用于脊椎层面的成像系统的制作方法

本发明涉及用于脊椎层面的计算机程序单元，用于脊椎层面的识别方法，用于控制这样的系统的计算机程序单元以及存储有这样的计算机程序单元的计算机可读存储介质。

背景技术：

在微创脊柱介入中，针对处置定位正确的脊椎层面(vertebral level)是非常重要的。介入通常是在X射线引导下执行的，其中，X射线系统仅提供有限的视场。然而，在这样的组装的图像中，仅几个脊椎层面能够根据它们的形状或周围解剖结构来可靠地识别。因此，脊椎层面必须通过悸动和对界标的计数或者根据视觉地评估来自有限的X射线视场的投影图像来识别。作为结果，过程是复杂的并且易于出错。

在数字X射线成像中，通常使用来自子图像的图像的复合，以形成细长的场景的复合图像，其太长而不能在一次操作中重现。使用现代数字X射线检查装置，难以或者甚至不能够在一次曝光中形成要被检查的患者的脊柱的完整区域的X射线图像。形成要被检查的区域的部分的多幅相继的X射线图像，所述图像一起覆盖整个区域。一个这种类型的方法也被称为平移重建技术并且根据EP 0655861 Al而被己知。

另外，US2011/0276179 A1公开了指定期望的AP放射图像的起始和结束点。机器人系统可以重描该路径，从而获得连续的X射线图像。整个扫描可以被显示在计算机屏幕上。外科医师可以在显示的扫描中指定一个或多个期望的手术层面。另外的机器人系统可以在获得确认性放射图像时在指定的脊椎体上将标记物质保持就位。

技术实现要素：

因此，能够存在对提供用于脊椎层面的成像系统的需要，其使得能够在介入设置中更加容易并且更可靠地识别目标脊椎层面。

本发明的目的通过独立权利要求的主题来解决，其中，另外的实施例被并入在从属权利要求中。应该指出，以下描述的本发明的方面也适用于用于识别脊椎层面的成像系统、用于脊椎层面的识别方法、计算机程序单元以及计算机可读介质。

根据本发明，提出了一种用于脊椎层面的成像系统。所述成像系统包括确定单元、定义单元、成像单元、以及处理单元。所述确定单元被配置为接收介入前图像数据并且使用该介入前图像数据来确定目标脊椎层面。所述确定可以自动地完成。所述确定单元可以是针对输入设备的接口，使得关于目标脊椎层面的输入可以由用户手动地提供。

成像单元被配置为提供基于界标的沿着脊柱的一系列X射线图像。所述界标可以是以下项的特性：第1胸椎、第12胸椎、第1颈椎、第2颈椎、第7颈椎、骶骨和/或等。术语“基于”意指X射线图像的系列是基于多个界标中的一个而取得的。因此，界标可以是图像的开始、结束或者中心点、特定感兴趣点，和/或图像可以沿着至少两个界标的系列来取得，等等。X射线图像可以被缝合在一起以形成脊柱的全景图像。

定义单元被配置为定义脊柱的解剖界标。界标的定义可以通过介入前数据(CT、MR等)与全景图像的配准和/或通过患者特异的或者一般模型与全景图像的配准来完成。处理单元被配置为基于所述介入前图像数据中的确定来识别所述X射线图像中的至少一幅中的目标脊椎层面。

换言之，确定了目标脊椎层面或盘空间。所述目标脊椎层面或盘空间例如根据名称(例如，L2-第二腰椎)己知或者其可以是根据介入前CT或MRI数据等而己知的。

定义脊柱的可靠的可识别的解剖界标，其优选地指示如下的特性，例如，第1胸椎的最上或最下点，第12胸椎，第1颈椎、第2颈椎、第7颈椎、骶骨和/或等。

基于界标或者从界标开始，一系列X射线图像或帧被提供或者优选地被采集，同时在帧之间将患者桌台或成像系统例如朝向接近目标脊椎层面的区域移动或者从接近目标脊椎层面的区域开始移动。各帧之间有限的交叠是优选的。

然后在所述X射线图像中的至少一幅中识别目标脊椎层面。在与目标脊椎层面相同的(全景)图像中具有可靠可识别的界标，该识别可以基于具有标记的目标位置的介入前数据集来完成，其中，目标脊椎层面的识别可以通过介入前数据集或者介入前数据的投影视图与沿着脊柱的X射线图像的系列或者全景图像的配准来完成。这样的配准可以有利地包括或者依赖于定义的解剖界标的配准，其提供具有相对高的准确度水平的配准。

一旦在例如当前或者上一X射线图像中识别出目标脊椎层面(这意味着其在成像设备的视场内)，就可以物理地(例如，通过在患者皮肤上放置位置标记物)和/或电子地(例如，通过当前X射线系统和患者桌台位置的存储)对其进行标记。在该点处，X射线图像采集可以被停止以将由患者接收的X射线剂量保持到最小，或者其可以继续以便获得覆盖脊柱的更大区域的更完整的全景图像。

由于根据本发明的用于脊椎层面的成像系统是基于一系列图像的并且图像的系列是基于脊柱的定义的解剖界标的，因而根据本发明的设备实现在介入设置中对目标脊椎层面的非常容易和可靠的识别。尤其是，大大降低了对所处置的脊椎层面的错误识别的风险。

另外，采集的剂量可以被选择为非常低，因为脊柱X射线图像不被用于直接诊断用途。此外，根据本发明的设备可以被实现于现有的成像系统上，甚至在没有C型臂移动跟踪或者桌台移动跟踪的可能性的情况下。

在范例中，所述确定单元还被配置为或者额外地被配置为指示介入前图像数据中的目标脊椎层面。

在范例中，所述确定单元还被配置为或者额外地被配置为通过分割并且尤其是通过使用脊柱的模型的基于模型的分割来提取所述介入前图像数据中的脊柱。所述分割的输出然后是患者特异的脊柱模型。

在范例中，所述确定单元还被配置为或者额外地被配置为提供一般脊柱模型，以基于所述一般脊柱模型来确定所述目标脊椎层面并且指示所述一般脊柱模型中的目标脊椎层面。所述成像系统还可以包括配准单元，所述配准单元被配置为将一般脊柱模型与至少一幅X射线图像和/或全景图像(以下解释的)配准并且被配置为基于所述一般脊柱模型中的指示来指示所述至少一幅X射线图像和/或所述全景图像中的目标脊椎层面。

在范例中，所述处理单元还被配置为将各X射线图像或者各帧缝合为优选地脊柱的连续的全景图像并且被配置为识别所述全景图像中的目标脊椎层面。各帧之间的交叠被要求用于连续的全景图像。所述缝合可以例如基于图像内容和/或被附接到患者和/或桌台的外部标记物。经缝合的全景图像提供了从已知和识别的界标至当前成像位置的优选地连续的视图，其使得在当前图像中识别目标脊椎层面简单和容易。

如果具有标记的目标位置的介入前数据集(CT、MR等)是可用的，则可以通过将所述介入前数据集或者所述介入前数据的投影视图配准到沿着脊柱的X射线图像的系列或者配准到全景图像来自动地完成。

此外，基于模型的分割方法可以被使用于提取介入前数据中的脊柱并将其配准到全景图像。甚至在没有患者特异的模型的情况下，也可以将脊柱的一般模型配准到全景图像以便于脊椎层面识别。

一旦目标脊椎层面己经被识别出并且在X射线系统的视场中，其就可以被标记在患者的皮肤上或者根据患者桌台和成像系统的跟踪的位置被电子地记录。

在范例中，针对脊椎层面的成像系统还包括输入设备，所述输入设备被配置为使得能够确定目标脊椎层面。所述输入设备可以代替地或者额外地被配置为使得能够识别所述至少一幅X射线图像和/或所述全景图像中的目标脊椎层面。

在范例中，用于脊椎层面的成像系统还包括运动单元，所述运动单元被配置为提供用于移动患者桌台和/或成像单元的运动信号。

所述成像系统可以还包括跟踪单元，所述跟踪单元被配置为提供用于跟踪所述患者桌台和/或所述成像单元的运动的跟踪信号。所述跟踪单元可以是被定位于所述患者桌台和/或所述成像单元处的至少一个传感器。所述传感器可以是位置传感器和/或加速度传感器等。

如果X射线系统或者桌台的跟踪是可用的，则所述设备就可以向用户给予在哪个位置采集用于缝合的下一帧的引导，以在保持足够的覆盖范围的同时将剂量最小化。

在范例中，用于脊椎层面的成像系统还包括记录单元，所述记录单元被配置为基于患者桌台的和/或成像单元的被跟踪的位置来记录目标脊椎层面的位置。

所述成像系统可以还包括被配置为在患者的皮肤上标记目标脊椎层面的标记单元。

在范例中，用于脊椎层面的所述成像系统还包括配准单元，其被配置为将所述介入前图像数据与所述至少一幅X射线图像和/或所述全景图像配准。所述配准单元可以还被配置为基于所述介入前图像数据中的指示来指示所述至少一幅X射线图像和/或所述全景图像中的目标脊椎层面。

所述成像系统还可以包括用于采集一系列X射线图像的X射线采集设备以及显示单元。所述系统还可以包括患者桌台。

根据本发明，还提出了一种用于脊椎层面的识别方法。其包括以下步骤(不必按此顺序)：

a)确定目标脊椎层面，

b)确定脊柱的解剖界标，

c)提供基于所述界标的沿着所述脊柱的一系列X射线图像，并且

d)识别所述X射线图像中的至少一幅中的目标脊椎层面。

界标的定义可以通过介入前数据与全景图像的配准和/或通过患者特异的或者一般模型与全景图像的配准来完成。

所述识别可以通过‘计数’方法来手动或者自动地完成。备选地，如果具有标记的目标位置的介入前数据集(CT、MR等)可用，则可以通过将介入前数据集或者介入前数据的投影视图配准到沿着脊柱的X射线图像的系列或者配准到全景图像来自动地完成。

当然，两种方法可以被组合以使用单个能够可靠地识别的界标来引导介入前图像数据或者模型的配准。

根据本发明，还提出了一种用于控制用于脊椎层面的成像系统的计算机程序，其中，所述计算机程序包括程序代码单元，所述程序代码单元用于，当所述计算机程序在控制所述成像系统的计算机上运行时，令根据独立设备权利要求所述的成像系统来执行根据独立方法权利要求所述的用于脊椎层面的识别方法的步骤。

应该理解，根据独立权利要求的用于脊椎层面的成像系统、用于脊椎层面的识别方法，用于控制这样的系统的计算机程序单元，以及存储有这样的计算机程序单元的计算机可读存储介质具有相似和/或相同的优选的实施例，尤其是如在从属权利要求中所定义。还应该理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与各自的独立权利要求的任意组合。

本发明的这些和其他方面将根据下文描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文描述的实施例得到阐述。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明的示范性实施例：

图1示出了针对脊椎层面的成像系统的范例的示意图。

图2a示出了脊柱的术前图像。

图2b示出了从沿着脊柱的一系列X射线图像中的若干单幅图像缝合的全景图像。

图2c示出了脊柱的另一全景图像。

图3示出了针对脊椎层面的成像系统的另一范例的另外的示意图。

图4示出了针对脊椎层面的识别方法的步骤的示意性概况。

具体实施方式

图1示意性且示范性地示出了成像系统1的实施例、用于采集一系列X射线图像的X射线采集设备3、以及用于显示图像的显示单元2。所述系统还包括患者桌台(未示出)。

成像系统10包括确定单元11、定义单元12、成像单元13、以及处理单元14。

确定单元11确定目标脊椎层面。所述确定可以自动地完成。所述确定单元可以是针对输入设备15的接口，使得所述确定可以由用户手动地提供。

定义单元12定义脊柱的解剖界标并且与成像单元13相连接。成像单元13提供基于所述界标的沿着脊柱的一系列X射线图像。为接收X射线图像数据，成像单元13与X射线采集设备3相连接。因此，成像单元13基于来自X射线采集设备3的X射线图像数据来提供图像，所述图像数据是从界标开始和/或沿着至少两个界标的系列被采集的。处理单元14识别所述X射线图像中的至少一幅中的目标脊椎层面。处理单元14还将各X射线图像缝合为脊柱的连续的全景图像并且识别所述全景图像中的目标脊椎层面。所述缝合可以例如基于图像内容和/或附着到患者和/或桌台的外部标记物。处理单元14可以与确定单元11和显示单元2相连接，所述显示单元用于显示所述X射线图像中的一幅或多幅和/或所述脊柱的全景图像。

成像系统10还包括输入设备15以使得能够确定所述目标脊椎层面并且使得能够识别所述X射线图像和/或所述全景图像中的目标脊椎层面。所述确定可以由用户手动地完成或者可以由设备自动地完成。输入设备15可以与确定单元11和处理单元14相连接。

成像系统10还包括运动单元17，运动单元17与处理单元14连接以提供用于移动患者桌台和/或成像单元13的运动信号。成像系统10还包括跟踪单元18，跟踪单元18与处理单元14连接以提供用于跟踪患者桌台和/或成像单元13的运动的跟踪信号。跟踪单元18也可以与运动单元17和/或所述桌台(未示出)相连接。

成像系统10还包括记录单元19，记录单元19与处理单元14连接以基于患者桌台和/或成像单元13的跟踪的位置来记录目标脊椎层面的位置。记录单元19也可以与跟踪单元18和/或成像单元13相连接(连接未示出)。

成像系统10还包括与处理单元14相连接标记单元20，以在患者的皮肤上标记目标脊椎层面。

成像系统10还包括配准单元16，以将介入前图像数据与X射线图像和/或全景图像配准。基于该配准，可以基于根据介入前图像数据中的确定的目标脊椎层面来在所述X射线图像和/或所述全景图像中指示所述目标脊椎层面。配准单元16可以与成像单元13、确定单元11和处理单元14相连接。

代替地或者额外地，基于模型的分割方法也可以被用于提取介入前数据中的脊柱并将其配准到全景图像。甚至在没有患者特异的模型的情况下，也可以将脊柱的一般模型配准到全景图像以便于脊椎层面识别。

一旦目标脊椎层面己经被识别出并且在X射线系统的视场中，其就可以被标记在患者的皮肤上，或者患者桌台和成像系统的被跟踪的位置可以被电子地记录。

图2a示出的脊柱的术前MRI(磁共振成像)或CT(计算机断层摄影)图像。介入前图像数据被提供给确定单元11，其使用该数据来确定目标脊椎层面。目标脊椎层面，仅出于说明性目的，在附图中由星形标记指示。确定可以基于输入设备上的用户输入来完成，使得目标脊椎层面可以由用户手动地提供。目标脊椎层面也可以自动地被确定，例如，基于存储在电子患者记录中的诊断或处置指示，或者以其他方式来确定。

图2b示出了从沿着脊柱的一系列X射线图像中的若干单幅图像缝合的全景图像。单幅图像或独立的帧通过不同地断开的框来示出。所述图像是基于能够可靠地识别的解剖界标(骶骨)的。五个圆形标记物象征‘记数’，即，骶骨和目标脊椎层面之间的中间脊椎。

术前图像被配准到全景图像。如由在图2a与图2c(脊柱的另一全景图像)之间的箭头所示出，所述配准允许目标脊椎层面的位置从术前图像到全景图像被准确地推断出。一旦在X射线图像或全景图像中识别了目标脊椎层面，即X射线成像系统己被定位为使得目标脊椎在其视场中，目标脊椎层面就可以用星形标记物或者任何其他合适的标记物来指示。

图3示意地示出了X射线成像系统10。其包括X射线图像采集设备3，X射线图像采集设备3具有被提供为生成X射线辐射的X射线辐射源100。X射线采集设备3采集要由成像单元13(未示出)提供的一系列X射线图像。提供桌台111以接收要被检查的对象。X射线图像探测模块101被定位于X射线辐射源100的对面，即，在辐射流程期间，对象被定位于X射线辐射源100与探测模块101之间。

X射线源100和探测器101被安装到C型臂102的端部。C型臂102由弯曲的轨道“套筒”103所保持。C型臂可以在套筒103中滑动，从而执行关于C型臂的轴的“滚动移动”。套筒103经由旋转关节被附接到L型臂104并且可以关于该关节的轴执行“螺旋桨移动”。L型臂104经由另一旋转关节被附接到天花板并且可以执行关于该关节的轴的旋转。各种旋转移动由饲服电机来实现。三个旋转移动的轴和锥形束轴总是在单个固定点，旋转X射线扫描器的“等中心”105，相交。各旋转移动由控制单元112控制。每三个C型臂角度、套筒角度、以及L型臂角度定义X射线源100的位置。通过随时间改变这些角度，可以使得源100沿着指定的源轨迹移动。在C型臂102的另一端处的探测器101完成对应的移动。源轨迹将被限定到等中心球的表面。应该指出，示出范例是所谓的C型X射线成像系统10。当然，本发明也涉及其他类型的成像系统10。处理单元14识别在由成像单元13(未示出)所提供并且由X射线采集设备3所采集的X射线图像中的至少一幅中的目标脊椎层面。处理单元14还将各X射线图像缝合为脊柱的连续的全景图像并且识别所述全景图像中的目标脊椎层面。处理单元14与确定单元11(未示出)和显示单元2相连接，所述显示单元用于显示所述X射线图像中的一幅或多幅和/或所述脊柱的全景图像。显示单元2被布置于桌台111的附近，以向操作X射线成像系统的人员(即，临床医师)显示信息。输入设备15被布置为由用户输入信息，从而确定目标脊椎层面。图4示出了针对脊椎层面的识别方法的步骤的示意图。所述方法包括以下步骤(不必按此顺序)：

在第一步骤S1中，确定目标脊椎层面。

在第二步骤S2中，定义脊柱的解剖界标。

在第三步骤S3中，提供基于所述界标的沿着脊柱的一系列X射线图像。

在第四步骤S4中，在X射线图像中的至少一幅中识别目标脊椎层面。

利用被使用的介入前数据，在步骤S2中对单个界标的定义以及在步骤S4中对目标脊椎层面的识别可以通过将介入前数据配准到全景图像来完成。还利用被使用的患者特异的或者一般模型，在步骤S2中对单个界标的定义以及在步骤S4中对目标脊椎层面的识别可以通过将模型配准到全景图像来完成。当然，两种方法可以被组合以使用单个能可靠地识别的界标来引导介入前图像数据或者所述模型的配准。

在本发明的另一示范性实施例中，提供了一种计算机程序或一种计算机程序单元，其特征在于适于在适当的系统上运行根据前面的实施例之一所述的方法的方法步骤。

因此，所述计算机程序单元可以被存储在计算机单元上，所述计算机单元也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行以上描述的方法的步骤或诱发以上描述的方法的步骤的执行。此外，其可以适于操作以上描述的装置的部件。所述计算单元能够适于自动地操作和/或运行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。所述数据处理器由此可以被装备为执行本发明的方法。

本发明的该示范性实施例涵盖从一开始就使用本发明的计算机程序或借助于更新将现有程序转变为使用本发明的程序的计算机程序两者。

更进一步地，所述计算机程序单元能够提供实现如以上所描述的方法的示范性实施例的流程的所有必需步骤。

根据本发明的另一示范性实施例，提出了一种计算机可读介质，例如CD-ROM，其中，所述计算机可读介质具有存储在所述计算机可读介质上的计算机程序单元，其中，所述计算机程序单元由前面部分描述。

计算机程序可以存储和/或分布在与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的诸如光学存储介质或固态介质的适当的介质上，但是计算机程序也可以以其他的形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线的远程电信系统分布。

然而，所述计算机程序也可以存在于诸如万维网的网络上并能够从这样的网络中下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种用于使得计算机程序单元能够被下载的介质，其中，所述计算机程序单元被布置为执行根据本发明的之前描述的实施例之一所述的方法。

必须指出，本发明的实施例参考不同主题加以描述。具体而言，一些实施例参考方法类型的权利要求加以描述，而其他实施例参考设备类型的权利要求加以描述。然而，本领域技术人员将从以上和下面的描述中了解到，除非另行指出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合也被认为由本申请公开。然而，所有特征能够被组合以提供超过特征的简单加和的协同效应。

尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和从属权利要求，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时能够理解和实现所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他单元或步骤，并且，词语“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其他单元可以履行权利要求书中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。