專利名稱：通過標(biāo)志跟蹤對(duì)運(yùn)動(dòng)偽像進(jìn)行圖像處理的制作方法
通過標(biāo)志跟蹤對(duì)運(yùn)動(dòng)偽像進(jìn)行圖像處理本發(fā)明涉及圖像處理，具體而言涉及用于處理圖像以補(bǔ)償圖像之間的對(duì)象的任何 運(yùn)動(dòng)的方法和裝置。各種成像技術(shù)，無論是模擬的還是數(shù)字的，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中被廣泛地用來捕捉身體 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)且特別是骨頭的圖像。在某些應(yīng)用中，其可用于捕捉身體部位的多個(gè)圖像。在 某些應(yīng)用中，在圖像捕捉之間任何部分是否運(yùn)動(dòng)并不重要。然而，在其它應(yīng)用中，在圖像捕 捉之間身體部位保持固定可能是重要的。例如，在其中需要相同身體部位的不同方向的圖 像的應(yīng)用中，在圖像捕捉之間不存在身體部位的運(yùn)動(dòng)可能是重要的，否則，可能難以確定圖 像中的特征是身體部位的真實(shí)特征還是由于在圖像捕捉之間身體部位的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的偽 像(artefact)。例如，可以使用相同身體部位的多個(gè)X射線圖像來例示(instantiate)該身體部 位的統(tǒng)計(jì)學(xué)形狀模型。如果在X射線圖像捕捉之間存在身體部位的運(yùn)動(dòng)，則例示的模型可 能不夠準(zhǔn)確，因?yàn)槠湓噲D擬合到圖像數(shù)據(jù)組中的偽像而不是純圖像數(shù)據(jù)?？梢允褂镁哂幸阎獛缀谓Y(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)(Fiducial)，以便可以根據(jù)所捕捉的包括該基 準(zhǔn)的圖像來確定身體部位相對(duì)于基準(zhǔn)的位置。然而，在兩個(gè)投影圖像的獲取之間所經(jīng)過的 時(shí)間中，對(duì)象相對(duì)于用來將圖像配準(zhǔn)到一個(gè)坐標(biāo)系中的基準(zhǔn)可能運(yùn)動(dòng)。如果基準(zhǔn)未被剛性 地附著于感興趣的對(duì)象，則這可能在形成例如心臟的軟組織的圖像時(shí)或在形成類似腿或手 臂的四肢的圖像時(shí)發(fā)生。例如，在術(shù)前骨頭模型計(jì)算中，校準(zhǔn)對(duì)象有時(shí)未被剛性地附著于身 體部位(尤其是在肥胖病身體內(nèi)，或者對(duì)于骨盆、股骨、肱骨等而言)。在例如骨頭的剛性身體部位運(yùn)動(dòng)且圖像很少的情況下，運(yùn)動(dòng)偽像可能不能被輕易 地識(shí)別，且可能發(fā)生成像系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)的不正確重構(gòu)。美國專利申請(qǐng)公開號(hào)US 2005/0220264 A1描述了其中修正投影圖像以抵消任何 運(yùn)動(dòng)的技術(shù)。然而，圖像修正常常由于插值偽像而導(dǎo)致誤差。因此，能夠減少圖像數(shù)據(jù)中由于圖像捕捉之間的身體部位的運(yùn)動(dòng)而引起的偽像的 存在將是有利的。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于修正由于成像系統(tǒng)進(jìn)行的圖像捕捉之間 的身體部位的運(yùn)動(dòng)而引起的對(duì)象的身體部位的被捕捉圖像中的運(yùn)動(dòng)偽像的方法。提供第一 圖像數(shù)據(jù)組，其表示成像系統(tǒng)具有第一幾何結(jié)構(gòu)的情況下的身體部位的第一被捕捉圖像。 提供第二圖像數(shù)據(jù)組，其表示成像系統(tǒng)具有第二幾何結(jié)構(gòu)的情況下的相同身體部位的第二 被捕捉圖像。第二被捕捉圖像是從與第一被捕捉圖像不同的方向。使用第一圖像數(shù)據(jù)組來 識(shí)別第一被捕捉圖像中的至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置。將第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置投影到第 二被捕捉圖像中?？梢允褂脕碜缘谝粯?biāo)志的后投影信息。確定將相同解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置從 第二圖像數(shù)據(jù)組映射到第一解剖標(biāo)志的投影位置上所需的變換。這樣確定出的變換表示或 可以用來獲得在捕捉第二圖像時(shí)身體部位相對(duì)于成像系統(tǒng)的位置。因此，本發(fā)明是基于根據(jù)可在被捕捉圖像中檢測(cè)的身體部位的位置的變化來修正 成像幾何結(jié)構(gòu)的方法。這使圖像不變且因此不像在基于修正圖像本身的方法中可能發(fā)生的 那樣引入偽像。
將位置從第一圖像后投影到三維(3D)空間中得到沿著后投影射線的3D空間中的 一系列位置。將這些位置投影到第二圖像上得到第二圖像中的線。所述投影位置可以對(duì)應(yīng) 于第二圖像的線。最大和最小值可以定義該線的長(zhǎng)度。該方法還可以包括確定對(duì)于第一解剖標(biāo)志點(diǎn)而言的投影位置或線與第二圖像中 的相同解剖標(biāo)志的位置之間的間隔?？梢酝ㄟ^投影線與第二圖像中的相同標(biāo)志的位置之間 的垂直間隔來確定所述間隔。確定所述變換可以包括使所述間隔最小化。所述間隔可以表示為歸一化值且優(yōu)選 地被歸一化成一。
可以使用各種最小化算法，諸如單純形算法?？梢允褂枚鄠€(gè)不同的解剖標(biāo)志點(diǎn)。例如，可以使用用于給定身體部位的至少三個(gè) 不同的解剖標(biāo)志點(diǎn)。投影至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置可以包括將第一圖像中的第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位 置變換到成像系統(tǒng)的3D坐標(biāo)系中。投影所述位置還可以包括從成像系統(tǒng)的3D坐標(biāo)系變換 成第二圖像中的位置。優(yōu)選地，使用變換矩陣。確定所述變換可以包括應(yīng)用參數(shù)化變換。參數(shù)在最小化期間可以改變?？梢允褂?變換矩陣來應(yīng)用變換。可以將角旋轉(zhuǎn)和/或平移參數(shù)化。優(yōu)選地，可以將三個(gè)旋轉(zhuǎn)角和三次平移參數(shù)化。所述方法還可以包括使用成像系統(tǒng)的正交入射的被捕捉圖像中的位置來確定第 一和第二圖像中的解剖標(biāo)志的位置。所述方法可以應(yīng)用于由各種類型的成像系統(tǒng)捕捉的圖像。所述成像系統(tǒng)可以是X 射線成像系統(tǒng)，且優(yōu)選地是數(shù)字X射線成像系統(tǒng)。此類系統(tǒng)特別適合于對(duì)骨頭成像，在這種 情況下被成像的身體部位可以包括至少一根骨頭。優(yōu)選地，被成像的身體部位包括對(duì)象身體的至少一個(gè)關(guān)節(jié)的至少一部分或全部。 所述身體部位可以是膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、脊柱關(guān)節(jié)等等。所述方法還可以包括使用第一圖像數(shù)據(jù)組、第二圖像數(shù)據(jù)組和變換來例示統(tǒng)計(jì)學(xué) 形狀模型。所述方法還可以包括捕捉第一圖像和第二圖像。本發(fā)明的另一方面提供了可由數(shù)據(jù)處理設(shè)備執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法方面的計(jì) 算機(jī)程序代碼。本發(fā)明的另一方面是承載此類計(jì)算機(jī)程序代碼的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。本發(fā)明的另一方面提供了一種用于修正對(duì)象的身體部位的被捕捉圖像中的運(yùn)動(dòng) 偽像的圖像處理系統(tǒng)，所述運(yùn)動(dòng)偽像是由于在通過成像系統(tǒng)進(jìn)行的圖像捕捉之間身體部位 相對(duì)于成像系統(tǒng)的坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)而引起的。所述圖像處理系統(tǒng)可以至少包括存儲(chǔ)第一圖像 數(shù)據(jù)組和第二圖像數(shù)據(jù)組的第一存儲(chǔ)設(shè)備，所述第一圖像數(shù)據(jù)組表示成像系統(tǒng)具有第一幾 何結(jié)構(gòu)的情況下的身體部位的第一被捕捉圖像，且所述第二圖像數(shù)據(jù)組表示成像系統(tǒng)具有 第二幾何結(jié)構(gòu)的情況下的相同身體部位的第二被捕捉圖像，其中，第二被捕捉圖像是從與 第一被捕捉圖像不同的方向。還可以提供控制器，其被配置為或能夠根據(jù)第一圖像數(shù)據(jù)組 識(shí)別第一被捕捉圖像中的至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置，將所述至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置 投影到第二被捕捉圖像中以及確定將相同解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置從第二圖像數(shù)據(jù)組映射到第 一解剖標(biāo)志的投影位置上所需的變換。這樣確定出的變換表示或可以用來獲得在捕捉第二圖像時(shí)身體部位相對(duì)于成像系統(tǒng)的真實(shí)位置?，F(xiàn)在將僅僅以示例的方式并參照附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中

圖1示出舉例說明本發(fā)明的圖像修正方法的流程圖；圖2示出捕捉病人的身體部位的第一和第二圖像的X射線成像系統(tǒng)的示意性透視 圖；圖3示出從不同方向捕捉的相同身體部位的X射線圖像的圖形表示；圖4A示出捕捉兩個(gè)圖像期間的成像幾何結(jié)構(gòu)的圖形表示并舉例說明圖1的方法 的一部分；以及圖4B示出圖4B的X射線圖像的圖形表示。除非另外指明，不同圖中的類似項(xiàng)目共享共同的附圖標(biāo)記。一般而言，本發(fā)明的方法使用從不同角度拍攝的骨頭的投影圖像的特征。識(shí)別投 影圖像中的骨頭標(biāo)志。對(duì)于已知成像幾何結(jié)構(gòu)而言，將在一個(gè)投影圖像中識(shí)別的標(biāo)志的位 置轉(zhuǎn)換成在每個(gè)其它投影圖像中的軌跡。在這里，“成像幾何結(jié)構(gòu)”意思是投影圖像的源相 對(duì)于每個(gè)投影圖像的圖像板的相對(duì)位置。如果在第二和任何其它圖像中識(shí)別到相同的標(biāo)志，則所述方法確定該相同的標(biāo)志 是否位于通過成像幾何結(jié)構(gòu)將預(yù)測(cè)到的軌跡上。如果不是，則該成像幾何結(jié)構(gòu)被錯(cuò)誤估計(jì)。 這可能在包含基準(zhǔn)的校準(zhǔn)對(duì)象未被剛性地附著于感興趣的對(duì)象(例如骨頭)的情況下發(fā) 生?；蛘?，一般而言，這是因?yàn)樵趦纱潍@取之間骨頭相對(duì)于校準(zhǔn)對(duì)象而運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明對(duì)從不同角度拍攝的相同骨頭的兩個(gè)或更多圖像之間的空間關(guān)系感興趣。 如果骨頭相對(duì)于校準(zhǔn)對(duì)象運(yùn)動(dòng)，則應(yīng)將描述此運(yùn)動(dòng)的變換引入到成像幾何結(jié)構(gòu)中。變換的 參數(shù)可以改變，直至發(fā)現(xiàn)正確的變換為止(即導(dǎo)致盡可能地接近根據(jù)第一圖像的標(biāo)志計(jì)算 出的軌跡的第二圖像的標(biāo)志的變換)。因此，正確的變換是針對(duì)骨頭肯定如何運(yùn)動(dòng)了，以便 兩個(gè)圖像是從不同方向捕捉的相同骨頭的圖像。因此，該變換可以在需要可在共同參考系 中獲得兩個(gè)圖像的其它應(yīng)用中使用，例如用于例示統(tǒng)計(jì)學(xué)形狀模型。本發(fā)明的方法與攝影測(cè)量方法的不同之處在于投影圖像顯示的不是表面上的點(diǎn)， 而是通過所述結(jié)構(gòu)的投影。因此，其留下在圖像之間具有三維空間中的清晰對(duì)應(yīng)的較少的 結(jié)構(gòu)。所述方法也不同于使用傅立葉變換法的調(diào)準(zhǔn)程序。這些方法依賴于成像幾何結(jié)構(gòu) 在圖像之間是類似的(例如正交投影幾何結(jié)構(gòu))這一假設(shè)。然而，錐束投影的中心射束將 不一定是圖像的一部分。已經(jīng)在高層次描述了本發(fā)明的方法，現(xiàn)在將參照附圖來提供更詳細(xì)的說明。圖1示出舉例說明本發(fā)明的圖像修正方法100的流程圖。在手術(shù)操作前，緊挨在 手術(shù)之前或者在手術(shù)前的一段時(shí)間，通過成像系統(tǒng)從不同的方向捕捉病人的身體部位的至 少兩個(gè)圖像102。通過從不同方向捕捉相同身體部位的至少兩個(gè)圖像，可以獲得關(guān)于該身體 部位的三維結(jié)構(gòu)信息。圖2示出舉例說明用來執(zhí)行圖像捕捉步驟102的系統(tǒng)200的示意圖。采取數(shù)字X 射線成像系統(tǒng)202的形式的成像系統(tǒng)202包括附著在C形臂206的第一末端處的X射線源 204和C形臂的第二末端處的數(shù)字X射線圖像檢測(cè)器208。在其它實(shí)施例中，可以使用模擬 X射線系統(tǒng)，然后將來自X射線底片的圖像數(shù)字化以進(jìn)行處理。C形臂被安裝在殼體210上，所述殼體210包含用于控制圖像捕捉并如雙頭箭頭212所示繞著圓圈移動(dòng)C形臂的各種電
子裝置。病人214躺在支撐表面216上，其被布置成使得X射線束通過被成像的病人的部 位，在所示示例中，為病人的膝關(guān)節(jié)。X射線校準(zhǔn)模擬物218也被設(shè)置在支撐表面上與病人 的膝蓋鄰近，以便校準(zhǔn)模擬物也出現(xiàn)在所捕捉的圖像中。X射線校準(zhǔn)模擬物在本領(lǐng)域中一般 是已知的且包括若干具有已知的空間排列(就它們的相對(duì)位置和間隔而言)的X射線不透 明基準(zhǔn)標(biāo)記?？梢砸员绢I(lǐng)域中一般理解的方式基于所述基準(zhǔn)在所捕捉的圖像上的出現(xiàn)使用 幾何學(xué)來確定捕捉包括模擬物的基準(zhǔn)的圖像的X射線源的位置。如圖2所示，在第一位置上用X射線源204和X射線檢測(cè)器208來捕捉第一 X射 線圖像，并隨后在第二位置(如圖2中的虛線所示)上用X射線源204'和X射線檢測(cè)器 208'來捕捉至少第二 X射線圖像。從骨頭的至少兩個(gè)不同方向捕捉圖像，但是可以通過從 多于兩個(gè)的不同方向捕捉圖像來改善該方法的準(zhǔn)確度和可靠性。用于成像系統(tǒng)的任意坐標(biāo) 系220在圖2中示出。如所示，C形臂繞著Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)且一般在x-y平面中捕捉二維X射線 圖像。圖3舉例說明被投影到x-y平面302中的由成像系統(tǒng)捕捉的病人的股骨頭的兩個(gè) 射線照片300。第一射線照片304是在第一位置上用X射線源來捕捉的，并且第二射線照 片306是在第二位置上用X射線源來捕捉的。所述第一射線照片包括病人的股骨頭的第一 投影圖像308和校準(zhǔn)模擬物218的基準(zhǔn)310。所述第二射線照片包括病人的股骨頭的第二 投影圖像312和校準(zhǔn)模擬物218的基準(zhǔn)314。點(diǎn)318標(biāo)記x-y平面中的這樣的點(diǎn)在該點(diǎn) 處，X射線束在用于第一圖像的成像平面上具有正交入射，且點(diǎn)318具有坐標(biāo)Ucil，ytll)。點(diǎn) 320標(biāo)記x-y平面中的這樣點(diǎn)，在該點(diǎn)處，X射線束在用于第二圖像的成像平面上具有正交 入射，且點(diǎn)320具有坐標(biāo)(Xtl2，yj，并且可能實(shí)際上不落在被捕捉圖像中，如圖3所示。圖 3中還示出第一圖像304中的第一和第二解剖標(biāo)志點(diǎn)322和324的位置(例如股骨頭的中 心和大轉(zhuǎn)子的尖端)和第二圖像306中的相同的兩個(gè)解剖標(biāo)志點(diǎn)326、328的位置。圖3舉例說明其中在第一和第二圖像的捕捉之間不存在病人的身體部位的運(yùn)動(dòng) 的情況。圖像平面在X射線源繞著y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)不旋轉(zhuǎn)。相反，圖像平面僅僅在x-y平面中 平移。從圖像中的基準(zhǔn)310、314的位置和正交入射點(diǎn)318、320的位置，可以針對(duì)每個(gè)圖像 后投影到3-D坐標(biāo)系中以確定X射線源肯定處于以便產(chǎn)生存在于被捕捉圖像中的基準(zhǔn)的圖 像的位置。如果在圖像之間在基準(zhǔn)系200中不存在骨頭的運(yùn)動(dòng)，則骨頭的圖像中的任何差 異必定僅僅是由于成像幾何結(jié)構(gòu)和骨頭的實(shí)際形狀的差異而引起的。因此，由于可以根據(jù) 基準(zhǔn)來確定不同的成像幾何結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)使用這兩個(gè)圖像來例示骨頭的3-D統(tǒng)計(jì)學(xué)形狀 模型以用于骨頭的3-D形狀的準(zhǔn)確重構(gòu)。如圖3所示，圖像304中的骨頭圖像308的位置和圖像306中的骨頭圖像312的 位置一般是相同的。亦即，在圖像捕捉之間不存在骨頭圖像的位置的移位。這意味著骨頭 的某些運(yùn)動(dòng)未發(fā)生。然而，如果在圖像捕捉之間骨頭僅僅沿著χ方向發(fā)生了平移，則將由于 C形臂繞y軸的旋轉(zhuǎn)而不能將圖像內(nèi)的骨頭的該運(yùn)動(dòng)與圖像本身的運(yùn)動(dòng)區(qū)別開，這一般引 起成像平面沿χ方向的平移。圖4A示出z-x平面中的成像幾何結(jié)構(gòu)400的圖形表示，而圖4B示出y-χ平面中 的相應(yīng)的所捕捉的第一和第二投影圖像402，其類似于圖3的那些，但省略了圖像中的基準(zhǔn)點(diǎn)和正交入射的位置。第一圖像404是在第一位置410上用X射線源捕捉的，并且第二圖 像406是在第二位置408上用X射線源捕捉的。圖像404包括病人412的股骨的圖像，且 包括兩個(gè)解剖標(biāo)志、股骨頭414的中心和大轉(zhuǎn)子416的中心。在步驟104處，識(shí)別捕捉的骨 頭圖像中的多個(gè)解剖標(biāo)志的位置，例如點(diǎn)414和416。在以下公式中，矢量包括引導(dǎo)單位元素以便有利于對(duì)用于組合的旋轉(zhuǎn)和平移的矩 陣變換的符號(hào)表示，即使用齊次坐標(biāo)法。圖像1上的第i個(gè)標(biāo)志的位置是 <formula>formula see original document page 8</formula>且圖像2上的第i個(gè)標(biāo)志的位置是
<formula>formula see original document page 8</formula>
如線418所示，在步驟104處，圖像中的標(biāo)志點(diǎn)416被后投影到3D空間中至X射 線源的位置410。如上所述，可以根據(jù)圖像406中的基準(zhǔn)點(diǎn)的圖像來確定X射線源的位置 408。實(shí)際上，使用以下矩陣將第一圖像中的點(diǎn)416變換到公共3D坐標(biāo)系中
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中λ e
并且對(duì)射線418上的從圖像中的點(diǎn)到χ射線源位置的位置進(jìn)行編碼。χ射線源410 被視為位于ζ軸上的點(diǎn)ζ = 0處。ζ軸上的圖像平面404的位置表示為Ztl，且Z1和Z2是包 圍感興趣的圖像容量的高度，如圖4A所示，其中Ztl > Z1 >z2。在步驟106處，通過將λ設(shè) 置為0和1來定義沿著線418的3D空間中的最大位置420和最小位置422。然后，在步驟110處，3D空間中的最大位置420和最小位置422被投影到第二圖像 406中且對(duì)應(yīng)于最大和最小位置的第二圖像中的點(diǎn)424、426定義第二圖像中的線428。實(shí) 際上，可以使用以下矩陣將最大和最小位置420、422投影到第二圖像中
<formula>formula see original document page 9</formula>在第二圖像406中，點(diǎn)430和432對(duì)應(yīng)于相同的解剖標(biāo)志414、416。在步驟112 處，確定投影線428與標(biāo)志之間的正交距離434。將正交線434的長(zhǎng)度歸一化成長(zhǎng)度1以 便代入以下公式。這樣，歸一化線與從標(biāo)志指向投影線上的任意點(diǎn)的矢量的標(biāo)積生成正交 距離。歸一化正交線在以下公式中被稱為“ortholine”。如返回線路114所示，在步驟104 處一般對(duì)在圖像中識(shí)別的全部η個(gè)解剖標(biāo)志執(zhí)行以上過程。然后，在步驟116處，找到第一曝光和第二曝光的骨頭標(biāo)志的3-D位置之間的變換 T3D1 3D2，其使第二圖像中的全部η個(gè)標(biāo)志點(diǎn)與相應(yīng)投影線之間的正交線的長(zhǎng)度(例如線428 與標(biāo)志430之間的正交線434的長(zhǎng)度)最小化，即
<formula>formula see original document page 9</formula>其中，ρ包含可以變化的變換參數(shù)ρ = (dx，dy，dz, α , β , Y)(例如旋轉(zhuǎn)角和平 移)。可以將該變換參數(shù)化為
<formula>formula see original document page 9</formula>其中，d是位移矢量，且R是旋轉(zhuǎn)矩陣，其中α、β、Υ是繞X、y和ζ軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)
角
<formula>formula see original document page 9</formula>用于最小化的算法可以是用于最小化的標(biāo)準(zhǔn)算法，諸如單純形算法。因此，可以在 步驟118處確定用于最小化的結(jié)果得到的變換參數(shù)且該結(jié)果得到的變換參數(shù)指定將成像 的身體部位的位置從第一曝光映射到第二曝光的變換。因此，可以從捕捉的圖像數(shù)據(jù)中去 除病人身體相關(guān)的運(yùn)動(dòng)偽像，以便圖像數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確地僅僅表示身體部位的形狀。變換參數(shù) 允許確定捕捉第二圖像時(shí)的X射線源相對(duì)于骨頭的真實(shí)位置。例如，在圖4B中，第二圖像406中的骨頭圖像的向下移位可能是在圖像捕捉之間病人在y方向上沿病人支撐體的運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。使用變換參數(shù)，該病人運(yùn)動(dòng)偽像可以被有效地包括在成像幾何結(jié)構(gòu)的重構(gòu)中，因此骨頭圖像之間的顯著差異將主要反映獲取之間的成 像幾何結(jié)構(gòu)的差異。本發(fā)明實(shí)際上不改變圖像本身，而是改變成像幾何結(jié)構(gòu)重構(gòu)。通常，存在可能的病人身體部位的三次旋轉(zhuǎn)和三次平移。假設(shè)在第二投影圖像之 前χ射線系統(tǒng)繞著y軸旋轉(zhuǎn)，不能輕易地識(shí)別沿χ方向的平移，因?yàn)槠浔挥捎诤笸队吧渚€上 的標(biāo)志的未知位置引起的類似效果掩蓋。沿y方向的平移將使所有標(biāo)志在第二圖像中向上 或向下移位。沿ζ方向的平移將增加或減小標(biāo)志之間的間距。繞y軸的旋轉(zhuǎn)難以檢測(cè)，因 為所有標(biāo)志將停留在相同的線上。繞χ軸的旋轉(zhuǎn)具有與沿ζ軸的平移類似的效果，但在實(shí) 際上，沿ζ軸的平移對(duì)于病人而言是非常難以進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)且因此不大可能發(fā)生。繞ζ軸的 旋轉(zhuǎn)將根據(jù)標(biāo)志的位置而導(dǎo)致在第二圖像中的不同大小的標(biāo)志位置變化。如果標(biāo)志的χ坐 標(biāo)接近于旋轉(zhuǎn)軸，則在第二圖像中將不會(huì)看到太大移動(dòng)。如果標(biāo)志的χ坐標(biāo)遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸，則 在第二圖像中將看到較大的移動(dòng)量。因此，將不會(huì)檢測(cè)到在與受到χ射線源旋轉(zhuǎn)的影響的平面相同的平面中發(fā)生的位 移或旋轉(zhuǎn)。例如，如果χ射線源繞y軸旋轉(zhuǎn)，如圖1所示，則沿χ軸的骨頭位移將難以檢測(cè)。 同樣地，繞y軸的骨頭旋轉(zhuǎn)將難以檢測(cè)。這是因?yàn)榭梢杂眠@些參數(shù)來描述的位移將導(dǎo)致第 二圖像中的標(biāo)志沿著第一圖像中的標(biāo)志的投影線的位移，沒有垂直于該線的該位移的分 量。沿ζ軸的位移將難以與繞χ軸的旋轉(zhuǎn)區(qū)別開，但是對(duì)于將被成像的給定骨結(jié)構(gòu)而言，將 只可能發(fā)生它們之中的一個(gè)。用這種方法，可以修正y軸上的任何位移或繞χ或ζ軸的旋 轉(zhuǎn)。在上述本發(fā)明的示例性應(yīng)用中，對(duì)來自兩個(gè)不同角度的兩個(gè)X射線的記錄應(yīng)用修 正以便創(chuàng)建股骨骨頭近段的模型。使X射線源繞著身體主軸旋轉(zhuǎn)以用于第二曝光。對(duì)于 這種情況，不能被修正的參數(shù)是骨頭的橫向運(yùn)動(dòng)、骨頭的垂直運(yùn)動(dòng)和骨頭的向內(nèi)/向外旋 轉(zhuǎn)。前兩種不可能發(fā)生，因?yàn)樵赬射線獲取期間骨盆將牢固地在工作臺(tái)上靜止?？梢酝ㄟ^ 在獲取X射線(其遵循標(biāo)準(zhǔn)程序)之前向內(nèi)旋轉(zhuǎn)并且在該旋轉(zhuǎn)過程中例如在腳處將腿固定 來防止骨頭的向內(nèi)/向外旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，腿的彎曲或外展是最可能的運(yùn)動(dòng)偽像，這兩 者均可以使用所述方法來修正。成功的修正所需的標(biāo)志的數(shù)目取決于應(yīng)用。用于針對(duì)上述三個(gè)自由度進(jìn)行修正的 最小數(shù)目是三個(gè)標(biāo)志。在股骨近端的示例中，這些標(biāo)志可以是(I)股骨頭的中心；(ii)大 轉(zhuǎn)子的尖端的中段；以及(iii)小轉(zhuǎn)子的最近端部分。如果將使用X射線圖像來例示統(tǒng)計(jì)學(xué)形狀模型，則在步驟118處獲得變換參數(shù)。將 第一X射線圖像與來自統(tǒng)計(jì)學(xué)形狀模型的數(shù)字重構(gòu)射線照片相比較。為了根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)形狀 模型產(chǎn)生第二數(shù)字重構(gòu)射線照片，在投影期間應(yīng)用與在第二圖像的原始X射線捕捉中相同 的運(yùn)動(dòng)偽像來重構(gòu)實(shí)際成像幾何結(jié)構(gòu)。本發(fā)明不限于與統(tǒng)計(jì)學(xué)形狀模型一起使用，且還可以在放射立體照相測(cè)量分析 (RSA)型方法中用來修正運(yùn)動(dòng)偽像。不需要在病人在支撐體上的情況下捕捉X射線圖像。例如，可以在病人跪下或站 立的情況下捕捉X射線圖像。此外，可以捕捉可以通過X射線或其它成像模式來成像的解 剖體的任何部分的X射線圖像，但是其特別適合于骨頭和關(guān)節(jié)。如果識(shí)別到更多的標(biāo)志，則可以提高所述方法的準(zhǔn)確度。還可以通過使用自動(dòng)化圖像處理過程來識(shí)別標(biāo)志從而提高準(zhǔn)確度。然而，重要的是將相同標(biāo)志投影在兩個(gè)投影圖像上。例如，這不一定是針對(duì)骨頭輪廓的情況。根據(jù)從那里形成骨頭的圖像，骨頭表面的不 同部分可能在投影圖像中突出。在另一實(shí)施例中，可以使用小植入顆粒，其在投影圖像中顯示為骨性標(biāo)志?？梢允?用評(píng)估圖像的軟件來自動(dòng)地識(shí)別這些顆粒?？梢栽诳稍L問表示X射線系統(tǒng)所捕捉的數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)組的圖像處理系統(tǒng)中體 現(xiàn)本發(fā)明的方法。可以將圖像處理系統(tǒng)提供為X射線成像系統(tǒng)的一部分或作為獨(dú)立的系統(tǒng) 或作為另一系統(tǒng)的一部分，諸如計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)的一部分。例如，可以將圖像處理系統(tǒng) 提供為計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)的建模系統(tǒng)的一部分且可以將通過該方法生成的圖像數(shù)據(jù)和 變換數(shù)據(jù)提供給統(tǒng)計(jì)學(xué)形狀建模方法以基于X射線圖像和捕捉圖像時(shí)骨頭相對(duì)于成像系 統(tǒng)的真實(shí)位置生成更準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)學(xué)形狀模型。圖像處理系統(tǒng)可以完全在硬件中實(shí)現(xiàn)，或者 作為硬件和軟件的組合而實(shí)現(xiàn)。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的以上說明中，已對(duì)諸如圖像中的線的各種圖像特征進(jìn)行了 參考。然而，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，不需要產(chǎn)生并顯示此類圖像特征。相反，本發(fā)明要起作用所需的僅 僅是例如以數(shù)學(xué)方式用數(shù)據(jù)來表示此類特征，因此應(yīng)相應(yīng)地理解說明書和權(quán)利要求中的指 代此類特征的術(shù)語。
權(quán)利要求
一種用于修正對(duì)象的身體部位的被捕捉投影圖像中的運(yùn)動(dòng)偽像的方法，該運(yùn)動(dòng)偽像是由于在由成像系統(tǒng)進(jìn)行的圖像捕捉之間身體部位相對(duì)于成像系統(tǒng)的坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)而引起的，所述方法包括獲得第一圖像數(shù)據(jù)組，所述第一圖像數(shù)據(jù)組表示在所述成像系統(tǒng)在所述坐標(biāo)系中具有第一幾何結(jié)構(gòu)的情況下的身體部位的第一被捕捉圖像；獲得第二圖像數(shù)據(jù)組，所述第二圖像數(shù)據(jù)組表示在所述成像系統(tǒng)在所述坐標(biāo)系中具有第二幾何結(jié)構(gòu)的情況下的相同身體部位的第二被捕捉圖像，并且其中，第二被捕捉圖像是從與第一被捕捉圖像不同的方向；根據(jù)第一圖像數(shù)據(jù)組識(shí)別第一被捕捉圖像中的至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置；將所述至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置投影到所述第二被捕捉圖像中；以及確定將相同解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置從第二圖像數(shù)據(jù)組映射到所述至少第一解剖標(biāo)志的投影位置上所需的變換，其中，使用這樣確定的變換來獲得在捕捉第二圖像時(shí)所述身體部位相對(duì)于成像系統(tǒng)的真實(shí)位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，且還包括確定所述至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的投影位置與第二圖像中的相同解剖標(biāo)志的位置之間 的間隔，并且其中，確定所述變換包括使所述間隔最小化。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，使用多個(gè)解剖標(biāo)志點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，投影所述至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置包括將第一 圖像中的第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置轉(zhuǎn)換到成像系統(tǒng)的3D坐標(biāo)系中并隨后從成像系統(tǒng)的3D坐 標(biāo)系轉(zhuǎn)換成第二圖像中的位置。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，確定變換包括應(yīng)用參數(shù)化變換且所述參數(shù)在最小 化期間改變。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，三個(gè)旋轉(zhuǎn)角和三次平移被參數(shù)化。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，且還包括使用成像系統(tǒng)的正交入射的被捕捉圖像中的位 置來確定第一和第二圖像中的解剖標(biāo)志的位置。
8.如任一前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述成像系統(tǒng)是X射線成像系統(tǒng)。
9.如任一前述任一權(quán)利要求所述的方法，且還包括使用第一圖像數(shù)據(jù)組、第二圖像數(shù)據(jù)組和所述變換來例示所述身體部位的統(tǒng)計(jì)學(xué)形狀 模型。
10.一種可由數(shù)據(jù)處理設(shè)備執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至9中任何一項(xiàng)所述的方法的計(jì)算 機(jī)程序代碼。
11.一種承載如權(quán)利要求10所述的計(jì)算機(jī)程序代碼的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
12.一種用于修正對(duì)象的身體部位的被捕捉投影圖像中的運(yùn)動(dòng)偽像的圖像處理系統(tǒng)， 該運(yùn)動(dòng)偽像是由于在由成像系統(tǒng)進(jìn)行的圖像捕捉之間身體部位相對(duì)于成像系統(tǒng)的坐標(biāo)系 的運(yùn)動(dòng)而引起的，該圖像處理系統(tǒng)包括至少第一存儲(chǔ)設(shè)備，其存儲(chǔ)第一圖像數(shù)據(jù)組和第二圖像數(shù)據(jù)組，所述第一圖像數(shù)據(jù)組 表示在成像系統(tǒng)在所述坐標(biāo)系中具有第一幾何結(jié)構(gòu)時(shí)所述身體部位的第一被捕捉圖像，且 所述第二圖像數(shù)據(jù)組表示在成像系統(tǒng)在所述坐標(biāo)系中具有第二幾何結(jié)構(gòu)時(shí)相同身體部位 的第二被捕捉圖像，其中，第二被捕捉圖像是從與第一被捕捉圖像不同的方向；以及控制器，其能夠根據(jù)第一圖像數(shù)據(jù)組識(shí)別第一被捕捉圖像中的至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置； 將所述至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置投影到所述第二被捕捉圖像中；以及 確定將相同解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置從第二圖像數(shù)據(jù)組映射到所述至少第一解剖標(biāo)志的投 影位置上所需的變換，其中，使用這樣確定的變換來獲得在捕捉第二圖像時(shí)所述身體部位 相對(duì)于成像系統(tǒng)的真實(shí)位置。
全文摘要
描述了一種用于修正身體部位的被捕捉投影圖像中的運(yùn)動(dòng)偽像的方法和圖像處理系統(tǒng)，該運(yùn)動(dòng)偽像是由于在圖像捕捉之間身體部位相對(duì)于成像系統(tǒng)的坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)而引起的。獲得第一圖像數(shù)據(jù)組，其表示在成像系統(tǒng)具有第一幾何結(jié)構(gòu)的情況下的身體部位的第一被捕捉圖像。獲得第二圖像數(shù)據(jù)組，其表示在成像系統(tǒng)具有第二幾何結(jié)構(gòu)的情況下的相同身體部位的第二被捕捉圖像，并且其中，第二被捕捉圖像是從與第一被捕捉圖像不同的方向。根據(jù)第一圖像數(shù)據(jù)組在第一被捕捉圖像中識(shí)別至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置。該至少第一解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置被投影到第二被捕捉圖像中。確定將相同解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置從第二圖像數(shù)據(jù)組映射到所述至少第一解剖標(biāo)志的投影位置上所需的變換。這樣確定的變換表示在捕捉第二圖像時(shí)身體部位相對(duì)于成像系統(tǒng)的真實(shí)位置。
文檔編號(hào)G06T7/20GK101809620SQ200880109688
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月1日
發(fā)明者H·博恩弗勒特 申請(qǐng)人:德普伊矯形外科有限責(zé)任公司