JP2006320721A - 対象領域のボリューム撮影の表示範囲の拡張方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大きい対象領域にわたる概観画像の作成を可能にし、その画像内の関心のある小さい対象領域を表示可能する。
【解決手段】大きい対象領域の少なくとも１つの第１の３Ｄ画像データセットが準備され、大きい対象領域内にある小さい対象領域の少なくとも１つの第２の３Ｄ画像データセットが記録され、第１の３Ｄ画像データセットが第２の３Ｄ画像データセットとレジストレーションされ、第１の３Ｄ画像データセットおよび第２の３Ｄ画像データセットから合成３Ｄ画像データセットが作成され、第１の３Ｄ画像データセットにおいて、小さい対象領域を表示する第１の３Ｄ画像データが、第２の３Ｄ画像データセットの第２の３Ｄ画像データによって、場合によっては第１の３Ｄ画像データセットおよび／または第２の３Ｄ画像データセットの相応の調整後に、同一のスケーリングおよび向きで置き換えられ、合成３Ｄ画像データセットが画像表示で可視化される。
【選択図】図２

Description

本発明は、大きい対象領域の第１の画像データセットが準備され、大きい対象領域内にある小さい対象領域の第２のデータセットが記録され、両画像データセットが組み合わされて表示される特に医療用途における対象領域のボリューム撮影の表示範囲の拡張方法に関する。

外科手術において、今日ではしばしば、移動式Ｘ線装置、超音波装置または内視鏡／腹腔鏡の如き小形の画像化システムが使用される。しかしながら、これらのモダリティは可視化のために限られた視野しか提供しない。しかしながら、外科医にとって、広い周囲視野内においても治療領域における局部的な状況を見ることができると望ましい。

従来、三次元（３Ｄ）画像データを用いて手術中に局部的な周囲視野を可視化することができるようにするために、外科手術の相当の時間前に、例えばコンピュータ断層撮影または磁気共鳴断層撮影により身体の３Ｄ画像データを記録する種々の方法が知られている。手術中にこれらの事前データを使用する場合、２つの変形例に大別できる。第１の変形例の場合には、主モニタに、例えば移動式画像化モダリティにより記録される治療領域の現在の局部表示が現れる。第２のモニタには、比較のために、事前に取得された３Ｄ画像データからの全体的な眺めが表示される。第２の変形例の場合には画像重ね合わせもしくは画像融合が行なわれる。現在の局部的表示、例えば内視鏡の眺めが事前検査からの全体的な眺めに直接的に重ね合わされる。両眺めは適当に透明であり、補色で強調可能である。これに関連して３Ｄ画像化モダリティの画像データと検査領域の２Ｄ蛍光透視撮影との重ね合わせが公知である（例えば、特許文献１参照）
独国特許出願公開第１０２１０６４６号明細書

本発明の課題は、画像記録のための移動式小形装置の使用時にまさに利点をもたらす、対象領域のボリューム撮影の表示範囲の拡張方法を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、大きい対象領域の少なくとも１つの第１の３Ｄ画像データセットが準備され、大きい対象領域内にある小さい対象領域の少なくとも１つの第２の３Ｄ画像データセットが記録され、第１の３Ｄ画像データセットが第２の３Ｄ画像データセットとレジストレーションされ、第１の３Ｄ画像データセットおよび第２の３Ｄ画像データセットから合成３Ｄ画像データセットが作成され、第１の３Ｄ画像データセットにおいて、小さい対象領域を表示する第１の３Ｄ画像データが、第２の３Ｄ画像データセットの第２の３Ｄ画像データによって、場合によっては第１の３Ｄ画像データセットおよび／または第２の３Ｄ画像データセットの相応の調整後に、同一のスケーリングおよび向きで置き換えられ、合成３Ｄ画像データセットが画像表示で可視化されることによって解決される。
本方法の有利な実施態様は従属請求項に記載されており、あるいは以下の説明並びに実施例から引き出すことができる。

本発明による方法においては、好ましくは事前に画像化断層撮影モダリティにより記録された大きい対象領域の少なくとも１つの第１の３Ｄ画像データセットが準備される。本発明による方法では、更に、大きい対象領域内にある小さい領域の少なくとも１つの第２の３Ｄ画像データセットが記録される。引続いて、第１の３Ｄ画像データセットおよび第２の３Ｄ画像データセットがレジストレーションされる。第２の３Ｄ画像データセットの記録は好ましくは移動式小形装置により行なわれる。移動式小形装置は限られた画像化視野しか持たない。この種の小形装置は例えば移動式３Ｄ−Ｘ線Ｃアーム装置または３Ｄ撮影に適した超音波画像化装置であるとよい。第１の３Ｄ画像データセットおよび第２の３Ｄ画像データセットから合成３Ｄ画像データセットが作成される。その場合、第１の３Ｄ画像データセットにおいて、小さい対象領域を表示する第１の３Ｄ画像データが、場合によっては分解能の調整のための適切な補間後に、第２の３Ｄ画像データセットの第２の３Ｄ画像データによって、画像データセットの同じスケーリングおよび向きで置き換えられる。

その後、合成３Ｄ画像データセットが使用者に対して１つの画像表示で可視化される。一般に局部的な小さい第２の３Ｄ画像データセットは高い分解能を有するので、調整が必要な場合に、第２の３Ｄ画像データセットの微細なスクリーニングを達成するために第１の３Ｄ画像データセットの補間が推奨される。第２の３Ｄ画像データセットのボクセル数は第１の３Ｄ画像データセットデータのボクセル数よりも十分に多い。

術前のボリューム撮影、例えばＣＴ撮影も、術中のボリューム撮影も、対象に対して相対的に定められた位置および方位で得られるので、それぞれの３Ｄ画像データセットのレジストレーションが可能である。このために、使用可能な装置の多く、例えばＣＴ装置および３Ｄ−Ｃアーム装置は原則的に調整されている。模範例として挙げた両モダリティは一般にＤＩＣＯＭ基準にしたがった設計を有するボリュームデータセットを作成する。この基礎のもとに種々に両データセットの関連付けつまりレジストレーションを保証することができる。このために以下において模範的に３つの変形例を説明する。

第１の変形例においては、例えば定位枠を介してまたはかみ合わせ固定により、患者が再現可能に固定されている患者用テーブルに対する撮影装置の固定の関連付けが行なわれる。患者テーブルに対する撮影装置のこの固定の関連付けによって、従って患者に対する固定によってレジストレーションが保証される。

第２の変形例においては、第１の３Ｄ画像データセットの記録、例えばＣＴ撮影の前に、対照マークが患者に取付けられる。これらのマークは、後で行われる手術中に患者にとどまり、術中にはその後に続くボリューム撮影のためにも手術処置のためにも使用される（マークに基づくレジストレーション）。マークは、３Ｄ画像データセットにおいて認識可能であり、レジストレーションつまり両３Ｄ画像データセットの正しい関連付けに使用することができる。

第３の変形例においては、両３Ｄ画像データセットのレジストレーションが、記録されたボリューム画像における特徴的構造を介して行なわれる。このために、第１の３Ｄ画像データセットの事前に撮影された概観図と第２の３Ｄ画像データセットの局部的な高分解能ボリューム画像とにおける同一構造が同定される。引続いて、画像データセットにおけるこれらの構造の一致した重ね合わせのために必要な回転マトリックスおよび移動マトリックスが求められる（マークなしレジストレーション）。

従って、本発明による方法においては、現在性の利点ならびに場合によっては高分解能および良好なコントラストの利点を有する局部的な対象ボリュームの現在撮影された３Ｄ画像が、大きい対象領域つまりボリューム領域を含むが古い撮影データならびに場合によっては僅かな分解能および／または僅かなコントラストを有する全画像の中に一体化される。それゆえ、表示可能な対象領域つまりボリューム領域が本発明による方法により拡張される。更に、第２の３Ｄ画像データセットの適切な作成時に、検出された小さい対象領域は高められた分解能および／または高められたコントラストで表示することができる。以下において、この小さい対象領域はコア領域またはコア画像と呼ばれ、これを含む全体表示は周囲画像と呼ばれる。

本発明による方法の有利な実施態様においては、従って、第２の３Ｄ画像データセットが第１の３Ｄ画像データセットよりも高い分解能または他の特性（例えば、トレーサまたは造影剤の使用による特性）で記録される。合成のために、大きい対象領域の第１の３Ｄ画像データセットが、画像データの補間によって、第２の３Ｄ画像データセットの一体化すべき第２の３Ｄ画像データの高い分解能に合わせられる。他の実施態様においては、第２の３Ｄ画像データセットが、第１の３Ｄ画像データセットよりも高い画像コントラストで記録される。これは、組み合わされた画像表示の限られた範囲に、局部的に改善された現在の詳細表示を生じる。両画像の合成は、正しい位置および姿勢のレジストレーションならびに好ましくは較正に基づいて、第２の３Ｄ画像データセットの記録中に行なわれるので、両ボリュームは正確に定められた尺度に従ってまとめられる。

本発明による方法の利点は、とりわけ第２の３Ｄ画像データが第１の３Ｄ画像データとの取換えによって大きい対象領域の画像表示へ組み込まれることによって得られる。このために、大きい対象領域の第１の３Ｄ画像データセットから、小さい対象領域が取除かれ、第２の３Ｄ画像データセットの３Ｄ画像データによって置き換えられる。従来技術の公知の方法におけるような画像重ね合わせは行なわれない。しかしながら、勿論、この種の画像重ね合わせは使用者のための付加的なオプションとして用いることができる。

本発明による方法は、特に、例えば移動式３Ｄ−Ｃアーム装置による移動式Ｘ線画像化に適している。この種の装置は待機位置から極めて迅速に手術台に移動され、Ｃアームを介する連結によってＸ線源とＸ線検出器とは常に最適に調整されている。手術の更なる経過においてこの種の装置はしばしば現場にとどまることができる。なぜならば、Ｃアームの比較的大きな開口において医師にとって患者への接近が一般に自由のままであるからである。しかしながら、この種の移動式Ｘ線装置の使用の欠点は、要求された小形化およびそれに関連した少ないＸ線出力および小さい検出器ジオメトリのために、あらゆる投影において、比較的小さい２Ｄ画像範囲（生データ）しか捕捉できないことにある。従って、多数の投影から再構成されたボリューム画像（３Ｄ）も同様に小さいボリューム領域しか含まない。広がっている身体構造は画像表示の縁で切取られている。まさにこの欠点が本発明による方法により表示範囲の拡張によって回避される。

本発明による方法の１つの実施態様においては、第１の３Ｄ画像データセットから、中心投影で照射された全ての断層の重ね合わせが算出されるのではなく、第２の３Ｄ撮像によって再現された主要構造を含む深部領域が求められて切抜かれる。この場合に、第２の３Ｄ撮像における関心構造がしばしば対象のより小さい深部領域を表示することが利用される。従って、この実施態様においては、相応の深部領域が第１の３Ｄ画像データから切抜かれ、第１の大きい対象領域の３Ｄ画像表示として利用され、この３Ｄ画像表示の中に第２の３Ｄ撮像が組み込まれる。特別な事例においては、深さ選択の容易化のために、周囲画像の第１の３Ｄ画像データが前もって深さコード化される。この深さコード化によって、深さ選択が特に速やかに、例えばハードウェア支援によりおよび／または種々の深部領域にコーディングが割り付けられているルックアップテーブルを介して行なわれる。

本発明による方法の実施態様において、第１の３Ｄ画像データセットは次のように、すなわち、大きい対象領域の構造のうち使用者にとってその都度の用途において関心のある構造のみが画像表示内に存在するかまたは少なくとも強調されているように処理されてもよい。例えば、この用途にとって造影剤を満たされた血管構造のみに関心がある場合には、第１の３Ｄ画像データセット、例えば高コントラストＣＴによって得られた大きい対象領域の撮影が表示されるとよい。更に、第１の３Ｄ画像データセットを得るために、大きい対象領域の異なる部分の複数の３Ｄ画像データセットを予め記録し、引続いて大きい対象領域の再構成のためにこれらを組み合わせてもよい。

本発明による方法において、もちろん、異なる小さい対象領域の複数の第２の３Ｄ画像データセットを、準備された第１の３Ｄ画像データセットを有する１つの適切な表示全体の中に組み込むことも可能である。この場合に、異なるコア領域の表示間の切換えも用意されるとよい。他の付加的な実施態様において、第２の３Ｄ画像データセットの異なる表示を、例えば異なるコントラストで、または異なる構造を異なるカラーコード化で強調するためのフィルタの使用に基づいて、大きい対象領域の表示と組み合わせることができる。この場合にも異なる表示間の切換えが可能である。更に、コア領域の異なる表示の重ね合わせを行なうこともでき、この場合に種々に重ね合わされた表示の透明度もしくは明るさを使用者によって連続的に変化させることができる。

本方法の種々の実施態様はもちろん組み合わせることもできる。更に、本発明による方法の実施態様は医療用途における画像化に基づいて説明されたが、しかし他の対象を有する非医療用途分野にも容易に使用することができる。

本発明による方法は、所望のコア領域に最適に撮影システムもしくは撮影光学系の焦点を合わせるために、第２の３Ｄ画像データセットの取得に使用されたモダリティを調整するのに有利に使用することができる。このために、小さい対象領域の第２の３Ｄ画像データセットの記録前に、第１の３Ｄ画像データセットから大きい対象領域の画像が発生され、使用者に表示される。このとき、使用者は、第２の３Ｄ画像データセットの記録のために小さい対象領域を対話式に決定することができる。決定された対象領域のデータが検出され、第２の３Ｄ画像データセットを記録する撮影装置の自動調整に利用される。このためには前もって第１の３Ｄ画像データセットとこの撮影装置とのレジストレーションが、例えば患者に取付けられたマークと、撮影装置に結合されこれらのマークを適用するナビゲーション装置とを介して行なわれなければならない。これらの本発明による方法の実施態様では、大きい対象領域の画像を使用者によって適切に拡大し、３次元回転し、移動することができる。

以下において図面を参照しながら実施例に基づいて本発明による方法もう一度詳細に説明する。
図１は本発明による方法における方法経過例を概略的に示し、
図２は３Ｄ画像データセットの作成を概略的に示す。

本発明による方法を、手術中に治療領域の局部的３Ｄ画像が移動式３Ｄ−Ｃアーム装置により記録されかつ表示される手術、例えば骨盤骨折後の手術の例でもう一度詳細に説明する。

今日では、手術の計画のためにも手術の実施のためにも、インターベンション治療前に、例えばＣＴボリューム撮影から作成された３Ｄ画像データセットがしばしば利用される。この３Ｄ画像データの可視化によって重要な身体周囲全体にわたる完全な大きな空間の概観画像が生じる。しかし、手術の際に医師は、種々の理由から、例えば画像を作成する内視鏡検査、超音波検査または移動式３Ｄ−Ｘ線画像化により行なわれる現在の画像化を拠り所にしなければならない。手術中に繰り返される撮像の際に医師はこのようにして変化を直接に観察することができる。現在の画像化は安全性の理由から必要である。なぜならば、事前検査以来、例えば軟組織構造の変位によって、患者の解剖学的構造に変化が生じ得るからである。更に、高い分解能および特別に最適化されたコントラストのための撮影パラメータが調整可能であるので、現在の局部的撮像はしばしば高画質で作成することができる。

この例においては、手術中の画像化Ｘ線システムとして移動式Ｘ線Ｃアーム装置が使用される。この種の装置は簡単に取扱うことができ、手術テーブルにおいて患者への少なくとも１つの限定された接近を提供する。とりわけ、移動式Ｘ線Ｃアーム装置は、小さい画像範囲を高い空間周波数により走査することができるので、非常に高い分解能を可能にする。更に、小さい範囲において動特性およびコントラストを特別に最適化することができる。局部的なボリューム撮像により最適な現在の３Ｄ画像を得ることができる。

しかしながら、この種の移動式Ｘ線Ｃアーム装置の小形化により、同等の固定式装置よりも小さい画像範囲しか検出できない。従って、手術中に得られたボリューム画像においては大きく広がっている身体構造が画像の縁で切取られている。表示の改善のために、この限られた表示範囲が本発明による方法の使用によって拡張される。

この例においては、板による固定がなされている骨盤骨折後の手術中に、適当な時点で、大きい対象領域Ａの事前に作成されたボリューム撮影が準備される。レジストレーションは例えばボリューム撮影中に患者に取付けられているマークを介して行なわれる。第２の３Ｄ画像データセットの記録もしくは手術の実施の直前に、例えばナビゲーションシステムにより患者のマークを探ることにより、ボリューム撮影において認識可能なマークと患者に残されているマークとの位置合わせを行なうことによって、この種の位置合わせが行なわれる。ナビゲーションシステムはＣアーム装置の撮影システムに対する関係も作成する。

本例の場合、まず大きい対象領域Ａのボリューム撮影が画面に可視化される。医師は、今やこの表示を３次元で移動、回転およびズームさせることができる。これは公知の対話式の処理ツールを介して行われる。骨折周囲の領域が、今やこの表示において中心に置かれ、医師の好みで高い分解能および現在の撮影データで記録されたかのようにズームされる。この際に得られた、小さい対象領域の仮想３Ｄ座標が検出され、コア領域への移動式Ｃアーム装置の調整に使用される。この移動式Ｃアーム装置により現場で、最高の分解能および最適なコントラストによるこの調整で、骨部分および例えば部分的に先に形成されたねじ連結部の現在位置におけるボリューム画像が作成される。

この際に生じる３Ｄコア画像が、本発明による方法の重要なステップにおいて、３Ｄ周囲画像のさらに到達する空間範囲の周りを補充する。周囲画像、すなわち大きい対象領域Ａの第１の３Ｄ画像データセットは、このために一般に再位置決めを、すなわち回転および移動ならびに再スケーリングをされなければならない。これは、適当なハードウェアおよびソフトウェアにより、「オンザフライ（ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｙ）」も、レンダリングハードウェア上で適当な変換もしくは補間によって行なうことができる。さらに、例えば、対象領域Ｂの撮影のための調整中に、変換されかつ新たに補間された第１の３Ｄ画像データセットを作成して記憶することもでき、この第１の３Ｄ画像データセットはコア画像の第２の３Ｄ画像データセットと合成される。

図２は、大きい対象領域Ａの第１の３Ｄ画像データセットと、小さい対象領域Ｂの第２の３Ｄ画像データセットとから合成された合成３Ｄ画像データセットの作成例を示す。このために大きい対象領域Ａのボリューム画像１において、小さい対象領域Ｂを再現する第１の画像データが切抜かれ、この例では高い分解能とともにコントラストを改善された第２のボリューム画像２の第２の画像データによって置き換えられる。合成３Ｄ画像データセットはボリューム画像３として医師に対してモニタで可視化される。この例において説明した方法全体が図１の流れ図で示される。

更に、第１のボリューム画像１および第２のボリューム画像２はもちろん別々に可視化することができる。更に、事前検査からのコア領域の撮像と組み合わされた画像表示における現在の高分解能のコア画像との間で切換を可能にする切換機能を用意すると有利である。この方法は、全く異なるパラメータ、例えば既に位置決めされた人工機能補完装具または造影剤を有するコア画像が撮影されたか、または他のモダリティ、例えば超音波装置および／または内視鏡の画像である場合には、特に有益である。

１つ又は複数の現在作成されたコア画像と大きい対象領域Ａの画像表示との半透明の重ね合わせを付加的に用意するのもよい。この場合に重ね合わせはコア画像のカバー範囲に制限されている。

本発明による方法における方法の経過例を概略的に示す流れ図 ３Ｄ画像データセットの作成を概略的に示す説明図

符号の説明

１ 第１のボリューム画像
２ 第２のボリューム画像
３ 合成ボリューム画像
Ａ 大きい対象領域
Ｂ 小さい対象領域

Claims (15)

1. 大きい対象領域の少なくとも１つの第１の三次元（３Ｄ）画像データセットが準備され、
   大きい対象領域内にある小さい対象領域の少なくとも１つの第２の３Ｄ画像データセットが記録され、
   第１の３Ｄ画像データセットが第２の３Ｄ画像データセットとレジストレーションされ、
   第１の３Ｄ画像データセットおよび第２の３Ｄ画像データセットから合成３Ｄ画像データセットが作成され、第１の３Ｄ画像データセットにおいて、小さい対象領域を表示する第１の３Ｄ画像データが、第２の３Ｄ画像データセットの第２の３Ｄ画像データによって、場合によっては第１の３Ｄ画像データセットおよび／または第２の３Ｄ画像データセットの相応の調整後に、同一のスケーリングおよび向きで置き換えられ、
   合成３Ｄ画像データセットが画像表示で可視化される
   ことを特徴とする対象領域のボリューム画像の表示範囲の拡張方法。
2. 第２の３Ｄ画像データセットが第１の３Ｄ画像データセットよりも高い分解能で記録され、第１の３Ｄ画像データセットが、合成３Ｄ画像データセットを作成するために、補間、移動および回転によって、第２の３Ｄ画像データセットの高い分解能および位置に合わせられることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 第２の３Ｄ画像データセットが、第１の３Ｄ画像データセットよりも高い画像コントラストまたは異なる特性で記録されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 第１の３Ｄ画像データセットおよび第２の３Ｄ画像データセットが１つの画像化断層撮影モダリティにより記録されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 小さい対象領域の第２の３Ｄ画像データセットの記録前に、大きい対象領域の画像が第１の３Ｄ画像データセットから発生されて使用者に対して可視化され、使用者は、この画像において、第２の３Ｄ画像データセットを記録するために小さい対象領域を対話式に決定することができ、決定された対象領域のジオメトリデータが検出され、第２の３Ｄ画像データセットを記録する撮影装置の自動調整に利用されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 大きい対象領域の可視化された画像は使用者によって対話式に、縮小、拡大、３次元回転および移動することができることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 第１の３Ｄ画像データセットデータには、前処理によって、小さい対象領域においても関心のある、大きい対象領域のこの種の構造だけが含ませられるかまたは少なくとも強調されることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. 合成３Ｄ画像データセットを作成するために、第１の３Ｄ画像データセットにおいて、主として第２の３Ｄ画像データセットによって再現された構造を含む深部領域が求められて切抜かれ、切抜かれた深部領域の画像データから合成３Ｄ画像データセットが作成されることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
9. 第１の３Ｄ画像データセット、第２の３Ｄ画像データセットまたは両３Ｄ画像データセットが深さコード化されて準備され、それに基づいてそれぞれ重要な深さが画像表示のために評価されることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 第１の３Ｄ画像データセットの画像表示と合成３Ｄ画像データセットの画像表示との間で切換可能であることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の方法。
11. 第２の３Ｄ画像データセットの異なる表示によって区別される異なる合成３Ｄ画像データセットの画像表示間で切換可能であることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の方法。
12. 合成３Ｄ画像データセットの画像表示において、使用者によって連続的に変化される透明度および／または明るさを有する第２の３Ｄ画像データセットの異なる表示が重ね合わされることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の方法。
13. 複数の第１の３Ｄ画像データセットが用意され、大きい対象領域を一緒に含む合成３Ｄ画像データセットの作成に使用されることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の方法。
14. ３Ｄ画像データセットよりも小さい対象領域しか記録できない移動式画像化装置の表示範囲の拡張に用いられる請求項１乃至１３の１つに記載の方法。
15. 超音波装置または移動式Ｘ線Ｃアーム装置の表示範囲の拡張に用いられる請求項１４記載の方法。

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