FR2914176A1

FR2914176A1 - Procede de detection et de compensation du mouvement respiratoire dans des images cardiaques fluoroscopiques synchronisees a un signal electrocardiogramme.

Info

Publication number: FR2914176A1
Application number: FR0754070A
Authority: FR
Inventors: Jean Lienard; Regis Vaillant; Elisabeth Soubelet; Houdant Laurence Gavit
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-03
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: US20080240536A1; US8233688B2; FR2914176B1

Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de détection et de compensation du mouvement de respiration. Cette détection permet d'améliorer le recalage entre une image tridimensionnelle pré opératoire et des images à rayon X acquises pendant une intervention cardiaque. En synchronisant les images à rayons X sur l'électrocardiogramme, l'invention supprime ainsi de ces images le mouvement lié au cycle cardiaque, permettant ainsi d'isoler la contribution du mouvement respiratoire. A partir de là, l'invention propose un algorithme apte à attribuer le mouvement qui reste dans les images radiographiques à la respiration. L'algorithme permet également de détecter et compenser ce mouvement afin d'obtenir un recalage entre des images cardiaques tridimensionnelles et des images radiographiques

Description

Procédé de détection et de compensation du mouvement respiratoire dans des

images cardiaques radiographiques synchronisées à un signal électrocardiogramme Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un procédé de détection et de compensation du mouvement de respiration dans des images cardiaques à rayons X synchronisées à un signal électrocardiogramme. La présente invention trouve des applications particulièrement avantageuses, mais non exclusives, dans le domaine de l'imagerie médicale et plus particulièrement celui de l'imagerie rayon X en cardiologie. L'invention a pour but de faire un recalage des modèles en 3D de régions anatomiques du coeur avec des images de projection de ces régions anatomiques, obtenues avec un système à rayons X.

Etat de la technique L'imagerie par rayons X est aujourd'hui largement utilisée pour le diagnostic et le traitement de pathologies cardiaques. Les traitements peuvent être entre autres la coronaroplastie, le remplacement de valves, l'électrophysiolog ie.

Dans un certain nombre de procédures interventionnelles, le praticien doit manipuler des cathéters et/ou des guides à l'intérieur des vaisseaux ou des cavités du coeur. Ces interventions permettent d'effectuer différentes procédures, comme des embolisations, des dilatations, des désobstructions, des poses de prothèses ( stent ) ou des ablations. Ces techniques permettent d'éviter des interventions chirurgicales lourdes. Pendant la procédure interventionnelle, l'opérateur guide l'outil interventionnel principalement à l'aide des images radiographiques. Cependant, des structures anatomiques d'une importance stratégique, telles que l'oreillette gauche et les veines pulmonaires, dans le cas d'une procédure interventionnelle d'ablation de la fibrillation auriculaire, et le sinus coronaire et ses branches dans le cas d'une procédure de stimulation biventriculaire, par exemple, ne sont pas représentées par les systèmes à rayons X, car elles ne présentent pas de contraste par rapport aux structures anatomiques environnantes.

Pour toutes ces applications, la connaissance d'informations anatomiques serait très utile pendant l'intervention afin de localiser les outils ou cathéters par rapport à ces structures. Il existe plusieurs solutions classiques pour rendre visibles ces structures anatomiques sur l'image radiographique. Une première solution classique consiste à utiliser un agent de contraste. Cet agent de contraste est en général un composant iodé. Il permet de rendre opaque aux rayons X les structures anatomiques. Cependant ce type de solutions comporte des inconvénients. En effet, les composants iodés sont souvent sources d'allergies pour le patient et sont également toxiques pour les reins.

Une autre solution plus récente consiste à produire, en début ou avant l'intervention médicale, une image 3D au moyen de système de tomodensitométrie ou de résonance magnétique ou par rotation du système par rayons X. Cette solution comporte des moyens aptes à recaler les images 3D préopératoires avec des images de projection du système radiographique, pour être ensuite fusionnées. Cette fusion permet au praticien de visualiser en même temps l'outil interventionnel et l'anatomie. Ce type de solution est largement traité dans l'état de la technique. Cependant ce type de solution présente des inconvénients. En effet, le principal problème rencontré dans la partie spécifique de l'anatomie, le coeur, est qu'il est sujet à de grands mouvements dus au cycle cardiaque et à la respiration du patient. Aujourd'hui, les images en 3D tomographique obtenues avant l'intervention peuvent être synchronisées avec des électrocardiogrammes, ce qui permet de reconstruire le coeur à une phase spécifique du cycle cardiaque, et donc de supprimer le mouvement cardiaque. De même, l'acquisition scanner étant de courte durée, on peut raisonnablement demander au patient de retenir sa respiration durant l'acquisition, ce qui élimine le problème du mouvement respiratoire. Au contraire des images préopératoires, les images radiographiques sont des images dynamiques, contenant à la fois le mouvement cardiaque et le mouvement respiratoire. Le mouvement cardiaque est un mouvement complexe, composé de translation, rotation et déformation du coeur. Si le recalage entre l'image préopératoire et l'image à rayon X est contraint à un recalage rigide, seules les images radiographiques acquises à la même phase du cycle cardiaque que les images préopératoires sont utilisées. Ceci permettant de supprimer le mouvement cardiaque des images à rayons X.

Cependant, le mouvement respiratoire demeure toujours présent dans les images à rayons X , et ne permet donc pas d'obtenir un recalage précis avec les images préopératoires. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques exposées précédemment. Pour cela, l'invention propose un procédé de détection et de compensation du mouvement de respiration dans des images cardiaques radiographiques synchronisées à un signal électrocardiogramme.

Les réalisations de la présente invention comprennent un système d'imagerie destiné à être utilisé dans une procédure d'intervention médicale. Le système d'imagerie comporte un premier système d'acquisition d'images d'un premier mode, employant un cathéter dans une région anatomique d'un patient et configuré pour produire une première image de la région anatomique. Le système d'imagerie comporte un deuxième système d'acquisition d'images d'un deuxième mode, configuré pour produire un modèle tridimensionnel de la région anatomique. L'invention comporte un algorithme apte à déterminer un système de référence anatomique commun aux deux systèmes d'acquisition d'images.

L'algorithme de l'invention est configuré pour traiter des instructions exécutables pour recaler le modèle tridimensionnel sur l'image radiographique, en réponse au système de référence commun. Le recalage ainsi obtenu peut être ajusté manuellement par un utilisateur. Actuellement, dans une formation d'image cardiologique, de plus en plus d'images sont synchronisées à un électrocardiogramme. Par conséquent, il est important d'avoir un moyen de calculer la respiration, de sorte que le mouvement du coeur dans l'image soit parfaitement connu au moins entre deux cycles du coeur. Pour ce faire, l'algorithme de l'invention synchronise les images radiographiques au signal d'électrocardiogramme afin de séparer de cette image le mouvement dû au cycle cardiaque. A partir de là, le mouvement qui reste dans les images radiographiques peut alors être attribué à la respiration qui peut être détectée et compensée afin d'obtenir un recalage entre des images cardiaques tridimensionnelles et des images radiographiques.

L'algorithme de l'invention sélectionne parmi l'ensemble des images radiographiques acquises et synchronisées, uniquement celles acquises à la même phase du cycle cardiaque que les images cardiaques tridimensionnelles.

L'image cardiaque tridimensionnelle est segmentée afin de prélever uniquement la partie de l'anatomie qui doit être fusionnée avec les images radiographiques. L'algorithme de l'invention effectue un recalage initial entre une des images radiographiques sélectionnée et l'image cardiaque tridimensionnelle segmentée. Puis, un algorithme de détection du mouvement de la respiration est appliqué aux images radiographiques synchronisées et ayant subit le recalage initial. Le mouvement de respiration est assez simple. En première approximation, le mouvement de la respiration peut être considéré comme un mouvement rigide, sans déformation du coeur. Il peut même être considéré comme un mouvement essentiellement de translation. Il est donc théoriquement possible de calculer ce mouvement et de le compenser pour réaliser un bon recalage avec des images cardiaques tridimensionnelles acquises à une phase donnée du cycle cardiaque. En deuxième approximation, le mouvement de la respiration peut être considéré comme un mouvement plus complexe avec une déformation du coeur. Ceci est mis en oeuvre par une modélisation plus fine du mouvement respiratoire. Puis, l'algorithme effectue un recalage complémentaire entre l'image cardiaque tridimensionnelle et les images radiographiques synchronisées en compensant la respiration par la combinaison du recalage initial et du mouvement respiratoire détecté. L'invention est ainsi particulièrement adaptée pour une procédure d'intervention d'ablation où le cathéter d'ablation va permettre de brûler le tissu de la paroi cardiaque, afin de modifier la conduction électrique à la surface de celle-ci. En effet, en effectuant un recalage initial puis additionnel on met en concordance les images cardiaques tridimensionnelles avec des images de projection du système fluoroscopique. Par conséquent, des veines pulmonaires et autres zones impliquées dans le lancement et la poursuite d'une fibrillation auriculaire peuvent être identifiées d'une manière plus précise et plus simple sur les images radiographiques, ce qui améliore le taux de succès d'une procédure d'ablation par cathéter.

Les formes de réalisation de l'invention présentées ici constituent également un système et un procédé par lesquels des images 3D de structures anatomiques, par exemple le sinus coronaire et le ventricule gauche, peuvent être mises en concordance avec des images de projection du système radiographique, ce qui permet de faire naviguer et de placer des électrodes de stimulation à l'endroit qui convient le mieux dans le cas des procédures de stimulation biventriculaire. Le fait d'avoir une concordance parfaite entre les deux images permet par exemple à un cardiologue de suivre en temps réel la progression d'un outil vasculaire lors d'une intervention, ou encore de suivre des cathéters quels qu'ils soient. L'invention permet ainsi un recalage avec un temps de calcul fortement diminué par rapport à l'état de la technique. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de détection et 15 de compensation du mouvement respiratoire, dans lequel, - on produit une image tridimensionnelle d'un coeur d'un patient à partir d'un système d'imagerie tridimensionnel, - on enregistre un électrocardiogramme en même temps que l'image tridimensionnelle est acquise, 20 - on effectue une segmentation de l'image tridimensionnelle, - on expose le coeur du patient à des radiations produites par un système d'imagerie radiographique, - on obtient via un détecteur une succession d'images radiographiques représentatives d'une structure interne du coeur, 25 caractérisé en ce que - on synchronise la succession d'images radiographiques acquises avec l'électrocardiogramme, - on calcule un recalage initial entre une des images radiographiques et une reprojection de l'image tridimensionnelle, 30 - on analyse au moins une partie des images radiographiques pour y mettre en évidence un mouvement de respiration, - on détermine un recalage respiratoire additionnel lié à la respiration, - on effectue une fusion de l'image tridimensionnelle reprojetée avec des images radiographiques en compensant le mouvement respiratoire des 35 images radiographiques avec le recalage additionnel, - on visualise l'image de fusion sur un écran de visualisation. L'invention concerne également un appareil à rayons X pour la mise en oeuvre dudit procédé de détection et de compensation du mouvement de respiration dans des images cardiaques radiographiques synchronisées à un signal électrocardiogramme. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen de la figure unique qui l'accompagne. Celle-ci est présentée à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention.

La figure 1 montre une illustration de moyens mettant en oeuvre le procédé, selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre une illustration de moyens mettant en oeuvre le procédé de détection du mouvement de respiration dans une image cardiaque. L'exemple de la figure 1 peut être utilisé dans une procédure d'intervention médicale, comme par exemple une procédure d'ablation de fibrillation auriculaire ou une procédure biventriculaire. Dans l'exemple de la figure 1, l'appareil à rayons X ( non représenté) comporte à la fois un système d'imagerie tridimensionnel et un système d'imagerie radiographique. Le système d'imagerie radiographique peut être distinct ou inclus dans le système d'imagerie tridimensionnel. L'algorithme de détection du mouvement respiratoire de l'invention est mis en oeuvre par un processeur (non représenté) de l'appareil à rayons X. Le système d'imagerie tridimensionnel peut être entre autres un tomodensitomètre, un système radiographique effectuant des images 3D par rotation, des systèmes par résonance magnétique (RM), des systèmes tomodensitométriques par émission de positons (TEP), des systèmes par ultrasons, des systèmes de médecine nucléaire et des systèmes radiographiques tridimensionnels.

Avant ou en début d'intervention médicale, la phase 100 est réalisée. Cette phase 100 consiste à acquérir une image 3D synchronisée avec un électrocardiogramme. Cette phase 100 comporte l'étape 101 à l'étape 104. A l'étape 101, le système d'imagerie 3D acquiert le volume numérique de la partie de l'anatomie voulue, qui est ici le coeur d'un patient.

A l'étape 102, simultanément à l'acquisition des images 3D, un signal d'électrocardiogramme (ECG) est acquis, afin d'obtenir une reconstruction 3D synchronisée avec l'ECG. A l'étape 103, dans un mode de réalisation préféré, une synchronisation est effectuée entre les données tomodensitométriques et les données de l'ECG. Cette synchronisation est effectuée pour une ou plusieurs phases du cycle cardiaque. Dans un autre mode de réalisation, les données tomodensitométriques ne sont pas synchronisées avec les données de l'ECG. Dans ce cas, l'image tridimensionnelle est obtenue par exemple par une moyenne de l'image tridimensionnelle sur toutes les phases du cycle cardiaque. A l'étape 104, une segmentation du volume numérique synchronisé ou non avec l'ECG est effectuée. Toutefois, la reconstruction synchronisée de l'ECG suivie d'une reconstruction par segmentation du volume numérique à une phase du cycle cardiaque, permet une imagerie du coeur exempte de mouvement. A partir de l'étape 105 incluse, toutes les actions suivantes sont effectuées pendant la phase de l'intervention médicale. Le système radiographique de l'étape 105 acquiert, à l'étape 106, une succession d'images radiographiques. Dans un mode de réalisation préférée, ces images radiographiques sont des images fluoroscopiques. Le système radiographique de l'étape 105 permet également de définir à l'étape 107 un système de référence commun aux deux systèmes d'imagerie. Pour ce faire, un algorithme existant de détermination d'une géométrie d'acquisition du système d'imagerie radiographique, en fonction de paramètres de ce système, est exécuté. La géométrie d'acquisition du système est relative à un positionnement du tube (non représenté) et du détecteur (non représenté) dans un repère donné. Cette géométrie d'acquisition est définie à la fois par la position dans l'espace d'un arceau (non représenté) de l'appareil à rayons X et de celle d'une table d'examen (non représentée) ou est allongé le patient, par rapport à un référentiel donné. Le fait de définir ce système de référence commun, permet d'établir une liaison de référence entre le système d'imagerie 3D et le système d'imagerie radiographique. Ceci permettant de relier des informations géométriques connues entre elles et appartenant à chaque système d'acquisition d'images. A l'étape 108, simultanément à l'acquisition des images radiographiques, un signal d'électrocardiogramme (ECG) est acquis. A l'étape 109, une synchronisation est effectuée entre les données des images radioscopiques et les données de l'ECG. Cette synchronisation permet de déterminer l'ensemble des images radiographiques 110 synchronisées acquises à la même phase de cycle cardiaque. Si l'image tridimensionnelle est aussi synchronisée à l'ECG, on choisit la même phase cardiaque pour les deux acquisitions. Les images radiographiques 110 sont segmentées afin de séparer dans l'image les objets les uns des autres et de l'arrière-plan en extrayant les contours ou en segmentant en régions homogènes. A l'étape 111, l'image tridimensionnelle est reprojetée afin d'obtenir une image projetée de l'image tridimensionnelle suivant la même orientation que le système d'imagerie radiographique. Cette orientation étant fournie par le système de référence de l'étape 107. A l'étape 112, un recalage initial, de préférence automatique, du volume numérique reprojeté avec une des images radiographiques 110, en synchronisation avec le mouvement cardiaque, est calculé. Le recalage initial peut être effectué ou ajusté manuellement par un utilisateur. Ce recalage initial est re-effectué ou recalculé chaque fois que le système ou le patient est en mouvement. Le recalage peut être mis en oeuvre par plusieurs méthodes existantes qui sont notamment : - la superposition d'un cathéter visible sur les images radiographiques 25 avec des structures anatomiques visibles dans le modèle 3D, - la mise en concordance des contours externes des structures anatomiques, - la recherche de vaisseaux visibles identiques dans le volume avec des vaisseaux opacifiés pendant l'acquisition radiographique. 30 Le résultat du recalage initial est une image de fusion 113 du volume numérique reprojeté avec, par exemple l'image radiographique 110 obtenue à l'instant t. A l'étape 114, on applique un algorithme de détection de mouvements respiratoires entre l'image radiographique 110 obtenue à l'instant t et l'image 35 radiographique 110 suivante obtenue à l'instant t+i. Cet algorithme est destiné à détecter un déplacement de composants communs à ces deux images. Ce déplacement est dû au mouvement de respiration du patient, en considérant naturellement que ni le système ni le patient ne sont en mouvement.

Le déplacement des composants dans les images radiographiques 110 est plus lent du fait qu'il n'y a plus que le mouvement respiratoire qui est présent. De ce fait, il suffit de détecter un composant de l'image et de tracer le déplacement de ce composant pour détecter le mouvement respiratoire. L'algorithme de détection de mouvement dans une image peut être entre autre un algorithme de corrélation sur l'image entière, un algorithme de détection des éléments identifiés ayant un contraste élevé ou tout autre type d'algorithme existant. Dans un exemple de détection, on sélectionne le cathéter du sinus coronaire dont la forme caractéristique est bien visible dans l'image radiographique. De ce fait, le composant commun est choisi appartenant à ce cathéter. Ainsi, le même composant 115 appartenant audit cathéter est sélectionné à la fois dans l'image radiographique 110 obtenue à l'instant t correspondant à l'image radiographique utilisée lors du recalage initial et dans l'image radiographique 110 suivante obtenue à l'instant t+i. Puis, les coordonnées cartésiennes du composant 115 sont déterminées à la fois dans l'image radiographique 110 obtenue à l'instant t et dans l'image radiographique 110 obtenue à l'instant t+i. Le résultat de la comparaison des coordonnées du composant 115 dans ces deux images constitue le mouvement respiratoire du patient. Et le signe de ce résultat renseigne sur le sens du déplacement du mouvement. A l'étape 116, un recalage additionnel est calculé en combinant le recalage initial et le mouvement respiratoire détecté à l'étape 114. Le recalage respiratoire additionnel est appliqué entre le volume numérique reprojeté et l'image radiographique 110 obtenue à l'instant t+i, en fonction du mouvement de la respiration détecté à l'étape 114. Ceci permet d'effectuer un recalage complémentaire au recalage initial afin de compenser le mouvement respiratoire. Le recalage additionnel permet de déplacer le volume numérique reprojeté en fonction du déplacement du mouvement respiratoire. Le volume numérique reprojeté est ainsi déplacé pour suivre l'image radiographique 110. Ceci entraîne que les structures anatomiques du volume numérique sont toujours au bon endroit par rapport à l'image radiographique 110. Le recalage additionnel fournit en sortie une deuxième image de fusion 117 du volume numérique reprojeté avec l'image radiographique sélectionnée 110. La deuxième image de fusion 117 est visualisée sur un écran de visualisation.

Claims

REVENDICATIONS

1. - Procédé de détection et de compensation du mouvement respiratoire, dans lequel, - on produit une image tridimensionnelle (101) d'un coeur d'un patient à partir d'un système d'imagerie tridimensionnel, - on enregistre un électrocardiogramme (ECG) en même temps que l'image tridimensionnelle est acquise, - on effectue une segmentation (104) de l'image tridimensionnelle, - on expose le coeur du patient à des radiations produites par un système (105) d'imagerie radiographique, - on obtient via un détecteur une succession d'images radiographiques (106) représentatives d'une structure interne du coeur, caractérisé en ce que -on synchronise (109) la succession d'images radiographiques acquises avec l'électrocardiogramme, - on calcule un recalage initial (112) entre une des images radiographiques synchronisée (110) et une reprojection (111) de l'image tridimensionnelle, - on analyse (114) au moins une partie des images radiographiques synchronisées pour y mettre en évidence un mouvement de respiration, - on détermine un recalage respiratoire additionnel (116) lié à la respiration, - on effectue une fusion (117) de l'image tridimensionnelle reprojetée 25 avec des images radiographiques en compensant le mouvement respiratoire des images radiographiques avec le recalage additionnel, - on visualise l'image de fusion sur un écran de visualisation.

2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que - on synchronise l'image tridimensionnelle avec l'électrocardiogramme, 30 - on sélectionne, parmi l'ensemble des images radiographiques synchronisées, celles acquises à la même phase du cycle cardiaque que le volume numérique pour effectuer le recalage et la détection du mouvement respiratoire.

3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 35 - on effectue une moyenne de l'image tridimensionnelle sur toutes les phases du cycle cardiaque.

4- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la reprojection de l'image tridimensionnelle comporte les étapes suivantes : - on détermine un système de référence commun au système d'imagerie tridimensionnelle et au système d'imagerie radiographique, - on détermine une orientation du système d'imagerie radiographique en fonction du système de référence commun, - on reprojete l'image tridimensionnelle suivant l'orientation du système d'imagerie radiographique.

5- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le recalage initial est effectué ou ajusté manuellement.

6- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le recalage initial est recalculé ou re-effectué manuellement chaque fois que le système d'imagerie ou le patient est en mouvement.

7- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'analyse d'au moins une partie des images radiographique synchronisées pour y mettre en évidence un mouvement de respiration comporte les étapes suivantes : - on sélectionne un composant commun à l'image radiographique synchronisée obtenue à l'instant t et à l'image radiographique synchronisée obtenue à l'instant t+i, - on calcule des coordonnées cartésiennes de ce composant à la fois dans l'image radiographique synchronisée obtenue à l'instant t et dans l'image radiographique synchronisée obtenue à l'instant t+i, - on compare les cordonnées calculées, - le résultat de cette comparaison constitue le mouvement de la respiration, - le signe du résultat de la comparaison renseigne sur le sens du déplacement du mouvement.

8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le calcul du recalage additionnel comporte l'étape suivante : - on combine le recalage initial avec le mouvement respiratoire.

9- Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lors du recalage respiratoire additionnel l'image tridimensionnelle reprojetée est déplacée en fonction du mouvement de respiration.

10- Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'image tridimensionnelle est acquise avant l'intervention médicale avec un système d'imagerie tridimensionnelle distinct du système d'imagerie radiographique.

11- Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'image tridimensionnelle est acquise en début ou en cours d'intervention médicale avec un système d'imagerie tridimensionnelle comportant le système d'imagerie radiographique.

12. Appareil à rayons X pour la mise en oeuvre d'un procédé de détection et de compensation du mouvement respiratoire dans des images cardiaques radiographiques synchronisées à un signal électrocardiogramme, selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.