CN103562959B - 用于提供支持对血管介入程序中的介入设备的准确引导的图像表示的医疗成像系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种医疗成像系统能够通过查看诸如介入装置（2）的一个或若干第三方对象的形状，恢复不同运动源（心跳、呼吸）的状态，并推断出通常为心腔或例如左心房（4）的另一感兴趣对象的姿态。要点在于，假设不同的运动源以不同方式使第三方对象的形状变形，从而能够清楚地恢复这些源对运动的各自影响。借助于一个或若干运动模型，之后不同因素诱发的运动能够被推断出并被传播到诸如感兴趣解剖结构的其他对象。与现有技术相比，这种方式的关键优点是没有结果对帧速的依赖性，因此能够产生对感兴趣解剖结构位置的估计而没有时滞。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗成像系统和方法，其用于提供支持对血管介入程序中的介入设备的准确引导的图像表示，其尤其适于荧光透视引导的介入，例如适于房颤消融程序。
背景技术
电生理学是介入式心脏病学的特定领域，其中医生使用心内导管，以在X射线荧光透视引导下定位并治疗心脏节律的电功能障碍。具有挑战性的电生理学程序是用于处置房颤的射频消融。电生理学家需要特殊训练以完全获知解剖结构以及通往所有感兴趣位点的进入通路，并需要一些实践来选择正确的设备并操纵它们到达期望目标。能够利用3D成像设备，例如通过CT或MRI，或者通过恰在开始介入时局部地例如针对房颤的左心房和肺静脉心门中或向针对心脏再同步化治疗的冠状静脉和窦中注射造影剂，来记录患者的解剖结构。医师基本上必须在头脑中执行配准以在实况荧光透视图像中导航，在实况荧光透视图像中结构信息不再可视。对于房颤程序，当测量电势时获知导管的精确位置是找到导致纤颤的来源，例如找到异位病灶或折返循环的关键。更重要的是消融位点的解剖结构绘制，以便执行期望的消融模式，例如执行肺静脉隔离或左心房中的屋顶线消融。
如果希望补偿感兴趣解剖结构的运动，例如心室或冠状窦的运动，如果所述器官几乎不可视，则在介入式X射线中，跟踪诸如介入式工具或可视解剖结构标志物的第三方对象是必须的。
然而，被跟踪的介入设备的运动和针对电生理学介入感兴趣的解剖结构的一部分之间的关系可能是复杂的。在胸部区域，例如，介入设备的运动主要由两个因素诱发的，即由心跳和呼吸运动诱发的。
由于在胸部区域中，这两个不同的运动源以不同方式影响其周围，所以可以认为必须要分离这两种运动源。
用于分离以不同频带生成运动的不同运动源的已知措施基于被跟踪对象的总体运动的滤波，以恢复源自该源之一的运动。然而，滤波可能导致滞后，这改变了运动补偿的质量。此外，当荧光透视的图像速率下降时，滤波的结果可能迅速劣化。
另一种已知的措施包括使用运动源的一个(或若干)的时间模型。之后将(一个或多个)时间模型拟合到记录的运动。对于应对大的运动变化性，例如应对心脏的心律不齐或呼吸运动，这可能不是非常灵活的。
发明内容
因此，需要一种鲁棒的医疗成像系统和方法，以实施支持对插入血管中的介入设备的准确引导的感兴趣解剖结构的图像表示，所述血管受到由至少两个不同运动源造成的诱发运动的影响。鲁棒性应当解决节律和帧速的变化。
可以利用独立权利要求的主题满足这样的需求。在从属权利要求中定义了本发明的其他实施例。
根据本发明的一方面，提出了一种医疗成像系统，其用于提供支持在血管介入程序中的介入设备的准确引导的感兴趣解剖结构的图像表示。所述医疗成像系统适于优选但并非唯一地按照指示的顺序执行以下步骤：
(i)在患者没有第一运动的时帧期间利用插入感兴趣血管区域中的所述介入设备采集所述感兴趣血管区域的第一图像序列；
(ii)通过分析采集的所述第一图像序列中所述介入设备的运动，检测在第二运动周期期间的所述介入设备的周期运动的第一运动序列；
(iii)创建由所述第二运动单独诱发的所述介入设备的运动模型；
(iv)确定定义了所述介入设备的所述第一运动序列和所述第二运动之间关系的算子；
(iv)利用插入所述患者的所述感兴趣血管区域中的所述介入设备采集所述感兴趣血管区域的实况图像；
(v)使用所述算子减去所述第二运动诱发的所述介入设备的运动并确定由所述患者的所述第一运动诱发的所述介入设备的运动；并且
(vi)基于所述第一运动配准感兴趣对象的表示。
根据本发明，呈现为例如心脏运动和呼吸运动的不同运动源的状态通过评估实现为一个或若干第三方对象的介入设备的实际形状，并基于相关运动推断通常为心腔的另一感兴趣对象的姿态得以恢复。
本发明的核心在于，假设不同的运动源以不同方式使介入设备的形状变形，从而能够清楚地恢复这些源对运动的各自影响。借助于一个或若干运动模型，之后能够推断出不同因素诱发并传播到诸如感兴趣解剖结构的其他对象的运动。与现有技术相比，这种方式的关键优点是没有结果对帧速的依赖性，且能够产生对感兴趣解剖结构位置的估计而没有时滞。
可以由能够提供一系列相继2D图像的X射线成像装置来进行感兴趣解剖结构区域的图像的第一集合的采集。介入设备可以包括一个或若干区别特征或标志物，所述一个或若干区别特征或标志物可在X射线图像中识别，借以定义介入设备的模型并检测由第二运动源诱发的介入设备的运动的第一运动序列，装置第二运动源可以是循环的但未必是周期性的，例如，是心脏运动。可以通过回归或其他适当方法进行介入设备的模型的定义。
为了定义影响介入设备形状的第二运动源和介入设备自身状态之间的关系，定义运动模型是必须的。可以将这样的运动模型设置为矩阵或矢量，所述矢量可以乘以诸如第一运动标量(例如为反复运动的弧度值)的第一运动源矢量，以依赖于第一运动源的状态获取描述介入设备位置的位置矢量。通常，运动模型采取介入设备的形状作为输入，并通过分析性地或试验性地确定的关系输出相位或位移。该输入应当优选不是导数，例如不是速度，因为在最基本模式中，运动模型应当是基于单个帧可用的。此外，在低帧速序列中，几乎不能估计速度。
可以通过依赖于运动模型的性质及其维数，通过方便的转置函数，转置介入设备的运动模型，来进行作为反转运动模型的算子的确定。
利用插入感兴趣解剖结构区域中的介入设备采集感兴趣解剖结构区域的实况荧光透视图像是必要的，以使得介入设备是可视的，该介入设备待被引导到特定地点，例如左心房。要指出的是，可以采集实况图像而没有关于患者运动的限制。
在接下来的步骤中，通过根据第一学习步骤分析介入设备的运动，执行仅基于第一运动源，例如基于呼吸运动的介入设备运动模型，在所述第一学习步骤中，形状变形仅由第二运动源诱发。当在第二运动源和第一运动源两者的影响下，监测介入设备的形状时，可以在将算子利用为上述反转运动模型的情况下减去由第二运动源诱发的介入设备的形状变形。由此，可以获得作为第一运动源和介入设备的运动之间的关系的运动模型。
这种关系有助于基于尤其是呼吸运动，配准先前采集的感兴趣解剖结构图像和实况荧光透视图像。这可以是有帮助的，因为，例如左心房的运动基本不依赖于第二运动源，尤其是心脏运动，但在呼吸的影响下被刚性地移动。
在形式化方式中，有沿时间跟踪的nS个源和nO个对象。每个源和对象都由其状态清楚地描述，其状态分别表示为Si和Ti且可以是或不是多维的。在下文中，假设对象的状态Ti仅依赖于运动源的状态Si，亦即，
其中表示运动模型。进一步假设，利用对所有对象的状态的了解，这种动作是可逆的，即，针对每个源，都有算子，如
再次假设感兴趣对象的状态A仅依赖于Si，则感兴趣对象的状态A由下式恢复
假设运动模型如果感兴趣解剖结构的可观察状态或多或少是不足够的并需要通过观察其他介入设备或其他第三方对象被增强，则可以在介入设备中计算感兴趣解剖结构自身。
模型的学习必然特异于应用。模型可以是通用的或需要患者特异性学习。
所提出的医疗成像系统可以应用于X射线导管插入术实验室系统中，如手术室环境中潜在使用的。此外，其也可以在引导支持可以是有意义的其他状况中被采用。能够使用本发明的其他应用是微创手术，其中定位介入式仪器，例如定位活检针是非常感兴趣的。
根据本发明的另一方面，提出了一种计算机程序或计算机程序单元，其特征是，当在适当的计算设备或可编程系统上执行时，适于执行上文相对于所提出的医疗成像设备定义的方法步骤。实际上，在其上执行这样的计算机程序的计算设备或可编程系统(其进一步包括例如适当的接口、处理器和存储器，以将相应的解剖结构表示数据和X射线图像数据采集为后续数据处理的输入，从而提供解剖结构-血管造影片-配准、血管造影片-荧光透视-配准以及最终的解剖结构-荧光透视-配准)可以用作上文定义的医疗成像设备。
根据本发明的另一方面，提出了一种计算机可读介质，例如CD-ROM，其中，所述计算机可读介质上存储了如前面部分中描述的计算机程序。然而，计算机程序也可以被提供在网络上，并可以从这样的网络被下载到数据处理器的工作存储器中。因此，计算机可读介质可以是使计算机程序可用于下载的介质。
必须注意，本文参考不同主题描述了本发明实施例的特征和优点。具体而言，一些实施例是相对于方法类型的特征描述的，而其他实施例是相对于设备类型的特征描述的。然而，本领域的技术人员将从以上和下面的描述中总结出，除非另行指出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合也被认为随本申请被公开。具体而言，然而，能够组合所有特征，以提供超过特征的简单加和的协同效应。
附图说明
本发明的上述特征和实施例以及进一步特征和优点也能够从后文将描述的实施例的范例推导出，并参考实施例的范例被解释，但本发明不限于这些范例。在下文中将参考附图更详细地描述本发明。
图1示出了完整心动周期期间介入设备的形状变形的概观。
图2示出了在给定相位感兴趣解剖结构相对于介入设备的位置。
图3示出了在另一相位感兴趣解剖结构相对于介入设备的估计位置。
图4示出了根据本发明的医疗成像系统的概观。
图5示出了根据本发明的方法的图解概观。
附图仅仅是示意性的，且不成比例。
附图标记列表
2 介入设备
4 左心房(LA)
6 电极
8 形状
10 医疗成像系统
12 X射线辐射源
14 患者台
16 探测器件
18 数据处理单元
20 独立的输出单元
22 接口单元
24 采集第一图像序列
26 检测第一运动序列
28 创建运动模型
30 确定算子
32 采集实况图像
34 减去介入设备的运动
36 配准感兴趣对象的表示
38 叠加
40 显示
具体实施方式
图1示出了完整心动周期期间介入设备的形状变形的概观。介入设备2被示为具有心动周期的三个不同相位和其中，这些相位中的两个可以由舒张期结束(EoD)和收缩期结束(EoS)的定时触发而获取的。介入设备2可以被实现为通常用于冠状窦阻塞的冠状窦导管(CSC)，以用于配给心麻痹液，且还用于在心肺旁路手术期间监测冠状窦的压力。对于电生理学应用，冠状窦导管包括在其尖端处的电极6，电极6可以用作介入设备的形状可能被减小的形状变形的清晰可视标志物。
当患者未进行呼吸运动时，在至少一个心动周期期间记录图1中的三个不同的形状变形。能够通过在介入设备2基本进行反复运动时分析其运动，自动检测心动周期的实例。可以由变量S∈[0,2π]表示心动周期期间的心脏状态，因为运动是周期性的。此外，这种状态可以与时间成正比。
确定形状变形和心动周期之间的关系或心动周期时的位移是所提出的系统和方法的关键，因为呼吸运动被认为会严格影响介入设备2。心动周期和呼吸运动诱发的形状变形被叠加，并可以仅通过单独地确定介入设备的心动周期诱发运动被分开。例如，可以通过在使用介入设备2的各种形状特征检测到的心动周期上应用回归技术，确定根据介入设备2的形状给出状态S的算子H，介入设备2的各种形状特征例如为取向、曲率或电极的相对位置。
如果能够例如使用先前的解剖结构形状和介入设备的三维模型从电极二维投影获得其三维位置，就可以获知作为整个心动周期上的介入设备2的状态的电极6的三维位置。否则，该状态可以被限制于电极6的二维位置，且该模型可能仅在旋转根据本发明的医疗成像系统的C臂之前有效。
可以将这个过程认为是“学习阶段”，期间，执行定义了介入设备的形状变形和心动周期之间关系的运动模型。由此，已知心动周期之内的位置，可以精确确定介入设备的形状变形。
在图2中，示出了感兴趣解剖结构的示意性概观。在这里，感兴趣解剖结构为左心房(LA)4。运动的两个主要来源对应于心跳(心动周期)和呼吸(呼吸运动)。假设呼吸运动刚性地移动左心房4和介入设备2，而心跳不会影响左心房4，在为消融程序期间的主要感兴趣区域的左心房4的顶部附近这是一个合理的假设。
由已经采集了图像的时间给出左心房4和介入设备2的布置。对于待采集的图像，可能已经向患者施加了造影剂，借以使得左心房4在X射线图像采集过程中是可视的。造影剂示出了左心房4的解剖结构，因此模型或先前获取的图像能够人工或自动地置于屏幕上以提供给操作者。为了对模型进行初始化，在与介入式设备2相同的帧中，仅需要单个心脏运动相位来做出适当的链接。针对这项任务的有用相位是容易自动检测的相位，该相位在介入设备的过程上示出极限位置，该相位例如大致对应于EoD和EoS。
示范性地，介入设备2具有图2中的位置由于介入设备2相对于左心房4的位置已知，并确定了介入设备2的运动模型，所以针对任何发生的心脏相位，左心房4的位置都是可确定的。因此，在新的图像上，分析介入设备2的形状，以产生心脏相位。
使用上面学习的运动模型，能够确定心脏诱发的运动。之后将剩余的刚性运动完全归因于呼吸运动，从而给出呼吸状态，接着给出左心房4的位置。
在最简单形式中，假设呼吸运动是均匀施加到介入设备2和左心房4的垂直平移。因此，一旦排除掉心跳，就能够将介入设备2的剩余平移直接应用于左心房4的模型。
因此，在已经采集左心房4的图像并确定介入设备2的运动模型之后，左心房4的位置在不用造影剂的情况下针对所有心动周期相位且在呼吸运动期间是可确定的。能够在将先前采集的左心房4的图像或左心房4的模型与实况荧光透视图像配准和叠加以获得介入设备的实际形状中，使左心房4的相对位置对执行介入过程的人是可视的，如图3中所示。
由此，如图1所示的在使用从学习相位确定的运动模型的情况下检测到的介入设备2的形状使得能够确定呼吸运动和左心房4的相对位置之间的关系。
可以进一步通过估计心脏相位期间介入设备2的形状8来执行运动校正。例如，如果介入设备2的实际形状等于图1所示的根据心动周期相位的形状，那么可以借助运动模型估计相位处的介入设备2的对应形状。这由从处的介入设备2的形状指向可以被命名为的处的估计形状的箭头指示。之后可以使用这种估计确定左心房4的位置，如图2所示。
图4示出了根据本发明的医疗成像系统的图解概观。医疗成像系统10包括具有X射线辐射源12的X射线图像采集设备，X射线辐射源12被提供以生成X射线辐射。提供患者台14以接收待检查的对象。此外，X射线图像探测器件16相对于X射线辐射源12被定位。在辐射程序期间，检查对象位于X射线辐射源12和探测模块16之间。探测模块16向数据处理单元18发送数据，数据处理单元18连接到X射线图像探测模块16和X射线辐射源12两者。数据处理单元18可以示范性地位于患者台14下方以节省检查室之内的空间。显然，其也可以位于不同位置，例如在不同房间或不同实验室中。此外，输出单元20示范性装备有显示器，因此可以被布置在患者台14附近，以向操作医疗观察系统的人显示信息，该操作医疗观察系统的人可以是临床医师，例如心脏病专家或心脏外科医生。优选地，显示器被可移动地安装，以依赖于检查状况进行个体调节。而且，接口单元22被布置为由用户输入信息。
不必使用独立的输出单元20，其也可以包括数据处理单元18中的输出单元20，在那里，重叠和组合过程被执行并被提供在适当的输出端口以用于另外的目的。
基本上，图像探测模块16通过使受检者暴露于X射线辐射来生成图像，其中，在数据处理单元18中进一步处理所述图像。应注意，所示的范例是所谓的C型X射线图像采集设备。X射线图像采集设备包括C型臂，在那里探测模块16布置于C臂的一端，而X射线辐射源12位于C臂的相对端。C臂可移动地安装并能够绕着位于患者台14上的感兴趣对象旋转。换言之，能够利用不同观察方向采集图像。
数据处理单元18可以适于执行根据本发明的方法，从而能够被认为是或包括数据处理单元，以提供支持对在血管介入程序中的介入设备的准确引导的图像表示。由此，提供了数据处理器，以及优选提供了用于存储介入设备的运动模型和感兴趣对象的模型的存储器件，以及相关软件，相关软件令一个程序单元根据上述方法的示范性实施例提供支持对在血管介入程序中的介入设备的准确引导的图像表示。软件能够借助计算机可读介质或通过网络传送到数据处理单元18中，并可以实现为完整的新操作系统或更新。
如在图5中显而易见的，根据本发明的方法包括以下过程步骤：
(i)在患者没有第一运动的时帧期间利用插入感兴趣血管区域中的介入设备2采集24所述感兴趣血管区域的第一图像序列；
(ii)通过分析采集的所述第一图像序列中介入设备2的运动，检测26在第二运动周期期间的介入设备2的周期运动的第一运动序列；
(iii)创建28由所述第二运动单独诱发的所述介入设备的运动模型；
(iv)确定30定义了介入设备2的所述第一运动序列和所述第二运动之间的关系的算子；
(iv)利用插入所述感兴趣血管区域中的介入设备2采集32所述感兴趣血管区域的实况图像；
(v)使用所述算子减去34由所述第二运动诱发的所述介入设备的运动并确定由所述第一运动诱发的介入设备2的运动；并且
(vi)基于所述第一运动配准36感兴趣对象的表示。
要指出的是，可以采集实况图像而没有关于患者运动的限制。
感兴趣对象的配准表示可以进一步被叠加38到采集的实况图像并被显示40。
最后，应注意，本文中“包括”一词不排除其他元件或步骤，量词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载特定措施并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何附图标记不得被解释为对范围的限制。
Claims (9)
1.一种医疗成像系统(10)，用于提供支持在感兴趣区域中对血管介入程序中的介入设备(2)的准确引导的图像表示，在所述区域中，感兴趣对象的位置至少依赖于第一运动源，所述医疗成像系统适于：
(i)在患者没有第一运动的时帧期间利用插入感兴趣血管区域中的所述介入设备(2)采集(24)所述感兴趣血管区域的第一图像序列；
(ii)通过分析采集的所述第一图像序列中所述介入设备(2)的运动，检测(26)在第二运动周期期间的所述介入设备(2)的周期运动的第一运动序列；
(iii)创建(28)由所述第二运动单独诱发的所述介入设备(2)的运动模型；
(iv)确定(30)定义了所述介入设备(2)的所述第一运动序列和所述第二运动之间的关系的算子；
(iv)利用插入所述患者的所述感兴趣血管区域中的所述介入设备(2)采集(32)所述感兴趣血管区域的实况图像；
(v)使用所述算子减去(34)由所述第二运动诱发的所述介入设备(2)的运动并确定由所述患者的所述第一运动诱发的所述介入设备(2)的运动；并且
(vi)基于所述第一运动配准(36)所述感兴趣对象的表示。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一运动源为呼吸运动。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，第二运动源为心脏运动。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述感兴趣区域是主动脉根周围的区域。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述感兴趣对象为左心房(4)。
6.根据权利要求1或2所述的系统，还适于在所述实况图像上叠加(38)所述感兴趣对象的表示并在屏幕上显示(40)所得图像。
7.一种用于提供支持在感兴趣区域中对血管介入程序中的介入设备(2)的准确引导的图像表示的方法，在所述区域中，感兴趣对象的位置至少依赖于第一运动源，所述方法包括：
(i)在患者没有第一运动的时帧期间利用插入感兴趣血管区域中的所述介入设备(2)采集(24)所述感兴趣血管区域的第一图像序列；
(ii)通过分析采集的所述第一图像序列中所述介入设备(2)的运动检测(26)在第二运动周期期间的所述介入设备(2)的周期运动的第一运动序列；
(iii)创建(28)由所述第二运动单独诱发的所述介入设备(2)的运动模型；
(iv)确定(30)定义了所述介入设备(2)的所述第一运动序列和所述第二运动之间的关系的算子(H)；
(iv)利用插入所述患者的所述感兴趣血管区域中的所述介入设备(2)采集(32)所述感兴趣血管区域的实况图像；
(v)使用所述算子(H)减去(34)由所述第二运动诱发的所述介入设备(2)的运动并确定由所述患者的所述第一运动诱发的所述介入设备(2)的运动；并且
(vi)基于所述第一运动配准(36)先前采集的所述感兴趣对象的图像。
8.一种用于提供支持对血管介入程序中的介入设备的准确引导的图像表示的数据处理单元(18)，所述数据处理单元(18)包括数据处理器，所述数据处理器适于执行根据权利要求7所述的方法。
9.一种用于提供支持在感兴趣区域中对血管介入程序中的介入设备(2)的准确引导的图像表示的装置，在所述区域中，感兴趣对象的位置至少依赖于第一运动源，所述装置包括：
用于在患者没有第一运动的时帧期间利用插入感兴趣血管区域中的所述介入设备(2)采集(24)所述感兴趣血管区域的第一图像序列的模块；
用于通过分析采集的所述第一图像序列中所述介入设备(2)的运动检测在第二运动周期期间的所述介入设备(2)的周期运动的第一运动序列的模块；
用于创建由所述第二运动单独诱发的所述介入设备(2)的运动模型的模块；
用于确定定义了所述介入设备(2)的所述第一运动序列和所述第二运动之间的关系的算子(H)的模块；
用于利用插入所述患者的所述感兴趣血管区域中的所述介入设备(2)采集所述感兴趣血管区域的实况图像的模块；
用于使用所述算子(H)减去由所述第二运动诱发的所述介入设备(2)的运动并确定由所述患者的所述第一运动诱发的所述介入设备(2)的运动的模块；以及
用于基于所述第一运动配准先前采集的所述感兴趣对象的图像的模块。
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