CN1672179A - 最佳视图v.o.01 - Google Patents
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Abstract
公开了一种方法，可以对患者一部分脉管系统进行最佳观察，从而有利于所述脉管系统的诊断和治疗中的至少一个。该方法包括基于成像装置生成的图像数据，获得所述脉管系统的模型；识别所述脉管系统中感兴趣的部分，包括确定感兴趣血管的中心血管轴；基于视角和成像装置相对于患者的位置，生成所述感兴趣部分的透视图；基于成像装置的位置，生成重叠图形，从而确定特定视角的重叠量；以及基于患者特征、成像装置的结构、透视图和重叠图形生成可行性图形从而模拟患者的尺度。
Description
本发明涉及心脏干预治疗方案的最佳观察策略，以及尤其涉及可行性图形的产生及应用，其用于在干预之前和/或同时，就物理限制因素模拟患者脉管特征，例如3D冠状动脉树。
诊断和预测冠状动脉疾病，以及进行基于导管的冠状动脉干预要求定量描述冠状动脉树，包括其几何形状。本领域有许多已知的计算机辅助方法，从双平面投影预测三维(3-D)的冠状动脉。但是，由于血管重叠和透视缩小的问题，需要多个投影通过动脉造影充分评价冠状动脉树。消除或至少使透视缩小和重叠问题降至最小是进行准确定量冠状动脉分析(QCA)的前提条件，例如在2D显示器上确定冠状动脉间的长度。
最佳视图(OVM)是本领域已知的。OVM帮助用户获得成像装置的支架位置，从而得到最佳观察；设计OVM从而尽量去除使透视缩小和重叠问题降至最小过程中的主观性。例如，G.Finet和J.Lienard，OPTIMIZING CORONARY ANGIOGRAPHIC VIEWS，int.Journal CardiacImaging，增刊1，vol.1，pp.53-54，1995中仅仅重点描述了相对于单个动脉部分将血管透视缩小问题降至最小。
Y.Sato等，A VIEWPOINT DETERMINATION SYSTEM FOR STENOSISDIAGNOSIS AND QUANTIFICATION IN CORONARY ANGIOGRAPHICACQUISITION，IEE Tran.On Medical Imaging，vol.17，no.1，第53-54页，1995和S.J.Chen和J.D.Caroll，3-D CORONARYANGIOGRAPHY：IMPROVING VISUALIZATION STRATEGY FOR CORONARYINTERVENTIONS，Whats new in cardiovascular imaging，KluwerAcademic Publishers，第61-67页，1998(Chenhe Carroll I)讨论了在将血管重叠和透视缩小降至最低的基础上最佳观察策略的推导。但是，Sato设计的方法要求经良好校正的成像系统，并在3D重现过程中人工指定特定的相应部分。另外，重叠测量是有限制的，这是因为其是在单个狭窄部分和仅仅紧密相邻血管的基础上进行的。当所述部分更加复杂以及更多的远端血管重叠时，对于确定最佳观察的次佳方案是无效的，上述两种情况在临床中较为常见。
广泛地说，在基于一对常规血管造影在线重现3D动脉树中采用了常规OVM，采用单或双平面成像系统由任意两个随机视角获得所述一对血管造影。用于得出OVM的常规过程要求1)通过单平面成像系统获得两个标准的血管造影序列；2)确认2D动脉树和特征提取，包括分叉点、血管直径、血管方向顶点、血管中心线以及在两个图象内构建血管分级体系；3)确定转化，所述转化通过旋转矩阵和转移向量限定了所获取的两个视图的空间关系；和4)基于上述内容，计算3D动脉(例如冠状动脉)树的动脉结构。S.J.Chen和J.D.Caroll，3-DRECONSTRUCTION OF CORONARY ARTERIAL TREE TO OPTIMIZEANGIOGRAPHIC VISUALIZATION，IEEE Transactions on MedicalImaging，vol.19，no.4，2004年4月(以下为“Chen和Carroll II”)，在本文结合并作为参考。
Chen和Carroll II的两视图方法要求相当大的人工编辑以重新获得冠状动脉树。在下文中使用的更广义的术语“模拟”用于描述类似上述2个视图的方法的技术，其原因是它们的目的是基于所获得的几个图象数据来构建冠状动脉树的简要描述。尤其是，Chen和CarrollII教导采用两个类型的最佳视图，即透视图和重叠图，其中用户可以结合上述两种视图从而得到复合图形，例如2个视图图形。现有技术附图1(a)和1(b)显示了左冠状动脉树的提取出的特征，包括血管直径、分叉点、方向矢量和血管中心线。
Chen和Carroll II还教导了在线3D重现技术，其基于从常规血管造影获得的两个视图来重现完整的冠状动脉树，不需要校正物体，以及采用单平面成像系统和新的最佳算法。所述算法通过将两个视图中的图像点和矢量角的误差降至最低而实现，所述技术受限于单平面成像系统的内在参数所衍生的限制因素。
就冠状动脉树的3D特征而言，Chen和Carroll II预计，任意投影将透视缩小各种部分。重现的3D冠状动脉树可以旋转至任意选定的视角，得到多个由计算机生成的投影，从而为每个患者确定哪个标准视图有用，哪个由于过多的重叠和透视缩小而没有临床价值。Chen和Carroll II为用于显示的计算机模拟投影在屏幕上提供了关于所计算的透视缩小和重叠百分比，从而用户可以通过键盘输入选择任意视图。
透视图为交互式图形，是所感兴趣的部分的中心血管轴从所有可能视角观察得到的可视尺寸的复合图。采用透视图使得用户能够人工探究所提示的观察位置并操控血管模型，检查在所述透视图上的相应位置。感兴趣的血管或腔管器官所显示的大小依赖于冠状动脉树相对于辐射源位置的实际观察方向。
在现有技术图2(a)中，白色箭头指向人工确定的感兴趣的冠状动脉部分。相应的中心血管轴用黑线表示。现有技术附图2(b)为常规透视图的一个例子，其可以是彩色编码的，从而提供关于视角和相应支架位置的快速而直观的观察。透视图将透视缩小量降至最低，允许人工探究所建议的视角。观察腔管器官的特定血管的最佳视角的例子参见现有技术最佳视图(2c)。
除了可能的透视缩小，其它血管部分还可能与感兴趣的部分发生重叠，其通过附图3(a)清楚地显示。因此，操作者为了获得血管或其它感兴趣的腔管的更清楚视野(观察)，其可以寻求另一视角。这种类型的图形在现有技术中称为重叠图形。上述重叠图形为每个可能视角提供了关于实际上存在多少重叠的估计。所述信息优选是彩色编码的，例如包括附图3(b)的交互式图表所示。最佳视角的例子参见现有技术的最佳视图附图3(c)(重叠)。
Chen和Carroll II进一步研究和深化了在Chen和CarrollI.S.J.Chen和J.D.Caroll，COMPUTER ASSISTED CORONARYINTERVENTION BY USE OF ON-LINE 3D RECONSTRUCTION AND OPTIMALVIEW STRATEGY，MICCAI1998：377-385(下文为“Chen和Carrol III”)中的工作，该文章结合至本文并作为参考。所述进一步的研究除了透视图和重叠图形之外，还采用了复合图形。Chen和Carrol III中公开的冠状动脉治疗阐述了一个过程，其包括在重现的3D冠状动脉模型的投影上选择感兴趣的动脉部分(例如，在确认的动脉狭窄或任何静脉或非血管的管腔通道堵塞)。基于上述，采用他们所建议的最佳观察策略过程可以实现透视图、重叠图形和复合图形。
Chen和Carrol III复合图形包括上述透视图和重叠图形的组合。Chen和Carrol III所采用的图形使用户可以交互式地选择动脉部分，从而可以事先预览任意计算机产生的投影图象和支架方向。尤其是，所述两个图形一起构成复合图形，有利于采用最小的透视缩小和血管重叠对选择的动脉部分进行观察，从而指导下一步的血管造影，用于干预过程。
虽然Chen和Carrol III的研制为3D观察提供了重要的支持，采用这些过程选择最佳的视角对于观察者来说仍然存在问题，当所述过程用于实时干预时，所述问题变得更加尖锐。也就是说，采用Chen和Carrol III视图仍然限制了观察者清楚有效地分辨在图像数据获取、Chen和Carrol的透视图、重叠和复合图形中采用的支架的位置。
因此，本发明的一个目的是克服现有3D动脉(广义的，腔管)造影的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种一个或多个其它图形用于从多个视角模拟患者的腔管大小，例如冠状动脉树，从而克服现有的观察过程和图形的缺点。
本发明的另一个目的是不需要首先获得冠状动脉树模型而计算重叠。
本发明的另一个目的是生成重叠图形，其使用户能够瞬时意识到标准视角是否能够实现适当的观察，或者相对所述标准观察视角在获取动脉造影之前是否有更好的视角。
本发明的另一个目的是使用户能够在动脉树上标示特定位置从而能够更加容易地分辨特定视图。
本发明提出形成至少一个新的图形，下文称为可行性图形。所述具有创新性的可行性图形用于确定理论上可行但是实际上不可能的支架位置。本文中还公开和要求保护第二个新图形。所述第二个图形为数据的复合物，包括可行性图形(Fe)、透视图形(F)和重叠图形(O)，下文称为FeFO最佳视图，或FeFO OVM。FeFO OVM上的标记作为参考位置。例如，标记可以对应于在冠状动脉造影中通常使用的投影角。
附图1(A)，1(B)显示了在一对动脉造影图形上的血管特征，包括分叉点、直径、分叉的方向矢量和血管中心线；
附图2(A)为3D冠状动脉模型，其中白色箭头指向人为确定的感兴趣的冠状动脉部分；
附图2(B)为透视图；
附图2(C)为附图2(A)所示的部分的最佳视角；
附图3(A)为显示视角的图形，其中突出了重叠问题；
附图3(B)为显示预测每个视角中实际存在的重叠程度的图形；
附图3C的图形显示了附图3(A)中所示部分的最佳视角；
附图4强调了本发明的复合图形的第一实施例；
附图5(A)为透视图；
附图5(B)为重叠图形；
附图5(C)显示了本文所要求保护的可行性图形；以及
附图5(D)显示了本发明的最佳视图。
设计本文中阐述和要求保护的具有创新性的可行性图形，用于模拟患者的尺度(他/她/它的实际大小)，其中潜在的前提是根据患者的尺度和成像装置的结构，某些在理论上可行的支架位置在实际上是不可行的。例如，在成像操作中，相对其实际尺度，患者可以被模拟成半圆柱形。一旦支架角度延伸至所计算的最佳视角的限值之外，本发明的方法、软件、专用计算机、工作站等等包括向用户/操作者提出警告的特征。
可以通过几种方式获得所述可行性图形。第一种制备可行性图形的方法允许临床医生根据患者的体重和尺度，从一组预先设定的图形中选择。而且，每次图象增强器触及物体时，可以交互式建立并维持所述图形。更加复杂的方法涉及采用结构光或激光从而衍生出该患者的解剖轮廓并将其转化为可行性图形。
本文中所述的3视图FeFO复合图形或FeFO OVM能够使用户在任何时候(当然，根据冠状动脉树的显示)生成上述三种图形的任意组合的复合图形。附图4突出了本发明从透视图、重叠图和可行性图的不同组合生成最佳视图的能力。所述三个图形中的每一个均可以通过硬件(例如，开/关转换)直接作为复合OVM或创新OVM的一部分，或者通过在控制图形公式软件中包括标记从而作为复合OVM或创新OVM的一部分。
附图5(A)显示了透视图；附图5(B)显示了重叠图；附图5(C)显示了本发明提出的可行性图形的美术再现；附图5(D)是复合的FeFO最佳视图。首先对附图5(A)和5(B)图形进行标准化(0和1之间)，对两个图形进行取和，从而得到附图5(D)的OVM。根据临床医生给予单个图形的值，所述复合可以是经过权重的和。本发明为临床医生提供了在不同图形的各种组合之间进行转换的能力。
在最佳视图上绘制的标记对应于参考支架位置，例如常规诊断用的冠状动脉造影中的标准投影方向。单独根据每个心脏病专家的选择，对这些标记进行处理。而且，在FeFO最佳视图上绘制的标记对应于工作站屏幕上3D模型的当前定位。当所述体积旋转时所述标记同时移动，从而所述标记始终对应着当前视角的角度/旋转。因此，当3D模型或重现在屏幕上旋转时，所述标记绕着FeFO OVM移动。应注意的是，3D模型和OVM可以同时在屏幕上显示。
本领域的技术人员可以很快意识到所公开的FeFO OVM背后的创新理论也可以延伸至冠状动脉的体积成像中。用户要求感兴趣部分即狭窄的血管部分的中心线，从而实现透视图。通过计算模型在特定方向上的投影并检测所计算的中心线是否被其它血管部分覆盖，可以得到重叠图形。通过例如射线造型或3D织构化可以产生投影。由于只有感兴趣的血管部分才需要衍生出重叠图形，因此，仅仅需要对与感兴趣的血管部分相交的射线计算其体积数据集的投影。
采用本文所阐述的方法不需要对冠状动脉进行清楚地再现。在这方面，所述利用FeFO OVM的创新方法以及实施该方法的装置不需要清楚再现所研究的腔管，例如血管。为了计算透视图，只需要感兴趣的血管部分的中心线。为了计算重叠图形，原则上，需要来自3D模型的完整血管信息。
本文所述的发明通常需要对中心腔管轴例如中心冠状动脉轴(CCA)部分的估计，从而计算透视图。至少有三种方法可以用于确定感兴趣区域的中心冠状动脉轴。
可以用于确定中心腔管例如中心冠状动脉轴的第一种方法为“自调整探头”法，见Jan Bruijns，SEMI-AUTOMATIC SHAPE EXTRACTIONFROM TUBE-LIKE GEOMETRY，会议文章，由Bruijins在一次会议上提交的，用于补充同一主题的文章，所述会议为Vision，Modeling andVisualization，于2000年在德国举行，本文结合该文章并对其进行引用。所述自调节探头法仅仅采用位于中心腔管或血管的外表面上的一组标化方向或边界血管体素的标化倾斜度方向对形状进行调节。
Onno Wink，W.J.Niessen和MaViergeve在西班牙巴塞罗那召开的关于模式识别的国际会议上(International conference on Patternrecognition)出版的文章MINIMUM COST PATH DETERMINATION USINGA SIMPLE HEURISTIC FUNCTION中公开了最小成本路径方法，所述文章在本文中引用并结合。第三个方法为人工编辑，是本领域技术人员所公知的。
尽管在实施本文所阐述的创新FeFO OVM中不需要对冠状动脉进行清楚再现，但是需要对整个体积中的血管宽度(除了中心冠状动脉轴)进行估计。为了获得后者，其至少具有一种方法。即，使用(用户)确定的强度查询表对冠状动脉进行分段。基于(用户)确定的观察参数(水平和宽度)，可以确定有多少部分有助于特定的观察投影。一旦确定了在两个或多个动脉造影投影上的一系列点，所述3D模型算法将生成中心线。
利用FeFO OVM的一个有利结果是其为用户将感兴趣的长的冠状动脉分成两个或单个FeFO最佳视图提供了基础。
利用本发明的FeFO OVM的另一个有利结果是能够模拟相应的投影。当FeFO OVM基于重现模型时，其特别有利。也就是说，实践发现，在进行任何实际采集之前模拟所选择的投影是非常有利的。此外，用户可以利用本发明对同一患者的不同感兴趣血管部分计算两个FeFO最佳视图，并将它们结合为一个组合的最佳视图，从而得到两个血管部分的最佳结果。
利用本发明的FeFO OVM的另一个有利结果是其克服了与最佳观察分叉有关的某些问题。也就是说，由于不对单个冠状动脉轴上的不同图形进行计算，所述整个过程还可以用于分叉部分。利用所述创新FeFOOVM，一旦整体框架已经存在，对分叉部分实施该方法就不存在困难。
本发明FeFO OVM的另一个基本优点在于其用于计算希望的缺省视角。在冠状动脉成像中常规采用的标准视角可以在FeFO最佳视图中(进行处理和)定位从而为临床医生提供参考。本发明FeFO OVM的另一个基本优点在于，其向成像装置提供了反馈。一旦在3D RA工作站中确定了视角，如果可以自动设置成像装置从而获得相应的投影图像，其将是非常有利的。
Claims (23)
1.一种最佳地观察患者部分脉管系统，从而有利于所述脉管系统的诊断和治疗中至少一个的方法，所述方法包括以下步骤：
基于成像装置生成的图像数据，获得所述脉管系统的模型；
识别所述脉管系统中感兴趣的部分，包括确定感兴趣血管的中心血管轴；
基于视角和成像装置相对于患者的位置，生成所述感兴趣部分的透视图；
基于成像装置的位置，生成重叠图形，从而确定特定视角的重叠量；以及
基于患者特征、成像装置的结构、透视图和重叠图形，生成可行性图形从而模拟患者的尺度。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤，根据所述透视图、可行性图和重叠图形，生成所述感兴趣部分的复合视图。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述生成步骤包括根据所述复合视图生成最佳视图。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述感兴趣的部分可以通过至少一种标记进行识别从而可以观察到。
5.如权利要求4所述的方法，其中自动生成所述最佳视图。
6.一种用于冠状动脉干预治疗方案，从而有利于对冠状动脉树进行最佳观察的方法，所述方法包括以下步骤：
基于成像装置生成的图像数据，获得所述动脉树的模型；
识别所述动脉树的感兴趣部分，包括确定中心血管轴；
基于视角和成像装置相对于患者的位置，生成感兴趣部分的透视图；
基于成像装置的位置生成重叠图形从而确定特定视角的重叠量；以及
基于患者特征、成像装置的结构、透视图和重叠图形，生成可行性图形从而模拟患者的尺度。
7.如权利要求7所述的方法，进一步包括根据所述透视图、可行性图和重叠图形生成所述感兴趣部分的复合视图的步骤。
8.如权利要求8所述的方法，其中，所述生成步骤包括根据所述复合视图生成最佳视图。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述感兴趣的部分可以通过至少一种标记进行识别从而可以观察到。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述生成透视图的步骤包括仅仅估计中心血管轴的一部分。
11.如权利要求7所述的方法，其中人工或者自动进行所述步骤。
12.如权利要求7所述的方法，其中所述最佳观察可以分为至少两个最佳观察。
13.如权利要求7所述的方法，其中至少两个中心血管可以实现所述最佳观察。
14.如权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤，包括至少一个标准视角的视图，以提供标准参考。
15.如权利要求7所述的方法，其中所述成像装置可以根据所述最佳视图的生成进行自动设置。
16.如权利要求7所述的方法，其中所述成像装置为x射线成像装置。
17.一种成像系统，其实施对患者部分脉管系统进行最佳观察的方法，从而有利于所述脉管系统的诊断和治疗中的至少一个，所述方法包括以下步骤：
基于成像装置生成的图像数据，获得所述脉管系统的模型；
识别所述脉管系统中感兴趣的部分，包括确定感兴趣血管的中心血管轴；
基于视角和成像装置相对于患者的位置，生成所述感兴趣部分的透视图；
基于成像装置的位置，生成重叠图形，从而确定特定视角的重叠量；以及
基于患者特征、成像装置的结构、透视图和重叠图形，生成可行性图形从而模拟患者的尺度。
18.如权利要求18所述的成像系统，其中自动生成所述最佳视图。
19.一种包括计算机可读装置的计算机可读介质，执行用于冠状动脉干预治疗方案的方法，所述方法包括以下步骤：
基于成像装置生成的图像数据，获得所述动脉树的模型；
识别所述动脉树的感兴趣部分，包括确定中心血管轴；
基于视角和成像装置相对于患者的位置，生成感兴趣部分的透视图；
基于成像装置的位置生成重叠图形从而确定特定视角的重叠量；以及
基于患者特征、成像装置的结构、透视图和重叠图形，生成可行性图形从而模拟患者的尺度。
20.一种包括计算机可读装置的计算机工作站，存储限定一组步骤的数据，计算机根据所述步骤执行用于冠状动脉干预治疗方案的方法，所述方法包括：
基于成像装置生成的图像数据，获得所述动脉树的模型；
识别所述动脉树的感兴趣部分，包括确定中心血管轴；
基于视角和成像装置相对于患者的位置，生成感兴趣部分的透视图；
基于成像装置的位置生成重叠图形从而确定特定视角的重叠量；以及
基于患者特征，成像装置的结构，透视图和重叠图形，生成可行性图形从而模拟患者的尺度。
21.一种计算机生成的可行性图形，用于确定所研究患者的脉管树的可能视图的可行性，包括：
与患者物理特征有关的患者数据；
识别脉管结构包括所述脉管树的图像数据，其与所述患者数据相关；以及
与所述患者和图象数据有关的成像系统特征。
22.如权利要求22所述的计算机生成的可行性图形，其中所述脉管树包括冠状动脉结构。
23.如权利要求22所述的计算机生成的可行性图形，其中所述成像系统特征包括旋转轴。
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