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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710153370.2 (22)申请日 2017.03.15 (71)申请人 中国科学院近代物理研究所 地址 730000 甘肃省兰州市南昌路363号科 技处 (72)发明人 申国盛李强陈卫强姬腾飞 戴中颖刘新国马圆圆贺鹏博 张晖 (74)专利代理机构 兰州振华专利代理有限责任 公司 62102 代理人 张真 (51)Int.Cl. A61N 5/10(2006.01) (54)发明名称 一种用于放射治疗中患者摆位的实时验证 装置及方法 (57)摘要 本发明涉及放射治疗过程。
2、中患者位置验证 技术领域， 尤其是涉及一种用于放射治疗中患者 摆位的实时验证装置及方法。 包括设置在治疗床 周围的第一光学摄像机、 第二光学摄像机和第三 光学摄像机， 每台光学摄像机安装在对应的支架 上， 其中第一光学摄像机设置在正对治疗床的前 方， 第二光学摄像机和第三光学摄像机分别设置 在治疗床的两侧， 三台光学摄像机通过视频线连 接在视频采集卡上， 视频采集卡安装在图形工作 站上， 视频标定板对应患者的头部、 脚部、 左侧、 右侧设置在治疗床上， 视频标定板分别采集标定 图像来标定摄像机， 图形工作站通过算法和软件 控制摄像机来进行患者摆位的实时验证。 其能够 实现对患者进行精确摆位引导。
3、和验证， 大大提高 了放疗的精度。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 106880906 A 2017.06.23 CN 106880906 A 1.一种用于放射治疗中患者摆位的实时验证装置， 其特点是包括设置在治疗室内的治 疗床周围的第一光学摄像机、 第二光学摄像机和第三光学摄像机， 每台光学摄像机安装在 对应的支架上， 其中第一光学摄像机设置在正对治疗床的前方， 第二光学摄像机和第三光 学摄像机分别设置在治疗床的两侧， 三台光学摄像机通过视频线连接在视频采集卡上， 视 频采集卡安装在图形工作站上， 视频标定板对应患者的头部、 脚部、 左侧、 右侧设置在治疗 床上， 视频标定板分别。
4、采集标定图像来标定摄像机， 图形工作站通过算法和软件控制摄像 机来进行患者摆位的实时验证。 2.如权利要求1所述的一种用于放射治疗中患者摆位的实时验证装置， 其特征在于： 所 述的治疗床位旋转式治疗床， 所述的第一光学摄像机的支架高度为1.8米-2.0米， 第二光学 摄像机和第三光学摄像机的支架高度为1.2米-2.0米， 三台光学摄像机的支架底座距离治 疗床中心的水平距离2.5米-3.0米， 第二光学摄像机和第三光学摄像机摆放位置连线垂直 于治疗床且经过治疗床中心， 摄像机从上向下拍摄治疗床以及固定在其上的患者。 3.一种用于放射治疗中患者摆位的实时验证方法， 其特征在于是包括如下步骤： (1。
5、)患者首次摆位和标准参考图像的获取： 患者首次在治疗室接受治疗时， 将三台摄像 机按照所述的验证装置设置连接好， 打开验证装置图形工作站上的控制软件； 按照治疗计 划系统输出的患者摆位参数对患者摆位， 通过常规的摆位验证方法即通过常规的DR设备采 集的图像和治疗计划系统输出的DRR图像配准， 来确定患者的正确摆位， 使用图像工作站上 的算法软件获取每个摄像头的标准参考摆位光学图像， 并将该光学图像存储在数据库中； (2)差值图像的获取： 在进行患者后续分次治疗时， 每个摄像头拍摄的实时视频图像和 该摄像头的标准参考图像进行差值计算， 即将每帧实时图像的每个像素的RGB值减去对应 摄像头的标准参。
6、考图像的每个像素的RGB值， 获取摆位偏差图像； (3)感兴趣区域的获取： 对摆位偏差图像首先使用5*5内核的均值滤波器和7*7内核的 高斯滤波器进行平滑滤波， 将平滑滤波后的差值图像使用canny算子进行轮廓提取获取包 含所有轮廓的最大矩形区域坐标， 即感兴趣区域坐标； (4)患者摆位验证： 计算感兴趣区域坐标内的标准参考图像和实时视频图像上的角点， 并将两幅图像的角点进行匹配； 获取匹配角点的坐标偏差值， 如果偏差值小于设定的1毫米 阈值， 则认定患者摆位正确， 如果偏差值大于1毫米， 则根据偏差值对患者进行重新摆位； (5)获取患者摆位偏差： 将获得的ROI区域坐标映射到参考图像和和实时。
7、视频图像上， 对映射的区域通过改进的ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)角点提取配准算法提 取角点， 配准两幅图像上ROI区域内的角点； ； 在自动获取的ROI区域内使用ORB算法提取角 点并且获取角点的描述算子， 根据标准参考图像好实时视频图像上的角点和角点描述算子 进行匹配； 并改进ORB算法， 删除其中坐标位置、 方向、 和描述算子完全一致的背景角点； 在 同一个坐标系下计算配准角点之间的位置偏差值， 根据对每个摄像头的标定参数计算出在 该摄像头下配置点的实际偏差距离； (6)患者摆位验证： 如果某一个或者几个摄像头中视频图像的角点坐标偏差与其对应 的。
8、标准参考图像上配准的角点坐标大于1毫米， 则根据摄像头的位置和角点坐标偏差值引 导医务人员对患者摆位进行校正调整， 调整后重新进行步骤(2)的运算， 直到患者在每个摄 像头下的视频图像和该摄像头的标准参考图像偏差值小于1毫米， 符合治疗要求则本发明 装置输出信号给治疗控制系统， 开始治疗； 权利要求书 1/2 页 2 CN 106880906 A 2 (7)实时监控治疗中的患者体位： 患者治疗过程中， 三个摄像头实时监控患者的体位， 摄像头的实时视频图像与各自的标准参考图像进行差值运算， 对差值运算图像进行自动的 轮廓提取， 获取的轮廓面积如果大于10平方像素， 则需要停止治疗， 对患者进行摆。
9、位调整， 如果轮廓面积小于10平方像素， 则继续治疗； (8)患者摆位实时监控： 在患者治疗的过程中， 摄像头实时监控患者， 当患者的无意识 运动引起的视频图像和摆位参考图像之间的差分值大于设定的阈值1毫米时， 系统将发出 信号传递给治疗控制系统， 控制系统停止放疗， 医务人员根据摆位偏差参数对患者进行重 新摆位， 然后恢复治疗。 权利要求书 2/2 页 3 CN 106880906 A 3 一种用于放射治疗中患者摆位的实时验证装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及放射治疗过程中患者位置验证技术领域， 尤其是涉及一种用于放射治 疗中患者摆位的实时验证装置及方法。 背景技术 0002 放射治。
10、疗(简称放疗)是癌症治疗的三大技术手段之一， 精确放疗是放疗领域研究 的前沿和热点。 患者精确摆位是精确放疗的前提和基础， 在执行放疗计划中必须对患者进 行准确摆位， 才能获得期望的良好治疗效果。 在临床治疗中， 病灶靶区中心位置会因为对患 者摆位的不准确和患者在治疗中的无意识运动产生变化， 使射线不能准确地照射在患者的 病灶靶区位置上， 给治疗带来较大的误差， 从而不能彻底治愈患者的疾病， 同时也会因为对 患者正常组织的过多照射从而引起并发症。 因此， 如何对患者进行快速精确的摆位验证并 实时监测患者在治疗中无意识运动产生的体位偏差是实施精确放疗的关键所在。 0003 现有技术中主流的图像引。
11、导放疗患者摆位验证技术主要是使用X射线成像、 kV级 锥形束CT(CBCT)以及MRI成像技术来对患者进行分次间摆位验证以及摆位误差的修正。 其 存在的缺点是成像不够清晰， 或者会给患者正常组织带来额外的辐射剂量， 有引起患者并 发症的可能。 同事其获得图像后， 需要较长的配准融合时间来验证患者的摆位， 不能做到实 时的摆位验证。 0004 所以， 现有技术存在的问题是在成像过程中会使患者受到额外的辐射剂量， 增加 了患者正常组织患病的风险； 同时利用获得的图像进行摆位验证的算法运算步骤比较复 杂， 很难做到实时的摆位验证， 有影响患者治疗疗效的的可能。 发明内容 0005 本发明的目的在于针。
12、对现有技术的不足提供一种用于放射治疗中患者摆位的实 时验证装置及方法。 从而有效解决现有技术中的问题。 0006 为实现上述目的， 本发明采取的技术方案为： 所述的一种用于放射治疗中患者摆 位的实时验证装置， 其特点是包括设置在治疗室内的治疗床周围的第一光学摄像机、 第二 光学摄像机和第三光学摄像机， 每台光学摄像机安装在对应的支架上， 其中第一光学摄像 机设置在正对治疗床的前方， 第二光学摄像机和第三光学摄像机分别设置在治疗床的两 侧， 三台光学摄像机通过视频线连接在视频采集卡上， 视频采集卡安装在图形工作站上， 视 频标定板对应患者的头部、 脚部、 左侧、 右侧设置在治疗床上， 视频标定板。
13、分别采集标定图 像来标定摄像机， 图形工作站通过算法和软件控制摄像机来进行患者摆位的实时验证。 0007 所述的治疗床位旋转式治疗床， 所述的第一光学摄像机的支架高度为1.8米-2.0 米， 第二光学摄像机和第三光学摄像机的支架高度为1.2米-2.0米， 三台光学摄像机的支架 底座距离治疗床中心的水平距离2.5米-3.0米， 第二光学摄像机和第三光学摄像机摆放位 置连线垂直于治疗床且经过治疗床中心， 摄像机从上向下拍摄治疗床以及固定在其上的患 者。 说明书 1/5 页 4 CN 106880906 A 4 0008 所述的一种用于放射治疗中患者摆位的实时验证方法， 其特点是包括如下步骤： 00。
14、09 (1)患者首次摆位和标准参考图像的获取： 患者首次在治疗室接受治疗时， 将三台 摄像机按照所述的验证装置设置连接好， 打开验证装置图形工作站上的控制软件； 按照治 疗计划系统输出的患者摆位参数对患者摆位， 通过常规的摆位验证方法即通过常规的DR设 备采集的图像和治疗计划系统输出的DRR图像配准， 来确定患者的正确摆位， 使用图像工作 站上的算法软件获取每个摄像头的标准参考摆位光学图像， 并将该光学图像存储在数据库 中； 0010 (2)差值图像的获取： 在进行患者后续分次治疗时， 每个摄像头拍摄的实时视频图 像和该摄像头的标准参考图像进行差值计算， 即将每帧实时图像的每个像素的RGB值减。
15、去 对应摄像头的标准参考图像的每个像素的RGB值， 获取摆位偏差图像； 0011 (3)感兴趣区域的获取： 对摆位偏差图像首先使用5*5内核的均值滤波器和7*7内 核的高斯滤波器进行平滑滤波， 将平滑滤波后的差值图像使用canny算子进行轮廓提取获 取包含所有轮廓的最大矩形区域坐标， 即感兴趣区域坐标； 0012 (4)患者摆位验证： 计算感兴趣区域坐标内的标准参考图像和实时视频图像上的 角点， 并将两幅图像的角点进行匹配； 获取匹配角点的坐标偏差值， 如果偏差值小于设定的 1毫米阈值， 则认定患者摆位正确， 如果偏差值大于1毫米， 则根据偏差值对患者进行重新摆 位； 0013 (5)获取患者。
16、摆位偏差： 将获得的ROI区域坐标映射到参考图像和和实时视频图像 上， 对映射的区域通过改进的ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)角点提取配准算法 提取角点， 配准两幅图像上ROI区域内的角点； ； 在自动获取的ROI区域内使用ORB算法提取 角点并且获取角点的描述算子， 根据标准参考图像好实时视频图像上的角点和角点描述算 子进行匹配； 并改进ORB算法， 删除其中坐标位置、 方向、 和描述算子完全一致的背景角点； 在同一个坐标系下计算配准角点之间的位置偏差值， 根据对每个摄像头的标定参数计算出 在该摄像头下配置点的实际偏差距离； 0014 (6)患者摆位验。
17、证： 如果某一个或者几个摄像头中视频图像的角点坐标偏差与其 对应的标准参考图像上配准的角点坐标大于1毫米， 则根据摄像头的位置和角点坐标偏差 值引导医务人员对患者摆位进行校正调整， 调整后重新进行步骤(2)的运算， 直到患者在每 个摄像头下的视频图像和该摄像头的标准参考图像偏差值小于1毫米， 符合治疗要求则本 发明装置输出信号给治疗控制系统， 开始治疗； 0015 (7)实时监控治疗中的患者体位： 患者治疗过程中， 三个摄像头实时监控患者的体 位， 摄像头的实时视频图像与各自的标准参考图像进行差值运算， 对差值运算图像进行自 动的轮廓提取， 获取的轮廓面积如果大于10平方像素， 则需要停止治疗。
18、， 对患者进行摆位调 整， 如果轮廓面积小于10平方像素， 则继续治疗； 0016 (8)患者摆位实时监控： 在患者治疗的过程中， 摄像头实时监控患者， 当患者的无 意识运动引起的视频图像和摆位参考图像之间的差分值大于设定的阈值1毫米时， 系统将 发出信号传递给治疗控制系统， 控制系统停止放疗， 医务人员根据摆位偏差参数对患者进 行重新摆位， 然后恢复治疗。 0017 本发明的有益效果是： 所述的一种用于放射治疗中患者摆位的实时验证装置及方 法， 其设计使用多路普通光学摄像机多角度成像的方法来对患者进行快速精确的摆位验 说明书 2/5 页 5 CN 106880906 A 5 证， 并且实时监。
19、测患者在治疗中的体位状态， 将运算获得的信号反馈给放疗控制系统， 对患 者进行精确摆位引导和验证， 大大提高了放疗的精度。 其优点还包括： (1)其价格低廉， 成像 精度高； (2)光学摄像头成像不对患者增加任何额外的辐射剂量， 有效的降低了患者在治疗 时因为受到额外辐射剂量而罹患并发症的风险； (3)改进的算法增加了运算速度， 可以对患 者进行快速的在线摆位引导和验证； (4)可以实时监控监控患者无意识运动， 一经发现患者 出现摆位误差可以立即采取措施保护患者； (5)可以有效减少患者摆位的时间， 客观上减少 患者以及操作人员受到额外辐射剂量照射的风险； (6)减少了摆位时间， 能够有效减少。
20、放疗 加速器的等待时间， 因而能够降低治疗成本； (7)光学成像系统不受治疗室内电磁干扰的影 响， 能够适应治疗室内复杂的电磁环境， 适应性强。 附图说明： 0018 图1是本发明的装置结构示意图； 0019 图2是本发明的实施方法流程结构示意图； 0020 图3是三个摄像头的标准参考图像； 0021 图4是第一光学摄像头提取的角点及其配准画面； 0022 图5是第二光学摄像头提取的角点及其配准画面； 0023 图6是第三光学摄像头提取的角点及其配准画面。 0024 图中所示： 1.第一光学摄像机； 2.第二光学摄像机； 3.第三光学摄像机； 4.治疗床； 5.视频采集卡； 6.图形工作站； 。
21、7.视频标定板； 8.支架。 具体实施方式 0025 以下结合附图所示之最佳实例作进一步详述： 0026 如图1和2所示， 所述的一种用于放射治疗中患者摆位的实时验证装置， 其特点是 包括设置在治疗室内的治疗床4周围的第一光学摄像机1、 第二光学摄像机2和第三光学摄 像机3， 每台光学摄像机安装在对应的支架8上， 其中第一光学摄像机1设置在正对治疗床的 前方， 第二光学摄像机2和第三光学摄像机3分别设置在治疗床4的两侧， 三台光学摄像机通 过视频线连接在视频采集卡5上， 视频采集卡5安装在图形工作站6上， 视频标定板7对应患 者的头部、 脚部、 左侧、 右侧设置在治疗床4上， 视频标定板7分别。
22、采集标定图像来标定摄像 机， 图形工作站6通过算法和软件控制摄像机来进行患者摆位的实时验证。 0027 所述的治疗床位旋转式治疗床， 所述的第一光学摄像机1的支架高度为1.8米-2.0 米， 第二光学摄像机2和第三光学摄像机3的支架高度为1.2米-2.0米， 三台光学摄像机的支 架8底座距离治疗床中心的水平距离2.5米-3.0米， 第二光学摄像机2和第三光学摄像机3摆 放位置连线垂直于治疗床且经过治疗床4中心， 摄像机从上向下拍摄治疗床以及固定在其 上的患者。 0028 所述的一种用于放射治疗中患者摆位的实时验证方法， 其特点是包括如下步骤： 0029 (1)患者首次摆位和标准参考图像的获取：。
23、 患者首次在治疗室接受治疗时， 将三台 摄像机按照所述的验证装置设置连接好， 打开验证装置图形工作站上的控制软件； 按照治 疗计划系统输出的患者摆位参数对患者摆位， 通过常规的摆位验证方法即通过常规的DR设 备采集的图像和治疗计划系统输出的DRR图像配准， 来确定患者的正确摆位， 使用图像工作 说明书 3/5 页 6 CN 106880906 A 6 站上的算法软件获取每个摄像头的标准参考摆位光学图像， 并将该光学图像存储在数据库 中； 0030 (2)差值图像的获取： 在进行患者后续分次治疗时， 每个摄像头拍摄的实时视频图 像和该摄像头的标准参考图像进行差值计算， 即将每帧实时图像的每个像素。
24、的RGB值减去 对应摄像头的标准参考图像的每个像素的RGB值， 获取摆位偏差图像； 0031 (3)感兴趣区域的获取： 对摆位偏差图像首先使用5*5内核的均值滤波器和7*7内 核的高斯滤波器进行平滑滤波， 将平滑滤波后的差值图像使用canny算子进行轮廓提取获 取包含所有轮廓的最大矩形区域坐标， 即感兴趣区域坐标； 0032 (4)患者摆位验证： 计算感兴趣区域坐标内的标准参考图像和实时视频图像上的 角点， 并将两幅图像的角点进行匹配； 获取匹配角点的坐标偏差值， 如果偏差值小于设定的 1毫米阈值， 则认定患者摆位正确， 如果偏差值大于1毫米， 则根据偏差值对患者进行重新摆 位； 0033 (。
25、5)获取患者摆位偏差： 将获得的ROI区域坐标映射到参考图像和和实时视频图像 上， 对映射的区域通过改进的ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)角点提取配准算法 提取角点， 配准两幅图像上ROI区域内的角点； ； 在自动获取的ROI区域内使用ORB算法提取 角点并且获取角点的描述算子， 根据标准参考图像好实时视频图像上的角点和角点描述算 子进行匹配； 并改进ORB算法， 删除其中坐标位置、 方向、 和描述算子完全一致的背景角点； 在同一个坐标系下计算配准角点之间的位置偏差值， 根据对每个摄像头的标定参数计算出 在该摄像头下配置点的实际偏差距离； 0034 (6。
26、)患者摆位验证： 如果某一个或者几个摄像头中视频图像的角点坐标偏差与其 对应的标准参考图像上配准的角点坐标大于1毫米， 则根据摄像头的位置和角点坐标偏差 值引导医务人员对患者摆位进行校正调整， 调整后重新进行步骤(2)的运算， 直到患者在每 个摄像头下的视频图像和该摄像头的标准参考图像偏差值小于1毫米， 符合治疗要求则本 发明装置输出信号给治疗控制系统， 开始治疗； 0035 (7)实时监控治疗中的患者体位： 患者治疗过程中， 三个摄像头实时监控患者的体 位， 摄像头的实时视频图像与各自的标准参考图像进行差值运算， 对差值运算图像进行自 动的轮廓提取， 获取的轮廓面积如果大于10平方像素， 则。
27、需要停止治疗， 对患者进行摆位调 整， 如果轮廓面积小于10平方像素， 则继续治疗； 0036 (8)患者摆位实时监控： 在患者治疗的过程中， 摄像头实时监控患者， 当患者的无 意识运动引起的视频图像和摆位参考图像之间的差分值大于设定的阈值1毫米时， 系统将 发出信号传递给治疗控制系统， 控制系统停止放疗， 医务人员根据摆位偏差参数对患者进 行重新摆位， 然后恢复治疗。 0037 具体实施例如图3所示， 本发明用于人体仿真体模摆位引导与验证实施， 使用三个 海康威视的高清摄像头从左、 右、 前上三个角度实时引导放置在实验室内的人体塑胶仿真 模型摆位， 并验证摆位的正确性， 将摄像头通过视频线和。
28、视频采集卡连接在图形工作站计 算机上， 采集三个摄像头实时视频图像， 并确定三个摄像头的标准参考图像。 使用一个棋盘 格标定板给每个摄像头参数进行标定， 棋盘格标定板的规格为每个小格尺寸为5毫米*5毫 米， 棋盘格为20格*20格。 将人体塑胶仿真模型摆位向下偏移20毫米后， 将视频图像和标准 参考图像进行计算， 获得引导摆位的偏差数据。 如图4所示， 引导患者摆位实施， 第一摄像头 说明书 4/5 页 7 CN 106880906 A 7 实时视频图像感兴趣区域的角点和标准参考图像如图3的角点配准， 摄像头1配准点的图像 坐标偏差平均值x1.95像素， y21.17像素。 根据第一摄像头的标。
29、定参数， 1.25像素1毫 米， 计算可得摄像头1图像偏移为17.01毫米， 与标准参考图像摆位的误差为2.99毫米。 第二 摄像头2实时视频图像感兴趣区域的角点和标准参考图像如图5所示。 第二摄像头2配准点 的图像坐标偏差平均值x55.41像素， y-2.01像素。 根据第二摄像头2的标定参数， 2.76 像素1毫米， 计算可得摄像头2图像偏移为19.96毫米， 与标准参考图像摆位的误差为0.04 毫米。 第三摄像头3实时视频图像感兴趣区域的角点和标准参考图像的角点配准如图6所 示， 摄像头3配准点的图像坐标偏差平均值x-64.75像素， y0.127像素。 根据摄像头3的 标定参数， 3.。
30、43像素1毫米， 计算可得摄像头3图像偏移为-18.99毫米， 与标准参考图像摆 位的误差为1.01毫米。 根据三个摄像头的摆放位置和它们各自的标定参数计算出体模的当 前摆位和标准摆位的偏差为体模向脚方向移动的距离和实际偏移距离最大不超过2.99毫 米， 并且考虑三个摄像头的总体效果， 计算结果和实际距离偏差为0.04毫米， 证实本发明装 置及方法的可行性， 到达实际应用的要求。 0038 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和 原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 5/5 页 8 CN 106880906 A 8 图1 说明书附图 1/4 页 9 CN 106880906 A 9 图2 说明书附图 2/4 页 10 CN 106880906 A 10 图3 图4 图5 说明书附图 3/4 页 11 CN 106880906 A 11 图6 说明书附图 4/4 页 12 CN 106880906 A 12 。