Brevet FR2848806A1 — publié le 20040625

i PROCEDE DE CALIBRAGE D'UN APPAREIL D'IMAGERIE RADIOLOGIQUE NECESSITANT UN NOMBRE LIMITE D'ACQUISITIONS L'invention concerne le domaine médical et plus particulièrement le domaine des appareils d'imagerie radiologique. Ces appareils comprennent classiquement une source de rayons X et un détecteur d'images montés aux deux extrémités d'un bras en C, entre lesquels est positionné l'objet dont on souhaite réaliser une image Les images acquises par le détecteur sont le résultat d'une projection de l'objet 10 dans le plan du détecteur. Le bras en C est commandé pour se déplacer autour de l'objet et réaliser ainsi plusieurs acquisitions correspondant à différents points de vue de l'objet Des moyens de traitement permettent de reconstruire à partir des images bidimensionnelles acquises un modèle tridimensionnelle de l'objet. 15 Cette reconstruction suppose bien entendu de connaître de manière précise les différentes positions de l'appareil ainsi que ses caractéristiques géométriques. Le modèle tridimensionnel obtenu peut être utilisé par le chirurgien avant une intervention pour se familiariser avec la partie de l'anatomie sur 20 laquelle il doit pratiquer une intervention Il peut également être utilisé pendant l'intervention A cet effet, le chirurgien dispose d'un équipement lui permettant d'afficher en temps réel des vues bidimensionnelles de la partie de l'anatomie, ces vues étant calculées à partir du modèle tridimensionnel. La reconstruction du modèle tridimensionnelle requière un 25 "calibrage géométrique" préalable de l'appareil d'imagerie Ce calibrage permet de lier l'espace tridimensionnel aux informations bidimensionnelles '" fournies par les différentes projections bidimensionnelles Si ce calibrage est grossier, la qualité du modèle tridimensionnel reconstruit présentera des dégradations. Une technique connue de calibrage consiste à disposer dans le champ des rayons X, des marqueurs positionnés sur un fantôme qui servent de repères dans l'espace, et à réaliser une série d'acquisitions Les positions de ces marqueurs dans l'espace tridimensionnel étant connues, on peut en déduire la géométrie de l'acquisition pour chaque projection par inversion d'un système d'équations dérivé de la position des marqueurs sur les images projetées Une telle technique est par exemple décrite dans le document US 5 442 674 (publié le 15 aot 1995). En général, lors de la réalisation de l'image de la partie anatomique, l'appareil est commandé pour réaliser une série d'acquisitions dans les mêmes conditions géométriques que la série d'acquisitions de calibrage, de sorte la géométrie de chaque acquisition soit connue avec précision Ceci est possible du fait que l'on considère que les mouvements du bras en C 10 sont répétables. Si toutefois les acquisitions de la partie anatomique à imager ne sont pas effectuées selon les mêmes conditions géométriques que les acquisitions de calibrage (nombre de vues, positions angulaires, vitesse de rotation, positions initiales et finales), alors il est nécessaire de réaliser un 15 nouveau calibrage, ce qui augmente le nombre de prises de vues réalisées pour le calibrage. Par ailleurs, le nombre d'acquisitions nécessaires pour obtenir un modèle tridimensionnel de bonne qualité dépend du type de la structure anatomique à imager Typiquement, la reconstruction tridimensionnelle de 20 structures osseuses nécessite environ 120 prises de vues tandis que la reconstruction tridimensionnelle de vaisseaux sanguins nécessite environ prises de vue. Il en résulte que le nombre d'acquisitions de calibrage doit toujours être maximal de sorte que ce calibrage soit valable pour imager tout type de 25 structures. Un but de l'invention est de minimiser le nombre d'acquisitions nécessaires au calibrage de l'appareil. A cet effet, I'invention propose un procédé de calibrage d'un appareil d'imagerie radiologique comprenant une source et un détecteur, 30 comprenant les étapes consistant à: déplacer l'appareil par rapport à un objet de calibrage et réaliser une série d'acquisitions, chaque acquisition étant associée à une position de calibrage de l'appareil, à partir des acquisitions réalisées, déterminer des paramètres de projection associés à chaque position de calibrage de l'appareil, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à: pour une position supplémentaire qui n'a pas été prise par l'appareil lors de l'étape d'acquisition, déterminer des valeurs de paramètres de projection associés à cette position supplémentaire en fonction de paramètres associés aux positions de calibrage. Ce procédé peut être appliqué à un nombre quelconque de 10 positions supplémentaires, différentes des positions de calibrage Il a pour effet de multiplier par calcul le nombre de positions de calibrage obtenues. Ce procédé permet par conséquent de ne réaliser qu'une quantité limitée d'acquisitions. En outre, ce procédé évite de réaliser des nouvelles acquisitions de 15 calibrage dans le cas o les acquisitions réalisées seraient en nombre insuffisant. Les paramètres de projection peuvent être des paramètres géométriques caractéristiques du positionnement de l'appareil dans l'espace (paramètres extrinsèques) ou des paramètres géométriques 20 caractéristiques de la source et du détecteur (paramètres intrinsèques). Ces paramètres peuvent également être des coefficients d'une matrice globale définissant la projection d'un objet de l'espace tridimensionnel dans le plan du détecteur. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront encore de la 25 description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées parmi lesquelles: > la figure 1 représente schématiquement un appareil d'imagerie du type à bras en C, la figure 2 représente schématiquement un bras en C supportant 30 une source et un détecteur, la figure 3 représente les différentes positions prises par la source lors des acquisitions de calibrage, la figure 4 représente les positions supplémentaires pouvant être prises en compte pour l'application du procédé de l'invention, la figure 5 est un bloc diagramme représentant schématiquement les différentes étapes d'un mode de mise en oeuvre du procédé de I'invention, la figure 6 est un bloc diagramme représentant schématiquement les différentes étapes d'une variante du mode de mise en oeuvre de la figure 5, la figure 7 est un graphique illustrant le résultat d'un lissage des 10 paramètres de projection calculés par le procédé de l'invention. Sur la figure 1, I'appareil d'imagerie représenté comprend de manière classique une base 1 fixe par rapport au sol et sur laquelle est monté un bras en C 2 Le bras en C supporte à chacune de ses extrémités une source 3 constituée par un tube à rayons X et un détecteur d'image 4. 15 Ces éléments sont disposés de sorte que le foyer de la source 3 et le plan 6 du détecteur 4 se trouvent dans des positions diamétralement opposées sur le bras en C L'appareil est positionné à proximité d'une table 5 sur laquelle sera installé un patient Le plan de la table 5 s'étend entre les deux branches du bras en C, c'est à dire entre la source 3 et le détecteur 4 Le 20 bras en C 2 peut être commandé en rotation autour d'axes X ou Y, ces deux axes se coupant en un point O, centre de rotation du bras en C. Durant la phase de calibrage de l'appareil, un fantôme comprenant des marqueurs est positionné sur la table 5 entre la source 3 et le détecteur 4, sensiblement au niveau du point O Durant cette phase, le bras en C est 25 commandé en rotation et l'appareil réalise une série de N acquisitions. Chaque image acquise est une projection des marqueurs, de l'espace tridimensionnel vers le plan 6 du détecteur 4. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement le bras en C 2, le point focal S de la source 3 et le plan 6 du détecteur 4 ainsi qu'un objet 10 30 dont on souhaite obtenir un modèle tridimensionnel. Les paramètres géométriques d'acquisition de l'appareil sont par exemple les suivants: six paramètres extrinsèques (trois translations, trois rotations) qui définissent la position dans l'espace du bras en C dans un repère (X, Y, Z) tridimensionnel, cinq paramètres intrinsèques définissant la projection dans le plan 5 du détecteur: deux facteurs d'agrandissement (au, cr) suivant deux axes d'un repère bidimensionnel (u, v) lié au plan, les coordonnée (u 0, v 0) de la projection S du point focal S de la source 3 ainsi qu'un angle de déviation que l'on considère nul de manière générale. Soit un point M de l'objet à imager de coordonnée (XM, YM, ZM) dans 10 l'espace et m son image projetée de coordonnées (um, vm) dans le plan du détecteur On a: FSUM 1 -YM au UO 1 XY sm =p M: = av vo O lR /Tl *M L; J Z O, L,Z P o R et T sont les matrices de rotation et de translation définissant la position du bras en C dans le repère tridimensionnel (X, Y, Z) et S est un 15 facteur d'échelle. La matrice de projection P est donc une matrice 3 x 4 dont les 12 coefficients sont les résultats de combinaisons des 11 paramètres (six paramètres extrinsèques et cinq paramètres intrinsèques) et d'un facteur d'échelle. Le diagramme de la figure 5 représente les différentes étapes d'un procédé de reconstruction tridimensionnelle Ce procédé comprend une phase préalable de calibrage 100 et une phase d'acquisition 200 de la partie anatomique à imager. Selon une première étape 110 de la phase de calibrage, un fantôme 25 est positionné sur la table et le bras en C est entraîné en rotation. La figure 3 représente les différentes positions x 1, x 2, x 3, Xn prises par la source 3 autour du fantôme 7 lors de la série d'acquisitions de calibrage. Selon une deuxième étape 120 représentée à la figure 5, des moyens de traitement calculent pour chaque position x 1, x 2, x 3, xn de la source 3, une matrice de projection Pxj (définie par la relation l 1 l ci-dessus). La projection Pxi associée à une position xi de la source est déterminée à 5 partir de la configuration des marqueurs sur l'image acquise, la position des marqueurs dans l'espace étant connue. Un algorithme de calibrage mis en oeuvre par les moyens de traitement permet d'associer à chaque position de calibrage x 1, x 2, x 3, Xn une projection Px 1, Px 2, Px 3, Pxn. Selon une troisième étape 130, les moyens de calcul déterminent les paramètres géométriques ax, ax 2, axn d'acquisition de l'appareil Pour chaque projection Pxi, ces paramètres axi sont au nombre de 11 (six paramètres extrinsèques et cinq paramètres intrinsèques définis précédemment). Selon une quatrième étape 140, les moyens de traitement estiment pour ces positions supplémentaires yj des paramètres géométriques d'acquisition ay 1, ay 2, ayn-1. Ainsi que représenté sur la figure 4, on considère une série de positions supplémentaire yo, Yj, Y 2, Yn réparties sur la trajectoire de la 20 source La position yo est par exemple positionnée en amont de la position x 1 et la position Yn est positionnée en aval de la position xn Chaque positions y (j= 1 n-1) est localisée sur la trajectoire de la source entre deux positions successives de calibrage xi et xi+ 1 (i L'estimation des paramètres géométriques d'acquisition ayl, ay 2, 25 ayn1 est possible dans la mesure o la trajectoire de la source est continue Il en résulte que la variation des paramètres d'acquisition est également continue. A cet effet, les moyens de traitement réalisent une interpolation des paramètres géométriques ax, ax 2, axn déterminés pour les positions x 1, x 2, x 3, xn Chaque paramètre géométrique ayj est donc une combinaison des paramètres axi: n ayj = cij x axi i= 1 De manière préférentielle, cette interpolation ne prend en compte qu'un nombre limité de positions de calibrage, inférieur à cinq Par exemple, les moyens de traitement peuvent ne prendre en compte que les deux positions de la source xi et xi+ 1 qui encadrent directement la position yj. Pour les positions extrêmes y O et Yn, les moyens de traitement réalisent une extrapolation des paramètres géométriques axl, ax 2, axn déterminés pour les positions x 1, x 2, x 3, x x, De la même manière, cette extrapolation ne prendra en compte qu'un nombre limité de positions de 10 calibrage, inférieur à cinq Par exemple, les moyens de traitement peuvent ne prendre en compte que les deux positions de la source xi et xi+ 1 les plus proches de la position yj. Les interpolations et extrapolations réalisées à partir de deux positions peuvent avantageusement être linéaires. Pour un nombre supérieur de positions prises en compte, les fonctions d'interpolation peuvent être des fonctions polynomiales, rationnelles ou d'un autre type. Selon une cinquième étape 150, les moyens de traitement déduisent de ces' paramètres les matrices Pyl, Py 2, P Yn de projection 20 associées aux positions supplémentaire yo, Y 1, Y 2, Yn. La phase 100 de calibrage a pour effet d'augmenter le nombre de positions de calibrage obtenues par rapport au nombre N initiale de positions d'acquisitions L'appareil d'imagerie est ensuite commandé lors de la phase d'acquisition 200 pour réaliser une image d'une structure 25 anatomique d'un patient. Selon une première étape 210 de la phase d'acquisition, un patient est installé sur la table et le bras en C est entraîné en rotation Les acquisitions d'image peuvent être réalisées pour une partie ou pour l'ensemble des positions de calibrage yo, x 1, y 1, x 2, Y 2, x 3, xn, yn de la source. Selon une deuxième étape 220, les moyens de traitement reconstruisent un modèle tridimensionnel de structures anatomiques du patient à partir des images acquises et des projections Px 1, Py 1, Px 2, Py 2, Px 3, Pyn, Px, associées à ces images. Le diagramme de la figure 6 représente une variante du procédé de reconstruction tridimensionnelle de la figure 5. Le procédé est similaire à celui de la figure 6 excepté que les coefficients Pyo, Pyl, Py 2 Pyn des matrices Py 1, PY 2, P Yn de projection sont déterminée directement par interpolation ou extrapolation des coefficients 10 Pxl, Px 2, Px 3 Pxn des matrices Px 1, Px 2, Px 3, Pxn. Ainsi, à l'étape 150, les moyens de traitement réalisent une interpolation des matrices Px,, Px 2, Px 3, Pxn déterminées pour les positions x 1, x 2, x 3, xn à l'étape 120 Chaque matrice Pyj est donc une combinaison des matrices Pxi: n Pyj= Cij x Pxi i= 1 De la même manière que précédemment, cette interpolation peut ne prendre en compte qu'un nombre limité de positions de calibrage, inférieur à cinq Par exemple, les moyens de traitement peuvent ne prendre en compte que lès deux positions de la source xi et xi+ 1 qui encadrent 20 directement la position yj. Pour les positions extrêmes YO et Yn, les moyens de traitement réalisent une extrapolation des paramètres géométriques ax, ax 2, axn déterminés pour les positions x 1, x 2, x 3, xn Cette extrapolation pourra ne prendre en compte qu'un nombre limité de positions de calibrage, inférieur à 25 cinq Par exemple, les moyens de traitement peuvent ne prendre en compte que les deux positions de la source xi et xi+ 1 les plus proches de la position Yj. Les interpolations et extrapolations réalisées à partir de deux positions peuvent avantageusement être linéaires. La variante de procédé de reconstruction représentée à la figure 6 présente l'avantage de ne pas nécessiter d'étape 130 de calcul des paramètres géométriques de projection, I'interpolation étant réalisée directement à partir des matrices de projection Px 1, Px 2, Px 3, Pxn déterminées lors du calibrage Par conséquent, cette variante est simplifiée par rapport au procédé de la figure 5 et conduit à des durées de traitement plus courtes. Toutefois, on notera que le procédé représenté à la figure 5 permet d'avoir accès aux paramètres géométriques axl, ax 2, axn En particulier, ce procédé autorise un lissage de ces paramètres. Ainsi que représenté en pointillés sur la figure 5, il est possible 10 d'imposer des contraintes sur certains paramètres pris en compte par l'algorithme de calibrage permettant de déterminer les paramètres géométriques des acquisitions de calibrage. On impose par exemple une loi définissant certains des paramètres pris en compte par l'algorithme Cette loi peut consister à fixer certains 15 paramètres ou à les définir par une fonction plus complexe dépendant d'informations connues a priori et/ou d'autres paramètres géométriques de projection. On impose par exemple que la position de la projection S de la source se trouve toujours au centre du détecteur, ce qui revient à fixer (u 0, 20 v 0) On peut également fixer la distance focale entre le point focal de la source, ce qui revient à fixer les facteurs d'agrandissement (a Ou, av). On a pu constater que le fait de fixer l'un ou plusieurs de ces paramètres permettait de régulariser les résultats obtenus et par conséquent de réduire le bruit qu'ils contiennent. La figure 7 illustre la variation d'un coefficient ty de la matrice T définissant la translation du bras en C selon l'axe Y pour un ensemble de positions définies par l'angle de rotation du bras en C La courbe A représente les résultats obtenus lorsque aucun paramètre géométrique n'est fixé La courbe B représente les résultats obtenus lorsque les 30 paramètres (u 0, v 0) ont été fixés. Les procédés de reconstruction décrits précédemment permettent de calculer des paramètres de projection pour des positions supplémentaires de la source pour lesquelles il n'y a pas eu d'acquisition de calibrage Ces positions supplémentaires peuvent être en nombre quelconque ou réparties de manière quelconque sur la trajectoire de la source en fonction des besoins de la reconstruction tridimensionnelle finale. En particulier, il est possible d'intercaler autant de positions yj supplémentaires entre les positions de calibrage xi que nécessaire. REVENDICATIONS 1 Procédé de calibrage d'un appareil d'imagerie radiologique comprenant une source ( 3) et un détecteur ( 4), comprenant les étapes consistant à: déplacer l'appareil ( 2, 3, 4) par rapport à un objet de calibrage ( 7) et réaliser une série d'acquisitions, chaque acquisition étant associée à une position de calibrage (xi) de l'appareil, à partir des acquisitions réalisées, déterminer des paramètres de 10 projection (axi, Pxi) associés à chaque position de calibrage (x) de l'appareil, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à: pour une position supplémentaire (yj) qui n'a pas été prise par l'appareil lors de l'étape d'acquisition, déterminer des valeurs de paramètres 15 de projection (ayj, pyj) associés à cette position supplémentaire en fonction de paramètres (axi, Pxi) associés aux positions de calibrage (xi). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les paramètres de projection (axi, Pxi) comprennent des paramètres géométriques caractéristiques du positionnement de l'appareil dans 20 I'espace. 3 Procédé selon l'une des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que les paramètres de projection (axi, Pxi) comprennent des paramètres géométriques caractéristiques de la source ( 3) et du détecteur ( 4). 4 Procédé selon l'une des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que les paramètres de projection comprennent des coefficients (Pxi) d'une matrice globale (Pxi) définissant la projection d'un objet de l'espace tridimensionnel dans le plan ( 6) du détecteur ( 4) . Procédé selon l'une des revendications qui précèdent, 30 caractérisé en ce que les paramètres de projection (ayj, pyj) associés à la position supplémentaire (yj) sont déterminés par une loi d'interpolation ou d'extrapolation des paramètres de projection (axi Pxi) associés à des positions de calibrage. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la loi d'interpolation est linéaire, polynomiale ou rationnelle. 7 Procédé selon l'une des revendications qui précédent, caractérisé en ce que les paramètres de projection (ayj, pyj) associés à la 5 position supplémentaire (yj) sont déterminés par combinaison de paramètres de projection (axi, Pxi) associés aux positions de calibrage (xi) de l'appareil les plus proches de la position supplémentaire (yj), le nombre de positions prises en compte étant inférieur à 5. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le 10 nombre de positions (x) prises en compte est égal à 2. 9 Procédé selon l'une des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que lors de l'étape de détermination des paramètres de projection (axi, Pxi) associés à chaque position (xi) de calibrage de l'appareil, certains paramètres de projection sont définis par une loi dépendant 15 d'informations connues a priori et/ou d'autres paramètres géométriques de projection. Procédé de reconstruction d'un modèle tridimensionnel à partir d'images acquises par un appareil d'imagerie radiologique, caractérisé en ce qu'il comprend une phase de calibrage ( 100) selon l'une des 20 revendications 1 à 9 et une phase d'acquisition ( 200) comprenant les étapes consistant à: déplacer l'appareil ( 2, 3, 4) par rapport à une structure ( 10) à imager et réaliser une série d'acquisitions, chaque acquisition étant associée à une position de calibrage ou à une position supplémentaire (xi, 25 yj) de la source ( 3). reconstruire un modèle tridimensionnel de la structure ( 10) à partir des images acquises et des paramètres de projection (axi, Pxi, ayj, pyj) associés, déterminés lors de la phase de calibrage.