[论文解读] The geometric calibration of cone-beam imaging and delivery systems in radiation therapy

E. Matsinos, Wolfgang Kaissl|ArXiv.org|Jul 4, 2006

Advanced Radiotherapy Techniques参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于锥束成像和放疗系统的鲁棒、亚像素几何校准方法，采用轻量化、易于制造的针形体模。通过建模十个几何与机械参数，并对一次完整扫描应用鲁棒优化方案，该方法在亚像素级别实现了稳定、可重复的校准，揭示了逆时针与顺时针旋转模式之间的系统性差异。

ABSTRACT

We propose a method to achieve the geometric calibration of cone-beam imaging and delivery systems in radiation therapy; our approach applies to devices where an X-ray source and a flat-panel detector, facing each other, move in circular orbits around the irradiated object. In order to extract the parameters of the geometry from the data, we use a light needle phantom which is easy to manufacture. A model with ten free parameters (spatial lengths and distortion angles) has been put forth to describe the geometry and the mechanical imperfections of the units being calibrated; a few additional parameters are introduced to account for residual effects (small effects which lie beyond our model). The values of the model parameters are determined from one complete scan of the needle phantom via a robust optimisation scheme. The application of this method to two sets of five counterclockwise (ccw) and five clockwise (cw) scans yielded consistent and reproducible results. A number of differences have been observed between the ccw and cw scans, suggesting a dissimilar behaviour of the devices calibrated in the two rotation modes. The description of the geometry of the devices was achieved at the sub-pixel level.

研究动机与目标

• 开发一种适用于锥束成像与放疗系统的实用且精确的几何校准方法。
• 解决旋转成像与治疗设备中非刚性运动、弯曲与错位等机械非理想性问题。
• 通过精确关联成像与治疗系统几何关系，实现每日图像引导放疗。
• 通过可重复的校准数据采集，支持长期机械稳定性监测。
• 识别并量化临床成像系统中逆时针与顺时针旋转模式在性能上的系统性差异。

提出的方法

• 使用包含五根平行、等距金属针的轻量化针形体模生成校准数据。
• 将针形体模安装于治疗床，并在等中心周围进行完整圆形轨道扫描。
• 在获取的图像中识别针投影的端点，形成实验数据点。
• 采用包含十个自由参数的几何模型，描述系统的空间几何与机械缺陷，包括源-等中心距离与探测器方向。
• 通过公式（7）和（8）引入横向残差的经验模型，以提高拟合精度。
• 采用鲁棒优化方案从单次完整扫描中提取模型参数，最小化多组扫描中的残差。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻量化、易于制造的体模能否替代锥束成像系统中笨重的校准体模？
• RQ2 能否仅通过一次扫描，利用基于针形的体模精确提取旋转成像系统的几何与机械参数？
• RQ3 临床成像系统中，逆时针与顺时针旋转模式在几何性能上是否存在系统性差异？
• RQ4 图像投影中的残差误差在多大程度上可被建模并减少至亚像素精度？
• RQ5 该校准方法能否可靠支持放疗系统长期机械稳定性监测？

主要发现

• 该校准方法实现了亚像素精度，两个系统在纵向方向的未解释变异低于108 μm，在横向方向低于75 μm。
• 当在顺时针扫描中引入横向残差的经验模型后，横向未解释变异的均方根（rms）从181 μm降低至75 μm。
• 在逆时针与顺时针扫描之间观察到显著差异，表明存在非对称机械行为，这是文献中此前未报告的现象。
• 该方法在两台Varian Medical Systems设备上对五次逆时针与五次顺时针扫描均产生了稳定且可重复的结果。
• OBI系统对源与探测器均实施了重力影响的在线校正，而AS系统仅对探测器进行校正，这影响了性能差异。
• 模型参数被证明合理且稳定，源-等中心距离固定在标称值，以减少参数相关性。