CN102497818B - 根据单幅x射线投影图像的介入式器械深度歧义消除及其校准 - Google Patents
根据单幅x射线投影图像的介入式器械深度歧义消除及其校准 Download PDFInfo
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Abstract
X射线图像是投射性的，这意味着3D几何结构沿从源到探测器的投影线变平。在诸如绘制或消融的具体流程中，介入式器械处于器官壁上。在利用这一器官的与X射线配准的3D分割时，所述器械必然落在这一表面与其投影线的交叉处。所述线和表面通常在离散数量(对于诸如LA的前部的形状而言通常为2)的点处与分割表面相交。之后必须消除这些不同的可能位置之间的疑义，以确定器械的准确位置。在本发明中，提出了采用在X射线图像中测得的器械的直观宽度来完成这一任务。
Description
技术领域
本发明涉及X射线引导的流程。本发明尤其涉及一种用于确定器械在对象中的深度的方法。此外，本发明还涉及一种用于确定器械在对象中的深度的计算机程序以及装配有这样的计算机程序的X射线装置。
背景技术
电生理学是介入心脏病学的特定领域，在该领域中，医师在X射线荧光检查的引导下，利用心内导管确定心律电机能障碍的位置并对其进行治疗。一种非常复杂的电生理学流程是针对心房纤颤(又被称为AF)的射频消融。
电生理学需要专门的培训，从而详尽了解解剖学知识以及到达所有感兴趣部位的诸多路径，并且需要一些实践来选择正确的装置并操纵其抵达目标。可以利用3D成像装置(CT、MRI)或者通过在介入的开始就局部注入造影剂来记录患者的解剖学结构(发生AF的左心房(LA)和肺静脉(PV)心门以及实施心脏再同步治疗(CRT)的冠状静脉和冠状窦)，但是医师必须在脑海中完成配准才能在实况荧光图像中游历(navigate)，在所述图像中，这一信息不再可见。
对于AF流程而言，在测量电势时了解导管的准确位置对于找到引起纤颤的源(异位聚焦、折返环)至关重要。更为重要的是对消融部位的解剖学绘制(mapping)，以执行预期的消融模式(诸如PV隔离或者LA中的屋顶线消融)。
发明内容
X射线图像是投射性的，这意味着3D几何结构沿从源到探测器的投影线变平。在诸如绘制或消融的具体流程中，介入式器械处于器官壁上。在利用这一器官的与X射线配准的3D分割时，所述器械必然落在这一表面与其投影线的交叉处。所述线和表面通常在离散数量(对于诸如LA的前部的形状而言通常为2)的点处与分割表面相交。之后必须消除这些不同的可能位置之间的疑义，以确定器械的准确位置。在本发明中，提出了利用在X射线图像中测得的器械的直观宽度来完成这一任务。
本发明的目的在于提供一种用于确定器械在对象中的深度的方法，其中，使对象遭受到的辐射尽可能少。
本发明的另一目的在于提供一种计算机程序，从而使根据本发明的方法充分自动化。
这是通过相应的独立权利要求的主题实现的。在相应的从属权利要求中描述了其他实施例。
总体而言，这一目的是通过一种用于确定器械在对象中的深度的方法实现的，所述方法包括如下步骤：生成器械在对象中的一幅X射线投影图像；估计器械在对象中的部分的尺寸；以及基于所估计的尺寸和对所述对象的分割在器械在对象中的部分的可能位置之间进行辨别。
根据本发明的另一实施例，估计尺寸的步骤包括宽度估计、2D几何模型或者3D几何模型。
因此，可以利用对解剖结构的分割采用宽度估计在可能的位置之间进行辨别，而不是估计器械的绝对深度，由此实现了对宽度估计的更加鲁棒的应用。此外，校准过程可以使得其对投影矩阵中的可能误差表现出鲁棒性。
当可以得到介入体积的解剖学模型，并使之与投影图像配准(例如，X射线-CT配准)时，了解介入式工具的3D位置允许将其放置到所述模型内，从而便于游历和部位绘制。
根据本发明的方法，利用基于介入式工具的校正尺寸的限制条件、介入式工具所处的器官的与X射线图像配准的预分割、以及对所述介入式工具抵靠这一器官的一个壁的情况的了解(其为诸如心房纤颤绘制的一些介入流程期间的情况)根据单幅2D投影来估计介入式工具的3D位置。在这些假设下，介入式工具的投影m仅对应于几个可能的3D位置，例如，M和M′(图2中)。利用对介入式工具的直观尺寸的测量在这些可能的位置之间进行辨别。
根据本发明的另一实施例，根据本发明的方法的辨别步骤还以关于所述器械是被置于前面位置处还是被置于后面位置处的信息为基础，亦即，以关于在器官内部向前推还是向后拉所述器械的信息为基础。
根据本发明的又一实施例，所述方法还包括通过估计在前面位置处和在后面位置处的尺寸来校准对尺寸的估计的步骤。
这可以包括尺寸阈值的计算。具有这样的阈值还可以提供额外的优点，即，对象的任何类型的轻微运动或者所述对象的内部部分的相对运动可能不影响预期的辨别。在对象为活体的情况下，这样的运动可能是由呼吸或者心跳引起的。
相应地，本发明的第一部分涉及对器械的直观尺寸的估计。所述直观尺寸仅涉及假定与器官接触的器械的顶端。如果顶端的形状是预先知道的，那么利用2D或3D几何模型来估计顶端的尺寸，或者利用诸如宽度估计器的非特异性技术估计顶端的尺寸，所述宽度估计器只需有限的几何假设(例如，顶端处具有恒定宽度)的集合。
本发明的第二部分涉及对这样的测量的校准。为了确保相对于可能位置的适当的尺寸校准，需要校准步骤，在该步骤中，要求操作者将器械放在前面位置处，之后(than)放在后面位置处。在这些已知的位置处，系统记录所估计的尺寸，并利用这一数据计算用于在这些位置之间进行辨别的最佳尺寸阈值。系统还可以根据所述数据判断精确度是否高到了足以在这些位置之间进行辨别，并采取适当的步骤，诸如向用户发出警报以及停用自动深度歧义消除特征。
相应地，本发明的主要方面在于没有必要实施绝对尺寸测量。由于两个可能的位置之间的辨别在这样的不准确的测量结果的基础上也可能是可靠的，因而可以容许一定的不准确性。
应当指出的是，所述器械一方面可能是柔性或者刚性的导管，而另一方面也可能是活检装置、插管或套针。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机程序，利用所述计算机程序可以自动执行或者可以至少主要以自动方式执行上述方法。因此，所述计算机程序包括用于存储由X射线系统生成的投影图像的指令集、用于识别和估计投影图像中所示的器械的部分的尺寸的指令集，以及用于在估计尺寸和对象分割的基础上在所述器械的部分的可能位置之间进行辨别的指令集。
此外，所述计算机程序可以包括用于从数据库加载数据的指令集，所述数据包括预先记录的图像信息，或者所述计算机程序可以包括用于由用户进行信息检索的指令集。
根据本发明的另一方面，提出了一种X射线装置或系统，其包括X射线源、X射线探测器以及用于控制所述X射线源和X射线探测器的处理单元，其中，所述处理单元还包括上述计算机程序，所述计算机程序可以存储在所述处理单元内。
优选将这样的计算机程序加载到数据处理器的工作存储器中。因而，所述数据处理器被配备成执行本发明的方法。此外，本发明涉及一种可以存储计算机程序的计算机可读介质，诸如CD-ROM。然而，也可以通过诸如万维网的网络提供所述计算机程序，或者可以从这样的网络将所述计算机程序下载到数据处理器的工作存储器中。
必须指出，相对于不同的主题描述了本发明的实施例。具体而言，一些实施例是相对于方法类型权利要求描述的，而其他实施例则是相对于设备类型权利要求描述的。然而，本领域技术人员将从上文和下文的描述中认识到，除非另行指出，否则除了属于一种类型主题的特征的任何组合之外，应当认为本申请还公开了与不同主题相关的特征之间的任何组合。
本发明的上述方面以及其他方面、特征和优点能够从下文将要描述的实施例范例中导出并且将参考还在附图中给出了图示的实施例范例得到描述，但是本发明不限于此。
附图说明
图1示出了根据本发明的方法的流程图。
图2示出了如何获得投影图像的图解。
图3示出了投影图像的范例。
图4示出了根据本发明的系统的范例。
附图标记列表
100控制台
110用于电消融的装置
120用于输送流体的装置
200导管
220导管的顶端
300患者
400X射线装置
420X射线源
430C臂
440X射线探测器
460桌台
600处理单元
610监视器
620控制装置
具体实施方式
图1是示出了根据本发明的用于确定器械在对象中的深度的方法的步骤的流程图。应当理解，相对于所述方法描述的步骤均为主要步骤，其中，可以将这些主要步骤区分成或者划分成若干子步骤。此外，在这些主要步骤之间还可能存在子步骤。因此，只有在子步骤对于理解根据本发明的方法的原理具有重要作用时，才会提及所述步骤。
在根据本发明的方法的步骤S1中，生成器械在对象中的一幅X射线投影图像。为了降低例如患者所遭受的辐射，仅生成单幅投影图像。
在步骤S2中，估计器械在对象中的部分的尺寸。通常，这一部分将是器械的顶端部分，即，提供例如消融电极的导管部分。
通过优化图像和宽度测量内核之间的拟合优度测量测得导管的投影宽度。所述内核包括两部分，每一部分被设计成匹配导管的一侧。每一部分包括加权函数和边缘模型。加权函数是沿导管轴的方向拉长的平滑内核(通常为各向异性高斯内核)。所述内核的两个部分都被限定为相互平行。所述边缘函数是模拟台阶边的单调递增函数(通常为线性函数)。因而，所述内核由其中心的位置、其旋转角度和其宽度而参数化。拟合优度函数是每一边缘函数与图像之间的两个加权相关的和；所述权重是通过相关联的加权函数给出的。按照多尺度方式相对于所述内核的参数对所述函数进行优化。由最佳的内核宽度得到对投影宽度的测量。
在步骤S3中，在器械在对象中的部分的可能位置之间进行辨别。考虑到可能仅存在几个可能的位置，因而在将器械引入到特定解剖学结构内的情况下，只须判断器械的存疑部分是否或多或少在对象内更深即可。
为了改善本发明的方法的结果，在步骤S4中，通过估计前面位置处和后面位置处的尺寸的方式来校准对所述尺寸的估计。因此，系统可能要求用户首先提拉器械，从而使得器械的顶端部分可以在前面位置处接触器官内的壁，之后可能要求用户将器械推到后面位置，使之与器官内腔的相对的壁发生接触。
步骤S4的子步骤可以是，基于这些在前面位置和后面位置处的估计计算尺寸阈值。这样的阈值有助于进一步的尺寸估计，以辨别器械的位置。
作为最后的步骤S5，系统可以输出可以帮助用户判断器械的存疑部分当前处于哪一位置的信息。
图2是可以如何生成投影图像的示意性图解。X射线图像给出了3D体积的2D投影。从图2可以看出，始于X射线源的辐射束将在M′点(前面位置)进入器官，并穿过器官抵达出射点M(后面位置)，并继而将在m点处撞击探测器的二维平面或表面。尽管不可能简单地由单个投影点检索到3D对象的深度信息，但是在额外利用对对象的诸如取向、距离和角度的几何结构的了解的情况下，这一任务将变得具有可能性。
图3示出了利用投影的器械顶端的宽度实施的直观尺寸估计的范例。所述范例的左侧竖边以及底部横边上的数字用作标度。额外示出的标记为P1到P4的小圈将器械的顶端部分的边缘点界定到了取向基本相互垂直的方向内。可以将这些圈或点用作所述器械的部分的尺寸估计的基础。
图4示出了根据本发明的示范性系统，所述系统包括器械200的控制台100，可以将所述器械引入到患者300体内。此外，X射线装置400相对于患者进行布置，使得可以生成导管200的顶端部分所处的区域的投影图像。最后，提供了处理单元600，在适当情况下，处理单元可以控制利用X射线装置400生成投影图像，以及利用控制台100控制导管200的功能。
这里，控制器100可以包括用于提供针对器官内组织的电消融的电脉冲或信号的单元。另一方面，控制台100可以包括额外的装置120，利用该装置可以控制例如导管200的顶端部分220的取向，或者可以利用该装置输送药物或造影剂。
X射线装置400包括X射线源420以及针对X射线辐射的探测器440，其中，X射线源420以及X射线探测器440两者均布置在C臂430上，以确保两者相对于彼此的适当取向。患者300可以被至于桌台460上。
首先，处理单元600包括控制单元620，并且还包括监视器610，其中，可以在所述监视器上示出与所辨别的深度相关的信息输出。
尽管已经在附图和前述说明中对本发明进行了图示和描述，但是应当认为这样的图示和描述是说明性或示范性的，而非限制性的，本发明不限于所公开的实施例。
通过研究附图、说明书和所附权利要求，本领域技术人员能够在实践所要求保护的本发明的过程当中理解并实施针对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词不排除复数。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。可以将计算机程序存储/分布在适当的介质当中，例如，所述介质可以是光存储介质或者与另一硬件一起提供的或者作为另一硬件的部分的固体介质，但是，也可以使所述计算机程序通过其他形式分布，例如，通过因特网或者其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记不应被视为具有限制范围的作用。
Claims (8)
1.一种用于确定器械在对象中的深度的方法，所述方法包括如下步骤：
生成所述器械在所述对象中的一幅X射线投影图像，
从所述一幅X射线投影图像估计所述器械(220)在所述对象(300)中的部分的尺寸，
基于所估计的尺寸并且基于对所述对象的分割在所述器械在所述对象中的所述部分的可能位置之间进行辨别。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，估计所述尺寸的步骤包括宽度估计。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，估计所述尺寸的步骤包括2D几何模型或3D几何模型。
4.一种用于确定器械在对象中的深度的设备，所述设备包括：
用于生成所述器械在所述对象中的一幅X射线投影图像的模块，
用于从所述一幅X射线投影图像估计所述器械(220)在所述对象(300)中的部分的尺寸的模块，
用于基于所估计的尺寸并且基于对所述对象的分割在所述器械在所述对象中的所述部分的可能位置之间进行辨别的模块。
5.一种X射线装置，包括：
X射线源(420)，
X射线探测器(440)，
用于控制所述X射线源和所述X射线探测器的处理单元(600)，并且所述处理单元被配置为：
生成器械在对象中的一幅X射线投影图像，
从所述一幅X射线投影图像估计所述器械(220)在所述对象(300)中的部分的尺寸，
基于所估计的尺寸并且基于对所述对象的分割在所述器械在所述对象中的所述部分的可能位置之间进行辨别。
6.根据权利要求5所述的X射线装置，其中，所述处理单元被配置为辨别所述器械是被置于前面位置处还是被置于后面位置处。
7.根据权利要求6所述的X射线装置，其中，所述处理单元被配置为通过估计在所述前面位置处和在所述后面位置处的尺寸的方式来校准对所述尺寸的估计。
8.根据权利要求7所述的X射线装置，其中，所述校准包括计算尺寸阈值。
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