CN103648394B - 使用外科工具曲线与x-射线图像的配准的实时3d血管造影 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于提供体腔的实时3D图像的方法、系统和程序产品。使用光学感测来确定所述体腔中的柔性外科工具的3D形状。获取所述体腔的X‑射线图像，所述体腔和所述外科工具中的至少一个是不透射线的。将确定的3D外科工具形状与所述X‑射线图像进行配准。
Description
技术领域
本发明涉及医学成像领域，并且更具体而言，涉及一种用于在介入期间使用外科工具曲线与X-射线图像的配准来提供实时血管造影的方法和系统。
背景技术
在心脏介入中，同时进行工具跟踪和脉管重建是个重要的挑战。一个已知方法是使用对导管末端的电磁（EM）跟踪，并且将探测到的导管尖端位置覆盖到来自先前执行的CT扫描中的3D图像重建上。然而，至少部分由于来自身体机能的运动，诸如，呼吸和患者的心跳，该方法提供有限的准确度。同样，由于过程所需的时间，CT扫描并不是实时进行的。另一已知方法是使用CT扫描器来执行旋转锥束扫描，并且从X-射线上的多个2D投影中计算出导管形状。该方法需要多个X-射线以及相应的放射剂量，并且也受到姿势之间的运动的问题的影响。
血管造影是用于观察和测量患者冠状系统的结构特性和功能特性的实时模态，以用于诊断和矫正过程。当前，为了执行3D血管造影，造影导管被放置在脉管中的感兴趣区域处，以第一角度获取X-射线图像，X-射线机器被重新放置至第二角度，以第二角度获取第二X-射线图像，并且从X-射线图像中重建3D图像。然而，该方法受到因呼吸和心跳导致的图像之间的运动的影响。此外，向患者和医务人员暴露多次X-射线，以增加放射剂量。
发明内容
本发明提供一种用于使用外科工具曲线与X-射线图像的配准来提供实时3D血管造影的方法、系统和程序产品。通过光学形状感测（OSS）来确定外科工具的形状，其中，具有多个或者连续的光学传感器或者感测的至少一个纵向的光纤包括具有被布置在工具中的散射源（诸如，布拉格光纤光栅或瑞利散射体）的光纤核心，其响应于纤维中的局部应变而使反射光的波长偏移。OSS被理解为包括用于形状感测或定位的光纤，例如，所述形状感测或定位通常包括，根据使用反向散射、光纤力感测、纤维位置传感器、布拉格光纤光栅或瑞利散射来对纤维中的一个或多个部分的变化的探测进行感测或定位。光学控制台询问传感器并且探测反射光。处理器从反射波长的偏移来计算沿传感器的长度的局部曲率，以确定工具的三维形状。获取工具所位于的区域的X-射线图像，并且将3D工具形状与2D分割图像进行配准。根据2D图像和3D形状进行3D绘制。
根据一个实施例，提供一种用于提供体腔的实时3D图像的方法。所述方法包括使用光学形状感测来确定所述体腔中的柔性外科工具的3D形状。获取所述体腔的X-射线图像，所述体腔和所述外科工具中的至少一个是不透射线的。将确定的3D外科工具形状与所述X-射线图像进行配准。
在一个实施例中，所述配准步骤包括：分割所述X-射线图像中的工具的2D图像，以及恢复所述工具的2D X-射线图像的姿态。可以使用任何适当的技术来执行所述分割，以提供对应所述工具的坐标对的集合。可以利用任何适当的方法（诸如，迭代闭点（ICP）、Rosenhahn方法等）来执行所述姿态恢复。
根据本发明的一个实施例，所述方法还可以包括：计算X-射线空间中的所述3D工具形状；以及将来自该X-射线图像的特征叠加至确定的3D形状上。之后，可以将具有叠加在其上的X-射线特征的所述3D工具形状显示在显示器上。
根据一个实施例，所述工具是造影导管，并且获取X-射线图像的所述步骤包括通过所述导管递送造影染料，以使得所述导管是不透射线的。
根据一个实施例，所述体腔是至少一个血管。被显示具有叠加在其上的X-射线特征的所述3D工具形状可以是血管造影。
根据一个实施例，重复获取X-射线图像的所述步骤，实时确定所述3D工具形状，以及实时显示具有叠加在其上的X-射线特征的所述3D工具形状。
根据一个实施例，提供一种用于提供体腔的实时3D图像的系统。所述系统与其附着的外科工具，在所述外科工具中形成具有形状感测传感器的至少一个光纤。还提供至少一个处理器。光学模块可操作地连接至所述至少一个处理器，并且包括光源。X-射线系统可操作地连接至所述至少一个传感器。至少一个存储器也可操作地连接至所述至少一个传感器。至少一个指令程序被编码在所述至少一个存储器上，所述至少一个指令程序通过所述至少一个处理器可执行以：使用在所述光学模块中的所述光源来询问所述形状传感器，以及使用光学形状感测来确定所述体腔中的柔性外科工具的3D形状；获取所述体腔的X-射线图像，所述体腔和所述外科工具中的至少一个是不透射线的；以及将确定的3D外科工具形状与所述X-射线图像进行配准。
根据一个实施例，以上描述的系统还包括显示器，并且所述至少一个指令程序还包括，被编码在所述至少一个存储器上以将所述3D工具形状显示在所述显示器上的程序指令。
根据一个实施例，用于配准确定的3D工具形状的所述程序指令包括被编码在所述至少一个存储器上以：分割所述X-射线图像中的所述工具的2D图像，以及恢复所述工具的所述2D X-射线图像的姿态的程序指令。
根据一个实施例，所述程序指令还包括被编码在所述至少一个存储器上以计算X-射线空间中的所述3D工具形状、以及将来自该X-射线图像的特征叠加至确定的3D形状上的程序指令。
在一个实施例中，所述工具是造影导管，在获取X-射线图像之前通过导管递送造影染料，以使得所述导管是不透射线的。
根据一个实施例，提供一种包括有形的计算机可读存储设备的计算机程序产品，所述有形的计算机可读存储设备具有在其上编码的指令程序，所述计算机程序产品包括：用于使用光学形状感测来确定所述体腔中的柔性外科工具的3D形状的程序指令；用于获取所述体腔的X-射线图像的程序指令，所述体腔和所述外科工具中的至少一个是不透射线的；以及用于将确定的3D外科工具形状与所述X-射线进行配准的程序指令。
根据一个实施例，用于配准所述确定的3D外科工具形状的所述程序指令包括：用于分割所述X-射线图像中的工具的2D图像的程序指令，以及用于恢复所述工具的2D X-射线图像的姿态的程序指令。
根据一个实施例，所述计算机程序产品还包括：被编码在所述有形的计算机可读存储设备上用于计算X-射线空间中的所述3D工具形状的程序指令，以及被编码在所述有形的计算机可读存储设备上用于将来自所述X-射线图像的特征叠加至确定的3D形状上的程序指令。
根据一个实施例，所述计算机程序产品还包括：被编码在所述有形的计算机可读存储设备上用于显示具有叠加在其上的X-射线特征的所述3D工具形状的程序指令。
根据一个实施例，重复用于获取X-射线图像的所述程序指令，并且该计算机程序产品还包括：被编码在所述有形的计算机可读存储设备上用于实时确定所述3D工具形状的程序指令，以及被编码在所述有形的计算机可读存储设备上用于实时显示具有叠加在其上的X-射线特征的所述3D工具形状的程序指令。
附图说明
通过以下对优选实施例的详细描述，当结合附图阅读时将更加清楚地理解本发明的特征和优点。在附图中包括以下各图：
图1是在本发明的实施例中使用的成像系统的等距视图；
图2是根据本发明的实施例被配置为使用外科工具的曲线与X-射线图像的配准来将光学形状感测用于提供实时3D血管造影的外科工具的侧视图；
图3是从线A-A获取的图2的外科工具的剖视图；
图4是根据本发明的实施例用于使用外科工具曲线与X-射线图像的配准来进行实时3D血管造影的系统的方框图；以及
图5是根据本发明的实施例用于使用外科工具曲线与X-射线图像的配准来进行实时3D血管造影的方法的方框图。
具体实施方式
本发明提供一种用于使用外科工具曲线与X-射线图像的配准来提供实时3D血管造影的方法、系统和程序产品。
图1示出了根据本发明的实施例用于使用外科工具曲线与X-射线图像的配准来提供实时3D血管造影的成像系统。所述成像系统包括被布置为获取工作台10上的患者的X-射线图像的X-射线机器300。处理系统100（诸如，通用计算机）被可操作地连接至X-射线机器，并且处理来自所述X-射线机器300的X-射线图像。可以在显示器140上呈现经处理的图像。
柔性外科工具220被配置为光学形状感测（OSS）。根据一个实施例，通过光学形状感测（OSS）来确定外科工具220的形状，如图2和图3中所示，在所述光学形状感测中，至少一个纵向光纤222配备包括光纤核心的多个光学传感器224，所述光纤核心具有被布置在所述工具中的散射源（诸如，布拉格光纤光栅或瑞利散射体），其响应于光栅中的局部应变而使反射光波长偏移。光学控制台210询问传感器224，并且探测反射光。
根据一个实施例，外科工具220是造影导管221。所述造影导管是符合血管形状的柔性中空管，并且通过它的中空开口将造影染料递送至感兴趣区域，从而使得能够在X-射线图像上看到感兴趣区域。造影导管可以用于使血管可视化，诸如，用于堵塞和动脉瘤的探测，并且通过造影染料随时间的运动和扩散来确定血流，以及观察其他结构特性和功能特性。
至少一个光纤222在纵向方向上被固定至导管221。可以通过胶粘、缝制或任意其他适当的附接技术来将（一个或多个）光纤附着在导管的外壁上。备选地，可以使用任意适当的技术来将（一个或多个）光纤固定在导管的内部或所述壁自身中。尽管可以使用一个光纤222，但也可以使用多个纤维，并且所述多个纤维可以处于均匀的径向间距，如图3中所示。
光学控制台210可以包括处理器211，其用于控制传感器224的询问，并且用于在对应传感器224的位置的时间间隔处从反射光的反射波长的偏移来计算3D空间中的每个传感器224处的局部曲率。所述处理器211也可从该局部曲率计算外科工具220的3D形状。备选地，通过处理系统100中的处理器110来执行所述询问控制和所述计算中的一个或多个。所述3D形状可以被存储作为3坐标（x，y，z）三元组的集合。
图4中示出了根据本发明的实施例用于使用外科工具曲线与X-射线图像的配准来提供实时3D血管造影的系统。所述系统包括处理器110、存储器120、显示器140、X-射线系统300以及光学形状感测系统200。
处理器110可操作地被连接至存储器120。根据一个实施例，其通过总线130被连接。处理器110可以是能够执行程序指令的任意设备，诸如，一个或多个微处理器。所述存储器可以是任意易失性或非易失性存储设备，诸如，可移除磁盘、硬盘驱动器、CD、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）等。此外，处理器110可以体现在通用计算机中。
显示器140也可操作地被连接至处理器110。所述显示器可以是适合用于呈现能够呈现医学图像的图形化用户界面（GUI）的任意监视器、屏幕等。
X-射线系统300可操作地被连接至处理器110。所述X-射线系统向处理器110提供X-射线成像数据，用于处理，以创建解剖特征的X-射线图像。之后，在显示器140上呈现所述X-射线图像。
存储器120具有在其上编码的程序指令122，所述程序指令112可以通过处理器110来执行，以处理来自X-射线系统300的X-射线图像。除了用于处理X-射线图像以呈现在显示器140上的程序指令122之外，也提供指令程序124，其执行2D X-射线图像与工具220形状的3D图像空间的配准。
配准指令程序124包括分割程序指令125，其可以通过处理器10来执行，以使用分割在2D X-射线图像内定位具有造影染料的血管或外科工具220。亦即，位置程序指令125在2D X-射线图像帧内定位血管或（符合血管的）工具220的位置。位置或分割程序指令125可以使用适合用于在X-射线图像内定位高对比度图像分割的中心的任意分割程序。这些分割程序是在本领域中众所周知的，并且在该申请中将不做进一步描述。位置程序指令125可以是配准程序124的一部分，或者可以是可以由所述配准程序124调用的单独程序或模块。
配准指令程序124还包括姿态恢复程序指令126，其可以由处理器110来执行，以恢复3D工具形状相对于X-射线源的姿态。所述姿态可以由矩阵来表示，以解析所述工具的六个自由度（3个平移：x、y和z方向中，以及三个旋转：关于x、y和z轴）。在已知该形状的3D形状和2D投影的情况下，能够使用任意的多个已知方法来计算姿态恢复矩阵，诸如，Rosenhahn方法、迭代闭点（ICP）方法或ICP方法与Procrustes方法的组合。
之后，配准指令程序124使用姿态恢复矩阵来计算X-射线空间中的3D曲线，以将3D形状与2D X-射线空间进行配准。换言之，能够使用姿态恢复矩阵将2D X-射线图像上的形状的每个体素转换成3坐标位置。
根据一个实施例，对应指令程序128也被编码在存储器120上。128由处理器110执行所述对应指令程序，以使用恢复矩阵将来自2D X-射线图像的特征叠加在工具/血管形状的3D表示上。所述对应程序可以被存储在与该配准程序相同的存储器上或被存储在不同的存储器上。同样，对应指令程序128可以是配准指令程序124的一部分。
对应指令程序128还包括由处理器110执行以在显示器140上显示具有叠加的特征的3D工具形状的指令。
图5是根据本发明的实施例用于使用外科工具曲线与X-射线图像的配准来进行实时3D血管造影的方法的方框图。尽管以下描述讨论了血管中的过程，但是应当理解，该发明并不限于该范例。而是可以在任意体腔中的过程期间实施本发明。此外，尽管以下描述论述了导管，但是应当理解，也可以使用其他外科工具，只要所述工具符合体腔的形状。
医师将具有在其上固定的光学形状感测传感器224的造影导管221推进至患者血管中的感兴趣区域。导管221符合血管的形状。OSS系统200确定导管221的形状，所述导管221的形状也是所述导管所位于的血管的形状（步骤510）。
医师通过导管221注射造影染料，以使得导管（或血管）是不透射线的，从而所述导管（或血管）在X-射线图像上将是可见的，并且获取示出导管221（或血管）的X-射线图像（步骤520）。在备选实施例中，所述导管或另一外科工具本身是不透射线的，并且不需要造影染料。
处理器110使用分割指令程序125来分割X-射线图像中的导管221（或血管）（步骤530），以在2D X-射线空间中定位血管，并且确定导管221的2D形状。亦即，导管在X-射线图像的平面上的2D投影。所述2D形状被存储作为对应包括2D X-射线空间中的形状的体素的多个（x，y）坐标对。应当注意，分割指令程序125也将确定和保存在临床上感兴趣的导管/血管的局部特性（例如，厚度、亮度等）。例如，厚度能够用作血管堵塞的度量。
姿态恢复指令程序126恢复导管/血管相对于X-射线源的姿态（步骤540）。亦即，所述姿态恢复指令程序126确定定义导管/血管在X-射线空间中的位置（位置和取向）的恢复矩阵（3个平移和3个旋转）。
之后，配准指令程序124使用所述姿态恢复矩阵来计算X-射线空间中的3D曲线，以将3D形状与2D X-射线空间进行配准（步骤550）。亦即，能够使用所述姿态恢复矩阵将2D X-射线图像上的工具形状的每个体素转换为3坐标位置（第三个坐标是与X-射线源的距离），以重建3D形状。
由处理器110执行对应指令程序128，以使用恢复矩阵将来自2D X-射线图像的特征叠加在工具/血管形状的3D表示上（步骤560）。例如，可以从X-射线图像的分割来计算工具/血管的厚度，并且将工具/血管的厚度叠加在工具/血管的3D表示上。对应程序可以被存储在与配准程序相同的存储器上或者被存储在不同的存储器上。同样，对应指令程序128可以是配准指令程序124的一部分。
由处理器110执行对应指令程序128，以将具有来自叠加其上的2D X-射线的特征的工具/血管的3D形状显示为3D血管造影（步骤570）。
根据本发明的实施例，以预定义的时间间隔来获取处于同一姿态的两个或更多的X-射线图像。将两个X-射线与其各自的3D工具/血管形状进行配准，由于患者心脏的跳动，所述两个X-射线是相对于彼此位移的。能够通过测量造影染料相对于3D工具/血管形状的运动来确定血流。
根据另一实施例，可以将多个3D血管造影拼接在一起，以创建更大的血管造影。
根据一个实施例，工具/血管的3D可视化可以用于介入过程的实时引导。
本发明能够采取被编码在有形介质上的程序指令的形式。由此，本发明能够是完全的硬件实施例或包含硬件和软件元素的实施例。在范例性实施例中，本发明体现在软件中，所述软件包括但不限于固件、常驻软件、微代码等。
此外，本发明可以采取可从计算机可使用介质或计算机可读介质访问的非易失性计算机程序产品的形式，所述计算机可使用介质或计算机可读介质提供用于由计算机或任意指令执行系统或设备使用或者与其结合使用的程序代码。为了达到本说明书的目的，计算机可使用介质或计算机可读介质可以是能够包含或存储用于由指令执行系统、仪器或设备使用或者与其结合使用的程序的任意仪器。
前述方法可通过包括机器可读介质的程序产品来实现，所述机器可读介质具有机器可执行指令程序，当由诸如计算机的机器执行时，所述机器可读介质执行所述方法的步骤。该程序产品可以被存储在任意的各种已知的机器可读介质中，包括但不限于光盘、软盘、USB存储设备等。
介质能是电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的或半导体系统（或器械或设备）。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除式计算机磁盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、刚性磁盘、光碟。光碟的当前例子包括光盘-只读存储器（CD-ROM）、光盘-读/写（CR-R/W）和DVD。
前述描述和附图旨在是说明性的而不是限制本发明。本发明的范围旨在涵盖对以下权利要求的全部范围的等价变型和配置。
Claims (15)
1.一种用于提供体腔的实时3D图像的方法，包括以下步骤：
使用光学形状感测来确定所述体腔中的柔性外科工具的3D形状；
获取所述体腔的X-射线图像，所述体腔和所述的外科工具中的至少一个是不透射线的；
分割所述X-射线图像中的所述工具的2D投影；以及
使用确定的3D形状和经分割的2D投影来计算姿态恢复矩阵，其中，所述姿态恢复矩阵用于将所述2D投影上的形状的每个体素转换成3D坐标位置。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
计算X-射线空间中的所述3D形状；以及
将来自所述X-射线图像的特征叠加至所述确定的3D形状上。
3.如权利要求2所述的方法，还包括：
显示具有叠加在其上的X-射线特征的所述3D形状。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述工具是造影导管，并且获取X-射线图像的所述步骤包括通过导管递送造影染料，以使得所述导管是不透射线的。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述体腔是至少一个血管。
6.如权利要求4所述的方法，其中，重复获取X-射线图像的所述步骤，实时确定所述3D形状，并且实时显示具有叠加其上的X-射线特征的所述3D形状。
7.一种用于提供体腔的实时3D图像的系统，包括：
外科工具，其具有与其附着的至少一个光纤，在所述至少一个光纤中形成形状感测传感器；
至少一个处理器；
光学模块，其能够操作地连接至所述至少一个处理器，并且包括光源；
X-射线系统，其能够操作地连接至所述至少一个处理器；以及
至少一个存储器，其能够操作地连接至所述至少一个处理器，
其中，所述至少一个处理器被配置为：
使用所述光学模块中的所述光源来询问所述形状传感器，并且使用光学形状感测来确定所述体腔中的柔性外科工具的3D形状；
获取所述体腔的X-射线图像，所述体腔和所述外科工具中的至少一个是不透射线的；以及
分割所述X-射线图像中的所述工具的2D投影；以及
使用确定的3D形状和经分割的2D投影来计算姿态恢复矩阵，其中，所述姿态恢复矩阵用于将所述2D投影上的形状的每个体素转换成3D坐标位置。
8.如权利要求7所述的系统，还包括显示器，其中，所述至少一个处理器还被配置为将所述3D形状显示在所述显示器上。
9.如权利要求7所述的系统，其中，所述至少一个处理器还被配置为计算X-射线空间中的所述3D形状以及将来自所述X-射线图像的特征叠加至确定的3D形状上。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述工具是造影导管，在获取X-射线图像之前通过所述导管递送造影染料，以使得所述导管是不透射线的。
11.一种用于提供体腔的实时3D图像的装置，包括：
用于使用光学形状感测来确定所述体腔中的柔性外科工具的3D形状的单元；
用于获取所述体腔的X-射线图像的单元，所述体腔和所述外科工具中的至少一个是不透射线的；
用于分割所述X-射线图像中的所述工具的2D投影的单元；以及
用于使用确定的3D形状和经分割的2D投影来计算姿态恢复矩阵的单元，其中，所述姿态恢复矩阵用于将所述2D投影上的形状的每个体素转换成3D坐标位置。
12.如权利要求11所述的装置，还包括：
用于计算X-射线空间中的3D形状的单元；以及
用于将来自所述X-射线图像的特征叠加至确定的3D形状上，并且将所述确定的3D形状配准到所述X-射线图像中的单元。
13.如权利要求12所述的装置，还包括：
用于显示具有叠加在其上的X-射线特征的所述3D形状的单元。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述工具是造影导管，并且在获取X-射线图像之前，通过所述导管递送造影染料，以使得所述导管是不透射线的。
15.如权利要求13所述的装置，其中，重复用于获取X-射线图像的单元，并且还包括：
用于实时确定所述3D形状的单元，以及
用于实时显示具有叠加在其上的X-射线特征的所述3D形状的单元。
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