[发明专利]用于X射线校准的X射线环形标记

说明书

本公开的各种实施例包括一种C型臂配准系统，其采用控制器(70)来将C型臂(60)配准到X射线环形标记(20)。X射线环形标记(20)包括在环状基座(30)上的啁啾环(40)和中心环(50)的同轴结构。在操作中，控制器(70)：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(60)进行的基线X射线投影内的X射线环形标记(20)；根据基线X射线图像内的中心环(50)的图示来导出基线X射线投影内的X射线环形标记(20)的基线位置参数；并且根据基线位置参数和基线X射线图像内的啁啾环(40)的图示来导出基线X射线投影内的X射线环形标记(20)的基线扭曲参数。

技术领域

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

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)。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。