CN102427767B - 用于计算机断层摄影中低剂量介入引导的数据采集和可视化模式 - Google Patents
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Abstract
一种用于监测受引导的介入装置的系统和方法包括利用辐射源对介入装置成像以确定(306)介入装置在受检者内部的位置。执行(304)圆形采集以更新介入装置的位置，其中，所述采集包括通过在给定角位置处关闭辐射源来跳过视角。生成(308)所述介入装置的模型，以提供所述介入装置相对于所述受检者的背景的虚拟图像。在跳过的视角期间对所述介入装置进行建模(310)，以提供对所述介入装置的基本实时的跟踪。
Description
本公开涉及医学成像，并且更具体而言，涉及用于降低辐射剂量以改善扫描图像中特征的数据采集和可视化的系统和方法。
可以采用计算机断层摄影(CT)引导的介入来执行使用不同机械或机电装置的流程，例如活检、导管插入术或其他介入。CT引导的介入提供了几乎实时地连续更新用作解剖路线图的体信息的机会。然而，与这种类型的扫描模式相关的辐射剂量常常很高，可能不被推荐。这样的流程可能提供过高的辐射剂量，认为不适于介入辐射、心脏病学或肿瘤学中更大的应用范围。因此，提供一种具有CT扫描的优点但辐射剂量低的介入引导成像技术将是有利的。
根据本原理，用于监测受引导的介入装置的系统和方法包括使用辐射源对介入装置成像以确定介入装置在受检者内部的位置。执行圆形采集以更新介入装置的位置，其中，所述采集包括通过在给定角位置处关闭辐射源来跳过视角。生成所述介入装置的模型，以提供所述介入装置相对于所述受检者的背景的虚拟图像。只要测量新角度/投影的时候就可以对装置进行建模。然后，获得了3D模型，可以将其叠加在体积上。
另一种利用CT监测受引导的介入装置的方法包括：通过CT扫描构造患者的图像体积；执行圆形采集以更新介入装置的位置，其中，所述采集包括通过在给定角位置处完全关闭辐射源的x射线管来跳过视角；以及生成介入装置的模型，以提供介入装置相对于图像体积的背景的虚拟图像。在至少一个跳过的视角期间对介入装置进行建模，以提供对介入装置的跟踪。
一种用于监测介入装置的系统包括：图像扫描器，其被配置成利用辐射源对受检者的图像体积成像并确定介入装置在受检者内部的位置。图像扫描器被配置成执行圆形采集以更新介入装置的位置，其中，所述采集通过在给定角位置处关闭辐射源而在周期性视角处获得图像。存储装置被配置成存储介入装置的模型，以提供介入装置相对于受检者图像体积的背景的虚拟图像。该模型被配置成提供周期性视角期间介入装置的运动，以提供对介入装置的跟踪。显示器被配置成接收介入装置的建模的运动并相对于图像体积的最近投影图像显示建模的介入装置。
根据下文对其例示性实施例的详细描述，本公开的这些和其他目的、特征和优点将变得显而易见，要结合附图阅读详细描述。
本公开将参考以下附图详细阐述对优选实施例的以下描述，在附图中：
图1是示出了根据本原理用于以低辐射剂量引导的介入的数据采集和可视化的系统的图示；以及
图2是示出了根据本发明的例示性实施例用于使用针对消融流程的导管的引导介入的数据采集和可视化系统/方法的框/流程图。
本公开描述了使用用于心房纤颤(AFIB)流程或其他流程的CT引导来实时更新关于最新解剖路线图的装置信息。将描述AFIB流程作为非限制性例示范例。然而，可以在任何引导介入流程或希望较低辐射剂量的任何流程中采用本系统和方法。应当理解，将结合CT扫描描述本原理；然而，本发明的教导宽泛得多并且适用于任何扫描技术。此外，描述和示出了用于扫描图像的行星式(planetary)装置；然而，可以在C型臂装置或任何其他类型的连续运动源-探测器轨迹装置(例如，鞍形轨迹、多个圆弧等)上实施本实施例。附图中所示的元件可以以硬件或具有软件单元的软件的各种组合来实施，并且其提供可以在单个元件或多个元件中组合的功能。
现在参考附图，其中，类似数字表示相同或类似元件，从图1开始，例示性地示出了根据本原理的具有介入引导的扫描系统100。扫描系统100包括CT扫描装置；然而，还可以采用其他成像技术。系统100包括机架102，其支撑x射线源(例如，x射线管)104和x射线探测器106。x射线源提供辐射锥108，用于对受检者或患者110曝光。受引导的介入装置118可以包括针、探头、套管针、导管或任何其他医学装置，或实施诸如在身体内部移动的介入装置，介入装置可以是被动或主动驱动的，是或不是机械连接到身体外部的。可以根据来自CT扫描图像的反馈来引导装置118。可以使用引导控制器112来引导装置118。引导控制器112可以包括手动控制或者可以使用软件程序自动控制。控制器112可以使用来自多个源的反馈，所述源例如是计算机系统130提供的或存储在控制器112中的设置。可以自动或手动地执行引导。
机架102使用电机114旋转。x射线探测器106也旋转，并被设置在机架102上与源104相对的一侧上。通过这种方式，x射线透射通过受检者110并由探测器106探测。采用x射线以生成CT扫描图像，CT扫描图像可以存储在存储器132中、显示于显示器146上、存储在诸如存储介质装置或胶片的便携式介质上、或图像再现和存储的任意组合。
在特别有用的实施例中，收集的图像被存储在存储器132中。通过旋转机架102来将受检者110暴露于不同角度的辐射来获得图像或切片。可以将每个桌台位置处的图像进行组合以提供被称为体积图像144的三维解剖图。在优选实施例中，采用锥形射束CT并在给定桌台位置处直接重建体积。在体积图像144中收集截面图像以精确描绘患者的解剖结构。可以将桌台116平移到机架102中。在成像期间，桌台116保持静止。为了生成体积图像，采用简单的圆形扫描来覆盖介入体积。
根据本原理，在微创介入期间提供解剖路线图，用于实时更新装置118的手术装置信息。通过减少收集图像的视角数量在CT引导的介入中实现了剂量的显著降低。这还包括完全关闭或重新调节(例如，可以采用剂量调制，但有利地，本原理允许完全关闭x射线)源104的x射线管。在一个例示性实施例中，在180。的扫描中进行五次或更多次投影。考虑到介入装置118的几何位置和受检者110(呼吸，心脏运动等)可能存在一些不一致，这给出了充分的结果。根据施加到管上的kV和mA，用于源104的管切换的电流为大约为1-2msec(毫秒)(例如，关闭300-500微秒，增长300微秒，在更低电流下这可以更慢)(更低或更高的开关时间也是可能的)。假设视图集成时间为100微秒，并且每个样本测量10幅视图，加上5-10msec的开关时间，则实现了每半圈大致25到50msec的总照射，而不是CT扫描器上针对全部视角的完整半扫描所需的大约150msec的照射。另外，应当指出，在关闭管的过程中(例如5-10msec)，在这一时段中的剂量远低于标准视图照射。于是根据本例示性实施例实现了大约10倍的剂量减小。这样能够在执行手术流程时用更长的时间和/或使患者曝光更少。
根据本原理，使用先前拍摄的图像对介入装置118进行建模。可以使用投影滤波和分割以及外极(epi-polar)几何结构实施装置118的建模。投影滤波和分割用于从投影图像探测和提取2D装置模型。外极几何结构是指立体视觉的几何结构。当两个(或更多)优势点从两个(或更多)不同位置观看三维(3D)场景或对象时，在3D点及其2D图像上的投影之间存在若干几何关系，导致图像点之间的约束关系。这些关系是基于如下假设导出的：即可以由单个点优势(例如针孔摄像机模型)近似优势点。外极几何结构用于将基于2D投影的介入装置分割变换到3D空间中。可能涉及到超过两个投影。在小运动状态中，用于3D建模过程的相继投影间存在不一致，两个投影中可见的导管上的相同点在3D模型中可能不完全匹配。为了克服这一问题，可以应用最短距离标准以生成与最新测量结果一致性最好的3D模型。另外，可以将可用的预介入式装置模型集成到3D建模过程中。这可以包括几何模型，包括材料性质，例如装置的x射线吸收系数，以及机械性质，包括介入期间可能的变形。
通过这种方式，可以在图像中采用建模的装置118以利用装置的渐进运动更新图像而无需收集辐射图像。这显著减小了施加到患者108和周围区域的辐射剂量，减少了x射线源的管激活时间，并实现了实时或近实时的介入装置信息。
利用CT扫描器100执行部分(例如，一半)扫描或完整扫描，CT扫描器100生成锥形射束108。利用重建软件138从探测到的x射线重建对应的图像体积144，重建软件138组合图像以创建三维图像体积。当手术装置118位于图像中(半扫描或全扫描的结果)时，利用CT系统100进行圆形采集(转动机架102上的源104)，但仅每隔几个视角，例如每100个视角就测量投影，根据流程和技术人员的舒适水平，这一间隔可大可小，将在这些视角下获得充分的信息。还可以每隔几度指定视角，例如，20°或50°的间隔。在这些投影内，使用尺度(scale)空间线滤波器和阈值化方法，利用全自动成像软件136探测装置118。还可以采用其他成像技术，诸如滤波、对比等，以改善装置的探测。可能需要从用于生成解剖路线图的投影擦除介入装置118的额外图像。由于有这些原因，如果在采集的这一部分期间装置118已经在身体中，装置图像将在解剖路线图中导致运动/金属/或其他伪影。
利用装置118的已知系统几何结构142和患者110的图像体积144，可以利用投影之间采集时间的较短差异生成装置118的3D模型140。可以利用存储器132中存储的采集的外极几何结构生成装置118的模型140。从已经采集的最近的几个投影(例如，至少最近的两个投影)生成模型140。几乎实时地在显示器146上显示3D装置模型140，其中在最新的解剖路线图上延迟很低。由于介入装置118遵循已知的推进速率(由计算机、甚至人工控制)，并且患者110的解剖几何结构是已知的，所以可以生成装置118的精确模型140。
在特别有用的实施例中，实际利用创建的模型140更新介入装置118的图像，以跟随装置118的运动。在患者110图像体积144的一幅或多幅最新图像上提供或甚至叠加运动并在显示器146上显示。优选提供虚拟更新以填充在圆形采集期间取消的跳过视角投影。未必一定要针对每个缺失的视角执行虚拟装置图像的更新速率，因为流程的精确度或其他因素能够支配这一速率。
计算机系统130包括一个或多个处理器134，其与存储器132协同工作以根据本原理执行多种操作和任务。可以采用计算机系统130控制机架102、源104、探测器106、桌台116、控制器112和任何其他系统或装置。
此外，系统130被配置成再现和处理图像数据。例如，如果在采集投影以生成解剖路线图期间介入装置118已经在视场中，就需要在重建图像之前探测装置118并将其从投影擦除。当在介入期间更新解剖路线图时，尤其是这种情况。另外，在一些应用中可能需要在未采集的视图中的介入装置118的运动。使用多个视角，能够生成三维模型并以所述类似方式将其投影到体积图像144上。计算机系统130还可以执行其他图像处理。应当理解，计算机系统130可以包括一个或多个分布式计算机，其可以位于一起或通过网络或因特网连接。
参考图2，现在例示性地描述用于AFIB流程中受引导的介入的方法。为了生成左心房(在其中进行消融流程)的路线图，在框302中利用锥形射束CT扫描器执行部分(例如，一半)扫描或完整扫描，并构造或重建对应的图像体积。在框304中，当导管或其他介入装置位于右心房(或其他身体部分)内部时，利用CT系统执行圆形采集，但仅仅每例如100个视角(也可以每20°或其他角度)测量一次投影。在框306中，在这些投影内，使用尺度空间线滤波器和阈值化方法(例如，其使用像素强度和/或对比度来找到和定位图像中的特征)，利用全自动软件探测导管。
在框308中，利用导管和患者解剖结构的已知系统几何结构，利用了采集时间中较短的差异。利用采集的外极几何结构生成导管的3D模型。从已经采集的(至少)最近的两个投影生成模型。由于几何可能性，导管的模型可能比针的模型更复杂。在这里，导管在心房内部，因此其具有运动的自由度，然而，可以通过从导管知道的解剖约束或机械约束支持建模。需要在每个视角更新模型。例如，可以在采集每20°一个的视图时更新模型，并且模型具有270msec的旋转时间。这会提供每圈18次更新以及每秒大约60次，这超过了标称视频速率。因此，更少的更新是所希望的。
在框310中，基本实时(例如，如果需要的话，以快于标称视频的速率)地显示3D导管模型，最新解剖路线图上的延迟很低(延迟主要可归因于介入装置图像的处理时间)。这里描述的方法将实现介入式CT中剂量的显著降低。也可以将同样的情形变换到其他CT引导的介入(除AFIB之外)。
在框312中，可能需要调节或去除模型。例如，如果在采集投影以生成解剖路线图期间介入装置已经在视场中，就需要在重建图像之前探测装置118并将其从投影擦除。当在介入期间更新解剖路线图时，尤其是这种情况。
在解释权利要求时，应当理解：
a)“包括”一词不排除在给定权利要求中列出的那些之外的其他元件或动作；
b)元件前的“一”或“一个”一词不排除存在多个这样的元件；
c)权利要求中的任何附图标记均不对权利要求的范围构成限制；
d)可以由相同项或硬件或软件实现的结构或功能表示若干“模块”；并且
e)除非明确指出，并不期望要求具体的动作序列。
已经描述了系统和方法的优选实施例(其意在是例示性的而非限制性的)，要指出的是，可以由本领域的技术人员根据以上教导做出修改和变化。因此要理解，可以在公开的特定实施例中做出改变，这处在如所附权利要求界定的这里所公开实施例的范围和精神之内。这样描述了专利法要求的细节和特质，在权利要求中阐述了专利证书主张和希望保护的内容。
Claims (6)
1.一种用于监测介入装置的系统，包括：
图像扫描器(106)，其被配置成利用辐射源(104)对受检者的图像体积(144)成像并确定介入装置(118)在所述受检者内部的位置，所述图像扫描器被配置成执行圆形采集，以更新所述介入装置的位置，其中，所述采集包括通过在给定角位置处完全关闭所述辐射源来跳过视角；
存储装置(132)，其被配置成存储所述介入装置的模型(140)，以提供所述介入装置相对于所述受检者图像体积的背景的虚拟图像，所述模型是通过对所述介入装置的运动进行建模来生成的并且被配置成提供至少一个跳过的视角期间所述介入装置的运动以提供对所述介入装置的基本实时的跟踪；以及
显示器(146)，其被配置成接收所述介入装置的建模的运动并相对于所述图像体积的最近投影图像显示建模的介入装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，跳过视角包括周期性地获得投影。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述模型(140)是通过采用所述介入装置的几何结构和至少两个最近的投影图像对所述介入装置进行建模来生成的。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述模型(140)是通过将2D投影介入装置分割变换到3D空间中来生成的。
5.根据权利要求4所述的系统，所述模型(140)的生成还包括应用最短距离标准以生成与最新测量结果一致性最好的3D空间中的模型。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，使用外极几何结构生成所述模型(140)。
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