专利名称：从二维x射线图像中确定对象的位置和方向的方法
技术领域：
本发明涉及一种从二维X射线图像中自动确定对象、尤其例如是导管的位置和方向的方法。这种确定可以包括确定该对象在X射线图像中的位置和方向。位置和方向的确定还可以包括接下来在三维空间中定位该对象。
背景技术：
在很多对患者的干预中都将仪器、尤其是导管引入到体内。其中除了介入式放射和电生理过程之外还有神经学介入或腹部区域的介入(对肝脏和。肾脏或胆囊)。按照常规，在这种干预中借助X射线系统、也就是单平面或双平面系统监控被引入的仪器或导管的位置。除了仅在显示屏上显示该仪器之外，还越来越多地需要自动确定该仪器的三维位置和方向。然后例如可以基于事先拍摄的三维图像数据(例如基于CT或三维血管造影)显示该仪器的三维位置和方向。即使对于电生理方法也希望自动定位对象以产生所谓的电生理导引图。
目前为了在电生理过程中对导管进行三维实时定位采用电解剖映射系统(如位于美国加州的Biosense Webster公司的CARTO系统)。其中采用具有六维位置和方向传感器的特殊导管。其缺点在于只能对该特殊的导管进行定位和三维显示。采用这样的导管也带来了很高的费用。
原理上还公知借助图像数据对仪器进行三维定位，其中在一幅或多幅图像中对仪器或仪器的特征位置进行识别。这样，由两幅从不同方向拍摄的X射线图像可以例如通过反投影来确定三维位置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于确定对象的位置和方向的方法，该方法与现有技术相比能以更简单的方式工作，并且特别可靠。
根据本发明的方法包括步骤a)产生第一X射线图像并对该X射线图像进行预处理，以突出该对象在X射线图像中的成像结构，b)基于该对象的技术上公知的特性(例如从结构特征中)产生该对象的三维模板，c)分别为模板在三维空间中的位置和方向各初始化3个参数，d)借助对象的位置和方向的6个参数产生模板的二维投影，e)将该二维投影与预处理后的X射线图像进行比较，并确定相似度，f1)如果该相似度证明中断该方法正确采用当前的6个参数确定对象相对于X射线图像的位置和方向，f2)如果该相似度不够好调整6个参数构成的组，在一个优化循环中重复步骤d)和e)，直到该相似度证明中断该方法正确为止。
因此在本发明中采用一个采集了通常在X射线图像中可见的结构的模板。这样的模板是一个三维数据组，该数据组体现了该对象的形状和结构、尤其是其金属部分。与现有技术中只将每一种以某种方式与同样在X射线图像中成像的骨骼等不同的非常见结构估计为已识别结构的很多方法不同，本发明基于以下预先给定自动的计算机识别在(预处理后的)X射线图像中识别出了什么。通过对X射线图像的预处理简化了这一点，例如可以对该X射线图像进行高通滤波，或甚至完全二值化，也就是说转换为一幅只有黑色和白色的图像，在进行了高通滤波之后可以特别好地在该图像上看到特别清楚的结构。
基于应当在图像上识别出的模板，本发明确定对象的位置和方向，就像在预处理后的X射线图像中所看到的那样。这是迭代进行的。
分别进行匹配，也就是说将模板的二维投影与预处理后的X射线图像进行比较，并确定相似度。对于该相似度现有技术中存在很多相似度度量可供利用(共有信息、相关性等等)。相似度是对一致性好坏的度量。在迭代时分别根据所采用的度量取得最大值或最小值。对这样的迭代可利用常规方法。例如可以在更改参数时首先以更改平移参数开始，然后开始更改旋转参数等。
在一优选实施方式中，本发明的整个方法也可以针对第二X射线图像进行。由此为对象在该第二(预处理后)的X射线图像中的位置和方向确定新的一组6个参数。在确定这6个(新)参数时还可以考虑借助第一X射线图像获得的6个参数。
借助通过校准X射线系统而已知的投影参数，可以将对象从相应的X射线图像中反投影到三维空间。由于描述几乎是原理上会出现的深度的参数的不确定性，通过与模板在三维空间中的匹配还不能精确地定位对象，而是获得了投影线。
这样的投影线一方面又可以投影到第二X射线图像上，从而为了基于第二X射线图像来获得6个参数只需考虑该投影线的周围环境，由此节省了很多时间和计算机的计算开销。
还可以借助第二X射线图像同样计算一条这样的投影线。这样就获得两条在理想情况下会在空间中相交的投影线。在本方法的优选方式中，确定与这些投影线之间距离最小的点。该点用于对三维空间中的对象进行定位。最小距离可以用平方方法以常规方式确定，其中与相应投影线的两个距离的平方和必须最小。
两个投影线相互之间的最小距离用作定位对象的质量的度量。如果该定位是非常好的，则两个投影线相交，也就是最小距离为0。
由此根据优选实施例，将用于确定位置和方向的方法从确定给定对象在X射线图像中的位置和方向的6个参数的方法扩展为在三维空间中定位该对象。
还可以进一步扩展本发明的方法。从而目前的出发点是模板反映的是保持为刚性的对象。对于导管来说管尖后面的部分尤其是也可以弯曲。也可以引入这些部分。因此模板必须分为对象的保持刚性的部分和可以弯曲的部分。对象的整个分布可以通过采用支持点和支持点之间的插值模型化地显示出来。换句话说，可以在所述优化循环中引入其它以某种形式采集对象的弯曲的参数。为简单起见，其中借助6个参数确定对象的保持刚性的部分的位置和方向，通过这些其它参数描述对象的弯曲。
本发明还包括X射线图像拍摄系统。现代X射线图像拍摄系统包括X射线仪和计算机(数据处理单元)。本发明的创新之处在于，在该计算机中存储了涉及因构造而已知的对象(特别是导管)的轮廓的三维数据组。优选这样设计该计算机，使得其执行确定针对对象在预处理后的X射线图像中的位置和方向的参数的步骤、借助六个参数产生模板的二维投影的步骤以及将该二维投影与预处理后的X射线图像的匹配的步骤。
以下参考附图描述本发明的优选实施方式，其中图1示意性示出常见导管的模板，
图2示出本发明方法的步骤，图3示出图1的三维模板到二维平面的投影。
具体实施例方式
为了能自动识别出X射线图像中的导管，告知计算机系统在图像中所期待的结构是何种类型。不是将这种导管的多个投影以X射线图像存储起来，而是存储导管的一幅三维图像。在图1中示出的导管10的三维模板尤其示出了导管在管尖的金属结构。导管基本上由3到4毫米厚的塑料管和设置在前尖端的金属盖组成，该金属盖突出4到8毫米。图1所示的模板尤其是表示该金属尖端。
在介入时，尤其是对心脏进行电生理检查时，将导管引入患者体内。这通常在X射线控制下进行，也就是说连续拍摄其中可以识别出导管的X射线图像。本发明通过计算机系统确定导管在图像中的位置和方向。
为此计算机系统必须给出所产生的二维X射线图像。预处理该X射线图像，而且尤其是进行高通滤波。高通滤波用于特别清楚和特别强烈地突出结构，从而特别清楚地对导管的边缘清楚的部分结构进行成像(图2，步骤12)。在预处理二维X射线图像时，还产生一幅二值图像。二值图像是一幅其中各图像元素只对应于逻辑1或逻辑0的图像，从而可以没有灰度级地以黑色和白色进行显示。图1中示出的模板近似于这种二值图像的应用。
在步骤14中为该三维模板初始化6个旋转和平移参数。
为了解释为什么要计算6个旋转和平移参数，参见图3。图3中通过3个自由度确定模板10的位置，即通过沿着3个相互垂直的轴对应地平移模板10(平移参数T1、T2、T3)。模板10的方向借助围绕3个相互垂直的轴的旋转来描述，也就是通过旋转角R1、R2和R3。
在将模板投影到二维图像26时，除了这6个自由度之外成像系统的5个本征自由度(投影几何)也起着作用。投影矩阵P以下式给出P＝K本征×T非本征。
矩阵K本征描述成像系统的5个本征自由度(主要是成像系统的投影几何)，矩阵T非本征描述涉及位置和方向的6个自由度。将成像系统的5个本征自由度作为已知的前提，它们可以例如通过对X射线C弧的系统校准而获得。因此为了唯一确定投影，需要上述6个参数来定义矩阵T非本征的6个自由度。
在步骤16(图2)中可以基于这些参数产生模板的一幅这种二维投影。在图3中示出的二维图像26表示模板的一个这种二维投影。在步骤18中将二维投影与预处理后的二维X射线图像进行匹配。换句话说，为该二维投影定义相似度。必须弄清楚参数T1、T2、T3、R1、R2和R3是否选择得足够好从而能反映实际的状况。利用相似度在步骤20中作为中断原则确定是否达到所需要的品质。通常在第一次时还不是这样。然后在步骤22中更改6个旋转和平移参数，返回步骤16，再一次执行步骤16、18和20。步骤16至22构成的循环一直重复下去，直到达到所需要的相似度品质为止。通常这样定义这种相似度，当相似度为最大时，6个参数最好地反映实际。
如果最大相似度首先是近似地确定的，也就是说达到了需要的品质(例如也通过超过阈值)，则为了确定导管在X射线图像中的位置和方向而输出这6个旋转和平移参数。这些参数例如可以显示给电生理学家，或者在计算机系统内部进一步使用。通过目前描述的方法，在理想情况下应当获得6个反映导管的真实状态的参数T1、T2、T3、R1、R2和R3。换句话说，图3模型化地示出了拍摄过X射线图像的状况，其中通过该参数描述导管的相应位置和畸变以及平移等。实际的导管由此以相同的平移和旋转位于患者体内。
在改善的实施方式中，要考虑以下事实在沿着投影轴移动模板或实际的导管时在二维图像中只出现很小的大小差距，从而反映该深度的平移参数不够准确。因此由于这6个自由度中只有5个是准确采集的，从二维图像中产生反投影，并获得从检测位置到投影中心的投影线。从另一个拍摄角度产生第二X射线图像，并同样获得这样的一条投影线。在两个X射线图像在三维空间中的投影线特别接近的地方或该投影线可能相交的地方，可以在该三维空间中定位导管。换句话说，相应的X射线图像提供了6个自由度中的5个，两幅X射线图像用于确定第6个自由度。因此在图3中未示出的第二X射线图像特别的具有意义，因为导管位置和导管方向在某些图像中由于骨骼等的成像而不太可靠。换句话说，最大相似度在有些X射线图像中并不总是给出正确的结果。如果存在这样的迹象，可以从针对第一X射线图像的6个旋转和平移参数出发，其中可以将借助这些参数给出的投影线投影到第二X射线图像中。然后在该投影线的周围搜索相似度的次最大值，由此可能再次找到实际的参数。因此，在图像中存在引起干扰的结构时可以这样设计整个结构，使得相似度在正确“定义”6个参数时不给出最大值，而只给出次最大值。
本发明当然还可用于其中先后拍摄多幅X射线图像的系统和方法。在引入导管的电生物干预过程中，始终通过产生X射线图像来监控导管的移入。在开始执行借助图2描述的本发明方法时获得6个旋转和平移参数，它们可以作为由后面的X射线图像产生的参数的出发点。基于真实性原则例如可以不对平移或旋转改变太多。由此在后面的图像拍摄时节省了计算时间。
然后在当前的二维X射线图像中将检测出的导管位置和导管方向以彩色显示，例如显示为箭头。
采用模板的优点在于，对新投放市场的导管的检测不需要为识别导管重新开发软件，而只需要将一个新的特定于导管的三维模板添加到模板数据库中。在改善的系统中，可以从模板数据库中自动选择模板。本方法还可以在必须定位多个仪器的介入期间应用。
权利要求
1.一种从二维X射线图像中确定对象、尤其是导管的位置和方向的方法，包括步骤a)产生第一X射线图像并对该X射线图像进行预处理，以突出该对象在X射线图像中的成像结构，b)基于该对象的构造上的特性产生该对象的三维模板(10)，c)相对于预处理后的X射线图像分别为该对象初始化(14)3个位置参数(T1，T2，T3)和三个方向参数(R1，R2，R3)，d)借助该对象的位置和方向的6个参数产生(16)模板(10)的二维投影，e)将该二维投影与预处理后的X射线图像进行比较，并确定相似度(18)，f1)如果该相似度证明中断该方法正确采用当前的6个参数确定(24)对象在X射线图像中的位置和方向，f2)如果该相似度不够好调整6个参数构成的组，在优化循环中重复步骤d)和e)，直到该相似度证明中断该方法正确为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)中的预处理包括对X射线图像的高通滤波，优选二值化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，g)从不同的拍摄角度产生第二X射线图像，并且利用在b)中产生的模板对预处理后的第二X射线图像执行步骤c)至f)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在为所述预处理后的第二X射线图像确定新的所述6个参数时，考虑由6个借助第一X射线图像获得的参数构成的组。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，h)借助6个用第一X射线图像获得的参数，将所述对象从第一X射线图像反投影到三维空间，基于该反投影获得第一投影线，i)借助6个用第二X射线图像获得的参数将所述对象从第二X射线图像反投影到三维空间，基于该反投影获得第二投影线，k)确定具有与该两条投影线有最小平方距离的点，以及必要时确定用于在三维空间中对对象进行定位的交点。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，确定所述两个投影线相互之间的最小距离，用作定位对象的质量的度量。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，步骤b)中产生的模板采集对象的保持刚性的部分和可以弯曲的部分，并且在所述优化循环中引入其它采集对象的弯曲的参数。
8.一种X射线图像拍摄系统，具有-X射线仪，和-数据处理单元，其特征在于，在该数据处理单元中存储了针对要从X射线图像中自动识别的对象、特别是导管的轮廓的三维数据组(模板)。
9.根据权利要求8所述的X射线图像拍摄系统，其特征在于，所述数据处理单元设计为执行根据权利要求1的方法的步骤d)至f)。
全文摘要
本发明涉及一种从二维X射线图像中自动确定对象、尤其例如是导管的位置和方向的方法。为了确定对象在X射线图像中的位置和方向首先对X射线图像进行预处理。基于对象的已知结构特性产生该对象的三维模板(数据组)。分别迭代地更改位置和方向的3个参数。分别将具有针对位置和方向的参数的三维模板投影到二维平面上，将产生的图像基于相似度的产生而与预处理后的X射线图像进行比较。
文档编号G06F19/00GK1883415SQ20061009459
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月21日 优先权日2005年6月21日
发明者简·贝泽, 诺伯特·拉恩, 伯恩哈德·桑德坎普 申请人:西门子公司