补偿医疗成像的系列拍摄时患者运动的方法和成像系统

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，利用成像系统对患者检查区域的、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系统，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，利用成像系统(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插入。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系统中。在市面上一些血管造影系统中还存在自动方法，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 10051370 A1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系统利用在患者上的人工标记实现。

DE 10250655 A1与DE 1005 1370 A1一样描述了用于同样应用目的患者定位系统。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系统，利用该方法和成像系统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系统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，利用成像系统对患者检查区域的、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系统的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系统实现。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，或者根据对成像系统的公知校准来实现检查区域在参考系统中的第一空间位置。后者仅仅在利用相同的成像系统绘制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系统中的瞬间空间位置。确定该瞬间空间位置与第一空间位置的偏差，并通过改变成像系统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、优选实时控制成像系统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系统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系统的几何关系对患者或者检查区域的运动进行补偿时，将成像系统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系统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系统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。

为了通过匹配成像系统的几何关系对由于患者运动而引起的偏差进行补偿，可以采用成像系统的不同部件。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，改变成像系统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系统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。

本发明的成像系统至少包括：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。该成像系统的特征在于，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，并且为了改变成像系统的几何关系，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，该成像系统优选地按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系统进一步说明。其中，

图1表示作为用于实施本发明的方法的成像系统的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。