JP2006501922A - 記憶された画像を現在画像と関連付ける方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、体の体積の現在の（Ｘ線画像）画像を幾つかの記憶された以前の画像と関連付けることに関連し、ＥＣＧ及び呼吸サイクルは、画像と共に毎回決定される。このデータを用いて、心臓リズム及び呼吸サイクルに関して現在画像に最も近い以前の画像のうちの１つが選択される。結果として得られる関連性は、非常に高い精度を与え、現在画像と関連付けられた以前の画像との重ね合わされた再生を可能とする。

Description

本発明は、幾つかの動き位相を有する動きを受ける体の体積の現在画像の信号用の入力と、現在画像に属する体の体積の動き位相を表わす信号用の少なくとも１つの入力と、体の体積の以前の画像が関連付けられた動き位相と共に記憶されるメモリとを有する、画像処理ユニットに関連する。本発明はまた、異なった動き位相を有する動きを受ける体の体積の現在画像を体の体積の幾つかの以前の画像のうちの１つと関連付ける方法に関連する。

体の体積の撮像は、特に、医療診断及び治療の分野で、即ちＸ線蛍光透視法の分野で実施されている。従って、生物学的な体の体積のＸ線投影について以下例として考え、本発明はいかなる意味でもこれに制限されるものではなく、同様の二次的な条件を有する全ての分野の用途に使用されうる。

特別な医療用途は、患者の脈管系の中でのカテーテルの広がりのＸ線蛍光透視観察によって行われる。カテーテルチップは、処置又は検査されるべき関心領域、例えば狭窄へと出来る限り正確に進められ、又は、ガイドワイヤは、カテーテルチップが正確に位置決めされるよう当該関心領域の背後に位置決めされるべきである。これに関して、体の体積の血管造影画像を体の体積の現在画像に隣接する第２のモニタに表示することが知られている。血管造影画像は、血管を強調された形で再現し、例えば造影剤を用いることによって取得されうる。静止血管造影画像は、脈管系の「脈管マップ」又は「ロードマップ」として主治医による方向付けをサポートする。しかしながら、公知の方法は、観察されている患者の体の体積は通常は特に心拍及び呼吸によって生ずる多少は強い（自然な）動きを受けるため、血管造影画像と現在画像の対応する位置の所望の正確な関連付け、即ちミリメートル又はミリメートル以下の範囲での精度で達成することには適していない。

これに関して、特許文献１により、例えば心臓である動く体の体積に対する例えばカテーテルである器具の位置を決定するために、体の器官の３次元画像をその動きの異なった位相で予め取得し、動きの位相は並行して記録される心電図（ＥＣＧ）によって決定され記述されることが知られている。現在の医療インターベンション中、カテーテルの位置は心電図の関連する位相と共に測定され、カテーテルは、体の器官の心電図の同じ位相と関連付けられる３次元画像中で再現される。しかしながら、この方法は、体の体積の３次元画像を必要とし、一方では医療インターベンションの連続的な蛍光透視監視を含まない。
独国特許出願公開第１９９４６９４８号明細書

上述のことを考慮に入れ、本発明は、体の体積の記憶されるべき画像が、望ましくはミリメートル又はミリメートル以下の範囲での高い精度で現在画像と関連付けられることを可能とする方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的は、請求項１に記載の特徴を有する画像処理ユニットによって、また、請求項９に記載の特徴を有する方法によって達成される。有利な実施例を従属項に記載する。

本発明による画像処理ユニットは、以下のものを含む。
・幾つかの動き位相を有する動きを受ける体の体積の「現在画像」の信号用の入力。画像は、特にＸ線源及びＸ線検出器を有するＸ線装置によって形成されたものでありうる。しかしながら、画像はまた、磁気共鳴、超音波、シンチグラフィ等の他の方法によって取得されたものであってもよい。「現在画像」の語は、この画像が取得され、オンラインで、即ちリアルタイムで転送された通常の状況を表わし、「オフライン」処理を伴う用途は排除されるべきであることを表わす。
・現在画像に属する体の体積の動き位相を表わす信号用の少なくとも１つの入力。
・体の体積の「以前の画像」が関連付けられた動き位相と共に記憶されるメモリ。以前の画像は、やはり体の体積の現在画像を発生する同じ撮像装置によって取得されたものでありうる。しかしながら、以前の画像は他の源から発せられることも可能である。上述の医療インターベンションの文脈では、以前の画像は、特に、当該の体の体積の中の脈管系が表わされる血管造影画像でありうる。

画像処理ユニットは、現在画像を、以前の画像のうち現在画像の動き位相に最も近い動き位相を有する以前の画像と関連付けるようにされる。

本発明による画像処理ユニットは、関連付けられる画像の動き位相が出来る限り互いに近いため、体の体積の以前に記憶された画像を体の体積の現在画像と非常に正確に関連付けることを可能とし、従って体の体積の画像間の動きによって生じた逸脱を最小限とする。

画像処理ユニットの更なる実施例に従って、現在画像と関連する以前の画像の動きの位相の間の距離を決定し、これをユーザのために再生するようにされる。それに加えて、又は、その代わりに、画像処理ユニットは、現在画像と以前の画像の関連づけの最近の更新から経過した時間を決定し、これをユーザのために再生するようにされうる。動きの位相感の距離及び／又は最近の関連付けから経過した事案の再生は、ユーザに、既存の関連づけが依然としてどれだけ最新のものに近いか、即ち正確であるかに関する情報を与える。従って、この表現に基づいて、ユーザは、画像のどの程度のローカルな対応付けが依然として信頼できるものであるかを決定しうる。

画像処理ユニットの特別な実施例に関しては、体の体積は例えば患者の心臓等の生物学的な体の体積であり、体の体積の動きは心拍及び／又は呼吸によって生ずる。心拍及び／又は呼吸は、体を通じて影響のある（自然な）動きの２つの重要な原因を構成する。特別な画像処理ユニットは、動き位相が心電図（ＥＣＧ）及び／又は呼吸センサの信号によって示されることを特徴とする。

本発明の望ましい実施例に従って、画像処理ユニットは、
現在画像と代表画像との間の類似性尺度を計算する段階と、
代表画像と以前の画像又はその一部の量の間の類似性尺度を計算する段階と、
代表画像に対する類似性尺度が代表画像に対する現在画像の類似性尺度に近い所定の範囲内にある以前の画像を選択する段階と、
を実行するようにされる。

このアプローチによれば、代表画像に対して現在画像と「ほとんど類似する又は類似しない」ものであると決定され、即ち、代表画像に対して現在画像と同じ類似性の差を有する全ての以前の画像が決定される。従って、特に、現在画像と非常に類似した画像を含む部分的な量（sub-quantity）は、現在画像に非常に類似する。方法は、代表画像が定義された後に、この代表画像と以前の画像の間の全ての類似性尺度が、それらが記憶された後に一回だけ計算されればよいという利点がある。類似性尺度は、現在画像に対してのみ再び新たに計算されねばならない。従って、部分的な量は、操作中にわずかな努力で定義されうる。

本発明の上述の実施例では、画像の類似性又は類似性尺度の適切な定義を行う必要がある。望ましい類似性尺度は、２つの画像間の差分画像のヒストグラムエネルギーの計算から構成される。この場合、類似性尺度の小さい値が高い類似度を表わし、その逆も成り立つ。

画像処理ユニットの更なる実施例は、現在画像と以前の画像又はその一部の量の間の類似性尺度を計算する段階と、現在画像に対する類似性尺度が所定の閾値を超える以前の画像を選択する段階とを実行するようにされる。

従って、直接的な個々の比較を通じて、以前の画像のうちのどれが特に現在画像と類似するかが決定される。このアプローチは、有利には、個々の比較が部分的な量の要素でのみ実行されるため、上述の部分的な量の決定（代表画像との類似性の比較による）と組み合わされる。類似性尺度の計算に集約的な決定は、最小限とされうる。

本発明の望ましい実施例では、少なくとも１つの心拍の持続時間に亘る完全な心電図と、このＥＣＧに関する以前の画像の取得の時点は、各以前の画像と共に記憶される。更に、画像処理ユニットは、現在画像と並列に記録された心電図を以前の画像の心電図へ写像（変換）する変換を決定するようにされる。この変換を用いて、現在画像の動き位相の相対的な位置は、以前の画像の動き位相に対して決定される。用いられる変換は、２つの異なる心電図を互いに最適に点毎に関連付けると同時に、生理学的電位の時間に関する重要でない変化を均等化する。かかる最適な変換の決定の後、心電図中の所与の点が他の心電図の対応する点と、できるかぎり良く関連付けられる。この関連付けのため、変換が、一定期間（心拍）に亘って心電図全体を考慮に入れることが重要である。

画像処理ユニットの更なる実施例は、関連付けられた画像（現在画像と以前の画像）の間で体の体積全体の動きについて動き補正を行うようにされ、この補正は体の体積全体の動きを考慮に入れる。医療用途では、かかる全体の動きは、特に患者の位置の変化によって生じうる。かかる全体の動きは、一般的には偶発的であり、従って、体の体積の（自然な）動きの補正中に検出されうる規則性を含まない。

画像処理ユニットは、特に例えばモニタ又はプリンタ等の再生ユニットに結合され、体の体積の現在画像及び関連する以前の画像を再生ユニット上に重畳された形で再生するようにされうる。画像処理ユニットの上述の構成により、現在画像と関連する以前の画像との間の対応性について高い精度が達成されるため、これらは非常に正確に重畳されうる。医療用途では、例えば、医師は以前の血管造影画像から、器具（カテーテル等）を示す体の体積の現在画像に加えられる脈管木構造を得ることができる。関連付けの高い精度のために、器具の非常に正確な位置決めが行われうる。以前の画像は、特に、同じ医療インターベンションの以前のする段階からの画像、例えばバルブ・カテーテルによる拡張の前又は拡張中の狭窄の画像、又は、既に導入されている第１のステントの位置の画像でありうる。かかる以前の画像の重畳は、ステントを拡張された狭窄の中に位置決めするよう、又は第１の既に挿入されたステントの近傍に配置するよう、医師が以前の位置を正確に見つけることを可能とする。

本発明は、体の体積の画像を発生し処理する装置に関連し、この装置は、特に上述の種類のＸ線装置及び画像処理ユニット等の画像取得用の装置を含む。更に、この装置はまた、動き位相を表わす信号の取得用のセンサ、特に心電計及び／又は呼吸センサ（腹部ベルト等）を含みうる。

本発明はまた、異なった動き位相を有する動きを受ける体の体積の現在画像を前記体の体積の幾つかの以前の画像のうちの１つと関連付ける方法であって、
動き位相は関連する画像と共に決定され、
現在画像は、以前の画像のうち動き位相が現在画像の動き位相に最も近い以前の画像と関連付けられる方法に関連する。

画像処理ユニットについて上述したように、方法は、現在画像を以前の画像に関連付けるために、画像が取得された体の体積の動き位相を考慮に入れるという利点を与える。これにより、体の動きによって生ずる位置の変化は最小限とされる。

方法は、関連付けられた画像の動きの位相の間の距離及び／又は現在画像と以前の画像の最近の更新の関連付けから経過した時間を決定し、この距離又は時間をユーザのために再生することによって拡張されうる。再生は、望ましくは、時間を表わす棒グラフ、以前の画像のフェーディング、又は色符号化等のグラフィック視覚化によって行われる。

本発明はまた、画像処理ユニットの構造とともに説明されたステップによって拡張されうる。

以下、本発明について図面を参照して説明する。本発明について、医療用途に基づいて以下詳述するが、本発明は、いかなる意味でもこの分野に限られるものではない。図１は、Ｃアーム（図示せず）の端に取り付けられ、それらの間に存在する患者２の体の体積のＸ線画像を形成するＸ線源３及びＸ線検出器１を有するＸ線装置を概略的に示す図である。この画像は、（リアルタイムで）画像処理ユニット５への現在の蛍光透視画像８として印加される。

同時に、患者２のＥＣＧ及び呼吸サイクルを表わす変数が取得され、信号９の形で画像処理ユニット５へ与えられる。

画像処理ユニット５は、患者２の体の体積の以前の画像が記憶されるメモリ４を有する。かかる画像は、特に、造影剤を用いてＸ線装置１、３によって取得され、体の体積の中で脈管木構造を強調された形で示す血管造影画像である。以前の画像はまた、他の装置（ＭＲ、超音波、シンチグラフィ等）によって取得されたものでありうる。更に、以前の画像はまた、Ｘ線装置１、３によって取得された現在のインターベンションに関連するバッファリングされた画像又は画像列でありうる。この種の画像は、患者の脈管系に導入され、カテーテルチップ又はガイドワイヤ等の器具の位置を再現しうる。

画像処理ユニット５はまた、（少なくとも）２つのモニタ６、７に結合され、両方のモニタ６、７に「生で」現在画像８を表示し、その上に重ね合わせて、メモリ４から得られた以前の画像のうちの１つをモニタ上に表示するようにされる。以前の画像の並行（重ね合わせた又は別個の）表示は、医師による患者２の脈管木構造内の器具のナビゲーションを容易とするのに役立つ。例えば、以前の血管造影画像は、ある種の脈管マップ（ロードマップ）を提供し、又は、同じ医療インターベンションの以前の画像は、例えば、バルブ・カテーテルによって拡張された狭窄の位置又は以前に配置された第１のステントの位置を示す。後者の場合、以前の画像は、医師が器具を以前に選ばれた場所へ再配置するのを支援する。

以前の画像の使用可能性について、その中に表わされる器官及び血管の位置が現在画像中の状況にできるかぎり正確に対応することが重要である。所与の用途について、また、現在及び以前の画像の重ね合わされた再生の場合に、ミリメートル又はミリメートル以下の範囲の精度が追求されるべきである。

上述の精度は、本発明によれば、心拍及び／又は呼吸によって生ずる体の体制自体の自然の動きが、メモリ４からの以前の画像を現在画像８と関連付けるのに考慮に入れられる。

心拍が考慮に入れられるのを可能とするために、少なくとも１回の心拍の持続時間、即ち以前の画像が発生された持続時間に亘るＥＣＧ、並びに、ＥＣＧに対する取得の時点もまた、以前の画像と共にメモリ４に記憶される。ＥＣＧサイクル全体を間隔［０，２π］に写像することは、取得時点を、この間隔からの値として表現することを可能とし、これは以前の画像の相対心拍位置を反映し、続いて以前の画像の第１のインデックスとして役立つ。

呼吸が考慮に入れられるのを可能とするために、更に、以前の画像に対して第２のインデックスが与えられる。この第２のインデックスは、呼吸サイクルにおけるそれらの相対的な位置を反映する。第２のインデックスはまた、間隔［０，２π］へと正規化される。第２のインデックスは、例えば、呼吸センサの測定信号から導出されうる。或いは、第２のインデックスは、呼吸サイクルの極端な時点（例えば深い吸入）に属する参照画像Ｒと以前の画像の類似性の比較によっても取得されうる。所与の以前の画像の第２のインデックスは、参照画像Ｒに対する類似性の距離を示し、従って呼吸サイクルにおける相対位置を反映する。

参照画像Ｒ自体は、以前の画像から選択されたものでありうる。かかる以前の画像から呼吸の極端な位相からの画像を見つけるために、各以前の画像について、一連の順次画像（少なくとも２つの呼吸サイクルに亘る）に対する類似性の尺度は実験的に計算されうる。これらの類似性の尺度が変化し、例えば呼吸頻度の約２倍で周期的に変化すれば、実験的に考えられた以前の画像は、呼吸サイクルの中心位相からの画像である。しかしながら、類似性の尺度が略単一の呼吸頻度で周期的に変化すれば、当該の以前の画像は呼吸の極端な位相に属すると考えられ、従って参照画像Ｒとしての使用に適している。

以前の画像を現在画像と関連付ける様々な方法について、以下説明する。

図２は、図式的な表現に基づく本発明による関連付けの第１の方法を示す図である。上の列は、図１のモニタ６上の体の体積の蛍光透視ライブ画像のシーケンスであって、その中でカテーテル１２が進行されるものを示す。これらのライブ画像のうちの１つは、「現在画像８」を構成し、これについて以下説明する。

夫々の以前の画像１０ａ，１０ｂは、図１のモニタ７上のライブ画像に重ね合わされる。これらの以前の画像は、メモリ４から取り出され、間隔をおいて更新される。以前の画像は、例えば、体の体積の中の脈管木構造を示す血管造影画像でありうる。以前の画像１０ａと現在画像８の選択及び関連付けは、第１の関連付けの方法に従って３つの段階で行われる。

まず、所定の参照画像Ｒに対して、呼吸サイクルに関して現在画像８と略同じ類似性の差を有する画像がメモリ４から選択される。このために、現在画像８は参照画像Ｒと比較され、即ち２つの画像間の類似性の尺度ｒが計算される。同様に、類似性の尺度は、参照画像Ｒと、メモリ４内の全ての以前の画像の間で比較されうる。後者は、尺度が変化しないため、所与の量の以前の画像について一回だけ実行されればよい。上述のように、この尺度は正規化されえ、（呼吸）インデックスとして以前の画像に加えられ得る。従って、動作中に必要な計算作業の量は、比較的少ない。

類似性の尺度、又はインデックスを用いると、以前の画像の部分的な量Ｕが決定されえ、そのメンバは、参照画像Ｒに対して現在画像８と略同じ類似度を有する。これは、これらの画像の類似性尺度が、例えばウィンドウｒ±Δ内にあることを意味する。メモリ４がこの条件を満たす画像を含まない場合、関連づけの方法はこの点で中断される。

しかしながら、部分的な量Ｕが少なくとも１つの要素を含む場合、呼吸サイクルに関する第２の選択が第２の段階で実行される。部分的な量Ｕのうちの以前の画像は、現在画像８と個々に比較され、即ち、関連付けられる類似性の尺度ｒ’が計算され、部分的な量Ｖ≦Ｕが決定され、その画像は現在画像８に対する類似性に関する限界値を超える。計算集約的な画像８との個々の比較は、量Ｕを予め選択することによって最小限とされる。

最後に、心拍を考慮に入れるために、ＥＣＧ中の相対的な時点が現在画像８の相対的なＥＣＧ時点に最も近い以前の画像１０ａが部分的な量Ｖから選択される。現在画像８と以前の画像の心電図を比較するために、例えば動的なプログラミング・アルゴリズムにより、変換が決定される。この変換は、心電図を互いに最適に写像し、従って心電図の顕著な特徴（Ｒ、Ｓ、Ｔローブ）間の位相の差の正確な予測を可能とする。

上述の関連付けの方法は、まず以前の画像の部分的な量がＥＣＧ比較によって決定されるよう第１のバーションに従って変更されうる。現在画像に最も良く一致するその要素のうちの１つは、現在画像に対する類似性の直接的な比較によって決定されうる。

関連付けの方法の第２のバージョンは、心臓サイクル及び呼吸サイクルについての以前の画像の上述のインデックスを使用する。これらのインデックスを介して、２次元パラメータ平面上の点が各以前の画像と関連付けられ得る。（通常は楕円の）近傍が現在画像の周り定められ、これはまたパラメータ平面上でも表される。この近傍（存在する場合）の中に位置する以前の画像は、関連付けのための潜在的な候補である。これらの候補の間で、現在画像に対する類似性の直接的な比較によって見つけられ得る。この種類の方法は、心臓サイクルと呼吸サイクルが２次元パラメータ平面上で組み合わされた形で考慮に入れられることを可能とする。

関連付けに続く後処理段階（図示せず）では、選択された以前の画像１０ａと現在画像８の間の動きの推定及び補正は、患者の（全身の）動きによる変化を補償するよう実行されうる。

上述の方法では、例えば、画像の差のヒストグラム・エネルギーは、２つの画像間の類似性の適切な尺度である。比較されるべき画像は、次々と互いから差し引かれ、この差分画像のヒストグラムが計算される。ヒストグラムは、差分画像の幾つの画素ｎ（Ｇ）が夫々所与のグレースケール値Ｇを有するかを示す。次に、類似性の尺度ｒが、全ての画素からの平方和の定義によってヒストグラム・エネルギーとして計算され、即ち、

である。

この定義は、グレースケール値の集中を有するヒストグラムは高いヒストグラム・エネルギーを有し、一方で、全ての画素に亘ってグレースケールの分布が出来る限り均一であるヒストグラムは小さいヒストグラム・エネルギーを有することを意味する。従って、この定義による類似性の尺度ｒは、比較される画像が高い類似度を有する場合は小さい数値を有する。当業者は、局所相関又は「相互情報」に基づいて他の類似性の尺度を定義しうる。

決定された以前の画像１０ａは、別々に、或いは、現在画像８に重ね合わされてモニタ上に表示されうる。記憶された以前の画像と夫々の現在画像との間の関連付けは、通常はリアルタイムで連続的に更新されえないが、各呼吸サイクル毎に（少なくとも）１回だけは更新されるため、ユーザは更に、瞬間的に関連付けられる最新性を示すインジケータ１１が追加的に与えられる。インジケータは、例えば、図２に示すようにその色を変化させることができ、また、関連性が長く続くにつれて短くなる、時間を表わす棒グラフ１１でありうる。関連付けの時間の長さの関数としての重ね合わされた画像１０ａのフェーディングはまた、非常によく直感的に知覚されうる。

本発明による画像処理ユニットが設けられたＸ線装置を示す図である。 典型的な画像に基づく本発明による装置の動作原理を示す図である。

Claims (10)

1. 幾つかの動き位相を有する動きを受ける体の体積の現在画像の信号用の入力と、
   前記現在画像に属する前記体の体積の前記動き位相を表わす信号用の少なくとも１つの入力と、
   前記体の体積の以前の画像が前記関連付けられた動き位相と共に記憶されるメモリとを有する、画像処理ユニットであって、
   前記画像処理ユニットは、前記現在画像を、前記以前の画像のうち前記現在画像の動き位相に最も近い動き位相を有する以前の画像と関連付けるようにされる、画像処理ユニット。
2. 前記現在画像と関連する以前の画像の動きの位相の間の距離及び／又は最近の関連付けから経過した時間を決定し、これをユーザのために再生するようにされる、請求項１記載の画像処理ユニット。
3. 前記体の体積は生物学的な体の体積であり、前記体の体積の動きは心拍及び／又は呼吸によって生じ、前記動き位相は心電図によって及び／又は呼吸センサからの信号によって検出されることを特徴とする、請求項１記載の画像処理ユニット。
4. 前記現在画像と代表画像との間の類似性尺度を計算する段階と、
   前記代表画像と以前の画像又はその一部の量の間の類似性尺度を計算する段階と、
   前記代表画像に対する類似性尺度が前記代表画像に対する前記現在画像の類似性尺度に近い所定の範囲内にある以前の画像を選択する段階と、
   を実行するようにされた、請求項１記載の画像処理ユニット。
5. 前記現在画像と以前の画像又はその一部の量の間の類似性尺度を計算する段階と、
   前記現在画像に対する類似性尺度が所定の閾値を超える以前の画像を選択する段階と、
   を実行するようにされた、請求項１記載の画像処理ユニット。
6. 各以前の画像と共に、前記関連付けられた心電図及び前記画像取得の相対的な時点とが記憶されることと、
   前記画像処理ユニットは、
   前記現在画像と以前の画像の心電図を互いに一対一に写像する変換を決定する段階と、
   前記心電図で示される前記現在画像と前記以前の画像の動き位相の相対的な位置を前記変換によって決定する段階とを実行するようにされたことと、
   を特徴とする、請求項１記載の画像処理ユニット。
7. 前記現在画像と前記関連付けられた以前の画像との間で前記体の体積全体の動きについて動き補正を行う、請求項１記載の画像処理ユニット。
8. 再生ユニットに結合され、前記現在画像及び前記関連する以前の画像を前記再生ユニット上に重畳された形で再生するようにされることを特徴とする、請求項１記載の画像処理ユニット。
9. 異なった動き位相を有する動きを受ける体の体積の現在画像を前記体の体積の幾つかの以前の画像のうちの１つと関連付ける方法であって、
   前記動き位相は前記関連する画像と共に決定され、
   前記現在画像は、前記以前の画像のうち動き位相が現在画像の動き位相に最も近い以前の画像と関連付けられる、方法。
10. 前記現在画像と前記関連付けられた以前の画像の動き位相の間の距離及び／又は最も最近の関連付けから経過した時間を決定し、ユーザのために再生することを特徴とする、請求項９記載の方法。

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