確定放射線源至圖像檢測器的相對位置的方法和對應系統的製作方法

2024-02-05 07:25:15 1

專利名稱：確定放射線源至圖像檢測器的相對位置的方法和對應系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於確定X射線源至X射線圖像檢測器的相對位置的方法以及一種對應的X射線系統。
背景技術：
X射線系統通常具有一個X射線源和一個例如按照X射線圖像放大器或平面圖像檢測器形式的X射線圖像檢測器。為了分析利用這種X射線系統拍攝的X射線圖像，越來越重要的是對於X射線源和X射線圖像檢測器至少相對於彼此或者相對於待透視對象的精確幾何位置的認知。這點尤其適合於這樣的情況利用X射線系統從不同的視線方向拍攝對象的多幅圖像，以便隨後確定該對象的3D結構立體。
另一方面，在此期間在X射線技術中公開了可攜式電池驅動的X射線輻射器以及可攜式電池驅動的平面圖像檢測器。目前，兩者一同(多數情況下與一個可攜式電腦組合來立即對所拍攝的X射線圖像進行觀察以及分析)被用作可攜式X射線系統，其主要用於利用移動救護車對空曠現場上或者在危機區域中的不能移動的人員進行緊急救護。獸醫學也為這種X射線系統提供了廣泛的應用領域。
在此期間，還希望利用這種移動系統產生被透視對象的3D重建立體。如上所述，在此對視線方向——在這些方向上進行X射線拍攝——的精確認知，對於3D重建的質量來說是起決定作用的。因此，至少需要準確認識在每次X射線拍攝中X射線源和X射線檢測器的相對位置。
因為特別是所提到的可攜式X射線圖像檢測器具有一種所謂的「自動感應(Autosense)」模式，即，在X射線入射時自動觸發對X射線圖像的拍攝，所以在該可攜式系統中沒有在X射線源和X射線圖像檢測器之間的各種電纜敷設。通常僅僅是可攜式電腦通過數據線與X射線圖像檢測器連接。系統簡化的優點也應該在從中產生對象的3D圖像數據時得到保持。
因此無法採用外部導航系統，因為對應的光學或磁導航系統(例如帶有可定位的高頻應答器)、機械系統或者其它這些設備，技術花費高、體積龐大或者笨重、並且經濟上花費極其高。與極其靈活和移動的X射線系統的組合，在幾乎沒有電纜敷設的條件下是很麻煩和沒有意義的。
因此，迄今為止為了產生3D圖像數據，僅僅已知固定的X射線系統(所謂的血管系統)以及移動C型(所謂的OP系統)。不過與上面不同，在此概念「移動」僅僅被理解為，這種C型在醫院區域內(例如在手術室內)或者在不同房間之間是可以移動的。如上面解釋的在空曠現場上的實際的移動使用，對於該移動C型來說是沒有意義的，因此其在本發明申請中同樣被歸類為固定。
X射線源和X射線圖像檢測器的相對位置或者其相對於待透視對象的位置的確定，在固定系統中是在採用所謂的校正模型的條件下一次性地在系統自身的投影矩陣中進行的。由此，表明或者校正了這種系統的可以再現的機械扭轉等。在此，多數情況下這種投影矩陣針對一個±30°的迴轉角度範圍。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種用於確定X射線源相對於X射線圖像檢測器位置的更好的方法，以及一種對應的X射線系統。
就方法而言，上述技術問題是通過一種用於確定X射線源至X射線圖像檢測器的相對位置的方法解決的，其中將參考結構按照至X射線源的已知相對位置置於X射線源和X射線圖像檢測器之間的射線路徑中，X射線圖像檢測器記錄一個帶有參考結構的成像的X射線圖像，在該X射線圖像中確定該參考結構的成像的位置，從中確定該參考結構至X射線圖像檢測器的相對位置，從中並且從該參考結構至X射線源的相對位置中確定X射線源至X射線圖像檢測器的相對位置。
因此，與上面提到的外部解決方案不同，該方法建立了用於確定X射線源和X射線圖像檢測器的相對位置的內在方法。之所以是內在的，是因為位置確定以及位置識別完全從X射線圖像中實施，而沒有額外的導航以及定位設備。僅有參考結構是必需的。
在X射線圖像中確定參考結構的成像的位置構成了位置確定的核心。一方面從對應參考結構的實際幾何形狀或規模、另一方面從其在X射線圖像中的成像的形狀或規模中，可以利用適當的模式識別或圖像處理的方法計算或者確定出該參考結構至X射線圖像的成像平面的相對幾何位置。在此，可以確定該位置的六個自由度、即參考結構相對於X射線圖像的成像平面的坐標以及旋轉角度。
例如，由[Haeusler，G.等人，「Feature-Based Object Recognition andLocalization in 3D-Space，Using a Single Video Image」，Computer Vision andImage Understanding，vol.73，Nr.1，Januar 1999，www.idealibrary.com]公開了一種用於定位被成像對象或確定其位置的方法，在本例中對象是在圖像(即X射線圖像)中的參考結構。
因為就X射線圖像檢測器而言成像平面相對於X射線圖像檢測器或者在X射線圖像檢測器中的位置又是已知的，另一方面就X射線源而言參考結構和X射線源的相對位置是已知的，因此可以確定X射線源和X射線圖像檢測器的相對位置。
參考結構可以是所有的圖像以及安排或形狀，它們由於其在成像系統(在此是X射線系統)中的二維成像而允許從該成像中明確地確定三維位置。為此，特別適合的是例如基於十字或者圓形的不對稱的圖形或者形狀。在此，圓形例如適合於在X射線圖像中的橢圓搜索，而十字形狀適合於在X射線圖像的傅立葉空間中的對應識別。
自然必須這樣構成參考結構，使得其可以通過X射線輻射在X射線圖像上成像。
因為通過本發明的方法原則上可以從每個所拍攝的X射線圖像中確定X射線源和X射線圖像檢測器的相對位置，在固定的X射線設備中去除了如在迄今公知的X射線方法中對應的校準步驟。
在此，前提僅僅是參考結構在X射線圖像中的成像不幹擾或僅僅不嚴重地幹擾其它圖像信息，反之亦然。自然也可以在X射線源和X射線圖像檢測器可以採取的、可再現的相對位置下，在第一過程中利用本發明的方法執行幾何校準，然後在此時已知的相對位置下在X射線路徑中沒有參考結構的條件下拍攝一幅例如診斷的X射線照片，用於對感興趣對象純粹診斷的目的。
可以將參考結構作為結構化的X射線掩模安裝在X射線源的輸出開孔之前。在該位置上容易持久地安裝X射線掩模，或者也可以再次去除。由於在該輸出開孔上例如X射線源外殼的通常有利的結構，可以容易地將X射線掩模機械上精確地、可閉鎖地、按照可精確再現位置等放置在那裡。通過X射線掩模的結構化可以將參考結構簡單地安裝在該位置上，例如粘貼或插入在那裡。
可以通過X射線掩模的局部不同的板厚度在X射線掩模上構成參考結構。可以特別簡單地製造對應的X射線掩模。與粘貼或類似的不同，為了能夠使得參考結構不脫離X射線掩模，將X射線掩模連同參考結構一起構成一個統一的部件。
可以在保持上面提到的條件下完全任意地構造參考結構，例如也將四個不對稱設置的、X射線學上可以識別的點作為所提到的X射線掩模的模式。
不過，也可以將帶有不同寬度邊的不對稱十字用作參考結構。如上面提到的那樣，十字結構在X射線圖像中的成像特別容易通過對X射線圖像的傅立葉變換以及在傅立葉空間中搜索找到。
確定在X射線源和X射線圖像檢測器之間的射線路徑中由於參考結構造成的X射線衰減，記錄對象連同該參考結構的第一X射線圖像，並且在考慮X射線衰減的條件下從該第一X射線圖像中確定在該射線路徑中沒有參考結構的條件下與X射線圖像對應的人工第二X射線圖像。
換言之，在該方法變形中將參考結構在X射線圖像中的成像在其拍攝之後再次消除。由於參考結構的影響造成的對象在X射線圖像中的成像的變化是已知的，因為此前已經確定了這點。這樣作為結果形成了第二人工X射線圖像，其對應於一幅在射線路徑中沒有參考結構的條件下對對象所拍攝的X射線圖像。儘管如此，實際拍攝的X射線圖像允許同時利用對象的照片確定X射線源和X射線圖像檢測器的位置。
作為X射線源採用移動X射線源，而作為X射線圖像檢測器採用移動X射線圖像檢測器。恰恰對於本文開始部分提到的可攜式電池驅動的X射線系統組成部分，例如與一臺可攜式電腦連接，按照本發明的方法是特別具有優點的。也就是說，在每個帶有參考結構所拍攝的X射線照片中確定各個組成部分相互之間的相對位置，而不用費事、昂貴、體積大等的輔助裝置。所有的確定以及計算例如可以按照在可攜式電腦中的運行的電腦程式的形式自動地實施。
因此，利用按照本發明的方法也可以在由於X射線源和X射線圖像檢測器相互之間不同的相對位置造成的不同視線方向上，拍攝對象的一系列X射線圖像，確定X射線源和X射線圖像檢測器相互之間的相對位置，並且藉助於所確定的相對位置從該X射線圖像的系列中確定該對象的3D重建立體。
即，由此在沒有造價高的附加輔助裝置的條件下也可以利用如上面描述的真實的電池驅動的移動X射線系統建立3D圖像數據。在此，起決定作用的僅僅是可以確定不同視線方向——對象在這些視線方向上在不同的X射線照片中被成像，因為這些視線方向對於3D重建來說是必需的。因為按照本發明可以將這些視線方向唯一地與X射線源和X射線圖像檢測器的不同相對位置對應，可以從X射線源和X射線圖像檢測器的相對位置確定中確定每個X射線圖像的視線方向。換言之，進行3D重建的前提條件是從由X射線圖像確定的相對位置中可以確定不同的視線方向以及照片針對對象的幾何關係，這些視線方向和幾何關係對於3D重建來說是必需的。
在下列條件下這點尤其如此X射線圖像檢測器可以固定在至放置在該檢測器和X射線源之間的對象的固定相對位置處，而X射線源為了拍攝X射線圖像序列在預定的方位角和仰角角度範圍內向X射線圖像檢測器的法線偏轉。由此，X射線源與圖像檢測器之間的每個相對位置的改變必然造成X射線源和X射線圖像檢測器之間的位置改變，以及由此造成從X射線源至對象的視線方向的改變，這點又在X射線圖像中表現出來。因此，給出了上面提到的唯一性。這點在實際中可以例如如下實現患者作為待成像的對象在位於地面上的X射線檢測器上。由此，患者和X射線圖像檢測器相互固定或相互固定在地面上。X射線源可以在患者和X射線圖像檢測器之上對應地相對於這兩個偏轉，其中至X射線圖像檢測器的相對位置的改變直接與在X射線圖像中的視線方向的改變相關聯。
可以手動地和/或非手動地移動X射線源和/或X射線圖像檢測器。首先，對於上面提到的、對應的X射線系統的現場使用，提供了例如在檢測器靜止的條件下的X射線源的手動偏轉。為了與完全非手動的偏轉不同保證X射線源的至少近似可再現的手動偏轉，可以採用例如簡單和輕便的支架等等。與上面提到的導航系統不同，支架不限制對應的完全移動的X射線系統的重量、移動性、規模、體積等等。
就X射線系統而言，上述技術問題關於是通過一種X射線系統解決的，其包括X射線源和X射線圖像檢測器，按照至X射線源的已知相對位置設置在X射線源和X射線圖像檢測器之間的射線路徑中的參考結構，以及分析單元，該分析單元用於在X射線圖像檢測器記錄的X射線圖像中確定參考結構的成像的位置，用於從中確定該參考結構至X射線圖像檢測器的相對位置，用於從中並且從該參考結構至X射線源的已知空間位置中確定X射線源至X射線圖像檢測器的相對位置。
通過分析單元對應的X射線系統可以用來實施本發明的方法。如上面提到的，這種分析單元例如以可以是在所連接的可攜式電腦中運行的電腦程式。
該X射線系統的優點以及其根據本發明的擴展已經結合本發明的方法進行了說明。


對於本發明的進一步的描述參考附圖的實施方式。按照示意性的原理圖圖1示出了用於產生患者的3D圖像數據的移動X射線系統。
具體實施例方式
圖1示出了將移動的電池驅動的X射線設備2對於待透視的患者4的現場應用期間的情形。所示出的患者4患病並且不能被搬運、即不能移動。患者4位於空曠的現場並且必須在那裡被檢查或者透視。因此，X射線系統2是完全電池驅動的，並且包括電池驅動的X射線源6、電池驅動的平面檢測器8和電池驅動的可攜式電腦10。
利用X射線系統2要產生患者4的腎12的3D圖像數據。為此，將平面檢測器8放置或者移入到位於地面14上的患者4和地面14之間。此外，平面檢測器8通過數據線16與可攜式電腦10連接。
X射線源6在其前側18具有一個輸出開孔20，通過該開孔沒有示出的X射線輻射按照箭頭22的方向(即按照X射線系統2的中心射線24的方向)向平面檢測器8輻射。
藉助於一個固定裝置16將X射線掩模28在X射線源6上固定地並且按照與X射線源6已知的距離或已知的幾何位置進行安裝。在X射線掩模28上又安裝了通過其層厚度的變化實現的、以不規則的不對稱十字形式的參考結構30。
此時，沒有示出的醫生手動地將X射線源6保持在圖1中所示出的位置上，其中，醫生通過目測沿中心射線24對準平面檢測器8或其中心。這樣，醫生將患者4的腎12在平面檢測器8上X射線技術地成像。在此，醫生利用了由其估計的患者4體內腎12的位置。如果醫生認為其已經對準了所希望的患者4的區域，則其通過在X射線源6上個沒有示出的觸發按鈕觸發X射線發射，也就是說，一定劑量的X射線輻射沿著中心射線24向平面檢測器8發送出。
在圖1中象徵性地在平面檢測器8上描繪出了這樣在平面檢測器8中形成的X射線圖像32。在此，X射線圖像32包括腎12的成像34和參考結構30的成像36。
通過數據線16將X射線圖像32傳送至可攜式電腦10並在那裡進行分析。分析是按照下列方式實現的在平面檢測器8上這樣固定一個假想的坐標系38，即，其x-y平面構成X射線圖像32的成像平面，而其z方向在平面檢測器8的法線方向上(在圖1中離開地面14的方向)示出。通過分析成像36在坐標系38的x-y平面中的坐標，確定了參考結構30本身的坐標在坐標系38中的六個自由度，即其三個x-y-z坐標和三個關於對應軸的旋轉角度。在圖1中通過雙箭頭40象徵性地示出了該相對位置。
此外，如上面提到的，參考結構30至X射線源6的相對位置是已知的，在圖1中通過雙箭頭42示出。如提到的並且在圖1中通過雙箭頭44示出那樣，因為成像36在固定在平面檢測器8上的坐標系38中的位置以及由此相對於平面檢測器8本身的位置也是已知的，在可攜式電腦10從該三個相對位置中確定出X射線源6和平面檢測器8的相對位置，如箭頭46所示。
因為在一個沒有示出的在前的校準步驟中，如在圖1中示出的沒有患者4的那樣，進行了對於參考結構30的單獨拍攝，因此已知了參考結構30是如何衰減在X射線源6和平面檢測器8之間的X射線輻射。該信息被作為在校準步驟中的衰減係數存放在可攜式電腦10中。此時，將其用於將X射線圖像32與所存放的衰減係數的倒數相乘，從而從X射線圖像32中消除參考結構30的成像36，並且由此產生了另一幅僅僅顯示腎12的成像34的人工X射線圖像48。將該X射線圖像48在可攜式電腦10的顯示屏50上示出。其對應於一幅假想的在沒有參考結構30的條件下所拍攝的患者4的X射線圖像。
此時，醫生手動地按照箭頭52和54的方向，即在相對於平面檢測器8的中心法線的特定方位角和仰角角度範圍內將X射線源6偏轉，其中，其一直試圖利用中心射線24測定平面檢測器8的中心。其根據目測以及感覺或經驗偏轉例如分別為+/-60°的角度範圍。
通過重複地觸發X射線的發射以及如上面描述的過程，形成了對應於X射線圖像32的多個或者一系列X射線圖像58，它們始終通過數據線16被傳送至可攜式電腦10並且在那裡被存儲。從X射線圖像的序列58中在可攜式電腦10中計算出患者4的3D重建立體60以及其腎12，因為根據上面描述的過程分別為序列58的每一幅X射線圖像確定了在X射線源和平面檢測器8之間通過箭頭46表示的相對位置。
因為根據上面的過程從X射線圖像的序列58中分別分離出了參考結構30的成像36，這點也不會導致在3D重建立體60中的偽影。
權利要求
1.一種用於確定X射線源(6)至X射線圖像檢測器(8)的相對位置(46)的方法，其中-將參考結構(30)按照其至X射線源(6)的已知相對位置(42)置於X射線源(6)和X射線圖像檢測器(8)之間的射線路徑(24)中，-X射線圖像檢測器(8)記錄一個帶有參考結構(30)的成像(36)的X射線圖像(32)，-在該X射線圖像(32)中確定該參考結構(30)的成像(36)的位置(44)，-從中確定該參考結構(30)至X射線圖像檢測器(8)的相對位置(40)，-從中並且從該參考結構(30)至X射線源(6)的相對位置(42)中，確定X射線源(6)至X射線圖像檢測器(8)的相對位置(46)。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，將所述參考結構(30)作為結構化的X射線掩模(28)安裝在X射線源(6)的輸出開孔(20)之前。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，通過所述X射線掩模(28)的局部不同的板厚度在X射線掩模(28)上構成所述參考結構(30)。
4.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中，將帶有不同寬度邊的不對稱十字用作所述參考結構(30)。
5.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中-確定在X射線源(6)和X射線圖像檢測器(8)之間的射線路徑(24)中由於所述參考結構(30)造成的X射線衰減，-記錄對象(12)連同該參考結構(30)的第一X射線圖像(32)，-在考慮X射線衰減的條件下從該第一X射線圖像(32)中確定在該射線路徑(24)中沒有參考結構(30)的條件下與X射線圖像對應的人工第二X射線圖像(48)。
6.根據上述權利要求任一項所述的方法，其中，作為X射線源(6)採用移動X射線源，而作為X射線圖像檢測器(8)採用移動X射線圖像檢測器。
7.根據權利要求6所述的方法，其中-在由於X射線源(6)和X射線圖像檢測器(8)相互之間不同的相對位置(46)造成的不同視線方向上，拍攝對象(14)的一系列(58)X射線圖像(32，48)，-確定X射線源(6)和X射線圖像檢測器(8)相互之間的相對位置(46)，-藉助於所確定的相對位置(46)從該X射線圖像(32，48)的系列(58)中確定該對象(14)的3D重建立體(60)。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述X射線圖像檢測器(8)可以固定在至放置於其和X射線源(6)之間的對象(14)的相對位置(46)，而X射線源(6)為了拍攝該X射線圖像(32，48)的系列(58)在預定的方位角和仰角角度範圍內向X射線圖像檢測器(8)的法線(56)偏轉。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的方法，其中，手動地和非手動地移動X射線源(6)和/或X射線圖像檢測器(8)。
10.一種X射線系統，包括X射線源(6)和X射線圖像檢測器(8)，按照至X射線源(6)的已知相對位置(42)設置在X射線源(6)和X射線圖像檢測器(8)之間的射線路徑(24)中的參考結構(30)，以及分析單元(10)，該分析單元用於在X射線圖像檢測器(8)記錄的X射線圖像(32)中確定參考結構(30)的成像(36)的位置(44)，用於從中確定該參考結構(30)至X射線圖像檢測器(8)的相對位置(40)，用於從中並且從該參考結構(30)至X射線源(6)的已知空間位置(42)中確定X射線源(6)至X射線圖像檢測器(8)的相對位置(46)。
11.根據權利要求10所述的X射線系統(2)，其中，將所述參考結構(30)安裝在X射線源(6)的輸出開孔(20)處邊結構化的X射線掩模(28)上。
12.根據權利要求10或11所述的X射線系統(2)，其中，所述參考結構(30)是通過X射線掩模(28)的局部不同的板厚度構成的。
13.根據權利要求10至12中任一項所述的X射線系統(2)，其中，所述參考結構(30)是帶有不同寬度邊的不對稱十字。
14.根據權利要求10至13中任一項所述的X射線系統(2)，其中，參考結構(30)的X射線衰減是已知的，並且分析單元(10)用來藉助於從X射線圖像檢測器(8)記錄的第一X射線圖像(32)中的X射線衰減，確定在該射線路徑(24)中沒有參考結構(30)的條件下與X射線圖像對應的人工第二X射線圖像(48)。
15.根據權利要求10至14中任一項所述的X射線系統(2)，其中，X射線源(6)和X射線圖像檢測器(8)是移動的。
16.根據上述權利要求15所述的X射線系統(2)，其中，所述X射線源(6)和X射線圖像檢測器(8)為了按照不同視線方向拍攝對象(14)的一系列(58)X射線圖像(32，48)可以被置於不同的相對位置(46)中，並且分析單元(10)用於從該X射線圖像(32，48)的系列(58)中確定該對象(14)的3D重建立體(60)。
17.根據權利要求16所述的X射線系統(2)，其中，所述X射線圖像檢測器(8)可以固定在至對象(14)的固定相對位置處，而X射線源(6)可以在預定的方位角和仰角角度範圍內向X射線圖像檢測器(8)的法線(56)偏轉。
18.根據權利要求15至17中任一項所述的X射線系統(2)，其中，所述X射線源(6)和/或X射線圖像檢測器(8)可以手動地和/或非手動地移動。
全文摘要
在用於確定X射線源(6)至X射線圖像檢測器(8)的相對位置(46)的方法中，將參考結構(30)按照至X射線源(6)的已知相對位置(42)置於X射線源(6)和X射線圖像檢測器(8)之間的射線路徑(24)中，X射線圖像檢測器(8)記錄一個帶有參考結構(30)的成像(36)的X射線圖像(32)，在該X射線圖像(32)中確定該參考結構(30)的成像(36)的位置(44)，從中確定該參考結構(30)至X射線圖像檢測器(8)的相對位置(40)，從中並且從該參考結構(30)至X射線源(6)的相對位置(42)中，確定X射線源(6)至X射線圖像檢測器(8)的相對位置(46)。本發明還涉及一種對應的X射線系統。
文檔編號G01B15/00GK1908580SQ20061010843
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月2日 優先權日2005年8月2日
發明者迪特爾·裡特 申請人:西門子公司