CN109890293A - 用于确定x射线成像系统的轨迹的方法和系统 - Google Patents

用于确定x射线成像系统的轨迹的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定电动的X射线成像系统的轨迹的方法，X射线成像系统用于获取患者的图像，患者被附接有体模(30)以在由X射线成像系统获取的受关注的身体区域的至少一个2D图像上可见，体模包括具有已知空间布置的不透辐射的基准，所述方法包括以下步骤：由X射线成像系统在给定位置获取体模(30)的一个第一2D图像；在所述获取的第一图像中检测体模(30)的基准；基于所述检测到的基准，确定体模在X射线成像系统的参照中的位置；确定X射线成像系统的适于获取受关注的区域的一组2D X射线图像的一组位置，使得所述一组2D X射线图像符合相对于所述一组图像的一部分对体模的位置的至少一个施加的要求；将所述确定的一组位置进行组合以确定X射线成像系统相对于体模(30)的位置的轨迹。

Description

用于确定X射线成像系统的轨迹的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于确定X射线成像系统的轨迹的方法和系统，该X射线成像系统用于获取受关注的身体区域的图像。
背景技术
在计算机断层扫描(CT)期间，X射线成像系统围绕给定轨迹(例如，绕轴的简单旋转或更复杂的轨迹)移动，以从不同的投影角度获得图像。根据所述图像重建受关注的身体区域的3D体积。
在启动获取图像之前，用户(例如，外科医生或放射科医师)必须确保受关注的身体区域相对于所述轨迹被正确地定位，使得重建的3D体积包含受关注的区域并且图像质量很好。
因此，在圆形轨迹的情况下，用户试图将受关注的身体区域定位在轨迹的中心。
为此，用于使受关注的身体区域居中的当前过程包括至少两个步骤，在许多情况下，这些步骤可以被迭代若干次。
在上述方法期间，患者可能躺在至少部分地被X射线成像系统包围的桌子上。
在第一步骤中，X射线成像系统被定向成使X射线束是垂直的，并且获取第一图像(正视图)。
在第二步骤中，X射线成像系统被定向成使X射线束是水平的，并且获取第二图像(侧视图)。
因此，用户检查两个图像以确定受关注的身体区域是否在图像的中心。
如果受关注的身体区域是在图像的中心，他可以开始获取用于重建包含受关注的区域的3D体积的X射线图像。
相反，如果受关注的身体区域没有被正确地定位在第一图像和第二图像中的至少一个中，则用户必须相对于X射线成像系统来移动患者(通过移动桌子或通过移动X射线成像系统)并再次执行上述过程。这增加了患者所经受的X射线剂量。由于所述附加照射仅用于相对于X射线成像系统定位患者而不是对受关注的身体区域成像，因此应该避免。
居中过程的迭代主要是由于：虽然垂直方向的X射线束很容易使用附接到X射线成像系统的定位激光器来实现，但水平方向很难调整，这是因为使用激光束而难以评估水平面中受关注的区域的高度。
除了使患者暴露于过度照射之外，所述迭代过程是耗时且繁重的。
因此，期望更容易地获得相对于受关注的身体区域X射线成像系统的合适的轨迹。
文献US 2015/003577公开了一种用于将受关注的身体区域定位在CT成像系统的等中心点的方法。这种系统包括承载X射线管的C形臂和彼此相对布置的X射线检测器，该X射线检测器能够围绕旋转轴旋转，以从不同的投影角度获得X射线图像。等中心点被限定为中心辐射束与旋转轴相交的点。在该方法中，通过CT成像系统获取患者的定位片(topogram)，所述定位片包括：通过沿着患者身体平移C形臂，使C形臂在第一方向上定向而获得的第一部分；以及通过沿着患者身体平移C形臂，使C形臂在垂直于第一方向的第二方向上定向而获得的第二部分。基于所述两个部分，可以确定在记录定位片期间受关注的身体区域和等中心点之间的距离。然后，将患者或成像系统移动该距离以将受关注的身体区域带入等中心点，并且启动获取X射线图像。
然而，获取定位片仍然需要使患者暴露于显著剂量下的X射线。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定电动的X射线成像系统的轨迹的方法和系统，该X射线成像系统用于获取患者的受关注的身体区域的2D图像，以及重建该受关注的区域的3D体积。本发明的另一个目的是提供一种减少得到X射线成像系统的轨迹所需的时间的方法。本发明的另一个目的是在不增加X射线成像系统的面板检测器的尺寸的情况下优化重建的3D体积的尺寸。
因此，本发明涉及一种用于确定电动的X射线成像系统的轨迹的方法，所述X射线成像系统用于获取患者的图像，所述患者被附接有体模以在由所述X射线成像系统获取的受关注的身体区域的至少一个2D图像上可见，所述体模包括具有已知空间布置的不透辐射的基准，所述方法包括以下步骤：
-由所述X射线成像系统在给定位置处获取所述体模的一个第一2D图像；
-在所述获取的第一图像中检测所述体模的基准；
-基于所述检测到的基准，确定在所述X射线成像系统的参照中所述体模的位置；
-确定所述X射线成像系统的适于获取一组2D X射线图像的一组位置，使得所述一组2D X射线图像符合相对于所述一组图像的一部分对所述体模的位置处的至少一个施加的要求；
-将确定的所述一组位置进行组合以确定所述X射线成像系统相对于所述体模的位置的轨迹。
轨迹被限定为X射线成像系统的连续位置的组合。可以在所述位置中的每一个位置处获取2D X射线图像，并且该组获取的图像用于重建3D体积。
根据一实施例，所述施加的要求根据所述X射线成像系统的位置而变化。
该方法可以进一步包括：实现所述确定的轨迹以获取2D X射线图像，并且根据所述获取的图像重建所述患者的受关注的身体区域的3D体积。
根据一实施例，对所述体模的位置的所述施加的要求是所述受关注的区域相对于所述体模的估计位置。
根据一实施例，所述方法进一步包括以交互方式输入对所述体模的位置的所述施加的要求。
根据一实施例，所述X射线成像系统的轨迹被确定为使大量的所获取的2D X射线图像包括所述体模的大部分。有利地，所有所获取的2D X射线图像包括所述体模的所有基准。
根据一实施例，所述方法还包括显示指令来相对于所述体模移动所述X射线成像系统以得到所述确定的轨迹的步骤。
有利地，所述方法可以包括相对于所述体模自动地移动所述X射线成像系统以得到所述确定的轨迹的步骤。
根据一实施例，体模的基准包括球体。
根据一实施例，受关注的身体区域包括椎骨。
根据一实施例，所述体模的第一图像是正视图，并且所述X射线成像系统的所述一组位置中的一个位置是侧视图。
有利地，所述体模的第一图像是侧视图，并且所述X射线成像系统的所述一组位置中的一个位置是正视图。
本发明的另一目的是通过一种用于确定电动的X射线成像系统的轨迹的系统，该系统包括处理器，所述处理器被配置为耦接到所述X射线成像系统并且用于执行以下：
-获得被附接到患者的体模的第一2D图像，所述体模包括具有已知空间布置的不透辐射的基准，所述第一2D图像由所述X射线成像系统在给定位置处获取；
-在所述获取的第一图像中检测所述体模的基准；
-基于所述检测到的基准，确定在所述X射线成像系统的参照中所述体模的位置；
-确定所述X射线成像系统的适于获取受关注的区域的一组2D X射线图像的一组位置，使得所述一组2D X射线图像符合相对于所述一组图像的一部分对所述体模的位置的至少一个施加的要求；
-将确定的所述一组位置进行组合以确定所述X射线成像系统相对于所述体模的位置的轨迹。
所述系统可以进一步包括被耦接到所述处理器的电动的X射线成像系统。
附图说明
基于附图，根据以下描述，本发明的其他特征和优点将显而易见，附图中：
图1示出了该方法的流程图；
图2示出了患者的脊柱的X射线正面图像，其中在图像上可见体模的不透辐射的基准；
图3示出了包括在图2的图像中看到的不透辐射的基准的体模的实施例；
图4示意性地示出了对与代表不透辐射的基准的圆的中心的反投影对应的线的计算；
图5示意性地示出了采用图4中计算的线进行体模的配准；
图6示意性地示出了对与图2中的X射线成像系统的位置不同的X射线成像系统的位置的计算；
图7示意性地示出了在X射线成像系统的第一位置(正面)的X射线束(左)以及体模与X射线束相切时在X射线成像系统的第二位置(侧向)处的X射线束(右)；
图8示意性地示出了在X射线成像系统的第一位置(正面)的X射线束(左)以及受关注的区域被完全包括在射线束中时在X射线成像系统的第二位置(侧向)处的X射线束(右)。
具体实施方式
图1是表示该方法的主要步骤的流程图。
所述方法使用包括被耦接到电动的X射线成像系统的计算机的系统来实现。
该计算机包括至少一个处理器，该至少一个处理器被配置为实现使得能够执行至少部分的方法步骤的算法。计算机还可以包括存储器，其中，可以存储该方法的各种参数。计算机还可以包括用于向用户显示信息的显示器。
该系统还包括X射线成像系统(包括C形臂)，该X射线成像系统用于获取多个2D(二维)图像，以重建受关注的区域的3D(三维)体积。X射线成像系统包括X射线源和相对于X射线源设置的面板检测器。
X射线成像系统在至少一次运动上被电动化，这有助于产生3D获取轨迹，即，由相应的电机(motor)根据自由度产生系统的每次运动。每个电机与编码器相关联，以使得能够在任何时间知道X射线成像系统相对于参考位置的相对位置。当获取2D图像时，记录成像系统的相应位置。因此，每个2D图像被记录在成像系统的参照(referential)中。
根据一实施例，X射线成像系统包括三个电动的自由度：沿X轴(横向于躺在桌子上的患者身体)的一个平移、沿Z轴(垂直方向)的一个平移和绕Y轴(纵轴)的一个轨道旋转。可以组合所述运动以产生X射线成像系统的复杂轨迹。当然，X射线成像系统可以包括也可以涉及复杂轨迹的生成的附加的电动自由度。
有利地，计算机被耦接到X射线成像系统，以使得当X射线成像系统的轨迹已确定时，处理器控制X射线成像系统的电机以得到所述确定的轨迹。
在不属于所要求保护的方法的预备步骤中，将包括不透辐射的基准(radiopaquefiducials)的体模附接到患者。
不透辐射的基准具有确定的空间布置，该空间布置可以是例如通过计量学或基于体模的制造过程足够精确且可再现以确保获得基准的期望位置的假设而是已知的。
有利地，体模的几何形状和不透辐射的基准的布置对于待成像的受关注的区域是特定的。
将体模附着于患者，以在由X射线成像系统获取的至少一个图像上可见。
可以使用各种附接装置，只要使体模在获取图像期间保持在相对于受关注的区域的固定位置。在一实施例中，体模可以被直接地附接到受关注的区域的骨骼上。在另一实施例中，体模可以被附接(例如通过粘合剂)在受关注的区域附近的患者的皮肤上。根据一实施例，通过非侵入性方法将体模附接到患者，而不涉及任何外科手术步骤。
相对于所获取来重建受关注的区域的3D体积的图像的至少一部分、与体模的位置相关的至少一个要求由系统(例如，该要求可以针对特定医学应用预先限定)和/或由用户施加。选择所述至少一个要求以确保根据至少一个重建的轴重建3D体积是最佳的。
例如，所述要求可以基于以下准则：在大部分的2D X射线图像上(优选地在所有2DX射线图像上)可以看到体模的大部分(即，大量的基准)。实际上，在2D X射线图像上可见的基准越多，3D体积的重建质量越好。特别地，可以认为，基准的数量以及基准可见的2D X射线图像的数量的最小阈值是50％，合理阈值是80％，最佳阈值是100％。
在另一示例中，所述要求可以基于以下准则：体模与至少部分的2D X射线图像的一侧相切。
当然，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他准则。
所述要求可以由体模和受关注的区域之间的估计距离来表示。例如，在脊柱外科手术的应用中，患者以卧姿躺着并且体模被放置在患者皮肤上方，通常假设体模和椎骨(椎骨是受关注的区域)之间的距离约为10cm。
所述要求还可以基于受关注的区域和将相关信息带给用户的获取视图的先验知识。例如，在脊柱的情况下，使用者通常关注椎骨的垂直范围。在这种情况下，侧向图像比正面图像更令人受关注。在另一示例中，在细长的骨头的情况下，使用者可能关注椎骨的纵向范围。在这种情况下，正向图像比侧面图像更令人受关注。
根据一实施例，在该方法实施之前确定要求，并且将该要求存储在由处理器可读的计算机的存储器中，或者由处理器在执行该方法时加载该要求。例如，要求可以是体模和受关注的区域之间的标准距离。
根据另一实施例，用户以交互方式输入要求。为此，计算机可以包括显示器，该显示器被耦接到处理器并且被配置为显示用户界面，用户可以通过该用户界面输入特定要求。例如，该要求可取决于患者的大小和/或重量，因此用户可以输入适合于所述大小和/或重量的要求。例如，对于患有肥胖症的患者，体模和椎骨之间的距离可以约为12cm而不是10cm。
在第一步骤101中，获取患者的单个第一图像。该图像仅是用于执行以下操作的图像：基于体模的所述位置以及基于对在所述第二图像内体模的位置的至少一个施加的要求来确定X射线成像系统的一组位置，该一组位置不同于与第一位置、适于获取一组2D X射线图像)。
根据一实施例，X射线成像系统可以被放置在正面位置以获取所述第一图像，使得X射线束能够垂直取向并穿过体模。用户可以使用当前用于此目的的定位激光器来控制该垂直方向。
然而，X射线的该第一位置不是限制性的，并且在不脱离本发明的范围的情况下用户可以选择X射线的任何其他位置以获取第一图像，只要确保体模在所述图像上可见。
在步骤102中，在步骤101中获取的图像上检测体模的不透辐射的基准。
图2示出了利用垂直取向的X射线束获取的患者脊柱的X射线正面图像，其中，在图像上可见体模的不透辐射的基准。基准的检测可以基于本领域技术人员已知的模式检测算法，因此在本文中不再详细描述。
在该非限制性实施例中，不透辐射的基准是球体。
一旦基准被检测为2D的圆C1、C2、C3等，每个圆的中心与体模的每个球体的中心相关联，如图3所示。在所示实施例中，体模30包括用于被固定到患者的中心部分以及在所述中心部分30a的两侧上延伸的两个侧翼30b。不透辐射的基准31以已知的几何形状被嵌入在中心部分和侧翼中。优选地，侧翼与中心部分是一体的。根据应用，基翼和侧翼基本上可以在平面中延伸；否则，侧翼可以相对于中心部分倾斜。在另一实施例中，翼可以在中心部分上方延伸。当然，这种体模的设计不是限制性的。
在步骤103中，对应于从X射线源10延伸到面板检测器20的各个圆C1、C2、C3等的中心的反投影的线L1、L2、L3等基于X射线成像系统的几何校准来计算(参见图4)。
在步骤104中，用在步骤103中计算的线L1等来配准体模30(参见图5)。
在步骤105中，考虑至少一个上述的施加的要求以确定适于获取一组图像的X射线成像系统的一组位置，以满足施加的要求。
例如，在图6所示的情况下，体模30的当前位置P1位于沿垂直(Z)方向距体模的最佳位置P2给定距离d处。在这种情况下，处理器可以控制X射线成像系统的电机，以沿垂直轴提供所述距离d的平移。应注意的是，X射线成像系统和体模的位移是相对的，意味着X射线成像系统和/或体模可以被移动(例如通过移动患者躺着的桌子)以获得所述第二位置。
根据一实施例，在步骤106中，然后将X射线成像系统移动到所确定的一组位置中的每个位置。该位移可以自动或手动进行。在后一种情况下，可以向用户显示X射线成像系统和体模的期望的相对位置相关的信息。例如，可以向用户提供根据给定轴的距离来移动患者躺着的桌子和/或移动X射线成像系统以达到期望的相对位置。
在限定X射线成像系统的轨迹的这组位置中，可以使用一个位置(下文称为第二位置)来检查第二位置是否有效地符合所施加的要求。例如，如果第一位置是正面位置，则第二位置可以是侧视图，如果第一位置是侧面位置，则第二位置可以是正视图。可以通过X射线成像系统在该第二位置获取图像，并且用户可以看到例如体模是否在图像内的预期位置和/或受关注的区域是否完全在图像中。
例如，图7示意性地示出了在X射线成像系统的第一位置(正面)的X射线束(左)，以及体模30在X射线图像中可见、与X射线束相切时在X射线成像系统的第二位置(侧向)处的X射线束(右)。
根据另一实施例，图8示意性地示出了在X射线成像系统的第一位置(正面)的X射线束(左)以及受关注的区域ROI被完全包括在射线束中时在X射线成像系统的第二位置(侧向)处的X射线束(右)。在这种情况下，体模30可能在X射线图像上不可见。
该确定第二位置的步骤可以被认为是“居中”步骤，因为该步骤使得能够确定X射线成像系统的合适的定位以获取受关注的区域的良好图像。该第二位置也可以被认为是待计算的轨迹的起点或终点(尽管该第二位置实际上可以是轨迹的任何位置)。
如上所述，上述居中方法仅需要一个图像。因此，去除了相对于受关注的区域正确地定位X射线成像系统的迭代。此外，患者较少暴露于无用的辐射。
如上所述，X射线成像系统的轨迹是通过考虑施加的要求将X射线系统的一组位置进行组合来确定的。因此，轨迹由通过不止一次移动(即，将针对该组位置中的至少一些位置的平移和旋转的组合)所确定的一组位置构成。在这种复杂的轨迹中，患者和面板检测器之间的距离发生变化。特别地，对于与用户最相关的视图，可以使面板检测器更靠近患者，以最大化2D X射线图像中的受关注的区域的尺寸。
施加的要求可以根据X射线成像系统的位置而变化。甚至可能没有对X射线成像系统的一些位置施加任何要求，因此这些位置仅由轨道移动确定。例如，施加的要求可以应用于与用户最相关的视图，而不应用于与用户不太相关的视图。例如，仍然参考脊柱外科手术应用，可以通过相对于侧视图而不是正视图的图像对体模的位置施加要求来寻求更大尺寸的重建的3D体积。
与由轨道运动组成的等中心轨迹相比，复杂轨迹的优点是3D重建体积可以在至少一个选定方向上最大化。此外，由于面板检测器靠近患者，因此患者接收的辐射剂量更少。
尽管在脊柱外科手术的情况下已经给出了多个示例，但应注意的是，本发明不限于该外科手术应用，而是也适用于其他医学领域。
参考文献
US 2015/003577

Claims (15)

1.一种用于确定电动的X射线成像系统的轨迹的方法，所述X射线成像系统用于获取患者的图像，所述患者被附接有体模(30)以在由所述X射线成像系统获取的受关注的身体区域(ROI)的至少一个2D图像上可见，所述体模包括具有已知空间布置的不透辐射的基准(31)，所述方法包括以下步骤：
-由所述X射线成像系统在给定位置获取所述体模(30)的一个第一2D图像；
-在所述获取的第一图像中检测所述体模的基准(31)；
-基于所述检测到的基准(31)，确定在所述X射线成像系统的参照中所述体模(30)的位置；
-确定所述X射线成像系统的适于获取受关注的区域的一组2D X射线图像的一组位置，使得所述一组2D X射线图像符合相对于所述一组图像的一部分对所述体模(30)的位置的至少一个施加的要求；
-将确定的所述一组位置进行组合以确定所述X射线成像系统相对于所述体模(30)的位置的轨迹。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加的要求根据所述X射线成像系统的位置来变化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：实现所述确定的轨迹以获取2D X射线图像，并且根据所述获取的图像重建所述患者的受关注的身体区域的3D体积。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对所述体模的位置的所述施加的要求是所述受关注的区域相对于所述体模的估计位置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括以交互方式输入对所述体模的位置的所述施加的要求。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述X射线成像系统的轨迹被确定为使大量的所获取的2D X射线图像包括所述体模的大部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所有所获取的2D X射线图像包括所述体模的所有基准。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括显示指令来相对于所述体模移动所述X射线成像系统以得到所述确定的轨迹的步骤。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括相对于所述体模自动地移动所述X射线成像系统以得到所述确定的轨迹的步骤。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述体模的基准包括球体。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述受关注的身体区域包括椎骨。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述体模的第一图像是正视图，并且其中，所述X射线成像系统的所述一组位置中的一个位置是侧视图。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述体模的第一图像是侧视图，并且其中，所述X射线成像系统的所述一组位置中的一个位置是正视图。
14.一种用于确定电动的X射线成像系统的轨迹的系统，包括处理器，所述处理器被配置为耦接到所述X射线成像系统并且用于执行以下：
-获得被附接到患者的体模的第一2D图像，所述体模包括具有已知空间布置的不透辐射的基准，所述第一2D图像由所述X射线成像系统在给定位置处获取；
-在所述获取的第一图像中检测所述体模的基准；
-基于所述检测到的基准，确定在所述X射线成像系统的参照中所述体模的位置；
-确定所述X射线成像系统的适于获取受关注的区域的一组2D X射线图像的一组位置，使得所述一组2D X射线图像符合相对于所述一组图像的一部分对所述体模的位置的至少一个施加的要求；
-将确定的所述一组位置进行组合以确定所述X射线成像系统相对于所述体模的位置的轨迹。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括被耦接到所述处理器的电动的X射线成像系统。
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