專(zhuān)利名稱(chēng)：用于運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的三維成像的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生成在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的不同階段時(shí)關(guān)節(jié)的三維圖像的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
X射線是用于分析和診斷身體關(guān)節(jié)的(不正常)功能的重要的工具。為了研究膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，在文獻(xiàn)中提出首先通過(guò)計(jì)算機(jī)X射線層析攝影術(shù)(CT)生成關(guān)節(jié)的三維(3D)模型，然后通過(guò)從兩個(gè)方向同時(shí)拍攝X光照片而記錄關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)(B.You，P.Siy，W.Anderst，S.Tashman″InVivo Measurement of 3-D Skeletal Kinematics from Sequences of Biplane RadiographsApplication to Knee Kinematics(在根據(jù)雙平面X光照相序列的3D骨架運(yùn)動(dòng)的體內(nèi)測(cè)量中應(yīng)用到膝運(yùn)動(dòng))″，IEEE Transactions on Medical Imaging，pp.514-525(2001))。在這個(gè)方法中，從所述X光照片得到的參數(shù)被用作為對(duì)3D關(guān)節(jié)模型的輸入，以便生成3D電影。然而，實(shí)際的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可能與這樣的電影有很大的不同，因?yàn)楹笳咭蕾?lài)于多個(gè)假設(shè)，和因?yàn)榘?D投影對(duì)準(zhǔn)3D表示時(shí)會(huì)引入位置誤差。
發(fā)明概要根據(jù)這種情形，本發(fā)明的目的是提供一種用于對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確的和能高度地提供信息的分析的裝置。
這個(gè)目的是通過(guò)按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)和按照權(quán)利要求8的方法達(dá)到的。優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中公開(kāi)。
按照第一方面，本發(fā)明涉及用于生成關(guān)節(jié)在它運(yùn)動(dòng)的不同的階段的三維(3D)圖像的系統(tǒng)。這里和在下面，術(shù)語(yǔ)“關(guān)節(jié)”包括身體的關(guān)節(jié)，如膝、腕、肘或肩以及通常具有運(yùn)動(dòng)的部件(特別是骨骼)的身體結(jié)構(gòu)，例如脊柱。而且，術(shù)語(yǔ)“關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)”僅僅是指關(guān)節(jié)的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，即它的部件(骨骼，軟骨)互相相對(duì)的運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn)、位移、變形)，而不是關(guān)節(jié)的整體位移。在最簡(jiǎn)單的或簡(jiǎn)化的情形下，“關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)”可以用彎曲/伸展的一個(gè)單獨(dú)的角度描述。該系統(tǒng)包括以下主要部件a)旋轉(zhuǎn)X射線設(shè)備，根據(jù)定義，它適合于從不同的方向生成一系列關(guān)節(jié)的投影。而且，X射線設(shè)備適合于在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，例如周期地彎曲和伸展時(shí)生成所述投影，旋轉(zhuǎn)X射線設(shè)備具體地可以是所謂的C臂系統(tǒng)，其中X射線源和X射線檢測(cè)器被固定在半圓形弧的不同的末端，該半圓弧能?chē)@中心軸或點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，生成的投影序列包括獲取關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的不同的階段的投影。
b)監(jiān)視設(shè)備，適合于在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)期間和在X射線投影生成期間提供關(guān)于關(guān)節(jié)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)階段的信息。所述運(yùn)動(dòng)階段可以特別地由關(guān)節(jié)的不同骨骼之間形成的一個(gè)或多個(gè)角度來(lái)表征。監(jiān)視設(shè)備任選地生成表示關(guān)節(jié)的當(dāng)前所測(cè)量的運(yùn)動(dòng)階段的模擬或數(shù)字信號(hào)。監(jiān)視設(shè)備可選地能迫使關(guān)節(jié)有預(yù)定的運(yùn)動(dòng)和以“開(kāi)環(huán)”方式提供關(guān)于當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)階段的信息。
c)圖像處理設(shè)備，例如數(shù)字計(jì)算機(jī)，用于把一系列上述那種投影再劃分成不同的類(lèi)別或組別的投影，其中一個(gè)類(lèi)別的投影相應(yīng)于(近似)關(guān)節(jié)的同一個(gè)運(yùn)動(dòng)階段而其中所述運(yùn)動(dòng)階段對(duì)于不同的類(lèi)別是不同的。而且，圖像處理設(shè)備適合于對(duì)于每個(gè)這樣的類(lèi)別根據(jù)所述類(lèi)別中所包含的投影重建三維圖像。所以，所述3D圖像顯示在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的不同的階段時(shí)的關(guān)節(jié)。
上述的系統(tǒng)具有這樣的優(yōu)點(diǎn)它允許生成關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的與實(shí)際運(yùn)動(dòng)高度地相關(guān)的3D電影序列，因?yàn)樗腔陉P(guān)節(jié)的真實(shí)的3D圖像。而且，這樣的電影的生成對(duì)于在許多醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室中早已作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而存在的旋轉(zhuǎn)X射線設(shè)備是可能的。
提供有關(guān)當(dāng)前的關(guān)節(jié)階段的信息的監(jiān)視設(shè)備可以用許多不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照第一種可能性，監(jiān)視設(shè)備包括位置測(cè)量系統(tǒng)，它適合于確定至少兩個(gè)標(biāo)記的空間位置和或取向，其中所述標(biāo)記被布置在關(guān)節(jié)的不同的分段，和其中術(shù)語(yǔ)“標(biāo)記”還包括具有幾個(gè)部件的系統(tǒng)，例如三個(gè)或多個(gè)LED的裝置。適用于這個(gè)用途的測(cè)量系統(tǒng)可以許多形式得到。例如，它們可以是基于電磁測(cè)量的，其中磁場(chǎng)傳感器被用作為在關(guān)節(jié)上的標(biāo)記，用來(lái)測(cè)量在時(shí)間上和空間上非均勻磁場(chǎng)。位置測(cè)量系統(tǒng)也可以是光學(xué)系統(tǒng)，其中例如發(fā)光的LED在關(guān)節(jié)上的位置由按照立體觀察的原理被放置在空間上不同位置的視頻照相機(jī)確定。
按照另一方面，監(jiān)視設(shè)備包括至少一個(gè)測(cè)角器，它可被固定在關(guān)節(jié)上并測(cè)量角度，例如在關(guān)節(jié)的兩個(gè)分段之間的角度。取決于將被觀察的關(guān)節(jié)的類(lèi)別，測(cè)角器可以適配于以一個(gè)或多個(gè)自由度測(cè)量角度。測(cè)角器典型地測(cè)量附著在關(guān)節(jié)上的韌帶的彎曲度(應(yīng)變)并且跟隨關(guān)節(jié)的彎曲。
監(jiān)視設(shè)備還可以由用于生成關(guān)節(jié)的圖像的成像設(shè)備和由用于從所述圖像得到關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)階段的相應(yīng)的估計(jì)單元實(shí)現(xiàn)。成像設(shè)備例如可以是視頻照相機(jī)。然而，優(yōu)選地，成像設(shè)備與系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)X射線設(shè)備是一致的，由這個(gè)設(shè)備生成的圖像是從不同的方向的X射線投影。這意味著，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前的階段是通過(guò)數(shù)字圖像分析的適當(dāng)?shù)乃惴◤腦射線投影本身得到的。
監(jiān)視設(shè)備的上述的實(shí)施例通過(guò)對(duì)其測(cè)量而提供關(guān)于當(dāng)前的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)階段的信息。按照另一方面，監(jiān)視設(shè)備包括適用于迫使關(guān)節(jié)進(jìn)行外部指定的運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。所述設(shè)備例如可包括由鉸鏈連接的靜止的和可運(yùn)動(dòng)的支撐，其中可運(yùn)動(dòng)的支撐可以由某個(gè)電動(dòng)機(jī)裝置相對(duì)于靜止支撐周期地繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，如果關(guān)節(jié)的兩個(gè)分段，例如上臂和前臂，被放置在不同的支撐上，則相應(yīng)的關(guān)節(jié)將跟隨支撐作指定的運(yùn)動(dòng)(假若設(shè)備的力足夠強(qiáng))。這種監(jiān)視設(shè)備具有優(yōu)點(diǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)可以由外部指定，而不必由病人本人生成。這保證選定參數(shù)(例如，頻率)的運(yùn)動(dòng)有高精度和可重現(xiàn)度。而且，即使在病人是失去知覺(jué)或相應(yīng)的關(guān)節(jié)癱瘓時(shí)也可以進(jìn)行研究。監(jiān)視設(shè)備通過(guò)保證實(shí)行例如具有指定頻率的已知運(yùn)動(dòng)，而明顯地提供關(guān)于關(guān)節(jié)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)階段的信息(不用測(cè)量)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，系統(tǒng)適合于使得關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)與X射線設(shè)備投影生成能同步。特別地，X射線投影的生成的頻率可以是周期性關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的頻率的整數(shù)倍。這樣的同步保證對(duì)于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的同一個(gè)相對(duì)階段生成多個(gè)X射線投影。這樣，這些階段的3D圖像有可能以高精度重建。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和圖像生成的同步例如可以通過(guò)每次到達(dá)關(guān)節(jié)的某個(gè)運(yùn)動(dòng)階段時(shí)促成X射線投影而達(dá)到。而且，如果使用上述那種用于迫使關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)外部運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，就可以容易地達(dá)到同步。
該系統(tǒng)任選地可包括顯示單元，例如監(jiān)視器以顯示重建的3D圖像。所述顯示器具體地可適合于以可縮放的時(shí)間尺度(例如，慢動(dòng)作)顯示關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的電影序列。在診斷時(shí)，從這樣的運(yùn)動(dòng)序列可以得到寶貴的信息，僅從靜止的X射線圖像不能得到這樣信息的。
本發(fā)明還涉及用于生成關(guān)節(jié)在它不同的運(yùn)動(dòng)階段的三維(3D)圖像的方法，包括以下步驟a)使關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)(例如，一次掃描，周期掃描等等)；b)在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)期間生成一系列X射線投影，所述投影是從不同的方向攝取的；c)在步驟b)生成X射線投影期間確定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前的階段；d)把系列的投影分類(lèi)成相應(yīng)于所確定的關(guān)節(jié)不同運(yùn)動(dòng)階段的類(lèi)別，并根據(jù)每個(gè)類(lèi)別的投影重建3D圖像。
該方法在總的形式上包括可以用上述的那種系統(tǒng)執(zhí)行的步驟。所以，關(guān)于本方法的細(xì)節(jié)、優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)方面的更詳細(xì)的信息可以參考前面的說(shuō)明。
按照該方法的優(yōu)選實(shí)施例，關(guān)節(jié)以與X射線投影的生成同步的方式主動(dòng)地運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)保證它的運(yùn)動(dòng)有高精度和可重現(xiàn)性，而關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與X射線投影的同步保證關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的相同的階段的重復(fù)成像。
在該方法的另一個(gè)實(shí)施例中，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前的階段是根據(jù)用于3D圖像重建的X射線投影導(dǎo)出的。在這種情形下，不需要另外確定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)用的設(shè)備。
參照此后描述的實(shí)施例將明白和闡述本發(fā)明的這些和其它方面。
附圖簡(jiǎn)述下面藉助于附圖，作為例子描述本發(fā)明，其中

圖1示意地顯示按照本發(fā)明用于生成關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的3D圖像的系統(tǒng)；圖2示意地顯示用于腕關(guān)節(jié)的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)的設(shè)備；圖3顯示關(guān)節(jié)角度、X射線設(shè)備的旋轉(zhuǎn)角度、和X射線投影生成的時(shí)間過(guò)程。
優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明腕關(guān)節(jié)的正確功能在進(jìn)行從個(gè)人生活照料到與計(jì)算機(jī)相關(guān)的工作的人力工作中是重要的。在腕部不正常功能的情形下，病人和醫(yī)生早期認(rèn)識(shí)和正確診斷腕部的問(wèn)題是特別重要的。為了判斷腕部功能，對(duì)腕關(guān)節(jié)的腕骨運(yùn)動(dòng)的3D圖案分析是關(guān)鍵的。當(dāng)前的3D成像方法允許靜止檢測(cè)腕骨位置和取向?，F(xiàn)有技術(shù)在手處于多種姿態(tài)下時(shí)的腕骨位置和取向的檢測(cè)僅僅提供動(dòng)畫(huà)式的運(yùn)動(dòng)模式。然而，從2D視頻X射線照相觀察，已經(jīng)知道，可能會(huì)發(fā)生腕骨的取向和位置在臨床上的明顯的突然改變。這些突然改變用3D靜止成像方法所能得到的有限數(shù)目的姿態(tài)是無(wú)法檢測(cè)的。而且，由于腕部的韌帶和軟骨的神經(jīng)肌控制和動(dòng)態(tài)特性，腕骨的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模式可能不同于它的動(dòng)畫(huà)式的對(duì)應(yīng)部分。
下面描述用修改后的可移動(dòng)C臂系統(tǒng)進(jìn)行的腕部的4D成像的方法。該方法被稱(chēng)為4維旋轉(zhuǎn)X射線(4D-RX)，因?yàn)槭褂昧?D旋轉(zhuǎn)X射線以進(jìn)行一系列經(jīng)時(shí)間分解的重建。為此，成像的是循環(huán)運(yùn)動(dòng)的腕部。把重建用的投影與腕部循環(huán)同步，產(chǎn)生腕部運(yùn)動(dòng)在不同的階段的多個(gè)體積重建。
圖1顯示可按照本發(fā)明的用于上述的三維成像關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)的基本草圖。系統(tǒng)包括具有X射線檢測(cè)器11的旋轉(zhuǎn)射線設(shè)備10和固定在可圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)的C臂12的末端的X射線源13。病人的關(guān)節(jié)1位于所述X射線設(shè)備10的中心，以使X射線設(shè)備整個(gè)掃描期間它都處于視場(chǎng)內(nèi)。
另外，系統(tǒng)包括監(jiān)視設(shè)備20，用于測(cè)量關(guān)節(jié)1的當(dāng)前角度α。在圖1的系統(tǒng)中，所述監(jiān)視設(shè)備由固定在關(guān)節(jié)1的兩個(gè)分段上以便跟隨關(guān)節(jié)的彎曲的測(cè)角器21實(shí)現(xiàn)。測(cè)角器21被連接到一個(gè)彎曲度測(cè)量系統(tǒng)22，它生成相應(yīng)于關(guān)節(jié)角度α的信號(hào)，并把這個(gè)信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)或醫(yī)療工作站31。
醫(yī)療工作站31是圖像處理設(shè)備30的一部分，它也被連接到X射線設(shè)備10。計(jì)算機(jī)31包括通常的部件，如CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等等。而且，它配備有適當(dāng)?shù)能浖糜诠芾韽谋O(jiān)視設(shè)備20和X射線設(shè)備10接收的數(shù)據(jù)。圖像處理設(shè)備30還包括監(jiān)視器32，用于顯示投影和/或關(guān)節(jié)1的重建的3D圖像。
下面，更詳細(xì)地描述圖1的系統(tǒng)的應(yīng)用。
在傳統(tǒng)的3D-RX系統(tǒng)，移動(dòng)C臂造成在半圓軌道上多個(gè)X射線投影。以恒定頻率獲取的脈沖圖像被發(fā)送到3D-RX工作站。這些投影經(jīng)圖像和幾何失真校正后被重建成3D數(shù)據(jù)組，類(lèi)似于CT(對(duì)于其細(xì)節(jié)可參閱Grass M.，Koppe R.，Klotz E.，Proksa R.，Kuhn M.H.，Aerts H.，Op de Beek J.，Kemkers R.″Threedimensional reconstruction of high contrast objects using C-arm image intensifierprojection data(使用C臂圖像增強(qiáng)投影數(shù)據(jù)來(lái)三維地重建高對(duì)比度對(duì)象)″，Comput.Med Imaging Graph.23(6)311-21，1999)。
現(xiàn)在描述用移動(dòng)3D-RX系統(tǒng)10制動(dòng)態(tài)3D圖像的方法。為此，移動(dòng)C臂12圍繞以頻率Fobj周期地運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)(關(guān)節(jié)1)旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，用在旋轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)1獲取X射線投影。投影的獲取是以預(yù)置的頻率fX-ray完成的。投影的總數(shù)必須是在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)階段數(shù)的整數(shù)倍。所以，循環(huán)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的頻率xobj(x)和X射線系統(tǒng)的獲取頻率fX-ray是同步的。這可以從圖3看到，該圖顯示關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間過(guò)程xobj(t)(頻率fobj＝l/Tobj)、C臂12的旋轉(zhuǎn)角Φ、和生成投影的時(shí)間點(diǎn)100。于是對(duì)重建可得到的階段的數(shù)目是nphases=fX-rayfobj---(1)]]>屬于同一個(gè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)階段的投影被歸類(lèi)。對(duì)于每個(gè)階段，得到相等地?cái)?shù)目nproj的投影(tx-ray是整個(gè)C臂掃描的持續(xù)時(shí)間)nproj=fX-ray·tX-raynphases---(2)]]>從這些投影，得到nphases個(gè)3D-RX重建。經(jīng)過(guò)歸類(lèi)的投影，連同著它們的采集幾何關(guān)系并經(jīng)過(guò)失真校正的知識(shí)被用于進(jìn)行一種帶有修改后的經(jīng)濾波的后向投影Feldkamp算法的3D-RX重建(參閱Feldkamp L.A.，Davis L.C.and Kress J.W.″Practical cone-beam algorithms(實(shí)際的圓錐波束算法)″，J.Opt.Soc.Am.6，612-19，1984)。nphases個(gè)重建的組中的每個(gè)具有在運(yùn)動(dòng)周期中它們自己的階段，并合在一起形成動(dòng)態(tài)的3D圖像。
用于生成運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的3D圖像的方法可被概述為如下1.病人躺在病人臺(tái)上，把用于測(cè)量要被成像的關(guān)節(jié)的彎曲度的設(shè)備20固定在關(guān)節(jié)上。
2.病人以周期方式重復(fù)地運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)(替換地，病人的關(guān)節(jié)可以由某個(gè)設(shè)備被動(dòng)地運(yùn)動(dòng)，參閱下面的圖2)。
3.X射線系統(tǒng)10開(kāi)始圍繞關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，并開(kāi)始攝取2D投影圖像4.每當(dāng)圖像是可得到時(shí)(約25-30Hz)，它連同C臂的當(dāng)前位置一起被發(fā)送到工作站31。
5.工作站立即讀出彎曲度測(cè)量系統(tǒng)的相應(yīng)的角度。
6.步驟4和5重復(fù)進(jìn)行，直至采樣到足夠的數(shù)據(jù)為止。
后處理步驟1.這時(shí)可得到一組幾百個(gè)圖像，每個(gè)被加上相應(yīng)的C臂位置和關(guān)節(jié)彎曲度的標(biāo)記。
2.這個(gè)圖像組被劃分成若干圖像子組。在這個(gè)子組中的每個(gè)圖像屬于同一個(gè)運(yùn)動(dòng)階段。
3.為每個(gè)子組重建關(guān)節(jié)的三維圖像。
4.該過(guò)程的結(jié)果是一系列關(guān)節(jié)的3D圖像，每個(gè)圖像對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)階段。這個(gè)系列可作為電影而顯示或在醫(yī)療工作站詳細(xì)地分析。
用于確定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的彎曲度的監(jiān)視設(shè)備可以用以下幾種方式實(shí)現(xiàn)-位置測(cè)量系統(tǒng)(電磁的或光學(xué)的)可用來(lái)確定固定在前臂和上臂的至少兩個(gè)跟蹤器的位置。
-角度檢測(cè)器(測(cè)角器)被固定在關(guān)節(jié)上以便測(cè)量感興趣的角度(對(duì)于肘關(guān)節(jié)的單個(gè)角度，對(duì)于腕部的兩個(gè)角度，對(duì)于肩部的三個(gè)角度)。
-X射線設(shè)備可被用來(lái)確定這些角度。在某些條件下，相關(guān)的角度可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)的X射線圖像來(lái)確定。
-臂可被附著到外部設(shè)備，以周期性的方式主動(dòng)導(dǎo)引關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)設(shè)備可以與X射線系統(tǒng)同步以允許獲取在規(guī)定的運(yùn)動(dòng)階段的投影圖像(見(jiàn)下面圖2的說(shuō)明)。
在圖1的系統(tǒng)的典型地實(shí)現(xiàn)方案中，BV Pulsera(Philips MedicalSystems，Best，The Netherlands)可被用于圖像獲取。這個(gè)系統(tǒng)被修改以進(jìn)行機(jī)械化旋轉(zhuǎn)超過(guò)200度的旋轉(zhuǎn)角Φ。系統(tǒng)能夠形成具有不同的獲取速度(1-25fps，具有總共375圖像的最大值)和脈沖長(zhǎng)度(8-13ms)的的熒光鏡圖像。圖像被發(fā)送到經(jīng)修改的3D-RX版3.2工作站。對(duì)失真和成像幾何的校準(zhǔn)已事先完成。工作站根據(jù)所有的投影對(duì)在18·18·18cm3體積中的256·256·256立體像素的3D數(shù)據(jù)組進(jìn)行重建。X射線的采集時(shí)序是用臺(tái)車(chē)的視頻輸出來(lái)監(jiān)視的。當(dāng)采集開(kāi)始時(shí)，內(nèi)部X射線生成器使得脈沖與視頻同步。
圖2示意地顯示監(jiān)視設(shè)備120的替換實(shí)現(xiàn)方案，它適合于執(zhí)行腕關(guān)節(jié)的約40度向上和向下的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)。設(shè)備120包括靜止的支撐123，其上可以放置病人的前臂；和可移動(dòng)的支撐126，其上可以放置病人的手?？梢苿?dòng)的支撐126圍繞軸125以鉸鏈連接，其中圍繞所述軸的周期振蕩xobj可以由驅(qū)動(dòng)器棒124生成。棒124被偏心地固定在盤(pán)122上，該盤(pán)由DC電動(dòng)機(jī)121轉(zhuǎn)動(dòng)。可降速的DC電動(dòng)機(jī)用負(fù)反饋系統(tǒng)控制以保證恒定的運(yùn)動(dòng)。手的循環(huán)用標(biāo)志傳感器跟蹤，該標(biāo)志例如被固定在盤(pán)122上。由這個(gè)傳感器生成的標(biāo)志信號(hào)被用來(lái)與3D-RX系統(tǒng)同步。視頻同步和標(biāo)志信號(hào)顯示在示波器上，以用于同步。在同步后，開(kāi)始投影的采集。接著，投影如上所述地被歸類(lèi)和被重建。
由于圖2的設(shè)備的右面部分處在X射線圓錐中，它是用低X射線密度塑料制造的。
用于診斷的腕部和其它關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)成像特別有助于評(píng)估功能紊亂。當(dāng)前的成像系統(tǒng)不適合于腕部的動(dòng)態(tài)3D成像。所以，被稱(chēng)為4D-RX的新的方法使用現(xiàn)有技術(shù)移動(dòng)旋轉(zhuǎn)X射線系統(tǒng)以及適合于腕部的同步的循環(huán)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。給出的方法在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)圖案上比2D視頻熒光檢查法給出更好的前景。用于定量測(cè)量的三維特性和潛力使它成為診斷腕部紊亂的優(yōu)越的研究設(shè)備。腕骨的現(xiàn)有技術(shù)動(dòng)畫(huà)CT成像無(wú)法表示真實(shí)的臨床動(dòng)態(tài)情形，運(yùn)動(dòng)圖案中的滯后和劇烈的改變將不能呈現(xiàn)。4D-RX系統(tǒng)能夠進(jìn)行腕部的完全動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模式成像。
X射線長(zhǎng)度和輸入投影的數(shù)目利用子彈與棒幻象進(jìn)行檢查。對(duì)于適當(dāng)?shù)闹亟ū仨氂屑s40個(gè)投影。在當(dāng)前的系統(tǒng)中，在用于重建3D圖像(即，運(yùn)動(dòng)的按時(shí)間的分辨率)的階段數(shù)與圖像質(zhì)量之間有一個(gè)折衷。增加X(jué)射線脈沖長(zhǎng)度表現(xiàn)出減小噪聲。而且，總體上不存在運(yùn)動(dòng)模糊。雖然噪聲和采樣是亞最佳的，但解剖結(jié)構(gòu)在腕部實(shí)驗(yàn)中是可清楚識(shí)別的。系統(tǒng)的電子同步和較大的數(shù)目的輸入投影是可以提高圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)。
最后，應(yīng)當(dāng)指出，在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)“包括”不排除其它單元或步驟，術(shù)語(yǔ)“一個(gè)”不排除多個(gè)，以及單個(gè)處理器或其它單元可以滿(mǎn)足幾個(gè)裝置的功能。本發(fā)明在于每個(gè)新穎的特征特性和特征特性的每個(gè)組合。而且，在權(quán)利要求中的標(biāo)號(hào)不被看作為限制它們的范圍。
權(quán)利要求
1.用于生成關(guān)節(jié)在它運(yùn)動(dòng)的不同的階段的三維(3D)圖像的系統(tǒng)，包括a)旋轉(zhuǎn)X射線設(shè)備10，它適合于在關(guān)節(jié)(1，2)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)從不同的方向生成關(guān)節(jié)(1，2)的一系列投影；b)監(jiān)視設(shè)備(20，120)，適合于在它運(yùn)動(dòng)期間提供關(guān)于關(guān)節(jié)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)階段的信息；c)圖像處理設(shè)備(30)，用于把所述系列的投影再劃分成與關(guān)節(jié)的不同運(yùn)動(dòng)階段相對(duì)應(yīng)的類(lèi)別，和用于根據(jù)每個(gè)類(lèi)別的投影重建3D圖像。
2.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，監(jiān)視設(shè)備包括位置測(cè)量系統(tǒng)，它適合于在關(guān)節(jié)的不同的分段上確定至少兩個(gè)標(biāo)記的空間位置和/或取向。
3.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，監(jiān)視設(shè)備包括可固定在關(guān)節(jié)(1)上的測(cè)角器(20)。
4.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，監(jiān)視設(shè)備包括用于生成關(guān)節(jié)(1，2)的圖像的成像設(shè)備(10)，和用于根據(jù)所述圖像得到運(yùn)動(dòng)階段的估計(jì)單元(30)。
5.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，監(jiān)視設(shè)備包括用于迫使關(guān)節(jié)(1，2)進(jìn)行外部規(guī)定的運(yùn)動(dòng)的設(shè)備(120)。
6.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，關(guān)節(jié)(1，2)的運(yùn)動(dòng)與由X射線設(shè)備(10)進(jìn)行的投影的生成實(shí)現(xiàn)同步。
7.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，它包括用于顯示重建的3D圖像的顯示單元(32)，優(yōu)選地包括影片序列。
8.一種用于生成關(guān)節(jié)(1，2)在它運(yùn)動(dòng)的不同階段的三維(3D)圖像的方法，包括以下步驟a)使關(guān)節(jié)(1，2)運(yùn)動(dòng)；b)在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)期間以不同的方向生成關(guān)節(jié)的一系列X射線投影；c)在步驟b)期間確定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前的階段；d)把所述系列的投影分類(lèi)成相應(yīng)于不同的確定的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)階段的類(lèi)別，并根據(jù)每個(gè)類(lèi)別的投影重建3D圖像。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其特征在于，關(guān)節(jié)(1，2)與X射線投影的生成同步地主動(dòng)地運(yùn)動(dòng)。
10.按照權(quán)利要求8的方法，其特征在于，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前的階段是根據(jù)X射線投影導(dǎo)出的。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于生成運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)(1)的三維(3D)圖像的系統(tǒng)和方法。旋轉(zhuǎn)X射線設(shè)備(10)從不同的方向生成所述關(guān)節(jié)的投影，而同時(shí)關(guān)節(jié)(1)的同時(shí)的周期性運(yùn)動(dòng)由監(jiān)視設(shè)備(20)記錄。生成的X射線投影然后按照它們屬于的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的階段被分類(lèi)，并根據(jù)每個(gè)類(lèi)別的X射線投影重建3D圖像。因此，可以產(chǎn)生關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的3D電影，并監(jiān)視器上顯示它。監(jiān)視設(shè)備(20)具體地可以由允許關(guān)節(jié)(1)的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)與生成同步的X射線投影的設(shè)備實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G06T11/00GK101014981SQ200580030367
公開(kāi)日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月9日
發(fā)明者J·薩布齊恩斯基, G·斯特里克斯特拉 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司