CN110946600A - 用于记录图像数据的方法和医学成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于记录图像数据的方法和医学成像系统。在借助具有X射线源和X射线检测器的医学成像系统记录患者的特别是周期性地运动的检查对象的图像数据的方法中，具有可运动部件的运动链的机器人设备与患者具有触觉连接，并且特别是通过可运动部件的一起运动，至少在预先给定的时间段内保持触觉连接，并且其中，在此期间进行以下步骤：通过机器人设备的传感器采集测量值；分析测量值，并且转发到医学成像系统，其中，经过分析的测量值特别是具有关于检查对象的运动和/或位置的信息；以及通过X射线源照射检查对象，并且通过X射线检测器记录所透视的检查对象，其中，使用经过分析的测量值来对成像系统进行控制。

Description

用于记录图像数据的方法和医学成像系统
技术领域
本发明涉及一种用于记录特别是周期性地运动的检查对象的图像数据的方法以及用于执行这种方法的根据本发明的医学成像系统。
背景技术
在对患者的可运动的解剖结构进行医学成像时，例如由于呼吸、心跳或者由于对身体进行的操纵，在所记录的图像信息中产生不一致。这特别是在以时间上错开的方式连续构建的成像中，结合缺少关于两个记录时刻的患者位置的信息，是成问题的。对于2d-2d-3d配准的情况，第一2d(1)记录和第二2d(2)记录之间的患者运动是特别关键的。如果患者在第一2d(1)记录和第二2d(2)记录之间运动，则例如在将两个记录配准为3d体积时，产生存在伪影的2d(1)记录和2d(2)记录之间的平均，或者产生针对第一2d(1)记录或者第二2d(2)记录的聚焦或者优化。
于是，基于成像，对于随后的介入，存在类似的问题，即，由于解剖结构中的可能的运动，目标位置变得过时。例如在切割组织或者在骨骼中钻孔的情况下，通过进行成像而确定的切割或者钻孔的目标位置，由于运动，在现实中不是恒定的，因此外科医生冒着错过实际的目标位置的风险。除了错误的诊断之外，这还可能导致错误地设置切口或者钻孔，以及导致对患者的显著的不期望的伤害。
在已知的情况下，为了避免这些问题，例如禁止患者运动(停止呼吸、固定患者的解剖结构)，或者借助导航设备对患者进行跟踪或者测量患者的运动(例如呼吸带)，然后对应地将运动纳入记录规划或者分析内。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于记录特别是周期性地运动的检查对象的图像数据的方法，所述方法使得能够尽可能与运动无关地进行成像；此外，本发明要解决的技术问题是，提供一种适合用于执行所述方法的X射线设备。
根据本发明，上述技术问题通过根据本发明的用于记录特别是周期性地运动的检查对象的图像数据的方法以及根据本发明的医学成像系统来解决。本发明的有利的设计方案分别是下面的描述的主题。
根据本发明的方法被构造为用于，借助特别是具有X射线源和X射线检测器的医学成像系统，来记录患者的特别是周期性地运动的检查对象的图像数据，其中，具有可运动部件的运动链的机器人设备与患者进行触觉连接，并且其中，特别是通过可运动部件的一起运动，至少在预先给定的时间段内保持触觉连接，并且其中，在此期间进行以下步骤：通过机器人设备的传感器采集测量值；分析测量值并且转发到医学成像系统，其中，经过分析的测量值特别是具有关于检查对象的运动和/或位置的信息；以及记录特别是所透视的检查对象的图像数据，特别是借助通过辐射源照射检查对象并且通过X射线检测器进行记录，其中，使用经过分析的测量值来对成像系统进行控制。患者的周期性的运动(例如呼吸运动或者心脏运动)或者其它运动(例如由于手术引起的运动)一起影响检查对象、即患者的任意器官(例如肝脏)，并且在那里也导致(例如周期性的)运动，该运动例如在进行X射线记录时影响图像数据。
在默认存在并且使用具有可运动部件的运动链的机器人设备的手术中，根据本发明，机器人设备不仅可以用于手术本身，而且还可以用于确定关于检查对象的(周期性)运动的信息，由此还可以用于对成像系统进行控制。也就是说，针对性地使用已有的资源、即与患者具有触觉连接的机器人设备，从而不需要设置附加的措施或者设备，用于测量检查对象的运动或者位置。总之，机器人设备可以、但是不是必须在空间上与医学成像系统配准。所述方法特别适用于X射线成像，但是也可以在其它成像方法、例如磁共振断层成像或者超声波成像中使用。
按照本发明的一个设计方案，依据经过分析的测量值，特别是依据检查对象的运动和/或位置数据，以触发的方式来控制对检查对象的照射以及图像数据的记录。在此，以简单的方式使用机器人设备，用于在成像中进行针对性的触发。这是特别有利的，因为通过机器人设备借助触觉接触，可以特别准确地确定运动和/或位置。可以以有利的方式在检查对象的特别是周期性的运动的预定的时刻和/或预定的阶段，记录检查对象的至少一个投影记录。在周期性的运动的情况下，例如可以执行针对性的呼吸触发(respiratorygating，呼吸门控)或者心脏触发(cardiac gating，心脏门控)，其中，使用预定的时刻或者预定的阶段。在其它(非周期性的)运动的情况下，可以使用休息阶段来进行成像。
按照本发明的另一个设计方案，在检查对象的特别是周期性的运动的同一时刻和/或相同的阶段，记录检查对象的至少两个投影记录。在周期性的运动的类似的阶段或者相同的时刻进行记录，使得记录的可比较性变得容易，从而使得后续的运动补偿变得容易，或者可以完全不进行运动补偿。
特别是在诸如2D-2D-3D配准的配准中，可以使用所述方法，其中，从不同的投影方向(医学成像系统的记录系统的角度)记录两个投影记录，并且用于与事先记录的或者由其它模态提供的体积图像进行2D-2D-3D配准。由此使配准变得容易，并且可以以高精度执行配准。这使其它诊断问题和图像处理变得容易，患者安全性和护理由此得到改善。
按照本发明的另一个设计方案，使用经过分析的测量值来对所记录的图像数据进行处理。通过经过分析的测量值，使对记录的处理变得容易。因此，由此可以以简单的方式跟踪运动并且对应地校正运动。
以有利的方式，由机器人设备的力和/或力矩和/或位置传感机构采集测量值。常见的具有可运动部件的运动链的机器人设备例如在其关节区域中具有这种传感器，这些传感器用于已知的对部件的定位。
有利地，机器人设备在末端具有末端执行器，末端执行器与患者进行触觉接触，即放置在患者或者患者的检查对象(器官)或者骨骼(例如脊柱、股骨骼)的表面上或者与其连接。因此，特别是在介入式手术中，末端执行器可以具有齿形套筒并且与患者的骨骼(例如在涉及椎弓根或者椎板的脊柱手术中)接触。
另一个变形方案也涉及一种用于借助特别是具有X射线源和X射线检测器的医学成像系统记录患者的特别是周期性地运动的检查对象的图像数据的方法的，其中，具有可运动部件的运动链的机器人设备与患者进行触觉连接，并且其中，特别是通过可运动部件的一起运动，至少在预先给定的时间段内保持触觉连接，所述方法在此期间包括以下步骤：特别是借助通过辐射源对检查对象进行照射并且通过X射线检测器进行记录，来记录特别是所透视的检查对象的图像数据；以及通过机器人设备的传感器来采集测量值，其中，随后进行测量值的分析和到医学成像系统的转发，其中，经过分析的测量值特别是具有关于检查对象的运动和/或位置的信息，并且其中，使用经过分析的测量值来对所记录的图像数据进行处理。也就是说，这里，在其它图像处理中考虑所记录的测量值(或者关于检查对象的运动和/或位置的信息)，以例如执行运动校正，减少或者避免不一致，由此改善诊断可能性。因此，例如在2D-2D-3D配准的情况下，可以简单并且有效地对运动执行校正，由此实现高质量的结果。
为了执行根据本发明的方法，提供一种用于采集患者的周期性地运动的检查对象的图像数据的医学成像系统，医学成像系统具有：用于记录检查对象的图像数据的成像单元，特别是用于发出X射线辐射的辐射源和用于记录所透视的检查对象的图像数据的X射线检测器；用于以触发的方式控制(辐射输出和)图像数据的记录的控制单元；具有可运动部件的运动链的机器人设备，机器人设备具有用于采集测量值的力和/或力矩和/或位置传感机构，这些测量值特别是具有关于检查对象的运动和/或位置的信息，其中，机器人设备与患者进行触觉连接；用于分析测量值的分析单元；以及用于转发测量值的通信连接，其中，医学成像系统被构造为用于，使用经过分析的测量值来对成像系统进行控制。
以有利的方式，控制单元被构造为，控制单元依据经过分析的测量值，以触发的方式控制对检查对象的照射和图像数据的记录。
按照一个设计方案，医学成像系统具有图像处理单元，图像处理单元用于使用经过分析的测量值来处理图像数据。
此外，按照另一个设计方案，医学成像系统具有配准单元，配准单元用于在两个(2D)投影记录和检查对象的3D体积图像之间执行2D-2D-3D配准，其中，两个(2D)投影记录是在检查对象的周期性的运动的同一时刻和/或同一阶段，从不同的投影方向记录的。
附图说明
下面，根据在附图中示意性地示出的实施例，更详细地说明本发明以及根据本发明的特征的其它有利的设计方案，而本发明不由此局限于这些实施例。
图1示出了根据本发明的方法的步骤序列；
图2示出了根据本发明的方法的另一个步骤序列；以及
图3示出了用于执行所述方法的医学成像系统。
具体实施方式
在图3中示出了具有机器人设备6的医学成像系统1。作为记录系统，医学成像系统1例如包括具有X射线源3和X射线检测器4的C形臂2，X射线源3和X射线检测器4被构造为用于照射患者的检查对象5(例如器官或者身体部分)并且记录所透视的检查对象5的投影图像。在此，C形臂2可以被构造为是可调节或者可运动的，使得C形臂2可以从不同的投影方向(角度)记录投影图像。借助控制单元9来控制医学成像系统1，医学成像系统1还具有计算单元10以及图像处理单元11，图像处理单元11具有用于处理记录的图像数据的软件。此外，医学成像系统1与机器人设备6处于通信连接12。通信连接12可以设置为有线的或者无线的。
机器人设备6具有由可运动部件7(例如臂和关节)构成的运动链，并且在运动链的自由末端布置有末端执行器8，末端执行器8可以与检查对象5或者患者的其它部分接触。机器人设备6例如可以由具有关节臂的机器人、例如轻型机器人或者6轴或7轴关节臂机器人形成。末端执行器例如可以是齿形套筒，齿形套筒例如与患者的椎体接触，以进行介入。通过齿部，可以防止接触滑动或者脱开。
在患者运动或者发生位置变化时，可以控制机器人设备，使得机器人设备与机器人设备接触的身体部分一起运动，从而保持接触。甚至可以保持对应的接触压力。这例如可以借助力和/或力矩调节来执行。为此，机器人设备的可运动部件7具有力和/或力矩和/或位置传感机构，即，每个可运动部件至少一个这样的传感器。这种机器人设备的示例例如从公开文献DE 102014224122 A1或者随后公开的申请EP 17191039中已知。
机器人设备的力和/或力矩和/或位置传感器采集测量值，这些测量值直接或者间接地显示关于与这些传感器连接的检查对象或身体部分或者患者的位置或者运动的信息或者数据。因此，这种力或者转矩传感器是已知的，并且特别好地适合用于确定机器人设备的运动链上的力和/或转矩。在此，直接测量起作用的力，或者测量可以用来以简单的方式确定或者计算起作用的力的值。一般来说，也就是说，对测量值进行分析(处理或者换算)，以得到位置或者运动。然而，这借助分析单元14(例如机器人设备的控制单元和/或计算单元)可以非常快地执行。
可以借助与机器人设备6组合的这种医学成像系统1，来执行根据本发明的方法。
在图1中示出的第一变形方案中，示出了如下方法，其中，使用经过分析的、具有关于患者或者检查对象的位置和/或运动的信息的测量值，来控制医学成像系统的成像。具体地，利用这些信息，在同时机器人设备与患者连接时，在患者或者检查对象的(周期性)运动的期望的时刻或者阶段进行成像的触发。
在第一步骤20中，与(例如周期性地)运动的患者具有触觉连接的机器人设备6，通过可运动部件的一起运动，至少在预先给定的时间段内保持触觉连接。因此，例如为了在患者的骨骼组织(例如脊柱)上进行介入手术而借助作为末端执行器的齿形套筒与骨骼连接的机器人设备6，可以借助力和/或力矩和/或位置传感机构跟随骨骼的位置，并且在此稳定在骨骼上。在此，保持触觉连接的预先给定的时间段例如可以对应于所述方法的持续时间，或者对应于由医学成像系统的用户任意预先给定的时间段，或者连续地持续到可选择的终止标准为止。随后的第二至第五步骤在保持触觉连接期间进行。可以与患者的检查对象或者其它身体部分存在触觉连接。
在第二步骤21中，机器人设备6或者机器人设备6的传感机构采集测量值，并且在第三步骤22中，分析这些测量值，并且将其转发到医学成像系统(不一定按照该顺序)。在此，特别是，所分析的测量值包含关于检查对象或者患者的运动和/或位置的信息。具体地，在进行合规的(nachgiebige)调节的情况下，测量值可以直接或者间接地包含例如在不同的方向上作用在机器人设备的可运动部件上的力，或者机器人设备的可运动部件的位置。分析可以通过机器人设备的分析单元14来执行，或者也可以由医学成像系统执行。例如可以进行分析，使得在(周期性)运动或者(相对或者绝对)运动期间，确定患者、患者的身体部分或者检查对象的准确的位置。
然后，在第四步骤23中，医学成像系统(例如系统控制器和/或软件应用程序)使用信息或者测量数据或者经过分析的测量数据(特别是检查对象的运动和/或位置数据)，来在第五步骤24中执行一个或多个触发的X射线记录(即，通过X射线源进行照射，并且通过X射线检测器采集受检查对象影响的辐射，并且转换为图像数据)。也就是说，在最简单的情况下，例如执行呼吸触发或者心跳触发，其中，在相同的时刻，在呼吸或者心跳的多个连续的阶段分别执行记录，以便能够将获得的多个投影记录相互比较。
因此，例如在2D-2D-3D配准的过程中(其中，将先前记录的体积图像与来自不同的投影方向的两个投影记录配准)，可以使用这种方法，来以触发的方式记录来自记录系统的不同的投影方向的连续的呼吸周期(或者心脏周期)的相同的时刻的两个投影记录。随后，可以执行特别准确和精确的2D-2D-3D配准。为此，机器人设备可以、但是不是必须在空间上与医学成像系统配准。附加地，也可以将关于检查对象的运动或者位置的信息纳入稍后的图像处理中，以执行运动补偿和/或避免或者减少不一致。例如，可以将关于位置的信息纳入配准中。因此，例如脊柱的呼吸运动主要在前后方向上，由机器人设备测量脊柱的呼吸运动，并且可以在配准中作为相对变换来考虑。
因此，借助所述方法，为了进行引导式介入而与患者的解剖结构接触的、具有可运动部件的机器人设备，可以同时用作集成的门控触发装置(Gating Triggering Device)。
在图2中示出的第二变形方案中，示出了如下方法，其中，仅使用经过分析的测量值来对记录的图像数据进行处理。这里，在第一步骤20中保持触觉连接期间，同时在第四步骤23中执行一个或多个X射线记录，并且在第二步骤21中机器人设备的传感机构采集对应的测量值。经过分析的测量值同样包含关于检查对象的位置和/或运动的信息。这些信息被转发到医学成像系统(或者首先在那里进行分析)，随后在第六步骤25中进一步用于进行图像处理。例如，可以将关于检查对象的运动或者位置的信息纳入图像处理中，以执行运动补偿和/或避免或者减少不一致。
按照另一个替换方案，借助根据本发明的医学成像系统，还可以依据检查对象的当前位置或者运动来释放或者开始介入步骤。
在默认存在并且使用具有可运动部件的运动链的机器人设备的手术中，根据本发明，机器人设备不仅可以用于手术本身，而且还可以用于确定关于检查对象的(周期性)运动的信息，由此还可以用于对医学成像系统进行控制(例如呼吸门控或者心脏门控)。
可以以如下方式简要总结本发明：提供一种借助医学成像系统记录特别是周期性地运动的患者的检查对象的图像数据的方法，医学成像系统具有X射线源和X射线检测器，其中，具有可运动部件的运动链的机器人设备与患者具有触觉连接，并且其中，特别是通过可运动部件的一起运动，至少在预先给定的时间段内保持触觉连接，并且其中，在此期间进行以下步骤：通过机器人设备的传感器采集测量值；分析测量值并且转发到医学成像系统，其中，经过分析的测量值特别是具有关于检查对象的运动和/或位置的信息；以及通过辐射源对检查对象进行照射；以及通过X射线检测器记录所透视的检查对象的图像数据，并且其中，使用经过分析的测量值来对成像系统进行控制。

Claims (17)

1.一种用于借助医学成像系统(1)记录患者的特别是周期性地运动的检查对象(5)的图像数据的方法，其中，具有可运动部件(7)的运动链的机器人设备(6)与患者具有触觉连接，并且其中，特别是通过所述可运动部件(7)的一起运动，至少在预先给定的时间段内保持触觉连接，并且其中，在此期间进行以下步骤：
·通过所述机器人设备(6)的传感器采集测量值；
·分析所述测量值，并且转发到所述医学成像系统(1)，其中，经过分析的测量值特别是具有关于所述检查对象(5)的运动和/或位置的信息；以及
·通过所述成像系统(1)记录所述检查对象(5)的图像数据，
其中，使用经过分析的测量值来对所述成像系统(1)进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述医学成像系统(1)具有X射线源(3)和X射线检测器(4)，并且记录图像数据包括：通过所述X射线源(3)照射所述检查对象(5)；以及通过所述X射线检测器(4)记录所透视的检查对象(5)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，依据经过分析的测量值，特别是依据所述检查对象(5)的运动和/或位置数据，以触发的方式来控制对所述检查对象(5)的照射以及对图像数据的记录。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在所述检查对象(5)的特别是周期性的运动的预定的时刻和/或预定的阶段，记录所述检查对象(5)的至少一个投影记录。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在所述检查对象(5)的特别是周期性的运动的同一时刻和/或同一阶段，记录所述检查对象(5)的至少两个投影记录。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，从不同的投影方向记录两个投影记录，并且用于2D-2D-3D配准。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用经过分析的测量值来对所记录的图像数据进行处理。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，由所述机器人设备(6)的力和/或力矩和/或位置传感机构来采集测量值。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述机器人设备(6)在末端具有末端执行器，所述末端执行器与患者进行触觉接触。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述末端执行器具有齿形套筒并且与患者的骨骼接触。
11.一种用于借助医学成像系统(1)记录患者的特别是周期性地运动的检查对象(5)的图像数据的方法，其中，具有可运动部件(7)的运动链的机器人设备(6)与患者进行触觉连接，并且其中，特别是通过所述可运动部件的一起运动，至少在预先给定的时间段内保持触觉连接，并且其中，在此期间进行以下步骤：
·通过所述成像系统记录所述检查对象(5)的图像数据；以及
·通过所述机器人设备(6)的传感器采集测量值，
并且其中，随后进行对所述测量值的分析和到所述医学成像系统(1)的转发，其中，经过分析的测量值特别是具有关于所述检查对象(5)的运动和/或位置的信息，并且其中，使用经过分析的测量值来对所记录的图像数据进行处理。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述医学成像系统(1)具有X射线源(3)和X射线检测器(4)，并且记录图像数据包括：通过所述X射线源(3)照射所述检查对象(5)；以及通过所述X射线检测器(4)记录所透视的检查对象。
13.一种用于采集患者的周期性地运动的检查对象(5)的图像数据的医学成像系统(1)，用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法，所述医学成像系统具有：
·用于记录所述检查对象(5)的图像数据的成像单元(3；4)；
·用于以触发的方式控制图像数据的记录的控制单元(9)；
·具有可运动部件(7)的运动链的机器人设备(6)，所述机器人设备具有用于采集测量值的力和/或力矩和/或位置传感机构，所述测量值特别是具有关于所述检查对象的运动和/或位置的信息，其中，所述机器人设备(6)与患者具有触觉连接；
·用于分析所述测量值的分析单元(14)；以及
·用于转发所述测量值的通信连接(12)，
其中，所述医学成像系统(1)被构造为用于，使用经过分析的测量值来对所述成像系统(1)进行控制。
14.根据权利要求13所述的医学成像系统，其中，所述成像单元具有用于发出X射线辐射的X射线源(3)和用于记录透视的检查对象(5)的图像数据的X射线检测器(4)，并且所述控制单元(9)被构造为用于，以触发的方式控制辐射输出和图像数据的记录。
15.根据权利要求14所述的医学成像系统，其中，所述控制单元(9)被构造为，所述控制单元依据经过分析的测量值，以触发的方式控制对所述检查对象(5)的照射和图像数据的记录。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的医学成像系统，所述医学成像系统具有图像处理单元(11)，所述图像处理单元用于使用经过分析的测量值来处理图像数据。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的医学成像系统，所述医学成像系统具有配准单元，所述配准单元用于在两个(2D)投影记录和所述检查对象的3D体积图像之间执行2D-2D-3D配准，所述两个(2D)投影记录是在所述检查对象的周期性的运动的同一时刻和/或同一阶段，从不同的投影方向记录的。
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