JP2006521153A - 動き補正された三次元ボリュームイメージング方法 - Google Patents

Abstract

Ｘ線イメージング方法は、対象物に関してＸ線源による走査回転により検査される医療用又は獣医科用対象物についての複数の二次元のＸ線投影画像を形成する。そのようなＸ線画像は、前記対象物により生成される機能性プロセスに関するそれぞれの所定の時間的瞬間において取得される。後方投影することにより前記のＸ線投影画像から、前記対象物についての三次元ボリューム画像は再構成される。特に、適切な動き補正がそれぞれの二次元画像に対して導き出され、続いて、種々の補正された二次元画像からの動きベクトル場に基づいて、意図された三次元ボリュームが再構成される。

Description

本発明は、請求項１の序文に記載されているように、対象物に関してＸ線源によりスキャン回転により検査される医療用又は獣医科用対象物についての複数の二次元Ｘ線投影画像の集合を生成する段階と、前記対象物についての三次元ボリューム画像を後方投影することにより前記のＸ線投影画像から再構成する段階とを有するＸ線イメージング方法に関する。

そのような方法は、心臓及び他の医療用診断操作のために用いられてきた。二次元画像から設定された適切な３Ｄ又は４Ｄデータを取得することに対する主な問題点は、対象となっている人間又は他の生体内のアイテムの動きであって、その動きは、ときどき、実質的に周期的であるが、完全にはそのように周期的ではない。他の条件下では、腸のような問題となっている対象物は、全く不規則な動きとして考えられる。更に、その対象物は、呼吸又は意識的に動くことによりもたらされるような二次動きの影響を受けることがあり得る。それ故、種々の二次元画像は、あまり良好ではないそれらの適用性をレンダリングする同一の３Ｄ対象物に戻って参照することができないことが問題点である。しかしながら、動きが同じ“位相”にある利用可能なデータの量を増加させつつ、最高品質の再構成に対して、処理される二次元画像の数はできるだけ多い必要があり、そのような位相は検出可能である。

それ故、特に、本発明の目的は、意図される三次元ボリュームを種々の補正された二次元画像から再構成されるそれぞれの二次元画像に対して動き補正を与えることにより有用な二次元画像の数を増加させることである。以下に更に詳細に説明するように、補正は、特徴抽出及び／又は、マーカー、分岐点等のような三次元特徴マッチングに基づくことが可能である。

それ故、そのような特徴に従って、本発明は、請求項１の特徴部分により特徴付けられる。

本発明は又、請求項１に記載の方法を実行するために配置された三次元Ｘ線装置に関する。更に、本発明の有利な特徴については、従属請求項に記載している。

図１は、本発明を適用することが可能である例示としてのＸ線イメージング装置を示している。基本的には、その装置は、検査される対象物であって、特に、心臓及びその関連管状血管系のような、（擬似）周期的に動く対象物、又は、それに代えて、腸又はその一部のようなかなり予測不可能に動く対象物の二次元Ｘ線画像を生成することが可能である。そのような二次元画像の組み合わせから、対象物の三次元ボリュームを得る必要がある。そのような三次元の再構成は単独で、当該技術分野の状態を表している。例えば、その動きの位相間隔の間に選択された心臓の一部を表すような四次元のデータの集合を生成するために、同様の技術を用いることが可能である。

ここで、イメージング装置１は、一部として示しているスタンド１１に搭載されているＣ字型アーム１０を有する。Ｃ字型アームは、図示していないモータードライブにより両方向矢印２０の方向にその中心において、例えば、１８０°の角度に渡って回転されることができる。Ｃ字型アームは、中心の周りの特定のボリュームについてＸ線画像を形成することができるような方式で互いに対して相対的に位置合わせされたＸ線源１２とＸ線が像ピックアップ１３とを収容している。それらの複数のＸ線画像は、は線により示されている部分にある画像形成システム１２、１３のそれぞれの異なる角度方向付けにより生成される検査の下でのボリュームを示す。ピックアップ装置は、テレビジョンチェーンを供給するＸ線イメージインテンシファイアの一連の配列であることが可能である一方、信号は更にＡ／Ｄ変換されて（１４）記憶され（１５）、それ故、完全な検査は一連の画像（．．．Ｄ_ｉ−１，Ｄ_ｉ，Ｄ_ｉ＋１，Ｄ_ｉ＋２．．．）を生成する。それらのＸ線画像自体は、検査のための三次元ボリュームを得るために基地の再構成方法（１６）により処理されることができる。このボリューム又はそれを透過する種々の投影をモニタ１８上に表示することができる。イメージング装置の種々のサブシステムは制御器１７により制御される。他の適用可能装置はマルチスライスＣＴスキャンに基づくことが可能である。

図２は、心周期と種々の適用可能データ取得瞬間とを示している。簡単化のために、心周期Ｈは理想的な周期性を示しているが、実際には、大きい変動が生じ得る。三次元画像のための好ましいデータ取得瞬間は、ＥＣＧスケールにおける終末拡張期ＥＤ中に位置付けられており、この期間中、心臓の幾何学的構造は比較的安定している。Ｃ字型アームのスキャン速度は、１分当たり約６０回の心拍において１５乃至２０秒で１８０°であることが可能であり、１秒当たり２５個の画像を供給する。これは、その理想的な図において示しているように、約１２乃至１５°の角度変化及び１心拍数に対して約２５個の画像数を意味している。腸及び動脈の動きは、同様に、何分の１秒乃至数秒の範囲内の時間スケールで起こる。

ここで、心臓内科医は、対象領域（ＲＯＩ）にマーカーを付けたステントデリバリカテーテルを位置付けることが可能である。そのようなマーカーは、それらのみで、Ｘ線が像への変換を容易にするために広く用いられてきた。マーカーは、コントラスト流体に対して比較的暗い又は比較的明るいドットとしてＸ線画像上に示すことが可能である。代替として、コントラスト流体を用いないで、観察可能コントラストを血液に関連付けることができる。続いて、患者又は装置のどちらかを動かすことにより、回転中心をＲＯＩの近傍に位置付けた後、心臓のＲＯＩの回転スキャンを実行する。複数のマーカーを備えた、所謂、ガイドワイヤを使用することにより、より大きいＲＯＩを用いること、更には、得られる画像の品質を改善することが可能である。

この実施形態の原理は、後方投影に先立ち、回転スキャンの二次元画像を補正することにより心臓又は他の動きに対して補償することである。動き補償技術自体については、本譲渡人に譲渡された、欧州特許第０２２９２９９５．４号明細書、欧州特許第０３２９０４５５．９号明細書及び欧州特許第０２２９２３３６．１号明細書において開示されている。そのような技術は、（１）二次元画像においてマーカー／フィーチャーを特定することと、（２）動きベクトル場における二次元画像ワーピングによる動き補正とを可能にし、それ故、特定されたマーカー／フィーチャーはそれらの二次元基準位置に移動され、残りの画像を補正するために変換を用いる。重要なことは、その画像において特定されたマーカー／フィーチャーが補正される各々の画像についての二次元基準位置を決定することである。各々の画像における各々のマーカー／フィーチャーの二次元基準位置を決定するために、次のような段階を実行する。
− ＥＣＧに基づく基準画像選択段階。ＥＣＧ信号は、適切な角度距離の下にあり及び同じ心周期位相にある２つの基準画像を選択するために用いられる。ＥＣＧ信号分析による心周期位相の決定は心臓モデリング及び心臓再構成の両方に対する最新技術である。略９０°である基準画像は心臓モデリングにおいて用いられる。そのような選択に対する他の技術も同様に適用可能である。
− ３Ｄにおける基準マーカー／フィーチャー特定段階。マーカー／フィーチャーは基準画像の１つにおいて特定される。この特定化はユーザにより選択された２つのマーカー／フィーチャーのみを必要とし、完全に自動化されることが可能である。マーカー／フィーチャーのエピポーラ投影線を用いて、それらは、いずれの他の基準画像において自動的に特定化される。それにより、マーカー／フィーチャーの三次元位置が認識される。
− 三次元基準マーカー／フィーチャーの２Ｄへの投影段階。回転スキャンの二次元画像の各々に対して、基準マーカー／フィーチャーの二次元位置は、三次元マーカー／フィーチャーの位置の二次元画像への投影により決定される。各々の画像に対して、これは、その画像において認識されたマーカー／フィーチャーが補正される二次元基準位置を決定する。

補正に基づく投影画像選択
“動き補正量”を、例えば、特定された二次元マーカー位置と基準の二次元マーカー位置との間の距離、ＥＣＧ分析又はそれら２つの方法の組み合わせにより測定することができる。動き補正量が特定の値より小さい画像を選択することにより、再構成の画像品質の特徴は影響される。再構成のために用いられる画像数と画像間の類似性との間のトレードオフがなされる。この値のバランスをとることにより、心臓再構成の画像品質は改善され、それ故、意図された（医療）目的のために最適化される。

三次元再構成
最新技術のフェルドカンプ（Ｆｅｌｄｋａｍｐ）後方投影再構成により、三次元ボリュームが選択された統制画像に基づいて生成される。そのボリュームは、次いで、医療分析のために視覚化される。結果として得られた三次元再構成の画像品質は、マーカー／フィーチャー近傍で、それ故、ＲＯＩにおいて医療的に使用できることようになっている。

複数の三次元再構成の重畳
“心臓動き補償”は三次元心臓ＲＯＩ再構成に構築されるため、心臓領域の複数の実行がなされ、適切に重畳されることが可能である。これは、複数の心臓ＲＯＩ再構成を実行している間に、患者において同じ位置にマーカーが残されることが必要である。これは、例えば、ＲＯＩにおける冠動脈、設けられたステント及びプラークが単一の三次元ビューに視覚化されることを可能にする。

本発明の更なる特徴
ここで、上記における主な困難は、動いている対象物の投影を供給するためのゲーティングウィンドウの適切な決定である。原理的には、そのようなゲーティングウィンドウは、測定することと同時にＥＣＧ信号を分析することにより導き出されることが可能であるが、本発明者は、ゲーティング瞬間を決定するための分析は、好適には、適切なデータの分析に基づく必要があると結論付けた。それ故、有利な実施形態は、心周期に対して非常に実行可能である動脈分岐点又は骨要素のような１つ又はそれ以上の特徴点に続く。そのような方法は、下で更に詳細に説明する冠動脈の特徴点の四次元動き追跡を本質的に意味する。時間的に決定する、心周期に対する特徴点の三次元位置は、冠動脈の速度及び加速度分析のために用いられることができ、その分析は適合化された特徴点依存性時間的ゲーティングウィンドウを最適に生成する。

心臓環境における画像再構成に伴う特定の問題点の１つは、そのような再構成のために利用可能である限定された投影数であり、その投影数の不足は、最終的に再構成された画像において、しばしば、重大なストリーキングアーティファクトの原因となる。それ故、使用可能な投影数は、実質的に増加される必要がある。この対象物は、最も有利な心臓周期の位相において取得されなかったそれらの投影のための二次元動き補償を生成することにより、好適に達成される。その実施形態の方法は、特に、冠動脈の動きを、次のような２つの主な成分に分離する。即ち、
− 心臓の収縮によりもたらされる非線形成分、及び
− 対象物の回転によりもたらされる線形成分
である。

その結果、変換マトリクスは、１つの心臓位相から他の位相に投影を変換する。ここで、その方法のフローチャートを示す図３を参照するに、動き補償された二次元投影が次のように得られる。ここでは、先ず、ブロック３０において、必要なハードウェア及びソフトウェア機能が与えられる。続いて、較正されたシステムから回転血管造影データの集合を取得する（ブロック３２）。特定の心臓位相に対して低空間分解能ボリュームデータの集合を再構成する（ブロック３４）。ボリュームデータにおいて三次元中心線を評価する（ブロック３６）。異なる投影幾何学的構成を用いて、ボリュームデータ（又は、三次元中心線）を続いて取得される投影に前方投影する（ブロック３８）。このビューイング角度についての適切な動き補償投影に対する初期近似として前方投影されたボリューム又は中心線を用いる（ブロック４０）。現在のビューイング角度において実際に取得された投影と初期の近似との間の変換マトリクスを算出する（ブロック４２）。取得された投影を補正心臓位相に変換する（ブロック４４）。いずれの又は全ての適切な投影に関する上記方法を連続して適用することにより、付加的に取得された投影を三次元再構成方法に組み込む（ブロック４６）。続いて、処理を停止させる、又は、他の一連の測定を実行する（ブロック４８）。

上記のように、本発明について、好適な実施形態を参照して開示した。当業者は、同時提出の特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の修正及び変形を実施することが可能である。それ故、それらの実施形態は例示とみされるべきものであり、請求項に記載されたもの以外であるところのそれらの実施形態は限定的なものではない。

本発明を適用することが可能であるＸ線イメージング装置を示す図である。 心周期と種々の適用可能データ取得瞬間とを示す図である。 本発明の実施形態についてのフローチャートを示す図である。

Claims (18)

1. Ｘ線イメージング方法であって：
   対象物に関してＸ線源による走査回転により検査される医療用又は獣医科用対象物についての複数の二次元のＸ線投影画像を形成する段階であって、そのＸ線画像は、前記対象物により生成される機能性プロセスに関するそれぞれの所定の時間的瞬間において取得される、段階；並びに
   前記対象物についての三次元ボリューム画像を後方投影することにより前記のＸ線投影画像から再構成する段階；
   を有する方法であり、
   前記方法は、動きベクトル場に基づいてそれぞれの二次元画像に対して、続いて、意図された三次元ボリュームを再構成する種々の補正された二次元画像から、適切な動き補正を導き出すことにより特徴付けられる；
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記動き補正は、実質的に周期的である対象となっている対象物の動きの対応する瞬間に取得される基準画像からもたらされ、その基準画像は、実質的に異なる投影方向付けを有する、ことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記の対応する瞬間は心臓の動きの対応する位相を参照する、ことを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、前記動きは、分岐点のような対象物の次の１つ又はそれ以上の特徴点からもたらされる、ことを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、前記動きベクトル場をもたらすための特徴抽出に基づいている、ことを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、二次元投影は対象物の機能性プロセスによる動きの更に有利な位相において算出された形状の方に補正される、ことを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、前記対象物における全体的収縮によりもたらされる非線形成分と前記対象物における全体的回転によりもたらされる線形時間成分とに前記対象物の一部の評価された動きを分離することによる、ことを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、特に冠動脈アーティファクトに適用される、ことを特徴とする方法。
9. 請求項２に記載の方法であって、前記投影方向付けは、実質的に４５°乃至９０°の間の範囲内の角度で変える、ことを特徴とする方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、適切にステントを有する冠動脈と対象の動脈の動脈壁部と共に用いる、ことを特徴とする方法。
11. 請求項１に記載の方法であって、ステントデリバリカテーテル又はガイドワイヤに与えられたマーカーのような、対象物において存在する物理的要素から前記動き補正がもたらされる、ことを特徴とする方法。
12. 請求項１に記載の方法であって、前記補正に前記対象物に関する全体の変換を含む、ことを特徴とする方法。
13. 請求項１に記載の方法であって、特定化された二次元マーカー／フィーチャーの位置と基準の二次元マーカー／フィーチャーの位置との間の測定された距離から、ＥＣＧ分析により又はそれらの２つの方法の組み合わせにより動き補正量を導き出す、ことを特徴とする方法。
14. 請求項１に記載の方法であって、複数の心臓対象物再構成を重畳して実行することにより、三次元心臓対象物再構成のためのビルトイン心臓動き補償を用い、同じ位置において１つ又はそれ以上のマーカーを保ちながら、心臓領域についての複数の実行を生成し、重畳する、ことを特徴とする方法。
15. 請求項１に記載の方法であって、前記投影方向付けは、実質的に４５°乃至９０°の間の範囲内の角度で変える、ことを特徴とする方法。
16. 請求項１に記載の方法であって、特徴点の位置の三次元決定に基づいて時間的ゲーティングを決める、ことを特徴とする方法。
17. 請求項１に記載の方法であって、次のような一連の段階であって：
    較正されたシステムから回転血管造影データの集合を取得する段階；
    特定の心臓位相に対して低空間分解能ボリュームデータの集合を再構成する段階；
    前記ボリュームデータにおいて三次元中心線を評価する段階；
    異なる投影幾何学的構成を用いて、続いて取得される投影に前記ボリュームデータ又は前記三次元中心線を前方投影する段階；
    このビューイング角度についての補正動き補償投影に対する初期近似として前方投影されたボリューム又は中心線を用いる段階；
    現在のビューイング角度において実際に取得された投影と前記初期近似との間の変換マトリクスを算出する段階；
    前記の取得された投影を補正心臓位相に変換する段階；
    いずれの又は全ての適切な投影に関する上記段階の連続適用により、付加的に取得された投影を三次元再構成方法に組み込む段階；
    を有する段階の１つ又はそれ以上の段階を有する、ことを特徴とする方法。
18. 請求項１に記載の方法を実行するために配置されたＸ線装置であって：
    対象物に関してＸ線源によるスキャン回転により検査される前記対象物についての複数の二次元Ｘ線投影画像の集合を形成するためのＸ線機構であって、Ｘ線画像は前記対象物により生成される機能性プロセスに関するそれぞれの所定の時間的瞬間において取得される、Ｘ線機構；
    前記対象物の三次元ボリューム画像を後方投影することにより再構成される前記のＸ線投影画像の集合から前記Ｘ線機構により供給されるデータ処理手段；並びに
    動きベクトル場に基づいてそれぞれの二次元画像に対して適切な動き補正を導き出すために及び意図された三次元ボリュームを再構成するための前記データ処理手段に種々の補正された二次元画像を続いて供給するために、前記データ処理手段と相互作用する補正手段；
    を有することを特徴とするＸ線装置。

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