CN101779223A - 用于测量二维图像中的物体的真实尺寸和方向的系统 - Google Patents

Abstract

本发明是用来测量二维图像中的物体的真实尺寸和方向的系统。该系统包括标尺和软件包，该标尺包括至少一组特征，每组包括在图像中可识别的两个或更多标记，在它们之间具有已知的空间关系，软件包包括程序，该程序允许标尺和其他物体在二维图像中的延伸超过他们的物理尺寸或形状。该系统可与射线成像装置、处理装置和显示装置一起使用以获取X-射线图像并测量物体的真实尺寸和方向，以辅助那些X-射线图像中相对于解剖体的外科手术工具的识别和定位。本发明提供在二维X-射线图像上画出并显示所述图像中可见的物体的测量结果、图形信息或手术设备模板的方法。

Description

用于测量二维图像中的物体的真实尺寸和方向的系统

发明领域

本发明涉及医学X光成像领域。更特别地，本发明涉及准确地测量二维图像，例如，射线图像中可观察到的物体在特定方向上的尺寸的设备和方法。

发明背景

本发明解决的技术问题从X-射线作为医疗诊断和医疗过程实行中的辅助的最早应用以来就是已知的。参照图1A和图1B，该问题就容易理解。X-射线源10大致是一点源，它发射圆锥形的X-射线，在平面30上投影出不透射线(radiopaque)的物体20的图像40。平面30在一些情形下基本上是平坦的，但是通常因配置用来产生图像的装置而变形。平面30可以是被制造的对X-射线敏感的任何类型，例如，玻璃或塑料片，或薄纸，或镀有在X-射线的照射下发出荧光的材料的塑料薄膜，或镀有照相乳剂的塑料薄膜，或表面具有像素阵列的电子设备如CCD设备。如在图中可以看到的，表面30上图像40的刻度依赖于等同物体20离源10的距离(图1A)和/或依赖于该物体关于平坦的表面30的角度(图1B)。作为结果，外科医生不能在X-射线图像中准确地测量距离或物体的大小、形状和方向，并不得不依靠直觉和经验来确定这些参数。该问题在外科手术必须使用频繁的X-射线成像来进行的情形下尤为严重。在这种情形下，准确的工作被外科医生知道上面所提到的参数的确切值的能力所限制。在缺少这些信息时，需要耗时的试错法来完成该过程，缺乏准确的测量已经被确定为整形外科过程失败的原因之一。

如上面所提到的，该问题在医学X光成像领域发展中很早就被意识到了。1897年1月，仅在伦琴的开创性论文发表一年多一点时间之后，一个最终成为US 581,540的专利申请被提交到美国专利局，伦琴在论文中给出了他称之为X-射线的现象的第一次的科学解释。该发明包括不透射线的金属线网格和“角板”，该不透射线的金属线网格被放置在正在接受X-射线检查的物体(在人体内部)和记录图像的平坦表面之间，以及“角板”应用到身体上以确保与X-射线的平行性。该发明的目的是提供“改进的射线成像仪器，借此可准确地探知对所谓的“伦琴”或“X”射线不可渗透或难以渗透的不可见物体的确切位置并做出测量，由此对移除这种物体所必要的手术进行控制和指导”。

从US581,540公布以来的随后几年里及当前，已经有许多专利被授权以及许多学术论文被发表，这些专利和论文为同一问题的不同方面提供不同的解决方案。可以通过回顾以下专利来对部分解决方案进行简单回顾：

-US1,396,920描述了指示器，该指示器包括与被观察物体及X-射线感光板平行的平面上的不透射线的标记。这样，指示器出现在X-射线图像上，标记之间的已知距离能够被用来确定显示在图像上的距离的正确刻度，这样，物体的大小能够被准确地确定。

-US5,970,119描述了定标设备，其包括容易观察到的不透射线的构件，该构件具有以已知距离间隔开的透射线的(radiolucent)间隙。该定标设备的实施方式可外部使用或被并入导管以允许该设备被操控进入邻近将被测量的解剖结构的位置，尽量接近结构平面，同时被定向为尽量接近以垂直于X-射线束。

-US5,052,035描述了包括透明基底的设备，在该基底上创建了平行的不透射线的线的网格。胶片被放置在所关注的病人身体的区域上，并获取X-射线图像。网格作为解剖结构上的叠层显示在X-射线图像上。通过使用标记工具，透明基底适于使得标记能够被应用到身体上。这样，显示在X-射线图像上的特征能够在病人身体上/身体里被准确定位。

-US3,076,883描述了细长的探针(导管)，其包括至少一个已知长度的不透射线的段。探针被插入身体并被带入被测量的物体的附近。探针的不透射线的部分显示在X-射线图像上，邻近大小未知的物体。探针的不透射线的部分的表观长度与它的已知长度的比率提供了刻度因子，该刻度因子对确定显示在X-射线图像中的其他物体的长度是必需的。

-US4,005,527描述了深度测量计(depth gauge)，其包括交替的已知长度的不透射线和透射线材料的部分。该深度测量计可被插入使用X-射线方法来观察的孔或腔。测量计将在X-射线图像上可见并能用来提供刻度，以测量孔的深度和在图像中所见到的其他特征的尺寸。在一个实施方式里，深度测量计为钻头的杆并用来使外科医生能够知道他已经钻入骨骼的孔的深度。

现有技术的简单调查给出了一个很现实的提示，这对外科医生来说是众所周知的，即，还没有找到在医疗射线成像早期首先认识到的问题的解决方案。至今所提出的每个解决方案都没有提供整体的解决方案，尽管它可能代表先前建议的改进，或对某种手术可能给出适当的结果。

使用任何先前的测量技术的外科医生，不管是包括使用常规标尺来直接测量物体(不通过X-射线)还是测量图像本身上的物体，将体验到同样的局限性。由于访问局限于被测量的物体，直接测量物体经常存在问题，并且图像本身上的测量还需要校准，只能提供物体投影上和投影平面中的测量。

尽管X-射线图像是二维的以及现有技术的技术允许在图像平面本身上相当准确的二维测量，外科医生理想地想要具有进行三维测量的能力，以及在他想要的任何方向上测量物体。特别地，整形外科医生想要能够准确地测量不在图像平面上的物体，以及在不穿透他们的情况下测量物体，同时保持测量的准确性。

从而本发明的一个目的是提供一种标尺，该标尺改进并克服用来在射线图像中测量距离的现有技术标尺的局限性。

本发明的另一个目的是提供一种标尺，该标尺允许外科医生进行三维测量以及在射线图像中任何他想要的方向上测量物体。

本发明的另一个目的是提供一种标尺，该标尺允许外科医生准确地测量不在图像平面上的物体，同时保持测量的准确性。

本发明的另一个目的是提供一种标尺，该标尺允许外科医生在不穿透物体的情况下测量物体，同时保持测量的准确性。

本发明的进一步的目的和优势将在接下来的描述中呈现。

发明内容

本发明的第一方面是用来测量二维图像中的物体真实尺寸和方向的系统。该系统包括标尺和软件包，标尺包含至少一组特征，每组特征包括在图像中可识别的两个或更多的标记，并在他们之间具有已知的空间关系，软件包包括程序，该程序允许标尺和其他物体在二维图像中的延伸超过他们的物理尺寸或形状。

在本发明的实施方式里，每个组里的标记被布置在其间具有已知的空间关系的一行或多行。如果有多个组，至少一些组排列在与测量方向不平行的方向上或相互之间不平行的方向上。

本系统的实施方式适合于测量X-射线图像。本系统的实施方式适合使得它能够被用来测量物体的真实尺寸和方向，以及用来辅助射线图像中相对于解剖体的外科手术工具的识别和定位。

在第二方面，本发明是一种仪器，该仪器适合于使得它能够获取X-射线图像并测量物体的真实尺寸和方向，并辅助在那些X-射线图像中相对于解剖体的外科手术工具的识别和定位。该仪器包括：

a.系统，其包括根据本发明第一方面的一个或更多标尺和软件包；

b.射线成像装置；

c.处理装置；以及

d.显示装置，

其特征在于该软件包包括程序，该程序允许处理装置识别射线图像上标尺的特征，并使用该特征来创建该至少一个标尺的虚拟延伸，并在射线图像上作为叠层画出该至少一个标尺的虚拟延伸，从而使得正在指点该至少一个标尺并查看该射线图像的用户能够准确地测量出现在射线图像中的物体。

在本发明的实施方式里，软件包包括允许标尺的虚拟延伸上的零刻度被拖动并被随意四处移动的程序。在其他实施方式里，如果三维标尺被用来确定测量平面和该测量平面上的一个已知特征，那么软件包包括允许处理装置测量投影在该测量平面上的两条线之间的角度的程序。

在本发明的实施方式里，软件包包括程序，通过使用一维或三维标尺，该程序允许处理装置和显示装置提供实时的可视化，以在给定标尺或图像中可见的一些其他外科手术工具的位置时，画出手术结果的至少一部分看起来将是怎样的。

在本发明的实施方式里，软件包包括程序，该程序允许处理装置和显示装置发现图像中的标记，并将植入物(implant)的模板或其他物体放置在图像上。

在本发明的实施方式里，软件包包括程序，该程序允许处理装置自动确定图像中外科手术工具的位置，并应用自动集中到外科医生所关注的特定区域的图像增强算法。

在本发明的实施方式里，软件包包括程序，该程序允许处理装置和显示装置同步AP图像和轴向图像。

在本发明的第三方面是用在第一方面和第二方面的系统中的标尺。该标尺具有至少一组特征，每组包括两个或更多在图像中可识别的标记，他们之间具有已知的空间关系。在本发明的实施方式里，每组中的标记被布置在其间具有已知的空间关系的一行或更多行中，以及，如果有多于一个的组，至少一些组排列在与测量方向不平行的方向上或相互之间不平行的方向上。

标尺可以是用来“指点”和“测量”的手持标尺。标尺可以包括用于将其滑动地连接到工具的装置。标尺可以是工具的整体部分，通过由半透明材料来制造该工具的至少一部分以及在它里面嵌入不透明标记来制造。该标尺可以包括其间具有已知的空间关系的不透射线的标记，并嵌入到透射线的外壳里。

本发明的第四方面为在二维X-射线图像上画出并显示所述图像中可见的物体的测量结果、图形信息或外科手术设备的模板的方法。该方法包括步骤：

a.识别至少一个已知物体的位置和方向；以及

b.根据该已知物体的位置和方向，在X-射线图像上画出并显示测量结果、图形信息或模板。

该方法的特征在于测量结果、图形信息或模板不是已知物体的一部分。该已知物体可以是根据本发明第三方面的标尺、外科手术工具或解剖特征。

参考附图，通过下述对优选的实施方式的说明性的和非限定性的描述，将进一步理解本发明的所有上述的和其他的特性和优势。

附图说明

-图1A和图1B示出了本发明讨论的技术问题；

-图2显示了压缩式髋板组件(compression hip plate assembly)；

-图3示出了尖端-顶点距离(tip-apex distance，TAD)；

-图4、图5A和图5B示出了本发明一维标尺的两个实施方式；

-图6示出了本发明三维标尺的实施方式；

-图7和图8图示性地分别显示了本发明标尺的一维和二维的虚拟延伸是怎样被创建而覆盖所关注物体的X-射线图像；

-图9A至图9C显示了包括本发明的标尺的手柄，本发明的标尺被外科医生用来正确对齐钻头导向器(drill guide)；

-图10A至图15示出本发明的系统的一些操作模式；

-图16象征性地显示了本发明的系统如何与成像系统集成；以及

-图17为流程图，简述了使用本发明的系统处理和显示图像的主要阶段。

优选实施方式的详细描述

本发明为一系统，其能够被用于测量二维和三维图像中的物体在特定方向上的真实尺寸。为了示出本发明以及在其优选的实施方式中，在此考虑的图像为射线图像，特别是X-射线图像，其中通过X-射线图像来指代射线图像、荧光图像(fluoroscopic image)、数字荧光图像(digitalfluoroscopy image)或使用任何其他类型获取的图像，该任何其他类型使用X-射线来获得他们。然而，需要理解的是本发明的设备和方法能够用于任何成像情形。以X-射线成像为例，本发明的设备和系统被用来测量出现在图像中的物体的真实尺寸和方向，以及用来辅助外科医生在射线图像中识别手术工具和定位该手术工具相对于解剖体的位置。

图16象征性地显示了本发明的系统是如何与成像系统集成，来提高用户对由成像系统产生的图像的理解。成像系统200的必要部件是辐射源202和检测器204。成像系统200连接到计算机206。当至少部分不透明的物体210被放置在源202和检测器204之间的空间以及系统200被激活时，物体202阻碍辐射的一部分导致检测器上出现阴影。来自检测器204的输出信号被发送至计算机206，在那里他们被处理以产生能够存储在计算机206的存储器和/或能够在显示设备208上显示的图像。

本发明的系统包含两个部件：校准设备70，其在此被称为“标尺”，以及计算机软件包216。透射线的标尺70包括不透射线的标记76。它被放置在源202和检测器204之间的空间，使得至少一些标记76将在成像系统200所采集的图像中可见。计算机软件包216被装载到计算机206，以为计算机提供先进的性能用来处理并显示图像作为图形叠层，显示在显示器206的X-射线图像之上，从而为用户提供之前不可获得的信息。标尺和软件的示意性实施方式及能够被提供给用户的新型视觉信息的描述将在此描述如下。

在此，单词“标记”通过他们颜色、亮度或强度上的优点被用来指代图像中可见的特征。以X-射线图像为例，标记具有不同于其紧邻环境的不透射线度，或包含不同的不透射线度级别。标记被认为是空间中一个独特的点，例如，球的中心或立方体的角，其被定义明确并且能够在图像中被注意到。在此单词“标记”和“特征”被交替使用。

在一个实施方式里，标尺包括其之间具有已知的空间关系的两个或更多特征，这些特征在射线图像中是可见和可识别的。为了测量的目的，该两个或更多特征与测量方向平行排列。在此被描述的许多其他操作模式中间，相关联的软件允许自动识别射线图像中的标尺特征以及使用这些特征来创建标尺的虚拟延伸，即，延伸标尺超过其物理尺寸，并作为叠层在图像上画出虚拟延伸。本发明使得正在指着标尺并查看图像的外科医生准确地测量显示在射线图像里的物体的尺寸。本发明对使用X-射线成像尤其有用和方便，在X-射线成像中，频繁地要求测量身体的内部器官、骨骼等。然而，如上面所提到的，原则上本发明能够与产生二维图像的任何技术一起使用，例如，普通摄影。

本发明人了解的所有现有技术都使用标尺上的物理刻度来直接测量测量所关注的物体的尺寸或他们之间的距离，或获取照片并在那个二维照片上直接进行测量。由于在此以上所提到的原因，这些方法通常是不准确的，并且不能实现简单地测量不同三维方向上的物体。针对进行准确测量的问题，本发明人所采取的方法由于利用对工具(即标尺)和显示(即包括其图形叠层的视觉图像)二者的控制，与现有技术的方法有根本地不同。本测量方法依赖于标尺和软件的结合，标尺在单独使用时不能实现想要的结果，缺少标尺时，软件不能用来进行测量。只有通过标尺和软件的结合，才能获得想要的结果，如在此之下所描述的。

在它的各种实施方式里，本发明能够用来协助任何手术中的实施手术人员，只要在这些手术中，测量射线图像里物体的距离或尺寸是有利的或必要的。这样的手术范围从“离线”分析的一般胸部X-光检查到只能“在线”实施的整形外科和其他外科手术，即，在使用，例如，移动C型臂X-射线单元的手术内放射性影像的辅助下。在本发明的辅助下能够执行的典型的非限定性在线手术的实施例为：

-脊柱融合术/腰椎固定-椎弓根锥体螺钉(pedicle vertebral screw)的插入；

-Vertebroplastia-通过椎弓根向锥体注射接合剂(cement)；

-骨活检(bone biopsy)-插入长针穿过骨骼，以到达肿瘤或病区；

-针对每个粗隆(per-trochanteric)和粗隆间的(intertrochanteric)髋骨折的动力髋螺钉(dynamic hip screw，DHS)放置手术；

-针对头端下骨折(sub-capital fracture)的三空心螺钉放置手术；针对斜肌-逆转(oblique-reversed)和针对股骨粗隆下髋部骨折(sub-troch hipfractures)的近端股骨钉(Proximal Femur Nail，PFN)放置手术；以及

-粗隆固定钉(Trochanteric fixation nail，TFN)固定。

为了达到示出本发明的目的，现在将描述它的关于动力髋螺钉(DHS)放置手术的使用，该手术用于透视下的髋关节创伤手术。需要强调的是本发明不限于在任何特定的手术中使用，并预计有助于广泛的应用。根据美国整形外科医生协会(American Association of OrthopaedicSurgeons)提供的统计数据，2004年大约实施了450，000例针对髋关节创伤治疗的手术。几乎90％的手术是在年龄为65岁或更老的人身上实施的，他们由于跌倒而造成股骨近端的断裂。用于治疗骨折的外科手术是众所周知并有文件记载的，包括教科书中的描述、科学期刊以及甚至是在互联网上可以找到的完整的协议。通常来说，依赖于断裂的确切性质，该手术包括借助于插入钻入骨骼的孔的针或螺钉，将许多不同形式商用压缩式髋板中的一个连接到股骨。可以在书“Rockwood和Green′s成人骨折”的“粗隆间骨折”一章中找到对技术水平的一个很好的回顾，该章由Kenneth J.Koval医生和Robert V.Conto医生所写，该书的作者：Robert W.Bucholz，MD；James D.Heckman，MD；出版社：Lippincott Williams&Wilkins；第6版，2005。

针对实施外科手术的特定协议可以从Smith和Nephew的网页http://www.smithnephew.com/Downloads/71180375.pdf上下载。

图2显示了Smith和Nephew制造的压缩式髋板组件50。该组件包括靠着股骨的外部表面安装的板54，其中连接管52安装进钻入股骨的孔。骨折复位和固定之后，孔穿过颈被钻入骨骼并进入股骨顶部以连接方头螺钉(lag screw)56。在方头螺钉56被拧入股骨顶部之后，管被插入孔中，板被安置在股骨的侧面，压缩式螺钉60被拧入以将板54连接到方头螺钉并收紧以将骨骼的碎片聚拢。自攻骨螺钉58被用来将板牢牢地连接到股骨干(shaft of the femur)，以及如果必要，依赖于断裂的类型，空心或松质骨螺钉(cancellous screw)62可被插入骨骼来收集内侧断片。外科医生可用的髋关节板工具箱具有基本设计的许多变化。这些变化包括，例如，方头螺钉56的长度，螺钉56和板54之间的角度，以及皮层螺钉58的数量。

手术要求最高的部分是创建插入方头螺钉的孔。对一个成功的手术，孔必须在沿着股骨颈的中心轴的路径上朝着股骨头的顶点穿过骨骼。外科医生在一系列获取于前进过程期间的X-射线图像的帮助下，使用小直径的导向钻头来制造一个初始的导向孔。首要的问题是确定颈角来选择合适的角板，这被用来帮助确定正确的进入点以及用来瞄准导向钻头。外科医生参照X-射线图像，估计正确的角度和进入点并使用导向钻头开始钻孔。在钻进骨骼一个很短的距离之后，他停下来并以相互成直角的角度获取至少两张X-射线图像，以查明他确实是在正确的方向上并沿着颈的中心钻孔。为此，他必须想象地向前投影钻头通过解剖特征的图像，这是一项复杂的任务，尤其是在给定具有挑战性的图像质量和精度要求时。此外，装配有用于产生图像的图像增强管的典型的C型臂在图像上产生失真，通常引起直线在图像里显示为弯曲的。需要注意的是如果外科医生只需要理论上从钻头延伸线，他不受刻度的影响，三维世界的线在二维投影图像上仍将显示为直线；然而这种理论延伸不是一项简单的任务，尤其当精度是如此重要时。如果钻头路径显示正确，那么外科医生钻得更深一点，然后再次停止，以通过重复的X-射线成像进行检查。如果，在任何阶段，路径显示不正确，那么外科医生必须撤回导向钻头并使用不同的角度和/或进入点再次开始钻孔。另一个困难是确切地查明在哪里停止钻孔。有必要将方头螺钉连接到尽可能多的骨骼；然而必须在股骨头的顶点保留足够的骨骼以防止当螺钉被插入孔的时候，方头螺钉穿透进入髋关节。这个问题不仅涉及钻孔方向的测量，还涉及钻孔深度。

由有经验的外科医生实施的典型的这种类型的手术需要大量的时间，大部分时间被消耗在试错法的尝试以获得正确的对准上。此外，即使采取所有的预防措施，典型地需要100-150张之间的X-射线图像，这对病人，更大程度上对每天可能面对几个类似的手术的手术室工作人员，都代表严重的健康危害。

如此多的时间和精力被用来确保正确的导向孔准线的原因是，使用了固定角滑动髋螺钉设备来治疗的粗隆间骨折固定的失败经常与股骨头里方头螺钉的不正确放置有关。为确保手术(例如，骨切出)的成功和防止机械故障，±2-3mm的螺钉位置的精确度是关键。被称为尖端-顶点距离的简单测量被用来描述螺钉的位置。这个测量在图3中示出。虚线代表射线图像中方头螺钉横轴的期望方向。X_ap和D_ap分别标记在前后位(anteroposterior，AP)射线照片中测量的从方头螺钉的尖端到股骨头顶点的距离及方头螺钉的测量直径。X_lat和D_lat标记在侧位射线照片中测量的同样的参数，以及T_rue为方头螺钉的实际直径。那么，TAD由以下公式得出：

$\mathrm{TAD}=\left[X_{\mathrm{ap}}x\frac{D_{\mathrm{true}}}{D_{\mathrm{ap}}}\right]+\left[X_{\mathrm{lat}}x\frac{D_{\mathrm{true}}}{D_{\mathrm{lat}}}\right]$

许多研究的结果显示如果TAD小于25mm，失败率接近零，以及失败的可能性随着TAD增加大于25mm时快速增加[MR Baumgaertner，SLCurtin，DM Lindskog and JM Keggi，“The value of the tip-apex distance inpredicting failure of fixation of pertrochanteric fractures of the hip”，TheJournal of Bone and Joint Surgery，Vol.77 Issue 7，1058-1064，1995]。使用当前技术，DHS仅在手术完成之后才能被确定。使用本发明，外科医生在开始钻导向孔之前，将能够在预先计划阶段估计DHS，并能够手术任何阶段知道预期值。

图4、5A和5B示出了本发明的一维标尺的两个实施方式。在图4所显示的实施方式里，标尺70包含透射线的材料的圆柱体(cylinder)72。槽74在圆柱体72里纵向地创建，以使得标尺能够在手术工具上滑动，例如，导向器，即有时被称为指示线(guide wire)的细的骨钻，而不需要从电钻上松开导向器。槽的尺寸使得当标尺70被连接到导向器时，导向器的纵轴和圆柱体72重叠。导向器紧紧地安装在槽内，使得标尺不会随意滑动，但是在需要的时候能够被外科医生轻松地移到新的位置。标尺的一些实施方式将随导向器旋转，以及标尺的其他实施方式能够被连接使得在不旋转连接的标尺时可以旋转导向器。金属球76成平行于槽74的方向的行嵌入圆柱体72。优选地使用“浮动”在塑料圆柱体上的金属球，使得标尺的X-射线符号将成为在图像中容易检测到的黑圆圈。理论上一行球76足够了；然而优选地至少三行球76，等径向地间隔在圆柱体72基底的圆周周围，被用来确保在导向器上的标尺的任何位置，至少一行球不会被不透射线的导向器或另一行球覆盖，从而在X-射线图上将是可见的。

球76之间的确切距离是已知的，使得在X-射线图像上检测到球的阴影时，本发明的专用软件能够识别他们并直接从图像来测量他们之间的表观距离，并使用这个测量结果连同已知的实际距离来计算用来创建叠层的刻度，该叠层允许外科医生确定导向器相对于解剖结构的确切位置、尺寸和其他“实时”显示在屏幕上的相关信息。作为最低限度，对于最常见情形，在图像中仅需要一行中有两个球76是可见的，以创建C型臂放大系数以及器官和工具的大小的可接受的近似。然而，由于通过使用几个表观测量结果的平均可获得提高的精度，以及也因为一些球可能在图中难以看到，优选地在每行使用最少3或4个球以得到标尺的更准确的数学延伸。此外，如果标尺和图像平面之间的角度很大，图像中沿着标尺延伸的尺度变化是不可忽略的。从而优选地在不同角度使用多个测量，使得能够计算这种效果的近似。

解释为图像产生准确刻度的问题的另一种方式以及该问题的解决方案如下：

众所周知，放大效果随着离X-射线源的距离线性增加。从而如果只有两个标记，他们之间的距离能够被测量；但是不知道这个距离是否准确，因为标尺可能不位于与图像平行的平面上。从而不能指望标记之间的测量的距离为创建虚拟延伸、叠层和其他由本发明所提供的先进的特征提供准确的刻度。为了克服这个问题，使用带有几个标记的标尺，标记之间具有已知的距离。如果标尺平行于图像平面，那么刻度是正确的，并且获得真实的2D校准。然而，如果标尺不平行于图像平面，标记之间的距离，即刻度，将随着离X-射线源的距离变化，向着一个方向变得更小并在另一个方向变得更大。在这种情形下，如果有三个或更多标记，不仅是标记之间的距离，而且距离的变化速率也能被测量出来，从而能够计算两个方向上的准确的刻度。

图5A显示了本发明标尺70’的另一个实施方式。在这个实施方式里，标尺的透射线的主体80大致是个带有等腰三角形作为其基底的棱柱。棱柱的侧面被切除，留下Y-形的横切面。一行金属球76(见图5B，其为标尺70’横切面视图)被嵌入“T”的每个臂的顶点。槽74沿着标尺70’的主体80的纵向对称轴创建。主体80被在导向器78上滑动，然后卡箍(clip)82被连接到主体80以将导向器78保持在槽74里。这可以通过连接到钻头的导向器来做到。在这个实施方式里，槽74的宽度不一定完全等于导向器的直径，但是它能足够宽，以允许标尺被连接到具有宽范围的直径的导向器。卡箍82包括装弹簧的制动器(未显示)，其将标尺70’锁在合适位置上，阻止它沿着导向器78滑动。在箭头84的方向向下压卡箍82释放制动器，允许标尺70’被移动并沿着导向器被重新安置。在手术期间的任何时刻，重新安置都能由外科医生使用一只手来轻易实现。

图6示出了本发明的三维标尺70”的实施方式。在这个实施方式里，标尺的透射线的主体86具有“L”形状的横切面。数行不透射线的球76被嵌入到主体86的壁中。适当的布置，例如，切口和/或如上所描述的卡箍被设置来将标尺70”滑动地保持在导向器78的合适位置上。

在此参照标尺具体的示例性实施例，描述标记的许多不同布置。原则上本发明对标记的数量和布置的最低要求如下：

·排列在测量方向上的两个标记-由于在此以上所描述的其他自由度，这将使得能够确定不具有很好的准确性的刻度。

·排列在测量方向上的三个标记-这将使得更高的准确性可行。

·不在同一条线上的至少三个标记的组，足够来创建准确的三维方向，以及借此能够在每个方向上测量物体。

·在所有的情形里，标记不一定等间隔，但必须处在已知的空间布置中。

·在此处的图里，已经包括几行等间隔的标记，使得他们不会相互阻挡(occlude)，从而允许更多机会检测他们。然而，没有必须使用的标记行数量的最低要求。

在另一个实施方式里，如本领域人员所熟知的，带有手柄的三角套管(triangular sleeve)能够通过在其内部嵌入本发明的三维标尺而被更改，该三角套管被整形外科医生用来在DHS放置手术中保持钻头的对准，在这个情形里，被修改的套管本身能够被用来完成在此所描述的本发明的标尺的功能。套管由透射线的材料制造并包括一组金属球，这些金属球布置在已知的空间布置里，使得标尺的3D方向可以使用出现在图像里的球来计算。

图9A至图9C分别显示了手柄90的正面和背面视图及剖视图，该手柄包括本发明的标尺，该标尺能够替代外科医生用来辅助校准导向钻头的传统的三角套管。如图中所看到的，手柄90具有一个“T”型，其中横挡(crosspiece)92在杆(shaft)93的顶部，杆93允许用户用一只手轻松并牢固地握紧手柄90。在杆93的底部是基座(foot)94。基座94的底部表面包括例如楔子96的装置，来防止设备在皮肤的表面滑动。在图9B中，能够看到槽74(图9C)的出口98在基座94的底部，导向钻头穿过槽74。至少手柄90的基座94和杆93(槽74穿过它)的下部由透射线的材料制造。在所显示的示意性实施例里，嵌入这个材料里由两行标记，每行包括5个不透射线的标记76，水平行嵌入基座94，垂直行嵌入杆93的靠下部分。注意到每个行里的标记不是等间距的，并且两个标记行都不是与钻头的方向平行排列。然而，系统软件能够识别标记76并根据他们来确定手柄90的位置和方向，由此确定槽74的确切方向，并能创建插入槽74的导向器的在钻头的方向上的、超过它的物理尺寸的虚拟延伸。使用这个手柄，标尺不需要连接到钻头，本发明的系统将识别出手柄，能够在两个方向上外推它，并且也能够在三角形的当前位置(见，例如，图14和图15)显示包括所有它的部件的植入物模板，即，植入物将会在哪里的图形叠层。使用外科医生熟悉的工具，这个方法允许“术中实时(intra-operative real time)”可视化和测量能力。

依照在此以上所讨论的，三维标尺优选的实施方式能构造成包括两组不平行的标记行来提供一种设备，对这个设备来说，即使标尺被其他物体部分阻挡，例如，图像中的骨骼或工具，标记也将被识别出来。使用这样的标尺，三维网格能够被投影到图像上。

如在此以上所讨论的，本发明的标尺的实施方式包括细长的透射线的主体，其中对称地嵌入已知大小和间隔距离的不透射线的标记行。在它的不同实施方式里，本发明的标尺可以是：用来“指点”和“测量”的手持标尺；该标尺可包括滑动地将它连接到外科手术工具的装置，例如，图9A到9C中所显示的手柄90；或该标尺可以是外科手术工具的整体部分，可能通过由半透明材料来制造该工具的至少一部分并在它内部嵌入不透射线的标记来制造。该标尺可以是一维标尺，其中不透射线的标记行平行于测量方向，或者是三维标尺，其中嵌入非平行的标记行。在一些实施方式里，标记可包括金属梳(metal comb)或金属钩(metal jig)，没有半透明材料。不透射线的标记于是将是标尺的任一典型特征，例如，梳的齿，或者可以是，例如连接到标尺主体的金属球。

通常，如在此以下将通过实施例演示的，当标尺被连接到手术工具，在医疗手术过程中标尺停在一个固定的位置，例如，在病人身体表面的一个位置或身体内部的一个器官上，同时在诊断或外科手术的过程中工具前行进入身体或器官，或从身体或器官撤出。

在一些优选的实施方式里，标尺由生物相容(bio-compatible)USP级别6材料制造，并在使用例如ETO杀菌后可重复使用。在优选的实施方式里，整个标尺除了金属球外由塑料制作。在X-射线下，标尺被视为半透明且金属球被视为“浮动”在导向器/钻头周围。根据这些基本原则和在此所描述的实施方式的实施例，技术人员设计适合于任何诊断和外科手术工具一起使用的标尺应该不是问题。

图7和图8分别图示性地显示了本发明标尺的一维和二维虚拟延伸是如何被创建覆盖所关注物体的X-射线图像。在图7中，物体20和嵌入到本发明标尺中的不透射线的球76被显示放置在源10所发射的X-射线束的路径上，标尺连接到导向钻头78。虚线代表在电子相机上形成图像40的不透射线的物体的阴影。使用本发明的软件包来处理来自相机的数字信号，以确定标尺的球的图像之间的距离。根据所测量的和已知的距离确定刻度因子并构造标尺的虚拟延伸88。虚拟延伸能够作为叠层，并以实施手术人员可选择的几种方式加入到所显示的X-射线图像上。以在此所描述的骨科手术为例，建议的显示方式是将虚拟延伸的图形表示准确地放置在导向钻头的纵轴顶部，起点位于钻头的末梢尖端，如在X-射线图像中所见的。这在图7中显示在代表真实系统里所显示的图像的图像平面上。以这种方式，外科医生可以使用前向距离刻度和后向距离刻度二者来分别确定钻头必须进一步行进多远，以及钻头已经穿透物体多深。

其他显示特征可能是，例如颜色编码以容易区分前向距离和后向距离，在实施手术人员所选择的位置处添加横向刻度，以使从钻头中心到物体侧面的距离的测量可行，例如以确认孔被确切地钻过物体的中心，以及增加经过颜色编码的标记，以在钻头靠近和/或已经到达钻孔应当终止的地点时进行指示。

图8类似于图7，除了图8使用三维标尺为软件提供足够的信息来构建二维网格，该二维网格能够作为X-射线图像顶部的叠层显示在屏幕上。实际上，由于三维标尺能够提供完全的三维方向，网格可在任何方向上拖动，不仅仅是标尺的原始方向(如图中所显示的)。

本发明的系统与C型臂X-射线单元或一些其他成像系统一起使用。它包括标尺和软件，该软件使得虚拟延伸的显示可行，并允许显示叠层和在此所描述的其他特征，例如，该软件可包括计算机视觉和识别算法，该算法被用来识别植入物、外科手术工具和解剖特征，并在手术过程中画出它们的相似物或延伸作为X-射线图像的叠层(见图11)。在一些实施方式里，软件以半自动模式工作，其中它允许用户在计算机屏幕上对球进行标记，例如，通过使用计算机鼠标指向并点击它们，然后计算刻度并画出虚拟延伸。在其他实施方式里，没有必要在图像里标记所有或一些球或在连续的图像里标记球。该过程可从用户点击开始，然后软件自动搜索标记并在下一幅图像里搜索导向器。技术人员将认识到系统能够被赋予以多种不同格式显示图像的能力以帮助外科医生，例如，可使用不同的颜色来区分钻头已刺入骨头多深和剩下的距离。此外，能够提供其他类型的信息，如可听信号，例如，指示剩下的距离或何时停下钻头。

此外，对装配有图像增强器的成像系统，一些实施方式提供抗失真系统以得到额外的准确性。如本领域技术人员所熟知的，抗失真系统是传统的一个包括放置在图像增强器(C型臂的接收端)上的网格和使用网格图像来校正从C型臂获得的图像的软件。适于与本发明一起使用的抗失真系统的描述见：[Gronenschild E.，“Correction for geometric imagedistortion in the x-ray imaging chain：local technique versus global technique”Med Phys.1999，Dec；26(12)：2602-16]。在使用抗失真系统的情形里，使用本发明的软件对标尺标记的检测必须在抗失真处理之后的图像上进行。

图17为流程图，简述了使用本发明的系统处理和显示图像的主要阶段。在第一阶段，501，使用成像系统200(见图16)获得的X-射线图像经历了图像失真处理。这个步骤不是强制性的，且依赖于成像系统。一些成像系统不引起显著的失真，对这些系统，这个步骤可以跳过。图像失真校正以本领域所熟知的标准方法中的任何一个来进行。

下一个阶段502是对图像中的标记识别。标记识别可以手动进行，其中用户使用指示设备如计算机鼠标指向标记的位置；可以以半自动的方式进行，其中需要一些用户输入以及自动进行一些标记识别；或可以以完全自动的方式进行，其中系统软件提供的图像处理算法被用来检测图像中的标记。

在下一个阶段503中，系统软件使用阶段502中识别的图像中的标记计算刻度。如果已使用一维标尺，那么标记是共线的，并且能够被推断的唯一刻度在标记的方向上。由于对物体的放大依赖于它离X-射线源的距离，如果仅使用两个标记，不能确定标尺的确切位置和方向，因为标尺的旋转具有如离X-射线源的距离变化对图像上标记之间的距离的影响一样的影响(见图1A和1B)。由于物体的方向未确定，不能实现具有高准确性的标尺外推，因为如果测量方向与X-射线成锐角，刻度沿着测量方向剧烈变化。为了能够准确地外推标尺，在线上必须具有至少三个标记，在这个情形里，刻度及测量方向能够关于X-射线图像被计算出来，因为刻度随着离X-射线源的距离线性增加。如果用户愿意忽略这个放大问题，可以仅使用两个标记获得不太准确的近似。

当使用三维标尺，物体能够在任何方向上被测量。三维情形里的最低要求是不共线的至少3个标记。

在下一个步骤504里，系统在X-图像里画出叠层。叠层可包括任何类型的图形或其他信息，画出或打印在图像上。其中，它可包括钻头的虚拟延伸、取自事先存储的植入物库的植入物图像，或与设备对准的测量标尺的虚拟制图。叠层可利用图像中设备的位置和方向。优选的实施方式可包括GUI，其使得用户能够容易地选择和定制显示在图像上的叠层。

现在将参考动力髋螺钉(DHS)放置手术来演示本发明的使用和其优点。整个手术在C型臂X-射线系统的辅助下，在手术室里进行。在完成骨折复位之后，外科医生开始术前计划。这个阶段是在杀菌及切开皮肤以暴露骨骼之前进行。惯例是从大约腹面的/背部的角度得到一幅图像，并在单幅图像上做整个的手术计划，同时忽略骨骼的三维特征。由于本发明的事实方式能够用来识别外科手术工具并画出它们的虚拟延伸，例如，钻头将跟随的踪迹，这样的实施方式可以在计划阶段使用。外科医生可以将标尺，例如标尺70(图4)连接到导向钻头的末梢端或将导向钻头滑入手柄例如，手柄90(图9A)的槽，将导向钻头的末梢端靠着皮肤的外表面放置，并将导向器指向他希望钻孔的方向。系统软件然后将画出标尺的虚拟延伸并将其上覆在X-射线图像上，从而帮助外科医生优化对切入点(penetration point)和钻角的判断，并测量他应该钻多深。在一些实施方式里，本发明的软件包使外科医生能够应用工具模板和不同尺寸的方头螺钉来确定解剖特征的准确测量，以准确地计划手术，包括螺钉选择，并将最后的结果可视化。图15显示手术计划阶段的这个特征。

图12显示了皮肤已经被切开以及一些手术工具被插入身体之后的手术过程中的显示。钻头78将要进入股骨，外科医生使用三角套管来以正确的角度进入(135度)。在图像之上，二维网格已经被画出，以示出本发明的标尺和它的虚拟延伸104看起来将是怎样的。

图13显示了使用导向钻头78钻孔之后的状况。显示在屏幕上的覆盖导向器和骨骼的虚拟标尺104允许外科医生确切地看到钻头已经刺入骨骼多远，并确认路径是正确的。为了实现最大准确性，三维标尺被用来确定在之上画与钻孔方向垂直的线的平面，即来校正钻头上标尺的刻度的变化，该变化实际上由钻头相对于图像平面倾斜一个角度引起。在大多数情形下，一维标尺可同样有用；但是任一情形下，外科医生能够看见导向器尖端离髋关节有多远。这对确定离关节的期望距离是有用的。注意这不完全是尖端顶点距离，而是更准确的3D测量结果，类似于TAD的概念。

在螺钉已经被安装在骨骼里之后，虚拟标尺允许外科医生准确地测量尖端顶点距离并证实手术已经被正确完成。

如在此之上的描述非常明显，本发明的实施方式在应用到整形外科手术时用途非常广泛，软件包可具有依赖于手术的要求或阶段，允许实施手术人员从许多不同的操作模式中进行选择的能力。现在将展现一些主要操作模式的列表，其中的一些图示性地显示在图10A至图15中：

1.图像中物体或工具的虚拟延伸-这种操作模式可由本发明的系统使用包含在软件包里的图像识别程序来实施，无需使用标尺或任何其他传感器。图10A为显示接近股骨100的导向钻头78的制图。图10B显示与股骨100接触的导向器78。本发明的系统软件，在实施手术人员的命令下，识别X-射线图像中的导向器，并画出它的虚拟延伸(细线102)穿过骨骼。这允许外科医生容易看见钻头将跟随其穿过骨骼的路径，并且如果必要，在开始钻孔之前校正它。

2.标尺的虚拟延伸-本发明标尺的指点方面(pointing aspect)与图像校准或普通标尺本质上是不同的。本系统延伸标尺，使得实施手术人员仅需要查看也显示了该标尺的图像，并将该标尺指向他想测量的方向以得到测量结果。虚拟延伸标尺上的零刻度可被拖动并可在图像上随意四处移动，从而使得对实施手术人员来说，进行任何他感觉是必要的测量变得容易。注意在现有的校准技术里，实施手术人员希望测量的点必须在图像中被标记，并移动测量设备以在这些点之间测量。

指点方面在测量现场视频里的物体时尤其重要，因为在这个情形下，实施手术人员无法花时间来标记所关注的点。这种测量的一个实施例是在向血液中注入对照液的同时，在X-射线下测量心脏的大小。

图11显示了外科医生将如何使用安装在导向器78上的一维标尺76的虚拟延伸104来测量他想要钻多深。图12显示了外科医生将如何使用安装在导向器78上的三维标尺76的虚拟延伸来在钻孔方向上测量离钻头的插入点的距离。

3.使用一维或三维标尺在图像上投影准确的网格。图13显示了外科医生将如何使用安装在导向器78上的三维标尺76的虚拟延伸104来测量离髋关节的距离，该测量在钻孔方向和与钻孔方向垂直的方向的两个方向上进行。这不完全是尖端顶点距离，而是更准确的3D测量，类似于TAD，这在现有技术中是不可能的。

4.在图像上投影近似的网格。例如，使用一维标尺工作，软件简单地假定其他轴具有相似的刻度。

5.实时可视化-这有两个方面：给定标尺或一些其他外科手术工具的位置，使用一维或三维标尺以画出手术结果(或它的一部分)看起来是怎样的。例如，如果决定在特定的方向上钻孔，本发明的系统能够显示DHS将被如何安置。其他方面，根据模式1，简单使用基于图像中所看到的物体的已知或近似尺寸的近似空间刻度来创建网格。这可能是不准确的且在空间上是错误的，但是有时能足够好。例如，要了解图像的近似刻度并画出DHS螺钉或它周围的整个DHS植入物，看到图像中的导向钻头就足够了。

在真实的手术本身期间，实时可视化发生在计划阶段之后。图14示出了这种操作模式。骨折复位之后，外科医生切开皮肤，并将导向钻头78的尖端与骨骼接触。然后他获取X-射线图像并要求本发明的系统在图像上画出导向器的虚拟延伸102。作为手术前计划步骤的结果(在此以下所描述的)，他知道使用哪个DHS组件。现在他要求本发明的系统检索所选择的DHS组件的模板106，并在导向器78的延伸102周围画出它。注意，在图14中，导向器已被故意放置在钻头的错误方向和错误的进入点上，以演示在导向器上画出模板对外科医生来说可以是如何有用的，即在图像上画出模板使得外科医生很容易看到他/她在/不在正确的地方/方向上钻孔。

6.手术前计划-图15示出这种操作模式。通过使用校准和模板库，这种模式在骨折复位之后所获取的图像上实施。这里外科医生选择不同的模板并让他们在骨骼图像上画出，即覆盖，以准确地确定哪个DHS组件具有正确的参数来与特定的骨骼一起使用，以及怎样放置它。注意这与即时可视化是非常不同的，尽管有时图像看起来相似。此外，尽管手术计划不是新的，发明人尚不知道任何其他能够使计划在手术室内部进行的电脑系统。以外伤为例，计划必须在手术室里进行，因为仅在骨折复位之后手术才能被计划。

7.图像增强-系统的处理装置自动确定图像中导向器的位置，从而能够应用图像增强算法，该算法自动集中到外科医生所关注的特定区域。

8.同步AP图像/轴向图像-这是在c型臂系统指导下执行外科手术的外科医生面临的最艰巨的任务之一。考虑动力髋螺钉(DHS)放置手术并假定使用本发明系统的外科医生首先从轴向角度获取图像I，其中导向器上带有标尺。然后，在不移动导向器的情况下，他从AP角度获取另一张图像J。如果之后他钻孔深一点，然后还是从AP的角度获取第三图像K，那么系统就能够计算钻头在图像I中到达多深。这是唯一可能的，因为标尺在所有图像I、J和K中是可见的，通过在J和K之间测量钻孔的真实距离并在图像I中将钻头虚拟地延伸那么远的距离来进行。

这是非常重要的特征，其能使得外科医生不再有回到轴向角度并获取另一张图像的困难。这意味着更少的辐射和更短的手术时间，以及及时反馈。

需要注意的是，在一些应用里，手术工具的已知形状和尺寸，或者甚至在X-射线图像中可见的解剖特征能够被用来代替标尺。在这些情形里，以上描述的方法能够被用来产生在此之上所描述的同样的视觉效果；例如，工具的虚拟延伸或骨骼上模板的放置。

尽管本发明的实施方式已经通过示例描述，应当理解的是在不超出权利要求书范围的情况下，本发明可使用许多变动、修改和适应来实施。

Claims (19)

1.一种用于测量二维图像中的物体的真实尺寸和方向的系统，包括：

标尺，其包括至少一组特征，每组特征包括在所述图像中可识别的两个或更多的标记，在所述标记之间具有已知的空间关系，以及

软件包，其包括程序，所述程序允许所述标尺和其他物体在所述二维图像中的延伸超过他们的物理尺寸或形状。

2.根据权利要求1所述的系统，其中每组特征中的标记被布置在之间具有已知空间关系的一行或更多行中，以及，如果有多于一个所述组，所述组中的至少一些组排列在与测量方向不平行的方向上或排列在相互之间不平行的方向上。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统适合测量X-射线图像中的物体。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统适合使得它能够被用来测量物体的真实尺寸和方向，以及用来辅助在射线图像中识别外科手术工具并确定该外科手术工具相对于解剖体的位置。

5.一种仪器，其适合使得它能够被用来获取X-射线图像并测量物体的真实尺寸和方向，以及用来辅助在所述X-射线图像中识别外科手术工具并确定该外科手术工具相对于解剖体的位置，所述系统包括：

a.系统，其包括根据权利要求1所述的一个或更多标尺和软件包；

b.射线成像装置；

c.处理装置；以及

d.显示装置

所述仪器特征在于，所述软件包包括程序，该程序允许所述处理装置在所述射线图像上识别所述标尺的特征，并使用所述特征创建所述至少一个标尺的虚拟延伸，并在所述射线图像上作为叠层画出所述至少一个标尺的所述虚拟延伸，从而使得正在指点所述至少一个标尺并查看所述射线图像的用户能够准确地测量出现在所述射线图像中的物体。

6.根据权利要求5所述的仪器，其中所述软件包包括一程序，该程序允许所述标尺的所述虚拟延伸上的零刻度被拖动并被随意四处移动。

7.根据权利要求5所述的仪器，其中三维标尺被用来确定测量平面，以及所述软件包包括一程序，给定已知位于所述测量平面上的特征，该程序允许所述处理装置测量投影到所述测量平面上的两根线之间的角度。

8.根据权利要求5所述的仪器，其中所述软件包包括一程序，通过使用一维或三维标尺，该程序允许所述处理装置和所述显示装置提供实时可视化，以在给定所述标尺或所述图像中可见的一些其他外科手术工具的位置时，画出手术结果的至少一部分看起来将是怎样的。

9.根据权利要求5所述的仪器，其中所述软件包包括一程序，该程序允许所述处理装置和所述显示装置发现图像中的标记，并将植入物的模板或其他物体放置在所述图像上。

10.根据权利要求5所述的仪器，其中所述软件包包括一程序，该程序允许所述处理装置自动确定图像中外科手术工具的位置，并应用自动集中到外科医生所关注的特定区域的图像增强算法。

11.根据权利要求5所述的仪器，其中所述软件包包括允许所述处理装置和所述显示装置同步AP图像和轴向图像的程序。

12.一种用于权利要求1所述的系统的标尺，所述标尺具有至少一组特征，每组特征包括两个或更多在图像中可识别的标记，在所述标记之间具有已知的空间关系。

13.根据权利要求12所述的标尺，其中，每组特征中的标记被布置在其间具有已知的空间关系的一行或更多行中，以及，如果有多于一个的所述组，所述组中的至少一些组排列在与测量方向不平行的方向上或排列在相互之间不平行的方向上。

14.根据权利要求12所述的标尺，其中所述标尺是用来“指点”和“测量”的手持标尺。

15.根据权利要求12所述的标尺，其中所述标尺包括用于将其滑动地连接到一工具的装置。

16.根据权利要求12所述的标尺，所述标尺是一工具的整体部分，所述标尺通过由半透明材料来制造所述工具的至少一部分以及在该部分里面嵌入不透明标记来制造。

17.根据权利要求12所述的标尺，所述标尺包括小的不透射线的标记，在所述标记之间具有已知的空间关系，并嵌入到透射线的外壳里。

18.一种在二维X-射线图像上画出并显示在所述图像中可见的物体的测量结果、图形信息或外科手术设备的模板的方法，所述方法包括：

a.识别至少一个已知物体的位置和方向；

b.根据所述已知物体的所述位置和所述方向，在所述X-射线图像上画出并显示所述测量结果、图形信息或模板；

所述方法的特征在于，所述测量结果、图形信息或模板不是所述已知物体的一部分。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述已知物体为以下中的一个：

a.根据权利要求12所述的标尺；

b.外科手术工具；以及

c.解剖特征。

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