JP5702971B2 - 放射線撮像デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、放射線撮像デバイス内の投影2次元画像からそのすべてが得られるような実質的に円筒状の回転形状を有する基本オブジェクトの向き及び寸法に関する評価、並びにこうした一連の基本オブジェクトから形成されたオブジェクトまたはこうした一連の基本オブジェクトに対する近似による同化物に関する3次元再構成に関する。
幾つかの介入(interventional)X線手技では、施術者が処置中の患者の身体内部にカテーテルやその他のガイドワイヤを挿入することが求められる。カテーテルはヨウ素などのコントラスト液体を注入するのに役立てることが可能であり、またガイドワイヤはバルーン、血管内人工器官、その他などの治療用器具を配置させるために利用することが可能である。これらカテーテルとガイドワイヤの共通点はこれらが実質的に円形の断面を有する曲線状構造であることである。
これらの介入手技の域内、また特に脳神経外科においては、処置中の患者の血管網が非常に複雑でありかつ2次元投影では提供される情報が不十分であることが非常に多い。このため、こうした血管網の3次元モデルを製作し、これらの3次元モデル内において器具の位置特定の支援を提供することが必要である。この必要性はまた、心臓スキャナの開発からの支援により3次元モデルの役割が高まりつつあるインターベンショナル心臓学においても発生している。
このコンテキストでは、介入用器具の単一2次元ビューではその3次元描画を製作するには十分でないと認められる。異なる角度における2つの2次元投影を同時に利用するような2面的(biplanar)収集から幾つかの技法が開発されている。しかしこうした投影は、ガイドワイヤやカテーテルなどの曲線構造をあいまい性なく3次元再構成するには十分でない。さらにこれでは、単一画像の収集と比べてより多くの放射線量が必要となり好ましくない。こうした技法は、Merle,A.B.らによる「Computers in Cardiology」(1998年9月13〜16日、757〜760ページ)の「3D−reconstruction of the deformable coronary tree skeleton from two X−ray angiographic views」と題する記事、並びにBaert,S.A.M.らによる「Three−dimensional guide−wire reconstruction from biplane image sequences for integrated display in 3−D vasculature」(Medical Imaging, IEEE Transactions, Volume 22, Issue 10, 2003年10月,1252〜1258ページ)と題する記事に記載されている。インターベンショナル心臓学の域内では、従来の方法を用いて様々な角度での画像の収集を試みる3次元再構成は一般に、患者の心臓や肺の動きにより誘導される画像間の動きによって制限を受ける。
Merle,A.B.ら、「3D−reconstruction of the deformable coronary tree skeleton from two X−ray angiographic views」(Computers in Cardiology、1998年9月13〜16日、757〜760ページ)
本発明の目的は患者に対する照射を低減させる一方で実質的に円筒状の回転形状を有する基本オブジェクトの空間内の詳細な向きを評価するための処理法を提供することである。
第1の態様において本発明は、X線源と該源の反対側に配置されると共に該源とこれの間に配置させた実質的に円筒状の回転形状を有する基本オブジェクトの投影画像を記録するように配列させた記録手段とを備えた放射線撮像デバイスにおいて該基本オブジェクトの空間内の向きを評価するための処理法であって、
a)基本オブジェクトが吸収したX線量Aを投影画像上において決定するステップと、
b)基本オブジェクトの長手方向軸と投影画像の面の間の角度θの正弦を吸収X線量Aの関数として評価するステップと、
を含む処理法に関する。
したがって、基本オブジェクトのX線吸収特性を用いることによってオブジェクトの空間内の向きがオブジェクトの単一2次元画像投影から精細に決定されており、これによりさらに患者に対する不必要な照射が防止される。
しかし任意選択では、この処理法は以下に示す追加的な特徴、
○ ステップbにおいてrを基本オブジェクトの断面の半径としかつμを基本オブジェクトの線形放射線吸収係数として
Figure 0005702971
であること、
○ ステップbにおいてKを基本オブジェクトに依存する吸収定数として
Figure 0005702971
であること、
のうちの少なくとも1つを有すると有利である。
第2の態様において本発明は、X線源と該源の反対側に配置されると共に該源とこれの間に配置させた実質的に円筒状の形状を有する基本オブジェクトの投影画像を記録するように配列させた記録手段とを備えた放射線撮像デバイスにおいて該基本オブジェクトの空間寸法drealを評価するための処理法であって、
a)第1の態様に従った処理法によって基本オブジェクトの空間内の向きを評価するステップと、
b)投影寸法dobsを投影画像上において決定するステップと、
c)評価し終えた向き及び決定し終えた投影寸法dobsから寸法drealを決定するステップと、
を含む処理法に関する。
この方法ではこの処理法は、放射線撮像デバイスで使用されるX線が本来有する投影効果を回避することによってオブジェクトの一部分の長さを決定する。
しかし任意選択では、この処理法は以下に示す追加の特徴、
○ ステップcにおいて、dreal=dobs/sin(θ)によって寸法drealが評価されること、
を有すると有利である。
第3の態様において本発明は、X線源と該源の反対側に配置されると共に該源とこれの間に配置させた実質的に円筒状の回転形状を有する一連の基本オブジェクトから形成されたオブジェクトの投影画像を記録するように配列させた記録手段とを備えた放射線撮像デバイスにおける該オブジェクトに対する3次元再構成処理法であって、該オブジェクトの各基本オブジェクトS=[Pi−1,P]ごとに、
a)第1の態様に従った処理法により基本オブジェクトSの空間内の向きを決定するステップと、
b)基本オブジェクトSの両端(Pi−1,P)のうちのPに関する空間的相対座標を基本オブジェクトSの両端(Pi−1,P)のもう一方のPi−1を基準にして決定するステップと、
を含む3次元再構成処理法。
しかし任意選択では、この処理法は以下に示す追加の特徴、
○ ステップaとステップbの間において本処理法が、a)第2の態様に従った処理法により基本オブジェクトSの長さを決定するステップを含むこと、
○ ステップaの間に角度θの値が、値θ及びπ−θからθがθi−1に可能な限り接近するようにして選択されること、
○ オブジェクトのすべての基本オブジェクトS=[Pi−1,P]を処理し終えた後、本処理法によって再構成したオブジェクトの全長が決定されること、並びに
○ 再構成したオブジェクトの全長がステップbで決定した基本オブジェクトSの長さの総和であること、
のうちの1つを有すると有利である。
第4の態様において本発明は、X線源と該源の反対側に配置されると共に該源とこれの間に配置させたオブジェクトの投影画像を記録するように配列させた記録手段とを備えた放射線撮像デバイス、並びに先述の処理法の少なくとも1つを実行するための手段に関する。
添付の図面を参照した本発明の一実施形態に関する以下の説明から本発明に関するその他の特徴及び利点が得られよう。
基本オブジェクトのX線吸収を表した3次元概要図である。 算出に関する3次元概要図である。 基本オブジェクトの向き及び基本オブジェクトの寸法を評価するための処理法の概要図である。 基本オブジェクトの向き及び基本オブジェクトの寸法を評価するための処理法の概要図である。 ガイドワイヤを3次元再構成するための処理法の3次元概要図である。 ガイドワイヤを3次元再構成するための処理法の3次元概要図である。 本発明の処理法を実行するための医用放射線撮像デバイスの概要図である。
図5は、実質的に円筒状の回転形状を有する基本オブジェクトの向きの評価のために2次元投影画像を収集するため並びにこれら一連の基本オブジェクトから形成されたオブジェクトを3次元再構成するための放射線撮像または医用イメージャデバイス100の概要を表している。
こうしたデバイスは、外科的介入中に患者内部に導入されるオブジェクトの検出及びマーキングのための放射線撮像デバイスとすることができる。
放射線撮像デバイス100は、画像収集システム103、画像処理システム105及び表示システム104を備える。
収集システム103は、患者の(臓器の)関心領域に関する複数の2次元投影を収集する。収集システム103は特に、X線源30の反対側に検出器20を配置させることによって構成される。この検出器は例えばディジタル式カメラである。この収集システムは例えばX線収集システムであり、X線収集システムはオブジェクト102上にX線を放出するため並びに得られる像を収集するための周知の任意の手段を備える。
表示システム104は画像収集システム103や画像処理システム105の中に組み込むこと、あるいは収集システム103からまたは処理システム105から分離させることが可能である。表示システム104は例えば、コンピュータ画面、モニター、フラット画面、プラズマ画面、あるいは市場入手可能な任意のタイプの表示デバイスである。表示システム104によってオペレータは、収集した2次元画像の再構成及び/または表示の制御が可能となる。
処理システム105は、処理方法(例えば、2次元画像からの3次元画像の再構成)を実行するように適合させている。処理システム105は、画像収集システム103内に組み入れること、あるいは画像収集システム103と別にすることが可能である。処理システム105は例えば、コンピュータ(複数のこともある)、プロセッサ(複数のこともある)、マイクロコントローラ(複数のこともある)、マイクロコンピュータ(複数のこともある)、プログラム可能なオートマトン(複数のこともある)、特定用途向けの集積回路(複数のこともある)、プログラム可能なその他の回路、あるいはワークステーションなどコンピュータを包含したその他のデバイスである。処理システム105は、処理システム105内へに組み入れることも処理システム105と別にすることも可能な記憶手段106と結合させている。これらの手段は、ハードドライブや別の任意の取外し可能記憶手段(CD−ROM、フレキシブル・ディスク、その他)により形成することが可能である。これらの記憶手段は、臓器のうち収集または処理された2次元画像として観察される領域の3次元画像を保存する役割をすることが可能である。これは、処理システム105のROM/RAMメモリ、CD−ROM、USBキー、中央サーバーのメモリとすることが可能である。処理システム105は、フレキシブル・ディスクやCD−ROMなどの指令媒体(図示せず)の(本明細書の以下で記載することにする)処理法の命令を読み取るために、例えばディスク読取り装置やCD−ROM読取り装置などの読取りデバイス(図示せず)を備えることが可能である。別法として処理システム105は、マイクロソフトウェア(図示せず)内に保存された(本明細書の以下で記載することにする)処理法の命令を実行する。
図1(1)−図2(2)を参照しながらここで発明者らは、長さがdrealの実質的に一様な円筒状の回転形状でありその軸(11)の円形断面の半径がrであるような基本オブジェクトS(10)の向きを評価するための処理法について記載することにする。発明者らが意図するところを例証するために、この基本オブジェクトをここではガイドワイヤの一部分としている。以下のものは、カテーテルに対して並びに上述のタイプの一連の基本オブジェクトS(10)でモデル化することが可能な別の任意の介入用器具に対しても利用可能であることを理解されたい。一般に以下のものは、その吸収が向きの関数であるような任意のオブジェクトに対して利用可能である。
本処理法は、X線源30とこのX線源の反対側に配置させた記録手段20とを備える放射線撮像デバイス100で使用するように意図したものである。この記録手段は、該X線源と該記録手段の間の配置させたオブジェクトの2次元画像投影の取得が可能となるように配列させている。ここでは記録手段20は実質的に平面状であり、かつディジタル検出器を成している。
2次元画像投影上においてガイドワイヤの軸や中心線を決定するための処理法は当業者に知られている。この軸や中心線上に配置させたガイドワイヤの各投影点ごとに、放射線吸収が算出可能である。放射線吸収は検討している点におけるガイドワイヤのX線吸収を表すことを理解されたい。この放射線吸収は、ガイドワイヤの当該点(P)におけるX線光子の量の値と図1(2)に示すようなガイドワイヤの当該点の近傍のバックグラウンド(AP)上でのX線光子量の値との間で比を取ることによって評価することが可能である。
半径rの基本オブジェクトS(10)は線形放射線吸収係数μを有する。このことは、N個のX線光子(1)が回転シリンダなどを形成する厚さlの材料を通過する場合、
Figure 0005702971
個だけのX線光子(2)が出現することを意味する。回転シリンダの吸収はしたがって
Figure 0005702971
となる。
しかし基本オブジェクトSでは、入射X線(1)が貫通する材料の厚さlは、基本オブジェクトSの軸(11)と入射X線(1)の間の角度θだけに依存する。この関係は式sin(θ)=2・r/lで与えられる。
基本オブジェクトの吸収Aはしたがって角度θのみに依存し、また逆に次式が与えられる。
Figure 0005702971
角度θの値の決定に必要となるのは、基本オブジェクトSの断面半径rの値並びに該基本オブジェクトSの線形放射線吸収係数μの値(この値は、該基本オブジェクトを形成する材料並びに記録手段20に対して線源30が放出するX線のタイプに依存する)を正確に知ることだけである。これらのパラメータは、データから並びに本処理法が実行されるガイドワイヤ及び放射線撮像デバイスから収集中に容易に決定される。この式において、ある点での「向き−吸収係数」の等価性が分かっていれば、これを積μrを評価するため(すなわち、吸収定数K=2μr)、並びに同じオブジェクトに関する任意の向きの関係をこれから導出するために使用可能であることに留意すべきである。これによって、オブジェクトの向きが少なくとも1つの点で既知となるようなある特定の条件で収集した単純画像からの方法を較正する支援となる。
しかし、上に示した式は角度θの正弦値だけしか与えないため、角度θ自体の値はθまたはπ−θに等しくなる可能性がある。このあいまい性のために、モデル化しようとする基本オブジェクトS(10)が記録手段(20)に向って「来ている」のか(図2(1)参照)、記録手段(20)から「離れてゆく」のか(図2(2)参照)が指示されない。したがってこの方法は限界に至る。
角度θの値また特にsin(θ)の値を決定し終えた後、上に記載した処理法に従って基本オブジェクトS(10)の長さdrealを該基本オブジェクトSの投影画像上で計測した寸法dobsから決定することが可能である。実際には次式となる。
real=dobs/sin(θ)
図3及び4を参照しながらここで発明者らは、ガイドワイヤやカテーテルなど曲線構造を示すオブジェクトに関する3次元再構成処理法を記載することにする。θに関するあいまい性を低下させるための解決法の1つについて記載することにする。
投影画像内でガイドワイヤの投影の中心線(22)をマーキングし該投影の形態を知ることによって、この形態が一連の実質的に直線的な基本スライスに切り分けられる。これらの基本スライスのそれぞれは、3次元再構成しようとするガイドワイヤの基本オブジェクトS(10)の中心軸(11)に関する記録手段(20)上における投影に対応する。実際上はここで、基本スライスのそれぞれの大きさを投影画像のうちガイドワイヤ投影の中心線(22)に属する画素の大きさに対応させることができる。もちろん、別の任意のスライスへの切り分けが可能であり、またこれを利用することが可能である。
説明を簡略とするために、各X線(1)が互いに平行でありかつ投影画像を包含する面(X,Y)に対して直交するようないわゆる平行投影の間に投影画像が取得されるものと仮定する。そうするとX線(1)は軸Zに一致している。
平行投影では、XとYの座標は不変であり、発明者らの仮説に従えば軸Zに従って平行移動させても同じ画像が生成されることになる。したがって、軸Zに従った(すなわち、投影線に沿った)当該点の位置を知ることは不可能である。同様に円錐投影でも、投影線に沿った点の位置を知ることは不可能である。
(x,y)を投影画像上におけるガイドワイヤが投影された画素としかつP(X,Y,Z)を投影画像上の画素pの位置に投影されるガイドワイヤの3次元再構成の点としてみる。本再構成処理法はガイドワイヤの投影に関する開始画素の役割をする点pで開始される。ここで、p(x=0,y=0)を面(X,Y)の原点とする。X=x=0、Y=y=0及びZ=0を、ガイドワイヤの3次元再構成の端部の点Pの座標とする。
本処理法はガイドワイヤの投影(22)の後続の画素に進む。本ケースではこの後続画素は画素pであり、本処理法により決定しようとする点Pの投影に対応する。本処理法は次いで、投影画像上におけるその投影にあたるスライス[p,p]から基本オブジェクトS=[P,P]の吸収係数を評価する。この画像及び投影モデルに従えば点Pは、軸Zと平行であると共に画像の画素pを通過する空間の1つの直線上にある。このため、X=xでありかつY=yとなる。本処理法は次いで、sin(θ)の値並びに基本オブジェクトSの長さの値dreal1の両方を決定する、この際に再構成したオブジェクトの長さを後で算出するのに必要であることが分かれば上に記載した処理法を使用する。発明者らの経験では、Pの位置決めに関しては2つの可能性がある、すなわち角度θがその値としてθとπ−θのいずれかを有する。上に記載した角度θの正弦を算出する方法からではこのあいまい性を排除することは不可能である。本処理法はしたがって、θに関して選択した値に従って最初からガイドワイヤに関する可能な2つの再構成を有することになる。
本処理法は、ガイドワイヤの投影(22)に関する後続の画素p上への投影となる点Pを同じ方式で算出する。本処理法は基本オブジェクトS=[P,P]の吸収係数、sin(θ)の値、また任意選択でdreal2を決定する。ここにおいて本処理法により、θの値に関するあいまい性が排除されることになる。このために本処理法は、ガイドワイヤやカテーテルなどの介入用器具が滑らかまたは正則(regular)である(すなわち、これらが急に方向を変えることができない)ものとすることにする。数学的には、2つの基本オブジェクトSi−1とSの間の角度は最小限にしなければならない。このため本処理法はθの値をθに可能な限り近くなるように選択している。角度θが分かると本処理法は、Pの座標を決定する。
本処理法は次いで、ガイドワイヤの3次元再構成のうち投影画像上に投影(22)の画素pを投影している各点Pの決定を反復する、すなわち本処理法は基本オブジェクトS=[Pi−1,P]の吸収係数、sin(θ)の値及び任意選択でdrealiを決定する。θの値の選択では、θとθi−1が可能な限り近くなるようにしている。ここから本処理法は点Pの座標を決定する。
直前の基本オブジェクトSi−1が投影画像と(したがって、記録手段と)平行であると、θの算出に関してあいまい性が存在する可能性がある。このケースでは、前述の方法によってπ−θとθの間で選択することは不可能である。これらの特定のあいまい性のそれぞれごとに、3次元再構成に関する2つの可能性が存在することになる。これらのあいまい性は実際には数が僅かであり単一のビューから可能な3次元再構成の数は有限であり限られている。nparaをオブジェクトが収集手段と平行となる点の数とすると、可能な3次元再構成は
Figure 0005702971
個存在することになる。このため本再構成処理法によればユーザは3次元再構成の数を低減することができる。ユーザはその状況に関する経験及び知識に従って正しい再構成を選択する。例えば、再構成の目的が血管を示す3次元ボリューム内でガイドワイヤを位置特定することであれば、血管の形態に基づいて幾つかの再構成を排除することが可能である。
さらに、ガイドワイヤの全長を決定すること、またしたがって外科的介入中に患者内に導入されたガイドワイヤの実際の長さを知ることが可能である。このことは、drealiを算出するだけで3次元再構成を実行することなく実施することが可能である。このために本処理法はガイドワイヤに沿って式dreal=dobs/sin(θ)を積分する(次式において、sは投影画像内のガイドワイヤに沿った曲線横座標を意味している)。
Figure 0005702971
実際には本処理法は算出した値drealiをすべて足し合わせることが可能である。すなわち、
Figure 0005702971
である。
この情報によれば、不変量が存在することによってより介入用器具に近くなる。
もちろん、本発明の趣旨を逸脱することなく本発明に対して多くの修正を実施することが可能である。
1 X線光子の入射
2 X線光子の出現
10 基本オブジェクトS
11 軸
l 厚さ
r 半径
基本オブジェクト
22 中心線
AP バックグラウンド

20 検出器(記録手段)
30 X線源
real 基本オブジェクトSの長さ
θ 基本オブジェクトの長手方向軸と投影画像の面の間の角度
100 放射線撮像または医用イメージャデバイス
102 オブジェクト
103 画像収集システム
104 表示システム
105 画像処理システム
106 記憶手段

Claims (10)

  1. X線源(30)と該源の反対側に配置させると共に該源とこれの間に配置させた実質的に円筒状の回転形状を有する基本オブジェクト(10)の投影画像を記録するように配列させた記録手段(20)とを備えた放射線撮像デバイスであって、
    該放射線撮像デバイスにおいて該基本オブジェクト(10)の空間内の向きを評価するための処理法であって、
    a)基本オブジェクトが投影されたそれぞれの画素に対応する吸収X線量Aを投影画像上において決定するステップと、
    b)基本オブジェクトの長手方向軸と投影画像の面の間の角度θの正弦を吸収X線量Aの関数として評価するステップと、
    を含む処理法を実行する手段を備えることを特徴とする放射線撮像デバイス
  2. rを基本オブジェクトの断面の半径としかつμを基本オブジェクトの線形放射線吸収係数としてステップbにおいて、sin(θ)=−2μr/ln(A)とすることを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像デバイス
  3. Kを基本オブジェクトに依存する吸収定数としてステップbにおいてsin(θ)=K/ln(A)とすることを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像デバイス
  4. X線源(30)と該源の反対側に配置させると共に該源とこれの間に配置させた実質的に円筒状の形状を有する基本オブジェクト(10)の投影画像を記録するように配列された記録手段(20)とを備えた放射線撮像デバイスであって、
    該放射線撮像デバイスにおける該基本オブジェクト(10)の空間寸法drealの評価処理法であって、
    a)請求項1〜3のいずれか1項の放射線撮像デバイスの前記実行する手段が実行する処理法によって基本オブジェクトの空間内の向きを評価するステップと、
    b)投影寸法dobsを投影画像上において決定するステップと、
    c)評価し終えた向き及び決定し終えた投影寸法dobsから寸法drealを決定するステップと、
    を含む評価処理法を実行する手段を備えることを特徴とする放射線撮像デバイス
  5. ステップcにおいて前記寸法drealがdreal=dobs/sin(θ)によって評価されていることを特徴とする請求項4に記載の放射線撮像デバイス
  6. X線源(30)と該源の反対側に配置させると共に該源とこれの間に配置させた実質的に円筒状の回転形状を有する一連の基本オブジェクト(10)から形成されたオブジェクトの投影画像を記録するように配列された記録手段(20)とを備える放射線撮像デバイスであって、
    該放射線撮像デバイスにおいて該オブジェクトを3次元再構成するための処理法であって、該3次元再構成処理法は該オブジェクトの各基本オブジェクトSi=[Pi−1,Pi]ごとに、
    a)請求項1〜3のいずれか1項の放射線撮像デバイスの前記実行する手段が実行する処理法により基本オブジェクトSiの空間内の向きを決定するステップと、
    b)基本オブジェクトSiの両端(Pi−1,Pi)のうちのPiに関する空間的相対座標を基本オブジェクトSiの両端(Pi−1,Pi)のもう一方のPi−1を基準にして決定するステップと、
    を含む3次元再構成処理法を実行する手段を備えることを特徴とする放射線撮像デバイス
  7. ステップaとステップbの間において、
    a1)請求項4〜5のいずれか1項の放射線撮像デバイスの前記実行する手段が実行する処理法により基本オブジェクトSiの長さを決定するステップを含むことを特徴とする請求項6に記載の放射線撮像デバイス
  8. ステップaの間において、角度θiの値が値θi及びπ−θiからθiがθi−1に可能な限り近くなるようにして選択されることを特徴とする請求項6または請求項7のいずれかに記載の放射線撮像デバイス
  9. 前記オブジェクトの基本オブジェクトSi=[Pi−1,Pi]をすべて処理し終えた後、再構成したオブジェクトの全長を決定することを特徴とする請求項7または請求項8のいずれかに記載の放射線撮像デバイス
  10. 前記再構成したオブジェクトの全長はステップbで決定した基本オブジェクトSiの長さの総和であることを特徴とする請求項9に記載の放射線撮像デバイス
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