專利名稱：移動式C-arm三維影像系統(tǒng)及其成像方法
技術領域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療中的X線影像系統(tǒng)及對應的成像方法。
背景技術：
計算機輔助手術治療已被廣泛地應用在醫(yī)學上，臨床手術中也急需三維空 間的立體定位。如骨科手術中的膝關節(jié)置換術、髖關節(jié)置換術及脊椎固定穿刺 等等，這都需要借助計算機影像的輔助，實現(xiàn)治療的規(guī)劃與導引，并以此提高 手術質(zhì)量，同時降低手術的危險性。
眾所周知，計算機斷層掃描CT，能夠幫助醫(yī)師進行手術前的常規(guī)病變診斷， 以及為臨床治療方案的制定，提供非常重要的三維影像成像手段；而移動式手 術用C-arm (C臂)影像系統(tǒng)，則是為醫(yī)師在手術進行中，提供重要的二維介入 與引導影像成像。
但在復雜的手術過程中，醫(yī)師經(jīng)常會用到復合的2D/3D成像，也會經(jīng)常依 賴于非常重要的三維影像手段，并以此技術手段，來確保復雜手術的成功率。
現(xiàn)有技術的問題是，常規(guī)CT的龐大身軀和O型斷層結構，使其不能進入 手術室，而現(xiàn)有移動式C-arm影像系統(tǒng)又只能提供二維的影像成像。因此，在 臨床手術治療中，現(xiàn)實急需能同時具有2D/3D成像功能，又能保留移動式C-arm 系統(tǒng)的操作方便、設計緊湊特點的新型的移動式C-arm三維影像系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種移動式C-arm三維影像系統(tǒng)及其成像方法，對現(xiàn)有的C-arm 影像系統(tǒng)的構造進行改進，并提供對應的方法，從而以二維影像來重建出三維 立體模型影像。
上述目的由以下技術方案實現(xiàn)
一種移動式C-arm三維影像系統(tǒng)，包括C-arm主機、控制機柜、連接臂、C 臂、X線發(fā)生器、X線探測器、影像處理器、顯示器及控制面板，其特征在于還包括激光定位裝置及附加標記，激光定位裝置的設置使其產(chǎn)生的激光與x線 束中心線重合，附加標記設置在x線束區(qū)域內(nèi)。
一種基于上述移動式C-arm三維影像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于，包括 如下步驟
(1) 通過旋轉(zhuǎn)、平動連接臂或旋轉(zhuǎn)C臂，對待拍部位進行全景的X線攝 影；其中，利用激光定位裝置量測，并計算X線源的旋轉(zhuǎn)方位，配合影像采集 取卡，獲取各方向的X線源投影圖象；
(2) 利用影像處理器進行影像前處理，具體指利用雙線性內(nèi)插方式，將 附加標記的灰階值以鄰近點灰階值取代；
(3) 利用影像處理器進行三維影像重建，具體指使用FDK算法，配合 一般平行投影方式，回推原物體的各個像素灰階值，完成牙齒的影像重建，進 行牙齒的三維表面模型繪制。
本發(fā)明提供的移動式C-arm三維影像系統(tǒng)以常規(guī)骨科手術C-arm系統(tǒng)為主， 再整合光學激光定位裝置，然后進行最佳的C-arm束影像三維重建，最終實現(xiàn) 臨床急需的，高質(zhì)量移動式術中三維成像C-arm介入與引導影像系統(tǒng)新設備。 它的使用成本較常規(guī)的CT掃描影像低，而又能發(fā)揮C-arm的高機動性能，這對 提高復雜手術的成功率，避免病人排隊CT掃描所需的等待時間，以及降低醫(yī)療 保健費用，都能起到極積和現(xiàn)實的作用。


圖1為本發(fā)明提供的移動式C-arm三維影像系統(tǒng)的組成示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本實施例提供的移動式C-arm三維影像系統(tǒng)包括C-arm主機1、 控制機柜2、連接臂3、 C臂4、 X線發(fā)生器5、 X線探測器6、激光定位裝置、 附加標記、影像處理器8、顯示器11及控制面板12。其中，連接臂3可以沿X 軸(參見圖l中的坐標標示)伸縮，并可繞Z軸旋動，C臂4與連接臂3配合， C臂4可以在XZ平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，由此使得X線發(fā)生器5、 X線探測器6可以以不同位置及角度進行拍照。激光定位裝置的設置要求是使其產(chǎn)生的激光與X線束 中心線重合，本實施例中激光定位裝置包括激光源71及反射機構72，激光源 71設置在C臂4上，反射機構72設置在X線發(fā)生器5，激光源41發(fā)出的激光 經(jīng)發(fā)射機構42反射后保持與X線束中心線重合。影像處理器8與X線探測器 可數(shù)據(jù)通訊地連接，顯示器11及控制面板12與影像處理器8可數(shù)據(jù)通訊地連 接。所述附加標記設置在X線束區(qū)域內(nèi)。
激光定位裝置發(fā)射的激光作為X線束中心線的標度，通過激光的量測，就 能確定X線源相對旋轉(zhuǎn)的角度，使得所拍攝的每一二維影像具有一一對應的角 度；通過設置附加標記，確定一標準物理尺寸，各圖片可依據(jù)該附加標記放大 或縮小至統(tǒng)一尺寸。實現(xiàn)以上兩點，便具備了合成三維影像的前提條件。
基于圖1所示系統(tǒng)，本實施例還提供一種基于上述移動式C-arm三維影像 系統(tǒng)的成像方法，其特征在于，包括如下步驟
(1) 通過旋轉(zhuǎn)、平動連接臂或旋轉(zhuǎn)C臂，對待拍部位進行全景的X線攝 影；其中，利用激光定位裝置量測，并計算X線源的旋轉(zhuǎn)方位，配合影像采集 取卡，獲取各方向的X線源投影圖象；
(2) 利用影像處理器進行影像前處理，具體指利用雙線性內(nèi)插方式，將 附加標記的灰階值以鄰近點灰階值取代；
關于步驟(2)，要說明的是Oldendorf (人名)于1961年發(fā)明了反投影法， 之后Saniner (人名)以線形內(nèi)插的方式來改良反投影法，這樣可以減少50%的 乘法計算量，但會小幅增加加法計算量，而Salvatore (人名)則直接以傅立葉 轉(zhuǎn)換的方式來計算雷登轉(zhuǎn)換，并內(nèi)插出傅立葉空間中的數(shù)值，并計算出各個二 維切面上的灰階值，最后經(jīng)過堆棧而得到整個三維空間的灰階值信息。由上可 知，步驟(2)通過現(xiàn)有技術是可以實現(xiàn)的。
(3) 利用影像處理器進行三維影像重建，具體指使用FDK算法，配合 一般平行投影方式，回推原物體的各個像素灰階值，完成牙齒的影像重建，進 行牙齒的三維表面模型繪制。
其中，F(xiàn)DK算法是在1984年由Feldkamp等人提出的針對錐形束投影的算 法(以Feldkamp， Davis, Kress等人所命名)，本算法原本由Horm (人名)的扇形投影算法推廣而來，之后根據(jù)扇形投影重建，Zavis， Wang與Concepcion (人 名)都提出了對扇形投影的修正，且轉(zhuǎn)換成可供利用的平行投影數(shù)據(jù)。如此， 便可以表示出整個錐形束投影的幾何關系。
對于一般旋轉(zhuǎn)式C臂來說，因受其機構的幾何限制，收集到完整的數(shù)據(jù)并 不容易，因此需限制其取像范圍， 一般以半圓周以上的掃描范圍為主，用FDK 算法需先定義出X線發(fā)射源的旋轉(zhuǎn)中心位置，但常規(guī)C臂在旋轉(zhuǎn)過程中并非繞 同一軸線旋轉(zhuǎn)，且大部分C臂系統(tǒng)仍需采用手動旋轉(zhuǎn)來調(diào)整照射角度。因此， 必須先找出C臂系統(tǒng)的最佳旋轉(zhuǎn)球心位置，再配合空間定位以決定每個照射角 度。
本發(fā)明區(qū)別常規(guī)C臂的設計是，設計有合成的C臂為第一旋轉(zhuǎn)軸的非固定 旋轉(zhuǎn)中心和以Z軸為第二旋轉(zhuǎn)軸的固定旋轉(zhuǎn)中心結構。兩個旋轉(zhuǎn)中心均可滿足 FDK定理的要求，完成投影數(shù)據(jù)的采樣和反投影三維重建。
固定旋轉(zhuǎn)中心設計是有自動繞Z軸旋轉(zhuǎn)的固定旋轉(zhuǎn)中心，并可控制其自動 旋轉(zhuǎn)的固定角度。完全滿足了 FDK算法需要先定義出X線發(fā)射源的旋轉(zhuǎn)中心位 置的要求。
非固定旋轉(zhuǎn)中心的設計是裝置首先以光學定位，進行C臂旋轉(zhuǎn)軌跡的偵 測，以光學定位量測并記錄200組C臂上的參考框架所在位置，再以這些數(shù)據(jù) 作為球心的最小平方計算，以求出最佳旋轉(zhuǎn)中心，并配合校正器上的附加標記 求出當時各角度的X光發(fā)射源位置，則可計算出發(fā)射源、影像探測器與旋轉(zhuǎn)中 心間的距離關系。
本發(fā)明提供的移動式C-arm三維影像系統(tǒng)開啟了外科影像設備的新前景。 它以常規(guī)骨科手術C-arm系統(tǒng)為主，再整合光學激光定位裝置，然后進行最佳 的C-arm束影像三維重建，最終實現(xiàn)臨床急需的，高質(zhì)量移動式術中三維成像 C-arm介入與引導影像系統(tǒng)新設備。它的使用成本較常規(guī)的CT掃描影像低，而 又能發(fā)揮C-arm的高機動性能，這對提高復雜手術的成功率，避免病人排隊CT 掃描所需的等待時間，以及降低醫(yī)療保健費用，都能起到極積和現(xiàn)實的作用。
權利要求
1. 一種移動式C-arm三維影像系統(tǒng)，包括C-arm主機、控制機柜、連接臂、C臂、x線發(fā)生器、X線探測器、影像處理器、顯示器及控制面板；其特征在于還包括激光定位裝置及附加標記，激光定位裝置的設置使其產(chǎn)生的激光與X線束中心線重合，附加標記設置在X線束區(qū)域內(nèi)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的牙科X線三維影像系統(tǒng)，其特征在于，所述激光定位 裝置包括激光源及反射機構，激光源發(fā)出的激光經(jīng)發(fā)射機構反射后保持與X線 束中心線重合。
3. 根據(jù)權利要求1所述的牙科X線三維影像系統(tǒng)，其特征在于，所述激光源設 置在C臂上，所述反射機構設置在X線發(fā)生器上。
4. 一種基于權利要求l所述移動式C-arm三維影像系統(tǒng)的成像方法，其特征在 于，包括如下步驟(1) 通過旋轉(zhuǎn)、平動連接臂或旋轉(zhuǎn)C臂，對待拍部位進行全景的X線攝 影；其中，利用激光定位裝置量測，并計算X線源的旋轉(zhuǎn)方位，配合影像采集 取卡，獲取各方向的X線源投影圖象；(2) 利用影像處理器進行影像前處理，具體指利用雙線性內(nèi)插方式，將 附加標記的灰階值以鄰近點灰階值取代；(3) 利用影像處理器進行三維影像重建，具體指使用FDK算法，配合 一般平行投影方式，回推原物體的各個像素灰階值，完成牙齒的影像重建，進 行牙齒的三維表面模型繪制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種移動式C-arm三維影像系統(tǒng)及其成像方法，對現(xiàn)有的C-arm影像系統(tǒng)的進行改進，從而以二維影像來重建出三維立體模型影像。所述系統(tǒng)包括C-arm主機、控制機柜、連接臂、C臂、X線發(fā)生器、X線探測器、影像處理器、顯示器及控制面板，還包括激光定位裝置及附加標記，激光定位裝置的設置使其產(chǎn)生的激光與X線束中心線重合，附加標記設置在X線束區(qū)域內(nèi)。所述方法包括(1)對待拍部位進行全景的X線攝影；(2)利用影像處理器進行影像前處理；(3)利用影像處理器進行三維影像重建。本發(fā)明以常規(guī)骨科手術C-arm系統(tǒng)為主，通過整合光學激光定位裝置，實現(xiàn)最佳的C-arm束影像三維重建。本發(fā)明使用成本低，而又能發(fā)揮C-arm的高機動性能。
文檔編號A61B6/03GK101416880SQ200810219379
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月20日 優(yōu)先權日2008年11月20日
發(fā)明者王喬生 申請人:王喬生