tridimensionales

Sector de la técnica

La presente invención concierne, en general y en un primer aspecto, a un método de generación y aplicación de reconstrucciones tridimensionales basado en la utilización de técnicas de visión artificial, y más particularmente a un método que comprende desplazar un objeto en base a las diferencias posicionales halladas con respecto a una reconstrucción tridimensional de referencia del mismo.

Un segundo aspecto de la invención concierne a un sistema de aplicación de una reconstrucción tridimensional adaptado para implementar el método según el primer aspecto de la invención.

La invención es particularmente aplicable al posicionado previo de un paciente con el fin de obtener una gran precisión en una zona a tratar del mismo por radioterapia.

Estado de la técnica anterior

Se conocen diversas propuestas relativas a llevar a cabo reconstrucciones tridimensionales de diversa índole, de distintos objetos, y con diversos fines de aplicación, utilizando técnicas de visión artificial.

US7620209B2utiliza un método para la medida dimensional del contorno superficial de un objeto. El método emplea la proyección controlada de una serie de patrones sobre el objeto y la correspondiente adquisición, mediante escaneado con una cámara digital, de unas imágenes correspondientes a cada patrón proyectado sobre el objeto para determinar las características topográficas del objeto, y está aplicado a objetos sometidos a variaciones de movimiento, como las relativas a la respiración humana, a flexiones complejas de estructuras mecánicas o civiles, o a las obtenidas en procesos de testeo de fuerzas de deformación en un aeroplano, vehículo, viga, puente u otra estructura.

El objetivo del método es el de obtener un mapa tridimensional de la superficie del objeto en formato digital, mediante el correspondiente procesado de las imágenes escaneadas.

En US7620209B2 no se indica ni se sugiere aplicar el método propuesto a objetos sometidos a movimiento para otro fin que no sea el indicado arriba relativo a la obtención de un mapa tridimensional, y en particular no se propone utilizar la información tridimensional generada para compararla con la posición del objeto y actuar sobre éste, desplazándolo, ni tampoco obtener dicho mapa tridimensional en tiempo real.

US7844079B2 también propone utilizar un método de reconstrucción 3D mediante la proyección y posterior captación y procesado de unos patrones proyectados sobre el objeto. Con el fin de superar los inconvenientes que provocan una alta velocidad de proyección y de captación (disminución de la relación nivel de señal/ruido, sincronización entre proyección y captación crítica, etc.), se propone una nueva técnica que combina sistemáticamente múltiples patrones de luz estructurada en un único patrón que puede ser así continuamente proyectado sin que provoque los mencionados problemas, minimizando el retardo entre proyecciones de patrones.

En US7844079B2 se comenta que gracias a la técnica utilizada se consigue una alta velocidad de reconstrucción 3D, en tiempo real, que posibilita su aplicación sobre objetos en movimiento, pero tampoco se indica en US7844079B2 aplicar el método propuesto a objetos sometidos a movimiento con el fin de actuar sobre éstos, desplazándolos, para posicionarlos adecuadamente.

WO2010036403A2propone un sistema que utiliza un proyector de luz estructurada, que proyecta patrones sinusoidales, y a través de la fase obtienen las coordenadas 3D, para la reconstrucción del objeto. Se indica que el mínimo de patrones a capturar para realizar la reconstrucción es de tres patrones, como en la propuesta. En este caso el sistema está aplicado a objetos en movimiento (tales como la cara o el dedo de una persona para el caso de aplicaciones biométricas), por lo que la adquisición de los patrones sobre el objeto se divide en una serie de imágenes de sub- ventanas cuyo procesado permite la reconstrucción 3D del objeto en movimiento.

Aunque en WO2010036403A2se propone la utilización de unos mecanismos para el guiado del movimiento del objeto, éstos se utilizan para limitar el movimiento del objeto a un área cubierta por el sistema de proyección/captación, de manera que sea posible su reconstrucción 3D, no proponiéndose en dicha solicitud Internacional un posicionamiento del objeto en movimiento actuando sobre éste, desplazándolo, tras haber obtenido la reconstrucción 3D del mismo.

La patente US7653226B2 propone un sistema y un método para la generación flexible de imágenes de radiografía reconstruidas digitalmente (DRR) en una unidad de procesamiento gráfico (GPU) a partir de información tridimensional obtenida, por ejemplo, mediante tomografía computerizada (CT), tomografía computerizada de megavoltaje (MVCT), escaneado 3D de objetos de alto contraste utilizando brazos en C, etc., implicando todas estas técnicas la emisión de radiación sobre el paciente, a diferencia de las técnicas de visión artificial, por lo que no es recomendable utilizarlas en exceso ni con demasiada frecuencia sobre un mismo paciente.

Si bien en US7653226B2 se propone utilizar las DRRs para el posicionado de pacientes para recibir tratamiento de radioterapia, así como para mostrar la información incluida en las mismas de manera gráfica mediante técnicas de realidad aumentada, no se propone utilizar para dichos fines directamente la información tridimensional obtenida, ni obtener esta última en tiempo real.

El posicionado de pacientes que puede llevarse a cabo mediante el sistema y método de US7653226B2 es obligatoriamente puntual, es decir para un instante de tiempo, ya que si el paciente se moviese debería volverse a realizar una tomografía del mismo y la posterior obtención de las DRRs a partir de las mismas, lo cual hace que este sistema sea inviable para hacer un seguimiento posicional del paciente y una correspondiente corrección posicional del mismo durante una sesión de tratamiento de radioterapia.

Explicación de la invención

Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica que cubra las lagunas halladas en el mismo, en particular las relativas a la ausencia de propuestas aplicadas al correcto posicionado de un objeto de la que adolecen los sistemas y métodos conocidos de generación de reconstrucciones tridimensionales mediante técnicas de visión artificial de objetos susceptibles de moverse.

Para ello, la presente invención concierne, en un primer aspecto, a un método de generación y aplicación de reconstrucciones tridimensionales que comprende generar como mínimo una reconstrucción tridimensional en tiempo real de una superficie a reconstruir utilizando técnicas de visión artificial, donde dicha superficie a reconstruir es susceptible de moverse.

A diferencia de los métodos conocidos, en el propuesto por el primer aspecto de la invención, de manera característica, dicha reconstrucción tridimensional es una reconstrucción tridimensional de referencia y el método comprende además:

a) comparar dicha reconstrucción tridimensional de referencia con la posición de diferentes puntos de la superficie a reconstruir; y

b) desplazar la superficie a reconstruir en base a las discrepancias obtenidas como resultado de dicha comparación, para posicionarla según la reconstrucción tridimensional de referencia. La etapa b) del método comprende, en general, desplazar la superficie a reconstruir hasta posicionarla ajustada en correspondencia con la reconstrucción tridimensional de referencia.

Según un ejemplo de realización, dicha reconstrucción tridimensional de referencia es una reconstrucción tridimensional previamente registrada para la superficie a reconstruir.

Para otro ejemplo de realización, dicha reconstrucción tridimensional de referencia es una reconstrucción tridimensional actual, también en tiempo real, de la superficie a reconstruir.

Para unos ejemplos de realización, el método comprende calcular de manera automática, utilizando las citadas discrepancias, unos valores de desplazamiento a aplicar en la etapa b) y aplicarlos de manera manual o automática, realizándose en tiempo real tanto dicha comparación de la etapa a) como el cálculo de dichos valores de desplazamiento.

De acuerdo a unos ejemplos de realización, el método comprende utilizar una técnica de realidad aumentada para mostrar la reconstrucción tridimensional de referencia superpuesta directamente sobre la superficie a reconstruir o sobre una imagen en vivo de la superficie a reconstruir.

La utilización de dicha técnica de realidad aumentada comprende proyectar la reconstrucción tridimensional de referencia superponiéndola directamente sobre la superficie a reconstruir o mostrarla en unos medios de visualización, tal como una pantalla, superpuesta sobre la imagen en vivo de la superficie a reconstruir.

El método comprende, según un ejemplo de realización preferido, llevar a cabo la comparación de la etapa a) entre la reconstrucción tridimensional de referencia y la propia superficie a reconstruir, observando las discrepancias en dicha superposición déla reconstrucción tridimensional de referencia sobre la propia superficie a reconstruir o sobre dicha imagen en vivo de la misma.

Según un ejemplo de realización, el método comprende realizar una reconstrucción tridimensional actual también en tiempo real, de la superficie a reconstruir.

El método comprende mostrar a dicha reconstrucción tridimensional de referencia y a dicha reconstrucción tridimensional actual en unos medios de visualización, de manera independiente o superpuestas entre sí, en función del ejemplo de realización.

Para un ejemplo de realización, el método comprende, de manera complementaria o alternativa a la comparación entre la reconstrucción tridimensional de referencia y la propia superficie a reconstruir, llevar a cabo la comparación de la etapa a) entre la reconstrucción tridimensional de referencia y la reconstrucción tridimensional actual, siendo los puntos que forman a esta última representativos de la posición de diferentes puntos de la superficie a reconstruir.

Por reconstrucción tridimensional actual debe entenderse una reconstrucción que se ha obtenido inmediatamente antes de realizar dicha etapa a), o como mínimo no tan distanciada en el tiempo como para que la forma o dimensiones de la superficie a reconstruir haya cambiado respecto al momento en que se realicen las etapas a) y b).

De acuerdo a un ejemplo de realización, el método comprende determinar la posición y orientación de un operario, transformar anamórficamente dicha reconstrucción tridimensional de referencia y/o dicha reconstrucción tridimensional actual teniendo en cuenta dicha posición y orientación determinada, en cada momento, para que la reconstrucción tridimensional se corresponda al punto de vista del operario, y mostrarle al operario dicha reconstrucción tridimensional de referencia y/o dicha reconstrucción tridimensional actual transformadas anamórficamente, por proyección o en unos medios de visualización.

Para otro ejemplo de realización, el método comprende monitorizar la posición de la superficie a reconstruir durante un periodo determinado y como mínimo notificar si se produce un desajuste respecto a la reconstrucción tridimensional de referencia.

Para llevar a cabo dicha monitorización de la posición de la superficie a reconstruir, el método comprende, de acuerdo a un ejemplo de realización, realizar una pluralidad de reconstrucciones tridimensionales actuales, en tiempo real, a lo largo de dicho periodo predeterminado, y realizar la comparación de la etapa a) entre la reconstrucción tridimensional de referencia y cada una de las reconstrucciones tridimensionales actuales.

Según un ejemplo de realización, el método comprende obtener la reconstrucción tridimensional de referencia y/o la reconstrucción o reconstrucciones tridimensionales actuales mediante la realización de las siguientes etapas:

i) proyectar mediante luz estructurada una serie de patrones sinusoidales sobre la superficie a reconstruir;

ii) capturar, mediante al menos una cámara de posición relativa conocida, unas imágenes correspondientes a cada patrón proyectado sobre la superficie a reconstruir; iii) calcular las coordenadas tridimensionales de cada punto proyectado a partir de as imágenes capturadas y de la posición relativa de a cámara; y iv) realizar la reconstrucción tridimensional de la superficie a reconstruir utilizando dichas imágenes capturadas y la información referente a las coordenadas tridimensionales calculadas de cada punto proyectado.

Si bien el método propuesto por la invención tiene diversas aplicaciones, en diversos campos, incluidas las referentes a corregir posicionalmente piezas mecánicas o de otro tipo, para un ejemplo de realización preferido el método se encuentra aplicado al campo de la medicina, siendo la superficie a reconstruir como mínimo parte de un paciente que incluye una zona a tratar, incluyendo la reconstrucción tridimensional de referencia a dicha zona a tratar, y estando el método aplicado al posicionamiento, en la etapa b), de como mínimo la zona a tratar en correspondencia con la reconstrucción tridimensional de referencia de la misma, comprendiendo el método, en la etapa b), desplazar la superficie a reconstruir mediante el desplazamiento de un soporte o una mesa de tratamiento sobre la que se encuentre dispuesto el paciente.

Según una variante de dicho ejemplo de realización, el método del primer aspecto de la invención comprende llevar a cabo la etapa b) para el posicionamiento de cómo mínimo dicha zona a tratar en correspondencia con la reconstrucción tridimensional de referencia de la misma de manera previa al tratamiento localizado de la misma mediante radioterapia.

Para un ejemplo de realización, el método comprende mostrar sobre la superficie a reconstruir o sobre una imagen en vivo de la superficie a reconstruir, utilizando una técnica de realidad aumentada, información gráfica virtual que complemente la información real del objeto, de manera complementaria o alternativa a la superposición de la reconstrucción tridimensional.

La aplicación del método propuesto por el primer aspecto de la invención, así como del sistema del segundo aspecto que se describirá seguidamente, al posicionamiento del paciente de manera previa al tratamiento radioterápico, asegura el correcto posicionamiento del paciente y permite, para algunos de los ejemplos de realización descritos, monitorizar su posición a lo largo de toda la sesión del tratamiento.

En la fase de posicionamiento del paciente, antes de iniciar la sesión de radioterapia, el método calculará de forma precisa y automática los desplazamientos que deberán ser aplicados a la mesa de tratamiento para alinear la posición de la zona a radiar con la posición definida en el tratamiento.

Por otra parte, en la fase inicial de posicionamiento del paciente, el método permitirá visualizar la reconstrucción 3D del paciente superpuesta a la posición definida en el tratamiento. De esta forma, el técnico de radioterapia podrá ver con sus propios ojos y de forma natural si existen variaciones y cómo corregirlas. Además tendrá una herramienta que le permitirá detectar posibles variaciones físicas del paciente a lo largo de las sesiones del tratamiento y que hagan necesario revisar la planificación de dicho tratamiento. En la actualidad no existe ningún método que alerte de esta necesidad.

Una vez correctamente posicionado el paciente e iniciada la sesión de radioterapia, el método de la invención permitirá monitorizarla posición del paciente a lo largo de toda la duración del tratamiento, alertando de posibles movimientos que hagan necesario interrumpir la sesión y reposicionar al paciente.

De esta forma, el método y el sistema de la invención asegurarán una mayor precisión y control del posicionamiento diario del paciente y su monitorización durante el tratamiento, lo cual permitirá la reducción del margen de configuración, que a su vez, asociado con otras técnicas como tratamientos con intensidad modulada (IMRT) o la radioterapia guiada por la imagen (IGRT), posibilitará un incremento de dosis en los volúmenes tumorales sin superar las tolerancias de los órganos de riesgo, con el beneficio para los pacientes de una mayor probabilidad de control tumoral manteniendo aceptable la probabilidad de complicaciones en tejido sano.

Un segundo aspecto de la invención concierne a un sistema de generación y aplicación de reconstrucciones tridimensionales, que comprende medios de visión artificial en conexión con un sistema electrónico dispuestos y configurados para generar una o más reconstrucciones tridimensionales en tiempo real de una superficie a reconstruir utilizando técnicas de visión artificial.

A diferencia de los sistemas conocidos, el propuesto por el segundo aspecto de la invención, de manera característica, está adaptado para implementar el método del primer aspecto, estando el sistema electrónico configurado para realizar la reconstrucción tridimensional de referencia, en colaboración con los medios de visión artificial, para determinar la posición de diferentes puntos de la superficie a reconstruir, para realizar la comparación de la etapa a) para obtener las citadas discrepancias, y para como mínimo notificar las discrepancias con el fin de al menos colaborar en el desplazamiento de la superficie a reconstruir de la etapa b), ya sea si éste se lleva a cabo de manera automática, suministrando las señales de control de unos correspondientes medios de accionamiento, o manualmente, consistiendo en este caso dicha colaboración en la notificación a un operario de dichas discrepancias o el cálculo y notificación de los valores de desplazamiento a aplicar.

Según un ejemplo de realización, el sistema electrónico está configurado para realizar también la reconstrucción tridimensional actual de la superficie a reconstruir, en colaboración con los medios de visión artificial, las comparaciones entre la reconstrucción tridimensional de referencia y la reconstrucción tridimensional actual o la propia superficie a reconstruir, el cálculo de los valores de desplazamiento, la superposición de la reconstrucción tridimensional de referencia sobre la reconstrucción tridimensional actual o sobre la propia superficie a reconstruir (controlando unos medios adecuados para tal fin, por ejemplo formados por un proyector), la determinación de la posición y la orientación de un operario y la correspondiente transformación anamórfica de la reconstrucción tridimensional de referencia y/o de la reconstrucción tridimensional actual, y su visualización, según los diferentes ejemplos de realización descritos del método del primer aspecto de la invención.

Para un ejemplo de realización, el sistema comprende, en conexión con el sistema electrónico, un proyector, para llevar a cabo la proyección de la reconstrucción tridimensional de referencia superponiéndola directamente sobre la superficie a reconstruir, según se ha descrito anteriormente para el correspondiente ejemplo de realización del método del primer aspecto.

Para implementar las etapas i) a iv) del anteriormente descrito ejemplo de realización del método del primer aspecto de la invención, el sistema del segundo aspecto de la invención comprende, en conexión y bajo el control del sistema electrónico:

- un proyector de luz estructurada a alta velocidad para realizar la etapa i) para unos patrones suministrados por el sistema electrónico, y

- a los mencionados medios de visión artificial formados por como mínimo una cámara de alta velocidad de adquisición sincronizada con el proyector de luz estructurada, para realizar la etapa ii) y suministrarle las imágenes adquiridas al sistema electrónico, el cual se encarga de realizar las etapas iii) y iv).

Según otro ejemplo de realización, el sistema comprende medios de detección para, en colaboración con el sistema electrónico al cual se encuentran conectados, determinar la posición y la orientación del operario.

Los medios de detección comprenden, según una implementación de dicho ejemplo de realización:

- unos marcadores reflectantes dispuestos sobre el operario;

- un sistema de iluminación infrarroja que emite luz infrarroja como mínimo sobre dichos marcadores reflectantes; y

- un sistema estereoscópico formado por dos cámaras calibradas entre sí, dispuestas para recibir la luz infrarroja reflejada por los marcadores reflectantes, y conectadas al sistema electrónico para suministrarle las imágenes capturadas para que éste determine la posición y orientación del operario, en cada momento, en función de las imágenes recibidas, y realice la mencionada transformación anamórfica.

Los anteriormente descritos ejemplos de realización del método y el sistema propuestos por la presente invención, relativos a la utilización de técnicas de realidad aumentada y todas las variantes asociadas a los mismos, incluyendo en especial la referida a la transformación anamórfica de reconstrucción tridimensional de referencia y/o de la reconstrucción o reconstrucciones tridimensionales actuales, aunque se han descrito y reivindicado como aspectos dependientes de la corrección posicional descrita, pueden ser objeto de una protección independiente mediante un método o sistema que muestre información aumentada superponiendo sobre el objeto o imagen del mismo información virtual, con preferencia tridimensional, relativa a una reconstrucción tridimensional o de otra índole, que complemente la información real del objeto, y que adapte, mediante transformación anamórfica, la vista de la información gráfica virtual en función de la posición y orientación de un usuario.

Breve descripción de los dibujos

Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:

la Fig. 1 muestra de manera esquemática un escenario de aplicación del método y el sistema propuestos por la invención, donde se ilustran a gran parte de los elementos incluidos en el sistema del segundo aspecto de la invención, en particular a los utilizados para reconstruir tridimensionalmente a parte del paciente ilustrado y a los utilizados para proyectar la reconstrucción tridimensional sobre el paciente; y

la Fig. 2 muestra el mismo escenario de la Fig. 1 , desde otro punto de vista, ilustrando otros de los elementos del sistema del segundo aspecto, en particular los que permiten determinar la posición y la orientación del operario ilustrado, en este caso un técnico de radioterapia.

Descripción detallada de unos ejemplos de realización

Las principales características del sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención aplicado al posicionamiento de un paciente de manera previa al tratamiento radioterápico, para un ejemplo de realización preferido, son las siguientes:

· Posicionamiento de la zona a tratar con una precisión de décimas de milímetro. • Monitorización de la posición del paciente en tiempo real, obteniendo una medida cada 50 milisegundos, es decir, a una velocidad de 20-30 reconstrucciones por segundo.

• El sistema no es en absoluto invasivo, ya que no utiliza ni tatuajes, ni marcadores de ningún tipo, ni emite radiación ionizante adicional.

• Calcula en tiempo real y de forma automática los desplazamientos que se deben aplicar a la mesa de tratamiento para optimizar la posición del paciente.

• Permite visualizar en todo momento la reconstrucción actual del paciente junto con la registrada en la sesión inicial de planificación.

Para ello se han diseñado tres módulos tanto a nivel de hardware como de software y complementarios entre sí, con el objetivo de reconstruir al paciente P en tres dimensiones, procesar esa información para calcular y monitorizar las desviaciones con respecto a una posición de referencia y visualizar los resultados en 3D en tiempo real por parte del técnico de radioterapia O.

Reconstrucción 3D:

En la Fig. 1 se muestra un esquema de los componentes que forman el sistema propuesto por la invención. El sistema encargado de reconstruir en 3D una escena en tiempo real está basado en la proyección de una serie de patrones de luz estructurada y su captura por parte de una o varias cámaras, que en el ejemplo de realización ilustrado son las dos cámaras indicadas con los numerales 2 y 3. Para ello, una de las claves del sistema reside en la fuente de luz utilizada, que en la Fig. 1 es un proyector de luz estructurada 1 , es capaz de proyectar patrones a muy alta velocidad, por encima de las 200 imágenes/segundo, y que además está perfectamente sincronizada con las cámaras 2, 3.

Se ilustra también en la Fig. 1 el sistema electrónico SE al cual se encuentran conectados el proyector 1 y las cámaras 2, 3, y que se encarga de controlarlos para, en colaboración con los mismos, realizar la reconstrucción o reconstrucciones tridimensionales, para determinar la posición de diferentes puntos de la superficie a reconstruir S, que en este caso se corresponde con parte del tronco de un paciente P.

Sistema de Proyección:

Los proyectores comerciales son capaces de proyectar imágenes a velocidades, en el mejor de los casos, de 50-60 imágenes/segundo, lo cual hace inviable su utilización en el sistema de reconstrucción 3D en tiempo real. Por otra parte, existe otro gran inconveniente, ya que dichos proyectores comerciales no permiten la posibilidad de generar una señal digital para poder sincronizar la proyección de un patrón con la captura de la cámara.

La fuente de luz utilizada para el desarrollo del sistema de reconstrucción 3D está basada en la tecnología DLP (Digital Light Processing) de Texas Instruments y cumple las siguientes especificaciones:

• Proyectar una serie de patrones previamente almacenados en memoria.

• Velocidades de proyección superiores a 200 imágenes/segundo.

• Posibilidad de ajustar los tiempos de proyección.

· Entradas/Salidas digitales para permitir comunicación con PC y cámaras.

• Posibilidad de incorporar diferentes lentes para variar el área y la distancia de proyección.

• Posibilidad de acoplar diferentes tipos de luz (visible, infrarrojo, etc.). El núcleo de un proyector basado en tecnología DLP es su DMD (Digital

Micromirror Device) que es un conjunto de espejos microscópicos, distribuidos en una matriz rectangular y que se corresponden con los píxeles de la imagen que se quiere proyectar. Cada uno de estos espejos se puede controlar electrónicamente de forma que es capaz de girar un determinado ángulo, permitiendo de esta forma que la luz que incide en él sea proyectada hacia el exterior o no.

El sistema propuesto utiliza una fuente de luz LED, aunque puede ser utilizado con cualquier otro tipo de emisor de luz, y permite proyectar patrones tanto en blanco y negro como en escala de grises con cualquier profundidad de bits. La profundidad de bits de los patrones proyectados determinará la velocidad máxima de proyección, tal y como se muestra en la siguiente tabla:

Tipo de patrón # Bits # Niveles de gris diferentes Velocidad (patrones/s)

Blanco y negro 1 2 22.727

Escala de grises 4 16 3.497

Escala de grises 7 128 569

Escala de grises 8 256 291 Para la proyección de patrones en escala de grises de N bits, se descompone la imagen que se quiere proyectar en N imágenes en blanco y negro correspondientes al canal de cada bit, de forma que se proyectan intervalos de tiempo diferentes, es decir, el canal del LSB (Least Significant Bit) se proyectará durante un tiempo 2 ^N_1 veces inferioral tiempo correspondiente al canal del MSB (Most Significant Bit). De esta forma, el tiempo de proyección total T _p se calcula utilizando la ecuación 1 :

T _p = ∑ t _P = t _LSB ^■ ∑ ? = ÍLSB · (2 - l) (1)

Igualmente, a partir de (1 ), se puede calcular el tiempo de proyección de cada canal t _p en función del tiempo total de proyección del patrón a partir de la ecuación (2):

. . 2'

t _p = ÍLSB · 2 ^? = T _p · _N (2)

¿ L

El sistema de proyección 1 cuenta con una entrada digital y una salida digital, de forma que pueda sincronizar la proyección de cada patrón con otros dispositivos, en particular con las cámaras 2 y 3.

Captura de Imágenes:

Las cámaras 2, 3 no tienen ninguna característica especial, simplemente son ambas un modelo industrial capaz de capturar a una velocidad relativamente alta, de 90 imágenes/segundo. Es muy importante tener calibrado todo el sistema, es decir, conocer la posición relativa exacta de las cámaras 2, 3 con respecto al proyector 1 , tanto en posición como en orientación.

Método de Reconstrucción:

Para la obtención de las coordenadas 3D de la escena u objeto, el sistema propuesto por la invención se basa, para el ejemplo de realización aquí explicado, en los algoritmos de "Phase Shifting Interferometry", también denominados "Phase Measuring Profilometry". Estos algoritmos utilizan métodos basados en la proyección de varios patrones sinusoidales iguales pero desplazados en un eje unos con respecto de los otros, y se encuentran implementados en el sistema electrónico SE ilustrado en la Fig. 1.

Es necesario proyectar un mínimo de tres patrones sinusoidales, desfasados 120° cada uno de ellos, para poder extraer información de la fase de cada pixel en la imagen, a partir de la cual puede calcularse su coordenada 3D. A partir de las imágenes de los tres patrones proyectados l _1t l ₂ e l ₃ , capturadas por la cámara pasamos a realizar el cálculo de la fase de cada pixel, que idealmente es:

Para optimizar el procesado y minimizar el tiempo necesario para generar la reconstrucción 3D de la escena, se utiliza la siguiente aproximación para evitar realizar el cálculo del arco tangente: φ = - · í 2 · round í—— ) + (-1) · —— 1 (4)

Donde l _mm , ax e l _mec ¡ son los valores mínimo, máximo y la mediana para cada pixel, y K es una constante entera que varía entre 0 y 5.

A partir de cualquiera de las expresiones (3) o (4) se obtiene el valor de la fase módulo 2π, por lo que en general, siempre que los patrones proyectados contengan múltiples periodos de la señal sinusoidal, es necesario un siguiente paso para desenrollar la fase y calcular el valor absoluto de la fase para cada pixel. Para ello, el proceso más sencillo e inmediato es realizar un barrido a lo largo de la imagen integrando los valores de fase calculados, teniendo en cuenta que en cada discontinuidad de 2π hay que añadir o restar múltiplos de 2π.

En el cálculo de la fase absoluta $_,BS también se incorporan mecanismos para compensar tanto la no linealidad de las cámaras2, 3 al capturar como la del proyector 1 al proyectar patrones sinusoidales. Una vez obtenida la fase absoluta _A BS de cada pixel (x¡ _ms ,y _img ) de la imagen, se calculan las coordenadas (x _pmy ,y _pm y) correspondientes al pixel del proyector que ha proyectado la fase de cada pixel de la imagen, por lo que es necesario tener perfectamente calibrado el sistema cámara-proyector. Para realizar dicha calibración del sistema se asume que el proyector 1 puede modelarse matemáticamente como si fuera una cámara, que "captura" la imagen proyectada. Por lo tanto el proceso empleado para calibrar el sistema es análogo al de calibración de un sistema estereoscópico de dos cámaras, obteniendo tanto los parámetros intrínsecos de la cámara y del proyector, así como su posición relativa, tanto en distancias como orientación.

Entonces, a partir de las correspondencias entre los puntos en la imagen de la cámara y los puntos en el proyector, es posible calcular la triangulación correspondiente i » ^■ '—

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y obtener de esta forma la coordenada 3D de cada punto, al igual que se realiza en un sistema estereoscópico de dos cámaras.

Pueden utilizarse diferentes métodos de reconstrucción que se diferencian principalmente en el número y tipo de patrones que se proyectan. El más rápido de todos los que se han implementado prácticamente para el sistema del segundo aspecto de la invención, necesita proyectar y capturar tres imágenes, por lo que mediante su utilización se obtiene una reconstrucción en 20 milisegundos, ya que además tenemos todos los procesos de captura y procesado perfectamente paralelizados.

Procesado Información 3D

Una vez obtenida la reconstrucción 3D del paciente Pse utilizan algoritmos de alineación de mallas 3D para comparar la reconstrucción actual con el modelo 3D de referencia. De esta forma se puede calcular tanto la desviación en traslación como en rotación o incluso obtener un mapa de desviaciones de cada punto con respecto a la referencia. Todo ello también llevado a cabo por parte del sistema electrónico SE, el cual implementa los mencionados algoritmos mediante un correspondiente software.

Por un lado, estos resultados permiten calcular en tiempo real y de forma automática los desplazamientos que se deberán aplicar a la mesa de tratamiento 7 para optimizar la posición del paciente P, consiguiendo un posicionamiento de la zona a tratar con una precisión de décimas de milímetro.

Por otro lado, se puede también monitorizar la posición del paciente P en tiempo real, obteniendo una medida cada 50 milisegundos, de forma que se asegure que el paciente P no se haya movido más allá de un umbral de seguridad previamente definido. Visualización:

La información extraída puede visualizarse tanto en un monitor como directamente sobre el paciente P.

En el monitor del PC de control (no ilustrado) del sistema electrónico SE se puede visualizar tanto la reconstrucción en tiempo real del paciente P, como la posición de referencia, como ambas superpuestas. Adicionalmente se puede mostrar en forma de mapa de colores las desviaciones de cada punto con respecto a la referencia, así como los valores de desplazamientos y rotaciones que habría que aplicar a la mesa de tratamiento 7 para corregir la posición del paciente P.

De cara a facilitar la tarea del técnico de radioterapia O, es posible proyectar los resultados sobre el propio paciente P, de forma que el técnico O pueda observar la posición de referencia superpuesta sobre el paciente real 7. De esta forma, podrá ver de forma natural si existe alguna zona que se desvíe de la posición original y recolocar manualmente al paciente P.

La visualización de la posición de referencia se realiza mediante técnicas de realidad aumentada, es decir, se mezclan objetos virtuales con objetos reales, de forma que se "aumenta" la información del objeto real que se visualiza. Para ello, el sistema se basa en tener el punto de vista del usuario, en este caso el técnico de radioterapia O, perfectamente localizado en el espacio.

Tal y como se ilustra en la Fig. 2, para calcular la posición del técnico de radioterapia O se utiliza un sistema estereoscópico, en conexión y bajo el control del sistema electrónico SE, que está compuesto de dos cámaras 5, calibradas entre sí, y un sistema de iluminación infrarroja 8, donde las cámaras 5 capturan la imagen de un mínimo de tres marcadores esféricos reflectantes 6 colocados sobre el técnico de radioterapia O. A partir de las imágenes capturadas por cada cámara 5 el sistema electrónico SE calcula la posición y orientación de la persona en cuestión O.

A continuación se genera la imagen desde ese punto de vista de la información 3D reconstruida y se realiza una transformación de perspectiva anamórfica. La imagen obtenida es proyectada por el proyector 4, mostrado en la Fig. 1 , y da una sensación de que el objeto 3D es totalmente real y está perfectamente integrado con el paciente real P, siempre que se visualice desde el punto de vista para el que ha sido calculada, que como es el punto de vista calculado para el técnico de radioterapia O, le permitirá visualizar correctamente el paciente real 7 y la posición virtual de referencia superpuesta.

Según el técnico de radioterapia O se vaya moviendo, su posición se irá recalculando, y en consecuencia esta vista se irá regenerando, por lo que tendrá la sensación de estar viendo dos objetos reales, uno el paciente real 7 y otro el paciente virtual correctamente posicionado.

La proyección de los resultados sobre el paciente P puede realizarse con el mismo proyector que se utiliza para reconstruir 1 o puede utilizarse un proyector auxiliar 4 que no requiere ningún tipo de sincronización especial, siendo este último caso el que se ha ilustrado en la Fig. 1.

Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.