CN105612572A - 用于x射线图像生成的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种创建图像的方法包括提供解剖结构的三维图像数据，提供所述解剖结构一部分的模型，以及使用来自所述图像数据的信息和来自所述模型的信息创建所述解剖结构的靶点部分的虚拟放射照片。该方法还可以包括以修改的状态表示所述解剖结构的所述部分，其中所述修改的状态是所述解剖结构的切除的、平移的、旋转的和/或以其他方式修改的部分。该方法还可以包括将假体装置的虚拟图像加到所述虚拟放射照片中。所述虚拟放射照片可以通过对三维图像数据执行射线投射过程来创建。

Description

用于X射线图像生成的方法和系统
相关申请的交叉引用
本发明申请要求2013年7月23日提交的美国申请号13/948,592的权益和优先权，其内容由此通过引用全部并入本文。
背景技术
本发明公开一般涉及x射线可视化的领域。本发明公开更确切地来说涉及创建二维x射线图像以用于在手术准备中提供辅助性视图。
医务人员可能习惯于在手术规划方法中使用传统x射线图像，并且相应地，期望针对手术规划和解剖结构可视化提供利用相同类型的图像且使得医务人员满意的改进。同时，使用传统x射线模型有多种限制，如无法校正患者解剖结构在解剖结构图像中的位置。在手术规划中，可能期望在特定位置中设有靶点解剖结构，但是在创建图像时，x射线图像受限于患者在x射线台上的位置。再者，传统x射线图像无法操控以在x射线图像中显示旋转/重新定位的解剖结构或植入体，如矫形关节假体，以便提供手术规划的指引和与术后记录的对比。
发明内容
本发明公开的一个实现涉及一种创建图像的方法。该方法包括提供解剖结构的三维图像数据，提供所述解剖结构一部分的模型，以及使用来自所述图像数据的信息和来自所述模型的信息创建所述解剖结构的靶点部分的虚拟放射照片。
在一些实施方案中，该方法可以包括在虚拟放射照片上以修改的状态表示所述解剖结构的一部分，以及所述修改的状态可以是所述解剖结构的所述部分的平移或旋转或切除。可以根据术前规划来修改所述解剖结构的所述部分。
在一些实施方案中，该方法可以包括从虚拟放射照片中减去与所述解剖结构的所述部分对应的图像数据。还可以通过修改与所述解剖结构的所述部分对应的图像数据并将修改的图像数据加到所述虚拟放射照片来创建所述虚拟放射照片。在一些实施方案中，该方法可以包括将假体装置的图像加到所述虚拟放射照片中。可以根据术前规划将假体装置的图像加到所述虚拟放射照片中。
在一些实施方案中，所述解剖结构的一部分的模型是分段的骨模型。在其他实施方案中，所述模型可以提供所述解剖结构的所述部分在三维图像数据内的边界。
在一些实施方案中，创建所述虚拟放射照片可以包括对所述三维图像数据执行第一容积射线投射过程，并且可以包括对所述模型设定边界的所述三维图像数据执行第二容积射线投射过程。创建所述虚拟放射照片可以包括计算所述第一容积射线投射过程期间的第一组累计衰减值，将所述第一组累计衰减值加到所述虚拟放射照片，计算所述第二容积射线投射过程期间的第二组累计衰减值，以及从所述虚拟放射照片减去所述第二组累计衰减值。创建所述虚拟放射照片还可以包括根据术前规划修改所述第二组累计衰减值，以及将修改的第二组累计衰减值加到所述虚拟放射照片中，以及其中所述创建虚拟放射照片的步骤包括将假体装置的图像加到所述虚拟放射照片中。
在一些实施方案中，创建所述虚拟放射照片可以包括对植入体模型执行第三容积射线投射过程，从所述第三容积射线投射过程计算第三组累计衰减值，以及将所述第三组累计衰减值加上所述第一和第二组累计衰减值的差。该方法还可以包括其中所述植入体是根据术前规划，相对于所述三维图像数据、所述模型或所述解剖结构的所述部分来定位和定向的。
本发明公开的另一个实现是一种图像生成系统，其包括具有处理器和存储器的处理电路、输入/输出接口、耦合到所述输入/输出接口的显示器。该处理电路配置成检索解剖结构的三维图像数据，检索与所述解剖结构的一部分对应的解剖结构模型，使用来自所述三维图像数据和所述模型的信息创建虚拟放射照片，以及在所述显示器上显示所得到的虚拟放射照片。
在其他实施方案中，所述处理电路还配置成根据术前规划来修改所述解剖结构的所述部分。所述处理电路还可以配置成在所述虚拟放射照片中以修改的状态显示所述解剖结构的所述部分。
在其他实施方案中，所述处理电路还配置成从所述虚拟放射照片减去与所述解剖结构的所述部分对应的图像数据，以及可以配置成修改与所述解剖结构的所述部分对应的图像数据，以及还可以配置成将与所述解剖结构的所述部分对应的修改的图像数据加到所述虚拟放射照片中。所述处理电路可以配置成根据术前规划来修改与所述解剖结构的所述部分对应的图像数据。
在其他实施方案中，所述处理电路还配置成将假体装置的虚拟图像加到所述虚拟放射照片中。
本发明公开的另一个实现是一种用于生成虚拟放射照片以用于在显示装置上显示的方法。该方法包括提供具有处理电路的图像生成系统，所述处理电路包括处理器和存储器装置，所述图像生成系统耦合到所述显示装置，检索存储在所述存储器中的解剖结构的三维图像数据，检索存储在所述存储器中的与所述解剖结构的一部分对应的三维骨模型，将所述三维骨模型与所述三维图像数据关联，以使所述三维骨模型定义第一边界，所述第一边界包含所述三维图像数据内与所述解剖结构的所述部分对应的第一设定边界的容积，以及对所述三维图像数据执行容积射线投射过程。该容积射线投射过程包括从原点投射射线穿过在屏幕空间的矩形中的第一像素以及穿过所述第一设定边界的容积，沿着所述射线在多个采样步骤上对所述第一设定边界的容积采样，所述采样步骤按采样距离分隔，其中采样被限于所述射线在所述射线与所述第一边界的前面交点附近的位置与所述射线与所述第一边界的后面交点附近的位置之间的线段，基于所述采样步骤的每一个步骤处的样本，计算所述采样步骤的每一个步骤处的所述射线的衰减系数，沿着所述射线运算所述第一设定边界的容积的第一累计衰减值，沿着所述屏幕空间矩形的第二像素投射第二射线，对所述屏幕空间矩形的所述第二像素重复所述采样、计算和运算步骤以运算所述第一设定边界的容积的第二累计衰减值，以及存储所述第一设定边界的容积的累计衰减值。
在其他实施方案中，所述方法还包括提供第二边界，所述第二边界定义所述三维图像数据的第二设定边界的容积，对所述三维图像数据的所述第二设定边界的容积执行所述容积射线投射过程，将所述第二设定边界的容积的所述累计衰减值加到所述虚拟放射照片中，以及从所述虚拟放射照片减去所述第一设定边界的容积的所述累计衰减值。
在其他实施方案中，所述方法还包括修改与所述第一设定边界的容积关联的数据。与所述第一设定边界的容积关联的数据可以包括所述第一设定边界的容积内的三维图像数据、所述第一设定边界的容积的所述衰减系数、所述第一设定边界的容积的所述累计衰减值以及与所述第一设定边界的容积关联的颜色信息的至少一个。
在其他实施方案中，所述修改与所述第一设定边界的容积关联的数据包括平移、旋转和切除的至少一个。还可以对应于术前规划来执行修改数据。与所述第一设定边界的容积关联的数据可以是所述第一设定边界的容积的所述累计衰减值，以及方法还包括将所述第一设定边界的容积的修改的累计衰减值加到所述虚拟放射照片中。
在其他实施方案中，该方法可以包括运算植入体模型的衰减值以及将所述植入体模型的所述衰减值加到所述虚拟放射照片中。可以根据术前规划相对于所述三维图像数据来对所述植入体模型定位。
在其他实施方案中，该方法还可以包括将所述第一设定边界的容积的所述累计衰减值转换成颜色信息，并将所述颜色信息提供到所述显示器。
备选示范实施方案涉及如权利要求中可一般性引述的其他特征和特征的组合。
附图简介
通过结合附图进行的下文详细描述，将更全面地理解本发明公开，其中相似的引用数字指代相似的元件，其中：
图1是根据示范实施方案的图像生成系统的框图；
图2是根据示范实施方案的x射线可视化过程的流程图；
图3A-D图示根据示范实施方案的图2的x射线可视化过程；
图4是根据示范实施方案的图2的x射线可视化过程的射线投射过程的流程图；
图5是根据示范实施方案的用于针对图2的射线投射过程计算累计衰减值的过程的流程图；
图6A-B图示根据示范实施方案的图5的射线投射算法；
图7是根据示范实施方案的用于针对图4的x射线可视化过程绘制常量衰减模型的过程的流程图；
图8A-D图示根据示范实施方案的可对x射线图像设定的各种亮度和对比度值的效果；以及
图9是根据示范实施方案的可实现图像生成系统的示例用户界面。
具体实施方式
在转到详细图示这些示范实施方案的附图之前，应该理解的是，申请不限于描述中阐述或附图中图示的细节或方法。还应该理解，术语仅用于描述的目的而不应视为限制。
一般性地参考附图，示出并描述了用于创建二维(2D)x射线图像的系统和方法。本文描述的系统和方法一般性地可以使用患者计算机断层(CT)扫描、分段的骨模型和手术的术前规划来创建交互式高质量虚拟放射照片，本文也称为x射线图像。所生成的x射线图像可以提供用于植入体规划(或任何其他手术规划)的完整前后视图。所生成的x射线图像还可以用作与术后记录的比较。这些图像显示在通过数字工具增强的用户界面上，这些数字工具可以在术前手术规划过程中协助用户。
在一个实施方案中，本文的系统和方法可以用于提供患者骨盆和股骨的可定制视图。例如，可以创建骨盆和股骨的的x射线图像，然后可以采用提供解剖结构的单纯前后或侧向透视图的方式操控该x射线图像。这可以提供对传统x射线成像技术的改进，因为传统x射线成像技术的局限涉及患者在x射线台上的位置的影响。再者，可以将植入体模型添加到x射线图像中以便在手术规划准备中予以利用以及用于与术后记录进行比较。
操控x射线图像以便在手术准备中提供各种视图。一般性地参考图1-2，示出并描述图像生成系统100和图像生成系统100可执行的过程200。图像生成系统100可以一般性地配置成生成用于供医务人员查看的x射线图像。根据一个实施方案，图像生成系统100可以是集成有其他医学相关软件的组件。
系统100可以使用表示患者解剖结构的数据，如来自成像系统132的患者CT扫描或统计变形模型、分段式骨模型和手术的术前规划，来生成x射线图像。在术前规划的一个示例中，医生和/或医生的助手可以描绘预期的组织切除、植入体置入和/或手术过程中要执行的其他预设操作或通过手术实现的效果。系统100可以经由输入/输出(I/O)接口108从用户接收此类信息和/或从数据库110检索该信息。分段式骨模型可以通过此类方法如livewire分段技术、Mimics软件或本领域中公知的其他方法来创建。
系统100一般性地包括处理电路102，处理电路102具有处理器104和存储器106。处理器104可以是或包括一个或多个微处理器、专用集成电路(ASIC)、包含一个或多个处理组件的电路、一组分布式处理组件、用于支持微处理器的电路或配置成用于处理的其他硬件。根据示范实施方案，处理器104配置成执行存储器106中存储的计算机代码以完成和协助本文描述的活动。存储器106可以是能够存储与本文描述的活动相关的数据或计算机代码的任何易失性或非易失性存储器装置。例如，存储器106示出为包括各种模块，这些模块是配置成用于被处理器104执行的计算机代码模块(例如，可执行代码、对象代码、源代码、脚本代码、机器代码等)。当被处理器104执行时，处理电路102配置成完成本文描述的活动。
存储器106示出为包括用于执行过程200的各种模块。用于生成x射线图像的过程200可以一般性地包括绘制加法和减法模型的容积射线投射组件、用于绘制常量衰减模型的组件以及用于根据前两个组件计算的衰减和厚度值来计算输出颜色的组件。存储器106示出为包括用于执行过程200的组件的容积射线投射模块112、衰减模型模块114和颜色模块116。射线投射模块112可以一般性地配置成将提供的CT扫描图像中的一个或多个特征结构(feature)旋转或切除。衰减模型模块114可以一般性地配置成在系统100输出的x射线图像中指示此类特征结构，以及颜色模块116可以配置成为图像提供灰度级颜色设置以便显示。下文结合后续附图更详细地描述模块112-116的活动。
存储器106可以包括用于临时性存储x射线图像生成过程期间的数据的一个或多个缓冲器118-124。存储器106包括用于存储射线投射过程期间计算的加法和减法衰减值的衰减缓冲器118。存储器106还包括用于存储输入模型的厚度的厚度缓冲器120和用于存储输入模型的前片段(fragment)和后片段的XYZ坐标的前缓冲器122和后缓冲器124。下文结合后续附图更详细地描述缓冲器118-124的使用。
存储器106还包括显示模块126。显示模块126可以配置成为用户生成显示，其包含所生成的x射线图像。显示模块126还可以配置成生成用户界面以用于在显示器130上显示，从而允许用户与x射线图像交互，正如参考图8-9所述。
系统100还包括输入/输出(I/O)接口108。I/O接口108可以配置成从成像系统132接收信息，以及从外部显示器130接收信息以及向外部显示器130传送信息。I/O接口108可以配置成以无线方式或经由有线连接传送一个或多个x射线图像以用于在显示器130上显示。显示器130可以是任何类型的显示器，如计算机或其他装置显示器。图9更详细地示出可以通过显示器130来显示的x射线图像的示例。I/O接口108还可以经由显示器130、与显示器130关联的输入装置(例如，键盘、鼠标、触摸屏上的触控等)、其他外围装置和/或更宽泛的手术系统平台内包含的其他系统接收输入。系统100和更具体的系统100的多个模块可以配置成解释这些输入并基于这些输入生成x射线图像。
再次参考图2，示出用于生成x射线图像的高级x射线可视化过程200的流程图。过程200可以一般性地配置成基于患者的CT扫描、本领域中公知的任何方式创建的分段的骨模型和术前规划来创建x射线图像。
过程200可以一般性地包括在清空衰减缓冲器118和厚度缓冲器120(步骤202、204)之后的容积射线投射过程206。射线投射过程206可以由例如容积射线投射模块112来执行。射线投射过程206可以一般性地包括通过针对来自CT扫描的图像中的每个像素将射线从原点608穿过CT容积的边界框投射来根据CT扫描创建x射线图像。将根据沿着这些射线的CT值计算的衰减累计。图3A的图像300中图示了容积射线投射过程206创建的x射线图像。图像300是进行图像的任何操控之前的CT扫描的x射线视图。
射线投射过程206还可以一般性地包括，使用相同的查看参数，在为操控选定的某个分段的骨模型(例如示范实施方案中的两个股骨)内创建CT容积的图像。然后可以从前次计算的衰减减去累计衰减值，以便有助于手术规划和对x射线图像中显示的解剖结构的任何必要操控。参考图3B的图像310，图示的x射线图像示出减去累计衰减值的结果。例如，对于分段的股骨模型，显示从x射线图像中“减去”了股骨。
为了获取期望位置的患者解剖结构的x射线图像，射线投射过程206还可以一般性地包括，在已被平移、旋转、切除和/或以其他方式修改的骨模型内创建CT容积的图像。在一个实施方案中，这些修改是根据术前规划来制定的。然后可以将累计衰减值添加上期望位置中的前次计算的衰减。还参考图3C的图像320，图示的x射线图像示出加上累计衰减值的结果。对于这些附图中图示的股骨示例，虚拟修改的股骨被添加回x射线图像。在图示的实施方案中，可以相对于分段的骨模型来定义的机械轴对齐骨盆中心线轴，并且基于术前规划，手术侧股骨模型被切除和减去。
在射线投射过程206之后，过程200包括绘制衰减模型的衰减模型过程208。过程208可以一般性地包括创建植入体模型的图像，其中衰减与模型的聚集视图相关厚度成比例，并且植入体模型是根据术前规划来放置。将生成的衰减值加上过程206中计算的衰减。参考图3D的图像330，图示的x射线图像示出过程208的结果。下文将分别参考图4和图7更详细地描述过程206、208。
过程200还包括将计算的衰减值映射到灰度级颜色(步骤210)，并且将含有颜色信息的x射线图像提供到屏幕或其他显示器130。步骤210利用衰减缓冲器118中在射线投射过程206期间生成的数据以及厚度缓冲器120中在衰减模型过程208期间生成的数据。
通过执行过程200，生成如图3B-3D的图像310、320和330中所示的那些x射线图像，这些x射线图像图示已旋转或以其他方式操控的特征结构(例如，图像320中的股骨)和/或植入体模型的规划的位置(例如，图像330中的植入体模型)。示出这些特征结构，以便为手术医生或其他医务人员准备手术或其他医疗原因提供另外辅助性视图。该射线投射过程可以一般性地配置成操控x射线图像中的这些特征结构，并且该衰减模型过程可以一般性地配置成图示与手术相关的此类变化和特征结构。
现在参考图4，更详细地描述射线投射过程206。射线投射过程206可以对整个CT容积执行，以及对要用于修改初始x射线图像的多个分段的骨模型来执行。在选定下一个模型，其可以是例如立方体设定边界的整个CT容积或分段的骨模型(步骤402)之后，过程206包括执行三次渲染(renderingpass)。首先，将模型的前面绘入前缓冲器122(步骤404)。这存储模型表面与步骤408中使用的每个射线606的前面交点610的世界空间坐标，正如下文论述。再有，将模型的后面绘入后缓冲器124(步骤406)。这存储模型表面与步骤408中使用的每个射线606的后面交点612的世界空间坐标。再有，可以绘制屏幕空间矩形602(如图6所示)以便执行射线投射算法的GLSLshader。
射线投射过程206还包括射线投射，以及计算并保存由射线投射得到的累计衰减(过程408)。图5中更详细地描述了过程408。所得到的累计衰减被存储在衰减缓冲器118中，以及过程206接着检查是否还有模型要处理(步骤410)。
参考图5，计算并保存累计衰减的过程408首先包括初始化各种参数，如射线位置、方向和工作容积距离(步骤502)。步骤502可以包括从缓冲器122、124查询模型的前面交点610和后面交点612的世界空间坐标。计算射线位置(例如，射线606的起始点)、射线的方向和射线的工作容积距离，以及将单独的长度变量初始化为0。每个射线606的工作容积距离可以计算为在前面交点610与后面交点612之间沿着射线606的距离。过程408还包括检查工作容积距离是否不是有效数值(例如，无穷大、不是数字(NaN)或某个其他无效值)(步骤504)。
过程408还包括查询数据值并计算和累计衰减(步骤506)。图6A-B中图示步骤506的活动。图6A是模型的示例屏幕空间矩形602和容积604的图示600，且图6B是穿过容积604的射线606的自顶向下视图的图示620。步骤506首先包括从缓冲器414检索3D模型，缓冲器414中存储了该模型。为了获取数据值，从原点608发送具有指定射线位置和方向的射线606。每个射线606从原点608发送，穿过屏幕空间矩形602中的相应像素的中心，然后穿过容积604的边界框。在一个实施方案中，可以对屏幕空间矩形602中的每个像素计算射线606。在另一个实施方案中，可以对屏幕空间矩形602中的每个像素计算多个射线606，以及将该像素的衰减或颜色计算为来自与每个相应像素关联的多个射线的衰减或颜色的平均值。射线投射器沿着射线606按给定采样距离622从容积的前面侧向容积的后面侧移动。采样距离622应该选为提供可接受的可视化，例如选择太粗略的采样距离可能由于相邻样本之间的共混困难而造成假影和空白的出现。第一个样本可以取于前面交点610处。在每个步骤处(例如，在每个采样距离622处)，射线投射器对容积采样以获取内插的CT值。将CT值转换成衰减系数(对此下文结合传递函数以及更确切地说结合等式(18)和(19)进行描述)。对每个采样距离累计CT值。累计CT值可以表示为累计衰减(A)：
A＝∑μ(pk)d (1)
其中μ(pk)是根据沿着射线606的采样位置(pk)处的CT值v(pk)计算的衰减系数，以及d是步长(例如，采样距离622)。
在每个步骤之后，更新射线606的位置(用于推进射线606穿过容积604的容积)。长度变量也按采样距离622增加。如果长度变量不大于计算的工作容积距离(步骤508)，则过程408包括返回到步骤506以在容积604中沿着射线推进采样位置。一旦长度变量大于计算的工作容积距离，则可以将累计衰减保存在衰减缓冲器118中(步骤510)。如果对于屏幕空间矩形602中的每个像素，运算了衰减，或得出NaN或无穷大确定，则过程408可以终止，否则该过程可以对屏幕空间矩形602中的每个余下像素继续。在一个实施方案中，可以由处理器104并行地对每个像素执行过程408。过程408的结果是针对屏幕空间矩形602中的每个像素存储在衰减缓冲器118中且要用于生成X射线图像以供显示的累计衰减。衰减缓冲器118一般性地配置成存储加法和减法累计衰减值，如下文描述。
步骤506的容积射线投射过程支持任意设定边界模型，如闭合定向流形表面。例如，为了仅生成股骨的X射线视图，可以使用分段的股骨模型作为射线投射组件的设定边界框。可以将任意数量的设定边界模型加到可视化中。可以根据模型的类型向总衰减添加或从总衰减减去来自每个设定边界模型的累计衰减。利用减去累计衰减来屏蔽X射线图像中给定骨骼的贡献(如图3B中所示)。加法和减法模型可以分别来累计：
A+＝∑μ+(pk)d (2)
A-＝∑μ-(pk)d (3)
将累计衰减转换成灰度级颜色(步骤210)：
c＝1-exp(-A) (4)
可以修改颜色运算来处理减法模型：
c＝1-exp(-A++A-) (5)
虽然等式5包括负A+加上正A-，但是如本文所使用，此类及类似运算视为从A+值减去A-值，因为此运算是在负指数函数内执行的。以相似的方式，这类及类似运算也可以视为将A+值加上A-值，如本文所使用。其结果是A+值趋向于增加其相应像素的亮度，而A-值趋向于降低其相应像素的亮度。在可期望对于较为阻射的容积呈现得较暗而对于较不阻射的容积呈现得较亮的备选实施方案中，A+和A-前面的符号可以互换，而不改变如本文所使用的加法和减法运算的本质。然后可以利用运算的颜色(c)来显示灰度级图像。例如，在8位RGB显示器中，可以利用运算的颜色(c)来根据如下等式运算红色、绿色和蓝色值：
红色＝255c (6)
绿色＝255c (7)
蓝色＝255c (8)
如上文提到的，可以通过传递函数将CT值v(pk)转换成衰减系数值μ(pk)。穿过均质材料的X射线强度的衰减可以按照比尔–朗伯(Beer-Lambert)定律来表征：
I＝I0exp(-μΔx) (9)
I0是入射强度，I是出射强度，μ是表示材料的阻射率的线性衰减系数，以及Δx是X射线束在材料中行进的距离。对于非均质介质，该等式可以根据如下等式通过离散求和来逼近：
I＝I0exp(-∑μkΔx) (10)
每个线段假定为以恒定的衰减系数μk穿过均质材料的相同长度。
在放射学中，使用Hounsfield标度作为表征材料的阻射率的标准化方式。Hounsfield单位(HU)与线性衰减系数之间的关系由如下等式表示：
HU＝1000*(μ-μ0)/μ0 (11)
其中μ0是水的线性衰减系数。衰减是入射的X射线光子能量的函数。例如，对于100keV的X射线束，μ0＝0.17cm-1，这表示1cm的水衰减射线束中光子的1-e-0.17＝15.6％。在相同的条件下，如果骨骼的衰减系数给定为μ＝0.3cm-1，则这得到765的HU值。一般而言，骨骼的HU值范围从松质骨的700到密质骨的3000。
CT值可以被存储在DICOM(医学数字成像和通信)文件中。CT值(v)按如下与HU值相关：
HU＝v*斜率+截距 (12)
其中斜率和截距是扫描器的参数且被存储在数据文件中。斜率和截距值可能基于不同制造商的各种标准而有所不同。
等式(11)和(12)的组合得到相对衰减系数是CT值的线性函数：
μ/μ0＝max(α*v+β，0) (13)
其中α＝斜率/1000以及β＝截距/1000+1。因为CT数据值范围的较低端是0或负数，所以需要附加钳位以便确保计算的衰减系数是非负数。
X射线图像的特征属性是具有较高X射线衰减的组织结构在图像中呈现得较亮。为了在所生成的X射线可视化中突显或抑制组织结构，在称为开窗(windowing)的过程中重新调节HU值：
HU’＝clamp((HU-HU0)/(HU1-HU0)，0，1)*(HUmax-HUmin)+HUmin (14)
其中HU0和HU1指定窗值范围以及HUmin和HUmax是数据中的最小和最大HU值。将等式(9)代入等式(11)得到可以对CT值直接执行开窗：
v’＝clamp((v-v0)/(v1-v0)，0，1)*(vmax-vmin)+vmin (15)
其中vmin和vmax是数据中的最小和最大CT值。
开窗重新调整CT值范围，所以CT值低于v0的组织被抑制，以及CT值高于v1的组织被突显，且CT值介于v0与v1之间的组织有平滑的过渡。开窗允许用户在可视化中仅包含选定的CT值范围。
用户界面(参见图8A-D和图9)可以在控制所生成的X射线图像中突显哪些组织结构的图标工具条中包括亮度和对比度滑动条。此类结构的窗值根据如下等式计算：
v0＝vmin+(vmax-vmin)*k0 (16)
v1＝vmin+(vmax-vmin)*k1 (17)
其中：
k1＝(1-B)*1.25 (18)
k0＝C*k1 (19)
以及0≤B，C≤1是亮度和对比度滑动条的值。
为了简化计算，可以将等式(10)和(12)进行组合：
μ＝max(clamp(v，v0，v1)*vscale+voffset，0) (20)
其中：
vscale＝(vmax-vmin)/(v1-v0)*α*μ0 (21)
voffset＝vmin*α*μ0+β*μ0-v0*vscale (22)
等式(20)、(21)和(22)是可用于将过程408中获取的CT值转换成衰减值的等式。然后，参考等式(2)和(3)所描述的，将衰减值累计。
所使用的IGS(图像引导系统)文件可以包含与来自扫描器的原CT值不完全相同的数据值。在DICOM至IGS转换过程期间，使用DICOM报头中的缩放(scale)和偏移量(offset)参数来重新调整原CT值，从而得到标准HU值。接下来，如果平均HU值落在窗值内，则使用DICOM报头中的开窗参数来修改HU值。否则，将数据移位，由此输出中最小HU值映射到0。此过程可以防止HU值恢复，因为它不从应用过转换的IGS报头中清除。为了适应两种转换，按斜率设为1以及截距设为-1000来使用两个等式(21)和(22)，得到α＝1/1000和β＝0。等式(20)中的max函数在此类实现中并非必需的。
参考图7，更详细地描述用于绘制恒定衰减模型的过程208。过程208可以在衰减值被存储在衰减缓冲器118中的射线投射过程之后执行。过程208可以对x射线图像生成过程中要使用的多个模型来执行。在选定下一个模型(步骤702)之后，绘制模型的所有三角形面(步骤704)。从厚度缓冲器120中的值减去后面深度值，以及将前面深度值加上厚度缓冲器120中的值。在过程208中绘制恒定衰减模型之后，厚度缓冲器120包含恒定衰减模型的聚集视图相关厚度。过程208对要绘制的所有模型重复执行，并且在最后一个模型被渲染之后终止(步骤706)。
因为植入体组件(作为术前规划的一部分)不是CT容积的一部分，所以可以在单独的渲染中添加该数据。在一个实施方案中，为了速度的原因，假定植入体的每个组件由相同的材料制成，可以对每个植入体组件计算视图相关厚度t。然后根据该厚度计算累计衰减(Aimp)：
Aimp＝μ*t (23)
其中μ是根据对应HU值按如下等式计算的植入体材料的线性衰减系数：
μ/μ0＝HU/1000+1 (24)
等式(5)的颜色运算可以修改为包括来自所有植入体组件的贡献：
c＝1-exp(-A++A--Aimp) (25)
根据一个示范实施方案，来自植入体组件的贡献不受亮度和对比度滑动条的影响。
再参考图8A-D，图示x射线图像的各种亮度和对比度值的效果。用户可以调整用户界面(图9)上的亮度和对比度滑动条以细化调整X射线图像的表观，并将各种扫描器之间的数据差异纳入考虑。此功能对于医务人员查看解剖结构的各种特征结构可能是非常有用的，如查看患者的皮肤、仅骨骼、骨骼以及软组织等的表示以便有助于手术规划或提供对手术有用的其他信息。在图8A的图像800中，将亮度和对比度值设为0。在图8B的图像810中，将亮度和对比度值设为0.5。在图8C的图像820中，将亮度和对比度值分别设为0.15和0.25。在图8D的图像830中，将亮度和对比度值分别设为0.6和0.75。在一个实施方案中，亮度值可以一般性地在0.0至0.99的范围中，以及对比度值可以在0.0至1.0的范围中。
参考图9，根据一个示范实施方案，示出上面可以显示x射线图像的用户界面900。用户界面900可以是作为术前规划页面或模式的一部分显示给用户的用户界面。用户界面900可以附加上3D视图、CT切片视图和3D切片视图以单独查看模式来提供。
当用户开启图标工具条中或用户界面900上其他位置中的x射线视图切换按钮时，用户可以激活x射线视图。用户界面900可以包括用于调整图像的可视外观的亮度和对比度滑动条，如图8A-D所述。如图9所示，一个滑动条可以设有在亮度和对比度控件之间切换的功能。用户界面900还可以包括用于支持交互式视图操控，包括旋转、平移或缩放x射线图像的视图的各种控件。用户界面900可以显示指示各种特征结构的各种线。例如，在图9中，图示了指示以默认朝向显示的髂前上棘(ASIS)和骨盆中心线的线。还图示小转子界标和臀部长度指示符线。通过单击植入体定位按钮或通过在臼杯平面图和股骨杯平面图模式下单击并拖动植入体模型来支持植入体定位。
一个备选方法是使用骨骼和植入体模型的栅格化表示，类似于分段掩膜(segmentationmask)。虽然视觉质量不会受影响，但是使用栅格数据所需的额外纹理查询可能导致渲染性能下降。
x射线图像操控的另一种备选方法是通过在分段期间操控CT容积中的数据值来实现植入体可视化和旋转校正。此类方法需要移动和运算大量数据，并且可能受CT扫描的分辨率的约束。
第三备选方法可以首先包括沿着查看射线计算累计数据值：
vsum＝∑v(pk) (26)
接下来，将累计值归一化为输入数据值的范围：
vnorm＝vsum/vmaxsum*vmax (27)
其中vmaxsum是为X射线图像计算的所有vsum值中的最大值，以及vmin假定为0。归一化可以有助于降低计算对选定的步长大小的灵敏度。
最后，根据如下等式将归一化的累计值映射到灰度级颜色：
c＝(clamp(vnorm，v0，v1)-v0)/(v1-v0) (28)
其中v0和v1是使用等式(13)和(14)计算的。因为亮度和对比度值仅在等式(25)中用于控制如何将归一化的累计值映射到颜色，所以当用户在应用中更改亮度和对比度值时，实现无需一定执行等式(23)的累计步骤。
通过根据数据(如CT扫描期间获取的数据)创建二维x射线图像，并执行根据本发明公开的x射线可视化的方法，医务人员可以继续使用他/她熟悉的x射线可视化，且具有用于操控图像以便有助于手术规划和性能的新增功能。
各种示范实施方案中示出的系统和方法的构造和布置仅是说明性的。虽然本发明公开中仅详细地描述若干实施方案，但是多种修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和属性上的改变、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、朝向等的改变)。例如，可以颠倒或以其他方式改变元件的位置，以及可以更改或改变离散的元件或位置的性质或数量。相应地，所有此类修改理应包含在本发明公开的范围内。可以根据备选实施方案改变任何过程或方法步骤的顺序或次序或将其重新排序。在不背离本发明公开范围的前提下，可以在各种示范实施方案的设计、工作条件和布置上进行其他替换、修改、改变和省略。
本发明公开设想用于实现各种操作的方法、系统和任何机器可读介质上的程序产品。本发明公开的实施方案可以使用现有计算机处理器来实现，或通过用于适合系统、针对本发明或其他目的并入的专用计算机处理器来实现或通过硬连接的系统来实现。本发明公开范围内的实施方案包括程序产品，其包括用于上面承载或存储有机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。此类机器可读介质可以是通用或专用计算机或具有处理器的其他机器可访问的任何可用介质。作为示例，此类机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置、或能够用于承载或存储采用机器可执行指令或数据结构形式的期望的程序代码且能够被通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何其他介质。当信息通过网络或其他通信连接(硬连接、无线或硬连接或无线的组合)传送或提供到机器时，该机器适合地将该连接视为机器可读介质。因此，任何此类连接适合地称为机器可读介质。上文的多个组合也包含在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括例如，使得通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行某个功能或某组功能的指令和数据。
虽然附图可能示出方法步骤的特定顺序，但是这些步骤的顺序可以与所陈述的不同。两个或更多个步骤还可以同时地或部分同时地执行。此类改变将取决于所选定的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有此类改变均在本发明公开的范围内。同样地，软件实现可以利用标准编程技术结合用于实现各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和判断步骤的基于规则的逻辑和其他逻辑来实现。

Claims (42)

1.一种创建图像的方法，其包括：
提供解剖结构的三维图像数据；
提供所述解剖结构的一部分的模型；以及
使用来自所述图像数据的信息和来自所述模型的信息创建所述解剖结构的靶点部分的虚拟放射照片。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述创建所述虚拟放射照片的步骤包括，以修改的状态表示所述解剖结构的所述部分。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述修改的状态是所述解剖结构的所述部分的平移或旋转的至少一个。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述修改的状态是所述解剖结构的所述部分的切除。
5.如权利要求2所述的方法，其中根据术前规划修改所述解剖结构的所述部分。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述创建虚拟放射照片的步骤包括，从所述虚拟放射照片减去与所述解剖结构的所述部分对应的图像数据。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述创建虚拟放射照片的步骤包括，修改与所述解剖结构的所述部分对应的图像数据，并将所修改的图像数据加到所述虚拟放射照片中。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述模型是分段的骨模型。
9.如权利要求1所述的方法，其还包括将假体装置的图像加到所述虚拟放射照片中。
10.如权利要求9所述的方法，其中根据术前规划将所述假体装置的所述图像加到所述虚拟放射照片中。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述假体装置是臀部植入体的至少一个组件。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述解剖结构的所述部分是股骨的至少一部分。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述模型提供所述解剖结构的所述部分在所述三维图像数据内的边界。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述创建所述虚拟放射照片的步骤包括，对所述三维图像数据执行第一容积射线投射过程。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述创建所述虚拟放射照片的步骤包括，对所述模型设定边界的所述三维图像数据执行第二容积射线投射过程。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述创建虚拟放射照片的步骤包括：
在所述第一容积射线投射过程期间运算第一组累计衰减值；
将所述第一组累计衰减值加到所述虚拟放射照片；
在所述第二容积射线投射过程期间运算第二组累计衰减值；以及
从所述虚拟放射照片减去所述第二组累计衰减值。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述创建虚拟放射照片的步骤包括,根据术前规划修改所述第二组累计衰减值，并将修改的第二组累计衰减值加到所述虚拟放射照片。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述创建虚拟放射照片的步骤包括,将假体装置的图像加到所述虚拟放射照片中。
19.如权利要求18所述的方法，其中根据术前规划将所述假体装置的所述图像加到所述虚拟放射照片中。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述创建虚拟放射照片的步骤包括：
对植入体模型执行第三容积射线投射过程；
从所述第三容积射线投射过程运算第三组累计衰减值；以及
将所述第三组累计衰减值加上所述第一与第二组累计衰减值之差。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述植入体模型是根据术前规划，相对于所述三维图像数据、所述模型或所述解剖结构的所述部分来定位和定向的。
22.一种图像生成系统，其包括：
具有处理器和存储器的处理电路；
输入/输出接口；以及
耦合到所述输入/输出接口的显示器；
其中所述处理电路配置成：
检索解剖结构的三维图像数据；
检索与所述解剖结构的一部分对应的解剖结构的模型；
使用来自所述三维图像数据和所述模型的信息创建虚拟放射照片；以及
将所得到的虚拟放射照片显示在所述显示器上。
23.如权利要求22所述的系统，其中所述处理电路还配置成在所述虚拟放射照片中以修改的状态显示所述解剖结构的所述部分。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述处理电路还配置成根据术前规划来修改所述解剖结构的所述部分。
25.如权利要求22所述的系统，其中所述处理电路还配置成从所述虚拟放射照片减去与所述解剖结构的所述部分对应的图像数据。
26.如权利要求25所述的系统，其中所述处理电路还配置成修改与所述解剖结构的所述部分对应的所述图像数据。
27.如权利要求26所述的系统，其中所述处理电路还配置成将与所述解剖结构的所述部分对应的修改的图像数据加到所述虚拟放射照片中。
28.如权利要求27所述的系统，其中所述处理电路还配置成根据术前规划来修改与所述解剖结构的所述部分对应的所述图像数据。
29.如权利要求27所述的系统，其中所述模型是分段的骨模型。
30.如权利要求27所述的系统，其中所述解剖结构的所述部分是股骨的至少一部分。
31.如权利要求22所述的系统，其中所述处理电路还配置成将假体装置的虚拟图像加到所述虚拟放射照片中。
32.如权利要求22所述的系统，其还包括所述显示器上的用户界面，所述用户界面配置成允许操控所述显示器上显示的所述图像的亮度和对比度的至少一个。
33.一种用于生成虚拟放射照片以用于在显示装置上显示的方法，其包括：
提供具有处理电路的图像生成系统，所述处理电路包括处理器和存储器装置，所述图像生成系统耦合到所述显示装置；
检索存储在所述存储器中的解剖结构的三维图像数据；
检索存储在所述存储器中的与所述解剖结构的一部分对应的三维骨模型；
将所述三维骨模型与所述三维图像数据关联，以使所述三维骨模型定义第一边界，所述第一边界包含在所述三维图像数据内与所述解剖结构的所述部分对应的第一设定边界的容积；以及
对所述三维图像数据执行容积射线投射过程，所述过程包括：
从原点投射射线穿过屏幕空间矩形中的第一像素，以及穿过所述第一设定边界的容积；
沿着所述射线在多个采样步骤上对所述第一设定边界的容积采样，所述采样步骤按采样距离分隔开，其中所述采样被限于所述射线在所述射线与所述第一边界的前面交点附近的位置与所述射线与所述第一边界的后面交点附近的位置之间的线段；
基于所述采样步骤的每一个步骤处的样本，计算所述采样步骤的每一个步骤处的所述射线的衰减系数；
沿着所述射线运算所述第一设定边界的容积的第一累计衰减值；
沿着所述屏幕空间矩形的第二像素投射第二射线；
对所述屏幕空间矩形的所述第二像素重复所述采样、计算和运算步骤以运算所述第一设定边界的容积的第二累计衰减值；以及
存储所述第一设定边界的容积的所述累计衰减值。
34.如权利要求33所述的方法，其还包括：
提供第二边界，所述第二边界定义所述三维图像数据的第二设定边界的容积；
对所述三维图像数据的所述第二设定边界的容积执行所述容积射线投射过程；
将所述第二设定边界的容积的所述累计衰减值加到所述虚拟放射照片中；以及
从所述虚拟放射照片减去所述第一设定边界的容积的所述累计衰减值。
35.如权利要求34所述的方法，其还包括修改与所述第一设定边界的容积关联的数据。。
36.如权利要求35所述的方法，其中与所述第一设定边界的容积关联的所述数据包括所述第一设定边界的容积内的三维图像数据、所述第一设定边界的容积的所述衰减系数、所述第一设定边界的容积的所述累计衰减值以及与所述第一设定边界的容积关联的颜色信息的至少一个。
37.如权利要求35所述的方法，其中所述修改与所述第一设定边界的容积关联的数据包括平移、旋转和切除的至少一个。
38.如权利要求35所述的方法，其中所述修改与所述第一设定边界的容积关联的数据是对应于术前规划来执行的。
39.如权利要求35所述的方法，其中与所述第一设定边界的容积关联的所述数据是所述第一设定边界的容积的所述累计衰减值，以及所述方法还包括将所述第一设定边界的容积的修改的累计衰减值加到所述虚拟放射照片中。
40.如权利要求33所述的方法，其还包括：
运算植入体模型的衰减值；以及
将所述植入体模型的所述衰减值加到所述虚拟放射照片。
41.如权利要求40所述的方法，其中所述植入体模型是根据术前规划相对于所述三维图像数据来定位的。
42.如权利要求33所述的方法，其还包括将所述第一设定边界的容积的所述累计衰减值转换成颜色信息，并将所述颜色信息提供到所述显示器。
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