基于C臂的医学成像系统及匹配2D图像与3D空间的方法与流程

基于c臂的医学成像系统及匹配2d图像与3d空间的方法
技术领域
1.本公开涉及一种基于c臂的医学成像系统及匹配2d图像与3d空间的方法，并且更具体地，涉及一种用于创建c臂图像像素与对应的3d空间坐标之间的匹配关系和/或任意3d坐标与对应的c臂图像像素之间的匹配关系的医学成像系统和方法。


背景技术：

2.基于c臂的医学成像系统通过允许医生实时检查治疗状态，为治疗的高精度做出了重大贡献。例如，当进行硬膜外注射、神经阻滞、神经成形术、射频热消融等作为椎间盘治疗已知的外科手术时，医生在注射和将导管插入脊神经周围的病灶时，用他/她的肉眼检查c臂图像，从而保证手术过程的安全性和准确性。
3.随着用于辅助医生进行手术过程的医疗机器人、规划系统、导航系统等的发展，要求医疗机器人、规划系统等具有先进的功能，例如，c臂扫描对象的3d重建、关于对象的3d空间位置信息等。然而，普通的c臂不提供这样的功能。
4.如图1所公开的，移动式c臂x射线装置通常包括x射线源100、面向x射线源100的探测器200、c形框架300和用于移动框架300的致动器400。手术操作者控制致动器400以旋转或平移移动框架300并将源100和探测器200定位在期望的捕获位置，并通过发射x射线获得图像。手术操作者可以在改变源100和探测器200的位置的同时获得对象500的多个x射线图像，并通过所谓的“反向投影”重建3d体素。
5.然而，由于c臂装置的几何结构不能提供准确的位置信息，因此，重建准确的体素且提供关于体素的位置信息是不可能的。c臂x射线源100很重，因此容易下垂，从而即使源100和探测器200沿框架300的圆周轨道旋转移动，c臂的几何结构也不会保持不变。因此，很难基于“反向投影”重建准确的体素。此外，由于探测器平面d 202位于c臂内部，只有制造商才知道探测器平面d 202的位置，而且，由于光源装置s 102位于外壳内部，因此光源的确切位置是未知的。因此，不可能基于c臂图像指定合并的3d模型的实际位置。
6.因此，需要一种新的医学成像系统的技术，其中只有关于给定c臂几何结构的信息就足以匹配图像与空间。


技术实现要素：

7.技术问题
8.因此，本公开旨在解决相关技术的上述问题，本公开的一个方面在于提供一种用于在不形成3d体素的情况下，匹配期望的c臂图像像素与对应于图像像素的医疗空间坐标的医学成像系统和方法。此外，本公开将提供一种用于将任意医疗空间坐标与给定c臂图像上的特定像素匹配的医学成像系统和方法。
9.技术方案
10.根据本公开的一个方面，提供了一种医学成像系统，包括：c型透视设备(以下称为“c臂”)，包括x射线源和探测器；第一板，安装在x射线源与探测器之间的x射线路径上，且包
括第一透射表面和第一光学标记，该第一透射表面设置有多个阻挡x射线的第一球形标记；第二板，安装在x射线源与探测器之间的x射线路径上，且包括第二透射表面和第二光学标记，该第二透射表面设置有多个阻挡x射线的第二球形标记；参考光学标记，被配置为提供3d参考坐标系；光学跟踪装置，被配置为识别第一光学标记和第二光学标记以及参考光学标记的位置；以及匹配器，被配置为基于探测器在第一位置处和第二位置处分别获得的关于对象的第一捕获图像和第二捕获图像、第一捕获图像和第二捕获图像上的第一球形标记和第二球形标记的位置、以及由光学跟踪装置获得的位置信息，计算3d参考坐标系上的坐标与第一捕获图像和第二捕获图像上的位置之间的匹配关系。
11.这里，匹配器可以被配置为基于第一捕获图像和第二捕获图像上的第一球形标记的位置、与使用第一光学标记计算的第一板上的第一球形标记的位置之间的匹配关系，通过沿着x射线路径分别将第一捕获图像和第二捕获图像投影到第一板来获得第一投影图像和第二投影图像；并且可以被配置为基于第一投影图像和第二投影图像上的第二球形标记的位置、与使用第二光学标记计算的第二板上的第二球形标记的位置之间的匹配关系，获得分别对应于第一捕获图像和第二捕获图像的x射线源的第一源位置和第二源位置。此外，匹配器还可以被配置为计算3d成像空间，在该3d成像空间中，根据第一源位置与第一投影图像之间的位置关系、在第一源位置处发射的第一x射线的投影路径与根据第二源位置与第二投影图像之间的位置关系、在第二源位置处发射的第二x射线的投影路径重叠。
12.医学成像系统还可以包括：显示器，被配置为显示第一捕获图像和第二捕获图像；以及用户界面，被配置为从手术操作者接收关于第一捕获图像和第二捕获图像上的特定位置的信息，其中，该匹配器可以被配置为计算参考坐标系中的空间坐标，该空间坐标对应于手术操作者输入的位置信息。
13.医学成像系统还可以包括医疗器具，该医疗器具包括第三光学标记，其中匹配器可以被配置为获得由光学跟踪装置使用第三光学标记获得的医疗器具的位置坐标，并基于变换关系计算关于医疗器具在第一捕获图像和第二捕获图像上的位置信息。
14.此外，第一板可以包括被紧固到c臂的紧固构件，使得第一透射表面可以位于探测器的前方，并且，第二板可以安装在第一板与x射线探测器之间。
15.根据本公开的另一个方面，提供了一种匹配c臂2d图像与3d空间的方法，包括：通过c臂探测器在第一位置获得第一捕获图像；通过沿着对应于第一位置的第一x射线路径将第一捕获图像投影回到第一板来获得第一投影图像，其中，该第一板设置在第一x射线路径上并包括第一光学标记，该第一光学标记的位置在医疗空间坐标系(以下称为“参考坐标系”)中是可识别的；基于设置在第一x射线路径上的第二板的球形标记的参考坐标系上的位置与第一投影图像上的第二板的球形标记的位置之间的匹配关系，计算对应于第一位置的c臂源位置，即，第一源位置；通过c臂探测器在第二位置获得第二捕获图像；通过沿着对应于第二位置的第二x射线路径将第二捕获图像投影回到设置在第二x射线路径上的第一板来获得第二投影图像；基于设置在第二x射线路径上的第二板的球形标记的参考坐标系上的位置与第一投影图像上的第二板的球形标记的位置之间的匹配关系，计算对应于第二位置的c臂源位置，即，第二源位置；以及，计算连接第一源位置与第一投影图像上的第一像素的第一线与连接第二源位置与第二投影图像上的第二像素的第二线之间的交点的坐标。
16.此外，根据本公开的又一方面，提供了一种匹配c臂2d图像与3d空间的方法，包括：
通过c臂探测器在第一位置获得第一捕获图像；通过沿着对应于第一位置的第一x射线路径将第一捕获图像投影回到第一板来获得第一投影图像，其中，该第一板设置在第一x射线路径上并包括第一光学标记，该第一光学标记的位置在参考坐标系中是可识别的；基于设置在第一x射线路径上的第二板的球形标记的参考坐标系上的位置与第一投影图像上的第二板的球形标记的位置之间的匹配关系，计算对应于第一位置的c臂源位置，即，第一源位置；通过c臂探测器在第二位置获得第二捕获图像；通过沿着对应于第二位置的第二x射线路径将第二捕获图像投影回到设置在第二x射线路径上的第一板来获得第二投影图像；基于设置在第二x射线路径上的第二板的球形标记的参考坐标系上的位置与第一投影图像上的第二板的球形标记的位置之间的匹配关系，计算对应于第二位置的c臂源位置，即，第二源位置；以及，计算沿第一x射线路径将特定空间坐标投影到第一投影图像上的第一像素，并计算沿第二x射线路径将特定空间坐标投影到第二投影图像上的第二像素。
17.这里，获得第一捕获图像在第一板上的第一投影图像可以包括通过基于第一捕获图像上对应于第一板的球形标记的位置和参考坐标系上的位置，扭曲第一捕获图像来计算第一投影图像。此外，获得第二捕获图像在第一板上的第二投影图像可以包括通过基于第二捕获图像上对应于第一板的球形标记的位置和参考坐标系上的位置，扭曲第二捕获图像来计算第二投影图像。
18.有益效果
19.根据本公开，可以从最小数量的c臂图像(换句话说，在任意两个位置处获得的c臂图像)之间的相关性推导出图像像素与空间坐标之间的匹配关系，从而使用最少数量的、不考虑位置的c臂图像实现基于空间坐标的外科手术规划和导航功能，而不形成3d体素。
附图说明
20.图1为常规c臂装置的结构示意图；
21.图2是根据本公开实施例的基于c臂的医学成像系统的示意图；
22.图3是根据本公开实施例的2d图像像素与3d空间坐标之间的匹配方法的流程图；以及
23.图4至图8是用于描述根据本公开实施例的匹配过程的示意图。
具体实施方式
24.在下文中，将参考附图描述本公开的实施例。
25.图2是根据本公开实施例的基于c臂的医学成像系统的示意图。
26.参考图2，根据本公开实施例的基于c臂的医学成像系统包括c臂10、第一板20、第二板30、参考光学标记40、光学跟踪装置50、显示器60、用户界面70和匹配器80。
27.c臂10设置有x射线源14和探测器16，它们安装在框架12的相对端并且彼此面对，并且，c臂10包括用于旋转或平移移动框架12的致动器18。
28.第一板20包括第一透射表面21和第一光学标记22，在该第一投射表面21上形成有绘制第一图案的多个第一球形标记。在此，第一透射表面21安装成与c臂10的x射线源14与探测器16之间的x射线路径相交，第一球形标记由x射线阻挡材料制成。提供第一光学标记22以定义第一板20的坐标系，并且该第一光学标记22也被外部光学跟踪装置检测。
29.第一板20可以固定地安装在c臂10中，使得当c臂源14和探测器16处于第一位置来捕获图像时第一板20可以位于第一x射线路径上，但是当源14和探测器16的位置改变到第二位置来捕获图像时第一板20位于第二x射线路径上。例如，第一板20可以包括紧固构件(未示出)，以被紧固到探测器16的前表面。
30.第二板30包括第二透射表面31和第二光学标记32，在该第二投射表面31上形成有绘制第二图案的多个第二球形标记。第二透射表面31安装成与c臂10的x射线源14与探测器16之间的x射线路径相交，并且第二球形标记由x射线阻挡材料制成。提供第二光学标记32以定义第二板30的坐标系，并且该第二光学标记32也被外部光学跟踪装置检测。
31.第二板30可以像第一板20那样固定地或半固定地安装，以与对应于第一位置的第一x射线路径和对应于第二位置的第二x射线路径相交。
32.参考光学标记40用于提供定义c臂10在其中操作的医疗空间的坐标系的参考，并由外部光学跟踪装置检测。
33.光学跟踪装置50可以由光学跟踪系统(ots)来实现，以识别光学标记，例如第一光学标记22和第二光学标记32，以及参考光学标记40。商用医疗ots提供了光学标记与坐标系之间的转换功能，以及到光学标记的距离，基本方位和高度，因此可以采用商用医疗ots作为光学跟踪装置50。
34.显示器60用于向手术操作者显示由探测器16捕获的x射线图像，并且，用户界面70用于接收手术操作者通过例如触摸屏、鼠标等输入的位置信息。输入的位置信息可以显示在显示器60上，同时与显示的x射线图像重叠。
35.匹配器80基于由光学跟踪装置50获得的第一光学标记22和第二光学标记32的坐标系、参考光学标记40的参考坐标系、以及由探测器16捕获的图像，计算图像像素与3d空间坐标之间的匹配关系。匹配器80可以由处理器、存储器和用于基于坐标系执行图像处理过程的软件来实现。
36.图3是根据本公开实施例的2d图像像素与3d空间坐标之间的匹配方法的流程图，以及图4至图8是用于逐步描述根据本公开实施例的匹配方法的示意图。
37.参考图3至图8，将详细描述图2中公开的医学成像系统和匹配器80的操作。
38.首先，在c臂源14和探测器16处于第一位置的状态下，源14向患者的病灶发射x射线并且探测器16获得第一捕获图像(s1)。这里，第一位置是指可由手术操作者选择的任何位置。因为在手术过程中需要前后(ap)图像和横向(ll)图像，本实施例中选择可获得ap图像的位置。然而，本实施例中不需要精确的ap图像。因此，第一位置可以是可获得与ap图像近似的相似图像的位置，在该位置捕获的图像将统称为ap图像。基于第一位置，从给定作为点源的x射线源14发出的x射线沿着第一x射线路径穿过对象，并随后被输入至探测器16，该探测器16获得第一捕获图像，即，ap图像。手术操作者不必捕获多个图像来获得准确的ap位置，因此使用的便利性得到显着提高。
39.匹配器80通过将第一捕获图像沿x射线路径投影回到第一板20来获得第一投影图像(s2)。在此，位于第一捕获图像上的第一球形标记和位于第一板20上的第一球形标记被匹配到“参考点”，从而获得第一投影图像。
40.由于从给定作为点源的x射线源14发出的第一x射线的路径以圆锥的形式展开，可以对第一捕获图像应用公知的图像扭曲算法，以基于非线性变换获得第一投影图像。此处，
第一球形标记在与第一投影图像相同平面的第一板20上的位置和在第一捕获图像上形成的第一球形标记的位置被匹配到参考点，对第一捕获图像上的其他像素进行线性或非线性插值，从而获得第一投影图像。
41.例如，如图4中公开的，参考第一板20的第一球形标记，使用“刚体标记点(landmark)变换”获得变换矩阵(参见berthold k.p.horn撰写的“closed
‑
form solution of absolute orientation using unit quaternions”，收录于journal of the optical society of america a.4:629～642)，并且，基于使用“薄板样条变换”的样条曲线来执行数据插值和平滑(参见j.duchon撰写的“splines minimizing rotation invariant semi
‑
norms in sobolev spaces
”‑
constructive theory of functions of several variables,oberwolfach 1976)，从而将第一捕获图像(即ap图像)转换为第一投影图像。
42.通过该变换矩阵(其定义了第一捕获图像与第一投影图像之间的变换关系)，第一捕获图像的特定像素可以被转换为第一投影图像的像素，并且第一投影图像的该像素可以借助第一板20的第一光学标记22被转换为医疗空间参考坐标系上的坐标。
43.接下来，匹配器80基于位于第一投影图像上的第二球形标记与第二板30上的第二球形标记之间的关系，获得c臂源14相对于第一捕获图像的位置(以下称为“第一源位置”)(s3)。此处，代替其位置信息未知的第一捕获图像，使用其3d位置坐标通过第一光学标记22可知的第一投影图像作为参考。
44.参考图5，将第一捕获图像上的第二球形标记扭曲到第一投影图像上，然后将第一投影图像上的第二球形标记的位置与第二板30上的第二球形标记的位置连接起来，从而在延长线相交的点处获得第一源位置sap。由于第一投影图像的位置信息和第二板30的位置信息由光学跟踪装置50获得，因此可以计算出第一源位置sap。
45.接下来，在c臂源14和探测器16处于第二位置的状态下，源14向患者的病灶发射x射线并且探测器16获得第二捕获图像(s4)。这里，第二位置是指可由手术操作者选择的任何位置，但在该实施例中被选择作为用于获取ll图像的位置。然而，本实施例中不需要精确的ll图像。因此，第二位置可以是可获得近似ll图像的图像的位置，并且在第二位置处捕获的图像将统称为ll图像。
46.匹配器80通过将第二捕获图像沿第二x射线路径投影回到第一板20来获得第二投影图像(s5)。如同操作s2中一样的方法，位于第二捕获图像上的多个第一球形标记和位于第一板20上的第一球形标记被匹配到“参考点”，从而获得第二投影图像，其中可以使用公知的图像扭曲算法。
47.匹配器80基于位于第二投影图像上的第二球形标记与第二板30上的第二球形标记之间的关系，获得c臂源14对应于第二位置的位置(以下称为“第二源位置”)(s6)。
48.图6示出了从第一源位置sap锥形延伸到第一板20的第一x射线与从第二源位置sll锥形延伸到第一板20的第二x射线重叠的空间。该重叠空间(以下称为“成像空间”)是指第一投影图像和第二投影图像上的兴趣像素所在的空间或对象所在的3d成像空间的概念。
49.接下来，匹配器80将成像空间中的坐标与捕获图像上的像素进行匹配(s7)。
50.如图7中公开的，成像空间中的特定坐标p与通过第一x射线投影到第一投影图像而获得的第一像素p
apvd
和通过第二x射线投影到第二投影图像而获得的第二像素p
llvd
匹配，并且第一投影图像和第二投影图像上的第一像素和第二像素(p
apvd
,p
llvd
)通过逆扭曲矩阵
t
apwarp
‑1与第一捕获图像和第二捕获图像上的像素p
apimg
和p
llimg
匹配，并显示在显示器60上。
51.这里，成像空间中的特定像素可以例如指示手术工具尖端处的位置。光学跟踪装置50可以通过识别手术工具的第三光学标记来获得坐标，即关于尖端的位置信息，并且匹配器80可以基于尖端的坐标计算第一捕获图像和第二捕获图像上的尖端位置，以在显示器60上显示尖端位置。因此，手术操作者可以使用跟踪功能和导航功能，在两个给定的2d图像上实时显示手术工具的位置。
52.图8示出了第一捕获图像上的第一兴趣像素p
apimg
和第二捕获图像上对应的第二兴趣像素p
llimg
被扭曲到第一投影图像和第二投影图像上，并因为在成像空间中反向投影形成交点p，与成像空间中的特定坐标p相匹配。
53.具体地，与成像空间相交的第一线p
in2
‑
pin1
是基于从与第一捕获图像上的第一兴趣像素p
apimg
相对应的第一投影图像上的第一像素p
apvd
沿第一x射线路径朝向源14的反向投影而形成的。来自成像空间的第一线p
in2
‑
pin1
与第二投影图像上的线p
in4
‑
pin3
匹配，并通过逆扭曲t
llwarp
‑1再次与第二捕获图像上的线p
llimg1
‑
p
llimg2
匹配，以使手术操作者可以在选择的第二捕获图像上的匹配线p
llimg1
‑
p
llimg2
上的像素中选择第二兴趣像素p
llimg3
。第二兴趣像素p
llimg3
被扭曲到第二投影图像上，并与特定像素p
llvd
匹配，因此，被计算作为与对应于图像空间中第二兴趣像素p
llimg3
与第一兴趣像素p
apimg
之间的交点p的特定坐标相匹配的坐标。
54.第一兴趣像素p
apimg
和第二兴趣像素p
llimg3
可以被手术操作者选择作为检查为对象的相同特征点的点。因此，将理解的是，手术操作者可以通过用户界面70在第一捕获图像和第二捕获图像上选择期望点作为第一兴趣像素p
apimg
和第二兴趣像素p
llimg3
，并且选出的点可以被转换成空间坐标，并作为手术规划信息提供给医疗机器人等。
55.虽然已经描述了本公开的几个实施例，但是本公开所属领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本公开的技术范围的情况下，可以对本公开的实施例进行改变或替换。
56.例如，第一板20和第二板30固定安装的位置可以在与x射线路径相交的范围内变化，并且可以在实现相同功能和目的的范围内选择第一板20和第二板30上的标记的形状和图案。
57.此外，图3所示的流程图的匹配步骤的优先级可以改变，除了建立它们之间的逻辑顺序的情况外。在上述实施例中采用了两个图像，但是在匹配中可以使用更多的图像。
58.因此，应当理解，本公开的前述实施例仅用于说明目的，本公开的范围在所附权利要求及其等同物所限定的技术构思之内。