JP5000664B2 - 画像記録変換の選択を可能にするためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、画像記録変換(image registration transformation)の選択を可能にするためのシステム、特に手術前に又は手術中に得られる画像データセットを、例えば侵襲性介入手順中に得られる他の画像データセットの座標空間に変換するための臨床上最適な記録変換の手術中の医師誘導選択(physician-guided selection)を可能にするためのシステムに関する。

本発明はさらに、手術前又は手術中に得られる画像データセットを前記介入手順中に得られる他の画像データセットの座標空間に変換するための複数の同時に表示される記録変換の１つを、侵襲性外科手順中に医師が選択することを可能にするための方法にも関する。

画像誘導は、低侵襲性介入手順、例えば臨床ＥＰ検査室及び心臓カテーテル検査室において日常的に行われる手順においてますます重要な役割を果たしている。例えばＭＤＣＴ及びＭＲＩのように手術前又は例えばボリューム超音波及び回転Ｘ線からのＣＴのような再構成のように手術中の何れか一方に行われ、画像データセットにより表される複数の撮像モダリティからの情報の付加価値は、例えば回転Ｘ線、超音波（Ｕ／Ｓ）及びエレクトロアナトミカルマッピングからの画像データセットのような、他の手術中に収集される情報を持つ上記画像データセットのマルチモダリティ融合の必要性の動機となる。前記画像データセットは一般的に脳、心臓及び肺等のような構造体からの解剖学上及び機能上の情報を示すか又は構造体の名前、物体の特徴、解剖学上の湾曲、脳機能等のような記号情報を示すことができる。

これらの手術前及び手術中に収集される画像データセットの迅速且つ正確な記録は、画像誘導介入及び臨床における意思決定にとって不可欠である。画像データセットの記録は、２つの異なる画像データセットが互いに比較され、これらデータセットが互いにどの位調和しているか又は位置合わせされているかを確かめる処理を続ける。これが一度決められると、前記画像データセットは、正確に表示、重畳又は互いに融合される。

全てでは無いが、殆どの現在行われている記録処理において、幾何学的変換に対する現在の推定をする場合、２つのデータセットが互いに位置合わせされている可能性を反映している類似性手段が計算される。類似性手段はしばしば、類似性目的関数と呼ばれる。変換パラメタの推定は、全体の最大に関連するパラメタの推定を特定するために、前記類似性関数を介して最適化され、結果生じる変換は融合結果として表示される。可能な類似性関数は、正規化相互相関、相互情報量、差分二乗和及び差分絶対値和を含む。

理想的には、前記類似性関数は最も大きい極大である突出した極大を持つであろう。一般的な撮像システムの場合、前記最も大きい極大に対応する単一の記録結果が表示される。しかしながら、この極大は、臨床上許容可能である"最適な"記録には対応せず、医師に時間のかかる、冗長な手動によるデータセットの位置合わせを手術中に行わせる。

その上、実際の患者のデータの融合が抱える共通の問題は、前記類似性関数において複数の極大が存在していることであり、これは類似のコスト値を持つ。これら極大の最も大きい極大だけが前記記録変換に対し考慮される。

画像誘導介入及び臨床における意思決定を行うのに必要とされる変換画像に使用される前記最適な記録変換を特定しようとして、幾つかの可能な記録変換の集合から医師が選択することを可能にすることがこれにより有益である。

本発明の目的は、画像記録変換の選択を可能にするための新しい、改良されるシステムを提供することである。

本発明の他の目的は、手術前及び手術中に得られる画像データセットを、例えば侵襲性介入手順中に得られる画像データセットに変換するための臨床上最適な記録変換の手術中の医師誘導選択を可能にするための新しい、改良されるシステムを提供することである。

本発明の他の目的は、前記臨床上最適な記録の高い可能性の候補のランクリストとして複数の記録結果を供給し、これら結果の１つを医師が選択可能にする記録情報を選択するための新しい及び改良されるシステムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、複数のデータセット間の類似性を表す類似性関数の前記最も大きい極大に対応する記録結果のような単一の記録結果だけでは供給しない臨床上最適な記録変換を選択するための新しい、改良されるシステムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、データセットの手動による位置合わせを手術中に医師が行う必要を最小にする、さらには削除する臨床上最適な記録変換を選択するための新しい、改良されたシステムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、侵襲性介入手順の間、手術前及び手術中に得られる画像を前記介入手順の間に得られる他の画像に変換するための複数の同時に表示される記録変換の１つを医師が選択可能である新しい、改良された方法を提供することである。

これら目的及び他の目的を達成するために、第１の画像データセット及び第２の画像データセットを互いに対応して表示するのに使用するための画像記録変換の手術前の選択を可能にするためのシステムは、前記第１及び第２の画像データセットを得る画像データセット収集装置を有し、プロセッサは前記画像データセット収集装置に結合され、前記第１及び第２の画像データセットが互いに対応している可能性を示す類似性関数を計算し、次いで前記類似性関数の複数の極大の各々のランキングを決め、ディスプレイ装置は前記プロセッサに結合され、複数の前記極大から得られる前記記録変換がその装置上に表示され、ユーザインタフェースは前記プロセッサに結合され、次に使用するための各記録変換の選択を可能にする。

複数の可能な記録変換を医師に与えることにより、医師は異なる記録変換結果を容易に見ることができ、その結果が臨床上最適な記録変換であるかを確かめるために、各々を連続して選択することができる。医師が最も高いランクの記録変換を選択するが、それが最適だとは思われない場合、医師は他の記録変換をすぐに選択することができ、この代替の記録変換が臨床上最適な結果であるかを調べる。複数の極大から得られる複数の記録変換の決定は、医師がそれにより作業を行う事例及び便宜性を容易にする。

前記記録変換は、前記極大を高い順番のランク順で表示される、このランキングは、前記極大での類似性関数の値、前記極大の湾曲及び前記極大の捕捉範囲のような極値特徴、第１及び第２の画像データセットと同様の特徴を持つ２つの画像データセットの事前の変換からのデータ、並びに前記第１及び第２の画像データセットと同様の特徴を持つ２つの画像データセットの事前の変換からの医師の入力データであり、事前の変換と同じ事前の変換のデータベース又は貯蔵所に記憶されるデータ、の１つ以上に基づいている。

第１の画像データセット及び第２の画像データセットを互いに対応して表示するのに使用するための画像記録変換の手術中の選択を可能にするための方法は、第１及び第２の画像データセットを得るステップ、前記第１及び第２の画像データセットが互いに対応している可能性を示す類似性関数を計算するステップ、前記類似性関数の複数の極大の各々のランクキングを決めるステップ、及び次に使用するために表示される記録変換の各々の選択を可能にするステップを有する。複数の異なる記録変換のうちの１つを選択するための容易な機能を医師に提供する利点が上述されている。

前記極大のランキングは、前記第１及び第２の画像データセットと同様の特徴を持つ２つの画像データセットの事前の変換からのデータに基づいて決められる。この事例において、前記第１及び第２の画像データセットからのデータ特徴が得られ、先に得られる又は事前の変換情報のデータベースが検索され、前記第１及び第２のデータセットと同様のデータ特徴を持つ事例又は関連する画像データセットを特定する。前記極大のランキングは、前記第１及び第２の画像データセットと同様の特徴を持つ２つの画像データセットの事前の変換からの医師の入力データに基づいて決められることもできる。この事例において、事前の事例に関する医師の入力データは、この事前の事例のデータ特徴と共に記憶される。前記極値のランキングも前記類似性関数の極大の極値特徴を使用して決められる。好ましくは、これら技術のうち３つ全ては、記録変換のランク順を決めるのに使用される。

本発明は、本発明の他の目的及び利点と一緒に、同じ参照番号は同じ要素を特定している添付する図面と共に行われる以下の説明を参照して最も良く理解される。

同じ参照番号は同一の又は同様の要素を指している付随する図面を参照すると、図１は本発明による方法を行うためのシステム１０の主要部分を示す図である。システム１０は、プロセッサ１６に接続される２つの撮像システム１２、１４を最も基本的な形態で有し、このプロセッサ１６はさらに、ディスプレイ１８、臨床データベース２０を含むメモリ部分及びグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）２２にも接続されている。別々に示されているが、ＧＵＩ２２がディスプレイ１８に組み込まれる、すなわちタッチスクリーン式ディスプレイとすることも可能である。

図２は、手術中に使用する記録変換を医師が選択することを可能にするために、記録変換のリストを形成し、このリストを医師に示すための方法のフローチャートを示す。本説明が医師に前記リストを示すことを述べているが、本発明は画素変換を使用する必要がある他の業種の者によっても応用可能であると理解される。

この方法において、第１のステップ２４、２６は、２つの撮像システム１２、１４から多モードデータセット(multimodal dataset)を得ることである。通例、これらデータセットの１つは手術前に、例えばＭＤＣＴ又はＭＲＩのような撮像モダリティから得られ、他のデータセットは手術中に、例えば回転Ｘ線システム、超音波システム又はエレクトロアナトミカル(electro-anatomical)マッピングから得られる。それにもかかわらず、前記方法が使用される様式に依存して、前記データセットは手術前又は手術中に得られる。手術前に得られる場合、画像データセットは、前記方法が利用されるときにアクセスされるメモリ部品に記憶されることができる。

前記データセットから、データ特性が得られ、データベース２０にある事前情報の貯蔵庫に誘導される。データベース２０が検索され（２８）、撮像システム１２、１４を介して得られたデータセットにあるのと同様のデータ特性を持つ事例、すなわち関連する画像データセットを特定する。前記データベース２０にある事前情報の貯蔵庫は、前記特定された事例３０からの医師の入力も含み、これは、以下において十分に論じられる記録変換順位付けに関する追加情報として好ましくは使用される。この医師の入力は、特別な事例に関連して前記データベース２０に記憶される。

臨床データベース２０の検索と略同時に、記録手続き３２が開始される。この記録手続き３２は、幾何学的変換モデル、類似性メトリック(similarity metric)及び最適化戦略３４を選択することを含んでいる。変換パラメタに対する幾つかの初期条件推定は、前記類似性関数の統計学的な等間隔格子(uniform-gridded)の適応調査(adaptive probing)又はランダムに分散したサンプリングから得られる（３６）。

極大は、調査されたコスト平面から特定される（３８）。これは、前記初期条件の各々から数値最適化を並行して行うこと、及び各パラメタ検索ベクトルに対する類似性コスト平面値及び勾配のリストを反復中に蓄積することを必要とする。全ての開始状態に対し収束した後、前記類似性関数における極大は、前記蓄積した類似性コスト平面の特徴に基づいて特定される。図３は、特定された上位５つの極大を持つ類似性関数の図表を示す。

例えば類似性の値、極大の湾曲及び捕捉範囲を含む対応する極値特徴が計算される（４０）。

記録変換ランクのリストは、例えば前記極値特徴に基づくと共に、好ましくはデータベース２０にある情報も考慮して得られる（４２）。例えば、前記記録変換は、以下の要因の１つ以上に従ってランク順位付けされる。前記要因とは、類似性関数の値、前記極大の湾曲及び前記極大の捕捉範囲である。この順位付けは、同様の特徴を持つ先行する事例から得られる医師の選択の予備知識３０、すなわちデータベース２０に含まれる前記医師の入力に関連するデータセットの分析に基づいて適応的に修正される。

前記記録変換ランクのリストは、例えば各々が対応する変換パラメタによる三次元融合の結果を持つ多数の連続するボタン又は稼動領域のリストとして、ディスプレイ１８において医師に図示される（４４）。特に、各ランクの位置に対し、前記対応する記録結果と組み合わせて、例えば類似性関数の値、極大の湾曲及び極大の捕捉範囲のような前記極値特徴の値、並びに事前情報の貯蔵庫からの要約された事前情報４６が表示される。

特に、図４は、極大における前記類似性関数の値（行５４）と一緒に、図３に示される前記類似性関数の上位５つの極大のランキング（行５２）を示す。単に説明を目的とするために、２つの画像データセット間における相関性を示す概念上の結果も示され（行５６）、ある画像データセットは楕円形で示され、残りのデータセットは六角形で示されている。

図５は、例えば図３に示される結果に基づいて、本発明による方法を利用してディスプレイ１８上に表示される例示的なスクリーンである。図５は５つの稼動領域５８を左側に示し、これら稼動領域５８の右側に大きな表示領域６０を持つ。表示領域６０は、選択された記録変換を示す。システム１０は、稼動領域５８の最も高い領域における最大の極大と共に前記記録変換を自動的に表示するように構成され、小さい極大を持つ記録変換は、値の降順で他の稼動領域５８において表示される。示されるように、５つの稼動領域５８が表され、各々は例えば図３に示される類似性関数から特定される上位５つの極大に対応している。しかしながら、異なる数の稼動領域５８も利用可能である。

前記方法を利用する場合、医師は稼動領域５８に複数の記録変換を備え、これら変換の全ては、どれが臨床上最適な融合結果を供給するかを医師が決めるまで、ＧＵＩ２２を使用して容易に及び個々に選択されることができる。これにより、ディスプレイ１８を眺めているとき、医師は、医師が信じているものが臨床上最適な結果であることを表すリストから稼動領域５８を選択することができ、これが表示領域６０において拡大図として示される。

図２に戻って参照すると、オプション４８は、選択した結果に満足しない場合、医師は、幾何学的変換モデル、類似性メトリック及び最適化戦略３４の選択で始まる記録手続き３０を再び始めることを可能にするために設けられる。医師が前記選択した結果に満足する場合、システム１０は、ディスプレイ１８上の前記結果５０を維持し、医師はＧＵＩ２２を使用してインターベンションを進める。

臨床上最適な変換の医師の選択及び各臨床データセットのキー特徴は、今後の研究のために記録のプレイリストランキングに関する予備知識として今後使用するためにデータベース２０に記憶される。候補のプレイリストから臨床上有効なパラメタの医師の選択は、追加の候補変換に対するより局所的且つ強制的な検索のためのシード点として使用されることができる。本質において、最良の臨床記録の素早い階層的選択のために、この改良が供給される。

上述した本発明による方法の様々な応用が存在している。ある応用は、侵襲誘導又は診断用の多モードデータセットの融合に使用する、例えば心臓カテーテル検査室、ＥＰ検査室又は画像誘導手術室内における変換画像に使用する。この方法は、医師がＧＵＩだけを用いて、類似性関数で特定された複数の極大に対応する記録結果のランクリストの視覚的描写から選択することができるので、手動による位置合わせの必要性を最小にする臨床上最適な記録変換を素早く手術中に選択することを可能にするための簡単且つ効果的な方法を供給する。

医師は、記録プレイリスト、すなわち稼動領域５８を素早く誘導し、臨床上最適な変換を選択し、侵襲を続けることが可能である。この方法は、記録変換の局所的な改良のために複数の階層的ステップを含むことも可能である。

本発明の説明される実施例が付随している図面を参照してここで説明されているが、本発明がこれらの厳密な実施例に制限されることはなく、本発明の範囲又は意図から外れることなく当業者により様々な他の変更及び修正がもたらされることがあると理解すべきである。

本発明による方法を行うためのシステムの主要部分を示す図。 本発明による情報を符合化するための方法のフローチャート。 本発明による方法で形成される類似性関数を示す。 図３に示される前記類似性関数から得られる情報を示す表。 本発明による、記録変換がシステムに示される方式及び方法。

Claims (16)

1. 第１の画像データセット及び第２の画像データセットを互いに対応して表示するのに使用するための画像記録変換の手術中の選択を可能にするためのシステムにおいて、
   前記第１及び第２の画像データセットを供給するための画像データセット供給手段、
   前記第１及び第２の画像データセットが互いに対応している可能性を示す類似性関数を計算し、前記類似性関数の複数の極大の各々のランキングを決めるための前記画像データセット供給手段に結合されるプロセッサ、
   前記極大から得られた複数の記録変換を表示するための前記プロセッサに結合されるディスプレイ手段、及び
   後で使用するために前記記録変換の各々の選択を可能にするための前記プロセッサに結合されるユーザインタフェース
   を有するシステム。
2. 前記画像データセット供給手段は、前記第１の画像データセットを手術前に収集し、当該データセットをメモリ部品に記憶する第１の画像データセット収集装置、及び前記第２の画像データセットを手術中に収集する第２の画像データセット収集装置を有する請求項１に記載のシステム。
3. 前記画像データセット供給手段は、前記第１の画像データセットを手術中に収集する第１の画像データセット収集装置、及び前記第２の画像データセットを手術中に収集する、前記第１の画像データセット収集装置とは異なる第２の画像データセット収集装置を有する請求項１に記載のシステム。
4. 前記プロセッサは、前記記録変換を降順の前記極大のランク順で表示することを前記ディスプレイ手段に命令するように構成される請求項１に記載のシステム。
5. 前記プロセッサは、前記極大での前記類似性関数の値、前記極大の湾曲及び前記極大の捕捉範囲の少なくとも１つに部分的に基づいて前記極大をランク順位付けするように構成される請求項４に記載のシステム。
6. 前記プロセッサは、前記第１及び第２の画像データセットと同様の特徴を持つ２つの画像データセットの事前の変換からのデータに部分的に基づいて前記極大をランク順位付けするように構成される請求項４に記載のシステム。
7. 前記プロセッサは、前記第１及び第２の画像データセットと同様の特徴を持つ２つの画像データセットの事前の変換からの医師の入力データに部分的に基づいて前記極大をランク順位付けするように構成される請求項６に記載のシステム。
8. 前記画像データセット供給手段は、２つの異なる形式の画像データセットを収集するように構成される請求項１に記載のシステム。
9. 前記プロセッサは、前記記録変換の選択された記録変換を、前記記録変換の選択されていない記録変換よりも大きな形状で表示することを前記ディスプレイ手段に命令するように構成される請求項１に記載のシステム。
10. 第１の画像データセット及び第２の画像データセットを互いに対応して表示するのに使用するための画像記録変換の選択を可能にするための方法において、
    画像データセット収集装置が第１及び第２の画像データセットを得るステップ、
    プロセッサが前記第１及び第２の画像データセットが互いに対応している可能性を示す類似性関数を計算するステップ、
    前記プロセッサが前記類似性関数の複数の極大の各々からなるランキングを決めるステップ、
    ディスプレイ手段が前記極大から得られた複数の記録変換を表示するステップ、
    を有する方法。
11. 前記画像データセット収集装置が前記第１及び第２の画像データセットからデータの特徴を得るステップ、及び
    前記プロセッサが前記第１及び第２の画像データセットと同様のデータの特徴を用いて画像データセットを特定するために変換情報のデータベースを検索するステップ、
    をさらに有する請求項１０に記載の方法において、
    前記極大のランキングは、前記第１及び第２の画像データセットと同様の特徴を持つ前記特定された画像データセットの前記変換からのデータに部分的に基づいて決められる方法。
12. 前記データベースが事例から医師の入力データを前記事例と一緒に記憶するステップをさらに有する請求項１１に記載の方法において、
    前記極大のランキングは、前記第１及び第２の画像データセットと同様の特徴を持つ２つの画像データセットの事前の変換からの前記医師の入力データに部分的に基づいて決められる方法。
13. 前記類似性関数を計算するステップは、
    幾何学的変換モデル、類似性メトリック及び最適化戦略を選択するステップ、及び
    前記類似性関数から変換パラメタに対する初期条件推定を得るステップ
    を有する請求項１０に記載の方法において、
    前記方法はさらに前記プロセッサが前記極大を特定するために前記類似性関数を調査するステップを有する方法。
14. 前記プロセッサが前記類似性関数の前記極大の極値特徴を計算するステップをさらに有する請求項１０に記載の方法において、前記極大のランキングは、前記極値特徴を用いて決められる方法。
15. 前記プロセッサが複数の最高位の極大を決めるステップをさらに有する請求項１０に記載の方法において、
    前記最高位の極大から得られる記録変換だけが表示される方法。
16. 前記ディスプレイ手段が、各記録変換に関連して、前記ランキング順、前記類似性関数の前記極大の極値特徴の値、及びその情報のデータベースから得られる前記第１及び第２の画像データセットと同様のデータセットを備える事例に関する情報を表示するステップをさらに有する請求項１０に記載の方法。

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