專利名稱:擴大對象區域的二維圖像的顯示范圍的方法
技術領域:
本發明涉及一種用于擴大對象區域的二維圖像的顯示范圍的方法,其中,提供一較大對象區域的第一2D或3D圖像數據,記錄一較小對象區域的至少另一幅2D圖像,該較小對象區域位于該較大對象區域內,并將所提供的圖像數據與2D圖像組合起來顯示。
背景技術:
目前在外科干預中通常采用緊湊型的成像系統,如移動X射線設備、超聲波設備或內窺鏡/腹腔鏡。但這些模件為可視化只提供了很有限的視場。對外科醫生來說希望在更大的范圍內也能看見治療區域內的局部狀況。
目前公知各種在外科干預之前的較大時間間隔內記錄身體的3D圖像數據的可能性,例如利用計算機斷層造影設備或磁共振斷層造影設備,以便在干預期間用這些3D圖像數據可視化空間范圍。其中有兩種不同的方式。在第一種方式中,在主顯示器上顯現治療區域的當前的局部圖像,該圖像例如是用移動成像模件記錄的。在第二顯示器上為了進行比較而顯示由事先拍攝的3D圖像數據構成的整體視圖。在第二種方式中進行圖像疊加或融合。當前的局部圖像(如內窺鏡視圖)直接疊加到由預檢查得到的整體視圖上,其中兩個視圖可以適當透明,并具有互補的顏色。這種方式的例子例如引用在DE10210646A1中,其描述了一種3D成像模件的圖像數據與檢查區域的2D熒光鏡圖像的疊加。和該方法的其它實施方式一樣,2D熒光鏡圖像的投影幾何在疊加時要考慮在2D熒光鏡圖像中首先可以識別的結構所來源的深度。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于,提供一種用于擴大對象區域的2D圖像的顯示范圍的方法,該方法恰好對采用移動緊湊型設備記錄2D圖像時具有優點。
在本發明的方法中,提供一較大對象區域的第一2D或3D圖像數據,該圖像數據優選事先用成像斷層造影模件記錄。在該方法中,還記錄一較小對象區域的至少一個其它2D圖像,該較小的對象區域位于較大的對象區域內。然后用該其它2D圖像的投影幾何特征來寄存第一2D或3D圖像數據。在此,該其它2D圖像的記錄優選用只具有有限的成像視場的移動緊湊型設備實現。這樣的緊湊型設備例如是移動的X射線-C型設備或內窺鏡。最后從第一2D或3D圖像數據中產生一個用于對較大對象區域進行圖像顯示的圖像數據組,該圖像顯示適用于與所述其它2D圖像的組合,也就是具有相同的比例大小和透視。在該第一2D或3D圖像數據的較大對象區域的圖像顯示中至少有時集成進該其它2D圖像的顯示,其中在第一圖像數據組中為了對較大對象區域進行圖像顯示而用該其它2D圖像來代替顯示較小對象區域的圖像數據,從而形成合成的圖像數據組并進行顯示。
由此在本發明方法中,將具有實時性優點、必要時還具有高分辨率和完全對比度優點的當前拍攝的其它2D圖像集成到第一整體圖像中,該整體圖像雖然包括較大的對象區域,但具有較早的拍攝日期并可能具有較低的分辨率和/或較低的對比度。由此用本發明的方法擴大了可以顯示的對象區域。此外,在適當地執行該其它2D圖像拍攝過程中以更大的分辨率和/或更大的對比度來顯示所采集的較小的對象區域。下面該較小的對象區域也稱為核心區域或核心圖像,而將包含其的整體圖像稱為環境圖像。
因此在本方法的優選實施方式中,還以比第一2D或3D圖像數據更高的分辨率記錄該其它2D圖像。較大對象區域的圖像顯示在此通過插值與該其它2D圖像的集成后的顯示的更大分辨率相匹配。在另一實施方式中,還以比第一2D或3D圖像數據更高的圖像對比度或不同于第一2D或3D圖像數據的其它特征(例如通過采用跟蹤器或造影劑)來記錄該其它2D圖像。由此在組合圖像顯示的有限范圍內產生局部改善的和更新的細節顯示。兩幅圖像的合成基于正確的位置和狀態寄存以及優選在記錄該2D圖像期間的校準來進行。
本發明方法的優點首先這樣達到,該其它2D圖像通過替代現有的圖像數據而組合到較大對象區域的第一圖像顯示中。為此從較大對象區域的適當匹配的第一圖像顯示中切割出較小的對象區域,并替換為其它2D圖像的圖像數據。在此不進行現有技術的公知方法中的圖像疊加。當然還可以將這樣的圖像疊加設置為用戶的附加選項。
如果較小對象區域的其它2D圖像拍攝由X射線設備執行,則產生由對象中所有深度區域的中心透視疊加組合而成的二維圖像。對于這樣的圖像不能像對現有的圖像組合所要求的那樣輕易地相對于較大對象區域的3D圖像數據組進行正確的縮放。環境圖像(例如來自一次CT立體拍攝的3D圖像數據組)的規模通常是已知的。為了相對于該其它2D圖像來縮放這樣的3D圖像數據組,例如可以采用下面兩個方法變形。
在第一變形中,可以在患者身上設置3個在空間中可唯一識別的標記,這些標記對于第一預先記錄的3D圖像數據組和稍后記錄的其它2D圖像的都保留在患者身上。為了提高識別每個標記的精度和可靠性,可以采用多于3個標記。這些標記一方面可以用于針對預先拍攝的第一3D數據組寄存當前的患者位置,另一方面從可在2D圖像中識別出的標記的位置來確定關于第一3D圖像數據組的拍攝透視(Aufnahme-perspektive),該其它2D圖像正是在該拍攝透視下記錄的。該其它2D圖像的拍攝透視或者說投影幾何特征的知識使得可以結合第一3D圖像數據組的寄存,通過根據該透視疊加不同的被透視斷層而計算出較大圖像區域的圖像顯示,從而正確地組合兩幅圖像。
在第二示例性變形中,相對于用于手術的設備結構(例如相對于患者臥榻)登記患者,并采集拍攝系統(例如C型設備的C弧)相對于患者臥榻的位置和方向以完成核心圖像的其它2D圖像的記錄。由這些參數的知識同樣可以推導出投影幾何特征,并用于核心圖像和環境圖像的精確匹配的顯示。在此對患者相對于成像模件的位置和方向的認識是產生環境圖像的先決條件。當然還可以采用其它的寄存(Registrierung)或類似寄存的技術,來盡可能準確地實現較大對象區域和較小對象區域的顯示組合,例如采用確定和連續跟蹤患者和設備之間幾何關系的導航系統。C型設備上具有的角度和距離發生器也可以用于寄存。
本發明的方法尤其適用于移動X射線成像,例如借助于移動C型設備。這樣的設備可以從待機位置非常迅速的被設置到OP臺上,其中通過在C弧上的耦合而可隨時最佳地調整X射線源和X射線檢測器。在干預的進一步運行過程中,通常可以將這樣的設備保留在現場,因為在C弧的相對較大的開口中通常可讓醫生自由地接近患者。使用這樣的移動X射線設備的缺點是由于所要求的緊湊性而只能采集相對較小的圖像區域。延伸的身體結構在該圖像顯示的邊緣被切掉。而恰好是該缺陷可以用本發明的方法通過擴展顯示區域來避免。
在本方法的一種實施方式中,從第一3D圖像數據中不是計算在中心投影中所有被透視斷層的疊加,而是確定和切割出一個深度區域,該深度區域包括主要通過該其它2D圖像再現的結構。在此利用了感興趣結構在該其它2D圖像中通常表示對象中的特定深度這一點。因此相應的深度區域在該實施方式中從第一3D圖像數據中被分割出來,并用作圖像顯示,尤其是以較大對象區域的截面圖像或者說斷層圖像或斷層分組圖像的形式,在該圖像顯示中集成了所述其它2D圖像。在一種特殊的實施方式中,為了使深度選擇變得容易而預先對環境圖像的第一3D圖像數據進行深度編碼。通過該深度編碼可以特別快速地進行深度選擇,例如由硬件支持和/或通過查找表,在該查找表中將代碼與不同的深度區域相對應。
在本發明方法的另一實施方式中,為了產生要組合的圖像顯示還對第一2D或3D圖像數據進行預處理,使得在圖像顯示中只有或至少突出顯示較大對象區域的、用戶在相應應用中感興趣的結構。這樣,如果只有血管結構才是當前應用感興趣的并且例如其它核心圖像也是作為相減血管造影而獲得的,則第一2D或3D圖像數據例如可以表示通過相減血管造影獲得的較大對象區域的圖像。
在本發明的方法中,當然還可以將不同的較小對象區域的多個其它2D圖像組合到由提供的第一2D或3D圖像數據構成的合適的整體顯示中。在此還可以在不同核心區域的顯示之間進行切換。在另一附加實施方式中,還可以將其它2D圖像的不同顯示例如以不同的對比度或根據以不同的顏色編碼突出不同結構的濾波器的應用與較大對象區域的第一顯示組合。在此也可以在不同顯示之間進行切換。此外還可以將核心區域的不同顯示相疊加,然后優選可以通過用戶連續改變不同疊加的顯示的透明度或亮度。
此外在本發明方法中,在采用失真成像設備(例如內窺鏡或具有電視光學系統和圖像放大管的X射線系統)時對圖像數據或其它2D圖像進行失真校正,必要時(也就是該其它2D圖像失真時)執行第一2D圖像拍攝,從而將虛擬的無失真的圖像用于圖像顯示的組合。
本發明方法的不同實施方式當然可以組合起來。此外還要說明,本發明方法的實施方式雖然是借助醫療應用中的成像來解釋的,但還可以容易地用于具有其它對象的非醫療應用領域。如果提供的不是第一3D圖像數據而是第一2D圖像數據,則可以省去從環境圖像數據中計算出合適的圖像顯示這一部分。第一2D圖像數據在這種情況下更多的是必須在與所述其它2D圖像近似相同的拍攝透視下記錄的。
本發明的方法優選還可以用于調整拍攝其它2D圖像的模件,從而將拍攝系統或者說拍攝光學系統最佳地聚焦在期望的核心區域上。為此在記錄較小對象區域的其它2D圖像之前從第一2D或3D圖像數據中產生較大對象區域的圖像,并顯示給用戶。然后用戶可以交互地確定該較小的對象區域,以記錄該其它2D圖像,其中采集所確定的對象區域的數據,并用于自動調整用于記錄其它2D圖像的拍攝設備。為此必須事先用該拍攝設備寄存第一2D或3D圖像數據,例如通過設置在患者身上的標記和與拍攝設備耦合的、移動該標記的導航設備。在該方法變形的擴展中,通過用戶適當地縮小或放大、三維旋轉和平移較大對象區域的圖像是在顯示屏上交互地進行,以確定針對該其它2D圖像的拍攝透視。還采集該拍攝透視并用于自動調整拍攝設備。
下面結合附圖利用實施例再次詳細解釋本方法。
圖1示意性示出本發明方法的方法流程的例子;圖2示意性示出在進行其它2DX射線拍攝時的關系;圖3示意性示出將其它2D圖像集成到較大對象區域的圖像顯示中。
具體實施例方式
以一個手術(例如在骨盆骨折后)為例再次詳細解釋本發明的方法,其中在手術過程中用移動C型設備記錄和顯示治療區域的其它2D圖像。
目前,為了計劃手術以及實施該手術一般采用在干預之前例如從CT立體拍攝中產生的多個3D圖像數據組。通過可視化該第一3D圖像數據給出完整的、范圍較大的整個相關身體區域的概貌。但在手術時醫生由于各種原因必須得到當前成像的支持,該成像例如是借助內窺鏡、X射線透視或X射線單幅拍攝實現的。對于手術過程中重復的其它圖像拍攝來說,醫生還可以通過該方式直接跟蹤改變。出于安全原因必須進行當前的成像,因為從預檢查以來就可能在患者的解剖結構中發生改變,例如由于軟組織結構的移動。此外當前的其它局部圖像通常可以具有更高的圖像質量,因為可以調節針對更高分辨率和特殊優化的對比度的拍攝參數。
在本例中,作為手術過程中的成像X射線系統采用移動X射線C型設備。這樣的設備容易操作,并且在手術臺上提供了至少是有限的接近患者的途徑。
由于這種移動X射線C型設備的緊湊性,只能比大多數靜止設備采集更小的圖像區域。因此在手術期間記錄的其它2D圖像中,延伸的身體結構在該其它2D圖像的邊緣被切掉。為了改善該顯示,通過采用本發明的方法擴大有限的顯示范圍。
為此在手術干預之前進行預檢查,其中通過一次立體拍攝記錄和提供患者的一較大對象區域A的第一3D圖像數據。該第一3D圖像數據在本發明方法中用X射線CT設備記錄,但還可以用其它成像斷層造影模件如MR設備獲得。在手術期間記錄較小對象區域B的其它2D圖像時,還采集該2D圖像的幾何成像參數,從而可以用針對手術期間采用的C型設備和手術前的立體拍攝進行的患者臥榻的寄存來產生所有圖像數據組的幾何對應。為了進行這樣的寄存,原理上采用CT設備和C型設備。這兩種示例性描述的模件通常都產生立體數據組或可以產生包含按照DICOM標準的尺寸的數據組,從而也能匹配比例大小。
在本例中,在骨盆骨折后的手術過程中用一個平板進行固定,在適當的時刻提供事先產生的較大對象區域A的第一立體圖像。寄存可以通過立體拍攝期間設置在患者身上的標記進行。通過在記錄其它2D圖像或進行手術之前用保留在患者身上的標記對第一立體圖像中可識別的標記進行調整(例如利用導航系統點擊患者身上的標記),可以進行這樣的調整。導航系統在此是C型設備的拍攝系統的參考。
在本例中,首先在顯示屏上可視化較大對象區域A的第一立體圖像。醫生可以三維地平移、旋轉和縮放該顯示。這通過公知的交互處理工具來進行。骨折周圍的區域設置在該顯示的中央,并好像醫生愿意用更高的分辨率和當前的拍攝日期來記錄的那樣。在此還可以對較大對象區域A的第一立體數據進行濾波和顯示,使得其接近于形成的針對核心區域的其它細節圖像的圖像印象質量。該事先模擬的核心圖像可以三維地在顯示器上虛擬地旋轉和平移。在最佳方向上采集該虛擬3D坐標,并用于針對核心區域調節移動C型設備。現在利用該移動C型設備現場在該調節中以最大分辨率和最佳對比度產生骨骼部分以及例如部分向前推進的螺栓固緊的當前位置的另一幅二維圖像(核心圖像)。
從事先記錄的第一3D圖像數據組中產生具有與骨折的其它2D圖像相同的透視和比例尺的圖像顯示。這可以根據所確定的針對其它2D圖像或者說從中獲得的透視的位置和方向的數據推導出。
圖2示意性示出對象1的這種2D X射線拍攝中的關系。在該圖像拍攝中存在的投影幾何特征通過圖2示出的X射線管2和X射線檢測器3之間的X射線5表示。在這種2D X射線拍攝的圖像平面4中,對在各個穿過對象1的X射線5的路徑上設置的所有結構都以不同的成像比例重疊地投影。因此在從第一3D圖像數據中產生合適的圖像顯示時,需要考慮該中心投影。這樣就能以相同的方式通過在第一3D圖像數據組中存在的不同斷層的中心透視的重疊獲得對象1的較大對象區域。在另一種替換方式中,在其它2D圖像中感興趣的結構只出現在對象1的特定的深度區域6中,這樣也能從第一3D圖像數據組中恰好分割出該深度區域6,例如利用剪切(Clipping),并用作較大對象區域A的圖像顯示。
最后圖3示出其它2D圖像8與較大對象區域A的圖像顯示7的組合的例子。在此在較大對象區域A的圖像顯示7中分割出再現較小對象區域B的圖像數據,并替換成其它2D圖像8的圖像數據,后者在本例中具有更高的分辨率和改善的對比度。然后將組合的圖像9在顯示器上顯示給醫生。在本例中解釋過的全部方法都顯示在圖1的流程圖中。
當然還可以分開顯示2D圖像8或第一3D圖像數據組的顯示或從中產生的與其它2D圖像的組合的圖像顯示7。此外有利的是提供切換功能,即可以在組合圖像顯示中在從預檢查中成像的核心區域和當前的高分辨的核心圖像之間切換。還可以附加地將一個或多個當前產生的核心圖像與較大對象區域A的圖像顯示進行半透明的疊加,其中該疊加限制在核心圖像的覆蓋區域。
權利要求
1.一種用于擴大對象區域的兩維圖像的顯示范圍的方法,尤其是在醫療應用中,其中,-提供一較大對象區域的至少一個第一兩維或三維圖像數據,-記錄位于該較大對象區域內的一較小對象區域的至少一個其它兩維圖像(8),-用該其它兩維圖像(8)的投影幾何特征寄存該第一兩維或三維圖像數據,-從該第一兩維或三維圖像數據中產生用于該較大對象區域的圖像顯示(7)的圖像數據組,該圖像顯示(7)適用于與所述其它兩維圖像(8)進行組合,-將該其它兩維圖像(8)的顯示至少間或集成到該較大對象區域的圖像顯示(7)中,其中,在該第一圖像數據組中為了對該較大對象區域進行圖像顯示(7)而用該其它兩維圖像(8)的圖像數據來代替顯示該較小對象區域的圖像數據。
2.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,所述其它兩維圖像(8)是用比所述第一兩維或三維圖像數據的分辨率更高的分辨率記錄的,其中,所述較大對象區域的圖像顯示通過插值與所述其它兩維圖像(8)的集成后的顯示的更大分辨率相匹配。
3.根據權利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述其它兩維圖像(8)是用比所述第一兩維或三維圖像數據更高的圖像對比度或不同于該第一兩維或三維圖像數據的其它特征記錄的。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法,其特征在于,所述第一三維圖像數據是用成像斷層造影模件記錄的。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法,其特征在于,所述第一兩維圖像數據和/或所述其它兩維圖像(8)是利用X射線設備記錄的。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的方法,其特征在于,所述其它兩維圖像(8)是用內窺鏡、腹腔鏡、兩維超聲波設備或兩維攝像機記錄的。
7.根據權利要求1至4中任一項所述的方法,其特征在于,用內窺鏡、腹腔鏡、兩維超聲波設備或兩維攝像機將所述其它兩維圖像(8)作為時間序列(影院模式)進行記錄。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法,其特征在于,為了與所述其它兩維圖像(8)組合,確定該其它兩維圖像(8)的投影幾何特征,并從所述第一三維圖像數據中產生較大對象區域的與該投影幾何特征對應的圖像顯示(7)。
9.根據權利要求1至7中任一項所述的方法,其特征在于,為了與所述其它兩維圖像(8)組合,在所述第一三維圖像數據中確定和切割出一個深度區域,該深度區域包括主要通過該其它兩維圖像(8)再現的結構,并從分割出的深度區域的圖像數據中產生第一對象區域的圖像顯示(7)。
10.根據權利要求9所述的方法,其特征在于,提供深度編碼的所述第一三維圖像數據,并在此基礎上為圖像顯示分別選擇相關的深度。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的方法,其特征在于,在記錄所述較小對象區域的至少一個其它兩維圖像(8)之前從所述第一兩維或三維圖像數據中產生較大對象區域的圖像并顯示給用戶,用戶可以在該圖像中交互地針對該其它兩維圖像(8)來確定該較小的對象區域,其中,采集所確定的對象區域的幾何數據,并用于自動調整拍攝設備以記錄該其它兩維圖像(8)。
12.根據權利要求11所述的方法,其特征在于,所顯示的較大對象區域的圖像可通過用戶進行適當的放大、三維旋轉和平移,以確定用于所述其它兩維圖像(8)的拍攝透視,同樣采集該拍攝透視并用于自動調整拍攝設備。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的方法,其特征在于,通過預處理使得在所述第一兩維或三維圖像數據中只包含或至少突出顯示所述較大對象區域中的在較小對象區域中也感興趣的結構。
14.根據權利要求1至13中任一項所述的方法,其特征在于,在所述組合之前對所述第一兩維或三維圖像數據和/或對所述其它兩維圖像(8)進行失真校正。
15.根據權利要求1至14中任一項所述的方法,其特征在于,可以在所述較大對象區域的整體圖像顯示和與所述其它兩維圖像(8)的組合之間進行切換。
16.根據權利要求1至15中任一項所述的方法,其特征在于,可以在與所述其它兩維圖像(8)的不同的組合之間進行切換,這些組合之間的區別在于對所述其它兩維圖像(8)的不同顯示。
17.根據權利要求1至16中任一項所述的方法,其特征在于,在所述組合中疊加所述其它兩維圖像(8)的不同顯示,這些不同顯示的透明度和/或亮度可通過用戶連續地改變。
18.根據權利要求1至17中任一項所述的方法,用于擴大移動成像設備的顯示區域,利用該設備只能記錄所述較小的對象區域作為所述其它兩維圖像(8)。
19.根據權利要求18所述的方法,用于擴大內窺鏡、腹腔鏡、兩維超聲波設備或移動X射線C型設備的顯示范圍。
全文摘要
本發明涉及擴大對象區域2D圖像顯示范圍的方法。提供一較大對象區域的至少一個第一2D或3D圖像數據;記錄該較大對象區域內一較小對象區域的至少一個其它2D圖像;用該其它2D圖像的投影幾何特征寄存第一2D或3D圖像數據;由第一2D或3D圖像數據產生用于較大對象區域的、適用于與該其它2D圖像組合的圖像顯示的圖像數據組。將該其它2D圖像的顯示至少間或集成到較大對象區域的圖像顯示中。在第一圖像數據組中為較大對象區域的圖像顯示而用該其它2D圖像的圖像數據來代替再現較小對象區域的圖像數據。本方法使得可以概觀較大的對象區域,對該圖像內的感興趣的較小對象區域可以更高的實時性和更高的分辨率和/或更高的對比度來顯示。
文檔編號G06T7/00GK1864634SQ200610082788
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月19日 優先權日2005年5月19日
發明者赫爾穆特·巴富斯, 卡爾·巴思, 格爾德·韋塞爾斯 申請人:西門子公司