способ совмещения трехмерных изображений, полученных с помощью компьютерных томографов, работающих на основе различных физических принципов

Формула изобретения

Способ совмещения трехмерных изображений, полученных с помощью компьютерных томографов, работающих на основе различных физических принципов, заключающий в размещении маркеров, хорошо распознаваемых во всех методах томографических исследований, относительно исследуемой области пациента, получении ее трехмерных изображений каждым из методов, преобразование их и совмещение изображений по маркерам, отличающийся тем, что маркеры устанавливают на поверхности исследуемой области пациента в плоскости, максимально близкой к аксиальному сечению в количестве однозначно задающем пространственную локализацию исследуемой области, с возможностью попадания всех установленных маркеров в исследуемую область, выбирают базовое трехмерное изображение, предпочтительно метода с максимальным пространственным разрешением, определяют по его маркерам реперные точки, а также выбирают реперные точки на одном из дополнительных трехмерных изображений и совмещают их с реперными точками базового трехмерного изображения и интерполируют данные дополнительного трехмерного изображения на трехмерную сетку базового изображения посредством сформированного одномасштабного вокселя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение используется в медицинской технике при проведении диагностирования структур головного мозга.

В лучевой диагностике существует ряд методов нейровизуализации: рентгеновская компьютерная томография (РКТ), магнитно-резонансная томография (МРТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ). РКТ и МРТ методы дают структурное изображение внутричерепного содержимого, а ПЭТ и ОФЭКТ отражают функциональное состояние - метаболизм и перфузию головного мозга. Проблемой остается точное совмещение анатомических структур головного мозга при различных методах лучевой диагностики.

Известно много способов совмещения изображений. Большинство из них предполагает расположенные вокруг головы маркировочные приспособления различной степени жесткой фиксации (1-11). Известен также тест-фантом для всех систем, дающих изображение (12).

Все вышеперечисленные способы требуют наличия дополнительной достаточно произвольной пространственной конструкции, которую затем адаптируют к пациенту (исследуемому объекту). Кроме того, в исследуемых структурах нет четких анатомических ориентиров для совмещенных изображений.

Известен способ сопоставления изображений (13) по одновременной регистрации всех исследований: ОФЭКТ, РКТ, МРТ и ПЭТ, рассмотренный в качестве прототипа. В основе способа лежит однофотонная эмиссионная томография (ОФЭКТ). Полученные эмиссионные изображения преобразуют, используя систему изображений ядерной медицины. Одновременно получают трансмиссионные (РКТ или МРТ) скены того же объекта, которые также преобразуют, используя ту же систему изображений ядерной медицины. Преобразованные трансмиссионные изображения (РКТ или МРТ) совмещают с уже имеющимися преобразованными эмиссионными изображениями ОФЭКТ (ПЭТ), и, как результат, изображения, полученные различными методами одновременно (РКТ, МРТ и/или ПЭТ), но преобразование которых осуществлялось с помощью одной и той же системы изображений ядерной медицины, корегистрируются с изображениями ОФЭКТ.

В известном способе используется единая для всех методов получения томографических изображений система размещения маркеров. Однако при использовании способа невозможно четко анатомически ориентировать систему ввиду того, что не всегда удается полностью совместить на экране монитора аксиальные срезы, полученные при РКТ (МРТ) и ОФЭКТ (ПЭТ) исследованиях, кроме того, в основу способа положены радионуклидные изображения, полученные при ОФЭКТ исследованиях, которые дают лишь контуры того или иного органа в зависимости от его функциональной активности, и, соответственно, при отсутствии или снижении функции изображение органа либо отсутствует, либо деформировано, также при ОФЭКТ исследованиях, как отмечают авторы (9, 13), нет изображений окружающих органов и структур и, следовательно, нет точных анатомических ориентиров окружающих тканей.

Цель изобретения - обеспечение совмещения трехмерных изображений биологического объекта, полученных с помощью компьютерных томографов, работающих на основе различных физических принципов (РКТ, МРТ, ПЭТ, ОФЭКТ) вне зависимости от последовательности их применения. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении точности совмещения трехмерных изображений органа.

Предлагаемый способ совмещения трехмерных изображений, полученных с помощью компьютерных томографов, работающих на основе различных физических принципов, состоит в том, что маркеры, хорошо распознаваемые во всех методах томографических исследований, размещают относительно исследуемой области пациента, получают ее трехмерные изображения каждым из методов, преобразовывают их и совмещают изображения по маркерам, при этом маркеры устанавливают на поверхности исследуемой области в плоскости, максимально близкой к аксиальному сечению, в количестве однозначно задающем пространственную локализацию исследуемой зоны, с возможностью попадания всех установленных маркеров в исследуемую область, выбирают базовое трехмерное изображение, предпочтительно метода с максимальным пространственным разрешением, определяют по его маркерам реперные точки, а также выбирают реперные точки на одном из дополнительных трехмерных изображений, совмещают их с реперными точками базового трехмерного изображения и интерполируют данные дополнительного трехмерного изображения на трехмерную сетку базового изображения посредством одномасштабного вокселя.

Таким образом, с помощью единых маркеров анатомически точно совмещенные вложенные друг в друга объемные представления объекта, которые затем можно делить на любое количество томографических срезов. Это позволяет одновременно анализировать данные всех томографических исследований пациента. Таким образом, совмещая трехмерные представления "объем в объеме", можно получать любое количество уже совмещенных томографических срезов (изображений) в любой проекции. При этом последовательность применения томографических исследований не имеет значения.

Такой анализ необходим, в частности, в области нейтровизуализации для четкой анатомической ориентации различных функциональных изменений головного мозга по отношению к его основным структурам (борозды и извилины, подкорковые образования, ликворосодержащие пространства, структура ствола). При этом данные о взаиморасположении различных структур головного мозга получают с помощью РКТ и МРТ, а сведения о функциональных изменениях, прежде всего мозговой перфузии и метаболизма различных участков мозга, - с помощью ОФЭКТ и ПЭТ.

Предлагаемый способ иллюстрируется:

фиг. 1, на которой представлена последовательность аксиальных сечений головного мозга, полученных с помощью ОФЭКТ с четырьмя маркерами;

фиг. 2, на которой представлена последовательность аксиальных сечений головного мозга того же пациента, что и на фиг. 1, но полученных с помощью РКТ с четырьмя маркерами;

фиг. 3 представляет общую схему получения томографических изображений для дальнейшей работы в режиме слияния;

фиг. 4 - общая схема совмещения трехмерных томографических изображений.

Предлагаемый способ получения трехмерных биомедицинских изображений включает следующие элементы: выбор формы и размеров маркера, выбор материала оболочки маркера, выбор наполнителя маркера, определение мест крепления (локализации) маркеров, выбор количества и пространственной ориентации при креплении маркеров, выбор и фиксация области исследования, определение характеристик сканирования для выбранного метода исследования, получение последовательности аксиальных сечений с выбранными характеристиками для каждого метода исследования, создание общей базы данных серий аксиальных сечений каждого из используемого для данного пациента исследования.

Выбор формы и размеров маркера обусловлен тем, что маркер должен однозначно обнаруживаться при всех используемых методах исследования и соответствовать конфигурации и размерам вокселя (воксель - объемный элемент), т.е. быть пропорциональным размерам вокселя. Для максимальной достоверности получаемой информации на РКТ и МРТ толщина среза выбирается равной расстоянию между срезами и по возможности минимальной. Для рассматриваемых томографических методов исследования характерны следующие разрешения в слое и расстояния между слоями: РКТ - 0.7 мм и 2-4 мм, МРТ - 0.6 мм и 4-6 мм, ПЭТ - 2 мм и 2 мм, для ОФЭКТ разрешение составляет 6-14 мм. Нами был выбран маркер цилиндрической формы с размерами: диаметр 4-10 мм, длина 10-14 мм, что позволяет выделить его по пространственному разрешению для всех диагностических методик.

Выбор материала оболочки маркера основывается на том, что он не должен вносить существенный вклад в изображение, так чтобы отображалось только содержимое маркера, а не его оболочка, т.е. материал должен иметь малую рентгеновскую плотность (РКТ), быть немагнитным (МРТ), визуализироваться при ПЭТ и ОФЭКТ. Кроме того, он должен обладать достаточно высокой пространственной устойчивостью, быть доступным и допускать стерилизацию этиловым спиртом. Рассмотрев ряд материалов и медицинских изделий из них, авторы остановили свой выбор на желатиновых капсулах цилиндрической формы диаметром 10 мм и длиной до 14 мм, что позволяет выделить их по пространственному разрешению для всех диагностических методик.

Выбор наполнителя маркера обусловлен конкретным методом исследования: для РКТ и для МРТ - желатин или дистиллированная вода, прекрасно разрешаемые с помощью обоих методов, для ПЭТ и ОФЭКТ - используемый в данном конкретном исследовании изотоп в разведении 1:20 или больше, который наносится на поверхность капсулы по разработанной методике. В случае МРТ или РКТ нет даже необходимости заменять содержимое капсул перед исследованием. Для получения контрастного изображения маркеров в стандартном окне визуализации может использоваться контраст, специфичный для используемого метода исследования.

Определение мест крепления (локализации) маркеров осуществляется из тех соображений, что для метода РКТ возможно получение только аксиальных сечений при максимальном пространственном разрешении. Поэтому маркеры наносятся в плоскости, максимально близкой к аксиальному сечению, например, как показано на фиг. 1, 2 применительно к головному мозгу с ориентацией оси маркера ортогонально образуемой маркерами плоскости или плоскости аксиального сечения. Методика нанесения маркеров может быть изменена при использовании РКТ со спиральным сканированием и реконструкцией последовательности сечений вдоль произвольно выбранной оси.

Выбор количества используемых маркеров основывается на необходимости однозначно задать пространственную локализацию исследуемой зоны объекта. Для этого требуется задать: либо четыре точки, не лежащие в одной плоскости, либо плоскость по трем точкам и направление нарастания (или убывания) слоев и пространственной ориентации при креплении маркера, т.е. заданием вектора направления нумерации срезов. В первом случае пространственная ориентация задается непосредственным выбором точек, во втором - путем задания последовательности нумерации сечений. В конкретном случае нейровизуализации такими точками являются точки на поверхности черепа ниже основания мозга: между надбровными дугами и в области височных костей.

Выбор и фиксация области исследования производится путем выделения опорной плоскости с тремя маркерами, причем выбранная плоскость должна быть максимально близка к аксиальному сечению в планируемой зоне исследования, затем определяются требуемые размеры зоны исследования в направлении, ортогональном выбранной маркерами плоскости или по оси продвижения стола томографа. Средствами конкретного компьютерного томографа фиксируется планируемая область обследования.

Определение характеристик сканирования для выбранного метода исследования производится на основании ранее зафиксированной области обследования и должно соответствовать следующим условиям: диаметр области обследования и реконструкции должен обеспечивать попадание всех нанесенных маркеров в зону реконструкции, расстояние между слоями должно быть, по возможности, минимальным для повышения качества последующей трехмерной реконструкции. Кроме того, расстояние между слоями не должно превышать продольного размера маркера.

Получение последовательности аксиальных сечений с выбранными характеристиками для каждого метода исследования производится средствами конкретной томографической установки и сохраняется в виде серии файлов, доступных в дальнейшем по сети или через внешние носители рабочей станции для слияния изображений, их визуализации и анализа.

Общая схема получения томографических изображений для дальнейшей работы в режиме слияния приведена на фиг. 3.

Совмещения трехмерных томографических изображений состоит в формировании совместного трехмерного цифрового представления данных об объемном распределении исследуемых физических параметров одного пациента с одинаковой ориентацией и разрешением для всех используемых методов и точной пространственной привязкой вокселей (формирования одномасштабного вокселя) совмещенного изображения на основе одних и тех же реперных точек - маркеров.

Предлагаемый способ совмещения трехмерных биомедицинских томографических изображений включает следующие этапы: создание объемного представления по последовательности аксиальных сечений для каждого из проведенных с маркерами исследований данного пациента, выбор базового объемного представления, определение реперных точек по маркерам базового объемного представления, выбор реперных точек на дополнительном объемном представлении и совмещение их с реперными точками базового объемного представления, интерполяция дополнительного объемного представления на трехмерную сетку базового объемного представления, добавление интерполированного объемного представления в базовое объемное представление, повторение последних трех шагов для следующего дополнительного объемного представления.

Создание объемного представления по последовательности аксиальных сечений для каждого из проведенных с маркерами исследований данного пациента состоит в последовательном просмотре всех срезов и построении трехмерной матрицы вокселей с разрешением в аксиальном сечении, присущем применяемому томографическому методу и интерполяцией по оси Z, ортогональной аксиальным сечениям к шагу между срезами (высота вокселя), близкому к размеру пикселя в аксиальном сечении.

Выбор базового объемного представления производится из соображений сохранения максимального пространственного разрешения в объединенном объемном представлении, поэтому за базовое объемное представление выбирается наиболее морфологически значащая информация из проведенной серии исследований разными методами, как правило, это результаты МРТ или РКТ для данного пациента.

Определение реперных точек по маркерам базового объемного представления производится интерактивно, в заранее детерминированной последовательности с целью минимизации возможных ошибок оператора, путем последовательного просмотра на экране параллельно исходных аксиальных сечений и аксиальных сечений базового объема и задания X и Y координат в интерактивном режиме для каждой из реперных точек и вычисления Z - координаты путем взвешивания Z - координат маркера на нескольких слоях. Нанесенные маркеры нумеруются в определенном порядке { X_bi, Y_bi, Z_bi; i= 1,2,3}, например, начиная с расположенного на осевой линии лица по часовой стрелке, если смотреть на человека сверху. Данная последовательность не является абсолютно необходимой, важно, чтобы была выбрана определенная последовательность, и нужно придерживаться ее для всех исследований данного пациента с маркерами. Система координат базового метода нормируется и становится логической системой координат всех исследований данного пациента.

Выбор реперных точек на дополнительном объемном представлении производится аналогично определению реперных точек по маркерам базового объемного представления. Их совмещение с реперными точками базового объемного представления производится следующим образом. Определяются координаты реперных точек на дополнительном объемном представлении в логической системе координат базового объемного представления {X_i Y_i, Z_i i = 1, 2, 3} и определяются коэффициенты формулы перехода и интерполяции данных дополнительного объемного представления к координатам базового объемного представления.

Интерполяция дополнительного объемного представления на трехмерную сетку базового объемного представления осуществляется путем определения взвешенного среднего значения каждого вокселя дополнительного объемного представления на сетке, совпадающей с сеткой базового объемного представления, по значениям на исходной сетке дополнительного объемного представления с отсечением выходящих за пределы базового объема данных и дополнением константой не определенных.

Таким образом, определяется одномасштабный воксель для каждого объемного представления, причем с масштабом, привязанным к базовому методу исследования. Добавление интерполированного объемного представления в базовое объемное представление производится путем добавления новой плоскости данных в базовое объемное представление, содержащего данные всех проведенных исследований в единой геометрической привязке с общей метрикой.

Общая схема совмещения изображений представлена на фиг. 4.

Способ осуществляется следующим образом.

Для получения совмещенных трехмерных изображений необходимо располагать оборудование в виде РКТ, МРТ, ОФЭКТ (ПЭТ) для получения изображения с маркерами. К каждому из перечисленных томографов должны быть подключены рабочие станции, позволяющие приводить изображения к единому формату. Получение совмещенных трехмерных изображений осуществляется следующим образом. Рассмотрим на примере томографических исследований головного мозга.

Пациенту в определенных точках головы (как правило, между бровями, в правой и левой височных областях) фиксируются маркеры (реперные точки), в качестве которых используются желатиновые капсулы. Проводят РКТ (МРТ) исследование. Затем больному проводится ОФЭКТ исследование, при этом на поверхность капсул наносится тоже радиоактивное вещество, с которым проводят основное исследование. В данном случае Тс-99м в разведении 1: 20. (Как уже указывалось выше, последовательность и очередность проведения томографических исследований не имеет значения). Независимо обрабатывают РКТ (МРТ) и ОФЭКТ данные, которые поступают на рабочую станцию. Выбирают базовое РКТ исследование в аксиальной проекции на срезе, где видны маркеры. Формируют одномасштабный вексель и по серии аксиальных срезов создают объемное базовое изображение. Приводят масштаб изображения ОФЭКТ исследования к масштабу РКТ с помощью выбранного векселя и формируют объемное ОФЭКТ изображение мозга. По имеющимся маркерам совмещают (вкладывают) изображения "объем в объем" и осуществляют любые возможные действия.

Источники информации:

1. US 4971060, 1990.

2. US 5094241, 1992.

3. US 5097839, 1992.

4. US 5119817, 1992.

5. US 5211164, 1993.

6. US 5222499, 1993.

7. US 5273043, 1993.

8. US 5383454, 1995.

9. US 5672877, 1997.

10. US 5769789, 1998.

11. GB 2272772, 1992.

12. GB 2288305, 1994.

13. WO 97/36190, 1997.