一种基于双C臂成像系统的术中三维导航方法与系统

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种基于双C臂成像系统的术中三维导航方法与系统。

背景技术

C形臂X光机（简称C形臂）和基于C形臂X光机的数字减影血管造影（DigitalSubtraction Angiography，简称DSA）是支撑介入诊疗的核心设备，广泛应用于介入手术、微创手术及复合手术的影像导航。三维C形臂/ DSA是在传统二维C形臂/DSA技术的基础上，围绕成像区域采集一定角度范围的系列投影数据，并采用锥形束CT（Cone-beam CT，简称CBCT）三维图像重建算法和相关图像后处理算法，能在术中快速生成可旋转的立体图像和横断面、矢状面、冠状面或其他任意切面二维图像，从而给术者提供360°无死角的观察角度，全方位准确判断手术实施情况，为手术的实施提供保障，提高手术成功率，减少并发症概率。

三维C形臂/ DSA手术导航比二维C形臂/ DSA有巨大优势，但其也面临两大原理性限制：1.成像辐射剂量高：理论上而言，三维C形臂/ DSA需要进行上百次甚至几百次曝光采集投影数据以便进行三维成像，其辐射剂量远远高于二维成像；2.成像实时性差：三维C形臂/ DSA需旋转采集到一定角度范围（180度）的系列投影数据才能进行三维图像重建，因安全考虑，开放式的C形臂的旋转速度比封闭式的传统CT旋转速度慢很多（通常不及后者的1/30），导致其成像实时性差。因此，出于实时性以及辐射剂量方面的考虑，现有技术还无法将三维C形臂/ DSA运用到实时术中导航。

发明内容

为在执行术中扫描任务时降低三维C形臂/DSA的照射剂量，并提高其实时成像性能，本发明提出了一种基于双C臂成像系统的术中三维导航方法，包括步骤：

S1：获取目标术前的基准三维成像并进入手术操作；

S2：通过保持双C臂成像系统与实时导航区域的相对位置，实时获取术中各C臂成像系统的二维成像；

S3：基于各二维成像的成像角度分别提取基准三维成像中角度匹配处的最大密度投影图；

S4：通过二维成像与对应最大密度投影的融合获取双C臂成像系统各自更新后的最大密度投影图；

S5：通过双C臂成像系统各自更新后的最大密度投影图与基准三维成像的融合获取术中实时三维成像。

进一步地，所述双C臂成像系统包括第一C臂成像系统和第二C臂成像系统，第一C臂成像系统与第二C臂成像系统的成像面呈非平行交叉设置。

进一步地，所述S4步骤中，最大密度投影图的更新表示为如下公式：

式中，1表示第一C臂成像系统，2表示第二C臂成像系统，

进一步地，所述S5步骤中，术中实时三维成像的融合表示为如下公式：

式中，

进一步地，所述双C臂成像系统中，各C臂成像系统包括由X射线发射球管与平板探测系统组成的成像组合，所述成像组合可在C臂成像系统中环绕目标移动进行二维成像获取。

进一步地，所述S5步骤之后还包括步骤：

S6：判断是否接收到导航结束信号，若是，结束导航，若否，返回S2步骤。

本发明还提出了一种基于双C臂成像系统的术中三维导航系统，包括：

基准获取模块，用于获取目标术前的基准三维成像；

实时成像模块，用于通过保持双C臂成像系统与实时导航区域的相对位置，实时获取术中各C臂成像系统的二维成像；

信息提取模块，用于基于各二维成像的成像角度分别提取基准三维成像中角度匹配处的最大密度投影图；

融合更新模块，用于通过二维成像与对应最大密度投影的融合获取双C臂成像系统各自更新后的最大密度投影图；

三维输出模块，用于通过双C臂成像系统各自更新后的最大密度投影图与基准三维成像的融合获取术中实时三维成像。

进一步地，所述双C臂成像系统包括第一C臂成像系统和第二C臂成像系统，第一C臂成像系统与第二C臂成像系统的成像面呈非平行交叉设置。

进一步地，所述融合更新模块中，最大密度投影图的更新表示为如下公式：

式中，1表示第一C臂成像系统，2表示第二C臂成像系统，

进一步地，所述三维输出模块中，术中实时三维成像的融合表示为如下公式：

式中，

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

（1）本发明所述的一种基于双C臂成像系统的术中三维导航方法与系统，其采用在术前获取三维成像，通过术中采集的双向二维成像对术前三维成像进行更新的方式，解决了术中三维图像采集的高照射剂量和实时性差的问题；

（2）双C臂成像系统中，各C臂成像系统之间呈非平行交叉设置，从而可以利用两个非平行二维成像的交叉实现三维成像的转换，从而无需C臂成像系统环绕式扫描进行三维成像的获取；

（3）采用非固定式的双C臂成像系统，可以根据实际手术需求进行成像角度调节，在方便医生进行手术操作的同时提供更具有指向性的成像展示。

附图说明

图1为一种基于双C臂成像系统的术中三维导航方法的步骤图；

图2为一种基于双C臂成像系统的术中三维导航系统的结构图；

图3为双C臂成像系统布置方位示意图。

附图标记说明：1-X射线发射球管、2-平板探测系统。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

针对现有三维C形臂/ DSA在实际应用于支撑介入性手术时存在的问题，如图1所示，本发明提出了一种基于双C臂成像系统的术中三维导航方法，包括步骤：

S1：获取目标术前的基准三维成像并进入手术操作；

S2：通过保持双C臂成像系统与实时导航区域的相对位置，实时获取术中各C臂成像系统的二维成像；

S3：基于各二维成像的成像角度分别提取基准三维成像中角度匹配处的最大密度投影图；

S4：通过二维成像与对应最大密度投影的融合获取双C臂成像系统各自更新后的最大密度投影图；

S5：通过双C臂成像系统各自更新后的最大密度投影图与基准三维成像的融合获取术中实时三维成像；

S6：判断是否接收到导航结束信号，若是，结束导航，若否，返回S2步骤。

首先，来分析一下现有三维C形臂/ DSA在应用于术中导航时为什么会出现照射剂量超标以及实时性差的问题。这是由于C形臂并不能直接获取三维图像，每一次X射线发射球管1的曝光，只能获取当前曝光视角方向上的一个二维成像。随着X射线发射球管1与平板探测系统2组成的成像组合在C臂成像系统中的绕目标曝光扫描，可以获取不同曝光视角方向上手术目标的二维成像，当采集到的二维成像足够多时通过三维图像重建算法才能获得手术目标当前整体的三维成像。从这可以看出，一个三维成像的形成需要一个C臂成像系统绕手术目标扫描达到一定角度后才能获得。同时，在扫描期间目标状态不能改变，否则获取的三维成像就可能存在偏差，这就使得一个三维成像的扫描周期还需要足够短。而采用双C臂成像系统，虽然可以通过两个C臂成像系统各自采集一半扫描角度内的二维成像，这也仅仅是减少了一半扫描时间，同时照射剂量也不会减少。

而在支撑介入式手术中，不仅仅需要实时三维成像以保证跟得上手术进度，同时为了避免高照射剂量对患者和医生造成的伤害，而减少照射剂量最直接的方法就是减少X射线发射球管1的曝光次数，而单个二维成像仅需曝光一次即可获得。从这一点出发，本发明提出通过采集手术过程中的二维成像对基准（术前）三维成像进行实时更新的想法。为了实现通过二维成像对基准三维成像的更新来达到术中实时三维成像的获取目的。在本发明所提出来的方法中，首先需要获取手术目标术前的基准三维成像，因为本发明采用的是双C臂成像系统，这一步可以通过单C臂成像系统独自或通过双C臂成像系统联动获取基准三维成像。

在获得基准三维成像后，就需要考虑如何实现实时二维成像对基准三维成像的更新。因为实时二维成像仅仅是一个平面，单独一个平面图像显然是无法用于三维成像的更新的。因此本发明借助双C臂成像系统（如图3，包括非平行设置的第一C臂成像系统和第二C臂成像系统，含有两对成对的X射线发射球管1和平板探测系统2）来获取两个非平行且相互交叉的二维成像，通过二维图像的交叉，将二维信息上升至三维信息，而这个交叉区域就是术中所需要跟随的实时导航区域。因此，双C臂成像系统除了要获取实时导航区域的二维成像外，还需要随着实时导航区域的移动保持相对位置。

进一步地，为了将实时二维成像融入基准三维成像，本发明首先根据各C臂成像系统所采集二维成像的成像角度，分别提取基准三维成像中角度匹配处的最大密度投影图（最大密度投影图为二维成像，也即是所提取的最大密度投影图要与相应的二维成像处于手术目标的同一截面）。先通过二维成像与二维成像之间的融合，获取对应角度下两个交叉平面上最大密度投影图的更新，具体可表示为如下公式：

式中，1表示第一C臂成像系统，2表示第二C臂成像系统，

而后，通过双C臂成像系统各自更新后的最大密度投影图融合入基准三维成像，即可获得术中实时三维成像，具体可以表示为如下公式：

式中，

从上述可以看出，由于采用双向二维成像融合的方式进行基准三维成像的更新，单次更新仅需各C臂成像系统中的X射线发射球管1各曝光一次，因此相较于通过双C臂成像系统环绕扫描式进行术中三维成像的更新，大大减少了曝光次数，同时二维成像采集时间也大幅减少，因此照射剂量能够得以大幅减少，同时实时性也得到了大幅提高。

需要注意的是，为了更好的满足术中不同操作对于医生操作空间和/或三维成像视角的需求，由X射线发射球管1与平板探测系统2组成的成像组合可在C臂成像系统中环绕目标移动进行二维成像获取，同时，第一C臂成像系统与第二C臂成像系统之间的夹角也可根据实际需求进行改变。因此本发明可以在方便医生进行手术操作的同时提供更具有指向性的成像展示。

而根据实际需求，可以根据用户设置单屏轮换或多屏同时显示导航图

以上双C臂成像系统交叉二维成像获取，二维与二维成像融合，以及二维与三维成像融合在手术过程中持续进行，直到手术导航结束。

实施例二

为了更好的对本发明的技术点进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种基于双C臂成像系统的术中三维导航系统，包括：

基准获取模块，用于获取目标术前的基准三维成像；

实时成像模块，用于通过保持双C臂成像系统与实时导航区域的相对位置，实时获取术中各C臂成像系统的二维成像；

信息提取模块，用于基于各二维成像的成像角度分别提取基准三维成像中角度匹配处的最大密度投影图；

融合更新模块，用于通过二维成像与对应最大密度投影的融合获取双C臂成像系统各自更新后的最大密度投影图；

三维输出模块，用于通过双C臂成像系统各自更新后的最大密度投影图与基准三维成像的融合获取术中实时三维成像。

进一步地，双C臂成像系统包括第一C臂成像系统和第二C臂成像系统，第一C臂成像系统与第二C臂成像系统的成像面呈非平行交叉设置。

进一步地，融合更新模块中，最大密度投影图的更新表示为如下公式：

式中，1表示第一C臂成像系统，2表示第二C臂成像系统，

进一步地，三维输出模块中，术中实时三维成像的融合表示为如下公式：

式中，

综上所述，本发明所述的一种基于双C臂成像系统的术中三维导航方法与系统，其采用在术前获取三维成像，通过术中采集的双向二维成像对三维成像进行更新的方式，解决了术中三维图像采集的高照射剂量和实时性差的问题。

双C臂成像系统中，各C臂成像系统之间呈非平行交叉设置，从而可以利用两个非平行二维成像的交叉实现三维成像的转换，从而无需C臂成像系统环绕式扫描进行三维成像的获取。采用非固定式的双C臂成像系统，可以根据实际手术需求进行成像角度调节，在方便医生进行手术操作的同时提供更具有指向性的成像展示。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。