患者監視器和方法
2023-05-29 23:32:46 1
患者監視器和方法
【專利摘要】本發明描述了患者監視系統和方法。監視系統包括一組立體攝像機(10)，其被定向為獲得機械床(18)上的患者(20)的圖像。攝像機(10)連接至計算機14，其包括：3D位置確定模塊(26)，其可操作來處理患者的立體圖像以識別所成像患者的表面上的多個點的3D位置；目標模型存儲器(32)，其可操作來存儲包括標識三角形3D線網模型的頂點的集合的3D位置和表示頂點之間的連接的連通性的數據的目標模型；以及匹配模塊(34)，其可操作來識別目標模型存儲器中存儲的目標模型表面中離由3D位置確定模塊識別的點最近的三角形，並計算最小化在所識別的點與包含目標模型表面的被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換。所確定的轉換可以用於指示機械床(18)將患者(20)定位在與所存儲目標模型相對應的位置上或者可替換地在患者超出位置大於閾值量時禁止治療設備(16)操作。
【專利說明】患者監視器和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及患者監視。更特別地，本發明的實施例涉及監視患者的定位並且還能夠檢測患者的移動。本發明特別適於與放射治療裝置和計算機斷層攝影(CT)掃描器等一起使用，其中，患者移動的精確定位和檢測對於成功的治療來說很重要。
【背景技術】
[0002]放射治療包括在患者身體的預定區域上投射輻射波束以破壞或消除其中存在的腫瘤。這種治療通常定期和重複地進行。在每次醫療幹預中，輻射源必須相對於患者定位以利用儘可能最高的準確度照射所選擇的區域，從而避免輻射到輻射波束會對其有害的鄰近組織。
[0003]當將輻射施加至患者時，治療設備的選通應該與呼吸周期匹配以使得輻射聚焦在腫瘤的位置上並且最小化對其他組織的附帶損害。如果檢測到患者的移動，則治療應該被停止以避免照射患者的除腫瘤位置以外的區域。
[0004]為此，用於在放射治療期間協助患者定位的許多監視系統被提出，諸如在維申RT(Vis1n RT)的早期專利以及專利申請US7348974、US7889906和US2009-018711中所述，其全部內容通過引用包含於此。
[0005]在Vis1n RT的專利和專利申請中所述的系統中，患者的立體圖像被獲得並被處理以生成標識與所成像患者的表面上的點相對應的大量點的3D位置的數據。這些數據可以與之前情況下生成的數據進行比較並用於以一致的方式定位患者或在患者移動出位置時提供警告。通常，這種比較包括進行普氏分析(Procrustes analysis)以確定轉換,該轉換最小化了由基於實時圖像生成的數據所標識的患者表面上的點和由之前情況下生成的數據所標識的患者表面上的點之間的位置差異。
[0006]確定當前患者位置和治療前期患者位置之間的精確匹配是困難的。
[0007]—個特殊問題是不能保證恰好患者的相同部分在兩個不同情況下被成像。這意味著，儘管所獲得的數據可以標識患者表面上的點的3D坐標，但在一個模型中標識的點不一定對應於在先前所生成模型中的數據所表示的點。由此，試圖確定轉換以最小化不同情況下所獲得的數據中的點之間的平均距離可能不能精確地反映患者的位置如何改變。
[0008]此外，在使用時，治療設備的部分可能模糊立體攝像機的視圖，以使得僅可以生成患者的表面的一部分的數據。這可能意味著，所成像表面和用於生成目標數據的表面之間僅存在有限的重疊區域。
[0009]除了試圖識別兩個表面之間的精確匹配之外，還期望快速確定這種匹配。給出在典型模型表面中的大量數據點，點的子集有時被選擇並用於計算初始匹配。通常，這些點被選擇以使得它們分布在模型的表面上。然而，在僅點的子集被用於確定兩個表面之間的匹配的情況下，如果僅使用相對少量的點來確定與當前模型和目標模型之間的重疊區域相對應的匹配，則匹配的準確度可能很差。
[0010]需要一種能夠快速和準確地識別匹配的替代系統。
【發明內容】
[0011]根據本發明的一個方面，提供一種確定用於將物體的位置與由目標模型表示的目標物體的位置匹配的剛性轉換的計算機實現的方法，目標模型包括標識三角形3D線網的頂點的集合的3D位置和表示頂點之間的連接的連通性的數據，所述方法包括:獲得物體的立體圖像；利用計算機處理立體圖像以識別所成像物體的表面上的多個點的3D位置；利用計算機基於在所識別的3D位置和目標模型中被識別為離所述位置最近的頂點之間的所確定距離來選擇所成像物體的表面上的所識別3D位置的集合作為要用於確定剛性轉換的點，該剛性轉換用於將物體的位置與目標物體的位置匹配；以及利用計算機來計算最小化在所識別的3D位置的集合與包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換。
[0012]在一些實施例中，選擇所成像物體的表面上所識別3D位置的集合以及計算最小化在所識別的3D位置的集合與包含目標模型表面的被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換可以包括多次迭代:確定要用於當前迭代的閾值；基於在所識別3D位置和目標模型中被識別為與所述位置最近的頂點之間的距離與閾值的比較來選擇所成像物體的表面上所識別3D位置的集合作為要用於確定剛性轉換的點，該剛性轉換用於將物體的位置與目標物體的位置進行匹配；計算最小化在所識別3D位置的集合與包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換；其中，用於將物體的位置與目標物體的位置匹配的剛性轉換包括在每次迭代時確定的轉換的和。
[0013]在這些實施例中，可以設置用於第一次迭代的初始閾值，以及可以基於所識別的3D位置和目標模型中被識別為離所述位置最近的頂點之間的平均距離來確定用於隨後迭代的閾值。
[0014]可以基於在點處的物體的相對定向和目標模型表面中被識別為離該點最近的三角形的定向來選擇所成像物體的表面上的要用於確定用於將物體的位置與目標物體的位置匹配的剛性轉換的3D位置的集合。
[0015]此外，所選擇的集合可以被過濾以在計算剛性轉換之前移除被確定為投影至相同位置的任何點，剛性轉換最小化在所過濾的所識別的3D位置的集合與包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離。
[0016]在一些實施例中，計算最小化在所成像物體的表面上的所識別點與包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換可以包括:針對所述點的每一個確定所述點至包含目標模型表面中被識別為與這些點最近的三角形的平面的投影；確定將被識別為位於物體的表面上的位置的點的質心與所述點至包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的所識別平面的投影對準的平移；以及在施加所確定的平移之後，確定最小化在所成像物體的表面上的所識別點與包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的旋轉。
[0017]識別目標模型表面中離所成像物體的表面上的點的3D位置最近的三角形可以包括:生成用於針對3D空間中點的規則網格來識別目標模型中離這些點最近的頂點的陣列；識別規則3D網格的離所成像物體的表面上的點最近的部分；以及通過陣列利用與3D網格的所識別部分相關聯的頂點來識別目標模型表面中離所述點最近的三角形。
[0018]在這些實施例中，通過陣列利用與3D網格的所識別部分相關聯的頂點來識別目標模型表面中離所述點最近的三角形可以包括:確定與3D網格的所識別部分相關聯的頂點、模型表面中與當前正被處理的物體的表面上的點最近的頂點；確定直接連接至所確定的最近頂點的頂點中的任一個是否更接近於當前正被處理的所成像物體的表面上的點的3D位置；如果直接連接的頂點中的任一個被確定為更接近於當前正被處理的所成像物體的表面上的點的3D位置，則識別連接至該頂點的任意頂點是否更接近於當前正被處理的所成像物體的表面上的點的3D位置；以及當確定直接連接的頂點都沒被確定為更接近於當前正被處理的所成像物體的表面上的點的3D位置時，針對目標模型中包含最近所識別頂點的每個三角形來確定包含該三角形的平面和所成像物體的表面上的點的3D位置之間的距離，以識別目標表面中離當前正被處理的物體的表面上的點最近的三角形。
[0019]合適的陣列可以通過以下生成:針對目標模型中的每個頂點使用與目標模型的頂點相關聯的3D坐標來識別規則3D網格中與頂點的位置最近的部分；確定頂點與對應於規則3D網格的所識別部分中的點的位置之間的距離；以及確定所識別的點是否與表示離目標模型中另一頂點更近的點的數據相關聯，以及如果不是，將所述點關聯到標識頂點和頂點與所述點之間的距離的數據。規則網格的不與標識頂點的數據相關聯的部分之後可以通過以下與數據相關聯:在與規則3D網格的軸相對應的方向中的每一個上遍歷規則3D網格，以及當遍歷網格時，確定在遍歷的方向上與網格上的鄰近點相關聯的頂點是否比之前與該網格點相關聯的任何頂點更接近於與當前網格點相關聯的位置，以及如果這樣，關聯該網格點和標識與該鄰近網格點相關聯的頂點的數據。
[0020]在另一方面中，提供一種患者監視系統，包括:3D位置確定模塊，其可操作來處理患者的立體圖像以識別所成像患者的表面上的多個點的3D位置；目標模型存儲器，其可操作來存儲目標模型，該目標模型包括標識三角形3D線網模型的頂點的集合的3D位置和表示頂點之間的連接的連通性的數據；以及匹配模塊，其可操作來識別目標模型存儲器中存儲的目標模型表面中離由3D位置確定模塊所識別的點最近的三角形，並計算最小化在所識別點的所選擇集合與包含目標模型表面的被識別為與這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換，其中，基於在所識別的3D位置和目標模型中被識別為離這些位置最近的頂點之間的所確定距離來選擇用於確定剛性轉換的所選擇的點的集合。
[0021]該患者監視系統可以另外地包括立體攝像機，其可操作來獲得患者的立體圖像，其中，3D位置確定模塊被配置為處理由立體攝像機獲得的立體圖像。
[0022]系統還可以包括機械床，其中，立體攝像機可操作來獲得床上的患者的立體圖像，以及匹配模塊可操作來基於最小化在所成像患者的表面上的所識別點和包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的所計算的剛性轉換，生成指令以使得機械床對準所成像患者。
[0023]此外，系統還可以包括治療設備，其中治療設備被配置為:如果匹配模塊確定最小化在所成像患者的表面上的所識別點和包含目標模型表面中被識別為與這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的所計算的剛性轉換表示患者從位置移動大於閾值量，則禁止操作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]現在將參考附圖描述本發明的實施例，其中:
[0025]圖1是根據本發明實施例的患者監視器的示意圖；
[0026]圖2是圖1的患者監視器的確定用於匹配兩個模型表面的匹配平移和旋轉的處理的流程圖；
[0027]圖3是圖1的監視器的填充標識最近頂點的陣列的處理的流程圖；
[0028]圖4A-C是圖3的對陣列的一部分的處理的示意圖；以及
[0029]圖5是圖1的監視器的識別模型表面中離另一表面上的點最近的三角形平面的處理的流程圖。
【具體實施方式】
[0030]圖1是根據本發明實施例的患者監視器的示意圖。根據本實施例，提供一組立體攝像機10，其通過電線12連接至計算機14。計算機14還連接至治療設備16，諸如用於施加放射治療的直線加速器或者用於計劃放射治療的X射線模擬器。機械床18被提供為治療設備的一部分，患者20在治療期間躺在機械床18上。治療設備16和機械床18被配置為使得在計算機14的控制下，機械床18和治療設備16的相對位置可以橫向地、垂直地、縱向地和旋轉地變化。
[0031]在使用時，立體攝像機10獲得躺在機械床18上的患者20的視頻圖像。這些視頻圖像經由電線12傳輸至計算機14。計算機14之後處理患者20的圖像以生成患者表面模型。該模型與在前期治療進程期間生成的患者模型進行比較。當定位患者時，當前模型表面和從前期進程獲得的目標模型表面之間的差異被識別並且對準錶面所需的定位指令被確定並發送至機械床18。隨後，在治療期間，與初始設置之間的任何偏差可以被識別並且如果偏差大於閾值，則計算機14將指令發送至治療設備16以使得治療停止，直到患者20可以被重新定位。
[0032]為了計算機14能夠處理從立體攝像機10接收到的圖像，計算機14通過在盤22上提供的軟體或者通過經由通信網絡接收電信號24來配置成多個功能模塊26-36。可以理解，圖1所示的功能模塊26-36僅僅是概念性的，以協助理解所要求的發明的工作並且在某些實施例中可以不直接對應於軟體的原始碼中的代碼塊。在其他實施例中，由所示功能模塊26-36執行的功能可以在不同模塊之間劃分或者可以通過相同模塊的重新使用來執行以用於不同功能。
[0033]在該實施例中，功能模塊26-36包括:3D位置確定模塊26，用於處理從立體攝像機10接收到的圖像；模型生成模塊28，用於處理由3D位置確定模塊26生成的數據並將該數據轉換成所成像計算機表面的3D線網模型；生成模型存儲器30，用於存儲所成像表面的3D線網模型；目標模型存儲器32，用於存儲之前生成的3D線網模型；匹配模塊34，用於確定將所生成的模型與目標模型匹配所需的旋轉和平移；以及最近頂點陣列36。
[0034]在使用中，隨著圖像通過立體攝像機10被獲得，這些圖像被3D位置確定模塊26處理。該處理使得3D位置確定模塊能夠識別在圖像對中相應點的3D位置。由3D位置確定模塊26生成的位置數據之後被傳輸至模型生成模塊28，其處理該位置數據以生成由立體攝像機10所成像的患者20的表面的3D線網模型。
[0035]在本實施例中，3D模型包括三角形線網模型，其中，模型的頂點對應於由3D位置確定模塊26確定的3D位置。當確定了這樣的模型時，該模型被存儲在生成模型存儲器30中。
[0036]當患者20的表面的線網模型被存儲時，匹配模型34之後被調用以確定基於由立體攝像機10所獲得的當前圖像的所生成模型與存儲在目標模型存儲器32中的患者表面的之前所生成模型之間的匹配平移和旋轉。如將要解釋的，匹配模塊34以使得匹配被快速確定並且高精度匹配被確定的方式利用最近頂點陣列36來確定這種匹配。
[0037]所確定的平移和旋轉之後可以被作為指令發送至機械床18以使得床將患者20定位在相對於治療設備16的、與他們之前被治療時所在的位置相同的位置。隨後，立體攝像機10可以繼續監視患者20，並且可以通過生成另外的模型表面並將這些所生成的表面與存儲在目標模型存儲器32中的目標模型進行比較來識別位置中的任何變化。如果確定為患者從位置移動，則治療設備16可以被停止並且患者20被重新定位，由此避免照射患者20的錯誤部位。
[0038]現在將參考圖2-5詳細描述通過匹配模塊34進行的處理。
[0039]首先參考圖2，其是由匹配模塊34進行的處理的流程圖，當匹配模塊34第一次被調用時，最初(s2-l)匹配模塊34利用存儲在目標模型存儲器32中的數據來填充最近頂點陣列36以使得匹配模塊34能夠以有效方式識別所存儲模型的3D空間中對於空間中其他點的最近頂點。
[0040]當試圖確定匹配轉換以將所生成模型表面與目標模型表面匹配時，經常需要能夠識別目標模型中離由基於處理當前圖像所生成的數據所識別的位置最近的頂點或三角形。通常，這種確定需要針對所生成模型表面中的每個點進行多次，同時計算迭代轉換。傳統上，識別最近頂點將涉及確定當前點與模型中表示的所有頂點之間的距離。在當前所生成的模型和目標模型都具有N個頂點的情況下，這涉及N2次計算，其必須在每次迭代時被確定。
[0041]相反，根據本申請，進行處理以識別目標模型中離位置的網格最近的頂點，並且該數據被存儲在最近頂點陣列36中。隨後，利用最近頂點陣列來識別目標模型中的少量頂點，其可以是離空間中特定點最近的頂點。這會將處理具有N個點的模型的量從N2的級別降低到N的級別。
[0042]現在將參考圖3和4A-C來描述由匹配模塊34進行的填充最近頂點陣列36的處理。
[0043]轉向圖3，其是由匹配模塊34進行的處理的流程圖，最初(s3_l)匹配模型34從存儲在目標模型存儲器32中的目標模型中選擇第一頂點。
[0044]匹配模塊34之後(s3_2)利用標識當前所選擇頂點在3D空間中的位置的幾何數據，來識別最近頂點陣列的與該區域相對應的部分，並且確定標識在所選擇頂點的位置和與3維網格中包含該位置的立方體的角相對應的位置之間的距離的距離值。
[0045]更具體地，在本實施例中，最近頂點陣列36包括用於存儲與3維陣列相關聯的數據的數據存儲器，其中陣列中的每個項與空間中規則3D網格上的點相關聯。當處理所存儲模型中的頂點時，使用頂點的幾何數據來識別頂點陣列36中與陣列中離該頂點最近的點相對應的8個項。
[0046]由此，例如，假定頂點與標識具有坐標(X+δ χ, y+δ y, ζ+δ z)的位置的位置數據相關聯，匹配模塊34將由最近頂點陣列36表示的網格上的最近點識別為與位置(X，y, z)、(x+1, y, z)、(x, y+1, ζ)、(χ+1, y+1, ζ)、(χ, y, ζ+1)、(χ+1, y, ζ+1)、(χ, y+Ι, ζ+1)和(χ+1, y+Ι, ζ+1)相關聯的點。
[0047]匹配模塊34之後確定在由正在被處理的頂點的幾何數據所標識的位置與這些位置中的每一個之間的歐幾裡得距離，並且之後(s3-3)確定最近頂點陣列36中那些所識別的位置是否與標識大於那些所確定距離的頂點距離的數據相關聯。
[0048]如果匹配模塊34確定與頂點陣列中的項相關聯的當前距離數據大於在由陣列中的項表示的位置與正被處理的頂點之間的歐幾裡得距離，或者如果匹配模塊34確定當前沒有數據與頂點陣列36的所識別部分相關聯，則匹配模塊之後將標識當前頂點以及該頂點和與陣列中的項相關聯的位置之間的距離的數據存儲在最近頂點陣列36的該部分中。
[0049]由此,例如,如果頂點A與坐標(X+ δ χ, y+ δ y, ζ+ δ ζ)相關聯，當確定要針對位置(x, Y, ζ)存儲在最近頂點陣列36中的數據時，最初，頂點和位置(X，y, ζ)之間的歐幾裡得距離將被確定，其在該示例中將是(S χ2+ δ y2+ δ ζ2) 1/20如果該距離小於與點(X，y, ζ)相關聯的當前距離或者沒有數據與該點相關聯，則標識頂點A和所計算的距離的數據將被存儲。
[0050]當匹配模塊34檢查了最近頂點陣列36中與陣列中離正在被處理的頂點最近的8個點相關聯的所有八個項並根據需要更新了與這些點相關聯的數據時，匹配模塊34之後確定(s3-5)目標模型的所有頂點是否被處理。如果不是這樣，則選擇目標模型中的下一頂點(s3-6)以及最近頂點陣列36中的數據之後被更新(s3-2-s3-4)，然後，匹配模塊34再次檢查目標模型中的所有頂點是否被處理。
[0051]圖4是由匹配模塊34針對最近頂點陣列36的部分所進行的處理的示意圖。
[0052]在圖4Α的示例中，在相對於網格的位置中示出了示例性頂點的點A-D，其中，網格線的交叉點對應於與最近頂點陣列36中的數據相關聯的位置。在圖4的示圖中，僅示出了二維陣列，但在實際實施例中，數據將被存儲在三維陣列中。
[0053]當處理頂點A時，頂點A的坐標數據能夠使得包含A的正方形被識別並且該正方形的角之後與標識矢量A的數據以及該角和頂點A的實際位置之間的距離相關聯。類似地，當處理頂點B時，包含頂點B的正方形被識別並且陣列的與該正方形的角相關聯的部分將被更新以標識頂點B。當處理頂點C時，陣列中的相同點將被識別，因為B和C都位於相同正方形中。陣列的與該正方形相對應的離頂點C比離頂點B更近的角之後被更新以與頂點C、而不是與頂點B相關聯。
[0054]圖4Β示出了當頂點A、B、C和D被處理後陣列的狀態。在該階段，與字母相關聯的交叉點中的每一個與標識頂點的數據(在圖中示出為字母A-D)以及標識在由陣列項表示的位置和由字母標識的頂點的位置之間的距離的距離數據相關聯。
[0055]返回至圖3，在處理了目標模型中的所有頂點並生成了諸如圖4B所示的稀疏填充的陣列之後，匹配模塊34之後(s3-7)將頂點和距離數據傳播遍及整個網格。
[0056]更具體地，始於陣列的左下角，陣列中的每個項被依次考慮。在初始傳遞中，項被從左到右處理。陣列被掃描直到與頂點和距離數據相關聯的第一項被識別。針對陣列中每個隨後位置，如果沒有頂點數據與陣列中的位置相關聯，則標識最近識別的最近頂點的數據以及標識該頂點和當前標識點之間的距離的距離數據被存儲。如果陣列中的點已經與頂點數據相關聯，則確定與正在被處理的陣列的部分相關聯的頂點是否與該點最近，或者最近識別的頂點是否最近，並且將陣列中的該點與標識更近頂點和離該頂點的距離的數據相關聯。
[0057]由此例如，在圖4B所示的陣列的情況中，在陣列的左下方開始，從左向右移動，在陣列的底部，要遇到的陣列的第一項將是在陣列底部的與頂點B相關聯的項。進一步向右移動，下一項與頂點C相關聯。在該情況下,檢查頂點B還是頂點C離由網格中該項所標識的位置最近。確定了頂點C是最近的之後，陣列中向右移動的隨後項將被更新以與頂點C相關聯，直到識別到更近的項。
[0058]從左向右移動地更新了陣列之後，相同的處理之後通過從右向左、從上到下、從下到上以及從前到後和從後到前移動來重複。
[0059]圖4C是在最近頂點數據被傳播遍及整個陣列之後圖4B的陣列的部分的示意圖。如可以在圖4C中所看到的，在處理之後，最近頂點陣列36中的每個點與標識最近頂點的數據相關聯。頂點陣列被填充的方式是使得確保頂點數據標識目標模型中與空間中關聯於頂點的點最近的頂點。因為頂點陣列中標識的點是規則網格上的點，因此陣列中與空間中的任何位置最近的點可以從坐標數據快速確定。
[0060]返回至圖2，在已經填充了最近頂點陣列36之後，陣列之後可以被利用來協助識別所生成的模型表面中與目標模型存儲器32中的目標模型的部分相對應的部分。
[0061]在該實施例中，最初，存儲在生成模型存儲器30中的所生成模型中的所有頂點被認為適於匹配至目標模型的部分。
[0062]目標模型中離當前被考慮用於匹配的所生成模型中的頂點中的每一個最近的三角形之後被確定(s2-2)。針對所生成模型中的每個頂點依次來進行該確定。
[0063]轉向圖5，其是匹配模塊34的用於識別目標模型中離所生成模型中的頂點最近的三角形的處理的流程圖，最初(s5-l)，通過基於正在被處理的頂點的坐標使用最近頂點陣列36作為查找表，來識別用於識別目標模型中與當前頂點的位置最近的部分的種子。
[0064]由此例如，當處理所生成模型中與坐標數據(X+ δ χ, y+ δ y, ζ+ δ ζ)相關聯的頂點時，匹配模塊34將使用最近頂點陣列36中的頂點數據來標識最近頂點陣列34中的與位置(χ, y, z)、(x+1, y, z)、(x, y+1, ζ)、(x+1, y+1, ζ)、(χ, y, ζ+1)、(χ+1, y, ζ+1)、(χ, y+Ι, ζ+1)和(χ+1, y+Ι, ζ+1)相關聯的頂點。
[0065]匹配模塊34之後(s5_2)通過確定由最近頂點陣列36訪問的部分中的頂點數據標識的哪些頂點與當前正被處理的頂點的位置最近來識別用於識別目標模型中的最近三角形的單個種子點。由此，通過訪問最近頂點陣列36標識了直到8個頂點作為候選種子點之後，當前被處理的頂點和候選頂點的位置之間的距離被確定，並且目標模型中被確定為在空間中離正在被處理的頂點的位置最近的頂點被標識。
[0066]匹配模塊34之後(s5_3)利用存儲在目標模型存儲器32中的模型的連通數據來識別目標模型中連接至所標識的最近種子頂點的頂點，並針對每個頂點計算在目標模型中所標識頂點的位置和與當前被處理的當前所生成模型中的頂點相關聯的位置之間的歐幾裡得距離。
[0067]如果匹配模塊34確定(s5_4)連接至當前種子頂點的任何頂點在空間中與正被處理的當前所生成模型中頂點的位置更接近，則被識別為與當前正被處理的所生成模型中的頂點的位置最近的頂點被設置為種子頂點，以及之後在確定那些所連接頂點的距離值(s5-3)之前使用用於目標模型的連通數據來識別連接至新的種子頂點的頂點(s5-5)。匹配模型34之後再次確定(s5-4)所連接頂點中的任何一個在空間中是否比當前種子頂點更接近於當前正被處理的所生成的模型中的頂點。
[0068]以這種方式，匹配模塊34在目標模型的表面上移動，在使用最近頂點陣列36選擇的位置開始，並且在每次迭代中向目標模型中更接近所生成表面中當前被處理的頂點的位置的頂點移動。
[0069]最後，當處理所連接的頂點時，匹配模塊36將確定(s5_4)連接至當前種子頂點的頂點在空間中都不比種子頂點本身更接近於正被處理的所生成模型中頂點的位置。在該點(s5-6)，匹配模塊34識別包含種子頂點的三角形平面中的哪一個離正被處理的所生成模型中的頂點最近。
[0070]更具體地，確定了目標模型中最近的頂點之後，匹配模塊34使用目標模型表面的連通數據來識別目標模型中包括該頂點的所有三角形。之後針對在當前正被處理的所生成模型中頂點的位置和包含所識別三角形中的每一個的平面中的每一個之間的距離來計算點到平面的距離。之後存儲標識最近的點到平面距離以及目標模型中包含在與該距離相關聯的平面中的三角形的數據。
[0071]由此，在該階段，匹配模塊34已經識別了離正被處理的頂點最近的包含目標模型中的三角形的平面。如果當前模型和目標模型對應於相同表面，則考慮中的頂點可能會對應於該三角形內某處或表面上附近某處的點。
[0072]返回至圖2，確定了目標模型中離所生成模型中當前正被用於匹配的各頂點的位置最近的三角形之後，匹配模塊之後(s2-3)確定用於選擇頂點的一組閾值，以用於確定匹配轉換。
[0073]在該實施例中，匹配模塊34針對過濾使用三個標準。
[0074]首先，頂點被過濾以移除點到平面距離超過閾值的任何匹配。最初，該閾值被設置為諸如與米相對應的距離的高值，以僅除去異常值和錯誤數據點。在隨後迭代中，基於來自之前迭代的平均點到平面距離來設置閾值。為了平衡靈活性和將數據集降低至易管理大小的需要，發現將距離閾值設置為平均所確定的點到平面距離的1.5倍是可接受的。這種過濾使得異常數據點被除去並且因此防止這些異常值影響當前表面和模型表面之間的匹配。
[0075]除了基於點到平面距離的過濾以外，也可以使用定向測量來對頂點進行過濾。當前所生成模型中頂點的定向矢量可以通過計算包含該頂點的當前所生成模型中三角形的平均法向矢量來確定。之後可以通過計算包含目標模型中所識別最近三角形的平面的法線和針對正被處理的頂點計算的平均法向矢量的交叉乘積來確定兩個模型的相對定向。這種點積的範圍從-1至1，其中-1指示在其最近點處的兩個表面在相反方向上定向，以及為I的值指示定向的完全一致。如利用距離測量那樣，所確定的點積可以與閾值進行比較，該閾值最初可以被設置為不除去任何頂點並且逐漸增大以要求定向的增加的相似性。該漸進方法最大化了模型的匹配部分相互對應的可能性，因為期望的是，如果點匹配，則表面處的定向也將匹配。
[0076]最後，除了基於距離和定向測量考慮排除頂點以外，在該實施例中，匹配模塊34還檢查是否針對任意兩個頂點，頂點至所識別的三角形平面上的投影標識同一位置，如果是，則這些頂點被移除而不會被進一步考慮。對這些重複的排除確保了可以確定最小化點到平面距離的唯一轉換。
[0077]確定了要用於當前迭代的距離和定向閾值之後，匹配模塊34(s2_4)識別滿足當前匹配標準的頂點的集合。也就是說，匹配模塊34識別以下頂點的集合:其與小於當前距離閾值的點到平面距離相關聯並且與不大於當前定向閾值的定向測量相關聯並標識所存儲模型中僅有的最近頂點。
[0078]基於距離、定向過濾了頂點並確保每個頂點與至三角形平面的唯一投影相關聯之後，匹配模塊34之後(s2_5)確定當前模型的平移和旋轉，其最小化了在當前模型中的頂點和目標模型中所識別的最近三角形平面之間的點到平面距離。
[0079]通過考慮將當前正被用於匹配表面的當前模型中的頂點的質心與對應於一組點中每一個至針對這些點確定的相應最近三角形平面的投影的該組點的質心對準所需的平移，可以確定合適的平移。確定了合適的平移之後，可以通過應用普氏分析來確定用於匹配兩個表面的旋轉，普氏分析用作匹配測量的良好度的度量，其試圖最小化與正被匹配的頂點相關聯的點至平面距離度量的平方和。
[0080]確定了平移和旋轉之後，匹配模塊34確定(s2_6)是否已經進行了所需數量的迭代。如果不是，則匹配模塊34將所確定的平移和旋轉施加(s2-7)至正被匹配的當前所生成模型的頂點數據。目標模型中離當前模型中用於將當前模型匹配至目標模型的頂點中的每一個最近的三角形平面在被過濾(s2-3-s2-4)之前被確定(s2-2)並且用於確定(s2_5)用於改進的匹配的平移和旋轉。
[0081]當匹配模塊34確定(s2_6)進行了最終迭代時，匹配模塊34輸出(s2_8)用於將所生成表面匹配至模型表面所確定的平移和旋轉的和，作為所計算的最終轉換。所確定的轉換之後可以用於使機械床18重定向患者或者替代地在患者被檢測為從位置移動大於可接受量的情況下觸發警報或停止治療。
[0082]以所述方式確定匹配轉換已經被確定為能夠比簡單試圖進行普氏分析生成更精確的匹配，普氏分析基於試圖最小化模型對中頂點的最小平方距離來匹配當前和目標模型。當從在不同時刻獲得的立體圖像生成患者的表面的模型時，模型中的頂點僅對應於表面上的點並且不必然對應於患者的表面上的相同點。所述系統確定便於將頂點匹配至被識別為位於包括由三角形表示的所有表面的目標模型表面上的任何位置的匹配，而不是試圖確定模型中頂點之間的匹配。
[0083]所述方法還能夠使得這些匹配被快速地確定。預填充最近頂點陣列36能夠非常快速地確定用於確定匹配的初始種子點。在模型的表面上移動以檢查目標模型中的附近頂點實際上是否比初始識別的種子點更接近頂點消除了由於在選擇初始種子點時使用的任何近似而可能發生的誤差。可以通過在每次迭代時僅考慮用於匹配的頂點的子集而進一步提高匹配的速度。如所述，保留最可能對應於兩個模型之間的重疊區域的頂點的合適子集可以通過考慮正被匹配的點處的相對定向和平面至點距離測量來確定。通過逐漸增大用於頂點的繼續使用的閾值，僅保持被確定為最適於匹配的那些點。
[0084]另外的替換和實施例
[0085]儘管參考附圖描述的本發明的實施例包括計算機設備和在計算機設備中進行的處理，但本發明還擴展至適於實現本發明的電腦程式，特別地在載體上或中的電腦程式。程序可以是源或目標代碼的形式或者適用於實現根據本發明的處理的任何其他形式。載體可以是能夠承載程序的任何實體或裝置。
[0086]例如，載體可以包括諸如ROM(例如CD ROM或半導體ROM)的存儲介質、或者例如軟盤或硬碟的磁記錄介質。此外，載體可以是能傳送的載體，諸如電或光信號，其可以經由電纜或光纜或者通過無線電或其他方式傳輸。
[0087]當程序以可以通過電纜或者其他裝置或部件直接傳輸的信號實現時，載體可以由這種電纜或者其他裝置或部件構成。
[0088]可替換地，載體可以是其中嵌入了程序的集成電路，該集成電路適於執行或用於執行相關處理。
【權利要求】
1.一種確定用於將物體的位置與由目標模型表示的目標物體的位置匹配的剛性轉換的計算機實現的方法，所述目標模型包括標識三角形3D線網的頂點的集合的3D位置和表示頂點之間的連接的連通性的數據，所述方法包括: 獲得物體的立體圖像； 利用計算機處理所述立體圖像以識別所成像物體的表面上的多個點的3D位置； 利用所述計算機基於所識別的3D位置和所述目標模型中被識別為離所述位置最近的頂點之間的所確定距離來選擇所成像物體的表面上的所識別3D位置的集合作為要用於確定剛性轉換的點，所述剛性轉換用於將物體的位置與目標物體的位置進行匹配；以及 利用所述計算機來計算最小化在所識別3D位置的集合與包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換。
2.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，選擇所成像物體的表面上的所識別3D位置的集合以及計算最小化在所識別3D位置的集合與包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換包括多次迭代: 確定要用於當前迭代的閾值； 基於所識別的3D位置和所述目標模型中被識別為離所述位置最近的頂點之間的距離與所述閾值的比較來選擇所成像物體的表面上的所識別3D位置的集合作為要用於確定剛性轉換的點，所述剛性轉換用於將物體的位置與目標物體的位置進行匹配； 計算最小化在所識別3D位置的集合與包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換； 其中，用於將物體的位置與目標物體的位置進行匹配的剛性轉換包括在每次迭代時確定的轉換的和。
3.根據權利要求2所述的計算機實現的方法，其中:確定要用於當前迭代的閾值包括: 設置用於第一次迭代的初始閾值；以及 基於所識別的3D位置和所述目標模型中被識別為離所述位置最近的頂點之間的平均距離來確定用於隨後迭代的閾值。
4.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，選擇所成像物體的表面上的所識別3D位置的集合作為要用於確定用於將物體的位置與目標物體的位置進行匹配的剛性轉換的點還包括: 基於在點處的所述物體的相對定向和所述目標模型表面中被識別為離該點最近的三角形的定向來選擇所成像物體的表面上的要用於計算剛性轉換的所識別3D位置。
5.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，選擇所成像物體的表面上的所識別3D位置的集合作為要用於確定用於將物體的位置與目標物體的位置進行匹配的剛性轉換的點還包括: 過濾所成像物體的表面上的所選擇的要用於計算剛性轉換的所識別3D位置，以在計算剛性轉換之前移除被確定為投影至相同位置的任何點，所述剛性轉換最小化在所過濾的所識別3D位置的集合與包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離。
6.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，計算最小化在所成像物體的表面上的所識別點與包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換包括: 針對所述點的每一個確定所述點至包含所述目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面的投影； 確定將被識別為位於物體的表面上的位置的點的質心與所述點至包含所述目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的所識別平面的投影對準的平移；以及 在施加所確定的平移之後，確定最小化在所成像物體的表面上的所識別點與包含所述目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的旋轉。
7.根據前述權利要求中任一項所述的計算機實現的方法，其中，針對所成像物體的表面上的點的所識別3D位置來識別所述目標模型表面中離所述點最近的三角形包括: 生成用於針對3D空間中點的規則網格來識別所述目標模型中離這些點最近的頂點的陣列； 識別規則3D網格的離所成像物體的表面上的點最近的部分； 通過所述陣列利用與所述3D網格的所識別部分相關聯的頂點來識別所述目標模型表面中離所述點最近的三角形。
8.根據權利要求7所述的計算機實現的方法，其中，通過所述陣列利用與所述3D網格的所識別部分相關聯的頂點來識別所述目標模型表面中離所述點最近的三角形包括: 確定與所述3D網格的所識別部分相關聯的頂點、所述模型表面中與當前正被處理的物體的表面上的點最近的頂點； 確定直接連接至所確定的最近頂點的頂點中的任一個是否更接近於當前正被處理的所成像物體的表面上的點的3D位置； 如果直接連接的頂點中的任一個被確定為更接近於當前正被處理的所成像物體的表面上的點的3D位置，則識別連接至該頂點的任意頂點是否更接近於當前正被處理的所成像物體的表面上的點的3D位置；以及 當確定所述直接連接的頂點都沒被確定為更接近於當前正被處理的所成像物體的表面上的點的3D位置時，針對所述目標模型中包含最近所識別頂點的每個三角形來確定在包含該三角形的平面和所成像物體的表面上的點的3D位置之間的距離，以識別所述目標表面中離當前正被處理的物體的表面上的點最近的三角形。
9.根據權利要求7所述的計算機實現的方法，其中，所述生成用於針對3D空間中點的規則網格來識別目標模型中離這些點最近的頂點的陣列包括針對目標模型中的每個頂佔-^ \\\.使用與目標模型的頂點相關聯的3D坐標來識別規則3D網格中與所述頂點的位置最近的部分； 確定所述頂點與對應於規則3D網格的所識別部分中的點的位置之間的距離；以及確定所識別的點是否與表示離所述目標模型中另一頂點更近的點的數據相關聯，以及如果不是，將所述點關聯到標識所述頂點和所述頂點與所述點之間的距離的數據。
10.根據權利要求9所述的計算機實現的方法，還包括: 通過以下來關聯所述規則網格的不與標識頂點的數據相關聯的部分:在與所述規則3D網格的軸相對應的方向中的每一個上遍歷所述規則3D網格，以及當遍歷所述網格時，確定在遍歷方向上與所述網格上的鄰近點相關聯的頂點是否比之前與該網格點相關聯的任何頂點更接近於與當前網格點相關聯的位置，以及如果這樣，關聯所述網格點和標識與該鄰近網格點相關聯的頂點的數據。
11.一種患者監視系統，包括: 3D位置確定模塊，其可操作來處理患者的立體圖像以識別所成像患者的表面上的多個點的3D位置； 目標模型存儲器，其可操作來存儲目標模型，該目標模型包括標識三角形3D線網模型的頂點的集合的3D位置和表示頂點之間的連接的連通性的數據；以及 匹配模塊，其可操作來識別所述目標模型存儲器中存儲的目標模型表面中離由所述3D位置確定模塊所識別的點最近的三角形，並計算最小化在所識別點的所選擇集合與包含所述目標模型表面的被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換，其中，基於所識別的3D位置和所述目標模型中被識別為離所述位置最近的頂點之間的所確定距離來選擇用於確定所述剛性轉換的所選擇的點的集合。
12.根據權利要求11所述的患者監視系統，其中，所述匹配模塊可操作來通過以下步驟選擇用於計算剛性轉換的所成像患者的表面上的所識別的3D位置: 確定點與所述目標模型中被識別為離該點最近的頂點之間的距離；以及 選擇與小於閾值的距離相關聯的點作為要用於計算剛性轉換的點。
13.根據權利要求12所述的患者監視系統，其中，所述閾值包括基於在所識別的3D位置和所述目標模型中所識別的最近頂點之間的平均確定距離而確定的閾值。
14.根據權利要求11所述的患者監視系統，其中，所述匹配模塊可操作來基於在點處的物體的相對定向和所述目標模型表面中被識別為離該點最近的三角形的定向來選擇所成像患者的表面上的所識別3D位置，以用於計算最小化點到平面距離的剛性轉換。
15.根據權利要求11所述的患者監視系統，其中，所述匹配模塊可操作來過濾所成像患者的表面上要用於計算最小化點到平面距離的剛性轉換的所選擇的所識別3D位置，以在計算最小化在所過濾的所識別3D位置的集合與包含所述目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換之前移除被確定為投影至相同位置的任何點。
16.根據權利要求11所述的患者監視系統，其中，所述匹配模塊可操作來通過以下計算最小化點到平面距離的剛性轉換: 針對點確定所述點至包含所述目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面的投影； 確定將被識別為位於患者的表面上的位置的點的質心與所述點至包含所述目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的所識別平面的投影對準的平移；以及 在施加所確定的平移之後，確定最小化在所成像患者的表面上的所識別點與包含所述目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的旋轉。
17.根據權利要求11所述的患者監視系統，還包括: 最近頂點陣列，其可操作來存儲針對規則網格上的點來識別所述目標模型存儲器中存儲的模型的離所述點最近的頂點的數據， 其中，所述匹配模塊可操作來通過以下步驟識別所述目標模型存儲器中存儲的目標模型表面中離由所述3D位置確定模塊所識別的點最近的三角形: 識別所述規則3D網格的離所成像患者的表面上的點最近的部分；以及通過所述最近頂點陣列利用與所述3D網格的所識別部分相關聯的頂點來識別所述目標模型表面中離所述點最近的三角形。
18.根據權利要求17所述的患者監視系統，其中，所述匹配模塊可操作來通過以下步驟來通過所述最近頂點陣列利用與所述3D網格的所識別部分相關聯的頂點來識別目標模型表面中離所述點最近的三角形: 通過所述最近頂點陣列中的數據來確定與所述3D網格的所識別部分相關聯的頂點、所述模型表面中與當前正被處理的患者的表面上的點最近的頂點； 確定直接連接至所確定的最近頂點的頂點中的任一個是否更接近於當前正被處理的所成像患者的表面上的點的3D位置； 如果直接連接的頂點中的任一個被確定為更接近於當前正被處理的所成像患者的表面上的點的3D位置，則識別連接至該頂點的任意頂點是否更接近於當前正被處理的所成像物體的表面上的點的3D位置；以及 當確定所述直接連接的頂點都沒被確定為更接近於當前正被處理的所成像患者的表面上的點的3D位置時，針對所述目標模型中包含最近所識別頂點的每個三角形來確定在包含該三角形的平面與所成像物體的表面上的點的3D位置之間的距離，以識別所述目標表面中離當前正被處理的患者的表面上的點最近的三角形。
19.根據權利要求17所述的患者監視系統，其中，所述匹配模塊可操作來通過針對目標模型中的每個頂點執行下述步驟來生成陣列，其中該陣列針對3D空間中點的規則網格來識別目標模型中離這些點最近的頂點: 使用與目標模型的頂點相關聯的3D坐標來識別規則3D網格中與所述頂點的位置最近的部分； 確定所述頂點與對應於規則3D網格的所識別部分中的點的位置之間的距離；以及確定所識別的點是否與表示離所述目標模型中另一頂點更近的點的數據相關聯，以及如果不是，將所述點關聯到標識所述頂點和所述頂點與所述點之間的距離的數據。
20.根據權利要求19所述的患者監視系統，其中，所述匹配模塊可進一步操作為: 通過以下來關聯所述規則網格的不與所述最近頂點陣列中的數據相關聯的部分:在與所述規則3D網格的軸相對應的方向中的每一個上遍歷所述規則3D網格，以及當遍歷所述網格時，確定在遍歷方向上通過所述最近頂點陣列中的數據與所述網格上的鄰近點相關聯的頂點是否比之前與該網格點相關聯的任何頂點更接近於與當前網格點相關聯的位置，以及如果這樣，關聯所述最近頂點陣列中的該網格點和標識與該鄰近網格點相關聯的頂點的數據。
21.根據權利要求11所述的患者監視系統，還包括: 立體攝像機，其可操作來獲得患者的立體圖像，其中，所述3D位置確定模塊被配置為處理由所述立體攝像機獲得的立體圖像。
22.根據權利要求21所述的患者監視系統，還包括: 機械床，其中，所述立體攝像機可操作來獲得所述床上的患者的立體圖像，以及所述匹配模塊可操作來基於最小化在所成像患者的表面上的所識別點和包含所述目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的所計算的剛性轉換，生成指令以使得所述機械床對準所成像患者。
23.根據權利要求11所述的患者監視系統，還包括治療設備，其中所述治療設備被配置為:如果所述匹配模塊確定最小化在所成像患者的表面上的所識別點和包含所述目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的所計算的剛性轉換表示患者從位置移動大於閾值量，則禁止操作。
24.一種存儲計算機可執行指令的非瞬態計算機可讀介質，所述計算機可執行指令在由可編程計算機執行時使得所述計算機確定用於將物體的位置與由目標模型表示的目標物體的位置匹配的剛性轉換，所述目標模型包括標識三角形3D線網的頂點的集合的3D位置和表示頂點之間的連接的連通性的數據，所述方法包括: 獲得物體的立體圖像； 處理所述立體圖像以識別所成像物體的表面上多個點的3D位置； 基於所識別的3D位置與所述目標模型中被識別為離所述位置最近的頂點之間的所確定距離來選擇所成像物體的表面上的所識別3D位置的集合作為要用於確定剛性轉換的點，所述剛性轉換用於將物體的位置與目標物體的位置進行匹配；以及 計算最小化在所識別3D位置的集合與包含目標模型表面中被識別為離這些點最近的三角形的平面之間的點到平面距離的剛性轉換。
【文檔編號】G06T7/00GK104246827SQ201380020931
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年4月17日 優先權日:2012年4月19日
【發明者】I·玫爾 申請人:維申Rt有限公司