包括定位系统的患者台和使用该患者台的方法

摘要

提出了一种可用于X射线图像获取装置(100)中的患者台(1)。所述患者台(1)包括经由至少一个可移动接合部(9)连接至台底座(5)的台盘(3)，其中，所述台盘(3)是可使用至少一个致动器(11)移动的。为了设定或重新建立可移动台盘(3)的精确位置/取向，患者台包括定位系统，定位系统包括用于提供所述至少一个可移动接合部(9)的位置数据的第一传感器装置(15)和用于提供所述台盘(3)的位置数据的第二传感器装置(17)，例如通过跟踪附着至所述台盘(3)的至少一个指示器(21)。使用该患者台(1)可以容许精确地自动定位台盘(3)。此外，第二传感器装置(17)提供的精确的位置数据可以用于用于改善三维道路绘图的方法中。

说明书

技术领域

本发明涉及包括定位系统的患者台。此外，本发明涉及使用该患者台的方法、包括该患者台的X射线图像获取装置、布置为控制使用该患者台的方法的计算机程序元件、以及其上存储有该计算机程序元件的计算机可读介质。

背景技术

已经研发了X射线图像获取设备用于各种临床应用。通过将来自X射线源的X射线朝向诸如例如患者的一部分的待检查的对象发射并在对象的相对侧上探测部分透射的X射线，由于例如不同类型的患者组织的不同X射线吸收性质，可以获取示出了对象的内部结构的对象的图像，患者组织诸如是骨、肌肉等。

例如，已经研发了C臂系统，该系统在C臂的一端上包括X射线源，并且在C臂的相对端上包括X射线探测器。C臂可以在不同方向上，在平移方向和/或旋转方向上移动，使得可以以各种取向获取对象的图像。

在一个具体应用中，可以在各种观察角度下获取多个二维X射线图像，并且可以根据该多个二维X射线图像重建三维图像。该三维图像可以有助于例如向医生可视化患者的感兴趣的区域。可以以不同取向或不同切片在屏幕上向医生显示三维图像。例如，显示该三维图像可以在侵入性手术处置期间有助于物理学家。在该手术处置期间，可以获取附加的X射线图像并可以将其与在介入之前获取的X射线图像进行比较或将其重叠(overlay)至在介入之前获取的X射线图像。

对于许多临床应用，已知患者内的感兴趣的区域与获取的X射线图像之间的空间关系是重要的。例如，为了能够容易地将在介入之前获取的X射线图像与在介入期间获取的X射线图像进行比较，相对于感兴趣的区域在X射线获取设备的相同位置处并在相同取向获取两种类型的图像可能是必须的。

手术介入期间X射线成像的一种可能的应用是3D道路绘图(roadmapping)。其中，生物2D荧光镜图像和3D重建可以融入到单个显像中。3D数据的取向、位置和透视图可以与C臂系统的当前姿态匹配，使得2D数据的内容和3D数据交叠(overlap)。此技术可以有助于节省对比介质，因为重建的3D已经示出了患者中感兴趣的区域内的脉管体积。此外，其可以增大处置期间的置信度，特别是对于3D图像清楚地示出了血管形态的复杂的血管结构。

为了能够不仅相对于患者移动到诸如C臂系统的X射线获取设备，而且能够例如在手术处置期间移动患者自身，已经研发了包括台盘的患者台，患者可以贮存在台盘上，并且该台盘可以相对于固定地立于地面上的台底座移动。例如，可以相对于台底座平移、旋转或倾斜台盘。为了容许该各种移动，台盘可以经由至少一个可移动接合部连接至台底座。

有利地，患者台适于通过获取所述至少一个可移动接合部的位置数据来探测台盘的实际位置。例如，可以测量包括在接合部中的铰链或轴承的位置或角度，并且可以从该位置数据推导台盘的实际位置和/或取向。当然，患者台可以包括一个以上的可移动接合部并且可以从多个测量的位置值和/或角度值推导位置数据。

已经研发了自动位置控制系统，其容许贮存并取回(恢复？recall)几何装置的姿态。其对于C臂和患者台几何结构是可用的。常规地，可以通过贮存分别包括在C臂系统和患者台中的一个或多个接合部的机械位置来进行这个。

然而，已经观察到使用常规自动位置控制系统不总是可以导致满意的定位结果。

发明内容

因此，存在对X射线图像获取装置和使用该装置的方法的需求，在该装置中，可以可靠地改善感兴趣的区域相对于X射线图像获取设备的定位。

通过根据所附的独立权利要求所述的患者台、使用该患者台的方法、X射线图像获取装置、计算机程序元件和计算机可读介质可以满足该需求。从属权利要求中限定了有利的实施例。

已经基于以下发现研发了本发明的方面和实施例：在许多X射线图像获取处置中，通过测量机械角度和校准可以良好地建立安装于例如C臂系统上的X射线源和探测器与世界坐标系之间的空间关系。然而，由于例如患者台的定位系统的不可再现行为，可能更难以建立世界坐标系和待检查的患者可以贮存于其上的患者台的台盘之间的关系。该不可再现的行为可以由例如台盘上的重量分布的差异引起，该差异例如是处置期间患者的移动的结果或处置期间外科医生依靠台盘的结果。因此，已经观察到虽然通过指令患者台的致动器重新建立可移动接合部的相同机械角度/位置来指令了患者台来例如重新建立与先前的图像获取处置期间台盘的定位相同的台盘的特定定位，但是实际实现的台盘的位置可以与先前的图像获取处置期间台盘的位置不同。因此，可能难以比较先前和后来的图像获取期间获取的X射线图像。或者，在3D道路绘图的范例中，实际获取的2D X射线图像可能不满足与先前重建的3D图像交叠。

根据本发明的第一方面，提出了一种包括定位系统的患者台。其中，患者台包括经由至少一个可移动接合部连接至台底座的台盘，其中，所述台盘是可使用至少一个致动器移动的。所述定位系统包括：第一传感器装置，用于提供所述至少一个可移动接合部的位置数据。此外，所述定位系统包括：第二传感器装置，用于提供所述台盘的位置数据。

根据本发明的第二方面，提出了一种使用根据第一方面的患者台的方法。所述方法用于自动定位患者台并且包括以下步骤：

(a)使用所述第一传感器装置来获取所述至少一个可移动接合部的原始第一位置数据；

(b)使用所述第二传感器装置来获取所述台盘的原始第二位置数据；

(c)将所述台盘移动至不同位置；

(d)通过基于所述第一位置数据控制所述致动器来移动所述台盘；

(e)使用所述第二传感器装置来获取所述台盘的实际第二位置数据；

(f)通过基于所述原始第二位置数据与所述实际第二位置数据之间的差异控制所述致动器来移动所述台盘；以及

(g)反复重复步骤(e)和(f)，直至所述原始第二位置数据与所述实际第二位置数据之间的所述差异在阈值以下。

根据本发明的第三方面，提出了一种使用根据以上第一方面的患者台的另一方法。此方法可以用于三维道路绘图并包括以下步骤，优选地以指示的顺序：

(a)获取位于所述患者台上的对象的三维X射线图像，并使用所述第一传感器装置来获取所述至少一个可移动接合部的原始第一位置数据，并使用所述第二传感器装置来获取所述台盘的原始第二位置数据；

(b)将所述台盘移动至不同位置；

(c)获取位于所述患者台上的所述对象的二维X射线图像，并使用所述第二传感器装置来获取所述至少一个指示器的实际第二位置数据；

(d)基于所述原始第二位置数据与所述实际第二位置数据之间的差异来对所述三维X射线图像进行变换；以及

(e)重叠所变换的三维X射线图像和所获取的二维X射线图像。

可以在患者台或X射线图像获取装置中实施第二或第三方面的方法，以分别改善重定位能力或三维道路绘图能力。

根据本发明的第四方面，提出了一种计算机程序元件，该计算机程序元件配置为并布置为在所述计算机程序元件在计算机上运行时，控制根据第二或第三方面所述的方法

根据本发明的第五方面，提出了一种计算机可读介质，该计算机可读介质上存储有根据第四方面的计算机程序元件。

本发明的方面可以视为基于以下想法：

如已经观察到的，包括仅基于将台盘与台底座连接的可移动接合部的位置数据来控制台盘的定位的定位系统的患者台可能不提供足够的定位精度，提出了将第二传感器装置增加至定位系统。此第二传感器装置适于提供患者台自身的位置数据或附着至患者台的至少一个指示器的位置数据。

需要强调的是，第二传感器装置不取代第一传感器装置，而是补充定位系统。换句话说，定位系统包括基于不同的测量原理操作的两个分开的传感器装置，即第一传感器装置可以适于通过测量可移动接合部的位置/取向状态来确定台盘的位置，并且第二传感器装置可以通过测量例如一个或多个指示器的位置/取向来确定所述台盘的位置，所述指示器可以布置在台盘处。

已经发现第一和第二传感器装置中的每一个具有其自己的优点和缺点，并且包括该两个不同传感器装置的定位系统可以容许改善的定位特性，诸如改善的定位精度和/或改善的定位鲁棒性。

例如，第一传感器装置可以依赖于与可移动接合部相关的机械位置测量。因此，第一传感器装置可以测量台盘在大的运动范围上的位置。此外，第一传感器装置能够直接耦合至用于致动器的控制器，使得驱动致动器的控制数据可以用于提供位置数据。另一方面，第二传感器装置可以适于以比所述第一传感器装置的测量精度高的精度来测量患者台的位置。特别是，指示器可以在靠近感兴趣的期望区域的位置附着至台盘，使得第二传感器装置提供的位置数据精密对应于感兴趣的区域的实际位置。

第二传感器装置可以适于对台盘的位置或特别是布置在台盘处的至少一个指示器的位置进行非机械测量，即例如光学测量。归因于该非机械/光学测量能力，可以实现高测量精度。可以在空间绝对测量指示器的位置，即在世界坐标系中，优选地独立于任何机械影响，诸如例如由于施加于其上的附加负载，患者台的部件的弯曲。

第二传感器装置可以包括至少一个设置于台底座上的相机。相机可以取向为使得其视场指向标记的期望位置。在该实施例中，优选地，至少三个指示器以相对于彼此固定的位置附着至患者台的台盘。根据相机获取的至少三个指示器的图像并考虑台底座处的相机的已知位置，可以确定患者台的精确位置和取向。

根据本发明的第二方面的方法可以从根据本发明的第一方面的患者台的改善的定位特性受益。该方法可以用于获取关于台盘的初始位置的原始位置数据，并且然后，在后一时间阶段并在台盘已经移动至不同位置后，以高位置/取向精度来重新建立原始位置。为该目的，定位系统不仅获取与可移动接合部的位置/取向状态相关的原始第一位置数据，而且可以获取与台盘自身的位置或布置在台盘处的指示器的位置相关的精确的原始第二位置数据。在后一时间点，可以通过基于原始第一位置数据控制致动器首先朝向原始位置移动患者台的台盘。然而，台盘的该定位可能不是足够精确。因此，使用第二传感器装置获取指示器的实际第二位置数据，并且通过基于原始第二位置数据与实际第二位置数据之间的差异控制致动器，来朝向原始位置移动患者台的台盘。可以反复重复获取实际第二位置数据并且然后基于与原始第二位置数据的偏离移动台盘的此过程，直至差异在阈值以下，其中，阈值指示待获得的定位精度。

通过合适地调整包括在患者台中的控制装置，可以将提出的定位方法实施到根据本发明的第一方面的患者台中。由此，可以以高的定位精度和高鲁棒性实施自动定位控制。例如，通过基于第一位置数据控制致动器来移动台盘可以是快的、鲁棒的、易于实施的，独立于第二传感器装置的任何缺陷等，并且通过基于原始第二位置数据与实际第二位置数据之间的差异控制致动器对台盘进行的随后移动可以容许非常高的定位精度，优选地独立于任何机械影响。

根据本发明的第三方面的用于三维道路绘图的方法可以从本发明的第一方面的患者台的特性受益，因为可以在第一时间点获取三维X射线图像，其中，可以精确地记录台盘的位置，使用第一和第二传感器装置获取原始位置数据，并且然后，在较后的第二时间点以及在将台盘移动至不同位置后，通过基于原始第一位置数据控制致动器并且然后获取位于台盘上的对象的一个或多个当前二维X射线图像，可以将台盘朝向原始位置移动。该当前的二维X射线图像可以与原始获取的三维X射线图像重叠/叠加，以提供用于内科医生的三维道路绘图。然而，因为台盘的实际位置仍然可以不同于台盘的原始位置，所以使用第二传感器装置获取了所述至少一个指示器的实际第二位置数据。可以以高精度获取这些实际第二位置数据并且这些实际第二位置数据可以与对台盘的任何机械影响不相关。基于实际第二位置数据与原始第二位置数据之间的差异，三维X射线图像可以被重新定位和/或取向，使得可以实现变换的三维X射线图像和当前获取的二维X射线图像的改善的重叠。

可以在X射线图像获取装置中实施根据本发明的第三方面的方法，该X射线图像获取装置包括X射线图像获取设备，诸如包括X射线源和X射线探测器的C臂系统。附加地，X射线图像获取装置包括关于本发明的第一方面限定的患者台并且控制设备适于控制用于执行关于本发明的第三方面限定的方法的患者台。使用该X射线图像获取装置容许改善的3D道路绘图基本独立于对台盘的任何机械影响。

已经注意到，已经参照不同主题描述了本发明的方面和实施例。特别是，已经参照方法类型的权利要求描述了一些方面和实施例，而参照设备类型权利要求描述了其它实施例。然而，除非另外注明，除属于一种类型的主题的特征的任何组合外，本领域技术人员将从以上和以下描述还获得与不同主题相关的特征之间的任何组合，特别是在设备类型的权利要求的特征与方法类型的权利要求的特征之间的任何组合，视为以此申请公开。

附图说明

还将参照附图中所示的具体实施例进一步描述本发明的特征和优点，但是本发明不限于此。

图1示出了根据本发明的实施例的包括患者台的X射线图像获取装置；

图2示例了根据本发明的实施例的患者台的台盘的可能运动；

图3示出了根据本发明的实施例的用于自动定位患者台的方法的流程图；

图4示出了根据本发明的实施例的用于使用患者台进行三维道路绘图的方法的流程图。

图样中示出的图是示意性的而并不成比例。

具体实施方式

图1示出了包括X射线图像获取设备200和患者台1的X射线图像获取装置100。X射线图像获取设备200包括经由可移动附着机构205附着至天花板203的C臂系统201。C臂系统201包括C臂207。在C臂207的一端，附着X射线源209。在C臂207的相对端，布置X射线探测器211。C臂系统201可以沿不同方向或绕如图1中由相应箭头所指示的不同轴平移和旋转移动，以沿各自由度移动C臂，即L臂、螺旋桨、辊、源成像距离(SID)，等。用于C臂207的各运动的该能力容许定位X射线源209和X射线探测器211，使得能够获取躺在患者台1上的患者内的感兴趣的区域213的X射线图像(为清楚原因，图1中未示出患者)。

患者台1包括台盘3和台底座5。台盘3经由附着至可移动接合部9的杠杆7连接至台底座5。设置致动器11用于移动台盘3。轴环13布置在台盘3与台底座5之间以盖住杠杆7。设置第一传感器装置15用于获取指示可移动接合部9的位置和/或取向的位置数据。该位置数据至少粗略地与经由杠杆7连接至可移动接合部9的台盘3的位置相关。

需要注意，以非常简化的方式示例并描述了包括致动器11、杠杆7和可移动接合部9的图1中的移动机构以及图1中所示的第一传感器装置15。本领域技术人员可以清楚地实现具体化患者台1的各部件的各种可能性。例如，致动器11可以包括适于直接或间接向台盘3或杠杆7或附着至杠杆7的接合部9施加力的一个或多个电机。此外，代替单个可移动接合部9和单个杠杆7，可以设置包括多个接合部和杠杆的更复杂的结构。此外，可以以各种方式实现第一传感器装置15。例如，第一传感器装置可以适于探测致动机构的一个或多个部件的移位或旋转。虽然第一传感器装置15在图1中示为独立的部件，但是其也可以集成在致动机构的一个部件中。例如，第一传感器装置可以集成到致动器11中，使得例如包括在致动器11中的电机对致动器感生的运动提供反馈，由此提供关于接合部9的位置数据。

在台底座5中，集成第二传感器装置17。此第二传感器装置17包括相机，该相机定位并取向为使得其视场19包括台盘3的部分，三个指示器21设置于该部分。三个指示器21以三角形布置。通过使用相机获取指示器21的图像，第二传感器装置可以提供指示器21的位置数据，因为指示器21相对于彼此的固定位置以及包括在第二传感器装置17中的相机的固定位置是已知的。因此，指示器21固定地附着至的台盘3的区域的位置可以可选地并且高精度地由第二传感器装置确定。

需要注意，可以改变指示器21相对于彼此的位置、数量和距离。同样，可以改变相机的位置、取向和数量。如图1中所示，单个相机能够用于第二传感器装置17。于是，至少三个指示器21应当设置在台盘3上。于是可以通过使用指示器21的相对位置总固定的事实确立指示器21的位置。归因于通过指示器的透视线和相机的焦斑，能够唯一确定世界坐标中它们的位置。

可选地增加多个相机以提高精度和/或以便鲁棒地防止指示器21的遮挡是可能的。以独特方式增加多个指示器21以鲁棒地防止一些指示器的遮挡并较少地依赖于相机的视场也是可能的。

替代地，通过使用立体相机来确定指示器的位置是可能的。对于此途径，至少一个指示器21应当用于确定位置，并且至少两个指示器应当用于确定台盘3的取向。当然，这里可选地增加多个相机和/或指示器以提高精度和/或鲁棒地防止指示器的遮挡也是可能的。

相机获取设备200和患者台1均连接至控制设备51。控制设备51可以适于获取患者台1的位置数据以及图像获取设备200的位置数据。此外，控制设备51可以获取X射线探测器211提供的图像数据。如以下更详细地描述的，使用该数据，感兴趣的区域213的图像可以显示在连接至控制设备51的显示器53上。此外，感兴趣的区域213的先前获取的三维图像和图像获取设备200获取的当前二维图像的叠合可以显示在用于X射线道路绘图的显示器53上。

图2(a)-(e)示例台盘3相对于患者台1的台底座5的各种运动能力。台盘3可以相对于台底座5移位和/或倾斜。轴环13围住并保护包括将台盘3连接至台底座5的接合部9和杠杆7的致动机构。

参照图3中所示的流程图，描述了使用患者台1的用于自动定位台盘3的方法。

在开始处置(步骤S10)后，使用第一传感器装置15获取所述至少一个可移动接合部9的原始第一位置数据(步骤S11)。然后，使用第二传感器装置17获取所述至少一个指示器21的原始第二位置数据(步骤S12)。

应当注意，可以顺序或同时执行获取第一和第二原始位置数据的步骤，并且获取该位置数据的次序通常不是问题。

与原始第一和第二位置数据的获取一起，可以在第一时间阶段执行进一步的处理步骤。例如，可以使用X射线图像获取设备200来获取一组X射线图像。原始第一和第二位置数据于是可以指示贮存在患者台上的患者的感兴趣的区域与用于获取X射线图像的X射线图像获取设备之间的位置关系。

在第一时间阶段执行该处理步骤S11、S12后，台盘3可以移动至不同位置(步骤S13)。例如，患者台1可以用于不同目的，诸如例如获取不同的感兴趣的区域的X射线图像。

然后，在第二较晚时间阶段，患者台1例如可以再次用于获取相同患者的相同的感兴趣的区域的X射线图像。为该目的，必须以高精度恢复台盘3的原始位置。因此，通过基于原始第一位置数据控制致动器11来首先移动台盘3(步骤S14)。换句话说，控制致动器11，以便如第一时间阶段中那样恢复可移动接合部9的原始位置/取向。

然而，如已经观察的，由于作用于患者台上的机械负载，仅基于原始第一位置数据的位置的该恢复可以不总是导致感兴趣的区域在第一时间阶段正好处于相同位置/取向，执行附加定位步骤。

首先，使用第二传感器装置17获取至少一个指示器21的实际第二位置数据(步骤S15)。实际第二位置数据精确地指示指示器所附着至的台盘3的区域的实际位置/取向。

然后，通过基于原始第二位置数据与实际第二位置数据之间的差异控制致动器11来移动台盘3(步骤S16)。换句话说，将第二时间阶段期间指示指示器的实际位置和取向的实际第二位置数据与第一时间阶段期间指示指示器的位置和取向的原始第二位置数据进行比较，并且根据该原始与实际位置数据之间的差异来移动台盘3。

反复执行台盘3的位置和取向的该重调整，即重复步骤S15和S16，直至在判断步骤S17中，确定原始第二位置数据与实际第二位置数据之间的差异在阈值以下。

换句话说，可以以以下等式最小化位置差异δ_pos和取向差异δ_orient：

$>{\delta }_{\mathrm{pos}}=\left|\right|{\overrightarrow{p}}_{\mathrm{original}}-{\overrightarrow{p}}_{\mathrm{actual}}\left|\right|$>

$>{\delta }_{\mathrm{orient}}=\angle ({\overrightarrow{r}}_{\mathrm{original}},{\overrightarrow{r}}_{\mathrm{actual}})$>

其中，表示指示器在世界坐标中的(平均)位置，并且表示指示器配置在世界坐标中的取向。可以清楚地，δ_pos和δ_orient可以是患者台的机械参数的函数。可以利用例如PID控制器或Kalman滤波器建立控制系统。

在在以该处理顺序S15、S16、S17反复恢复患者台3的位置和取向后，第一时间阶段与第二时间阶段之间的患者台3的位置和取向的偏离比给定的阈值小。因此，通过对应地选择阈值，可以确定重定位处理的精度。然后，可以在步骤S18结束重定位处置。

在以高精度重建原始位置后，可以例如在第二时间阶段期间获取X射线图像，该X射线图像精确地对应于关于感兴趣的区域与X射线图像获取设备之间的位置/取向关系在第一时间阶段获取的X射线图像。因此，能够容易地将实际X射线图像与原始X射线图像进行比较或使其与原始X射线图像重叠。

参照图4，将解释使用患者台来进行三维道路绘图的方法的实施例。

在开始处置(步骤S20)后，在第一步骤S21中，在各种获取角度下获取位于患者台3上的患者的感兴趣的区域的多个二维X射线图像。根据该多个二维X射线图像，可以提供三维X射线图像。例如，该三维X射线图像可以提供患者的感兴趣的区域内的血管系统的详细的表征。在此第一时间阶段，使用第一传感器装置15获取所述至少一个可移动接合部9的原始第一位置数据并使用第二传感器装置17获取所述至少一个指示器21的原始第二位置数据。可以同时或以任意序列顺序执行各图像获取和位置数据获取。

在使用患者台1进行3D道路绘图之前，其可以用于不同目的，并且台盘3可以移动至不同位置(步骤S22)。

然后在第二时间阶段，获取位于台盘3上的患者的感兴趣的区域的至少一个二维X射线图像。与其一起或在其后，使用第二传感器装置17获取所述至少一个指示器21的实际第二位置数据(步骤S23)。

第一时间阶段期间与第二时间阶段期间感兴趣的区域的位置与取向之间的偏离可以由原始第二位置数据与实际第二位置数据之间的差异指示。换句话说，平移偏离和旋转偏离可以表示为：

$>\overrightarrow{t}={\overrightarrow{p}}_{\mathrm{original}}-{\overrightarrow{p}}_{\mathrm{actual}}$>

其中＜＞表示绕轴的内积。

基于原始第二位置数据与实际第二位置数据之间的差异，变换原始获取的三维X射线图像(步骤S24)，并且然后在终止处置(步骤S26)之前将其重叠至实际获取的二维X射线图像(步骤S25)。

通过以该方式变换原始获取的三维X射线图像，可以补偿第一时间阶段期间与第二时间阶段期间位置与取向之间的偏离，使得可以将原始三维X射线图像与实际获取的用于三维道路绘图目的的二维X射线图像重叠。

应当注意，诸如“包括”的术语不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。也可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应当注意，权利要求中的参考符号不应视为限制权利要求的范围。

参考符号列表

1    患者台

3    台盘

5    台底座

7    杠杆

9    接合部

11   致动器

13   轴环

15   第一传感器装置

17   第二传感器装置

19   视场

51   控制设备

53   显示器

100  X射线图像获取装置

200  X射线图像获取设备

201  C臂系统

203  天花板

205  附着机构

207  C臂

209  X射线源

211  X射线探测器

213  感兴趣的区域