CN102224525B - 用于图像配准的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于提供将解剖区域的三维模型与二维投影图像配准的基准的装置和方法，方式如下：在周期信号的一个相位导出解剖区域的三维模型；导出与被重建为所述三维模型的解剖区域交叠的区域的二维投影图像；从导出的二维投影图像预选最接近所述相位的投影图像的子集；以及通过选择对比度最大的投影图像从预选投影图像的子集选择用于配准的参考图像。

Description

用于图像配准的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于提供将解剖区域的三维模型与二维投影图像配准的基准的装置和方法。 

背景技术

在医学图像配准中，例如，必须在可能于另一时间点拍摄的另一模态（modality）图像的坐标系中变换某种模态的图像。为了能够比较或整合从不同模态获得的图像，配准是必要的。 

当要将例如由磁共振（MR）或计算机断层摄影（CT）导出的表示解剖区域的三维多模态数据集与实时二维x射线投影图像（例如用于3D路径映射（roadmapping））融合时，x射线系统（例如C臂x射线系统）的配准帧与三维多模态数据集的配准帧之间的映射（变换模型）必须是已知的。 

获得这种映射的过程被称为“配准”。可以手动地、或采用配准算法自动地执行三维数据集到二维x射线投影图像的直接配准。 

对于利用本配准系统实现的结果而言，仍然希望改善在配准过程中实现的结果。 

US2005/054916A1描述了一种在医疗流程中执行生理学选通的方法，包括采集至少具有目标区域的第一图像和第二图像的图像序列；基于第一和第二图像确定第一合成图像；以及基于合成图像对医疗流程进行选通。 

RUIJTERS D ET AL:"Efficient GPU-accelerated elastic image registration"PROCEEDINGS OF THE SIXTH IASTED INTERNATIONAL CONFERENCE ON BIOMEDICAL ENGINEERING,INNSBRUCK,AUSTRIA,FEBRUARY13-15,2008,ACTA PRESS,ANAHEIM,CA,USA,13February2008(2008-02-13),pages419-424,XP007912390ISBN:978-0-88986-721-5，描述了弹性患者数据内的配准。 

US5095906A描述了一种图像处理设备，其包括图像数据采集部分、 变化检测部分、选择部分和存储部分。 

发明内容

本发明的目的在于改进能够利用配准过程获得的结果。 

这一目的是利用根据独立权利要求所述的装置和方法实现的。 

有利的进一步拓展是从属权利要求的主题。 

根据本发明的实施例，提供了一种用于为将解剖区域的三维模型与二维投影图像配准提供基准的装置，其包括用于在周期信号的一个相位导出解剖区域的三维模型的3D成像系统；用于导出与3D成像系统重建的解剖区域交叠的区域的二维投影图像的2D成像系统；用于从导出的二维投影图像中选择最接近所述相位的投影图像的子集的预选择器；以及通过选取对比度最大的投影图像从预选投影图像的子集选择用于配准的参考图像的选择器。对于上述术语“周期信号”而言，应当指出的是其优选是心搏周期。然而，其还可以是呼吸周期。在本文中，这种周期信号的“相位”是指周期信号的一次循环或时段内的特定时间点，并且其优选是心脏相位，但也可以是呼吸相位。这一实施例的优点在于，参考图像是用于配准的最佳二维投影图像，从而获得配准流程的改进结果。这便于进行对冠状动脉疾病(CAD)、尤其是用于慢性总闭塞(CTO)的最小介入治疗。由于冠状动脉是可能需要(自动或手动)配准的最可能的解剖结构，并且这些冠状动脉因为心脏运动而变形，所以对于配准流程而言有益的是，从最密切匹配三维模型的心脏相位和造影剂量的最大量的x射线序列中选择用于配准的图像，以便使血管树最大程度地可视化。作为其益处，可以减少在心脏介入流程期间造影剂的使用和辐射剂量。 

根据另一实施例，该装置还包括用于检测所述周期信号的信号监测系统；以及用于将所述周期信号的时间位置分配到所述三维模型的相应相位的时间分配器。这提供了如下优点：可以利用与二维投影图像序列同时记录的心搏周期将三维模型和二维投影图像分配给彼此。 

根据另一实施例，该装置还包括用于检测所述周期信号的信号监测系统，其中，基于所述周期信号预期地选通所述2D成像系统，从而在包括所述三维模型相位的特定时间段内获得所述二维投影图像。这样，仅在获得 三维数据集的相位(优选为心脏相位)打开2D成像系统的x射线。这具有以下优点，即节省了患者的x射线辐射剂量。“包括三维模型相位的特定时间段”优选是以三维模型的相位作为中心并表现出偏离该中心一定百分比(假设一个信号周期为百分之一百)的时间段。这种偏离优选为百分之十，更优选为百分之五，更优选为百分之二，最优选为百分之一。 

根据另一实施例，所述选择器是通过选择最暗的投影图像来选择对比度最大的投影图像的暗度鉴别器。这提供了一种找到存在最多造影剂的图像的可靠方法。 

备选地，所述选择器是中间定位器，其用于相对于从所导出的二维投影图像中的第一投影图像到最后的投影图像的时间，通过选择最接近中间的投影图像来选择对比度最大的投影图像。这提供了如下优点，即，可以利用最小的硬件性能来选择对比度最大的图像。 

此外，本发明提供了分别实现上述优点的方法的不同实施例。此外，本发明还利用被布置成执行这种方法的装置以及包括根据上述实施例之一的装置的x射线系统提供了上述优点。 

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见并得以阐述。 

可以将如下内容视为本发明的发明点：找到最佳二维图像作为参考图像，一方面，该参考图像对应于三维模型的心脏相位，另一方面，该参考图像是在存在最多造影剂的时候获得的，从而确定或改进三维模型与二维投影图像的配准。 

附图说明

图1示意性描绘了心电图(ECG)信号； 

图2示出了根据本发明第一、第二和第三实施例的装置；以及 

图3是图示了图2的装置的功能的流程图。 

具体实施方式

参考图2，绘示了根据本发明的第一实施例的装置。该装置包括3D成像系统10，用于在静态数据集形式的三维模型中重建解剖区域。3D成像系 统10可以是磁共振(MR)、计算机断层摄影(CT)或超声系统。然而在这一实施例中，计算机断层摄影(CT)是优选的模态。在本实施例中，重建的解剖区域为心脏；然而，本发明不限于此。此外，提供了2D成像系统11以获得投影图像。这种2D成像系统11优选是用于实现x射线投影图像的系统。此外，附图标记12表示用于监测心脏周期的心脏监测系统12。备选地，监测系统12还可以是用于监测患者呼吸周期的系统。2D成像系统11和心脏监测系统12两者都经由接口13彼此连接，这样能够允许将2D成像系统11和心脏监测系统12的结果相对彼此关联起来(根据下文所述的第三实施例，接口13还具有控制功能)。从接口13向时间分配器14转发这样实现的结果，时间分配器的输入端口与接口13的输出连接。时间分配器14的另一输入端口与3D成像系统10连接。时间分配器14适于为2D成像系统11获得的x射线投影图像分配3D成像系统10获得的三维模型的心脏相位。继时间分配器14之后，提供了预选择器15，用于从2D成像系统11获得的多幅投影图像中选择最接近特定心脏相位的投影图像的子集。该预选择器15的输出端口与选择器16的输入端口连接，用于通过选择对比度最大的投影图像从预选择器15转发的多幅预选投影图像中选择参考图像。在这一实施例中，选择器16是暗度鉴别器，用于选择最暗的投影图像作为对比度最大的图像。继选择器16之后，提供了配准单元17，其将从3D成像系统10获得的三维数据集与选择器16选择的参考图像配准。 

图3是图示了图2的装置的功能的流程图。在步骤S100中，3D成像系统10获得心脏的心脏三维模型。在固定的心脏相位(即心搏周期内的特定时间点)重建这一模型。应当指出的是，本发明不限于使用所述心脏相位，而仅仅限于周期信号，所述周期信号还可以是呼吸周期。由于心脏冠状血管的最优重建是在心脏几乎没有运动时获得的，所以经常使用舒张期。通常可以在R峰间期的75％处找到舒张期，在图1中将R峰间期示为两个R峰之间的间期。优选将在特定心脏相位获得的三维模型(CT数据集)编码成DICOM(“医学数字成像和通信”)信息。在步骤S101中，由2D成像系统11获得二维x射线投影图像的序列。为了接收更好的图像结果，向患者体内注射造影剂。还是在步骤S101中，与此并行地，由心脏监测系统12记录借助接口13分配给x射线图像序列的记波图(kymogram)。记波图是 可以被描述指示心脏相位的为时间的函数的信号。请参考图1，其中，图示了记波图。这一记波图可以是与x射线图像序列共同记录的心电图(ECG)信号。备选地，也可能构造心脏监测系统12，使其分析2D成像系统11获得的图像结果，以便直接从图像导出心搏周期。在这一备选方案中，心脏监测系统12直接从随时间对x射线图像内容的分析中提取记波图，其中，分析了心脏的运动。在这一备选方案中，接口13将2D成像系统11的结果转发至心脏监测系统12，心脏监测系统12分析这些图像以便导出记波图。然后，接口13合并记波图和图像序列并将它们输出到时间分配器14。从图1可以看出，可以根据记波图确定R峰。R峰对应于动脉搏动，并且因此是心搏周期开始的良好指示。心脏相位通常被表达为两个相继R峰之间的间期的分数或百分比。 

在步骤S100中获得基于CT的心脏三维模型并在步骤S101中获得带有对应记波图的x射线投影图像的序列之后，如下文所述，要将x射线图像序列与心脏CT模型配准。 

如上所述，针对特定的心脏相位重建三维模型。现在，在步骤S102中，由时间分配器14从记波图收集与这一特定心脏相位对应的时间位置，其中，由于R峰的位置，每个心搏周期的开始是已知的。这提供了一组时间位置。 

在步骤S103中，然后从x射线投影图像的序列预选择最接近在步骤S102中获得的时间位置的帧(图像)。假设第一个帧对应于时间零点，可以通过将个体时间位置乘以帧率并四舍五入成最接近的整数来导出最接近的帧的数目。这样获得的预选帧是全部处于正确心脏相位中的若干帧，其也表示三维模型。 

之后，在步骤S104中，目标是选择其中存在最多造影剂的帧。根据这一第一实施例，为了选择具有最多造影剂的帧，选择器16从若干预选的帧选择最暗的帧。最暗的帧也是具有最多造影剂的帧这一关系基于这样的假定：造影剂吸收x射线辐射，并且因此具有最多造影剂的图像亮度最低。 

在后续步骤S105中，将从3D成像系统10获得的三维数据集与选择器16选择的投影图像配准。为此目的，在步骤S104中选择的帧作为配准流程、即将选择的x射线投影图像与来自三维数据集的图像融合的流程中的参考图像。可以手动地、半自动地或全自动地执行配准。 

在下文中描述了第二实施例。为了避免重复，仅描述了与第一实施例不同的那些方面。 

第二实施例仅在如何选择具有最多造影剂的帧的方式上与第一实施例不同。因此，在第二实施例中，选择器16为中间定位器，其在步骤S104中基于下述假定选择最接近x射线图像序列的中间的帧：在序列的开始注射造影剂，造影剂流入血管中，并在序列结束时从心脏冲洗除造影剂。 

在下文中，描述了第三实施例。为了避免重复，仅描述了与第一和第二实施例不同的那些方面。 

在这一实施例中，接口13具有根据利用心脏监测系统12获得的记波图控制2D成像系统11的功能。因此，本实施例与第一和第二实施例的不同在于，仅在重建的心脏的心脏相位记录步骤S101中的x射线投影图像。为此目的，经由接口13由记波图预期地选通x射线序列，即，仅在获得CT数据集的心脏相位打开x射线。这具有以下优点，即节省了患者的x射线辐射剂量。 

在下文中，描述了实际应用的范例。配准三维冠状动脉数据集允许在从所述数据集分割出的三维冠状动脉脉管系统上叠加实时X射线图像流。这对于引导诸如导管的血管内装置非常有用。尤其是对于冠状动脉的慢性总闭塞(CTO)而言，这一流程具有很大的临床益处，因为动脉的闭塞部分实际上在二维x射线图像中是看不见的，但仍然可以在三维数据集中绘示。 

在介入式心脏病学的不远将来，可以预见会越来越多地在CT上执行诊断。如上所述将CT数据集与心血管x射线图像融合将有助于减少心脏介入流程期间造影剂的使用和辐射剂量，并可以通过允许CT数据集和心血管x射线图像之间更好的比较来帮助诊断和介入式治疗。并且对于血管介入诊断的其他领域而言，CT数据集常常是可用的，并可用于改善血管介入。 

尽管已经在附图和上述说明中详细图示和描述了本发明，但是应当将这样的图示和说明看作是示范性或示例性的，而不是限定性的，并非要将本发明限于所公开的实施例。“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除复数。可以通过单个处理器或其他单元实现权利要求中陈述的几个项目的功能。在互不相同的从属权利要求中陈述某些 措施不表示不能有利地采用这些措施的组合。不应将权利要求中的附图标记推断为限制本发明的范围。 

Claims (10)

1.一种用于提供将解剖区域的三维模型与二维投影图像配准的基准的装置，包括：

3D成像系统（10），其用于在心搏周期信号或呼吸周期信号的一个相位导出解剖区域的三维模型；

2D成像系统（11），其用于导出与所述3D成像系统重建的所述解剖区域交叠的区域的二维投影图像；

信号监测系统（12），其用于检测所述周期信号；

预选择器（15），其用于从导出的二维投影图像中选择最接近所述相位的投影图像的子集；以及

选择器（16），其用于通过选取具有最多造影剂的投影图像从预选投影图像的子集选择用于配准的参考图像；

其中，基于所述三维模型的所述周期信号的所述相位预期地选通所述2D成像系统（11），以在包括所述三维模型的所述相位的特定时间内获得所述二维投影图像。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括

时间分配器（14），其用于向所述三维模型的相应相位分配所述周期信号的时间位置。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述选择器（16）是暗度鉴别器，其通过选取最暗的投影图像来选取具有最多造影剂的投影图像。

4.根据权利要求1到2中的任一项所述的装置，其中，所述选择器（16）是中间定位器，其用于相对于从所导出的二维投影图像的第一投影图像到最后的投影图像的时间，通过选取最接近中间的投影图像来选取具有最多造影剂的投影图像。

5.一种用于提供将解剖区域的三维模型与二维投影图像配准的基准的方法，包括以下步骤：

在心搏周期信号或呼吸周期信号的一个相位导出解剖区域的三维模型（S100）；

导出与被重建为所述三维模型的所述解剖区域交叠的区域的二维投影图像（S101）；

从所导出的二维投影图像中预选（S103）最接近所述相位的投影图像的子集；

通过选取具有最多造影剂的投影图像从预选投影图像的子集选择（S104）用于配准的参考图像；

检测（S101）所述周期信号；以及

基于所述三维模型的所述周期信号的所述相位预期地选通2D成像系统（11），以在包括所述三维模型的所述相位的特定时间内获得所述二维投影图像。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括如下步骤：

为所述三维模型的相应相位分配（S102）所述周期信号的时间位置。

7.根据权利要求5或6中的一项所述的方法，其中，在选择步骤（S104）中，选取最暗的投影图像。

8.根据权利要求5到6中的一项所述的方法，其中，在选择步骤（S104）中，相对于从所导出的二维投影图像的第一投影图像到最后的投影图像的时间，选取最接近中间的投影图像。

9.根据权利要求5到6中的一项所述的方法，其中，通过将个体时间位置乘以帧率并四舍五入成最接近的整数导出最接近的帧。

10.一种x射线系统，包括根据权利要求1到4之一所述的装置。

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