用于减少图像中的伪像的系统和方法与流程
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年4月4日提交的美国专利申请第16/375,292号的优先权并且还要求于2018年4月6日提交的美国临时申请第62/654,038号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
政府许可权
本发明是根据国立卫生研究院授予的r01-eb-017226在政府支持下完成的。政府享有本发明的某些权利。
本公开涉及显示图像，并且具体地涉及伪像或失真的校正或减少。
背景技术：
此部分提供与本公开有关的，不一定是现有技术的背景信息。
当获取如人类患者等所选物体的图像数据或图像时，可能会出现各种伪像或失真。例如，当获取受试者的基于x射线的图像时，某些材料可能以与如受试者的组织等其它材料不成比例或不同的方式干扰x射线。例如，金属或聚合物物体可能以不同于受试者的周围组织的方式使x射线衰减和/或散射。非组织材料的这些影响可能引起用所获取图像数据生成的图像中的失真或伪像。在如三维重建等基于受试者的二维投影进行的重建之后，失真可能被放大或容易地观看到。因此，可以选择对失真进行校正，以尝试生成失真程度最小或没有失真的供观看图像。
技术实现要素：
此部分提供本公开的大致概述，并且并不是对其全部范围或其全部特征的全面公开。
可以用所选成像系统对受试者进行成像。在各个实施例中，x射线成像系统可以用于获取受试者的图像数据。可以根据各种技术如利用创建或获取一个或多个二维投影的x射线系统来获取x射线图像数据。二维投影可以用于生成三维重建。因此，可以如以序列的形式获取一个或多个二维投影，以生成三维重建。
在获取受试者的图像数据时，x射线被x射线从x射线源传递到检测器所穿过的材料衰减。从源发射的x射线可以处于平均值附近或所选边界内的光谱中。因此，以如120千电子伏(kev)等所选能量发射x射线的x射线源实际上可以是在此量附近的范围或光谱中发射的x射线。因此，对于特定x射线能量中的每个x射线能量，衰减可以是不同的。
进一步地，如受试者的软组织或硬组织等类似材料可以以类似的方式衰减x射线。各种非组织材料，如金属物体(例如，植入物、仪器等)可以以基本上不同的方式衰减x射线。例如，非组织材料可以在x射线源或检测器的视场(fov)中使x射线远离物品衰减和/或反射或散射。应当理解，非组织材料可以包含除金属以外的物品或材料，如聚合物、复合材料等。
如2d投影等图像可能由于fov内的各种非组织物品而包含多种效果(例如，失真)。失真可能生成伪像，所述伪像在基于多个投影生成重建时累积或放大。因此，可以对稍后用于重建的剔除部分进行以下修复：去除失真和视场中所选组件或物品的投影和已知效果的包含。重建可以包含基于x射线系统内已知组件的事实的信息，以减少或消除失真和伪像以及重建。
根据本文所提供的描述，另外的应用领域将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体实例仅用于说明的目的，并且并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文所描述的附图仅仅是出于对所选实施例而不是所有可能的实施方案的说明性目的，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是手术室的环境视图，所述手术室包含任选的成像系统和导航系统；
图2是用于将植入物插入患者体内的仪器的示意图；
图3是受试者体内的植入物的示意图；
图4是用于减少图像中的伪像或失真的过程的流程图；
图5是在不具有和具有修复的情况下的投影的图示；并且
图6是在不具有和具有修复的情况下的重建的图示。
贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部分。
具体实施方式
现在将参考附图对示例实施例进行更完整的描述。
参考图1和图2，示出了展示手术区域的图解。手术区域可以包含外科手术套房。可以用于各种手术的导航系统10放置在外科手术套房中以供使用。导航系统10可以用于跟踪如植入物或仪器等物品(如本文所讨论的)相对于如患者14等受试者的位置。应当进一步注意的是，导航系统10可以用于导航任何类型的仪器、植入物或递送系统，包含：导丝、关节镜系统、矫形植入物、脊柱植入物、脑深部刺激(dbs)导线、心脏起搏导线、消融仪器等。此外，仪器可以用于导航或映射身体的任何区域。导航系统10和各种被跟踪的物品可以用于任何适当手术中，如通常微创手术或开放式手术。
手术间可以进一步包含成像系统12。在各个实施例中，成像系统12可以与导航系统10对接。成像系统12可以用于获取患者14的术前、术中、术后或实时图像数据。在各个实施例中，成像系统12可以用于在所选时间获取图像，以确认和/或确定手术的所选部分的进度。本领域的技术人员应当理解，可以对任何适当的受试者进行成像并且可以相对于受试者执行任何适当的手术。受试者14可以是人类患者，并且手术可以是外科手术，如装置(例如，螺钉、导线等)的植入。
在图1中示例性展示的成像系统12包括由在美国科罗拉多州路易斯维尔(louisville,colorado,usa)设有营业地点的美敦力导航公司(medtronicnavigation,inc.)销售的
在各个实施例中，x射线源或发射部分26以及x射线接收或图像接收部分28可以相对于大致环形的机架壳体20内的轨道(未展示)安装在转子(未展示)上。图像捕获部分22可以是可操作的，以在图像获取期间旋转360度。图像捕获部分22可以绕中心点或轴线旋转，从而允许从多个方向或在多个平面中获取患者14的图像数据。成像系统12可以包含在以下中公开的成像系统：美国专利第7,188,998号；第7,108,421号；第7,106,825号；第7,001,045号；和第6,940,941号，所有这些专利均通过引用并入本文。然而，成像系统12还可以包含也可以生成患者14的三维视图的其它成像系统或由其替换，所述其它成像系统包含c臂荧光镜成像系统、计算机断层摄影(ct)成像系统等。
可以相对于成像装置12的任何其它部分精确地知道图像捕获部分22的位置。另外，如本文所讨论的，对图像捕获部分22的位置的精确知识可以与跟踪系统29结合使用，以确定图像捕获部分22的位置和相对于如患者14等被跟踪的受试者的图像数据。例如，患者跟踪装置48可以放置在患者14上以跟踪患者14。
跟踪系统29可以包含相关联或与导航系统10包含在一起的多个部分。跟踪系统29还可以包含多种类型的跟踪系统，所述多种类型的跟踪系统包含光学跟踪系统和/或电磁(em)跟踪系统，所述光学跟踪系统包含光学定位器40，所述电磁跟踪系统可以包含em定位器42。光学定位器40可以用相机“观看”或光学跟踪可跟踪部分(跟踪装置)。em定位器42可以生成场，并且可跟踪部分(例如，em跟踪装置)可以感测所述场以确定相对于所述场中的另一个跟踪装置的位置。可以用跟踪系统29来跟踪各种跟踪装置，包含本文中进一步讨论的跟踪装置，并且信息可以由导航系统10使用以允许显示物品的位置。简而言之，如患者跟踪装置48、成像装置跟踪装置50和仪器跟踪装置52等跟踪装置允许用适当的跟踪系统29(包含光学定位器40和/或em定位器42)相对于彼此而跟踪手术室的所选部分。
应当理解，根据用于跟踪相应的跟踪装置的跟踪定位器，跟踪装置48、50、52中的任一个跟踪装置可以是光学跟踪装置或em跟踪装置，或两者。将进一步理解的是，任何适当的跟踪系统均可以与导航系统10一起使用。替代性跟踪系统可以包含雷达跟踪系统、声学跟踪系统、超声跟踪系统等。
示例性em跟踪系统可以包含由在科罗拉多州路易斯维尔设有营业地点的美敦力导航公司销售的
进一步地，对于em跟踪系统，可能有必要提供屏蔽或失真补偿系统以屏蔽或补偿由em定位器42生成的em场中的失真。示例性屏蔽系统包含于2010年9月14日发布的题为“在存在场影响物体的情况下导航导管探针的方法和系统(methodandsystemfornavigatingacatheterprobeinthepresenceoffield-influencingobjects)”的美国专利第7,797,032号以及于2004年6月8日发布的题为“患者屏蔽和线圈系统(patient-shieldingandcoilsystem)”的美国专利第6,747,539号中的屏蔽系统，所有所述专利通过引用并入本文。失真补偿系统可以包含于2003年10月21日发布的题为“用于在金属物体附近对外科手术探针进行电磁导航的方法和设备(methodandapparatusforelectromagneticnavigationofasurgicalprobenearametalobject)”的美国专利第6,636,757号中公开的失真补偿系统，所述专利通过引用并入本文。
利用em跟踪系统，em定位器42和各种跟踪装置可以通过em控制器44进行通信。em控制器可以包含各种放大器、滤波器、电隔离和其它系统。em控制器44还可以控制定位器42的线圈以发射或接收em场以用于跟踪。然而，可以使用无线通信信道(如在于2002年11月5日发布的题为“外科手术通信电力系统(surgicalcommunicationpowersystem)”的美国专利第6,474,341号中公开的无线通信信道，所述专利通过引用并入本文)，而不是将其直接耦合到em控制器44。
将理解的是，跟踪系统还可以是或包含任何适当的跟踪系统，包含由在科罗拉多州路易斯维尔设有营业地点的美敦力导航公司销售的具有光学定位器(类似于光学定位器40)的
成像系统12可以包含支撑壳体或推车56。成像系统12可以进一步包含可以容纳在推车56中的单独的图像处理单元58。导航系统10可以包含可以与导航存储器62进行通信或包含所述导航存储器的导航处理单元60。导航构件62可以包含任何适当的非暂时性存储器，包含随机存取存储器、磁性介质驱动器等。进一步地，导航存储器62可以与导航处理单元60集成在一起或者远离导航处理单元60。导航处理单元60可以从成像系统12接收信息(包含图像数据)，并且从跟踪系统29(包含相应的跟踪装置48-52和定位器40-42)接收跟踪信息。图像数据可以作为图像64显示在工作站或其它计算机系统68的显示装置66上。
工作站68可以包含适当的输入装置，如键盘70。将理解的是，可以包含其它适当的输入装置，如鼠标、脚踏板等。进一步地，如以上所讨论的各种处理单元可以并入工作站或计算机系统68中。因此，用户54可以使用各种输入来包含对系统的命令。进一步地，导航构件62或其它适当和/或类似的存储器可以用于传送或再调用如图像数据和/或供所选处理单元执行的指令等信息。各种处理单元、计算机和/或工作站可以包含内部或本地存储器和处理单元。处理单元可以包含作为通用计算机的中央处理单元，所述通用计算机执行指令以在芯片上执行任务。处理单元也可以是具体电路，如专用集成电路(asic)。因此，处理单元可以是接收信息并基于所述信息执行存储或接收的指令的装置。进一步地，存储器可以包含瞬态和非瞬态存储器系统，如随机存取存储器、易失性或非易失性存储器等。
图像处理单元58可以处理来自成像系统12的图像数据，并且可以在所选处理之前或之后将图像数据传输到导航处理单元60。然而，将进一步理解的是，成像系统12不需要执行任何图像处理并且其可以将图像数据直接传输到导航处理单元60。因此，导航系统10可以包含单个或多个处理中心或单元或与其一起操作，所述单个或多个处理中心或单元可以基于系统设计访问单个或多个存储器系统。此外，如本文所讨论的经处理的图像数据可以显示在显示装置66或任何适当的显示装置上。因此，所显示的图像不需要与导航系统10一起显示。
可以将患者14固定到如手术台等支撑件72上，但是不需要将所述患者固定到台面72。台面72可以包含多个条带74。可以将条带74固定在患者14周围以相对于台面72固定患者14。各种设备可以用于将患者14以静态位置定位在手术台72上。在以下中阐述了此类患者定位装置的实例：于2003年4月1日提交的题为“集成电磁导航与患者定位装置(anintegratedelectromagneticnavigationandpatientpositioningdevice)”的共同转让的美国专利申请第10/405,068号，公布为美国专利申请公布第2004/0199072号，所述美国专利申请通过引用特此并入。其它已知的设备可以包含
此外，患者14相对于成像系统12的位置(包含三维位置和朝向)可以由具有患者跟踪装置48和成像系统跟踪装置50的导航系统10来确定。如本文所讨论的，相对于患者14的位置(包含三维位置和朝向)可以至少部分地利用从患者14获取的图像来确定。因此，可以确定患者14相对于成像系统12的位置(包含三维位置和朝向)。如
可以通过识别患者空间中的匹配点或基准点以及图像空间中的相关点或等同点来配准受试者或患者空间和图像空间。如由美敦力导航公司销售的
可替代地，手动或自动配准可以通过将图像数据中的基准点与患者14上的基准点进行匹配而发生。图像空间到患者空间的配准允许在患者空间与图像空间之间生成转换映射。根据各个实施例，配准可以通过确定在图像空间和患者空间中基本上等同的点而发生。等同点可以包含解剖基准点或植入基准点。示例性配准技术公开于2017年8月22日发布的美国专利申请第9,737,235号中，所述美国专利申请通过引用并入本文。
在各个实施例中，导航系统10可以用于帮助执行手术。然而，应当理解，不需要导航系统10。在各个实施例中，手术可以在没有导航系统的情况下进行。然而，手术还可以单独地或与导航系统10组合使用，成像系统12可以用于执行所选手术。所选手术可以使用用成像系统12生成或获取的图像数据。进一步地，成像系统12可以用于在与手术有关(如在手术期间)的不同时间获取图像数据。如本文所讨论的，可以在手术的所选部分之后，获取患者14的图像数据，以用于各种目的，包含手术的部分的确认。
继续参考图1，成像系统12可以获取图像数据，如受试者14的投影。投影可以包含能够被显示为2d图像的2d投影。成像系统12还可以用于生成或重建患者14的三维(3d)图像。可以相对于成像系统12放置患者14，以允许成像系统12获得患者14的图像数据。为了生成3d图像数据，可以从相对于患者14的多个视角或位置获取图像数据。位置可以是患者14周围的位置，如通过检测器28相对于受试者14的移动而分离一定角度的位置。每个位置可以被定义或被称为相对于患者14的角度或西塔(θ)位置。患者14的3d图像或图像数据可以单独使用或与其它信息一起使用，以帮助对患者14或适当的受试者执行手术。然而，将理解的是，可以使用任何适当的成像系统(包含磁共振成像、计算机断层摄影、荧光检查等)以获取患者14的图像数据(包含3d图像数据)。
如以上所讨论的，成像系统12可以包含任何适当的成像系统，如由美敦力导航公司销售的
可以通过解释或确定由于所选物品(如包含植入物或仪器的物体)引起的投影中的伪像或失真来开始去除或处理图像中的失真的工艺。然后，可以在重建之前在投影中将所选物品替换，其中可以根据多种修复方法执行替换。所述过程可以被开发为算法和基于其的指令，所述算法和指令存储在如导航存储器62或其它适当的存储器等存储器中并且由一个或多个处理器或处理单元(包含以上讨论的处理器或处理单元)执行。然后，可以将具有校正或伪像减少的重建作为图像64显示在显示装置66上。
如以上所讨论的，图像可以被生成并在显示装置66上观看。所获取的图像是在所选时间用成像系统12来获取的，所述成像系统可以包含
可以出于任何适当的目的(如确认将椎弓根螺钉120定位于所选位置或预定位置中)执行在将椎弓根螺钉120定位于患者体内之后获取受试者14的图像数据。在图像数据获取期间，尤其是在放置椎弓根螺钉120a、120b之后，图像64中的失真或伪像可能会妨碍或减慢椎弓根螺钉120在椎骨124中的正确或准确位置的确认。因此，如本文中进一步讨论的，在生成图像64之前，可以使用所选过程来减少和/或校正所获取的图像数据中的失真或错误，所述生成图像可以包含基于用成像系统12获取的受试者14的一个或多个投影的如三维重建等重建。
转到参考图4，过程或流程图200展示了用于去除或处理受试者14的供用户54观看的投影和随后的重建(如图像64)中的伪像的高效过程。过程200允许高效地(包含较低的计算时间和/或必要的资源)生成供用户54观看而没有伪像和/或示出所选物品的清晰或高对比度边缘的图像64。在各个实施例中，所选物品可以包含定位于椎骨124中的椎弓根螺钉120。在各个实施例中，可以用过程200将用于生成具有如本文所讨论的经修复物体的重建的计算时间降低到小于约三分钟，包含小于约两分钟。伪像的去除可以允许在如椎弓根螺钉120等所选物品之间和如椎骨124等周围区域中的更精确和清晰的图像和/或区分。将理解的是，椎弓根螺钉120在椎骨124中的定位是示例性的，并且在任何不同的材料之间可能出现对比和/或失真。因此，除非另外明确指出，否则本文中相对于椎骨124对椎弓根螺钉120的讨论是示例性的。
而且，应当理解的是，椎弓根螺钉120可以由一种或多种所选材料(例如，金属或金属合金)形成，所述一种或多种所选材料在生成x射线图像数据时以相对于生成椎骨124的图像数据的x射线引起失真或伪像的方式影响x射线。因此，当生成图像64以供显示装置66进行显示时，过程200可以用于去除或处理图像数据中的伪像。应当进一步理解，椎弓根螺钉120或其它所选物品可以由多种材料形成或包含多种材料。
继续参考图4，过程200被理解为是图像分析和/或重建过程200，其可以单独地和/或以所选手术(如包含将椎弓根螺钉120定位于椎骨124中的外科手术)的一部分的形式执行。因此，过程200也可以是算法，或者包含算法部分，所述算法部分可以由所选处理器或处理器系统(如以上讨论的成像处理单元58)执行。然而，应理解，任何适当的处理系统均可以用于执行过程200以生成图像以在显示装置66上显示。
过程200可以并入其它手术中，如包含放置如椎弓根螺钉120等所选物品的外科手术。因此，所选手术可以包含框204中的开始手术，以及其后框206中的使受试者准备好进行手术。框126中的使受试者准备好进行手术可以包含预定或选择椎弓根螺钉120或其它适当的植入物在受试者14内的位置。这种预先计划或预定可以包含获取受试者14的术前图像数据并计划椎弓根螺钉120在椎骨124中的位置。进一步地，使受试者准备可以包含：将受试者14移动到支撑件72上的手术室中；形成受试者14的切口；相对于受试者14定位仪器；或其它适当的手术步骤。
在框206中的使受试者准备好进行手术之后，可以执行框208中的将所选物品放置在受试者体内。如以上所讨论的，示例性实施例可以包含将椎弓根螺钉120定位于椎骨124中，如图2所示。椎弓根螺钉120可以是任何适当的椎弓根螺钉，如由在美国明尼苏达州(minnesota,usa)设有营业地点的美敦力公司(medtronic,inc.)销售的cd
另外参考图5，椎弓根螺钉120可以包含所选部分，如定位于椎骨内的第一柄部分120'和/或如可相对于柄移动的头部或万向节头部等第二部分120”。然而，应当理解，椎弓根螺钉120可以是定位于患者体内的任何适当类型的椎弓根螺钉。应当进一步理解，框208中的定位的所选物品不必是椎弓根螺钉，而可以是相对于受试者14或任何其它适当的部分定位的任何适当类型的物品。通常，如椎弓根螺钉120等所选物品由与所述所选物品被放置在其中的部分(如椎骨124(例如，骨组织))不同的材料(例如，金属)形成。
在框208中的定位所选物品之后，过程200可以用于帮助生成所选或适当的重建以供用户54观看。过程200可以包含或开始于框220中的获取包含所选物品的投影。框220中的投影的获取可以包含受试者14的二维投影的获取。获取可以是实时图像数据获取、图像数据的再调用或两者的组合。继续参考图5，所获取投影可以包含部分(a)、(b)和(c)中所示的投影。投影可以包含椎骨124和椎弓根螺钉120。
如图5所示，示意性地或示例性地展示了椎弓根螺钉120。椎弓根螺钉120可以包含各种特征，如柄120'、头部120”和其它部分。柄120'可以包含螺纹或其它特征以允许与椎骨124紧固或连接。头部120”可以包含如u形等另外的特征，并且可相对于柄120'移动。然后，头部120”可以以所选方式如用紧定螺钉或螺母固定到柄120'。应当理解，柄120'和头部120”可以由相同的材料或不同的材料(如两种不同的金属合金或一种金属和一种聚合物)形成。
然而，椎弓根螺钉120可以定位于椎骨124中，并且可以获取椎骨124和定位于其中的螺钉120的图像。例如，如图5部分(b)所示，椎弓根螺钉120中的一个或多个椎弓根螺钉可以定位于患者体内，如椎骨124中。如图5所示，示出了椎骨124p的图像，并且示出了椎弓根螺钉120p的图像。投影可以包含在视场中用成像系统12生成的二维投影。然而，应当理解，在包含椎骨124和椎弓根螺钉120的视场中，可以生成受试者14的多个投影，例如包含约360个投影。然而，可以获取任何适当所选数量的投影并将其包含在过程200中。例如，(b)中的投影表示为西塔(θ)＝180度(°)，并且因此可以是从原点或起点以180°获取的投影。
如本文进一步讨论的，如图5所示的投影可以包含以任何适当的方式获取的多个投影。例如，如以上所讨论的，过程200可以用图像处理单元58来执行。因此，成像系统12可以生成或收集包含投影的图像数据，并且可以用成像处理单元58立即对所述图像数据进行处理。对其可替代地或附加地，可以用成像系统12获取图像数据，并且然后可以将所述图像数据转发或传送到所选处理单元或处理器。例如，可以用如有线或无线协议等耦合来传送图像数据，所述耦合被保存到所选存储器介质(例如，cd-rom、易失性或非易失性存储器等)中。因此，本领域的技术人员应理解，框220中的获取投影可以包含：操作成像系统12以获取图像数据；从所选存储器接收图像数据；或将来自所选存储器或源的图像数据传送到采集单元(sourcingunit)。
如本文所讨论的，无论框220中的获取可以被进一步处理的投影的特定方法如何。在检测器28记录的信号电平不准确的意义上，来自框220的投影中的每个投影可能会失真。失真导致从那些投影重建的3d图像中的伪像，如由于包含x射线锥26x的视场中的椎弓根螺钉120的材料引起的拖尾或阴影。在图5部分(c)中展示了关注区域(aoi)或关注场的特写视图或细节视图。
框220中的投影的获取可以包含过程200的第一输入。另外的输入可以包含框226中的已知组件参数或已知组件(kc)。已知组件参数可以是如椎弓根螺钉120等所选物品的预定参数。在各个实施例中，例如，kc可以包含具有柄120'和头部120”的椎弓根螺钉120。已知组件参数可以进一步包含椎弓根螺钉120的所选部分的材料的类型，如由不锈钢合金形成的120'和由相同的不锈钢合金形成的头部120”。然而，应当理解，椎弓根螺钉(如柄120')可以由如钛或钛合金、聚合物等其它材料形成。然而，框226中的已知参数可以包含如椎弓根螺钉120等所选物品的特性。
框226中的已知参数还可以包含所选尺寸，如长度、宽度、高度等。框226中的已知参数可以进一步包含椎弓根螺钉120的组件或部分的数量以及椎弓根螺钉的各种组件或部分的相对几何形状。例如，框226中的已知参数可以包含椎弓根螺钉120的固定几何形状和/或椎弓根螺钉120的各种可能的几何形状。如图5所示，椎弓根螺钉120包含相对于彼此可移动的柄120'和头部120”。因此，框226中的已知参数可以包含柄120'相对于头部120”的运动的范围和/或运动的自由度(例如，可能的几何形状)。
框226中的已知参数可以进一步包含x射线相对于包含椎弓根螺钉120的所选物品的已知相互作用。框226中的已知参数可以包含x射线与形成柄120'的不锈钢和形成头部120”的不锈钢的已知相互作用。框226中的已知参数可以进一步包含x射线与钛或钛合金、聚合物或可以形成椎弓根螺钉120的其它材料的相互作用。kc的已知相互作用可以包含相对于椎弓根螺钉120的材料的x射线的衰减量、散射量、吸收量或其它所选参数。已知组件参数可以在过程200之前通过测试来确定并保存以供进一步访问。进一步地，kc可以涉及被输入或用于选择框226中的具体kc(包含单一kc)的如椎弓根螺钉120等具体物品。
也被称为组件或物体(例如，椎弓根螺钉120)的参数的已知组件参数可以以各种方式(如以上讨论的方式，包含精确值)来定义和/或在所选过程期间来定义或确定。精确值或参数可以基于物体的规格(例如，物体的预定和/或已知的技术规格)。物体的规格可以包含特征，如以上标识的特征，包含长度、直径、与多能x射线射束的相互作用或其它特征。这些值可以是精确的或接近精确的，如知道精确的宽度或范围的长度、直径等，如在所选公差内。然而，在各个实施例中，还可以在所选过程期间确定或定义参数。如本文中所讨论的，可以基于本文中进一步讨论的所选过程来在投影中确定物体或将物体配准。在配准过程期间，可以在获取的投影中参数上定义和/或确定物体。通过在配准过程期间定义参数，可以在参数(包含长度、直径等)的所选手术期间进行确定。这些可以基于对图像的分析，或者需要基于与x射线射束或其它特征的所选已知或假定相互作用的投影。因此，参数可以如以上所讨论且如本文中所指出的那样预定和/或在配准过程期间通过分析在投影中获取的图像数据来确定。
因此，在各个实施例中，框226中的已知组件参数可以是包含椎弓根螺钉120的所选物品的表示，如查找表。进一步地，框226中的已知参数可以包含所选具体模型，如椎弓根螺钉120的计算机辅助设计(cad)模型，包含其已知材料以及x射线相对于其的已知相互作用。在各个实施例中，椎弓根螺钉120是cd
继续参考图4，一旦在框220中获取投影并且在框226中获取或访问已知参数，则在子框或子过程240中可能发生配准，也被称为已知组件(kc)配准。框240中的kc配准可以包含各种步骤或过程，包含框250中的前向投影。如本文进一步所讨论的，然后可以将框250中的前向投影与框260中的投影进行比较。基于框260中的比较，可以在框270中确定相似性度量(gc)。然后，可以在框280中优化框260中的比较，从而得到框270中的相似性度量。具体地，优化器框280可以生成变换，所述变换再次被应用于框250中的前向投影以基于框260中的比较来确定框270中的相似性度量。因此，框240中的kc配准是迭代过程，直到框280中的优化器确定优化的变换。
优化的变换可以是收敛，其中框250中的前向投影与框260中的投影之间的差异很小或者具有框270中的所选相似性度量。在相似性度量的所选变换中，所述变换被确定为已收敛或已优化为优化的变换
返回到kc配准过程240，kc配准过程240包含将来自框226的已知组件与所选数量的投影(包含少于或全部来自框220的所获取投影)进行配准，所述所选数量的投影可以在重建子过程290中用于后续重建。具体地，kc配准尝试确定来自框220的所获取投影中的部分，所述部分与框226中的已知组件匹配。例如，投影中的一个或多个投影中的一个或多个像素由定位于框208中的受试者内的所选物品(例如，椎弓根螺钉120)生成，并且因此应与来自框226的已知组件的前向投影匹配。例如，如以上所讨论的，椎弓根螺钉120可以具有精确参数，所述精确参数定义了框226中的已知组件参数。因此，可以输入由κ表示的已知参数。数字射线照片重建或数字重建射线照片(drr)形成框250中的前向投影，并且可以由等式1(eq.1)来定义：
在eq.1中，前向投影
如框250中所定义的前向投影可以在框260中与来自框220的所获取投影p进行比较。框260中的比较可以允许相似性度量的输出，在各个实施例中，所述相似性度量被定义为梯度相关性(gc)。而根据等式2(eq.2)，gc是适当的相似性度量，应当理解，还可以使用其它相似性度量。然而，关于gc，eq.2包含：
并且等式3(eq.3)：
gc通常在框250中的前向投影
然后，使用框280中的优化器来确定是否已经找到或实现收敛的变换
所述等式可以在框250中的前向投影与来自框220中的所获取投影之间迭代地求解。eq.4用于确定框250中的前向投影与框220中的所获取投影之间的最大相似性。通过以下来进行迭代：基于框260中的比较来确定框270中的gc，并且然后将框280中来自优化器的前向投影变换为框250中的不同的前向投影。因此，例如当t的平均变化小于约0.01毫米(mm)到约0.2mm(包含约0.1mm)和约0.01度到约0.2度(包含约0.1度)时，优化器框可以确定框270中的相似性度量是否相同或已经被优化和/或在所选变化阈值内。阈值还可以或可替代地包含或当相似性度量gc的变化接近用于表示浮点数的机器精度(如图像处理单元58)时。
如果框280中的优化器确定尚未达到阈值，则可以遵循否路径282到前向投影框250。然后，可以更改前向投影(如以相对于框226中的已知组件的不同角度确定前向投影)以形成新的前向投影，用于与来自框220的所获取投影进行比较。如果优化器框280确定已经实现收敛(例如，与当前gc的差异在相对于先前gc的阈值之内)，则收敛或优化的变换
可以在优化器框280中使用适当的优化技术，如可以由处理单元58或其它适当的处理单元执行的优化技术。在各个实施例中，可以使用协方差矩阵适应进化策略来实现优化。所选策略可以包含随机无导数优化方法。然而，应当理解，在优化器框280中可以使用其它适当的优化方法或技术。
一旦遵循是路径284输出优化的变换，优化的变换
除了直接和/或基于插值的修复外，还可以使用各种其它过程来帮助或预先形成修复。例如，可以使用机器学习过程或系统来对投影执行修复。例如，可以基于机器学习系统的先前训练来对在过程200中标识的像素或体素进行修复。例如，神经网络(例如，深度学习系统)可以用于基于先前确定的物体投影的训练以及在投影上的物体的标识和其中的修复来确定要修复的像素或体素。因此，在各个实施例中，根据如插值或机器学习基础系统等适当的系统，修复可以替换投影中的体素或像素。
框310中的投影的修改还可以包含确定或估计像素值，如使用如x射线射束的成像系统的所选建模来测算或计算像素或体素值。如以上所讨论的，x射线射束可以包含由发射器26发射的x射线。发射的射束中的x射线可以是多能的，如包含光谱。因此，所发射的x射线可能不仅具有单一频率或功率。多能x射线射束可以基于x射线射束的多能性质以已知的方式与材料相互作用。如以上所讨论的，可以基于各种x射线分量(由x射线光谱定义)的已知分量与投影中的物体来了解相互作用。因此，基于x射线射束的已知多能模型的所确定的像素值可以用于生成投影中的像素或体素值，并且因此可以用于替换投影中的所确定的像素。
如以上所讨论的，可以以各种方式和适当的过程来修改投影。本文中对修复的讨论仅是示例性的，并不旨在限制所附权利要求的主题公开的范围。因此，修改可以包含在修改(例如，修复)框310处在框220中获取的投影中的修复。修复框310是重建过程290的第一过程或步骤。重建过程290也可以被称为金属伪像减少或去除(mar)过程。因此，mar重建可以用于减少或去除由于如椎弓根螺钉120等所选物品而引起的伪像。通过在修复框310中减少金属伪像或其它所选伪像，所述伪像被去除以用于后续重建。重建可以包含或基于包含滤波反投影(fbp)的反投影重建。在各个实施例中，反投影可以是框320中的三维(3d)投影。在框330中发生重建，所述重建可以形成图像64的重建以用于在显示装置66上观看。
继续参考图4和图5，修复模框310使用优化的变换来修复来自框220的所获取投影。如过程200所展示的，投影(p)利用优化的变换或收敛的变换
如上所述，参考图5，来自框220的投影或所述投影之一包含椎骨124p和成像的螺钉120p。一旦在框280中优化了变换，就可以用来自框250的前向投影替换或修复图5部分(b)中被优化或最匹配螺钉120p的前向投影。如图5部分(e)所示，可以对经修复的螺钉120ip(在部分(f)中通过虚线示意性地展示)进行修复或者所述经修复的螺钉可以用于替换投影中的螺钉120p，并替换图像(包含椎骨124p)中的所述螺钉。如以上所讨论的，框220中的所获取投影可以包含从受试者14获取的投影中的一个或多个投影。在各个实施例中，投影的数目可以包含三个投影、六个投影、所有投影或任何适当的数目。在各个实施例中，框220中的所获取投影可以包含六个投影，所述六个投影围绕受试者14彼此偏移或移位30度(或任何适当的所选角度西塔(θ))。框270中的相似性度量和框280中的优化的变换可以仅用于受试者14的投影的一部分或所选数量。然而，应当理解，基于框250中的前向投影，框226中的已知组件参数的使用可以最小化或允许快速和高效的配准，所述前向投影由于框226中的已知组件参数而相似地或最紧密地匹配框220中的实际投影。同样，kc参数可以包含大小、形状、材料以及与x射线的相互作用。然而，框310中的修复可以将所标识的螺钉120p替换为已与其配准的经修复的前向投影，如以上所讨论的。然后，投影可以变成经修复的投影，使得在框310中图5部分(e)中的经修复的投影包含经修复的所选部分或物品。
框310中的修复还可以包含各种优化或鲁棒性特征。例如，来自框250的前向投影(其也可以被称为掩膜)可以相对于来自框226的精确的已知组件参数进行扩张或扩展，所述精确的已知组件参数相对于来自框220的投影。在各个实施例中，当在框310中的投影上进行修复时，来自框250的前向投影掩膜可以具有扩张或被扩张一个或多个像素。扩张可以帮助克服如制造变化、成像系统的几何校准、浮动精度误差或其它可能的误差等误差。如上所述，掩膜的扩张或扩展的所选量有助于确保适当的定位或解决误差。如本文所讨论的，可能是图像64的最终重建将包含来自框220的kc参数的尺寸，以展示椎弓根螺钉120在椎骨124中的范围或放置(植入)的最终位置。
进一步地，来自框280的优化的变换标识要在框310中修复的投影中的所选物品。修复过程或方法可以从适当的方法中选择。例如，修复可以包含在所选投影中的线性插值。在各个实施例中，线性插值是通过以下来实现的：在(如利用前向投影260的drr)被来自框280的所标识的变换掩盖的区域的凸包上产生德劳内(delaunay)三角剖分(例如，barber,c.b.、dobkin,d.p.和huhdanpaa,h.t.,“用于凸包的quickhull算法(thequickhullalgorithmforconvexhulls)”,《美国计算机学会数学软件学报(acmtrans.onmathematicalsoftware)》,22(4):469-483,1996中公开的quickhull算法)，然后在每个产生的三角形上进行重心插值。然后针对所有投影(如在框220中获取的所有投影)和在框220输入的投影中的每个投影中的测量重复修复过程(在各个实施例中，包含运用kc模型的基于插值或基于模型中的至少一个)。
一旦完成框310中的修改(如包含来自框220的投影中的修复)，就可以在框320中用修改后的投影执行重建。如本文所讨论的，重建可以是任何适当的重建。重建可以用于本文所讨论的各种目的。
在各个实施例中，框320中的重建可以包含三维滤波反投影(3dfbp)。在示例性实施例中，3dfbp可以包含本领域通常已知的feldkamp-davis-kress算法重建方法。然而，应当理解，可以使用其它适当的重建(例如，替代性反投影)方法。
除了滤波反投影之外和/或替代于滤波反投影，还可以执行迭代重建。迭代重建可以包含基于模型的迭代重建(mbir)算法。迭代重建可以包含迭代地更改模型的参数以实现或最小化模型与来自框310的修改后的投影之间的差异。例如，可以标识如椎弓根螺钉120等物体的模型，并且可以迭代地更改通过模型的投影以匹配来自框310的修改后的投影。当实现匹配时，可以使用模型来帮助重建模型投影。
基于来自框320的反投影，重建过程290可以在框330中输出重建的图像。重建的图像可以是重建的视觉显示。视觉显示可以被显示为用于观看的图像，如用显示装置66显示为图像。
框330中的输出的重建可以被称为kc-mar重建和/或视觉显示(例如，kc-mar重建视觉显示)。包含视觉显示的输出可以包含或表示为用于在显示装置66上显示以供用户54观看的图像64。重建可以包含三维重建和/或可以将反投影展示为供用户观看的图像。参考图6，在a行中展示了框220中的未校正的所获取投影的反投影。在b行中展示了使用包含kc配准240和重建过程290的过程200的重建。如图6中清晰展示的，具有经修复的所配准已知组件的b行减少了金属伪像或所选失真。失真减少允许观看或重建视觉显示，所述重建视觉显示包含重建中的拖尾和其它伪像减少或最少的较锐利或较高对比度边缘。
如图6、b行中所展示的，重建视觉显示还可以包含基于来自框226的已知组件的所选信息。如以上所讨论的，框310中的修复可以用来自框250中的前向投影的掩膜来进行修复。框250中的前向投影包含来自框226的已知组件参数。因此，修复可以包含各种几何配置，如大小、形状和配置，并且来自框250的前向投影的掩膜还可以包含由于不同衰减而引起的材料的区分，所述不同衰减是由于已知组件的不同材料引起的。例如，如以上所讨论的，椎弓根螺钉120的头部120”可以是与柄120'不同的材料或由所述不同的材料形成。因此，图6、b行中的重建可以如由于灰度而区分不同材料的重建部分。因此，在各个实施例中，头部120”r的重建的投影可以具有与柄120'r不同或改变的灰度或视觉效果。这至少部分归因于来自框250的前向投影是基于已知组件参数。框226中的kc参数可以是关于如椎弓根螺钉120等已知组件的穷举。
由于已知组件参数可以包含大小和几何形状，并且还包含材料，因此每种效果可以是已知的并且适用于形成前向投影和框310的修复。而且，如以上所讨论的，对于框250中的前向投影和框310中的修复，已知组件及其对x射线投影的影响可以是预定和已知的并且可以被保存和再调用。因此，框320中的反投影重建和框330中的重建视觉显示或输出还可以分别基于来自框226的已知组件参数。
重建视觉显示或框330中的视觉显示可以以各种格式生成和/或由用户从一个或多个选项中选择。视觉显示可以包含来自框310的修改后的投影的直接重建。例如，可以显示来自框320的重建以供用户54观看。如以上所讨论的，重建可以包含将修改后的投影直接并入重建的投影中。多个投影或所选多个投影可以用于生成三维(3d)模型或视觉显示，以供用户54观看。因此，框330中的视觉显示可以是直接视觉显示或来自框320的直接重建的视觉显示。
在各个实施例中，视觉显示还可以包含和/或可替代地包含与来自框310的修改后的投影中的所配准物体重合的图片或图像元素(例如，体素或像素)。例如，如以上所讨论的，一旦物体被配准，投影就可以具有重合或被配准的像素或体素，因为物体被所选其它像素或体素替换。例如，可以使用所选颜色、梯度或像素或体素的类型来替换框330中的视觉显示中的所配准体素。相应地，由于可能替换与所配准物体有关的像素或体素，所以可能不需要或生成另外或替代的视觉显示。
作为进一步的替代和/或另外的视觉显示，可以相对于物体的所选特征或参数显示所选切片或2d部分。例如，一旦已经在投影(例如，椎弓根螺钉120)中标识或配准了物体，包含所述物体和/或与所述物体重合的切片就可以被朝向或重新朝向并且以所选方式，如沿着物体的长轴展示。例如，如图6所示，用于显示的图示或视觉显示可以被朝向成使得螺钉120的长轴102l用于使视觉显示朝向。因此，长轴102l可以用于使图像竖直地朝向，并且如果显示多个切片或2d图像，则其全部可以基本上平行地显示。
作为进一步的替代和/或附加，可以将图形表示叠加或覆盖在所选图像上。例如，如以上所讨论的，物体可以包含椎弓根螺钉120。进一步地，可以基于可以包含物体的模型的已知组件来确定和/或标识物体。因此，可以相对于图像显示物体的所选部分或版本(如其表示或外形)。例如，在各个实施例中，图形表示可以在物体的所配准位置处覆盖或叠加在图像上。
因此，框330中的视觉显示可以包含任何适当的视觉显示。视觉显示可以基于如椎弓根螺钉120等物体在所获取投影中的所配准或已知的位置。然后，如图像54等视觉显示可以显示在显示装置66上以供用户54出于各种目的观看。因此，在各个实施例中，可以在视觉显示框330中减少小伪像，使得用户54可以在显示装置66上观看图像中失真或伪像显著减少和/或消除的视觉显示64，所述失真或伪像是由于金属或其它组件引起的。
鉴于以上所述，由于来自用于对受试者14进行成像的成像系统12的x射线的更改的衰减或失真的衰减，框330中的可以作为图像64显示在显示装置66上的最终重建和/或重建视觉显示可以具有显著减少或消除的伪像。此外，已知组件参数226可以在框280中帮助增强配准，如通过高效且更明确地定义用于形成250中的前向投影的组件来使所述配准更快。此外，来自框226的已知组件参数可以进一步帮助减少由于用于框310中修复的组件的预定和已知效果而导致的伪像和失真。因此，基于可以用如以上所讨论的图像处理单元58等处理系统执行的过程200，高效且快速地产生框330中的最终重建图像。
提供示例实施例使得本公开将是透彻的，并且将使范围充分地传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，如具体组件、装置和方法的实例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域技术人员来说，显而易见的是，不需要采用具体细节、示例实施例可以被具体化为许多不同形式并且两者均不应解释为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，没有详细描述众所周知的过程、众所周知的装置结构和众所周知的技术。
已经出于展示和描述的目的，提供了前述对实施例的描述。其并不旨在是详尽的或限制本公开内容。特定实施例的单独要素或特征通常不限于所述特定实施例，但在可适用的情况下是可互换的，并且可以用于所选实施例中，即使没有具体地示出或描述。相同情况也可以以许多方式进行改变。此类变化不会被视为脱离本公开，并且所有此类修改旨在包含于本公开的范围内。
在一个或多个实例中，所描述的技术可以在硬件、软件、固件或其任何组合中实施。如果以软件实施，则功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上并由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可以包含非暂时性计算机可读介质，其对应于有形介质，如数据存储介质(例如，ram、rom、eeprom、闪存或可以用于存储呈指令或数据结构形式的期望程序代码并且可以由计算机访问的任何其它介质)。
指令可以由一个或多个处理器执行，所述处理器如一个或多个数字信号处理器(dsp)、通用微处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程逻辑阵列(fpga)或其它等效的集成或离散逻辑电路系统。因此，如本文所用的术语“处理器”可以指代任何前述结构或者适合于实施所描述的技术的任何其它物理结构。而且，所述技术可以完全在一或多个电路或逻辑元件中实施。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！