JP2008532612A

JP2008532612A - 診療処理中の３次元ボリュームデータとの２次元情報の位置合わせのための画像処理システム及び方法

Info

Publication number: JP2008532612A
Application number: JP2008500332A
Authority: JP
Inventors: ヤンティンメル; ロベルトジェイエフホマン; ピーテルエムミーレカンプ
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2008-08-21
Also published as: CN101138010A; US7912262B2; CN101138010B; WO2006095324A1; EP1859407A1; US20080192996A1

Abstract

診療前に身体ボリュームについて３Ｄ回転スキャンが得られ（ブロック１０）再生される。身体ボリュームに関する３次元画像データは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）又は磁気共鳴（ＭＲ）などの別のモダリティを用いて得られ（ブロック１２）、再生され、視覚化のために作成される。実際の診療中、３Ｄ回転スキャンを得るために使われる画像形成システムを用い、生の２次元蛍光透視法画像が得られ（ブロック１４）、視覚化のために処理される。２Ｄ画像データは、関心の身体ボリュームについて捕捉され再生された３Ｄ回転画像データに位置合わせされ（ブロック１６）、その後３Ｄ−３Ｄ位置合わせ処理は、３Ｄ回転画像データに例えばＣＴ又はＭＲ画像形成システムを用いた同じ身体ボリュームについて得られる３Ｄ画像データを位置合わせするよう用いられ（ブロック１８）、表示モジュール２０は、２次元蛍光透視法画像及び３ＤのＭＲ／ＣＴ画像を融合又は複合の画像として位置合わせしその画像を表示するために用いられる。

Description

本発明は、広く、３次元ボリュームデータとの診療処理中に得られる生の２次元画像の位置合わせのための画像処理及び方法に関する。

図面の図１及び図２を参照すると、代表的なＸ線システムは、ロボットアーム３により患者テーブル２の近くで支持されるスイングアーム（Ｃアーク又はＧアーク）１を有する。スイングアーム１内に収容されて、Ｘ線管４とＸ線検出器５とが設けられ、Ｘ線検出器５は、患者７を通過したＸ線６を受け、その強度分布を表す電気信号を発生するよう配置構成されている。スイングアーム１を動かすことによって、Ｘ線管４及び検出器５を、患者７に対し所望の位置及び方向で位置決めすることができる。

色々なタイプの状態及び病気の治療において、特別な医療アプリケーションは、患者の脈管系におけるカテーテルの伝搬の蛍光透視法の観察により提供される。したがって、診療の間、カテーテル又はガイドワイヤは、Ｘ線の監視（蛍光透視法）の下で、関心の内側部分に脈管を通じて、出来る限り正確に進行させられることが必要とされる。この処置が行われている間、脈管構造は、カテーテルを通じて放射線不透過性の造影剤の短いバーストを導入し、例えば図面の図１及び図２を参照して説明したシステムを用いてＸ線画像を得ることによって、２次元の生の画像の形態で、短い時間の間第１のモニタで視認可能とされる。

患者の安全性のため、Ｘ線への露出を最小とするとともに身体中へ導入される造影剤の量を最小化することは非常に望ましく、したがって、診療の間、誘導を助けるために、関心領域について得られる事前診療の１つ以上のＸ線画像を第２のモニタに表示することが知られている。さらに望ましいのは、診療データをリアルタイムで追跡することができることになるので、医師が、当該診療の間に得られた２次元蛍光透視法画像データを３次元で視覚化することができるとともに、当該診療処置の間に患者に対する造影流体及びＸ線露光負荷を大幅に低減することである。

米国特許第６，６６６，５７９号は、図１及び図２を参照して説明されるものの如きＸ線システムを含む医療用画像形成システムを記述しており、そのスイングアームが捕捉パスを通じて動かされ、身体ボリュームの複数の２次元画像が当該捕捉パスに沿った種々の対応する位置において捕捉される。そして画像プロセッサは、捕捉した２次元画像に基づいて３次元ボリュームデータを構築し、当該身体ボリュームの３次元画像が表示される。位置追跡システムは、画像捕捉の間に患者とスイングアームとの相対位置を追跡するため、また、診療中に身体ボリュームを通じた外科手術器具の移動を追跡するために設けられる。診療中に得られる２次元画像は、医師に表示されている身体ボリュームの３次元画像に重ねることもできる。

したがって、このＸ線システムからは、蛍光透視法データが発生されるところのスイングアームの位置が分かり、これにより、３次元ボリュームデータのレンダリングを、基準と同じ当該スイングアームの位置を用いて再構築することができる。この２次元蛍光透視法データ及び３次元レンダリングは、その後に共に表示可能である。２次元蛍光透視法データとの３次元データの位置合わせは、（スイングアームの位置から）比較的に簡単である。何故なら、同じＸ線システムが、同じキャリブレートされた形態により、２次元及び３次元データの双方を発生するために用いられるからである。

しかしながら、ＣＴ（computerised tomography）又はＭＲ（magnetic resonance）のような異なるモダリティを用いて（診療の前に）３次元画像データを捕捉した場合には、それほど簡単ではない。診療の間に捕捉される蛍光透視法画像データによる事前診療で処理されたＣＴ及び／又はＭＲ画像データの「フュージョン」が利点を奏しうる沢山の療法がある。ＭＲ画像との蛍光透視情報の位置合わせによる改善に適した療法の例は、腫瘍のような軟性の組織対象への、当該軟性組織の骨性構造に対する確実な関係によるアクセスに絡むものを含み、蛍光透視法は、診療処理の間にその骨性構造（及び推論では軟性組織）の状態に関する正確な情報を与えることができる。ＣＴ画像との蛍光透視法情報の位置合わせにより改善可能な療法は、造影剤の付加によりＸ線によって視覚化可能であるもののその幾何学的寸法形状がＸ線撮影法により投影される画像では不明瞭となる構造へアクセスすることに絡むものを含んでいる。

したがって、本発明の目的は、第１の画像形成システムを用いて身体ボリュームについて捕捉された生の２次元画像データを、第２の画像形成システムを用いて捕捉された３次元ボリュームデータに関連付けて表示することを可能とする画像処理方法及びシステムを提供することである。

本発明によれば、身体ボリュームについて診療処置の間に捕捉される画像データを表示するシステムであって、第１の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの３次元画像データを受信する手段と、診療処置において前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームについて２次元画像データを受信する手段と、前記２次元画像データを前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データの対応領域にマッピングする手段と、前記第１の画像形成システムとは異なるモダリティの第２の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの３次元画像データを受信する手段と、前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データを前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データと位置合わせしこれにより前記２次元画像データを前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データの対応領域上へマッピングする手段と、前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの前記３次元画像データの当該対応領域内に前記２次元画像データを表示する手段と、を有するシステムが提供される。

また、本発明によれば、身体ボリュームについて診療処置の間に得られる画像データを表示する方法であって、第１の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの３次元画像データを受信すること、診療処置の間に前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームについて２次元画像データを受信すること、前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データの対応領域に前記２次元画像データをマッピングすること、前記第１の画像形成システムとは異なるモダリティの第２の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの３次元画像データを受信すること、前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記３次元データを前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データと位置合わせしこれにより前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データの対応領域に前記２次元画像データをマッピングすること、及び前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの前記３次元画像データの当該対応領域内に前記２次元画像データを表示することを含む方法が提供される。

前記第１及び／又は第２の画像形成システムを用いて得られる３次元画像データは、前記診療処置の前に得られるようにするのが好ましく、前記２次元画像データは、実況のものであり、前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの３次元画像データの前記対応領域内に略リアルタイムで表示されるものとするのが有益である。

前記第１の画像形成手段により得られる前記３次元画像データは、３Ｄ回転スキャンにより得られるようにするのが有益であり（好ましくは、身体ボリュームの中へ造影剤が投与される）、これは特に、このようなスキャン（例えば３ＤＲＡ）が診断及び治療評価の目的のために診療の前に規定通り得られるからである。前記２次元画像データは、例えば、Ｘ線蛍光透視法画像形成手段によって得られるものとしてもよい。

前記第２の画像形成手段により得られる前記３次元画像データは、コンピュータ断層撮影型又は磁気共鳴型の画像形成システムにより得られるものとしてもよい。

好ましくは、２次元画像データが存在する場合にのみ前記３次元画像データに生の２次元画像データを重ねるものとするのが良い。これは、混合手段を用いて達成可能であり、２次元画素密度が混合ファクタとして用いられる。

以下、本発明のこれらの態様及びその他の態様を、ここに説明される実施例に基づいて明らかにする。

本発明の実施例は、以下では、添付図面を参照して専ら例示により説明するものとする。

図面の図３を参照すると、当該診療前に、３Ｄ回転スキャンは、身体ボリュームについて（ブロック１０において）得られ再構築される。これに加えて、身体ボリュームに関する３次元画像データは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）又は磁気共鳴（ＭＲ）のような他のモダリティを用いて捕捉され（ブロック１２）、再構築され、視覚化のために作成される。実際の診療中においては、生の２次元蛍光透視法画像が、上述した３Ｄ回転スキャンを得るために使われるものと同じ画像形成システムを用いて捕捉され、視覚化のために処理される。

上述したように、２次元蛍光透視法画像データ及び３次元の例えばＣＴ又はＭＲの画像データの位置合わせを可能にすることが有利となる数多くの想定される用途がある。２Ｄ−３Ｄの位置合わせ技術は過去に提案されている。例えば、L. Zollei氏らの"2D-3D Registration of X-Ray Fluoroscopy and CT Images Using Mutual Information and Sparsely Sampled Histogram Estimators"，IEEE 2001は、２平面蛍光透視法画像を３ＤのＣＴボリュームに位置合わせするための方法であって、相互情報（量）の最大化によるアライメントの既知の技術を使ったものを記述している。相互情報に基づく位置合わせアルゴリズムは、推計学的な勾配上昇戦略を介して画像データの２つのタイプの間の適正な位置合わせを確立しようとするものが提案されている。この提案の方法は、最大化処理により得られる勾配推定値の誘導を高速化する貧弱なヒストグラム形成法による画像強度の確率密度の大きさを推定することを含む。他の提案は、３Ｄボリュームと２平面２Ｄ画像との座標フレーム間の変化の空間を調べることにより経験的に判断される多数の類似性の程度を検討し、当該位置合わせの「グランドトゥルース」（ground truth）の判定ができるようにしたものがある。

しかしながら、このような既知の２Ｄ−３Ｄ処理は、未だ比較的に複雑であり、本発明は、簡単化された２Ｄ−３Ｄ処理であって、２Ｄ蛍光透視法画像データが２Ｄ蛍光透視法画像データを捕捉するために用いたものと同じモダリティを用いて捕捉される３Ｄ画像データに先ず位置合わせされるようにしたものを提案する。したがって、２Ｄ画像データは、（ブロック１６において）米国特許第６，６６６，５７９号に記述されたもののような技術を用いて関心の身体ボリュームについて捕捉され再生される３Ｄ回転画像データに先ず位置合わせされる。

概して、到来する生の２Ｄ情報は、３Ｄ視界錐体内へ位置づけられ、３Ｄボリューム情報とともに慎重に並べられなければならない。２Ｄデータを３Ｄ空間に位置づけるため、２Ｄ捕捉の間に用いられるような幾何学的形状寸法情報は、３Ｄ視覚化のために用いることができる、照合バーチャルカメラセットアップ、視界錐体及び側面のラインを確立するために用いられる。

次に、３Ｄ−３Ｄ位置合わせ処理は、（ブロック１８において）例えばＣＴ又はＭＲ画像形成システムを用いた同じ身体ボリュームについて捕捉される３Ｄ画像データを３Ｄ回転画像データに位置合わせするために用いられる。これに適したものになりうる１つの技術は、２つの容積測定の画像に対する可能性の統計学的程度が計算される米国特許第６，７２８，４２４号に記述されている。この可能性は、位置合わせにおける２つの画像のボクセル値が恐らく関連しているという前提に基づいて計算される。この可能性は、当該可能性を最大化する変化が見られるまで反復の形で複数の相対変化につき計算される。当該可能性を最大化する変化は、最適な位置合わせを提供し、改定された変換のためのパラメータは、２Ｄ蛍光透視法画像及び３ＤのＭＲ／ＣＴ画像を融合又は複合の画像として位置合わせするときに表示モジュール２０のメモリに出力される。但し、適合ポイントのような他の適切な３Ｄ−３Ｄ位置合わせ技術も当業者には知られるものとなる。

本発明は、心臓血管のＸ線システムを含め数多くの用途に適したものと考えられる。

なお、上述した実施例は、本発明を限定するのではなく例証するものであり、当業者であれば、添付の請求項に規定されるような本発明の範囲から外れることなく沢山の代替実施例を構成することは可能である筈である。請求項において、括弧内に付される参照符号は、その請求項を限定するものと解釈してはならない。「有する」、「有し」などの文言は、いずれの請求項又は明細書全体において挙げたもの以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素の単一の引用は、そうした要素の複数の引用を排除するものではないし、逆に、複数の引用も単数の引用を排除するものではない。本発明は、複数の個別の要素を有するハードウェアによって、また、適切にプログラムされたコンピュータによって実現可能である。複数の手段を列挙する装置の請求項において、これら手段の幾つかは、同一のハードウェアにより具現化されるものとしてもよい。或る方策が相互に異なる従属請求項に記載されている点は、これら方策の組み合わせが活用できないことを示すものではない。

Ｘ線スイングアームの概略的側面図。Ｘ線スイングアームの透視図。本発明の模範的実施例による画像処理システムの主要な構成部を示す概略ブロック図。

Claims

身体ボリュームについて診療処置の間に捕捉される画像データを表示するシステムであって、第１の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの３次元画像データを受信する手段と、診療処置において前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームについて２次元画像データを受信する手段と、前記２次元画像データを前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データの対応領域にマッピングする手段と、前記第１の画像形成システムとは異なるモダリティの第２の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの３次元画像データを受信する手段と、前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データを前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データと位置合わせしこれにより前記２次元画像データを前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データの対応領域上へマッピングする手段と、前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの前記３次元画像データの当該対応領域内に前記２次元画像データを表示する手段と、を有するシステム。
請求項１に記載のシステムであって、前記第１及び／又は第２の画像形成システムを用いて得られる３次元画像データは、前記診療処置の前に得られる、システム。
請求項１に記載のシステムであって、前記２次元画像データは、実況のものであり、前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの３次元画像データの前記対応領域内に略リアルタイムで表示される、システム。
請求項１に記載のシステムであって、前記第１の画像形成手段により得られる前記３次元画像データは、３Ｄ回転スキャンにより得られる、システム。
請求項１に記載のシステムであって、前記２次元画像データは、Ｘ線蛍光透視法画像形成手段によって得られる、システム。
請求項１に記載のシステムであって、前記第２の画像形成手段により得られる前記３次元画像データは、コンピュータ断層撮影型又は磁気共鳴型の画像形成システムにより得られる、システム。
請求項１に記載のシステムであって、２次元画像データが存在する場合にのみ前記３次元画像データに生の２次元画像データを重ねる、システム。
請求項７に記載のシステムであって、２次元画素密度が混合ファクタとして用いられる混合手段を有するシステム。
身体ボリュームについて診療処置の間に得られる画像データを表示する方法であって、第１の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの３次元画像データを受信すること、診療処置の間に前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームについて２次元画像データを受信すること、前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データの対応領域に前記２次元画像データをマッピングすること、前記第１の画像形成システムとは異なるモダリティの第２の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの３次元画像データを受信すること、前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記３次元データを前記第１の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データと位置合わせしこれにより前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記３次元画像データの対応領域に前記２次元画像データをマッピングすること、及び前記第２の画像形成システムを用いて得られる前記身体ボリュームの前記３次元画像データの当該対応領域内に前記２次元画像データを表示することを含む方法。