CN109674484B - 断层合成方法和x射线拍摄装置 - Google Patents

断层合成方法和x射线拍摄装置 Download PDF

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Abstract

本发明包括一种用于确定患者的细长的骨骼系统的至少两个骨骼部分之间的对齐的方法，具有以下步骤：·通过X射线设备、特别是可移动X射线设备的拍摄系统在X射线设备或者拍摄系统在骨骼系统的纵轴的方向上或者与骨骼系统的纵轴平行地平移运动期间，拍摄多个在空间上部分重叠的投影图像，·根据所拍摄的投影图像重建所述骨骼部分的断层合成图像数据、特别是层图像，以及·至少部分地根据所重建的断层合成图像数据和/或投影图像确定或者估计所述至少两个骨骼部分之间的对齐角。

Description

断层合成方法和X射线拍摄装置
技术领域
本发明涉及一种根据本发明的方法以及根据本发明的用于执行这种方法的X射线拍摄装置。
背景技术
股骨颈(股骨＝Femur)的骨折相对频繁地发生并且在大多数情况下必须通过手术来治疗。在这种外科手术中，通常将股骨钉引入股骨颈中。在锁定股骨钉之前，必须将股骨远端和近端之间的前倾角(Antetorsionswinkel)对齐。因为在外科手术期间确定前倾角非常复杂，因此前倾角在大多数情况下仅被不充分地量化。医生根据感觉或者经由脚部位置的左右比较来确定对齐。前倾角+/-12°的偏差是惯例，其结果是频繁的不适和关节表面的快速磨损(关节病)。
从DE 10 2015 201 067 A1中已知一种利用简单的二维X射线图像确定前倾角的方法。
以下事实被视为是确定前倾角时的挑战：
(a)要在股骨的远端和近端之间确定角度，因此需要大的拍摄表面(视野)。对于成人，股骨长度例如为大约50cm。
(b)因为要确定沿着骨骼轴的旋转，因此简单的投影图像是不够的。角度的确定迄今为止仅能够在体积图像(MPR)中以足够的精度量化。
(c)要在外科手术期间进行对齐，由此产生关于无菌、时间紧缺和患者不移动的其它挑战。
目前不知道用于在外科手术期间量化前倾角的标准化方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种消除所提到的缺点的方法；此外，本发明要解决的技术问题是，提供一种适合用于执行这种方法的X射线拍摄装置。
根据本发明，上述技术问题通过根据本发明的方法以及由根据本发明的X射线拍摄装置来解决。本发明的有利设计分别是本发明的相关内容。
根据本发明的用于确定患者的细长的骨骼系统的至少两个骨骼部分之间的对齐的方法包括以下步骤：
·通过X射线设备、特别是可移动X射线设备的拍摄系统在X射线设备或者拍摄系统在骨骼系统的纵轴的方向上或者与骨骼系统的纵轴平行地平移运动期间，拍摄多个在空间上部分重叠的投影图像，
·根据所拍摄的投影图像重建所述骨骼部分的断层合成图像数据、特别是层图像，以及
·至少部分地根据投影图像或者所重建的断层合成图像数据确定或者估计所述至少两个骨骼部分之间的对齐角。
通过根据本发明的方法，有利地消除了针对细长的骨骼系统、例如股骨的对齐角、例如前倾角的确定而出现的问题。通过可移动X射线设备的平移运动，可以拍摄特别是“长”的视野，并且在需要时产生的层体积的长度可以根据需要通过所行进的路径的长度来确定。该长度例如可以由进行手术的医生来定义。通过进行断层合成，不仅能够拍摄二维图像，而且能够拍摄并且重建三维层图像或三维部分图像、即体积图示。通过这些三维层图像或者部分图像，可以以简单的方式并且以良好的质量量化对齐角、例如前倾角。此外，特别是可以在无菌环境中、即在手术期间使用可移动X射线设备。可移动X射线设备的平移运动可以借助非常快速、简单并且开销少的工作流程来实现。断层合成拍摄所需的辐射剂量与常见的体积扫描、例如CT或者DynaCT相比明显更小。
通过所述方法，例如可以在锁定所需的股骨钉之前在外科手术期间确定前倾角，从而使得能够在确定了不合适的前倾角时进行校正。随后，在校正过程中，可以将股骨的远端和近端更准确地相对于彼此对齐。这种校正可能性产生更好的手术结果以及患者更少的并发症和不适。
对齐角的确定或估计至少部分地基于所重建的断层合成图像数据、即例如重建的层图像或者重建的部分图像或者图像片段来执行。在存在层图像或者相对于彼此配准的部分图像或者图像片段时，例如可以借助分割或者对象识别来识别细长的骨骼系统的至少两个骨骼部分。随后，例如可以通过在至少两个骨骼部分的相关结构上布置轴或者切线，来确定或估计在两个骨骼部分之间出现的对齐角。然后，例如可以借助显示装置输出结果。前倾角是股骨颈和股骨髁之间的角度，更准确地说，是由股骨颈轴和股骨髁切线形成的角度。在存在如在本方法中创建的三维层图像的情况下，可以以简单的方式确定前倾角。
作为股骨和前倾角的替换，细长的骨骼系统也可以由脊柱节形成，并且对齐角也可以由两个脊椎体之间的角度形成。在德国所有严重受伤的患者中的近28％发生脊柱损伤。从统计上来看，每6个患者中的一个的下颈椎受到影响。因为这些手术的要求非常高，因此外科医生在手术期间依赖于成像方法。然而，术中2D成像、例如传统的颈胸段过渡部分中的放射性照相由于肩部的严重重叠而是有限的，并且仅利用3D成像能够进行脊柱的重新定位结果的足够准确的显示。这里，通过根据本发明的方法，也可以以简单的方式解决所有问题。在手术室中可以以快速并且简单的方式作为三维层图像显示关注的细长区域或者作为3D部分图像显示其片段，其中，对患者的辐射负荷保持小。如果在例如两个椎骨体之间确定或断定不是最佳的角度，则可以进一步进行手术来进行校正。
根据本发明的另一种设计，仅根据所重建的断层合成图像数据、特别是层图像确定或者估计所述至少两个骨骼部分之间的对齐角。
根据本发明的另一种设计，为了确定或者估计所述至少两个骨骼部分之间的对齐角，使用来自不同的投影方向的其它投影图像，例如横向投影图像。
根据本发明的另一种设计，在X射线设备进行拍摄和平移运动期间，附加地进行拍摄系统的旋转运动。通过其，3D成像可以显著得到改善。这里例如可以设置例如60°的旋转，即例如从+30°至-30°的旋转角。
根据本发明的一种设计，多个在空间上部分重叠的图像中的每两个图像之间的距离是恒定的，并且还小于或者等于通过拍摄系统的X射线源的孔径角α能够采集的对象宽度(d')的一半。通过恒定的距离，在所拍摄的整个长度上实现保持恒定的层图像的图像质量。小于或者等于可采集的对象宽度d'的一半的距离为高质量的三维层图像提供充分的深度信息。可采集的对象宽度d'是细长的骨骼系统中最大能够投影到拍摄系统的X射线检测器的实际检测器宽度d上的片段。其适用关系
Figure BDA0001831654010000031
其中，SOD(Source ObjectDistance，源对象距离)是对象和X射线源之间的距离，并且SID(Source Image Distance，源图像距离)是拍摄系统的X射线源和X射线检测器之间的距离。
根据本发明的另一种设计，多个在空间上部分重叠的图像中的每两个图像之间的距离依据沿着所述细长的骨骼系统的拍摄位置而不同。因此，在股骨的情况下例如可以设置为，细长的骨骼系统的中心区域、即例如股骨干中的距离较大，由此图像质量较低，因为这里存在对于前倾角的确定不重要的区域。在其它细长的骨骼系统的情况下也可以设置为，在骨折区域中或者在两个骨骼部分的接触区域中距离较小，由此在那里可以实现较高的图像质量。
根据本发明的另一种设计，平移运动借助可移动X射线设备的特别是自动控制的车轮沿着地板进行。机动化的车轮或者轮子可以借助系统控制器来控制。替换地，固定安装的X射线设备可以在轨道上移动，或者仅固定安装的X射线设备的拍摄系统(C形臂)可以在其悬架上平移运动。
本发明包括一种X射线拍摄装置，用于执行所述方法，所述X射线拍摄装置被构造为可移动C形臂X射线设备，所述X射线拍摄装置具有：在C形臂上保持的拍摄系统，拍摄系统具有X射线源和X射线检测器；系统控制器，用于控制在X射线设备的拍摄系统平移运动期间通过拍摄系统对多个在空间上部分重叠的图像、特别是断层合成图像数据的拍摄；以及图像处理单元和计算单元，用于重建层图像并且确定对齐角。所述X射线拍摄装置以有利的方式具有能够借助车轮自动移动的设备推车，C形臂布置在所述设备推车上。
附图说明
下面，借助在附图中示意性地示出的实施例详细说明本发明以及根据本发明的特征的其它有利设计，本发明不由此局限于这些实施例。附图中：
图1示出了用于拍摄股骨断面的已知拍摄系统；
图2示出了已知的前倾角的剖面图；
图3示出了已知的前倾角的俯视图；
图4示出了用于拍摄用于显示股骨的多个在空间上部分重叠的图像的拍摄系统；
图5示出了根据图4的拍摄几何结构的放大视图，其具有三个不同的投影方向，用于重建层图像；
图6示出了根据图4的拍摄几何结构的另一个视图；
图7示出了用于拍摄用于显示脊柱的多个在空间上部分重叠的图像的拍摄系统；
图8示出了根据本发明的可移动C形臂X射线设备；以及
图9示出了根据本发明的方法的一系列步骤；
图10示出了具有同时的平移和旋转运动的拍摄系统。
具体实施方式
在图1中示出了用于拍摄股骨的二维X射线图像的具有X射线检测器2和X射线源3的已知拍摄系统。借助这种图像，仅能够非常有限地在骨折之后在用于校正股骨6的OP期间确定前倾角。可以想到借助于支持3D的可移动X射线设备获取股骨远端处的体积和股骨近端处的体积。然而，由于复杂的工作流程和所施加的高的辐射剂量，这不被执行，并且也不能获得前倾角的最佳确定，因为必须分析两个独立的体积。
为了进行说明，在图2和图3中作为截面图以及作为俯视图示出了已知的前倾角13。其是股骨颈14和股骨髁15之间的角度，准确地说，是由股骨颈轴7和股骨髁切线19形成的角度。在股骨6骨折以及不完全的校正之后，股骨颈14和股骨髁15经常以沿着股骨干17的股骨干轴16相对于彼此旋转的方式布置。
在图4中示出了用于拍摄用于显示股骨的多个在空间上部分重叠的图像的拍摄系统。为此，拍摄系统基本上在细长的骨骼系统的方向4、例如股骨的股骨干轴的方向4上或者与其平行地以平移运动移动，并且在其期间以一般为规则的间隔来拍摄X射线图像。在此，作为多个X射线源3-X射线检测器2的组合示出了运动序列，其中，在所示出的位置拍摄相应的X射线图像。源距离s在此是每两个X射线图像之间的距离。假设源-对象距离(SOD；X射线源和拍摄对象、即细长的骨骼系统之间的距离)沿着行进轨迹保持恒定，则对于特定SID(Source-Image Distance(源-图像距离)；X射线检测器和X射线源之间的距离)，可采集的对象宽度对应于d'＝d*SOD/SID，其中，d是实际检测器宽度。
在图5中示出了图4中的图示中的一部分，其中，这里示出了三个连续的X射线图像的几何结构。基于该几何结构，从不同的投影方向在X射线图像中示出了完全通过的空间点7。这可以用于借助断层合成方法重建完全通过的区域的层图像。在拍摄系统的第一位置A，从第一投影方向RA映射空间点7，在拍摄系统的第二位置B，从第二投影方向RB映射空间点7，并且在拍摄系统的第三位置C，从第三投影方向RC映射空间点7。这用于借助断层合成方法重建层图像。
为了从二维X射线图像中获得深度信息，必须在至少每两个X射线图像上显示相关的解剖位置。其结果是，每两个X射线拍摄之间的源距离s必须小于或等于可采集的对象宽度d'的一半(参见图6)。在这种情况下，每两个投影方向之间的角度β可以用下式来近似：
Figure BDA0001831654010000061
其中，α对应于X射线源的孔径角，此外适用：tanα＝d/SID。
前倾角确定的精度在很大程度上取决于可以多准确地根据X射线图像确定3D信息。图像平面内的有误差的偏移Δ以效果Δ/tanβ进入对X射线源和检查对象之间的距离(SOD)的估计。因此，尤其是在孔径角α小的情况下，必须注意使角度β最大，以提高前倾角确定的精度。
可以显示，在拍摄之间的源距离为
Figure BDA0001831654010000062
的情况下，投影方向之间的角度β对应于
Figure BDA0001831654010000063
其中，n是每个空间点的投影方向的数量。也就是说，随着n的增大，投影之间的最大角度逼近α。在X射线图像的SNR足够的情况下，对于前倾角的确定，n>3不一定有用，因为β的增大仍然仅非常小，β(3)≈0.9·α。
根据本发明的另一种设计，多个在空间上部分重叠的图像中的每两个图像之间的距离与沿着细长的骨骼系统的拍摄位置有关地不同。因此，例如在股骨的情况下可以设置为，股骨干的中心区域中的距离更大，由此在那里可以实现更低的图像质量。可以执行这种所谓的自适应采样，以节省剂量。在骨干区域中不存在与前倾角的确定相关的解剖结构。这里，可以将X射线图像的距离减小为s(1)＝1/2d'。在其它细长的骨骼系统的情况下，同样可以以特别高的质量(小的距离)拍摄相关区域，并且以较低的质量(较大的距离)拍摄不太相关的区域。
为了进一步减小剂量，可以通过准直器淡化不属于股骨的区域。
作为另一个应用示例，在图7中示出了脊柱的图示。这里，可以借助所述方法映射脊柱的大的部分5并且确定两个椎骨体之间的角度。由于颈胸段过渡部分中的肩部区域的显著重叠，在对脊柱的OP期间仅能够利用3D成像足够准确地显示重新定位结果。在已知的3D扫描中，X射线装置必须围绕患者移动。根据本发明的方法使得能够通过在矢状面中映射锥体对齐来容易地控制重新定位结果。其使得能够与重叠的结构、例如肩部无关地清晰地映射位于深度处的层。与已知的3D扫描相比，这种技术更快，由于不进行轨道旋转而可以更好地集成，并且需要更少的辐射负荷。在需要时可以连续映射整个脊柱。通过选择正确的层(层位置和层厚度)，可以与重叠的对象(例如肩部区域)隔离地显示脊柱。
在图8中示出了适合于此的可移动C形臂X射线设备21。其具有C形臂20，C形臂20保持X射线源3和X射线检测器2。X射线源3和X射线检测器2形成拍摄系统。可移动C形臂X射线系统21具有设备推车22，设备推车22可以借助车轮23移动，并且C形臂20布置在设备推车22上。车轮23是可控的并且可以机动化地移动，例如以定义的速度向定义的方向移动。C形臂X射线设备21由系统控制器24控制。在可移动C形臂X射线设备21借助设备推车22以定义的平移运动移动时，系统控制器24例如可以对多个在空间上部分重叠的X射线图像、特别是断层合成图像数据的拍摄进行控制。此外，C形臂X射线系统具有用于处理X射线图像的图像处理单元25和用于根据多个X射线图像重建层图像并且根据层图像确定对齐角的计算单元26。这种C形臂X射线设备21可以在无菌环境中在外科手术期间使用。
细长的骨骼系统、例如股骨以与患者安全性兼容的方式布置为尽可能靠近X射线检测器2。
在图9中示出了根据本发明的方法的一系列步骤。在第一步骤10中，在特别是可移动C形臂X射线设备21的拍摄系统(X射线源和X射线检测器或者保持X射线源和X射线检测器的C形臂)以平移运动在细长的骨骼系统(例如股骨或者脊柱)的纵轴的方向上或者与骨骼系统的纵轴平行地移动期间，拍摄多个在空间上部分重叠的X射线图像。在可移动C形臂X射线设备的情况下，整个C形臂X射线设备在设备推车上借助自动控制的车轮以定义的平移运动，以每两个图像之间的源距离s小于或者等于X射线检测器的检测器宽度的一半的方式向前移动。在此，由于(以扇形发出X射线辐射的)X射线源-X射线检测器几何结构，从不同的投影方向在多个X射线图像中显示完整地通过的空间点7。对应地有利的是，在尽可能短的时间内拍摄相应的各个X射线图像，例如，每个X射线图像在少于5ms的时间内，以便使拖尾现象(Verschmierung)尽可能少。
替换地，也可以在轨道上移动不可移动的C形臂X射线设备，或者可以仅移动固定安装的X射线设备的拍摄系统(C形臂)。
在第二步骤11中，根据所拍摄的在空间上部分重叠的X射线图像，例如重建细长的骨骼系统的骨骼部分的三维层图像，即例如患者的整个股骨。替换地，也可以仅根据图像重建3D部分图像或片段，即例如仅重建股骨头和/或股骨髁。在第三步骤12中，至少部分地根据所重建的层图像或者部分图像或者投影图像确定或者估计至少两个骨骼部分之间的对齐角。因为通过断层合成方法可以创建整个细长的骨骼系统的完整的层图像，因此可以以简单的方式例如通过对相关结构布置直线和切线和/或使用分割和/或图像识别算法，从该一个体积图像中推导出骨骼系统的几何关系。
根据本发明的方法使得能够例如在外科手术期间在锁定股骨钉之前确定前倾角。所述方法的特征在于无菌环境内的简单的工作流程、沿着移动方向可自由定义的视野以及产生的用于例如确定前倾角的层图像。通过确定前倾角，可以更准确地相对于彼此对齐股骨的远端和近端。这使得患者的不适和并发症更少。
此外，根据本发明的方法具有如下优点：由于平移运动，用于图像获取的工作流程非常简单。复杂度对于使用者、例如进行外科手术的医生来说降低，因为其可以根据完整的体积来量化对齐角(例如前倾角)，并且对此不需要例如两个或者更多个彼此独立地产生的体积图像。附加地，所施加的用于断层合成扫描的辐射剂量明显比例如用于两个3D拍摄的辐射剂量小。
作为另一个实施例，在图10中示出了一种方法，其中除了平移之外，C形臂还旋转，以确定前倾角。下面描述与此相关的工作流程。患者的腿应当在整个工作流程期间不移动。
在该工作流程的第一部分中，寻找股骨远端的取向。将C形臂横向地布置(未示出)，并且通过透视手动进行尝试，以找到中髁和外髁沿着X射线辐射彼此先后布置并且形成共同的下缘的投影视图。然后，手动确定下缘。根据其计算股骨远端的取向和高度，例如股骨髁切线。
该工作流程的第二和第三部分由根据本发明的方法的设计形成。
在该工作流程的第二部分中，定位C形臂20，使得其在方向4上沿着特别是包括股骨头(Femurkopf)和大的转子(Trochanter)的股骨6进行平移。此外，使C形臂20以旋转角γ倾斜，例如倾斜-30°或者以不与患者发生碰撞的程度倾斜。在以高频拍摄多个投影图像期间，C形臂20在细长的股骨6的轴的方向4上平移，在此同时例如在旋转角+30°和-30°之间(即在60°的角增量上)或者在可能的最大和最小旋转角γ之间(这也可以在平移期间改变，例如角增量可以在60°和78°之间波动)旋转。在此期间计算或检测旋转和平移之间的关系。因此，特别是扫描股骨头和大的转子，也可以扫描整个股骨。
在该工作流程的第三部分中，重建并且计算前倾角。根据多个所拍摄的投影图像，重建股骨头和大的转子的表面的3D部分图像。基于这些图像数据，确定股骨颈轴的取向。然后，根据股骨颈轴的取向和先前确定的股骨髁切线的差得到前倾角。
能够以下面的方式简短概括本发明：本发明包括一种用于确定患者的细长的骨骼系统的至少两个骨骼部分之间的对齐的方法，具有以下步骤：通过X射线设备、特别是可移动X射线设备的拍摄系统在X射线设备或者拍摄系统在骨骼系统的纵轴的方向上或者与骨骼系统的纵轴平行地平移运动期间，拍摄多个在空间上部分重叠的投影图像；根据所拍摄的投影图像重建所述骨骼部分的断层合成图像数据、特别是层图像；以及至少部分地根据所重建的断层合成图像数据和/或投影图像确定或者估计所述至少两个骨骼部分之间的对齐角。

Claims (12)

1.一种用于确定患者的细长的骨骼系统的至少两个骨骼部分之间的对齐的方法，具有以下步骤：
• 通过X射线设备的拍摄系统在X射线设备或者拍摄系统在骨骼系统的纵轴的方向上或者与骨骼系统的纵轴平行地平移运动期间，拍摄多个在空间上部分重叠的投影图像，其中，通过以小的距离拍摄相关区域，并且以较大的距离拍摄不太相关的区域，所述多个在空间上部分重叠的投影图像中的每两个图像之间的距离依据沿着所述细长的骨骼系统的拍摄位置而不同，
• 根据所拍摄的投影图像重建所述骨骼部分的断层合成图像数据，以及
• 至少部分地根据所重建的断层合成图像数据和/或投影图像确定或者估计所述至少两个骨骼部分之间的对齐角。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法借助可移动C形臂X射线设备执行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在X射线设备进行拍摄和平移运动期间，附加地进行拍摄系统的旋转运动。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，仅根据所重建的断层合成图像数据确定或者估计所述至少两个骨骼部分之间的对齐角。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，为了确定或者估计所述至少两个骨骼部分之间的对齐角，使用其它投影图像。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个在空间上部分重叠的投影图像中的每两个图像之间的距离（s）小于或者等于通过拍摄系统的X射线源（3）的孔径角α能够采集的对象宽度（d'）的一半。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述细长的骨骼系统由股骨（6）形成，并且所述对齐角由前倾角（13）形成。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述细长的骨骼系统由脊柱节（8）形成，并且所述对齐角由两个椎骨体之间的角度形成。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述平移运动借助可移动X射线设备的自动控制的车轮（23）沿着地板进行。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述平移运动沿着至少一个轨道进行。
11.一种X射线拍摄装置，用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法，所述X射线拍摄装置被构造为可移动C形臂X射线设备（21），所述X射线拍摄装置具有
• 在C形臂（20）上保持的拍摄系统，拍摄系统具有X射线源（3）和X射线检测器（2），
• 系统控制器（24），用于控制在X射线设备平移运动期间通过拍摄系统对多个在空间上部分重叠的投影图像的拍摄，以及
• 图像处理单元（25）和计算单元（26），用于重建断层合成图像数据并且确定对齐角。
12.根据权利要求11所述的X射线拍摄装置，所述X射线拍摄装置被构造为可移动C形臂X射线设备（21），其具有能够借助车轮（23）自动移动的设备推车（22），所述C形臂（20）布置在所述设备推车上。
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