JP2021508549A - Ｘ線撮像システムを較正するための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、使用中にＸ線撮像システムの幾何学的パラメータを計算するための方法であって、観察されるオブジェクト又は患者は、Ｘ線源と、オブジェクト又は患者を通過したＸ線の検出器との間に配置される、方法において、少なくとも以下のステップ：・前記オブジェクト若しくは前記患者の上又は前記オブジェクトの近傍の少なくとも１つのマーカを検出するステップであって、前記マーカは、未知の３Ｄ位置にある、ステップ、・撮像システムの複数の視点について複数の２Ｄ画像を取得するステップ（３２）、・取得された２Ｄ画像のそれぞれにおいて、少なくとも１つのマーカの位置を検出するステップ（３３）、・様々な視野角におけるオブジェクトの投影に対応する投影マトリクスを推定し、且つ投影マトリクスの推定に基づいてマーカの位置を３Ｄで再構成するステップ（３４、３５）を含むことを特徴とする方法に関する。

Description

本発明は、動作中、Ｘ線撮像システムによって取得された画像から３次元（３Ｄ）画像を再構成するためにシステムの幾何学的特徴を判定するための方法及びシステムに関する。したがって、本発明は、Ｘ線撮像システムのオンライン較正を可能にする。

幾何学的特徴は、Ｃアームデバイスの回転取得中に推定される。

モバイル放射線システムを使用して、外科又は介入処置を実行することは、一般的である。これらのシステムは、モバイルＣアーム（又はブロックアンプ）とも呼ばれ、外科医が介入中にＸ線画像を取得し、外科医が使用するツール（カテーテル、針、プロテーゼなど）の位置を可能な限り非侵襲的な方法でリアルタイムに監視することを可能にする。これらのシステムの大部分は、毎秒３０画像のビデオ画像ストリームで２次元画像を取得することを可能にする。次いで、施術者は、これらの画像を使用して、手術対象の領域にツールを正確に配置するために、リアルタイムで患者の形態を知的に再構成する。最近になって、より洗練されたシステムが現れ、介入中に外科医が使用するツールの３Ｄ画像を取得できるようになった。放射線システムは、２次元２Ｄ画像のセットを取得するために患者の周りを回転する。次いで、これらの２Ｄ画像は、再構成アルゴリズムによって処理され、３Ｄボリューム画像の取得を可能にする。画像を再構成するために、アルゴリズムは、各２Ｄ画像に関して、Ｃアームの正確な形状、すなわち検出器及びＸ線源の患者に対する位置を知る必要がある。現在使用されているシステムでは、６か月ごと又は毎年、デバイスの予防的な保守フェーズ中にＣアームをオフラインで較正することを提案している。

特許米国特許第６５１０２４１号明細書は、放射線装置を較正するための方法を記載しており、撮像されるオブジェクトを取り囲む仮想ボリュームが生成されて、ボクセル（３Ｄピクセル）に分解される。この方法は、番号付けされた投影された２次元画像のセットを取得するステップを含み、３次元画像は、投影された画像から再構成される。

特許米国特許第６３２０９２８号明細書は、オブジェクトの周りを回転するカメラの様々な位置についてオブジェクトの複数の２次元デジタル画像が取得される、画像再構成方法を記載している。投影された画像は、オブジェクトを含むボリュームで較正されて、ボクセルに分割され、ボクセルの空間座標は、選択された較正参照フレームで識別される。

特許米国特許第６０４９５８２号明細書は、平面変換を使用してボクセル空間内のボクセルと撮像平面内のピクセルとをリンクする、撮像源と撮像平面とを含む撮像システムにおける３Ｄ再構成のためのＣアームデバイス較正方法に関する。

特許出願欧州特許第３１４１１８７号明細書は、オブジェクトの２次元投影に基づく再構成を介して前記オブジェクトの３次元画像を生成することを目的とするＸ線撮像デバイスを幾何学的に較正するための較正チャートに関する。較正チャートは、ボリュームサポートに対してコントラストを提供する放射線吸収性を有するマーカを備えたボリュームサポートを含み、マーカは、３次元パターンで分配されている。マーカは、それぞれのマーカのサブセットから交差比のシーケンスを構成できるように、それぞれの実質的に平行な直線に分配されたマーカのサブセットに分配されている。交差比の各シーケンスは、第１の事前定義された方向において、順序が全ての交差比に共通である、マーカが整列されている直線に沿ったそれぞれのマーカのランク番号に応じた前記順序でマーカが順序付けられている、マーカの四つ組ごとに単一の交差比で構成され、マーカのサブセットが少なくとも５つのマーカを含む場合、交差比のそれぞれのシーケンスにおける交差比の順序は、交差比の全てのシーケンスに共通の事前定義された規則に従う。

これらのシステムは、Ｃアームの「オフライン」と判定された形状が、外科的介入中に取得された画像に適用可能であるように、回転取得が十分に再現可能であると想定している。

２Ｄ画像の回転取得中にアーチを安定させるためにシステムの機構が改善されている。しかしながら、これらの改善（機械的遊びの低減、より硬い構成要素の使用など）により、デバイスの負担がより大きくなる。加えて、既存のデバイスに変更を行うことは、必ずしも簡単ではない。

従来技術からの他の方法は、オンライン較正を提案している。

第１の方法は、マーカの使用に基づいている。較正チャートが介入中に患者の上又は隣に配置される。これにより、測定条件の再現性を気にする必要なく、オンラインでデバイスの形状を正確に推定することが可能になる。特許出願米国特許出願公開第２０１０００２８４６０１号明細書は、そのような方法を記載している。

しかしながら、チャートを使用する先行技術から既知の方法は、以下で説明される理由により、外科的使用又は均等な使用制限を有する他の用途の状況で最適ではない：
・ポイントの３Ｄ位置が正確にわかるように、チャートを正確に作成する必要があり、これは、コストがかかることを表し、
・患者がいるとき、チャート自体がかさばって使いにくい場合があり、
・チャートは、滅菌環境で使用されるため、滅菌される必要があり、チャートの使用前及び使用後に化学的／熱処理を受ける必要がある。

第２のタイプの画像再構成方法は、画像の使用に基づいている。これらの方法は、３Ｄ画像再構成と幾何学的較正との両方を実行するために画像の解剖学的コンテンツを利用する。

特許欧州特許第２８６８２７７号明細書では、方法は、マーカを使用するが、幾何学的パラメータを判定するためにマーカの３Ｄ位置を正確に知る必要がある。

米国特許第６５１０２４１号明細書 米国特許第６３２０９２８号明細書 米国特許第６０４９５８２号明細書 欧州特許第３１４１１８７号明細書 米国特許出願公開第２０１０００２８４６０１号明細書 欧州特許第２８６８２７７号明細書

本発明は、マーカの３Ｄ位置を知る必要なしに、自己粘着マーカを使用する新規のアプローチに基づく。

本発明は、動作中にＸ線撮像システムの幾何学的パラメータを計算するための方法であって、観察されるオブジェクト又は患者は、Ｘ線源と、オブジェクト又は患者を通過したＸ線を検出するＸ線検出器との間に配置される、方法において、少なくとも以下のステップ：
・初期に未知の３Ｄ位置を有する少なくとも１つのマーカを使用するステップ、
・撮像システムの複数の視点について複数の２Ｄ画像を取得するステップ、
・取得された２Ｄ画像のそれぞれにおいて、少なくとも１つのマーカの位置を検出するステップ、
・異なる視野角におけるオブジェクトの投影に対応する投影マトリクスを推定し、且つ投影マトリクスの推定からマーカの位置を３Ｄで再構成するステップ
を含むことを特徴とする方法に関する。

方法は、幾何学的パラメータを判定する最終ステップで使用される較正マトリクスを最初に計算するためにオフライン較正ステップを含み得る。

別の変形形態では、初期投影マトリクスは、システムの方位センサ又は位置決めセンサを使用して計算される。

マーカは、患者又はオブジェクトの上又は近くに配置されたパッチに挿入又は包含され得、使用されるパッチは、例えば、
・オブジェクト又は患者に貼り付けられる粘着テープ、
・パッチの表面にわたって分配された放射線不透過性マーカのセット、
・耐流体性の外面
として画定された粘着パッチである。

マーカを、パッチ上において、パッチの表面全体を覆うように分配することが可能である。

別の可能性は、再構成される領域を覆う前に、圧縮衣服の全体にわたって分配された小さいマーカを使用することを含む。

別の変形形態は、１つ以上の解剖学的マーカを使用すること又は患者の解剖学的構造、例えば骨に埋め込まれた放射線不透過性マーカを使用することを含む。

方法は、３Ｄ画像を再構成するためにシステムの幾何学的特徴を使用するステップを含み得る。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図と一緒に完全に非限定的な例として提供される例示的な実施形態の説明を読むことでより明確になるであろう。

所定の位置の患者を示す図を示す。 患者の上に配置されたパッチの一例を示す。 本発明による方法によって実施される一連のステップを示す。

図１は、外科的介入中、使用しているツールの位置を施術者がリアルタイムで追跡することを可能にするデバイスの一例を示す。デバイスは、Ｘ線源１０とＸ線検出器１１とを含む撮像システムを含む。デバイスは、第１の端部１２_１においてＸ線源を支持し、第２の端部１２_２においてＸ線検出器を支持するアーチ１２又はＣアームからなる。アーチ又はＣアーム１２は、保持部１４によってフレーム１３上に保持されている。

垂直部１６を介してフレーム１３に且つアーチの保持部１４に取り付けられた水平ガイド１５は、アーチが並進して水平に、矢印

に移動することを可能にする。

保持部１４は、Ｃアーム１２が矢印

に沿った「軌道回転」移動を実行することを可能にする。

部分１４及びアーチの回転は、矢印

に沿った角回転によって反映される。

垂直移動は、ガイドと垂直部分との水平方向の並進移動によって生成される。

上述の回転移動を可能にするシステムの様々な要素間で使用されるシールは、当業者に既知であり、ここで説明されない。同様に、放射線システムの上述の移動も当業者に既知である。

デバイスは、外科医による介入中にデバイスの幾何学的特徴を判定するために、本発明による方法のステップを実行するように構成されたプロセッサ１８を含む処理デバイス１７も含む。デバイスは、外科医がツールの位置をリアルタイムで見ることができる画面１９を含み得る。

デバイスは、方位センサ２２又は位置決めセンサ２３も装備されている。

患者２０は、手術台２１上に配置される。図２は、マーカがパッチに組み込まれるか又は統合されている、方法の１つの例示的な実装形態を概説する。

パッチ３０は、身体の上部に配置され、少なくとも１つのマーカｑを含む。パッチの座標又はパッチの位置は、初期に未知である。１つ以上のパッチを使用して、本発明による方法を実施することが可能である。

図３は、マーカがパッチに統合される場合の、本発明による方法によって実施される一連のステップの一例を示す。
ステップ１
放射線不透過性マーカを組み込んだ１つ以上のパッチ３０は、例えば、手術対象の領域の近くで患者又はオブジェクト２０の皮膚に貼り付けられる３１。これにより、手術する必要がある器官の再構成を施術者が正確に取得することを可能にする。
ステップ２
３Ｄ再構成を実行するために、様々な視点について複数の２Ｄ画像が取得される３２。Ｘ線源及び検出器は、異なる視野角で身体の複数の投影を実行するために、撮像される身体２０の周りを移動する。このように実行された投影が使用されて、撮像された身体の３次元画像を再構成する。
ステップ３
パッチ３０に含まれる放射線不透過性マーカは、Ｘ線検出器で取得された各２Ｄ画像において検出され、ある画像から別の画像にペアリングされる３３。幾何学的又は放射測定の類似性基準を使用してマーカがペアリングされる。
ステップ４
マーカの３Ｄ再構成は、投影マトリクスの最初の推定を使用して実行される３４。これらの投影マトリクスＭｉは、予備的なオフライン較正中に判定されるか、又はシステムの位置センサに基づいて予測され得る。これらの４＊３投影マトリクスにより、３Ｄ空間内のオブジェクト又は患者の各ポイントを、例えば地上参照フレームに対して、検出器にリンクされた平面２Ｄ検出器上に投影して一致させることが可能になる。このペアリングステップの最後に、マーカの３Ｄ位置の最初の推定が取得される。
ステップ５
次いで、マーカの３Ｄ位置及び投影マトリクスの知識は、反復的に微調整される３５。幾何学的パラメータ、具体的には投影マトリクス及びマーカの３Ｄ位置は、以下に示す基準を最小化しながら、一緒に推定される。Ｎ個の投影のセットがあり、したがってＮ個のマトリクスが判定されるものとする。再構成されるＬ個のポイントのセットがあるとすると、基準は、以下で与えられる。

ここで、
ｑ_ｉｊは、システムによって取得された画像ｉで検出された、ｊと番号付けされたマーカの２Ｄ座標を表し、
Ｘは、再構成されるＬ個の３Ｄポイントのセットであり、Ｘ_ｊは、ｊと番号付けされたポイントであり、
Ｍは、Ｎ個の投影マトリクスのセットであり、Ｍ_ｉは、画像ｉの投影マトリクスである。

このステップ３５の最後に、対応する３Ｄ画像を正確に再構成することが可能である。

このようにして取得された３Ｄ画像が使用され得、手術中に施術者が自分のツールを正確に配置することを可能にする３６。

バンドル調整方法の一般的な原理は、Ｂ．ｔｒｉｇｓ，ＰＦ Ｍｃ Ｌａｕｃｈｌａｎ，ＲＩ Ｈａｒｔｌｅｙによる“Ｂｕｎｄｌｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ − ａ ｍｏｄｅｒｎ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ”，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｖｉｓｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，Ｃｏｒｆｕ，Ｇｒｅｅｃｅ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２１−２２，１９９９ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓという名称の文献に記載されている。

それからデバイスの幾何学的パラメータを推定するために、入力において方法を実行することによって判定されたマーカの座標を取る他の任意のアルゴリズムを使用することができる。

１つの変形実施形態によれば、方法は、Ｃアームの不正確な形状につながる予備的なオフライン較正ステップを含む。「オフライン」較正から得られる較正マトリクスは、最初の再構成を実行するために第４のステップで使用される。

パッチ上で使用されるマーカは、検出を容易にするために、例えば球形マーカである。球形マーカは、回転対称の軸の周りで回転対称を呈する形状も有し得る。

マーカを含む１つ又は複数のパッチは、患者に直接的に粘着接合されるか、又は撮像される領域の近くに配置され得る。

粘着パッチの場合、
・３Ｄ画像の再構成に有用な２Ｄ画像を取得する前に患者又はオブジェクトの皮膚に貼り付けられる粘着テープ、
・パッチの表面にわたって分配された放射線不透過性マーカのセット、
・水、血液及び摩擦に耐性があり、パッチをその周囲から保護する外面
として画定されたパッチを使用することが可能である。外面は、例えば、プラスチックから作成される。

自己粘着パッチは、使い捨てであり得る。

マーカは、例えば、パッチの表面全体を覆うように分配されている。

パッチ及びマーカのアセンブリは、例えば、厚さが約１ｍｍであり、およそのサイズが４×１４ｃｍである。

マーカは、伸縮可能な生地又は「医療用ストレッチスーツ」に統合され得る。小さいマーカ、例えば不透明ビーズは、再構成されるアセンブリ、例えば患者の一部を覆う前に例えば圧縮衣服の全体にわたって分配される。次いで、一方では、第４のステップで取得された情報を使用してデバイスを同時に較正し、他方では、再構成されるオブジェクトのエンベロープ（３Ｄ表面）を再構成することが可能である。このエンベロープは、３Ｄ再構成に先験的に使用されることになる。

１つの変形実施形態によれば、方法は、画像に存在する関心点に対応する１つ以上の解剖学的マーカ（人体の特徴的で放射線不透過性の部分）を使用する。マーカは、当業者に既知である画像処理動作を使用して画像から抽出される。この変形実施形態では、方法は、パッチを配置するステップ３１を実行しない。最初のステップは、Ｘ線画像の取得を含む。

いくつかの場合、パッチに含まれるマーカと解剖学的マーカを関連付けることが可能であり、解剖学的マーカは、患者の身体、例えば骨に埋め込むことができる。

本発明による方法は、マーカの位置が最初に既知ではない、１つ以上のマーカを使用してＣアームデバイスを較正することも可能にする。

Claims (11)

1. 動作中にＸ線撮像システムの幾何学的パラメータを計算するための方法であって、観察されるオブジェクト又は患者（２０）は、Ｘ線源と、前記オブジェクト又は前記患者を通過したＸ線を検出するＸ線検出器との間に配置される、方法において、少なくとも以下のステップ：
   ・初期に未知の３Ｄ位置を有する少なくとも１つのマーカを使用するステップ、
   ・前記撮像システムの複数の視点について複数の２Ｄ画像を取得するステップ（３２）、
   ・前記取得された２Ｄ画像のそれぞれにおいて、少なくとも１つのマーカの前記位置を検出するステップ（３３）、
   ・異なる視野角における前記オブジェクトの投影に対応する投影マトリクスを推定し、且つ前記投影マトリクスの前記推定からマーカの前記位置を３Ｄで再構成するステップ（３４、３５）
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記初期投影マトリクスを計算するためにオフライン較正ステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記初期投影マトリクスは、前記システムの方位センサ又は位置決めセンサを使用して計算されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記マーカは、前記患者又は前記オブジェクトの上又は近くに配置された粘着パッチであって、
   ・粘着テープ、
   ・前記パッチの表面にわたって分配された放射線不透過性マーカのセット、
   ・耐流体性の外面
   として画定された粘着パッチに含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記マーカは、パッチ上において、前記パッチの表面全体を覆うように分配されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 伸縮可能な生地に統合されたマーカが使用されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
7. 再構成される患者の一部を覆う前に、圧縮衣服の全体にわたって分配された小さいマーカが使用されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
8. 少なくとも１つの解剖学的マーカが使用されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
9. 骨などの前記患者の解剖学的構造に埋め込まれた少なくとも１つの放射線不透過性マーカが使用されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
10. ３Ｄ画像を再構成するために前記システムの幾何学的特徴を使用するステップを含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 動作中にＸ線撮像システムの幾何学的パラメータを計算するためのデバイスであって、観察されるオブジェクト又は患者（２０）は、Ｘ線源と、前記オブジェクト又は前記患者を通過したＸ線を検出するＸ線検出器との間に配置される、デバイスにおいて、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法の前記ステップを実行するように構成されたプロセッサ（１８）を含む少なくとも１つの処理デバイス（１７）を含むことを特徴とするデバイス。

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