CN102697514A - 选择最佳视角以优化解剖结构可视化和患者皮肤剂量 - Google Patents
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Abstract
本发明提供选择最佳视角以优化解剖结构可视化和患者皮肤剂量。本发明涉及一种使用X射线成像装置监测要成像的身体中的辐射剂量的方法，该X射线成像装置包括X射线发射源、检测器、处理单元和显示器，该方法提供有：能够识别身体中的不同要素的3D模型，物质与辐射之间的相互作用的模型，其应用于所述3D模型，限定X射线照射条件的参数，并且所述方法包括对于所述参数在所述3D模型中对积累辐射剂量的分布的剂量图所作的计算步骤，其特征在于，根据该发射源的位置而取向的身体的所述3D模型与剂量图一起显示，使得用户能够在身体受到X射线的照射和对于解剖结构评估的角度定位的兴趣之间进行权衡。
Description
技术领域
本发明涉及通过辐射进行医学成像的领域。
更具体地，它涉及当采集图像时身体或其某些器官对所受到的辐射剂量的估计、监测和显示。
它尤其在实时监测介入射线照相期间患者所受到的辐射剂量以便限定X射线采集条件中具有特别应用。
背景技术
皮肤损伤的最高风险发生在漫长并且艰难的介入手术情况下。
这些手术通常牵涉采集患病的身体部分的3D体积或使用受治疗解剖结构的预采集3D信息(典型地通过CT或MR)。该3D体积在连接到血管x射线***的审查站上重构和存储，并且提供在检查室中的独立监视器上显示3D信息的手段。使用该模块已经可利用若干特征。“发送角”特征允许通过旋转3D模型找到最佳视角，并且然后自动将扫描架送到选择的角度。
在“跟随扫描架”模式中，3D模型基于扫描架运动而自动旋转使得视角对应于当前扫描架位置。
上文描述的特征允许基于受治疗解剖结构的性质优化在介入中使用的成像***的几何结构。然而，没有提供将使用户能够在优化方法中考虑辐射的潜在不利影响的信息。
因此需要有使用户能够在采集一个或多个放射图像期间估计由身体或身体的不同部分接收的辐射剂量的分布的工具。
还期望的是，在采集新图像期间，避免在身体的一些区域中或在一些器官中积累过高的辐射剂量，并因此能够限定随后图像的采集条件从而允许身体中积累的辐射剂量的优化。
已经知道允许估计由身体积累的辐射剂量的分布的方法。然而，该已知方法没有向用户提供使他能够进行X射线优化采集条件的有效确定的适当的信息。
而且，需要有受检者的皮肤的改进模型，或更一般地需要有要成像的身体的表面，以便获得准确的剂量图。
发明内容
本发明提出一种使用X射线成像装置监测要成像的身体中的辐射剂量的方法，该X射线成像装置包括X射线发射源、检测器、处理单元和显示器，该方法提供有：
·能够识别身体中的不同要素的3D模型，
·物质与辐射之间的相互作用的理论模型，其应用于所述3D模型，
·限定X射线照射条件的参数，
并且所述方法包括对于所述参数在所述3D模型中对积累辐射剂量的分布的剂量图所作的计算步骤，
其特征在于，根据发射源的位置而取向的身体的所述3D模型与剂量图一起显示使得用户可以在身体受到X射线的照射和对于解剖结构评估的角度定位的兴趣之间进行权衡。
根据本发明的各种实施例，所述方法可以包括单独采用或组合采用的下列特征中的任何特征：
-所述剂量图显示剩余照射时间的时间值，其与限定X射线照射条件的参数和受到X射线照射的阈值有关；
-所述显示器包括至少两个帧，所述3D模型和所述剂量图在该显示器的不同帧中并且在相同的取向中显示，或所述3D模型和对于给定照射输送到身体的剂量的所述估计在该显示器的单帧中叠加显示；
-所述剂量图在身体的皮肤模型上显示，所述方法包括由用户基于显示的3D模型和用户对患者皮肤和其他解剖结构的相对位置的了解而编辑该皮肤模型的步骤。
本发明还涉及计算机程序，其包括用于在医学成像装置上执行根据先前限定的方法的指令。
根据另一个方面，本发明提出了医学成像装置，其包括：
-X射线发射源，
-检测器，
-计算机和
-显示器，
其特征在于，所述装置包括计算机可读支持，其包括当由计算机读取时用于执行先前限定的方法的指令。
附图说明
本发明的其他特性、目的和优势将通过下列描述变得明显，下列描述仅仅是说明性的并且是非限制性的，并结合附图进行阅读，其中，
-图1是成像装置的示意图，
-图2图示遵照本发明能够用图1中的装置实现的方法的示例的步骤，
图3和4图示其他两个可能实施例。
-图5a、5b、6a和6b图示根据本发明的方面的方法的显示模式的两个示例。
-图7a和7b图示由用户调整皮肤模型的示例。
具体实施方式
回想成像装置的结构
图1示意性地图示C形臂医学成像装置。
它包括：
-台架100，受检者110安置在其上，
-发射源120(例如，X射线源)，其设置在C形臂130的一端，
-检测器121(例如数字传感器阵列)，其面对该发射源120安置在台架100和受检者110的另一侧上，并由C形臂130的另一端所承载。
C形臂130相对于台架100是可动的。它可以倾斜以允许不同的照射角度。它还可以沿台架纵向移动。
在其他实施例中，或者为了补充C形臂130的移动性，台架100是可动的以在不同移动中提供更大的灵活性。
该装置还包括例如计算机140或计算机组等处理单元，其接收由检测器121采集的图像并且被程序化来处理这些图像，以及执行在下文参照图2至4描述的步骤。
该计算机可以另外与例如屏幕等显示器150结合来显示该方法的结果。
实现的示例
在图2中，在第一步骤10，在经受实现根据本发明的方面的方法的成像过程的患者周围采集初始2D图像期间，身体110或其部分受到少量辐射剂量照射。
在第二步骤20，关于这些2D图像，计算机140计算已经是这些图像采集的受检者的受检者或其部分的3D模拟，并且处理该3D模拟来产生3D模型，在该3D模型中可以识别已经采集其图像的身体或身体的部分的不同要素。
所应用的处理使用本身已知的分割和重构技术。
在3D模型中还识别患者身体的不同要素或器官(例如骨骼、肉、心脏、肝脏、肺脏)。
从而产生的3D模型因此考虑形成受检者的身体的不同要素的密度中的差异，并且不限于简化为具有均质密度的简单几何形状的模拟。
所述3D模型可以例如采用在文章“3D reconstruction of the humanrib cage from 2D projection images using a statistical shape model(使用统计形状模型从2D投影图像进行3D重构人胸腔)；Jalda Dworzak等，Int J Cars(2010)5：111-124”中描述的方式获得。
特别地，利用例如该出版物中提出的技术，患者的身体采用3D重构，这避免旋转采集(如果这样的旋转除标准检查之外还需要X-射线剂量)，并且为该目的使用在检查期间自然采集的图像。
例如，在介入心脏病学中，在诊断阶段期间，在围绕患者身体的某组角度上采集2D图像。在有限数量的视图中的这些图像由计算机140处理，其重构可获得例如其统计形状模型的解剖结构。
在本发明的备选实施例中，3D模型可以从先前的采集获得，或可以是例如圆柱体、球体或任何适合的几何体积的标准化模型。
在计算步骤30，对于从而获得的3D模型，计算机140应用先前存储的、物质与辐射之间的相互作用的模型，例如限定患者体内的辐射吸收和扩散的理论模型。关于该3D模型、该理论模型以及有关图像采集条件的一定数量的额外数据，它计算对应于在患者的不同部分中积累的剂量的分布的剂量图。所述理论模型例如具有在使用Geant4软件来模拟和仿真光子与物质的相互作用的许多最近研究中描述的的类型，例如：“Performance of GEANT4 in dosimetry applcations：Calculation of X-ray spectra and kerma-to-dose equivalent conversioncoefficients(GEANT4在剂量测定应用中的性能：X射线谱和比释动能到剂量等价转换系数的计算)”；Carla C.Guimaraes，MauricioMoralles，Emico Okuno；Radiation Measurments 43(2008)1525-1531”。
考虑并且应用于该模型的参数是例如：
-发射特性(电压以kV计，强度以mA计)，
-发射管的性质，
-发射的焦斑的尺寸，
-考虑中的受检者的身体的自身性质，尤其是受检者的骨骼中不同器官的密度和不同性能。
这里将注意到，该步骤并不需要任何额外的测量仪器，这意味着能够继续使用具有与常规成像装置的结构大致上相似的结构的用于实现该方法的装置，所不同的是计算机适用于执行具体操作。
例如通过只考虑吸收的辐射，或还考虑X-射线扩散可以获得若干水平的精度。
在显示步骤40，典型地通过呈现具有对应于不同水平的积累辐射剂量的分级颜色的3D图像，计算机140命令显示从而获得的积累剂量的剂量图或3D映射(mapping)。
该积累剂量可以只对3D模型的表面显示，其因此对应于输送给身体皮肤的剂量。
3D模型与剂量图一起显示，二者都根据发射源120的当前位置取向。
3D模型和剂量图的该取向可以在取向步骤35中实现，其典型地在如图2上图示的步骤30和40之间发生。在该取向步骤35中，计算机140应用先前存储的处理3D模型的算法和剂量图连同关于发射源120的位置的信息以便限定在步骤40中显示的3D模型和剂量图的适当取向。
可以给予受检者体内X-射线剂量的分布的该确定若干用途。
例如，它可以用于继受检者照射后验证该照射已经通过不过度照射受检者的身体的某些部分而对受检者安全地实施。
它还可以用于确定用于随后照射的最佳照射方向，以便使受检者身体的一些部分不受过度辐射剂量照射。该方法为用户提供改进的解剖结构和皮肤剂量可视化，其使用户能够在身体受辐射照射和对于解剖结构评估的角度定位的兴趣之间进行权衡。
身体110的剂量图和3D模型可以对每个新采集的2D图像更新。积累剂量的分布然后可以可选地重新计算。
实现的其他示例
如将要理解的，这里所采用的情况是其中被处理以确定身体110的3D模型并且尤其是第一个3D模型的图像是在介入手术期间采集的2D图像。
明显地，作为模拟的处理的变化形式并用来识别患者身体的不同要素或器官，还能够想象在例如CT或MRI的过程之前采集的3D图像的使用。
处理以将随后采集的图像调整为初始3D模型然后可以用于获得更准确的3D模型。
并且，如由图3中的实施例图示的，能够提供额外的优化步骤50，其包括确定最适合的照射方向以便使受检者身体的一些区域不受过高的X-射线剂量照射。
与先前描述的计算步骤30相似，优化步骤50考虑许多参数，所提的参数可包括以下：
-它期望发射的X-射线的特性，
-X-射线发射管的性质，
-发射焦斑的尺寸，
-受检者的身体的性质，尤其是受检者不同器官和骨骼的密度和不同性质。
另外，该优化步骤50考虑了受检者中的感兴趣区域，即，期望精确模拟的那些区域，典型地是在医学成像情况下的内脏器官或身体的一部分。
这些感兴趣区域关于在第一应用步骤10期间发射的X-射线自动确定，例如通过确定在该第一应用步骤10期间发射的X-射线束的交叉，或者它们由操作员典型地在控制X-射线发射装置的装置上指定。
优化步骤50因此将确定最适合于在受检者身体的不同区域上采用大致上统一和均质的方式分布辐射剂量的方向，同时获得感兴趣区域的精确模拟。
该优化步骤50可以使用以便使X-射线发射装置自动化。对于例如冠状动脉的成像，极少数量的角度允许***确定C形臂要安置的空间中的一组位置，使得动脉的投射收缩的可视化效果被最小化。
这利用在以下描述的***尤其是可能的：由GE Healthcare的“Computer-assisted positioning-Compas(计算机辅助定位-Compas)”中描述的，还在文章“Optimizing coronary angiographic views(优化冠状动脉造影视图)；G Finet，J Liénard；The International Journal ofCardiac Imaging；Volume 11，Supplement 1/March，1995”。
基于该原理，计算机140确定并且在屏幕上显示该组视图中已经达到的剂量。它还为下列角度选择提出的视图，注意：
-由Compas型过程识别的一组感兴趣角度，
-禁止在解剖结构的给定部分上积累某一最大剂量，
-寻找接近当前工作角度的角度。
可以在每次发射前增加由操作者的确认步骤，使得照射过程依然处于有资格人员的监督下。
还将注意到利用给予计算机140的有关不同发射辐射的不同数据，计算机还能够计算患者体外(例如在放射室中)的辐射扩散的估计，并且显示该信息的描绘(该室的映射)供该室中的医生和助手使用。
输送给受检者身体的剂量可以采用常规单位(即Gray(J/kg)或Sievert)显示或采用对于单位时间的给定剂量显示剩余照射持续时间的备选方式显示。例如，对于50mG.min-1的限定剂量率，具有1000mG的阈值和已经输送的500mG的剂量，显示的值将是(1000mG-500mG)/50mG.min-1＝10min。
如果用户切换到25mG.min-1的剂量率，显示的值将因此适应性修改并且设置为20min。
该备选方案给予用户实用信息，这可以确定他可以在受检者身体上使用多少照射持续时间而没有负作用。该特征还可以由用户使用以便确定能够完成介入而没有不良方面影响的风险的剂量设置。常规单位(Gray或Sievert)实际上不便于操纵并且没有向用户提供实用信息。
图4图示方法的另一个变化形式，其中优化步骤50被仿真步骤60取代，如果受检者在给定条件下(例如在给定的方向)受到照射，该仿真步骤60向装置的操作者指示将获得的受检者的身体中的X-射线剂量的分布。
作为使用该变化形式的示例，可以列举该情况，其中继最初三个步骤10、20、30之后，X-射线发射***由装置的操作者移动使它朝向给定的方向，在该情况下装置将根据受检者的照射指示这样的取向的后果，或者更加精确地指示在该给定方向照射之后受检者的身体中的X-射线剂量的随后分布。
用户可以对模型定向以便使用例如3D鼠标等基本工具测试各种取向，然后一旦他找到适当的取向，他可以命令X射线发射***以便使它采用与使用安全命令(例如具有“发送角”功能)的模型相似的方式定向。
相反地，用户可以使用适应性修改的命令直接修改X射线发射***的取向，而3D模型因此例如根据“跟随扫描架”特征自动旋转。
计算机140可以处理给定数量照射(即持续时间、发射源120的取向和身体的性质)的数据来确定所得剂量图。
因此可构想各种实施例，例如其中用户可以执行编程步骤并且然后分析所得的身体110中的剂量图以便确定他限定的照射从辐射重新分配和身体110成像的方面是否都满意的实施例，在该编程步骤中，在进行任何有效的照射之前，或在进行许多照射之后并且在执行另一组照射之前，他根据各种条件对一系列X射线照射编程。
由于该实时方法，用户可以在使用为他提供身体受到X射线照射和要成像的身体110的所得图像之间的最佳折中的取向执行实际X射线发射之前例如测试发射源的各种可能取向。
这样的折中或权衡可以由于向用户提供的一组完整信息而实现，其包括身体的3D模型和剂量图。
这些优化50和仿真60步骤都可以由计算机实现，该计算机可以或可以不与用于实现受检者模拟和受检者的身体中的X-射线剂量的分布的确定的步骤的一个或多个计算机相同。
相似地，该计算机可以与显示部件结合，例如这允许优化情况下限定的方向的图示，或仿真情况下的受检者的身体中的X-射线剂量的分布的图示，使得操作者随后能够确定如何进行受检者的X-射线照射。
3D模型和剂量图可以在相同的模型上叠加显示或者在相同的显示器、例如屏幕等的不同帧或两个不同的显示装置或屏幕上的两个不同的模型上显示。
在其中使用两个不同模型的情况下，计算机140计算那些模型的取向使得它们互相都同步，即它们因此旋转并且在根据发射源140的取向而演变的相同取向上显示给用户。
图5a、5b、6a和6b分别图示那两个实施例，其中3D模型和剂量图在显示器的单帧中叠加显示或在两个不同的帧中显示。
在那些图中，图示的3D模型72是血管图，而剂量图70在椭球形上表示，其可以表示例如受检者的头的皮肤。
图5a和5b分别图示其中剂量图70和3D模型在初始状态并且在角度定位改变之后叠加的显示。
在那些图中，在下一个照射将受到X射线照射的具有***的当前参数的区域由周边74界定，该区域在该情况下是矩形，而有色区76图示已经接收X射线剂量的皮肤带。
图5a图示其中周边74对应于区域76的配置，而图5b图示在角度定位改变之后的相同的3D模型72和剂量图70。
可以在图5b中看到，周边74相对于区域76现在是偏移的。在具有那些参数的X射线照射情况下，用户将能够清楚地识别将受到X射线照射的皮肤的区域不同于已经接收X射线剂量的区域76。
图6a和6b图示在相似的角度定位改变之前和之后的相同的3D模型72和剂量图70。
在备选实施例中，要成像的身体110的模型可以用半透明的表面显示使得用户可以操纵皮肤模型以例如鉴于它提供的3D模型和解剖结构信息来调整它。
实际上，限定皮肤的位点是特别复杂的步骤，其通常导致近似。因此，允许用户校正模型并且根据他或她自身对要成像的身体的几何结构的了解增加它的相关性可以导致结果改进。
在该具体实施例中，用户可以例如通过选择给定区域并且对其重新定位或通过重新定位单个点或一组点而重新限定模型的皮肤的位置，而处理单元然后根据那些点的新位置重新调整模型。
图7a和7b图示其中使用皮肤模型的3D模型72和剂量图70明显配错的示例。实际上，用户可以看到3D模型伸出剂量图70。
根据本发明的实施例，用户然后可以操纵由剂量图70使用的皮肤模型以便对其校正并且使其适合于3D模型72，或更一般地适合于受检者的实际形态。
该操纵可以使用已知的模型编辑工具进行以便修改皮肤模型的尺寸和/或形状和/或位点。
该特定特征能够提高皮肤模型的准确性，这就剂量图是基于这样的皮肤模型而论是显著的提高。
常规的成像使用取决于记录的标准几何形状，其在所有情况下可能无法适应。
例如，在一些记录中，标准几何形状是成年男性，其可能不适合于小或高的个体，并且可以高度得益于由用户进行这样的适应性修改。
指令的支持
用于执行先前详细的步骤的指令可以包含在计算机可读支持上，该计算机可读支持包括在所述程序由计算机读取时具有适合于实现详细方法的代码指令；和计算机程序产品，其包括存储在能够由例如成像装置1的处理单元5等计算机读取的介质上的代码指令，并且包括在所述程序由计算机读取时能够实现方法的不同步骤的部件。
部件列表：
图1
100 台架 110 受检者
120 发射源 121 检测器
130 C形臂 140 处理单元-计算机
150 显示器
图2
10 第一步骤-身体受到少量辐射剂量照射
20 第二步骤-计算受检者的3D模拟
30 计算步骤 35 取向步骤
40 显示步骤
图3
10 第一步骤-身体受少量X射线辐射剂量的照射
20 第二步骤-受检者的3D模拟的计算
30 计算步骤 35 取向步骤
40 显示步骤 50 优化步骤
图4
10 第一步骤-身体受少量X射线辐射剂量的照射
20 第二步骤-受检者3D模拟的计算
30 计算步骤 35 取向步骤
40 显示步骤 60 仿真步骤
图5a-5b
70 剂量图 72 3D模型
74 周边 76 区域
图6a-6b
70 剂量图 72 3D模型
74 周边 76 区域
图7a-7b
70 剂量图 72 3D模型
Claims (7)
1.一种使用X射线成像装置监测要成像的身体(110)中的辐射剂量的方法，所述X射线成像装置包括X射线发射源(120)、检测器(121)、处理单元(140)和显示器(150)，该方法提供有：
·能够识别所述身体(110)中的不同要素的3D模型(72)，
·物质与辐射之间的相互作用的模型，其应用于所述3D模型，
·限定X射线照射条件的参数，
并且，所述方法包括对于所述参数在所述3D模型(72)中对积累辐射剂量的分布的剂量图所作的计算步骤(30)，
其特征在于，根据所述发射源(120)的位置而取向的所述身体(110)的所述3D模型(72)与所述剂量图(70)一起显示，使得用户能够在所述身体(110)受到X射线的照射和对于解剖结构评估的角度定位的兴趣之间进行权衡。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述剂量图显示剩余照射时间的时间值，其与限定X射线照射条件的参数和受到X射线照射的阈值有关。
3.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述显示器(150)包括至少两个帧，所述3D模型(72)和所述剂量图(70)在所述显示器(150)的不同帧中并且在相同的取向中显示。
4.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述3D模型(72)和所述剂量图(70)在所述显示器的单帧中叠加显示。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述剂量图(70)在所述身体(110)的皮肤模型上显示，所述方法包括由用户基于显示的所述身体(110)的3D模型和用户对患者皮肤和其他解剖结构的相对位置的了解来编辑该皮肤模型的步骤。
6.计算机程序，其包括用于在医学成像装置上执行如权利要求1至5中任一项所述的方法的指令。
7.医学成像装置，其包括：
-X射线发射源(120)，
-检测器(121)，
-计算机(140)和
-显示器(150)，
其特征在于，所述装置包括计算机可读支持，其包括当由所述计算机(140)读取时用于执行如权利要求1至5中任一项所述的方法的指令。
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