專利名稱：用于計算機斷層攝影中低劑量介入引導(dǎo)的數(shù)據(jù)采集和可視化模式的制作方法
用于計算機斷層攝影中低劑量介入引導(dǎo)的數(shù)據(jù)采集和可視
化模式本公開涉及醫(yī)學(xué)成像，并且更具體而言，涉及用于降低輻射劑量以改善掃描圖像中特征的數(shù)據(jù)采集和可視化的系統(tǒng)和方法?？梢圆捎糜嬎銠C斷層攝影(CT)引導(dǎo)的介入來執(zhí)行使用不同機械或機電裝置的流程，例如活檢、導(dǎo)管插入術(shù)或其他介入。CT引導(dǎo)的介入提供了幾乎實時地連續(xù)更新用作解剖路線圖的體信息的機會。然而，與這種類型的掃描模式相關(guān)的輻射劑量常常很高，可能不被推薦。這樣的流程可能提供過高的輻射劑量，認為不適于介入輻射、心臟病學(xué)或腫瘤學(xué)中更大的應(yīng)用范圍。因此，提供一種具有CT掃描的優(yōu)點但輻射劑量低的介入引導(dǎo)成像技術(shù)將是有利的。根據(jù)本原理，用于監(jiān)測受引導(dǎo)的介入裝置的系統(tǒng)和方法包括使用輻射源對介入裝置成像以確定介入裝置在受檢者內(nèi)部的位置。執(zhí)行圓形采集以更新介入裝置的位置，其中， 所述采集包括通過在給定角位置處關(guān)閉輻射源來跳過視角。生成所述介入裝置的模型，以提供所述介入裝置相對于所述受檢者的背景的虛擬圖像。只要測量新角度/投影的時候就可以對裝置進行建模。然后，獲得了 3D模型，可以將其疊加在體積上。另一種利用CT監(jiān)測受引導(dǎo)的介入裝置的方法包括通過CT掃描構(gòu)造患者的圖像體積；執(zhí)行圓形采集以更新介入裝置的位置，其中，所述采集包括通過在給定角位置處完全關(guān)閉輻射源的X射線管來跳過視角；以及生成介入裝置的模型，以提供介入裝置相對于圖像體積的背景的虛擬圖像。在至少一個跳過的視角期間對介入裝置進行建模，以提供對介入裝置的跟蹤。一種用于監(jiān)測介入裝置的系統(tǒng)包括圖像掃描器，其被配置成利用輻射源對受檢者的圖像體積成像并確定介入裝置在受檢者內(nèi)部的位置。圖像掃描器被配置成執(zhí)行圓形采集以更新介入裝置的位置，其中，所述采集通過在給定角位置處關(guān)閉輻射源而在周期性視角處獲得圖像。存儲裝置被配置成存儲介入裝置的模型，以提供介入裝置相對于受檢者圖像體積的背景的虛擬圖像。該模型被配置成提供周期性視角期間介入裝置的運動，以提供對介入裝置的跟蹤。顯示器被配置成接收介入裝置的建模的運動并相對于圖像體積的最近投影圖像顯示建模的介入裝置。根據(jù)下文對其例示性實施例的詳細描述，本公開的這些和其他目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見，要結(jié)合附圖閱讀詳細描述。本公開將參考以下附圖詳細闡述對優(yōu)選實施例的以下描述，在附圖中

圖1是示出了根據(jù)本原理用于以低輻射劑量引導(dǎo)的介入的數(shù)據(jù)采集和可視化的系統(tǒng)的圖示；以及圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例用于使用針對消融流程的導(dǎo)管的引導(dǎo)介入的數(shù)據(jù)采集和可視化系統(tǒng)/方法的框/流程圖。本公開描述了使用用于心房纖顫(AFIB)流程或其他流程的CT引導(dǎo)來實時更新關(guān)于最新解剖路線圖的裝置信息。將描述AFIB流程作為非限制性例示范例。然而，可以在任何引導(dǎo)介入流程或希望較低輻射劑量的任何流程中采用本系統(tǒng)和方法。應(yīng)當(dāng)理解，將結(jié)合CT掃描描述本原理；然而，本發(fā)明的教導(dǎo)寬泛得多并且適用于任何掃描技術(shù)。此外，描述和示出了用于掃描圖像的行星式(planetary)裝置；然而，可以在C型臂裝置或任何其他類型的連續(xù)運動源-探測器軌跡裝置(例如，鞍形軌跡、多個圓弧等)上實施本實施例。附圖中所示的元件可以以硬件或具有軟件單元的軟件的各種組合來實施，并且其提供可以在單個元件或多個元件中組合的功能?，F(xiàn)在參考附圖，其中，類似數(shù)字表示相同或類似元件，從圖1開始，例示性地示出了根據(jù)本原理的具有介入引導(dǎo)的掃描系統(tǒng)100。掃描系統(tǒng)100包括CT掃描裝置；然而，還可以采用其他成像技術(shù)。系統(tǒng)100包括機架102，其支撐X射線源(例如，X射線管)104和X 射線探測器106。χ射線源提供輻射錐108，用于對受檢者或患者110曝光。受引導(dǎo)的介入裝置118可以包括針、探頭、套管針、導(dǎo)管或任何其他醫(yī)學(xué)裝置，或?qū)嵤┲T如在身體內(nèi)部移動的介入裝置，介入裝置可以是被動或主動驅(qū)動的，是或不是機械連接到身體外部的?？梢愿鶕?jù)來自CT掃描圖像的反饋來引導(dǎo)裝置118?？梢允褂靡龑?dǎo)控制器112來引導(dǎo)裝置118。 引導(dǎo)控制器112可以包括手動控制或者可以使用軟件程序自動控制?？刂破?12可以使用來自多個源的反饋，所述源例如是計算機系統(tǒng)130提供的或存儲在控制器112中的設(shè)置?？梢宰詣踊蚴謩拥貓?zhí)行引導(dǎo)。機架102使用電機114旋轉(zhuǎn)。χ射線探測器106也旋轉(zhuǎn)，并被設(shè)置在機架102上與源104相對的一側(cè)上。通過這種方式，χ射線透射通過受檢者110并由探測器106探測。 采用χ射線以生成CT掃描圖像，CT掃描圖像可以存儲在存儲器132中、顯示于顯示器146 上、存儲在諸如存儲介質(zhì)裝置或膠片的便攜式介質(zhì)上、或圖像再現(xiàn)和存儲的任意組合。在特別有用的實施例中，收集的圖像被存儲在存儲器132中。通過旋轉(zhuǎn)機架102 來將受檢者110暴露于不同角度的輻射來獲得圖像或切片?？梢詫⒚總€桌臺位置處的圖像進行組合以提供被稱為體積圖像144的三維解剖圖。在優(yōu)選實施例中，采用錐形射束CT并在給定桌臺位置處直接重建體積。在體積圖像144中收集截面圖像以精確描繪患者的解剖結(jié)構(gòu)?？梢詫⒆琅_116平移到機架102中。在成像期間，桌臺116保持靜止。為了生成體積圖像，采用簡單的圓形掃描來覆蓋介入體積。根據(jù)本原理，在微創(chuàng)介入期間提供解剖路線圖，用于實時更新裝置118的手術(shù)裝置信息。通過減少收集圖像的視角數(shù)量在CT引導(dǎo)的介入中實現(xiàn)了劑量的顯著降低。這還包括完全關(guān)閉或重新調(diào)節(jié)(例如，可以采用劑量調(diào)制，但有利地，本原理允許完全關(guān)閉X射線)源104的χ射線管。在一個例示性實施例中，在180。的掃描中進行五次或更多次投影。考慮到介入裝置118的幾何位置和受檢者110(呼吸，心臟運動等)可能存在一些不一致，這給出了充分的結(jié)果。根據(jù)施加到管上的kV和mA，用于源104的管切換的電流為大約為Ι-aiisec (毫秒)(例如，關(guān)閉300-500微秒，增長300微秒，在更低電流下這可以更慢) (更低或更高的開關(guān)時間也是可能的)。假設(shè)視圖集成時間為100微秒，并且每個樣本測量 10幅視圖，加上5-10mSec的開關(guān)時間，則實現(xiàn)了每半圈大致25到50msec的總照射，而不是CT掃描器上針對全部視角的完整半掃描所需的大約150msec的照射。另外，應(yīng)當(dāng)指出， 在關(guān)閉管的過程中(例如5-lOmsec)，在這一時段中的劑量遠低于標(biāo)準視圖照射。于是根據(jù)本例示性實施例實現(xiàn)了大約10倍的劑量減小。這樣能夠在執(zhí)行手術(shù)流程時用更長的時間和/或使患者曝光更少。根據(jù)本原理，使用先前拍攝的圖像對介入裝置118進行建模。可以使用投影濾波和分割以及外極(印i-polar)幾何結(jié)構(gòu)實施裝置118的建模。投影濾波和分割用于從投影圖像探測和提取2D裝置模型。外極幾何結(jié)構(gòu)是指立體視覺的幾何結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩個(或更多) 優(yōu)勢點從兩個(或更多)不同位置觀看三維(3D)場景或?qū)ο髸r，在3D點及其2D圖像上的投影之間存在若干幾何關(guān)系，導(dǎo)致圖像點之間的約束關(guān)系。這些關(guān)系是基于如下假設(shè)導(dǎo)出的即可以由單個點優(yōu)勢(例如針孔攝像機模型)近似優(yōu)勢點。外極幾何結(jié)構(gòu)用于將基于 2D投影的介入裝置分割變換到3D空間中?？赡苌婕暗匠^兩個投影。在小運動狀態(tài)中，用于3D建模過程的相繼投影間存在不一致，兩個投影中可見的導(dǎo)管上的相同點在3D模型中可能不完全匹配。為了克服這一問題，可以應(yīng)用最短距離標(biāo)準以生成與最新測量結(jié)果一致性最好的3D模型。另外，可以將可用的預(yù)介入式裝置模型集成到3D建模過程中。這可以包括幾何模型，包括材料性質(zhì)，例如裝置的χ射線吸收系數(shù)，以及機械性質(zhì)，包括介入期間可能的變形。通過這種方式，可以在圖像中采用建模的裝置118以利用裝置的漸進運動更新圖像而無需收集輻射圖像。這顯著減小了施加到患者108和周圍區(qū)域的輻射劑量，減少了 χ 射線源的管激活時間，并實現(xiàn)了實時或近實時的介入裝置信息。利用CT掃描器100執(zhí)行部分(例如，一半)掃描或完整掃描，CT掃描器100生成錐形射束108。利用重建軟件138從探測到的X射線重建對應(yīng)的圖像體積144，重建軟件 138組合圖像以創(chuàng)建三維圖像體積。當(dāng)手術(shù)裝置118位于圖像中(半掃描或全掃描的結(jié)果) 時，利用CT系統(tǒng)100進行圓形采集(轉(zhuǎn)動機架102上的源104)，但僅每隔幾個視角，例如每100個視角就測量投影，根據(jù)流程和技術(shù)人員的舒適水平，這一間隔可大可小，將在這些視角下獲得充分的信息。還可以每隔幾度指定視角，例如，20°或50°的間隔。在這些投影內(nèi)，使用尺度(scale)空間線濾波器和閾值化方法，利用全自動成像軟件136探測裝置118。 還可以采用其他成像技術(shù)，諸如濾波、對比等，以改善裝置的探測?？赡苄枰獜挠糜谏山馄事肪€圖的投影擦除介入裝置118的額外圖像。由于有這些原因，如果在采集的這一部分期間裝置118已經(jīng)在身體中，裝置圖像將在解剖路線圖中導(dǎo)致運動/金屬/或其他偽影。利用裝置118的已知系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)142和患者110的圖像體積144，可以利用投影之間采集時間的較短差異生成裝置118的3D模型140?？梢岳么鎯ζ?32中存儲的采集的外極幾何結(jié)構(gòu)生成裝置118的模型140。從已經(jīng)采集的最近的幾個投影(例如，至少最近的兩個投影)生成模型140。幾乎實時地在顯示器146上顯示3D裝置模型140，其中在最新的解剖路線圖上延遲很低。由于介入裝置118遵循已知的推進速率(由計算機、甚至人工控制)，并且患者110的解剖幾何結(jié)構(gòu)是已知的，所以可以生成裝置118的精確模型140。在特別有用的實施例中，實際利用創(chuàng)建的模型140更新介入裝置118的圖像，以跟隨裝置118的運動。在患者110圖像體積144的一幅或多幅最新圖像上提供或甚至疊加運動并在顯示器146上顯示。優(yōu)選提供虛擬更新以填充在圓形采集期間取消的跳過視角投影。未必一定要針對每個缺失的視角執(zhí)行虛擬裝置圖像的更新速率，因為流程的精確度或其他因素能夠支配這一速率。計算機系統(tǒng)130包括一個或多個處理器134，其與存儲器132協(xié)同工作以根據(jù)本原理執(zhí)行多種操作和任務(wù)。可以采用計算機系統(tǒng)130控制機架102、源104、探測器106、桌臺 116、控制器112和任何其他系統(tǒng)或裝置。此外，系統(tǒng)130被配置成再現(xiàn)和處理圖像數(shù)據(jù)。例如，如果在采集投影以生成解剖路線圖期間介入裝置118已經(jīng)在視場中，就需要在重建圖像之前探測裝置118并將其從投影擦除。當(dāng)在介入期間更新解剖路線圖時，尤其是這種情況。另外，在一些應(yīng)用中可能需要在未采集的視圖中的介入裝置118的運動。使用多個視角，能夠生成三維模型并以所述類似方式將其投影到體積圖像144上。計算機系統(tǒng)130還可以執(zhí)行其他圖像處理。應(yīng)當(dāng)理解， 計算機系統(tǒng)130可以包括一個或多個分布式計算機，其可以位于一起或通過網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng)連接。參考圖2，現(xiàn)在例示性地描述用于AFIB流程中受引導(dǎo)的介入的方法。為了生成左心房(在其中進行消融流程)的路線圖，在框302中利用錐形射束CT掃描器執(zhí)行部分(例如，一半)掃描或完整掃描，并構(gòu)造或重建對應(yīng)的圖像體積。在框304中，當(dāng)導(dǎo)管或其他介入裝置位于右心房(或其他身體部分)內(nèi)部時，利用CT系統(tǒng)執(zhí)行圓形采集，但僅僅每例如 100個視角(也可以每20°或其他角度)測量一次投影。在框306中，在這些投影內(nèi)，使用尺度空間線濾波器和閾值化方法(例如，其使用像素強度和/或?qū)Ρ榷葋碚业胶投ㄎ粓D像中的特征)，利用全自動軟件探測導(dǎo)管。在框308中，利用導(dǎo)管和患者解剖結(jié)構(gòu)的已知系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)，利用了采集時間中較短的差異。利用采集的外極幾何結(jié)構(gòu)生成導(dǎo)管的3D模型。從已經(jīng)采集的(至少)最近的兩個投影生成模型。由于幾何可能性，導(dǎo)管的模型可能比針的模型更復(fù)雜。在這里，導(dǎo)管在心房內(nèi)部，因此其具有運動的自由度，然而，可以通過從導(dǎo)管知道的解剖約束或機械約束支持建模。需要在每個視角更新模型。例如，可以在采集每20° —個的視圖時更新模型，并且模型具有270msec的旋轉(zhuǎn)時間。這會提供每圈18次更新以及每秒大約60次，這超過了標(biāo)稱視頻速率。因此，更少的更新是所希望的。在框310中，基本實時(例如，如果需要的話，以快于標(biāo)稱視頻的速率)地顯示3D 導(dǎo)管模型，最新解剖路線圖上的延遲很低(延遲主要可歸因于介入裝置圖像的處理時間)。 這里描述的方法將實現(xiàn)介入式CT中劑量的顯著降低。也可以將同樣的情形變換到其他CT 引導(dǎo)的介入(除AFIB之外)。在框312中，可能需要調(diào)節(jié)或去除模型。例如，如果在采集投影以生成解剖路線圖期間介入裝置已經(jīng)在視場中，就需要在重建圖像之前探測裝置118并將其從投影擦除當(dāng)在介入期間更新解剖路線圖時，尤其是這種情況。在解釋權(quán)利要求時，應(yīng)當(dāng)理解a) “包括”一詞不排除在給定權(quán)利要求中列出的那些之外的其他元件或動作；b)元件前的“一”或“一個”一詞不排除存在多個這樣的元件；c)權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記均不對權(quán)利要求的范圍構(gòu)成限制；d)可以由相同項或硬件或軟件實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)或功能表示若干“模塊”；并且e)除非明確指出，并不期望要求具體的動作序列。已經(jīng)描述了系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實施例(其意在是例示性的而非限制性的)，要指出的是，可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)以上教導(dǎo)做出修改和變化。因此要理解，可以在公開的特定實施例中做出改變，這處在如所附權(quán)利要求界定的這里所公開實施例的范圍和精神之內(nèi)。這樣描述了專利法要求的細節(jié)和特質(zhì)，在權(quán)利要求中闡述了專利證書主張和希望保護的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)測受引導(dǎo)的介入裝置的方法，包括利用介入裝置對受檢者執(zhí)行(304)圓形圖像采集，包括通過在給定角位置處完全關(guān)閉輻射源來跳過視角；生成(308)所述介入裝置的模型，以提供所述介入裝置相對于所述受檢者的背景圖像的虛擬圖像；以及在至少一個跳過的視角期間對所述介入裝置進行建模(310)，以提供對所述介入裝置的基本實時的跟蹤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述輻射源包括利用χ射線管生成的χ射線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，執(zhí)行(304)圓形采集包括利用計算機斷層攝影掃描器掃描所述受檢者。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，跳過視角包括周期性地獲得投影。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，生成(308)模型包括采用所述介入裝置的幾何結(jié)構(gòu)和至少兩個最近的投影圖像來對所述介入裝置進行建模。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，生成(308)模型包括對所述介入裝置的運動進行建模。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將2D投影介入裝置分割變換到3D空間中以創(chuàng)建所述模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括應(yīng)用最短距離標(biāo)準以生成與最新測量結(jié)果一致性最好的3D空間中的模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，生成(308)模型包括采用外極幾何結(jié)構(gòu)。
10.一種使用計算機斷層攝影(CT)監(jiān)測受引導(dǎo)的介入裝置的方法，包括通過CT掃描構(gòu)造(302)患者的圖像體積；執(zhí)行(304)圓形采集以更新所述介入裝置的位置，其中，所述采集包括通過在給定角位置處完全關(guān)閉輻射源的χ射線管來跳過視角；生成(308)所述介入裝置的模型，以提供所述介入裝置相對于所述圖像體積的背景的虛擬圖像；以及在至少一個跳過的視角期間對所述介入裝置進行建模(310)，以提供對所述介入裝置的跟蹤。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，跳過視角包括周期性地獲得投影。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，生成(308)模型包括采用所述介入裝置的幾何結(jié)構(gòu)和至少兩個最近的投影圖像來對所述介入裝置進行建模。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，生成(308)模型包括對所述介入裝置的運動進行建模。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，生成(308)模型包括采用外極幾何結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，基本實時地提供跟蹤。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括使用輻射源對介入裝置成像以確定(306)所述介入裝置在所述患者內(nèi)部的位置。
17.一種用于監(jiān)測介入裝置的系統(tǒng)，包括圖像掃描器(106)，其被配置成利用輻射源(104)對受檢者的圖像體積(144)成像并確定介入裝置(118)在所述受檢者內(nèi)部的位置，所述圖像掃描器被配置成執(zhí)行圓形采集，以更新所述介入裝置的位置，其中，所述采集通過在給定角位置處關(guān)閉所述輻射源而在周期性視角處獲得圖像；存儲裝置(132)，其被配置成存儲所述介入裝置的模型(140)，以提供所述介入裝置相對于所述受檢者圖像體積的背景的虛擬圖像，所述模型被配置成提供在所述周期性視角期間所述介入裝置的運動以提供對所述介入裝置的跟蹤；以及顯示器(146)，其被配置成接收所述介入裝置的建模的運動并相對于所述圖像體積的最近投影圖像顯示建模的介入裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述輻射源(104)包括χ射線管，并且所述圖像掃描器包括計算機斷層攝影掃描器。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述模型(140)包括所述介入裝置的幾何結(jié)構(gòu)和至少兩個最近的投影圖像來對所述介入裝置進行建模。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述介入裝置(118)的圖像疊加在所述圖像體積(144)的背景圖像上。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，使用外極幾何結(jié)構(gòu)生成所述模型(140)。
全文摘要
一種用于監(jiān)測受引導(dǎo)的介入裝置的系統(tǒng)和方法包括利用輻射源對介入裝置成像以確定(306)介入裝置在受檢者內(nèi)部的位置。執(zhí)行(304)圓形采集以更新介入裝置的位置，其中，所述采集包括通過在給定角位置處關(guān)閉輻射源來跳過視角。生成(308)所述介入裝置的模型，以提供所述介入裝置相對于所述受檢者的背景的虛擬圖像。在跳過的視角期間對所述介入裝置進行建模(310)，以提供對所述介入裝置的基本實時的跟蹤。
文檔編號A61B6/03GK102427767SQ201080021626
公開日2012年4月25日 申請日期2010年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者E·S·漢西斯, M·格拉斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司