CN1864635A - 相对于3d图像数据组记录2d投影图像的方法和装置 - Google Patents

相对于3d图像数据组记录2d投影图像的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于相对于对象的3D图像数据组记录该对象的2D投影图像的方法和装置，其中从少量2D投影图像中象征性地再现包含在该对象中的、也可以在3D图像中识别的3D特征(36)。然后通过3D－3D记录用3D图像数据组来记录这样获得的3D特征(38)。

Description

相对于3D图像数据组记录2D投影图像的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种相对于对象的3D图像数据组记录(Registrierung)该对象的2D投影图像的方法和装置。
背景技术
在特定的临床检查或治疗中需要相对于事先拍摄的3D图像数据组记录检查或治疗期间实时提供的2D投影图像，尤其是X射线透视图像，以便能将该实时透视图像与3D图像数据组中的解剖图像信息相叠加。这样的应用的例子例如有利用内窥镜、腹腔镜或导管的最小介入检查或治疗，这些仪器分别通过一个小的身体开口进入患者体内。在心脏学检查的范围内通常采用导管，例如在目前通过所谓的切除过程治疗的心律不齐的情况下。在此导管在拍摄实时透视图像期间(所谓的荧光镜图像)通过静脉或动脉导入心室。在该心室中通过采用高频电流切除引起心律不齐的组织，也就是产生坏死组织。
在这种干预中的医疗/技术难度在于，在X射线控制下虽然能非常确切和高分辨地在荧光镜图像中可视化导管，但患者的解剖结构在荧光镜图像中成像不足。
因此根据US2003/0220555A1公开的方法，建议采用术前拍摄的检查区域的3D图像数据组，相对于该3D图像数据组记录术后2D透视图像，利用该2D透视图像确定导管尖的空间位置和方向并将该信息用于将导管尖显示在3D图像数据组的显示中。在此通过至少两幅2D透视图像的反投影来确定导管尖的空间位置和方向，这在这种情况下比较简单，因为导管尖的形状和大小事先已知，并且可以非常清楚和高分辨地在荧光镜图像上识别导管尖。
但能将导管尖位置精准地显示到3D数据组中的前提是将3D图像数据组以及两个2D透视图像相互记录，也就是将其坐标系相对于彼此通过变换矩阵校正。为了执行所谓的2D-3D记录，在US2003/0220555A1中公开了现有技术中公知的各种方法。在基于图像的记录中，例如分别从3D图像数据组中迭代地计算“人工”投影图像，并与实际获得的2D透视图像比较。该过程在改变投影角的情况下一直重复，直到人工投影图像(即所谓的“数字再现的射线图”(DRR))和实际2D透视图像之间达到足够的一致。
另一种2D-3D记录算法采用基于标记(Landmarken)的记录：为此采用既能在透视图像又能在3D图像数据组中识别的特殊的解剖结构，如心脏表面或特定的血管分叉点。其它2D-3D记录算法描述在J.Weese，T.M.Buzug，G.P.Penny和P.Desmedt的文章“2D/3D Registration and Motion Tracking for SurgicalInterventions”(Philips J.Res.51(1998)，299-316页)中。在这种方法中也从3D图像数据中计算出所谓的伪投影，并与X射线投影图像比较。
2D-3D记录算法由于其迭代的“试验和误差”特性而非常耗时，且比较不稳定。尤其是在术前3D图像数据组用不同于透视图像(利用MR)的另一种模态产生的情况下更是如此，因此人工计算的投影图像不一定与实际测量的透视图像一致。
DE 10201644 A1公开了一种采用患者坐标系统记录术中拍摄的3D图像数据组的方法，其中从一系列由C型设备拍摄的投影图像中计算出3D图像数据。为了进行记录采用患者身上固定的标记点，这些点至少部分位于可再现的3D空间之外。但标记点是在至少两幅2D投影图像中采集的，3D图像又基于该2D投影图像计算出来，并且利用已知的投影几何特征计算该标记点的空间位置。该空间位置与患者坐标系中的标记坐标相关联。由此可以针对患者坐标系来记录3D图像空间。但该方法有个前提，即已经针对3D图像空间记录了所采用的2D投影图像。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是，提供改进的相对于对象的3D图像数据组记录同一对象的2D投影图像的方法，该方法没有上述2D-3D记录方法中的缺陷。
本发明这样克服上述2D-3D记录中的难题：从对象的至少两幅从不同投影角度拍摄的2D投影图像中再现一个对象中包含的目标结构。这样的再现只采用了少量的投影图像，也称为“象征性再现”。与C型旋转血管造影中采用的图像数据的滤波后的反投影(在至少180°范围内以小步长获得的)相反，来自很少几幅2D图像的象征性再现只能在要再现的图像的某些特征为前提并用于再现的情况下才可能。在此，根据本发明对要再现的目标结构的形状采用模型函数。这样，在所谓的3D-3D记录中用3D图像数据组记录在3D图像数据组和2D投影图像中都能被识别的、包含在对象中的结构的再现后的3D模型。
这样的3D-3D记录在现有技术中是公知的，通常比2D-3D记录算法更为稳定。3D-3D记录的结果优选用于相对于对象的3D图像数据组记录从任意其它投影角度采集的对象的其它2D投影图像，并在显示屏上一起显示共同记录的图像，从而可以在对患者的最小介入治疗期间为医生提供对象(例如检查区域)内的良好导向。其前提是，要校准用于拍摄2D透视图像的设备(如C型X射线设备)，也就是说以不同角度拍摄的图像的空间关系相互已知。
特别优选地是，在患者有意或无意的运动之后重复本发明的记录方法。为此只需以不同角度拍摄两幅2D透视图像，或者如果从这两幅图像中不能在空间上再现出令人满意的目标结构，则需拍摄3幅、4幅或5幅2D透视图像，象征性地再现该图像上可以识别的目标结构的空间位置和方向，并借助3D-3D记录相对于3D图像数据组记录这样获得的3D模型。由该记录可以确定2D投影图像和用同一设备对相同对象/患者拍摄的所有其它2D投影图像相对于3D图像数据组的空间方向。
由2D投影图像通过象征性再现而在空间上再现的目标结构，在下面称为“3D特征”。本发明的方法假定，该特征在2D投影图像和3D图像数据组中都能被识别。优选这是一个解剖结构，如特征性的血管段，尤其是具有分叉的血管段，或者是特征性的骨骼结构。还可以是其它器官或其它足够清楚的结构，如大脑中的脑室系统。优选该结构的界限比较清楚，覆盖3D图像数据组的大部分，并具有不是很复杂的结构，该结构可以用简单的模型函数近似。合适的是平面结构，如器官之间的边界平面，其例如可以通过由多个三角形或球面构成的平面来模型化。此外血管段也非常合适，因为血管段作为软管可以用圆形横截面和可变直径来近似。此外如果在拍摄前注入了造影剂，血管就可以在X射线和CT图像中很好地显示。适合于成为下面的手术干预中的特别好的目标结构的是特定的加入了造影剂的血管段：对于心脏病和电生理干预是大动脉弧、冠状窦段或肺动脉段；对于神经病学的干预是加入了造影剂的颈动脉段(具有分支)，对于腹部的干预是加入了造影剂的大动脉段或加入了造影剂的腹部血管段。
或者，目标结构还可以是非解剖的结构，如植入体内的物品、设置在骨骼中的螺钉或位于体外的可用于定向的标记。
现有技术描述了各种用于从少数2D投影图像中空间再现这种特征性结构的方法。一种方法例如由Paieon Medical Ltd.，Rosh Haalyn，Israel实现，并在互联网 www.matimop.org.il/newrdinf/company/c5292.htm上公开。适合的还有US6047080描述用于从血管造影图像中对冠状动脉血管的象征性再现方法。该方法也基于知识并且前提是目标结构包含多个分叉的血管。从2D透视投影图像中针对预定数量的血管确定所谓的“中心线”、即纵向中心线。从这些中心线中首先提取出二维的树结构并标识分叉点。由这些信息确定一个旋转矩阵和一个平移向量，它们相应于成像系统的相对方向。该变换用于列出属于不同投影图像的血管中心线之间的关系，从而每个属于投影图像的数据点都与其它投影图像中的一个数据点耦合，从而耦合的数据点分别表示目标结构的血管中的相同位置。根据该信息可以从血管中心线中计算出三维树，并构造出目标结构的对应三维虚拟显示，例如可利用光标在显示屏上旋转的图形再现。该方法也可以用于本发明的实施方式。
还可以采用其它象征性再现方法用于其它形状的目标结构，这些方法例如包括各个点的反投影，然后可以在反投影线的交点上确定这些点的空间位置。
对于接下来的用3D图像数据组对空间再现后的结构进行3D-3D记录同样可以采用各种方法。在此基本上分为基于体素的记录方法和基于特征的记录方法。后一种方法的前提是目标结构同样可在3D图像数据组中标识识别，从而在3D-3D记录时只有象征性再现的目标结构才与3D图像数据中包含的目标结构一致。该标识也称为“提取”。特别优选的是，在此从3D图像数据组中提取出目标结构的一个特定特征，尤其是目标结构的表面或中心线，并与从2D投影图像中再现的目标结构的对应特征进行比较。如果将表面用于3D-3D记录，则不需要对两个表面进行完全的3D再现或者不需要从3D图像数据中提取出两个表面，而是表面点的一个子集也足以。相应地，如果只能比较粗略地从2D投影图像中象征性地空间再现目标结构，则也可以进行足够好的3D-3D记录。反过来，对于基于表面的3D-3D记录，一个较小的、由几个表面点表示的、从术前3D图像数据中提取出的目标结构的表面也足够。
还可以不采用上面所提到的表面提取而从3D图像数据中提取出其它特征如标记、中心线等等，然后用于3D-3D记录。
在所谓的基于体素的3D-3D记录方法中，不仅采用提取出的单个特征，而且采用全部3D图像数据组。在此，计算3D图像数据和包含象征性再现的目标结构的三维数据组之间的相似程度，并一直更改两个3D数据组的相对方向、位置和必要时的压缩，直到该相似程度达到足够高的值。一致的程度例如可以采用优值(Guete-Mass)“共有信息”和“标准化的共有信息”来计算。这些优值通过灰度分布的直方图来测量，并且对专业人员来说是公知的。根据应用的不同，记录可以是“刚性”的记录，或者考虑3D图像数据组的图像和2D透视图像之间的对象变形。
如果对象或检查区域出现了有节奏或无节奏的生理运动(例如通过心跳、呼吸)，为了达到最佳的记录，根据优选实施例，要注意在相同的运动阶段分别拍摄3D图像数据组和2D透视图像。如果例如心脏的3D图像数据组是以屏住呼吸技术并在特定的心脏阶段拍摄的，则在相同的呼吸阶段并在尽可能匹配的EKG时刻拍摄用于象征性再现的2D投影图像，或者从一系列2D投影图像中选择那些在与3D图像数据匹配的运动状态下拍摄的2D投影图像。这意味着在拍摄3D图像数据组时和在拍摄2D投影图像时都需要采集运动阶段。心脏的运动阶段例如可以通过并行接收的EKG来采集。然后利用EKG选择重要的图像数据。或者，可以像3D图像数据组的拍摄那样通过EKG来触发2D投影图像的拍摄，从而在相同的运动阶段拍摄所有图像。还可以考虑将患者的呼吸运动作为运动阶段来记录。这例如可以采用设置围绕患者胸部设置并测量胸膛运动的呼吸带来进行；同样可以采用设置在患者胸部的位置传感器来进行记录。如果已经在特定的运动阶段已产生了3D图像数据组，则在这种情况下根据3D图像数据组的阶段来触发2D图像的拍摄。
3D图像数据组优选是术前获得的数据组。每个3D图像数据组可与所采用的拍摄模态(如CT、3D X射线血管造影(CTA)、磁共振断层造影(MRT)、3D超声波、可能还有正电子发射断层造影(PET))无关地应用。尤其是第一种拍摄模态可以获得检查区域的解剖精确的和高分辨的显示。重要的只是，再现时采用的目标结构可在3D图像数据组中被识别。
本发明还涉及用于执行上述记录方法的装置。该装置包括可以从不同的投影角拍摄2D投影图像的X射线设备，数据存储器以及用于执行空间再现和3D-3D记录的计算装置。X射线设备优选是C型设备。可以是单平面设备，利用它以C弧的不同角度来拍摄2D投影图像。特别有利的是采用X射线双平面设备，利用它可以同时分别拍摄两幅2D投影图像。这当然简化了象征性3D再现，因为可以保证两幅投影图像是在对象的相同运动状态下拍摄的。
附图说明
下面参照附图用实施例详细解释本发明。其中，
图1示出本发明方法的实施例的流程图；
图2A、2B示出两幅示例性2D投影图像，它们显示在两个不同投影方向下的相同血管树；
图3示出执行本发明方法的装置。
具体实施方式
首先参考图2，其说明了在血管树1的例子中象征性空间再现的例子。图2A和图2B示出相同的血管树分别作为来自两个不同投影角度的2D投影图像。这些图像例如是用图3示出的X射线C型设备在不同的C弧角度下拍摄的，其中血管的可见性例如通过注入造影剂来加强。因此可以很好地识别各个血管树2，并且也可以识别出血管分叉6。从图2A中已经可以确定该血管段的树结构类型，但不能确定各血管分叉在空间中的精准位置。为此通过“中心线”4近似每个2D投影图像中的每个血管，该“中心线”作为虚线在最大的血管中示出。此外还可以将血管直径关于可见的血管长度取平均，或者从图2A和图2B的每幅图像中在沿着中心线的每个点上提取出血管直径。在下一个步骤中例如从各个图像中自动提取出血管分叉6的位置，并将图2A的图像中的每个分叉6对应于图2B的图像中的一个分叉6’。这可以利用图像中血管分叉的高度(如果C弧的角度方向已知)、分叉血管的直径或利用所确定的树结构来进行。然后可以通过反投影确定每个血管分叉的空间位置，以及各个血管分叉之间的血管分布。通过该方式获得血管结构的三维模型，该血管结构包含每个血管分支2参照2D透视图像的几何特征并由此参照所采用的X射线设备的几何特征的位置和方向。
上述过程例示了图1中用附图标记36表示的从＞＝2幅2D透视图像的3D特征的象征性3D再现的方法步骤。下面描述图1的整个方法流程。
作为第一步骤30拍摄术前3D图像数据组。这可以在计划的诊断或手术干预之前的任意时刻进行。或者，3D图像数据组还可以直接在执行其它方法步骤之前在相同的X射线设备上获得。尤其是C型设备可以部分地拍摄类似CT的三维分辨的图像。
在下个步骤32中，从3D图像数据组中提取出3D-3D记录所需的3D特征(目标结构)，这可以通过提取表面、中心线或标记来进行。该步骤只在3D-3D记录实际上需要提取3D特征的情况下才是必须的，而该情况例如在基于体素的记录算法中就不是这样。因此可以选择跳过步骤32。
接着在步骤34中从不同的C弧角度拍摄两幅或多幅2D透视图像，其中可以很好地看见接下来要再现的3D特征。
然后在步骤38中像参照图2详细解释的那样象征性再现3D特征，如血管段，从而其相对于C型系统的坐标系的空间位置和方向已知(被记录下来)。
步骤38是对术前3D图像数据组的3D特征和象征性地由两幅或多幅2D X射线透视图像中再现的3D特征之间的实际3D-3D记录(见步骤36)。
给出所查找的结果，也就是术前3D图像数据(优选CT/MR)相对于C型系统的坐标系的记录。由此在C型X射线系统被校准过的情况下，还给出用从C型系统的任意角度产生的2D透视图像对3D图像数据的记录。由此2D X射线透视图像可以在干预期间与3D图像数据一起在相同的方向和比例/投影方向下可视化(步骤40)。
由此结束了该方法的流程。如果在干预过程中例如由于患者的移动而导致记录不是最佳的，则从步骤34开始重复该方法，以更新该记录。
图3示出用于执行该方法的装置的示例。该装置的一个重要组件是具有C弧10的X射线设备8，在C臂上固定了X射线管12和X射线检测器14。C弧的角度设置可以围绕上面躺有患者18的卧榻16而改变(改变角度)，从而从不同的投影方向获得透视图像。这样获得的图像传递至控制和图像处理装置20，后者包括至少一个数据存储器22和具有处理器等等的计算装置24。对计算装置进行编程，使得可以从至少两幅透视图像中空间再现3D特征，用存储在存储器22中的3D图像数据组实现这样获得的3D模型。优选该过程完全自动。必要时用户必须事先给定目标结构的类型(血管段、骨骼)。2D透视图像和术前3D图像数据组的共同显示在显示屏26上进行。
上述方法的一种特殊应用是还针对其它系统产生与术前3D图像数据的固定空间关系。这对例如通过用C型X射线系统的偏移校准而与C型X射线系统之间具有固定空间关系的所有系统都是可能的。从而例如可以在象征性再现和3D-3D记录之后将术前3D图像数据还用于控制诸如导管(例如Stereotaxis公司的Niobe系统)或操作机器人等仪器的被激活了的导航系统。同样还可以将术前3D图像数据与定位系统的数据关联起来，定位系统的坐标系是相对于C型X射线系统的坐标系被校准了的。其例子有用于外科学的定位系统(例如CAS Innovations公司，Erlangen的CAPPA)，用于介入心脏病学的定位系统(如Mediguide公司，Israel的MPS系统)或电生理映射系统。属于电生理映射系统的有Biosense Webster，CA，USA的CARTO系统和Endocardial Solutions，MN，USA的Ensite系统，它们用于实施电生理过程，如心房不规律颤动时的切除。
本发明描述了用于记录2D投影图像和术前形态学详细3D图像数据的解决方案，该2D投影图像例如可以在手术期间实时获得，但为此包含较少的解剖信息，而术前形态学详细3D图像数据例如用CT或MR获得。在此不采用2D-3D记录算法，而采用更为稳定和常见的3D-3D记录算法。其前提条件是从两幅或多幅2D X射线透视图像中对也能在3D图像中识别的目标结构事先进行象征性再现。

Claims (15)

1.一种用于相对于对象的术前拍摄的3D图像数据组记录该对象的术中拍摄的2D投影图像的方法，其中，通过该记录确定3D图像数据组的坐标系和2D投影图像的坐标系之间的参考关系，具有以下步骤：
a)从不同的投影角度拍摄该对象的至少两幅2D投影图像(34)；
b)从该至少两幅2D投影图像中，对包含在对象中的、既能在3D图像数据组中又能在2D投影图像中识别的目标结构(1)在采用针对该目标结构的形状的模型函数的条件下进行空间再现，其中，获得该目标结构的3D模型(36)；
c)相对于3D图像数据组对该3D模型进行3D-3D记录(38)，其中，所述目标结构在3D图像数据组中与该3D模型一致。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标结构(1)首先在3D图像数据组中被标识出来，然后在所述3D-3D记录(38)中使该目标结构(1)与该3D模型一致。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，从所述3D图像数据组中提取所述目标结构(1)的特定的特征，尤其是形状、表面或中心线(4)，该特征在3D-3D记录(38)时被设置为与3D模型的相应特征一致。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述3D-3D记录(38)是采用度量所述3D模型和3D图像数据组之间的一致性的近似程度的基于体素的记录。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述对象是人体或动物体的一部分，所述目标结构是表征解剖结构的目标结构，尤其是血管段(1)或骨骼段。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述至少两幅2D投影图像是X射线投影图像。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述3D模型相对于3D图像数据组的3D-3D记录(38)的结果用于针对对象的3D图像数据组记录在任意投影角下的对象的其它2D投影图像。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其是在外科干预期间进行的，用于相对于术前拍摄的3D图像数据组记录为了控制干预而拍摄的荧光镜透视图像，其中尤其是在患者运动之后重复所述步骤a)至c)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述对象处于周期性运动中，如呼吸或心跳，并且所述至少两幅2D投影图像是在该对象的与拍摄所述3D图像数据组相同的运动状态下拍摄的。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述3D图像数据组是事先利用CT、CTA、MRT、3D超声波或PET拍摄的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，在从所述至少两幅2D投影图像中对目标结构(1)进行空间再现(36)时，将模型函数迭代地与2D投影图像进行匹配，直到达到预定的一致性。
12.一种用于执行根据权利要求1至11中任一项所述记录方法的装置，包括：
a)可以从不同的投影角拍摄对象(1)的2D投影图像的X射线设备(8)；
b)数据存储器(22)，用于存储至少两幅从两个不同投影角在术中拍摄的对象的2D投影图像和同一对象的术前拍摄的3D图像数据组；
c)计算装置(24)，用于从该至少两幅2D投影图像中，对包含在对象中的、既能在3D图像数据组中又能在2D投影图像中识别的目标结构(1)在采用针对该目标结构的形状的模型函数的条件下进行空间再现，其中，获得该目标结构(1)的3D模型；还用于相对于3D图像数据组对该3D模型进行3D-3D记录，其中，使所述目标结构在3D图像数据组中与该3D模型一致。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述X射线设备是C型单平面设备，所述至少两幅2D投影图像是以C弧的不同角度拍摄的透视图像。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述X射线设备是X射线双平面设备，利用它可以同时拍摄两幅2D投影图像。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的装置，还包括显示设备(26)，用于空间相关地显示3D图像数据组和用所述X射线设备拍摄的对象的2D投影图像。
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