具有图像调节装置的医用观察系统的制作方法

专利名称：具有图像调节装置的医用观察系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及为便于比较医学图像而具有图像调节装置的医用观察系统，并涉及医用检查设备和计算机程序产品。
背景技术：
随着医学成像系统，例如x光成像设备，计算机体层摄影(CT)扫描仪等的广泛采用，一直需要有一种改进的医用观察系统，使图像数据能以对医生有用的形式直观显示。大部分医用观察设备都将能处理图像数据并实时显示被成像部位(例如身体的一部分或器官等)的某种基于计算机的数据处理设备与成像装置相关联。一般来说，这种设备最好是互动的，使医生能够影响所获得的图像和/或呈现的图像数据。也常使用距成像系统较远的工作站来进行所获得的图像数据的后处理。
在Sarojak等的文章”An interactive system for kinematicanalysis of artificial joints implants”(对人造关节植入体作运动学分析的互动系统)，Proc.of the 36thRocky MountainBioengineering Symposium，1999中说明了一种便于分析人造关节运动的医用观察系统。所述系统的目的在于能够产生不同位置的总关节成形术(TJA)植入体的图像，以便能研究关节运动时涉及到的运动的性质。为了便于分析关节运动，所述系统处理关节每个位置的图像数据，以便量化植入体在所述图像中的”姿势”。”姿势”是利用植入体的计算机辅助设计模型来测量的。
常常需要能够比较在不同时期获得的同一所关心特征的医用图像，通常是为了检查是否有医学意义的改变。例如，在矫形外科领域，在植入一个假体，例如替代的髋关节时，假体会引起周围结构的改变。而且，时间长了假体的位置可能改变且假体会磨损。为了监控这些进展，最好能在植入假体的手术之后立即产生假体及其周围组织的图像，然后在一定的时间间隔，例如一周后，然后一月后，直到几年之后产生跟踪图像。比较在不同时间拍摄的图像，医生就可以评价假体是否影响其周围组织，以及假体是否移动和/或磨损。
利用目前的医用观察系统，要比较在不同时间所拍摄的同一所关心特征的医用图像不是一件简单的事。所关心特征相对于医用检查设备的位置在各图像间不一定恒定不变，导致图像中特征的几何条件的不同。此外，比较的图像可能是用不同的成像装置所拍摄，和/或成像装置的设定值在各图像间可能不同，导致图像中像素的相对强度不同。如上所述，这些成像条件的不同会影响需比较的图像。这样，在观察比较图像时，医生很难区别是所关心特征或其周围的真正变化，还仅是因成像条件的不同引起的图像中的视在变化。
还有，应理解，本文中，短语”所关心特征”概括地指身体(人体或动物)中的任何特征或区域，如骨头、血管、器官、体液或任何其它东西，并包括植入身体或附着于身体的人造部件。
发明概述本发明的目的是提供一种具有便于比较医学图像的装置的医用观察系统，特别是比较在不同时间产生的同一所关心特征的医学图像。
更具体地说，本发明的目的是提供一种能减少在同一所关心特征的各图像中因成像条件不同而引起的差异的医用观察系统。
如果在比较的图像中所关心特征的姿势或几何条件都是相同的，则比较所述所关心特征的各个医学图像就会比较方便。按照本发明，对在第一和第二图像中捕获的所关心特征的姿势进行比较，并转换所述图像之一，使所述图像中所关心特征采取基本上与另一图像中的相同的姿势。
此外，可对图像的强度特性进行研究并进行转换，使得所述第一和第二图像的强度分布彼此更为接近。
最好本发明的观察系统与能避免第一和第二图像间所关心特征姿势的重大差异的一种方法相关联。所述方法包括产生控制数据和指令，所述控制数据和指令表示如何设置所述医用检查设备的与所述观察系统相关联的设定值，以便获得具有处于所需姿势的所关心特征的图像。
用于布置医用检查设备的控制数据可以用许多方式产生。例如，可以分析第一图像中所关心特征的姿势(例如参考一个模型)并产生控制数据，所述控制数据用于这样布置医用检查设备，以便能够产生具有处于与第一图像中的相同的姿势的所关心特征的第二图像。或者，可以产生试验第二图像，把所述试验第二图像中所关心特征的姿势与第一图像中的姿势进行比较。代表成像装置设定值的输出数据是从第一图像和试验第二图像之间姿势的差异导出的。一旦按照输出数据布置所述成像装置，就会产生”好”的第二图像，其所关心特征的姿势应更接近于第一图像中的姿势。
任何其余的差异都可由实施本发明的图像归一化而减小。
控制数据可以构成操作人员如何布置成像装置和/或患者位置，以便获得具有所需姿势的所关心特征的图像的指令。或者，控制数据可以自动控制成像装置的一个或多个参数。此外，输出的控制数据可以表示成像装置的一个或多个参数的所需数值，和/或表示成像装置的这些参数的待进行的改变，以便获得具有处于所需姿势的所关心特征的图像。控制数据还可以指示操作人员如何调节成像装置的与图像的强度分布有关的参数。
附图简要说明参阅以下示意图对本发明作详细说明，附图中


图1A是图解说明按照本发明第一实施例的与观察系统相关联的医用检查设备的主要部分，而图1B图解说明成像设备相对于患者的六个自由度；图2是表示由图1系统中的图像数据处理装置执行的主要步骤的流程图；图3示出髋关节假体实例，其中，图3A示出例如在图1的系统中产生的髋关节假体实例的x射线图像，而图3B示出图3A的图像中髋关节假体的辨别部分的外形；图4是同一髋关节假体实例的另一图像，其中，图4A示出髋关节假体的另一x射线图像，而图4B示出图4A的图像中髋关节假体的辨别部分的外形；以及图5示出用于产生用来控制图1系统中的医用检查设备的设定值的控制数据的优选过程的主要步骤。
实施例说明以下将结合实施例对本发明作详细说明，在实施例中，使用x射线检查设备产生髋关节假体的图像。但应理解，本发明可以更广泛地应用在使用其它类型成像技术的医用观察系统上，且对于可以作为成像对象的所关心的人体或动物特征基本上没有限制。
图1A是显示按照本发明第一实施例的医用检查设备的主要部分的示意图。所述实施例的医用检查设备包括患者躺在上面的检查床1；x射线发生器2，它与x射线成像装置3相关联，产生患者的所关心特征的图像；以及观察系统4，用于处理x射线医用检查设备所产生的图像数据。所述观察系统具有一种装置，所述能够产生所关心特征的不同图像，以便可以对不同图像中所关心特征的姿势进行比较。通常，不同的图像是在不同的时间产生的，医生希望比较这些图像以识别在拍摄所述不同图像的时间间隔期间患者身体中发生的变化。
患者除了在检查床上也可以在支架上被送到x射线医用检查设备，也可以站在x射线医用检查设备前，以便将他身体的全部或部分以相对成像装置3的已知位置或已知方式出现在设备前。同理。也可使用已知的x射线成像装置。观察系统4包括数据处理装置5，显示屏6和输入数据和/或指令的输入装置，通常是键盘和/或鼠标7。成像系统4也可包括或连接到本领域通常已知的其它传统部件或外设上。例如，成像系统可用总线连接到本地或远处的工作站、打印机，档案存储器等。
图2是一个流程图，有助于理解图1的医用观察系统的数据处理装置5所执行的功能。最好，在将以下图像数据处理步骤用到x射线成像装置3所产生的图像之前，先对图像作标准x射线校准和校正过程。这些过程包括例如对枕形和地磁场失真，以及对图像增强器的渐晕效应进行校正。
如图2所示，观察系统具有进行以下步骤S1到S6的装置。在步骤S1，获取指定患者的所关心特征的两个图像，以I1和I2表示。通常，这些图像是利用x射线医用检查设备在不同时间获取的，x射线医用检查设备可对患者身体的适当区域(例如在产生髋关节假体图像时就对髋关节区域)产生图像。代表图像的图像数据或是从x射线成像装置输出时就已是数字形式，或由已知装置转换成数字形式。在本实施例中，假定患者躺在上面的台面1已经组合有提供数字x射线图像数据的平板检测器。图像I1和I2实际上是患者身体被成像区域的二维(2D)显示。图3A示出代表所获得的髋关节假体的典型x射线图像实例的示意图，图4A示出代表在不同时间所拍摄的同一髋关节假体的图像的另一示意图。
为使医生能够识别在所关心特征的两个图像之间有医学意义的显著差别，必需消除因成像条件不同而引起的”人为”差别。主要的人为差别是因两个图像的姿势引起的。所以，要估算姿势的差别。
首先，在步骤S2，处理数字图像数据，以识别每个图像中所关心特征的外形。这种处理可以使用众所周知的分段技术，如”Handbookof Medical Imaging Processing and Analysis”一书(主编IssacBankman，Academic Press出版)中第五章所述。事实上，对于髋关节假体，只需要外形中的一部分，称为判别部分，且这部分总是可见的。所以，对应这种情况，在步骤S2，识别判别部分的外形。图3B和图4B分别示出在图3A和图4A中出现的髋关节假体的判别部分DP1和DP2的外形。
其次，在步骤S3，使用已知的轮廓匹配技术，得到两个外形间的点对点对应。通常，对代表一个图像(以下称为”源图像”)中外形即判别部分例如DP1的数据进行横向分布测定，且对于沿外形的不同位置(运行长度)记录下在所述点的外形正切角的改变。绘制所述数据，得到一条具有特性形状的曲线。对代表另一个图像(以下称为”目标图像”)中外形的数据，即对应的判别部分例如DP2，进行同样的处理，得到相应的数据图。
然后，在步骤S4，进行仿射变换，所述仿射变换具有六个自由度，包括一个用于平面内旋转，一个用于比例改变，两个用于平移以部分补偿图1A和图1B所示的3D自由度；当外形出现在源图像时需要这种仿射变换来将其转换到目标图像中的取向(所述目标图像是根据所需的改变计算的)，以便将为源图像绘制的特性”正切变化”曲线与为目标图像绘制的特性”正切变化”曲线对准。然后在步骤S5，将所述仿射变换应用于源图像上，以便产生已变换的源图像，所述源图像中的所关心特征的姿势应与目标图像中的姿势相匹配。这种变换可以称为比较图像的”几何条件归一化”。它提供了图像调节。
最后，在步骤S6，显示目标图像和源图像，通常是并置显示(并排，上下，从一个中减去另一个等)，使医生能评价它们之间有医学意义的区别。或者，显示的图像是目标图像和源图像之间的区别。于是可以测定图像之间的微小差异的位置(有时可达亚像素精度)。
已变换的源图像的图像强度应接近于目标图像中对应的强度。但在某些情况下可能有显著的区别，例如因为使用不同的x射线成像装置来产生这两个图像。此时在显示图像之前最好进行强度归一化过程。
强度归一化技术最好包括使用最适合的过程来减小在目标图像和已变换的源图像中对应点上强度之间的差异。最适合的过程应使用在假体周围的，不能独立于假体而自行移动的区域内。所述区域的大小和定位取决于被检查的具体假体，医生从解剖学观点很容易确定。举例来说，对于髋关节假体，有关区域包括靠近假体的部分股骨及其周围患者组织的一部分。可以对图像数据处理装置5编程，使其自动识别需处理的区域，或者操作人员可以使用键盘或其它输入装置7(互动系统)将所述区域通知系统。例如，操作人员可以使用一种指示装置结合已显示的图像(目标图像或源图像)来限定需处理的区域边界。
一旦识别了需处理的区域，就寻找一种数学定律(例如多项式)将一个图像(例如已变换的源图像)中的每个像素强度转换成数值，使之尽可能接近所选区域内另一图像(例如目标图像)的对应强度。这可以使用已知的健全(robust)最小二乘方拟合技术来完成。例如，以x、y坐标系将一个图像(例如已变换的源图像)中像素的强度值相对于另一图像(目标图像)中相应像素的强度值作图。然后使用曲线拟合技术寻找通过各点的曲线。通常需要一条s-形的曲线。
然后将已确定的多项式函数应用到一个图像上(例如已变换的源图像)，变换的强度应与另一图像(例如目标图像)中的强度十分一致，但可能一些外围像素除外。
在许多情况下，上述图像归一化过程(几何条件和强度归一化)足以消除或显著减小所关心特征的图像之间的”人为”差异。但在一些情况下所关心特征的姿势差异在第一和第二图像之间如此巨大，单用图像处理已不能使其减小到令人满意的程度。此时，最好采取措施确保产生其中所述姿势相当接近于所需姿势(例如已在所述特征的另一图像中观察到了此姿势)的图像。做到这一点的优选技术是产生控制数据，所述控制数据表示应如何布置成像装置以便产生具有处于所需姿势的所关心特征的图像。所述控制数据可以构成对成像装置操作人员的指令(并可显示，打印等)，或直接用来控制成像装置，不需人为干预。
在利用所述技术来避免所关心特征姿势的重大差异时，各种途径都可使用。例如，可以参考一个基准，例如髋关节假体的计算机辅助设计模型，选择一个”理想”的姿势(例如能向医生提供最大量信息的”理想”姿势)，然后采取措施确保所有比较图像都具有所选姿势的所关心特征。或者，作为另一个实例，可以先产生比较的第一图像，估算第一图像中所关心特征的姿势，然后采取措施确保所有其它比较图像都具有第一图像的同样姿势。
不论采取那种途径，可能的过程都相同，其主要步骤示于图5。首先，在步骤T1，获取试验图像。通常这是利用图1所示系统的x射线成像装置2、3所获得的”试验拍照”。其次，利用已知的分段技术提取所关心特征的外形(或其判别部分)。然后，在步骤T3，比较在步骤T0获取的特征的参考显示，估算所关心特征的姿势。如果是假体，参考显示可以是由假体制造商提供的CAD数据。优选的姿势估算技术如上述Sarojak等人的文章中所述。所述技术涉及从所关心特征的3D参考显示产生2D投影，并找出所关心特征姿势与试验图像中的姿势最匹配的2D投影。
在步骤T5，根据所需的姿势数据对估算的姿势数据进行变换，以产生表示应如何控制或改变x射线成像装置的设定的控制数据，以便在步骤T6获得具有处于所需姿势的所关心特征的图像。如上所述，所需姿势数据可以是从同一所关心特征的较早的图像中导出的，或是从理论考虑导出的姿势。在T7，显示校正后的图像。
在本发明的一个实施例实例中，图1的医用观察系统将本发明的图像归一化方面与上述控制数据产生技术结合在一起。所述组合系统的这两方面可以以不同形式互动。
例如，在此系统中，当产生了跟踪图像并需将其与同一所关心特征的另一图像(例如在较早时间获得的图像，称其为比较图像)进行比较时，可以先试图利用上述几何条件归一化和/或强度归一化技术来归一化跟踪图像和比较图像的图像数据。如果所得的图像非常类似，则处理到此结束。但是，如果在图像之间仍有显著差异，这通常由于成像的几何条件不同而造成，则图像数据处理装置5进行上述控制数据产生过程。因此，图像数据处理装置5相对比较图像中的姿势来估算跟踪图像中所关心特征的姿势，并输出控制数据，所述控制数据表示应如何布置成像装置以辨产生改进的跟踪图像。
在所述组合系统中，在产生任何跟踪图像之前，可以代之以或者附加地使用控制数据产生技术来产生控制数据，所述控制数据表示应如何布置成像装置以辨获得其中所关心特征处于所需姿势的跟踪图像。随后，一旦利用按照控制数据设定的装置获得了一个或多个图像，这些图像的几何条件和/或强度特性就可参照比较图像进行归一化(比较图像本身可以利用按照预定的控制数据设定的成像装置产生)。
以上附图和说明是对本发明的说明而非限制。显然有许多不同的方案可属于所附权利要求书的范围之内。就此，作以下总结性评述。
如上所述，成像装置不限于x射线设备，成像特征可以实质上是任何所关心特征，包括人造部件如假体/植入体。而且，虽然已经就便于比较两个图像的图像归一化来说明本发明，但应理解，本发明的技术也可用来使一系列三个或更多图像归一化以作比较。而且，虽然通常需要显示归一化的图像数据，但其它形式的输出也是可能的，例如打印归一化的图像和/或代表它们之间差别的图像，将图像数据输出到存储装置等。
此外，上述实施例一般涉及有关源图像的图像数据变换，以使其几何条件和强度特性更符合目标图像。但应理解，哪个图像被变换并不是很重要的。所以，源图像的有关图像数据可以就其几何条件加以变换，但也可以变换目标图像的有关图像数据以归一化两个图像的强度特性。同理，一般来说，已变换的图像数据所涉及的图像其生成时间比需比较的图像更早或更迟都没有关系。甚至也可以将两个图像都作少量的变换以归一化这些比较图像的几何条件，而不是较大程度地变换一个图像。对于强度归一化也是如此。
而且，在本发明的某些实施例中，图像中所关心特征的姿势是用图形匹配技术结合从3D参考图像的2D投影来估算的，但也可以使用其它的姿势估算技术上述说明假定至少一个比较图像(其数据由图像数据处理装置5来处理)是由构成本发明整体医用观察系统一部分的x射线成像装置2，3产生的。但是，从理论上说，有关外部设备产生的图像的图像数据可以输入到图像处理装置5中并由其处理。本发明涉及不包括成像装置的工作站。
不应当把权利要求书中的任何参考符号当作是对所述权利要求的限制。
权利要求
1.一种医用观察系统，它包括成像装置(2，3)和图像数据处理装置(5)，其中所述图像处理装置(5)包括姿势估算装置，它适合于处理所关心特征的第一和第二图像的有关数据，以便估算与所述第一图像中的姿势相比较的所述第二图像这的相对姿势，以及图像变换装置，它适合于变换所述第一和/或第二图像的有关图像数据，从而对准所述两个图像中所关心特征的姿势。
2.如权利要求1所述的医用观察系统，其特征在于所述图像变换装置具有计算装置，用以计算对准所述两个图像中所关心特征的姿势所需的仿射变换。
3.如权利要求1或2所述的医用观察系统，其特征在于所述图像变换装置还具有计算装置，用以比较所述第一和第二图像中的像素强度，从而确定并应用使所述第一和第二图像的强度特性归一化所必需的变换。
4.如权利要求1、2或3中任一项所述的医用观察系统，其特征在于包括用于将所述成像装置(2，3)产生的图像数据输入到所述姿势估算装置中的装置。
5.如上述任一项权利要求所述的医用观察系统，其特征在于所述图像数据处理装置(5)包括产生控制数据的装置，所述控制数据表示如何布置所述成像装置(2，3)以便产生具有处于所需姿势的所关心特征的图像。
6.一种医用检查设备，它包括如权利要求1至5中任一项的成像装置(2，3)和观察系统(4)，所述医用检查设备包括图像数据处理装置(5)和成像装置(6)，其中所述图像处理装置(5)包括姿势估算装置，用于处理所关心特征的第一和第二图像的有关数据，以便估算与所述第一图像中所关心特征的姿势相比较的所述第二图像中的所述所关心特征的相对姿势，以及图像变换装置，用于变换所述第一和/或第二图像的有关图像数据，从而对准所述两个图像中所述所关心特征的姿势，并且其中所述成像装置(6)显示所述处理后的图像。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于所述图像变换装置具有计算装置，用以计算对准所述两个图像中所关心特征的姿势所需的仿射变换。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述图像变换装置还具有计算装置，用以比较所述第一和第二图像中的像素强度，从而确定并且应用使所述第一和第二图像的强度特性归一化所必需的变换。
9.如权利要求6至8中任一项所述的设备，其特征在于包括将所述成像装置(2，3)产生的图像数据输入到所述姿势估算装置中的装置。
10.如权利要求6至9中任一项所述的设备，其特征在于使用时所述姿势估算装置处理所述成像装置(2，3)在不同时间分别产生的第一和第二图像的有关数据，以便与在所述第一图像中的所述姿势相比较，估算在所述第二图像中已成像的所关心特征的相对姿势，以及所述姿势校正装置处理由所述姿势估算装置产生的代表所述所关心特征相对姿势的数据以便产生成像装置控制数据，所述成像装置控制数据表示所述成像装置(2，3)的产生具有处于与所述第一图像中的相同姿势的所述所关心特征的另一图像所需的设定值。
11.一种具有指令组的计算机程序产品，当所述计算机程序产品在通用计算机上使用时，使所述计算机完成以下步骤处理所关心特征的第一和第二图像的有关数据，以便估算与所述第一图像中的所述姿势相比较的所述第二图像中已成像的所关心特征的相对姿势，以及变换所述第一和/或第二图像的有关图像数据，从而对准所述两个图像中所关心特征的姿势。
12.如权利要求11所述的计算机程序产品，其特征在于所述图像变换步骤包括计算对准所述两个图像中所述所关心特征的姿势所需的仿射变换的计算步骤。
13.如权利要求11或12所述的计算机程序产品，其特征在于所述图像变换步骤还包括比较所述第一和第二图像中的像素强度，确定并且应用使所述第一和第二图像的强度特性归一化所必需的变换的步骤。
14.如权利要求11、12或13中任何一个所述的计算机程序产品，其特征在于具有指令组，当所述指令组用于通用计算机上时，使所述计算机完成以下步骤产生控制数据，所述控制数据表示如何布置成像装置(2，3)以产生具有处于所需姿势的所关心特征的图像。
全文摘要
一种包括成像装置(2，3)和图像数据处理装置(5)的医用观察系统设置成便于产生所关心特征的不同图像，以便可以比较不同图像中所关心特征的姿势。图像数据处理装置(5)根据通常是在不同时间产生的第一图像中所关心特征的姿势来估算第二图像中所关心特征的姿势，并对例如第二图像应用仿射变换，以产生变换的第二图像，其所关心特征具有和第一图像中的基本同样的姿势。也可对图像数据进行处理，使比较图像的强度特性归一化。通过处理图像数据以便产生表示如何布置成像装置来产生具有基本上以所需姿势取向的所关心特征的图像的控制数据，就可以消除姿势上的重大差异。
文档编号G06T1/00GK1610522SQ02826434
公开日2005年4月27日 申请日期2002年12月16日 优先权日2001年12月28日
发明者S·马克拉姆－埃贝德, P·莱隆, B·L·A·韦尔东克, J·－P·F·A·M·埃尔梅斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司