专利名称：进行接近实际的三维成像的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种进行三维成像的方法和一种进行三维成像的装置，其中，借助于一个可以用来获得检查对象体内3D图像的3D成像装置，特别是借助于一个C形(C-Bogen)X射线设备，从检查对象的感兴趣部位采集测量数据，并从这些测量数据中再现以及在作为断面图像或者投影图像的至少一个视图中建立该感兴趣部位的一幅图像。
背景技术：
在三维成像方法中，特别是在医学诊断学中，借助于适当的测量装置(例如，磁共振设备、计算机断层造影设备或者C形X射线设备)获得检查对象的感兴趣部位的测量数据，从这些测量数据中可以再现该检查对象的三维图像。新近的发展使得还可以通过电机控制的C形X射线设备的C形支架(C-Bogen)得到患者解剖的低对比度的3D再现。与常规的计算机断层造影设备相比，应用C形X射线设备的优点在于，在拍摄图像过程中可以更好地接近待检查的对象区域。因此，C形X射线设备可以在手术室中灵活地使用，并可以产生对应于当前位置(Situs)的图像信息。这使得外科医生可以在手术期间拍摄图像显示并进行显示。用这种设备可以实现的软组织分辨率使得其可以应用在下列领域烹饪学、内窥镜检查法、活组织检查或者近距治疗。在此，医生可以选择常见的3D数据、MPR、MIP或VRT的显示模式。但是，在这些显示方式中观察者得不到所显示的断面图像或者投影图像相对于实际对象的直接关系。如果所涉及的器官不能对外科医生自由呈现的话，则在没有技术支持的条件下其很难将显示器上所显示的断面图像或者投影图像在位置上与观察的患者相对应。
迄今为止，公开了用于在这种3D成像的方法和装置中改善患者定位的不同技术。这些技术中的一种采用的扩展现实方法(Augmented-Reality-Verfahren)，以建立再现的图像与检查对象关系。在此，通过在目标上3D图像数据的位置正确的投影或者通过在一个戴在头部的显示器中图像数据的淡入，可以明确地看出患者相对于所显示的图像的位置。
此外，还公知有导航支持的方法，其中，利用适当的测量装置采集手术设备的位置，并实时地在3D数组中显示。因此，医生可以借助其控制的、在图像中淡入的设备交互地进行定位。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种进行三维成像的方法和一种进行三维成像的装置，该方法和装置为再现图像的观察者提供了对检查对象的改进的参考。
在本发明的方法中，为了进行三维成像，按公知的方式利用一个可以用来获得检查对象体内3D图像的3D成像装置，从检查对象的感兴趣部位采集测量数据，并从这些测量数据中再现该感兴趣部位的三维图像，并在至少一个视图(Ansicht)中作为断面图像或者投影图像加以显示。该3D成像装置优选的是一台断层造影设备，特别是一台C形X射线设备。本方法的特征在于，在利用至少一台摄像机(例如视频摄像机)采集测量数据之前或期间，拍摄所述检查对象的感兴趣部位的照片，并将其作为结构与从所述测量数据中再现的所述感兴趣部位的表面位置正确地相对应。将按照这种方式结构化的、所述感兴趣部位的表面在视图中这样透视地显示，使得相对于该感兴趣部位的表面可以看出所述断面图像或者投影图像的位置。在此，该在透视上正确显示的结构化表面是对应于所选择的视图从照片数据中计算出来的。
所属的装置除了一般的3D成像设备的结构之外，还至少包括一台摄像机，该摄像机对准该成像设备的检查空间；以及一个分析模块，该模块将所述摄像机的照片位置正确地与从所述成像装置的测量数据中再现的感兴趣部位的表面相对应、为该再现的表面配设所属的结构、并将按照这种方式结构化的感兴趣部位的表面在所选择的视图中这样透视地显示，使得在显示器上可以看出所述断面图像或者投影图像相对于该感兴趣部位表面的位置。
由此，本发明的方法和装置的用户在显示器上，除了检查对象再现的感兴趣部位的断面图像或者投影图像之外，在其所选择的视图中还可精确地看到，如同该观察者通过直接观看检查对象所显示的那样。这种显示允许例如是医生的观察者直接了解图像数据(即所选择的断面图像或者投影图像)和外部患者解剖之间的关系。对于最小介入干预(minimalinvasiveIntervention)、活体组织检查或者整形外科来说，可以清楚地看出软组织相对于皮肤表面的位置，因此容易确定通过皮肤表面的进入途径。本发明的方法以及所属装置的优点在于，用户无须携带附加的、例如头戴显示器的辅助装置。用户还如迄今一样能在显示器的显示中看到其感兴趣的特征，只不过这些特征现在还使得用户可以附加得到定向和与检查对象相对应。
本发明的方法可以应用在提供检查对象体内3D图像的、不同的3D成像设备中。这类成像设备例如有计算机断层造影仪或者磁共振断层造影仪。但是，在这类设备中摄像机应该至少部分可绕待检查的对象移动地设置，以便可以从不同的视角拍摄照片。不过，特别优选的是将本发明的方法结合一台C形X射线设备使用，其中将摄像机固定在C形支架上。按照这种方式，在采集测量数据期间通过C形支架的移动摄像机同时围绕待检查的对象运动，从而在不同视角上自动地进行拍照。在此，优选地将该摄像机固定在X射线探测器的区域，特别是根据采用的探测器的类型固定在图像放大器或者平面图像检测器的一侧。此外，可以将第二摄像机固定在X射线管上。这些优选为彩色摄像机的摄像机在拍摄照片期间分别对准成像设备的再现空间的同心(Isozentrum)。
为了将通过摄像机照片提供的结构信息的位置与检查对象感兴趣部位的再现表面相对应，需要了解摄像机相对于成像设备再现空间的位置。该位置的确定可以按不同的方式和方法进行。例如，在C形X射线设备中，该位置的确定可以在所要求的通过在此采用的X射线校准体的光学分析对C形支架校准的步骤中一起实现。按照类似的、用于确定C形支架的X射线系统的图像矩阵(Abbildungsmatriz)的方式，在此确定对于摄像机的投影矩阵。在另外一种实现中可以将摄像机相对于X射线探测器的位置一次确定。然后，利用该位置知识进行唯一的对应。
下面对照附图所示的一种实施方式对本发明的方法以及有关的装置再次作简短的说明。图中，图1示出了使用C形X射线设备的、本发明装置的一种示意性举例；
图2示出了实施本发明方法的示意性流程图；图3是在所拍摄的3D图像数据的基础上断面图像常规显示的例子；以及图4是按照本发明方法的显示的例子。
具体实施例方式
图1示例性地示出按照本发明的C形X射线设备1的基本结构。该设备1包括一个基础部件2，在该部件上借助于在图1中仅仅示意示出的升降装置3安装了一个可以在双箭头的方向上调整高度的支柱4。此外，如用双箭头ε表明的那样，该支柱4还可以围绕其纵轴转动。在支柱4上设置了一个保持部件5，在该保持部件上又安装了一个支撑部件6，用于支撑在一个可以围绕同心I调整的、C形弯曲并因此敞开的支架上的C形支架7。
在C形支架7上位置相对地固定了一个X射线源8和一个多平面X射线检测器9。X射线源8和X射线检测器9处于相对的位置上，从而通过同心I延伸的、从X射线源8的焦点F发出的圆锥形的X射线束的中心射线束M(在图1中通过虚线代表边沿射线RS显示)接近于中心地击中X射线检测器。平面X射线检测器9可以例如是一个图像放大器，或者如在所示出的实施方式中那样是一个基于半导体板的、所谓的平面图像检测器。该平面图像检测器具有多个矩阵形的、按例如在检测器面上正交的检测器列和行设置的、在图中没有示出的检测器元件，这些检测器元件构成矩形检测器平面。X射线检测器9是这样相对于X射线源8安装在C形支架7上的，即，在中心射线束M的理想几何形状条件下构成一个直角的检测器面。
按公知的方式，C形支架7可以借助于一个仅仅示意示出的、位于支撑部件6上的驱动装置10，按双箭头α的方向沿其圆周、围绕同心I并由此围绕作为C形支架7的旋转轴的系统轴Z移动。系统轴Z与图1的作图面垂直，因此垂直于在沿α方向调整C形支架7时X射线检测器9的焦点运动所在的平面。为此，驱动装置10包括例如一个电机和一个与C形支架耦合的联动装置。通过X射线源8连同X射线检测器9沿α方向的运动，可以采集待检查对象区域的、前后不同的第一中心投影，同心I位于待检查对象区域内。为此，在图中示出了一个待检查对象，例如躺在支撑装置11上的患者P。支撑装置11包括一个用于患者P的支撑板12，该支撑板在底座13上的安装使得其可以借助于驱动装置14沿其纵轴调整。
所示3D成像设备1使得通过对来自不同的投影角α的两维中心投影的拍摄，可以对患者P的感兴趣部位进行扫描，其中，计算机15作为分析装置从所拍摄的对应于测量数据的投影，再现出对于所扫描的患者P的空间的三维图像信息，可以将这些三维图像信息例如以断面图像的形式在与计算机15连接的显示器17上显示出来。在此，每个投影包含与X射线检测器9的检测器元件数目相当的多个测量值，这些测量值提供了关于在该位置上通过患者身体辐射的密度信息。此外，在计算机15上连接了用于操作设备的键盘18和鼠标19。为了进行控制，计算机15还与X射线设备以及X射线源8的驱动单元连接。为了从不同的投影角α拍摄投影，具有X射线源8和X射线检测器9的C形支架7按双箭头α的方向沿其圆周在一个角度范围上摆动，该角度范围相对于圆锥形的X射线辐射的开口角γ至少为180°。
按公知的方式，C形支架7还可以通过支撑部件6围绕一个共同的、通过同心I并与系统轴Z成直角延伸的、保持部件5和支撑部件6的轴B，沿弯曲的双箭头β方向转动，并可以沿轴B方向、按双箭头b可移动地安装在保持部件5上。通过这种围绕轴B的可转动性使得C形支架7可以在另一个面内转动。
在本发明的例子中，将一台彩色摄像机20设置在X射线检测器9的一侧，该摄像机20对准C形X射线设备1再现空间的同心I。在此，随着C形支架沿箭头方向α为采集X射线数据的运动，可以利用摄像机20同时采集待检查对象区域的不同投影。由摄像机20所提供的图像数据，按照如同X射线检测器9的测量数据相同的方式被送至分析装置15，在所示出的实现中，在该分析装置中的一个附加的分析模块15a，将代表检查对象P的表面的图像数据作为结构信息与从X射线检测器9的测量数据再现的待检查区域的表面相对应。在此，将通过视频摄像机20拍摄的图像数据借助于在图像数据处理中公知的结构映射(Texturmappings)渐显在这些表面上。此外，如图1所示为了同时从两个视角得到照片，也可例如以在X射线源8上设置另外一个摄像机20a。
如在图2中示意性示出的那样，在实施本发明的方法时，对X射线检测器9测量数据的采集平行于利用视频摄像机20的图像拍摄，该摄像机20随着C形支架7围绕检查空间摆动。
然后，从得到的测量数据例如借助于公知的滤波反向投影(Rueckprojektion)对检查对象区域进行3D再现。这里，将该对象区域相对于背景(伪影、患者卧榻等等)分割出来，使得可以在三维图像空间中识别检查对象区域的表面。然后，将通过视频摄像机得到的图像数据的结构信息与再现的对象表面几何对应。在结构映射之后，相应于这种对应为用户在显示器上所选择的视图中连同断面图像或者投影图像21显示出三维图像或者所希望的三维图像部分，例如像在图4中所示的那样。在此，检查对象区域的结构化的表面22直接与断面图像或者投影图像21连接。
这里，图3示出检查对象区域(在本例中是患者的大脑)的常规断面图像，其中，在图3中可以看出通过大脑的断面显示(MPR显示)。从该显示中，医生很难建立与其面前的患者身体的关系。与之形成对比，图4示出了在采用本发明的装置以及方法的条件下得到的显示。这里，将患者头部的表面附加地与相应的、通过视频摄像机拍摄的结构相关联，并相对于医生所选择的、通过大脑的断面图像21位置正确地加以显示。此时，医生可以精确地看出所观察的断面图像相对于患者身体的位置和状态。由此，可以在所示出图像上以极大改善的定向进行手术介入。
权利要求
1.一种三维成像的方法，其中，借助于可以用来获得检查对象(P)体内三维图像的三维成像装置(1)、从检查对象(P)的感兴趣部位采集测量数据，从这些测量数据中再现该感兴趣部位的三维图像并在至少一幅视图中作为断面图像或者投影图像(21)加以显示，其特征在于，在利用至少一台摄像机(20)采集测量数据之前或期间，拍摄所述检查对象(P)的感兴趣部位的照片，并将其作为结构与从所述测量数据中再现的所述感兴趣部位的表面位置正确地相对应；以及将按照这种方式结构化的所述感兴趣部位的表面(22)在视图中这样透视地显示，使得相对于该感兴趣部位的表面可以看出所述断面图像或者投影图像(21)的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用一台彩色摄像机(20)拍摄所述感兴趣部位的照片，并且用彩色显示结构化的表面(22)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在使用C形X射线设备的情况下，所述摄像机(20)作为三维成像装置(1)被固定在C形支架(7)上，并在采集测量数据的过程中随同该C形支架(7)移动，以便在同时拍摄所述感兴趣部位的照片。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述摄像机(20)固定在所述C形X射线设备的图像放大器或者平面图像检测器(9)上。
5.根据利要求4所述的方法，其特征在于，将另一摄像机(20a)固定在所述C形X射线设备的X射线管(8)上，以便同时从两个视角进行拍摄。
6.一种借助于可以用来获得检查对象体内三维图像的三维成像装置(1)进行三维成像的装置，该装置至少包括一个测量装置(7，8)，用于采集检查对象感兴趣部位的测量数据，和一个分析单元(15)，用于从这些测量数据再现检查对象(P)感兴趣部位的三维图像，并在显示器(17)上至少一个视图中作为断面图像或者投影图像(21)显示该三维图像，其特征在于，在所述成像装置上设置一台摄像机(20)，利用该摄像机(20)可以在采集测量数据之前或期间拍摄所述检查对象(P)感兴趣部位的照片；而所述分析单元(15)包括一个分析模块(15a)，该模块将这些照片位置正确地作为结构与从所述测量数据中再现的所述感兴趣部位的表面相对应，并将按照这种方式结构化的所述感兴趣部位的表面(22)在视图中这样透视地显示，使得相对于该感兴趣部位的表面在所述显示器(17)上可以看出所述断面图像或者投影图像(21)的位置。
7.根据利要求6所述的装置，其特征在于，所述摄像机(20)是一台彩色摄像机，并且用彩色显示所述结构化的表面(22)。
8.根据利要求6或7所述的装置，其特征在于，将所述摄像机(20)作为三维成像装置(1)固定在C形X射线设备的C形支架(7)上。
9.根据利要求8所述的装置，其特征在于，将所述摄像机(20)固定在所述C形X射线设备的图像放大器或者平面图像检测器(9)上。
10.根据利要求9所述的装置，其特征在于，将另一个摄像机(20a)固定在所述C形X射线设备的X射线管(8)上，以便同时从两个视角进行拍摄。
全文摘要
本发明涉及三维成像方法和装置，其中，借助用来获得检查对象(P)体内3D图像的3D成像装置(1)，从检查对象感兴趣部位采集测量数据，并从这些测量数据中再现该感兴趣部位的三维图像，并显示在作为断面图像或投影图像(21)的至少一个视图中。在本发明中，在利用至少一摄像机(20)采集测量数据之前或期间，拍摄检查对象(P)感兴趣部位的照片，并将其位置正确地作为结构与从测量数据中再现的感兴趣部位的表面相对应。将如此结构化的感兴趣部位的表面(22)在视图中透视地显示，使得相对于该感兴趣部位的表面可以看出断面图像或者投影图像(21)的位置。利用本方法尤其可以在医学成像中将显示的图像更好地与实际检查对象相对应。
文档编号A61B6/00GK1535657SQ20041003427
公开日2004年10月13日 申请日期2004年4月5日 优先权日2003年4月3日
发明者迪特尔·里特尔, 迪特尔 里特尔 申请人:西门子公司