補償醫療成像的系列拍攝時患者運動的方法和成像系統的製作方法
2023-05-15 16:00:01 2
專利名稱：補償醫療成像的系列拍攝時患者運動的方法和成像系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於補償在醫療成像的系列拍攝時患者運動的方法，其中，利用成像系統對患者檢查區域的、有時間間隔的多幅圖像進行繪製並且進行相互關聯，特別是用於在數字相減血管造影或者在路徑探測器技術(Pfadfindertechnik)中的運動補償。此外，本發明還涉及一種構造用來實施所述方法的成像系統，包括射線源、檢測器和患者臥榻以及控制單元、圖像處理單元和圖像顯示單元。
背景技術：
在本發明方法的主要應用領域，即數字相減血管造影中，利用成像系統(在這種情況下是X射線設備)採集並顯示人體的血管。在該方法中，在注射用於突出血管的造影劑的同時，繪製感興趣的患者檢查區域的一系列X射線圖像(充盈圖像)。此外，還在沒有注射造影劑的條件下拍攝檢查區域的一幅圖像(蒙片)。通過將相應的充盈圖像數字減去蒙片而得到相減圖像，在其上只能看出血管，其它如骨骼等吸收X射線的結構的疊加由於相減而消失了。
但是，圖像相減的前提是，這些圖像在相同的幾何條件下繪製，從而使它們重合。由於在各次拍攝之間所描繪的結構的運動，在相減後的圖像中可能出現起幹擾作用的運動偽影。這些偽影可能通過在拍攝蒙片和拍攝充盈圖像之間的患者運動而引起。這種運動的結果可能是，得到的相減圖像不再可以用於診斷。因此在實際中，必須重複被這種運動偽影幹擾的相減圖像。這意味著額外的時間和造影劑的花費以及對患者的額外的射線照射。
一種與數字相減血管造影一起使用的方法是所謂的路徑探測器技術，也稱為路徑測繪(Roadmapping)。該技術用於在介入治療中對血管的選擇性導管插入。在這種血管介入中，以兩維的圖像通過X射線透視(螢光透視法)來顯示吸收X射線的導管的當前位置。為了能夠額外地將血管作為所謂的路標加以識別，在介入開始時繪製一幅其中注射了極少量造影劑的圖像。該圖像被固定為蒙片。將該蒙片分別與後續的、在沒有注射造影劑條件下得到的螢光透視圖像相減。按照這種方式得到相減圖像，在其上可以識別在暗血管之上的亮導管，而背景通過相減被消除。
路徑測繪也按與數字相減血管造影一樣的方式被系列拍攝期間成像的結構的運動幹擾。不過，在此，在拍攝蒙片和拍攝相應螢光透視圖像之間的運動中出現兩個問題。一方面，背景不再被正確地減掉，從而形成了圖像偽影。另一方面可能出現，通過圖像所確定的導管位置相對於所顯示的血管不正確。這種嚴重的錯誤例如可以導致導管在該圖像中顯示在血管之外，儘管其實際上處於血管的內部。在極端的情況下，這種錯誤顯示導致導管控制時的錯誤，並因此損害血管。因此，當患者在介入期間移動時，必須經常地通過重新拍攝蒙片來更新路標。這意味著額外的時間花費和造影劑的消耗以及對患者提高了輻射劑量。
為了避免或者減小該問題，目前公開了不同的解決方案。基本上可以區分為下列三種類型的解決方案措施。
針對患者的解決方案的目標是，避免在拍攝時患者移動。如在胸部檢查中例如這樣訓練患者，即在實施系列拍攝時屏住呼吸。另一種方法是，通過完全麻醉避免運動偽影的一些來源。針對患者的方法的缺點在於，其要麼僅僅部分起作用要麼不總是可以採用。例如，完全麻醉具有許多風險，因此在許多數字相減血管造影的應用中不適用。另一方面即使在完全麻醉中還有運動偽影的一些來源，例如呼吸運動。
在針對圖像拍攝的解決方案中，將圖像拍攝這樣實施，使得運動偽影最小。迄今為止對此已知的首先是所謂的門控方法，其中拍攝與生理測量耦合。例如在EKG門控中分別僅僅獲取特定心臟階段的圖像，從而補償心臟運動。不過，門控方法只能使用在少數的專門應用中，並只能避免由可以對其測量生理信號的特定來源造成的運動偽影。
另一種避免運動偽影的解決方案在於對所繪製的圖像進行回溯的圖像處理。在這種技術中追求的是，通過合適的圖像處理改善蒙片和充盈圖像的一致性。採用的最簡單技術是所謂的像素移動或者子像素移動，其中，使用者將二維蒙片相對於二維充盈圖像一直手動地移動，直到在相減圖像中實現運動偽影的最小化。這種方法實施在市面上所有的血管造影系統中。在市面上一些血管造影系統中還存在自動方法，其藉助可以量化的相似度量確定最好的一致性。昂貴的方法不使用整個圖像區域上的全程圖像移動，而是將圖像的優化局部區域相互分開，如在US 4870692A中描述的那樣。此外，在科學文獻中提出了用於運動校正的許多費事的方法。基本上是優化方法，其中試圖找到帶來最少運動偽影的、蒙片和充盈圖像之間的轉換。其它回溯圖像處理的例子可以參考論文「Motion-compensated digitalsubtraction angiography」，Magnus Hemmendorff等人，SPIE』99，San DiegoUSA，Proceedings of SPIE’s International Symposium on Medical Imaging 1999，Volume 3661，Image Processing，February 1999，pp.1396-1405；Meijering E.H.等人，「Reduction of patient motion artifacts in digital substraction angiographyevaluation of a fast and fully automatic technique」，Radiology，2001 Apr，219(1)288-293；或「Retrospective Motion Correction in Digital SubtractionAngiographyA Review」，Erik H.W.Meijering等人，IEEE Transactions onMedical Imaging，Vol.18，No.1，January 1999，pp.2-21。
不過，回溯圖像處理只能對運動進行近似補償。不能校正任意的運動。即使將校正限制為對應於剛體旋轉和平移的6個自由度，也不能從兩維圖像中明確地確定運動。此外，複雜的圖像處理方法非常耗費計算時間，因此很難實時地實現。圖像處理的手動方法(像素移動)需要用戶的交互作用，可能要求巨大的時間花費。此外，其基本上只能用於DSA拍攝的事後改善，因為在路徑測繪中很少有時間來交互作用。
DE 10051370 A1涉及一種用於在輻射治療或者放射外科手術中對患者進行精確定位的方法。在該領域中利用計算機斷層造影設備建立檢查區域的三維圖像數據組，在該基礎上計劃隨後的輻射治療，例如對腫瘤的照射。然後，患者應該儘可能精確地相對於輻射治療所需的線性加速器定位，以便儘可能精確地在所計劃的位置上保持照射。在該文獻中這樣實現儘可能精確的定位，即，在線性加速器上從兩個不同方向繪製X射線透視照片，據此通過與根據此前建立的3D圖像數據組對應重建的(虛擬的)透視圖像進行比較來確定位置是一致還是有偏差。然後，為了補償該位置偏差，可以通過移動患者臥榻來匹配患者的位置。其中，患者的預先定位藉助於計算機和攝像機控制的導航和跟蹤系統利用在患者上的人工標記實現。
DE 10250655 A1與DE 1005 1370 A1一樣描述了用於同樣應用目的患者定位系統。為了解決定位問題，在該文獻中既在CT設備上又在線性加速器上使用了表面圖像生成器，對其圖像進行比較並用於對患者的精確定位。
發明內容
從該現有技術出發，本發明要解決的技術問題是，提供一種用於補償在醫療成像的系列拍攝時患者運動的方法以及所屬的成像系統，利用該方法和成像系統在圖像拍攝期間在不需要費時的用戶交互作用的條件下，可以補償患者的運動，其中該方法可以實時實現。該方法和所屬的成像系統尤其要在操作者花費儘可能最小的時間的條件下，改善在數字相減血管造影或者在路徑探測器技術中的圖像結果。
在用於補償在醫療成像的系列拍攝時患者運動的方法中，利用成像系統對患者檢查區域的、有時間間隔的多幅圖像進行繪製並且進行相互關聯，其中，在系列拍攝之前通過對檢查區域的一次3D拍攝繪製一個構成參考系統的3D圖像數據組。這點可以或者事先利用其它3D成像模態實現(在利用C型設備進行X射線系列拍攝的情況下，例如通過CT、MR或3D血管造影儀)，或者由也用來進行系列拍攝的同一成像系統實現。然後，或者通過繪製系列拍攝的第一圖像並與所述3D圖像數據組進行對準得到，或者根據對成像系統的公知校準來實現檢查區域在參考系統中的第一空間位置。後者僅僅在利用相同的成像系統繪製3D圖像數據組的條件下才可能。接著，將系列拍攝的每個其它圖像直接在繪製之後與所述3D圖像數據組進行對準，以便得到檢查區域在參考系統中的瞬間空間位置。確定該瞬間空間位置與第一空間位置的偏差，並通過改變成像系統的幾何關係在接近對準的時候，優選實時地至少近似地補償該偏差的至少一部分。
因此，該方法採用了對準、特別是2D/3D對準技術，以便在進行系列拍攝期間確定患者以及檢查區域的位置變化，即該檢查區域在位置和取向上的變換。
然後，基於所確定的偏差，通過控制、優選實時控制成像系統的幾何關係來至少部分地補償患者運動。在此，該補償根據所控制的成像系統的部件可以完全通過對幾何關係的這種改變而實現。不過，也可以通過對其中確定了偏差的圖像的圖像內容進行匹配、特別是通過旋轉和平移來補償各個自由度。按照這種方式，得到了分別按接近一致的位置和取向顯示檢查區域的、系列拍攝的單個圖像。在僅僅通過改變成像系統的幾何關係對患者或者檢查區域的運動進行補償時，將成像系統的可以調整的部件這樣控制，使得待成像的檢查區域和拍攝系統之間的相對關係在系列拍攝期間保持近似恆定。
適用於對準、特別是2D/3D對準的技術是專業人員公知的。在此，尤其可以採用基於圖像的方法，該方法建立3D圖像數據組的坐標系以及相應2D圖像坐標系之間的關聯。對於2D/3D對準的例子可以例如參考J.Weese等人的論文「2D/3D Registration and Motion Tracking for SurgicalInterventions」，Philips Journal of Research 51(1998)，299-316，和G.P.Penney等人，「Validation of a two-to three-dimensional registration algorithm foraligning preoperative CT images and intra-operative fluoroscopy images」，Med.Phys.28(6)，June 2001，1024-1032。
本發明的方法尤其可以用於在數字相減血管造影或者在路徑探測器技術中的運動補償，以便得到儘可能重合的、用於相減的單個圖像。因此，利用該方法在圖像拍攝時就已經通過對成像系統的幾何關係進行實時控制、必要時結合對圖像內容的幾何匹配，對患者的運動或者看到的患者檢查區域的運動進行了補償。
本發明的方法與多數迄今為止公知的運動校正的方法相反，沒有與操作者的交互作用。迄今為止的用於回溯圖像處理的方法由於原理的限制只能近似地工作。用這些方法幾乎不能校正大的運動，小的運動只能近似地校正。所提出的方法尤其是在大運動時也以較高的精度工作，從而避免了對蒙片的多次拍攝。這節省了時間、造影劑並減小了在X射線拍攝情況下使用的X射線劑量。本發明的方法還使得可以，在一定條件下放棄僅僅以減小運動偽影為目的的對患者的鎮靜或者麻醉。
為了通過匹配成像系統的幾何關係對由於患者運動而引起的偏差進行補償，可以採用成像系統的不同部件。優選地通過在1至3個自由度上對患者臥榻進行平移和/或旋轉來實現這種匹配。恰好在用於血管造影應用中的C型設備中患者臥榻已經可以電動地在至少3個平移自由度上進行移動。
此外，可以通過在RAO/LAO或者顱骨/尾椎骨方向的兩個自由度上旋轉C型來匹配偏差。在另一種實施方式中採用一種可以在1至3個自由度上旋轉的檢測器，從而可以通過檢測器的移動來補償一定的偏差。
為了補償所檢測出的偏差，還可以幾何地改變所繪製圖像的圖像內容。這尤其涉及將圖像內容圍繞垂直於圖像平面的軸進行轉動，以及在兩個平移自由度上將二維圖像進行平移。此外還可以將圖像進行比例變換。根據患者運動的不同類型，將兩種補償技術進行組合也可以是有優勢的，即，改變成像系統的幾何關係以及對圖像內容進行幾何匹配。
自然，在本發明的方法中在對運動進行至少近似的補償之後，還可以額外地採用回溯圖像處理方法，以便進一步改善圖像結果。其中，可以將通過改變成像系統的幾何關係來進行近似補償用於補償粗略的運動，而將剩餘的小錯誤通過回溯圖像處理來消除。
本發明的成像系統至少包括射線源、檢測器、患者臥榻、控制單元、圖像處理單元和圖像顯示單元。用於圖像拍攝的幾何關係可以通過對患者臥榻以及圖像拍攝單元的、電機控制的運動來改變，其中，圖像拍攝單元由射線源和相對設置的檢測器構成。該成像系統的特徵在於，設置了一個補償單元，其實時地將患者的每個所繪製的圖像直接在繪製之後與一幅存儲的3D圖像數據組進行對準，從該對準中確定患者的臨時運動，並且為了改變成像系統的幾何關係，通過控制單元將一個或者多個位置可以改變的部件這樣進行控制，使得至少近似地補償所確定的患者運動的至少一部分。在此，該成像系統優選地按C型設備的形式構成，其中，作為可移動的部件優選地改變患者臥榻以及C型的位置。
下面結合附圖根據實施方式作對本發明的方法以及所屬的成像系統進一步說明。其中，圖1表示作為用於實施本發明的方法的成像系統的C型設備的例子，圖2表示在實施本發明的方法中繪製3D圖像數據組的例子，和圖3表示在進行系列拍攝的同時對患者運動進行補償的例子。
具體實施例方式
下面根據應用在神經放射醫學中的X射線血管造影設備描述本發明的方法。該方法自然又可以在其它採用數字相減血管造影和/或路徑探測器的領域中使用。本發明的方法也可以在必須進行系列拍攝並將其相互關聯的其它醫療成像技術中使用。
在下面的例子中將實施方式限制為校正患者頭部運動的情況。因為頭部可以近似地視為剛體，運動校正限制為剛體在三維空間中的平移和旋轉的六個自由度。
為了拍攝圖像採用了用於神經放射醫學的X射線血管造影設備1，如圖1所示。該X射線血管造影設備1除了其它部件外包括可以圍繞兩個軸旋轉的C型1a，在該C型固定著X射線管10和與該X射線管相對的檢測器11；圖像處理單元12和圖像顯示單元13。此外，該設備還包括可以由電機在三個平移自由度(高度，側向，縱向)上調節的患者臥榻16，用於圖像拍攝控制的控制電壓14以及補償單元15。通過C型1a的旋轉可以作為兩維圖像繪製在對位於患者臥榻16的患者進行檢查期間不同的投影。所示出的X射線血管造影設備1還可以進行旋轉血管造影拍攝並產生3D圖像。
圖2示出了利用X射線血管造影設備1實施本發明的方法中的第一方法步驟的例子。在此，在進行數字相減血管造影或者繪製路標圖像之前，一次性獲取患者(17)的檢查區域的3D血管造影圖像數據組(1b)並進行存儲(存儲的3D圖像數據組2)。
在開始系列拍攝時，直接在拍攝蒙片(步驟3)之後自動將蒙片與此前繪製並存儲的3D圖像數據組2進行2D/3D對準5(圖3)。作為這種對準的結果得到變換A，其代表了患者頭部在所存儲的3D圖像數據組2的參考系統中的位置。
在2D圖像拍攝4之後同樣連續地將其它圖像(即所謂的充盈圖像)與3D圖像數據組2通過2D/3D對準6進行對準。從每次這種對準之中產生一個變換B。在步驟7中，根據變換A和變換B之間的差別確定患者運動。這直接在繪製每個2D圖像之後實時地進行。同樣實時地，將對應於頭部位置變化的兩個變換之間的差別用於對新的拍攝參數和圖像處理參數進行計算8，以便在調節迴路中將變換A和B之間的差別減至最小。通過對患者臥榻16、C型1a和圖像處理的控制9，這樣來匹配拍攝幾何和圖像處理，即基本上補償了患者運動。
在該例子中，通過在三個平移自由度上對患者臥榻16的控制以及在兩個旋轉自由度上對C型1a的控制來改變拍攝參數。餘下的旋轉自由度通過將圖像內容圍繞垂直於圖像平面的軸進行旋轉的圖像處理來得到。除了對這些部件的控制之外，在血管造影系統中例如還通過在一個至三個旋轉自由度上旋轉患者臥榻16或者通過在一個至三個旋轉自由度上旋轉檢測器而實現拍攝幾何。此外，還可以在兩個平移自由度上移動或者比例變換圖像內容。
在該例子中，變換A和B描述了在一個2D坐標系和一個3D坐標系之間的對準並且一般包含11個參數，6個用於3D圖像數據組的旋轉和平移，5個用於設備1的投影幾何。如果C型1a可以再現地運動，則可以通過校準確定投影幾何，使得僅僅還有六個自由度通過2D/3D對準來確定。
自然，在該例子中所示對患者運動的補償也可以另外與回溯圖像處理方法結合。這樣可以藉助於對拍攝系統的跟蹤來補償粗略的運動，而將剩餘的小錯誤通過回溯圖像處理來消除。
權利要求
1.一種用於補償在醫療成像的系列拍攝時患者運動的方法，其中，利用成像系統(1)對患者(17)檢查區域的、有時間間隔的多幅圖像進行繪製並且進行相互關聯，特別是用於在數字相減血管造影或者在路徑探測器技術中的運動補償，其中，-在系列拍攝之前通過對檢查區域的一次3D拍攝繪製一個構成參考系統的3D圖像數據組，-或者通過繪製所述系列拍攝的第一圖像並與所述3D圖像數據組進行對準得到，或者根據對成像系統(1)的公知校準來實現檢查區域在參考系統中的第一空間位置，-將該系列拍攝的每個其它圖像直接在繪製之後與所述3D圖像數據組進行對準，以便得到檢查區域在參考系統中的瞬間空間位置，和-確定與第一空間位置的偏差，並通過改變成像系統(1)的幾何關係在接近對準的時候至少近似地補償該偏差的至少一部分。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，由用來繪製所述系列拍攝的圖像的同一成像系統(1)來繪製所述3D圖像數據組。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，通過幾何匹配每個其它圖像的圖像內容來至少近似地補償所述與第一空間位置的偏差的剩餘部分。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，所述對成像系統(1)的幾何關係的改變包括在一個、兩個或者三個平移自由度上對所述成像系統(1)的患者臥榻(16)進行平移。
5.根據利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，所述對成像系統(1)的幾何關係的改變包括在一個、兩個或者三個旋轉自由度上對所述成像系統(1)的患者臥榻(16)進行旋轉。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述對成像系統(1)的幾何關係的改變包括在一個、兩個或者三個旋轉自由度上對用於圖像繪製的檢測器(11)進行旋轉。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其特徵在於，所述對成像系統(1)的幾何關係的改變在採用C型設備的條件下包括在一個或兩個自由度上對C型(1a)進行旋轉。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，對所繪製圖像的圖像內容的幾何匹配包括在一個或兩個平移自由度上的平移。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特徵在於，對所繪製圖像的圖像內容的幾何匹配包括比例變換。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的方法，其特徵在於，另外還使用一種回溯圖像處理方法，以便對所繪製圖像上剩餘的偏差進行校正。
11.一種成像系統，至少包括射線源(10)、射線檢測器(11)、可以電機調節的患者臥榻(16)、用於圖像拍攝控制的控制單元(14)、圖像處理單元(12)和圖像顯示單元(13)，其中，射線源(10)、射線檢測器(11)和患者臥榻(16)是位置可以改變的部件，通過這些部件的相對位置預先給定成像系統(1)的幾何關係，其特徵在於，設置了一個補償單元(15)，其實時地將患者(17)的每個所繪製的圖像直接在繪製之後與一個存儲的3D圖像數據組進行對準，從該對準中確定患者(17)的臨時運動，並通過控制單元(14)控制一個或者多個位置可以改變的部件，使得至少近似地補償所確定的患者運動的至少一部分。
12.根據權利要求11所述的成像系統，其特徵在於，將所述補償單元(15)這樣構成，即，為了幾何匹配每個剛剛繪製的圖像的圖像內容而控制圖像處理單元(12)，使得至少近似地補償所確定的患者運動的剩餘部分。
13.根據權利要求11或12所述的成像系統，其特徵在於，所述成像系統作為X射線C型設備構成。
全文摘要
本發明涉及補償在醫療成像的系列拍攝時的患者運動的方法，其中繪製患者檢查區域的、有時間間隔的多幅圖像並相互關聯。本發明還涉及實施該方法的成像系統。在系列拍攝前通過對檢查區域的一次3D拍攝繪製一個構成參考系統的3D圖像數據組。然後或者通過繪製系列拍攝的第一圖像並與所述3D圖像數據組進行對準得到，或者根據對成像系統的公知校準實現檢查區域在參考系統中的第一空間位置。將系列拍攝的每個其它圖像直接在繪製之後與所述3D圖像數據組對準，以得到檢查區域在參考系統中的瞬間空間位置。最後確定與第一空間位置的偏差，並通過改變成像系統的幾何關係在接近對準的時候補償偏差。該方法可以補償患者的運動而無需成像系統的用戶交互。
文檔編號A61B6/00GK1647758SQ200510006408
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月31日 優先權日2004年1月29日
發明者簡·貝澤, 貝諾·海格爾, 諾伯特·拉恩 申請人:西門子公司