CN101120883B - 有机器人操控的c形支架系统的x线摄像方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有机器人操控的C形支架系统的X线摄像方法和设备，C形支架系统包括一个可通过C形臂(7)在一摄像平面内绕一旋转中心(17)旋转的摄像系统(9、10)，其中，通过旋转C形臂(7)在不同的旋转角摄录所关注的放置在对象置放装置(15)上的对象(13)的目标区(14)的多个X透视图，由这些透视图可以重建该目标区(14)的一个或多个断面图或三维图。按本方法，与旋转同步并且无冲突地这样制导C形臂(7)，即，使所关注的目标区(14)至少在每个实施录像的旋转角处于摄像系统(9、10)X射束的射线锥(16)内部。因此，采用本发明方法及相关的机器人操控的摄像设备，即使是对象横截面的边缘区域，也能实施三维图像重建。

Description

有机器人操控的C形支架系统的X线摄像方法及设备
技术领域
本发明涉及一种有机器人操控的C形支架系统的X线摄像方法和设备，C形支架系统包括一个可通过C形臂在摄像平面内绕一旋转中心旋转的摄像系统，其中，通过旋转C形臂在不同的旋转角摄录所感兴趣的放置在对象置放装置上的对象的目标区的多个X透视图，由这些透视图可以重建该所关注的目标区的一个或多个断面图或三维图。本发明还涉及一种设计用于实施该方法的由机器人操控的摄像设备。
背景技术
C形支架系统在医学领域得到广泛使用。在此系统中将X线探测器和X线源对置地安装在一个所谓C形臂上，该C形臂设计用于实施旋转运动。因此，包括X线源和X线探测器的摄像系统可以绕C形支架系统的一个旋转中心亦即所谓的等中心(Isozentrum)旋转。以此方式借助当代C形支架系统不仅可以获得二维透视图，而且通过摄像系统绕患者旋转还可以获得三维的类似CT的图像或断面图。由不同旋转角摄录的透视图重建三维图像或断面图的图像重建，按与计算机X线断层摄影机(CT)中类似的方法进行。由此可以三维表示软组织，或通过减去造影剂图和原图三维表示血管造影术。
除了这些流行的C形支架系统外，还已知一些机器人操控的C形支架系统，其中，包括X线源和与X线源对置的X线探测器的C形臂接合在机器人的手上，为了摄录二维的X线图像，机器人使X线摄像系统围绕关注的对象运动。
接着由它通过重建获得目标区三维图像的被透视的目标区，受X射束射线锥尺寸的限制。射线锥的尺寸又取决于通常是一种扁平式探测器的X线探测器的尺寸及距离。所关注的目标区，所谓VOI(Volume of Interest)，必须处于C形支架系统的等中心内，使目标区对于每个旋转角或投射角都能通过摄像系统成像。医学成像时那些处于患者横截面中心的关注的目标区，例如头部、心脏或中央腹腔，毫无疑问能满足所述条件。然而，若应显示那些在患者横截面边缘的区域，例如肝或肾，则由于上述条件带来一些困难。这些区域只能有条件地置于C形支架系统的等中心内，因为患者或患者卧榻的侧移受旋转的包括在它上面安装有摄像系统的C形臂的很大限制。
若关注的区域，例如一个器官，没有全部定位在X射束的射线锥内，则不再可能由在多个旋转角摄录的X线图像实现该器官的真实重建。
由出版物DE102004062473A1已知一种包括一个C形支架系统的医学用放射治疗设备，它有一个具有患者卧榻的患者卧放装置，患者卧榻可以在位置固定的粒子束排出窗前安置在一个适用于照射患者的照射位置。此外，设置一个X线诊断仪用于确定或核实要照射的肿瘤的位置，在这里X线诊断仪有X线源和探测器，它们可以在空间围绕处于照射位置的患者卧榻移动。由此提供可能性，核实肿瘤的位置已经处于照射位置，从而不需要患者换位。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种方法和一种机器人操控的摄像设备，借助它们也可以生成对象侧边区的三维图像。
上述目的首先通过一种有机器人操控的C形支架系统的X线摄像方法来实现，其中，该C形支架系统包括一个可通过C形臂在一摄像平面内绕一旋转中心旋转的摄像系统，其中，通过旋转C形臂在不同的旋转角摄录所关注的放置在对象置放装置上的对象的目标区的多个X透视图，由这些透视图可以重建该目标区的一个或多个断面图或三维图，按照本发明，与旋转同步以及无冲突地这样制导C形臂，即，使所关注的目标区至少在每个实施录像的旋转角处于摄像系统X射束的射线锥内部。
因此，在机器人操控的C形支架系统中，尽管在C形臂的侧向位置，C形臂沿侧向只有小的移动可能性，然而本发明方法充分利用了在另一些旋转角C形臂可无冲突地侧向移动或制导明显更大的距离。通过所建议的与C形臂或摄像系统的旋转同步化地在无冲突的空间内部制导C形臂，达到使关注的区域在每次摄录透视图时均处于X射束的射线锥内部。因此，X线管对准X线探测器的X射束中心射线，在这些旋转角时始终基本上通过关注的区域，从而使此区域完整地成像。这是由摄录的透视图正确重建该区域的一个或多个断面图或一个三维图的先决条件。
C形臂由机器人操控的移动相应于摄像系统旋转中心的移动，这种移动可以通过机器人操控C形臂实现。在机器人操控的C形支架系统中，旋转中心可以在机器人臂的作用距离(机器人工作空间)内可变地在空间移动。在摄像时实施的旋转期间，通过旋转中心的移动可以将关注区，例如一个器官，始终保持在X射线锥内部。这就有可能由不同旋转角摄录的X线图像数据准确重建关注区。在这里，所述的移动必须与旋转运动同步进行，以可靠避免在旋转期间摄像系统与对象或对象置放装置发生冲突。
各关注区相对于C形支架系统原始旋转中心的起始位置，在这里例如通过使用者作为侧向距离输入机器人操控的C形支架系统的控制器中。当然也存在可能性，首先进行一次或多次目标一览图的摄录，无需跟踪运动或制导运动，并可在图像显示器上向使用者显示，然后可在图像显示器内给关注区作标记。以此方式也可以通过C形支架系统的图像计算机自动确定关注区离原始旋转中心的起始距离。在C形臂的不同旋转角C形臂无冲突最大可能的侧移，必须事先针对该C形支架系统确定。摄像系统或C形臂的旋转与C形臂跟踪目标或制导运动的同步化在这里不存在问题，因为C形臂各瞬时的旋转角迄今也必须为了今后重建三维图像在每次图像摄录时检测，也就是说对于所述系统而言是已知的。
按本发明方法的一项有利的进一步发展，除了C形臂或旋转中心跟踪目标或被制导外，还在C形臂上改变探测器与X线源的距离，以便能在摄像时无冲突地旋转。所述距离的调整在机器人操控的C形臂中是可能的，它们通常取代C形有一个U形的摄像系统支架。因此在本专利申请中C形臂也应指此类U形、V形或类似形状的支架，在那里X线管和X线探测器固定在两个对置的臂上。在X线源和X线探测器之间距离的这种改变也与C形臂的旋转运动同步化地进行。
因此，本发明的上述目的可通过一种X线摄像用的摄像设备来实现，这个由机器人操控的摄像设备按已知的方式包括一个机器人操控的C形臂系统，它有一个可在摄像平面内绕一旋转中心旋转的摄像系统，包括一个对象置放装置，在它上面可以在C形臂旋转中心定位一个要检查的对象，以及包括一个控制器，用于控制C形臂的旋转和用于控制摄像系统，以便在不同旋转角摄录X透视图。机器人涉及一种多运动轴的机器人，它们可借助控制器控制机器人手的运动。本发明的摄像设备的特征在于，为了实施无冲突的制导运动，控制器与C形臂的旋转同步地以这样的方式控制C形臂，即，使所关注的目标区至少在每个实施录像的旋转角处于摄像系统X射束的射线锥内部。
所建议的机器人操控的C形支架系统的机器人可例如有六个旋转轴。在这里按一项设计它可以涉及一种曲臂机器人，如在汽车工业生产流水线上使用的那种机器人。
因为通过跟踪运动或制导运动，必要时与改变X线源与X线探测器之间距离相结合，在摄像系统运行期间不仅可以改变瞬时旋转中心而且还可以改变焦点-探测器距离，所以为了三维重建关注区需要相应调整已知的重建算法。例如在使用所谓Feldkamp法的背面投射时(参见L.A.Feldkamp等人的“Practical Cone-Beam Algorithm”，J.Opt.Soc.Am.Al(1984)，第612至619页)应相应地考虑这种改变的几何结构。
因为在X线源、对象置放装置和X线探测器之间的几何关系在X线摄像开始前是已知的，所以可预见性地进行所需要的焦点轨迹与探测器轨迹的第一次粗略估算。借助不同方向少量几个透视图摄录，可以估算患者几何结构，使焦点和探测器轨迹可以逐个与当时放置在对象置放装置上的对象进行适配。一次确定的扫描轨迹也可以利用于多次扫描，因为内部器官，例如肝脏或心脏的位置虽然可能改变，但在X线摄像期间患者的外部轮廓基本保持不变。
本发明方法和相关摄像设备的一个附加的优点在于，在这里避免了截断投射(所谓Truncated Projections)的缺点。当X线束没有将关注区完全包括在各投射内时，亦即当关注区从X线束的射线锥伸出时，便会发生所述的截断投射。在这种情况下不再可能真实地重建关注区。当然，如若借助本发明方法可做到的那样将患者的部分边缘包含在VOI内，则可以准确地重建VOI可通过线段与边缘连接的部分，在这里，此线段必须完全包含在VOI内。这方面的详情可参见M.Defrise等人的“Enlargement of the Region of AccurateReconstruction in Computed Tomography from Truncated Data”，Proceedings ofthe Int.Meeting on Fully Three-Dimensional Image Reconstruction in Radiologyand Nuclear Medicine，Salt Lake City，UT，USA，July 6to 9，2005，第46至50页，或参见I.Arai等人的“A New Class of Super-Short-Scan Algorithms forFan Beam Reconstruction”，IEEE Nuclear Science Symposium ConferenceRecord，Fajardo，Puerto Rico，October 23-29，2005。
附图说明
下面借助实施例结合附图再次说明本发明方法和相关摄像设备。其中：
图1示意表示一种摄像状况，此时关注区正好仍处于X射线锥内部；
图2示意表示一种摄像状况，此时关注区从X射线锥超出；
图3示意表示一种摄像状况，此时关注区通过C形臂的跟踪制导重新处于X射线锥内部；
图4示意表示按本发明对C形臂进行无冲突的制导；以及
图5表示按本发明的摄像设备的透视图。
具体实施方式
在已知的机器人操控的C形支架系统中，机器人操控的C形臂和装在其上的摄像系统进行绕位置固定的旋转中心旋转，要检查的对象在对象置放装置上，通常在患者卧榻上定位在此旋转中心内。图1非常示意地表示这种摄像状况和一个在患者卧榻15上的患者13。在本例中患者基于具体几何条件并没有完全处于从摄像系统的X线源射出的X射线锥16内，射线锥在穿过患者后命中对置的X线探测器9。在摄像期间，由X线源10和X线探测器9组成的摄像系统绕旋转中心17旋转，以便在不同的旋转角为患者摄录X线图。因为患者13侧向从X射线锥16伸出，所以在三维图像重建时必须对投射的截断实施修正。这种修正作为截断修正是已知的。但因为关注区14，例如一个器官如肝脏，在本例中在所有的旋转角均处于X射线锥16的内部，所以此器官在X线摄像时仍能真实地成像。
然而若关注区14在整个旋转期间也并没有完全处于X射线锥16内，如图2所示，则今后将不再可能由摄录的透视图真实地重建关注区。按本发明方法，机器人操控的C形臂在这种情况下可变地以这样的方式在空间移动，即，使关注区14在每个旋转角仍处于射线锥16内。这可以通过在机器人的运动空间内恰当控制操控C形臂的机器人顺利地实现。图3表示C形臂或固定在它上面的摄像系统的这种侧移，从而使关注区重新处于目前的旋转中心内。
然而，在图3的例子中表示的侧移却可能导致发生冲突问题，因为在保持所述的移动时，在某些旋转角，X线探测器或X线管与患者卧榻尤其沿侧投射方向可能发生冲突。因此按本方法进行C形臂可变的目标跟踪或制导，以保证整个旋转运动无冲突。这作为范例表示在图4中，其中C形臂在垂直投射时如此侧移，即，使目前的旋转中心处于关注区内，然而在侧向投射时将此侧移重新大部分取消，以避免X线探测器与对象或患者卧榻之间发生冲突。最后提到的那个沿反方向的移动通过箭头表示。在图中还可以看出，通过如此移动，使关注区14尽管是侧向投射仍处于X射线锥16内。
因此，按本发明方法根据目前瞬时旋转角实施C形臂可变的制导，使关注区14始终处于X射线锥16内部并与此同时避免发生冲突。除此之外还可以在存在高度冲突危险的旋转角时增大X线源与X线探测器之间的距离。
因此在本发明方法及相关的摄像设备中利用了在C形臂不同旋转位置时所存在的不同的空间状况。在摄像系统处于侧向位置时，C形臂为避免冲突的侧移可能性受到很大的限制，而在垂直位置C形臂几乎可以任意侧移而没有冲突的危险。在中间位置则始终仍可以实施比较小的侧移不妨碍旋转，这一侧移大于在侧向投射时的移动可能性。因此C形臂根据瞬时旋转角同步于旋转运动地侧移，以便将关注区14始终保持在X射线锥16内。这在机器人操控的C形支架系统中可以通过机器人的控制实现。
图5用透视图表示这种机器人操控的C形臂系统的一个例子。本系统包括一个已知的六旋转轴机器人。在例如可固定安装在手术室地面的基架1上可绕第一旋转轴旋转地安装一个转塔2。在转塔2上可绕第二旋转轴回转地安装摇杆3。在摇杆3上可绕第三旋转轴旋转地固定臂4。在臂4端部可绕第四旋转轴旋转地安装机器人手5。手5有一个与工具连接用的交接区6，工具可通过交接区6绕旋转轴线旋转和可绕与之垂直延伸的第五旋转轴回转。在手5的交接区6与一个总体用符号7表示的支架接合。
在本实施例中支架7按U形型材的方式设计有两个互相对置的臂8a、8b。在第一臂8a上安装X线探测器9，而在第二臂8b上按对置的布局安装X线源10。第一臂8a和第二臂8b安装为可相对于支架的中央构件11直线运动，从而可以调整X线探测器9与X线源10之间的距离A。按本摄像设备的一种设计，此距离可以由电动机调整。
通过控制器12对用于操纵由X线源10与X线探测器9构成的摄像系统绕旋转轴线A6旋转运动的机器人进行控制，控制器12还承担用摄像系统摄录图像及必要时电机调整X线源10与X线探测器9之间的距离A的任务。控制器12按上述用于摄像和制导C形臂以及必要时距离A的方法来控制机器人。

Claims (8)

1.一种有机器人操控的C形支架系统的X线摄像方法，该C形支架系统包括一个可通过C形臂(7)在一摄像平面内绕一旋转中心(17)旋转的摄像系统(9、10)，其中，通过旋转C形臂(7)在不同的旋转角摄录所关注的放置在对象置放装置(15)上的对象(13)的目标区(14)的多个X透视图，由这些透视图可以重建该目标区(14)的一个或多个断面图或三维图，其中，与旋转同步以及无冲突地这样制导C形臂(7)，即，使所关注的目标区(14)至少在每个实施录像的旋转角处于摄像系统(9、10)X射束的射线锥(16)内部，其中，所述C形臂(7)的制导运动相应于摄像系统(9，10)旋转中心(17)的移动。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，除同步于C形臂(7)的旋转外，改变所述摄像系统(9、10)的X线探测器(9)离旋转中心的距离，以避免与对象(13)或对象置放装置(15)发生冲突。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，C形臂(7)被水平制导。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其中，所述C形臂(7)在其从摄像系统(9、10)处于水平位置时的零位出发直至其在所述摄像系统(9、10)处于垂直位置时距离所述零位有一最大距离的旋转过程中受到制导。
5.按照权利要求3所述的方法，其中，所述C形臂(7)在其从摄像系统(9、10)处于水平位置时的零位出发直至其在所述摄像系统(9、10)处于垂直位置时距离所述零位有一最大距离的旋转过程中受到制导。
6.一种X线摄像用的摄像设备，包括一个可在一摄像平面内绕一旋转中心(17)旋转的摄像系统(9、10)，后者安装在一个为了实施绕旋转中心(17)旋转受机器人操控的C形臂(7)上，该摄像设备还包括一个对象置放装置(15)，在该对象置放装置(15)上面可以在旋转中心(17)定位一个要检查的对象(13)，以及包括一个控制器(12)，用于控制C形臂(7)和摄像系统(9、10)的旋转，以便在不同旋转角摄录X透视图，其中，控制器(12)设计为，为了实施无冲突的制导运动，控制器与旋转同步地以这样的方式控制所述C形臂(7)，即，使所关注的目标区(14)在每个实施录像的旋转角均处于摄像系统(9、10)X射束的射线锥(16)内部，其中，所述C形臂(7)的制导运动相应于摄像系统(9，10)旋转中心(17)的移动。
7.按照权利要求6所述的摄像设备，其中，在摄像系统(9、10)的X线源(10)与X线探测器(9)之间的距离可由电动机调整，在此，所述控制器(12)设计为，除了与C形臂(7)的旋转同步外，它改变X线源(10)与X线探测器(9)之间的距离，以避免与对象(13)或对象置放装置(15)发生冲突。
8.按照权利要求6或7所述的摄像设备，其中，将控制器(12)设计为，为了实施制导运动，它以这样的方式控制C形臂(7)，即，使C形臂(7)在其从摄像系统(9、10)处于水平位置时的一零位出发直至其在摄像系统(9、10)处于垂直位置时距离所述零位有一最大距离的旋转过程中受到制导。
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