CN114886445B - 一种基于多叶光栅动态可调的双c臂三维成像方法与系统 - Google Patents
一种基于多叶光栅动态可调的双c臂三维成像方法与系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像方法与系统，涉及图像处理技术领域，包括步骤：获取双C臂机架角度调整过程中各分体式光栅对全缩回状态下目标物的基底三维成像；根据临床需求获取基底三维成像中的三维感兴趣区域；根据各单C臂当前预设机架角度从三维感兴趣区域中提取对应机架角度下的最大投影密度图；根据最大投影密度图控制对应单C臂中各分体式光栅对对向伸展，并使光栅面在射线方向上保留有与当前最大投影密度区域相适应范围的光通区；控制射线发射球管运转并通过平板接收器采集自适应成像过程中当前预设机架角度下的投影数据。本发明通过自适应范围调节的光通区调整，避免了目标物非感兴趣区域的成像剂量。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像方法与系统。
背景技术
数字减影血管造影（Digital Subtraction Angiography，简称DSA）技术已成为全身各种血管性疾病影像检查的首选，也是脑血管和心脏大血管诊断成像的“金标准”。对于介入诊疗，DSA和C型臂X光机（简称C型臂）是支撑介入诊疗的核心设备，广泛应用于介入手术、微创手术及复合手术的影像导航。三维C型臂/DSA是在传统二维C型臂/DSA技术的基础上，围绕成像区域采集一定角度范围的系列投影数据，并进行三维图像重建。相比二维C臂/DSA图像，三维C臂/DS立体图像无重叠、更清晰、提供更准确三维空间定位，还可以生成横断面、矢状面、冠状面或其他任意切面图像，提高手术精准度；然而，另一方面，三维成像往往需要更高的成像剂量，有的临床应用过程中需要进行多次三维成像，使得成像剂量高的问题更加突出。如何降低三维C臂/DSA的成像剂量已成为一个亟需解决的问题。
现有的C臂/DSA设备常采用限束装置或准直板，限束装置或准直板位于X射线球管和受检组织之间，准直窗口以内区域为成像束流区域，X射线通过开放的准直窗口区域投射到受检组织、穿过组织后被探测器采集并分析，获得诊断信息；准直窗口之外或成像束流区域之外的X射线不进行有效成像，仅额外增加有害的辐射剂量，射线被金属材质的限束装置或准直板阻挡，不被投射到受检组织，从而降低辐射剂量。但是，C臂/DSA设备用的传统限束装置或准直板的开口（束斑）大小虽然可调，但开口形状不会随成像区域形状的改变而进行相应的拟形或适形调整，这就导致了无用射线剂量被受检组织吸收，引起非必要的组织损伤。
发明内容
为了进一步降低双C臂系统在三维成像过程中的成像剂量，本发明提出了一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像方法，所述多叶光栅由若干对可对向伸缩的分体式光栅对组成，各分体式光栅对之间成列贴合为与射线方向垂直的光栅面，包括步骤：
S1：通过初始成像，获取双C臂机架角度调整过程中各分体式光栅对全缩回状态下目标物的基底三维成像；
S2：根据临床需求获取基底三维成像中的三维感兴趣区域；
S3：根据各单C臂当前预设机架角度从三维感兴趣区域中提取对应机架角度下的最大投影密度图；
S4：根据最大投影密度图控制对应单C臂中各分体式光栅对对向伸展，并使光栅面在射线方向上保留有与当前最大投影密度区域相适应范围的光通区；
S5：控制射线发射球管运转并通过平板接收器采集自适应成像过程中当前预设机架角度下的投影数据；
S6：判断投影数据是否采集完成，若是，根据双C臂各机架角度下采集的投影数据重建目标物的三维成像，若否，调节机架角度至下一预设机架角度并返回S3步骤。
进一步地，所述S1步骤中，基底三维成像的获取情况包括：通过术中初始成像获取、通过术前初始成像获取。
进一步地，当所述基底三维成像是通过术前初始成像获取时，S1步骤之后还包括步骤：
S20：判断目标物体位是否与术前初始成像时相同，若否，调整目标物的体位。
进一步地，所述S3步骤中，光通区与当前最大投影密度区域在相同位置处的连线与射线方向平行。
进一步地，初始成像时采用第一预设剂量进行基底三维成像的获取，自适应成像时采用第二预设剂量进行投影数据的获取，第一预设剂量大于第二预设剂量。
本发明还提出了一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像系统，所述多叶光栅由若干对可对向伸缩的分体式光栅对组成，各分体式光栅对之间成列贴合为与射线方向垂直的光栅面，包括：
初始成像单元，用于在初始成像时，获取双C臂机架角度调整过程中各分体式光栅对全缩回状态下目标物的基底三维成像；
区域提取单元，用于根据临床需求提取基底三维成像图中的三维感兴趣区域；
密度图提取单元，用于根据各单C臂当前预设机架角度从三维感兴趣区域中提取对应机架角度下的最大投影密度图；
光栅调节单元，用于根据最大投影密度图控制对应单C臂中各分体式光栅对对向伸展，并使光栅面在射线方向上保留有与当前最大投影密度区域相适应范围的光通区；
自适应成像单元，用于控制射线发射球管运转并通过平板接收器采集自适应成像过程中当前预设机架角度下的投影数据；
机架调节单元，用于在投影数据采集完成前调节机架角度至下一预设机架角度；
三维重建单元，用于在投影数据采集完成后根据双C臂各机架角度下采集的投影数据重建目标物的三维成像。
进一步地，所述初始成像单元中，基底三维成像的获取情况包括：通过术中初始成像获取、通过术前初始成像获取。
进一步地，当所述基底三维成像是通过术前初始成像获取时，自适应成像单元中还包括：
配准单元，用于目标物体位与术前初始成像不同时，提供体位配准引导信息。
进一步地，所述光栅调节单元中，光通区与当前最大投影密度区域在相同位置处的连线与射线方向平行。
进一步地，初始成像时采用第一预设剂量进行基底三维成像的获取，自适应成像时采用第二预设剂量进行投影数据的获取，第一预设剂量大于第二预设剂量。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
（1）本发明所述的一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像方法与系统，根据各机架角度下最大投影密度区域的识别，进行自适应范围调节的光通区调整，避免目标物非感兴趣区域被射线照射；
（2）通过初始成像时的正常剂量照射获得基底三维成像，并在基底三维成像的基础上进行感兴趣区域的筛选，从而根据感兴趣区域进行自适应成像过程中（也即是执行支撑介入诊疗过程中）多叶光栅光通区的动态调整，以低剂量进行投影数据的采集及三维成像拼接获取，大大减少了支撑介入诊疗过程中的整体照射剂量。
附图说明
图1为一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像方法的步骤图；
图2为一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像系统的结构图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
顾名思义，双C臂系统具有两套C臂系统（两套射线发射球管-平板接收器、C臂机架运动装置等），通常而言，这两套C臂系统一个悬吊式、一个落地式，相互配合运动和成像。相比单C臂系统，双C臂系统成像更灵活、时间分辨率更高、运动伪影也更少。但与单C臂系统一样的，双C臂系统的成像剂量同样是一个亟待解决的问题。为了在现有技术基础上进一步降低支撑介入资料三维成像过程中的成像剂量，如图1所示，本发明提出了一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像方法，多叶光栅由若干对可对向伸缩的分体式光栅对组成，各分体式光栅对之间成列贴合为与射线方向垂直的光栅面，包括步骤：
S1：通过初始成像，获取双C臂机架角度调整过程中各分体式光栅对全缩回状态下目标物的基底三维成像；
S2：根据临床需求获取基底三维成像中的三维感兴趣区域；
S3：根据各单C臂当前预设机架角度从三维感兴趣区域中提取对应机架角度下的最大投影密度图；
S4：根据最大投影密度图控制对应单C臂中各分体式光栅对对向伸展，并使光栅面在射线方向上保留有与当前最大投影密度区域相适应范围的光通区；
S5：控制射线发射球管运转并通过平板接收器采集自适应成像过程中当前预设机架角度下的投影数据；
S6：判断投影数据是否采集完成，若是，根据双C臂各机架角度下采集的投影数据重建目标物的三维成像，若否，调节机架角度至下一预设机架角度并返回S3步骤。
众所周知的，支撑介入式诊疗需要在手术过程中不断通过调整C臂的机架角度以获得不同成像角度下的投影数据，并通过拼接这些投影数据以获得目标物的三维成像。因此，如果能够在不影响成像质量的情况下减少手术实际操作过程中的成像剂量，就能显著解决该问题。在该基础上，本发明提出了一个思路，也即是是否能够在C臂成像角度调整过程中，时刻保持仅对感兴趣区域的投影数据的获取呢。如能实现，就能够避免对非感兴趣区域的不必要成像剂量照射，同时，由于没有区域外射线的散射干扰，还可以在保证成像质量的情况下适当降低感兴趣区域的成像剂量。
基于上述，本发明提出一种用于双C臂的三维成像改进方式，先通过初始成像获取双C臂机架角度调整过程中各分体式光栅对全缩回状态下目标物的基底三维成像，并根据临床需求提取出三维感兴趣区域。在该初始成像过程中，由于并未对多叶光栅的开口大小进行控制，为了保证三维成像的质量，因此初始成像过程中采用常规C臂扫描下的成像剂量（也即是第一预设剂量）。
在通过初始扫描获取的角度调整依据（也即是包含有机架角度信息的三维感兴趣区域信息）后，即可进入自适应扫描。为了降低成像剂量，本发明提出在自适应扫描中，根据各单C臂当前的预设机架角度，先从三维感兴趣区域中提取出该对应机架角度下的最大投影密度图。而后，即可根据该最大投影密度图，控制各分体式光栅对进行对向伸展，并使光栅面在射线方向上保留有与当前最大投影密度区域相适应范围的光通区。其中，光通区与当前最大投影密度区域在相同位置处的连线与射线方向平行。这样设置的好处在于，当射线通过光通区的时候，由于光通区与当前最大投影密度区域在相同位置处的连线与射线方向平行，这就导致射线只会照射到当前机架角度所对应的感兴趣区域平面上，因此不会有多余的成像剂量照射到感兴趣区域平面以外的平面上，降低射线对组织的破坏。同时，由于避免了其它非目标照射区域射线散射的影响，亦可以在保证成像质量的情况下适当降低成像剂量（也即是第二预设剂量，具体剂量可根据实验进行获得）。
在控制发射球管运转并通过平板接收器采集到获得当前预设机架角度下的投影数据后，且投影数据为采集完成前（也即是支撑介入诊疗并未结束），即可调节机架角度至下一预设机架角度了。在机架角度调整过程中，为了提高投影数据的采集速度，在机架角度调整过程中，就对分体式光栅对的进行自适应调整，使其光通区范围自适应于下一预设机架角度对应的最大投影密度区域。
需要注意的是，为满足不同的诊疗要求，基底三维成像的获取可以分为两种情况，一种是通过术中初始成像获取，另一种是通过术前初始成像获取。对于术前初始成像获取来说，由于某些特殊要求，目标物可能需要中途进行其它操作而不能在术中完成初始成像，而要将初始成像获得的三维感兴趣区域运用到自适应成像中，就要保证前后三维感兴趣区域的位置不变，也即是目标物的体位需要保持一致。本发明针对这种情况，在基底三维成像是通过术前初始成像获取时，S1步骤之后还包括步骤：
S20：判断目标物体位是否与术前初始成像时相同，若否，调整目标物的体位。
当然，在实际应用场景中，除了目标物的体位需要调整外，还需要调整双C臂成像系统中各成像组件间的相对位置一致，其具体配准技术为常规技术，此处就不再赘述了。
实施例二
为了更好的对本发明的技术内容进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像系统，多叶光栅由若干对可对向伸缩的分体式光栅对组成，各分体式光栅对之间成列贴合为与射线方向垂直的光栅面，包括：
初始成像单元，用于在初始成像时，获取双C臂机架角度调整过程中各分体式光栅对全缩回状态下目标物的基底三维成像；
区域提取单元，用于根据临床需求提取基底三维成像图中的三维感兴趣区域；
密度图提取单元，用于根据各单C臂当前预设机架角度从三维感兴趣区域中提取对应机架角度下的最大投影密度图；
光栅调节单元，用于根据最大投影密度图控制对应单C臂中各分体式光栅对对向伸展，并使光栅面在射线方向上保留有与当前最大投影密度区域相适应范围的光通区；
自适应成像单元，用于控制射线发射球管运转并通过平板接收器采集自适应成像过程中当前预设机架角度下的投影数据；
机架调节单元，用于在投影数据采集完成前调节机架角度至下一预设机架角度；
三维重建单元，用于在投影数据采集完成后根据双C臂各机架角度下采集的投影数据重建目标物的三维成像。
进一步地，初始成像单元中，基底三维成像的获取情况包括：通过术中初始成像获取、通过术前初始成像获取。
进一步地，当所述基底三维成像是通过术前初始成像获取时，自适应成像单元中还包括：
配准单元，用于目标物体位与术前初始成像不同时，提供体位配准引导信息。
进一步地，光栅调节单元中，光通区与当前最大投影密度区域在相同位置处的连线与射线方向平行。
进一步地，初始成像时采用第一预设剂量进行基底三维成像的获取，自适应成像时采用第二预设剂量进行投影数据的获取，第一预设剂量大于第二预设剂量。
综上所述，本发明所述的一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像方法与系统，根据各机架角度下最大投影密度区域的识别，进行自适应范围调节的光通区调整，避免目标物非感兴趣区域被射线照射。
通过初始成像时的正常剂量照射获得基底三维成像，并在基底三维成像的基础上进行感兴趣区域的筛选，从而根据感兴趣区域进行自适应成像过程中（也即是执行支撑介入诊疗过程中）多叶光栅光通区的动态调整，以低剂量进行投影数据的采集及三维成像拼接获取，大大减少了支撑介入诊疗过程中的整体照射剂量。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像系统，其特征在于，所述多叶光栅由若干对可对向伸缩的分体式光栅对组成，各分体式光栅对之间成列贴合为与射线方向垂直的光栅面，包括：
初始成像单元，用于在初始成像时，获取双C臂机架角度调整过程中各分体式光栅对全缩回状态下目标物的基底三维成像；
区域提取单元，用于根据临床需求提取基底三维成像图中的三维感兴趣区域；
密度图提取单元，用于根据各单C臂当前预设机架角度从三维感兴趣区域中提取对应机架角度下的最大投影密度图；
光栅调节单元，用于根据最大投影密度图控制对应单C臂中各分体式光栅对对向伸展，并使光栅面在射线方向上保留有与当前最大投影密度区域相适应范围的光通区；
自适应成像单元，用于控制射线发射球管运转并通过平板接收器采集自适应成像过程中当前预设机架角度下的投影数据；
机架调节单元，用于在投影数据采集完成前调节机架角度至下一预设机架角度；
三维重建单元，用于在投影数据采集完成后根据双C臂各机架角度下采集的投影数据重建目标物的三维成像。
2.如权利要求1所述的一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像系统，其特征在于，所述初始成像单元中，基底三维成像的获取情况包括：通过术中初始成像获取、通过术前初始成像获取。
3.如权利要求2所述的一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像系统，其特征在于，当所述基底三维成像是通过术前初始成像获取时，自适应成像单元中还包括：
配准单元，用于目标物体位与术前初始成像不同时，提供体位配准引导信息。
4.如权利要求1所述的一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像系统，其特征在于，所述光栅调节单元中，光通区与当前最大投影密度区域在相同位置处的连线与射线方向平行。
5.如权利要求1所述的一种基于多叶光栅动态可调的双C臂三维成像系统，其特征在于，初始成像时采用第一预设剂量进行基底三维成像的获取，自适应成像时采用第二预设剂量进行投影数据的获取，第一预设剂量大于第二预设剂量。
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