用于分析放射治疗设备几何的系统、软件和相关方法.pdf

提供了一种分析放射治疗设备(31)的几何的系统(30)、软件(71)及方法。系统(30)包括具有旋转组件(51)、(53)、(55)的设备(31)，以及一个或多个可跟踪体(33)，以标记该旋转组件(51)、(53)、(55)的预选定部分的位置。系统(30)还包括可跟踪参照固定物(35)，并可包括恒定取向可跟踪体(36)。确定器(39)确定该可跟踪体(33)、可跟踪参照固定物(35)和恒定取向可跟踪体(36)的位置与/或取向。确定器(39)确定设备(31)的几何以分析供操作人员使用的坐标系。确定器(39)可具有存储器(69)以及存储在存储器(69)内的分析该设备几何的几何分析软件(71)。

权利要求书
1.   一种系统(30)，用于分析放射治疗设备(31)的几何以确定用于为放射束和患者定位提供参考的坐标系的原点位置和取向，使得治疗计划可以更精确地应用到患者，所述系统(30)包括放射治疗设备(31)，所述放射治疗设备包括多个旋转组件(51)，(53)，(55)，每个所述旋转组件将放射束引导穿过患者的目标(T)且分别具有位于特有平面内的旋转路径(RP)和旋转轴(G)，(C)，(TT)，每个旋转组件(51)，(53)，(55)的旋转轴(G)，(C)，(TT)与所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)的每个其他旋转组件(51)，(53)，(55)的旋转轴(G)，(C)，(TT)相交于基本上相同的三维坐标，该三维坐标定义所述治疗设备(31)的等中心坐标系的等中心(43)，所述系统(30)进一步特征在于：
多个光学可跟踪体(63)，每一个连接到所述治疗设备(31)的所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中相应一个的预选定部分，且每一个安装有多个光学向后反射球(34)；
光学探测器(37)，具有在选定三维光学探测器参照位置(O)定位成与所述多个光学可跟踪体(33)分隔开的光学探测器体(61)以及连接到所述光学探测器体(61)的至少一对分离且分隔开的光学接收器(63)，所述至少一对光学接收器(63)中每个置成接收由所述光学可跟踪体(33)的所述多个光学向后反射球(34)的子集所反射的光学能量，以检测所述多个向后反射球(34)的三维球位置，使得在所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)旋转期间，所述光学探测器(37)产生多个位置信号，所述多个位置信号指示所述多个光学向后反射球(34)的三维坐标位置；以及
确定器(39)，与所述光学探测器(37)通信以确定所述放射治疗设备(31)的等中心(43)，所述确定器(39)具有与其相关联的存储器(69)以及存储于所述存储器(69)内用于分析放射治疗设备几何的几何分析软件(71)，所述几何分析软件(71)包括：
位置确定器(73)，响应于来自所述光学探测器(73)的所述多个位置信息来确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)每个的相应三维坐标位置集合，每个三维坐标位置集合基本上沿所述旋转组件(51)，(53)，(55)的每相应的一个的预选定部分的旋转路径(RP)定位；
弧确定器(75)，响应于所述位置确定器(73)来确定所述旋转组件(51)，(53)，(55)的每相应一个的每个三维坐标位置集合的单独的弧(A1)，(A2)，(A3)的拟合，每个拟合弧(A1)，(A2)，(A3)指示所述旋转组件(51)，(53)，(55)中相应一个的预选定部分的旋转路径(RP)，且置于与每个其他拟合弧(A1)，(A2)，(A3)的平面基本上正交的平面内；
轴确定器(77)，响应于所述弧确定器(75)来确定每个拟合弧(A1)，(A2)，(A3)的旋转中心和法线，其指示所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)的每相应一个的旋转轴(G)，(C)，(TT)；以及交点确定器(79)，响应于所述轴确定器(77)来确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)每个的旋转轴(G)，(C)，(TT)的交点，所述交点基本上指示所述等中心(43)的三维坐标位置。

2.   如权利要求1所定义的系统(30)，还包括光学可跟踪固定物(35)，其在相对于所述等中心(43)的确定的三维坐标位置的预定偏移位置处固定地连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)之一，且安装有多个光学指示器(34)，所述多个光学指示器(34)每个之间具有独特的段长，使得当所述光学可跟踪固定物(35)由所述光学探测器(37)查看时所述确定器(39)可以识别所述光学可跟踪固定物(35)，且相对于所述光学可跟踪固定物(35)的预选定坐标系原点定位以确定所述光学可跟踪固定物(35)的指定坐标系的每个轴的原点的三维坐标位置和线性方向，所述光学可跟踪固定物(35)的预选定坐标系的每个轴的线性方向限定了在所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)之一旋转时变化的光学可跟踪固定物取向。

3.   如权利要求1所定义的系统(30)，其中所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)的每相应一个的每个三维坐标位置集合被确定，以便得到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)每个的基本上最大的旋转弧(A1)，(A2)，(A3)。

4.   如权利要求3所定义的系统(30)，其中所述几何分析软件(71)还包括：
不完美识别器(83)，响应于所述弧确定器(75)来识别所述三维坐标位置集合内的、与定义每个相应拟合弧(A1)，(A2)，(A3)的数据集合内的三维坐标位置不基本一致的三维坐标位置，当如此确定时，该三维坐标位置指示了相应旋转组件(51)，(53)，(55)内不完美的相对位置；以及
不完美分析器(85)，响应于所述不完美识别器(83)，分析所识别的不完美在如此存在时对所述等中心(43)的已确定三维位置和对所述等中心坐标系的确定的取向的影响。

5.   如权利要求1所定义的系统(30)，其中所述多个光学可跟踪体的功能是通过使用单个光学可跟踪体(33)来实现，所述单个光学可跟踪体(33)顺序连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)之一的预选定部分，在将所述光学可跟踪体(33)连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中另一个之前单独地随相应旋转组件(51)，(53)，(55)旋转，且在将所述光学可跟踪体(33)连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中另一个之前由所述光学探测器(37)查看。

6.   如权利要求1所定义的系统(30)，其中所述治疗设备(31)包括线性加速器，所述线性加速器包括：旋转台架组件(51)、旋转束准直器组件(53)、以及旋转患者治疗台(55)，所述旋转台架组件(51)具有台架旋转轴(G)、台架旋转外圆周、以及置为毗邻所述台架旋转外圆周以将放射束引导朝向所述台架旋转轴(G)的台架头(57)，所述旋转束准直器组件(53)连接到台架头(57)且具有置为与由台架头(57)引导的放射束中心轴同轴的准直器旋转轴(C)，用于整形所述放射束的轮廓，所述旋转患者治疗台(55)具有治疗台旋转轴(TT)且置为毗邻台架组件(51)以在治疗期间相对于所述等中心(43)移动所述患者的目标(T)的位置。

7.   如权利要求6所定义的系统(30)，还包括固定地连接到所述旋转台架(51)的光学可跟踪固定物(35)，其毗邻所述台架旋转外圆周且在相对于所述等中心(43)的已确定三维坐标位置的预定位置，且其中所述光学可跟踪固定物(35)为所述多个光学可跟踪体(33)之一的合适替代。

8.   如权利要求7所定义的系统(30)，还包括恒定取向光学可跟踪体(33)，其连接到所述旋转台架(51)并在所述旋转台架(51)旋转期间具有保持恒定的取向，以为所述确定器(39)提供参照取向，从而由此确定所述旋转台架组件(51)的旋转角度。

9.   如权利要求2所定义的系统(30)，还包括：
光学可跟踪激光对准体(42)，适于定位于距离所述光学可跟踪固定物(35)预定偏移位置，所述预定偏移位置与所确定的等中心位置(43)一致，所述光学可跟踪激光对准体(42)具有多个激光对准标记(44)以提供激光对准。

10.   如权利要求9所定义的系统(30)，还包括：
激光阵列(41)，适于与所述放射治疗设备(31)成固定关系被安装，且适于依据等中心(43)而取向，以允许激光对准到所述光学可跟踪激光对准体(42)，由此提供对所确定的等中心位置(43)的激光标记。

11.   一种系统(30)，用于分析设备(31)的几何，所述系统(30)包括设备(31)，所述设备(31)包括多个旋转组件(51)，(53)，(55)，每一个具有位于特有平面内的旋转路径(RP)和旋转轴(G)，(C)，(TT)，每个旋转组件(51)，(53)，(55)的旋转轴(G)，(C)，(TT)与所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中每个其他旋转组件(51)，(53)，(55)的旋转轴(G)，(C)，(TT)相交于基本上相同的三维坐标，该三维坐标定义所述设备(31)的等中心(43)；以及可跟踪体(33)，(35)，连接到所述设备(31)的所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)之一的预选定部分且安装有多个指示器(34)，所述系统(30)进一步特征在于：
探测器(37)，具有置成与所述可跟踪体(33)分隔开的探测器体(61)以及置为从所述可跟踪体(33)的所述多个指示器(34)接收能量的接收器(63)以检测所述多个指示器(34)的三维指示器位置，使得在所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述一个旋转期间，所述探测器(37)产生多个位置信号，所述多个位置信号指示所述多个指示器(34)的三维指示器位置；以及
确定器(39)，与所述探测器(37)通信且响应于在所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述一个旋转期间由所述探测器(37)产生的多个位置信号，以确定基本上沿着所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)之一的预选定部分的旋转路径(RP)定位的、所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述一个的预选定部分的三维坐标位置集合，以由此确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述一个的旋转轴(G)，(C)，(TT)。

12.   如权利要求11所定义的系统(30)，其中所述确定器(39)确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中至少两个的每一个的预选定部分的三维坐标位置的单独的集合，以由此确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中该至少两个的旋转轴(G)，(C)，(TT)以及所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中该至少两个的旋转轴(G)，(C)，(TT)的交点，所述交点基本上指示所述等中心(43)的三维坐标位置。

13.   如权利要求12所定义的系统(30)，还包括可跟踪固定物(35)，在相对于所述等中心(43)的已确定三维坐标位置的预定偏移位置固定地连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中的所述一个，所述可跟踪固定物(35)安装有多个指示器(34)。

14.   如权利要求13所定义的系统(30)，还包括恒定取向可跟踪体(36)，其连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个之一，安装有多个指示器(34)，且在所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个中所述一个旋转期间具有基本上保持恒定的取向以提供参照取向。

15.   如权利要求13所定义的系统(30)，其中所述可跟踪体(33)顺序连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个的每个预选定部分，在连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个的另一个之前单独地随每个相应的旋转组件(51)，(53)，(55)旋转，且在连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个的另一个之前由所述探测器(37)查看，以为所述确定器(39)提供附加位置信号，来确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个的每一个的预选定部分的单独的三维坐标位置集合。

16.   如权利要求11所定义的系统(30)，其中所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述一个为所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中第一个，其中所述可跟踪体(33)为连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中该第一个的第一可跟踪体(33)，(35)，其中所述系统(30)还包括连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中第二个的预选定部分并安装有多个指示器(34)的第二可跟踪体(33)，其中所述探测器接收器(63)定位成从所述第二可跟踪体(33)的所述多个指示器(34)接收能量以检测所述多个指示器(34)的三维指示器位置，使得在所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述第二个旋转期间，所述探测器(37)产生多个位置信号，该多个位置信号指示所述第二可跟踪体(33)的所述多个指示器(34)的三维指示器位置，且其中所述确定器(39)确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述第二个的预选定部分的第二三维坐标位置集合，以由此确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述第二个的旋转轴(G)，(C)，(TT)以及所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述第一和第二个的旋转轴的交点，所述交点基本上指示所述等中心(43)的三维坐标位置。

17.   如权利要求12所定义的系统(30)，
其中所述确定器(39)具有存储器(69)以及存储于所述存储器(69)内的用于分析设备几何的几何分析软件(71)；以及
其中所述几何分析软件(71)还包括：
位置确定器(73)，响应于来自所述探测器(73)的所述多个位置信息以确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个的相应三维坐标位置集合；以及
弧确定器(75)，响应于所述位置确定器(73)来确定每个三维坐标位置集合的单独的弧(A1)，(A2)，(A3)的拟合，每个拟合弧(A1)，(A2)，(A3)指示所述旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个之一的预选定部分的旋转路径(RP)，且置于与每个其他拟合弧(A1)，(A2)，(A3)的平面基本上正交的平面内。

18.   如权利要求17所定义的系统(30)，其中所述几何分析软件(71)还包括：
轴确定器(77)，响应于所述弧确定器(75)来确定每个拟合弧(A1)，(A2)，(A3)的旋转中心和法线，其分别指示所述旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个的每一个的旋转轴(G)，(C)，(TT)；以及
交点确定器(79)，响应于所述轴确定器(77)来确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个的旋转轴的交点，所述交点基本上指示所述等中心(43)的三维坐标位置。

19.   如权利要求18所定义的系统(30)，
其中为所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个的每一个的基本上最大的旋转弧(A1)，(A2)，(A3)，确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)中所述至少两个的每相应一个的每个三维坐标位置集合；以及
其中所述几何分析软件(71)还包括：
不完美识别器(83)，响应于所述弧确定器(75)来识别所述三维坐标位置集合内的、与定义每个相应拟合弧(A1)，(A2)，(A3)的数据集内的三维坐标位置不基本一致的三维坐标位置，当如此确定时，该三维坐标位置指示了相应旋转组件(51)，(53)，(55)内不完美的相对位置；以及
不完美分析器(85)，响应于所述不完美识别器(83)，分析所识别的不完美在如此存在时对所述等中心(43)的已确定三维位置的影响。

20.   如权利要求18所定义的系统(30)，
其中所述可跟踪体(33)，(35)为在相对于等中心(43)的已确定三维坐标位置的预定偏移位置固定地连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)之一、且在所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)的所述之一旋转期间取向变化的可变取向可跟踪参照固定物(35)；
其中所述系统(30)还包括恒定取向可跟踪体(36)，其连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)的所述之一，安装有多个指示器(34)，且在所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)的所述之一旋转期间取向基本上保持恒定以提供参照取向；以及
其中所述几何分析软件(71)还包括：
变换矩阵确定器(81)，响应于所述交点确定器(79)来确定所述设备(31)的等中心(43)的已确定三维坐标位置与固定地连接到所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)之一时的可跟踪固定物(35)之间的变换矩阵(M)；
等中心位置确定器(89)，响应于所述位置确定器(73)和变换矩阵(M)，来根据所述可变取向可跟踪参照固定物(35)确定所述等中心(43)的相对位置；
旋转角度确定器(87)，响应于所述位置确定器(73)来确定所述可变取向可跟踪固定物(35)的取向和所述恒定取向可跟踪体(36)的取向之间的角度差值，所述角度差值指示所述可变取向可跟踪参照固定物(35)的旋转角度以及所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)的所述之一的旋转角度；以及
等中心坐标系取向确定器(91)，响应于所述旋转角度确定器(87)和等中心位置确定器(89)来确定所述等中心坐标系的取向。

21.   如权利要求11所定义的系统(30)，
其中所述确定器(39)确定所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)每个的预选定部分的三维坐标位置的单独的集合，以由此确定每个相应旋转组件(51)，(53)，(55)的旋转轴(G)，(C)，(TT)以及所述多个旋转组件(51)，(53)，(55)每个的旋转轴(G)，(C)，(TT)的交点，所述交点基本上指示所述等中心(43)的三维坐标位置；
其中所述设备(31)包括线性加速器，所述线性加速器包括旋转台架组件(51)、旋转束准直器组件(53)、以及旋转患者治疗台(55)，所述旋转台架组件(51)具有台架旋转轴(G)、台架旋转外圆周、以及置为毗邻所述台架旋转外圆周以将放射束引导朝向所述台架旋转轴(G)的台架头(57)，所述旋转束准直器组件(53)连接到台架头(57)且具有置为与由台架头(57)引导的放射束中心轴同轴的准直器旋转轴(C)，用于整形所述放射束的轮廓，所述旋转患者治疗台(55)具有治疗台旋转轴(TT)且置为毗邻台架组件(51)以在治疗期间相对于所述等中心(43)移动所述患者的目标(T)的位置；以及
其中所述系统(30)还包括可跟踪固定物(35)，其毗邻所述台架旋转外圆周地、在相对于所述等中心(43)的已确定三维坐标位置的预定偏移位置和取向固定地连接到旋转台架(51)，所述可跟踪固定物(35)安装有多个指示器(34)。

22.   一种计算机可读取介质，可被计算机读取以分析具有多个旋转组件(51)，(53)，(55)的设备(31)的几何，所述计算机可读取介质包括指令集，其在被计算机执行时使所述计算机执行包括接收多个位置信号的操作，所述操作进一步特征在于：
响应于所述多个位置信号来确定基本上沿设备(31)至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)的相应一个的预选定部分的单独旋转路径(RP)定位的三维坐标位置的至少两个集合；
确定所述至少两个三维坐标位置集合每个的单独的弧(A1)，(A2)，(A3)的拟合，每个拟合弧(A1)，(A2)，(A3)指示所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)之一的预选定部分的旋转路径(RP)，且置于基本上与每个其他拟合弧(A1)，(A2)，(A3)的平面基本上正交的平面内；
确定指示所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)每个的相应旋转轴的每个拟合弧(A1)，(A2)，(A3)的旋转中心(CR)和法线(N)；以及
确定所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)的旋转轴的交点，所述交点基本上指示等中心坐标系的等中心(43)的三维坐标位置。

23.   如权利要求22所定义的计算机可读取介质，还包括指令集，其在被计算机执行时使所述计算机执行如下操作：
确定所述设备(31)的等中心(43)的所确定的三维坐标位置与当固定地连接到所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)之一时的可跟踪固定物(33)，(35)之间的变换矩阵(M)。

24.   如权利要求23所定义的计算机可读取介质，还包括指令集，其在被计算机执行时使所述计算机执行如下操作：
识别所述至少两个三维坐标集合的预选定之一内的、与定义所述相应拟合弧(A1)，(A2)，(A3)的数据集内的三维坐标位置不基本一致的三维坐标位置，当如此确定时，该三维坐标位置指示了相应旋转组件(51)，(53)，(55)内不完美的相对位置；以及
分析所识别的不完美在存在时对所述等中心(43)的已确定三维位置的影响。

25.   一种计算机可读取介质，可被计算机读取以分析具有多个旋转组件(51)，(53)，(55)的设备(31)的几何，所述计算机可读取介质包括指令集，其在被计算机执行时使所述计算机执行包括下述操作：接收第一多个位置信号，确定连接到所述设备(31)的旋转组件(51)，(53)，(55)的可变取向可跟踪参照固定物(35)的位置和取向，所述可变取向可跟踪参照固定物(35)具有在所述旋转组件(51)，(53)，(55)旋转期间变化的取向，所述操作进一步特征在于：
接收第二多个位置信号；
确定连接到设备(31)的所述旋转组件(51)，(53)，(55)的恒定取向可跟踪体(36)的位置和取向，所述恒定取向可跟踪体(36)具有在所述旋转组件(51)，(53)，(55)旋转期间保持恒定的取向；以及
确定所述可变取向可跟踪固定物(35)的取向和所述恒定取向可跟踪体(36)的取向之间的角度差值，所述角度差值指示所述可变取向可跟踪参照固定物(35)的旋转角度和所述旋转组件(51)，(53)，(55)的旋转角度。

26.   如权利要求25所定义的计算机可读取介质，还包括指令集，其在被计算机执行时使所述计算机执行如下操作：
提取存储在所述计算机可读取介质上的预定变换矩阵(M)，所述预定变换矩阵(M)指示所述可变取向可跟踪参照固定物(35)和所述设备(31)的预定等中心(43)之间的幅值和方向；以及
响应于所述可变取向可跟踪体(33)，(35)的已确定的位置以及所述预定变换矩阵(M)，依据所述可变取向可跟踪参照固定物(35)确定所述等中心(43)的相对位置。

27.   如权利要求26所定义的计算机可读取介质，还包括指令集，其在被计算机执行时使所述计算机执行如下操作：
响应于所述可变取向可跟踪固定物(35)的取向、以及所述可变取向可跟踪固定物(35)的取向和所述恒定取向可跟踪体(36)的取向之间的确定的角度差值，确定所述等中心坐标系的取向。

28.   一种分析具有多个旋转组件(51)，(53)，(55)的设备(31)的几何的方法，所述旋转组件每一个具有连接到每个相应旋转组件(51)，(53)，(55)的预选定部分的光学可跟踪体，所述方法的特征在于下述步骤：
确定基本上沿着所述设备(31)的相应至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)每个的预选定部分的、空间中三维坐标位置的至少两个集合；以及
确定所述至少两个三维坐标位置集合每个的单独的弧(A1)，(A2)，(A3)的拟合，每个拟合弧(A1)，(A2)，(A3)指示所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)之一的预选定部分的旋转路径(RP)。

29.   如权利要求28所定义的方法，还包括步骤：
确定每个拟合弧(A1)，(A2)，(A3)的旋转中心和法线，其指示所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)每个的旋转轴(G)，(C)，(TT)；以及
确定所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)的旋转轴的交点，所述交点基本上指示等中心坐标系的等中心(43)的三维坐标位置。

30.   如权利要求29所定义的方法，还包括步骤：
将可跟踪固定物(35)连接到所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)之一，所述固定物提供到所述等中心(43)的已确定三维坐标位置的固定参照距离和方向；以及
确定所述设备(31)的等中心(43)的已确定三维坐标位置与所述可跟踪固定物(35)之间的变换矩阵(M)，所述变换矩阵(M)提供对所述等中心(43)的已确定三维坐标位置的参照。

31.   如权利要求29所定义的方法，其中确定所述至少两个空间中三维坐标位置集合的步骤包括步骤：确定基本上最大的旋转弧的、所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)之一的三维坐标位置集合。

32.   如权利要求29所定义的方法，还包括步骤：
确定所述至少两个三维坐标位置集合的预定之一内的、与定义相应拟合弧(A1)，(A2)，(A3)的数据集内的三维坐标位置不基本一致的三维坐标位置，当如此确定时，所述三维坐标位置指示了相应旋转组件(51)，(53)，(55)内不完美的相对位置。

33.   如权利要求32所定义的方法，还包括步骤：
分析所确定的不完美当如此存在时对等中心坐标系的等中心(43)的预定三维位置和取向的影响，以由此响应于所分析的所确定的不完美的影响来调整放射治疗计划。

34.   如权利要求33所定义的方法，其中分析对所确定的等中心(43)的三维位置的影响的步骤包括步骤：确定每个确定的不完美的相对旋转位置，以由此响应于所确定的每个确定的不完美的相对旋转位置，来调整所述放射治疗计划，以改变计划放射束强度或方向。

35.   一种分析包括多个旋转组件(51)，(53)，(55)的设备(31)的几何的方法，其特征在于下述步骤：
形成至少两个三维坐标位置集合，每个集合指示所述放射治疗设备(31)的相应至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)的预选定部分的单独的旋转路径(RP)的至少一部分的多个三维坐标位置，每个预选定部分连接有可跟踪体；
依据该相应的至少两个三维坐标位置集合来确定所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)每个的旋转轴(G)，(C)，(TT)；以及
确定所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)的旋转轴的交点，所述交点基本上指示等中心坐标系的等中心(43)的三维坐标位置。

36.   如权利要求35所定义的方法，还包括步骤：
将可跟踪固定物(35)连接到所述至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)之一，所述固定物(35)提供对所确定的所述等中心(43)的三维坐标位置的固定参照。

37.   如权利要求36所定义的方法，还包括步骤：
确定所述等中心(43)的三维坐标位置与所述可跟踪参照固定物(35)的三维参考位置之间的变换矩阵(M)。

38.   如权利要求37所定义的方法，其中所述变换矩阵(M)为第一变换矩阵(M)，且其中所述方法还包括步骤：
确定所述可跟踪参照固定物(35)的三维坐标位置，以形成可跟踪体位置探测器三维坐标位置和所述可跟踪参照固定物(35)的位置之间的第二变换矩阵(M’)，以由此形成对参照所述可跟踪体位置探测器三维坐标位置(O)的、所确定的所述等中心(43)的三维坐标位置的三维参照。

39.   如权利要求35所定义的方法，还包括步骤：
为至少两个旋转组件(51)，(53)，(55)之一确定该相应旋转组件(51)，(53)，(55)内不完美的相对位置。

40.   如权利要求39所定义的方法，其中所述等中心(43)的三维坐标位置用于制定患者的治疗计划，且其中所述方法还包括步骤：
分析所确定的不完美当如此存在时对所述等中心(43)的三维位置的影响，以由此响应于所分析的所确定的不完美的影响而调整所述治疗计划。

41.   一种分析具有旋转组件(51)的处理设备(31)的几何的方法，其特征在于下述步骤：
在预定三维坐标位置将可变取向可跟踪固定物(35)连接到所述处理设备(31)的旋转组件(51)，所述可变取向可跟踪固定物(35)具有在所述旋转组件(51)旋转期间变化的取向，以及在所述旋转组件(51)旋转期间不变化的相对于所述处理设备(31)的等中心(43)的预定相对偏移距离和相对方向；以及
通过检测所述可变取向可跟踪固定物(35)的三维坐标位置来确定所述等中心(43)的三维坐标位置。

42.   如权利要求41所定义的方法，还包括步骤：
将恒定取向可跟踪体(36)连接到所述旋转组件(51)，所述恒定取向可跟踪体(36)具有在所述旋转组件(51)旋转期间基本上保持恒定的取向。

43.   如权利要求42所定义的方法，还包括步骤：
确定所述可变取向可跟踪固定物(35)的取向和所述恒定取向可跟踪体(36)的取向之间的角度差值，所述角度差值指示所述旋转组件(51)的相对旋转位置；以及
依据所述可变取向可跟踪固定物(35)的相对取向，以及所确定的所述可变取向可跟踪固定物(35)的取向和所述恒定取向可跟踪体(36)的取向之间的角度差值，确定所述设备(31)的等中心坐标系的取向。

44.   如权利要求41所定义的方法，还包括步骤：
将光学可跟踪激光对准体(42)置于一三维激光对准坐标位置，该三维激光对准坐标位置是依据所述可跟踪参照固定物(35)的三维坐标位置以及所述可跟踪参照固定物(35)相对于等中心(43)的三维坐标位置的预定相对偏移距离和相对方向来确定的，所述三维激光对准坐标位置与等中心(43)的三维坐标位置基本上一致；以及
定位基于所述光学可跟踪激光对准体(42)而取向的激光阵列(41)，以允许将激光对准到等中心(43)的三维坐标位置，以由此提供所确定的等中心(43)的三维坐标位置的激光标记。

45.   如权利要求41所定义的方法，其中确定所述等中心坐标系的等中心(43)的三维坐标位置的步骤还包括步骤：
确定所述可跟踪固定物(35)的预定三维坐标位置和所述等中心(43)的预定三维坐标位置之间的变换矩阵(M)；以及
在基本上沿着所述旋转组件(51)的旋转路径定位的多个三维坐标位置之一，确定所述可跟踪固定物(35)的三维坐标位置，并将所述变换矩阵(M)应用于所确定的所述可跟踪固定物(35)的三维坐标位置。

46.   一种分析包括旋转组件(51)的设备(31)的几何的方法，所述旋转组件(51)具有连接在所述旋转组件(51)预选定部分的光学可跟踪体(33)，所述方法的特征在于下述步骤：
确定基本上沿着设备(31)的旋转组件(51)的预选定部分的旋转路径(RP)至少一部分的三维坐标位置的集合；
确定所述三维坐标位置集合的拟合弧(A1)，所述拟合弧(A1)指示所述旋转组件(51)的预选定部分的旋转路径(RP)；以及
确定所述拟合弧(A1)的旋转中心，其基本上指示等中心坐标系的等中心(43)的三维坐标位置。

47.   如权利要求46所定义的方法，
其中所述光学可跟踪体(33)连接到所述旋转组件(51)的预选定部分；
其中所述光学可跟踪体(33)具有多个分离且分隔开的指示器(34)，每一个连接在其上分离的预选定位置，以向可跟踪体位置探测器(37)指示所述多个指示器(34)每个的单独的三维坐标位置；以及
其中确定三维坐标位置集合的步骤还包括步骤：
旋转所述旋转组件(51)；
在所述旋转组件(51)旋转期间，检测多个指示器位置集合，
每个指示器位置集合指示所述可跟踪体的三维坐标位置；以及
对于所述多个指示器位置集合的子集，确定所述可跟踪体的三维坐标位置。

48.   如权利要求46所定义的方法，还包括步骤：
将可跟踪参照固定物(35)连接到所述旋转组件(51)，所述可跟踪参照固定物(35)提供对等中心(43)的三维坐标位置的固定参照距离和参照方向。

49.   如权利要求48所定义的方法，还包括通过执行下述步骤来确定所述等中心坐标系的等中心(43)的三维坐标位置的步骤：
确定可跟踪体位置探测器(37)的三维坐标位置与当旋转地定位于基本上沿着所述旋转组件(51)的旋转路径(RP)定位的多个三维坐标位置之一时所述可跟踪参照固定物(35)的三维坐标位置之间的距离和方向，可跟踪体位置探测器(37)和可跟踪参照固定物(35)之间的所述距离和方向定义所述可跟踪参照固定物(35)的相对三维坐标位置；
将预定变换矩阵(M)应用于所述可跟踪参照固定物(35)的所述相对三维坐标位置，所述预定变换矩阵(M)的幅值和方向基本上与可跟踪参照固定物(35)的三维坐标位置和等中心(43)的三维坐标位置之间的所述距离和相对方向有关；以及
其中当将所述预定变换矩阵(M)应用于所述可跟踪参照固定物(35)的相对三维位置以由此确定所述等中心(43)的三维坐标位置时，不需要所述可跟踪体探测器(37)的固定参照位置来确定所述等中心(43)的三维坐标位置。

说明书用于分析放射治疗设备几何的系统、软件和相关方法
技术领域
[0001]本发明涉及放射治疗。更具体而言，本发明涉及用于分析患者治疗设备的几何的系统、设备、软件和相关方法。
背景技术
[0002]放射治疗在治疗特定类型的癌性肿瘤、病变或其他“目标”是有效的。如果充足放射剂量照射到肿瘤或病变体积，则绝大多数这种目标可完全根除。然而，由于对目标周围的健康组织或者对靠近目标的其他健康身体器官的损伤，使用必要的有效放射剂量会导致并发症。例如适形放射疗法治疗的各种放射过程的目标是将所照射的放射剂量限制为仅由目标外表面定义的目标体积，同时最小化对周围健康组织或相邻健康器官的放射剂量。如果未将有效放射剂量照射到患者体内恰当位置，则会产生严重并发症。
[0003]放射疗法治疗通常使用例如线性加速器或其他放射产生源的辐射照射设备来治疗目标。常规线性加速器包括旋转台架，该旋转台架一般绕水平轴旋转并具有可围绕患者放置的放射束源，该放射束源可以将放射束导向待治疗的目标。该线性加速器还包括旋转治疗台，该旋转治疗台一般绕垂直轴旋转且可以将目标置于旋转台架的可旋转平面内。就放射治疗束来看，当放射治疗束穿过患者身体进入目标时，各种类型的装置或设备在放射束源旋转期间可以进一步使放射治疗束的形状与目标的空间轮廓一致。例如具有多个叶或指凸(fingerprojection)的多叶准直器可以被编程，以分别移入或移出放射束路径以整形该放射束。
[0004]各种类型的放射治疗计划系统可以产生放射治疗计划，该放射治疗计划在实施时将照射特定剂量的放射，该放射整形为与目标体积相一致，同时限制照射到敏感的周围健康组织或相邻健康器官或结构的放射剂量。通常，患者受到的放射疗法治疗计划基于利用计算机断层摄影(“CT”)扫描、磁共振(“MR”)成像、或者为X射线通过患者产生的平片的常规模拟片(simulation film)的诊断研究。该放射疗法计划经过发展，使得患者的肿瘤或病变位于在放射疗法治疗时将被使用的位置。
[0005]与诊断研究以发展放射疗法治疗计划时所使用的技术无关，在施加适形放射疗法治疗或静态放射疗法治疗时，目标相对于放射施加装置或设备的位置是非常重要的。成功的放射疗法取决于精确地将放射束在恰当的位置投到目标上。因此，需要在诊断研究时将目标的位置与在放射疗法治疗时将如何定位该目标相关联。还需要在施加放射疗法治疗整个过程中维持放射施加装置或设备和目标之间的对准。如果该位置关系不准确，则放射剂量不会施加到患者体内的正确位置，可能对目标肿瘤或病变治疗不足，并损伤健康的周围组织和器官。
[0006]因此，恰当的放射疗法取决于精确地将放射束置为与待治疗的患者恰当地并列。这可以通过使放射束和患者位置都参照称为等中心(isocenter)坐标系的坐标系来实现，该等中心坐标系是由放射施加装置或设备的几何定义的。在线性加速器示例中，台架、治疗台、以及准直器分别具有设计成在治疗室中间相交于特定位置的旋转轴，该特定位置称为等中心，为等中心坐标系的原点。该等中心坐标系通常标称上定义为水平(x轴)、垂直(z轴)，并且与台架旋转轴(y轴)共线。感兴趣的这三个轴的交点(等中心)被确定并作为参照“点”，以将目标朝向放射治疗计划取向并用于执行后续的放射施加。
[0007]为了依据放射计划施加放射疗法，患者的位置通常调整为将目标置于线性加速器的等中心。也就是说，患者置于放射施加装置或设备的治疗台上，以与在制定治疗计划时使用的位置一致。依据该放射治疗计划，治疗台被旋转以将目标布置在等中心，从而将目标的视野和准直器或线性加速器的其他放射施加装置预期的视野对准。治疗台随后锁定在恰当位置，且患者被固定，使得放射疗法治疗可以开始。
[0008]在线性加速器示例中，等中心可以视为当承载放射束源的线性加速器的台架围绕患者内的目标旋转时、来自准直器的放射束相交的点。确定等中心的位置的方法有很多种。例如，一种确定等中心的方法包括将标记装置附着到台架，例如支撑标记工具的长棒，并将垂直取向的接收材料片(例如纸)置为毗邻该标记装置。台架随后旋转从而在接收材料上形成弧或圆。然后操作人员可以检查该弧或圆以确定该弧或圆的原点，其与所述等中心相关。此外，例如操作人员可以实际上布置放射束，从而测量台架旋转过程中放射束的方向，由此确定等中心的位置。还可以进行其他物理测量以帮助操作人员确定等中心的近似位置。通常安装在治疗室壁上的激光被指向或引导为在该等中心处交叉以标识等中心的预定位置。置于治疗台上的体模(phantom)(患者结构模拟装置)通常用于执行这种激光对准。
[0009]然而申请人意识到，确定等中心的目前方法是困难和耗时的且具有固有不准确性，因为这些方法至少在线性加速器内无法恰当地考虑到准直器与/或治疗台。此外，包括台架、准直器、和治疗台的机械系统已知是不完美的，因此不会产生绝对真实的旋转圆弧。例如，线性加速器的轴承不是真实球形且台架本身趋于下垂。因此，所形成的用于确定等中心位置的弧或圆不是完美的，因此不会产生完美的旋转中心，也不会产生完美的旋转轴。这导致了不精确的等中心位置。现有的技术趋于忽略或曲解这些不完美，因此产生固有不精确的等中心位置。
[0010]此外，如上所述，申请人意识到激光已知会漂移并在其他方面性能退化。因此激光会导致进一步的误差被固有地添加到该等中心位置，而该等中心位置需要是精确的以恰当地定义操作人员用于施加正确放射治疗的坐标系。因此申请人意识到，需要一种系统、软件和方法，其可以精确地测量放射治疗装置或设备的机械系统的各种部件的旋转，以确定放射束的位置(例如，根据台架和准直器的几何)以及患者的定位(例如，根据治疗台的几何)，从而精确地定义操作人员施加正确治疗所使用的坐标系。
发明内容
[0011]鉴于上述方面，本发明的实施例有利地提供了一种涉及测量和捕获放射治疗设备的几何以确定在放射治疗期间使用的坐标系的原点和方向的系统、软件和方法。有利地，本发明的实施例包括可以精确测量放射治疗设备的机械系统的各种旋转组件的旋转的系统、软件和方法。该信息可以用于确定放射束的位置以及患者的定位，从而精确地定义操作人员施加正确治疗所使用的等中心坐标系。有利地，本发明的实施例还提供了一种包括可跟踪体、软件和程序的系统，其可以在沿着例如线性加速器的台架、准直器和治疗台的放射治疗装置或设备的旋转组件的最大旋转弧或路径的位置测量三维空间点。这些测量可以用于调整所计划的放射治疗，以改善其精确度和效率。有利地，通常被忽略或曲解的放射治疗装置或设备的机械系统的误差和不完美可被分析和指出。
[0012]本发明的实施例提供了一种系统，该系统分析放射治疗设备的几何以确定用于参照放射束和患者定位的坐标系的原点位置和取向，使得治疗计划可以更精确地应用到患者。在本发明优选实施例中该系统一般包括通常形式为线性加速器的治疗设备，其具有受到从应用计算机接收指令的控制器控制的多个旋转组件。该系统包括具有与其连接的指示器的一个或多个可跟踪体。每个可跟踪体定位成标记该治疗设备的旋转组件的预选定部分的位置。该系统还包括分别也具有与其连接的指示器的设为连接到旋转组件之一的可跟踪参照固定物和恒定取向可跟踪体。探测器被提供用于检测指示器的位置。与探测器通信的确定器(determiner)确定该一个或多个可跟踪体的位置与/或取向，由此确定治疗设备的几何，且由此分析治疗师所使用的坐标系(称为等中心坐标系)。激光阵列可以与可跟踪对准体结合使用以标记所确定的等中心坐标系的原点，该原点称为等中心。
[0013]更具体而言，在本发明优选实施例中，该系统包括将放射施加到患者体内的目标的放射治疗设备。该放射治疗设备包括多个旋转组件，分别起着引导放射束穿过患者的目标的作用且分别具有相异平面内的旋转路径以及旋转轴。每个旋转组件的旋转轴一般与每个其他旋转组件的旋转轴相交于基本上相同的三维坐标，该三维坐标定义该治疗设备的等中心坐标系的等中心或原点。多个优选光学可跟踪体可连接到治疗设备的多个旋转组件的每一个的预选定部分，其中该多个光学可跟踪体分别具有安装到该可跟踪体的有优选地形式为光学向后反射球的多个指示器。该可跟踪体可为系统提供沿旋转路径对每个旋转组件的预选定部分的三维坐标位置采样的能力。优选光学探测器或或照相机子系统具有在预选定三维探测器参照位置置成与可跟踪体分隔的探测器体以及连接到至少一个该探测器体但优选一对的光学接收器。每个该光学接收器置成接收来自该接收器视野内的可跟踪体的多个指示器的每一个的能量以检测该多个指示器的三维位置，使得在该多个旋转组件的旋转时该探测器产生多个位置信号，该位置信号指示了位于沿每一个该多个旋转组件的预选定部分的旋转路径的三维坐标位置。
[0014]注意，该多个可跟踪体的功能可以通过使用单个可跟踪体来实现，其中该单个可跟踪体顺序连接到该多个旋转组件之一的预选定部分，在将该可跟踪体连接到该多个旋转组件的另一个之前分离地随各自旋转组件旋转，且在将该光学可跟踪体连接到该多个旋转组件的另一个之前由该探测器查看。
[0015]与该探测器通信且响应于该多个旋转组件之一在旋转时由该探测器产生的多个位置信号的确定器，确定每一个该多个旋转组件的预选定部分的三维坐标位置集合，并确定每一个该多个旋转组件的旋转轴。每个该组件的旋转轴可以用于确定该放射治疗设备的等中心。该确定器的功能可以通过硬件与/或软件来实施，然而在本发明的优选实施例中，该确定器几乎完全通过软件来实施。相应地，该确定器可以是相对简单的计算机的形式，具有存储器以及存储于该存储器内用于分析放射治疗设备几何的几何分析软件，由此确定该放射的等中心。
[0016]该系统还包括连接到优选地最可见旋转组件的预选定部分的可跟踪参照固定物，该可跟踪参照固定物可以提供容易的参照以确定等中心的三维坐标位置。该系统还包括恒定取向可跟踪体，其可以是该可跟踪参照固定物的一部分或者分别连接到承载该可跟踪参照固定物的旋转组件的预选定部分。该恒定取向可跟踪体还可以提供参照取向，供该确定器用于确定该旋转组件的旋转角度，这允许该确定器确定该等中心坐标系的预选定取向和当该旋转组件旋转离开其初始参照位置时所确定的相对于该可跟踪参照固定物的该等中心坐标系的取向之间的角度差值。因此，该确定器可以容易地确定该可跟踪参照固定物和恒定取向可跟踪体的位置和取向。有利地，可以容易地提供该等中心的精确参照位置和取向，而与由于该旋转组件的旋转导致的该可跟踪参照固定物旋转取向的任何变化无关。
[0017]本发明的实施例不限于用于放射治疗设备，还可以用于具有相交于相关点或区域的旋转组件的任何设备。例如，在本发明实施例中，分析设备几何的系统包括一设备，该设备包括分别具有在相异平面内的旋转路径以及旋转轴的多个旋转组件。每个旋转组件的旋转轴与该多个旋转组件的每个其他旋转组件的旋转轴相交于基本上相同的三维坐标，该坐标定义该设备的等中心。可跟踪体连接到该设备的多个旋转组件之一的预选定部分，且多个指示器安装到该可跟踪体。一探测器具有与该可跟踪体分隔放置的探测器体以及置成从该可跟踪体的多个指示器接收能量的接收器，该探测器检测该多个指示器的三维指示器位置，使得在该多个旋转组件之一旋转时，该探测器产生指示该多个指示器的三维指示器位置的多个位置信号。与该探测器通信且响应于该多个旋转组件之一在旋转时由该探测器产生的多个位置信号的确定器，确定基本上位于沿该多个旋转组件之一的预选定部分的旋转路径的该多个旋转组件之一的预选定部分的三维坐标位置集合。由此，该确定器可以确定该多个旋转组件之一的旋转轴。利用相同的方法，该确定器可以确定至少两个该多个旋转组件的每一个的预选定部分的三维坐标位置的分离集合，由此确定至少两个该多个旋转组件的旋转轴以及至少两个该多个旋转组件的旋转轴的交点。该交点基本上指示了该设备的等中心的三维坐标位置。
[0018]如上所述，本发明的实施例包括几何分析软件以分析具有多个旋转组件的设备的几何，例如，上述设备和放射治疗设备的几何。在本发明实施例中，该几何分析软件包括位置确定器，其接收并响应于来自该探测器的多个位置信息，以确定或者形成至少两个但优选三个三维坐标位置集合，每个集合代表基本上位于沿该旋转组件每一个的预选定部分的最大旋转弧或路径的三维坐标采样数据点或位置。通过恰当的过滤和平滑，弧确定器响应于该位置确定器来确定每个旋转组件的每个三维坐标采样数据点或位置集合的分离的弧的拟合。每个拟合弧指示每一个该旋转组件的预选定部分的旋转路径，且通常置于与每个其他拟合弧的平面基本上正交的平面内。轴确定器响应于该弧确定器来确定每个拟合弧的旋转中心和法线，指示了每个旋转组件的旋转轴。此外，交点确定器响应于该轴确定器来确定至少两个该旋转组件的旋转轴的交点，该交点基本上指示了该等中心坐标系的等中心的三维坐标位置。
[0019]当该可跟踪固定物固定地连接到旋转组件时，其可以为该等中心的所确定的三维坐标位置提供参照。也就是说，该几何分析软件可包括变换确定器，该变换确定器可以利用该等中心的所确定的三维坐标位置以确定该放射治疗设备的等中心的所确定的三维坐标位置与该可跟踪固定物之间的变换矩阵。这允许该探测器可以移动，但是还可以容易地确定与该等中心的三维坐标位置的参照。然而，连接到旋转组件的该可跟踪固定物本身相对于该等中心坐标系的轴的取向具有可变的取向。在本发明的实施例中，该软件包括位置确定器，该位置确定器可以接收第一多个位置信号以确定该可跟踪固定物的位置和取向。在该旋转组件旋转时取向保持不变的恒定取向可跟踪体可以连接到该旋转组件，以补偿由于该可跟踪固定物旋转偏离初始参照位置所致的该等中心坐标系的所确定的轴取向的误差。因此，该位置确定器可进一步接收第二多个位置信号，以确定恒定取向可跟踪体的位置和取向。放射角度确定器响应于该位置确定器来确定该可变取向可跟踪固定物和取向和该恒定取向可跟踪体的取向之间的角度差值。该角度差值指示该可变取向可跟踪参照固定物的旋转角度，并因此指示了该旋转组件的旋转角度。该旋转角度可以用于制定校正因子，使得等中心位置确定器可以确定该等中心相对于该探测器或者相对于该治疗设备或治疗室的位置和取向。
[0020]该软件还可提供对对该治疗设备的几何的扩展分析。也就是说，该软件还可包括不完美识别器和不完美分析器，在该一个或多个旋转组件的不完美存在时，分别识别和分析该不完美对所确定的该等中心的三维位置的影响。
[0021]此外，例如在本发明一个实施例中，该系统包括几何分析软件，其可包括位置确定器，该位置确定器可以接收第一多个位置信号，以确定连接到设备的旋转组件的可变取向可跟踪参照固定物的位置和取向。该可变取向可跟踪参照固定物在该旋转组件旋转时具有变化的取向。该位置确定器还可以接收第二多个位置信号，以确定连接到该设备的旋转组件的恒定取向可跟踪体的位置和取向。该恒定取向可跟踪体具有在该旋转组件旋转时保持固定的取向。旋转角度确定器响应于该位置确定器来确定该可变取向可跟踪固定物的取向和该恒定取向可跟踪体的取向之间的角度差值。该角度差值指示了该可变取向可跟踪参照固定物的旋转角度和该旋转组件的旋转角度。预定变换矩阵可存储在存储介质，该预定变换矩阵指示了该可变取向可跟踪参照固定物和该设备的预定等中心之间的幅值、方向与/或坐标系旋转。等中心位置确定器响应于该位置确定器并置成从该存储介质接收该预定变换矩阵，该等中心位置确定器可以依据该可变取向可跟踪参照固定物确定该等中心的相对位置。等中心坐标系取向确定器响应于该旋转角度确定器和等中心位置确定器，可以确定该等中心坐标系的取向。
[0022]本发明的实施例还包括可被计算机读取的计算机可读取介质，以分析具有多个旋转组件的设备的几何。例如在本发明实施例中，该计算机可读取介质包括指令集，其在被计算机执行时使该计算机执行下述操作：接收多个位置信号，确定基本上位于沿该设备至少两个旋转组件的每一个的预选定部分的分离旋转路径的至少两个三维坐标位置集合，以及响应于该多个位置信号来确定该至少两个三维坐标位置集合的每一个的分离的弧的拟合。每个拟合弧指示了该至少两个旋转组件之一的预选定部分的旋转路径，且置于基本上与每个其他拟合弧的平面基本上正交的平面内。这些指令还包括用于确定指示该至少两个旋转组件的每一个的相应旋转轴的每个拟合弧旋转中心和法线，并确定该至少两个旋转组件的旋转轴的交点的指令。该交点基本上指示了等中心坐标系的等中心的三维坐标位置。
[0023]此外，例如在本发明实施例中，该计算机可读取介质包括指令集，其在被计算机执行时使该计算机执行下述操作：接收第一多个位置信号，以及确定连接到该设备的旋转组件的且在该旋转组件旋转时具有变化的取向的可变取向可跟踪参照固定物的位置和取向。这些指令还包括用于接收第二多个位置信号并确定连接到该设备的旋转组件的且在该旋转组件旋转时取向保持固定的恒定取向可跟踪体的位置和取向的指令。这些指令还包括用于确定该可变取向可跟踪固定物的取向和该恒定取向可跟踪体的取向之间的角度差值的指令，该角度差值指示了该可变取向可跟踪参照固定物的旋转角度和该旋转组件的旋转角度。
[0024]这些指令还可包括用于执行下述操作的指令：提取存储在该计算机可读取介质上的预定变换矩阵，该预定变换矩阵指示了该可变取向可跟踪参照固定物和该设备的预定等中心之间的幅值、方向与/或旋转，以及响应于该可变取向可跟踪体的所确定的位置以及该预定变换矩阵，依据该可变取向可跟踪参照固定物确定该等中心的相对位置。该指令还可包括用于执行以下操作的指令：响应于该可变取向可跟踪固定物的取向以及所确定的角度差值，确定该等中心坐标系的取向。这是通过确定该可变取向可跟踪体的取向和该恒定取向可跟踪体的取向之间的角度差值来实现的。
[0025]本发明的实施例还包括用于分析包括多个旋转组件的设备的几何的方法，由此每个旋转组件可具有在每个旋转组件的预选定部分顺序或同时连接到该旋转组件的优选地光学可跟踪体。例如，在本发明实施例中，可跟踪体顺序连接到该治疗设备的至少两个但是优选三个旋转组件。在本发明另一个实施例中，多个可跟踪体的每一个单独且分离地连接到相应一个该旋转组件供同时查看。与选择的实施例无关，连接有可跟踪体的每一个该多个旋转组件可被用户旋转和查看。探测器检测旋转时安装到每个可跟踪体的多个指示器的子集的位置，且当在该探测器的视野内时，产生指示每个该多个指示器的位置的多个位置信号。该多个位置信号提供数据，该数据可被确定器用于基本上沿着随可跟踪体旋转且由该探测器查看的每个旋转组件的旋转路径，空间上确定至少两个采样三维坐标点或位置。该确定器可以将采样数据点或位置分类或形成为三维坐标点或位置的集合，所分析的每个旋转组件对应一个或多个分离的集合。使用恰当的过滤和平滑，将分离的弧(真实的弧或圆)拟合到每个相应旋转组件的采样三维坐标点或位置的每个相应集合。每个拟合弧指示了该至少两个旋转组件的相应一个的预选定部分的旋转路径。每个拟合弧具有从弧的旋转中心延伸的法线，该法线定义了每个相应旋转组件的旋转轴。通过确定例如线性加速器的设备的至少两个但是优选所有三个与该每个弧相关联的相应旋转组件的旋转轴的交点，可以容易地确定等中心坐标系的等中心的三维坐标位置。
[0026]一旦该等中心的三维坐标位置确定，如果尚未安装，则可跟踪参照固定物可以连接或附着到优选地最可见旋转组件的预选定部分，以将该可跟踪参照固定物的三维坐标位置校准为该等中心的所确定的三维坐标位置。这可以通过确定该预定可跟踪参照固定物三维坐标位置和该等中心的预定三维坐标位置之间的变换矩阵来实现。通过在基本上位于沿该旋转组件的旋转路径的多个三维坐标位置之一确定该可跟踪固定物的三维坐标位置，并将该变换矩阵应用于该可跟踪固定物的所确定的三维坐标位置，则该变换矩阵允许该可跟踪参照固定物提供与该等中心的三维坐标位置的相对参照。有利地，将该可跟踪参照固定物置为靠近所确定的等中心，这有利地改善了该探测器/确定器子系统的精确度。
[0027]此外，例如在本发明实施例中，该治疗设备的几何的不完美也可以被确定。每个拟合弧可以视为具有其自己的数据。也就是说，每个相应的拟合弧包括形成该三维坐标数据点或位置的相应数据集合的数据点(三维坐标位置)，该数据点落在定义相应拟合弧的曲线。该采样三维坐标位置的一个或多个相应集合内的至少一个但是优选所有该三维坐标位置与定义相应拟合弧的数据集合内的该三维坐标位置之间可进行比较。被视为不基本一致的点，即，不落在定义相应拟合弧的曲线上的点，指示了相应旋转组件内不完美的相对位置。可以进行该所确定的不完美对所确定的该等中心三维位置以及对该等中心坐标系取向的影响的分析。有利地，有关这种不完美的影响的知识允许治疗师根据需要来调整利用该确定的等中心的治疗计划。
[0028]本发明的实施例还包括用于分析具有旋转组件的设备的几何的方法，其中可跟踪参照固定物和该等中心的确定的三维坐标位置之间的第一变换矩阵已经预定。例如在本发明实施例中，一种方法包括，在相对于该治疗设备等中心的参照三维坐标位置，将可跟踪参照固定物连接到旋转组件，使得其取向随该旋转组件的旋转而变化。照相机子系统或合适的可跟踪体探测器子系统随后定位或可选地再定位于不阻挡的位置。藉由该探测器查看该可跟踪参照固定物，该探测器可以检测该可跟踪参照固定物，且计算机(例如确定器)可以确定该可跟踪体的三维坐标位置与该可跟踪参照固定物的三维坐标位置之间的第二变换矩阵。该确定器还可接收该预定第一变换矩阵，以由此将该等中心的三维坐标位置变换到探测器/照相机空间。然而，连接到旋转组件的该可跟踪参照固定物一般本身仅能提供该等中心的三维坐标位置，该坐标位置具有相对于该可跟踪参照固定物的可变取向而取向的坐标系轴。
[0029]为了确定或校正该等中心坐标系的取向，恒定取向可跟踪体可以在一端可枢转地连接到该可跟踪参照固定物或者分离地连接到该旋转组件的预选定部分。该恒定取向可跟踪体的钟摆动作提供了参照取向，这允许该确定器校正参照该可跟踪参照固定物所确定的等中心取向。该取向差异来源于当承载该可跟踪参照固定物的该旋转组件旋转偏离其尝试参照位置时可能存在的旋转误差。也就是说，有利地，用户可以旋转该旋转组件但仍可获得该等中心坐标系的精确取向。该确定器首先确定该可跟踪参照固定物和该恒定取向可跟踪体的取向。该确定器随后可以确定该可跟踪参照固定物的旋转角度，该旋转角度涉及该旋转组件偏离初始参照位置的旋转位置。这可以通过确定该可跟踪参照固定物和该恒定取向可跟踪体之间的角度差值来实现。该等中心的位置和真实或选定取向可以如下来确定：通过概念上将由该可跟踪参照固定物确定的该等中心参照取向旋转一定数量，该数量与该可跟踪参照固定物和该恒定取向可跟踪体之间的角度差值有关。因此，该等中心的精确参照位置和取向有利地被提供而与该可跟踪参照固定物的旋转取向无关，其中该旋转取向会由于与该可跟踪参照固定物连接的该旋转组件的旋转而变化。
[0030]有利地，本发明的实施例消除了为了确定例如线性加速器的设备的等中心的艰难手动步骤的要求。本发明的实施例可以使用非常精确的跟踪系统来测量和确定该等中心，减小了对具有已知漂移和不精确特性的激光和手动系统的依赖性。有利地，本发明的实施例提供了将等中心显示激光对准到该治疗设备的实际机械系统的能力，提供了确定激光漂移的存在的能力，且通过改进和添加，可以在治疗时提供对该系统精确度的连续验证。本发明的实施例有利地可包括光学跟踪装置，其可结合有机械快速断开，以允许将该放射治疗设备容易地附着到以及从各种旋转组件拆除。
附图说明
[0031]参照在附图所示的本发明实施例对上述简要概述的本发明进行更具体地描述，则可以更详细地理解本发明的特征和优点以及其他方面将变得显而易见的方式，其中附图形成了本说明书的一部分。然而注意，图示仅示出了本发明的各种实施例，因此不应视为限制还可包括其他有效实施例的本发明的范围。
[0032]图1为依据本发明实施例的分析放射治疗设备的几何的系统的透视图；
[0033]图2为依据本发明实施例的分析放射治疗设备的几何的软件的示意性图示；
[0034]图3为依据本发明实施例的示出了沿旋转组件的旋转路径的采样数据位置的治疗设备的透视图；
[0035]图4为依据本发明实施例的适合于图3的治疗设备且具有相交轴的三段弧的图示描述；
[0036]图5为依据本发明实施例的治疗设备，和可跟踪参照固定物与该治疗设备等中心之间的变换矩阵的透视图；
[0037]图6为依据本发明实施例的激光阵列的透视图；
[0038]图7为依据本发明实施例示出了具有不完整的旋转组件的旋转路径的类似于图3所示的治疗设备的透视图；
[0039]图8为依据本发明实施例示出了治疗设备等中心的确定的，分析放射治疗设备的几何的系统的透视图；
[0040]图9为依据本发明实施例的分析放射治疗设备的几何的方法的流程图；
[0041]图10为依据本发明实施例的分析放射治疗设备的几何的方法的流程图；以及
[0042]图11为依据本发明实施例的分析放射治疗设备的几何的方法的流程图。
具体实施方式
[0043]下文中将参照附图更全面地描述本发明，其中该附图示出了本发明的实施例。然而，本发明可以实施为许多不同形式，且不应理解为限于此处列出的所示实施例。相反，这些实施例被提供，以使得本公开将变得更加彻底和全面，并向本领域技术人员更全面地传达本发明的范围。附图中相同的数字总是表示相同的元件。主要符号被使用时，表示备选实施例中的相似元件。
[0044]成功疗法治疗，例如放射疗法，依赖于精确地定位和限定放射束的能力。放射束的空间位置是由该放射治疗设备的物理几何来限定。本发明的实施例分析放射治疗设备的旋转组件的几何以定义该放射治疗设备的坐标系，治疗师使用该坐标系确定放射束的位置以及患者的定位。如图1至11所示，本发明的实施例提供了一种系统、软件和方法，用于分析设备的这种几何的，以确定使用的坐标系的原点和取向。该原点称为“等中心”且该坐标系称为“等中心坐标系”。
[0045]可能最佳地如图1所示，系统30一般而言包括一设备，通常形式为线性加速器31；一个或多个可跟踪体33，每一个包括多个指示器34并置成标记该治疗设备的旋转组件预选定部分的位置；可跟踪参照固定物35；以及可选地恒定取向可跟踪体36。系统30还包括：探测器37，用于检测该多个指示器34的位置，该多个指示器34的位置用于确定可跟踪体33、可跟踪参照固定物35、和恒定取向可跟踪体36的位置与/或取向；以及确定器39，用于确定该治疗设备的几何并分析由治疗师使用的该治疗设备的等中心坐标系。系统30还可包括激光器阵列41(图6)，与可跟踪激光对准体42结合使用，以在视觉上标记称为等中心43的等中心坐标系的原点。当该设备为治疗机器的形式时，系统30还包括设备控制器45和应用计算机47，该应用计算机向设备控制器47提供指令以施加治疗计划。
[0046]更具体而言，系统30包括示为线性加速器31的治疗设备，该线性加速器将放射线施加到患者P内的目标T。线性加速器31具有多个旋转组件，包括旋转台架组件51、旋转束准直器组件53、以及旋转治疗患者台组件55。每个旋转组件起着将放射束引导穿过患者P的目标T的作用。每个旋转组件具有在特有平面内的旋转路径以及旋转轴。旋转台架组件51具有台架旋转轴G和置为毗邻台架旋转外圆周的台架头57，用于将放射束引导朝向该台架旋转轴G。旋转束准直器组件53连接到台架头57。旋转束准直器组件53具有置为与由台架头57引导的放射束中心轴同轴的准直器旋转轴C，以整形该放射束的轮廓。旋转患者治疗台组件55具有治疗台旋转轴TT且置为毗邻台架组件51，以在治疗之前及期间相对于等中心43移动患者P的目标T的位置。每个旋转组件51、53、55的旋转轴G、C、TT一般与每个其他旋转组件的旋转轴相交于基本上相同的三维坐标，该三维坐标定义了线性加速器31的等中心43。
[0047]诸如在Smetak等题为“System and Tracker for Trackingan Object，and Related Methods”的美国专利申请No.10/957,128中公开的安装有多个指示器34的可跟踪体33或者合适的替代品，可以顺序连接到每个旋转组件51、53、55的预选定部分，从而在如此连接时为每个旋转组件51、53、55提供旋转路径数据。可跟踪体33可用于确定每个旋转组件51、53、55的旋转轴G、C、TT。或者，每个旋转组件51、53、55可以同时单独连接分离的可跟踪体33(见图3)。在本发明优选实施例中，可跟踪体33的指示器34为光学向后反射(retro-reflective)球形式的无源指示器。无源指示器提供的附加优点为，其不需要布线或光纤。这允许该可跟踪体33容易地连接到旋转组件51、53、55的任何一个或全部的预定部分或从其断开。
[0048]系统30包括探测器37，其具有置成与一个或多个可跟踪体33分开的探测器体61以及置为从可跟踪体33的多个指示器34接收能量的至少一个但优选多个接收器63。探测器37可以探测指示器34的三维指示器位置，该三维指示器位置转换为该一个或多个可跟踪体33的位置与/或取向。如图3中所示的旋转组件51，当可跟踪体33连接到不位于旋转轴的、旋转组件51、53、55任一个的预选定部分，且随相应的旋转组件51、53、55旋转时，可跟踪体33的指示器34的探测位置进一步转换为相应旋转组件51、53、55的三维坐标采样数据点或位置集合，例如对于旋转组件51所示的位置S。也就是说，对于连接有可跟踪体33的旋转组件51、53、55中每个，在相应的一个或多个旋转组件51、53、55旋转时，探测器37产生了指示探测器37视野内每个可跟踪体33的指示器34的位置的多个位置信号。依据这些位置信号，确定器39(下文中描述)可以确定沿着相应旋转组件51、53或55的预选定部分的旋转路径定位的三维坐标采样数据点或位置的集合，例如对于旋转组件51所示的沿着旋转路径RP定位的位置S。
[0049]如上所述，可跟踪体33可以使用优选为无源的指示器34(例如向后反射球)来实现。相应地，探测器37优选地为光学探测器或者照相机定位器子系统，例如Northern Digital Inc.，(OntarioCanada)的已知为的照相机或光电运动测量系统，其具有一对光学接收器63，每一个都具有视场并适于当指示器置于该视场内时接收由该多个指示器34每个发射或反射的光学能量。采用这种形式，当该多个指示器34同时置于这两个光学接收器63的视场内时，接收器63可以检测该可跟踪体33的该多个指示器34每个的三维球位置，以产生多个位置信号。当该多个指示器34形式为光学向后反射球时，探测器37可包括一对红外照明器65，每个单独置为毗邻接收器63之一，从而在指示器置于相应的相邻接收器63的视场内时，选择性地照明该多个指示器34中每个。
[0050]系统30还包括具有处理器67和存储器69的确定器39，且该确定器39与探测器37通信以接收和处理当该一个或多个旋转组件51、53、55旋转期间由探测器37产生的多个位置信号。确定器39确定相应的一个或多个旋转组件51、53、55的预选定部分的三维坐标采样位置的相应一个或多个集合，例如对于旋转组件51确定所示的沿着旋转路径RP定位的位置S。这些相应的采样位置集合随后被用于由此确定相应的一个或多个旋转组件51、53、55的相应旋转轴G、C、TT。在所示实施例中(图3)，确定器39可以通过确定相应旋转轴G、C、TT中至少两个但是优选地所有三个的交点，确定等中心43。该确定器39的功能可以通过硬件与/或软件来实施，然而在本发明的优选实施例中，该确定器39几乎完全通过软件来实施。因此，该确定器39的存储器69可包括几何分析软件71，其用于分析该放射治疗设备(线性加速器31)的旋转组件51、53、55的几何。
[0051]注意，尽管描述成置于确定器39的存储器69内，所有或部分该几何分析软件71可以置于探测器37和确定器39这二者内，与/或部分或者单独位于远程计算机(未示出)内。实际上，尽管为了简化而示出和描述了仅位于确定器39内，在本发明优选实施例中，软件71至少部分置于探测器37内。因此，探测器37的物理实施还可包括确定器39的物理及功能实施的一部分。为此，探测器37通常包括其自己的处理器和存储器(未示出)。然而，不管物理或功能定位如何，该确定器39有利地根据该治疗设备的机械系统(一个或多个旋转组件)来确定等中心43的三维坐标位置，其随后作为患者分析、治疗计划、与/或治疗施加的参考点。
[0052]系统30还可包括优选地连接到最可见旋转组件的预选定部分的可跟踪参照固定物35，该最可见旋转组件在该线性加速器示例中为旋转台架组件51的台架头57。当恰当地与该探测器37校准时，可跟踪参照固定物35提供了对所确定的等中心43的三维坐标位置和所指定的取向的容易参照。确定器39可以确定箭头所示(图5)的可跟踪参照固定物35和等中心43之间的变换矩阵M，其将允许确定器39确定或再取得等中心43的相对三维坐标位置和取向，即使在该探测器37的三维坐标位置已经改变之后。
[0053]在照相机位置而非可跟踪参照固定物35提供固定参照的照相机或探测器/确定器系统中，探测器底座非常轻微的移动会对系统的精确度地产生显著影响。由于可跟踪参照固定物35相对于探测器37的体61的三维坐标位置的位置可以由确定器39容易地确定，一旦变换矩阵M已经确定，则该探测器37的体61的三维坐标位置无需保持在高度稳定的位置。也就是说，探测器37可以容易地移动而仍可参照该等中心43，因为不是由探测器37执行参照固定物的功能，而是可跟踪参照固定物35提供对等中心43的相对固定参照。此外，使用参照固定物特别是置为靠近等中心43的参照固定物，提供了附加的显著优势。参照固定物与等中心43的距离越大，系统越不精确。再者，有利地是，可跟踪参照固定物35允许探测器37置于插入较少的位置且可使用稳定性稍差的底座，而其它情况下则将要求更严格。
[0054]在本发明实施例中，可跟踪参照固定物35可以用于替代至少一个旋转组件上的可跟踪体33。在线性加速器的示例中，该特征允许可跟踪参照固定物35持续连接并保持持续连接到旋转台架组件51的台架头57。此外，有利的是，可跟踪体33可置于或保持在治疗台组件55上，从而允许确定器39帮助治疗师旋转该治疗台组件55，以将目标T置成与等中心43恰当地并列。
[0055]可能最佳地如图8所示，当可跟踪参照固定物35连接到旋转组件(例如旋转台架组件51)时，应该显而易见的是，变换矩阵M维持对等中心43的参照，该等中心43看上去随着旋转台架组件51的旋转而旋转。然而，等中心43和相应的等中心坐标系保持静止，且不随旋转台架组件51的旋转而旋转。为可跟踪参照固定物35(如所示)的一部分或者单独连接到旋转台架组件51预选定部分的恒定取向可跟踪体36可以提供一参照取向，这允许当旋转台架组件51旋转偏离其初始参照位置IP时，由确定器39校正由可跟踪参照固定物35提供的等中心43的参照取向。因此不管由于旋转台架组件51的旋转引起的可跟踪参照固定物35的旋转取向，可以提供(确定)该等中心43的精确参照位置和取向。如图1所示，与该一个或多个可跟踪体33类似，恒定取向可跟踪体36包括例如指示器34的多个指示器，以允许由例如探测器37的合适探测器来检测位置，以及由例如确定器39的合适确定器来确定位置和取向。并非固定地安装，该恒定取向可跟踪体36优选地为钟摆型，其可以枢轴地连接到例如旋转台架组件51的旋转组件，或者连接到可跟踪参照固定物35本身。恒定取向可跟踪体36可以恰当被荷重和受阻以在旋转台架组件51旋转期间维持恒定取向。
[0056]在本发明优选实施例中，可跟踪参照固定物35和恒定取向可跟踪体36的多个指示器34置于相应固定物35和体36上，使得它们彼此之间具有独特的段长。这允许探测器37/确定器39在探测器37查看时唯一地识别该可跟踪参照固定物35和恒定取向可跟踪体36。如此，相应的可跟踪参照固定物35和恒定取向可跟踪体36的多个指示器34相对于选定的坐标系原点来定位，其中该坐标系被指定或预选定用于该相应的可跟踪参照固定物35和恒定取向可跟踪体36。这允许确定器39确定单独地指定或预选定用于可跟踪参照固定物35和恒定取向可跟踪体36的坐标系的原点的三维坐标位置以及每个轴的线性方向。注意，在本发明优选实施例中，指定或预选定用于可跟踪参照固定物35的坐标系的轴的线性方向定义一可跟踪参照固定物取向，在该旋转台架组件51旋转期间该取向变化。然而，本领域技术人员已知的定义取向的其他方法落在本发明的范围内。例如，取向可以定义为可跟踪参照固定物35的纵向、横向、或者某些其他真实或用户定义的轴，其在旋转台架组件51旋转期间也成比例地相应变化。
[0057]可能最佳地如图6所示，系统30可进一步包括激光阵列41。激光阵列是已知的，并用于将照相机定位器型系统与放射治疗设备的等中心校准。然而，在本发明实施例中，激光阵列41不需要校准这种照相机定位器系统或探测器37。相反，可跟踪参照固定物35和预定偏移矩阵M可以与可跟踪激光对准体42和例如指示器34的指示器结合使用以对准该激光阵列41，其中该偏移矩阵M将等中心43的位置与/或取向识别到该探测器37/确定器39，该可跟踪激光对准体42具有对准标记(未示出)或对准边缘44。一旦可跟踪激光对准体42置于探测器37的视野内来向操作人员提供该等中心43位置的物理指示，形成激光阵列41的各个激光随后可以对准到对准边缘44。随后，激光阵列41提供该等中心43的三维坐标位置的视觉指示，该视觉指示可以用于患者(目标)定位。注意，尽管示为独特的几何形式，但是激光对准体42可采取其他几何形状。也就是说，激光对准体42可以是但不限于是球形、圆柱形、圆锥形、以及立方体形。
[0058]如图2所示以及前文所述，在本发明优选实施例中，确定器39包括几何分析软件71以分析示为线性加速器31的放射治疗设备的几何。几何分析软件71包括适于从例如探测器37的探测器接收多个位置信号的位置确定器73。这些位置信号指示了在探测器37(图1)视野内每个相应可跟踪体33(图3)的至少所述多个指示器34的子集的位置。在线性加速器的示例中，针对于旋转组件51(图3)所示，仅该位置确定器73利用这些位置信号确定至少两个但是优选地三个三维坐标采样数据点或位置的集合，例如对于旋转组件51的位置S，每个集合代表优选地基本上沿着旋转组件51、53、55之一的预选定部分的最大旋转弧或路径(例如对于组件51，旋转路径RP)定位的三维坐标采样数据点或位置。如本领域技术人员所已知和理解的，采用恰当的过滤和平滑，弧确定器75确定每个旋转组件51、53、55的每个三维坐标采样数据点或位置S集合的单独的弧A1、A2、A3(图3和4)的拟合。相应地，每个拟合弧A1、A2、A3指示旋转组件51、53、55的相应一个的预选定部分的旋转路径RP，且位于与每个其他拟合弧的平面向基本上正交的平面内。注意，尽管不是所有旋转组件都通常旋转遍及完整的360度旋转，但是拟合弧A1、A2、A3可以表示为真实弧(如A1、A3所示)或交叠在代表相应旋转路径的三维坐标采样数据点或位置(例如弧A1的位置S)上的圆(如A2所示)。
[0059]与弧确定器75可以或者可以不功能上分离的轴确定器77，可以确定每个拟合弧A1、A2、A3的旋转中心CR和法线N(图4)。在线性加速器示例中，每个拟合弧A1、A2、A3的旋转中心CR和法线N相应地指示每个旋转组件51、53、55的旋转轴G、C、TT(图1)。此外，交点确定器79确定各个旋转组件51、53、55的法线N的交点I(图4)，指示了旋转轴G、C、TT的交点。交点I基本上指示了等中心坐标系的等中心43的三维坐标位置。注意如上所述，在线性加速器示例中，旋转组件51、53、55中仅两个需要被采样，因为交点I可以由两个法线N形成，然而从每个主要旋转组件(线性加速器31的旋转组件51、53、55)旋转路径采样坐标，提供了更多的数据以用于形成对等中心43的更精确的确定。还要注意，当设备仅包括单个旋转组件时，中心和法线需要更复杂的数学算法，且尽管在本发明的范围之内，一般而言并不提供通过确定两个或更多个旋转组件的交点而提供的精确度。
[0060]当可跟踪固定物35固定连接到旋转组件时，其可以提供对所确定的等中心43的三维坐标位置和取向的参照。也就是说，几何分析软件71可包括变换矩阵确定器81，其可以利用所确定的等中心43三维坐标位置来确定该设备(例如，线性加速器31)的等中心43的已确定三维坐标位置与可跟踪固定物35之间的变换矩阵M。这有利地允许探测器37的体61移动而仍可以参照等中心43的三维坐标位置。更具体而言，位置确定器73还可以接收位置信号，这些位置信号指示了例如可跟踪参照固定物35的参照固定物的三维坐标位置与/或取向。利用可跟踪参照固定物35的这种三维坐标位置和等中心43的已确定三维坐标位置，变换矩阵81可以确定等中心43的已确定三维坐标位置和可跟踪参照固定物35之间的变换矩阵M(见例如图5)。该变换矩阵M允许例如探测器37/确定器39的定位器系统，通过仅仅查看可跟踪参照固定物35并确定该可跟踪参照固定物35的位置与/或取向，即可容易地确定等中心43的相对位置与/或取向。
[0061]在本发明实施例中，几何软件71还包括不完美识别器83。不完美识别器83识别任一所述三维坐标集合内是否有任何三维坐标采样坐标点或位置落在定义相应拟合弧A1、A2、A3的数据集合内的三维坐标点或位置的外部或不基本一致。当如此确定时，这种三维坐标点或位置(对于旋转组件51的旋转路径RP示为S’(图7))，指示了相应旋转组件51、53、55内不完美的相对位置。不完美分析器85检查这些不完美以分析所识别的不完美对等中心43的已确定三维位置或者对等中心坐标系的影响(如果存在)。
[0062]有利地，使用例如可跟踪参照固定物35的参照固定物以及存储于存储器69内的预定变换矩阵M，几何分析软件71可以直接确定(或者，再确定)等中心43的三维坐标位置和该等中心坐标系的取向，其中该预定变换矩阵M指示了可跟踪参照固定物35和等中心43之间的幅值和方向。例如，在本发明实施例中，例如位置确定器73的位置确定器可以接收通过检测例如可跟踪参照固定物35的可跟踪参照固定物上多个指示器34的位置而形成的多个位置信号。也就是说，当可跟踪参照固定物35连接到旋转组件之一(例如旋转台架组件51)时(图8)，位置确定器73可用于确定该可跟踪参照固定物35的位置与/或取向。等中心位置确定器89可以接收该可跟踪参照固定物35的所确定的位置以及该预定矩阵M，来确定或再确定等中心43相对于可跟踪参照固定物35的三维坐标位置和取向，以将探测器37/确定器39与该治疗设备校准。
[0063]如前所述，连接到例如旋转组件51的旋转组件的可跟踪参照固定物35本身相对于等中心坐标系轴取向具有变化的取向(图8)，该等中心坐标系轴取向具有固定的取向(见图5和8)。在本发明实施例中，位置确定器73可接收第一多个位置信号以确定可跟踪固定物35的位置和取向。在旋转组件51旋转期间取向保持恒定的恒定取向可跟踪体36可以连接到旋转组件51，以补偿由于可跟踪参照固定物35旋转偏离初始参照位置IP而引起的等中心坐标系轴的已确定取向的误差，例如图8所示。位置确定器73可进一步接收第二多个位置信号，以确定恒定取向可跟踪体36的位置和取向。旋转角度确定器87响应于该位置确定器73，可以确定可跟踪参照固定物35的取向和恒定取向可跟踪体的取向之间的角度差值，该角度差值指示了该可跟踪参照固定物35的旋转角度，并因此指示了旋转组件51的旋转角度。该角度随后被等中心坐标系取向确定器91用于制定校正因子(角度)，使得等中心坐标系取向确定器91可以确定等中心43相对于治疗设备、治疗室与/或探测器37的正确取向。
[0064]重要的是注意，尽管本发明的实施例已经就完全功能系统的情况进行描述，但是本领域技术人员将会理解，本发明的机制与/或其方面能够以各种形式的指令分布于计算机可读取介质内以在一个或多个处理器等上执行，且无论使用何种具体类型的信号承载介质来实际执行该分布，本发明同样适用。计算机可读取介质的示例包括：非易失性的硬编码类型介质，例如只读存储器(ROM)或者可擦除电学编程只读存储器(EEPROM)；可记录类型介质，例如软盘、硬盘驱动器和CD-ROM；以及传输类型介质，例如数字和模拟通信链路。
[0065]如图1至11所示，本发明的实施例还包括计算机可读取介质，其可由计算机读取以分析具有多个旋转组件的设备(例如所示的线性加速器31)的几何。例如，在本发明实施例中，计算机可读取介质包括指令集，该指令集由例如确定器39的计算机执行时使该计算机执行下述操作：接收多个位置信号；以及确定基本上沿相应旋转组件51、53与/或55中每个的预选定部分的单独旋转路径定位的至少两个但优选三个三维坐标采样位置(例如，图7所示位置S)集合。这些指令还包括响应于该多个位置信号，用于确定分离的弧A1、A2与/或A3(图4)与各个三维坐标位置集合中的每一个拟和的指令。每个拟合弧A1、A2与/或A3指示了相应旋转组件51、53与/或55之一的预选定部分的旋转路径，且位于与每个其他拟合弧的平面基本上正交的平面内。这些指令还包括用于如下操作的指令：为每个拟合弧A1、A2与/或A3确定旋转中心CR和法线N(图4)，指示受分析的旋转组件51、53与/或55中每个的相应旋转轴G、C与/或TT；以及确定受分析的旋转组件51、53与/或55的旋转轴G、C与/或TT的交点I。交点I基本上指示了等中心坐标系的等中心43的三维坐标位置。
[0066]这些指令还可包括用于确定等中心43的已确定三维坐标位置和的可跟踪参照固定物(例如连接到旋转组件之一的可跟踪参照固定物35)之间的变化矩阵M的指令。这些指令还可包括这样的指令，其用于识别与定义相应拟合弧的数据集合内的三维坐标位置不基本一致的、所述三维坐标集合中预选定一个内的三维坐标位置(例如，图7所示位置S’)。该三维坐标位置在如此确定时，指示了相应旋转组件内不完美的相对位置。这些指令可进一步包括用于分析(如果存在)所识别的不完美对等中心43的已确定三维位置的影响。
[0067]此外例如且仍参照该线性加速器示例，在本发明实施例中，所述计算机可读取介质可包括指令集，其在被计算机执行时使该计算机执行下述操作：接收第一多个位置信号；确定连接到例如旋转台架组件的旋转组件51的可变取向可跟踪参照固定物35的位置和取向；接收第二多个位置信号；以及确定优选地连接到旋转组件51的恒定取向可跟踪体36的位置和取向。这些指令还可包括这样的指令，其用于确定该可变取向可跟踪固定物35的取向和恒定取向可跟踪体36的取向之间的角度差值。该角度差值指示了可变取向可跟踪参照固定物35的旋转角度和该旋转组件51的旋转角度。这些指令还可包括用于执行下述操作的指令：提取存储在存储介质(例如，存储器69)上的预定变换矩阵M，该预定变换矩阵M指示了可变取向可跟踪参照固定物35和等中心43的先前确定的三维坐标位置之间的幅值、方向和旋转；以及依据该可变取向可跟踪体35确定该等中心43相对的三维坐标位置和取向。这些指令还可包括用于执行以下操作的指令：响应于可变取向可跟踪固定物35的取向以及该可变取向可跟踪固定物35的取向和该恒定取向可跟踪体36的取向之间的已确定的角度差值，确定该等中心坐标系的取向。
[0068]如图9至10所示，本发明的实施例还包括用于分析具有多个旋转组件的设备(例如所示的线性加速器31(图1))的几何的方法。可能最佳地如图3和9所示，每个相应旋转组件51、53、55可具有在相应旋转组件51、53、55的预选定部分顺序或同时连接到每个相应旋转组件51、53、55(框11)的可跟踪体，例如可跟踪体33。也就是说，在本发明实施例中，可跟踪体33可以顺序连接到该线性加速器31的通常至少两个但是优选三个旋转组件51、53、55，以供连续查看。
[0069]在本发明另一个实施例中，如图3所示，多个可跟踪体33的每一个可以单独且分开地连接到该旋转组件51、53、55中相应一个以供同时查看。无论如何，连接有可跟踪体33的多个旋转组件51、53、55中每个可被用户旋转(框113)和查看。例如探测器37的探测器检测在相应旋转组件51、53、55旋转期间安装到每个可跟踪体33的多个指示器34的子集的位置。该探测器37产生指示探测器37的视野内该多个指示器34的每个子集的位置的多个位置信号。该多个位置信号提供数据，该数据可以由例如确定器39的确定器用于沿着每个相应旋转组件51、53、55的旋转路径，确定空间中多个采样三维坐标点或位置(框115)，例如图3所示沿着旋转组件51的旋转路径RP的采样位置S。该确定器39可以进一步检查所述位置信号，以分类或形成检查中的沿着旋转组件51、53、55每一个的旋转路径的三维坐标点或位置的一个或多个分开的集合(框117)。
[0070]使用恰当的过滤和平滑，可延伸到完整的圆的圆周的弧A1、A2、A3(图3和4)每一个单独拟合到(框119)每个相应的旋转组件51、53、55的采样数据点或位置S的相应集合。每个弧A1、A2、A3具有旋转中心CR以及从该旋转中心CR延伸的法线N。法线N定义了每个弧A1、A2、A3的旋转轴。因此可以容易地确定每个弧A1、A2、A3的旋转轴(框121)。相应地，在本发明实施例中，通过确定至少两个但是优选所有三个与相应弧A1、A2、A3相关联的相应旋转组件51、53、55的旋转轴的交点I，可以容易地确定等中心43的三维坐标位置(框123)。
[0071]一旦等中心43的三维坐标位置确定，如果尚未安装，则可跟踪参照固定物35(图5)连接或附着到(框125)优选地最可见旋转组件的预选定部分，该最可见旋转组件为线性加速器31的旋转台架组件51的台架头57。该可跟踪参照固定物35的三维坐标位置于是可以与该等中心43的已确定三维坐标位置校准。这可以通过确定该可跟踪参照固定物35和该等中心43的已确定三维坐标位置和指定取向之间的变换矩阵M(图5)来实现。在本发明优选实施例中，确定器39通过使用软件71来实现该功能，如前所述。此外如上文所述，一旦变换矩阵M确定，则可跟踪体定位器或例如探测器37的探测器无需保持在高度稳定位置。这提供了显著的优点，因为当前的照相机定位系统容易受墙壁振动及其他运动的影响。不使用可跟踪体定位器或探测器来执行参照固定物的功能，而是可跟踪参照固定物35提供了对等中心43的相对参照。此外，将参照固定物定位成更靠近等中心43，更进一步有利地改善了精确度。
[0072]如图10所示，本发明的实施例还包括用于分析几何的方法，包括确定和分析设备31的几何的不完美。例如在本发明实施例中，每个拟合弧A1、A2、A3(图4)可以视为具有其自己的数据集。也就是说，每个相应的拟合弧A1、A2、A3包括落在定义相应拟合弧A1、A2、A3的曲线上的数据点(三维坐标位置)。所述采样三维坐标采样数据点或位置的每个相应集合内的至少一个但是优选所有所述三维坐标采样数据点或位置(例如采样数据点S，图7)，可以与定义相应拟合弧A1、A2、A3的相应数据集合内的三维坐标位置之间进行比较(框131)。被视为不基本一致的点，即，不落在定义相应拟合弧A1、A2、A3的曲线或数据集上的点(例如点S’，图7)，指示了相应旋转组件51、53、55内不完美的相对位置。
[0073]一旦发现了代表所确定的不完美的一个或多个数据点，就可以分析或确定(框133)所确定的不完美对等中心43的已确定三维位置以及对等中心坐标系的取向的影响。该分析可包括：使用可跟踪参照固定物35和恒定取向可跟踪体36来确定每个所确定的不完美的相对旋转位置。此外，该分析还可包括例如放射束施加时的预期误差的确定(框135)。有利地，有关这些不完美的影响的知识可允许治疗师根据需要调整治疗计划(框137)。在线性加速器示例中，这可以通过调整计划放射束方向或强度以补偿任何这些不完美来实现。
[0074]可能最佳地如图11所示，本发明的实施例还包括用于分析治疗设备31的几何的方法，其中例如可跟踪参照固定物35的可跟踪参照固定物和等中心43的确定的三维坐标位置和取向之间的变换矩阵M(图5)已经预定。例如在本发明实施例中，照相机子系统或例如探测器37的合适的可跟踪体探测器定位或可选地再定位于不阻挡的位置。如果尚未完成这一点，则可跟踪参照固定物35(图5)连接到该设备的旋转组件(框141)。对于所示的线性加速器31，该旋转组件优选为旋转台架组件51。可跟踪参照固定物35优选地连接在台架头57处(图5)，以最小化该可跟踪参照固定物35和所确定的等中心43之间的距离。这种定位可以帮助提高系统30的精确度。
[0075]可能最佳地如图8和11所示，然而在该配置中，由于旋转台架组件51旋转，可跟踪参照固定物35的取向随着台架头57的旋转而变化(旋转)。因此预定偏移矩阵M将维持对等中心43的参照，等中心43将随着旋转组件51的旋转而相对于线性加速器31、治疗室、与/或探测器37旋转。然而，等中心43和相应的等中心坐标系不随该旋转组件的旋转而旋转。因此，恒定取向可跟踪体36可以在一端枢轴地连接到(框143)该可跟踪参照固定物35或者单独直接连接到相应的旋转组件的预选定部分。恒定取向可跟踪体36的钟摆动作提供了一参照取向，该参照取向允许例如确定器39的确定器在该旋转组件旋转偏离器初始参照位置时校正由该可跟踪参照固定物35提供的等中心43取向。也就是说，用户可以故意或者无意地旋转该旋转组件51(框145)，而仍获得该等中心坐标系的精确取向。由于可跟踪参照固定物35提供了对等中心43三维坐标位置的固定参照，探测器37可以容易地移动而仍可以容易地参照该等中心43，与在转变过程中可能临时失去对等中心43的参照不同。
[0076]使用上述配置，非常精确的等中心43的三维坐标位置和取向在探测器37/确定器39通电时可以容易地变换到探测器/确定器(照相机)空间。探测器37首先检测该可跟踪参照固定物35的多个指示器34。根据由此产生的位置信号，确定器39随后确定(框147)探测器37(例如，探测器位置O)和该可跟踪参照固定物35之间的变换矩阵V’(图8)。注意，探测器37具有示于探测器体61面上的预选定坐标系。与探测器37按照固定关系来建立具有预选定原点和取向的预选定坐标系，以定义探测器位置O。然而，探测器位置O相对于治疗设备(例如，线性加速器31)不是固定坐标参照位置，而是随着探测器体61的移动相对于该治疗设备相应地移动。
[0077]确定器39随后参照该预定变换矩阵M(框149)，以获得等中心43的相对位置和取向。探测器37还检测该恒定取向可跟踪体36的多个指示器34。使用由此产生的位置信号，确定器39确定可跟踪参照固定物35和恒定取向可跟踪体39的取向(框151)。确定器39随后确定可跟踪参照固定物35的旋转角度(框153)，其涉及旋转组件51从初始参照位置IP的旋转位置(图8)。这可以通过确定可跟踪参照固定物35和恒定取向可跟踪体36之间的角度差值来实现。概念上，确定器39通过将从变换矩阵M获得的等中心43的相对取向计算地旋转一数量来确定等中心43的取向(框155)，其中该数量与该可跟踪参照固定物35和该恒定取向可跟踪体39之间的角度差值有关(见图8)。因此，提供了该等中心43的精确参照位置和取向，而与可跟踪参照固定物35的旋转取向无关，其中该旋转取向会由于该可跟踪参照固定物35所连接的旋转组件的旋转而变化。
[0078]有利地，上述步骤可以不需要使用例如激光阵列41(图6)的激光阵列来校正例如探测器37的照相机子系统/探测器。实际上，确定了变换矩阵M(图5)之后，激光阵列41反而可以通过探测器37来对准和校准。优选的光学可跟踪激光对准体42可以置于根据可跟踪参照固定物35的参照位置和预定相对变换矩阵M而确定的偏移坐标位置，与等中心43的三维坐标位置一致的位置。激光阵列41随后可以在可跟踪激光对准体42上取向，从而允许激光阵列41的每个激光与对准标记(未示出)或对准边缘44对准，并因此与等中心43的三维坐标位置对准。这提供了在患者定位期间等中心43的三维坐标位置的激光标记。
[0079]在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型优选实施例，尽管特定的术语被使用，但是这些术语仅仅是用于描述而非出于限制目的。本发明已经具体地参照这些所示实施例非常详细地描述。然而显而易见的是，在前述说明书所述以及所附权利要求所定义的本发明的精神和范围内，可以进行各种改进和变化。例如，该设备描述为线性加速器的形式。然而，本发明不限于产生放射线的设备，而是可以用于具有至少一个旋转组件的任何设备，该设备需要分析该设备的几何以确定和分析操作人员使用的坐标系。此外，例如，该几何分析软件一般描述为安装于确定器内，但是该软件可以安装在探测器内、确定器内、该二者内、远程计算机内，或者独立地存储在例如致密盘、便携硬盘驱动器等的移动存储介质内。此外，所述恒定取向可跟踪体描述成具有钟摆动作。其他形式的动作，例如实施为陀螺，这也落在本发明范围之内。