CN105916444A - 由二维x射线图像来重建三维图像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于由通过X射线成像系统所获取的二维X射线图像来重建三维图像的方法，该方法包括下述步骤：a)通过所述X射线成像系统来接收患者的部位的一组二维X射线图像；b)通过使用具有其各自投影几何构造数据的所述二维X射线图像的至少一部分，来在所述X射线成像系统的坐标系中计算初始三维图像；c)将所述初始三维图像投影在所述二维图像的至少一部分上，并且调整所述图像的各个投影几何构造数据，所述调整包括通过使用图像到图像配准技术将所述图像与所述初始三维图像的投影进行配准；d)使用具有其各自的调整的投影几何构造数据的整组二维X射线图像来计算更新的三维图像。

Description

由二维X射线图像来重建三维图像的方法
技术领域
本发明通常涉及医学X射线成像系统，具体地涉及用于提高由一组二维投影图像而重建的三维图像的质量的方法和设备。
背景技术
X射线成像系统在医疗外科手术和干预期间被频繁地使用，以为医师提供基于解剖情况和/或外科器械的位置和取向的信息的图像。
这些设备典型地提供具有沿着X射线的路径所重叠的不同结构的二维投影图像。
这种用于手术中设置的设备的一个典型示例是所谓的C形臂，该C形臂以移动的或静止的方式被使用并且基本上包括底架，在该底架上C形臂被附有允许C形臂在空间中沿若干个自由度移动的若干个中间连接件。
C形臂的一端带有X射线源并且另一端带有图像检测器。
由于这些二维图像所提供的限制性信息，因此在过去几十年中三维成像技术已经变得不可或缺。
虽然计算机断层扫描是已确立的一类用于在放射科进行三维重建的静态X射线成像系统，但是这些设备在手术室内通常不可用。
近些年来对层析重建技术的关注度逐渐增加，层析重建技术也被称为锥形束重建技术，该锥形束重建技术使用了二维检测器。这些重建技术的背景信息可以在例如[1,2]中找到。
做出了特别的努力，以使得上述C形臂能够通过自动地获取一组二维图像并随后基于所述锥形束重建技术进行三维图像重建来提供三维信息[3-13]。
最近，已经引入了所谓的锥形束计算机断层扫描系统，以通过简单地创建源的完整旋转和被包含在闭合隆起内的图像平面来产生患者部分的三维图像，例如牙科应用。这可以被视为C形臂的特定设计。
为了在空间分辨率、几何保真度等方面得到高质量的三维图像，必须精确地获知投影几何构造，即源和检测器在用于重建的各个二维图像的公用参照系统中的位置和取向。
然而，虽然C形臂得益于其机动性能够十分良好地适应手术期间的二维成像工作，但是由于其具有开放台架设计，因此最初并非为三维成像而设计的C形臂在机械上没有足够的刚性来沿着选择的路径重新产生具有足够精确度的期望投影几何构造。
C形臂在自动的二维图像获取中的标称轨迹可以被容易地测量，例如使用被集成在连接件中的编码器进行测量。
然而，由于不同的原因(类似于机器人领域中的真实运动特性和其标称模型)，真实轨迹不同于标称轨迹。开放台架设计使得设备易于产生机械形变，诸如取决于当前位置/取向的弯曲。特别地，移动的C形臂在来回移动时易于与门或其他物体碰撞，从而导致C形臂的非弹性形变。不管C形臂的轴承和驱动器的类型为何，都无法避免C形臂的摇晃，这是由于C形臂本身的质量以及x射线源和x射线检测器的质量改变了标称轨迹，因此由几何误差导致了对重建三维图像的空间分辨率的限制。
为了克服这些问题，从用于校准C形臂的成像几何构造(即，测量用于获取图像的轨迹的投影几何构造)的文献中获知了不同的方法。
这里所使用的术语投影几何构造包含检测器的位置和取向，以及X射线源相对于公用参照系统的位置。
普通技术在于使用明确定义的校准体模(phantom)，该校准体模使得能够精确确定整个扫描期间所得到的每个图像的整体投影几何构造，以致基于该几何构造的预测标记物投影和体模的模型与图像中所标识的标记物位置最佳地匹配。这个校准体模可以被在线使用(即在每个诊断使用中)或离线使用(即不在诊断使用中)，由于该校准体模要求其体积膨胀以便能够确定整体投影几何构造，因此该校准体模大而笨重。
在实际中，离线校准成像系统的一般方法在于，在诊断图像获取之前执行包含有不透射线标记物的特定校准体模的图像获取。在扫描期间体模保持静止。之后在预处理步骤中评估投影图像，以便提取标记物阴影位置和其与图像的对应关系。之后进行校准步骤，该校准步骤通常基于估计误差度量来对每个投影的投影几何构造建立最佳估计，该估计误差度量通常为基于对投影几何构造的当前估计的检测标记物阴影位置和预测标记物阴影位置之间的均方根误差的误差度量。
美国专利6,715,918和5,442,674公开了这种基本上由辐射透明(radio-transparent)的圆柱管构成的离线校准体模，该辐射透明的圆柱管具有被附接至其圆周上精确已知的位置处的不同尺寸的不透射线标记物。在校准过程期间，从所选择的用于图像获取的全部轨迹中取得了一系列图像，体模被放置成在无需重置体模的情况下使得标记物在全部图像中可见。通过使用公知的图像处理方法，计算了投影图像中的标记物中心并进行标示，即在已经造成图像中阴影的体模中指定相应的标记物。通过所计算和指定的足够的标记物中心，之后可以在公用参照系统中计算所有图像的投影几何构造。
使用这种离线体模的校准在系统的首次临床使用之前典型地实施了一次，并且之后将以更长或更短的间隔实施，例如每6个月。该方法本质上良好地处理了再生偏差。
在另一方面，投影几何构造的不可重现偏差不能被补偿，像随时间而产生的热漂移，热疲劳、由于使用或运输期间的设备碰撞而产生的机械形变。
由于偏差仅能在离线校准中被检测，因此在一个时间点处的两个重复的离线校准之间存在风险，三维图像将缺乏临床使用所需的精度。离线校准方法的另一个缺点在于将用于三维重建的C形臂的使用限制为仅一条轨迹，即已经被校准的轨迹。
为了能够同时补偿不可重现误差，从文献中获知了不同的在线校准方法。
这些方法旨在使用不透射线标记物所制成的体模在设备的诊断扫描期间执行校准，该不透射线标记物被置于将获取的体积中并且被重建为三维图像。
这种基于不透射线标记物旨在完全校准(即确定每个获取图像的完整投影几何构造)的在线校准方法是用于诊断成像的实例，C形臂被放置成使得解剖的感兴趣部位(ROI，Region Of Interest)在每个图像中可见。
由于体模显然不必准确地放置在同一个位置，因此确保体模在所有图像中的可见性通常很困难(如果并非不可能)，因此通常不允许完全校准。
另一个问题在于不透射线的或难透射线的高致密物体可以将体模标记物中的一个或多个闭塞在图像中的一个或多个中。
美国专利6,038,282旨在解决由将在线弧型体模放置于患者周围而产生的这种问题，其与上述离线校准方法基本上以相同的方式工作。然而，虽然提供了潜在的良好校准精度，但是这种体模显著地妨碍了外科手术进入患者的途径，并且在制造和保持高机械精度上十分复杂和昂贵。
为了克服这些问题，提出了用于在线校准的其他方法。
美国专利6,079,876公开了基于光学相机的在线校准的方法，该光学相机的两端被附接于C形臂，以便能够确定检测器和源相对于被置于操作台周围的光学标记物环的位置和取向。该方法中的标记物环使得进入患者的途径复杂化，并且在每次调整C形臂的位置和取向时都必须被重置。
美国专利6,120,180公开了使用超声波或电磁跟踪系统以便捕获源和检测器的位置和取向的在线校准方法。该系统易于闭塞并且易于产生磁场畸变问题以及人类工程学限制，以致阻止这些系统被用于临床环境。
德国专利10139343公开了基于应变仪来测量C形臂的偏向的在线校准方法。该方法在随时间进行管理和保持高精确度上是复杂的，并且该方法不能够恢复完整的投影几何构造并且仅能捕获某些形变。
美国专利7,494,278公开了通过试图使用投影图像本身的自然特征检测和修正弦图中可见的轨迹偏差来避免附加的测量设备的校准方法。虽然该方法在理论上可以是有效的，但是该方法没有公开将在正弦图中被跟踪的图像特征是如何被识别的。没有描述用于检测这种具有高精度和高再生能力的本质特征的方法，这使得上述方法在实际中不可用。
因此，本发明旨在通过克服上述缺点中的至少一个来提供所重建的三维图像的质量。
发明内容
本发明提供了一种用于提高三维图像的重建质量的方法，特别地涉及用于在矫形外科、创伤学和其他外科或诊断领域进行手术中三维成像的移动的X射线成像系统。
该方法包括下述步骤：
a)通过X射线成像系统来接收患者的部位的一组二维X射线图像，
b)通过使用具有其各自投影几何构造数据的二维X射线图像的至少一部分，来在X射线成像系统的坐标系中计算初始三维图像；
c)将所述初始三维图像投影在所述二维图像的至少一部分上，并且调整所述图像的各自的投影几何构造数据，所述调整包括通过使用图像到图像(image-to-image)配准技术将所述图像与初始三维图像的投影进行配准；
d)使用具有其各自的调整的投影几何构造数据的整组二维X射线图像来计算更新的三维图像。
通过计算初始三维图像并且使用所述初始三维图像的投影对二维X射线图像和初始三维图像的投影进行配准，可以调整二维X射线图像的投影几何构造数据。
因此，调整的投影几何构造数据考虑了标称投影几何构造数据所未涉及的X射线成像系统中的源和检测器的不可重现位置偏差。
调整的投影几何构造数据之后被用于计算具有更好精确度的更新图像。
上述步骤可以被迭代，直到得到了所要求的精度。
上述方法提供了用于C形臂的在线校准的一般解决方案，该解决方案可以被实际且现实地使用，因此使得通过已知方法来进行的三维图像重建的精确度和清晰度得到了显著的提高。以这种方式，本发明克服了现有设备中已知的问题，即三维重建缺乏足够的精确度和保真度，以及缺乏对当前可用于在线校准改进的体模的临床应用。此外，本发明旨在解决的问题不仅在于成像设备相对于其标称校准的轻微形变，也在于在图像获取期间可能发生的某些患者运动(例如由于呼吸)，这些问题需要被补偿。
使用某些标记物以便加强方法的鲁棒性和精确度，即使已知的标称参数具有较差的精确度也可以使用上述内容。基于由在全组获取的二维图像的可变子集中可检测的不透射线标记物的可变参量所提供的信息，本发明能够通过根据本发明调整从设计、编码器或离线校准方法中已知的标称投影几何构造数据以改善每个所获取的二维图像的投影几何构造数据，来提高重建三维图像或体积的质量。在该特定的实施例中，需要至少一个标记物。在本文中，“可检测到的”意味着在给定的图像中可以通过软件自动地检测到各个标记物，因为标记物位于所述图像的观察范围中，并且没有被体结构(诸如骨骼)部分或全部地隐藏。因此，标记物在某些图像中是可检测的，并且在另一些图像中是不可检测的。
在本发明的第一个方面中，三维重建使用了患者的部位中的一组二维X射线图像，其中，在获取所述二维X射线组期间，包含不透射线标记物的校准体模被放置成接近于待检查患者的解剖部位。
体模可以被侵入性地附接于患者(例如通过夹钳、螺钉或销钉)，或例如通过黏合贴片被非侵入性地附接。不透射线标记物在数量上可以变化(至少需要一个不透射线标记物)，并且不透射线标记物可以具有不同的形状，诸如球形或圆柱形。
在一个实施例中，不透射线标记是球形的。
在另一个实施例中，不透射线标记是针形的。
在一个实施例中，校准体模包括被光学定位器可检测的反射材料所覆盖的不透射线标记物。
在一个实施例中，校准体模包括外科植入物。
在另一个实施例中，不透射线标记物由电磁线圈构成，所述电磁线圈被用于构成被嵌入外科导航系统中的电磁定位装置的发射器或接收器。
在另一个实施例中，不透射线标记物是球形标记物、针形标记物和/或电磁线圈的组合。
通过使用被并入校准体模中的支承结构，标记物彼此之间具有固定的空间关系，该固定的空间关系可以通过设计或计量学测量来获知。这种计量学测量较优地在首次使用之前被执行，并且以重复的间隔被执行。在另一个优选实施例中，对标记物的相对位置进行的这种计量学测量在使用三维定位装置(光学的、电磁的等)进行图像获取的刚开始被执行，该三维定位装置是任意的标准外科导航系统的部件。
本发明所针对的典型的X射线成像系统包括X射线源和图像检测器，该图像检测器由具有锁哥自由度的移动臂支承，以对空间中的X射线源和检测器以及数据处理单元进行定位和取向。
在扫描期间，获取了一组二维图像，每一个图像对应于源-检测器对(source-detector couple)的略微不同的位置。
除了检查解剖结构之外，由体模标记物所生成的X射线阴影将出现在所获取二维图像的子集中，然而包含由软件所检测的标记物阴影的二维图像的数量取决于体模几何构造和扫描期间体模相对于源-检测器对的位置。
在另一个方面，至少一个二维图像不包含任何可被自动检测的标记物。
扫描之后，在第一个步骤中，包含可以被软件自动检测的标记物的所有图像被选择，并且通过数据处理单元来计算所有检测到的标记在这些图像中的位置。这些包含自动检测到的标记物的图像被标示(label)为参考图像，然而剩余的图像被视为非参考图像。
之后，通过使校准体模的至少一个标记物的已知三维位置与使用X射线成像系统的标称投影几何构造数据在至少两个不同的参考图像中所检测到的该标记物的相应的二维位置之间的配准最优化，来计算X射线成像系统的坐标系与校准体模的坐标系之间的最优刚性变换，以使所述标记物的所述三维位置在每一个参考图像中的投影与所述参考图像中相应的二维位置之间的距离最小化；
将所述最优刚性变换应用于校准体模的所述至少一个标记物的三维位置，以确定所述至少一个标记物在X射线成像系统的坐标系中的各个变换的三维位置；
对于参考图像中的每一个，根据在所述参考图像中所检测到的至少一个标记物的二维位置和所述变换的三维体模标记物位置来计算调整的投影几何构造数据，以使使用调整的投影几何构造数据对所述变换的三维位置的投影与相应标记物的二维位置最优地适配；
之后，计算重建能力标准，该重建能力标准表征了仅由参考图像来重建具有足够好质量的三维图像的能力；
在步骤b)中，对X射线成像系统的坐标系中的初始三维图像所进行的计算的实现方式如下：
-如果所述重建能力标准被满足，则通过使用具有其各自的调整的投影几何构造数据的参考图像来实现该计算；或
-如果所述重建能力标准没有被满足，则通过使用具有其各自的调整的投影几何构造数据的参考图像以及具有其各自的标称投影几何构造数据的非参考图像来实现该计算。
在步骤c)中，将初始三维图像投影在非参考图像上，并且通过使用图像到图像配准技术将所述非参考图像与所述投影的三维图像进行配准来调整所述非参考图像各自的标称投影几何构造数据。
在步骤d)中，使用具有其各自的调整的投影几何构造数据的所获取的整组二维X射线图像组，来计算更新的三维图像。
根据一个实施例，上述步骤中的一个或多个步骤被迭代，直到配准质量度量小于预定阈值或已经达到了预定数量的迭代。
当选择步骤被迭代时，新迭代使用体模的至少一个标记物的投影以增大被自动检测到的标记物的数量，在执行了前一配准步骤之后该体模的至少一个标记物在X射线成像系统的坐标系中的位置已知的。
根据一个实施例，最优刚性变换被被计算作为三维体模标记物位置与在根据所述标称投影几何构造数据进行反投影的所述参考图像中所检测到的标记的二维位置之间的最佳适配。
根据一个特定的实施例，所述校准体模的仅一个标记物在至少两个二维图像上被检测到，并且最优刚性变换为平移。
根据一个实施例，为计算每个参考二维图像的所述调整的投影几何构造数据而应用到所述标称投影几何构造数据的修改包括对与图像检测器平行的平面中的X射线源的位置的修改。
根据一个实施例，应用到所述非参考图像的标称投影几何构造数据的调整被限制为在与图像检测器平行的平面中的平移和旋转。
根据一个实施例，至少一个不透射线标记物在所获取的二维X射线图像中的至少两个二维X射线图像中被自动检测到，该至少两个二维X射线图像彼此间产生至少15度的角。
根据一个实施例，校准体模仅包括一个或两个不透射线标记物。
根据一个实施例，校准体模包括定位元件，该定位元件使得能够在重建的三维图像中对外科器械进行导航。
附图说明
本发明的进一步特征、效果和优势将从以下参照附图的详细描述中体现，其中：
图1a示意性地示出了具有多个自由度的X射线成像的示例性实施例；
图1b示意性地示出了具有被附接至被检查的患者的体模的X射线成像系统的示例性实施例；
图2示意性地示出了具有不透射线标记物和夹钳固定的体模的示例性实施例；
图3示意性地示出了具有不透射线标记物和销钉固定的体模的示例性实施例；
图4示意性地示出了具有不透射线标记物和黏合贴片固定的体模的示例性实施例；
图5示意性地示出了具有不透射线标记物和弓形支承件的体模的示例性实施例；
图6示意性地示出了具有尺寸不同的两个球形的不透射线标记物的体模的示例性实施例；
图7示意性地示出了具有一个球形的不透射线标记物的体模的示例性实施例。
具体实施方式
图1a描述了移动的X射线成像系统20的一个实施例，该移动的X射线成像系统20包括X射线源22、X射线检测器24、C形臂26以及附接有滚轮30的底座28。
X射线源22被附接在C形臂26的一端，并且X射线检测器24被附接在C形臂26的另一端。
以本领域中已知的方式将X射线源22和检测器24彼此面对地安装在C形臂26上的两个相对端上。
由检测器24捕获的二维图像可以被传送至图中未示出的图形显示器以用于直接显示。
二维图像还可以被储存在X射线成像系统的数据处理单元的存储器中。
所述数据处理单元(未示出)典型地包括处理器，该处理器特别地适于由一组获取的二维图像计算出三维图像、计算不同的坐标系之间的变换等。
数据处理单元进一步包括存储器，该存储器用于储存所获取的图像、成像系统的参数(特别地，标称投影几何构造数据)以及计算结果。
如图1a进一步示出的，C形臂26被安装至夹持器32，这使得C形臂26在夹持器中滑动时沿着C形臂26的圆周移动，因此实现由箭头34所指示的轨道旋转(orbital rotation)。
夹持器32被连接至水平导引件36，使得C形臂26能够进行箭头44所指示的水平平移运动以及箭头40所指示的围绕角旋转轴38的角旋转。
水平导引件36被架至在立柱42上，用于C形臂26进行箭头46所指示的垂直平移运动。
表1总结了成像系统利用其不同连接件所提供的自由度。
表1
必须注意到，成像系统通过其相关联的自由度来准确地实现上述运动特征对于本发明并不重要，而是可以选择具有多个自由度的许多可能的架构。
例如在不对本发明产生影响的前提下，成像系统可能包括绕立柱42的附加的旋转自由度。成像系统还可以包括移动设备在与C形臂平面正交的地面上的平移。
还可以使用其中C形臂的功能由多轴机器人来执行的架构，多轴机器人诸如西门子的Syngo设备、或用于牙科中的简单的锥形束计算机断层扫描(ConeBeam Computer Tomography，CBCT)架构，例如来自成像科学国际(ImagingScience International)的i-CAT系统。
连接件中的某些或全部配备有本领域所公知的位置编码器并且图中未示出。还可以使用全局追踪系统，该全局追踪系统由与编码器结合或代替编码器的陀螺仪和加速度计构成。
这些编码器的测量值可以被传送至X射线成像系统20的数据处理单元。
在本发明的某些实施例中，连接件中的某些或全部由制动器单独地或联合地锁定。
在某些实施例中，通过使用图中未示出的电动机来执行对不同连接件的调整。
电动机可以由数据处理单元控制。
根据一个优选实施例，使用校准体模以提供在一组二维X射线图像的至少一部分上可检测到的标记物。
图1b描述了被附接至躺在患者台52上的患者50的校准体模48。
移动的X射线成像系统20相对于患者台52、患者50和体模48被放置成使得在扫描期间不会妨碍成像系统20的运动(即不发生碰撞)。
校准体模具有下述构成要素：
由例如钢、钛、钽、铝所制成的形状已知(诸如球形、圆柱体，或薄壁管、或前述各项的组合)的一个或多个X射线不可穿透的标记物构成了校准过程的功能部件。标记物还可以具有与已知型号的外科器械或植入物相对应的复杂形状。
在一个优选实施例中，所有标记物被刚性地附接至基本上辐射透明的支承结构(例如，诸如聚醚醚酮(PEEK，Polyether Ether Ketone)、或树脂玻璃、或碳素纤维)，以建立并保持标记物之间固定已知的空间关系。通过在与校准体模相关联的坐标系49中进行设计或计量学测量来精确地获知所有标记物的位置。这种计量学测量较优地在首次使用之前被执行，并且之后以重复的间隔被执行。在另一个优选实施例中，对标记物的相对位置进行的这种计量学测量在使用三维定位装置(光学的、电磁的等)进行图像获取的刚开始被执行，该三维定位装置是任意标准的外科导航系统的部件。
校准体模被设计成使得标记物形状差异和标记物尺寸差异连同标记物彼此间已知的相对位置能够从各个标记物在X射线投影图像中生成的阴影而识别出各个标记物。文献中描述了多种用于自动地检测并识别X射线或视频图像上的标记物的方法。
在某些实施例中，校准体模进一步包括用于在扫描过程中将支承标记物的支承结构附接至患者的附接件固定装置。所述附接件固定装置在X射线校准体模和整个扫描期间将被检查的解剖结构之间创建了稳定的空间关系。如下文所阐述的，附接件固定结构可以包括不同的实施例和形状，该不同的实施例和形状可以由从业者根据待成像的患者部位以及也可以根据与定影液的侵入力相关的考虑来进行选择。
在一个特定的实施例中，校准体模进一步包括定位部件，该定位部件被刚性地连接至支承结构以允许通过定位系统来检测体模的位置，并且由此检测到坐标系49在空间中的位置。这使得能够将三维重建与例如美国专利7672709中所描述的外科导航系统直接地相关联。
定位系统可以基于分别或联合使用下述内容的不同技术以及与下述内容分别相对应的定位部件，诸如具有无源反射标记物的光、具有有源发射标记物的光、电磁、陀螺仪、加速计、RFID、超声波等。
在一个优选实施例中，校准体模包含电磁线圈，该电磁线圈是作为外科导航系统一部分的定位装置的发射器和/或传感器。因此，可以将配备有电磁传感器或发射器的外科器械相对于被附接至校准体模的坐标系进行直接地定位。通过使用本发明的方法，重建的三维图像在被附接至体模的坐标系中是已知的。因此，通过使用许多可能的二维或三维可视化格式，在重建的三维图像上可以直接地显示并导航外科器械的位置和取向。可以添加附加的球形或直线形标记物，以便增强精确度并且减少对标记物的自动检测和标示。在上述优选实施例中，校准体模包含能够在重建的三维图像中使能外科器械的导航的定位元件。对光学定位器应用相同的原理。
图2示意性地示出了校准体模48的示例性实施例，其中，附接件固定装置由夹钳54构成。
球形的不透射线标记物56被附接至支承结构58，支承结构58本身被连接至夹钳54。
夹钳被附接至椎骨体60，以在校准体模48和所述椎骨体之间建立刚性的空间关系。
定位部件59包含电磁线圈并且被连接至电磁定位系统(图中未示出)，因此能够确定体模48的位置。
图3示意性地示出了校准体模48的示例性实施例，其中，附接件固定装置由多个销钉62构成。
不透射线标记物64被附接至支承结构66，该支承结构66进一步包含用于将体模通过销钉62附接至患者50的馈送孔68。使用了多个馈送孔并且销钉具有锐利的尖端，通过施加压力将该尖端插入患者的骨骼中(类似于墙壁中的大头钉)，刚性由大量的销钉产生。支承结构66还可以包含没有示出的电磁传感器或电磁发射器。图4示意性地示出了校准体模48的示例性实施例，其中，附接件固定装置由黏合贴片70构成。
不透射线标记物72被附接至支承结构74。
被牢固地固定至支承结构74的黏合贴片70可以被黏性地附接至解剖结构，例如患者50的皮肤。
示出了多个球形标记物72。
在一个优选实施例中，标记物56、64或72的部分或全部被反射材料覆盖，以便被外科导航系统的光学定位器跟踪。在另一个优选实施例中，球形标记物56、64或72被修改成在光学外科导航中常用的反射球体，例如金属球体被插入在被反向反射带(诸如由北方数码公司(Northern Digital Inc.)、安大略湖、加拿大所生产的产品)所覆盖的标准导航塑料球体的中心。
在另一个优选实施例中，标记物56、64或72的部分或全部还可以是标准的反射塑料非不透射线球(reflective plastic non radiopaque balls)，但是其上通常夹持有这些标准的反射塑料非不透射线球的杆包含金属球，当反射球被加持在杆上时，该金属球与反射球的中心完全重合。
在另一个实施例中，标记物56、64或72是仅用于校准的金属球，并且它们构成了包含(通常为非不透射线的)标准导航塑料球体的刚体(如66或74)的部分。
在一个优选实施例中，校准体模仅包含三个或四个反射球体，该三个或四个反射球体使用外科导航系统的光学定位器限定了唯一的刚体位置和取向，并且通过使用上述技术中的一种，使每个反射球体的内部包含不透射线小球体。这表示如果期望得到本发明中所述的C形臂的校准以及同时得到光学外科导航系统中所使用的传统跟踪，则要使得校准体模的结构最小化。
然而，在一个优选实施例中，仅一个标记物被固定至黏合贴片，这使得使用十分简单并且制造成本低廉。
在另一个优选实施例中，两个标记物被固定至黏合贴片并且被放置在与机体轴线平行的直线中，以致当在机体轴线周围获取了多个二维图像时标记物将不会重叠。
使用少量的标记物固定至被固定于患者皮肤的黏合贴片的优势在于非入侵性，并且因此在其中没有执行外科干预或不会使用外科导航的单纯诊断检查中可用。
本方法的精确程度之后将取决于其上固定有黏合贴片的皮肤部分和感兴趣的解剖结构之间的相对稳定性。
例如，被固定至患者背部的黏合贴片将十分适于得到椎骨的精确图像，即使在图像获取期间患者会呼吸。
这个特征可应用于本发明的任何实施例，并且表示了显著的优势。
通过使用待成像部位附近和相对固定至待成像部位的不透射线特征，在所述部位中三维重建的精确程度将被提高，甚至在患者存在呼吸和运动的情况下。
当然，该特征具有一些限制性并且最终的精确程度和患者运动补偿将取决于其中检测到标记物的参考图像的数量，并且取决于将通过使用图像到图像配准技术来进行配准的图像的直方图特征。
图5示意性地示出了具有支承件78的校准体模48的优选实施例，该支承件78的形状类似于被弯曲以致曲率基本上与患者50的背部曲率相匹配的框架。该原理可以被延伸至身体的任何解剖部分，以便与解剖部分的外部形状适配。在这种情况中，上述附接件固定装置可以被省去。不透射线标记物80被附接至支承结构78。这种体模设计的优势在于，感兴趣的部位(ROI)被不透射线标记物包围的同时保持ROI本身的自由，因此允许外科医生没有障碍地进入ROI手术，同时使得扫描期间接近于ROI的标记物数量和被成像的标记物数量最大化。
虽然在理论上而言，在至少两个图像中仅具有一个可检测标记物的体模已经能够提高三维重建结果的质量，但是使用更多的体模标记物提高了校准的精确度，并且由此提高了重建的三维体积的质量。
在另一方面，在二维X射线图像中标记物相互重叠的可能性同时被增加。
由于完全或部分重叠的标记物阴影使得识别标记物和准确地检测标记物位置更加困难或甚至不可能，因此限制了标记物的可用数量。
在一个优选实施例中，所获取的图像中的至少一半包含有至少五个可检测标记物，并且图像中的小部分比例为非参考图像。对于图3中所示的典型的体模设计，标记物64的合理数量在五个到十五个之间。这些标记物被放置在支承结构66上，以致每个标记物沿着轴65的坐标不同。对于典型的轨道扫描运动，体模被放置成以致轴65基本上与成像系统20的轨道旋转轴相平行。即使两个轴并非理想地平行，标记物阴影的重叠也可以被避免。
在三维扫描期间，在成像系统20相对于患者50的不同预定位置处取得了一组二维X射线图像。
在一个优选实施例中，在扫描期间成像系统20的运动是在所有其他的自由度被锁定的情况下由电动机驱动的单纯轨道旋转，包括由滚轮30进行的地面运动，同时预定位置与位置编码器所测量的等距轨道连接件位置相对应。
然而，需重点注意的是本发明的范围不限于这种扫描运动以及以与多维扫描运动和非等距扫描位置相同的方式而进行的工作。
对于与成像系统20的所有连接件的一组位置编码器值相对应的每个预定位置，在临床使用之前，X射线源22的焦点位置以及成像检测器24的位置和取向在被连接至底座28(参见图1b)的坐标系29中被确定，并且被储存在查找表(LUT，Look-Up Table)中。
可以以不同的方式收集这些产生了标称投影几何构造数据的数据，即描述了由设计、计量或离线校准所获知的成像系统的缺省投影几何构造的数据以及由材料疲劳、机械形变、振动、机械运动等产生的数据，并且不考虑这些缺省投影几何构造数据与图像获取期间的真实几何构造之间的改变。
在一个优选实施例中，这些标称投影几何构造数据是在对具有本领域所已知的离线校准体模的C形臂进行临床使用之前被确定的。
使用这种校准方法的优势在于，考虑了X射线源22和成像检测器24的再生位置偏差，这些再生位置偏差基于仅可由设计获知的数值。
如下文将要描述的，本发明通过使用标记物来被有利地实施。
为此，使用了包含不透射线标记物的校准体模。在这个实施例中，生成三维图像包括下述步骤：
a)在并非旨在被本发明涵盖的初始步骤中，校准体模48被附接至患者，以致不透射线标记物接近于ROI，即与将要重建三维图像相关的解剖部位。
至少两个二维X射线图像必须包含至少一个可检测的不透射线标记物，尽管典型地两个以上的图像包含一个以上的标记物。
然而，在仅有两个图像且每个图像仅包含一个可检测标记物的情况中，所述各个图像彼此之间必须具有足够的角度，以提供第二图像相对于第一图像的足够的投影平面外信息，进而通过校准提高三维重建的质量。在实际中，所述两个图像之间的角度至少应该为15°。
之后放置成像系统20，并且调整其连接件以致在扫描所需的ROI周围的轨道旋转运动可以在成像系统与患者、体模、患者台或附近任何其他的物理物体之间不存在任何碰撞的情况下被执行。注意到轨道旋转运动可以被C形臂的复杂轨迹替代。
b)之后，在成像系统20的轨道旋转期间，在所述预定位置处获得了一组X射线投影(二维)图像。所述图像组可以被储存在数据处理单元的存储器中。
c)在下一步中，通过使用标准的成像处理技术计算对象在使用了属于该对象的所有像素(由灰度级值加权或由高于指定为固定值的阈值的像素简单地加权)的灰度图像中的中心坐标，来在所有二维图像中搜索允许通过数据处理单元自动识别相应的体模标记物的标记物阴影。例如对于球形标记物，数据处理单元对图像进行检查而得到封闭轮廓，并且对识别出的封闭轮廓的圈和尺寸进行评估。例如可以在美国专利6370224或美国专利5442674中找到更多的细节。相似的技术被用于检测与圆柱体或管制成的标记物的投影相对应的直线或曲线的中心(即上述直线或曲线的中央)。众所周知的技术被用于检测构成标记物的电磁传感器或电磁发射器的线圈的边缘。
例如，对在二维图像中识别出的标记物阴影的精确位置的计算是由数据处理单元通过计算(14,15)中所述的该精确位置的中心来执行的。
其中能够自动检测到标记物中的至少一个的这些图像(即其中，对于体模标记物中的至少一个，图像中的一组像素可以被指定给该至少一个体模标记物，并且该至少一个体模标记物的位置可以被确定)被称为参考图像。
剩余的图像(即其中自动检测不到标记物的图像)被称为非参考图像。
事实上，出于多个原因，在实际中，在所获取组的所有图像中并非所有的标记物均是可识别的，并且因此并非所有投影图像均是参考图像。考虑到这种现象是本发明的基础。
第一，一个或多个标记物可以完全或部分地位于一个、多个或所有投影图像的检测器的观察范围之外。
第二，标记物中的一个或多个可以在投影图像中的一个或多个中相互地重叠。
第三，一个或多个标记物可以与其他难透射线的致密物体在诸如金属外科器械、手术台、患者致密结构(诸如骨骼)等的投影图像中的一个或多个中相重叠。对造影剂的使用加强了这个困难。
第四，一个或多个标记物可以位于被x射线所模糊或曝光过度的图像部位中或可以位于具有低信噪比的部位中，这使得这些标记物不可被检测到。
对于每个参考图像，通过使用上述图像处理技术来计算在该图像内部的每个所识别出的标记物的二维位置。
在下一步中，计算了坐标系29和49之间的最优刚性变换。
在本发明的一个实施例中，使用了基于特征的二维/三维配准技术来计算这种最优变换，该基于特征的二维/三维配准技术使得在通过使用每个参考图像的标称投影几何构造数据而从每个参考图像中的所述检测到的标记物的二维位置所计算出的反投影射线和通过调整29和49之间的标准的六个变换参数而从校准体模的坐标系中相应的体模标记物的已知三维位置所计算出的反投影射线之间所有检测到的标记物的距离的平方和最小化。在两个不同坐标系中已知的三维直线和三维点之间的距离的平方和的这种最小化能够通过使用(16)中所公布的迭代最近点算法或其任何变形(例如使用Levenberg-Marquardt算法)来实现。可以通过使用任何众所周知的鲁棒性算法消除异常值来提高这种方法的可靠性。
在本发明的另一个实施例中，通过使得每个参考图像中的所述检测到的标记物的二维位置和在通过调整29和49之间的六个变换参数而从每个图像的标称投影几何构造数据所计算出的所述参考图像之上的每个标记物的三维位置的投影位置之间所检测到的所有标记物的距离最小化来计算这种最优变换。可以通过使用任何众所周知的鲁棒性算法消除异常值来提高这种方法的可靠性。
在一个实施例中，校准体模仅包含单个标记物。在这种情况中，29和49之间的变换仅涉及平移，并且之后旋转值被指定为零缺省值。
在一个实施例中，校准体模仅包含两个标记物。在这种情况中，29和49之间的变换涉及平移和围绕两个自由度的旋转，围绕一个轴的旋转待定并且被指定为零缺省值。
参考图像可以被定义为至少包含给定数量窄频带的可以被自动检测的体模标记物，窄频带＞0。窄频带越高，被应用于将进一步描述的标称投影几何构造数据的调整将会更精确，但是参考图像的数量会更少。对窄频带数量的选择取决于使用本发明的特定环境。在某些情况中，通常在每个图像中所检测到的不透射线标记物的数量可以很高，并且因此建议将窄频带的值选择为接近于构成校准体模的标记物的总数。例如，如果校准体模由八个球组成，则将窄频带的值指定为7。在更复杂的情况中，通常在每个图像中所检测到的不透射线标记物的数量可以很低，并且因此建议将窄频带的值选择为1或2。
在一个优选实施例中，对参考图像相对于非参考图像进行了定义的标记物的窄频带数量可以被指定为较低的值，诸如在本发明的全局方法的第一次迭代中被指定为1，并且之后可以重复进行该全局方法，同时窄频带数量增加至较优值。这个过程可以被重复和迭代若干次。
d)在下一步中，每个参考图像的标称投影几何构造数据被调整为，以致当投影在图像上时与每个参考图像的标称投影几何构造数据相关联的二维标记物阴影位置与变换的三维体模标记物位置的二维位置最优地匹配。
在一个实施例中，被应用与每个参考图像的标称投影几何构造数据的调整被限制为与图像检测器平行的平面中的X射线源的两个坐标。这涉及搜索每个二维图像的两个独立的参数。在另一个实施例中，对标称投影几何构造数据的调整包括X射线源的三个坐标和由矩阵或六个独立的旋转/平移参数所表示的图像检测器的完整的位置和取向，以及用于将像素确定为毫米比率(一个或两个比率，取决于与图像检测器相关的先验信息)的图像中的比例因数。这涉及搜索每个二维图像的十个或十一个独立的参数。
在另一个实施例中，对每个图像的参数的中间数进行了调整，范围从2到11。
以这种方式，投影几何构造被率先修正，以便补偿标称投影几何构造数据所未涉及的源22和检测器24的不可重现位置偏差。
在本发明中，我们建议使用全数字式平板图像检测器，其相较于传统的图像增强器的优势在于避免了任何几何图像失真。然而，如果使用传统的图像增强器，则可能还需要在标称投影几何构造数据中考虑失真补偿模型，该失真补偿模型通常是像素图像坐标和以毫米表示的图像平面中的坐标之间的多项式函数。在后一种情况中，对标称投影几何构造数据的调整可能必须包括对相应的多项式函数的系数的调整，但是这将要求使用多个标记物。因此，在实际中优选地将忽略对多项式函数的调整，并且仅对与如前所述的刚性形变相对应的参数进行调整。然而，在那种情况中，优选地通过随着C形臂的取向而改变的系数来计算并在标称参数中储存多项式函数，因为形变随着C形臂的取向很大地改变(这是由于磁场作用和C形臂的机械形变)。通过使用被固定至C形臂检测器的刚性平面网以及对C形臂的各种取向的多项式函数进行校准来简单地实现上述内容，优选地考虑使用磁强计来检测磁场的取向。使用本发明的方法对每个在线图像的模型中的11或12个参数进行优化之后将部分地补偿相对于标称参数所产生的一定数量的形变改变量。另一个解决方案为将具有多个标记物的平面网永久地固定在C形臂上，并且从体模标记物中分别检测那些标记物，以便计算每个在线图像的多项式函数。
e)现在可以在坐标系29内使用本领域内已知的标准的断层扫描重建技术(诸如滤波反投影技术或代数重建技术)来计算第一个三维图像。
使用重建能力标准来决定所获得的图像组中的哪些投影图像被用于所述第一个三维图像的重建。
重建能力标准是经验性地被确定的，并且取决于参考图像的数量和角分布。
重建能力标准可以被定义为包括了下述项目的测试：
-是否有足够的参考图像？
-参考图像的角覆盖是否足够？
-参考图像的角分布是否足够均匀？
如果满足了该标准(即对上述项目中的每一个的响应为是)，则仅将具有与其相对应的调整的投影几何构造数据的参考图像用于初始三维图像重建。
在另一方面，如果没有满足该标准(即对上述项目中的至少一个的响应为否)，则仅基于参考图像的重建将不会提供良好的结果。例如，如果参考图像都是在九十度或更小的角度范围内得到的，则已知的是重建过程将提供质量较差的三维图像。在一个优选实施例中，为了提供质量足够好的初始三维图像，重建的实施不仅使用了具有与其相对应的调整的投影几何构造数据的参考图像，而且使用了具有与其相对应的标称投影几何构造数据的非参考图像。
在另一个优选实施例中，通过包围所述非参考图像的参考图像的投影几何构造数据的插值来调整并计算非参考图像的投影几何构造数据。之后使用所有调整的投影几何构造数据来实现三维重建。
在另一个优选实施例中，使用了所有使用其标称投影几何构造数据的参考图像来执行重建。
可以在该步骤的末尾来终止本方法，这取决于期望的精确度、重建能力标准以及所选择的实施例。然而，本发明的方法建议执行附加的步骤以提高所重建的三维图像的精确度和质量。
f)在下一步中，无论三维图像是否仅通过参考图像来重建的，所述三维图像都可以通过使用其各自的标称投影几何构造数据而被投影在每个非参考图像上。
之后，使用了公知的图像相似性测量(诸如交互信息、相关平均信息量或互相关比率)的二维-二维图像灰度级/基于强度的配准技术被应用于每个非参考图像和其各自的投影三维图像，以便调整所述非参考图像的所述标称投影几何构造数据。例如，可以应用以下文献所描述的多个二维-二维图像配准方法之一：由M.P.Deshmukh和U.Bhosle发表于2011年的图像处理国际期刊(IJIP，International Journal of Image Processing)的第5卷第3期中的图像配准调查(asurvey of image registration)或由Oliveira FP、Tavares JM于2012年3月22日发表于生物力学和生物医学工程中的计算机方法(Computer Methods inBiomechanics and Biomedical Engineering)中的医学图像配准：综述(Medicalimage registration:a review)。
在本发明的一个实施例中，对与每个非参考图像相关联的投影几何构造数据的调整被限制为平面内的平移和图像检测器的旋转，其对应于在每个二维-二维图像配准中寻找三个独立的参数。
在另一个实施例中，仅调整了平移参数，这减小了错误调整的风险。
在另一个实施例中，定义了涉及三个以上独立参数的二维-二维变换，例如仿射变换，或分别置换了图像的四个角的弯曲变换。
g)之后使用具有与其相对应的调整的投影几何构造的全组二维图像对更新的精确三维图像进行计算。
在本发明的一个实施例中，上述方法的一个或多个步骤被迭代，直到配准质量度量小于预定阈值(例如，质量度量可以是三维图像的对比度或清晰度)或直到达到了迭代的预定数量(例如，一轮迭代或三轮迭代)。
在一个实施例中，标记物和/或调整的投影几何构造数据的重建三维位置可以被用于在对不透射线标记物的搜索和检测上进行迭代，该迭代使用图像中所述标记物的理论位置来启动下一个搜索。其优势在于为全局方法的下一次迭代增加了检测到的标记物数量，并且因此可能提高重建图像的精确度。借助于这种机制，对参考图像相对于非参考图像进行了定义的最小数量窄频带的标记物在每次迭代中可以逐渐地增加。
在另一个实施例中，仅步骤(f)和(g)被迭代，以提高最终重建的三维图像的质量。
重建的三维图像之后可以被传送至图形显示器，以便直观化。
重建的三维图像还可以被储存在数据处理单元的存储器中，以便进一步使用。
如果校准体模包含了由导航系统检测的定位装置(例如电磁传感器或电磁发射器、或光学跟踪器)，则得到的三维图像将直接被转移，并且被用于对三维图像内的器械进行导航。
在本发明的任一个实施例中，所计算出的、调整的在三维重建结束时得到的投影几何构造数据可以被储存，以便更新之前的标称投影几何构造数据来供进一步使用。进一步使用可以发生于同一天的同一个患者或若干天后的另一个患者。之后可以跟踪投影几何构造数据的演变，这为设备的维护提供了有用的指示。例如，投影几何构造数据的突然变化或巨大变化可能对应于振动或需要进一步监测设备的机械改动。
为了通过优选实施例来说明本方法，仅针对由一个标记物构成的体模对该方法进行描述。在这个示例中，标记物是直径为4毫米的不锈钢球体(参见图7)。通过使用关于心电图皮肤电极的胶带70，将标记物72简单地固定至位于待成像部位中的患者50的皮肤。在这个示例中，假设皮肤相对于感兴趣的解剖结构没有明显地移动。在C形臂的轨道旋转的每一度处，获得了一系列的190个图像。使用了平板图像探测器。通过计算机对每一个图像进行分析，并且搜索金属球。但是由于存在各种现象，诸如在某些部位中的过度曝光，因此可能不能够在所有图像上自动且精确地检测到该球体。在这个实例中，假设在关于30度角度扇区的图像中检测不到该球体(非参考图像)，并且在所有其他图像(参考图像)中可自动地检测到该球体。假设满足了重建能力标准。使用参考图像的标称投影几何构造，球体的投影中心被三维反投影。反投影线的交点定义了被定义为三维球体中心的三维点。通过将计算出的三维球体中心与X射线成像系统坐标的原点对准而进行的平移，来简单地定义在X射线成像系统的坐标系与校准体模的坐标系之间的最优刚性变换，并且旋转分量等于单位矩阵。所述三维球体之后被投影在每一个图像上，并且对每个图像应用平移，以将所述三维球体的投影与图像上球体的真实位置进行匹配。因此，通过在图像平面中的平移调整了参考图像的标称投影几何构造数据。之后，仅使用具有与其相对应的调整的投影几何构造数据的参考图像来执行第一个三维图像重建。得到的三维图像之后被投影在非参考图像上，并且仅针对于非参考图像在三维图像的真实图像和投影图像之间执行二维-二维配准。这产生了每个图像的平移和旋转，其与投影几何构造数据的三个调整的参数相对应。为了加速该过程，在仅考虑每个真实图像的中央部位的情况下执行配准。如果该配准提供了由图像-图像配准技术的传统标准所给出的低配准分数所给出的不确定结果，则忽略该配准并且将标称投影几何构造数据考虑在内。这一步骤的结果是所有图像的一组新的调整的投影几何构造数据。之后使用所述调整的被应用于所有图像的投影几何构造数据来执行三维重建。这个第二投影几何构造数据比使用标称投影几何构造数据所实现的重建具有更好的精确度和质量。
在另一个实施例中，校准体模由两个球形标记物组成(参见图6)。两个球72被放置在与患者50的身体平行的方向中，并且通过使用胶带70被附接，并且在身体周围执行图像获取。其优势在于，两个球的投影将不会彼此重叠，并且相比于仅使用一个球会产生更好的精确度。应用上述的同一个方法，差别仅在于(a)通过固定的相对几何构造来搜索两个球比仅使用一个球更可靠以及(b)在与图像的旋转和平移相对应的第一步骤中所得到的调整的投影几何构造参数，以及并非仅进行平移。还可以通过使用最小二乘法技术仅保持平移，并且得到更精确的球体配准。有利地，如图6中所示出的，两个球具有不同的直径。
在第三个示例中，校准体模由四个球和六个销钉组成。六个销钉被用于通过使用经皮穿针固定将校准体模刚性地附接至椎骨，椎骨的每一侧上有三个销钉。四个球由反射材料覆盖，并且构成了由光学定位器检测的刚体。该刚体构成了患者参考系。球和销钉的坐标在与患者参考系相同的唯一的校准体模坐标系中都是已知的。.在C形臂的轨道旋转的每一度处，获得了一系列的190个图像。通过计算机对每一个图像进行分析，并且搜索金属球和销钉。在某些图像中，至少三个球被检测到并且自动地被标示；它们构成了参考图像。其他图像构成了非参考图像。对于所有参考图像，检测到球和销钉的部分通过使用标称投影几何构造数据被反投影。对于每一个图像，将所述反投影与校准体模坐标系中所表示的球和销钉的三维坐标进行配准。这生成了校准坐标系与其中定义了标称投影几何构造数据的C形臂坐标系之间的变换矩阵。对于每一个图像，三维的球和销钉被投影在图像上，并且通过使用最小二乘标准来调整投影几何数据以匹配该投影几何构造数据，最小二乘标准使得球和销钉在图像上的理论投影与它们的真实提取之间的距离的平方和最小化。在这个示例中，X射线源和图像源均被同等地平移，并且另外，调整了图像平面的旋转。之后，程序的剩余部分等效于前一个示例。然而，之后可以对配备有反射球的外科器械进行导航，并且该外科器械的位置被实时地显现在得到的三维图像上，由于图像是在其本身恰恰是患者参考系的坐标系的校准体模的坐标系中被直接重建的。
在第四个示例中，图像获取的进行紧接在植入之后，诸如椎弓根螺钉已经被插入患者身体内，以便检查椎弓根螺钉的位置。对患者没有附接附加的标记物。校准体模直接由植入物制成，该植入物构成了具有部分已知的几何构造的标记物。金属植入物特别良好地显示在图像上。例如，在两个椎骨已经被手术之后，在图像上观察到四个椎弓根螺钉。植入物的个体几何构造是已知的，并且被储存在计算机中。但是植入物之间的相对几何构造仍是未知的。在第一步中，其中可以分别检测到并识别出植入物的所有图像被选择，并且使用在那些图像上通过使用三维/二维刚性配准算法所检测到的投影，来重建每个植入物的三维位置和取向。现在校准体模已经完全已知。之后本方法的剩余部分如下所述。这个示例中的这个方法的优势在于，得到了清晰且精确的具有植入物的骨骼的三维图像，该三维图像具有很高的精度和清晰度，这有助于确定是使植入物处于当前位置还是对植入物中的某些进行重新操作。
根据本发明的另一个实施例，在C形臂的旋转轨道的每一度处获取了一系列的190个图像，但是在二维图像上没有检测到标记物。这可能是因为患者具有诸如大体积的特征，以致创建出了较差质量的图像。这还可能是因为校准体模被使用者忘记了。这还可能仅是因为使用者不想耗时耗力地来定位校准体模，即使该校准体模是非侵入性和紧凑的。在该示例中，上述的方法的第一部分不能被应用，因为根本不存在标记物或可检测的标记物。之后可以仅应用方法的第二部分(其中，所有图像均是非参考图像)。首先，使用与已经获取的二维图像相关联的标称投影几何构造数据来重建三维图像。其次，仍然使用标称投影几何构造数据来将重建的三维图像投影在每个二维图像上；这构成了虚拟的灰度图像。这个投影步骤可以得益于图形处理单元(GPU(Graphical ProcessingUnits))，例如使用Cuda语言编程来加速程序。对于每个二维图像，二维-二维图像配准方法被应用在真实的二维图像和三维图像的投影之间。例如，由一个二维平移和一个旋转(三个参数)所组成的光学刚性变换被搜索，以致通过使用例如在由Oliveira FP、Tavares JM于2012年3月22日发表于生物力学和生物医学工程中的计算机方法(Comput Methods Biomech Biomed Engin.)中的医学图像配准：综述(Medical image registration:a review)中所描述的技术，来在预定的感兴趣部位中使所述两个图像的交互信息最大化。为了定义感兴趣的部位，可能的解决方案是在过滤噪声之后在第一个重建的三维图像中搜索具有高对比度的体素，以识别该高对比度体素的图心，并且将所述图心投影在二维图像上，所得到的具有先验尺寸(诸如在每个维度中为总图像尺寸的一半(三维图像体积之后除以8))的投影点周围具有边界框。为了加速配准过程，可以使用传统的多级配准技术，例如使用小波或仅使用角锥体。对于每一个图像，得到了三个调整的参数，并且使用具有其调整的投影几何构造数据的所有图像来执行第二个三维重建。根据应用所要求的精确度，如果必要的话可以对方法进行迭代。在该情况中，第二个三维重建图像被投影在所有二维图像上，并且在第二个三维重建图像的真实图像和投影之间再次执行二维-二维配准。这产生了一组新的调整的投影几何构造数据。之后使用相应的调整的投影几何构造数据来实现第三个三维重建。本方法可以被迭代尽可能多的次数，这取决于所要求的精确度和时间限制。可以预设固定数量的迭代，或可以在重建的三维图像上计算对比度标准，并且当所述标准超过了给定阈值时终止程序，其优势在于所产生的三维图像总具有良好的清晰度。
如上所述，本发明的实施可以使用或不使用标记物。使用标记物加强了方法的稳定性和精确性，并且如果三维图像被用于导航则无论如何也是需要使用标记物的。不使用标记物对于使用者而言当然更简便，但是这要求初始标称投影几何构造数据需合理地接近于真实的投影几何构造数据，以致确保本方法的收敛性。使用标记物没有这个缺点。最终，本方法可以被用在大量的应用中，在诊断图像期间或外科手术期间，对身体的任何部分所应用的具有或不具有导航链接的大量的x射线系统架构。本方法还可以被用于非医学应用，诸如通过使用包含x射线平板检测器的设备替代标准的计算机断层扫描所进行的非毁坏性对象检测。在本发明中提出的方法提供了根据每种情况所调整的多个参数和选项。
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Claims (15)

1.一种用于由通过X射线成像系统所获取的二维X射线图像来重建三维图像的方法，该方法包括下述步骤：
a)通过所述X射线成像系统来接收患者的部位的一组二维X射线图像，其中，校准体模包括在所述标准体模的坐标系中具有已知的三维位置的至少一个不透射线标记物，在获取该组二维X射线图像期间，所述校准体模被置于所述患者上，以使得所获取的该组二维X射线图像包括：
-至少两个二维X射线图像，该至少两个X射线图像中的每一个包括所述校准体模的至少一个可检测的不透射线标记物；以及
-至少一个二维X射线图像，在该至少一个二维X射线图像中无法自动检测到所述校准体模的不透射线标记物；
a1)从该组二维X射线图像中选择参考图像，在所述参考图像中所述校准体模的至少一个不透射线标记物被自动检测到，并且确定每一个所检测到的标记物在所述参考图像中的每一个中的二维位置，所有剩余图像被归类为非参考图像；
a2)通过使所述校准体模的至少一个标记物的已知三维位置与使用所述X射线成像系统的标称投影几何构造数据在至少两个不同的参考图像中所检测到的该标记物的相应的二维位置之间的配准最优化，来计算所述X射线成像系统的坐标系与所述校准体模的坐标系之间的最优刚性变换，以使所述标记物的所述三维位置在每一个参考图像中的投影与所述参考图像中相应的二维位置之间的距离最小化；
a3)将所述最优刚性变换应用于所述校准体模的所述至少一个标记物的三维位置，以确定所述至少一个标记物在所述X射线成像系统的所述坐标系中的相应的变换的三维位置；
a4)对于所述参考图像中的每一个，根据在所述参考图像中所检测到的所述至少一个标记物的二维位置和所述变换的三维体模标记物位置来计算调整的投影几何构造数据，以使使用所述调整的投影几何构造数据对所述变换的三维位置的投影与相应标记物的二维位置最优地适配；
a5)计算重建能力标准，该重建能力标准表征了仅由参考图像来重建具有足够好质量的三维图像的能力；
b)通过使用具有其各自投影几何构造数据的所述二维X射线图像的至少一部分，来在所述X射线成像系统的坐标系中计算初始三维图像；该计算的实现方式如下：
-如果在步骤(a5)中所计算的重建能力标准被满足，则通过使用具有其各自的调整的投影几何构造数据的参考图像来实现该计算；或
-如果在步骤(a5)中所计算的重建能力标准没有被满足，则通过使用具有其各自的调整的投影几何构造数据的所述参考图像以及具有其各自的标称投影几何构造数据的所述非参考图像来实现该计算；
c)将所述初始三维图像投影在所述非参考图像上，并且通过使用图像到图像配准技术将所述非参考图像与所述初始三维图像的投影进行配准来调整所述非参考图像各自的投影几何构造数据；
d)使用具有其各自的调整的投影几何构造数据的整组二维X射线图像来计算更新的三维图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，从(a1)到(d)中的一个或多个步骤被迭代，直到配准质量度量小于预定阈值或已经达到了预定数量的迭代。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，对选择步骤(a1)的新迭代使用所述体模的所述至少一个标记物的投影以增大被自动检测到的标记物的数量，在执行了前一配准步骤(a2)之后所述体模的所述至少一个标记物在所述X射线成像系统的坐标系中的位置是已知的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述至少一个不透射线标记物是球形或针形的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述校准体模包括被光学定位器可检测的反射材料所覆盖的不透射线标记物。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述校准体模包括外科植入物。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述至少一个不透射线标记物包括电磁线圈，该电磁线圈可用作被嵌入外科导航系统中的电磁定位装置的发射器或接收器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述校准体模包括球形不透射线标记物、针形不透射线标记物和电磁线圈的组合。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，通过计算在三维体模标记物位置与根据所述标称投影几何构造数据进行反投影的所述参考图像中所检测到的标记的二维位置之间产生最佳适配的所述变换来实现步骤(a2)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述校准体模的仅一个标记物在至少两个二维图像上被检测到，并且其中，步骤(a2)中的所述变换为平移。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，在步骤(a4)中，为计算每个参考二维图像的所述调整的投影几何构造数据而应用到所述标称投影几何构造数据的修改包括对与图像检测器平行的平面中的X射线源的位置的修改。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，在步骤(c)中，应用到所述非参考图像的所述标称投影几何构造数据的调整被限制为在与所述图像检测器平行的平面中的平移和旋转。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，在步骤(a)中，至少一个不透射线标记物在所获取的二维X射线图像中的至少两个二维X射线图像中被自动检测到，该至少两个二维X射线图像彼此间产生至少15度的角。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述校准体模仅包括一个或两个不透射线标记物。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述校准体模包括定位元件，该定位元件使得能够在所重建的三维图像中对外科器械进行导航。
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