CN110870776B - 用于三维数字减影血管造影图像的方法和装置 - Google Patents

用于三维数字减影血管造影图像的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于建立检查对象的高分辨率的三维数字减影血管造影图像的方法，具有以下步骤：在未给予造影剂的条件下提供或记录记录系统围绕检查对象的三维旋转运行的数据组(掩模运行)；借助基于极线一致性条件的方法对掩模运行的数据组进行运动补偿；在给予造影剂的条件下提供或记录记录系统围绕检查对象的三维旋转运行的数据组(充盈运行)；借助同样的方法对充盈运行的数据组进行运动补偿；根据经补偿的掩模运行的数据组重建第一体积(掩模体积)，根据经补偿的充盈运行的数据组重建第二体积(充盈体积)；第一体积和第二体积相对于彼此刚性3D‑3D配准；通过从充盈体积中减去掩模体积来计算高分辨率的三维数字减影血管造影图像。

Description

用于三维数字减影血管造影图像的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种根据本发明的用于建立检查对象的高分辨率的三维数字减影血管造影图像的方法，以及一种用于执行这种根据本发明的方法的装置。
背景技术
“简单的”数字减影血管造影图像(DSA)用于检查血管。在此，从待检查的身体部分(例如脑)建立多个时间上相继跟随的X射线图像，与此同时注射造影剂。这产生了没有造影剂的X射线图像(也被称为掩模图像)以及具有造影剂分布的另外的X射线图像。从随后的X射线图像中减去数字的掩模图像。其余仅保留不同的部分，即通常恰好是血管。
3D数字减影血管造影图像(3D DSA)允许将例如形成对比的脑血管高分辨率地显示为3D体积。为此，典型地使用例如由5s DynaCT掩模运行、5s返回运行和5s DynaCT充盈运行构成的协议。在此，二维的X射线投影通常来源于围绕身体部分旋转的C形臂X射线设备(DynaCT)的记录协议。由于记录时间相对长，在DynaCT期间以及在DynaCT之间患者运动的可能性增加。
典型地，从充盈图像中减去掩模图像，并且将经减影的图像重建为3D体积。在此，为了进行运动补偿，在各个掩模图像和充盈图像之间使用2D/2D配准。该方法的问题在于，3D运动在2D X射线图像中仅能被有限地估计和补偿。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于建立检查对象的高分辨率的三维数字减影血管造影图像的方法，该方法能够实现改进的运动补偿；此外，本发明的要解决的技术问题是，提供一种适用于执行该方法的X射线设备。
根据本发明，该技术问题通过根据本发明的用于建立检查对象的高分辨率的三维数字减影血管造影图像的方法和根据本发明的装置来解决。本发明的内容还有有利的设计方案。
根据本发明的用于建立检查对象的高分辨率的三维数字减影血管造影图像的方法包括以下步骤：在未给予造影剂的条件下，提供或者记录记录系统围绕检查对象的三维旋转运行的数据组(掩模运行)；借助基于极线一致性条件(EpipolareKonsistenzbedingung)的方法对掩模运行的数据组进行运动补偿；在给予造影剂的条件下，提供或者记录记录系统围绕检查对象的三维旋转运行的数据组(充盈运行)；借助基于极线一致性条件的方法对充盈运行的数据组进行运动补偿；根据经补偿的掩模运行的数据组重建第一体积(掩模体积)，并且根据经补偿的充盈运行的数据组重建第二体积(充盈体积)；第一体积和第二体积相对于彼此刚性3D-3D配准，并且通过从充盈体积中减去掩模体积来计算高分辨率的三维数字减影血管造影图像。通过该方法，可以在相应的旋转运行期间以及在两个不同的旋转运行(例如，掩模运行和充盈运行)之间特别有效地去除患者运动，从而产生品质上非常高质量的、误差最小化的(例如，来自患者的脑或心脏的)血管或血管树的3D数字减影血管造影图像。通过使用基于极线一致性条件的、针对每个旋转运行的运动补偿，可以补偿在旋转运行期间出现的运动。随后，两个体积被单独地重建并且刚性地彼此配准。由此可以补偿在旋转运行之间出现的运动。由于体积图像的高质量，可以提供特别彻底的诊断，这有助于改善患者的医疗护理。
通常，利用C形臂X射线设备以锥形束几何形状的形式执行旋转运行(锥形束CT运行或DynaCT运行)。在C形臂围绕检查对象旋转期间，在不同的旋转角度记录多个投影图像。在此，旋转运行优选地包括至少200°(或180°+孔径角)的旋转。
通过基于极线一致性条件(英语：epipolar consistency conditions＝ECC)的方法，可以实现计算上有效地补偿在各个C形臂旋转运行期间的刚性运动。这种运动补偿例如从R.Frysch和G.Rose的文章“Rigid Motion Compensation in Interventional C-arm CTUsing Consistency Measure on Projection Data”(International Conference onMedical Image Computing and Computer-Assisted Intervention,Springer,Cham,2015年，第298-306页)中已知。使用极线几何以确定投影图像中的冗余。极线一致性条件是特别鲁棒的一致性参数，其基于Grangeat的已知的用于锥形束CT的基本公式根据整个投影数据组确定冗余。
按照本发明的设计方案，在记录协议期间首先以掩模运行、并且随后以至少一个充盈运行执行该方法，即所谓的与所有X射线图像数据的实时记录相结合。附加地，还可以在掩模运行和充盈运行之间集成返回运行，以便可以在充盈运行中再次从与掩模运行时相同的起始位置启动C形臂。例如，可以使用例如由5s DynaCT掩模运行、5s返回运行和5sDynaCT充盈运行构成的协议。
按照本发明的另外的设计方案，直接在掩模运行的记录之后进行掩模运行的数据组的ECC运动补偿。由此可以特别省时间地执行该方法。也就是，根据运动补偿的持续时间，在充盈运行的记录期间至少部分地进行该ECC运动补偿，如果存在返回运行，则也在该返回运行期间进行。一旦存在经运动补偿的掩模运行的数据组，就已经可以执行掩模体积的重建。在充盈运行的记录之后，对充盈运行的数据组进行运动补偿，并且然后重建为充盈体积。
替代地，可以从存储单元或数据库中调用事先以掩模运行和至少一个充盈运行记录和存储的数据组，并且将其用于该方法。
按照本发明的另外的设计方案，附加地使用不同的旋转运行的数据组之间的冗余，以便执行旋转运行之间的运动补偿。在此的背景是，特别是在静脉内注射的情况下，与由于患者运动而引起的不一致相比，由于造影剂而引起的在掩模运行中投影图像和在充盈运行中投影图像之间的不一致是小的并且可以被忽略。因此，可以使用在不同的旋转运行(例如，掩模运行和充盈运行)的投影图像之间的附加的冗余，以便实现对旋转期间的平面内运动的改进的补偿以及对旋转运行之间的运动的改进的补偿。
此外，本发明包括C形臂X射线设备，该C形臂X射线设备具有：带有C形臂的记录系统，X射线源和X射线检测器固定在该C形臂上，并且该记录系统被构造为用于围绕检查对象进行旋转运动以及用于在旋转运动期间记录多个投影图像；用于处理数据组的计算单元，其用于借助基于极线一致性条件的方法对掩模运行的数据组进行运动补偿、用于重建经补偿的数据组、用于刚性地3D-3D配准经重建的体积以及用于计算三维数字减影血管造影图像；用于控制X射线设备的系统控制器；以及用于显示所计算的DSA的显示单元。
附图说明
下面根据附图中示意性示出的实施例，更详细地解释本发明以及根据本发明的特征的另外的有利的设计方案，而不会由此将本发明限于这些实施例。附图中：
图1示出了根据本发明的用于建立3D DSA的方法的流程；以及
图2示出了用于执行这种方法的C形臂X射线设备的视图。
具体实施方式
图1中示出了根据本发明的用于3D数字减影血管造影图像的方法的流程，其中直接记录针对掩模运行的数据组和针对充盈运行的数据组。替换地，由于事先已经记录和存储了数据组，也可以从存储单元或数据库调用数据组。
3D数字减影血管造影图像(3D DSA)允许将形成对比的血管树(例如脑血管或冠状血管)高分辨率地显示为3D体积。
在第一步骤10中，利用C形臂X射线设备，其具有带有C形臂的记录系统并且被构造为用于记录三维X射线图像，在未给予造影剂的条件下，在记录系统围绕检查对象的三维旋转运行期间记录数据组(掩模运行)。图2中示出了示例性的C形臂X射线设备1。在C形臂2上布置X射线源3和平面的X射线检测器4，并且C形臂2被构造为使得该C形臂可以执行围绕检查对象的旋转运动，并且与此同时可以从不同的投影方向记录多个投影图像。具有随后的重建的这种记录方法例如被称为所谓的锥形束CT或DynaCT。借助控制单元5控制C形臂X射线设备。
在第二步骤11中，借助基于极线一致性条件(英语：epipolar consistencyconditions＝ECC)的方法，对所记录的掩模运行的数据组进行运动补偿。通过这种方法，可以实现在各个C形臂旋转运行(锥形束CT运行或DynaCT运行)期间的刚性运动的计算上有效的补偿。这种运动补偿例如从R.Frysch和G.Rose的文章“Rigid Motion Compensation inInterventional C-arm CT Using Consistency Measure on Projection Data”(International Conference on Medical Image Computing and Computer-AssistedIntervention,Springer,Cham,2015年,第298-306页)中已知。在此，使用极线几何以确定投影图像中的冗余。极线一致性条件是特别鲁棒的一致性参数，其基于Grangeat的已知的用于锥形束CT的基本公式根据整个投影数据组确定冗余。对此，借助投影几何找到投影图像之间的冗余的线积分。以迭代方法调整几何形状，使得关于该冗余优化误差度量。这种纯粹基于投影图像的方法能够实现对刚性运动模式的特别地计算上有效的估计。
在第三步骤12中，在给予造影剂时，在记录系统围绕检查对象的三维旋转运行期间借助相同的C形臂X射线设备记录数据组(充盈运行)。在持续时间、所覆盖的角度和投影图像的数量方面，旋转运行优选地与掩模运行没有不同。然而，在执行充盈运行之前，将造影剂注射到患者的待检查的血管中。
在第四步骤13中，借助相同的基于极线一致性条件的方法，如掩模运行的数据组一样，对所记录的充盈运行的数据组进行运动补偿。例如借助C形臂X射线设备的计算单元6来执行数据组的运动补偿。
典型地，为了建立3D DSA，使用由掩模运行、返回运行和充盈运行构成的记录协议。这种记录协议也优选地在本方法中被执行。每个运行的持续时间通常为几秒，因此记录协议可以包括例如5s DynaCT掩模运行，5s返回运行和5s DynaCT充盈运行。在所使用的方法中，例如可以部分地在返回运行和/或充盈运行期间执行掩模运行的运动补偿。由此可以特别快速地执行该方法。
在运动补偿地呈现了掩模运行的数据组之后，在第五步骤14中将该经运动补偿的掩模运行的数据组重建为体积(掩模体积)。同样地在呈现经运动补偿的充盈运行的数据组之后，将该经运动补偿的充盈运行的数据组重建为体积(充盈体积)。针对重建使用已知的重建算法，例如可以由C形臂X射线设备的计算单元6执行重建。
该方法的流程不是强制规定的。虽然通常掩模运行应当在充盈运行之前进行(参见记录协议)，但是也可以在充盈运行之后、在充盈运行的运动补偿之前、与充盈运行的运动补偿同时或者在充盈运行的运动补偿之后才进行掩模运行的运动补偿。掩模运行和充盈运行的经运动补偿的数据组的重建也可以在其顺序方面按照需要改变。在需要时可以执行多于一次的充盈运行。在这种情况下，于是对所有充盈运行相应地进行运动补偿，并且重建为充盈体积。
如果掩模体积和充盈体积都存在，则在第七步骤16中执行两个体积彼此的刚性配准。为此，例如可以使用如Paul Viola等人的文章“Alignment by Maximization ofMutual Information；Int.Journal of Computer Vision,24(2)第137-154页,1997年”中的方法。通过体积彼此的刚性配准，检查对象在掩模运行和充盈运行之间的运动被补偿。
随后，在第八步骤17中，通过从充盈体积中减去掩模体积来计算三维数字减影血管造影图像。该减去同样可以由计算单元6执行。随后，可以在C形臂X射线设备的显示单元7上显示3D DSA。
此外，可以在该方法中合适的位置处使用不同的旋转运行的投影图像之间(例如，掩模运行和充盈运行之间)的附加的冗余以实现对旋转运行期间和之间的患者的运动的改进的补偿。
所提出的方法允许在用于记录针对3D DSA的数据组的旋转运行期间和之间在计算上有效地补偿检查对象(例如，患者的头部或心脏的血管树)的刚性3D运动。
本发明可以通过以下方式简要总结：本发明涉及一种用于建立检查对象的高分辨率的三维数字减影血管造影图像的方法，具有以下步骤：在未给予造影剂的条件下，提供或者记录记录系统围绕检查对象的三维旋转运行的数据组(掩模运行)；借助基于极线一致性条件的方法对掩模运行的数据组进行运动补偿；在给予造影剂的条件下，提供或者记录记录系统围绕检查对象的三维旋转运行的数据组(充盈运行)；借助基于极线一致性条件的方法对充盈运行的数据组进行运动补偿；根据经补偿的掩模运行的数据组重建第一体积(掩模体积)，并且根据经补偿的充盈运行的数据组重建第二体积(充盈体积)；第一体积和第二体积相对于彼此刚性地3D-3D配准，并且通过从充盈体积中减去掩模体积来计算高分辨率的三维数字减影血管造影图像。此外，本发明包括一种用于执行该方法的C形臂X射线设备。

Claims (7)

1.一种用于建立检查对象的高分辨率的三维数字减影血管造影图像的方法，具有以下步骤：
·在未给予造影剂的条件下提供或者记录记录系统围绕检查对象的三维旋转运行的数据组，这对应于掩模运行；
·借助基于极线一致性条件的方法对所述掩模运行的数据组进行运动补偿；
·在给予造影剂的条件下提供或者记录所述记录系统围绕检查对象的三维旋转运行的数据组，这对应于充盈运行；
·借助基于极线一致性条件的方法对所述充盈运行的数据组进行运动补偿；
·根据经补偿的掩模运行的数据组重建第一体积，所述第一体积是掩模体积，并且根据经补偿的充盈运行的数据组重建第二体积，所述第二体积是充盈体积；
·所述第一体积和所述第二体积相对于彼此刚性3D-3D配准；以及
·通过从所述充盈体积中减去所述掩模体积来计算高分辨率的三维数字减影血管造影图像，
其中，在不同的旋转运行的数据组之间的冗余被附加地用于执行所述旋转运行之间和/或所述旋转运行期间的运动补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在记录协议期间首先以掩模运行并且随后以至少一个充盈运行执行所述方法。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，直接在所述掩模运行的记录之后，进行所述掩模运行的数据组的运动补偿。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述充盈运行的记录期间，进行所述掩模运行的数据组的运动补偿。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，从数据存储器中调用数据组。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基于极线一致性条件的方法首先借助极线一致性条件确定所述旋转运行的多个投影图像中的投影平面的冗余，并且将所述冗余用于在所述旋转运行期间对检查对象的运动的补偿。
7.一种用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法的C形臂X射线设备，具有：带有C形臂的记录系统，X射线源和X射线检测器固定在所述C形臂上，并且所述记录系统被构造为用于围绕检查对象进行旋转运动以及用于在所述旋转运动期间记录多个投影图像；用于处理数据组的计算单元，所述计算单元用于借助基于极线一致性条件的方法对掩模运行的数据组进行运动补偿、用于重建经补偿的数据组、用于刚性3D-3D配准经重建的体积以及用于计算三维数字减影血管造影图像；用于控制所述X射线设备的系统控制器；以及用于显示所计算的数字减影血管造影图像的显示单元。
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