X射线系统误差跟踪和校准的制作方法

x射线系统误差跟踪和校准
技术领域
[0001]
本发明总体上涉及用于x射线系统误差跟踪和校准的装置，以及相关联的方法、x射线成像系统、计算机程序单元和计算机可读介质。


背景技术：

[0002]
现代x射线采集系统使能在使用位点直接获得感兴趣区域的高质量体积重建。x射线采集系统的典型用途是作为c型臂成像系统的一部分。当c型臂移动到不同位置时，机械变形导致c型臂改变几何结构。
[0003]
因此，必须使用具有可预测几何结构的专用校准体模在专用校准采集中对c型臂进行校准。将使用c型臂成像系统的各种轨道获得的校准体模的采集图像与在相同轨道处的校准体模的预期图像进行比较使能计算和应用c型臂成像系统的校准系数。
[0004]
然而，对提供校准体模并使用其定期执行校准步骤的需要是很麻烦的。us 2017/0231596 a1讨论了一种x射线系统校准系统，其对校准体模的图像进行评价以确定x射线系统的校准参数。然而，可以进一步改进这样的系统。


技术实现要素：

[0005]
因此，将有利的是提供一种用于x射线系统误差跟踪和校准的改进技术。
[0006]
根据第一方面，提供了一种用于执行对机械图像采集系统的误差跟踪和校准的装置。所述装置包括：
[0007]-输入单元；以及
[0008]-处理单元。
[0009]
所述输入单元被配置为在第一采集和第二采集中使用相同的机械图像采集系统在不同时间处采集所述机械图像采集系统的检查区的至少第一2d投影帧序列和第二2d投影帧序列，并且采集定义所述机械图像采集系统的预期校准几何结构的预期校准数据。
[0010]
根据第一方面，提供了一种用于执行对机械图像采集系统的误差跟踪和校准的装置。所述装置包括：
[0011]-输入单元；以及
[0012]-处理单元。
[0013]
所述输入单元被配置为在第一采集和第二采集中使用相同的机械图像采集系统在不同时间处采集所述机械图像采集系统的检查区的至少第一2d投影帧序列和第二2d投影帧序列，并且采集定义所述机械图像采集系统的预期校准几何结构的预期校准数据。
[0014]
所述处理单元被配置为：分别向至少所述第一2d投影序列和所述第二2d投影序列应用刚性运动补偿并且将经补偿的第一2d投影序列和第二2d投影序列分别与所述预期校准几何结构进行比较，因此生成帧偏离量度的第一序列和第二序列，帧偏离量度的所述第一序列和所述第二序列表示在所述第一采集和所述第二采集期间发生的所述机械图像采集系统与所述预期校准几何结构的几何偏离；确定帧偏离量度的所述第一序列与帧偏离量
度的所述第二序列之间的相似性；并且在所述帧偏离量度的所述第一序列的至少一个对应部分与所述第二序列的至少一个对应部分之间的相似性被确定的情况下执行一个或多个校准动作。
[0015]
因此，能够使用在x射线成像系统的正常使用中采集的两个投影序列和预期校准几何结构来识别x射线成像系统的校准与x射线成像系统的预期校准的偏离。因此，减少了与x射线校准体模结合使用x射线成像系统来执行专用校准流程的需求。例如，能够仅当已经识别出投影序列相对于预期校准的偏离时必须这样做，而不是以规则间隔。因此，x射线成像系统具有更高的可用性。
[0016]
任选地，所述处理单元还被配置为通过以下操作分别向至少所述第一2d投影序列和所述第二2d投影序列应用刚性运动补偿：生成所述第一2d投影序列和所述第二2d投影序列的相应的第一初始3d重建和第二初始3d重建；将所述第一初始3d重建与所述第一2d投影帧序列进行配准，从而生成第一帧偏移向量；并且将所述第二3d初始3d重建与所述第二2d投影帧序列进行配准，从而生成第二帧偏移向量。
[0017]
配准使得能够识别第一初始3d重建和第二初始3d重建的取向与其预期取向的公共偏离，从而暗示x射线成像系统的校准误差。
[0018]
任选地，所述处理单元还被配置为通过以下操作分别向至少所述第一2d投影序列和所述第二2d投影序列应用刚性运动补偿：通过优化相应的第一2d投影序列和第二2d投影序列的连续重建中的第一图像质量统计和第二图像质量统计来迭代地生成帧偏离量度的所述第一序列和所述第二序列。
[0019]
通过生成第一和第二2d投影序列的多于一个的3d重建，能够使用图像质量统计(诸如特征清晰度、“环伪影”的普遍性)以及许多其他图像质量统计来迭代地优化第一和第二2d投影序列的刚性运动补偿。因此，可以获得对系统校准状态的更准确的评估。
[0020]
任选地，所述输入单元还被配置为：接收所述采集系统的偏离阈值数据。所述处理单元还被配置为：基于所述预期校准几何结构与相似性已经被确定的帧偏离量度的所述第一序列和所述第二序列的至少一个匹配或对应部分之间的差异来识别所述机械图像采集系统与所述预期校准几何结构的第一测量偏离；并且在所述第一测量偏离超过所述偏离阈值数据中的阈值的情况下通过向用户显示维护提示来执行所述校准动作和/或通过数据通信网络将维护请求发送到外部维护服务器。
[0021]
因此，显示维护请求，或者如果偏离超过预定义阈值，则可以自动安排维护。
[0022]
一旦偏离已经超过特定水平，则x射线成像系统几何结构与其校准几何结构的给定偏离能够仅对图像质量有害。该实施例对着表示x射线系统与校准几何结构的可容忍偏离水平的阈值量跟踪x射线成像系统几何结构的偏离。
[0023]
任选地，所述输入单元还被配置为：在所述第一2d投影帧序列和所述第二2d投影帧序列的后续时间处采集第三2d投影帧序列。
[0024]
所述处理单元还被配置为：确定所述第三2d投影帧序列与所述预期校准几何结构的帧偏离量度的对应的第三序列；识别所述帧偏离量度的所述第一序列和/或所述第二序列与所述第三序列之间的相似性；基于帧偏离量度的第二和第三序列的部分之间的相似性来识别所述帧偏离量度的所述第一序列和/或所述第二序列与所述第三序列之间所述机械图像采集系统与所述预期校准几何结构的第二测量偏离；并且使用所述第一测量偏离与所
述第二测量偏离之间的差异的变化率来预测未来维护时段的调度时间。所述校准动作包括通过数据通信网络将所述未来维护时段的所述调度时间发送到外部维护服务器和/或向用户显示所述调度时间。
[0025]
因此，可以更准确地调度x射线成像系统的维护时段，从而以可容忍的系统准确度造成x射线成像系统的最佳使用时间量。
[0026]
在示例中，可以以类似的方式采集和处理另外的2d投影帧序列，从而进一步增加调度准确度。
[0027]
跨更宽的时间范围识别x射线成像系统的多个偏离使能跟踪校准误差，并且例如进行关于校准误差是否是线性增加或几何增加的评估。利用至少两个测量偏离并了解它们之间的时间，可以计算定义何时校准误差将变为不可接受并且需要校准的预测。
[0028]
任选地，所述处理单元还被配置为：基于帧偏离量度的所述第一序列来估计所述机械图像采集系统在对所述第一2d投影序列的所述采集期间的第一校正轨迹，并且基于帧偏离量度的所述第二序列来估计所述机械图像采集系统在对第二机械图像采集系统测投影序列的所述采集期间的第二校正轨迹。
[0029]
校正轨迹的识别使处理单元能够“反馈”对x射线成像系统的驱动系统的更新，以考虑机械校准误差。尽管最终仍将需要对x射线成像系统进行机械重新校准，但能够通过偏置用于使用校正轨迹在特定时间处命令x射线成像系统进入特定位置的电子命令来延长x射线成像系统的有用操作时间量(换句话说，延长维护之间的时间量)。
[0030]
任选地，所述处理单元还被配置为：识别第一校正轨迹和第二校正轨迹彼此具有显著相似度的选定的部分；并且计算选定的部分与预期校准轨迹之间的校准差异数据。处理单元还被配置为通过采集第三2d投影帧序列并且应用校准差异数据以生成校正第三2d投影帧序列来执行校准动作。
[0031]
任选地，所述输入单元还被配置为采集轨迹特性数据库，所述轨迹特性数据库包括所述机械图像采集系统的历史几何结构偏离的示例轨迹数据。所述处理单元还被配置为执行为所述校准动作：将所述第一校正轨迹和所述第二校正轨迹的所述选定的部分中的至少一个选定的部分与所述轨迹特性数据库中的所述示例轨迹数据进行比较；并且确认所述第一校正轨迹和所述第二校正轨迹的所述选定的部分中的至少一个选定的部分与所述机械图像采集系统的历史几何结构偏离相似。
[0032]
相同的x射线成像系统能够由于安装错误或医学机构的特定使用特性造成重复的校准误差，例如，机构可能聚焦于使用x射线成像系统的轨道的仅小子集进行牙科检查，并且造成与提供小轨道子集有关的部件的更多磨损。因此，通过记录机械图像采集系统的历史几何结构偏离，能够例如诊断x射线成像系统的某些当前几何结构偏离的原因。
[0033]
任选地，所述输入单元还被配置为接收和/或自动识别在对所述第一2d投影帧采集序列和/或所述第二2d投影帧采集序列的所述采集期间使用的所述机械图像采集序列的采集协议。所述处理单元还被配置为执行为所述校准动作基于所述采集协议将置信度水平分配给帧偏离量度的所述第一序列。
[0034]
在根据特定轨道采集患者之前，x射线成像系统被提供有电子命令的序列。通过识别系统轨道的某些点处的几何结构偏离，能够在采集序列的某些时间处提供准确度评估。
[0035]
任选地，输入单元还被配置为在第一和/或第二2d投影帧采集序列的采集期间接
收和/或自动识别由机械图像采集系统对什么对象或患者的什么部分成像。处理单元还被配置为执行为所述校准动作：基于被成像的对象或人体的部分将置信度水平分配给帧偏离量度的第一序列。
[0036]
任选地，帧偏离量度的所述第一序列和第二序列包括幅度的第一序列和第二序列，幅度的所述第一序列和所述第二序列表示相距理想校准情况的相应的第一偏移向量和第二偏移向量的幅度。
[0037]
任选地，机械图像采集系统是c型臂。
[0038]
根据第二方面，提供了一种用于校准机械图像采集系统的误差跟踪方法，包括：
[0039]
a)在第一采集和第二采集中使用相同的机械图像采集系统在不同时间处采集所述机械图像采集系统的检查区的至少第一2d投影帧序列和第二2d投影帧序列；
[0040]
b)采集定义所述机械图像采集系统的预期校准几何结构的预期校准数据；
[0041]
c)分别向至少所述第一2d投影序列和所述第二2d投影序列应用刚性运动补偿并且将经补偿的第一2d投影序列和第二2d投影序列分别与所述预期校准几何结构进行比较，因此生成帧偏离量度的第一序列和第二序列，帧偏离量度的所述第一序列和所述第二序列表示在所述第一采集和所述第二采集期间发生的所述机械图像采集系统与所述预期校准几何结构的几何偏离；
[0042]
d)确定帧偏离量度的所述第一序列与帧偏离量度的所述第二序列之间的相似性；并且
[0043]
在所述帧偏离量度的所述第一序列的至少一个部分与所述第二序列的至少一个部分之间的相似性被确定的情况下执行一个或多个校准动作。
[0044]
根据第三方面，提供了一种x射线成像系统，包括：
[0045]-x射线源；
[0046]-x射线探测器；以及
[0047]-根据权利要求1至11中的一项所述的用于执行对机械图像采集系统的误差跟踪和校准的装置。
[0048]
所述x射线源被配置为从第一多个采集角度利用x射线辐射顺序地照射感兴趣区域。
[0049]
所述x射线探测器被配置为从第二多个采集角度接收已经传播经过所述感兴趣区域的所述x射线辐射以形成输入投影图像序列，所述输入投影图像序列包括分别在患者的感兴趣区域的第一采集时间和第二采集时间处采集的至少第一2d x射线投影数据和第二2d x射线投影数据。
[0050]
用于执行对机械图像采集系统的误差跟踪和校准的所述装置被配置为从所述x射线探测器接收所述第一2d x射线投影数据和所述第二2d x射线投影数据，并且其中，所述装置被配置为从所述x射线成像系统接收定义所述x射线成像系统的预期校准几何结构的预期校准数据。
[0051]
根据第四方面，提供了一种用于控制根据第一和/或第三方面的处理单元和/或系统的计算机程序单元，其当该计算机程序单元由处理器和/或系统执行时适于执行第二方面的方法。
[0052]
根据第五方面，提供了一种存储有第四方面的计算机程序单元的计算机可读介
质。
[0053]
在以下应用中，例如，使用诸如“锥形射束ct”的采集方法来获得“2d投影帧序列”，其中，发散的二维x射线射束被引导通过患者的感兴趣区域朝向二维x射线探测器。
[0054]
在以下应用中，“2d投影帧序列”包括多个“2d x射线投影数据”，其表示从x射线探测器接收到的像素值(跟踪x射线强度和/或能量)，如由采集系统几何结构、源、探测器和/或等中心位置和取向、患者和/或台位置和取向、图像采集的时间或图像采集的任何相关参数影响的。
[0055]
在以下应用中，术语“机械图像采集系统”通常是指“c型臂”x射线成像系统，但是也能够涉及任何其他形式的机械图像采集模块，其中，随着时间的机械偏离能够导致不准确，诸如ct扫描仪、用于乳房摄影的断层摄影x射线扫描器、mri扫描器、荧光透视检查器等。
[0056]
在以下应用中，术语“机械图像采集系统的检查区”是指对象可以放置的空间，使得机械图像采集系统可以获得对象的图像和/或帧序列。例如，“检查区”可以指的是3d空间，其包含c型臂的轨道在采集期间可能环绕的对象。将意识到，在不同时间处，检查区中可能存在不同对象(第一或第二患者)，或者备选地，可以在两个单独的时间点处对相同对象(患者)进行成像。
[0057]
在以下应用中，术语“不同时间”是指第一帧序列和第二帧序列的采集是使用机械图像采集系统进行的不同的第一医学检查和第二医学检查。例如，第一帧序列是第一患者的，并且第二帧序列是第二患者的。
[0058]
在以下应用中，术语“机械成像系统的几何结构”是指例如x射线探测器和x射线源及其支撑元件之间的空间关系。在机械c型臂的情况下，x射线源和x射线探测器被布置在c形支撑支架上。在这种情况下，机械成像系统的几何结构至少由x射线源和x射线探测器之间的线性间隔以及x射线源的平面相对于x射线探测器的平面的二维的角度来定义。因此，在c型臂的情况下的“预期校准几何结构”是指至少x射线源与x射线探测器之间的线性间隔的预期值以及例如由于c型臂的结构尺寸的x射线源的平面相对于x射线探测器的平面的关系。尽管已经提供了c型臂作为示例，但是将意识到，预期校准几何结构的概念可以扩展到许多更复杂的系统。因此，“预期校准数据”是计算机数据结构，其包含关于例如特定c型臂中的x射线源与x射线探测器之间的空间关系的关系的数据。如果在校准例程期间识别出x射线源与x射线探测器之间的微小位移，则这可以记录在预期校准数据中，从而使能校正未来测量结果，或者在进一步的数据处理(例如断层摄影重建)期间使用该识别的位移。
[0059]
在以下应用中，术语“机械图像采集系统的几何偏离”是指与使用中的或随时间的预期校准几何结构相比，机械图像采集系统进入非预期几何配置。作为参考c型臂成像系统的示例，观察到理想情况下假设支撑x射线源和探测器对的c型支架是刚性的，但实际上，由于c型臂绕轨道移动，其会经历非理想弯曲的程度。例如，如果c型臂将x射线源以与支撑c型臂的地板垂直的关系保持在x射线探测器上方，并且然后将c型臂在其轴承处顺时针旋转45
°
，使得x射线源围绕地板移动并朝地板向下移动，并且x射线探测器围绕地板移动并远离地板向上移动，随着x射线源的重量试图在重力方向上扭曲支架，c型臂支架将弯曲到很小但可检测的程度。机械成像采集系统中的这种弯曲可能不在预期校准数据中被考虑，并且因此当c型臂绕其轨道行进时采集的2d投影帧是以非理想几何结构采集的。
[0060]
技术人员将理解，更复杂的机械图像采集系统可以包括许多轴(例如6轴或9轴)，
并且可以约束复杂的轨道。提供许多轴的个体机械元件的弯曲之和导致进一步几何偏离，其也可以根据以下应用进行补偿。
[0061]
在以下应用中，术语“刚性运动补偿”是一种图像处理技术，用于将初始3d重建或以其他方式采集的参考数据与一组2d投影对齐，假定该组2d投影中的结构是刚性对象，诸如骨头。这基于2d图像数据和参考数据(例如初始3d重建)提供了被成像的对象和图像系统部件之间的空间或时间校正关系。
[0062]
在以下应用中，术语“校准动作”是指将消息发送到外部计算机系统，或在显示器上发送给机械图像采集系统的用户，警告用户必须重新校准该系统。任选地，术语“校准动作”也可以意指一旦识别出校准偏离就自动校正预期校准数据。换句话说，术语“校准动作”可以广泛地覆盖以下事实：一旦已经识别出校准偏离，就可以单独或组合产生各种各样的适当的动作过程。
[0063]
在以下应用中，如应用于两个变量的术语“相似性”是指变量之间的关系，这些变量是已经由已从其获得变量的机械图像采集系统的反复机械缺陷(几何缺陷或校准误差校准误差)引起的。在本申请中，在不同时间(任选地关于不同患者)采取的至少两个成像序列的两次刚性运动补偿导致帧偏离量度的第一序列和第二序列。至少两个成像序列之间的常见机械问题(例如成像系统的方位关节中的滑动校准编码器)将在帧偏离量度的第一序列和第二序列的部分中表示。然后可以识别表示相似的事实，从而导致确定相似性。可以将许多信号处理方法应用于至少两个变量以识别这种相似性。例如，如果变量表示由机械图像采集系统的臂的“下垂”引起的空间偏离，则识别相似性的一种方法是在至少两个变量的部分上应用一个窗口，并识别一部分，其中，例如，至少两个变量的梯度在0.1％、1％、2％、5％、10％或20％之内。可以应用许多其他信号比较方法，例如，通过对两个变量应用互相关(帧偏离量度)，并确定在变量之间互相关的某个阈值之上存在相似之处。
[0064]
因此，本申请的基本思想是可以从多个患者采集至少两个2d投影帧序列，以检测机械成像采集系统的几何准确度随时间的变化。可以基于与预期系统校准的几何偏离来调整或重复机械图像采集系统的校准。通过识别至少两个2d投影帧序列中的相似度来识别与预期系统校准的偏离，其暗示与预期系统校准的偏离。
[0065]
换句话说，建议在第一和第二采集中识别来自相同机械图像采集系统的采集的投影帧序列之间的公共偏置，并将这与机械图像采集系统的预期校准数据进行比较以生成帧偏离量度。如果确定帧偏离量度的第一序列和第二序列的之间的相似性，则执行一个或多个校准动作(例如警告用户应该提供校准和/或自动校正几何结构偏离)。
附图说明
[0066]
将参考以下附图描述示例性实施例：
[0067]
图1示意性地图示了包括机械图像采集系统的x射线成像系统。
[0068]
图2示意性地图示了根据第二方面的方法。
[0069]
图3图示了跨三个患者的临床数据集在帧数上绘制的几何变换参数。
[0070]
图4图示了针对运动校正的轨迹在帧数上绘制的来自10名患者的平均几何变换参数。
[0071]
图5示意性地图示了如用于执行机械图像采集系统的误差跟踪和校准的装置。
具体实施方式
[0072]
图1示出了c型臂采集套件10(x射线成像系统)。注意，尽管应用“锥形射束计算机断层摄影”技术(cbct)的c型臂采集系统是常见的3d图像采集技术，但是图像采集技术不限于该采集技术。
[0073]
c型臂采集套件10包括附接到c型臂采集套件的天花板14的c型臂12。c型臂12通过可旋转方位角连接件12a附接到天花板14，其中，可旋转轴承12b在倾斜方向上提供自由度。x射线源12c定位于c型臂12的第一端上，面对x射线探测器12d(任选地，数字平板探测器)。在x射线源12c与x射线平板探测器12d之间提供有检查区16。根据x射线源12c和x射线探测器12d相对于检查区16中的对象(例如患者的头部)的角度，当c型臂12在检查区16周围的轨道中移动时可以获得2d x射线投影图像的序列。将2d x射线投影图像的序列提供给装置18，装置18被配置成将断层摄影重建算法应用于2d x射线投影图像序列，并且因此提供并任选地显示检查区16中的患者的感兴趣区域的3d图像。通常，装置18应用滤波反向投影算法或迭代重建算法来获得患者的感兴趣区域的3d图像，尽管也可以应用许多其他这样的断层摄影重建算法。
[0074]
尽管已经在图1中图示了c型臂机械图像采集系统，但以下说明适用于具有可移动机械元件的任何图像采集系统，所述可移动机械元件支撑成像探测器(例如，x射线源和x射线探测器对)。
[0075]
例如，在图1所图示的c型臂12中，方位角连接件12a和可旋转轴承12b引入旋转不准确度程度。支撑x射线源12d和x射线探测器12d的c型支架通过线性电机附接至可旋转轴承12b，该线性电机用于使c型支架能够可滑动地约束围绕检查区16的路径。这种线性电机会引入平移不准确度程度。与c型臂的指示位置相比，旋转和平移误差的隔离实例的出现已经成问题，但是当考虑到误差跨例如方位角连接件12a、旋转轴承12b和将c型支架连接到旋转轴承12b的线性电机倍增时所得到的误差放大。
[0076]
换句话说，当由控制装置18指示c型臂12执行围绕检查区16的一般轨道时，由于几何偏离，c型臂12实际执行的轨道将不同于控制装置18指示c型臂12执行的轨道。在没有进行校正以考虑由c型臂系统的机械不准确度引起的几何偏离的情况下，采集的2d投影帧序列的3d重建将遭受高水平的重建误差。
[0077]
技术人员将意识到，上述问题将出现在相对于任何基准(例如，检查区16)的任何坐标系(笛卡尔坐标、极坐标、参数坐标)中，并且因此，在本申请中，将意识到，在任何坐标系和基准的情况下，与优选几何结构的误差和几何偏离的讨论是相关的。
[0078]
对上述问题的解决方案是在检查区16中提供具有已知3d结构的检查体模。然后将在一系列预定义的轨道路径中在检查区16周围操纵c型臂系统。这样采集的检查体模的2d投影帧序列的重建中的、由c型臂系统与预期几何结构的偏离引起的误差例如可以用于更新c型臂系统的预期校准数据。然而，这不是预期校准数据的唯一源，该校准数据例如也能够源自c型臂系统的维修。然而，不期望使用检查体模太频繁地更新预期校准数据，因为这意味着在校准期间，c型臂系统不能够用于医学干预。
[0079]
根据第二方面，提供了一种用于校准机械图像采集系统的误差跟踪方法，包括：
[0080]
a)在第一和第二采集中使用相同机械图像采集系统在不同时间处采集机械图像采集系统的检查区的至少第一和第二2d投影帧序列；
[0081]
b)采集定义机械图像采集系统的预期校准几何结构的预期校准数据；
[0082]
c)分别向至少第一和第二2d投影序列应用刚性运动补偿并将经补偿的第一和第二2d投影序列分别与预期校准几何结构进行比较，从而生成帧偏离量度的第一序列和第二序列，其表示在第一和第二采集期间发生的机械图像采集系统与预期校准几何结构的几何偏离；
[0083]
d)确定帧偏离量度的第一序列与帧偏离量度的第二序列之间的相似性；并且
[0084]
e)如果帧偏离量度的第一序列和第二序列的至少一个部分之间的相似性被确定，则执行一个或多个校准动作。
[0085]
图2示意性地图示了根据第二方面的方法。
[0086]
在步骤a)中，尽管可以获得任何多个序列，但是使用机械图像采集系统来获得至少第一和第二2d投影帧序列。序列是在不同时间获得的。序列可以是相同对象(患者)的，或者是不同对象(患者)的。换句话说，在第一2d投影帧序列中获得了机械图像采集系统与其预期校准状态的第一几何偏离。在第二2d投影帧序列中获得了机械图像采集系统与其预期校准状态的第二几何偏离。
[0087]
2d投影帧序列的每个帧任选地是通过由x射线探测器12d获得的检查区域16的部分的二维强度图。然而，例如，其他成像模态可以获得通过检查区16的一维切片。任选地，由机械成像采集系统应用的成像技术是“锥形射束计算机断层摄影”(cbct)。
[0088]
在步骤b)中，由机械图像采集系统的控制电路接收预期校准数据。可以例如从在先前已经使用校准体模测量了校准误差的机械图像采集系统的处理器上执行的软件模块提供预期校准数据。任选地，预期校准数据可以从服务膝上型个人计算机下载，或者通过诸如因特网的广域网提供，或者从机械图像采集系统的供应商服务器接收。
[0089]
预期校准数据考虑机械成像采集系统的校准中先前识别的误差。因此，对于给定的成像采集协议，先前识别的误差可以机械地校正，或者其存在在后续数据处理期间考虑。预期校准数据的格式可以采用许多形式。任选地，提供查找表，其具有针对机械图像采集系统的每个自由度的尺寸。因此，当采集协议命令机械图像采集系统进入由每个自由度中的一系列位置值定义的位置时，可以直接从查找表中读出对采集协议命令的校正。任选地，预期校准数据可以由可参数化的数学模型或先前经历的校准行为的数据库提供或补充。以这种方式，预期校准数据可以定义先前已经被测量的机械图像采集系统的预期校准投影几何结构。
[0090]
技术人员将意识到，直到该方法的这一点，机械图像采集系统已经配备有校正先前识别的校准误差的能力，但不识别新的校准误差。
[0091]
在步骤c)中，对第一和第二2d投影序列执行至少两个刚性运动补偿。换句话说，分别计算在第一采集期间和第二采集期间获得的检查区16中的对象的取向。
[0092]
任选地，对使用相同轨迹采集的第一和第二2d投影帧序列执行刚性运动补偿。任选地，对使用相同轨迹采集的第一和第二2d投影帧序列的部分执行刚性运动补偿。任选地，可以分别使用第一输入轨道指令和第二输入轨道指令来识别第一和第二2d投影帧序列已经使用相同轨迹的状况。任选地，可以从应用于第一和第二2d投影序列的刚性运动补偿中识别第一和第二2d投影帧序列已经使用相同轨迹的状况。
[0093]
对于每个2d投影序列的多个帧，可以提供机械图像采集系统的帧偏离量度(针对
每个帧数)，其表示特定帧数处机械图像采集系统在至少一个自由度中与预期校准投影几何结构的几何偏离。可以任选地通过将刚性运动补偿的结果与预期校准投影几何结构进行比较来计算帧偏离量度。结果是，对于每个2d投影帧序列，帧偏离量度的序列跟踪针对每个帧数的c型臂系统的旋转和/或平移偏离。
[0094]
图3图示了针对不同患者(p1、p2、p3)的三个临床数据集的机械成像采集系统运动在帧数上绘制的几何变换参数。在该示例中，考虑了具有六个自由度的机械成像采集系统，然而本领域技术人员将认识到，可以跟踪更多或更少数量的自由度。左手列(t)中绘图中的每个的三条线针对每位患者对着帧数跟踪三个平移自由度。左手列的绘图的y轴定义了平移参数值(以毫米为单位)，该参数值是在理想情况和测量情况之间的采集中使用的机械图像采集系统的偏离的品质因数。右手列的绘图的y轴定义了旋转参数值(以弧度为单位)，该参数值是在理想情况和测量情况之间的采集中使用的机械图像采集系统的偏离的品质因数。右手列(r)中绘图中的每个的三条线针对每个患者对着帧数跟踪三个旋转自由度。
[0095]
可以看到，在采集的持续时间内，参数对于所有三个患者均不同。
[0096]
在步骤d)中，例如，通过将第一序列的多个帧偏离量度与第二序列的多个帧偏离量度进行比较来确定第一和第二帧偏离量度的部分之间的相似性。实际上，该比较任选地例如使用第一和第二帧偏离量度之间的互相关来执行，任选地使用滑动窗口。然而，技术人员将认识到，存在很多方式来比较帧偏离量度的第一和第二序列以识别相似性，并且其他选择可以包括模式匹配方法、卡尔曼滤波器的使用、平均、局部和全局相似度量度、特征探测、机器学习、人工智能或神经网络。
[0097]
例如，在遭受具有不正确校准旋转编码器的方位关节的c型臂中，关于与理想情况的方位角偏离的帧偏离量度的第一和第二序列两者将包含相同不准确度，其产生于不准确校准旋转编码器。因此，在这种情况下，帧偏离量度的第一序列和第二序列之间的相关性将是可检测的，因为当旋转方位关节时，帧偏离量度的第一和第二序列两者将具有相同的角度偏移。
[0098]
技术人员将允许前述段落的示例适用于机械图像采集系统的机械布置的其他方面，例如当由成像臂的轨道引起成像臂例如从其支持扩展时成像臂的悬臂式变形。
[0099]
在步骤e)中，例如，当第一和第二帧偏离量度的互相关超过给定阈值时可以识别帧偏离量度的第一序列和第二序列的相似性。对于在步骤d)的描述中列出的其他比较技术，可以提供类似的阈值。
[0100]
图4示出了在运动校正轨迹的帧数上绘制的来自十个患者的平均几何变换参数。图4a)对着帧数以毫米(y轴)为单位测量了三个平移自由度22、24、26。图4b)跟踪对着帧数的以弧度(在y轴上)为单位的三个旋转自由度28、30和32。应看到，至少在图4a)的图形的标记为20的扇区处，平均平移自由度26指示需要重新校准c型臂几何结构，因为跨相似帧数范围，重复相同的偏离，使得跨所有10个患者的平均以相同的平移自由度增加。注意，跨相似帧数范围，平移自由度24也示出相同的趋势。
[0101]
在步骤e)中，如果在步骤d)中帧偏离量度的第一序列和第二序列之间的相似性被识别，则执行一个或多个校准动作。如上面的定义部分所述，术语“校准动作”可以意指通过在数据网络上的数据消息的传输向外部用户或维护服务通知机械图像采集系统需要校准。任选地，术语校准动作可以表意指机械图像采集系统本身自动执行校准例程。
[0102]
任选地，确定所述帧偏离量度的第一序列与帧偏离量度的第二序列之间的相似性的步骤d)还包括：
[0103]
d1)将帧偏离量度的第一序列的选定数量与帧偏离量度的第二序列的选定数量进行比较；
[0104]
d2)识别帧偏离量度的第一序列和第二序列的至少第一匹配部分。
[0105]
例如，帧偏离量度的第一序列和第二序列之间的匹配部分可以是一部分，其中，对于给定帧索引数，帧偏离量度的两个序列跟随相同的梯度，但是技术人员将意识到，可以识别出宽范围的模式和匹配。
[0106]
任选地，向至少第一和第二2d投影序列分别应用刚性运动补偿还包括：
[0107]
c1)生成第一和第二2d投影序列的相应的第一和第二初始3d重建；
[0108]
c2)将第一初始3d重建与第一2d投影帧序列进行配准，从而生成第一帧偏移向量；并且
[0109]
c3)将第二3d初始3d重建与第二2d投影帧序列进行配准，从而生成第二帧偏移向量。
[0110]
任选地，向至少第一和第二2d投影序列分别应用刚性运动补偿还包括：
[0111]
c4)通过优化在相应的第一和第二2d投影序列的连续重建中的第一和第二图像质量统计来迭代地生成帧偏离量度的第一和第二序列。
[0112]
任选地图像质量统计可以是由机械成像采集系统的由于差的校准造成的不对准引起的模糊和/或“环形伪影”的存在，但是技术人员也可以识别其他图像质量统计。
[0113]
任选地，第二方面的方法还包括：
[0114]
a1)接收采集系统的偏离阈值数据；
[0115]
e1)基于帧偏离量度的第一和第二序列的部分与相似性已经被确定的阈值数据之间的差异，识别机械图像采集系统与预期校准几何结构的第一测量偏离；并且
[0116]
e2)如果第一测量偏离超过偏离阈值数据中的阈值，则通过向用户显示维护提示和/或通过数据通信网络将维护请求发送到外部维护服务器来执行校准动作。
[0117]
因此，如果探测到的公共模式超过预定义阈值，则显示维护请求，或者自动安排维护。用于阈值准则的度量可以是预期和发现的x射线源(或x射线探测器，或两者的组合)位置的笛卡尔3d距离，其计算为在机械图像采集系统的整个轨迹上被平均，或个体地针对每个帧。也可以使用许多其他合适的度量。
[0118]
任选地，第二方面的方法还包括：
[0119]
a2)在第一和第二2d投影帧序列的后续时间处采集第三2d投影帧序列；
[0120]
d3)根据预期校准几何结构来确定第三2d投影帧序列的帧偏离量度的对应的第三序列，
[0121]
e1)识别帧偏离量度的第二和第三序列的部分之间的相似性；
[0122]
e2)基于帧偏离量度的第二序列和第三序列的部分之间的相似性来识别帧偏离量度的第二序列和第三序列之间的机械图像采集系统与预期校准几何结构的第二测量偏离；
[0123]
e3)使用第一和第二测量偏离之间的差的变化率来预测未来维护时段的调度时间；并且
[0124]
e3)作为校准动作，将未来维护时段的调度时间通过数据通信网络发送到外部维
护服务器，和/或向用户显示该调度时间。
[0125]
因此，通过针对多个时间间隔执行根据第二方面的测试，可以使用公共模式随时间的变化来预测何时将通过阈值标准。这可用于安排预测性维护。
[0126]
任选地，第二方面的方法还包括：
[0127]
d4)基于帧偏离量度的第一序列估计在第一2d投影序列的采集期间的机械图像采集系统的第一校正轨迹，并且基于帧偏离量度的第二序列估计在第二机械图像ct投影序列的采集期间的机械图像采集系统的第二校正轨迹。
[0128]
任选地，第二方面的方法还包括：
[0129]
d5)识别彼此具有显著相似度的第一和第二校正轨迹的选定的部分；以及
[0130]
d6)计算选定的部分之间的校准差异数据；以及
[0131]
其中，执行校准动作包括：
[0132]
e5)采集第三2d投影帧序列，并应用校准差异数据来生成经校正的第三2d投影帧序列。
[0133]
术语“显著相似度”依赖于用于比较第一校正轨迹和第二校正轨迹的选定的部分的识别方法，但是例如可以是互相关的阈值。
[0134]
任选地，第二方面的方法还包括：
[0135]
a3)采集轨迹特性数据库，其包括机械图像采集系统的历史几何结构偏离的示例轨迹数据；并且
[0136]
其中，校准动作包括：
[0137]
e6)将第一和第二校正轨迹的选定的部分中的至少一个与轨迹特性数据库中的示例轨迹数据进行比较；并且
[0138]
e7)确认第一和第二校正轨迹的选定的部分中的至少一个与机械图像采集系统的历史几何结构偏离相似。
[0139]
因此，将找到的公共模式与数据库或经训练的分类器进行比较以识别哪些偏离是随时间推移发生的典型几何结构变化。其他识别的模式能够是不需要重新校准的错误识别。
[0140]
任选地，第二方面的方法还包括：
[0141]
a4)接收和/或自动识别在第一和/或第二2d投影帧采集序列的采集期间使用的机械图像采集序列的采集协议；并且
[0142]
其中，校准动作包括：
[0143]
e8)基于采集协议为帧偏离量度的第一序列分配置信度水平。
[0144]
例如，额外的患者数据可以与采集的第一和第二2d投影帧序列一起存储。例如，关于在采集期间患者是否被镇静的信息。这种信息可用于识别患者在采集期间没有移动的情况，并且因此在比较和识别步骤中向该数据给予更高的重要性。
[0145]
任选地，特定类型的采集可以比其他类型更好适合于应用根据第二方面的方法。例如，头部c型臂扫描具有以下优点：强骨骼特征允许更准确的刚性运动补偿。因此，该方法可能仅聚焦于这些类型的采集，或者，如果发现不确定或不足数据可用，则可以向这些类型的采集给予更高的重要性。如果强患者运动发生，或者如果存在其他独特差异(例如影响重建质量的植入物或任何其他涉及的算法)，则一些个体采集也可能从分析排除。
[0146]
任选地，帧偏离量度的第一序列和第二序列包括幅度的第一和第二序列，其表示相距理想校准情况的相应的第一和第二偏移向量的幅度。
[0147]
任选地，机械图像采集系统是c型臂。
[0148]
换句话说，第二方面讨论了在每次ct(例如)采集之后(任选地在背景中)应用2d/3d配准方法或另一刚性运动补偿方法。随着时间比较来自多个患者的运动校正轨迹。与预期机械图像采集系统轨迹的偏离(其对于多个患者而言是一致的)被识别为机械采集系统中的不准确度。以这种方式，对多个数据集的比较允许聚焦于由机械图像采集系统一致引起的偏离。患者运动或其他偏离(其导致独立于机械图像采集系统的独特变化)被平均。
[0149]
第一任选实施例在机械图像采集系统的外部或内部显示器上显示维护请求，或者如果发现的偏离超过预定义阈值，则自动调度维护。在另一个实施例中，基于找到的偏离自动校正c型臂系统的几何结构校准。
[0150]
提供的步骤的总结为：
[0151]
1)对以相同轨迹记录的多个图像采集执行刚性运动补偿。换句话说，初始3d重建被配准到旋转采集的所有2d投影。备选地或通过组合，可以优化重建3d图像中的伪影量度或清晰度量度。
[0152]
2)为每次扫描计算对应的运动经校正轨迹。
[0153]
3)来自最近的时间间隔的一组运动校正轨迹被选择。
[0154]
4)将选定的运动校正轨迹彼此进行比较，并例如使用平均、局部和全局相似度量度、特征探测、机器学习或神经网络来提取公共模式。
[0155]
5)生成一个或多个校准动作，例如触发维护请求或自动校准机械图像采集系统的几何结构。
[0156]
任选地，该装置包括用于向用户显示经运动补偿的3d重建的输出单元56。例如，输出单元56可以是计算机显示器。当然，输出单元可以是被配置为将经运动补偿的3d重建发送到另一计算机或显示单元的数据通信模块。任选地，可以将经运动补偿的3d重建安全地发送到手持显示器，或提供给安全数据存储模块(例如pacs服务器)。
[0157]
图5图示了根据第一方面及其任选实施例的装置40。
[0158]
根据第一方面，提供了一种用于执行机械图像采集系统的误差跟踪和校准的装置40。该装置包括：
[0159]-输入单元42；以及
[0160]-处理单元44。
[0161]
输入单元42被配置为在第一和第二采集中使用相同机械图像采集系统在不同时间处采集机械图像采集系统的检查区的至少第一和第二2d投影帧序列，并采集定义机械图像采集系统的预期校准几何结构的预期校准数据。
[0162]
处理单元44被配置为：分别向至少第一和第二2d投影序列应用刚性运动补偿并且将经补偿的第一和第二2d投影序列分别与预期校准几何结构进行比较，从而生成表示在第一和第二采集期间发生的机械图像采集系统与预期校准几何结构的几何偏离的帧偏离量度的第一序列和第二序列；确定帧偏离量度的第一序列的至少部分与帧偏离量度的第二序列的至少部分之间的相似性；并且如果帧偏离量度的第一序列和第二序列的相应的部分之间的相似性被确定，则执行一个或多个校准动作。
[0163]
任选地，该装置被提供为计算机(任选地配置有图形处理单元)，例如在现场可编程门阵列(fpga)或专用集成电路(asic)中被修改的功能特异性硬件。备选地，例如，该装置可以被提供在pacs系统中的集中式服务器上。输入单元42被配置为接收输入的投影图像序列以及第一和第二3d刚性对象数据。然而，本领域技术人员将意识到，各种各样的装置可以用于接收这样的数据。例如，输入单元可以包括与x射线断层摄影或c型臂采集系统的连接。任选地，输入单元可以包括调制解调器、lan或wan连接或另一数据通信装置。
[0164]
处理单元44从输入单元42接收输入信息，并根据上述第二方面中讨论的方法处理输入信息。任选地，装置40可以包括输出单元46。该输出单元可以例如是图形显示卡，以使得能够在计算机监测器上显示3d重建数据和/或维护消息和/或校准数据。任选地，输出单元可以例如包括数据通信模块，其使得能够将经运动补偿的3d重建数据通过安全的lan、wan进行传递，或者写入到cd-rom、dvd-rom、usb驱动器、便携式硬盘驱动器、便携式磁带驱动器或类似物。
[0165]
任选地，该装置可以至少包括在“发明内容”部分中讨论的第一方面的实施例。
[0166]
根据第三方面，提供了一种x射线成像系统12，包括：
[0167]-x射线源12c；
[0168]-x射线探测器12d；以及
[0169]-根据第一方面或其实施例的用于执行机械图像采集系统的误差跟踪和校准的装置18。
[0170]
x射线源12c被配置为从第一多个采集角度利用x射线辐射顺序地照射感兴趣区域。
[0171]
x射线探测器12d被配置为从第二多个采集角度接收已经传播经过感兴趣区域的x射线辐射，以形成包括分别在患者的感兴趣区域的第一和第二采集时间处采集的至少第一和第二2d x射线投影数据的输入投影图像序列。
[0172]
用于执行机械图像采集系统的误差跟踪和校准的装置18被配置为从x射线探测器接收第一和第二2d x射线投影数据，并且该装置被配置为从x射线成像系统接收定义x射线成像系统的预期校准几何结构的预期校准数据。
[0173]
根据第四方面，提供了一种用于控制根据第一和/或第三方面的处理单元和/或系统的计算机程序单元，其当该计算机程序单元由处理器和/或系统执行时适于执行第二方面的方法。
[0174]
根据第五方面，提供了一种存储有第四方面的计算机程序单元的计算机可读介质。
[0175]
因此，计算机程序单元可以被存储在计算机单元上，其也可以是本发明的实施例。该计算单元可以适于执行上述方法的步骤或引起上述方法的步骤的执行。
[0176]
此外，其可以适于操作上述装置的部件。
[0177]
计算单元能够适于自动地操作和/或执行用户的命令。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。
[0178]
本发明的该示例性实施例既涵盖从一开始已经安装了本发明的计算机程序和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。计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存
储介质或固态介质，但计算机程序可也可以以其他形式来分布，例如经由因特网或者其他有线或无线电信系统分布。
[0179]
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可用于下载的介质，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。
[0180]
应该注意，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其他组合被认为由本申请公开。
[0181]
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。
[0182]
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。
[0183]
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。
[0184]
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不应被解释为对范围的限制。