JP2010520770A - Ｃアームコンピューター断層撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広く使用されているＣアーム装置をＣＴ情報の提供に適合させること。
【解決手段】本発明は、従来のＣアームＸ線透視装置からＣＴ形式の三次元画像情報を作成する装置及び方法を提供する。これにより、広く使用されているＣアーム装置をＣＴ情報の提供に適合させることができる。前記装置は、患者に対する固定位置に配置された三次元ターゲットを使用し、手動で又はモーターによりＣアームが動かされているときに前記患者の関心領域の一連のビデオ画像を取得する。前記ビデオ画像は、前記ターゲットの画像パターンの解析により前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定するために解析される。所定の基準により前記ビデオ画像から画像が選択される。このようにして、前記患者の前記関心領域の三次元画像データを再構成するために使用される、関連する位置データを有する二次元画像データが得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣアームＸ線透視装置を用いて作成されるＣＴ画像に関する。

コンピューター断層撮影（ＣＴ）は、一般に、専用のＣＴ装置を用いて行われる。前記ＣＴ装置は、高価であり、医療環境において数が限られており、その寸法及び重量のために医療施設内の専用の場所にある。ＣＴ装置が手術室に配置され、手術中の画像化に使用できることは、非常に稀である。これに対して、Ｃアーム型のＸ線透視画像装置は、安価であり、病院及び診療所の双方にあり、一般に、前記Ｘ線透視画像装置を診察場所又は手術室内にいる患者の位置へ移動させることができる程度に十分な可動性を有する。多くの先行技術文献に、一般のＣアーム装置により提供された二次元画像データを用いてＣＴ形式の三次元画像情報を提供する装置が記載されている。このような装置は、専用のＣＴ装置の費用の一部でＣＴ形式の情報を提供することができる。前記装置の少なくとも１つは、市販されており、Ｃアームを制御下でゆっくり回転させ、Ｘ線透視画像を作成するために所定の位置で停止させるためにモーターを使用する。

このような、Ｃアームを有するＣＴ装置は、「Ｘ線撮影装置及びＣアームを用いたコンピューター断層撮影方法」に関する特許文献１に記載されている。特許文献１には、前記ＣＴ装置の目的及び利点が記載されているが、詳細な構成が記載されていない。「３Ｄ再構成のためのＣアームキャリブレーション方法」に関するN. Navabによる特許文献２、「改良されたＸ線画像装置及び方法」に関するJ.W. Eberhard他による特許文献３及び「様々なラインと組み合わされた短時間スキャンサークルのためのアルゴリズムを用いたＣＴ画像再構成方法」に関するG. Lauritsch他による特許文献４に他の装置が記載されている。また、K. Wiesent他による特許文献５に、位置座標と、物体の焦点及び検出位置とを計算することなく、Ｘ線Ｃアーム画像装置にボクセル操作の逆投影を生じさせる装置及び方法が記載されている。K. Wiesent他による特許文献６に、走査時に画像化され、画像の形状を明らかにする特定の印をＣＴ装置に使用する方法及び装置が記載されている。

「Ｘ線透視画像装置を用いてコンピューター断層撮影画像を取得し、表示する方法及び装置」に関するV.T. Jensen他による特許文献７に、診察及び診療のためのＣＴ形式の情報を提供するＣアーム装置が記載されている。前記Ｃアーム装置は、Ｘ線源と、患者のＸ線透視画像を取得する検出器とを備えるＣアームを有する。前記Ｃアームは、少なくとも第１画像及び第２画像が得られる画像取得経路を経て移動される。取得モジュールが、前記画像取得経路に沿った所望の位置において多数の二次元Ｘ線透視画像を取得し、画像処理プロセッサーが前記二次元Ｘ線透視画像に基づいて三次元のオブジェクトデータを構築する。患者情報が三次元の患者情報に基づいて表示される。位置追跡器が前記検出器、前記患者及び（含まれている場合）手術器具の位置を追跡する。位置情報は、照射時間を制御するため及び患者情報を有するディスプレーに手術器具のグラフィック情報を重ね合わせるために使用される。

この装置は、専用装置であり、一般のＣアームＸ線透視画像装置にない多くの追加機器、特に、前記Ｘ線源、前記患者、前記検出器及び前記手術器具の位置を測定するために必要な前記位置追跡器を有する。ＣＴ装置より安価であるが、この装置は、新たな機器の費用又は操作に必要な追加機器の取付けによる既存のＣアームＸ線透視装置の改修費用を伴う。

このため、既存のＣアームＸ線透視画像装置の構造に変更や追加を加えることなく、簡単なソフトウェア処理により、前記ＣアームＸ線透視画像装置の出力データからＣＴ形式の情報を取得し、これにより従来の装置及び方法の欠点を克服する装置が必要である。

本明細書に記載した先行技術文献の開示は、参照することによりその全部が本明細書に組み込まれる。

欧州特許出願第０９１７８５５号明細書 米国特許第６、０４９、５８２号明細書 米国特許第７、１４２、６３３号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１８２２１６号明細書 米国特許第６、０３８、２８２号明細書 米国特許第５、７０６、３２４号明細書 米国特許第６、６６６、５７９号明細書

本発明は、二次元画像を提供する既存のＣアームＸ線透視画像装置からＣＴ形式の三次元情報を作成する装置及び方法を提供する。これにより、広く使用されているＣアーム装置をＣＴ形式の情報の提供に適合させることができる。本発明は、既存のＣアーム装置を用いて実施されることができるように、好ましくは、従来のＣアーム装置に存在する特徴を新たな方法で利用し、前記Ｃアーム装置の構造への変更又は追加を伴わない。

本発明に係る装置は、患者に対する固定位置に配置された三次元のターゲットを使用し、手動で又はモーターによりＣアームが患者の周囲において動かされている間に前記患者の関心領域の一連のビデオ画像を取得する。前記ビデオ画像に又は前記ビデオ画像のフレームの少なくとも大部分に前記関心領域が現されている限り、前記Ｃアームの中心又は前記患者の相対位置について仮定しない。

各ビデオ画像は、前記ターゲットの画像パターンの解析により前記患者に対するＣアームの姿勢を測定するために解析される。その後、前記患者の前記関心領域の画像化されたデータを提供するため、後述の基準に従って、画像が選択される。これに代え、好ましくは、前記ターゲットの画像パターンの解析により前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定するために前記ビデオ画像から多くのフレーム又はインターレースビデオの場合における多くのフィールドが選択され、解析される。これらの方法によれば、前記患者の前記関心領域の三次元画像データを再構成するために使用される、関連する位置データを有する一連の二次元画像データが得られる。

前記装置は、好ましくは、１又は２以上の以下の特徴を利用する。
（ａ）Ｃアーム画像装置から得られたビデオデータは、データ処理ソフトウェアが三次元ＣＴ情報を作成するための一連の二次元Ｘ線画像を提供するために利用される。画像化されたデータのビデオ表示は、通常、従来のＣアーム装置で使用できるが、その用途は、一般に、医者が、画像化された関心領域を動画観察できるようにすることに限定されている。従来のＣアーム装置は、一般に、ＰＡＬ及びＮＴＳＣのような標準形式を用いてアナログビデオ画像としてビデオ画像を出力する。本発明の好適な実施例によれば、全ての画像を取得するためにＣアームを停止させる必要がないため、連続的なビデオ画像の使用は、データ取得処理を従来のＣアーム画像装置より高速化することができる。連続的なビデオ画像の使用がモーションブラーを生じさせ、（アナログビデオが使用されたときのインターレースのような）他の結果を伴うことがあるので、オンザフライ方式による、このような連続画像の取得を可能にするため、ぶれ補正技術を有する画像処理アルゴリズムが使用される。ビデオデータの使用の他の長所は、再構成に使用可能な多くの画像を利用できることである。
（ｂ）前記Ｃアームの動きは、好ましくは、内蔵式の動作手段により又は簡単な手動操作によりなされ、一定である必要はない。
（ｃ）前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢は、前記Ｘ線透視画像において見ることができる三次元配置のＸ線非透過性のマーカーを有する三次元のターゲットを用いて測定される。前記ターゲットの画像の少なくとも一部が前記Ｘ線透視画像に表示されるように前記ターゲットは前記患者の上に又は前記患者の近傍に配置される。前記患者に対する前記ターゲットの絶対位置が知られている必要はないが、前記ターゲットの位置が前記患者に対して変更されないように前記ターゲットは、前記患者又は該患者が固定された手術台やベッドに取り付けられなければならない。前記装置のソフトウェアが各フレームの画像化されたデータの中で前記患者の位置及び方向を測定できるように前記ターゲットの画像情報は、任意の時点における前記Ｃアームの角度及び移動位置を測定するために従来のアルゴリズムを用いて処理される。前記ターゲットは、前記Ｃアームの姿勢の評価の精度、速度及び安定性を向上させるため、好ましくは、動的モデルを用いて前記ビデオ画像に沿って追跡される。
（ｄ）前記ターゲットの実際の画像がより早く得られ、前記Ｃアームの姿勢がより早く測定されることができるように前記動的モデルは、好ましくは、連続的なフレームの得られた画像データを比較するために使用され、連続的なフレームにおけるターゲットプレートの位置の予測を可能にする。また、前記画像データが改善されることができるように前記動的モデルは、不足した又は異常な細部について前記画像データに修正を加えることができる。さらに、前記動的モデルの使用は、前記Ｃアームの歪み補正機能をより効率的に発揮させることができる。歪み補正は、画像の歪みを補正するために行われるキャリブレーション処理である。これは、所定の位置を有するマーカーボールを備えるファントムをイメージインテンシファイアに付け、前記マーカーボールの画像の歪みを除去するように歪み補正を行うことにより、実現される。１つの最初の完全な計算と、歪み補正ファントム画像の変化に応じて更新される、連続的なフレームのためのパラメーターとに依存するため、前記動的モデルの使用は全てのフレームについての完全な歪み補正計算の実行を不要にする。また、前記動的モデルは、好ましくは、画像をその質に応じて選択するために使用され、質の悪い画像を拒絶し又は修正する。
（ｅ）ＣＴ形式のデータを作成し、前記関心領域の三次元画像の構築を可能にするため、前記ソフトウェアにより取得された、一連のビデオフレームからの出力データは再構成エンジンにより処理される。

前記再構成エンジンにより、得られた二次元画像データを処理する方法及びアルゴリズムを用いて、前記装置に対する物理的な変更を要することなく、既存のＣアームＸ線透視装置からＣＴ形式の三次元データが得られる。

本発明を、既存のＣアーム装置とともに使用されるものとして説明したが、これは本発明の利点であり、本発明が、本明細書に記載した方法を使用するために製造された専用のＣアーム装置を含むことは明らかである。

本発明の好適な実施例に係る画像装置は、
（１）Ｘ線源と、
（２）可動式のＣアームにより前記Ｘ線源に接続されたＸ線カメラであって前記Ｘ線源と前記Ｘ線カメラとの間に配置された患者の関心領域の一連のビデオ画像を作成するＸ線カメラと、
（３）三次元パターンに配置されたＸ線非透過性のマーカーを有するターゲットであって該ターゲットの少なくとも一部が前記ビデオ画像の少なくとも一部に画像化されるように、前記患者に対する固定位置に配置されるターゲットと、
（４）前記ターゲットの画像パターンを解析することにより前記ビデオ画像の少なくともいくつかについて前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定する画像処理ユニットと、
（５）選択されたビデオ画像及び測定された姿勢から前記患者の前記関心領域の三次元画像データを計算する再構成エンジンとを含む。

前記画像処理ユニットは、好ましくは、前記ビデオ画像の選択前に前記ビデオ画像の全部について前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定する又は前記ビデオ画像のうち選択されたビデオ画像についてのみ前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定する。各ビデオ画像は、好ましくは、ビデオフレームであり、前記ビデオ画像の少なくともいくつかは、アナログビデオフレームのインターレース方式のフィールドとすることができる。

本発明の他の好適な実施例では、前記画像処理ユニットは、前記Ｃアームの動きの影響を低減させる画像ぶれ補正モジュールを有する。前記Ｃアームは、手動により動かされてもよいし、モーター駆動されてもよい。前記ターゲットは、前記患者に取り付けられてもよいし、手術ベッドのような、前記患者が横たわる台に取り付けられてもよい。

前記画像処理ユニットは、選択されたビデオ画像の前の少なくともいくつかのビデオ画像の解析により前記選択されたビデオ画像の特徴を予測する画像比較モジュールを有する。前記選択されたビデオ画像の全体に亘って前記ターゲットの前記画像パターンを検索することなく前記選択されたビデオ画像に関する前記姿勢を計算できるように、予測される特徴は、前記ターゲットの前記画像パターンの位置とすることができる。これに代え、前記予測される特徴は、前記選択されたビデオ画像から失われた特徴とすることができる。前記画像比較モジュールは、好ましくは、前記選択されたビデオ画像の前の少なくともいくつかのビデオ画像に関する前記姿勢の歪み補正関数の解析により前記選択されたビデオ画像に関する前記姿勢の歪み補正関数を予測する。

本発明の好適な実施例に係る三次元画像データ作成方法は、
（１）Ｘ線源と、Ｃアームにより前記Ｘ線源に接続されたＸ線カメラとを有する画像装置であって前記Ｘ線源と前記Ｘ線カメラとの間に配置された患者の関心領域を画像化する画像装置を用意すること、
（２）三次元パターンに配置されたＸ線非透過性のマーカーを有するターゲットを、該ターゲットの少なくとも一部が前記画像装置により画像化されるように前記患者に対する固定位置に配置すること、
（３）前記Ｃアームを動かすこと、
（４）前記Ｃアームが動いているときに前記Ｘ線カメラから前記患者の前記関心領域の一連のビデオ画像を取得すること、
（５）前記ターゲットの前記画像パターンを解析することにより、前記ビデオ画像の少なくともいくつかについて前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定すること、
（６）前記ビデオ画像から複数のビデオ画像を選択すること、
（７）前記患者の前記関心領域の三次元画像データを再構成するために、選択されたビデオ画像及び測定された姿勢を使用することを含む。

前記ビデオ画像の選択前に前記ビデオ画像の全部について前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定してもよいし、前記ビデオ画像のうち選択されたビデオ画像についてのみ前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定してもよい。各ビデオ画像は、好ましくは、ビデオフレームであり、前記ビデオ画像の少なくともいくつかは、アナログビデオフレームのインターレース方式のフィールドとすることができる。

前記三次元画像データ作成方法は、好ましくは、前記Ｃアームの動きの影響を低減させる画像ぶれ補正モジュールの中で前記ビデオ画像を処理することを含む。好ましくは、前記Ｃアームを手動で又はモーターにより動かす。前記ターゲットを前記患者に取り付けてもよいし、手術ベッドのような、前記患者が横たわる台に取り付けてもよい。

前記三次元画像データ作成方法は、選択されたビデオ画像の前の少なくともいくつかのビデオ画像の解析により前記選択されたビデオ画像の特徴を予測する画像比較モジュールの中で前記ビデオ画像を処理することを含む。前記選択されたビデオ画像の全体に亘って前記ターゲットの前記画像パターンを検索することなく前記選択されたビデオ画像に関する前記姿勢を計算できるように、予測される特徴は、前記ターゲットの前記画像パターンの位置とすることができる。これに代え、前記予測される特徴は、前記選択されたビデオ画像から失われた特徴とすることができる。前記画像比較モジュールは、好ましくは、前記選択されたビデオ画像の前の少なくともいくつかのビデオ画像に関する前記姿勢の歪み補正関数の解析により前記選択されたビデオ画像に関する前記姿勢の歪み補正関数を予測する。

本発明は、以下の詳細な説明及び図面からより明らかになる。

本発明の実施例に係る、ＣＴ形式の三次元情報を作成するＣアーム装置の概略図。 図１に示したＣアーム装置に用いる三次元のターゲットプレートの概略図。 図１に示したＣアーム装置の構成要素のブロック図。 本発明の実施例に係る、Ｃアーム装置がその出力画像を作成する方法のフローチャート。 本発明の他の実施例に係る強度センサー又はターゲットの概略図。

図１に、本発明の好適な実施例に係る、構造上の変更を要することなく、Ｃアームの既存の特徴を用いてＣＴ形式の三次元情報を作成することができるＣアーム装置を示す。Ｃアーム１０は、そのジョーの一端部にあるＸ線源１２と、他端部にあって、ベッド１７の上で横たわる患者１６を通過したＸ線により作成された二次元画像を検出する検出器１４とを有する。前記検出器は、好ましくは、ビデオカメラと組み合わされたイメージインテンシファイアを有し、入射光子を、Ｘ線吸収画像を動的に示すビデオ信号に変換する。

Ｘ線非透過性のマーカーボールを有する三次元のターゲット１５は、その画像又はその少なくとも一部が、前記Ｃアーム装置により作成されたビデオ画像に現わされるように、前記患者に対する固定位置に配置されている。前記ターゲットは、前記患者が横たわるベッドに取り付けられていてもよいし、前記患者そのものに取り付けられ又は前記患者の上に配置されていてもよい。実際の位置は、その位置が走査時に固定されている限り、明らかにされる必要がない。このような三次元のプレートは、投影グリッドの使用により前記Ｘ線源の位置を測定するターゲットプレートとして、また、前記検出器の上又は前記検出器の近傍に配置されているとき、従来のＣアーム装置において歪み補正機能を果たすファントムとして、従来知られている。本発明では、得られたＸ線透視画像の三次元姿勢が前記ターゲットの位置に対してすなわち前記患者に対して測定されることを可能にするために前記の機能が用いられる。前記ターゲット又はその少なくとも一部は、一連のビデオ画像から得られた二次元のフレームのそれぞれの中に特定されることができ、前記マーカーボールの既知の三次元配置から前記患者に対する前記Ｘ線源の姿勢が、好ましくは、各ビデオ画像について測定される。実際には、計算時間を省くため、前記患者に対する前記Ｃアーム装置の姿勢が、好ましくは、ＣＴ形式の三次元データの再構成に最終的に使用される画像について測定される。前記ターゲットは、多くの他の形状を有するものとすることができる。図２に、ターゲットプレートの例を示す。前記ターゲットプレートは、Ｘ線非透過性のマーカーボール２４を有する、間隔を置かれた２つのプレート２２、２３であってこれらの位置関係が既知である２つのプレート２２、２３を有する。

前記ターゲットプレートは、好ましくは、前記Ｃアームの経路に沿って得られた前記フレームの全てに現わされる。これは、前記患者及び前記ターゲットが、一般に、前記Ｃアームの回転中心と同心状に配置されていないため、困難なことである。このため、前記患者及び前記ターゲットが、記録されたフレームの全てにおいてフレーム内にあることを確保することは難しい。他の好適な実施例では、前記ターゲットプレートは、全てのフレームが姿勢評価のために前記ターゲットの少なくとも一部を示すのに十分な大きさの横方向寸法を有する。本実施例によれば、このような前記ターゲットの部分のみの使用が可能である。なぜなら、前記ビデオ画像が、１つのフレームに示された前記ターゲットの部分におけるマーカーの位置と、１又は２以上の前のフレームに示された前記ターゲットの部分における少なくともいくつかの同じマーカー、前のフレームに示された前記ターゲットのより広い部分における少なくともいくつかの同じマーカー又は前のフレームに示された前記ターゲットの全体における少なくともいくつかの同じマーカーとの比較を可能にするからである。このような、既に得られたフレームとの連続的な比較の工程は、いずれかの時点で前記姿勢を測定するために使用される前記ターゲットの部分が、前記Ｃアームが動いているときに前記ターゲットにおいて移動することがあることを意味する。この段落に記載した位置追跡比較のほかに、前記ターゲットの間隔を置かれた部分が、前記姿勢を規定するために独立して機能することができるように前記ターゲットは、該ターゲットの全体に亘って繰り返されるパターン又は前記ターゲットの各領域の位置がわかるように位置付けられたパターンを用いて構成されていてもよい。

使用時、前記ターゲットプレートは、前記患者に直接取り付けられることにより又は前記患者が固定されたベッドや手術台に取り付けられることにより、前記患者の関心領域に対して固定された位置に配置される。本発明の他の好適な実施例によれば、前記ターゲットは、三次元構造の半可撓性の表面を有するものとすることができる。前記表面は、前記患者又は前記ベッドの一部を覆うことができ、配置されたとき、画像化される前記患者に対するその位置を維持する。

前記Ｘ線源は、前記Ｃアームを手動で動かすことにより又は内蔵された駆動装置の使用により、前記関心領域の上方において回転される。単なる弧状の動き、円形状の動きと前記関心領域の長さ方向に沿った又は前記関心領域の幅方向と交差する連続的な横方向の動きとの組合せ又は揺動のような、いずれかの好適な動きの経路を用いることができる。前記動きは、一定速度である必要はなく、例えば、所望の速度で変更されてもよい。動きは、最終的に必要なデータの収集を妨げることなく、いずれかの位置で一時的に停止されてもよい。前記Ｘ線源が前記関心領域を通過するとき、前記Ｘ線源と前記検出器との間に介在する人体のＸ線陰影画像が得られる。このビデオ画像の各フレームに、前記ターゲットの画像、又は広域のターゲットが使用された場合における前記ターゲットの少なくとも一部の画像が表示される。好ましくは、一連のビデオから個別の画像を取得するためにフレーム取込み器が使用される。処理段階において、画像処理アルゴリズムが、１又は２以上の要素に依存する割合で前記ビデオ画像から個別の画像を選択することができる。

どの画像が選択されるか及びどの程度の頻度で又はどの程度の間隔を置いて画像が選択されるかを決定する初期要素には、以下のものがある。
（１）所望の画像解像度及び精度。要求される画像解像度及び精度が高いほど、前記画像は狭い間隔を置いて選択される。
（２）前記Ｃアームの動きの瞬間速度。走査速度が遅いほど、前記ビデオ画像からの画像の選択の頻度は少ない。これに対して、走査速度が速いほど、前記画像に多くのモーションブラーが存在し、多くの画像が必要とされる。
（３）前記動きの経路からの誤差。前記Ｃアームの動きを追跡することにより、前記動きの経路から逸脱した姿勢を有する画像は、異常なものとして除去されることができる。さらに、好ましくは、モーションブラーを低減させるため、再度、隣接するフレームより前記Ｃアームが低速度で動くフレームが選択される。
（４）前記関心領域の全体の寸法。画像化される前記関心領域が広いほど、高解像度の必要性が低く、前記画像は広い間隔を置いて選択される。

たとえ走査速度が速くても、画像データの適当な供給を確保するのに十分なフレームが存在するため、前記Ｃアームの速度は基本的に解像度により制限されない。例えば、毎秒３０フレームで収集時間が２０秒である場合、６００フレームが作成される。このような高速度走査の唯一の問題点は、前記したように、前記フレームがぶれを生じさせることである。

本発明が、提案された好適な実施例に限定されることはなく、（空間的又は角度的な間隔に基づいて選択される画像について）選択される画像の頻度又は間隔を決定するために他の関連要素が使用されてもよいことは明らかである。

以下に説明するように、本発明の他の実施例に係る、画像取得処理のための動的モデルの使用は、選択処理が、Ｘ線透視装置により作成された画像の実際の質に応じてリアルタイムに調整されることを可能にする。

前記患者に対する前記Ｘ線源の姿勢を測定するため、前記ターゲットプレートの画像を解析するコンピュータービジョン（３Ｄ画像処理）が行われ、その後、このデータを、三次元情報再構成エンジンに入力するデータセットを作成するために、選択されたフレームから得られた二次元画像データとともに使用する。前記三次元情報再構成エンジンは、各画像についての計算された姿勢とともに、選択された二次元画像を取得し、これらから三次元のデータセットを作成する。前記データセットから、前記患者の身体の所望の断面を示す画像が医師に示される。三次元情報を再構成するために使用されるアルゴリズムは、ART/SART技術等の、従来知られたアルゴリズムとすることができる。

このため、本発明の好適な使用方法の新規な特徴の１つは、従来の、既存のＣアームＸ線透視画像装置からＣＴ形式の三次元データを作成するために三次元のターゲットプレート及び適当な画像データ処理ソフトウェアしか要しないことである。

前記Ｃアームの動きの追跡のための前記動的モデルの使用は、ビデオデータからの一連の画像の提供により可能とされ、本発明に多くの利益をもたらす。第一に、前記フレームの全体に亘って前記ターゲットプレートの画像を探索しなければならないことに代えて、前記Ｃアーム装置の画像処理ソフトウェアが、前のフレームの履歴に基づいて少ない画素数の範囲内で認識される期待位置において前記ターゲットプレートの画像を探索することができるため、前記Ｃアームに関する全ての選択された画像位置において前記ターゲットの画像を探索し、特定する必要がない。このことは、画像解析時間が短縮されるため、装置性能を向上させる。ターゲット探索作業が全体に最適化されるように、前記ターゲット探索作業がより速くなり、より安定するようにするため、前記ターゲットの位置の予測は、個々のマーカーボールの概略位置を予測することを含む。

第二に、全てのフレームについて個別に歪み補正関数を計算することに代えて、動的技術が、使用された最初のフレームについてのみ完全な計算を行い、その後、前記Ｃアーム装置から入手できる動的情報を用いて歪み補正パラメーターを追跡するため、前記動的技術は前記Ｃアームの歪み補正処理の簡素化を可能にする。このようにして、前記歪み補正パラメーターは、前記動的モデルを用いて前のフレームから予測され、最新のフレームにより僅かに修正される。これは、歪み補正関数のより効率的な計算を可能にし、より円滑かつ正確な、安定した機能をもたらす。

第三に、前記患者の骨が前記ターゲットプレートのマーカーを隠したときのように、ある前記Ｃアームの位置について前記マーカーのいくつかが見えない又は不明瞭である場合、見えない又は不明瞭なマーカー位置を、欠陥データを有するフレームの前後の隣接するフレームのマーカー位置に関するデータから補うことができるため、動的な方法は安定性に優れる。

さらに、フレームの選択をフレームデータの質に応じて行うことができるため、一連のビデオ画像の取得は画像精度の向上を可能にする。細部が基準以下であるフレームは、前記Ｃアームの動きの飛び越しにより、ＣＴ形式の三次元データの再構成への使用を回避されることができる。また、一連のビデオ画像が細部の予測を可能にするため、例えば、不明瞭な又はノイズの多い画像により、使用されたフレームのいくつかにおける期待位置に前記細部が発見されなかった場合、欠陥のある前記細部を示すフレームは、異常なものとして拒絶されることができる又は前記フレームの質と所望のデータセットの一部として使用される前記フレームの貢献とを高めるために信号処理ソフトウェアにより修正されることができる。

前記ビデオ画像は、必要に応じて、各フレームについて測定された姿勢の修正を可能にする。予定された動きが停止したにもかかわらず、前記Ｃアームの動きが連続的であると仮定されるため、短時間に各フレームの前記姿勢を予測することができる。また、いずれかのフレームについての前記ターゲットの解析が異常な姿勢を示した場合、隣接するフレームから測定された姿勢の挿入により決定された仮定の補正姿勢を使用することができる。

前記画像処理ソフトウェアのぶれ低減方向フィルター技術の使用が、速過ぎるＣアームの動きのための修正を可能にする。ビデオ技術分野においてぶれ低減フィルターが知られているが、本発明において使用された動的モデルが一連のフレームの間の動きの方向及び速度について良好な情報を提供し、これによりぶれ低減の水準の向上を可能にするため、本発明において使用された技術は、標準的なビデオぶれ低減方法より効果的なものとなる。

上記の特徴の全ての組合せは、ビデオに基づくデータ取得を、別個の画像化が比較的少ない方向付けのみからなされる従来のＣアームＣＴ形式装置より正確にする。

既存のＣアームＸ線透視装置からの未加工のビデオ情報の使用から生じる１つの問題点は、前記ビデオをＴＶ規格に適合させるため及びＴＶモニターへの表示のため、前記ビデオが、一般に、インターレース方式によりアナログビデオ規格の１つに出力されることである。通常のビデオ表示に使用されるとき、このようなインターレース方式は問題を生じさせない。しかし、本発明では、前記ビデオのフレームから位置データが抽出されるが、インターレース方式による奇数フィールド及び偶数フィールドが前記Ｃアームの動きの異なる位置において取得されるため、前記奇数フィールドと前記偶数フィールドとの間に大きな差異が生じる。このため、特徴の縁部が前記奇数フィールドと前記偶数フィールドとの間で異なる位置に現れるのみならず、前記ターゲットの解析により測定される前記画像そのものの位置も異なる。この問題の１つの解決策は、前記ビデオ画像の使用前に前記フレームのインターレースを解除することである。インターレースの解除が、一般に、前記画像の質を低下させるため、代替技術として、本発明において使用されるビデオ処理ソフトウェアは、各フィールドが連続的となるように、各フィールドを個々に処理する。この方法により、前記フィールドの前記姿勢に関する位置データは各フィールドについて個々に正確に計算されることができ、再構成の段階で、前記フィールドの関連するラインのみが前記フィールドの三次元の姿勢とともに再構成に使用される。インターレース方式のビデオ及びインターレース方式でないビデオの双方を本発明において使用できるため、本願において使用され、特許請求の範囲に記載されたフレームの語が、特に説明しないときでも、インターレース方式のビデオのフィールドを含み、本願が、画像データを取得するフレーム又はフィールドのいずれか一方に限定されないことは明らかである。

図３は、Ｃアームに基づくＣＴ装置の構成要素のブロック図であり、前記ＣＴ装置の画像処理モジュール３０の主な機能ユニットを示す。図３に示した装置は、画像選択が行われる前に全てのフレーム又はフィールドの姿勢が測定される好適な実施例である。一般にイメージインテンシファイア又はフラットパネル検出器である検出器３１は、その出力信号を姿勢測定ユニット３２に送る。姿勢測定ユニット３２は、前記フレーム（又はフィールド）の中に前記ターゲットを検索し、前記フレームの中の前記マーカーボールの位置から前記フレームにおける前記患者に対する前記Ｘ線源の姿勢を測定する。画像処理モジュール３０のソフトウェアの中でフレームセレクター３３が前記ビデオ画像からフレームを選択する。角度姿勢、走査速度又は他の適当な基準に関する前記した基準のいずれかに応じてフレームが選択される。このユニットを「フレームセレクター」として説明したが、この語は、前記フレームの別個のフィールドが処理される実施例のための機能ユニットを含むことを明らかである。選択されたフレーム（又はフレームのフィールド）のそれぞれについて、前記フレームセレクターに続く画像処理ユニット３４は、選択された画像のみを処理する、典型的には、これらを歪み補正し、正常化する。選択されたフレームから得られた二次元画像データを、前記選択されたフレームのそれぞれについて既に取得された姿勢情報とともに使用して、画像処理ユニット３４は、三次元情報再構成エンジン３５に入力するデータセットを作成する。不足する特徴を有する画像の修正操作及び歪み補正機能予測操作を行えるように、画像処理ユニット３４は、好ましくは、前の画像及び（又は）連続する画像の内容の解析により、選択された画像の特徴を予測する画像比較モジュール（図示せず）を含む。また、画像処理ユニット３４は、好ましくは、画像データにおけるＣアームの動きの影響を低減させる画像ぶれ補正ユニットを含む。再構成エンジン３５の出力データは装置メモリー３６へ転送され、前記出力データは、装置メモリー３６から、従来のＣＴ画像技術分野において知られている前記患者の所望の断面画像又は三次元画像を医師に対してディスプレー３７に表示するために取り出される。再構成されたデータは、例えば、ＤＩＣＯＭ形式を用いて、さらに処理し又は解析する他の装置に送られてもよい。

本発明の他の好適な実施例によれば、姿勢の測定がフレームの選択前に全てのフレーム（フィールド）について行われる必要がないように画像の選択は走査位置に基づくことなく行われる。この実施例では、図３に示したフレームセレクター３３は、この実施例に適合する選択基準を有し、姿勢測定ユニット３２の前に位置する。

本発明の好適な実施例に係る方法のフローチャートである図４に示すように、Ｃアームに基づくＣＴ画像装置はその出力データを作成する。前記フローチャートは、本発明の方法に特有の好適なステップのみを示す。全てのＣアーム画像処理と同様に、図４に示した本発明の方法のステップを行う前にぶれ補正ファントムがＣアームに取り付けられ、鮮明な画像が撮られる。ファントムボールを追跡するため及び画像を正常化させるためにキャリブレーション情報が使用される。ステップ４０において三次元のターゲットを、画像化される患者に対する所定の位置に固定する。その後、ステップ４１において前記Ｃアームを前記患者の関心領域の上方において所望の経路で動かし、その間に、ステップ４２において一連のビデオ画像を取得する。ステップ４３において、画像データ及びこれに関連する姿勢を抽出するため、図３に示した信号処理ユニットによりフレームを処理する。ステップ４４において前記ビデオ画像からフレームを選択する。前記フレームはその角度に基づいて便宜的に選択する、例えば、フレームの選択は１度毎のような一定の角度間隔で行う。フレームは、前記した基準により選択してもよい。ステップ４５において、現時点で選択されたフレームの前のフレームにおいて決定された歪み補正関数を、現時点で選択されたフレームのファントム画像から得られたデータを用いて更新し、選択されたフレームを歪み補正し、正常化する。ステップ４６においてこのデータを装置メモリーユニットに送信し、該装置メモリーユニットに、蓄積された残りの二次元データとともに保存する。ステップ４７において、ＣＴ形式の情報を出力するために有用な三次元データを作成するために必要な量及び質のデータを提供するために十分なフレーム及びその姿勢が蓄積されているか否かについて判断する。十分なデータが蓄積されていない場合、ステップ４４においてより多くのフレームを選択することを決定する。十分なデータが蓄積されている場合、前記Ｃアームがその経路の終点に到達した場合又はオペレーターが走査終了の信号を送った場合、前記データを再構成エンジンに送信し、ステップ４８において、ＣＴ形式の三次元画像を出力するのに適した三次元データに変換する。ステップ４８において前記再構成エンジンにより作成された前記三次元データを質及び量について分析し、必要に応じて、例えば、良好な再構成のための特定の方向からの十分な情報がない場合、ステップ４９において、再構成時にフレームセレクター４４からの追加のフレームを要求する。最後に、ステップ５０において前記三次元データを医師の要求に応じて表示する。

フレームの選択が姿勢測定の解析の前に行われる実施例では、前記フローチャートのステップの順番は修正される。

標準的なＣアーム装置は、一般に、画像化される物体の非透過性の変化に応じてＸ線源の電圧及び電流を修正することにより、強度、コントラスト・明るさを自動制御する。これは、全体の明るさが類似する画像を得るためになされる。前記Ｃアーム装置は、前記Ｘ線源の強度パラメーターを調節するために画像の積分強度を利用する。

強度の変化は、画像化される物体の見かけの大きさを変化させることができる、例えば、より高強度の入射ビームほど、骨のような非透過性の物体の外縁部を容易に通過し、前記外縁部を透明にし、前記骨を細く見せる。このため、同一の物体が、異なるフレームにおいて異なる強度を有するように、強度の変化は物体の実際の外観を変化させることができる。３Ｄ再構成処理が物体密度の関数として画像強度の均一性に基づくため、画像は共通のパラメーターへ正常化される必要がある。

このため、照明強度の変化にかかわらず、各画像において特徴の大きさを正常化するため、前記Ｘ線源の強度レベルを監視する必要がある。

図５に、本発明の他の実施例に係る新規の強度センサー又はターゲット５０を示す。前記強度センサーは、Ｘ線に対する異なる既知の吸収性を有する少なくとも３つの領域を備える。図５に示した実施例では、３つの領域５１、５２、５３は、同心円状であるが、３つの領域の全てがＸ線透視装置により容易に画像化される限り、前記領域の形状に制限はない。前記領域の間の吸収性の比率が既知であるため、２つの既知の比率が存在する。前記領域の個々の階調レベルは強度の関数であるが、前記比率は一定である。ベールの法則（数式１）を用いて、異なる領域の強度を測定することにより、Ｉ₀について解くことができる。

前記ターゲットは、空気以外の材料の上に配置される。この場合、ベールの方程式は、その材料の影響を表す新たな未知数αを有する（数式２）。少なくとも３つの領域が存在するため、Ｉ₀及びαの双方について解くことができる。

正常化をより安定させるため、前記ターゲットがいくつかの異なる材料の上にある場合、前記画像の周囲のいくつかのターゲット、場合によっては、３より多い領域を有するいくつかのターゲットを用いることが好ましい。

本発明を、一般に知られたＣアーム装置に関して説明した。Ｃアームの語が、Ｃ形状のアームを有する装置に限定されず、一般に、Ｘ線源と、これに固定された、画像化される患者の周囲において移動する検出ユニットとから二次元画像を作成するＸ線画像装置を含むことは明らかである。

本発明が、本明細書に記載した事項に限定されないことは、当業者に明らかである。本発明の範囲は、本明細書に記載した様々な特徴のコンビネーション及びサブコンビネーションに加え、上記の記載から当業者が想到する、先行技術にない変更及び修正を含む。

１２ Ｘ線源
１４、３１ 検出器
１５、５０ ターゲット
１６ 患者
２４ マーカーボール
３４ 画像処理ユニット
３５ 再構成エンジン

Claims (26)

1. Ｘ線源と、
   可動式のＣアームにより前記Ｘ線源に接続されたＸ線カメラであって前記Ｘ線源と前記Ｘ線カメラとの間に配置された患者の関心領域の一連のビデオ画像を作成するＸ線カメラと、
   三次元パターンに配置されたＸ線非透過性マーカーを有するターゲットであって該ターゲットの少なくとも一部が前記ビデオ画像の少なくとも一部に画像化されるように、前記患者に対する固定位置に配置されるターゲットと、
   前記ターゲットの画像パターンを解析することにより、前記ビデオ画像の少なくともいくつかについて前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定する画像処理ユニットと、
   選択されたビデオ画像及び測定された姿勢から前記患者の前記関心領域の三次元画像データを計算する再構成エンジンとを含む、画像装置。
2. 前記画像処理ユニットは、前記ビデオ画像の選択前に前記ビデオ画像の全部について前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定する、請求項１に記載の画像装置。
3. 前記画像処理ユニットは、前記ビデオ画像のうち選択されたビデオ画像についてのみ前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定する、請求項１に記載の画像装置。
4. 各ビデオ画像はビデオフレームである、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の画像装置。
5. 前記ビデオ画像のいくつかは、アナログビデオフレームのインターレース方式のフィールドである、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の画像装置。
6. 前記画像処理ユニットは、前記Ｃアームの動きの影響を低減させる画像ぶれ補正モジュールを有する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像装置。
7. 前記Ｃアームは手動で動かされる、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の画像装置。
8. 前記ターゲットは前記患者に取り付けられる、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の画像装置。
9. 前記ターゲットは、前記患者が横たわる台に取り付けられる、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の画像装置。
10. 前記画像処理ユニットは、選択されたビデオ画像の前の少なくともいくつかのビデオ画像の解析により前記選択されたビデオ画像の特徴を予測する画像比較モジュールを有する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の画像装置。
11. 前記選択されたビデオ画像の全体に亘って前記ターゲットの前記画像パターンを検索することなく前記選択されたビデオ画像に関する前記姿勢を計算できるように、予測される特徴は前記ターゲットの前記画像パターンの位置である、請求項１０に記載の画像装置。
12. 予測される特徴は、前記選択されたビデオ画像から失われた特徴である、請求項１０に記載の画像装置。
13. 前記画像比較モジュールは、前記選択されたビデオ画像の前の少なくともいくつかのビデオ画像に関する前記姿勢の歪み補正関数の解析により前記選択されたビデオ画像に関する前記姿勢の歪み補正関数を予測する、請求項１０に記載の画像装置。
14. Ｘ線源と、Ｃアームにより前記Ｘ線源に接続されたＸ線カメラとを有する画像装置であって前記Ｘ線源と前記Ｘ線カメラとの間に配置された患者の関心領域を画像化する画像装置を用意すること、
    三次元パターンに配置されたＸ線非透過性のマーカーを有するターゲットを、その少なくとも一部が前記画像装置により画像化されるように前記患者に対する固定位置に配置すること、
    前記Ｃアームを動かすこと、
    前記Ｃアームが動いているときに前記Ｘ線カメラから前記患者の前記関心領域の一連のビデオ画像を取得すること、
    前記ターゲットの画像パターンを解析することにより、前記ビデオ画像の少なくともいくつかについて前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定すること、
    前記ビデオ画像から複数のビデオ画像を選択すること、
    前記患者の前記関心領域の三次元画像データを再構成するために、選択されたビデオ画像及び測定された姿勢を使用することを含む、三次元画像データの作成方法。
15. 前記ビデオ画像の選択前に前記ビデオ画像の全部について前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定する、請求項１４に記載の三次元画像データの作成方法。
16. 前記ビデオ画像のうち選択されたビデオ画像についてのみ前記患者に対する前記Ｃアームの姿勢を測定する、請求項１４に記載の三次元画像データの作成方法。
17. 各ビデオ画像はビデオフレームである、請求項１４ないし１６のいずれか１項に記載の三次元画像データの作成方法。
18. 前記ビデオ画像の少なくともいくつかは、アナログビデオフレームのインターレース方式のフィールドである、請求項１４ないし１６のいずれか１項に記載の三次元画像データの作成方法。
19. 前記Ｃアームの動きの影響を低減させる画像ぶれ補正モジュールの中で前記ビデオ画像を処理することを含む、請求項１４ないし１８のいずれか１項に記載の三次元画像データの作成方法。
20. 前記Ｃアームを手動で動かす、請求項１４ないし１９のいずれか１項に記載の三次元画像データの作成方法。
21. 前記ターゲットを前記患者に取り付ける、請求項１４ないし２０のいずれか１項に記載の三次元画像データの作成方法。
22. 前記ターゲットを、前記患者が横たわる台に取り付ける、請求項１４ないし２１のいずれか１項に記載の三次元画像データの作成方法。
23. 選択されたビデオ画像の前の少なくともいくつかのビデオ画像の解析により前記選択されたビデオ画像の特徴を予測する画像比較モジュールの中で前記ビデオ画像を処理することを含む、請求項１４ないし２２のいずれか１項に記載の三次元画像データの作成方法。
24. 前記選択されたビデオ画像の全体に亘って前記ターゲットの前記画像パターンを検索することなく前記選択されたビデオ画像に関する前記姿勢を計算できるように、予測される特徴は前記ターゲットの前記画像パターンの位置である、請求項２３に記載の三次元画像データの作成方法。
25. 予測される特徴は、前記選択されたビデオ画像から失われた特徴である、請求項２３に記載の三次元画像データの作成方法。
26. 前記画像比較モジュールは、前記選択されたビデオ画像の前の少なくともいくつかのビデオ画像に関する前記姿勢の歪み補正関数の解析により前記選択されたビデオ画像に関する前記姿勢の歪み補正関数を予測する、請求項２３に記載の三次元画像データの作成方法。

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