放射治疗设备中十字叉丝的定位方法与流程

本发明涉及放射治疗的定位领域，尤其涉及一种放射治疗设备中十字叉丝的定位方法。

背景技术：

准直组件是现有放射设备中的常用装置，典型的如基于X射线的治疗仪器中需使用准直组件来形成X射线的射野。

如图1所示为现有技术中一种放射治疗设备的基本结构，主要包括治疗床10、固定机架20和旋转机架30。旋转机架30与固定机架20相连，如图1所示，可以绕固定机架20的水平轴做整体旋转。旋转机架30中的治疗头31可绕固定机架20的纵向轴独立旋转。治疗床10也可以做平行移动和转动。上述相对运动是为了能够使射线准确射入患者的病患组织位置。

为了进行定位，放射治疗设备以激光灯定位三个相互垂直的轴线，如图1所示，三个轴线的交汇点称为等中心。为了在放射治疗时进行精准定位，理论上要求各设备无论如何相对运动，治疗头31中所发射出来的X射线的束轴都要恰好经过等中心。X射线一般是一个顶角较小的锥形射束，该锥形射束的中心竖轴就是束轴。

如图2所示为现有技术中治疗头的内部结构示意图。X射线的电子加速器和准直组件均设置在治疗头中，可随治疗头绕纵向竖轴旋转。准直组件的结构如图2所示，电子束经过X射线靶40之后发出的X射线，首先经过初级准直器50、均整器和电离室，而后经过次级准直器60。次级准直器60的下方设有相互垂直且可平行移动的两对钨块70，又称为钨门，其中一对钨块定位在第一方向，另一对钨块定位在与第一方向垂直的第二方向，它们共同限定出预定的方形孔口。X射线通过该方形孔口发射出去。

理论上，当第一方向和第二方向的钨门分别关于其射野中心对称地布置时，例如，它们限定的方形孔口为40cm×40cm的最大射野时，X射线的束轴与该方形孔口的中心一致。由于X射线是不可见光，所以在次级准直器60的下方通常会设置十字叉丝80来对束轴定位。理想地，十字叉丝80的一根叉丝与一侧的钨门边缘平行且另一根叉丝与另一侧的钨门边缘平行，并且十字叉丝80的中心位置与射束束轴一致。然而，由于诸如设备精度、安装、长期使用等诸多方面的原因，使得实际上十字叉丝的中心与X射线的束轴偏移开，而且十字叉丝的各叉丝与对应钨门的边缘之间也会存在角度，上述偏差需要定期或非定期地进行确定。

现有技术中为了确定十字叉丝的中心点和束轴是否一致所采用的方案例如可以是：将旋转机架转动到初始位置，即治疗头位于顶部的竖直状态，此时以位于竖轴上的激光灯照射十字叉丝，在探测平面上进行光学投影。探测平面一般相对于治疗头位于等中心的另一侧，且与等中心之间的距离关系是已知的。通过人工观测十字叉丝的光学投影与等中心在探测平面上的成像是否重合来确定偏移量。

然而，现有技术以人眼观测投影重合的方式存在很多缺陷。第一、人眼观察带有主观性，并不精确；第二、可见光在探测平板的投影图像边缘模糊；第三、由于需要经常校正十字叉丝，显然现有的校正方法操作不便，精度难以保证。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种放射治疗设备中十字叉丝的定位方法，以实现对射线设备中十字叉丝的便捷定位。

本发明实施例提供了一种放射治疗设备中十字叉丝的定位方法，包括：在所述放射治疗设备的旋转机架处于第一机架角度的状态下，绕所述治疗头的纵轴旋转所述治疗头，以使所述治疗头处于至少三个预定位置,其中,在所述治疗头内的射线路径上安装有十字叉丝；在每个预定位置，通过图像采集元件，采集所述十字叉丝经射线照射对应的投影图像；根据所述十字叉丝的中心在各所述投影图像中的投影，以及多个投影图像中的任一个，确定在所述第一机架角度时所述十字叉丝的实际位置相对于其理想位置的偏移。

具体地，根据所述十字叉丝的中心在各所述投影图像中的投影以及多个投影图像中的任一个，确定在所述第一机架角度时所述十字叉丝的实际位置相对于其理想位置的偏移，包括：根据所述十字叉丝的中心在各所述投影图像中的中心投影，得到所述十字叉丝的理想位置的中心的投影位置，进而确定在所述第一机架角度时所述十字叉丝的实际位置的中心与其理想位置的中心之间的偏移。更具体地，所述根据所述十字叉丝的中心在各所述投影图像中的投影以及多个投影图像中的任一个，得到所述十字叉丝的理想位置的中心的投影位置，包括：对所述十字叉丝的中心在各所述投影图像中的中心投影进行圆形拟合，将拟合的圆形的中心作为所述十字叉丝的理想位置的中心的投影位置。

具体地，根据所述十字叉丝的中心在各所述投影图像中的投影以及多个投影图像中的任一个，确定在所述第一机架角度时所述十字叉丝的实际位置相对于其理想位置的偏移，包括：根据多个投影图像中的任一个，确定在所述第一机架角度时所述十字叉丝的实际位置与其理想位置在角度上的偏转。

具体地，根据所述十字叉丝的中心在各所述投影图像中的中心投影以及多个投影图像中的任一个，确定在所述第一机架角度时所述十字叉丝的实际位置相对于其理想位置的偏移包括至少确定如下偏移参数：所述十字叉丝的理想位置的中心投影位置(u₁′，v₁′)、所述治疗头处于多个预定位置中的0度时所述十字叉丝中的第一方向叉丝的投影与同所述第一方向垂直的第二方向上可移动的钨门的边缘的投影之间的偏转角度所述十字叉丝的实际位置的中心投影位置(u₁，v₁)与其理想位置的中心投影位置(u₁′，v₁′)之间的向量(u_shift，v_shift)；或者由所述多个预定位置拟合的圆的半径R、以及所述治疗头处于0度时所述十字叉丝的实际位置的中心投影位置(u₁，v₁)与其理想位置的中心投影位置(u₁′，v₁′)的向量角β。更具体地，还包括：当放射治疗设备的旋转机架处于不同于第一机架角度的其他角度且所述治疗头处于0度时，通过在第一机架角度且所述治疗头处于0度时所述十字叉丝的实际位置的中心投影位置(u₁，v₁)与其理想位置的中心投影位置(u₁′，v₁′)之间的向量(u_shift，v_shift)、以及在该其他机架角度时所述十字叉丝的实际位置的中心投影位置(u_new,v_new)，确定所述十字叉丝的理想位置的中心投影位置(u′_new,v′_new)。进一步地，当放射治疗设备的旋转机架处于不同于第一机架角度的其他角度且所述治疗头处于0度时，通过在第一机架角度且所述治疗头处于0度时所述十字叉丝的实际位置的中心投影位置(u₁，v₁)与其理想位置的中心投影位置(u₁′，v₁′)之间的向量(u_shift，v_shift)、以及在该其他机架角度时所述十字叉丝的实际位置的中心投影位置(u_new,v_new)，确定所述十字叉丝的理想位置的中心投影位置(u′_new,v′_new)包括：当所述放射治疗设备的所述旋转机架处于不同于第一机架角度的其他角度且所述治疗头处于0度时，所述十字叉丝的理想位置的中心投影位置(u′_new,v′_new)是通过下述公式来确定的：

u′_new＝u_new-u_shift

v′_new＝v_new-v_shift。

可选择地，在一种实施例中还包括：当放射治疗设备的旋转机架处于不同于所述第一机架角度的其他角度且所述治疗头处于α度角度时，通过在所述第一机架角度且所述治疗头处于0度时所述十字叉丝的实际位置的中心投影位置(u₁，v₁)与其理想位置的中心投影位置(u₁′，v₁′)之间的向量(u_shift，v_shift)、以及在该其他机架角度时所述十字叉丝的实际位置的中心投影位置(u_new,v_new)，确定所述十字叉丝的理想位置的中心投影位置(u′_new,v′_new)包括：当放射治疗设备的旋转机架处于不同于第一机架角度的其他角度且治疗头为α度角度时，所述十字叉丝的理想位置的中心投影位置(u′_new,v′_new)是通过下述公式来确定的：

或者通过下述公式来确定的：

u′_new＝u_new-Rcos(α-β)

v′_new＝v_new-Rsin(α-β)。

本发明实施例的技术方案，采用射线束照射十字叉丝在探测平面上的投影来进行校正依据，相比于可见光源的投影成像，图像更加准确，识别度更高；并且，采用旋转准直器，进行多个投影中心点圆形拟合的方式，利用了准直器与十字叉丝的相对位置关系来确定偏移量，无需人工观察，提高了识别的准确性。

附图说明

图1为现有技术中一种放射治疗床设备的基本结构示意图；

图2为现有技术中治疗头的内部结构示意图；

图3为本发明一种实施例提供的一种放射治疗设备中十字叉丝的定位方法的流程图；

图4为本发明一种实施例投影图像的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图3为本发明一种实施例提供的一种放射治疗设备中十字叉丝的定位方法的流程图，本实施例可适用于对放射治疗设备中的十字叉丝进行定位，以获取安装的十字叉丝的实际位置相对于十字叉丝的理想位置发生的偏移情况。该方法可以由程序实现，或者，该方法也可以部分由人工操作，配合以控制程序来实现。

具体的，本实施例所提供的方法100包括：

S110、在所述放射治疗设备的旋转机架处于第一机架角度的状态下，绕所述治疗头的纵轴旋转所述治疗头，以使所述治疗头处于至少三个预定位置,其中,在治疗头内的射线路径上安装有十字叉丝；

S120、在每个预定位置，通过图像采集元件，采集十字叉丝经射线照射对应的投影图像；

S130、根据所述十字叉丝的中心在各所述投影图像中的中心投影以及多个投影图像中的任一个，确定在所述第一机架角度时所述十字叉丝的实际位置相对于其理想位置的偏移。

更具体地，本实施例所适用的放射治疗设备的示例性结构可参考图1和图2进行理解。步骤S110-S130之前，可以在一段时间之前，例如，一周或者一个月之前，或者也可能是紧接着，例如，同一天，执行十字叉丝的安装步骤，即在放射治疗设备的射线路径上，将十字叉丝安装在治疗头中。图像采集元件相对于治疗头位于等中心的另一侧，且与等中心之间的距离关系是已知的。作为一种例子，该图像采集元件可以为电子射野影像装置(EPID)。如熟知的，图像采集元件能够接收来自射线源并经过十字叉丝的射线因而形成与十字叉丝对应的十字状的投影图像。

对于步骤S110和S120，放射治疗设备中的治疗头是可以绕治疗头本身的纵轴中心进行旋转的以便于使整个准直组件可以被定位到特定的角度，安装于治疗头内的十字叉丝因而随着治疗头转动并可以处于特定的角度。通常地，治疗头的0度可以被预定义的，这是本领域技术人员熟知的。预定位置可以不限于3个，还可以为定位需求而设置更多。示例性地，治疗头为0度时的治疗头位置可以作为第一预定位置，治疗头相对第一预定位置被逆时针转动了30度作为第二预定位置，继续逆时针转动30度的治疗头位置作为第三预定位置。可以理解，选择治疗头为0度时作为第一预定位置并非必需的；虽然上述预定位置的角度间隔为30度，然而预定位置的角度间隔可以任意的，例如可以是20度、40度或者50度，而且角度间隔两两之间也可以是不同的，例如，第二预定位置与第一预定位置间隔20度，第三预定位置与第二预定位置间隔30度。这样，有多少预定位置，就能够得到多少十字叉丝的投影图像。

对于步骤S130，如果安装的十字叉丝的实际位置相对于十字叉丝的理想位置是有偏移的，那么，该偏移的情形是由(1)该十字叉丝的中心的实际位置相对于其理想位置偏离开(不考虑叉丝的角度偏转)，和/或者(2)该十字叉丝的实际位置相对于其理想位置在角度上有偏转(不考虑叉丝中心的位置偏离)，而引起的。

对于前述第一种偏移情形，可以根据被采集的十字叉丝的多个投影图像来确定；对于第二种偏移情形，可以根据多个投影图像中的任一个来确定。

对于第一种偏移情形，具体的，在第一机架角度,可以根据所述十字叉丝的中心在各所述投影图像中的中心投影，得到所述十字叉丝的理想位置的中心的投影位置，进而确定在所述第一机架角度时所述十字叉丝的实际位置的中心与其理想位置的中心之间的偏移。更具体地，对所述十字叉丝的中心在各所述投影图像中的中心投影进行圆形拟合，将拟合的圆形的中心作为所述十字叉丝的理想位置的中心的投影位置。

具体地，当安装的十字叉丝的实际位置与其理想位置存在偏移时，十字叉丝的实际投影中心点也不会与理想投影中心点重合。因此，当绕着治疗头自身纵轴旋转治疗头时，十字叉丝跟随治疗头旋转，相应的，十字叉丝的中心在图像采集元件的投影图像也会围绕着十字叉丝的理想位置的中心投影点旋转的。如图4所示，示出了当旋转机架为第一机架角度(如0度，即，治疗头在正上方而射野影像装置在正下方，且射线束轴在竖直方向上)时，十字叉丝在多个预定的实际位置的投影中心点、由这些投影中心点拟合而成的圆(虚线)以及该圆的圆心O′。其中，圆心O′即为十字叉丝在理想位置的中心投影点(u₁′,v₁′)，半径R即为十字叉丝的中心的实际位置的投影相对于其理想位置的投影偏离开的距离，这些均可计算得知。

对于第二种偏移情形，具体的，可根据多个投影图像中的任一个，确定在所述第一机架角度时所述十字叉丝的实际位置与其理想位置在角度上的叉丝偏转。

具体地，钨门是由两对可移动的钨块所限定的，沿第一方向可移动的钨块的边缘在投影中形成了沿着第二方向延伸的直线，沿第二方向可移动的钨块的边缘在投影中形成了沿着第一方向延伸的直线。十字叉丝在理想位置时，十字叉丝的两个相互垂直的叉丝是分别与第一方向和第二方向平行的，可称为第一方向叉丝和第二方向叉丝。观察图4中任一实际投影图像，例如，当治疗头为0度时的十字叉丝投影图像。在图像中，第一方向叉丝投影a与第二方向可移动的钨门的边缘投影c的平行线是有偏转角度的，第二方向叉丝投影b与第一方向可移动的钨门的边缘投影d的平行线也是有偏转角度的(与a和c的夹角实质相同)，该偏转角度容易被计算得出。

继续参见图4，第一方向叉丝投影a与第二方向叉丝投影b的中心为实际投影中心O(u₁,v₁)，连接实际投影中心O和理想投影中心O'(u₁′,v₁′)，即得到O'点和0点之间的向量(u_shift，v_shift)以及向量角β，其中，u_shift＝u₁-u₁′，v_shift＝v₁-v₁′。在此，向量角为在治疗头为0度时十字叉丝的理想中心投影位置和实际中心投影位置的连线与第一方向或者第二方向的夹角。更具体地，向量角β是前述向量(u_shift，v_shift)与任一方向之间的夹角。图4中所示为向量与第一方向之间的夹角，若确定为向量与第二方向之间的夹角也可以，两个向量角之和为90度，在后续使用向量角进行计算时，只要对应进行转换即可，这对本领域技术人员而言是熟知的。

根据对图4的例子进行计算，当旋转机架处于第一机架角度并且治疗头处于0度时，十字叉丝的理想中心投影位置(u₁′,v₁′)是可知的，并且当旋转机架处于第一机架角度同时治疗头处于多个预定位置时，十字叉丝的实际中心投影位置(u₁,v₁)也是可知的。同时，治疗头处于0度时第一方向叉丝投影a与钨门的边缘投影c的偏转角度是可知的，实际投影中心O与理想投影中心O′之间的向量(u_shift，v_shift)也是已知的。

上述可确定的偏移参数，即可在线地使用到放射治疗设备的十字叉丝定位中。即在前述实施例的基础上，还包括：

当放射治疗设备的旋转机架处于不同于第一机架角度的其他角度且治疗头为0度时，通过在第一机架角度且所述治疗头处于0度时所述十字叉丝的实际位置的中心投影位置(u₁,v₁)与其理想位置的中心投影位置(u₁′,v₁′)之间的向量(u_shift，v_shift)、以及在该其他机架角度时所述十字叉丝的新的实际位置的中心投影位置(u_new,v_new)，确定所述十字叉丝的新的理想位置的中心投影位置(u′_new,v′_new)。

即，当放射治疗设备的旋转机架处于不同于第一机架角度的其他角度且所述治疗头处于0度时，所述十字叉丝的新的理想位置的中心投影位置是通过下述公式来确定的：

u′_new＝u_new-u_shift

v′_new＝v_new-v_shift。

具体地，先在旋转机架的其他角度处通过射线照射十字叉丝测得十字叉丝的新的实际位置的中心投影位置(u_new,v_new)，并且已经通过前述的计算得知在治疗头为0度时O和O'之间的向量值(u_shift，v_shift)，因此，通过上述公式可以确定十字叉丝的新的理想位置的中心投影位置(u′_new,v′_new)。

在上式中，u_shift和v_shift在旋转机架处于第一机架角度且治疗头为0度时就已经被确定，十字叉丝的新的实际位置的中心投影位置(u_new,v_new)也是很容易被测得的，因此，十字叉丝的新的理想位置的中心投影位置(u′_new,v′_new)容易被确定。

当放射治疗设备的旋转机架处于不同于第一机架角度的其他角度且治疗头为非零角度α时，先在旋转机架的其他角度处通过射线照射十字叉丝测得十字叉丝的新的实际位置的中心投影位置(u_new,v_new)，并且，然后通过下述公式来确定十字叉丝的理想位置的中心投影位置(u′_new,v′_new)：

在上式中，u_shift和v_shift在旋转机架处于第一机架角度且治疗头为0度时就已经被确定，另外，十字叉丝的新的实际位置的中心投影位置(u_new,v_new)也是很容易测得的，治疗头的转动角度α也是已知的，旋转机架处于第一机架角度且治疗头为0度时向量角β也是已知的，因此，十字叉丝新的理想位置的中心投影位置(u′_new,v′_new)容易被确定。

在上式中，因为所以，上式可以以下式来替代：

u′_new＝u_new-R cos(α-β)

v′_new＝v_new-R sin(α-β)

在上式中，因为R、α、β均是已知的、十字叉丝的新的实际位置的中心投影位置(u_new,v_new)也是很容易测得的，所以十字叉丝新的理想位置的中心投影位置(u′_new,v′_new)通过上式容易被确定。

在前述的实施例中，根据在第一机架角度且治疗头为0度时的数据进行后续对十字叉丝的理想位置的中心投影位置的计算。在其他实施例中，如果事先知道是：当旋转机架在第一机架角度同时治疗头处于非0度的其他角度(例如为α0)时，可以根据前述方法确定十字叉丝的实际位置的中心投影(u_α0,v_α0)、其理想位置的中心投影(u′_α0,v′_α0)，并且根据十字叉丝的实际位置的中心投影和理想位置的中心投影之间的向量(u_shift-α0,v_shift-α0)，通过计算得到半径值R。接着，根据下述公式确定出若治疗头处于0度时十字叉丝的理想位置的中心投影位置和实际位置的中心投影位置之间的向量角β1：

当治疗头转动到α1角度时，由上式确定的β1以及在新位置处扫描获得十字叉丝的实际位置的中心投影位置(u_new,v_new)，再利用下式确定十字叉丝的理想位置的中心投影位置：

u′_new＝u_new-R×cos(β1-α1)

v'_new＝v_new-R×sin(β1-α1)

本发明实施例的技术方案，采用射线束照射十字叉丝在探测平面上的投影，相比于可见光源的投影成像，图像更加准确，识别度更高；并且，无需人工观察，提高了识别的准确性。

并且，在放射设备的在线校正过程中，利用已经确定的十字叉丝位置偏移参数来对实际投影坐标点进行在线校正，相比于手工调节十字叉丝位置的方式更加简便，更为适合经常需要校正的情况。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。