用於在介入操作期間進行輪廓繪製和圖像顯示的圖像處理系統和方法
2023-05-26 23:14:51
專利名稱：用於在介入操作期間進行輪廓繪製和圖像顯示的圖像處理系統和方法
用於在介入操作期間進行輪廓繪製和圖像顯示的圖像處理系統和方法
技術領域：
本發明通常涉及一種圖像處理系統和方法，用於在介入操作期間通過 採集有關活體對象的二維活動圖像而能夠對其體內部分進行可視化和研 究，並且用於顯示相對於三維體數據的二維活動圖像。
在醫學診斷和治療領域，更確切地說在x射線透視的背景中，特別注
重對活體對象的身體體積和體內部分進行成像。因此，下面將通過舉例的
方式來考慮生物體體積的x射線投影，但本發明並不局限於此，而是可用
於具有相似次要條件的所有應用領域中。
參照附
圖1和2，典型的X射線系統包括通過機器臂3支撐近端患者 臺2的搖臂(C形弧或G形弧)1。容納在搖臂1內，設有X射線管4和X 射線探測器5，X射線探測器5布置並配置成接收穿過患者7並產生表示其 強度分布的電信號的X射線6。通過移動搖臂l，能將X射線管4和探測 器5放置在相對於患者7的任何期望位置和取向上。
在各種類型疾病的治療中，通過透視觀察導管在患者血管系統中的行 進提供了特定的醫學應用。因而，在介入期間，需要在X射線監視(透視) 下推進導管或導絲和/或引入支架或線圈，並且儘可能精確地通過血管到達 感興趣的體內部分。當執行這一操作時，通過經由導管引入短脈衝的射線 透不過的造影劑，並使用例如參照附圖1和2所述的系統獲得X射線圖像， 在第一監視器上在較短時間內看到二維活動圖像形式的血管結構。
為了患者的安全，非常期望使對X射線的暴露最小，並同樣使引入體 內的造影劑量最小，因此眾所周知的是在介入期間在第二監視器上顯示一 個或多個關於感興趣區域所採集的介入前X射線圖像，以便輔助導航。這 些介入前圖像作為血管系統的"血管圖"或"路標"為巡診醫師提供取向 支持。為了在例如導管放置期間提高導引，已經研發了各種方法將這種路 標信息疊置到介入期間獲得的透視圖像上，這些內容例如在WO2004/04329 中進行了描述。然而，對於醫師而言非常期望能夠以三維形式觀看在介入期間採集的 二維透視圖像數據，因為這將能夠對介入數據進行實時跟蹤，同時顯著地
降低在介入操作期間對患者的造影液和x射線暴露負荷。三維圖像數據例
如可以藉助於3D旋轉掃描來採集(任選地其中將造影劑注入待成像的身體 體積內)，因為這樣的掃描(即，3D旋轉血管造影或3DRA)常規是在任 何為了診斷和治療評估的介入之前獲得的，所以這樣獲得的三維圖像數據 可能特別有優勢。
輪廓繪製對於有效傳送大量信息，例如具有少許筆畫(stroke)的體模 型結構(參見圖3b，其是動脈瘤的輪廓繪製，相比較的是圖3a所示的動脈 瘤表面繪製)是很有用的。輪廓繪製算法可以劃分為兩個子類
1. 基於多邊形的表示(表面繪製)
2. 針對體積體素定製的表示(直接體積繪製)
如本領域的技術人員應當理解的，對於多邊形網格而言，輪廓邊緣由 將背面多邊形連接到正面多邊形的所有邊緣的可見線段組成，並且在速度 和魯棒性方面存在用於基於多邊形的表示的非常有效的輪廓繪製算法。然 而，基於多邊形的表面繪製技術存在若干缺點，包括血管分割所需的龐大 預處理開銷和大量存儲器(由此降低或消除了靜脈信號)以及等表面的生 成/表示。在3DRA體積的血管分割背景中，骨或其他不透明物質的存在使 得進行自動血管分割很困難。在此，這種分割通常需要一些用戶交互進行 微調，考慮到龐大預處理開銷，這是相當麻煩的。此外，精細分割可導致 表面表示和體積表示之間的差別(丟失了小血管)。
通過代替地使用體素表示，理論上能克服上面有關多邊形表示略述出 的問題。然而，雖然針對基於體素的輪廓繪製存在各種各樣的方法，但是 這些方法沒有一種能在速度方面與基於多邊形的方法競爭，這至少部分是 因為這樣的事實已知的基於體素的各方法全都使用某種形式的精細分類， 以通常根據體素的不連續性來探測邊界/外輪廓。
因此，本發明的目的是提供一種圖像處理系統和方法，其能夠對關於 身體體積捕獲的二維圖像數據進行三維表示的輪廓繪製，這種圖像處理系
統和方法在關於二維活動圖像數據使用時速度足夠快，而不會產生與常規 的基於多邊形的表示有關的龐大預處理開銷。根據本發明，提供了一種用於對身體體積的圖像進行顯示的圖像處理 系統，該系統包括用於接收有關所述身體體積的三維圖像數據的裝置；用 於生成所述三維圖像數據的直接體積輪廓繪製的輪廓繪製裝置，所述輪廓 繪製由與所述三維圖像數據的體素的半透明度成比例的數值組成；以及用 於顯示得到的輪廓繪製的裝置。
同樣根據本發明，提供了一種用於對身體體積的圖像進行顯示的方法， 包括接收有關所述身體體積的三維圖像數據，生成由與所述三維圖像數據 的體素的半透明度成比例的數值組成的直接體積輪廓繪製，以及顯示得到 的輪廓繪製。
本發明延伸到一種用於顯示醫學圖像序列的醫學觀察系統，該系統包 括採集有關身體體積的三維圖像數據的採集裝置，採集所述身體體積內部 二維圖像序列的採集裝置，如上定義的圖像處理裝置以及在所述三維圖像 數據顯示的輪廓繪製內顯示二維圖像序列的裝置。
由於在輪廓繪製期間可使體素的半透明度而不是體素密度可視化，因 此亮度的變化是反向的並且身體體積內的結構(例如，血管)在輪廓處具 有最大亮度而在中央處具有最小亮度，並且有可能在幾乎沒有任何附加開 銷的情況下實現關於用於顯示的輪廓繪製的附加的、相對快速的二維圖像 處理技術。因而，更具體地，圖像處理裝置可包括改變用於顯示的輪廓繪 制中的對比度和/或陰影水平的裝置。在優選實施例中，可設有控制裝置， 有利的是模擬控制裝置(例如，滑塊控制裝置)以使用戶能夠選擇並控制 用於顯示的輪廓繪製中的對比度和/或陰影水平。可設有邊緣增強裝置以借 助於例如反銳化3*3巻積濾波器加強輪廓對比。可設有用於執行關於用於 顯示的輪廓繪製的強度校正(例如，反伽馬校正)，從而能夠使身體體積內 結構的暗度水平得到控制的同時保持輪廓的亮度的裝置
由輪廓繪製裝置執行的直接體積輪廓繪製可通過例如光線投射法或借 助於對按後至前或前至後排序通過體素密度的體積的紋理切片進行繪製來 實施。
本發明的這些方面及其他方面將從本文所描述的各實施例中變得明 顯，並且將參考這些實施例進行闡述。現在將僅通過舉例的方式並參照附圖來描述本發明的各實施例，其中:
圖1是X射線搖臂的示意性側視圖2是X射線搖臂的透視圖3a和3b分別是動脈瘤的表面繪製和輪廓繪製；
圖4是示出了根據本發明舉例說明性實施例的圖像顯示系統的主要特 徵的示意性方塊圖；以及
圖5示出了改變3D陰影程度的圖像A到D。
在介入之前，進行3D旋轉掃描的採集、重建並準備可視化。在實際的 介入期間，進行2D活體(透視)圖像的採集、處理並結合3D體積進行可 視化。在介入期間，可基本上實時地結合3D體積顯像2D圖像，或者可將 2D圖像進行預處理和/或存儲，使得能對它們進行回顧並且結合和關於體數 據進行呈現。此外，可將活體透視數據不斷地存儲於能在任何時間進行回 顧的循環緩衝器(具有3D體數據)中，而不存儲在長期存儲介質中。
如上面所提到的，輪廓繪製對於有效傳送大量信息，例如具有少許筆 畫的體積模型結構是很有用的。通過將用於繪製體數據的輪廓與2D活體數 據結合，仍可傳送大量的體積信息，同時這種繪製方法提供了對活體數據 的最小幹擾。如上面所解釋的，與多邊形表示(表面繪製)相比，在速度 和魯棒性方面存在有效的輪廓繪製算法，但仍存在與該技術有關的若干缺 陷，這些缺陷使得該技術不適於在結合3D體數據可視化2D活動圖像數據 中使用。
常規的基於紋理的輪廓繪製根據體素的不透明度使用某種形式的等表 面提取，以便精細提取輪廓。
參照附圖4，以示意性方塊圖的形式示出了根據本發明舉例說明性的實 施例的圖像顯示系統，用於顯示3D旋轉血管造影的路標，其中連同3D重 建血管信息一起顯示2D活動圖像。所示系統包括用接收表示身體體積的三 維圖像數據的裝置IO，其用例如3DRA (旋轉血管造影)技術來採集圖像 數據。該圖像數據在模塊12中進行重建。同樣還提供裝置16用於接收例 如當手術器械穿過身體體積時藉助於X射線透視技術所採集的有關身體體積的二維活動圖像數據。將所產生的活動圖像(方塊18表示)饋送給圖像 合成模塊38並在模塊40中進行顯示。窗寬/窗位範圍選擇模塊24繪製與 裝置IO所採集的3D圖像有關的身體體積的半透明度，後面還將對此做出 更詳細的描述，並將得到的控制數據饋送給3D體積可視化模塊12。藉助 於(在圖形處理單元或GPU上運行的)2D圖像處理模塊20可更突出輪廓， 同時使血管內部變暗，並可生成所得到的圖像A-D，如附圖5所示。藉助 於輪廓(滑塊)控制模塊26，用戶能夠從A到D逐漸地遍歷模塊40上顯 示的圖像，從而控制所需的3D陰影量。
在己知的基於紋理輪廓繪製方法中，使用一種將規則體數據集作為輸 入，而無需諸如梯度的任何附加信息的算法。在使用等表面提取以前至後 的方式對多邊形進行切片的約束下,通過使用3D紋理處理實現數據集的繪 制。在這種已知的3DRA體積的直接體繪製中，得到的數值表示射線透不 過的體素密度，其中血管在中央處具有其最大亮度而在輪廓處具有最小亮 度。然而，根據本發明，對體素的半透明度(使用圖4中模塊24的正常窗 寬/窗位範圍選擇)，而非體素的密度進行可視化，使得該亮度的變化是反 向的，而血管在外輪廓處具有最大亮度。為了強化輪廓的對比度，邊緣增 強可藉助於已知的反銳化掩模3*3巻積濾波器應用。最終，為了控制血管 的暗度水平，同時保持輪廓的亮度，可應用強度校正(例如，反伽馬校正)。 通過控制濾波器內核和強度校正(在圖4中的控制模塊26處)，用戶可選 擇和控制在顯示裝置40上顯示的圖像中期望水平的2D/3D對比度/陰影。 通過使用已知的圖形硬體，在幾乎沒有任何附加開銷的情況下可快速實現 本發明提出的附加2D圖像處理。
如上所述，在本發明中，對體素的半透明度而非體素的密度進行可視 化，並且這可通過對已知的直接體繪製算法進行細微修正來實現，這種算 法例如由Zoltan Nagy禾Q Reinhard Klein在"High-Quality Silhouette Illustration for Texture-Based Volume Rendering", Journal of WSCG， 第12 巻，No. 1-3， ISSN 1213-6972中進行了描述，並對於本領域的技術人員來 說是顯然的。所得的體繪製等式可通過光線投射法或藉助於使用例如下面 的算法對按後至前或前至後排序通過體素密度的體積的紋理切片進行繪製 來實現後至前繪製
對於每次(切片，s，從後至前)
顏色=5.不透明度*8.顏色+ (l-S.不透明度))*顏色
前至後繪製
顏色=0 不透明度=0
Foreach (切片，s，從前至後) 顏色=顏色+(1-3.不透明度)*3.不透明度*5.顏色 不透明度=不透明度+ (l-不透明度).s.不透明度
在兩種算法中，顏色先由體素的不透明度進行預乘；其中s.顏色i.coPs. 不透明度
現在用體素的半透明度進行預乘 其中s.顏色-s.col* (1 —s.不透明度) 體積的半透明度能夠得到繪製。
應當注意的是，上面提到的實施例是對本發明進行說明而非限制，並 且本領域的技術人員在不脫離權利要求書所界定的本發明範圍的情況下能 夠設計很多備選的實施例。在權利要求書中，任何放在圓括號內的參考標 記不應理解為對該權利要求的限制。詞語"包括"等類似用語並不排除存 在除了那些列在任一項權利要求或作為整體的說明書中的元件或步驟之外 的元件或步驟。 一種元件的單個參考並不排出這種元件的多個參考，反之 亦然。本發明可藉助於包括若干不同元件的硬體，以及藉助於適於編程的 計算機來實現。在列舉了若干裝置的設備權利要求中，若干這些裝置可具 體化為一個和相同項目的硬體。在相互不同的從屬權利要求中引用某些測 量的這一事實並不表明使用這些測量的組合沒有優勢。
權利要求
1、一種用於對身體體積的圖像進行顯示的圖像處理系統，所述系統包括用於接收有關所述身體體積的三維圖像數據的裝置(12)；用於生成所述三維圖像數據的直接體積輪廓繪製的輪廓繪製裝置(24)，所述輪廓繪製由與所述三維圖像數據的體素的半透明度成比例的數值組成；以及用於顯示所述得到的輪廓繪製的裝置(40)。
2、 根據權利要求1所述的系統，還包括用於改變所述用於顯示的輪廓 繪製中的對比度和/或陰影水平的裝置(26)。
3、 根據權利要求2所述的系統，包括用於使用戶能夠選擇並控制所述 用於顯示的輪廓繪製中的對比度和/或陰影水平的控制裝置(26)。
4、 根據權利要求3所述的系統，其中，所述控制裝置(26)包括模擬 控制裝置。
5、 根據權利要求4所述的系統，其中，設有邊緣增強裝置(20)以加 強輪廓的對比度。
6、 根據權利要求5所述的系統，其中，所述邊緣增強裝置包括巻積濾 波器。
7、 根據權利要求1所述的系統，包括用於執行關於用於顯示的輪廓繪 制的強度校正，從而能夠使所述身體體積內結構的暗度水平得到控制同時 保持所述輪廓的亮度的裝置(20)。
8、 根據權利要求1所述的系統，其中，由所述輪廓繪製裝置(24)執 行的直接體積輪廓繪製是通過光線投射法或藉助於對按後至前或前至後排 序通過體素密度的體積的紋理切片進行繪製來實現的。
9、 一種用於對身體體積的圖像進行顯示的方法，包括如下步驟接收 有關所述身體體積的三維圖像數據，生成由與所述三維圖像數據的體素的 半透明度成比例的數值組成的直接體積輪廓繪製，以及顯示所述得到的輪 廓繪製。
10、 一種用於顯示醫學圖像序列的醫學觀察系統，所述系統包括採集 有關身體體積的三維圖像數據的採集裝置(10)，採集所述身體體積內二維圖像序列(18)的採集裝置(16)，根據權利要求l所述的圖像處理系統以 及在所述三維圖像數據顯示的輪廓繪製內顯示所述二維圖像序列(18)的 裝置(38、 40)。
全文摘要
一種醫學觀察系統，其中採集身體體積的3DRA圖像並在介入期間在身體體積內採集二維活動圖像數據。執行有關3D圖像的直接體積輪廓繪製，從而產生3D圖像的輪廓繪製，該輪廓繪製由與3D圖像數據的體素的半透明度成比例的數值組成，並且在得到的身體體積的輪廓繪製中顯示2D圖像的活體序列(18)。用戶可控制在所顯示的輪廓繪製中的陰影和/或對比度的水平。
文檔編號G06T15/08GK101299965SQ200680040581
公開日2008年11月5日 申請日期2006年10月25日 優先權日2005年11月2日
發明者P·M·米勒坎普 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司