CN107481217A - 对象内的植入设备的空间和形状表征 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种用于对定位在检查中的例如患者身体的对象内的设备进行空间表征的方法，其例如允许临床医生容易地评估设备的部署状态和位置。该方法包括下列步骤：采集(26)设备的一组图像；从该组图像重建(28)设备的三维模型；将设备的模型与对象内部预定部署状态下的设备的理想模型相比较(30)；以及在显示单元上显示(36)设备的模型。对于光学指示，能够确定所部署的设备相对于所部署的设备的理想模型的偏差区域，并且，根据偏差的强度而对该偏差区域进行颜色编码。

Description

对象内的植入设备的空间和形状表征

本申请是2010年06月17日提交的申请号为201080028088.8、名称为“对象内的植入设备的空间和形状表征”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及数字图像处理的领域，特别是用于医学目的，以便提供用于对插入患者的身体中的设备进行表征的方法。

特别地，本发明涉及用于对定位在检查对象内的设备进行空间表征的方法。

而且，本发明涉及数据处理设备和医学X射线检查装置。

此外，本发明涉及计算机可读介质和具有用于控制上面提到的用于对定位在检查对象内的设备进行空间表征的方法的指令的程序单元。

背景技术

在越来越多的冠状动脉和结构性心脏病介入程序中，诸如支架的经皮设备被放置并部署在冠状动脉中。在导管上塌陷以便递送的这些设备必须精确地制定大小并定位以便在程序期间部署，并且，常常要求随后评价。一旦将这些设备部署至其最终复杂的三维结构中，评价过程就常常是主观的且非标准化的，从而跟踪与结构的位置、制定大小或最终形状有关的任何临床结果都可能是困难的。

当前仅通过对由X射线检查装置或由诸如超声波心动描记术的其他成像模态所采集的2D图像的视觉检查而完成在部署之后直接进行的或在更长的时期上进行的经皮设备的评价。然而，这些设备中的许多具有复杂的3D形状，从而难以使用常见的基于投影的成像来评估，并可能以难以仅用眼睛辨别的方式改变其形状。随着开发出更多这些设备并要求短期和长期的安全和疗效的临床评价，可能需要更先进的用于随时间确定其适当部署和定位的方法。

在WO 2008/041154 A2中，示出通过识别截面内的结构的2D表示而对位于对象内的结构进行空间表征。那里，描述作为可视化且量化工具的虚拟拉回，其允许介入心脏病科医师容易地评估支架扩张。与血管内超声拉回相似，虚拟拉回将支架和/或血管腔可视化。沿着参考线在体积数据中执行虚拟拉回。体积数据能够是旋转2D X射线衰减数据的重建。随着沿参考线位置的改变，将垂直于参考线的平面可视化。在这些垂直的截面中，计算并显示自动测量。

发明内容

对经皮设备的正确放置和部署的评估的成功和准确度不但很大程度上取决于临床医生的经验，而且还取决于来自设备的清晰的2D图像和设备的复杂度。然而，如果设备具有相当复杂的形状，则2D图像包括不确定性，并且，如果临床医生在评估特定的经皮设备的部署状态方面没有经验，则需要改进用于对经皮设备的放置和部署的评价的已知的方法。

因此，可能存在着对用于对定位在检查对象内的设备进行表征的方法的需要，该方法可以克服至少一些上面的不足。特别地，可能存在着对用于对定位在检查对象内的设备进行表征的方法的需要，该方法提供对定位在检查对象内、特别是患者的身体中的设备的准确且清晰的表征。

这些需要可以由根据独立权利要求的主题满足。在从属权利要求中描述本发明的有利的实施例。

根据本发明的第一方面，提供一种用于对定位在检查对象内的设备进行空间表征的方法。所描述的方法包括许多步骤。在第一步骤中，采集一组图像，在该组图像中，使感兴趣的设备可见。该组图像的采集能够通过许多不同的图像采集方法而实现，例如，在相对于设备的不同的观察角度下采集的传统的二维X射线图像。因此，使用包括C臂的X射线系统并在该C臂的旋转扫描期间采集一组图像可以是有益的。

在随后的步骤中，使用已存在的各种方法从所采集的一组图像重建设备的三维模型。存在着用于从具有不同观察角度的一组图像重建三维模型的各种方法，例如用于非心脏设备的标准滤波反投影重建或在心脏设备情况下的门控重建或3D设备推进。表达“模型”代表设备的三维形状的必要方面的数学表示，该数学表示以就可处理性方面而言可用的形式呈现该设备的知识。

随后，如下，将该重建的三维模型与理想模型相比较，该理想模型出于有关目的而具有理想的部署状态并定位在将被检查的对象内部预定位置。在将实际设备定位并部署于例如患者的将被检查的对象中之后，医师执行设备的旋转采集。通过使用现有技术而以高空间分辨率将设备重建成三维体积。使用模板匹配或其他方法来使理想设备的模型与实际设备相符。然后，能够在匹配之后执行对所部署的设备和设备的理想模型之间的差异的测量。

在诸如支架的经皮设备被空间重建的情况下，可以计算相对于期望的支架扩张的偏差。根据期望的血管直径，支架扩张可以表征为支架的横截表面的最大直径。

显然，在该程序之前，需要被理想部署的设备的三维模型。这能够从设备本身的供应商或通过在体外对设备的成像研究而获得。由于理想地部署的形状可能总是相同，因而该模型可以是单个模型，或者，例如，在使用支架中所部署的形状取决于部署期间使用的球囊的压力，则该模型也可以是大量模型。

在将实际设备的三维表示与所部署的设备的理想结构比较期间，可以计算偏差区域。从而，可以生成颜色代码，以便代表实际设备的模型与具有预定部署状态和位置的理想模型之间的偏差。将对与理想模型的大的偏差或变形的区域进行颜色编码，以警告医师潜在的错误定位或未部署好。

本发明的该第一方面基于这样的理念：例如，在临床医生或其他人将设备定位并部署于例如患者的身体中时可以得到支持，以便确保正确地部署设备。使用现有技术中已知的标准方法来确定是否正确地定位并部署设备很麻烦。通过使用根据本发明的方法，相当容易地完成该确定。此外，在常规的医学检查等期间的一段时间之后，也相当容易地检查设备的位置和部署状态。

根据本发明的有利实施例，在显示单元上显示所重建的模型，该显示单元可以是例如在介入过程期间对医师可见的屏幕。生成以标记偏差区域的颜色代码能够应用于所显示的图像，使偏差区域具有不同于实际设备的剩余部分的颜色。这帮助医师容易地识别需要完成设备的重新部署或重新定位的区域。作为示例，可以对经皮设备的形状的严重偏差的区域标记红色，而可以对仅较小的偏差的其他区域标记绿色。显然，该列出并非穷尽的，并且，出于该目的，也可以使用其他颜色代码。

在本发明的另一实施例中，可以使用相同的方法来将在原始植入时重建的设备的模型与来自稍后的后续重建的设备的模型相比较，以计算设备的形状或实际位置已改变的偏差区域。从而，能够评估所部署的经皮设备是否改变其形状或其位置。这允许评价设备的最近状态并评估进一步的介入是否是必要的。

根据本发明的又一示范性的实施例，并行地显示理想模型与实际部署设备的重建模型。这可以采用暂时的或永久的方式。

表述“暂时的”代表以非永久的方式描绘理想模型，例如，仅在按压专用的按钮、刻度盘或开关的给定时间，或者经由用户界面而执行适当的命令。这可以帮助将实际偏差绘制得更清楚，因为不仅可以使用颜色代码，而且还使实际设备和理想设备之间的视觉比较变得容易。

同样，可以实现理想设备模型的永久显示，其中，可以将模型显示为以阴影/透明的方式对实际设备的重建模型的覆盖，从而可以在不妨碍实际设备的重建模型的视图的情况下，识别出理想设备的圆周、外形、轮廓，反之亦然。还能够将设备的理想模型投影至植入设备的任何2D血管造影图上，以核查相似点和差异。

可选地，在本发明的另一示范性实施例中，可以与实际设备的所重建的模型交替地显示理想模型，从而例如通过触发输入设备，显示单元在实际设备和设备的理想模型之间切换。从而，可以非常有帮助的是，使理想模型的位置与实际设备的位置相符，以便通过在实际设备模型和理想模型的显示之间的翻转而容易地识别变形偏差。在理想的情况下，这两个模型彼此仅外形不同，从而通过这两个显示选项之间的翻转，在两个相邻的形状之间仅翻转两个模型的外形。

基本上，对植入设备和理想模型之间的形状差异的评价可能要求两个主要的过程。理想模型表征为基于表面的参数函数S_M(u,v)，0≤u，v≤1，其中，u、v是参数变量。类似地，植入设备的基于表面的函数将从所重建的体积数据导出，并且，定义为S_O(u’,v’)，0≤u’，v’≤1，其中，u’、v’表示参数变量。可以采用配准过程，从而以基于表面的函数S_M(u_i,v_i)和SO(u_i’,v_i’)，i＝1,2……N为基础，植入设备和理想模型之间的预定的N个界标的均方根(“RMS”)距离将是最小的。在配准过程之后，可以导出针对植入设备的新的基于表面的函数对于植入设备上的每个表面点，可以计算与理想模型S_M(u,v)表面最近的距离，并且，将理想表面模型上的所计算的位置识别为相应点。然后，可以对所得到的距离进行颜色编码，以表示植入设备相对于理想模型的形状的形变的幅度。

根据本发明的另一方面，提供用于对位于检查对象内的设备进行空间表征的数据处理设备。数据处理设备优选地包括：数据处理器，其适于执行上述方法的示范性实施例；和优选地，存储器，其用于存储所采集的检查中的设备的一组图像、用于实际设备的重建模型以及用于设备的理想模型。对于成功地执行根据本发明的方法，模型或数据处理设备的类型是无关的。

根据本发明的另一方面，提供医学X射线检查装置，特别是C臂系统或计算机断层摄影系统。医学X射线检查装置包括上述的数据处理设备。

根据本发明的另一方面，提供计算机可读介质，在该计算机可读介质上存储有用于对位于检查对象内的设备进行空间表征的计算机程序。在由数据处理器执行时，计算机程序适于控制上述方法的示范性实施例。

根据本发明的又一方面，提供用于对位于检查对象内的设备进行空间表征的程序单元。在由数据处理器执行时，程序单元适于控制上述方法的示范性实施例。

计算机程序单元可以实现为诸如JAVA、C++的任何适当的编程语言的计算机可读指令代码，并且，可以存储在计算机可读介质(可移动磁盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器等)上。指令代码可用于对计算机或其他可编程设备进行编程，以执行预期的功能。计算机程序可以从诸如万维网的网络得到，可以从网络下载计算机程序。

同样地，可以利用新软件来升级现有的医学观察系统，当在处理器上执行时，新软件令系统执行根据本发明的上面提到的方法步骤。

注意到，已参考本发明的不同的实施例描述了本发明的特征和副作用。然而，本领域技术人员将从上面和下面的描述领悟到，除非另有声明，否则，除了属于一个实施例的特征的任何组合之外，与不同的实施例有关或与制造方法有关的特征之间的任何组合也被认为由本申请公开。

根据在下文中描述的实施例的示例，本发明以上限定的方面和另外的方面是显而易见的，并且，参考实施例的示例对其进行解释。在下文中将更详细地描述本发明，以便参考实施例的示例而进一步解释并更好地理解本发明，但本发明不限于该实施例。不同的图中的相同或相似的部件具有相同的附图标记。图中的图解说明是示意性的，并不按照比例绘制。

附图说明

图1示出具有用于对检查对象内的设备进行空间表征的集成的观察系统的X射线成像系统；

图2示出用于对检查对象内的设备进行空间表征的方法；

图3a和3b示出检查对象内的设备的形状偏差的示范性可视化。

附图标记列表

10 X射线成像系统

12 X射线辐射源

14 工作台

16 探测模块

18 计算单元

20 显示单元

22 接口单元

24 获得理想模型

26 采集一组图像

28 重建实际设备的模型

30 比较模型

32 确定形状偏差

34 生成颜色代码

36 显示

38 叠加颜色

40 支架

42 收缩

44 收缩的相邻区域

具体实施方式

图1示意性地示出具有用于对检查对象内的设备进行空间表征的医学观察系统的X射线成像系统10。

X射线成像系统10包括具有用于生成X射线辐射的X射线辐射源12的X射线图像采集设备。工作台14用于容纳将被检查的对象。而且，X射线图像探测模块16位于X射线辐射源12的对面。在辐射程序期间，所检查的对象位于X射线辐射源12和探测模块16之间。后者将数据发送至连接至X射线图像探测模块16和X射线辐射源12这两者的数据处理单元或计算单元18。计算单元18示范性地位于工作台14的下面，以便节省检查室内的空间。显然，计算单元18还可以位于不同的地方，例如不同的室或不同的实验室中。此外，显示单元20布置在工作台14的附近，以便对操作X射线成像系统的人显示信息，操作X射线成像系统的人能够是临床医生，例如心脏病科医师或心脏外科医师。优选地，可移动地安装显示单元20，以实现根据检查情况进行个体调整。同样地，接口单元22布置为由用户输入信息。

基本上，图像探测模块16通过使受试者暴露于X射线辐射而生成图像，其中，在计算单元18中进一步处理该图像。注意到，所示出的示例是所谓的C型X射线图像采集设备。X射线图像采集设备包括具有C形式的臂，其中，图像探测模块16布置在C臂的一端，而X射线辐射源12位于C臂的相对端。C臂可移动地安装，并且，能够围绕位于工作台14上的感兴趣对象旋转。换句话说，有可能以不同的观察方向采集图像。

计算单元18可以适于执行根据本发明的方法，因而能够被认为是或包括用于对位于检查对象内的设备进行空间表征的数据处理设备。从而，不但提供数据处理器，优选地提供用于存储所采集的一组图像的存储器，而且还提供适于控制上述方法的示范性实施例的具有至少一个程序单元的相关软件，该程序单元用于对位于检查对象内的设备进行空间表征。软件能够借助于计算机可读介质或通过网络而转移至计算单元18中，并且，可以实现为全新的操作系统或更新。

在图2中经由方框图进一步描述根据本发明的方法。

首先，给出获得24设备的理想模型的方法步骤。这能够通过从相关设备的供应商获得模型或通过在体外对设备的独立的成像研究而实现。不具有部署且定位的状态下的预定的最佳形状的该理想模型，根据本发明的方法不能成功地完成。如上面进一步描述的，该理想模型不一定限于理想设备的单个模型，还能够包括根据有关部署状态而彼此不同的大量模型，该有关部署状态例如是支架部署球囊的压力等。

而且，采集26实际设备的一组图像。采集可以优选地借助于图1中所示的常见的C臂型X射线检查装置而完成。不过，还可以利用用于采集图像的其他手段。优选地，所采集的一组图像包含通过旋转X射线检查装置的C臂而在不同的观察角度下采集的来自定位并部署于将被检查的对象中的实际设备的图像。

在下文中，使用现有技术来以高空间分辨率将实际设备的模型重建28成三维体积数据。从而，确定来自具有不同的观察角度的一组图像的三维模型，例如针对非心脏设备的标准3DRA重建或在心脏设备的情况下的门控重建或3D设备推进。

在又一步骤中，将实际设备的模型与理想模型或一组理想模型之一相比较30。比较30例如意味着使实际设备的模型与理想模型相符，以便能够确定这两个模型之间的形状偏差。可以进一步处理所确定32的偏差，以便使偏差清晰可见，以支持临床医生。

在本发明的示范性实施例中，生成34反映这两个模型之间的偏差的强度的颜色代码。

在本发明的又一示范性实施例中，在显示单元20上显示36理想模型和/或实际模型。也可以显示这两个模型之间的偏差区域，其中，叠加38通过颜色编码而生成的颜色，例如，发送如红色或橙色的颜色的信号，以标记较强的偏差，并且，针对仅较小的偏差而发送绿色的信号。可以以交替的方式、以同时的方式或通过选择而实现理想或实际模型的显示36。

根据本发明的方法给予临床医生机会来准确地评估所部署的经皮设备是否正确地定位且是否也部署成期望的形状。可容易地识别所部署的形状的偏差，从而临床医生可以容易地重复部署过程并使例如支架或另一经皮设备的设备处于正确的部署状态。

而且，在图3a中，显示作为部署在患者身体中的示范性设备的支架40的三维模型，如可以在屏幕单元上显示的。虽然临床医生能够使用2D血管造影图来视觉地确定偏差区域存在之处，但改进的可视化方法可能潜在地使该过程更快速、更容易且更准确。因此，将实际模型与理想模型相比较，以便计算偏差区域。这些可以被颜色编码，从而可以适当地在屏幕单元上对实际模型的偏差区域进行着色。

在图3b中，显示支架40的着色的实际模型。可容易地识别，在中部存在有严重收缩42。显然，该形状不是设备的期望的形状。因此，选择该收缩42的颜色，以图解说明变形或偏差的强度。由于考虑到最佳形状，偏差相当高，因而收缩42被颜色编码为红色(图3b中的暗图案)。收缩42的相邻区域44可以被颜色编码的绿色(亮图案)，因为它们的偏差不如收缩42那么强。

注意到，本发明不限于支架的部署状态的评估。本发明可以在介入操作的宽广的领域中利用，其中，本发明的最直接的应用在于介入心脏病学的领域中，具体用于涉及诸如间隔缺损修复设备、瓣环成形术设备等支架及其他的设备的介入。

Claims (10)

1.一种用于对定位并部署在检查对象内的设备进行空间表征的方法，所述方法包括下列步骤：

采集(26)所述设备的一组图像，

从所述组图像重建(28)所部署的设备的三维模型，

将所部署的设备的所述三维模型与在所述对象内部的预定部署状态下的所述设备的三维理想模型相符和相比较(30)，

在显示单元上显示(36)所部署的设备的所述三维模型，

其中，所述比较的步骤包括确定(32)与所述三维理想模型相比所述三维模型的形状的偏差区域；并且

其中，所述显示的步骤包括可视化所述偏差区域。

2.如权利要求1所述的方法，还包括根据偏差的强度生成(34)颜色代码和在所述显示单元上将根据所生成的颜色代码的颜色叠加(38)在所显示的三维模型上的步骤。

3.如权利要求1至2中的任一项所述的方法，还包括暂时地显示所述三维理想模型的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其中，将所述三维理想模型显示为以部分透明的方式对实际部署的设备的所重建的三维模型的覆盖。

5.如权利要求3所述的方法，其中，与实际部署的设备的所重建的三维模型交替地显示所述三维理想模型。

6.如权利要求4或5中的任一项所述的方法，其中，重复地显示所述三维理想模型。

7.如权利要求1所述的方法，其中，将所述三维理想模型显示为对实际部署的设备的2D血管造影图的覆盖，以核查差异和相似点。

8.一种用于对定位并部署在检查对象内的设备进行空间表征的数据处理设备(18)，所述数据处理设备包括：

数据处理器，其适于执行如权利要求1所述的方法，和

存储器，其用于存储所采集的图像和/或用于存储所部署的设备的三维模型。

9.一种医学X射线检查装置(10)，包括如权利要求8所述的数据处理设备(18)。

10.一种用于对定位并部署在检查对象内的设备进行空间表征的装置，所述装置包括：

用于采集所述设备的一组图像的模块，

用于从所述组图像重建所部署的设备的三维模型的模块，

用于将所部署的设备的所述三维模型与在所述对象内部的预定部署状态下的所述设备的三维理想模型相符和相比较的模块，

用于在显示单元上显示所部署的设备的所述三维模型的模块，

其中，用于比较的所述模块包括用于确定与所述三维理想模型相比所述三维模型的形状的偏差区域的模块；并且

其中，用于显示的所述模块包括用于可视化所述偏差区域的模块。