用于手术和介入性医疗过程中的成像系统和方法技术方案

一种用于显示内部解剖结构的图像的系统和方法包括用于在过程中从低分辨率扫描提供手术区域的高分辨率图像的图像处理装置。图像处理装置数字地操作先前获得的高分辨率基线图像以基于基线图像的运动排列产生很多代表图像。在过程中，选择具有与新的低分辨率图像的可接受的关联度的代表图像。合并所选择的代表图像与新图像以提供手术区域的更高分辨率的图像。图像处理装置还用于基于成像装置的运动提供显示图像的交互运动，以及允许在显示图像上布置注释以帮助放射技师和外科医生之间的通信。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于手术和介入性医疗过程中的成像系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2011年10月5日提交的美国专利申请号No.13/253,838的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术介绍
本专利技术构思一种用于改变观看和获得患者图像(例如，通过X射线)的方式的系统和方法。更特别地，本专利技术的系统和方法提供用于减少手术过程中患者受到的总辐射而不明显地牺牲获得的图像的质量或分辨率的方法。很多手术过程要求获取患者的内部身体结构(例如器官和骨骼)的图像。在一些过程中，借助于手术部位的周期性图像完成手术。手术可以广泛地指由医疗人员(例如，外科医生、介入放射科医生、心脏病医生、疼痛治疗的医师等)进行的侵入性测试或介入。在实际上由连续成像导引的(我们将称作图像导引的)手术和介入中，频繁的患者图像对于医师的手术仪器(它们是导管、针、仪器或植入物)的适当放置或某些医疗过程的操作是必要的。荧光检查或荧光是手术期间发生的X射线的一种形式并且由荧光单元(也称作C形臂)提供。C形臂发送穿过患者的X射线束并采集在那个区域中的解剖结构(例如，骨骼和血管结构)的图片。与其他图片类似，这个图片是三维(3D)空间的二维(2D)图像。但是，与通过照相机采集的其他图片类似，关键的3D信息可能存在于基于谁在谁前面以及一个东西相对于另一个东西是多大的2D图像中。DRR是通过采取患者的CT扫描以及模拟从不同角度和距离采取X射线而获得的X射线的数字表示。结果是，可以模拟可以被那个患者接受的任何可能的X射线，这对于患者的解剖特征相对于彼此看起来如何是唯一且特定的。因为“场景”是受控的，即，通过控制C形臂到患者的虚拟位置以及两者之间的角度，因此可以生成看起来像在手术室(OR)中捕获的X射线的图片。很多成像方法(例如采集荧光图像)涉及将患者暴露于辐射，尽管是小剂量的辐射。但是，在这些图像导引的过程中，小剂量的数量增加，从而总辐射暴露不仅对患者是有问题的，对外科医生或放射科医生或参与手术过程的其他人也是有问题的。存在降低在采集图像时对患者/外科医生的辐射暴露的量的各种已知方式，但是这些方法实现的代价是降低获得的图像的分辨率。例如，某些方法使用与标准成像不同的脉冲成像，而其他方法涉及手动地改变曝光时间或亮度。缩小视场也可能可以减小辐射暴露的区域以及它的量(即改变辐射“散射”的量)，但是也以减少外科医生做医疗决定时可用的信息为代价。进一步地，手术介入期间采集的图像经常被无关的OR设备或用于执行介入的实际仪器/植入物遮挡。限制这些物体对后面的正常解剖结构的遮挡对医学界具有切实的利益。需要一种可与标准医疗过程连接使用、减少对患者和医疗人员的辐射暴露但不牺牲X射线图像的准确性和分辨率的成像系统。还需要一种对仪器和硬件(例如，植入物)做出解释(否则可能遮盖手术部位的全视图)的成像系统。
技术实现思路
根据一方面，提供一种用于基于先前获取的高分辨率基线图像和新获取的低分辨率图像在手术或介入性医疗过程中生成患者的内部解剖结构的显示的系统和方法。高分辨率图像可以是在过程中获得的图像或前置过程图像(例如，DRR)。低分辨率图像可以使用脉冲和/或低剂量辐射设备获取。系统构思一种用于数字地操作高分辨率基线图像以产生基线图像组的图像处理装置，基线图像组包括4D或6D空间中的基线图像的多个运动排列处的基线图像的代表图像。将新的低分辨率图像与基线图像组比较以选择具有与新图像的可接受的关联度的代表图像。图像处理装置可实施进行比较的算法，例如主成分分析或其他统计测试。图像处理装置进一步用于将所选择的代表性的高分辨率图像与新的低分辨率图像合并以生成待显示的合并图像。可进一步处理合并图像以允许所选择的高分辨率图像和新的低分辨率图像之间的交替，或者调整并入显示图像的两个图像的量。在本专利技术的另一个特征中，成像系统可包括在成像装置相对于患者移动时用作取景器的图像处理装置。根据这个特征，使用成像装置在第一方向获取手术区域的图像。当成像装置、患者或手术台从第一方向开始移动时，连续地显示获取的图像。使用图像处理装置跟踪这个运动以相对于跟踪运动移动显示图像。通过这个特征，显示器用作取景器以预测被成像装置在那时捕获的新图像如何表现。由此，这个特征可用于确定在何处采集患者的解剖结构的下一个现场图像或者可用于帮助将多个图像缝合在一起以形成手术区域的更大全景。图像处理装置可实施适于优化预测图像和最小化显示的偏差或偏离角(off-angle)现象的软件。另一方面，图像处理系统允许显示图像的注释以识别解剖特征或期望的图像轨迹或对齐。在公开的实施例的进一步特征中，在基线方向中获取手术区域中的解剖结构的基线图像，数字地操作这个基线图像以产生基线图像组，基线图像组包括基线图像的多个运动排列处的基线图像的代表图像。手术区域的新图像中的解剖结构的部分被物体遮挡。这个新图像与基线图像组比较以选择具有与新图像的可接受的关联度的代表图像。图像处理系统生成示出遮挡物体被最小化或消除的手术区域的显示图像。系统进一步允许遮挡物体淡入和淡出显示。附图说明图1是包括成像系统、图像处理装置以及跟踪装置的图像导引手术设备的示图；图2a是使用成像系统中的全剂量辐射获取的手术区域的图像；图2b是图2a示出的手术区域的图像，其中图像是使用低剂量辐射获取的；图2c是根据本专利技术一方面的将图2a-b示出的两个图像合并得到的手术区域的合并图像；图3是通过图1示出的图像处理装置执行的图形处理步骤的流程图；图4a是包括遮挡部分的解剖结构的物体的手术区域的图像；图4b是边缘增强的图4a示出的手术区域的图像；图4c-4j是示出将不同的函数应用至图4b的手术区域以确定视图中的解剖特征和非解剖特征的图像；图4k-41是使用阈值和查找表生成的掩模(mask)的图像；图4m-4n分别是图4k-41示出的掩模被膨胀和腐蚀后的图像；图4o-4p分别是将图4m-4n的掩模应用至图4b的过滤图像以消除图像的非解剖特征而产生的图像；图5a是包括遮挡部分的解剖结构的物体的手术区域的图像；图5b是图5a示出的手术区域的图像与基线图像部分地合并以显示被遮挡的解剖结构的图像；图6a-b是包括遮挡物体的手术区域的基线图像和合并图像；图7a-b是因成像装置或C形臂的运动而调整的手术区域的显示，其中提供用于获取新图像的成像装置的界内位置和界外位置的指示符；图8a-b是因成像装置或C形臂的运动而调整的手术区域的显示，其中提供新图像何时可被缝合至先前获取的图像的指示符；图9a-b是因成像装置或C形臂的运动而调整的手术区域的显示，其中提供成像装置与用于获取新图像的期望轨迹的对齐的指示符；图10是用于图1示出的图像处理装置的显示器和用户界面的视图；图11是根据本专利技术的图像对齐过程的图形表示。具体实施方式为了促进本专利技术的原理的理解的目的，现在将参考附图中示出的以及下面的说明书描述的实施例。应理解的是，不意欲由此限制本专利技术的范围。应进一步理解的是，如本专利技术所属领域的技术人员通常想到的，本专利技术包括对示出的实施例的任何替换和修改，且包括对本专利技术的原理的进一步应用。图1示出典型的成像系统100。成像系统包括支撑C形臂成像装置103的底座单元102。C形臂包括辐射源104，辐射源104定位在患者P的下方，并向上朝接收器10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在医疗过程中生成手术区域中的患者的内部解剖结构的图像显示的方法，包括：在基线方向获取包括所述患者的内部解剖结构的所述手术区域的高分辨率基线图像；数字地操作所述高分辨率基线图像以生成基线图像组，所述基线图像组包括从所述基线方向开始的所述基线图像的多个运动排列处的所述基线图像的代表图像；以较低的分辨率获取所述手术区域的新图像；将所述新图像与所述基线图像组中的所述代表图像比较，并选择具有与所述新图像的可接受的关联度的所述代表图像；以及将所选择的代表图像与所述新图像合并并显示合并图像。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.05 US 13/253,8381.一种用于在医疗过程中生成手术区域中的患者的内部解剖结构的图像的方法，包括：在基线方向获取包括所述患者的内部解剖结构的所述手术区域的高剂量2D基线图像；数字地操作所述高剂量2D基线图像以生成基线图像组，所述基线图像组包括从所述基线方向开始的所述基线图像的多个运动排列处的所述基线图像的代表图像；以比所述高剂量2D基线图像低的剂量获取所述手术区域的新2D图像；将所述新2D图像与所述基线图像组中的所述代表图像比较，并选择具有与所述新2D图像的可接受的关联度的所述代表图像；以及将所选择的代表图像与所述新2D图像合并并显示合并图像。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基线图像是预处理全剂量荧光图像或CT扫描图像的一个。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述基线图像是DRR。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述新2D图像是脉冲图像。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字地操作所述基线图像的步骤中的运动排列包括与2D图像相对应的4D运动。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字地操作所述基线图像的步骤中的运动排列包括与3D图像相对应的6D运动。7.根据权利要求1所述的方法，其中：在所述数字地操作所述高剂量2D基线图像的步骤中，所述运动排列形成预定的图像运动网格；以及将所述新2D图像与所述基线图像组的所述代表图像比较的步骤包括比较所述代表图像与所述新2D图像之间的重叠像素。8.根据权利要求1所述的方法，其中将所述新2D图像与所述基线图像组的所述代表图像比较的步骤包括试探性地选择用于比较的代表图像。9.根据权利要求1所述的方法，其中将所述新2D图像与所述基线图像组的所述代表图像比较的步骤包括：对所述基线图像组中的所述代表图像的像素进行主成分分析(PCA)以生成一个或多个PCA向量；生成代表图像中的每个像素的PCA向量的PCA矩阵；生成每个代表图像和所述图像中的每个像素的像素数据的所述新2D图像的列向量；对所述PCA矩阵和每个列向量进行矩阵运算以生成每个代表图像和所述新2D图像的新列向量；获取所述新2D图像的列向量和每个代表图像的列向量的点积；以及选择所述点积在预定阈值内的代表图像。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述医疗过程包括遮挡或遮盖所述手术区域的图像中的所述内部解剖结构的工具、仪器、植入物或其他物体，其中将所述新2D图像与所述基线图像组的所述代表图像比较的步骤包括仅比较被遮挡或遮盖的部分外的所述图像的部分。11.根据权利要求10所述的方法，其中通过确定具有在预定阈值外的值的像素确定所述新2D图像的被遮挡或遮盖的部分的位置。12.根据权利要求1所述的方法，其中：数字地操作所述高剂量2D基线图像的步骤包括提供每个代表图像的平行图像，在所述平行图像中减少或增强某些解剖特征；以及合并所选择的代表图像的步骤包括将所述平行图像合并且显示到所述所选择的代表图像。13.根据权利要求1所述的方法，其中所述比较步骤包括：获取所述基线图像组的每个基线图像的每个像素的亮度值；获取所述新2D图像的每个像素的亮度值；生成所述新2D图像和每个基线图像的相同位置像素的亮度值的标量函数，所述标量函数生成标量值；以及选择具有最大标量值的基线图像作为所述所选择的代表图像。14.根据权利要求13所述的方法，其中生成每个基线图像的标量函数相对于所有基线图像的标量函数的Z分值，并选择具有最大Z分值的基线图像。15.根据权利要求13所述的方法，其中：至少在具有图形处理单元(GPU)的装置中进行比较步骤；以及用于生成标量函数的像素的倍增在GPU的多个处理器中同时发生。16.根据权利要求13所述的方法，其中生成所述标量函数的步骤包括：基于所述基线图像和所述新2D图像的下采样图像生成所述标量函数，其中所述下采样图像包括比原始基线图像和新2D图像的所有像素少的像素。17.根据权利要求16所述的方法，其中选择具有最大标量值的图像的步骤包括：选择具有最大标量值的下采样基线图像；在所选择的图像的多个运动排列处进一步操作所选择的下采样基线图像以生成第二基线图像组中的第二基线图像；生成所述新2D图像和所述第二基线图像组中的每个第二基线图像中的相同位置的像素的第二标量值；以及选择具有最大标量值的第二基线图像作为所选择的代表图像。18.根据权利要求1所述的方法，其中数字地操作所述高剂量2D基线图像的步骤包括过滤所述基线图像以辨别所述基线图像中的解剖特征和非解剖特征。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述过滤包括边缘检测。20.根据权利要求18所述的方法，其中所述过滤包括：在每个像素的预定邻域中应用邻域函数；以及如果所述邻域函数的结果在预定阈值外，识别每个像素为解剖的像素。21.根据权利要求18所述的方法，其中所述过滤包括：在每个像素的预定邻域中应用邻域函数；以及如果所述邻域函数的结果与预定查找表中的结果相对应，识别每个像素为非解剖的像素。22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述邻域函数选自标准偏差、梯度以及标准偏差和梯度的复合函数的一个或多个。23.根据权利要求22所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·E·艾萨克斯，塞缪尔·莫里斯·约翰斯顿，
申请(专利权)人：塞伏瑞斯派恩公司，
类型：发明
国别省市：美国;US