JP2014018657A - 患者の器官の３ｄ表示のための画像処理方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】その中に手術器具が位置している患者の器官の３Ｄ表示のための画像処理方法及びシステムを提供する。
【解決手段】本方法は医用イメージング・システムを利用する。該医用イメージング・システムは、少なくとも２つの角度位置に位置決めすることのできる回転式Ｃ形アームを有し、該Ｃ形アームは、その両端部の一方に放射線源と、他方の端部に、前記放射線源と向かい合って配置された検出器と、前記放射線源と前記検出器との間に配置されて、照射区域を画成するコリメータとを有する。本方法は、Ｃ形アームの角度位置に従ってコリメータを調節することにより、放射線が手術器具を取り囲む領域のみを通過するように照射区域の範囲を決定することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、患者の器官の３Ｄ表示のための画像処理の分野に関するものである。より詳しく云えば、本発明は、その中に手術器具が位置している患者の器官の３Ｄ表示のための画像処理の分野に関するものである。

外科手術中に、針、カテーテル、直線状又は螺旋状のワイヤ・ガイドなどの手術器具をそのまま実時間で可視化できる技術が存在する。それらの技術の中でとりわけ、Ｘ線透視イメージング法は、手術器具の位置についての実時間の知識を提供する。詳しく述べると、該イメージング法は、手術器具が挿入された関心のある領域の２次元（２Ｄ）画像の表示を可能にする。該イメージング法は、Ｘ線源及び蛍光モニタを使用しており、両者の間には手術を受ける患者が配置される。施術者は、画面上で手術器具の位置を追跡して、手術処置を制御することができる。現代のＸ線透視イメージング法は、蛍光モニタの代わりに、フラット・ディジタル・センサ及びＣＣＤビデオ・カメラを使用して、２Ｄ画像を記録し且つそれらを画面上に表示することを可能にしている。

Ｘ線透視イメージング法は２Ｄ画像の表示を可能にするに過ぎす、このため、施術者は手術器具が配置されている場所を正確に決定するために２Ｄを解釈して、３Ｄ画像を想像により再構成する必要がある。

断層撮影イメージング法は、３次元（３Ｄ）で画像を構成することができ、患者の身体の各部分の横断面のスライスに対応する画像を提供する。患者の身体の内部にある器具の位置を判断することができる。

断層撮影イメージング法は、多数の利点を持っているが、欠点もある。第１に、患者の身体の３Ｄ画像を再構成できるようにするために、放射線源を担持するＣ形アームの異なる角度位置で幾つかの２Ｄ画像を取得しなければならない。従って、患者は複数の放射線照射を受ける。更に、３Ｄ画像の再構成は時間が掛かる。最後に、断層撮影イメージング法を用いて得られる表示は、最適化されていない。患者の身体の大きな体積が再構成されるのに対して、施術者は手術器具を含んでいるスライスのみを見るに過ぎない。

本発明の１つの目的は、上記の従来技術の欠点の少なくとも１つを克服することである。

この目的のために、その中に手術器具が位置している患者の器官の３Ｄ表示のための画像を処理するための方法が提供される。本方法は医用イメージング・システムを利用する。医用イメージング・システムは、少なくとも２つの角度位置に位置決めすることのできる回転式Ｃ形アームを有し、該Ｃ形アームは、その両端部の一方に放射線源と、他方の端部に、前記放射線源と向かい合って配置された検出器と、前記放射線源と前記検出器との間に配置されて、照射区域を画成するコリメータとを有する。本方法は、（ｂ）前記Ｃ形アームを所与の角度位置に位置決めする段階と、（ｃ）前記照射区域を画成するために前記コリメータを調節する段階と、（ｄ）前記放射線源から放射線を前記照射区域に照射して、前記器官を通過させる段階と、（ｅ）前記器官を通過した放射線を前記検出器によって捕獲して２Ｄ画像の取得を可能にする段階と、前記Ｃ形アームの各角度位置について前記段階（ｂ）〜（ｅ）を繰り返えす段階と、（ｆ）前記取得された２Ｄ画像から関心のある３Ｄ領域の３Ｄ画像を再構成する段階とを有し、放射線が前記手術器具を取り囲む領域のみを通過するように前記照射区域の範囲を決定するために、前記Ｃ形アームの角度位置に従って前記コリメータを調節することを特徴とする。

上記の方法によれば、施術者にとって関心のある患者の身体中の領域のみの照射が可能になるように照射区域の範囲を定めることにより、患者が受ける照射線量を低減する。

前記工程（ｂ）〜（ｅ）の前に、器官の中の手術器具の位置に対応する関心のある領域を決定する工程（ａ）を含むことができ、コリメータはまた関心のある３Ｄ領域に従って調節される。

前記コリメータは複数の可動の板を有することができ、それらの位置により照射区域を画成する。Ｃ形アームを第１の一連の角度位置に位置決めして得られた器官についての一連の全視野(full field)２Ｄ画像から、関心のある領域が決定される。更に、Ｃ形アームの別の角度位置について、コリメータを調節することは、理論的に関心のある領域を他の角度位置に対応する全視野画像上に投影することによって達成され、前記板の位置がこの投影から計算される。

前記複数の可動の板はそれらのそれぞれの面に直角な軸に沿って平行移動することができる。

前記複数の可動の板は、線源の放射線の主方向と実質的に同一線上の軸を中心にして回動することができる。

回転式Ｃ形アームは、患者の頭から足への軸(head-feet axis)に対応する回転スピン軸を中心にして回動すると共に、前記スピン軸に対して且つ患者の両耳の軸を通過する頭尾軸(craniocaudal axis) に対して直角な垂直軸を中心にして回動することができる。角度位置はスピン軸の周りの位置に対応し、Ｃ形アームの各々の角度位置は、放射線が手術器具の相対的に大きい方の表面に対して実質的に直角になるように、垂直軸を中心にして回転させることによって補正される。

関心のある３Ｄ領域は、地面に対して平行な又は斜傾したスライスであってよく、その内の２つの最大の面が手術器具から２ｃｍ未満、好ましくは１．５ｃｍ未満、更に好ましくは約１ｃｍの距離にある。

本発明の別の課題は、その中に手術器具が位置している患者の器官の処置における医用イメージング・システムである。該医用イメージング・システムは、少なくとも２つの角度位置に位置決めすることのできる回転式Ｃ形アームと、該Ｃ形アームを所与の角度位置に位置決めするための制御装置とを有し、前記Ｃ形アームが、その両端部の一方に、照射区域に照射する放射線を放出することのできる放射線源と、他方の端部に、放射線を捕獲するために前記放射線源と向かい合って配置された検出器と、前記放射線源と前記検出器との間に配置されて、照射区域を画成するコリメータとを有し、前記コリメータは調節可能であることを特徴とし、また、前記コリメータの調節は、放射線が手術器具の周りの１つの関心のある領域のみを通過するように前記照射区域の範囲を決定するために、前記Ｃ形アームの角度位置に従って前記照射区域を画成することを特徴とする。

前記コリメータは複数の可動の板を有することができ、それらの位置により照射区域を画成する。

前記複数の可動の板はそれらのそれぞれの面に直角な軸に沿って平行移動することができる。

前記複数の可動の板は、線源の放射線の主方向と実質的に同一線上の軸を中心にして回動することができる。

回転式Ｃ形アームは、患者の頭から足への軸に対応する回転スピン軸を中心にして回動すると共に、前記スピン軸に対して且つ患者の両耳の軸を通過する頭尾軸に対して直角な垂直軸を中心にして回動することができる。

他の目的、特性及び利点は、限定ではない単なる例として示す図面を参照して以下の詳しい説明を読めば、明らかになろう。

図１は、本発明に従った医用イメージング・システムの一例の概略図である。 図２は、従来技術の断層撮影イメージング法を用いた関心のある領域の３Ｄ再構成画像を概略例示する図である。 図３は、その中に手術器具が位置している患者の器官の３Ｄ表示のための画像処理法を用いた関心のある領域の３Ｄ再構成画像を概略例示する図であり、関心のある領域は地面に平行である。 図４は、その中に手術器具が位置している患者の器官の３Ｄ表示のための画像処理法を用いた関心のある領域の３Ｄ再構成画像を概略例示する図であり、関心のある領域は地面に対して斜傾したスライスである。 図５は、それらのそれぞれの面に直角な軸に沿って平行移動することのできる複数の可動の板を持つコリメータの下面図である。 図６は、線源の放射線の主方向に対して実質的に平行な軸を中心にして回動することのできる複数の可動の板を持つコリメータの下面図である。 図７は、本発明に従った画像処理方法の一例の概略図である。

［装置について］
図１を参照して、医用イメージング・システムの一例を説明する。

医用イメージング・システム１は、少なくとも２つの角度位置に位置決めすることのできる回転式Ｃ形アーム２、及び各々の角度位置にＣ形アーム２を位置決めするための制御装置３を有する。

回転式Ｃ形アーム２は、患者Ｐの頭から足への軸に対応する回転スピン軸と呼ばれる回転軸ＡＳを中心にして回動する。回転式Ｃ形アーム２はまた、回転スピン軸ＡＳに対して且つ患者Ｐの両耳の軸を通過する頭尾軸(craniocaudal axis) ＡＣＣに対して直角な垂直軸ＡＶを中心にして回動する。この後者の場合、手術器具ＩＣに対して、特に長手方向軸ＡＩＣを持つ細長の手術器具に対して、画像の２つの対向する縁が長手方向軸ＡＩＣにほぼ平行になる該画像が得られるように、回転式Ｃ形アーム２をより良好に位置決めすることができる。

Ｃ形アーム２（大体Ｃ形の形状を持つためにそのように呼ばれている）は、第１の端部２１に放射線源２３を有する。放射線源２３は、照射区域に照射する放射線（例えば、Ｘ線）を放出することができる。照射区域は、放射線源２３からの放射線が通過する区域である。

Ｃ形アーム２はまた、第２の端部２２に検出器２５を有する。検出器２５は放射線源２３に向かい合うように配列される。検出器２５は、放射線源２３によって放出されて患者Ｐを通過した放射線を捕獲することができる。

Ｃ形アーム２はまた、放射線源２３と検出器２５との間に配置されたコリメータ２４を有する。コリメータ２４は照射区域を画成する。コリメータ２４は、照射区域を最適化するように、すなわち、得ようとする所望の医学的画像に対して照射区域の最良の最小化を達成するように、調節することができる。コリメータ２４はＣ形アーム２の角度位置に従って調節される。従って、手術器具ＩＣを含んでいる関心のある領域ＲＯＩを取り囲んでいる区域のみを放射線が通過するように、照射区域の範囲を定めることが可能である。

より詳しく述べると、コリメータ２４は複数の可動の板２４１〜２４４を有し、それらの位置は照射区域を画成する。板２４１〜２４４は、それらの最も短い縁が放射線源２３の放射線の主方向に実質的に平行になるように配列される。放射線の主方向は、放射線源２３及び検出器を、該検出器の表面に対して直角に通過する想像線である。板２４１〜２４４は、それらのそれぞれの面に対して直角な軸Ｔ１〜Ｔ４に沿って平行移動することができる（図５参照）。

板２４１〜２４４はまた、放射線源２３の放射線の主方向と実質的に同一線上の軸Ａ１〜Ａ４を中心として回動することができる（図６参照）。板２４１〜２４４のこのような可動性は、関心のある領域ＲＯＩが占める容積を更に低減することが望まれるとき、特に手術器具が主軸ＡＩＣに沿って細長い場合に、有利である。これによって、関心のある領域ＲＯＩの再構成３Ｄ画像の投影ＰＲＯＩが、手術器具ＩＣの主軸ＡＩＣの投影ＰＩＣによる画像に平行な２つの対向する縁を持つように、照射される区域を効果的に画成することが可能になる（図４参照）。

板２４１〜２４４が放射線の主方向と実質的に同一線上の軸Ａ１〜Ａ４を中心にして回動することができる場合、回転スピン軸ＡＳに対して且つ頭尾軸ＡＣＣに対して直角な垂直軸ＡＶを中心にして回動することのできるＣ形アーム２を設けることは必須ではなく、その逆もまた同様である。しかしながら、これらの２つの特徴を設けることは、３Ｄ画像の再構成のために用いられる関心のある領域ＲＯＩの２Ｄ画像（スピン２Ｄ画像とも呼ばれる）の更なる最適化を可能にする。これらの２つの特徴は、単独で又は組み合わせて、散乱アーティファクトを低減することによって、取得された２Ｄ画像を改善することができる。

制御装置３は放射線源２３（放出時間及び放射線エネルギ）及びＣ形アーム２（位置決め）を駆動する。制御装置３はまた、コリメータ２４を駆動し、特にその板２４１〜２４４の位置決めを駆動する。検出器２５はデータ転送のために制御装置３に接続される。制御装置３はまた、以下に記述する方法の各段階を駆動できるようにする。

医用イメージング・システム１は更に、パラメータ及び医学的画像を記録するために制御装置３に組み込まれた又はそれに接続されたメモリ４を有する。メモリ４が制御装置３の外に配置されている場合、メモリ４及び制御装置３は、有線接続、ネットワーク又はポート（例えば、ＵＳＢポート）を介して接続することができる。メモリ４は、ハードディスク又はＳＳＤ、或いは任意の他の取外し可能で書き換え可能な記憶装置手段（ＵＳＢキー、メモリ・カードなど）であってよい。メモリ４は、制御装置のＲＯＭ／ＲＡＭ、ＵＳＢキー、メモリ・カード、中央サーバのメモリとすることができる。

医用イメージング・システム１は更に、取得された画像及び／又は取得データを表示するために制御装置３に接続された表示装置６を有する。

表示装置６は、例えば、ディジタル医学的画像から診断を行うために医師によって用いられる画像診断室の場合におけるような、別個の装置であってよい。

表示装置６は、取得された画像の再構成及び／又は表示を施術者が視覚化できるようにする。

表示装置６６は、例えば、コンピュータ表示装置、モニタ、フラット・スクリーン、プラズマ・スクリーン、又は任意の種類の商業上知られている表示装置である。

［方法について］
手術器具が位置している患者の器官の３Ｄ表示のための画像処理方法の例を、図７を参照して以下に説明する。

本方法は下記の様々な段階を有する。

第１の段階（ａ）で、器官の中の手術器具を取り囲む関心のある領域を決定する。関心のある領域は、再構成されたボリューム（容積）又は手動で決定されたボリュームであり、手術器具の直ぐ周りに位置する。例えば、関心のある領域の限界（範囲）は、手術器具から約２ｃｍ未満、好ましくは約１．５ｃｍ未満、より好ましくは約１ｃｍ未満の距離である。

この段階（ａ）は、スピン２Ｄ画像の取得の際に放射線源から放射線が照射される患者の身体の領域を減少させるために使用される。従って、患者は低減した放射線量を受けることになる。従来の断層撮影イメージングの場合、大きな関心のある領域ＲＯＩが再構成され（図２参照）、これは比較的高い放射線量を必要とする。これと対照的に、本発明による方法の場合、関心のある領域ＲＯＩは、少なくとも、手術器具を含むために必要とされた厚さまで減少される（図３及び図４参照）。

更に、３Ｄで再構成する領域のサイズ（大きさ）を減少させたことにより、画像の３Ｄ再構成のために必要な時間も短縮することができる。

関心のある領域は、好ましくは鋭角にすなわち±９０−９０°の間に位置決めされたＣ形アームによる第１の一連の全視野画像（例えば、２つの異なる配向で取得された２つの画像）を用いて決定することができ、この場合、角度０°は患者に対してＣ形アームの前向きの位置（前後位置）に対応する。全視野画像とは、コリメータが可能な最も広い照射を得るように調節されることを意味する。この第１の一連の全視野画像では、手術器具の位置が、適切なツール（S.Gorges等による論文「インターベンション室における実時間３Ｄ針位置を突き止めるための新規なイメージング技術」、ジュネーブ、ＣＡＲＳ２０１０）を用いて自動的に検出されるか、又は施術者によって手動で検出される。いったん針の位置が検出されると、手術器具を含んでいるスライス（すなわち、被撮像領域中の２つの平行な平面に沿って仮想的に切断されたボリューム）が逆投影によって計算される。そのスライスは、関心のある領域を形成する。スライスの中央平面は、図３及び図４にそれぞれ例示されているように、地面に対して平行に又は斜めにすることができる。

関心のある領域はまた、オペレータ又は施術者によって手動で決定することができる。選択は、制御手段を用いて医用イメージング・システム上で行われる。前に述べたように、関心のある領域は、図３及び図４にそれぞれ例示されているように地面に対して平行に又は斜めになっているスライスである。

関心のある領域を形成するスライスが地面に対して平行である場合、垂直軸を中心にしてＣ形アームを回転させること又はコリメータを回動させることは必要としない。

スライスが斜傾している場合、Ｃ形アームが垂直軸を中心にして回転できること、及び／又はコリメータの板が回動できることが不可欠である。

手術器具が細く且つ長い特別な場合には、関心のある領域を計算するのに１つの画像で充分である。この画像は、一連の２Ｄスピン画像（回転スピン軸を中心にしてＣ形アームを回転させることによって得られた画像）の内の最初の画像とすることができる。

段階（ａ）の後、段階（ｂ）で、Ｃ形アームは所与の角度位置に位置決めされる。その角度位置は、患者の頭から足への軸(head-feet axis)に対応する回転スピン軸に対して定められる。２つの異なる角度位置が、回転スピン軸を中心にしてＣ形アームを回転させることによって得られる。Ｃ形アームがまた垂直軸に沿って移動可能である場合、Ｃ形アームの角度位置は、手術器具の配向に関して画像を最適化するように補正することができる。

次に、段階（ｃ）において、コリメータが照射区域を画成（規定）するように調節される。照射区域はコリメータを調節することによって画成され、コリメータは、関心のある領域の３Ｄ画像再構成のために照射する必要のある患者の身体の領域のみを放射線が通過するように照射区域の範囲を定めるために、Ｃ形アームの角度位置及び関心のある領域に従って調節される。

次いで、段階（ｄ）において、照射区域は、器官を通過する放射線源からの放射線によって照射される。段階（ｅ）において、器官を通過した放射線が検出器によって捕獲され記録されて、これによりスピン２Ｄ画像の取得を可能にする。

関心のある領域の３Ｄ画像の再構成のために他のスピン２Ｄ画像が必要である場合、対応する角度位置の各々について段階（ｂ）〜（ｅ）が繰り返えされる．一般に、１５０〜６００のスピン２Ｄ画像が取得され、従って、同じ数の角度位置が用いられる。

必要なスピン２Ｄ画像が取得された後、段階（ｆ）において、制御装置が関心のある領域の３Ｄ画像を生成して、該画像を表示装置上に表示する。手術器具を取り囲む関心のある領域のみが表示されるので、施術者は手術器具を探す必要が無くなる。

２ Ｃ形アーム
３ 制御装置
４ メモリ
６ 表示装置
２１ 第１の端部
２２ 第２の端部
２３ 放射線源
２４ コリメータ
２５ 検出器
２４１、２４２、２４３、２４４ コリメータ板
ＡＣＣ 頭尾軸
ＡＳ スピン軸
ＡＶ 垂直軸
Ｐ 患者
ＩＣ 手術器具
ＲＯＩ 関心のある領域
ＰＩＣ 手術器具の投影
ＰＲＯＩ 関心のある領域の投影
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４ コリメータの回転軸
Ｔ１〜Ｔ４ コリメータの平行移動軸

Claims (12)

1. 医用イメージング・システムが、少なくとも２つの角度位置に位置決めすることのできる回転式Ｃ形アームを有し、該Ｃ形アームが、その両端部の一方に放射線源と、他方の端部に、前記放射線源と向かい合って配置された検出器と、前記放射線源と前記検出器との間に配置されて、照射区域を画成するコリメータとを有している場合において、該医用イメージング・システムを利用して、その中に手術器具が位置している患者の器官の３Ｄ表示のために画像を処理するための方法であって、
   （ｂ）前記Ｃ形アームを所与の角度位置に位置決めする段階と、
   （ｃ）前記照射区域を画成するために前記コリメータを調節する段階と、
   （ｄ）前記放射線源から放射線を前記照射区域に照射して、前記器官を通過させる段階と、
   （ｅ）前記器官を通過した放射線を前記検出器によって捕獲して２Ｄ画像の取得を可能にする段階と、
   前記Ｃ形アームの各角度位置について前記段階（ｂ）〜（ｅ）を繰り返えす段階と、
   （ｆ）取得された複数の２Ｄ画像から関心のある３Ｄ領域の３Ｄ画像を再構成する段階とを有し、
   前記Ｃ形アームの角度位置に従って前記コリメータを調節することにより、放射線が前記手術器具を取り囲む区域のみを通過するように前記照射区域の範囲を決定すること、を特徴とする方法。
2. 前記方法は、工程（ｂ）〜（ｅ）の前に、前記器官の中の手術器具の位置に対応する関心のある領域を決定する段階（ａ）を有しており、前記コリメータが関心のある３Ｄ領域に従って調節される、請求項１記載の方法。
3. 前記コリメータは複数の可動の板を有していて、それらの位置により前記照射区域が画成され、
   前記Ｃ形アームを第１の一連の角度位置に位置決めして得られた前記器官についての一連の全視野２Ｄ画像から、前記関心のある領域が決定され、更に、
   前記Ｃ形アームの別の角度位置について、前記コリメータを調節することが、理論的に前記関心のある領域を他の角度位置に対応する全視野画像上に投影することによって達成され、前記板の位置がこの投影から計算される、請求項２記載の方法。
4. 前記複数の可動の板は、それらのそれぞれの面に直角な軸に沿って平行移動することができる、請求項３記載の方法。
5. 前記複数の可動の板は、前記線源の放射線の主方向と実質的に同一線上の軸を中心にして回動することができる、請求項３又は４記載の方法。
6. 前記回転式Ｃ形アームは、患者の頭から足への軸に対応する回転スピン軸を中心にして回動できると共に、前記スピン軸に対して且つ患者の両耳の軸を通過する頭尾軸に対して直角な垂直軸を中心にして回動でき、
   前記角度位置は前記スピン軸の周りの位置に対応し、また
   前記Ｃ形アームの各々の角度位置は、放射線が手術器具の相対的に大きい方の表面に対して実質的に直角になるように、前記垂直軸を中心にして回転させることによって補正される、請求項３〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記関心のある３Ｄ領域は、地面に対して平行な又は斜傾したスライスであり、その内の２つの最大の面が手術器具から２ｃｍ未満、好ましくは１．５ｃｍ未満、更に好ましくは約１ｃｍの距離にある、請求項２〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. その中に手術器具が位置している患者の器官の画像を処理するための医用イメージング・システムであって、少なくとも２つの角度位置に位置決めすることのできる回転式Ｃ形アーム（２）と、該Ｃ形アーム（２）を所与の角度位置に位置決めするための制御装置（３）とを有する医用イメージング・システム（１）において、
   前記Ｃ形アーム（２）が、その両端部の一方に、照射区域に照射する放射線を放出することのできる放射線源（２３）と、他方の端部に、放射線を捕獲するために前記放射線源（２３）と向かい合って配置された検出器（２５）と、前記放射線源（２３）と前記検出器（２５）との間に配置されて、照射区域を画成するコリメータ（２４）とを有し、
   前記コリメータ（２４）が調節可能であることを特徴とし、また、前記コリメータ（２４）の調節は、放射線が手術器具を取り囲む関心のある領域のみを通過するように前記照射区域の範囲を決定するために、前記Ｃ形アームの角度位置（２）に従って前記照射区域を画成することを特徴とする、医用イメージング・システム（１）。
9. 前記コリメータ（２４）は複数の可動の板（２４１〜２４４）を有し、それらの位置により前記照射区域が画成される、請求項８記載のシステム（１）。
10. 前記複数の可動の板（２４１〜２４４）はそれらのそれぞれの面に直角な軸（Ｔ１、Ｔ２）に沿って平行移動することができる、請求項９記載のシステム（１）。
11. 前記複数の可動の板（２４１〜２４４）は、前記線源の放射線の主方向と実質的に同一線上の軸（Ａ１〜Ａ４）を中心にして回動することができる、請求項９又は１０記載のシステム（１）。
12. 前記回転式Ｃ形アーム（２）は、患者の頭から足への軸に対応する回転スピン軸（ＡＳ）を中心にして回動できると共に、前記スピン軸に対して且つ患者の両耳の軸を通過する頭尾軸（ＡＣＣ）に対して直角な垂直軸（ＡＶ）を中心にして回動できる、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のシステム（１）。