КАРТИРОВАНИЕ СЕРДЦА
CARDIAC MAPPING

Данное изобретение относится к области интервенционной визуализации. В частности, изобретение относится к устройству исследования для картирования сердца для исследования целевого объекта, расположенного в целевом объеме, к способу картирования сердца, машиночитаемому носителю, программному элементу и устройству обработки изображений.
Для лечения стенозов сердца в лабораториях катетеризации может использоваться система визуализации для чрескожной транслюминальной коронарной ангиопластики (PTCA). Ниже описывается основная интервенционная процедура, которую можно найти в работе [3]:
«После введения катетера в сосудистую систему в зоне доступа, он продвигается вдоль крупных сосудов к сосудистой структуре, требующей лечение. Контрастное вещество вводится через катетер, и рентгеновское оборудование лаборатории катетеризации регистрирует ангиографическую последовательность, которая показывает сосуды, когда они заполняются контрастным веществом. Получение диагностической ангиограммы можно повторять, изменяя конфигурацию визуализатора. Диагноз и планирование интервенции основываются на таких диагностических ангиограммах (…). Во время интервенции гибкий, частично или полностью, рентгеноконтрастный проволочный направитель продвигается к пораженным сосудистым структурам (например, стенозам в коронарных артериях, нейроваскулярным аневризмам или артериовенозным нарушениям). Рентгеноскопическое слабодозированное наблюдение делает проволочный направитель видимым (…) и позволяет зрительно координировать движение рук врача, проводящего процедуру, во время продвижения направителя катетера. Когда проволочный направитель установлен, он служит направляющей для доставки интервенционных устройств (например, надувного баллона для дилатации и подачи стента, отсоединяемых спиралей для коагуляции аневризмы). Подача и ввод в действие интервенционных устройств также контролируется рентгеноскопически».
В работе [3] описывается метод наложения между ангиограммой и живыми изображениями (именуемый картированием):
«В таких процедурах сама структура сосуда не видна во время интервенции, так как он не рентгеноконтрастный. Следовательно, навигация и точное позиционирование проволочного направителя и интервенционных устройств являются трудоемкими, требующими много времени и дополнительных порций контрастного вещества, чтобы прояснить позицию устройств относительно интересующих сосудов. Из-за рассеивания и пациент, и медицинский персонал подвергаются воздействию рентгеновских лучей во время получения диагностических ангиограмм и интервенционной рентгеноскопии. Следовательно, желательна навигационная поддержка для сокращения времени интервенции и улучшения точности позиционирования. В плановом порядке статическая диагностическая ангиограмма, получаемая при похожей конфигурации визуализатора, отображается рядом с живой интервенционной рентгеноскопией. Для навигации проволочного направителя и устройств внутри сосудов требуется субъективное зрительное слияние статической ангиограммы и живой рентгеноскопии. Усовершенствованное, подробное визуальное отображение могло бы дать важную поддержку в навигации. В качестве эффективного подхода предварительно обработанные ангиограммы могут быть наложены на поток рентгеноскопических изображений, так что сосуды и интервенционные устройства одновременно отображаются на экране. Однако между получением диагностических ангиограмм и рентгеноскопией проходит время и непреднамеренные, а также умышленные движения пациента приводят к изменениям позиции и ориентации, так же как к деформации мягких тканей. Что касается коронарных интервенций, то сосудистая структура также непрерывно изменяется из-за движений биения сердца и дыхания. Следовательно, такие методы наложения допускают несоответствия интервенционной рентгеноскопии и диагностических наложений (…). В результате проволочный направитель и интервенционные устройства не отображаются внутри сосуда, и воспринимаемое качество наложенных изображений недостаточно».
Навигация, таким образом, может помочь кардиологу путем предоставления кардиологической карты-схемы, отображаемой рядом с живыми рентгеноскопическими изображениями или наложенной на них. В идеале эта кардиологическая карта-схема представляет сеть сосудов, получаемую во время ангиографии, при той же сердечной фазе, что и текущее живое изображение.
Документы [1] и [2] описывают основной способ реализации картирования сердца. Они полагаются на выделение сердечных и дыхательных циклов и на согласование этих циклов между изображениями ангиограммы (в заполненном состоянии) и живыми изображениями.
Картирование является весьма важной функциональной возможностью, поскольку она может обеспечить точную локализацию интервенционного устройства относительно анатомии сосуда, который иначе был бы невидим в течение большей части времени PTCA.
Картирование даже более интересно в случае сердечных интервенций, так как совмещение, в ином случае производимое кардиологом в уме, между ангиограммой (обычно одним выбранным изображением) и динамической рентгенографической последовательностью является утомительным и неточным процессом.
Однако независимо от того, насколько хорошо может быть картирование сердца, результат наложения может оставаться динамической перспективой, которая включает в себя и сердечные, и дыхательные движения, и даже возможное движение пациента. Наложение этих движений может быть дополнительным фактором утомления. Кроме того, несовершенство процесса картирования может способствовать созданию некоторых небольших дрожаний между интервенционными объектами и показаниями картирования, таким образом увеличивая сложность динамической перспективы картирования.
Может быть желательно обеспечить усовершенствованное неподвижное интервенционное картирование сердца.
Данное изобретение предусматривает устройство исследования для картирования сердца для исследования целевого объекта, расположенного в целевом объеме, устройство обработки изображений, машиночитаемый носитель, программный элемент и способ исследования целевого объекта с учетом особенностей согласно независимым пунктам формулы изобретения.
Следует отметить, что описываемые ниже примерные варианты осуществления данного изобретения применяются также для способа исследования целевого объекта, для машиночитаемого носителя, для устройства обработки изображений и для программного элемента.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предусматривается устройство исследования для картирования сердца для исследования целевого объекта, расположенного в целевом объеме, при этом устройство исследования включает в себя вычислительный блок, выполненный с возможностью создания опорной карты целевого объема на основании первой последовательности изображений целевого объема, создания последовательности карт устройства целевого объема на основании второй последовательности изображений целевого объема и проецирования последовательности карт устройства на опорную карту, что дает в результате навигационную последовательность, при этом опорная карта - это статическая карта-схема целевого объекта.
Другими словами, последовательность карт устройства, которую можно получить во время интервенции, накладывают на статическую, неподвижную опорную карту, изображающую ту же самую область (то есть целевой объем). Это может преодолеть проблемы визуализации, создаваемые разнообразными движениями во время отображения картирования сердца, такими как дыхание, сердцебиение, движение пациента или кратковременное дрожание между схемой-картой и реальностью. Кроме того, это может обеспечить неподвижную визуальную поддержку для максимальной удобочитаемости.
Согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения целевым объектом является сеть сердечных сосудов, при этом первая последовательность изображений - это ангиограмма целевого объекта, при этом вторая последовательность изображений - это живая последовательность, полученная во время интервенции в целевой объект, и при этом опорная карта - это опорная карта сосудов.
Следовательно, опорная карта - это статическая опорная карта и первая последовательность изображений относится к ангиографической последовательности. Создается множество карт устройства, например, одна карта устройства на одно рентгеноскопическое изображение (то есть вторая последовательность изображений является рентгенографической последовательностью). Однако следует отметить, что для каждой построенной карты устройства могут быть задействованы несколько рентгеновских изображений, то есть не должно быть соответствия один к одному между картами устройства и рентгеновскими изображениями.
Согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения проецирование карты устройства на опорную карту - это совмещение, выполняемое на основе последовательности составных полей векторов движения, дающее в результате последовательность совмещенных карт устройств.
Согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения опорная карта сосудов выбирается из последовательности карт сосудов.
Кроме того, согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения выбор опорной карты сосудов включает в себя выделение сосудистого цикла, соответствующего полному сердечному циклу.
Согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения вычислительный блок дополнительно выполнен с возможностью оценки движения от карты устройства к карте сосудов после создания карты устройства, что в результате дает первую последовательность полей векторов движения.
Кроме того, согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения оценка движения от карты устройства к карте сосудов включает в себя оценку движения от последовательности к последовательности и операцию согласования.
Таким образом, этап оценки движения может учитывать пространственно-временные ограничения (в противоположность процессу от изображения к изображению или даже от изображения к последовательности).
Согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения вычислительный блок дополнительно выполнен с возможностью оценки движения от карты сосудов к опорной карте после создания опорной карты, что в результате дает вторую последовательность векторных полей. Более того, вычислительный блок выполнен с возможностью комбинирования движений на основе первой и второй последовательностей векторных полей, что в результате дает последовательность комбинированных полей векторов движения.
Согласно дополнительному примерному варианту осуществления настоящего изобретения вычислительный блок выполнен с возможностью наложения последовательности совмещенных карт устройства на опорную карту сосудов.
Это может дать окончательные результаты, которые отображены на Фиг.3.
Устройство исследования может быть сконфигурировано как одно из группы, состоящей из устройства тестирования материалов, устройства для медицинского применения и микросистемы CT.
Областью применения данного изобретения может быть медиальная визуализация, например визуализация сердца или досмотр багажа.
Согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения устройство исследования применяется как одно из устройств трехмерной компьютерной томографии в трехмерном ротационном рентгеновском аппарате.
Кроме того, согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения предусматривается способ картирования сердца для исследования целевого объекта, расположенного в целевом объеме, с помощью устройства исследования, в котором создают опорную карту целевого объема на основе первой последовательности изображений целевого объема, создают карту устройства целевого объема на основе второй последовательности изображений целевого объема и в котором проецируют карту устройства на опорную карту, при этом опорная карта - это статическая карта-схема целевого объекта.
Согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения предусматривается устройство обработки изображений для картирования сердца для исследования целевого объекта, расположенного в целевом объеме, при этом устройство обработки изображений включает в себя память для хранения набора данных о целевом объекте, при этом устройство обработки изображений выполнено с возможностью осуществления вышеупомянутых этапов способа, например посредством вычислительного блока.
Согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения предусматривается машиночитаемый носитель, в котором хранится компьютерная программа для картирования сердца, которая, при выполнении процессором, предписывает процессору осуществлять вышеупомянутые этапы способа.
Кроме того, согласно другому примерному варианту осуществления настоящего изобретения предусматривается программный элемент для картирования сердца для исследования целевого объекта, который, при выполнении процессором, предписывает процессору осуществлять вышеупомянутые этапы способа.
Специалисты в данной области техники легко оценят то, что способ исследования целевого объекта может быть осуществлен как компьютерная программа, то есть посредством программного обеспечения, или может быть осуществлен с использованием одной или нескольких специальных электронных схем оптимизации, то есть в виде аппаратных средств, или способ может быть осуществлен в гибридной форме, то есть посредством компонентов программного обеспечения и аппаратных компонентов.
Программный элемент, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения, может быть предпочтительно загружен в рабочую память процессора данных. Процессор данных, таким образом, может быть оборудован для осуществления примерных вариантов осуществления способов настоящего изобретения. Компьютерная программа может быть написана на любом из подходящих языков программирования, таких как, например, С++, и может храниться в машиночитаемом носителе, таком как CD-ROM. Также компьютерная программа может быть доступна из сети, например, всемирная сеть WorldWideWeb, откуда она может быть загружена в блоки обработки изображений, или процессоры, или любые подходящие компьютеры.
Суть настоящего изобретения заключается в создании статической карты-схемы, на которую, в правильном месте, проецируется (по возможности стилизованный) вид интервенционного устройства. Этот чисто синтетический вид может предоставить как информацию о картировании (то есть точную локализацию интервенционного устройства относительно анатомии сосуда), так и высокую степень удобочитаемости, что обеспечивается и неподвижностью вида, и его синтетическим характером.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидны и объяснены на основании описываемых ниже вариантов осуществления.
Следует отметить, что данное изобретение не ограничивается конкретным исполнением. Наоборот, общепринятое понятие «картирование сердца и фиксирование» характеризует суть настоящего изобретения.
Примерные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже в соответствии со следующими чертежами.
Фиг.1 показывает упрощенное схематическое представление рентгеновского ротационного аппарата для исследования с С-рычагом согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 показывает блок-схему последовательности операций примерного варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению.
Фиг.3 показывает схематическое представление комбинированного изображения согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 показывает примерный вариант осуществления устройства обработки изображений, согласно настоящему изобретению, для выполнения примерного варианта осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
Иллюстрации на чертежах являются схематическими. На разных чертежах подобные или идентичные элементы обозначены одинаковыми номерами позиций.
Фиг.1 показывает схематическое представление примерного ротационного рентгеновского сканнера, в котором может быть осуществлен способ согласно данному изобретению. Рентгеновский источник 100 и плоский детектор 101 с большой чувствительной областью устанавливаются на концах С-рычага 102. С-рычаг 102 удерживается изогнутой направляющей, «рукавом» 103. С-рычаг может скользить по рукаву 103, таким образом выполняя «качение» вокруг оси С-рычага. Рукав 103 крепится к L-рычагу 104 посредством поворотного шарнира и может выполнять «винтовое движение» вокруг оси этого шарнира. L-рычаг 104 крепится к потолку посредством другого поворотного шарнира и может выполнять вращение вокруг оси этого шарнира. Различные вращательные движения совершаются сервомоторами. Оси трех вращательных движений и ось конусообразного луча всегда встречаются в единственной фиксированной точке, «изоцентре» 105 ротационного рентгеновского сканнера. Вокруг изоцентра существует определенный объем, на который проецируются все конические лучи вдоль траектории источника. Форма и размер этого «объема проецирования» (VOP) зависит от формы и размера детектора и от траектории источника. На Фиг.1 шар 110 обозначает наибольший изоцентрический шар, который вмещается в VOP. Объект (например, пациент или единица багажа), который должен быть визуализирован, помещается на стол 111, так чтобы целевой объем объекта (VOI) заполнил VOP. Если объект достаточно мал, он полностью поместится в VOP; иначе не поместится. VOP, следовательно, ограничивает размер VOI.
Различные вращательные движения контролируются блоком 112 управления. Каждая триада, состоящая из угла С-рычага, угла рукава и угла L-рычага, определяет позицию рентгеновского источника. Путем изменения этих углов с течением времени можно заставить источник двигаться вдоль предписанной траектории источника. Детектор на другом конце С-рычага совершает соответствующее движение.
Фиг.2 показывает блок-схему последовательности операций способа согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Способ, изображенный на Фиг.2, может использоваться для построения статической карты-схемы сердца для проецирования вида интервенционного объекта на эту карту-схему в правильном местоположении.
n
i
На этапе 201 собирают ангиографические данные {A}. Далее, на этапе 202, собирают рентгеноскопические живые данные {F}.
n
n
Способ основывается на структуре карты сосудов (создание карты сосудов, этап 203), которая может быть просто результатом сегментации сосуда или карты, что обеспечивает, для каждого пиксела, вероятность наличия сосуда. Карта сосудов рассчитывается по последовательности ангиограммы {A} и сама является последовательностью индивидуальных карт {V} (одна индивидуальная карта на одно изображение ангиограммы).
k
n
Затем, на этапе 205, выполняют выделение сосудистого цикла: может быть востребован только полный сердечный цикл, соответствующий сосудам в заполненном состоянии (заполненным контрастным веществом). Следовательно, может быть полезно выделить такой цикл. Для выполнения этой задачи можно опереться на электрокардиограмму. Данный этап может создать подгруппу {C} карт {V}, которая соответствует полному сердечному циклу в заполненном состоянии.
i
i
i
Кроме того, на этапе 204, по рентгеноскопической последовательности {F} создают (рассчитывают) карту устройства. Аналогично карте сосудов карта устройства может быть двойной или более размытой сегментацией интервенционных инструментов, то есть инъекционного катетера, или проволочного наконечника, или тому подобных. С этой целью могут использоваться стандартные фильтры гребнистости и методики определения порога. В любом случае для каждого изображения из последовательности {F} рассчитывают карту устройства, таким образом создавая последовательность {D}.
k
i
На этапе 206 выполняют оценку движения от карты устройства к карте сосудов: оценка движения между картами устройства и сосудов может применяться после создания карты устройства и карты сосудов. Она может включать в себя геометрическое преобразование (среди заданного класса возможных преобразований), которое максимизирует подобие между картами сосудов {C} и картами устройства {D}. Могут учитываться несколько измерений подобия.
i
k
Этот этап оценки движения может учитывать пространственно-временные ограничения и может выглядеть как оценка движения от последовательности к последовательности и операция согласования (в противоположность процессу от изображения к изображению или даже от изображения к последовательности). В дополнение к согласованию карты устройства D с картой сосудов V этот этап также может компенсировать дыхательные движения. Обычно найденное движение является результатом глобального преобразования (способным компенсировать дыхательное движение).
i,k
i,k
i
k
В любом случае итог данного этапа - это последовательность векторных полей {F}. Каждое векторное поле F достаточно для совмещения карты устройства D с картой сосудов V.
r
k
k
k
На этапе 207 выполняется выбор опорной карты сосудов: необходимо построить целевую статическую карту сосудов C, называемую опорной картой сосудов, из последовательности карт сосудов {C}. Это может быть просто одна из {C}, например, C, показывающая максимум видимости или наименьшее расстояние до всех остальных.
k
r
k,r
Затем, на этапе 208, выполняют оценку движения от сосуда к опорной карте: данный этап включает в себя нахождение полей векторов движения для того, чтобы совместить карты сосудов {C} с опорными картами сосудов C. По причине комплексной природы движения сердца это может создать последовательность полей упругого движения, обозначаемых {A}. Для этой цели могут использоваться многие методики оценки упругого движения, например оптический поток.
i,k
k,r
i,k
k,r
i
r
На этапе 209 выполняют комбинирование движения: векторные поля {F} и {A} комбинируют с тем, чтобы получить последовательность полей векторов движения {FA}, необходимую для совмещения карт устройств {D} с опорной картой сосудов C. Могут использоваться стандартные методики комбинирования движения, по возможности включая этапы векторной интерполяции.
i,k
k,r
i
i
На этапе 210 выполняют совмещение устройства с опорной последовательностью: нанесение комбинированных полей векторов движения {FA} на карты устройств {D} создает последовательность совмещенных карт устройств, обозначенную {R}.
i
i
На этапе 211 выполняют сегментацию целевых точек устройства: целевую точку интервенционных инструментов (обычно проволочный наконечник), которая ясно показывает продвижение инструмента внутри сосудистой сети, необходимо выделить в совмещенной последовательности {R}, таким образом создавая последовательность {P}. Для достижения данной цели можно использовать обычные методики гребнистости. Однако целевая точка должна иметь достаточную сигнатуру для ее однозначного обозначения. Обычно это случай с наконечником проволочного направителя.
Помимо наконечника маркеры надувных баллонов также являются типичными целевыми объектами, которые могут рассматриваться.
Этап 212 представляет собой комбинирование или этап формирователя, на котором последовательность совмещенных целевых точек накладывают на опорную карту сосудов, таким образом образуя окончательные результаты, пример которых отображен на Фиг.3. В дополнение, формирователь может сохранять маршрут недавнего прохождения целевой точки. Все эти особенности могут помечаться различными способами, то есть посредством разных цветов, стрелок и т.д.
Фиг.3 показывает схематическое представление сети 300 кровеносных сосудов, на которую проецируется путь интервенционного устройства 305. Интервенционным устройством 305 может быть наконечник проволочного направителя или маркер надувного баллона. Как видно на Фиг.3, совмещенную целевую точку устройства продвигали вдоль пути 304 до достижения позиции 305. Путь 304 лежит в пределах одного конкретного ответвления 303 сети 300 сосудов (которая также включает в себя ответвления 301, 302).
При необходимости позиция наконечника 305 может быть помечена цветной стрелкой 306.
Следует отметить, что можно предусмотреть несколько других вариантов осуществления. Например:
k
n
- Задание конкретных последовательностей, описанное выше, не обязательно требуется в каждом случае. К примеру, можно пропустить этап выделения цикла, в случае чего все операции для {C} применяются для {V}.
- Кроме того, этапы 210 и 211 (совмещение устройства с опорной последовательностью и сегментация целевой точки устройства) можно поменять местами. Возможно применить компенсацию движения непосредственно к результатам сегментации целевой точки.
- Расчет полей движения может опираться на тот факт, что, уже совмещенная целевая точка должна лежать в пределах опорной карты сосудов. Это может добавить ограничения и может сделать процесс оценки движения более трудоемким. Это также может помочь в подавлении дрожаний в процессе от устройства к карте-схеме.
- Несколько целевых точек могут одновременно учитываться и отображаться на опорной карте сосудов.
- Опорную карту сосудов также можно заменить на изображение опорной ангиограммы, когда оно приобретет окончательный вид.
Фиг.4 показывает примерный вариант осуществления устройства 500 обработки изображений, согласно настоящему изобретению, для выполнения примерного варианта осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
Устройство 500 обработки изображений, изображенное на Фиг.4, включает в себя центральный процессор (CPU) или процессор 501 обработки изображений, соединенный с памятью 502 для хранения изображения, описывающего целевой объект, например сердце пациента или единицу багажа. Центральный процессор 501 может содержать блок определения или вычисления (не показан на Фиг.4) согласно аспекту настоящего изобретения.
Процессор 501 обработки данных может быть соединен со множеством сетевых или диагностических устройств ввода-вывода, таких как сканнер для компьютерной томографии. Также процессор 501 обработки данных может быть соединен с дисплеем 503, например с монитором компьютера, для отображения информации или изображения, обработанных компьютером или адаптированных в процессоре 501 обработки данных. Оператор или пользователь может взаимодействовать с процессором 501 обработки данных посредством клавиатуры 504 и/или других устройств ввода или вывода, которые не показаны на Фиг.4.
Кроме того, через систему 505 шин также возможно соединить контрольный процессор 501 управления и обработки изображений с, например, монитором движения, который отслеживает движение целевого объекта. В случае когда, например, визуализируется легкое пациента, датчик движения может быть датчиком выдыхания. В случае визуализации сердца или сети кровеносных сосудов датчик движения может быть электрокардиограммой.
Картирование сердца, согласно настоящему изобретению, воспринимается как возможное крупное достижение, поскольку оно может предложить кардиологу беспрецедентный способ достижения интервенций PTCA с меньшим количеством контрастного вещества, меньшей дозой за более короткое время и более безопасно.
Следует отметить, что термин «включающий в себя» не исключает другие элементы или этапы и единственное число существительных не исключает множественность. Также элементы, описанные в связи с различными вариантами осуществления, могут сочетаться друг с другом.
Также следует отметить, что знаки ссылки в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем формулы данного изобретения.
Литература