CN100544673C - 补偿医疗成像的系列拍摄时患者运动的方法和成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及补偿在医疗成像的系列拍摄时的患者运动的方法，其中绘制患者检查区域的、有时间间隔的多幅图像并相互关联。本发明还涉及实施该方法的成像***。在系列拍摄前通过对检查区域的一次3D拍摄绘制一个构成参考***的3D图像数据组。然后或者通过绘制系列拍摄的第一图像并与所述3D图像数据组进行对准得到，或者根据对成像***的公知校准实现检查区域在参考***中的第一空间位置。将系列拍摄的每个其它图像直接在绘制之后与所述3D图像数据组对准，以得到检查区域在参考***中的瞬间空间位置。最后确定与第一空间位置的偏差，并通过改变成像***的几何关系在接近对准的时候补偿偏差。该方法可以补偿患者的运动而无需成像***的用户交互。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于补偿在医疗成像的系列拍摄时患者运动的方法，其中，利用成像***对患者检查区域的、有时间间隔的多幅图像进行绘制并且进行相互关联，特别是用于在数字相减血管造影或者在路径探测器技术(Pfadfindertechnik)中的运动补偿。此外，本发明还涉及一种构造用来实施所述方法的成像***，包括射线源、检测器和患者卧榻以及控制单元、图像处理单元和图像显示单元。
背景技术
在本发明方法的主要应用领域，即数字相减血管造影中，利用成像***(在这种情况下是X射线设备)采集并显示人体的血管。在该方法中，在注射用于突出血管的造影剂的同时，绘制感兴趣的患者检查区域的一系列X射线图像(充盈图像)。此外，还在没有注射造影剂的条件下拍摄检查区域的一幅图像(蒙片)。通过将相应的充盈图像数字减去蒙片而得到相减图像，在其上只能看出血管，其它如骨骼等吸收X射线的结构的叠加由于相减而消失了。
但是，图像相减的前提是，这些图像在相同的几何条件下绘制，从而使它们重合。由于在各次拍摄之间所描绘的结构的运动，在相减后的图像中可能出现起干扰作用的运动伪影。这些伪影可能通过在拍摄蒙片和拍摄充盈图像之间的患者运动而引起。这种运动的结果可能是，得到的相减图像不再可以用于诊断。因此在实际中，必须重复被这种运动伪影干扰的相减图像。这意味着额外的时间和造影剂的花费以及对患者的额外的射线照射。
一种与数字相减血管造影一起使用的方法是所谓的路径探测器技术，也称为路径测绘(Roadmapping)。该技术用于在介入治疗中对血管的选择性导管***。在这种血管介入中，以两维的图像通过X射线透视(荧光透视法)来显示吸收X射线的导管的当前位置。为了能够额外地将血管作为所谓的路标加以识别，在介入开始时绘制一幅其中注射了极少量造影剂的图像。该图像被固定为蒙片。将该蒙片分别与后续的、在没有注射造影剂条件下得到的荧光透视图像相减。按照这种方式得到相减图像，在其上可以识别在暗血管之上的亮导管，而背景通过相减被消除。
路径测绘也按与数字相减血管造影一样的方式被系列拍摄期间成像的结构的运动干扰。不过，在此，在拍摄蒙片和拍摄相应荧光透视图像之间的运动中出现两个问题。一方面，背景不再被正确地减掉，从而形成了图像伪影。另一方面可能出现，通过图像所确定的导管位置相对于所显示的血管不正确。这种严重的错误例如可以导致导管在该图像中显示在血管之外，尽管其实际上处于血管的内部。在极端的情况下，这种错误显示导致导管控制时的错误，并因此损害血管。因此，当患者在介入期间移动时，必须经常地通过重新拍摄蒙片来更新路标。这意味着额外的时间花费和造影剂的消耗以及对患者提高了辐射剂量。
为了避免或者减小该问题，目前公开了不同的解决方案。基本上可以区分为下列三种类型的解决方案措施。
针对患者的解决方案的目标是，避免在拍摄时患者移动。如在胸部检查中例如这样训练患者，即在实施系列拍摄时屏住呼吸。另一种方法是，通过完全麻醉避免运动伪影的一些来源。针对患者的方法的缺点在于，其要么仅仅部分起作用要么不总是可以采用。例如，完全麻醉具有许多风险，因此在许多数字相减血管造影的应用中不适用。另一方面即使在完全麻醉中还有运动伪影的一些来源，例如呼吸运动。
在针对图像拍摄的解决方案中，将图像拍摄这样实施，使得运动伪影最小。迄今为止对此已知的首先是所谓的门控方法，其中拍摄与生理测量耦合。例如在EKG门控中分别仅仅获取特定心脏阶段的图像，从而补偿心脏运动。不过，门控方法只能使用在少数的专门应用中，并只能避免由可以对其测量生理信号的特定来源造成的运动伪影。
另一种避免运动伪影的解决方案在于对所绘制的图像进行回溯的图像处理。在这种技术中追求的是，通过合适的图像处理改善蒙片和充盈图像的一致性。采用的最简单技术是所谓的像素移动或者子像素移动，其中，使用者将二维蒙片相对于二维充盈图像一直手动地移动，直到在相减图像中实现运动伪影的最小化。这种方法实施在市面上所有的血管造影***中。在市面上一些血管造影***中还存在自动方法，其借助可以量化的相似度量确定最好的一致性。昂贵的方法不使用整个图像区域上的全程图像移动，而是将图像的优化局部区域相互分开，如在US 4870692A中描述的那样。此外，在科学文献中提出了用于运动校正的许多费事的方法。基本上是优化方法，其中试图找到带来最少运动伪影的、蒙片和充盈图像之间的转换。其它回溯图像处理的例子可以参考论文“Motion-compensated digitalsubtraction angiography”，Magnus Hemmendorff等人，SPIE’99，San DiegoUSA，Proceedings of SPIE’s International Symposium on Medical Imaging 1999，Volume 3661，Image Processing，February 1999，pp.1396-1405；Meijering E.H.等人，“Reduction of patient motion artifacts in digital substraction angiography：evaluation of a fast and fully automatic technique”，Radiology，2001 Apr，219(1)：288-293；或“Retrospective Motion Correction in Digital SubtractionAngiography：A Review”，Erik H.W.Meijering等人，IEEE Transactions onMedical Imaging，Vol.18，No.1，January 1999，pp.2-21。
不过，回溯图像处理只能对运动进行近似补偿。不能校正任意的运动。即使将校正限制为对应于刚体旋转和平移的6个自由度，也不能从两维图像中明确地确定运动。此外，复杂的图像处理方法非常耗费计算时间，因此很难实时地实现。图像处理的手动方法(像素移动)需要用户的交互作用，可能要求巨大的时间花费。此外，其基本上只能用于DSA拍摄的事后改善，因为在路径测绘中很少有时间来交互作用。
DE 10051370A1涉及一种用于在辐射治疗或者放射外科手术中对患者进行精确定位的方法。在该领域中利用计算机断层造影设备建立检查区域的三维图像数据组，在该基础上计划随后的辐射治疗，例如对肿瘤的照射。然后，患者应该尽可能精确地相对于辐射治疗所需的线性加速器定位，以便尽可能精确地在所计划的位置上保持照射。在该文献中这样实现尽可能精确的定位，即，在线性加速器上从两个不同方向绘制X射线透视照片，据此通过与根据此前建立的3D图像数据组对应重建的(虚拟的)透视图像进行比较来确定位置是一致还是有偏差。然后，为了补偿该位置偏差，可以通过移动患者卧榻来匹配患者的位置。其中，患者的预先定位借助于计算机和摄像机控制的导航和跟踪***利用在患者上的人工标记实现。
DE 10250655A1与DE 10051370A1一样描述了用于同样应用目的患者定位***。为了解决定位问题，在该文献中既在CT设备上又在线性加速器上使用了表面图像生成器，对其图像进行比较并用于对患者的精确定位。
发明内容
从该现有技术出发，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于补偿在医疗成像的系列拍摄时患者运动的方法以及所属的成像***，利用该方法和成像***在图像拍摄期间在不需要费时的用户交互作用的条件下，可以补偿患者的运动，其中该方法可以实时实现。该方法和所属的成像***尤其要在操作者花费尽可能最小的时间的条件下，改善在数字相减血管造影或者在路径探测器技术中的图像结果。
在用于补偿在医疗成像的系列拍摄时患者运动的方法中，利用成像***对患者检查区域的、有时间间隔的多幅图像进行绘制并且进行相互关联，其中，在系列拍摄之前通过对检查区域的一次3D拍摄绘制一个构成参考***的3D图像数据组。这点可以或者事先利用其它3D成像模态实现(在利用C型设备进行X射线系列拍摄的情况下，例如通过CT、MR或3D血管造影仪)，或者由也用来进行系列拍摄的同一成像***实现。然后，或者通过绘制系列拍摄的第一图像并与所述3D图像数据组进行对准得到，或者根据对成像***的公知校准来实现检查区域在参考***中的第一空间位置。后者仅仅在利用相同的成像***绘制3D图像数据组的条件下才可能。接着，将系列拍摄的每个其它图像直接在绘制之后与所述3D图像数据组进行对准，以便得到检查区域在参考***中的瞬间空间位置。确定该瞬间空间位置与第一空间位置的偏差，并通过改变成像***的几何关系在接近对准的时候，优选实时地至少近似地补偿该偏差的至少一部分。
因此，该方法采用了对准、特别是2D/3D对准技术，以便在进行系列拍摄期间确定患者以及检查区域的位置变化，即该检查区域在位置和取向上的变换。
然后，基于所确定的偏差，通过控制、优选实时控制成像***的几何关系来至少部分地补偿患者运动。在此，该补偿根据所控制的成像***的部件可以完全通过对几何关系的这种改变而实现。不过，也可以通过对其中确定了偏差的图像的图像内容进行匹配、特别是通过旋转和平移来补偿各个自由度。按照这种方式，得到了分别按接近一致的位置和取向显示检查区域的、系列拍摄的单个图像。在仅仅通过改变成像***的几何关系对患者或者检查区域的运动进行补偿时，将成像***的可以调整的部件这样控制，使得待成像的检查区域和拍摄***之间的相对关系在系列拍摄期间保持近似恒定。
适用于对准、特别是2D/3D对准的技术是专业人员公知的。在此，尤其可以采用基于图像的方法，该方法建立3D图像数据组的坐标系以及相应2D图像坐标系之间的关联。对于2D/3D对准的例子可以例如参考J.Weese等人的论文：“2D/3D Registration and Motion Tracking for SurgicalInterventions”，Philips Journal of Research 51(1998)，299-316，和G.P.Penney等人，“Validation of a two-to three-dimensional registration algorithm foraligning preoperative CT images and intra-operative fluoroscopy images”，Med.Phys.28(6)，June 2001，1024-1032。
本发明的方法尤其可以用于在数字相减血管造影或者在路径探测器技术中的运动补偿，以便得到尽可能重合的、用于相减的单个图像。因此，利用该方法在图像拍摄时就已经通过对成像***的几何关系进行实时控制、必要时结合对图像内容的几何匹配，对患者的运动或者看到的患者检查区域的运动进行了补偿。
本发明的方法与多数迄今为止公知的运动校正的方法相反，没有与操作者的交互作用。迄今为止的用于回溯图像处理的方法由于原理的限制只能近似地工作。用这些方法几乎不能校正大的运动，小的运动只能近似地校正。所提出的方法尤其是在大运动时也以较高的精度工作，从而避免了对蒙片的多次拍摄。这节省了时间、造影剂并减小了在X射线拍摄情况下使用的X射线剂量。本发明的方法还使得可以，在一定条件下放弃仅仅以减小运动伪影为目的的对患者的镇静或者麻醉。
为了通过匹配成像***的几何关系对由于患者运动而引起的偏差进行补偿，可以采用成像***的不同部件。优选地通过在1至3个自由度上对患者卧榻进行平移和/或旋转来实现这种匹配。恰好在用于血管造影应用中的C型设备中患者卧榻已经可以电动地在至少3个平移自由度上进行移动。
此外，可以通过在RAO/LAO或者颅骨/尾椎骨方向的两个自由度上旋转C型来匹配偏差。在另一种实施方式中采用一种可以在1至3个自由度上旋转的检测器，从而可以通过检测器的移动来补偿一定的偏差。
为了补偿所检测出的偏差，还可以几何地改变所绘制图像的图像内容。这尤其涉及将图像内容围绕垂直于图像平面的轴进行转动，以及在两个平移自由度上将二维图像进行平移。此外还可以将图像进行比例变换。根据患者运动的不同类型，将两种补偿技术进行组合也可以是有优势的，即，改变成像***的几何关系以及对图像内容进行几何匹配。
自然，在本发明的方法中在对运动进行至少近似的补偿之后，还可以额外地采用回溯图像处理方法，以便进一步改善图像结果。其中，可以将通过改变成像***的几何关系来进行近似补偿用于补偿粗略的运动，而将剩余的小错误通过回溯图像处理来消除。
本发明的成像***至少包括：射线源、检测器、患者卧榻、控制单元、图像处理单元和图像显示单元。用于图像拍摄的几何关系可以通过对患者卧榻以及图像拍摄单元的、电机控制的运动来改变，其中，图像拍摄单元由射线源和相对设置的检测器构成。该成像***的特征在于，设置了一个补偿单元，其实时地将患者的每个所绘制的图像直接在绘制之后与一幅存储的3D图像数据组进行对准，从该对准中确定患者的临时运动，并且为了改变成像***的几何关系，通过控制单元将一个或者多个位置可以改变的部件这样进行控制，使得至少近似地补偿所确定的患者运动的至少一部分。在此，该成像***优选地按C型设备的形式构成，其中，作为可移动的部件优选地改变患者卧榻以及C型的位置。
附图说明
下面结合附图根据实施方式作对本发明的方法以及所属的成像***进一步说明。其中，
图1表示作为用于实施本发明的方法的成像***的C型设备的例子，
图2表示在实施本发明的方法中绘制3D图像数据组的例子，和
图3表示在进行系列拍摄的同时对患者运动进行补偿的例子。
具体实施方式
下面根据应用在神经放射医学中的X射线血管造影设备描述本发明的方法。该方法自然又可以在其它采用数字相减血管造影和/或路径探测器的领域中使用。本发明的方法也可以在必须进行系列拍摄并将其相互关联的其它医疗成像技术中使用。
在下面的例子中将实施方式限制为校正患者头部运动的情况。因为头部可以近似地视为刚体，运动校正限制为刚体在三维空间中的平移和旋转的六个自由度。
为了拍摄图像采用了用于神经放射医学的X射线血管造影设备1，如图1所示。该X射线血管造影设备1除了其它部件外包括：可以围绕两个轴旋转的C型1a，在该C型固定着X射线管10和与该X射线管相对的检测器11；图像处理单元12和图像显示单元13。此外，该设备还包括：可以由电机在三个平移自由度(高度，侧向，纵向)上调节的患者卧榻16，用于图像拍摄控制的控制电压14以及补偿单元15。通过C型1a的旋转可以作为两维图像绘制在对位于患者卧榻16的患者进行检查期间不同的投影。所示出的X射线血管造影设备1还可以进行旋转血管造影拍摄并产生3D图像。
图2示出了利用X射线血管造影设备1实施本发明的方法中的第一方法步骤的例子。在此，在进行数字相减血管造影或者绘制路标图像之前，一次性获取患者(17)的检查区域的3D血管造影图像数据组(1b)并进行存储(存储的3D图像数据组2)。
在开始系列拍摄时，直接在拍摄蒙片(步骤3)之后自动将蒙片与此前绘制并存储的3D图像数据组2进行2D/3D对准5(图3)。作为这种对准的结果得到变换A，其代表了患者头部在所存储的3D图像数据组2的参考***中的位置。
在2D图像拍摄4之后同样连续地将其它图像(即所谓的充盈图像)与3D图像数据组2通过2D/3D对准6进行对准。从每次这种对准之中产生一个变换B。在步骤7中，根据变换A和变换B之间的差别确定患者运动。这直接在绘制每个2D图像之后实时地进行。同样实时地，将对应于头部位置变化的两个变换之间的差别用于对新的拍摄参数和图像处理参数进行计算8，以便在调节回路中将变换A和B之间的差别减至最小。通过对患者卧榻16、C型1a和图像处理的控制9，这样来匹配拍摄几何和图像处理，即基本上补偿了患者运动。
在该例子中，通过在三个平移自由度上对患者卧榻16的控制以及在两个旋转自由度上对C型1a的控制来改变拍摄参数。余下的旋转自由度通过将图像内容围绕垂直于图像平面的轴进行旋转的图像处理来得到。除了对这些部件的控制之外，在血管造影***中例如还通过在一个至三个旋转自由度上旋转患者卧榻16或者通过在一个至三个旋转自由度上旋转检测器而实现拍摄几何。此外，还可以在两个平移自由度上移动或者比例变换图像内容。
在该例子中，变换A和B描述了在一个2D坐标系和一个3D坐标系之间的对准并且一般包含11个参数，6个用于3D图像数据组的旋转和平移，5个用干设备1的投影几何。如果C型1a可以再现地运动，则可以通过校准确定投影几何，使得仅仅还有六个自由度通过2D/3D对准来确定。
自然，在该例子中所示对患者运动的补偿也可以另外与回溯图像处理方法结合。这样可以借助于对拍摄***的跟踪来补偿粗略的运动，而将剩余的小错误通过回溯图像处理来消除。
Claims (14)
1.一种用于补偿在医疗成像的系列拍摄时患者运动的方法，其中，利用成像***(1)对患者(17)检查区域的、有时间间隔的多幅图像进行绘制并且进行相互关联，其中，
-在系列拍摄之前通过对检查区域的一次3D拍摄绘制一个构成参考***的3D图像数据组，
-或者通过绘制所述系列拍摄的第一图像并与所述3D图像数据组进行对准得到检查区域在参考***中的第一空间位置，或者根据对成像***(1)的公知的校准来实现检查区域在参考***中的第一空间位置，
-将该系列拍摄的第一图像之外的每个其它图像直接在绘制之后与所述3D图像数据组进行对准，以便得到检查区域在参考***中的瞬间空间位置，和
-确定瞬间空间位置与第一空间位置的偏差，并通过改变成像***(1)的几何关系在接近对准的时候至少近似地补偿该偏差的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于在数字相减血管造影或者在路径探测器技术中的运动补偿。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由用来绘制所述系列拍摄的图像的同一成像***(1)来绘制所述3D图像数据组。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过几何匹配每个其它图像的图像内容来至少近似地补偿所述瞬间空间位置与第一空间位置的偏差的剩余部分。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述对成像***(1)的几何关系的改变包括在一个、两个或者三个平移自由度上对所述成像***(1)的患者卧榻(16)进行平移。
6.根据利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述对成像***(1)的几何关系的改变包括在一个、两个或者三个旋转自由度上对所述成像***(1)的患者卧榻(16)进行旋转。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述对成像***(1)的几何关系的改变包括在一个、两个或者三个旋转自由度上对用于图像绘制的检测器(11)进行旋转。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述对成像***(1)的几何关系的改变在采用C型设备的条件下包括在一个或两个自由度上对C型(1a)进行旋转。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对所绘制图像的图像内容的几何匹配包括在一个或两个平移自由度上的平移。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对所绘制图像的图像内容的几何匹配包括比例变换。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，另外还使用一种回溯图像处理方法，以便对所绘制图像上剩余的偏差进行校正。
12.一种成像***，至少包括：射线源(10)、射线检测器(11)、可以电机调节的患者卧榻(16)、用于图像拍摄控制的控制单元(14)、图像处理单元(12)和图像显示单元(13)，其中，射线源(10)、射线检测器(11)和患者卧榻(16)是位置可以改变的部件，通过这些部件的相对位置预先给定成像***(1)的几何关系，
其特征在于，设置了一个补偿单元(15)，其实时地将患者(17)的每个所绘制的图像直接在绘制之后与一个存储的3D图像数据组进行对准，从该对准中确定患者(17)的临时运动，并通过控制单元(14)控制一个或者多个位置可以改变的部件，使得至少近似地补偿所确定的患者的临时运动的至少一部分。
13.根据权利要求12所述的成像***，其特征在于，将所述补偿单元(15)这样构成，即，为了几何匹配每个刚刚绘制的图像的图像内容而控制图像处理单元(12)，使得至少近似地补偿所确定的患者的临时运动的剩余部分。
14.根据权利要求12或13所述的成像***，其特征在于，所述成像***作为X射线C型设备构成。
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