DD281907A7 - System zur kontaktlosen konturabnahme - Google Patents

Abstract

System zur kontaktlosen Konturabnahme des menschlichen Koerpers, das insbesondere zur Bestrahlungsplanung bei der Strahlentherapie mit hochenergetischen Strahlen angewendet werden kann. Es ist das Ziel, mit einer hohen Genauigkeit die Kontur des menschlichen Koerpers zu bestimmen, wobei die eingesetzten Mittel den routinemaeszigen Betrieb gestatten und kostenguenstig sein sollen. Ein optischer Sensor wird mittels einer Antriebsmechanik, die mehrere Stellmotoren und Geber aufweist, welche von einem Rechner gesteuert bzw. ausgewertet werden, bewegt. Dabei wandelt der Rechner die gemessenen Werte z. B. in Polarkoordinaten um, die ueber einen Plotter ausgegeben werden koennen. Die Fuehrung des Sensors erfolgt mittels einer elliptischen Bahnsteuerung. Fig. 2{Meszvorrichtung; menschliche Kontur}

Description

Beruhrungsfrei arbeitende Koordinatenmeßverfahren und Vorrichtungen sind aus verschiedenen Bereichen der Technik bekannt. So laßt sich z.B. die Kontur eines Korpers durch die Photogrammetrie bestimmen. Dabei werden von dem Objekt photograpische Aufnahmen mit einer Spezialkamera gemacht, anschließend die Bilder entwickelt und danach über spezielle Gerate ausgewertet. Mittels weiterer Gerate (z B. Technocart D, COORDIMETER G) ist eine Übertragung der interessierenden Meßpunkte auf einen Zeichentisch oder zu einem Rechner möglich. Der hohe technische Aufwand, der zeitliche Ablauf, der Bedarf an zusatzlichen Arbeitskräften und die hohen Kosten sind wesentliche Nachteile dieser Losungen, z. B. DD-WP 106891. Ahnlich aufwendig ist die Konturbestimmung aus holographischen Aufnahmen (Hologrammen), siehe DD-WP 106532, DD-WP 115199 sowie EP 22237. Eine andere aufwendige Losung ist aus DE-OS 3508730 bekannt. Hierbei wird die auf der Patientenoberflache aufgezeichnete Konturlime beleuchtet. Über Videokameras wird diese Linie erfaßt und in einem Computer ausgewertet.

Em weiteres Gerat zur nahezu beruhrungslosen Bestimmung der Lage und Hohe von Punkten im Raum ist der Tachymeter-Automat RECOTA vom Kombinat VEB Carl Zeiss JENA. Bei ihm erfolgt die Lagebestimmung eines Punktes mittels Polarkoordinaten durch Festlegung des Winkels, den die Zielung nach dem Punkt gegen eine Nullrichtung bildet, und durch Messung der Entfernung vom Instrument aus zum Zielpunkt nach einem Verfahren der optischen Streckenmessung. Die Hohenbestimmung erfolgt dabei nach dem Verfahren der trigonometrischen Messung über die Entfernung und den Vertikalwinkel, wobei die Entfernung nach dem Prinzip der Phasendifferenzmessung ermittelt wird. Als optischer Sender ist eine Lumineszenz-Diode eingesetzt, wobei am zu bestimmenden Objekt als Zielpunkt ein Reflektor vorhanden sein muß. Neben diesem Nachteil sind es die langen Meßzeiten sowie die notwendigen Software- und Hardware-Änderungen, die dieses Gerat als wenig geeignet fur die Konturabnahme am menschlichen Korper charakterisieren. Aus verschiedenen Bereichen der Fertigung sind ebenfalls Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Kontur, des Reliefs oder Krümmungen eines Objekts insbesondere im Rahmen der Kontrolle von Werkstucken bekannt. Bei den optoelektronischen Abtastverfahren, die vorwiegend zur Durchmesserbestimmung der Meßobjekte angewendet werden, wird der Prüfling beleuchtet und sein Schattenbild von einem optoelektronischen Sensorelement erfaßt. Beispiele dafür sind in DD-WP 106469, EP 118026 und WO 80/02591 enthalten. Bei der aus WO 80/02591 bekannten Losung werden von einem Projektionszentrum aus verschiedene Lichtstrahlen auf den auszumessenden Korper projiziert, so daß auf der Körperoberfläche mehrere Lichtpunkte entstehen. Diese werden dann auf einer Bildfläche (z. B. Speicherschicht) abgebildet und aus dem Bildpunktsignalmuster die Korperkontur bestimmt. Auch mittels Projektoren eines Gitters auf die Oberflache des zu bestimmenden Objekts laßt sich dessen Kontur bestimmen, siehe DD-WP 115199. Die dabei entstehenden Höhenschichtlinien werden über einen Bildsensor ausgemessen, und der Linienabstand ergibt ein Maß fur die Kontur. Fur einen routinemäßigen Betrieb, wie er in radiologischen Kliniken üblich ist, kann dieses Verfahren z. B. aufgrund der umständlichen Auswertung nicht angewendet werden.

Die optoelektronischen Verfahren arbeiten weitestgehend nach dem Reflexionsprinzip. Sie werden insbesondere zur Überprüfung der Oberflachenbeschaffenheit, d. h. der Rauheit der Meßobjekte eingesetzt. Dabei wird in der Regel ein gebündelter Strahl auf die Oberflache geschickt und das von der Objektoberflache diffus gestreute Reflexionslicht über die Erstellung eines Intensitatsprofils ausgewertet. Beispiele dafür sind aus DE-OS 3010137, DE-OS 3110773 und WO 81 /0292 bekannt. Viele Meßverfahren nutzen elektrische bzw. magnetische Eigenschaften des zu bestimmenden Korpers aus. Sie sind untauglich fur den Einsatz mit menschlichen Korpern. Bis heute ist keine technische Losung bekannt, die bei einer vorgegebenen hohen Genauigkeit der Konturbestimmung mit relativ geringem Aufwand zur Ermittlung der Kontur des menschlichen Korpers angewendet werden kann. Das liegt zum Teil daran, daß die menschliche Hautoberflache von Patient zu Patient unterschiedlich beschaffen ist. Unterschiede ergeben sich z.B. durch die Pigmentierung, Behaarung, Schweiß-und Talgabsonderung sowie hinsichtlich der Durchblutung, so daß z. B. bei Arbeiten mit reflektiertem Licht keine eindeutigen Signale zu erhalten sind.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, ein System anzugeben, mit dem Konturschnitte des menschlichen Korpers angefertigt werden können, das die Umfangsbestimmung mit größerer Genauigkeit ermöglicht, routinemäßig eingesetzt werden kann und einen vertretbaren Aufwand aufweist.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kontur des menschlichen Korpers transversal zu seiner Achse mit einer absoluten Genauigkeit von weniger als 1 mm Abweichung zu ermitteln, wobei nicht nur der apparative Aufwand, sondern auch der Arbeitskrafteaufwand zu berücksichtigen sind und das System dem taglichen Routinebetrieb einer radiologischen Klinik gewachsen sein muß.

Erfmdungsgemaß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs aufgeführten Merkmale gelost. Das Wesen der Erfindung ist darin zu sehen, daß, gesteuert durch einen Rechner, über zwei senkrecht zueinander angeordnete Verschiebemechanismen eine Sensorbaugruppe, die an einem Vertikalschub befestigt ist, in x- undy-Richtung verschoben wird, wobei am Anfang eine Nullposition bestimmt wird. Von dieser Position aus wird der Sensor mittels eines Schrittmotorantriebs bis zum Erreichen eines vorgegebenen Referenzsignals an die Körperoberfläche herangefahren und dann gestoppt. Die Meßwerte mehrerer Inkrementalgeber werden in dieser Position vom Steuerrechner ausgewertet und z. B über einen Plotter als Konturzeichnung ausgegeben bzw abgespeichert. Auf der nächsten Position (etwa 5° weiter) wird der gleiche Vorgang wiederholt usw , bis der ganze Umfang des Patienten aufgenommen ist. Die Steuerung der Sensorbaugruppe erfolgt auf der Basis einer Bahnsteuerung, die eine Ellipse darstellt. Neben den eigentlichen, fur die Umfangabnahme eingesetzten Vorrichtungen sind Sicherheitsvorrichtungen fur die Sensorbaugruppe und fur den Patienten standig aktiv Die Vorteile der Erfindung sind dann zu sehen, daß mit größerer Genauigkeit als bisher Konturen menschlicher Korper aufgenommen werden konnen, dadurch Fehler bei der Dosisberechnung vermieden und das Risiko einer Strahlenschädigung verringert werden. Das System ist konstengunstig, kann aus Normteilen aufgebaut werden und erlaubt einen routinemäßigen Einsatz in radiologischen Kliniken.

Ausführungsbeispiel

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigt die zugehörige Zeichnung in

Fig. 1: die Patientenlagerung

Fig. 2: Arbeitsstellungen des menschlichen Teilsystems

Fig.3: eine Darstellung des Funktionsprinzips der mechanischen Komponenten Fig. 4: eine Übersicht des elektrooptischen Teilsystems

Fig. 5: ein Blockschaltbild der Verarbeitungseinheit

Fig. 6: ein Blockschaltbild der Stell-, Geber-und Verarbeitungselektronik

Fig.7: den Aufbau eines Sensors.

In Fig. 1 ist dargestellt, daß sich der Patient 2 z. B. in Rückenlage auf einem Patientenlagerungstisch 1 befindet. Das vorgesehene Bestrahlungsfeld 3 ist auf der Patientenoberfläche markiert, ebenso die Zentralstrahlebenen 4 des Strahlenbündels (fadenkreuzförmig) und die Transversalschnittlinie 5 für die abzunehmende Kontur, d.h. den Körperquerschnitt in dieser Schnittebene. Wie der mechanische Teil des Systems aufgebaut ist und arbeitet, kann aus Fig. 2 und 3 ersehen werden. Zur Verdeutlichung der Bewegungsmöglichkeiten sind Pfeile an den entsprechenden Stellen eingezeichnet. An einem etwa 3 m langen Profilrahmengestell 6, das mit anderen Deckenhaltern an der Raumdecke verankert ist, läuft ein Schlitten 7, an dem die eigentliche Abtastmechanik befestigt ist. Im Profilrahmen 6 ist eine Zahnstange vorhanden, die über beidseitig in die Zahnstange greifenden Ritzel den Schlitten 7 führt. Im Schlitten 7 befindet sich eine Elektromagnet-Lamellenkupplung, die im stromlosen Zustand den Schlitten 7 bremst. Sie ist über einen Handschalter lösbar. Zur Bestimmung der Weglänge bzw. der genauen Position ist ein Ritzel über eine biegsame Welle mit einem Inkrementalmeßwertgeber IGR1000 gekoppelt. Die Abtastmechanik besteht aus einer dreistrebigen Geräteaufhängung 8, zwei Wälzschraubtrieben 9,10, die senkrecht zueinander angeordnet sind und jeweils mit einem Roboterschrittmotor RSM10 sowie mit Inkrementalmeßwertgebern IGR1000 gekoppelt sind, einer Sensor- Schwenkeinheit 11, die am vertikal angeordneten Wälzschraubtrieb 10 angebracht ist und die Drehung des Sensorelementes 12 um ±180° ermöglicht, so daß es sich immer senkrecht zur Transversalschnittlinie 5 positionieren läßt. Dabei erfolgt die Drehung des Sensorelementes 12 mit einem Roboterschrittmotor RSM10 über ein SchneckenVPIanetengetriebe. Das Sensorelement 12 befindet sich auf einer verfahrebaren Halterung 14, die aus einem Schneckengetriebe und einer Zahnstange besteht. Dabei kann das Sensorelement bis zu 11,5cm nach vorn bewegt werden, wobei der Antrieb des Vorschubs über einen Hohlläufer-Mikromotor M1 erfolgt. Drehbewegung und Vorschub sind jeweils mit einem Inkrementalmeßwertgeber ausgerüstet. Das gesamte Teilsystem ist unter Einsatz von Hohlprofilen und Al-Legierungen in Leichtbauweise realisiert. Die Positionserfassung erfolgt über die aufgeführten Inkrementalmeßwertgeber. Mit dem System ist ein Gesamtabtastsektor von über 180° in weniger als 60 s überstreichbar. Bei einer Meßzeit des Sensors 12 von etwa 15 ms ist es möglich, mehrere Meßwerte von ein und derselben Position (z.B. Pos. 1 in Fig. 2) zu erhalten und zur Erhöhung der Genauigkeit eine gleitende Mittelwertbildung durchzuführen. Eine Übersicht des elektrooptischen Teiles des Systems gibt Fig.4. Dieser Systemteil besteht im wesentlichen aus einer Lichtquelle 15, die mit dem Sensor 12 verbunden ist, und einer Verarbeitungseinheit 16, wobei der Sensor 12 sowohl optischer Sender als auch Empfänger ist. Den Aufbau eines Sensors 12, wie er für geringe Entfernungen verwendet werden kann, zeigt Fig.7. Über ein Lichtleitkabel 18 ist eine Kabelankopplung 19 im Sensor 12 mit der Lichtquelle 15 verbunden. Von der Koppelstufe 19 gelangt das Licht über eine Blende 20 auf ein Teilerprisma 21, durchdringt dieses und trifft auf die Patientenoberfläche an der vorgezeichneten Transversalschnittlinie 5. Das Bild des Lichtpunktes wird über das Teilerprisma 21 und einen Spiegel 22 auf eine CCD-Zeile 23 gelenkt, wobei letztere mittels einer Trennwand 24 und einer weiteren Blende 25 optisch von den anderen Teilen des Sensors 12 abgeschirmt werden. Über eine Interfaceleitung 17 ist der Sensor 12 mit der Verarbeitungseinheit 16 verbunden. Ihren prinziellen Aufbau zeigt Fig. 5. Die vom Sensor 12 ankommenden Leitungen sind auf einen Verstärker 26 geführt, der mit einer Verarbeitungsstufe 27 verbunden ist. Die Verarbeitungsstufe 27 beeinflußt eine Ablaufsteuerung 28, eine Impulsaufbereitung 29 und eine Anzeigesteuerung 31. Die Fig.6 zeigt in einem Blockschaltbild die Verbindungen der Systemteile Stellelektronik, Geberund der datenverarbeitenden Einrichtung zueinander. Ein zentraler Rechner (z.B. PSE 3.1) weist Anschlüsse zu einem Bedienpult, über einen D-A-Wandlerzu einem Plotter, zu einem Interfaceadapter, zu einem externen Speicher, zu NOTAUS- und END-Schaltern sowie zu mehreren Interfacebaugruppen IF1 ...IF4auf. Die Interfacebaugruppen IF1 ...IF4sind direkt mit den zugeordneten Inkrementalgebern IGR1000 und IG2 verbunden, wobei die Inkrementalgeber die Stellung der angeschlossenen Motoren RSM10, M1 erfassen und über die zugehörige Interfacebaugruppe an den Rechner melden. Die Schrittmotoren RSM10 sind weiterhin jeweils mit einem Transistorpulssteller TPS 20 verbunden, der seinerseits an die zugehörige Interfacebaugruppe IF1, IF2 angeschlossen ist und von dieser den Schrittimpuls erhält. Für die Ansteuerung der Mikromotoren M 1 sind modifizierte Ansteuerschaltungen ANS vorhanden, die analog den Transistorpulsstellern TPS20 zwischen der zugehörigen Interfacebaugruppe IF3, IF4 und Motor M1 geschaltet sind

Bei der Konturbestimmung arbeitet das System wie folgt:

Nachdem der Patient 2 entsprechend vorbereitet wurde (Fig. 1), werden das elektronische und elektro-optische Teilsystem (Fig.4...7) aktiviert. Dann wird der Sensor 12 mit Hilfe der Abtastmechanik (Fig. 2) und der Steuerung (Fig.6) an die Transversalschnittlinie 5 des auszumessenden Patienten 2 in einen ungefähren Abstand d = 2-3cm (z.B. Position 1 in Fig.2) herangefahren. Dabei stellt die ursprüngliche Sensorposition eine definierte Nullposition dar. Das im Abstand d von der Körperoberfläche reflektierte Licht wird im Rechner als patientenabhängiges Referenzsignal eingespeichert. In dieser Position werden auch alle Werte der Inkrementalmeßwertgeber in den Rechner eingelesen. Danach wird der Sensor 12 mittels der Sensorhalterung 14 allein in einen Sicherheitsbereich zurückgefahren. Anschließend fährt das Gesamtsystem um eine bestimmte Winkelstellung weiter um den Patienten 2 herum (z. B. nach Position 2 in Fig. 2). Der Sensor 12 wird nun wieder an die Transversalschnittlinie 5 herangefahren und die neuen Werte der Inkrementalmeßwertgeber vom Rechner abgenommen. Die Vorwärtsbewegung wird gestoppt, wenn das von der Patientenoberflche reflektierte Licht mit dem eingespeicherten Wert des Referenzsignals übereinstimmt bzw. im Fehlerfall die Körperoberfläche berührt wird und ein im Sensor 12 befindlicher Berührungssensor anspricht, der sowohl auf Widerstandsverringerung als auch auf Druck reagiert und den Stopp der

Bewegungssteuerung auslöst. Die abgespeicherten Werte der Inkrementalmeßwertgeber werden vom Rechner ausgewertet, in ein Polarkoordinatensystem transformiert und auf dem Plotter direkt als Kontur dargestellt bzw. auf einem externen Speicher (z.B. Magnetbandkassette) abgespeichert.

Als Steuerprinzip für den Übergang von einer Position in die nächstfolgende Position ist eine Bahnsteuerung realisiert. Dabei wird der Querschnitt des menschlichen Körpers als ein elliptischer Querschnitt betrachtet. Die horizontalen und vertikalen Koordinaten der Grundkomponenten werden, ausgehend von einem beliebigen Punkt der Ellipse, nach einer vorgegebenen Schrittweite (z.B. 5°) berechnet und die Schrittmotoren RMS10, M1 über die Interfacebaugruppen IF1 ...IF4 und Steller TPS20, ANS entsprechend angesteuert. Das Abnehmen einer Patientenkontur dauert etwa 50s. Neben den Transversalschnitten können auch andere Konturen des menschlichen Körpers mit dem System abgenommen werden, z. B. im Gesichtsbereich für die Kieferchirurgie und die plastische Chirurgie oder Konturen für die Konfektionsindustrie bei der Schnittmusterherstellung.

Claims (2)

1. System zur kontaktlosen Konturabnahme des menschlichen Körpers mit mechanischen, elektronischen und elektrooptischen Vorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensorbaugruppe (12), die Licht auf die Patientenoberfläche (5) aussendet und empfängt, starr an einer beweglichen Sensorhalterung (14) befestigt ist, wobei die Halterung (14) an einen Motor (M 1) angeschlossen ist und dieser mit einem Geber (IG 2) sowie einer Ansteuerschaltung (ANS) verbunden ist, daß die Sensorbaugruppe (12) über Leitungen (17,18) mit einer Signalquelle (15) und einer Verarbeitungseinheit (16) verbunden ist, wobei die Verarbeitungseinheit (16) im wesentlichen einen Verstärker (26), eine Verarbeitungsstufe (27), eine Ablaufsteuerung (28), eine Impulsaufbereitung (29) sowie eine Anzeigesteuerung (31) aufweist, daß die Halterung (14) mit einer Sensorschwenkeinheit (14) verbunden ist, wobei die Schwenkeinheit (14) über einen Antriebsmotor (M 1) mit angeschlossenem Geber (IG 2) verfügt und auf einem vertikalen Schraubtrieb (10), der über einen anderen Motor (RSM 10) mit angeschlossenem Geber (IGR1000) verfügt, verschieblich angeordnet ist, daß der vertikale Schraubtrieb (10) auf einem horizontalen Schraubtrieb (9) verschieblich angebracht ist, wobei der horizontale Schraubtrieb (9) einen Motor (RSM 10) mit angeschlossenem Geber (IGR1000) aufweist und an einer verschieblichen Geräteaufhängung (7,8), die ebenfalls einen Geber (IGR1000) aufweist, befestigt ist, daß die Ausgänge der Geber (IGR1000, IG 2) über Interfacestufen (IF1 ...IF4) auf die Eingänge eines Rechners (PSE3.1) geschaltet sind und alle Motoren (RMSIO, M 1) eingangsseitig mit Ansteuerschaltungen (TPS 20, ANS), dieeingangsseitig über die Interfacestufen (IF1 ...IF4) mit Ausgangssignalen des Rechners (PSE3.1) beaufschlagt sind, verbunden sind, daß im Rechner (PSE3.1)ein Referenzsignal entsprechend dem Hauttvp gespeichert ist, das einen definierten Abstand (d) des Sensors (12) von der Körperoberfläche (5) darstellt, und der Rechner (PSE3.1) die Umwandlung der Gebersignale in Polarkoordinaten durchführt und das Ergebnis über ein angeschlossenes Gerät (Plotter, Speicher) ausgibt.

   Hierzu 7 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein System zur kontaktlosen Konturabnahme der Konturen menschlicher Körper, z. B. zur Vorbereitung nachfolgender Bestrahlungstherapie, bei denen hochenergetische Strahlen angewendet werden.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Für die Durchführung von therapeutischen Bestrahlungen definierter Teile des menschlichen Körpers z. B. mit CO-60-Strahlung, Photonen-, Elektronen-oder Neutronenstrahlung
2. >2 MeV ist die genaue Erfassung des Körperquerschnitts des Patienten eine notwendige Voraussetzung, um Fehldosierungen bzw. Strahlenschäden zu vermeiden. Aus der ermittelten Körperkontur und der vorgegebenen Absolutdosis werden dann die Dosisverteilung und die Bestrahlungszeiten abgeleitet. Gegenwärtig sind nur solche Lösungen zur Abnahme des Patentienquerschnittes bekannt, die entweder relativ ungenau sind oder den Einsatz von teuren feinmechanischen und elektronischen Geräten erfordern, wobei deren Handhabung zur Fehlerunterdrückung zudem oft noch sehr zeitaufwendig ist. Eine einfache Methode ist z.B. das Bleiband-Verfahren, bei dem ein Bleiband um den Körper des Patienten herumgelegt wird. Ein großer Nachteil besteht jedoch darin, daß das Bleiband aufgebogen werden muß, wenn es vom Patienten abgenommen wird. Eine andere Lösung arbeitet mit einem Bogen, andern radial Stäbe angeordnet sind. Er wird über den Patienten gestellt und die Stäbe so weit verschoben, bis sie die Patientenoberfläche berühren. Das entstandene Punktemuster wird dann auf Papier übertragen. Auch mit einer Parallelogramm-Zeichenmaschine läßt sich die Körperkontur des Patienten abnehmen. Dabei befindet sich am unteren Ende der Maschine ein Tastbogen, der auf dem Körper des Patienten entlang geführt wird, während am oberen Ende die Kontur aufgezeichnet wird. Nachteilig bei diesen Methoden ist ihre hohe Ungenauigkeit. Wie bei allen nicht berührungslos arbeitenden Abtastvorrichtungen wird die Genauigkeit der Messung einmal vom Geschick des Ausführenden und zum anderen durch die Muskelverspannung des Patienten infolge der Berührung durch die Vorrichtung beeinflußt. Genauer ist dietelemetrische, punktweise Bestimmung eines Fokus-Oberflächenabstandes. Dabei wird ein speziell angefertigter Maßstab über Lichtprojektion auf die Patientenoberfläche abgebildet. Danach kann der Abstand Fokus-Patientenoberfläche direkt abgelesen und manuell als ein Meßpunkt auf Papier gebracht werden. Nach Verschieben der Vorrichtung um eine bestimmte WegVWinkelgröße wird der nächste Punkt aufgenommen usw. Ein sehr mühseliges Verfahren. Möglich ist es auch, die bei der Computertomographie gewonnenen, im Rechner gespeicherten Informationen für die Bestrahlungsplanung zu nutzen, weil auch Patientenquerschnitte zu den gespeicherten Bildern gehören. Da ein Computertomograph jedoch eine sehr teure technische Lösung darstellt, die insbesondere für andere, vorrangig zu betrachtende diagnostische Fragestellungen benötigt wird, entfällt sein Einsatz als routinemäßig einsetzbares Gerät für die Konturabnahme.