CN101243472B - 选择性融合2Dx射线图像和3D超声图像的***和方法 - Google Patents

选择性融合2Dx射线图像和3D超声图像的***和方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种使用两种不同成像形式对结构同时进行成像并且将图像融合为单个融合二维图像的***和方法。该***和方法包括，使用x射线***(102)获取二维(2D)x射线图像数据(132)以及使用超声成像***(122)获取三维(3D)超声图像体积数据(134)。产生关于相应于所述2D x射线图像数据(132)的感兴趣区域的3D超声图像体积数据(134)的2D表示。使用计算机(130)将所述3D超声图像体积数据(134)的2D表示与所述2D x射线图像数据(132)进行融合，以绘制可以实时显示的所述结构的2D融合图像(140)。所述计算机(130)可以是所述x射线***(102)的一部分、所述超声***(122)的一部分或者是自身具有显示器(136)的独立单元。

Description

选择性融合2Dx射线图像和3D超声图像的***和方法
技术领域
当前的公开涉及二维(2D)x射线图像和三维(3D)超声图像的组合，尤其是一种在引导的心脏介入过程中组合2Dx射线图像和3D超声图像、从2Dx射线和3D超声图像产生融合的2D图像并且没有模糊相关x射线信息的方法和装置。
背景技术
心脏病学家在心脏中使用导管以获取诊断信息(注入染料进行血管造影或者感测电信息)。他们还可能使用例如射频消融导管的装置对心脏进行治疗。这些诊断和治疗装置通常基于x射线荧光检测图像在心脏中进行操纵。众所周知，与其它已知的血管内成像方法、例如血管内超声和血管内窥镜所提供的相比，血管内x射线荧光检测具有脉管和脉管壁的较高对比度和分辨率。这常常导致在延长的电生理学过程中一个小时或者更多的荧光透视时间，并且导致患者和医师的大量辐射暴露，尤其在考虑到经常需要重复这些过程的情况下。此外，心脏是三维结构而荧光透视图像仅是二维的。并且由于对诊断或治疗装置在心脏中的准确解剖位置的了解是非常重要的，以便获取准确的诊断信息或者准确地对心脏中的特定位置进行治疗，因而传统的单独使用荧光透视图像通常是不够的。
当前在心脏介入过程中对动脉进行解剖成像的方法例如包括同时使用x射线和超声两种成像形式，这是广泛公知的。产生二维(2D)x射线图像以及三维(3D)超声图像，以便为医师提供有用的信息。这需要在相同的房间内存在x射线荧光透视***和超声扫描器，使用兼容的工作台。其缺点很多，包括：在两个成像形式间交替可能改变导管的位置；在两个成像形式间交替是费时的，尝试通过心算将两个图像重叠或者配位在一起；并且患者和医师都暴露于有害的电离辐射。
对两种信息源进行充分利用，需要两种信息源的融合。然而，由于两种成像形式差异显著(分辨率、投影、视场)并且使用分离的控制装置呈现在分离的显示器上，所以难于对这一信息进行有效利用。
当前的融合技术没有考虑到图像中的特征。这导致例如x射线荧光透视图像的高分辨率细节的可见性的损失。
尽管存在这些努力，仍然需要一种有效的并且灵活的/通用的方法来增强x射线成像中具有低对比度的结构的可见性，并且帮助在介入过程中确定导管位于心脏解剖结构的何位置。此外，还需要一种缩短电生理学(EP)过程的方法和装置，在所述电生理学过程中构造心脏的电路标，并且从而将过程缩短以降低患者和医师暴露x射线的剂量。
这些以及其它需求通过所描述的方法和装置满足，其适用于将分离的2Dx射线和3D超声图像组合为单个2D图像，尤其用于引导心脏介入过程。
发明概述
当前的公开提供了一种对结构进行成像的方法。该方法包括，使用x射线***获取二维(2D)x射线图像数据并且使用超声***获取三维(3D)超声图像体积数据。产生关于感兴趣区域的3D超声图像体积数据的2D表示，该感兴趣区域相应于2Dx射线图像数据。将3D超声图像体积数据的2D表示与2Dx射线图像数据进行融合来绘制该结构的2D融合图像数据，并且将该2D融合图像数据显示为该结构的2D融合图像。在示例性实施例中，x射线图像数据和超声图像数据是同时获取的，而结构的2D融合图像是实时显示的。所述融合操作可能发生在计算机内，所述计算机是x射线***、超声***的一部分或者是具有显示器的独立单元。
当前的公开还提供了一种***，用于将来自三维(3D)超声图像数据的结构的感兴趣特征与二维(2D)图像数据进行融合。该***包括，配置用于提供二维(2D)x射线图像数据的x射线成像***；配置用于提供三维(3D)超声图像体积数据的超声成像***；以及可操作地与所述x射线***和所述超声***进行通讯的计算机。所述计算机配置用于产生关于相应于所述2Dx射线图像数据的感兴趣区域的3D超声图像体积数据的2D表示，并且将所述3D超声图像体积数据的所述2D表示与所述2Dx射线图像数据进行融合，来绘制所述结构的2D融合图像。显示器可操作地与所述计算机进行通讯，以显示所述结构的2D融合图像。
在示例性实施例中，x射线图像数据和超声图像数据是同时获取的，而结构的2D融合图像是实时显示的。所述融合操作可能发生在计算机中，所述计算机是x射线***、超声***的一部分或者是具有显示器的独立单元。
根据后面的详细描述、尤其是结合这里的附图进行回顾，与所公开***和方法相关的附加特征、功能和优点将是显而易见的。
附图说明
为了帮助本领域技术人员制造和使用所公开的***和方法，参考后面的附图，其中：
图1是当前公开的***的示例性实施例的示意图，图解了可操作地连接到融合计算机的x射线***和超声***，以及显示器，其用于显示关于躺卧在工作台上的患者的解剖结构的融合图像；
图2是依照当前公开的示例性实施例，对来自图1的超声***的3D体积图像数据叠加厚度为“d”的相应切片的透视示意图，以绘制3D体积图像数据的2D表示，用于覆盖在相应的2Dx射线图像数据上；
图3是产生自图1中超声***的3D体积图像数据的屏幕视图；
图4是图3中3D体积图像数据的2D绘制切片的屏幕视图，其由依照当前公开示例性实施例的图1中的融合计算机进行绘制；以及
图5是Phong光照模型的示意图。
具体实施方式
如这里陈述的，当前的公开有利地允许和便利于将来自两种成像形式(例如x射线和超声)的图像进行融合，考虑到图像的特点，从而保持了由x射线图像(例如，x射线荧光透视法)提供的高分辨率细节的可见性。当前的公开可以有利地应用在心脏介入过程中的医疗成像中，例如以显示在单个屏幕上的融合图像的方式为医师提供有用的信息，该融合图像的特征在于将3D超声数据的2D投影覆盖在2Dx射线上，并且可以选择性地控制以改变所需融合的数量，这对于本领域技术人员来说将是非常清楚的。所公开的***和方法可以是x射线***或超声***一部分，或者是自身具有显示设备的独立***。
参考图1，示意性地显示了示例性成像***100。***100包括常规的电视x射线***102，其可能包括用于观察由x射线***102产生的二维(2D)x射线数据的相应监视器104。X射线***102包括x射线管106和x射线探测器108，x射线管106和x射线探测器108通过C形臂110可操作地连接到x射线***102。X射线管106和x射线探测器108布置在限定臂110的相对两个末端。X射线管106产生穿过患者112的x射线(未示出)，该患者112由工作台114支撑，由x射线探测器108探测x射线以产生x射线图像数据132用于最终在监视器104上显示。
***100进一步包括常规的实时三维(3D)超声***122，其可能包括相应的监视器124，用于观察由超声***122产生的3D超声图像体积数据134。超声***122包括探头128，配置用于产生相应于从患者112的相应体积发出的声学回波的信号。探头128布置在患者112的感兴趣体积上，以产生重建的3D数值阵列，这些数值代表从患者110的相应体积发出的声学回波的强度，并且产生3D超声图像体积数据用于最终在监视器124上显示。
患者112由两种形式同时进行成像，并且来自两个***102、122的实况图像/体积数据被收集在计算机130上，计算机130融合两个数据流132、134以在监视器136上产生一个组合的2D图像，监视器136可操作地与计算机130进行通讯。图1及其伴随的描述公开了一种***和方法，将3D超声体积数据134与2Dx射线图像数据132进行融合。在监视器136上映出的最终数据是2D融合图像140。X射线数据132由吸收数值组成，表现为灰色的阴影，而超声体积数据134是重建的3D数值阵列，这些数值表示从感兴趣体积中每个位置发出的声学回波的强度。
参见图2-4，第一步骤包括创建超声数据134的2D表示，目的在于能够将其与2Dx射线图像数据132进行融合。这通过从体积数据134(图2)中提取厚度为d的片状体积144并且在片状体积144上执行体绘制操作以绘制片状体积144的2D表示来完成，该2D表示整体上由146指示。经过绘制的片状体积146对应于2Dx射线图像数据132的一个图像平面。图2说明了上面所述的切片过程。
典型的体绘制操作包括最大强度投影，将射线投射穿过片状体积134并且在相应的输出像素上产生累积的强度。相关领域的技术人员应当认识到，上面描述的体绘制方法以及其它的体绘制方法是公知的，不属于当前公开的范围。图3图解了在监视器124上的3D体积数据的图像，而图4图解了和图3相同的感兴趣体积的被绘制2D图像的图像，该图像可能在监视器136上观察。
随后，将超声绘制的切片体积146绘制到x射线图像数据132的上方。这并非通过简单的“cookiecut”操作完成，在那样的情况下x射线图像的直角区域将完全模糊。使用融合技术将超声绘制的切片体积146和下面的x射线图像数据132相混合，所述的融合技术将在下面依照当前公开的示例性实施例更加充分地描述。融合的方法包括alpha融合的形式，但不限于此。位于0和1之间的alpha数值(α)指定了一个比率，两个重叠的像素以该比率通过下面的等式对屏幕像素的颜色作出贡献：
Cout，RGB(x，y)＝αCxray，RGB(x，y)+(1-α)Cus，RGB(x，y)
在计算机图形学的普通应用中，alpha(α)是常数或者是(x，y)的函数。为了当前公开的目的，空间相关性设定为零。此外在这里描述的方法中，α取决于x射线图像数据132(Cxray，RGB)以及与绘制后的超声体146(Cus，RGB)相关的数据的颜色(C)。因此，
α(x，y，Cxray，RGB，Cus，RGB)＝kα(x，y)α(Cxray，RGB)α(Cus，RGB)αi∈[0，1]
如上面所陈述的，α(x，y)是常数值。在示例性实施例中，α(x，y)的数值0.5，即在x射线图像数据132和与绘制的超声体积146相关的数据之间进行均等的融合。α(x，y)的数值可以稍后用于增加x射线图像中所检测导管顶端(未示出)的与位置相关的增强。换句话说，α(x，y)的数值增大从而当在监视器136上所观察的图像140中检测到导管顶端时x射线图像数据132将会在局部上比超声图像数据占优势。数值k用作融合因数偏置(factorbias)，医师可以控制该因数偏置以将来自绘制后的超声图像体146的数据相对于x射线图像数据进行淡入和淡出。k的初始值是1，但其可以在零(0)和正无穷(+∞)之间变化。应当指出，如果α由于k的数值而大于1，α削减为1。
对于作为Cxray和Cus函数的alpha(α)的有意义测量是像素亮度或灰度值。对于x射线图像，由于不存在颜色信息，毫无疑问：像素值是亮度值(例如R、G和B全部相等)。对于超声数据，颜色用于改善与x射线图像数据的视觉对比。颜色是人为加入到体积绘制过程中的。因而像素的亮度由max(R，G，B)给出。
在由图2的绘制切片体积146表示的体积绘制元数据中，像素亮度由每个体素反射的光量确定。图5是Phong光照模型的表示，整体以160指示，该模型简单但有效。Phong模型是计算机图形学中最常见的光照模型之一。图5图解了Phong光照等式的重要输入。位于矢量(V)上方的第一圆点162指示了照像机位置，第二圆点164指示了光源位置。矢量(N)表示表面法线。像素亮度通过下面的方式计算，投射入射光线(与矢量L对准但方向相反)，其按照表面法向(N)进行反射，并且将反射光线矢量(R)和指向观察者的观察矢量(V)进行点积。由于当法线(N)指向观察者的方向时(假设合理的光线情形，即所讨论的表面点适当地从观察者视点进行照亮)这个点积的结果最大，成像结构的脊的顶部比表面上的谷更明亮。这对应于3D印象，其由阴影算法例如Phong光照模型尝试完成。当然，这本身是微不足道的，但当联系到早先所描述的基于亮度的融合时，绘制后的超声表面的脊覆盖在x射线图像的上方，而“阴影的”谷没有覆盖在x射线图像的上方。这使得能够显示表示例如心肌层或其它解剖特征的轮廓，而未修改的下面的x射线图像在绘制后的超声表面的脊之间完全发亮。此外，这种控制脊的硬度的功能可以关联到α(Cus)函数。
当前的公开可以应用在介入过程、尤其是使用x射线荧光透视法的过程中的医疗成像***中。应当认识到，使用计算机130对x射线图像和超声体积进行融合，计算机130可以是x射线***102的一部分、超声***122的一部分或者是自身具有显示器的独立单元，如图1所示。
当前公开的功能应用增强了x射线中具有低对比度的结构的可见性，从而帮助介入医师确定放置在患者心脏解剖组织中的导管的位置。这起到缩短电生理学(EP)过程的作用，在此过程中构造心脏的电的路标。使用由超声体积、例如心肌层提供的背景信息，降低了这个路标制作过程所需的时间。因为这个过程基本上完全在x射线投影的情况下实施，过程的缩短降低了患者和医师所受的x射线剂量。
总之，所公开的***、装置和方法对医疗成像***的用户提供了显著的益处，尤其是在介入过程中一起使用x射线和超声图像的医师。当然，所公开的***、装置和方法提供了在x射线成像中具有低对比度的结构的增强可见性，并且在介入过程中帮助确定导管在解剖结构中的定位，以及起到缩短电生理学(EP)过程的作用，在该电生理学过程中构造解剖结构(例如心脏)内结构的电的路标。通过使用由超声体积提供的背景信息，例如心脏，合成的2D图像更加易于由医师处理。而且由于这个过程基本上完全在x射线投影下实施，缩短了成像过程，从而降低了患者和医师所受的x射线剂量。尤其是，所公开的***、装置和方法通过将3D超声数据的2D投射覆盖到2Dx射线数据上而提供了增强的可见性。这通过在x射线数据或超声数据两者(或其一)中对特征进行测量选择性地完成。以这种方式，仅超声数据中的感兴趣特征投射到x射线数据的顶部，借此在单个显示器上有效地利用两种信息源。
虽然参照示例性实施例对当前公开的***、装置和方法进行了描述，但当前的公开不限于这样的示例性实施例。而是，这里公开的***、装置和方法在不脱离其实质和范围的情况下容许各种各样的修改、增强和/或变化。因此，当前的公开包括以及包含所附权利要求的范围内的这样的修改、增强和/或变化。

Claims (18)

1.一种对结构进行成像的方法，该方法包括：
获取二维2Dx射线图像数据(132)；
获取三维3D超声图像体积数据(134)；
产生关于相应于2Dx射线图像数据(132)的感兴趣区域的3D超声图像体积数据(134)的2D表示；
通过使用光照模型来确定所反射的光量从而为每个像素确定超声数据的亮度值；
将3D超声图像体积数据(134)的2D表示与2Dx射线图像数据(132)进行融合，以绘制该结构的2D融合图像(140)，其中重叠像素的融合是x射线图像数据的像素亮度值和3D超声图像体积数据(134)的2D表示的像素亮度值的alpha融合；以及
显示该结构的2D融合图像(140)。
2.根据权利要求1的方法，其中产生3D超声体积图像数据(134)的2D表示的操作进一步包括：
从相应于2Dx射线图像数据(132)的平面表示的体积数据中选取厚度“d”的片状体积(144)；以及
在所述片状体积(144)上执行体积绘制操作。
3.根据权利要求2的方法，其中体积绘制操作包括最大强度投影，其投射穿过片状体积(144)并且在相应的输出像素上产生累积的强度。
4.根据权利要求2的方法，其中alpha融合包括位于0和1之间的 alpha数值α，该数值指定了一个比率，两个重叠的像素以该比率通过下面的等式对屏幕像素的颜色作出贡献：
Cout，RGB(x，y)＝αCxray，RGB(x，y)+(1-α)Cus，RGB(x，y)。
5.根据权利要求4的方法，其中所述alpha数值α是常数或者是(x，y)的函数，并且空间相关性设定为零。
6.根据权利要求5的方法，其中所述alpha数值α依照下面的等式依赖于x射线图像数据(132)和片状体积超声图像数据的相应颜色C：
α(x，y，Cxray，RGB，CuS，RGB)＝kα(x，y)α(Cxray，RGB)α(Cus，RGB)α1∈[0，1]。
7.根据权利要求6的方法，其中α(x，y)可以增大以允许x射线图像数据(132)在局部上比所融合图像(140)的超声图像数据(134)占优势。
8.根据权利要求6的方法，其中数值k用作融合因数偏置，以允许所融合图像(140)的超声图像数据相对于下面的x射线图像数据进行淡入和淡出。
9.根据权利要求6的方法，其中α(Cxray)和α(Cus)是像素亮度b的函数。
10.根据权利要求9的方法，其中对于体积绘制元数据的像素亮度b由每个体素反射的光量确定并且使用Phong光照模型计算。
11.根据权利要求6的方法，其中该结构的2D表示作为融合图像(140)以实时的方式显示。
12.根据权利要求1的方法，其中所述二维2Dx射线图像数据(132)和三维3D超声图像体积数据(134)是同时获取的。
13.根据权利要求1的方法，其中融合操作发生在计算机(130)中，该计算机是x射线***(102)、超声***(122)以及具有显示器(136)的独立单元其中之一的一部分。
14.一种将来自三维3D超声图像数据(134)的结构的感兴趣特征与二维2D图像数据(132)进行融合的***，该***包括：
x射线成像***(102)，配置用于提供二维2Dx射线图像数据(132)；
超声成像***(122)，配置用于提供三维3D超声图像体积数据(134)；
计算机(130)，可操作地与所述x射线***(102)和所述超声***(122)进行通讯，所述计算机(130)配置用于产生关于相应于所述2Dx射线图像数据(132)的感兴趣区域的3D超声图像体积数据(134)的2D表示，并且将所述3D超声图像体积数据(134)的所述2D表示与所述2Dx射线图像数据(132)进行融合，以绘制所述结构的2D融合图像(140)，其中重叠像素的融合是x射线图像数据的像素亮度值和3D超声图像体积数据(134)的2D表示的像素亮度值的alpha融合，所述超声图像数据的像素亮度值由所反射的光量确定，所反射的光量通过使用照明模型来确定；以及
显示器(136)，可操作地与所述计算机(130)进行通讯，所述显示器(136)显示所述结构的所述2D融合图像(140)。
15.根据权利要求14的***，其中所述计算机(130)通过以下方式产生所述3D超声体积图像数据(134)的2D表示，从相应于表示所述2Dx射线图像数据(132)的平面的体积数据(134)选择厚度为“d”的片状体积(144)，并且在所述片状体积(144)上执行体积绘制操作。
16.根据权利要求14的***，其中所述2Dx射线图像数据(132)和3D超声图像体积数据(134)是同时获取的。
17.根据权利要求14的***，其中所述结构是由所述x射线和超声成像形式两者同时成像的，并且所述结构的2D表示以实时方式显示。
18.根据权利要求14的***，其中所述计算机(130)是所述x射线***(102)的一部分、所述超声***(122)的一部分、或者是具有显示器(136)的独立单元。
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