JP2012505006A - デバイスと組織の複合ブースティング - Google Patents

Abstract

関心対象をその中のデバイスとともに可視化する装置と方法を提案する。本装置は、関心対象とデバイスの画像情報を提供するように構成された画像形成部と、処理部と、画像を表示するように構成されたディスプレイとを有し、画像はデバイスの画像情報と、関心対象のブースティングした画像情報との合成である。ここで、処理部は、画像形成部が提供した画像情報に基づきデバイスを検出及びセグメンテーションする段階と、デバイスの画像情報を除去する段階と、提供された画像情報に基づき関心対象を検出する段階と、関心対象の画像情報をブースティングする段階と、デバイスの画像情報を再度挿入する段階と、を実行するように構成されている。

Description

概略として、本発明は、関心対象をその中のデバイスとともに可視化する装置と方法に関する。さらに、本発明は、前記装置の使用と、関心対象をその中のデバイスとともに可視化する装置を制御するように構成されたコンピュータプログラム製品とに関する。

具体的に、本発明は、組織構造を患者の治療に用いるデバイスとともに可視化する装置と方法に関する。

「経皮経管冠動脈形成」（ＰＴＣＡ）用画像化システムで行われる、心臓狭窄を治療する基本的なインターベンション手順に関する説明は、非特許文献１に記載されている。

カテーテルを投与部位の血管系に挿入して、太い血管に沿って治療を要する血管構造まで進める。カテーテルを介して造影剤を注入し、造影剤で満たされた血管を示す血管造影シーケンスをＣａｔｈｌａｂＸ線装置で記録する。画像化装置のジオメトリを変えて診断用血管造影図の撮影を繰り返す。診断・インターベンション計画はこのような診断用血管造影図に基づく。インターベンションの際、フレキシブルで部分的にまたは全体的に放射線を通さないガイドワイヤを、病変血管構造（冠状血管狭窄、神経血管動脈瘤、動静脈奇形など）まで進める。低線量Ｘ線監視によりガイドワイヤを可視化して、ガイドワイヤを進める際にインターベンションする者が手と目を協調できるようにする。配置する時は、ガイドワイヤがインターベンション装置（拡張やステントデリバリ用バルーン、動脈瘤凝固用取り外し可能コイル）を送るレールの役目をする。インターベンション装置のデリバリと配置はＸ線透視検査で制御する。

ここで、ＰＴＣＡにおいて最も難しい段階は、目標の病変（狭窄）にガイドワイヤの先端を通すことである。通常、この場所の血管壁は均一ではなく、当然のことながら、管は狭くなっている。そのため、狭窄の通過は、インターベンション（intervention）のうち最も時間がかかる（線量が増える）部分のひとつである。

もうひとつの難しい段階は、目標病変に対してバルーンまたはステントマーカを位置付けることである。この位置付けの精度が非常に重要であるのは、これによりバルーン及び／またはステントをどこに展開するか決まるからである。

狭窄通過が難しい理由のひとつは、ほとんど盲目的に行わねばならず、目標が動くからである。ほとんどの時間、心臓医は狭窄がどうなっていて、ワイヤ先端の狭窄内での正確な位置はどこか調べようとして、ワイヤ先端のみを見ている。このプロセスでは、心臓医は、造影剤を少し投入して、ワイヤ先端が狭窄に対してどこにあるか調べる役にたてようとし、インターベンションを進める。

同様に、狭窄に対してバルーンやステントマーカを位置付ける場合、心臓医は、少量の造影剤を注入して、マーカをどう動かして最適位置に持っていくか決定する。どちらの場合（狭窄通過とマーカ位置決め）でも、造影剤注入が役に立つが、次に示すいろいろな要因のため、やはり困難なプロセスである：
−いろいろな動きがあること（心臓、呼吸、造影剤フロー、装置）、
−動きのためズームに限度があること、
−Ｘ線透視状態により画像のコントラストが悪いこと。

ここで、状況を改善するために、デバイスブースティングと呼ぶ方法を用いることができる（例えば、非特許文献２を参照）。これは、時間的なインテグレーションによりデバイスを見やすくしつつ、デバイスの動きを補償するものである。

デバイスブースティングには画像処理方法を実行するビューイングシステムを用いることができる。ビューイングシステムは、一連の画像を取得する手段と、その画像をリアルタイムで処理して表示する手段とを有する。本システムは、原画像に適用され、関心対象を抽出して位置特定する初期化手段を有する。関心対象は画像のリファレンシャル（referential）に対して動いており、背景もそのリファレンシャルと関心対象の両方に対して動いている。初期化手段は、画像のリファレンシャルに対して関心対象をレジストレーションするレジストレーション手段を有する。本システムは、さらに、関心対象を自動的に強調し、ノイズを最小化し、画像の背景をぼけまたは薄れさせる処理手段を有する。前記処理手段は、リファレンシャルに対して関心対象をレジストレーションした少なくとも２つの画像に時間積分法を行う手段を含む。関心対象のレジストレーション後、背景は画像のリファレンシャルに対してまだ動くので、この時間積分法により、関心対象を強調する一方、背景のノイズと、ぼけ及び薄れとを最小化する。

しかし、（上記のアプリケーションの場合に通常起こるように）デバイスが周囲の組織に対して動くと、デバイスベースのレジストレーションとインテグレーションは制限され、組織の視認性が悪くなる（ぼける）、組織に対するデバイスの位置決めが悪くなる。

「生体装置と血管の整合に対するアルゴリズム解法」（J. Bredno, B. Martin-Leung & K. Eck. In Proceedings of SPIE - Volume ５３７０ - Medical Imaging ２００４: Image Processing, J. Michael Fitzpatrick, Milan Sonka, Editors, May ２００４, pp. １４８６-１４９７） 「Ｘ線透視装置の改善のためのレジストレーションとインテグレーション」James C. Ross, David Langan, RaviManjeshwar, John Kaufhold, Joseph Manak, and David Wilson. Miccai ２００５

本発明の目的は、この状況を改善して、デバイスと関心対象の両方を監視する使いやすい方法を提供することである。特に、関心対象にリンクした安定化したリファレンシャル中の動いているデバイスを正しく可視化して、デバイスと関心対象の両方を強調することが必要である。

本発明の上記その他の態様を、以下に説明する実施形態を参照して明らかにし、説明する。

概略的に、関心対象をその中のデバイスとともに可視化する装置と方法を提案する。本装置は、前記関心対象と前記デバイスの画像情報を提供するように構成された画像形成部と、処理部と、前記画像を表示するように構成されたディスプレイとを有し、前記画像は前記デバイスの画像情報と、前記関心対象のブースティングした画像情報との合成である。ここで、処理部は、次のステップを実行するように構成されている：前記画像形成部が提供した画像情報に基づき前記デバイスを検出及びセグメンテーションする段階と、前記デバイスの画像情報を除去する段階と、提供された画像情報に基づき前記関心対象をレジストレーションする段階と、前記関心対象の画像情報をブースティングする段階と、前記デバイスの画像情報を再度挿入する段階。

本発明の方法は後ほど詳細に説明する。さらに、本発明では、上記方法のステップを実行する装置を制御するコンピュータプログラム製品として、上記方法のステップをコンピュータ読み取り可能媒体に格納できる。

以下、添付した図面を参照しつつ実施形態により本発明を説明する。

本発明による方法のステップを示す図である。

レジストレーションした組織リファレンシャ内でデバイス（バルーン／ステントマーカやワイヤ先端など）とその周辺の組織（狭窄）とが両方とも強調されるように、デバイス検出方法と組織ブースティング法（anatomy boosting techniques）とを組み合わせることを提案する。

本発明の基本的な特徴は、次の通りである：
−デバイス（マーカやワイヤ先端など）を自動的に検出し、トラッキングする段階と、
−好ましくはブースティング後に、前記デバイスをセグメンテーションする段階と、
−造影剤が前記デバイスの近くに届き、組織（狭窄など）を可視化する瞬間を判断する段階。これはデバイスコントラストを時間的に監視することにより行う。
−デバイスのセグメンテーションに基づき、ワイプアウト法を適用してデバイスを含まない画像を生成する段階と、
−検出したデバイスの周囲における組織レジストレーションを、デバイスを含まない画像において行う段階と、
−組織ブースティングを適用して、組織の可視性を改善し、（場合によってはエラスティックワープを含む）レジストレーションをできるようにする段階と、
−レジストレーションした組織リファレンシャルに、（場合によっては通常の方法で別途ブースティングした）デバイスを再度入れる段階。

図１に示したように、提案の方法は、自動的に、すべてのＸ線透視で行われる（例えば、カテーテルによる心臓インターベンション）複数のステップによる。

ステップＳ１において、デバイスを検出してトラッキングする。すなわち、Ｘ線透視をリアルタイムで分析して、目標デバイスを検出（位置特定）し、トラッキングする。通常、デバイス（マーカとガイドワイヤ先端）はすぐに見つかるので、この手順は完全に自動化でき、ユーザインターラクションはまったく（またはほとんど）必要ない。例えば、バルーン／ステントマーカの場合、上記の通り、この手順はステントブースティングにすでに組み込まれている。

ステップＳ２において、オプションのタスクとして、完全なデバイスブースティングを行うことができる。検出とトラッキングはすでにできているので、これは時間積分（temporal integration）プラス空間的強調に対応する。ブースティング（boosting）後、デバイスの信号対ノイズ比は改善し、その後のセグメンテーションが容易になる。

ステップＳ３において、デバイスをセグメンテーションする。ステップＳ１において、デバイスは検出され、位置は正確に分かっている。しかし、これは必ずしもデバイスがセグメンテーションされているということではない。例えば、ステントブースティングにおいて、マーカの位置は重心に局在しているが、必ずしもセグメンテーションされていない。しかし、シグネチャが強く、局所限定ができ、（任意的に）このデバイスをブースティングしたものを使えるので、通常の方法を用いてデバイスのセグメンテーションをすることができる。しかし、ファジーなセグメンテーション（各値が、デバイスがある確率を表すデバイスマップの作成）をすることも可能である。

ステップＳ４において、造影剤を検出する。一旦デバイスをセグメンテーション（または単に局在化してファジーに表現）すると、デバイスをその周辺のコントラストを時間的に分析する。これにより、造影剤が届くのを監視して、（造影剤により十分に可視化されているので）組織の検出とトラッキングが可能な瞬間に合成デバイス・組織ブースティング手順を自動的にトリガーすることができる。

ステップＳ５において、デバイスをワイプアウトまたは減衰する。セグメンテーションしているので、デバイスを除去または減衰できる。ここで、セグメンテーションは単に、各画素について、その場所における「デバイス性（deviceness）」の確率を示すデバイスマップを求めることを意味する。これは標準的ないわゆる修復法（in-painting methods）により行える。しかし、デバイスを完全に除去する必要はなく、ファジーセグメンテーション（またはデバイスマップ）のおかげでデバイス減衰ステップも行うことができる。

ステップＳ６において、関心対象をレジストレーションする（registered）。基本的に、レジストレーションは、関心対象を一連の画像中で特定することである。このレジストレーションは、関心対象の検出とトラッキングにより行うことができる。または、明示的に検出をしなくとも、デバイスの周囲における直接的な動きベクトル場推定により行うことができる。デバイスの局在性（localisation）のため、関心対象（通常は血管セグメントや狭窄などの組織）を検出して、デバイスが無い画像でトラッキングできる（そのため、組織検出アルゴリズムをデバイスの「邪魔」をしない）。しかし、これは必ずしも必要ではなく、組織（anatomy）を直接的に検出して、（デバイスの局在情報により）元のＸ線透視画像においてトラッキングしてもよい。なお、デバイス検出と組織検出とを密接に結合できる点は興味深い。組織検出はデバイスを局在化（localisation）しないと開始できない。しかし、組織検出を行うと、造影剤により組織の可視性は向上するが、デバイスの可視性が低下する。組織トラッキング情報を用いて、デバイストラッキングの性能を改善するために、組織局在化情報をデバイストラッキングにフィードバックすることは有益であろう（デバイスは組織の近くに、より一般的には組織と空間的な関係性を有しているからである）。

ステップＳ７において、関心対象をブースティングする（boosted）。一旦レジストレーションすると、組織リファレンシャル中にレジストレーションされた関心対象すなわち組織をブースティングでき、時間積分及び空間的強調ができる。これには、弾性的レジストレーション（elastic registration）が必要な場合がある。もちろん、さらにズームすることも可能である。

ステップＳ８において、デバイスを再度入れる（re-inject）。（セグメンテーションするか、ファジー表現した）デバイスを、レジストレーションしてブースティングした組織シーケンスに、（正しく変換（geometrical transform）して）再度入れて、組織とデバイスを両方とも強調し、その相対的な動きをボケ無しに観察できる安定化した（場合によってはズームした）シーケンスを生成することができる。

結果として、ブースティングした組織と、レジストレーションした組織中のデバイスとを示す画像を得ることができる。あるいは、ディスプレイ上で、自然な動きでデバイスと組織を表示してもよい。アプリケーションによっては、デバイスに対して表示画像をレジストレーションし、デバイスにリンクしたリファレンシャル中に組織運動を表示するとよいこともある。

他の実施形態では、デバイスのハードセグメンテーションではなくてファジー表現（デバイスマップ）を用い、事前にデバイスの除去（wiping-out）をしなくても組織検出ができる。

本発明は、経皮冠動脈インターベンション（ＰＣＩ）用の心臓用Ｘ線システムに適用できる。ＰＣＩは心臓用Ｘ線システムの最も重要なアプリケーションのひとつであり、大きな市場がある。インターベンション時間を削減し、必要な放射線量と造影剤量を低減し、手順の信頼性と心臓医の使いかってを改善することが本発明の目的であり、本発明によりこれらを同時に満たすことができる。Ｘ線では、電気生理学インターベンション（心房切除またはペースメーカ設置）も潜在的なアプリケーションである。

可能性のある他のアプリケーションについて、どんなインターベンション画像化システムでも潜在的には関係してくる。これは特に、生検時の超音波の場合にあてはまる。生検針がデバイスであり、場合によっては動いている目標器官に進める。器官は患者の呼吸や動きにより、または自然な器官運動により、または針とのインターラクションにより、動く場合がある。生検の場合、デバイスと目標器官とを同じくらいはっきりと見て、目標器官に対する針の相対的な動き知ることが非常に望ましい。

本発明を、図面と上記の説明に詳しく示し説明したが、かかる例示と説明は例であり限定ではなく、本発明は開示した実施形態には限定されない。

請求項に記載した発明を実施する際、図面、本開示、及び添付した特許請求の範囲を研究して、開示した実施形態のその他のバリエーションを、当業者は理解して実施することができるであろう。 請求項において、「有する（comprising）」という用語は他の要素やステップを排除するものではなく、「１つの（"a" or "an"）」という表現は複数ある場合を排除するものではない。単一のプロセッサまたはその他のアイテムが請求項に記載した複数のユニットの機能を満たすこともできる。相異なる従属クレームに手段が記載されているからといって、その手段を組み合わせて有利に使用することができないということではない。コンピュータプログラムは、光記憶媒体や他のハードウェアとともに、またはその一部として供給される固体媒体などの適切な媒体に記憶／配布することができ、インターネットや有線または無線の電気通信システムなどを介して他の形式で配信することもできる。請求項に含まれる参照符号は、その請求項の範囲を限定するものと解してはならない。

Claims (12)

1. 関心対象をその中のデバイスとともに可視化する装置であって、
   前記関心対象と前記デバイスの画像情報を提供するように構成された画像形成部と、
   処理部であって、
   前記画像形成部が提供した画像情報に基づき前記デバイスを検出及びセグメンテーションする段階と、
   前記デバイスの画像情報を除去する段階と、
   提供された画像情報に基づき前記関心対象をレジストレーションする段階と、
   前記関心対象の画像情報をブースティングする段階と、
   前記デバイスの画像情報を再度挿入する段階と、を実行するように構成された処理部と、
   前記画像を表示するように構成されたディスプレイとを有し、
   前記画像は前記デバイスの画像情報と、前記関心対象のブースティングした画像情報との合成である、装置。
2. 前記画像形成部はＣＴシステム、ＭＲシステム、または超音波システムである、請求項１に記載の装置。
3. 前記関心対象をレジストレーションする段階は、前記関心対象の検出とそのトラッキングをする段階、または前記デバイスの周囲の直接的動きベクトル場推定をする段階を含む、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記処理部は、前記デバイスの画像情報をブースティングする段階を実行するように構成されている、請求項１ないし３いずれか一項に記載の装置。
5. 前記処理部は、造影剤を検出した場合、前記デバイスの画像情報を除去する段階と、前記関心対象を検出する段階と、前記関心対象の画像情報をブースティングする段階と、前記デバイスの画像情報を再挿入する段階とを自動的に実行する、請求項１ないし４いずれか一項に記載の装置。
6. 関心対象をその中のデバイスとともに可視化する方法であって、
   前記関心対象の画像情報と前記デバイスの画像情報とを提供する段階と、
   前記画像情報に基づき前記デバイスを検出及びセグメンテーションする段階と、
   前記デバイスの画像情報を除去する段階と、
   前記画像情報に基づき前記関心対象をレジストレーションする段階と、
   前記関心対象の画像情報をブースティングする段階と、
   前記デバイスの画像情報を再度挿入する段階と、
   前記関心対象のブースティングした画像情報と前記デバイスの画像情報との合成である画像を表示する段階とを有する、方法。
7. 前記関心対象をレジストレーションする段階は、前記関心対象の検出とそのトラッキングをする段階、または前記デバイスの周囲の直接的動きベクトル場推定をする段階を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記デバイスの画像情報をブースティングする段階をさらに有する、請求項６または７に記載の方法。
9. 造影剤を検出して、前記デバイスの画像情報を除去する段階と、前記関心対象を検出する段階と、前記関心対象の画像情報をブースティングする段階と、前記デバイスの画像情報を再挿入する段階とをトリガーする段階をさらに有する、請求項６ないし８いずれか一項に記載の方法。
10. 関心対象をその中にあるデバイスとともに可視化する、請求項１ないし５いずれか一項に記載の装置を制御するように構成されたコンピュータプログラム製品。
11. 関心対象をその中にあるデバイスとともに可視化する、請求項１ないし５いずれか一項に記載の装置の使用であって、前記装置の処理部は
    前記装置の画像形成部が提供した画像情報に基づき前記デバイスを検出及びセグメンテーションする段階と、
    前記デバイスの画像情報を除去する段階と、
    提供された画像情報に基づき前記関心対象をレジストレーションする段階と、
    前記関心対象の画像情報をブースティングする段階と、
    前記デバイスの画像情報を再度挿入する段階と、を実行するように構成されている使用。
12. 関心対象をその中にあるデバイスとともに可視化する、請求項１ないし５いずれか一項に記載の装置を制御するコンピュータプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能媒体。

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