CN107405094A - 用于使用成像技术来可视化解剖结构以及血流和灌注生理机能的方法、系统和计算机程序产品 - Google Patents

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Abstract

用于在单幅图像上结合解剖数据与生理数据的方法被提供。所述方法包括获得样本的图像，例如原始近红外（NIR）图像或可见图像。样本的图像包括样本的解剖结构。获得样本的血流和灌注的生理图。将图像的解剖结构与样本的生理图结合为样本的单幅图像。样本的单幅图像实时地在该单幅图像中显示样本的解剖构造和生理机能。相关的系统和计算机程序产品也被提供。

Description

用于使用成像技术来可视化解剖结构以及血流和灌注生理机 能的方法、系统和计算机程序产品
优先权主张
本申请主张2014年10月14日提交的、申请号为62/063,663的美国临时申请以及2015年3月20日提交的、申请号为62/136,010的美国临时申请的优先权，在此通过引用如它们整体被陈述那样将其公开内容并入本申请。
版权保留
本专利文档的一部分公开内容包含受制于版权保护的材料。如其在专利与商标局专利文件或记录中呈现，则版权所有者北卡罗莱纳州格林维尔的东卡罗莱纳大学不反对任何人对专利文档或专利公开内容的复制，但是在其他无论任何情况下均保留全部版权权利。
技术领域
本发明一般地涉及器官和/或组织的可视化，并且更具体地涉及解剖结构、血流和灌注的可视化。
背景技术
可见光成像非常适合出于医疗目的对器官和/或组织表面的详细解剖可视化。然而，可见光成像对于生理机能，特别是血流和灌注的生理机能和病理机能的实时成像并不同样有效。另一方面，近红外（NIR）成像可以被用于可视化目标组织和/或器官的解剖结构的表面，但是基本上不如可见光解剖成像。需要用于器官和/或组织的可视化的改进的技术。
发明内容
本发明构思的一些实施例提供了用于在单幅图像上结合解剖数据和生理数据的方法，该方法包括：获得样本的图像，所述样本的图像包括样本的解剖结构；获得所述样本的血流和灌注的生理图；以及将所述图像的解剖结构与所述样本的生理图结合为所述样本的单幅图像。所述样本的单幅图像实时地在该单幅图像中显示所述样本的解剖构造和生理机能。获得图像、获得生理图以及结合中的至少一项由至少一个处理器执行。
在另外的实施例中，获得可以包括获得具有从大约780nm到大约2500nm的波长的原始近红外（NIR）图像以及具有从大约400nm到大约700nm的波长的可见光图像中的至少一个。
在又另外的实施例中，将图像的解剖结构与样本的生理图结合为单幅图像可以包括调节图像和/或生理图的一个或多个特性。该一个或多个特性可以包括着色、透明度以及加权函数中的至少一个。生理图可以示意血流和灌注、流分布、速度和/或基于流体动力模型在主血管中的血流的体积速率（cc/min）量化中的一个。
在一些实施例中，结合还可以包括创建由以下等式表示的8位RGB颜色图像：
其中是目标组织/器官的8位灰度可见图像，其中i和j分别是沿水平和垂直方向的像素索引，并且单独地调节每个颜色通道的以实现期望的可视化效果。
在其他实施例中，样本可以是组织和器官中的一个。获得图像可以包括获得包含组织和器官中的至少一个的脉管系统的解剖结构的图像。
在又另外的实施例中，可以在获得图像之前利用至少一个光源照亮样本。来自该至少一个光源的一部分光可以被反射以在单次数据获取期间获得所述图像和生理图。
在一些实施例中，获得样本的生理图可以包括以下各项中的一项：使用激光散斑成像（LSI）从一个或多个图像获得血流和灌注生理图；使用激光多普勒成像（LDI）从一个或多个图像获得血流和灌注生理图；以及从荧光图像获得血流和灌注血管造影外观。
在另外的实施例中，所述方法还可以包括将多个图像与对应的多个生理图结合来提供实时地显示样本的解剖构造和生理机能的视频。
本发明构思的又另外的实施例提供了用于在单幅图像上结合解剖数据和生理数据的计算机系统，该系统包括：处理器；以及耦接于所述处理器并且包括计算机可读程序代码的存储器，所述计算机可读程序代码在由所述处理器执行时使所述处理器执行包括以下步骤的操作：获得样本的图像，所述样本的图像包括样本的解剖结构；获得所述样本的血流和灌注的生理图；以及将所述图像的解剖结构与所述样本的生理图结合为所述样本的单幅图像。所述样本的单幅图像实时地在该单幅图像中显示样本的解剖构造和生理机能。
本发明构思的一些实施例提供了用于在单幅图像上结合解剖数据和生理数据的计算机程序产品，计算机程序产品包括非暂时性计算机可读存储介质，其具有实施在该介质中的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码包括：用于获得样本的图像的计算机可读程序代码，所述样本的图像包括所述样本的解剖结构；用于获得所述样本的血流和灌注的生理图的计算机可读程序代码；以及用于将所述图像的解剖结构与所述样本的生理图结合为样本的单幅图像的计算机可读程序代码。所述样本的单幅图像实时地在该单幅图像中显示样本的解剖构造和生理机能。
附图说明
图1是根据（一个或多个）本发明构思的一些实施例的系统的框图。
图2A是根据（一个或多个）本发明构思的实施例的数据处理系统的框图。
图2B是根据（一个或多个）本发明构思的一些实施例的图2中示意的数据处理系统的更详细的框图。
图3是心脏前壁的可见光图像。
图4是心脏前壁的近红外（NIR）图像。
图5是基于激光散斑对比度成像技术示意人类心脏前壁上的血流和灌注的图像。
图6是结合图3和图4的图像的根据本发明构思的实施例的图像。
图7是导致根据本发明构思的一些实施例生成的产生结合图像的一系列图像。
图8到9是示意根据（一个或多个）本发明构思的各种实施例的用于结合图像的操作的流程图。
图10A-10D是示意了根据本发明构思的一些实施例的在猪研究中的小肠的解剖结构和血流生理机能两者的第一可视化方法的图像。
图11A-11C是示意了根据本发明构思的一些实施例的在猪研究中的小肠的解剖结构和血流生理机能两者的第二可视化方法的图像。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明构思的具体示例实施例。然而，该发明构思可以以很多不同的形式实施并且不应该理解为受限于在此提出的实施例；相反，提供这些实施例为的是该公开内容将是周密和完整的，并且将充分地向本领域的技术人员传达本发明构思的范围。在附图中，相同的数字指的是相同的元件。应该理解的是，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，其可以直接地连接或耦接到其他元件或者可以存在中间元件。如在此使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何及全部组合。
在此使用的术语只是出于描述特定实施例的目的，而不意在对本发明构思进行限制。如在此使用的，除非另做明确声明，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也意在包括复数形式。还将理解的是，术语“包含”、“包括”、“包含了”和/或“包括了”在本说明书中使用时指定所声明的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，而并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。
除非另外定义，否则在此使用的所有术语（包含技术和科学术语）具有与本发明构思所属领域的普通技术人员所普遍理解的相同的意思。还将理解的是，诸如在普遍使用的词典中定义的那些术语应该解释为具有与它们在说明书上下文和相关领域中的意思一致的意思，并且将不在理想化或过于正式的意义上解释，除非在此这样明确地定义。
如上面讨论的，可见光成像和近红外（NIR）成像两者都达不到一个或多个可视化区域，无论是解剖的还是血流/灌注。因此，本发明构思的一些实施例将解剖结构的可视化与从图像数据（例如来自任何敞开的组织/器官的NIR频谱的原始图像数据）中导出的生理功能结合。具体来说，本发明构思的一些实施例将使用NIR成像、可见光成像以及诸如此类的成像技术获得的解剖图像与有关血流/灌注的结构细节结合来提供新的图像/视频用于实时展示。血流/灌注数据可以通过例如激光散斑或激光多普勒成像技术（LDI）来提供或者在一些实施例中通过荧光成像技术来提供。在例如共同受让的公开号为2013/0223705和2013/0245456的美国专利公开中讨论了使用激光散斑成像（LSI）的血流/灌注数据的供应细节，其内容如它们整体被陈述那样在此通过引用并入。应该理解的是，本发明构思的实施例不受限于LSI、LDI和/或荧光成像，可以使用将表示血流和灌注生理机能的任何图像形式。具体来说，在没有背离本发明构思的范围的情况下，血流和灌注数据可以通过适合于在此讨论的实施例的任何有效的方法来提供。
本发明构思的一些实施例提供了用于对解剖-生理结果的展示以及实时评估和估计的新的图像/视频可视化。换句话说，新图像在可以实时操纵的同一图像上既提供由例如NIR或可见光成像提供的可用的解剖图像，又提供血流和灌注信息。因此，新的可视化（在下文中称为速度-流-解剖构造（VFA）图像或视频）实时地同时包括解剖结构以及血流和灌注生理机能两者的信息。
根据本发明构思的一些实施例的VFA图像/视频将（1）高度具体的解剖细节与（2）足够进行实时医疗决策的根本的生理过程结合。NIR/可见光图像被用作最终可视化（VFA图像）的一层，其揭示了目标组织/器官表面和脉管系统的解剖结构。通过例如LSI、LDI和荧光技术量化的血流和灌注的生理图被用作最终VFA可视化的另一层。生理图提供了被定为目标的组织/器官脉管系统的功能和生理机能。如将在此理解的，术语“生理图”指的是通过不同类型的成像生成的图，例如LSI和LDI可以生成“速度图”，但是术语“生理图”可以一般地指由对任何成像技术的使用产生的图。例如，在没有背离本发明构思的范围的情况下，生理图可以示意血流和灌注、流分布、速度和/或基于流体动力模型在主血管中的血流的体积速率（cc/min）量化中的一个和/或其任何组合。
组织/器官中的血流和灌注的正常生理机能以及血流和灌注的异常的病理表现这两方面都可以提供。本发明构思的一些实施例提供了配置成调节所述层中的每一个的多个方面（例如各层的着色和透明度）的软件算法。在一些实施例中，可以从原始NIR数据/可见光图像的同一单个视频获取中导出所述层中的每一个。
本发明构思的一些实施例可以提供优于常规可视化方法的与众不同的优点。例如，本发明构思的实施例可以提供NIR图像/可见光图像的实质上提高的解剖逼真度。此外，解剖构造层可以提供速度成像的重要背景。提高的解剖逼真度又提高了速度逼真度、速度数据解释、解释的时序以及对解释的理解；所有这些使得VFA图像/视频结果的解释更加直观。解剖逼真度允许了对多层级分析的同时、实时的估计，诸如目标心外膜冠状动脉（流）和周围的心肌组织（灌注）。最后，由本发明构思的实施例提供的解剖构造和生理机能的组合可以在说服用户（即外科手术中的外科医生）功能数据是真实的并且准确表示根本的生理机能和/或病理机能时是有用的。VFA图像/视频结合并且显示未知的（即灌注的量化）和已知的（即解剖构造），其中解剖构造分量提供了如将在下面参照图1到11C进一步讨论的有用的参照系。
首先参照图1，将讨论根据本发明构思的一些实施例的用于在实时图像/视频中结合解剖和速度信息的系统。应该理解的是，根据本发明构思的一些实施例的一些系统可以是非侵入式的。如在此使用的，“非侵入式”指的是不需要利用染料注射主体、利用客体穿刺主体或者利用一个或多个胞内抗体探针接触主体的系统或方法。因此，如在此使用的，术语非侵入式指的是与主体进行最小接触的系统或方法。如在此使用的，“主体”指的是正被成像的人或物。主体可以是任何主体，包括兽医、尸体研究或人体对象。如在此使用的，“灌注”指的是利用散斑成像检测的组织灌注分布层级的血流。
如图1中示意的，系统100包括至少一个光源单元120、照相机130、成像处理设备110和VFA设备130。虽然图1的系统被描绘为只包含这些元件，应该理解的是，在没有背离本发明构思的范围的情况下，其他元件也可以出现在系统中。例如，在没有背离本发明构思的范围的情况下，本发明构思的一些实施例可以包括多个光源120。多个光源120可以包括具有不同波长的光源，例如，近红外和可见光可以通过相应的光/激光设备来提供。
具体来说，在一些实施例中，光源单元120可以通过例如一个或多个激光或发光二极管（LED）光来提供。在一些实施例中，光源120是具有从大约780nm到大约2500nm的波长的NIR光源。在一些实施例中，光源120可以是具有从大约400nm到大约780nm的波长的可见光源。在一些实施例中，具有相应的波长的可见光源和NIR光源两者可以被使用。因此，本发明构思的一些实施例提供了使用穿过样本的不同透射率的两种波长来应用LSI和/或LDI的系统。例如，两种波长中的第一种可以在具有零穿透或非常浅的穿透的可见范围内，诸如蓝光450-495nm。该波长捕捉组织/器官表面的解剖结构，并且用作样本的而不是血流和灌注的子表面移动的位置标记。第二波长可以在近红外（NIR）范围内，其具有远远更深的穿透。该波长揭示了根本的血流生理机能，并且既与样本的运动又与血流和灌注的移动相关。使用可见光的成像测量作为基线，可以从NIR成像测量中导出血流和灌注的真实运动而不受目标的运动伪像的影响。此外，将由可见光捕捉的解剖结构信息与由NIR光测量的生理特征结合。在2015年3月20日提交的申请号为62/136,010的美国临时申请中详细讨论了关于使用两种波长的系统的细节，在此通过以上引用并入其公开内容。虽然在此关于NIR原始图像和可见光图像讨论实施例，但是本发明构思的实施例不局限于该配置。在没有背离本发明构思的范围的情况下可以使用可以充分表示解剖构造的任何其他图像形式。
光源120可以被用于照亮所关心的区域140（下文中称为“组织/器官”）。如在此使用的，“所关心的区域”指的是正被成像的主体的区域，例如主血管和组织、器官等。如图1中所示，当来自源120的入射光127（例如NIR光或可见光）被引导至诸如组织/器官的活体目标（所关心的区域140）时，部分光将在目标内部经过多重散射并且最终反射回（反射光）到照相机130。
照相机130被配置成采集反射光并且提供可见光或NIR图像（NIR/可见层115），其各自具有不同的特征，所述不同的特征例如取决于由波长能量确定的照射光的穿透深度。在一些实施例中，照相机130由用于单波长（可见/NIR）图像获取的Lumenera Lt225 NIRCMOS照相机提供。对于同时的多波长图像获取应用，定制设计的光束分离系统可以放置在普通照相机机体前面。
反射的NIR/可见图像115揭示了解剖结构。在一些实施例中，取决于对组织的穿透（其是波长和能量的函数），该解剖结构可以是组织/器官表面下方的多个毫米。产生的未修改的图像展示（图4的原始NIR图像）并不像相似结构的可见光图像（图3）一样详细。
图3是心脏前壁的可见光图像，并且图4是心脏前壁的NIR图像，其揭示了冠状动脉的解剖结构。图3和4的差异不仅基于解剖结构，还基于两者速度的差异。
此外，由于图4的NIR图像是256灰度图像，由颜色实现的解剖差异可能在NIR原始图像中丢失。逼真度的损失很大程度上限制了例如LSI和LDI在医学中的应用。解剖构造和解剖结构是医学中（特别是在外科和介入手术中）的基本参考构造。解剖逼真度的损失去除了用于理解生理和病理血流和灌注数据以及用于使对这样的成像技术的使用更加直观的关键帧。
因此，如图1中示意的，本发明构思的实施例提供了配置VFA图像/视频的VFA设备。具体来说，如图1中示意的，VFA设备被配置成将NIR/可见解剖图像115与由图像处理设备110（例如LSI、LDI或荧光）提供的血流和灌注信息117（生理层）结合以与关于血流和灌注的生理图数据结合地提供更高逼真度的解剖细节，所述生理图数据针对该解剖细节的分量，即心外膜冠状动脉中的流和周围心肌中的灌注。因此，VFA图像/视频唯一地结合了这两种数据。根据在此讨论的实施例的新的VFA图像以比原始NIR/可见图像115（图4）更好并且几乎与可见光图像（图3）一样详细的解剖逼真度显示了由例如LSI、LDI或荧光提供的流和灌注速度数据。
LSI分析的VFA图像展示创建了用于在外科医生和医学成像者已经知道和理解的框架内展示速度数据的方法，因此使对新型流和灌注数据的解释对于决策制定更加容易地可理解和可使用。解剖细节提供了参照系来将已知（解剖构造）与未知或测量的（流和灌注）结合。解剖细节在生理和病理两种情况下提高了对流和灌注数据的解释和理解的准确度。当成像技术受到提供两个不同“层级”的速度（和流）数据的挑战时，例如当对心脏的心外膜表面成像以测量心外膜冠状动脉中的流（层级1）和周围心肌中的灌注（层级2）时，则尤其是这样。
在本发明构思的一些实施例中，解剖细节和生理图分析两者可以从同一单幅原始NIR图像数据/可见光图像导出。因此，如例如在图6中示意的，通过将这些解剖和分析数据结合并且使用根据本发明构思的实施例的算法来调节例如数据的着色、透明度、叠加和积分，可以生成新的VFA分析图像130来包含组织/器官的解剖（血管结构）和功能（血流和灌注）信息两者。
具体来说，图6示意了在根据本发明构思的一些实施例进行处理之后的VFA图像。因此，图6示意了图4和图5的结合的VFA图像/视频显示。在本发明构思的一些实施例中，调节每一层的着色、透明度及其他特征来最优地揭示（冠状）动脉流和周围组织（心肌）灌注的解剖构造和功能两者，这是同时的并且是实时的。
现在参照图7，将讨论根据本发明构思的一些实施例的VFA图像/视频。图7A示意了利用可见波长成像提供的心脏的传统的解剖构造图像。图7B示意了利用NIR成像生成的解剖构造视图。图7C是使用LSI生成的生理图像，其详述了样本上的血流和灌注。根据本发明构思的实施例的VFA图像结合7B和7C来示意如在图7D中示意的样本的解剖构造以及生理机能（血流和灌注）。向这种VFA分析图像方法加入的客观的价值在于使这种结合的数据比任一分量（解剖构造、速度）视觉上更加直观，并且因此就提供者/医师而言更容易快速理解和解释。这可以直接转化成由医师在有远多于以前任何时候的生理和病理数据供他们使用时所交付的更好的健康服务。实时数据被容易地获取并且然后在根据本发明构思的实施例的VFA图像中直观地展示，以允许更好的决策和更好、更安全的外科手术。
应该理解的是，虽然在此讨论了单幅VFA图像的生成，但是本发明构思的实施例不受限于该配置。例如，在没有背离本发明构思的范围的情况下，一系列VFA图像可以被生成并且可以集合为VFA视频图像序列。
本发明构思的实施例可以应用于从任何组织和/或器官系统对血流和灌注数据的确定的获取，其中血流和灌注是用于评估、测量、医疗决策制定、治疗决策制定、使用从该技术导出的生理成像数据的产品开发或者对血流和灌注的生理机能和/或病理机能的实验研究的重要决定因素。
现在参照图2A和图2B，将讨论根据本发明构思的一些实施例的可以用在图1中示意的系统100中的数据处理系统200。在没有背离本发明构思的范围的情况下，数据处理系统200可以包括在VFA设备120、包括在照相机130中或者分布在系统100的各种元件之间。如在图2中示意的，适合于在图1的系统100中使用的数据处理系统200的示例性实施例包括与处理器238通信的用户界面244（诸如键盘、小键盘、触摸板或诸如此类的设备）、I/O数据端口246和存储器236。I/O数据端口246可以被用于在数据处理系统200与另一计算机系统或网络之间传送信息。这些组件可以是常规的组件，诸如可以配置成如在此描述的那样操作的很多常规的数据处理系统中使用的那些。
现在参照图2B，将讨论根据本发明构思的一些实施例的数据处理系统200的更详细的框图。处理器238经由地址/数据总线347与显示器345通信，经由地址/数据总线348与存储器236通信以及经由地址/数据总线349与I/O数据端口246通信。处理器238可以是任何市售的或定制的微处理器或ASIC。存储器236代表全部等级的存储器设备，其包含被用于实现数据处理系统200的功能的软件和数据。存储器236可以包括但不受限于以下类型的设备：高速缓存、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存存储器、SRAM和DRAM。
如在图2B中示出的，存储器236可以包括用在数据处理系统200中的若干类别的软件和数据：操作系统352、应用程序354、输入/输出（I/O）设备驱动器358和数据356。如本领域的技术人员应该理解的，操作系统352可以是适合于与数据处理系统一起使用的任何操作系统，诸如来自纽约州Armonk的国际商用机器公司（IBM）的OS/2、AIX或zOS、来自华盛顿州Redmond的微软公司的Windows95、Windows98、Windows2000、WindowsXP或Vista、Unix、Linix、LabView或诸如QNX或VxWorks实时操作系统以及诸如此类的操作系统。I/O设备驱动器358通常包括由应用程序354通过操作系统352访问的软件例程来与诸如（一个或多个）I/O数据端口246和特定存储器236的设备通信。应用程序354是包括在根据本发明构思的一些实施例的系统中的、实现数据处理系统200的各种功能的程序的示意，并且优选地包括支持根据本发明构思的一些实施例的操作的至少一个应用。最后，数据356表示由应用程序354、操作系统352、I/O设备驱动器358和驻存于存储器236中的其他软件程序使用的静态和动态的数据。
如在图2B中示意的，根据本发明构思的一些实施例的数据356可以包括获取的原始图像360、解剖层图像/数据361、计算的血流/灌注速率（速度数据）363、VFA图像/视频364以及血流的体积速率（cc/min）数据356。血流的体积速率（cc/min）数据356针对基于流体动力模型在主血管上的血流的体积速率（cc/min）量化。
虽然在图2B中示意的数据356包括5个不同的文件360、361、363、364和365，本发明构思的实施例不受限于该配置。在没有背离本发明构思的范围的情况下，两个或更多的文件可以组合以制作单个文件；单个文件可以分为两个或更多的文件以及诸如此类。
如在图2B中进一步示意的，根据本发明构思的一些实施例，应用程序354可以包括调节模块351、图像捕捉模块352、NIR/可见模块353和VFA处理模块354。尽管本发明构思例如参照调节模块351、图像捕捉模块352、NIR/可见模块353和VFA处理模块354作为图2B中的应用程序被示意，如本领域的技术人员应该理解的，也可以使用其他配置同时仍然从本发明构思的示教中受益。例如，调节模块351、图像捕捉模块352、NIR/可见模块353和VFA处理模块354也可以被并入数据处理系统300的操作系统352或其他这样的逻辑区块中。因此，本发明构思不应该理解为受限于图2B的配置，而是意图包含能够执行在此描述的操作的任何配置。
此外，尽管调节模块351、图像捕捉模块352、NIR/可见模块353和VFA处理模块354在单个数据处理系统中示意，如本领域的技术人员应该理解的，这样的功能可以跨一个或多个数据处理系统分布。因此，本发明构思不应该理解为受限于图2A和2B中示意的配置，而是可以由数据处理系统之间的其他布局和/或功能区块提供。
如上面参照图1讨论的，光源（例如NIR源和/或可见光源）可以照亮组织/器官的样本，并且光可以反射到照相机中。NIR/可见模块353可以从反射光提供NIR图像361，并且图像捕捉模块352可以使用例如LSI、LDI或荧光来提供图像（散斑图像）360。可以计算血流和灌注数据（速度数据）。可以根据在此讨论的实施例来处理这些图像以提供速度数据363和至少一个VFA图像364。具体来说，可以由VFA处理模块354使用数据356来提供NIR图像361和速度数据363的组合。如上面讨论的，NIR图像361的颜色、透明度以及诸如此类的特性可以由调节模块351调节以提供包含解剖数据和生理数据两者的实时、可用的图像。
在一些实施例中，单色（例如黑色）在底部被用作基底；生理图像或其经调节的形式被用作基底上方的层；解剖图像或其经调节的形式被用于修改生理层的透明度，从而解剖上不那么重要的部分（解剖图像中较低的强度）将使生理图更透明并且因此较不可见。
在另外的实施例中，单色（例如黑色）在底部被用作基底；解剖图像或其经调节的形式被用作基底上方的层；并且生理图像或其经调节的形式被用于修改解剖层的透明度，从而生理上不那么重要的部分（生理图像中较低的值）将使解剖图像更透明并且因此更不可见。
使用NIR波长、激光散斑图像和激光多普勒技术可以量化血流和灌注的速度，并且因此揭示血管系统的功能。在很多临床情况下，使用对解剖细节和该解剖细节内的根本的生理过程的结合的实时可视化的新型机会在当前和未来的治疗策略中将是变革性的。
现在将参照图8和图9的流程图讨论根据本发明构思的各种实施例的操作。首先参照图8，用于在单幅图像上结合解剖数据和生理数据的操作通过获得样本的图像开始于方框815。图像可以是例如具有从大约780nm到大约2500nm的波长的样本的原始近红外（NIR）图像和/或具有从大约400nm到大约700nm的波长的样本的可见光图像。
样本的图像包括样本的解剖结构。样本可以例如是组织和/或器官。获得样本的血流和灌注的生理图（方框825）。可以使用例如LSI、LDI或荧光来获得样本的生理图。图像的解剖结构和样本的生理图被结合为样本的单幅图像（方框835）。样本的单幅图像实时地在单幅图像中显示样本的解剖构造和生理机能。如在图8中进一步示意的，在一些可选的实施例中，可以基于流体动力模型计算主血管上的血流的体积速率（cc/min）（方框832）。
在一些实施例中，多幅图像可以与对应的多个生理图结合以提供实时地显示样本的解剖构造和生理机能的视频。
在一些实施例中，将图像的解剖结构与样本的生理图结合为单幅图像包括调节图像和/或生理图的一个或多个特性。该一个或多个特性可以包括着色、透明度和加权函数中的至少一个。
现在参照图9，在一些实施例中，在用于获得的操作之前利用光源（例如NIR源和/或可见光源）照亮样本（方框917）。在这些实施例中，一部分光从源被反射以在单次数据获取期间获得所述图像和生理图（方框927）。
现在将参照图10A-11C示意的图像讨论根据在此讨论的实施例的进一步的操作。应该理解的是，对如在此讨论的组织和器官的解剖结构和血流生理机能两者的可视化可以通过各种方法实现。将在此参照图10A-11C讨论两种不同的方法。
首先参照图10A-10D，将讨论类似于上面讨论的操作的使用双层设计的第一方法。图10A和图10B示意了解剖层，其是一种波长照射（可见和/或近红外）的原始（初始）图像帧。是目标组织/器官的8位灰度可见图像，并且i和j是沿水平和垂直方向的像素索引。可以调节该图像的亮度、对比度和伽玛值以实现更好的可视化效果。
图10C示意了生理层，其是基于近红外光的一个或多个原始图像帧的经处理的图像，反映了使用例如LSI或LDI技术成像的组织/器官的血流和灌注的2D速度分布。是8位索引的颜色图像（以黑色和白色示出），其数值映射到预定义的颜色图。通常，颜色在从蓝色到红色的范围内（0到255），其中蓝色表示没有/最小流速并且红色表示系统可以检测到的最大流速。
最后，图10D示意了图10A-10C的结合。使用将解剖层或部分解剖层重叠在生理层上的常规方法将导致底层不可见（被覆盖）或者部分地不可见（部分地被覆盖）。类似地，使用将生理层或部分生理层重叠在解剖层上的传统方法将导致底层不可见（被覆盖）或者部分地不可见（部分地被覆盖）。因此，本发明构思的实施例提供了透明度图/矩阵，其被应用于提高解剖层和生理层两者的能见度。透明度图可以通过以下等式表示：
等式（1）
其中是可见光或近红外光的原始（初始）图像帧（10A或10B），并且x是大于零（>0）并且小于或等于2（<=2）的可调节参数。换句话说，中的每个像素值在0和1之间，其中0表示没有透明度并且1表示100%透明度。参数x控制透明度图的对比度，并且如果x>1，则透明度具有更大的动态范围，并且如果x<1，则透明度具有更小的动态范围。
现在参照图11A-11C，将讨论用于使用颜色和亮度设计对组织和器官的解剖结构和血流生理机能的可视化的第二方法。首先参照图11A，解剖层是由图像亮度表示的示意。一种波长照射（可见和/或近红外）的原始（初始）的图像帧是目标组织/器官的8位灰度可见图像，并且i和j是沿水平和垂直方向的像素索引。可以调节该图像的亮度、对比度和伽玛值以实现更好的可视化效果。
图11B将生理层示意为着色的图像（以黑色和白色示出），其是基于近红外光的一个或多个原始图像帧的经处理的图像，反映了使用LSI或LDI技术成像的组织/器官的血流和灌注的2D速度分布。首先，生成8位索引的颜色图像，其数值映射到预定义的颜色图。通常，颜色在从蓝色到红色（0到255）的范围内，如上面参照图10A-10D讨论的，其中蓝色表示没有/最小流速并且红色表示系统可以检测到的最高流速。然后，8位索引的颜色图像被转换为归一化的RGB图，其中每个像素的颜色由（R,G,B）三个值表示，并且每个值在从0到1的范围内。RGB图像的每个像素由对应于红色、绿色和蓝色的分量的三个数字（RGB）构成。如果使用8位值，则这三个数字中的每一个可以在从0到255的范围内，如果使用归一化的值，则在从0到1的范围内，并且（R,G,B）将确定像素中的颜色的色彩和亮度。
现在参照图11C，通过创建由以下等式表示的8位RGB颜色图像将解剖层（图11A）和生理层（图11B）两者融合在一起：
等式（2）
其中可以单独地并且不同地调节每个颜色通道的以实现最优可视化效果。因此，图11A的图像调节亮度并且图11B的图像调节颜色以提供图11C的图像，其是解剖构造与生理机能两者的结合。
如上面讨论的，近红外图像/可见光图像可以可视化组织/器官的脉管系统的解剖结构的表面和子表面。诸如LSI、LDI或荧光的血流测量技术可以量化血流和灌注的速度，因此揭示组织/器官的脉管系统的功能。在特定的临床情况下，组织/器官脉管系统的解剖结构和功能两者的可视化是重要的。因此，在本发明构思的一些实施例中，NIR图像被用作VFA图像的一层，其揭示了目标组织/器官脉管系统的解剖结构。通过例如LSI、LDI或荧光技术量化的血流和灌注的生理图用作VFA的另一层，其揭示了目标组织/器官脉管系统的功能和生理机能。本发明构思的实施例配置成调节这两层的着色和透明度，并且实现最终的可视化（VFA图像），其表示特定组织/器官的血管系统的解剖构造和功能两者。
应该理解的是，在没有背离本发明构思的范围的情况下，本发明构思的实施例可以以任何临床成像的格式使用，这既包括外科成像（通常是住院病人应用）也包括其他门诊病人成像程序（非外科应用）。
上面参照方法、设备、系统和/或计算机程序产品的框图和/或流程图示意描述了示例实施例。应该理解的是框图和/或流程图示意的方框以及框图和/或流程图示意中的方框的组合可以通过计算机程序指令实现。可以向通用计算机、专用计算机和/或其他可编程数据处理装置的处理器提供这些计算机程序指令以产生机器，从而经由计算机和/或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现框图和/或流程图的一个或多个方框中指定的功能/动作的部件（功能）和/或结构。
这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读存储器中，其可以指引计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式起作用，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包含实现在框图和/或流程图的一个或多个方框中指定的功能/动作的指令的制品。
计算机程序指令还可以加载到计算机或其他可编程数据处理装置上以使一系列操作步骤在计算机或其他可编程装置上被执行以产生计算机实现的过程，从而在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实现在框图和/或流程图的一个或多个方框中指定的功能/动作的步骤。
因此，示例实施例可以以硬件和/或软件（包括固件、常驻软件、微代码等）实现。此外，示例实施例可以采取计算机可使用或可读的存储介质上的计算机程序的形式，所述介质具有实施在该介质中的供指令执行系统使用或与其相连接的计算机可使用或可读的程序代码。在本文档的上下文中，计算机可使用或计算机可读的介质可以是能够包括、存储、通信、传播或运送供指令执行系统、装置、或设备使用或与其相连接的程序的任何介质。
计算机可使用或计算机可读的介质可以例如是但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的或半导体的系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质的更多具体示例（非穷举列表）将包括以下各项：具有一个或多个接线的电子连接、便携式计算机软盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除式可编程只读存储器（EPROM或闪存存储器）、光纤以及便携式压缩盘只读存储器（CD-ROM）。注意到计算机可使用或计算机可读的介质甚至可以是程序印制于其上的纸张或其他适合的介质，因为程序可以经由例如对纸张或其他介质的光学扫描被电子化地捕捉，然后被编译、解释或根据需要另外以适合的方式被处理，并且然后存储在计算机存储器中。
为了开发方便，在此讨论的用于执行数据处理系统的操作的计算机程序代码可以用高级编程语言编写，诸如Java、AJAX（异步JavaScript）、C和/或C++。此外，用于执行示例实施例的操作的计算机程序代码还可以以其他编程语言编写，诸如但不限于解释型语言。一些模块或例程可以用汇编语言或者甚至微代码编写以增强性能和/或存储器使用。然而，实施例不局限于特定的编程语言。应该进一步理解的是，还可以使用分立的硬件部件、一个或多个专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）或已编程的数字信号处理器、可编程的逻辑控制器（PLC）或微处理器来实现任何或全部的程序模块的功能。
还应该注意到的是，在一些备选的实现方式中，方框中注释的功能/动作可以以不同于流程图中注释的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/动作，连续示出的两个方框可以实际上基本上并发地执行，或者方框有时可以以相反的顺序执行。此外，流程图和/或框图的给定方框的功能可以被分成多个方框中和/或流程图和/或框图的两个或多个方框的功能可以至少部分地集成。
在附图和说明书中已公开了发明构思的示例实施例。虽然采用了具体术语，但是只在一般性和描述性的意义上使用它们，而不是出于限制的目的，本发明构思的范围由所附权利要求限定。

Claims (27)

1.一种用于在单幅图像上结合解剖数据与生理数据的方法，所述方法包括：
获得样本的图像，所述样本的图像包括所述样本的解剖结构；
获得所述样本的血流和灌注的生理图；以及
将所述图像的解剖结构与所述样本的生理图结合为所述样本的单幅图像，所述样本的所述单幅图像实时地在该单幅图像中显示所述样本的解剖构造和生理机能，
其中，所述获得图像、获得生理图以及结合中的至少一项由至少一个处理器执行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中获得所述图像包括获得具有从大约780nm到大约2500nm的波长的原始近红外（NIR）图像和具有从大约400nm到大约700nm的波长的可见光图像中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述图像的解剖结构与所述样本的生理图结合为单幅图像包括调节所述图像和/或所述生理图的一个或多个特性。
4.根据权利要求3所述的方法：
其中所述一个或多个特性包括着色、透明度和加权函数中的至少一个；并且
其中所述生理图示意了血流和灌注、流分布、速度和/或基于流体动力模型在主血管中的血流的体积速率（cc/min）量化中的一个。
5.根据权利要求3所述的方法，其中结合还包括创建由以下等式表示的8位RGB颜色图像：
其中是目标组织/器官的8位灰度可见图像，其中i和j分别是沿水平和垂直方向的像素索引，并且单独地调节每个颜色通道的以实现期望的可视化效果。
6.根据权利要求1所述的方法：
其中所述样本包括组织和器官中的一个；并且
其中获得所述图像包括获得包含所述组织和所述器官中的至少一个的脉管系统的解剖结构的图像。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在获得所述图像之前利用至少一个光源照亮所述样本，所述方法还包括从所述至少一个光源反射一部分光以在单次数据获取期间获得所述图像和所述生理图。
8.根据权利要求1所述的方法，其中获得所述样本的生理图包括以下各项中的一项：使用激光散斑成像（LSI）从一个或多个图像获得的血流和灌注生理图；使用激光多普勒成像（LDI）从一个或多个图像中获得的血流和灌注生理图；以及从荧光图像获得的血流和灌注血管造影外观。
9.根据权利要求1所述的方法，其还包括将多个图像与对应的多个生理图结合以提供实时地显示所述样本的解剖构造和生理机能的视频。
10.一种用于在单幅图像上结合解剖数据与生理数据的计算机系统，所述系统包括：
处理器；以及
耦接于所述处理器并且包括计算机可读程序代码的存储器，所述计算机可读程序代码在由所述处理器执行时使所述处理器执行包括以下步骤的操作：
获得样本的图像，所述样本的图像包括所述样本的解剖结构；
获得所述样本的血流和灌注的生理图；以及
将所述图像的解剖结构与所述样本的生理图结合为所述样本的单幅图像，所述样本的单幅图像实时地在该单幅图像中显示所述样本的解剖构造和生理机能。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述处理器还执行包括以下各项中的一项的操作：获得具有从大约780nm到大约2500nm的波长的原始近红外（NIR）图像以及具有从大约400nm到大约700nm的波长的可见光图像中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的系统，其中将所述图像的解剖结构与所述样本的生理图结合为单幅图像包括调节所述图像和/或所述生理图的一个或多个特性。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述一个或多个特性包括着色、透明度和加权函数中的至少一个。
14.根据权利要求12所述的系统，其中结合还包括创建由以下等式表示的8位RGB颜色图像：
其中是所述目标组织/器官的8位灰度可见图像，其中i和j分别是沿水平和垂直方向的像素索引，并且单独地调节每个颜色通道的以实现期望的可视化效果。
15.根据权利要求10所述的系统：
其中所述样本包括组织和器官中的一个；并且
其中所述处理器还执行包括以下步骤的操作：获得包含所述组织和所述器官中的至少一个的脉管系统的解剖结构的原始图像。
16.根据权利要求10所述的系统，所述系统还包括配置成照亮所述样本的至少一个照射源，其中来自所述至少一个源的一部分光被反射，并且被用于在单次数据获取期间获得所述图像和所述生理图。
17.根据权利要求10所述的系统，其中所述处理器还执行包括以下各项中的一项的操作：使用激光散斑成像（LSI）从一个或多个图像获得血流和灌注生理图；使用激光多普勒成像（LDI）从一个或多个图像获得血流和灌注生理图；以及从荧光图像获得血流和灌注血管造影外观。
18.根据权利要求10所述的系统，其中所述处理器还执行包括以下步骤的操作：将多个图像与对应的多个生理图结合以提供实时地显示所述样本的解剖构造和生理机能的视频。
19.一种用于在单幅图像上结合解剖数据和生理数据的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括：
非暂时性计算机可读存储介质，其具有实施在该介质中的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码包括：
用于获得样本的图像的计算机可读程序代码，所述样本的图像包括所述样本的解剖结构；
用于获得所述样本的血流和灌注的生理图的计算机可读程序代码；以及
用于将所述图像的解剖结构与所述样本的生理图结合为所述样本的单幅图像的计算机可读程序代码，所述样本的单幅图像实时地在该单幅图像中显示所述样本的解剖构造和生理机能。
20.根据权利要求19所述的计算机程序产品，其中获得所述图像包括获得具有从大约780nm到大约2500nm的波长的原始近红外（NIR）图像以及从大约400nm到大约700nm的波长的可见光图像中的一个。
21.根据权利要求20所述的计算机程序产品，其中将所述图像的解剖结构与所述样本的生理图结合为单幅图像的计算机可读程序代码包括用于调节所述图像和/或所述生理图的一个或多个特性的计算机可读程序代码。
22.根据权利要求21所述的计算机程序产品，其中所述一个或多个特性包括着色、透明度和加权函数中的至少一个。
23.根据权利要求21所述的计算机程序产品，其中用于结合的所述计算机可读程序代码还包括用于创建由以下等式表示的8位RGB颜色图像的计算机可读程序代码：
其中是所述目标组织/器官的8位灰度可见图像，其中i和j分别是沿水平和垂直方向的像素索引，并且分别调节每个颜色通道的以实现期望的可视化效果。
24.根据权利要求19所述的计算机程序产品，其中所述样本包括组织和器官中的一个，所述计算机程序产品还包括用于获得包含所述组织和所述器官中的至少一个的脉管系统的解剖结构的图像的计算机可读程序代码。
25.根据权利要求19所述的计算机程序产品，其中利用至少一个源照亮所述样本，并且其中一部分来自所述至少一个源的光被反射以在单次数据获取期间获得所述图像和所述生理图。
26.根据权利要求19所述的计算机程序产品，其中用于获得所述样本的生理图的计算机可读程序代码包括用于以下各项的计算机可读程序代码中的一个：使用激光散斑成像（LSI）从一个或多个图像获得血流和灌注生理图；使用激光多普勒成像（LDI）从一个或多个图像获得血流和灌注生理图；以及从荧光图像获得血流和灌注血管造影外观。
27.根据权利要求19所述的计算机可读程序代码，其还包括用于将多个图像与对应的多个生理图结合以提供实时地显示所述样本的解剖构造和生理机能的视频的计算机可读程序代码。
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