CN101478917B - 基于3d图像数据的空间变化的2d图像处理 - Google Patents
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Abstract
描述检查对象的2D图像处理，特别用于增强该2D图像和3D图像之间的图像成分的可视化。由此，(a)采集代表该对象的3D图像的第一数据集，(b)采集代表该对象的2D图像的第二数据集，(c)配准该第一数据集和该第二数据集，以及(d)处理该2D图像。由此，基于3D图像的图像信息，在2D图像处理中至少存在识别的第一区域(231，331)和空间上不同于该第一区域(231，331)的第二区域，且以不同的方式处理该第一区域(231，331)和第二区域。可以借助于图像着色和其他2D图像处理程序(诸如对比度/亮度设置、边缘增强、噪声降低和特征提取)来实现3D路径图的改进的可见性，其中这些2D图像处理针对多个像素区域(诸如脉管腔(231，331)的内部和外部)分别都是多样化的。
Description
本发明通常涉及数字图像处理领域，特别用于医学目的以便为用户增强可视化。
具体地，本发明涉及一种用于处理检查对象的二维图像的方法，特别是用于增强该二维图像和三维图像之间的图像成分的可视化的方法。
进一步地，本发明涉及一种数据处理装置并涉及一种用于处理检查对象的二维图像的导管室，其特别用于增强该二维图像和三维图像之间的图像成分的可视化。
此外，本发明涉及一种计算机可读介质并涉及一种具有用于执行上述处理检查对象的二维图像的方法的指令的程序单元，其特别用于增强该二维图像和三维图像之间的图像成分的可视化。
在很多技术应用中，存在使得已经穿透到对象内的物体关于其在该对象内的位置和取向可见的问题。例如在医学技术中，这一类问题是利用导管从活体内部对组织的处理，由医师以尽可能精确和严密监控的方式将该导管引导到受检查的组织点。照例，使用例如C形臂X射线设备的成像系统实现对导管的引导，可以通过该成像系统获得活的对象的身体内部的荧光透视图像，其中这些荧光透视图像指示出导管相对于受检查组织的位置和取向。
特别地，三维(3D)路径图(roadmapping)是医师用于在对象的3D环境内监控导管插入到活的对象中的很便利的方法，其中将二维(2D)实时荧光透视图像配准、对准并投影到检查对象的预录3D表示上。以这种方式，可以可视化并测量导管相对于受检查组织的当前位置。
US 2001/0029334A1公开了一种用于可视化正在穿透或已经穿透到对象内的物体的位置和取向的方法。由此，在该物体穿透到该对象内之前，根据该对象内部产生第一图像数据集。在该物体穿透到该对象内期间或之后，根据该对象内部产生第二图像数据集。然后，连接并叠加这些图像数据集以形成混合图像数据集。显示根据该混合图像数据集获得的图像。
US 6,317,621B1公开了一种特别暴露于颅内应用的在3D脉管树中进行导管导航的方法和设备。检测导管位置并将其混合到在导航计算机中重建的术前扫描的脉管树的3D图像内。在利用置于病人身体上的许多标记的介入之前，在3D图像坐标系上接着发生3D病人坐标系的成像(配准)，其中通过导管配准这些标记的位置。在由C形臂X射线装置产生的至少两个2D投影图像中检测这些标记，根据所述至少两个2D投影图像计算3D血管造影照片。利用应用到相应2D投影图像的投影矩阵，在导航计算机中将这些标记反向投影到成像物体上并使这些标记与病人坐标系中的标记坐标相关联，其中已经为脉管树的3D体积集的重建确定了这些矩阵。
WO 03/045263A2公开了用于在噪声图像序列中增强呈现在移动背景上的感兴趣对象和用于显示增强图像序列的观察系统和方法。该观察系统包括(a)提取装置，其用于提取该序列的图像中与感兴趣对象相关的特征，(b)配准装置，其用于相对于图像参考配准与感兴趣对象相关的特征，从而产生配准图像，(c)相似性检测装置，其用于确定在随后图像中配准的感兴趣对象的表示的相似之处，以及(d)加权装置，其用于在该序列的图像上调制所述感兴趣对象的像素强度。该观察系统还包括(e)时间积分装置，其用于在该序列的多个或至少两个配准图像上对感兴趣对象和背景进行积分，以及(f)显示装置，其用于在已褪色的背景上显示增强配准的感兴趣对象的处理图像。
为了不使病人暴露于高X射线负荷量下，实时荧光透视图像通常包含大量噪声。进一步地，其常常包含分散背景信息。因此，已知3D路径图程序的缺点在于分散背景信息典型地使得预录3D图像和实时2D荧光透视图像的重叠是不可靠的。
存在对2D图像处理的需求，该2D图像处理允许执行可靠的3D路径图可视化。
可以通过根据独立权利要求的主题满足这一需求。由从属权利要求来描述本发明的有利实施方式。
根据本发明的第一方面，提供一种用于处理检查对象的二维图像的方法，特别是用于增强所述二维(2D)图像和三维(3D)图像之间的图像成分的可视化的方法。所提供的方法包括以下步骤：(a)采集代表该对象的3D图像的第一数据集，(b)采集代表该对象的2D图像的第二数据集，(c)配准所述第一数据集和所述第二数据集，以及(d)处理所述2D图像。由此，基于所述2D图像处理中的所述3D图像的图像信息，至少存在识别的第一区域和空间上不同于所述第一区域的第二区域，并且以不同的方式处理所述第一区域和所述第二区域。
本发明的这一方面是基于可以通过相对于不同区域在空间上分离图像处理来使2D图像的图像处理最优化的想法。针对该分离处理，使用从第一数据集(即3D图像)提取的图像信息。换句话说，可以将图像增强操作束缚在2D图像的特定目标区域，即对2D图像的特定目标区域进行参数化。适当分段不同目标区域所必需的信息是从检查对象的3D图像提取的。当然，在限定不同的目标区域之前必须配准第一数据集和第二数据集。
所述方法特别适用于与时间无关的的情形即稳定背景。这些情形经常发生在例如借助于导管插入的动脉间神经介入和腹部介入中。
所述配准优选借助于已知的基于机器的2D/3D配准程序来执行。所述图像处理可以借助于优选使用图形硬件的已知图形处理单元来执行。可以使用标准图形硬件。
根据本发明的一种实施方式，所述方法还包括用所处理的2D图像覆盖所述3D图像的步骤。通过使用空间分离的已处理2D图像，可以获得改进的3D可视化，该3D可视化显示优选在所述3D图像中可见的图像特征以及优选在所述2D图像中可见的图像特征这两者。
根据本发明的另一实施方式，借助于计算机断层摄影(CT)、计算机断层血管造影(CTA)、3D旋转血管造影(3D RA)、磁共振血管造影(MRA)和/或3D超声(3D US)来采集所述第一数据集。在监控介入程序的情况下(其中将导管插入到感兴趣对象内)，优选在介入程序之前执行这些检查程序，从而使得可以产生研究对象的详细且精确的3D表示。
特别地，如果主要借助于不同的3D检查方法使该对象的不同特征是可见的，则这些检查程序也可以组合使用。当然，当使用来自不同3D成像模态的组合3D信息时，也必须相互配准相应的数据集。
必须指出的是，可以在所述对象内存在或不存在造影剂的情况下采集所述第一数据集。
根据本发明的另一实施方式，在介入程序期间实时采集所述第二数据集。这可以提供能够实现实时3D路径图的优点，该优点包括改进的可视化，从而使得医师能够借助于清晰显示检查对象的内部3D形态的实时图像来监控介入程序。由此，该介入程序可以包括使用检查和/或消融导管。
优选地，借助于实时2D荧光透视成像来采集所述第二数据集，这允许简单且方便地采集代表所述2D图像的所述第二数据集，所述2D图像被假定为以空间变化方式处理的图像。
根据本发明的另一实施方式，处理所述2D图像的步骤包括对位于所述第一区域内的图像像素和位于所述第二区域内的图像像素分别都应用不同的着色、改变对比度、改变亮度、应用特征增强程序、应用边缘增强程序和/或降低噪声。
这具有以下优点：可以使用各种不同的已知图像处理程序，以便以最佳方式处理所述2D图像。当然，可以独立地或以任意适当组合和/或以任意适当顺序来应用(即执行)这些图像处理程序。
根据本发明的另一实施方式，所述检查对象至少是活体的一部分，特别地所述检查对象是病人的内部器官。这可以提供以下优点：当诸如导丝、支架或线圈的介入材料插入到活体内时，可以监控这些介入材料。
根据本发明的另一实施方式，将所述第一区域指定为脉管腔的内部，且将所述第二区域指定为脉管腔的外部。针对代表所述脉管腔的内部的像素和代表所述脉管腔的外部的像素的这一空间上不同的2D图像处理可以提供以下优点：根据主要被假定为被可视化的特征，可以为每个区域完成优化的图像处理。
根据本发明的另一实施方式，至少去除所述第二区域的部分图像信息。当所述2D图像的相关特征即感兴趣特征排外地位于所述第一区域内时，这特别有益。当将所述第一区域指定为脉管腔的内部时，可以作废脉管腔的外部的2D信息，从而使得在所述2D图像中只有脉管树内的结构保持可见。这一类型的2D图像处理与介入程序相结合是特别有利的，因为临床上感兴趣的介入数据典型地包含在脉管腔内。通过使用已知图形处理单元的硬件模板缓存，可以实时掩蔽掉典型地为不规则形状的投影脉管的外部区域或内部区域。进一步地，也可以手动切掉脉管树的非感兴趣部分。
根据本发明的另一实施方式，降低所述第二区域的对比度。具体地，当将所述第一区域指定为脉管腔的内部，且将所述第二区域指定为脉管腔的外部时，可以借助于用户可选择片段来降低脉管腔外部的所述2D图像的对比度。如果围绕脉管树的2D图像信息必须用于取向目的，则这可能是特别有利的。
在这一方面，已经指出的是，代表所述2D图像的所述第二数据集典型地是借助于C形臂采集的，该C形臂在介入程序期间围绕所述感兴趣对象移动。这需要连续的重复掩蔽(remask)操作，这些操作经常被移动到所述对象内的介入材料已经被引入所述对象内这一事实所妨碍。
根据本发明的另一实施方式，所述3D图像的所述图像信息是分割的3D体积信息。这意味着在使用该3D图像前将其分割成适当的3D体积信息，以便控制针对目标区域的所述2D图像处理。
通过使用模板功能并结合Alpha测试(像素覆盖)硬件，在所述3D体积/图形信息的绘制步骤期间标记所述目标区域。以这种方式，可以利用包括表面绘制和体积绘制的不同体积表示模式来标记这些区域。
必须指出的是，表示/处理模式的组合也是可能的。例如将不同的标记标注到预分割表面/体积绘制的动脉瘤并标注到体积/表面绘制的脉管信息，将允许对线圈和支架/导丝进行不同的处理。
根据本发明的另一方面，提供一种数据处理装置，其用于处理检查对象的二维图像，特别用于增强所述二维图像和三维图像之间的图像成分的可视化。所述数据处理装置包括(a)数据处理器，其适于执行上述方法的示例性实施方式，以及(b)存储器，其用于存储代表所述对象的所述3D图像的第一数据集和代表所述对象的所述2D图像的第二数据集。
根据本发明的另一方面，提供一种导管室，其包括上述数据处理装置。
根据本发明的另一方面，提供一种计算机可读介质，在其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于处理检查对象的二维图像，特别用于增强所述二维图像和三维图像之间的图像成分的可视化。当被数据处理器执行时，所述计算机程序适于执行上述方法的示例性实施方式。
根据本发明的另一方面，提供一种程序单元，其用于处理检查对象的二维图像，特别用于增强所述二维图像和三维图像之间的图像成分的可视化。当被数据处理器执行时，所述程序单元适于执行上述方法的示例性实施方式。
所述计算机程序单元可以实现为以任何适当编程语言(例如JAVA、C++)形式的计算机可读指令代码，并可以存储在计算机可读介质(可移动磁盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等)上。所述指令代码可用于对计算机或其他可编程装置进行编程以执行预期功能。该计算机程序可以从例如万维网的网络上获得，可以从该网络下载该计算机程序。
必须注意的是，已经关于不同主题描述了本发明的实施方式。特别地，所述的一些实施方式涉及方法类型的权利要求，而所述的其他实施方式涉及设备类型的权利要求。然而，本领域技术人员将从以上及以下描述推测出，除非特别指出，除属于一种主题类型的特征的任意组合外，涉及不同主题的特征之间的任意组合，特别是方法类型权利要求的特征和设备类型权利要求的特征之间的任意组合也被认为是由本申请所公开的。
根据以下要描述的实施方式的示例，本发明的上面限定的各方面和更多方面是明显的，并且通过参考这些实施方式的示例进行解释。下面将通过参考实施方式的示例更详细地描述本发明，但本发明并不局限于此。
图1示出图示说明3D路径图可视化过程的示意性综述的图表，该可视化过程包括空间变化的2D图像处理。
图2a示出描述脉管结构的典型路径图情形的图像，该脉管结构包括2D图像和3D图像的混合。
图2b示出描述如图2a所示的同一路径图情形的图像，其中对代表脉管腔的内部的区域和代表脉管腔的外部的区域分别都执行了空间变化的2D图像处理。
图3a示出描述脉管结构的典型路径图情形以及测试体模的图像。
图3b示出描述如图3a所示的同一路径图情形的图像，其中对代表脉管腔的内部的区域和代表脉管腔的外部的区域分别都执行了空间变化的2D图像处理。
图4示出用于执行本发明的优选实施方式的图像处理装置。
附图中的图示说明是示意性的。应该注意，在不同的附图中，对类似或相同的元件提供相同的附图标记或与相应附图标记仅首位数字不同的附图标记。
附图标记列表：
100 图表
100a 获得3D图形信息
100b 获得3D软组织体积
100c 获得3D造影体积
102 执行3D可视化
110 执行观察控制
111a 传递几何结构信息
111b 控制对3D图像的缩放和观察
111c 控制对2D数据的缩放和平移
112 执行可视化控制
113a 传递3D绘制参数
113b 传递2D绘制参数
120 采集第二数据集
122 获得实时2D荧光透视图像
124 执行空间变化的2D图像处理
125 传递3D投影面积信息
126 合成图像
128 显示合成图像
230 典型的路径图图像
231 脉管树
232 插入到动脉瘤内的第一线圈
233 插入到动脉瘤内的第二线圈
235 通过空间变化的2D图像处理获得的增强路径图图像
238 指示所示路径图图像的取向的插入物
330 带有测试体模的典型路径图图像
331 脉管树
332 插入到动脉瘤内的线圈
335 带有测试体模的增强路径图图像，该图像是通过空间变化的2D图像处理获得的
338 指示所示路径图图像的取向的插入物
340 3D软组织(XperCT)横截面
460 数据处理装置
461 中央处理单元/图像处理器
462 存储器
463 显示装置
464 键盘
465 总线系统
图1示出图示说明可视化过程的示意性综述的图表100，该可视化过程包括空间变化的二维(2D)图像处理。在图表100内，连续的粗线代表2D图像数据的传递。连续的细线代表三维(3D)图像数据的传递。虚线指示控制数据的传递。
该可视化过程开始于未示出的步骤，其中采集代表检查对象的三维(3D)图像的第一数据集。根据此处所述的实施方式，所述对象是病人或至少是病人解剖体的区域，诸如病人的腹部区域。
所述第一数据集是所谓的介入前数据集，即它是在开始介入程序之前采集的，其中在介入程序中将导管插入到病人体内。根据本申请，可以在存在或缺少造影流体的情况下采集所述第一数据集。根据此处所述的实施方式，通过3D旋转血管造影(3D RA)采集所述第一数据集，从而获得病人的脉管树结构的准确3D表示。然而，必须提到的是，所述第一数据集也可以通过其他3D成像模态来采集，诸如计算机断层摄影(CT)、计算机断层血管造影(CTA)、磁共振血管造影(MRA)和/或三维超声(3D US)。
根据所述第一数据集，可以获得三种不同类型的信息。如附图标记100a所示，从所述第一数据集获得3D图形信息。进一步地，如附图标记100b所示，获得关于病人的3D软组织体积的信息。此外，如附图标记100c所示，获得关于3D造影体积的信息。
如附图标记120所示，借助于荧光透视X射线衰减数据采集来采集第二数据集。在介入程序期间实时采集所述第一数据集。
如附图标记122所示，从所述第一数据集获得实时2D荧光透视图像。
为了控制3D路径图程序，进一步执行观察控制110和可视化控制112。
将观察控制110连接到X射线采集120以便传递几何结构信息111a往返诸如C形臂的X射线采集系统。由此，传递例如关于C形臂相对于病人的当前角位置的信息。
进一步地，如附图标记111b所示，观察控制110提供用于对可视化3D图像进行缩放和观察的控制数据。如附图标记102所示，感兴趣对象的3D可视化是基于3D图形信息100a、基于3D软组织体积100b和基于3D造影体积100c，这些信息已经从所述第一数据集获得。
此外，如附图标记111c所示，观察控制110提供用于对2D数据进行缩放和平移(panning)的控制数据，这些控制数据是如124所示地处理的图像。
如附图标记113a所示，可视化控制112向3D可视化102提供3D绘制参数。
如附图标记113b所示，可视化控制112进一步提供用于2D图像处理124的2D绘制参数。
如附图标记125所示，3D可视化102进一步提供用于2D图像处理124的3D投影面积信息。这一面积信息限定实时2D图像122内的至少两个不同区域，其中不同区域必须以不同的方式进行图像处理，以便允许空间变化的2D图像处理。
如附图标记126所示，从3D可视化102获得的3D图像与从2D图像处理获得的已处理实时荧光透视图像相对于彼此以正确的取向合成。如附图标记128所示，借助于监控器或任何其他视觉输出装置显示该合成图像。
图2a示出描述脉管结构231的典型路径图情形的图像230，该脉管结构231包括2D图像和3D图像的混合。图像230展现第一线圈232和第二线圈233的位置，这两个线圈已经插入到脉管树231的不同动脉瘤内。然而，由于存在已经用于路径图程序的实时荧光透视图像的分散背景信息，图像230展现出有阴影的区域。这些有阴影的区域显著降低对比度。
图2b示出描述如图2a所示的同一路径图情形的增强图像，其中对代表脉管腔231的内部的区域和代表脉管腔231的外部的区域执行了空间变化的2D图像处理。已经以空间变化的方式对已经用于路径图图像230的实时荧光透视图像进行了图像处理。具体来说，针对位于脉管腔231的内部的像素执行了导丝增强程序，且针对位于脉管腔231的外部的像素执行了对比度即噪声降低程序。由于这一空间变化的2D图像处理，与图2a所示的同一路径图情形相比，最终的路径图可视化显著地更不模糊。因此，脉管树231和线圈232及233的形态都可以看得更清楚。
进一步地，已经避免了覆盖图形被路径图信息重写，该路径图信息例如显示了人员238并指示所示视图的取向的插入物的视图。这意味着根据此处所述的实施方式，剩余的2D图像信息仅重写脉管信息。
图3a示出描述脉管结构331的更典型路径图情形的图像330。附图标记340代表3D软组织体积(标记名称XperCT)的横截面，其已经在介入期间产生。这一图像330展现恰好在动脉瘤之上的新鲜出血，用圆形区域指示这一出血。该出血是由动脉瘤的盘绕导致的。同样地，可以看出已经插入到动脉瘤内的相应的线圈332。
图3b示出描述如图3a所示的同一路径图情形的增强图像335，其中对代表脉管腔331的内部的区域和代表脉管腔331的外部的区域执行了空间变化的2D图像处理。已经以空间变化的方式对所用的实时荧光透视图像进行了图像处理。由于这一空间变化的2D图像处理，与图3a所示的同一路径图情形相比，最终的路径图可视化335显著地更不模糊。因此，脉管树331和线圈332都可以看得更清楚。
进一步，在图像335的右下角所示并指示所述路径图图像335的取向的插入物338也可以更清晰地看到。这基于以下事实：已处理的2D图像仅重写相应视图的脉管信息，该脉管信息已经从3D图像中提取出来。
图4描述根据本发明的数据处理装置425的示例性实施方式，其用于执行根据本发明的方法的示例性实施方式。数据处理装置425包括中央处理单元(CPU)或图像处理器461。图像处理器461连接到存储器462用于暂时存储已采集或已处理的数据集。经由总线系统465，图像处理器461连接到多个输入/输出网络或诊断装置，诸如用于3D RA和用于2D X射线成像的CT扫描仪和/或C形臂。此外，图像处理器461连接到显示装置463，例如计算机显示器，以便显示已经由图像处理器461产生的代表3D路径图的图像。操作员或用户可以经由键盘464和/或经由任何其他输入/输出装置与图像处理器461相交互。
可以在使用模板缓存功能的标准图形硬件装置上的开放图形库中执行上述方法。在3D信息的视图相关的显示期间，如由采集系统限定的，产生模板面积并对其进行标注。
为了性能的原因，可以仅在显示参数(如缩放比例、平移)变化以及采集变化(如C形臂移动)的情况下对模板信息以及绘制的体积信息进行高速缓存和更新。以多个途径对实时介入信息进行投影和处理，每个途径处理其区域相关的图像处理，该图像处理由图形处理单元建立。
应该注意，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，且“一”或“一个”并不排除多个。同时结合不同实施方式描述的元件可以进行组合。还应该注意，权利要求书中的附图标记不应被解读为限制权利要求的范围。
为了概括本发明的上述实施方式，可以陈述如下：可以借助于图像着色和其他2D图像处理程序(诸如对比度/亮度设置、边缘增强、噪声降低和特征提取)来实现三维路径图的改进的可见性，其中这些2D图像处理针对多个像素区域(诸如脉管腔的内部和外部)分别都可以是多样化的。
Claims (15)
1.一种用于处理检查对象的二维图像的方法，所述方法包括以下步骤：
采集代表所述对象的三维图像的第一数据集，
采集代表所述对象的所述二维图像的第二数据集，
配准所述第一数据集和所述第二数据集，以及
处理所述二维图像，其中
在所述二维图像内至少存在识别的第一区域(231，331)和空间上不同于所述第一区域(231，331)的第二区域，划分所述第一区域和所述第二区域所必需的信息是从所述三维图像(125)提取的，并且
以不同的方式处理所述第一区域(231，331)和所述第二区域。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
用所处理的二维图像覆盖所述三维图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其中
借助于以下各项采集所述第一数据集：
-计算机断层摄影，
-计算机断层血管造影，
-三维旋转血管造影，
-磁共振血管造影，和/或
-三维超声。
4.根据权利要求1所述的方法，其中
在介入程序期间实时采集所述第二数据集。
5.根据权利要求1所述的方法，其中
处理所述二维图像的所述步骤包括：
对位于所述第一区域(231，331)内的图像像素和位于所述第二区域内的图像像素分别都
-应用不同的着色，
-改变对比度，
-改变亮度，
-应用特征增强程序，
-应用边缘增强程序，和/或
-降低噪声。
6.根据权利要求1所述的方法，其中
所述检查对象至少是人体或动物身体的一部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其中
将所述第一区域指定为脉管腔(231，331)的内部，且将所述第二区域指定为脉管腔(231，331)的外部。
8.根据权利要求1所述的方法，其中
至少部分去除所述第二区域的图像信息。
9.根据权利要求1所述的方法，其中
降低所述第二区域的对比度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中
所述信息是从所述三维图像(125)的分割的三维体积信息中提取的。
11.根据权利要求1所述的方法，其中
所述方法用于增强所述二维图像和三维图像之间的图像成分的可视化。
12.根据权利要求6所述的方法，其中
所述检查对象是内部器官。
13.一种数据处理装置(460)，
用于处理检查对象的二维图像，所述数据处理装置包括
数据处理器(461)，其适于执行如权利要求1所述的方法，以及
存储器(462)，其用于存储
代表所述对象的所述三维图像的第一数据集，和
代表所述对象的所述二维图像的第二数据集。
14.根据权利要求13所述的数据处理装置，其中
所述数据处理装置用于增强所述二维图像和三维图像之间的图像成分的可视化。
15.一种导管室，其包括
根据权利要求13所述的数据处理装置(460)。
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