CN109475337B - 用于图像重建的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了成像系统，该成像系统包括与光学成像系统和/或追踪系统组合的x射线图像重建系统。在一些实施方案中，成像系统可包括x射线图像重建系统和三维光学成像系统，该x射线图像重建系统被构造成生成目标对象至少一个内部部分在目标对象的表面下方的三维图像数据，该三维光学成像系统被构造成通过生成表面三维图像数据重建目标对象的至少一部分的表面的图像。三维光学成像系统可配准到x射线断层融合图像重建系统，使得可以将来自x射线断层融合图像重建系统的三维图像数据以及来自三维光学成像系统的三维图像数据用作约束，以改善目标对象的图像的图像质量。

Description

用于图像重建的系统和方法
相关专利申请
本专利申请是共同未决的美国专利申请序列号14/198,390的部分继续申请案，该专利申请提交于2014年3月5日，并且标题为“IMAGING SYSTEMS AND RELATED APPARATUSAND METHODS”(成像系统以及相关设备和方法)，根据美国专利法第35卷第119条e款(35U.S.C.§119(e))，该专利申请要求以下专利的权利：美国临时专利申请序列号61/773,025，其提交于2013年3月5日，并且标题为“IMAGING SYSTEM”(成像系统)。根据美国专利法第35卷第119条e款，本专利申请还要求以下专利的权利：美国临时专利申请号62/313,041，其提交于2016年3月24日，并且标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR IMAGE RECONSTRUCTION”(用于图像重建的系统和方法)。据此，前述专利申请均全文以引用方式并入本文。
关于政府支持声明
本发明在政府的支持下作出，国家科学基金会授予的SBIR授权号为1456352。政府对本发明享有某些权利。
发明内容
外科医生和介入放射师使用医学成像来指导他们进行手术，这些手术称为图像引导介入(IGI)。在外科手术中，IGI最常用C臂执行。
C臂是一种创建实时2D投影图像的术中x射线系统。这种成像方式称为荧光透视。C臂很受欢迎，因为它们经济且它们的使用不延长手术时间。
另一另选的选项是使用术中x射线3D成像器。这些3D成像器包括CT扫描仪、或锥束CT(CBCT)扫描仪、或C臂。这些系统提供了解剖结构的3D图示，这对于复杂的解剖结构、或在精确的3D定位(例如，对于肿瘤科和/或脊柱外科手术)非常重要的情况下可能极具价值。此类3D图像是静态的，并且系统需要与导航系统耦接以模拟实时成像。导航系统也可以与术前成像一起使用。
然而，尽管与荧光透视相比，这些3D成像器提供优异的可视性，但它也有缺点。第一，复杂性并延长手术所需时间。另外，术中扫描仪包围患者，并使外科医生难以触及成像中的解剖结构，并且CBCT的C臂具有移动零件，这些移动零件可能干扰患者、用户、和/或旁观者(外科医生以及工作人员)。
本文所公开的一些方法、设备和系统涉及术中x射线扫描。在一些实施方案中，这些方法和系统可有利地提供快速3D重建(接近实时)，这无需使用外科导航系统。在一些实施方案中，系统可具有开放几何形状，允许用户可以在成像期间接触解剖结构，这可以改善手术流程，以及/或者改善与其它系统的集成。另选地或除此之外，一些实施方案可被构造成避免具有任何暴露的移动零件—即，例如任何在成像过程期间移动的暴露零件，这些零件可致使患者、用户和/或旁观者受伤。
在一些实施方案中，系统可包括：a)门架，该门架用于通过一条或多条路径移动多个辐射源；以及b)一个或多个辐射检测器，该一个或多个检测器可被构造成相对于患者和/或路径移动，或可相对于患者和/或路径静止。在一些实施方案中，路径中的一条或多条路径可包括连续路径。一条或多条路径可包括例如，辐射源在其上沿单个方向持续移动的路径。因此，多个辐射源的多条路径可全部或部分重叠。在其它实施方案中，路径中的一条或多条可以是振荡路径(即，辐射源沿着一条或多条路径振荡)，并且在其它辐射源中无需与任何其它路径重叠。
在其它实施方案中，可提供单个移动辐射源。就此类实施方案而言，移动辐射源可被构造成在封闭源门架或所构造的其它此类封闭体内移动，以便避免在成像期间具有任何暴露的移动零件。然而，应当理解，此类系统的一个或多个特征或部件可被构造成在成像时段之间移动，以便例如允许对患者进行适当定位。此类系统仍应被视为被构造成避免在成像期间具有任何暴露的移动零件。
就源门架而言，检测装置可相对于患者放置在源门架的相反一侧/半球上。系统还可包括：c)处理器，该处理器用于在多个辐射源移动时，对辐射检测器进行反复采样，以生成针对每个辐射源的多张辐射吸收图像；以及d)计算机和计算程序，其将重建算法应用于辐射吸收图像，以生成该对象的关注区域的3维重建。计算程序可被构造成更新3维重建(或相关信息/与之相关的信息)。系统还可包括：e)显示器或接口，其向用户提供3D数据集信息(或相关信息/从中提取的信息)。
可执行一种方法来创建对象的关注区域的三维与时间变化重建。在一些具体实施中，方法可包括：通过使多个辐射源穿过一条或多条路径，获取所关注的对象区域的辐射吸收图像。辐射吸收图像可通过一个或多个辐射检测器来获取。当多个辐射源移动时，一个或多个辐射检测器可反复采样，以生成针对每个辐射源的多张辐射吸收图像。系统可反复获得投影几何形状，(例如，通过使用编码器，以及通过“查找”先前获得的几何校准参数)。
可以将算法(诸如，重建和/或移动估计与校正算法)应用于辐射吸收图像、以及相关联的投影几何形状中，以生成所关注的对象区域的三维重建。在一些具体实施中，重建算法可包括迭代重建算法和/或运动估计与校正算法。三维图像可以在通过一个或多个辐射检测器和多个移动辐射源获取新的辐射吸收图像时得以更新。该图像、该图像的至少一部分、和/或来源于成像处理/分析的数据以及与成像处理/分析相关的数据可以显示给用户。在一些具体实施中，该步骤可以包括：在显示器(诸如，监视器)上显示来源于关注的对象区域的三维重建的视觉信息。
该主题技术例如根据下文所述的各个方面进行说明。为方便起见，该主题技术多个方面的示例按照带编号(1、2、3等)的条款进行描述。这些仅作为示例提供，而非限制该主题技术。应当注意，任何从属条款可以按照任意组合方式进行组合，并放入相应的独立条款中，例如，条款1或条款5。其它条款可以按类似方式提出。
1.一种成像系统，该成像系统用于提供对象的图像重建数据，该系统包括：
至少两个辐射源的阵列，该至少两个辐射源被构造成沿着基本上在平面中的弯曲路径移动；和
不在平面中的检测器，该阵列被构造成使得辐射源按照一定序列朝检测器发出辐射，在该序列中，每个辐射源以基本上相同的频率发生发射。
2.根据条款1所述的系统，其中辐射源的弯曲路径是闭合的。
3.根据条款2所述的系统，其中辐射源的弯曲路径为圆形或椭圆形。
4.根据条款1所述的系统，其中辐射源沿着弯曲路径移动。
5.根据条款4所述的系统，其中辐射源沿着弯曲路径振荡。
6.根据条款4所述的系统，其中辐射源被构造成沿着弯曲路径在第一方向上移动，以及反向朝它们的各自的初始位置返回。
7.根据条款5所述的系统，其中辐射源的弯曲路径包括开放型弯曲路径。
8.根据条款7所述的系统，其中辐射源包括四个辐射源，并且四个辐射源中的每个沿着独立的开放型弯曲路径移动，每条路径具有大约90°的弧度。
9.根据条款8所述的系统，其中独立的开放型弯曲路径共同形成圆形形状。
10.根据条款8所述的系统，其中独立的开放型弯曲路径共同形成椭圆形形状。
11.根据条款4所述的系统，还包括至少一个容纳辐射源的门架部件，其中辐射源在门架部件相对于检测器保持静止的同时，在门架部件内移动。
12.根据条款4所述的系统，还包括至少一个容纳辐射源的门架部件，其中门架部件在辐射源相对于门架部件保持静止的同时，相对于检测器移动。
13.一种成像系统，该成像系统用于提供对象的图像重建数据，该系统包括至少一个辐射源，该辐射源沿着封闭门架内的弯曲路径移动，并且朝至少一个检测器发出辐射，检测器不与弯曲路径共面，辐射源沿着弯曲路径在至少两个区域处发出辐射。
14.根据条款13所述的系统，其中辐射源被构造成从沿着弯曲路径的第一位置移动至沿着弯曲路径的第二位置，并且在第二位置反向，以回到第一位置。
15.根据条款14所述的系统，其中在朝第二位置移动时，辐射源沿着弯曲路径，沿着至少两个区域发出辐射。
16.根据条款14所述的系统，其中辐射源的弯曲路径包括开放型弯曲路径。
17.根据条款13所述的系统，其中辐射源的弯曲路径是闭合的。
18.根据条款17所述的系统，其中辐射源的弯曲路径为圆形或椭圆形。
19.一种成像系统，该成像系统用于提供对象的重建图像数据，以及用于在成像的同时允许触及对象，该系统包括：
至少一个辐射源，该至少一个辐射源被构造成沿着由第一曲线和第二曲线形成的路径移动，第一曲线基本上位于第一平面，第二曲线位于第一平面之外；
辐射检测器，该辐射检测器被定位和构造成在对象插置其间时接收辐射源发出的辐射；和
处理器，该处理器被构造成接收检测器的辐射吸收数据并应用重建算法。
20.根据条款19所述的系统，其中处理器包括两个或多个处理器。
21.根据条款19所述的系统，其中第二曲线基本上位于第二平面中。
22.根据条款19所述的系统，还包括：使用辐射吸收数据来生成3D x射线图像。
23.根据条款22所述的系统，其中对象的3D x射线图像在第一辐射源沿着路径移动时生成。
24.根据条款22所述的系统，还包括显示器，该显示器用于提供解剖结构的3D x射线图像的视觉图示。
25.根据条款19所述的系统，还包括第二辐射源，该第二辐射源被构造成沿着与第一辐射源间隔开的路径移动。
26.根据条款24所述的系统，其中第一辐射源和第二辐射源沿着路径彼此相反地定位，并且以相同的速度移动。
27.根据条款24所述的系统，其中检测器包括第一辐射检测器和第二辐射检测器，该第一辐射检测器和第二辐射检测器被构造成移动穿过第二路径，该第二路径具有基本上位于第二平面上的第三曲线、以及位于第二平面之外的第四曲线。
28.根据条款19所述的系统，其中路径通常为圆柱正弦波。
29.根据条款19所述的系统，其中路径通常为球形正弦波。
30.根据条款19所述的系统，其中检测器是静止的。
31.根据条款19所述的系统，其中检测器在与第一辐射源相反的位置沿着第二路径移动，使得第一辐射源发出的辐射朝检测器穿过对象。
32.根据条款19所述的系统，还包括用于支承第一辐射源的封闭式门架。
33.根据条款19所述的系统，其中第一辐射源容纳在大致环形结构中。
34.根据条款19所述的系统，其中第一辐射源和第二辐射源容纳在独立结构中。
35.根据条款19所述的系统，其中第一辐射源和第二辐射源可通过不断变化角度旋转。
36.根据条款19所述的系统，其中检测器包括独立的第一检测器和第二检测器。
37.根据条款19所述的系统，其中处理器被构造成对检测器进行反复采样。
38.根据条款19所述的系统，其中路径是连续的。
39.根据条款19所述的系统，其中路径是不连续的，并且第一辐射源仅围绕对象的一部分移动。
40.一种用于生成对象的x射线图像数据的方法，该方法包括：
相对于对象沿着路径移动第一辐射源，该路径具有基本上位于第一平面上的第一曲线以及位于第一平面之外的第二曲线；以及
在第一辐射源沿着路径移动时，以不同的记录角度记录患者的投影图像。
41.根据条款40所述的方法，其中第二曲线基本上位于第二平面中。
42.根据条款40所述的方法，其中第一辐射源沿着大致圆柱正弦波路径移动。
43.根据条款40所述的方法，还包括沿着路径并且与第一辐射源间隔开移动第二辐射源。
44.根据条款40所述的方法，其中记录投影图像包括按照相同的频率来记录投影图像。
45.根据条款44所述的方法，还包括将第一辐射源设置在第一能量级别，以及将第二辐射源设置在第二能量级别。
46.根据条款40所述的方法，还包括由处理器构建来自投影图像的3D x射线图像，其中构建3D x射线图像包括构建来自减影投影图像的3D x射线图像。
47.根据条款46所述的方法，还包括减去在不同时间从基本上相同位置拍摄的投影图像。
48.根据条款46所述的方法，还包括减去在基本上相同位置上拍摄的处于不同能量的投影图像。
49.根据条款40所述的方法，还包括由处理器构建来自投影图像的3D x射线图像。
50.根据条款48所述的方法，还包括在生成新的减影投影图像时更新3D x射线图像。
51.根据条款48所述的方法，其中构建3D x射线图像包括应用多分辨率技术，以提供具有第一分辨率的第一3D图像、以及分辨率比第一分辨率更高的后续图像。
52.根据条款48所述的方法，还包括在显示器上显示3D x射线图像。
在根据本发明一些实施方案的成像系统的示例中，系统可包括：x射线断层融合图像重建系统和三维光学成像系统，该x射线断层融合图像重建系统被构造成生成目标对象至少一个内部部分在目标对象表面下方的三维图像数据，该三维光学成像系统被构造成通过生成表面三维图像数据重建目标对象的至少一部分表面的图像。光学成像系统可以配准到x射线断层融合图像重建系统。系统还可包括处理器，该处理器被构造成应用图像重建算法以生成重建目标对象的三维图像。重建算法可被构造成使用来自x射线断层融合图像重建系统的三维图像数据、以及使用来自三维光学成像系统的表面三维图像数据作为约束，诸如，密度约束或几何约束，以改善三维图像数据的图像质量，并重建目标对象的图像。
在一些实施方案中，重建算法可包括迭代重建技术。
在一些实施方案中，三维光学成像系统还可被构造成通过生成针对外科器械或植入物的至少一部分表面的表面三维图像数据，重建外科器械或植入物的至少一部分表面的图像。因此，密度约束可至少部分包括来源于外科器械或植入物的密度分布，并且重建算法可被构造成将外科器械或植入物的密度分布应用为约束，以改善三维图像数据的图像质量。
在一些实施方案中，系统可被构造成应用表面三维图像数据中零密度的约束。在一些此类实施方案中，目标对象可包括患者，并且零密度的约束可应用于目标对象的至少一部分表面之外、以及外科器械的至少一部分表面之外的区域。
在一些实施方案中，至少一部分约束可来源于先验三维质量衰减图像，该先验三维质量衰减图像通过表面配准与目标对象的至少一部分表面配准。
在根据其它实施方案的成像系统的另一个示例中，系统可包括：x射线断层融合图像重建系统和三维光学成像系统，该x射线断层融合图像重建系统被构造成生成目标对象关注区域在目标对象表面下方的三维图像数据，该三维光学成像系统被构造成生成目标对象至少一部分的表面三维图像数据。光学成像系统可配准到x射线断层融合图像重建系统，并且三维光学成像系统还可被构造成生成待插入目标对象的关注区域中的工具的表面三维图像数据，以及当工具相对于目标对象表面移动时，生成工具的表面三维图像数据。系统还可包括：处理器和显示器，该处理器被构造成随时间推移编译工具的表面三维图像数据，并获得工具相对于目标对象的轨迹；该显示器被构造成显示至少一部分关注区域，以及动态地显示工具相对于关注区域的轨迹。
在一些实施方案中，工具可包括外科器械。
在一些实施方案中，系统可被构造成允许用户选择外科器械相对于关注区域的优选的轨迹，并且处理器可被构造成动态地计算在优选的轨迹与该轨迹之间的方差度量。
在一些实施方案中，显示器可被构造成显示与方差度量相对应的数值以及示出轨迹和优选的轨迹两者的图像中的至少一者。
在一些实施方案中，系统可被构造成允许用户在目标对象的关注区域内选择目标，并且动态地显示在工具与目标之间的距离。
在一些实施方案中，成像系统可被构造成响应于工具的移动以动态地调整关注区域。
在一些实施方案中，成像系统可被构造成动态地限定关注区域，以便包含与工具远侧末端相邻的点。在一些此类实施方案中，成像系统可被构造成在关注区域由工具远侧末端的移动限定时，动态地修改显示器。
在根据一些实施方案的四维成像系统的示例中，系统可包括：x射线断层融合图像重建系统和追踪系统，该x射线断层融合图像重建系统被构造成生成至少一部分目标对象的三维图像数据，该追踪系统被构造成追踪至少一部分目标对象的移动，并基于至少一部分目标对象的移动生成运动模型的运动数据。也可以提供处理器，该处理器被构造成随时间推移生成至少一部分目标对象的包括四维图像数据的重建三维图像。重建算法可被构造成使用来自x射线断层融合图像重建系统的三维图像数据，以及使用来自追踪系统的运动数据生成四维图像数据。
在一些实施方案中，运动模型可包括使用刚性转化。
在一些实施方案中，追踪系统可包括三维追踪系统。在一些此类实施方案中，追踪系统可包括三维成像系统。三维成像系统可被构造成使用来自三维成像系统的运动数据生成重建三维图像的移动。
在一些实施方案中，x射线断层融合图像重建系统还可被构造成基于至少一部分目标对象的移动生成运动数据，并且成像系统可被构造成组合来自追踪系统的运动数据与来自x射线断层融合图像重建系统的运动数据，以生成重建三维图像的移动。
在根据一些实施方案的成像系统的又一示例中，系统可包括三维追踪系统和x射线断层融合成像系统，该三维追踪系统被构造成生成第一数据层，该第一数据层包括工具或植入物相对于目标对象而运动的运动数据，该x射线断层融合成像系统被构造成获得至少一部分目标对象、以及相对于目标对象而运动的工具或植入物的投影图像数据。三维追踪系统可以配准到x射线断层融合成像系统。系统还可包括处理器，该处理器被构造成通过三维追踪系统生成第二数据层，并通过x射线断层融合成像系统生成投影图像数据。在一些实施方案中，处理器被构造成使用重建算法来单独重建第一数据层和第二数据层，每个数据层具有不同的约束，并且处理器还可被构造成组合第一数据层与第二数据层，以生成至少一部分目标对象相对于工具或植入物的重建三维图像。
在一些实施方案中，三维追踪系统可被构造成使用先验密度分布来识别工具或植入物，并且三维追踪系统还可被构造成使用基于工具或植入物的获得的密度分布来改善第二数据层的重建，并由此改善三维图像的重建。
在一些实施方案中，三维追踪系统可包括三维光学成像系统，该三维光学成像系统被构造成通过追踪工具或植入物的移动生成运动数据。
在一些实施方案中，工具或植入物形状和颜色中的至少一项可用于使用先验密度分布以及获得的基于工具或植入物的密度分布来识别工具或植入物，以改善第二数据层的重建，并由此改善三维图像的重建。
主题技术的附加特征和优点将在下面的描述中列出，并且部分附加特征与优点在该描述中将显而易见，或者可通过实践该主题技术而获悉。主题技术的优点将通过书面说明及其实施方案以及附图中特别指出的结构来实现与获得。
应当理解，前文中的总说明、以及下文中的详细说明两者为示例性与解释性说明，并且旨在进一步解释主题技术。
本文结合一个实施方案所公开的特征、结构、步骤或特性可以按任何合适的方式与一个或多个另选的实施方案组合。
附图说明
本文的书面公开内容描述了非限制性和非穷尽型的例示性实施方案。参考附图所示的某些此类例示性实施方案，其中：
图1是成像系统的实施方案的透视图。
图2示出成像系统的另选的实施方案。
图3A是成像系统的另选的实施方案的示意图。
图3B是成像系统的另一另选的实施方案的示意图。
图4是成像系统的再一实施方案的示意图。
图5示出成像系统的又一实施方案。
图5A是沿图5中的线5A-5A截取的横截面图。
图5B是沿图5中的线5A-5B截取的横截面图。
图6A是成像系统的又一实施方案的示意图。
图6B是成像系统的再一实施方案的示意图。
图7示出成像系统的另一实施方案。
图8示出成像系统的再一实施方案。
图9示出成像系统的又一实施方案。
图10是成像系统的实施方案的透视图。
图11是图10中的成像系统的成像组件的近距离视图。
图12是流程图，示出了用于生成至少一部分对象的重建图像数据的方法的具体实施。
图13是流程图，示出了用于生成至少一部分对象的重建图像数据的方法的另一个具体实施。
图14是流程图，示出了用于生成至少一部分对象的重建图像数据的方法的再一个具体实施。
图15是根据一些实施方案包括x射线成像系统和光学成像系统的成像系统的透视图。
图16是根据一些实施方案，包括x射线成像系统和追踪系统的成像系统的透视图。
图17示出包括x射线成像系统和光学成像系统的成像系统，其中曲线图示出了使用成像系统的本发明原理可以允许如何改善与患者关注区域相关联的密度分布的精确性。
图18A和图18B分别示出了脊柱解剖结构的未受约束的重建以及受约束的重建。
图19是根据一些实施方案包括x射线成像系统和光学追踪系统的成像系统的透视图，该光学追踪系统用于对外科工具以及关注区域进行追踪和成像。
图20是根据一些实施方案和具体实施的示意图，示出了包括3D光学系统和x射线系统的成像系统的运行。
图21是根据一些实施方案和具体实施的示意图，示出了包括追踪系统和x射线系统的成像系统的运行。
图22是根据其它实施方案和具体实施的示意图，示出了包括追踪系统和x射线系统的成像系统的运行。
具体实施方式
将易于理解，如本文图中大体描述和示出的本发明的部件可以按多种不同的构型进行布置与设计。因此，下面对设备实施方案进行的更详细说明并非旨在限制本公开的范围，而仅仅是本公开可能的实施方案的代表性实施方案。在某些情况下，没有示出或详细说明众所周知的结构、材料、或运行。
本文所公开的为提供成像数据的设备、方法和系统的各种实施方案和具体实施。在一些实施方案中，系统可使用多个大致沿着路径或轨迹移动的辐射源。使用多个辐射源可提高系统可从完整路径获取投影的速度，这可以缩短获取时长和更新时延。
本文公开了设备、方法和系统的各种附加实施方案，其涉及图像重建和/或图像重建优化处理，诸如，在一些实施方案和具体实施中，使用追踪系统和/或相机对用于图像引导的3D和/或4D重建进行优化处理，其中一些实施方案可并入x射线成像系统的一个或多个元件，诸如，前述多个移动辐射源。
以下术语在本文中的如下限定：
成像对象：通过图像重建系统进行成像的对象或对象集合。
质量衰减重建：确定成像对象随体积的质量衰减特性的方法。
光学重建：确定成像对象反射表面的方法。
3D x射线图像重建系统：获取x射线投影图像并且对正在成像的对象执行质量衰减和/或线性衰减重建的系统。
3D光学图像重建系统：获取光学图像并且对正在成像的对象执行光学重建的系统。
追踪系统：提供对象相对于参考系的位置和/或取向的系统。
在一些实施方案中，辐射源可以基本上沿着一条或多条路径或轨迹移动，一条或多条路径或轨迹在公共平面中可以为圆形。一条或多条路径或轨迹也可基本上沿着圆柱正弦波或鞍形路径、球形正弦波、双曲抛物面路径、或其它三维路径或轨迹。其它路径沿着至少一部分范围可以是竖直的或线性的。一条或多条路径可具有多个峰和低谷，诸如，2个峰和2个低谷(例如，如沿着鞍座边缘)、3个峰和低谷、4个峰和低谷、5个峰和低谷等。此外，一些实施方案可被构造成使得一条或多条路径随着不同的振幅或高峰与低谷而起伏。一条或多条路径可横贯或贯穿平面，以及/或者至少部分处于平面内，该平面穿过待成像的对象。一条或多条路径在一个或多个平面中可以是弯曲的。一条或多条路径可具有连续曲线或弯曲。在一些实施方案中，一条或多条路径可以是非连续路径，诸如开放式弯曲路径，其沿着不到目标空间或对象的整个圆周延伸，或者不完全包围目标空间或对象。例如，开放式弯曲路径可包括起点，该起点与其终点分开或间隔开，诸如，圆形或椭圆形的90度圆弧。一条或多条路径可以限定一个或多个角、急转弯、或中断部分。多条独立的路径可用于多个独立的源和/或检测器，其中一个或多个源和/或检测器沿着多条独立的路径移动。
在一些实施方案中，一个或多个辐射源的一条或多条路径可被构造成至少基本上与一个或多个辐射检测器的一条或多条路径相匹配。在一些此类实施方案中，例如，一条或多条源路径可以与检测器路径具有相同形状(尺寸不一定相同)。在某些优选的实施方案中，辐射源被构造成以相同的角速度相对于检测源移动，使得每个源及时在给定时刻定位在与检测器的位置相对应的位置处。因此，在例如其中一条路径大于另一条路径的实施方案中，较大路径上的一个或多个源和/或检测器将比较小路径上的一个或多个源和/或检测器移动得更快(但角度或旋转速度相同)。
在其它实施方案中，一个或多个检测器可相对于患者和/或一条或多条路径静止。系统可包括至少一个辐射源和/或至少一个辐射检测器的两条或多条路径。
在一些实施方案中，系统可在目标空间上方包括一条或多条用于至少一个辐射源和/或至少一个辐射检测器的路径、以及在目标空间下方包括一条或多条用于至少一个辐射源和/或至少一个辐射检测器的路径。
例如，系统可在目标空间上方的路径中包括至少一个辐射源和/或至少一个辐射检测器，其中至少一个辐射源和/或至少一个辐射检测器在目标空间下方。在其它实施方案中，系统可在目标空间下方的两条路径中包括至少一个辐射源和/或至少一个辐射检测器，以及在目标空间上方的两条路径中包括另外的至少一个辐射源和/或至少一个辐射检测器。
在一些实施方案中，系统可具有旋转的辐射源，从而允许系统可以与有限数目/较少数目的源一起运行，并且仍覆盖角度密度(例如，每个角度下的投影的角度密度)，这一点对于良好的图像重建质量是必须的。
此外，在一些实施方案中，为了使用户可以触及患者的解剖结构，系统可使用独立于患者且在患者相反一侧上与检测装置相对的源门架。例如，系统可通过接近在门架与检测装置之间的解剖结构来为用户提供入口，并且还提供与外科台的兼容性。在其它示例中，系统可以在门架和/或检测装置上方为用户提供解剖结构的入口。在此类实施方案中，系统可包括轨道。
分开于两个半球中(一个用于辐射源，一个用于检测装置)使解决3D图像的数学问题(也称为图像重建)不适定。因此，在此类图像重建期间，可以使用利用正则化(通常是有助于算法收敛的先验约束)的计算机密集型迭代算法(基于迭代正反投影)。
此外，在一些具有多个旋转检测器的实施方案中，可以将不是观察投影图像的检测器用于观察反向散射x射线。反向散射x射线可用于改善重建的质量，例如，通过动态地改变正则化功能。
图1示出包括门架110的成像系统100的实施方案。门架110包括圆形门架，该圆形门架被构造成包含和/或容纳一个或多个移动辐射源。术语“门架”，如本文所用，应当理解为涵盖任何被构造成将各种辐射源和/或检测器定位在合适成像位置内的结构性元件。门架110还包括封闭式门架，该封闭式门架被构造成避免具有任何暴露的移动零件—即，(例如)任何在成像过程期间移动的暴露零件，这些零件可致使患者、用户和/或旁观者受伤。因此，门架110内所含的辐射源(未示出)中的每一个被构造成使得没有有利于此类移动的移动零件暴露在门架110之外。
成像系统100还包括检测器120，该检测器可包括平板检测器。检测器120还可包括静止的单个数字检测器。
门架110可容纳一个或多个辐射源，诸如基本上沿着路径延伸的x射线源。路径可以是如上所讨论的各种形状中的任一形状。图1示出一种可能构型，在该构型中，检测器120定位在患者下方，并且门架110定位在患者50上方。门架110可被构造成自我旋转，从而使其中/其上所含的一个或多个辐射源旋转。另选地，一个或多个辐射源可被构造成独立于静止门架110而移动。
如图1所示，门架110可被构造成在患者50躺于其上的床60上方的圆形或椭圆形路径中移动一个或多个辐射源。如果需要，圆形或椭圆形路径可处于单个平面中。此外，一个或多个检测器面板(诸如，检测器面板120)可定位在一个或多个源和患者50下方，以检测从中发出的辐射。如图所示，一个或多个检测器120可定位在患者下方的床上。然而，在另选的实施方案中，一个或多个检测器可定位在患者下方在独立的外壳上或其内，或者如下所述，可定位在患者上方。
在一些实施方案中，a)门架和b)检测器组件中的至少一者可以是中空的。横截面相对较小的中空元件允许用户可以通过将中空部分放置成靠近患者而从源和/或检测器的中空部分来接触解剖结构，从而消除或至少减少外科医生直接暴露于x射线束的风险，在手术期间提供与照明设备的兼容，以及/或者以其它方式使手术更方便和/或风险更小。
在其中检测器组件为中空的实施方案中，检测器组件可以由静态检测器(或组装的多个静态检测器)形成，或者可包括多个与一个或多个辐射源相对应的旋转检测器。在一些实施方案中，一个或多个检测器可定位在多个辐射源上方。此类实施方案可具有极大的价值，因为它们可以允许x射线或其它辐射源位于患者下方，并且检测器位于患者上方，从而减少对外科医生的散射型辐射(散射辐射往往朝着源诸如朝着外科医生的脚部“反弹”)。
在一些实施方案中，其中源和检测器门架靠近患者且用户从环形门架的中心开口或者通过系统的另一中空部分来接触解剖结构，源和检测器的形状沿着患者轴线可以有一部分偏移于中央，以便允许在手术期间沿着患者的轴线简单地定位系统。此类构型的示例在图5中示出，并且将结合该图进行更详细的讨论。
如上所述，发出路径或轨迹可以是任何相连的形状：椭圆形或豆状、或8字形。这减少了x射线源对外科医生和/或其他旁观者造成照射的可能性，外科医生或旁观者很可能站立在8字形或豆状形状的变窄部分下方。
图2示出了另一成像系统200的示例。成像系统200包括两个门架，即，门架210a和210b，每个门架包括一个或多个被构造成在其相应门架所限定的路径内移动的辐射源。在一些实施方案中，门架210a和210b两者包括多个移动辐射源，诸如，移动x射线源。如上所述，在一些实施方案中，辐射源可以相对于门架静止，在此情况下，门架可以是可移动的。另选地，门架可被构造成引导一个或多个可在门架所限定的路径内移动的辐射源。
门架210a和210b中一者或两者可包括在由其相应门架所限定的(在一些实施方案中，为圆形)整个弯曲路径内移动的辐射源。另选地，门架210a和210b中的一者或两者可被构造成使得其相应的一个或多个辐射源在仅部分地由其相应门架所限定的路径内移动。
系统200还包括检测器220，该检测器包括定位在桌子60下方(以及患者50下方)的平板。如图2所示，门架210a和210b可各自朝检测器面板220向内倾斜。换言之，检测器面板220可以沿着至少基本上平行于患者50的轴线的轴线定位，门架210a可以在第一方向上相对于此类轴线成角度，并且门架210b可以在第二相反方向上相对于此类轴线成角度。在一些实施方案中，门架210a和210b中的一者或两者可包括某尺寸，诸如，在圆形门架的情况下为直径，该尺寸至少基本上等于检测器220的尺寸。
图3A和图3B分别示出了包括三个移动辐射源的成像系统300A和300B的另一实施方案的示意图。图3A示出了包括三个移动辐射源(即，辐射源A、B和C)的系统300A，每个辐射源沿着单条圆形路径305移动。优选地，这些源中的每一个均以至少基本上相同的速度且在沿着路径305(如箭头所示)的相同方向上移动，使得在每个源之间的距离保持恒定。
也如图3A中所示，各个源(尽管附图中示出了三个，可根据需要使用任意数目的源)中的每一个可以朝检测器320发出x射线或其它辐射，诸如，数字平板检测器或其它此类检测器。在特定辐射源、一部分患者50的解剖结构、以及检测器320之间的交叉可以允许患者解剖结构的特定体积55的重建。通过围绕路径305移动源，可以从各个方向截取患者50的解剖结构的各个投影，并且根据需要将其用于提供解剖结构的某体积的三维重建。
在图3A所示的实施方案中，各个源中的每一个可被构造成沿着同一路径305(尽管在任意给定时刻，明显在沿着路径305的不同点处)移动，如此图中的箭头所示。然而，设想了各种其它实施方案。例如，如前所述，可根据需要使用多种其它数目的源。事实上，尽管某些实施方案优选至少两个源，但其它实施方案可包括单个辐射源，如下文更详细地描述。
此外，在其它实施方案中，各个辐射源中的每个辐射源、或辐射源的至少一个子集可占据独立的移动路径。例如，图3B示出了类似于图3A的实施方案，不同的是三个辐射源(A、B和C)沿着独立路径振荡。更具体地，源A在弯曲路径305A的相反端之间振荡，源B在弯曲路径305B的相反端之间振荡，并且源C在弯曲路径305C的相反端之间振荡，如通过这些路径上的相应箭头所示。
也如图3B所示，各个路径305A、305B和305C的组合轨迹至少基本上与图3A的实施方案中的单条路径305的形状相匹配。然而，同样地，可根据需要针对多种其它数目的辐射源采用多种其它数目的振荡路径。例如，可以采用两个辐射源，在这种情况下，假设这些源被构造成振荡，它们可以在限定半圆的相应路径之间振荡，这些半圆一起限定圆形路径。当然，在一些实施方案中，从技术上讲，出于实际原因，各个源的集体路径可能并未精确地彼此接触。然而，可以将基本上为图3B中所示形式的构型视为包括多条独立的源路径，即使在各条路径之间可能存在较小的间隙，这些路径基本上限定了集体圆形路径。
如普通技术人员将理解，一条或多条源路径，无论是多个源的单条路径还是单个源所采用的多条路径所限定的集体路径，可另选地包括其它形状和/或尺寸，这取决于所需的应用场景。此外，一些实施方案可被构造成允许实现源路径中一条或多条路径的重构，以便例如适应不同的患者、和/或待成像的解剖结构/特征结构。
然而，某些优选的实施方案包括至少多个沿着一条或多条路径而移动的辐射源。一条或多条此类路径在一些此类实施方案中可能是闭合的。具有多个源可用于提高可获取图像(诸如，吸附图像)的速度、角度覆盖范围、和/或效率。这可以允许缩短采集时间、以及/或者缩短成像更新时延。
此外，应当理解，尽管某些优选的实施方案包括弯曲的辐射源路径，但在其它实施方案中，源路径中的一条或多条路径可以是线性的。在一些此类实施方案中，通过全部辐射源路径所限定的集体路径可包括多边形。在一些此类实施方案中，此类多边形可近似于弯曲路径，诸如圆形。
系统300B，类似于系统300A，还包括检测器320，检测器可包括平板检测器。在特定辐射源、一部分患者50的解剖结构、以及检测器320之间的交叉可以允许患者解剖结构的特定体积55的重建。此外，具有相比于检测器而言独立于患者且位于患者相反一侧上的源(其可以设置在门架之中、之上或者以其它方式与门架耦接)，可通过接近在门架与检测器之间的解剖结构使用户触及解剖结构，并且还可提供与外科桌、外科椅等的兼容性。
各个辐射源和检测器的发射/检测顺序也可根据需要而变化。例如，在一些实施方案中，顺序可以是连续的。换言之，每个源可发出辐射，并且然后依次由检测器检测以提供图像。在一些此类实施方案中，在另一源(诸如，相邻源)发出辐射之前可以检测出已发射/发出的每个源。
另选地，顺序可以是平行的。换言之，多个源可同时发出辐射，或至少基本上同时发出辐射，并且然后由检测器一起读取。
图4示出包括移动辐射源和移动检测器的成像系统400的另选的实施方案。如该图中所示，两个辐射源A和B被构造成在弯曲路径405中移动。路径405可限定例如圆形或椭圆形的形状。辐射源A和B可定位在门架之中、之上，或者以其它方式与门架耦接，如先前所述。此类门架可以定位在患者50的第一侧上。
在与第一侧相反的患者50的第二侧上，检测器420A和420B可被定位成沿着类似路径425移动。在一些实施方案中，路径425可具有与路径405类似或相同的形状和/或尺寸。检测器420A和420B可包括平板检测器。在一些此类实施方案中，检测器420A和420B可相对于患者50而向内倾斜或成角度，这可用于帮助增加解剖结构或特征的图像的重建体积。
在一些实施方案中，检测器420A和420B可以在与源A和B相同的方向上移动。另选地，检测器420A和420B可以在与源A和B在路径405之内的移动方向相反的方向上沿着路径425移动。
在一些实施方案中，检测器420A和420B可以相对于患者50和/或路径405的平面和/或轴线在水平方向上定位。在一些此类实施方案中，检测器和源可同步化，以允许对检测器直接进行辐射发射。例如，检测器可被定位成使得辐射将在与检测器垂直的角度或至少基本上垂直的角度处到达检测器(假设检测器包括面板或换言之是平坦的)。
一些实施方案可包括源与检测器的组合，该组合被构造成沿着相同路径移动。例如，系统400也可包括两个与源A和B交杂的附加检测器420C和420D，其被构造成在路径405中移动。检测器420C和420D可被构造成接收来自源C和D的辐射，其可被构造成与检测器420A和420B一起在路径425中移动。
作为又一选择，在一些实施方案中，一个或多个检测器可定位在患者/解剖结构上方，并且源可定位在患者/解剖结构下方。这在某些应用场景下可能是有用的，以例如为外科医生或旁观者的上部分提供较少的x射线或其它辐射散射。
图5示出包括多个移动辐射源和检测器的成像系统500的另选的实施方案。系统500包括第一壳体510，该第一壳体限定两个移动辐射源A和B的路径。系统500还包括针对相对应的数目的检测器520A和520B的第二壳体530。患者50可定位在辐射源和检测器之间。尽管检测器520A和520B如所示为弯曲的并且其曲率至少基本上与壳体530相匹配，但应当理解，设想了其它实施方案，在这些实施方案中检测器520A和520B包括平板检测器。
如图5所示，壳体510的形状可被设定成限定辐射源A和B的非平面路径。更具体地讲，壳体510可以被构造成“鞍形”形状，或换言之可包括低谷或其它此类偏移区域，以允许患者可以部分定位在此区域之内。这可以改善某些解剖区域的入口，以及/或者可以改善图像质量。
相似地，也如图5所示，检测器壳体530可包括在相反方向上取向的类似形状，以允许一个或多个源可以与一个或多个检测器在特定时刻即时地更加近似。
在一些实施方案中，导轨系统可以定位在壳体510和530中的一个或两个壳体内，以便移动源A,B和/或检测器520A,520B。在另选的实施方案中，一个或两个此类壳体可相反地包括以下形状：沿着轴线或平面延伸(或者至少基本上平行于平面而延伸)的形状。换言之，上文所引用的“低谷”可以省略。在一些此类实施方案中，如果需要，壳体510可以是旋转门架的一部分。在一些实施方案中，一个或多个检测器、和一个或多个源中的一者可被构造成移动，而一者可为静止的。例如，在一些实施方案中，源A,B可被构造成在一条或多条预定路径内移动，并且一个或多个静止检测器可用于容纳来自此类一个或多个源的辐射。
图5A和图5B是系统500的结构的示例的局部横截面图，这些结构可用于容纳、包含辐射源和/或辐射检测器，以及/或者除此以外促进辐射源和/或辐射检测器的定位和/或移动。图5A示出了环形壳体510。在一些实施方案中，环形壳体510可以是门架的一部分，该门架被构造成将壳体510定位在患者上方(或，在其它实施方案中，下方)，以促进定位在中央开口(例如，壳体510的中央开口)内的一个或多个解剖结构的成像。尽管在一些实施方案中，壳体510可以至少基本上平行于沿着其全长的平面定位，但其它实施方案可包括低谷或鞍形形状，如图5所示。
图5B是另一结构或组件530的局部横截面图，此结构或组件用于容纳、包含一个或多个辐射检测器，以及/或者除此以外促进一个或多个辐射检测器的定位和/或移动。如此图所示，类似于壳体510，结构530也可包括壳体。然而，壳体530包括矩形截面形状。然而，设想在其它实施方案中，壳体530可包括其它形状，并且如果需要的话，与一个或多个辐射源相关联的一个或多个结构的形状和/或尺寸可以与以下项相似或相同：与一个或多个辐射检测器相关联的一个或多个结构。例如，在一些实施方案中，另选的针对一个或多个辐射源的门架或组件或除此之外，检测器组件530可包括鞍形形状。
如前所述，如果需要，结构530可被构造成容纳移动辐射检测器，诸如，检测器520A和520B。另选地，结构530可被构造成容纳一个或多个静止检测器。
也如图5B中所示，在一些实施方案中，结构530可被构造成使容纳在其中的一个或多个检测器成一定角度，或者以其它方式在某方向上与该结构耦接，以进一步促进成像。例如，在所示实施方案中，结构530被构造成使检测器520A和520B远离彼此而成一定角度。此成角过程也将这些检测器的检测面朝壳体510引导，这允许将其中所含的一个或多个源的辐射朝所关注的介入解剖特征引导，然后朝一个或多个检测器引导。
在一些实施方案中，第一辐射源和第一辐射检测器可以形成第一装置对。系统可具有若干装置对。在一些实施方案中，装置对可被定位与构造成使得第一对中的源与第二对中的检测器定位在患者的相同侧上。源和检测器可沿着相同路径一同行进，或者在患者相同一侧上至少沿着类似路径行进。
每个辐射源可以与相应的辐射检测器配对并与相应的辐射检测器相反地定位，使得每个辐射源以相对应的速率沿着路径移动。例如，源可以基本上相同的速率移动。然而，在其它实施方案中，一个或多个源可以按不同的速率相对于一个或多个检测器移动，如上所述，一个或多个源和一个或多个检测器中的一者可以是静止的。然而，优选地，一个或多个源至少以与一个或多个检测器相同的角速度移动。
图6A和图6B示意性地示出了成像系统的两个另选的实施方案，这些成像系统被构造成通过反向散射成像的方式来提供附加成像。系统600A包括两个辐射源A和B、以及单个平板检测器620A。如图6A所示，患者解剖结构的一部分55可通过以下方式进行重建：来自源A的透射图像622A、以及也来自源A的反向散射图像624A。反向散射图像可用于改善图像重建质量。
在一些实施方案中，检测器(诸如，检测器620A)可包括x射线网格，该x射线网格被构造成仅仅允许x射线可以按一个或多个特定角度经其传输。这可用于过滤透射过程中的散射辐射(反之亦然)。
图6B示出被构造成提供透射成像和反向散射成像两者的成像系统600B的另选的实施方案。然而，系统600B与系统600A的不同之处在于：其包括两个独立的检测器：检测器620B和检测器620B'。检测器620B和620B'彼此向内成角度，以便面朝辐射源A和B以促进成像。在一些实施方案中，如前所讨论，检测器620B和620B'可被构造成与源A和B一起移动。在其它实施方案中，检测器620B和620B'可以是静止的。
在图6B所示的成像时刻，来自源A的区域55的反向散射图像由检测器620B'接收，并且区域55的透射图像由检测器620B接收。然而，应当理解，在系统600B运行期间的其它点处，检测器620B'可以正在接收透射图像，并且检测器620B可以正在接收反向散射图像，这取决于运行期间各个源和/或检测器的定位/移动。也应当理解，可根据需要提供任意数目的辐射源。然而，对于某些包含一个以上辐射源的实施方案，可能需要依次发射的顺序。
图7示出了成像系统700的另一实施方案。成像系统700包括四个辐射源和四个检测器面板。然而，图中仅可见两个辐射源和两个相对应的检测器面板。更具体地，附图示出了辐射源A和B，其可以定位在俯卧的患者50上方。辐射源A和B可被构造成在(在桌子60上的)患者50上方的一条或多条路径中移动，以便提供所关注的解剖区域的一部分55的图像，诸如例如，患者脊柱的一部分的图像。两个其它辐射源(图7中未示出)可类似地被构造成围着相同或不同路径移动，以提高成像速度。
两个检测器面板，即，面板720A和720B，也可以提供在患者50下方。在图7中，检测器面板720A正在接收来自源A的辐射，并且检测器面板720B正在接收来自源B的辐射。面板720A和720B被构造成在一个或多个轨道730上的一条或多条路径中移动。在所示实施方案中，提供了单个轨道。然而，设想了可在其中提供多个轨道的其它实施方案。同样地，尽管图7中未示出，但如果需要，可提供两个附加检测器面板。如此图中所示，各个检测器面板彼此向内成一定角度，使得它们面朝相应的辐射源。
图8示出了成像系统800的又一实施方案。成像系统800类似于成像系统700，不同的是辐射源A和B定位在俯卧的患者50下方，并且检测器面板820A和820B定位在患者50上方。像成像系统700一样，成像系统800包括一个或多个轨道830，这些轨道被构造成在一条或多条所需路径中移动各个检测器面板。
图9示出成像系统900的再一实施方案。成像系统900包括辐射源和检测器两者在其中一起移动的路径。例如，在一些实施方案中，辐射源和检测器可以成对地耦接在一起。例如，第一源A与第一检测器面板920A耦接，并且第二源B与第二检测器面板920B耦接。包括源A和检测器面板920A的第一对可以与第一轨道系统930A耦接，并且包括源B和检测器面板920B的第二对可以与第二轨道系统930B耦接。轨道930A可被构造成在(例如，患者50上方的)某路径(诸如，圆形或其它弯曲路径)中移动源A和检测器面板920A。轨道930B可类似地被构造成在患者50下方的第二路径中移动源B和检测器面板920B。
图9可以是成像系统900的两个另选的实施方案的代表。在第一个此类实施方案中，如所讨论的，一个或多个源可以直接与彼此紧邻的一个或多个检测器耦接。在第二个此类实施方案中，一个或多个源可以与一个或多个检测器间隔开，但处于同一路径中(类似于图4中所示的实施方案)。关于这两个可能实施方案的后面一个实施方案，图9可表示在成像过程期间的两个不同时间点拍摄的两个重叠图像，在此成像过程中，辐射源A和B、以及检测器920A和920B正在移动。
当然，本领域普通技术人员将认识到，多种另选的替代方案是可能的。例如，可使用更大数目的源/检测器对。在一些实施方案中，两个此类对可以提供于第一路径中，并且两个此类对可以提供于与第一路径分开的第二路径中。在某些优选的实施方案中，两条路径可被定位成使得患者、或待成像患者的至少一部分可定位在两条路径之间。在其它实施方案中，四个源/检测器对可提供于第一路径中，并且四个源/检测器对提供于第二路径中。优选地，每个源/检测器对在不同的路径中具有相对应的源检测器对，可以认为该对应的源检测器对以某种方式相“联接”。例如，一个源/检测器对可被定位成面朝第二源/检测器对，使得一个此类对中的源的辐射将通常被相“联接”的源/检测器对中的检测器检测到。如此，相联接的源/检测器对可被构造成按至少基本上相同的角速度移动，并且可移动与成一定角度，以便维持合适的成角，以提供这样的结果。
本文所公开的门架和追踪系统在一些实施方案中可进行组合，使得辐射源和/或检测器可以在旋转的门架中移动，该旋转的门架包括轨道，该轨道被构造成在一条或多条预定路径中移动源和/或检测器。例如，在一些实施方案中，马达驱动型链条可用于使源和/或检测器在一条或多条预定路径(诸如，单个圆形、椭圆形或其它弯曲路径)中移动。
图10示出了成像系统1000的另一实施方案。成像系统1000包括成像组件1005，该成像组件包括门架1010和检测器1020。门架1010包括一个或多个辐射源。在一些实施方案中，门架1010可被构造成使一个或多个此类辐射源在一条或多条预定路径中移动。例如，在一些实施方案中，如上所讨论，可提供轨道系统。如果需要，门架1010还可包括发电机和/或电池。电池可嵌入门架外壳内部，以缩短在系统静止零件与移动零件之间的布线。在图10所示的构型中，外科医生和/或机器人可以从门架1010的“光晕”或甜甜圈孔的中央对患者进行手术和/或操作。
系统1000还包括耦接到门架1010的定位臂1015。定位臂1015包括C形状，该形状可被构造成固定门架1010和/或检测器，诸如，检测器1020，门架和检测器相对于彼此而呈刚性。但是可以是其它形状，前提条件是C形状可允许实现一个或多个辐射源与一个或多个检测器作为单个单元一起旋转，这在从不同角度进入患者的解剖结构，以及/或者从不同角度抓拍图像方面可能是有用的。然而，设想了其它实施方案，其中门架和/或辐射源可独立于一个或多个检测器而进行定位/移动(在成像周期之间)。
在所示的实施方案中，检测器1020包括弯曲检测器。因此，此检测器也可用作床或静止托盘，使得患者可以例如躺下或以其它方式将所关注的解剖区域放置在检测器面板上。然而，在另选的实施方案中，一个或多个辐射检测器可定位在此类床/托盘/面板下方。
在一些实施方案中，检测器1020可包括数字平板检测器，该数字平板检测器被构造成将一个或多个辐射源递送的圆锥x射线投影中的x射线或其它电磁辐射吸收图像抓拍与数字化。如果需要，一个或多个检测器和/或检测器组件可另选地是平坦的或“v”形。
系统1000还包括一对结构性提升器1045，该结构性提升器可被构造成允许将成像组件1005上下移动以适应不同的桌子高度、患者尺寸等。
可以提供基座1050以例如来包括电源、平衡物、电子器件等。也可以提供转轮1052以允许成像组件1005的四处移动。
在一些实施方案中，基座1050可被构造成与相对应的工作站的凹槽相配合并存储于其内，该工作站包括例如计算机和/或监视器。例如，在所示实施方案中，提供的工作站1060包括凹槽1062，该凹槽用于容纳至少一部分基座1050。工作站1060包括监视器1064和计算机1066，其可用于可视化和图像重建。
图11示出了处于旋转构型中的成像系统1000的成像组件1005。因此，成像组件1005的一个或多个部分可被构造成允许旋转，以适应患者成像或以其它方式使成像过程更便捷。如由箭头1002所示，在一些实施方案中，这可以通过如下方式来实现：将定位臂1015插入成像组件1005中相对应的弯曲外壳1017中，该定位臂可以耦接到门架1010和检测器1020中的一者或两者。检测器1020可类似地被构造成沿着由外壳1017限定的轨道移动。如果需要，可以将一个或多个元件1045与一个或多个外壳1017耦接。
优选地，门架1010和检测器1020可作为一个单元一起移动，使得一个或多个辐射源和检测器的相对位置得以保持。然而，设想了另选的实施方案，其中门架1010或容纳或以其它方式包含一个或多个辐射源的另一结构外壳可以独立于一个或多个相对应的辐射检测器在成像会话之间定位/移动。
在上述实施方案的一个或多个中，辐射源可被构造成围绕圆形或另外的弯曲路径的中心点旋转或以其它方式移动，并沿着路径移动。在被构造成围绕此类路径振荡的实施方案中，每个源可被构造成沿着路径从初始或第一位置移动，然后在第二位置处反向以回到第一位置。随着一个或多个源的移动，其可被构造成在沿着路径的至少两个位置处发出辐射。此外，如果需要的话，每个源可以沿着独立的开放式弯曲路径移动。源的开放式弯曲路径可共同形成圆形、椭圆形或其它形状。圆形、椭圆形或其它形状可以是平面形状，或者部分位于或完全位于单个平面之外。
例如，在一些实施方案中，成像系统中可包括四个辐射源，并且四个源中的每一个均可被构造成沿着开放式弯曲路径移动，每条路径的弧度为约90度，使得四个源总共具有360度的覆盖范围(无论集体路径是圆形、椭圆形、或其它形状)。
图12、图13和图14分别示出了可由本文所讨论的一个或多个成像系统和/或设备执行的成像方法1200、1300和1400的具体实施。
在本文所公开的任何方法中，“投影”可包括一系列吸收投影图像，每张图像与必要的几何参数相关联，这些参数描述了在成像体积与相关联投影之间的几何关系。
此方法论的示例在以下文件所述：Cone-Beam Reprojection Using Projection-Matrices(使用投影矩阵进行锥束重投影)，发表于IEEE TRANSACTIONS ON MEDICALIMAGING,VOL.22,NO.10,OCTOBER 2003(《IEEE医学成像汇刊》，第22卷，第10期，2003年10月)。此论文全文以引用方式并入本文。
在这些示例性方法中，输出的3D体积可以是与成像体积的体积密度相关的体积图示。输出的3D体积可通过不同的与用户相关的方式可视化。典型的可视化方法是示出沿着某轴线的输出3D体积的一系列切片，例如，以提供类似于计算机断层摄影(CT)中的冠状切片、矢状切片或轴向切片。
在方法1200中，可以从成像系统(例如，本文所讨论的成像系统和/或设备)获得一定数目的投影1201。在步骤1202中，可通过成像体积的投影来重建3D体积1203。例如，可使用迭代算法，如代数重建技术(也称为ART，参考文献2)。此类技术的示例可见于用于三维电子显微镜和x射线摄影的代数重建技术(ART)，发表于以下论文中：Journal ofTheoretical Biology 29(3):471–81(December 1970)(《理论生物学期刊》，第3期：第471-481页，1970年十二月)。此论文全文也据此以引用方式并入本文。
迭代重建的质量与速度取决于成像体积的稀疏或密度特性。在方法1200中，所获取的投影可以由密实性表征。为了得到具有有意义的临床信息的3D体积，可能需要大量数目的投影和/或迭代计算，导致增加系统时延。图13中所示的方法1300介绍了基于稀疏投影来实现快速重建(以及由此可视化)的解决方案。已经有人提出利用数据的稀疏性的类似方法，诸如，通过发散光束ct的多视角与有限角度数据进行精确图像重建，发表于以下文献中，其全文以引用方式并入本文：J X-Ray Sci.Technology,14:119–139(2006)(《X射线科学技术期刊》，第14卷：第119-139页，2006年)。
在方法1300的步骤1301中，可获得一定数目的参考投影。
在步骤1302中，一定数目的更新的投影可通过使用成像系统来获得，例如，本文所讨论的成像系统和/或设备中的一者。
在步骤1303中，可以从参考投影和更新的投影中获得稀疏投影集。这可使用在参考投影与更新的投影之间的简单的减影来实现。创建稀疏投影可称为前景提取。
在一些具体实施中，参考投影可以从本文讨论的物理系统和/或设备获得(或来源于本文讨论的物理系统和/或设备)，或者通过例如数学投影由参考3D体积1305而得到。
步骤1304可包括重建所提取的前景的3D体积，并且在某些具体实施中可以与方法1200的步骤1202类似的方式操作。由于所提取的前景投影的稀疏性，重建算法需要较小数目的投影和/或迭代计算，从而缩短时延。
在步骤1306处，所提取的前景的3D体积可以与参考3D体积1305再组合，以生成更新的可视化3D体积1307。
1305中的参考3D体积表示与1301中的投影相关联的成像体积。参考3D体积可如下获得：例如，使用术前CT扫描、另一先验图像、或初始较高分辨率断层融合重建的重建。
在一些具体实施中，运动估计与校正可用于使参考3D体积与参考投影最匹配，以及/或者确保前景提取的稀疏度。例如，方法1400可用于更新参考3D体积。
方法1400可用于生成更新的3D体积以进行可视化，或者用作在方法1300中提供更好的参考3D体积的方式。
在方法1400的步骤1401中，可获得某个参考3D体积。此参考3D体积可如下获得：例如，使用术前CT扫描、另一先验图像、或初始较高分辨率断层融合重建的重建。
在步骤1402中，一定数目的更新的投影可使用成像系统获得，例如，本文所讨论的成像系统和/或设备中任一者。
在步骤1403中，可使用例如迭代梯度下降算法来估计与校正运动，导致更新的3D体积1404。运动校正可例如基于6度自由度来建模，以描述平移和旋转的变化。
方法1200、1300和1400可依赖于获得一定数目的投影。如此，某些具体实施中的系统时延可取决于投影获取时长、以及执行重建方法并获得3D体积的时长。
因此，所示方法1200、1300和1400中的每个均可依次使用，以提供3D体积序列，从而允许用户可以观察到成像体积的变化。
所示方法1200、1300和1400中的每个也可用于并行计算管道，以更快地提供3D体积序列。每次重建可以基于一定数目的投影(例如，90张)，其中每次重新执行该方法开始于从系统获得了更少数目的投影之后(例如，12张，小于90张)。在此情况下，可以并行运行方法的实例，并且可缩短时延。
所示方法1200、1300和1400中的每个可以围绕迭代算法(迭代重建算法1202或1304、或迭代运动估计1403)来实现。因此，可在新输入变得可行时，通过更新迭代算法的输入来连续使用每种方法。
在一些具体实施中，所示方法1200、1300和1400中的一个或多个可以实现为计算机程序，并且在高度并行化架构上实现，例如，在通用图形处理单元(GPGPU)上实现。
一种实现方法1200、1300和1400中任一项的计算机程序可以使用任选的多分辨率技术来快速更新体积并稍后优化图像(开始于较小数目的更新的图像、较低的投影图像分辨率、较小数目的体素，然后用更多图像、更高分辨率的投影图像、和更大数目的重构体素进行优化)。
本文所公开的一个或多个系统可具有采用双/多能量方案的独特潜力，因为可以将辐射源设置在不同的能量级别(kV、或eV)。例如，可使用多个辐射源，这些辐射源具有彼此大致相同或不同的可变或稳定的能量级别。
一些实施方案也可(或另选地)具有采用数字减影方案的独特潜力，因为辐射源可快速地彼此重叠，并且可以减去在一个或多个辐射源和/或门架旋转时，从相同位置但是在不同时间拍摄的投影图像。可将减影投影图像提供给用于获得减影3D数据集的3D算法。减去图像投影可改善重建的质量，因为算法尝试重建更稀疏的体积。
在一些实施方案和具体实施中，减影可以是针对在不同能量级别(kV或eV)所拍摄的投影图像。
在一些实施方案中，改善外科医生和介入人员的入口可以与以下内容互换：改善执行介入过程的机器人的入口，或者简化与其它装置的集成(例如，与目标肿瘤的放射治疗系统的集成)。
如上所述，一个或多个源和/或一个或多个检测器的一条或多条路径可用于：定位在对象第一半球上的一个或多个源和/或一个或多个检测器。此外，在对象第二半球中的一个或多个源和/或一个或多个检测器相对于对象移动的实施方案中，第二半球中的那些源和/或检测器也可以沿着本文所讨论的各条路径中的任一路径移动。另外地，根据需要，第一半球中的第一路径的形状可以与第二半球中的第二路径相同或不同，相对于第二路径以相似或不相似的方式平移、旋转、呈镜像或以其它方式定位。
本文公开了以下附加概念，其可用于执行方法的各种具体实施，以及/或者创建系统的多个实施方案，用于体现和/或实现本发明以下概念中的一项或多项：
辅助3D重建：可使用从光学相机(3D光学图像重建系统)获得的成像对象的3D模型，来辅助由3D x射线图像重建系统重建成像对象。例如，当x射线成像系统包括x射线CT系统、锥束CT系统、或断层融合系统时，诸如，以下专利申请中公开的系统：美国专利申请序列号14/198,390，标题为“IMAGING SYSTEMS AND RELATED APPARATUS AND METHODS”(成像系统以及相关设备和方法)，该专利申请全文以引用方式并入本文。
图15在1500中示出了系统的示例，该系统用于通过使用x射线断层融合和光学重建两者进行成像重建。成像系统1500包括x射线断层融合图像重建系统，该重建系统包括门架1510和检测器1520。门架1510包括一个或多个(优选地，多个)x射线辐射源(图15中未示出)。门架1510可被构造成在一条或多条预定路径中移动一个或多个此类辐射源。例如，在一些实施方案中，如前所述，可提供追踪系统。
也如前所述，成像系统1500包括定位在门架1510相反一侧上的检测器1520，使得患者50的至少一部分可定位在门架1510与检测器1520之间。门架1510被构造成将多个x射线辐射源包围在门架的封闭部分内。门架1510还被构造成以便避免在使用成像系统1500成像过程期间具有任何暴露的移动零件，并且被构造成包围多个x射线辐射源，而不完全包围患者50或患者50的任何部分，以便允许在成像过程期间触及患者50。当然，在另选的实施方案和具体实施中，患者50可以用另一个三维对象替换。
另外，不同于结合先前附图所述的实施方案，系统1500还包括三维光学成像系统，该系统被构造成通过生成表面三维图像数据，重建目标对象的(诸如，患者50)至少一部分表面的图像。三维光学成像系统优选地配准到x射线断层融合图像重建系统，使得两个系统的数据可用于改善图像重建。三维光学成像系统包括一个或多个光学相机，这些相机被构造成生成三维对象表面的距离/深度数据，诸如，RGB-D相机1550。所示实施方案包括四个此类光学深度检测相机1550，其中两个相机耦接到检测器1520，并且其中两个耦接到门架1510。然而，受益于本公开之后，本领域普通技术人员将认识到，可提供另选的类型的光学相机、另选的数目的光学相机、以及光学相机的另选的放置。
相机1550可被构造成重建患者50表面的轮廓、或患者50表面的至少一部分，并且可用于生成一个或多个密度约束分布图，以改善患者50或另一三维对象的目标区域的三维图像的重建。在优选的实施方案中，三维光学成像系统配准到x射线断层融合图像重建系统。例如，轮廓或患者表面可参考与断层摄影重建相同的参考帧。
在一些实施方案和具体实施中，多个独立的对象可使用三维光学成像系统来成像。因此，例如，外科工具20和/或植入物、或工具/植入物的组合可使用三维光学成像系统进行表面/深度成像。在图15的示例中，相机1550牢牢地附接到系统1500，因此可通过校准步骤将其配准到x射线断层融合图像重建系统。配准可以描述或分解为：每个相机的平移3D向量和三个旋转方向。在一些实施方案和具体实施中，多个相机可共同提供患者轮廓、工具轮廓、和/或植入物轮廓、或其部分。然而，设想了另选的实施方案和具体实施，其中一个或多个相机无需牢牢地附接到系统的部件，如下所解释。
也如图15中所示，系统1500还可包括监视器或另一合适的显示器1564，在一些实施方案和具体实施中用于实时或近实时重新生成重建图像。
一个或多个此类系统(诸如，系统1500)可执行体积质量和/或线性衰减重建。如果此类系统使用迭代重建算法或等效算法，该算法可受到从一个或多个光学相机获得的3D模型的约束。此类约束可以像描述对象表面那样简单。
也可使用其它较为复杂的密度约束。对象之外可利用低密度(通常为空气)来建模，并且此体积密度约束可改善重建，例如，通过减少原本与不完整/不太完整的重建数据相关的伪影。不完整的数据可以是用于重建的有限角度数据、或所关注的重建区域的有限视角。此外，对象的内部可建模为连续函数，该函数将对象之外的密度与求解模型(例如，迭代重建算法中的3D模型)的质量和/或线性衰减绑定。
追踪系统I辅助4D重建：本发明的一些实施方案可以允许导致一个或多个成像对象的运动，以改善其(它们的)体积质量和/或线性衰减重建(例如，基于x射线的重建)。4D场景重建方法可依赖不时更新的演进模型。初始重建和更新后重建可以当做典型情况来区分，但一般来讲，这可以想到。位置可发生变化，并且从初始重建到最后重建的任何时间(包括其间的任何时间)，通过追踪系统可以捕捉到位置变化。这些变化可以包括患者/桌子运动、门架位移、和/或外科工具，这些外科工具是质量衰减重建的对象，其至少部分处于视野内，被独立或联合重建与追踪。在此情景下，追踪系统可以是例如光学追踪系统(诸如，外科导航追踪系统)、光学3D重建系统、或电磁追踪系统等。
一些系统可以实施以下算法：使用x射线成像来观察运动且基于此类所观察到的运动来推进4D质量衰减重建。此类观察结果在与通过其它追踪系统所观察到的运动相替换(或组合，见下一节)的情况下，可得到进一步改善。因此，本发明的一些实施方案和/或具体实施可涉及：导致可以通过追踪(例如，通过视频监控场景)的方式在质量衰减重建系统外部捕捉到的运动。可以将所提取的运动参数传输至质量衰减重建引擎。
因此，图16在1600中示出了成像系统的另一示例。系统1600，如系统1500，系统1600包括x射线断层摄影系统，该x射线断层摄影系统包括定位在门架1610相反一侧上的检测器1620，使得患者50的至少一部分可定位在门架1610与检测器1620之间。门架1610再次被构造成将多个x-射线辐射源包围在门架的封闭部分内。门架1610还被构造成以便避免在使用成像系统1600成像过程期间具有任何暴露的移动零件，并且被构造成包围多个x射线辐射源，而不完全包围患者50或患者50的任何部分，以便允许在成像过程期间触及患者50。
另外，系统1600还包括三维运动追踪系统1650，该追踪系统包括一个或多个追踪相机1655，诸如，红外追踪相机、以及一个或多个标记，诸如，基准点。在所示实施方案中，三维运动追踪系统1650包括两个红外追踪相机1655A和1655B，这两个相机安装在可移动支架或组件上。另外，三个标记用于追踪反射红外光的基准标记，即，定位在x射线断层摄影系统(诸如检测器1620)的一部分上的第一标记1651、定位在外科工具20上的第二标记1652以及定位在患者50的所需部分(诸如，患者50的关注区域内)上的第三标记1653。
三维运动追踪系统1650被构造成提供运动信息，诸如，相对于追踪相机1655A和/或1655B或相关支架/组件的固定部分的绝对运动、以及/或者相对于在每个追踪对象之间的运动。此类运动信息可用于改善4D重建，特别是在重建是包括运动的基于模型的重建的情况下。
在一些实施方案中，组合系统1600还可被构造成提供信息，以识别处于关注区域中(以及因此期望放射密度)和/或工具20所处位置(以及因此重建图像的特定区域期望放射密度)处的特定外科工具20。在一些实施方案和具体实施中，通过将此信息添加为迭代重建算法的约束，可以用此类信息来改善重建。如前所述，追踪器/相机被示出为安装在图16的实施方案中的可移动支杆，因此没有牢牢地附接到x射线断层摄影系统。因此，可以在x射线断层摄影系统、三维运动追踪系统1650、以及一个或多个外科工具20之间执行配准。由于在一个或多个相机相反地固定到x射线断层摄影系统的情况下，该过程将更简单(与恒定)，因此设想了另选的实施方案，其中三维运动追踪系统1650可能无法相对于x射线断层摄影系统移动。
如图16所示，系统1600还可包括监视器或另一合适的显示器1664，用于在一些实施方案和具体实施中实时或近实时重新生成重建图像。
成像系统1700的又一示例在图17中示出。如该图像中所示，系统1700再次包括x射线断层摄影系统，该x射线断层摄影系统包括定位在门架1710相反一侧上的检测器1720，使得患者50的至少一部分可定位在门架1710与检测器1720之间。门架1710再次被构造成将一个或多个(优选地，多个)x射线辐射源包围在门架1710的封闭部分内。门架1710还被构造成以便避免在使用成像系统1700成像过程期间具有任何暴露的移动零件，并且被构造成包围多个x射线辐射源，而不完全包围患者50或患者50的任何部分，以便允许在成像过程期间触及患者50。
系统1700还包括三维光学成像系统，该三维光学成像系统被构造成通过生成表面三维图像数据，重建目标对象(诸如，患者50)的至少一部分表面的图像。三维光学成像系统优选地配准到x射线断层融合图像重建系统，使得两个系统的数据可用于改善图像重建。三维光学成像系统包括一个或多个光学相机，这些相机被构造成生成三维对象表面的距离/深度数据，诸如，RGB-D相机1750。所示实施方案包括两个此类光学相机1750，其中一个相机耦接到检测器1720，并且另一相机耦接到门架1710。在所示的实施方案中，相机1750使用安装柱1752安装到x射线断层摄影系统的其相应部件。然而，同样地，可根据需要提供另选的类型的光学相机、另选的数目的光学相机和光学相机的另选的放置。
相机1750可被构造成重建患者50表面的轮廓、或患者50表面的至少一部分，并且可用于生成一个或多个密度约束分布图，以改善患者50或另一三维对象的目标区域的三维图像的重建。在优选的实施方案中，三维光学成像系统配准到x射线断层融合图像重建系统。例如，轮廓或患者表面可参考与断层摄影重建相同的参考帧。可以将两个系统的此信息组合，以改善图像分辨率。
更具体地讲，如图17中所包括的曲线图中的密度分布所示(为了简单起见，密度分布在一个维度中示出)，使用密度约束允许重建算法，以找到更接近患者50的关注区域55的实际密度的解。因此，通过使用三-维光学成像系统将密度约束应用到患者50的表面，如图17中的线DC所示，使用此密度约束(线R1处所示)的重建密度可使用密度约束得以改善(如线R2处所示)，这更接近患者50和关注区域55的实际密度分布(线AD处所示)。
因此，具有RGB-D相机1750或其它合适的光学成像系统的元件提供患者50的轮廓，该轮廓可用于约束迭代重建算法的解，可提供更高的分辨率。换言之，密度更接近地匹配实际密度。图18A和图18B分别示出了在没有使用以及使用此密度约束方法的情况下，所关注的特定解剖区域的重建、以及延伸到关注区域之外的重建。在受约束重建(图18B)的情况下，在迭代重建方案中，患者表面之外的密度被约束为零。断层融合重建的质量得以改善，并且通过比较这些图像，截断伪影显著减少。
图19示出了成像系统1900的再一示例。成像系统1900同样地包括x射线断层融合图像重建系统，该重建系统包括门架1910和检测器1920。如前所述，门架1910包括一个或多个(在一些实施方案中，多个)x射线辐射源，并且可被构造成使一个或多个此类辐射源在一条或多条预定路径中移动，诸如，例如沿着与门架1910外围相邻的圆形路径移动。
也如前所述，成像系统1900也包括三维光学成像系统，该三维光学成像系统被构造成通过生成表面三维图像数据，重建目标对象(诸如，患者50)的至少一部分表面的图像。三维光学成像系统优选地配准到x射线断层融合图像重建系统，使得两个系统的数据可用于改善图像重建。成像系统1900的三维光学成像系统包括一个或多个光学相机1950，诸如RGB-D相机，其被构造成生成三维对象(诸如，患者50的关注区域55)表面的距离/深度数据。
所示实施方案包括单个此类光学相机1950。然而，如前所述，可使用其它数目和/或类型的相机。如图19所示，从物理上讲，可以将相机1950从x射线断层融合图像重建系统上拆卸下来。因此，例如，相机1950可以安装到系统的支架、桌子或其它外部部件。
相机1950可用于观察和/或追踪各种物体，诸如，外科工具20和/或患者50。因为相机1950优选地与通过x射线断层融合图像重建系统正在重建的三维图像配准，可以生成外科工具20当前的轨迹1966，并且在一些实施方案和具体实施中，在所关注的重建区域55中，该轨迹可以与所关注的重建区域55中的一个或多个元件/特征结构一起在显示器1964上重新生成。在一些此类实施方案和具体实施中，系统1900可被构造成在工具20进入关注区域55之前，基于其追踪到的患者50之外的移动，生成和/或显示轨迹1966。这对于术前规划可能是有用的。例如，此特征允许外科医生/技术人员可以选择所需的皮肤入口点并“导航”至目标点，从而允许外科医生可以在工具插入期间进行调节。
在一些此类实施方案和具体实施中，系统1900可被构造成生成和/或显示其它元件，这些元件用以在手术期间协助外科医生/技术人员。例如，也如图19所示，用户可以允许输入目标1967，并且此目标可以与重建图像一起显示在显示器/监视器1964上。通过比较目标1967和工具20当前的轨迹1966，系统1900可被构造成允许外科医生/技术人员或其他用户可以选择外科器械相对于关注区域的优选的轨迹，以及/或者动态地计算在优选的轨迹与当前轨迹1966之间的方差度量。这可允许例如系统1900可以创建和/或显示相对于目标1967的矫正轨迹1968，以便用户可以在外科手术期间实时或近实时调整工具20的移动。
在一些实施方案和具体实施中，系统1900可被构造成使得除了图19中示出了轨迹1966和优选的轨迹1968两者的图像以外或作为该图像的另选的替代方案，显示器1934还显示其它信息，诸如与方差度量相对应的数字。在一些实施方案和具体实施中，系统1900可被构造成使得用户可以在目标对象的关注区域内选择目标，诸如，目标1967，并且系统1900也可显示在工具20与目标1967之间的当前距离。
在一些实施方案和具体实施中，系统1900可被构造成响应于工具20的移动，动态地调整关注区域55。例如，在一些此类实施方案和具体实施中，系统1900可被构造成动态地限定关注区域55，以便包含与工具20的远侧末端的相邻点，诸如，当关注区域55由工具20的远侧末端的移动限定时，动态地修改显示器1964。
图20示出了成像系统2000的再一示例的示意图。如此图所示，3D光学系统2050，其可包括红外追踪系统(或在其它实施方案中，为其它合适的追踪系统)，可以与一个或多个x射线系统2020组合以提供4D重建。在一些实施方案和具体实施中，4D重建可包括基于模型的重建。在所示实施方案中，示出了两个x射线系统2020A和2020B，但本领域普通技术人员将认识到，可使用相同的光学系统来执行系统2020A和2020B的步骤。
如图20所示，当成像对象在2052处处于初始位置和取向(PnO)PnO_0时，t＝t0时，光学追踪系统2050可提供第一3D表面重建。然后当成像对象在2054处处于与PnO_0不同的位置和取向(PnO)PnO_1时，t＝t1时，光学追踪系统2050可提供第二3D表面重建。
然后可以在2056处估计PnO_0与PnO_1之间的运动。例如，在一些实施方案和具体实施中，3D表面的运动可假定为刚性的，或至少基本上为刚性的，并且可识别出使在两个表面之间的差异最小化的运动(即，PNO_1-0)。这可表示解释3D表面运动的平移和一系列旋转。然而，在利用追踪系统的实施方案和具体实施中，可能不需要从表面推断是否发生运动。相反，系统可直接通过例如反射基准标记来提供运动，诸如，系统1600中的标记1651-1653。
如步骤2022处所示，优选地在t＝t0时或至少基本上在该时间点时，一个或多个x射线系统(诸如，x射线系统2020A)也可提供成像对象(或至少一部分成像对象)的x射线投影。优选地，x射线系统2020A用于通过断层摄影重建来重建对象的3D图像。在甚至更优选的实施方案和具体实施中，x射线系统2020A可提供至少一部分成像对象的断层融合重建。3D图像可以表示对象在t0时处于PnO_0。
然后在2058处，可以通过光学系统2050和x射线系统2020A两者对重建应用运动校准。例如，在一些实施方案和具体实施中，通过最小化与实际测量的投影之间的差异，可基于3D图像的一个或多个投影来使用3D到2D图像配准算法。
3D图像可通过应用从光学系统2050的平移和/或旋转(“实际移动”)使用运动估计PnO_1-0得以更新。该图像可以表示对象在t＝t0时处于位置PnO_1。
然后X射线系统2020B(或x射线系统2020A)可提供成像对象(或一部分成像对象)在时间t1或至少基本上等于该时间的时间(同时对象处于PnO_1)的投影。t＝t1之时或至少基本上在该时间处的投影，连同实际上移动的3D图像，可以如上所论在步骤2060中用于基于模型的重建，以在2070处提供对象在t＝t1且处于PnO_1之时的3D图像。
在一些实施方案和具体实施中，新占用的投影可用于对在所观察到的投影与实际移动对象的投影之间的差异进行建模。例如，如果在t1与t0之间时添加了外科工具，系统2000可采用得自实际移动模型(如上所述)的实际投影通过减去最新采集的投影来重建外科工具。
运动补偿区域中的各种实施方案和/或具体实施的其它方面可涉及：组合、或共混(例如，通过平均或做其它考虑)、或将检测到的运动用作使用优化引擎的前提，该优化引擎试图观察此类运动以供稍后用于4D质量衰减重建。在使用3D光学重建系统(诸如，系统2000)的实施方案中，可基于患者表面位移来估计运动。
如前所述，基于模型的或基于分层的4D重建可以利用追踪系统，诸如，一些实施方案中的3D追踪系统。质量密度4D重建系统可通过如下方式为场景建模：假设成像对象是域的组成，例如，对象或层，其本身可以单独建模和/或重建，并且然后可重新组合到全局4D重建场景中。每个域模型或重建可通过一种或多种上述机制而获益。当追踪系统能单独追踪域时，一个此类技术机制可以是通过追踪系统来识别域投影矩阵。例如，光学追踪系统可通过具有各个光学参考来追踪多个外科工具和患者，并且光学3D重建系统可通过分割与建模来追踪多个对象，分割与建模基于刚性对象/颜色和运动。
此类系统的更具体的示例在图21的2100处示出。系统2100可包括：一个或多个x射线系统，诸如，x射线断层融合图像重建系统；以及一个或多个追踪系统，诸如，3D追踪系统。尽管图21中示出了两个x射线系统2120A和2120B、以及两个追踪系统2150A和2150B，但应当理解，也可使用单个x射线系统和单个追踪系统。
在一些实施方案和具体实施中，系统2100可被构造成通过组合两种系统的运动估计来使用一个或多个x射线系统2120A/2120B和一个或多个追踪系统2150A/2150B两者的运动估计。
一个或多个x射线系统2120A/2120B可以提供成像对象在t＝t0时或在至少基本上在该时间时(处于PnO_0)的投影。然后可以将投影用于通过断层摄影来重建对象，并提供对象的3D图像(t＝t0，PnO_0)，如步骤2122处所示。
一个或多个追踪系统2150A/2150B可用于观察成像对象在t＝t0时(处于PnO_0)的位置。
在基本上t＝t1时，对象的来自一个或多个x射线系统2120A/2120B的更新的x射线投影可用于推断对象在t0与t1之间的运动，例如，通过找到使在第一图像的新投影与实际投影之间的差异最小化的运动来推断对象的运动。此第一运动估计在步骤2152A中示出。
一个或多个追踪系统2150A/2150B可用于观察对象在t＝t1时的位置，并推断对象在t0与t1之间的运动，并且在步骤2152B处提供第二运动估计。
然后，可组合使用步骤2152A和2152B中的第一运动估计和第二运动估计，以在2152C处获得更精确的第三运动估计。在一些实施方案和具体实施中，这可以使用加权平均来执行。另选地，第二运动估计可用作第一运动估计的种子，其可加速第一运动估计。
t＝t1时的投影，连同初始3D图像和运动估计，可用于提供t＝t1时，对象处于PnO_1的3D重建2160。例如，初始3D图像实际上可首先根据估计运动来移动，并且连同新获取的投影一起可用于基于模型的重建，如前所述。此图像比初始重建2122更精确，因为新获取的投影可用于为在所观察到的投影与实际移动对象的投影之间的差异建模。例如，如果在t1与t0之间时添加了外科工具，系统可被构造成采用得自实际移动模型(如上所述)的实际投影通过减去最新采集的投影来重建外科工具。
如前所述，在一些实施方案和具体实施中，外科工具、植入物、和/或其它可移动对象相对于关注区域的轨迹在质量密度重建中可见。例如，当器械/植入物仍在x射线重建体积(例如，患者身体)之外时，可以将质量密度3D重建与3D光学图像重建系统配准，以允许执行术中规划。
在其最简单的形式中，这可通过使仍然处于身体之外、进入身体、和/或在身体内的器械/植入物的延伸轨迹可视化并且导致其轨迹和/或进入点来实现。这可允许涉及减少x射线剂量，因为无需用镜头对仪器进行观察，而是通过光学系统使其可视化。
作为此技术的可能用途的另一示例，在一些实施方案和具体实施中，工具/植入物的主轴线可外推成x射线量，并且可限定相对于解剖器官、以及先前嵌入的(如果有的话)外科硬件的目标方向。作为另一示例，如果已经选好了目标点(例如，来自系统1900的目标1967)，则可以为执业医师/用户提供在末端实际位置与末端计划位置之间的距离的估计，该距离沿着工具轴线测得。
在一些实施方案和具体实施中，从追踪系统(诸如，3D光学图像重建系统)采集的一张或多张图像可用于智能用户界面中，用来区分所关注的实际工具/植入物与可用于图像中的任何其它器械/对象。例如，通过识别外科医生手中的工具/植入物，可基于对质量衰减重建的分析，更准确地对质量衰减体积重建重新切片。例如，单一值分解可用于识别可移动对象相对于关注区域的较长工具轴线或其它合适的轴线。
器械/工具/植入物位置及其从追踪系统的延伸轨迹的信息也可用于限定质量衰减重建系统的局部关注区域。这可允许系统能够重建围绕器械为中心的体积，并且因此可能较小，具有较高分辨率，以及/或者排除外来对象。这可以缩短重建时间，并且可以改善重建分辨率。此方法的一些具体实施的另一好处在于：其可通过排除其它对象而使重建更稳固。这在重建特定数据层(诸如，重建算法中的仪器或植入物层)时尤为突出。所关注的局部区域也可具有不同的尺寸。例如，可以得到与器械/工具/植入物几何结构相联接的2D切片，其可进一步加速重建，因为2D重建在数量级上快于3D重建。
作为器械/工具重建改善的另一示例，来自追踪系统的数据可用于通过如下方式来约束3D x射线图像系统的重建：提供有关重建对象的附加信息，诸如，几何信息(直径、长度等)、材料组成(例如，将颜色和反射性或不透明度与例如不同的器械/植入物密度相关联)、和/或其它信息。此类信息可用于约束x射线系统的器械/植入物重建。事实上，申请人生成的初步数据表明，密度约束可极大地改善重建。器械/植入物可通过如下方式来完成自动视觉识别：将某些属性(例如，来自指定制造商的指定外科工具包的颜色和/或尺寸)确定到有限可能性空间，诸如，正在使用的特定外科工具箱内的可能值。在此类信息是几何信息的情况下，这可添加关于器械/植入物的正确宽度、长度或其它参数的附加尺寸信息。另选地或另外地，这可允许实现重建针对器械/植入物重建层使用特定密度重建约束，从而改善图像质量。这些约束可以是统计方面的约束，也可以是硬性约束。
在组合的3D x射线图像重建系统和3D光学图像重建系统的另一示例中，组合系统可以允许3D追踪系统和质量衰减3D重建系统两者一起用通用框架(或可还原成通用框架)进行重建，该通用框架可以是基于已知的联合校准步骤的先验条件。这种通用框架可用于以简单的方式实现所有上述步骤(例如，辅助重建，考虑运动，和/或引导外科手术等)，而不需要独立的配准步骤，该配准步骤可能原本是在术中或实时进行的(这在外科病例中可能例如影响外科工作流)。在一些具体实施中，联合校准步骤可通过如下方式最精准地实现：使用常见的x射线几何校准夹具(例如，螺旋x射线校准体模、或一些断层融合系统所用的“锥体”校准体模)，其中相同的标记可见于x射线系统和光学系统两者(例如，在塑胶玻璃结构上的bbs)。另选地，在夹具的固定和已知相对位置处，夹具可具有独立的标记。
组合的x射线成像与追踪系统的又一更具体的示例在图22的2200处示出。系统2200包括：x射线系统2220和追踪系统2250，该x射线系统可包括x射线断层融合图像重建系统，该追踪系统可包括3D追踪系统。如前所述，该组合的x射线与追踪系统2200可用于组合系统2220和2250的数据，以更精准地对至少一部分对象执行3D重建。例如，在一些实施方案和具体实施中，系统2200可使用追踪系统2250，以基于所追踪的特定工具或植入物、和/或工具/植入物的位置，生成密度约束，如2252所示，该密度约束配准到图像空间。
在一些实施方案和具体实施中，约束可被应用为对迭代重建算法方案中的中间解的修改。例如，所设想的工具密度可以朝先验已知的工具密度偏斜，或者作为另一示例，如果没有使用工具，可以迫使密度偏向更小的密度(人体组织范围内与不锈钢范围内(例如，如果工具是不锈钢))。
在一些实施方案和具体实施中，追踪系统2250可提供工具/植入物识别(以及因此工具/植入物密度的先验条件)，并且工具/植入物PnO可以配准到x射线成像系统2220。然后，可以将工具/植入物识别和PnO用于在2252处构建密度约束(例如，传输函数，该传输函数迫使密度更接近工具所处区域中的工具，以及/或者迫使没有工具的区域中的密度更低)。x射线系统2220也可提供至少两个成像对象的投影(例如，外科工具和患者解剖结构的一部分)。
可以在2260处执行迭代重建以生成3D图像。在一些实施方案和具体实施中，利用已识别的约束和/或投影且具有约束的算法，诸如，具有正则化、罚则、或其它约束的迭代重建算法可用于提供组合对象的图像。
本领域技术人员应当理解，在不违背本文所示的基本原则的情况下，可以对上述实施方案的细节作出修改。例如，设想了各种实施方案及其特征的任何合适的组合。
在本文所公开的包括一个或多个用于执行所述方法的步骤或动作的任何方法中，方法步骤和/或动作可彼此互换。换言之，除非为了实施方案的正常运行而要求步骤或动作具有特定顺序，否则可修改特定步骤和/或动作的顺序和/或用途。
在整个说明书中，任何提及“一个实施方案(one embodiment)”、“实施方案(anembodiment)”或“该实施方案(the embodiment)”指的是：至少一个实施方案中包括结合该实施方案所述的特定特征、结构、或特性。因此，如本说明书全文所列，所引用的短语、或其变体并非都是指同一实施方案。
类似地，应当认识到，在实施方案的上述描述中，为了简化本公开内容，各种特征有时一起编入单个实施方案、附图、或其说明中。然而，本公开的此方法不应理解为反映了本发明的以下意图：任何权利要求需要比在该权利要求中明确列举的那些要求更多的特征。相反，本发明的方面涉及少于任一单个前述公开实施方案的所有特征的组合。
本领域技术人员将认识到，在不违背本发明基本原则的情况下，可以对上述实施方案的细节进行许多修改。因此，本发明的范围应当只能由以下权利要求来决定。

Claims (15)

1.一种成像系统，包括：
x射线断层融合图像重建系统，所述x射线断层融合图像重建系统被构造成生成在目标对象的表面下方的所述目标对象至少一个内部部分的三维图像数据；
三维光学成像系统，所述三维光学成像系统被构造成通过生成表面三维图像数据重建所述目标对象的至少一部分表面的图像，其中所述三维光学成像系统配准到所述x射线断层融合图像重建系统；和
处理器，所述处理器被构造成应用图像重建算法以生成所述目标对象的重建三维图像，其中所述重建算法被构造成使用来自所述x射线断层融合图像重建系统的所述三维图像数据、以及使用来自所述三维光学成像系统的表面三维图像数据作为约束，以改善所述三维图像数据的图像质量，并且重建所述目标对象的图像，其中所述重建算法包括迭代重建技术以使得在重建期间，所述表面三维图像数据作为约束被迭代应用。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述约束包括密度约束。
3.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述约束包括几何约束。
4.根据权利要求2所述的成像系统，其中所述三维光学成像系统还被构造成通过生成针对外科器械或植入物的至少一部分表面的表面三维图像数据，重建外科器械或植入物的所述至少一部分所述表面的图像，其中所述密度约束至少部分包括来源于所述外科器械或植入物的密度分布，并且其中所述重建算法被构造成将所述外科器械或植入物的所述密度分布应用为约束，以改善所述三维图像数据的图像质量。
5.根据权利要求2所述的成像系统，其中所述成像系统被构造成应用来自所述表面三维图像数据的零密度的约束。
6.根据权利要求5所述的成像系统，其中所述目标对象包括患者，并且其中所述零密度的所述约束应用于所述目标对象的所述至少一部分所述表面之外、以及外科器械的至少一部分表面之外的区域。
7.根据权利要求1所述的成像系统，其中至少一部分所述约束来源于先验三维质量衰减图像，所述先验三维质量衰减图像通过表面配准与所述目标对象的所述至少一部分所述表面配准。
8.一种成像系统，包括：
x射线断层融合图像重建系统，所述x射线断层融合图像重建系统被构造成生成在目标对象的表面下方的所述目标对象的关注区域的三维图像数据；
三维光学成像系统，所述三维光学成像系统被构造成生成至少一部分所述目标对象的表面三维图像数据，其中所述三维光学成像系统配准到所述x射线断层融合图像重建系统，其中所述三维光学成像系统还被构造成生成待插入所述目标对象的所述关注区域的工具的表面三维图像数据，并且其中所述三维光学成像系统还被构造成当所述工具相对于所述目标对象的所述表面移动时，生成所述工具的表面三维图像数据；
处理器，所述处理器被构造成随时间推移编译所述工具的所述表面三维图像数据，并获得所述工具相对于所述目标对象的轨迹，以及利用重建算法在所述目标对象的图像的重建期间使用所述表面三维图像数据作为约束，其中所述重建算法包括迭代重建技术以使得在所述重建期间，所述表面三维图像数据作为所述约束被迭代应用；和
显示器，所述显示器被构造成显示至少一部分所述关注区域，并动态地显示所述工具相对于所述关注区域的轨迹。
9.根据权利要求8所述的成像系统，其中所述工具包括外科器械。
10.根据权利要求9所述的成像系统，其中所述成像系统被构造成允许用户选择所述外科器械相对于所述关注区域的优选的轨迹，并且其中所述处理器被构造成动态地计算在所述优选的轨迹与所述工具相对于所述关注区域的所述轨迹之间的方差度量。
11.根据权利要求10所述的成像系统，其中所述显示器被构造成显示与所述方差度量相对应的数值以及示出了所述工具相对于所述关注区域的所述轨迹和所述优选的轨迹两者的图像中的至少一者。
12.根据权利要求8所述的成像系统，其中所述成像系统被构造成允许用户在所述目标对象的所述关注区域内选择目标，并且其中所述成像系统被构造成动态地显示在所述工具与所述目标之间的距离。
13.根据权利要求8所述的成像系统，其中所述成像系统被构造成响应于所述工具的移动以动态地调整所述关注区域。
14.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述成像系统被构造成动态地限定所述关注区域，以便包含与所述工具的远侧末端相邻的点。
15.根据权利要求14所述的成像系统，其中所述成像系统被构造成在所述关注区域由所述工具的所述远侧末端的移动限定时，动态地修改所述显示器。
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