CN105520716A - 荧光镜图像的实时模拟 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及荧光镜图像的实时模拟。本发明公开了一种方法，包括将荧光镜成像系统的第一坐标系和磁性位置跟踪系统的第二坐标系对准。使用磁性位置跟踪系统计算患者的器官的三维(3D)标测图。使用对准的第一坐标系和第二坐标系计算在第二坐标系中荧光镜成像系统的视场(FOV)。基于3D标测图和所计算的FOV，创建模拟通过荧光镜成像系统将生成的荧光镜图像的二维(2D)图像，并且显示模拟荧光镜图像的2D图像。

Description

荧光镜图像的实时模拟
技术领域
本发明一般涉及医学成像，并且特别是涉及用于在医学规程期间实时模拟荧光镜图像的方法和系统。
背景技术
实时(RT)成像，诸如荧光镜图像，常常用于微创医学规程中，有时结合各种三维(3D)成像模式。若干技术处理RT图像与患者器官的3D模型和3D标测图的对准。例如，美国专利申请公布2010/0022874，其公开内容以引用方式并入本文，描述了包括存储器、定位器、处理器和显示器的图像引导的导航系统。存储器存储多个CT图像和软件程序。定位器能够给外科手术区域指示方向，并且定位器指示的方向被定义为第一方向。处理器电连接到存储器和定位器。通过处理器执行软件程序，从多个CT图像中获得对应于第一方向的至少一个对应图像。至少一个对应图像包括至少一个模拟荧光镜图像。显示器能够示出至少一个对应图像。
美国专利8,515,527，其公开内容以引用方式并入本文，描述了用于将心脏解剖区域和跟踪系统的3D模型与干涉荧光镜系统的投影图像对准的方法和装置。
美国专利7,327,872，其公开内容以引用方式并入本文，描述了用于将3D模型与解剖区域的投影图像对准的方法和系统。在患者解剖区域处采用导管的第一模式的第一图像采集系统被配置成使用荧光镜透视检查来产生解剖区域的第一图像，所述第一图像包括一组荧光镜透视检查投影图像。第二不同模式的第二图像采集系统被配置成生成解剖区域的3D模型。解剖参考系统为第一图像采集系统和第二图像采集系统所共用。处理电路被配置成处理可执行指令，所述可执行指令用于响应于共用参考系统和与所述第一图像采集系统以及所述第二图像采集系统两者中的导管相关联的可识别参数，将3D模型与荧光镜图像对准。
发明内容
本文所述的本发明的实施例提供了包括以下的方法：将荧光镜成像系统的第一坐标系和磁性位置跟踪系统的第二坐标系对准。使用磁性位置跟踪系统计算患者的器官的三维(3D)标测图。使用对准的第一坐标系和第二坐标系计算在第二坐标系中荧光镜成像系统的视场(FOV)。基于3D标测图和所计算的FOV，创建模拟通过荧光镜成像系统将生成的荧光镜图像的二维(2D)图像，并且显示模拟荧光镜图像的2D图像。
在一些实施例中，该方法包括创建2D图像而无需通过荧光镜成像系统施加辐射。在其它实施例中，该方法包括在不同的显示窗口中显示2D图像和3D标测图。在其它实施例中，该方法包括在用于显示3D标测图的显示窗口的子窗口中显示2D图像。
在一个实施例中，该方法包括辨别在3D标测图中器官的解剖特征结构，并且基于所计算的FOV在2D图像中模拟解剖特征结构的投影。在另一个实施例中，该方法包括辨别在3D标测图中的医疗探头，并且在2D图像中显示医疗探头。在一个实施例中，计算3D标测图包括将使用除了磁性位置跟踪之外的成像模式采集的一个或多个对象导入到3D标测图中。
根据本发明的实施例，本文另外提供了包括存储器和处理器的系统。存储器被配置成存储患者的器官的三维(3D)标测图，所述三维(3D)标测图是通过磁性位置跟踪系统产生的。处理器被配置成将荧光镜成像系统的第一坐标系和磁性位置跟踪系统的第二坐标系对准、使用磁性位置跟踪系统计算3D标测图、使用对准的第一坐标系和第二坐标系计算在第二坐标系中荧光镜成像系统的视场(FOV)、基于3D标测图和所计算的FOV创建模拟通过荧光镜成像系统将生成的荧光镜图像的二维(2D)图像，以及显示模拟荧光镜图像的2D图像。
从以下结合附图的本发明实施例的详细说明，将更全面地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1是根据本发明的实施例的荧光镜成像系统和磁性位置跟踪系统的示意性图解；以及
图2是根据本发明的实施例示意性地示出用于创建模拟二维(2D)荧光镜图像的方法的流程图。
具体实施方式
综述
微创医学规程常常使用成像能力，诸如磁性位置跟踪标测图。例如，Biosense-Webster有限公司(加利福尼亚州钻石吧)提供了CARTOTM系统，其用于使用磁场位置跟踪使在患者心脏中的导管可视化。在一些情况下，存在对与磁性位置跟踪标测图平行的相同位置的实时(RT)荧光镜图像的需要。然而，荧光镜成像使患者和医务人员暴露于X射线辐射的潜在危险性剂量。在实践中，荧光镜系统的视场(FOV)常常是狭窄的，并且当试图将荧光镜系统定位以将患者体内的期望位置成像时，有相当一部分X射线辐射被施加。
本文所述的本发明的实施例提供用于共同操作荧光镜系统和磁性位置跟踪系统的改善的方法和系统。在一些实施例中，磁性位置跟踪系统的处理器将荧光镜系统的坐标系和磁性位置跟踪系统的坐标系对准，并且计算在磁性位置跟踪系统的坐标系中荧光镜系统的FOV。使用该信息，如果荧光镜成像系统在该点处被激活，那么处理器创建模拟将生成的荧光镜图像的二维(2D)图像。
2D图像基于磁性位置跟踪系统的所计算的3D标测图，并且完全不起源于荧光镜成像系统。在本专利申请的上下文中并在权利要求书中，术语“3D标测图”是指使用磁性位置跟踪系统和可能地导入的分段对象获得的3D模型，所述分段对象来自附加的成像模式，诸如计算机化断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)或任何其它合适的成像技术。此类模型可包括各种对象，诸如成像器官的形成轮廓和解剖特征结构、在器官中或器官周围的医疗探头或器械，和/或任何其它合适的对象。3D模型的任何此类对象可以用于产生2D图像和/或可出现在2D图像中。
即使2D图像不通过荧光镜成像系统产生，2D图像在视觉上与荧光镜图像类似，并且如果它是活性的，那么涵盖将通过荧光镜成像系统观察的相同的FOV。因此，医师可以具有显得像荧光镜成像但不涉及照射患者的实时显示。
本发明所公开的技术可协助医师将荧光镜系统FOV定位在目标位置中，而无需使患者和医务人员暴露于X射线辐射，并且以高速和高准确度将荧光镜系统FOV准确定位在目标上。荧光镜系统通常仅在其FOV正确定位后激活。
系统说明
图1是根据本发明的实施例在微创心脏规程期间的荧光镜成像系统22和磁性位置跟踪系统20的示意性图解。荧光镜成像系统22经由接口56连接至磁性位置跟踪系统20。系统20包括控制台26和导管24，导管24具有如图1的插件32中所示的远侧端部34。
心脏病专家42(或任何其它用户)引导在患者心脏28中的导管24，直到远侧端部34到达在该器官中的期望位置，并且然后心脏病专家42使用远侧端部34执行医学规程。在其它实施例中，本发明所公开的技术可以与在任何其它器官中执行的规程一起使用，并且代替心脏病专家42，任何合适的用户(诸如相关的医师或被授权的技术人员)可以操作系统。
该位置跟踪的方法是在例如由BiosenseWebster有限公司(加利福尼亚州钻石吧)生产的CARTOTM系统中实现的，并且详细地描述于美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089、PCT专利公布WO96/05768，以及美国专利申请公布2002/0065455A1、2003/0120150A1和2004/0068178A1中，这些专利的公开内容全文以引用方式并入本文。
控制台26包括处理器58、驱动电路60，和到系统22的接口56、输入设备46和显示器40。驱动电路60驱动布置在患者30躯干下方的已知位置处的磁场发生器36。在需要荧光镜图像的情况下，心脏病专家42使用输入设备46和在显示器40上的合适的图形用户界面(GUI)以请求在患者心28中的荧光镜图像。
在一些实施例中，显示器40包括两个窗口，如图1的插件37中所示。3DCARTO标测图38窗口显示在远侧端部34的位置处的器官的3D磁性位置跟踪标测图。模拟2D荧光镜图像39窗口显示在系统22的位置处的模拟的2D荧光镜图像。
在一个实施例中，模拟的2D荧光镜图像是基于3D磁性位置跟踪标测图而不是基于系统22的参数创建的，如本文下面详细所述。
在图1的示例中呈现导管24。然而，一旦对准系统20和系统22，导管的存在就不是强制的。对准可以例如使用特殊的对准夹具来执行，并且可以在导管插入到患者体内之前或之后完成。在一个实施例中，如果导管定位在覆盖的框架区域内，那么其出现在标测图38和图像39中。
在另一个实施例中，心脏病专家42可决定从图像39中排除导管24或任何其它对象，因为图像39是模拟图像。此类决定也可以通过系统自动取得。换句话讲，处理器58可过滤在模拟2D图像中显示的对象。可以示出或隐藏的对象可包括例如附接件、标测图、导管和/或导入的分段图像等等。
图1中所示的系统20的构造是纯粹为了概念清楚而选择的示例构造。在另选的实施例中，任何其它合适的构造可以用于实现系统。系统20的某些元件可以使用硬件诸如使用一个或多个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)或其它设备类型来实现。除此之外或另选地，系统20的某些元件可以使用软件或使用硬件元件和软件元件的组合来实现。
处理器58通常包括通用计算机，该通用计算机以软件编程以执行本文描述的功能。软件可以电子形式经网络下载到计算机，例如，另选地或除此之外，或者软件可以被提供和/或存储在非临时性有形介质上，诸如磁性存储器、光学存储器或电子存储器。
模拟2D荧光镜图像的创建
在图1中呈现的示例中，系统20的处理器58在显示器40上显示包括远侧端部34的患者心脏28的3D标测图，从而心脏病专家42知道相对于在心脏28中相关区域的远侧端部34的精确位置。在微创医学规程期间，心脏病专家42可需要在邻近远侧端部34的位置处的荧光镜图像。本文所述的实施例当采集3D荧光镜图像时满足对X射线照射最小化的需要。
按照惯例，在需要荧光镜图像的情况下，心脏病专家42通过定位系统22限定期望区域以指出期望位置，并且然后激活系统22以照射X射线以便定位荧光镜系统从而将心脏28的期望区域成像。通常，系统22的视场(FOV)常常是狭窄的，并且实际上不可覆盖心脏28的期望区域。在此类情况下，心脏病专家42必须重新定位系统22并重新照射X射线以到达期望位置。该处理使患者和医务人员暴露于过量的X射线辐射。
在一些实施例中，呈现的技术在显示器40上示出两个图像(通常但不一定在两个窗口中)：3DCARTO标测图38，示出在心脏28内的远侧端部34的3D位置跟踪标测图，以及在系统22的位置处的图像39。
在典型的流程中，系统20的处理器58基于系统22和系统20的坐标系的对准，计算通过在磁性位置跟踪系统20的坐标系中的荧光镜成像系统22将要照射的FOV。随后，处理器58使用在磁性位置跟踪系统20的坐标系中的系统22的所计算的FOV和3D标测图38以创建模拟2D图像(在图1中示为图像39)，而无需通过系统22照射X射线。
如图1中所展示，荧光镜成像系统22定位在相对于磁性位置跟踪系统20的坐标系的一些任意角处。然而，模拟2D图像39被显示为好像取自荧光镜成像系统22的位置或任何其它所选择的角度，不管系统22的当前位置如何，即使它是从位置跟踪系统20的3D标测图计算出的。
在一个实施例中，心脏病专家42可以与在常规规程期间执行的方式相同的方式相对于患者30移动系统22，但无需照射患者30。随着系统22移动，处理器58连续地显示实时反映系统22的正在改变的FOV的模拟2D图像。
在一些实施例中，处理器使用心脏的解剖特征结构以创建模拟2D荧光镜图像，所述心脏的解剖特征结构显示为在磁性位置跟踪系统的3D标测图中的元件。例如，在心房和心室之间的接合部的3D标测图可以用于创建图像39。
需注意，创建图像39无需使用来自系统22的辐射，并且图像39基于标测图38。因此，在系统22的FOV超出系统20的3D标测图38的情况下，图像39将不示出其当前位置的模拟图像，因为其不具有通过标测图38提供以创建所需的模拟图像的属性。
在一个实施例中，心脏病专家42使用模拟2D荧光镜图像和3D位置跟踪标测图以将系统22定位在期望位置处，并且然后通过系统22施加X射线并且采集真实的荧光镜图像。
通常，标测图38包括所考虑的器官的解剖特征结构，并且任选地包括在标测图38的FOV中的附加的元件诸如导管。在心脏成像中，此类对象可包括例如心腔、瓣膜、动脉和其它对象。在一些实施例中，处理器58标识在标测图38中的此类解剖特征结构(例如组织类型、解剖标志)，并且计算当从系统20的FOV观察时所述解剖特征结构将如何出现在2D中，以创建来自标测图38的图像39。
图像39模拟自标测图38，然而，图像39通常在视觉上与真实的荧光镜图像类似(例如，相同的灰度、相同的分辨率、相同的外观和感觉)，即使它并没有起源于也不基于来自系统22的成像属性。在一些实施例中，图像39可具有在基于辐射的荧光镜图像上的增强，诸如较高的分辨率、彩色显示和附加的模拟增强。
在图1的示例中，3D标测图和2D图像在独立显示窗口中显示。在另选的实施例中，模拟2D图像显示为“画中画”，即在用于显示3D标测图的窗口的子窗口中显示。在一个实施例中，响应于医师挤压磁性位置跟踪系统的踏板或其它输入设备刷新2D图像。此类踏板具有与常常用于采集荧光镜图像的踏板类似的外观和感觉，但在本示例中是系统20而不是系统22的部件。
图2是根据本发明的实施例示意性地示出用于创建模拟二维(2D)荧光镜图像39的方法的流程图。该方法在坐标采集步骤100开始，其中处理器58采集系统22和系统20的坐标系。在坐标系对准步骤102，处理器58对准系统22和系统20的坐标系，以便匹配在两个系统处患者30体内的相关器官的位置。
在位置跟踪展示步骤104，处理器58在显示器40上显示患者30的给定器官的3D位置跟踪标测图38。在一个实施例中，器官是心脏28，但在其它实施例中可以是患者30的任何相关器官。在FOV计算步骤106，处理器58使用系统22和系统20的坐标系的对准以计算系统22在磁性位置跟踪系统20的坐标系中的FOV。在一些实施例中，系统22的位置是通过附接到系统22的辐射头的位置传感器测量的。在另选的实施例中，与系统22通信的TCP/IP可以用于提取几何信息和检测器设置。此类另选的实施例允许使用正确的放大(“缩放”)，这当使用传感器时可以不适用。
在模拟步骤108，处理器58使用在磁性位置跟踪系统20的坐标系中的荧光镜成像系统22的计算出的FOV和3DCARTO标测图38，以创建模拟2D荧光镜图像(在图1中的图像39)，而无需通过系统22照射X射线并且无需使用系统22的任何辐射参数。
在2D显示步骤110，处理器58在显示器40上显示图像39。
在一些实施例中，在接近如图1的插件37中所示的标测图38的窗口中显示图像39。在其它实施例中，并排或以任何其它合适的方式在标测图38的相同窗口处显示图像39。在决定步骤112，心脏病专家42相对于标测图38检查图像39并且决定系统22是否定位在期望位置处以采集真实的荧光镜图像。在图像采集步骤116，如果心脏病专家42决定系统22定位在期望位置处，那么他/她使用输入设备46和在显示器40上的GUI以命令系统22(经由处理器58和接口56)采集荧光镜图像。在其它实施例中，心脏病专家可依靠模拟图像从而避免辐射，或可使用旧的荧光镜图像作为参考并将模拟图像用于跟踪导管。
需注意，在步骤116之前的所有方法步骤通常在荧光镜系统22不发射X射线辐射时执行。
在重新定位步骤114，如果心脏病专家42决定系统22没有定位在期望位置处，那么心脏病专家相对于患者重新定位荧光镜系统。
这时候，在各种实施例中，该方法可以环回到处理的各种先前阶段。在一个实施例中，在使用与系统22通信的TCP/IP跟踪系统22的情况下，在系统22的辐射头的运动期间可以显示模拟图像。
在其它实施例中，根据相对于患者30和磁性位置跟踪系统20的系统22的对准误差来源的性质，流程可环回到位置跟踪展示步骤104或坐标采集步骤100。
虽然本文所述实施例主要涉及使用荧光镜透视检查和磁性位置跟踪的心脏成像，但在另选的实施例中，本发明所公开的技术可以与其它成像技术(诸如磁共振成像(MRI))一起使用，并且应用在其它人类器官上。
因此应当理解，上述实施例均以举例的方式引用，并且本发明不受上文具体示出和描述的内容限制。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合与子组合，以及本领域技术人员在阅读上述说明时会想到且未在现有技术中公开的其变型和修改。以引用方式并入本专利申请的文献将视为本专利申请的整体部分，不同的是如果在这些并入的文献中定义的任何术语与在本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突，则应只考虑本说明书中的定义。

Claims (14)

1.一种方法，包括：
将荧光镜成像系统的第一坐标系和磁性位置跟踪系统的第二坐标系对准；
使用所述磁性位置跟踪系统计算患者的器官的三维(3D)标测图；
使用所述对准的第一坐标系和第二坐标系，计算在所述第二坐标系中所述荧光镜成像系统的视场(FOV)；
基于所述3D标测图和所计算的FOV创建模拟通过所述荧光镜成像系统将生成的荧光镜图像的二维(2D)图像；以及
显示模拟所述荧光镜图像的所述2D图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中执行创建所述2D图像无需通过所述荧光镜成像系统施加辐射。
3.根据权利要求1所述的方法，其中显示所述2D图像包括在不同的显示窗口中显示所述2D图像和所述3D标测图。
4.根据权利要求1所述的方法，其中显示所述2D图像包括在用于显示所述3D标测图的显示窗口的子窗口中显示所述2D图像。
5.根据权利要求1所述的方法，其中创建所述2D图像包括辨别在所述3D标测图中所述器官的解剖特征结构，并且基于所计算的FOV在所述2D图像中模拟所述解剖特征结构的投影。
6.根据权利要求1所述的方法，其中创建所述2D图像包括辨别在所述3D标测图中的医疗探头，并且在所述2D图像中显示所述医疗探头。
7.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述3D标测图包括将使用除了磁性位置跟踪之外的成像模式采集的一个或多个对象导入到所述3D标测图中。
8.一种系统，包括：
存储器，所述存储器被配置成存储患者的器官的三维(3D)标测图，所述三维(3D)标测图是通过磁性位置跟踪系统产生的；以及
处理器，所述处理器被配置成将荧光镜成像系统的第一坐标系和所述磁性位置跟踪系统的第二坐标系对准、使用所述磁性位置跟踪系统计算所述3D标测图、使用所述对准的第一坐标系和第二坐标系计算在所述第二坐标系中所述荧光镜成像系统的视场(FOV)、基于所述3D标测图和所计算的FOV创建模拟通过所述荧光镜成像系统将生成的荧光镜图像的二维(2D)图像、以及显示模拟所述荧光镜图像的所述2D图像。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被配置成创建所述2D图像而无需通过所述荧光镜成像系统施加辐射。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被配置成在不同的显示窗口中显示所述2D图像和所述3D标测图。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被配置成在用于显示所述3D标测图的显示窗口的子窗口中显示所述2D图像。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被配置成通过辨别在所述3D标测图中的所述器官的解剖特征结构，并且基于所计算的FOV在所述2D图像中模拟所述解剖特征结构的荧光镜投影来创建所述2D图像。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被配置成辨别在所述3D标测图中的医疗探头，并且在所述2D图像中显示所述医疗探头。
14.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被配置成将使用除了磁性位置跟踪之外的成像模式采集的一个或多个对象导入到所述3D标测图中。
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