CN112515766B - 用于将x射线图像数据组与导航系统配准的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将X射线图像数据组与导航系统配准的方法和系统。此外，本发明涉及一种对应的计算机程序产品(1、16)。在所述方法中，借助照相机(13)拍摄参考对象(12)的至少一个图像，并且基于此来确定参考对象的当前的姿态。然后，检查该姿态是否满足预先给定的标准，在参考对象至少部分布置在X射线设备的规划的重建体积(11)外部时，所述标准也预测预计成功的配准。在不满足标准时，自动输出用于调整X射线设备与参考对象之间的相对取向的信号。在满足标准时，拍摄参考对象的X射线图像，基于此来确定参考对象的姿态，并且使用所确定的姿态作为参考来执行配准。

Description

用于将X射线图像数据组与导航系统配准的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于将借助X射线设备拍摄或者要拍摄的一组X射线图像与导航系统配准的方法、相应的计算机程序产品和用于执行所述方法的系统。

背景技术

在设备医学

中或者在计算机辅助的医疗过程(CAS，英语：Computer Assisted Surgery(计算机辅助手术))中，已知导航应用或方法，其中，例如可以沿着规划的路径，将仪器导航到预先给定的关注区域。对于这种方法，经常必须将X射线图像与相应的导航或者跟踪系统(英语：Tracking system)配准，以保证准确并且可靠的导航功能。为此，例如可以将X射线无法通过的标记定位在X射线设备的重建体积中，即如下空间区域中，在借助X射线设备拍摄的所有2D投影图像中，对该空间区域进行拍摄或者成像，然后可以由此进行三维重建，并且同时将X射线无法通过的标记定位在导航系统的检测区域中。

然而，在此，迄今为止难以事先确保标记实际上位于重建体积或者相应的空间区域中。通常，相应的医生或者X射线技术人员必须在拍摄相应的X射线投影图像之前，通过肉眼估计是否针对可能成功的配准，正确地定位了标记。迄今为止，这经常导致，在拍摄投影图像之后，X射线设备和导航系统的配准失败，或者具有太大的误差、即太大的不准确性。更确切地说，存在如下方案：首先，例如仅拍摄横向投影和AP投影中的两个投影图像，并且检查标记在这两个投影图像中是否可见。但是这已经呈现明显的附加的时间和工作开销以及相应的患者的附加的辐射暴露。此外，仅仅在这两个编辑用图像中可以看到标记的事实，也不能可靠地保证标记实际上完全处于规划的重建体积中。

在配准失败的情况下，必要时可以重新定位标记，并且执行另外的配准尝试，包括对投影图像重新进行拍摄，或者在没有导航的情况下执行相应的介入或程序。从现今的角度来看，这两种可能性都不是令人满意的解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于X射线设备和导航系统的更鲁棒的配准可能性。上述技术问题通过根据本发明的主题来解决。在下面的描述和附图中给出本发明的有利的设计方案和扩展方案。

根据本发明的方法用于将借助X射线设备拍摄或者要拍摄的一组X射线图像与导航系统配准，由此将X射线设备与导航系统配准。这些图像或者设备相互或者彼此的配准，特别是可能意味着或者包括：设备的相应的在内部由设备使用的坐标系或者利用这些设备拍摄或者产生的数据所使用的坐标系的配准，或者这些坐标系和预先给定的第三或共同的坐标系的配准。

X射线设备特别是可以是C形臂X射线设备。但是原则上同样可以使用其它类型的X射线设备。X射线设备仅应当使得能够在一方面X射线设备的辐射源和检测器与另一方面由此成像的检查对象或相应的空间体积之间进行相对运动。

优选导航系统可以是光学导航系统，其于是例如可以具有一个或多个照相机、特别是光学照相机，用于检测和跟踪X射线设备的拍摄区域(FoV，英语：Field of View(视场))或者重建体积中的对象。但是同样可以使用其它类型的导航系统，例如来对对象进行电磁导航或跟踪。

在根据本发明的方法的一个方法步骤中，借助照相机、特别是光学照相机，拍摄布置在X射线设备的拍摄区域中的、预先给定的X射线无法通过的参考对象的至少一个图像。在本发明的意义上，X射线设备的拍摄区域是如下空间区域，即，借助X射线设备，可以在X射线设备的至少一个位置或者姿态下，即例如可以在针对3D-CT数据组拍摄的多个这种投影图像中的至少一个2D投影图像中，对该空间区域进行检测或者成像。可以看到这与相应的重建体积不同，重建体积是或者包括如下空间区域，即，在拍摄CT数据组、特别是锥形束CT数据组或者设置用于重建这种数据组的原始数据或单图像、即特别是一系列多个单个的2D投影图像时，(至少基本上)在所有这些2D投影图像或者原始数据中，对该空间区域进行检测或者成像，因此于是能够针对其进行随后的3D重建。也就是说，拍摄区域可以理解为最大视野、即最大FoV，并且在相应的应用情况下，相应的重建体积可以理解为照片或图像系列或者图像数据组的所有单图像或者单照片的重叠区域。相应地，本发明的意义上的重建体积通常小于本发明的意义上的拍摄区域，并且可能根据用于拍摄相应系列的2D投影图像、即相应的CT数据组的X射线设备如何运动或者移动，从应用情况到应用情况发生变化。因此，在实践中，通常能够没有问题并且简单地也将参考对象也可靠地手动完全布置在拍摄区域中，而不能容易地可靠地将参考对象手动定位在重建体积中。

照相机可以是导航系统的一部分，或者可以是与导航系统不同的附加的照相机。照相机同样例如可以是便携式装置的一部分，在执行所述方法时，该便携式装置携带或者可以由相应的操作人员携带。这种便携式装置例如可以是HMD(Head-Mounted Display，头戴式显示器)、AR眼镜(AR：Augmentierte

(增强现实))或者VR眼镜(VR：Virtuelle

(虚拟现实))等。在每一种情况下，可以相对于导航系统，以预先给定或者已知、特别是恒定和/或受监视的空间位置关系，来布置照相机。

优选参考对象可以是一个技术对象。特别优选参考对象可以构造为非对称的，从而可以从不同的视角确定参考对象的姿态或者朝向。为此，参考对象例如可以具有多个例如不一样大和/或相对于彼此以不同的间隔布置的X射线无法通过的反射球的布置、一个或多个标记、图案或者记号等。

这里，可以拍摄参考对象的至少一个单图像或者多个图像，其中，其相应地可以是2D图像和/或立体图像或者3D图像。如果拍摄多个图像，那么优选可以从不同的方向或者视角拍摄这些图像，只要以可运动的方式支承照相机即可。

在根据本发明的方法的另一个方法步骤中，根据借助照相机拍摄的至少一个图像，特别是自动根据借助照相机拍摄的至少一个图像，来确定参考对象的当前的姿态、即位置和取向或者朝向。也就是说，在此，可以在照相机或者导航系统的坐标系中确定该当前的姿态。在此，可以接受有限的精度，例如可以接受具有直至几厘米的精度或者公差的姿态确定。也就是说，在此，首先对参考对象进行粗略检测或预检测或者粗略姿态确定或预姿态确定。相应地，也可以将根据至少一个照相机图像确定的姿态，称为临时的、不准确的、近似确定的或者估计的姿态。因为在此使用借助照相机拍摄的至少一个图像(下面也称为照相机图像)，因此由此有利地，例如在相应的介入的准备过程中，不与大量的时间或者工作开销并且不与对工作流程的限制相关联。例如，不需要采取辐射防护措施，相应的人员不需要离开X射线设备的区域，并且不需要调节X射线设备的特定的拍摄序列或者角度位置。

可以借助照相机或者导航系统，也就是说，在至少一个图像中，同样对X射线设备的至少一部分进行检测或者成像。然后，可以相应地根据至少一个图像，对X射线设备和导航系统的位置进行粗略配准或者预配准。然而，粗略配准或者预配准同样变得不准确或者可能不准确，但是对此有利地是，可以特别简单并且快速地执行。

然后，在根据本发明的方法的另一个方法步骤中，特别是自动或者半自动地检查根据至少一个照相机图像确定的参考对象的当前的姿态，是否满足预先给定的标准，例如位置或者成像标准，即使在参考对象相应地当前至少部分布置在X射线设备的相应的规划的重建体积外部的情况下，该预先给定的标准也预测可能成功的配准。为此，必要时可以根据粗略配准或者预配准，将所确定的姿态传输到X射线设备的坐标系中。也就是说，然后可以在X射线设备的坐标系中检查是否满足标准。

也就是说，满足标准可能意味着能够完全或者以至少一个预先给定的概率或者至少以预先给定的精度进行或者进行了配准。

相反，不满足标准可能意味着如下事实，或者可以理解为如下事实的指示，即，配准预计可能失败，或者仅能够以低于预先给定的精度阈值的精度进行配准。

在此，可以预先给定规划的重建体积，或者可以例如从X射线设备或者从用于规划相应的介入的规划计算机等自动调取相应的数据。

预先给定的标准例如可以定义一个或多个空间条件，例如空间区域、参考对象与X射线设备或者包括X射线设备的系统的一个或多个构件的一个或多个距离，和/或预先给定的标准例如可以定义借助X射线设备对参考对象进行成像的一个或多个条件，例如必须对参考图像进行成像的2D投影图像的最小数量、对参考对象进行成像的不同的2D投影图像之间的最小角度差等。也就是说，根据该标准，尤其是可以在拍摄X射线图像之前，检查或者预测配准是否预计成功。这使得能够有利地在需要时立即重新定位参考对象，并且能够在没有延迟或者具有最小延迟并且对相应的工作流程没有限制的情况下可靠地执行配准。

在不满足预先给定的标准的情况下，在根据本发明的方法的另一个方法步骤中，自动输出如下信号，该信号用于调整X射线设备与参考对象之间的相对取向，和/或用于调整设置用于稍后拍摄参考对象的X射线图像的、X射线设备的预先给定的轨迹。借助这种调整，可以实现然后、即在相应地调整后的条件下，满足标准。这种信号例如可以是或者包括针对相应的用户或者相应的人员的关于不满足标准的相应的指示。附加地或者替换地，信号例如可以是或者包括用于自动调整X射线设备的运动或者拍摄特性的控制或者数据信号，其中，通过这种调整，可以保持重建体积不变。但是通过这种调整，必要时仍然可以实现配准的更大的成功概率。在进行调整时或者在进行调整之后，可以再次、多次或者连续对标准进行评估，即检查是否满足标准。为此，在进行调整时或者在进行调整之后，可以相应地拍摄至少一个另外的照相机图像，可以根据该至少一个另外的照相机图像，重新确定姿态。然后，为了对标准进行评估或者检查，可以始终使用参考对象的相应地最新的、即最后确定的姿态。以这种方式，可以有利地特别简单并且可靠地实现可能的最小调整。由此，可以避免不必要地影响其它参数或者流程。附加地或者替换地，可以在进行调整之前，计算或者估计导致不满足标准的偏差，或者相应地计算或者估计例如在相对于迄今为止设置的轨迹的范围或者量值、方向或者差等方面所需要的调整。以这种方式，可以有利地特别快速地实现并且设置满足标准的布置或者状况。可以是这种情况，因为与例如逐步进行调整、并且在每一个步骤之后相应地重新检查标准相比，必要时可以明显更快地执行相应的计算。

在满足针对参考对象的特定姿态的预先给定的标准的情况下，和/或在必要时调整了相对位置和/或必要时调整了轨迹的情况下，即对于当前存在的姿态或状况，或者对于在进行调整之后存在的姿态或者状况，在根据本发明的方法的另一个方法步骤中，借助X射线设备，特别是从多个不同的视角，拍摄参考对象的X射线图像或者投影图像。然后，根据这些X射线图像，特别是自动确定参考对象的姿态。与根据至少一个照相机图像相比，根据X射线图像必要时可以以更高的精度或者更高的分辨率确定参考对象的姿态。相应地，也可以将根据X射线图像确定的姿态称为准确的姿态、精细姿态，即使原则上在这两种情况下可能涉及参考对象的同一姿态，也就是说，客观来看，在至少一个照相机图像与X射线图像的拍摄之间，参考对象的姿态没有改变。

也就是说，在此，例如从X射线设备的角度，或者在X射线设备的坐标系中，确定参考对象的当前的姿态。然后，由此或者通过相应的数据的组合，使用所确定的姿态作为参考，即相对于所确定的参考对象的姿态，特别是自动或者半自动地对X射线设备和导航系统进行配准。在此，除了根据X射线图像确定的姿态之外，还可以使用先前在所描述的粗略检测或者预检测的过程中拍摄的至少一个照相机图像或者由此确定的姿态。同样可以借助照相机和/或借助导航系统，重新对参考对象进行成像或者检测，并且基于相应的检测数据，从照相机或者导航系统的角度，或者在照相机或者导航系统的坐标系中，重新确定参考对象的姿态。这例如对于在此例如以如下方式以更高的精度确定姿态可能是有用的，即，与粗略检测或者预检测相比，拍摄多个照相机图像和/或来自附加的视角的照相机图像，或者当前面提到的照相机不是导航系统的一部分时，在此附加地或者替换地借助导航系统检测参考对象。

例如可以迭代地执行所描述的方法。也就是说，如果在不满足标准的情况下，根据信号自动或者手动重新对参考对象进行定位或者取向，那么在所述方法的接下来的迭代步骤或者遍历中，可以利用参考对象的更新后的姿态重新执行标准。也就是说，然后，可以拍摄至少一个新的照相机图像，基于新的照相机图像，来确定参考对象的更新后的姿态，并且针对该更新后的姿态重新检查标准。可以执行或者遍历该迭代循环，直到确定满足标准为止。

通过本发明，可以特别简单、快速并且可靠地尤其是事先，即在X射线图像的拍摄和实际的配准计算之前，确保配准成功。由此，在相应的介入中，可以避免配准误差以及相应的延迟或者限制。在使用本发明的情况下，同样也可以由没有经验的人员可靠地执行或者进行配准。此外，通过本发明，可以以与迄今为止的方法相比明显减小的时间和工作开销，来针对成功的配准确定用于定位参考对象的边界区域。

因此，总体上可以更灵活地定位参考对象，因为可以以可行的方式使用更大的空间区域来定位参考对象，以进行配准。因此，例如在空间条件有限的情况下，也可以以可行的开销实现配准，因此使得能够例如在如下情况下针对相应的介入进行导航支持，即，相应的患者和/或其它设备或者仪器已经占据或者限制X射线设备的拍摄区域或者重建体积的中心，从而不能为了进行配准而将参考对象定位在那里。在这种情况下，为了进行可靠的配准，必须通过肉眼，例如将参考对象定位在相应的患者内部，这显然是不可行的。然后，如果例如从外部将参考对象设置在患者上，那么即使对于经验丰富的人员来说，也不能容易地可靠地看出于是在哪些位置或者姿势下，参考对象仍然完全或者部分位于重建体积内部，或者在哪些位置或者姿态下，通过以足够大的角度偏移在足够不同的投影图像中进行成像，得到足够准确的配准。

在本发明的有利的设计方案中，作为标准或者作为标准的一部分，检查参考对象是否位于预先给定的允许的空间区域中。为此，例如可以在照相机或者导航系统的坐标系中定义允许的空间区域。例如当如所描述的，已经根据至少一个照相机图像执行了预配准时，同样可以在X射线设备的坐标系中或者相对于X射线设备定义允许的空间区域。

例如同样可以通过到同样可以在至少一个照相机图像中成像的X射线设备的一个或多个构件的一个或多个距离来定义允许的空间区域。附加地或者替换地，例如可以通过针对一个或多个方向或者维度的预先给定的距离说明，从预先给定的定义的点等出发，例如沿着照相机的视野中的患者台的对称轴或者中心轴，来定义允许的空间区域。

例如可以根据至少一个照相机图像，通过相应的图像处理或者相应的图像处理算法，例如基于自动或者半自动的对象或者特征识别，来确定相应的距离。

可以根据参考对象的朝向来定义允许的空间区域，因为在参考对象的特定位置，成功配准可能与参考对象的朝向或者取向有关。

可以针对相应的单独的X射线设备，例如通过相应的尝试，事先一次性地确定或者定义允许的空间区域，然后可以有利地在没有另外的开销的情况下，以相应的数据的形式，调取或者查询允许的空间区域，用于将来的应用。在此，允许的空间区域可以是参数化的，即，例如可以针对不同的位置或者姿态或者运动、具有其它仪器或者设备的不同的装备或者配备、不同的参考对象、不同的患者类型或者患者姿势等，相应地不同或者单独地定义允许的空间区域。这使得能够有利地在允许的空间区域可能彼此不同的许多不同的状况和应用情况下，始终可靠地定位参考对象，从而可以成功地执行配准。

为了对标准进行检查，可以将根据至少一个照相机图像确定的参考对象的姿态，与允许的空间区域或者其坐标进行比较。在此，例如可以以相对于允许的边缘区域的边缘必须保持的安全裕度(Sicherheitsmarge)的形式，考虑确定姿态和/或预配准时的不准确性或者不确定性。在此，这种安全裕度可能与在相应的个别情况下实现的精度或者不确定性有关，从而可以根据个别情况或者状况，最大化地或者尽可能完全地利用允许的空间区域。

这里提出的标准，即根据照相机图像确定的姿态与允许的空间区域的对比或者比较，可以有利地以特别小的计算开销执行、因此特别快速地执行。这使得能够有利地在定位参考对象时至少几乎实时地通过信号来支持相应的用户。

在本发明的有利的扩展方案中，为了进行检查，查询预先给定的值表或者数据库，在该值表或者数据库中，特别是通过与X射线设备的至少一个其它的构件和/或与照相机的视野的中心点的至少一个预先给定的距离，来定义允许的空间区域。换言之，这里，允许的空间区域例如不需要作为三维仿真模型而存在。替代地，可以在值表或者关联表中，例如针对参考对象的不同的姿态，或者针对参考对象与X射线设备的一个或多个构件或者与照相机的视野的中心点的不同的距离，来存储是否满足标准，即参考对象的相应的位置是否落入允许的空间区域中，或者是否预计配准能够成功。因为必要时可以借助插值或者通过值表参数化的模型函数，特别简单、快速并且以小的开销处理或者评估这种值表或者关联表，因此以这种方式，可以进一步简化并且加速对标准的检查，因此可以进一步简化并且加速在定位参考对象时对用户或者人员的相应的支持。

在本发明的另一个有利的设计方案中，作为标准或者作为标准的一部分，检查在拍摄X射线图像时，在参考对象的当前的姿态下，是否预计将以足够用于配准的质量和/或频率，对参考对象进行成像。为此，对X射线图像的拍摄进行仿真。也就是说，换言之，特别是根据或者考虑针对相应的介入或者检查规划的X射线设备的运动或者相对运动，单纯地通过计算或者以计算机辅助的方式执行虚拟成像。然后，可以根据仿真来确定是否满足标准，由此确定是否至少预计可以成功地执行配准。特别有利地，以这种方式，尤其是可以事先特别准确并且可靠地确定预计配准是成功、还是失败，其中，这里，在实际进行配准之前，或者在实际进行配准尝试之前，也不需要接通X射线设备，即不需要实际拍摄X射线图像。

通过针对配准对X射线图像的拍摄进行虚拟仿真，可以有利地特别可靠地确定和考虑参考对象是否不仅位于拍摄区域或者重建体积中，而且是否从或者将从足够多或者足够不同的视角拍摄参考对象，以便实际或者以足够的精度确定参考对象的姿态。因此，完全可能根据参考对象的形状，也从不同的视角拍摄参考对象的多个图像，而根据这些图像，不能可靠地确定或者重建参考对象的姿态。例如，在相对平坦的参考对象的情况下，拍摄参考对象的窄的端面，与以不同的角度、特别是从与参考对象的任意侧面都不垂直的方向对参考对象进行拍摄相比，可能提供明显更少的关于参考对象的位置或者朝向信息。

为了对X射线图像的拍摄进行仿真，或者为了在此对参考对象进行成像，可以作为输入数据，向预先给定的仿真算法或者模型，提供X射线设备的相应的计算机或者仿真模型以及参考对象的虚拟模型。同样可以作为输入数据，提供针对X射线图像的拍摄规划的运动、拍摄频率等。

在本发明的有利的扩展方案中，在进行仿真时，通过如下方式，来考虑相应的要成像的患者的相应的当前的位置或者针对X射线图像的拍摄规划的位置，即，基于X射线图像中的预计的对参考对象的遮挡，在对参考对象进行识别或者姿态确定时，确定由于患者的解剖结构而产生的预计的不准确。然后，例如可以根据所描述的安全裕度来使用这种不准确，和/或将这种不准确与预先给定的精度阈值进行比较。例如，可能根据规划的介入或者程序，对配准的精度提出不同的要求。因此，例如对于脊柱手术，可能需要定位准确，因此也可能需要小于1mm的相应的配准精度，而在可移动并且可变形的软组织或者器官(例如肝脏)上进行手术时，可以允许或者准许明显更大的不准确性、例如几毫米的范围内的不准确性。

为了确定遮挡，例如可以预先给定如下患者模型，该患者模型包含X射线无法通过的解剖结构和/或描述针对不同的区域或者沿着不同的透视方向的X射线衰减。例如可以基于相应的单独的患者的可用的较老的CT数据组，来产生该患者模型，或者患者模型例如可以是预先给定的标准化的患者模型或者平均患者模型。

尤其是在将参考对象定位在拍摄区域或者规划的重建体积的中心外部时，与中心定位相比，参考对象的姿态确定的准确性可能变差。然后，在X射线图像中出现的参考对象例如被相应的患者的骨骼遮挡，可能导致不再能够遵守确定姿态、因此进行配准、最后稍后的导航所需要的精度。因此，这里提出的对这种遮挡的仿真，可以特别可靠地使得能够或者确保以足够的精度成功进行配准。

在本发明的另一个有利的设计方案中，作为标准或者作为标准的一部分，对在拍摄X射线图像时参考对象在其当前的姿态下相对于X射线设备的辐射源和/或检测器所具有的距离进行评估。这例如可以包括将该距离与预先给定的阈值或者预先给定的最小和/或最大距离进行比较。在此，可以根据所确定的姿态以及X射线设备的预先给定的特性或者参数或者预先给定的模型和/或X射线设备的规划的运动或者轨迹，自动确定该距离。也就是说，换言之，这里，不仅可以考虑参考对象在其当前的姿态下原则上是否足够位于拍摄区域中，而且也可以考虑在相应的规划的X射线图像的拍摄中实际给出的成像几何结构。因此，在2D投影图像中，可以根据参考对象是更靠近检测器、还是更靠近辐射源，例如不同地或者以不同的细节程度对参考对象进行显示或者成像。

此外，特别是参考对象的分散的定位、锥形或者金字塔形的射束几何形状以及将拍摄角度范围限制为小于360°，可能使得根据辐射源和检测器相对于参考对象的位置，参考对象位于射束锥的内部或者外部，也就是说，对参考对象进行成像或者不进行成像，更确切地说，即使当参考对象原则上位于X射线设备的拍摄区域中时。通过考虑参考对象与辐射源和/或检测器的距离，也就是说，通过考虑成像几何结构，由此可以有利地特别可靠地尤其是事先确保可以成功地以足够的精度执行配准。

这里，也可以将多个标准或者条件相互组合。例如，在参考对象与辐射源或者检测器的距离较大的情况下，可以对应地提高对成像的质量或者精度的要求，也就是说，例如相应的投影图像的由于遮挡而产生的影响或者由于成像角度而减少的信息内容可能更关键。也就是说，如果例如预先给定了相应的阈值，那么可以动态地或者根据其它参数或参数值或者条件，特别是自动调整这些阈值，或者可以针对不同的条件或者状况预先给定不同的相应的阈值，然后自动选择不同的相应的阈值。

在本发明的另一个有利的设计方案中，特别是当首先不满足标准时，根据所确定的参考对象的姿态，自动确定或者选择在拍摄X射线图像时，相应地将或者要将X射线设备的检测器和辐射源，定位在重建体积的哪一侧，以使成功配准的概率最大，或者至少以预先给定的最小概率满足标准。为此，例如可以确定或者选择X射线设备的如下取向，即检测器和辐射源的如下布置，该取向或者该布置使得参考对象尽可能完全位于X射线辐射的射束锥内部，或者尽可能位于该射束锥的中心或者中间，或者参考对象在投影图像的至少一部分中可以看到的大小或者成像尺寸足够大。附加地或者替换地，可以确定或者选择X射线设备的如下取向，该取向使得例如针对参考对象与辐射源或者检测器的距离，针对对参考对象进行成像的投影图像的预计或者仿真的成像质量和/或数量等，尽可能远地低于或者(根据阈值的定义)超过至少一个预先给定的阈值。

同样可以根据所确定的参考对象的当前的姿态，自动确定、特别是从多个预先给定的轨迹中选择在拍摄X射线图像时X射线设备的辐射源和/或检测器要行驶的轨迹。这里，换言之，可以确定或者在所描述的调整的过程中调整辐射源和/或检测器的空间和/或时间上的路径、即运动，以使成功配准的概率最大，或者至少以预先给定的最小概率满足标准。这里，如所描述的，也使借助X射线设备对参考对象的成像得到改善或者优化。

在本发明的有利的扩展方案中，为了确定X射线设备的取向或者辐射源和/或检测器的轨迹，从多个预先给定的取向或者轨迹中，自动选择如下取向或者轨迹，与相应的迄今为止设置的取向或者轨迹相比，该取向或者轨迹产生最小的改变和/或提供标准的最佳满足程度。也就是说，如果预先给定了X射线设备的多个预先给定的校准的姿态或者轨迹，来拍摄X射线图像，那么于是可以从这些姿态或者轨迹中，例如选择相应地最合适的姿态或者轨迹，以便能够尽可能可靠地或者以尽可能高的精度执行配准。例如，可以在预先给定的第一取向或者轨迹中设置为，检测器基本上布置或者保持在相应的患者的上方，并且辐射源基本上布置或者保持在相应的患者的下方，而这在预先给定的第二取向或者轨迹中刚好相反。也就是说，根据轨迹，检测器和辐射源可以在拍摄X射线图像期间经过不同的角度范围。在此，两个轨迹可以在几何上产生相同的重建体积。然而，如果参考对象完全或者部分位于该重建体积外部，那么辐射源和检测器在拍摄X射线图像期间经过的角度范围，可能对于参考对象在相应的投影矢量之间具有足够的角度差的足够数量的投影图像中的可见性是决定性的，因为与更靠近检测器相比，更靠近辐射源的射束锥具有更小的宽度，因此经过更小的空间体积。

通过这里提出的对X射线设备的取向或者轨迹的自动选择，必要时可以有利地在不影响重建体积的情况下，因此在不损害规划的介入或者检查的情况下，提高成功配准的概率，或者使成功进行配准、例如重新定位参考对象所需要的开销最小。

在本发明的另一个有利的设计方案中，在满足标准时，相对于所述方法使用的系统、特别是下面将进一步描述的根据本发明的系统的至少一个第一部件，在空间上固定、即紧固或者确定参考对象。然后，在借助X射线设备拍摄X射线图像期间，例如在配准之后的介入或者检查期间，系统的第二部件运动时，参照参考对象或者参考对象的姿态，自动保持或者更新配准。

例如可以将参考对象固定在辐射源或者检测器的支架上，然后可以在患者台或者患者床运动时保持或者更新配准。例如同样可以将参考对象紧固在以不可运动的方式保持的患者台或者患者床上，然后在照相机或者导航系统运动时保持或者更新配准。以这种方式，可以有利地在特别大的数量的状况中，特别灵活地提供连续的导航或者导航支持，特别是不需要例如为了重新定位参考对象并且借助X射线设备和照相机或者导航系统相应地重新进行姿态确定，而中断工作流程，或者甚至中断相应的介入。

在本发明的另一个有利的设计方案中，在不满足标准时，通过信号激活自动的特别是光学或者图形的用户引导，通过用户引导，向相应的用户显示至少预计可以满足标准的参考对象的可能的位置改变。例如，为此，可以例如借助激光器或者投影仪等产生或者投影箭头或者线条，和/或例如可以通过相应的轮廓或者平面的照明来(优选以彩色)标记允许的区域。同样可以例如在屏幕上或者借助AR或VR眼镜或者HMD等输出相应的表示。

特别有利地，可以根据在定位参考对象时在相应的参考对象中期望哪些配准或者导航精度，以分级的方式标记不同的区域，其中，在此，精度可以相应地涉及与相应的规划的介入有关的解剖结构导航区域有关，或者适用于该导航区域。

作为光学的用户引导的附加或者替换，例如可以进行声学的用户引导，其中，例如可以通过一系列信号音调的音高或者单音调之间的时间间隔的变化，来传达参考对象相对于允许的空间区域的接近或者远离，和/或配准或者稍后的导航的预计的质量或者精度。

如所描述的，在此，可以基于预先给定或者预先计算的值表和/或通过仿真，必要时根据相应的规划的介入或者检查，来确定或者估计相应的区域或者精度，因为针对不同的介入，可能存在不同的条件或者要求。

通过这里提出的自动的用户引导，可以特别快速并且简单地在相应的用户侧没有附加的工作步骤的情况下，并且不熟练或者没有经验的用户也可以可靠地定位参考对象，从而可以以相应地要求的精度成功地进行配准。因此，可以进一步缩减相应的工作流程，并且特别有效地运行相应的工作流程。

本发明的另一方面是计算机程序产品，其包括命令或者控制指令，在通过根据本发明的系统、特别是根据本发明的系统的数据处理装置执行这些命令或者控制指令时，这些命令或者控制指令使得该系统执行至少一个实施方式中的根据本发明的方法。也就是说，换言之，根据本发明的计算机程序产品对根据本发明的方法的方法步骤进行编码，或者表示根据本发明的方法的方法步骤。也就是说，根据本发明的计算机程序产品可以是或者包括实现根据本发明的方法的方法步骤的相应的计算机程序。根据本发明的计算机程序产品同样可以是存储有相应的计算机程序的计算机可读的数据载体，或者包括这种数据载体。

根据本发明的方法相应地可以完全或者部分由计算机来实现。

本发明的另一方面是包括X射线设备、导航系统、照相机和数据处理装置的系统。在此，照相机可以是导航系统的一部分，或者可以与导航系统不同或者分开。根据本发明的系统被配置为用于，特别是自动或者半自动地执行根据本发明的方法的至少一个实施方式。也就是说，根据本发明的系统或者其组成部分或构件特别是可以是结合本发明的其余方面提到的相应的装置。相应地，根据本发明的系统可以具有结合本发明的其余方面中的一个或多个提到的特性、装置、构件以及相应的优点中的一些或者全部。

为了执行根据本发明的方法，根据本发明的系统的数据处理装置可以被构造并且配置为用于，加载并且执行根据本发明的计算机程序产品或者计算机程序。根据本发明的系统的数据处理装置同样可以具有存储有根据本发明的计算机程序的根据本发明的计算机可读的数据载体。为了执行该计算机程序或者相应的程序代码，数据处理装置可以具有处理器、特别是微处理器、微芯片或者微控制器或者相应的硬件电路等。附加地，数据处理装置可以具有与处理器连接的数据存储器以及用于接收或者输出数据的一个或多个接口。

根据本发明的系统可以具有特别是光学和/或声学的信号输出装置，用于输出在不满足标准时用于调整X射线设备与参考对象之间的相对取向的信号。信号输出装置例如可以包括光源、扬声器和/或屏幕等。

迄今为止以及下面给出的根据本发明的方法、根据本发明的计算机程序产品和根据本发明的系统的特性和扩展方案以及相应的优点，相应地同样可以在本发明的这些方面之间相互转用。也就是说，具有如下设计方案的本发明的各方面的相应的扩展方案也属于本发明，这里，为了避免不必要的冗余，未在相应的组合中明确地描述这些设计方案，或者未针对本发明的每一个方面单独描述这些设计方案。

附图说明

从下面对优选实施例的描述中以及根据附图，得到本发明的其它特征、细节和优点。在此：

图1示出了用于配准X射线设备与导航系统的方法的示例性的示意性流程图；以及

图2示出了用于执行所述方法的系统的示意图。

具体实施方式

下面说明的实施例是本发明的优选实施方式。在这些实施例中，所描述的实施方式的部件相应地是应当视为相互独立的本发明的各个特征，这些特征也相应地相互独立地扩展本发明，因此也单独或者在与所示出的组合不同的组合中，被视为是本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式也可以通过已经描述的本发明的特征中的其它特征来补充。

图1仅示意性地示出了在设备或者计算机支持的医学范围内用于将两个设备彼此配准的方法的可能的流程图1的示例。具体地，所述方法可以用于在图2中示意性地示出的系统2。这里，系统2包括要相互配准的X射线设备3和导航系统4。此外，这里，系统2包括与X射线设备3和导航系统4连接的数据处理装置5、例如计算机。

这里，X射线设备3示例性地构造为C形臂设备，并且相应地具有C形臂6，辐射源7保持在C形臂6上，并且检测器8与辐射源7对置地保持在C形臂6上。此外，这里，X射线设备3包括患者台9，在此，要成像或者要检查的患者10躺在患者台9上。通过C形臂6的相应的运动，辐射源7和检测器8可以沿着布置在它们之间的患者10运动，或者围绕患者10和患者台9旋转。也就是说，在此，可以借助X射线设备3从不同的角度或者视角对患者10的至少一部分进行X射线拍摄。特别是，可以借助X射线设备3从不同的视角对重建体积11进行透视或者成像，从而可以从相应的2D投影图像产生重建体积11的三维重建，重建体积11例如可以包括或者可以是患者10的解剖或者医学关注区域。

这里，在借助X射线设备3可检测的拍摄区域中，然而至少部分在重建体积11外部，布置有X射线无法通过的参考对象12。如下面将进一步描述的，可以通过参考对象12来执行X射线设备3和导航系统4相互或者彼此的期望的配准。

为了进行配准并且事先确保可以成功地执行配准，参考对象12也位于导航系统4的视野或者拍摄区域中。这里，导航系统4具有多个装置。这特别地是用于对参考对象12进行检测或者成像的照相机13。为此，参考对象12位于照相机13的相应的视野或者拍摄区域中。如果照相机13不是导航系统的一部分，而例如是附加的天花板照相机等，那么也可以是这种情况。

在此，照相机13特别是可以构造为用于拍摄立体或者3D照相机图像的立体照相机。

这里，导航系统的另一个装置是信号输出装置14，借助信号输出装置14，例如可以输出光学和/或声学信号，例如用于通知或者引导系统2的相应的用户或者相应的人员。信号输出装置14或者相应的装置同样可以与导航系统4分开设置。

可以通过数据处理装置5来处理由X射线设备3和导航系统4提供的数据。为此，在此示意性地示出了数据处理装置5具有至少一个处理器15和与其连接的计算机可读的数据存储器16。在此，在数据存储器16上存储有计算机程序或者程序代码，由此实现例如根据流程图1的用于使X射线设备3和导航系统4相互配准的方法。相应地，流程图1或者相应的方法的一些或者所有方法步骤S1至S8和/或程序路径P1至P3，可以表示计算机程序或者程序代码的对应的程序模块、命令、控制指令、方法或者功能。然后，可以执行存储在数据存储器16上的计算机程序，从而由处理器15执行所述方法。

此外，这里，系统2具有屏幕17，借助屏幕17，例如可以输出由X射线设备3、导航系统4和/或数据处理装置5产生的图像和/或数据。

也就是说，这里，要通过参考对象12，来实现X射线设备3或者其坐标系与(在此示例性地为光学)导航系统4或者其坐标系的配准。如在当前的示例中那样，参考对象12可以完全或者部分位于X射线设备3的重建体积11外部，从而参考对象12相应地仅在规划的2D投影图像的一部分中可见。原则上，可以从多个这种2D投影图像重建具有预先给定的、即已知的形状的对象(当前是参考对象12)的6-DOF(英语：Degrees of Freedom(自由度))姿态、即三维位置和朝向，这些2D投影图像是例如在至少30°的角度或者角范围内从不同的角度拍摄的。在此，问题是，只能非常困难并且不可靠地估计在参考对象12的相应的姿态下，是否将在足够的投影图像中，并且在足以确定或者估计姿态的角度范围内，对参考对象12进行成像。参考对象12的一般的非对称的形状，也可能难以使得能够根据参考对象12的朝向，或者根据在哪些投影图像中对参考对象12进行成像，来不同地良好地检测或者确定姿态。该问题可以通过下面要参考图2详细说明的根据流程图1的方法来解决。

在方法步骤S1中，首先可以向数据处理装置5提供输入数据。这些输入数据例如可以描述规划的对患者10的程序或者检查，包括在此要借助X射线设备3执行的成像或者X射线设备3的相应的运动或者轨迹，但是同样可以是或者包括X射线设备3的特性、限制、成像参数和/或模型、参考对象12的虚拟模型、患者10的患者模型、用于对成像和相应的成像特性或者成像结果进行仿真的计算机模型、用于相对于期望的配准或者其成功的机会或者准确性来评估参考对象12的姿态的标准、例如允许的空间区域的相应的定义、阈值等。在此，必要时可以通过数据处理装置5，例如从X射线设备3或者这里未示出的规划计算机、提供的数据库等中，自动调取这些数据中的至少一些。

在方法步骤S2中，借助照相机13拍摄参考对象12在其当前的姿态下的至少一个照相机图像。

在方法步骤S3中，通过数据处理装置5处理至少一个照相机图像，并且在此，根据照相机图像，至少在照相机13或者导航系统4的坐标系中，确定参考对象12的当前的姿态。

在方法步骤S4中，相对于预先给定的标准，测试或者检查如此确定的参考对象12的姿态，以预测在参考对象12的当前的姿态下，X射线设备3和导航系统4的期望的配准预计成功、还是失败。

如果在方法步骤S4中，作为结果得到不满足标准，也就是说，预计利用参考对象12的当前的姿态的配准失败，或者无法以期望的精度执行配准，那么所述方法跟随程序路径P1到达方法步骤S5。

在方法步骤S5中，通过数据处理装置5产生并且借助信号输出装置14输出用于调整参考对象12的姿态或者X射线设备3与参考对象12之间的相对取向的信号。也就是说，换言之，这里，向相应的用户进行是否为了确定姿态并且进行配准而适当地定位了参考对象12的陈述。此外，这里，可以进行用户引导，即针对用户进行导航的取向支持，以便在对参考对象12进行重新取向或者重新定位时，对用户进行支持，使得在参考对象12的新的姿态下，预计可以成功地执行配准。在此，可以考虑基于至少一个照相机图像执行的姿态确定中的误差、不准确性或者不确定性。

在用户引导或者对参考对象12的重新定位或者重新定向中，例如可以借助照相机13连续跟踪参考对象12，并且可以对标准进行连续的检查。同样可以规则地或者例如根据用户的相应的操作输入，重新拍摄参考对象12在其于是新的姿态下的至少一个照相机图像，根据相应的照相机图像重新确定该姿态，并且针对该新的姿态对标准重新进行评估。也就是说，可以迭代地执行方法步骤S2至S5，这在此通过程序路径P2示出。

在此，可以确定或者估计并且输出配准的预计的成功以及配准的准确性(精度)或者(例如在重建体积11内部产生的)预计的导航准确性。这例如可以基于预先给定或者预先计算的值表或者基于相应的仿真来进行。

在执行方法步骤S2至S5时，借助照相机13，不仅可以至少部分检测参考对象12，而且例如也可以至少部分检测X射线设备3，然后根据至少一个照相机图像，对X射线设备3、例如C形臂6和/或患者台9的位置与导航系统4或者其坐标系进行粗略配准或者预配准。然后，例如尤其是可以在用于X射线设备3和导航系统4的共同的坐标系中，确定根据至少一个照相机图像确定的参考对象12的姿态。如所描述的，可以将预先给定的知识或者预先给定的数据、关于规划的CT轨迹或者投影几何结构例如相对于C形臂6或者相对于患者台9的走向的方式，通过相应的接口传输至数据处理装置5，或者通过数据处理装置5调取或者加载这些知识或者数据或者方式。也可以加载并且考虑针对参考对象12的姿态的预先计算的预先给定的允许的空间区域或者值范围，例如相对于C形臂轨迹或者投影几何结构的空间区域或者值范围。附加地或者替换地，可以基于参考对象12的当前的姿态以及在此预计出现或者预期的不准确性，来对针对参考对象12的规划的X射线成像或者基于规划的X射线成像的姿态识别进行仿真。

在此，优选可以考虑患者10的当前的或者规划的位置以及基于此的患者模型，以便尤其是事先、即在拍摄实际的真实的X射线图像之前，在仿真中考虑例如患者10的X射线无法通过的解剖结构对参考对象12的遮挡，从而尤其是事先预知由此在基于X射线图像识别参考对象12或者确定参考对象12的姿态时形成的不确定性或者不准确性，并且在评估或者检查标准时考虑。

在评估或者检查标准时，即最后对于在相应的应用情况下参考对象12的当前的姿态是否使得能够进行配准的陈述，特别是可以考虑参考对象12与稍后的解剖导航区域、例如重建体积11或者重建体积11的部分区域的距离。在此，例如可以适用参考对象12与解剖导航区域距离越远，那么针对姿态的确定或者配准的准确性的要求或者阈值就越高或者越大。

同样可以例如在方法步骤S5中的用户引导的过程中或者与其无关地，从预先给定的校准的轨迹或者旋转中，自动选择X射线设备3或者C形臂6的最佳的校准的轨迹或者旋转，以优化姿态确定或者配准的成功概率和/或准确性。例如可以选择在图2中示出的C形臂6的取向，在该取向下，检测器8被定位在患者台9的上方，因此被定位为在参考对象12的当前的姿态下比辐射源7更靠近参考对象12。由此，与相反的取向不同，例如可以避免参考对象12位于来自辐射源7的射束锥的外部。在此，这里示出的C形臂6的取向，特别是可以是或者表示在所选择的轨迹下得到的C形臂6的中间或者平均取向或者重心取向。也就是说，在通过或者跟随该轨迹时，C形臂6可以围绕这里示出的取向或者位置运动。例如，在拍摄X射线图像时，辐射源7和检测器8可以围绕在图示平面中沿着患者10的纵向方向延伸的C形臂6的旋转轴改变其位置，根据所选择的轨迹，例如在每个方向上改变最多90°。

如果在方法步骤S4中，必要时在一次或者多次迭代执行之后，确定满足标准，也就是说，于是利用参考对象12的相应的当前的姿态，预计可以以期望的精度执行配准，那么所述方法跟随程序路径P3。在这种情况下，当然也可以输出相应的信号，以现实参考对象12的正确或者成功的定位。

然后，在方法步骤S6中，拍摄多个投影图像、即X射线图像，其中，至少在这些投影图像中的一些中，对参考对象12进行成像。

在方法步骤S7中，根据这些投影图像，确定参考对象12的当前的姿态。

在方法步骤S8中，使用所确定的参考对象12的姿态作为参考或者参考点，执行X射线设备3与导航系统4的配准。在此，例如可以假设、假定或者例如通过相应的移动和/或旋转来产生一致性，即根据至少一个照相机图像确定的姿态与根据X射线投影图像确定的姿态或者相应的坐标的一致性。

利用这样成功执行的配准，可以利用导航支持来执行用于对患者10进行治疗或者检查的相应的规划的程序。特别是如果参考对象12如在当前的示例中那样固定在进行配准使用的姿态下，那么在系统2的部分或者部件运动时，可以自动保持或者更新配准。

通过所描述的方法和系统2，可以有利地使得能够进行X射线设备3(例如DynaCT设备)与导航系统4的可预测的配准或者配准成功的预测。在针对配准正确地定位参考对象12的情况下，可以对相应的用户提供支持，因此可以简化相应的工作流程，并且提高其可靠性。由此，必要时可以有利地改善与X射线成像结合的导航支持的接受度。总的来说，所描述的示例示出了如何能够通过参考对象12的支持的取向，来实现X射线设备3与导航系统4的特别可靠并且鲁棒的配准。

Claims (14)

1.一种用于将借助X射线设备(3)拍摄的一组X射线图像与导航系统(4)配准的方法(1)，其具有如下方法步骤：

-借助照相机(13)拍摄预先给定的X射线无法通过的参考对象(12)的图像，所述参考对象布置在X射线设备(3)的拍摄区域中，

-根据图像，确定参考对象(12)的当前的姿态，

-检查所确定的参考对象(12)的当前的姿态是否满足预先给定的标准，在参考对象(12)至少部分布置在X射线设备(3)的相应的规划的重建体积(11)外部时，所述标准也预测预计成功的配准，

-在不满足所述标准时，自动输出信号，所述信号用于调整X射线设备(3)与参考对象(12)之间的相对取向，和/或用于调整被设置为用于稍后拍摄参考对象(12)的X射线图像的、X射线设备(3)的预先给定的轨迹，以满足所述标准，以及

-在满足所述标准时，借助X射线设备(3)，针对所确定的姿态，和/或针对调整后的相对位置，和/或针对调整后的轨迹，拍摄参考对象(12)的X射线图像，根据X射线图像确定参考对象(12)的姿态，并且使用所确定的姿态作为参考，来执行配准。

2.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，作为所述标准，检查参考对象(12)是否位于预先给定的允许的空间区域中。

3.根据权利要求2所述的方法(1)，其特征在于，为了进行检查，查询预先给定的值表，在所述值表中，特别是通过与X射线设备(3)的至少一个另外的构件和/或与照相机(13)的视野的中心点的至少一个预先给定的距离，定义了所述允许的空间区域。

4.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，作为所述标准，检查在拍摄X射线图像时，是否在参考对象的当前的姿态下，预计以足够用于进行配准的质量和/或频率，对参考对象(12)进行成像，并且为此对X射线图像的拍摄进行仿真。

5.根据权利要求4所述的方法(1)，其特征在于，在进行仿真时，通过确定由于患者(10)的解剖结构对参考对象(12)的遮挡而在X射线图像中引起的、参考对象(12)的识别或者姿态确定中的预计的不准确，来考虑相应的要成像的患者(10)的相应的当前的位置或者针对X射线图像的拍摄规划的位置。

6.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，作为所述标准，对在拍摄X射线图像时参考对象(12)在其当前的姿态下将与X射线设备(3)的辐射源(7)和/或检测器(8)具有的距离进行评估。

7.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，根据所确定的参考对象(12)的当前的姿态，自动确定X射线设备(3)的取向，所述X射线设备(3)的取向给出在拍摄X射线图像时，相应地将X射线设备(3)的检测器(8)和辐射源(7)定位在重建体积(11)的哪一侧，以使配准成功的概率最大。

8.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，根据所确定的参考对象(12)的当前的姿态，自动确定在拍摄X射线图像时X射线设备(3)的辐射源(7)和/或检测器(8)要经过的轨迹。

9.根据权利要求7所述的方法(1)，其特征在于，为了确定X射线设备(3)的取向或者辐射源(7)和/或检测器(8)的轨迹，从多个预先给定的取向或者轨迹中，自动选择与相应的迄今为止设置的取向或者轨迹相比产生最小的变化和/或提供所述标准的最佳的满足程度的取向或者轨迹。

10.根据权利要求8所述的方法(1)，其特征在于，为了确定X射线设备(3)的取向或者辐射源(7)和/或检测器(8)的轨迹，从多个预先给定的取向或者轨迹中，自动选择与相应的迄今为止设置的取向或者轨迹相比产生最小的变化和/或提供所述标准的最佳的满足程度的取向或者轨迹。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法(1)，其特征在于，在满足所述标准时，将参考对象(12)在空间上相对于所述方法(1)使用的系统(2)的至少一个第一部件(4、6、9)固定，并且在借助X射线设备(3)拍摄X射线图像期间所述系统(2)的第二部件(4、6、9)运动时，参照参考对象(12)自动保持或者更新配准。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的方法(1)，其特征在于，在不满足所述标准时，通过信号激活自动的特别是光学的用户引导，通过所述用户引导，向相应的用户示出预计能够满足所述标准的、参考对象(12)的可能的位置改变，通过所述位置改变。

13.一种系统(2)，所述系统包括X射线设备(3)、导航系统(4)、照相机(13)和数据处理装置(5)，其中，所述系统(2)被配置为用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法(1)。

14.一种计算机程序产品(1、16)，其包括指令，在通过根据权利要求13所述的系统(2)、特别是通过所述系统的数据处理装置(5)执行所述指令时，所述指令使得所述系统(2)执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法(1)。

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