CN101065062B - 图像处理系统和介入期间显示图像的方法 - Google Patents

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Abstract

为减少介入期间患者接收的造影液和X射线负载，提出实时显示结构以组合2D活动图像和3D重构体积信息。通常通过对图像数据进行反映操作从下面(后前)记录以及从上面(前后)提供2DX射线图像。为保证2D活动图像在重构3D体积内的正确定位，提出通过围绕Y轴对3D信息进行反映以及通过以相反排序提供3D信息，而以和2D活动图像相同的逆视角显示3D信息。另外结合透明表面/体积透视与侧影透视，以在保存3D印象的同时维持2D信息中的造影。

Description

图像处理系统和介入期间显示图像的方法
技术领域
本发明总体涉及通过在介入期间采集活体内部的活动二维图像而显示和检查活体内部的图像处理系统和方法。
背景技术
特别在医学诊断和治疗领域即X射线透视检查环境中进行对身体和活体内部的成像。因此，下文将通过举例考虑生物体的X射线投影，但是本发明不限于此而是可以用在所有具有相似继发病症的应用领域中。
参照附图图1和2，典型的X射线系统包括由机器人臂3支承在患者平台2附近的摆臂(C型或G型)。在摆臂1内提供X射线管4和X射线检测器5，此X射线检测器5安排和配置为接收经过患者7的X射线6并产生表示其强度分布的电信号。通过移动摆臂1，可将X射线管4和检测器5相对于患者7放置在任何期望的位置和方向处。
在各种病症和疾病的治疗中，通过对导管在患者血管系统内的传播进行透视观测而提供特殊医疗应用。这样，在介入期间，导管或导线需要在X射线监视(透视)下行进，并将尽可能精确地通过脉管到达所关心的内部。在执行此过程时，通过将阻挡辐射的造影剂的短暂爆发引导通过导管和采用例如参照图1和2所描述系统而获取X射线图像，可以使导管结构在第一监视器上以活动二维图像形式短时可视。
为了患者的安全，非常希望X射线照射尽量减少并使引入体内的造影剂量尽量降低，因此已知，在介入期间在第二监视器上显示对所关心区域采集的一个或多个预先介入X射线图像以协助导航。对于辅助医师，这些预先介入的图像支持作为血管系统“血管图”或“路线图”的方向。为改进在例如导管放置期间的引导，开发了如WO2004/034329中所述的将这些路线图信息覆盖在介入期间所获取的透视图像上的方法。
然而，非常期望医师能够三维观测在介入期间采集的二维透视图像数据，因为这一点使得可以实时跟踪介入数据，同时大大减少在介入期间患者接收的造影剂流量以及X射线照射量。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种图像处理系统和方法，其可以相对于三维体积数据显示所获取的身体体积的活动二维图像数据。
根据本发明，提供一种显示在介入期间所获取的身体体积的图像数据的系统，所述系统包括接收所述身体体积的三维图像数据和重构所述身体体积的三维图像的装置，接收在介入期间获取的所述身体体积的二维图像数据的装置，使所述二维图像数据与所述身体体积的三维图像相应区域对准的装置，以及在所述身体体积的三维图像相应区域内显示所述二维图像数据的装置。
优选在介入之前采集三维图像数据，二维图像数据有利地为活动的并且在身体体积的三维图像内基本上实时地显示。
有利地通过3D旋转扫描(优选其中将造影剂注入身体体积中)采集三维图像数据，特别地，这是因为为了诊断和治疗评价目的，在任何介入之前定期进行这样的扫描(例如3DRA)。例如通过X射线透视成像装置采集两维图像数据。
在常规2D(荧光)图像显示中，2D图像趋向被镜像，因此，当在身体体积的三维图像中显示时此图像可能包括错误的透视失真。所以，在优选实施例中，优选围绕Y(纵向)轴对三维图像数据进行镜像，并且有利地提供3D图像数据用于相对于身体体积的3D图像的深度按照逆序显示。
有利地，在三维图像数据的轮廓呈现中显示活动二维图像数据以提供活动二维图像数据的最小阻碍/观测。某些情况中，还有利地组合所述三维图像数据的透明表面/体积透视和其轮廓呈现。
优选地，只有在出现两维图像数据的地方才将活动二维图像数据叠加在三维图像数据上。采用混合装置实现这一点，其中将两维像素密度用作混合因子。
而且根据本发明，提供一种显示在介入期间采集的身体体积的图像数据方法，此方法包括采集所述身体体积的三维图像数据和重构所述身体体积的三维图像，在所述介入期间采集所述身体体积的二维图像数据，使所述二维图像数据与身体体积的三维图像的相应区域对准，以及在所述身体体积三维图像相应区域内显示所述二维图像数据。
附图说明
本发明的这些和其它方面参照这里所描述的实施例将会明显，并且参照这里所描述的实施例对其进行说明。
现在仅仅通过举例并参照附图说明本发明的实施例，其中：
图1是X射线摆臂的示意性侧视图；
图2是X射线摆臂的透视图；
图3a和3b是动脉瘤的相应表面和轮廓呈现图；
图4是描述根据本发明示例性实施例的图像显示系统主要特征的示意性结构图；以及
图5到9是用于借助辐射灯泡描述根据本发明示例性实施例的3D显示方法的示意图。
优选实施方式
在介入前，采集、重构3D旋转扫描并准备显示。在实际介入期间，结合3D体积来采集、处理和显示活动2D(荧光)图像。
为给出正确的视觉印象，必须将输入的活动2D信息放置到3D-视锥中并与3D-体积信息仔细对准。
为在3-空间中放置2D数据，将在2D采集期间所使用的几何信息传到观测控制器。通过使用此几何信息，可将匹配的实际摄像结构(virtualcamera set-up)即视锥和边线用于3D显示。
如以前所提到的，由于优选的显示模式，镜像2D图像。因此，当处于3-空间中时，图像包括错误的透视失真。由于缺少深度信息，2D信息本身不能再次扭曲。因此所采用的方法是在2D成像所示的相同逆观测投影下显示3D信息。由于齐次坐标的性质，因此不可能通过透视投影转换(其是图形处理流水线的一部分)的修改来定义期望的逆视锥。
解决方法在于围绕Y-轴进行镜像和以从后到前的次序提供3D信息。
例如可通过倒置所有的x-坐标完成上述镜像，其可以由glScale(-1，1，1)操作来定义(在OpenGL中)。对其中排序清楚的基于3D纹理地图的体积呈现，可以通过观测体积重新排列纹理片来简单地实现这一点。
对于3D表面呈现，可通过改变默认隐藏表面Z-缓冲器测试来实现此逆序排列。再次，在OpenGL中，这可以使用用来比较输入值与在深度缓冲器中出现的深度值的glDepthFunction来指定，从而在远处的像素覆盖附近的像素。
由于镜像操作，将反转影响照明计算的前部/前面多边形的概念。可通过将投射多边形的规则顶点方向从默认的逆时针改变为顺时针而处理此反转。
为保持2D信息中的造影同时保存3D体积印象，必须采取特别措施进行显示。
具有少量笔画的轮廓呈现对于有效传送大量信息(例如体积模型结构)是有用的(参见作为动脉瘤的轮廓呈现的图3b，并与图3a所示出的表面呈现相比)。对于多边形网格，轮廓边缘由将向后多边形连接至向前多边形的所有边缘的可视段组成。通过组合轮廓以呈现体积数据与活动的2D数据，仍可传送大量体积信息，而该呈现方法对活动数据的阻挡最小。特别在许多3D信息来自隐线消除的交互式观测范围内，这一点证明是有效的。然而在其中不太交互式地检查3D模型并由活动2D采集指示方向介入放射学的范围内，如通过基于物理的体积/表面呈现所提供的大量“来自阴影信息的形状”丢失了。另一方面，当结合体积/表面呈现与活动2D图像时，会失去保持2D信息中造影的期望目标。
这里建议通过结合轮廓呈现使用透明表面/体积呈现来进行这两种方法的联合。通过选择透明度，用户可控制维持2D信息中的造影与同时保存3D-体积印象之间冲突要求的最佳设置。为了组合2D信息与3D体积，将活动数据叠加在3D信息的顶上，但是只在实际出现2D数据的地方进行此操作。通过使用混合硬件，可通过将2D像素密度用作混合因子来在像素级别处完成此操作。
可以进行的观测为在脉管腔内包括临床关心的介入数据。因此显示内部的2D信息和清除脉管体积外的信息是非常有利的。通过在外部(或内部)区域采用硬件模板缓存器，可实时遮蔽掉不规则形状的投影脉管数据。也可以手动地去除脉管树的不关注部分。
另一方面，例如可通过彩色编码动脉瘤或者实际放置支架、标志物等等而丰富体积数据。
为实时进行复合显示，建议最佳利用已知的图形硬件。本领域技术人员清楚，通过采用纹理-映射硬件可对2D/3D图像合成进行缩放和遥摄。通过使用硬件支持查询表，可在标准的图形硬件上进行卷积核、窗宽/水平和图像增强功能操作。
可以进行的一种观测为当改变2D几何参数或者修改3D显示参数时只重新显示3D信息。因此在采集活动2D期间，可以缓冲和重新使用色彩及模板缓冲器中包括的3D信息。
图4中示出了所提出的显示过程的示意图。
参照附图4，根据本发明一个示例性实施例的图像显示系统包括接收表示身体体积的三维图像数据的装置10，例如通过3DRA(旋转血管造影术)技术采集其图像数据。在模块12重构图像数据，并显示(在模块14处)身体体积的三维图像。还提供了装置16，用于接收当手术器械穿过身体体积时例如通过X射线透视技术采集的身体体积的活动、两维图像数据。所生成的活动图像(在块18处表示)被送入两维图像处理装置20，并且可使用掩蔽装置22来裁剪活动图像以仅留下所关心的图像部分(即手术器械的端部)。控制装置包括观测控制模块24和显示控制模块26。将基于活动2D采集期间采集系统的几何设置的几何信息被送入观测控制模块24，并且将也基于此2D采集系统的设置的开窗口、缩放和观测控制信号30送入3D显示模块14和两维图像处理装置20。显示控制模块26被布置用于产生控制信号32，此控制信号标识所进行的呈现并表示根据用户设置和参数的透明度控制。显示控制模块26还设置为产生表示模块34执行所需要的裁剪程度或者掩蔽程度的信号34。由此获取的信号36也被送入两维图像处理装置20以实现边缘增强和噪声降低。来自模块14的3D图像数据和来自模块22的2D图像数据被送入图像合成模块38，其被设置为使所关心图像与3D身体体积的相应区域对准，并在40处显示在3D身体体积内的所关心的活动2D图像数据的结果图像。因此，基于活动采集2D图像数据期间采集系统的几何设置，生成其中显示2D图像数据的匹配3D视图。应意识到，在图4中，粗连接线表示2D图像数据，细连接线表示3D图像数据，虚线表示控制数据。
在系统的不同配置中，可以预处理和/或存储2D图像，并结合或相对于体积数据重放和呈现2D图像。还可基于已经与旋转X射线数据配准的CT或其它体积数据进行3D显示。
现在将通过辐照灯泡说明根据本发明示例性实施例的过程。
图5示出表面呈现的3D体积。图6表示2D活动数据图像。图7示出2D和3D图像的对准合成。图8示出边缘增强和合成控制后的组合。最后，图9示出裁剪操作以消除分散或无关信息的效果。
总之，为减少介入期间患者接收的造影剂流和X射线负载，本发明提供一种实时显示结构以组合2D活动图像和3D重构体积信息。
通常通过对图像数据进行镜像操作从下面开始(后前)记录以及从上面开始(前后)提供2D X射线图像。为保证2D活动图像在重构3D体积内的正确对准，本发明提出通过围绕Y轴对3D信息进行镜像以及通过以从后到前的排序提供3D信息，而在和2D活动图像相同的逆视角下显示3D信息。另外在本发明的优选实施例中，提出结合透明表面/体积呈现与轮廓呈现，以在保存3D印象的同时维持2D信息中的造影。这样通过选取透明度的数量，用户可以控制在保存3D印象的同时维持2D信息中造影的冲突要求的最佳设置。本发明的其它必要特征为在脉管体积中仅仅显示2D信息来减少无关数据，以及通过最佳使用图形硬件而实时显示2D/3D图像合成。
下面对逆投影几何进行其它说明。为减小杂散辐射，在介入期间将X射线源保持在患者平台下。因为患者通常面朝上躺在平台上并且医师通常以正面视图显示工作，所以如上所述2D X射线图像通常受到基本上相反的透视失真。在本发明的优选实施例中，通过从相反侧以合适的虚拟摄像设置观测体积模型而在体积图像中采集相同的逆投影。然后以将处于前侧的视觉元素布置在后侧的方法从后侧到前侧构造投影图像，反之亦然。
因此，可以使用本发明上述优选实施例的系统和方法跟踪介入图像数据，例如导线在患者的血管内的位置，从而可以使输入的3D X射线图像数据与3D体积数据适当对准，在保存3D体积印象的同时可以维持2D信息中的造影，可减少分散和/或无关信息的量，并且实时进行显示。
应当注意，上述实施例是描述而非限制本发明，并且本领域技术人员可以设计许多替换实施例而不偏离附加权利要求书所限定的本发明范围。在权利要求书中，置于括号中的任何附图标记不应理解为限制权利要求。术语“包括”等等不排除任何权利要求或者说明书中整体列出的元件或步骤。元件的单数标记不排除这些元件的复数标记，反之亦然。可通过包括数个不同元件的硬件以及通过适当编程的计算机实施本发明。在列举数个装置的装置权利要求中，可通过一个或者相同项的硬件体现数个这些装置。在各种不同从属权利要求中相互引用的某些手段的简单事实不表示不可以有利地采用这些手段的组合。

Claims (8)

1.一种显示在介入期间所获取的身体体积的图像数据的系统，所述系统包括用于接收所述身体体积的三维图像数据和重构所述身体体积的三维图像的装置(10，12)，用于接收在介入期间获取的所述身体体积的二维图像数据的装置(20)，用于使所述二维图像数据与所述身体体积的三维图像的相应区域对准的装置(38)，以及用于在所述身体体积的三维图像的相应区域内显示所述二维图像数据的装置(40)，
所述系统被布置为对所述三维图像数据进行镜像以便将所述三维图像数据提供为以相对于所述身体体积的三维图像的深度的逆序进行显示。
2.如权利要求1所述的系统，适于在介入之前采集所述三维图像数据，并且在所述身体体积的三维图像内实时地显示所述二维图像数据。
3.如权利要求1所述的系统，适于通过3D旋转扫描来获取所述三维图像数据。
4.如权利要求1所述的系统，适于通过X射线荧光检查的图像装置(16)来获取所述二维图像数据。
5.如权利要求1所述的系统，布置为在所述三维图像数据的轮廓呈现内显示所述二维图像数据。
6.如权利要求5所述的系统，布置为将所述三维图像数据的透明表面或者体积呈现与其轮廓呈现相结合。
7.如权利要求1所述的系统，布置为只在出现所述二维图像数据的地方将所述二维图像数据叠加在所述三维图像数据上。
8.一种显示在介入期间获取的身体体积的图像数据的方法，该方法包括步骤：
接收所述身体体积的三维图像数据和重构所述身体体积的三维图像，
接收在介入期间获取的所述身体体积的二维图像数据，
使所述二维图像数据与身体体积的三维图像的相应区域对准，以及
在所述身体体积的三维图像的相应区域内显示所述二维图像数据，
所述方法还包括步骤：
对所述三维图像数据进行镜像以便所述三维图像数据被提供用于相对于所述身体体积的三维图像的深度以逆序进行显示。
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