CN1839408A - 组合显示血管造影片与当前x射线图像的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组合显示诸如导管的对象(8)的当前(X射线)图像(A)和血管***的地图图像(B)的设备和方法。就此而论，对存储在存储器(6)中的地图图像(B)，依靠距离变换(A)计算有关的距离图像(D)。将对象(8)在当前图像(A)中分段(∑)。然后依靠距离图像(D)计算地图图像(B)的变换，从而，当当前图像(A)和变换的地图图像(Θ(B))在监视器(10)上重叠时，对象(8)的图像位于变换的地图图像的路径网络中。

Description

组合显示血管造影片与当前X射线图像的设备和方法
本发明涉及一种组合显示对象的当前图像与路径网络的地图图像(map image)的设备和方法，该对象位于路径网络中，例如特别是在患者的血管***中。
例如，当操纵导管通过患者的血管***时，进行对象的当前图像与对象周围的地图图像的结合。因此，将在后面借助心脏导管检查的例子阐释潜在的问题，虽然本发明不限于这个应用领域。在通常用于心脏治疗的***的情况中，静态血管造影片和当前正被记录的荧光检查图像显示在并列的两个不同的监视器上。在此血管造影片是血管***的图示，其中通过例如使用造影剂使血管突出显示。在这些***的情况下，留给执行治疗的医生的任务是将对象的位置，例如在当前图像上可识别的导管或导线，与血管***的地图图像关联，也就是说，在医生的头脑中将并列显示的两个监视器图像叠加。
关于这一点，从JP-A-2002-237996中获知了一种设备，在该设备中当前的荧光检查图像和静态血管地图被重叠在相同的监视器上。这种重叠的难点在于，由于患者的全身移动以及他的心跳和呼吸，当前图像中器官的位置和形态不断改变，从而某种程度上在重叠图像之间存在相当大的几何学和解剖学差异。为了改善这个问题，可以通过心电图(ECG)和/或所测定的呼吸阶段，按次序使用包含心动和/或呼吸周期的不同阶段的静态血管地图的数据库，以便将最匹配当前荧光检查图像的静态血管地图(取自相同或相似的心动或呼吸周期)分配给该当前荧光检查图像。即使使用这种先进的方法，重叠图像之间的几何差异也仍然存在，所述的几何差异能够严重损害影像，并因此降低重叠的有效性。而且，对于不经历周期性自发运动的身体部分(例如，头部、四肢)，如果在不同的时间进行地图记录和介入过程的成像，重叠的质量也很差，这是由于在记录之间的患者移动基本上是不可避免的，甚至图像几何形状的再现被机械地限制。
原则上可以通过转换实现当前记录和地图图像重合的改进，所述的转换使共有图像内容配准。然而，这种在文献中被称为多模态配准的方法不能作为规则应用于上述情况中，这是由于路径网络的地图图像和路径网络中对象的当前记录没有相关的共有图像内容。特别是，路径网络中的对象(例如，导管、导线)在形态上和外形上均不相似于路径网络本身(填充造影剂的血管)。
在这个背景下，本发明的目的在于提供改进的实时组合显示对象的当前图像和该对象位于其中的路径网络的地图图像的装置。
该目的通过具有权利要求1的特征的设备和具有权利要求11的特征的方法实现。有利的实施例包含在从属权利要求中。
根据本发明的设备用于组合显示位于路径网络中的对象的图像和(尤其形态变化的)路径网络的地图图像。首先提到的图像在下文中被称为“当前图像”，不存在将其与特定时期相关的限制。也不存在任何关于当前图像和地图图像维数的基本限制(一维，二维，三维，四维，...)。对象可以是例如导管或导管上的介入设备(导线、斯滕特固定模、球囊)，路径网络对应地可以为患者的血管***。然而，或者，对象可以是例如位于患者的胃肠道的胶囊，或者也可以包括非医学应用。典型的特征在于对象能够仅沿着路径网络允许的路径移动。地图图像优选以高亮形式显示路径网络。例如，地图图像可以是已经由患者的血管***制备的血管造影片，该患者已经被配给造影剂。该设备包括数据处理***，该***被配置成执行下面的步骤：
通过合适的分段在地图图像中识别路径网络。所述分段在此以传统方式理解，意思是将像素分配为不同类别或对象。在目前的情况下，分段能够特别为地图图像的每个像素确定其是否属于路径网络。分段可以完全自动实现，或可替换地在需要时半自动地实现，也就是说通过交互式用户介入实现。
根据上述分段结果计算辅助信息并将其存档在数据处理***的存储器中，根据该辅助信息，对于对象在图像中的每个可能的位置，都可以实时确定将对象和路径网络配准的变换。对象的什么位置是“可能的”将主要取决于潜在的应用；在极端情况下，可以认为图像区域上的所有可能的位置均合适。经由步骤d)中使用的方法，在辅助信息中预先确定能够尽快地为对象在图像中可能的位置发现路径网络中最近的看似可能的位置所需的信息。
辅助信息可以特别是路径网络的区域的(辅助)图像的形式。对于对象的给定位置，随后在辅助图像的对应点可能直接去除实时确定变换所需要的信息。
从当前图像将位于路径网络中的相关对象分段。对象位于路径网络中的事实通常不是从当前图像显现，而是基于潜在应用的基本条件。
使用步骤b)中的辅助信息，确定地图图像和当前图像的变换，从而当变换后的地图图像和变换后的当前图像重叠时，对象的图像位于变换后的地图图像的路径网络中。通常用等同定义所述的变换之一，例如当前图像的变换，从而仅地图图像受到“真实(real)”变换。顺便提及，变换可以是任何类型的，也就是说特别是线性或非线性的。特别是，可以包括平移、旋转和/或缩放。
使用所描述的设备，基于诸如例如导管这样的对象，可能实现当前图像和地图图像的重叠的调整，利用了被观察对象必须总是位于路径网络中的限制。因此将重叠的图像以这样的方式变换：在地图图像上显示的路径网络位于显示在当前图像上的对象之上。这样，实现基于图像内容(血管、导管等)的配准，并可以避免当感兴趣对象不位于或不准确位于路径网络中时特别令使用者厌烦的失配。而且，对所述设备重要的是预先为所用的地图图像计算各自的辅助信息，辅助信息含有与路径网络有关的信息并且将该信息延伸到例如整个图像区域上，从而在后面的介入期间可以立即检索到。这最终使重叠能够实时执行，这是将所述设备的临床有效性最大化的必要前提。
如上所述，辅助信息特别可以包括一个或多个路径网络的区域的图像。在这点上，辅助信息优选包括与路径网络有关的距离图像，该距离图像通过距离变换从特定地图图像获得。距离变换是从数字图像处理已知的运算(参见Jhne，Digitale Bildverarbeitung，5thedition，Chapter 18，Springer Verlag Berlin Heidelberg，2002)。在此，距离图像的像素能够特别含有关于特定分段对象在那点的什么方向和/或什么距离存在的信息。该距离图像尤其适合所需变换的快速确定，这是由于它隐含有每个像素移动到路径网络中需要的量值。在重要的应用情况下，其中预先已知地图图像，可以预先计算相关的距离图像并将其储存在存储器中。稍后，这使变换的计算能够在正进行介入期间实时进行。
根据设备的优选实施例，数据处理***被配置成执行下面单独的步骤：
b1)确定对象的图像在当前图像中的位置。例如，通过分段，可以在荧光检查X射线图像中确定导管或更确切说其尖端的位置。除了单独的点，分段结果也可以包含整个对象，该对象在重叠视图中被假定尽可能远地位于路径网络中(在快速、刚性变换情况中，尤其是在生物学路径网络的情况中并不总能够实现完全匹配)；
c1)确定以最可能的方式使距离图像中的位置转移到路径网络中的最短位移，所述距离图像中的位置对应上述的对象图像在当前图像中的位置。换句话说，首先确定产生了对象图像在距离图像中的相应位置，这在当前图像中的位置被“一一对应”地转移或者符合从记录参数已知的当前图像和地图图像之间的几何关系时发生。通常，该对应的位置将完全或部分位于路径网络外，这是由于诸如血管***的路径网络不断经历移动或变形，并因此通常不会以相同形状存在于地图图像和当前图像上相同点。
c2)识别地图图像的和/或包括上述位移的当前图像的变换。这种变换能够特别地将所述位移整体地扩展到整个图像。然而，可替换地，该位移能够线性或非线性地继续，从而满足特定边缘条件，例如，图像边缘的不变性。
在该设备的优选型式中，数据处理***被配置成执行地图图像中路径网络的分段，同时为地图图像的每个像素指定其属于网络的概率。换句话说，执行基于概率的分段，其中像素不会被严格地恰好分成两类之一(属于对象或不属于)，而是，仅指定从属关系的概率。这种过程特别更适合处理医学数据时的情况，这是因为，由于所描绘的结构的复杂性和受限制的图像质量，一般而言不能做出有关与血管等的从属关系的真正可靠决定。同时，也可以通过基于概率的分段定义获得的结果的可靠性的有意义标准。
所述设备能够特别含有成像装置，例如X射线装置和/或MRI装置，通过它们可以产生对象的当前图像。而且，成像装置也能够用于产生对象的所处区域的地图图像。该设备尤其适合在医学检查期间引导导管。该设备也可以含有不止一个成像装置，例如，X射线装置和MRI装置，从而能够从不同的形式产生当前记录和(多个)地图图像。
根据该设备的另一方面，其包含用于储存多个地图图像的存储器，根据路径网络的变化状态将地图图像分类。在这种情况下，可能从几个地图图像中选择用于实现组合的最佳地图图像。
该设备优选进一步包含用于检测至少一个参数的传感器装置，该至少一个参数描述了对象的路径网络的变化状态。特别是，可以设置该传感器装置以检测正检查的患者的心电图和/或呼吸周期。该传感器装置可以和上述用于多个地图图像的存储器联合使用，以便一方面根据路径网络的相关状态将储存的地图图像分类，另一方面确定与当前图像有关的路径网络的状态。
结合包含存储器的设备的上述实施例，可以进一步将数据处理***配置成从设备的存储器中选择那个地图图像，该地图图像的“索引号”或路径网络的相关状态最可能匹配在当前图像正被拍摄时存在的路径网络的状态。例如，如果存储器含有几个患者在心动周期的不同阶段的血管***的地图图像，可以从这些图像中选择来自与当前图像相同的心动周期的阶段的图像。如此，可能考虑路径网络的可参数化且尤其是周期性自发的运动，并从开始就将当前图像仅与最可能匹配的地图图像结合。
该设备尤其可包含连接到数据处理***的显示设备，变换的地图图像完全或部分重叠于所变换的当前图像或其一部分上显示在该显示设备上。在导管检查的领域中，例如，随后医生能够在监视器上观察到导管的荧光检查活动图像，其同时作为血管地图的一部分显示给医生导管周围的血管结构。
本发明进一步涉及组合显示位于路径网络中的对象的当前图像和路径网络的地图图像的方法，其包含如下步骤：
a)在地图图像中将路径网络分段；
b)根据分段结果计算并存储辅助信息，其中根据所述辅助信息，可以实时为对象在图像中的每个可能的位置确定使对象和路径网络配准的变换；
c)从当前图像将位于路径网络中的相关对象分段；
d)使用辅助信息确定地图图像和当前图像的变换，从而，当所变换的地图图像和所变换的当前图像重叠时，对象的图像位于所变换地图图像的路径网络内。
该方法以通用形式执行能够用上述种类的设备执行的步骤。为了阐释该方法的细节、优点和其它方面，请读者参考上述描述。本发明的这些和其它方面将参考下文中所述的实施例，以非限定举例的方式清楚地阐释。
图1显示了根据本发明用于重叠显示两个图像的设备的组件；
图2是示意性距离图像的示意图。
在作为示意性举例在附图中示出的医学应用的情况中，待观察导管2或更准确地说导管尖端和/或导线8在患者1的血管***9中的运动。为此，由X射线装置4生成正被检查的身体体积的荧光检查X射线图像，并且将所述的荧光检查X射线图像作为当前图像A传送到数据处理***5。这种荧光检查图像的难点在于血管***9通常在其上并不突出，从而使用这个***将导管或导线可靠引导到血管***中的特定位置的可能性极小。业已公认，可以通过注入造影剂实现血管***的更好显示，但是由于给患者带来与之相关的紧张，这种方法必须尽可能节制地使用。
为了改进导管的引导，在所示的***中，几个血管造影片B在实际导管检查之前或期间由X射线装置4生成，并被储存在数据处理***5的存储器6中。血管造影片可以通过例如注入造影剂生成，从而在血管造影片上可以容易看到患者的血管树。因此在下文中也将血管造影片称为“地图图像”或“血管地图”(路线图)。
由于心跳对心脏和相邻器官的血管***的位置和形态有显著影像，所以在存储器中存储患者1的心动周期的不同阶段的地图图像B。属于特定地图图像B的心动阶段在此由心电图指示，所述心电图由心电图仪3记录，与X射线图像同时生成。而且，也可以在呼吸周期的不同阶段生成地图图像，所述的呼吸周期由诸如胸带等的呼吸传感器检测。为了清楚的目的，没有在附图中特别显示呼吸周期形式的地图图像B的附加的或可替换的指示。可以使用其它改善图像的技术处理地图图像B，以便提高重叠的图像质量。
在以治疗或诊断为目而执行的导管检查期间，导管尖端或导线8的荧光检查图像A连续生成并与相关的ECG一起发送到数据处理***5。然后由数据处理***5建立与当前图像A有关的心电图的或心动周期的阶段，并且从存储器6选择最匹配该心动阶段的地图图像B。
原则上，当前图像A和地图图像B可以并列显示在两个不同监视器上或彼此重叠显示在同一监视器上。由于选择了与心动阶段匹配的地图图像B，因而所重叠的图像A、B之间的几何学或解剖学对应应当已经相当好。然而，由于图像生成中的视差、软组织移动和类似影响，实际上微小差异总存在于重叠的总的图像之间，并且在不进行当前图像内容分析的情况下不能通过转换来消除。这些差异可以给视觉上带来非常大的破坏，并且大大降低了重叠的有用性。
为了在两个图像重叠期间提高图像的质量，提出了基于待成像对象上的位置，即，主要基于导管或导线8上的位置的配准。在该方法的范围中，在地图图像B中将血管树粗略地预分段。在图像处理中的分段被理解为将像素分配给对象。
就此而论，该配准方法需要选择合适的分段方法和合适的准备分段结果的方法，以便有助于随后快速在血管***中配准对象。两个选择都将利用发现路径网络和当前对象之间最可能的匹配的快速且强大的算法来实现。为了对血管分段，适合采用局部海赛(Hessian)矩阵的轴变换的原理(Schrijver M；“Angiographic image analysis toassess the severity of coronary stenoses”，Twente universitypress，Enschede，2002)。由于在血管***的真实X射线图像的情况中，通常不可能将像素可靠地分配给血管，优选在此实现基于概率的分段。在这种情况下，每个像素被分配一个值，该值描述了该像素属于血管的几率。带有双曲线罩(hyperbolic mask)的倍增距离变换(其中入口随着到中心的距离的倒数而减小)甚至对于诸如有病变的血管树的复杂路径网络也允许简单梯度下降最佳化。该距离图像D局部指示了在所考虑的点的什么方向或与其什么距离，血管的存在具有更大可能性。距离图像D可以通过图像区域上的高度起伏可视地显示，起伏的点的高度表示到血管***的距离。图2显示了就此而论的示例性起伏的等高线的二维投影。基于概率的地图图像B和有关的距离图像D的计算可以有利地脱机或预先实现，结果被储存在存储器6中。在实时应用中，例如在所考虑的医疗检查中，这些计算不会妨碍所述方法的实施。
在从储存器6选择了最匹配当前图像A的地图图像B后，将与该地图图像B有关的距离图像D用于估计感兴趣对象8(导管或导线)在地图图像B上的位置。为了该目的，首先，使用合适的分段方法∑在当前图像A中将(不透射线的)对象8分段。在此可使用各种算法，通过该算法可以相对于潜在的应用、正被显示的介入设备以及实时效率选择最佳变量(Baert SAM，Niessen WJ，Meijering EHW，FrangiAF，Viergever MA：“Guide wire tracking during endovascularinterventions”，Proc.3rd MICCAI，2000)。
随后，可以通过简单和快速的梯度下降，移动距离图像D，从而对象8的位置和血管区域之间的交叠变为最大。同时，仅允许被分段对象相对地图图像B的刚性移动(平移和/或旋转)，当然如果非线性变换在特殊的应用中具有优势时其也可以被包括在内。然后将最后得到的变换Θ用于地图图像B，并且将所变换的地图图像Θ(B)显示在监视器10上并重叠在当前图像A上。在最后得到的组合图像C中，医生清楚可见高对比血管树中的介入装置8，由此可相当方便地实现器械的引导和手术治疗的安排。
此外，在组合显示在监视器10上的情况中，仅可以使用对象8的区域中的地图图像B的一部分和/或当前图像A的一部分，以便与整体配准相比通过限制配准区域来提高精确度。

Claims (11)

1.一种组合显示位于路径网络(9)中的对象(8)的当前图像(A)与路径网络(9)的地图图像(B)的设备，该设备含有以如下方式配置的数据处理***(5)
a)在地图图像(B)中通过分段识别路径网络；
b)根据分段结果计算辅助信息(D)并将其储存在数据处理***的存储器中，根据所述辅助信息可以为对象在图像中的每个可能的位置实时确定将对象和路径网络配准的变换(Q)；
c)从当前图像(A)将位于路径网络(9)中的相关对象(8)分段；
d)使用辅助信息(D)确定地图图像(B)的和当前图像(A)的变换(Q)，从而，当变换的地图图像(Q(B))重叠在变换的当前图像(A)上时，对象(8)的图像位于变换的地图图像的路径网络中。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于辅助信息包括与路径网络(9)相关的距离图像(D)，该距离图像(D)通过距离变换(D)从特定地图图像(B)获得。
3.根据权利要求2的设备，其特征在于数据处理***(5)设置成
b1)在当前图像(A)中确定对象(8)的图像的位置；
c1)对在距离图像(D)中与之对应的位置，确定引入路径网络(9)的最短位移；
c2)识别地图图像(B)的和/或包括所确定的位移的当前图像(A)的变换(Θ)。
4.根据权利要求1的设备，其特征在于所确定的变换(Θ)包括平移、旋转和/或缩放。
5.根据权利要求1的设备，其特征在于数据处理***(5)被配置成：在地图图像(B)中分段路径网络(9)期间为每个像素指定其属于路径网络(9)的概率。
6.根据权利要求1的设备，其特征在于该设备包括用于记录当前图像(A)和可选择记录地图图像(B)的成像装置，尤其是X射线装置(4)和/或MRI装置。
7.根据权利要求1的设备，其特征在于该设备包括用于储存多个地图图像(B)的存储器(6)，所述地图图像根据路径网络(9)的变化状态分类。
8.根据权利要求1的设备，其特征在于该设备包括传感器装置(3)，其用于检测至少一个描述路径网络(9)的变化状态的参数，优选用于检测心电图和/或呼吸周期。
9.根据权利要求6的设备，其特征在于数据处理***(5)被配置成从存储器(6)选择地图图像(B)，该地图图像的路径网络(9)的相关状态最可能匹配当前记录(A)期间的路径网络(9)的状态。
10.根据权利要求1的设备，其特征在于它包含显示装置(10)，并且数据处理***(5)被配置成在显示装置(10)上显示变换的地图图像(Θ(B))，该变换的地图图像完全或部分重叠于变换的当前图像上或其一部分上。
11.一种组合显示位于路径网络(9)中的对象的当前图像(A)和路径网络(9)的地图图像(B)的方法，其包含如下步骤：
a)在地图图像中将路径网络分段；
b)根据分段结果计算并存储辅助信息，其中可以根据所述辅助信息实时地为对象在图像中的每个可能的位置确定使对象和路径网络配准的变换；
c)从当前图像分段位于路径网络中的相关对象；
d)使用辅助信息确定地图图像和当前图像的变换，从而，当变换的地图图像和变换的当前图像重叠时，对象的图像位于变换的地图图像的路径网络内。
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