CN109464156A - 使用对接在空间对齐隔室内的检测器的移动x射线成像 - Google Patents
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Abstract
本发明方法涉及使用在空间上对齐的检测器对接隔室以在患者成像环境下确定源和检测器的对准。在某些实施方案中,传感器和/或相机提供视觉数据,可分析所述视觉数据以确定X射线源与设置在患者支撑表面上的标志之间的空间关系,其中所述标志与定位在所述患者支撑表面下方的检测器具有已知空间关系。
Description
技术领域
本文中所公开的主题涉及放射照相成像,包括采用非固定定位的检测器的成像方法。
背景技术
数字X射线成像***越来越广泛地用于产生可重构成适用放射照相图像的数字数据。在当前数字X射线成像***中,来自源的辐射射向受试者,该受试者通常为医学诊断应用中的患者。辐射的一部分通过所述患者且冲击检测器,该检测器被划分成离散元件(例如像素)的矩阵。读出检测器元件以基于冲击每个像素区域的辐射的数量或强度而产生输出信号。可接着处理所述信号以产生可显示以供检视的图像。
在某些情况下,移动式X射线成像***可采用相对于X射线源非固定地定位或定向的便携式检测器。在此类情况下,技师可定位所述患者和/或便携式检测器以对感兴趣的解剖体进行成像。在某些情形下,被成像的患者可能难以移动或不应受干扰。此类情况的实例包括对新生儿重症监护病房(neonatal intensive care unit,NICU)中的新生儿或婴儿或者成像危症监护型环境(例如烧伤病房或重症监护病房(intensive care unit,ICU))中的其它患者。
在此类情况下,可采用具有便携式检测器(例如,可相对于X射线源自由移动的检测器)的移动成像***以使得不必移动患者,相反,该成像设备被带至患者且相对于患者被定位。在这种情况下,检测器可定位在患者下方,例如定位在患者支撑表面(例如,床)下方的架子上,且可接着获得单次曝光X射线图像。
在此方法中,仅需要粗略的患者对准以确保将目标解剖体投影到检测器有效区域上,且将因此出现在X射线图像中。可在定位期间基于操作员基于照射在患者上的光盒对检测器的定位的估计而实现此粗略对准。即,从X射线管头到投射的光盒的路径通知操作员关于X射线的路径且操作员可将此路径大致对准检测器平面。
尽管此方法对于单次曝光成像程序来说可能足够,但其通常并不适合于采集一系列偏移图像的断层摄影X射线扫描。此断层摄影扫描使得通过在有限的角范围(例如,45°、60°、75°、90°等等)内从不同视角采集此图像序列(例如,5个、10个、15个、20个图像)以产生患者解剖体的三维(3D)视图。此断层摄影扫描需要关于源焦斑和检测器的额外精确的位置和定向信息。然而,在可自由定位检测器的情况下,可能并不易于确定所述检测器是否定位得当,尤其当检测器被手术台、患者、覆盖患者的覆层或其它安置有患者而不能被移动的表面遮挡时。
发明内容
在一个实施例中,提供一种用于确定X射线扫描的几何结构的方法。根据此方法,将便携式检测器定位在设置在患者支撑结构中的对接隔室内。相对于所述患者支撑结构定位移动X射线成像器。所述患者支撑结构的全部或部分并不相对于所述移动X射线成像器固定。所述移动X射线成像器包括与光学传感器呈已知几何关系的X射线源。分析由光学传感器提供且包括设置在所述患者支撑结构的面向患者的表面上的一个或多个标志的视觉图像。基于所述一个或多个标志与所述对接隔室之间的已知空间关系确定源-检测器的几何结构。可替代地,可安装光学传感器或相机以与X射线源呈已知几何设置,因此可通过包括患者支撑件的视觉图像确定源-检测器的几何结构。
在另一实施例中,提供一种患者支撑结构。根据此实施例,所述患者支撑结构包括:被配置成在使用时支撑患者的患者支撑表面;被配置成固持便携式检测器的对接隔室,其中所述对接隔室与所述患者支撑表面相对设置;以及设置在所述患者支撑表面上的一个或多个标志,其中所述一个或多个标志与所述对接隔室在空间上对齐。
在另一实施例中,提供一种用于采集X射线图像的方法。根据此方法,将便携式检测器定位在设置在患者支撑结构中的对接隔室内。相对于所述患者支撑结构定位移动X射线成像器。所述移动X射线成像器包括:被配置成在图像采集期间在有限的角范围内移动的X射线源;和被配置成控制发射的X射线束的大小或形状中的一个或两个的准直器。使用光学传感器采集视觉图像。所述视觉图像包括X射线源和设置在所述患者支撑结构的面向患者的表面上的一个或多个标志。分析所述X射线源和所述一个或多个标志的所述视觉图像以基于所述一个或多个标志与所述对接隔室之间的已知空间关系确定源-检测器的几何结构。在X射线采集期间基于所述源-检测器的几何结构控制所述X射线源和所述准直器中的一个或两个的操作。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时,本发明的这些和其它特征、方面以及优点将得到更好的理解,其中在整个附图中,相同的标号表示相同的部分,其中:
图1为根据本发明方法的各方面配备的移动X射线***的一实施例的透视图;
图2为根据本发明方法的各方面的X射线***的一实施例的各部件的图解概述;以及
图3示意性地说明根据本发明方法的各方面定位的患者和/或检测器的各方面。
具体实施方式
下文将描述一个或多个特定实施例。在努力提供这些实施例的简明描述的过程中,实际实施方案的所有特征可能并不都在说明书中进行描述。应了解,在如任何工程或设计项目的任何此类实际实施方案的开发过程中,众多针对实施方案的决定必须实现开发者的特定目标,例如遵守可能在各个实施方案之间变化的相关***约束和相关商业约束。此外,应了解,这种开发工作可能复杂且耗时,但是对于受益于本公开的所属领域的技术人员来说,这仍是常规的设计、生产和制造工作。
在介绍本发明实施例的各种实施例的元件时,冠词“一(a/an)”和“所述(the/said)”意图表示这些元件中的一个或多个。术语“包括”和“具有”旨在为包括性的并且意味着可能存在除了所列元件之外的额外元件。此外,以下论述中的任何数值实例旨在为非限制性的,并且因此额外数值、范围和百分比在所公开的实施例的范围内。
如本文中所论述,在患者将不会移动或受干扰的情况下,例如新生儿重症监护病房(NICU)中的新生儿或重症监护病房(ICU)或烧伤病房中的其它患者,可存在各种成像情况。为了对此类患者进行成像,可采用移动成像***,包括具有便携式检测器的***,该便携式检测器脱离主要成像基台且通常可相对于成像器和患者自由移动。在此类情况下,在成像期间,检测器可放置在患者下方,位于患者台或患者支撑件中的隔室中(不同于放置在患者与患者支撑表面之间)且由操作员基于X射线路径的视觉对准被定位。
尽管此粗略估计对于单次曝光图像来说可能足够,但其通常并不足以进行断层摄影采集,断层摄影采集中,在有限的角范围(例如45°、60°、75°、90°等等)内采集一系列图像(例如,5个、10个、15个、20个)以便进行全部三维(3D)重构。重构算法由在精确的已知位置处采集的数据产生患者解剖体的准确3D视图。具体来说,此类断层摄影成像程序通常需要关于源焦斑和检测器的精确位置和定向信息。所述位置和定向为在采集期间被精确控制的运动或是由于对齐过程以其它方式被精确地确定。然而,检测器在患者支撑表面下方的简单放置通常并不为断层合成成像提供足够的位置和定向信息,在从不同角度采集的一定数目的视图中可能会遗漏感兴趣的解剖体。
根据本发明方法,为了解决由便携式检测器在断层扫描情况下的使用引起的这些问题,将隔室或腔室设置在其上安置有患者的患者支撑表面(例如床表面或台表面)的下方以使得患者支撑表面在患者与检测器之间。所述隔室被配置成与便携式检测器介接或对接,使得在检测器位于适当位置时,相对于支撑件上的标志的检测器位置和源-检测器的几何结构由此可确定或已知。借助于实例,在一个实施方案中,采用壳体标志来对齐便携式检测器在例如经由所提供的对接机构或结构对接在隔室中时的位置和定向。以此方式,通过将检测器和患者解剖体与其中对接有检测器的隔室或腔室配合放置而处置来自相机视图的检测器的遮挡问题。举例来说,ArUco标记可施加于患者支撑结构上且充当通过相机查看的光学标志。另外,可采用在图像内通过利用患者支撑件的颜色、形状、纹理进行受试者识别的所属领域中已知的方法来确定源-检测器的几何结构。标志可含有不透射线材料以使得对齐准确度可得益于对在所采集X射线图像中投射的特征的分析。
牢记对本发明方法的先前论述,图1描绘可适合于实施本发明方法的成像***。具体来说,通常以附图标记10表示和引用X射线***。在所说明的实施例中,X射线***10为数字X射线***,例如X射线***。所描绘的X射线***10被设计以根据本发明技术采集原始图像数据且处理图像数据以供显示。X射线***10可为放射照相成像***,包括用于从多个角度,例如沿着有限的角范围对患者区域进行成像以便产生三维表示的***。
在图1中所说明的实施例中,X射线***10为可移动到患者恢复室、急救室、手术室、新生儿病房或任何其它空间以使得能够对患者20进行成像而无需将患者20运送到专用(即,固定)X射线成像室的移动成像***12。出于说明本发明方法的目的且为了提供真实世界情况,当前实例主要集中于采用便携式检测器以用于断层合成成像的移动X射线成像***,但应了解,使用非移动***和/或非断层合成应用的其它成像方法可得益于本发明的方法。
在所描绘的实例中,X射线***10包括移动成像器或移动X射线基台50和可相对于基台50自由定位的便携式数字X射线检测器22。在所描绘的实例中,移动成像***12的X射线基台50具有带轮底座58以便于台50的移动。
在所描绘的实例中,连同支撑柱54一起提供支撑臂52以便于辐射源16和准直器18相对于患者20的定位。借助于实例,支撑臂52和支撑柱54中的一个或两个可被配置成使得辐射源16围绕一个或多个轴线和/或沿着支撑臂52的横向范围旋转或移动,以便相对于患者20以不同视角采集图像。X射线源16可作为X射线管且可以连同准直器18一起被提供,该准直器18可自动或手动地进行调节以界定或限定入射于患者20和检测器22上的X射线束。
在移动成像情况下,如本文中所论述,患者20可在X射线源16与便携式检测器22之间位于床60(或轮床、患者台或任何其它支撑件)上且经受通过患者20的X射线。在成像序列期间,检测器22接收通过患者20的X射线且将成像数据发射到基台50。在此实例中,便携式检测器22与基部单元(基台)50无线通信,但在其它实例中,通信可完全或部分地经由线缆(即,电缆)连接。基台50容纳电子电路62,其从检测器22采集读出信号且所述信号可经处理以产生诊断上适用的图像。另外,电子电路62可提供和/或控制X射线源16(即,控制源16的启动与操作)和带轮底座58(即,移动***)中的一个或两个的功率。在所描绘的实例中,基台50还具有操作员工作台32和便于X射线***10的用户操作的显示器34。操作员工作台32可包括用户界面以便于X射线源16和检测器22的操作。在一个实施例中,工作台32可被配置成基于或通过医疗机构的网络36(例如HIS、RIS和/或PACS)进行通信。在某些实施例中,工作台32和/或检测器22可以无线方式与网络36通信。可在网络上的工作台或其它服务器节点上全部或部分地完成实现源-检测器几何结构的确定的算法计算。
如所描绘的实例中所示,患者支撑件60包括限定的对接隔室56,其在成像期间定位有检测器22。在某些实施例中,便携式检测器22与隔室56内的一个或多个轨道或对接机构(或其它对接框架)接合,使得检测器22在对接框架内的接合将检测器22相对于在支撑件60的面向患者的表面上可见的一个或多个标志64(例如,十字标线、光学图案、LED灯等等)稳固地紧固在已知位置(例如,x、y、z坐标、极坐标或其它参考架构数据)和/或定向(例如,倾侧角、俯仰角、方位角)中。因此,在此实例中,检测器22并不定位于支撑件60与患者20之间但定位于支撑件60的表面之下,其中检测器22在如此接合时的位置可由与对接检测器22具有已知空间关系的可见标志64确定。
当图1示意性地说明移动X射线成像***10的操作的各方面时,图2图解说明此***的特定部件和其相互关系。
在所描绘的实例中,成像器***12包括X射线源16,其连接到为检查序列提供功率和控制信号的电源70。另外,在移动成像***中,电源70可给带轮底座58的移动驱动单元72提供功率。电源70响应于来自***控制器74的信号。一般来说,***控制器74命令成像***的操作以执行检查协议(例如断层合成检查协议),且处理所采集图像数据。在本上下文中,***控制器74还包括通常基于通用或专用电路的信号处理电路、用于存储通过计算机执行的程序和例程以及配置参数和图像数据的相关存储器电路、接口电路等等。***控制器74可包括或可响应于处理器76。处理器76从检测器22接收图像数据且处理所述数据以重构受试者的图像。另外,处理器76可基于视觉传感器输入和对应于对接的检测器22的标志64而计算或估计源-检测器几何结构(例如,相对位置和定向),其可与图像采集或重构相关。记住这一点,根据本发明方法,处理器76可例如在一系列图像采集以供断层合成期间从成像器***12的一个或多个视觉传感器68(例如,相机)接收输入以便于相对于源16的检测器位置和/或定向的确定。另外,如本文中所论述,基于源和检测器的相对位置,处理器76可在依序采集X射线图像的过程中控制或调节辐射源16和/或准直器18,例如可在断层合成成像中进行。
在所示实施方案中,处理器76联接到允许与检测器22,例如便携式检测器无线通信的无线通信接口80。另外,处理器76可联接到允许通过线缆(例如,多导体电缆)与检测器22通信的有线通信接口82。成像器***12还可与服务器通信,该服务器提供导致源-检测器几何结构的确定的算法计算的部分或全部。处理器76还联接到存储器84、输入装置86和显示器34。存储器84存储配置参数、从检测器22接收的校准文件和用于图像数据处理的查找表。输入装置86可包括鼠标、键盘或用于接收用户输入以及使用成像器***12采集图像的任何其它装置。显示器34允许观测输出***参数、图像等等。
检测器22包括用于与成像器***12无线通信的无线通信接口88以及用于在将检测器22线缆连接到成像器***12时与其通信的有线通信接口90。检测器22还可与服务器通信。应注意,无线通信接口88可利用任何合适的无线通信协议,例如超宽带(ultrawideband,UWB)通信标准、蓝牙通信标准或802.11通信标准或任何其它合适的无线通信标准。此外,检测器22连接至或包括协调各种检测器功能的控制的检测器控制器92。举例来说,检测器控制器92可执行各种信号处理和过滤功能,例如用于动态范围的初始调节、数字图像数据的交叉等等。检测器控制器92响应于来自***控制器74以及检测电路78的信号。检测器控制器92联接到处理器94,其又联接到存储器104。处理器94、检测器控制器92和全部电路均从电源96接收功率。电源96可包括电池。在一些实施例中,包括电源96的检测器22可在通过线缆连接到成像器***12时从电源70接收功率。
在所描绘的实例中,处理器94联接到检测器接口电路98。在一个实施例中,可在放射照相、荧光透视、断层摄影或其它成像操作中使用的检测器22将入射于其表面上的X射线光子转化成较低能量(例如,可见光)光子。检测器22包括检测器阵列100,其包括响应于可见光子而产生响应性电信号的光电检测器元件阵列,该可见光子是以使得所述电信号表示光子数目或冲击检测器表面的单个像素区域的辐射强度的方式产生的。或者,检测器22可直接将X射线光子转化成电信号(即,直接转化类型检测机构)。通过检测器接口电路98将这些电信号转化成数字值,所述检测器接口电路98将所述值提供到处理器94以转化成成像数据且发送到成像器***12以重构受试者体内的特征的图像。或者,所述成像数据可从检测器22发送到服务器以处理所述成像数据。
牢记成像***10的先前论述,根据本发明方法,使用与外部可见标志特征相关的对接隔室56相对于感兴趣的患者解剖体和移动***X射线成像器12的X射线发射源16定位和定向便携式检测器22。在图3中以图形方式描绘此方法的各方面。在所描绘的实例中,移动成像***50被配置成用于断层合成采集。由此,X射线源16示出为可在一系列视角位置184之间移动(此处线性地位移),该一系列视角位置184分别位于不同的相对于相对于患者20和检测器22的相对视角位置(即,角度)处。
在恒温箱180中描绘了待成像的患者20,此处为新生儿。在此实例中,不希望从所述恒温箱移动新生儿,患者20以供成像。同样,本实例说明可能不希望移动患者20以将检测器22定位在患者20与支撑表面之间的情况。替代地,如本文中所论述,提供对接隔室56,其中可定位有检测器22而不会干扰患者。对接隔室56可被配置或构造成以特定方式以机械地对齐检测器22,使得在适当地***时,检测器22稳固地固定或固持在已知定向及位置中。可用于以机械方式将检测器22对齐在隔室内的机械结构的实例包括但不限于隔室56的几何结构或形状、隔室56内的一个或多个导轨或定位特征和/或通过检测器22和隔室56提供的一个或多个接合特征或结构(例如,互补的配合或接合特征188、192)。电子或光学限制开关和/或传感器可通知***控制器74检测器接合完成。因此,在检测器22适当地配合在隔室56中时,相对于患者支撑表面的检测器位置和定向是已知的。
在所描绘的实例中,可提供在如所示的移动X射线成像***50上的光学传感器68(例如,相机)查看恒温箱180上的对准特征(例如标志64,诸如十字标线、LED灯、反射体等等)。光学传感器68安装在具有已知的相对于X射线源16的几何结构的支撑柱54。可由转化源16的驱动机构的编码器值计算多个源位置184。或者,可与所述***分离地设置光学传感器68而以便具有源16和标志64两者的视图。无论光学传感器68的位置如何,传感器68具有源16和/或标志的视角,该标志来自已知或可确定的经校准的有利点。
如本文中所论述,基于从光学传感器64采集的图像数据,可确定源16和标志64的相对位置以供给定断层摄影图像采集序列。同样,可由此类光学数据确定患者20的位置和定向。归因于标志64与检测器22的位置和定向之间的已知关系,在将检测器22对接在隔室56内时,还可确定源16和检测器22的相对位置和定向,包括检测器平面相对于发射焦斑/检测器中心轴线的角度。
举例来说,根据一个实施例,光学传感器68的已知优势允许在患者20的扫描期间通过应用一个或多个单目或立体视觉分析程序或算法计算相关的断层摄影坐标。在其它实施方案中,可通过使用附加的相机、不透射线标记或其它深度感测传感器提供附加的稳固性和准确度。因此,在这些方法中,对一系列相机图像帧的单目或立体分析使得源(例如,球管)焦斑位置与标志64对齐。可替代地,借助于断层摄影驱动机构的安装位置和编码器值,使得相机与所述源呈已知几何关系。
因此,在某些实施方案中,球管焦斑和隔室相对于针对扫描所界定的某一原点存在相对位置(即,三个坐标,x、y和z)和定向(即,三个角度)。另外,如上文所示,患者位置也可被观察,并且,基于源和检测器的相对位置和定向,可确定当开始定向断层摄影扫描时,X射线投影是否将落在探测器22上。
在一个实施例中,可执行利用以此方式确定的位置坐标的断层摄影扫描以配置或调节辐射源和准直器开口,由此允许X射线入射于感兴趣的患者解剖体和检测器的有效区域上。可通过此机构依次驱动断层摄影扫描中的每次曝光,即,准直可被适配于每个图像采集以适应源和检测器的相对位置和定向。另外,位置和定向数据还可提供给图像重构算法以改进或促进患者解剖体的3D视图的重构。
本发明的技术效果包括使用对接至隔室、在空间上对齐的检测器以在患者成像情况下确定源和检测器的对准。在某些实施方案中,传感器和/或相机提供视觉数据,可分析所述视觉数据以确定X射线源与设置在患者支撑表面上的标志之间的空间关系,其中所述标志与定位在所述患者支撑表面下方的检测器具有已知空间关系。此位置和定向信息又可在断层摄影扫描期间用于控制X射线源的准直。
本书面描述使用实例来公开本发明,包括最佳模式,并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明,包括制造和使用任何装置或***以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定,且可以包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素,或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素,那么它们既定在权利要求书的范围内。
Claims (19)
1.一种用于确定X射线扫描的几何结构的方法,包括:
将便携式检测器定位在设置在患者支撑结构中的对接隔室内;
相对于所述患者支撑结构定位移动X射线成像器,其中所述移动X射线成像器包括与光学传感器呈已知几何关系的X射线源;
分析设置在所述患者支撑结构的面向患者的表面上的一个或多个标志的由所述光学传感器产生的视觉图像;
基于所述一个或多个标志与所述对接隔室之间的已知空间关系确定源-检测器的几何结构。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:通过分析所述X射线源的视觉图像提供与所述光学传感器的所述已知几何关系。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:将所述便携式检测器定位在所述对接隔室内包括将所述对接隔室内的一个或多个定位特征与便携式检测器接合。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述一个或多个定位特征包括互补的配合或接合特征。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述患者支撑结构包括病床、轮床或恒温箱。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述移动X射线成像器被配置成移动所述X射线源以便在采集序列期间在不同视角处采集图像序列。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:进一步包括:
使用设置在所述移动X射线成像器上的相机采集所述视觉图像。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:进一步包括:
在图像采集序列期间基于所述源-检测器的几何结构控制所述移动X射线成像器的准直器。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:进一步包括:
在图像采集序列期间基于所述源-检测器的几何结构控制所述X射线源的操作。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:进一步包括:
将所述源-检测器的几何结构提供到图像重构算法;和
使用所述图像重构算法重构图像。
11.一种患者支撑结构,包括:
患者支撑表面,其被配置成在使用时支撑患者;
对接隔室,其被配置成固持便携式检测器,其中所述对接隔室与所述患者支撑表面相对设置;和
一个或多个标志,其设置在所述患者支撑表面上,其中所述一个或多个标志与所述对接隔室在空间上对齐。
12.根据权利要求11所述的患者支撑结构,其特征在于:所述患者支撑结构为恒温箱、病床或轮床中的一个。
13.根据权利要求11所述的患者支撑结构,其特征在于:进一步包括:
在所述对接隔室内的一个或多个定位特征。
14.根据权利要求13所述的方法,其特征在于:所述一个或多个定位特征包括互补的配合或接合特征。
15.根据权利要求13所述的方法,其特征在于:所述一个或多个标志包括十字标线、不透射线标记、光学图案或LED灯中的一个或多个。
16.一种用于采集X射线图像的方法,包括:
将便携式检测器定位在设置在患者支撑结构中的对接隔室内;
相对于所述患者支撑结构定位移动X射线成像器,其中所述移动X射线成像器包括:
X射线源,其被配置成在图像采集期间在有限的角范围内移动;和
准直器,其被配置成控制发射的X射线束的大小或形状中的一个或两个;
使用光学传感器采集视觉图像,其中所述视觉图像包括所述X射线源和设置在所述患者支撑结构的面向患者的表面上的一个或多个标志;
分析所述X射线源和所述一个或多个标志的所述视觉图像以基于所述一个或多个标志与所述对接隔室之间的已知空间关系而确定源-检测器的几何结构;和
在X射线采集期间基于所述源-检测器的几何结构控制所述X射线源和所述准直器中的一个或两个的操作。
17.根据权利要求16所述的方法,其特征在于:将所述便携式检测器定位在所述对接隔室内包括将所述对接隔室内的一个或多个定位特征与便携式检测器接合。
18.根据权利要求17所述的方法,其特征在于:所述一个或多个定位特征包括互补的配合或接合特征。
19.根据权利要求16所述的方法,其特征在于:所述患者支撑结构包括病床、轮床或恒温箱。
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