用于与放射疗法治疗装置一起使用的立体摄像系统的校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种立体摄像系统的校准方法。特别地，本发明的实施方式涉及一种 用于与放射疗法治疗装置一起使用的立体摄像系统的校准方法。
【背景技术】
[0002] 放射疗法包括将辐射光束投射至患者身体的预定区域上，从而破坏或消除存在于 其中的肿瘤。通常定期并反复地实施这种治疗。在每一次医疗干预中，必须相对于患者定位 辐射源，从而以尽可能最高的精度辐射选定的区域以避免辐射到辐射光束将对其有害的邻 近组织。
[0003] 放射治疗的基本问题是在获取诊断图像时和之后每次给患者身体施加辐射时，需 要将患者定位在相同位置。为了实现该目标，维申（Vision)RT已经开发了用于监视和定位 患者的图像处理系统，其在美国专利US7348974、US7889906、US8135201及正在审查的美国 专利申请 US2009/0379108 和 US2009/1897112 中描述。
[0004] 在使用中，在维申RT系统中，通过一组立体摄像机获取机械床上的患者图像，然后 该图像被处理以生成正被监测的患者的表面的3D丝网模型。该3D丝网模型与治疗规划期间 产生的参考表面对比。对比模型和参考表面的相对位置并用于生成针对机械床的指令，以 垂直地、横向地和旋转地定位床，从而匹配表面并因此将患者可靠地定位在相对于治疗装 置的等中心的相同位置。随后在治疗期间，继续监测患者的位置，并且如果因为任何原因患 者移动或重新定位他们自己，这能够被检测到并且在必要时采取合适的动作。
[0005] 在放射疗法治疗系统中具有许多不确定性来源，诸如患者定位、靶标定位、和剂量 输送的误差。主要由于系统中若干几何误差的存在，实际上不能够实现完美地对准。放射疗 法治疗中的关键几何误差中的一个是定位射线场中心的不确定性，其直接影响剂量准确性 并导致不准确的肿瘤靶标，这会导致不足的剂量输送至病变和/或对健康的邻近组织的严 重损害。因此，需要开发一种通过广泛和有效的质量保证程序减少该误差的可能性的方法 以确保治疗的高水平几何精度。
[0006] 最初，用于放射治疗中等中心确认的主要方法是测量安装于治疗装置的机架头上 的机械指示器的顶端和安装于治疗台上的固定点之间的距离。该方法是手动的、费力且费 时的。该方法的精度基于人类观察者并且还受所使用的指示器的顶端尺寸的限制。
[0007] 一种改进的技术由Lutz、Winston和Maleki于1988年在哈佛医学院引入，其在Lutz W、Winston KR、Maleki Ν·的"A system for stereotactic radiosurgery with a linear accelerator"（Int J Radiat Oncol Biol Phys .1988; 14(2) :373-81)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该机构固定在治疗台 上。体模位置通过千分尺工具在三个方向上可调节。用于放射疗法的准直仪附接至机架头 并且通过将体模上的标记对准治疗室激光器以将球放置为尽可能地靠近等中心。准直光束 用于将垂直于光束方向安装在球后的台架上的射线照相试验胶片曝光。球形阴影的中心和 场中心之间的差异确定实际等中心和由治疗室激光器所指示的等中心之间的差异。使用透 明模板导引标尺或扫描胶片和软件分析来在每个胶片上读出偏移。
[0008] 开发了用于分析Winston Lutz图像的数学方法并且在Low DA、Li Z、Drzymala RE·的"Minimization of target positioning error in accelerator-based radiosurgery"（Med Phys · 1995; 22(4): 443-48)中描述，其使用针对八个机架角度和床设 置的胶片测量的等中心位置误差，以找出针对体模台架的合适偏移，从而最小化治疗装置 等中心和靶标之间的距离。Grimm等人遵循了类似目标，他们开发了算法以从在一定的床和 机架角度处获取的二维胶片图像重建三维的Wnston-Lutz体模球轨迹并将它们与由数字摄 像机获得的激光图像组合。该方法在Grimm J、Grimm SL、Das IJ等人的"A quality assurance method with sub-millimetre accuracy for stereotactic linear accelerators"（J Appl Clin Med Phys.2011;12(l):182_98)中描述。
[0009] 体模图像的自动化处理的另一不例在E Schriebmann、E Elder和T Fox的 aAutomatied Quality Assurance for Image-Guided Radiation Therapy"（J Appl Clin Med Phys. 2009:10(I): 71-79)中描述，其论述了质量保证方法的自动控制以确保兆伏(MV) 治疗束与集成的千伏(kV)或容积锥束CT一致。在论文中，校准立方体被描述为使用激光标 记被定位在治疗室的等中心的估计位置处。然后获得并处理立方体的辐射图像以确定定位 的立方体从由MV、kV和容积锥束确定的等中心偏离的程度。
[0010] 开发了与识别治疗装置的等中心的方法一起的用于治疗室内使用的立体摄像系 统的校准。用于校准维申RT患者监视系统的校准技术在US7348974和US7889906中描述。 [0011] 如US7348974和US7889906中描述的，提供了包括40*40cm的诸如铝或钢的平面刚 性材料片的校准片，在片的表面上的已知位置处提供呈现20*20圆形矩阵的图案。另外，朝 向校准片的中心的是邻近四个圆的四个较小标记，四个圆的中心共同确定已知尺寸的正方 形的四个角。
[0012] 获取并处理校准片的图像以在图像内识别图像中四个标记的位置和它们的相关 圆。根据由图像中的标记识别的圆的相对位置，确定投影变换，其说明所识别圆的预估中 心，所识别的圆限定了图像中的平行四边形的角，其由校准片和获取图像的摄像机的相对 方向引起。然后依次将所计算的变换应用于每个识别的圆，依次变换圆的椭圆形状。然后通 过识别变换的圆的中心以及使用逆变换确定原始图像中预估的圆中心的相应位置，来确定 四个圆心位置的更精确预估。
[0013] 在针对图像已经计算了校准片上的每个圆的表示的所有中心的坐标时，能够根据 图像中这些点的相对位置和校准片表面上这些圆的已知相对位置计算不同摄像机的相对 定向，如在Roger Tsai的 "A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy 3D Machine Vision Metrology Using Off the Shelf TV Cameras and Lenses"（IEEE Journal of Robotics and Automation,Vol.Ra-3,No.4,August 1987)中 详细描述的。此外通过单独图像中各点的相对位置，还能够确定摄像图像中诸如焦距和径 向畸变的内部摄像参数。
[0014] 如果确定了立体摄像机的位置，以及摄像图像中存在的任意径向畸变，就确定了 摄像机相对于治疗装置的等中心的定位。这通过对已知尺寸的校准立方体成像来实现，校 准立方体定位在治疗装置上，其中心位于治疗装置的等中心处，该等中心由立方体的外部 上的标记与相交在等中心处的激光十字准线的投影的一致性所指示。
[0015] 利用先前获取的摄像机相对位置的测量值和关于图像中存在的任意畸变的存在 的数据来处理校准立方体的图像，以生成立方体表面的3D计算机模型。由于立方体具有已 知尺寸且处于已知位置并且处于相对于由激光十字准线指示的治疗装置的等中心的已知 方向，所生成3D模型和针对校准立方体的尺寸和位置的已知参数之间的对比使得在建模软 件的坐标系中做出的测量值能够被转换为治疗室相对于治疗等中心的现实世界测量值。
[0016] 尽管校准与放射疗法治疗装置一起使用的立体摄像系统的传统方法是高度精确 的，但是仍期望精度上的进一步改进。
【发明内容】
[0017] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于与放射疗法治疗装置一起使用的立体摄 像系统的校准方法。
[0018] 在该方法中，首先将校准体模定位为体模的中心在针对放射疗法治疗装置的等中 心的预估位置处。然后使用放射疗法治疗装置辐射校准体模。然后通过分析校准体模的辐 射的图像来确定校准体模的中心和放射疗法治疗的等中心的相对位置。然后重新定位校准 体模，将与所确定的校准体模的中心和放射疗法治疗装置的等中心的相对位置相对应的偏 移应用至校准体模。然后立体摄像系统继续获取已经应用偏移的重新定位的校准体模的图 像，处理该图像以设置立体摄像系统相对于放射疗法治疗装置的等中心的坐标系。
[0019]因此以该方式，直接基于校准体模的定位来建立针对立体摄像系统的坐标系，其 中校准体模的位置直接连接关联治疗装置的等中心的确定。
[0020] 在一些实施方式中，可另外地利用立体摄像系统来监视校准体模的重新定位。这 可以包括处理重新定位的校准体模的图像，并将所生成的重新定位的校准体模的表面的3D 计算机模型与定位在治疗装置的等中心处的校准体模的预期表面的3D计算