患者监测系统的制作方法

本申请涉及患者监测系统。更具体地，本申请涉及用于监测患者的定位和移动的患者监测系统。本发明特别适用于放射治疗装置和计算机断层扫描(ct)扫描仪等等，其中患者移动和呼吸的高度精确的定位和检测对于成功治疗而言是重要的。

背景技术

已经提出了许多用于在放射治疗和扫描期间监测患者的移动和呼吸的患者监测系统，以协助患者定位和监测。这些包括visionrt的患者监测系统，该系统先前已在美国专利no.7,348,974、美国专利no.7,889,906、和美国专利no.9,028,422中描述，所有这些专利通过引用包含于此。在visionrt的专利申请中描述的系统中，获得并处理患者的立体图像以生成标识与被成像患者的表面上的点相对应的大量点的3d位置的数据。这种表面数据可以与在之前场合下生成的数据进行比较，并用于以一致的方式定位患者，或者当患者移出位置时提供警告。

由于外部温度变化而引起的图像检测器之间的相对位置的非常小的变化可能导致像素漂移，这降低了基于立体摄像机的患者监测系统的准确性。随着图像传感器及其支架随温度的变化而膨胀和收缩，这种变化自然会发生。尽管这样的移动非常小，但它们使得传感器的校准可能变得错位，从而使得图像的一部分被记录在相邻的像素中。在图像传感器在远处对患者进行成像的情况下，这种非常小的位置变化被记录为被监测患者的表面的该部分的位置的大得多的变化。

为了解决这样的问题，visionrt在美国专利申请no.2015/0062303中提出了一种立体摄像机，其中摄像机被配置为将图像检测器维持在环境室温以上的温度，从而基本上隔离摄像机内的图像检测器与温度的外部变化。这继而减少了由于热收缩和膨胀引起的图像检测器的相对位置和视角的变化。采用这种方法，visionrt能够提高其监测系统的准确性，以便这些系统能够在0.5mm以内定位病人的位置。

然而，精度的进一步提高仍然是期望的。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在远处监测患者的位置的患者监测系统，包括：投影仪，其能够操作以将光的图案投射到患者的表面上；成像系统，其能够操作以获得患者的图像，其中光的图案被投射到患者上；与投影仪相关联的散热器；以及热源，其被配置为当投影仪未被启动时将热量施加到散热器。当投影仪未被启动时向散热器施加热量减少了散热器温度的变化，从而减少整个监测系统的热收缩和膨胀的变化。采用这种方法，visionrt提高了它们的监测系统的准确性，以使得它们的系统能够在0.15mm以内定位患者的位置。

该投影仪可以包括可操作以将散斑图案投射到患者表面上的投影仪。在这样的实施例中，投影仪可以包括诸如led光源的光源，其中由光源产生的光经由其上设置有散斑图案的薄膜投射到患者的表面上。可替换地，投影仪可以包括可操作以将诸如网格图案或光线的结构光投射到患者表面上的投影仪。在投影仪被布置为将结构光投射到患者表面上的情况下，光源可以包括激光光源。

在本发明的实施例中，热源可以包括电阻器或电阻器阵列。可以基于投影仪的光源的功率消耗来选择电阻器的电阻，以使得热源和/或光源的操作基本上产生相同的热量。因此，当投影仪的光源和电阻器以反相操作时，基本上恒定的热量被施加到散热器。

在一些实施例中，监测系统可以包括可操作以测量散热器的温度的温度计，并且当投影仪未被启动时，热源可响应于温度计以将热量施加到散热器，以将散热器维持在基本恒定的温度。

投影仪、成像系统和热源可全部设置在外壳内，散热器穿过外壳突出并且被布置成将外壳内的热量传递到外壳的外部。可以在外壳中设置通风孔以允许所述外壳内的空气离开所述外壳。可以设置风扇来驱动空气通过外壳并且经由通风孔将空气排出外壳。

成像系统可以包括立体摄像机，其中设置有一对图像检测器，所述一对图像检测器以相对于彼此的固定关系安装。可替换地，成像系统可以包括单个图像检测器。成像系统的图像检测器可以与被布置成将图像检测器维持在基本上恒定的温度的加热系统相关联。

处理系统可被提供为可操作以处理由成像系统获得的图像数据并且生成由成像系统成像的患者表面的3d计算机丝网模型。这样的处理系统可操作来将所生成的模型与所存储的模型表面进行比较。

监测系统可以与包括机械床的治疗设备结合使用，所述机械床可操作来根据由处理系统生成的指令来定位患者。在一些这样的实施例中，监测系统可以被布置为当患者的表面被识别为相对于所存储的患者的模型表面错位多于阈值量时，生成警告信号。可替换地，在一些实施例中，监测系统可以被布置为基于所生成的模型表面与所存储的模型表面之间的比较来启动或禁止治疗设备。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的患者监测系统的示意图；

图2是图1的监测系统的立体摄像机的外部的示意性透视图；以及

图3是图1的监测系统的立体摄像机的内部的示意性框图。

具体实施方式

图1是根据本发明实施例的患者监测系统的示意图。该实施例中的患者监视系统包括通过布线12连接到计算机14的立体摄像机10。计算机14还连接到治疗设备16，诸如用于施加放射治疗的直线加速器或用于规划放射治疗的x射线模拟器。机械床18被提供作为治疗设备的一部分，患者20在治疗期间躺在其上。治疗设备16和机械床18被布置成使得在计算机14的控制下，机械床18和治疗设备16的相对位置可以横向地、竖直地、纵向地和旋转地变化。

在使用中，立体摄像机10获得躺在机械床18上的患者20的视频图像。这些视频图像经由布线12传递到计算机14。然后，计算机14处理患者20的图像以生成患者20的表面的模型。将该模型与早期治疗阶段期间产生的患者20的模型进行比较。当定位患者20时，识别当前模型表面和从较早的阶段获得的目标模型表面之间的差异，并且对准表面所需的定位指令被确定并发送至机械床18。随后，在治疗期间与初始设置的任何偏差可以被识别，并且如果偏差大于阈值，则计算机14向治疗设备16发送指令以使治疗停止，直到患者20可以被重新定位为止。

为了使计算机14处理从立体摄像机10接收到的图像，计算机14通过在盘22上提供的软件或通过经由通信网络将电信号24接收到多个功能模块26-34中来配置。应该理解，图1中示出的功能模块26-34纯粹是概念性的，以帮助理解要求保护的发明的工作，并且在某些实施例中可能不直接与软件的源代码中的代码块相对应。在其他实施例中，由所示功能模块26-34执行的功能可以在不同模块之间划分，或者可以通过针对不同功能重复使用相同模块来执行。

在该实施例中，功能模块26-34包括：用于处理从立体摄像机10接收到的图像的3d位置确定模块26，用于处理由3d位置确定模块26生成的数据并将数据转换成成像表面的3d丝网模型的模型生成模块28；用于存储成像表面的3d丝网模型的生成模型存储器30；用于存储先前生成的3d丝网模型的目标模型存储器32；以及用于确定将所生成的模型与目标模型进行匹配所需的旋转和平移的匹配模块34。

在使用中，由于图像是由立体摄像机10获得的，所以这些图像由3d位置确定模块26处理以识别图像对中的对应点的3d位置。这通过3d位置确定模块26识别由立体摄像机10获得的图像对中的对应点并且然后基于所获得的图像对中的对应点的相对位置以及所存储的识别获得图像的摄像机的相对位置的数据确定这些点的3d位置来实现。

通常，对应点的识别基于对大约16×16像素的图像块的分析。为了帮助识别和匹配相应的块，如将要描述的那样，立体摄像机10被布置成将随机或准随机散斑图案投射到正被成像的患者20上，以使得患者20的表面的不同部分可以更容易区分。散斑图案的大小被选择为使得不同的图案在不同的图像块中将是明显的。

然后，由3d位置确定模块26生成的位置数据被传递到模型生成模块28，模型生成模块28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。在该实施例中，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26确定的3d位置。当这样的模型已经被确定时，其被存储在生成模型存储器30中。

当已经存储了患者20的表面的丝网模型时，匹配模块34之后被调用以确定基于由立体摄像机10获得的当前图像的所生成模型和存储在目标模型存储器32中的之前生成的患者的模型表面之间的匹配平移和旋转。

所确定的平移和旋转然后可以作为指令发送到机械床18，以使得床将患者20定位在如他们之前被治疗时他们相对于治疗设备16的相同的位置。随后，立体摄像机10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这些生成的表面与存储在目标模型存储器32中的目标模型进行比较来识别任何位置变化。如果确定患者已经移出位置，则治疗设备16可以停止并且患者20被重新定位，从而避免照射患者20的错误部位。

在一些实施例中，当所生成的模型表面与所存储的模型表面在特定公差内相对应时，治疗设备16可以被启动，以例如将辐射施加到患者20。以这种方式，辐射可以在呼吸循环内的固定点处施加至患者20，并且因此当在呼吸循环期间经历移动的胸部肿瘤或其他肿瘤可以假定为处于身体内的特定位置时施加辐射。

图2是立体摄像机10的外部的示意性透视图，并且图3是图1的立体摄像机10的内部的示意性框图。

在该实施例中，立体摄影机10包括经由铰链44连接到托架42的外壳40。托架42使得立体摄像机10能够在固定位置附接到治疗室的天花板，而铰链44允许立体摄像机10相对于托架42定向以使得立体摄像机10被布置成观察在机械床18上的患者20。

一对透镜46安装在外壳40的前表面48的任一端。这些透镜46位于包含在外壳40内的图像检测器50的前面。在该实施例中，图像检测器50(图2中未示出)包括cmos有源像素传感器。在其他实施例中，可以使用电荷耦合装置。图像检测器50布置在透镜46的后面以经由透镜46捕获患者20的图像。

散斑投影仪52设置在两个透镜46之间的外壳40的前表面48的中间。散斑投影仪52包括光源54(图2中未示出)，在该实施例中该光源54包括10w的红色led灯。光源54与散热器55(图2中未示出)相关联，散热器55将光源54从外壳40内产生的热量传递到外壳40的外部。

散斑投影仪52被布置成以红外光的非重复散斑图案照射患者20，以使得当通过两个图像检测器捕获患者20的图像时，可以区分所捕获图像的相应部分。为此，来自光源54的光通过薄膜56被引导，其具有印刷在薄膜56上的随机散斑图案。结果，由明暗区域构成的图案被投射到患者20的表面上。

在外壳40的侧壁60中设有一系列的通风孔58。在外壳40的后部62中设有另外的通风口(未示出)。连接到温度传感器(也未示出)的风扇(未示出)被包含在外壳40内。

温度传感器被布置成监测外壳40内部的环境温度，并且如果其变化以启动风扇以经由外壳40的侧壁60中的通风孔58吸入空气并且经由外壳40的后部62处的通风孔排出空气。以这种方式，使室温下的空气的气流在外壳40内循环并且将外壳40的内部维持在基本上恒定的温度。

温度变化引起图像检测器50的位置的小变化。由于图像检测器的灵敏度，这种变化不必很大就可以使与像素相对应的图像的一部分被记录在不同像素处。因此，例如已经确定，小到2.5微米的移动可能导致图像的一部分被记录在相邻的像素中。当这发生时，由图像检测器50成像的点的3d位置的精度下降。

在该实施例中，加热器64被提供为附接到其上安装有每个图像检测器50的电路板66的后部。另外，在电路板上，围绕图像检测器50设置一系列铜导电垫68，除了在一侧使得布线70能够将图像检测器50连接到主处理器72。当加热器64被布置成加热到高于环境室温的温度，加热器64和导电垫68的作用是使图像检测器50基本上与外部温度变化隔离。因此有效地将图像检测器50封闭在它们自己的恒温微气候中。

为了减少紧邻图像检测器的外壳40内的温度变化，将通风孔58设置在外壳40的稍微从传感器50移开的侧壁中，以使得当空气被吸入外壳40的内部时，空气未被吸入通过传感器50。而是利用风扇和温度传感器将外壳40内部的空气的主体的温度维持在基本恒定的水平，同时通过与该空气主体的被动连通和对流将传感器50附近的空气保持在恒定温度。通过将通风孔58与传感器50分离，风扇的启动和停用不会引起传感器50附近的温度的突然变化。

特别地在将图像检测器50尽可能远地从其他外部热源移开的情况下是这样。在所描述的实施例中，这例如通过使用红色led作为散斑保护器52的光源54来实现，因此减少了例如当使用彩虹色灯泡时所产生的内部加热，因为需要较少的功率来产生所需的光水平并且进一步由于所产生的光仅在相对窄的波段中产生，所以不需要包括有色薄膜来移除其他波段处的光，该有色薄膜将光和热反射回外壳40的主体内。

另外，邻近图像检测器50的通风孔58的布置以及气流远离检测器50并通过外壳40的后部62流出的方向也增加了图像检测器50可以保持在恒定的温度的程度，因为环境温度下的恒定空气流经过检测器50，并且由立体摄像机10的工作引起的热量从外壳40的后部62排出。因此，检测器50在很大程度上被屏蔽而不受外部热源的影响，并且保持在由加热器64确定的恒定温度。

尽管使用led而不是彩虹色灯泡作为光源54减少了功率消耗并因此降低了外壳40内的内部加热，但是光源54仍然是立体摄像机10中的重要热源。申请人已经意识到通过将光源54与散热器55相关联以消散由光源54产生的热量并且另外提供电阻器阵列形式的热源74，可以提高立体摄像机10的精度，所述电阻器阵列被布置成与光源54反相地被驱动。电阻器的电阻被选择为使得由电阻器产生的热量大体上等同于在光源54被启动时由光源54产生的热量。因此，以这种方式，通过将光源54与散热器55相关联并且与光源54的启动反相地驱动热源74，散热器55的温度保持大致恒定。通过将散热器55与热源74相关联并且与光源54反相地驱动热源74，申请人已经发现从约1.5米的距离监测患者的监测装置的准确度可以从约0.5mm改善到约0.15mm。

尽管在上述实施例中，已经描述了包括散斑投影仪52的立体摄像机10，散斑投影仪52又包括led光源，但是应该理解，在其他实施例中，可以使用诸如卤素灯的替代光源。

尽管在上述实施例中已经描述了一种系统，其中温度传感器和风扇被包括在系统的主体内，但是在一些实施例中，传感器和/或风扇可以被省略。

尽管在上述实施例中已经描述了一种系统，其中提供了电阻器阵列形式的热源74，但是应该理解，在其他实施例中，热源74可以是单个电阻器的形式。

在上述实施例中，已经描述了患者监测系统，其中提供了电阻器阵列形式的热源74，其中电阻器的电阻被选择为使得由电阻器产生的热量基本上等于由光源54产生的热量，并且电阻器与光源54反相地被驱动。

可以理解的是，在其他实施例中，热源74不一定必须与光源54反相地驱动，并且由热源74产生的热量不一定必须与由光源产生的热量匹配。而是，在一些实施例中，可能足够的是，监测散热器55的温度并且将热源74布置成当光源54关闭时将热量施加到散热器55以将散热器维持在基本恒定的温度。

尽管在上述实施例中已经描述了包括可操作以获得投射到患者表面上的散斑图案的图像的立体摄像机10的患者监测系统，但应该理解，本发明还可应用于其他形式的患者监测系统。

更具体地，在其他实施例中，不是提供一对图像检测器50和散斑投影仪52，监测系统可以仅设置有单个图像检测器50。在这样的系统中，不是将散斑图案投射到患者20的表面上，投影仪可以被布置成将诸如网格图案或光线的结构光投射到患者20的表面上，并且处理器72可以被布置为处理图像以检测网格图案或光线的变形以确定患者20的表面的位置。与上述实施例一样，在这样的系统中，用于诸如激光源的系统的光源可以与散热器55相关联，并且诸如一个或多个电阻器的热源74可以被提供并且当光源54关闭时被驱动以使得散热器55被保持在大致恒定的温度。