TW201919544A - 用於極低劑量電腦斷層螢光攝影之系統及方法 - Google Patents

用於極低劑量電腦斷層螢光攝影之系統及方法 Download PDF

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查爾斯 Ａ 密斯崔塔
佛瑞德 Ｔ 李
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美商萊特雷醫療有限責任公司
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Abstract

根據至少一態樣，一種用於電腦斷層(CT)螢光攝影之方法可包含：使用CT螢光攝影來獲取一介入裝置之複數對投影。可藉由旋轉一CT掃描儀之一機架，依大於用於一目標物件之一全劑量CT掃描之一第二角距之一預判定第一角距來獲得各對投影。該方法可包含：使用來自該各自投影對之該介入裝置之影像的反投影，針對各對投影即時識別該介入裝置之一位置。該方法可包含：在該介入裝置之一識別位置處，將該介入裝置之一影像疊加於一解剖區域之一3D影像上。

Description

用於極低劑量電腦斷層螢光攝影之系統及方法
本發明大體上係關於電腦斷層(CT)領域，其包含(但不限於)用於極低劑量CT螢光攝影之方法及系統。
CT螢光攝影係在諸如活組織檢查、引流及切除之CT引導介入期間使用之一非常有用工具。在諸多醫療中心，CT螢光攝影係用於引導胸部、腹部、骨盆及肌肉骨骼系統之非血管介入之主要方式。大多數現代CT掃描儀能夠執行CT螢光成像程序。例如，可程式化一CT掃描儀以執行CT螢光攝影資料獲取。美國每年可能要執行數十萬個相關程序，全世界可能數百萬個。
根據至少一態樣，一種用於電腦斷層(CT)螢光攝影之方法可包含：藉由旋轉一CT掃描儀之一機架來使用CT螢光攝影獲取一目標物件之一介入裝置之複數對投影。可依大於用於一目標物件之一全劑量CT掃描之一第二角距之一預判定第一角距獲得各對投影。該全劑量CT掃描可使每機架旋轉之獲取投影之一數目比來自該介入裝置之該等投影對之該獲取之數目至少高兩倍。該方法可包含：使用來自該各自投影對之該介入裝置之影像之反投影來針對各對投影即時識別該介入裝置之一位置。該方法可包含：使用該介入裝置之該複數對投影及該等識別位置來形成該介入裝置之至少一二維(2D)或三維(3D)影像。該方法可包含：將該介入裝置之該至少一2D或3D影像疊加於該目標物件之一2D或3D CT影像上以即時產生指示該介入裝置之該等識別位置之至少一者之一回饋影像。該方法可包含：顯示該回饋影像以用於判定一位置或引導該介入裝置相對於該目標物件移動。
該全劑量CT掃描可使用一診斷劑量或可基於一診斷劑量來界定以達成該目標物件之該2D或3D CT影像之一預判定信雜比(SNR)。該方法可進一步包含：在該全劑量CT掃描期間及在獲取該複數對投影時將一或多個基準點放置於一區域內。該方法可進一步包含：在獲取該介入裝置之該複數對投影之前，使用該全劑量CT掃描來獲取該目標物件之一2D或3D CT影像。該目標物件可包含一腫瘤、一管道、一病灶、一肌肉骨骼結構、一器官或一血管之至少一者。該目標物件之該2D或3D CT影像可包含一腫瘤、一血管、一管道、一病灶、一肌肉骨骼結構或一器官之至少一者之一CT血管攝影或一影像。該方法可包含：藉由併入一掃描區域之一血管影像、該掃描區域之一非血管影像、該掃描區域之一正常CT影像之至少一者來產生該目標物件之該2D或3D CT影像。該方法可包含：在一受試者之一完整或部分呼吸週期內、在一受試者之一呼吸週期之兩個極端處、在3秒至4秒之一時段內使用該全劑量CT掃描或在呼吸不中止的情況下獲取該目標物件之一或多個2D或3D CT影像。該方法可包含：在一受試者之一呼吸週期之至少部分期間，使用該一或多個2D或3D CT影像來判定一或多個基準點之位置。
該方法可包含：依經組態以用於立體觀看、橫截面觀看、螢光觀看、連續模式觀看或使用者控制影像轉變之至少一者之一格式向一使用者呈現該回饋影像。該方法可包含：向一使用者呈現包含以下之一或多者之該回饋影像：該回饋影像之多個視圖或CT切片、沿與該介入裝置對準之一平面之該回饋影像之一視圖或一CT切片、關於該介入裝置及該目標物件之一距離之一指示、該介入裝置之先前位置之一指示或用於移動該介入裝置之導航引導或提示。該方法可包含：使用兩個x射線源-偵測器對來同時獲取該介入裝置之該複數對投影之各者。該方法可包含：將該介入裝置之該複數對投影之該獲取組態為根據相較於該全劑量掃描之一CT掃描劑量減少因數之投影之一獲取，該CT掃描劑量減少因數包括來自2至492之一範圍之一值。
該介入裝置可包含針頭、探針、導管、支架、氣球、鑷子、內部解剖結構、肌肉骨骼結構、導線、內部矯形裝置或分流器。使用該反投影來識別該介入裝置之該位置可包含：定位該反投影之一交集。形成該介入裝置之該至少一2D或3D影像可包含：使用高通濾波或定限之至少一者。形成該介入裝置之該至少一2D或3D影像可包含：使用該介入裝置之一組時間解析影像。形成該介入裝置之至少一2D或3D影像可包含：使用高通濾波、影像分割、定限或自該介入裝置之一投影減去與該全劑量CT掃描相關聯之一投影之至少一者。
該方法可包含：根據一受試者之一呼吸週期之至少部分期間所判定之一或多個基準點之一或多個位置來自該目標物件之複數個影像選擇其上將疊加該介入裝置之該至少一2D或3D影像之該目標物件之該2D或3D CT影像。該方法可包含：在該CT掃描儀之該機架沿一相同方向連續旋轉時獲取該複數對投影。將該至少一2D或3D影像疊加於該目標之一2D或3D CT影像上可包含：將該介入/血管裝置之一內螢光攝影影像疊加於一血管目標物件或一血管路線圖之一影像上。該血管目標之該影像可為自高於該介入/血管裝置之該影像之輻射劑量之輻射劑量獲得之一影像(例如預掃描或先前獲取影像)或可在該螢光攝影程序期間由重複取樣建構之一複合影像。
該方法可包含：在不中斷該介入裝置之該複數對投影之該獲取的情況下獲取該目標物件之一或多個進一步2D或3D CT影像。該方法可進一步包含：回應於獲取該目標物件之該一或多個進一步2D或3D CT影像而使用CT螢光攝影來獲取該介入裝置之第二複數對投影。該方法可包含：藉由使該目標物件之該2D或3D CT影像與該目標物件之一或多個額外影像配準來增大獲取該介入裝置之該複數對投影之前所獲取之該目標物件之該2D或3D CT影像之一信雜比(SNR)。該方法可包含：回應於偵測到非呼吸或大於一預界定移動臨限值之該目標物件之一移動而在中斷該CT螢光攝影時獲取該目標物件之一或多個進一步2D或3D CT影像。該方法可包含：回應於獲取該目標之該一或多個進一步2D或3D CT影像而使用CT螢光攝影來獲取該介入裝置之第二複數對投影。該方法可包含：將由該介入裝置形成之一更新2D或3D影像疊加於該目標物件之一先前獲取之2D或3D影像上以產生一更新回饋影像。該方法可包含：旋轉該回饋影像以2D或3D視覺化該介入裝置或該目標物件之至少一者。
該方法可包含：發送脈衝至一X射線源以執行該全劑量CT掃描及使用CT螢光攝影來獲取該介入裝置之該複數對投影。獲取該複數對投影可包含：獲取兩個或兩個以上投影之複數個子集。該方法可包含：獲取該CT掃描儀之該機架之一50°角旋轉內之該介入裝置之該複數個投影。
根據至少一態樣，一種用於電腦斷層(CT)螢光攝影之方法可包含：藉由旋轉一CT掃描儀之一機架且使用CT螢光攝影來依每機架旋轉之角投影之一第一速率獲取一關注區域(ROI)內之一介入裝置之複數個投影影像，該第一速率比用於一或多個全劑量CT掃描之每機架旋轉之角投影之一第二速率至少小兩倍。該方法可包含：針對該複數個投影影像中之兩個或兩個以上投影影像之各者，識別指示該兩個或兩個以上投影影像之各者中之該介入裝置之一對應影像區域。該方法可包含：針對該兩個或兩個以上投影影像，使用指示反投影至與該ROI相關聯之一三維(3D)空間中時之該介入裝置之該等對應影像區域之表示之一交集來判定該3D空間中之該介入裝置之一對應位置。該方法可包含：針對該兩個或兩個以上投影影像，根據該介入裝置之該對應判定位置來將該介入裝置之一對應2D或3D影像疊加於該ROI之一2D或3D CT影像上以產生繪示該介入裝置相對於該ROI內之一目標區域之一隨時間位置之一2D或3D影像。可使用該一或多個全劑量CT掃描之投影資料來產生該ROI之該一或多個2D或3D CT影像。該方法可包含：顯示該所產生之2D或3D影像以用於判定一位置或引導該介入裝置相對於該目標區域移動。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2017年9月13日申請之美國臨時申請案第62/558,218號、2017年12月4日申請之美國申請案第15/831,051號，及2018年3月26日申請之美國申請案第15/936,039號的權利及優先權，該等案之全文係以引用的方式併入本文中。
電腦斷層(CT)引導之介入係介入放射診療之支柱。使用包含活組織檢查、引流管及導管之放置、腫瘤切除、肌肉骨骼介入等等之CT引導來執行諸多重要程序。CT引導之介入允許判定適當穿刺部位、導引介入裝置(例如針頭)之插入及在各調整之後放置介入裝置。
可使用習知CT (CCT)或CT螢光攝影(CTF)來執行CT引導之介入。當使用CCT時，一CT掃描儀通常執行全劑量軸向或螺旋掃描，其中所得掃描具有有限z軸覆蓋。如本文中所使用，一全劑量掃描係指使用習知數目個投影角(通常為984個)及足以劃定一關注目標之劑量之一CT掃描。歸因於CCT程序所涉及之操作者(例如醫生及/或健康照護人員)隨時間獲取之潛在累積輻射劑量，全劑量掃描對此等個體造成嚴重健康風險。為減輕此等風險，在CCT程序期間，操作者對介入裝置之位置進行調整且接著在掃描、基於CT影像之再定位或再掃描期間退出房間。重複調整介入裝置、離開房間、掃描患者以評估介入裝置之放置之此等步驟，直至介入裝置到達一所要目標。此方法使介入程序冗長、給操作者及醫生兩者帶來不便及厭煩。例如，介入程序越長，使用之鎮靜劑量越多且患者移動之可能性增大以增加在連續調整之後追蹤介入裝置之放置之程序之複雜性及不準確度。另外，針頭插入患者中之時間越長，越有可能性引發諸如感染、漏氣、膽漏及出血之特定併發症。
針對CT螢光攝影(CTF)，CT掃描儀採用螺旋掃描且可獲取與若干鄰接z軸掃描位置相關聯之投影。此外，一般依儘可能最低之毫安培數(mA)執行CTF以視覺化目標、臨界解剖結構及介入裝置以試圖減少患者及操作者之輻射曝露。此在胸部中通常為約20 mA，其中大多數目標因周圍空氣而相較於背景呈高對比度。歸因於目標與背景組織之間之較低對比度差，腹部通常使用高很多之劑量。腹部之典毫安培數係自40至200。在CTF中，可在介入裝置之調整之間連續地或依一系列間歇獲取方式獲取CT投影。例如，可回應於啟動一開關或腳踏板而獲取CT投影。一般而言，操作者在CTF掃描期間留在房間內且在獲取CT投影之後即時顯示CTF影像。不論被成像及針對之結構如何，典型CT螢光攝影影像具有極低品質，且目標及介入臨界結構難以視覺化以因此降低介入程序期間之可信度。即使毫安培數減小(例如相較於CCT)，但基於CTF之介入程序仍對患者及操作者造成健康風險，患者及操作者會隨時間自若干程序累積大量輻射劑量。
CTF相對於CCT具有若干優點。由於在基於CCT之介入程序期間由操作者在介入裝置之各位置調整之後走進及走出房間造成之低效率，可能較少在使用CCT時進行遞增調整。相對較低數目之可行遞增調整會導致操作者執行介入裝置之相對較大位置調整或更大範圍「盲目」移動(例如，無成像引導)。相比而言，可使用基於CT之近即時引導來執行基於CTF之介入程序。鑑於相對較低毫安培數(例如，相較於CCT)及易用性(例如操作者)，CTF似乎有可能實質上降低手術時間、鎮靜要求、成本及潛在併發症風險。然而，儘管存在此等優點，但歸因於操作者(例如醫生、護士、放射技術人員或參與介入程序之其他健康照護人員)對輻射曝露之安全擔心(繁忙介入實踐中之一特殊問題)，諸多CT成像中心已基本放棄使用CTF。
事實上，在基於CCT及基於CTF之介入程序中，CT掃描儀通常使用984個單獨投影來重建複合CT影像。每重建影像之此大數目投影導致遠超偵測及定位高對比度介入裝置(例如針頭、引流管、導管、探針、分流器、導線、支架、氣球、鑷子、內部矯形裝置或其他介入裝置)所需之輻射(針對患者及操作者)。習知CTF可(例如)依等於機架旋轉速度之一速率採用目標及介入裝置之一系列習知濾波反投影(FBP)影像。因而，介入裝置之位置通常每秒更新2次至3次。歸因於如針頭之介入裝置之高度細化，FBP重建展示諸如光束硬化之重要重建假影。介入裝置之位置之準確度亦受限於重建CT影像之切片厚度。
在本發明中，與全劑量CTF掃描相比，極低劑量CT螢光攝影技術通常可使CT螢光攝影之輻射劑量減少一實質倍數(例如2至500之間之一倍數)。例如，新螢光攝影技術能夠使用低於一胸部X射線之劑量之劑量來執行整個放射介入程序。新螢光攝影技術有時指稱極低劑量CTF (ULD-CTF)。新螢光攝影技術可在某些CT掃描儀上實施為(例如)一新操作模式或程序。
ULD-CTF技術係基於以下認識：無需使用全劑量來使如針頭或其他介入裝置之物件高對比度成像。ULD-CTF技術可在單一機架旋轉期間利用一小部分可用投影來偵測介入裝置以因此導致輻射劑量比習知CTF掃描之輻射劑量低近500倍。例如，當採用ULD-CTF技術時，一CT掃描儀可使用與不同投影角相關聯之一對(或更一般而言，兩個或兩個以上) CT投影影像來重建介入裝置之一位置、一定向、一形狀或其等之一組合。投影角之間之一90°角差可允許相對較高準確度(例如，相較於一些其他角差)。然而，亦可在各對角投影(或兩個或兩個以上角投影之連續對)之間使用小於或大於90°之角差(或角距)。一般而言，角距可大於0°且小於180°。與CT掃描儀相關聯之一處理器可隔離(或識別)兩個CT投影影像中之介入裝置且使用CT投影影像對來判定3D體積空間內之介入裝置之位置。處理器可根據3D體積空間中之介入裝置之判定位置來將介入裝置之一表示(或一影像)重疊(或疊加)於目標之一先前獲取之全劑量CT 2D或3D影像上。處理器可將運動校正方案(或技術)應用於目標之(若干)全劑量CT 2D或3D影像以說明諸如呼吸運動之患者運動。
當操作者對介入裝置位置進行調整時，處理器可即時產生展示介入裝置相對於目標之放置之一系列2D或3D影像。本文中所描述之ULD-CTF技術可允許具有展示目標及介入裝置兩者之3D CT影像之一時間序列作為輸出之4D ULD-CTF，或可允許具有目標及介入裝置之2D CT影像之一時間序列作為輸出之3D ULD-CTF。當x射線掃描儀(或x射線系統)之x射線源-偵測器對旋轉時，間隔(例如) 5°至175°或10°至170°、30°至150°之某角度之各對投影可提供足夠角解析度以使用兩個投影中之介入裝置影像之表示之反投影來使介入裝置完全成像至目標之一先前獲取之2D或3D影像上。當x射線源-偵測器對旋轉時，使用前進投影對或額外機架旋轉點來即時更新(或追蹤)介入裝置位置。
例如，在冠狀動脈攝影或血管攝影程序中，可使用本文中所描述之方法及系統來使用一介入裝置執行動脈注射。導管插入係一實例。一介入裝置之血管攝影獲取或掃描可在其中無心臟運動之心臟外進行，例如可存在呼吸運動之位置。ULD-CTF技術可用於產生介入程序之一路線圖且允許不斷運動補償。為獲得路線圖，可(例如)採用其中閘控及交錯循序機架回轉以提供重建之一全CT角範圍之一閉氣模式。重建可使用(例如)呼吸運動之兩個階段中之濾波反投影(FBP)重建或一不同重建方法。此可執行於一延長動脈內(IA)注射期間。螢光攝影技術可用於即時執行介入裝置之重建且使用一運動模型來將介入裝置之(若干)影像疊加於一運動校正冠狀血管攝影圖上。可採用一運動模型(例如藉由在呼吸運動之兩個極端處掃描目標物件)用於運動校正。可在呼吸位置之極端處進行遮蔽(例如，無對比度)獲取，使得可在填充獲取期間進行配準遮蔽減法。針對靜脈內(IV)檢查，填充獲取可持續約20秒或一些其他適合時段。針對動脈內檢查，填充序列可為約5秒或一些其他適合時段。
FBP係指應用一卷積濾波器來消除模糊之一分析重建演算法，且用於橫截面影像重建。FBP利用一正弦波之不同角處所取得之射線和之聯立方程式來運算一橫截面內之衰減係數之值。經由可由一大型電腦解算之數學方程式之一演算法達成FBP。由一目標解剖結構表示之衰減分佈或產生投影儲存於電腦之記憶體中、被解算及重建。各像素(圖像元素)對應於影像之體素(體積元素)。在本發明方法及系統之一些實施例中，不使用FBP、適應性統計迭代重建(ASIR)及/或基於模型之迭代重建(MBIR)。
圖1係繪示根據本發明之發明概念之一旋轉X射線系統100之一實施例的一圖式。簡言之且舉非限制性實例而言，旋轉X射線系統100可包含一CT掃描儀102、用於供一患者平躺之一工作台104、一控制系統106、一或多個處理器108、一顯示裝置110、一操作者控制台112及/或一儲存裝置114。
CT掃描儀102可(例如)包含一空腔116、一機架118，機架118之一端機械耦合至一X射線源總成120且另一端機械耦合至一X射線偵測器陣列總成122。工作台104可朝向及遠離CT掃描儀102滑動。特定而言，工作台104 (其支撐一受試者或一患者)可滑入至空腔116中。機架118可圍繞空腔116之一水平軸線10旋轉。當機架118圍繞軸線10旋轉時，X射線源總成120及X射線偵測器陣列總成122可沿圍繞空腔116之一圓形路徑20同步移動。在任何時間點，X射線源總成120及X射線偵測器陣列總成122可沿圓形路徑20之一直徑對準。圓形路徑20之直徑(X射線源總成120及X射線偵測器陣列總成122沿其對準)與一參考定向之間之定向(或角度α)隨機架118旋轉而改變。
機架118圍繞軸線10旋轉可使x射線源總成120及X射線偵測器陣列總成122能夠圍繞經安置於工作台104上的患者定向於不同位置及角度(角度α)中，同時使醫生能夠對患者執行手術。x射線源總成120可發射指向偵測器陣列總成122之一束x射線。兩個總成120及122可經對準且向內指向軸線10。發射光束之中心射線可穿過空腔116之中心。發射光束(或其中心射線)可在自經安置於工作台104上之一受試者(例如患者)獲取x射線資料期間圍繞著空腔116之中心(圍繞軸線10)旋轉。
由x射線源總成120發射之x射線束可(例如)在穿過受試者之後照射偵測器陣列總成122。偵測器陣列總成122可包含偵測器元件之一二維陣列。各偵測器元件產生表示一照射X射線之強度且因此表示X射線隨著其穿過受試者之衰減之一電信號。在一掃描期間，控制系統106可引起x射線源總成120及偵測器陣列總成122圍繞空腔116的中心旋轉，以自不同角度α獲取X射線衰減投影資料。偵測器陣列總成122可經組態以每秒獲取數個投影或視圖，時間可為判定可針對一指定掃描路徑及速度獲取多少視圖的限制因數。
控制系統106可控制總成120及122的旋轉，及與X射線源總成120相關聯之X射線源的操作。控制系統106可包含可向X射線源總成120提供電力及時序信號之一X射線控制器(圖1中未展示)。x射線控制器可僅依用於一全劑量掃描中之投影角中之一選定角度子集來加脈衝於x射線源總成120。控制系統106可包含可自偵測器陣列總成122之偵測器元件取樣資料且將資料傳遞至一或多個處理器108之一資料獲取系統(圖1中未展示)。控制系統106亦可包含(例如)用於引起機架圍繞軸線10旋轉之一機架馬達控制器(圖1中未展示)。機架馬達控制器可自一或多個處理器108接收運動命令，且回應於此等命令而向機架118提供電力。
可將機架118、X射線源總成120、偵測器陣列總成122、工作台104及/或控制系統106視為形成CT或X射線掃描儀裝置102。可將一或多個處理器108、顯示裝置110、操作者控制台112及/或儲存裝置114整合於CT或X射線掃描儀102內、整合於經通信地耦合至CT或X射線掃描儀之一運算裝置內，或其等之一組合。一或多個處理器108可執行電腦程式碼指令，以引起CT資料獲取、基於CT獲取資料來產生CT影像、引起所產生之CT影像顯示、將所產生之影像或CT獲取資料儲存於儲存裝置114中，或其等之一組合。電腦程式碼指令可包含與各種CT資料獲取模式相關聯之可執行指令。一或多個處理器108可自操作者控制台112接收一CT資料獲取模式之一指示，且執行對應可執行指令。
一或多個處理器108可自控制系統106接收數位化X射線資料且根據本發明之方法來執行影像重建。一或多個處理器108可引起重建CT影像顯示於顯示裝置110上或儲存於儲存裝置114上。一或多個處理器108可包含一中央處理單元(CPU)、一微處理器、一數位信號處理器(DSP)、一影像處理器、一專用指令集處理器(ASIP)、一圖形處理單元(GPU)、一多核心處理器或其等之一組合。
一或多個處理器108可經由操作者控制台112自一操作者接收命令及/或掃描參數。操作者控制台112可包含鍵盤、一觸控螢幕、一踏板、其他可手動操作控制或其等之一組合。顯示裝置110可包含用於向CT或X射線掃描儀之操作者顯示CT重建影像及/或其他資料之一顯示螢幕。儘管圖1將CT或X射線掃描儀102展示為包含一單一x射線源總成120及一單一偵測器陣列總成122，但CT或X射線掃描儀102可包含依相對於彼此之(若干)偏移角配置之兩個或兩個以上X射線源-偵測器對。在此一設置中，可由兩個或兩個以上x射線源-偵測器對同時獲取兩個或兩個以上投影。
圖2係繪示根據本發明之發明概念之用於極低劑量電腦斷層螢光攝影(ULD-CTF)之一方法200的一流程圖。ULD-CTF可為產生一3D影像序列之4D CTF或可為產生一2D CT影像序列之一3D CT螢光攝影。簡言之，方法200可包含：使用CTF來獲取一介入裝置之複數對投影(步驟202)；針對各對CT投影即時識別介入裝置之一位置(步驟204)；及使用介入裝置之複數對投影及識別位置來形成介入裝置之至少一表示(步驟206)。方法200亦可包含：將介入裝置之至少一CT影像疊加(或重疊)於一目標之一CT影像上以產生一回饋影像(步驟208)；及顯示回饋影像以用於判定介入裝置相對於目標之一位置或引導移動(步驟210)。
參考圖1及圖2，一或多個處理器108可引起CT或x射線掃描儀在獲取複數對投影之前使用受試者(或其之一解剖區域)之一或多個全劑量CT掃描來獲取一第一組CT投影(或投影影像)。第一組CT投影可用於產生包含一目標解剖結構(本文中指稱目標)之受試者之解剖區域之一或多個3D CT影像或一或多個2D CT影像。目標物件可包含一腫瘤、一病灶、一畸形、一肌肉骨骼結構、一器官、一管道、一血管或其等之一組合。一或多個處理器108可(例如)藉由將FBP應用於第一組所獲取之CT投影影像來重建一2D影像序列。一或多個處理器108可使用重建2D影像序列來產生包含目標之解剖區域之一或多個3D影像。
在一些實施方案中，第一組CT投影(在使用、引入、插入、監測或穿入介入裝置之前)可與受試者之至少兩個呼吸狀態相關聯。例如，CT掃描儀102可在受試者之一第一呼吸狀態(例如深吸氣)中獲取CT投影之(第一組之)一第一子集及在受試者之一第二呼吸狀態(例如深呼氣)中獲取CT投影之(第一組之)一第二子集。一或多個處理器108可使用CT投影之第一子集來建構一第一3D影像(其描繪第一呼吸狀態中之解剖區域及目標之一3D體積)且使用CT投影之第二子集來建構一第二3D影像(其描繪第二呼吸狀態中之解剖區域及目標之一3D體積)。一或多個處理器108可進一步產生對應於第一呼吸狀態與第二呼吸狀態之間之額外呼吸狀態之額外3D影像。一或多個處理器108可執行第一3D影像與第二3D影像之間之3D與3D配準以估計描述解剖區域及目標之彈性變形之一向量場。可藉由縮放向量場來模擬完全吸氣與完全呼氣之間之中間呼吸狀態。
可由一診斷劑量及角投影之數目界定(若干)全劑量CT掃描。例如，在一全劑量CT掃描中，CT或X射線掃描儀102可執行984個投影(例如，對應於x射線源-偵測器對之984個角度)。一般而言，可基於達成重建2D或3D CT影像之適當影像品質及/或允許由一健康照護提供者可靠診斷所需之最少數目個投影來界定一全劑量CT掃描中之投影之數目。在一些實施方案中，全劑量CT掃描可使用一診斷劑量或可基於一診斷劑量來界定全劑量CT掃描以達成目標物件之2D或3D CT影像之一預判定信雜比(SNR)。CT或X射線掃描儀102可在(例如) 3秒至4秒之一時段(或任何其他特定時段)內獲取與全劑量CT掃描相關聯之第一組投影。
CT或X射線掃描儀102可獲取第一組CT投影以在呼吸不中止的情況下產生目標物件之一或多個2D或3D CT影像。CT或X射線掃描儀102可獲取第一組CT投影以在受試者之一完整或部分呼吸週期內產生目標之一或多個2D或3D CT影像。例如，執行(若干)全劑量CT掃描可包含：將一或多個基準點放置於由CT或X射線掃描儀102掃描之一區域內(例如，在受試者之皮膚上)。一或多個基準點可充當用於偵測受試者移動(例如呼吸移動)之參考。特定而言，一基準點自一CT影像移動至另一CT影像可指示受試者或目標之一移動。
一或多個處理器108可將與不同呼吸狀態相關聯之一3D及/或2D影像庫儲存於一記憶體或儲存裝置114中。3D及/或2D影像庫可包含與深吸氣、深呼氣及中間插值相關聯之影像或可包含與基於基準點之位置之不同呼吸狀態相關聯之各種影像。
方法200可包含：CT或X射線掃描儀102使用CTF且藉由旋轉CT或X射線掃描儀102之機架118來獲取一介入裝置之複數對投影(步驟202)。介入裝置可包含針頭、探針、導管、分流器、引流管、導線、支架、氣球、鑷子、內部矯形裝置等等。可依(例如) 10°至170°之一範圍內之一預判定(或預界定)角距獲得各對投影。在一些實施方案中，預判定(或預界定)角距可為約90° (例如，在80°至100°之間)。在(若干)全CT掃描中，連續投影角之間之角距可實質上小於與複數對投影之各者相關聯之預判定角距。例如，全劑量CT掃描可包含：依(360/984)°之相等角增量(或相鄰角距)獲取每轉984個投影。預判定角距可大於用於全劑量CT掃描之連續投影角之間之角距(例如，大於用於全劑量CT掃描之連續投影角之間之角距之一倍數)。因而，使用ULD-CTF (或在步驟202中)所獲取之投影之總數目可實質上小於全劑量CT掃描期間所獲取之CT投影之數目(例如，至少小10倍)。例如，使用一30°間距可導致藉由一單一平面CT掃描儀之每機架旋轉之投影角之一最大可能數目(等於360/30=12)(例如每轉6個投影圖框，其中使用一對對應投影來形成各投影圖框)，在該情況中，可達成等於984/12=82之一總劑量減少因數。此一減少可實質上降低作用於執行介入程序之受試者及操作者之輻射劑量或曝露。使用等於30°之一夾角及2轉/秒之一轉速可導致每轉6圖框或每秒12圖框之最大圖框率(使用一對對應投影來產生各圖框)。在介入裝置之複數對投影之獲取中，可選擇或預判定所獲取之投影之總數目以達成具有(例如)自2至492之範圍內之一值之一CT掃描劑量減少因數。例如，CT掃描儀102可獲取每機架回轉之一單一投影對(例如，具有90°角距)以因此達成一492劑量減少因數。在其中CT或X射線掃描儀102係具有兩個X射線源-偵測器對(例如兩個X射線源總成120及兩個偵測器陣列總成)之雙平面掃描儀的情況中，CT或X射線掃描儀102可使用兩個X射線源-偵測器對來同時獲取介入裝置之各對投影。
圖3描繪根據本發明之發明概念之用於一全劑量掃描及一ULD-CTF掃描之脈衝發送之一實例性組態之一表示。x軸表示投影角之刻度。虛線脈衝302可表示X射線控制器可在全劑量掃描期間施加於X射線源總成120之脈衝。如圖3中所展示，X射線或CT掃描儀102可在各可用投影角處獲取一投影。雜湊脈衝304可表示X射線控制器可在ULD-CTF掃描期間施加於X射線源總成120之脈衝。X射線控制器或X射線源總成120可跳過各對CTF投影之間之N個投影角以導致等於N之一CT掃描劑量減少因數。數字N可為2至K/2之間之一整數，其中K係全劑量CT掃描中所獲取之投影之總數目。X射線控制器可選擇與全劑量掃描相關聯之投影角之一子集用於執行ULD-CTF程序期間之投影。投影角之選定子集可與等於N之一CT掃描劑量減少因數相關聯，且可包含數對投影角，其中各對由預判定(或預界定)角距間隔。
方法200可包含：針對各對投影即時識別介入裝置之一位置(步驟204)。各對投影可由預界定(預判定)角距(例如10°至170°)間隔且可提供足夠角解析度以使用兩個投影中之介入裝置影像之一表示之反投影來使介入裝置(例如針頭或其他高對比度裝置)完全成像至包含目標之解剖區域之一2D或3D影像上。例如，資料獲取系統可將用於CT螢光攝影中之投影角之選定子集配置成對，其中各對投影角由預界定(或預判定)角距(例如約90°)間隔。
一或多個處理器108可使各對(或至少一對)投影影像配準於與全劑量掃描相關聯之一2D或3D影像。例如，一或多個處理器108可使一對投影影像配準於與相關聯於各種呼吸狀態之一3D影像庫中之一呼吸狀態相關聯之一3D影像。一或多個處理器108可使用一配準方案來估計使所獲取之投影影像對與相關聯於一對應呼吸狀態之3D影像之間之類似性最大化之一變形比例因數。一或多個處理器108可使用(例如)一梯度下降法來判定最小化一均方差(MSE)之變形比例因數。在一些實施方案中，一或多個處理器108可基於3D影像及投影影像對中之基準點位置來使投影影像對配準於與一各自呼吸狀態相關聯之一3D影像(例如，亦在獲取投影影像對時使用基準點)。投影影像對配準於與一對應呼吸相關聯之一3D影像允許在建構包括目標及介入裝置兩者之一2D或3D影像時運動校正。
一或多個處理器108可識別(或隔離)各對投影影像內之介入裝置。一或多個處理器108可識別(或隔離)各對投影影像內表示介入裝置之一對應影像區域。例如，一或多個處理器108可針對各對投影影像識別自該投影影像減去之一對應遮蔽(例如，表示解剖區域及目標而非介入裝置)。針對一對投影影像之各投影影像，對應遮蔽可為來自(若干)全劑量掃描期間所獲取之第一組投影影像之具有一類似投影角之一2D投影影像。歸因於各機架回轉之起始角變動，一或多個處理器108可藉由插入在(若干)全劑量掃描期間獲取且與相鄰投影角相關聯之兩個投影影像來產生一遮蔽。一或多個處理器108可使用投影影像對與3D影像之配準來識別(若干)適當遮蔽。一或多個處理器108亦可執行一子像素可變形局部配準以完全消除(或減輕)由基準點或解剖結構引起之相對較小配準誤差。一或多個處理器108可自投影影像對之各投影影像減去對應遮蔽以隔離表示介入裝置之影像部分(在該投影影像中)。
在一些實施方案中，一或多個處理器108可在投影影像對內執行分割以隔離表示介入裝置之影像區域。一或多個處理器108可採用高通濾波及定限來執行分割及隔離表示介入裝置之影像區域。隔離投影影像對內之介入裝置(或對應影像區域)可消除背景資訊以突顯或保留指示兩個投影影像中之介入裝置之影像資訊。
一或多個處理器108可在隔離表示介入裝置之影像區域之後將全域定限應用於投影影像對。一或多個處理器108可將一拓撲保持細化(或此項技術中已知之其他自動中心線運算技術)應用於隔離影像區域以提取(或判定)投影影像對中之介入裝置之中心分割線。在一對投影影像之各投影影像中，由一或多個處理器108判定與該投影影像內之介入裝置之表面(或與對應影像區域之邊)等距之一中心分割線。
圖4係繪示根據本發明之發明概念之使用一對獲取投影來識別介入裝置之一位置的一圖式。一第一投影影像402a及一第二投影影像可各包含分別表示介入裝置之一對應影像區域404a及404b。可(由一或多個處理器108)基於影像區域404a來判定第一投影影像402a中之介入裝置之一中心分割線406a，如上文所描述。此外，可(由一或多個處理器)基於影像區域404b來判定第二投影影像402b中之介入裝置之一中心分割線406b。3D體積空間408可表示與基於全劑量掃描資料所產生之解剖區域及目標之一3D影像相關聯之一體積空間。3D體積空間408可表示與受試者之一呼吸狀態相關聯之解剖區域及目標之一3D影像。
一或多個處理器108可將影像區域404a及404b反投影至3D體積空間408中。反投影影像區域404a可包含：一或多個處理器108沿正交於投影影像402a之一平面反投影中心分割線406a。反投影影像區域404b可包含：一或多個處理器108沿正交於投影影像402b之一平面反投影中心分割線406b。例如，一或多個處理器108可使中心分割線406a之各端配準於中心分割線406b之一對應端。一或多個處理器108可判定兩個中心線406a及406b之反投影之間之交集。判定中心線406a及406b之反投影之間之交集可包含：使中心分割線406a之各端配準於中心分割線406b之一對應端，且判定中心分割線406a及中心分割線406b之對應端之反投影之間之交集。
中心分割線406a之反投影與中心分割線406b之反投影之間之交集界定3D體積空間408內之介入裝置之中心分割線410。因而，一或多個處理器108可藉由判定中心分割線406a之反投影與中心分割線406b之反投影之間之交集來識別中心分割線410。由於識別中心分割線410，所以一或多個處理器108事實上識別3D體積空間408中之介入裝置之一位置及一定向。例如，中心分割線410可界定表示3D體積空間408內之介入裝置之影像區域412。
在一些實施方案中，一或多個處理器108可使影像區域404a之一或多個像素(或像素區塊)配準於影像區域404b之一或多個像素(或像素區塊/群組)。一或多個處理器108可將彼此配準之影像區域404a及404b之像素(或像素區塊/群組)反投影至3D體積空間408中。一或多個處理器108可判定在3D體積空間408內彼此配準之像素(或像素區塊)之反投影之間之交集。所判定之交集表示3D體積空間408內之介入裝置之像素(或像素區塊/群組)。因此，一或多個處理器108可藉由判定此等交集來判定3D體積空間408內之介入裝置之位置。
方法200可進一步包含：一或多個處理器108在判定介入裝置之位置之前使投影影像對402a及402b配準於與受試者之一呼吸相關聯之一3D影像。一或多個處理器108可判定一或多個基準點之位置。一或多個處理器108可將表示投影影像對之各者內之一基準點之影像區域反投影至與受試者之各種對應呼吸狀態相關聯之各種3D影像上。一或多個處理器108可使投影影像對402a及402b配準於3D影像，其中基準點(來自投影影像對402a及402b)之反投影之交集與該3D影像中之相同基準點匹配或重疊。
返回參考圖1及圖2，方法200可包含：一或多個處理器108使用介入裝置之複數對投影及/或識別位置來形成介入裝置之至少一2D或3D影像(步驟206)。一或多個處理器108可使用表示所獲取之投影影像對內之介入裝置之隔離影像區域之一或多者(例如影像區域404a及404b)來重建介入裝置之至少一2D或3D影像。一或多個處理器108可提取表示介入裝置之影像區域之一或多者(例如影像區域404a及/或404b)且使用此(等)影像區域作為介入裝置之(若干) 2D影像。一或多個處理器108可使用(若干)所提取之影像區域(諸如影像區域404a及/或404b)來重建介入裝置之一或多個2D或3D影像。在一些實施方案中，一或多個處理器108可將介入裝置之一或多個2D或3D影像儲存於一資料庫或儲存裝置114中以供擷取而重疊(或疊加)於解剖區域及目標之3D影像上。在一些實施方案中，形成介入裝置之一2D或3D影像可包含：自資料庫或儲存裝置114選擇及/或擷取介入裝置之一影像，且旋轉(或更一般而言，將一變換應用於)擷取影像以與3D體積空間408中之介入裝置之一判定定向一致。
一或多個處理器108可形成一或多個基準點之至少一2D或3D影像。一或多個處理器108可形成包含基準點及介入裝置兩者之2D或3D影像或可形成基準點及介入裝置之單獨2D或3D影像。例如，一或多個處理器108可依類似於上文關於形成介入裝置之一影像所討論之方式之一方式形成基準點之2D或3D影像。
方法200可包含：將介入裝置之至少一2D或3D影像疊加(或重疊)於一目標物件之一2D或3D CT影像上以產生一回饋影像(步驟208)。回饋影像可包含解剖區域、目標及介入裝置。一或多個處理器108可根據3D影像內(或3D體積空間408內)之介入裝置之判定位置來針對各對投影影像(諸如投影影像402a及402b)將介入裝置之一3D影像重疊(或疊加)於配準於該對投影影像之解剖區域及目標之一3D影像上。一或多個處理器108可根據步驟204中之介入裝置之判定位置來針對各對投影影像(諸如投影影像402a及402b)將介入裝置之一2D影像重疊(或疊加)於配準於該對投影影像之解剖區域及目標之一2D影像上。
目標物件(及對應基準點)之複數個2D或3D影像可在一呼吸及/或心動週期之不同階段中建立或獲得且可儲存於一影像庫中。如上文所討論，一或多個處理器108可使投影影像對(介入裝置之影像)之基準點位置與目標物件之複數個影像之一者中之基準點位置匹配或判定用於最小化一均方差(MSE)之一變形比例因數以選擇配準投影影像對402a及402b之目標物件之一2D或3D影像。在設置掃描期間，CT或x射線掃描儀102可在介入裝置(例如針頭)放置開始之前獲取3秒或4秒之全劑量曝露。可將基準點放置於患者之表皮上。此等基準點可視情況由交叉針頭或類似對比度物件(其包含解剖內部結構(諸如手術夾)、鈣化血管或器官)製成，使得其可依相同於分割介入裝置之方式被分割。CT或X射線掃描儀102可執行自由呼吸掃描以取樣整個呼吸週期。針對各回轉，例如，一或多個處理器108可重建3D基準點位置。針對各回轉，一或多個處理器108可獲取及儲存各基準點位置之一對應全劑量2D或3D目標影像。針對基準點之各位置，一或多個處理器108可選擇將描繪步驟204中所判定之介入裝置之即時位置之介入裝置之2D或3D影像疊加於其上之(若干)對應目標物件(或受試者)影像。換言之，由於比較介入裝置之一當前2D或3D影像內之一基準點之位置與目標物件之2D或3D CT影像之基準點之位置，所以一或多個處理器可選擇將介入裝置之一當前2D或3D影像疊加於其上(或與其組合)之目標物件之適當2D或3D CT影像。一或多個處理器108可比較介入裝置之連續2D或3D影像內之基準點之位置(或將介入裝置之一2D或3D影像內之基準點反投影至目標之一對應2D或3D CT影像上)以偵測實質(例如，大於一臨限值)非呼吸受試者移動。在此偵測之後，一或多個處理器108會提醒執行介入程序之健康照護人員：患者/目標已在掃描之間移動以(例如)提示其進行另一設置(或全劑量)掃描。
一或多個處理器108可將步驟206中所形成之介入裝置的影像重疊於經配準於投影影像對402a及402b之目標物件的影像上。疊加或組合介入裝置之影像可包含：一或多個處理器108基於該影像內之介入裝置之判定位置(或判定中心分割線410)來識別目標物件之影像內之一影像區域(例如圖4中之影像區域412)，且使用介入裝置之影像來修改(或設定)識別影像區域412內之像素值。例如，可將識別影像區域412內之像素值修改或設定為等於步驟206中所形成之介入裝置之影像中的對應像素之值。疊加介入裝置之2D或3D影像可包含：沿中心分割線410，將介入裝置之一2D或3D影像重疊於目標物件之影像上。將介入裝置之2D或3D影像疊加於目標物件之選定2D或3D CT影像上可(例如)包含：將介入裝置之一內螢光攝影影像重疊或插入(例如，藉由改變像素值)於解剖區域或目標之影像上。介入裝置可包含一血管裝置，且目標物件可包含一血管目標物件或一血管路線圖。血管目標物件之影像可為使用全劑量掃描投影所獲得之一影像(例如預掃描或先前獲取或重建之影像)，或由螢光攝影(或ULD-CTF)程序期間所獲取之重複取樣(或投影)建構之一影像。
由於將介入裝置自一對投影影像反投影至目標之一3D影像上且將介入裝置之一2D或3D影像疊加於目標之3D影像上，所以一或多個處理器108可產生一回饋影像，其基於少至一對投影來準確展示介入裝置相對於目標之瞬時或即時放置位置。回饋影像之產生未必涉及執行FBP或通常需要相對較大數目個CT投影且經受一些影像重建假影之其他習知CT影像重建方法。此外，上述ULD-CTF成像方法(例如，藉由判定介入裝置之位置，且在判定位置處併入介入裝置之一影像)允許在無額外CT投影或額外複雜性的情況下，使用CT掃描儀102上可用之整個z軸。使用整個z軸允許在介入程序期間使介入裝置保持於視野中、沿介入裝置之縱軸線重建影像及準確估計(或判定)介入裝置之一尖端與目標之間的距離。ULD-CTF成像方法亦消除與習知重建技術(諸如FBP)相關聯之光束硬化假影。就CCT而言，使用整個z軸將牽涉執行通過相同體積之一習知CT掃描及執行CT影像重建(例如，使用FBP)。此習知方法會需要相對較大劑量之輻射。
方法200可包含：將回饋影像顯示於一顯示裝置上以用於判定介入裝置相對於目標之一位置或引導介入裝置相對於目標移動(步驟210)。一或多個處理器108可引起回饋影像顯示於(例如)顯示裝置110上。一或多個處理器108可顯示(或呈現)一3D回饋影像之2D切片或可將回饋影像顯示為一3D影像。一或多個處理器108可引起顯示裝置110依各種方式之至少一者顯示回饋影像。例如，顯示裝置110可呈現定向於軸向、冠狀或矢狀位置中之一單一CT切片或一系列CT切片。鑑於可使用CT掃描儀102之整個z軸，一或多個處理器108 (例如，自動地或回應於由一操作者選擇)可引起顯示裝置110提供沿介入裝置之一縱軸線或介入裝置之一短軸線之一視圖(潛望圖)。若顯示影像沿介入裝置之縱軸線定向，則操作者將沿投影介入裝置路徑觀看解剖。因而，介入裝置會在介入程序期間位於成像面內(現今成為CT螢光攝影之一特定問題)。一或多個處理器108可依經組態以用於連續模式觀看、螢光觀看、使用者控制影像轉變、橫截面觀看、立體觀看或其等之一組合之至少一者之一格式顯示回饋影像。
例如，在一連續模式觀看中，CT掃描儀102可依一預界定角距連續獲取投影對，且一或多個處理器108可連續產生(例如)各對獲取投影之一回饋影像。一或多個處理器108可在操作者調整介入裝置之定向之放置時即時(在獲取各對CT投影之後立即)顯示所產生之回饋影像之序列或其2D切片。在一螢光觀看模式中，操作者可(例如)腳踩一踏板或按壓一按鈕以觸發獲取各對投影及/或顯示所產生之對應回饋影像(或其2D切片)。一或多個處理器108及/或顯示裝置110可允許使用者控制影像轉變。操作者可腳踩一踏板、按壓一按鈕、在一觸控螢幕上輕擊或滑動或啟動另一類型之觸發以引起顯示裝置110自一顯示影像轉變成另一顯示影像。在一橫截面觀看模式中，顯示裝置110可呈現解剖區域或目標物件之橫截面切片。在立體觀看(或呈現)中，顯示裝置110可立體呈現介入裝置及解剖區域(其包含目標)。例如，一或多個處理器108可產生可使用紅藍眼鏡來觀看之互補色立體回饋影像。例如，操作者可使用上半部係透明之一副雙焦眼鏡且雙焦鏡片係紅色及藍色的。顯示裝置110可根據略微不同角度處之一並排立體圖來顯示回饋影像。
圖5展示根據本發明之實例性實施例之用於顯示回饋影像之實例性顯示選項。顯示選項可包含：一第一顯示選項502，其用於呈現沿與介入裝置(針頭)對準之一平面之一視圖(或一CT切片)；一第二顯示選項504，其用於呈現多個視圖或CT切片；一第三顯示選項506，其用於呈現一靶心；及第四顯示選項508，其用於呈現文字輸出。顯示裝置110可根據顯示選項502至508之任何組合來呈現一回饋影像。
根據顯示選項502，一處理器108可選擇回饋影像沿與介入裝置(例如針頭)對準(或相關聯)之一平面之一切片或一截面圖且顯示裝置110可呈現選定切片或截面圖。顯示裝置110可使用不同於選定視圖或切片中所展示之解剖區域之一色彩(例如紅色、黃色、藍色或其他色彩)來呈現介入裝置之一尖端或目標物件510。顯示裝置110可將不同色彩分配給介入裝置之尖端(或其之一投影)及目標物件510。根據顯示選項504，顯示裝置110可同時呈現(或在選擇之後呈現)各種視圖，諸如一3D視圖、一或多個截面圖(或切片)或其等之一組合。例如，截面圖或切片可包含沿與介入裝置對準(或相關聯)之一平面之一切片或截面圖512、沿介入裝置向下之一切片或截面圖514、目標物件510處之一切片或截面圖516及/或其他截面圖或切片。目標物件510 (例如一腫瘤、一管道、一病灶、一血管或其他解剖結構)可由操作者(例如一醫生)預選且定位於全部後續影像之空間中。
顯示裝置110可顯示整個切塊(3D空間或體積)作為顯示選項502或顯示選項504之部分，其中目標物件由操作者標記於設置(全劑量)掃描期間所獲取之影像上。在一些實施方案中，可使用其中不顯示實際切片資料之「切塊圖」來執行整個介入程序。此一顯示方法可很好地應用於其中較少臨界解剖結構介入於介入裝置與目標物件之間之器官中。顯示裝置110可(例如)基於新獲取之ULD-CTF投影來連續更新一CT切片或截面圖(例如沿介入裝置之縱軸線之一切片)。此呈現方法將向操作者給定(例如)沿與介入裝置對準之一平面之解剖結構之一CT 「路線圖」。顯示裝置110可允許操作者自多個可用視圖選擇具有較高解析度或互動選項(例如旋轉、放大、縮小或其等之一組合)之一視圖或切片來呈現。當顯示一3D回饋影像時，顯示裝置110可允許操作者圍繞一或多個軸線旋轉顯示影像、放大影像、縮小影像、滑動影像或其等之一組合。
根據顯示選項506，顯示裝置110可呈現表示目標物件位置之一點或標記及具有表示介入裝置之尖端之位置(或其之一投影)之一對應中心之同心圓靶。同心圓靶可視覺上繪示介入裝置相對於目標物件之位置之方向。根據顯示選項508，顯示裝置110可(例如)即時顯示自介入裝置之一端(例如針頭尖端)至目標物件之距離及方向之更新。顯示裝置110可顯示指示介入裝置之尖端與目標物件之間之距離及用於調整介入裝置朝向目標之方向之定向調整(例如旋轉角)之文字。一或多個處理器108可引起顯示裝置110即時(例如，在獲取一對新投影之後立即)更新根據呈現選項502至508之任何者所呈現之內容。顯示裝置110可允許顯示介入裝置之先前位置之一或多個指示(例如介入裝置在由解剖區域內之一行進路徑之一影像)。
操作者(諸如對受試者執行介入程序之醫療專家)可使用所顯示之回饋影像及/或其他顯示資料來判定介入裝置之一當前位置(例如，相對於目標物件)或評估或修改介入裝置穿過受試者之路徑。例如，操作者可使用即時顯示之資料(例如與回饋影像相關聯之切片或視圖、靶心圖、文字資訊或其等之一組合)來追蹤及/或引導介入裝置之移動。操作者可(例如)基於所顯示之文字定向調整、靶心圖或一呈現切片影像來調整介入裝置之定向。
圖6A至圖6C展示根據本發明之發明概念之作為對一生豬執行之一實驗CT螢光攝影程序之部分而產生且繪示一針頭朝向一目標之逐步推進的CT影像。在一演示及非限制性實驗中，將一針頭逐漸插入至離體豬肝中。使用一系列之12次回轉且在各回轉之前逐漸推進針頭。未將明確目標插入至肝臟中。然而，為了模擬，一虛擬目標(圖6A至圖6C中之正方形)經數學界定且疊加於針頭影像上以提供螢光攝影模式將如何進行之一實例。此實例中不包含運動。螢光攝影程序依每秒24個影像(每秒2次回轉)提供一系列2D影像。所得結果表明：可自任何方向觀看或立體觀看針頭及目標物件。特定而言，圖6A至圖6C表示對應於ULD-CTF程序之不同時間點之回饋影像且其等繪示針頭朝向虛擬目標(正方形)之即時推進。針對此實驗，投影由984個角之82者間隔，且劑量減少因數係82。
圖7A及圖7B展示繪示根據本發明之發明概念之全劑量CCT及ULD-CTF之實驗結果的影像。在實驗中，在一系列生豬中使用習知CTF來使四個解剖部位(肺、腎、脾及肝)成像。在具有4 cm軸向覆蓋之一64切片CT掃描儀(HD 750，通用電氣公司(General Electric)，美國馬薩諸塞州波士頓市)上執行成像。將基準點放置於動物之表皮上以輔助運動校正。針對各解剖部位，執行一習知螺旋掃描以界定目標體積。接著，使用12次回轉且在各回轉之間推進針頭。在插入針頭之前執行第一回轉。此係為了允許經由削減及消除基準點來隔離針頭，其會在針頭之重建期間引起假影。
針對ULD-CTF，使用每回轉之僅兩個角度及30°至90°之一角距來產生影像。此導致約984/2=492之一劑量減少因數，因為全劑量掃描使用984個角度。在使用兩個角度時，圖框率等於機架旋轉頻率。圖7A及圖7B中展示肺中之兩個時框內之所提出之低劑量重建與習知全劑量重建之間之一視覺比較。分別在左邊及中間行上針對ULD-CTF及全劑量CCT重建展示沿針頭之切片(或視圖平面)。另外，右邊上展示由習知CT掃描儀顯示之一常規CT切片。ULD-CTF影像展示具有針頭及目標之清晰顯影之沿針頭之平面之CT切片。然而，CCT影像(中間行)展示沿針頭之條紋假影。
圖8展示繪示依據毫安培數而變化之ULD-CTF重建準確度的一走勢圖。根據ULD-CTF重建中之針頭尖端與對應CCT重建中之針頭尖端之間之距離來評估ULD-CTF重建準確度。藉由將人工雜訊新增至200 mA處肝、脾及腎中所獲取之一豬研究之影像序列來模擬200 mA至1 mA之間之管電流。走勢圖展示全部經模擬雜訊位準之針頭尖端準確度。結果表明，可在200 mA至6 mA之間針對輻射劑量達成1.58±0.20 mm之一平均準確度。
圖9A及圖9B展示具有不同呼吸狀態之一肺之影像。在圖9A中，未施加運動補償，而圖9B中之影像被運動補償。雜湊區域指示在重建回饋影像時未施加運動補償時之配準誤差。
一或多個處理器108可使用複數對投影來獲取解剖區域及/或目標物件之一或多個2D或3D CT影像(不中斷CT螢光攝影)。例如，一或多個處理器108可使用基於螢光攝影期間之獲取投影對所重建之影像來產生解剖區域及/或目標物件之一或多個額外2D或3D CT影像(例如，藉由消除指示介入裝置之影像資訊)。然而，由於螢光攝影程序相較於全劑量掃描使用較少投影角(每單位時間或每回轉)，所以使用每回轉較少投影角(相較於一全劑量掃描)來獲取目標之一2D或3D CT影像會耗費較長產生時間。
圖10係繪示可用於產生目標物件之額外2D或3D CT影像之一交錯螢光攝影掃描之一實例的一圖式。假設一CT或X射線掃描儀獲取(例如)每15個角一次(相較於全劑量掃描之每單一角一次)及每旋轉推進一個角之交錯曝露。劑量減少因數由相鄰曝露之間所跳過之角數目給定(在此情況中為15)。若一機架轉速係3轉/秒，則每15次旋轉(約5秒)獲取一全劑量目標掃描。對應於15個投影之角度係360*15/984=5.5°。一般而言，用於介入裝置重建之夾角之間之關係由(角度=360*劑量減少因數/984)給定。由於產生目標物件之CT 3D影像涉及使用整組投影(例如984個)，所以在螢光攝影期間獲取此整組投影比一全劑量掃描期間耗時更長。
表1
表1繪示劑量減少因數、夾角及更新時間之間之關係。目標影像之一完全更新時間可由(更新時間=劑量減少因數/3 (每秒3轉))給定。隨著劑量減少因數增大，更新時間變長且會在劑量減少因數大於20時過長。若證明一特定背景可接受(例如)一半劑量目標掃描，則更新時間可減少一半且較大劑量減少因數係可行的。
方法200可包含：一或多個處理器108回應於偵測到非呼吸或大於一預界定移動臨限值之目標之一移動而進一步獲取中斷CT螢光攝影時之目標之一或多個2D或3D CT影像。一或多個處理器108可基於超過一給定臨限值之基準點之一偵測移動來偵測此移動。作為回應，一或多個處理器108可提示健康照護人員啟動一新設置(全劑量)掃描或可在通知健康照護人員時自動開始新設置(全劑量)掃描。
若一或多個處理器108 (或操作者)偵測到已發生之唯一運動係呼吸運動，則可結合基準點使用目標影像設定(藉由消除指示介入裝置之影像資訊來建立)以基於進行中之基準點重建來更新目標影像。若偵測到受試者之位置之一非呼吸移位，則醫師可中斷介入裝置螢光攝影，且CT或x射線掃描儀102可在約3秒至4秒之一時段內獲取一組新目標影像，此後，低劑量之介入裝置螢光攝影(與非呼吸移位一致)將恢復。
一或多個處理器108亦可藉由使用與目標物件之(若干)額外影像之信號整合來改良解剖區域及/或目標物件之2D或3D影像。當使用進行中之螢光攝影資訊(例如ULD-CTF投影)來形成/產生目標物件之一額外2D或3D影像時，一或多個處理器108可將設置/全劑量掃描期間所獲得之目標物件之2D或3D CT影像之至少一者與一新獲取之2D或3D CT影像配準及/或整合以提高目標物件之2D或3D影像之信雜比(SNR)。特定而言，一或多個處理器108可使用目標物件之新形成之2D或3D CT影像來更新(例如，使用加權平均)設置期間所獲得之目標物件之2D或3D影像之至少一者。一或多個處理器108可將介入裝置之一對應(或新形成) 2D或3D影像疊加於目標物件之更新2D或3D CT影像上以產生一更新回饋影像。
可由一或多個處理器108使用區塊匹配來達成影像之間之配準。區塊匹配可允許偵測兩個影像內之對應區域/區塊之間之運動。在一些實施例中，若(若干)偵測運動小於一給定臨限值，則一或多個處理器108可使影像彼此配準。在其他實施例中，一或多個處理器108使用一偵測運動(或相對平移或移位)來執行配準。一或多個處理器108可在圍繞目標物件之一有限體積中執行區塊匹配以提高速度。一或多個處理器108亦可藉由比較基準點資料來執行配準以判定哪些目標體積彼此配準。例如，一或多個處理器108可比較兩個單獨影像內之基準點之位置以判定影像(或體積)是否彼此配準。一或多個處理器108可使用諸多可行配準方法之任何者。
本文中所描述之螢光攝影技術可由(例如)一西門子(Siemens)雙能量掃描儀實施。西門子雙能量掃描儀具有由一夾角(例如90°)間隔之兩個源及偵測器。儘管此將容易同時給定間隔(例如) 90°之兩個投影，但一單源CT亦可在約0.1秒內提供間隔90°之兩個投影。因此，沒有真正有利地使投影時間更接近。然而，若投影處於不同能量，則可抵消組織強度以使針頭分割更容易。仍可使用能量之一者來產生進行中之未消減目標掃描。
西門子系統之一優點在於：全部劑量減少因數處之角距較大。由於由90°偵測器重複曝露，所以劑量減少因數可減小1.5倍。
圖11展示繪示CT掃描儀之兩個偵測器-源對之配置的一圖式。第一偵測器之角度值自0轉至270。第二偵測器自90轉至360以給定一完整資料組。劑量減少因數仍由跳過之角度數目給定。歸因於由兩個偵測器在相同角度處重複獲取，劑量可增加1.5倍。下表2展示繪示一所提出之西門子設置之劑量減少因數、夾角及更新時間之間之關係的結果。


表2
本文中所描述之螢光攝影技術之其他潛在臨床應用可包含矯形手術(放入螺釘/克氏針(k-wire)、減少骨折、減少錯位、即時加應力於解剖結構(例如肘屈曲/腕背屈(Flexion/extension)圖、應力圖))、吞咽評估、動態骨盆底評估、腔內應用(諸如CT支氣管鏡檢查、結腸鏡檢查、胃腸道內鏡檢查、ERCP等等)、CT引導下之血管內/心臟內手術(將一導管即時定位於體內之任何位置中)、神經外科術(其包含CT引導下之即時神經外科術，諸如如放置心室分流器)、泌尿外科及婦科手術及/或CT引導下之耳鼻喉介入(其包含鼻竇炎手術、鼻中隔手術及軟組織介入)。
根據實例性實施例，ULD-CTF方法之優點可包含：1)顯著擴大z軸覆蓋範圍(例如4cm)以視覺化否則將在習知CT螢光攝影期間「位於平面外」之介入裝置；2)重建及視覺化介入裝置平面中之影像平面，使得穿刺路徑中之解剖物件總是可見；及3)無條紋假影。由於不使用習知濾波反投影來重建低劑量掃描，所以諸如針頭之高對比度物件不產生條紋假影。
針對習知CTF，介入裝置準確度主要受限於切片厚度。切片越厚，越有可能將整個介入裝置包含於掃描體積內，但體積假影使切片內之介入裝置之精確位置不確定。針對ULD-CTF，介入裝置定位之準確度不是受限於切片厚度，而是受限於由影像雜訊管控之投影資料之解析度。當雜訊在極低毫安培處增加時，準確度會略有下降。然而，雜訊模擬指示一直低至6 mA之準確度約為2 mm。由於通常在10 mA至100 mA之間執行CTF，所以2 mm準確度似乎為最糟可能情況。ULD-CTF之空間準確度似乎類似於或優於習知CT螢光攝影。
習知CT螢光攝影(CTF)本質上難以折衷介入裝置/解剖結構視覺化與輻射劑量。藉由在針頭朝向一目標推進期間重複掃描一單一z軸位置來執行CTF。使用CTF來減少輻射劑量之唯一方法係減少獲取次數(增加「盲目」針頭推進)、減少z軸之解剖覆蓋範圍(較薄切片增加影像雜訊且增大介入裝置超出平面之可能性)及減小毫安培數(降低影像品質)。此等輻射減少步驟之各者以降低相對於臨界解剖結構追蹤介入裝置之能力以因此損及CT螢光攝影之核心功能為代價。
在本發明所描述(或由本發明涵蓋)之實施例中，一CT掃描系統可在一設置階段期間執行一全劑量(或設置) CT掃描，在此期間，使用每機架旋轉之習知數目個投影角(通常為984個)及足以劃定所關注之一目標物件(或目標區域)之劑量來獲取一第一組CT投影。與CT掃描系統相關聯之一處理器可產生包含目標物件/區域之一解剖區域之一或多個2D或3D影像。在解剖區域中引入或插入一介入裝置時之一ULD-CTF階段期間，CT掃描系統可使用比用於全劑量CT掃描之投影角之習知數目(例如984)小兩倍或兩倍以上之每機架旋轉之獲取投影之數目來獲取一第二組CT投影。未必在CT投影對中獲取第二組CT投影，然而，處理器可將第二組CT投影分組(或配置)成對、三元組、四元組或根據在不同投影角處獲取之兩個或兩個以上CT投影之子集來分組(或配置)第二組CT投影。
處理器可使用CT投影之各子集來判定解剖區域內之介入裝置之一位置，如相對於圖4所討論。明確而言，處理器可將一給定子集中之各投影中之介入裝置之一表示(例如影像區域、中心線或一或多個像素或體素)反投影至與解剖區域相關聯之一空間體積上以判定介入裝置之位置。一般而言，處理器可在採用反投影來判定介入裝置之位置時使用兩個或兩個以上投影。處理器可獲得介入裝置之2D或3D影像(例如，使用CT投影之子集來重建介入裝置之2D或3D影像或使用介入裝置之一可用2D或3D影像)，且將介入裝置之2D或3D影像分別疊加(或重疊)於使用全劑量CT掃描資料所產生之解剖區域之一2D或3D影像上以獲得分別描繪具有目標區域之解剖區域及介入裝置兩者之一2D或3D回饋影像或圖框。處理器可針對ULD-CTF投影之各子集產生一單獨2D或3D回饋影像或圖框。所產生之2D或3D回饋影像或圖框可繪示介入裝置相對於目標物件/區域之隨時間移動。處理器可向介入裝置之一操作者顯示所產生之2D或3D回饋影像或圖框(或其截面圖或其他資料)以幫助引導或調整介入裝置(例如)朝向目標物件/區域之移動。應瞭解，如本文中所使用，投影對涵蓋兩個或兩個以上投影之子集。
10‧‧‧水平軸線
20‧‧‧圓形路徑
100‧‧‧旋轉X射線系統
102‧‧‧電腦斷層(CT)掃描儀
104‧‧‧工作台
106‧‧‧控制系統
108‧‧‧處理器
110‧‧‧顯示裝置
112‧‧‧操作者控制台
114‧‧‧儲存裝置
116‧‧‧空腔
118‧‧‧機架
120‧‧‧X射線源總成
122‧‧‧X射線偵測器陣列總成
200‧‧‧方法
202‧‧‧步驟
204‧‧‧步驟
206‧‧‧步驟
208‧‧‧步驟
210‧‧‧步驟
402a‧‧‧第一投影影像
402b‧‧‧第二投影影像
404a‧‧‧影像區域
404b‧‧‧影像區域
406a‧‧‧中心分割線
406b‧‧‧中心分割線
408‧‧‧三維(3D)體積空間
410‧‧‧中心分割線
412‧‧‧影像區域
502‧‧‧第一顯示選項
504‧‧‧第二顯示選項
506‧‧‧第三顯示選項
508‧‧‧第四顯示選項
510‧‧‧目標物件
512‧‧‧切片/截面圖
514‧‧‧切片/截面圖
516‧‧‧切片/截面圖
α‧‧‧角度
圖1係繪示根據本發明之發明概念之一旋轉x射線系統的一圖式；
圖2係繪示根據本發明之發明概念之用於四維(4D)低劑量電腦斷層(CT)螢光攝影之一方法的一流程圖；
圖3展示繪示根據本發明之發明概念之用於一全劑量掃描及一極低劑量CT螢光攝影(ULD-CTF)掃描之脈衝發送之一實例性組態的一圖式；
圖4係繪示根據本發明之發明概念之使用一對獲取投影來識別一介入裝置之位置的一圖式；
圖5展示根據本發明之實例性實施例之用於顯示回饋影像之實例性顯示選項；
圖6A至圖6C展示根據本發明之發明概念之作為對一生豬執行之一實驗CT螢光攝影程序之部分而產生且繪示一針頭朝向一目標之逐步推進的CT影像之實例；
圖7A及圖7B展示根據本發明之發明概念之全劑量CCT及ULD-CTF之影像繪示實驗結果；
圖8展示繪示依據毫安倍數而變化之ULD-CTF重建準確度的一走勢圖；
圖9A及圖9B展示具有不同呼吸狀態之肺影像；
圖10係繪示可用於產生一目標物件之一CT 3D影像之一交錯螢光攝影掃描之一實例的一圖式；及
圖11展示繪示一CT掃描儀之兩個偵測器-源對之一配置的一圖式。

Claims (30)

  1. 一種用於電腦斷層(CT)螢光攝影之方法，該方法包括： 使用CT螢光攝影，藉由旋轉一CT掃描儀之一機架來針對一目標物件獲取一介入裝置之複數對投影，依大於用於該目標物件之一全劑量CT掃描之一第二角距之一預判定第一角距來獲得各對投影，該全劑量CT掃描使每機架旋轉之獲取投影之一數目比來自該介入裝置之該等投影對之該獲取之數目高至少兩倍； 使用來自該各自投影對之該介入裝置之影像的反投影，針對該各對投影即時識別該介入裝置之一位置； 使用該介入裝置之該複數對投影及該等識別位置來形成該介入裝置之至少一二維(2D)或三維(3D)影像； 將該介入裝置之該至少一2D或3D影像疊加於該目標物件之一2D或3D CT影像上，以即時產生指示該介入裝置之該等識別位置之至少一者之至少一回饋影像；及 顯示該至少一回饋影像以用於判定一位置或引導該介入裝置相對於該目標物件移動。
  2. 如請求項1之方法，其中一全劑量CT掃描使用一診斷劑量來達成該目標物件之該2D或3D CT影像之一預判定信雜比(SNR)。
  3. 如請求項1之方法，進一步包括：在該全劑量CT掃描期間及在獲取該複數對投影時，將一或多個基準點放置於一區域內。
  4. 如請求項1之方法，進一步包括：在獲取該介入裝置之該複數對投影之前，使用該全劑量CT掃描來獲取該目標物件之一3D CT影像。
  5. 如請求項1之方法，其中該目標物件包括一腫瘤、一病灶、一肌肉骨骼結構、一器官、一管道或一血管之一者。
  6. 如請求項1之方法，其中該目標物件之該2D或3D CT影像包括一CT血管攝影，或以下之一者之一影像：一腫瘤、一管道、一血管、一病灶、一肌肉骨骼結構或一器官。
  7. 如請求項1之方法，進一步包括：藉由併入一掃描區域之一血管影像、該掃描區域之一非血管影像或該掃描區域之一正常CT影像之至少一者來產生該目標物件之該2D或3D CT影像。
  8. 如請求項1之方法，進一步包括：依經組態以用於立體觀看、橫截面觀看、螢光觀看、連續模式觀看或使用者控制影像轉變之至少一者之一格式，向一使用者呈現該回饋影像。
  9. 如請求項1之方法，進一步包括：向一使用者呈現包含以下之一或多者之該回饋影像：該回饋影像之多個視圖或CT切片、沿與該介入裝置對準之一平面之該回饋影像之一視圖或一CT切片、關於該介入裝置及該目標物件裝置之一距離之一指示、該介入裝置之先前位置之一指示或用於移動該介入裝置之導航引導或提示。
  10. 如請求項1之方法，進一步包括：在一受試者之一完整或部分呼吸週期內、在一受試者之一呼吸週期之兩個極端處、在3秒至4秒之一時段內使用該全劑量CT掃描或在呼吸不中止的情況下，獲取該目標物件之一或多個2D或3D CT影像。
  11. 如請求項10之方法，進一步包括：在一受試者之一呼吸週期之至少部分期間，使用該一或多個2D或3D CT影像來判定一或多個基準點之位置。
  12. 如請求項1之方法，進一步包括：將該介入裝置之該複數對投影之該獲取組態為根據相較於該全劑量CT掃描之一CT掃描劑量減少因數之投影之一獲取，該CT掃描劑量減少因數包括來自2至492之一範圍之一值。
  13. 如請求項1之方法，進一步包括：使用兩個x射線源-偵測器對來同時獲取該介入裝置之該複數對投影之各者。
  14. 如請求項1之方法，其中該介入裝置包括一針頭、導線、探針、導管、支架、氣球、鑷子、一內部解剖結構、內部矯形裝置，或分流器。
  15. 如請求項1之方法，其中使用該反投影來識別該介入裝置之該位置包括：定位該反投影之一交集。
  16. 如請求項1之方法，其中形成該介入裝置之該至少一2D或3D影像包括：使用高通濾波、影像分割、定限或自該介入裝置之一第二投影減去與該全劑量CT掃描相關聯之一第一投影之至少一者。
  17. 如請求項1之方法，其中形成該介入裝置之該至少一3D影像包括：使用該介入裝置之一組時間解析影像。
  18. 如請求項1之方法，進一步包括：藉由將運動校正應用於一呼吸週期之兩個極端處所獲取之資料來產生該目標物件之該2D或3D CT影像。
  19. 如請求項1之方法，進一步包括：根據在一受試者之一呼吸週期之至少部分期間所判定之一或多個基準點之一或多個位置，自該目標物件之複數個影像選擇將該介入裝置之該至少一2D或3D影像疊加於其上之該目標物件之該2D或3D CT影像。
  20. 如請求項1之方法，進一步包括：在該CT掃描儀之該機架沿一相同方向連續旋轉時，獲取該複數對投影。
  21. 如請求項1之方法，其中將該至少一2D或3D影像疊加於該目標物件之該2D或3D CT影像上包括：將該介入裝置之一內螢光攝影影像疊加於一血管目標物件或一血管路線圖之一影像上。
  22. 如請求項1之方法，進一步包括：在不中斷該介入裝置之該複數對投影之該獲取的情況下，獲取該目標物件之一或多個進一步2D或3D CT影像。
  23. 如請求項1之方法，進一步包括：藉由使該目標物件之該2D或3D CT影像與該目標物件之一或多個額外影像配準來提高獲取該介入裝置之該複數對投影之前所獲取之該目標物件之該2D或3D CT影像之一信雜比(SNR)。
  24. 如請求項1之方法，進一步包括：回應於偵測非呼吸或大於一預界定移動臨限值之該目標物件之一移動，而在中斷該複數對攝影之該獲取時，獲取該目標物件之一或多個進一步2D或3D CT影像。
  25. 如請求項24之方法，進一步包括：回應於獲取該目標物件之該一或多個進一步2D或3D CT影像，而使用CT螢光攝影來獲取該介入裝置之第二複數對投影。
  26. 如請求項1之方法，進一步包括：將由該介入裝置形成之一更新2D或3D影像疊加於該目標物件之一先前獲取之2D或3D影像上，以產生一更新回饋影像。
  27. 如請求項1之方法，進一步包括：旋轉該回饋影像以用於該介入裝置或該目標物件之至少一者之2D或3D視覺化。
  28. 如請求項1之方法，進一步包括：發送脈衝至一X射線源以執行該全劑量CT掃描，且使用CT螢光攝影來獲取該介入裝置之該複數對投影，獲取該複數對投影包含獲取兩個或兩個以上投影之複數個子集。
  29. 如請求項1之方法，進一步包括：在該CT掃描儀之該機架之一50°角旋轉內，獲取該介入裝置之該複數個投影。
  30. 一種用於電腦斷層(CT)螢光攝影之方法，該方法包括： 藉由旋轉一CT掃描儀之一機架且使用CT螢光攝影，依每機架旋轉之角投影之一第一速率來獲取穿入一關注區域(ROI)之一介入裝置之複數個投影影像，該第一速率比用於一或多個全劑量CT掃描之每機架旋轉之角投影之一第二速率小至少兩倍； 針對該複數個投影影像中之兩個或兩個以上投影影像之各者，識別指示該投影影像中之該介入裝置之一對應影像區域； 針對該兩個或兩個以上投影影像，使用指示反投影至與該ROI相關聯之一三維(3D)空間中時之該介入裝置之該等對應影像區域之表示之一交集來判定該3D空間中之該介入裝置之一對應位置； 針對該兩個或兩個以上投影影像，根據該介入裝置之該對應判定位置，將該介入裝置之一對應2D或3D影像疊加於該ROI之一2D或3D CT影像上以產生繪示該介入裝置相對於該ROI內之一目標區域之一隨時間位置之一2D或3D影像，使用該一或多個全劑量CT掃描之投影資料來產生該ROI之該2D或3D CT影像；及 顯示該所產生之2D或3D影像以用於判定一位置或引導該介入裝置相對於該目標區域移動。
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