CN100506153C - 对准和重叠医疗成像的系列拍摄中的图像数据的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于对医疗成像的系列拍摄中的图像数据进行对准和重叠的方法。利用成像系统对患者检查区域的、有时间间隔的多个图像数据组进行绘制并且与此前绘制的检查区域的第一图像数据组进行关联。在拍摄期间，用定位系统一直或至少在各个接近绘制单个图像数据组的时候在一个与成像系统关联的固定参考系统中采集检查区域的瞬时空间状态，并在绘制第一图像数据组时确定检查区域的第一空间状态。在记录一些或所有其它图像数据组时分别采集检查区域的瞬时空间状态，并基于第一和瞬时空间状态之间的差别几何匹配第一图像数据组的图像内容，使得检查区域的不同空间状态得到补偿。然后，将几何匹配的第一图像数据组与各个其它图像数据组重叠着显示。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对医疗成像的系列拍摄中的图像数据进行对准和重叠的方法，其中，利用成像系统对患者检查区域的、有时间间隔的多个图像数据组进行绘制，并且将该多个图像数据组与此前利用成像系统绘制的检查区域的第一图像数据组进行关联，特别是用于借助X射线透视对医疗干预进行监视。此外，本发明还涉及一种实施该方法的成像系统。
背景技术
在许多医疗干预中，必须将器械、特别是导管精确地穿过一个身体部位而引入到患者的身体管道中。例如在神经放射学中，为了诊断和治疗在头部、颈部和脊柱上的血管疾病和其它疾病，需要这种干预。在这种情况下，将导管通过末梢动脉引入到感兴趣的血管。
对器械的精确引导代表了一种要求高的任务。就在神经放射学的干预中，可能由于很多分支和损伤的动脉段而明显加大了引导导管通过动脉系统的难度。为了帮助医生，公知的是通过成像方法、特别是利用单平面或双平面X射线系统进行的成像来支持该干预。在此，在干预期间通过成像系统一直提供并为医生显示检查区域的二维投影图像。在这些图像中可以看出器械的瞬时位置。但是，由于图像采集是二维的，因此在患者解剖结构内部的定向仍然是困难的。
因此，还采用了这样的技术，其中在干预开始之前利用同样的C型成像系统绘制检查区域的三维图像数据组，并在干预期间与二维的图像同时显示。该显示可以通过将3D图像数据组与相应2D图像数据组重叠来实现。在这种情况下，将实时绘制的2D图像与被再现的，预先采集的3D图像数据组进行重叠，以便得到所谓的3D路标。另一种方法在于，将感兴趣的特征(例如导管的尖端)的位置从2D图像传送到3D图像数据组或者反之。这点可以通过在两幅图像中标记该位置手动地实现，或者通过在图像数据中对导管尖端自动检测而实现。这种技术也公知为“链接的光标”。两种技术在本发明申请中被归纳为概念2D/3D图像重叠。
2D/3D图像重叠的基本前提是，必须知道所绘制的2D和3D图像数据组之间的几何关系。在检查对象静止的条件下，这点可以通过简单的校准过程，例如在使用校准模型的条件下实现。但是，如果患者在绘制3D图像数据组和随后的2D绘制之间运动了，则该校准是无效的。在神经放射学干预的情况下，这可能导致不能正确地在3D图像中显示导管的位置。患者的运动需要绘制新的3D图像数据组。不过，由于在可以使用的X射线剂量和可以使用的造影剂上的限制，这种对校准更新经常不能进行。
迄今为止，通过对2D/3D图像数据组的对准来避免该问题。在该对准中通过几何操作、特别是平移和旋转，将3D图像数据组与各个当前的2D数据组匹配。这点通过利用两个数据组中包含的信息而实现。一种对准的方法在于，识别在两个数据组中可见的特征结构。然后，根据这些结构实现两个数据组的对齐。在此，可以是解剖学上的标志、例如血管或者骨骼，或者是在3D和2D成像期间固定在患者上的人工标记。另一种对准的方法在于，采用基于图像的方法，这些方法试图使从3D图像数据组人工计算出来的投影和2D图像之间的相似性最大。
对于2D/3D对准的例子可以例如参考J.Weese等人的论文：“2D/3DRegistration and Motion Tracking for Surgical Interventions”，Philips Journal ofRsearch 51(1998)，299-316，和G.P.Penney等人“Validation of a two-tothree-dimensional registration algorithm for aligning preoperative CT imagesand intra-operative fluoroscopy images”，Med.Phys.28(6)，June 2001，1024-1032。
不过，在人工标记基础上的对准具有这样的缺点：标记的定位是困难、费时的并且有时仅仅通过侵入的途径才可能。此外，必须在图像中识别标记。这一般要求与用户的交互作用。对于解剖特征基础上的对准，精度是有限的，因为这些种标志难于精确定位，基于图像处理的对准技术经常要求非常高的计算能力和对应的计算时间。此外，这些方法经常在数值上不稳定并且同样要求与用户的交互作用。
DE 10051370 A1涉及一种用于在辐射治疗或者放射外科手术中对患者进行精确定位的方法。在该领域中利用计算机断层造影设备建立检查区域的三维图像数据组，在该基础上计划随后的辐射治疗，例如对肿瘤的照射。然后，患者应该尽可能精确地相对于辐射治疗所需的线性加速器定位，以便尽可能精确地在所计划的位置上保持照射。在该文献中尽可能精确的定位这样实现，即，在线性加速器上从两个不同方向绘制X射线透视图像，据此通过与根据此前建立的3D图像数据组而相应重建的(虚拟的)透视图像比较，来确定位置是一致还是有偏差。然后，为了补偿该位置偏差，可以通过移动患者卧榻来匹配患者的状态。其中，患者的预先定位借助于计算机和摄像机控制的导航和跟踪系统利用在患者上的人工标记实现。
DE 10250655 A1与DE 10051370 A1一样描述了用于同样应用目的患者定位系统。为了解决定位问题，在该文献中既在CT设备又在线性加速器上使用了表面图像生成器，对其图像进行比较并用于对患者的精确定位。
发明内容
从该现有技术出发，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于对医疗成像的系列拍摄中的图像数据进行对准和重叠的方法，该方法使得在不需费事的用户交互作用的条件下可以精确重叠。
在用于对医疗成像的系列拍摄中的图像数据进行对准和重叠的该方法中，利用成像系统对患者检查区域的、有时间间隔的多个图像数据组进行绘制并且与此前利用该成像系统绘制的检查区域的第一图像数据组进行关联，其中，采用了一个定位系统，在进行系列拍摄期间，借助于该定位系统一直或者至少在各个接近绘制单个图像数据组的时候在一个与成像系统连接的固定参考系统中采集检查区域的瞬时空间状态。在绘制第一图像数据组、优选为3D图像数据组时保持检查区域的第一空间状态不变。按照同样的方式，在绘制一些或者所有其它图像数据组(其中优选为2D图像数据组)时同样采集该检查区域的瞬时空间状态。在绘制每个其它图像数据组之后，基于第一和瞬时空间状态之间的差别分别这样几何地匹配、特别是旋转和/或移动第一图像数据组的图像内容，使得检查区域的不同空间状态得到补偿。然后，将按照这种方式几何匹配的第一图像数据组或者由其导出(如再现)的图像数据组或与其通过对准状态正确关联的图像数据组，与各个其它图像数据组或者从中导出的，例如只包含一些细节的图像数据组重叠或者组合地来为用户显示，在此，可以采用在说明书开始部分介绍的2D/3D图像重叠技术。
与第一图像数据组通过对准状态正确关联的图像数据组，可以例如是利用其它模态绘制的数据组。例如，在此在采用X射线C型设备绘制的第一和其它图像数据组可以是利用CT、MR或PET设备所绘制的图像数据组。
利用本方法可以可靠和实时地对医疗成像的系列拍摄中的图像数据组进行对准和重叠。本方法特别适合于2D/3D图像对准和重叠，尤其是在医疗干预期间的路径测绘(Roadmapping)领域中。利用该方法按照同样的方式也可以将所谓4D数据组与其它数据组进行对准，其中，4D数据组除了三维位置信息之外还包含时间信息。由于该方法在没有人工或者解剖标记的条件下进行，因此在治疗患者期间不需要费事的用户交互作用。唯一的附加措施在于必要时为定位系统而设置状态传感器以及必要时对该定位系统进行一次性的校准。不过，该校准是非常简单的并可以容易地与为3D数据获取而进行的校准结合起来。所提出的用于通过定位系统对图像数据进行对准的方法不需要费事的计算操作，因此可以容易地实时实施。
作为定位系统优选地采用可以在三维空间中测量状态传感器的位置和取向(共6个自由度)的设备。这种定位系统的例子有光电位置传感器，如OPTTRAK 3020，Northern Digital，Waterloo，Kanada或者电磁定位系统，例如来自Biosense Webster Inc.，Diamond Bar，CA，USA的，或者Ascension公司，Milton，VT，USA的System Bird。自然也可以采用其它可以用来在空间上采集检查区域的空间状态的定位系统。例如，也可以在检查对象上设置3个位置传感器，从中可以推导出检查区域的空间位置和取向。在不设置在患者上的条件下工作的光学扫描系统等也是可以的。
本发明的成像系统至少包括：射线源、检测器、患者卧榻、控制单元、对准单元、图像处理单元和图像显示单元，其中，图像处理单元用来将所存储的图像数据组与至少一个刚刚绘制的图像数据组在图像显示单元上重叠地显示。成像系统的特征在于，对准单元和图像处理单元构造用来按照本发明的方法在定位系统的瞬时状态数据的基础上进行对准和图像重叠。特别是将对准单元这样构成，使得为了在由定位系统采集的患者的运动的基础上对所存储的图像数据组的图像内容进行几何匹配。对准单元这样实时地对图像处理单元进行控制，使得在将存储的图像数据组与刚刚绘制的图像数据组重叠时补偿所采集的运动。
附图说明
下面结合附图根据实施方式作对本发明方法以及所属的成像系统再次进一步说明。其中，
图1表示作为用于实施本发明方法的成像系统的C型设备的例子，
图2表示在图1的C型设备中对定位系统进行校准的例子，
图3表示绘制带有检查区域的第一空间状态的第一图像数据组的例子，和
图4表示绘制其它数据组以及重叠的例子。
具体实施方式
下面根据应用在神经放射医学中的X射线血管造影设备描述本发明方法。该方法自然又可以在必须进行系列拍摄并部分地与此前建立的图像数据组进行重叠显示的其它医疗成像技术中使用。
为了拍摄图像采用了在图1中示意性示出的用于神经放射医学的X射线血管造影设备1。该X射线血管造影设备1除了其它部件外包括：可以围绕两个轴旋转的C型1a，在该C型上固定着X射线管10和与该X射线管相对的检测器11；图像处理单元12和图像显示单元13。此外，该设备还包括：患者卧榻16，用于图像拍摄控制的控制单元14以及对准单元15。通过C型1a的旋转可以将检查期间位于患者卧榻16上的患者的检查区域的不同投影绘制为两维图像。所示出的X射线血管造影设备1还可以进行旋转血管造影拍摄并产生3D图像。在本发明方法中，使用了定位系统2来采集患者的检查区域(在本例中为患者的头部)的状态。该定位系统在本例中是一台可以用来在三维空间中测量状态传感器2a的位置和取向的设备。
在使用定位系统2之前必须在血管造影设备1和定位系统2的坐标系之间进行校准，该校准包括6个描述了两个坐标系相互之间的旋转和平移的参数。为了进行这种校准存在不同的方法可供使用。
校准的一种方法使用校准模型3。借助于X射线成像从不同的角度对其进行绘制。如在图2中示出的那样。在图像绘制1b期间定位系统2的传感器2a与校准模型3连接。通过模型3上的可以在绘制的X射线图像上检测到的标记3a和传感器2a之间的固定关系，可以在计算步骤4中计算传感器2a(以及由此定位系统的坐标系)相对于血管造影设备1的坐标系的空间状态。将该关系以及校准数据进行存储(5)。
-另一种校准技术涉及电磁定位系统的校准。在此，可以将发射器设置在一个其位置相对于血管造影设备的坐标系已知的地方。在这种情况下，不需要更多的校准步骤。
-在使用光学定位系统的条件下，可以将一个标记板设置在血管造影设备的检测器或者其它一个部件上，其位置相对于血管造影设备的坐标系已知。在此，也不需要更多的校准步骤。在这种情况下，另一种不需额外的校准步骤的方法是，将光学定位系统的摄像机固定安装在检查区域的顶部。
在本例中利用第一种描述的技术进行的校准一般仅仅需要在系统安装时进行一次。
在实施本方法时的做法由图3和4示出。首先，将定位系统2的传感器2a固定在患者17的头部，如由图3示意地示出的那样。这例如可以通过粘连接实现。直接在绘制3D图像数据组1b之前，自动地、即在没有用户交互作用的条件下，利用定位系统2采集传感器2a的瞬时状态，并由此采集患者17头部的瞬时状态。将起始状态6、即位置和取向在考虑所存储的校准数据5的条件下在成像系统1的参考系统中进行计算并同样地存储。然后，进行3D拍摄并将产生的3D图像数据组同样地存储(7)。
在随后的2D图像数据的图像拍摄期间1c，通过定位系统2一直采集传感器2a的各个瞬时状态。从存储的起始状态和传感器2a的瞬时状态的比较中，在考虑校准数据的条件下在对准单元15中计算出患者运动(8)。利用该信息将所存储的3D图像数据组对应地旋转和移动(9a)。然后，将分别绘制的2D图像和变换后的3D图像数据组进行重叠(9b)，并将重叠的图像在图像显示单元13上显示(9c)。
此外，除了迄今为止考察的对于刚体的变换之外，也可以针对弹性的设备部位(例如胸部)进行对准。在此，可以在胸部上设置多个采集弹性运动的传感器。然后，可以通过对第一图像数据组的适当几何变换将该运动与各个其它数据组对准并重叠。
Claims (8)
1.一种用于对医疗成像的系列拍摄中的图像数据进行对准和重叠的方法，其中，利用成像系统(1)对患者(17)检查区域的、有时间间隔的多个两维图像数据组进行绘制并且与此前利用成像系统(1)绘制的检查区域的三维图像数据组进行关联，其中，
-在进行系列拍摄期间，借助于定位系统(2)一直或者至少在各个接近绘制各三维图像数据组的时候在一个与成像系统(1)关联的、固定的参考系统中采集该检查区域的瞬时空间状态，
-在绘制三维图像数据组时保持检查区域的第一空间状态，
-在绘制一些或者所有其它两维图像数据组时分别采集该检查区域的瞬时空间状态，并基于第一空间状态和瞬时空间状态之间的差别几何匹配三维图像数据组的图像内容，使得该检查区域的不同空间状态得到补偿，和
-将几何匹配的三维图像数据组或者由该三维图像数据组导出的或与该三维图像数据组通过对准而状态正确关联的图像数据组，与各个所述其它两维图像数据组或者从该其它两维图像数据组中导出的两维图像数据组结合着显示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用作为成像系统(1)的X射线C型设备绘制所述三维图像数据组和所述其它两维图像数据组。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将另一个成像系统的、与所述三维图像数据组通过对准而状态正确地关联的图像数据组与各所述其它两维图像数据组重叠着显示。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，对于所述三维图像数据组的图像内容的几何匹配，附加地使用一种回溯图像处理方法，以校正剩余的差别。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，实时地进行所述三维图像数据组的图像内容的几何匹配以及与各个所述其它两维图像数据组的重叠显示。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述三维图像数据组的图像内容的几何匹配包括在一个、两个或三个平移自由度上的平移和/或在一个、两个或三个旋转自由度上的旋转。
7.一种成像系统，至少包括：射线源(10)、射线检测器(11)、患者卧榻(16)、用于图像拍摄控制的控制单元(14)、对准单元(15)、图像处理单元(12)和图像显示单元(13)，
其特征在于，将所述对准单元(15)和图像处理单元设置成用于根据权利要求1至6中任一项所述方法进行图像数据的对准和重叠。
8.根据权利要求7所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统作为X射线C型设备构成。
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