專利名稱：醫(yī)療設(shè)備的定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用以將人體某體部安放在適當位置以便用醫(yī)療儀器進行治療的裝置，其中，在所述體部意義明確的位置上打上標記，對所述體部的這種定位使完全明確的治療點保持在所希望的位置。
更具體地說，本發(fā)明涉及借助于放療儀器對腦瘤進行放療。在這種治療期間，來自放療儀器的射線應(yīng)以毫米的幾分之一的精度射中該腫瘤。從而減小對健康組織的傷害并最佳地利用了射線?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)這種放療具有不在一次治療中施加全部劑量的優(yōu)點，代之以斷斷續(xù)續(xù)地施加一些較小的劑量。另外，最好從不同方向施加放射線劑量。從而使也射中周圍健康組織的放療射線分布在一個擴大的區(qū)域中。因此，減小了永久性損害健康組織的危險。在施加不同劑量期間從放療儀器中射出的射線必須準確地相交于被放療的腫瘤區(qū)域中的等角點。然而這需要對患者頭部有相應(yīng)的定位和對準精度。
實際上，采用了一種立體排列步驟將一個金屬環(huán)通過將其擰在顱骨上而固定在患者頭部。將一個丙烯酸有機玻璃圓筒與該金屬環(huán)連接在一起。將金屬絲投入該丙烯酸有機玻璃圓筒中。這些金屬絲確定一個固定頭部的坐標系統(tǒng)。制作一張患者頭部及有金屬絲的丙烯酸有機玻璃圓筒的計算機x線斷層圖。在該計算機X線斷層圖中可看到該金屬絲。也出現(xiàn)在該計算機X線斷層圖中的腫瘤位置便可以毫米的幾分之一的精度加以確定。
然后借助于光學(xué)對準系統(tǒng)將其位置已由這種方法確定的腫瘤(治療點)與等角點精確地對準，于是使來自放療儀器的射線總是通過該等角點。
這種用于測量和固定患者頭部的現(xiàn)有技術(shù)方法不適用于多次施加輻射劑量。
本發(fā)明的目的就是為治療患者體部起見而將該體部相對于醫(yī)療儀器保持在意義明確并可再現(xiàn)的位置。
本發(fā)明更具體的目的就是在分次放療過程中將患者頭部相對于放療儀器保持在意義明確的位置。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，此目的通過下列裝置實現(xiàn)配置至少兩個對準跟蹤所述標記的圖象信號產(chǎn)生傳感器，將來自所述傳感器的所述圖象信號施加于其上，用于處理所述標記的圖象以固定示標點的圖象處理裝置，該示標點由所述標記確定并限定所述體部的實際位置;用于從所探測到的所述示標點的位置計算該體部的實際位置，將所述實際位置與所需位置相比較，產(chǎn)生起動信號的信號處理和控制器裝置，該起動信號取決于所述體部的所述實際位置和所述所需位置間的誤差;以及用于防止在所述儀器和所述體部間有偏差的治療的裝置，將所述起動信號施加于所述防止裝置。
根據(jù)本發(fā)明，患者頭部或一些其他體部的位置和方位是借助于傳感器通過檢測標記來確定的。一個控制環(huán)用來維持正確的位置。出乎意外的是現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在該方法中可獲得比機械固定更高的定位精度。不是移動頭部使治療點與等角點對準，而是治療射線也可以偏轉(zhuǎn)。在緊急情況下，如果沒有對準，治療儀器能被禁止。
最好是，每個傳感器包含用于產(chǎn)生象素矩陣的裝置，在該象素矩陣中標記以二維結(jié)構(gòu)方式出現(xiàn)。調(diào)整圖象處理裝置以確定如此獲得的二維結(jié)構(gòu)的重心，這些重心代表示標點。
這種普通傳感器的分辨率低于所需的定位精度。然而，如果由這些傳感器檢測到的二維結(jié)構(gòu)的重心是用傳統(tǒng)的圖形識別的方法形成，這樣，也就是說，形成一個相當粗的光柵上的均值，以所需精度確定了該重心。于是通過掃描該擴展的標記，便可確定亞象素(subpixel)精度的“示標點”。這些示標點以足夠精度確定了待治療體部的實際位置。
標記可為球狀體。這種球狀體在象素矩陣中以環(huán)形結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，而與被觀察的方向無關(guān)。為便于圖象處理，當從所述傳感器觀察時，如果在所述球狀體后面提供與其形成對比的區(qū)域是有益的。可以設(shè)置用于從各個方向照亮所述球狀體的裝置。
為相對于放療儀器準確定位患者頭部，將治療點置于待治療的腫瘤中，該裝置包含一張限定縱向的可伸長的放療臺和一部在所述放療臺上用于在所述縱向水平移動導(dǎo)向的行車，所述行車適用于容納患者。頭架是與所述放療臺和行車分開的，適合于容納患者頭部，并包括用于將患者頭部固定在所述頭架上的裝置。將所述起動信號施加于各自其上的第一和第二傳動裝置與所述頭架相連以使所述頭架相對于所述放療臺移動。將所述起動信號施加于其上的第三傳動裝置與所述行車相連以便沿所述縱向移動所述行車。所述傳動裝置由所述起動信號調(diào)整和控制用以當其偏離所需位置時使所述患者頭部返回到所需位置。
這樣，患者頭部被上下及橫向移動。然而患者的頭頸不受縱向伸縮。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種用于對用醫(yī)療儀器進行治療的人體體部進行定位的方法，該方法先將標記打在所述體部意義明確的位置，且對所述體部的這種定位使準確限定的治療點會維持在所需位置上。該方法包含下列步驟當待治療的所述體部相對于所述醫(yī)療儀器固定在預(yù)定的所需位置上時，在第一次治療期間借助于至少兩個圖象產(chǎn)生傳感器測量所述標記的位置，從而使所述傳感器產(chǎn)生所述標記的二維圖象;通過在傳感器固定坐標系統(tǒng)中進行圖象處理來確定所述圖象的重心;由圖象重心在儀器固定的坐標系統(tǒng)中確定所述標記的所述重心的位置作為測量所述體部的所需位置;在隨后的治療期間借助于象在所述第一次治療中同樣地對準的相同傳感器測量所述標記的位置;確定在儀器固定坐標系統(tǒng)中標記重心和在所述傳感器固定坐標系中所確定的所述圖象重心的位置偏差;以及根據(jù)所述位置偏差產(chǎn)生起動信號并隨所述起動信號而校正所述體部的位置。
下面參考附圖更詳細地描述本發(fā)明的實施例。


圖1是放療儀器的原理透視圖，該儀器借助于一個線性加速度計對腦瘤進行放療，從不同方向分次施加放射劑量。
圖2表示了不同方向的射線，該射線總是通過位于腫瘤中的等角點。
圖3原理性地圖示了帶有兩個圖象信號產(chǎn)生傳感器(攝象機)的裝置，借助于與患者相連的標記，該傳感器使意義明確的，曾精確測得的患者相對于放療儀器的位置再次產(chǎn)生，以致于在隨后的放療期間，放療儀器的射線將再次準確地射中腫瘤。
圖4是原理性地展示了用圖3裝置的圖象和信號處理各個步驟的框圖。
圖5是由傳感器提供的象素矩陣的原理圖并圖示了圖象的處理。
圖1原理性地圖示了用于對腦瘤進行放療的放療儀器。該放療儀器由標號10表示。該放療儀器10產(chǎn)生高能γ二次輻射射線12。射線12的橫截面由光闌14確定?；颊咛稍诜暖熍_16上。
為連續(xù)地從不同方向?qū)δ[瘤進行放療而使射線通過健康組織的載入量(loading)最小，該放療儀器10可繞著軸18旋轉(zhuǎn)。射線12與軸18相交于等角點20。通過適當調(diào)整放療臺必須使腫瘤位于該等角點中。如果情況是這樣，則射線將總是通過腫瘤，如圖2所示，即使當放療儀器繞軸18旋轉(zhuǎn)時也是如此。
起初，患者腦顱中待放療腫瘤的準確位置是確定的。這是眾所周知的技術(shù)。將一個環(huán)安裝到患者的頭顱上。將帶有金屬絲的丙烯酸有機玻璃體連接到該環(huán)上。該金屬絲作為標記。制作一張帶有該環(huán)的患者頭部的計算機x線斷層圖或核磁共振X線斷層圖。該X線斷層圖顯示腫瘤和金屬絲的位置。然后即可在由該金屬絲代表的坐標系中確定腫瘤的位置。
在第一次放療期間，借助于立體排列方法將被放療的患者頭部準確地對準和固定。這樣，治療點例如腫瘤便準確地定位于該儀器的等角點中。該等角點在裝置固定坐標系中是意義明確的點。
現(xiàn)在的問題是在隨后的治療期間將患者頭部準確地置于這個曾測量到的位置。這無需用已描述的立體排列法并在實際上較短的時間內(nèi)完成。
為此，在第一次測量前將標記加到患者頭部。這些標記相對于患者頭顱有一個可再現(xiàn)的位置。在所述的實施例中，這些標記是固定在顱骨中的銷。也可以將該標記接到裝配到患者牙齒上的接口(mouthpiece)上。
在前面描述的第一次對準期間，借助于圖象信號產(chǎn)生傳感器34、36觀測這些標記。圖象信號產(chǎn)生傳感器34和36是一種視頻攝象機。通過這種觀察測量到初始對準位置。這位置定義為“所需位置”。在隨后的放療期間，標記由固定在空間的傳感器34和36所檢測。根據(jù)傳感器34和36所提供的圖象信息來確定實際位置。帶有致動器的控制回路用來將患者顱部再次移到所需位置。
圖3顯示了這種標記的例子。這里一共提供了5個這樣的標記。四個標記22、24、26和28大體位于四角形的四個角上。第五個標記30安置在該四角形的中央。這些標記都是淺色球狀物，置于黑色背景的前面。在圖示實施例中，該四角形的對角線長度約為180到200毫米。由兩個圖象信號產(chǎn)生傳感器34而36觀測這些標記。這些標記被燈38和40從各個方向均勻照亮。在圖示實施例中，兩個傳感器位于垂直平面44中，水平距離約500毫米，高于包含標記30的水平面約600毫米。它們的光軸基本上指向中央標記30或四角形的中心。標記30位于距包含傳感器34和36的垂直面約500毫米的地方，并在這兩個傳感器34和36間的該垂直面的垂直平分平面中。
上面所描述的幾何形狀和所給的尺寸是不嚴格的。它們提供了關(guān)于排列的提示，實際上由此可獲得對患者非常精確的對準。
對從傳感器34和36接收到的圖象信息的處理概括地示于圖4的框圖中。
傳感器34和36分別提供象素矩陣50和52。每個由各自傳感器34或36檢測的圖象象素提供一個亮度值。圖5示出了分別由傳感器34和36提供的象素矩陣50和52的例子。在這些象素矩陣中，環(huán)形結(jié)構(gòu)54A、56A、58A、60A和62A以及54B、56B、58B、60B和62B將分別作為標記22、24、26、28和30的圖象加以識別。該標記是球狀物。因此，圖象大體是圓形的而與觀察標記的方向無關(guān)。
圖象處理包含下列步驟首先，識別標記的圖象。該識別操作包含將諸如54A的各種標記圖象與諸如22的特定標記聯(lián)系起來的步驟。
這些象素代表相當粗的光柵。投影到標記平面的象素尺寸大于所需的定位精度。當然，標記本身的尺寸實際也大于所希望的定位精度。因此，下個步驟包括確定重心。確定視為標記圖象的物體重心。能以本質(zhì)上比一個象素長度或高度更高精度地確定這些重心的坐標。
這樣為獲得一毫米幾分之一的定位精度，既不需要相應(yīng)的提供小的標記，也不需要以等于所需精度的分辨率對視場進行取樣。雖然這些標記應(yīng)該具有意義明確、規(guī)則的形狀，相對大的標記已足夠。并能使用傳感器檢測有較粗光柵的圖象。
確定重心由圖4中方框74和76來表示。
于是在圖象平面54A中確定了代表標記圖象重心的點80。分別根據(jù)點80以及傳感器34和36光學(xué)系統(tǒng)的成象特征(包括象差)，可以計算出從傳感器34或36延伸到標記(例如30)重心的射線44。
射線的計算由圖4中的方框92和94圖示?；颊哳^部位置和狀態(tài)的計算由圖4中方框90圖示。
為獲得所需的高精度，首先必須確定每個傳感器各個成象特征。為此，由傳感器通過其光學(xué)系統(tǒng)觀測精確知道的受試體，并觀測由該光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的受試體的圖象。
另外，必須以短時間間隔(延遲)精確測量放療儀器坐標系中所有傳感器的定位和調(diào)整。為此，放置一個其中心落在等角點20上的參考體。將該參考體的有標志的軸線調(diào)整成與被參考的放療儀空間固定的坐標系的軸平行。該參考體有5個標記。這些標記也是在黑色背景前的淺色球狀體。這些標記相對于參考體中心的位置是完全已知的。然后根據(jù)成像標記的重心計算出傳感器的三個直角坐標的位置以及三個方位角的方位。
從數(shù)學(xué)上講，借助于反函數(shù)計算傳感器的位置和方位是有益的相對該傳感器一個被選的，估算的位置和方位計算圖象重心的坐標。通常，這些計算出的圖象重心坐標與實際觀測到的圖象重心坐標不符。然后計算出重心的算出坐標和觀測坐標之間距離的平方和。該距離平方和通過對傳感器所估算位置和方位的調(diào)整而減至最小。為這些調(diào)整而得到一組非線性方程。通過線性化和迭代法解得該方法組。由此，在儀器固定和參考體固定坐標系中得到傳感器位置和方位的最佳值。
在第一次放療期間如上所述患者頭部是借助于立體排列過程來對準并固定的。于是，治療中點(腫瘤)被準確地置于等角點20。在這種情況下，借助于傳感器34和36在儀器固定坐標系中確定加到頭顱上的標記位置。這是由如下步驟完成的根據(jù)上述方法確定的傳感器位置和方位以及加到患者頭顱的標記，計算出射到標記重心的射線。該計算考慮了使用受試體時獲得的有關(guān)傳感器光學(xué)系統(tǒng)成象特征的信息。也可能計算出的射線不嚴格相交。然后選擇使兩個傳感器34和36得出的兩條計算出的射線距離為最小的點作為標記的(ste)位置。
由傳感器34和36測定的標記22、24、26、28和30的坐標限定了患者頭部的所需位置和方位。
在隨后的每次放療期間，根據(jù)標記圖象重心的瞬時坐標值連續(xù)地計算當病人頭部沒有準確對準和剛性固定時，與所需位置和方位的偏差。該位置和方位的偏差由三個平移量的平動和有三個旋轉(zhuǎn)角度的旋度來描述。
該計算再次運用反函數(shù)，如同測量傳感器位置和方位一樣將標記22、24、26、28和30的圖象重心作為位置和方位偏差的6個自由度的函數(shù)加以計算。使重心的計算坐標值測量坐標之間的距離平方之和為最小，又導(dǎo)致一組非線性方程。通過線性化和選代來解該方程組。由此獲得儀器固定坐標系中患者頭部位置和方位偏差的最佳值，特別是治療點與所需位置偏移的最佳值。
5個標記的坐標提供了“患者固定”坐標系的實際位置。將該實際位置和方位與“所需位置和方位”相比，后者在第一次精確定位期間已被確定并已存儲在存儲器92中。控制器94檢測實際位置和所需位置間的誤差并在輸出端98產(chǎn)生控制器輸出，即起動信號。將該起動信號施加到由圖4中方框104代表的致動器上。
如在圖1中概括示出的，患者躺在放療臺16上被引導(dǎo)作水平、縱向運動的行車15上。患者頭部位于頭架108上。頭架108可相對于行車15垂直和橫向移動。致動器102用于橫向調(diào)節(jié)頭架108。致動器104用來垂直調(diào)節(jié)頭架108。頭架108沒有相對于行車15的縱向調(diào)節(jié)，因為這種調(diào)節(jié)會使患者頭頸被拉伸或擠壓。而代之以用致動器106來縱向調(diào)節(jié)行車15?？捎脗鹘y(tǒng)裝置將患者頭部固定在頭架108上。如果有移動的話，則由控制回路加以補償?；颊哳^部中的治療點以高精度地保持在等角點20中。
所述裝置可以各種方式加以變更。它可用來對一些其它部位的體部進行治療以取代患者頭部和顱骨。也可設(shè)置3個傳感器以取代這兩個傳感器34和36。在上面測定的情況下，可根據(jù)最小二乘法從算出的射線中計算坐標值。
權(quán)利要求
1.一種對用醫(yī)療儀器治療的人體的體部進行定位的裝置，標記被加到所述體部的意義明確的位置上，對所述體部的定位使準確限定的治療點保持在所需位置，該裝置的特征在于(a)至少兩個被對準來監(jiān)測所述標記(22、24、26、28、30)的圖象信號產(chǎn)生傳感器(34，36)；(b)將來自所述傳感器(34，36)的所述圖象信號施加于其上用于處理所述標記的圖象(54A到62A，54B到62B)以固定示標點(80)的圖象處理裝置(74，76)，該示標點由所述標記確定并限定所述體部的實際位置，(c)信號處理和控制器裝置(90，92，94)-用于根據(jù)所探測的所述示標點的位置計算該體部的實際位置，-用于將所述實際位置與一所需位置相比較，以及-用于產(chǎn)生起動信號，該起動信號取決于所述體部的所述實際位置和所述所需位置間的誤差，以及(d)用于防止在所述儀器和所述體部間未對準的治療的防止裝置，所述起動信號施加于所述防止裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述防止裝置包括將所述起動信號施加其上的致動裝置(102，104，106)該致動裝置在所述體部已偏離其所需位置時可恢復(fù)所述儀器和所述體部間的正確對準。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述致動裝置(102，104，106)與所述體部相連接用于在所述體部偏離該所需位置時使所述體部返回到所述所需位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于(a)每個所述圖象信號產(chǎn)生傳感器(34，36)包含用于產(chǎn)生象素矩陣(50，52)的裝置，在該矩陣中標記以二維結(jié)構(gòu)方式出現(xiàn)(54A到62A，54B到62B)，以及(b)所述圖象處理裝置包含用于確定該二維結(jié)構(gòu)重心(80)的裝置，所述重心代表所述示標點。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述標記(22，24，26，28，30)是球狀體，它們在象素矩陣中以環(huán)狀結(jié)構(gòu)(54A到62A，54B到62B)出現(xiàn)而與其被觀測的方向無關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于當從所述傳感器觀測時，在所述球狀體后提供了與所述球狀體形成對比的區(qū)域(52)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于還包含用于從各個方向?qū)λ銮驙铙w進行照明的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于至少設(shè)有三個標記(22，24，26，28，30)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包含用于對所述體部進行角度調(diào)整的致動裝置。
10.一種對用放療儀器進行治療的患者頭部進行精確定位的裝置，所述頭部的意義明確位置上加有標記，對所述頭部的定位使得待放療的腫瘤保持在所需位置，其特征在于(a)至少兩個被對準監(jiān)測所述標記(22，24，26，28，30)的圖象信號產(chǎn)生傳感器(34，36)，(b)來自所述傳感器(34，36)的所述圖象信號施加于其上用于處理所述標記的圖象(54A到62A，54B到62B)以固定示標點(80)的圖象處理裝置(74，76)，該示標點由所述標記確定并限定所述體部的實際位置，(c)信號處理和控制裝置(86，88，90，92，94)，-用于根據(jù)所探測到的所述示標點位置計算所述頭部的實際位置，-用于將所述實際位置與所需位置相比較，以及-用于產(chǎn)生起動信號，該信號取決于所述頭部的所述實際位置和所述所需位置間的誤差，以及(d)一張確定縱向延伸的放療臺(16)和一部在所述放療臺上被引導(dǎo)在所述縱向作水平移動的行車，所述放療臺適合于容納一個患者，(e)與所述放療臺(16)及行車分開并適合于容納患者頭部的頭架(108)，以及用于將患者頭部固定在所述頭架(108)上的裝置，(f)將所述起動信號施加于各自其上的第一和第二致動器裝置(104，102)，用于與所述頭架(108)相連，使所述頭架相對于所述放療臺(16)移動，以及(g)將第三起動信號施加于其上的第三致動器裝置，其與所述行車相連使所述行車在所述縱向移動，(h)所述致動器裝置由所述起動信號安排和控制，以便當所述患者頭部已偏離所述所需位置時使該頭部回到這個所需位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于還包括用于對所述頭架進行角度調(diào)整的致動器裝置。
12.一種對用醫(yī)療儀器治療的人體體部進行定位的方法，其中所述體部的意義明確的位置上加有標記，所述體部的定位使準確限定的治療點保持在所需位置，其特征在于包括以下步驟(a)當待治療的所述體部固定在相對于所述醫(yī)療儀器的預(yù)定所需位置上時，在第一次治療期間借助于至少兩個圖象產(chǎn)生傳感器來測量所述標記的位置，從而使所述傳感器產(chǎn)生所述標記的二維圖象，(b)通過在傳感器固定坐標系中進行圖象處理來確定所述圖象的重心，(c)由該圖象重心，在儀器固定坐標系中確定所述標記的所述重心位置，作為所述體部的所需位置的一種度量，(d)在隨后的治療期間借助于象在所述第一次治療期的相同方式對準的相同傳感器，測量所述標記位置，(e)確定在儀器固定坐標系中的標記重心和在所述傳感器固定坐標系中確定的所述圖象重心之間的位置偏差，以及(f)根據(jù)所述位置偏差產(chǎn)生起動信號并響應(yīng)所述起動信號而校正所述體部的位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述圖象產(chǎn)生傳感器包含成象光學(xué)系統(tǒng)，并由所述圖象產(chǎn)生傳感器測量設(shè)置在測試體的標記位置，由此校準所述圖象產(chǎn)生傳感器的光學(xué)系統(tǒng)的成象特征。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于由所述傳感器測量設(shè)置在一參考體上并在儀器固定坐標系中有意義明確的位置和方位的標記，在所述儀器固定坐標系中的所述傳感器的位置和方位是根據(jù)由所述傳感器檢測到的所述圖象的位置來確定的。
全文摘要
為治療諸如患者頭部通過使相對于加到其上的標記所確定的治療點保持在所需位置而將其定位。為此，至少配置兩個觀察標記的圖象信號產(chǎn)生傳感器。設(shè)置用于處理標記圖象的圖象處理器以確定示標點，該示標點由標記決定并限定頭部的實際位置。還設(shè)有信號處理和控制器以根據(jù)觀測到的示標點位置計算實際位置，并將其與所需位置相比較和根據(jù)這兩者之差產(chǎn)生加到與體部相連的致動器的起動信號。故一旦有偏差，可使治療點回到所需位置。
文檔編號A61N5/10GK1076791SQ93102650
公開日1993年9月29日 申請日期1993年3月11日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月11日
發(fā)明者V·施圖爾姆, O·巴斯蒂, W·施列格爾, C·烏萊恩, T·馬克 申請人:博登湖工廠儀器技術(shù)有限公司