具有圖像調節裝置的醫用觀察系統的製作方法
2023-09-11 21:32:00 2
專利名稱：具有圖像調節裝置的醫用觀察系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及為便於比較醫學圖像而具有圖像調節裝置的醫用觀察系統，並涉及醫用檢查設備和電腦程式產品。
背景技術：
隨著醫學成像系統，例如x光成像設備，計算機體層攝影(CT)掃描儀等的廣泛採用，一直需要有一種改進的醫用觀察系統，使圖像數據能以對醫生有用的形式直觀顯示。大部分醫用觀察設備都將能處理圖像數據並實時顯示被成像部位(例如身體的一部分或器官等)的某種基於計算機的數據處理設備與成像裝置相關聯。一般來說，這種設備最好是互動的，使醫生能夠影響所獲得的圖像和/或呈現的圖像數據。也常使用距成像系統較遠的工作站來進行所獲得的圖像數據的後處理。
在Sarojak等的文章」An interactive system for kinematicanalysis of artificial joints implants」(對人造關節植入體作運動學分析的互動系統)，Proc.of the 36thRocky MountainBioengineering Symposium，1999中說明了一種便於分析人造關節運動的醫用觀察系統。所述系統的目的在於能夠產生不同位置的總關節成形術(TJA)植入體的圖像，以便能研究關節運動時涉及到的運動的性質。為了便於分析關節運動，所述系統處理關節每個位置的圖像數據，以便量化植入體在所述圖像中的」姿勢」。」姿勢」是利用植入體的計算機輔助設計模型來測量的。
常常需要能夠比較在不同時期獲得的同一所關心特徵的醫用圖像，通常是為了檢查是否有醫學意義的改變。例如，在矯形外科領域，在植入一個假體，例如替代的髖關節時，假體會引起周圍結構的改變。而且，時間長了假體的位置可能改變且假體會磨損。為了監控這些進展，最好能在植入假體的手術之後立即產生假體及其周圍組織的圖像，然後在一定的時間間隔，例如一周後，然後一月後，直到幾年之後產生跟蹤圖像。比較在不同時間拍攝的圖像，醫生就可以評價假體是否影響其周圍組織，以及假體是否移動和/或磨損。
利用目前的醫用觀察系統，要比較在不同時間所拍攝的同一所關心特徵的醫用圖像不是一件簡單的事。所關心特徵相對於醫用檢查設備的位置在各圖像間不一定恆定不變，導致圖像中特徵的幾何條件的不同。此外，比較的圖像可能是用不同的成像裝置所拍攝，和/或成像裝置的設定值在各圖像間可能不同，導致圖像中像素的相對強度不同。如上所述，這些成像條件的不同會影響需比較的圖像。這樣，在觀察比較圖像時，醫生很難區別是所關心特徵或其周圍的真正變化，還僅是因成像條件的不同引起的圖像中的視在變化。
還有，應理解，本文中，短語」所關心特徵」概括地指身體(人體或動物)中的任何特徵或區域，如骨頭、血管、器官、體液或任何其它東西，並包括植入身體或附著於身體的人造部件。
發明概述本發明的目的是提供一種具有便於比較醫學圖像的裝置的醫用觀察系統，特別是比較在不同時間產生的同一所關心特徵的醫學圖像。
更具體地說，本發明的目的是提供一種能減少在同一所關心特徵的各圖像中因成像條件不同而引起的差異的醫用觀察系統。
如果在比較的圖像中所關心特徵的姿勢或幾何條件都是相同的，則比較所述所關心特徵的各個醫學圖像就會比較方便。按照本發明，對在第一和第二圖像中捕獲的所關心特徵的姿勢進行比較，並轉換所述圖像之一，使所述圖像中所關心特徵採取基本上與另一圖像中的相同的姿勢。
此外，可對圖像的強度特性進行研究並進行轉換，使得所述第一和第二圖像的強度分布彼此更為接近。
最好本發明的觀察系統與能避免第一和第二圖像間所關心特徵姿勢的重大差異的一種方法相關聯。所述方法包括產生控制數據和指令，所述控制數據和指令表示如何設置所述醫用檢查設備的與所述觀察系統相關聯的設定值，以便獲得具有處於所需姿勢的所關心特徵的圖像。
用於布置醫用檢查設備的控制數據可以用許多方式產生。例如，可以分析第一圖像中所關心特徵的姿勢(例如參考一個模型)並產生控制數據，所述控制數據用於這樣布置醫用檢查設備，以便能夠產生具有處於與第一圖像中的相同的姿勢的所關心特徵的第二圖像。或者，可以產生試驗第二圖像，把所述試驗第二圖像中所關心特徵的姿勢與第一圖像中的姿勢進行比較。代表成像裝置設定值的輸出數據是從第一圖像和試驗第二圖像之間姿勢的差異導出的。一旦按照輸出數據布置所述成像裝置，就會產生」好」的第二圖像，其所關心特徵的姿勢應更接近於第一圖像中的姿勢。
任何其餘的差異都可由實施本發明的圖像歸一化而減小。
控制數據可以構成操作人員如何布置成像裝置和/或患者位置，以便獲得具有所需姿勢的所關心特徵的圖像的指令。或者，控制數據可以自動控制成像裝置的一個或多個參數。此外，輸出的控制數據可以表示成像裝置的一個或多個參數的所需數值，和/或表示成像裝置的這些參數的待進行的改變，以便獲得具有處於所需姿勢的所關心特徵的圖像。控制數據還可以指示操作人員如何調節成像裝置的與圖像的強度分布有關的參數。
附圖簡要說明參閱以下示意圖對本發明作詳細說明，附圖中
圖1A是圖解說明按照本發明第一實施例的與觀察系統相關聯的醫用檢查設備的主要部分，而圖1B圖解說明成像設備相對於患者的六個自由度；圖2是表示由圖1系統中的圖像數據處理裝置執行的主要步驟的流程圖；圖3示出髖關節假體實例，其中，圖3A示出例如在圖1的系統中產生的髖關節假體實例的x射線圖像，而圖3B示出圖3A的圖像中髖關節假體的辨別部分的外形；圖4是同一髖關節假體實例的另一圖像，其中，圖4A示出髖關節假體的另一x射線圖像，而圖4B示出圖4A的圖像中髖關節假體的辨別部分的外形；以及圖5示出用於產生用來控制圖1系統中的醫用檢查設備的設定值的控制數據的優選過程的主要步驟。
實施例說明以下將結合實施例對本發明作詳細說明，在實施例中，使用x射線檢查設備產生髖關節假體的圖像。但應理解，本發明可以更廣泛地應用在使用其它類型成像技術的醫用觀察系統上，且對於可以作為成像對象的所關心的人體或動物特徵基本上沒有限制。
圖1A是顯示按照本發明第一實施例的醫用檢查設備的主要部分的示意圖。所述實施例的醫用檢查設備包括患者躺在上面的檢查床1；x射線發生器2，它與x射線成像裝置3相關聯，產生患者的所關心特徵的圖像；以及觀察系統4，用於處理x射線醫用檢查設備所產生的圖像數據。所述觀察系統具有一種裝置，所述能夠產生所關心特徵的不同圖像，以便可以對不同圖像中所關心特徵的姿勢進行比較。通常，不同的圖像是在不同的時間產生的，醫生希望比較這些圖像以識別在拍攝所述不同圖像的時間間隔期間患者身體中發生的變化。
患者除了在檢查床上也可以在支架上被送到x射線醫用檢查設備，也可以站在x射線醫用檢查設備前，以便將他身體的全部或部分以相對成像裝置3的已知位置或已知方式出現在設備前。同理。也可使用已知的x射線成像裝置。觀察系統4包括數據處理裝置5，顯示屏6和輸入數據和/或指令的輸入裝置，通常是鍵盤和/或滑鼠7。成像系統4也可包括或連接到本領域通常已知的其它傳統部件或外設上。例如，成像系統可用總線連接到本地或遠處的工作站、印表機，檔案存儲器等。
圖2是一個流程圖，有助於理解圖1的醫用觀察系統的數據處理裝置5所執行的功能。最好，在將以下圖像數據處理步驟用到x射線成像裝置3所產生的圖像之前，先對圖像作標準x射線校準和校正過程。這些過程包括例如對枕形和地磁場失真，以及對圖像增強器的漸暈效應進行校正。
如圖2所示，觀察系統具有進行以下步驟S1到S6的裝置。在步驟S1，獲取指定患者的所關心特徵的兩個圖像，以I1和I2表示。通常，這些圖像是利用x射線醫用檢查設備在不同時間獲取的，x射線醫用檢查設備可對患者身體的適當區域(例如在產生髖關節假體圖像時就對髖關節區域)產生圖像。代表圖像的圖像數據或是從x射線成像裝置輸出時就已是數字形式，或由已知裝置轉換成數字形式。在本實施例中，假定患者躺在上面的臺面1已經組合有提供數字x射線圖像數據的平板檢測器。圖像I1和I2實際上是患者身體被成像區域的二維(2D)顯示。圖3A示出代表所獲得的髖關節假體的典型x射線圖像實例的示意圖，圖4A示出代表在不同時間所拍攝的同一髖關節假體的圖像的另一示意圖。
為使醫生能夠識別在所關心特徵的兩個圖像之間有醫學意義的顯著差別，必需消除因成像條件不同而引起的」人為」差別。主要的人為差別是因兩個圖像的姿勢引起的。所以，要估算姿勢的差別。
首先，在步驟S2，處理數字圖像數據，以識別每個圖像中所關心特徵的外形。這種處理可以使用眾所周知的分段技術，如」Handbookof Medical Imaging Processing and Analysis」一書(主編IssacBankman，Academic Press出版)中第五章所述。事實上，對於髖關節假體，只需要外形中的一部分，稱為判別部分，且這部分總是可見的。所以，對應這種情況，在步驟S2，識別判別部分的外形。圖3B和圖4B分別示出在圖3A和圖4A中出現的髖關節假體的判別部分DP1和DP2的外形。
其次，在步驟S3，使用已知的輪廓匹配技術，得到兩個外形間的點對點對應。通常，對代表一個圖像(以下稱為」源圖像」)中外形即判別部分例如DP1的數據進行橫向分布測定，且對於沿外形的不同位置(運行長度)記錄下在所述點的外形正切角的改變。繪製所述數據，得到一條具有特性形狀的曲線。對代表另一個圖像(以下稱為」目標圖像」)中外形的數據，即對應的判別部分例如DP2，進行同樣的處理，得到相應的數據圖。
然後，在步驟S4，進行仿射變換，所述仿射變換具有六個自由度，包括一個用於平面內旋轉，一個用於比例改變，兩個用於平移以部分補償圖1A和圖1B所示的3D自由度；當外形出現在源圖像時需要這種仿射變換來將其轉換到目標圖像中的取向(所述目標圖像是根據所需的改變計算的)，以便將為源圖像繪製的特性」正切變化」曲線與為目標圖像繪製的特性」正切變化」曲線對準。然後在步驟S5，將所述仿射變換應用於源圖像上，以便產生已變換的源圖像，所述源圖像中的所關心特徵的姿勢應與目標圖像中的姿勢相匹配。這種變換可以稱為比較圖像的」幾何條件歸一化」。它提供了圖像調節。
最後，在步驟S6，顯示目標圖像和源圖像，通常是並置顯示(並排，上下，從一個中減去另一個等)，使醫生能評價它們之間有醫學意義的區別。或者，顯示的圖像是目標圖像和源圖像之間的區別。於是可以測定圖像之間的微小差異的位置(有時可達亞像素精度)。
已變換的源圖像的圖像強度應接近於目標圖像中對應的強度。但在某些情況下可能有顯著的區別，例如因為使用不同的x射線成像裝置來產生這兩個圖像。此時在顯示圖像之前最好進行強度歸一化過程。
強度歸一化技術最好包括使用最適合的過程來減小在目標圖像和已變換的源圖像中對應點上強度之間的差異。最適合的過程應使用在假體周圍的，不能獨立於假體而自行移動的區域內。所述區域的大小和定位取決於被檢查的具體假體，醫生從解剖學觀點很容易確定。舉例來說，對於髖關節假體，有關區域包括靠近假體的部分股骨及其周圍患者組織的一部分。可以對圖像數據處理裝置5編程，使其自動識別需處理的區域，或者操作人員可以使用鍵盤或其它輸入裝置7(互動系統)將所述區域通知系統。例如，操作人員可以使用一種指示裝置結合已顯示的圖像(目標圖像或源圖像)來限定需處理的區域邊界。
一旦識別了需處理的區域，就尋找一種數學定律(例如多項式)將一個圖像(例如已變換的源圖像)中的每個像素強度轉換成數值，使之儘可能接近所選區域內另一圖像(例如目標圖像)的對應強度。這可以使用已知的健全(robust)最小二乘方擬合技術來完成。例如，以x、y坐標系將一個圖像(例如已變換的源圖像)中像素的強度值相對於另一圖像(目標圖像)中相應像素的強度值作圖。然後使用曲線擬合技術尋找通過各點的曲線。通常需要一條s-形的曲線。
然後將已確定的多項式函數應用到一個圖像上(例如已變換的源圖像)，變換的強度應與另一圖像(例如目標圖像)中的強度十分一致，但可能一些外圍像素除外。
在許多情況下，上述圖像歸一化過程(幾何條件和強度歸一化)足以消除或顯著減小所關心特徵的圖像之間的」人為」差異。但在一些情況下所關心特徵的姿勢差異在第一和第二圖像之間如此巨大，單用圖像處理已不能使其減小到令人滿意的程度。此時，最好採取措施確保產生其中所述姿勢相當接近於所需姿勢(例如已在所述特徵的另一圖像中觀察到了此姿勢)的圖像。做到這一點的優選技術是產生控制數據，所述控制數據表示應如何布置成像裝置以便產生具有處於所需姿勢的所關心特徵的圖像。所述控制數據可以構成對成像裝置操作人員的指令(並可顯示，列印等)，或直接用來控制成像裝置，不需人為幹預。
在利用所述技術來避免所關心特徵姿勢的重大差異時，各種途徑都可使用。例如，可以參考一個基準，例如髖關節假體的計算機輔助設計模型，選擇一個」理想」的姿勢(例如能向醫生提供最大量信息的」理想」姿勢)，然後採取措施確保所有比較圖像都具有所選姿勢的所關心特徵。或者，作為另一個實例，可以先產生比較的第一圖像，估算第一圖像中所關心特徵的姿勢，然後採取措施確保所有其它比較圖像都具有第一圖像的同樣姿勢。
不論採取那種途徑，可能的過程都相同，其主要步驟示於圖5。首先，在步驟T1，獲取試驗圖像。通常這是利用圖1所示系統的x射線成像裝置2、3所獲得的」試驗拍照」。其次，利用已知的分段技術提取所關心特徵的外形(或其判別部分)。然後，在步驟T3，比較在步驟T0獲取的特徵的參考顯示，估算所關心特徵的姿勢。如果是假體，參考顯示可以是由假體製造商提供的CAD數據。優選的姿勢估算技術如上述Sarojak等人的文章中所述。所述技術涉及從所關心特徵的3D參考顯示產生2D投影，並找出所關心特徵姿勢與試驗圖像中的姿勢最匹配的2D投影。
在步驟T5，根據所需的姿勢數據對估算的姿勢數據進行變換，以產生表示應如何控制或改變x射線成像裝置的設定的控制數據，以便在步驟T6獲得具有處於所需姿勢的所關心特徵的圖像。如上所述，所需姿勢數據可以是從同一所關心特徵的較早的圖像中導出的，或是從理論考慮導出的姿勢。在T7，顯示校正後的圖像。
在本發明的一個實施例實例中，圖1的醫用觀察系統將本發明的圖像歸一化方面與上述控制數據產生技術結合在一起。所述組合系統的這兩方面可以以不同形式互動。
例如，在此系統中，當產生了跟蹤圖像並需將其與同一所關心特徵的另一圖像(例如在較早時間獲得的圖像，稱其為比較圖像)進行比較時，可以先試圖利用上述幾何條件歸一化和/或強度歸一化技術來歸一化跟蹤圖像和比較圖像的圖像數據。如果所得的圖像非常類似，則處理到此結束。但是，如果在圖像之間仍有顯著差異，這通常由於成像的幾何條件不同而造成，則圖像數據處理裝置5進行上述控制數據產生過程。因此，圖像數據處理裝置5相對比較圖像中的姿勢來估算跟蹤圖像中所關心特徵的姿勢，並輸出控制數據，所述控制數據表示應如何布置成像裝置以辨產生改進的跟蹤圖像。
在所述組合系統中，在產生任何跟蹤圖像之前，可以代之以或者附加地使用控制數據產生技術來產生控制數據，所述控制數據表示應如何布置成像裝置以辨獲得其中所關心特徵處於所需姿勢的跟蹤圖像。隨後，一旦利用按照控制數據設定的裝置獲得了一個或多個圖像，這些圖像的幾何條件和/或強度特性就可參照比較圖像進行歸一化(比較圖像本身可以利用按照預定的控制數據設定的成像裝置產生)。
以上附圖和說明是對本發明的說明而非限制。顯然有許多不同的方案可屬於所附權利要求書的範圍之內。就此，作以下總結性評述。
如上所述，成像裝置不限於x射線設備，成像特徵可以實質上是任何所關心特徵，包括人造部件如假體/植入體。而且，雖然已經就便於比較兩個圖像的圖像歸一化來說明本發明，但應理解，本發明的技術也可用來使一系列三個或更多圖像歸一化以作比較。而且，雖然通常需要顯示歸一化的圖像數據，但其它形式的輸出也是可能的，例如列印歸一化的圖像和/或代表它們之間差別的圖像，將圖像數據輸出到存儲裝置等。
此外，上述實施例一般涉及有關源圖像的圖像數據變換，以使其幾何條件和強度特性更符合目標圖像。但應理解，哪個圖像被變換並不是很重要的。所以，源圖像的有關圖像數據可以就其幾何條件加以變換，但也可以變換目標圖像的有關圖像數據以歸一化兩個圖像的強度特性。同理，一般來說，已變換的圖像數據所涉及的圖像其生成時間比需比較的圖像更早或更遲都沒有關係。甚至也可以將兩個圖像都作少量的變換以歸一化這些比較圖像的幾何條件，而不是較大程度地變換一個圖像。對於強度歸一化也是如此。
而且，在本發明的某些實施例中，圖像中所關心特徵的姿勢是用圖形匹配技術結合從3D參考圖像的2D投影來估算的，但也可以使用其它的姿勢估算技術上述說明假定至少一個比較圖像(其數據由圖像數據處理裝置5來處理)是由構成本發明整體醫用觀察系統一部分的x射線成像裝置2，3產生的。但是，從理論上說，有關外部設備產生的圖像的圖像數據可以輸入到圖像處理裝置5中並由其處理。本發明涉及不包括成像裝置的工作站。
不應當把權利要求書中的任何參考符號當作是對所述權利要求的限制。
權利要求
1.一種醫用觀察系統，它包括成像裝置(2，3)和圖像數據處理裝置(5)，其中所述圖像處理裝置(5)包括姿勢估算裝置，它適合於處理所關心特徵的第一和第二圖像的有關數據，以便估算與所述第一圖像中的姿勢相比較的所述第二圖像這的相對姿勢，以及圖像變換裝置，它適合於變換所述第一和/或第二圖像的有關圖像數據，從而對準所述兩個圖像中所關心特徵的姿勢。
2.如權利要求1所述的醫用觀察系統，其特徵在於所述圖像變換裝置具有計算裝置，用以計算對準所述兩個圖像中所關心特徵的姿勢所需的仿射變換。
3.如權利要求1或2所述的醫用觀察系統，其特徵在於所述圖像變換裝置還具有計算裝置，用以比較所述第一和第二圖像中的像素強度，從而確定並應用使所述第一和第二圖像的強度特性歸一化所必需的變換。
4.如權利要求1、2或3中任一項所述的醫用觀察系統，其特徵在於包括用於將所述成像裝置(2，3)產生的圖像數據輸入到所述姿勢估算裝置中的裝置。
5.如上述任一項權利要求所述的醫用觀察系統，其特徵在於所述圖像數據處理裝置(5)包括產生控制數據的裝置，所述控制數據表示如何布置所述成像裝置(2，3)以便產生具有處於所需姿勢的所關心特徵的圖像。
6.一種醫用檢查設備，它包括如權利要求1至5中任一項的成像裝置(2，3)和觀察系統(4)，所述醫用檢查設備包括圖像數據處理裝置(5)和成像裝置(6)，其中所述圖像處理裝置(5)包括姿勢估算裝置，用於處理所關心特徵的第一和第二圖像的有關數據，以便估算與所述第一圖像中所關心特徵的姿勢相比較的所述第二圖像中的所述所關心特徵的相對姿勢，以及圖像變換裝置，用於變換所述第一和/或第二圖像的有關圖像數據，從而對準所述兩個圖像中所述所關心特徵的姿勢，並且其中所述成像裝置(6)顯示所述處理後的圖像。
7.如權利要求6所述的設備，其特徵在於所述圖像變換裝置具有計算裝置，用以計算對準所述兩個圖像中所關心特徵的姿勢所需的仿射變換。
8.如權利要求1所述的設備，其特徵在於所述圖像變換裝置還具有計算裝置，用以比較所述第一和第二圖像中的像素強度，從而確定並且應用使所述第一和第二圖像的強度特性歸一化所必需的變換。
9.如權利要求6至8中任一項所述的設備，其特徵在於包括將所述成像裝置(2，3)產生的圖像數據輸入到所述姿勢估算裝置中的裝置。
10.如權利要求6至9中任一項所述的設備，其特徵在於使用時所述姿勢估算裝置處理所述成像裝置(2，3)在不同時間分別產生的第一和第二圖像的有關數據，以便與在所述第一圖像中的所述姿勢相比較，估算在所述第二圖像中已成像的所關心特徵的相對姿勢，以及所述姿勢校正裝置處理由所述姿勢估算裝置產生的代表所述所關心特徵相對姿勢的數據以便產生成像裝置控制數據，所述成像裝置控制數據表示所述成像裝置(2，3)的產生具有處於與所述第一圖像中的相同姿勢的所述所關心特徵的另一圖像所需的設定值。
11.一種具有指令組的電腦程式產品，當所述電腦程式產品在通用計算機上使用時，使所述計算機完成以下步驟處理所關心特徵的第一和第二圖像的有關數據，以便估算與所述第一圖像中的所述姿勢相比較的所述第二圖像中已成像的所關心特徵的相對姿勢，以及變換所述第一和/或第二圖像的有關圖像數據，從而對準所述兩個圖像中所關心特徵的姿勢。
12.如權利要求11所述的電腦程式產品，其特徵在於所述圖像變換步驟包括計算對準所述兩個圖像中所述所關心特徵的姿勢所需的仿射變換的計算步驟。
13.如權利要求11或12所述的電腦程式產品，其特徵在於所述圖像變換步驟還包括比較所述第一和第二圖像中的像素強度，確定並且應用使所述第一和第二圖像的強度特性歸一化所必需的變換的步驟。
14.如權利要求11、12或13中任何一個所述的電腦程式產品，其特徵在於具有指令組，當所述指令組用於通用計算機上時，使所述計算機完成以下步驟產生控制數據，所述控制數據表示如何布置成像裝置(2，3)以產生具有處於所需姿勢的所關心特徵的圖像。
全文摘要
一種包括成像裝置(2，3)和圖像數據處理裝置(5)的醫用觀察系統設置成便於產生所關心特徵的不同圖像，以便可以比較不同圖像中所關心特徵的姿勢。圖像數據處理裝置(5)根據通常是在不同時間產生的第一圖像中所關心特徵的姿勢來估算第二圖像中所關心特徵的姿勢，並對例如第二圖像應用仿射變換，以產生變換的第二圖像，其所關心特徵具有和第一圖像中的基本同樣的姿勢。也可對圖像數據進行處理，使比較圖像的強度特性歸一化。通過處理圖像數據以便產生表示如何布置成像裝置來產生具有基本上以所需姿勢取向的所關心特徵的圖像的控制數據，就可以消除姿勢上的重大差異。
文檔編號G06T1/00GK1610522SQ02826434
公開日2005年4月27日 申請日期2002年12月16日 優先權日2001年12月28日
發明者S·馬克拉姆－埃貝德, P·萊隆, B·L·A·韋爾東克, J·－P·F·A·M·埃爾梅斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司