JP2005537843A - Ｘ線画像を最適化する撮像システム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、体の体積の脈管系の中の物体の動きを観察する撮像（Ｘ線）システムに関連する。このシステムのＸ線装置は、体の体積の２次元投影画像を生成する。モジュールにおいて、投影された画像から物体の先端の位置が決定され、この位置は、更なるモジュールにおいて、脈管系の以前に取得された３次元表現と関連付けられる。モジュールは次に、特に、物体の先端の平面的な投影及び最小の投影ウィンドウに関連する最適な撮像パラメータを計算する。これらのパラメータは、続いて、次の２次元画像の基礎となるようＸ線装置上で設定される。

Description

本発明は、物体を含む体の体積の２次元画像を最適化する方法、並びに、かかる方法を実行するよう構成された撮像システムに関連する。

体の体積の２次元画像を生成する撮像法は、様々な適用分野で用いられている。生物学的な体の体積の２次元（Ｘ線）画像の生成について、例として、例えばカテーテル又はガイドワイヤの先端といった物体が体の体積内で血管内を動くことについて以下説明する。しかしながら、本発明は、如何なる意味でもかかる用途に限定されるものではなく、同様の状況のいかなる場合についても使用されうる。

患者の体を通って物体が動いている間、物体は血管の進路を辿り、これはしばしば方向の変更を生じさせる。従って、物体を含む体の体積の２次元投影を生成する撮像システムは、現在位置での物体の最適な撮像を保証するために、常に再調整されねばならない。この点で、「最適」とは、通常は、物体又は周りの脈管系のセグメントの平面的な投影を意味する。かかる再調整は、医療担当者にとっては非常に時間がかかるものであり、再調整の間は患者に対して更なる放射線の負担を与えるものである。

従来技術より、所与の体の体積の脈管系の３次元表現を生成することが知られている。この種類の表現は、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、磁気共鳴（ＭＲ）、回転血管造影法（ＲＡ）、又は３次元超音波（３ＤＵＳ）等の様々な撮像法によって取得されうる。更に、特許文献１から、カテーテルの現在位置が決定されえ、３次元表現と関連付けられるよう、脈管系の３次元表現を現在の２次元投影と組み合わせることが知られている。このために、患者の体には多くのマーカが設けられる。かかるマーカは、３次元データの中、並びに、現在投影画像の中に再生されるため、互いに関連付けられ得る。
米国特許第６３１７６２１号明細書

上述のことを考慮して、本発明は、体の体積の表現とその中に含まれる物体の比較的簡単な最適化を可能とする撮像方法及びその動作方法を提供することを目的とする。望ましくは、体の体積に対する放射線負荷は最小限とされるべきである。

上述の目的は、請求項１の特徴部に記載のような方法、並びに、請求項３の特徴部に記載のような撮像システムによって達成される。有利な実施例は、従属項に記載されている。

本発明による、物体を含む（生物学的又は非生物学的な）体の体積の２次元画像を最適化する方法は、
（ａ）体の体積内の物体の可能な場所の３次元表現を取得し、可能な場所は、例えば物体が移動しうる体の体積内の軌跡又は経路であり、
（ｂ）物体の現在位置を決定し、３次元表現と関連付け（これは、物体の現在位置に関連付けられるデータ点が３次元表現を構成するデータのうちから見つけられることを意味する）、
（ｃ）物体の現在位置に関して最適な撮像パラメータを所定の最適化規準に従って３次元表現によって決定し、
（ｄ）体の体積の２次元画像を最適な撮像パラメータによって生成し、画像は必ずしも体の体積全体を網羅せず、関心となる部分に限られていることもある、ことを特徴とする。

上述の方法は、最適な２次元画像についてのパラメータを自動的に計算し、対応する画像を生成するために、全ての可能な場所の３次元表現、並びに、物体の現在位置を用いる。従って、体の体積の２次元表現は、人間である操作者が調整を行うこと又はテスト画像を取得することを必要とせずに、多くの重要な用途に対して最適化されうる。従って、最適化された画像は、自動化されて、即ち、かなり短い時間で、また、体の体積に対する放射線負荷が小さいように取得されうる。

本発明の方法によって最適化された２次元画像は、原理的には、２次元表現が体積から形成されるいかなる種類の画像であってもよい。例えば、これは、超音波装置によって形成される扇形の画像であってもよい。しかしながら、２次元画像は、特に、Ｘ線によって生成される体の体積の投影でありうる。この種類の撮像は、特に、体の体積を通る物体の動きの観察に適しており、なぜならばこのようにして得られる画像は、体積全体からの情報を含んでおり、いかなる場合も物体が含まれるからである。

上述の方法を実行するには、物体の現在位置についての知識が必要とされる。この知識は、原理的には、いかなる適当な情報源からのものであってもよく、例えば、別の撮像法法からのもの、電磁場測定を用いた位置決定方法（「アクティブ・ローカライザ」）からのもの、又は、特別な用途では、やはり体の体積から投射される器具の担体の空間内の形態の決定からのものでありうる。望ましくは、物体の位置は、最適化された２次元画像と同じ方法によって形成された最初の２次元画像から決定され、なぜならば、その場合は単一の撮像システムのみが必要だからである。

本発明の方法によって最適に決定される撮像パラメータの性質は、用いられる夫々の撮像方法によって決まる。この場合、特に、以下の撮像パラメータが含まれうる。即ち、画像の扇形の平面、投影方向、放射線源の位置（場所、向き）、撮像放射線検出器の位置、撮像ウィンドウの形状（寸法を含む）、放射線減衰ダイヤフラム要素の位置、照射される面に亘る放射線場における変動、放射線の質（例えば、フィルタによって調整可能）、放射線の強度、放射線源の電流及び／又は電圧、及び／又は照射時間である。

本発明の方法の重要な適用分野は、医用診断及び治療の分野における撮像システムの使用である。この場合、物体の可能な場所は、生物学的な体の体積内の血管であり、その場合の最適画像パラメータは、当該の時点において物体が位置する局所的な脈管セグメントが本質的に平面的に２次元画像内に投影されるように定義される。これは、これが、脈管セグメントの軸に対して垂直な方向から脈管セグメントの軸に平行な平面上へ投影されることを意味する。医用適用に関しては、物体はカテーテル、又はその先端、ガイドワイヤ等でありうる。脈管系の３次元表現は、特に、ＣＴ、ＭＲ、ＲＡ及び／又は３ＤＵＳによって取得されうる。

体の体積の２次元画像は、少なくとも部分的には同じ撮像パラメータで取得された３次元表現の画像に重畳されるよう表示されることが有利であり得る。例えば、２次元画像が体の体積の投影である場合、同じ投影幾何での投影は、重畳のために使用されるよう３次元表現から計算されうる。３次元表現に含まれる情報は、このように更にユーザに利用可能とされる。３次元表現から計算される画像が２次元画像よりも大きい面積を再生することが非常に有利である。従って、放射線負荷を最小限とする一方で、物体の現在位置の「生の（live）」２次元画像は最小の寸法に限られ、なぜならばユーザは、物体の更に近くでの向きからの情報を、３次元表現から導出された重畳された画像から抽出しうるためである。

本発明は、物体を含む体の体積の２次元画像を生成する撮像システムに関連し、システムは、体の体積の中の物体の可能な場所の３次元表現を格納するメモリを含む画像処理及び制御用のデータ処理ユニットを有する。データ処理ユニットはまた、メモリに格納された３次元表現からの所与の最適化規準に従って物体の現在位置に関して最適化された撮像パラメータを決定するようにされうる。更に、データ処理ユニットは、上述の最適化された撮像パラメータで２次元画像を生成するよう撮像システムを制御するようにされる。

この種類の撮像システムは、体の体積の３次元表現及びそれ相応に構成されたデータ処理ユニットを、対応する２次元画像を生成するよう、物体の関連のある位置についての最適な撮像パラメータの自動計算に用いるという利点を与える。従って、撮像システムのユーザは、これらの操作を行う必要がなく、放射線負荷をもたらすテスト画像の形成は省かれうる。

撮像システムは、望ましくは、いずれも可動のＣ字型アームに取り付けられたＸ線源及び検出器を有するＸ線装置である。この種類のＸ線装置は、特に、Ｃアーム上でのＸ線源及び検出器の組み合わされた可動性が、異なった投影方向からのＸ線画像の形成を可能とする医療分野において用いられる。

上述のＸ線装置は、望ましくは、アクチュエータ及びモータによって調整されえ、放射線円錐を画成し、従ってそれによって網羅される体積を定めるダイヤフラムを有し、かかるダイヤフラムの調整は、特にデータ処理ユニットによって最適される撮像パラメータである。Ｘ線画像中に表現される体積は、表現に必要とされる最小限に制限されえ、それにより放射線負荷を最小限とする。

撮像システムの更なる実施例に従って、データ処理ユニットは、信号導線に結合され、例えば心電図（ＥＣＧ）及び／又は呼吸センサ用の導線に結合される。データ処理ユニットによって実行されるべき計算は、更なるセンサ情報を考慮に入れることにより更に特定されうる。例えば、心臓の鼓動又は呼吸に関連する患者の体の形状の変化は、物体の位置が決定され、３次元表現に関連付けられるときに考慮に入れられうる。更に、物体の現在の位置を決定するのに役立つ位置決定装置の接続用の信号導線が設けられうる。位置決定装置は、例えば、別の撮像法法によって、電磁場測定による位置決定方法によって（「アクティブ・ローカライザ）、又は、特別な用途では、体の体積から投射される器具担体の空間的な形状の決定によって、サポートされうる。

撮像システムは、特に、上述の方法を実行することが可能であるように構成又は拡張されうる。

従って、撮像システムは、例えば、最適化された２次元画像と同じ方法によって生成された第１の２次元画像から物体の位置を決定するようにされえ、なぜならばこの場合は単一の撮像システムのみが必要だからである。

撮像システムによって最適に決定される撮像パラメータの性質は、用いられる撮像方法に依存する。これに関する例については既に上述した。

物体の可能な場所は、特に、生物学的な体の体積内の血管でありえ、その場合はデータ処理ユニットは、望ましくは、物体が位置する血管のセグメントが２次元画像中で本質的には平面的に投影されるよう、最適な撮像パラメータを定義するようにされる。

撮像システムの更なる変形例によれば、これは、画像の再生用の装置（モニタ、プリンタ等）を含んでもよく、完全に又は部分的に同じ撮像パラメータで３次元表現から形成された画像に重ね合わされるよう、２次元画像が表示されるようにされてもよく、３次元表現から形成される画像は、望ましくは２次元画像よりも大きい面積を再生する。かかる共通のディスプレイの利点については既に上述した。

本発明について、例として図面を参照して、以下詳述する。図１は、患者１０の脈管系を通るカテーテルの先端の動きを追跡するのに用いられる撮像システムの形で本発明の用途を示す図である。心臓インターベンションに関しては、カテーテルは、例えば、ＰＴＣＡ（経皮経管冠動脈拡張術：Percutaneous Transluminal Coronary Angioplasty）用の、灌流電気生理学的（ＥＰ）マッピング用、又はアブレーション用のカテーテルである。

関心となる体の体積の２次元画像は、周知の方法で、Ｃアーム９の対向して配置された端に取り付けられたＸ線源７及びＸ線検出器８を有するＸ線装置３によって形成される。Ｃアーム９は、Ｘ線装置が異なった投影方向から関心となる体の体積１０の２次元画像を取得するよう回動される。画像は、医療インターベンション中に「生の（live）」（リアルタイム）の蛍光透視画像４として利用可能である。

モジュール５内の適切にプログラムされたデータ処理ユニットは、２次元画像４から患者の体の中のカテーテルの先端の位置を計算する。このために、モジュール５は、患者１０に対するＸ線管７及び検出器８の位置に関する情報を受信する。望ましくは、モジュール５はまた、位置の決定の精度を高めるために、センサ６、例えばＥＣＧ、からの信号、又は、呼吸センサからの信号を考慮に入れる。或いは、カテーテルの先端の現在位置はまた、他の方法により、例えば、超音波撮像法により、又は、磁場に対する空間内の位置を決定するアクティブ・ローカライザにより、決定されうる。

このように決定されたカテーテルの先端の位置は、続いて、他のデータ処理ユニット、又は同一のデータ処理ユニット内の他のプログラミングモジュール２へ印加され、モジュール２は、更に、関心となる体の体積内の脈管木構造の格納された３次元表現１へアクセス可能である。３次元座標系内の血管の進路をベクトルにより、及び／又は、点により示すこの３次元表現のデータは、現在のインターベンションに先行する３次元撮像法（例えば、ＣＴ、ＭＲ、ＣＲＡ、３ＤＵＳ等）によって取得されている。３次元表現は、特に、やはり現在のインターベンション中に使用されうるＸ線装置３を用いている間の回転血管造影法によって取得されうる。

モジュール２は、モジュール５によって与えられるカテーテルの先端の（２次元）位置を、脈管木構造内のカテーテルの先端の対応する（３次元）位置に関連付ける。このように同じ体積の異なった表現内の対応する点を関連付ける方法は、周知であり（例えば、特許文献１）、従って、ここでは詳細には説明しない。この関連付けは、カテーテルが脈管系を通って動くこと、従ってその先端は３次元表現によって表わされる脈管木構造の中に位置するはずであるという事実を用いる。

脈管木構造内のカテーテルの先端の位置の決定の後、モジュール２は、所与の最適化規準に従って最適化された新しい撮像パラメータを決定する。この種類の最適化は、図１に示すシステムに対して得られ、即ち、特に、カテーテルの先端が平面的に、即ち、カテーテルの先端が現在位置している局所的な脈管セグメントに対して垂直に延びる方向から投影されるときに得られる。このような方向がより多いほど（一般的には２つの１８０°ずれた方向がある）、望ましくは、Ｘ線装置の設定の最小限の変化を必要とする方向が選択される。この脈管セグメントの平面的な投影は、このセグメントを最大の長さで再生するという利点を提供し、従って、カテーテルの先端の更なる前進は、最も高い解像度で観察されうる。

更に、モジュール２は、関心となるカテーテルの先端の適切な撮像を依然として行わせるＸ線円錐の境界を計算しうる。これらの境界は、例えば、結果として得られる２次元投影が細長い矩形の形状を有し、その中でカテーテルの先端は短辺の近くに位置し、進行の方向に隣接した関連する脈管セグメントは、矩形の反対側の短辺まで延びるように定義される。このような表現は、実際には、カテーテルの動きの予想される将来の経路に限られる。

投影方向及び投影円錐、並びに、例えばＸ線源７の放射線強度等のおそらくは更なる撮像特性の決定の後、これらの変数は、対応する設定が実現されるＸ線装置３に印加される。これは、特に、Ｘ線源７及び検出器８が所定の投影方向に配置されるまでＣアーム９が回転されること、また、Ｘ線減衰ダイヤフラムウェッジ及び／又はＸ線透過ダイヤフラムが、決定された撮像ウィンドウが得られる位置までモータ駆動されることを意味する。続いて、新しい最適化されたＸ線画像が生成されうる。

図１には詳細に示さないが、脈管系の３次元表現１、及び、同じ最適な投影角度からの蛍光透視リアルタイム画像４は、ユーザに追加的な情報を与えるよう重畳された形式で表示されうる。望ましくは、医師が物体の回りの比較的大きい面積を見ると同時に、物体に放射線負荷を与えている間に取得された蛍光透視画像が最小限の面積に制限されるよう、３次元表現１の投影はリアルタイム画像４よりも大きい面積を占める。

上述の撮像システム及び関連する撮像方法は、インテリジェントなナビゲーション制御システムを用いることにより複雑な医療インターベンション中のＸ線装置の時間のかかる再配置動作を省く。医療担当者は、もはやＣアーム９の再配置を行う必要がなく、従って患者が曝されるＸ線線量が少しも減少されない。この線量は、更に、要求された撮像ウィンドウへと画像が自動的に制限されることにより減少される。

図２は、本発明による方法が基づく画像を示す。図２は、予め測定され３次元表現へと記録された脈管木構造１４を示し、またカテーテル１２の前方セグメントをその中にカテーテル先端１５が挿入された状態で示す。また、Ｘ線検出器８（図１）の平面上に２次元投影画像１３（図１の蛍光透視画像４に対応する）を生成するＸ線円錐１も示されている。

図1のモジュール２により３次元脈管木構造１４中のカテーテル１５の先端の位置を決定した後、投影方向は、カテーテル１２の最適な画像を生じさせ、カテーテル１５の先端は、血管の進路を考慮に入れつつ決定されうる、図２に示すように、これは、カテーテル１２の、又は、脈管木構造の囲むセグメントの長手方向に対して垂直な方向からの投影でありうる。

本発明について、患者の脈管系を通る器具の移動に関連して説明したが、これは本願を如何なる意味でも制限するものではない。生物学的／医学的分野では、例えば、体を通る自然の物体の動きもまた観察され、例えば、脈管系を通る血栓の動き、又は、例えば神経路といった他の経路に沿った物質又は励起電位の輸送もまた観察されうる。

更に、本発明は、例えば、生産設営工学用途にも使用されうる。例えば、物体は、空間的に複雑な物体に対するタスクを行うよう、ビデオカメラからのフィードバック信号の制御下で移動されるべき（多関節）ロボットアームの手でありうる。本発明による方法を用いて、ビデオカメラの最適な位置が調整されうる場合、特に、まずロボットの手の邪魔されていないビューを与え、次に最も高い解像度で、即ち平面的な方法で手の画像を撮像する。

本発明による撮像システムを示す図である。 体の体積のＸ線投影を脈管系及びその中に導入されたカテーテルと共に示す図である。

Claims (10)

1. 物体を含む体の体積の２次元画像を最適化する方法であって、
   （ａ）前記体の体積内の前記物体の可能な場所の３次元表現を取得し、
   （ｂ）前記物体の現在位置を決定し、前記３次元表現と関連付け、
   （ｃ）前記物体の前記位置に関して最適な撮像パラメータを前記３次元表現によって決定し、
   （ｄ）前記体の体積の２次元画像を前記最適な撮像パラメータによって生成する、方法。
2. 前記２次元画像は、Ｘ線によって生成された前記体の体積の投影であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 物体を含む体の体積の２次元画像を形成する撮像システムであって、前記体の体積内の前記物体の可能な場所の３次元表現を格納するメモリを有するデータ処理ユニットを含み、前記データ処理ユニットは、
   （ａ）前記物体の現在位置に関して最適な撮像パラメータを前記３次元表現によって決定し、
   （ｂ）前記撮像パラメータで２次元画像を生成するよう前記撮像システムを制御する、撮像システム。
4. 可動Ｃアームに取り付けられたＸ線源及び検出器を有するＸ線装置を含むことを特徴とする、請求項３記載の撮像システム。
5. 前記Ｘ線装置は、調整可能なダイヤフラムを含み、その調整は、前記データ処理ユニットによって最適化される撮像パラメータの部分を成すことを特徴とする、請求項４記載の撮像システム。
6. 前記データ処理ユニットは、呼吸センサ及び／又は前記物体の位置決定装置の、特にＥＣＧ用の信号導線に結合されることを特徴とする、請求項３記載の撮像システム。
7. 前記物体の現在位置を２次元画像から決定するようにされることを特徴とする、請求項３記載の撮像システム。
8. 撮像パラメータは、扇形の平面、投影方向、放射線源の位置、撮像放射線検出器の位置、撮像ウィンドウの形状、放射線減衰ダイヤフラム要素の位置、照射される面に亘る放射線場の変動、放射線の質、放射線の強度、放射線源の電流及び／又は電圧、及び／又は照射時間を定義することを特徴とする、請求項３記載の撮像システム。
9. 前記物体の前記可能な場所は生物学的な体の体積内の血管であり、前記データ処理ユニットは、前記物体が配置されている脈管木構造のセグメントが本質的には平面的に２次元画像中に投影されるよう配置されるよう前記最適な撮像パラメータを定義するようにされることを特徴とする、請求項３記載の撮像システム。
10. 画像の形成用の装置を含み、前記２次元画像を、全く同じ又は部分的に同じ撮像パラメータで前記３次元表現から形成された画像と共に重ね合わされた形で表示するようにされ、前記３次元表現から形成された画像は、望ましくは前記２次元画像によって再生されたものよりも大きい領域を再生することを特徴とする、請求項３記載の撮像システム。

Images