CN101164498B - 用于产生医学图像的方法和医学图像拍摄系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种方法，用于使用医学图像拍摄系统的至少一个发射源和至少一个检测器产生医学图像，其中，发射源的射线穿过对象，且可通过对象衰减的射线由检测器检测，由检测器检测的射线用于产生作为对象结构的图像的医学图像。本发明同样涉及一种医学图像拍摄系统，用于产生作为产生医学图像的基础的图像数据。通过提供可自由定位的发射源和检测器，可以把这样检测到的射线的重叠区扩展到医学图像拍摄系统的结构极限。由此计算出来的立体图像数据组，例如计算机断层造影(CT)，由此对位于发射源和检测器之间的整个检测对象进行成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于产生医学图像的方法，该方法使用医学图像拍摄系统的至少一个发射源和至少一个检测器，其中发射源的射线穿过对象，并由检测器检测由对象衰减的射线，而由检测器检测到的射线用于产生医学图像。本发明同样还涉及一种用于产生作为产生医学图像的基础的图像数据的图像拍摄系统。
背景技术
从现有技术得知成像系统，例如基于X射线设备的计算机断层造影。DE197 46 093 A1公开了一种具有X射线源和X射线接收装置的X射线系统，其中该X射线系统用于拍摄二维投影和随后的三维图像再现，在此图像再现所需要的投影角通过用于声波或者电磁波的发送和接收装置确定。
常规三维成像系统的发射源多为X射线源，它同样如对应设置的检测器一样关于一个同心设置。迄今发射源的和大多错开180°的一起运行的检测器的旋转轴这样设置，使得它们通过射线延伸的一条假想的线从发射源到检测器的中点延伸。在这种常规的成像系统中的可能的射线延伸的重叠区形成作为所谓的再现立体的立体区域，其由成像系统采集，并且是随后的3D数据组形式的3D图像处理的基础。在绕190°的轨道旋转期间基于确定数目的具有规定的角度距离的透视图像，成像系统“SIREMOBIL Iso-C3D”例如产生一个边长可达12cm的立方形三维再现立体(“Klinische Studie zur registrierungsfreien 3D-Navigationmit dem mobilen C-Bogen SIREMOBIL Iso-C3D”，P.A.Grützner，A.Hebecker，H.Waelti，B.Vock，L.-p.Nolte，A.Wentzensen，electromedica 71，Heft 1，Seite 58-67，2003)。
由于三维再现立体的这一限制，迄今仅能要么把成像系统扩大，使扩大的立体来透视要检查的对象，并由此产生一个相应较大的立体图像数据组。或者替代地，特别是在移动图像拍摄系统如X射线C形弧中，可以把图像拍摄系统对准新的检查区域。然而移动成像系统对于对象的另一检查区域的这一重新对准需要操作者有一定经验，而特别在用于监视手术进行步骤的操作中是不实际的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于产生医学图像的可能性，它基于2D X射线系统特别是在肿瘤学和血管造影术以及基于移动成像系统在外科学中允许在一个立体图像数据组中完全成像检查对象，而不必扩大特别是移动图像拍摄系统的结构尺寸。
根据本发明该技术问题通过一种借助医学图像拍摄系统产生医学图像的方法解决，该医学图像拍摄系统允许在每次照射对象时能够彼此相对独立地定位医学图像拍摄系统的发射源和检测器，其中在发射源和检测器之间设置要检查的对象的至少一部分，并且发射源的至少一部分射线由检测器检测。
在本发明的意义上，对象是可通过医学图像拍摄系统检查的立体，特别是病人或者生病的动物的身体。
在检测了对对象的照射后作为在透射对象期间在规定时刻的部分衰减的发射的确定，同时确定在每次照射对象时发射源和检测器的各位置。在每次照射对象时发射源和检测器彼此相对和关于对象的精确位置的知识对于立体图像数据组例如作为CT图像数据组的成像并因此对于图像再现来说是不可或缺的。
对对象的照射的整体定义了至少一个重叠区作为三维再现立体，其相当于对象的检查区。在每次照射对象时根据该三维再现立体考虑发射源和检测器的所属位置形成立体图像数据组。最后从该立体图像数据组中借助已知的图像处理方法提取关于至少一个给定的截面的医学图像。
本发明的方法的一个重要优点在于，通过独立定位发射源和检测器使得能够选择几乎任意的立体作为对对象的照射的重叠区，而仅受限于图像拍摄系统在发射源和检测器之间的结构尺寸。在肿瘤学和血管造影术中的静止的图像拍摄系统以及在外科学中的移动的图像拍摄系统由于发射源和检测器的同心设置通常仅具有图像拍摄系统的一个旋转点，因此仅产生一个窄的有限的再现立体。通过本发明的方法显著扩大了再现立体从而也显著扩大了立体图像数据组。在本发明的方法中没有移动或者静止工作的图像拍摄系统的多次定向，同时在不改变图像拍摄系统的结构尺寸的情况下扩大了对象可检查区的尺寸。
在本方法的一个有利的改进中，在产生三维再现立体时考虑在检测器检测到的对对象的照射中的图像失真。对于检测器的关于发射源的各中心射束的方向出现的倾斜位置的情况，会产生几何的图像失真，这会导致错误的图像结果。因为再现立体是形成立体图像数据组的基础，所以图像失真影响立体图像数据组的质量，从而也影响由此产生的医学图像的质量。在本发明的方法中，在产生与再现立体相关的图像数据组时考虑这种根据发射源相对于检测器平面的位置确定的图像失真。通过这一措施，发射源相对于检测器的非优化相对定位也不会对图像结果的质量产生任何影响。
为避免在重叠对对象的照射时出现的失真，在产生三维再现立体时以有利的方式一同考虑该失真。在使用X射线源作为发射源的情况下，在检测器中确定衰减特性形式的通过对象衰减的对对象的照射。在同心的图像拍摄系统中相关的对对象的照射的总和例如在反投影中导致星形失真，从而导致再现立体的图像数据的失真。通过在产生再现立体时例如通过滤波和卷积(Faltung)考虑该失真，补偿该失真，从而保证医学图像的高的图像质量。
就三维再现立体和立体图像数据组的图像数据的优化处理来说，以投影矩阵的形式映射图像数据是有利的，在此投影矩阵考虑整个检查对象的立体。由此能够补偿所谓的“畸变伪影”(英语是：truncation artifacts，截断伪影)。畸变伪影依赖于由在两个方向上不相等的信号扫描产生的图像平面的角度。出现导致几何偏差并从而导致产生受检对象的有错误的图像的伪信号强度。特别是检查区内的结构的厚度比在图像数据中存在畸变伪影时被错误表示。通过将三维再现立体的投影数据映射到一个对象大小的投影矩阵中，可以把该图像数据用于整个对象的立体图像数据组并从而避免畸变伪影。
根据本发明的一个有利的改进，在对象照射时这样彼此独立地定位发射源和检测器，使得对对象的照射形成一个重叠区并由此形成一个对象大小的三维再现立体，从而能够根据这样形成的三维再现立体产生整个对象的立体图像数据组。
另外可选择的方案是，在每次对象照射时这样彼此设置发射源和检测器，使得该对对象的照射形成该对象的至少两个重叠区从而形成至少两个三维再现立体。以有利的方式根据该三维再现立体每次产生立体图像数据组，其中把如此形成的立体图像数据组借助图形图像数据处理方法组合为一个总的立体图像数据组。另外可选把三维再现立体借助图形图像数据处理方法组合为一个总的三维再现立体，并且把如此形成的总的三维再现立体作为产生总的立体图像数据组的基础。由此图像数据组的组合可以要么在单个形成的立体图像数据组的层面上进行，或者在三维再现立体的层面上就已经进行组合，并由此综合成一个三维再现立体。
以有利的方式三维再现立体的图像数据和/或单个的立体图像数据用一种图形图像处理方法例如图像缝合方法来组合。该特别在数字图像处理中使用的方法用于这样组合对象的单个图像拍摄的图像数据(英语stitch＝缝合，装订)，使得可把单个图像拍摄连接成对象的一个整体拍摄。例如因此从一个对象的不同拍摄角度的单个图像建立所谓的全景图像，例如建筑物的全景图像。通过使用这一图形图像处理方法可以把单个三维再现立体的图像数据组和/或单个立体图像数据组连接成相应的整个图像数据组。由此产生这种可能，通过一个立体图像数据组形成整个对象并将关于对象的整个立体产生的截面图像作为医学图像来分析。
此外本发明涉及一种医学图像拍摄系统，其具有至少一个用于产生射线的发射源和一个用于检测该射线的检测器，其中由检测器检测到的射线可用于产生医学图像。
根据本发明，通过至少一个定位元件关于可自由选择的旋转点进行发射源和检测器的相对定位和取向，其中，控制器保证可如此定位发射源和检测器，使得发射源的至少一部分射线射中检测器。以有利的方式该定位元件能够自由定位发射源和/或检测器，就像用一个多轴机器人所可能做到的那样。
在医学图像拍摄系统的一个有利的改进中发射源和检测器设置在一个C形弧上，该C形弧借助定位元件可垂直和/或水平移动。
同样以有利的方式通过至少一个可旋转支撑的连接元件彼此连接至少两个定位元件，并由此保证发射源(20)和检测器(30)关于一个自由选择的旋转点的自由定位。
附图说明
以下借助附图和实施例详细描述本发明。附图中：
图1示出按照已知的现有技术根据同心设置发射源和检测器的三维再现立体的示意截面图；
图2a、2b示出根据使用本发明的方法的二个三维再现立体的示意截面图；
图3示出按照本发明的方法根据自由定位发射源和检测器的具有受检对象的大小的三维再现立体的示意截面图；
图4示出本发明的方法的示意图；
图5示出根据本发明的方法基于对三个对对象的照射的分析的投影矩阵的形成；
图6示出本发明的带有可垂直和水平调整的同心的C形弧的移动图像拍摄系统的示意图；
图7示出本发明的带有可旋转支撑的定位元件的图像拍摄系统的示意图。
具体实施方式
附图中根据其意义对相同的特征给以相同的附图标记。
图1表示迄今的现有技术。常规方式是发射源20(未图示)和检测器30以平面形式围绕一个同心可旋转地设置。这决定了发射源20和检测器30在一个圆形轨上运动，该圆形轨在图1中作为虚线圆周表示。发射源20产生射线并关于不同的角度确定该射线，射线作为对对象的照射90到96由相应一同旋转的检测器30分别检测。射线延伸示为圆锥形的，在此在对对象的照射90到98的射线延伸的尖角处未图示的发射源20产生射线。这些对对象的照射90到96的重叠区在同心的附近形成三维再现立体40，在此为形成三维再现立体40射线延伸还必须在图面外透射对象100。
为更好地表示，在图面中仅示出一些选出的对对象的照射90到99。为产生立体图像数据组，需要来自不同拍摄位置和角度的多个射线延伸的图像数据，因此现有的示出的对对象的照射90到99仅作为选出的代表的射线延伸以更好地描述本发明的构思。
在图2a和图2b中示出了按照本发明方法的两个三维再现立体40、41的产生。对象100通过自由定位发射源20(未图示)和检测器30由对对象的照射90到99透射。在此在第一步骤发射源20和检测器30这样围绕对象定位，使得第一三维再现立体40通过相应的对对象的照射90到92产生(图2a)。在按照本发明方法的第二步骤发射源20和检测器30关于第二检查区对准从而形成第二三维再现立体41(图2b)，其在对象100内与第一三维再现立体40偏离。这些三维再现立体40、41要么直接通过图像数据处理方法彼此组合并接着综合成一个立体图像数据组50(未图示)。或者可选地，该三维再现立体40、41用作形成两个立体图像数据组50、51(未图示)的基础，它们然后可组合成一个总的立体图像数据组50。
图3示出按照本发明的方法根据自由定位发射源20(未图示)和检测器30的具有受检对象100的大小的三维再现立体40的示意截面图。通过用对对象的照射90到99完全覆盖对象100的立体，相对于传统的现有技术，不仅可以紧邻同心产生三维再现立体40，而且它还可以产生具有对象100的大小的三维再现立体40。相应于本发明的方法，仅发射源20和检测器30之间的距离限制三维再现立体40的可能的大小。
在相应于图4的运行模式中示出按照本发明的方法以不同的图像处理为产生多个三维再现立体40到42的重要的步骤。通过相应定位发射源20(未图示)和检测器30(未图示)，受检对象100由对对象的照射90到99(未图示)完全覆盖，在此在图示的例子中对对象的照射90到99的重叠区产生三个三维再现立体40、41、42。借助图像数据处理方法，例如缝合方法，把再现立体40、41、42的图像数据关于整个对象100组合在一个再现立体40中。再现立体40的该图像数据然后用作产生立体图像数据组50的基础，由之可从立体图像数据组50作为平面截面图像提取出医学图像110。在对三维再现立体40、41、42的图像数据进行图像处理时，同样要考虑和补偿在用检测器30拍摄对对象的照射90到99时的几何失真和在图像处理时重叠对对象的照射90到99的图像数据到再现立体40、41、42之一时的畸变。
图5示出根据本发明的方法在对三个对对象的照射90到92(未图示)的分析的基础上形成投影矩阵的示意图。在检测器30(未图示)中检测到的三个对对象的照射90到92的测量曲线考虑各检测角在投影矩阵中的反投影。各测量曲线表示从发射源30(未图示)发送的并由对象100(未图示)的具体结构衰减的射线的衰减程度。理想的方式是投影矩阵形成对象100的整个立体的投影矩阵。对于可能导致影响测量曲线的可能的失真和畸变也在图像处理时在投影矩阵中例如通过取决于位置的滤波算法一起考虑。
图6示出本发明的移动图像拍摄系统10的示意图。带有固定连接的发射源20和固定连接的检测器30的常规的C形弧60可以借助C形弧定位元件80关于未图示的同心围绕该C形弧60的轨道轴旋转。该C形弧60与两个定位元件连接，并通过定位元件70可垂直和/或水平移动。通过同心的C形弧60通过定位元件70的垂直和/或水平的移动的可能性，可以自由选择同心的C形弧60在图6的图像平面内的旋转点。通过具有垂直于图6的图像平面的定向的另外的定位元件70保证，通过本发明的医学图像拍摄系统10关于该图像平面外的旋转点进行图像拍摄。由此扩大了由重叠的射线延伸形成的三维再现立体40(未图示)。
图7示出本发明的图像拍摄系统10，具有一个设置在U形支架上的发射源20和一个关于发射源20的射线延伸的中轴相应设置的检测器30。U形支架与第一定位元件70连接。该第一定位元件70通过可旋转支撑的连接元件与第二定位元件70连接，使得这些定位元件70彼此相对采取不同的角位置。此外，不仅定位元件70的相对位置，而且各定位元件70的长度也可变和自由调整。此外第二定位元件70还通过第二可旋转支撑的连接元件与第三定位元件70可旋转地连接。控制器可以例如通过在连接元件内设置的步进电动机计算和控制在两个通过连接元件连接的定位元件70之间的旋转角度。
通过定位元件70的相对角位置，可能的话与各长度调整一起，给出发射源20和检测器30在检查区内的所有旋转点上的自由定位。例如在图7中示出三个可能的旋转点1、2、3，它们通过适当选择定位元件70的角位置可彼此相对自由选择。可移动和旋转的定位元件的组合，必要时结合使用连接元件，保证在三维检查区内的自由定位。
医学图像拍摄系统10通过射线延伸90到98关于可自由选择的旋转点的自由定位性保证射线延伸90到98的最大可能的重叠。由此能够产生相对于现有技术更大的再现立体40(未图示)。
Claims (13)
1.一种用于产生对象(100)的医学图像(110)的方法，其中，医学图像拍摄系统(10)的至少一个发射源(20)和至少一个检测器(30)彼此相对地设置，发射源(20)的射线可通过该对象(100)衰减，衰减的射线由该检测器(30)检测，由该检测器(30)检测到的射线用于生成医学图像(110)，该方法具有下述步骤：
a.)在每次照射(90)对象时关于可自由选择的旋转点独立地定位所述发射源(20)和检测器(30)，其中，在所述发射源(20)和检测器(30)之间可设置对象(100)的至少一部分，且发射源(20)的至少一部分射线由检测器(30)检测；
b.)在每次照射(90)对象时确定所述发射源(20)和检测器(30)各自的位置；
c.)在对对象的至少两次照射(90，91)的至少一个重叠区内在针对每一次照射(90，91)对象考虑发射源(20)和检测器(30)的各位置的情况下产生三维再现立体(40)；
d.)根据该三维再现立体(40)在考虑发射源(20)和检测器(30)在每一次照射(90，91)对象中的所属位置的情况下产生立体图像数据组(50)；
e.)产生立体图像数据组(50)的一个预先给定的截面的医学图像(110)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，根据发射源(20)相对于检测器(30)的可能的倾斜位置在图像处理中考虑在检测器(30)中检测到的对对象的照射(90，91)的可能的图像失真。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在图像数据处理时考虑在产生三维再现立体(40)时在重叠对对象的照射(90，91)的图像数据时出现的失真。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，三维再现立体(40)和立体图像数据组(50)的图像数据作为各投影矩阵的部分以代数方式形成，其中所述投影矩阵形成整个对象(100)的立体。
5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在每次照射(90到99)对象时这样关于可自由选择的旋转点彼此设置发射源(20)和检测器(30)，使得对对象的照射(90到99)形成一个重叠区从而形成一个具有对象(100)的大小的三维再现立体(40)。
6.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在每次照射(90到99)对象时这样关于可自由选择的旋转点彼此设置发射源(20)和检测器(30)，使得对对象的照射(90到99)形成至少两个重叠区，从而形成对象(100)的至少两个三维再现立体(40，41)。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，基于所述三维再现立体(40，41)产生各立体图像数据组(50，51)，其中借助图形图像数据处理方法将如此形成的立体图像数据组(50，51)组合为一个总的立体图像数据组(50)。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于，把所述三维再现立体(40，41)借助图形图像数据处理方法组合为一个总的三维再现立体(40)，并且把如此形成的总的三维再现立体(40)用作为产生总的立体图像数据组(50)的基础。
9.根据权利要求7或8的方法，其特征在于，所述图形图像数据处理方法是图像缝合方法。
10.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述发射源(20)是X射线源，所述检测器(30)是X射线接收装置。
11.一种医学图像拍摄系统(10)，具有至少一个用于产生射线的发射源(20)和一个用于检测射线的检测器(30)，其中由检测器(30)检测到的射线可用于产生医学图像(110)，其特征在于，通过至少一个定位元件(70)关于可自由选择的旋转点来执行发射源(20)和检测器(30)的相对定位和取向，其中，医学图像拍摄系统(10)的控制器保证可如此定位发射源(20)和检测器(30)，使得发射源(20)的至少一部分射线射中检测器(30)。
12.根据权利要求11的医学图像拍摄系统(10)，其特征在于，所述发射源(20)和检测器(30)设置在一个C形弧(60)上，该C形弧(60)借助定位元件(70)可垂直和/或水平移动。
13.根据权利要求11或12的医学图像拍摄系统(10)，其特征在于，至少两个定位元件(70)通过至少一个可旋转支撑的连接元件彼此连接，并由此保证发射源(20)和检测器(30)关于一个可自由选择的旋转点自由定位。
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