一种可自动定位和扫描的ct系统及其定位和扫描方法
阅读说明：本技术 一种可自动定位和扫描的ct系统及其定位和扫描方法 (CT system capable of automatically positioning and scanning and positioning and scanning method thereof ) 是由 刘猛 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：一种可自动定位和扫描的CT系统及其定位和扫描方法,包括CT成像系统和定位系统,CT成像系统包括一环形机架和一个具有竖直运动系统和水平运动系统的扫描床以及一控制和成像单元,其特征在于：定位系统包括相对环形机架固定的图像采集装置、获取并分析图像采集装置的所采集图像的图像处理单元,图像处理单元与CT成像系统的控制和成像单元相连并可进行数据交换；图像处理单元内设有识别模块,识别模块对采集的图像进行分析,识别位于扫描床上的患者,获取人体关键点并分析人体姿态。在系统安装后首先利用标定位进行标定,以实现准确定位。本发明实现了自动摆位和定位扫描,不需要医护人员进入扫描室,能够有效避免医患之间交叉感染。(A CT system capable of automatic positioning and scanning and a positioning and scanning method thereof, comprising a CT imaging system and a positioning system, wherein the CT imaging system comprises an annular frame, a scanning bed with a vertical motion system and a horizontal motion system, and a control and imaging unit, and is characterized in that: the positioning system comprises an image acquisition device fixed relative to the annular frame and an image processing unit for acquiring and analyzing the acquired image of the image acquisition device, and the image processing unit is connected with the control and imaging unit of the CT imaging system and can exchange data; and an identification module is arranged in the image processing unit and used for analyzing the acquired image, identifying the patient on the scanning bed, acquiring key points of the human body and analyzing the posture of the human body. After the system is installed, calibration is firstly carried out by utilizing calibration positioning so as to realize accurate positioning. The invention realizes automatic positioning and positioning scanning, does not need medical personnel to enter a scanning room, and can effectively avoid cross infection between doctors and patients.)
技术领域
本发明涉及一种医疗设备，尤其是一种CT系统，具体涉及一种能够实现自动定位和扫描的CT系统。
背景技术
CT(Computed Tomography)系统，即电子计算机断层扫描系统，是一种提供高分辨率的人体断面影像的设备，具有扫描时间快，图像清晰等特点，可用于多种疾病的检查。
目前，在大型三甲医院中，需要进行CT诊断检查的人数众多，排队耗时长，对于临床诊断带来不利影响。其中一个原因是现有的CT系统需要操作技师进入扫描室，对患者进行人工手动摆位，耗费时间长，且摆位的精准性不够。如何能够实现快速摆位，减少扫描间隙时间，对于提高CT的利用率具有重大意义。
另一方面，有些疾病具有传染性，例如，在针对新冠病毒的防疫过程中，使用CT诊断疾病是疾病确诊的一个重要依据。考虑到该疾病具有强传染性，在CT诊断过程中如何避免医护人员因为摆位而和患者接触造成交叉感染是防疫工作中首要解决的问题。在对其它具有较强传染性的疾病的诊断过程中，也存在类似的问题。
因此，实现CT系统的自动定位和扫描有着重大的意义。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种可自动定位和扫描的CT系统，以实现对患者的自动定位和摆位并自动进行CT断层扫描，从而保证定位和扫描快速和精准，同时不需要医护人员进入扫描室，隔离医护人员和患者，避免交叉感染。本发明的另一发明目的是提供这种可自动定位和扫描的CT系统的方法。本发明还有一发明目的是提供这种可自动定位和扫描的CT系统的标定方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种可自动定位和扫描的CT系统，包括CT成像系统和定位系统，所述CT成像系统包括一环形机架和一个具有竖直运动系统和水平运动系统的扫描床以及一控制和成像单元，其特征在于：所述定位系统包括相对环形机架固定的图像采集装置、获取并分析所述图像采集装置的所采集图像的图像处理单元，所述图像处理单元与CT成像系统的控制和成像单元相连并可进行数据交换；所述图像处理单元内设有识别模块，所述识别模块对采集的图像进行分析，识别位于扫描床上的患者，获取人体关键点并分析人体姿态。
所述环形机架至少包含一个X射线管和至少一个与所述X射线管位置相对的X射线探测器，所述X射线管和所述X射线探测器可在环形机架内旋转。
上述技术方案中，CT成像系统为现有技术，通常，其主体布置在一屏蔽室内，控制单元由设置在环形机架内的控制器和设置在与屏蔽室相邻的操作室内的计算机构成，计算机中设置有人机交互软件。
控制单元中包括运动控制单元，用于控制扫描床的竖直运动和水平运动。以所述扫描床的长对称轴为Z轴方向，水平面内与所述Z轴垂直的方向为X轴方向，扫描床床面所在平面为XOZ平面，竖直方向为Y轴方向。竖直运动是指所述扫描床在所述运动控制单元的控制下，沿Y轴正方向或负方向运动。水平运动是指所述扫描床在所述运动控制单元的控制下，沿z轴正方向或负方向运动。其中，进床是扫描床向Z轴的负方向运动，退床是扫描床向z轴的正方向运动。
环形机架具有圆形孔，其内的通道构成孔径。在所述CT系统工作过程中，扫描床在运动控制单元的控制下运载患者向Z轴的负方向运动而进入孔径，在孔径内接受扫描；孔径的几何中心称为ISO中心。经过ISO中心，并与Z轴垂直的平面称之为ISO平面。
所述摆位是指操作技师根据患者所需的扫描部位，通过调整扫描床与环形机架之间的相对位置的方式，使所需扫描部位在CT成像系统可扫描范围内的操作；所述定位是指摆位过程中对CT扫描位置和范围进行确定的过程。
上述技术方案中，对患者的一次检查包含CT定位像扫描和断层扫描，在一次检查中，可以只进行所述定位像扫描或断层扫描，也可以同时包含定位像扫描和断层扫描；所述定位像扫描是指患者平躺、俯卧或者侧卧在扫描床上，扫描床通过床板移动使患者通过环形机架的孔径通道，与此同时，环形机架以任一角度对患者拍摄所需区域的图像；所述断层扫描是指患者平躺、俯卧或者侧卧在扫描床上，扫描床通过床板移动使患者通过环形机架的孔径通道，与此同时，环形机架旋转的对患者进行间歇或连续的断层拍摄图像。
上述技术方案中，设有一个或多个所述图像采集装置，用于采集扫描床上患者的信息，其中，至少一个所述图像采集装置设置在扫描床的正上方或侧上方，竖直向下和/或以一定的倾角向下拍摄扫描床上的患者图像；其它图像采集装置位于扫描床的左右两边，以水平方向拍摄扫描床上的患者图像。
所述位于扫描床正上方或侧上方的图像采集装置的沿着X轴的视野范围至少覆盖扫描床的宽度。
所述位于扫描床左右两边的图像采集装置的沿着Y轴的视野范围至少覆盖允许的扫描高度范围。
优选的，所述扫描高度范围大于300mm。
所述图像采集系统可以一次采集获得患者的图像，也可以通过扫描床的移动多次采集拼接获取患者的图像。
所述图像处理单元可以为嵌入式处理器、GPU、计算机、云计算平台中的一种或多种。图像处理单元可以对人体图像进行人体关键点的检测并通过图像计算人体关键点与环形机架的相对位置，所述图像处理单元也可对CT定位像进行人体部位检测，分析断层扫描位置范围。且可以对人体图像信息进行人体关键点的检测并通过所述人体关键点间的相对位置分析人体姿态，所述CT系统通过所述人体姿态的结果对患者播放语音提示以调整至适宜CT扫描的部位摆放。所述人体关键点至少包含头部、头顶、颈部、肩部、肘部、手部、眼睛、髋部、膝盖、脚踝中的一个或多个。所述人体关键点检测是指图像处理单元对所述人体图像上的所述人体关键点所处的图像像素位置进行计算和分析。
本发明还提供一种用于CT系统的自动定位和扫描方法，包括以下步骤，(1) 患者平躺至扫描床后，操作技师在CT系统中加载扫描协议；
(2) CT成像系统控制扫描床运动，同时图像处理单元通过图像采集装置获取人体图像信息；
(3) 图像处理单元在采集过程中进行人体关键点检测；
(4) CT成像系统根据扫描床高度信息、人体关键点检测结果、扫描协议的部位信息，确定患者需要进行CT定位像扫描的起始位置和扫描长度以及患者姿态；
(5) 开始扫描患者的定位像；
(6) 图像处理单元根据定位像分析断层扫描位置范围；
(7) 开始断层扫描，完成自动定位和扫描的过程。
上述步骤中，人体关键点检测和分析断层扫描范围可以是基于神经网络的深度学习检测方法，也可以不使用深度学习的检测方法。
除上述方法之外，还提供一种标定方法，本发明的中任一可自动定位和扫描的CT系统实现，包括以下步骤：
(1) 选取至少一个CT系统允许进行断层扫描的扫描床高度；
(2) 在扫描床上处于图像采集装置拍摄范围内的位置放置标定物，所述标定物有两个与环形机架的ISO平面平行的标定边；
(3) 图像采集装置拍摄一张包含所述标定物的标定图像，并记录拍摄时扫描床位置；
(5) 在所述每个标定边图像上设定至少2个标定点；
(6) CT扫描获得所述标定物的CT断层图像并计算所述标定边位于ISO平面时的扫描床位置;
(7) 计算得到图像采集装置拍摄范围内任意像素位置、扫描床移动距离、扫描床高度、CT定位像扫描起始位置的计算公式；
(8) 将所述计算公式运用于所述可自动定位和扫描的CT系统。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明通过图像识别、人体关键点的检测，配合标定，实现了自动摆位和定位扫描，不需要医护人员进入扫描室，能够有效避免医患之间交叉感染；
2、系统通过对人体关键点的检测判断人体姿态，配合语音播放引导患者调整姿态，保证了在医护人员不进入屏蔽室的情况下CT扫描的正常进行。
附图说明
图1是 CT系统的坐标系示意，示意出了X轴、Y轴、Z轴和CT、患者的方位关系；
图2是实施例中定位系统和CT成像系统的连接关系框图；
图3是实施例中图像采集装置和CT系统相对位置的一个侧向示意图；
图4是实施例中图像采集装置和CT系统相对位置的一个正向示意图；
图5是实施例中图像处理单元通过多次拼接采集人体图像的示意图；
图6是实施例中自动定位和扫描方法的工作流程图；
图7是实施例中图像处理单元分析定位像扫描起始位置的示意图；
图8是实施例所采用的标定方法示意图示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
一种可自动定位和扫描的CT系统，包括CT成像系统和定位系统；
所述CT成像系统包括：
一带孔径的环形机架；
一运载患者的且能水平和垂直运动的扫描床；
一控制台，控制台至少包括一人机交互软件、一计算机；
其中，所述扫描床的水平和垂直运动由运动控制单元控制进行。
所述CT成像系统包含能够接受语音播放命令的语音播放单元或播放预置语音提示；扫描过程中，所述CT成像系统通过语音播放单元播放语音以引导或提示患者上床、平躺、呼吸、举手等动作。
所述人机交互软件至少可进行加载扫描协议操作、准备扫描操作、曝光操作、接受命令或提示操作；
CT成像系统的坐标系如附图1所示。
本实施例中，所述垂直运动是指所述扫描床在所述运动控制单元的控制下，沿y轴正方向或负方向运动。
所述水平运动是指所述扫描床在所述运动控制单元的控制下，沿z轴正方向或负方向运动。
所述进床是扫描床向z轴的负方向运动。
所述退床是扫描床向z轴的正方向运动。
所述孔径是指机架上的圆形孔，在所述CT系统工作过程中，扫描床在运动控制单元的控制下运载患者向z轴的负方向运动而进入孔径，在孔径内接受扫描；所述孔径的几何中心被称为ISO中心。
所述扫描是指患者被扫描床运载至机架的孔径内后，X射线管发出X射线束，探测器接受穿过患者后的X射线，并形成影像的过程。
所述加载扫描协议操作是指，操作技师在人机交互软件上，将患者需要扫描的部位的扫描协议选择并添加至扫描程序中。所述扫描协议是指一组与人体部位相对应、至少涵盖了电流参数、电压参数、扫描时间参数、扫描长度参数的参数组合。
所述曝光操作是指，让X射线管发出X射线的操作。
所述准备扫描操作是指，完成扫描协议加载之后，让系统开始扫描前准备的操作；在准备扫描操作后，扫描床开始运动、摆位等。
所述接受命令或提示是指系统反馈的命令或提示传输到人机交互软件上并显示。所述人机交互软件是在所述计算机系统上运行的。
参见附图2，定位系统中包含一个和所述CT成像系统连接，和所述CT成像系统相互进行数据交互的图像处理单元，以及一个和所述图像处理单元连接，接受所述图像处理单元控制信息、用于对竖直向下和水平方向进行拍摄图像的图像采集装置。
本实施例中的图像处理单元可以选用嵌入式处理器、GPU、计算机或连接到远程云处理平台的装置。
参见附图3和附图4，是所述CT成像系统的环形机架100和扫描床200部分，环形机架100中间是一个环形通孔，通常这个环形通孔在Z方向是一个弧形结构，图像采集装置401和402安装在和环形机架100相对固定的位置；CT成像系统的的扫描床200包含一个可以水平沿着Z方向移动的床板211和一个可以竖直沿着Y方向升降的垂直升降机构201；患者300平躺在床板211上之后，CT控制和成像单元控制扫描床移动的同时通过图像处理单元控制图像采集装置401和402进行图像拍摄，CT控制和成像单元同时将扫描床移动的距离发送给图像处理单元，图像处理单元通过拍摄的图像和扫描床移动的距离进行图像处理，获得包含至少一个人体部位的图像。
优选的，所述图像采集装置401和402安装在环形机架100的环形通孔内侧。
图6是本发明实施例提供的可自动定位和扫描的CT系统的扫描流程示意图，如图所示，本发明操作流程包括：
S101：操作技师用语音进行提示，引导患者平躺至扫描床，不得乱动；之后操作技师在人机交互软件中加载扫描协并进行准备扫描的操作，同时控制和成像单元将扫描协议的扫描部位信息发送给图像处理单元；
S201：控制和成像单元开始控制进床，同时图像采集装置开始拍摄患者定位图像；
S301：图像处理单元对人体图像进行拼接处理，同时开始进行人体关键点检测；
S302：图像处理单元进行人体姿态判断，并与扫描协议中扫描部位进行匹配；
S303：图像处理单元判断人体姿态与扫描部位不匹配时，播放指引患者调整姿势的语音，同时通知控制和成像单元准备重新拍摄患者定位图像；
S304：控制和成像单元获取到姿势纠正完成信息后，开始重新执行步骤S201；
S401：图像处理单元判断人体姿态与扫描部位匹配时，通过检测到的人体关键点位置，进行定位扫描起始的位置检测和计算；
S501：图像处理单元将定位像扫描起始位置返回给控制和成像单元，之后控制和成像单元开始控制床运动，并进行定位像扫描；
S601：控制和成像单元完成定位像扫描后，将获得定位像发送给图像处理单元，图像处理单元根据部位要求进行断层扫描区域检测，并将检测的结果返回给控制和成像单元；
S701：控制和成像单元根据图像处理单元返回的断层扫描区域范围进行断层扫描。
在上述步骤S301中，所述图像处理单元是否需要进行图像拼接取决于所述图像采集装置在Z轴方向上的视野范围，本发明的一个优势在于对于所述图像采集装置在Z轴方向的视野范围没有限制；图5是一个图像处理单元通过4次拍摄了501、502、503和504的图像拼接处理获得的包含了一个人体头、胸、腹和手臂的图像，对于这样一幅人体的图像，4次拍摄只是为了说明图像拍摄原理，实际根据使用的图像拍摄装置在Z方向的视野选择不同，可以是任意多次的拍摄拼接形成类似图像，其特征在于每次拍摄时，图像处理单元同时会获取拍摄时扫描床移动的距离，用以计算扫描床所处位置。
优选的，在上述步骤S301和S302中，人体关键点检测和人体姿态判断的方式可以是基于神经网络的人工智能算法，通过预先的大量人体关键点位置和人体姿态标注和学习来进行检测判断；所述人体关键点至少包括头部、头顶、颈部、肩部、肘部、手部、眼睛、髋部、膝盖、脚踝；所述人体姿态至少包括手臂上举、手臂自然下垂、闭眼、屏住呼吸。
可选的，在上述步骤S302中，所述人体姿态判断可以根据人体关键点的相对位置建立数学模型进行判断。
优选的，在上述步骤S303中，播放指引患者调整姿态的语音的方式是CT系统自动检测到患者非预期的姿态时自动播放相关提醒语音，所述非预期的姿态至少包括手部摆放、头部角度、眼睛睁闭、呼吸动作。
可选的，在上述步骤S303中，播放指引患者调整姿态的语音的方式是操作技师通过连接到图像处理单元并可以显示患者定位图像的显示装置查看后通过人工呼叫提醒。
优选的，在上述步骤S304中，控制和成像单元通过分析患者反馈的语音信息判断是否进行重新执行步骤S201。
可选的，在上述步骤S304中，控制和成像单元通过延迟时间的方式触发重新执行步骤S201。
可选的，在上述步骤S304中，操作技师观察连接到图像处理单元并可以显示患者定位图像的显示装置判断患者是否完成姿态调整，然后通过人机交互软件通知控制和成像单元是否执行步骤S201。
附图7是上述步骤S401的具体过程的详细说明案例，图像采集装置在扫描床的床板311移动一定距离后，完成了患者300的图像410的拍摄并检测到了患者300的预期定位像扫描起始的关键点位置411，通过拍摄时记录的信息，同时知道图像采集装置在扫描床移动了t距离，并拍摄单个视野图像412时获取了所述关键点位置411的图像，图像处理单元通过计算得出所述关键点位置411在图像412上的像素点为(i,j)。
通过预先标定的图像412上像素点的扫描起始位置公式计算得出Zs，所述位置Zs用作上述步骤S501中的定位像扫描起始位置。
上述以附图7为例仅用于说明所述步骤S401的计算过程，实际扫描床高度位置的计算以及其他图示之外的定位像扫描起始位置计算用类似方法都可以实现。
附图8是本实施例对于图像采集装置在Z轴上的视野边界距离ISO平面的距离标定方法的示意图，结合附图8，说明具体标定方法和步骤是：
B101：操作扫描床升降，设定一个允许断层扫描的高度；
B102：在扫描床上放置一个较薄的矩形状的标定物；
B103：调整标定物在扫描床上放置的位置、方向和倾角，使标定物的两个对边平行于CT系统的ISO平面，所述两个对边称之为标定边；
B104：移动扫描床，使所述标定物能够完全被图像采集装置拍摄到完完整的图像412，图像412可能与CT系统的X轴产生倾角，但其拍摄到所述标定物的图像600的标定边610和620与CT系统的X轴平行，记录扫描床移动位置t0；
B105：在所述标定边的图像610和620上分别取两个标定点611、612、621和622，一共有四个标定点，找出这四个标定点的像素坐标分别为(i1,j1),(i2,j2),(i3,j3),(j4,j4)；
B106：使用较薄层厚扫描协议扫描标定物的断层图像，断层扫描的范围应覆盖标定物的完整形态，扫描的起始和结束的位置应在标定物的形态之外，既断层扫描至少覆盖所述标定物；
B107：观察B105中扫描得到的标定物断层图像，通过断层图像的扫描床位置信息和扫描协议信息计算所述标定边位于ISO中心时扫描床的位置t1、t2；
B108：利用几何方法，计算当前扫描床高度时，扫描床移动到位置为t的图像412上任意像素位置为(i,j)的像素点413的定位像扫描起始位置的标定公式Zs为
Zs = t + (t1-t0) + (t1-t2)*(A*i+B*j+C1)/|C1-C2|
其中 A=j3-j4，B=i4-i3或A=j1-j2，B=i2-i1；
C1=i1*j2-i2*j1，C2=i3*j4-i4*j3
选取不同于B101的其他的允许断层扫描的高度，重复B102-B108，获取更多扫描床床高度下的标定公式Zs。
由此，本实施例在不需要医护人员进入屏蔽室的前提下，实现了患者的自动定位，并实现了自动扫描，保证了的扫描的准确性和快捷性。通过使用该自动定位和扫描的CT系统，可以防止医患之间的交叉感染。
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