CN101442934A - 使用未造影图像数据生成术中3维图像的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于生成术中3维图像数据的方法包括采集感兴趣区预的基线3维图像数据的过程。同样采集所述区域的未造影3维图像数据和所述区域术中2维图像。将术中2维图像数据和基线3维图像数据中的每一个都与未造影3维图像数据进行对准，由此从将基线3D图像数据和术中2D图像数据两者与未造影3D图像数据的对准中产生术中3维图像数据的精确绘制。
Description
本发明涉及术中成像，更具体地涉及使用未造影图像数据生成术中3维图像的系统和方法。
参照附图的图1和2，典型的X射线系统包括在患者台2近侧由机械臂3支撑的摇摆臂扫描系统(C型臂或G型臂)1。罩在摇摆臂1内，设有X射线管4和X射线探测器5，将X射线探测器5布置和构造成接收穿过患者7的X射线6，并生成表示其强度分布的电信号。通过移动摇摆臂1，可以将X射线管4和探测器5置于对于患者7的任何期望的定位和取向。
在对各种类型的状况和疾病进行治疗中，通过荧光透视观察导管在患者血管系统中的行进可提供特殊的医学应用。这样，在手术过程中，需要在X射线监视(荧光透视)下推进导管或导丝，并且尽可能精确地穿过血管到达感兴趣的内部部位。当执行这一过程时，通过经导管以短时突发方式(short bursts)引入不透X射线的造影剂，并使用例如参照附图的图1和2所述系统获得的X射线图像，能够在第一监视器上以二维造影后图像(live image)的形式短时间观察血管结构。
为了患者的安全，非常希望使对X射线的照射量最小并同样使引入体内的造影剂的量最小，因此众所周知的是，在介入手术期间于第二监视器上显示采集的有关感兴趣区域域的一幅或多幅术前X射线图像，以便辅助导航。还希望医生能够以三维方式可视化手术过程中所采集的二维荧光透视图像数据，因为这将能够实时跟踪术中数据，同时在手术过程期间显著减少患者身上承受的造影液和X射线照射量。
美国专利No.6,666,579描述了一种医学成像系统，包括诸如参照图1和2所描述的X射线系统，其中，移动摇摆臂通过采集路径，并且沿采集路径在不同位置上采集多个身体体积的二维图像。图像处理器然后根据所采集的二维图像构造3维体积数据，并显示身体体积的3维图像。设置位置跟踪系统以便在图像采集期间跟踪患者和摇摆臂的相对位置，并且还在介入手术期间跟踪手术器械穿过身体的移动。可将在介入手术期间采集的二维图像叠加到显示给医生的身体体积的3维图像之上。
这样，从X射线系统知道生成荧光透视数据处的摇摆臂的位置，因此可以使用摇摆臂的同一位置作为参考，来重建3维体积数据的绘制。然后可以一起显示将2维荧光透视数据和3维绘制。由于使用具有相同校准几何结构的同一X射线系统来生成2维和3维数据，因此(从摇摆臂的位置)可相对直接地进行3维数据与二维荧光透视数据的配准。
所述方法依赖患者位置与典型地术前获得的3维图像的精确对准。患者位置必须反映3维图像中绘制的真实位置，以便术中图像数据能正确反映手术器械与患者各器官的实际位置。
在手术过程中可以发生患者位置与造影3维图像之间的不对准，例如，如果在采集造影3维图像后移动患者或所述台。在这种情况下，需要患者的新的3维图像，对其进行采集使患者承受更高的X射线及造影剂。
人们希望提供使用未造影图像数据生成术中3维图像的系统和方法。
在本发明的一个实施例中，一种生成术中3维图像数据的方法包括采集感兴趣区域的基线3维图像数据的过程。同样采集所述区域的未造影3维图像数据和所述区域的术中2维图像数据。术中2维图像数据和基线3维图像数据中的每一个都与未造影3维图像数据进行对准，由此从基线3D和术中2D图像数据两者与未造影3D图像数据的对准中得到术中3维图像数据的精确绘制。
在本发明的另一实施例中，提出了一种使用未造影3维图像数据来生成术中3维图像数据的X射线扫描系统，该X射线扫描系统包括用于在感兴趣区域上方发射X射线辐射的X射线源，用于接收从X射线源发射的X射线辐射的X射线探测器，以及耦合到X射线源和X射线探测器的控制单元。控制单元适于控制X射线源和X射线探测器，以便采集区域的基线3维图像数据，并且采集所述区域的未造影3维图像数据和所述区域的术中2维图像数据。控制单元还适于将术中2维图像数据和基线3维图像数据中的每一个与未造影3维图像数据进行对准，以便绘制所述感兴趣区域的术中3维图像数据。
可以看出本发明示例性实施例的要旨在于，利用未造影3D图像数据使造影后术中2D图像数据与先前获得的基线3D图像数据进行对准以生成术中3D图像数据。未造影3D图像可在不将造影剂引入患者体内并在显著减少患者和手术人员承受的X射线的情况下进行采集，从而提供与需要在承受高辐射水平和造影剂下对患者进行术中3D成像的常规技术相比的优势。
下文描述了对用于生成术中3D图像数据的方法的示例性特征和改进，虽然这类特征也可等同地应用到所述系统中。
在一个任选实施例中，造影3D图像数据是术前图像数据，而未造影3D图像数据是在介入手术过程中采集的术中图像数据。在本发明的另一实施例中，基线3D图像数据是在术中获得的。在具体示例中，未造影3D图像数据和基线3D图像数据中的每一个都是X射线荧光透视图像。在另一实施例中，通过计算机断层血管造影(CTA)、磁共振血管造影(MRA)或3维旋转血管造影(3DRA)采集基线3D图像数据。
在另一任选实施例中，使用不同的成像模态来采集基线3D图像数据和未造影3D图像数据。在这一具体示例中，使用无造影剂的C型臂扫描系统来获得未造影3D图像数据，并使用CTA或3DRA来获得基线3D图像数据。在另一实施例中，使用相同的成像模态来采集基线3D图像数据和未造影D图像数据。在这一示例中，C型臂扫描单元用于采集基线3D图像数据和未造影3D图像数据，两者都是在术中进行采集。使用在较高辐射剂量下较大照射量来获得基线3D图像数据，而在不将造影剂引入感兴趣区域并且在较低照射量和辐射剂量的情况下获得未造影3D图像数据。
在对准过程的具体实施例中，将术中2维图像数据映射到未造影3维图像数据的对应区域以生成对准的未造影3维图像数据。其后，将对准的未造影3维图像数据映射到基线3维图像数据的对应区域以生成感兴趣区域的术中3维图像数据。
在对准过程的另一示例性实施例中，将术中2维图像数据映射到未造影3维图像数据的对应区域以生成对准的未造影3维图像数据，并将基线3维图像数据映射到未造影3维图像数据的对应区域以生成对准的基线3维造影图像数据。基线3D图像数据和未造影3D图像数据的对准可用于提供有关介入物/器械的当前位置的信息。术中2D图像数据与基线3D图像数据的对准可用于随后提供介入物/器械相对于基线图像中所绘动脉、器官或组织的实时位置信息。
通过计算机程序(即通过软件)或通过使用一个或多个专用电子优化回路(即以硬件)或以混合/固件的形式(即通过软件部件和硬件部件)可实现前述方法的操作。所述计算机程序可以实现为以任何适当编程语言(例如JAVA、C++)编写的计算机可读指令代码，并可存储在计算机可读介质(可移动盘片、易失或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等)上，所述指令代码用于对其它这类编程设备的计算机进行编程以实施预计的功能。所述计算机程序可以从诸如万维网的网络上下载获得。
本发明的这些及其它方面将从下文所述实施例中将变得显然并参考其进行阐述。
在下文中将参考下列各附图描述本发明的示例性实施例。
图1示出了本领域中已知的X射线摇摆臂的示意性侧视图；
图2示出了本领域中已知的X射线摇摆臂的透视图；
图3A示出了使用根据本发明的未造影3维数据来生成术中3维图像数据的示例性方法；
图3B示出了使用根据本发明的未造影3维数据来生成术中3维图像数据的示例性X射线扫描系统。
图4A示出了使用根据本发明的未造影数据来生成术中3D图像数据的第一示例性实施例；
图4B示出了使用根据本发明的未造影数据来生成术中3D图像数据的第二示例性实施例。
图3A示出了使用根据本发明一个实施例的未造影3D图像数据来生成术中3D图像数据的示例性方法。在310中，采集特定感兴趣区域的基线3D图像数据。在320中，采集所述区域的未造影3维图像数据。在330中，采集所述区域的术中2D图像数据。在340中，执行相互对准过程，由此将术中2维图像数据和基线3维图像数据中的每一个都与未造影3D图像数据进行对准。所述对准过程得到感兴趣区域上术中3维图像数据的绘制。
可以在术前从诸如3D旋转血管造影(3DRA)、3D超声(3D US)、计算机断层血管造影(CTA)和磁共振血管造影(MRA)的成像模态采集310中的基线3D图像数据。在另一实施例中，术中使用任一种前述模态获得310中的基线3D图像数据。更具体地说，在与未造影3D图像数据的比较中，以较高的分辨率并因此用较大照射量和/或辐射剂量来获得基线3D图像数据。在将或不将造影剂引入感兴趣区域内的情况下，可获得基线3D图像数据。
在不将造影剂引入感兴趣区域的情况下获得未造影3D图像数据320，而在具体实施例中，使用C型臂扫描系统(图1和2)或者在介入手术期间可用于提供准确且同步的患者位置图像的类似系统来获得未造影3D图像数据320。例如，在动态模式下可以使用C型臂扫描系统来获得患者的多次未造影2D扫描(例如，50-150次2D扫描)，将该多次未造影2D扫描进行合并以构造未造影3D图像数据(体积)。或者，也能使用用于提供未造影图像数据的其它成像模态以提供未造影体积/图像数据。
使用与所采用的具体成像模态相符的扫描和重建操作可以采集过程320中基线3D图像数据和未造影3D图像数据中的每一个。过程310和320可以采用相同或不同的成像模态。例如，可以借助于采用造影剂的DRA在过程310中采集3D造影图像数据，而可以通过C型臂扫描系统在过程320中采集未造影3D图像数据。在另一实施例中，使用相同的成像模态，例如C型臂扫描系统可以获得在过程310中所获的基线3D图像数据和320中所获的未造影3D图像数据，并将其的示例在下面图4B中进行描述。在这种情况下，使用造影剂和/或与过程320中所获未造影3D图像数据相比更高的辐射剂量在过程310中获得基线3D图像数据。本领域的技术人员应当领会到，也可使用能提供基线3D图像数据和未造影3D图像数据的各图像模态的其它组合。
过程330的示例性实施例包括使用X射线荧光透视来采集2D术中数据集。也可使用其它成像模态，例如2D超声。相同的成像模态和装置(例如，图1和2中所述的系统)也可用于采集造影后2D图像数据和造影3D图像数据。在具体实施例中，以静态模式部署的C型臂系统可用于提供术中2D图像。
操作340包括对准操作，由此将术中2维图像数据和基线3维图像数据中的每一个与未造影D图像数据进行对准。下面图4A和4B中描述了这一操作的示例性实施例。使用计算机、微处理器、或适于执行本文所述对准操作的类似计算设备能够执行对准操作340。
图3B示出了使用根据本发明的未造影3维数据来生成3维术中图像数据的示例性X射线扫描系统。扫描系统370包括X射线辐射源372、X射线探测器374和控制单元376。在具体实施例中，X射线源372表示图1和2所示C型臂扫描系统中的X射线管4，而X射线探测器374表示其中的X射线探测器5。
控制单元376适于控制X射线源372和X射线探测器374以采集区域的基线3维图像数据，以及采集所述区域的未造影3维图像数据和所述区域的术中2维图像数据。控制单元376还适于将术中2维图像数据和基线3维图像数据中的每一个与未造影3维图像数据进行对准，以绘制所述感兴趣区域的3维术中图像数据。在具体实施例中，控制单元376是计算机、嵌入式处理器或用于执行所述操作310-340的类似计算设备，下面图4A和4B示出了这些操作的具体实施例。进一步示例性地，诸如监视器的输出设备378可用于对扫描区域进行实时成像。可选或附加地，输出设备378可以是为以后回顾和显示而存储扫描图像的存储器。
图4A示出了使用根据本发明的未造影数据来生成术中3D图像数据的第一示例性实施例，并且以前识别的各特征保留它们的附图标记。除了前述过程310-340之外，过程400还包括过程410-430，每一个表示过程340，其中术中2D图像数据和基线3D图像数据通过未造影3D图像数据进行相互对准并进行绘制。例如，使用高分辨率CT系统或其它3DRA系统来采集过程310中的基线3D数据，并使用C型臂扫描系统来采集过程320中的未造影3D图像数据和过程330中的术中2D图像数据。
应当注意的是，只要通常在这些操作之间没有出现不对准，它们就可以是未造影3D图像数据的采集和术中2D图像数据的采集之间的任何时期。例如，未造影3D数据可以与术中2D数据同步获取，或有时候在其之前获取。
过程410包括将术中2D图像数据映射(即，几何结构关联)到未造影3D图像数据(过程320)的对应区域上，以生成对准的未造影3维图像数据数据412。2D-3D映射过程可按S.Gorges等人的“Model of a VascularC-Arm for 3 Daugmented Fluoroscopy in Interventional Radiology”Proceedings，Part II，of 8th International Conference Medical Image Computing andComputer-Assisted Intervention MICCAI，2005年10月，第214-222页中所描述的来实现。本领域的技术人员应当领会到在本发明中也可使用其它的2D-3D配准技术。
过程420包括将对准的未造影3维图像数据映射到基线3维图像数据的对应区域，以生成所述感兴趣区域的术中3维图像数据422。如上所提到的，使用CT扫描系统或与未造影3D成像模态相比能提供更大分辨率的其它类似系统来采集基线3D图像数据/体积，尽管典型地患者承受更高的X射线和/或造影剂剂量。
在美国专利No.6,728,424中描述了420的3D-3D映射过程的示例性实施例，由此在从3D基线图像数据和2D-3D过程输出的重建3D图像蒙片之间计算空间匹配的统计测量。根据两幅图像的体素值相关的概率的这一假设来计算似然(likelihood)。以迭代的方式计算多个相关变换的似然，直到发现使似然最大的变换。使所述似然最大的变换提供了最佳的配准，并将经修正变换的参数提供给输出设备430以将2D术中图像和3D造影图像进行配准作为“融合”或合成图像。本领域的技术人员应当领会到，其它3D-3D配准技术，例如匹配点同样可用于本发明中。
输出设备430，例如监视器可用于实时显示术中3D图像422。可选或附加地，也可使用微机，所述微机用于与410和420中采用的映射一道对基线3D、未造影3D和术中2D的图像数据集加时间标记并将其进行存储。所述微机还可以用于与相应于加时间标记的术中2D图像的基线3D图像一道取回一幅或多幅术中2D图像。所述微机还用于取回410和420中采用的映射，以便根据术中2D图像的时间标记构建术中3D数据422，所述微机将所述映射应用于术中2D图像以重建术中3D图像422。
虽然本发明可有利地用在使用覆盖在基线3D数据之上的术中2D图像数据将介入物(例如，导丝、支架线圈等)导入恰当位置的操作中，但是本发明还发现了在如下操作中的效用，例如经皮穿刺活检、脑室外引流等，其中需要对软组织进行成像以执行所述操作。具体而言，可获取基线3D体积扫描以提供与术中2D图像数据一同显示的软组织信息。除了提供基线3D图像数据和术中2D图像数据之间的对准外，未造影3D图像数据还可与基线3D图像数据一同显示，以确认介入物/器械现在的位置。随后，通过将术中2D图像数据与基线3D图像数据进行叠加，可重新开始术中3D图像数据的绘制。
图4B示出了使用根据本发明的未造影数据来生成术中3D图像数据的第二示例性实施例，由此如上所述，基线3D图像数据包括软组织信息。更具体地说，过程310包括使用“软组织扫描协议”来获得基线3D图像数据，由此基线3D图像数据里包括软组织清晰度(definition)。在具体实施例中，所述软组织协议实现上述的C型臂扫描系统，由此采集感兴趣区域的大量未造影照射量(例如，300-600)并将其重建成造影或未造影体积(即，在引入或不引入造影剂的情况下)。上述过程320和330可以如前面所述。在具体实施例中，使用C型臂扫描系统以进行较少次2D扫描(例如，50-150)的快速扫描模式采集过程320中的未造影3D图像数据，所述扫描在不将造影剂引入感兴趣区域的情况下进行。
新的过程440包括将基线3维图像数据映射到未造影3维图像数据的对应区域上，以生成对准的基线3D图像数据442。如上所述，该过程可在介入手术暂停期间进行以检查介入物或器械在处置期间的位置。使用例如上面420中所述的3D-3D配准过程，将(例如，根据大量源自C型臂扫描系统的高剂量2D扫描重建的)基线3D图像数据与未造影3D图像数据进行对准。其它3D-3D映射过程对本领域技术人员而言将是显然的。
新的过程450包括将术中2D图像数据映射到未造影3D图像数据的对应区域上，以生成对准的未造影3维图像数据452。在具体实施例中，过程450使用如上410中所述的2D-3D配准过程来执行，并且术中2D数据是用于在软组织介入手术(例如经皮穿刺活检等)中提供指引的荧光透视图像数据。当然，或者可以使用其它实施例。
在460中，将对准的基线3D图像数据442和对准的未造影3D图像数据452合并以绘制术中3D图像数据，所述术中3D图像数据被供应给输出设备，例如用于实时显示术中3D数据的监视器，和/或用于存储如上所述图像数据的存储器/微机。如上所述，一个或多个所示过程可以同时执行，或者在术中3D图像的后期重建时执行。
总之，本发明的一个方面可以认为是，将未造影3D图像数据作为将术中2D图像数据与基线3D图像数据进行精确对准并绘制的参考。在不将造影剂引入到患者体内，并且使患者和手术人员承受的X射线显著减少的情况下，采集未造影3D图像，因此提供了与需要进行手术中造影3D成像的常规技术相比的优势。
如本领域的技术人员易于领会到地，所述过程可实现在硬件、软件、固件或这些器件的恰当组合中。具体而言，诸如计算机或微处理器的计算设备可实现来执行操作310-340以及410-460。另外，一些或所有所述过程可实现为驻存在计算机可读介质(可移动盘片、易失性或非易失性存储器、嵌入式处理器等)上的计算机可读指令代码，所述指令代码用于对其他这类可编程设备的计算机进行编程以实施预计的功能。
应当注意的是，术语“包括”并不排除其它特征，并且除明确表示外，定冠词“一”或“一个”不排除多个。还应当注意的是，可将有关不同实施例所述的各元件进行组合。还应当注意的是，权利要求书中的附图标记不应解释为对权利要求范围的限制。此外，术语“耦合”和“连接到”是指特征之间的直接机械或电连接，以及间接连接，即在所述特征之间插入一个或多个特征。另外，在流程图中给出的所示操作顺序仅是示例性的，根据本发明也可执行所示操作的其它顺序。
为了便于图示和描述已经给出前面的说明书。本发明并非拟进行穷举或限制为所公开的确定形式，显然按照所公开的教导可能有很多修改和变型。为了最佳地解释本发明的原理及其实际应用而选择所述实施例，从而能够使本领域的技术人员最佳地将本发明用于各种实施例中并将本发明进行各种修改以适于所预见到的特定用途。拟将仅由权利要求书来限定本发明的范围。
Claims (12)
1、一种使用未造影3维图像数据来生成术中3维图像数据的方法，所述方法包括：
采集区域的基线3维图像数据(310)；
采集所述区域的未造影3维图像数据(320)；
采集所述区域的术中2维图像数据(330)；以及
将所述术中2维图像数据和所述基线3维图像数据中的每一个与所述未造影3维图像数据进行对准，以绘制所述感兴趣区域的术中3维图像数据(340)。
2、如权利要求1所述的方法，其中，所述基线3维图像数据包括术前图像数据。
3、如权利要求1所述的方法，其中，所述未造影3维图像数据包括术中图像数据。
4、如权利要求1所述的方法，其中，与用于采集所述基线3维图像数据的成像模态相比，采用不同的成像模态来采集所述未造影3维图像数据。
5、如权利要求1所述的方法，其中，所述基线3维图像数据和未造影3维图像数据中的每一个包括X射线荧光透视图像数据。
6、如权利要求1所述的方法，其中，所述基线3维图像数据包括3维旋转血管造影图像数据。
7、如权利要求1所述的方法，其中，借助于从包括计算机断层血管造影、磁共振血管造影和3维旋转血管造影的成像模态组中选择的成像模态来采集所述基线3维图像数据。
8、如权利要求1所述的方法，其中，将所述基线3维图像数据和所述术中2维图像数据中的每一个进行对准的所述步骤包括：
将所述术中2维图像数据映射到所述未造影3维图像数据的对应区域上，以生成对准的未造影3维图像数据；并且
将所述对准的未造影3维图像数据映射到所述基线3维图像数据的对应区域上，以生成所述感兴趣区域的术中3维图像数据。
9、如权利要求1所述的方法，其中，将所述基线3维图像数据和所述术中2维图像数据中的每一个进行对准的所述步骤包括：
将所述术中2维图像数据映射到所述未造影3维图像数据的对应区域上，以生成对准的未造影3维图像数据；
将所述基线3维图像数据映射到所述未造影3维图像数据的对应区域上，以生成对准的基线3维图像数据；以及
合并所述对准的未造影图像数据和所述基线3维图像数据，以绘制所述术中3维图像数据。
10、一种使用未造影3维图像数据来生成术中3维图像数据的系统，所述系统包括：
用于采集区域的基线3维图像数据的器件；
用于采集所述区域的未造影3维图像数据的器件；
用于采集所述区域的术中2维图像数据的器件；以及
用于将所述术中2维图像数据和所述基线3维图像数据中的每一个与所述未造影3维图像数据进行对准以绘制所述感兴趣区域的术中3维图像数据的器件。
11、一种计算机程序产品，其驻存于计算机可读介质中，用于提供使用未造影3维图像数据生成术中3维图像数据的指令代码，所述计算机程序产品包括：
用于采集区域的基线3维图像数据的指令代码；
用于采集所述区域的未造影3维图像数据的指令代码；
用于采集所述区域的术中2维图像数据的指令代码；以及
用于将所述术中2维图像数据和所述基线3维图像数据中的每一个与所述未造影3维图像数据进行对准以绘制所述感兴趣区域的术中3维图像数据的指令代码。
12、一种使用未造影3维图像数据来生成术中3维图像数据的X射线扫描系统(370)，所述X射线扫描系统(370)包括：
用于在感兴趣区域上方发射X射线辐射的X射线源(372)；
用于接收从所述X射线源(372)发射的X射线辐射的X射线探测器(374)；以及
耦合到所述X射线源(372)和所述X射线探测器(374)的控制单元(376)，所述控制单元(376)适于：
采集区域的基线3维图像数据；
采集所述区域的未造影3维图像数据；
采集所述区域的术中2维图像数据；以及
将所述术中2维图像数据和所述基线3维图像数据中的每一个与所述未造影3维图像数据进行对准以绘制所述感兴趣区域的术中3维图像数据。
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