專利名稱：用于針對對象成像的成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于針對對象成像的成像設(shè)備、成像方法和成像計算機(jī)程序。
背景技術(shù)：
C.Papalazarou等人在Proceedings of thel7th International Conference onImage Processing( ICIP), IEEE, 2010 年 9 月號的文章“Surgical needle reconstructionusing smal 1-angle mult1-view X_ray”披露了一種方法,利用具有C臂小幅度運(yùn)動的多視圖X射線成像重建手術(shù)針。運(yùn)動的范圍被限于小于30度的角范圍。這種小幅度運(yùn)動提供了充分多的多視圖信息，結(jié)合針模型使用其以對針進(jìn)行三維重建。如果針在不同視圖間保持靜態(tài)，這種方法能夠重建針的三維圖像。不過，如果在不同視圖期間針發(fā)生運(yùn)動，具體而言，變形，就不能可靠地重建質(zhì)量良好的針的三維圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于針對對象成像的成像設(shè)備、成像方法和成像計算機(jī)程序，即使在對象運(yùn)動時，具體而言，即使在對象變形時，也能夠可靠地產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)圖像。在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種針對對象成像的成像設(shè)備，其中所述成像設(shè)備包括:-模型提供單元，用于提供代表所述對象的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型，其中所述運(yùn)動學(xué)模型由運(yùn)動學(xué)參數(shù)定義， -投影數(shù)據(jù)提供單元，用于提供對應(yīng)于不同投影方向的對象的投影數(shù)據(jù)，-模型修改單元，用于通過修改運(yùn)動學(xué)參數(shù)使得通過模擬運(yùn)動學(xué)模型的前向投影確定的模擬的投影數(shù)據(jù)與提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異最小化，來修改所述運(yùn)動學(xué)模型。由于對象是用機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型代表的，所以可以通過較少的運(yùn)動學(xué)參數(shù)簡單描述對象的運(yùn)動，具體而言，對象的變形。因此能夠通過修改很少的運(yùn)動學(xué)參數(shù)來較快地修改模型。因此能夠快速，尤其是實(shí)時地，通過修改很少的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，從而修改運(yùn)動學(xué)模型，使得通過模擬修改的運(yùn)動學(xué)模型的前向投影而確定的模擬的投影數(shù)據(jù)與所提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異最小化，來跟蹤對象的運(yùn)動，其中修改的運(yùn)動學(xué)模型代表圖像，能夠完全或部分地顯示于例如顯示器上。因此，即使在對象運(yùn)動時，尤其是即使在對象變形時，也能夠提供優(yōu)質(zhì)的對象圖像。運(yùn)動學(xué)模型優(yōu)選是連續(xù)統(tǒng)(continuum)機(jī)器人的模型。例如，可以將機(jī)器人定義為包括一組稱為連接部(link)的主體的操縱體的機(jī)械模型，連接部由接合部連接成串。每個接合部都可以具有一個自由度，平移的或旋轉(zhuǎn)的。對于具有編號從I到η的η個接合部的機(jī)器人，可能有η+1個連接部，編號從O到η。連續(xù)統(tǒng)機(jī)器人優(yōu)選是能夠沿其整個長度平穩(wěn)彎曲的機(jī)器人，其中連接部之間的過渡是連續(xù)而非突然的。這樣的對象的連續(xù)統(tǒng)機(jī)器人可以用運(yùn)動學(xué)模型的術(shù)語表達(dá)。運(yùn)動學(xué)模型是機(jī)器人模型，其可以用于通過定義運(yùn)動學(xué)參數(shù)來描述機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)，具體而言，機(jī)器人的變形。運(yùn)動學(xué)參數(shù)描述例如對象運(yùn)動學(xué)模型的一部分相對于對象運(yùn)動學(xué)模型另一部分的旋轉(zhuǎn)或平移。對象優(yōu)選是已經(jīng)引入人或動物體內(nèi)的導(dǎo)管，具體而言，雙向?qū)Ч?，其中成像設(shè)備適于通過提供修改的運(yùn)動學(xué)模型提供人或動物體內(nèi)的導(dǎo)管圖像。優(yōu)選地，對象的投影數(shù)據(jù)對應(yīng)于不同的投影方向，并且是隨著時間流逝而采集的，使得如果對象運(yùn)動，對應(yīng)于不同投影方向的投影數(shù)據(jù)對應(yīng)于另一個位置和/或在另一個變形條件下的對象。通過修改很少的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，使得通過模擬運(yùn)動學(xué)模型的前向投影而確定的模擬的投影數(shù)據(jù)與提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異最小化，來跟蹤對象的這種運(yùn)動和/或變形。優(yōu)選投影數(shù)據(jù)提供單元適于提供對應(yīng)于所述投影方向的擺動的投影數(shù)據(jù)。由于所述投影數(shù)據(jù)提供單元優(yōu)選適于提供對應(yīng)于投影方向的擺動的投影數(shù)據(jù)，并且由于通過產(chǎn)生基于所提供的投影數(shù)據(jù)修改的修改的運(yùn)動學(xué)模型為對象成像，所以可以產(chǎn)生對象的圖像，即三維表達(dá)，盡管投影數(shù)據(jù)是僅在可能小于30度的非常有限的角范圍上采集的。因此不必在至少180度的角范圍上采集投影數(shù)據(jù)，例如像計算機(jī)斷層攝影方法所要求的那樣。投影數(shù)據(jù)提供單元可以是存儲單元，其中已經(jīng)存儲了對應(yīng)于不同投影方向的投影數(shù)據(jù)，或者它可以是投影采集單元，用于在不同投影方向上采集投影數(shù)據(jù)，即用于采集不同的視圖。投影采集單元優(yōu)選包括用于發(fā)射貫穿對象的輻射的輻射源，以及探測單元，用于在輻射貫穿對象之后探測輻射并用于根據(jù)探測到的輻射產(chǎn)生投影數(shù)據(jù)。具體而言，輻射源為X射線源，探測單元為X射線探測器。輻射源和探測單元可以安裝在C臂上。不過，也可以使用其他種類的輻射源和對應(yīng)的探測部件來產(chǎn)生投影數(shù)據(jù)。例如，輻射源可以適于發(fā)射核輻射，其貫穿對象，并被對應(yīng)的探測單元探測到。此外，輻射源和探測單元也可以安裝于不是C臂的另一個裝置上。優(yōu)選利用輻射源和探測單元采集對應(yīng)于投影方向擺動的所提供投影數(shù)據(jù)。優(yōu)選通過繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)輻射源和探測單元來執(zhí)行擺動，使得連接輻射源和探測單元的假想軸追蹤假想錐體的表面。假想的錐體頂點(diǎn)優(yōu)選位于旋`轉(zhuǎn)的等中心處，其中等中心是假想軸始終相交的點(diǎn)，不論輻射源和探測單元是否做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，輻射源和探測單元可以安裝到同一掃描架上。錐體的基部通常可以具有任何平面形狀。優(yōu)選地，它是一條閉合曲線，可以是平滑曲線。閉合曲線具有以下優(yōu)點(diǎn)，即容易進(jìn)行周期性運(yùn)動。閉合曲線例如是圓或橢圓。平滑曲線具有以下優(yōu)點(diǎn)，即更容易控制運(yùn)動并使得采集更加穩(wěn)定和噪聲更低。或者，曲線的基部形成線性形狀，在這種情況下，輻射源和探測單元能夠線性地運(yùn)動，并優(yōu)選在兩個終點(diǎn)位置之間反復(fù)。優(yōu)選在輻射源和探測單元的擺動運(yùn)動期間采集投影數(shù)據(jù)，即一系列二維投影圖像。優(yōu)選投影數(shù)據(jù)表示利用投影采集單元產(chǎn)生的投影，其中由校準(zhǔn)參數(shù)定義投影采集單元的?；矗移渲心Ｐ托薷膯卧m于修改校準(zhǔn)參數(shù)和運(yùn)動學(xué)參數(shù)，使得通過模擬模型的前向投影而確定的模擬的投影數(shù)據(jù)與所提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異最小化。校準(zhǔn)參數(shù)優(yōu)選定義探測單元探測到的哪個投影數(shù)據(jù)值對應(yīng)于哪個射束方向，即對應(yīng)于射束沿哪個方向行進(jìn)的，射束在探測到相應(yīng)投影數(shù)據(jù)值的相應(yīng)探測位置處遇到探測單元。因此，校準(zhǔn)參數(shù)優(yōu)選描述投影幾何學(xué)。校準(zhǔn)參數(shù)例如可以是本征校準(zhǔn)參數(shù)或非本征校準(zhǔn)參數(shù)。本征校準(zhǔn)參數(shù)例如是與探測單元自身相關(guān)的那些，像探測器像素尺寸，而非本征參數(shù)是與探測單元和輻射源實(shí)際位置相關(guān)的那些參數(shù)，具體而言，與探測單元和輻射源的旋轉(zhuǎn)和平移位置相關(guān)的那些參數(shù)。由于模型修改單元除了修改運(yùn)動學(xué)參數(shù)之外，還可以適于修改一個或幾個校準(zhǔn)參數(shù)，使得通過模擬模型的前向投影而確定的模擬的投影數(shù)據(jù)與所提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異最小化，所以可以修改模型，以便跟蹤對象的運(yùn)動，具體而言，以便跟蹤對象的變形。因此即使一個或幾個校準(zhǔn)參數(shù)不可靠，也能夠提供對象的優(yōu)質(zhì)圖像，即三維表示。在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，不修改校準(zhǔn)參數(shù)，具體而言，僅通過修改運(yùn)動學(xué)參數(shù)來修改運(yùn)動學(xué)模型。因此可以將校準(zhǔn)參數(shù)視為已知的和固定的，即可以將投影幾何學(xué)視為已知的。一般會定期校準(zhǔn)像X射線C臂那樣的投影采集單元，它們一般被設(shè)計成可重復(fù)，于是使得本征和非本征參數(shù)都是可靠的。于是，如果可以將校準(zhǔn)參數(shù)視為已知的和固定的，那么可以通過修改運(yùn)動學(xué)參數(shù)來修改運(yùn)動學(xué)模型，無需修改校準(zhǔn)參數(shù)，由此減小了參數(shù)空間，并允許更快，尤其是更精確地修改模型。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述運(yùn)動學(xué)模型包括一系列由接合部連接的剛性連接部，其中每個接合部描述繞軸的三維旋轉(zhuǎn)或沿所述軸的平移。因此，每個相應(yīng)的接合部是轉(zhuǎn)動接合部或柱狀接合部。因此可以通過旋轉(zhuǎn)角或平移距離控制每個接合部。優(yōu)選由這些接合部的系列定義運(yùn)動學(xué)模型。在實(shí)施例中，對象為導(dǎo)管·，運(yùn)動學(xué)模型將導(dǎo)管建模為接合部和連接部的系列。模型提供單元優(yōu)選適于通過Denavit-Hartenberg(D-H)規(guī)則中的四個運(yùn)動學(xué)參數(shù)表示接合部的位姿。具體而言，由D-H規(guī)則中的四個運(yùn)動學(xué)參數(shù)表示每個接合部的位姿。位姿優(yōu)選定義相應(yīng)接合部的位置和取向。D-H規(guī)則允許利用參數(shù)的最小集合表示運(yùn)動學(xué)模型。優(yōu)選地，對象是導(dǎo)管，運(yùn)動學(xué)模型包括七個接合部，接合部受到三個運(yùn)動學(xué)參數(shù)的控制，其中模型修改單元適于通過修改三個運(yùn)動學(xué)參數(shù)來修改模型。由于可以通過僅僅修改三個運(yùn)動學(xué)參數(shù)就修改運(yùn)動學(xué)模型，所以運(yùn)動學(xué)模型能夠更快地跟蹤導(dǎo)管的運(yùn)動和/或變形，由此進(jìn)一步改進(jìn)提供運(yùn)動和/或變形導(dǎo)管的圖像的質(zhì)量。進(jìn)一步優(yōu)選地，模型修改單元適于-在所提供的投影數(shù)據(jù)中確定所述對象的投影的二維軌跡，-確定模擬的投影數(shù)據(jù)，使得模擬的投影數(shù)據(jù)定義模擬的二維軌跡，-修改所述模型，使得所確定的二維軌跡與模擬的二維軌跡之間的差異最小化。將所確定的二維軌跡與模擬的二維軌跡之間的這個差異視為模擬的投影數(shù)據(jù)與提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異，使其最小化以修改運(yùn)動學(xué)模型。通過修改運(yùn)動學(xué)模型，使得所確定的二維軌跡與模擬的二維軌跡之間的差異最小化，可以進(jìn)一步改進(jìn)針對運(yùn)動和/或變形對象調(diào)整模型的質(zhì)量。優(yōu)選地模型修改單元適于:-從所提供的投影數(shù)據(jù)中確定的二維軌跡重建所述對象的圖像，-布置所述運(yùn)動學(xué)模型，使得所述運(yùn)動學(xué)模型的至少一部分與所述圖像中所示的對象的對應(yīng)部分對準(zhǔn)，-確定初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)，使得所述圖像中所示的對象與所述模型之間的差異最小化，-通過修改所述初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)使得所確定的二維軌跡和模擬的二維軌跡之間的差異最小化，來修改所述模型?？梢圆贾眠\(yùn)動學(xué)模型的一部分或整個運(yùn)動學(xué)模型，使得部分或整個運(yùn)動學(xué)模型與圖像中所示的對應(yīng)部分或整個對象對準(zhǔn)。優(yōu)選地，如果對象是導(dǎo)管，將圖像中所示的導(dǎo)管的第一，具體而言，平直部分與運(yùn)動學(xué)模型的對應(yīng)第一部分對準(zhǔn)。布置所述運(yùn)動學(xué)模型，使得所述運(yùn)動學(xué)模型的至少一部分與所述圖像中所示的對象的對應(yīng)部分對準(zhǔn)優(yōu)選包括模型的旋轉(zhuǎn)和/或平移。從所提供的投影數(shù)據(jù)中確定的二維軌跡重建對象的圖像以提供能夠用于布置流程的圖像優(yōu)選不考慮對象的運(yùn)動和/或變形，因此能夠被視為剛性重建。這種剛性重建優(yōu)選獲得對象的三維圖像，用于初始布置運(yùn)動學(xué)模型，使得運(yùn)動學(xué)模型的至少一部分與三維圖像中所示的對象的對應(yīng)部分對準(zhǔn)。初始化流程能夠進(jìn)行更快的運(yùn)動學(xué)參數(shù)確定，運(yùn)動學(xué)參數(shù)描述了對象的實(shí)際位置和變形。模型修改單元可以適于確定所提供的投影數(shù)據(jù)中對象的一個或幾個二維軌跡或投影，確定模擬的投影數(shù)據(jù)，使得模擬的投影數(shù)據(jù)定義一個或幾個模擬的二維軌跡。因此，模型修改單元可以適于從所提供的投影數(shù)據(jù)中的一個或幾個確定的二維軌跡重建用于上述布置流程的圖像，并修改模型，使得所確定的一個或幾個二維軌跡與模擬的一個或幾個二維軌跡之間的差異最小化。進(jìn)一步優(yōu)選地，對象是插入第二對象中的第一對象，其中成像設(shè)備包括用于提供第二對象的圖像的圖像提供單元以及用于顯示與第二對象的圖像疊加的修改的模型。第二對象的圖像可以是二維、三維或四維圖像。第二對象的圖像可以是透視圖像。優(yōu)選顯示器適于根據(jù)所述修改的模型指示所述第一對象的三維位置。例如，可以在顯示器上以三維方式呈現(xiàn)該模型，具體而言，可以使用彩色編碼和/或陰影化產(chǎn)生模型的三維印象。第一對象優(yōu)選是插入人或動物的導(dǎo)管，人或動物是第二對象。通過將修改的模型與第二對象的圖像疊加，可以對第一對象在第二對象之內(nèi)的位置，具體而言，深度位置進(jìn)行可視化。圖像提供單元優(yōu)選是上述投影采集單元，用于采集例如二維透視圖像。不過，圖像提供單元也可以是用于提供第二對象的另一圖像的另一種單元，像計算機(jī)斷層攝影單元、磁共振成像單元、核成像單元，像單光子發(fā)射計算機(jī)斷層攝影單元或正電子發(fā)射斷層攝影單元、超聲波成像單元或另一種成像模態(tài)。進(jìn)一步優(yōu)選地，模型提供單元適于存儲與幾個對象對應(yīng)的幾個模型，并提供幾個模型的模型，其對應(yīng)于要成像的對象。可以提供用戶界面，以便允許人選擇對應(yīng)于實(shí)際要成像對象的模型。模型提供單元還可以適于自動檢測實(shí)際對象并提供對應(yīng)的存儲模型。例如，可以基于在不同投影 方向采集的投影數(shù)據(jù)執(zhí)行剛性重建，即可以重建對象的三維圖像，其中假設(shè)對象不運(yùn)動且不變形，可以將三維圖像與存儲的模型比較，以便自動選擇對應(yīng)于對象的模型。在另一實(shí)施例中，可以將二維投影圖像，具體而言，二維透視圖像與所存儲模型的模擬投影比較，以便自動選擇對應(yīng)于對象的模型。在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種用于針對對象成像的成像方法，其中該成像方法包括:-提供代表所述對象的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型，其中所述運(yùn)動學(xué)模型由運(yùn)動學(xué)參數(shù)定義，-提供對應(yīng)于不同投影方向的所述對象的投影數(shù)據(jù)，-通過修改運(yùn)動學(xué)參數(shù)使得通過模擬模型的前向投影而確定的模擬的投影數(shù)據(jù)和提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異最小化，來修改所述模型。在本發(fā)明的另一個方面中，提供了一種用于針對對象成像的成像計算機(jī)程序，其中所述成像計算機(jī)程序包括程序代碼模塊，在控制成像設(shè)備的計算機(jī)上運(yùn)行所述成像計算機(jī)程序時，該程序代碼模塊用于令權(quán)利要求1中所述的成像設(shè)備執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求11所述的成像方法的步驟。應(yīng)當(dāng)理解，權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備、權(quán)利要求11所述的成像方法和權(quán)利要求12所述的成像計算機(jī)程序具有與從屬權(quán)利要求中定義的類似和/或相同優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例也可以是從屬權(quán)利要求與相應(yīng)獨(dú)立權(quán)利要求的任意組合。本發(fā)明的這些和其他方面將從下文描述的實(shí)施例變得顯而易見并參考其加以闡述。


圖1示意性和示范性示出了用于針對對象成像的成像設(shè)備的實(shí)施例，圖2示意性和示范性示出了表示對象的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型的表示，圖3示范性示出了運(yùn)動學(xué)模型的運(yùn)動學(xué)參數(shù)表，以及圖4示出了流程圖，示范性示出了用于針對對象成像的成像方法實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式圖1示意性和示范性示出了用于針對對象成像的成像設(shè)備的實(shí)施例。成像設(shè)備I包括投影數(shù)據(jù)提供單元2，用于提供對象3的投影數(shù)據(jù)，其對應(yīng)于不同的投影方向。成像設(shè)備I還包括模型提供單元4，用于提供代表對象3的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型，其中運(yùn)動學(xué)模型由運(yùn)動學(xué)參數(shù)定義；以及模型修改單元13，用于通過修改運(yùn)動學(xué)參數(shù)使得通過模擬運(yùn)動學(xué)模型的前向投影確定的模擬的投影數(shù)據(jù)與所提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異最小化，來修改運(yùn)動學(xué)模型。成像設(shè)備I還包括顯示器31，用于顯示已修改模型的圖像。投影數(shù)據(jù)提供單元2優(yōu)選是投影采集單元，包括用于發(fā)射貫穿對象3的輻射10的輻射源8，以及探測單元9，用于在輻射貫穿對象3之后探測它并根據(jù)探測到的輻射產(chǎn)生投影數(shù)據(jù)。具體而言，輻射源8為X射線源，探測單元9是X射線探測器。輻射源8和探測單元9可以安裝在C臂上，可以改變C臂相對于對象3的角取向，以便采集對應(yīng)于不同投影方向的對象3的投影數(shù)據(jù)。投影采集單元還包括采集控制單元11，用于控制投影數(shù)據(jù)的采集，具體而言，用于控制輻射源8和探測單元9相對于對象3的運(yùn)動。C臂是公知的可運(yùn)動裝置，其中在C臂末端優(yōu)選安裝輻射源8和探測單元9。C臂可以適于繞一個或多個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)?？梢酝绞只蛴梢粋€或幾個電動機(jī)進(jìn)行這些旋轉(zhuǎn)，可以由采集控制單元11控制。在本實(shí)施例中，采集控制單元11控制輻射源8和探測單元9，具體而言，控制輻射源8和探測單元9安裝于其上的C臂，使得輻射源8和探測單元9執(zhí)行對應(yīng)于投影方向擺動的擺動。優(yōu)選通過繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)輻射源8和探測單元9來執(zhí)行擺動，使得連接輻射源8和探測單元9的假想軸追蹤假想錐體的表面。假想的錐體頂點(diǎn)優(yōu)選位于旋轉(zhuǎn)的等中心處。錐體的基部優(yōu)選具有圓形或橢圓形平面形狀。在輻射源8和探測單元9的擺動運(yùn)動期間采集投影數(shù)據(jù)，即一系列二維投影圖像。在本實(shí)施例中，對象3是插入人5體內(nèi)的導(dǎo)管3，人位于工作臺6上。導(dǎo)管3受到導(dǎo)管控制單元21的控制。導(dǎo)管3可以是可用于介入式流程中的任何導(dǎo)管，例如，用于在人5的心臟中執(zhí)行消融流程的消融導(dǎo)管。導(dǎo)管控制單元21優(yōu)選適于允許像醫(yī)生那樣的用戶控制導(dǎo)管3，具體而言，向人5體內(nèi)并在體內(nèi)移動導(dǎo)管3并使導(dǎo)管3變形。例如，導(dǎo)管3能夠包括牽引線，可以由導(dǎo)管控制單元21以已知方式控制牽引線，以便移動，尤其是使導(dǎo)管3變形。模型提供單元4優(yōu)選適于提供機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型，機(jī)器人是連續(xù)統(tǒng)機(jī)器人。在圖2中由連接部和接合部示意性和示范性示出了這樣的運(yùn)動學(xué)模型。運(yùn)動學(xué)模型12包括由接合部14...20連接的一系列剛性連接部，其中每個接合部描述繞軸的三維旋轉(zhuǎn)或沿軸的平移。因此，每個相應(yīng)的接合部是轉(zhuǎn)動接合部15、16、18、19或柱狀接合部14、17、20。因此可以通過旋轉(zhuǎn)角θ2、θ3、θ5、θ6和平移距離C^dpd7控制每個接合部。運(yùn)動學(xué)模型12由這些接合部的系列定義。具體而言，導(dǎo)管3，優(yōu)選為雙向?qū)Ч?，被運(yùn)動學(xué)模型12建模為接合部和連接部的系列。在圖2中，有八個連接部(V..07，分別由各個接合部14…20連接。在本示范性實(shí)施例中，可以如下描述接合部和連接部的系列。連接部Otl通過具有運(yùn)動學(xué)參數(shù)Cl1的柱狀接合部14連接到連接部Op連接部O1通過具有運(yùn)動學(xué)參數(shù)Θ 2的轉(zhuǎn)動接合部15連接到02，其中O2與O1吻合。連接部O2通過具有運(yùn)動學(xué)參數(shù)Θ 3的轉(zhuǎn)動接合部16連接到連接部03，其中O3與O2吻合。此外，連接部O3通過具有運(yùn)動學(xué)參數(shù)d4的柱狀接合部17連接到連接部04，連接部O4通過具有運(yùn)動學(xué)參數(shù)Θ 5的轉(zhuǎn)動接合部18連接到連接部O5，其中O5與O4吻合。連接部O5通過具有運(yùn)動學(xué)參數(shù)Θ 6的轉(zhuǎn)動接合部19連接到連接部O6，其中O6與O5吻合，連接部O6通過具有運(yùn)動學(xué)參數(shù)d7的柱狀接合部20連接到連接部O70運(yùn)動學(xué)模型還包括圖2中未示出的圓弧，由連接部O4和O5之間的弦長d4定義。每個接合部都具有其自己的局部坐標(biāo)系Xp Yi' Zi,相對于前一接合部的坐標(biāo)系根據(jù)D-H規(guī)則定義，使得i)z軸在接合部軸的方向上；并且ii)x軸平行于公共法線。如果沒有唯一的公共法線，那么D-H參數(shù)d是自由 參數(shù)，當(dāng)前坐標(biāo)系的X軸方向從前一 z軸的z位置指向當(dāng)前z軸的對應(yīng)z位置。通過選擇使y軸是右手坐標(biāo)系，y軸跟隨X和z軸而來。于是，每個坐標(biāo)系都涉及到下一個接合部，即以O(shè)i為中心的Xi, Yi, Zi涉及到接合部i+Ι。具體而言，Oci是坐標(biāo)中心，即原點(diǎn),對于具有參數(shù)Cl1的柱狀接合部，O1涉及到θ2，02涉及到Θ 3，
坐坐寸寸O應(yīng)當(dāng)指出，圖2未示出完整的運(yùn)動學(xué)模型12，而是僅示出了示意圖，其中突出了接合部14…20和連接部(V"07。運(yùn)動學(xué)模型12對可操縱的雙向?qū)Ч?的運(yùn)動學(xué)建模，具體而言，對牽引線控制的導(dǎo)管3的彎曲性能建模，牽引線位于導(dǎo)管3之內(nèi)，可以經(jīng)由導(dǎo)管控制單元21控制。運(yùn)動學(xué)模型12由接合部系列定義，可以由TRRTRRT表示，其中T表示平移，R表示旋轉(zhuǎn)。運(yùn)動學(xué)模型12包括三個片段。由柱狀接合部14表示的導(dǎo)管3的遠(yuǎn)端軸的虛擬基底22，由兩次旋轉(zhuǎn)，特別是扭曲和撓曲，繼之以平移和再兩次旋轉(zhuǎn)表示的導(dǎo)管3遠(yuǎn)端軸的彎曲段23，以及具有固定長度，幾乎為剛性的導(dǎo)管3的遠(yuǎn)端24。遠(yuǎn)端也由具有固定平移的柱狀接合部表示。優(yōu)選通過D-H規(guī)則中的四個運(yùn)動學(xué)參數(shù)表示每個接合部的對應(yīng)位姿，圖3中示意性和示范性示出了這種情況。在圖3中，由“L”表示的第一列表示不同的連接部。在圖2中，如上所述，用點(diǎn)(V..07概念性地表示連接部。圖3中所示表格的運(yùn)動學(xué)參數(shù)描述了一個連接部的局部坐標(biāo)系到前一連接部的局部坐標(biāo)系之間的變換，其中它開始于(V具體而言，運(yùn)動學(xué)參數(shù)，在本實(shí)施例中即D-H參數(shù)具有以下含義:d表示沿前一 Z軸到公共法線的偏移；Θ表示從舊的X軸到新的X軸繞前一 z軸的角度；a表示公共法線的長度，假設(shè)是轉(zhuǎn)動接合部，即為繞前一 Z軸的半徑；a是從前一 z軸到當(dāng)前z軸繞公共法線的角度。要了解關(guān)于D-H參數(shù)的更多細(xì)節(jié),參考B.Siciliano等人的“Robotics-Modelling,Planning and Control，，，58-65 頁，Springer Verlag London,2009。每個接合部的位姿，因而，運(yùn)動學(xué)模型的配置，因此能夠通過D-H參數(shù)描述。假設(shè)因?yàn)闋恳€機(jī)構(gòu)，導(dǎo)管3的偏轉(zhuǎn)是共面的，即，導(dǎo)管3彎曲而扭轉(zhuǎn)為零，且彎曲以恒定曲率發(fā)生，使得遠(yuǎn)端軸呈圓弧形狀。因?yàn)檫@種假設(shè)，彎曲段23中第二對旋轉(zhuǎn)耦合到前兩個旋轉(zhuǎn)。此外，由于彎曲段23的總弧長是固定的，所以兩對旋轉(zhuǎn)之間的柱狀接合部的長度完全受偏轉(zhuǎn)角93的控制。由此可見，運(yùn)動學(xué)模型12的自由運(yùn)動學(xué)參數(shù)的總數(shù)為三個。因此，模型修改單元13優(yōu)選適于通過修改三個自由運(yùn)動學(xué)參數(shù)屯、Θ 2、Θ 3來修改運(yùn)動學(xué)模型12。具體而言，模型修改單元13適于確定導(dǎo)管3的投影在所提供的投影數(shù)據(jù)中的二維軌跡。由于輻射源8和探測 單元9進(jìn)行擺動運(yùn)動，同時采集投影數(shù)據(jù)，所以導(dǎo)管3的投影沿著二維軌跡運(yùn)動?？梢酝ㄟ^在投影數(shù)據(jù)中分割導(dǎo)管3的投影來確定二維軌跡，它們是二維投影圖像。為了在二維投影圖像中分割導(dǎo)管3的投影，可以使用已知的分割方法，例如區(qū)域生長、閾值化等。在二維投影圖像中分割導(dǎo)管3的投影之后，可以基于每個二維投影圖像中的投影幾何學(xué)確定導(dǎo)管3的分割投影的位置，其中二維投影圖像中導(dǎo)管3的投影的所確定位置定義二維軌跡。模型修改單元13進(jìn)一步適于從所確定的二維軌跡重建導(dǎo)管3的三維圖像。換言之，可以使用對應(yīng)于不同投影方向的投影數(shù)據(jù)重建導(dǎo)管的三維圖像。例如，可以對投影數(shù)據(jù)簡單地進(jìn)行反投影，以便利用所確定的二維軌跡和已知的投影幾何學(xué)重建三維圖像。三維圖像的質(zhì)量是下降的，因?yàn)橥队皵?shù)據(jù)僅僅是在較小角范圍內(nèi)采集的，但對于對準(zhǔn)運(yùn)動學(xué)模型而言降低的質(zhì)量是足夠的。模型修改單元13然后進(jìn)一步適于布置運(yùn)動學(xué)模型12，使得運(yùn)動學(xué)模型的至少一部分與重建的三維圖像中所示的導(dǎo)管3的對應(yīng)部分對準(zhǔn)，三維圖像是在導(dǎo)管3如同靜態(tài)時重建的，即是剛性重建的。具體而言，模型修改單元13適于計算三維變換，其優(yōu)選包括旋轉(zhuǎn)和平移，以將導(dǎo)管3的第一部分匹配到圖2中Otl和O1之間的運(yùn)動學(xué)模型12對應(yīng)第一部分，第一部分優(yōu)選基本平直。于是，旋轉(zhuǎn)和平移導(dǎo)管3的運(yùn)動學(xué)模型12以匹配剛性重建。一開始，按照慣例，優(yōu)選將運(yùn)動學(xué)模型的第一部分置于平行于坐標(biāo)系在Otl處的z軸。模型修改單元13進(jìn)一步適于確定初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)，使得三維圖像中所示的導(dǎo)管3和包括由弦長d4定義的圓弧的運(yùn)動學(xué)模型12之間的差異最小化。于是，由三維變換確定運(yùn)動學(xué)模型12的總?cè)∠蚝臀恢茫沟眠\(yùn)動學(xué)模型12盡可能好地匹配對象的重建三維圖像，然后修改運(yùn)動學(xué)參數(shù)，以便修改運(yùn)動學(xué)模型12的形狀或變形，使得三維圖像中所示的導(dǎo)管3和運(yùn)動學(xué)模型12之間的差異最小化，由此確定初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)。在本實(shí)施例中，初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)是D-H規(guī)則中的參數(shù)，其中每個接合部的特征在于四個運(yùn)動學(xué)參數(shù)。優(yōu)選利用逆運(yùn)動學(xué)方式確定最好地解釋剛性重建的這些初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)。逆運(yùn)動學(xué)方式是在給出對象的三維位姿或三維形狀時獲得機(jī)器人模型參數(shù)的已知方法。位姿優(yōu)選表示包括對象的連接部的每條的三維位置和取向。在本實(shí)施例中，通過求解以下非線性優(yōu)化問題確定初始運(yùn)動學(xué)參數(shù):pR =argmin^||x^" 0(I)
J=I
在方程(1)中，上標(biāo)R表示在根據(jù)方程(I)求解非線性問題期間，假設(shè)對象是剛性的。對象的三維重建圖像基于實(shí)測二維軌跡，表示為X〗，其中j表示三維圖像中所示對象的不同采樣點(diǎn)或體素。具體而言Xf表示由j表示的采樣點(diǎn)的三維位置。變量N表示對象的三維重建采樣點(diǎn)或體素的數(shù)目，Sk(Pk)表示作為運(yùn)動學(xué)參數(shù)Pk的函數(shù)的相應(yīng)位姿中的三維模型。優(yōu)選地，沿著代表導(dǎo)管的模型長度，具體而言，從Otl或O1到07，由N個采樣點(diǎn)對包括由弦長山定義的圓弧的模型采樣，其中采樣間隔可以是等間距的。當(dāng)然，相對于重建的對象類似地執(zhí)行采樣，以便能夠求解方程(I)。模型修改單元13可以適于根據(jù)方程(1)，利用如例如下文中公開的自由逆運(yùn)動學(xué)求解程序求解非線性優(yōu)化問題:“A Robotics Toolbox for MATLAB”，P.1.Corke, IEEERobotics and Automation Magazine,第 3 卷，第 24-32 頁，1996 年 3 月。根據(jù)方程(I)求解非線性優(yōu)化問題提供了導(dǎo)管3剛性重建獲得的初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)。因此初始化包括如下操作:首先利用所確定的二維軌跡對導(dǎo)管3進(jìn)行剛性重建，其中剛性重建，即導(dǎo)管3的剛性重建圖像表示如果對象未運(yùn)動時的正確解。從這一剛性重建，利用逆運(yùn)動學(xué)方式獲得初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)，即，例如，通過根據(jù)方程(I)求解非線性優(yōu)化問題。由于在初始化期間，已經(jīng)布置運(yùn)動學(xué)模型12，使得運(yùn)動學(xué)模型的至少一部分與圖像中所示的對象的對應(yīng)部分對準(zhǔn)，具體而言，由于已經(jīng)布置了運(yùn)動學(xué)模型12，使得運(yùn)動學(xué)模型的第一部分22匹配導(dǎo)管3的對應(yīng)第一平直部分，所以運(yùn)動學(xué)模型12的整體位置和取向已經(jīng)與導(dǎo)管3對準(zhǔn)。為了描述導(dǎo)管3的變形，僅僅上述三個自由運(yùn)動學(xué)參數(shù)屯、θ2、03是必須要修改的。一開始，通過根據(jù)方程(I)求解非線性優(yōu)化問題確定這些自由運(yùn)動學(xué)參數(shù)，以便確定初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)。運(yùn)動學(xué)參數(shù)屯、θ2、θ3是雙向?qū)Ч?的僅有自由運(yùn)動學(xué)參數(shù)，因?yàn)?amp;)05與θ3|禹合，06與Θ 2 f禹合，b)d4是Θ 3的已知函數(shù)，L是雙向?qū)Ч?的遠(yuǎn)端軸的固定長度，以及c)d7對于導(dǎo)管3而言是固定而已知的。模型修改單元13進(jìn)一步適于:確定模擬的投影數(shù)據(jù)，使得模擬的投影數(shù)據(jù)通過前向投影包括由弦長d4定義的圓弧的運(yùn)動學(xué)模型12而定義模擬的二維軌跡；并修改初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)，具體而言，三個自由初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)屯、θ2、θ3，使得從實(shí)測投影數(shù)據(jù)，即從采集的二維圖像確定的所確定二維軌跡和模擬二維軌跡之間的差異最小化。于是，重新投影誤差得到最小化，以便確定優(yōu)化的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，其針對每個投影方向，即針對每個時間點(diǎn)或幀，描述導(dǎo)管3的變形。優(yōu)選通過根據(jù)以下方程求解優(yōu)化問題來使重新投影誤差最小化:
權(quán)利要求
1.一種用于針對對象成像的成像設(shè)備，所述成像設(shè)備(I)包括: -模型提供單元(4 )，其用于提供代表所述對象(3 )的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型(12 )，其中，所述運(yùn)動學(xué)模型(12)由運(yùn)動學(xué)參數(shù)定義， -投影數(shù)據(jù)提供單元(2)，其用于提供對應(yīng)于不同投影方向的所述對象(3)的投影數(shù)據(jù)， -模型修改單元(13)，其用于通過修改所述運(yùn)動學(xué)參數(shù)使得通過模擬所述運(yùn)動學(xué)模型的前向投影而確定的模擬的投影數(shù)據(jù)與所提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異最小化，來修改所述運(yùn)動學(xué)模型(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其中，所述投影數(shù)據(jù)提供單元(2)適于提供對應(yīng)于所述投影方向的擺動的投影數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其中，所述投影數(shù)據(jù)代表利用投影采集單元(2)產(chǎn)生的投影，其中，由校準(zhǔn)參數(shù)定義所述投影采集單元(2)的?；?，且其中，所述模型修改單元(13)適于修改所述校準(zhǔn)參數(shù)和所述運(yùn)動學(xué)參數(shù)，使得通過模擬所述模型的前向投影而確定的模擬的投影數(shù)據(jù)與所提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異最小化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其中，所述運(yùn)動學(xué)模型(12)包括一系列由接合部(14...20)連接的剛性連接部，其中，每個接合部描述繞軸的三維旋轉(zhuǎn)或沿所述軸的平移。
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的成像設(shè)備，其中，所述對象(3)是導(dǎo)管，所述運(yùn)動學(xué)模型(12)包括由三個運(yùn)動學(xué)參數(shù)(屯，θ2, θ3)控制的七個接合部，其中，所述模型修改單元(13)適于通過修改所述三個運(yùn)動學(xué)參數(shù)(Cl1, θ 2, Θ 3)來修改所述模型(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述 的成像設(shè)備，其中，所述模型修改單元(13)適于: -在所提供的投影數(shù)據(jù)中確定所述對象(3)的投影的二維軌跡， -確定所述模擬的投影數(shù)據(jù)，使得所述模擬的投影數(shù)據(jù)定義模擬的二維軌跡， -修改所述模型，使得所確定的二維軌跡和所述模擬的二維軌跡之間的差異最小化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的成像設(shè)備，其中，所述模型修改單元(13)適于: -從在所提供的投影數(shù)據(jù)中確定的二維軌跡重建所述對象(3)的圖像， -布置所述運(yùn)動學(xué)模型，使得所述運(yùn)動學(xué)模型的至少一部分與所述圖像中所示的對象(3)的對應(yīng)部分對準(zhǔn)， -確定初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)，使得所述圖像中所示的所述對象(3)與所述模型(12)之間的差異最小化， -通過修改所述初始運(yùn)動學(xué)參數(shù)使得所確定的二維軌跡與所述模擬的二維軌跡之間的差異最小化，來修改所述模型(12)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其中，所述對象是插入第二對象(5)中的第一對象(3)，其中，所述成像設(shè)備(I)包括用于提供所述第二對象(5)的圖像的圖像提供單元，以及用于顯示與所述第二對象(5)的圖像疊加的經(jīng)修改的模型的顯示器(31)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的成像設(shè)備，其中，所述顯示器(31)適于根據(jù)所述經(jīng)修改的模型(12)指示所述第一對象(3)的三維位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其中，所述模型提供單元(4)適于存儲與若干對象對應(yīng)的若干模型，并提供所述若干模型的、對應(yīng)于要成像的所述對象(3)的模型(12)。
11.一種用于針對對象成像的成像方法，所述成像方法包括:-提供代表所述對象(3)的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型(12)，其中，所述運(yùn)動學(xué)模型(12)由運(yùn)動學(xué)參數(shù)定義， -提供對應(yīng)于不同投影方向的所述對象(3)的投影數(shù)據(jù)， -通過修改所述運(yùn)動學(xué)參數(shù)使得通過模擬所述模型的前向投影而確定的模擬的投影數(shù)據(jù)與所提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異最小化，來修改所述模型(12)。
12.一種用于針對對象成像的成像計算機(jī)程序，所述成像計算機(jī)程序包括程序代碼模塊，在控制根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備的計算機(jī)上運(yùn)行所述成像計算機(jī)程序時，所述程序代碼模塊用于令所述成像設(shè)備執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求11所述的成像方法的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于針對對象(3)成像的成像設(shè)備，對象優(yōu)選是導(dǎo)管。提供了代表對象(3)的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型(12)和對應(yīng)于不同投影方向的對象(3)的投影數(shù)據(jù)，該模型是由運(yùn)動學(xué)參數(shù)定義的。通過修改運(yùn)動學(xué)參數(shù)使得通過模擬運(yùn)動學(xué)模型(12)的前向投影確定的模擬的投影數(shù)據(jù)和提供的投影數(shù)據(jù)之間的差異最小化，來修改運(yùn)動學(xué)模型(12)。由于對象(3)是用機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型(12)代表的，所以可以通過很少的運(yùn)動學(xué)參數(shù)以簡單方式描述對象(3)的運(yùn)動，具體而言，對象(3)的變形，由此能夠修改模型(12)，從而，通過修改，尤其是實(shí)時修改很少的運(yùn)動學(xué)參數(shù)來跟蹤對象的運(yùn)動。
文檔編號A61B6/02GK103188997SQ201180052917
公開日2013年7月3日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者C·帕帕拉扎魯, P·M·J·龍根, P·H·N·德維特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司