用于校准医学成像设备、用于执行配准的方法以及系统与流程

本发明涉及一种用于校准医学成像设备的方法、一种用于执行2d3d配准的方法、以及一种包括相应的医学成像设备的系统。

背景技术：

如今，诸如计算机断层摄影(ct)、x射线成像、血管造影术及其他的医学成像技术可以有利地提供患者的详细图像数据，并且因此可以有助于患者的成功诊断和治疗。然而，这些相同的成像技术也可将患者暴露于显着的辐射。因此，常见的做法是仅采集一次患者或感兴趣区域(roi)的完整3d数据集，通常是在实际干预或操作之前。然后，在干预或操作期间仅采集患者或roi的2d图像而不是多个完整3d数据集，以降低患者的暴露或压力。然而，这种方法确实带来了将2d图像与先前采集的3d数据集或公共坐标系或参考系配准的需要。此过程称为2d3d-配准。

具有合理努力的精确配准通常仅对于成像设备先前已经校准的成像位置是可能的。对于校准的成像位置，通过相应的在前校准，已知或预先确定成像设备的相应当前位置或定位状态与从该位置或定位状态采集的2d图像的空间位置或取向之间的精确关系。

通常根据针对有限数量的校准位置或校准的位置采集的实际可用校准数据进行内插两个校准的成像位置之间的中间成像位置或外推位于校准空间外的成像位置。这导致2d3d配准中的总体精度低于理想，并且因此导致医学成像技术的性能或有用性低于理想。在成像设备的完整成像空间或最大检测范围内，已知的校准方法可以例如产生大约2mm的准确度或精度。这是或将是不充分的，特别是对于导航和/或机器人医疗程序。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在实际应用中改善医学成像技术性能的简单方法。

该目的通过独立权利要求的目的来实现。在其他权利要求以及以下描述和附图中示出了具有本发明的有利改进的有利实施例。

根据本发明的方法涉及根据其图像采集几何结构校准医学成像设备。该方法包括将具有预定几何结构特征的成像体模定位在成像设备的最大检测范围内的第一位置。在这种意义上，最大检测范围是医学成像设备利用其全范围的运动或可调节性可以达到或成像的完整空间体积。

成像体模可以例如是人造对象，其包括可以由成像设备成像的标记的布置或图案。通过这些标记和/或例如成像体模的形状，其位置和取向(即其姿态)可以从成像设备拍摄或采集的成像体模的图像数据或图像明确地确定。这些标记可以是例如金属点或球体，其可以布置在成像体模的表面上和/或在其内部集成。在利用医学成像设备采集的x射线图像中，可以清楚地检测和区分标记。

作为该方法的一部分，使用成像设备采集处于第一位置的体模的至少一个图像。记录或标记在其中采集至少一个图像的成像设备的相应姿态。姿态可以绝对地或相对地被记录或表征，例如根据用于将成像设备定位在该姿态的相应控制信号和/或根据成像设备的相应运动或移动。例如，可以使用一个或多个位置或运动传感器来检测或感测后者。这些传感器例如可以集成到成像设备中，例如集成在成像设备的铰接的机器人臂的各个关节中或各个关节处。

该方法还包括将体模移出第一位置并进入最大检测范围内(即，在成像设备的可成像体积或覆盖范围内)的至少一个其他位置。然后使用成像设备采集处于至少一个其他位置的体模的至少一个图像，并且类似于采集处于第一位置的体模的至少一个图像，记录或标记成像设备的相应姿态。将体模移动到至少一个其他位置意味着体模可以连续地或小心地移动到多个位置。然后，对于这些多个位置中的每一个，采集或拍摄至少一个相应的图像，并记录成像设备的相应姿态。

在将体模从第一位置移动到至少一个其他位置，并且如果适用的话，从其他位置中的每一个移动到相应的下一个位置的同时，借助于跟踪设备跟踪体模相对于第一位置的相应运动或移动。由此，获得或保持体模与成像设备之间的空间关系的连续跟踪。在该方法的另一步骤中，然后基于所采集的图像、成像设备的相应所记录的姿态和体模的所跟踪的运动来校准医学成像设备。换句话说，通过建立体模的图像、其所跟踪的运动和成像设备的所记录的相应姿态之间的关系来校准成像设备。

在已知的校准方法中不移动体模，因为这样做会使移动体模之前和之后采集的相应校准数据无效或被破坏。情况就是这样，因为通过移动体模，体模或其位置与医学成像设备之间的空间关系将丢失或变得未知。这意味着对于成像设备最大检测范围的绝大部分，通常不能获得明确且精确的校准数据。因此，在实际应用中，实际使用成像设备时必须使用内插或外推技术。然而，通过跟踪体模的运动，本发明能够为成像设备的最大检测范围的显著更大的部分采集精确的校准数据。换句话说，本发明可以有利地增加成像设备的、或用于成像设备的校准空间或经校准的空间的尺寸。这又能够实现提高的精度或2d3d配准，并可以从而有助于降低患者的暴露。

典型的成像体模可以是例如长度约为20厘米，并且直径约为15厘米的圆柱形。虽然显然可以使用不同尺寸和/或形状的体模，但其尺寸不能任意增加。首先，较大的体模还可以意味着增加的弯曲或变形以及热膨胀或收缩。这可能再次导致精度降低。其次，无论较大体模的几何结构精度或可靠性如何，通常不可能用单个静止体模覆盖或填充医学成像设备的整个最大检测范围。当考虑典型的c形臂x射线设备时，这变得显而易见，其中c形臂附接到多关节铰接式机器人臂，同时在c形臂的相对的两端处的x射线源和相应的检测器之间具有预定距离。这里，最大检测范围可以大到几立方米，并且安装在c形臂上的源和检测器之间的距离可以小于任何方向上的最大检测范围的延伸。

可以使用控制单元或数据处理设备自动完成校准医学成像设备，控制单元或数据处理设备例如可以是医学成像设备或相应系统的一部分，诸如根据本发明的系统，在下面将更加详细地讨论该系统。

在需要对象的空间跟踪的其他应用中，通常采用单独的跟踪系统，诸如激光跟踪系统或光学跟踪系统。然而，这些跟踪系统可能过于昂贵和/或复杂，因此例如不可能为多个服务技术人员的每个提供这样的系统来校准安装在客户或现场位置的现有医学成像设备。因此，作为本发明的一部分，描述了多个可选实施例或改进，其可以提供简单且经济的手段和方式来实现改进的校准。下面更详细地描述本发明的这些实施例、改进或方面。

在本发明的有利改进中，使用成像设备本身作为跟踪设备的至少一部分来跟踪体模的运动。换句话说，在将体模移动到至少一个其他位置或相应的下一个位置时，使用成像设备采集体模的多个图像。优选地，在采集多个图像时，即在移动体模时，成像设备保持静止。该手段或方法也可称为“荧光跟踪”(fluoro-tracking)。可以从运动期间采集的多个图像中提取或重建体模的运动以及其相对位置或位置。这意味着可以类似于传统外部光学跟踪系统的相机使用成像设备，以跟踪体模或其运动。然而，与使用传统的外部跟踪系统相比，所提出的方法具有不需要任何附加设置或设备的优点，从而能够以显著降低的成本和复杂性来改进医学成像设备的校准。

在本发明的另一个有利改进中，使用成像设备跟踪体模的运动，体模在被移动时至少部分地永久地保持在成像设备的相应的当前视场内。在已经采集处于每个位置的体模的相应的至少一个图像之后，然后在体模再次移动到相应的下一个其他位置之前，对应于体模的相应最后运动来移动成像设备。换句话说，体模和成像设备被交替地移动，使得在每个时间点，至少一个或另一个是静止的，例如相对于rom坐标系，即其中安装了成像设备的房间的固定坐标系。特别重要的是，在任何时候，在成像设备的视场内部的体模的部分或局部足够大或包含足够的标记或识别特征以明确地导出体模的相应当前姿态。然而，在视场中保持体模的哪个确切部分可以随时间改变。意味着在体模的运动开始时视场中的体模的一部分可能与在运动结束时在视场中的体模的一部分不同。

例如，体模可以仅移动这么远或者这么多，以使得取决于相应的标记图案，在成像设备的相应的当前视场中总是可以看到体模的至少五个或八个标记。然后，当体模在其相应的当前位置或新位置保持静止时，然后移动成像设备以赶上被移动的体模，使得例如体模或整个体模的较大部分再次在成像设备的视场内，或与运动的开始相比，体模部分地延伸出视场的相对侧。通过在最大检测范围内交替地和顺序地移动体模和成像设备，这种手段有利地实现了至少基本上整个最大检测范围的精确校准，同时永远不会丢失关于体模和成像设备之间的空间关系的知识或确定性。

在本发明的一个有利的改进中，借助于作为跟踪设备的至少一部分以预定的、固定的空间关系附接到体模的相机跟踪体模的运动。换句话说，借助于slam技术(slam：“即时定位与地图构建”(simultaneouslocalisationandmapping))跟踪体模的运动。由于相机牢固地附接到体模，因此当体模移动时它也移动。相机或经由数据链路连接到其上的相应的数据处理设备可以例如识别和跟踪外部对象的空间固定特征，诸如安装了医学成像设备的房间的墙壁、天花板和/或地板的特征。通过处理由相机捕获或提供的图像数据，可以创建当前周围环境的地图，并且可以确定相机(从而确定体模)在创建了地图的周围环境中的当前位置。有利地，相机可以是立体或3d相机，以允许明确地确定和跟踪三维空间中的体模位置。该方法以最小的成本和努力实现了所提出的改进的校准。

为了进一步改善跟踪和校准准确度和/或精度，可以在相机的视场中在医学成像设备的周围布置光学标记。这可以有利地有助于定位和地图构建，特别是如果周围环境缺乏易于识别的几何结构特征和/或如果照明条件是次优的。然而，有利地，通常不必将这些光学标记放置成任何特定或独特的图案，这再次有利地降低了复杂性和所需的努力。

在本发明的有利改进中，为了跟踪作为跟踪设备的至少一部分的体模的运动，机械标尺设备刚性地附接到放置体模的患者支撑件上。例如，患者支撑件可以是医学成像设备的一部分。然后，沿着标尺设备将体模移动到至少一个其他位置，并且如果适用的话，移动到每个相应的下一个其他位置。然后相对于标尺设备记录或测量体模的相应位置和/或移动。换句话说，标尺设备可以提供或充当固定尺度以跟踪和测量体模关于其中患者支撑件可以是静止的固定房间坐标系的运动和/或相应位置。或者，也可以将机械标尺设备附接到相对于房间坐标系静止的任何其他对象上。该途径可以提供易于用于跟踪体模的运动的实现且可能低成本的方法，从而能够增大校准空间的尺寸。

跟踪或测量体模针对标尺设备或关于标尺设备的位置和/或运动可以手动或自动完成。例如，标尺设备可包括多个规则间隔的凹口，而体模可包括至少一个相应的突起。布置或放置体模使得至少一个突起配合到标尺设备的多个凹口中的一个中，这提供了以易于跟踪且可靠地再现的方式推进体模的位置的简单且可靠的方式。该实施例还有利地避免了通常与手动读取机械标尺相关联的任何负视差效应。

这种手段的许多不同的具体实现是可能的。例如，体模的凸起可以是弹簧加载的球，其可以完全被推入体模的外周长内部。这使得体模能够沿着标尺设备移动，同时保持永久的机械接触。对于球或突起，可选地，以及标尺设备的相应凹槽或凹口，至少部分地由在成像设备拍摄的图像中可见的材料(诸如金属或合金的)构成也是有利的。通过使用如上所述的作为跟踪设备的一部分的成像设备，这可以有利地提供用于跟踪体模的位置和/或运动的附加途径。

在任何情况下，标尺设备可包括一个或多个传感器，用于检测体模的凸起何时何地进入标尺设备的凹口或凹槽中的一个。然后，标尺设备可以将相应的数据提供给例如配置成校准成像设备的控制单元。这有利于在读取体模的当前位置时消除任何人为误差。根据制造标尺设备和体模的采用的努力和精度，该手段能够以0.1mm或更小的精度确定体模的相应当前位置。

在本发明的有利改进中，为了跟踪体模的运动，借助于线性平台移动它。线性平台能够实现沿一个轴精确控制运动，并且也被称为平移台或线性滑块。线性平台的典型应用可以例如在光学实验室平台中找到。应用于目前描述的方法，线性平台可以例如放置在患者支撑件上或安装到患者支撑件上。体模可以放置在线性平台的顶部，并且因此可以作为线性平台的负载移动。线性平台的非移动部分可以相对于房间坐标系和/或相对于可以放置它的患者支撑件保持静止。可以手动完成操作线性平台以移动体模。然而，优选地，可以通过控制单元用马达驱动，并且特别是电子地控制线性平台。线性平台有利地提供了实现或使用简单的、精确的、并且相对便宜的部件，用于以精确的、可跟踪和可控制的方式移动体模，以延伸校准空间的尺寸，即，由校准的成像位置覆盖的数量和体积。如今，线性平台可以具有例如约400mm的行程，与体模保持静止的传统方法相比，这足以显著增加校准空间。

在本发明的有利改进中，作为跟踪设备的至少一部分，激光测距仪(laserdistancemeter)或激光测距机(laserrangefinder)刚性地附接到体模和/或在其上放置体模的患者支撑件上。为了跟踪体模的运动，使用激光测距仪测量到任何位置固定或稳定的外部参考对象的距离，特别是在体模移动时。可以例如从激光测距仪到安装有成像设备的周围房间的墙壁、天花板和/或地板测量该距离。可选地或另外地，可以测量激光测距仪与成像设备的非移动或静止部分(诸如脚或基座)之间的距离以跟踪体模的运动。激光测距仪可包括多个激光束，其沿不同方向延伸或辐射。这可以有利地允许在二维或三维中跟踪体模的运动。优选地，激光测距仪和/或其与体模的附接可以是可调整以定向激光测距仪或其激光束或光束的方向。这可以有利地允许改进的灵活性，使得所描述的设置可以用于跟踪体模在不同设置或周围环境中的运动。理想地，激光测距仪的至少一个激光束可以指向于或平行于体模移动的方向。附加的激光束和/或激光测距仪例如可以指向至少近似垂直于该方向。

一方面激光测距仪(也就是体模)与另一方面参考对象(其在其中体模移动的坐标系中保持静止)之间的距离的变化与体模的移动有关，并且因此可以被使用或处理以描述或表征体模的移动或运动。以这种方式使用激光测距仪可以有利地允许以例如亚毫米的准确度跟踪体模的运动以及相对位置，而同时运输和实现容易且简单，而且也相对便宜。

在本发明的另一个有利改进中，将体模直接或间接地放置在患者支撑件上。为了移动体模，然后移动患者支撑件本身。将体模间接放置在患者支撑件上可以例如意味着将体模放置在另一个设备或器具上，诸如放置在患者支撑件上的线性平台。

患者支撑件可以是医学成像设备的一部分，并且可以设计成可移动或调整。使用患者支撑件来移动体模可以有利地允许覆盖大部分空间或体积，其中任何患者将被定位用于成像设备的任何实际应用。使用患者支撑件来移动体模还提供了不必提供附加的马达或移动设备的优点，这可以有利地降低执行成像设备的校准所需的复杂性、成本和努力。然而，目前可用的典型可移动或可调节的患者支撑件在距离、方向和运动的可重复性或再现性方面提供不了所需的精度。结合使用已经作为成像设备的一部分的就位的患者支撑件的马达或驱动机构作为成像设备的一部分和附加设备，诸如相机和/或激光测距仪，以所需的精度跟踪运动，在跟踪体模的运动和校准医学成像设备方面提供了最佳效率和有效性，特别是在成本、复杂性和实施努力方面。

在整个说明书中，在不同上下文中提及的患者支撑件可以指代同一患者支撑件。同样也可以相应地应用于任何其他设备、部件或方法。

本发明的另一方面是一种用于在使用医学成像设备采集的至少一个2d图像与先前使用相同医学成像设备采集的至少一个3d数据集之间执行2d3d配准的方法。特别地，医学成像设备可以是与上述关于用于校准医学成像设备的方法相同的成像设备。采集对象的3d数据集，特别是患者的3d数据集。然后，采集对象或患者的2d图像。然后，根据借助于根据本发明的用于校准医学成像设备的方法获得的医学成像设备的校准数据，将2d图像与3d数据集的坐标系进行配准。换句话说，用于校准本文所述的医学成像设备的方法的至少一个改进可以实施为包括执行2d3d配准的更大或更复杂的程序的一部分，例如，作为医学诊断和/或干预程序的一部分。这是特别有利的，因为所述校准方法的主要优点之一是以实现更精确和可靠的2d3d配准。

本发明的另一方面是一种系统，其至少包括医学成像设备和控制单元。这里，该系统还包括跟踪设备，该跟踪设备用于在成像设备的最大检测范围内跟踪具有预定几何结构特征的成像体模的运动。该系统被配置用于借助于根据本发明的用于校准医学成像设备的方法在其图像采集几何结构方面校准成像设备。该系统可选地或另外地配置成借助于根据本发明的相应方法自动执行2d3d配准。控制单元可包括处理单元以及数据存储设备。数据存储设备可以包含程序代码，该程序代码实现上述方法的任何或所有步骤，并且被设计为由控制单元的处理单元执行。

这里描述用于本发明的至少一个方面(即，用于校准医学图像设备的方法、用于执行2d3d配准的方法，以及系统)的本发明的实施例和改进，，并且相应的优点可以应用于本发明的任何和所有方面。特别地，可以使用或应用用于跟踪体模运动的多种不同方法或实施方式，以便同时实施。相应地，根据本发明的系统可以包括用于同时执行这些方法中的一个或多个的必要部件。

本发明的其他优点、特征和细节源于以下对本发明优选实施例的描述以及与本发明有关的附图。先前在说明书中提到的特征和特征组合以及在附图的以下描述中提到的和/或仅在附图中示出的特征和特征组合不仅可以在分别指示的组合中使用，而且可以在其他组合中使用或者单独使用而不脱离本发明的范围。

附图说明

图1示意性地示出了包括c形臂x射线设备、患者支撑件和用于校准x射线设备的跟踪设备的系统的透视图；和

图2示意性地示出了用于校准诸如图1中所示的c形臂x射线设备的医学成像设备，并基于相应的校准数据执行2d3d配准的方法的示例性流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出了包括医学成像设备2的系统1，该医学成像设备在本示例中是c形臂x射线设备。系统1或成像设备2分别还包括可调节的患者支撑件3。放置在患者支撑件2上的是呈圆柱形对象形式的成像体模4，其包括以图案布置的多个x射线可见标记5，以在或从使用成像设备2获得的x射线图像或相应图像数据中唯一地或明确地识别体模4的姿态。因为体模4的几何结构和标记5的图案是预定的并且是已知的，所以体模4可以用于校准成像设备2。将参考图2描述用于校准成像设备2的相应方法，图2示意性地示出了说明多个处理步骤示例性流程图10。

该方法从处理步骤s1开始，其中体模4位于成像设备2的最大检测范围内的第一位置-在这种情况下位于患者支撑件3上。当体模4布置在该第一位置时，使用成像设备4拍摄或采集体模4的至少一个图像。此外，记录成像设备2的相应姿态。在实践中，可以从不同的角度或视角采集体模4或其部分的多个图像。这意味着当体模4保持在第一位置时，成像设备2可以移动到体模4周围的不同成像位置。在这种情况下，针对多个采集的图像中的每一个记录成像设备2的相应姿态。

在处理步骤s3中，将体模4移出第一位置并进入成像设备2的最大检测范围内的另一位置。当移动体模4时，成像设备2可保持静止。类似于第一位置，然后使用成像设备2在体模4的新的其他位置拍摄体模4或其一部分的至少一个图像。对于每个图像记录成像设备2的相应姿态。将体模4移动到新位置然后拍摄至少一个相应图像的处理可以在处理步骤s4中重复多次，其在图2中相应地表示为循环。

在处理步骤s3和s4期间，相对于第一和/或其相应的先前位置跟踪体模4的运动或移动。可以以多种不同方式中的一种或多种来实现移动体模4并跟踪其移动或运动，包括其相应的当前位置。

首先，患者支撑件3在其位置和方向上是可调节的，以使得在成像设备2的最大检测范围的至少一部分内移动放置在其上的体模4。目前，体模4被放置在线性平台6上，其自身附接到或放置在患者支撑件3上。作为移动或调整患者支撑件3的替代或补充，可以借助于线性平台6移动体模4。也可以组合使用多个线性平台6以独立地沿不同方向或沿不同轴移动体模4。提供标尺设备7作为线性平台6的一部分或作为单独的设备。当沿着标尺设备7移动体模4时，标尺设备7可以机械地跟踪体模4的运动和/或相应的当前位置。为此目的，标尺设备7可以包括多个凹口或凹槽。体模4可以相应地包括突起，该突起可以装配或卡入标尺设备7的每个凹口或凹槽中，从而至少相对于标尺设备7给出体模4的精确位置。

当使用线性平台6和/或标尺设备7时，它们可以跟踪体模4的运动和位置，作为其功能的一部分。可选地或另外地，特别是当通过调节患者支撑件3来移动体模4时，可以采用一种或多种不同方式跟踪体模4的运动和位置。

例如，成像设备2本身可以用于跟踪体模4的运动。对于该方法，成像设备2可以在体模4从一个位置移动到下一个位置时保持静止。然后，当体模4在其相应的新位置或当前位置保持静止时，成像设备2相应地移动，通常在与体模4的相应前述运动相同的方向上移动。体模4和成像设备2的这种逐步交替移动可以重复多次。在此处理期间，体模4至少部分地保持在成像设备2的相应的当前视场内。特别地，包括标记5的至少一部分图案的体模4的一部分保持在视场内，其中标记5的图案的一部分足以从使用成像设备2采集的对应图像或图像数据唯一且明确地导出体模4的相应姿态。

作为用于跟踪体模4的运动和位置的附加或替代手段，目前相机8和/或激光测距仪9附接到体模4。相机8可用于成像和跟踪其中当前安装有成像设备2的周围房间的特征和/或成像设备2自身和/或患者支撑件3的静止特征。然后可以使用slam技术来建立周围环境的地图并确定和跟踪体模4相对于这些周围环境的位置。激光测距仪9可用于连续测量它与例如周围房间的墙壁之间的距离。通过假设墙壁保持静止并分析测量距离的任何变化，可以确定体模4的相对运动。

所描述的方法中的多个可以结合使用或组合使用。这可以有利地提高运动和/或位置跟踪的准确度。来自不同方法的结果也可用于提供冗余作为防止方法或组件失效的安全措施。多种不同方法的结果也可用于验证或合理化一种或多种相应的其他方法的结果。

在处理步骤s5中，然后基于所采集的结果或校准数据来校准成像设备2，即基于所采集的图像、成像设备2的相应所记录的姿态、以及体模4的所跟踪的运动和/或从中导出的结果来校准成像设备2。

对于实际应用，然后在处理步骤s6中使用医学成像设备2采集患者的3d数据集。

在处理步骤s7中，其可以例如在处理步骤s6之后几小时或几天发生，使用成像设备2采集同一患者的至少一个，通常多个2d图像，例如，作为医疗程序的一部分。特别地，如果在该程序期间移动患者和/或成像设备2，则在处理步骤s6中相应当前采集的2d图像和先前采集的3d数据集之间的2d3d配准对于保持数据一致性是必要的，并且为医疗人员提供关于患者状态和/或程序的所需信息或见解，而不使患者经受不必要的高剂量辐射，这将通过在医疗程序期间采集另一个完整的3d数据集而产生。

然后，在处理步骤s8中执行用于成像设备2的使用先前采集的校准数据的2d3d配准。

总之，当前描述的示例示出了如何通过在校准过程中通过跟踪体模2的运动，通过相对简单且廉价的部件扩展校准空间来改进诸如成像设备2的医学成像设备的校准，以准确地为相应医学成像设备的最大检测范围的较大部分创建地图。然后，改进的校准可以用于执行具有改进的准确度和可靠性的2d3d配准，因为由于增加的校准空间，不需要或需要更少的插值和/或外推。