CN106572824A - 狭窄评估 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过将狭窄的血管的血液动力学属性与在同一身体内的大致对称的不同血管的比较的对血管内的狭窄的改进的评估。

Description

狭窄评估
技术领域
本发明总体涉及用于评估身体中的血管内的狭窄的系统、方法和计算机程序。
背景技术
血管中阻挡血流通过患者的身体的狭窄可能对患者引起严重的健康问题。如果狭窄的严重性高和/或如果狭窄处在特别危险的位置处，则医学处置、导管介入或者甚至手术可能是必要的。因此，高度重要的是，医师具有关于狭窄位置和严重性的可用的足够且可靠的数据。
狭窄的程度是用于诊断的最常使用的参数。狭窄的血液动力学严重性可以通过评价动脉内(导管插入的)压力或者流量测量结果而在功能上进行评价，根据其能够确定血流储备分数(FFR)、压力下降或者狭窄阻力。该侵入性流程要求精确且耗时的流程化工作、昂贵的导管以及由于需要利用导管通过狭窄的介入风险。作为备选，已知使用辐射成像的无创测量，例如，使用X射线辐射成像，诸如，例如计算机断层摄影(CT)成像(参见图1a)、2D X射线血管造影或(旋转)C型臂X射线成像(参见图1b)。利用这些技术，生成包括狭窄的动脉的身体的节段的图像。通过计算模型，例如计算流体动力学(CFD)模拟，能够针对在狭窄动脉中的各个位置来模拟FFR，例如，如在美国专利8321150B2中所公开的。如狭窄阻力或虚拟功能评估指数的其他功能参数也能够基于CFD模型来计算，诸如，例如MichailI.Papafaklis等人的‘Fast virtual functional assessment of intermediatecoronary lesions using routine angiographic data and blood flow simulation inhumans:comparison with pressure wire–fractional flow reserve’，EuroIntervention 2014(2014年7月)一文中所公开的。
CFD模拟使用从CT或X射线图像获得的3D分割以及在入口(例如，在主动脉处或之后)和出口(例如，在到微脉管的排出处)处的特定边界条件。通常根据比例定律(scalinglaw)、如在肢端处测量的血压或者接收动脉血流的肌肉/组织的量的系统参数来估计边界条件。由于模拟的FFR对这些边界条件敏感，该方法在一些情况下可能是不可靠的。
同样地，在已知CFD模型中的边界条件通常根据相同或者甚至不同患者的先前的压力/流量测量结果或CFD模拟来估计。然而，这些可能显著偏离当前在检查中的患者的实际情况。首先，条件可以随每位患者以及随时间而改变。例如，在脉管系统内的局部几何结构在不同患者之间可能极大地不同，或者可能在同一患者内甚至可能(节段地)由于狭窄的存在已经随时间而改变。同样地，所述条件可能已经在心脏循环的不同时刻处被确定和/或在自身可能不同的心脏周期的频率、强度等中可能已经存在不同。
发明内容
根据本发明的实施例涉及根据权利要求1所述的用于评估身体中的血管内的狭窄的方法。本发明还涉及用于评估身体中的血管内的狭窄严重性的对应的系统和计算机程序产品。
本发明的优点在于，其利用第二、同时成像的并且大致对称的血管的图像数据来改进被呈现给医师的输入，以确定狭窄严重性。该输入是更为可靠的，因为其使用额外的图像数据，所述额外的图像数据不仅非常类似于狭窄血管的图像数据，其还是在同一时间并且在同一患者内获取的，从而消除了患者间或者基于时间的差异。
在本发明的实施例中，基于每切片来确定在第一血管与第二血管之间的对称性信息，并且基于所确定的对称性信息来选择与第一血管的包括狭窄的节段相对应的第二血管的节段。这允许经改进的比较，因为可以获得对与第一血管内的狭窄区域更为精确地对应的第二血管的节段的选择。
在本发明的实施例中，至少节段地根据与对应于第一血管的包括狭窄的节段的第二血管的节段有关的血液动力学属性来确定与第一血管的包括狭窄的节段有关的动力学属性。
这是尤其有利的，因为引入‘健康的’对应动脉的血液动力学属性以至少节段地确定狭窄的血管的血液动力学属性改进了所确定的狭窄血管的血液动力学属性的准确度，从而使这些属性更为可靠。此外，在这两条血管都具有狭窄的情况下，可以评估在这两条狭窄的血管之间的相对病变严重性。
在本发明的实施例中，从包括血流储备分数、血压下降和狭窄阻力的组中来选择一个或多个血液动力学属性。这些属性是用于狭窄严重性评估的已经常用的并且被接受的属性。
本发明的另一实施例涉及显示与包括狭窄的第一血管的节段有关的所确定的血液动力学属性。这为医师提供了所确定的血液动力学属性以评估狭窄。优选地，相对于血管的相对长度来显示血液动力学属性。这允许对狭窄特性的更为精确的确定。
同样地，可以显示与和所述第一血管的包括狭窄的节段相对应的所述第二血管的节段有关的所确定的血液动力学属性。这为医师提供了非常相似的血管的额外的血液动力学属性，医师能够将其与狭窄动脉的那些血液动力学属性进行比较，这辅助医师进一步评估狭窄的严重性。优选地，镜像地显示与对应于所述第一血管的包括狭窄的节段的第二血管的节段有关的所确定的血液动力学属性。这进一步方便了比较，因为在相同的取向中示出了这两条血管。其还将允许叠加地显示这两条血管，允许在这两条血管之间的更接近的视觉比较。
在本发明的另一实施例中，使用非侵入式成像单元，优选包括X射线成像设备，诸如计算机断层摄影X射线成像设备、2D X射线血管造影或C型臂X射线成像设备，来对狭窄的和对应的动脉进行成像。使用非侵入式成像单元消除了依赖动脉内、导管插入的测量的必要，之前解释了其缺点。X射线成像在几乎每个医院中都是可用的，并且大多数模态能够对整个身体进行成像。特别是，计算机断层摄影和C型臂X射线成像适于生成3D图像。
在本发明的另外的实施例中，血液动力学模型，优选地，基于对血流的计算流体动力学模拟，被用于确定血液动力学属性。这些模型是周知的，并且适于本发明的目的。这些模型依赖于输入，并且在本发明的实施例中，该输入是由针对狭窄血管的可用的数据来提供的，但是其还是至少节段地由例如非狭窄的、大致对称的血管的图像数据来提供的。这改进了输入参数，并且应当导致对狭窄血管的更好的建模。这为医师提供了更为可靠的输入以评估狭窄严重性。其他血管也可能具有狭窄。利用本发明，医师取得了在这两条狭窄的血管之间的相对病变严重性。
本发明尤其适于评估腿血管、臂血管和颈动脉和髂动脉中的狭窄，但是当然也适于其他血管，针对所述其他血管，大致对称的配对体可用。
本领域技术人员在阅读并理解下文的详细描述的情况下，将意识到本发明的更进一步的方面和实施例。本领域技术人员在阅读下文对优选实施例的详细描述之后，若干额外的优点和益处将变得显而易见。
附图说明
通过如下附图图示了本发明：
图1示出了计算机断层摄影成像设备(图1a)和C型臂X射线成像设备(图1b)的示意性表示；
图2示出了可以根据本发明进行评估的对称血管的位置的示意性图像；
图3示出了示意性表示(图3a)以及通过对人类身体的下身的非侵入式成像而生成的图像(图3b)；
图4示出了所显示的血液动力学属性的实施例的两个实施例(图4a和4b)；并且
图5示出了根据本发明的用于评估身体内的血管中的狭窄的方法的示意性概览视图。
本发明可以采取各种部件和各部件的布置以及各种操作和各操作的安排的形式。附图仅是出于图示优选实施例的目的，并且不应当被解读为对本发明的限制。为了更好的可视化，可以忽略特定的特征，或者尺寸可能不是根据比例的。
具体实施方式
在本发明的背景下，术语狭窄可以表示血管的任何变窄，诸如血管团(legion)、血管凹陷、(更多或更少的)静止凝块等。术语血管涵盖人类身体的脉管系统的运输血液的所有节段，包括动脉、静脉和毛细血管；但是在实践中，本发明将最可能针对更大的动脉和静脉最为适用和可靠。
本发明尤其可以用于腿中的血管(诸如股动脉)101、101’；髂动脉102、102’；手臂中的血管(诸如肱动脉)103、103’；以及颈动脉104、104’，在图2中图示了这些血管的在身体100中的位置。明显地，这是非限制性的列举，本发明还适于存在大致对称的对的其他血管(例如，肾动脉、颈静脉等)。但是，本发明还将潜在地适于其他的、较小的血管，只要存在大致对称的第二血管可用。本发明主要是使用腿动脉作为非限制性范例来图示说明的，但是其将直接用于本领域技术人员以调整边界条件以及本发明的用于身体内的其他血管的模型。
还使用辐射成像来解释本发明，所述辐射成像尤其是X射线成像，并且具体而言是计算机断层摄影、2D X射线血管造影或(旋转)C型臂成像，其中，利用辐射源11、11’发射辐射通过检查区域指向辐射探测器12、12’。要被成像的对象，诸如包括狭窄血管的身体，被移动通过检查区域。身体内的不同身体节段以不同的水平衰减所发射的辐射，并且在探测之后，其被处理并且被重建为身体的被辐照节段的图像切片。这被重复，直到身体或者至少感兴趣身体节段已经完全通过检查区域。所得到的图像切片的序列被组合以构建身体以及其内部硬和软身体节段的三维图像。本发明当然并不限于X射线成像，同样地，可以使用其他的已知辐射成像方法，诸如磁共振成像、超声成像和在本领域中已知的其他成像或者其组合。再者，本发明还适于与非辐射成像一起使用，所述非辐射成像诸如是动脉内成像，如光学相关断层摄影(OCT)或血管内超声(IVUS)。即使非侵入式成像的优点可能丢失，本发明的其他益处对于非侵入式成像也将是有效的。
图3a描绘了患者的身体100，其被移动通过在X射线成像设备的辐射源11、11’与辐射探测器12、12’之间的检查区域13。感兴趣区域是患者的身体100的左腿110，由于主左腿动脉101包括要评估其确切位置和严重性的狭窄111。检查区域13足够大以容纳左腿110和右腿110’两者，因此，这两者被同时成像。右腿110’包括主动脉101’，其与右腿110的主动脉101大致对称。术语大致对称根据本发明应当被理解为：当在宽视图中查看时是对称的，对任何明显的差异进行折扣，因为人体永远不会是完全对称的(例如，腿长度、粗细、肌肉分布、通过腿的角度等的差异)。明显地，在微观水平，任何侧支也不会出现在在沿着主动脉的完全相同的位置上。有效的，两者动脉的主要分支如果将被叠加在彼此之上，则应当或多或少地交叠。如果在两个动脉之间不存在主要的偏差，尤其是在感兴趣节段处，那么对称性对于本发明的该目的是足够的。
在患者被良好地定位在卧榻上并且具有相当对称的腿的情况下，能够通过对基于每切片的信息的比较来进一步改善腿信息对称性。其还可以包括基于界标的刚性配准，其中，所述界标可以是骨质界标，例如，股骨头或膝盖。在患者的卧榻定位不是最优的情况下，髋骨相对于轴向切片的角度可以被用于对这进行校正。除了刚性配准之外，弹性配准可以被用于校正组织和血管的其余不对称性。
在患者的身体的下身已经通过检查区域之后，构建包括腿110、110’的图像。这可以是三维图像，并且可以示出所有内部身体节段。备选地，可以示出二维图像和/或仅突出诸如动脉系统的特定身体节段的图像。图3b示出了这样的重建图像。这是突出动脉系统的二维图像，其被选取以清晰地图示说明本发明。
在图3b中的动脉系统示出了腹部主动脉105，其分叉为髂动脉102、102’，进一步下降到主腿动脉101、101’。在主左腿动脉101中的狭窄111的位置可以根据所述重建图像精确地确定。
在医学领域中，一般使用动脉内、基于导管的测量结果(如压力线或流量测量结果)来执行狭窄评估。通过将狭窄之前(近端)和之后(远端)测量的值进行比较来确定狭窄严重性。然后，通过诸如FFR、压力下降、狭窄阻力以及其他的血液动力学属性来计算和量化狭窄严重性。具体地，相对FFR是对狭窄严重性的常用量度。相对FFR被定义为相对于狭窄近端的压力的狭窄远端的压力。例如，0.85的FFR意味着在血管中引起15％的血压下降的狭窄。因此，相对FFR是非常好的属性以反映狭窄严重性。医师可以基于FFR值来决定处置以及对特定处置的选取(例如，当FFR低于0.80时，对动脉放置支架)。
然而，动脉内测量要求复杂并且耗时的流程，利用昂贵的仪器并且对于患者可能是不舒适的。因为开发了该模型以根据从非侵入式成像重建的图像来模拟FFR测量结果。FFR模拟利用对动脉内以及狭窄周围的血流进行建模的模型。例如，计算流体动力学(CFD)模型被应用于该目的。存在可以使用的各种CFD方法，作为非限制性范例，描述了集中参数模型。
针对FFR的CFD模拟，需要3D分割，其揭示了如由沿着3D血管中心线的截面面积(CSA)所概括的下层血管几何结构，以及对模拟进行驱动和约束的患者特异的边界条件。通常根据比例定律、诸如在肢端处测量的血压或者腿中接收动脉血流的肌肉的量的系统参数来估计边界条件。可以估计针对完整脉管系统的全局边界条件，或者其可以被限于脉管系统的分段，例如，仅腿动脉，或者狭窄周围的所述动脉的甚至更小的节段。计算脉管系统中的流动的示范性、简单的模型通过多项式传递函数描述了在给定流动处的狭窄的局部压力下降，所述多项式传递函数(transfer function)的系数除其他之外取决于CSA：
Δpi＝hi(f)＝αif2+βif (1)，
其中，Δpi是局部血压下降，hi(f)是局部效应传递函数，并且αi和βi是局部几何参数。导致血压下降的不同效应，诸如摩擦、血管偏心率、血管椭圆度或者血管曲率是由不同的传递函数来捕获的，所述不同的传递函数被线性地组合，以获得总体压力下降函数：
Δp＝∑iwihi(f) (2)，
其中，wi是估计的加权参数。然后，计算FFR值：
其中，p0是在狭窄的近端位置(之前)处的血压，并且Δp(f)是在近端位置到狭窄的远端(之后)的一个或多个位置之间的压力下降函数。最终的FFR值取决于近端血压p0和通过狭窄区域的流动的量。
如上文所提到的，输入参数，诸如加权参数wi，通常是根据相同或者甚至不同患者的先前的压力和/或流量测量结果或CFD模拟来估计的，其可能显著偏离当前情况。在本范例中，针对狭窄动脉110的加权因子wi是至少节段地根据同时并且在同一身体内(亦即，根据在其他腿110’中存在的大致对称的动脉101’)获得的图像数据来确定的。所述其他腿110’是与包括狭窄动脉101的腿110同时被成像的，并且因此是利用完全相同的脉管和心脏条件来获得的，但没有狭窄，因此使其作为相关输入以确定针对CFD模型的输入参数以及针对狭窄动脉101的FFR的随后的计算，和/或其能够被用作针对狭窄和非狭窄动脉之间的相关比较的基础，改善医师确定狭窄严重性的可靠性。其他输入参数也可以从其他腿110’获得，并且被用在对狭窄动脉101的建模中，例如，来自两条腿的动脉或平均组织块的结构属性可以被用于估计狭窄动脉101的出口血管的流出量或平均尺寸。
在腿之间的相对FFR值可以相对于切片位置、血管的3D长度、估计的对比剂团剂到达时间或者要从图像数据集或流量模拟中提取的其他量来计算。简言之，本发明使用来自非常相似的血管的已经可用的数据来改善FFR计算和/或通知医师在狭窄与非狭窄血管之间的差异。尽管是使用简化的模型来解释本发明的，但是本领域技术人员将立即获知如何针对不同的并且更为复杂的模型以及针对在同一身体内具有大致对称的配对体的其他血管来调整该简化的模型。
经改善的信息能够以不同的方式被呈现给医师。例如，如在图4a中所示的，所测量的值可以相对于其在动脉中的位置来呈现。作为范例，在主左腿动脉101中的狭窄111连同在主右腿动脉101’中的相似位置的所测量的值(M-R-1、M-R-2)一起被示出。所测量的值可以被示为叠加在图像上或者与图像分离。在图4b中示出了呈现所述信息的备选方式，其中，所模拟的测量结果被呈现为颜色编码的线M-R、M-L、M-REL，其中，不同的颜色表示不同的值。可以针对每条腿示出这些颜色编码的线，诸如，例如针对左腿M-L的FFR以及针对右腿M-R的FFR，沿着血管的轮廓对其进行呈现，以及相对FFR，例如作为颜色变化的侧边栏M-REL。本领域技术人员可以容易地设计若干种变型，或者可以预期每者组合可以任选地可由医师选择。
图5描绘了根据本发明的用于评估狭窄的方法的示意性表示。在步骤1中，例如通过辐射成像对包括具有狭窄的血管以及大致对称的第二血管的身体进行成像。分别在步骤2和步骤3中确定针对非狭窄血管和狭窄血管的血液动力学属性。通过直接测量或者通过模拟来分别地确定针对每条血管的血液动力学属性。狭窄血管的血液动力学属性的确定可以利用针对非狭窄血管而确定的属性。在步骤4中，显示狭窄血管的血液动力学属性。优选地，同样地，还显示非狭窄血管的血液动力学属性。
此外，所述血液动力学数据可以相对于血管的相对长度来显示，例如，在两条腿中的血管不是沿着完全相同的路径进行时，在两个骨质界标或两个脉管界标之间中，诸如典型血管分支点。此外，能够监测数据，以便对它们进行可视叠加。
本发明的方法的步骤可以被实施为针对计算机程序产品的指令。
尽管在附图和上述说明中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被理解为是说明性的或示范性的，而非限制性的，本发明并不限于所描述的实施例。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，在实践所主张的发明时能够理解并实现所公开的实施例的各种变型。在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成在权利要求中所引用的若干项的功能。尽管在相互不同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能够组合这些措施以获益。计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，诸如光学存储介质，或者固态介质，与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的节段，但其也能够以其他形式分布，诸如经由因特网或其他有线或无线电信系统。在权利要求书中的任何附图标记都不应当被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于评估身体中的血管内的狭窄的方法，所述身体包括：
-包括狭窄的第一血管；以及
-与所述第一血管大致对称的第二血管，所述方法包括以下步骤：
-同时对所述第一血管和所述第二血管进行成像以获得所述第一血管的图像数据以及所述第二血管的图像数据；
-根据所述第二血管的所述图像数据来确定与对应于所述第一血管的包括所述狭窄的节段的所述第二血管的节段有关的血液动力学属性，
-根据所述第一血管的所述图像数据来确定与所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段有关的血液动力学属性；并且
-基于所确定的与所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段有关的血液动力学属性并且基于所确定的与对应于所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段的所述第二血管的所述节段有关的血液动力学属性来生成狭窄数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段有关的所述血液动力学属性是至少节段地根据与对应于所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段的所述第二血管的所述节段有关的所确定的血液动力学属性来确定的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在每切片的基础上确定所述第一血管与所述第二血管之间的对称性信息，并且对应于所述第一血管的包括狭窄的节段的所述第二血管的所述节段是基于所确定的所述对称性信息来选择的。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，血液动力学属性是通过使用血液动力学属性模型来确定的，所述血液动力学属性模型优选地是基于在至少所述第一血管中的血流的计算流体动力学模拟的血液动力学模型。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，用于确定与所述第一血管的包括所述狭窄的节段有关的血液动力学属性的所述血液动力学模型基于输入参数，所述输入参数包括所述图像数据的3D分割以及从其导出的所述第一血管的结构数据、以及在所述第一血管的入口和出口处的边界条件，并且其中，所述输入参数至少节段地基于从与对应于所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段的所述第二血管的所述节段有关的所述图像数据导出的属性。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，一个或多个血液动力学属性是从包括血流储备分数、血压下降和狭窄阻力的组中选择的。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述成像是非侵入式成像，优选地是X射线成像，例如，计算机断层摄影X射线成像、2D X射线血管造影或C型臂X射线成像。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述第一血管部分和所述第二血管部分是腿血管的集合、臂血管的集合、颈动脉的集合或者髂动脉的集合。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，至少显示与所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段有关的所确定的血液动力学属性，优选地，关于所述血管的相对长度来显示。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，显示与对应于所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段的所述第二血管的所述节段有关的所确定的血液动力学属性，优选地，镜像地显示与对应于所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段的所述第二血管的所述节段有关的所确定的血液动力学属性。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，还包括：
-显示与所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段有关的所确定的血液动力学属性，优选地，关于所述血管的相对长度来显示所确定的血液动力学属性。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
-显示与对应于所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段的所述第二血管的所述节段有关的所确定的血液动力学属性，优选地，镜像地显示与对应于所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段的所述第二血管的所述节段有关的所确定的血液动力学属性。
13.一种用于评估身体中的血管内的狭窄严重性的系统，所述身体包括：
-包括狭窄的第一血管；以及
-与所述第一血管大致对称的第二血管，
所述系统包括：
-成像单元，其被配置为同时地生成所述第一血管的图像数据和所述第二血管的图像数据；以及
-血液动力学属性确定单元，其被配置为：
-根据所述第一血管的图像数据来确定与所述第一血管的包括所述狭窄的节段有关的血液动力学属性；并且
-根据所述第二血管的所述图像数据来确定与对应于所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段的所述第二血管的节段有关的血液动力学属性，
其中，所述血液动力学属性确定单元被配置为生成输入，用于基于与对应于所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段的所述第二血管的所述节段有关的所确定的血液动力学属性来评估与所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段有关的血液动力学属性；并且
其中，所述血液动力学属性确定单元被配置为，至少节段地根据与对应于所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段的所述第二血管的所述节段有关的所确定的血液动力学属性，来确定与所述第一血管的包括所述狭窄的所述节段有关的血液动力学属性。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述成像单元是非侵入式成像单元，优选地，所述非侵入式成像单元包括X射线成像设备，例如，计算机断层摄影X射线成像设备、2D X射线血管造影或C型臂X射线成像设备。
15.一种用于评估身体中的血管内的狭窄的计算机程序产品，所述身体包括具有狭窄的第一血管以及与所述第一血管大致相对对称的第二血管，所述计算机程序产品包括指令，以当所述计算机程序产品在计算机上运行时执行根据权利要求1至11中的任一项所述的方法的步骤。
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