CN101980663A - X射线图像中的对象定位 - Google Patents

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Abstract

X射线系统(100)包括扫描架(102)，其上安装有X射线源(104)和X射线探测器(106)。控制单元(110)包括用于实现扫描架的扭动运动的装置(114)，其中，连接X射线源和X射线探测器的轴(116)描绘出锥体(118)的表面(128)。X射线源和X射线探测器相对于所述轴具有固定的位置。控制单元包括用于在扫描架的扭动运动期间采集一系列X射线图像的装置(120)。对象辨识单元(122)检测在该系列X射线图像中出现的对象(124)以获得跟踪路径。深度估计单元(126)使用跟踪路径来估计深度参数，所述参数指示对象在与所述轴(116)基本平行的方向上的位置。

Description

X射线图像中的对象定位
技术领域
本发明涉及X射线图像中的对象定位。
背景技术
X射线荧光镜透视检查经常被用于引导电生理学切除过程。其实时地示出所有导管的位置。3D绘图通过示出导管相对于心脏轮廓3D表示的位置而对复杂切除过程的发展具有极大的帮助。然而，没有工具能够实时地示出所有导管相对于彼此或者相对于详细的心脏内解剖结构的位置。
从Philips Healthcare可获得的EP导航器能够在EP介入实验室中确认导管或者导联相对于详细3D心脏解剖结构的2D投影的位置。该信息可以帮助医师以更加直观的方式更有信心地实施复杂的EP过程。这种工具可以提供自动分割的3D CT图像。患者心脏解剖结构的这一图像与活动荧光镜透视检查数据组合以示出所有导管的精确位置。EP导航器使得用户能够选择要与活动荧光镜透视检查图像组合的3D解剖结构(例如，左心房和肺静脉)。所得到的复合图像提供了所有导管相对于详细的心脏3D解剖结构的2D投影的位置的准确指示。
由于解剖结构的复杂性和缺少整合工具，复杂的切除过程非常耗时并且通常持续几个小时。该过程的成功取决于导管定位的准确度。保持组织和导管尖端之间的良好接触是重要的。
在Hans Kottkamp，MD等人，in Circulation，2000，102：2082-2086(此后为：Kottkamp等人)的“Electromagnetic Versus Fluoroscopic Mapping of theInferior Isthmus for Ablation of Typical Atrial Flutter”中描述了电磁绘图系统。该电磁绘图系统包括外部超低磁场发射器、具有微型磁场传感器的一组2个导管、以及处理计算机单元。在Kottkamp等人描述的某些情况下，该电磁绘图系统允许(如果需要的话)在使用额外X射线投影，如右前斜视图的同时，利用无连续荧光镜透视检查的电磁绘图系统执行绘图过程。
发明内容
拥有改进的对象定位系统将是有利的。为了更好地解决这一问题，在本发明的第一方面中，所提出的系统包括
扫描架，其上安装有X射线源和X射线探测器；
至少一个电机，其用于旋转所述扫描架；
控制单元，其用于控制X射线源和X射线探测器以采集X射线图像，并且用于驱动电机以控制扫描架的运动，其中，所述控制单元包括用于实现扫描架的扭动运动的装置，其中，连接X射线源和X射线探测器的轴描绘出锥体的表面，其中，X射线源和X射线探测器相对于所述轴具有固定位置，其中，控制单元包括用于在扫描架的扭动运动期间采集一系列X射线图像的装置；
对象辨识单元，其用于检测并且跟踪该系列X射线图像中出现的对象以获得跟踪路径，其中，跟踪路径表示在该系列图像中检测到对象的多个位置；以及
深度估计单元，其使用跟踪路径估计深度参数，所述深度参数指示对象在与所述轴基本平行的方向上的位置。
这使得在不使用特殊定位硬件的情况下获得深度估计成为可能，这是因为已经在介入期间使用的X射线系统被用于获得对象的深度估计。该系统易于使用，这是因为其不涉及扫描架的较大旋转运动或者耗时的定位过程。优势在于不再需要使用电磁EP导航系统。
X射线图像本身提供有关对象位置的二维信息。第三维，具体而言沿与X射线源和探测器平面的中间相交的轴，通常无法通过检查X射线图像导出。该第三维指的是对象的深度。扫描架的扭动运动使X射线源和X射线探测器扭动，其提供略微不同角度的视图。该略微不同的角度可用于估计对象的深度参数。由于沿扭动运动采集多个图像，因此与仅基于两个图像的立体计算相比，深度估计的准确度得到改进。此外，扭动运动不受靠近患者定位的对象阻碍，这是因为扭动运动仅跨越相对较小的角度范围。
扭动运动通常最多限于大约10度，最大限于大约15度，其防止系统阻碍患者周围的大部分对象。扭动运动的另一特点为其大体可以为周期性运动，或者完全为周期性运动。可以重复若干次相同轨迹以改进深度估计的准确度。只要锥体的底面平滑(例如，圆形或者椭圆形)，则以平滑运动重复地执行扭动运动是相对容易的，其导致更稳定、可复制的运动。
跟踪路径可以与锥体的底面进行比较。通常，跟踪路径与锥体底面具有相似的形状，或者与底面的形状对称。然而，根据对象的深度，跟踪路径的形状将更大或者更小。该特征可用于建立对象位置的深度参数。
该系统极其适于电生理学切除过程，其中，由X射线系统建立切除导管尖端或者电极的深度。更一般地，可应用该系统估计导管的一部分(例如导管的尖端)的深度。系统可以在经皮介入期间使用，例如以提供针尖端的三维定位或者装备位置。
可以在预定的三维解剖结构图像(诸如CT或MRI图像或者表面心脏模型)中指示对象的三维位置(考虑深度参数和对象在至少一个X射线图像中的位置)。
在独立权利要求中限定本发明的其它方面。从属权利要求限定有利的实施例。
附图说明
将通过参考附图进一步阐明并且描述本发明的这些和其它方面，其中
图1为一个实施例的示意图；
图2A和2B为说明了处理步骤的流程图；
图3示意性地说明了几何形状的进动；
图4A和4B说明了深度估计方法；
图5说明了对具有非中心线位置的对象的深度估计方法；
图6A和6B说明了对具有非中心线位置的对象的深度估计方法的其它方面；
图7为一个实施例的体系结构的示意图。
具体实施方式
在这些详细的描述中，描述了若干能够利用传统X射线成像估计图像深度信息的方法、系统和计算机程序产品。所讨论的应用之一为用于电生理学(EP)过程的三维(3D)位置定位。然而，所描述的想法和实施例可应用到广泛的应用中，具体而言是自动对象检测和跟踪可行的应用中。
这种基于X射线的3D定位可以基于单平面几何形状上的(超)低剂量荧光镜透视检查。尽管仅一个探测器的信息足够提供深度信息，但是也可利用双平面和其它几何形状。该方法可以部分基于自动对象跟踪和/或信号处理，并且部分基于安装有X射线源和/或X射线探测器的扫描架的进动。
荧光镜透视检查引导的切除聚焦于引导医师通过EP导管相对于心脏(和相对于彼此)的位置，以进行焦点切除。切除可以在涉及房颤(AF)的介入期间进行。由于导管引导是解剖结构相关的，并且因而是相当复杂并且耗时的，因此辅助导航、计划和绘图的设施被视为现代EP实验室中的基本工具。
基于荧光镜透视检查的深度估计使得具有标准EP导管的(半)实时3D导航和绘图能够无缝地整合到X射线系统中。基于X射线的深度估计工具能够减少或者去除对专用定位工具和硬件的需要。这种专用定位工具和硬件可以例如基于磁性测量。除了X射线系统以外，通常使用这些专用定位工具，其中，X射线系统可以用于使解剖组织和介入工具可视化，而定位工具用于建立一个或多个介入工具的位置。由于其分立的采集模式，需要特殊的处理以使位置信息与成像信息配准。
基于X射线的实时深度估计方法为“扭动”出圆锥型运动轨迹的几何形状(进动)。
图1说明了X射线系统100的简化方框图，其可用于确定对象的深度参数。该图仅示出了为了解释本说明书中公开的概念所需的那些部件。实际的X射线系统可以包括更多的未在本文献中讨论的部件。X射线系统100包括扫描架102。扫描架悬浮安装(未示出)并且可以围绕一个或多个旋转轴旋转。通常，扫描架可以围绕两个或者更多个正交旋转轴旋转。由一个或者多个电机108(例如，每一个旋转轴一个电机)实现这一旋转。X射线源104和X射线探测器106安装在扫描架102上。X射线源104可以是在本领域中已知的X射线管。X射线探测器可以包括在本领域中已知的图像增强器或者平板探测器。
X射线系统还包括用于控制至少一个电机108、X射线源104和X射线探测器106的控制单元110。控制单元110被布置为响应于用户输入而运行。例如，可以提供类似于操纵杆的控制来使得用户能够使扫描架围绕两个旋转轴旋转。同样，可以提供踏板；当下压踏板时，采集一个或多个X射线图像。控制单元可以处理这些。为了采集图像，控制单元110可以触发X射线源104产生X射线脉冲。由此，X射线探测器106可以将所得到的X射线投影图像发送回到控制单元120，所述控制单元120将该投影图像存储在存储器位置134中。
虚设的轴116与X射线源104和X射线探测器106相交。在扫描架扭动期间，虚设的轴116相对于X射线源104和X射线探测器106固定。结果，当扫描架运动(旋转、扭动)时，虚设的轴沿扫描架运动(旋转、扭动)。控制单元110包括借助于电机108实现扫描架的扭动运动的装置114。扭动运动使得连接X射线源和X射线探测器的轴116描绘出虚设的锥体118的表面128。控制单元还包括在扫描架扭动运动期间采集一系列X射线图像的装置120。装置114和120可以被布置为响应于用户输入而运行。例如，可以提供专用按钮。按下该按钮可以启动扭动运动和系列采集。释放该按钮可以停止扭动运动和系列采集。备选地，可以在预定时间之后自动停止扭动运动和系列采集。
虚设的锥体118的顶点140在旋转的等中心处，其中，等中心为无论扫描架102如何旋转运动轴116都与其相交的点。锥体118的底面130通常具有任何平面形状。其优选地为闭合曲线，并且优选地为平滑曲线。闭合曲线具有的优势为其易于使运动具有周期性。平滑曲线具有优势为其更易于对运动进行控制，并且使测量更稳定并且更少噪声。备选地，曲线的底面形成线性形状，在这种情况下，扫描架在两个端位置之间(优选重复地)线性运动。
通常，在扭动运动和同时的图像采集期间，要跟踪的对象124保持在探测器106的视场中。该对象在X射线图像中变得可见。优选地，对象包括能够与周围组织材料区分的合适材料。例如，对象包括具有高X射线衰减系数的材料(例如，金属)。对象可以是安装在导管上的电极。导管的尖端也能够是要跟踪的对象。
提供对象辨识单元122用于检测并且跟踪在该系列X射线图像中出现的对象124以获得跟踪路径。能够使用任何已知的方法来检测X射线图像中的对象。例如，能够使用污点检测算法来检测诸如电极的小金属对象。同样，检测导管尖端的算法在本领域中也是已知的。跟踪路径通过对象在系列X射线图像中的连续位置而获得。跟踪路径可以包括坐标的无序集合。然而，跟踪路径也可以是坐标的有序序列。这种有序序列包含可以用于获得深度估计单元中的更好结果的更多信息。
提供深度估计单元126。深度估计单元利用跟踪路径来估计深度参数。例如，对象在X射线图像中的x坐标或者y坐标变化可被用于估计深度。这些偏离越大，对象距等中心的越远。变化的方向可以被用作对象处于等中心哪侧的指示。在本说明书的其它处提供在深度参数估计中涉及的计算的示例。通常，可以通过比较跟踪路径与锥体的底面130来估计深度，这是因为跟踪路径可以类似于按比例缩放的底面，其中，该比例取决于对象距等中心的距离。
在表示三维解剖结构图像的数据集136中可获得的信息可用于改进深度信息的准确度，其中所述三维解剖结构图像对应于被成像的患者。例如，在一些电生理学应用中，可以假定对象(例如，导管尖端)在数据集136的分割体积(诸如心房)的边界处(或者更一般地，在其内部)。
优选地，扭动运动不是过大。例如，扭动运动跨越最多大约10度的角度，其中，相对于轴测量该角度。备选地，X射线源在扭动运动期间的位移不超过X射线探测器的尺寸。例如，如果X射线探测器的尺寸是20×30cm，则X射线源在扭动运动期间的位移也不超过20×30cm。
扭动运动优选地为周期性运动。这对于涉及深度估计的信号处理是有利的，因为其帮助滤除噪声信号，特别是当周期性运动的周期不同于噪声信号的任何周期时。例如，如果对象由于心脏运动或者呼吸运动而运动，可以通过周期性扭动运动而滤除对象位置的干扰。
锥体可以具有圆形底面或者椭圆形底面。这意味着扭动运动是圆形的或者椭圆形的，其是平滑运动。圆形底面具有的优势为每个所确定的对象位置对深度估计的准确度具有相等的贡献。这可以通过意识到当底面是圆形时，跟踪路径也是圆形来理解。每个对象位置对估计跟踪路径的半径的帮助是相等的，并且深度估计可以基于跟踪路径的半径。备选地，锥体可以具有线性形状底面，例如，从位置A到位置B的线性运动，之后为返回A的线性运动。这种线性运动在X射线系统中相对容易实施。这种线性形状底面也可被视为椭圆形，因为其构成最短轴具有零长度的椭圆。非线性椭圆底面具有的优势为从更多不同的角度收集更全面的信息，其使深度估计更准确。
深度估计单元126可以包括用于比较锥体的底面与跟踪路径的装置138，由此获得跟踪路径的比例(scale)。锥体144的底面可以数字地存储在深度估计单元126的存储器中。深度估计单元126可以还包括基于跟踪路径的比例估计深度参数的装置140。锥体的底面可以包括圆形。在这种情况下，跟踪路径也限定了圆形，并且跟踪路径的比例基于由跟踪路径限定的圆形的半径。
尽管可以定位任何类型的对象，但是该系统特别适合于检测至少包括电生理学切除导管的尖端或者电极的对象。深度估计对于切除过程非常重要，并且基于X射线的深度估计去除了对分立的电磁定位系统的需求。然而，该系统可以在任何类型的经皮介入期间使用。也可以预期其它应用。
优选地，提供图形单元132以指示对象相对于由数据集136表示的三维解剖结构图像的位置。该指示基于包括深度参数的对象的三维位置。图形单元132确定对象相对于由数据集136表示的三维解剖结构图像的位置。通过结合对象在X射线图像中的位置考虑深度参数而计算对象的三维位置，所述X射线图像例如为在扭动运动期间采集的系列X射线图像中的一个。可能使用基于一系列X射线图像的平均位置来代替使用对象在仅一个X射线图像中的位置。例如，如果跟踪路径是圆形，则可以使用圆形的中心点。三维解剖结构图像的相对位置可以作为先验已知。也可以利用本领域中已知的配准技术通过将三维解剖结构图像配准到X射线图像来确定(或者校正)三维图像的相对位置。
图形单元132创建包括由数据集136表示的三维解剖结构图像的至少一部分的表示的复合图像。该复合图像可以存储在存储器中(未示出)。图形单元132生成要提供给显示器142的输出信号。显示器142可以为传统的医学显示器，例如高分辨率LCD显示器，例如在其上显示由数据集136表示的三维解剖结构图像的2D投影连同对象的位置指示的显示器。数据集136也可以包括一个或多个二维图像，已知其相对于对象的空间关系，并且在这种情况下，由图形单元132向显示器142提供的图像可以包括具有对象的指示的这种二维图像。显示器142也可以是3D显示器，其为能够绘制场景的三维印象的显示器。3D显示器能用于清晰地将对象相对于由数据集136表示的三维解剖结构图像的位置可视化。这种诸如双凸透镜显示器的3D显示器在本领域中是已知的。这些可视化可以使对曲折血管或者如心房的空间中的装备和/或导管的操纵更加容易。
图2A说明了在一系列X射线图像中估计对象的深度参数的方法。该方法可以作为例如嵌入到X射线仪器中的计算机程序产品实施。该方法起始于步骤200，例如响应于经由例如X射线机器上的按钮的控制接口的用户命令。
在步骤202，驱动电机108来控制安装有X射线源和X射线探测器的扫描架，由此实现扫描架的扭动运动。连接X射线源和X射线探测器的轴描绘出锥体的表面，其中，X射线源和X射线探测器具有相对于轴的固定位置。在扫描架的扭动运动期间，在步骤204，采集一系列X射线图像。
在采集了X射线图像之后，在步骤206，检测并且跟踪该系列X射线图像中出现的对象，以获得跟踪路径。跟踪路径表示在该系列图像中检测到对象的多个位置。在步骤208，利用跟踪路径，通过比较跟踪路径与锥体的底面来估计深度参数，所述深度参数指示对象在与轴基本平行的方向中的位置。
图2B为说明计算机程序产品的处理步骤的流程图。计算机程序产品被布置为使用作为输入的X射线图像来估计深度参数。在步骤210，由用户起动深度参数的估计。在步骤212，程序接收在扫描架的扭动运动期间采集一系列X射线图像，所述扫描架上安装有X射线源和X射线探测器，其中，连接X射线源和X射线探测器的轴描绘出锥体表面，其中，X射线源和X射线探测器具有相对于所述轴的固定位置。
在步骤214，该程序检测并且跟踪在该系列X射线图像中出现的对象，以获得跟踪路径，其中，跟踪路径表示在该系列图像中检测到对象的多个位置。在步骤216，该程序使用跟踪路径通过比较跟踪路径与锥体的底面来估计深度参数，所述深度参数指示对象在与所述轴基本平行的方向中的位置。当已经估计了所述深度参数时，该程序可以计算对象的三维位置并且在显示器上指示该位置，例如，以利用三维图像绘制的重叠方式。也可能在较早地从不同投影角度采集的另一X射线图像中指示对象的位置。
图3示意性地说明了成像系统的进动运动。这种进动运动是扭动运动的特殊示例。在图300中图示说明了源和探测器的轨迹，并且在图形312中说明了由探测器探测到的对象的运动。圆形箭头302表示源的焦斑的轨迹。圆形箭头314说明了连接焦斑和探测器的中点的虚设的线的运动。点304是进动的中心。本领域技术人员将理解的是进动304的中心处的对象将在由探测器308在进动运动期间记录的图像中保持稳定的位置。然而，与进动304的中心相比，更靠近探测器308或者更靠近源302的任何位置处的点将在随着沿圆形运动而进动期间所记录的图像中出现。
坐标系310是本文献中用于解释这里所使用的方法的坐标系之一。x和y轴对应于探测器平面308。z轴与x、y平面正交并且指向源302。
图形312说明了不处于进动304中心的对象的投影将看起来追随圆形路径。当检查对象在探测器平面中沿x或y轴、随时间t变化的位置时，将相应地出现类似于正弦的曲线，如在图形312中所示。
在这里所使用的用于深度估计的方法和算法中，可以假定理想的点源和点对象。例如，可以忽略焦点模糊。描述了对称的等中心情况，其中，旋转中心是大约通过C弧的一半。然而，这些假定只是为了使算法更简单进行的简化。本领域技术人员将意识到可以通过在深度估计模型中考虑以上提出的更多方面来改进准确度。
图4A和4B说明了进动的参数化模型。在表1中更详细地描述了该模型中所使用的约定和符号。
表1：符号列表
Figure BPA00001232146100091
Figure BPA00001232146100101
图4A说明了当源402和探测器404旋转和/或成角度时，点对象在x、y平面中的绝对移位。图4B说明了具有不同深度的两个对象406和408，即具有不同z坐标的两个对象在x、y平面中的移位的差。这也说明了该模型的深度敏感度。由焦点旋转角度
Figure BPA00001232146100102
引起的在与成像平面距离z处的点P的投影沿进动中心的像素移位i可以由以下表示：
Figure BPA00001232146100103
方程1
定义
K = L SID - L - z 方程2
并且考虑角度
Figure BPA00001232146100105
可能相对较小，方程1减小到：
Figure BPA00001232146100106
方程3
尽管图4A和4B能够用于解析地计算深度d处该模型的深度敏感度，但是更直接的方法可以使用泰勒展开作为近似。求方程3的微分并且利用一阶泰勒近似得到以下：
Figure BPA00001232146100107
方程4
对于实际情况，可以认为K＞＞1并且SID近似等于L。在这种情况下，对于相对粗略的估计，方程4可以甚至被进一步简化为：
Figure BPA00001232146100108
方程5
其中，
Figure BPA00001232146100109
以弧度表示。
根据国际电工委员会(IEC)提供的模型，患者厚度的典型值为30cm，SID(X射线源到成像器(例如，X射线探测器)的距离)为1.0m。实际上，为了最小化X射线剂量和焦点模糊，将探测器放置到靠近患者，例如PID(患者成像器距离)可以粗略地为0.15m。对于当前这一代的探测器，像素间距可以大约为150μm。L通常为0.8m。在这种构造中，当使用大约10度的进动时，1mm的深度参数变化将导致跟踪路径在探测器上1个像素的变化(例如，如果跟踪路径包括圆形，则圆形的直径将增加或者减少1个像素)。
通过进动运动使深度信息参数化的更普遍的方法是使模型中包括对象P的非中心线位置。这里，中心线是虚设的线，其与探测器平面垂直并且连接探测器和源的焦斑。在图5和图6中描述了一般化的情况，其中点P在x方向上移位。图5说明了与图4A和图4B相同的角度的系统。图6A中绘出的圆形说明了投影到图像探测器上的对象的跟踪路径。图6B说明了两个扫描架位置之间的角度
Figure BPA00001232146100111
在该说明书中，将更详细地解释x方向上的移位情况。实际上，P不仅在x方向上移位(如图5和图6所说明的)，还在y方向上移位。然而，本领域技术人员可以在可能结合了x方向移位的y方向移位的情况下，得到相似的分析。
该模型描述为：
Figure BPA00001232146100112
方程6
由于对称，其对于y坐标是相同的。根据方程6，在固定深度z处并且作为用于对称旋转(进动)的位置x的函数的探测器像素移位(在图6A中图示)的传递函数可以表达为：
Figure BPA00001232146100113
方程7
假定角度
Figure BPA00001232146100114
相对较小(如图6B中所说明的)并且相对于进动304的固定中心对称。
对于旋转是对称的进动(使用双轴锥体状的轨迹，其中，双轴意味着扫描架的旋转围绕从头到脚的患者轴和从左到右的患者轴两者发生)而言，由进动频率调制的、对象的投影在图像平面上的圆形轨迹的半径可以由以下给出：
R = 1 2 2 i x 2 + i y 2 方程8
在源和探测器的固定旋转位置处，对于小角度的x方向(并且类似地y方向)上的深度敏感度可以表达为：
方程9
对于EP应用，导管通常配备有电极对(双极)，其通过自动图像处理而相对容易地检测并且跟踪X射线图像。通过在X射线投影后在成像器上的污点状结构以及电极的高度衰减便于进行该检测和跟踪。电极通常大致为圆柱体形状，并且其尺寸典型地为1mm(垂直投影)。然而，这里所描述的方法和系统不限于电极并且也不限于具有电极的尺寸的对象。
表2定义了属于X射线扫描架的进动运动的旋转和成角度值的序列，所述X射线扫描架固定有X射线源和X射线探测器。这里，旋转指的是扫描架围绕患者的从头到脚方向的轴的旋转，而成角度指的是扫描架围绕患者的从左到右方向的轴的旋转。
表2：示例轨迹的连续旋转/成角度值
Figure BPA00001232146100122
表2中定义的进动为±5度的进动，使得任何两个扫描架位置之间的最大角度为10度。这一角度基于来自于先前部分的模型的估计。旋转和成角度描述了沿具有5度的半径的圆形的轨迹(进动)。表2中列出的角度相对于进动中心中的参考位置(进动围绕其执行旋转运动的轴)。该参考位置可以具有任何取向(即，任何对的绝对成角度/旋转值)。通常，参考位置将根据临床过程和患者的解剖结构产生。该示例中的值仅用于说明的目的。无论如何它们并非作为限制。
可能手动地、半自动地或者优选全自动地识别对象在图像中的位置。例如，可以通过使图像阈值化，由此分割与对象对应的暗区域，之后通过用于确定图像序列中的暗区域的中心位置的污点检测算法，自动识别导联或者金属对象。这些中心位置可用作在对象图像中的x、y坐标。
如以上所描述的，图像序列中由对象的投影横穿的(圆形)轨迹的半径与所投影对象的深度位置成比例。轨迹的旋转方向(顺时针或者逆时针)与对象相对于等中心的位置有关。
由于进动运动以预定频率调制在图像序列中记录的对象的轨迹，因此能够采用专用信号处理来在更困难的成像情况下确定所跟踪对象的深度位置，所述更困难的成像情况例如如果图像中存在过多噪声或者如果图像中存在可能被误认为是要确定其深度的对象的其它对象。当对象运动，例如胃肠运动、心脏运动和/或呼吸运动发挥作用时，可以有利地考虑预定轨迹的形状。
对象可以是静态的。例如，对象可以由于心脏和呼吸运动以及胃肠运动而运动。可以借助于运动模型来改进深度估计，所述运动模型基于图像序列对对象的运动建模。这可以通过利用滤波器来完成，该滤波器根据一系列不完整且具有噪声的测量结果来估计动态系统的状态。这种运动模型可以基于对对象位置的观察序列提供与对象的位置和速度有关的准确的连续更新信息。这种观察序列由图像序列和在图像中检测到对象的位置序列来提供。可应用于设计这种运动模型的示例滤波器是已知的卡尔曼滤波器，其是线性系统，其中当输入是由白噪声生成的随机信号时预期输出和实际输出之间的均方误差被最小化。
当将该方法应用于患有房颤的患者时，要定位的对象(通常为插入到心腔中的一个或多个EP导管)可能运动得不如有规律跳动的心脏中的运动剧烈。这使得在无运动补偿或者几乎没有运动补偿的情况下能够使用深度估计系统。在这种情况下，使用这里描述的系统和方法是特别有利的，因为在房颤的情况下，可能难于找到具有专用导航装备的设施，并且/或者及时地设置这种专用导航装备过于耗时。
通过10度的进动(±5度的半径)，在常见X射线系统中探测器的绝对移位可能粗略为5cm。尽管这种情况下的探测器运动是相对较小的，但是患者和/或医师仍然感到一些不适。可以减小进动角度以减少由于进动引起的任何不适。通过增加进动角度，可以比成例地增加深度分辨率。然而，对于EP导管，一些现有电磁跟踪系统的准确度在相同的量级，通常2-4mm。
所跟踪对象的轨迹半径可以与对象到探测器的距离成比例，并且如果对象位于几何形状的等中心，该半径为零。然而，如可从模型中总结的，深度敏感度实质上与对象的实际深度位置无关。
图7说明了适合于创建这里描述的方法和系统的各方面的计算机实现方式的系统体系结构。例如，可以在计算机工作站中找到这种体系结构。备选地，图7中所示的部件可以包含在X射线系统中。图7仅示出了示例体系结构的示意图。可以使用其它体系结构来取代。存储器706包括根据在本文中描述的方法的计算机指令。存储器706还可以包括图像数据和对象位置数据。处理器702执行计算机指令。通信端口708用于接收图像数据，例如表示三维解剖结构对象和/或图像序列134的数据集136。端口708也可以用于将控制信号分派到扫描架102的电机108。图像数据也可以经由可移除介质710获得。用户命令可以经由输入704(例如，键盘或者台侧控制)输入，以触发某些动作，例如起动扭动运动和/或起动对象相对于三维解剖结构图像的三维位置指示的显示。显示器712可以用于示出状态信息和/或对象和图像的指示。如何将图7的体系结构经由通信端口708连接到X射线系统或者如何将体系结构嵌入到已知的X射线系统对于本领域技术人员是显而易见的。
将意识到，本发明也可延伸为计算机程序，具体而言在载体上或载体中的计算机程序，其适于实现本发明。该程序也可以具有以下形式：源代码、目标代码、诸如部分编译形式的源和目标代码的中间代码、或者适合于在根据本发明的方法的实现方式中使用的任何其它形式的。还将意识到的是，这种程序可以具有许多不同的体系结构设计。例如，实施根据本发明的方法或者系统的功能的程序代码可以被划分为一个或多个子程序。在这些子程序中分布功能的若干不同方式对于本领域技术人员是显而易见的。子程序可以一起存储在一个可执行文件中以形成自备程序。这种可执行文件可以包括计算机可执行指令，例如处理器指令和/或解释器指令(例如，Java解释器指令)。备选地，一个或多个或者所有子程序可以存储在至少一个外部库文件中，并且与主程序静态地或者动态地(例如，运行时)链接。主程序包括对至少一个子程序的至少一个调用。同样，子程序可以包括对彼此调用的功能。与计算机程序产品有关的实施例包括计算机可执行指令，其对应于至少一个所述方法的每个处理步骤中。这些指令可以被划分为子程序和/或存储在静态或者动态链接的一个或多个文件中。与计算机程序产品有关的另一个实施例包括计算机可执行指令，其对应于所述系统和/或产品中的至少一个的每个装置。这些指令可以被划分为子程序和/或存储在静态或动态链接的一个或多个文件中。
计算机程序的载体可以为能够承载程序的任何实体或者设备。例如，该载体可以包括存储介质，例如ROM，例如CD ROM或者半导体ROM，或者磁记录介质，例如软盘或者硬盘。此外，载体可以为可传输载体，例如电信号或者光信号，其经由电缆或者光缆或者通过无线电或者其它方途径进行传递。当程序以这种信号实现时，该载体可以包括这种线缆或者其它设备或者装置。备选地，该载体可以为嵌有程序的集成电路，所述集成电路适于执行相关方法，或者在相关方法的执行中使用。
应该注意的是，上述实施例用于说明而非限制本发明，并且本领域技术人员能够设计许多备选实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，不应将在括号间的任何参考标记解释为限制权利要求。动词“包括”及其变化形式的使用不排除除了权利要求中所述的那些元件或者步骤以外的元件或步骤的存在。元件之前的冠词“一”或者“一个”不排除多个这种元件的存在。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件，并且借助于适当编程的计算机来实施。在列举若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干可以实现为一个并且是相同的硬件。在互不相同的从属权利要求中引用某些措施这一事实并不意味着这些措施的组合是不能获得优势。

Claims (15)

1.一种X射线系统(100)，包括
扫描架(102)，其上安装有X射线源(104)和X射线探测器(106)；
至少一个电机(108)，其用于旋转所述扫描架；
控制单元(110)，其用于控制所述X射线源和所述X射线探测器以采集X射线图像，并且用于驱动所述电机以控制所述扫描架的运动，其中，所述控制单元包括用于实现所述扫描架的扭动运动的装置(114)，其中，连接所述X射线源和所述X射线探测器的轴(116)描绘出锥体(118)的表面(128)，其中，所述X射线源和所述X射线探测器相对于所述轴具有固定位置，其中，所述控制单元包括用于在所述扫描架的所述扭动运动期间采集一系列X射线图像的装置(120)；
对象辨识单元(122)，其用于检测并且跟踪在所述系列X射线图像中出现的对象(124)以获得跟踪路径，其中，所述跟踪路径表示在所述系列图像中检测到所述对象的多个位置；以及
深度估计单元(126)，其使用所述跟踪路径来估计深度参数，所述深度指示所述对象在与所述轴(116)基本平行的方向上的位置。
2.根据权利要求1所述的X射线系统，其中，所述扭动运动跨越最多大约10度的角度，其中，所述角度相对于所述轴而测量。
3.根据权利要求1所述的X射线系统，其中，所述X射线源在所述扭动运动期间的位移不超过所述X射线探测器的尺寸。
4.根据权利要求1所述的X射线系统，其中，所述扭动运动是周期性运动。
5.根据权利要求1所述的X射线系统，其中，所述锥体具有圆形底面或者椭圆形底面。
6.根据权利要求1所述的X射线系统，其中，所述锥体具有线性形状底面。
7.根据权利要求1所述的X射线系统，其中，所述深度估计单元包括
用于比较所述锥体的底面与所述跟踪路径，由此获得所述跟踪路径的比例的装置(138)；以及
用于基于所述跟踪路径的所述比例估计所述深度参数的装置(140)。
8.根据权利要求7所述的X射线系统，其中，所述锥体的所述底面包括圆形，其中，所述跟踪路径定义一圆形，并且所述跟踪路径的所述比例基于由所述跟踪路径限定的所述圆形的半径。
9.根据权利要求1所述的X射线系统，其中，所述深度估计单元包括用于区分所述扫描架的运动和所述对象的运动的运动模型。
10.根据权利要求1所述的X射线系统，其中，所述对象至少包括电生理学切除导管的尖端或者电极。
11.根据权利要求1所述的X射线系统，其中，将所述X射线系统布置为在经皮介入期间对人类患者成像的同时执行所述扭动运动。
12.根据权利要求1所述的X射线系统，还包括图形单元(132)，其用于基于所述深度参数并且基于所述对象在X射线图像中的位置指示所述对象相对于由数据集(136)表示的三维解剖结构图像的位置。
13.根据权利要求12所述的X射线系统，还包括显示器(142)，其用于提供所述三维解剖结构图像和所述对象的所述位置的三维图形表示，其中，将所述图形单元(132)布置为向所述显示器(142)提供表示所述指示的信号。
14.一种方法，包括
驱动(202)电机以控制扫描架的运动，在所述扫描架上安装有X射线源和X射线探测器，由此实现所述扫描架的扭动运动，其中，连接所述X射线源和所述X射线探测器的轴描绘出锥体的表面，其中，所述X射线源和所述X射线探测器相对于所述轴具有固定位置；
在所述扫描架的所述扭动运动期间采集(204)一系列X射线图像；
检测并且跟踪(206)在所述系列X射线图像中出现的对象以获得跟踪路径，其中，所述跟踪路径表示在所述系列图像中检测到所述对象的多个位置；以及
使用所述跟踪路径通过比较所述跟踪路径与所述锥体的底面来估计(208)深度参数，所述深度参数指示所述对象在与所述轴基本平行的方向上的位置。
15.一种计算机程序产品，其包括使机器执行以下步骤的机器可读指令：
接收在扫描架的扭动运动期间采集的一系列X射线图像，在所述扫描架上安装有X射线源和X射线探测器，其中，连接所述X射线源和所述X射线探测器的轴描绘出锥体的表面，其中，所述X射线源和所述X射线探测器相对于所述轴具有固定位置；
检测并且跟踪在所述系列X射线图像中出现的对象以获得跟踪路径，其中，所述跟踪路径表示在所述系列图像中检测到所述对象的多个位置；以及
利用所述跟踪路径通过比较所述跟踪路径与所述锥体的底面来估计深度参数，所述深度参数指示所述对象在与所述轴基于平行的方向上的位置。
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