CN101014981A - 用于运动关节的三维成像的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于生成运动的关节(1)的三维(3D)图像的系统和方法。旋转X射线设备(10)从不同的方向生成所述关节的投影，而同时关节(1)的同时的周期性运动由监视设备(20)记录。生成的X射线投影然后按照它们属于的关节运动的阶段被分类，并根据每个类别的X射线投影重建3D图像。因此，可以产生关节运动的3D电影，并监视器上显示它。监视设备(20)具体地可以由允许关节(1)的强迫运动与生成同步的X射线投影的设备实现。

Description

用于运动关节的三维成像的系统

发明领域

本发明涉及用于生成在关节运动的不同阶段时关节的三维图像的系统和方法。

发明背景

X射线是用于分析和诊断身体关节的(不正常)功能的重要的工具。为了研究膝关节的运动，在文献中提出首先通过计算机X射线层析摄影术(CT)生成关节的三维(3D)模型，然后通过从两个方向同时拍摄X光照片而记录关节运动(B.You，P.Siy，W.Anderst，S.Tashman：″InVivo Measurement of 3-D Skeletal Kinematics from Sequences of Biplane Radiographs：Application to Knee Kinematics(在根据双平面X光照相序列的3D骨架运动的体内测量中：应用到膝运动)″，IEEE Transactions on Medical Imaging，pp.514-525(2001))。在这个方法中，从所述X光照片得到的参数被用作为对3D关节模型的输入，以便生成3D电影。然而，实际的关节运动可能与这样的电影有很大的不同，因为后者依赖于多个假设，和因为把2D投影对准3D表示时会引入位置误差。

发明概要

根据这种情形，本发明的目的是提供一种用于对关节运动进行精确的和能高度地提供信息的分析的装置。

这个目的是通过按照权利要求1的系统和按照权利要求8的方法达到的。优选实施例在从属权利要求中公开。

按照第一方面，本发明涉及用于生成关节在它运动的不同的阶段的三维(3D)图像的系统。这里和在下面，术语“关节”包括身体的关节，如膝、腕、肘或肩以及通常具有运动的部件(特别是骨骼)的身体结构，例如脊柱。而且，术语“关节的运动”仅仅是指关节的内部运动，即它的部件(骨骼，软骨)互相相对的运动(旋转、位移、变形)，而不是关节的整体位移。在最简单的或简化的情形下，“关节运动”可以用弯曲/伸展的一个单独的角度描述。该系统包括以下主要部件：

a)旋转X射线设备，根据定义，它适合于从不同的方向生成一系列关节的投影。而且，X射线设备适合于在关节运动时，例如周期地弯曲和伸展时生成所述投影，旋转X射线设备具体地可以是所谓的C臂系统，其中X射线源和X射线检测器被固定在半圆形弧的不同的末端，该半圆弧能围绕中心轴或点转动，生成的投影序列包括获取关节运动的不同的阶段的投影。

b)监视设备，适合于在关节运动期间和在X射线投影生成期间提供关于关节的当前运动阶段的信息。所述运动阶段可以特别地由关节的不同骨骼之间形成的一个或多个角度来表征。监视设备任选地生成表示关节的当前所测量的运动阶段的模拟或数字信号。监视设备可选地能迫使关节有预定的运动和以“开环”方式提供关于当前的运动阶段的信息。

c)图像处理设备，例如数字计算机，用于把一系列上述那种投影再划分成不同的类别或组别的投影，其中一个类别的投影相应于(近似)关节的同一个运动阶段而其中所述运动阶段对于不同的类别是不同的。而且，图像处理设备适合于对于每个这样的类别根据所述类别中所包含的投影重建三维图像。所以，所述3D图像显示在关节运动的不同的阶段时的关节。

上述的系统具有这样的优点：它允许生成关节运动的与实际运动高度地相关的3D电影序列，因为它是基于关节的真实的3D图像。而且，这样的电影的生成对于在许多医学实验室中早已作为标准设备而存在的旋转X射线设备是可能的。

提供有关当前的关节阶段的信息的监视设备可以用许多不同的方式来实现。按照第一种可能性，监视设备包括位置测量系统，它适合于确定至少两个标记的空间位置和或取向，其中所述标记被布置在关节的不同的分段，和其中术语“标记”还包括具有几个部件的系统，例如三个或多个LED的装置。适用于这个用途的测量系统可以许多形式得到。例如，它们可以是基于电磁测量的，其中磁场传感器被用作为在关节上的标记，用来测量在时间上和空间上非均匀磁场。位置测量系统也可以是光学系统，其中例如发光的LED在关节上的位置由按照立体观察的原理被放置在空间上不同位置的视频照相机确定。

按照另一方面，监视设备包括至少一个测角器，它可被固定在关节上并测量角度，例如在关节的两个分段之间的角度。取决于将被观察的关节的类别，测角器可以适配于以一个或多个自由度测量角度。测角器典型地测量附着在关节上的韧带的弯曲度(应变)并且跟随关节的弯曲。

监视设备还可以由用于生成关节的图像的成像设备和由用于从所述图像得到关节的运动阶段的相应的估计单元实现。成像设备例如可以是视频照相机。然而，优选地，成像设备与系统的旋转X射线设备是一致的，由这个设备生成的图像是从不同的方向的X射线投影。这意味着，关节运动的当前的阶段是通过数字图像分析的适当的算法从X射线投影本身得到的。

监视设备的上述的实施例通过对其测量而提供关于当前的关节运动阶段的信息。按照另一方面，监视设备包括适用于迫使关节进行外部指定的运动的设备。所述设备例如可包括由铰链连接的静止的和可运动的支撑，其中可运动的支撑可以由某个电动机装置相对于静止支撑周期地绕轴转动。这样，如果关节的两个分段，例如上臂和前臂，被放置在不同的支撑上，则相应的关节将跟随支撑作指定的运动(假若设备的力足够强)。这种监视设备具有优点：关节的运动可以由外部指定，而不必由病人本人生成。这保证选定参数(例如，频率)的运动有高精度和可重现度。而且，即使在病人是失去知觉或相应的关节瘫痪时也可以进行研究。监视设备通过保证实行例如具有指定频率的已知运动，而明显地提供关于关节的当前运动阶段的信息(不用测量)。

在本发明的优选实施例中，系统适合于使得关节的运动与X射线设备投影生成能同步。特别地，X射线投影的生成的频率可以是周期性关节运动的频率的整数倍。这样的同步保证：对于关节运动的同一个相对阶段生成多个X射线投影。这样，这些阶段的3D图像有可能以高精度重建。关节运动和图像生成的同步例如可以通过每次到达关节的某个运动阶段时促成X射线投影而达到。而且，如果使用上述那种用于迫使关节实现外部运动的设备，就可以容易地达到同步。

该系统任选地可包括显示单元，例如监视器以显示重建的3D图像。所述显示器具体地可适合于以可缩放的时间尺度(例如，慢动作)显示关节运动的电影序列。在诊断时，从这样的运动序列可以得到宝贵的信息，仅从静止的X射线图像不能得到这样信息的。

本发明还涉及用于生成关节在它不同的运动阶段的三维(3D)图像的方法，包括以下步骤：

a)使关节运动(例如，一次扫描，周期扫描等等)；

b)在关节运动期间生成一系列X射线投影，所述投影是从不同的方向摄取的；

c)在步骤b)生成X射线投影期间确定关节运动的当前的阶段；

d)把系列的投影分类成相应于所确定的关节不同运动阶段的类别，并根据每个类别的投影重建3D图像。

该方法在总的形式上包括可以用上述的那种系统执行的步骤。所以，关于本方法的细节、优点和改进方面的更详细的信息可以参考前面的说明。

按照该方法的优选实施例，关节以与X射线投影的生成同步的方式主动地运动。关节的主动运动保证它的运动有高精度和可重现性，而关节运动与X射线投影的同步保证关节运动的相同的阶段的重复成像。

在该方法的另一个实施例中，关节运动的当前的阶段是根据用于3D图像重建的X射线投影导出的。在这种情形下，不需要另外确定关节运动用的设备。

参照此后描述的实施例将明白和阐述本发明的这些和其它方面。

附图简述

下面藉助于附图，作为例子描述本发明，其中：

图1示意地显示按照本发明用于生成关节运动的3D图像的系统；

图2示意地显示用于腕关节的强迫运动的设备；

图3显示关节角度、X射线设备的旋转角度、和X射线投影生成的时间过程。

优选实施例的说明

腕关节的正确功能在进行从个人生活照料到与计算机相关的工作的人力工作中是重要的。在腕部不正常功能的情形下，病人和医生早期认识和正确诊断腕部的问题是特别重要的。为了判断腕部功能，对腕关节的腕骨运动的3D图案分析是关键的。当前的3D成像方法允许静止检测腕骨位置和取向。现有技术在手处于多种姿态下时的腕骨位置和取向的检测仅仅提供动画式的运动模式。然而，从2D视频X射线照相观察，已经知道，可能会发生腕骨的取向和位置在临床上的明显的突然改变。这些突然改变用3D静止成像方法所能得到的有限数目的姿态是无法检测的。而且，由于腕部的韧带和软骨的神经肌控制和动态特性，腕骨的实时动态运动模式可能不同于它的动画式的对应部分。

下面描述用修改后的可移动C臂系统进行的腕部的4D成像的方法。该方法被称为4维旋转X射线(4D-RX)，因为使用了3D旋转X射线以进行一系列经时间分解的重建。为此，成像的是循环运动的腕部。把重建用的投影与腕部循环同步，产生腕部运动在不同的阶段的多个体积重建。

图1显示可按照本发明的用于上述的三维成像关节运动的系统的基本草图。系统包括具有X射线检测器11的旋转射线设备10和固定在可围绕中心轴旋转的C臂12的末端的X射线源13。病人的关节1位于所述X射线设备10的中心，以使X射线设备整个扫描期间它都处于视场内。

另外，系统包括监视设备20，用于测量关节1的当前角度α。在图1的系统中，所述监视设备由固定在关节1的两个分段上以便跟随关节的弯曲的测角器21实现。测角器21被连接到一个弯曲度测量系统22，它生成相应于关节角度α的信号，并把这个信号发送到计算机或医疗工作站31。

医疗工作站31是图像处理设备30的一部分，它也被连接到X射线设备10。计算机31包括通常的部件，如CPU、存储器、I/O接口等等。而且，它配备有适当的软件，用于管理从监视设备20和X射线设备10接收的数据。图像处理设备30还包括监视器32，用于显示投影和/或关节1的重建的3D图像。

下面，更详细地描述图1的系统的应用。

在传统的3D-RX系统，移动C臂造成在半圆轨道上多个X射线投影。以恒定频率获取的脉冲图像被发送到3D-RX工作站。这些投影经图像和几何失真校正后被重建成3D数据组，类似于CT(对于其细节可参阅Grass M.，Koppe R.，Klotz E.，Proksa R.，Kuhn M.H.，Aerts H.，Op de Beek J.，Kemkers R.：″Threedimensional reconstruction of high contrast objects using C-arm image intensifierprojection data(使用C臂图像增强投影数据来三维地重建高对比度对象)″，Comput.Med Imaging Graph.23(6)：311-21，1999)。

现在描述用移动3D-RX系统10制动态3D图像的方法。为此，移动C臂12围绕以频率F_obj周期地运动的目标(关节1)旋转。在旋转的同时，用在旋转中心的运动的关节1获取X射线投影。投影的获取是以预置的频率f_X-ray完成的。投影的总数必须是在关节运动的一个周期内阶段数的整数倍。所以，循环的目标运动的频率x_obj(x)和X射线系统的获取频率f_X-ray是同步的。这可以从图3看到，该图显示关节运动的时间过程x_obj(t)(频率f_obj＝l/T_obj)、C臂12的旋转角Φ、和生成投影的时间点100。于是对重建可得到的阶段的数目是：

$n_{\mathrm{phases}}=\frac{f_{X-\mathrm{ray}}}{f_{\mathrm{obj}}}---\left(1\right)$

属于同一个目标运动阶段的投影被归类。对于每个阶段，得到相等地数目n_proj的投影(t_x-ray是整个C臂扫描的持续时间)：

$n_{\mathrm{proj}}=\frac{f_{X-\mathrm{ray}}\·t_{X-\mathrm{ray}}}{n_{\mathrm{phases}}}---\left(2\right)$

从这些投影，得到n_phases个3D-RX重建。经过归类的投影，连同着它们的采集几何关系并经过失真校正的知识被用于进行一种带有修改后的经滤波的后向投影Feldkamp算法的3D-RX重建(参阅Feldkamp L.A.，Davis L.C.and Kress J.W.：″Practical cone-beam algorithms(实际的圆锥波束算法)″，J.Opt.Soc.Am.6，612-19，1984)。n_phases个重建的组中的每个具有在运动周期中它们自己的阶段，并合在一起形成动态的3D图像。

用于生成运动关节的3D图像的方法可被概述为如下：

1.病人躺在病人台上，把用于测量要被成像的关节的弯曲度的设备20固定在关节上。

2.病人以周期方式重复地运动关节(替换地，病人的关节可以由某个设备被动地运动，参阅下面的图2)。

3.X射线系统10开始围绕关节旋转，并开始摄取2D投影图像

4.每当图像是可得到时(约25-30Hz)，它连同C臂的当前位置一起被发送到工作站31。

5.工作站立即读出弯曲度测量系统的相应的角度。

6.步骤4和5重复进行，直至采样到足够的数据为止。

后处理步骤：

1.这时可得到一组几百个图像，每个被加上相应的C臂位置和关节弯曲度的标记。

2.这个图像组被划分成若干图像子组。在这个子组中的每个图像属于同一个运动阶段。

3.为每个子组重建关节的三维图像。

4.该过程的结果是一系列关节的3D图像，每个图像对应一个不同的运动阶段。这个系列可作为电影而显示或在医疗工作站详细地分析。

用于确定关节运动的弯曲度的监视设备可以用以下几种方式实现：

-位置测量系统(电磁的或光学的)可用来确定固定在前臂和上臂的至少两个跟踪器的位置。

-角度检测器(测角器)被固定在关节上以便测量感兴趣的角度(对于肘关节的单个角度，对于腕部的两个角度，对于肩部的三个角度)。

-X射线设备可被用来确定这些角度。在某些条件下，相关的角度可以从旋转运运的X射线图像来确定。

-臂可被附着到外部设备，以周期性的方式主动导引关节运动。这个设备可以与X射线系统同步以允许获取在规定的运动阶段的投影图像(见下面图2的说明)。

在图1的系统的典型地实现方案中，BV Pulsera(Philips MedicalSystems，Best，The Netherlands)可被用于图像获取。这个系统被修改以进行机械化旋转超过200度的旋转角Φ。系统能够形成具有不同的获取速度(1-25fps，具有总共375图像的最大值)和脉冲长度(8-13ms)的的荧光镜图像。图像被发送到经修改的3D-RX版3.2工作站。对失真和成像几何的校准已事先完成。工作站根据所有的投影对在18·18·18cm³体积中的256·256·256立体像素的3D数据组进行重建。X射线的采集时序是用台车的视频输出来监视的。当采集开始时，内部X射线生成器使得脉冲与视频同步。

图2示意地显示监视设备120的替换实现方案，它适合于执行腕关节的约40度向上和向下的强迫运动。设备120包括静止的支撑123，其上可以放置病人的前臂；和可移动的支撑126，其上可以放置病人的手。可移动的支撑126围绕轴125以铰链连接，其中围绕所述轴的周期振荡x_obj可以由驱动器棒124生成。棒124被偏心地固定在盘122上，该盘由DC电动机121转动。可降速的DC电动机用负反馈系统控制以保证恒定的运动。手的循环用标志传感器跟踪，该标志例如被固定在盘122上。由这个传感器生成的标志信号被用来与3D-RX系统同步。视频同步和标志信号显示在示波器上，以用于同步。在同步后，开始投影的采集。接着，投影如上所述地被归类和被重建。

由于图2的设备的右面部分处在X射线圆锥中，它是用低X射线密度塑料制造的。

用于诊断的腕部和其它关节的动态成像特别有助于评估功能紊乱。当前的成像系统不适合于腕部的动态3D成像。所以，被称为4D-RX的新的方法使用现有技术移动旋转X射线系统以及适合于腕部的同步的循环运动的设备。给出的方法在动态运动图案上比2D视频荧光检查法给出更好的前景。用于定量测量的三维特性和潜力使它成为诊断腕部紊乱的优越的研究设备。腕骨的现有技术动画CT成像无法表示真实的临床动态情形，运动图案中的滞后和剧烈的改变将不能呈现。4D-RX系统能够进行腕部的完全动态运动模式成像。

X射线长度和输入投影的数目利用子弹与棒幻象进行检查。对于适当的重建必须有约40个投影。在当前的系统中，在用于重建3D图像(即，运动的按时间的分辨率)的阶段数与图像质量之间有一个折衷。增加X射线脉冲长度表现出减小噪声。而且，总体上不存在运动模糊。虽然噪声和采样是亚最佳的，但解剖结构在腕部实验中是可清楚识别的。系统的电子同步和较大的数目的输入投影是可以提高图像质量的基础。

最后，应当指出，在本申请中，术语“包括”不排除其它单元或步骤，术语“一个”不排除多个，以及单个处理器或其它单元可以满足几个装置的功能。本发明在于每个新颖的特征特性和特征特性的每个组合。而且，在权利要求中的标号不被看作为限制它们的范围。

Claims (10)

1.用于生成关节在它运动的不同的阶段的三维(3D)图像的系统，包括：

a)旋转X射线设备10，它适合于在关节(1，2)转动的同时从不同的方向生成关节(1，2)的一系列投影；

b)监视设备(20，120)，适合于在它运动期间提供关于关节的当前运动阶段的信息；

c)图像处理设备(30)，用于把所述系列的投影再划分成与关节的不同运动阶段相对应的类别，和用于根据每个类别的投影重建3D图像。

2.按照权利要求1的系统，其特征在于，监视设备包括位置测量系统，它适合于在关节的不同的分段上确定至少两个标记的空间位置和/或取向。

3.按照权利要求1的系统，其特征在于，监视设备包括可固定在关节(1)上的测角器(20)。

4.按照权利要求1的系统，其特征在于，监视设备包括用于生成关节(1，2)的图像的成像设备(10)，和用于根据所述图像得到运动阶段的估计单元(30)。

5.按照权利要求1的系统，其特征在于，监视设备包括用于迫使关节(1，2)进行外部规定的运动的设备(120)。

6.按照权利要求1的系统，其特征在于，关节(1，2)的运动与由X射线设备(10)进行的投影的生成实现同步。

7.按照权利要求1的系统，其特征在于，它包括用于显示重建的3D图像的显示单元(32)，优选地包括影片序列。

8.一种用于生成关节(1，2)在它运动的不同阶段的三维(3D)图像的方法，包括以下步骤：

a)使关节(1，2)运动；

b)在关节运动期间以不同的方向生成关节的一系列X射线投影；

c)在步骤b)期间确定关节运动的当前的阶段；

d)把所述系列的投影分类成相应于不同的确定的关节运动阶段的类别，并根据每个类别的投影重建3D图像。

9.按照权利要求8的方法，其特征在于，关节(1，2)与X射线投影的生成同步地主动地运动。

10.按照权利要求8的方法，其特征在于，关节运动的当前的阶段是根据X射线投影导出的。

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