RU2575779C2 - Устранение неоднозначности глубины расположения интервенционных инструментов из единственного изображения в рентгеновской проекции и его калибровки - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к медицине. Способ определения глубины расположения инструмента в анатомической области осуществляют с помощью рентгеновского устройства. При этом генерируют одно рентгеновское проекционное изображение инструмента в анатомической области. Оценивают размер участка инструмента в анатомической области. Осуществляют распознавание различия между возможными положениями участка инструмента в анатомической области на основе оцененного размера и на основе сегментации анатомической области. Рентгеновское устройство содержит источник и детектор рентгеновского излучения, процессорный блок для управления источником и детектором рентгеновского излучения, а также набор команд для определения глубины расположения инструмента в анатомической области в соответствии с указанным способом. Применение изобретений позволит повысить точность определения глубины расположения интервенционного инструмента внутри пациента. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение касается процедур, проводимых под контролем рентгеноскопии. В частности, изобретение касается способа определения глубины расположения инструмента в объекте. Кроме того, изобретение касается компьютерной программы для определения глубины расположения инструмента в объекте, а также рентгеноскопического устройства, оснащенного такой компьютерной программой.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Электрофизиология - особая область интервенционной кардиологии, в которой врачи используют интракардиальные катетеры для обнаружения и лечения нарушений сердечного ритма электрического характера под контролем рентгеноскопии. Весьма сложной электрофизиологической процедурой является радиочастотная абляция при лечении фибрилляции предсердий (AF).

Специалисты по электрофизиологии должны пройти специальное обучение, чтобы в совершенстве знать анатомию и пути доступа ко всем исследуемым участкам, а также обладать определенной практикой выбора правильных инструментов и манипулирования ими для достижения цели. Анатомические изображения пациента могут быть получены с помощью 3D-визуализирующих устройств (CT, MRI) или путем локального введения контрастного вещества в самом начале хирургического вмешательства (левое предсердие (LA) и устья легочных вен в случае AF, а также коронарные вены и синус для проведения сердечной ресинхронизирующей терапии (CRT)), однако врач должен зафиксировать информацию в памяти, чтобы осуществлять навигацию по «живым» рентгеновским изображениям, на которых такая информация более не является зрительно недоступной.

При проведении AF-процедур знание точного местоположения катетеров при измерении электрических потенциалов - ключевой фактор для нахождения источников, вызывающих фибрилляцию (эктопические очаги, петли циркуляции возбуждения). Еще более важный момент - анатомическое картирование участков абляции для выполнения требуемого паттерна абляции (например, изоляции легочных вен или абляции по линиям свода (roof line ablation) в случае AF).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Рентгеновские изображения имеют проекционный характер, в том смысле, что 3D геометрия уплощается вдоль линий проекции, проходящих от источника к детектору. В конкретных процедурах, таких как картирование или абляция, интервенционный инструмент лежит на стенке органа. При использовании 3D-сегментации данного органа в рентгеновских лучах инструмент неизбежно находится на пересечении данной поверхности с линией проекции. Эта линия и поверхность обычно пересекаются с поверхностью сегментации в дискретном множестве точек (обычно 2 для таких форм как передний отдел левого предсердия). В этом случае приходится устранять неоднозначность между этими двумя различными возможными положениями, чтобы определить точное местоположение инструмента. В данном изобретении для решения этой задачи предлагается использовать видимую ширину инструмента, измеренную на рентгеновских изображениях.

Задача изобретения заключается в создании способа для определения глубины расположения инструмента в объекте, при этом объект подвергается облучению в минимальной степени.

Следующая задача изобретения заключается в создании компьютерной программы, так чтобы способ по изобретению мог быть по существу автоматизирован.

Данная задача решается по соответствующим независимым пунктам формулы изобретения. Дополнительные варианты осуществления описаны в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

В общем, данная задача решается с помощью способа определения глубины расположения инструмента в объекте, при этом способ содержит этапы генерирования одного рентгеновского проекционного изображения инструмента в объекте, оценки размера участка инструмента в объекте, а также проведения различия между возможными положениями участка инструмента в объекте, выполняемого на основе оцененного размера и сегментации объекта.

Согласно другому варианту осуществления изобретения этап оценки размера включает в себя либо оценку ширины, либо построение 2D-геометрической модели, либо построение 3D-геометрической модели.

Таким образом, оценка ширины используется более разумно путем ее применения для проведения различия между возможными положениями, используя сегментацию анатомических структур, вместо оценки абсолютной глубины расположения инструмента. Кроме того, процесс калибровки делает ее более устойчивой к возможным ошибкам в проекционной матрице.

Когда анатомическая модель объема, в котором выполняется вмешательство, доступна и определена с помощью проекционного изображения (например, определена средствами рентгеновской компьютерной томографии), знание положения интервенционного инструмента в 3D-пространстве позволяет расположить его в модели, способствуя, таким образом, навигации и картированию участка.

Согласно способу по изобретению положение интервенционного инструмента в 3D-пространстве оценивается из единственной 2D-проекции, используя ограничения, основанные на скорректированном размере интервенционного инструмента, предварительной сегментации органа, в котором располагается интервенционный инструмент, зарегистрированный на рентгеновском изображении, а также знании того, что интервенционный инструмент поджат к одной из стенок органа, как происходит в процессе некоторых интервенционных процедур, таких как картирование при фибрилляции предсердий. В рамках таких допущений проекция m интервенционного инструмента соответствует лишь нескольким возможным местоположениям в 3D-пространстве, например M и M' (на фиг.2). Измерение видимого размера интервенционного инструмента используется для проведения различия между этими двумя возможными местоположениями.

Согласно другому варианту осуществления изобретения этап проведения различия в способе по изобретению дополнительно основан на информации о том, находится ли инструмент в переднем или заднем положении, а это означает, что в основе лежит информация о том, продвинут ли инструмент вперед или оттянут назад внутри органа.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения способ дополнительно содержит этап калибровки при оценке размера путем оценки размера в переднем и заднем положениях.

Это может включать в себя расчет пороговых значений размера. Располагая такими пороговыми значениями, можно обеспечить дополнительное преимущество в том, что помимо прочего всякого рода малые перемещения объекта или относительные перемещения внутренних частей упомянутого объекта не смогут повлиять на запланированное проведение различия. В том случае, когда объект представляет собой живой организм, такие перемещения могут быть вызваны дыхательной деятельностью или сердечными сокращениями.

Соответственно первая часть изобретения касается оценки видимого размера интервенционного инструмента. Видимый размер относится только к кончику инструмента, который по предположению находится в соприкосновении с органом. Размер кончика оценивается с использованием либо 2D или 3D геометрической модели, если его форма известна заранее, либо с использованием неспецифических технологических решений, например алгоритма оценки ширины, требующего лишь ограниченного набора предположений в отношении геометрии (например, постоянство ширины на кончике).

Вторая часть изобретения относится к калибровке при выполнении таких измерений. Для обеспечения должной калибровки размеров в отношении возможных местоположений необходим этап калибровки, в процессе которого хирургу требуется расположить инструмент в переднем, а затем заднем положении. В этих известных положениях система регистрирует оцененные размеры и использует эти данные для расчета оптимального размера пороговых значений, используемых для проведения различия между этими положениями. На основе этих данных система может также определить, что степень точности недостаточна для проведения различия между положениями, и предпринять соответствующие шаги, например предупредить пользователя и заблокировать автоматическое устранение неоднозначности глубины.

Соответственно главный аспект изобретения заключается в том, что измерения абсолютного размера могут быть необязательны. Определенная неточность может оказаться приемлемой, поскольку проведение различия между двумя возможными положениями, в основе которого лежат подобные неточные измерения, может также дать надежные результаты. Следует отметить, что инструмент, с одной стороны, может представлять собой гибкий или жесткий катетер, а с другой стороны - биопсийное устройство, канюлю или троакар.

Согласно другому варианту осуществления изобретения создана компьютерная программа, с помощью которой вышеописанный способ может выполняться автоматически или, по меньшей мере, главным образом автоматически. Следовательно, компьютерная программа содержит наборы команд для сохранения проекционного изображения, сгенерированного рентгеновской системой, наборы команд для идентификации и оценки размера участка инструмента, показанного на проекционном изображении, а также наборы команд для проведения различия между возможными местоположениями участка инструмента на основе оцененного размера и сегментации объекта.

Кроме того, компьютерная программа может содержать наборы команд для загрузки данных из базы данных, включающих в себя ранее зарегистрированную информации в виде изображений, либо может содержать наборы команд в отношении информации, получаемой от пользователя.

Согласно следующему варианту осуществления изобретения предложены рентгеновское устройство или система, содержащие источник рентгеновского излучения, детектор рентгеновского излучения, а также процессорный блок для управления источником рентгеновского излучения и детектором рентгеновского излучения, при этом процессорный блок дополнительно включает в себя вышеупомянутую компьютерную программу, которая может храниться в процессорном блоке.

Такая компьютерная программа предпочтительно загружена в оперативное запоминающее устройство блока обработки данных. Блок обработки данных, таким образом, выполнен с возможностью реализации способа по изобретению. Кроме того, изобретение относится к читаемой компьютером среде, такой как CD-ROM, где компьютерная программа может храниться. Однако компьютерная программа может быть также обеспечена по сети, такой как «Всемирная паутина», и может быть загружена в оперативное запоминающее устройство процессорного блока из подобной сети.

Следует отметить, что варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на различные объекты изобретения. В частности, некоторые варианты осуществления описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения, касающиеся способа, в то время как другие варианты осуществления описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения, касающиеся устройства. Однако специалист в данной области техники поймет из вышеприведенного и последующего описания, что, если не оговорено иное, в дополнение к любому сочетанию признаков, принадлежащих одному типу объектов изобретения, любое сочетание между признаками, относящимися к другим объектам изобретения, также считается раскрытым в данной заявке.

Обозначенные выше аспекты и дополнительные аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения также могут быть получены из примеров вариантов осуществления, которые будут описаны ниже и пояснены со ссылкой на примеры вариантов осуществления, показанных также на фигурах, но которыми изобретение не ограничивается.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 показана блок-схема последовательности операций способа по изобретению.

На Фиг.2 показан пример того, как можно получить проекционное изображение.

На Фиг.3 показан пример проекционного изображения.

На Фиг.4 показан пример системы по изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На фиг.1 показана блок-схема последовательности операций способа по определению глубины расположения инструмента в объекте согласно изобретению. Следует понимать, что этапы, описанные в отношении способа, являются основными этапами, при этом данные основные этапы могут быть дифференцированы или поделены на ряд подэтапов. Кроме того, могут также существовать подэтапы между этими основными этапами. Таким образом, подэтап будет упоминаться только тогда, когда этот этап важен для понимания принципов, лежащих в основе способа по изобретению.

На этапе 1 способа по изобретению генерируется одно рентгеновское проекционное изображение инструмента в объекте. Чтобы снизить уровень облучения, которому подвергается, например, пациент, генерируется только единственное проекционное изображение.

На этапе 2 оценивается размер участка инструмента в объекте. Обычно этот участок представляет собой участок кончика инструмента, т.е. участок катетера, на котором, например, обеспечены абляционные электроды.

Проецируемая ширина катетера измеряется путем оптимизации по критерию согласия между изображением и ядром, используемым для измерения ширины. Ядро состоит из двух частей, каждая из которых выполнена с возможностью соответствия на одной стороне катетера. Каждая часть состоит из весовой функции и модели краевой части. Весовая функция представляет собой гладкое ядро, удлиненное в направлении оси катетера (обычно анизотропное гауссово ядро). На обе части ядра наложены ограничения, обеспечивающие параллельность друг другу. Краевая функция является монотонно возрастающей функцией, моделирующей ступенчатый край (обычно линейной функцией). Таким образом, ядро представлено в параметрическом виде, определяемом положением его центра, его углом поворота и его шириной. Функция определения точности приближения представляет собой сумму двух взвешенных корреляций между каждой краевой функцией и изображением; весовые коэффициенты задаются соответствующей весовой функцией. Функция оптимизирована в отношении параметров ядра по разномасштабной шкале. Оптимальное значение ширины ядра дает измеренное значение проецируемой ширины.

На этапе 3 проводится различие между возможными местоположениями участка инструмента в объекте. Помня о том, что существует лишь несколько возможных положений, если инструмент вводится в конкретную анатомическую структуру, следует только решить, находится ли рассматриваемый участок инструмента на относительно большей глубине в объекте.

Для улучшения результатов, получаемых способом по изобретению, на этапе 4 оценка размера подвергается калибровке путем оценки размера в переднем положении и заднем положении. Таким образом, система может потребовать от пользователя сначала подтянуть инструмент так, чтобы участок кончика инструмента мог соприкасаться со стенкой внутри органа в переднем положении, а затем может потребовать от пользователя протолкнуть инструмент в заднее положение, до соприкосновения с противоположной стенкой внутренней полости органа.

Может присутствовать подэтап этапа S4, на котором осуществляется расчет пороговых значений размера на основе данных оценок в переднем и заднем положениях. Такие пороговые значения могут способствовать дальнейшим оценкам размера для распознавания положения инструмента.

На последнем этапе 5 система может осуществить вывод информации, которая сможет помочь пользователю определить, в каком местоположении рассматриваемый участок инструмента находится в данное время.

На фиг.2 схематично показано, как можно сформировать проекционное изображение. Рентгеновское изображение дает 2D-проекцию 3D-объема. Как можно видеть на фиг.2, пучок излучения от источника рентгеновского излучения входит в орган в точке M' (переднее положение), проходит сквозь орган до точки M выхода (заднее положение) и далее падает на двумерную плоскость или поверхность детектора в точке m. Хотя невозможно извлечь информацию о глубине 3D-объекта по всего одной проекционной точке, эта задача становится разрешимой, если дополнительно использовать знания геометрической структуры, например ориентационных положений, расстояний и углов.

На фиг.3 показан пример оценки видимого размера с использованием ширины проецируемого кончика инструмента. Числовые отметки по левому вертикальному и нижнему горизонтальному краям в упомянутом примере служат масштабной шкалой. Дополнительно показанные кружки, обозначенные P1-P4, определяют краевые точки участков кончика инструмента по существу в перпендикулярных друг другу ориентационных направлениях. Эти кружки или точки могут использоваться в качестве базы для оценки размера участка инструмента.

На фиг.4 показан пример системы по изобретению, при этом система включает в себя консоль 100 для инструмента 200, сам же инструмент может вводиться пациенту 300. Кроме того, рентгеновское устройство 400 установлено относительно пациента так, что можно получить проекционное изображение области, в которой расположен концевой участок катетера 200. Наконец, предусмотрен процессорный блок 600, который может управлять формированием проекционного изображения с помощью рентгеновского устройства 400, а также консолью 100 для контроля функций катетера 200, если это требуется.

Консоль 100 может включать в себя блок для создания электрических импульсов или сигналов для проведения электрической абляции ткани органа. С другой стороны, консоль 100 может содержать дополнительное устройство 120, с помощью которого, например, может контролироваться ориентационное положение концевого участка 220 катетера 200, или с помощью которого могут доставляться лекарственные препараты или контрастное вещество.

Рентгеновское устройство 400 включает в себя источник 420 рентгеновского излучения, а также детектор 440 рентгеновского излучения, при этом как источник 420 рентгеновского излучения, так и детектор 440 рентгеновского излучения расположены на C-образных плечах 430 для обеспечения должного ориентационного положения обоих относительно друг друга. Пациент 300 может располагаться на столе 460.

Процессорный блок 600, прежде всего, включает в себя блок 620 управления, а также монитор 610, при этом на упомянутый монитор может выводиться информация относительно распознанной глубины.

Хотя изобретение проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в предшествующем описании, такие изображения и описания следует рассматривать как иллюстративные и приведенные в качестве примера, а не ограничивающие, при этом изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления.

Специалисты в данной области техники смогут предложить другие изменения в раскрытых вариантах осуществления, реализуя на практике заявленное изобретение, изучив чертежи, описание и прилагаемую формулу изобретения. В формуле изобретения термин «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а использование единственного числа не исключает множественного числа. Единственный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких объектов в формуле изобретения. Тот факт, что определенные меры упомянуты во взаимно отличающихся пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих мер не может быть использовано с выгодой. Компьютерная программа может храниться/распространяться на соответствующем носителе, таком как оптический запоминающий носитель или твердотельный носитель, поставляемый совместно с другим аппаратным обеспечением или в качестве его части, но может также распространяться в других формах, например, через интернет или иные проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Ни одна из ссылочных позиций не должна рассматриваться как ограничивающая объем изобретения.

ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ

100 - консоль

110 - устройство для электрической абляции

120 - устройство для доставки текучей среды

200 - катетер

220 - кончик катетера

300 - пациент

400 - рентгеновское устройство

420 - источник рентгеновского излучения

430 - C-образные плечи

440 - детектор рентгеновского излучения

460 - стол

600 - процессорный блок

610 - монитор

620 - устройство управления

Claims (8)

1. Способ определения глубины расположения инструмента в анатомической области, при этом способ содержит этапы:
генерирования одного рентгеновского проекционного изображения инструмента в анатомической области,
оценки размера участка инструмента в анатомической области,
осуществление распознавания различия между возможными положениями участка инструмента в анатомической области, выполняемого на основе оцененного размера и на основе сегментации анатомической области.

2. Способ по п. 1, в котором этап оценки размера включает в себя оценку ширины.

3. Способ по п. 1, в котором этап оценки размера включает в себя построение 2D или 3D геометрической модели.

4. Способ по п. 1, в котором этап распознавания различия дополнительно основан на информации о том, располагается ли инструмент в переднем или заднем положении.

5. Способ по п. 4, при этом способ дополнительно содержит этап калибровки при оценке размера путем оценки размера в переднем положении и заднем положении.

6. Способ по п. 5, в котором этап калибровки включает в себя расчет граничных значений размера.

7. Считываемый компьютером носитель, содержащий сохраненный на нем набор команд, побуждающих компьютер на реализацию способа по п. 1.

8. Рентгеновское устройство, содержащее
источник (420) рентгеновского излучения,
детектор (440) рентгеновского излучения,
процессорный блок (600) для управления источником рентгеновского излучения и детектором рентгеновского излучения, а также
набор команд для определения глубины расположения инструмента в анатомической области по п. 7.

Images