專利名稱：從二維x射線圖像中確定對象的位置和方向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從二維X射線圖像中自動確定對象、尤其例如是導(dǎo)管的位置和方向的方法。這種確定可以包括確定該對象在X射線圖像中的位置和方向。位置和方向的確定還可以包括接下來在三維空間中定位該對象。
背景技術(shù)：
在很多對患者的干預(yù)中都將儀器、尤其是導(dǎo)管引入到體內(nèi)。其中除了介入式放射和電生理過程之外還有神經(jīng)學(xué)介入或腹部區(qū)域的介入(對肝臟和。腎臟或膽囊)。按照常規(guī)，在這種干預(yù)中借助X射線系統(tǒng)、也就是單平面或雙平面系統(tǒng)監(jiān)控被引入的儀器或?qū)Ч艿奈恢谩３藘H在顯示屏上顯示該儀器之外，還越來越多地需要自動確定該儀器的三維位置和方向。然后例如可以基于事先拍攝的三維圖像數(shù)據(jù)(例如基于CT或三維血管造影)顯示該儀器的三維位置和方向。即使對于電生理方法也希望自動定位對象以產(chǎn)生所謂的電生理導(dǎo)引圖。
目前為了在電生理過程中對導(dǎo)管進(jìn)行三維實(shí)時(shí)定位采用電解剖映射系統(tǒng)(如位于美國加州的Biosense Webster公司的CARTO系統(tǒng))。其中采用具有六維位置和方向傳感器的特殊導(dǎo)管。其缺點(diǎn)在于只能對該特殊的導(dǎo)管進(jìn)行定位和三維顯示。采用這樣的導(dǎo)管也帶來了很高的費(fèi)用。
原理上還公知借助圖像數(shù)據(jù)對儀器進(jìn)行三維定位，其中在一幅或多幅圖像中對儀器或儀器的特征位置進(jìn)行識別。這樣，由兩幅從不同方向拍攝的X射線圖像可以例如通過反投影來確定三維位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于確定對象的位置和方向的方法，該方法與現(xiàn)有技術(shù)相比能以更簡單的方式工作，并且特別可靠。
根據(jù)本發(fā)明的方法包括步驟a)產(chǎn)生第一X射線圖像并對該X射線圖像進(jìn)行預(yù)處理，以突出該對象在X射線圖像中的成像結(jié)構(gòu)，b)基于該對象的技術(shù)上公知的特性(例如從結(jié)構(gòu)特征中)產(chǎn)生該對象的三維模板，c)分別為模板在三維空間中的位置和方向各初始化3個(gè)參數(shù)，d)借助對象的位置和方向的6個(gè)參數(shù)產(chǎn)生模板的二維投影，e)將該二維投影與預(yù)處理后的X射線圖像進(jìn)行比較，并確定相似度，f1)如果該相似度證明中斷該方法正確采用當(dāng)前的6個(gè)參數(shù)確定對象相對于X射線圖像的位置和方向，f2)如果該相似度不夠好調(diào)整6個(gè)參數(shù)構(gòu)成的組，在一個(gè)優(yōu)化循環(huán)中重復(fù)步驟d)和e)，直到該相似度證明中斷該方法正確為止。
因此在本發(fā)明中采用一個(gè)采集了通常在X射線圖像中可見的結(jié)構(gòu)的模板。這樣的模板是一個(gè)三維數(shù)據(jù)組，該數(shù)據(jù)組體現(xiàn)了該對象的形狀和結(jié)構(gòu)、尤其是其金屬部分。與現(xiàn)有技術(shù)中只將每一種以某種方式與同樣在X射線圖像中成像的骨骼等不同的非常見結(jié)構(gòu)估計(jì)為已識別結(jié)構(gòu)的很多方法不同，本發(fā)明基于以下預(yù)先給定自動的計(jì)算機(jī)識別在(預(yù)處理后的)X射線圖像中識別出了什么。通過對X射線圖像的預(yù)處理簡化了這一點(diǎn)，例如可以對該X射線圖像進(jìn)行高通濾波，或甚至完全二值化，也就是說轉(zhuǎn)換為一幅只有黑色和白色的圖像，在進(jìn)行了高通濾波之后可以特別好地在該圖像上看到特別清楚的結(jié)構(gòu)。
基于應(yīng)當(dāng)在圖像上識別出的模板，本發(fā)明確定對象的位置和方向，就像在預(yù)處理后的X射線圖像中所看到的那樣。這是迭代進(jìn)行的。
分別進(jìn)行匹配，也就是說將模板的二維投影與預(yù)處理后的X射線圖像進(jìn)行比較，并確定相似度。對于該相似度現(xiàn)有技術(shù)中存在很多相似度度量可供利用(共有信息、相關(guān)性等等)。相似度是對一致性好壞的度量。在迭代時(shí)分別根據(jù)所采用的度量取得最大值或最小值。對這樣的迭代可利用常規(guī)方法。例如可以在更改參數(shù)時(shí)首先以更改平移參數(shù)開始，然后開始更改旋轉(zhuǎn)參數(shù)等。
在一優(yōu)選實(shí)施方式中，本發(fā)明的整個(gè)方法也可以針對第二X射線圖像進(jìn)行。由此為對象在該第二(預(yù)處理后)的X射線圖像中的位置和方向確定新的一組6個(gè)參數(shù)。在確定這6個(gè)(新)參數(shù)時(shí)還可以考慮借助第一X射線圖像獲得的6個(gè)參數(shù)。
借助通過校準(zhǔn)X射線系統(tǒng)而已知的投影參數(shù)，可以將對象從相應(yīng)的X射線圖像中反投影到三維空間。由于描述幾乎是原理上會出現(xiàn)的深度的參數(shù)的不確定性，通過與模板在三維空間中的匹配還不能精確地定位對象，而是獲得了投影線。
這樣的投影線一方面又可以投影到第二X射線圖像上，從而為了基于第二X射線圖像來獲得6個(gè)參數(shù)只需考慮該投影線的周圍環(huán)境，由此節(jié)省了很多時(shí)間和計(jì)算機(jī)的計(jì)算開銷。
還可以借助第二X射線圖像同樣計(jì)算一條這樣的投影線。這樣就獲得兩條在理想情況下會在空間中相交的投影線。在本方法的優(yōu)選方式中，確定與這些投影線之間距離最小的點(diǎn)。該點(diǎn)用于對三維空間中的對象進(jìn)行定位。最小距離可以用平方方法以常規(guī)方式確定，其中與相應(yīng)投影線的兩個(gè)距離的平方和必須最小。
兩個(gè)投影線相互之間的最小距離用作定位對象的質(zhì)量的度量。如果該定位是非常好的，則兩個(gè)投影線相交，也就是最小距離為0。
由此根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，將用于確定位置和方向的方法從確定給定對象在X射線圖像中的位置和方向的6個(gè)參數(shù)的方法擴(kuò)展為在三維空間中定位該對象。
還可以進(jìn)一步擴(kuò)展本發(fā)明的方法。從而目前的出發(fā)點(diǎn)是模板反映的是保持為剛性的對象。對于導(dǎo)管來說管尖后面的部分尤其是也可以彎曲。也可以引入這些部分。因此模板必須分為對象的保持剛性的部分和可以彎曲的部分。對象的整個(gè)分布可以通過采用支持點(diǎn)和支持點(diǎn)之間的插值模型化地顯示出來。換句話說，可以在所述優(yōu)化循環(huán)中引入其它以某種形式采集對象的彎曲的參數(shù)。為簡單起見，其中借助6個(gè)參數(shù)確定對象的保持剛性的部分的位置和方向，通過這些其它參數(shù)描述對象的彎曲。
本發(fā)明還包括X射線圖像拍攝系統(tǒng)?，F(xiàn)代X射線圖像拍攝系統(tǒng)包括X射線儀和計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理單元)。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于，在該計(jì)算機(jī)中存儲了涉及因構(gòu)造而已知的對象(特別是導(dǎo)管)的輪廓的三維數(shù)據(jù)組。優(yōu)選這樣設(shè)計(jì)該計(jì)算機(jī)，使得其執(zhí)行確定針對對象在預(yù)處理后的X射線圖像中的位置和方向的參數(shù)的步驟、借助六個(gè)參數(shù)產(chǎn)生模板的二維投影的步驟以及將該二維投影與預(yù)處理后的X射線圖像的匹配的步驟。


以下參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中圖1示意性示出常見導(dǎo)管的模板，
圖2示出本發(fā)明方法的步驟，圖3示出圖1的三維模板到二維平面的投影。
具體實(shí)施例方式
為了能自動識別出X射線圖像中的導(dǎo)管，告知計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在圖像中所期待的結(jié)構(gòu)是何種類型。不是將這種導(dǎo)管的多個(gè)投影以X射線圖像存儲起來，而是存儲導(dǎo)管的一幅三維圖像。在圖1中示出的導(dǎo)管10的三維模板尤其示出了導(dǎo)管在管尖的金屬結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管基本上由3到4毫米厚的塑料管和設(shè)置在前尖端的金屬蓋組成，該金屬蓋突出4到8毫米。圖1所示的模板尤其是表示該金屬尖端。
在介入時(shí)，尤其是對心臟進(jìn)行電生理檢查時(shí)，將導(dǎo)管引入患者體內(nèi)。這通常在X射線控制下進(jìn)行，也就是說連續(xù)拍攝其中可以識別出導(dǎo)管的X射線圖像。本發(fā)明通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)確定導(dǎo)管在圖像中的位置和方向。
為此計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須給出所產(chǎn)生的二維X射線圖像。預(yù)處理該X射線圖像，而且尤其是進(jìn)行高通濾波。高通濾波用于特別清楚和特別強(qiáng)烈地突出結(jié)構(gòu)，從而特別清楚地對導(dǎo)管的邊緣清楚的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像(圖2，步驟12)。在預(yù)處理二維X射線圖像時(shí)，還產(chǎn)生一幅二值圖像。二值圖像是一幅其中各圖像元素只對應(yīng)于邏輯1或邏輯0的圖像，從而可以沒有灰度級地以黑色和白色進(jìn)行顯示。圖1中示出的模板近似于這種二值圖像的應(yīng)用。
在步驟14中為該三維模板初始化6個(gè)旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)。
為了解釋為什么要計(jì)算6個(gè)旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)，參見圖3。圖3中通過3個(gè)自由度確定模板10的位置，即通過沿著3個(gè)相互垂直的軸對應(yīng)地平移模板10(平移參數(shù)T1、T2、T3)。模板10的方向借助圍繞3個(gè)相互垂直的軸的旋轉(zhuǎn)來描述，也就是通過旋轉(zhuǎn)角R1、R2和R3。
在將模板投影到二維圖像26時(shí)，除了這6個(gè)自由度之外成像系統(tǒng)的5個(gè)本征自由度(投影幾何)也起著作用。投影矩陣P以下式給出P＝K本征×T非本征。
矩陣K本征描述成像系統(tǒng)的5個(gè)本征自由度(主要是成像系統(tǒng)的投影幾何)，矩陣T非本征描述涉及位置和方向的6個(gè)自由度。將成像系統(tǒng)的5個(gè)本征自由度作為已知的前提，它們可以例如通過對X射線C弧的系統(tǒng)校準(zhǔn)而獲得。因此為了唯一確定投影，需要上述6個(gè)參數(shù)來定義矩陣T非本征的6個(gè)自由度。
在步驟16(圖2)中可以基于這些參數(shù)產(chǎn)生模板的一幅這種二維投影。在圖3中示出的二維圖像26表示模板的一個(gè)這種二維投影。在步驟18中將二維投影與預(yù)處理后的二維X射線圖像進(jìn)行匹配。換句話說，為該二維投影定義相似度。必須弄清楚參數(shù)T1、T2、T3、R1、R2和R3是否選擇得足夠好從而能反映實(shí)際的狀況。利用相似度在步驟20中作為中斷原則確定是否達(dá)到所需要的品質(zhì)。通常在第一次時(shí)還不是這樣。然后在步驟22中更改6個(gè)旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)，返回步驟16，再一次執(zhí)行步驟16、18和20。步驟16至22構(gòu)成的循環(huán)一直重復(fù)下去，直到達(dá)到所需要的相似度品質(zhì)為止。通常這樣定義這種相似度，當(dāng)相似度為最大時(shí)，6個(gè)參數(shù)最好地反映實(shí)際。
如果最大相似度首先是近似地確定的，也就是說達(dá)到了需要的品質(zhì)(例如也通過超過閾值)，則為了確定導(dǎo)管在X射線圖像中的位置和方向而輸出這6個(gè)旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)。這些參數(shù)例如可以顯示給電生理學(xué)家，或者在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)一步使用。通過目前描述的方法，在理想情況下應(yīng)當(dāng)獲得6個(gè)反映導(dǎo)管的真實(shí)狀態(tài)的參數(shù)T1、T2、T3、R1、R2和R3。換句話說，圖3模型化地示出了拍攝過X射線圖像的狀況，其中通過該參數(shù)描述導(dǎo)管的相應(yīng)位置和畸變以及平移等。實(shí)際的導(dǎo)管由此以相同的平移和旋轉(zhuǎn)位于患者體內(nèi)。
在改善的實(shí)施方式中，要考慮以下事實(shí)在沿著投影軸移動模板或?qū)嶋H的導(dǎo)管時(shí)在二維圖像中只出現(xiàn)很小的大小差距，從而反映該深度的平移參數(shù)不夠準(zhǔn)確。因此由于這6個(gè)自由度中只有5個(gè)是準(zhǔn)確采集的，從二維圖像中產(chǎn)生反投影，并獲得從檢測位置到投影中心的投影線。從另一個(gè)拍攝角度產(chǎn)生第二X射線圖像，并同樣獲得這樣的一條投影線。在兩個(gè)X射線圖像在三維空間中的投影線特別接近的地方或該投影線可能相交的地方，可以在該三維空間中定位導(dǎo)管。換句話說，相應(yīng)的X射線圖像提供了6個(gè)自由度中的5個(gè)，兩幅X射線圖像用于確定第6個(gè)自由度。因此在圖3中未示出的第二X射線圖像特別的具有意義，因?yàn)閷?dǎo)管位置和導(dǎo)管方向在某些圖像中由于骨骼等的成像而不太可靠。換句話說，最大相似度在有些X射線圖像中并不總是給出正確的結(jié)果。如果存在這樣的跡象，可以從針對第一X射線圖像的6個(gè)旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)出發(fā)，其中可以將借助這些參數(shù)給出的投影線投影到第二X射線圖像中。然后在該投影線的周圍搜索相似度的次最大值，由此可能再次找到實(shí)際的參數(shù)。因此，在圖像中存在引起干擾的結(jié)構(gòu)時(shí)可以這樣設(shè)計(jì)整個(gè)結(jié)構(gòu)，使得相似度在正確“定義”6個(gè)參數(shù)時(shí)不給出最大值，而只給出次最大值。
本發(fā)明當(dāng)然還可用于其中先后拍攝多幅X射線圖像的系統(tǒng)和方法。在引入導(dǎo)管的電生物干預(yù)過程中，始終通過產(chǎn)生X射線圖像來監(jiān)控導(dǎo)管的移入。在開始執(zhí)行借助圖2描述的本發(fā)明方法時(shí)獲得6個(gè)旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)，它們可以作為由后面的X射線圖像產(chǎn)生的參數(shù)的出發(fā)點(diǎn)?；谡鎸?shí)性原則例如可以不對平移或旋轉(zhuǎn)改變太多。由此在后面的圖像拍攝時(shí)節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。
然后在當(dāng)前的二維X射線圖像中將檢測出的導(dǎo)管位置和導(dǎo)管方向以彩色顯示，例如顯示為箭頭。
采用模板的優(yōu)點(diǎn)在于，對新投放市場的導(dǎo)管的檢測不需要為識別導(dǎo)管重新開發(fā)軟件，而只需要將一個(gè)新的特定于導(dǎo)管的三維模板添加到模板數(shù)據(jù)庫中。在改善的系統(tǒng)中，可以從模板數(shù)據(jù)庫中自動選擇模板。本方法還可以在必須定位多個(gè)儀器的介入期間應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種從二維X射線圖像中確定對象、尤其是導(dǎo)管的位置和方向的方法，包括步驟a)產(chǎn)生第一X射線圖像并對該X射線圖像進(jìn)行預(yù)處理，以突出該對象在X射線圖像中的成像結(jié)構(gòu)，b)基于該對象的構(gòu)造上的特性產(chǎn)生該對象的三維模板(10)，c)相對于預(yù)處理后的X射線圖像分別為該對象初始化(14)3個(gè)位置參數(shù)(T1，T2，T3)和三個(gè)方向參數(shù)(R1，R2，R3)，d)借助該對象的位置和方向的6個(gè)參數(shù)產(chǎn)生(16)模板(10)的二維投影，e)將該二維投影與預(yù)處理后的X射線圖像進(jìn)行比較，并確定相似度(18)，f1)如果該相似度證明中斷該方法正確采用當(dāng)前的6個(gè)參數(shù)確定(24)對象在X射線圖像中的位置和方向，f2)如果該相似度不夠好調(diào)整6個(gè)參數(shù)構(gòu)成的組，在優(yōu)化循環(huán)中重復(fù)步驟d)和e)，直到該相似度證明中斷該方法正確為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟a)中的預(yù)處理包括對X射線圖像的高通濾波，優(yōu)選二值化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，g)從不同的拍攝角度產(chǎn)生第二X射線圖像，并且利用在b)中產(chǎn)生的模板對預(yù)處理后的第二X射線圖像執(zhí)行步驟c)至f)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在為所述預(yù)處理后的第二X射線圖像確定新的所述6個(gè)參數(shù)時(shí)，考慮由6個(gè)借助第一X射線圖像獲得的參數(shù)構(gòu)成的組。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，h)借助6個(gè)用第一X射線圖像獲得的參數(shù)，將所述對象從第一X射線圖像反投影到三維空間，基于該反投影獲得第一投影線，i)借助6個(gè)用第二X射線圖像獲得的參數(shù)將所述對象從第二X射線圖像反投影到三維空間，基于該反投影獲得第二投影線，k)確定具有與該兩條投影線有最小平方距離的點(diǎn)，以及必要時(shí)確定用于在三維空間中對對象進(jìn)行定位的交點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，確定所述兩個(gè)投影線相互之間的最小距離，用作定位對象的質(zhì)量的度量。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，步驟b)中產(chǎn)生的模板采集對象的保持剛性的部分和可以彎曲的部分，并且在所述優(yōu)化循環(huán)中引入其它采集對象的彎曲的參數(shù)。
8.一種X射線圖像拍攝系統(tǒng)，具有-X射線儀，和-數(shù)據(jù)處理單元，其特征在于，在該數(shù)據(jù)處理單元中存儲了針對要從X射線圖像中自動識別的對象、特別是導(dǎo)管的輪廓的三維數(shù)據(jù)組(模板)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的X射線圖像拍攝系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1的方法的步驟d)至f)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從二維X射線圖像中自動確定對象、尤其例如是導(dǎo)管的位置和方向的方法。為了確定對象在X射線圖像中的位置和方向首先對X射線圖像進(jìn)行預(yù)處理?；趯ο蟮囊阎Y(jié)構(gòu)特性產(chǎn)生該對象的三維模板(數(shù)據(jù)組)。分別迭代地更改位置和方向的3個(gè)參數(shù)。分別將具有針對位置和方向的參數(shù)的三維模板投影到二維平面上，將產(chǎn)生的圖像基于相似度的產(chǎn)生而與預(yù)處理后的X射線圖像進(jìn)行比較。
文檔編號G06F19/00GK1883415SQ20061009459
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月21日
發(fā)明者簡·貝澤, 諾伯特·拉恩, 伯恩哈德·桑德坎普 申請人:西門子公司