面向放療機(jī)器人定位床的視覺系統(tǒng)標(biāo)定與測量方法研究.pdf

1、在精確放射治療過程中，為了實(shí)現(xiàn)對放療患者的精確定位和腫瘤位置的精確測量，對放療患者通常采用分次治療法，每次治療過程都需重復(fù)定位，這就對放療患者擺位系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，研究放療患者擺位系統(tǒng)的精確測量方法對精確放療具有重大的意義。
　　本課題來源于蘇州雷泰醫(yī)療科技有限公司研究的《基于四維球面放射治療平臺-球面刀的研究》項(xiàng)目和與蘇州大學(xué)蘇州博實(shí)機(jī)器人技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)的《放療機(jī)器人定位床的研究》項(xiàng)目，開展了面向放療機(jī)器人定位床

2、的視覺系統(tǒng)標(biāo)定與測量方法研究。本文研究的主要內(nèi)容如下:
　　首先，提出了基于雙目視覺的放療機(jī)器人定位床位置測量方法，實(shí)現(xiàn)了放療患者在精確放療過程中精確定位和腫瘤位置的精確測量。首先，在基于Tsai攝像機(jī)模型并引入透鏡畸變的影響下，提出了一種對攝像機(jī)采用基于平面棋盤格和立體標(biāo)定模板相結(jié)合的攝像機(jī)標(biāo)定方法。其次，采用Roberts梯度算子識別標(biāo)記點(diǎn)中心并計(jì)算其三維坐標(biāo)。然后，通過比較基于雙目視覺計(jì)算和三維坐標(biāo)測量儀器測量的各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)三

3、維坐標(biāo)的擺位誤差，實(shí)現(xiàn)對放療患者的位置驗(yàn)證和精確擺位。最后，通過實(shí)驗(yàn)證明該測量方法可獲得較高的標(biāo)定精度和擺位精度，可滿足精確放療對高精度擺位系統(tǒng)的臨床需求。
　　其次，提出了基于位置的視覺系統(tǒng)動態(tài)標(biāo)定算法，實(shí)現(xiàn)了放療機(jī)器人定位床的理想軌跡控制。通過建立放療機(jī)器人定位床的視覺模型，在基于逆動力學(xué)控制方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了放療機(jī)器人定位床控制器，并提出了一個(gè)用于在線估計(jì)未知旋轉(zhuǎn)矩陣的自適應(yīng)更新律。在該算法中，將放療機(jī)器人定位床位置誤差通過

4、估計(jì)的旋轉(zhuǎn)矩陣反饋到機(jī)器人控制器中，實(shí)現(xiàn)放療機(jī)器人定位床的位置跟蹤誤差收斂并接近于零，同時(shí)，被估計(jì)的未知參數(shù)收斂于真值，即實(shí)現(xiàn)視覺系統(tǒng)的動態(tài)標(biāo)定。通過應(yīng)用李亞譜諾夫函數(shù)證明了該算法收斂，并通過仿真實(shí)證明了該算法的正確性。
　　然后，提出了基于圖像點(diǎn)特征的視覺動態(tài)標(biāo)定算法，實(shí)現(xiàn)了放療機(jī)器人定位床的定點(diǎn)控制。首先，在放療機(jī)器人定位床上選擇一組特征點(diǎn)，推導(dǎo)出了包含未標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)和特征點(diǎn)圖像信息的圖像雅克比矩陣。其次，在基于機(jī)器人

5、逆動力學(xué)控制算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了控制器，并通過將包含圖像雅克比矩陣的變換關(guān)系表示成一個(gè)包含圖像信息的已知矩陣和所有未知參數(shù)向量的乘積，提出了一個(gè)用于估計(jì)未知參數(shù)的自適應(yīng)更新律。最后，應(yīng)用李亞譜諾夫函數(shù)和仿真實(shí)驗(yàn)證明，可以實(shí)現(xiàn)放療機(jī)器人定位床的定點(diǎn)控制，且未知參數(shù)漸進(jìn)收斂，即實(shí)現(xiàn)視覺系統(tǒng)的動態(tài)標(biāo)定，同時(shí)也證明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　最后，提出了基于雙目視覺的實(shí)時(shí)跟蹤呼吸運(yùn)動測量方法，減少了呼吸運(yùn)動在精確放射治療中對胸腹部腫瘤靶區(qū)造成腫

6、瘤位置動態(tài)位移而引起的治療誤差。首先，建立基于雙目視覺的實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，實(shí)時(shí)匹配出標(biāo)記物在左右兩個(gè)攝像機(jī)采集圖像中的坐標(biāo)，并計(jì)算出標(biāo)記物在腹部表面的三維坐標(biāo)值。然后，通過引入時(shí)間變量，計(jì)算出該特征點(diǎn)三維坐標(biāo)的變化情況，來完成對呼吸運(yùn)動的實(shí)時(shí)跟蹤研究。在目標(biāo)圖像跟蹤過程中，采用優(yōu)化的SIFT特征匹配算法來獲取標(biāo)記物圖像與左右攝像機(jī)圖像的精確匹配。最后，通過實(shí)驗(yàn)證明該測量方法可提高目標(biāo)圖像的匹配精度和匹配速度，并滿足雙目視覺對腹部腫瘤的實(shí)時(shí)性