CN105873517A - 具有自动等中心的介入x射线系统 - Google Patents

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Abstract

一种介入X射线系统(10)，包括：处理单元(30)；桌台(20)，其用于接收患者(44)；X射线图像采集设备(12)，其具有X射线源(16)和X射线探测器(18)；以及至少一个光学相机(46)，其适于采集位于所述桌台(20)上的患者(44)的光学图像，并且适于将图像数据提供给所述处理单元(30)。所述处理单元(30)适于：从已经存在的三维模型分割患者的轮廓(64)；接收来自至少一个相机(46)的采集的图像，以确定所述患者的光学轮廓(66)；将所述光学轮廓(66)与在所述分割中获得的所述轮廓(64)进行配准；并且确定平移向量(48)，所述平移向量表示用于将所述三维模型中给出的感兴趣解剖结构与将被执行的旋转X射线扫描的等中心(38)对准的需要的所述桌台的移动。通过该过程，不需要X射线曝光或者注射对比剂。

Description

具有自动等中心的介入X射线系统
发明领域
本发明涉及一种介入X射线系统，具体而言，一种使用旋转X射线扫描来对患者的三维解剖结构进行可视化的系统，以及一种用于使要利用介入X射线系统检查的感兴趣对象等中心的方法、一种用于使要利用介入X射线系统检查的感兴趣对象等中心的图像处理设备、一种计算机可读介质以及一种程序单元。
发明背景
X射线旋转扫描常常被用于对患者的三维解剖结构进行可视化，通常通过注射对比剂来增加感兴趣器官的X射线衰减。由于限制的视场，X射线剂量和对比剂剂量考虑，适当等中心是在旋转扫描之前的一个重要部分，以避免二次扫描。
具体而言，在等中心的过程中，将患者下面的桌台进行移动以使感兴趣体积居中在X射线采集设备的框架的等中心上。在X射线图像的采集期间，除了圆周旋转之外，框架假定在特定的静止位置中。例如，被附接到框架的X射线源面向躺在框架的相对面的X射线探测器。在操作中，由于X射线射束穿过框架的内部，因此所述射束通过等中心。在框架围绕其等中心进行圆周旋转期间，射束也围绕等中心旋转。因此，等中心对应于当射束旋转时所述射束的角度实例中心的交叉。
当前，通过向感兴趣器官注射少量对比剂并且通过调节桌台位置(其中，患者处在桌台上)同时从不同查看方向采集若干投影来人工实现等中心。这种等中心过程的成功取决于多个状况，例如，在等中心过程期间完整填充感兴趣器官的尤其是远端部分，以及采集桌台高度定位所需的侧向投影的能力，还要牢记由于大的患者或装置的空间约束。
WO2008/015612 A2公开了一种对针对旋转血管造影的最优桌台位置的自动确定，所述自动确定基于对从感兴趣对象的重力点指向检查装置的等中心的平移向量的确定而被执行。此处，进行了多个二维投影。
US 2002/090058 A1描述了一种介入X射线系统，其包括X射线管和用于探测所发射的X射线并且生成X射线图像数据的成像系统。X射线管和成像系统由C型臂来支撑。三维(3D)工作站被供应有所生成的X射线图像数据和体积数据，所述体积数据涉及与X射线图像数据相同的患者的相同特定部位。根据所述体积数据，可以生成3D图像数据。操作者可以通过输入设备在3D图像数据上指定感兴趣点，并且随后可以移动C型臂，使得X射线系统的等中心被定位在所述感兴趣点上或附近。
US 2011/0002444 A1公开了一种介入X射线系统，其具有X射线源和被安装在C型臂上的成像单元。接口单元接收表示来自成像单元的对象的采集的图像的图像数据。根据所述图像数据，对象组成部分(例如，患者的器官和/或骨骼)的位置数据被确定。然后，可以将对象组成部分位置与被存储在存储器中的解剖模型的组成部分的位置数据进行匹配。具体而言，所存储的解剖模型被适配，使得所述模型的虚拟投影拟合所采集的X射线图像。基于匹配，生成适配的解剖模型的图像，并且将所述图像呈现给用户。在该图像内，能够选择感兴趣组成部分，在选择之后移动对象的载体，使得感兴趣组成部分被定位于X射线系统的旋转中心。
发明内容
期望增强等中心过程的可靠性和精确性，优选地在减少的X射线曝光和减少的对比剂使用的情况下。
提出了一种介入X射线系统，所述系统在等中心过程期间甚至能够消除X射线和对比剂的使用，同时仍然极其精确。可以从从属权利要求和以下描述获悉有利的实施例以及进一步的改进。
提出了一种介入X射线系统，包括：处理单元；桌台，其用于接收患者；以及至少一个光学相机，其适于采集位于所述桌台上的患者的光学图像，并且适于将光学图像数据提供给所述处理单元，其中，所述处理单元适于：从已经存在的三维模型分割患者的轮廓；从所述至少一个光学相机接收采集的图像，以确定所述患者的光学轮廓；将所述光学轮廓与在所述分割中获得的所述轮廓进行配准；并且确定平移向量，所述平移向量表示用于使所述三维模型中给出的感兴趣解剖结构与将被执行的旋转X射线扫描的等中心对准的需要的所述桌台的移动。
因此，所提出的介入X射线系统可以包括可能用于介入过程本身的任意X射线图像采集设备，因为等中心的过程根本不取决于任何X射线图像采集。为了对X射线图像采集设备中的桌台进行最优对准，仅需要提供已经存在的三维模型，这实现精确分割，以便精确地确定患者的轮廓与感兴趣解剖结构的中心之间的关系。
例如，在介入前的过程期间，患者的至少一部分身体能够经历X射线、CT或者MR图像采集，使得能够将患者身体的至少一个部分的介入前三维模型提供给处理单元。给定患者身体的个体特性，解剖结构的中心基本上固定于通过分割获取的轮廓。然而，也可以使用来自较早采集的三维模型以及人体的一般模型，这些模型都能够适合于患者的轮廓。
解剖模型被预期为全身器官模型，其具有例如从介入前CT数据分割的全部相关器官和患者轮廓。医师可以基于该分割定义“感兴趣解剖结构”的中心，例如肝脏的重力的中心。可以通过阿特拉斯(atlas)模型使缺失的分割器官或轮廓完整。随后，执行自动等中心。
为了能够调节或者对准桌台以令感兴趣解剖结构的中心与X射线图像采集设备的等中心重合，将躺在桌台上的患者的实际光学地获得的轮廓与来自三维模型的分割的轮廓相关。因此，本发明的一个方面可以是简单地通过处理患者的光学图像来提供躺在桌台上的患者的三维深度图。
因此，既不需要X射线曝光，也不需要使用对比剂。当患者躺在X射线系统的桌台上时，患者身体相对于桌台的轮廓基本上是固定的，并且通过从多个不同查看方向获得光学图像，可确定患者身体的准确轮廓。将光学地确定的光学轮廓与来自三维模型的分割的轮廓进行配准。作为该过程的结果，三维模型相对于光学轮廓的位置被已知，并且因此，将三维模型中的感兴趣解剖结构的位置与X射线系统桌台和C型臂的位置准确相关。基于该知识，能够容易地计算用于将感兴趣解剖结构的中心移动到X射线图像采集设备的实际等中心的必要平移向量。
光学轮廓，其可以从三维光学深度估计导出，在体前表面处能够是最精确的，其中，可能覆盖物将与身体表面重合。与桌台的已知高度一起，可以获得前后方向上的好的定位。然而，由于改变臂位置和/或折叠的覆盖物，侧向边缘可能更加困难。
可以由固定或者可移动的机架支撑至少一个相机，所述至少一个相机以与桌台的已知的关系被支撑。例如，可以使用单个相机，其固定地被安装于机架，所述单个相机适合于在桌台周围移动所述相机以提供不同的查看方向。通过在可旋转机架的移动中提供来自不同查看方向的患者身体的多幅图像，可以采集患者身体的深度信息。
在X射线图像采集设备是C臂系统的情况下，可以通过C臂框架自身实现机架。因此，可以简单地通过在期望方向上移动C臂使相机围绕患者移动。也可以使用支撑单个相机的独立机架。
在示范性实施例中，至少一个光学相机包括第一相机和第二相机，其中，第一相机和第二相机被安装在相对于桌台的固定位置处，使得它们的光轴彼此成一角度。在相机的这种布置的情况下，通过在消除任何运动机构的情况下使用多个相机来实现不同的查看方向。例如，可以实现从距桌台一距离的区域到躺在桌台上的患者上的至少立体视。取决于光学轴的角度以及第一相机与第二相机之间的距离，可以从患者身体采集足够精确的深度信息。
然而，也可以有利地使用第三相机、第四相机乃至更多相机，以提供来自不同查看方向的分布广泛的图像的集合，从而获得具有最大精确度的结果。由于光学相机的探测器尺寸持续减小并且分辨率持续增大，相机可以很容易地以分布式方式可集成在X射线图像采集设备自身的框架上。
为了另外的支持，可使用例如红外范围中的结构化光，以改进通过多个相机发现对应特征点。
在有利的实施例中，可以通过根据图像的集合重建三维深度图来获得患者的光学轮廓，其包括包含光学可见表面距查看点的距离的信息的图像。这可以允许对至少一个相机与患者的精确校准的补偿，并且因此，对将要与来自分割的三维模型的轮廓进行配准的光学轮廓的补偿。
三维模型可以基于介入前的图像的集合，例如MRI、CT、PET、SPECT图像或者通过C型臂成像系统获得的图像。
然而，使用一般患者模型也能够是可行的，其适合于患者的轮廓。因此，初始或者介入前扫描根本不是必要的。
此外，处理单元也可以被用于使针对利用相当密集的快门的第二高分辨率扫描的小的感兴趣区域自动等中心。这意味着快门仅用于选择性地令X射线穿过相当小的感兴趣区域。为了使对患者的X射线曝光尽可能少，精确等中心是必要的。
处理单元可以仍然适于为了等中心目的生成解剖结构的有效中心，所述有效中心是感兴趣器官的解剖结构的中心与例如患者身体上的针进入点之间的点，其对于基于针的介入能够是非常有用的。例如，解剖结构的有效中心可以是与解剖结构的中心与患者身体上的另外的感兴趣点具有相同距离的点。
介入X射线系统或者X射线图像采集设备可以包含碰撞探测和避免系统。这意味着，处理单元适合于以这样的方式控制X射线图像采集设备，即使得探测器、X射线源、框架或者任何其它部件都不与X射线接入系统的另一部件或者患者碰撞。因此，处理单元可以适于执行关于解剖对象等中心的过程，同时避免与患者、桌台或者与介入X射线系统关联的任何其它对象的碰撞。
在这方面，通过该碰撞避免来支持，可以基于所选择的等中心来选择感兴趣解剖结构与探测器之间的距离，但是允许避免与患者的碰撞，同时，探测器与等中心之间的距离可以是最小的。
介入X射线系统优选地被装备有桌台移动装置，所述桌台移动装置可以受处理单元控制，所述处理单元用于根据所确定的移动向量来移动桌台。然而，也可以移动X射线图像采集设备或者同时移动两者。作为初始过程，不仅移动向量被确定，而且患者和/或X射线图像采集设备被自动移动，从而使两者中心重合。
在优选实施例中，处理单元适合于使在所述三维模型中给出的所述感兴趣解剖结构的中心与将被执行的旋转X射线扫描的所述等中心重合，以对所述感兴趣解剖结构进行对准。
本发明还涉及一种用于使要由介入X射线系统检查的躺在桌台上的患者等中心的方法，如上所述。所述方法包括：将患者的模型提供给处理单元；采集患者的来自至少一个相机的多幅光学图像；对模型进行分割以确定患者模型的轮廓；确定患者的光学轮廓；将光学轮廓与模型轮廓进行配准；并且确定将感兴趣解剖结构与要被执行的X射线扫描的等中心进行对准所需的移动向量。优选地，校准包括使感兴趣解剖结构的中心与等中心重合。
此外，确定患者光学轮廓可以通过获得光学图像的深度图来实现，如以上解释的。
本发明的这些和其它方面将根据下文描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文描述的实施例得到阐述。
附图说明
图1a、1b和1c以示意性视图示出了介入X射线系统。
图2以示意性视图示出了用于使要利用X射线系统检查的感兴趣对象等中心的方法。
图3示出了三维模型的和深度图的表示。
附图标记列表
10 介入X射线系统
12 X射线图像采集设备
14 介入图像查看设备
16 X射线源
18 X射线探测器
20 支撑桌台
22 对比剂注射器
24 控制单元
26 计算单元
28 图像数据提供单元
30 处理单元
32 显示单元
34 第一显示器
36 第二显示器
38 等中心
40 导轨
42 感兴趣解剖结构的中心
44 患者
45 机架
46、46a、46b 相机
47 查看方向
48 平移向量
50 提供模型
52 采集光学图像
54 分割模型
56 确定光学轮廓
58 将光学轮廓与模型轮廓配准
60 确定移动向量
62 获得深度图
64 轮廓
66 光学轮廓
68 平面
具体实施方式
根据图1a的范例，提供了介入X射线系统10，其包括X射线图像采集设备12和介入图像查看设备14。X射线图像采集设备12包括X射线源16和X射线探测器18。X射线图像采集设备12被配置为提供对象的X射线图像。此外，示出了支撑桌台20，其例如用于接收诸如患者的对象，所述对象可以接收来自对比剂注射器22的对比剂，所述对比剂注射器用于在介入期间将对比剂引入到患者的血管中。控制单元24可以被提供以控制X射线图像采集设备12。
应当注意，图1a中示出的X射线图像采集设备12被示出为C型臂结构。然而，其它X射线图像采集设备，可移动或者不可移动的，也可以被使用，而不脱离本发明的原理，这是由于介入X射线系统10尤其能够使支撑桌台20上的患者44的解剖结构的中心42与X射线图像采集设备12的等中心38等中心，等中心位置取决于导轨40在x、y和z方向中的空间位置，如图1a中示意性指示的坐标系所指示的。
介入图像查看设备14示范性包括计算单元26，除了别的外，所述计算单元包括图像数据提供单元28和处理单元30。介入图像查看设备14还包括具有第一显示器34和第二显示器36的显示单元32，这些显示器也可以在X射线图像采集设备12处被找到。
图像数据提供单元28示范性地被配置为提供对象的感兴趣区域的介入图像。
处理单元30适于从现有三维模型分割患者44的轮廓，并且适于从具有查看方向47的至少一个相机46接收采集的图像，以确定患者44的光学轮廓，其中，相机46被附接到X射线源16的壳体。由于该布置，可以连续改变相机46的查看方向47，以获得患者44的深度信息。然而，其它示范性实施例也可能具有固定地被安装在被支撑在天花板轨道上的稳定或可移动机架上的一个或多个相机。
此外，处理单元30适于将患者44的光学轮廓与在分割中获得的轮廓进行配准。结果得到平移向量48，平移向量48表示用于使在三维模型中给出的感兴趣解剖结构的中心42与将在介入过程期间执行的旋转X射线扫描的等中心38重合的支撑桌台20的移动，优选地在碰撞避免系统的支持下。
如上面解释的，处理单元30还可以适于在两个位置同时为感兴趣(例如，针进入点和感兴趣器官)的情况下生成解剖结构的有效中心。解剖结构的这样的有效中心可以被选择为具有到两者感兴趣位置(诸如解剖结构的中心和针进入点)的相同距离的位置。
桌台移动结构(未详细示出)适于对支撑桌台20进行移动。在计算出移动向量48之后，与导轨40一起，介入X射线系统10能够令等中心38与患者44的感兴趣解剖结构的中心42自动重合。
在图1b中，指示了探测器18的壳体可以在相对端部处承载第一相机46a和第二相机46b，其中，两个相机的光学轴可以在桌台20稍上方的区域中交叉，如利用点划线指示的。
然而，如在图1c中示出的，固定机架45可以承载独立于X射线图像采集设备12的第一相机46a和第二相机46b，其中，光学轴也在桌台20稍上方的区域中交叉，如利用点划线指示的。
在图2中，示出了用于使介入X射线系统10中的X射线图像采集设备12等中心的面向块(block-oriented)的方法。所述方法主要包括：向处理单元30提供50患者的模型；采集52患者44的来自至少一个相机46的多幅光学图像；分割54模型以确定患者模型的轮廓；确定56患者的光学轮廓；将光学轮廓与模型轮廓进行配准58；并且确定60使介入X射线系统的等中心38与感兴趣解剖结构的中心42重合所需的移动向量。
此外，如上面解释的，确定56患者的光学轮廓可以通过获得62光学图像的深度图来实现。
最后，图3说明了三维模型的表示(由I指示)和深度图的表示(由II指示)，通过来自多个不同查看方向的感兴趣对象的光学图像的集合来确定所述深度图的表示。可以通过分割过程获得三维模型的轮廓64。可以示范性地通过在特定平面68上的投影来获得光学轮廓66。将两者轮廓64和66进行配准，以便对它们的对准和位置进行匹配。
应当注意，图1a中示出的X射线图像采集设备12被示出为C型臂结构。
在本发明的另一示范性实施例中，提供了一种计算机程序或一种计算机程序单元，其特征在于适于在适当的系统上运行根据前面的实施例之一所述的方法的方法步骤。
因此，所述计算机程序单元可以被存储在计算机单元上，所述计算机单元也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行以上描述的方法的步骤或诱发以上描述的方法的步骤的执行。此外，其可以适于操作以上描述的装置的部件。所述计算单元能够适于自动地操作和/或运行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。所述数据处理器由此可以被装备为执行本发明的方法。
本发明的该示范性实施例涵盖从一开始就使用本发明的计算机程序或借助于更新将现有程序转变为使用本发明的程序的计算机程序两者。
更进一步地，所述计算机程序单元能够提供实现如以上所描述的方法的示范性实施例的流程的所有必需步骤。
根据本发明的另一示范性实施例，提出了一种计算机可读介质，例如CD-ROM，其中，所述计算机可读介质具有存储在所述计算机可读介质上的计算机程序单元，其中，所述计算机程序单元由前面部分描述。
计算机程序可以存储和/或分布在与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的诸如光学存储介质或固态介质的适当的介质上，但是计算机程序也可以以其他的形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线的远程电信系统分布。
然而，所述计算机程序也可以存在于诸如万维网的网络上并能够从这样的网络中下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种用于使得计算机程序单元能够被下载的介质，其中，所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的之前描述的实施例之一所述的方法。
必须指出，本发明的实施例参考不同主题加以描述。具体而言，一些实施例参考方法类型的权利要求加以描述，而其他实施例参考设备类型的权利要求加以描述。然而，本领域技术人员将从以上和下面的描述中了解到，除非另行指出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合也被认为由本申请公开。然而，所有特征能够被组合以提供超过特征的简单加和的协同效应。
尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和从属权利要求，本领域的技术人员在实践所主张的本发明时能够理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他单元或步骤，并且，量词“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其他单元可以履行权利要求书中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种介入X射线系统(10)，包括：
-处理单元(30)，
-桌台(20)，其用于接收患者(44)，
-X射线图像采集设备(12)，其具有X射线源(16)和X射线探测器(18)，以及
-至少一个光学相机(46)，其适于采集位于所述桌台(20)上的患者(44)的光学图像，并且适于将光学图像数据提供给所述处理单元(30)，
其中，所述处理单元(30)适于：从三维模型分割患者的轮廓(64)，
-接收来自所述至少一个光学相机(46)的采集的图像，以确定所述患者的光学轮廓(66)，
-将所述光学轮廓(66)与在所述分割中获得的所述轮廓(64)进行配准，并且
-确定平移向量(48)，所述平移向量表示用于将所述三维模型中的感兴趣解剖结构与将被执行的旋转X射线扫描的等中心(38)对准所需要的对所述桌台的移动。
2.如权利要求1所述的介入X射线系统(10)，
其中，所述至少一个相机(46)被安装到机架，所述机架适于在所述桌台(20)周围移动所述相机以提供不同的查看方向。
3.如权利要求1所述的介入X射线系统(10)，
其中，所述X射线图像采集设备(12)是C型臂系统，并且
其中，所述至少一个相机(46)被安装到所述X射线图像采集设备(12)的框架。
4.如前述权利要求中的任一项所述的介入X射线系统(10)，
其中，所述至少一个光学相机(46a)包括第一相机(46a)和第二相机(46b)，
其中，所述第一相机(46a)和所述第二相机(46b)以相对于所述桌台(20)的固定位置被安装在机架(45)上，使得它们的光学轴彼此成一角度。
5.如前述权利要求中的任一项所述的介入X射线系统(10)，
其中，获得所述患者(44)的所述光学轮廓(66)是通过根据光学图像的集合重建三维深度图来实施的。
6.如前述权利要求中的任一项所述的介入X射线系统(10)，
其中，所述三维模型基于介入前图像的集合。
7.如权利要求1至5中的一项所述的介入X射线系统(10)，
其中，所述三维模型是一般患者模型，所述一般患者模型适于所述患者的所述光学轮廓(66)。
8.如前述权利要求中的任一项所述的介入X射线系统(10)，
其中，所述处理单元(30)适于生成解剖结构的有效中心，所述有效中心是在感兴趣器官的解剖结构的中心(42)与另外的感兴趣点之间的点，所述另外的感兴趣点尤其是所述患者(44)的身体上的针进入点。
9.如前述权利要求中的任一项所述的介入X射线系统(10)，还包括碰撞避免系统，其中，所述处理单元(30)适于在避免与所述桌台(20)上的所述患者(44)的碰撞的情况下使所述等中心(38)与所述X射线探测器(18)之间的距离最小化。
10.如前述权利要求中的任一项所述的介入X射线系统(10)，其中，所述处理单元(30)适于使在所述三维模型中给出的所述感兴趣解剖结构的中心与将被执行的所述旋转X射线扫描的所述等中心(38)重合，以对准所述感兴趣解剖结构。
11.一种用于使要由介入X射线系统(10)检查的躺在桌台上的患者等中心的方法，包括：
-将患者(44)的三维模型提供(50)给处理单元(30)，
-采集所述患者(44)的来自至少一个相机(46)的多幅光学图像，
-对所述模型进行分割(54)，以确定所述患者的分割轮廓(64)，
-根据所述光学图像来确定(56)所述患者的光学轮廓(66)，
-将所述光学轮廓(66)与所述分割轮廓(64)进行配准(58)，并且
-确定(60)将所述三维模型中的感兴趣解剖结构与针对要被执行的旋转X射线扫描的等中心(38)进行对准所需要的移动向量(48)。
12.如权利要求11所述的方法，
还包括获得(62)所述光学图像的深度图，以获得所述患者的所述光学轮廓(66)。
13.一种用于使要利用X射线图像采集设备(12)检查的感兴趣对象等中心的处理单元(30)，所述处理单元(30)包括：
存储器，其用于存储所述感兴趣对象的三维模型，其中，所述处理单元(30)适于从所述三维模型分割患者(44)的轮廓(64)，并且适于根据从不同查看角度采集的多幅光学图像来确定所述患者(44)的光学轮廓(66)，并且其中，所述处理单元(30)适于将所述光学轮廓(66)与在所述分割中获得的所述轮廓进行配准，并且适于确定平移向量(48)，所述平移向量表示用于使在所述三维模型中给出的感兴趣解剖结构的中心(42)与将被执行的旋转X射线扫描的等中心(38)重合所需要的移动。
14.一种计算机可读介质，在所述计算机可读介质中存储有用于使要利用介入X射线系统(10)检查的感兴趣对象等中心的计算机程序，所述计算机程序当由处理单元运行时，令所述处理单元执行如权利要求11和12所述的方法。
15.一种用于使要利用介入X射线系统(10)检查的感兴趣对象等中 心的程序单元，其中，所述程序单元当由处理单元运行时，令所述处理单元执行如权利要求11和12所述的方法。
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