CN117159107A - 一种快速低剂量的ct引导穿刺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速低剂量的CT引导穿刺方法。在三源CT系统中，在完成一周或180度+扇角的扫描后，利用三源三探测器在预先设定的三个角度(机架旋转或静止)的投影数据来计算穿刺针的位置的变化，并通过三个角度的正投影和实际投影数据的符合程度确认计算结果是否可靠，从而通过一次扫描和几次脉冲曝光即可完成穿刺引导，扫描速度快、放射剂量大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种医用X射线影像设备的应用领域，具体是一种快速低剂量的CT引导穿刺方法。
背景技术
CT引导的介入手术是意向有效的经皮穿刺非血管的介入技术，包括CT引导的经皮穿刺活检和介入治疗，可用于全身各个部位，包括头、胸、腹和肌肉骨骼等系统。
CT引导的介入手术，由于CT图像对病变部位定位准确，并能清晰了解病变周边的软组织及血管情况，因此可以精确的确定进针位置、角度和深度，并且可以在CT扫描监视下随时调整，因此可以实现精确穿刺。
CT引导的介入手术还可以与“机器人”结合，通过三维CT图像完成穿刺规划，并引导机械臂沿规划好的线路完成介入手术。
常见的CT引导介入手术包括：神经痛介入治疗、肺结节穿刺活检、腹腔或肝脏脓肿引流等。
现有的CT引导下的穿刺操作存在扫描速度慢、对病人的辐射剂量高等问题。
目前CT引导的介入操作已经形成操作规范，中国医药教育协会介入微创专业委员会和中国医师协会介入分会共同发表了《CT引导介入操作规范2022版》(医学影像学杂志2022年第32卷第3期，中国医药教育协会介入微创专业委员会中国医师协会介入分会)。
在常规单源/双源CT中CT引导的介入操作通常采用低剂量CT“透视”(Fluoro)引导。Fluoro扫描模式主要有两种，一种是间歇曝光模式，即每次曝光完成一个360度全扫描或180度+扇角的半扫描，进针和曝光交替进行；另一种是连续曝光模式，即CT设备持续曝光，并持续重建图像，曝光和进针可以同时进行。但两种模式为了获取针的当前位置都需要至少180度+扇角的曝光，在当前机架转速最快的系统(0.25s/转)需要大约0.16s的曝光，速度相对较慢(不能实现实时显示)，射线剂量也相对较高。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种通过少数扫描和若干次脉冲曝光数据采集即可完成穿刺引导，穿刺过程中对进针情况的反馈速度快、辐射剂量大大降低的快速低剂量的CT引导穿刺方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种快速低剂量的CT引导穿刺方法，在三源CT系统中，在完成一周或180度+扇角的扫描后，利用三源三探测器在某预先设定的三个角度(机架旋转或静止)的投影数据来计算穿刺针的位置的变化，并通过三个角度的正投影和实际投影数据的符合程度确认计算结果是否可靠，从而通过少数扫描和若干次脉冲放线即可完成穿刺引导，扫描速度快、放射剂量大大降低。
优选地，一种快速低剂量的CT引导穿刺方法，具体实施步骤如下：
1)将患者置于恰当的体位及扫描位置进行扫描得到未进针的原始数据和图像(Img0)；
2)根据预先规划好的进针方向及路径进针；
3)开始进针后(针位于患者体内一定深度)，采用旋转方式采集一周或180度+扇角数据并重建图像(Img1)；
4)通过对图像做减影(Img1-Img0)可以得到针的图像Imgneedle；
5)通过直线检测方法得到(直)针的方向，进针方向为沿针的方向向患者体内；
6)在图像域将针逐渐沿进针方向移动，并保持在同一条直线上，间隔在各个坐标轴上的间隔不大于1/2像素，形成一系列图像数据ImgCN1…ImgCNn；
7)将机架旋转停止，并使得三个球管停在预先设定的角度；或保持机架旋转，仅在预先设定的角度进行脉冲曝光；
8)按需进行脉冲曝光；
9)每次脉冲曝光采集三个角度的投影数据proj1n,proj2n,proj3n
10)对第6步得到的数据，ImgCNx按照系统几何排布和第7步的预设球管角度进行三个方向的正投影，并与第8步和第9步得到的对应角度的真实投影数据做减法；
11)计算差值，对差值进行阈值化处理，计算绝对值并求和，或平方和，找到差值绝对值的和或平方和最小的ImgCNmin，如果其对应的差值的绝对值和，或平方和小于阈值TH，则可以认为进针深度以及进针后的图像与ImgCNmin近似，将ImgCNmin作为进针后的图像显示；
12)若ImgCNmin对应的差值的绝对值和，或平方和大于阈值TH，则认为进针路径与预期不符，比如进针路径发生了旋转或平移，或患者有移动，此时，提示操作者进行一次360全扫描或半扫描得到Imgr；
13)通过未进针图像Img0与Imgr进行刚性配准(旋转+平移)得到新的未进针图像Imgr0，并从第4步开始继续计算并显示进针过程。
优选地，所述步骤7)中球管1，停在0度；球管2在240度；球管3在120度。但是停止时3个球管的角度对方法的可行性没有影响，可以是任意角度，但球管的间隔角度是系统预先设计决定的。同时，将机架旋转停止也不是必须的，旋转过程中特定角度的脉冲曝光可以实现同样效果，根据刷新频率的需要选择脉冲曝光的间隔。
优选地，所述步骤8)中若X射线源硬件不支持脉冲曝光，可以采用较大幅度的毫安调制代替脉冲曝光以大幅降低剂量。
优选地，采用数值模拟方法对该方法的算法和处理流程验证，其采用二维数据，但方法本身不限于二维数据。
本发明通过少数扫描和若干次脉冲放线即可完成穿刺引导，扫描速度快、可以实时跟踪穿刺进针情况、同时辐射剂量大大降低。
附图说明
图1为本发明采用的CT系统组成图；
图2为本发明的流程示意图；
图3为本发明模拟使用XCAT数字模体示意图；
图4为本发明高密度量直线段模拟穿刺所用针示意图；
图5为本发明进针后的图像；
图6为本发明针沿进针方向移动则可以得到一系列图像ImgCNm中的一个位置；
图7为本发明某个进针深度与其它位置的差值的绝对值的和曲线图；
图8为本发明全部进针位置与其它进针位置的三个投影差的绝对值的和的曲面图；
图9为本发明患者和针一起转动0.5度时的投影的差的绝对值的和曲面图；
图10为本发明中针旋转0.5度深入时，其与理想进针路径各个位置的投影的差的绝对值的和的曲面图；
图11为本发明中当针与理想进针路径有一个像素的偏移时的对应曲面图；
图12为本发明增加噪声后的图像；
图13为本发明阈值化处理前后对比示意图；
图14为本发明全部进针深度的差异三维曲面图；
图15为本发明进行阈值化处理并加入噪声后的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明在三源CT系统中，在完成一周或180度+扇角的扫描后，利用三源三探测器在预先设定的三个角度(机架旋转或静止)的投影数据来计算穿刺针的位置的变化，并通过三个角度的正投影和实际投影数据的符合程度确认计算结果是否可靠。因此，本装置和方法通过一次扫描和几次脉冲放线即可完成穿刺手术，扫描速度快、辐射剂量大大降低。
如图2所示，本发明的具体实施步骤如下：
1)将患者置于恰当的体位及扫描位置进行扫描得到未进针的原始数据和图像(Img0)；
2)根据预先规划好的进针方向及路径进针；
3)开始进针后(针位于患者体内一定深度)，采用旋转方式采集一周(180度+扇角)数据并重建图像(Img1)；
4)通过对图像做减影(Img1-Img0)可以得到针的图像Imgneedle
5)通过直线检测方法得到(直)针的方向，进针方向为沿针的方向向患者体内；
6)在图像域将针逐渐沿进针方向移动，并保持在同一条直线上，间隔在各个坐标轴上的间隔不大于1/2像素，形成一系列图像数据ImgCN1…ImgCNn；
7)将机架旋转停止，并使得三个球管停在预设角度，或保持机架旋转并在特定角度进行脉冲曝光(例如球管1，在0度；球管2在240度；球管3在120度)；
8)按需进行脉冲曝光(若X射线源硬件不支持脉冲曝光，可以采用较大幅度的毫安调制代替脉冲曝光以大幅降低剂量)；
9)每次脉冲曝光采集三个角度的投影数据proj1n,proj2n,proj3n
10)对第(6)步得到的数据，ImgCNx按照系统几何排布和第(7)步的预设球管角度进行三个方向的正投影，并与第8步和第9步得到的对应角度的真实投影数据做减法；
11)计算差值，对差值进行阈值化处理，计算绝对值并求和，或平方和，找到差值绝对值的和或平方和最小的ImgCNmin，如果其对应的差值的绝对值和，或平方和小于阈值TH，则可以认为进针深度以及进针后的图像与ImgCNmin近似。将ImgCNmin作为进针后的图像显示。
12)若ImgCNmin对应的差值的绝对值和，或平方和大于阈值TH，则认为进针路径与预期不符，比如进针路径发生了旋转或平移，或患者有移动，此时，提示操作者进行一次360全扫描或半扫描得到Imgr。
13)通过未进针图像Img0与Imgr进行刚性配准(旋转+平移)得到新的未进针图像Imgr0，并从第4步开始继续计算并显示进针过程。
实施例2
本发明采用数值模拟方法对算法和处理流程验证如下，验证采用单个切片的数据，但方法本身不限于单个切片数据。
模拟使用XCAT数字模体(见图3)；
如图4所示高密度量直线段模拟穿刺所用针(needle)；
进针后的图像如图5所示；
针沿进针方向移动则可以得到一系列图像ImgCNm，图6显示了其中一个位置。
某个进针深度与其它位置的差值的绝对值的和可以显示为一条曲线(如图7所示)；全部进针位置与其它进针位置的三个投影差的绝对值的和可以显示成一个曲面。通过整体数据分析可以发现，无论针处于任何位置，均可以通过找到该处三个投影与各个进针深度对应的三个投影的差值的绝对值的和的最小值来得到进针位置，以及对应的合成图像。
图8中，x，y坐标分别为当前针的位置，其它进针位置，z为当前进针位置与其它进针位置对应的三个投影的差的绝对值的和。图8显示了，在不考虑噪声的情况下，当前进针位置与当前进针位置最接近的合成图像正投影对应的三个投影的差的绝对值的和近似为0。相差一个像素的合成图像的正投影与当前位置的三个投影的差的绝对值的和的最小值为25.8；
当患者和针一起转动0.5度时，虽然对应各个进针深度，仍然能找到差的绝对值的和的最小值，但最小值远大于仅有进针深度不同时的投影的差的绝对值的和。图9显示了患者和针一起转动0.5度时的投影的差的绝对值的和曲面。全部位置的差的绝对值的和的最小值为1131.8。
当仅有针未按照进针路径深入，而是旋转0.5度深入时，其与理想进针路径各个位置的投影的差的绝对值的和的曲面如图10所示。全部位置的差的绝对值的和的最小值为19.2。
当针与理想进针路径有一个像素的偏移时(由于进针路径在初次进针后判断，理论上不应出现这一情况)，对应曲面如图11所示。各个进针深度最匹配的位置(差的绝对值的和最小的位置)的差的绝对值的和的最小值为18.8。
在图像存在噪声的情况下，为了模拟较低剂量，选择SD值在20，增加噪声后的图像如图12所示。
存在噪声的情况下，如果不对噪声进行处理会导致差值绝对值的和较大，因此需要对差值进行阈值处理，在本例中选择1.1的阈值(如图13所示)，可以较完善的滤除噪声，且不会对针的位置差异造成的投影值的变化产生影响。
全部进针深度的差异也可以显示为三维曲面，如图14所示.
经阈值化处理后，加入sd＝20的噪声后的图像在各个进针位置的与实际位置的投影的差的绝对值的和的最小值显著低于有旋转或平移位置偏差的情况，具体情况如图15所示。全部位置的差的绝对值的和的最小值为0，最大值为1.2。阈值TH取在1.2和18.8之间即可在患者或针没有发生移动的情况下跟踪针的位置，在患者或者针已经移动的情况下提示完成一个360度扫描。
Claims (5)
1.一种快速低剂量的CT引导穿刺方法，其特征在于：在三源CT系统中，在完成一周或180度+扇角的扫描后，利用三源三探测器在预先设定的三个角度(机架旋转或静止)的投影数据来计算穿刺针的位置的变化，并通过三个角度的正投影和实际投影数据的符合程度确认计算结果是否可，靠从而通过一次扫描和几次脉冲放线即可完成穿刺引导，扫描速度快、放射剂量大大降低。
2.根据权利要求1所述的一种快速低剂量的CT引导穿刺方法，其特征在于：具体实施步骤如下：
1)将患者置于恰当的体位及扫描位置进行扫描得到未进针的原始数据和图像(Img0)；
2)根据预先规划好的进针方向及路径进针；
3)开始进针后(针位于患者体内一定深度)，采用旋转方式采集一周或180度+扇角数据并重建图像(Img1)；
4)通过对图像做减影(Img1-Img0)可以得到针的图像Imgneedle
5)通过直线检测方法得到(直)针的方向，进针方向为沿针的方向向患者体内；
6)在图像域将针逐渐沿进针方向移动，并保持在同一条直线上，间隔在各个坐标轴上的间隔不大于1/2像素，形成一系列图像数据ImgCN1…ImgCNn；
7)将机架旋转停止，并使得三个球管停在预设角度；或保持机架旋转，并在某些特定角度曝光采集数据；
8)按需进行脉冲式曝光；
9)每次脉冲曝光采集三组球管+探测器组合对应的三个角度的投影数据proj1n,
proj2n,proj3n
10)对第6步得到的数据，ImgCNx按照系统几何排布和第7步的预设球管角度进行三个方向的正投影，并与第8步和第9步得到的对应角度的真实投影数据做减法；
11)计算差值，对差值进行阈值化处理，计算绝对值并求和，或平方和，找到差值绝对值的和或平方和最小的ImgCNmin，如果其对应的差值的绝对值和，或平方和小于阈值TH，则可以认为进针深度以及进针后的图像与ImgCNmin近似，将ImgCNmin作为进针后的图像显示；
12)若ImgCNmin对应的差值的绝对值和，或平方和大于阈值TH，则认为进针路径与预期不符，比如进针路径发生了旋转或平移，或患者有移动，此时，提示操作者进行一次360全扫描或半扫描得到Imgr；
13)通过未进针图像Img0与Imgr进行刚性配准(旋转+平移)得到新的未进针图像Imgr0，
并从第4步开始继续计算并显示进针过程。
3.根据权利要求2所述的一种快速低剂量的CT引导穿刺方法，其特征在于：所述步骤7)中球管1，球管2，球管3位置已知，且多个球管的排布已知。
4.根据权利要求2所述的一种快速低剂量的CT引导穿刺方法，其特征在于：所述步骤8)中若X射线源硬件不支持脉冲曝光，可以采用较大幅度的毫安调制代替脉冲曝光以大幅降低剂量。
5.根据权利要求2所述的一种快速低剂量的CT引导穿刺方法，其特征在于：采用数值模拟方法对该方法的算法和处理流程验证，其采用二维数据，但方法本身不限于二维数据。
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| WO2007082494A1 (en) * | 2006-01-23 | 2007-07-26 | Huiling Zhang | Guided puncturing needle and puncturing guiding method |
| CN101006936A (zh) * | 2006-01-23 | 2007-08-01 | 张惠玲 | 一种导向穿刺针具及穿刺引导方法 |
| CN102395327A (zh) * | 2009-02-25 | 2012-03-28 | 飞利浦电子有限公司 | 用于经颈静脉肝内门体静脉分流（tips）程序的方法、系统以及设备 |
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