CN101505662A - 用于旋转血管造影术的自动等中心 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于旋转血管造影术的最优检查台位置的自动化或半自动化确定，其基于确定感兴趣对象的重力点指向检查设备的等中心的平移向量而执行。这减少了等中心过程的X射线的量和造影剂的剂量，并且不依赖于用户的技能。
Description
本发明涉及医学成像领域。具体而言，本发明涉及对要检查的感兴趣对象进行等中心的检查设备，对感兴趣对象进行等中心的方法，图像处理装置，计算机可读介质和程序单元。
旋转血管造影术(RA)是正引起越来越多的关注的领域。目前普遍的应用是在介入神经病学领域，如在Proceedings CAR’97，Berlin 1997中的Koppe R，Klotz E，Op de Beek J，Aerts H，Kemkers R.的“3D Reconstructionof Cerebral Vessel Malformations Based on Rotational Angiography(RA)”一文中所描述的。
此外，在介入心脏病学领域中也引起了越来越多的关注，如在Catheterization and Cardiovascular Interventions，in print，2004中的J.T.Maddux，O.Wink，J.C.Messenger，B.M.Groves，R.Liao，J.Strzelczyk，S.Y.Chen，J.D.Carroll的“A Randomized Study of the Safety and Clinical Utility ofRotational Angiography versus Standard Angiography in the Diagnosis ofCoronary Artery Disease”；in RSNA，83rd Scientific Session，第C19-382页，2003中的V.Rasche，A.Buecker，M.Grass，R.Suurmond，R.Koppe.，H.Kuehl，的“ECG-gated 3D Rotational Coronary Angiography”；IEEE transaction onmedical imaging，第19卷，第4期，2000年4月中的S.James Chen and JohnD.Carroll的“3D Reconstruction of Coronary Arterial Tree to OptimizeAngiographic Visualization”；和IEEE Trans.Med.Imag.，第12卷，第23期，第1517-1531页，2004中的B.Movassaghi，V.Rasche，M.Grass，M.Viergever，W.Niessen的“A quantitative analysis of 3D coronary modeling from two ormore projection images”中所描述的。
旋转血管造影术包括在采集二维X射线血管造影图像的同时，使X射线，C型臂系统围绕感兴趣区域(例如造影剂场颈动脉(contrast agent fieldcarotid)，造影剂场冠状动脉，支架等)旋转。之后可以将所采集的投影图像用于诊断目的，或者用于对感兴趣区域进行三维重建。
应用旋转血管造影术的主要先决条件之一是对感兴趣对象进行等中心。目前，这可以通过采集正交的两个系列投影图像来完成。对于每个系列，用户(例如医生)在X射线曝光期间移动患者检查台直到所述对象在两个投影视角(projection view)中都置于中心。在冠状动脉可视化的情况下，所述过程通常伴随有造影剂的注射。当用可能的最小探测器尺寸采集感兴趣对象时，能达到最佳的图像分辨率(二维图像质量和三维重建图像质量)。
为了确保每个采集到的投影图像都包含整个对象的投影，需要执行正确的等中心过程。所述等中心过程很大程度上取决于用户的技能和经验。
希望对等中心的确定进行改进。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了一种对要检查的感兴趣对象进行等中心的检查设备，所述检查设备包括确定单元，所述确定单元适于确定从感兴趣对象的重力点(point of gravity)指向检查设备的等中心的平移向量，其中，所述检查设备适于基于该平移向量对感兴趣对象执行等中心。
因此，根据本发明的该示例性实施方式，提供了快速且有效的等中心，其能产生用于旋转血管造影术的最优检查台位置。这可以减少用于等中心过程的X射线的量和造影剂的剂量，并且不依赖于用户的技能。
根据本发明的另一个示例性实施方式，重力点是三维重力点。
因此，提供了三维等中心。
根据本发明的另一个示例性实施方式，所述检查设备还包括采集单元，所述采集单元适于执行用于第一采集几何结构的第一短采集，其产生第一投影数据。此外，所述采集单元适于执行用于第二采集几何结构的第二短采集，其产生第二投影数据。
基于第一和第二投影数据，确定单元还适于确定检查设备的等中心和感兴趣对象的重力点。
因而，采集包括例如利用固定视角模式下的最大探测器尺寸进行的用于两种投影几何结构的两种短采集。这两种投影不需要是正交的。
根据本发明的另一个示例性实施方式，确定等中心包括确定第一条线和第二条线的三维交点，其中，第一条线从第一焦点指向与第一采集几何结构有关的第一投影图像的第一中点，并且其中，第二条线从第二焦点指向与第二采集几何结构有关的第二投影图像的第二中点。
这能够提供对等中心的全自动确定。
根据本发明的另一个的示例性实施方式，确定感兴趣对象的重力点包括确定第三投影的第一二维重力点，确定第四投影的第二二维重力点，以及确定第三条线和第四条线的三维交点。第三条线从第一焦点指向第一二维重力点，并且第四条线从第二焦点指向第二二维重力点。
这能提供对感兴趣对象的重力点的全自动或半自动确定。
根据本发明的另一个示例性实施方式，确定单元还适于把平移向量变换到检查台坐标系中，其中，检查台坐标系对应于在其上设置感兴趣对象的可移动检查台单元的自由度。
此外，对感兴趣对象进行等中心包括与平移向量对应地平移感兴趣对象。
根据本发明的另一个示例性实施方式，第一和第二二维重力点的确定是基于用户交互执行的。
然而，根据本发明的另一个示例性实施方式，第一和第二二维重力点的确定可以基于分割操作全自动地执行。
根据本发明的另一个示例性实施方式，所述检查设备适于为三维计算机断层成像设备和三维旋转X射线设备之一。
在本文中应该指出的是，本发明不限于计算机断层成像或旋转X射线血管造影术，当需要确定用于感兴趣对象的检查的最优检查台位置时也可以应用本发明。
根据本发明的另一个示例性实施方式，将所述检查设备配置为包括材料测试设备和医疗应用设备的组中的一个。本发明的一个应用领域可以是医学成像，具体是旋转血管造影术。
根据本发明的另一个示例性实施方式，提供了利用检查设备对要检查的感兴趣对象进行等中心的方法，所述方法包括确定从感兴趣对象的重力点指向检查设备的等中心的平移向量，和基于该平移向量执行对感兴趣对象的等中心的步骤。
这能提供进行快速且全自动的等中心。
此外，根据本发明的另一个示例性实施方式，提供了利用检查设备对要检查的感兴趣对象进行等中心的图像处理装置，所述图像处理装置包括存储感兴趣对象的数据集的存储器，和适于实现上述方法步骤的确定单元。
此外，根据本发明的另一个示例性实施方式，提供了对感兴趣对象进行等中心的程序单元，当由处理器执行时，该程序单元能使处理器实现上述方法步骤。
根据本发明的另一个示例性实施方式，提供了计算机可读介质，所述计算机可读介质中存储有对感兴趣对象进行等中心的计算机程序，当由处理器执行时，所述计算机程序能使处理器实现上述方法步骤。
应该指出的是，用于进行等中心的方法可以实现为计算机程序(即通过软件)，或可以使用一个或多个特定电子优化电路(即在硬件中)实现，或者所述方法可以以混合形式中(即通过软件部件和硬件部件)实现。
根据本发明的示例性实施方式的程序单元优先被加载到数据处理器的工作存储器中。所述数据处理器可以如此配备以实现本发明的方法的实施方式。所述计算机程序可以用任何适当的编程语言(例如C++)编写，并且可以存储在计算机可读介质(例如CD-ROM)中。并且，计算机程序可以从网络(如万维网)获得，通过该网络，计算机程序可以被下载到图像处理单元或处理器，或者任何适当的计算机中。
可以视为本发明的一个示例性实施方式的要点的是，提供了对用于旋转血管造影术的最优检查台位置的自动或半自动确定。所述的确定包括利用固定视角模式下的最大探测器尺寸进行的用于两种投影几何结构的两种短采集，之后确定平移向量。这可以减少等中心过程的X射线的量和造影剂的剂量，并且不依赖于用户的技能。
参考下面描述的实施方式可以解释本发明的上述和其他方面并且使其显而易见。
在下文中参考下面的附图描述了本发明的示例性实施方式。
图1示出了简化的C型臂旋转X射线检查设备的示意图；
图2示出了等中心过程的示意图；
图3示出了在旋转运作期间采集的右冠状动脉的投影图像；
图4示出了根据本发明的示例性实施方式对感兴趣对象进行等中心的示意图；
图5示出了根据本发明的示例性实施方式确定三维重力点的示意图；
图6示出了根据本发明的示例性实施方式对交互确定二维重力点进行说明的两个例子；
图7示出了根据本发明的示例性实施方式对全自动确定二维重力点进行说明的例子；
图8示出了根据本发明的另一个示例性实施方式对全自动确定二维重力点进行说明的另一个例子；
图9示出了根据本发明的示例性方法的流程图；
图10示出了根据本发明的图像处理装置的示例性实施方式，所述图像处理装置用于执行根据本发明的方法的示例性实施方式。
附图的说明是示意性的。在不同的附图中，相似的或同一个单元用同一个参考数字表示。
图1示出了示例性旋转X射线扫描器的示意图。X射线源100和有大的敏感区域的平板探测器101安装在C型臂102的末端。C型臂102由弯轨，即“套管”103支撑。C型臂可以在套管103中滑动，由此执行围绕C型臂的轴的“滚动运动”。套管103通过旋转接合附着于L型臂104，并且围绕该接合的轴执行“螺旋运动”。L型臂104通过另一旋转接合附着于顶部(ceiling)，并围绕该接合的轴执行旋转。由伺服电动机对各种旋转运动起作用。三个旋转运动的轴和锥形束轴始终交汇于单个固定点，即旋转X射线扫描器的“等中心”105。等中心周围有由沿着源轨道的所有锥形束投影的一定体积。所述“投影体积”(VOP)的形状和尺寸取决于探测器的形状和尺寸以及源轨道。在图1中，球110表示与VOP相符的最大等中心球。将要成像的对象(例如患者或行李物件)置于检查台111上，以使所述对象的VOI充满VOP。如果所述对象足够小，其将与VOP完全相符；否则不能。所以VOP限制了VOI的尺寸。
各种旋转运动由控制单元1001控制。C型臂角度、套管角度、L型臂角度中的每三个组成的一组限定了X射线源的位置。通过随着时间改变这些角度，源可以沿着规定的源轨道运动。在C型臂另一端的探测器进行相应的运动。所述源轨道受限于等中心球的表面。
图2示出了基于采集到的正交的两个系列血管造影图像进行等中心过程的示意图，其中，采集伴随着X射线曝光期间的检查台运动。血管造影图像数据的第一系列是在C型臂的第一位置采集的(见图2a)。如图2b中所描述的，血管造影图像数据的第二系列是在检查设备的C型臂的第二位置采集的。需要指出的是两个C型臂位置是正交的位置。
如上所述，对每个系列，用户要在X射线曝光期间移动患者检查台，直到对象在两个投影视角中都能置于中心。然而，确定最优的等中心很大程度上取决于用户的技能和经验。
图3示出了在检查设备的旋转运作期间采集的右冠状动脉301的投影图像300。由于不适当的预先等中心过程，感兴趣对象(冠状动脉)会跑出图像之外。
根据本发明的一个方面，提供了用于确定用于旋转血管造影术的最优检查台位置的自动或半自动方法。所述方法的应用可以减少等中心过程的X射线的量和造影剂的剂量，并且不依赖于医生的技能。
本发明基于利用固定视角模式下的最大探测器尺寸进行的用于两种投影几何结构的两种短采集。
在本文中，探测器的尺寸是使用的探测器的区域。例如，在该区域中只使用了几个像素时可采集到探测器中较小的区域。相应的图像可以通过缩放因子显像。
术语固定视角模式涉及不用移动扫描架而对投影图像进行的采集。
图4示出了对本发明的一个示例性实施方式的原理进行说明的示意图。心脏401表示感兴趣对象，其中，F1402和F2403表示两个正交的投影图像P1和P2的X射线源；PM1和PM2表示投影P1404和P2405的中点。PG1408和PG2409表示投影的感兴趣对象的二维重力点。PG410表示感兴趣对象的三维重力点，并且PI411表示旋转系统的等中心。
如图4中说明的，如果确定了从感兴趣对象401的三维重力点410(PG)指向系统411(PI)的等中心的平移向量412(T)，可以对感兴趣对象401进行等中心。之后，T(TX，TY，TZ)(例如在检查台坐标系中给出的)的各个向量分量确定了检查台的运动的三个平移向量以使感兴趣对象的PG移位到系统的等中心。
应当注意的是，提供下面的特征是为了实现本发明的示例性实施方式。
第一，在两个采集之间患者检查台是不运动的。
第二，如果患者检查台不是可编程的，测量条带(measuring stripe)或其他位置确定机构可以附加于检查台以指出在三个轴上的相对运动。
第三，利用在旋转采集方案中给出的相同的投影几何结构或其子集可以采集所有涉及的投影图像。
第四，必须知道采集的投影之间的几何关系。例如，这可以通过预校准步骤完成。
图9示出根据本发明的方法的示例性实施方式的流程图。图9中描述的方法包括如下步骤：
步骤1：确定用于旋转运作采集的采集方案。例如从120°LAO(左前斜)开始至60°RAO(右前斜)的180°螺旋旋转。
步骤2：确定用于各个旋转运作的系统(PI)的等中心。这可以通过确定两条线的三维交点完成，这两条线从焦点F1和F2指向所选的投影图像P1和P2的中点PM1和PM2。
然而，应当注意的是投影图像不需要是正交的。
步骤3：确定感兴趣对象的三维PG。为此，必须确定在两个所选的投影(PG1，PG2)中的二维投影的感兴趣对象的重力点。PG是通过从焦点(F1，F2)指向相应的PG1，PG2(更详细的确定PG，PG1和PG2的判别在下面给出)的线的交点计算得出的。
应当注意的是两个投影无需正交，并且无需与步骤2中的两个投影相同。
步骤4：确定从PG指向PI的平移向量T。
步骤5：将T变换到检查台的坐标系中(T*)。
步骤6：根据T*((T* X，T* Y，T* Z)的向量分量平移检查台。
下面描述了确定感兴趣对象的三维重力点(PG)的方法。基于对在两幅X射线投影图像中的投影的感兴趣对象的二维重力点(PG1，PG2)的确定计算出PG。
首先，描述了假设PG1和PG2是已知时对PG的确定。随后描述了用于估计PG1和PG2的三种可能的解决方案。
需要指出的是，感兴趣对象可以是较大的对象的子部分(例如属于血管树的特定血管段)。
下面，描述了示例性的PG确定方案。
如图5中说明的，对于给定的投影图像P1中的PG1，可以计算在投影P2中的相应核线(例如在IEEE transaction on medicalimaging，第19卷，第4期，2000年4月中的S.James Chen and John D.Carroll的”3D Reconstructionof Coronary Arterial Tree to Optimize Angiographic Visualization”，和在IEEETrans.Med.Imag.，第12卷，第23期，页数.1517-1531，2004中的B.Movassaghi，V.Rasche，M.Grass，M.Viergever，W.Niessen的“A quantitativeanalysis of 3D coronary modelingfrom two or more projection images”中所公开的)。
给定投影P2中的估计的PG2，可以确定相应的P* G2，从而限定最接近(欧几里德距离)PG2的核线上的点。P* G2的确定可以确保从相应X射线源F1和F2指向点PG1和P* G2的线的交点。
现在，描述三种示例性的PG1和PG2确定方案。
方案1：通过用户交互：例如，用户可以通过在每个投影图像中进行鼠标点击来指示估计的重力点(如图6(a)和(b)中所示)。
方案2：备选地，用户在每个投影中确定围绕感兴趣对象的一个矩形，其中，由所述矩形通过各个顶点的连接线的交点来估计重力点(见图6(c)和(d))。
方案3：全自动化：用感兴趣对象(例如在导丝上的标记器，冠状动脉结构等)的形状的先验知识，可以分割X射线投影图像中的投影的感兴趣对象。重力点可以基于投影图像中的属于二维感兴趣对象的像素值而计算出来。
在图7中，示出了第一例子。图7中的二维重力点是基于放置于导丝703(例如用于血管成形和支架过程的导丝)上的两个标记器701，702的自动配准而确定的。
在图8中，基于预先滤波步骤估计出左冠状动脉树(LCA)的重力点410，在预先滤波步骤中可以分割出线结构(尺度空间滤波)。
图10描述了根据本发明的图像处理装置1000的示例性实施方式，该装置用于执行根据本发明的方法的示例性实施方式。在图10中描述的数据处理装置1000包括与存储器1002连接的用于存储描述感兴趣对象(例如患者或行李物件)的图像的中央处理单元(CPU)或图像处理器1001。数据处理器1001与多个输入/输出网络或诊断装置(如三维旋转X射线装置)连接。为了显示信息或在数据处理器1001中被计算或被修改的图像，数据处理器1001还可以与显示装置1003(例如计算机监视器)连接。操作员或者用户可以通过键盘1004和/或其他输出装置(未在图10中描述)与数据处理器1001进行交互。
此外，通过总线系统1005，也可以使图像处理和控制处理器1001连接到例如监视感兴趣对象的运动的运动监视器。例如，如果对患者的肺成像，则运动传感器可以是呼气传感器。如果对心脏成像，则运动传感器可能为心电图仪。
本发明可以用于所有使用旋转采集的血管介入。
应当注意的是，词语“包括”不排除其他单元或者步骤，且“一”或“一个”不排除复数。并且根据不同的实施方式所述的单元可以组合起来。
还应当注意的是权利要求中的参考标记不应理解为限制权利权利要求的范围。
Claims (16)
1、一种用于对要检查的感兴趣对象(401)进行等中心的检查设备，所述检查设备包括：
确定单元，其适于确定从所述感兴趣对象(401)的重力点(410)指向所述检查设备的等中心(411)的平移向量(412)；
其中，所述检查设备适于基于所述平移向量(412)对所述感兴趣对象(401)执行等中心。
2、根据权利要求1所述的检查设备，
其中，所述重力点(410)是三维重力点。
3、根据权利要求1所述的检查设备，还包括
采集单元，其适于执行用于第一采集几何结构的第一短采集，从而产生第一投影数据，并且适于执行用于第二采集几何结构的第二短采集，从而产生第二投影数据。
其中，所述确定单元还适于基于所述第一和第二投影数据，确定所述检查设备的等中心(411)和所述感兴趣对象(401)的重力点。
4、根据权利要求1所述的检查设备，
其中，所述第一和第二采集在固定视角模式下执行。
5、根据权利要求1所述的检查设备，
其中，确定所述等中心(411)包括：确定第一条线和第二条线的三维交点；
其中，所述第一条线从第一焦点(402)指向与所述第一采集几何结构有关的第一投影图像的第一中点(406)；并且
其中，所述第二条线从第二焦点(403)指向与第二采集几何结构有关的第二投影图像的第二中点(407)。
6、根据权利要求1所述的检查设备，
其中，确定所述感兴趣对象(401)的所述重力点(410)包括：
确定第三投影的第一二维重力点(408)；
确定第四投影的第二二维重力点(409)；
确定第三条线和第四条线的三维交点；
其中，所述第三条线从所述第一焦点(402)指向所述第一二维重力点(408)；并且
其中，所述第四条线从所述第二焦点(403)指向所述第二二维重力点(409)。
7、根据权利要求1所述的检查设备，
其中，所述确定单元还适于将所述平移向量(412)变换到检查台坐标系中；
其中，所述检查台坐标系对应于在其上设置所述感兴趣对象(401)的可移动检查台单元的自由度。
8、根据权利要求1所述的检查设备，
其中，对所述感兴趣对象(401)进行等中心包括与所述平移向量(412)对应地平移所述感兴趣对象。
9、根据权利要求1所述的检查设备，
其中，所述第一和第二二维重力点(408，409)的确定是基于用户交互执行的。
10、根据权利要求1所述的检查设备，
其中，所述第一和第二二维重力点(408，409)的确定是基于分割自动执行的。
11、根据权利要求1所述的检查设备，适于为三维计算机断层成像设备和三维旋转X射线设备之一。
12、根据权利要求1所述的检查设备，配置为包括材料测试设备和医疗应用设备的组中之一。
13、一种利用检查设备对要检查的感兴趣对象(401)进行等中心的方法，所述方法包括如下步骤：
确定从所述感兴趣对象(401)的重力点(410)指向所述检查设备的等中心(411)的平移向量(412)；
基于所述平移向量(412)执行对所述感兴趣对象(401)的等中心。
14、一种利用检查设备对要检查的感兴趣对象(401)进行等中心的图像处理装置，所述图像处理装置包括：
存储器，其用于存储所述感兴趣对象(401)的数据集；
确定单元，其适于：
确定从所述感兴趣对象(401)的重力点(410)指向所述检查设备的等中心(411)的平移向量(412)；
基于所述平移向量(412)执行对所述感兴趣对象(401)的等中心。
15、一种计算机可读介质(1002)，在所述计算机可读介质中存储用于利用检查设备对要检查的感兴趣对象(401)进行等中心的计算机程序，当由处理器(1001)执行时，所述计算机程序使得所述处理器实现以下步骤：
确定从所述感兴趣对象(401)的重力点(410)指向所述检查设备的等中心(411)的平移向量(412)；
基于所述平移向量(412)执行对所述感兴趣对象(401)的等中心。
16、一种程序单元，用于利用检查设备对要检查的感兴趣对象(401)进行等中心，当由处理器(1001)执行时，所述程序单元使得所述处理器实现以下步骤：
确定从所述感兴趣对象(401)的重力点(410)指向所述检查设备的等中心(411)的平移向量(412)；
基于所述平移向量(412)执行对所述感兴趣对象(401)的等中心。
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