CN108348191A - 用于在修复手术规划中使用的带有医学植入物的患者的医学成像的系统和方法 - Google Patents

用于在修复手术规划中使用的带有医学植入物的患者的医学成像的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于处理医学图像以产生对规划或引导修复手术、设计用于在修复手术中使用的植入物或者总体上评估对象的骨架构有用的信息的系统和方法。所述医学图像可以是：x射线图像，诸如用计算机断层扫描(“CT”)系统获取的图像；磁共振图像，诸如用磁共振成像(“MRI”)系统获取的图像；或者超声图像，诸如用超声成像系统获取的图像。所述图像也可以被融合在一起，或以其他方式组合，以产生组合图像，组合图像相对于未组合的图像增强了对象中的仪器或植入物的描绘。

Description

用于在修复手术规划中使用的带有医学植入物的患者的医学 成像的系统和方法
关联申请的交叉引用
本申请要求2015年9月4日提交的标题为“Systems and Methods for ImprovedImaging and Treatment of Patients with Medical Implants(用于带有医学植入物的患者的改进的成像和治疗的系统和方法)”的美国临时专利申请62/214,399以及2016年3月18日提交的标题为“Systems and Methods for Medical Imaging with Patients withMedical Implants for Use in Revision Surgery Planning(用于在修复手术规划中使用的带有医学植入物的患者的医学成像的系统和方法)”的美国临时专利申请62/310,305的权益。以上申请为了所有目的通过引用并入本文中。
背景技术
本发明的领域涉及医学成像，并且更具体地涉及在规划修复手术或设计将在其中使用的植入物时使用的医学成像，例如X射线成像或磁共振成像(“MRI”)。
仅在美国，2014年就有719,000例全膝关节置换术和332,000例髋关节置换术。到2030年，初步全髋关节置换术的需求预计将增长至572,000，并且初步全膝关节置换术的需求计划将增长至348万。由于对更年轻患者执行的初步手术并且由于肥胖的增加导致较快的磨损以及随后的衰退，对髋关节和膝关节修复手术的需求也预计会急剧增加。整形外科手术的其他领域在体量上正显著地增加。肩关节置换术的增长速度是膝关节和髋关节置换术的5倍，每年在美国进行超过100000次手术。使用仪器进行脊柱手术的速度以及修复脊柱手术也有显著增加。随着发展中国家越来越多的医疗资源可供使用，全世界的修复手术负担显著增加。
目前缺乏准确规划修复手术的能力。例如，外科医生在整形外科修复手术中面临的主要挑战之一是量化剩余骨量和特定骨架构。这个信息对决定是否进行手术以及规划适当的部件非常关键。然而，外科医生经常不确定是否有足够的骨骼进行修复，并且规划适当的部件的能力受限。这是因为规划修复经常遭受受限的诊断图像。事实上，在一些没有专门的肌肉骨骼放射科医生的机构中，图像质量可能很差，图像基本上没有诊断价值，迫使临床医生利用最佳猜测分析。
金属、塑料和其他植入材料通常存在于接受CT检查以进行修复手术的对象中，并且可以以条纹、阴影和畸变的形式产生严重的图像伪影，从而妨碍对基础解剖结构的准确识别。图像伪影通常是由重建算法假设的理想模型与被金属或其他高衰减材料污染的实际CT信号之间的数据不一致性造成的。X射线被金属和其他材料高度衰减，进而放大导致数据不一致的因素，并最终导致图像伪像，诸如噪声、射束硬化、散射和非线性部分体积效应。以这种方式，可以仅占据小图像区域的小植入物体可以产生影响整个图像的伪影，从而模糊解剖结构。
此外，个性化设备已经越来越受到初步关节置换术和其他手术的欢迎。这种患者专用仪器可以帮助提高将部件置于正确对准中的能力，并且可以为手术中使用的精确部件提供规划。然而，目前的成像技术在修复病例的患者具体指导方面的能力明显受到限制。在修复设置中，关于用于定制引导的CT扫描存在分散的病例报告；然而，目前还没有大型骨科制造商为修复手术提供患者专用仪器。目前的CT扫描有过多的伪影以致于不能准确地规划这些引导。在外科医生考虑制定患者特定引导的情况下，必须作出重要的假设，并且该过程极度劳动密集。
尽管做出了努力，图像伪影继续在诊所中引起各种诊断和介入手术的严重问题，特别是对于修复手术应用。因此，仍然需要用先前的植入物或仪器对患者进行成像的改进的系统和方法。
发明内容
本公开通过提供用于带有存在于患者解剖结构内的植入物和仪器的患者的改进的成像的系统和方法克服了上述缺点。在一些方面，从成像数据中识别并移除植入的物体或仪器，从而允许基础组织的明确识别，例如剩余的骨组织。这将有助于更准确的临床诊断，以及患者特定植入物的改进设计和制造以及修复手术的引导。
本发明的一个方面是提供一种用于基于利用医学成像系统获取的图像数据生成报告的方法，该报告提供关于修复手术规划或引导的信息，该医学成像系统可以是x射线成像系统、磁共振成像(“MRI”)系统等。通过医学成像系统获取的对象的图像数据被提供给计算机系统。用计算机系统处理所提供的图像数据以识别植入到对象的解剖结构中的至少一个物体并从图像数据中移除所识别的至少一个物体。然后用计算机系统生成报告。该报告基于处理后的图像数据，并提供有关特定于该对象的修复手术规划的信息。
本发明的另一个方面是提供一种用于基于利用医学成像系统获取的图像数据生成报告的方法，该报告提供用于设计在修复手术中使用的植入物的信息，该医学成像系统可以是x射线成像系统、磁共振成像(“MRI”)系统等。通过医学成像系统获取的对象的图像数据被提供给计算机系统。用计算机系统处理所提供的图像数据以识别植入到对象的解剖结构中的至少一个物体并从图像数据中移除所识别的至少一个物体。然后用计算机系统生成报告。该报告基于处理后的图像数据，并提供用于设计在修复手术中使用的对象特定植入物的信息。
本发明的另一个方面是提供一种用于基于利用医学成像系统获取的图像数据生成报告的方法，该报告提供关于对象的骨架构的信息，该医学成像系统可以是x射线成像系统、磁共振成像(“MRI”)系统等。通过医学成像系统获取的对象的图像数据被提供给计算机系统。用计算机系统处理所提供的图像数据以识别植入到对象的解剖结构中的至少一个物体并从图像数据中移除所识别的至少一个物体。然后用计算机系统生成报告。该报告基于处理后的图像数据，并提供关于对象的骨架构的信息。
本发明的另一个方面是提供一种用于基于利用一个或多个医学成像系统获取的图像数据生成报告的方法，该报告提供关于修复手术规划、修复手术引导、在修复手术中使用的对象特定植入物或对象的骨架构的信息。该方法包括向计算机系统提供利用至少一个医学成像系统获取的对象的图像数据。图像融合数据是通过利用计算机系统组合图像数据而生成的，由此图像融合数据相对于图像数据增强了植入到对象的解剖结构中的至少一个物体的描绘。然后基于图像融合数据用计算机系统生成报告。本报告提供了关于特定于对象的修复手术规划、设计在修复手术中使用的对象特定植入物或对象的骨架构中的至少一者的信息。
本发明的先前以及其他方面和优点将根据以下描述而显现。在该描述中，参考形成其一部分且作为说明示出本发明的优选实施例的附图。然而，这样的实施例不必要表示本发明的全部范围，并因此对权利要求和在本文中作出参考以用于解释本发明的范围。
附图说明
图1A是示例CT成像系统的示例。
图1B是示例CT成像系统的框图。
图2是磁共振成像(“MRI”)系统的示例的框图。
图3是阐述用于基于医学成像数据生成用于在修复手术规划或植入物设计中使用的报告的示例方法的步骤的流程图。
图4是阐述用于基于医学成像数据生成用于在修复手术规划或植入物设计中使用的报告的示例方法的步骤的流程图，该医学成像数据融合在一起或以其他方式组合。
图5是可以实现在此描述的方法的计算机系统的示例。
具体实施方式
这里描述的是用于处理医学图像以产生对规划或引导修复手术、设计在修复手术中使用的植入物或者总体上评估对象的骨架构有用的信息的系统和方法。在一些方面，医学图像可以是x射线图像，诸如通过计算机断层成像(“CT”)系统、C型臂x射线成像系统、平面x射线成像系统等获取的那些图像。在一些其他方面，医学可以是利用磁共振成像(“MRI”)系统获取的磁共振图像。在其他方面，医学成像可以是利用超声系统获取的超声图像。
在现有仪器或植入物的设置中进行修复手术是最具挑战性和昂贵的手术病例之一。与可准确规划病例的主要设置不同，外科医生经常以最少的信息进入修复病例。在一些实例下，外科医生只能猜测某一特定修复手术可能需要哪种类型的部件，或者可能会留下来是否有足够的骨骼放置新部件的问题。目前，存在了解这些患者的底层骨架构的未解决的市场需要。
美国每年用CT扫描的对象中约有百分之二十含有金属植入物。因此，对于带有先前的植入物和仪器的患者的改进的成像有正快速增长的临床需求，特别是与进行修复手术相关。这里描述的系统和方法可以广泛用于各种临床CT扫描仪，以帮助外科医生和其他临床医生评估进行修复手术的患者中的剩余骨量。这里描述的系统和方法的应用因此可以涵盖整形外科手术、神经外科手术、耳鼻喉科、牙科等的各个领域。
这里描述的系统和方法可以有助于创建用于对带有植入物或仪器的患者进行成像的改进规程。各种实施包括成像系统和软件解决方案，用于从x射线图像中去除植入物或仪器以及相关的图像伪影，这进而允许底层的骨和其他组织的更准确的视觉化。例如，这里描述的系统和方法可以设计为执行自动金属、陶瓷或塑料植入物(有或没有接合剂)减法和分割。由于进行修复关节置换术的费用介于5万美元至10万美元之间，因此在手术之前掌握有关骨结构的信息将非常有价值。
这里描述的系统和方法还提供了用于修复手术的患者特定引导。修复手术的失败率通常高于初次手术。由于之前手术造成的严重疤痕和扭曲的解剖结构，确定适当的对准在修复手术中可能非常困难。基于底层解剖结构(如骨架构)的准确描绘的个性化引导将大大有助于提高修复手术的成功率。事实上，研究表明，患者特定引导的最大好处通常是在初次医学程序导致骨丢失和扭曲的解剖结构的情况下。
通过允许生产患者特定的解剖模型、将部件置于准确位置的仪器以及定制的患者特定植入物，3D打印已经发展成为规划主要外科手术的强大技术。但是，对于带有仪器或植入物的患者，金属伪影不允许进行完整的图像分割，因此通常需要插值法。但是，这种插值法会导致猜测真正的底层骨位于何处，这导致模型设计、仪器设计和植入物设计中出现错误的可能性更大。
因此，除了上面提到的应用之外，这里描述的系统和方法还提供了用于修复手术的植入物的设计和制造的改进的准确度。特别是，改进的手术前成像将通过允许确定修复时可能需要哪些植入物，或者是否需要制造定制植入物来有助于修复手术。在后一种情况下，由于改进的图像质量，可以实现具有改进设计的个性化植入物。在更大的范围内，可以使用更高质量的图像注重于用于修复的植入物的开发，包括特定的尺寸和形状。
现在特别参考图1A和1B，示出了x射线计算机断层扫描(“CT”)成像系统100的示例。CT系统包括机架102，至少一个x射线源104耦合到机架102。x射线源104将x射线束106投射到机架102的相对侧上的检测器阵列108，x射线束106可以是x射线的扇形束或锥形束。检测器阵列108包括数个x射线检测器元件110。x射线检测器元件110一起感测穿过位于CT系统100中的诸如正在进行检查的医学患者或物体的对象112的投影的x射线106。每个x射线检测器元件110产生电信号，该电信号可以表示撞击的x射线束的强度并因此表示射束在穿过对象112时的衰减。在一些配置中，每个x射线检测器110能够计数撞击检测器110的x射线光子的数量。在为了获取x射线投影数据的扫描期间，机架102和安装在其上的部件围绕位于CT系统100内的旋转中心114旋转。
CT系统100还包括操作者工作站116，其通常将包括显示器118；一个或多个输入设备120，诸如键盘和鼠标；以及计算机处理器122。计算机处理器122可包括运行可购买到的操作系统的可购买到的可编程机器。操作者工作站116提供操作者界面，使得扫描控制参数能够被输入CT系统100。通常，操作者工作站116与数据存储服务器124和图像重建系统126通信。例如，操作者工作站116、数据存储服务器124和图像重建系统126可通过通信系统128来连接，该通信系统128可包括任何适合的网络连接，无论是有线的、无线的或两者的结合。作为示例，通信系统128可包括专有的或专用的网络，以及开放网络，诸如因特网。
操作者工作站116还与控制CT系统100的操作的控制系统130通信。控制系统130通常包括x射线控制器132、台控制器134、机架控制器136和数据获取系统138。x射线控制器132向x射线源104提供电力和定时信号，并且机架控制器136控制机架102的旋转速度和位置。台控制器134控制台140以将对象112定位在CT系统100的机架102中。
DAS 138采样来自检测器元件110的数据并将该数据转换为数字信号以供后续处理。例如，数字化的x射线数据从DAS 138传送到数据存储服务器124。图像重建系统126然后从数据存储服务器124检索x射线数据并从中重建图像。图像重建系统126可以包括可购买到的计算机处理器，或者可以是高度并行的计算机体系结构，诸如包括多核处理器和大规模并行的高密度计算设备的系统。可选地，还可以在操作者工作站116中的处理器122上执行图像重建。然后可以将重建的图像传送回数据存储服务器124以供存储或者传送给操作者工作站116以向操作者或临床医生显示。
CT系统100也可包括一个或多个联网的工作站142。作为示例，联网的工作站142可包括显示器144；一个或多个输入设备146，诸如键盘和鼠标；以及处理器148。联网的工作站142可位于与操作者工作站116相同的设备内，或位于不同的设备中，诸如不同的医疗机构或诊所。
联网的工作站142，不管是在与操作者工作站116相同的设备内或不同的设备中，可通过通信系统128对数据存储服务器124和/或图像重建服务器126获得远程访问。因此，多个联网的工作站142可以访问数据存储服务器124和/或图像重建系统126。以这种方式，可以在数据存储服务器124、图像重建系统126以及联网的工作站142之间交换x射线数据、重建图像或其他数据，使得数据或图像可以由联网的工作站142远程处理。此数据可以任何合适的格式来被交换，诸如根据传输控制协议(“TCP”)、因特网协议(“IP”)或其他公知的或合适的协议。
现在具体参见图2，示出了磁共振成像(“MRI”)系统200的示例。MRI系统200包括操作者工作站202，其通常将包括显示器204；一个或多个输入设备206，诸如键盘和鼠标；以及处理器208。处理器208可包括运行可购买到的操作系统的可购买到的可编程机器。操作者工作站202提供操作者界面，使得扫描指令能够被输入MRI系统200。一般而言，操作者工作站202可被耦合到四个服务器：脉冲序列服务器210；数据获取服务器212；数据处理服务器214；以及数据存储服务器216。操作者工作站202与每个服务器210、212、214和216连接以彼此通信。例如，服务器210、212、214和216可经由通信系统240来连接，该通信系统814可包括任何适合的网络连接，无论是有线的、无线的或两者的结合。作为示例，通信系统240可包括专有的或专用的网络，以及开放网络，诸如因特网。
响应于从操作者工作站210下载的指令，脉冲序列服务器202用于操作梯度系统218和射频(“RF”)系统220。对梯度系统218产生并应用执行指定的扫描所需的梯度波形，该梯度系统222激发组件222中的梯度线圈以产生磁场梯度Gx、Gy和Gz，以用于定位编码磁共振信号。梯度线圈组件222形成包括极化磁体226和全身RF线圈228的磁体组件224的一部分。
RF系统220对RF线圈228或分开的局部线圈(图2中未示出)施加RF波形，以执行指定的磁共振脉冲序列。由RF线圈228或分开的局部线圈(图2中未示出)所检测的响应的磁共振信号被RF系统220接收，在该RF系统820中，在由脉冲序列服务器210产生的命令的指示下，放大、解调、过滤和数字化该响应的磁共振信号。RF系统220包括用于产生用于MRI脉冲序列的多种RF脉冲的RF发射器。RF发射器对扫描指令和来自脉冲序列服务器210的指示作出响应以产生期望的频率、相位和脉冲幅度波形的RF脉冲。产生的RF脉冲可被施加到全身RF线圈228或被施加到一个或多个局部线圈或线圈阵列(图2中未示出)。
RF系统220也可包括一个或多个RF接收器信道。每一个RF接收器信道包括：RF前置放大器，放大由与其连接的线圈228所接收的磁共振信号；以及检测器，检测并数字化所接收的磁共振信号的I和Q正交分量。因此，所接收的磁共振信号的大小可在任何取样点由I和Q分量的平方和的平方根来确定：
且所接收的磁共振信号的相位还可根据以下关系来确定：
脉冲序列服务器210也从生理学获取控制器230选择地接收患者数据。作为示例，生理学获取控制器230可从与患者连接的数个不同的传感器接收信号，诸如从电极接收心电图(“ECG”)信号，或从呼吸风箱或其他呼吸监测设备接收呼吸信号。脉冲序列服务器210通常使用这样的信号以使扫描的表现与对象的心跳或呼吸同步或“门控”。
脉冲序列服务器210还连接到扫描室接口电路232，从与患者的情况和磁系统相关联的多种传感器接收信号。患者定位系统232接收命令以在扫描期间移动患者到期望的位置也是通过扫描室接口电路234的。
数据获取服务器220接收由RF系统212产生的数字化磁共振信号样本。响应于从操作者工作站202下载的指令，数据获取服务器212工作以接收实时磁共振数据并提供缓冲存储器，从而没有数据由数据过量运行而失去。在一些扫描中，数据获取服务器212不比将获取的磁共振数据传递到数据处理器服务器214做得更多。然而，在需要从获取的磁共振数据导出的信息来控制扫描的进一步表现的扫描中，数据获取服务器212被编程以产生这样的信息并且将其传送到脉冲序列服务器210。例如，在预扫描期间，获取并使用磁共振数据来校准由脉冲序列服务器210执行的脉冲序列。作为另一个示例，可获取并使用导航信号来调节RF系统220或梯度系统218的运行参数，或者控制取样的k空间的视图顺序。而在另一个示例中，也可使用数据获取服务器212来处理磁共振信号，用于在磁共振血管造影术(“MRA”)扫描中检测对比剂的到来。作为示例，数据获取服务器212获取磁共振数据并且实时地处理磁共振数据以产生用于控制扫描的信息。
数据处理服务器214从数据获取服务器212接收磁共振数据并且根据从操作者工作站202下载的指令来处理磁共振数据。例如，这样的处理可包括下列中的一个或多个：通过执行原始k空间数据的傅立叶变换来重建二维或三维图像；执行其他图像重建算法，诸如迭代或反向投影重建算法；对原始k空间数据或重建的图像应用滤波器；生成功能磁共振图像；计算运动或流动图像等。
由数据处理服务器214重建的图像被传送回储存它们的操作者工作站202。在数据库存储器超高速缓存(图2中未示出)中储存实时图像，可从数据库存储器超高速缓存输出实时图像到操作者显示器212或位于磁组件224附近的显示器236以供主治医生使用。批处理模式图像或经选择的实时图像被储存在磁盘存储器238上的主数据库中。当这样的图像已经被重建并且被转移到存储器时，数据处理服务器214通知操作者工作站202上的数据存储服务器216。操作者可使用操作者工作站202来存档图像、产生影像或向其他设备经由网络发送图像。
MRI系统200也可包括一个或多个联网的工作站242。作为示例，联网的工作站242可包括显示器244；一个或多个输入设备246，诸如键盘和鼠标；以及处理器248。联网的工作站242可位于与操作者工作站202相同的设备内，或位于不同的设备中，诸如不同的医学机构或诊所。
联网的工作站242，不管是在与操作者工作站202相同的设备内或不同的设备中，可经由通信系统240对数据处理服务器214或数据存储服务器216获得远程访问。因此，多个联网的工作站242可以使用数据处理服务器214和数据存储服务器216。以此方式，磁共振数据、重建的图像或其他数据可在数据处理服务器214或数据存储服务器216与联网的工作站242之间交换，从而联网的工作站242可远程地处理数据或图像。此数据可以任何合适的格式来被交换，诸如根据传输控制协议(“TCP”)、因特网协议(“IP”)或其他公知的或合适的协议。
现在参考图3，流程图被图示为阐述用于基于医学图像数据生成报告的示例方法的步骤，其中报告提供对于切除手术有用的信息。如步骤302所示，该方法包括将利用医学成像系统获取的图像数据提供给计算机处理器，该图像数据可以包括重建图像或相关数据。医学成像系统可以是x射线成像系统或MRI系统。例如，x射线成像系统可以是CT成像系统，诸如图1A和1B所示的系统。在一些实例中，CT成像系统可以是双能CT成像系统，在这种情况下，提供的图像可以代表两种不同的x射线能量。在其他示例中，x射线成像系统可以是C型臂X射线成像系统、数字射线照相系统等等。相关数据可以是例如由x射线成像系统获取的x射线衰减数据或者用MRI系统获取的原始K空间数据。
在一些方面，提供图像数据包括从存储器或其他数据存储设备中检索先前获取的图像或数据。然而，在其它方面，提供图像数据包括利用医学成像系统获取图像或数据。
优选地，使用最小化图像伪影的获取技术获取图像数据，或者获取的图像数据被处理以最小化图像伪影或以其他方式改善图像质量。在一些实例中，在图像重建之前或期间处理所获取的图像数据以去除伪影或改善信噪比(“SNR”)。在一些其他实例中，处理已重建的图像以去除伪影或改善SNR。
作为一个示例，如美国专利No.8,965,078中所述，使用各种投影视图获取的数据可以在图像重建之前使用局部自适应双边滤波器来去噪，其通过引用以其全部内容结合于此。作为另一个示例，如美国专利No.9,036,771中所述，可以使用适用于噪声水平的局部变化的修改的非局部均值(“NLM”)算法来对图像进行去噪，其通过引用以其全部内容结合于此。
作为何时MRI系统被用于获取图像数据的一个示例，可以使用最小化可归因于金属植入物的伪影的数据获取。例如，可以实现使易感性引起的伪影最小化的脉冲序列。作为另一个示例，可以使用成像技术，诸如用于金属伪影校正的多获取可变共振图像组合(“MAVRIC”)或切片编码。
再次参考图3，在所提供的图像数据中识别物体，如步骤304所示。这些物体可以包括金属植入物、塑料植入物或由明显减弱x射线或混淆磁共振图像的材料组成的其他植入物或仪器。在一些应用中，识别这些对象包括识别包含物体的图像数据中的感兴趣区域(“ROI”)。在一些方面中，可以应用各种材料分解技术来基于重建之前的数据或基于重建的图像来识别物体或植入物。在一些其他应用中，识别这些对象可以包括实现图像分割算法。
作为一个示例，用于确定整个成像物体的密度和构成材料浓度的分布的方法可以用于识别图像中的物体。例如，在美国专利No.7,885,373中描述了这种方法，其通过引用以其全部内容结合于此。该方法通常包括将双能图像数据转换为与每个能级相关联的衰减系数，计算一个能级的衰减系数相对于与另一个能级相关联的衰减系数的比率，并且关联所计算的比率以指示成像物体中的构成材料的浓度。如美国专利No.8,290,232中所述，也可以进行两种以上构成材料的材料分解，其通过引用以其全部内容结合于此。在后一种方法中，与每个能级关联的质量衰减系数表示为积确定的有效密度和由构成材料的相应浓度加权的构成材料质量衰减系数的总和。
以这种方式，可以识别包括金属或塑料植入物或仪器的物体。通过使用与所识别的物体相关联的信息，然后可以处理所提供的图像数据，如步骤306所示，以减去或以其他方式去除所识别的物体，以产生用于诊断和治疗目的的图像和其他合适的信息。例如，可以使用本领域已知的多种分割技术从重建图像中去除所识别的物体。
例如，可以使用美国专利No.8,280,135中描述的方法来产生识别的物体被去除的图像，其通过引用以其全部内容结合于此。在该示例技术中，使用在共同投影角度获取的数据产生重新格式化的投影，然后处理该数据以检测和分割与由金属、金属合金和其他高衰减材料以及塑料和其他材料组成的物体相对应的区域。例如，与金属植入物相关联的分割区域然后可以从重新格式化的投影中去除并且用内插信息替换以产生用于重建其中识别的物体已被去除的图像的校正投影。
基于从其中识别的物体已经被移除的图像数据，由计算机系统生成一个或多个报告，如通常在处理框308处所指示的。在一些方面，如步骤310所示，生成的报告可以提供用于规划或以其他方式引导修复手术的信息。例如，报告可以包括信息，例如图像、数据或由其导出的信息，其可以用于规划或以其他方式引导修复手术。例如，所生成的报告可以指示患者特定的修复手术引导，其可以基于该对象的解剖结构(包括之前手术后的骨架构以及在对象中存在的植入物或仪器)指示对于特定对象执行修复手术的最佳方案。作为另一个示例，报告可以包括计算机生成的对象骨骼的模型、周围解剖结构或两者。
在一些其他方面，如步骤312所示，生成的报告可以提供设计用于在修复手术中使用的植入物的信息。例如，报告可以包括信息，例如图像、数据或由其导出的信息，其可以用于设计在修复手术中使用的患者特定植入物。这种报告可以有利地提供关于对象的解剖结构的信息，包括先前手术之后的骨架构的信息，其可以继而被用于设计专门针对对象的解剖结构定做的定制植入物。因此，作为一个示例，报告可以包括对象的骨骼的计算机生成模型或专门为对象解剖设计的植入物的计算机生成模型。在一些实施例中，植入物的计算机生成的模型可以包括被格式化以提供给计算机数字控制(“CNC”)系统、三维打印机或配置成加工或以其他方式构造设计的植入物的任何其他合适的系统的数据。
在其他方面，生成的报告通常可以提供关于对象的骨架构的信息，如步骤314所示。例如，报告可以包括诸如图像、数据或从其导出的信息的信息，其指示对象的骨架构，诸如骨密度或骨量，以及关于其他组织的信息。这样的报告对于进行修复手术的患者可以是有利的，由此可以利用关于剩余骨或骨质量的信息来准确地规划和执行修复手术。作为另一个示例，报告可以包括计算机生成的对象骨骼的模型、周围解剖结构或两者。
现在参考图4，流程图被图示为阐述用于基于医学图像数据生成报告的示例方法的步骤，其中报告提供对于切除手术有用的信息。然而，值得注意的是，除了有利于修复手术之外，这里描述的方法可以有利于主要患者改善图像质量，例如改善皮层边缘的可视化。
如步骤402所示，该方法包括将利用一个或多个医学成像系统获取的图像数据提供给计算机处理器，该图像数据可以包括利重建图像或相关数据。一个或多个医学成像系统可以包括x射线成像系统、MRI系统、超声成像系统等等。例如，x射线成像系统可以是CT成像系统，诸如图1A和1B所示的系统。在一些实例中，CT成像系统可以是双能CT成像系统，在这种情况下，提供的图像可以代表两种不同的x射线能量。在其他示例中，x射线成像系统可以是C型臂X射线成像系统、数字射线照相系统等等。相关数据可以是例如由x射线成像系统获取的x射线衰减数据或者用MRI系统获取的原始K空间数据。
在一些方面，提供图像数据包括从存储器或其他数据存储设备中检索先前获取的图像或数据。然而，在其它方面，提供图像数据包括利用一个或多个医学成像系统获取图像或数据。
优选地，使用最小化图像伪影的获取技术获取图像数据，或者获取图像数据被处理以最小化图像伪影或以其他方式改善图像质量。在一些实例中，在图像重建之前或期间处理所获取的图像数据以去除伪影或改善信噪比(“SNR”)。在一些其他实例中，处理已重建的图像以去除伪影或改善SNR。
如步骤404所示，来自一个或多个医学成像系统的图像数据可以融合在一起，或以其他方式组合，以生成图像融合数据，其中如先前的仪器或植入物的对象中的伪影被消除或以其他方式减少。
在一些方面，各自具有伪影但是不相似伪影的不同成像模态(例如，CT、MRI、断层、平面射线照相、超声波)可以融合在一起或以其他方式组合以生成可以消除或显著减少伪像的组合图像数据。作为一个具体示例，组合图像数据可以包括将磁共振图像与x射线CT图像融合或以其他方式组合。磁共振图像比x射线CT图像更好地描绘软组织，而x射线CT图像比磁共振图像更好地描绘骨骼。因此，可以使用图像融合方法来最佳地可视化感兴趣解剖结构中的软组织和骨骼。
在一些其他方面，图像融合数据不是从多个不同成像模态生成的，而是可以通过融合在一起或以其他方式组合来自相同成像模态的图像数据来生成，但是以不同方式处理。作为一个示例，图像融合数据可以包括将第一图像和第二图像融合在一起或以其他方式组合，第一图像可以是以传统方式重建的x射线CT图像，第二图像使用金属伪影减少规程来重建。以这种方式，所得到的图像融合数据可以在感兴趣的区域中保留了Hounsfield单位，并且也可以具有总体上去噪的表现。校正也可以被约束到图像中的狭窄的感兴趣区域(例如，被约束到存在金属伪影的地方)，而剩余的图像空间被正常处理。
在一些实例中，图像数据的组合可以被优化。例如，可以使用与理想图像融合情况的数据库的比较或者通过所得组合的预期图像质量的度量来优化要组合哪些数据、从哪种模式组合数据以及如何修改数据以减少金属伪影或其他伪影。此外，可以使用从具有仪器或植入物的影像获取的图像或其他数据作为优化的一部分，以进一步细化不同的模态和特定算法。
在获取、重建、预处理、后期处理等过程中，可以对要组合的图像数据进行处理。作为一个示例，CT数据可以已经被设计用于减少金属伪影的特定规程获取，并且该图像数据可以与已经后期处理的MR数据组合以减少伪影并增加组织对比度。
可选地，可以在提供的图像数据或图像融合数据中识别物体。这些物体可以包括金属植入物、塑料植入物或由明显减弱x射线或混淆磁共振图像的材料组成的其他植入物或仪器。在一些应用中，识别这些对象包括识别包含物体的图像数据中的ROI。在一些方面中，可以应用各种材料分解技术来基于重建之前的数据或基于重建的图像来识别物体或植入物。在一些其他应用中，识别这些物体可以包括实现图像分割算法。
以这种方式，可以识别包括金属或塑料植入物或仪器的物体。通过使用与所识别的物体相关联的信息，然后可以处理所提供的图像数据或图像融合数据，以减去或以其他方式去除所识别的物体，以产生用于诊断和治疗目的的图像和其他合适的信息。例如，可以使用本领域已知的多种分割技术从重建图像中去除所识别的物体。
基于图像融合数据，由计算机系统生成一个或多个报告，如通常在处理框406处所指示的。在一些方面，如步骤408所示，生成的报告可以提供用于规划或以其他方式引导修复手术的信息。例如，报告可以包括信息，例如图像、数据或由其导出的信息，其可以用于规划或以其他方式引导修复手术。例如，所生成的报告可以指示患者特定的修复手术引导，其可以基于该对象的解剖结构(包括之前手术后的骨架构以及在对象中存在的植入物或仪器)指示对于特定对象执行修复手术的最佳方案。作为另一个示例，报告可以包括计算机生成的对象骨骼的模型、周围解剖结构或两者。
在一些其他方面，如步骤410所示，生成的报告可以提供设计用于在修复手术中使用的植入物的信息。例如，报告可以包括信息，例如图像、数据或由其导出的信息，其可以用于设计在修复手术中使用的患者特定植入物。这种报告可以有利地提供关于对象的解剖结构的信息，包括先前手术之后的骨架构的信息，其可以继而被用于设计专门针对对象的解剖结构定做的定制植入物。相似地，也可以设计患者特定的解剖模型。因此，作为一个示例，报告可以包括对象的骨骼的计算机生成模型或专门为对象解剖设计的植入物的计算机生成模型。在一些实施例中，植入物的计算机生成的模型可以包括被格式化以提供给计算机数字控制(“CNC”)系统、三维打印机或配置成加工或以其他方式构造设计的植入物的任何其他合适的系统的数据。
在一些实例中，来自理想解剖学数据库的对侧图像信息或图像可用于补充或以其他方式减少对金属伪影附近的插值的需要。此外，对侧信息可以用作恢复正常解剖结构的引导。减少插值的需要将减少工程师设计3D模型所需的时间，除了允许更准确地制造定制的植入物之外，这将提高基于这些模型的仪器的准确性。跨广泛的患者获得的这种准确的解剖信息有可能促进将会是现成的而不是定制的植入物的设计。
在其他方面，生成的报告通常可以提供关于对象的骨架构的信息，如步骤412所示。例如，报告可以包括诸如图像、数据或从其导出的信息的信息，其指示对象的骨架构，诸如骨密度或骨量，以及关于其他组织的信息。这样的报告对于进行修复手术的患者可以是有利的，由此可以利用关于剩余骨或骨质量的信息来准确地规划和执行修复手术。作为另一个示例，报告可以包括计算机生成的对象骨骼的模型、周围解剖结构或两者。
现在参考图5，示出了可被配置为根据上述方法生成报告的示例计算机系统500的框图。待处理的图像数据可以从诸如x射线成像系统或MRI系统的相应医学成像系统或者从数据存储设备提供给计算机系统500，并且被接收在处理单元502中。
在一些实施例中，处理单元502可包括一个或多个处理器。作为示例，处理单元502可包括数字信号处理器(“DSP”)504、微处理器单元(“MPU”)506、以及图形处理单元(“GPU”)508中的一个或多个。处理单元502也可包括数据获取单元510，被配置为电子地接收要被处理的图像数据，该图像数据可包括图像、k空间数据、或x射线衰减数据。DSP504、MPU506、GPU508、和数据获取单元510全部耦合到通信总线512。作为示例，通信总线512可以是一组电线或硬接线以用于在外围设备之间或在处理单元502中的任意部件之间交换信号。
DSP504可以被配置为接收和处理图像数据。MPU506和GPU508也可以被配置为结合DSP504处理图像数据。作为示例，MPU506可以被配置为控制处理单元502中的部件的操作，并且可以包括用于在DSP504上执行图像数据的处理的指令。还作为示例，GPU508可处理图像图形。
在一些实施例中，DSP504可以被配置为根据上述方法处理由处理单元502接收的图像数据。由此，DSP504可以被配置为识别图像数据中的物体，以去除来自图像数据的物体，并且用于基于经处理的图像数据生成报告。DSP504还可以被配置为通过融合在一起或者以其他方式组合用不同成像模态获取的图像数据或者从相同的成像模态或者以不同的方式处理来生成图像融合数据。同样，DSP504可以被配置为识别图像融合数据中的物体，以从图像融合数据去除物体，并且用于基于经处理的或未经处理的图像融合数据生成报告。
处理单元502优选地包括通信端口514，与其他设备电子通信，其他设备可包括存储设备516、显示器218、以及一个或多个输入设备520。输入设备520的示例包括，但不限于用户可提供输入的键盘、鼠标以及触摸屏。
存储设备516被配置为存储图像数据，提供给处理单元502或由处理单元502处理。显示器518被用于显示图像数据(诸如可被储存在存储设备516中的图像)，以及其他信息。因此，在一些实施例中，存储设备516和显示器518可用于在处理之前和之后显示图像数据，并用于输出其他信息，诸如基于上述方法生成的数据图或其他报告。
处理单元502也可与网络522电子通信以发送和接收图像数据、生成的报告、和其他信息。通信端口514也可通过切换中心资源(例如通信总线512)被耦合到处理单元502。
处理单元502也可包括临时存储器524和显示控制器526。作为示例，临时存储器524可储存临时信息。例如，临时存储器524可以是随机存取存储器。
本发明已经在一个或多个优选实施例方面进行了描述，并且应当理解除那些清楚说明以外的许多等同、替换、变型、以及修改是可能的且在本发明的范围内。

Claims (32)

1.一种用于基于用医学成像系统获取的图像数据生成报告的方法，所述报告提供关于修复手术规划或引导的信息，所述方法包括：
(a)将利用医学成像系统获取的对象的图像数据提供给计算机系统；
(b)用所述计算机系统处理提供的图像数据以识别植入到所述对象的解剖结构内的至少一个物体；
(c)用所述计算机系统处理所述提供的图像数据以从所述图像数据去除识别的至少一个物体；以及
(d)用所述计算机系统基于经处理的图像数据生成报告，其中所述报告提供关于特定于所述对象的修复手术规划的信息。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述医学成像系统是x射线成像系统，并且所述图像数据包括从用所述x射线成像系统获取的数据或用所述x射线成像系统获取的x射线衰减数据重建的图像中的一个。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述医学成像系统是磁共振成像(MRI)系统，并且所述图像数据包括从用所述MRI系统获取的数据或用所述MRI系统获取的k空间数据重建的图像中的一个。
4.如权利要求1所述的方法，其中，向所述计算机系统提供所述图像数据包括以下两者之一：从数据存储设备检索先前获取的图像数据或用所述医学成像系统获取所述图像数据。
5.如权利要求4所述的方法，其中，用所述医学成像系统获取所述图像数据包括通过使用经优化以减少图像伪影的数据获取来获取所述图像数据。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个物体包括由显著衰减x射线的材料组成的植入物。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述材料包括金属、金属合金、陶瓷、或塑料中的至少一种。
8.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(d)生成的所述报告包括在所述对象内的至少一个骨骼的计算机生成的模型，所述计算机生成的模型是基于所述经处理的图像数据来计算的。
9.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(d)生成的所述报告包括患者特定仪器或引导中的至少一个。
10.一种用于基于用医学成像系统获取的图像数据生成报告的方法，所述报告提供用于设计在修复手术中使用的植入物的信息，所述方法包括：
(a)将利用医学成像系统获取的对象的图像数据提供给计算机系统；
(b)用所述计算机系统处理提供的图像数据以识别植入到所述对象的解剖结构内的至少一个物体；
(c)用所述计算机系统处理所述提供的图像数据以从所述图像数据去除识别的至少一个物体；以及
(d)用所述计算机系统基于经处理的图像数据生成报告，其中，所述报告提供用于设计在修复手术中使用的对象特定植入物的信息。
11.如权利要求10所述的方法，其中，医学成像系统是x射线成像系统，并且所述图像数据包括从用所述x射线成像系统获取的数据或用所述x射线成像系统获取的x射线衰减数据重建的图像中的一个。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述医学成像系统是磁共振成像(MRI)系统，并且所述图像数据包括从用所述MRI系统获取的数据或用所述MRI系统获取的k空间数据重建的图像中的一个。
13.如权利要求10所述的方法，其中，向所述计算机系统提供所述图像数据包括以下两者之一：从数据存储设备检索先前获取的图像数据或用所述医学成像系统获取所述图像数据。
14.如权利要求13所述的方法，其中，用所述医学成像系统获取所述图像数据包括通过使用经优化以减少图像伪影的数据获取来获取所述图像数据。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述至少一个物体包括由显著衰减x射线的材料组成的植入物。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述材料包括金属、金属合金、陶瓷、或塑料中的至少一种。
17.如权利要求10所述的方法，其中，在步骤(d)生成的所述报告包括在所述对象特定植入物的计算机生成的模型，所述计算机生成的模型是基于所述经处理的图像数据来计算的。
18.一种用于基于用医学成像系统获取的图像数据生成报告的方法，所述报告提供关于对象的骨架构的信息，所述方法包括：
(a)将利用医学成像系统获取的对象的图像数据提供给计算机系统；
(b)用所述计算机系统处理提供的图像数据以识别植入到所述对象的解剖结构内的至少一个物体；
(c)用所述计算机系统处理所述提供的图像数据以从所述图像数据去除识别的至少一个物体；以及
(d)用所述计算机系统基于经处理的图像数据生成报告，其中，所述报告提供关于所述对象的骨架构的信息。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述医学成像系统是x射线成像系统，并且所述图像数据包括从用所述x射线成像系统获取的数据或用所述x射线成像系统获取的x射线衰减数据重建的图像中的一个。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述医学成像系统是磁共振成像(MRI)系统，并且所述图像数据包括从用所述MRI系统获取的数据或用所述MRI系统获取的k空间数据重建的图像中的一个。
21.如权利要求18所述的方法，其中，向所述计算机系统提供所述图像数据包括以下两者之一：从数据存储设备设备检索先前获取的图像数据或用所述医学成像系统获取所述图像数据。
22.如权利要求21所述的方法，其中，用所述医学成像系统获取所述图像数据包括通过使用经优化以减少图像伪影的数据获取来获取所述图像数据。
23.如权利要求18所述的方法，其中，所述至少一个物体包括由显著衰减x射线的材料组成的植入物。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述材料包括金属、金属合金、陶瓷、或塑料中的至少一种。
25.如权利要求18所述的方法，其中，所述提供的图像数据包括双能量图像数据。
26.如权利要求18所述的方法，其中步骤(d)包括用所述计算机系统对经处理的图像数据执行材料分解以识别所述对象的骨组织。
27.如权利要求26所述的方法，其中，生成的报告包括对象的骨密度和骨量中的至少一个。
28.一种用于基于用医学成像系统获取的图像数据生成报告的方法，所述报告提供关于修复手术规划、修复手术引导、用于在修复手术中使用的对象特定植入物、或所述对象的骨架构的信息，所述方法包括：
(a)将利用至少一个医学成像系统获取的对象的图像数据提供给计算机系统；
(b)通过利用所述计算机系统组合所述图像数据来生成图像融合数据，由此所述图像融合数据相对于所述图像数据增强了植入到所述对象的解剖结构中的至少一个对象的描绘；以及
(c)用所述计算机系统基于所述图像融合数据生成报告，其中，所述报告提供关于以下各项中的至少一项的信息：特定于所述对象的修复手术规划、设计在修复手术中使用的对象特定植入物、或所述对象的骨架构。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述至少一个医学成像系统包括x射线成像系统、磁共振成像(MRI)系统、或超声成像系统中的至少一个。
30.如权利要求29所述的方法，其中，所述图像数据包括以下各项中的至少一项：从用所述x射线成像系统获取的数据、用所述x射线成像系统获取的x射线衰减数据重建的图像；用所述MRI系统获取的数据、用所述MRI系统获取的k空间数据重建的图像；或用所述超声成像系统获取的图像。
31.如权利要求28所述的方法，其中，所述图像数据包括与至少两个不同成像模态相关联的图像数据。
32.如权利要求28所述的方法，其中，所述图像数据包括与以不同方式处理的单一成像模态相关联的图像数据。
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