CN103584875A - 血管系统的血管造影检查方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种检查对象（6）的血管系统的血管造影检查方法，用于确定在血管（21）内的流动特性，步骤为：获取4D血管造影序列；在其中识别血管系统的至少一个相关部分；为该部分确定中线（22）；确定平行于中线延伸并围绕中线的平行线（23）；至少在沿中线的位置（i,j）处确定垂直横截面（24，25）；确定位于垂直横截面上的体素（i,j）（26，27）；确定推注曲线（11）；为每个体素确定时间（t）；测量所述体素之间的真实的欧几里得距离（ΔDE）；将该距离除以时间差（Δt=t(i+1)-t(i)）来获得第一速度分量的幅度；为每个体素确定与相对质量变化成正比的、横向延伸的第二速度分量（v(i,k)trans）；以及根据速度分量计算在血管系统的相关部分中的血液流动。

Description

血管系统的血管造影检查方法
技术领域
本发明涉及一种检查对象的血管系统的血管造影检查方法，用于确定在血管内的流动特性。
背景技术
4D-DSA成像是一种新的大有前途的成像方法，借助该方法在使用造影剂的情况下能够在3D血管树中显现血液的时空传播。
4D-DSA成像法例如由Prof.Dr.Charles A.Mistretta et al.在“4D-DSA and4D Fluoroscopy:Preliminary Implementation”，公布于Proceedings of the SPIE，2010，Vol.7622，762227-1至8页中描述。在4D-DSA方案中从旋转血管造影的投影中提取在血管中的造影剂的动态特性，并且该动态特性借助透视反投影在血管树的静态3D图像中淡入。在此，产生时间分辨的3D数据组系列；对应于该系列的每个时间点具有体积数据组，其代表了在各个时间点上用造影剂对血管树的填充。
这样的4D-DSA成像法用于使在血管段或血管的血管片段中的血液流动可视化，其包含病理的、也就是由疾病引起的变化。血管段的这种病理变化例如以动脉瘤的形式存在，即由疾病引起的、空间有限的、通常是囊状的扩张。动脉瘤特别是可能出现在脑部或心脏范围内的血管中，但是动脉瘤的出现通常不限于特定的身体区域。动脉瘤（例如位于脑部）的临床重要性特别是在于，由于破裂（即形成裂口或断裂）的危险而可能例如导致出血和血栓。在现代医学中，通常将在动脉瘤中的血液流动的动态看作是动脉瘤病理学的重要因素，也就是动脉瘤的形成和发育。
例如在US7,500,784B2中公知一种用于执行这样的4D-DSA成像法的血管造影系统，以下根据图1对其进行阐述。
图1示出了作为例子示出的单平面X射线系统（monoplanes
Figure BDA00003651733800011
），具有由以六轴的工业机器人或弯曲臂机器人（Knickarmroboter）形式的支架1支撑的C形臂2，在该C形臂端部安装了X射线辐射源（例如是具有X射线管和准直仪的X射线辐射器3）和作为图像拍摄单元的X射线图像探测器4。
借助例如在US7,500,784B2中公知的优选具有六个旋转轴并由此具有六个自由度的弯曲臂机器人，能够在空间上任意地调节C形臂2，例如通过使其围绕X射线辐射器3和X射线图像探测器4之间的旋转中心来旋转。根据本发明的血管造影X射线系统1至4特别是能够围绕X射线图像探测器4的C形臂平面内的旋转中心和旋转轴来旋转，优选是围绕X射线图像探测器4的中心点以及围绕与X射线图像探测器4的中心点相交的旋转轴。
已知的弯曲臂机器人具有基本框架，其例如被固定装配在地板上。在基本框架上固定了可围绕第一旋转轴旋转的转盘（Karussell）。在转盘上安装了可围绕第二旋转轴摆动的机器人摇臂，在该机器人摇臂上固定了可围绕第三旋转轴旋转的机器人手臂。在机器人手臂端部安装了可围绕第四旋转轴旋转的机器人手。该机器人手具有用于C形臂2的固定元件，后者可以围绕第五旋转轴摆动，并且可以围绕与其垂直延伸的第六旋转轴转动。
X射线诊断装置的实现并不依赖于工业机器人。也可以使用通常的C形臂设备。
X射线图像探测器4可以是矩形或方形的、平的半导体探测器，优选是由无定形的硅（a-Si）制成。但是，也可以使用集成的以及可能的计数的CMOS探测器。
在X射线辐射器3的辐射路径上，待检测的患者6作为检测对象位于患者卧榻的卧榻板5上。具有图像系统8的系统控制单元7与X射线诊断装置连接，该图像系统接受并处理X射线图像探测器4的图像信号（例如未示出操作元件）。然后，能够在显示信号灯9上的显示器上观察X射线图像。在系统控制单元7中还设置了计算单元10，以下将详细描述该计算单元的功能。
代替在图1中示例性示出的具有以六轴的工业机器人或弯曲臂机器人形式的支架1的X射线系统，血管造影X射线系统也可以具有普通的顶棚安装的或地板安装的用于C形臂2的固定设备。
代替示例性示出的C形臂2，血管造影X射线系统也可以具有分离的顶棚安装的和/或地板安装的用于X射线辐射器3和X射线图像探测器4的固定设备，其例如电子牢固地耦合。
为了获得4D血管造影序列，借助在图1中示出的单平面X射线系统首先建立旋转血管造影，并由此重建填充了造影剂的血管的3D血管树。为了采集时间分量，建立了填充了造影剂的血管的2D-DSA序列，并且将其反投影至重建的3D血管树。
为了更好理解2D-DSA序列的建立，在图2中示例性示出了血管段的时间-强度曲线或造影强度曲线具有所标明的特性参数，其中画出了血液流动，作为关于时间t的强度I。按照造影剂的推注（Bolus）曲线11的噪声式的走向，强度I上升至强度最大值12（Imax），然后再次降落至平均的噪声水平13。另外，通过其半值宽度14（FWHM，Full Width at Half Maximum，在最大值半值处的全宽）描述了该推注曲线11的特性，其位于该推注曲线11的上升中部和下降中部之间。
到达时间15（Trise）是直到在检查位置上出现造影剂推注以及由此直到推注曲线11上升所经过的时间。中间上升时间16（Trise,FWHM）是直到出现推注曲线11的半值宽度14所经过的时间，也就是直到推注曲线11达到强度最大值12（Imax）的一半所经过的时间。直到强度最大值12（Imax）的时间被称为最大值时间17（tmax，time to maximum）。上升时间18或冲入时间（Einwaschzeit）（twashin）表示推注曲线11的急剧上升。通过下降时间19或冲掉时间（Auswaschzeit）（twashout）表示推注曲线11的下降。通过推注时间或最大值时间20（tPeak）表示出现造影剂推注的持续时间。
因此，在4D-DSA成像法中根据填充了造影剂的血管的旋转血管造影才重建3D血管树，并且在失透的静止状态下完全放大或积聚地再现。于是由在冲入阶段（Einwaschphase）或冲掉阶段(Auswaschphase)的2D-DSA拍摄的系列来采集造影剂在3D血管树内的动态传播，该系列被反投影到重建的3D体积中。
在此，由于借助透视反投影在血管树的静态3D图像中淡入，可以由旋转血管造影的投影进行4D血管造影序列的获取。在此，产生时间分辨的3D数据组系列；对应于该系列的每个时间点具有体积数据组，其代表了在各个时间点上用造影剂对血管树的填充。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，设计一种开头所述类型的血管系统的血管造影检查方法，使得在使用造影剂的条件下能够尽可能准确地确定在血管内的流动特性并且显示血液的时空传播。
按照本发明，上述技术问题通过开头所述类型的血管造影检查方法来解决。有利的构成在从属权利要求中给出。
根据本发明，通过以下步骤来解决用于确定在血管内的流动特性的、检查对象的血管系统的血管造影检查方法的技术问题：
S1）获取4D血管造影序列；
S2）在所述4D血管造影序列中识别血管系统的至少一个相关部分，该部分可以具有脉管的病症或变化；
S3）为所述部分确定中线；
S4）确定平行于所述中线延伸并围绕所述中线的平行线；
S5）至少在沿着所述中线的可确定或可选择的位置处确定垂直横截面；
S6）确定位于所述垂直横截面上的体素；
S7）确定推注曲线，作为与横截面之一相交的每个体素的时间函数；
S8）为每个体素确定时间（t）；
S9）测量沿着中线和平行线的位置处的体素之间的真实的欧几里得距离（ΔDE）；
S10）将所测量的距离（ΔDE）除以时间差（Δt=t(i+1)-t(i)），以便获得在每个体素中的血液流动速度的第一速度分量的幅度；
S11）为每个体素确定与在体素中的血液的相对质量变化成正比的、横向延伸的第二速度分量（v(i,k)trans）；以及
S12）根据速度分量计算在血管系统的相关部分中的血液流动。
根据计算获得在每个体素中的血液流动速度的准确矢量，用于4D-DSA序列的精确成像。
在有利的方式下，根据步骤S1)可以根据旋转血管造影的投影来进行4D-DSA血管造影序列的获取，其借助透视反投影在血管树的静态3D图像中被淡入。在此，产生时间分辨的3D数据组系列；对应于该系列的每个时间点具有体积数据组，其代表了在各个时间点上用造影剂对血管树的填充。
根据方法步骤S11）横向延伸的第二速度分量（v(i,k)trans）的计算根据以下的公式进行被证实是有利的：
v ( i , k ) trans m ( i + 1 , k + ) - m ( i , k + ) m ( i , k ) - m ( i + 1 , k ) .
根据本发明，根据步骤S8）时间（t）可以是推注曲线的最大值时间（tmax）、冲入阶段的上升时间（twash in）和/或冲掉阶段的下降时间（twash out）。
在有利的方式下，在根据方法步骤S10）为每个体素（i,j）计算第一速度分量之后，可以检测所有相邻的体素（k+）是否存在质量m(i+1,k+)与质量m(i,k+)相比的相对变化，并且然后才为了根据方法步骤S11）为体素(i,k)确定第二速度分量而确定具有与相对质量变化成正比的大小的、横向延伸的速度分量（v(i,k)trans）。
附图说明
以下借助在附图中示出的实施例详细描述本发明。附图中：
图1示出了具有作为支承设备的工业机器人的已知的C形臂血管造影系统；
图2示出了用于解释本发明的标明了特性参数的造影强度曲线；
图3示出了用于解释本发明的在血管中存在的实际情况；
图4示出了用于解释本发明的在血管的横截面中存在的实际情况；
图5示出了根据本发明的血管造影检查方法的流程。
具体实施方式
所建议的根据本发明的血管造影检查方法首先识别3D血管树或者其重要部分。重要部分可以是在图3中形象示出的血管段21或分支，其可能具有脉管疾病，例如是动脉瘤或明显狭窄。
在第二步骤中，为该部分（血管段21）确定中线22，并且确定或设定与所述中线22平行延伸并围绕所述中线22的附加的平行线23。
作为下一步，确定沿着中线22的一些位置i和j。为此，确定穿过血管段21的垂直的横截面24或25。小的体积元素、体素（i）26或（j）27位于中线22的位置i和j上并且位于垂直的横截面24或25上。在图2中示意性表示了在位置i上的体素（i）26和在位置j上的体素（j）27。
现在为与横截面24或25相交的每个体素（i）26或（j）27确定根据图2的时间-强度曲线或造影强度曲线作为时间t的函数。
在图4中示例性示出了穿过血管段21的横截面24，其中径向线29从中线22出发。平行线23例如等距离地分布在该径向线29上。
参数确定：
为进一步处理可以考虑和引入推注曲线11的一些参数，例如最大值时间17（tmax，time to maximum）、在冲入阶段的上升时间18（twash in）和在冲掉阶段的下降时间19（twash out）。以下将最大值时间17（tmax）（在该时间出现推注曲线11的强度最大值12）作为例子考虑，并且为了简单起见，仅用时间t表示。
现在在位置i，为所有在横截面24中的体素26确定时间t。作为下一步，在位置j(i+1)或在横截面25上的任意其它的位置，为所有体素27执行以上相同步骤。作为结果获得所有涉及的体素26或27的时间t(i)和t(i+1)。沿着中线22和平行线23测量在3D空间内的位置i和j(i+1)之间的真实的欧几里得距离ΔDE28。通过将沿着中线22和/或平行线23测量的欧几里得距离ΔDE28除以在各个体素26或27处出现的造影剂事件的时间差Δt=t(i+1)-t(i)，得到在每个体素26或27内的血液流动速度的幅度。
以这样的方式获得平行于线22和23的速度分量，例如是表面附着的流动。然而在实际中，在例如变狭窄、动脉瘤或血管壁的其它异常的阻碍下产生湍流。为了准确地确定流动，也必须确定平行于垂直横截面24或25的横向延伸的速度分量。
为此，在造影强度曲线或推注曲线11的条件下，为在片段（i）（横截面24）中的体素（k）考虑平面m(i,k)，该平面正比于血液的质量。替代地，可以用来作为推注曲线11的最大值的其它估计。现在将m(i,k)与m(i+1,k)进行比较。
如果此时m(i+1,k)小于m(i,k)，则肯定具有来自体素k（26）的横向延伸的流动。因此，观察所有相邻的体素k+（26）m(i+1,k+)是否相对于m(i,k+)增长。如果符合，则为体素（i,k）26确定横向延伸的速度分量v(i,k)trans，其从（ik）指向（ik+）以正比于相对质量变化的大小示出，：
v ( i , k ) trans m ( i + 1 , k + ) - m ( i , k + ) m ( i , k ) - m ( i + 1 , k ) .
在此需要注意，必须找到多于一个的体素k+，其中m(i,k+)增长。然后，执行横向延伸的速度分量v(i,k)trans的类似确定，并且总速度矢量的结果是单个分量的和。
如果m(i+1,k)大于m(i,k)，则肯定发生了向体素k（26）的横向延伸的流动。然后，检查相邻的体素k-（26）m(i+1,k-)是否相对于m(i,k-)下降，并且为体素（i,k）确定相应的横向延伸的速度分量v(i,k)trans。
借助该横向延伸的速度分量v(i,k)trans可以例如描述向动脉瘤的流动。为了实际应用，脉管的3D体积的离散化必须足够细微，并且2D-DSA序列的时间分辨率应当尽可能高，例如是100fps（frames per second，每秒帧数）。
现在借助图5解释根据本发明的用于确定在血管内的流动特性的、检查对象6的血管系统的血管造影检查方法的流程，具有以下的步骤：
首先在第一方法步骤S1）中进行4D血管造影序列的获取。另外，借助在血管树的静态3D图像的透视反投影，基于旋转血管造影的投影进行淡入。在此，产生3D数据组的时间分辨的系列，对应于该系列的每个时间点具有体积数据组，其代表了在各个时间点上用造影剂对血管树的填充。
在第二方法步骤S2）中，在4D血管造影序列中识别血管系统的至少一个重要部分，例如血管段21，其可能具有脉管的疾病或变化。所述识别可以根据预先给定的标准手动或自动地进行。
根据第三方法步骤S3），为该血管段21确定或计算中线22。
在第四方法步骤S4）中，确定与中线22平行的、围绕该中线22的平行线23。
在第五方法步骤S5）中，在沿着中线22的可确定或可选择的位置（i,j）处，确定垂直横截面24和25，其应该用于确定血液流动。
在第六方法步骤S6）中，确定位于垂直横截面24和25上的体素（i,j）26和27，其分别成对地位于线22或23上。
根据第七方法步骤S7），确定推注曲线11，作为每个体素（i,j）26和27的时间函数，该体素与横截面24或25之一相交。
根据第八方法步骤S8），为每个这样的体素（i,j）26和27确定时间t。该时间可以是推注曲线11的最大值时间17（tmax）、冲入阶段的上升时间18（twash in）和/或冲掉阶段的下降时间19（twash out）。
在第九方法步骤S9）中，测量沿着中线22和平行线23的位置i和j处的体素（i,j）26和27之间的真实的欧几里得距离ΔDE。
在第十方法步骤S10）中，将所测量的距离（ΔDE）除以时间差Δt=t(i+1)-t(i)，以便获得在每个体素（i,j）26和27中的血液流动速度的第一速度分量的幅度。
根据第十一方法步骤S11），为每个体素（i,j）26和27确定与相对质量变化成正比的、横向延伸的第二速度分量v(i,k)trans。
最后在第十二方法步骤S12）中，根据所述速度分量计算在血管系统的相关部分（血管段21）中的血液流动
v ( i , k ) trans m ( i + 1 , k + ) - m ( i , k + ) m ( i , k ) - m ( i + 1 , k ) .

Claims (5)

1.一种检查对象（6）的血管系统的血管造影检查方法，用于确定在血管（21）内的流动特性，具有以下的步骤：
S1）获取4D血管造影序列，
S2）在所述4D血管造影序列中，识别所述血管系统的至少一个相关部分（21），
S3）为所述部分（21）确定中线（22），
S4）确定平行于所述中线（22）延伸并围绕所述中线（22）的平行线（23），
S5）至少在沿着所述中线（22）的可确定或可选择的位置（i,j）处确定垂直横截面（24，25），
S6）确定位于所述垂直横截面（24，25）上的体素（i,j）（26，27），
S7）确定推注曲线（11），作为与所述横截面（24，25）之一相交的每个所述体素（i,j）（26，27）的时间函数，
S8）为每个所述体素（i,j）（26，27）确定时间（t），
S9）测量沿着所述中线（22）和所述平行线（23）的位置（i,j）处的体素（i,j）（26，27）之间的真实的欧几里得距离（ΔDE），
S10）将所测量的距离（ΔDE）除以时间差（Δt=t(i+1)-t(i)），以便获得在每个所述体素（i,j）（26，27）中的血液流动速度的第一速度分量的幅度，
S11）为每个所述体素（i,j）（26，27）确定与在所述体素（i,j）（26，27）中的血液的相对质量变化成正比的、横向延伸的第二速度分量（v(i,k)trans），以及
S12）根据所述速度分量，计算在血管系统的相关部分（21）中的血液流动。
2.按照权利要求1所述的血管造影检查方法，其特征在于，根据步骤S1）由旋转血管造影的投影获得4D血管造影序列，该投影借助透视反投影在血管树的静态3D图像中被淡入。
3.按照权利要求1或2所述的血管造影检查方法，其特征在于，根据方法步骤S11）按照以下公式计算横向延伸的第二速度分量（v(i,k)trans）：
v ( i , k ) trans m ( i + 1 , k + ) - m ( i , k + ) m ( i , k ) - m ( i + 1 , k ) .
4.按照权利要求1至3中任一项所述的血管造影检查方法，其特征在于，根据步骤S8）时间（t）是推注曲线（11）的最大值时间（17）（tmax）、冲入阶段的上升时间（18）（twash in）和/或冲掉阶段的下降时间（19）（twash out）。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的血管造影检查方法，其特征在于，在根据方法步骤S10）为每个体素（i,j）（26，27）计算第一速度分量之后，检查所有相邻的体素（k+）是否存在质量m(i+1,k+)与质量m(i,k+)相比的相对变化，并且然后才为了根据方法步骤S11）对体素(i,k)确定第二速度分量而确定具有与所述相对质量变化成正比的大小的、横向延伸的速度分量（v(i,k)trans）。
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