專利名稱：具有視覺反饋的對象定位的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及對象的精確定位，以及具體地，涉及ー種用于獲得有關(guān)對象定位的視覺反饋的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在過去幾十年間，放射治療和醫(yī)療診斷領(lǐng)域內(nèi)已有了相當(dāng)大的發(fā)展。外線束放射治療加速器、近距離放射治療和其他專業(yè)放射治療設(shè)備的性能已在迅速提高。放射線光束質(zhì)量和適應(yīng)性出現(xiàn)的發(fā)展已包括新的靶和濾波器、改進(jìn)型加速器、通過新施源器、準(zhǔn)直儀和掃描系統(tǒng)的光束成形的改善的靈活性、以及光束補(bǔ)償技術(shù)，且已引入了改進(jìn)型計(jì)量和幾何治療驗(yàn)證方法。
此外，已開發(fā)了許多強(qiáng)大的三維診斷技術(shù)，范圍從計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、正電子和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(PET和SPECT)到超聲及磁共振成像和磁共振光譜(MRI和MRS)。同樣重要的是，増加了對腫瘤和正常組織分餾均勻和非均勻用藥劑量的生物效應(yīng)以及新檢測技術(shù)的了解，包括有效細(xì)胞倍增時間和單個組織敏感性的確定，允許復(fù)雜形狀和早期階段的腫瘤的用藥劑量的最佳化。如今，放射治療和診斷領(lǐng)域中的主要問題在于在放射治療或診斷之前對病人床(couch)上的患者的精確定位，以實(shí)現(xiàn)對待治療或者診斷的患者身體部位的正確定位。美國專利第2005/0283068號公開了用于MRI系統(tǒng)的移動跟蹤器。包括紅外(IR)反射器的結(jié)構(gòu)機(jī)械附著至患者身體。IR掃描器將IR光投射到IR反射器上，以及攝像機(jī)被配置為實(shí)時監(jiān)視IR反射器的移動。在MRI掃描之前以及掃描期間均可獲得多達(dá)六維的反饋信息。該反饋信息顯示在患者或醫(yī)務(wù)人員的顯示屏上，以試圖基于該反饋信息來重定位preposition;患者。美國專利第2005/0283068號的系統(tǒng)以及類似的現(xiàn)有技術(shù)的患者定位系統(tǒng)的缺陷在干，定義應(yīng)如何重定位患者身體的反饋信息顯示在顯示屏上。該顯示屏一般必須配置在離開放射系統(tǒng)的距離，以在無任何碰到顯示屏的風(fēng)險(xiǎn)的情況下，允許龍門具有足夠空間在患者周圍安全旋轉(zhuǎn)。然而，顯示屏相對于患者所躺的床的這ー遠(yuǎn)程配置使站在床和患者旁邊的醫(yī)務(wù)人員在觀看遠(yuǎn)程顯示屏的同時正確重定位患者變得非常麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本文所公開的實(shí)施方式解決了現(xiàn)有技術(shù)配置的這ー問題和其它問題?？偟哪康氖翘峁┅`種在人員正操作的區(qū)域附近顯示重定位反饋信息的定位系統(tǒng)和方法。具體目的是提供一種將重定位反饋信息投射到與床相連接的表面上的定位系統(tǒng)和方法。這些和其它目的通過本文所公開實(shí)施方式來滿足。簡要地，ー種定位系統(tǒng)包括圖形投射器，其被配置為將ニ維(2D)或三維(3D)圖形投射到置于床上的對象(諸如患者)的表面上。響應(yīng)所投射的2D/3D圖形的至少ー個檢測器或攝像機(jī)產(chǎn)生表示在對象表面上檢測到的2D/3D圖形的檢測信號。該檢測信號由圖形分析電路處理，圖形分析電路被配置為基于該檢測信號，產(chǎn)生對象表面的至少一部分的表面表征(surface representation)。校正分析電路將所產(chǎn)生的表面表征與所存儲的基準(zhǔn)表面表征相比較，以產(chǎn)生校正信號。該校正信號表不表面表征相對于基準(zhǔn)表面表征的位置和/或姿勢的差異。校正信號還被用于產(chǎn)生表示位置和/或姿勢差異的信息。該信息被光投射器投射到對象表面或床的另ー表面上。因此，所投射信息對于正在重定位對象以達(dá)到由基準(zhǔn)表面表征定義的目標(biāo)位置和姿勢的人員直接可用。從而，無需可能與附近器械的任何旋轉(zhuǎn)部件(諸如，放射龍門、外科手術(shù)或裝配機(jī)械臂等)相碰撞的遠(yuǎn)程顯示屏，以視覺上傳達(dá)人員確定達(dá)到目標(biāo)位置和/或姿勢必需的對象重定位所需的信息。ー個方面涉及ー種對象定位方法，且包括將2D/3D圖形投射到置于床上的對象表面上。產(chǎn)生表示在對象表面上檢測到的2D/3D圖形的檢測信號，且該檢測信號被用于產(chǎn) 生對象表面的表面表征。將該表面表征與基準(zhǔn)表征相比較，以基于該比較產(chǎn)生表不對象位置/姿勢相對于所確定的目標(biāo)位置/姿勢的差異的校正信號。該校正信號被用于產(chǎn)生投射到對象表面上的信息，從而視覺上傳達(dá)定義該位置和/或姿勢差異的信息。


本發(fā)明與其更多目的和優(yōu)勢一起可通過參照結(jié)合附圖的以下描述而被最好地理解。圖I是配備有根據(jù)ー種實(shí)施方式的定位系統(tǒng)的放射龍門的示意性總體圖；圖2示出了定位系統(tǒng)的投射器和檢測器的實(shí)施方式；圖3示出了定位系統(tǒng)的投射器和檢測器的另ー實(shí)施方式；圖4是定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理単元的示意性框圖；圖5示意性示出了為確定三維表面表征的目的而投射的結(jié)構(gòu)光；圖6示意性示出了根據(jù)實(shí)施方式可使用的支持?jǐn)?shù)字光投射的原理；圖7是配備有根據(jù)另ー實(shí)施方式的定位系統(tǒng)的放射龍門的示意性總體圖；圖8是圖7的放射龍門在工作期間的示意性總體圖；圖9是與圖7和圖8的放射龍門相關(guān)聯(lián)而采用的投射和檢測配置的示圖；圖10示出了根據(jù)ー種實(shí)施方式的差異信息的投射；圖11從另一角度示出了圖10的差異信息的投射；以及圖12是示出根據(jù)ー種實(shí)施方式的對象定位方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式遍及所有附圖，相同的附圖標(biāo)記被用于類似或相應(yīng)的元件。這些實(shí)施方式總體上涉及ー種用于確定對象位置并投射表示所確定位置和目標(biāo)位置的差異的視覺信息的非接觸方法和系統(tǒng)。這些實(shí)施方式用于醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)很有優(yōu)勢，且具體地，當(dāng)為了對患者進(jìn)行診斷成像、放射治療或機(jī)器人手術(shù)而定位床上的患者(諸如獸醫(yī)應(yīng)用中的動物患者或人患者)時。在這些應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)有效診斷或治療的關(guān)鍵在于將患者在床上正確定位。在這些應(yīng)用中，不僅動物患者且人患者也受益于精確定位。常見做法是將不同對象排列成接近床上的患者。例如，為將患者固定于給定姿勢，床上可存在固定設(shè)備。該固定設(shè)備的實(shí)例包括靠墊，該靠墊包括充氣墊、支撐結(jié)構(gòu)等。一般地，在患者被置于床上之前，這些裝置應(yīng)被放置并正確定位。本領(lǐng)域眾所周知，在這些醫(yī)療應(yīng)用中，相對所定義坐標(biāo)系來確定患者位置以及可選地，固定設(shè)備的位置。在坐標(biāo)系中確定的患者/設(shè)備位置隨后可與坐標(biāo)系中的相應(yīng)基準(zhǔn)位置比較，以確定需要患者或設(shè)備重定位的任何差異。為更好地理解關(guān)于正確定位的需求，以放射治療過程的簡要介紹開始可能是有助的。一般地，放射治療過程的第一步是執(zhí)行診斷處理或者診斷。采用不同診斷器械來定位腫瘤及相鄰組織和器官。該診斷解剖信息被用于盡可能精確地確認(rèn)患者體內(nèi)腫瘤的準(zhǔn)確位置，并檢測在隨后的放射治療處理中可能受放射線光束影響或者應(yīng)當(dāng)避免放射線光束的任何器官或組織。通?？山ㄗh使用來自不同診斷器械的解剖信息，因?yàn)椴煌上窦夹g(shù)給 出了不同解剖信息。例如，CT擅長獲得密度信息，以及MRI擅長檢索有關(guān)骨結(jié)構(gòu)附近的軟組織(諸如中樞神經(jīng)系統(tǒng))的解剖信息。因此，來自不同診斷器械的信息彼此互補(bǔ)，且應(yīng)當(dāng)一同給出靶區(qū)及周圍組織的充足圖像。診斷器械中收集的診斷信息一般相對于坐標(biāo)系來定義。若使用多個不同診斷器械，則重要的是擁有可定義來自不同診斷器械的診斷和解剖信息的共用坐標(biāo)系。因此，與每個醫(yī)療器械相關(guān)地確定患者位置，以及可使用診斷器械的坐標(biāo)系與定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系之間的已知變換來定義定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系中的診斷信息，該定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系隨后被用作共用坐標(biāo)系?？商娲兀褂脧钠餍底鴺?biāo)系到共用坐標(biāo)系的診斷信息的坐標(biāo)的第一變換，以及從床坐標(biāo)系到共用坐標(biāo)系的患者的坐標(biāo)的第二變換。在任ー情況下，診斷信息均可在相同坐標(biāo)系中作為定位信息來共同表達(dá)。在隨后的診斷器械中，患者的位置和姿勢優(yōu)選通過定位系統(tǒng)來確定，且與患者的相應(yīng)基準(zhǔn)位置和姿勢相比較，諸如與另ー診斷器械相關(guān)聯(lián)來確定。本文所公開的實(shí)施方式可被用于在這些情況下對患者的精確定位。基于所測量的解剖信息，執(zhí)行治療或劑量規(guī)劃過程。在治療規(guī)劃中，目標(biāo)通常是實(shí)現(xiàn)靶區(qū)中的所需劑量；均勻分配靶區(qū)中的劑量；避免周圍組織和器官中以及危險(xiǎn)器官中的高劑量；以及限制患者接收到的總劑量。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，研究測量到的解剖信息，以定義靶區(qū)并識別危險(xiǎn)器官。其后，指定關(guān)于靶區(qū)的劑量處方和危險(xiǎn)器官的耐受水平。此外，為具體治療選擇放射模式和治療技木?？紤]當(dāng)前解剖信息，在確定了治療技術(shù)之后，選擇并優(yōu)化光束入口(源)數(shù)量和光束入射方向。同樣，基于實(shí)際患者信息來選擇并優(yōu)化光束準(zhǔn)直、光束強(qiáng)度分布、分懼時間表等。一旦優(yōu)化了這些參數(shù)，便計(jì)算患者體內(nèi)的劑量分布，以及若它滿足總體目標(biāo)，則構(gòu)成了治療或劑量方案。治療方案應(yīng)當(dāng)包括關(guān)于實(shí)際放射治療處理的所有相關(guān)信息，諸如從治療規(guī)劃和放射治療器械的當(dāng)前配置及其設(shè)置中所選擇的以及優(yōu)化的參數(shù)。在實(shí)際放射治療處理之前，可執(zhí)行可選擇的治療模擬以測試和驗(yàn)證治療方案。在模擬程序中，使用根據(jù)治療方案的設(shè)置和設(shè)備。經(jīng)常使用入口圖像(即，基于治療光束自身的圖像)來驗(yàn)證治療并監(jiān)視其可重復(fù)性。此外，例如，可使用體內(nèi)劑量或相關(guān)技術(shù)來檢查靶區(qū)和/或相鄰組織(優(yōu)選危險(xiǎn)器官)中所投放的放射劑量。若所測量數(shù)據(jù)對應(yīng)于治療方案中的所計(jì)算數(shù)據(jù)，則可啟動實(shí)際放射治療處理。然而，若檢測到所測量數(shù)據(jù)與所計(jì)算數(shù)據(jù)之間的某些差異，且該差異超過了安全閾值，則必須執(zhí)行治療方案的改變。這ー改變在某些情況下可以是簡單的參數(shù)重設(shè)，但也可以是治療方案的較大改變，諸如利用來自新診斷測量的更多解剖信息來完成治療規(guī)劃過程。無論何種方式，均確定了新治療方案，該新治療方案可在可選擇的新治療模擬中測試和驗(yàn)證。隨后利用該治療方案中指定的設(shè)備、配置和設(shè)置來執(zhí)行放射治療處理。極為重要的是，基于該治療方案在放射治療器械中精確定位患者。僅幾毫米的錯位都可能導(dǎo)致對相鄰組織和器官的損傷，且使該治療無效。本文所公開的實(shí)施方式可被有利地用于根據(jù)治療方案中定義的基準(zhǔn)位置來定位患者。一旦定位就緒，光束即根據(jù)治療方案來照射患者，以在靶區(qū)中投放所計(jì)算的劑量。雖然，已針對單一治療情況描述了上述部分中的放射治療處理，但實(shí)際劑量投放 最常見地分成若干(通常20-30)餾分。這意味著，總放射治療處理通常延續(xù)幾天、幾星期或者在某些情況下甚至幾個月的時間。這意味著，患者精確定位的問題存在于每個這種放射情況。在各治療情況之后，跟進(jìn)或治療監(jiān)視評估到目前為止所執(zhí)行的放射治療，可能導(dǎo)致在下一治療階段之前改變治療方案，類似于上述所討論的模擬程序。此外，可利用不同的治療器械。例如，在ー個治療場合，使用高能放射治療器械，然而，在下個場合，利用適于治愈性放射治療的放射治療器械來進(jìn)行治療。在這種情況下，也可使用不使用治愈性、緩解治療或手術(shù)放射的醫(yī)療器械。典型實(shí)例是需要患者精確定位的不同手術(shù)設(shè)備和器具，諸如包括手術(shù)機(jī)器人的設(shè)備。根據(jù)實(shí)施方式,優(yōu)選結(jié)合相對于共用整體坐標(biāo)系的醫(yī)療器械來確定患者的表面表征。對于診斷器械，這意味著，結(jié)合患者解剖信息的測量來測定該表征。在包括治療模擬機(jī)的放射治療器械中，在實(shí)際劑量投放之前、期間和/或之后，從光束源測量表面表征。下文中，將參照附圖更詳細(xì)地描述這些實(shí)施方式，附圖示出了結(jié)合用于將治療放射線光束施加于人患者的放射系統(tǒng)而配置的定位系統(tǒng)。然而，這應(yīng)當(dāng)僅被看作說明性實(shí)例應(yīng)用。一般地，定位系統(tǒng)可被用于對于將對象(諸如人或動物患者、固定設(shè)備等)在床上定位是至關(guān)重要的任何應(yīng)用中。這意味著，在機(jī)器人被用于將不同部件連接成裝配體的制造エ業(yè)中，也可從本文所公開的定位系統(tǒng)中受益。在該情況下，將對象定位其上的床應(yīng)當(dāng)廣義地被解釋為包括承載待正確定位的相關(guān)對象的任何結(jié)構(gòu)。圖I是具有放射治療器械I的治療室的示意性總體圖，放射治療器械I具有用于將放射線光束15導(dǎo)向躺在床20的臺頂面25上的患者30的靶區(qū)35 (諸如癌腫瘤)中。定位系統(tǒng)用于確定和控制床20上患者30的位置，以實(shí)現(xiàn)靶區(qū)35相對于放射線光束15的精確和正確定位，從而滿足之前確定的治療方案的需求。定位系統(tǒng)包括在圖2和圖3中更清晰看到的圖形投射器70。該圖形投射器70被配置為將ニ維或三維(2D或3D)圖形45投射到對象30 (這里指置于床20上的患者30)表面上。定位系統(tǒng)的檢測器80或多個檢測器80、85響應(yīng)所投射的2D或3D圖形45。至少ー個檢測器80、85還被配置為產(chǎn)生表征所檢測到的患者30表面上的2D或3D圖形45的檢測信號。來自檢測器80、85的檢測信號被轉(zhuǎn)發(fā)至圖4所示的圖形分析電路110。圖形分析電路110被配置為基于檢測信號產(chǎn)生患者30表面的至少一部分的表面表征,諸如2D或3D表面表征。因此，圖形分析電路110能基于投射到患者表面上或者由檢測器80、85檢測到的2D或3D圖形來確定患者30表面的至少一部分的坐標(biāo)。有關(guān)患者表面的坐標(biāo)優(yōu)選在與定位系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系中表達(dá)，或者可變換或映射成共用坐標(biāo)系中的相應(yīng)坐標(biāo)。在該情況下，圖形分析電路110優(yōu)選具有對所需坐標(biāo)變換的訪問,所需坐標(biāo)變換之前已確定并存儲在所連接的數(shù)據(jù)存儲器120中?；趯ν渡涞綄ο蟊砻嫔系?D或3D圖形的檢測來確定表面表征在本領(lǐng)域中已知。一般地，可根據(jù)各種已知測量方法來進(jìn)行這一表面測量和數(shù)據(jù)收集。然而，這些方法通常會產(chǎn)生3D表面的基于點(diǎn)的表征，諸如點(diǎn)云形式。在配準(zhǔn)期間，當(dāng)要匹配兩個表面表征時，采用了不同表征形式或算法，諸如基于特征的技術(shù)、基于點(diǎn)的技術(shù)、基于模型的技術(shù)和基于全局形狀的技木。因此，數(shù)據(jù)收集(即，測量)和配準(zhǔn)(即，匹配)通常在兩個單獨(dú)步驟中進(jìn)行。 簡言之，基于特征的技術(shù)試圖將表面形態(tài)表達(dá)為ー組特征，該組特征通過預(yù)處理步驟來提取。這些特征提供了表面形狀的緊湊描述，盡管以丟失信息為代價。用于表面配準(zhǔn)的特征一般分為三類點(diǎn)特征、曲線和區(qū)。點(diǎn)特征是重要幾何意義的突出、局域優(yōu)化稀疏位點(diǎn)。第二類型特征對應(yīng)于連續(xù)直線或曲線，通常由諸如區(qū)域之間的隆起或邊界的差異結(jié)構(gòu)組成。反過來，區(qū)域是處理某個同質(zhì)特性(諸如一致曲率符號)的區(qū)?；邳c(diǎn)的技術(shù)基于保持一致的相對密集的點(diǎn)集來配準(zhǔn)表面,其中，這些點(diǎn)集構(gòu)成了可用表面點(diǎn)樣本的全部或重要子集?；谀Ｐ偷募夹g(shù)包括根據(jù)某個基于物理或表面演變的表達(dá)，采用原圖像數(shù)據(jù)將經(jīng)由區(qū)序列跟蹤的一個區(qū)或表面中的表面標(biāo)識表達(dá)為調(diào)和表面的可能形狀和/或動態(tài)行為的模型。上述基于特征、點(diǎn)和模型的技術(shù)可廣義地描述為依賴用于配準(zhǔn)表面的局部信息?；谌中螤畹募夹g(shù)與基于全局表面幾何的配準(zhǔn)表面形成鮮明對比。該技術(shù)的實(shí)例包括旋轉(zhuǎn)圖表征和基于特征形狀或外觀的方法。醫(yī)學(xué)圖像分析2000年9月第4卷第3期201-217頁提供了對可用于產(chǎn)生根據(jù)實(shí)施方式的表面表征的不同表面配準(zhǔn)技術(shù)的回顧。該醫(yī)學(xué)圖像分析文章在公開如上簡述可如何確定表面表征方面的教導(dǎo)通過引用完全結(jié)合于此。表面表征與基準(zhǔn)表面表征之間的匹配結(jié)果將作為本文所定義的校正信號。在具體實(shí)施方式
中，校正分析電路還被配置為將該匹配結(jié)果(即，校正信號)應(yīng)用于可變形體積模型。在該情況下，可以確定患者表面上的任何移動將對患者體內(nèi)靶區(qū)位置具有什么影響。因此，分析電路基于可變形體積模型來確定由校正信號表示的表面移動可誘導(dǎo)的變形改變。所產(chǎn)生的變形改變的信息可存儲在存儲器中，或者作為給醫(yī)務(wù)人員的信息數(shù)據(jù)而投射到患者身體上。在2D圖形情況下,可使用患者30身體上某處的單輪廓線(contour line)45。由于當(dāng)在縱向上從一端行進(jìn)到相反一端時身體輪廓的改變，所以可以測量身體表面上幾乎任何地方的唯一的輪廓線。然而，為得到更精確的表征，可替代地使用3D圖形45。在該情況下，3D圖形可投射到整個身體表面或者其所選擇的合適部分上，其中，越大的表面通常意味著越精確的表面表征。所產(chǎn)生的表面表征可以是身體的一部分的連續(xù)3D表面或者幾個分散的表面，該表面的相對空間關(guān)系已知。優(yōu)選分散表面符合用于放射治療中的一些標(biāo)準(zhǔn)解剖基準(zhǔn)點(diǎn)。這些點(diǎn)僅具有基本骨架上非常小的組織，且因此，即使皮膚繃緊也相當(dāng)穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)例如包括髂骨上端邊緣和末梢邊緣、恥骨聯(lián)合上端點(diǎn)、肩胛骨末端點(diǎn)、鼻子上端點(diǎn)、髕骨上端點(diǎn)和下端點(diǎn)以及腓骨下端點(diǎn)。然而，可針對患者身體的任何合適部位產(chǎn)生2D或3D表面表征，且尤其是與腫瘤緊密相連的部位，例如通過測量直接在腫瘤位置上方的身體部分輪廓。圖形投射技術(shù)的實(shí)例包括基于光子的技木。例如，激光掃描裝置形式的圖形投射器70發(fā)出打在患者30表面的激光薄束40。身體上的亮線45被反射并由檢測器80、85來檢測。檢測到的亮線45的圖像被用于重構(gòu)身體輪廓。圖像中每個點(diǎn)亮像素對應(yīng)于一個已知向量。該向量與激光定義的表面相交的點(diǎn)為身體表面上的已知點(diǎn)。若現(xiàn)在掃描程序停止，則獲得患者30的2D表面表征。然而，若需要3D表面表征，則可使用幾個這種輪廓圖像，因?yàn)楦鲌D像僅給出了單個輪廓。若激光源在各圖像檢測場合之間略微平移和/或旋轉(zhuǎn)，則檢測器80、85將捕獲一系列連續(xù)輪廓。 激光掃描技術(shù)一般被稱為三角技術(shù)，且其精度取決于許多因素，包括檢測器分辨率、激光掃描機(jī)制精度、掃描裝置與檢測器之間距離、掃描裝置和檢測器相對于共用坐標(biāo)系的校準(zhǔn)、激光線寬度以及激光打在身體表面上的角度。這些參數(shù)優(yōu)選在實(shí)際測量之前選擇和/或優(yōu)化。適用的合適激光掃描儀例如是來自瑞典的Latronix AB的商用激光掃描儀?？捎糜谏鲜鋈羌す鈷呙璧臋z測器實(shí)例可以是不同種類的攝像機(jī)，諸如CCD (電荷耦合器件)攝像機(jī)和CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)攝像機(jī)?？墒褂蔑w行時間激光掃描技術(shù)來取代使用發(fā)出激光薄束的三角激光掃描。在該技術(shù)中，脈沖點(diǎn)激光源在患者身體一部分上掃描，并發(fā)出脈沖激光點(diǎn)形式的激光。對于2D表征，激光源沿所確定的身體上的輪廓線掃描，然而對于3D表征，激光在一個或幾個預(yù)定身體表面上掃描。檢測器檢測患者身體表面反射的脈沖激光點(diǎn)?；谶@一所檢測到的數(shù)據(jù)，使用已知成像算法，獲得患者表面的2D或3D表面表征。第三可行的激光掃描技術(shù)是基于干涉的成像過程。在該技術(shù)中，來自激光源的激光束被分成兩個不同光束，第一光束被導(dǎo)向患者，其中，它被反射并由檢測器檢測，然而第ニ光束被導(dǎo)向檢測器。在檢測器中，患者被描繪為亮暗干涉帶圖形。該技術(shù)具有以復(fù)雜成像處理為代價的非常高的分辨率。數(shù)據(jù)存儲器120優(yōu)選也被配置為存儲患者30表面的至少一部分的基準(zhǔn)表面表征。例如，該基準(zhǔn)表面表征可構(gòu)成之前已為具體患者30產(chǎn)生的治療方案的一部分?；鶞?zhǔn)表面表征可與另ー醫(yī)療器械(諸如診斷器械)相關(guān)聯(lián)記錄，或者在治療模擬期間記錄?？商娲?，基準(zhǔn)表面表征在相同器械處產(chǎn)生，而不是在之前定位場合產(chǎn)生。在該情況下，基準(zhǔn)表面表征優(yōu)選是由圖形分析電路110基于來自與(另一)醫(yī)療器械相關(guān)聯(lián)而配置的檢測器80、85的檢測信號而產(chǎn)生的患者30表面的至少一部分的表面表征。因此，在優(yōu)選實(shí)施中，與提供的診斷信息、進(jìn)行的治療模擬和提供的放射治療相關(guān)聯(lián)而采用的各醫(yī)療器械優(yōu)選配備有或者具有對各圖形投射器70和檢測器80、85的訪問，以允許與醫(yī)療器械I相關(guān)聯(lián)而產(chǎn)生患者30的表面表征。
實(shí)際可以具有基準(zhǔn)表面表征，該基準(zhǔn)表面表征不基于任何圖形檢測來記錄。鮮明對比地，基準(zhǔn)表面表征可以是“虛擬”或計(jì)算機(jī)生成的表面表征。例如，身體或器官圖在診斷領(lǐng)域內(nèi)越來越常用。該圖是包括人體或其一部分的解剖信息的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)銀行。這種圖可由從不同患者收集的幾個不同診斷測量發(fā)展而來。換言之，該圖通常是一般人的表征，優(yōu)選包括所有主要器官和組織、骨骼和神經(jīng)系統(tǒng)。基準(zhǔn)表面表征隨后可對應(yīng)于從該圖獲得的表征，可以遵循用于調(diào)節(jié)圖本體的大小等的修改來對應(yīng)于具體患者身體30。校正分析電路130被配置為基于圖形分析電路110產(chǎn)生的表面表征和來自數(shù)據(jù)存儲器120的基準(zhǔn)表面表征來產(chǎn)生校正信號。該校正信號表不表面表征相對于基準(zhǔn)表面表征的位置和姿勢中的至少ー個的差異。因此，校正信號指示患者30應(yīng)當(dāng)如何移動(諸如平移和/或旋轉(zhuǎn))，以達(dá)到如基準(zhǔn)表面表征定義的目標(biāo)位置。此外或可替代地，校正信號可指示單個身體部位相對于由基準(zhǔn)表面表征定義的患者30的目標(biāo)姿勢的姿勢差異。定位系統(tǒng)還包括光投射器70、75，光投射器70、75響應(yīng)來自校正分析電路130的 校正信號。光投射器70、75將表示位置和/或姿勢差異的信息55投射到患者30和/或床20的表面上。因此，投射信息55提供了患者30的當(dāng)前位置和/或姿勢相對于目標(biāo)位置和/或姿勢的信息。投射信息55可被視為定義了應(yīng)如何重定位患者30以達(dá)到目標(biāo)位置和/或姿勢的指令。這意味著，投射信息55定義了當(dāng)前位置和/或姿勢與目標(biāo)位置和/或姿勢之間的差異。與現(xiàn)有技術(shù)解決方案形成鮮明對比，表示差異的信息55直接投射到患者身體30上，或者可選擇地，床20的某個其他表面上，從而對于靠近床20和患者30工作的醫(yī)務(wù)人員視覺可用。這意味著，為確定應(yīng)如何重定位患者30所需的信息55對于靠近他們站立的位置的人員直接可用。在優(yōu)選實(shí)施方式中，信息55投射到患者身體30上,如圖I示意性示出。例如,在人患者30的情況下，信息55可投射到患者30的胃和/或胸，因?yàn)檫@些身體部位提供了良好適用于信息55的顯示的比較大且平坦的部分。若相反患者趴在肚子上，則信息55可有利地投射在患者30的背部某處。信息55向患者身體30上的投射尤其適用干與表示患者30的姿勢相對于目標(biāo)姿勢的差異的信息55相關(guān)聯(lián)，這在本文中將進(jìn)ー步描述。作為將信息55投射到患者表面上的替代或補(bǔ)充，光投射器70、75可被配置為將信息55投射到床20的表面上。在該情況下，這ー表面優(yōu)選是當(dāng)站在患者30和床20旁邊時醫(yī)務(wù)人員視覺上可獲得的床20的預(yù)定表面部分。當(dāng)重定位患者30吋，人員隨后可直接觀看床20的這一部分，而不必像現(xiàn)有技術(shù)那樣觀看遠(yuǎn)程顯示屏。在具體實(shí)施方式
中，校正分析電路130被配置為產(chǎn)生表表面表征到由基準(zhǔn)表面表征定義的目標(biāo)位置的剛體平移的校正信號。因此，在該實(shí)施方式中，由圖形分析電路110確定的表面表征被用于定義患者30的至少一部分的剛體表征。隨后確定該剛體表征相對于由基準(zhǔn)表面表征定義的基準(zhǔn)剛體表征的相應(yīng)坐標(biāo)的坐標(biāo)。匹配表面表征(諸如剛體表征)在現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知，且例如在上述醫(yī)學(xué)圖像分析文章中已公開。校正分析電路130隨后產(chǎn)生校正信號，該校正信號被轉(zhuǎn)發(fā)至光投射器70、75用于投射定義患者30的平移以達(dá)到目標(biāo)位置的信息55。該平移定義信息55優(yōu)選是指笛卡爾坐標(biāo)系中患者30的平移。例如，坐標(biāo)系的第一軸可對應(yīng)于患者30相對于目標(biāo)位置的高度調(diào)節(jié)。第二坐標(biāo)軸對應(yīng)于患者30沿患者30的縱軸或前后軸的縱向調(diào)節(jié)。第三和最后坐標(biāo)軸對應(yīng)于患者30沿橫軸、水平軸、緯度軸或左右軸的橫向調(diào)節(jié)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，床20包括可移動臺頂面25，待重定位的患者30或其它對象躺到該臺頂面25上。臺頂面25隨后可沿其縱軸(根據(jù)上文對應(yīng)于第二坐標(biāo)軸)或橫軸(根據(jù)上文對應(yīng)于第三坐標(biāo)軸)相對于床20的基本単元移動。此外，臺頂面25相對于地面的高度可在基本単元中有利地調(diào)節(jié)。在第一實(shí)施方式中，臺頂面25可由醫(yī)務(wù)人員手動操作，例如，通過沿基本単元中的軌道推動臺頂面。投射到患者身體30上的信息55隨后提供了應(yīng)移動臺頂面多少以及在什么方向(縱向、橫向和/或上/下)上移動以使患者30位于期望目標(biāo)位置中的指令。在可替代的實(shí)施方式中，床20包括電機(jī)和電機(jī)控制，該電機(jī)控制操作電機(jī)，從而相對于基本単元沿縱向和/或橫向移動臺頂面25和/或調(diào)節(jié)臺頂面25以及其上的患者30的高度。醫(yī)務(wù)人員隨后將站在電機(jī)控制處，該電機(jī)控制可以操縱桿、按鈕或一些其他的用戶 輸入裝置22的形式實(shí)施，見圖7和圖8。在通常靠近床20的基本単元的位置處，醫(yī)務(wù)人員具有對所投射信息的視覺訪問，所投射信息告知人員應(yīng)如何移動臺頂面25和患者30以進(jìn)入目標(biāo)位置。圖10和圖11示出了定義患者的平移移動的投射信息55的ー個實(shí)例。在該情況下，沿三個坐標(biāo)軸的調(diào)節(jié)信息55顯示在患者30上，這里用5. 6mm的橫向調(diào)節(jié)、8. 3mm的縱向調(diào)節(jié)和7. 2mm的高度或垂直調(diào)節(jié)來表示。如圖所示，符號(加與減)可用于定義沿各軸的移動方向。此外，或者另外，投射信息55可包括箭頭，該箭頭示出了為從當(dāng)前位置移動患者30到目標(biāo)位置所需的調(diào)節(jié)方向。作為平移調(diào)節(jié)的替代或優(yōu)選作為其補(bǔ)充，可基于來自校正分析電路130的校正信號來產(chǎn)生投射信息55，該校正信號表示所確定的表面表征以及由此的患者30到由基準(zhǔn)表面表征定義的目標(biāo)位置的剛體旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)可繞著患者的背腹軸(即，垂直軸)?？商娲?，患者的旋轉(zhuǎn)可繞著患者的前后軸(即，水平軸)。也可能為達(dá)到目標(biāo)位置需要相對于這兩個旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。在該情況下，投射信息55優(yōu)選包括對這兩個旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的表示。圖10和圖11示出了該旋轉(zhuǎn)信息可如何通過投射以旋轉(zhuǎn)角度表示形式定義患者30的旋轉(zhuǎn)以達(dá)到目標(biāo)位置的信息55來實(shí)施。圖中，患者30應(yīng)繞垂直軸旋轉(zhuǎn)I度。類似于平移信息，符號可用于定義旋轉(zhuǎn)方向?？商娲兀蛘叽送?，旋轉(zhuǎn)方向的圖形表示可以半圓形箭頭的形式來顯示。圖7和圖8示出了床20可有利地連接至地面上的旋轉(zhuǎn)盤。該盤能使床20和患者30繞著盤中心的垂直軸旋轉(zhuǎn)。除了基于校正信號產(chǎn)生并將信息55投射到患者上之外，可選擇地，定位系統(tǒng)可包括床控制電路140。該床控制電路140基于校正信號產(chǎn)生床控制信號。床控制信號控制床20的電機(jī)，從而使床20的臺頂面25根據(jù)床控制信號而自動移動。因此，在本實(shí)施方式中，由于基于床控制信號而自動進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，所以所顯示的信息55可主要為提供信息的目的。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，可通過床控制信號來實(shí)現(xiàn)的自動移動的類型有些受限。這意味著，床控制信號可用于執(zhí)行患者位置的自動、粗略的調(diào)節(jié)。醫(yī)務(wù)人員隨后基于投射信息55并使用用戶輸入裝置22來進(jìn)行余下的對患者位置的精細(xì)調(diào)節(jié)?？赏渡涞交颊?0或床表面上的剛體調(diào)節(jié)信息55可包括數(shù)值、圖形信息或其組合，如圖10和圖11所示。這提供了醫(yī)務(wù)人員可很容易理解的視覺吸引和信息數(shù)據(jù)顯示。定位系統(tǒng)也可采用校正分析電路130來實(shí)施，校正分析電路130被配置為產(chǎn)生表示患者30相對于由基準(zhǔn)表面表征定義的目標(biāo)姿勢的姿勢變形(posture deformation)的校正信號。與剛體調(diào)節(jié)相比，該姿勢變形的優(yōu)勢在于可校正單個身體部位的姿勢。例如，存在于基于剛體表征定義的目標(biāo)位置的患者30仍可具有身體30內(nèi)的靶區(qū)35，由于姿勢未對齊，該靶區(qū)35與根據(jù)治療方案的期望位置有些未對齊。例如，若患者30的左肩與目標(biāo)姿勢相比定位得太低，則與略微抬起肩來防止上軀干旋轉(zhuǎn)的情況相比，所產(chǎn)生的上軀干局部旋轉(zhuǎn)可使靶區(qū)35略微移動。通過剛體表征，不同身體部位的這種局部姿勢未對齊通常不能檢測或克服。因此，定位系統(tǒng)有利地還另外或可替換地處理姿勢變形，以及優(yōu)選患者30的單個身體部位相對于目標(biāo)姿勢的姿勢變形。因此，光投射器70、75在本實(shí)施方式中被配置為將定義姿勢變形的信息56投射到患者30或床表面上。在優(yōu)選實(shí)施方式中，定義姿勢變形的信息56優(yōu)選投射到基于表面表征和基準(zhǔn)表面表征確定的未對齊的單個身體部位上。這意味著，光投射器70、75將姿勢變 形信息56直接投射到患者30的需要使其姿勢變形或改變以達(dá)到目標(biāo)姿勢的部位上。該信息投射將高度信息化，且容易理解，從而正確識別患者30的姿勢應(yīng)如何改變。有關(guān)姿勢變形的信息56可有利地作為圖形信息56的形式，如圖10和圖11所示。在該實(shí)例中，將光圖形56投射到需要略微移動以達(dá)到目標(biāo)姿勢的身體部位(左上臂)上。第ー實(shí)施方式可包括光投射器70、75,光投射器70、75僅將光圖形56投射到相關(guān)身體部位上。在更詳細(xì)的實(shí)施方式中，通過定義應(yīng)如何進(jìn)行姿勢變形，所投射的光圖形56可另外攜帶更多信息。例如，所投射的光圖形56可以是不同顔色，以指示身體部位的當(dāng)前姿勢多么接近目標(biāo)姿勢。作為ー個實(shí)例，紅色可指示當(dāng)前與目標(biāo)姿勢之間相對很大的差異，黃色指示略微差異，而綠光指示已達(dá)到目標(biāo)姿勢。在又ー實(shí)施方式中，所投射的圖形56的顔色不僅指示當(dāng)前姿勢距離目標(biāo)姿勢的多么遠(yuǎn)，而且還指示身體部位應(yīng)如何移動以達(dá)到目標(biāo)姿勢。例如，紅色可指示身體部位的相對大的向上移動，黃色指示小的向上移動，藍(lán)色指示身體部位小的向下移動，以及紫色指示身體部位相對大的向下移動。作為該圖形信息的替代或作為其補(bǔ)充，投射信息56可包括數(shù)字和/或文字?jǐn)?shù)據(jù)，以為醫(yī)務(wù)人員指示單個身體部位應(yīng)如何移動以達(dá)到其目標(biāo)姿勢。在優(yōu)選實(shí)施方式中，定位系統(tǒng)可產(chǎn)生并投射表示患者位置和姿勢兩個差異的信息55、56，如圖10和圖11所示。這意味著，可使用投射信息55、56來確定和克服在平移、旋轉(zhuǎn)和姿勢未對齊方面的任何未對齊。定位系統(tǒng)可被配置為執(zhí)行患者30的單表面表征確定，且產(chǎn)生例如與患者的設(shè)置相關(guān)聯(lián)的投射到患者30上的信息55、56。然而，通常優(yōu)選執(zhí)行患者30的更新表面表征確定，從而產(chǎn)生可投射到患者30上的更新信息55、56。在該情況下，醫(yī)務(wù)人員可使用最初的投射信息55、56來根據(jù)信息55、56重定位患者。此后，圖形投射器70再次投射由檢測器80、85檢測到的2D或3D圖形，以產(chǎn)生更新檢測信號。圖形分析電路110處理更新檢測信號以產(chǎn)生更新表面表征，更新表面表征通過校正分析電路130與基準(zhǔn)表面表征相比較。通過校正分析電路130來產(chǎn)生表示所確定表面表征相對于基準(zhǔn)表面表征的位置和/或姿勢當(dāng)前差異的更新校正信號，并被用于通過光投射器70、75來投射更新信息55、56。醫(yī)務(wù)人員隨后可檢查是否需要任何其他的患者重定位或者是否已達(dá)到目標(biāo)位置。在該實(shí)施方式中，定位系統(tǒng)被激活以基于由醫(yī)務(wù)人員的用戶輸入激活來執(zhí)行位置/姿勢信息更新。這意味著，用戶必須觸發(fā)定位系統(tǒng)的激活。在可替代實(shí)施方式中，在測量會話期間，定位系統(tǒng)可連續(xù)或周期性激活。這意味著，定位系統(tǒng)實(shí)時或接近實(shí)時地確定當(dāng)前患者位置和姿勢以及相對于目標(biāo)位置和姿勢的差異。為了獲得實(shí)時、連續(xù)的表面測量，定位系統(tǒng)的采樣頻率優(yōu)選在亞秒級范圍內(nèi)。然而，在大多數(shù)實(shí)際近實(shí)時應(yīng)用中，可從每隔一秒到每隔30秒進(jìn)行采樣來確定更新表面表征和更新差異信息55、56。定位系統(tǒng)的圖形投射器70優(yōu)選被配置為投射被動結(jié)構(gòu)光或主動結(jié)構(gòu)光形式的2D或3D圖形。例如，以將光40的窄2D帶投射到對象30表面上的形式的結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生了從其它角度看與圖形投射器70相比出現(xiàn)失真的照明線。因此，通過將檢測器80、85定位在相對于圖形投射器70空間上不同的位置處，所檢測到的失真照明線可用于表面形狀的準(zhǔn)確的幾何形狀重建。為覆蓋對象表面的較大部分，例如，通過在表面上移動該線，圖形投射器70可將該光40的帶投射到不同表面部分上。在線的各位置處，檢測器80、85配準(zhǔn)表面照射線，從而允許對3D表面表征的確定。更快速且更通用的方法不是投射2D圖形(帯)，而是投射由一次許多條紋45或任 意光柵組成的3D圖形，如圖5示意性所示。圖中，圖形投射器70將具有期望圖形45的光束投射到表面上，以及通過檢測器80來記錄所產(chǎn)生的失真圖形。投射光結(jié)構(gòu)可以是規(guī)則結(jié)構(gòu)，諸如交叉圖形、例如斑點(diǎn)或隨機(jī)圓圈或者條紋圖形。一般地，垂直于投射器/攝像機(jī)基線的圖形特征將提供比平行于該基線的特征更多的三角含義。因此，優(yōu)選垂直方向上的條紋圖形。為了精確坐標(biāo)獲取的主要任務(wù)，具有(在理想情況下)余弦形亮度(COS2強(qiáng)度)梯度的條紋圖形合適。通過利用強(qiáng)度梯度，獨(dú)立于實(shí)際像素光柵而進(jìn)行三角化，且可以非常高的分辨率來測量距離?；跅l紋圖形投射70的定位系統(tǒng)原理上只需要一個檢測器80 (諸如攝像機(jī))以及一個圖形投射器70。關(guān)鍵參數(shù)是定義三角測量基線的對象距離、視野以及攝像機(jī)與投射器之間的角度。為全部部位數(shù)字化，需要來自多個角度的視角，可使用如圖2和圖3所示的優(yōu)選定位于圖形投射器70各側(cè)上的兩個檢測器。設(shè)置于中心圖形投射器70兩側(cè)上，這些攝像機(jī)80、85 —次投射兩個圖像，從而加速進(jìn)程，以及避免一個檢測器可能的不對稱性質(zhì)。此外，多個(即，至少兩個)檢測器80、85的使用還允許全部或部分?jǐn)z影操作(立體攝像機(jī)原理，但具有插入光禿表面中的偽特征)。定位系統(tǒng)可具有專用圖形投射器70和專用光投射器75，如圖3所示可替代地，同一投射器70可作為圖形投射器和光投射器兩者來工作，如圖2示意性所示。不論實(shí)施選擇，圖形投射器70或共用投射器優(yōu)選投射2D或3D圖形45作為第一波長或波長間隔的光圖形。光投射器75或共用投射器隨后投射信息55、56作為與第一波長或第一波長間隔不同的第二波長間隔的第二波長的可見光。例如，光投射器70、75可將在可見光譜(S卩，約從380nm到750nm)內(nèi)的可見光50的光束投射到患者上。盡管如前所述可優(yōu)選利用投射信息55,56的不同顏色以及由此的不同波長，但也可利用可見光譜內(nèi)的單波長或窄波長間隔。圖形投射器70隨后優(yōu)選被配置為投射2D或3D圖形作為不可見光的光束40。例如，可由圖形投射器70使用在約IOnm至400nm范圍內(nèi)的紫外(UV)光或在約700nm至3000nm范圍內(nèi)的IR光。至少ー個檢測器80、85優(yōu)選包括帶通濾波器，該帶通濾波器被配置為使由圖形投射器70投射的光40 (即，在第一波長間隔內(nèi))通過，但卻衰減由光投射器70、75投射的光50 (即，在第二波長間隔內(nèi))。該解決方案與連續(xù)或近連續(xù)表面測量相關(guān)聯(lián)尤為有利，因?yàn)閳D形投射器70和光投射器70、75均可隨后同時激活，且檢測器80、85在由光投射器70、75投射信息55、56期間不必關(guān)閉。關(guān)于圖形投射器和光投射器兩者的共用投射器的優(yōu)選實(shí)施是采用數(shù)字光處理(DLP)投射器。DLP投射器采用其上顯示光的移動微鏡和DLP芯片。DLP芯片不明顯吸收光，且因此允許極高的光強(qiáng)度。它還具有極為線性的灰度值再現(xiàn)，因?yàn)樗ㄟ^脈沖長度調(diào)制來轉(zhuǎn)向。該DLP投射器可有利地與作為2D或3D圖形的結(jié)構(gòu)光相關(guān)聯(lián)來使用。圖6示出了使用發(fā)光二極管(LED) 71作為光源的DLP投射器70的實(shí)施。實(shí)際上未如所述平坦，因?yàn)槲㈢R對角線傾斜。聚光透鏡72和略凹透鏡73將光導(dǎo)向DLP芯片74。DLP芯片74包括以半導(dǎo)體芯片或襯底的矩陣布置的極細(xì)小的鏡子，一般被稱為數(shù)字微鏡器件(DMD)。各透鏡表示所投射圖形中的ー個以上像素。從鏡子反射的光通過投射器透鏡76 ，以將光45導(dǎo)向患者30的表面上，其中，該光通過檢測器80來檢測。為提供待用于2D或3D圖形的光以及差異信息光，可使用能夠提供不同波長光的LED或其它光源71?？商娲?，色環(huán)可設(shè)置在光源71與DLP芯片74之間以在不同顔色之間切換。在又一方法中，多個單獨(dú)光源71可用于產(chǎn)生不同顔色或光類型(可見光、UV或IR)。例如，光源71可以示LED或激光。也可以使用具有棱鏡的所謂三芯片DLP投射器來從光源71分光，并將各分光束導(dǎo)向其自身的DLP芯片，以及隨后重組且使光通過投射器透鏡76。與配置為用于數(shù)字光柵投影用途的圖形投射器70相關(guān)聯(lián)而采用的檢測器80、85優(yōu)選具有至少與圖形投射器70 —祥好的攝像機(jī)分辨率。然而，由于所使用的連續(xù)灰度級梯度這一事實(shí)，對于更高分辨率沒有限制，檢測器和投射器分辨率以及甚至很高分辨率很大程度上彼此獨(dú)立。較高檢測器分辨率主要増加定位系統(tǒng)的橫向分辨率，這在許多應(yīng)用中很重要，但也增加了噪聲且減少了景深。檢測器80、85可有利地以攝像機(jī)形式來實(shí)施，諸如GFM 的 MikroCAD。也有可以具有多個(S卩，至少兩個)圖形投射器。在該情況下，第一圖形投射器被設(shè)置成將第一 2D或3D圖形投射到對象(諸如，患者)上，然而第二圖形投射器將第二 2D或3D圖形投射到對象上。這自然能進(jìn)ー步擴(kuò)展為使用多于兩個圖形投射器的情況。在一種實(shí)施方式中，多個圖形投射器投射相同波長或波長間隔的光?？商娲?，圖形投射器可使用不同波長或波長間隔。在該情況下，優(yōu)選采用多個檢測器，使得多個檢測器中的至少ー個檢測器可檢測由第一圖形投射器投射的圖形，至少ー個檢測器可檢測由第二圖形投射器投射的圖形等。各檢測器可因此具有相應(yīng)的帶通濾波器，該帶通濾波器被設(shè)計(jì)為使具有ー個圖形投射器的波長(間隔)的光通過，但阻止或抑制另ー圖形投射器的波長(間隔)。在具體實(shí)施方式
中，采用多個圖形投射器-檢測器對，其中，這種對的檢測器具有適于成對的圖形投射器的波長(間隔)的帶通濾波器。具有多個圖形投射器使得將2D或3D圖形從不同方向投射到對象上成為可能。與投射覆蓋對象表面的大部分的大圖形相比，通過具有多個投射器及相關(guān)聯(lián)的檢測器通?？筛焖俚剡M(jìn)行所檢測到的投射圖形數(shù)據(jù)的收集、檢測信號的產(chǎn)生以及表面表征的產(chǎn)生。圖形投射器70和檢測器80、85優(yōu)選一同置于共用機(jī)架或結(jié)構(gòu)60上,如圖2和圖3所示。若定位系統(tǒng)中使用単獨(dú)的光投射器75，則光投射器75也可有利地置于機(jī)架60中，如圖3示意性所示。機(jī)架60優(yōu)選設(shè)計(jì)為附著至室內(nèi)天花板5，定位系統(tǒng)可在室內(nèi)工作。這在圖I、圖7至圖9中示出。如果需要，投射器70、75和檢測器80、85的這ー配置能使比較大的視角形成，從而能獲取患者30的整個表面。大視角意味著身體部位遮擋其它身體表面部位的風(fēng)險(xiǎn)降低，從而具有對于有關(guān)患者表面的檢測器80、85的恒定視場。圖形分析電路110、校正分析電路130和可選床控制電路140可優(yōu)選與數(shù)據(jù)存儲器120 —同在共用數(shù)據(jù)處理単元100中實(shí)施，如圖4所示。數(shù)據(jù)處理単元100可被實(shí)施為連接至定位系統(tǒng)的檢測器以及優(yōu)選連接至投射器70、75以用于控制這些的計(jì)算機(jī)或其它數(shù)據(jù)處理単元。若定位系統(tǒng)與非生物對象(諸如，固定設(shè)備)相關(guān)聯(lián)使用，則這些単元可有利地各自包括視覺可檢測的識別標(biāo)簽。例如，各對象可具有專用條形碼。這些條形碼或其它識別標(biāo)簽優(yōu)選被置于對象上，使得尤其在采用基于攝像機(jī)的檢測器80、85的情況下，可通過檢測器80、85來讀取或獲取該條形碼。檢測器80、85由此產(chǎn)生表示粘附至對象的所檢測到的條形碼或其它視覺上可檢測到的識別標(biāo)簽的識別檢測信號。在該情況下，數(shù)據(jù)處理単元100 優(yōu)選包括對象識別器150，為識別具體對象的目的，該對象識別器150處理所獲取的條形碼圖像(即，識別檢測信號)，并產(chǎn)生對象的標(biāo)識符。盡管可訪問數(shù)據(jù)處理単元100，但數(shù)據(jù)處理單元100的存儲器120或遠(yuǎn)程存儲器隨后可包括不同對象及其相應(yīng)條形碼或識別標(biāo)簽的信息。例如，存儲器120可存儲針對多個不同對象產(chǎn)生的基準(zhǔn)表面表征。應(yīng)用于具體對象的具體基準(zhǔn)表面表征隨后可通過圖形分析電路110或數(shù)據(jù)處理単元110的專用表征識別器(圖4未示出)基于對象識別器150的輸出(即，所產(chǎn)生的標(biāo)識符)來自動選擇。因此，存儲于存儲器120中的各基準(zhǔn)表面表征與相關(guān)對象的標(biāo)識符相關(guān)聯(lián)，且所存儲的標(biāo)識符通過對象識別器150與由檢測器80、85獲取的條形碼或識別標(biāo)簽相比較。條形碼和其他視覺可檢測的識別標(biāo)簽自然也可與動物和人患者相關(guān)聯(lián)來使用，且不限于非生物對象。數(shù)據(jù)處理単元100優(yōu)選可連接至用戶輸入160，諸如觸摸感應(yīng)屏、鍵盤或鼠標(biāo)，該用戶輸入160允許用戶輸入數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理単元100。所輸入的數(shù)據(jù)可以示基于定位系統(tǒng)來定位的動物或人對象的標(biāo)識符。例如，患者30的社會保險(xiǎn)號、個人代號或醫(yī)療機(jī)構(gòu)分配給患者30的局部標(biāo)識符均可以是這種標(biāo)識符。在該情況下，存儲器120可存儲與多個不同患者30相關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)表面表征。數(shù)據(jù)處理単元100的圖形分析電路110隨后從用戶輸入160接收標(biāo)識符，并利用該標(biāo)識符來從存儲器120識別和獲取相關(guān)的基準(zhǔn)表面表征。存儲器120或連接至數(shù)據(jù)處理単元100的一些其它存儲器可另外存儲其他患者相關(guān)的信息，諸如個人特定數(shù)據(jù)，包括患者名字、社會保險(xiǎn)號或根據(jù)以上治療方案等的其他標(biāo)識符。該患者信息還可由醫(yī)務(wù)人員來關(guān)注。在該情況下，光投射器70、75不僅投射表示患者位置和/或姿勢的差異的信息，而且還投射患者信息。例如，存儲器120可存儲患者30的名字和照片。一旦醫(yī)務(wù)人員在用戶輸入160中輸入了患者30的標(biāo)識符，通過數(shù)據(jù)處理單元100 (諸如，圖形分析電路110)可從存儲器120自動檢索患者的相關(guān)患者信息。所檢索到的患者信息被轉(zhuǎn)發(fā)至光投射器70、75，以投射到患者30或床表面上。這里，醫(yī)務(wù)人員可通過檢查所投射的社會保險(xiǎn)號或照片來驗(yàn)證患者信息涉及正確患者30。若正確，則醫(yī)務(wù)人員將知道，也基于所輸入的標(biāo)識符從存儲器120檢索到的基準(zhǔn)表面表征將對應(yīng)于正確患者30。
因此，定位系統(tǒng)及其光投射器70、75不一定只投射與患者位置和/或姿勢有關(guān)的信息，還可另外投射對于醫(yī)務(wù)人員關(guān)注的所有信息。例如，患者30的治療方案可指定墊子應(yīng)置于患者膝蓋下方。從存儲器120獲取的該信息可投射到患者30上，從而將與患者30和治療有關(guān)的該信息或其他方面信息告知醫(yī)務(wù)人員。圖形分析電路110、校正分析電路130、床控制電路140、對象識別器150和用戶輸入160可通過數(shù)據(jù)處理單元100的可編程微控制器來實(shí)施，可編程微控制器控制定位系統(tǒng)的運(yùn)行。則該控制器通常包括微處理器或?qū)ｉT為使這些電路110、130、140、150、160的工作有效而設(shè)計(jì)的等效控制電路，且還可包括RAM或ROM存儲器、邏輯和定時電路、狀態(tài)機(jī)電路以及輸入/輸出(I/O)電路。數(shù)據(jù)處理單元100的電路110、130、140、150、160可實(shí)施或配置為軟件、硬件或其組合。在基于軟件實(shí)施的情況下，實(shí)施電路110、130、140、150或其一部分的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括運(yùn)行在通用或?qū)Ｓ米赃m應(yīng)計(jì)算機(jī)、處理器或微處理器上的軟件或計(jì)算機(jī)程序。軟件包括圖4所示的計(jì)算機(jī)程序代碼元素或軟件代碼部分。該程序可整體或部分存儲在ー個以 上合適的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或數(shù)據(jù)存儲裝置上或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或數(shù)據(jù)存儲裝置中，諸如磁盤、CD-ROM、DVD光盤、USB存儲器、硬盤、磁光存儲器、RAM或易失性存儲器中、ROM或閃存中、作為固件或者在數(shù)據(jù)服務(wù)器上。已知在現(xiàn)有技術(shù)中，不同標(biāo)記可粘附至患者以便于正確定位，諸如背景技術(shù)部分討論的IR標(biāo)記。該標(biāo)記自然可通過圖形投射器70來照射，并通過定位系統(tǒng)的檢測器80、85來檢測。然而，本實(shí)施方式的優(yōu)勢在于，無需該標(biāo)記來通過定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效患者定位。圖12是示出根據(jù)ー種實(shí)施方式的對象定位方法的流程圖。該方法始于步驟SI，其中，2D或3D圖形被投射到置于床上的對象表面上。在步驟S2中，檢測所投射的圖形，并產(chǎn)生表示所檢測到的在對象表面上的2D或3D圖形的檢測信號。在步驟S3中，為基于檢測信號產(chǎn)生對象表面的至少一部分的表面表征的目的，處理該檢測信號。優(yōu)選通過將表面表征上的點(diǎn)坐標(biāo)與基準(zhǔn)表面表征上相應(yīng)或匹配的點(diǎn)坐標(biāo)相比較來將表面表征與基準(zhǔn)表面表征相比較。在步驟S4中，基于該比較產(chǎn)生表示表面表征與基準(zhǔn)表面表征的位置和/或姿勢差異的校正信號。表示所檢測到的位置和/或姿勢差異的信息被投射到對象表面或床的某個其他表面部分上，從而變?yōu)閷拷埠蛯ο蠊ぷ鞯娜藛T可見。如之前已討論，更新檢測信號、表面表征、校正信號和投射信息優(yōu)選半連續(xù)、周期性或在用戶激活后產(chǎn)生，從而允許人員在重定位或跟隨重定位時視覺上獲得所投射的對象位置和/或姿勢的當(dāng)前差異的更新信息。這在圖中用線LI示意性示出。上述實(shí)施方式應(yīng)被理解為本發(fā)明的ー些說明性實(shí)例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可對這些實(shí)施方式做出各種修改、組合和變更。具體地，若技術(shù)上可行，不同實(shí)施方式中的不同部分的解決方案可結(jié)合在其他配置中。然而，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種定位系統(tǒng)，包括 圖形投射器(70)，其被配置為將二維或三維圖形(45)投射到置于床(20)上的對象(30)的表面上； 檢測器(80、85)，其響應(yīng)所述投射的二維或三維圖形(45)，且被配置為產(chǎn)生表示在所述對象(30)的所述表面上檢測到的二維或三維圖形(45)的檢測信號； 圖形分析電路(110)，其連接至所述檢測器(80、85)，且被配置為基于所述檢測信號，產(chǎn)生所述對象(30)的所述表面的至少一部分的表面表征； 存儲器(120)，其被配置為存儲所述對象(30)的所述表面的至少一部分的基準(zhǔn)表面表征； 校正分析電路(130)，其被配置為產(chǎn)生表示所述表面表征相對于所述基準(zhǔn)表面表征的位置和姿勢中的至少一個的差異的校正信號；以及 光投射器(70、75)，其連接至所述校正分析電路(130)，且被配置為將表示位置和姿勢中的至少一個的所述差異的信息(55、56)投射到所述對象(30)或所述床(20)的表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定位系統(tǒng)，其中，所述校正分析電路(130)被配置為產(chǎn)生表示所述表面表征到由所述基準(zhǔn)表面表征定義的目標(biāo)位置的剛體平移的校正信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位系統(tǒng)，其中，所述光投射器(70、75)被配置為投射定義所述對象(30)的平移以到達(dá)所述目標(biāo)位置的信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定位系統(tǒng)，其中，所述光投射器(70、75)被配置為投射在笛卡爾坐標(biāo)系中定義所述平移的信息(55)，其中，第一坐標(biāo)軸對應(yīng)于所述床(20)的臺頂面(25)的高度調(diào)節(jié)，第二坐標(biāo)軸對應(yīng)于所述臺頂面(25)的縱向移動，以及第三坐標(biāo)軸對應(yīng)于所述臺頂面(25)的橫向移動，所述臺頂面(25)被設(shè)計(jì)為承載所述對象(30)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的定位系統(tǒng)，其中，所述校正分析電路(130)被配置為產(chǎn)生表示所述表面表征到由所述基準(zhǔn)表面表征定義的目標(biāo)位置的剛體旋轉(zhuǎn)的校正信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定位系統(tǒng)，其中，所述光投射器(70、75)被配置為投射以旋轉(zhuǎn)角度表示的形式定義所述對象(30)的旋轉(zhuǎn)以到達(dá)所述目標(biāo)位置的信息(55)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的定位系統(tǒng)，其中，所述校正分析電路(130)被配置為產(chǎn)生表示所述對象相對于由所述基準(zhǔn)表面表征定義的目標(biāo)姿勢的姿勢變形的校正信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定位系統(tǒng)，其中，所述校正分析電路(130)被配置為產(chǎn)生表示所述對象(30)的單個身體部位相對于所述目標(biāo)姿勢的姿勢變形的校正信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的定位系統(tǒng)，其中，所述光投射器(70、75)被配置為將定義所述單個身體部位相對于所述目標(biāo)姿勢的姿勢變形的信息(56)投射到所述身體部位上。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項(xiàng)所述的定位系統(tǒng)，其中，所述檢測器(80、85)包括第一檢測器(80)和第二空間隔開的檢測器(85)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至10中任一項(xiàng)所述的定位系統(tǒng)，其中，所述圖形投射器(70)和所述檢測器(80、85 )被配置在設(shè)計(jì)為附著至天花板(5 )的機(jī)架(60 )上。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至11中任一項(xiàng)所述的定位系統(tǒng)，其中，所述圖形投射器(70)被配置為投射二維或三維不可見光圖形(45)。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至12中任一項(xiàng)所述的定位系統(tǒng)，其中，所述圖形投射器(70)和所述光投射器(70、75)是同一投射器(70、75)，所述投射器(70、75)被配置為投射第一波長間隔的二維或三維光圖形(45)，以及通過與所述第一波長間隔不同的第二波長間隔的可見光來投射所述信息(55、56)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的定位系統(tǒng)，其中，所述檢測器(80、85)包括帶通濾波器，所述帶通濾波器被配置為使所述第一波長間隔的光通過，但卻衰減所述第二波長間隔的光。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的定位系統(tǒng)，其中，所述同一投射器(70、75)是數(shù)字光處理DLP 投射器(70、75)。
16.根據(jù)權(quán)利要求I至15中任一項(xiàng)所述的定位系統(tǒng)，還包括床控制電路(140)，所述床控制電路(140)被配置為基于所述校正信號產(chǎn)生床控制信號，以使所述床(20)的臺頂面(25)根據(jù)所述床控制信號來自動移動，所述臺頂面(25)被配置為承載所述對象(30)。
17.根據(jù)權(quán)利要求I至16中任一項(xiàng)所述的定位系統(tǒng)，其中，所述對象(30)是置于所述床(20)上的患者(30)，以及所述定位系統(tǒng)還包括用戶輸入(160)，所述用戶輸入(160)被配置為接收所述患者(30)的標(biāo)識符，其中，所述圖形分析電路(110)被配置為從所述用戶輸入(160)接收所述標(biāo)識符，并基于所述標(biāo)識符從所述存儲器(120)識別和獲取所述基準(zhǔn)表面表征。
18.根據(jù)權(quán)利要求I至17中任一項(xiàng)所述的定位系統(tǒng)，其中，所述對象(30)是置于所述床(20)上的患者(30)，以及所述光投射器(70、75)被配置為將識別所述患者(30)的信息投射到所述患者(30)或所述床(20)的所述表面上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的定位系統(tǒng)，還包括用戶輸入(160)，所述用戶輸入(160)被配置為接收所述患者(30)的標(biāo)識符，其中，所述圖形分析電路(110)被配置為基于所述標(biāo)識符從所述存儲器(120)檢索識別所述患者(30)的所述信息。
20.根據(jù)權(quán)利要求I至19中任一項(xiàng)所述的定位系統(tǒng)，其中，所述檢測器(80、85)被配置為產(chǎn)生表示所檢測到的粘附至所述對象(30)的視覺上可檢測的識別標(biāo)簽的識別檢測信號，所述定位系統(tǒng)還包括對象識別器(150)，所述對象識別器(150)被配置為處理所述識別檢測信號，并基于所述識別檢測信號來產(chǎn)生所述對象(30)的標(biāo)識符，其中，所述圖形分析電路(110)被配置為基于由所述對象識別器(150)產(chǎn)生的所述標(biāo)識符從所述存儲器(120)識別和獲取所述基準(zhǔn)表面表征。
21.—種對象定位方法，包括 將二維或三維圖形(45)投射到置于床(20)上的對象(30)的表面上； 產(chǎn)生表示在所述對象(30)的所述表面上檢測到的二維或三維圖形(45)的檢測信號； 基于所述檢測信號，產(chǎn)生所述對象(30)的所述表面的至少一部分的表面表征； 產(chǎn)生表示所述表面表征相對于存儲在存儲器(120)中的所述對象(30)的所述表面的至少一部分的基準(zhǔn)表面表征的位置和姿勢中的至少一個的差異的校正信號；以及 將表示位置和姿勢中的至少一個的所述差異的信息投射到所述對象(30)或所述床(20)的表面上。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，產(chǎn)生所述校正信號包括產(chǎn)生表示所述表面表征到由所述基準(zhǔn)表面表征定義的目標(biāo)位置的剛體平移的校正信號。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的方法，其中，產(chǎn)生所述校正信號包括產(chǎn)生表示所述表面表征到由所述基準(zhǔn)表面表征定義的目標(biāo)位置的剛體旋轉(zhuǎn)的校正信號。
24.根據(jù)權(quán)利要求21至23中任一項(xiàng)所述的方法，其中，產(chǎn)生所述校正信號包括產(chǎn)生表示所述對象(30)相對于由所述基準(zhǔn)表面表征定義的目標(biāo)姿勢的姿勢變形的校正信號。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中， 產(chǎn)生所述校正信號包括產(chǎn)生表示所述對象(30)的單個身體部位相對于所述目標(biāo)姿勢的姿勢變形的校正信號；以及 投射信息(56)包括將定義所述單個身體部位相對于所述目標(biāo)姿勢的姿勢變形的信息(56)投射到所述身體部位上。
26.根據(jù)權(quán)利要求21至25中任一項(xiàng)所述的方法，其中，投射所述二維或三維圖形(45)包括投射二維或三維不可見光圖形(45)。
27.根據(jù)權(quán)利要求21至26中任一項(xiàng)所述的方法，其中，投射所述二維或三維圖形(45)包括投射第一波長間隔的二維或三維光圖形(45)，以及投射所述信息(55、56)包括通過與所述第一波長間隔不同的第二波長間隔的可見光來投射所述信息(55、56)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括對檢測到的所述二維或三維圖形(45)帶通濾波，以使所述第一波長間隔的光通過，但卻衰減所述第二波長間隔的光。
29.根據(jù)權(quán)利要求21至28中任一項(xiàng)所述的方法，還包括基于所述校正信號產(chǎn)生床控制信號，以使所述床(20)的臺頂面(25)根據(jù)所述床控制信號來自動移動，所述臺頂面(25)被配置為承載所述對象(30 )。
30.根據(jù)權(quán)利要求21至29中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述對象(30)是置于所述床(20)上的患者(30),所述方法還包括 接收所述患者(30)的標(biāo)識符；以及 基于所述標(biāo)識符從所述存儲器(120)識別和獲取所述基準(zhǔn)表面表征。
31.根據(jù)權(quán)利要求21至30中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述對象(30)是置于所述床(20)上的患者(30)，所述方法還包括將識別所述患者(30)的信息投射到所述患者(30)或所述床(20)的所述表面上。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，還包括 接收所述患者(30)的標(biāo)識符；以及 基于所述標(biāo)識符從所述存儲器(120)檢索識別所述患者(30)的所述信息。
33.根據(jù)權(quán)利要求21至32中任一項(xiàng)所述的方法，還包括產(chǎn)生表示所檢測到的粘附至所述對象(30)的視覺上可檢測的識別標(biāo)簽的識別檢測信號; 基于所述識別檢測信號來產(chǎn)生所述對象(30)的標(biāo)識符，以及產(chǎn)生所述對象(30)的標(biāo)識符；以及 基于所述標(biāo)識符從所述存儲器(120)識別和獲取所述基準(zhǔn)表面表征。
全文摘要
一種定位系統(tǒng)包括圖形投射器(70)，其用于將2D/3D圖形(45)投射到對象表面上。2D/3D圖形(45)由檢測器(80、85)來檢測，檢測器(80、85)產(chǎn)生檢測信號，該檢測信號被圖形分析電路(110)采用來產(chǎn)生對象表面的表面表征。校正分析電路(130)產(chǎn)生表示該表面表征相對于所存儲的基準(zhǔn)表面表征的位置和/或姿勢的差異的校正信號。該校正信號被用于產(chǎn)生被光投射器(70、75)投射到對象表面上的信息(55、56)。所投射的信息(55、56)表示所確定的對象位置和/或姿勢的差異。
文檔編號A61B6/04GK102811769SQ201080063313
公開日2012年12月5日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者克里斯托弗·馬德 申請人:C-Rad定位公司