JP2015530166A - 最適化された移動経路を用いて投射画像を記録するための方法、装置、及びコンピュータプログラム製品 - Google Patents

Abstract

本発明は対象物７の投射画像を取得するための方法と装置とコンピュータプログラム製品に関する。Ｘ線源２は制御ユニット３により経路１２、１８、２７上の複数の位置へ移動せしめられ、各位置でビームがビーム源２から中心ビーム１９、２０の周りにコーンビーム状に放出される。同時にビーム源１は制御ユニット３により複数の位置へ移動せしめられ、対象物７を透過するビームが各位置で投射画像の記録のために取得される。ビーム源２及び／又はビーム検出器１は、対象物７の周りの経路１３、１８、２３、２７上で移動せしめられ、該経路はｎ次多項式で描かれ、制御ユニット３により予め規定された経路の最適化によって計算され、ビーム源２とビーム検出器１及び／又は対象物７との間の一定距離を有する。多項式は対象物７までの距離が維持され、同時にビーム検出器１と対象物７との距離が最小化されるように選択される。【選択図】図３

Description

本発明は、最適化された移動経路を用いて、投射画像を記録するための方法及び装置に関する。本発明は、さらに、投射画像を記録するための装置を起動させるコマンドシーケンスを含むコンピュータプログラム製品に関する。

様々な撮像方法が、例えば個人の体の部位といった対象物の３次元表現のために用いられている。１つの考えられる方法はコーンビーム断層撮影法であり、これを用いることで、撮像される体の領域の２次元Ｘ線投射が様々な方向から記録され、次いで３次元表現の計算が実行される。Ｘ線源及びＸ線検出器は、画像記録のために撮像対象物の周りを移動する。ここで適用される例えば患者のような撮像対象物の周りのＸ線源及びＸ線検出器の画像記録経路は、コーンビーム断層撮影法の達成可能な３次元画像の質を大きく決定する。

いわゆる完全条件は、Heang K. Tuy (H. Tuy, “An inversion formula for cone-beam reconstruction”, SIAM journal of Applied Mathematics Vol. 43, no.3, pp.546-552, 1983.) によって、体積領域の正確な再構成のために定式化されている。これは、体積領域を通る全ての平面が、少なくとも１度、Ｘ線源の画像記録経路または移動経路を横切るなら、体積領域が正確に再構成され得ることを述べている。このような移動経路は、しかしながら、とりわけ手術室でのコーンビーム断層撮影法の術中利用においては、実施するのが難しい。この場合、高い３次元画像の質とは関係なく、無菌状態の保障及び患者へのフリーアクセスが必要であり、従って、撮像対象物としての患者を、撮像のために用いられる装置や、画像記録経路によって完全に包囲すべきではない。

周知の装置は、患者の周りのＸ線検出器の及びＸ線源の円形の移動を追加の線形前進移動と合わせて（結果として螺旋経路となる）、または、これを追加の傾きと合わせて用いている。このような装置は、特許文献ＵＳ６５０４８９２Ｂ１で知られている。さらに、患者を完全に包囲することのない患者の周りの単純な円形の経路や軌道を提供することが考えられるが、スキャンされた体積の再構成はもっぱら中心平面だけで完全である。この中心平面の外側の体積を正確に再構成することができない。さらに、解決の可能性には、スイープ／ウォブル軌道とも呼ばれるサドル状の移動経路や、標的領域の周りのＸ線源の複数の軌跡、例えば互いに平行にのびる２つの円形の経路の使用がある。

そこで、本発明の目的は、上記の欠点が回避され、高質の三次元画像が得られ、撮像対象物へのフリーアクセスができる方法及び装置を提案することにある。

本発明によれば、この目的は、請求項１に記載された方法によって、請求項９に記載された方法によって、さらに、装置を制御するための又は方法を実施するための請求項１０に記載されたコンピュータプログラム製品によって達成される。好ましい追加の改良は従属項に記載されている。

本発明に係る撮像対象物の投射画像を記録するための方法は、ビーム源、ビーム検出器、及び、制御ユニットを備える撮像装置を使用する。ビーム源は制御ユニットによって経路上の様々な位置へ移動せしめられ、その各位置において、中心ビームの周りにコーンビーム状にビーム源から離れるビームが放出され、ビーム源が移動している間に、ビーム検出器も同様に制御ユニットによって様々な位置へ移動せしめられ、各位置において、ビーム源から離れ撮像対象物を透過するビームが投射画像を記録するために取得される。ビーム源及び／又はビーム検出器は、撮像対象物の周りの経路上で移動せしめられ、該経路はｎ次の多項式によって描かれ、制御ユニットによって予め規定された経路の最適化により計算され、かつ、中心ビームに沿って決定されるビーム源とビーム検出器との間の一定距離（間隔）を、及び／又は、中心ビームに沿って決定されるビーム源と撮像対象物との間の一定距離を備える。多項式は、撮像対象物までの安全距離が保たれ、そして同時にビーム検出器と撮像対象物との間の距離が最小になるように選択される。“ｎ”次元の多項式はここでは整数多項式と理解されるべきであり、従って“ｎ”は自然数である。

ビーム検出器の多項式移動経路のために、この経路は、画像記録の間、今までに適当されてきた方法よりも撮像対象物に近く、これは投射画像で撮像される体積が大きくなることを意味している。多項式経路は、制御ユニットによって計算される。Ｔｕｙの完全条件は、この方法によって、少なくとも経路の中心にある標的体積に対しては満たされており、従って、追加のステップにおいて、質がよく正確な撮像対象物の３次再構成を実現することができる。多項式移動経路の利用は、周囲の状況を考慮しつつも、広い範囲で移動経路の最適化を可能にする。移動経路の計算が単純化され、安全距離の維持は、ビーム源と撮像対象物との間の、又は、ビーム源とビーム検出器との間の一定距離によって同時に保障される。完全条件を満たす体積領域は、ここで提案されている方法を用いれば、従来技術における既知の方法と比較してより大きくすることができ、結果、より大きな体積を正確に再構成することもできる。ビーム検出器及び／又はビーム源と撮像対象物との間で維持されるべき安全距離を、移動全体に対して一定にすることができ、これに代えて、移動の各点において前もって規定された値を持つことができ、この値は各点で異なる大きさである。従って、規定された距離が常に維持され、衝突が防止される。ビーム検出器と撮像対象物との間の距離の最小化は、当該距離が安全距離に可能な限り近いと理解されるべきであり、従って、ビーム検出器と対象物との間の可能な限り小さな距離が存在する。

ビーム源の変位及びビーム検出器の変位は、一般的に同時に実行されるが、上記したこれらの機器を時間的に交互に移動させるように構成することもできる。同時の変位により当該方法を素早く実施することができ、一方、機器を順々に動かすことによって、一つの機器の目標とする最終状態へのアクセスが撮像対象物により妨げられる場合に当該撮像対象物に対して修正を実施できる可能性を提供する。

撮像対象物を、改善された及び安全な保持のために載置面に載置することができ、この場合には、載置面までの安全距離が、撮像対象物までの安全距離に加えて又は代わりに、多項式経路によって維持される。載置面は、一般的にはテーブルであり、とりわけ手術室にあるテーブルであるが、手術室の別の装備を取り囲むこともできる。

多項式移動経路がビーム検出器の画像平面の中心に関して移動経路を描くように構成することができる。ここで安全距離の設定のための条件を、ビーム検出器及び／又はビーム源が、一般的に上記機器のハウジングの表面が、ビーム源の移動経路の各位置において撮像対象物及び／又は載置面から、少なくとも８０ｍｍ、好ましくは少なくとも１００ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも１２０ｍｍ離れていると、することができる。もちろん、８０ｍｍ未満の安全距離を選択することもできる。

追加の条件を、ビーム源及び／又はビーム検出器と、撮像対象物及び／又は可能性のある作業領域との間の、ビーム源の及び／又はビーム検出器の運動装置を考慮した最大距離とすることができ、即ち、この最大距離は、ビーム源又はビーム検出器の移動を超えることは認められない。

距離を、各場合において、各対象物の中点から他の対象物の別の中点まで、対象物の表面から別の対象物の別の表面まで、又は、対象物の中点から別の対象物の別の表面まで測定することができる。

多項式を、各場合において、一般的に外部から特定される少なくとも２つのグリッド点によって規定することができ、又は特定することができ、そして、好ましくは該グリット点を考慮しつつの最適化によって、及び／又は、予め規定された円形の経路の最適化によって、決定することができる。様々な経路を最適化するにあたり、多項式のそれぞれ、又は単一の多項式を、少なくとも２つのグリッド点によって前記した方法で最適化することができる。最適化を、既に述べた条件及び／又は予め規定されたグリッド点によって直接的に、それに続く多項式コースのチェックを伴って実行することができる。

前記多項式として、もっぱら偶数冪のみを含む多項式、又は、もっぱら奇数冪のみを含む多項式を用いることができる。もちろん、偶数冪及び奇数冪を含む多項式を用いることもできる。従って、多項式経路の最適化を、適用目的に応じて単純化することができる。

移動経路が固定されかつ最適化される参照座標系の原点を、撮像対象物の中点に位置させる又は載置面の中心に位置させることができる。これによって、決定しやすい固定点を計算の単純化のために設定することができる。

円形の経路をビーム源の移動経路とすると、この円形の経路を、既に述べた条件によって多項式によって最適化することができる。円形の経路の代わりに、セクションで線形である経路ピースからなる経路を、ｎ次の多項式によって予想立て及び／又は最適化することができ、ビーム源又はビーム検出器が変位される計算された経路を形成することができる。

ビーム源及びビーム検出器は一般的には互いに対向するように案内され、中心ビームはビーム検出器に直角に当たる。３次元再構成がこれによって単純化される。しかしながら、中心ビームがビーム検出器に直角に当たらないように、即ち９０°と異なる角度で当たるように構成することもできる。ビーム源の移動は、好ましくは、可能な限り自由な移動の設定を保障するために、ビーム検出器の移動と別々に実施される。

ビーム検出器の経路の最大高さが撮像対象物の中点から始まるように決定されるビーム源の経路の最大開口角度によって決定されるように構成することができる。最大高さを、ビーム源の経路の及び／又ビーム検出器の経路の開始点、終了点、及び／又は反転点の設定のために用いることができる。従って、移動経路の各点は、構成タイプの固有の特定によって少なくともある程度にまで規定される。ビーム検出器の経路の開始点及び終了点は、好ましくは、撮像対象物の中点を通る中心ビームに沿って、ビーム源の経路の開始点及び終了点と対向する。開口角度は、ここでは、共通の初期点としての撮像対象物の中点から離れ（出発し）、１つの平面内にありビーム検出器の経路の開始点まで及び終了点までのびる２つのビームの間で広がる角度を描く。一般的に、ビーム検出器の経路の反転点は、ビーム源の経路の反転点と対向する。これによって、幾何学的に特に単純な形式の割り当てが選択される。

載置面に関する又は参照座標系に関する走査中心としての撮像対象物の中点からの最大高さを、２つの方法によって決定することができる。

第１方法では、検出器の最大高さが、ビーム検出器の運動装置の可能性のある又は必要の作業領域によって、終了位置として設定される。次いで、ビーム源の経路の最大開口角度が、走査中心の位置を考慮しつつ、撮像対象物の又は載置面の端部の中点から上方に好ましくは最大２５０ｍｍ、特に好ましくは最大１５０ｍｍのこの高さによって、決定される。走査中心の高さがより低くかつビーム検出器の終了位置がより高いと、最大開口角度がより大きくなる。

適用されるべき最大開口角度は、第２方法によって規定される。ビーム源の経路の開始点及び終了点から離れたビーム源の中心ビームの交点が次いで決定される。これら２つの交点は、検出器の中点の必要な最大位置を、従って検出器の経路の必要高さを規定する。最適化を単純にする制限を、上記の方法によって規定することができる。

ビーム源の及び／又はビーム検出器の移動は、開かれていてもよく、即ち開かれた経路上で実施されてもよい。開かれた経路は、ここでは、開始点及び終了点が互いに異なっている経路、及び／又は、撮像対象物を完全に囲まない経路と理解すべきである。これによって、撮像対象物を完全に包囲しない画像記録方法を実施するためのシステム構成が可能となる。従って、撮像対象物へのアクセスが常に確保される。代わりに、ビーム源の及び／又はビーム検出器の移動が、開始点及び終了点が互いに一致する閉じた経路上で実施されてもよい。

ビーム源の及び／又はビーム検出器の移動は、代わりに又は追加的に、方向転換が行われる少なくとも１つの反転点を備えてもよい。これによって、３次元再構成の質の増加が達成される。好ましくは、反転点までの第１経路セクションは、反転点からの第２経路セクションと空間的に異なり、結果、様々な異なる点がカバーされる。

ビーム検出器及び／又はビーム源が、好ましくは互いに直交する少なくとも２つの軸に沿って及び／又は当該少なくとも２つの軸の周りに移動せしめられるように構成することもできる。起動及び後に実施されるであろう評価が、この軸の、従って移動の単純な幾何学的関係によってかなり単純化される。２つの軸の周りの移動は異なるタイプであってもよく、従って例えば、線形移動及び回転移動からなる。

ビーム源の傾斜は、一般的に、ビーム検出器の、ビームが放射される表面がコーンビームの固定角度で最大化されるように設定される。コーンビームの空間的広がりは、ビーム源に基づいて固定角度によって規定され、ビーム検出器の表面全体が、ビーム源の傾斜によって、最大限の情報を生じさせるためにビーム放射される。

制御ユニットは、ビーム源の及び／又はビーム検出器の移動の少なくとも１つを自動的に実施し、投射画像が人の労力なしで得られる。しかしながら、好ましくは、両移動が制御ユニットによって自動的に実施される。代わりに又は追加的に、評価ユニットが、投射画像から、撮像対象物の３次元再構成を計算するようにできる。一般的に、制御ユニット及び評価ユニットは、１つの機器に、好ましくはコンピュータに組み込まれている。

一般的に、ビーム源はＸ線源であり、放出されるビームはＸ線放射であり、ビーム検出器はＸ線検出器であり、好ましくはＸ線フラット検出器である。

投射画像を記録するための装置は、ビーム検出器、ビーム源、及び制御ユニットを備え、制御ユニットはビーム検出器及びビーム源を複数の位置へ移動させ、各位置において投射画像を記録するように構成されている。ビーム源は、このために、ビーム（放射）を中心ビームの周りにコーンビーム状に放出するように構成されており、ビーム検出器は、撮像対象物を透過する放出されたビームを取得するように構成されている。制御ユニットは、このために、ビーム源及びビーム検出器を、撮像対象物の周りの経路上で移動させるように設計され、前記経路はｎ次の多項式によって描かれ、かつ、制御ユニットによって予め規定された経路を最適化することにより計算されるものであり、計算された経路は、中心ビームに沿って決定されるビーム源とビーム検出器との間の一定距離を、及び／又は、中心ビームに沿って決定されるビーム源と撮像対象物と間の一定距離を有し、多項式は、撮像対象物までの安全距離を維持するように、そして同時にビーム検出器と撮像対象物と間の距離を最小化にするように選択される。最小化は、一般的に、安全距離まで実施され、ビーム検出器は、可能な限り撮像対象物の近くにある。従って、この装置は、質の良い投射画像の単純な記録のために役立ち、高品質の３次元画像再構成を計算することができるようにもなる。

この装置は、一般的には、上記した方法を実施するのに適している。

この装置は、好ましくは、３次元再構成を計算するための既に述べた特徴を有する評価ユニットを備える。

コンピュータプログラム製品は、ビーム検出器、ビーム源及び制御ユニットを有する投射画像記録用の装置を制御するコマンドシーケンスを備え、制御ユニットは、ビーム検出器及びビーム源を複数の位置へ移動させ、各位置において投射画像を記録するように構成され、ビーム源は、中心ビームの周りにコーンビーム状にビームを放出するよう構成され、ビーム検出器は放出された放射を検出するように構成され、前記装置の制御は、いずれの場合も、ビーム源及びビーム検出器が撮像対象物の周りの経路上で移動せしめられるものであり、前記経路は、ｎ次の多項式によって描かれ、かつ、制御ユニットによって予め規定された経路の最適化により計算されるものであり、計算された経路は、中心ビームに沿って決定されるビーム源とビーム検出器との間の一定距離を、及び／又は、中心ビームに沿って決定されるビーム源と撮像対象物と間の一定距離を有する。多項式は、撮像対象物までの安全距離を維持するように、そして同時にビーム検出器と撮像対象物と間の距離を最小化にするように選択される。最小化は、一般的に安全距離まで実施され、ビーム検出器は、可能な限り撮像対象物の近くにあり、ビーム検出器と撮像対象物との距離が可能な限り安全距離に近くなる。

コンピュータプログラム製品は、前記した方法を実施するのにも適している。一般的に、コンピュータプログラム製品は、既に記載した装置の制御に利用される。コンピュータプログラム製品による方法の実施及び／又は装置の起動は、一般的に、コンピュータプログラムが計算ユニットで作動したときに実行される。

コンピュータプログラム製品は、計算ユニットの内部メモリに直接ロードされるように、又はこれに既に記録されていることが好ましく、一般的には、コンピュータプログラム製品が計算ユニット中で作動し又は実行されたときに、上記した方法を実施するための又は上記した装置を起動するためのプログラムコードのパーツを備えている。コンピュータプログラム製品は、機械可読のキャリア、好ましくはデジタル記憶媒体に記憶されている。コンピュータプログラム製品は、コンピュータプログラムを備えてもよく、該コンピュータプログラムは、該プログラムが自動化システムで又は計算ユニットで実行されたときに、上記した方法を実施するための及び／又は上記した装置を起動するためのソフトウェア手段を有する。

上記した方法、上記した装置、及び／又は、上記したコンピュータプログラムは、医学的な応用に、とりわけ、コーンビーム断層撮影法といった術中の応用に利用されることが好ましい。医療分野の応用は、特に、災害外科、口腔外科、歯列矯正、顔面外科、整形外科、神経科、泌尿器科、循環器科、多発外傷における緊急スキャンである。

本発明の実施例が図面に表され、図１−１２によって以下で説明される。

Ｘ線画像を記録するための装置の斜視図である。 Ｘ線源の移動経路とＸ線検出器の移動経路とを有する手術台の断面図である。 参照座標系における図２に示されたＸ線源及びＸ線検出器の移動経路の図である。 Ｘ線源とＸ線検出器との間の距離が一定となっている、図３に対応したＸ線源の及びＸ線検出器の移動経路を示す。 図４に示された移動経路を図２に対応する方法で示す。 Ｘ線源及びＸ線検出器の移動経路を有する手術台の斜視図である。 移動経路を有する装置を図１に対応する方法で示す。 反転点を有する移動経路の追加の実施例を図２に対応する方法で示す。 図８に示された移動経路を有する手術台の側面図を示す。 図８及び図９に示された移動経路を有する装置の側面図である。 安全距離を描いた手術台の断面図である。 追加の実施形態に係るＸ線検出器の初期移動経路を有する図２に対応する手術の図である。

図１は、Ｘ線画像を記録するための装置の斜視図であり、該Ｘ線画像は最初に２次元投射画像として取得され、次いで３次元画像に処理される。装置は、このために、ビーム検出器としてのＸ線検出器１、ビーム源としてのＸ線源２、評価ユニット４と共にロボットアーム５を制御する制御ユニット３、及び、図１の実施例では患者７である撮像対象物のための載置面としての手術室にあるテーブル、即ち手術台６を備えている。当然ながら、Ｘ線源２及びＸ線検出器１の代わりに他のビーム源及びビーム検出器を適用することもできる。

Ｘ線検出器１は、デジタルＸ線フラット検出器であり、手術台６の下方においてガイドに着脱可能に取り付けられているが、もちろん着脱できないように手術台６に接続することもできる。Ｘ線検出器１は、その移動のために、Ｘ線検出器１を自動的に移動させることが可能な五折りの運動装置でガイドされる。図示された実施形態では、Ｘ線検出器１及びそのガイドは、ドイツ特許出願１０ ２０１２ ００５ ８９９．３の各構成要素に対応している。Ｘ線検出器１を、とりわけ、撮像対象物の隣に位置するように移動させることもできる。

Ｘ線源２は、中心ビームの周りにコーンビーム状にＸ線放射を放出する。このＸ線放射は、患者７の頭部または体の他の部分を透過してＸ線検出器１で検出される。このようにして得られた２次元投射記録が、ケーブル８を介して、又は、ワイヤレス形式で、図示された実施形態ではパーソナルコンピュータである評価装置４へ、追加の処理のために送られる。

Ｘ線源２はロボットアーム５の端部に固定されて、それによってＸ線源２は自動的に移動せしめられる。ロボットアーム５は、産業ロボットのアームであり、手術室のフロアーに移動可能に配置されている。図１に示される実施例におけるロボットアーム５、Ｘ線源２、手術台６、及び、Ｘ線検出器１は、ＤＥ１０ ２０１０ ０１８ ６２７ Ａ１における各構成要素に対応している。Ｘ線ビーマー２は、少なくとも４自由度で移動することができる。

ロボットアーム５は、制御ユニット３を介して制御され、制御信号はケーブル９又はワイヤレス形式のどちらかでロボットアームに転送され又は伝達される。制御ユニット３は、このために、方法を実施するための上記した装置を起動するコマンドシーケンスを含むコンピュータプログラム製品を備える。コンピュータプログラム製品は、ハードディスク、ＣＤ、ＵＳＢスティックのような機械可読のキャリアに記憶されており、コンピュータプログラム製品が制御ユニット３で作動するときに 上記した装置を起動し上記した方法を実施するプログラムコードのパーツを備える。制御ユニット３は、評価ユニット４も構成するパーソナルコンピュータであるが、別の装置として設計することもできる。

装置のユーザ１０は、例えば手術室にいる外科医やその助手であり、従って手術中に、従って患者７の手術の間に、Ｘ線源２及びＸ線検出器１の様々な位置で取得された２次元画像、及び、複数の位置から撮像された標的体積（ターゲットボリューム）の３次元イメージを、ケーブル３８を介して評価ユニット４に接続されたスクリーン１１上で見ることができる。上記３次元イメージは、評価ユニット４によって作成されている。患者７の標的体積の生成された体積データは、もちろん、図１の装置及び以下の記載によって、外科手術の間に得ることができるだけでなく、手術前にも手術後にも得ることができる。医療分野の応用は、一般的に、災害外科、口腔外科、歯列矯正、顔面外科、整形外科、神経科、泌尿器科、循環器科、多発外傷における緊急スキャンである。

制御ユニット３は、Ｘ線源２及びＸ線検出器１をそれぞれ患者７の周りの経路上で動かすように設計されており、前記経路は、ｎ次多項式によって描かれている。このために、制御ユニット３は、通常、予め規定された経路の最適化を通じてこれらの上記した経路を計算もする。このｎ次の多項式は、１つの方法ステップで決定又は設定することができる。

方法は図１に示される装置で実行することができ、それによって患者７の投射画像が様々な位置から取得される。制御ユニット３は、このために、Ｘ線検出器１及びＸ線源２を同時に複数ある位置のうち１つの位置に移動させ、Ｘ線源２は、患者７の方向に、中心ビームの周りにコーンビーム状にＸ線放射を放出し、これは、少なくとも部分的に患者７を透過し部分的に吸収され、Ｘ線検出器１は、吸収されなかった要素を検出する。Ｘ線源２及びＸ線検出器１は、次いで、制御ユニット３によって次の位置に移動せしめられ、１つの投射画像が再び取得される。Ｘ線源２及びＸ線検出器１は、それぞれ、多項式移動経路上を案内され、この移動経路は各場合において以下でより詳細に説明される規定された経路の最適化によって達成されるものである。即ち、Ｘ線源２の移動経路及びＸ線検出器１の移動経路自体が最適化される。追加の実施形態では、もちろん、経路のいずれか１つだけを多項式的に最適化することもできる。追加の実施形態では、Ｘ線検出器１及びＸ線源２を交互に動かしてもよい。

手術台６の部分的に表す図２は、主に手術台６の上方を通るＸ線源２の経路１２及び主に手術台６の下方を通るＸ線検出器１の経路１３を示している。ここにおいて、また以下の図において繰り返される構成要件には同じ符号を付すようにしている。Ｘ線源２の経路１２は、１８０°の円弧にコーンビームの開口角度γの１６°が加わることにより生じる角度開口αが１９６°の円弧を描く。円弧の中点は、標的体積の中点１４にあり、参照座標系の原点として機能し、この中点１４とＸ線源２との間の距離（間隔）は、経路の移動の間は一定となっている。Ｘ線源２の経路１２は１つの平面内でのびている。Ｘ線検出器１の経路１３は、手術台６の下方を曲線的にのびているが、手術台６に隣接する、患者７がそこにいるのでこの患者にも隣接する２つの側部を有している。Ｘ線検出器１の経路１３も同様に１つの平面内でのびており、この経路の平面は、Ｘ線源２の経路１２の平面と同じである。Ｘ線検出器１が、図２に示される経路１３の代わりに、Ｘ線検出器１と標的体積の中点１４との間の距離が一定となる患者７の周りのアーチ形の経路上を案内されるようにしてもよい。

Ｘ線源２は、該Ｘ線源２の平面的な記録経路１２を出発し、当該経路に沿って投射画像を記録するために複数の位置に移動し、Ｘ線検出器１の移動経路１３は、最適化方式によって修正され、ｎ次の多項式関数によって描かれうる。多項式経路は、標的体積を有する患者７の周りを通り、また手術台６の周りも通る。多項式は、手術台６や手術室にある他の機器まで又は手術室にいる人までの安全な距離が確保される一方、手術台６上の対象物、従って患者７までの可能な限り小さな距離が存在するように、規定される。これは、Ｘ線源２対しても同様に実行される。Ｘ線源２とＸ線検出器１との間の距離は、理想的な場合、当該距離が上記した装置及び手術台又は患者７又は他の機器及び人の間の維持されるべき安全距離にほぼ一致する程度まで最小化される。

Ｘ線検出器１の既に採用された経路１３と、Ｘ線源２の初期の経路１２及び採用された多項式経路１８とが、移動する各位置を通じて、図３において参照座標系に描かれている。患者７は手術台６上にいる。描かれている座標系の中点１４は、撮像対象物としての患者７の標的体積の中点に一致している。図１に示される通り、標的体積を、頭部にすることができる。標的対象の中点又は中心点は、幾何学的中点及び質量中心であってもよい。Ｘ線検出器１の経路１３は、制御ユニット３により実行される経路１３の計算によって既に最適化されており、患者７の右側にあるＸ線検出器１の描かれた位置１５から始まる。Ｘ線検出器１は、経路１３に沿って、患者７の下方にある中点１６を経由して患者７に左隣の終了位置１７まで案内される。経路１３は、中点１６に対して対称的である。最適化前のＸ線源２の元々の経路１２は、十字マークで描かれた図３の位置によって表されている。最適化後に得られる多項式経路１８は、ドットによって示されている。経路１２及び１８は、手術台６の上方の中央部分は同じである一方、経路１８の位置は、経路１２の対応する位置よりも手術台６に近い。多項式関数の評価は、手術台６までの及び患者７までの特定された安全距離を考慮しつつ、適切なグリッド点によって、本実施例では、元の経路１２の位置と一致する経路１８の位置によって、及び／又は、多項式移動経路の直接的な最適化、即ちグリッド点を特定しない最適化によって実行される。本実施形態におけるこれらのグリッド点は、分離方式ステップで特定され、経路の計算において考慮される。一般的に、Ｘ線検出器１及びＸ線源２は、撮像対象物までの安全距離を維持するが、Ｘ線源と撮像対象物との間の安全距離は、Ｘ線検出器と撮像対象物と間の安全距離よりも大きくても小さくても、又は同じでもよい。

最適化のために用いられる多項式は、奇数冪だけを、又は、偶数冪だけを、又は、両タイプの冪を備えることができる。Ｘ線検出器１の経路１３のための最適化を生じさせる多項式としての６次の最適化された多項式の一例は以下の通りである。

Ｘ線検出器１の経路１３のためのグリッド点、（０、−２００）、（−２００、−２２５）、（２００、−２２５）、（−３７５、−１００）、（３７５、−１００）、（−４７５、２５０）、及び（４７５、２５９）が、図３で描かれた座標系で用いられた。参照座標系の原点は、ここでは、手術台６の表面の中点に位置している。Ｘ線検出器１の安全距離は、図３の実施形態では８０ｍｍであるが、状況に応じて大きくも小さくもすることができる。

Ｘ線源２の及びＸ線検出器１の多項式移動経路１３及び１８の最大高さは、一般的には、最大開口角度α及び標的体積の位置によって決定される：Ｘ線検出器１の経路１３の開始点１５及び終了点１７は、Ｘ線源２が経路１８または経路１２の開始点２２及び経路１８または経路１２の終了点２１において放出する中点１４を通る中心ビーム１９及び２０と、Ｘ線源１の最適化された移動経路との交点となる。

しかしながら、開始点１５及び終了点１７は、可能性のある設定作業領域のために、その高さを低くしなければならない（例えば、ドイツ特許出願１０ ２０１２ ００５ ８９９．３で利用された装置を使用するとき）。最大開口角度α及び開始点２２及び終了点２１は、必要があればこれに対応するように採用されなければならない。追加の実施例では、達成される最大開口角度も設定することができ、前記したことを前提とした採用が実行される。

経路１８は、図４において、図３に対応するように連続経路として表されている。Ｘ線源２から中点１４までの距離は、最適化された多項式経路１８のために、図４に示される経路中において互いに対向しているＸ線源２とＸ線検出器１と間の中心ビームに沿った距離が常に一定となるように、採用されている。代わりに、追加の実施形態では、Ｘ線源２と、中点１４又は標的体積の表面との間の距離を一定にすることもできる。もちろん、Ｘ線源２から、Ｘ線検出器１まで又は中点１４まで又は標的体積の表面までの可変距離が、例えば他の機器との衝突を避けるために設けられてもよい。同様に、Ｘ線源２の中心ビームに対して直交するようなＸ線検出器１の整列（配置）が、図３にも示されるように実行されてもよい。しかしながら、追加の実施形態では、患者７に又は手術台６に可能な限り近づくＸ線検出器１の多項式移動経路１３を構成することもできる。これによって、多項式移動経路の手術室６まで及び／又は患者７までの距離を、傾いた投射記録によって、さらに減少させることができる。多項式移動経路１３及び１８は、Ｘ線検出器１の画像平面の中心を基準に規定される。

図２に対応する図５は、開口角度αとともに、図４に示されている得られた最適化経路１３及び１８を表している。

図６の斜視図に示される通り、手術台６の左右方向へのＸ線検出器１の横ふれに加えて、手術台６の長手方向の変位ｄが、またドイツ特許出願１０ ２０１２ ００５ ８９９．３に記載された装置によって実施される。図６におけるこの変位の長さは、３００ｍｍである。一般的に、Ｘ線検出器１の運動装置は、これを手術台６の台端部を超えて最大２５０ｍｍまで変位させることができ、また最大開口αをセットすることもできる

Ｘ線検出器１は、代わりに、又は、図６に示される通り、この長手方向の変位に加えて、開始点２４及び終了点２５が手術台６の同じ側にあるが長手方向の変位量によって互いに空間的にオフセットするように構成された経路２３上を移動する。これらの点２４、２５の反対側にあるのが反転点２６であり、この点にて経路２３上のＸ線検出器１が方向転換する。従って、Ｘ線検出器１が標的体積に最も近づく点であって互いに空間的にオフセットして存在する点である移動経路２３の２つの中点３４、３５も存在する。Ｘ線検出器１は、画像記録工程の間に、患者７の一方側から他方側へ多項式経路２３上を移動してから戻ってくる。Ｘ線検出器１はこの移動と同時に手術台６の長手方向に変位する。一般的に、ビーム検出器１及びビーム源２を、少なくとも二つの軸周りに移動させることができ、この移動は、直線移動、及び、回転移動、及び、任意の組合せでもよい。ここでの２つの軸は、一般的に互いに直交するが、追加の実施例では、２つ軸の任意の相互の幾何学的配置が考えられる。

Ｘ線源２も同様に多項式経路２７上を移動し、Ｘ線源２及びＸ線検出器１は、移動の間、互いに対向しているので、該経路２７は、同様に、開始点２８と、この開始点２８に対して空間的にオフセットした終了点２９とを、手術台６の長手方向軸に沿って、即ち手術台６の最も長い軸に沿って有する。反転点３０は、これらの点２８及び２９に対向するように、手術台６の他方側に位置する。

長手方向の変位は、Ｘ線検出器１の経路２３の、開始点２４と第１中点３４との間の、又は、第２中点３５と終了点２５との間の区間で、その最小又は最大のふれを有する。ふれは、追加の実施形態では、これらのセクションで可変に設計することもでき、ふれは、例えば、開始点２４と反転点２６との間の又は反転点２６と終了点２５との間のセクションで連続的に増加する。

図６に示される実施形態では、Ｘ線検出器１のふれが第１中点と反転点２６と間の、又は、反転点２６と第２中点との間の区間で、連続的に変化する。このために、ふれは、数学関数d=0.5^＊d_max ^＊cos(α_i(0.5^＊α)) に従って変化する。ここで、α_iは、開口角度αを有する移動経路２７上のＸ線源２の現在の角度位置であり、d_maxは最大ふれである。しかしながら、他のコースも可能である。よって、移動経路２３を、数学関数によって、デカルト座標、円筒座標、又は、球面座標で、上記のセクションだけでなく、開始点２４と反転点２６との間の区間（セクション）全体で、及び／または、反転点２６と終了点２５との間の区間全体で、規定することもできる。

Ｘ線源は、Ｘ線検出器１の長手方向の変位ｄに基づいて、開口角度βの周りに反対方向に傾いており、図６の実施例では、中心ビームが常にＸ線検出器１上に向けられている。傾きβは、Ｘ線検出器１の、ビームが放射されるセンサー表面が、固定コーンビーム開口角度γで最大になるように、検出器１のふれに基づいて計算される。傾きは、ここでは、経路２７の第１中央位置３６と第２中央位置３７と間の最大角度に一致している。経路２７上の中央位置３６、３７は、ここでは、経路２３の中央位置３４、３５に直接対向している。代わりに、又は、追加的に、センサー表面上に予め規定された体積サイズを完全にイメージングすることは、傾きβの計算のための条件にすることができる。このＸ線源２の傾きβは、図６の実施例では、経路２３の中央位置３４、３５で最大である。距離を、上記した傾きβにより採用することもできる、即ち、Ｘ線源２とＸ線検出器１との間の一定距離を、例えば投射画像が作成される各位置において設定することができる。

Ｘ線検出器１の経路に関して述べたことは、もちろんＸ線源２の経路２７にも同様に適用することができる。

図１に対応する斜視図の図７は、ロボットアーム５、患者７、Ｘ線検出器１と共に、移動経路２３及び２７を示す。移動経路２３及び２７は、同様に、図２に対応する表現で図８に再現されている。

図８の側面図が図９に示され、Ｘ線検出器１の経路２３の長手方向の変位及びＸ線源の傾きβをその経路２７とともに推測することができる。図８及び図９に示される移動経路を有する装置の側面図である図１０は、Ｘ線源２が、ロボットアーム５によって、その経路上でどのように動き、傾くことができるかを示している。さらに、Ｘ線検出器１１の経路２３が示されている。経路２３及び２７は開かれており、従って、それぞれは、同じ位置にない開始点及び終了点を備え、そして、これらの経路は患者７を完全に包囲しない。

追加の実施形態では、Ｘ線源２の及びＸ線検出器１の移動経路の一つ、又は、両移動経路が、何度も並んだり、繋がったりするようにもできる。この場合には、複数の反転点が、各開始点と終了点との間で用いられる。

１つの画像記録経路全体、又は、両画像記録経路が、代わりに、又は、追加的に、患者７の標的体積及び手術台６の周りを回るようにすることもできる。

図１１は手術台の断面図を示し、多項式変位を決定するのに考慮されるボックス形状の安全領域３１が患者７の周りに描かれている。条件として、Ｘ線源２の及び／又はＸ線検出器１のハウジングは常に手術台６及び患者７から少なくとも８０ｍｍ離れていなければならないとう事項を適用する。Ｘ線検出器１の多項式移動経路のための追加の条件として作業領域３２も特定される。この作業領域３２は、患者７までの最大距離及び／又はＸ線検出器１を移動させるための運動装置の作業領域を考慮する。作業領域３２は、ここでは、Ｘ線検出器１が移動できる位置を横方向に手術台６の下方に描く。

図１２は、図２に対応する表現で、Ｘ線検出器１の経路の最適化のための初期経路３３の他の可能性を示す。個々の線形状のセクションからなる経路３３が、アーチ形の経路の代わりに用いられている。手術台６の下方にある中央セクションは、手術台６の表面に対して平行にのびる。さらに線形にのびる傾斜した部分区間が、経路の完成のために、この中央部分に続くように用いられている。

様々な実施形態の構成、さらに、実施例だけで開示された構成を互いに組み合わることができ、かつ、個々に主張することができる。

１ Ｘ線検出器
２ Ｘ線源
３ 制御ユニット
４ 評価ユニット
５ ロボットアーム
６ 手術台
７ 患者
８ ケーブル
９ ケーブル
１０ ユーザ
１１ スクリーン
１２ 経路
１３ 多項式経路
１４ 中点
１５ 開始点
１６ 中点
１７ 終了点
１８ 多項式経路
１９ 中心ビーム
２０ 中心ビーム
２１ 終了点
２２ 開始点
２３ 多項式経路
２４ 開始点
２５ 終了点
２６ 反転点
２７ 多項式経路
２８ 開始点
２９ 終了点
３０ 反転点
３１ 安全領域
３２ 作業領域
３３ 経路
３４ 中央位置
３５ 中央位置
３６ 中央位置
３７ 中央位置
３８ ケーブル

Claims (10)

1. ビーム源（２）、ビーム検出器（１）、及び、制御ユニット（３）を備える撮像装置によって撮像対象物（７）の投射画像を記録するための方法であって、前記ビーム源（２）は、前記制御ユニット（３）によって経路（１２、１８、２７）上の複数の位置へ移動せしめられ、各位置において、前記ビーム源（２）から離れたビームが、中心ビーム（１９、２０）の周りにコーンビーム状に放出され、前記ビーム源（２）の変位とともに、前記ビーム検出器（１）は、前記制御ユニット（３）によって複数の位置へ移動せしめられ、各位置において、前記ビーム源（２）から離れ、前記撮像対象物（７）を透過した前記ビームが、投射画像を記録するために取得される方法において、
   前記ビーム源（２）及び／又は前記ビーム検出器（１）は、それぞれ、前記撮像対象物（７）の周りの経路（１３、１８、２３、２７）上で変位せしめられ、
   前記経路は、ｎ次の多項式によって描かれ、前記制御ユニット（３）によって予め規定された経路（１２、３３）の最適化により計算され、かつ、前記中心ビーム（１９、２０）に沿って決定される前記ビーム源（２）と前記ビーム検出器（１）との間の一定距離、及び／又は、前記中心ビーム（１９、２０）に沿って決定される前記ビーム源（２）と前記撮像対象物（７）との間の一定距離を備え、
   前記多項式は、前記撮像対象物（７）までの安全距離が維持されるように、そして同時に前記ビーム検出器（１）と前記撮像対象物（７）との間の距離が最小化されるように選択される、ことを特徴とする方法。
2. 前記多項式は、少なくとも２つのグリッド点によって規定され、そして、好ましくは、前記グリッド点を考慮した最適化により及び／又は予め規定された円形の経路（１２）の最適化により決定される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ビーム検出器（１）の前記経路（１３、２３）の最大高さは、前記ビーム源（２）の前記経路（１２、１８、２７）の最大開口角度（α）によって決定され、前記開口角度は、前記撮像対象物（７）の中点（１４）から広がるように決定され、好ましくは、前記ビーム検出器（１）の前記経路（２３）の開始点（２４）及び終了点（２５）は、前記撮像対象物（７）の前記中点（１４）を通る前記中心ビーム（１９、２０）に沿って前記ビーム源（２）の前記経路（２７）の開始点（２８）及び終了点（２９）と対向する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記ビーム源（２）の及び／又は前記ビーム検出器（１）の移動の前記経路は、開かれており、及び／又は、方向変換が生じる少なくとも１つの反転点（２６、３０）を備え、好ましくは、前記反転点（２６、３０）までの第１経路セクションは、前記反転点（２６、３０）からの第２経路セクションと空間的に異なる、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ビーム検出器（１）及び／又は前記ビーム源（２）は、好ましくは互いに直角な少なくとも２つの軸に沿って及び／又は前記少なくとも２つの軸の周りに移動せしめられる、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記ビーム源（２）の傾き（β）は、前記ビーム検出器（１）の、ビームが放射される表面がコーンビームの固定角度で最大になるように設定される、ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ビーム源（２）の及び前記ビーム検出器（１）の移動の少なくともいずれか１つは、前記制御ユニット（３）により自動的に行われる、ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 評価ユニット（４）は、前記投射画像から、前記撮像対象物（７）の３次元再構成を計算する、ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. ビーム検出器（１）、ビーム源（２）、及び、制御ユニット（３）を備える投射画像を記録するための装置であって、前記制御ユニット（３）は、前記ビーム検出器（１）及び前記ビーム源（２）のそれぞれを複数の位置へ移動させるように、かつ、各位置において投射画像を記録するように構成されており、前記ビーム源（２）は、中心ビーム（１９、２０）の周りにコーンビーム状に放射を放出するように構成され、そして、前記ビーム検出器（１）は、撮像対象物（７）を透過する放出された放射を取得するように構成されている装置であって、
   前記制御ユニット（３）は、前記ビーム源（２）及びビーム検出器（１）を前記撮像対象物（７）の周りの経路（１３、１８、２３、２７）上で移動させ、
   前記経路は、ｎ次の多項式によって描かれ、前記制御ユニット（３）によって予め規定された経路（１２、３３）の最適化により計算され、かつ、前記中心ビーム（１９、２０）に沿って決定される前記ビーム源（２）と前記ビーム検出器（１）との間の一定距離、及び／又は、前記中心ビーム（１９、２０）に沿って決定される前記ビーム源（２）と前記撮像対象物（７）との間の一定距離を備え、
   前記多項式は、前記撮像対象物（７）までの安全距離が維持されるように、そして同時に前記ビーム検出器（１）と前記撮像対象物（７）との間の距離が最小化されるように選択される、ことを特徴とする装置。
10. 機械可読のキャリアに記憶されたコマンドシーケンスを備えるコンピュータブログラム製品であって、前記コンピュータプログラム製品が計算ユニットで作動するときに、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法を実行するための及び／又は請求項９に記載の装置を起動させるためのものである、ことを特徴とするコンピュータプログラム製品。

Images