雷射引導醫療設備自動定位系統及方法
2023-06-11 19:40:11
專利名稱：雷射引導醫療設備自動定位系統及方法
技術領域：
本發明涉及醫療設備領域，包括醫療影像設備和治療系統，特別是X射線設備和系統，涉及通過體表照射標記定位從而實現病人體位定位。
背景技術：
射線照射往往需要在病人體表的特定位置進行精確定位。精確而迅速的定位是實現成功照射的關鍵，並且能夠縮短整個照射過程的時間，減少病人的不適。目前具有自動定位功能的數字射線系統(如GE公司Definium 8000系統，見圖 1)，其病人定位過程一般包括如下步驟(i)選擇病人；(ii)選擇球管吊架OTS (overhead tube suspension)的起始位置(如圖1. 1下拉菜單A所示)；(iii)按住自動定位按鈕B (見圖1. 2控制面板)，則OTS開始向目標位置移動，當OTS移動到目標位置時釋放該按鈕；(iv) 指示病人(在胸片架前、床上或其他位置)就位；(ν)手動將球管移動和/或旋轉定位至病人體表照射標記處，並再次確認照射視野FOV(field of view)等。確認照射視野時，中心射線一般應對準病人體表照射標記。例如圖2所示，對於臥位，一般球管(8)發射的中心射線(5)應垂直於病人，並位於體表照射標記(3)正上方的一定位置，體表照射標記(3)則位於照射視野FOV 的中心。由此可見，這類系統並不能完全實現自動對病人進行定位。其中，雖然OTS自動向目標位置移動，但是球管的移動和/或旋轉定位是由手動進行的。通過這種方法實現對病人體表照射標記的精確定位，花費時間長，工作流程複雜。為了解決上述問題，本發明提出了一種雷射引導醫療設備自動定位系統及方法， 用於對病人體表照射標記的精確定位。美國專利5，590，655公開了一種雷射引導的內傷定位裝置，但它並不針對體表照射標記進行定位。另一美國專利US5，598，269公開了一種協助CT計算機斷層攝影裝置進行定位的可移動的雷射引導定位裝置，它包括了雷射線光源和扇形光源兩個光源，結構複雜， 操作也不簡便。
發明內容
針對上述問題，本發明提出了一種醫療設備定位系統，包括醫療設備本身和定位部件，其中醫療設備上有移動部件，可移動到目標位置進行診斷或治療，其特徵在於定位部件包括雷射發射裝置，照相裝置，以及計算裝置；其中，雷射發射裝置發出的雷射照射在病人體表的標記上；照相裝置對雷射照射點進行照相；計算裝置通過對照相裝置獲得的圖像進行計算，得到雷射照射點的位置；醫療設備根據計算得到的照射點位置，將移動部件自動進行定位。優選地，所述雷射發射裝置是手持式的。所述雷射發射裝置上有控制器，控制持續發射雷射脈衝。所述雷射發射裝置上的控制器一旦開始持續發射雷射脈衝，則該控制器觸發照相裝置開始照相，照相裝置採集頻率高於雷射脈衝的發射頻率。優選地，所述照相裝置的採集頻率是雷射脈衝頻率的兩倍。計算裝置對照相裝置獲得的相鄰圖像進行剪影，得到雷射照射點的位置。當計算裝置得到雷射照射點的位置保持一段時間穩定，則雷射發射裝置停止發射雷射脈衝。所述保持一段時間穩定是指，在預先確定長度的一段時間內，計算裝置多次得到雷射照射點位置之差小於事先確定的閾值。至少具有三個照相裝置，布置在醫療設備所在環境的周圍。優選地，所述醫療設備是X射線診斷設備，所述照相裝置是數位相機。同時，本發明還提出了一種醫療設備定位方法，其特徵在於包括如下步驟1)發射雷射照射在病人體表的標記上；2)對雷射照射點進行照相；3)對照相得到的圖像進行計算，得到雷射照射點的位置；4)醫療設備根據計算得到的照射點位置，將移動部件自動進行定位。優選地，所述第1)步中，用手持式雷射發射裝置進行雷射發射。所述第1)步進一步包括1. 1)開始持續發射雷射脈衝；1. 2) 一旦開始持續發射雷射脈衝，則該控制器觸發照相裝置開始照相。所述第2)步中，對雷射照射點進行照相的採集頻率高於雷射脈衝的發射頻率。優選地，所述第2~)步中，對雷射照射點進行照相的採集頻率是雷射脈衝頻率的兩倍。所述第幻步中，對照相獲得的相鄰圖像進行剪影，得到所述雷射照射點的位置。所述第3)步中，當計算得到的雷射照射點的位置保持一定時間穩定，則所述第1) 步停止，即停止發射雷射脈衝。所述第幻步中，所述保持一定時間穩定，是指在預先確定長度的一段時間內，計算裝置多次得到雷射照射點位置之差小於事先確定的閾值。 至少有三個照相裝置對雷射照射點進行照相。優選地，所述醫療設備是X射線診斷設備，所述照相裝置是數位相機。本發明簡化了醫療設備進行自動定位的工作流程，解決了自動定位的技術問題， 並有助於改善病人的體驗。
圖1示出了現有具有自動定位功能的數字射線系統GE公司Definium 8000系統的用戶操作界面和相關按鈕。圖2示出了醫療設備對臥位病人進行定位的示意圖。圖3示出了根據本發明的醫療設備定位系統的組織結構圖。圖4示出了對照相獲得的相鄰圖像進行計算，從而得到雷射照射點位置的原理圖。圖5示出了根據本發明的醫療設備定位方法的控制時序圖。
具體實施例方式下面通過具體實施方式
進一步詳細描述本發明，但本發明並不僅僅限於此。下面結合附圖詳細描述根據本發明的具體實施例，這些實施例不用來限制本發明。其中不同附圖中相同部件採用相同的附圖標記。一個優選的實施例如圖3所示的醫療設備定位系統，特別地如X射線診斷設備。其中，醫療設備(即X射線診斷設備)本身並未示出。定位部件中的雷射發射裝置是一個手持式雷射脈衝發射筆(1)，上面有按鈕控制雷射脈衝的發射。由操作者手持雷射脈衝發射筆，按下按鈕持續發射雷射脈衝，並將該雷射脈衝指向病人體表照射標記。定位部件還包括多個數位相機，圖中示出有四個數位相機(7)布置在照射室頂部四個牆角處，面向照射室中心位置或病人所在位置。一旦雷射筆發射雷射脈衝，則立即觸發所有相機開始拍照，照相的頻率高於雷射脈衝的發射頻率。優選地，所述照相裝置的採集頻率是雷射脈衝頻率的兩倍，從而在雷射脈衝峰、谷兩個相位各採集一幅圖像。由於在四個方向各布置了一個相機， 因此雷射照射點必然被其中一個甚至幾個相機拍攝到。其中，數位相機將獲得的雷射照射點的圖像傳送給醫療設備上的計算裝置(未示出)。計算裝置不斷對相機獲得的相鄰兩幅圖像進行剪影計算，如圖4所示，從而不斷得到雷射照射點的位置(將相機獲取的照射點位置圖像轉化為照射點位置坐標的具體計算方法見下)。自開始得到雷射照射點的位置時，計算裝置同時不斷計算照射點位置的變化。當發現照射點位置保持一段時間穩定，如在1秒鐘內得到的任何兩次雷射照射點位置之差小於事先確定的閾值，則系統發出蜂鳴聲，提示操作者可以鬆開雷射發射按鈕，停止發射雷射和定位操作。一種優選的將相機得到的透視圖像投影到圖像平面上三維坐標點的算法是針孔照相機模型(pinhole camera model)，這屬於現有技術(參見網上百科全書 ffikipediahttp //en. wikipedia. org/wiki/Pinhole camera model)。其中，假設雷射照身寸點待定的位置坐標為(xo，Y0, Z0)則ZO無需計算，因為X射線源至探測器的距離source to image-receptor distance (SID)已由系統(根據照射部位)預先設定；系統只需計算中心射線在照射平面上的平面坐標(Χ0，Υ0)。該算法所應用的公式如下s m' = A[R|t]M'
V fx Q Cx ru Π2 ri3 ι ^或SV = O fy Cy r2l Γ22 ^23 h ^
-1J [ο O IJ [r3i rn ^33 τ其中(X，Y，Ζ)是照射室坐標空間內一個點的三維坐標，(U，ν)是投影點的像素坐標。A稱為相機矩陣或內部參數矩陣其中(CX，Cy)是核心點(通常是影像中心)的坐標； fx，fy是用像素表示的焦距長度。根據該公式，如果圖像按某個參數放大或縮小，則所有這些參數也應當相應地放大或縮小(乘以或除以該參數)。內部參數矩陣並不隨照相機視野變化而改變，其一旦確定既可重複使用(只要焦距不變)。聯合旋轉平移矩陣[R|t]被稱為外部參數矩陣，用於描述相機繞某靜止點旋轉，或相機不動、照相目標在相機前轉動。則 [R|t]可根據相機將圖像上某一點的坐標(X，Y，Z)投影到某一坐標系統。該轉化的數學公式是(當Z興0時)
權利要求
1.一種醫療設備定位系統，包括醫療設備本身和定位部件，其中醫療設備上有移動部件，可移動到目標位置進行診斷或治療，其特徵在於定位部件包括雷射發射裝置，照相裝置，以及計算裝置；其中，雷射發射裝置發出的雷射照射在病人體表的標記上；照相裝置對雷射照射點進行照相；計算裝置通過對照相裝置獲得的圖像進行計算，得到雷射照射點的位置；醫療設備根據計算得到的照射點位置，將移動部件自動進行定位。
2.根據權利要求1所述的醫療設備定位系統，其特徵在於所述雷射發射裝置是手持式的。
3.根據權利要求1或2所述的醫療設備定位系統，其特徵在於所述雷射發射裝置上有控制器，控制持續發射雷射脈衝。
4.根據權利要求3所述的醫療設備定位系統，其特徵在於所述雷射發射裝置上的控制器一旦開始持續發射雷射脈衝，則該控制器觸發照相裝置開始照相，照相裝置採集頻率高於雷射脈衝的發射頻率。
5.根據權利要求4所述的醫療設備定位系統，其特徵在於所述照相裝置的採集頻率是雷射脈衝頻率的兩倍。
6.根據權利要求4或5所述的醫療設備定位系統，其特徵在於計算裝置對照相裝置獲得的相鄰圖像進行剪影，得到雷射照射點的位置。
7.根據權利要求6所述的醫療設備定位系統，其特徵在於當計算裝置得到雷射照射點的位置保持一段時間穩定，則雷射發射裝置停止發射雷射脈衝。
8.根據權利要求7所述的醫療設備定位系統，其特徵在於所述保持一段時間穩定是指，在預先確定長度的一段時間內，計算裝置多次得到雷射照射點位置之差小於事先確定的閾值。
9.根據權利要求1-8任一權利要求所述的醫療設備定位系統，其特徵在於至少具有三個照相裝置，布置在醫療設備所在環境的周圍。
10.根據權利要求9所述的醫療設備定位系統，其特徵在於所述醫療設備是X射線診斷設備，所述照相裝置是數位相機。
11.一種醫療設備定位方法，其特徵在於包括如下步驟1)發射雷射照射在病人體表的標記上；2)對雷射照射點進行照相；3)對照相得到的圖像進行計算，得到雷射照射點的位置；4)醫療設備根據計算得到的照射點位置，將移動部件自動進行定位。
12 .根據權利要求11所述的醫療設備定位方法，其特徵在於所述第1)步中，用手持式雷射發射裝置進行雷射發射。
13.根據權利要求12所述的醫療設備定位方法，其特徵在於所述第1)步進一步包括1. 3)開始持續發射雷射脈衝；1. 4) 一旦開始持續發射雷射脈衝，則該控制器觸發照相裝置開始照相。
14.根據權利要求13所述的醫療設備定位方法，其特徵在於所述第幻步中，對雷射照射點進行照相的採集頻率高於雷射脈衝的發射頻率。
15.根據權利要求14所述的醫療設備定位方法，其特徵在於所述第幻步中，對雷射照射點進行照相的採集頻率是雷射脈衝頻率的兩倍。
16.根據權利要求14或15所述的醫療設備定位方法，其特徵在於所述第幻步中，對照相獲得的相鄰圖像進行剪影，得到所述雷射照射點的位置。
17.根據權利要求16所述的醫療設備定位方法，其特徵在於所述第幻步中，當計算得到的雷射照射點的位置保持一定時間穩定，則所述第1)步停止，即停止發射雷射脈衝。
18.根據權利要求17所述的醫療設備定位方法，其特徵在於所述第幻步中，所述保持一定時間穩定，是指在預先確定長度的一段時間內，計算裝置多次得到雷射照射點位置之差小於事先確定的閾值。
19.根據權利要求12-18任一權利所述的醫療設備定位方法，其特徵在於所述第3) 步中，至少有三個照相裝置對雷射照射點進行照相。
20.根據權利要求19所述的醫療設備定位系統，其特徵在於所述醫療設備是X射線診斷設備，所述照相裝置是數位相機。
全文摘要
本發明涉及一種雷射引導醫療設備自動定位系統及方法。本發明的醫療設備定位系統包括醫療設備本身和定位部件，醫療設備上有移動部件。其中定位部件包括雷射發射裝置，照相裝置，以及計算裝置。所述雷射發射裝置發出的雷射照射在病人體表的標記上；照相裝置對雷射照射點進行照相；計算裝置通過對照相裝置獲得的圖像進行計算，得到雷射照射點的位置；醫療設備根據計算得到的照射點位置，將移動部件自動進行定位。優選地，照相裝置的採集頻率是雷射脈衝頻率的兩倍，則對相鄰兩幅圖像進行剪影獲得雷射照射點的位置。本發明簡化了醫療設備進行自動定位的工作流程，解決了自動定位的技術問題，並有助於改善病人的體驗。
文檔編號A61B6/08GK102462506SQ20101055200
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者林麟, 賈磊 申請人:Ge醫療系統環球技術有限公司