Brevet FR3076203A1 — publié le 20190705

PROCEDE ET SYSTEME POUR CALIBRER UN SYSTEME D'IMAGERIE A RAYONS X L'invention concerne un procede et un systeme permettant de determiner, en cours de fonctionnement, les caracteristiques geometriques d'un systeme de reconstruction d'une image en trois dimensions (3D) a partir d'images acquises avec un systeme d'imagerie a rayons X. L'invention permet ainsi une calibration en ligne d'un systeme d'imagerie a rayons X. Les caracteristiques geometriques sont estimees lors de ('acquisition rotationnelle d'un dispositif de type C-arm. II est courant d'utiliser un systeme de radiologie mobile pour effectuer des procedures chirurgicales ou interventionnelles. Ces systernes aussi appeles mobile C-arm (ou amplificateur de bloque) permettent au chirurgien d'acquerir des images a rayons X durant ('intervention et de controler en temps reel le positionnement des outils utilises par le chirurgien (catheter, aiguille, prothese, ...) de maniere minimalement invasive. La plupart de ces systernes permettent d'obtenir des images en deux dimensions avec un flux d'images video a trente images par seconde. Le praticien utilise ensuite ces images pour effectuer une reconstruction mentale de Ia morphologie du patient afin de positionner I'outil de maniere precise au niveau de Ia zone a operer, en temps reel. Plus recemment, des systernes plus sophistiques ont fait leur apparition et permettent d'acquerir une image 3D de I'outil utilise par un chirurgien lors d'une intervention. Le systeme de radiologie effectue une rotation autour du patient dans le but d'obtenir un ensemble d'images en deux dimensions 2D. Ces images 2D sont ensuite traitees par un algorithme de reconstruction permettant l'obtention d'une image volumique en 3D. Pour reconstruire ('image, ('algorithme a besoin de connaitre, pour chaque image 2D, Ia geometrie exacte du C-arm, a savoir Ia position du detecteur et de Ia source de rayons X, par rapport au patient. Les systemes actuellement utilises proposent d'effectuer une calibration hors 30 ligne du C-arm durant les phases de maintenance preventive du dispositif, tous les six mois ou un an. 2 Le brevet US6510241 decrit un procede pour etalonner un appareil de radiologie, dans lequel un volume virtuel entourant l'objet a imager est genere et decompose en voxels (pixels en 3D). Le procede comprend une etape d'acquisition de l'ensemble d'images bidimensionnelles 5 projetees numerotees et une reconstruction de l'image tridimensionnelle a partir de l'image projetee est realisee. Le brevet US6320928 decrit une methode de reconstruction d'images dans laquelle plusieurs images numeriques bidimensionnelles d'un objet sont acquises pour differentes positions d'une camera tournant autour 10 de l'objet. Les images projetees sont calibrees dans un volume contenant l'objet et divisees en voxels dont les coordonnees spatiales sont identifiees dans un cadre de reference d'etalonnage choisi. Le brevet US6049582 concerne un procede d'etalonnage de dispositif C-arm pour une reconstruction 3D dans un systeme d'imagerie 15 comprenant une source d'imagerie et un plan d'imagerie qui utilise une transformation plane pour relier des voxels dans un espace de voxels et des pixels dans le plan d'imagerie. La demande de brevet EP3141187 concerne une mire de calibration pour calibrer geometriquement un dispositif d'imagerie par rayons 20 X destine a generer des images tridimensionnelles d'un objet par reconstruction a partir de projections bidimensionnelles dudit objet. La mire de calibration comprend un support volumique muni de marqueurs absorption radiologique contrastee par rapport au support volumique, les marqueurs etant repartis selon une figure tridimensionnelle. Les marqueurs 25 sont repartis en sous-ensembles de marqueurs distribues selon des droites respectives sensiblement paralleles de fagon que des sequences de birapports puissent etre construites a partir des sous-ensembles de marqueurs respectifs. Chaque sequence de birapport comprend un unique birapport pour chaque quadruplet de marqueurs dans lequel les marqueurs sont ordonnes selon un ordre dependant des numeros d'ordre des marqueurs respectifs le long de la droite selon laquelle ils sont alignes, selon 3 un premier sens predefini, ledit ordre etant commun a tous les birapports, et lorsqu'un sous-ensemble de marqueurs comprend au moins cinq marqueurs, l'ordre des birapports dans les sequences de birapports respectives suit une regle predefinie commune a toutes les sequences de birapports. 5 Ces systemes supposent que l'acquisition rotationnelle est suffisamment reproductible pour que la geometrie du C-arm determinee « hors ligne » soit applicable sur les images acquises durant une intervention chirurgicale. La mecanique des systernes a ete amelioree afin de rendre 10 l'arceau stable pendant l'acquisition rotationnelle des images 2D. Toutefois, ces ameliorations (reduction de jeux mecaniques, utilisation de pieces plus rigides, ...) conduisent a des dispositifs plus onereux. De plus, it n'est pas toujours trivial d'apporter ces modifications a des dispositifs existants. D'autres methodes de l'art anterieur proposent une calibration en 15 ligne. Une premiere methode est basee sur ('utilisation de marqueurs. Une mire de calibration est positionnee sur ou a cote d'un patient pendant ['intervention. Ceci permet d'estimer avec precision et en ligne la geometrie du dispositif sans se soucier du caractere reproductible des conditions de 20 mesure. La demande de brevet US 201000284601 decrit une telle methode. Toutefois, les methodes connues de l'art anterieur qui utilisent une mire ne sont pas optimales dans le cadre d'une utilisation chirurgicale ou d'autres applications presentant des contraintes d'utilisation equivalentes, pour les raisons exposees ci-apres: 25 - La mire doit etre fabriquee avec precision afin que la position 3D des points soit connue avec precision, ce qui represente un co0t, - La mire elle-meme peut etre volumineuse et difficile a utiliser lorsque le patient est present, - La mire doit avoir ete sterilisee, car elle est utilisee dans un 30 environnement sterile, subir un traitement chimique/thermique avant et apres son utilisation. 4 Un deuxieme type de methode de reconstruction d'images est base sur ('utilisation d'une image. Ces methodes exploitent le contenu anatomique d'une image pour effectuer a la fois une reconstruction d'images 3D et une calibration geometrique. 5 Dans le brevet EP2868277, la methode utilise des marqueurs, cependant it est necessaire que les positions 3D des marqueurs soient connues de maniere precise pour determiner les parametres geometriques. L'invention repose sur une nouvelle approche utilisant des marqueurs autocollants sans avoir besoin de connalstre Ia position 3D des 10 marqueurs. L'invention concerne un procede pour calculer en cours de fonctionnement les parametres geometriques d'un systeme d'imagerie rayons X, un objet ou un patient a observer etant dispose entre Ia source de rayons X et un detecteur de rayons X ayant traverse l'objet ou le patient, 15 caracterise en ce qu'iI comporte au moins les &apes suivantes : - Utiliser au moins un marqueur, le marqueur etant initialement de position 3D non connue, - Acquerir plusieurs images 2D pour plusieurs points de vue du systeme d'imagerie, 20 - Detecter la position d'au moins un marqueur dans chacune des images 2D acquises, - Estimer les matrices de projection correspondant aux projections de l'objet sous des angles de vue differents et reconstruire en 3D la position d'un marqueur a partir de ('estimation des matrices de 25 projection. Le procede peut comporter une etape de calibration hors ligne afin de calculer initialement les matrices de calibration utilisees lors de l'etape finale de determination des parametres de geometrie. Dans une autre variante, les matrices de projection initiales sont 30 calculees en exploitant les capteurs d'orientation ou les capteurs de positionnement du systeme. 5 Les marqueurs peuvent etre inserts ou contenus dans des patchs positionnes sur ou a proximite du patient ou de ('objet et les patchs utilises sont, par exemple, des patchs adhesifs Minis comme suit : - Une bande collante qui sera apposee sur un objet ou un patient, 5 - Un ensemble de marqueurs radio-opaques repartis sur Ia surface du patch, - Une surface exterieure resistante a un fluide. II est possible de repartir les marqueurs au niveau d'un patch afin de couvrir l'ensemble de Ia surface du patch. 10 Une autre possibilite consiste a utiliser des marqueurs de petite taille repartis sur l'ensemble d'un vetement compressif avant de couvrir Ia zone a reconstruire. Une autre variante consiste a utiliser un ou plusieurs marqueurs anatomiques ou encore a utiliser des marqueurs radio-opaques implantes 15 dans I'anatomie du patient, par exemple dans I'os. Le procede peut comporter une etape exploitant les caracteristiques geometriques du systeme pour reconstruire une image en 3D. D'autres caracteristiques et avantages de la presente invention 20 apparaitront mieux a la lecture de Ia description d'exemples de realisation donnes a titre illustratif et nullement limitatif, annexee des figures qui representent : - Figure 1, un schema representant un patient en position, - Figure 2, un exemple de patch dispose sur le patient, et 25 - Figure 3, une succession des &apes mises en oeuvre par le procede selon ('invention. La figure 1 illustre un exemple de dispositif permettant a un praticien de suivre en temps reel Ia position d'un outil qu'il utilise lors d'une intervention chirurgicale. Le dispositif comporte un systeme d'imagerie 30 comprenant une source de rayons X, 10, et un detecteur de rayons X, 11. Le dispositif est constitue d'un arceau 12 ou C-arm supportant a une premiere 6 extremite 121 Ia source de rayons X et a une deuxieme extremite 122 le detecteur de rayons X. L'arceau ou bras en arceau 12 est maintenu sur un chassis 13 par une piece de maintien 14. Un guide horizontal 15 fixe au chassis 13 via une piece verticale 5 16 et a Ia piece de maintien 14 de l'arceau, permet d'assurer un mouvement de translation horizontale de l'arceau, fleche H . La piece de maintien 14 permet au bras en arceau 12 d'effectuer un mouvement de type « orbital rotation », selon la fleche R . La rotation de la piece 14 et de l'arceau se traduit par une rotation 10 angulaire selon Ia fleche A . Le mouvement vertical est assure par Ia translation horizontale du guide et de la piece verticale. Les joints utilises entre les differents elements du systeme permettant les mouvements de rotation precites sont connus de I'homme du 15 métier et ne seront pas detailles. De meme, les mouvements precites du systerne de radiologie sont connus de I'homme du métier. Le dispositif comprend egalement un dispositif de traitement 17 comportant un processeur 18 adapte a executer les etapes du procede selon l'invention, afin de determiner les caracteristiques geometriques du dispositif 20 lors de ('intervention du chirurgien. Le dispositif peut comporter un &ran 19 sur lequel le chirurgien peut visualiser la position de I'outil en temps reel. Le dispositif est aussi equipe de capteurs d'orientation 22 ou de positionnement 23. Un patient 20 est positionne sur une table d'operation 21. La figure 25 2 schematise un exemple de mise en oeuvre du procede oil les marqueurs sont incorpores ou integres dans un patch. Le patch 30 est positionne dans Ia pate superieure du corps et comprend au moins un marqueur q. Les coordonnees du patch ou Ia position des patchs ne sont pas connues initialement. II est possible d'utiliser un ou 30 plusieurs patchs pour la mise en oeuvre du procede selon l'invention. 7 La figure 3 illustre un exemple de succession d'etapes mises en oeuvre par le procede selon ('invention, dans le cas ou les marqueurs sont integres dans un patch. Etape 1 5 Un ou plusieurs patchs 30 integrant des marqueurs radio-opaques sont apposes sur la peau du patient ou de ('objet 20, au voisinage par exemple d'une zone a operer, 31. Ceci permettra au praticien d'obtenir avec precision une reconstruction de I'organe qu'il dolt operer. Etape 2 10 Plusieurs images 2D sont acquises pour differents points de vue afin d'effectuer une reconstruction 3D, 32. La source de rayons X et le detecteur sont deplaces autour du corps 20 a imager de fagon a realiser plusieurs projections du corps sous des angles de vue differents. Les projections ainsi realisees seront utilisees pour reconstruire une image tridimensionnelle du 15 corps image. Etape 3 Les marqueurs radio-opaques contenus dans le patch 30 sont detectes dans chaque image 2D acquises au niveau du detecteur de rayons X et appaires, d'une image a l'autre, 33. Des criteres de similarites geometriques ou 20 radiometriques sont utilises pour effectuer l'appariement des marqueurs. Etape 4 Une reconstruction 3D des marqueurs est effectuee en utilisant une premiere estimation des matrices de projection, 34. Ces matrices de projection Mi peuvent etre determinees lors d'une calibration prealable hors ligne ou 25 predites a partir des capteurs de position du systeme. Ces matrices de projection 4*3 permettent de mettre en correspondance chaque point de ('objet ou du patient dans l'espace 3D, par exemple par rapport au referentiel terrestre, avec sa projection sur un detecteur plan 2D lie au detecteur. A la fin de cette etape d'appariement, une premiere estimation de la position 30 3D des marqueurs est obtenue. Etape 5 8 La position 3D des marqueurs et la connaissance des matrices de projection sont alors affinees de maniere iterative, 35. Les parametres geometriques, savoir les matrices de projection ainsi que la position 3D des marqueurs, sont estimes conjointement en minimisant le critere presents ci-dessous. 5 Soit un ensemble de N projections et donc de N matrices a determiner. Soit un ensemble de L points a reconstruire, le critere est donne par : N L X, M argmin Ezlimixi-qi; i=1 j=1 01:1 designe les coordonnees 2D d'un marqueur de numero j detects dans une image i obtenue par le systeme, 10 X est l'ensemble des L points 3D a reconstruire, le point de numero j, M est l'ensemble des N matrices de projection, Mi la matrice de projection de l'image i. A la fin de cette etape 35, it est possible de reconstruire, de maniere precise, l'image 3D correspondante. 15 Les images 3D ainsi obtenues pourront etre utilisees pour permettre a un praticien de positionner avec precision ses outils en cours d'operation, 36. Le principe general des methodes d'ajustement de faisceau est decrit dans le document intitule « Bundle adjustment - a modern synthesis » 20 de B.trigs, PF Mc Lauchlan, RI Hartley, International Workshop on Vision Algorithms, Corfu, Greece, September 21-22, 1999 Proceedings. Tout autre algorithme, prenant en entrée les coordonnees d'un marqueur, determinees par ('execution du procede pour en deduire les parametres geometriques du dispositif, pourra etre utilise. 25 Selon une variante de realisation, le procede comporte une etape prealable de calibration hors ligne conduisant a une geometrie imprecise du C-arm. Les matrices de calibration issues de Ia calibration « hors ligne » sont utilisees lors de Ia quatrierne etape pour effectuer la premiere reconstruction. 9 Les marqueurs utilises au niveau du patch sont, par exemple, des marqueurs spheriques afin de faciliter la detection. Ils peuvent aussi avoir des formes presentant une symetrie de revolution autour d'axes de symetrie de revolution. 5 Le ou les patchs contenant les marqueurs peuvent etre colles directement sur le patient ou etre positionnes a proximite de la zone a imager. Dans le cas de patchs adhesifs, it est possible d'utiliser un patch defini comme suit : 10 - Une bande collante qui sera apposee sur la peau d'un patient ou d'un objet, avant ('acquisition des images 2D utiles a la reconstruction des images 3D, - Un ensemble de marqueurs radio-opaques repartis sur la surface du patch, 15 - Une surface exterieure resistante a l'eau, le sang et les frottements protegeant le patch de son environnement. La surface exterieure est, par exemple, en matiere plastique. Les patchs autocolllants peuvent etre a usage unique. Les marqueurs sont par exemple repartis de maniere a couvrir 20 l'ensemble de la surface du patch. L'ensemble patch et marqueurs presente, par exemple, une epaisseur d'environ 1mm et une taille approximative de 4x14 cm. Les marqueurs peuvent etre integres dans un tissu etirable, ou « medical strech suit ». Les marqueurs de petites tailles, par exemple des 25 billes opaques, sont par exemple repartis sur l'ensemble du vetement compressif avant de couvrir ['ensemble a reconstruire, une partie du patient, par exemple. II est alors possible de faire en meme temps, d'une part Ia calibration du dispositif en utilisant les informations obtenues au cours de la quatrieme etape et d'autre part la reconstruction de l'enveloppe (surface 3D) 30 de ('objet a reconstruire. Cette enveloppe servira d'a priori pour Ia reconstruction 3D. 10 Selon une variante de realisation, le procede utilisera un ou plusieurs marqueurs anatomiques (partie du corps humain caracteristique et radio-opaque) qui correspondent a des points d'interets presents dans une image. Les marqueurs seront extraits des images en utilisant un traitement 5 d'images connu de l'homme du métier. Dans cette variante de realisation, le procede n'effectuera pas l'etape 31 de positionnement de patch. La premiere etape consistera a acquerir des images RX. Dans certains cas, it sera possible d'associer des marqueurs contenus dans des patchs et des marqueurs anatomiques, ces derniers 10 pouvant etre implantes dans le corps du patient, par exemple dans un os. Le procede selon ('invention permet aussi de calibrer un dispositif C-arm en utilisant un ou plusieurs marqueurs, la position de ces marqueurs n'etant REVENDICATIONS1 - Procede pour calculer en cours de fonctionnement les parametres geometriques d'un systeme d'imagerie a rayons X, un objet ou un patient (20) a observer etant dispose entre la source de rayons X et un detecteur de rayons X ayant traverse ('objet ou le patient, caracterise en ce qu'il comporte au moins les etapes suivantes : - Utiliser au moins un marqueur de position 3D non connue initialement, - Acquerir plusieurs images 2D pour plusieurs points de vue du systerne d'imagerie, (32), - Detecter Ia position d'au moins un marqueur dans chacune des images 2D acquises, (33), - Estimer les matrices de projection correspondant aux projections de ('objet sous des angles de vues differents et reconstruire en 3D Ia position d'un marqueur a partir de ('estimation des matrices de projection (34, 35). 2 - Procede selon la revendication 1 caracterise en ce qu'il comporte une etape de calibration hors ligne afin de calculer les matrices de projection initiales. 3 - Procede selon Ia revendication 1 caracterise en ce que les matrices de projection initiales sont calculees en exploitant les capteurs d'orientation ou de positionnement du systerne. 4 - Procede selon l'une des revendications 1 a 3 caracterise en ce que les marqueurs sont contenus dans un patch adhesif positionne sur ou a proximite du patient ou de ('objet, Mini comme suit : - Une bande collante, - Un ensemble de marqueurs radio-opaques repartis sur Ia surface du patch, 12 - Une surface exterieure resistante a un fluide. 5 - Precede selon l'une des revendications 1 a 3 caracterise en ce que l'on repartit les marqueurs au niveau d'un patch afin de couvrir ('ensemble de la 5 surface du patch. 6 - Precede selon l'une des revendications 1 a 4 caracterise en ce que l'on utilise des marqueurs integres dans un tissu etirable. 10 7 - Precede selon l'une des revendications 1 a 5 caracterise en ce que l'on utilise des marqueurs de petite taille repartis sur ('ensemble d'un vetement compressif avant de couvrir une partie d'un patient a reconstruire. 8 - Precede selon l'une des revendications 1 A 3 caracterise en ce que l'on 15 utilise au moins un marqueur anatomique. 9 - Precede selon l'une des revendications 1 a 3 caracterise en ce que l'on utilise au moins un marqueur radio-opaque implante dans I'anatomie du patient, tel que dans l'os. 20 10 - Precede selon l'une des revendications 1 a 9 caracterise en ce qu'il comporte une ≊ exploitant les caracteristiques geometriques du systeme pour reconstruire une image en 3D. 25 11 - Dispositif pour calculer en cours de fonctionnement les parametres geometriques d'un systeme d'imagerie a rayons X, un objet ou un patient (20) a observer etant dispose entre la source de rayons X et un detecteur de rayons X ayant traverse ('objet ou le patient, caracterise en ce qu'il comporte au moins un dispositif de traitement (17) comprenant un processeur (18) 30 adapte a executer les etapes du precede selon l'une des revendications 1 a 10.