CN101721223A - 用于相对于采集系统的等角点来定位目标的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一些实施方式涉及用于使成像系统中的目标和等角点对准的系统和方法。该系统包括电磁发射器，电磁接收器和用于根据电磁接收器的信息确定图像扫描的等角点的成像单元。该成像单元根据多个电磁位置测量来确认等角点。成像单元根据第二电磁接收器的信息确认要成像的目标的中心。成像单元根据等角点重新定位目标。在一个实施方式中，发射器位于目标上，第一接收器位于检测器上，第二接收器位于用于确认目标中心或目标一部分的中心的工具上。

Description

用于相对于采集系统的等角点来定位目标的方法和装置

本申请是申请号为200410095884.X，申请日为2004年11月26日的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及为图像采集而对目标进行定位。本发明尤其涉及相对于图像采集系统的等角点来定位目标。

背景技术

为医疗诊断系统设计的成像系统包括各种成像类型，如X-射线系统，计算机体层成像(tomodensitometry)(CT)系统，超声系统，电子束体层成像(EBT)，磁共振(MR)系统等等。为医疗诊断系统设计的成像系统，例如通过将目标暴露到能量源中，而产生目标(比如病人)的图像，所述能量源是例如穿过病人的X-射线。产生的图像可以用于多个目的。一个目的为检测，例如检测目标的内部缺陷。此外，一个目的可以是确定结构或对准中的内部变化。一个目的还可以是表示目标中流体的流动。此外，图像可以显示出一个目标中是否存在多个目标。由医疗诊断成像获得的信息在多个领域中应用，包括医学和制造业。

通过利用成像系统从目标或病人获得图像通常包括将目标或病人暴露在一定程度的辐射中，辐射如X-射线辐射。执行的图像曝光或扫描越多，目标或病人就越多地暴露在辐射中。增加在辐射中的暴露使经受成像的病人的健康陷入危险。此外，健康和安全标准限制用于病人的图像扫描的辐射剂量。由于减少的图像的扫描或较低质量的扫描，健康和安全标准可能会影响图像质量。因此，减少用于病人的剂量和暴露的系统是非常需要的。

层析重建对二维和三维图像扫描的层析图像进行重建。层析重建根据图像采集系统中产生的图像数据的投影(如X-射线投影)来重建图像。组合多次投影的数据从而产生描述该目标的图像。通常，根据三维目标的扫描重建两维切片(slice)。

在层析重建过程中，将要成像的目标或病人的器官置于所采用的采集系统(例如X-射线源和检测器)的旋转中心(例如，等角点)处或附近。为了重建在C-臂成像系统上采集的两维X-射线的视图，例如，通常在连续的两维X-射线放射下进行目标或器官的定心。就是说，执行多次侧和正面投影，直到通过特定的X-射线采集发现最佳位置。因此将目标或病人器官的定位到图像采集系统的等角点上或者该等角点附近的方法是非常需要的。

因此需要设计用于将目标定位在图像采集系统的等角点处的改进的目标定位系统。

发明内容

本发明的特定实施方式给出了用于在层析图像重建系统中确定等角点和对准的方法和系统。在一个特定实施方式中，该方法包括在成像系统中采集两个X-射线的投影，确定成像系统的等角点，定位要成像的目标的中心位置，以及相对于等角点来定位目标的中心位置。等角点可以根据与X-射线投影相交的线段来确定。电磁导航设备，如电磁发射器和接收器，可以用于确定等角点并定位所述中心的位置。目标可以手动地和/或自动地移动，以相对于等角点来定位中心位置。

在一个实施方式中，该方法包括为固定于成像系统上的电磁接收器做至少三次位置测量，并且根据该位置测量计算相对于电磁发射器的等角点。该方法还可以包括指出目标中心的位置，并且以等角点和中心位置对准的方式移动目标。目标能够以等角点和中心位置重合的方式手动地和/或自动地移动。等角点可以根据位置测量的中心来计算。

在一个实施方式中，该方法包括计算成像系统中的近似焦距，确定成像系统中电磁接收器相对于电磁发射器的位置和取向信息，利用该位置和取向信息以及近似焦距来确认成像系统的等角点。该方法还可以包括用于确认等角点的位置信息的向上投影(overheadprojection)。此外，该方法可以包括指出在周围区域中目标的中心位置；可以执行层析采集和移动，从而使等角点和中心位置对准。中心位置可以通过利用第二电磁接收器而指出。目标可以自动地和/或手动地移动，从而使等角点和中心位置对准。

在一个特定实施方式中，该系统包括用于产生电磁场的电磁发射器，用于检测电磁发射器的电磁场的电磁接收器，以及根据来自电磁接收器的信息确定图像扫描的等角点的成像单元。电磁接收器可以位于用于采集成像数据的检测器上。该接收器可以位于必须被成像的目标上。可选择的，该接收器可以位于目标上，发射器位于检测器上。成像单元可以根据来自电磁接收器的多个位置测量来确认等角点。成像单元也可以根据来自电磁接收器的多个X-射线投影和多个位置测量来确认等角点。成像单元可以根据等角点重新定位要成像的目标。

该系统还可以包括用于检测来自电磁接收器的磁场的第二电磁接收器。第二电磁接收器可以位于用于确认要成像的目标之中心的工具上。成像单元可以根据来自第二电磁接收器的信息确认目标的中心。

附图说明

图1示出根据本发明一个实施方式所用的磁共振成像系统。

图2示出根据本发明一个实施方式所用的、用于在图像采集系统中定位目标的方法的流程图。

图3示出根据本发明一个实施方式穿过要成像的目标的正面和侧面投影。

图4示出根据本发明一个实施方式具有朝目标中心定向的电磁接收器的工具。

图5示出根据本发明一个实施方式的等角点与目标中心位置的对准。

图6示出根据本发明一个实施方式用于确认等角点和目标定位的方法的流程图。

图7示出了根据本发明一个实施方式一种包含了三个朝向目标中心的电磁接收器的安排。

上面的概述以及下面本发明特定实施方式的详细描述将通过结合附图阅读所述描述而得到更好地理解。为了说明本发明，在附图中示出特定的实施方式。但是必须理解，本发明不限于附图中示出的形式和仪器。

具体实施方式

为了举例说明的目的，本发明的特定实施方式仅仅参考C-臂(C-arm)X-射线成像系统来描述。本发明的实施方式可应用于许多成像类型，如磁共振(MR)成像，X-射线成像，计算机体层成像(tomodensitometry imaging)(CT)，电子束体层成像(EBT)，正电子发射型体层成像(PET)，单光子发射计算机体层成像(SPECT)和超声成像。

图1示出依据本发明一个实施方式所用的超声成像的目标定位系统100。该系统100包括电磁发射器110，电磁接收器120，125，X-射线检测器130，X-射线源135，目标140，工具150，和层析重建单元160。电磁发射器110固定在目标140上。电磁接收器120固定在X-射线检测器130上。电磁接收器125固定在工具150上。

电磁发射器110和电磁接收器120，125是电磁导航设备(electromagnetic navigation device)。例如，电磁发射器110和电磁接收器120，125可以是一组三个线圈，根据所产生的磁场来定位目标。电磁导航设备利用多种方法根据信息(如场强和相位)来定位目标。在一个实施方式中，可以根据工业标准线圈的结构(ISCA)来配置电磁导航设备。

电磁发射器110位于目标140上或该目标中，所述目标为例如病人，器官或者将要重建的其它目标。电磁发射器110产生一磁场。由该发射器110产生的磁场的特性可用于确认在坐标系中发射器110相对于接收器120和/或125的位置，以及因此确认目标相对于接收器120和/或125的位置。

电磁发射器110位于例如X-射线检测器130上或该检测器中。X-射线检测器130检测由X-射线源135产生的射线。电磁接收器120检测在目标140上来自电磁发射器110的磁场。电磁接收器120向层析重建单元160发送关于电磁发射器110的磁场的数据。

电磁接收器125位于例如工具150上或该工具中。工具150是杆，夹具或的其它工具，可用于标绘出将要重建的目标140的中心。接收器125检测发射器110的磁场。电磁接收器125向重建单元160发送关于发射器110的磁场的数据。

在可替换的实施方式中，接收器120，125位于目标140上。发射器110位于工具150或检测器130上。

层析重建单元160(或其它成像单元)接收来自接收器120，125的数据，用以确定目标140和工具150的位置，并确定系统100的等角点。为了使操作最优化，如三维图像的重建最优化，层析重建单元160使目标140的中心与系统100的等角点对准。层析重建单元160可以是专用处理器或者非专用计算机的一部分。层析重建单元160可以构建成一个单独的单元中，或者可以与其它成像系统部件结合。

在操作过程中，重建位置可以通过利用由X-射线采集或不用X-射线采集的电磁接收器120的两个位置(例如正面和侧面)来确定。源135产生例如穿过目标140的正面位置和侧面位置的X-射线投影。接收器120和检测器130确认正面投影和侧面投影。在一个实施方式中，关于所述投影的信息可以在当前和/或先前校准过程中获得。侧面投影和垂直投影向量一般不会交叉。可以将系统100的等角点确定在连接投影的正交线段的中点处。当电磁接收器120固定在检测器130上，并且电磁发射器110固定在目标140上时，可以相对于目标140(发射器110)确定等角点。

在可替换的实施方式中，可以近似确定X-射线投影的焦距。通过利用近似焦距和电磁定位信息，可以确定投影向量和焦点，而不用采集X-射线图像。一确定向量和焦点，就可以根据连接线段的中点确认等角点，如前所述。

一旦相对于发射器110的位置确定了等角点，就利用带有电磁接收器125的工具150来确认目标140的中心的位置或者确认目标的一部分，在所述目标的一部分周围执行体层采集(tomograhicacquisition)。医生将带电磁接收器的夹具例如放置在系统100中重建的器官的中心处。发射器110和电磁接收器125可用于确定工具150的位置。

然后，利用重新定位系统(未示出)对目标140重新定位，从而使上面确认的目标140的中心与系统100的等角点对准。重新定位系统可以是手动系统和/或自动系统。重新定位系统例如可以是手动台或者支架，由技术人员移动直到目标140的中心与等角点近似对准。可选择的，自动台或支架例如可以根据来自等角点和中心的数据自动对目标重新定位。

在可替换的实施方式中，可以确定等角点，而无需暴露于辐射(例如X-射线)中。检测器130在例如层析图像采集过程中定位，但是X-射线不由源135产生。位于检测器130中心的电磁接收器120确定检测器130中心相对于发射器的三个或更多位置。层析重建单元160接收该位置数据。如果采集三个位置，那么这三个位置形成一个三角形。将等角点确定在该三角形的中心。如果采集多于三个位置，那么这些位置形成一个圆。将等角点确认为在检测器130被采集的位置的平均平面上所投影的平均圆的中心。

可选择的，重建单元160可以通过利用发射器110和接收器120来确定采集到的检测器130位置的电磁取向。可以通过校准或其它信息来确定近似的源-图像距离。因此可以从后面投射检测器130的位置。等角点是连接投影的线段的中点，如前面已经描述的。

如上所述，一旦确定了等角点，工具150就确认目标140的层析重建的期望的中心。将目标140手动地和/或自动地重新定位，从而相对于成像系统的等角点来定位该中心。

图2示出用于在依据本发明一个实施方式所用的图像采集系统中定位目标的等角点的方法200的流程图。在步骤210中，首先采集电磁接收器120的投影或位置(例如侧面或正面)。利用X-射线检测器130上的电磁接收器120获得例如来自X-射线源的正面和侧面X-射线投影，并将其导引向X-射线检测器130。然后，在步骤220中，相对于电磁发射器110的位置计算等角点。该等角点例如根据向量和焦点利用X-射线投影进行计算。在一个实施方式中，等角点近似位于正交连接X-射线投影的线段的中间。

图3示出根据本发明一个实施方式穿过必须成像的目标的正面和侧面X-射线投影。侧焦点F₁和侧投影向量V₁在带有电磁接收器120的X-射线检测器130上产生侧图像。正焦点F_f和正投影向量V_f在X-射线检测器130上产生正图像。焦点F₁和F_f以及向量V₁和V_f可以借助于校准来确定。然后，向量n可以按照下面的方式用V₁和V_f来确定：

然后，可以通过使用下面的等式确定在任何时候沿着向量V₁和V_f的位置H₁和H_f，例如：

(2)，以及

(3)

等角点(I)按照下面的方式通过利用H₁和H_f来计算。

$I=\frac{1}{2}\stackrel{\mathrm{\ω}}{H_f}\stackrel{\mathrm{\ω}}{H_1}---\left(4\right)$

相对于在目标140上的电磁发射器110确定等角点。可选择的，可以不用采集X-射线图像而利用从电磁发射器110来的位置和取向信息来确定向量和焦点F₁和F_f。

然后在步骤230中，通过利用带有电磁接收器125的工具150为层析采集确认目标140的中心的位置，所述电磁接收器125固定于所述工具上。图1示出根据本发明一个实施方式带有用于标绘目标140中心的电磁接收器125的工具150。然后，在步骤240中，确定目标140的位置，从而使步骤230中确认的中心位置相对于等角点对准。定位可以(利用手动定位系统或台)手动地进行和/或(例如利用动力驱动的台或定位系统)自动地进行。

固定在血管C-臂X-射线系统中的动力驱动台可以移动例如病人，直到有关的器官中心与C-ARM系统的等角点大致重合。图5示出根据本发明一个实施方式等角点和目标中心位置的对准。在步骤250中，可以进行目标140的层析重建。

在另一实施方式中，可以不用扫描或图像投影而确定采集系统的等角点。图6示出根据本发明一个实施方式用于确认等角点以及用于确认目标位置的方法600的流程图。首先，在步骤610中，获得固定于X-射线检测器130上的电磁接收器120的三个或更多位置。电磁接收器120允许在例如层析采集过程中记录检测器130的中心，而不需要X-射线投影。检测器130的三个位置形成三角形的顶点。

然后，在步骤620中，因该三角形而定位等角点。在一个实施方式中，等角点与三角形的中心一致。通过解析下面的方程式系统在三角形的平面中确定等角点(I)：

$\left|\begin{array}{cccc}{x}^2+y^2& x& y& 1\\ x_1^2+y_1^2& x_1& y_1& 1\\ x_2^2+y_2^2& x_2& y_2& 1\\ x_3^2+y_3^2& x_3& y_3& 1\end{array}\right|=0---\left(5\right)$

其中 $\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\end{array}\right),$ $\left(\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\end{array}\right)$ 和 $\left(\begin{array}{c}{x}_3\\ y_3\end{array}\right)$ 是在三角形平面中表示的检测器130三个位置的坐标。

如果获得检测器130的多于三个的位置，那么等角点与投影到所采集的检测器130位置的平均平面上的平均圆或椭圆的中心一致。首先通过最小化下列值来确定与采集的位置相对应的平均平面：

$\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|a{x}_i+b{y}_i+c{z}_i+d|---\left(6\right)$

其中 $\left(\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right)$ 表示从检测器130的中心采集的三维位置。然后，通过利用从平均平面中采集的位置所投射的位置 $\left(\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\end{array}\right)$ 计算平均圆。平均圆通过使下面的值最小化来确定：

$\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|{(x_i-c_x)}^2+{(y_i-c_y)}^2-R^2|---\left(7\right)$

平均椭圆通过利用下面的方程式来确定：

$\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|\frac{{(x_i-c_x)}^2}{a^2}+\frac{{(y_i-c_y)}^2}{b^2}-1|---\left(8\right)$

可选择的，等角点可以根据由检测器130所采集到的位置的电磁取向和源-图像距离的近似值来确定。源-图像距离可以借助于校准来确定。然后，可以将该位置投射回去以确定等角点。

然后，在步骤630中，通过利用带有电磁接收器125的工具150为层析采集确定目标140的中心的位置，所述电磁接收器125固定于所述工具上。然后，在步骤640中，确定目标140的位置，从而使步骤630中确认的中心位置相对于等角点对准。定位可以(例如利用手动定位系统或台)手动地进行和/或(例如利用动力驱动的台或定位系统)自动地进行。固定在血管C-臂X-射线系统中的动力驱动台可以移动例如病人，直到有关的器官中心与C-臂系统的等角点大致重合。目标140的层析重建可以在步骤650中进行。

在一个实施方式中，“良好的”工作位置可以通过表示例如该位置的一些性质而数学地规定。该位置的性质可以根据要重建的器官或目标而不同。这些性质也可以根据用以在进行对准之前定位目标中心的工具而改变。一些实施方式给出了各种方法，通过利用电磁导航设备为层析重建确定良好的位置，所述电磁导航设备为例如电磁发射器和电磁接收器。用于三维层析采集的良好工作位置可以通过利用连接到检测器和目标(如病人)的接收和发射设备简单而又快速地确定。位置的有效确定降低了在目标定心过程中的辐射剂量。

因此，本发明的一些实施方式相对于采集系统的等角点来定位目标，用以简化层析图像的重建。一些实施方式通过利用电磁导航设备为三维重建提供了对器官或其它目标的半自动定位。一些实施方式无需图像曝光或使用最小量的曝光就能提供用于最佳层析采集的定位。可以使用电磁导航设备来确定图像重建的最佳位置。

尽管已经参考特定实施方式描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解，可以在不脱离本发明范围的情况下进行各种变化以及替代等效方案。此外，可以在不背离本发明范围的情况下对本发明公开的内容进行许多修改以适应特殊情况或者特殊材料。因此，本发明不限于公开的特定实施方式，本发明包括落入随附的权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (3)

1.一种用于对成像扫描仪中的目标定中心的系统，所述系统包括：

用于产生磁场的电磁发射器；

用于检测所述电磁发射器的所述磁场的电磁接收器；以及

根据来自所述电磁接收器的信息确定图像扫描的等角点的成像单元。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述成像单元根据所述电磁接收器的至少一个多个X-射线投影和一个多个位置测量来识别所述等角点。

3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于检测来自所述电磁发射器的所述磁场的第二电磁接收器。

Images