用于校准医学成像设备、用于执行配准的方法以及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于根据其图像采集几何结构校准医学成像设备(2)的方法(10)、用于基于相应的校准数据执行2D3D配准的方法(10)，以及相应的系统(1)。作为方法(1)的一部分，使用成像设备(2)在体模(4)的不同位置采集体模(4)的多个图像。借助于跟踪设备(2，6，7，8，9)跟踪体模(4)从一个位置到相应的下一个位置的相应运动，以保持对体模(4)和成像设备(2)之间的空间关系的连续跟踪。然后，基于所采集的图像、成像设备(2)的相应所记录的姿态以及体模(4)的所跟踪的运动来校准医学成像设备(2)。

Methods and systems for calibrating medical imaging equipment, performing registration

【技术实现步骤摘要】
用于校准医学成像设备、用于执行配准的方法以及系统
本专利技术涉及一种用于校准医学成像设备的方法、一种用于执行2D3D配准的方法、以及一种包括相应的医学成像设备的系统。
技术介绍
如今，诸如计算机断层摄影(CT)、X射线成像、血管造影术及其他的医学成像技术可以有利地提供患者的详细图像数据，并且因此可以有助于患者的成功诊断和治疗。然而，这些相同的成像技术也可将患者暴露于显着的辐射。因此，常见的做法是仅采集一次患者或感兴趣区域(ROI)的完整3D数据集，通常是在实际干预或操作之前。然后，在干预或操作期间仅采集患者或ROI的2D图像而不是多个完整3D数据集，以降低患者的暴露或压力。然而，这种方法确实带来了将2D图像与先前采集的3D数据集或公共坐标系或参考系配准的需要。此过程称为2D3D-配准。具有合理努力的精确配准通常仅对于成像设备先前已经校准的成像位置是可能的。对于校准的成像位置，通过相应的在前校准，已知或预先确定成像设备的相应当前位置或定位状态与从该位置或定位状态采集的2D图像的空间位置或取向之间的精确关系。通常根据针对有限数量的校准位置或校准的位置采集的实际可用校准数据进行内插两个校准的成像位置之间的中间成像位置或外推位于校准空间外的成像位置。这导致2D3D配准中的总体精度低于理想，并且因此导致医学成像技术的性能或有用性低于理想。在成像设备的完整成像空间或最大检测范围内，已知的校准方法可以例如产生大约2mm的准确度或精度。这是或将是不充分的，特别是对于导航和/或机器人医疗程序。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在实际应用中改善医学成像技术性能的简单方法。该目的通过独立权利要求的目的来实现。在其他权利要求以及以下描述和附图中示出了具有本专利技术的有利改进的有利实施例。根据本专利技术的方法涉及根据其图像采集几何结构校准医学成像设备。该方法包括将具有预定几何结构特征的成像体模定位在成像设备的最大检测范围内的第一位置。在这种意义上，最大检测范围是医学成像设备利用其全范围的运动或可调节性可以达到或成像的完整空间体积。成像体模可以例如是人造对象，其包括可以由成像设备成像的标记的布置或图案。通过这些标记和/或例如成像体模的形状，其位置和取向(即其姿态)可以从成像设备拍摄或采集的成像体模的图像数据或图像明确地确定。这些标记可以是例如金属点或球体，其可以布置在成像体模的表面上和/或在其内部集成。在利用医学成像设备采集的X射线图像中，可以清楚地检测和区分标记。作为该方法的一部分，使用成像设备采集处于第一位置的体模的至少一个图像。记录或标记在其中采集至少一个图像的成像设备的相应姿态。姿态可以绝对地或相对地被记录或表征，例如根据用于将成像设备定位在该姿态的相应控制信号和/或根据成像设备的相应运动或移动。例如，可以使用一个或多个位置或运动传感器来检测或感测后者。这些传感器例如可以集成到成像设备中，例如集成在成像设备的铰接的机器人臂的各个关节中或各个关节处。该方法还包括将体模移出第一位置并进入最大检测范围内(即，在成像设备的可成像体积或覆盖范围内)的至少一个其他位置。然后使用成像设备采集处于至少一个其他位置的体模的至少一个图像，并且类似于采集处于第一位置的体模的至少一个图像，记录或标记成像设备的相应姿态。将体模移动到至少一个其他位置意味着体模可以连续地或小心地移动到多个位置。然后，对于这些多个位置中的每一个，采集或拍摄至少一个相应的图像，并记录成像设备的相应姿态。在将体模从第一位置移动到至少一个其他位置，并且如果适用的话，从其他位置中的每一个移动到相应的下一个位置的同时，借助于跟踪设备跟踪体模相对于第一位置的相应运动或移动。由此，获得或保持体模与成像设备之间的空间关系的连续跟踪。在该方法的另一步骤中，然后基于所采集的图像、成像设备的相应所记录的姿态和体模的所跟踪的运动来校准医学成像设备。换句话说，通过建立体模的图像、其所跟踪的运动和成像设备的所记录的相应姿态之间的关系来校准成像设备。在已知的校准方法中不移动体模，因为这样做会使移动体模之前和之后采集的相应校准数据无效或被破坏。情况就是这样，因为通过移动体模，体模或其位置与医学成像设备之间的空间关系将丢失或变得未知。这意味着对于成像设备最大检测范围的绝大部分，通常不能获得明确且精确的校准数据。因此，在实际应用中，实际使用成像设备时必须使用内插或外推技术。然而，通过跟踪体模的运动，本专利技术能够为成像设备的最大检测范围的显著更大的部分采集精确的校准数据。换句话说，本专利技术可以有利地增加成像设备的、或用于成像设备的校准空间或经校准的空间的尺寸。这又能够实现提高的精度或2D3D配准，并可以从而有助于降低患者的暴露。典型的成像体模可以是例如长度约为20厘米，并且直径约为15厘米的圆柱形。虽然显然可以使用不同尺寸和/或形状的体模，但其尺寸不能任意增加。首先，较大的体模还可以意味着增加的弯曲或变形以及热膨胀或收缩。这可能再次导致精度降低。其次，无论较大体模的几何结构精度或可靠性如何，通常不可能用单个静止体模覆盖或填充医学成像设备的整个最大检测范围。当考虑典型的C形臂X射线设备时，这变得显而易见，其中C形臂附接到多关节铰接式机器人臂，同时在C形臂的相对的两端处的X射线源和相应的检测器之间具有预定距离。这里，最大检测范围可以大到几立方米，并且安装在C形臂上的源和检测器之间的距离可以小于任何方向上的最大检测范围的延伸。可以使用控制单元或数据处理设备自动完成校准医学成像设备，控制单元或数据处理设备例如可以是医学成像设备或相应系统的一部分，诸如根据本专利技术的系统，在下面将更加详细地讨论该系统。在需要对象的空间跟踪的其他应用中，通常采用单独的跟踪系统，诸如激光跟踪系统或光学跟踪系统。然而，这些跟踪系统可能过于昂贵和/或复杂，因此例如不可能为多个服务技术人员的每个提供这样的系统来校准安装在客户或现场位置的现有医学成像设备。因此，作为本专利技术的一部分，描述了多个可选实施例或改进，其可以提供简单且经济的手段和方式来实现改进的校准。下面更详细地描述本专利技术的这些实施例、改进或方面。在本专利技术的有利改进中，使用成像设备本身作为跟踪设备的至少一部分来跟踪体模的运动。换句话说，在将体模移动到至少一个其他位置或相应的下一个位置时，使用成像设备采集体模的多个图像。优选地，在采集多个图像时，即在移动体模时，成像设备保持静止。该手段或方法也可称为“荧光跟踪”(Fluoro-tracking)。可以从运动期间采集的多个图像中提取或重建体模的运动以及其相对位置或位置。这意味着可以类似于传统外部光学跟踪系统的相机使用成像设备，以跟踪体模或其运动。然而，与使用传统的外部跟踪系统相比，所提出的方法具有不需要任何附加设置或设备的优点，从而能够以显著降低的成本和复杂性来改进医学成像设备的校准。在本专利技术的另一个有利改进中，使用成像设备跟踪体模的运动，体模在被移动时至少部分地永久地保持在成像设备的相应的当前视场内。在已经采集处于每个位置的体模的相应的至少一个图像之后，然后在体模再次移动到相应的下一个其他位置之前，对应于体模的相应最后运动来移动成像设备。换句话说，体模和成像设备被交替地移动，使得在每个时间点，至少一个或另一个是静止的，例如相对于rom坐标系，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于根据医学成像设备的图像采集几何结构校准医学成像设备(2)的方法(10)，包括步骤：‑将具有预定几何结构特征(5)的成像体模(4)定位在所述成像设备(2)的最大检测范围内的第一位置，‑使用所述成像设备(2)采集处于所述第一位置的所述体模(4)的至少一个图像，并记录所述成像设备(2)的相应姿态，‑将所述体模(4)移出所述第一位置并移入所述成像设备(2)的所述最大检测范围内的至少一个其他位置，并使用所述成像设备(2)采集处于所述至少一个其他位置的所述体模(4)的至少一个图像，并记录所述成像设备(2)的相应姿态，‑在移动所述体模(4)的同时，借助于跟踪设备(2，6，7，8，9)跟踪相对于所述第一位置的体模的运动，从而保持对所述体模(4)和所述成像设备(2)之间的空间关系的连续跟踪，‑基于所采集的图像、所述成像设备(2)的相应所记录的姿态以及所述体模(4)的所跟踪的运动来校准所述医学成像设备(2)。

【技术特征摘要】
2017.12.22 EP 17210234.51.一种用于根据医学成像设备的图像采集几何结构校准医学成像设备(2)的方法(10)，包括步骤：-将具有预定几何结构特征(5)的成像体模(4)定位在所述成像设备(2)的最大检测范围内的第一位置，-使用所述成像设备(2)采集处于所述第一位置的所述体模(4)的至少一个图像，并记录所述成像设备(2)的相应姿态，-将所述体模(4)移出所述第一位置并移入所述成像设备(2)的所述最大检测范围内的至少一个其他位置，并使用所述成像设备(2)采集处于所述至少一个其他位置的所述体模(4)的至少一个图像，并记录所述成像设备(2)的相应姿态，-在移动所述体模(4)的同时，借助于跟踪设备(2，6，7，8，9)跟踪相对于所述第一位置的体模的运动，从而保持对所述体模(4)和所述成像设备(2)之间的空间关系的连续跟踪，-基于所采集的图像、所述成像设备(2)的相应所记录的姿态以及所述体模(4)的所跟踪的运动来校准所述医学成像设备(2)。2.根据权利要求1所述的方法(10)，其特征在于，使用所述成像设备(2)本身作为所述跟踪设备(2，6，7，8，9)的至少一部分来跟踪所述体模(4)的运动。3.根据权利要求2所述的方法(10)，其特征在于，为了使用所述成像设备(2)跟踪所述体模(4)的运动，在移动所述体模时，所述体模(4)至少部分地永久保持在所述成像设备(2)的相应的当前视场内，并在已经采集处于每个位置的所述体模(4)的相应的至少一个图像之后，在所述体模(4)再次移动到下一个其他位置之前，对应于所述体模(4)的相应的最后运动移动所述成像设备(2)。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(10)，其特征在于，借助于作为所述跟踪设备(2，6，7，8，9)的至少一部分以预定的、固定的空间关系附接到所述体模(4)的相机(8)跟踪所述体模(4)的运动。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(10)，其特征在于，为了跟踪所...

【专利技术属性】
技术研发人员：P梅维斯，G米勒，P费希尔，H莫尼奇，M鲁布，
申请(专利权)人：西门子保健有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE