JP5451621B2 - 介入器具の検出及び追跡 - Google Patents

Description

本発明は、最小侵襲Ｘ線誘導介入に関し、特に、画像処理及びレンダリングシステムに関し、及び、電気生理学的処置において使用される介入器具の可視性を改善し、自動検出及び追跡をサポートする方法に関する。本発明によれば、これは、位置合わせされた(co-registered)Ｘ線画像と、術前に取得された３Ｄボクセルボリュームの２Ｄ投影画像データとの間の差を算出し、介入器具のコントラスト及び可視性を強調するためこれらの差を使用することにより実現される。

例えばアテローム性動脈硬化症、高血圧及び虚血といった心血管疾患（ＣＶＤ）は、多くの先進諸国において未だに主要な死因となっている。なぜなら、これらは、心臓及び血管に永久的な損傷をもたらし、これが、慢性心不全、狭心症又は心筋梗塞（心臓発作）をもたらす場合があるからである。心血管疾患の症状を示す患者に対して、主要な診断及び処置は通常、心臓カテーテル室における介入的心臓処置を介して実行される。心臓カテーテル法は、動脈及び／又は静脈を通り心臓まで小さい管（カテーテル）を挿入することを意味する。リアルタイムのＸ線撮像を用いて冠状動脈及び心腔を視覚化するため、造影剤がカテーテルを通して注入される。造影剤はＸ線に対して不透明でなければならず、冠状動脈系又は心腔に流れ込むとき良好な画像コントラストを提供しなければならない。この手順は血管造影図と呼ばれる画像を生成する。この図は、心血管疾患を診断する際の標準的なものである。

最近の３０年において、人口統計学的、技術的及び経済的な要素により後押しされ、Ｘ線誘導介入心臓処置はかなり成長した。米国心臓協会（ＡＨＡ）によれば、介入心臓処置の件数は、１９７９〜２００３年の間に米国において４７０％増加した。新しいカテーテルベースの介入器具（例えばバルーンカテーテル及びステント）は、医師がより多くの状態及びより複雑な患者を処置することを可能にする。これらの新しい最小侵襲的、画像誘導処置がポジティブな患者結果を与え、心臓切開処置よりコストが低いので、患者を治療するのにこれらの処置を使用するよう、医師は政府及び個人(private payer)により能動的に奨励される。

今日では、Ｘ線ベースの心臓カテーテルシステムが、現在のケア標準であり、心臓処置における診断的及び治療的な処置の両方に関する撮像モダリティを提供する。これらは、冠状動脈における血流への閉塞のリアルタイム画像を生成するために適用される。閉塞が特定されるとき、リアルタイムＸ線撮像は、血管形成術（動脈において血流が制限された領域でのバルーン拡張を意味する）及びステント配置（新しく拡張された動脈を開いた状態に保つために支持構造体をふくらませること）による処置のため、バルーンが先端に付いたカテーテルを閉塞点まで挿入することを誘導するために利用される。冠状動脈疾患を持つ患者に対する治療の目的は、狭心症の症状を軽減すること、及び冠状動脈を再び開いた状態にするための技術及びデバイスを使用することにより死又は心筋梗塞の危険率を低下させることである。

心臓カテーテルシステムは、上記したようにカテーテル室におけるすべての最小侵襲的処置を事実上可能にする。現在発展したシステムは、すべて同じ基本的な構成を持ち、患者を通過して大面積の検出器にＸ線ビームを投影する点Ｘ線源を使用する。検出器は、モニタでの表示のため、生成された蛍光透視画像を電気信号に変換するのに使用される。これにより、患者の投影画像が得られる。

従来の心臓カテーテルシステムは通常、２つの異なるタイプのリアルタイムＸ線撮像を実行する。それは、診断的血管造影法及び介入的撮像の２つである。診断的血管造影法は、高品質の画像を生成するために、高い放射線被曝で実行される。この診断的（シネ）モードは、冠状動脈の初期の状態を診断し、必要とされる介入を決定し、及び、介入後の冠状動脈を再評価するため、冠状動脈を流れる注入造影剤の画像を生成する。介入的撮像は、低品質の画像を生成する調整された放射線被曝で実行される。この介入的な（フルオロ）モードは、介入を誘導するために患者の生体構造のリアルタイム撮像を提供し、デバイスを生体構造に挿入するとき使用される。介入的なモードは、処置に関する撮像時間のおよそ９０％で使用される。

心血管疾患は、主に患者の血流に影響を及ぼすが、介入的な心臓処置の特定の領域である心臓電気生理処置（ＥＰ）は、心臓の電気的異常の検査を含む。医師は、Ｘ線蛍光透視誘導に従って患者の心臓のリズムの電気的機能不全を特定及び治療するのに、心臓内カテーテルを使用する。心臓における先天的な課題又は病変組織は、心房細動（ＡＦ）を含む不規則な心拍をもたらす電気伝導に影響を及ぼす可能性がある。この疾患において、心臓の２つの上部心腔である心房は、効率的に拍動せず、血液が完全に外に汲み出されないので、血液が溜まり凝固する場合がある。凝血塊の一部が心臓を去る場合、この塊は脳卒中又は肺塞栓症を引き起こす場合がある。心房細動の処置に関して、異常電気伝導を治すため、及び通常の心臓のリズムを永久的に復元するため、組織の特定の領域が高周波エネルギーを用いて切除されることができる。より詳細には、心臓組織は、異常な電気的活性の領域を見つけるためにマッピングされ、特定の領域における病理学的組織をなくすために心臓電気生理学により切除される。この処置は、「マッピング及びザッピング（消去）」と一般に呼ばれる。組織の適切な領域を特定及び切除する処置は、極めて長い。患者は、心臓カテーテル室において３〜６時間を過ごす場合がある。これには、最高９０分の完全な撮像時間が含まれる。患者は、３０，０００回分の胸部Ｘ線に等しい程度のかなりの量のＸ線を浴び、この処置を行う電気生理学技師も通常、かなりの線量の散乱放射線を浴びる。電気生理学診断及び処置は、詳細な血管造影図を生成するのに、造影剤の冠状動脈への注入を必要としない。従って、必要とされる撮像能力はいくらか低くて済む。処置時間が長いと、放射線被曝を減少させることに高い価値が置かれる。

別の重要なＥＰ処置は、心臓再同期療法（ＣＲＴ）に関するペースメーカの設置である。この治療の間、ペースメーカのリード線が冠状静脈に配置されなければならない。電気生理学技師は、生体構造と、注目するすべての部位に対するアクセス経路と、正しいデバイスを選択し目標に向かってそれらを操作するためのいくつかの実践法とを完全に知るための特別なトレーニングを必要とする。

３Ｄ撮像デバイス（ＣＴ、ＭＲＩ）を用いて、又は介入の始めにちょうど局所的に（心房細動に関しては左心房（ＬＡ）と肺静脈（ＰＶ）の心門とに、ＣＲＴに関しては冠状静脈と静脈洞炎とに）造影剤を注入することにより、患者の生体構造が記録されることができる。しかし、医師は、この情報が見えない場合、生の蛍光透視画像においてナビゲートするために、頭の中で位置合わせを実行しなければならない。

ＡＦ処置に関して、細動（異所性病巣、再入ループ）を引き起こす源を見つけるため、電位を測定するときカテーテルの正確な位置を知ることが重要である。例えば左心房における例えば肺静脈隔離又はルーフライン切除といった所望の除去パターンを実行するために更に重要なのは、切除サイトの生体構造マッピングである。

今日、例えばPhilips Medical, Siemens Medical, GE Medical及びToshiba Medicalにより開発され及び市場に出荷される、現在利用可能な従来のＸ線ベースの心臓カテーテルシステムの事実上すべては、過去４０年にわたりほとんど変化していない基本的な同じ撮像技術を使用する。個別の要素に対する増加的な改良は、理論的限界に近づくよう数十年にわたりシステム性能を最適化した。しかしながら、現在のシステムは未だに、貧弱な画像品質及び高い放射線被曝という重要な課題を示す。これにより、この重要な課題は、撮像、放射線障害及び操作上の問題に関連する。

心臓カテーテル室における最も困難な撮像作業は、大きな患者を撮像すること又は急峻な表示角度で患者を撮像することである。従来のシステムを用いると、患者の近くにある大面積の検出器は、画像放射線より多くの散乱放射線が検出器に到達することをもたらす。これは、画像品質をかなり劣化させる。従って、医師はしばしば、より品質の良い画像を得るため、介入の間、高放射線診断的（シネ）モードを使用する。

更に、最良の画像品質は、短い期間でだけ可能である。Ｘ線管がその最大温度に達し、自動的にシャットダウンする前に、従来の心臓カテーテルシステムは、およそ２０秒間だけ診断的（シネ）モードで動作することができる。Ｘ線源が冷却し、撮像が再開されることができるまでに、数分かかる場合がある。

それに加えて、オーバーレイする（overlay:上に重なる態様で表示される）生体構造が、表示及びナビゲーションを妨げる場合がある。従来の心臓カテーテルシステムは、深さ情報なしで対象物を示す投影画像を生成する。これらの平坦な画像から３Ｄ生体構造を識別することは、困難である。更に、画像クラッタ及び肋骨又は脊椎による心臓のシャドウイングが、しばしば画像の明瞭性を劣化させる。

従来のＸ線ベースの心臓カテーテルシステムの別の問題は、患者及び介入操作者（interventionalist）の両方が通常過剰な放射線にさらされることである。従来のシステムは、介入的な（フルオロ）モードにおいて、１分当たり２００〜５００回分の胸部Ｘ線に等しい量に患者を露出させる。長い介入的な処置の間の最高６０分の撮像時間によって、患者は、処置当たり１２，０００〜３０，０００回分の胸部Ｘ線に等しい量に露出される可能性がある。斯かる長期にわたる露出によって、患者に放射線皮膚熱傷が生じる可能性があり、介入操作者及びカテーテル室スタッフの癌の危険度を増す可能性がある。放射線被曝リスクは、生体構造の一つの領域が長く露出されるので、特定の電気生理学処置において特に深刻である。医師に対する予防手段は、重くて扱いにくい、体を包む鉛製のエプロン及びベスト、甲状腺シールド及びゴーグルの使用を含む。

更に、患者へのアクセスは、Ｘ線検出器により妨げられる場合がある。従来の心臓カテーテルシステムは、大面積の検出器が患者の近くに配置される必要があり、こうして、臨床スタッフによる患者へのアクセスが制限される。この設計は、患者に対して閉所恐怖症感を与えるだけでなく、心肺蘇生（ＣＰＲ）が必要とされる場合の障害でもある。

簡単に上述されるように、特に心房細動といった現在蛍光透視により誘導される電気生理学的処置は、数時間を要することがしばしばである。斯かる処置の主な作業は、それぞれ、心筋の内部又は心臓血管における所与の位置にカテーテル又は心血管ステントを配置することである。これは通常、カテーテル先端部の位置を視覚化するため、術中のＸ線撮像に基づく誘導に従って行われる。蛍光透視Ｘ線撮像の術中の適用はしばしば、多数の質問に対する答えを提供するのに必要である。例えば、外科医が血管の形態を視覚化する必要がある場合、これは特にあてはまる。心臓ペースメーカ、外科的ステント及びガイドワイヤの配置における支援のためさまざまな外科分野において適用されるだけでなく、この撮像モダリティは、外科ネジ及び釘の他、医療インプラント、整形プロテーゼの位置監視を可能にするため整形外傷学においても使用される。一方、心臓Ｘ線画像においては、特定の高密度生体構造（例えば例えば脊椎、特定のつい骨等）又は外部対象物（例えばペースメーカリード線及び外科的なステッチ等）が、Ｘ線像においてほとんどの時間見え、こうして、介入器具の可視性、検出及び／又は追跡を少なくとも部分的に妨害又は低下させる場合がある。なぜなら、これらが、類似するパターンをつくるか、又はこれらが、検出される対象物上に陰影を投げるからである。ゆっくり移動する介入器具の場合、古典的画像減算技術は役に立たず、２Ｄ表示が変化するたびに基準シーケンスの新たな取得を必要とする。

米国特許出願公開第２００３／０１８１８０９Ａ１号は、患者の体内の検査領域に誘導される医療器具（例えば、心臓検査又は処置の間使用されるカテーテル）を視覚化する方法を記載する。そこで開示される方法は、心臓ロードマップ処置の適用として理解されることができる。３Ｄ再構成された血管造影図が、術中に生成されたＸ線像に血管情報を加えるために用いられる。より詳細には、上記方法は、検査領域の３Ｄ画像セットを用いてこの領域の３Ｄ再構成画像を生成するステップと、器具が視覚化される検査領域の少なくとも１つの２ＤＸ線像を撮るステップと、２ＤＸ線像に対して３Ｄ再構成画像を位置合わせするステップと、３Ｄ再構成画像を視覚化してモニタ上で３Ｄ再構成画像に２ＤＸ線像を重畳するステップとを有する。

Ｘ線誘導介入において使用される介入器具の自由な可視性を妨げる望ましくない構造体の問題を克服するため、介入器具のない、例えば処置の始めに撮られる基準画像が、取得されるＸ線シーケンスから減算されることができる。にもかかわらず、斯かる基準画像は常に利用可能というわけではない。なぜなら、ほとんどの時間、患者には既にＥＣＧ電極又は他のデバイスが、付けられるか又は体内に挿入されているからである。更に、呼吸、心臓運動又は数時間の処置の間における患者の体の動きによりもたらされる場合がある運動、又は上記患者の体の内部の画像を生成するのに使用される回転血管造影法デバイスのＣアームシステムの剛体運動又はズーム運動が原因による運動が、しばしば存在する。実行不可能でないとしても、これは基準画像を用いる減算をかなり困難にする。

従って本発明の目的は、Ｘ線蛍光透視誘導に従って最小侵襲的介入の範囲において適用される介入器具の検出及び追跡だけでなく、可視性を改善することである。

本発明の第１の例示的な実施形態は、検査される患者の体の組織又は上記患者の血管系の血管セグメントにおける、注目生体構造、関心領域、病理学的異常（例えば頭蓋内動脈狭窄部、脳、肺又は冠状動脈分岐の動脈瘤、胃癌又は肉腫等）、ペースメーカ及び／又は他の医療インプラントを示す術前に取得された３Ｄボクセルボリュームの２Ｄ投影画像データと、上記患者の体の内部における前述の対象物を示す術中に記録される２Ｄ蛍光透視画像との差を計算するステップであって、上記２Ｄ蛍光透視画像が、２Ｄ投影画像データと位置合わせされる、ステップと、上記介入器具の可視性に悪影響を与える共通パターンを除去することにより、上記組織領域又は上記血管セグメントに挿入される介入器具のコントラスト及び可視性を強調するため、上記計算ステップに基づき生成される差分画像を用いるステップであって、上記パターンが、上記術前に取得される３Ｄボクセルボリュームの上記２Ｄ投影画像及び上記術中に記録される２Ｄ蛍光透視画像の両方に含まれる、ステップとにより上記目的を達成する方法に関する。

上記術前に取得される３Ｄボクセルボリュームの２Ｄ投影画像データと上記術中に記録される２Ｄ蛍光透視画像との位置合わせの後、上記位置合わせされた２Ｄ投影画像が、不一致マップを算出するために用いられることができる。この不一致マップは、上記２Ｄ蛍光透視画像と位置合わせされた上記２Ｄ投影画像から、上記２Ｄ蛍光透視画像の代表を減算することにより得られる差分画像として、又は共通パターンのコントラストを減らし、上述した２つの２Ｄ画像の１つにおいてのみ見えるパターンのコントラストを強調するように特にデザインされることができる任意の画像処理演算子の結果として実現されることができる。上記不一致マップは、放射線科医に対して表示されることができる。これは、特に有益である。なぜなら、上記術中に記録された２Ｄ蛍光透視画像において存在するが、上記術前に取得される３Ｄボクセルボリュームの２Ｄ投影画像データには存在しない介入器具が、より良い状態で視認でき、高いハウンスフィールド密度値を持つ他の対象物（例えば骨）により隠されることがないからである。このことは、上記放射線科医が、上記患者の体の内部においてこれらの介入器具を検出、ガイド及びナビゲートすることをサポートする。代替的に、上記不一致マップは、その注目領域を限定するため、又はその出力結果に重み付けするため、又は単に上記フィルタに対する入力画像として検出フィルタに結合されることができる。これは、介入器具が、上記不一致マップにおいて元の２Ｄ蛍光透視画像においてよりよく見えるからであり、上記不一致画像が介入器具の位置に関する確率マップとして考慮されることができるからである。上記検出フィルタの出力は通常、これらの器具を局所化し、定量的測定を計算するのに用いられることができる上記画像において検出される介入器具の位置座標のリストにより与えられる。

上述したのと同じ方法が、造影剤の注入によりＸ線、ＣＴ、３ＤＲＡ又はＭＲ血管造影図において見えるようにされた患者の脈管系に含まれる血管セグメントの可視性及び検出可能性を強調するために用いられることもできる。従来のデジタル減算血管造影（ＤＳＡ）と比較して、これは、本方法が上記血管造影図を生成するのに使用されるＸ線又は３Ｄ回転血管造影法（３ＤＲＡ）撮像システムの任意の動作に対して感度が低いという利点を意味する。

第２の例示的な実施形態によれば、本発明は、最小侵襲Ｘ線誘導介入の分野において適用される介入器具の可視性を改善し、自動検出及び追跡をサポートする画像処理及びレンダリングシステムに関する。上記画像処理及びレンダリングシステムは、検査される患者の体の組織又は上記患者の血管系の血管セグメントにおける、注目生体構造、関心領域、病理学的異常、ペースメーカ及び／又は他の医療インプラントを示す術前に取得された３Ｄボクセルボリュームの２Ｄ投影画像データと、上記患者の体の内部における前述の対象物を示す術中に記録される２Ｄ蛍光透視画像との差を計算するよう構成されるデジタル画像処理ツールであって、上記２Ｄ蛍光透視画像が、２Ｄ投影画像データと位置合わせされる、デジタル画像処理ツールを有し、上記画像処理及びレンダリングシステムが更に、上記介入器具の可視性に悪影響を与える共通パターンを除去することにより、上記組織領域又は上記血管セグメントに挿入される介入器具のコントラスト及び可視性を強調するため、上記計算ステップに基づき生成される差分画像を用いるよう構成され、上記パターンが、上記術前に取得される３Ｄボクセルボリュームの上記２Ｄ投影画像及び上記術中に記録される２Ｄ蛍光透視画像の両方に含まれる。

最終的に、上記画像処理及びレンダリングシステムで実行されるとき、上述した方法を実行するようプログラムされるコンピュータプログラムが提供される。

本発明の例示的な実施形態による提案された画像処理方法を説明するフローチャートを示す図である。 本発明の更なる概略的な例示的な実施形態による画像処理及びレンダリングシステムの概略的なブロック図を示す図である。

本発明の有利な特徴、側面及び利点は、以下の明細書、添付の特許請求の範囲及び添付の図面から明白になるであろう。

以下に、上述した画像処理方法及びシステムが、特別な改良に関して添付の図面を参照して更に詳細に説明されることになる。

図１に表されるフローチャートに示されるように、患者の体の内部における生体構造又は病理学的組織領域を示す術前に取得された３Ｄボクセルデータを用いることが提案される。このデータは、例えばＣＴ、ＭＲＩ又は回転血管造影法デバイス等といった３Ｄ撮像デバイスを用いて記録され（Ｓ１）、このボクセルボリュームが、術中に記録される（Ｓ３）蛍光透視Ｘ線画像の取得される２Ｄデータと位置会わせされる（Ｓ４）。これは、中心投影を介してボクセルボリュームを２Ｄ画像に変換するステップを有する光線キャストアルゴリズムを用いて３Ｄボクセルデータから生成されることができる（Ｓ２）デジタル的に再構成されたＸ線像（ＤＲＲ）が、できるだけ密接に２Ｄ蛍光透視画像に適合するという態様で実行されることができる。より詳細には、この位置合わせ処理は、ＤＲＲ及びＸ線画像の間の最良の適合を提供する３Ｄ位置を生み出す。適合の品質は、介入器具を当然に含む、両方のモダリティにおいて見えるわけではない構造体が原因による局所ミスマッチだけでなく、全体の強度変化に堅牢な距離関数を用いて評価されることができる（Ｓ５）。

数学的な話をすると、術中に記録された２Ｄ蛍光透視画像

と位置合わせされる３Ｄボクセルデータの術前に取得されるセットのデジタル的に再構成されたＸ線撮影（ＤＲＲ）であって、以下それぞれ

により等価的に表されるＤＲＲが、式（１ａ）

により表される以下の等価な合成演算により定式化されることができる。

ここで、

は、取得される３Ｄ画像の術前に記録されたボクセルデータのセット（ここで、ｉ、ｊ及びｋは、原点０である３次元座標系の直交座標軸ｘ、ｙ、ｚ方向により展開されるユークリッドベクトル空間

のｘ、ｙ、ｚ方向における個別のボクセルインデックスである）、又は等価的に、３Ｄ−１Ｄ整合ルール

にボクセルデータを従わせることにより得られることができる画像データのセットを表す。上記合成演算（１ａ）において使用される変換演算子

は、剛性３Ｄ座標変換

を表す。

ここで、変換ベクトル

が使用される。この成分は、±ｘ、±ｙ、及び／又は±ｚ方向における並進オフセットを表す並進シフト値Δｘ、Δｙ及びΔｚ、並びに、成分がこれらの座標軸の周りでの回転を表す３ｘ３回転行列

により与えられる。これにより、上記回転行列は、

として規定される。

こうして式（２ａ）は、上述した３つの回転パラメータ（Δφ_ｘ、Δφ_ｙ及びΔφ_ｚ）だけでなく上記３つの並進パラメータ（Δｘ、Δｙ及びΔｚ）からなる６次元パラメータ・ベクトル

を備えるパラメータ化をもたらす。

更に、式（１ａ）において使用される演算子

は、投影線に沿ったボクセル強度の和の各画像ピクセルを生じさせる、２Ｄ投影画像の３Ｄ画像への変換を行う３Ｄ−２Ｄ投影演算

を表す。これにより、上記２Ｄ投影演算

は、画像形成及び投影ジオメトリに関連付けられる固有のパラメータに依存する。それは、撮像システムの較正により得られることができ、位置合わせのために必要とされる後続の最適化処置の間、固定されることができる。（例えばＣアームの回転又は検出器の並進等により）Ｘ線システムが移動されるとき、投影演算子

は、それに従って更新されることができ、投影画像は、別の位置合わせステップを必要とすることなしにＸ線画像と整合し続けることになる。

変換演算子

により表される３Ｄ−２Ｄ剛性位置合わせは、ＤＲＲ

と位置合わせされるＸ線画像のセットからの（

に対する）代表

として以下参照される、上記ＤＲＲと２Ｄ目標画像とを比較するために用いられる所与の２Ｄ−２Ｄ距離関数（以下

と呼ばれる）を最小化する剛性３Ｄ座標変換

を見つけるステップから成る。このＸ線画像は例えば、蛍光透視Ｘ線像である。最良の整合結果を生み出す位置合わせは、合成演算（１ａ）においてパラメータ・ベクトル

を最適化されたパラメータ・ベクトル

で置換することにより、与えられる。

この文脈において、距離関数

が整合ルール

により与えられる点にも留意されたい。最適化されたパラメータ・ベクトル

を見つけるのに、最小自乗平均基準を用いて算出される距離関数を使用する他に、関連する技術的な文献にて説明されるような多くの異なるタイプの距離関数が使用されることができる。これらの距離関数は、以下で規定されるような、傾斜差分（Gradient Difference）関数ＧＤ（Ｉ，Ｊ_ｌ）、傾斜相関（Gradient Correlation）関数ＧＣ（Ｉ，Ｊ_ｌ）、相互情報量関数ＭＩ（Ｉ，Ｊ_ｌ）といった類似手段を含む。まずは、

が成立し、ここで、Ａ_ｘ及びＡ_ｙは２つの実数値の定数を表す。そして、

及び

が成立する。ここで、ｐ（ｍ、ｎ）は、それぞれ

及び

からの２つの所与のピクセルｍ及びｎの同時確率密度関数を表し、ｐ（ｍ）及びｐ（ｎ）はそれぞれ、上記２つのピクセルｍ及びｎの周辺確率密度関数を表す。

実践において、この問題は、例えば傾斜降下アルゴリズム又はパウエル多次元方向セット法といった適切な最適化ループを使用することにより解決されることができる。

この文脈において、一旦上記最適な位置合わせパラメータ

及び

が見つかると、それらは固定されると仮定され、従ってＸ線イメージングシステムが移動するたびに再計算される必要がない点にも留意されたい。しかしながら、患者が患者テーブル上に移動する場合、２Ｄ−２Ｄ距離関数

が、変化を反映し、従って、この動きを検出し３Ｄ座標変換

の再計算を起動させるのに用いられることができる。

上述したように位置合わせ処置を実行した後、ＤＲＲ及び２Ｄ蛍光透視画像の間のミスマッチは、術前スキャンには存在せず、介入の間は存在する対象物を示す。この対象物は、例えば介入器具である。斯かる不一致のマップは、介入器具の可視性を強調するため、及びそれらの自動検出（及び追跡）をサポートするため、直接又は検出フィルタと連動して使用されることができる。この手法は、Ｘ線システムジオメトリにおける変化（回転、検出器に対する患者の距離における変化等）に対して本質的に堅牢である。

本発明によれば、上記位置合わせは、患者の動き又は印加Ｘ線撮像システムの動きを補償するために任意の段階で調整されることができる。この調整は、例えばＸ線システムジオメトリに対して位置合わせパラメータをリアルタイムに適合させることにより自動的に行われることができる。

例えば術中に生成された２Ｄ蛍光透視画像における脊椎といった高密度対象物の存在は、この脊椎が類似するパターンを作るという理由から多数の検出カテーテルに影響を与えるので、高密度対象物は、２Ｄ蛍光透視画像を用いて術前に算出されるＤＲＲの位置合わせ後クリアされることができる。こうして、上記カテーテルの検出可能性が強化される。

一旦ボクセルボリュームが２Ｄ蛍光透視画像を用いて位置合わせされると、介入器具の検出を誘導するのにミスマッチ領域が使用されることができる。例えば、２Ｄ蛍光透視画像の取得画像データから得られるＤＲＲ画像データを減算する（Ｓ６）ことにより算出される差分画像が生成されることができる。２つの画像の共通パターンが取り除かれる又は軟化される（Ｓ７ａ）一方、２つのうちのどちらかにおいてだけ見えるパターンは強調される（Ｓ７ｂ）。例えば脊椎といった生体構造の代わりに、他の対象物（例えば前に埋め込まれたペースメーカ、外科的ステッチ等）が、前もって患者の体に存在する場合もある。こうした対象物は高密度であるため、これらは、２Ｄ蛍光透視画像において非常に目立つものとなる。しかしながら、これらは、現在の介入に関して重要でない場合があり、電気生理学処置カテーテル又は他の介入器具の可視性を少なくとも部分的に妨害又は低下させる可能性がある。それらの異物は術前に取得される３Ｄボクセルデータにおいて存在するので、それらはこの位置合わせされたボリュームから生成されるＤＲＲにおいても存在することになり、こうして差分画像において消えることになる。

得られた差分画像において、介入器具の可視性が強化される。更に、それらの自動検出及び追跡が、いくつかの点で改善されることができる。

上記差分画像は、検出フィルタとして直接使用されることができる。これは、高い減衰を持つ術前及び術中に記録された画像間の局所的なミスマッチが、前述の介入器具に対して非常に特異的であるという事実によるものである。

別の検出フィルタが利用可能である場合、検出フィルタが適用される関心領域を減らす（Ｓ８ａ）又はミスマッチ領域が介入器具を最も含みそうであるという事実に基づきこの検出フィルタの出力を重み付けする（Ｓ８ｂ）ために、上記差分画像が使用されることもできる。

最終的に、ＤＲＲ画像及び２Ｄ蛍光透視画像の造影剤増強による融合バージョンが、モニタ画面（Ｓ９）上で視覚化されることができる。

図２は、本発明の例示的な実施形態による画像処理及びレンダリングシステム２の概略的なブロック図を表す。このシステムは、検査される患者の体の組織又は上記患者の脈管系の血管セグメントにおける、注目生体構造、特定の関心領域、病理学的異常、介入器具、ペースメーカ及び／又は他の医療インプラントを上記画像処理及びレンダリングシステム２に接続される血管造影ワークステーション１２のモニタ画面上に表示するための医療画像データを、格納し、処理し及び視覚化することを可能にする。画像データは、術中に獲得した２Ｄ蛍光透視画像、ボリュームレンダリングされた画像データ、又は例えば従来のコンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）若しくは３Ｄ回転血管造影（３ＤＲＡ）デバイスといった、画像生成システム１により生成及び提供される術前に記録された３Ｄボクセルデータの形で、与えられることができる。取得される２Ｄ及び３Ｄ画像データは、異なるウインドウにおいて、又は術前に記録された３Ｄボクセルデータから生成されたＤＲＲと、上記ＤＲＲと位置合わせされた術中に取得される２Ｄ蛍光透視画像との融合表示を示す共通ウインドウにおいてのいずれかで視覚化されることができる。図２に示されるように、上記画像生成システム１により生成される画像データは、入力インタフェース６を介して画像処理及びレンダリングシステム２に供給される。画像生成システム１とのデータ交換を制御する制御ユニット３の他に、上記画像処理及びレンダリングシステム２は、ノイズ削減及びコントラスト強調のためのデジタルフィルタを特に具備することができる前処理モジュール４を有することができる。上記画像処理及びレンダリングシステムに一体化される画像処理ツール５は、視覚化される患者組織の関心領域における所与の生体構造対象物、病理学的構造体、介入器具又は医療インプラントの生成された３Ｄボクセルデータに基づきレンダリングされる、ボリュームレンダリング３Ｄ表示、サーフィスシェード表示（ＳＳＤ）画像、マルチプラナ再フォーマット化画像及び／又はデジタル再構成Ｘ線像（ＤＲＲ）を生成するものとして機能することができる。

図２に示されるブロック図において例示的に表されるように、上記画像処理ツール５は、２Ｄ蛍光透視画像とＤＲＲとを位置合わせするのに使用される２Ｄ−３Ｄ位置合わせマッピングのパラメータを決定する位置合わせツール８と、生体構造対象物、病理学的構造体、介入器具及び医療インプラントの輪郭を決定する分割及びクラスター形成ツール７とを具備することができる。前述の差分画像を算出するため、デジタル減算ツール９が適用されることができる。上記画像処理ツール５に一体化されることもできる融合及び視覚化ツール１０は、上記２Ｄ−３Ｄ位置合わせに従わされた後、ＤＲＲ及び２Ｄ蛍光透視画像の融合画像を生成及び視覚化するものとして機能することができる。

図２に示されるように、画像生成システム１により生成され、上記入力インタフェース６を介して画像処理システム２に供給される画像データは、データ出力インタフェースＤＡＴＡ＿ＯＵＴを介して外部ストレージユニット１１の画像データアーカイブに一時的又は永久的に格納されることができる。視覚化のため、格納された画像データが、画像処理及びレンダリングシステム２（図示せず）の局所的な一時記憶域に、図２において「ＤＡＴＡ＿ＩＮ」と呼ばれるデータ入力インタフェースを介してロードされることができる。これにより、標準化されたデータフォーマット（例えばＤＩＣＯＭ）が用いられる。

本発明の用途
本発明は、介入的なＸ線撮像における介入器具の検出及び追跡を改善することが有益な任意の状況において使用されることができる。本発明は、Ｘ線システム、医療ワークステーション及び端末、特に電気生理学処置専用の臨床装置に適用されることができる。

本発明が図面及び明細書において詳細に図示及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられるべきであって限定的なものではなく、これは、本発明が開示された実施形態に限定されるものではないことを意味する。図面、開示及び添付の特許請求の範囲の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載された発明を実施する当業者により理解され及び遂行されることができる。請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属項に述べられているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として光学的記憶媒体又は固体媒体といった適切な媒体に格納／配布されることができるが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介してといった他の形式で配布されることもできる。請求項における任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (10)

1. 最小侵襲Ｘ線誘導介入の分野において適用される介入器具の可視性を改善し、自動検出及び追跡をサポートする方法において、
   検査される患者の体の組織又は前記患者の血管系の血管セグメントにおける、注目生体構造、関心領域、病理学的異常、ペースメーカ及び／又は他の医療インプラントを示す術前に取得された３Ｄボクセルボリュームの２Ｄ投影画像データと、前記患者の体の内部に導入される介入器具及び前述の対象物を示す術中に記録される２Ｄ蛍光透視画像との差を計算するステップであって、前記２Ｄ蛍光透視画像が、前記２Ｄ投影画像データと位置合わせされる、ステップと、
   前記介入器具の可視性に悪影響を与える共通パターンを除去することにより、前記組織領域又は前記血管セグメントに挿入される介入器具のコントラスト及び可視性を強調するため、前記計算ステップに基づき生成される差分画像を用いるステップであって、前記パターンが、前記術前に取得される３Ｄボクセルボリュームの前記２Ｄ投影画像及び前記術中に記録される２Ｄ蛍光透視画像の両方に含まれる、ステップとを有し、
   前記術前に取得される３Ｄボクセルボリュームの２Ｄ投影画像データが、前記２Ｄ蛍光透視画像と位置合わせされると、前記２Ｄ蛍光透視画像の前記取得画像データから前記２Ｄ投影画像データを減算することにより算出される差分画像を提供することにより、すべてのミスマッチ領域が前記介入器具の検出をガイドするために使用されることができ、前記２つの画像における共通パターンの前記コントラストが減らされる一方、いずれか一方の画像においてのみ見えるパターンの前記コントラストは強調され、
   前記介入器具を検出するのに検出フィルタが適用される場合、ミスマッチ領域が介入器具を含んでいる可能性がより高いという事実に基づき、前記差分画像が、前記検出フィルタが適用される前記関心領域を減らすため、又は該フィルタの出力を重み付けるために用いられる、方法。
2. 前記差分画像が、介入器具の前記可視性を少なくとも部分的に妨害する又は低下させる場合がある、より高いハウンスフィールド密度を持つ対象物により少なくとも部分的に隠される介入器具を検出するために使用される、請求項１に記載の方法。
3. 前記位置合わせが、前記患者の動き及び／又は前記２Ｄ蛍光透視画像を術中に記録するために使用されるＸ線撮像システムのシステムジオメトリにおける変化を補償するために任意の段階で自動的に調整され、前記調整は、前記患者の現在の位置に及び／又は変化された前記システムジオメトリに、位置合わせパラメータをリアルタイムに適合させることにより行われる、請求項１に記載の方法。
4. 入力された３Ｄ画像データ・シーケンスからデジタル的に再構成されたＸ線像を生成する画像レンダリングアルゴリズムに、前記術前に取得される３Ｄボクセルボリュームを従わせることにより、前記２Ｄ投影画像データが得られる、請求項１に記載の方法。
5. 前記３Ｄ画像データ・シーケンスが、コンピュータ断層撮影、磁気共鳴撮像又は３Ｄ回転血管造影ベースの画像取得手順を用いて生成される、請求項４に記載の方法。
6. 最小侵襲Ｘ線誘導介入の分野において適用される介入器具の可視性を改善し、自動検出及び追跡をサポートする画像処理及びレンダリングシステムであって、
   検査される患者の体の組織又は前記患者の血管系の血管セグメントにおける、注目生体構造、関心領域、病理学的異常、ペースメーカ及び／又は他の医療インプラントを示す術前に取得された３Ｄボクセルボリュームの２Ｄ投影画像データと、前記患者の体の内部に導入される介入器具及び前述の対象物を示す術中に記録される２Ｄ蛍光透視画像との差を計算するよう構成されるデジタル画像処理ツールであって、前記２Ｄ蛍光透視画像が、前記２Ｄ投影画像データと位置合わせされる、デジタル画像処理ツールを有し、
   前記画像処理ツールが更に、前記介入器具の可視性に悪影響を与える共通パターンを除去することにより、前記組織領域又は前記血管セグメントに挿入される介入器具のコントラスト及び可視性を強調するため、前記計算に基づき生成される差分画像を用いるよう構成され、前記パターンが、前記術前に取得される３Ｄボクセルボリュームの前記２Ｄ投影画像及び前記術中に記録される２Ｄ蛍光透視画像の両方に含まれ、
   前記術前に取得される３Ｄボクセルボリュームの２Ｄ投影画像データが、前記２Ｄ蛍光透視画像と位置合わせされると、前記画像処理ツールが、前記２Ｄ蛍光透視画像の前記取得画像データから前記２Ｄ投影画像データを減算することにより算出される差分画像を提供することにより、前記介入器具の検出をガイドするためミスマッチ領域を使用するよう構成され、前記画像処理ツールが、前記２つの画像における共通パターンの前記コントラストを減らす一方、いずれか一方の画像においてのみ見えるパターンの前記コントラストを強調するよう特に構成され、
   前記介入器具を検出するのに検出フィルタが適用される場合、ミスマッチ領域が介入器具を含んでいる可能性がより高いという事実に基づき、前記画像処理ツールが、前記検出フィルタが適用される前記関心領域を減らすため、又は該フィルタの出力を重み付けるために前記差分画像を用いるよう構成される、画像処理及びレンダリングシステム。
7. 前記画像処理ツールが、介入器具の前記可視性を少なくとも部分的に妨害する又は低下させる場合がある、より高いハウンスフィールド密度を持つ対象物により少なくとも部分的に隠される介入器具を検出するため前記差分画像を使用するよう構成される、請求項６に記載の画像処理及びレンダリングシステム。
8. 前記患者の動き及び／又は前記２Ｄ蛍光透視画像を術中に記録するために使用されるＸ線撮像システムのシステムジオメトリにおける変化を補償するために任意の段階で前記位置合わせを自動的に調整する位置合わせパラメータ調整ツールを有し、前記位置合わせパラメータ調整ツールは、前記患者の現在の位置に及び／又は変化された前記システムジオメトリに、位置合わせパラメータをリアルタイムに適合させることにより前記調整を行う、請求項６に記載の画像処理及びレンダリングシステム。
9. 画像処理及びレンダリングシステムで実行されるとき、最小侵襲Ｘ線誘導介入の分野において適用される介入器具の可視性を改善し、自動検出及び追跡をサポートする方法を実行するようプログラムされるコンピュータプログラムであって、
   前記方法が、
   検査される患者の体の組織又は前記患者の血管系の血管セグメントにおける、注目生体構造、関心領域、病理学的異常、ペースメーカ及び／又は他の医療インプラントを示す術前に取得された３Ｄボクセルボリュームの２Ｄ投影画像データと、前記患者の体の内部に導入される介入器具と前述の対象物とを示す術中に記録される２Ｄ蛍光透視画像との差を計算するステップであって、前記２Ｄ蛍光透視画像が、前記２Ｄ投影画像データと位置合わせされる、ステップと、
   前記介入器具の可視性に悪影響を与える共通パターンを除去することにより、前記組織領域又は前記血管セグメントに挿入される介入器具のコントラスト及び可視性を強調するため、前記計算ステップに基づき生成される差分画像を用いるステップであって、前記パターンが、前記術前に取得される３Ｄボクセルボリュームの前記２Ｄ投影画像及び前記術中に記録される２Ｄ蛍光透視画像の両方に含まれる、ステップとを有し、
   前記術前に取得される３Ｄボクセルボリュームの２Ｄ投影画像データが、前記２Ｄ蛍光透視画像と位置合わせされると、前記２Ｄ蛍光透視画像の前記取得画像データから前記２Ｄ投影画像データを減算することにより算出される差分画像を提供することにより、すべてのミスマッチ領域が前記介入器具の検出をガイドするために使用されることができ、前記２つの画像における共通パターンの前記コントラストが減らされる一方、いずれか一方の画像においてのみ見えるパターンの前記コントラストは強調され、
   前記介入器具を検出するのに検出フィルタが適用される場合、ミスマッチ領域が介入器具を含んでいる可能性がより高いという事実に基づき、前記差分画像が、前記検出フィルタが適用される前記関心領域を減らすため、又は該フィルタの出力を重み付けるために用いられる、コンピュータプログラム。
10. 前記差分画像が、介入器具の前記可視性を少なくとも部分的に妨害する又は低下させる場合がある、より高いハウンスフィールド密度を持つ対象物により少なくとも部分的に隠される介入器具を検出するために使用される、請求項９に記載のコンピュータプログラム。

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