CN1406117A - 用荧光透视成像系统获得并显示计算机断层图像的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于诊断和介入过程的医学成像系统10。该系统包括具有x射线源36和接收器34的C臂12，用于获得病人的荧光透视图像。通过图像获取路径(A、B)来移动C臂12，沿该路径获得至少第一和第二图像。获取模块沿图像获取路径在所需位置获得多个2－D荧光透视图像，而图像处理器16根据该2－D荧光透视图像对目标数据的3－D体积进行构建。病人信息是根据病人信息的3－D体积来显示的。包括了位置跟踪系统(18、20)，以对接收器34、病人22和(如果包括)手术器械24的位置进行跟踪。位置信息被用于对获得曝光(32)的时间进行控制，并(如果包括)用病人信息在显示器48上叠加器械图形信息。

Description

用荧光透视成像系统获得并显示计算机断层图像的方法和设备
发明背景
本发明的优选实施例通常涉及根据一种移动式C臂的x射线系统，用于构建三维(3-D)体积(volumetric)数据集，并在诊断和介入(interventional)医学过程中使用该数据集。更具体地，本发明的至少一个优选实施例涉及根据移动式C臂的x射线医学成像系统，它部分地根据病人和x射线接收器的坐标信息而对数字x射线图像的三维体积数据集进行构建，并且将该数据集用于要进行的诊断和介入过程。
常规医学成像设备，如计算机断层(CT)和核磁共振成像(MRI)，使用复杂的机械台架结构以支撑病人和用于对病人成像数据集进行构建的装置。CT和MRI数据集是通过多次扫描而形成的，在该扫描中，病人的确切位置是从机械台架和病人台之间的关系得知的，该病人台与台架形成一体。例如，CT系统使用圆形台架，该圆形台架支撑连续旋转的扇形射束x射线源和相对的弓形检测器阵列。该扇形射束x射线源和检测器阵列在台架内连续旋转。该CT系统还包括与所述台架一体的病人台。在扇形射束x射线源连续旋转的过程中，该台以预定的步进步长将病人移动通过台架。CT系统中台架和台的机械互连始终在病人位置与x射线源和检测器阵列的位置之间维持一已知的关系，因而能够构建以已知的相互关系排列2-D图像集，从而构建图像的3-D体积数据集。一旦3-D体积被构建，即可获得病人的单个的切片以给医生提供所需视图，如矢状、冠状和轴向视图；或者分段或再现(rendered)图像视图。MRI系统在装电磁线圈的台架和病人台之间维持一类似的机械互连。
然而，CT和MR系统是极其复杂、庞大和昂贵的。在较近的历史中，已提出手术时采用的MR和移动式CT系统。然而，这些手术时采用的MR和移动式CT系统仍需要一种配置，包括与台架形成一体的病人台。不论是移动式或不移动的，许多手术时进行的和诊断的过程无法保证或确保MR或CT系统的成本。而且，手术时采用的MR和移动式CT系统仍相当庞大并占据手术室的相当部分。
今天，许多诊断和手术过程是使用荧光透视法或数字光斑模式的移动式C臂型x射线系统而实现的。由于这样的系统比CT和MR系统大大减小、简单和便宜，因此，移动式C臂型x射线系统较常见于手术室(OR)或进行手术的医院和临床机构。通过进行标准的荧光透视法x射线成像以在手术过程中获取病人的一个或多个x射线图像，已在手术过程中使用了常规移动式C臂系统。使用该移动式C臂获得的最普通的x射线图像包括AP和侧视图。例如，在手术计划阶段，医生可获得两个曝光/拍摄，即一个AP视图和一个侧向视图，以对感兴趣的部位进行初始观察和研究。在脊柱过程中，医生接下来将从感兴趣的部位(ROI)切除组织以暴露兴趣骨头部分。接下来，医生将手术器械或工具置于感兴趣的骨头部分附近，该器械或工具位于医生需要进行该手术过程的所需位置和方位。医生接下来一般获得ROI和器械的两个新曝光/拍摄(AP和侧向)以观察器械/工具相对于兴趣骨头部分的位置和方位。然后，医生开始手术过程，如在骨头上钻孔洞等。在手术过程的不同阶段，医生获得新的一对曝光/拍摄(AP和侧向)以确定该过程的进展。对这个过程进行重复，直到工具到达期望的目标。上述过程需要对病人进行几次曝光，由此尽管最好使完成一过程所需的辐射剂量最小，但是这样做会导致病人接受大剂量的x射线。
根据C臂的系统具有接头和互连的配置，该配置允许医生在几个运动方向上对C臂进行移动和旋转，如轨道跟踪方向、纵向跟踪方向、侧向跟踪方向、横向跟踪方向、枢轴跟踪方向和“摆动”跟踪方向。通过在适当的接头和互连处对机械锁进行释放，C臂可通过每个上述跟踪方向来进行移动。
已提出至少一个C臂型系统，包括机械马达，用来沿轨道跟踪方向，即沿一弓形路径对C臂进行驱动，所述路径在由C臂框架限定的平面中。当马达沿轨道跟踪方向对C臂进行移动时，进行一系列曝光。将该系列曝光结合为数据集，用于显示为三维体积。然而，由于图像帧与病人的位置和对准是不相关的，马达驱动的C臂系统仅对诊断过程是有用地，而不是介入手术。
还需要一改进的根据C臂的系统能够对病人和器械信息的3-D体积数据集进行构建，并能够以任何所需视角对切片、分段或数据的再现体积进行显示，以便于在诊断和介入过程中进行使用。
发明简述
依照优选实施例的一个方面，提供具有C臂的医学成像系统，该C臂有用于产生x射线的x射线源和用于接收x射线并从所接收x射线衍生荧光透视图像的接收器装置。C臂沿至少第一和第二图像获取位置之间的图像获取路径来移动x射线源和接收器装置。获取模块获得一系列荧光透视图像，其中当x射线源和接收器分别位于第一和第二图像获取位置时，获得第一和第二荧光透视图像。图像处理器根据该系列荧光透视图像对物体三维像素的3-D体积进行构建。根据该3-D体积，如3D再现、病人切片等，监视器对图像进行显示。通过所述系列曝光，位置跟踪器在每个位置对C臂和病人的位置进行监视，并提供病人和接收器的位置信息，用于荧光透视图像。C臂可沿图像获取路径进行手动、机械或自动移动。
依照至少一个替换实施例，图像处理器从一系列2-D荧光透视图像对计算机断层体积进行构建。该图像处理器将多个2-D荧光透视图像变换为3-D体积数据集。图像处理器可采用迭代重构技术以对3-D体积进行构建。可选地，图像处理器可采用反投影技术构建3-D体积。
依照至少一个可选实施例，将C臂可旋转地安装到一底座，该底座沿轨道旋转路径对C臂进行移动，以使x射线源和接收器装置遵循沿轨道轴线的弧，对该轴线进行对准以垂直于由C臂所限定的平面。依照至少一个可选实施例，提供具有轮子的移动式底座。可将C臂安装到该底座，而该底座可在轮子上沿侧向旋转弧进行移动，所述弧与横穿C臂平面的轨道轴线相切而形成，以沿第一和第二位置之间的侧向图像获取路径来移动x射线源和接收器装置。可提供一枢轴组件。该枢轴组件可使C臂绕枢轴轴线转动，该轴线包含在包含C臂的平面中并沿该平面进行延伸。枢轴组件使x射线源和接收器装置沿第一和第二位置之间的枢轴图像获取路径转动。
依照另一个可选实施例，获取模块在沿成像路径隔开的预定位置获取一2-D荧光透视图像序列。可选地，获取模块可在沿图像获取路径的均匀间隔处获得2-D荧光透视图像。该均匀间隔可以是C臂的近似每五度旋转。获取模块对C臂相对于坐标基准系统的位置进行连续计算，并当C臂沿成像路径到达预定位置时，触发x射线源产生曝光。
在一个实施例中，第一和第二位置可分别包括沿C臂运动的弓形范围的开始和结束位置。开始和结束位置可分别在145度和190度之间。
本发明的优选实施例可用于各种诊断过程、介入外科应用等，如在整形手术过程、脊柱研究和应用、关节替换过程中等等。脊柱应用可包括将笔(pen)或螺钉附着于脊椎，如颈、胸或腰椎。脊椎代表复杂解剖学，不能令人满意地通过AP和侧向荧光透视法视图被示出。AP和侧向视图不能总是示出脊椎足够复杂的细节。优选地，脊柱应用包括对矢状、冠状和轴向视图的显示，以切片格式来呈现脊柱柱体的横截面。依照至少一个优选实施例，可从由C臂获得的3-D体积数据集来获得矢状、冠状和轴向视图。
当医生进行脊柱外科手术时，器械或工具会被叠加到呈现给医生的一个或多个2-D或3-D图像上。为了跟随器械或工具相对于病人脊柱柱体的运动，对器械或工具的位置进行连续和反复实时更新。
普通整形手术过程的一实例涉及骨折复位，如当对断骨进行固定时，其中可使用至少一个本发明的优选实施例。在骨折复位手术中，可将一个或多个跟踪装置附着于断骨上的一个或多个点。所获得的示出断骨的2-D或3-D图像可用于手术计划和/或对准。该2-D或3-D图像还可用于骨折复位过程(即对骨头进行固定)中，以获得断骨任何所需方位上的视图。当断口接近时，可在任何所需方位上观察2-D或3-D图像，从而确定骨头是否正确对准。
普通整形手术过程的另一实例涉及关节替换，如当用修补物替换膝盖时，在其中可使用至少一个本发明的优选实施例。膝盖修补物包括球和接受接头。在膝盖的一侧骨头上切开一切口，并将球放入其中。在膝盖的另一侧骨头上切开一切口，并将接受接头放入其中。由于如果任一个被误对准几度，则底部就将不能正确地对准，所以在骨头切口中对球和接受接头进行正确对准是很重要的。还有，由于关节设计为具有相等负载，因此球和接头中的误对准会导致修补物提前用坏。即使所述负载只有几度的不平衡，关节也将过早地磨损。
普通外科整形和脊柱过程被认为不能确保计算机断层系统的需要，也不能证明CT系统附加于手术的成本的理由。然而，一般在大多数手术室都具有或可用荧光透视法系统，因此很容易在普通外科整形和脊柱过程中使用。当病人在台上被麻醉时，用荧光透视镜进行的体积重建为医生提供了迅速做出手术计划的能力。在手术计划阶段(例如手术前计划)的几分钟之内，医生能够执行该计划以提供正确的对准(例如手术过程中的导航)并对质量保证进行验证。因此，至少一个本发明的优选实施例使得医生能够对计划已被正确执行进行验证。依照本发明的至少一个优选实施例，可在手术时的过程中对成像数据进行采集(例如，手术时进行的数据采集)，而无需任何预成像。通过提供手术时进行的数据采集，不需要将病人移动到分离的房间来进行图像采集，而相反，当病人被麻醉并准备外科手术时，可通过C臂来获得图像。
附图简述
当结合附图一起阅读时，将较好地理解对本发明优选实施例的以上概述以及以下详述。为了示出本发明优选实施例的目的，在附图中示出目前为优选的实施例。然而，应当理解，本发明不局限于附图中所示的装置和器件。
图1示出依照本发明优选实施例而形成的荧光透视成像系统的方块图。
图2示出依照本发明优选实施例而形成的荧光透视成像系统，该系统使用电磁跟踪子系统并可在轨道旋转的范围内进行移动。
图3示出依照本发明优选实施例而形成的荧光透视成像系统，该系统使用电磁跟踪子系统并可在侧向旋转的范围内进行移动。
图4示出依照本发明优选实施例而形成的荧光透视成像系统，该系统使用光学跟踪子系统并可在轨道旋转的范围内进行移动。
图5示出依照本发明优选实施例而形成的荧光透视成像系统，该系统使用光学跟踪子系统并可在侧向旋转的范围内进行移动。
图6示出可依照本发明一个或多个优选实施例而使用的C臂。
图7示出本发明可选实施例的方块图。
图8示出依照本发明至少一个优选实施例所实现步骤的流程图。
发明详述
图1示出荧光透视法x射线系统10，包括电连接到x射线发生器14的C臂12、图像处理计算机16和跟踪器模块18。跟踪器模块18与跟踪数据处理器20进行通信，跟踪数据处理器20又与图像处理计算机16和x射线发生器14进行通信。图像处理计算机16与监视器48进行通信。
C臂12包括安装在一侧的x射线源36和安装在相对侧的x射线接收器装置34。C臂12可在沿多个图像获取路径的几个方向上移动，其中包括轨道跟踪方向、纵向跟踪方向、侧向跟踪方向、横向跟踪方向、枢轴跟踪方向和“摆动”跟踪方向。轨道旋转方向由箭头A示出。图1以实线示出C臂12和接收器34位于第一位置(P1)，以阴影线示出位于第二位置。可选地，C臂12、接收器34和x射线源36可在纵向、侧向、横向和摆动等跟踪方向上沿图像获取路径进行移动。
跟踪器模块18对病人22、接收器34和器械或工具24(如果存在)的位置进行监视，该器械或工具24由医生在诊断或介入手术过程中使用。跟踪器模块18向跟踪数据处理器20提供关于病人22、接收器34和器械24的每个的跟踪分量坐标26。跟踪数据处理器20使用跟踪分量坐标对接收器34、病人22和器械24相对于坐标系的位置进行连续计算，该坐标系相对于坐标系的一个基准点定义。坐标系的该基准点部分依赖于所使用的跟踪器模块18的类型。跟踪数据处理器20将控制或触发命令28发送到x射线发生器14，该发生器14又导致由x射线源36和接收器34进行的一次或多次曝光。跟踪数据处理器20向图像处理计算机16提供曝光基准数据30。如以下更具体的说明，当C臂沿图像获取路径移动时，根据跟踪分量坐标26，由跟踪数据处理器20产生控制或触发命令28以及曝光基准数据30。
例如，当获得一系列曝光时，可在第一和第二位置P1和P2之间对C臂进行手动移动。图像获取路径可沿轨道旋转方向(如图2所示)，而接收器34可在0到145°或0到190°的动作范围内旋转。可选地，图像获取路径可沿由图3中箭头B所示位置P3和P4之间的侧向旋转方向。
当C臂旋转时，图像处理计算机16从接收器34对一系列图像曝光32进行采集。每次x射线源36通过x射线发生器14被触发时，接收器34对图像曝光32进行采集。图像处理计算机16将每个图像曝光32与相应的曝光基准数据30进行结合，并如以下更具体的说明，使用曝光基准数据对三维体积数据集进行构建。该三维体积数据集用于产生病人兴趣部位的图像，如切片。例如，图像处理计算机16可从体积数据集产生病人脊柱、膝盖等的矢状、冠状和/或轴向视图。
图6示出典型的移动式C臂x射线单元110。移动式C臂x射线单元110的主要功能是产生用于诊断和介入成像的x射线。单元110由主框架111、C臂112、L臂113和控制面板114组成。主框架111的较低部分形成T形结构，其中利用轮脚来提供单元110的移动性。主框架111包括电源面板117，用于对电源以及其它装置到单元110的耦合进行控制。主框架111还包括竖直上升柱体118，它允许C臂112和L臂113相对于主框架111竖直移动。竖直上升柱体118终止于上部外壳119，其中水平延伸臂120经过上部外壳119，并通过水平延伸臂120相对于上部外壳119的运动，允许臂120相对于竖直上升柱体而进行垂直移动。C臂112可沿水平延伸臂120的轴线移动以导致横向跟踪移动。L臂113能够绕水平延伸臂120进行转动(枢轴跟踪动作)，这样可使得L臂113在360°弧中进行转动。水平延伸臂120耦合到L臂113的一端，而L臂113的外端耦合到C臂112。
C臂112为C形结构，具有在C臂112一端的x射线发射器123和在C臂112另一端的接收器，如有照相机125的图像增强器124。C臂112包括触发器锁128和触发器闸127，允许C臂112旋转180°。可提供准直器配件129，用于对x射线发射器123的x射线射束进行准直。间隔器130提供防止病人可能被带入x射线发射器123范围内的安全距离。
单元110典型地耦合到监视单元，其中这样的监视单元包括对视频图像进行观察所必需的装置，该视频图像由照相机125提供。该耦合是通过电缆而完成的，该电缆通过单元110的电源面板117耦合到监视装置，如视频显示监视卡，它典型地结合C臂x射线单元110而一起进行使用。可选地，监视装置和视频显示监视卡可与C臂x射线单元110形成一体。
再参考图1，跟踪器模块18对分别来自接收器、病人和器械位置传感器40、42和44的位置信息进行接收。传感器40-44可通过硬连线导线、红外线、无线电波等与跟踪器模块18进行通信。可对传感器40-44和跟踪器模块18进行配置以根据几个已知媒体如电磁、光学、红外线等之一而进行操作。可选地，传感器40-44和跟踪器模块18可根据这样的媒体的组合而进行工作。
例如，在电磁(EM)实施中，场发射器/发生器备有最多三个垂直布置的磁偶极子(例如，电流环或电磁铁)。由三个偶极子的每个所产生的磁场在相位、频率或时分多路复用方面相互不同。所述磁场可能依赖于检测位置。可根据该磁场进行位置检测。场发射器/发生器可形成病人位置传感器42、接收器位置传感器40或器械位置传感器44中的任何一个。场发射器/发生器发射由其它两个位置传感器40-44进行检测的EM场。例如，病人位置传感器42可包括场发射器/发生器，而接收器和器械位置传感器40和44各包括一个或多个场传感器。
在可选实施例中，可根据光学或红外线信号对传感器40-44和跟踪器模块18进行配置。在根据光学或红外线的实施例中，附加一分离的位置监视照相机46以对传感器40-44的位置进行监视，并与跟踪器模块18进行通信。在这个可选实施例中，可通过每个传感器40-44周期性地发射主动红外线光，并由位置监视照相机46进行检测。可选地，传感器40-44可在被动光学配置下进行操作，由此分离的红外线发射器被置于照相机46处或围绕房间。对该发射器周期性地进行触发以发射红外线光。所发射的红外线光被从传感器40-44反射到一个或多个照相机46上。通过传感器40-44和位置监视照相机46进行合作所采集的主动或被动光学信息被跟踪器模块18用于对病人22、接收器34和器械24的每个的跟踪分量坐标进行限定。该位置信息可限定六个自由度，如x、y、z坐标和俯仰(pitch)、滚动(roll)和侧转(yaw)角度方位。该位置信息可在极坐标或笛卡尔坐标系中定义。
在另一个的可选实施例中，跟踪器模块18和传感器40-44可根据信号的三角测量进行工作，其中传感器42作为信号发射器进行工作，而传感器40和44作为信号接收器进行工作。在三角测量系统中，通过对第一和第二传输信号进行比较以确定所传播的相对距离来实现位置检测。该发射信号可以是超声波或电磁波如无线电波、激光、发光二极管等。
作为另一个可选实施例，可将多个rf接收线圈置于受检者周围，如美国专利5,251,625中所示附着于接收器34。可对手术器械24进行改进以结合一小的rf发射线圈，其中每个工具或器械24上至少有一个线圈以确定该器械的位置，而每个器械上至少有两个线圈以确定方位。跟踪器模块18和跟踪数据处理器20进行合作以对发射线圈并由此对器械24的位置和方位进行计算。通过在出现于视频监视器48上的x射线图像上叠加一符号来对器械24的计算位置进行显示。以上述方式使用病人22上的传感器42以在基准坐标系中对位置进行定位。本典型实施例中的基准坐标系通过将发射器或器械24作为坐标系原点来定义。在操作过程中，跟踪模块18对器械24和接收器34相对于坐标系的位置而进行监视，该坐标系具有在病人位置传感器42的发射器处的原点。
跟踪器模块18产生跟踪分量坐标的连续流，如器械(I(x，y，z，俯仰，滚动，侧转))、检测器34D(x，y，z，俯仰，滚动，侧转)和/或病人22P(x，y，z，俯仰，滚动，侧转)的笛卡尔坐标、俯仰、滚动和侧转。当病人位置传感器42中备有EM发射器时(依照至少一个优选实施例)，坐标基准系统可通过在病人位置传感器42的位置处的原点来定义。当使用红外线跟踪系统时，该坐标系统可利用位于病人监视照相机46处的原点来定义。
跟踪数据处理器20对跟踪分量坐标26流进行连续采集并对病人22、接收器34和器械24相对于基准点的位置进行连续计算。跟踪数据处理器20可对C臂的旋转位置进行计算并暂时对这样的位置进行存储。每个新的旋转位置可与代表固定角度位置(以坐标系中的x、y、z坐标来限定)的目标位置进行比较，或者根据固定的弓形运动(例如，5°等)。当开始3-D获取过程时，跟踪数据处理器20建立C臂12的基准方位。例如，如果接收器34移动到图像获取路径的一端，开始和结束点分别对应于0°角和190°角，则跟踪数据处理器20可开始获取过程。可选地，跟踪数据处理器20可用位于其动作范围内中间点的C臂来对坐标基准系统进行初始化。在这个可选实施例中，跟踪数据处理器20将接收器34的当前位置(无论可能在什么地方)定义为获取过程的起始点。一旦跟踪数据处理器20建立了图像获取过程的起始或开始点，则发送控制/触发命令28到x射线发生器14，并且发送初始曝光基准数据到图像处理计算机16。由此获得初始图像曝光34并进行处理。
在建立了接收器34的初始位置之后，跟踪数据处理器20对接收器34的跟踪分量坐标26进行连续监视并确定接收器34何时移动一预定距离。当跟踪分量坐标26显示接收器34已从初始位置移动了预定距离时，跟踪数据处理器20将新的控制或触发命令28发送到x射线发生器14，由此导致x射线源36进行x射线曝光。跟踪数据处理器20还将新的曝光基准数据发送到图像处理计算机16。在图像获取路径上以预定间隔对这个过程进行重复以获得一系列图像。图像处理计算机16获得相应于一系列曝光基准数据30的系列图像曝光32，并将相同的结合为存储于存储器中的体积数据集。
例如，跟踪数据处理器20可导致x射线发生器14和图像处理计算机16在接收器34绕动作轨道路径进行运动的过程中以预定弧间隔来获得图像曝光。在其上获得图像的动作轨道范围可以在C臂12的145°的动作范围或达190°的动作范围上。因此，当以预定弧间隔进行图像曝光以获得用于对3-D体积进行构建的图像曝光集时，通过145°的旋转，接收器34可从零角度基准点进行移动。可选地，所述弧间隔可分别以1°、5°、10°等均匀地隔开，这样在检测器34通过旋转进行运动的过程中，分别获得近似100、40或15个图像曝光或帧。弧间隔可相互均匀或不均匀地隔开。
接收器34可通过操作者以任何所需速度进行手动移动。由于仅当接收器34位于由跟踪器模块18直接进行监视的所需位置时对曝光进行触发，操作者亦可用增加、减小或其它不均匀的速度对接收器34进行移动。
图2-3示出C臂12的两个典型动作范围。在图2的实例中，在轨道动作范围内对C臂12进行手动或自动移动以在所需间隔(例如，曝光间隔50)获得不连续的曝光，从而对3-D病人数据集进行构建。在图3的实例中，C臂12可沿不同于轨道旋转的方向进行移动，即C臂12可通过侧向旋转范围进行移动。在虚线55表示的沿侧向动作范围的不连续角度上，可用以上说明的方式来获得曝光以对3-D病人数据集进行构建。
图4-5分别示出类似于图2-3中动作范围的轨道旋转和侧向旋转范围，在该范围内可对接收器34进行移动。在图4-5的实例中，使用具有照相机46的光学跟踪系统以对接收器34上的LED47和48以及病人22上的LED51和52进行检测。任选地，LED47，48和52可以是被动反射器。
图7示出依照本发明形成的可选实施例。荧光透视法成像系统200包括安装于C臂的检测器210，用于对经过病人的x射线进行检测。跟踪子系统220对病人坐标信息225、检测器坐标信息230和器械坐标信息235进行接收。跟踪子系统220对坐标信息225-235进行处理并将其传递给图像处理单元240，该单元对来自检测器210的曝光帧进行接收并将图像帧输出到显示器250。图像处理单元240包括帧抓取器260，该帧抓取器260在由从跟踪子系统220提供的位置数据245所显示的在时间上的点处对来自检测器210的曝光帧进行采集。
将曝光帧从帧抓取器260传递到图像体积处理器270，该处理器270对体积图像存储器280中曝光帧的存储进行管理。图像体积处理器270对体积图像存储器280中的三维病人数据体积进行构建。可根据很少的曝光帧如10个等，对3-D数据体积进行构建。由于由帧抓取器260获得附加曝光帧，3-D病人数据体积的精度和完整性有所改进。除了对3-D病人数据体积进行构建外，图像体积处理器270还从该体积来对图像切片进行构建。该切片存储于切片数据集存储器290中。
显示图形处理器295对切片数据集存储器290进行访问以在显示器250上显示图像切片。显示图形处理器295还对器械或工具24的图形表示进行构建并在显示器250上用图像切片来覆盖器械图形。显示器图形处理器295可在显示器250上同时呈现多个二维图像切片，器械图形被叠加在每个图像切片上。可选地，或与图像切片进行结合，显示器图形处理器295可对3-D病人数据体积的三维再现进行构建，并且分别地或与器械24的三维图形表示进行结合来在显示器250上对三维再现进行显示。可对三维病人图像和三维器械图形进行控制以进行旋转(以视频类型格式)，从而允许从多个角度对病人数据体积进行观察，并允许从多个角度对器械图形进行观察。三维显示的病人数据体积的旋转可以是自动的，如以模拟视频格式，或者可以是通过系统的操作者以逐步方式进行手动控制。例如，操作者可通过用鼠标在兴趣部位上进行点击来旋转图像，并拖拉图像而导致旋转和/或平移。
图8示出与获得并显示荧光透视信息和器械或工具信息有关的、由本发明至少一个优选实施例所遵循的普通处理序列。从步骤300处开始，接收器34获得初始曝光，而跟踪器模块18和跟踪数据处理器20对图像接收器34的位置进行初始化。图像接收器34的初始位置可代表在接收器34关于C臂12的旋转轨道的一个末端处的点。可选地，图像接收器34的初始位置可仅仅代表操作者在开始3-D获取操作时的当前位置。一旦在步骤300获得初始曝光和接收器34的位置，流程传到步骤305，在该处通过跟踪模块18和跟踪数据处理器20对接收器34的位置进行连续监视。
一旦接收器34从最近的先前位置移动一所需距离，在该处获得一曝光，则流程传到步骤310。在步骤310，跟踪数据处理器20导致x射线发生器14对x射线源36进行触发以获得新的曝光。在步骤315，跟踪数据处理器20对图像处理器16进行指令以从接收器34捕获新的曝光。图像处理计算机16捕获新的曝光，并在步骤320对新曝光连同接收器34的位置进行存储，其中从跟踪数据处理器20提供位置信息。在步骤325由图像处理计算机16对在步骤315获得的新曝光进行使用以更新3-D病人数据集。在步骤335，图像处理计算机16对病人切片和/或3-D病人数据集的三维图像进行构建。
优选地，在对病人切片进行重建之前用来自10个或多个曝光的信息对3-D病人数据集进行更新。重复步骤305-325，可获得超过10个曝光的附加曝光，由此改进3-D病人数据集内的信息。一旦在步骤335对病人切片和/或3-D图像进行了构建，则在步骤340单独地或与器械图形进行结合来对病人切片和/或3-D图像进行显示，该器械图形表示器械24相对于病人22的位置。虚线330、345和350表示当在实现步骤325、335和340时，图像处理计算机16进行并行操作以重复步骤305-340，从而对3-D病人数据集并也对所显示的病人切片和3-D图像进行改进。
返回图1，例如，示出代表不连续位置的一系列虚线50，在该位置处可获得曝光，用于在构建3-D病人数据集时进行使用。可选地，可沿接收器34轨道旋转的至少一部分对图像捕获位置50进行均匀分割，如以5°的间隔等。例如，当每5°获得曝光时，可沿轨道旋转的145°弧对接收器34进行移动。
作为另一种选择，在3-D病人数据集的采集过程中，可在一部分或整个C臂12的动作范围内(轨道、纵向、横向、枢轴或其它)移动接收器34多于一次。例如，医生可通过在第一方向上的145°轨道旋转和通过相反方向上的145°轨道上旋转来移动接收器34，在其两个过程中，接收器34获得曝光。在接收器34沿两个方向动作的过程中所获得的曝光可以是在相同角度位置处或在相互交织的不同位置处(例如，当沿第一方向进行移动时，在0、10、20°等处，而当沿相反方向进行移动时，在25°、15°、5°等角度处)。
作为另一种选择，当在步骤335对病人切片和/或图像进行重建以及/或者在步骤340进行显示时，可对数据集内的孔洞进行识别(例如，知道很少或没有数据的区域)。这些孔洞在显示器上显示为黑色区域。当在步骤340对切片进行显示时，可由医师对数据集内的孔洞进行手动识别。另外，系统可在步骤335对数据集内的孔洞进行自动识别。一旦数据集内的孔洞被定位，可沿整个图像获取路径的较小部分对接收器34进行自动或手动移动以获得附加数据，从而对3-D病人数据集内的孔洞进行填补。可任选地，如果在步骤335病人数据集内的孔洞被识别，则图像处理计算机16可通知跟踪数据处理器20有需要较多数据的区域，并且响应于此，跟踪数据处理器20在接收器34的特定不连续轨道角度上可仅获得附加曝光(通过对x射线发生器14进行控制)。例如，如果图像处理计算机16在步骤335确定了与接收器34的40-60°角度位置有关的兴趣部位需要进一步的曝光，则图像处理计算机16可对跟踪数据处理器20进行指令以对来自跟踪模块18的接收器34位置信息进行监视，并当接收器34在40-60°轨道范围内移动(如果能经过)时，仅对附加曝光进行触发。操作者可在较大的角度范围内(例如，10°-90°)来移动接收器34，但接收器34将仅在所需角度位置(例如，40°-60°)进行新的曝光。
另外，当在步骤340对切片和/或3-D图像进行显示时，操作者可对数据集内的孔洞进行识别。在这个实例中，操作者可手动输入应获得新曝光的轨道位置范围。例如，用户可通知跟踪数据处理器20应在轨道角度120°-170°之间获得新的曝光。此后，跟踪数据处理器20将对来自跟踪器模块18的位置信息进行监视，并仅当接收器34在经过手动输入的兴趣轨道范围内移动时，才对x射线源36进行触发。
可使用几种已知算法中的任何一种在步骤325中对3-D病人数据集进行构建，所述算法用于根据从锥形射束源获得的曝光对三维数据体积进行构建。例如，可使用几种众所周知的技术中的任何一种在步骤325对3-D病人数据集进行构建，如正投影和/或反投影技术。步骤335中所构建的病人切片和3-D图像可依照任何几种已知算法来生成，如那些用于现有CT系统中的算法。在步骤335构建并在步骤340显示的3-D图像可根据任何几种已知的体积再现技术之一从3-D病人数据集来生成，如射线造型技术等。有几种已知技术用于对病人切片(如用于矢状、冠状和轴向病人视图)、分段和3-D再现图像的数据集进行构建。
在步骤305-325中采集的曝光数量将决定在步骤335对病人切片进行重建所需的时间量。例如，如果获得40帧以对3-D病人数据集进行构建，则由此可花费14分钟来对病人切片集进行重建。如果获得较少的帧，则可对病人切片进行较快的构建，而如果获得多于40帧，则较慢。
可任选地，图像处理计算机16可进行帧平均，由此接收器34在每个角度位置获得多于一个曝光，并在使用平均帧对3-D病人数据集进行更新之前，对这样的帧进行平均。然而，优选地，图像处理计算机16可仅使用一个由接收器34在每个轨道旋转处获得的曝光。当在每个轨道旋转处获得单个曝光时，对x射线发生器14进行控制以产生较高能量的x射线剂量。例如，当使用帧平均时，可使用低剂量(例如，40mA)，而当在每个轨道旋转处获得单个曝光时，可使用高剂量(例如，150mA等)。在特定实例中，如在心脏病应用中使用，可优选地使用高能量剂量，以获得高质量图像，而不进行平均。
当产生高能量剂量时，可将较短的脉冲长度用作与当进行低能量剂量时进行比较。例如，当在接收器34的每个轨道旋转处获得单个曝光时，可对x射线发生器14进行控制以提供3和6ms之间的高能量短脉冲。在帧平均过程中，x射线发生器14可提供低能量较长脉冲，如达20ms或更多。在特定应用中，可优选地从接收器34在每个轨道旋转处获得单个曝光以避免由对两个或多个帧进行平均而导致的模糊，该帧由接收器34在接近但不完全相同的位置获得。
可任选地，接收器34可包括与viticon型扫描照相机结合使用的图像增强器。另外，接收器34可包括与CCD检测器型照相机一起使用的图像增强器。典型地在图像增强器和照相机之间提供光学系统以提供较紧凑的接收器34。作为另一种选择，接收器34可与平板检测器一起构建，由此彻底消除对图像增强器或照相机的使用。
在特定优选实施例中，接收器34被描述为由操作者进行手动移动。由于跟踪子系统决定接收器34关于包括器械24和病人22两者的坐标系的绝对位置，因此支持手动运动。对接收器34进行手动移动避免了对与接收器34的自动控制有关的附加结构的需要。通过使用跟踪系统并从这样的信息来触发曝光，使得接收器34的速度和加速度不相关，所述跟踪系统对接收器34、器械24和病人22在公共坐标系中的绝对位置进行检测。因此，接收器移动的速率不改变图像的精度或质量。
作为可选实施例，跟踪系统包括跟踪器模块18和跟踪数据处理器20，不需要对接收器34的位置进行监视。相反，可将一系列传感器置于C臂12四处以检测轨道旋转、纵向旋转、侧向旋转、L臂的运动、横向运动、摆动运动等。通过对相对于如房间中的点、病人身上的点或器械上的点的基准点在C臂内运动的所有点进行监视，该系列传感器可用于对所获得的曝光的时间进行控制，并使得能够进行沿除图1-5中所示路径以外的多个图像获取路径所获得的序列曝光。
作为另一种的选择，C臂12可沿病人在大于接收器34的区域上进行延伸而建立合成体积数据集，如沿病人的脊柱。可进行多个集合的曝光以建立包含兴趣部位的矩形体积，如完整的脊柱、完整的腿部等。例如，C臂可位于脊柱底部附近，并通过轨道旋转的动作范围进行移动以获得第一集合的数据。典型地，依据由病人与x射线源36接近程度导致的放大效应，接收器34能够对达9到12英寸直径的区域进行数据采集。一旦获得第一系列的曝光，C臂12可沿脊柱移动小于9到12英寸的量，使得C臂12的新位置略微与C臂12的初始位置重叠。一旦被重新定位，C臂12可沿新的轨道旋转进行移动以获得第二系列的图像曝光。如果需要第三集合的图像曝光，可再次重复这个过程，直到获得了关于整个脊柱信息。可将用于脊柱的第一、第二(并且如果需要，第三)集合的曝光进行结合以构建矩形体积，从中获得切片。
尽管以上示出并描述了本发明的具体单元、实施例和应用，但是应当理解，由于可通过本领域的技术人员进行改进，特别是根据上述的启示，因此本发明并不局限于此。因此，所附的权利要求覆盖所有那些具有在本发明精神和范围之内的特征的改进。

Claims (34)

1.一种医学成像系统，包括：
C臂单元10，具有产生x射线的x射线源36和从所接收的x射线获得图像曝光的接收器34，C臂12沿至少第一和第二曝光位置之间的图像获取路径对x射线源36和接收器34进行移动；
获取模块16，用于对来自接收器的一系列图像曝光进行采集，包括当所述接收器分别位于所述第一和第二曝光位置时所获得的至少第一和第二图像曝光；
位置检测器(18、20)，用于对所述接收器的位置和病人的位置进行监视并产生位置数据；
图像处理器16，用于根据所述系列图像曝光和来自所述位置检测器的位置数据而对三维(3D)体积数据集进行构建；以及
显示器48，根据所述三维体积数据集来进行显示图像。
2.权利要求1的医学成像系统，其中所述图像处理器对计算机断层体积进行构建。
3.权利要求1的医学成像系统，还包括：
底座111，所述C臂112可旋转地安装到所述底座111，所述底座111沿所述图像获取路径对所述C臂112进行移动，所述图像获取路径构成轨道旋转路径，在其中x射线源123和接收器124在所述第一和第二曝光位置之间相对于病人沿包含C臂的平面进行旋转。
4.权利要求1的医学成像系统，还包括：
连接到所述C臂112的侧向旋转单元119，所述侧向旋转单元119沿形成至少部分所述图像获取路径的侧向旋转路径进行移动，从而在所述第一和第二曝光位置之间对所述接收器进行移动。
5.权利要求1的医学成像系统，还包括：
连接到所述C臂的枢轴组件125、使所述C臂绕枢轴轴线进行转动的所述枢轴组件128，该轴线沿包含所述C臂的平面延伸，所述枢轴组件使所述接收器沿至少所述第一和第二曝光位置之间的枢轴图像获取路径转动。
6.权利要求1的医学成像系统，其中所述图像处理器16将多个2D荧光透视图像变换为3D体积数据集。
7.权利要求1的医学成像系统，其中所述图像处理器采用迭代重建技术以对3-D体积数据集进行构建。
8.权利要求1的医学成像系统，其中所述图像处理器16采用反投影和正投影技术之一以对所述3-D体积数据集进行构建。
9.权利要求1的医学成像系统，其中所述获取模块16在沿所述图像获取路径均匀隔开的位置获取一系列2D荧光透视图像。
10.权利要求1的医学成像系统，其中所述获取模块16对C臂相对于坐标基准系统的位置进行连续计算，并当所述C臂沿所述图像获取路径到达预定位置时，触发所述x射线源以产生x射线。
11.权利要求1的医学成像系统，其中所述第一和第二曝光位置沿所述C臂112动作的弓形范围分别构成开始和结束位置，所述开始和结束位置分别不大于190°。
12.权利要求1的医学成像系统，其中所述获取模块16在沿所述图像获取路径的均匀间隔处获得2D荧光透视图像，所述均匀间隔不大于所述C臂的5°旋转。
13.权利要求1的医学成像系统，其中所述获取模块16获得由所述图像处理器使用的不多于40个图像曝光以对所述3D体积数据集进行构建。
14.权利要求1的医学成像系统，其中所述图像处理器16从不多于20个图像曝光对所述3D体积数据集进行构建。
15.权利要求1的医学成像系统，还包括：
跟踪模块18，用于获得所述接收器相对于基准坐标系的位置坐标，该坐标系具有在病身人上的固定点处的原点；和跟踪数据处理器20，用于根据所述位置坐标来获得所述曝光图像，该坐标对所述接收器相对于病人的位置进行识别。
16.权利要求1的医学成像系统，其中沿所述图像获取路径对所述C臂12进行手动移动。
17.权利要求1的医学成像系统，还包括跟踪器模块18，其连续获得所述接收器的跟踪分量坐标、病人的跟踪分量坐标和手术器械的跟踪分量坐标。
18.一种用于从病人的图像曝光来对三维(3D)体积数据集进行构建的方法，所述图像曝光通过C臂荧光透视设备而获得，该方法包括：
相对于病人沿图像获取路径对C臂12进行移动305；
连续对C臂单元12的位置和病人的位置进行电子监视305；
当C臂单元被置于相对于病人位置的预定曝光位置时，C臂单元沿所述图像获取路径进行移动，获得病人一系列的图像曝光310、315、320；以及
从所述系列的图像曝光对3D体积数据集进行构建335。
19.权利要求18的方法，还包括对x射线源进行触发310和对接收器进行检测以当C臂上的接收器到达相对于病人的预定轨道位置时获得图像曝光。
20.权利要求18的方法，还包括连续产生跟踪分量坐标，该坐标对坐标基准系统中病人的位置和C臂单元的位置进行识别，所述坐标基准系统具有在病人身上的固定点处的原点，所述获得步骤根据所述跟踪分量坐标而开始每个图像曝光。
21.权利要求18的方法，还包括沿所述图像获取路径对C臂单元12进行手动移动。
22.权利要求18的方法，还包括沿所述图像获取路径对C臂单元12进行自动移动。
23.权利要求18的方法，其中所述移动步骤沿轨道旋转方向、纵向方向、横向方向、枢轴方向和摆动方向之一对C臂单元12上的x射线源36和接收器34进行指令。
24.权利要求18的方法，其中所述监视步骤包括对C臂单元12的位置和病人的位置进行光学检测。
25.权利要求18的方法，其中所述监视步骤包括根据电磁信号而对C臂单元12的位置和病人的位置进行检测，所述信号从病人和C臂单元之一被发射并在病人和C臂单元的另一个上的传感器处被检测。
26.权利要求18的方法，还包括对手术器械24的位置进行检测并对该器械的图形表示进行显示，该图形表示叠加在从3D体积数据集产生的图像上。
27.权利要求18的方法，其中所述获得步骤在沿限定所述图像获取路径的轨道旋转的5°间隔处获得图像曝光。
28.一种方法，用于使用数字荧光透视系统来形成病人数据集并从该病人数据集产生病人视图切片，该方法包括：
相对于病人在开始和结束位置之间的动作范围内来移动x射线检测器34；
对检测器相对于病人的位置进行跟踪305；
根据检测器相对于病人的位置，由检测器触发一系列曝光310；
存储带有位置跟踪数据的每个图像曝光，该位置跟踪数据对检测器在基准坐标系中的位置进行识别320；以及
从病人数据集产生多个病人视图切片340。
29.权利要求28的方法，还包括手动移动x射线检测器。
30.权利要求28的方法，还包括从病人数据集产生并显示病人的矢状、冠状和轴向视图切片。
31.权利要求28的方法，还包括采用迭代反投影从系列图像曝光对体积数据集进行构建。
32.权利要求28的方法，还包括，当在第一方向上移动x射线检测器时，获得系列图像曝光的第一部分，而当在第二方向上移动x射线检测器时，获得系列图像曝光的第二部分，所述第一和第二方向不同。
33.权利要求32的方法，其中所述第一和第二方向彼此相反。
34.权利要求32的方法，其中所述第一部分构成所述系列图像曝光的第一半，而第二部分构成所述系列图像曝光的第二半。
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