保持一段时间稳定，则激光发射装置停止发射激光脉冲。所述保持一段时间稳定是指，在预先确定长度的一段时间内，计算装置多次得到激光照射点位置之差小于事先确定的阈值。至少具有三个照相装置，布置在医疗设备所在环境的周围。优选地，所述医疗设备是X射线诊断设备，所述照相装置是数码相机。同时，本发明还提出了一种医疗设备定位方法，其特征在于包括如下步骤1)发射激光照射在病人体表的标记上；2)对激光照射点进行照相；3)对照相得到的图像进行计算，得到激光照射点的位置；4)医疗设备根据计算得到的照射点位置，将移动部件自动进行定位。优选地，所述第1)步中，用手持式激光发射装置进行激光发射。所述第1)步进一步包括1. 1)开始持续发射激光脉冲；1. 2) 一旦开始持续发射激光脉冲，则该控制器触发照相装置开始照相。所述第2)步中，对激光照射点进行照相的采集频率高于激光脉冲的发射频率。优选地，所述第2~)步中，对激光照射点进行照相的采集频率是激光脉冲频率的两倍。所述第幻步中，对照相获得的相邻图像进行剪影，得到所述激光照射点的位置。所述第3)步中，当计算得到的激光照射点的位置保持一定时间稳定，则所述第1) 步停止，即停止发射激光脉冲。所述第幻步中，所述保持一定时间稳定，是指在预先确定长度的一段时间内，计算装置多次得到激光照射点位置之差小于事先确定的阈值。 至少有三个照相装置对激光照射点进行照相。优选地，所述医疗设备是X射线诊断设备，所述照相装置是数码相机。本发明简化了医疗设备进行自动定位的工作流程，解决了自动定位的技术问题， 并有助于改善病人的体验。
图1示出了现有具有自动定位功能的数字射线系统GE公司Definium 8000系统的用户操作界面和相关按钮。图2示出了医疗设备对卧位病人进行定位的示意图。图3示出了根据本发明的医疗设备定位系统的组织结构图。图4示出了对照相获得的相邻图像进行计算，从而得到激光照射点位置的原理图。图5示出了根据本发明的医疗设备定位方法的控制时序图。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
进一步详细描述本发明，但本发明并不仅仅限于此。下面结合附图详细描述根据本发明的具体实施例，这些实施例不用来限制本发明。其中不同附图中相同部件采用相同的附图标记。一个优选的实施例如图3所示的医疗设备定位系统，特别地如X射线诊断设备。其中，医疗设备(即X射线诊断设备)本身并未示出。定位部件中的激光发射装置是一个手持式激光脉冲发射笔(1)，上面有按钮控制激光脉冲的发射。由操作者手持激光脉冲发射笔，按下按钮持续发射激光脉冲，并将该激光脉冲指向病人体表照射标记。定位部件还包括多个数码相机，图中示出有四个数码相机(7)布置在照射室顶部四个墙角处，面向照射室中心位置或病人所在位置。一旦激光笔发射激光脉冲，则立即触发所有相机开始拍照，照相的频率高于激光脉冲的发射频率。优选地，所述照相装置的采集频率是激光脉冲频率的两倍，从而在激光脉冲峰、谷两个相位各采集一幅图像。由于在四个方向各布置了一个相机， 因此激光照射点必然被其中一个甚至几个相机拍摄到。其中，数码相机将获得的激光照射点的图像传送给医疗设备上的计算装置(未示出)。计算装置不断对相机获得的相邻两幅图像进行剪影计算，如图4所示，从而不断得到激光照射点的位置(将相机获取的照射点位置图像转化为照射点位置坐标的具体计算方法见下)。自开始得到激光照射点的位置时，计算装置同时不断计算照射点位置的变化。当发现照射点位置保持一段时间稳定，如在1秒钟内得到的任何两次激光照射点位置之差小于事先确定的阈值，则系统发出蜂鸣声，提示操作者可以松开激光发射按钮，停止发射激光和定位操作。一种优选的将相机得到的透视图像投影到图像平面上三维坐标点的算法是针孔照相机模型(pinhole camera model)，这属于现有技术(参见网上百科全书 ffikipediahttp //en. wikipedia. org/wiki/Pinhole camera model)。其中，假设激光照身寸点待定的位置坐标为(xo，Y0, Z0)则ZO无需计算，因为X射线源至探测器的距离source to image-receptor distance (SID)已由系统(根据照射部位)预先设定；系统只需计算中心射线在照射平面上的平面坐标(Χ0，Υ0)。该算法所应用的公式如下s m' = A[R|t]M'
V fx Q Cx ru Π2 ri3 ι ^或SV = O fy Cy r2l Γ22 ^23 h ^
-1J [ο O IJ [r3i rn ^33 τ其中(X，Y，Ζ)是照射室坐标空间内一个点的三维坐标，(U，ν)是投影点的像素坐标。A称为相机矩阵或内部参数矩阵其中(CX，Cy)是核心点(通常是影像中心)的坐标； fx，fy是用像素表示的焦距长度。根据该公式，如果图像按某个参数放大或缩小，则所有这些参数也应当相应地放大或缩小(乘以或除以该参数)。内部参数矩阵并不随照相机视野变化而改变，其一旦确定既可重复使用(只要焦距不变)。联合旋转平移矩阵[R|t]被称为外部参数矩阵，用于描述相机绕某静止点旋转，或相机不动、照相目标在相机前转动。则 [R|t]可根据相机将图像上某一点的坐标(X，Y，Z)投影到某一坐标系统。该转化的数学公式是(当Z兴0时)
权利要求
1.一种医疗设备定位系统，包括医疗设备本身和定位部件，其中医疗设备上有移动部件，可移动到目标位置进行诊断或治疗，其特征在于定位部件包括激光发射装置，照相装置，以及计算装置；其中，激光发射装置发出的激光照射在病人体表的标记上；照相装置对激光照射点进行照相；计算装置通过对照相装置获得的图像进行计算，得到激光照射点的位置；医疗设备根据计算得到的照射点位置，将移动部件自动进行定位。
2.根据权利要求1所述的医疗设备定位系统，其特征在于所述激光发射装置是手持式的。
3.根据权利要求1或2所述的医疗设备定位系统，其特征在于所述激光发射装置上有控制器，控制持续发射激光脉冲。
4.根据权利要求3所述的医疗设备定位系统，其特征在于所述激光发射装置上的控制器一旦开始持续发射激光脉冲，则该控制器触发照相装置开始照相，照相装置采集频率高于激光脉冲的发射频率。
5.根据权利要求4所述的医疗设备定位系统，其特征在于所述照相装置的采集频率是激光脉冲频率的两倍。
6.根据权利要求4或5所述的医疗设备定位系统，其特征在于计算装置对照相装置获得的相邻图像进行剪影，得到激光照射点的位置。
7.根据权利要求6所述的医疗设备定位系统，其特征在于当计算装置得到激光照射点的位置保持一段时间稳定，则激光发射装置停止发射激光脉冲。
8.根据权利要求7所述的医疗设备定位系统，其特征在于所述保持一段时间稳定是指，在预先确定长度的一段时间内，计算装置多次得到激光照射点位置之差小于事先确定的阈值。
9.根据权利要求1-8任一权利要求所述的医疗设备定位系统，其特征在于至少具有三个照相装置，布置在医疗设备所在环境的周围。
10.根据权利要求9所述的医疗设备定位系统，其特征在于所述医疗设备是X射线诊断设备，所述照相装置是数码相机。
11.一种医疗设备定位方法，其特征在于包括如下步骤1)发射激光照射在病人体表的标记上；2)对激光照射点进行照相；3)对照相得到的图像进行计算，得到激光照射点的位置；4)医疗设备根据计算得到的照射点位置，将移动部件自动进行定位。
12 .根据权利要求11所述的医疗设备定位方法，其特征在于所述第1)步中，用手持式激光发射装置进行激光发射。
13.根据权利要求12所述的医疗设备定位方法，其特征在于所述第1)步进一步包括1. 3)开始持续发射激光脉冲；1. 4) 一旦开始持续发射激光脉冲，则该控制器触发照相装置开始照相。
14.根据权利要求13所述的医疗设备定位方法，其特征在于所述第幻步中，对激光照射点进行照相的采集频率高于激光脉冲的发射频率。
15.根据权利要求14所述的医疗设备定位方法，其特征在于所述第幻步中，对激光照射点进行照相的采集频率是激光脉冲频率的两倍。
16.根据权利要求14或15所述的医疗设备定位方法，其特征在于所述第幻步中，对照相获得的相邻图像进行剪影，得到所述激光照射点的位置。
17.根据权利要求16所述的医疗设备定位方法，其特征在于所述第幻步中，当计算得到的激光照射点的位置保持一定时间稳定，则所述第1)步停止，即停止发射激光脉冲。
18.根据权利要求17所述的医疗设备定位方法，其特征在于所述第幻步中，所述保持一定时间稳定，是指在预先确定长度的一段时间内，计算装置多次得到激光照射点位置之差小于事先确定的阈值。
19.根据权利要求12-18任一权利所述的医疗设备定位方法，其特征在于所述第3) 步中，至少有三个照相装置对激光照射点进行照相。
20.根据权利要求19所述的医疗设备定位系统，其特征在于所述医疗设备是X射线诊断设备，所述照相装置是数码相机。
全文摘要
本发明涉及一种激光引导医疗设备自动定位系统及方法。本发明的医疗设备定位系统包括医疗设备本身和定位部件，医疗设备上有移动部件。其中定位部件包括激光发射装置，照相装置，以及计算装置。所述激光发射装置发出的激光照射在病人体表的标记上；照相装置对激光照射点进行照相；计算装置通过对照相装置获得的图像进行计算，得到激光照射点的位置；医疗设备根据计算得到的照射点位置，将移动部件自动进行定位。优选地，照相装置的采集频率是激光脉冲频率的两倍，则对相邻两幅图像进行剪影获得激光照射点的位置。本发明简化了医疗设备进行自动定位的工作流程，解决了自动定位的技术问题，并有助于改善病人的体验。
文档编号A61B6/08GK102462506SQ20101055200
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者林麟, 贾磊 申请人:Ge医疗系统环球技术有限公司