CN102961154B - 调节x射线系统的曝光视场的方法及装置和x射线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及调节X射线系统的曝光视场的方法及装置和X射线系统。该方法包括：通过图像传感器捕获X射线系统的检查台处的患者的图像，其中所述图像传感器被布置在X射线系统中的预定位置处；将捕获的图像显示在显示器上以供用户在所述图像上选择关注区域或关注点；响应于在所述图像上对关注区域或关注点的选择，自动地确定X射线源的目标位置，其中，当X射线源位于所述目标位置时获得覆盖所述关注区域或关注点的期望曝光视场；以及响应于所述目标位置的确定，自动地使所述X射线源定位在所述目标位置。通过本发明可以实现曝光视场的自动调节。

Description

调节X射线系统的曝光视场的方法及装置和X射线系统

技术领域

本发明总体上涉及X射线系统领域，尤其涉及调节X射线系统的曝光视场的方法及装置和X射线系统。

背景技术

图1示出了现有技术的数字X射线系统100，其包括用以移动X射线源的球管吊架(OverheadTubeSuspensorysystem，OTS)101、OTS控制台102、组成X射线源的限束器103(组成X射线源的其它部件由于视角而未被示出)、可移动检查台104以及用以移动检查台104的定位器105。限束器103通常安装在球管的下面，球管发射X射线，该X射线通过限束器103的开口照射到患者身上。其中，限束器103的开口的大小决定X射线的照射范围，即曝光视场(fieldofviewforexposure，FOV)106的区域大小。球管和限束器在横向上的位置决定曝光视场在患者身上的位置。众所周知的是，X射线对人体是有害的，因此需要控制X射线使其只照射在病人需要检查的部位，同时也要使其照射范围足够大以满足所需检查的区域。

在当前数字X射线系统100中，对于每个X射线检查，放射线技师都需要检查X光的曝光视场106是否合适。在检查时，放射线技师打开限束器103的照射灯，照射下来的限束器束107在患者身上形成的曝光区域。该曝光区域与X射线的曝光视场106是相吻合的，从而可以检查曝光视场106是否合适。如果曝光视场不能满足曝光要求则需要调整视场的大小和位置。可以通过手动地移动OTS和/或定位器来调整X射线源的位置，从而调整FOV在患者身上的位置。对于高端X射线系统而言，常常具有自动定位功能，该自动定位功能能够帮助放射线技师控制球管吊架(OverheadTubeSuspensorysystem，OTS)自动移动到设定位置。但是，现有的数字X射线系统只能预设有限的位置供自动定位，且在自动定位到设定位置前需要放射线技师先选定该设定位置。

对于高任务负荷的医院而言，放射线技师可能常常要面对各种各样的患者，现有数字X射线系统的有限设定位置远远不能满足临床需要。并且，在实际工作中放射线技师经常需要手动调节X射线系统的定位器以更好地调节曝光视场的位置。一般而言，在一些医院每天可能需要对数百名患者进行拍片，而在诊断过程中几乎针对每名患者都要手动调节X射线系统的曝光视场，这对于放射线技师而言，尤其是对于女性放射线技师而言是一个巨大的挑战。

另外，当放射线技师想要确保视场区域是可接受的时，他需要打开限束器灯，此时用于标定探测器位置的激光标记会出现，然而，该激光标记对于患者来说是不友好的，并且有时可能会伤害患者的眼睛。

目前，在X射线系统中每个协议都设有缺省的FOV值(即FOV的区域大小)，但是对于体型差异较大的患者来说缺省值有时可能不适用。此时就需要放射线技师手动修改FOV值，这将增加整个检查时间和工作流程。如果放射线技师懒于手动修改FOV值，那么有些患者可能会遭受过多的辐射剂量，这将是很危险的事情。

发明内容

为了解决上述问题中的一个或多个，根据本发明的一方面，提供一种用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，其包括步骤：

通过图像传感器捕获X射线系统的检查台处的患者的图像，其中所述图像传感器被布置在X射线系统中的预定位置处；

将捕获的图像显示在显示器上以供用户在所述图像上选择关注区域或关注点；

响应于在所述图像上对关注区域或关注点的选择，自动地确定X射线源的目标位置，其中，当X射线源位于所述目标位置时获得覆盖所述关注区域或关注点的期望曝光视场；

响应于所述目标位置的确定，自动地使所述X射线源定位在所述目标位置。

根据本发明的一个实施例，所述自动地确定X射线系统的X射线源的目标位置的步骤包括：

响应于关注区域或关注点的选择，确定所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置；以及

根据所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置以及所述图像传感器的成像参数，确定所述X射线源的目标位置。

根据本发明的一个实施例，根据所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置确定所述X射线源的目标位置的步骤还包括：

根据所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置以及所述图像传感器的成像参数，确定所述期望曝光视场的中心在患者身上的实际位置；以及

根据所述期望曝光视场的中心在患者身上的实际位置以及所述X射线源与所述中心之间的固有位置关系确定所述X射线源的目标位置。

根据本发明的一个实施例，所述用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法还包括步骤：

响应于在所述图像上对关注区域的选择，自动地确定所述期望曝光视场的大小；以及

对所述X射线源的限束器的开口大小进行调节以实现所述期望曝光视场的大小。

根据本发明的一个实施例，自动地确定所述期望曝光视场的大小的步骤包括：

根据构成所述关注区域的边界的点在所捕获的图像上的位置坐标以及所述图像传感器的成像参数，确定构成所述边界的点在患者身上的实际位置坐标；

根据所述实际位置坐标确定所述关注区域的实际尺寸；以及

根据所述关注区域的实际尺寸，确定所述期望曝光视场的大小。

根据本发明的一个实施例，所述期望曝光视场的中心为所述关注区域的中心或为所述关注点。

根据本发明的一个实施例，所述用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法还包括步骤：

根据X射线源的当前位置以及所述图像传感器的成像参数，确定当前曝光视场的中心在所述图像上的位置；

根据X射线源的限束器的当前开口大小以及所述图像传感器的成像参数，确定X射线源的当前曝光视场在所述图像上的大小；以及

在显示在显示器上的所捕获的图像上示出当前曝光视场的大小及其中心的位置。

根据本发明的一个实施例，确定所述X射线源的目标位置包括根据所述X射线源的当前位置和目标位置确定为了实现所述期望曝光视场所述X射线源需要移动的距离。

根据本发明的一个实施例，X射线源的目标位置是指X射线源相对于患者的目标位置，其中通过利用球管吊架移动X射线源以及/或者利用定位器移动患者来使所述X射线源相对于患者移动所述距离而定位在所述目标位置。

根据本发明的一个实施例，所述图像传感器包括分别布置在X射线系统中的相应预定位置的两个图像传感器。

根据本发明的一个实施例，所述自动地确定X射线系统的X射线源的目标位置的步骤包括：

响应于关注区域或关注点的选择，分别确定所述期望曝光视场的中心在所述两个图像传感器分别捕获的第一图像和第二图像上的位置；

根据所述期望曝光视场的中心在所述第一和第二图像上的位置以及所述两个图像传感器的各自的成像参数，分别确定所述X射线源的对应于第一图像的第一目标位置和对应于第二图像的第二目标位置；以及

将所述第一目标位置和所述第二目标位置分别乘以相应的预定加权校正系数并相加而得到所述X射线源的目标位置。

根据本发明的一个实施例，所述显示器可以是X射线系统的本地控制台的显示器、与所述本地控制台进行通信的工作站的显示器或者与所述本地控制台或所述工作站进行通信的便携式控制台的显示器。

根据本发明的另一方面，提供一种X射线系统，其包括：

X射线源，用于发射X射线以在患者身上形成曝光视场；

图像传感器，其被布置在所述X射线系统中的预定位置以用于捕获所述患者的图像；

显示器，用于显示所捕获的所述患者的图像以供用户在所述图像上选择关注区域或关注点；

计算装置，其被配置为计算X射线源的目标位置，其中，当X射线源位于所述目标位置时获得覆盖所述关注区域或关注点的期望曝光视场；

移位装置，用于将X射线源定位在所述目标位置；以及

控制装置，其被配置为响应于所述关注区域或关注点的选择而控制计算装置开始计算所述目标位置，以及响应于计算出的目标位置而控制移位装置将X射线源定位在所述目标位置。

根据本发明的一个实施例，所述显示器可以是X射线系统的本地控制台的显示器、与所述本地控制台进行通信的工作站的显示器或者与所述本地控制台或所述工作站进行通信的便携式控制台的显示器。

根据本发明的一个实施例，所述计算装置进一步包括：

期望曝光视场中心计算单元，用于计算所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置；以及

目标位置计算单元，用于根据所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置以及所述图像传感器的成像参数，确定所述X射线源的目标位置。

根据本发明的一个实施例，所述X射线系统还包括期望曝光视场大小计算单元，所述期望曝光视场大小计算单元被配置为响应于在所述图像上对关注区域的选择而自动地确定所述期望曝光视场的大小，其中所述控制装置响应于所述期望曝光视场的大小的确定而调节所述X射线源的限束器的开口大小以实现所述期望曝光视场的大小。

根据本发明的一个实施例，所述目标位置计算单元根据所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置以及所述图像传感器的成像参数确定所述期望曝光视场的中心在患者身上的实际位置、然后根据所述期望曝光视场的中心在患者身上的实际位置以及所述X射线源与所述中心之间的固有位置关系确定所述X射线源的目标位置。

根据本发明的一个实施例，所述期望曝光视场大小计算单元根据构成所述关注区域的边界的点在所捕获的图像上的位置坐标以及所述图像传感器的成像参数确定构成所述边界的点在患者身上的实际位置坐标、根据所述实际位置坐标确定所述关注区域的实际尺寸、然后根据所述关注区域的实际尺寸，确定所述期望曝光视场的大小。

根据本发明的一个实施例，所述计算装置还包括：

当前曝光视场中心计算单元，其根据X射线源的当前位置以及所述图像传感器的成像参数，确定当前曝光视场的中心在所述图像上的位置；

当前曝光视场大小计算单元，其根据X射线源的限束器的当前开口大小以及所述图像传感器的成像参数，确定X射线源的当前曝光视场在所述图像上的大小，

其中，所述控制装置根据所计算出的当前曝光视场在所述图像上的大小及其中心在所述图像上的位置将当前曝光视场的大小及其中心示出在显示在显示器上的所述图像上。

根据本发明的一个实施例，所述目标位置计算单元还根据所述X射线源的当前位置和目标位置计算为了实现所述期望曝光视场所述X射线源需要移动的距离。

根据本发明的一个实施例，X射线源的目标位置是指X射线源相对于患者的目标位置，其中所述移位装置包括用以移动X射线源的球管吊架以及用以移动患者的定位器，以及其中通过所述球管吊架和/或所述定位器来使所述X射线源相对于患者移动所述距离而定位在所述目标位置。

根据本发明的一个实施例，所述图像传感器包括分别布置在X射线系统中的相应预定位置的两个图像传感器，所述两个图像传感器分别拍摄患者的第一图像和第二图像。

根据本发明的一个实施例，所述计算装置进一步包括：

期望曝光视场计算单元，用于分别计算所述期望曝光视场的中心在所述第一和第二图像上的位置；以及

目标位置计算单元，用于根据所述期望曝光视场的中心在所述第一和第二图像上的位置以及所述图像传感器的成像参数，分别确定所述X射线源的对应于第一图像的第一目标位置和对应于第二图像的第二目标位置；

加权计算单元，用于将所述第一目标位置和所述第二目标位置分别乘以相应的预定加权校正系数并相加以作为所述X射线源的目标位置。

根据本发明的又一方面，提供一种用于X射线系统的曝光视场自动调节装置，包括：

图像传感器，其被布置在所述X射线系统中的预定位置，以用于捕获检查台上的待检查患者的图像并将所捕获的图像传送给显示器以供用户选择关注区域或关注点；

计算装置，其被配置为计算X射线系统的X射线源的目标位置，其中，当X射线源位于所述目标位置时获得覆盖用户所选择的关注区域或关注点的期望曝光视场；

控制装置，其被配置为响应于用户在所捕获的图像上对所述关注区域或关注点的选择而控制计算装置开始计算所述目标位置，以及响应于计算出的目标位置而向X射线系统发送定位信号以将X射线源定位在所述目标位置。

与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点中的一个或多个。由于本发明的调节方法、装置或X射线系统可以响应于用户在所拍摄的患者图像上对关注区域或关注点的选择而自动地计算X射线源的合适的目标位置并将X射线源自动地定位在该目标位置，因此可以在无需放射线技师手动调节X射线系统的球管吊架或定位器的情况下实现对X射线曝光视场的位置的良好调节。此外，本发明还可以实现曝光视场的大小的自动调节。由于无需手动调节，因此减轻了放射线技师的负担，同时避免了由于手动调节而可能导致的错误操作和操作误差。另外，在自动调节过程中无需打开X射线源的限束器的照射灯，放射线技师可以直接从控制室或诊断室的显示器上获得FOV的位置和范围，从而不会由于照射灯的激光标记的出现而使患者感到不安或对其造成伤害。此外，由于可以将所捕获的图像传送到远程显示器以供用户选择关注区域或关注点，因此可以实现对曝光视场的远程自动调节。

此外，可以通过本发明X射线系统或自动调节装置中的图像传感器连续地捕获患者的多幅图像或拍摄视频图像，用户可以挑选清晰的图像或抓取合适的视频帧来用于选择关注区域或关注点。这对于不易静止的患者(例如哇哇啼哭的婴儿)来说尤其是有利的。

此外，本发明的优选实施例采用双图像传感器，通过组合来自两个图像传感器的图像，补偿了失真误差，从而提高了曝光视场的调节精度。

另外，根据本发明实施例的图像传感器及其后处理模块(例如计算装置、控制装置等)价格比较低廉，因此本发明提供了符合成本效益的曝光视场自动调节装置、方法和系统。

最后，根据本发明实施例的曝光视场自动调节装置、方法和系统使X射线系统的工作流程更加简单、快捷、有效，方便用户操作。

附图说明

通过参考结合附图所进行的下列详细描述，可以更透彻地理解本公开的内容，在附图中：

图1是现有技术的X射线系统的示意图，其中需要手动地调节该X射线系统的曝光视场；

图2示出根据本发明的一个实施例的X射线系统的示意图，该X射线系统可以根据要求自动地调节曝光视场；

图3示出根据本发明的一个实施例的X射线系统的限束器的底视图；

图4示出根据本发明的实施例的X射线系统所捕获的患者图像的示意图；

图5示出根据本发明的一个实施例的根据所捕获的患者图像计算曝光视场的位置和大小的示意图；

图6示出根据本发明的一个实施例的X射线系统的通信线路的示意图；以及

图7示出根据本发明的一个实施例的自动调节曝光视场的方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，但本发明并不限于下述具体实施例。

图2示出根据本发明的一个实施例的X射线系统200的示意图。如图所示，该X射线系统200包括球管吊架201、X射线源202、检查台204、用以移动检查台的定位器207以及控制装置204及显示器205。除此之外，X射线系统200还包括图像传感器208，该图像传感器208固定在X射线系统的预定位置处以对检查台204处的患者成像。图像传感器208可以是现在已知的或将来被开发出的任何能够拍摄图像的设备，在下文中用数字照相机作为图像传感器208的一个示例来说明本发明的实施例。照相机208被固定在能够捕获检查台204处的患者的图像的位置处，该位置到X射线系统200中的其它组成装置的距离是可测量的或已知的。在图2示出的实施例中，照相机208被固定在作为X射线源的一部分的限束器203的下表面(即限束器开口所在的表面)上，并与该表面几乎齐平。在一个实施例中，照相机208距离限束器开口的中心的距离大约为几厘米。为了简便起见，在以下实施例中，将X射线源的限束器开口的中心的位置视为X射线源的位置，从而X射线源的位置在患者身上的投影正是曝光视场的中心的位置。当然，也可以将X射线源上的其它点的位置看作为X射线源的位置，在确定了限束器开口的中心的位置的情况下很容易就可以求得该点的位置。

X射线系统200还包括控制装置205和显示器206。虽然在图2的图示中将控制装置205和显示器206示出为与球管吊架(OTS)201和X射线源202相距一定距离并通过线缆进行通信，但本领域技术人员可以理解的是，该控制装置205和显示器206可以是如图1所示的OTS控制台的控制装置和显示器，也可以是与OTS控制台进行无线或有线通信的远程工作站的控制装置和显示器，也可以是与OTS控制台或工作站进行无线通信的便携式控制台的控制装置和显示器，或者是以上的组合。

照相机208所捕获的患者的图像被传送到控制装置205并被显示在显示器206上。图4示出根据本发明的实施例的X射线系统所捕获的患者图像的示意图，其中图4A是该图像在OTS控制台的显示器上的示意图，图4B是该图像在工作站的显示器上的示意图，图4C是所捕获的患者图像的放大图。

X射线系统200的操作员使用诸如鼠标的定点设备在显示在显示器上的患者图像上选择想要的关注区域或关注点。另外，在显示器为触摸屏的情况下，操作员可以用手指或笔之类的装置直接在触摸屏上进行操作来选择关注区域或关注点。

返回图2，X射线系统200还包括计算装置209，用于计算与所选择的关注区域或关注点相对应的X射线源的目标位置。当X射线源处于该目标位置时，其所发射的X射线在患者身上形成期望曝光视场，即关注区域或关注点落在期望曝光视场内。控制装置205在检测到对关注区域或关注点的选择后，向计算装置209发送开始计算的控制信号。计算装置209在收到该信号后开始计算X射线源的目标位置，并将计算出的目标位置返回给控制装置205。控制装置205接着控制OTS201将X射线源移动到该目标位置。X射线源的目标位置实际上是相对于患者的相对位置。在另一实施例中，控制装置205也可以通过控制用以移动检查台204的定位器207来移动患者，从而使X射线源定位到目标位置，得到期望曝光视场。在其它实施例中，控制装置205也可以通过对OTS201和定位器207二者同时进行控制来移动X射线源和患者这两者来将X射线源定位到目标位置。

下面详细描述X射线源的目标位置的计算方法。为了计算X射线源的目标位置，需要利用空间某点的三维坐标和它对应的图像二维坐标的相互关系。要确定空间某点的三维坐标和它对应的图像二维坐标的相互关系，需要建立图像传感器(下面以照相机为例来说明)成像的几何模型，并确定其中的几何模型参数(在本文中我们称为成像参数)，这个过程称为照相机标定。

照相机标定算法的基本思路是：选定空间某已知物体作为标定参照物，通过对其进行图像处理以及一系列数学变换和计算方法，计算照相机的内部参数和外部参数。内部参数包括摄像头焦距、镜头畸变系数、图像坐标原点等参数，外部参数包括物体相对于摄像头的水平和旋转位移。

照相机标定的精度，对于后续的工作将产生巨大的影响，是非常关键的步骤之一。为了选择满足要求的标定算法，本发明的设计者调研了各种标定算法，简单介绍如下：

1.利用最优化算法的标定方法：

FAIG提出的方法是这一类技术的典型代表，该方法利用了针孔照相机模型的共面约束条件。假设照相机的光学成像模型非常复杂，考虑照相机成像过程的各个因素，每一幅图像至少需要17个参数完成标定功能，计算量非常大。

这一算法的优点是可以假设照相机的光学成像模型非常复杂。但是缺点在于：标定的结果取决于初始给定值，如果初始给定值不恰当，很难可以通过优化得到正确的结果；另外，优化程序非常费时，无法实时的给出结果。

2.直接线性变换方法：

Karara提出，直接求解线性变换可以完成照相机标定中模型参数的求解，这是此算法的吸引人之处。此方法的缺点是没有考虑镜头的非线性畸变因素的影响，因而存在较大误差。当计算精度要求较高时，线性模型往往不能够准确描述几何模型计算对应关系，因此要采用非线性模型。

3.两步法：

Tsai提出了一种基于径向约束条件的两步法。此方法首先利用径向约束条件求解照相机的外部参数，然后求解照相机的其他参数。此方法的精度比较高，缺点是对设备的要求也比较高，因此，此方法的精度是以算法和设备的复杂度为代价的。

4.张正友标定方法

该方法假定标定平板平面在世界坐标系中z＝0，通过线性模型计算出参数的最优解，然后用基于最大似然法进行非线性求精。这种方法先标定求出畸变参数，然后再求照相机的内、外部参数。此方法具有良好的鲁棒形，并且不需要昂贵的精致标定块，很有实用性。但是此模型假定直线经过照相机成像仍然保持直线，对于广角照相机误差较大。关于张正友标定法，可以参见张正友(ZhengyouZhang)的“FlexibleCameraCalibrationByViewingaPlaneFromUnknownOrientations”，0-7695-0164-8/99$10.00(c)1999IEEE。

利用以上各种标定方法均可以求出空间某点的三维坐标和它对应的图像二维坐标之间的相互关系，即可以求得照相机的成像几何模型和成像参数。该成像几何模型和成像参数可应用于以后任何时候应用该相机所捕获的图像中的点与真实世界中的点的对应，只要照相机的镜头不替换、照相机在X射线系统中的位置以及照相机的拍摄视角不变即可。在照相机的成像几何模型和成像参数已被标定的情况下，已知某点在该照相机所拍摄的图像中的坐标位置则可以求得其在真实世界里的坐标位置，反之亦然。

响应于在显示器显示的图像上对关注区域或关注点的选择，计算装置209首先计算期望曝光视场的中心在图像上的位置。在一个实施例中，计算所选的关注区域的中心在图像上的位置作为期望曝光视场的中心在图像上的位置，或者计算所选的关注点在图像上的位置作为期望曝光视场的中心在图像上的位置。然后，计算装置209利用所存储的成像参数及成像几何模型来计算曝光视场的中心在真实世界中的位置(即在患者身上的实际位置)，也即X射线源的位置在患者身上的投影位置。在本发明中，X射线源距离患者的高度在调节过程中是不变的。因此，得知了X射线源的投影位置，可以很容易地得出X射线源的真实位置，也即X射线源的目标位置。

在一个实施例中，计算装置209还根据所选关注区域来计算期望曝光视场的实际大小。首先，计算装置209计算构成关注区域的边界的点在图像上的位置坐标，然后根据所述点在图像上的位置坐标以及图像传感器的成像几何模型和成像参数，确定这些点在患者身上的实际位置坐标。然后，计算装置209根据边界点的实际位置坐标确定关注区域的实际尺寸，并根据关注区域的实际尺寸确定期望曝光视场的大小。通常，将期望曝光视场的大小选择为使得期望曝光视场与关注区域完全重叠或略大于关注区域。对于给定X射线系统来说，曝光视场的区域大小和限束器开口大小之间的关系是已知且固定的。根据该关系基于期望曝光视场的区域大小计算装置209可以计算出限束器开口要调节到的大小。从而，控制装置205根据所计算出的限束器开口大小来调节限束器，以便期望曝光视场的区域与关注区域基本一致，或适量地大于关注区域。限束器的开口大小与曝光视场的区域大小之间的已知对应关系是预先通过试验求得的，并被记录在X射线系统中。

一般地，计算装置209并不需要计算出全部边界点的位置坐标，而只需计算出一部分边界点的位置坐标即可。例如，曝光视场和所选关注区域通常为矩形或正方形。在这种情况下，计算装置209可以只计算出关注区域的四个顶点的图像位置坐标，再分别计算出每个顶点在真实世界中的对应坐标位置，然后就可以计算关注区域的真实尺寸并根据该尺寸确定期望曝光视场的区域大小。以上以矩形或正方形的关注区域和曝光视场区域为例来进行说明，本领域技术人员可以理解的是，其它形状的关注区域和曝光视场区域也是可行的，其计算方法与上述类似，在此不再赘述。

根据本发明的一个优选实施例，在操作员选择关注区域或关注点之前，还在显示器上的患者图像上显示当前曝光视场的位置和区域范围。为此，计算装置209根据当前X射线源的位置及限束器开口的大小计算当前曝光视场的中心和各顶点的位置坐标，并根据照相机的成像几何模型和成像参数计算中心和各顶点在图像上的位置。从而，控制装置205可以根据所计算出的当前曝光视场的中心和各顶点在图像上的位置控制显示器将当前曝光视场的中心和区域范围显示在患者图像上。这样，操作员无需打开限束器的照射灯即可直观地观察当前曝光视场是否满足要求。如果满足要求，则无需进行调节。如果不满足要求，则如上所述通过在图像上选择关注区域或关注点来进行调节。

在以上说明中，X射线系统预先存储有经标定而得到的照相机的成像几何模型和成像参数以及X射线源距离检查台(即患者)的高度、限束器开口的大小与曝光视场的区域大小之间的关系等。例如，可以在根据本发明的X射线系统出厂前即对照相机208进行标定，并将得出的成像几何模型和成像参数记录在X射线系统中以供计算装置209后续使用。另外，X射线源的当前位置、限束器开口的当前大小等参数对于X射线系统来说是已知的。

在一个实施例中，在进行照相机标定时，以患者身体所位于的平面(也即检查台所在的平面)作为坐标系的XY平面，以检查台上的某固定点作为原点，因为在X射线系统中照相机208所拍摄的为患者的图像，这样的坐标系便于计算曝光视场的位置和大小。因此，曝光视场的中心在世界坐标系的Z轴上的坐标为O。X射线源的目标位置的X、Y轴坐标等于期望曝光视场的X、Y轴坐标，X射线源的目标位置的Z轴坐标等于X射线源距离检查台(即距离患者)的高度h。应当理解的是，也可以使用其它的平面作为XY平面，或者使用其它的点作为原点。

在使用上述坐标系的情况下，图像上的任一点的坐标 $\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]$ 与其在世界坐标系中的坐标的关系如下：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=A1\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]$ 公式1

其中A即是拍摄所述数字图像的照相机的成像参数，其可能不只是一种参数，可以为参数矩阵、多种参数的组合函数等。通过预先的相机标定技术(例如以上所述的各种方法中的任何一种，或者其它标定技术)可以求出成像参数A。公式1所体现的是照相机的成像几何模型。

响应于在显示器显示的图像上对关注区域或关注点的选择，计算装置209首先计算所选的关注区域的中心在图像上的位置作为期望曝光视场的中心在图像上的位置，或者计算所选的关注点在图像上的位置作为期望曝光视场的中心在图像上的位置。然后，计算装置209利用所存储的成像参数A根据公式1来计算曝光视场的中心在真实世界中的位置(即在患者身上的实际位置)，即：

$\left[\begin{array}{c}{X}_0\\ Y_0\end{array}\right]=A1\left[\begin{array}{c}{u}_0\\ v_0\end{array}\right]$ 公式2

其中， $\left[\begin{array}{c}{X}_0\\ Y_0\end{array}\right]$ 为曝光视场的中心在真实世界的世界坐标系中的X轴和Y轴上的位置坐标(其中X轴和Y轴在患者身体所位于的平面内)， $\left[\begin{array}{c}{u}_0\\ v_0\end{array}\right]$ 为计算装置209所计算出的期望曝光视场的中心在图像上的位置坐标，A是照相机208的经过标定而得出的成像参数。

如前所述，曝光视场的中心的位置为X射线源的位置在患者身体表面上的投影位置。因此，X射线源在X轴和Y轴上的目标位置坐标也分别为X₀，Y₀。另外，由于X射线源距离患者身体平面的高度h不变且已知，因此，可以知道X射线源的目标位置在Z轴上的坐标为h。这样就求得了X射线源的目标位置。

在一个实施例中，计算装置209还进一步计算为了到达目标位置X射线源所需移动的距离。为此，计算装置209根据X射线源的当前位置和目标位置分别在X轴和Y轴上的坐标求得在X轴和Y轴上所要移动的距离Δx和Δy。然后控制装置控制诸如定位器或OTS的移位装置使X射线源相对于患者在X轴和Y轴上分别移动Δx和Δy。

在生产中，可以将上面所述的图像传感器、计算装置、控制装置、显示器做成分离的模块分散在X射线系统中。例如，图像传感器位于限束器的底面上，计算装置和控制装置位于OTS控制台或与X射线系统进行通信的工作站上，显示器为OTS控制台、便携式控制台或工作站的显示器。可替换地，也可以将图像传感器、计算装置、控制装置做成一个单独的用于X射线系统的曝光视场自动调节的模块，该模块可通过接口附接到X射线系统并与X射线系统以及显示器所在的装置进行通信，以实现本发明。

以上以单个图像传感器为例说明了本发明，但本领域技术人员应当理解的是，多个图像传感器同样适用于本发明。图3示出了根据本发明的实施例的具有两个图像传感器的限束器的底视图。在该实施例中，两个图像传感器布置在限束器上的不同位置处。这两个图像传感器分别捕获患者的图像，两个图像中的任一个被显示在显示器上供用户选择关注区域或关注点。在关注区域或关注点被选择后，计算装置分别计算期望曝光视场的中心在两个图像中的坐标，并根据各个图像传感器的成像几何模型和成像参数计算出相应的两个世界坐标系坐标。由于每个照相机在成像时会有失真，计算出的这两个世界坐标系坐标可能不相等。通过组合这两个世界坐标系而求出最终的期望曝光视场的中心的位置，可以在一定程度上补偿失真误差。例如，可以对这两个世界坐标系坐标求平均值，或者分别乘以经过试验得出的各自的加权系数，来得出最终的期望曝光视场的中心的位置。

图5示出了根据本发明的一个实施例的在两个图像传感器的情况下计算曝光视场的位置和大小的示意图。在该实施例中，采用上面提到的坐标系为例来进行说明。照相机1和照相机2关于限束器的中心对称地布置在限束器的底面上，且均与限束器的中心相距几厘米远。照相机1和照相机2都是经过标定的，它们的成像参数分别为A1和A2，则可知真实世界中的点与照相机1和2所拍摄的图像中的点的坐标关系分别如下：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=A1\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]$ 公式3

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=A2\left[\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right]$ 公式4

假设所选的关注区域或关注点为图像上的点E，计算装置计算出该点E在照相机1所拍摄的图像中的坐标为(u₁，v₁)，在照相机2所拍摄的图像中的坐标为(u₂，v₂)。则可以得出点E在真实世界中的两对坐标：

$\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ Y_1\end{array}\right]=A1\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ v_1\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{X}_2\\ Y_2\end{array}\right]=A2\left[\begin{array}{c}{u}_2\\ v_2\end{array}\right]$

对双照相机系统进行标定时，除了确定两个照相机各自的成像几何模型和成像参数外，还确定真实世界中某点根据两个照相机各自的成像公式3和4所计算出的坐标的加权系数，即还通过迭代试验确定下面的公式中的系数B和C为何值时所得出的 $\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]$ 坐标值最接近真实值：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=B\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ Y_1\end{array}\right]+C\left[\begin{array}{c}{X}_2\\ Y_2\end{array}\right]$ 公式5

系数B和C也称为校正系数，这些系数一旦在标定过程中被确定，与成像参数A一样也被记录并可以应用于后续的任何一次X射线检查。

将所计算出的点E的两对坐标(X₁，Y₁)和(X₂，Y₂)代入上述公式5，即可得到最终的期望曝光视场的中心的坐标。如前所述，期望曝光视场的中心的X和Y坐标也即X射线源的目标位置的X和Y坐标。

类似地，还可以计算出经过校正的期望曝光视场的范围。

通过以上所述的双图像传感器的实施例，可以减小或补偿失真误差，提高调节曝光视场的精度。

在以上所述的各个实施例中，图像传感器不仅可以拍摄单幅数字图像，还可以拍摄多幅数字图像或拍摄视频图像，并将它们显示在显示器上。用户可以挑选合适的数字图像或选取视频中的某帧图像作为供选择关注区域或关注点的图像。

图6示出了根据本发明的一个实施例的X射线系统的通信线路的示意图。在该实施例中，两个图像传感器1和2将所拍摄的图像或视频传送给OTS控制台，再经由OTS控制台传送到便携式控制台或工作站的显示器上。安装在限束器上的两个图像传感器1和2可以分别通过AV线缆1和AV线缆2连接到OTS控制台的AV1接口和AV2接口。OTS控制台将来自图像传感器的AV数据转换成以太网数据，并通过以太网视频线缆传送给便携式控制台或工作站。

图7示出根据本发明的一个实施例的自动调节曝光视场的方法的示意性流程图。在步骤701，通过图像传感器捕获X射线系统的检查台处的患者的图像。在步骤702，根据X射线源的当前位置、限束器的开口大小以及所述图像传感器的成像参数确定当前曝光视场的中心在所述图像上的位置以及当前曝光视场在图像上所覆盖的范围。将所捕获的图像显示在显示器上(步骤703)，其中在图像上标识出了当前曝光视场。用户观察图像上的当前曝光视场是否满足要求，如果满足，则流程结束。如果不满足，则用户在所述图像上选择关注区域或关注点(步骤704)。响应于该选择，自动地确定与期望曝光视场相对应的X射线系统的X射线源的目标位置(步骤705)，当X射线源位于所述目标位置时，所述关注区域或关注点落在所述期望曝光视场内。在一个实施例中，先确定关注区域或关注点落在其内的期望曝光视场的中心在图像上的位置坐标，然后根据该位置坐标以及该图像传感器的成像参数确定期望曝光视场的中心在世界坐标系中的位置坐标，继而根据X射线源与曝光视场的中心的已知的对应位置关系确定射线源的目标位置的坐标。优选地，可以将关注区域的中心在图像上的坐标或关注点在图像上的坐标作为期望曝光视场的中心在图像上的位置坐标。响应于关注区域或关注点的选择，根据成像参数确定期望曝光视场的区域大小(步骤706)。步骤705和706可以同时执行或者先后执行，可以先执行705也可以先执行706。响应于目标位置的确定，X射线源被自动地定位在目标位置(步骤707)。响应于期望曝光视场的区域大小的确定，例如通过调节限束器的开口大小来将曝光视场的区域调节到期望的大小(步骤708)。同理，步骤707和708的执行也不分先后。

图7所示的实施例仅仅是示例性的，其中的步骤并不都是必需的。例如，可以不执行步骤702、706、708中的任何一个或其组合。

已经通过对以上各个实施例的描述示例性地说明了本发明。本发明利用视频辅助技术帮助用户自动地调节曝光视场。通过以上描述可知，通过本发明，用户在对患者进行X射线检查时，无需手动地调节曝光视场的位置和区域大小，无需打开限束器的照射灯，并且可以远程地进行调节。本发明的各个实施例均具有以上优点中的一个或多个。

虽然上述已经结合附图描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变、修改和等效替代。这些改变、修改和等效替代都意为落入随附的权利要求所限定的精神和范围之内。

Claims (22)

1.一种用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，包括步骤：

通过图像传感器捕获X射线系统的检查台处的患者的图像，其中所述图像传感器被布置在X射线系统中的预定位置处；

将捕获的图像显示在显示器上以供用户在所述图像上选择关注区域或关注点；

响应于在所述图像上对关注区域或关注点的选择，自动地确定X射线源的目标位置，其中，当X射线源位于所述目标位置时获得覆盖所述关注区域或关注点的期望曝光视场；

响应于所述目标位置的确定，自动地使所述X射线源定位在所述目标位置；

根据X射线源的当前位置以及所述图像传感器的成像参数，确定当前曝光视场的中心在所述图像上的位置；

根据X射线源的限束器的当前开口大小以及所述图像传感器的成像参数，确定X射线源的当前曝光视场在所述图像上的大小；以及

在显示在显示器上的所捕获的图像上示出当前曝光视场的大小及其中心的位置。

2.如权利要求1所述的用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，其中，所述自动地确定X射线系统的X射线源的目标位置的步骤包括：

响应于关注区域或关注点的选择，确定所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置；以及

根据所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置以及所述图像传感器的成像参数，确定所述X射线源的目标位置。

3.如权利要求2所述的用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，其中，根据所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置确定所述X射线源的目标位置的步骤还包括：

根据所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置以及所述图像传感器的成像参数，确定所述期望曝光视场的中心在患者身上的实际位置；以及

根据所述期望曝光视场的中心在患者身上的实际位置以及所述X射线源与所述中心之间的固有位置关系确定所述X射线源的目标位置。

4.如权利要求1所述的用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，还包括步骤：

响应于在所述图像上对关注区域的选择，自动地确定所述期望曝光视场的大小；以及

对所述X射线源的限束器的开口大小进行调节以实现所述期望曝光视场的大小。

5.如权利要求4所述的用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，其中，自动地确定所述期望曝光视场的大小的步骤包括：

根据构成所述关注区域的边界的点在所捕获的图像上的位置坐标以及所述图像传感器的成像参数，确定构成所述边界的点在患者身上的实际位置坐标；

根据所述实际位置坐标确定所述关注区域的实际尺寸；以及

根据所述关注区域的实际尺寸，确定所述期望曝光视场的大小。

6.如权利要求2所述的用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，其中，所述期望曝光视场的中心为所述关注区域的中心或为所述关注点。

7.如权利要求1中所述的用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，其中，确定所述X射线源的目标位置包括根据所述X射线源的当前位置和目标位置确定为了实现所述期望曝光视场所述X射线源需要移动的距离。

8.如权利要求7所述的用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，其中，X射线源的目标位置是指X射线源相对于患者的目标位置，其中通过利用球管吊架移动X射线源以及/或者利用定位器移动患者来使所述X射线源相对于患者移动所述距离而定位在所述目标位置。

9.如权利要求1所述的用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，其中，所述图像传感器包括分别布置在X射线系统中的相应预定位置的两个图像传感器。

10.如权利要求9所述的用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，其中，所述自动地确定X射线系统的X射线源的目标位置的步骤包括：

响应于关注区域或关注点的选择，分别确定所述期望曝光视场的中心在所述两个图像传感器分别捕获的第一图像和第二图像上的位置；

根据所述期望曝光视场的中心在所述第一和第二图像上的位置以及所述两个图像传感器的各自的成像参数，分别确定所述X射线源的对应于第一图像的第一目标位置和对应于第二图像的第二目标位置；以及

将所述第一目标位置和所述第二目标位置分别乘以相应的预定加权校正系数并相加而得到所述X射线源的目标位置。

11.如权利要求1所述的用于自动调节X射线系统的曝光视场的方法，其中，所述显示器可以是X射线系统的本地控制台的显示器、与所述本地控制台进行通信的工作站的显示器或者与所述本地控制台或所述工作站进行通信的便携式控制台的显示器。

12.一种X射线系统，包括：

X射线源，用于发射X射线以在患者身上形成曝光视场；

图像传感器，其被布置在所述X射线系统中的预定位置以用于捕获所述患者的图像；

显示器，用于显示所捕获的所述患者的图像以供用户在所述图像上选择关注区域或关注点；

计算装置，其被配置为计算X射线源的目标位置，其中，当X射线源位于所述目标位置时获得覆盖所述关注区域或关注点的期望曝光视场；

移位装置，用于将X射线源定位在所述目标位置；

控制装置，其被配置为响应于所述关注区域或关注点的选择而控制计算装置开始计算所述目标位置，以及响应于计算出的目标位置而控制移位装置将X射线源定位在所述目标位置；

当前曝光视场中心计算单元，其根据X射线源的当前位置以及所述图像传感器的成像参数，确定当前曝光视场的中心在所述图像上的位置；以及

当前曝光视场大小计算单元，其根据X射线源的限束器的当前开口大小以及所述图像传感器的成像参数，确定X射线源的当前曝光视场在所述图像上的大小，

其中，所述控制装置根据所计算出的当前曝光视场在所述图像上的大小及其中心在所述图像上的位置将当前曝光视场的大小及其中心示出在显示在显示器上的所述图像上。

13.如权利要求12所述的X射线系统，其中，所述显示器可以是X射线系统的本地控制台的显示器、与所述本地控制台进行通信的工作站的显示器或者与所述本地控制台或所述工作站进行通信的便携式控制台的显示器。

14.如权利要求12所述的X射线系统，其中，所述计算装置进一步包括：

期望曝光视场中心计算单元，用于计算所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置；以及

目标位置计算单元，用于根据所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置以及所述图像传感器的成像参数，确定所述X射线源的目标位置。

15.如权利要求12所述的X射线系统，还包括期望曝光视场大小计算单元，所述期望曝光视场大小计算单元被配置为响应于在所述图像上对关注区域的选择而自动地确定所述期望曝光视场的大小，其中所述控制装置响应于所述期望曝光视场的大小的确定而调节所述X射线源的限束器的开口大小以实现所述期望曝光视场的大小。

16.如权利要求14所述的X射线系统，其中所述目标位置计算单元根据所述期望曝光视场的中心在所述图像上的位置以及所述图像传感器的成像参数确定所述期望曝光视场的中心在患者身上的实际位置、然后根据所述期望曝光视场的中心在患者身上的实际位置以及所述X射线源与所述中心之间的固有位置关系确定所述X射线源的目标位置。

17.如权利要求15所述的X射线系统，其中所述期望曝光视场大小计算单元根据构成所述关注区域的边界的点在所捕获的图像上的位置坐标以及所述图像传感器的成像参数确定构成所述边界的点在患者身上的实际位置坐标、根据所述实际位置坐标确定所述关注区域的实际尺寸、然后根据所述关注区域的实际尺寸，确定所述期望曝光视场的大小。

18.如权利要求12所述的X射线系统，其中，所述目标位置计算单元还根据所述X射线源的当前位置和目标位置计算为了实现所述期望曝光视场所述X射线源需要移动的距离。

19.如权利要求18所述的X射线系统，其中，X射线源的目标位置是指X射线源相对于患者的目标位置，其中所述移位装置包括用以移动X射线源的球管吊架以及用以移动患者的定位器，以及其中通过所述球管吊架和/或所述定位器来使所述X射线源相对于患者移动所述距离而定位在所述目标位置。

20.如权利要求12所述的X射线系统，其中，所述图像传感器包括分别布置在X射线系统中的相应预定位置的两个图像传感器，所述两个图像传感器分别拍摄患者的第一图像和第二图像。

21.如权利要求20所述的X射线系统，其中，所述计算装置进一步包括：

期望曝光视场计算单元，用于分别计算所述期望曝光视场的中心在所述第一和第二图像上的位置；以及

目标位置计算单元，用于根据所述期望曝光视场的中心在所述第一和第二图像上的位置以及所述图像传感器的成像参数，分别确定所述X射线源的对应于第一图像的第一目标位置和对应于第二图像的第二目标位置；

加权计算单元，用于将所述第一目标位置和所述第二目标位置分别乘以相应的预定加权校正系数并相加以作为所述X射线源的目标位置。

22.一种用于X射线系统的曝光视场自动调节装置，包括：

图像传感器，其被布置在所述X射线系统中的预定位置，以用于捕获检查台上的待检查患者的图像并将所捕获的图像传送给显示器以供用户选择关注区域或关注点；

计算装置，其被配置为计算X射线系统的X射线源的目标位置，其中，当X射线源位于所述目标位置时获得覆盖用户所选择的关注区域或关注点的期望曝光视场；

控制装置，其被配置为响应于用户在所捕获的图像上对所述关注区域或关注点的选择而控制计算装置开始计算所述目标位置，以及响应于计算出的目标位置而向X射线系统发送定位信号以将X射线源定位在所述目标位置；

当前曝光视场中心计算单元，其根据X射线源的当前位置以及所述图像传感器的成像参数，确定当前曝光视场的中心在所述图像上的位置；以及

当前曝光视场大小计算单元，其根据X射线源的限束器的当前开口大小以及所述图像传感器的成像参数，确定X射线源的当前曝光视场在所述图像上的大小，

其中，所述控制装置根据所计算出的当前曝光视场在所述图像上的大小及其中心在所述图像上的位置将当前曝光视场的大小及其中心示出在显示在显示器上的所述图像上。