减少 3D X 射线图像重建中的金属伪影的方法和设备

摘要

本发明涉及一种用于减少图像重建中的金属伪影的方法(400，500)和设备(100，200，300)。在至少一个实施例中，用于减少图像重建中的金属伪影的方法(400，500)包括采集至少一个未校准图像(400，514)(例如X射线或荧光图像)并对该至少一个未校准图像进行校准(412，516)，形成至少一个校准的荧光图像。至少利用该至少一个校准图像来计算(414，518)病人至发射器变换。至少利用病人至发射器变换形成(416，520)重建体积。可结合(418，524)至少一个校准的荧光图像、病人至发射器变换和重建体积中的至少两个，形成至少一个显示图像。该图像然后可利用例如显示装置(218，318)进行显示(420，526)。

说明书

技术领域

本申请一般涉及图像重建。更具体地，本申请涉及利用伪影空间信息来减少图像重建中的金属伪影。

背景技术

在现有技术中，形成病人解剖结构的CT和3D荧光图像是公知的。应当理解的是，外科医生希望在术后图像中查看执行的金属植入物的内部固定有多好。然而，已知的是例如诸如椎弓根螺钉(pedicle screw)和骨折板/销之类的金属植入物可在这类荧光图像的形成中产生条纹伪影。这种条纹伪影是由于在金属植入物和病人解剖结构的边界处信号衰减的明显不同而产生的。

已知有许多用于减少、改变和消除这种伪影条纹的技术或方法。一种用于减少伪影条纹的已知方法包括在扫描数据的重建期间应用斜坡(ramp)滤波器。这种斜坡滤波器可减轻条纹伪影但不能消除条纹伪影，因为滤波器通常广泛地应用于整个扫描数据集。极其需要能够在与金属相关的条纹伪影最小的情况下观察手术部位。

发明内容

本发明的一个实施例涉及一种图像重建装置、系统或机器。更具体地讲，一个实施例涉及一种减少与金属相关的条纹伪影或使与金属相关的条纹伪影最小化的3D X射线图像重建方法和设备。

本发明的一个实施例涉及一种用于进行图像重建(例如X射线或荧光图像重建)的方法。在至少一个实施例中，该方法包括采集至少一个未校准图像(例如未校准X射线或荧光图像)。该方法还包括校准该至少一个未校准图像，形成至少一个校准图像。在至少一个实施例中，该方法包括定位至少一个伪影。还考虑，在至少一个实施例中，显示至少一个图像。

在至少一个实施例中，用于进行图像重建的方法可包括计算病人至发射器变换(patient to transmitter transform)，其中至少采用该至少一个未校准图像来计算病人至发射器变换。此外，病人至发射器变换还可被用于形成重建体积，其中重建体积可至少利用该至少一个未校准图像来形成。还考虑，该方法包括结合该至少一个校准图像、病人至发射器变换和重建体积中的至少两个。

另一个实施例涉及一种用于减少3D X射线重建中的金属伪影的方法。该实施例包括采集至少一个未校准图像(例如X射线或荧光图像)并校准该至少一个未校准图像，形成至少一个校准图像(例如校准的X射线或荧光图像)。至少利用该至少一个校准图像来计算病人至发射器变换。至少利用该病人至发射器变换来形成重建体积。结合该至少一个校准的荧光图像、病人至发射器变换和重建体积中的至少两个，形成至少一个显示图像。然后可以采用例如显示装置来显示该图像。

在至少一个或多个实施例中，该至少一个未校准图像包括至少一个未校准的荧光图像且该至少一个校准图像包括至少一个校准的荧光图像。在至少一个实施例中，校准该至少一个未校准图像包括进行至少一次C形臂扫描，定位至少一个伪影和/或移动至少一个校准标记。实施例还包括通过至少一个局域网发送至少一个未校准的荧光图像。

用于减少3D X射线重建中的金属伪影的其它实施例包括通过旋转至少一个荧光图像形成重建体积，取消任何C形臂设置。将该至少一个旋转的荧光图像的亮度反转并且针对先验的空间已知的金属伪影进行滤波。将该被滤波的荧光图像中的至少一个反投影，形成重建体积。

本发明的另一个实施例涉及一种用于减少图像重建(例如X射线图像重建)时的金属伪影的设备，该设备包括适于采集至少一个未校准图像的模块和适于校准该至少一个未校准图像从而形成至少一个校准图像的模块。该设备还包括适于显示至少一个具有减少的金属伪影的图像的显示装置。

附图说明

图1示出根据本发明的某一实施例所采用的图像重建系统；

图2示出根据本发明明的某些实施例的图像重建装置、机器、系统或设备的高级框图；

图3示出根据本发明的某些实施例的用于利用伪影空间信息减少或消除与金属相关的条纹伪影的图像重建装置、机器、系统或设备(类似于图2中所示的图像重建装置、机器、系统或设备)的详细框图；

图4示出描述了根据本发明的某些实施例的一种用于进行图像重建的方法的高级流程图，该方法利用伪影空间信息在(类似于图1、2和3中所示的)图像重建设备中减少与金属相关的条纹伪影；

图5示出描述了根据本发明的某些实施例的另一种用于进行图像重建的方法的详细流程图，该方法利用伪影空间信息在(类似于图1、2和3中所示的)图像重建设备中减少与金属相关的条纹伪影。

当结合附图阅读时，将更好地理解前述概要以及下面对本发明的某些实施例的详细描述。为了解释说明本发明，某些实施例在附图中示出。然而应当理解的是，本发明并不限于附图中所示出的装置和手段。

具体实施方式

仅为解释说明的目的，下面的详细描述参照X射线或荧光图像设备、系统、装置或机器的某些实施例。然而，应当理解的是，本发明可用于其它装置或成像系统。

3D荧光图像可通过图1、2和3中所示的图像装置或系统利用类似于以下所讨论的那些技术的锥形束重建技术由2D荧光投影图像生成。由C形臂获得或获取的每个2D投影的固有位置/或方位信息有助于确保用于创建3D图像的多个2D投影图像之间的空间关系。在至少一个实施例中，由于跟踪信息动态地涉及2D图像，使实施例能够直接在每个2D图像中定位一个或多个金属植入物。在一个实施例中，可采用指示器来识别病人身上或体内的一个或多个植入物的位置。该指示器可被用于采集各种点以勾画一个或多个植入物的体积的轮廓。

在另一个实施例中，可采用指示器在至少一个2D荧光图像上跟踪一个或多个植入物，然后给定所跟踪的一个或多个植入物的轮廓的坐标，将这些坐标转换到其它2D图像中。另一个实施例包括采用植入物的标准CAD模型信息并利用指示器使植入物CAD模型位置与其在每个2D视图中的位置相关联。一旦植入物被定位，可应用一种或多种滤波、平均或平滑技术来消除在重建期间所产生的条纹伪影，同时保存关于植入物位置的必要信息。

本发明的一个或多个实施例消除了使图像质量降级的与金属相关的条纹伪影。一个或多个实施例在尤其是在脊椎整形应用中进行3D荧光重建的X射线系统上提供辨别部件(differentiating feature)。

先前减少与金属相关的伪影的尝试是在没有关于病人体内存在或使用的金属的先验知识的情况下进行的。在CT的情况下，在不知道病人体内的金属的位置和方位的情况下由特定体积生成图像。在病人体内的金属物体的特定位置和方位信息是可用的并且直接与所生成的被采集用于产生3D数据集的2D图像相关的情况下，这种特定知识可被用于提供定位图像处理以在图像处理期间、例如锥形束重建处理期间使条纹伪影最小化或消除条纹伪影。

图1示出总的以100标明的、根据本发明的实施例所采用的成像装置、机器、系统或设备。可考虑的是，系统100可包括各种系统，其中包括X射线系统、CT系统、EBT系统、超声系统、MR系统或其它成像系统。

在至少一个实施例中，系统100包括C形臂110、一个或多个X射线源120、一个或多个X射线检测器130、一个或多个电磁(EM)传感器140、EM发射器150、图像处理器160、跟踪器模块170、定位装置180和输出设备190。在示出的实施例中，跟踪器模块170被描述为至少与EM传感器140、EM发射器150和图像处理器160通信。图1还示出图像处理器160至少与X射线检测器130、跟踪器模块170和输出设备190通信。

在至少一个实施例中，X射线源120和X射线检测器130被安装在C形臂110的相对侧。X射线源120和X射线检测器130可以以可移动的方式被安装在C形臂110上。在一个实施例中，EM传感器140被安装在X射线检测器130上。EM发射器150被定位在待成像的对象112、例如病人上。替代地，EM发射器150可位于X射线检测器130上，并且EM传感器140可位于成像的对象或病人112上。对象或病人112被定位在定位装置180上或定位装置180内。在至少一个实施例中，定位装置180包括检查床、检查订架(table bucky)、垂直架、支架或其它适于被使用的定位装置。

在至少一个实施例中，C形臂110可沿多个图像采集路径向几个方向移动，包括例如轨道方向、纵向、侧向、横向、枢轴方向和“摆动”方向。在至少一个实施例中，X射线源120和检测器130可移动地定位在C形臂110上。因此，C形臂110连同X射线源120和X射线检测器130可绕定位装置180移动并定位，对象112位于该定位装置180上或该定位装置180内。C形臂110被用于使X射线源120和检测器130定位在对象112附近，以便一束或多束X射线105(或其它能量)可照射对象112以用于产生一个或多个图像。C形臂110可绕对象112以多个扫描角度移动或再定位，从而获得多个图像。当C形臂110移动时，X射线检测器130和对象112之间的距离可发生改变。此外，X射线源120和对象112之间的距离也可发生改变。

可考虑，在至少一个实施例中，C形臂110上的X射线源120和检测器130可在例如横臂或轨道运动中移动。在轨道运动中，X射线源120和检测器130不以圆形路径移动。在采用轨道运动的断层图像重建中，检测器130和对象112之间的距离(以及源120和对象112之间的距离)可在投影图像采集期间发生改变。

在至少一个实施例中，可为一个或多个投影图像记录X射线检测器130的位置。此外，可确定检测器130和X射线源120之间的距离。在断层图像重建期间，可利用检测器130的位置和检测器到对象的距离来量化和补偿放大率的变化。EM传感器140或其它跟踪装置可设置在检测器130上。EM发射器150或其它跟踪装置可设置在对象112上。来自传感器140和发射器150的数据可被用于确定在检测器130的轨迹过程中检测器130的位置。其它跟踪装置、例如光学或机械跟踪装置可被用于确定系统100中的一个或多个部件的位置。

在至少一个实施例中，发射器150播送由传感器140检测的信号、例如磁场。跟踪器模块170可使用来自发射器150的数据确定检测器130相对于对象112的位置。位置以及因此检测器130和对象112之间的距离的不同可时应于所获得的X射线投影图像的放大率的不同。

可考虑，对于发射非平行束、例如X射线的点源或近点源，改变检测器130和对象112之间的距离和/或源120和对象112之间的距离会改变被投影到检测器上的对象112的放大率。如果X射线源120的视场是恒定的，当对象112接近X射线源120时，对象112占据更多的视场，因此作为更大的图像投射到检测器130上。在一个实施例中，改变检测器到对象的距离以将对象112保持在系统100的虚拟等角点上。在一个实施例中，C形臂110、C形臂110上的源120和/或检测器130可在任何平面内移动或不移动以使对象112定位在检测器130的视场内的虚拟等角点上。测量改变的检测器到对象和/或源到对象的距离使得图像处理器160能够补偿距离的变化以及放大率的变化。跟踪器模块170可采用来自EM传感器140和EM发射器150或其它跟踪装置的数据以跟踪检测器到对象的距离。

替代地，EM传感器140或EM发射器150可被安装在源120上，而同时EM发射器150或EM传感器140被安装在对象112上，以确定源120的位置。X射线源120的位置可被记录并与源到检测器的距离一起使用以确定和计算放大率的变化。跟踪器模块170可监视例如在诊断或手术过程中所使用的器械或工具的位置。

跟踪器模块170监视系统100中的对象112、X射线检测器130和/或X射线源120的位置。跟踪器模块170可提供相对于对象112、源120和/或检测器130的参考坐标系中的位置数据。当处理图像数据以重建2D和/或3D图像时，图像处理器160利用该位置数据。该位置数据还可被用于其它目的，例如诸如手术导航。在一个实施例中，跟踪器模块170连续计算X射线检测器130和对象112相对于坐标系的位置，该坐标系相对于坐标系参考点或中心轴来定义。在至少一个实施例中，图像处理器160对X射线源120或源控制器生成控制或触发命令以基于位置数据扫描象112。

在至少一个实施例中，当C形臂110移动时，图像处理器160从检测器130采集一系列图像曝光量。每当X射线源120受到触发时，检测器130接收图像曝光量。图像处理器160将一个或多个图像曝光量与参考数据结合，从而重建例如3D体积数据集。3D体积数据集可被用于生成图像、例如对象112的切片或感兴趣区域。例如，图像处理器160可利用3D体积数据集产生病人脊柱、膝盖或其它区域的矢状、冠状和/或轴向视图。图像处理器160可以用软件和/或硬件实施，其中图像处理器160可包括例如通用计算机、微处理器、微控制器和/或特定应用集成电路。

在一个或多个实施例中，3D图像重建可通过利用例如扇形束结合被扫描对象112的连续切片或平面而形成。3D图像重建还可通过绕对象112旋转源120和检测器130以获得对象112的锥形或区域束投影而形成。在锥形束投影中，对象112可用点源来照射且由检测器130在平面上测量X射线通量。从对象112到检测器130的距离以及从对象112到源120的距离可被用于确定图像重建的平行投影。还可考虑的是，也可采用滤波反投射以便基于滤波和反投射锥形束中的平面来重建3D图像。在滤波反投射时，分析和结合各扇形束或锥形束投影以形成3D重建图像。为在滤波反投射的新坐标系中进行分析，扇形束倾斜于源-检测器旋转平面之外。基于距离对投影数据进行加权和卷积。然后，该卷积加权的投影被反投射到3D重建栅格上以重建3D图像。

在重建了一个或多个图像之后，图像处理器160可将该一个或多个图像发送到输出设备190。可考虑，输出设备190可包括例如显示器、打印机、传真机、电子邮件、存储单元或其它媒介。在至少一个实施例中，还考虑，输出设备190可包括膝上型电脑、PDA、手机或其它与图像处理计算机160无线通信的无线设备。该一个或多个图像可通过输出设备190被显示和/或存储以供使用都使用，例如供技术人员、内科医生、外科医生、其它健康护理者或安全官员使用。

在操作时，例如，病人的中间脊柱区域可系统100中进行扫描。当病人位于检查床、例如定位器180上时，C形臂110不会达到中间脊柱扫描的全部位置。因此，C形臂110可从一侧移动并定位。当C形臂110以非圆形运动移动时，由于C形臂110的路径可能不是圆形，所以脊柱可能不会保持在扫描图像的中心。可例如通过在C形臂支架上升高和降低C形臂110来移动C形臂110以使脊柱保持在中心(例如虚拟等角点)。

当C形臂110移动而脊柱不移动时，脊柱的位置离X射线源120更近或更远。因此，由于C形臂110以非圆弧形移动，因此所获得的图像从开始到结束具有不同的放大率(例如，由于更大的放大率从第一幅图像中的五个椎骨水平(vertebral level)至最后一幅图像中的三个椎骨水平)。例如，由于跟踪器模块170利用EM发射器150和传感器140测量或确定检测器130相对于正被扫描的对象的位置，所以可以确定放大率的变化。然后，在中间脊柱区域的3D体积图像的重建期间考虑放大率变化。在一个或多个图像重建计算中采用可变的距离值，而不是采用标准图像重建算法中的固定距离。

图2示出根据本发明的实施例的用于创建3D体积的图像重建装置、系统、机器或设备210的高级框图。在示出的实施例中，设备210包括至少一个导航主计算机212和至少一个通过一个或多个局域网214进行通信的3D重建计算机216。在本发明的至少一个实施例中，至少一个或多个显示器218被说明为与导航主计算机212通信。

在一个实施例中，图像重建装置210是图1中所示的成像系统100的一部分。在该实施例中，输出设备190包括显示器218，而图像处理器160包括导航主计算机212、3D重建计算机216和网络214。在另一个实施例中，图像重建装置210和成像系统100为相互通信的分离的装置。

图3示出根据本发明的至少一个实施例的用于创建3D体积的图像重建装置、系统、机器或设备的更详细框图。在该示出的实施例中，总的以300标明的系统或设备包括至少一个通过一个或多个局域网314与至少一个3D重建计算机316通信的导航系统主计算机312。在示出的实施例中，例如，导航系统主计算机312对病人进行至少一次C形臂扫描320。从一次或多次C形臂扫描320生成一个或多个未校准图像322A(例如未校准的X射线或荧光图像)。导航系统主计算机312通过局域网314向3D重建计算机发送该一个或多个未校准图像322A。

在至少一个实施例中，3D重建计算机316接收该一个或多个未校准图像312B。在该实施例中，3D重建计算机116对这些图像进行校准，移动一个或多个不透射线或校准标记(例如滚珠)，形成一个或多个校准图像326A(例如校准的X射线或荧光图像)。3D重建计算机316还接收一个或多个校准图像并计算病人发射器变换，形成病人发射器变换330A。

在至少一个实施例中，3D重建计算机316接收一个或多个病人至发射器变换，翻动或旋转图像以取消C形臂设置332。方法300还包括翻动旋转后的图像以反转亮度334。采用一个或多个滤波器对荧光图像进行滤波，形成先验的间距(spacing)已知的金属伪影336。经滤波的荧光图像然后被反投射以重建体积，形成重建体积340A。

在至少一个实施例中，3D重建计算机316通过一个或多个局域网314将一个或多个合作图像326A、病人至发射器变换330A和重建体积340A发送到导航系统主计算机312。导航系统主计算机312接收校准图像326B、病人至发射器变换330B和重建体积340B，形成一个或多个用于显示的图像。这些图像被显示在显示装置218或输出设备190上。

图4示出描述了根据本发明的至少一个实施例的一种用于创建3D体积的方法的高级流程图，该方法总的以400来标明。在至少一个实施中，方法400包括方框410，采集一个或多个图像(例如，未校准的X射线或荧光图像)。

方法400还包括方框414，校准一个或多个图像(例如，校准的X射线或荧光图像)；方框416，计算病人至发射器变换；以及方框418，形成重建体积。在至少一个实施例中，方框418可包括结合校准图像、病人发射器变换和重建体积。方法400还包括方框420，显示一个或多个图像。

图5示出描述了根据本发明的至少一个实施例的一种用于创建3D体积的方法的详细流程图，该方法总的以500来标明。在至少一个实施例中，方法500包括方框510，进行一次或多次C形臂扫描以采集一个或多个未校准荧光图像。方框512包括采集一个或多人合作图像(例如，未校准的X射线或荧光图像)，在一个实施例中，这些图像通过局域网514被发送。在一个实施例中，方法500还包括方框516，校准一个或多个图像(例如，校准的X射线或荧光图像)；方框518，计算未校准的荧光图像的病人至发射器变换；以及方框520，形成一个或多个未校准的荧光图像的重建体积。

校准图像、病人至发射变换以及重建体积然后在方框522中通过局域网514发送。方框524包括结合校准图像、病人发射器变换和重建体积，从而形成一个或多个图像。方框526包括显示该一个或多个图像。

虽然本发明已参照某些实施例进行了描述，但本领域的普通技术人员应当明白，在不偏离本发明范围的情况下，可进行各种变化和等同物替代。此外，在不偏离本发明的范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不限于所公开的具体实施例，而是将包括落入附加的权利要求书的范围内的全部实施例。

部件清单

成像系                      100

X射线                       105

C形臂                       110

对象或病人                  112

X射线源                     120

X射线检测器                 130

EM传感器                    140

EM发射器                    150

图像处理计算机              160

跟踪器模块                  170

定位装置                    180

输出设备                    190

图像重建机器、装置或设备    210

导航主计算机                212

局域网                      214

3D重建计算机                216

显示器                      218

图像重建机器、装置或设备    300

导航主计算机                312

局域                        314

3D重建计算机                316

显示图像                    318

C形臂扫描                   320

未校准图像                  322A&B

校准图像                    324

形成未校准图像              326A&B

计算病人至发射器变换        328

形成病人至发射器变换        330A&B

旋转图像以取消C形臂设置     332

翻动旋转后的图像            334

反转亮度

滤波图像，形成先验的间距已知的金属伪影      336

反投射滤波后的图像                          338

形成重建体积                                340A&B

方法                                        400

采集未校准图像                              410

对图像进行校准                              412

计算病人至发射器变换                        414

形成重建体积                                416

结合校准图像、病人至发射器变换和重建体积    418

显示图像                                    420

方法                                        500

进行C形臂扫描                               510

通过局域网发送                              512

采集未校准图像                              514

对图像进行校准                              516

计算病人至发射器变换                        518

形成重建体积                                520

结合校准图像、病人至发射器变换和重建体积    524

显示图像                                    526