一种放疗头部位置姿态测量装置和解算方法与流程

本发明属于医学物理技术、人机交互和计算机视觉的交叉研究领域，具体为一种放疗头部位置姿态测量装置和解算方法。

背景技术：

定位是精确放疗的一个重要环节。定位中摆位直接决定着治疗过程中摆位重复性，定位摆位的准确度和舒适性决定着以后治疗的准确性，目标是尽量减少组织的照射量。当CT扫描速度大于肿瘤运动速度，肿瘤位置和形状只是某个时相情况。当两者速度不匹配时，肿瘤位置和形状会发生扭曲。

基于2D放疗患者头部图像的信息获取与计算方法，试图通过2D头部标识特征和3D头部姿态之间建立一种映射关系，再基于2D头部标识的解算方法实现姿态的检测和估计；

普通放疗是通过模拟定位机定位，用皮肤墨水在病人皮肤上标记治疗范围。而精确放疗需要很好地解决了体位固定问题，利用三维立体定向体架及体模和真空垫，让病人平躺在三维适形治疗床上，用体模将病人予以固定，目标固定后进行精确放疗射线的三维立体定向定位，精确放疗目标是将射线集中在肿瘤上面，减少误差，避免射线对正常组织的损伤。

现有放疗头部定位检测方法，主要根据塑料卡套或依据有放射性的X光头部扫描成像解算，如在目标头部设置X光灰度特征等等，通过成像点间对应性关系来获取目标位姿参数。患者目标姿态信息获取过程中存在放射性，会对最终的患者健康造成极大影响。现有塑料卡套方法因没有考虑到图人体微动震颤引起的影响，也没有依据色彩模型凸显标识点和缩小目标测量误差，因此如果设备遇到特殊工况，其测量精度将显著下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种放疗头部位置姿态测量装置和解算方法，避免了放射性损伤，同时也对人体震颤给出了定量信息。

为解决背景技术所述的技术问题，本发明采用技术方案是：

一种放疗头部位置姿态测量装置，包括放置在患者头部的三个蓝色的标识块、工业摄像头和电脑，确定三个蓝色的标识块的方位与间隔距离，工业摄像头与患者头部正交，视线与标识块垂直并且患者头部与工业摄像头之间的距离确定在0.3米～1米之间，电脑上安装有相应的解算软件和界面显示软件。

一种放疗头部位置姿态解算方法，包括以下步骤：

步骤一：在患者脸部固定三块蓝色标识块并且利用工业摄像机获取患者脸部的图像，得到肤色样本图像；

步骤二：获得标识点，从工业摄像机中获得肤色样本的RGB图像，通过将RGB图像转换到色度与亮度分离的YUV颜色空间，并对转换结果进行阈值判决，在此基础上获取标识块的重心作为标识点，检测过程中由软件自动获取标识点位置，这些标识点的初始位置坐标可以采用人机交互的方法获取，利用该图像样本统计皮肤和标识点在各个色度分量上的分布情况，通过统计在各色度分量上的分布特征，根据先验知识设定判断阈值，然后用阈值作为判断门限从背景中分割出待检测的标识点和皮肤区域，把待检测图像的色度值命中在阈值范围内的像素点认定是肤色点，其他命不中的、落在阈值范围外的像素点认为是非肤色点，分割出肤色区域，从而确定肤色区域，一般肤色分割的结果为黑白的二值化图像，一种是背景，一种是肤色区域，肤色区域为标识区域，其中标识区域重心为标识点；

步骤三：通过标识点像素提取目标距离，具体方法是将图像中的标识区域像素点“实际”个数与标准距离处标志区域对应的“标准”像素点个数相比，按照比例参数和“标准距离”得到“实际”目标距离摄像头的距离，其中图像中“实际”标识区域像素点个数，标志区域就是标识块，因为“实际”标识块识别(分割)了，因此累加“实际”标识块像素点即可；

步骤三具体执行包括以下三个小步骤：

第一小步获取分割出的三块标记块重心；

第二小步根据目标位置姿态基本固定(本专利测量的是患者微动)的特点，进一步划分区域，实现三个标志块的单独识别；

第三小步各个标志块像素点累加计数；

步骤四：根据目标在工业摄像机平面上的投影几何关系，根据小孔成像模型计算目标到成像的坐标系转换关系，坐标系一般包括了两个坐标系，一个世界坐标系，一个是相机坐标系，这两个坐标系不重合，其中相机坐标系原点在光心，利用小孔成像模型：将目标(世界坐标系或者相机坐标系中的目标)通过凸透镜转换到相二维平面上；

步骤五：将人脸特征点重心坐标分别与前一帧重心坐标作差得到在x、y轴方向上的位移量，若该位移量超过位移阈值Thr，则该方向移动数值更新为当前位移量；

步骤六：分析三个控制点实际空间位置与图像三个控制点间的对应距离计算姿态，在目标姿态计算过程中，通过像空间中控制点相对距离乘以实际目标控制点空间位置的广义逆得到姿态变换矩阵，对应矩阵中姿态角即为对应目标的姿态；

步骤七：判断单元，用于判断肤色样本图像当前帧是否为最后一帧，如果否，则将当前帧对应的目标姿态作为序列下一帧目标位置姿态计算的对应的初始姿态，并将下一帧作为当前帧，并开启步骤六，后一帧图像在特征区域搜索范围确定在前一帧重心附近。

进一步的，目标姿态改变可分解为采用给定顺序的三次绕轴旋转。

进一步的，解算方法采用透视投影模型。

进一步的，对待测头部图像进行预处理，所述预处理包括依次进行尺寸缩小以便界面右侧显示、直方图均衡化、肤色边缘提取。

进一步的，位移量包括解算位移和解算角度位移，通过当前时刻位置与前一时刻位置差分得到解算位移，通过当前时刻角度与前一时刻角度差分得到解算角度变化。

本发明的有益效果是：

减少了测量结果漂移效应，避免环境光照因素对被测目标的干扰，避免了放射体位确定方法引起的放射性损伤，同时也对放疗过程中人体震颤引起的体位变化给出了定量信息。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明示意图。

图2为本发明中患者脸部标识块与坐标系对应关系的示意图。

图3为本发明中解算方法的框架图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如附图1所示，本发明是一种从二维图像重构患者三维位置姿态的方法，具体涉及在透视投影下，采用图像头部三处给定标记与图像对应点位置配准实现目标的三维位置姿态重建，本发明基于以下四个预设假定：

图像解算采用透视投影模型；

图像每个标识点采用图像中标记区域的重心点；

目标三维姿态坐标转换采用给定顺序的三次绕轴旋转表示；

摄像头与目标正交，视线与标识点垂直。

在人工指定控制点的测量方法中，使用已标定的工业摄像机，根据目标上的人工控制点在像平面的二维成像坐标，构建摄像机坐标系下光心与人工控制点的空间直线的方程，通过光心到人工控制点的距离，求得人工指定控制点在摄像机坐标系中的三维坐标，按照三维坐标位置目标模型，分析控制点与图像对应点间的匹配计算过程，在匹配目标姿态过程，当控制点与图像对应点间匹配度最高时，对应模型的姿态即为对应目标的姿态。

如图2所示，其中方形块表示标识块。本发明采用标识块三维模型实现头部位置姿态三维重建，用输入标识点位置约束限制初始三维位置。图像中三个标识点重心几何构型和实际的相应标识节点的最佳对齐来实现三维姿态解算。

目前一般的一个摄像机无法获取Z轴信息，因此无法完整解算出三个方程和三个轴向的位移。只能解算出X，Y轴上距离和垂直于光轴的转动角。但通过利用相机与患者相对位置角度固定的特点，通过对标识点象素计数，可以得到Z轴信息，而震颤引起的位移和姿态改变可视为在这个固定位置角度上的摄动。

本发明以前帧图像所得到的目标三维位置姿态与当前帧图像所得到的目标三维位置姿态求差，作为当前目标三维位置位移和姿态改变的估算姿态，基于图像的目标三维位姿解算方法，构建基于视频图像的目标三维位置姿态跟踪重建。

在透视投影情况下，标识点在图像上位置和对应的三维标识点空间坐标存在一个比例关系。

步骤一，通过将图像转换到YUV颜色空间，并对转换结果进行阈值判决，在此基础上获取标识块的重心作为标识点，在图像中由软件自动获取标识点位置；这些标识点的初始位置坐标可以采用人机交互的方法获取；本发明将RGB图像通过转化得到色度与亮度分离的YCbCr彩色空间进行图像处理，实现了标识点检测。利用图像样本统计皮肤和标识点在各个色度分量上的分布情况，通过统计在各色度分量上的分布特征，根据先验知识设定判断为肤色的阈值，然后与阈值作比较，根据大于或者小于阈值作判断依据，从背景中分割出待检测的感兴趣皮肤和标识点区域，把待检测图像的色度值处在阈值范围内的像素点认定是肤色点，其他落在阈值范围外的像素点认为是非肤色点(标识块)，分割出肤色区域，从而确定标识块区域。一般标识块分割的结果为二值化图像，一种是背景，一种是标识块区域。其中标识区域重心为标识点。

步骤二，估计标识点由于几何坐标转换导致的参数改变，提取目标距离参数方法是将图像中的标识区域像素点个数与标准标志区域模型中对应的标校像素点个数相比，按照比例参数得到目标距离摄像头的距离；

步骤三，根据目标在相平面上的投影几何关系，根据小孔成像模型计算目标到成像的坐标系转换关系：

其中R为旋转矩阵，通过对旋转矩阵几个元素进行求和、相比和反三角解算，可得到俯仰角、横滚角和方位角信息。

获取目标距离相机物距的计算过程如下：

Z_real表示真实Z轴上的距离，Z_标定表示标定图像Z轴上的距离，N_real表示真实图像像素点个数，N_标定表示标定图像像素点个数。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定,任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。