選擇最佳視角以優化解剖結構可視化和患者皮膚劑量的製作方法

2023-06-22 16:13:51 2

專利名稱：選擇最佳視角以優化解剖結構可視化和患者皮膚劑量的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過輻射進行醫學成像的領域。更具體地，它涉及當採集圖像時身體或其某些器官對所受到的輻射劑量的估計、監測和顯示。它尤其在實時監測介入射線照相期間患者所受到的輻射劑量以便限定X射線採集條件中具有特別應用。
背景技術：
皮膚損傷的最高風險發生在漫長並且艱難的介入手術情況下。 這些手術通常牽涉採集患病的身體部分的3D體積或使用受治療解剖結構的預採集3D信息(典型地通過CT或MR)。該3D體積在連接到血管x射線系統的審查站上重構和存儲，並且提供在檢查室中的獨立監視器上顯示3D信息的手段。使用該模塊已經可利用若干特徵。「發送角」特徵允許通過旋轉3D模型找到最佳視角，並且然後自動將掃描架送到選擇的角度。在「跟隨掃描架」模式中，3D模型基於掃描架運動而自動旋轉使得視角對應於當前掃描架位置。上文描述的特徵允許基於受治療解剖結構的性質優化在介入中使用的成像系統的幾何結構。然而，沒有提供將使用戶能夠在優化方法中考慮輻射的潛在不利影響的信息。因此需要有使用戶能夠在採集一個或多個放射圖像期間估計由身體或身體的不同部分接收的福射劑量的分布的工具。還期望的是，在採集新圖像期間，避免在身體的一些區域中或在一些器官中積累過高的輻射劑量，並因此能夠限定隨後圖像的採集條件從而允許身體中積累的輻射劑量的優化。已經知道允許估計由身體積累的輻射劑量的分布的方法。然而，該已知方法沒有向用戶提供使他能夠進行X射線優化採集條件的有效確定的適當的信息。而且，需要有受檢者的皮膚的改進模型，或更一般地需要有要成像的身體的表面，以便獲得準確的劑量圖。

發明內容
本發明提出一種使用X射線成像裝置監測要成像的身體中的輻射劑量的方法，該X射線成像裝置包括X射線發射源、檢測器、處理單元和顯示器，該方法提供有·能夠識別身體中的不同要素的3D模型，·物質與輻射之間的相互作用的理論模型，其應用於所述3D模型，·限定X射線照射條件的參數，並且所述方法包括對於所述參數在所述3D模型中對積累輻射劑量的分布的劑量圖所作的計算步驟，
其特徵在於，根據發射源的位置而取向的身體的所述3D模型與劑量圖一起顯示使得用戶可以在身體受到X射線的照射和對於解剖結構評估的角度定位的興趣之間進行權衡。根據本發明的各種實施例，所述方法可以包括單獨採用或組合採用的下列特徵中的任何特徵-所述劑量圖顯示剩餘照射時間的時間值，其與限定X射線照射條件的參數和受到X射線照射的閾值有關；-所述顯示器包括至少兩個幀，所述3D模型和所述劑量圖在該顯示器的不同幀中並且在相同的取向中顯示，或所述3D模型和對於給定照射輸送到身體的劑量的所述估計在該顯示器的單幀中疊加顯示；-所述劑量圖在身體的皮膚模型上顯示，所述方法包括由用戶基於顯示的3D模型和用戶對患者皮膚和其他解剖結構的相對位置的了解而編輯該皮膚模型的步驟。本發明還涉及電腦程式，其包括用於在醫學成像裝置上執行根據先前限定的方法的指令。根據另一個方面，本發明提出了醫學成像裝置，其包括-X射線發射源，-檢測器，-計算機和-顯示器，其特徵在於，所述裝置包括計算機可讀支持，其包括當由計算機讀取時用於執行先前限定的方法的指令。


本發明的其他特性、目的和優勢將通過下列描述變得明顯，下列描述僅僅是說明性的並且是非限制性的，並結合附圖進行閱讀，其中，-圖I是成像裝置的示意圖，-圖2圖示遵照本發明能夠用圖I中的裝置實現的方法的示例的步驟，圖3和4圖示其他兩個可能實施例。-圖5a、5b、6a和6b圖示根據本發明的方面的方法的顯示模式的兩個示例。-圖7a和7b圖示由用戶調整皮膚模型的示例。
具體實施例方式回想成像裝置的結構圖I示意性地圖示C形臂醫學成像裝置。它包括-臺架100，受檢者110安置在其上，-發射源120(例如，X射線源)，其設置在C形臂130的一端，-檢測器121(例如數字傳感器陣列)，其面對該發射源120安置在臺架100和受檢者110的另一側上，並由C形臂130的另一端所承載。
C形臂130相對於臺架100是可動的。它可以傾斜以允許不同的照射角度。它還可以沿臺架縱向移動。在其他實施 例中，或者為了補充C形臂130的移動性，臺架100是可動的以在不同移動中提供更大的靈活性。該裝置還包括例如計算機140或計算機組等處理單元，其接收由檢測器121採集的圖像並且被程序化來處理這些圖像，以及執行在下文參照圖2至4描述的步驟。該計算機可以另外與例如屏幕等顯示器150結合來顯示該方法的結果。實現的示例在圖2中，在第一步驟10，在經受實現根據本發明的方面的方法的成像過程的患者周圍採集初始2D圖像期間，身體110或其部分受到少量輻射劑量照射。在第二步驟20，關於這些2D圖像，計算機140計算已經是這些圖像採集的受檢者的受檢者或其部分的3D模擬，並且處理該3D模擬來產生3D模型，在該3D模型中可以識別已經採集其圖像的身體或身體的部分的不同要素。所應用的處理使用本身已知的分割和重構技術。在3D模型中還識別患者身體的不同要素或器官(例如骨骼、肉、心臟、肝臟、肺臟)。從而產生的3D模型因此考慮形成受檢者的身體的不同要素的密度中的差異，並且不限於簡化為具有均質密度的簡單幾何形狀的模擬。所述3D 模型可以例如米用在文章「3D reconstruction of the humanrib cagefrom 2D projection images using a statistical shape model (使用統計形狀模型從2D投影圖像進行3D重構人胸腔)Jalda Dworzak等，Int J Cars (2010) 5 :111_124」中描述的方式獲得。特別地，利用例如該出版物中提出的技術，患者的身體採用3D重構，這避免旋轉採集(如果這樣的旋轉除標準檢查之外還需要X-射線劑量)，並且為該目的使用在檢查期間自然採集的圖像。例如，在介入心臟病學中，在診斷階段期間，在圍繞患者身體的某組角度上採集2D圖像。在有限數量的視圖中的這些圖像由計算機140處理，其重構可獲得例如其統計形狀模型的解剖結構。在本發明的備選實施例中，3D模型可以從先前的採集獲得，或可以是例如圓柱體、球體或任何適合的幾何體積的標準化模型。在計算步驟30，對於從而獲得的3D模型，計算機140應用先前存儲的、物質與輻射之間的相互作用的模型，例如限定患者體內的輻射吸收和擴散的理論模型。關於該3D模型、該理論模型以及有關圖像採集條件的一定數量的額外數據，它計算對應於在患者的不同部分中積累的劑量的分布的劑量圖。所述理論模型例如具有在使用Geant4軟體來模擬和仿真光子與物質的相互作用的許多最近研究中描述的的類型，例如「Performance ofGEANT4 in dosimetry applcations Calculation of X-ray spectra and kerma-to-doseequivalent conversion coefficients (GEANT4在劑量測定應用中的性能X射線譜和比釋動能到劑量等價轉換係數的計算)」 ;Carla C. Guimaraes, Mauricio Moralles, EmicoOkuno ；Radiation Measurments 43(2008) 1525-1531，，。
考慮並且應用於該模型的參數是例如-發射特性(電壓以kV計，強度以mA計)，-發射管的性質，-發射的焦斑的尺寸，-考慮中的受檢者的身體的自身性質，尤其是受檢者的骨骼中不同器官的密度和不同性能。這裡將注意到，該步驟並不需要任何額外的測量儀器，這意味著能夠繼續使用具有與常規成像裝置的結構大致上相似的結構的用於實現該方法的裝置，所不同的是計算機適用於執行具體操作。例如通過只考慮吸收的輻射，或還考慮X-射線擴散可以獲得若干水平的精度。在顯示步驟40，典型地通過呈現具有對應於不同水平的積累輻射劑量的分級顏色的3D圖像,計算機140命令顯示從而獲得的積累劑量的劑量圖或3D映射(mapping)。該積累劑量可以只對3D模型的表面顯示，其因此對應於輸送給身體皮膚的劑量。3D模型與劑量圖一起顯示，二者都根據發射源120的當前位置取向。3D模型和劑量圖的該取向可以在取向步驟35中實現，其典型地在如圖2上圖示的步驟30和40之間發生。在該取向步驟35中，計算機140應用先前存儲的處理3D模型的算法和劑量圖連同關於發射源120的位置的信息以便限定在步驟40中顯示的3D模型和劑量圖的適當取向。可以給予受檢者體內X-射線劑量的分布的該確定若干用途。例如，它可以用於繼受檢者照射後驗證該照射已經通過不過度照射受檢者的身體的某些部分而對受檢者安全地實施。它還可以用於確定用於隨後照射的最佳照射方向，以便使受檢者身體的一些部分不受過度輻射劑量照射。該方法為用戶提供改進的解剖結構和皮膚劑量可視化，其使用戶能夠在身體受輻射照射和對於解剖結構評估的角度定位的興趣之間進行權衡。身體110的劑量圖和3D模型可以對每個新採集的2D圖像更新。積累劑量的分布然後可以可選地重新計算。實現的其他示例如將要理解的，這裡所採用的情況是其中被處理以確定身體110的3D模型並且尤其是第一個3D模型的圖像是在介入手術期間採集的2D圖像。明顯地，作為模擬的處理的變化形式並用來識別患者身體的不同要素或器官，還能夠想像在例如CT或MRI的過程之前採集的3D圖像的使用。
處理以將隨後採集的圖像調整為初始3D模型然後可以用於獲得更準確的3D模型。並且，如由圖3中的實施例圖示的，能夠提供額外的優化步驟50，其包括確定最適合的照射方向以便使受檢者身體的一些區域不受過高的X-射線劑量照射。與先前描述的計算步驟30相似，優化步驟50考慮許多參數，所提的參數可包括以下-它期望發射的X-射線的特性，-X-射線發射管的性質，
-發射焦斑的尺寸，-受檢者的身體的性質，尤其是受檢者不同器官和骨骼的密度和不同性質。另外，該優化步驟50考慮了受檢者中的感興趣區域，S卩，期望精確模擬的那些區域，典型地是在醫學成像情況下的內臟器官或身體的一部分。這些感興趣區域關於在第一應用步驟10期間發射的X-射線自動確定，例如通過確定在該第一應用步驟10期間發射的X-射線束的交叉，或者它們由操作員典型地在控制X-射線發射裝置的裝置上指定。優化步驟50因此將確定最適合於在受檢者身體的不同區域上採用大致上統一和均質的方式分布輻射劑量的方向，同時獲得感興趣區域的精確模擬。該優化步驟50可以使用以便使X-射線發射裝置自動化。對於例如冠狀動脈的成像，極少數量的角度允許系統確定C形臂要安置的空間中的一組位置，使得動脈的投射收縮的可視化效果被最小化。這利用在以下描述的系統尤其是可能的由GE Healthcare的「Computer-assisted positioning-Compas (計算機輔助定位-Compas) 」 中描述的，還在文章 「Optimizing coronary angiographic views (優化冠狀動脈造影視圖)；G Finet, JLienard ；The International Journal of Cardiac Imaging ；Volume 11, Supplement I/March,1995」。基於該原理，計算機140確定並且在屏幕上顯示該組視圖中已經達到的劑量。它還為下列角度選擇提出的視圖，注意-由Compas型過程識別的一組感興趣角度，-禁止在解剖結構的給定部分上積累某一最大劑量，-尋找接近當前工作角度的角度。可以在每次發射前增加由操作者的確認步驟，使得照射過程依然處於有資格人員的監督下。還將注意到利用給予計算機140的有關不同發射輻射的不同數據，計算機還能夠計算患者體外(例如在放射室中)的輻射擴散的估計，並且顯示該信息的描繪(該室的映射)供該室中的醫生和助手使用。輸送給受檢者身體的劑量可以採用常規單位(即Gray(J/kg)或Sievert)顯示或採用對於單位時間的給定劑量顯示剩餘照射持續時間的備選方式顯示。例如，對於50mG. HiirT1的限定劑量率，具有IOOOmG的閾值和已經輸送的500mG的劑量，顯示的值將是(1000mG_500mG)/50mG. mirf1 = IOmin0如果用戶切換到25mG. HiirT1的劑量率，顯示的值將因此適應性修改並且設置為20mino該備選方案給予用戶實用信息，這可以確定他可以在受檢者身體上使用多少照射持續時間而沒有負作用。該特徵還可以由用戶使用以便確定能夠完成介入而沒有不良方面影響的風險的劑量設置。常規單位(Gray或Sievert)實際上不便於操縱並且沒有向用戶提供實用信息。圖4圖示方法的另一個變化形式，其中優化步驟50被仿真步驟60取代，如果受檢者在給定條件下(例如在給定的方向)受到照射，該仿真步驟60向裝置的操作者指示將獲得的受檢者的身體中的X-射線劑量的分布。作為使用該變化形式的示例，可以列舉該情況，其中繼最初三個步驟10、20、30之後，X-射線發射系統由裝置的操作者移動使它朝向給定的方向，在該情況下裝置將根據受檢者的照射指示這樣的取向的後果，或者更加精確地指示在該給定方向照射之後受檢者的身體中的X-射線劑量的隨後分布。用戶可以對模型定向以便使用例如3D滑鼠等基本工具測試各種取向，然後一旦他找到適當的取向，他可以命令X射線發射系統以便使它採用與使用安全命令(例如具有「發送角」功能)的模型相似的方式定向。相反地,用戶可以使用適應性修改的命令直接修改X射線發射系統的取向，而3D模型因此例如根據「跟隨掃描架」特徵自動旋轉。計算機140可以處理給定數量照射(即持續時間、發射源120的取向和身體的性質)的數據來確定所得劑量圖。 因此可構想各種實施例，例如其中用戶可以執行編程步驟並且然後分析所得的身體110中的劑量圖以便確定他限定的照射從輻射重新分配和身體110成像的方面是否都滿意的實施例，在該編程步驟中，在進行任何有效的照射之前，或在進行許多照射之後並且在執行另一組照射之前，他根據各種條件對一系列X射線照射編程。由於該實時方法，用戶可以在使用為他提供身體受到X射線照射和要成像的身體110的所得圖像之間的最佳折中的取向執行實際X射線發射之前例如測試發射源的各種可能取向。這樣的折中或權衡可以由於向用戶提供的一組完整信息而實現，其包括身體的3D模型和劑量圖。這些優化50和仿真60步驟都可以由計算機實現，該計算機可以或可以不與用於實現受檢者模擬和受檢者的身體中的X-射線劑量的分布的確定的步驟的一個或多個計算機相同。相似地，該計算機可以與顯示部件結合，例如這允許優化情況下限定的方向的圖示，或仿真情況下的受檢者的身體中的X-射線劑量的分布的圖示，使得操作者隨後能夠確定如何進行受檢者的X-射線照射。3D模型和劑量圖可以在相同的模型上疊加顯示或者在相同的顯示器、例如屏幕等的不同幀或兩個不同的顯示裝置或屏幕上的兩個不同的模型上顯示。在其中使用兩個不同模型的情況下，計算機140計算那些模型的取向使得它們互相都同步，即它們因此旋轉並且在根據發射源140的取向而演變的相同取向上顯示給用戶。圖5a、5b、6a和6b分別圖示那兩個實施例，其中3D模型和劑量圖在顯示器的單幀中疊加顯示或在兩個不同的幀中顯示。在那些圖中，圖示的3D模型72是血管圖，而劑量圖70在橢球形上表示，其可以表示例如受檢者的頭的皮膚。圖5a和5b分別圖示其中劑量圖70和3D模型在初始狀態並且在角度定位改變之後置加的顯不。在那些圖中，在下一個照射將受到X射線照射的具有系統的當前參數的區域由周邊74界定，該區域在該情況下是矩形，而有色區76圖示已經接收X射線劑量的皮膚帶。圖5a圖示其中周邊74對應於區域76的配置，而圖5b圖示在角度定位改變之後的相同的3D模型72和劑量圖70。可以在圖5b中看到，周邊74相對於區域76現在是偏移的。在具有那些參數的X射線照射情況下，用戶將能夠清楚地識別將受到X射線照射的皮膚的區域不同於已經接收X射線劑量的區域76。
圖6a和6b圖示在相似的角度定位改變之前和之後的相同的3D模型72和劑量圖70。在備選實施例中，要成像的身體110的模型可以用半透明的表面顯示使得用戶可以操縱皮膚模型以例如鑑於它提供的3D模型和解剖結構信息來調整它。實際上，限定皮膚的位點是特別複雜的步驟，其通常導致近似。因此，允許用戶校正模型並且根據他或她自身對要成像的身體的幾何結構的了解增加它的相關性可以導致結果改進。在該具體實施例中，用戶可以例如通過選擇給定區域並且對其重新定位或通過重新定位單個點或一組點而重新限定模型的皮膚的位置，而處理單元然後根據那些點的新位置重新調整模型。圖7a和7b圖示其中使用皮膚模型的3D模型72和劑量圖70明顯配錯的示例。實際上，用戶可以看到3D模型伸出劑量圖70。根據本發明的實施例，用戶然後可以操縱由劑量圖70使用的皮膚模型以便對其校正並且使其適合於3D模型72，或更一般地適合於受檢者的實際形態。該操縱可以使用已知的模型編輯工具進行以便修改皮膚模型的尺寸和/或形狀和/或位點。該特定特徵能夠提高皮膚模型的準確性，這就劑量圖是基於這樣的皮膚模型而論是顯著的提高。常規的成像使用取決於記錄的標準幾何形狀，其在所有情況下可能無法適應。例如，在一些記錄中，標準幾何形狀是成年男性，其可能不適合於小或高的個體，並且可以高度得益於由用戶進行這樣的適應性修改。指令的支持用於執行先前詳細的步驟的指令可以包含在計算機可讀支持上，該計算機可讀支持包括在所述程序由計算機讀取時具有適合於實現詳細方法的代碼指令；和電腦程式產品，其包括存儲在能夠由例如成像裝置I的處理單元5等計算機讀取的介質上的代碼指令，並且包括在所述程序由計算機讀取時能夠實現方法的不同步驟的部件。部件列表圖I100 臺架110 受檢者120 發射源121 檢測器130 C形臂140 處理單元-計算機150 顯示器圖2
10第一步驟-身體受到少量輻射劑量照射20第二步驟-計算受檢者的3D模擬30計算步驟 35 取向步驟40顯示步驟圖310第一步驟-身體受少量X射線輻射劑量的照射20第二步驟-受檢者的3D模擬的計算30計算步驟 35 取向步驟
40顯示步驟 50 優化步驟圖410第一步驟-身體受少量X射線輻射劑量的照射20第二步驟-受檢者3D模擬的計算30計算步驟 35 取向步驟40顯示步驟 60 仿真步驟圖5a_5b70劑量圖72 3D模型74周邊76 區域圖6a_6b70劑量圖 72 3D模型74周邊 76 區域圖7a_7b70劑量圖 72 3D模型
權利要求
1.一種使用X射線成像裝置監測要成像的身體(110)中的輻射劑量的方法，所述X射線成像裝置包括X射線發射源(120)、檢測器(121)、處理單元(140)和顯示器(150)，該方法提供有 能夠識別所述身體(110)中的不同要素的3D模型(72)， 物質與輻射之間的相互作用的模型，其應用於所述3D模型， 限定X射線照射條件的參數， 並且，所述方法包括對於所述參數在所述3D模型(72)中對積累輻射劑量的分布的劑量圖所作的計算步驟(30)， 其特徵在於，根據所述發射源(120)的位置而取向的所述身體(110)的所述3D模型(72)與所述劑量圖(70) —起顯示，使得用戶能夠在所述身體(110)受到X射線的照射和對於解剖結構評估的角度定位的興趣之間進行權衡。
2.如權利要求I所述的方法，其中所述劑量圖顯示剩餘照射時間的時間值，其與限定X射線照射條件的參數和受到X射線照射的閾值有關。
3.如權利要求I至2中任一項所述的方法，其中所述顯示器(150)包括至少兩個幀，所述3D模型(72)和所述劑量圖(70)在所述顯示器(150)的不同幀中並且在相同的取向中顯不。
4.如權利要求I至2中任一項所述的方法，其中所述3D模型(72)和所述劑量圖(70)在所述顯示器的單幀中疊加顯示。
5.如權利要求I至4中任一項所述的方法，其中所述劑量圖(70)在所述身體(110)的皮膚模型上顯示，所述方法包括由用戶基於顯示的所述身體(110)的3D模型和用戶對患者皮膚和其他解剖結構的相對位置的了解來編輯該皮膚模型的步驟。
6.電腦程式，其包括用於在醫學成像裝置上執行如權利要求I至5中任一項所述的方法的指令。
7.醫學成像裝置，其包括 -X射線發射源(120)， -檢測器(121)， -計算機(140)和 -顯示器(150)， 其特徵在於，所述裝置包括計算機可讀支持，其包括當由所述計算機(140)讀取時用於執行如權利要求I至5中任一項所述的方法的指令。
全文摘要
本發明提供選擇最佳視角以優化解剖結構可視化和患者皮膚劑量。本發明涉及一種使用X射線成像裝置監測要成像的身體中的輻射劑量的方法，該X射線成像裝置包括X射線發射源、檢測器、處理單元和顯示器，該方法提供有能夠識別身體中的不同要素的3D模型，物質與輻射之間的相互作用的模型，其應用於所述3D模型，限定X射線照射條件的參數，並且所述方法包括對於所述參數在所述3D模型中對積累輻射劑量的分布的劑量圖所作的計算步驟，其特徵在於，根據該發射源的位置而取向的身體的所述3D模型與劑量圖一起顯示，使得用戶能夠在身體受到X射線的照射和對於解剖結構評估的角度定位的興趣之間進行權衡。
文檔編號A61B6/00GK102697514SQ20111046308
公開日2012年10月3日 申請日期2011年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者G·塞克利, G·西蒙, L·德斯蓬茲, P·特澤斯, R·韋蘭, T·烏瓦裡, V·比斯穆斯, Z·邵博 申請人:通用電氣公司