New Quality Assurance Method Using Motion Tracking for 6D Robotic Couches
1. New Quality Assurance Method
Using Motion Tracking for 6D
Robotic Couches
Wonjoong Cheon1, Junsang Cho2, Sungwhan Ahn2,
Youngyih Han*2 , Dohoo Choi2
`
1. Department of Health Sciences and Technology, Sungkyunkwan University
2. Department of Radiation Oncology, Samsung Medical Center, Sungkyunkwan University School of
Medicine
7. Visual Tracking System
(Bonita10, Vicon, UK).
NAME OF FACILITY
Bonita B10 Camera (Infrared camera)
RANGE
1000~8000 [mm]
FRAME RATE
~250 [frame per second]
RESOLUTION
1024 x 1024 [pixel]
CAM LATENCY
2.0 [ms]
MAXIMUM SHUTTER TIME
0.5 [ms]
ACCURACY OF TRACKING
Sub-millimeter (20mm, 4sec)
Fig 6. Avatar, the movie, was made
using Visual Tracking System
Fig 8. NEXUS,
the Program provided
from Vicon
Fig 7. Visual Tracking System
(Bonita10, Vicon, UK)
10. Fig 9. The concept of geometry calibration between different coordinate systems
Concept: Different perspectives
11. Coordinate matching
Fig 10. 6DoF robotic couch which was
installed in Proton therapy Center,
Samsung medical Center
Fig 11. the coordinates system
of 6DoF robotic couch
Fig 13. the coordinates system of Visual
Tracking System
(Bonita B10, Vicon, UK)
Fig 12. Visual Tracking System
(Bonita10, Vicon, UK)
y-
z-
x+ y+
z-
x+
12. Fig 14. QUASAR cube phantom
QUASAR cube phantom
(MODUS medical device, London, Canada).
NAME OF FACILITY
QUASAR cube phantom
SPECIFICATION
5.7 X 5.7 X 5.7 [mm]
14. Fig 18. QUASAR cube phantom.
Fig 19. Cube phantom was set on the 6DoF
robotic couch.
Fig 20. Cube phantom was set on the 6DoF
robotic couch along the laser.
Coordinate matching
6DoF robotic couch
x+
x+
21. Magnitude Base :
Linear position
+y
+z
+x
MOTION TYPE
Linear position
RANGE OF MOTION
From initial position to 250 [mm]
STEP-SIZE
25 [mm]
DIRECTION OF MOTION
X
Table 1. the result of linear position accuracy QA
22. +y
+z
+x
MOTION TYPE
Couch Top Rotation
RANGE OF MOTION
From initial position to +90 [degree]
STEP-SIZE
10 [degree]
Magnitude Base :
Rotation angle
Table 2. the result of rotation accuracy QA
23. +y
+z
+x
Geometry calibration Base:
Linear position + Sag
MOTION TYPE
Linear position
RANGE OF MOTION
From initial position to 10 [mm]
STEP-SIZE
1 [mm]
DIRECTION OF MOTION
X, Y, and Z
Table 3. the result of linear position accuracy and sagging QA
24. Result & Conclusion
- RESULT & CONCLUSION
VTS system could track couch motion accurately and measured position in room-
coordinates. The VTS measurements and Laser tracker data agreed within 1% of difference
for linear and rotational motions. Also because the program analyzes motion in 3-Dimension,
it can compute couch sagging.
Developed QA system provides sub-millimeter/degree accuracy which fulfills the high-end
couch QA.
-ACKNOWLEDGEMENT
This work was supported by the National Research Foundation of Korea funded by Ministry
of Science, ICT & Future Planning. (2013M2A2A7043507 and 2012M3A9B6055201).
Editor's Notes
움직이는 장기에 있는 종양의 치료에 있어서 종양 추적은 매우 중요한 부분입니다.
직접적인 마커를 삽입하여 추적을 하기도 하지만, 일부 케이스에서는 External surrogate도 사용되고 있습니다.
두 시스템을 동시에 사용하기 위해서는 내부마커를 추적하는 시스템과 외부마커를 추적하는 시스템의 동기화 및 일원화는 꼭 필요한 작업입니다.
그래서 두 개의 다른 Coordinate system을 하나의 Coordinate system으로 합치는 Geometry Calibration 방법을 개발하였습니다.
움직이는 장기에 있는 종양의 치료에 있어서 종양 추적은 매우 중요한 부분입니다.
직접적인 마커를 삽입하여 추적을 하기도 하지만, 일부 케이스에서는 External surrogate도 사용되고 있습니다.
두 시스템을 동시에 사용하기 위해서는 내부마커를 추적하는 시스템과 외부마커를 추적하는 시스템의 동기화 및 일원화는 꼭 필요한 작업입니다.
그래서 두 개의 다른 Coordinate system을 하나의 Coordinate system으로 합치는 Geometry Calibration 방법을 개발하였습니다.
앞서 말씀드린 Hybrid System이란,
내부마커를 추적하는 시스템과 외부마커를 추적하는 시스템을 하나의 Coordinate system으로 합친 상태를 뜻합니다.
두 시스템이 각기 다른 축을 사용할 경우, 이 둘은 전혀 다른 세상에 존재하는 시스템과 다름 없기 때문입니다.
먼저 두 개의 시스템에 대해서 간단하게 설명하도록 하겠습니다.
이제 검증 된 두 시스템을 합치는 Geometry Calibration에 대해서 말씀드리도록 하겠습니다.
두번째는 Motion Capture Camera 입니다.
영국에 위치한 Vicon이라는 회사에서 제작한 Bonita B10 카메라를 사용하였으며, 위 카메라는 적외선발생 및 수신장치가 달려 있는 적외선 카메라 입니다.
추적가능 범위는 1m 에서 8 m 범위 안에서 추적 가능하며 framerate는 250 framerate로 조정 가능합니다.
추적의 정확도는 실험결과 20mm를 4초 주기로 운동하는 마커를 추적할 때, Sub-mm로 나왔습니다
앞서 말씀드린 Hybrid System이란,
내부마커를 추적하는 시스템과 외부마커를 추적하는 시스템을 하나의 Coordinate system으로 합친 상태를 뜻합니다.
두 시스템이 각기 다른 축을 사용할 경우, 이 둘은 전혀 다른 세상에 존재하는 시스템과 다름 없기 때문입니다.
먼저 두 개의 시스템에 대해서 간단하게 설명하도록 하겠습니다.
이제 검증 된 두 시스템을 합치는 Geometry Calibration에 대해서 말씀드리도록 하겠습니다.
Geometry Calibration 의 기본적인 개념은, 각각의 다른 시야, Different perspectives에 기반을 두고 있습니다.
위 그림을 보시면, 고양이의 경우에는 물고기가 고양이의 왼쪽에 위치하고 있으며, 아기의 경우에는 아기 자신의 오른쪽에 위치하고 있습니다.
서로의 위치가 다르면 다른 좌표계를 갖게 되고, 서로의 정보를 정확하게 알고 있다는 조건하에 하나의 시점으로 이동을 할 수 있다는 사실에 입각하여
Geometry calibration을 수행하였습니다.
앞서 말씀 드린 Geometry Calibration은 Coordinates matching을 의미합니다.
하나의 물체인 Cube을 바라보더라도, 각각의 시스템에서 Cube phantom은 전혀 다른 위치에 위치하고 있기 때문입니다.
두 시스템이 바라 볼, 기준을 제시 할 펜텀을 하나 소개하겠습니다.
QUASAR에서 만든 cube phantom 이며 5.7 x 5.7 x 5.7 mm 의 정육면체 형태입니다.
Vicon Program인 NEXUS에서 바라본 영상입니다.
추적에 사용된 Bonita B10 카메라 4대의 위치와, Cube phantom 에 부착된 각각의 마커의 3차원 좌표를 확인할 수 있습니다.
하나의 Coordinate system 위에 올려진 정육면체는 coordinate system을 대변 할 수 있게 됩니다.
추적 된 4개의 마커를 이용하여
Cross product 를 적용시켜 Z 방향의 normal vector를 구한 뒤 Cube 밑면의 마커를 임의로 생성 할 수 있기 때문입니다.
이는 같은 물체인 Cube를 G-arm에서 바라본 영상입니다.
G-arm의 3차원 좌표계에서 바라본 Cube의 3차원 위치입니다. 이는 추적 알고리즘을 바탕으로 계산된 것입니다.
Stereo fluoroscopy를 통해서 3차원으로 추적을 하는 과정에 대해서 간략하게 설명드리도록 하겠습니다.
이제 Geometry Calibration을 위한 준비물이 모두준비가 되었습니다.
각각의 시스템에서 얻은 Cube의 8개의 모서리 좌표를 이용하여 하나의 Coordinate system으로 옮겨주는
관계연산 메트릭스를 구함으로서 Geometry Calibration을 수행합니다.
8개의 점을 만들어 사용하는 이유는 Rotation과 Translation을 모두 고려하기 위함입니다.
앞서 말씀 드린 Geometry Calibration은 Coordinates matching을 의미합니다.
하나의 물체인 Cube을 바라보더라도, 각각의 시스템에서 Cube phantom은 전혀 다른 위치에 위치하고 있기 때문입니다.
이제 검증 된 두 시스템을 합치는 Geometry Calibration에 대해서 말씀드리도록 하겠습니다.