CN118436364A - 一种x射线成像预览的装置、方法和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种X射线成像预览的装置、方法和存储介质，包括：第一示踪器、标定工具、第二示踪器、及光学定位仪，所述第一示踪器被配置为表示目标解剖结构的位置信息，所述光学定位仪对所述第一示踪器和所述第二示踪器进行识别和定位。该装置能够通过虚拟物理模型调整X射线设备，直接得到虚拟影像，当该虚拟影像时，可以直接得到X射线设备的X射线发射源和X射线接收器的预测位置，预测位置的调整和优化均在虚拟物理模型中进行，无需对患者进行多次透视，降低了对患者的辐射伤害；可以根据可视化的虚拟影像进行实时调整、获得最佳的影像数据，能够提高诊断效率和准确率；同时操作简单，减少了摄片时间。

Description

一种X射线成像预览的装置、方法和存储介质

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种X射线成像预览的装置、方法和存储介质。

背景技术

现有X光设备在摄片时通常使用激光射线的手段指示成像中心，指导X光设备摆放位置。但是，激光射线只能投影在人体表面，与需要成像的骨骼存在距离，而且人体表面并无明显标识骨骼位置的特征，需要依靠医生靠经验和肉眼判断，这会导致实际成像中心与预期成像位置具有较大误差。而且，当人体被无菌铺巾等覆盖时，激光射线投影到人体表面的无菌铺巾上，此时无法观察成像区域，或者无影灯亮度过高，激光射线无法辨别，只能通过反复透视来试错。另外，激光射线需要观察和操控的位置与移动X光设备的后端距离较远，在使用时需要多人配合才能操作。这导致了指示成像区域的精度低、耗费时间长，操作者劳动强度大，多次透视使患者遭受多次X射线，对身体损害较大。

发明内容

针对以上现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种X射线成像预览的装置、方法和存储介质，通过虚拟物理模型显示虚拟影像，能够进行实时调整，精度高。

本发明的一个方面提供了一种X射线成像预览的装置，包括：

第一示踪器，所述第一示踪器被配置为表示目标解剖结构的位置信息；

标定工具，所述标定工具连接于X射线发射源或者X射线接收器；

第二示踪器，所述第二示踪器被配置为表示X射线发射源和/或所述X射线结构器的位置信息；

光学定位仪，所述光学定位仪对所述第一示踪器和所述第二示踪器进行识别和定位。

在一个实施例中，所述X射线成像预览装置，还包括数据处理单元，所述数据处理单元被配置为建立虚拟物理模型、计算所述X射线发射源的和/或所述X射线接收器的预测位置信息。

在一个实施例中，所述标定工具通过绑带连接于X射线发射源。

在一个实施例中，所述第一示踪器，连接于目标解剖结构。

在一个实施例中，所述第二示踪器，连接于所述标定工具或者所述X射线发射源。

在一个实施例中，所述X射线成像预览的装置还包括显示设备，所述显示设备被配置为显示所述X射线发射源和/或所述X射线接收器的实际位置信息。

在一个实施例中，还包括显示设备，所述显示设备被配置为显示虚拟影像。

在一个实施例中，所述显示设备被配置为显示所述X射线发射源和所述X射线接收器的预测位置信息。

本发明的另一个方面提供了一种X射线成像预览的方法，包括以下步骤：

S1：读取初始影像数据，获得X射线发射源、X射线接收器、及目标解剖特征的位置信息；

S2：建立虚拟物理模型，在虚拟物理模型中调整X射线发射源和X射线接收器的虚拟位置，得到虚拟影像。

在一个实施例中，所述目标解剖特征的位置信息包括所述目标解剖特征位置和姿态。

在一个实施例中，所述初始影像数据至少有一组，所述初始影像数据为三维图像数据。

在一个实施例中，所述初始影像数据包括至少两组初始影像数据，所述至少两组初始影像数据为二维图像数据。

在一个实施例中，初始影像数据有至少两组，分别为X射线发射源以不同角度拍摄的影像数据。

在一个实施例中，采用图像配准融合算法，根据所述至少两组初始影像数据，得到所述目标解剖结构的姿态。

在一个实施例中，在步骤S2中，利用数字重建放射影像算法得到所述虚拟影像。

在一个实施例中，所述X射线成像预览的方法，还包括步骤S3，当所述虚拟影像为目标影像时，所述X射线发射源和X射线接收器的虚拟位置信息被标记为X射线发射源和X射线接收器的预测位置信息。

在一个实施例中，所述显示设备用于显示所述X射线发射源和X射线接收器的预测位置信息。

本发明的另一方面提供了一种X射线成像预览的存储介质，所述存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行X射线成像预览的方法。

与现有技术相比，本发明提供具有如下的有益效果：

1、能够通过虚拟物理模型调整X射线设备，直接得到虚拟影像，当该虚拟影像时，可以直接得到X射线设备的X射线发射源和X射线接收器的预测位置，预测位置的调整和优化均在虚拟物理模型中进行，无需对患者进行多次透视，降低了对患者的辐射伤害；

2、虚拟影像可视化，虚拟影像的精度高，无需转换，对操作者的主观经验的要求低，操作简单易懂，而且操作者可以根据实时虚拟影像结果进行实时调整，能够获得最具临床价值的影像数据，提高诊断效率和准确率；

3、能够根据X射线发射源和X射线接收器的预测位置对X射线设备进行一次实际调整即可，减少拍摄总体的时间，缩短摄片或手术过程。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一个实施例示出的X射线成像预览装置的结构示意图；

图2为C型臂射线机的工作原理示意图；

图3为C型臂射线机的简化物理模型；

图4A为本发明的一个实施例示出的真实拍摄的影像；

图4B为本发明的一个实施例示出的通过虚拟物理模型计算出的虚拟影像；

图5为本发明的一个实施例示出的含有钨钢珠的影像；

图6为本发明的一个实施例示出的至少两组初始影像处理的模拟物理场景。

附图标记：

11、X射线发射源；12、X射线接收器；2、标定工具；31、第一示踪器；32、第二示踪器；4、光学定位仪；5、主控台车；6、显示设备。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，术语“近端”通常是靠近操作者的一端，术语“远端”通常是靠近患者的一端，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。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。

本发明提供了一种X射线成像预览的装置、方法和存储介质，通过虚拟物理模型，实时显示虚拟的X射线影像，能够进行实时调整，精度高。

实施例1

本实施例提供一种X射线成像预览的装置。本实施例以骨科摄片为例。常规的X射线设备有C型臂X光机，C型臂X光机上设有X射线发射源和X射线接收器，X射线发射源一般为球管发射器，X射线接收器一般为平板接收器，C型臂X光机的工作原理可简化为图2所示的物理模型。C型臂X光机拍摄的影像数据为断层数据，几百张单层CT数据叠加，可以形成一个体数据，即一张张二维图像叠加形成的三维体素。参照图3，如果有一个模拟的X射线发射源和一个模拟的X射线接收器，可以通过数字重建放射影像算法，模拟形成一张X光图像。

以骨科诊断或手术为例，参照图1，本实施例提供的X射线成像预览的装置，包括设于C型臂X光机上的X射线发射源11和X射线接收器12、标定工具2、第一示踪器31、第二示踪器32、及光学定位仪4和主控台车5。光学定位仪4连接于主控台车5，主控台车5设有数据处理单元(图中未示出)和显示设备6。标定工具2通过绑带连接于C型臂机的X射线发射源附近，标定工具2上设有固定排列的多个钨钢球，X射线不能够穿过钨钢球。第一示踪器31设于患者的患病部位附近，例如患病部位在脊柱，需拍摄部分脊椎的X射线影响，则将第一示踪器连接于患者的脊柱。第一示踪器可以通过多种方式连接于人体的脊柱，例如第一示踪器可以通过其末端设置棘突夹或克氏针等方式固定于人体脊柱，也可以通过无创皮肤粘接、绑带等方式固定。第一示踪器与脊柱之间的相对位置和角度在整个摄片过程中是恒定的，即可以根据第一示踪器在三维空间的位置计算得到目标解剖结构的位置。

第二示踪器32可以连接在C型臂X光机上、靠近X射线发射源的位置，也可以连接到标定工具2的侧面，第二示踪器32不能够阻挡X射线，能够被光学定位仪识别、跟踪和定位。第二示踪器可以通过绑带连接于C型臂X光机，也可以通过螺纹、卡榫等连接方式。第二示踪器、X射线发射源、标定工具之间的相对位置在整个摄片过程是恒定的，可以根据第二示踪器在三维空间的位置得到X射线发射源和标定工具的位置。

主控台车5的数据处理单元与光学定位仪4进行通信连接，光学定位仪4能够将其获得的数据传输至数据处理单元进行数据处理。显示设备6用于显示X射线发射源、X射线接收器、目标解剖结构的实际位置，同时，当数据处理单元计算得到需要X射线发射源和X射线接收器的预测位置时，也可以在显示设备6显示。医生在操作时可以直接通过显示设备观察当X射线发射源和X射线接收器处于不同位置时，数据处理单元处理后行程的虚拟影像。

本实施例通过第一示踪器与人体的连接、及第二示踪器与C型臂X光机的连接，并构建相对位置关系，来追踪C型臂X光机的X射线发射源、X射线接收器，以及目标解剖结构，从而在虚拟物理模型中模拟真实环境的位置关系及摄片结构。

实施例2

本实施例提供的X射线成像预览的方法，包括以下步骤：

S1：获取X射线发射源、X射线接收器、及标定工具的位置信息；获取初始影像数据，得到目标解剖结构的位置和姿态；

S2：建立虚拟物理模型，在虚拟物理模型中调整X射线发射源和X射线接收器的虚拟位置，得到虚拟影像；

S3：当虚拟影像为目标影像时所述X射线发射源和X射线接收器的虚拟位置标记为X射线发射源和X射线接收器的预测位置。

本实施例以拍摄脊椎影像为例。在步骤S1中，初始影像数据可以为二维图像数据或三维图像数据。当初始影像数据为三维图像数据时，可读取至少一张初始影像数据，如初始影像数据为二维图像数据时，需要至少读取两张初始影像数据。本实施例为拍摄两张初始影像数据为例，该两张初始影像数据采用C型臂X机拍摄，其为X射线发射源以不同角度拍摄到的二维影像数据。

在拍摄影像数据之前，需要将标定工具安装于C型臂X光机的X射线发射源附近，标定工具的侧面设有第二示踪器，患者患病部位附件连接有第一示踪器，本实施例中患病部位在脊椎，需要拍摄脊椎部位的光片，则将第一示踪器连接于患者的脊柱。第一示踪器和第二示踪器上设有反光或发光装置，可以被光学定位仪识别、定位和跟踪。

第一示踪器与目标解剖结构的相对位置关系、以及第二示踪器与C型臂X光机的相对位置关系，可以通过多种技术路径完成。例如，第一示踪器与人体的目标解剖结构可以通过点云、图像等配准方式，也可以通过三维摄片等方式完成相对位置构建。第二示踪器与C型臂X光机可以通过实现预设安装位置及位置关系参数等方式获得。

具体地，X射线发射源和X射线接收器是C型臂X光机的一部分，其相对位置关系是可以获知的，C型臂X光机在正常状态其X射线发射源与X射线接收器的姿态是固定不变的。对于C型臂X光机的X射线接收器的大小也是可以获知的，一般根据C型臂X光机的型号可以得到或者C型臂X光机的说明书参数上会有标注。第二示踪器固定于C型臂X光机后，第二示踪器与X射线发射源和X射线接收器之间的相对位置关系也是固定的。

标定工具上设有多个钨钢球，分两排设置，钨钢珠不能被X射线穿透，在拍摄光片时，钨钢球会在初始影像数据上形成如图5所示的实心的黑色小圆点。我们可以得到在初始影像数据上这些黑色小圆点的像素位置，并计算出每一个钨钢球相对于第一示踪器的相对空间位置关系。而第一示踪器的位置可以被光学定位仪定位和跟踪，即得到了每一个钨钢珠的三维空间位置。从而能够计算出C型臂X光机的两个关键元器件X射线发射源和X射线接收器相对于第二示踪器的三维空间位置，即得到X射线发射源和X射线接收器的位置和姿态。位置可以理解为三维坐标系下的位置坐标，姿态可以理解为在三维坐标系下相对于参考点或原点的角度。

光学定位仪可以采用NDI双目相机进行捕捉和记录三维空间中的物体，NDI双目相机通过计算两个摄像机拍摄的图像之间的差异，来确定物体在三维空间中的位置和形状。这种双目视觉技术基于视差原理，通过比较左右两个摄像机拍摄的图像，计算出物体在三维空间中的位置。光学定位仪可以第一示踪器和第二示踪器进行识别、定位和跟踪，并建立一个三维的空间坐标系，得到X射线发射源、X射线接收器、每个钨钢珠在三维空间中的坐标。

通过以上信息：X射线发射源、X射线接收器、每个钨钢珠的位置及X射线接收器的大小，我们可以在虚拟空间中行程一个近似真实的C型臂X光机的物理模型，这个虚拟的C臂X光机会根据第二示踪器的位置和姿态的变化而变化，但无论怎么变化，我们都能准确地获取到X光射线发射源和X射线接收器的姿态。

固定在患病部位附近的第一示踪器是用来反应患病部位例如脊椎的位置，即第一示踪器与患病部位之间的相对位置关系固定，光学定位仪可以根据第一示踪器的位置计算患病部位例如脊椎的位置信息。

步骤S1中，所述至少两组初始影像数据为X射线发射源以不同角度拍摄的二维影像数据。在我们的虚拟场景中可以设置如图6所示的虚拟物理场景，长三角尖端表示X光发射源，长三角的底边表示X光平板接收器。可以使用图像配准融合算法获取人体骨骼即目标解剖结构相对于第一示踪器的相对位置和角度，即目标解剖结构相对于第一示踪器的姿态。将目标解剖结构的姿态也加入到C型臂X光机的物理模型中，得到虚拟物理模型。这样我们在虚拟物理模型中完全还原了真实场景，而且无论C型臂机移动到哪里，只要光学定位仪能够捕捉到第一示踪器和第二示踪器，我们的虚拟物理模型都能够还原真实场景，可以生成一张虚拟的X光影像，这张X光影像和真实的X光影像非常近似。也就是说，医生不需要通过多次拍摄X光影像去调整C型臂X光机的位置，只需要在虚拟物理模型中调整C型臂X光机，就可以直接在显示设备中预览到虚拟影像。图4A为真实拍摄的影像，图4B为在虚拟物理模型中计算得到的虚拟影像。我们可以观察到虚拟影像与实际的X射线影像非常接近。

当观察到的虚拟影像为最佳时，即虚拟影像能够最大化反映目标解剖结构的目标影像时，C型臂X光机的X射线发射源和X射线接收器的位置为被标记为预测位置，按照该预测位置调整C型臂X光机的位置后进行透视，可以直接得到实际的影像数据，该影像数据能够最大化反映目标解剖解剖。

因为虚拟物理模型是完全模拟真实环境，虚拟影像与实际的影像数据非常接近，因此得到的实际影像数据能够最大化反映目标解剖特征。通过医生可以在虚拟物理模型中进行C型臂X光机位置的调整，无需实际进行调整和透视，降低了透视次数，避免患者多次透视带来的额外辐射危害，虚拟影像可视化，对医生的主观经验要求低，无需多次实际调整设备位置，操作更加简单，节省整体摄片时间，而且获得的实际影像数据能够最大化反映目标解剖结构，具有最佳临床价值，能够提高诊断效率和准确率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种X射线成像预览的装置，其特征在于，包括：

第一示踪器，所述第一示踪器被配置为表示目标解剖结构的位置信息；

标定工具，所述标定工具连接于X射线发射源或者X射线接收器；

第二示踪器，所述第二示踪器被配置为表示X射线发射源和/或所述X射线结构器的位置信息；

光学定位仪，所述光学定位仪对所述第一示踪器和所述第二示踪器进行识别和定位。

2.根据权利要求1所述的X射线成像预览的装置，其特征在于，还包括数据处理单元，所述数据处理单元被配置为建立虚拟物理模型、计算所述X射线发射源的和/或所述X射线接收器的预测位置信息。

3.根据权利要求1所述的X射线成像预览的装置，其特征在于，还包括显示设备，所述显示设备被配置为显示所述X射线发射源和所述X射线接收器的实际位置信息和/或预测位置信息。

4.根据权利要求1所述的X射线成像预览的装置，其特征在于，还包括显示设备，所述显示设备被配置为显示虚拟影像。

5.一种X射线成像预览的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：读取初始影像数据，获得X射线发射源、X射线接收器、及目标解剖特征的位置信息；

S2：建立虚拟物理模型，在虚拟物理模型中调整X射线发射源和X射线接收器的虚拟位置，得到虚拟影像。

6.根据权利要求5所述的X射线成像预览的方法，其特征在于，所述目标解剖特征的位置信息包括所述目标解剖特征位置和所述目标解剖特征的姿态。

7.根据权利要求5所述的X射线成像预览的方法，其特征在于，所述初始影像数据为至少两组二维图像数据或者至少一组三维图像数据。

8.根据权利要求5所述的X射线成像预览的方法，其特征在于，初始影像数据有至少两组，分别为X射线发射源以不同角度拍摄的影像数据。

9.根据权利要求8所述的X射线成像预览的方法，其特征在于，采用图像配准融合算法，根据至少两组所述初始影像数据，得到所述目标结构的姿态。

10.根据权利要求5所述的X射线成像预览的方法，其特征在于，在步骤S2中，利用数字重建放射影像算法得到虚拟影像。

11.根据权利要求5所述的X射线成像预览的方法，其特征在于，还包括步骤S3，当所述虚拟影像为目标影像时，所述X射线发射源和X射线接收器的虚拟位置信息被标记为X射线发射源和X射线接收器的预测位置信息。

12.一种X射线成像预览的存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行X射线成像预览的方法。