用于X射线校准的X射线环形标记的制作方法

用于x射线校准的x射线环形标记
技术领域
1.本公开总体上涉及x射线校准。本公开具体涉及用于x射线校准的x射线环形标记的成像。


背景技术：

2.x射线c型臂系统经常用于微创外科手术流程(例如，骨科流程、血管介入等)，以使外科医师能够通过从任意方向拍摄x射线图像来查看患者体内。更具体地，移动式c型臂通常具有轮子以提供在房间周围的移动性，并且一旦定位，移动式c型臂允许用户在五(5)个方向上调节c型臂的位置。尽管这在微创外科手术流程的执行中提供了灵活性，但是x射线投影的确切位置和角度尚不已知。这阻止用户采用高级工具，包括进行真实三维(“3d”)测量、大视场成像、术前或术中信息的动态叠加以及用于图像引导介入的目标定位。因此，在移动式c型臂相对于患者身体的定位之后，需要计算x射线投影相对于固定坐标系的姿势，这通常称为c型臂配准。具体地，移动式c型臂位置是相对于固定坐标系计算的，并通过由平移向量(t∈r3)和旋转矩阵(r∈so(3))组成的齐次变换来描述。因此，任务已经是计算准确描述移动式c型臂相对于固定坐标系的位置的对(t,r)。
3.解决c型臂配准的一种历史方法需要在c型臂上安装硬件(例如，光学跟踪标记、惯性标记等)。这种方法需要向房间添加多个部件，并且常常对流程的工作流程产生负面影响。
4.c型臂配准的当前实践是提供在操作空间中具有固定位置的标记(例如，附接到机器人或手术台的标记)，并且生成标记的特征的x射线图像以执行c型臂配准(例如，钢球或已知几何结构的特征)。对于此类标记，相对于所需的配准准确度、标记上的不透明特征的数目、标记的大小、对工作流程的影响和对x射线图像的影响存在成本效益权衡。


技术实现要素：

5.尽管已知的c型臂配准方法已被证明是有益的，但仍然需要改进的技术来提供准确和可靠的c型臂配准，尤其是对于移动式c型臂。
6.本公开教导了一种x射线环形标记，其包括用作离散特征的中心环和用作连续特征的啁啾环，由此x射线环形标记的离散/连续特征提供更准确和可靠的c型臂到x射线环形标记配准，其有助于对c型臂的成像姿势进行鲁棒计算。
7.具体而言，如由从中心环和啁啾环导出的配准参数所定义的由c型臂的x射线源到c型臂的x射线探测器的x射线投影中的x射线环形标记的位置和扭曲表示从c型臂附接坐标系到x射线环形标记附接坐标系的刚体变换。
8.c型臂到x射线环形标记配准的第一阶段涉及与c型臂的基线成像姿势相关联的基线位置/扭曲参数的生成。c型臂配准的第二阶段涉及c型臂到目标成像姿势的移动(例如，c型臂的垂直平移、水平平移和/或旋转)和与c型臂的目标成像姿势相关联的目标位置/扭曲参数的生成。这些配准参数共同促进了各种介入步骤的实施，包括但不限于基线/目标图像
中的界标之间的距离测量、基线/目标图像中的线之间的三维角度的计算以及根据基线/目标图像对线性或树状结构的三维重建。
9.本公开的一个实施例是一种c型臂配准系统，其采用c型臂配准控制器以将c型臂配准到x射线环形标记。x射线环形标记包括在环状基座上的啁啾环和中心环的同轴结构。
10.为了在基线成像姿势处将c型臂配准到x射线环形标记，c型臂配准控制器被配置为：(1)采集图示在基线成像姿势处由c型臂进行的x射线投影内的x射线环形标记的基线x射线图像；(2)根据基线x射线图像内的中心环的描绘导出基线位置参数，所述基线位置参数定义基线x射线投影内的x射线环形标记的位置；并且(3)根据基线位置参数和基线x射线图像内的啁啾环的描绘来导出基线扭曲参数，所述基线扭曲参数定义x射线环形标记在基线x射线投影内的扭曲。
11.为了在目标成像姿势处将c型臂配准到x射线环形标记，c型臂配准控制器还可以被配置为：(1)采集图示由c型臂随着目标成像姿势进行的目标x射线投影内的x射线环形标记的目标x射线图像；(2)根据目标x射线图像内的中心环的描绘来导出目标位置参数，所述目标位置参数定义x射线环形标记在目标x射线投影内的位置；并且(3)根据目标位置参数和目标x射线图像内的啁啾环的描绘来导出目标扭曲参数，所述目标扭曲参数定义x射线环形标记在目标x射线投影内的扭曲。
12.为了促进介入流程的执行，c型臂配准控制器还可以被配置为根据所述基线位置参数、所述基线扭曲参数、所述目标位置参数和所述目标扭曲参数，基于在所述基线x射线图像和所述目标x射线图像中所图示的界标来实施介入步骤。
13.用于在基线成像姿势处将c型臂配准到x射线环形标记的c型臂配准控制器的一个实施例采用编码有指令的非瞬态机器可读存储介质，所述指令用于由一个或多个处理器执行以：(1)采集基线x射线图像，所述基线x射线图像图示在基线成像姿势处由c型臂进行的基线x射线投影内的所述x射线环形标记；(2)根据基线x射线图像内的中心环的描绘来导出基线位置参数，所述基线位置参数定义所述x射线环形标记在所述基线x射线投影内的位置；并且(3)根据所述基线位置参数和所述基线x射线图像内的啁啾环的描绘来导出基线扭曲参数，所述基线扭曲参数定义所述x射线环形标记在所述基线x射线投影内的扭曲。
14.为了在目标成像姿势处将c型臂配准到x射线环形标记，所述非瞬态机器可读存储介质还可以编码有处理器执行的指令，以：(1)采集目标x射线图像，所述目标x射线图像图示由c型臂随着目标成像姿势进行的目标x射线投影内的x射线环形标记；(2)根据目标x射线图像内的中心环的描绘来导出目标位置参数，所述目标位置参数定义所述x射线环形标记在所述目标x射线投影内的位置；并且(3)根据目标位置参数和目标x射线图像内的啁啾环的描绘来导出目标扭曲参数，所述目标扭曲参数定义所述x射线环形标记在所述目标x射线投影内的扭曲。
15.为了促进介入流程的执行，非瞬态机器可读存储介质还可以编码有指令，所述指令用于由(一个或多个)处理器执行，以根据所述基线位置参数、所述基线扭曲参数、所述目标位置参数和所述目标扭曲参数，基于在所述基线x射线图像和所述目标x射线图像中所图示的界标来实施介入步骤。
16.本公开的另一实施例是由c型臂配准控制器可执行的c型臂配准方法。在操作中，c型臂配准控制器：(1)采集基线x射线图像，所述图像图示在基线姿势处由所述c型臂进行的
基线x射线投影内的x射线环形标记；(2)根据基线x射线图像内的中心环的描绘来导出基线位置参数，所述基线位置参数定义所述x射线环形标记在所述基线x射线投影内的位置；并且(3)根据基线位置参数和基线x射线图像内的啁啾环的描绘来导出基线扭曲参数，所述基线扭曲参数定义所述x射线环形标记在所述基线x射线投影内的扭曲。
17.为了在目标成像姿势处将c型臂配准到x射线环形标记，在操作中，c型臂配准控制器可以：(1)采集目标x射线图像，所述目标x射线图像图示在目标成像姿势处由c型臂进行的目标x射线投影内的x射线环形标记；(2)根据目标x射线图像内的中心环的描绘来导出目标位置参数，所述目标位置参数定义x射线环形标记在目标x射线投影内的位置；并且(3)根据目标位置参数和目标x射线图像内的啁啾环的描绘来导出目标扭曲参数，所述目标扭曲参数定义x射线环形标记在目标x射线投影内的扭曲。
18.为了促进介入流程的执行，在操作中，c型臂配准控制器可以根据所述基线位置参数、所述基线扭曲参数、所述目标位置参数和所述目标扭曲参数，基于在所述基线x射线图像和所述目标x射线图像中所图示的界标来实施介入步骤。
19.出于本公开的说明书和权利要求的目的：
20.(1)本领域的术语，包括但不限于“标记”、“x射线图像”、“c型臂”、“x射线源”、“x射线探测器”、“x射线投影”、“配准”、“介入”、“界标”、“啁啾”、“环状”、“参数”、“参数化”和“导出”，要被解释为本公开的领域中已知的并且在本公开中示例性描述；
21.(2)如本公开中示例性所示和下文中所构想的，术语“x射线环形标记”广泛地涵盖中心环和啁啾环的同轴结构；
22.(3)如本公开中示例性所示和下文中所构想的，术语“中心环”广泛地涵盖体现x射线环形标记的中心的x射线可成像环状结构，例如体现x射线环形标记的中心的x射线可成像圆形环或x射线可成像椭圆形环，其由形成在x射线可成像环状基座中的突起的空间布置、在x射线可成像环状基座中形成的凹痕的空间布置和/或设置到环状基座上/内的x射线可成像对象(例如，铜球、黄铜球等)的空间布置定义；
23.(4)如本公开中示例性所示和下文所构想的，术语“啁啾环”广泛地涵盖体现啁啾信号的x射线可成像环状结构，例如，体现啁啾信号的x射线可成像圆形环或x射线可成像椭圆形环，其由x射线可成像环状基座中形成的突起的空间布置、在x射线可成像环状基座中形成的凹痕的空间布置和/或设置到环状基座上/内的x射线可成像对象(例如，铜球、黄铜球等)的空间布置定义；
24.(5)术语“同轴结构”广泛地涵盖环状基座上的中心环和啁啾环的永久形成/设置或瞬时设置，包括中心环和啁啾环的中心的同心轴向对准或偏心轴向对准；
25.(6)术语“基线”和“目标”在本公开中用作用于区分各种x射线图像、x射线投影和成像姿势的标签，而不限制x射线图像、x射线投影和成像姿势的范围。
26.(7)术语“控制器”广泛地涵盖用于控制如本公开中示例性描述的本公开的各种方面的应用的主电路板或集成电路的本公开的领域中理解的和如本公开中示例性描述的所有结构配置。控制器的结构配置可以包括但不限于(一个或多个)处理器、(一个或多个)计算机可用/计算机可读存储介质、操作系统、(一个或多个)应用模块、(一个或多个)外围设备控制器、(一个或多个)插槽和(一个或多个)端口。所述控制器可以被安置在工作站内或者链接到工作站。“工作站”的范例包括但不限于一个或多个计算设备的组件、显示器/监测
器，以及独立计算系统、服务器系统的客户端计算机、台式电脑或平板电脑的形式的一个或多个输入设备(例如，键盘、操纵杆和鼠标)；
27.(8)术语“应用模块”广泛涵盖在电子电路(例如，电子部件和/或硬件)组成的控制器内包含或由其可访问的应用和/或用于执行特定应用的可执行程序(例如，存储在(一个或多个)非瞬态计算机可读介质和/或固件上的可执行软件)；
28.(9)短语“根据”广泛地涵盖应用模块的输入变量和输出变量之间的数学关系和/或非数学关系，由此应用模块的每个输入变量或输入变量的组合导出单个输出变量；并且
29.(10)术语“数据”和“信号”广泛地涵盖如本公开的领域中所理解的和如本公开中示例性描述的所有形式的可检测物理量或脉冲(例如，电压、电流或磁场强度)，用于传输信息和/或指令以支持应用本公开的各个方面，如随后在本公开中描述的。本公开的数据/信号通信部件可以涉及如本公开领域中已知的任何通信方法，包括但不限于通过任何类型的有线或无线数据链路/信号链路的数据/信号发送/接收以及上传到计算机可用/计算机可读存储介质的数据/信号的读取。
30.通过结合附图阅读本公开的发明的各种实施例的以下详细描述，本公开的发明的前述实施例和其他实施例以及本公开的发明的各种结构和优点将变得更加显而易见。具体实施方式和附图仅仅是对本公开的发明的说明而不是限制，本公开的发明的范围由所附权利要求及其等价方案限定。
附图说明
31.图1图示了根据本公开的各个方面的x射线环形标记的示例性实施例。
32.图2图示了根据本公开的各个方面的双x射线环形标记的示例性实施例。
33.图3a和3b图示了根据本公开的各个方面的图1的x射线环形标记的第一示例性实施例。
34.图4图示了根据本公开的各个方面的图2的双x射线环形标记的第一示例性实施例。
35.图5a和5b图示了根据本公开的各个方面的图1的x射线环形标记的第二示例性实施例。
36.图6图示了根据本公开的各个方面的图2的双x射线环形标记的第二示例性实施例。
37.图7图示了根据本公开的各个方面的图1的x射线环形标记的第三示例性实施例。
38.图8图示了根据本公开的各个方面的图2的双x射线环形标记的第三示例性实施例。
39.图9图示了根据本公开的各个方面的图1的x射线环形标记的第四示例性实施例。
40.图10图示了根据本公开的各个方面的图2的双x射线环形标记的第四示例性实施例。
41.图11a图示了根据本公开的各个方面的c型臂
→
x射线环形标记配准的基线相位的示例性实施例。
42.图11b图示了根据本公开的各个方面的c型臂
→
x射线环形标记配准的目标相位的示例性实施例。
43.图12图示了根据本公开的各个方面的表示c型臂
→
x射线环形标记配准方法的示例性实施例的流程图。
44.图13图示了根据本公开的各个方面的表示配准参数计算方法的示例性实施例的流程图。
45.图14a图示了根据本公开的各个方面的c型臂的示例性基线成像姿势。
46.图14b图示了根据本公开的各个方面的c型臂的示例性目标成像姿势。
47.图15图示了根据本公开的各个方面的示例性基线x射线图像。
48.图16图示了根据本公开的各个方面的表示介入步骤实施方法的示例性实施例的流程图。
49.图17图示了根据本公开的各个方面的表示介入计算方法的示例性实施例的流程图。
50.图18图示了根据本公开的各个方面的界标图像描绘的示例性计算。
51.图19图示了根据本公开的各个方面的c型臂配准控制器的示例性实施例。
具体实施方式
52.为了促进对本公开的各个方面的理解，对图1
‑
10的以下描述教导了本公开的x射线环形标记的实施例。根据该描述，本领域普通技术人员将意识到如何应用本公开的各个方面以制造和使用本公开的x射线环形标记的额外实施例。
53.参考图1，本公开的x射线环形标记20采用啁啾环40和中心环50到环状基座30上的同轴结构。
54.在实践中，环状基座30可以具有适合于将c型臂配准到x射线环形标记30的任何环状形状，包括但不限于圆形和椭圆形。
55.同样在实践中，环状基座30可由部分或完全地x射线可成像的材料构成。
56.啁啾环40是x射线可成像环状结构，其体现象征性地示出为环绕环状基座30的变频波形的啁啾信号。
57.在啁啾环40的一个实施例中，啁啾信号体现为形成在环状基座30中的突起的变化的空间环状布置。
58.在啁啾环40的第二实施例中，啁啾信号体现为形成在环状基座30中的凹痕的变化的空间环状布置。
59.在啁啾环40的第三实施例中，啁啾信号被体现为永久或暂时设置到环状基座30上/内的x射线可成像对象(例如，铜球、黄铜球等)的变化的空间环状布置。
60.在实践中，啁啾信号可以具有适于编码围绕c型臂坐标系的z轴(未示出)的x射线环形标记20的扭曲的任何幅度、起始频率和频移，如将进一步在本公开中描述的。
61.仍然参考图1，中心环50是体现中心交点的x射线可成像环状空间结构，如象征性地示出为环绕环状基座30的虚线环。中心交点限定x射线环形标记20的中心点21，如由从中心环50延伸到中心点21的虚线象征性示出的。
62.在中心环50的一个实施例中，中心交点体现为形成在环状基座30中的突起的对称环状空间布置。
63.在中心环50的第二实施例中，中心交点体现为形成在环状基座30中的凹痕的对称
环状空间布置。
64.在中心环50的第三实施例中，中心交点体现为永久或暂时设置到环状基座30上/内的x射线可成像对象(例如，铜球、黄铜球等)的对称环状空间布置。
65.实际上，啁啾环40和中心环50的中心沿着x射线环形标记20的坐标系x
20
‑
y
20
‑
z
20
的z轴(未示出)同心地或偏心地同轴对准，中心点21用作为坐标系x
20
‑
y
20
‑
z
20
的原点。
66.图2图示了采用本公开的图1的经由桥23连接的一对x射线环形标记20的本公开的双x射线环形标记22。实际上，桥23可以是适用于涉及c型臂从基线成像姿势到目标成像姿势的移动的c型臂
→
x射线环形标记20配准的任何形状，如还将在本公开中描述的，例如用于建立如图2所示的一对x射线环形标记20的共面对准的桥23的棱柱形状。
67.图3a图示了本公开的图1的x射线环形标记20的实施例20a。x射线环形标记20a采用环状基座30a，其具有啁啾环，该啁啾环体现为形成在环状基座30a中的凹痕40a的环状空间布置，如图3b中示例性示出的。凹痕40a的尺寸沿着环状基座30a的360
°
遍历变化以定义啁啾信号。
68.仍然参考图3a，如本公开的图1所示的中心环50由邻近环状基座30a的外周附接的均匀间隔对象50a(例如，铜球、黄铜球等)的外圆和邻近环状基座30a的内周附接的均匀间隔对象50b(例如，铜球、黄铜球等)的内圆体现。外圆的每个对象50a与内圆的对应对象50b配对以定义用作x射线环形标记20a的坐标系x
20a
‑
y
20a
‑
z
20a
的原点的x射线环形标记20a的中心点21a的交线(z轴未示出)。
69.图4图示了采用本公开的图3a的经过桥23a连接的一对x射线环形标记20a的本公开的双x射线环形标记22a。在实践中，桥23a可以是适用于涉及c型臂从基线成像姿势到目标成像姿势的移动的c型臂
→
x射线环形标记20a配准的任何形状，如还将在本公开中描述的，例如，用于建立如图4所示的一对x射线环形标记20a的共面对准的桥23a的棱柱形状。
70.图5a图示了本公开的图1的x射线环形标记20的实施例20b。x射线环形标记20b采用环状基座30b，其具有啁啾环，该啁啾环体现为形成在环状基座30b中的突起40b的环状空间布置，如图5b中示例性示出的。突起40b的尺寸沿着环状基座30b的360
°
遍历变化以定义啁啾信号。
71.仍然参考图5a，如本公开的图1所示的中心环50再次由邻近环状基座30b的外周附接的均匀间隔对象50a(例如，铜球、黄铜球等)的外圆，以及邻近环状基座30b的内周附接的均匀间隔对象50b(例如球、铜球、黄铜球等)的内圆体现。外圆的每个对象50a与内圆的对应对象50b配对以定义用作x射线环形标记20b的坐标系x
20b
‑
y
20b
‑
z
20b
的原点的x射线环形标记20b的中心点21b的交线(z轴未示出)。
72.图6图示了采用本公开的图5a的经由桥23b连接的一对x射线环形标记20b的本公开的双x射线环形标记22b。。在实践中，桥23b可以是适用于涉及c型臂从基线成像姿势到目标成像姿势的移动的c型臂
→
x射线环形标记20配准的任何形状，如还将在本公开中描述的，例如，用于建立如图6所示的一对x射线环形标记20b的共面对准的桥23b的棱柱形状。
73.图7图示了本公开的图1的x射线环形标记20的实施例20c。x射线环形标记20c采用环状基座30c，其具有由邻近环状基座30c的外周附接的不同间隔对象40c(例如，铜球、黄铜球等)的外圆以及由邻近环状基座30c的内周附接的不同间隔对象40d(例如，铜球、黄铜球等)的内圆体现的啁啾环。对象40c和40d的间距沿着环状基座30c的360
°
遍历变化以定义啁
啾信号。
74.仍然参考图7，x射线环形标记20c还采用中心环，其体现为形成到环状基座30c中的均匀间隔的突起50c。每个突起50c与对应的180
°
突起50c配对以定义用作x射线环形标记20c的坐标系x
20c
‑
y
20c
‑
z
20c
的原点的x射线环形标记20c的中心点21c的交线(z轴未示出)。
75.在备选实施例中，中心环可以体现为形成到环状基座30c中的均匀间隔的凹痕。每个凹痕将与对应的180
°
凹痕配对以定义x射线环形标记20c的中心点21c的交线。
76.图8图示了采用本公开的图7的经由桥23c连接的一对x射线环形标记20c的本公开的双x射线环形标记22c。在实践中，桥23c可以是适用于涉及c型臂从基线成像姿势到目标成像姿势的移动的c型臂
→
x射线环形标记20配准的任何形状，如还将在本公开中描述的，例如，用于建立如图8所示的一对x射线环形标记20c的共面对准的桥23c的棱柱形状。
77.图9图示了本公开的图1的x射线环形标记20的实施例20d。x射线环形标记20d采用环状基座30d，其具有啁啾环，该啁啾环由邻近环状基座30d的外周附接的不同间隔对象40e(例如，铜球、黄铜球等)的外圆体现。对象40e的间距沿着环状基座30d的360
°
遍历变化以定义啁啾信号。
78.仍然参考图9，x射线环形标记20d还采用中心环，该中心环体现邻近环状基座30d的内周附接的不同间隔对象50d(例如，铜球、黄铜球等)的内圆。每个对象50d与对应的180
°
对象50d配对以定义用作x射线环形标记20d的坐标系x
20d
‑
y
20d
‑
z
20d
的原点的x射线环形标记20d的中心点21d的交线(z轴未示出)。
79.图10图示了采用本公开的图7的经由桥23d连接的一对x射线环形标记20d的本公开的双x射线环形标记22d。在实践中，桥23d可以是适用于涉及c型臂从基线成像姿势到目标成像姿势的移动的c型臂
→
x射线环形标记20配准的任何形状，如还将在本公开中描述的，例如，用于建立如图10所示的一对x射线环形标记20d的共面对准的桥23d的棱柱形状。
80.为了进一步促进对本公开的各个方面的理解，对图11
‑
18的以下描述教导了本公开的c型臂
→
x射线环形标记配准的实施例。根据该描述，本领域普通技术人员将意识到如何应用本公开的各个方面来制造和使用本公开的c型臂
→
x射线环形标记配准的额外实施例。
81.在实践中，可以在基线相位和目标相位中实施本公开的c型臂
→
x射线环形标记配准，以用于生成配准参数，以促进广泛的c型臂介入技术，包括但不限于机器人三维测量、解剖/植入物跟踪、图像拼接、术前图像叠加和首次正确的c型臂定位。
82.参考图11a，通常在基线相位中，如本公开的图1所示的x射线环形标记20的实施例或本公开的图2所示的双x射线环形标记22的实施例具有在介入空间内的固定位置(例如，附接到手术台、轨道、手术单或介入机器人)并且患者的感兴趣身体部分pbp位于x射线环形标记20或双x射线环形标记22上方并邻近其。
83.c型臂60的x射线源61和x射线探测器62以基线成像姿势定位以生成基线x射线图像63，其图示了患者身体部分pbpi的图像下方的x射线环形标记20i的图像。
84.c型臂配准控制器70采集基线x射线图像63的数据并执行本公开的c型臂
→
x射线环形标记配准71以导出基线位置参数72和基线扭曲参数73作为配准参数的第一子集，如还将在本公开中描述的。
85.参考图11b，通常在目标相位中，c型臂60的x射线源61和x射线探测器62从基线成
像姿势移动到目标成像姿势，例如c型臂60从本公开的图11a的基线成像姿势到图11b的目标成像姿势的旋转。在目标成像姿势处，c型臂60的x射线源61和x射线探测器62被定位为生成目标x射线图像64，其图示了患者身体部分pbpi的图像下方的x射线环形标记20i的图像。
86.c型臂配准控制器70采集目标x射线图像64并执行本公开的c型臂
→
x射线环形标记配准71以导出目标位置参数74和目标扭曲参数75作为配准参数的第二最终子集，如还将在本公开中描述的。
87.c型臂配准控制器70还可执行c型臂
→
x射线环形标记配准71以实施一个或多个介入步骤以基于配准参数生成介入数据76。
88.实际上，c型臂的任何成像姿势可以在介入/诊断/成像流程期间用作一个c型臂
→
x射线环形标记配准的基线成像姿势，并且在相同或不同的介入/诊断/成像流程期间可以用作另一个c型臂
→
x射线环形标记配准的目标成像姿势。
89.图12图示了表示c型臂
→
x射线环形标记配准71的实施例的流程图80。为了便于理解流程图80，将参考图11a、11b、14a和14b描述图12。根据该描述，本领域普通技术人员将意识到如何将流程图80应用于c型臂
→
x射线环形标记配准71的众多和各种额外实施例。
90.参考图11a和12，流程图80的阶段s82涵盖由控制器70从c型臂60采集基线x射线图像63，如本公开的领域中已知的。更具体地在基线相位期间，如图14a中所示，c型臂
→
x射线环形标记配准71涉及在源自x射线源61的焦斑67到x射线探测器62的x射线投影68b内配准本公开的x射线环形标记20的位置和扭曲。
91.在实践中，可以在x射线探测器62上定义c型臂60的x
62
‑
y
62
‑
z
62
坐标系，由此c型臂60的坐标系的x轴和y轴可以与基线x射线图像的坐标系对准，例如图11a所示的基线x射线图像63的x
65a
‑
y
65a
坐标系。可以描绘c型臂60的x
62
‑
y
62
‑
z
62
坐标系的原点69，由此x射线源62在c型臂60的x
62
‑
y
62
‑
z
62
坐标系的z
62
轴的正范围内，由此x射线源61的焦斑67具有在c型臂60的x
62
‑
y
62
‑
z
62
坐标系内的(0、0、 z
62
)坐标。
92.返回参考图11a和12，流程图80的阶段s84涵盖控制器70根据x射线图像63内的中心环的图示导出x射线环形标记20的基线位置参数心环的图示导出x射线环形标记20的基线位置参数和基线位置参数和定义了基线x射线投影68b内的x射线环形标记20的位置。
93.流程图80的阶段s84还涵盖控制器70根据基线x射线图像63内的啁啾环的图示的基线位置参数和导出x射线环形标记20的基线扭曲参数基线扭曲参数定义了基线x射线投影68b内的x射线环形标记20的扭曲。
94.在阶段s84的一个实施例中，控制器70执行由图13的流程图90表示的本公开的配准参数计算方法。
95.参考图13和14a，流程图90的阶段s92涵盖x射线探测器62上的x射线环形标记20的中心点21的计算。
96.在具有球形对象(例如，铜球或黄铜球等)的阶段s92的一个实施例中，如在基线x射线图像63内所图示的球形对象的识别开始于如本公开的本领域已知的自适应阈值化技术以识别基线x射线图像63内的成像斑点，之后是一系列形态学操作以消除具有相对于球形对象的大小更小的大小的斑点。
97.根据基线x射线图像内的剩余图像斑点，具有接近于圆形的纵横比和特定阈值之
间的区域的图像斑点被选择为候选球状对象径向对，由此其间距离在特定范围内的斑点对被选择为径向对，由此由径向对定义的所有线的交点使用最小二乘法来计算，这提供残差。通过迭代地消除导致大残差值的候选球形对象，改进了如在基线x射线图像63内所图示的球形对象的识别的鲁棒性。
98.阶段s92的结果是c型臂坐标系中的m数目的配对对象的以下列表：{[(x
11
,y
11
),(x
12
,y
12
)]...[(x
m1
,y
m1
),(x
m2
,y
m2
)]},m≥2。
[0099]
仍然参考图13和14a，阶段s92还涵盖控制器70描绘基线x射线图像63内的配对对象{[(x
11
,y
11
),(x
12
,y
12
)]...[(x
m1
,y
m1
),(x
m2
,y
m2
)]},m≥2之间的交线，以计算x射线环形标记20的中心在x射线探测器62上的投影(x
c
,y
c
)。
[0100]
返回参考图13和14a，流程图90的阶段s94涵盖控制器70在阶段s92期间利用x射线环形标记20的中心点21在x射线探测器62上的投影(x
c
,y
c
)来计算基线位置参数和
[0101]
在阶段s94的一个实施例中，基于x射线环形标记20的中心点21在x射线探测器62上的投影(x
c
,y
c
)，定义x射线环形标记20的中心点21的投影从源点延伸到探测器点(x
c
,y
c
,0)。这意味着x射线环形标记20的中心点21可以通过以下等式[1]参数化：
[0102][0103]
假设列出的对象点{[(x
11
,y
11
),(x
12
,y
12
)]...[(x
m1
,y
m1
),(x
m2
,y
m2
)]}是使得第一点属于半径r
i
的内定心圆并且第二点属于半径为r
o
的外定心圆，可以用参数和定义代价函数，作为对象点与放置在位置和角度和的x射线环形标记20多么合适的量度。
[0104]
在一个实施例中，代价函数被构造如下。
[0105]
首先，代价cf被初始化为零(0)的值。
[0106]
其次，对于每个界标对{[(x
i1
,y
i1
),(x
i2
,y
i2
)]：
[0107]
a.假设x射线环形标记20位于位置和角度和计算线段与标记xy平面之间的交点。该点在标记坐标系中为(xsol1,ysol1,0)；
[0108]
b.圆上最接近于(xsol1,ysol1,0)的点是(xr1,yr1,0)＝(r
1 cos(φ1),r1sin(φ1),0)，其中，φ1‑
atan2(ysol1,xsol1)；
[0109]
c.两点之间的平方距离为dsq1‑
(xsol1‑
xr1)2 (ysol1‑
yr1)2；
[0110]
d.更新代价函数cf ＝dsq1；
[0111]
e.假设x射线环形标记20位于位置和角度和计算线段与标记xy平面之间的交点。该点在标记坐标系中为(xsol2,ysol2,0)；
[0112]
f.圆上最接近(xsol2,ysol2,0)的点是(xr2,yr2,0)＝(r
2 cos(φ2),r
1 sin(φ2),0)，其中，φ2‑
atan2(ysol2,xsol2)；
[0113]
g.两点之间的平方距离为dsq2‑
(xsol2‑
xr2)2 (ysol2‑
yr2)2；
[0114]
h.更新代价函数cf ＝dsq2；
[0115]
这针对所有m个点重复，并且使用如本公开领域中已知的levenberg
‑
marquardt例程最小化以找到位置参数和的光学值，并提供位置参数和
[0116]
仍然参考图13和14a，流程图90的阶段s96涵盖控制器70利用基线位置参数和以及啁啾信号来计算基线扭曲参数
[0117]
在阶段s96的一个实施例中，可以根据以下三个等式[2]
‑
[4]参数化x射线环形标记20的边缘上的点：
[0118][0119][0120][0121]
因此，p(t1)通过具有已知参数的透视变换被投影到x射线探测器62上，并且像素值被检索i(t1)，如图14a中示例性地示出的。啁啾环具有根据以下等式[5]的模型：
[0122][0123]
其中，f
s
是起始频率(例如40hz)，并且f
sh
是频移(例如1/2π)。
[0124]
然后，计算偏移t0以最大化信号i(t1)和c(t1 t0)之间的归一化互相关。由于强度信号通过t1嵌入扭曲而c(t)没有，然后
[0125]
返回参考图11a和13，流程图90的阶段s98涵盖控制器70优化基线位置参数和以及基线扭曲参数
[0126]
在阶段s98的一个实施例中，最终优化将来自x射线环形标记20的模型的对象点的位置与基线x射线图像63中的对象点的位置相匹配。该最终优化将标记配准误差(mre)的度量提供为使用x射线环形标记20的模型投影的对象点与从基线x射线图像63中检索的对象点投影的基线参数点投影的基线参数和之间距离的平方和。小于1像素平方的mre是准确的c型臂
→
x射线环形标记配准的指示，其中，像素边长是固定的(例如，0.64mm的源探测器距离，并且变焦跨所有图像保持不变)。
[0127]
参考参考图11b和12，流程图80的阶段s86涵盖由控制器70从c型臂60采集目标x射线图像64，如本公开的领域中已知的。更具体地，如图14b所示，在目标相位期间，c型臂
→
x射线环形标记配准71涉及在源自x射线源61的焦斑67到x射线探测器62的目标x射线投影
68t内配准本公开的x射线环形标记20的位置和扭曲。
[0128]
在实践中，可以在x射线探测器62上定义c型臂60的x
62
‑
y
62
‑
z
62
坐标系，由此c型臂60的坐标系的x轴和y轴可以与目标x射线图像的坐标系对准，例如图11b所示的目标x射线图像64的x
65a
‑
y
65a
坐标系。可以描绘c型臂60的x
62
‑
y
62
‑
z
62
坐标系的原点69，由此x射线源62在c型臂60的x
62
‑
y
62
‑
z
62
坐标系的z
62
轴的正范围上，由此x射线源61的焦斑67具有在c型臂60的x
62
‑
y
62
‑
z
62
坐标系内的(0,0, z
62
)坐标。
[0129]
返回参考图11b和12，流程图80的阶段s88涵盖控制器70根据目标x射线图像64内的中心环的图示导出x射线环形标记20的目标位置参数的中心环的图示导出x射线环形标记20的目标位置参数和目标位置参数和定义目标x射线投影68b内的x射线环形标记20的位置。
[0130]
流程图80的阶段s88还涵盖控制器70根据目标位置参数流程图80的阶段s88还涵盖控制器70根据目标位置参数和和目标x射线图像64内的啁啾环的图示来导出x射线环形标记20的目标扭曲参数目标扭曲参数定义目标x射线投影68t内的x射线环形标记20的扭曲。
[0131]
在阶段s88的一个实施例中，控制器70执行本公开的配准参数计算方法，如由图13的流程图90所表示的。
[0132]
参考参考图13和14b，流程图90的阶段s92涵盖x射线探测器62上的x射线环形标记20的中心点21的计算。
[0133]
在具有球形对象(例如，铜球或黄铜球等)的阶段s92的一个实施例中，目标x射线图像64内所图示的球形对象的识别开始于如本公开的领域已知的自适应阈值化技术以识别目标x射线图像64内的成像斑点，之后是一系列形态学操作以消除具有相对于球形对象的大小更小的大小的斑点。
[0134]
根据目标x射线图像内的剩余图像斑点，具有接近于圆形的纵横比和特定阈值之间的区域的图像斑点被选择为候选球状对象径向对，由此其间距离在一定范围内的斑点对被选择为径向对，由此由径向对定义的所有线的交点使用最小二乘法来计算，这提供残差。通过迭代地消除导致大残差值的候选球形对象，改进了如目标x射线图像64内所图示的球形对象的识别的鲁棒性。
[0135]
阶段s88的结果是c型臂坐标系中的m数目的配对对象的以下列表：{[(x
11
,y
11
),(x
12
,y
12
)]...[(x
m1
,y
m1
),(x
m2
,y
m2
)]},m≥2。
[0136]
仍然参考图13和14b，阶段s92还涵盖控制器70描绘目标x射线图像64内的配对对象{[(x
11
,y
11
),(x
12
,y
12
)]...[(x
m1
,y
m1
),(x
m2
,y
m2
)]},m≥2之间的交线，以计算x射线环形标记20的中心在x射线探测器62上的投影(x
c
，y
c
)。
[0137]
返回参考图13和14b，流程图90的阶段s94涵盖控制器70在阶段s92期间利用x射线环形标记20的中心点21在x射线探测器62上的投影(x
c
,y
c
)来计算目标位置参数和
[0138]
在阶段s94的一个实施例中，基于x射线环形标记20的中心点21在x射线探测器62上的投影(x
c
,y
c
)，定义x射线环形标记20的中心点21的投影射线从源点延伸到探测器点(x
c
,y
c
,0)。这意味着x射线环形标记20的中心点21可以通过以下等式[6]参数化：
[0139][0140]
假设列出的界标点{[(x
11
,y
11
),(x
12
,y
12
)]...[(x
m1
,y
m1
),(x
m2
,y
m2
)]}是使得第一点属于半径r
i
的内定心圆并且第二点属于半径r
o
的外定心圆，可以用参数和定义代价函数作为对象点与放置在位置和角度和的x射线环形标记20多么合适的度量。
[0141]
在一个实施例中，代价函数被构造如下。
[0142]
首先，代价cf被初始化为零(0)的值。
[0143]
其次，对于每个界标对{[(x
i1
,y
i1
),(x
i2
,y
i2
)]：
[0144]
a.假设x射线环形标记20位于位置和角度和计算线段{[(x
i1
,x
i1
,0),(0,0,s
d
)]与标记xy平面之间的交点。该点在标记坐标系中为(xsol1,ysol1,0)；
[0145]
b.圆上最接近于(xsol1,ysol1,0)的点是(xr1,yr1,0)＝(r
1 cos(φ1),r1sin(φ1),0)，其中，φ1‑
atan2(ysol1,xsol1)；
[0146]
c.两点之间的平方距离为dsq1‑
(xsol1‑
xr1)2 (ysol1‑
yr1)2；
[0147]
d.更新代价函数cf ＝dsq1；
[0148]
e.假设x射线环形标记20位于位置和角度和计算线段{[(x
i2
,y
i2
,0),(0,0,s
d
)]与标记xy平面之间的交点。该点在标记坐标系中为(xsol2,ysol2,0)；
[0149]
f.圆上最接近于(xsol2,ysol2,0)的点是(xr2,yr2,0)＝(r
2 cos(φ2),r1sin(φ2),0)，其中，φ2‑
atan2(ysol2,xsol2)；
[0150]
g.两点之间的平方距离为dsq2‑
(xsol2‑
xr2)2 (ysol2‑
yr2)2；
[0151]
h.更新代价函数cf ＝dsq2；
[0152]
这针对所有m个点重复并且使用如本公开的领域中已知的levenberg
‑
marquardt例程最小化以找到位置参数和的光学值，并提供位置参数和
[0153]
仍然参考图13和14b，流程图90的阶段s96涵盖控制器70利用目标位置参数和以及啁啾信号来计算目标扭曲参数
[0154]
在阶段s96的一个实施例中，可以根据以下三个等式[7]
‑
[9]参数化x射线环形标记20的边缘上的点：
[0155]
[0156][0157] [8]
[0158][0159]
因此，p(t1)通过具有已知参数的透视变换被投影到x射线探测器62上，并且像素值被检索i(t1)，如图14b中示例性地示出的。啁啾环具有根据以下等式[10]的模型：
[0160][0161]
其中，f
s
是起始频率(例如40hz)，并且f
sh
是频移(例如1/2π)。
[0162]
然后，计算偏移t0以最大化信号i(t1)和c(t1 t0)之间的归一化互相关。由于强度信号通过t1嵌入扭曲而c(t)没有，然后
[0163]
返回参考图11b和13，流程图90的阶段s98涵盖控制器70优化目标位置参数和以及目标扭曲参数
[0164]
在阶段s98的一个实施例中，最终优化将来自x射线环形标记20的模型的对象点的位置与目标x射线图像64中的对象点的位置相匹配。该最终优化将标记配准误差(mre)的量度提供为使用x射线环形标记20和目标参数和的模型投影的对象点与从目标x射线图像64中检索到的对象点投影之间的距离的平方和。小于1像素平方的mre是准确的c型臂
→
x射线环形标记配准的指示，其中，像素边长是固定的(例如，0.64毫米的源探测器距离并且变焦跨所有图像保持恒定)。
[0165]
返回参考图12，经由流程图100生成配准参数有利于广泛范围的c型臂介入技术的实施，包括但不限于机器人三维测量、解剖/植入物跟踪、图像拼接、术前图像叠加和首次正确的c型臂定位。
[0166]
参考图16，流程图100表示支持这样的c型臂介入技术的本公开的介入步骤实施方法。
[0167]
流程图100的阶段s102涵盖控制器70控制基线x射线图像和目标x射线图像两者中的界标的描绘。例如，如图18所示，点120
b
可以放置在基线x射线图像63
b
的界标上，并且该点120
b
的投影122然后可以叠加目标x射线图像64
t
。通过沿着投影线122滑动点120
t
，可以在目标x射线图像64
b
中识别相同的界标120
t
。
[0168]
一旦在图像63
b
和64
t
两者中定义了相同的界标，控制器70前进到流程图100的阶段s104以实施介入计算，例如基线/目标图像中的界标之间的距离测量、基线/目标图像中的线之间的三维角度的计算，以及根据基线/目标图像对线性或树状结构的三维重建。
[0169]
图17图示了作为阶段s104的一个实施例的流程图110。流程图110使用先前计算的配准参数的下表1：
[0170]
表1
[0171][0172]
根据表1，可以根据以下等式[11]和[12]计算从标记空间到c型臂空间的齐次变换：
[0173][0174][0175]
其中，rz(.)和rx(.)分别是绕z轴和a轴的3d旋转。
[0176]
对于基线成像姿势，界标121在射线69
b
上，如图15所示，图15由点根据以下等式[13]和[14]定义：
[0177][0178][0179]
对于目标成像姿势，界标121在射线69
t
上，如图15所示，图15由点根据以下等式[15]和[16]定义：
[0180][0181][0182]
因此，通过找到和之间的交集来计算标记坐标中界标的3d位置l。该实施例可以扩展到在标记空间中提供3d界标位置的多个点。利用这些，容易计算界标之间的真实距离、线之间的3d角度或构建线性或树状结构的近似3d重建。
[0183]
在标记的两个图像处于相同位置的情况下，控制器70可以通过将从两个视图计算的已知标记界标之间的距离与从模型中检索到的距离进行比较来执行额外的错误检查。
[0184]
为了便于进一步理解本公开的各种发明，图20的以下说明教导了本公开的c型臂配准控制器的示例性实施例。根据该描述，本领域普通技术人员将意识到如何应用本公开的各个方面来制造和使用本公开的c型臂配准控制器的额外实施例。
[0185]
参考图20，c型臂配准控制器210包括经由一个或多个系统总线216互连的一个或多个处理器211、存储器212、用户接口213、网络接口214和存储设备215。
[0186]
每个处理器211可以是能够执行存储在存储器212或者存储设备中的指令或者其他处理数据的任何硬件设备，如本公开的领域中已知或者在下文中构想的。在非限制性示例中，(一个或多个)处理器211可以包括微处理器、现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)或者其他类似设备。
[0187]
如本公开的领域中已知或者在下文中构想的，存储器212可以包括各种存储器，包括但不限于l1、l2或l3高速缓存或者系统存储器。在非限制性示例中，存储器212可以包括静态随机存取存储器(sram)、动态ram(dram)、闪速存储器、只读存储器(rom)或者其他类似的存储器设备。
[0188]
如本公开的领域中已知或者在下文中构想的，用户接口213可以包括用于使能与用户(诸如管理员)通信的一个或多个设备。在非限制性示例中，用户接口可以包括可以经由网络接口214呈现给远程终端的命令行接口或者图形用户接口。
[0189]
如本公开的领域中已知或者在下文中构想的，网络接口214可以包括用于使能与其他硬件设备通信的一个或多个设备。在非限制性示例中，网络接口214可以包括被配置为根据以太网协议通信的网络接口卡(nic)。此外，网络接口214可以实施用于根据tcp/ip协议通信的tcp/ip栈。对于网络接口214的各种备选或者额外硬件或者配置将是显而易见的。
[0190]
如本公开的领域中已知或者在下文中构想的，存储设备215可以包括一个或多个机器可读存储介质，包括但不限于只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、磁盘存储介质、光存储介质、闪速存储器设备或类似的存储介质。在各种非限制性实施例中，存储设备215可以存储用于由(一个或多个)处理器211执行的指令或者(一个或多个)处理器211可以操作于的数据。例如，存储设备215可以存储用于控制硬件的各种基本操作的基本操作系统。存储设备215还存储可执行软件/固件的形式的应用模块以用于实施如本公开先前描述的控制器210的各种功能，包括但不限于作为如本公开中先前描述的c型臂
→
x射线环形标记配准71的实施例的c型臂
→
x射线环形标记配准模块218，以及如本公开的领域中已知的用于从所显示的x射线图像中移除x射线环形标记的环形标记模块219。
[0191]
在实践中，控制器210可以安装在x射线成像系统200、介入系统201(例如介入机器人系统)或与x射线成像200系统和/或介入系统201(例如，客户端工作站或移动设备，如平板电脑)通信的独立工作站202内。备选地，控制器210的部件可以分布在x射线成像系统200、介入系统201和/或独立工作站202中间。
[0192]
参考图1
‑
19，本公开领域的普通技术人员将意识到本公开的发明的许多优点，包括但不限于促进准确和可靠的c型臂配准的x射线环形标记，特别是用于移动式c型臂。
[0193]
此外，如本领域普通技术人员鉴于本文提供的教导将意识到的，在本公开/说明书中描述的、和/或在图中描绘的结构、元件、部件等，可以被实施为硬件和软件的各种组合，并且提供可以被组合在单一元件或多重元件中的功能。例如，可以通过使用专用硬件以及能够与运行用于添加的功能的合适的软件相关联的软件的硬件来提供在图中示出/图示/
描绘的各个结构、元件、部件等的功能。当由处理器提供时，所述功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或者由多个各自的处理器(其中的一些可以是共享和/或复用的)提供。同样地，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应当被解释为专指能够运行软件的硬件，并且能暗含地包括但不限于：数字信号处理器(“dsp”)硬件、存储器(例如用于储存软件的只读存储器(“rom”)、随机存取存储器(“ram”)、非易失性储存器，等等)，以及实质上能够(和/或可配置为)执行和/或控制过程的任何模块和/或机器(包括硬件、软件、固件、其组合，等等)。
[0194]
此外，在本文中详述本发明的原理、方面及实施例，以及其具体示例的所有记载，均意图涵盖其结构性和功能性的等同。另外地，目的是这样的等同包括目前已知的等同以及未来发展的等同两者(例如所开发的能够执行相同或基本相似的功能的任意元件，而无论其结构)。因此，例如鉴于本文提供的教导，本领域普通技术人员将意识到，在本文中所提供的任意框图均可以表示实现本发明的原理的示例性系统部件和/或电路的概念性视图。类似地，鉴于本文提供的教导，本领域普通技术人员应当意识到，任意流程图、作业图等等均能表示各种过程，所述过程基本上能被表示在计算机可读储存介质中，并由具有处理能力的计算机、处理器或其他设备如此运行，而无论是否明确示出这样的计算机或处理器。
[0195]
已经描述了本公开的各种和许多发明的优选和示例性实施例(该实施例旨在是说明性而非限制性的)，应注意，鉴于本文所提供的教导(包括图)，可以由本领域技术人员做出修改和变型。因此，将理解，可以对在本文所公开的实施例的范围内的本公开的优选的和示例性的实施例做出改变。
[0196]
此外，应预期，合并和/或实施设备/系统或诸如可以在根据本公开的设备中使用/实施的对应的和/或相关的系统也被预期和认为是在本公开的范围内。此外，用于制造和/或使用根据本公开的设备和/或系统的对应的和/或相关的方法也被预期并被认为在本公开的范围内。