CN113243929A - 可视化方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于建立患者的血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组的反向可视化的方法，具有以下步骤：提供血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组，其具有与造影剂填充的过程相对应的、在N个时间点的血管系统的单个图像的时间序列；确定由单个图像的每个像素或体素的团剂到达时间组成的数据组，其中团剂到达时间对应于首次出现由造影剂填充引起的预定对比度增强的时间序列的时间点；确定血管系统的每个像素或体素的、相对于造影剂填充在时间上倒置的第二团剂到达时间的数据组，由此确定相对于造影剂填充在时间上倒置的单个图像的序列；以相对于造影剂填充在时间上倒置的序列将(至少一部分)时间分辨的血管造影图像数据组可视化。

Description

可视化方法和设备
技术领域
本发明涉及一种根据本发明的用于建立血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组的反向可视化的方法，以及一种根据本发明的用于执行这种方法的设备。
背景技术
为了对临床状况进行诊断和治疗需要对器官中的血管系统进行特别良好且精确的描绘。特别是在诸如大脑的特别复杂的结构中，这是并且仍然是一个挑战。已知许多用于描绘器官内的血管系统的方法，例如借助CT血管造影、MR血管造影或数字减影血管造影。
在数字减影血管造影(DSA)的最简单的二维变型中，在引入造影剂之前或期间，借助X射线血管造影系统(例如借助C形臂系统)对患者的要检查的血管系统建立二维投影图像。这形成没有造影剂的投影图像，也被称为掩模图像，以及在血管系统中具有造影剂分布的另外的投影图像，即所谓的投影填充图像。从随后的投影填充图像中减去数字掩模图像。仅剩余彼此不同的部分，即通常准确的说是血管系统。
三维数字减影血管造影(3D DSA)允许高分辨率地将例如形成对比的血管系统描绘为3D体积。为此，通常在没有造影剂的情况下进行掩模运行，并且在有造影剂流的情况下进行一次或多次填充运行，并且在此分别产生一系列投影图像。在此，二维投影图像通常源自围绕患者旋转的C形臂X射线设备(例如锥形束CT)的记录协议。然后，要么首先减去系列，然后将其余系列重建为体积，要么首先将系列重建为体积，然后减去体积。
对于四维DSA，利用一系列二维投影图像将具有尽可能静态的造影剂填充的三维数据组处理为时间分辨的一系列三维DSA图像数据，所述一系列二维投影图像已经在造影剂的冲入阶段和/或冲出阶段期间被记录。在此，将标准化的二维投影图像与时间信息一起反投影到3D数据组的体积元中。由此形成具有关于血流的附加时间信息的血管系统的3D体积，因为通常以例如每秒30个图像来记录造影剂流。替换地，可以根据3D DSA生成4D DSA数据组，其中在造影剂的冲入阶段和冲出阶段期间记录一系列二维投影图像。首先，根据这些投影数据生成静态3D DSA。然后，针对每个投影执行3D体积与2D投影图像之间的补偿并调整3D体积的填充状态。在Davis等人于2013年在美国神经放射学杂志，第34卷，第10期发表的文章“4D Digital Subtraction Angiography:Implementation and Demonstration ofFeasibility(4D数字减影血管造影：可行性的实现和演示)”中描述了典型的4D DSA。
然后将四维DSA可视化为场景，在该场景中以正确的时间序列示出造影剂的流动。但是，在此血管重叠和缩短(Foreshortening)也可能导致仅能不充分地识别在时间上较晚被造影剂填充的血管。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种方法，该方法可以实现对血管系统的在时间上较晚被造影剂填充的血管的特别良好的识别性；此外，本发明要解决的技术问题是，提供一种适合于执行该方法的设备。
根据本发明，上述技术问题通过根据本发明的用于建立血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组的反向可视化的方法和根据本发明的设备来解决。本发明的有利的设计方案分别是本发明的内容。
根据本发明的用于建立患者的血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组的反向可视化的方法，所述时间分辨的血管造影图像数据组是在造影剂(和/或标记的血液成分)流过血管系统期间已经借助医学图像记录设备记录的，具有以下步骤：提供血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组，该图像数据组具有与造影剂填充的过程相对应的、在N个时间点(t(1)…t(N))的血管系统的单个图像的时间序列；确定由所记录的血管系统的单个图像的每个像素或体素的团剂到达时间tBAT组成的数据组，其中团剂到达时间对应于首次出现由造影剂填充引起的预定对比度增强的时间序列的时间点(t(i))；特别是通过使用公式
Figure BDA0002914042630000021
来确定所记录的血管系统的每个像素或体素的、相对于造影剂填充在时间上倒置的第二团剂到达时间
Figure BDA0002914042630000022
的数据组，并且由此确定相对于造影剂填充在时间上倒置的单个图像的序列；以相对于造影剂填充在时间上倒置的序列将血管系统的(至少一部分)时间分辨的血管造影图像数据组可视化。
通过根据本发明的方法确定血管系统内的造影剂填充过程的在时间上倒置的可视化，并且可以将其示出。这种可视化不是简单的倒退播放的填充，而是相应于假定的、在完全相反的造影剂流向的情况下的血管系统填充。由此，除了静脉血管之外，尤其还能够最佳地描绘在正确的流动方向的情况下被血管重叠和缩短所遮盖的血管。在描绘例如大脑中的血管系统时，通过根据本发明的方法可以明显改善对血管系统的畸形和需要治疗的病症的可识别性。由此可以实现主治医生的改善的诊断状况，并且由此又形成改善的治疗结果。
在这种情况下，不一定要将单个图像(帧)理解为完整的2D投影或3D体积图像，而是还可以选择性地将其理解为在DSA中常见的2D或3D“约束图像(constraining image)”，约束图像仅映射子区域，即例如没有周围组织的血管系统(即仅映射血管系统的像素或体素)。通常，每个单个图像(帧)与唯一的时间点相关联。在实践中，时间序列可以相应于连续编号(例如1，2…N)或实际的连续时间单位
Figure BDA0002914042630000031
在DSA中常见的图像频率(帧速率)例如可以是每秒多个或大量(例如30个)单个图像。
对于所描绘的血管系统的每个像素或体素，团剂到达时间相应于单个图像的时间序列中的时间点，在该时间点上首次出现由造影剂填充引起的预定对比度增强。在现有技术中对于团剂到达时间存在许多不同的定义和确定方法，然而，根据本发明的方法与相应的定义或确定方法无关。
根据本发明的设计方案，血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组由四维减影血管造影数据组形成，该四维减影血管造影数据组具有与造影剂填充的过程相对应的、血管系统的单个体积图像(例如约束体积)的时间序列。为了记录这种时间分辨的三维减影血管造影数据组，存在大量不同的记录协议和/或注射协议以及大量的重建算法及重建可能性。根据本发明的方法与用于建立四维减影血管造影数据组的方法无关。
例如，可以如引言中所描述的建立4D DSA。利用一系列二维投影图像将具有尽可能静态的造影剂填充的三维数据组处理为时间分辨的一系列三维DSA图像数据，所述一系列二维投影图像已经在造影剂的冲入阶段和/或冲出阶段期间被记录，其中将2D投影图像与时间信息一起反投影到3D数据组的体积元中。由此形成具有关于血流的附加时间信息的一系列血管系统的3D体积。
根据本发明的另外的设计方案，血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组由一系列二维减影血管造影图像形成。在此，通常使用投影图像，这些投影图像已经借助X射线设备、例如C形臂X射线设备以时间分辨的方式被记录。
根据本发明的另外的设计方案，血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组由四维计算机断层成像数据组或四维磁共振数据组形成。无论是在计算机断层成像还是磁共振断层成像中，用于记录血管造影数据组的方法都是已知的并且可以用于本方法。
根据本发明的另外的设计方案，由造影剂填充引起的预定对比度增强最小为最大对比度的10％。因此，这意味着，对于每个像素或体素，由造影剂填充引起的对比度增强首次为10％或更高的那个时间点相应于团剂到达时间。这对应于通常且在技术上合理的团剂到达时间的定义。替换地，也可以使用例如20％或25％。
根据本发明的另外的设计方案，血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组以相对于造影剂填充在时间上倒置的序列在显示单元上作为场景来显示或播放。医生可以根据这种一次或连续重复的场景识别出在正常的填充方向的情况下对于医生保持隐藏的血管走向并且由此提供更好的诊断。
对于血管走向的可全面识别且可诊断的图像特别有利的是，血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组交替地以相对于造影剂填充与过程相应的时间序列和在时间上倒置的序列在显示单元上作为场景来显示或播放。
根据本发明的另外的设计方案，可视化具有色彩梯度。因此，例如可以以相同的颜色描绘具有相同时间次序的像素或体素。
根据本发明的另外的设计方案，使用至少一种预训练的机器学习算法来执行该方法。该预训练的机器学习算法例如可以将血管分划分动脉结构和静脉结构，以便由此使观察者能够进行更深层次的分析。该算法根据启发式信息、例如血管树中的血管位置(与导管的距离)；先前的血管分支；造影剂脉动强度等进行预训练。
此外，本发明还包括用于执行根据本发明的方法的设备，其具有用于处理图像数据组的图像处理单元；用于执行计算操作、即确定团剂到达时间和倒置的团剂到达时间的计算单元；用于存储数据组、即例如血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组的存储单元；用于控制该设备的系统控制器；和用于显示图像数据的显示单元。有利地，该设备还具有用于记录图像数据组的医学图像记录设备。在此，该医学图像记录设备例如可以是被设计用于旋转血管造影的C形臂X射线设备。
附图说明
下面参照附图中示意性示出的实施例对本发明以及根据本发明的特征的其他有利的设计方案进行更详细地解释，而本发明并限于这些实施例。附图中：
图1示出了根据现有技术的、由造影剂流过的血管系统的四个时间分辨的单个图像组成的系列；
图2示出了根据本发明的方法的步骤的流程；和
图3示出了用于执行根据本发明的方法的设备。
具体实施方式
图1示出了来自根据现有技术的四维减影血管造影数据组的片段，其具有与造影剂填充的过程相对应的血管系统的单个体积图像(例如约束体积)的时间序列。在此示例性地示出了沿着时间轴t的四个单个体积图像，其中第一单个体积图像P1、完全填充时的(最后的)第N个单个体积图像PN以及在时间上位于它们中间的两个单个体积图像：第j个单个体积图像Pj和第k个单个体积图像Pk。还可以有大量的单个体积图像分别位于所示的单个体积图像之间，但在此并未示出。单个体积图像的整体形成时间分辨的系列。可以如之前所述的方式或以另外的已知方式来记录和确定四维减影血管造影数据组。因此，通常可以在没有造影剂的情况下执行掩模运行，并且在有造影剂流的情况下执行一次或多次填充运行，并且在此分别建立一系列投影图像。在此，二维投影图像通常源自围绕患者旋转的C形臂X射线设备(例如锥形束CT)的记录协议。然后，要么首先减去系列，然后将其余系列重建为体积，要么首先将系列重建为体积，然后减去体积。血管系统例如可以是(例如患有脑动静脉畸形的)大脑、心脏或其他器官中的血管树。
在现有技术中，这种四维减影血管造影数据组以相应于造影剂填充与过程对应的时间序列作为场景来显示或播放。以这种方式使得血管可见，否则不能识别到该血管。然而，由于血管重叠和缩短还存在以下问题：仅能不充分地识别在时间上较晚被造影剂填充的血管(例如静脉血管)。为了进一步改善可识别性，使用下面描述的根据本发明的方法，在该方法中，根据已知的时间分辨的血管造影图像数据组、例如四维减影血管造影数据组在算法上计算出血管的反向填充的可视化。
图2中示出了根据本发明的方法的流程。在第一步骤1中，提供血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组。该数据组映射了对应于实际的造影剂填充过程的、在N个时间点(t(1)，...，t(N))处的血管系统的单个图像的时间序列。时间分辨的血管造影图像数据组例如可以是四维减影血管造影数据组(时间分辨的体积数据组)或者是时间分辨的二维减影血管造影数据组。还可以使用四维计算机断层成像数据组或磁共振数据组。在造影剂流过血管系统期间已经记录了这些数据组。在这种情况下，不一定要将单个图像(帧)理解为完整的2D投影或3D体积图像，而是还可以选择性地将其理解为在DSA中常见的2D或3D“约束图像(constraining image)”，约束图像仅映射子区域，即例如没有周围组织的血管系统(即仅映射血管系统的像素或体素)。通常，将每个单个图像(帧)与唯一的时间点相关联。在实践中，时间序列可以相应于连续编号(例如1，2…N)或实际的连续时间单位
Figure BDA0002914042630000061
在DSA中常见的图像频率(帧速率)例如可以是每秒30(25，35…)个单个图像。提供例如可以以如下方式执行，即从存储单元提供数据组或从外部数据库传输数据组。在预备步骤中，还可以借助医学图像记录设备记录并预处理(例如重建)相应的数据组。
在第二步骤2中，确定由所记录的血管系统的单个图像的每个像素或体素团的剂到达时间tBAT组成的数据组。在此，团剂到达时间相应于时间序列的时间点(t(i))(其中i＝1…N)，在该时间点首次出现由造影剂填充引起的预定对比度增强。对于团剂到达时间的定义和确定存在不同的可能性。例如，由造影剂填充引起的预定对比度增强最小为最大对比度的10％，以适用于团剂到达时间。因此，这意味着，对于每个像素或体素，由造影剂填充引起的对比度增强首次为10％或更高的那个时间点相应于团剂到达时间。这对应于通常且在技术上合理的团剂到达时间的定义。替换地，也可以使用例如20％或25％。例如，借助图像处理单元和/或计算单元来确定或计算团剂到达时间。
在第三步骤3中，然后确定所记录的血管系统的每个像素或体素的、相对于造影剂填充在时间上倒置的第二团剂到达时间
Figure BDA0002914042630000071
的数据组。为此使用公式
Figure BDA0002914042630000072
例如，当N＝304(即最后的时间点t(304)＝304)并且首先在时间点tBAT(72)＝t(72)＝72已经填充了特定的体素时，得出：
Figure BDA0002914042630000073
然后，根据针对每个像素或体素的、相对于造影剂填充在时间上倒置的第二团剂到达时间
Figure BDA0002914042630000074
的数据组确定相对于造影剂填充在时间上倒置的单个图像的序列。在此，例如还可以使用计算单元来计算倒置的团剂到达时间。
在第四步骤4中，血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组以相对于造影剂填充在时间上倒置的序列被可视化，即例如作为倒置的场景显示在显示单元上。这种可视化不是简单的倒退播放的填充，而是相应于假定的、在完全相反的造影剂流向的情况下的血管系统填充。由此，除了静脉血管之外，尤其还能够最佳地描绘在正确的流动方向的情况下被血管重叠和缩短所遮盖的血管。
例如，为了血管系统的特别好的可识别性，血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组交替地以相对于造影剂填充与过程对应的时间序列和在时间上倒置的序列在显示单元上作为场景来显示或播放。
此外，在根据本发明的方法的框架内还可能使用用于机器学习的算法，例如以便确定诸如团剂到达时间或倒置的团剂到达时间的数据。
图3中示出了用于执行根据本发明的方法的设备。该设备具有用于记录图像数据组的医学图像记录设备5、用于处理图像数据组的图像处理单元6、用于执行计算操作的计算单元7、用于存储数据组的存储单元8、用于控制整个设备的系统控制器9和用于显示图像数据的显示单元10。医学图像记录设备5例如可以由设计用于旋转血管造影的C形臂X射线设备形成。
本发明可以以如下方式进行简要地总结：为了改进例如被遮盖的血管走向的可视化，执行用于建立患者的血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组的反向可视化的方法，所述时间分辨的血管造影图像数据组是在造影剂(和/或标记的血液成分)流过血管系统期间已经借助医学图像记录设备记录的，该方法具有以下步骤：提供血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组，该图像数据组具有与造影剂填充的过程相对应的、在N个时间点(t(1)，…，t(N))的血管系统的单个图像的时间序列；确定由所记录的血管系统的单个图像的每个像素或体素的团剂到达时间tBAT组成的数据组，其中团剂到达时间对应于首次出现由造影剂填充引起的预定对比度增强的时间序列的时间点(t(i))；特别是通过使用公式
Figure BDA0002914042630000081
来确定所记录的血管系统的每个像素或体素的、相对于造影剂填充在时间上倒置的第二团剂到达时间
Figure BDA0002914042630000082
的数据组，并且由此确定相对于造影剂填充在时间上倒置的单个图像的序列；以相对于造影剂填充在时间上倒置的序列将血管系统的(至少一部分)时间分辨的血管造影图像数据组可视化。

Claims (13)

1.一种用于建立患者的血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组的反向可视化的方法，所述时间分辨的血管造影图像数据组是在造影剂(和/或标记的血液成分)流过血管系统期间已经借助医学图像记录设备记录的，所述方法具有以下步骤：
-提供血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组，所述时间分辨的血管造影图像数据组具有与造影剂填充的过程相对应的、在N个时间点(t(1)，…，t(N))的血管系统的单个图像的时间序列，
-确定由所记录的血管系统的单个图像的每个像素或体素的团剂到达时间tBAT组成的数据组，其中团剂到达时间对应于时间序列的时间点(t(i))，在所述时间点首次出现由造影剂填充引起的预定对比度增强，
-特别是通过使用公式
Figure FDA0002914042620000011
来确定所记录的血管系统的每个像素或体素的、相对于造影剂填充在时间上倒置的第二团剂到达时间
Figure FDA0002914042620000012
的数据组，并且由此确定相对于造影剂填充在时间上倒置的单个图像的序列，
-以相对于造影剂填充在时间上倒置的序列将血管系统的(至少一部分)时间分辨的血管造影图像数据组可视化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，由造影剂填充引起的预定对比度增强最小为最大对比度的10％。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组由四维减影血管造影数据组形成，所述四维减影血管造影数据组具有与造影剂填充的过程相对应的、血管系统的单个体积图像的时间序列。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组由一系列二维减影血管造影图像形成。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组由四维计算机断层成像数据组或磁共振数据组形成。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组以相对于造影剂填充在时间上倒置的序列在显示单元上作为场景来显示/播放。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述血管系统的时间分辨的血管造影图像数据组交替地以相对于造影剂填充与过程对应的时间序列和在时间上倒置的序列在显示单元上作为场景来显示/播放。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，可视化具有色彩梯度。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用至少一种预训练的机器学习算法来执行所述方法。
10.一种用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的设备，其具有用于处理图像数据组的图像处理单元(6)、用于执行计算操作的计算单元(7)、用于存储数据组的存储单元(8)、用于控制所述设备的系统控制器(9)和用于显示图像数据的显示单元(10)。
11.根据权利要求10所述的设备，其具有用于记录图像数据组的医学图像记录设备。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述医学图像记录设备由设计用于旋转血管造影的C形臂X射线设备形成。
13.一种计算机程序产品，其包括程序并且能够直接加载到可编程的计算单元(7)的存储设备(8)中，并且具有程序装置，以便当在所述计算单元(7)中时执行所述程序时，执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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