CN1076791A - 医疗设备的定位装置 - Google Patents

Abstract

为治疗诸如患者头部通过使相对于加到其上的 标记所确定的治疗点保持在所需位置而将其定位。 为此，至少配置两个观察标记的图象信号产生传感 器。设置用于处理标记图象的图象处理器以确定示 标点，该示标点由标记决定并限定头部的实际位置。 还设有信号处理和控制器以根据观测到的示标点位 置计算实际位置，并将其与所需位置相比较和根据 这两者之差产生加到与体部相连的致动器的起动信 号。故一旦有偏差，可使治疗点回到所需位置。

Description

本发明涉及一种用以将人体某体部安放在适当位置以便用医疗仪器进行治疗的装置，其中，在所述体部意义明确的位置上打上标记，对所述体部的这种定位使完全明确的治疗点保持在所希望的位置。

更具体地说，本发明涉及借助于放疗仪器对脑瘤进行放疗。在这种治疗期间，来自放疗仪器的射线应以毫米的几分之一的精度射中该肿瘤。从而减小对健康组织的伤害并最佳地利用了射线。现已发现这种放疗具有不在一次治疗中施加全部剂量的优点，代之以断断续续地施加一些较小的剂量。另外，最好从不同方向施加放射线剂量。从而使也射中周围健康组织的放疗射线分布在一个扩大的区域中。因此，减小了永久性损害健康组织的危险。在施加不同剂量期间从放疗仪器中射出的射线必须准确地相交于被放疗的肿瘤区域中的等角点。然而这需要对患者头部有相应的定位和对准精度。

实际上，采用了一种立体排列步骤：将一个金属环通过将其拧在颅骨上而固定在患者头部。将一个丙烯酸有机玻璃圆筒与该金属环连接在一起。将金属丝投入该丙烯酸有机玻璃圆筒中。这些金属丝确定一个固定头部的坐标系统。制作一张患者头部及有金属丝的丙烯酸有机玻璃圆筒的计算机x线断层图。在该计算机X线断层图中可看到该金属丝。也出现在该计算机X线断层图中的肿瘤位置便可以毫米的几分之一的精度加以确定。

然后借助于光学对准系统将其位置已由这种方法确定的肿瘤（治疗点）与等角点精确地对准，于是使来自放疗仪器的射线总是通过该等角点。

这种用于测量和固定患者头部的现有技术方法不适用于多次施加辐射剂量。

本发明的目的就是为治疗患者体部起见而将该体部相对于医疗仪器保持在意义明确并可再现的位置。

本发明更具体的目的就是在分次放疗过程中将患者头部相对于放疗仪器保持在意义明确的位置。

根据本发明的一个方面，此目的通过下列装置实现：配置至少两个对准跟踪所述标记的图象信号产生传感器，将来自所述传感器的所述图象信号施加于其上，用于处理所述标记的图象以固定示标点的图象处理装置，该示标点由所述标记确定并限定所述体部的实际位置;用于从所探测到的所述示标点的位置计算该体部的实际位置，将所述实际位置与所需位置相比较，产生起动信号的信号处理和控制器装置，该起动信号取决于所述体部的所述实际位置和所述所需位置间的误差;以及用于防止在所述仪器和所述体部间有偏差的治疗的装置，将所述起动信号施加于所述防止装置。

根据本发明，患者头部或一些其他体部的位置和方位是借助于传感器通过检测标记来确定的。一个控制环用来维持正确的位置。出乎意外的是现已发现在该方法中可获得比机械固定更高的定位精度。不是移动头部使治疗点与等角点对准，而是治疗射线也可以偏转。在紧急情况下，如果没有对准，治疗仪器能被禁止。

最好是，每个传感器包含用于产生象素矩阵的装置，在该象素矩阵中标记以二维结构方式出现。调整图象处理装置以确定如此获得的二维结构的重心，这些重心代表示标点。

这种普通传感器的分辨率低于所需的定位精度。然而，如果由这些传感器检测到的二维结构的重心是用传统的图形识别的方法形成，这样，也就是说，形成一个相当粗的光栅上的均值，以所需精度确定了该重心。于是通过扫描该扩展的标记，便可确定亚象素（subpixel）精度的“示标点”。这些示标点以足够精度确定了待治疗体部的实际位置。

标记可为球状体。这种球状体在象素矩阵中以环形结构出现，而与被观察的方向无关。为便于图象处理，当从所述传感器观察时，如果在所述球状体后面提供与其形成对比的区域是有益的。可以设置用于从各个方向照亮所述球状体的装置。

为相对于放疗仪器准确定位患者头部，将治疗点置于待治疗的肿瘤中，该装置包含一张限定纵向的可伸长的放疗台和一部在所述放疗台上用于在所述纵向水平移动导向的行车，所述行车适用于容纳患者。头架是与所述放疗台和行车分开的，适合于容纳患者头部，并包括用于将患者头部固定在所述头架上的装置。将所述起动信号施加于各自其上的第一和第二传动装置与所述头架相连以使所述头架相对于所述放疗台移动。将所述起动信号施加于其上的第三传动装置与所述行车相连以便沿所述纵向移动所述行车。所述传动装置由所述起动信号调整和控制用以当其偏离所需位置时使所述患者头部返回到所需位置。

这样，患者头部被上下及横向移动。然而患者的头颈不受纵向伸缩。

根据本发明的第二方面，一种用于对用医疗仪器进行治疗的人体体部进行定位的方法，该方法先将标记打在所述体部意义明确的位置，且对所述体部的这种定位使准确限定的治疗点会维持在所需位置上。该方法包含下列步骤：当待治疗的所述体部相对于所述医疗仪器固定在预定的所需位置上时，在第一次治疗期间借助于至少两个图象产生传感器测量所述标记的位置，从而使所述传感器产生所述标记的二维图象;通过在传感器固定坐标系统中进行图象处理来确定所述图象的重心;由图象重心在仪器固定的坐标系统中确定所述标记的所述重心的位置作为测量所述体部的所需位置;在随后的治疗期间借助于象在所述第一次治疗中同样地对准的相同传感器测量所述标记的位置;确定在仪器固定坐标系统中标记重心和在所述传感器固定坐标系中所确定的所述图象重心的位置偏差;以及根据所述位置偏差产生起动信号并随所述起动信号而校正所述体部的位置。

下面参考附图更详细地描述本发明的实施例。

图1是放疗仪器的原理透视图，该仪器借助于一个线性加速度计对脑瘤进行放疗，从不同方向分次施加放射剂量。

图2表示了不同方向的射线，该射线总是通过位于肿瘤中的等角点。

图3原理性地图示了带有两个图象信号产生传感器（摄象机）的装置，借助于与患者相连的标记，该传感器使意义明确的，曾精确测得的患者相对于放疗仪器的位置再次产生，以致于在随后的放疗期间，放疗仪器的射线将再次准确地射中肿瘤。

图4是原理性地展示了用图3装置的图象和信号处理各个步骤的框图。

图5是由传感器提供的象素矩阵的原理图并图示了图象的处理。

图1原理性地图示了用于对脑瘤进行放疗的放疗仪器。该放疗仪器由标号10表示。该放疗仪器10产生高能γ二次辐射射线12。射线12的横截面由光阑14确定。患者躺在放疗台16上。

为连续地从不同方向对肿瘤进行放疗而使射线通过健康组织的载入量（loading）最小，该放疗仪器10可绕着轴18旋转。射线12与轴18相交于等角点20。通过适当调整放疗台必须使肿瘤位于该等角点中。如果情况是这样，则射线将总是通过肿瘤，如图2所示，即使当放疗仪器绕轴18旋转时也是如此。

起初，患者脑颅中待放疗肿瘤的准确位置是确定的。这是众所周知的技术。将一个环安装到患者的头颅上。将带有金属丝的丙烯酸有机玻璃体连接到该环上。该金属丝作为标记。制作一张带有该环的患者头部的计算机x线断层图或核磁共振X线断层图。该X线断层图显示肿瘤和金属丝的位置。然后即可在由该金属丝代表的坐标系中确定肿瘤的位置。

在第一次放疗期间，借助于立体排列方法将被放疗的患者头部准确地对准和固定。这样，治疗点例如肿瘤便准确地定位于该仪器的等角点中。该等角点在装置固定坐标系中是意义明确的点。

现在的问题是在随后的治疗期间将患者头部准确地置于这个曾测量到的位置。这无需用已描述的立体排列法并在实际上较短的时间内完成。

为此，在第一次测量前将标记加到患者头部。这些标记相对于患者头颅有一个可再现的位置。在所述的实施例中，这些标记是固定在颅骨中的销。也可以将该标记接到装配到患者牙齿上的接口（mouthpiece）上。

在前面描述的第一次对准期间，借助于图象信号产生传感器34、36观测这些标记。图象信号产生传感器34和36是一种视频摄象机。通过这种观察测量到初始对准位置。这位置定义为“所需位置”。在随后的放疗期间，标记由固定在空间的传感器34和36所检测。根据传感器34和36所提供的图象信息来确定实际位置。带有致动器的控制回路用来将患者颅部再次移到所需位置。

图3显示了这种标记的例子。这里一共提供了5个这样的标记。四个标记22、24、26和28大体位于四角形的四个角上。第五个标记30安置在该四角形的中央。这些标记都是浅色球状物，置于黑色背景的前面。在图示实施例中，该四角形的对角线长度约为180到200毫米。由两个图象信号产生传感器34而36观测这些标记。这些标记被灯38和40从各个方向均匀照亮。在图示实施例中，两个传感器位于垂直平面44中，水平距离约500毫米，高于包含标记30的水平面约600毫米。它们的光轴基本上指向中央标记30或四角形的中心。标记30位于距包含传感器34和36的垂直面约500毫米的地方，并在这两个传感器34和36间的该垂直面的垂直平分平面中。

上面所描述的几何形状和所给的尺寸是不严格的。它们提供了关于排列的提示，实际上由此可获得对患者非常精确的对准。

对从传感器34和36接收到的图象信息的处理概括地示于图4的框图中。

传感器34和36分别提供象素矩阵50和52。每个由各自传感器34或36检测的图象象素提供一个亮度值。图5示出了分别由传感器34和36提供的象素矩阵50和52的例子。在这些象素矩阵中，环形结构54A、56A、58A、60A和62A以及54B、56B、58B、60B和62B将分别作为标记22、24、26、28和30的图象加以识别。该标记是球状物。因此，图象大体是圆形的而与观察标记的方向无关。

图象处理包含下列步骤：

首先，识别标记的图象。该识别操作包含将诸如54A的各种标记图象与诸如22的特定标记联系起来的步骤。

这些象素代表相当粗的光栅。投影到标记平面的象素尺寸大于所需的定位精度。当然，标记本身的尺寸实际也大于所希望的定位精度。因此，下个步骤包括确定重心。确定视为标记图象的物体重心。能以本质上比一个象素长度或高度更高精度地确定这些重心的坐标。

这样为获得一毫米几分之一的定位精度，既不需要相应的提供小的标记，也不需要以等于所需精度的分辨率对视场进行取样。虽然这些标记应该具有意义明确、规则的形状，相对大的标记已足够。并能使用传感器检测有较粗光栅的图象。

确定重心由图4中方框74和76来表示。

于是在图象平面54A中确定了代表标记图象重心的点80。分别根据点80以及传感器34和36光学系统的成象特征（包括象差），可以计算出从传感器34或36延伸到标记（例如30）重心的射线44。

射线的计算由图4中的方框92和94图示。患者头部位置和状态的计算由图4中方框90图示。

为获得所需的高精度，首先必须确定每个传感器各个成象特征。为此，由传感器通过其光学系统观测精确知道的受试体，并观测由该光学系统产生的受试体的图象。

另外，必须以短时间间隔（延迟）精确测量放疗仪器坐标系中所有传感器的定位和调整。为此，放置一个其中心落在等角点20上的参考体。将该参考体的有标志的轴线调整成与被参考的放疗仪空间固定的坐标系的轴平行。该参考体有5个标记。这些标记也是在黑色背景前的浅色球状体。这些标记相对于参考体中心的位置是完全已知的。然后根据成像标记的重心计算出传感器的三个直角坐标的位置以及三个方位角的方位。

从数学上讲，借助于反函数计算传感器的位置和方位是有益的：相对该传感器一个被选的，估算的位置和方位计算图象重心的坐标。通常，这些计算出的图象重心坐标与实际观测到的图象重心坐标不符。然后计算出重心的算出坐标和观测坐标之间距离的平方和。该距离平方和通过对传感器所估算位置和方位的调整而减至最小。为这些调整而得到一组非线性方程。通过线性化和迭代法解得该方法组。由此，在仪器固定和参考体固定坐标系中得到传感器位置和方位的最佳值。

在第一次放疗期间如上所述患者头部是借助于立体排列过程来对准并固定的。于是，治疗中点（肿瘤）被准确地置于等角点20。在这种情况下，借助于传感器34和36在仪器固定坐标系中确定加到头颅上的标记位置。这是由如下步骤完成的：

根据上述方法确定的传感器位置和方位以及加到患者头颅的标记，计算出射到标记重心的射线。该计算考虑了使用受试体时获得的有关传感器光学系统成象特征的信息。也可能：计算出的射线不严格相交。然后选择使两个传感器34和36得出的两条计算出的射线距离为最小的点作为标记的（ste）位置。

由传感器34和36测定的标记22、24、26、28和30的坐标限定了患者头部的所需位置和方位。

在随后的每次放疗期间，根据标记图象重心的瞬时坐标值连续地计算当病人头部没有准确对准和刚性固定时，与所需位置和方位的偏差。该位置和方位的偏差由三个平移量的平动和有三个旋转角度的旋度来描述。

该计算再次运用反函数，如同测量传感器位置和方位一样：将标记22、24、26、28和30的图象重心作为位置和方位偏差的6个自由度的函数加以计算。使重心的计算坐标值测量坐标之间的距离平方之和为最小，又导致一组非线性方程。通过线性化和选代来解该方程组。由此获得仪器固定坐标系中患者头部位置和方位偏差的最佳值，特别是治疗点与所需位置偏移的最佳值。

5个标记的坐标提供了“患者固定”坐标系的实际位置。将该实际位置和方位与“所需位置和方位”相比，后者在第一次精确定位期间已被确定并已存储在存储器92中。控制器94检测实际位置和所需位置间的误差并在输出端98产生控制器输出，即起动信号。将该起动信号施加到由图4中方框104代表的致动器上。

如在图1中概括示出的，患者躺在放疗台16上被引导作水平、纵向运动的行车15上。患者头部位于头架108上。头架108可相对于行车15垂直和横向移动。致动器102用于横向调节头架108。致动器104用来垂直调节头架108。头架108没有相对于行车15的纵向调节，因为这种调节会使患者头颈被拉伸或挤压。而代之以用致动器106来纵向调节行车15。可用传统装置将患者头部固定在头架108上。如果有移动的话，则由控制回路加以补偿。患者头部中的治疗点以高精度地保持在等角点20中。

所述装置可以各种方式加以变更。它可用来对一些其它部位的体部进行治疗以取代患者头部和颅骨。也可设置3个传感器以取代这两个传感器34和36。在上面测定的情况下，可根据最小二乘法从算出的射线中计算坐标值。

Claims (14)

1、一种对用医疗仪器治疗的人体的体部进行定位的装置，标记被加到所述体部的意义明确的位置上，对所述体部的定位使准确限定的治疗点保持在所需位置，该装置的特征在于：

(a)至少两个被对准来监测所述标记(22、24、26、28、30)的图象信号产生传感器(34，36)；

(b)将来自所述传感器(34，36)的所述图象信号施加于其上用于处理所述标记的图象(54A到62A，54B到62B)以固定示标点(80)的图象处理装置(74，76)，该示标点由所述标记确定并限定所述体部的实际位置，

(c)信号处理和控制器装置(90，92，94)-用于根据所探测的所述示标点的位置计算该体部的实际位置，

-用于将所述实际位置与一所需位置相比较，以及

-用于产生起动信号，该起动信号取决于所述体部的所述实际位置和所述所需位置间的误差，以及

(d)用于防止在所述仪器和所述体部间未对准的治疗的防止装置，所述起动信号施加于所述防止装置。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述防止装置包括将所述起动信号施加其上的致动装置（102，104，106）该致动装置在所述体部已偏离其所需位置时可恢复所述仪器和所述体部间的正确对准。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述致动装置（102，104，106）与所述体部相连接用于在所述体部偏离该所需位置时使所述体部返回到所述所需位置。

4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

（a）每个所述图象信号产生传感器（34，36）包含用于产生象素矩阵（50，52）的装置，在该矩阵中标记以二维结构方式出现（54A到62A，54B到62B），以及

（b）所述图象处理装置包含用于确定该二维结构重心（80）的装置，所述重心代表所述示标点。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述标记（22，24，26，28，30）是球状体，它们在象素矩阵中以环状结构（54A到62A，54B到62B）出现而与其被观测的方向无关。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于当从所述传感器观测时，在所述球状体后提供了与所述球状体形成对比的区域（52）。

7、根据权利要求5所述的装置，其特征在于还包含用于从各个方向对所述球状体进行照明的装置。

8、根据权利要求1所述的装置，其特征在于至少设有三个标记（22，24，26，28，30）。

9、根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包含用于对所述体部进行角度调整的致动装置。

10、一种对用放疗仪器进行治疗的患者头部进行精确定位的装置，所述头部的意义明确位置上加有标记，对所述头部的定位使得待放疗的肿瘤保持在所需位置，其特征在于：

（a）至少两个被对准监测所述标记（22，24，26，28，30）的图象信号产生传感器（34，36），

（b）来自所述传感器（34，36）的所述图象信号施加于其上用于处理所述标记的图象（54A到62A，54B到62B）以固定示标点（80）的图象处理装置（74，76），该示标点由所述标记确定并限定所述体部的实际位置，

（c）信号处理和控制装置（86，88，90，92，94），

-用于根据所探测到的所述示标点位置计算所述头部的实际位置，

-用于将所述实际位置与所需位置相比较，以及

-用于产生起动信号，该信号取决于所述头部的所述实际位置和所述所需位置间的误差，以及

（d）一张确定纵向延伸的放疗台（16）和一部在所述放疗台上被引导在所述纵向作水平移动的行车，所述放疗台适合于容纳一个患者，

（e）与所述放疗台（16）及行车分开并适合于容纳患者头部的头架（108），以及用于将患者头部固定在所述头架（108）上的装置，

（f）将所述起动信号施加于各自其上的第一和第二致动器装置（104，102），用于与所述头架（108）相连，使所述头架相对于所述放疗台（16）移动，以及

（g）将第三起动信号施加于其上的第三致动器装置，其与所述行车相连使所述行车在所述纵向移动，

（h）所述致动器装置由所述起动信号安排和控制，以便当所述患者头部已偏离所述所需位置时使该头部回到这个所需位置。

11、根据权利要求10所述的装置，其特征在于还包括用于对所述头架进行角度调整的致动器装置。

12、一种对用医疗仪器治疗的人体体部进行定位的方法，其中所述体部的意义明确的位置上加有标记，所述体部的定位使准确限定的治疗点保持在所需位置，其特征在于包括以下步骤：

（a）当待治疗的所述体部固定在相对于所述医疗仪器的预定所需位置上时，在第一次治疗期间借助于至少两个图象产生传感器来测量所述标记的位置，从而使所述传感器产生所述标记的二维图象，

（b）通过在传感器固定坐标系中进行图象处理来确定所述图象的重心，

（c）由该图象重心，在仪器固定坐标系中确定所述标记的所述重心位置，作为所述体部的所需位置的一种度量，

（d）在随后的治疗期间借助于象在所述第一次治疗期的相同方式对准的相同传感器，测量所述标记位置，

（e）确定在仪器固定坐标系中的标记重心和在所述传感器固定坐标系中确定的所述图象重心之间的位置偏差，以及

（f）根据所述位置偏差产生起动信号并响应所述起动信号而校正所述体部的位置。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述图象产生传感器包含成象光学系统，并由所述图象产生传感器测量设置在测试体的标记位置，由此校准所述图象产生传感器的光学系统的成象特征。

14、根据权利要求12所述的方法，其特征在于由所述传感器测量设置在一参考体上并在仪器固定坐标系中有意义明确的位置和方位的标记，在所述仪器固定坐标系中的所述传感器的位置和方位是根据由所述传感器检测到的所述图象的位置来确定的。

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