JP2006167448A - Imaging method and apparatus for supporting operator during interventional radiology procedure - Google Patents

Imaging method and apparatus for supporting operator during interventional radiology procedure Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging method, displaying the position of at least one point of a surgical instrument disposed in a vascular system of a patient in real time. <P>SOLUTION: This imaging method is implemented according to a computer program in an imaging apparatus 1. This method includes: a step of digitizing a two-dimensional image obtained by an image obtaining system 2 by an image digitizing device 13; a step of determining the current three-dimensional position of a predetermined point of the surgical instrument from the digitized image and a three-dimensional model of the vascular system of the patient stored in a memory 4 by a processor 3; a step of determining the current three-dimensional position as a function of the position before the surgical instrument in the three-dimensional model and the position of a blood vessel of the vascular system represented by the three-dimensional model; and a step of displaying an image representing the point of the surgical instrument by the current three-dimensional position using a display system 5. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、一実施形態では、介入的放射線医学用のイメージング方法及びイメージング装置を対象とする。具体的には、本発明は、一実施形態では、患者の脈管系のような対象物内に位置する外科的器具の位置を実時間で表示するための医用イメージング方法及び装置を対象とする。   The present invention is directed, in one embodiment, to an imaging method and apparatus for interventional radiology. Specifically, the present invention is directed, in one embodiment, to a medical imaging method and apparatus for displaying in real time the position of a surgical instrument located within an object, such as a patient's vasculature. .

一般に、介入的放射線医学手順の原理は、オペレータのために、医用イメージング装置の助けを借りて対象物すなわち患者の動脈の内部に治療器具を誘導し適用することを含む。この医用イメージング装置は、脈管系及び治療器具を表す2次元の画像(image) の取得、処理及び表示を実時間で行うことができる。これらの2次元画像により、オペレータは脈管系の中の治療器具の位置を推定して動脈内に治療器具を一層容易に誘導することができる。   In general, the principles of an interventional radiology procedure include guiding and applying a therapeutic instrument within an object, ie, a patient's artery, for an operator with the aid of a medical imaging device. This medical imaging device can acquire, process and display a two-dimensional image representing the vascular system and treatment instrument in real time. These two-dimensional images allow the operator to more easily guide the therapeutic instrument into the artery by estimating the position of the therapeutic instrument within the vascular system.

しかしながら、表示される2次元(2D)画像は、脈管系が3次元であるのに対して2次元である。この結果、オペレータにとって、脈管系内の外科用器具の位置を可能な最高の精度で決定するために必要とされる座標が不足している。   However, the displayed two-dimensional (2D) image is two-dimensional while the vascular system is three-dimensional. As a result, the operator lacks the coordinates required to determine the position of the surgical instrument within the vascular system with the highest possible accuracy.

従来技術では、脈管系と共に治療器具を現在位置で表す3次元(3D)像を表示できる医用イメージング装置及び方法が提案されている。   The prior art has proposed a medical imaging apparatus and method capable of displaying a three-dimensional (3D) image representing a treatment instrument at the current position together with the vascular system.

米国特許第6317621号には、或る装置及び方法が記載されている。その医用イメージング装置は画像取得システム、処理システム及び表示システムを有する。画像取得システムは、異なる角度で取得される2つの2D画像を同時に取得できる二平面システムを有する。処理システムは、治療器具の現在位置を3次元で決定することができる。この現在位置を決定するために、処理システムは治療器具の点の3D座標(X,Y,Z)を算出する。表示システムは、現在位置の治療器具と患者の脈管系とを表す3D像を表示することができる。治療器具の点の座標を算出するするため、処理システムは、異なる角度で同時に取得された2つの2D画像を使用する。しかしながら、2つの2D画像の同時取得には、高い照射線量のX線を患者へ向けて放出することが必要である。このような高いX線照射線量は患者にとって有害である。その上、算出された3D座標について不確実さが残っている。   U.S. Pat. No. 6,317,621 describes an apparatus and method. The medical imaging apparatus has an image acquisition system, a processing system, and a display system. The image acquisition system has a biplanar system that can simultaneously acquire two 2D images acquired at different angles. The processing system can determine the current position of the treatment instrument in three dimensions. In order to determine this current position, the processing system calculates 3D coordinates (X, Y, Z) of the points of the treatment instrument. The display system can display a 3D image representing the current position of the treatment instrument and the patient's vascular system. In order to calculate the coordinates of the points of the treatment instrument, the processing system uses two 2D images acquired simultaneously at different angles. However, simultaneous acquisition of two 2D images requires high dose X-rays to be emitted towards the patient. Such high X-ray exposure is detrimental to the patient. In addition, uncertainty remains about the calculated 3D coordinates.

米国特許第6389104号には、現在位置の治療器具と患者の脈管系とを表す3D像を表示することのできる医用イメージング及び関連した方法及び装置が記載されている。その画像取得システムは、2D画像を取得することのできる単一平面システムである。現在位置は、治療器具及び脈管系を表す2D画像から治療器具の点の3D座標を算出することによって、決定される。とはいえ、単一の2D画像から始めて、一点の3D座標を算出するための正確な数学的方法は、何ら存在していない。従って、表示される3D像は、治療器具をその実際の現在位置に表していない。表示される3D像は治療器具をその最も確率の高い現在位置に表す。オペレータは、表示される現在位置の精密さの確率を正確に決定する何らの視覚情報を持たない。
米国特許第6317621号 米国特許第6389104号
U.S. Pat. No. 6,389,104 describes medical imaging and related methods and apparatus capable of displaying a 3D image representing the current position of the treatment instrument and the patient's vasculature. The image acquisition system is a single plane system capable of acquiring 2D images. The current position is determined by calculating the 3D coordinates of the therapeutic instrument point from the 2D image representing the therapeutic instrument and the vascular system. Nonetheless, there is no exact mathematical method for calculating a single 3D coordinate starting from a single 2D image. Thus, the displayed 3D image does not represent the treatment instrument at its actual current position. The displayed 3D image represents the treatment instrument at its most probable current location. The operator does not have any visual information that accurately determines the accuracy probability of the current position displayed.
US Pat. No. 6,317,621 US Pat. No. 6,389,104

本発明は、一実施形態では、上述した欠点の内の少なくとも1つを克服するイメージング方法及び装置を対象とする。   The present invention, in one embodiment, is directed to an imaging method and apparatus that overcomes at least one of the above-mentioned drawbacks.

本発明の一実施形態は、患者のような対象物の脈管系と該脈管系の中で変位される外科用器具の少なくとも1つの点の位置とを表す3次元モデルでの表示を実時間で行うことのできるイメージング方法を対象とする。その場合、脈管系の中の外科用器具の点の外科用器具の少なくとも1つの点の位置が推定される。本方法の一実施形態では、患者の2次元画像で、その位置を推定すべき点の該画像上への投影の近傍内の領域を決定する。3次元モデルで表された血管の位置及び/又は外科用器具の点について以前に決定された3次元位置の関数として、2次元モデル上の前記近傍内に投影される3次元モデル内の点が選択される。   One embodiment of the present invention provides a three-dimensional model representation that represents the vasculature of an object such as a patient and the location of at least one point of a surgical instrument displaced in the vasculature. Intended for imaging methods that can be performed in time. In that case, the position of at least one point of the surgical instrument at the point of the surgical instrument in the vascular system is estimated. In one embodiment of the method, a region in the vicinity of the projection on the image of the point whose position is to be estimated is determined in the two-dimensional image of the patient. As a function of the three-dimensional position previously determined for the blood vessel position and / or surgical instrument point represented in the three-dimensional model, the points in the three-dimensional model projected into the neighborhood on the two-dimensional model Selected.

本発明の一実施形態は、脈管系を表す3次元モデルで、該脈管系の中で変位される外科用器具の少なくとも1つの点の位置の表示を実時間で行うことのできるイメージング装置を対象とする。本発明の一実施形態では、イメージング装置は脈管系の中の外科用器具の点の現在の3次元位置を推定する手段を有し、該推定する手段は、患者の2次元画像で、その位置を推定すべき点の該画像上への投影の近傍内の領域を決定する手段、3次元モデルで表された血管の位置の関数として及び/又は外科用器具の点について推定された以前の3次元位置の関数として、2次元モデル上の前記近傍内に投影される3次元モデル内の点を選択する手段とを含む。   One embodiment of the present invention is a three-dimensional model representing a vascular system, and an imaging device capable of displaying in real time the position of at least one point of a surgical instrument displaced in the vascular system. Is targeted. In one embodiment of the invention, the imaging device comprises means for estimating a current three-dimensional position of a surgical instrument point in the vascular system, the means for estimating being a two-dimensional image of a patient, Means for determining a region within the vicinity of the projection of the point to be estimated on the image, as a function of the position of the blood vessel represented in the three-dimensional model and / or for the point of the surgical instrument Means for selecting a point in the three-dimensional model to be projected into the neighborhood on the two-dimensional model as a function of the three-dimensional position.

本発明の一実施形態は、上述した方法を実行するための符号化手段を含む適切なコンピュータ・プログラムを対象とする。上述のコンピュータ・プログラムを記憶するために命令支持体もまた設けられる。   One embodiment of the present invention is directed to a suitable computer program comprising encoding means for performing the method described above. An instruction support is also provided for storing the computer program described above.

本発明による装置及び方法の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して読むべきものとして純粋に例示の非限定用の例として記載した、以下の説明を読むことにより一層明らかになろう。   Other features and advantages of the apparatus and method according to the invention will become more apparent upon reading the following description, which is given purely by way of non-limiting example as to be read with reference to the accompanying drawings. .

介入的放射線医学手順の際に、オペレータは、患者の脈管系の血管(静脈及び動脈)の中を通して、患者の身体内部の処置すべき区域内に外科用器具の能動端を配置する。外科用器具は、カテーテル、誘導ワイヤ、或いは同業者に知られている他の器具であってよい。カテーテルは、ほぼ1mの長さを持つ(直径が2〜6mmの)極細の管であって、移動可能で可撓性の、放射線を通さない誘導ワイヤによって誘導される。   During an interventional radiology procedure, the operator places the active end of the surgical instrument through the blood vessels (veins and arteries) of the patient's vasculature and into the area to be treated within the patient's body. The surgical instrument may be a catheter, a guide wire, or other instrument known to those skilled in the art. The catheter is a very thin tube (2-6 mm in diameter) with a length of approximately 1 m, guided by a movable, flexible, radiation-free guide wire.

外科用器具の能動端を配置し易くするために、イメージング装置は、外科用器具の現在の3次元(3D)位置を表す出力画像を実時間表示することができる。外科用器具の現在の3D位置を決定するために、外科用器具の3D座標(X,Y,Z)が患者の脈管系の3Dモデルと2次元(2D)画像とを用いて算出される。患者の脈管系の3Dモデルは、患者の生体の血管を表す3次元での像である。   In order to facilitate placement of the active end of the surgical instrument, the imaging device can display an output image representing the current three-dimensional (3D) position of the surgical instrument in real time. To determine the current 3D position of the surgical instrument, the 3D coordinates (X, Y, Z) of the surgical instrument are calculated using a 3D model and a two-dimensional (2D) image of the patient's vasculature. . A 3D model of a patient's vasculature is a three-dimensional image that represents the blood vessels of the patient's body.

本発明の一実施形態では、外科用器具全体の現在の3D位置か又は外科用器具の或る特定の点の現在の3D位置のいずれかを表示するように選ぶことができる。例えば、外科用器具の能動端の現在の3D位置を表す出力画像を表示するように選ぶことができる。また、外科用器具の先端点の現在の3D位置を表す出力画像を表示するように選ぶことができる。また更に、先端点が介入的放射線医学手順の始めから相次いで占めていた3D位置を表す出力画像を表示するように選ぶことができる。   In one embodiment of the invention, one can choose to display either the current 3D position of the entire surgical instrument or the current 3D position of a certain point of the surgical instrument. For example, an output image representing the current 3D position of the active end of the surgical instrument can be selected to be displayed. Also, an output image representing the current 3D position of the surgical instrument tip can be selected to be displayed. Still further, an output image representing the 3D position that the apex point occupied one after another from the beginning of the interventional radiology procedure can be chosen to be displayed.

以下の説明及び例では、介入的放射線医学手順中にオペレータによって用いられる外科用器具の先端点の現在の3D位置を探索する場合についてにのみ考察する。外科用器具の先端点は、患者の脈管系に挿入された器具の能動端の頂点に対応する。   In the following description and examples, only the search for the current 3D position of the tip of the surgical instrument used by the operator during an interventional radiology procedure will be considered. The distal point of the surgical instrument corresponds to the apex of the active end of the instrument inserted into the patient's vasculature.

イメージング装置の一例について以下に説明する。図1を参照して説明すると、ブロック図は、外科用器具の先端点の現在の3D位置を表す出力画像を表示するために、対象物6の2次元(2D)画像を取得して、この取得した2D画像を処理することのできるイメージング装置1を例示する。装置1は、画像取得システム2と、画像処理システム3と、画像表示システム5とを有する。   An example of the imaging apparatus will be described below. Referring to FIG. 1, a block diagram obtains a two-dimensional (2D) image of an object 6 to display an output image representing the current 3D position of the surgical instrument tip, The imaging apparatus 1 which can process the acquired 2D image is illustrated. The apparatus 1 includes an image acquisition system 2, an image processing system 3, and an image display system 5.

画像取得システム2は、外科用器具及び脈管系を2次元で表す2D画像を取得することができる。画像取得システムは単一平面スキャナを有する。画像取得システム2は、例えば、超音波画像取得システム、磁気共鳴イメージング(MRI)画像取得システム、ユニーク光子放出断層撮影法(UPET)による画像取得システム、コンピュータ支援断層撮影画像取得システム(CAT)、ポジトロン放出断層撮影画像取得システム(PET)、又はX線画像取得システムである。   The image acquisition system 2 can acquire a 2D image representing the surgical instrument and the vascular system in two dimensions. The image acquisition system has a single plane scanner. The image acquisition system 2 includes, for example, an ultrasound image acquisition system, a magnetic resonance imaging (MRI) image acquisition system, an image acquisition system based on unique photon emission tomography (UPET), a computer-aided tomography image acquisition system (CAT), and a positron An emission tomography image acquisition system (PET) or an X-ray image acquisition system.

画像処理システム3は、様々な処理方法を適用することのできる処理手段を含む。画像処理システム3は画像取得システム2と一体化するか、又は画像取得システム2とは別々にすることができる。処理システム3は、例えば、1つ又は数個のコンピュータ、1つ又は数個の処理装置、1つ又は数個のマイクロコントローラ、1つ又は数個のマイクロコンピュータ、1つ又は数個のプログラム可能なオートマトン、1つ又は数個の特定用途向け集積回路、その他のプログラム可能な回路、又はワークステーションのようなコンピュータを含む他の機器を有する。処理システムはメモリを提供する手段4に結合される。このメモリ手段4は処理システム3と一体化するか又は処理システム3とは別個にすることができる。このようなメモリ手段4は、特に、検査している脈管系の3Dモデルを記憶することができる。   The image processing system 3 includes processing means to which various processing methods can be applied. The image processing system 3 can be integrated with the image acquisition system 2 or can be separate from the image acquisition system 2. The processing system 3 is, for example, one or several computers, one or several processing devices, one or several microcontrollers, one or several microcomputers, one or several programmable Automaton, one or several application specific integrated circuits, other programmable circuits, or other equipment including a computer such as a workstation. The processing system is coupled to means 4 for providing memory. This memory means 4 can be integrated with the processing system 3 or can be separate from the processing system 3. Such a memory means 4 can in particular store a 3D model of the vascular system being examined.

表示システム5は、外科用器具の先端点の現在の3D位置を表す出力画像を表示することができる。例えば、この現在の3D位置は、出力画像内の脈管系の3Dモデル上に重畳することができる。画像表示システム5は画像取得システム2又は処理システム3と一体化するか、或いは画像取得及び処理システム2及び3とは別個にすることができる。   The display system 5 can display an output image representing the current 3D position of the surgical instrument tip. For example, this current 3D position can be superimposed on a 3D model of the vascular system in the output image. The image display system 5 can be integrated with the image acquisition system 2 or the processing system 3 or can be separate from the image acquisition and processing systems 2 and 3.

図1に例示した装置の動作原理は以下の通りである。画像取得システム2が対象物6へ向けて取得信号を送信し、原投影データを生成する。この原投影データは、外科用器具及び脈管系を2次元で表す2D画像に変換される。この2D画像は処理システム3へ送られる。処理システム3は、処理方法を適用するのに適した処理手段により該2D画像を処理する。具体的に述べると、処理手段は以下に述べるイメージング方法を実行することができる。このイメージング方法により、3Dモデル及び2D画像から開始して、先端点の現在の3D位置を表す出力画像を得ることができる。この出力画像は表示システムで表示される。Nを所与の時間間隔(例えば、N=10ミリ秒)として、N秒ごとに、画像取得システムは投影データを取得して2D画像を求める。各々の2D画像は外科用器具の先端点の新しい現在位置に対応する。先端点の現在位置は2D画像及び3Dモデルから実時間で決定される。このようにして、外科用器具の先端点の現在の3D位置を表す出力画像がN秒ごとに繰り返し生成される。   The operation principle of the apparatus illustrated in FIG. 1 is as follows. The image acquisition system 2 transmits an acquisition signal toward the object 6 to generate original projection data. This original projection data is converted into a 2D image representing the surgical instrument and the vascular system in two dimensions. This 2D image is sent to the processing system 3. The processing system 3 processes the 2D image by processing means suitable for applying the processing method. Specifically, the processing means can execute the imaging method described below. With this imaging method, an output image representing the current 3D position of the tip point can be obtained starting from the 3D model and 2D image. This output image is displayed on the display system. With N being a given time interval (eg, N = 10 milliseconds), every N seconds, the image acquisition system acquires projection data to obtain a 2D image. Each 2D image corresponds to a new current position of the surgical instrument tip. The current position of the tip point is determined in real time from the 2D image and the 3D model. In this way, an output image representing the current 3D position of the surgical instrument tip is repeatedly generated every N seconds.

図2を参照して説明すると、図1のイメージング装置の一実施形態を例示している。このイメージング装置は、画像取得システム2と、処理システム3と、メモリ手段4と、表示システム5と、画像ディジタル化装置13と、画像再構成装置14とを含む。   Referring to FIG. 2, one embodiment of the imaging device of FIG. 1 is illustrated. The imaging device includes an image acquisition system 2, a processing system 3, a memory means 4, a display system 5, an image digitizing device 13, and an image reconstruction device 14.

画像取得システム2は画像取得システムである。画像取得システム2は、X線源の形態の放出手段7と、放射線画像取得手段8と、支持手段9とを有する。放射線画像取得手段8は、例えば、平面センサ、又はカメラを備えた輝度増幅器である。放出手段7及び放射線画像取得手段8は、例えば、半円形アームの形の支持手段9の両端部に固定される。支持手段9は患者6に対して放出手段7及び放射線画像取得手段8を位置決めすることができる。   The image acquisition system 2 is an image acquisition system. The image acquisition system 2 comprises an emission means 7 in the form of an X-ray source, a radiation image acquisition means 8 and a support means 9. The radiographic image acquisition means 8 is a brightness | luminance amplifier provided with the plane sensor or the camera, for example. The discharge means 7 and the radiation image acquisition means 8 are fixed to both ends of the support means 9 in the form of a semicircular arm, for example. The support means 9 can position the ejection means 7 and the radiation image acquisition means 8 with respect to the patient 6.

処理システム3は、処理手段10と、支持手段用のモータ制御装置11と、X線制御装置12とを有する。支持手段のモータ制御装置11は支持手段9の速度及び位置を制御する。X線制御装置12はX線源7へ電力及び同期化信号を供給する。本発明の一実施形態では、処理システム3は、フロッピイ・ディスク又はCD−ROMのような命令坦体(図示せず)からのイメージング方法の命令を読み出すための読出し装置(図示せず)、例えば、フロッピイ・ディスク又はCD−ROM駆動装置を含む。本発明の別の一実施形態では、処理手段10は、ソフトウエア(図示せず)に記憶されているイメージング方法の命令(以下に説明する)を実行する。   The processing system 3 includes a processing means 10, a motor control device 11 for supporting means, and an X-ray control device 12. The motor control device 11 for the support means controls the speed and position of the support means 9. The X-ray controller 12 supplies power and synchronization signals to the X-ray source 7. In one embodiment of the present invention, the processing system 3 comprises a reading device (not shown) for reading imaging method instructions from an instruction carrier (not shown) such as a floppy disk or a CD-ROM, for example , Floppy disk or CD-ROM drive. In another embodiment of the invention, the processing means 10 executes imaging method instructions (described below) stored in software (not shown).

メモリ手段4は、例えば、読出し専用メモリ(ROM)及びランダム・アクセス・メモリ(RAM)である。表示システム5は、例えば、コンピュータ・スクリーン、モニタ、フラット・スクリーン、プラズマ・スクリーンなどの当業者に知られている任意の種類の表示装置であってよい。画像ディジタル化装置13はデータ取得システム(DAS)である。DASはアナログ信号をサンプリングして、該信号をディジタル信号へ変換する。画像再構成装置14は、複数のディジタル・データから2D画像を再構成することができる。DAS13及び画像再構成装置14は処理システム3と一体化するか又は処理システム3とは別個にすることができる。   The memory means 4 is, for example, a read only memory (ROM) and a random access memory (RAM). The display system 5 may be any type of display device known to those skilled in the art, such as, for example, a computer screen, monitor, flat screen, plasma screen or the like. The image digitizing device 13 is a data acquisition system (DAS). DAS samples an analog signal and converts the signal to a digital signal. The image reconstruction device 14 can reconstruct a 2D image from a plurality of digital data. The DAS 13 and the image reconstruction device 14 can be integrated with the processing system 3 or can be separate from the processing system 3.

2D放射線画像の取得の際に、放出手段7は画像取得手段8へ向けてX線ビーム20を投射する。画像取得手段8は患者を通過した全ての投射X線を検出して電気信号を発生し、該電気信号をDAS13へ送る。DAS13は、画像取得手段から受け取ったアナログ電気信号をサンプリングして、それらをディジタル信号へ変換する。画像再構成装置14が、DAS13からのサンプリングされ且つディジタル化されたデータを受け取って、2D画像の再構成を高速度で実施する。再構成された2D画像は処理手段10に入力として供給され、処理手段10は2D画像をメモリ手段4に記憶させる。処理手段10は、以下に述べるイメージング方法を実行し且つ画像再構成装置からの2D画像を処理するようにプログラムされている。処理手段から得られる出力画像は、表示システム上に表示される。   When acquiring the 2D radiation image, the emission unit 7 projects the X-ray beam 20 toward the image acquisition unit 8. The image acquisition means 8 detects all projection X-rays that have passed through the patient, generates an electrical signal, and sends the electrical signal to the DAS 13. The DAS 13 samples analog electrical signals received from the image acquisition means and converts them into digital signals. An image reconstructor 14 receives sampled and digitized data from DAS 13 and performs 2D image reconstruction at high speed. The reconstructed 2D image is supplied as an input to the processing unit 10, and the processing unit 10 stores the 2D image in the memory unit 4. The processing means 10 is programmed to perform the imaging method described below and to process 2D images from the image reconstruction device. The output image obtained from the processing means is displayed on the display system.

以下に、外科用器具の先端点の現在の3D位置を表す出力画像を求めるイメージング方法について説明する。このイメージング方法では、入力として脈管系の3Dモデルを必要とする。3Dモデルを得るため、当業者に知られている全ての方法を使用することができ、例えば、米国特許第6389104号に記載されている方法を使用することができる。患者の3Dモデルはまた、患者の一部(例えば、体幹)をスライス(断面)で取得することができる断層撮影法によって、或いは2つの異なる角度から2つの2D画像を同時に取得することのできる二平面スキャナにより、得ることができる。   Hereinafter, an imaging method for obtaining an output image representing the current 3D position of the distal point of the surgical instrument will be described. This imaging method requires a 3D model of the vascular system as input. All methods known to those skilled in the art can be used to obtain the 3D model, for example, the method described in US Pat. No. 6,389,104 can be used. A 3D model of a patient can also acquire two 2D images simultaneously by tomography that can acquire a portion (eg, trunk) of a patient in slices (cross sections) or from two different angles. It can be obtained with a two-plane scanner.

本方法の一段階は、2D画像を取得してディジタル化することを含む。本方法の別の段階は、取得システムによって取得された2D画像の中の先端点の2D位置を決定することを含む。2D画像において外科用器具の先端点を突き止めるために、当業者に知られている全ての方法を使用することができる。例えば、領域成長法を使用することができる。これらの方法は形態数学的前処理(膨張、侵食、及び開放及び閉止のようなそれらの組合せ)、二進画像を得るための閾値処理、及び画像の平滑化のための後処理などを含むことができる。   One stage of the method involves acquiring and digitizing a 2D image. Another stage of the method includes determining the 2D position of the tip point in the 2D image acquired by the acquisition system. All methods known to those skilled in the art can be used to locate the tip of a surgical instrument in a 2D image. For example, a region growth method can be used. These methods include morphological mathematical pre-processing (expansion, erosion, and combinations thereof such as opening and closing), threshold processing to obtain binary images, post-processing for image smoothing, etc. Can do.

本方法の別の段階は、3D取得対象物に対する放出手段7及び放射線画像取得手段8の正確な位置、すなわち、2D画像取得中に患者6に対する取得システムの位置に対応する取得ジオメトリイを決定することを含む。取得ジオメトリイを決定するため、当業者に知られている方法を使用することができる。取得ジオメトリイの決定により、先端点の現在の3D位置を規定する3つの座標の内の2つ(X及びY座標)を決定することができる。取得ジオメトリイを決定することができる方法の一例は、投影平面に対する3Dモデルの異なる位置及び向きについて該投影平面上での3Dモデルの投影を表す複数の画像を算出し、これらの投影画像と取得した2D画像とを比較して、取得した2D画像に重畳することのできる投影画像を見出すことを含む。2D画像の取得中での患者の位置及び向きは、取得した2D画像に重畳することのできる投影画像の算出中における3Dモデルの位置及び向きに対応する。   Another stage of the method determines the exact position of the emission means 7 and the radiation image acquisition means 8 relative to the 3D acquisition object, i.e. the acquisition geometry corresponding to the position of the acquisition system relative to the patient 6 during the 2D image acquisition. Including that. Methods known to those skilled in the art can be used to determine the acquisition geometry. By determining the acquisition geometry, two of the three coordinates (X and Y coordinates) that define the current 3D position of the tip can be determined. An example of how the acquisition geometry can be determined is to calculate a plurality of images representing the projection of the 3D model on the projection plane for different positions and orientations of the 3D model relative to the projection plane, and to acquire these projection images and acquisitions. Comparing the obtained 2D image and finding a projection image that can be superimposed on the acquired 2D image. The position and orientation of the patient during acquisition of the 2D image correspond to the position and orientation of the 3D model during calculation of the projection image that can be superimposed on the acquired 2D image.

ここで、機械的な不正確さ、2D画像の取得中に起こり得る患者の動き、或いは外科用器具によって起こり得る血管の変形に起因して、取得ジオメトリイについて不確実さが存在することが理解される。取得ジオメトリイにおけるこのエラーは、外科用器具の先端点の3D位置の決定を可能にする段階の内の1つの段階の際に考慮される。   Here, it is understood that there is uncertainty about the acquired geometry due to mechanical inaccuracy, patient movement that may occur during 2D image acquisition, or blood vessel deformation that may be caused by the surgical instrument. Is done. This error in acquisition geometry is taken into account during one of the stages that allows the determination of the 3D position of the surgical instrument tip.

処理手段が3Dモデルを算出し、2D画像における外科用器具の位置を突き止め、そして取得ジオメトリイを決定した後、処理手段は先端点の現在の3D位置を決定するためにイメージング方法の後続の段階を実行する。   After the processing means calculates the 3D model, locates the surgical instrument in the 2D image, and determines the acquisition geometry, the processing means is a subsequent step in the imaging method to determine the current 3D position of the tip point. Execute.

図3に示されているように、取得ジオメトリイが決定された後では、器具の先端点が、放出手段7と放射線画像取得手段8とを結ぶ軸線21上のいずれかの場所に位置することが分かる。取得した2D画像に含まれている情報が先端点の3D座標を決定するのに不充分であるので、先端点の現在の3D位置を決定するために先端点が満たさなければならない特定の条件が適用される。それらの条件は次の通りである。すなわち、(1)先端点の位置が3次元モデルにおける血管の位置の関数であり、且つ外科用器具の先端点が軸線上にランダムに位置していずに、血管22及び23の中に位置していること、及び/又は(2)先端点の現在位置が該先端点のその前の位置の関数であり、且つ外科用器具の先端点の動きが連続していること、換言すれば、時点tでの2D画像の取得が時点t−1での2D画像の取得と時間的に近い場合、時点tでの先端点の3D位置が時点t−1での先端点の3D位置に空間的に近いことである。   As shown in FIG. 3, after the acquisition geometry is determined, the tip of the instrument is located somewhere on the axis 21 connecting the emission means 7 and the radiation image acquisition means 8. I understand. Since the information contained in the acquired 2D image is insufficient to determine the 3D coordinates of the tip point, there are certain conditions that the tip point must satisfy in order to determine the current 3D position of the tip point. Applied. Those conditions are as follows. (1) The position of the distal point is a function of the position of the blood vessel in the three-dimensional model, and the distal point of the surgical instrument is not randomly positioned on the axis, but is positioned in the blood vessels 22 and 23. And / or (2) that the current position of the distal point is a function of the previous position of the distal point and that the movement of the distal point of the surgical instrument is continuous; If the acquisition of the 2D image at t is close in time to the acquisition of the 2D image at time t-1, the 3D position of the tip point at time t is spatially the 3D position of the tip point at time t-1. It is close.

各々の新しい取得した2D画像は放射線画像取得手段8上への脈管系の投影に対応する。各々の新しい取得した2D画像について、放出手段7と先端点の放射線画像取得手段8上への投影とを結ぶ軸線21が考慮される。この軸線により、横座標X及び縦座標Yを持つ正規直交ベンチマークの傾斜Z(Z軸)を規定することができる。この軸線21の周りの一集合のボクセル67を考察する。この一集合のボクセル67は、2D画像上の先端点の2D位置の近傍内に投影する脈管系の点に対応する。   Each new acquired 2D image corresponds to a projection of the vascular system onto the radiological image acquisition means 8. For each new acquired 2D image, the axis 21 connecting the emission means 7 and the projection of the tip point onto the radiation image acquisition means 8 is taken into account. With this axis, the slope Z (Z axis) of the orthonormal benchmark having the abscissa X and the ordinate Y can be defined. Consider a set of voxels 67 around this axis 21. This set of voxels 67 corresponds to a point of the vascular system that projects within the vicinity of the 2D position of the tip point on the 2D image.

Z座標の各整数値(Z軸は光学的軸線21に平行である)について、一集合のボクセル67の内の近傍のR個のボクセルを考慮する。ここで、Rは整数である。軸線21の周りの近傍のR個のボクセルを考慮することによって、取得ジオメトリイにおけるエラーが考慮される。   For each integer value of the Z coordinate (the Z axis is parallel to the optical axis 21), consider R voxels in the vicinity of a set of voxels 67. Here, R is an integer. By taking into account the R voxels in the vicinity around the axis 21, errors in the acquired geometry are taken into account.

軸線21の各々のボクセルが、0と255との間の値を有するグレースケール値に対応する。軸線21の各々のボクセルについて、整数の値が一連の点より成る点列(「ライン」とも呼ぶ)24に記憶される(軸線21上のボクセルは点列の点に1つずつ対応する)。この値は、ボクセルの近傍(部分集合)25が血管と交差する場合は、この近傍25のボクセルの最大グレースケール値に等しく、またボクセル近傍(部分集合)26が血管と交差しない場合は、ゼロに等しい。いずれの血管とも交差しないボクセル近傍に対応する点列24の値をゼロに設定することによって、先端点は血管の内部に位置した状態に留まらなければならない。   Each voxel on axis 21 corresponds to a grayscale value having a value between 0 and 255. For each voxel on the axis 21, an integer value is stored in a point sequence (also referred to as a “line”) 24 consisting of a series of points (one voxel on the axis 21 corresponds to one point in the point sequence). This value is equal to the maximum grayscale value of the voxel in the neighborhood 25 if the neighborhood (subset) 25 of the voxel intersects the blood vessel, and zero if the neighborhood of the voxel (subset) 26 does not intersect the vessel. be equivalent to. By setting the value of the point sequence 24 corresponding to the vicinity of the voxel that does not intersect any blood vessel to zero, the tip point must remain in the blood vessel.

不足する情報はこのライン24上の先端点の位置であり、先端点の現在の3D位置を含むセグメントを決定することができるが、正確な現在の3D位置は決定することができない。各々の新しい取得した2D画像は先端点の新しい位置に対応する。各々の新しい取得した2D画像ごとに1つのライン24が生成されて、図4に示されるように「湾曲スライス」と呼ばれる小さな画像40を形成する。   The missing information is the position of the tip point on this line 24 and the segment containing the tip's current 3D position can be determined, but the exact current 3D position cannot be determined. Each new acquired 2D image corresponds to a new position of the tip point. One line 24 is generated for each new acquired 2D image to form a small image 40 called a “curved slice” as shown in FIG.

時点t=0に、第1の2D画像が取得されて、第1のライン27が生成される。このラインは、先端点が配置されている可能性のある第1、第2及び第3の血管31、32及び33に対応する第1、第2及び第3のセグメント28、29及び30を含む。時点t=1に、第2の2D画像が取得されて、第2のライン34が生成され、その後、同じやり方で続けられる。   At time t = 0, a first 2D image is acquired and a first line 27 is generated. This line includes first, second and third segments 28, 29 and 30 corresponding to the first, second and third blood vessels 31, 32 and 33 where the tip points may be placed. . At time t = 1, a second 2D image is acquired and a second line 34 is generated and then continued in the same manner.

このように取得が続けられるにつれて、外科用器具の先端点を含んでいる可能性のある特定のセグメントが拒絶される。例えば、時点t=8において、第1及び第2の血管31及び32に対応する第1及び第2のセグメント28及び29が、生成されたライン内にもはや存在していない。しかし、先端点の現在の3D位置を決定するために以前の位置が考慮される。従って、t=8において、外科用器具の先端点が血管33内に位置していることは確かである。   As acquisitions continue in this manner, certain segments that may contain the surgical instrument tip are rejected. For example, at time t = 8, the first and second segments 28 and 29 corresponding to the first and second blood vessels 31 and 32 no longer exist in the generated line. However, the previous position is taken into account to determine the current 3D position of the tip point. Therefore, at t = 8, it is certain that the distal point of the surgical instrument is located in the blood vessel 33.

幾つかの血管が接合して曖昧な部分35を生じることがあり、これは外科用器具が幾つかの経路36,37を辿る可能性があるレベルでの交差点を意味する。この場合には、またしても、先端点を含むセグメントについて不確実さが存在することになる。イメージング方法の一実施形態では、これらの曖昧な部分を管理し且つ表示することができる。これらの曖昧な部分は、複数の血管が2D画像の同じ点に投影されることがあるために避けることができない。   Several blood vessels may join to produce an ambiguous portion 35, which means an intersection at a level where the surgical instrument may follow several paths 36,37. In this case, there will again be uncertainty about the segment containing the tip. In one embodiment of the imaging method, these ambiguous parts can be managed and displayed. These ambiguous parts are unavoidable because multiple blood vessels may be projected onto the same point in the 2D image.

次に、外科用器具の先端点の現在の3D位置を決定するためのイメージング方法の一実施形態について説明する。本方法を初期化したとき、又はオペレータが外科用器具を唐突に動かした後、ライン全体に沿った全ての可能性のある3D位置を探索する。ラインの中の、固定の強度閾値よりも高い値を含む各セグメントは、外科用器具の先端点を含んでいる可能性がある。外科用器具の先端点の充分近い前の位置が分かっている場合、可能性のある現在の3D位置についての探索を限定して、以下の段階を実行する。すなわち、器具先端点の前の位置についてのセグメントを考慮して開始点を見つける段階と、この点から開始して境界を探索する段階と、このセグメントで始まる新しい分岐路を探索する段階と、以前のラインの各々のセグメントについて上記段階を繰り返す段階と、固定の閾値よりも低いグレースケール点を持つ新しいライン・セグメントの全てを抑圧する段階と、新しいラインのセグメントを融合させる段階と、器具先端点を潜在的に見つけることのできたセグメントについて信頼性を推定する段階とを実行する。   Next, one embodiment of an imaging method for determining the current 3D position of the surgical instrument tip will be described. When initializing the method, or after the operator has moved the surgical instrument suddenly, it will search for all possible 3D positions along the entire line. Each segment in the line that contains a value above a fixed intensity threshold may contain a surgical instrument tip. If the previous position of the surgical instrument tip is known sufficiently close, the search for possible current 3D positions is limited and the following steps are performed. That is, finding a starting point taking into account a segment about the previous position of the instrument tip, searching for a boundary starting from this point, searching for a new branch starting at this segment, Repeating the above steps for each segment of the line, suppressing all new line segments with grayscale points below a fixed threshold, fusing the segments of the new line, and the instrument tip point Estimating the reliability of segments that could potentially be found.

図5は、イメージング方法の一実施形態の流れ図である。各々の新しい取得した2D画像は先端点についての新しい位置に対応する。本方法の第1の段階は、2D画像を取得して、それをディジタル化することを含む。次いで、取得ジオメトリイを決定し、その後の段階を実行する。   FIG. 5 is a flow diagram of one embodiment of an imaging method. Each new acquired 2D image corresponds to a new position for the tip point. The first stage of the method involves taking a 2D image and digitizing it. The acquired geometry is then determined and subsequent steps are performed.

段階410で、放出手段7と先端点の放射線画像取得手段8上の2D投影とを結ぶ軸線21を描き、対応するライン24を算出する。取得した2D画像が最初の取得した画像(初期化)である場合、又は先端点の前の位置が現在位置から離れすぎている場合、段階420を実行する。この段階420において、ライン24は、第1ライン機能部と呼ばれる機能部で処理する。第1ライン機能部は先端点についての最も確率の高い位置を算出する。換言すれば、第1ライン機能部は、複数のライン・セグメントの中から、先端点を含む可能性の最も高いライン・セグメントを決定する。   In step 410, an axis line 21 connecting the emission means 7 and the 2D projection on the radiation image acquisition means 8 at the tip point is drawn, and the corresponding line 24 is calculated. If the acquired 2D image is the first acquired image (initialization), or if the position before the tip is too far from the current position, step 420 is performed. In this stage 420, the line 24 is processed by a function unit called a first line function unit. The first line function unit calculates the position with the highest probability for the tip point. In other words, the first line function unit determines the line segment most likely to include the tip point from among the plurality of line segments.

次いで、各々のライン・セグメントについて、その後の段階を実行する。段階430において、扱っているセグメントについて新しい開始点を決定する。この開始点は以下に述べる特定の判断基準に従って選ばれる。   The subsequent steps are then performed for each line segment. In step 430, a new starting point is determined for the segment being handled. This starting point is chosen according to the specific criteria described below.

段階440において、セグメントの境界を探索する。これらの境界はセグメントの両端の点である。セグメントの新しい境界を算出するために、セグメントの開始点を、以下に述べる特定の判断基準と共に使用する。   In step 440, the segment boundaries are searched. These boundaries are the points at the ends of the segment. In order to calculate the new boundary of the segment, the starting point of the segment is used with the specific criteria described below.

段階450において、ラインに付け加えるべき新しいセグメントを探索する。以下に述べる判断基準に従ってラインに新しいセグメントを付け加える。   In step 450, a new segment to be added to the line is searched. Add a new segment to the line according to the criteria described below.

段階460において、セグメントをソート(仕分け)して、ツリー(木)構造を生成する。セグメントはZ軸に沿ってソートされて、前のラインのセグメントに連結される
段階470において、セグメントの制御を実行する。以下に述べる判断基準に従って、特定のセグメントを融合させ、且つ他のセグメントを抑圧する。
In step 460, the segments are sorted to generate a tree structure. Segments are sorted along the Z axis and joined to the previous line segment. In step 470, segment control is performed. According to the criteria described below, specific segments are merged and other segments are suppressed.

段階480において、ライン・セグメントの信頼性を推定し、表示される結果の適切さをカラー・コードを使用して表す。例えば、先端点を含んでいる確率の高いライン・セグメントを緑色で表示するのに対し、先端点を含んでいる確率の低いセグメントは黄色で表示する。表示する前に、これらの結果を平滑化関数により処理して、表示の品質を改善する。   In step 480, line segment reliability is estimated and the appropriateness of the displayed result is expressed using a color code. For example, a line segment having a high probability of including a tip point is displayed in green, while a segment having a low probability of including a tip point is displayed in yellow. Prior to display, these results are processed by a smoothing function to improve the display quality.

段階490において、このような結果を表示手段上に表示する。   In step 490, such a result is displayed on the display means.

この方法の特定の段階は順次に又は平行に実行することできることが理解されよう。その上、特定の段階は異なる順序で実行することもできる。   It will be appreciated that certain steps of the method can be performed sequentially or in parallel. Moreover, certain steps can be performed in a different order.

次に、一セグメントの開始点の探索について説明する。セグメントの開始点50は、セグメント内の最大グレースケール値の点である。この開始点50を決定するため、前のラインでのこのセグメントの境界によって規定される限界を考慮する。   Next, the search for the start point of one segment will be described. The start point 50 of the segment is the point of maximum gray scale value within the segment. To determine this starting point 50, consider the limits defined by the boundaries of this segment in the previous line.

次に、一セグメントの新しい境界の探索について説明する。図6〜図8を参照すると、新しい境界を探索する段階が例示されている。これらの図は、ラインに沿った点の位置(Z座標)の関数としてそれらの点の強度を表すグラフである。所与の開始点50を持つ、「湾曲スライス」画像の一ラインを考察する。2つの境界を探索する。各境界についての探索は、次のように実行される。グレースケール値Vの開始点50から点毎に移動して、次の条件が満足されるまで続ける。すなわち、(a)第1の固定値53よりも低いグレースケール値の点52に到達するまで(図6参照)、或いは(b)開始点50から到達した最小グレースケール値56に第2の固定値55を加えた合計値よりも大きいグレースケール値の点54に到達するまで(図7参照)続ける。上記の2つの条件(a)及び(b)の内の1つが満たされたとき、新しい境界58及び59は、条件(a)の場合は第1の値よりも大きいグレースケール値を持つ最後の到達した点57に対応し、また条件(b)の場合は最小グレースケール値を持つ点56に対応する(図8参照)。   Next, a search for a new boundary of one segment will be described. With reference to FIGS. 6-8, the steps for searching for a new boundary are illustrated. These figures are graphs representing the intensity of points as a function of the position of the points along the line (Z coordinate). Consider a line of a “curved slice” image with a given starting point 50. Search for two boundaries. The search for each boundary is performed as follows. Moving from the start point 50 of the grayscale value V point by point, continue until the next condition is satisfied. That is, (a) until a point 52 with a gray scale value lower than the first fixed value 53 is reached (see FIG. 6), or (b) a second fixed value at the minimum gray scale value 56 reached from the starting point 50. Continue until a point 54 with a grayscale value greater than the sum of the values 55 (see FIG. 7) is reached. When one of the two conditions (a) and (b) above is met, the new boundaries 58 and 59 are the last ones that have a grayscale value greater than the first value in the case of condition (a). Corresponding to the reached point 57, and in the case of condition (b), it corresponds to the point 56 having the minimum gray scale value (see FIG. 8).

次に、新しいセグメントの付加について説明する。次の2つの場合に、新しいセグメント60が現在のライン61内の既存のセグメント62の一方の側に付け加えられる。すなわち、(a)現在のライン61内の既存のセグメント62の新しい境界63が上記一方の側において前のライン65内の既存のセグメントの境界64よりも小さく(これは、上記一方の側で新しい境界を規定する点が前のラインの既存のセグメントの中に含まれていることを意味する)、且つ上記一方の側での境界が、新しい境界を決定する段階で到達した(条件bの)最小グレースケール値の点56に対応する場合、或いは(b)既存のセグメント62の新しい境界63が上記一方の側において前のライン65内の既存のセグメントの境界64よりも小さく、且つ上記一方の側での古い境界と新しい境界との間の空間60が広いと共に、この空間内の点66が固定の閾値よりも大きいグレースケール値を有している場合である。   Next, addition of a new segment will be described. In the next two cases, a new segment 60 is added to one side of an existing segment 62 in the current line 61. (A) the new boundary 63 of the existing segment 62 in the current line 61 is smaller on the one side than the boundary 64 of the existing segment in the previous line 65 (this is new on the one side) Means that the point defining the boundary is included in the existing segment of the previous line), and the boundary on the one side has been reached at the stage of determining the new boundary (for condition b) Or (b) the new boundary 63 of the existing segment 62 is smaller than the boundary 64 of the existing segment in the previous line 65 on the one side, and This is the case when the space 60 between the old and new boundaries on the side is wide and the point 66 in this space has a grayscale value greater than a fixed threshold.

図9を参照すると、新しいセグメントを付け加えた場合の一例を示している。ここで、新しいラインの左側の境界が前のラインの左側の境界よりも広いことに気付かれよう。左側には、新しいセグメントを付加するための空間はない。他方、新しいラインの右側の境界は前のラインの右側の境界よりも小さい。すなわち、新しいセグメントのために使用することのできる自由な空間がある。新しいセグメントが検出されたとき、新しい境界が、前に述べたように、新しい境界を見つける段階を実行することによって探索される。   FIG. 9 shows an example when a new segment is added. You will notice that the left boundary of the new line is wider than the left boundary of the previous line. There is no space on the left for adding new segments. On the other hand, the right boundary of the new line is smaller than the right boundary of the previous line. That is, there is free space that can be used for new segments. When a new segment is detected, a new boundary is searched by performing the step of finding a new boundary as previously described.

次に、ツリー(木)構造について説明する。各ライン上には、器具の先端点を含んでいる可能性のある複数のセグメントがある。ツリー(木)構造により、可能性のある経路を時間につれて追跡することができる。見つけた各々の新しいセグメントについて、独自のラベル(又はタグ)を割当て、それを次のライン内の対応するセグメントへ送る。その「親」のラベルを記憶手段に記憶させる。これは、現在のライン・セグメントに対応する前のラインに属するラベルをメモリ手段に記憶することを意味する。   Next, a tree structure will be described. On each line there are multiple segments that may contain the instrument tip. The tree structure allows a potential path to be tracked over time. For each new segment found, assign a unique label (or tag) and send it to the corresponding segment in the next line. The label of the “parent” is stored in the storage means. This means that the labels belonging to the previous line corresponding to the current line segment are stored in the memory means.

次に、セグメントの抑圧について説明する。セグメントはそのセグメントの点の最大グレースケール値の関数として抑圧される。セグメントの最大グレースケール値の点が固定の閾値よりも低い場合、そのセグメントは抑圧される。   Next, segment suppression will be described. A segment is suppressed as a function of the maximum grayscale value of the segment point. If a segment's maximum grayscale value point is below a fixed threshold, the segment is suppressed.

次に、2つのセグメントの融合(fusion)について説明する。ライン内の2つの隣接するセグメントは融合させることができる。これを行うためには、各々のセグメントについて、最大グレースケール値の点を探索する。次に、これらの2つの最大グレースケール値の点の間の最小グレースケール値の点を探索する。次いで、最小グレースケール値の点のグレースケール値と2つの最大グレースケール値の点のグレースケール値との間のそれぞれの差を考察する。これらの差の内の一方が固定の閾値よりも低い場合には、2つのセグメントは融合される。   Next, the fusion of two segments will be described. Two adjacent segments in a line can be fused. To do this, search for the point of maximum gray scale value for each segment. Next, a minimum grayscale value point between these two maximum grayscale value points is searched. Then, consider the respective difference between the grayscale value of the point of minimum grayscale value and the grayscale value of the point of two maximum grayscale values. If one of these differences is below a fixed threshold, the two segments are merged.

次に、外科用器具の先端点を含んでいる可能性のあるセグメントの適切さの評価について説明する。そのセグメント内に外科用器具の先端点が存在することの適切さを評価することのできる「信頼性スコア」を、例えば、そのセグメントのボクセルの平均グレースケール値により得ることができる。この信頼性スコアは、カラー・コードによりオペレータのために表示することができる。固定の閾値よりも低い信頼性スコアを持つセグメントはまた、出力画像に表示することができない。   Next, an assessment of the suitability of a segment that may contain the tip of a surgical instrument will be described. A “reliability score” that can assess the adequacy of the presence of a surgical instrument tip within the segment can be obtained, for example, by the average grayscale value of the voxels of the segment. This confidence score can be displayed for the operator by a color code. Segments with a reliability score lower than a fixed threshold cannot also be displayed in the output image.

次に、得られた結果の平滑化について説明する。平滑化段階の際はセグメントの中央が表示される。1つのラインと次に続くラインとの間でのZ軸に沿った変化が、表示のため及び表示の品質の改善のためにのみ、閾値判定される。その閾値は、Z軸に沿った変化の振幅につれて変えることができる。閾値は、先行の変化が高い場合は増大する。そうでない場合は、閾値は減少する。   Next, smoothing of the obtained result will be described. During the smoothing stage, the center of the segment is displayed. The change along the Z-axis between one line and the next following line is thresholded only for display and to improve display quality. The threshold can vary with the amplitude of change along the Z axis. The threshold increases when the preceding change is high. Otherwise, the threshold is decreased.

次に、本方法の一実施形態で得られた結果の視覚化について説明する。記載した方法では、2D画像及び3Dモデルから開始して、外科用器具の先端点の現在の3D位置を決定することができる。得られた結果は、ボリューム・レンダリングを行った3D図100、曖昧な部分を持つ湾曲スライス画像110、又は最大強度の投影図120の形態で表示することができる。   Next, the visualization of the results obtained in one embodiment of the method will be described. In the described method, starting from a 2D image and a 3D model, the current 3D position of the tip of the surgical instrument can be determined. The results obtained can be displayed in the form of a volume rendered 3D diagram 100, a curved slice image 110 with an ambiguous part, or a projection 120 of maximum intensity.

上述の方法及びイメージング装置の一実施形態では、介入的手順中に取り扱うべき区域内に外科用器具の能動端を配置するときにオペレータを支援することができる。また、方法及びイメージング装置の一実施形態では、器具の一点の又は全ての点の現在の3D位置を決定することができる。その上、取得システムの単一平面スキャナが2D画像の2つの取得の間に変位されたとき、単一平面スキャナの動きを患者による動きに同化させることができるので、本イメージング方法の諸段階は変更されない。最後に、脈管系の3Dモデルを求めるために使用される方法については何らの制限はない。   One embodiment of the method and imaging apparatus described above can assist the operator in placing the active end of the surgical instrument in the area to be handled during the interventional procedure. Also, in one embodiment of the method and imaging apparatus, the current 3D position of one or all points of the instrument can be determined. In addition, when the single plane scanner of the acquisition system is displaced between two acquisitions of 2D images, the movement of the single plane scanner can be assimilated into movement by the patient, so the steps of the imaging method are Not changed. Finally, there are no restrictions on the method used to determine the 3D model of the vascular system.

本方法の一実施形態はまた、上述したもの以外の機能を提案することができる。例えば、本方法は、曖昧な部分があるとき別の角度を提案することができ(これは、曖昧な部分があるとき器具の現在の3D位置を決定するために2つの異なる角度で2つの2D画像を取得することを提案することができることを意味する)、また患者へ向けて放出されるX線レベルを低減するために外科用器具の追跡される点(1つ又は複数)の周りにコリメーションを提案することができ、また現在位置の決定のために前の位置を考慮することにより動的にエラーを補正することによってエラー(患者、投影などに関するエラー)に対してより良好な抵抗性を提案することができる。   One embodiment of the method can also propose functions other than those described above. For example, the method can suggest a different angle when there is an ambiguous part (this means that two 2D at two different angles to determine the current 3D position of the instrument when there is an ambiguous part. Collimating around the tracked point (s) of the surgical instrument to reduce the level of x-rays emitted towards the patient Better resistance to errors (errors related to patients, projections, etc.) by dynamically correcting the errors by considering the previous position for the determination of the current position Can be proposed.

更に、本方法の一実施形態は、この種の取得システムにより得られる結果の品質を改善するために二平面スキャナを含む取得システムに使用することができる。   Furthermore, an embodiment of the method can be used in an acquisition system that includes a two-plane scanner to improve the quality of results obtained with this type of acquisition system.

2次元(2D)画像から器具の点の現在の3次元(3D)位置を算出するには、次の2つの条件を考慮する。すなわち、その条件は、外科用器具の先端の点の位置についての制約(先端は血管の内部に位置していなければならない)、及び器具の動きの連続性(時点tに取得された2D画像が時点t−1に取得された画像に時間的に近い場合、時点tにおける器具の点の3D位置は時点t−1における器具の位置に空間的に近い)である。   To calculate the current three-dimensional (3D) position of an instrument point from a two-dimensional (2D) image, the following two conditions are considered. That is, the conditions are constraints on the position of the point of the surgical instrument tip (the tip must be located inside the blood vessel) and the continuity of instrument movement (the 2D image acquired at time t is If it is temporally close to the image acquired at time t-1, then the 3D position of the instrument point at time t is spatially close to the position of the instrument at time t-1.

本発明の更に別の実施形態では、3次元モデルにおいて選択された点は血管の内部に位置していなければならないと云う、選択段階における血管の位置についての条件と、3次元モデルにおいて選択された点は外科用器具の点の前に推定した3次元位置に空間的に近くなければならないと云う、選択段階における外科用器具の点の前に推定した3次元位置についての条件とを含むことができる。本方法の一実施形態は、外科用器具の点の3次元位置が3次元モデルにおいて選択された点の位置に対応する確率を算出する段階を含むことができる。本方法の一実施形態は更に、3次元モデルにおいて選択された点を、算出された確率に応じた色で表示する段階を含むことができる。本方法の一実施形態は、選択段階において、一連の点を含む点列(ライン)を生成する段階を含むことができる。この点列の中の各点は前記近傍内に投影する複数の点の内の1つに対応し、また、点列がゼロよりも大きいグレー・レベルの点より成るセグメントを含むように、点列の内、血管に属していない点のグレー・レベルはゼロに設定され、各セグメントは脈管系の血管部分に対応する。本方法の一実施形態は、選択段階において、点列のセグメントについて開始点を探索する段階を含むことができる。本方法の一実施形態において、選択段階は、点列のセグメントについて境界を探索する段階を含むことができる。本方法の一実施形態において、選択段階は、点列の既存のセグメントが特定の判断基準を満たしている場合に点列に新しいセグメントを付加する段階を含むことができる。本方法の一実施形態において、選択段階は、点列の各セグメントを該点列内でのそれらの位置と前の処理済みの点の列のセグメントの位置との関数としてソートする段階を含むことができる。本方法の一実施形態において、選択段階は、特定の判断基準に従って点列のセグメントを削除する段階を含むことができる。本方法の一実施形態において、選択段階は、特定の判断基準に従って隣接するセグメントを合体させる段階を含むことができる。本方法の一実施形態において、選択段階は、点列のセグメントを評価する段階を含むことができ、この評価には、そこに器具の先端点を含んでいる確率の関数として各セグメントに色を割り当てることが含まれる。   In yet another embodiment of the present invention, the condition for the position of the blood vessel in the selection stage, that the selected point in the 3D model must be located inside the blood vessel, and the selected in the 3D model. And a condition for the estimated three-dimensional position before the surgical instrument point in the selection stage that the point must be spatially close to the estimated three-dimensional position before the surgical instrument point. it can. One embodiment of the method may include calculating a probability that the three-dimensional position of the surgical instrument point corresponds to the position of the selected point in the three-dimensional model. One embodiment of the method may further include displaying selected points in the three-dimensional model in a color that depends on the calculated probability. One embodiment of the method may include generating a sequence of points (lines) including a series of points in the selection step. Each point in the point sequence corresponds to one of a plurality of points projecting into the neighborhood, and the point sequence includes a segment consisting of gray level points greater than zero. The gray level of points in the row that do not belong to a blood vessel is set to zero, and each segment corresponds to a blood vessel portion of the vascular system. One embodiment of the method may include searching for a starting point for a segment of the sequence of points in the selection step. In one embodiment of the method, the selecting step can include searching the boundary for a segment of the point sequence. In one embodiment of the method, the selecting step can include adding a new segment to the point sequence if an existing segment of the point sequence meets certain criteria. In one embodiment of the method, the selecting step includes sorting each segment of the point sequence as a function of their position within the point sequence and the position of the segment of the previous processed point sequence. Can do. In one embodiment of the method, the selecting step can include deleting a segment of the point sequence according to certain criteria. In one embodiment of the method, the selecting step can include merging adjacent segments according to certain criteria. In one embodiment of the method, the selecting step can include evaluating a segment of the point sequence, wherein the evaluation includes a color for each segment as a function of the probability of including the instrument tip point therein. Includes assigning.

更に、本発明を模範的な実施形態について説明したが、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、機能及び/又は方法及び/又は結果において様々な変更を為すことができ、且つその要素を等価物と置換することができることが理解されよう。その上、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるように多数の修正をなすことができる。従って、本発明は発明を実施するための最良の形態として開示した特定の実施形態に制限されず、本発明は特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むものである。更に、用語「第1」、「第2」などは順序や重要さを表すために使用しているものではなく、むしろ用語「第1」、「第2」などは1つの要素又は特徴を他のものから区別するために使用している。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
Furthermore, while the present invention has been described with respect to exemplary embodiments, those skilled in the art can make various changes in function and / or method and / or result without departing from the scope of the invention, and It will be understood that the elements can be replaced with equivalents. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the teachings of the invention without departing from the essential scope thereof. Accordingly, the invention is not limited to the specific embodiments disclosed as the best mode for carrying out the invention, but the invention includes all embodiments that fall within the scope of the claims. Furthermore, the terms “first”, “second”, etc. are not used to indicate order or importance, but rather the terms “first”, “second”, etc. refer to one element or feature. It is used to distinguish it from things. Further, the reference numerals in the claims corresponding to the reference numerals in the drawings are merely used for easier understanding of the present invention, and are not intended to narrow the scope of the present invention. Absent. The matters described in the claims of the present application are incorporated into the specification and become a part of the description items of the specification.

画像取得及び処理システムの一実施形態を示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating one embodiment of an image acquisition and processing system. X線画像取得システムを示す略図である。1 is a schematic diagram showing an X-ray image acquisition system. X線放出手段、放射線画像取得手段、及び脈管系の2つの血管を示す略図である。1 is a schematic diagram showing two blood vessels of an X-ray emission means, a radiographic image acquisition means and a vascular system. 脈管系の異なる血管の画像を示す略図である。1 is a schematic diagram showing images of blood vessels with different vascular systems. イメージング方法の一実施形態の流れ図である。2 is a flow diagram of one embodiment of an imaging method. イメージング方法における新しい境界を規定するための一段階を示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating a stage for defining a new boundary in an imaging method. イメージング方法における新しい境界を規定するための一段階を示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating a stage for defining a new boundary in an imaging method. イメージング方法における新しい境界を規定するための一段階を示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating a stage for defining a new boundary in an imaging method. 2つの2D画像から得られた2つのラインを示し、その内の下側のラインが1つのセグメントを含み且つ上側のラインが2つのセグメントを含んでいることを示す略図である。Fig. 4 is a schematic diagram showing two lines from two 2D images, with the lower line containing one segment and the upper line containing two segments. イメージング方法の異なる種類の表示を示す略図である。1 is a schematic diagram showing different types of displays of imaging methods.

符号の説明Explanation of symbols

1 イメージング装置
2 画像取得システム
3 画像処理システム
4 メモリ手段
5 画像表示システム
6 対象物
7 放出手段
8 放射線画像取得手段
9 支持手段
10 処理手段
11 モータ制御装置
12 X線制御装置
13 画像ディジタル化装置
14 画像再構成装置
20 X線ビーム
21 光学的軸線
22、23 血管
24 点列(ライン)
25、26 ボクセル近傍(部分集合)
27、34 ライン
28、29、30 セグメント
31、32、33 血管
35 曖昧な部分
36 経路
40 小さな画像
50 開始点
52 点
53 第1の固定値
54 点
55 第2の固定値
56 点
57 点
58、59 新しい境界
60 新しいセグメント
61 現在のライン
62 既存のセグメント
63、64 境界
65 前のライン
66 点
100 3D図
110 湾曲スライス画像
120 最大強度の投影図
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Imaging apparatus 2 Image acquisition system 3 Image processing system 4 Memory means 5 Image display system 6 Object 7 Release means 8 Radiation image acquisition means 9 Support means 10 Processing means 11 Motor control apparatus 12 X-ray control apparatus 13 Image digitizing apparatus 14 Image reconstruction device 20 X-ray beam 21 Optical axis 22, 23 Blood vessel 24 Point sequence (line)
25, 26 Voxel neighborhood (subset)
27, 34 Line 28, 29, 30 Segment 31, 32, 33 Blood vessel 35 Ambiguous part 36 Path 40 Small image 50 Start point 52 point 53 First fixed value 54 point 55 Second fixed value 56 point 57 point 58, 59 New boundary 60 New segment 61 Current line 62 Existing segment 63, 64 Boundary 65 Previous line 66 Point 100 3D view 110 Curved slice image 120 Maximum intensity projection

Claims (20)

対象物の脈管系の中に配置された外科用器具の少なくとも1つの点の位置の表示を3次元モデルで実時間で行うためのイメージング方法であって、前記脈管系(6)の中の前記外科用器具の点の現在の3次元位置が推定されるイメージング方法において、
前記対象物の2次元画像で、その位置を推定すべき点の該画像上への投影の近傍内の領域を決定する段階と、
3次元モデルで表された血管(22,23)の位置及び/又は前記外科用器具の点について以前に決定された3次元位置の関数として、2次元モデル上の前記近傍内に投影する3次元モデル内の点を選択する段階と、
を含んでいることを特徴とするイメージング方法。
An imaging method for performing real-time display of a position of at least one point of a surgical instrument arranged in a vascular system of an object in a three-dimensional model, wherein the vascular system (6) In an imaging method in which a current three-dimensional position of the surgical instrument point is estimated,
Determining, in a two-dimensional image of the object, a region within the vicinity of the projection of the point whose position is to be estimated on the image;
3D projecting into the neighborhood on the 2D model as a function of the position of the blood vessel (22, 23) represented in the 3D model and / or the 3D position previously determined for the point of the surgical instrument Selecting a point in the model;
An imaging method comprising:
前記選択する段階における血管(22,23)の位置についての条件として、3次元モデル内の選択される前記点が血管の中に位置していることである、請求項1記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the selected point in the three-dimensional model is located in a blood vessel as a condition for the position of the blood vessel (22, 23) in the selecting step. 前記選択する段階における前記外科用器具の点の以前に推定された3次元位置についての条件は、3次元モデル内の選択される前記点が前記外科用器具の点の以前に推定された3次元位置に空間的に近いことである、請求項1記載の方法。 The condition for the previously estimated 3D position of the surgical instrument point in the selecting step is that the selected point in the 3D model is the 3D estimated before the surgical instrument point. The method of claim 1, wherein the method is spatially close to the location. 前記外科用器具の点の3次元位置が3次元モデル内の選択される前記点の位置に対応する確率を算出する段階を含む請求項1記載の方法。 The method of claim 1, including calculating a probability that a three-dimensional position of the surgical instrument point corresponds to a position of the selected point in a three-dimensional model. 3次元モデル内の選択される前記点を、前記算出された確率に応じた色で表示する段階を含む請求項4記載の方法。 5. The method of claim 4, comprising displaying the selected points in a three-dimensional model in a color that depends on the calculated probability. 前記選択する段階(410)は、一連の点より成る点列(24)を生成する段階を含み、この点列(24)内の各点は前記近傍内に投影する点に1つずつ対応している、請求項1記載の方法。 The selecting step (410) includes generating a point sequence (24) consisting of a series of points, each point in the point sequence (24) corresponding one point to a point projected into the neighborhood. The method according to claim 1. 前記点列(24)内の、血管(22,23)に属していない点のグレー・レベルはゼロに設定され、このため、前記点列(24)はゼロよりも大きいグレー・レベルの点(28,29,30)より成るセグメントを含み、各セグメントは脈管系の血管部分(22,23)に対応する、請求項6記載の方法。 The gray level of points in the point sequence (24) that do not belong to the blood vessel (22, 23) is set to zero, so that the point sequence (24) is a point with a gray level greater than zero ( 28. A method according to claim 6, comprising segments consisting of 28, 29, 30), each segment corresponding to a vascular part (22, 23) of the vasculature. 前記選択する段階は、前記点列(24)のセグメント(28,29,30)について開始点(50)を探索する段階(430)を含んでいる、請求項6又は7記載の方法。 The method according to claim 6 or 7, wherein the selecting comprises searching (430) for a starting point (50) for a segment (28, 29, 30) of the sequence (24). 前記選択する段階は、前記点列のセグメントについて境界(58,59)を探索する段階(440)を含んでいる、請求項6乃至8のいずれか1項に記載の方法。 9. A method according to any one of claims 6 to 8, wherein the selecting comprises searching (440) for a boundary (58, 59) for the segment of the point sequence. 前記選択する段階は、前記点列(61)の既存のセグメント(62)が特定の判断基準を満たしている場合に前記点列に新しいセグメント(60)を付加する段階(450)を含んでいる、請求項6乃至9のいずれか1項に記載の方法。 The selecting step includes the step (450) of adding a new segment (60) to the point sequence when an existing segment (62) of the point sequence (61) meets a specific criterion. 10. The method according to any one of claims 6 to 9. 前記選択する段階は、前記点列(24)の各セグメント(28,29,30)を該点列(24)内でのそれらの位置と前の処理済みの点の列のセグメントの位置との関数としてソートする段階(460)を含んでいる、請求項6乃至10のいずれか1項に記載の方法。 The step of selecting comprises selecting each segment (28, 29, 30) of the point sequence (24) between their position within the point sequence (24) and the position of the segment of the previous processed point sequence. 11. A method according to any one of claims 6 to 10, comprising sorting (460) as a function. 前記選択する段階は、特定の判断基準に従って前記点列のセグメントを削除する段階(470)を含んでいる、請求項6乃至11のいずれか1項に記載の方法。 12. A method according to any one of claims 6 to 11, wherein the step of selecting comprises deleting (470) the segment of the point sequence according to specific criteria. 前記選択する段階は、特定の判断基準に従って前記点列のセグメントを合体させる段階(470)を含んでいる、請求項6乃至12のいずれか1項に記載の方法。 13. A method according to any one of claims 6 to 12, wherein the selecting step includes the step of combining (470) the segments of the point sequence according to specific criteria. 前記選択する段階は、前記点列のセグメントを評価する段階(480)を含んでおり、この評価は、各セグメントの中に前記器具の先端点が位置している確率の関数として該各セグメントに色を割り当てることを含んでいる、請求項6乃至13のいずれか1項に記載の方法。 The selecting step includes evaluating (480) a segment of the point sequence, wherein the evaluation is applied to each segment as a function of the probability that the instrument tip is located within each segment. 14. A method according to any one of claims 6 to 13, comprising assigning a color. 対象物の脈管系を表す3次元モデルで、該脈管系の中に配置された外科用器具の少なくとも1つの点の位置の表示を実時間で行うためのイメージング装置(1)であって、
患者の脈管系の中の前記外科用器具の点の現在の3次元位置を推定する手段を有し、該推定する手段は、
前記対象物の2次元画像で、その位置を推定すべき点の該画像上への投影の近傍内の領域を決定する手段(10)と、
3次元モデルで表された血管(22,23)の位置の関数として及び/又は前記外科用器具の点について推定された以前の3次元位置の関数として、2次元モデル上の前記近傍内に投影する3次元モデル内の点を選択する手段と、
を含んでいることを特徴とするイメージング装置(1)。
An imaging apparatus (1) for displaying in real time a three-dimensional model representing a vascular system of an object and displaying a position of at least one point of a surgical instrument arranged in the vascular system. ,
Means for estimating a current three-dimensional position of a point of the surgical instrument in the patient's vasculature, the means for estimating comprising:
Means (10) for determining a region in the vicinity of a projection on the image of a point whose position should be estimated in the two-dimensional image of the object;
Projecting into the neighborhood on the two-dimensional model as a function of the position of the blood vessel (22, 23) represented in the three-dimensional model and / or as a function of the previous three-dimensional position estimated for the point of the surgical instrument Means for selecting a point in the three-dimensional model to be
An imaging apparatus (1) comprising:
請求項2乃至14のいずれか1項に記載の医用イメージング方法を実行する手段を含んでいる請求項15記載のイメージング装置。 The imaging apparatus according to claim 15, further comprising means for executing the medical imaging method according to claim 2. コンピュータでプログラムを実行するとき請求項2乃至14のいずれか1項に記載の方法を実行するプログラム・コード手段を含んでいるコンピュータ・プログラム。 15. A computer program comprising program code means for executing the method of any one of claims 2 to 14 when the program is executed on a computer. 媒体内に具現化され且つ請求項2乃至14のいずれか1項に記載の方法の各段階を実行するコンピュータ読出し可能なプログラム・コード手段を持つコンピュータ使用可能な媒体を有するコンピュータ・プログラム製品。 15. A computer program product comprising a computer usable medium having computer readable program code means embodied in the medium and performing the steps of the method according to any one of claims 2-14. 媒体内に具現化され且つ請求項2乃至14のいずれか1項に記載の方法の各段階を実行するコンピュータ読出し可能なプログラム・コード手段を持つコンピュータ読出し可能な媒体を有することを特徴とする、コンピュータ・システムに使用するための製造物品。 A computer readable medium having computer readable program code means embodied in the medium and performing the steps of the method according to any one of claims 2 to 14. An article of manufacture for use in a computer system. 機械によって読出し可能なプログラム記憶装置であって、請求項2乃至14のいずれか1項に記載の方法の各段階を実行するために前記機械によって実行可能な命令のプログラムを実体的に具現化するプログラム記憶装置。 15. A program storage device readable by a machine, tangibly embodying a program of instructions executable by the machine to perform the steps of the method according to any one of claims 2-14. Program storage device.
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