CN101166481A - 利用图像获取装置的移动探测并增强噪声图像中静止结构的医疗观察系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于医疗观察系统的方法，用于处理医疗介入图像序列以便显示，所述介入操作包括在动脉中操作例如支架(25)的工具。在工具托架(10)上提供两个标记(21、22)，并且该方法包括提取这些标记(21、22)以产生标记位置信息，根据该信息可以推导工具的位置信息。然后图像序列中工具图像被相对于背景增强。可以通过模拟或者实现图像探测器和支架(25)的相对移动进一步将背景模糊，例如通过在图像序列获取过程中对支架(25)放大或者相对于其旋转探测器。

Description

利用图像获取装置的移动探测并增强噪声图像中静止结构的医疗观察系统和方法

技术领域

本发明涉及一种显示医疗介入图像序列的医疗观察系统，该介入过程包括在身体器官中对工具进行移动和/或定位。本发明还涉及在所述系统中使用的计算机可执行的图像处理方法，并且进一步涉及耦合到这个系统的医疗检查设备。本发明在例如心脏病学的医疗领域中具有应用，用于提取、对准和增强感兴趣的细小目标，例如支架。

背景技术

首要的是，冠状动脉支架在放置入冠状动脉狭窄病变处之后是完全扩张的。然而，支架在荧光成像或在曝光(摄影)操作中并非总是清晰可见。从而在X射线曝光操作中改善支架的可见性可以帮助心脏病介入学家判断介入的临床成功。

根据国际专利申请WO03/043516已知一种在医疗图像中对支架进行探测并且增强的系统和方法，其描述了一种方案，在医疗介入过程中获取并且处理图像序列，以便提取至少一个附着到支架且辐射透不过的标记并且提供标记位置信息，从而推导出支架位置信息。然后可以使用增强装置改善支架在图像中的可见性。在另一个已知系统中，例如国际专利申请WO2004/044847中描述的，提供对准装置来对准不同图像帧中的标记然后对这些图像帧中的支架进行增强，同时将对准后的图像中的背景模糊化。这种背景的模糊化基本上是因为支架相对于静止背景的心脏式移动。然而在静止支架、例如颈动脉支架的情况下，这种增强技术不是很有效并且无法在图像中产生足够模糊的背景，所述颈动脉支架是细薄的金属网管、插入颈动脉中并且扩张以增加被斑堵塞区域的血流。

因此本发明的一个目的是提供一种改进的医疗观察系统和方法，用于在噪声图像中对静止结构，例如支架进行探测和增强。

发明概述

依照本发明，提供了一种用于医疗观察系统的方法，用于处理医疗介入的图像序列以便显示，所述介入操作包括使用工具托架在身体器官中对工具进行移动和/或定位，所述方法包括以下步骤：通过图像探测器在所述医疗介入过程中获取所述工具的图像序列，在所述获取步骤中实现或者模拟所述图像探测器相对于所述工具的移动；自动提取附着到所述工具托架的标记并且产生标记位置信息；根据所述标记位置信息推导出工具位置信息；以及对所述序列的图像进行增强以改善所述工具相对于背景的可见性。

依照本发明，还提供了一种用于显示医疗介入的图像序列的医疗成像系统，所述医疗介入包括在身体器官中对工具进行移动和/或定位，该系统包括：用于在所述医疗介入过程中获取所述工具的图像序列的图像探测器；用于在所述图像序列的获取过程中实现或者模拟所述图像探测器相对于所述工具的移动的装置；用于依照上面所定义的方法处理所述图像序列的装置；以及用于显示所述增强图像的装置。

从而，通过实现或者模拟探测器相对于工具的移动，例如对工具进行放大(其可以使用所谓的“超分辨率成像”方法进行扩展)或者相对于进行医疗介入操作的患者或者工具(有利的是基本上围绕工具轴)旋转探测器，在图像序列获取过程中引入探测器和工具之间的相对移动，从而可以有效地利用例如上面所描述的增强技术以显示甚至是静止工具对照适当模糊背景的增强图像。在使用探测器旋转引入所需相对移动的情况下，优选地在增强步骤中利用时域递归滤波以产生旋转增强工具的图像。

优选地，在工具托架上提供至少两个标记。该方法和系统尤其适用于医疗介入，其中的工具是支架而身体器官是动脉。在一个示例性实施方式中，工具在图像序列获取过程中可以相对于身体器官固定。

在优选实施方式中，增强步骤包括对准步骤，以将所述图像序列所选择图像帧中的相应标记对齐。对准步骤有利地包括对一个所述选择的图像帧中的工具进行平移、旋转、移位、拉伸、收缩或者其它处理的一个或多个操作，以便将其上的相应标记和另一个所述选择的图像帧中的对应标记对齐。

优选地提供装置用于在显示过程中调整图像序列的重放速度，以便获得例如旋转支架的恰当视图。在使用探测器相对于工具的旋转引入所希望的相对移动的情况下，工具的增强视图可以反向投影在原始获得的图像中，以便获得增强工具的标准视图。

有利的是，该方法在图像增强步骤中包括接收几何系统数据以便利用的步骤。再次，在旋转探测器情况下，可以对180度分离(并且因此包含工具的相同投影)的图像帧应用对称时域积分(temporal integration)，以便改善增强步骤的结果。这增加了时域积分而没有降低空间分辨率。在优选实施方式中，时域积分的窗口可以调整适合于探测器的旋转速度。

附图说明

参考这里描述的实施例，本发明的这些以及其它方面将是显而易见的。

下面仅通过例子并且参考附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1a到1d示意说明了将支架图像序列的所选图像帧I和II中气囊标记进行对齐的相应对准步骤，其中图1a说明了帧I和II中的自动标记提取，图1b说明了平移步骤，图1c说明了旋转步骤以及图1d说明了拉伸步骤；

图2a到2f示意说明了血管重建术的关键步骤；

图3是依照本发明示例性实施方式的方法的关键步骤的示意方框图；

图4是依照本发明示例性实施方式的方法中使用的医疗检查设备的示意性功能框图；

图5是依照本发明示意性实施方式的方法中使用的增强装置的示意性功能框图；

图6示意说明了由导管、引线以及具有气囊和支架围绕其缠绕的单轨构成的器具；以及

图7说明了标记对准操作的步骤。

具体实施方式

本发明涉及一种观察系统，用于检测、定位、对准、增强和缩放噪声图像中的结构。这里以心脏病学医疗领域的应用为例子对所述观察系统进行描述。在应用中，感兴趣的目标是例如动脉的身体器官和例如气囊或支架的工具。在称为血管重建术的医疗介入过程中，在被称为血管造影片的X射线荧光图像序列中对这些目标进行观察。然而应当理解，该系统可以应用于血管重建术之外的其它介入过程中的除支架和气囊之外的其它工具。例如，感兴趣的目标可以是电极而器官可以是大脑。

首要的是，冠状动脉支架在放置在冠状动脉狭窄病变处之后完全展开。然而如上面所说明的，通常支架在荧光检查中或者在曝光(摄影)操作中并非总是清晰可见。从而在X射线曝光操作中改善支架的可见性可以帮助心脏病介入学家判断介入的临床成功。在已知的系统中，使用支架增强技术自动地增强支架的可见性，这一技术基于在所有的曝光帧中自动识别两个对辐射不透明的标记。该标记位于支架放置导管上。在标准心脏X射线系统曝光操作的获取过程中，导管在支架扩张并且气囊缩小之后立刻保持在支架内的固定位置上。此后，将导管移除并且转向PC工作站运行支架图像增强软件进行离线处理。

软件在每个操作帧中将标记的位置和(相对于彼此的)方向固定在监视屏幕的中央并且将标记的位置匹配到第一帧中的位置。参考附图中的图1，实现这个图像对准的三个基本操作为：平移、旋转和拉伸。更明确地说，在帧I和II中自动提出标记100(图1a)，然后执行平移步骤将帧II中标记100的位置平移到与帧I中标记100的位置一致(图1b)。然后，旋转帧II从而使帧I和II中的相应标记对齐(图1c)，并且将帧II扩展以便“拉伸”其中标记100的位置使其与帧I中的位置一致(图1d)。

相对于标记100(包括支架)位置固定的直接背景同样被固定。然而由于心脏的运动和呼吸，背景进一步在各个帧之间移动。平均各静止帧由此导致标记背景的对比度、进而支架的对比度很大程度的增强，相反周围区域的所有结构和噪声随着后续对比度的损失而被消除。

上面描述的已知方法产生增强的支架相对于模糊背景的静止视图，并且这种背景的模糊化基本上是因为支架相对于静止背景的心脏式移动。这意味着这种方法对于静止的支架(例如颈动脉支架)不是很有效，与对于移动支架获得的图像相比无法产生这种令人满意的模糊背景图像。另一个缺点是，支架200展示在静止视图中，然而至少有些时候可能希望观察运动中的增强支架。这将相对于当前的单投影视图提供改进，单投影视图必须重复多次才能获得关于支架完整使用状态的信息。

从而依照本发明，通过相对于支架故意地移动探测器、例如通过对支架放大引入另外的固定(例如颈动脉的)支架的明显移动。然后，对如此获得的序列施加上面所述的支架增强方法，产生所希望的适当模糊背景上的支架增强视图。当然，探测器相对于支架的这种相对移动(例如放大)还可以相对于运动支架进行使用以进一步改善其增强效果。

作为放大操作的替代，引入探测器相对于支架所需移动的另一种方式是围绕患者旋转探测器(并且因此围绕支架)。现在应用上面提到的增强方法，同时使用递归的时域滤波，将再次产生对比模糊背景的支架增强视图，但这种情况下在所有投射中所看到的由探测器运动产生。

当然，探测器运动不限于相对于支架旋转和放大，其它类型的运动同样有效，虽然已经发现旋转和放大对于达到本发明的目标尤其有利。

下面相对于称为血管重建术的医疗介入过程更加详细地描述本发明的实施方式。参照附图中的图2a到2f，这样的医疗介入过程包括如下阶段：

参照图2a，使用导管9在动脉41中引入细引线1，细引线1延伸在导管9末端之外并且在狭窄位置处通过动脉部分40a的狭小内腔。

参照图2b，引入没有支架的单轨10，该单轨10由所述引线1引导而所述导线1穿过单轨10的开口3，并且单轨具有围绕其末端缠绕的第一气囊14a；并且将所述第一气囊14a在狭窄位置处定位到动脉部分40a。

参照图2c，将这个第一气囊14a膨胀为胀大的气囊14b，从而将动脉41狭窄位置处的狭窄内腔40a扩张变为动脉41的扩大部分40b；然后，使用第一单轨10移除第一气囊14b。

参照图2d，再次使用导管9和细引线1引入第二单轨20，围绕单轨20的末端缠绕有第二气囊24a并且在所述第二气囊24a周围有支架25a；并且将具有支架的所述第二气囊定位到动脉41先前扩张内腔40b的狭窄位置。

参照图2e，膨胀第二气囊24a使其变为胀大的气囊24b，以便扩张构成支架25a的线圈，其变为植入动脉壁的扩张支架25b。

参照图2f，将扩张的支架25b看作永久植入，移除第二气囊24b、第二单轨20、引线1和导管9。

这种类型的医疗介入可能由于对比度不良的图像而难于实现，并且介入的某些阶段是关键性的，因此在这些阶段中必须执行检验操作。例如在阶段d)和e)之间，检查支架25a是否相对于动脉41的扩张内腔40b准确定位是关键性的。

参照附图的图4，依照本发明的方法所使用的适当医疗检查设备50可以包括用于获得图像序列的数字图像数据的装置51，该装置耦合到依照本发明示例性实施方式的医疗观察系统53用于处理数字图像数据。该医疗观察系统通常用在介入室内或其附近，用于处理实时图像，但其同样地可以用于所存储的医疗图像，例如用于估计医疗参数。用于处理存储图像数据的系统称为医疗观察站。医疗检查设备通过连接57提供图像数据到系统53。该系统提供处理过的图像数据到显示装置和/或存储装置。在通过相对于工具的旋转引入相对移动的特殊情况下，旋转中的工具可以显示在它的原始图像上以给出增强工具的标准视图。任何情况下，显示装置54可以是屏幕。存储装置可以是系统53的存储器MEM，或者作为替代可以包括外部存储装置。这个图像观察系统53可以包括适当编程的计算机，或者具有例如LUT、存储器、滤波器、逻辑算子的电路装置的特殊用途处理器，这些装置安排用于执行增强方法的功能。系统53还可以包括键盘55和鼠标56。可以在屏幕上提供图标以便由鼠标点击激活，或者可以在系统中提供特殊的按钮以组成控制装置58用于用户根据需要启动、控制持续过程或者停止处理装置。控制装置还可以安排和配置为允许用户根据需要控制和调整增强图像序列的重放速度。

从而参照附图中的图3，一旦支架25a中的第二气囊24a放置到动脉41先前扩张内腔40b的狭窄位置(步骤400)，医疗检查设备由用户使用来执行所需的检查操作。首先，引入相对于支架的探测器移动(步骤401)，例如通过放大包含支架的感兴趣区域或者通过围绕患者(并且因此围绕支架)旋转探测器，以捕获支架图像序列的图像数据402，并且传送该图像数据402到图像处理装置403以便在所捕获的图像中增强支架。此外，几何系统数据404还传送到图像处理装置403。该图像处理装置403包括用于增强图像序列中支架视图的增强装置，并且输出增强后的图像序列405。

更加具体地，参照图5，图像处理装置403包括提取装置101，其解决在序列中自动准确定位特定特征的问题。一旦通过自动提取装置101确定了特定特征的位置201，对准装置102基于特定特征的位置201提供对准的序列图像202。然后，增强装置103产生具有增强工具的图像203。

此外参照附图的图6，提取装置101安排和配置为自动准确地提取特定特征，其中一个特征称为引线顶端2，其位于引导单轨10的细引线1的末端；和/或称为气囊标记11、12或21、22的至少一个特征，这些标记分别关于气囊14a、24a分别位于单轨10上的给定位置；优选地，在每个气囊的末端布置有两个气囊标记。由于引线顶端2属于引线1，所以既不属于动脉壁也不属于支架25。同样，气囊标记11、12、21、22既不属于容器壁也不属于支架25，因为其属于单轨10。这些标记具有易于识别的特定形状，并且由在图像中具有高对比度的材料制成。因此其易于提取。系统处理装置102、103、104允许准确产生气囊位置，因为气囊具有与气囊标记相关的特定位置。同样，支架被准确定位，因为支架具有与气囊标记相关的特定位置，虽然所述支架没有附着到所述气囊标记。

参照图7，例如已经在该序列的图像中探测到两个标记ARef、BRef，该图像称为参考图像、其可以是起始时刻的图像。可以由自动装置选取标记ARef、BRef。使用系统的提取装置101进行提取。然后系统的对准装置102使用参考图像中的标记位置信息ARef、BRef和该序列的当前图像中提取的相应标记A’t、B’t，操作用于自动将当前图像对准参考图像。这个操作通过将当前图像中的标记匹配到参考图像中的相应标记完成，包括以下可能的几何操作：平移T，将当前图像的线段A’tB’t的质心Ct与参考图像的线段ARefBRef的质心CRef相匹配；旋转R，将当前图像的线段A’tB’t的方向与参考图像的线段ARefBRef的方向相匹配，产生线段A”tB”t；以及伸缩Δ，将结果线段A’tB’t的长度与参考图像的线段ARefBRef的长度相匹配，产生对准后的当前图像的对准线段AtBt。这样的平移T、旋转R和伸缩Δ操作在序列图像和参考图像之间定义，产生整个序列的对准。这种对准操作没有必要在图像的所有点上执行。可以确定包括标记的感兴趣区域的边界。这种对准操作允许相对于预定图像参考将例如容器、引线、气囊和支架的感兴趣目标相应移动的影响最小化。在对准后的图像中，用户可以容易地执行感兴趣目标的缩放Z。优选地，两个或更多标记用于更好的对准。

在对准后的序列中，例如支架的感兴趣目标可以通过增强装置103进行增强。对于这一操作，支架的形状和尺寸是先验知识，可以存储在系统的存储装置中。支架的边界基本上平行于气囊标记所构成的线段，并且位于离这个线段一段距离的位置，其可以由先验知识推断出来。因而，通过系统的增强装置103对这些边界进行探测、提取和增强。同样，以类似的方式可以通过增强装置103对动脉壁进行探测、提取和增强。

对准后的图像优选被滤波以将噪声最小化。系统增强装置103可以包括噪声滤波装置。在一个例子中，通过对点的强度使用平均装置来将对准后的图像进行组合。通过这一操作，具有时间一致性的目标、例如容器的细节被增强，同时不具有时间一致性的背景的细节被最小化。优选地，对准后的图像还提交到增强装置103的空间背景减法装置。背景减法装置允许消除大对比度区域并且允许再次增强感兴趣目标。

再次参照图3，在通过对支架进行放大取得相对探测成功的情况中，由装置403执行的图像处理可以认为是所谓“超分辨率”算法的第一次迭代，例如由Irani和Peleg在CVGIP-Graphic Models and Image Processing，1991的“Improving Resolution by Image Registration”(通过图像对准改善分辨率)中所描述的，是一种用于提高目标空间分辨率的算法。通过使用这一技术，在动态支架序列402中存在足够数量帧的情况下，支架的图像质量可以提升到“任意”的所需分辨率。直观地，这可以认为是关于支架的探测的数字扩展的“虚拟”放大。

在通过探测器相对于工具旋转引入相对移动的特定情况下，增强装置优选地使用时域递归滤波装置以便产生工具的增强图像。此外，可以对图像应用对称时域积分以改善增强结果，这些图像以准确的180度相分离(并且因此包含工具的相同投影)。时域积分的窗口可以调整适合探测器的旋转速度。

虽然上面结合固定的医疗介入过程描述了本发明的实施方式，其同样可以用于非固定的(例如颈动脉)应用，本发明不必限制于这一点。

应当指出，上面描述的实施方式仅是示例而非对发明的限制，本领域技术人员在不脱离由所附权利要求确定的本发明范围的情况下能够设计出很多的替代实施方式。在权利要求中，放在括号中的参考标记不应当解释为对权利要求的限制。类似“包括”和“包含”的术语不排除在任何权利要求或说明书整体列举出的部件或步骤之外存在其它的部件或步骤。单数个部件的引用不排除这种部件的多数个引用，反之亦然。可以通过包括多个明显分离部件的硬件实现本发明，也可以通过适当编程的计算机。在装置权利要求中列举多个装置，这些装置中的多个可以实施为一个相同的硬件对象。在相互独立的不同权利要求中陈述特定措施的事实并不表明这些措施的组合使用是不利的。

Claims (14)

1.一种用于医疗观察系统(53)的方法，用于处理医疗介入图像序列以便显示，所述介入操作包括使用工具托架(10)在身体器官中对工具(25)进行移动和/或定位，所述方法包括以下步骤：通过图像探测器(51)在所述医疗介入过程中获取所述工具(25)的图像序列，在所述获取步骤中实现或者模拟所述图像探测器(51)相对于所述工具(25)的移动；自动提取(11、12、21、22)附着于所述工具托架(10)的标记并且产生标记位置信息；根据所述标记位置信息推导工具位置信息；以及对所述序列的图像进行增强以改善所述工具(25)相对于背景的可见性。

2.根据权利要求1的方法，其中探测器(51)相对于工具的所述移动通过对工具(25)进行放大来模拟或者实现。

3.根据权利要求1的方法，其中探测器(51)相对于工具(25)的所述移动通过将探测器(51)相对于工具(25)进行旋转来模拟或者实现。

4.根据权利要求3的方法，其中所述探测器(51)基本上围绕工具的轴旋转。

5.根据权利要求3的方法，其中在增强步骤中利用时域递归滤波以产生旋转增强工具的图像。

6.根据权利要求1的方法，其中在工具托架(10)上提供至少两个标记(11、12、21、22)。

7.根据权利要求1的方法，其中工具(25)在图像序列获取过程中相对于身体器官是固定的。

8.根据权利要求1的方法，其中所述图像增强步骤包括对准步骤，以在所述图像序列的选择的图像帧中对齐相应的标记(11、12、21、22)。

9.根据权利要求8的方法，其中对准步骤包括对一个所述选择的图像帧中的工具(25)进行平移、旋转、移位、拉伸、收缩或者其它处理中的一个或多个操作，以便将其上的相应标记(11、12、21、22)和另一个所述选择的图像帧中的相应标记对齐。

10.根据权利要求1的方法，进一步包括在图像增强步骤中接收几何系统数据以便利用的步骤。

11.根据权利要求3的方法，其中对180度分离的图像帧应用对称时域积分。

12.根据权利要求11的方法，其中时域积分的窗口被调整适合于探测器(51)的旋转速度。

13.一种用于显示医疗介入图像序列的医疗成像系统(50)，所述医疗介入包括在身体器官中对工具(25)进行移动和/或定位，该系统包括：用于在所述医疗介入过程中获取所述工具(25)的图像序列的图像探测器(51)；用于在所述图像序列的获取过程中实现或者模拟所述图像探测器(51)相对于所述工具(25)的移动的装置；用于根据权利要求1所述方法处理所述图像序列的装置(403)；以及用于显示所述增强图像的装置(54)。

14.根据权利要求13的系统(5)，包括用于在显示过程中调整图像序列重放速度、以便获得所述工具(25)的恰当视图的装置(58)。

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