CN102083362A - 定位和分析用于整形和重建手术的穿支皮瓣 - Google Patents

定位和分析用于整形和重建手术的穿支皮瓣 Download PDF

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Abstract

本发明公开了使用ICG荧光血管造影成像对用于整形和/或重建手术的穿支血管进行术前识别的方法和设备。时间分辨图象处理被用于突出穿支位置，并且允许通过各种计算得到的度量在候选穿支之中进行视觉辨别。基于这些度量，外科医生能够交互地定位和选择适于整形和重建手术的穿支血管。

Description

定位和分析用于整形和重建手术的穿支皮瓣
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年4月14日提交的、序列号为61/044,779的美国临时申请的优先权，通过引用将其整体并入本文。
背景技术
整形重建手术常常需要对皮肤和皮下组织的皮瓣的定位和临床评估，该皮瓣由孤立的穿支血管供给并且其潜在地适于移植到身体的另一部分中。穿支(perforator)从它们的源血管经过深处的肌肉组织或者在深处的肌肉组织之间通到皮肤表面。血管分布良好的皮瓣(flap)是用于移植的优质候选。
例如，腹部的供区皮瓣从18世纪80年代以来已变成用于自体乳房重建的标准。在腹部内，游离脂肪选择分布在从完整的横行腹直肌(TRAM)皮瓣到诸如深腹壁下动脉(DIEA)穿支皮瓣的孤立的穿支皮瓣的范围内。穿支皮瓣还以最小的供区发病率允许患者自身的皮肤和脂肪以可靠的方式在组织重建的其他区域中的移植。依赖于随机模式血液供给的皮瓣很快被能可靠地移植大量组织的带蒂轴型皮瓣取代。游离组织移植的出现允许适当地匹配供区和受区的还要更大的可能性范围。穿支皮瓣的越来越多的使用使对个体的DIEA及其穿支的具体解剖学特征的术前熟悉的需求迅速增加，尤其已知到腹壁的血管供给的解剖模型(anatomy)中有显著变化。
穿支的定位和评估是费力且费时的过程。常常执行术前计算断层照相血管造影(CTA)成像来进行定位。这样的方法需要相当可观的费用并且具有外科医生必须在心里将来自先前采集的3D模态(modality)的图像与此时躺在手术台上的患者的当前的2D视图联系起来的额外复杂度。因此，对更有利的成像模式的探索在继续，最近所感兴趣的是对吲哚青绿(ICG)荧光成像的使用，其中基于荧光信号来评估经过皮肤的血液循环。ICG中具有大约830nm发射峰的荧光作为通过近红外谱范围中的辐射的激发的结果而出现。例如可由二极管激光器、发光二极管(LED)或诸如具有合适的带通滤波器的弧光灯、卤钨灯的其他常规照明源产生具有大约800nm波长的激发光。皮肤对于这个波长是可穿透的。
ICG与血液蛋白有力地结合，并且先前已被用于心脏输出测量、肝功能评估以及眼血管造影，而几乎无不良反应。ICG荧光信号的评估可以被用于定位穿支。由于在穿支附近的皮肤表面通常比周围的组织积聚更多的血液并且以更快的速率积聚，所以一旦注入ICG，穿支就趋于比周围的组织更亮且更快地发出荧光。这种迅速的、高强度的荧光允许对穿支的视觉定位。然而，外科医生常常不仅对定位感兴趣，而且还对支持作出良好临床决策的评估和比较感兴趣。外科医生需要确定若干穿支中的哪些是最好的移植候选。在此，在荧光迅速地积聚和消散的同时的简单视觉观察是不够的。例如，来自连续注入的残余ICG积聚在组织中并且随每次注入逐渐提高背景亮度的倾向进一步使最佳候选穿支简易的视觉辨别混淆。另外，ICG有时在若干分钟里极度缓慢地移动，使得这样的动态分析非常有挑战性和主观性。外科医生将通过提出以下问题来进行评估：
1)在组织中有多少结合ICG的血液？
2)结合ICG的血液在组织中停留多久？
3)结合ICG的血液多快地移动经过组织？
4)在推注之后，解剖区域以怎样的次序发亮？
这些问题难以在主观基础上回答。因此，存在对更先进的图像处理和显示方法的需求，以将客观标准应用于定位和评估穿支。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了利用ICG荧光血管造影成像对用于整形和/或重建手术的穿支血管进行术前识别的方法，其包括用于突出穿支位置并且允许通过各种计算得到的度量在候选穿支之中进行视觉辨别的时间分辨图象处理。外科医生能够根据以下处理动作中的至少一个来选择和比较用于分析时间序列并输出度量的算法的结果：在逐像素的基础上确定时间积分的荧光。
通过将时间积分的荧光除以消逝时间来计算平均荧光。
确定荧光中的增加/洗脱(wash-out)速率。
确定消逝时间以获得峰值荧光。
各种图像处理步骤独立地处理图像像素，并且为跨整个采集时间或选定的时间子范围所观察到的输入序列中的每个像素计算唯一的数值量度。因此，每个图像输出是具有与输入图像序列中的帧相同的维度(即像素的数量和布置)的数值阵列。因此，经处理的图像可以例如被显示成跨被成像的区域计算得到的像素值的三维表示，例如等高线图，或者被显示成颜色编码的二维图像或地势图。在穿支位置处于皮肤之下的这种情况中，这样的图像表示有助于图像特征的迅速理解和图像上的区域之间的比较。
本发明的这些及其他的特征和优点将通过本发明以下的详细说明而变得更容易理解。
附图说明
以下附图描绘了本发明的某些示意性实施例，其中相同的参考标号指相同的元件。这些被描绘的实施例应被理解为对本发明的示意，而不是以任何方式限制本发明。
图1示意性地示出用于观察ICG荧光的摄像机系统；
图2示出皮肤区域的ICG荧光图像，其中随时间对像素值求积分；
图3示出随时间积分的、皮肤区域的ICG荧光图像，其中像素值按消逝时间逆向加权；
图4示出皮肤区域的ICG荧光图像，其中像素值由荧光的增加速率决定；
图5示出皮肤区域的ICG荧光图像，其中像素值由到最大荧光的消逝时间决定；以及
图6示出皮肤区域的ICG荧光图像，其中像素值由峰值荧光决定；
图7示出用可变对比度传递函数处理的荧光图像的覆盖图(overlay)；以及
图8示出用另一可变对比度传递函数处理的荧光图像的覆盖图。
具体实施方式
本发明针对在进行任何切开之前，通过无创方法对穿支血管在穿支皮瓣中的位置的术前确定。
图1示意性地示出用于通过ICG荧光成像在手术应用，尤其在术前应用中无创的、经过皮肤的对组织灌注的确定的装置。具有用于在ICG中激发荧光的大约780-800nm的峰值发射的红外线光源，例如一个或多个二极管激光器或LED位于壳体1的内部。荧光信号由具有足够的近红外线灵敏度的CCD摄像机2检测；这样的摄像机在商业上可从若干卖主(Hitachi、Hamamatsu等)买到。CCD摄像机2可具有取景器8，但在操作期间也可在外部监视器上观察图像，该外部监视器可以是电子图像处理和评估系统11的一部分。
光束3可以是发散的射束或扫描的射束，其从壳体1射出以照射感兴趣的区域4，即预期具有合适的穿支血管的皮瓣所位于的区域。该感兴趣的区域可以是大约10cm×10cm，但可基于手术要求和可得到的照射强度以及摄像机灵敏度而改变。
滤光器6通常被放置在摄像机镜头7的前面，以在允许荧光通过的同时阻止激发光到达摄像机传感器。滤光器6可以是仅对大于大约815nm的波长可穿透的NIR长波通过滤光器(截止滤光器)，或者优选地为带通滤光器，其以830与845nm之间的峰值波长透射并且具有在大约10nm与25nm之间的，即在激发波长频带外部的半高全宽(FWHM)透射窗。摄像机2还可以被设计用于采集感兴趣的区域的彩色图像，以允许荧光图像与彩色图像之间的实时相关。
在本发明的上下文中，图1所示的装置被用于在手术之前识别/定位穿支血管-这将帮助外科医生选择最佳的皮瓣或皮瓣分区供在重建期间使用。
在其他的术后应用中，该装置可以被用于：
验证吻合通畅率以及动脉与静脉血流-这能潜在地改善通路(outcome)以消除皮瓣坏死，所述皮瓣坏死可能是不良的动脉血流和不充分的灌注以及导致充血的不良静脉血回流的结果。
可视化并且确认完整的组织灌注，这是由于对整个皮瓣和先天组织的微脉管灌注对皮瓣存活是至关重要的。
采用本发明，通过图像处理和显现技术使穿支位置可视化，以允许在候选的穿支之中容易且客观地进行视觉辨别。注入ICG并且由成像装置捕获整个ICG荧光灌注和洗脱周期。在图像采集之后，用图像处理算法来处理图像的整个序列或某个时间子范围，所述图像处理算法可由外科医生选择。
例如，经处理的荧光测量结果可以被可视化为假彩色图像或等高线图，以允许根据所应用的算法度量进行迅速的视觉评估。例如，可以将每个像素的荧光强度渲染成从蓝色(“冷”点或低荧光强度或速率)变化到红色(“热”点或高荧光强度或速率)的谱颜色。还可以容易地顺应其他的谱关联。输出可以被呈现为原始解剖图像上的半透明覆盖图。这允许“热”点与下层的解剖模型的视觉关联。“热”点的含意随所采用的算法而改变，诸如积分强度(integrated intensity)(加权或未加权的)、增加或洗脱的速率。
用户被给予对“热”到“冷”的颜色映射的交互控制，并且能实时对其进行改变以探究每个算法的输出度量的动态范围的更细或更粗的子范围。当颜色窗口被展宽时，首先突出最热的区域，继之以较冷的区域。可通过改变所采集的像素与所显示的图像中的像素之间的发光度或对比度的映射来进行这种类型的调整。这样的映射函数可以被包括在标准成像程序中。基于当前采用的度量的这种开窗过程(windowing process)有助于辨别穿支并且增强感知和改善外科医生对所施加的ICG的动态(dynamics)的理解。
本发明还支持来自患者皮肤上的两个不同位置的两个序列的同时显示和评估。这允许分开大于成像系统的视场的距离的候选皮瓣的比较。
图2示出患者皮肤上的、合适的穿支血管待识别的区域的图像。每个像素表示荧光强度在图像序列的曝光时间里的时间积分。这个模式在图像处理中通常被称为“积分模式”，并且许多图像处理器提供这个模式作为标准特征。在实践中，例如在图像处理器中，在逐像素的基础上将在图像序列中的每一帧期间所采集的像素强度(CCD中的被收集的电荷)相加，并且除以帧的数量，然后可以将和归一化至固定的动态范围，例如从1至255(8位)。该概念是图像中更亮的像素表示在预置的时间段上被灌入以更大量的携载ICG的血液的皮肤区域。在图2中，穿支血管24展现了最高的积分荧光强度，而另一穿支血管展现了较弱的荧光强度，如26所示。
应指出的是，已设定图像的透明度，使得医生的记号22在屏幕的右上方通过ICG荧光图像的透明的彩色覆盖图可见。
图3示出随时间求积分的、相同皮肤区域的ICG荧光图像，其中像素值按消逝时间逆向加权。这个图像处理算法类似于先前描述的积分，但代替将每个像素的测量强度直接相加，测量强度值在被相加之前首先被除以在对ICG荧光的观察开始之后的消逝时间。以这种方式，较早的荧光信号与稍后被采集的荧光信号相比被给予更大的有效性。“最热”的像素是在图像帧的序列中比ICG推注在稍后的时间到达的其他像素更早地发荧光的那些像素。与图2中的相同的穿支血管34被识别，而另一血管36几乎不可识别。
图4再次示出相同皮肤区域的ICG荧光图像，其中这个图像中的像素值由荧光强度的增加速率决定。在这个图像处理算法中，为图像中的每个像素计算像素强度与消逝时间相对的斜率。例如，每个像素可以具有给定的最低强度值(基线)和给定的最高强度值(或另一相对高的强度值)。对于每个像素，记录像素强度跨越基线的时间和像素强度跨越高的强度值的时间。根据这个信息，图像处理算法为图像中的每个像素计算增加速率，其中“更热”的像素具有更大的斜率，即它们比“更冷”的像素更快地达到高的强度值。因此，图像处理算法的这个实施例突出ICG推注到达穿支血管的速度。在图4中关闭了透明度，使得外科医生的工具在图像中不可见。
在此用参考符号44示出先前被识别的穿支血管，其被远远更好地限定，血管46(先前被示出为26和36)以及另一血管48也同样如此。
图5示出相同皮肤区域的ICG荧光图像，其中像素值由到最大荧光的消逝时间决定。不同于显示变化的时间速率的图4，图5的图像处理算法显示像素达到它们的最大强度的时间，其中“更热”的像素比更冷的像素更早地达到它们相应的峰值荧光强度。因此，该算法以穿支达到它们的峰值强度的次序突出图像的区域。在这个图像中，同样可清楚地辨别先前被识别的穿支血管24、34、44，对应于图4的血管46和48的血管56和58也同样如此。
图6示出相同皮肤区域的ICG荧光图像，其中像素值由每个像素处的最大峰值荧光值决定。更高(“热”)的荧光强度值64可以指示更高的ICG浓度或者可能是由位于更靠近皮肤表面处的穿支血管引起的，皮肤表面会减少激发光的吸收/荧光响应。在图4和5中清楚可见的血管66、68几乎不能与背景区别开。
虽然用线性对比度传递函数渲染例如在图2和6中所示的图像，所述线性对比度传递函数提供用上述各种算法处理的像素值到所显示的像素强度的1∶1映射，但还可以用可变对比度传递函数渲染图像(渲染成等高线图或假彩色覆盖图)，以增强图像中的视差。另外，可以将标签放置在覆盖图像中，该标签在下文中被称为ACR(累积或时间积分强度比)标签，其便于解剖模型的两个或两个以上的区域之间的定量比较。
由于图像中的绝对像素值在可变对比度传递函数的动态范围和斜率被修改时改变，ACR标签允许用户比较根据选定的覆盖技术(overlay technique)中的任意一种(例如累积/时间平均强度等)所测量的不同图像区域中的相对灌注。
以下的方法被用于计算ACR标签值。为了清楚起见，我们假定将累积强度选择为覆盖技术，但是相同的方法可以与可用的覆盖技术中的任意一种一起使用。
1)在时间窗上计算图像序列中的所有图像的所有像素的累积强度。
2)在选定的标签的区域(例如5×5像素的正方形矩阵)上对累积强度求平均。
3)将经平均的强度归一化至整个图像中累积强度的最大值。
4)按比例调整(scale)经归一化的平均值，其中传递函数的最大值表示100％。
通过遵循这种方法，即使传递函数的斜率被修改，两个不同的ACR标签的相对比率也保持不变。图7和8示出对于两个不同的对比度函数，来自已用前述算法中的一个算法处理的图像序列的荧光图像(灰度图像的上部)和按颜色(从用于低值的蓝色到用于高值的红色)渲染来自该序列的积分强度的假彩色覆盖图像。用第一对比度传递函数处理图7中的像素值，已知分别具有52％和72％的强度的两个区域，对应于这两个被加标签的区域之间52/72＝0.72的比率。图8中的第二覆盖图像示出用不同的对比度传递函数处理的相同的像素值，其中两区域中的强度此时分别被加标签为99％和71％。然而，它们的相对比率大致不变地保持在71/99＝0.72。
用户可修改传递函数，使得控制区域被加标签以100％，其中则可将所有其他区域与控制区域相比较。
图9示出覆盖图在像素具有比传递函数斜坡的底部与水平的像素值轴相交处的点小的累积强度值的地方是透明的。此外，这表明了在该示例中，12％的图像区域(覆盖率数字在底部窗口的右下方)具有大于最大累积强度的52％的累积强度。该图示示出以它们的52％等高线为界的若干区域。
所描述的实施例检测在近红外频谱范围中的激发之后由ICG经过皮肤所发射的荧光信号。然而，本领域的技术人员将理解的是，还可使用可在组织透射光的谱范围中被激发并且发射荧光的其他染料。
虽然已参考动脉血液流动的示例(即(一根或多根)穿支血管的血液供应)描述了本发明，但是该方法还可以通过定量和显示从峰值强度向下返回到基线的变化速率来检测由于静脉充血所引起的移植失败。这将突出灌注区域中的静脉血回流。
虽然本发明能接受各种修改以及可替换的形式，但是已在附图中示出并且在此详细地描述了本发明的特定示例。然而，应理解的是，本发明不局限于所公开的具体形式或方法，而相反地，本发明意在涵盖落在所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等同和替换。

Claims (11)

1.一种用于评估穿支血管的灌注的方法，所述方法包括步骤：
在以推注方式将ICG注入血流中之后检测来自组织的荧光响应；
在预定时间里采集所述荧光响应的时间图像序列；
处理所述图像序列以产生所述图像中的像素值的时间积分强度或者所述强度的时间微分；以及
将所述时间积分强度或者所述强度的时间微分显示成彩色或黑白图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过将每个像素的时间积分强度值除以ICG推注之后的消逝时间来处理所述图像序列。
3.根据权利要求1所述的方法，其中通过确定到每个像素的时间积分荧光强度达到峰值为止在ICG推注之后的消逝时间来处理所述图像序列。
4.根据权利要求1所述的方法，其中通过确定每个像素的荧光强度的峰值来处理所述图像序列。
5.根据权利要求1所述的方法，其还包括将对比度传递函数应用于所述时间积分强度或者所述强度的时间微分。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述对比度传递函数表示将所述时间积分强度或者所述强度的时间微分转换成以不同颜色表示不同的灌注特性的覆盖图像的线性或非线性函数。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述对比度传递函数是具有不同斜率区域的非线性函数，并且其中可以在评估所述血管的灌注的进程期间由临床医生选择所述斜率和所述不同斜率之间的变换。
8.根据权利要求5至7中任意一项权利要求所述的方法，其还包括在所述覆盖图像中显示所述时间积分强度或者所述强度的时间微分的数值。
9.根据权利要求5至8中任意一项权利要求所述的方法，其还包括计算解剖特征的不同图像区域的时间积分强度比。
10.根据权利要求9所述的方法，其中通过以下步骤来计算所述时间积分强度比：
计算所有像素的时间积分强度；
在所述图像中的预先限定的区域(例如5×5像素的正方形矩阵)上对所述时间积分强度求平均；
将所述时间积分强度归一化至整个图像中所述时间积分强度的最大值；以及
用所述对比度传递函数的最大值按比例调整经归一化的强度。
11.一种用于评估穿支血管的灌注的设备，所述设备包括：
用于在以推注方式将ICG注入血流中之后检测来自组织的荧光响应的装置；
用于在预定时间里采集所述荧光响应的时间图像序列的装置；
用于处理所述图像序列以产生所述图像中的像素值的时间积分强度或者所述强度的时间微分的装置；以及
用于将所述时间积分强度或者所述强度的时间微分显示成彩色或黑白图像的装置。
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