成像设备的位置校准和误差补偿装置及其补偿方法

摘要

本发明公开了一种成像设备的位置校准和误差补偿装置及其补偿方法。其特征在于，通过对校准杆装置进行交角成像，并获取一对X-ray图像，计算此对X-ray图像上校准杆装置校准球和图像中心点在图像上的二维偏差值，将所获得的一对二维偏差值转换至以理想定位中心点为原点的三维空间值，得到成像设备位置误差造成的定位中心点三维空间误差值。卸下校准杆，重新安装，重复此过程六次，将获得误差统计平均值，作为系统的机械误差补偿值，载入系统的配置文件。在使用系统过程中，系统自动地用此三维误差值对X-ray图像进行移动补偿，达到因成像设备位置不精确造成的系统误差的校准目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种位置误差校准和补偿装置及其补偿方法，具体涉及一种成像设备的位置校准和误差补偿装置及其补偿方法。

背景技术

放射治疗在肿瘤治疗中占有越来越重要地位，约60-70%的肿瘤癌症患者需接受放射治疗。图像引导放射治疗（IGRT）是近十几年逐步发展起来的肿瘤精确放射治疗的最新理论和技术，它通过先进的医学影像设备及图像处理方法对患者的病灶在治疗前和治疗中进行定位跟踪，实现对肿瘤的精确放射治疗，降低对肿瘤周边正常组织及关键器官的损伤，改善病人的治疗效果。图像引导是现代新兴放射治疗技术的基础，如立体定向神经放射外科手术（SRS）、立体定向体部放射治疗（SBRT）、图像引导调强放射治疗（IG-IMRT）。

图像引导放疗定位系统采用千伏级X射线交角透视成像技术，通过由计算机控制两组千伏（KV）级X射线球管、X射线高压发生器、非晶硅X射线平板探测器和曝光控制盒组成的硬件系统，对患者的内部解剖结构或外部植入金标进行两个方向的透视成像，取得一对交角X射线数字图像。将获得的X射线数字图像和计划DRR（由治疗计划CT图像生成）首先进行图像解剖特征增强处理，然后通过二维-三维（2D-3D）图像配准，计算出患者（病灶）的位置（等中心点）偏移，由此在治疗前通过移动治疗床来调整患者摆位，实现对肿瘤的精确定位。

 患者（病灶）的位置（等中心点）的偏移值是根据取得的一对X射线图像与CT图像进行配准计算所得，一对X射线图像与成像设备的位置、射线源到射线探测器的距离和角度有关。图像引导放疗定位系统对成像设备的位置和成像的几何结构精度有严格的要求，成像设备的位置误差会引起X射线图像的偏移误差，从而影响计算患者（病灶）位置的偏移值。

为精确校准X射线成像设备的位置和几何关系，并对成像设备位置的误差进行精确补偿，本发明提出一种基于图像配准的成像设备位置校准和误差补偿方法。在用激光束校准悬挂的非晶硅X射线平板探测器和X射线管的位置和几何的基础上，再进行基于图像配准的精确校准和误差补偿。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，成像设备的位置校准和误差补偿装置及其补偿方法，目的是用校准装置、处理装置以及控制装置实现成像设备的位置校准和误差补偿，精确地校准图像引导放疗定位系统的成像设备位置，计算成像设备位置误差，并对X射线图像进行误差补偿。

本发明所采用的技术方案是：一种成像设备的位置校准和误差补偿装置，包括：两个平板探测器，两个上述平板探测器呈一角度相对设置；X射线发生器，用于产生高压电场及X射线管灯丝电流，并且用于控制X能量参数；两个X射线管，用于产生X射线，两个上述X射线管分别对应设于两个上述平板探测器的一侧，两X射线管交叉设与平板探测器的底部，且分别与平板探测器相对设置，使得两X射线管发射的X射线分别照射到平板探测器上，并且在平板探测器和X射线管之间形成一个交点，校准杆装置，包括用于标定上述交点的校准球和用于安装上述校准球的校准杆；处理装置，用于对上述校准杆装置进行X-ray图像的采集和处理；控制装置，用于控制平板探测器、X射线发生器以及X射线管的相对位置。

优选的，上述校准杆顶端设为圆锥状，上述校准球设于上述校准杆顶端的锥尖处。

本发明还提供另外一个技术方案，一种成像设备的位置校准和误差补偿装置的补偿方法，所述补偿方法包括以下步骤：步骤1.安装上述校准杆装置,并且使上述校准球位于上述交点处；步骤2.设定上述X射线发生器的X能量参数使其激发上述X射线管向上述平板探测器发射X射线；步骤3.通过上述处理装置采集并预处理一组所述校准杆装置的第一X-ray图像，将上述第一X-ray图像作为配准的参考图像；步骤4.拆除上述校准杆装置，并且重复步骤1-2；步骤5.再次通过上述处理装置采集并预处理一组上述校准杆装置的第二X-ray图像，将上述第二X-ray图像作为第一浮动图像；步骤6.通过处理装置将上述参考图像与上述第一浮动图像进行配准计算，得到一组补偿二维图像偏移值（△XA、△YA）和（△XB、△YB）；步骤7.通过处理装置将上述补偿二维图像偏移值转换成三维偏移值，即为补偿定位中心点偏移值（△X、△Y、△Z）；步骤8.通过处理装置判定上述补偿定位中心点偏移值各维度的绝对值是否同时小于设定的误差最大允许值，若不满足，则根据上述补偿定位中心点偏移值通过控制装置微调上述X射线管和上述平板探测器的位置，重复步骤1-8；若满足，重复至少四次步骤3～步骤8；步骤9.通过处理装置计算步骤8所得的至少四组上述补偿二维图像偏移值（△XA、△YA）和（△XB、△YB）的平均值，得到平均值为（△XA_mean、△YA_mean）和（△XB_mean、△YB_mean），并计算上述步骤7获得的上述补偿定位中心点偏移值的平均值，得到平均值为（△Xmean、△Ymean、△Zmean）；步骤10.将上述平均值（△XA_mean、△YA_mean）、（△XB_mean、△YB_mean）和（△Xmean、△Ymean、△Zmean）作为误差补偿值，通过处理装置载入上述控制装置。

优选的，上述步骤3中的预处理包括以下步骤：步骤ⅰ.通过处理装置去除上述步骤3采集的上述X-ray图像的背景；步骤ⅱ.平移上述X-ray图像使所述校准球的中心在所述X-ray图像的中心点，通过处理装置存储平移后的上述X-ray图像，将存储的上述平移后的上述X-ray图像作为配准的参考图像。

优选的，上述误差最大允许值为3mm。

优选的，上述步骤8中重复六次上述步骤3～步骤8，则上述步骤9中计算六对上述补偿二维图像偏移值的平均值。

优选的，上述补偿方法还包括设置于步骤10后的验证步骤，上述验证步骤包括：步骤a.将步骤10中的上述误差补偿值载入控制装置中；步骤b.安装校准杆装置到上述步骤1相同的位置；步骤c.设定上述X射线发生器的X能量参数，采集一对校准杆装置的X-ray图像，采用误差补偿值对X-ray图像进行位移校准，并作为配准的第二浮动图像；步骤d.通过处理装置将上述步骤3中的上述参考图像与所述步骤c中的上述第二浮动图像进行配准计算，得到一对验证二维图像偏移值（△XA、△YA）和（△XB、△YB）；步骤e.通过处理装置将上述步骤d得到的验证二维图像偏移值转换成三维偏移值，即为第二定位中心点偏移值（△X、△Y、△Z）；步骤f.重复至少四次上述步骤b～步骤e；步骤g.通过处理装置计算上述步骤f所得的至少四对验证二维图像偏移值（△XA、△YA）和（△XB、△YB）的平均值，得到平均值为（△XA_mean、△YA_mean）和（△XB_mean、△YB_mean），并计算上述步骤e获得的所述第二定位中心点偏移值的平均值，得到平均值为（△Xmean、△Ymean、△Zmean）；步骤h.通过处理装置判定上述步骤g获得的验证平均定位中心点偏移值，是否满足校准后的误差允许值；若不满足，则根据所获得的误差值补偿值，微调X射线管的位置，并重新获取新的误差值补偿值。

优选的，上述校准后所获得的最大误差允许值为0.3mm，即|△Xmean | < 0.3 mm && |△Ymean | < 0.3 mm && |△Zmean | < 0.3mm。

优选的，重复六次上述步骤b～步骤e，则上述步骤g中计算上述步骤f得到的六对验证二维图像偏移值的平均值。

采用本技术方案的有益效果是：本发明公开了一种成像设备的位置校准和误差补偿装置及其补偿方法，通过对金属校准杆进行交角成像，并获取一对X-ray图像，计算此对X-ray图像上校准球中心和图像中心点的二维偏差值，将所获得的偏差值转换至三维空间值，得到成像设备位置误差造成的定点中心点三维空间误差值，通过重复操作获取多组定点中心点三维空间误差值，并取此多组误差值的平均值，作为系统的机械误差补偿值，不断对成像设备进行补偿，根据补偿值不断地调整系统成像设备的位置，来完成对成像设备位置不精确造成的系统误差的校准。由于本发明采用多次校准，并通过校准补偿的方法验证，使得校准误差能控制在误差允许的范围内，能确保成像设备的精确位置校准。

附图说明

图1为本发明位置校准和误差补偿装置的补偿方法的流程示意图；

图2为本发明位置校准和误差补偿装置的补偿方法中误差补偿流程示意图；

图3为本发明位置校准和误差补偿装置的补偿方法的校准杆成像几何空间示意图。

图中，1.平板探测器 2.校准杆装置。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

实施例1

一种成像设备的位置校准和误差补偿装置，包括两个平板探测器1，两个所述平板探测器1呈一角度相对设置；X射线发生器，用于产生高压电场及x射线管灯丝电流，并且用于控制X能量参数；两个X射线管，用于产生X射线，两个上述x射线管分别对应设于两个上述平板探测器1的一侧，上述两个X射线管发射的X射线交叉形成一个交点；校准杆装置2，包括用于标定所述交点的校准球和用于安装所述校准球的校准杆；处理装置，用于对所述校准杆装置进行X-ray图像的采集和处理；控制装置，用于控制平板探测器1、X射线发生器以及X射线管的相对位置。

成像设备的位置校准和误差补偿装置的补偿方法，包括步骤1.将校准杆装置安装在两x射线管发射的两条x射线照射到各自所对应的平板探测器中时交叉形成的交点处；步骤2.设定X射线发生器的X能量参数，采集一对校准杆装置的X-ray图像后拆卸校准杆装置；步骤3.预处理所采集的校准杆装置的X-ray图像，并作为配准的参考图像；步骤4.再次将校准杆装置安装到与步骤1中相同的地方；步骤5.设定所述X线发生器的X能量参数，再次采集一对X-ray图像，并作为配准的浮动图像后拆卸所述校准杆装置；步骤6.将参考图像与浮动图像进行配准计算，得到一对二维图像偏移值（△XA、△YA）和（△XB、△YB）；步骤7.将二维图像偏移值转换成三维偏移值，即为定位中心点偏移值（△X、△Y、△Z）；步骤8.判定定位中心点偏移值各维度的绝对值是否同时小于3mm，即判定是否|△X | < 3 mm && |△Y | < 3 mm && |△Z| < 3 mm，若不满足，则根据上述计算的补偿定位中心点偏移值，微调X射线管和平板探测器的位置；若不满足，重复步骤1-8，若满足，则转步骤9；步骤9.重复六次步骤4～步骤8；步骤10.计算步骤9所得的六对二维图像偏移值（△XA、△YA）和（△XB、△YB）的平均值，得到平均值为（△XA_mean、△YA_mean）和（△XB_mean、△YB_mean），并计算步骤7获得的定位中心点偏移值的平均值，得到平均值为（△Xmean、△Ymean、△Zmean）；步骤11.将上述平均值（△XA_mean、△YA_mean）、（△XB_mean、△YB_mean）和（△Xmean、△Ymean、△Zmean）作为误差补偿值，载入所述控制装置中。

下面介绍本实施例的校准及验证的操作流程:

如图1所示为获取误差补偿值流程，首先开启处理装置，运行校准软件mipTCP, 选择Calibration System入口，进入Calibration System界面；开启成像硬件设备电源；点击Initialize Hardware按钮，开始初始化硬件设备；点击Set X-Ray Parameters按钮，将曝光参数设置为与获取参考图像时一致的参数；点击Positioning按钮，开始曝光采集X-Ray图，并计算偏移量；重复曝光X-Ray图，计算偏移量。

首先开启安装有校准软件的处理装置，运行校准软件mipTCP,第1步.设置试验次数变量n = 0；第2步.安装校准杆装置；第3步.按“Positioning”按钮，曝光采图，并计算校准杆上校准球的中心的三维偏移量△X (n)，△Y(n)，△Z (n)，以及两X射线管分别在左、右方向和上、下方向上的调整值，记录三维偏移量和X射线管调整值；第4步.拆卸校准杆；第5步，变量n自动加1，若n<6，则转向第2步；第6步，用每次检验得出的数据△X (n)，△Y(n)以及△Z (n)，计算并记录平均值△Xmean、△Ymean、△Zmean；第7步，判断是否|△Xmean| < 3 mm &&|△Ymean| < 3 mm && |△Zmean| < 3mm，若不满足，则根据两X射线管分别根据左、右方向和上、下方向上的平均调整值，用内六角扳手和榔头调整X射线管的位置，并设置重复验证次数n = 0，再转第1步；第8步，按“Save Corrections”按钮，保存△Xmean、△Ymean、△Zmean至配置文件内；第9步，再次设置重复试验次数变量n = 0；第10步，安装校准杆；第11步，按“Positioning”按钮，系统自动用所得的误差补偿值△Xmean、△Ymean、△Zmean对X射线图像进行位移的补偿校准，对校准后的图像进行配准计算，记录计算的钢球中心三维偏移量△Xcal(n)，△Ycal (n)，△Zcal(n),以及两X射线管分别在左、右方向和上、下方向上的调节值，作为数据记录；第12步，拆卸校准杆；第13步，设置n = n + 1, 若重复验证次数n不足6次，则转第10步；第14步，用每次检验得出的数据△Xcal(n)，△Ycal(n)，△Zcal(n)，计算平均值△Xcal、△Ycal以及△Zcal，作数据记录；第15步，再判断是否满足|△Xcal| < 0.3 mm && |△Ycal| < 0.3 mm && |△Zcal| < 0.3mm，若不满足，则根据△Xmean、△Ymean、△Zmean，用内六角扳手和榔头微调X射线管的位置，并设置重复验证次数n = 0，再转第1步；第16步，系统机械校准及验证结束。

下面介绍本实施例中的验证方法：

验证方法如下：第1步.将上述基于图像配准的成像设备位置校准和误差补偿方法获得的误差补偿值载入系统配置文件；第2步.安装校准杆；第3步.在上述X射线能量参数下，拍摄一对校准杆的X-ray图像，系统自动用所得的误差补偿值对X射线图像进行位移的补偿校准，补偿后的X射线图像作为浮动图像；第4步.将浮动图像与参考图像进行配准计算，得到一对二维图像的偏移值（△XA、△YA）和（△XB、△YB）；第5步.将一对二维图像的偏移值，转换直三维空间坐标系下的三维偏移值，即定位中心点的偏移值（△X、△Y、△Z）；第6步.重复步骤1～步骤5六次；第7步.计算获得的六对二维图像的偏移值（△XA、△YA）和（△XB、△YB）的平均值（△XA_mean、△YA_mean）和（△XB_mean、△YB_mean），计算六次获得的定位中心点的偏移值的平均值（△Xcal、△Ycal、△Zcal）；第8步.若|△Xcal | < 0.3 mm && |△Ycal | < 0.3 mm &&|△Zcal | < 0.3 mm，则验证了误差补偿值是正确有效的。

采用本技术方案的有益效果是：本发明公开了一种成像设备的位置校准和误差补偿装置及其补偿方法，通过对金属校准杆进行交角成像，并获取一对X-ray图像，计算此对X-ray图像上校准球中心和图像中心点的二维偏差值，将所获得的偏差值转换至三维空间值，得到成像设备位置误差造成的定点中心点三维空间误差值，通过重复操作获取多组定点中心点三维空间误差值，并取此多组误差值的平均值，作为系统的机械误差补偿值，不断对成像设备进行补偿，根据补偿值不断地调整系统成像设备的位置，来完成对成像设备位置不精确造成的系统误差的校准。由于本发明采用多次校准，并通过校准补偿的方法验证，使得校准误差能控制在误差允许的范围内，能确保成像设备的精确位置校准。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。