JP2005253964A - 管腔内画像形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象の周期的運動に基づく誤りまたはアーチファクトを、記録された画像データの継続処理の際に、使用可能な画像個数を制限することなく回避または低減する。
【解決手段】検査対象の中空管（２）の一連の２Ｄ画像データを記録する管腔内画像形成機器（１）を備え、画像記録が検査対象の周期的運動に対して既知の時間的関係で行なわれ、管腔内画像形成機器（１）の空間座標が画像（５）の各記録時に位置センサにより検出され、画像（５）の２Ｄ画像データと一緒に位置データ（９，１０）として保存される管腔内画像形成方法において、検査対象の予め与え得る運動時相にない第１の位置データ（１０）が、保存前または保存後に、予め与え得る運動時相にある第２の位置データ（９）間の補間によって、および／または予め決められた値の減算または加算によって修正される。
【選択図】図４

Description

本発明は、検査対象の中空管、特に血管の一連の２Ｄ画像データを記録する管腔内画像形成機器を備え、画像記録が検査対象の周期的運動に対して既知の時間的関係で行なわれ、画像の空間座標が画像の各記録時に位置センサにより検出され、画像の２Ｄ画像データと一緒に位置データとして保存される管腔内画像形成方法に関する。

管腔内画像形成機器により、中空管（特に血管または中空器官）の内部の２次元画像が記録される。この場合に、血管内超音波（ＩＶＵＳ）法、光コヒーレンス断層画像化（ＯＣＴ）法または蛍光画像化法の如き画像化方法が使用される。画像記録は、中空管内での管腔内画像形成機器の連続的またはステップ状に制御された移動中に行なわれる。例えば血管内画像形成カテーテルにより、血管の内部から、例えば心臓の血管系から２次元断層画像が供給される。図１はこの例として血管系３の断面を示し、血管２内に挿入された画像形成カテーテル１が図において認識可能である。このカテーテル１は移動制御装置４により機械的または手動的に血管２内へ押し込まれるあるいは引き抜かれる。カテーテル１の引張方向が矢印で示されている。血管２内においてカテーテル１の連続的に制御された移動中に、一般には２次元の血管断層画像が記録される。図１の右側部分に、カテーテル１の移動中に血管２内の種々の位置で得られた２Ｄ断層画像５が示されている。これらの２Ｄ断層画像５はそれぞれ血管２の縦方向に対して横方向の断面を表す。２Ｄ断層画像５に沿って延びる矢印は画像撮影中におけるカテーテル１の引張方向を表す。２Ｄ断層画像において、血管壁７と、血管内腔６の内部における血管中心軸線８とを認識することができ、この血管中心軸線上にカテーテル１が案内される。

カテーテルの空間位置を検出し、これを術前に撮影された血管系の３Ｄ画像中に挿入するようにした３次元血管系撮影におけるカテーテルナビゲーション方法は公知である（例えば、特許文献１参照）。このために、位置センサを組み込まれたカテーテルが使用され、この位置センサによりカテーテル先端のその都度の瞬時の空間位置が検出される。３Ｄ画像データと共に位置センサを登録することによって、その都度の瞬時の空間位置を常に３Ｄ画像に位置正しく表示することができる。

位置センサを備えた管腔内画像形成機器、例えばカテーテルまたは内視鏡の使用は、カテーテルにより撮像された解剖学的構造を、記録された一連の２Ｄ画像データから再構成することを可能にする。画像記録中における位置検出は、術中の２ＤＸ線透視画像への割付けも可能にし、これらの２ＤＸ線透視画像に基づいて使用者はカテーテルの案内中に方位を定めることができる。更に、各画像の記録時におけるその都度の空間位置に関する知識に基づいて、記録された２Ｄ画像データを、術前に例えばコンピュータ断層撮影または磁気共鳴断層撮影によって、あるいは術中に例えば３Ｄ回転血管撮影または３Ｄ超音波によって得られた３Ｄ画像データと共に簡単に登録するすなわち融合させることができる。

しかしながら、記録されたデータの最後に述べた継続処理の技術では、画像記録中における、特に呼吸または心拍動による患者の運動に基づいて、画像表示に誤りまたはアーチファクトをもたらす割付け問題が発生する。位置データに基づく３Ｄ再構成が患者の呼吸によって不正確となり、それゆえ再構成された３Ｄボリュームにアーチファクトを生じる結果となる。なぜならば患者の呼吸活動が位置センサの願わしくない運動をもたらすからである。特に血管中の画像記録の場合、同様に画像記録中における位置センサの願わしくない運動をもたらす患者の心拍動によって同じ問題が生じる。

この問題は、２ＤＸ線透視画像へＸ線カテーテル画像を割付ける際に割付けが位置センサの運動に基づいて誤って行なわれる場合にも同じように当てはまる。これは、２Ｄ透視画像内の誤った場所にカテーテル先端を表示するという不都合な結果をもたらす。

術前または術中に３Ｄ画像形成モダリティにより記録された３Ｄ画像データは、一般に心周期の定められた時点で取得もしくは再構成される。この場合にも、２Ｄ画像データが３Ｄ画像データと同じ心周期で記録されなかったならば、記録された２Ｄ画像データとこれらの３Ｄ画像データとの登録つまり融合は誤りを生じる。

従来、この問題は、一方では２Ｄ画像データがその都度運動周期の予め定められた位相においてのみ記録されるいわゆる心電図（ＥＣＧ）ゲーティングまたは呼吸ゲーティングによって解決されていた。他の同様な技術では、画像が運動時相に関係なく取得されるが、継続処理の際に、予め定められた運動時相において記録された２Ｄ画像データのみが利用される。これは使用可能な２次元画像の個数の非常に著しい低減をもたらす。
独国特許出願公開第１９９１９９０７号明細書

本発明の課題は、管腔内画像形成機器を備え、検査対象の周期的運動に基づく誤りまたはアーチファクトを、記録された画像データの継続処理の際に、使用可能な画像個数を制限することなく回避または低減する画像形成方法を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、検査対象の中空管の一連の２Ｄ画像データを記録する管腔内画像形成機器を備え、画像記録が検査対象の周期的運動に対して既知の時間的関係で行なわれ、管腔内画像形成機器の空間座標が画像の各記録時に位置センサにより検出され、画像の２Ｄ画像データと一緒に位置データとして保存される管腔内画像形成方法において、検査対象の予め与え得る運動時相にない第１の位置データが、保存前または保存後に、予め与え得る運動時相にある第２の位置データ間の補間によって、および／または予め決められた値の減算または加算によって修正されることによって解決される。
本発明の有利な実施態様は次の通り列記される。
（１）予め決められた値は、中空管内の少なくとも１つの位置における位置センサによる少なくとも１つの運動曲線の記録によって得られる。予め決められた値の記録は一連の２Ｄ画像データの記録前に行われる。予め決められた値の記録は一連の２Ｄ画像データの記録と一緒に行われる。
（２）予め決められた値は、中空管内の複数の位置における位置センサによる運動曲線の記録によって得られる。運動曲線が記録されなかった位置の値は隣接する運動曲線の間で補間される。
（３）検査対象の周期的運動は呼吸運動である。
（４）検査対象の周期的運動は心臓運動である。

しかして、検査対象の中空管、特に血管の一連の２Ｄ画像データを記録する管腔内画像形成機器を用いた本発明による画像形成方法において、画像記録が検査対象の周期的運動に対して既知の時間的関係で行なわれ、位置センサにより管腔内画像形成機器の空間座標が画像の各記録時に検出され、画像の２Ｄ画像データと一緒に位置データとして保存される。本発明による方法は、検査対象の予め与え得る運動時相にない第１の位置データが、保存前または保存後に、予め与え得る運動時相にある第２の位置データ間の補間によって、および／または予め決められた値の減算または加算によって修正されることと特徴とする。

従って、本発明による方法では、２Ｄ画像の記録時に検出され且つ定められた運動時相、例えばＥＣＧ時相または呼吸時相で検出されたのではない位置センサの全ての位置データが、運動に起因する影響を最小限にするように変えられる。第１の位置データの修正のために本発明による方法に従って使用可能な種々の技術を以下において手短に説明し、そして実施形態において更に詳細に説明する。なお、実施形態は、画像形成時に患者において一般に発生する２つの周期的運動すなわち呼吸運動と心臓活動に基づく運動とに関係している。

第１の位置データが予め決められた値の減算または加算によって修正される本発明による方法の実施形態において、これらの値の決定は中空管内における位置センサ付き管腔内画像形成機器の少なくとも１つの位置における運動曲線の記録によって行なわれる。管腔内画像形成機器は中空管内に固定され、１つ又は複数の運動周期中にセンサ位置が取得される。これによって取得されて保存される運動曲線は、時間つまり運動時相に依存した位置データを含んでいる。複数の運動周期に亘る位置データを記録する場合、これらの周期に亘る平均化によって結果が改善される。第１の位置データの修正の際、その都度、保存されている運動曲線において同じ運動時相に対応した値が第１の位置データから減算されるかまたは第１の位置データに加算される。このようにして第１の位置データの運動修正が行なわれので、位置データが重要な役割を果たす継続処理時に、周期的運動によって惹き起こされる誤りが最小化される。

第１の位置データから減算された値または第１の位置データに加算された値は、これらの値の記録に基づいて同様に空間座標に相当する。これらの値が用途に応じて位置に依存しない場合、単独の運動曲線のみが記録される。しかしながら、本発明による方法の実施態様では、この種の複数の運動曲線が中空管内の管腔内画像形成機器の種々の位置で記録される。

第１の位置データの修正は、これらの第１の位置データが取得された運動時相に依存して行なわれると共に空間位置に依存しても行なわれる。運動曲線が記録されなかった位置における加算または減算すべき値は、それぞれ隣接する運動曲線もしくはそれらの値の間で補間される。この補間として直線補間あるいは高次補間法を行なってもよい。

位置データの修正は、用途に応じて、これらの位置データの検出直後に行なうか又は画像素材全体の検出後に初めて行なってもよい。運動曲線の記録は画像取得の実施前に行なわれると好ましい。しかしながら、異なる位置における複数の運動曲線を検出する場合、これらの運動曲線をそれらの異なる位置における画像データ取得中に作成することも可能である。

本発明による方法の他の構成では、第１の位置データが補間された位置データによって置き換えられる。このために運動曲線を記録する必要はない。補間すなわち直線補間または高次補間は、予め与えられた運動時相に属するそれぞれ隣接する第２の位相データの間で行なわれる。従って、位置センサの実際の位置情報は運動時相の定められた関心時点でのみ観察される。他の位置情報はこれらの補間点間で補間される。この技術も、記録された２Ｄ画像の継続処理時における誤りもしくはアーチファクトの低減をもたらす

例えば検査される中空管の異なる範囲のために、または呼吸に起因した誤り並びに心拍動に起因した誤りを修正する拡張のために、以上に述べた技術を組み合わせることも用途および検査条件に応じて有意義である。

位置センサの周期的運動、特に呼吸および／または心拍動に起因した運動の低減もしくは消去のための本発明による方法によれば、記録された画像データの継続処理時における誤りまたは運動アーチファクトが低減または回避される。従って、記録された２Ｄ画像データからの３Ｄ再構成は、患者の呼吸または心拍動に起因した再構成アーチファクトなしに且つ記録した画像の個数の低減なしに可能である。３Ｄ再構成を、運動周期における定められた時点の選択に応じて、正確なこれらの時点で実施することができる。３Ｄ再構成が運動周期における相前後する時点で行なわれることによって、このレトロスペクティブゲーティングにより２Ｄ画像の４Ｄ表示も可能である。管腔内画像形成機器の２Ｄ画像への２ＤＸ線透視画像の割付けの精度も高められる。なぜならば画像の割付けへの患者の呼吸および心拍動の願わしくない影響が低減もしくは消去されるからである。

記録された２Ｄ画像を運動周期の定められた時点で再構成した３Ｄボリュームは、運動周期の定められた同じ時点で記録された、例えばコンピュータ断層撮影、磁気共鳴断層撮影、３Ｄ回転血管撮影または３Ｄ超音波記録からの解剖学的３Ｄ画像データと共に正確に登録するつまり融合させることができる。同様に、管腔内画像形成機器により記録された画像データの再構成画像シーケンスと、上述の３Ｄ画像形成モダリティの再構成された解剖学的３Ｄ画像データのシーケンスとの４Ｄ−４Ｄ融合も可能である。

本発明による方法により行なわれる位置データの修正によって、画像データの再構成を行なうことのできる運動周期の各運動時相を予め与えることができる。これは、記録された画像素材を減らすことなしに、画像データの継続処理時の大きな自由度を可能にする。

本発明による方法の実施のためには、位置センサを備えた管腔内画像形成機器を備え、管腔内画像形成機器の制御および画像データ表示のためのコンピュータユニットに、本発明による方法による第１の位置データの修正を行なうモジュールが設けられている装置が必要である。予め決められた値の減算および加算の場合、このコンピュータユニットに１つ又は複数の運動曲線が記憶される。

以下において本発明による方法を図面を参照しながら実施例に基づいてもう一度詳細に説明する。
図１はカテーテルによる２Ｄ断層画像の画像撮影状況、
図２は画像記録中に取得された位置データへの心臓運動の影響例、
図３は本発明方法の一実施例による位置データの修正例、
図４は本発明方法の他の実施例による位置データの修正例を示す。

血管内部における２Ｄ画像データの記録時における状況は既に明細書の導入部において図１に関連して説明した。位置センサを有するカテーテル１が使用される場合、各２Ｄ画像５の記録時に空間座標が、各２Ｄ画像の記録の正確な位置を再現する位置データとして供給される。この位置データに基づいて、２Ｄ画像データから３Ｄボリュームを再構成することができ、あるいはこれらの画像データと他の２Ｄまたは３Ｄ画像データとを登録することができる。もちろん、これらの位置データの記録時に、患者の心拍動や場合によっては呼吸によって惹き起こされる避けがたい血管運動に基づく問題が生じる。この問題を図２に基づいて具体的に説明する。この図２には図の上部に、カテーテルが案内される血管２の実際の経過が示されている。血管２内の画像記録の際に、位置センサから供給された位置データ９は理想的には図２の中央部分に示された経過をもたらすべきである。

しかしながら、位置センサから実際に供給された空間座標は、心拍動により、図の下方部分に表されているように歪曲した経過を生じる。一番下側の部分に患者の心拍動が心電図（ＥＣＧ）で示されている。心拍動は、血管の瞬時位置に影響し、従って、図の下方部分に概略的に示されているように、位置センサから供給された位置データ９に影響する。従って、取得された画像データを、心臓運動によって歪曲されたこれらの位置データに基づいて継続処理することは、後で行なわれる画像表示の際に誤りまたは画像アーチファクトをもたらしていた。

この心拍動に起因した位置センサ運動を低減もしくは消去するために、ここでは３つの変形例が提案される。第１の変形例ではカテーテルがまず血管に固定される。学習段階で、センサ位置が１つの心周期中に撮影され、運動曲線として記憶される。もちろん、運動曲線を得るために複数の心周期に亘って平均化してもよい。画像記録の開始時に運動曲線が患者の実際の心拍動と相関させられる。これは公知のＥＣＧ技術を介して行なわれる。カテーテル案内中およびカテーテル画像取得中、検出された各センサ位置について、運動曲線の対応値が減算される。

第２の変形例の場合、第１の変形例とは異なって、位置に依存し心拍動に起因したセンサ運動から出発して、カテーテル位置に依存し心拍動に起因した異なるセンサ運動が生じる。この位置に依存する運動は、カテーテルが２つ以上の位置に固定され、この固定位置で運動曲線がその都度取得されることによって補償される。第１の変形例におけるように減算すべき値は、位置に依存して取得された運動曲線の間の、位置に依存する補間からもたらされる。これを図３に基づいて具体的に説明する。図３の左側には画像記録中に検出されたセンサ位置９が示されている。センサ位置９は、心周期の定められた時点で運動曲線に同期して取得されたカテーテル画像に属する。図３のこの左側部分に示された他のセンサ位置１０は、心周期の他の任意の時点で取得されたカテーテル画像に属する。これらの位置は心拍動に起因して実際の血管経過に対して不正確である。同様に図の左側部分において認識できる対応関係を有する予め決められ位置に依存する運動曲線１１に基づいてセンサの不正確な位置１０を修正することによって、記録された位置における不正確さが解消されるかもしくは少なくとも明白に低減される。それぞれセンサの不正確な第１の位置データから、対応した運動曲線１１の対応する値を減算した結果が、図３の右側部分に示されている。このようにして修正された位置１２はほぼ血管経過を再現するので、対応して修正されたこれらの位置１２を有する画像データの継続処理は、画像データの再構成および登録における誤りを回避する。

２つの固定位置における少なくとも２つの運動曲線を画像記録前ではなくカテーテルの送りの際に作成することも可能であり、これに対してカテーテル画像の取得はカテーテルのできれば自動的な電動駆動による引き抜き中に行われる。

図４に基づいて位置データの修正のための第３の変形例を具体的に説明する。第１および第２の変形例と違って、センサの位置は、一心周期内にある全てのカテーテル画像について、ここでは直線補間あるいは高次補間法によって補間される。従って、センサの実際の位置情報は心周期の予め定められた関心時点でのみ観察される。この定められた時点で検出されたカテーテル画像に属しない他の位置情報は取り除かれ、残りの補間点間で補間される。このようにして心拍動に起因したセンサ運動つまりカテーテル運動が消去される。２つの心周期間におけるセンサ運動つまりカテーテル運動は、補間によって時間的に一定の運動として（直線補間の場合）または時間に関して既知の運動曲線として（高次補間の場合）近似される。この場合に重要なことは、カテーテル案内中にカテーテル画像の各取得時点でセンサ位置が検出されるが、しかし心周期の定められた関心時点で取得されたセンサ位置のみが引続いて画像の継続処理に使用されることである。このようにしてカテーテルのレトロスペクティブゲーティングが可能になる。

図４はこのために左側部分に、一方では心周期の定められた時点で取得されたカテーテル画像に属するセンサ位置９を示す。他方では、白丸の点が心周期の他の任意の時点で取得されたカテーテル画像に属するセンサ位置１０を示す。これらの位置１０は心拍動に起因して実際の血管経過に対して不正確であり、補間された位置データ１２によって置き換えられる。補間は、定められた心周期に属し補間のための補間点として役立つそれぞれ隣接する位置９の間で行なわれる。図４の右側部分にこの補間によって得られた位置データ１２が示されている。これらの位置データ１２は確定している位置データ９と一緒に実際の血管経過を良好な一致性をもって再現する。この補間法は特に緩慢なカテーテル案内の場合に向いている。なぜならばその場合には補間が正確な値をもたらすからである。

もちろん上述の変形例は呼吸運動の修正にも使用することができ、同期は例えば画像記録の開始時の深い吸い込みによって行われる。

カテーテルによる２Ｄ断層画像の画像撮影状況を示す概略図 画像記録中に取得された位置データへの心臓運動の影響例を示す説明図 本発明方法の一実施例による位置データの修正例を示す説明図 本発明方法の他の実施例による位置データの修正例を示す説明図

符号の説明

１ カテーテル
２ 血管
３ 血管系
４ 移動制御装置
５ ２Ｄ断層画像
６ 血管内腔
７ 血管壁
８ 中心軸線
９ 第２の位置データ
１０ 第１の位置データ
１１ 運動曲線
１２ 修正された位置データ

Claims (8)

1. 検査対象の中空管（２）の一連の２Ｄ画像データを記録する管腔内画像形成機器（１）を備え、画像記録が検査対象の周期的運動に対して既知の時間的関係で行なわれ、管腔内画像形成機器（１）の空間座標が画像（５）の各記録時に位置センサにより検出され、画像（５）の２Ｄ画像データと一緒に位置データ（９，１０）として保存される管腔内画像形成方法において、
   検査対象の予め与え得る運動時相にない第１の位置データ（１０）が、保存前または保存後に、予め与え得る運動時相にある第２の位置データ（９）間の補間によって、および／または予め決められた値の減算または加算によって修正される
   ことを特徴とする管腔内画像形成方法。
2. 予め決められた値は、中空管（２）内の少なくとも１つの位置における位置センサによる少なくとも１つの運動曲線（１１）の記録によって得られることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 予め決められた値の記録は一連の２Ｄ画像データの記録前に行われることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 予め決められた値の記録は一連の２Ｄ画像データの記録と一緒に行われることを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 予め決められた値は、中空管（２）内の複数の位置における位置センサによる複数の運動曲線（１１）の記録によって得られることを特徴とする請求項２乃至４の１つに記載の方法。
6. 運動曲線（１１）が記録されなかった位置の値は隣接する運動曲線（１１）の間で補間されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 検査対象の周期的運動は呼吸運動であることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. 検査対象の周期的運動は心臓運動であることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。