CN107773243B - 利用不同记录模态的组合来确定临床特征参量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用不同记录模态的组合来确定临床特征参量。本发明涉及一种用于确定身体血管片段的临床特征参量的方法，具有a)向计算装置第一提供(1)具有身体血管片段的身体血管的三维重建，b)向计算装置第二提供(2)身体血管片段的分割的血管造影记录，c)通过计算装置从三维重建中第一提取(4)身体血管的至少一个全局特征，d)通过计算装置从血管造影记录中第二提取(5)身体血管片段的至少一个局部特征，和e)依据所提取的局部特征和全局特征确定(8)身体血管片段的临床特征参量，以便在患者的辐射负荷小的情况下尽可能精确地计算身体血管片段的临床特征参量。

Description

利用不同记录模态的组合来确定临床特征参量
技术领域
本发明涉及一种用于确定身体血管片段的临床特征参量的方法。本发明还涉及一种用于确定身体血管片段的临床特征参量的检查系统，具有：医学成像设备，用于利用身体血管片段提供身体血管的三维重建；血管造影设备，用于提供身体血管片段的分割的血管造影记录；和计算装置，其可以与医学成像设备和血管造影设备耦合。
背景技术
所建立的临床特征参量是血流储备分数(Fractional Flow Reserve，FFR)，其例如可以利用压力线(Druckdraht)来测量。压力线在此经过身体血管或身体血管片段的狭窄处并且在那里确定狭窄的远端压力。为了计算血流储备分数，将该远端压力除以近端压力。
借助在其中包含狭窄的身体血管片段或身体血管部分的三维模型，以及其它边界条件、例如每秒通过身体血管片段多少毫升血流，可以借助流体动力学数学方法(computational fluid dynamics)计算狭窄上的压力变化，最终根据三维模型虚拟地计算血流储备分数的虚拟值、即虚拟FFR值。这样的方法是已知的，并且例如在Paul D.Morris等人的文章：““Virtual”(Computed)Fractional Flow Reserve–Current Challenges andLimitations”in JACC:Cardiovascular Interventions,Vol.8,No.8,2015,Seiten1009bis 1117中进行了描述。虚拟FFR值的其它计算方法也是已知的。
原则上，用于虚拟地计算血流储备分数的方案可以分为两组。非侵入性方法，其中，关于身体血管片段或身体血管的几何信息借助计算机断层成像(CT)、磁共振成像或其它方法获得；以及微创方法，其中，几何信息在心导管实验室中借助向血管中注射造影剂、随后利用X射线记录获得。通常，首先借助计算机断层成像对患者进行非侵入性检查。除了关于检查的身体血管片段或身体血管的一个或多个血管横截面的诊断信息之外，在此还可以计算血流储备分数的虚拟值，下面将其称为CT-FFR值。与之不同，下面将例如在心导管实验室中通过血管造影确定的血流储备分数的虚拟值称为血管造影FFR值。
CT-FFR方法，也就是借助CT计算虚拟FFR值，在此具有如下优点，即，存在具有狭窄的身体血管或身体血管片段处于其中的整个血管树的三维模型。其还允许良好地确定灌注心肌质量(perfundierten Myokardmasse)以及由灌注心肌质量部分导出的灌注流。此外还可以确定附加信息，诸如狭窄或斑块的成分。在此缺陷是，相对低的位置分辨率和由此狭窄几何结构的不精确的几何示图。
与之不同，血管造影FFR方法，也就是经由血管造影计算虚拟FFR值，具有位置分辨率良好的优点，其能够实现狭窄几何结构的精确示图。在此缺陷是，经由血管横截面估计血流。在此小的错误可能已经具有大的影响。在血管造影FFR方法中经由造影剂动态变化估计血流也是麻烦且困难的。此外缺陷是，血管造影FFR方法不提供关于心肌质量的状态的信息，这例如为了能够识别可能的预先存在的损伤并且在治疗时考虑是非常重要的。此外，整个血管树的几何信息极难获得，这也归因于通常在血管造影中使用的相对小的检测器。
对于血管造影FFR方法，现在已知来自于机器学习领域的过程或方法，用于计算虚拟FFR值。为此，使用患病的、例如具有狭窄的身体血管片段或身体血管的几何特征作为输入。该几何特征或几何特性可以从身体血管片段的多个分割的二维血管造影或记录或者同样分割的三维血管造影或重建中提取。虚拟FFR值的精确性在此在很大程度上取决于分割的精确性或三维重建的精确性。因此，在此优选由多个、也就是至少两个、但优选多于两个的二维血管造影或记录产生的三维重建或三维模型。由此，可以在三维重建中获得较高的位置分辨率，并且可以更精确地作为患病的身体血管片段的局部几何特征确定几何特征。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在患者的辐射负荷小的情况下尽可能精确地计算身体血管片段的临床特征参量。
上述技术问题通过本发明的内容来解决。优选的实施方式由说明书和附图给出。
本发明涉及一种具有一系列步骤的用于确定身体血管片段、特别是心脏冠状血管的临床特征参量的方法。第一步骤在此是向计算装置第一提供具有该身体血管片段的身体血管的三维重建。下一步骤是向计算装置第二提供该身体血管片段的至少一个分割的血管造影记录，优选两个或更多个分割的血管造影记录。血管造影记录尤其可以包括二维或三维的血管造影记录。血管造影记录也可以包括具有该身体血管片段的身体血管的血管造影记录。
特别地，身体血管片段可能具有病症，特别是狭窄。第二提供也可以涉及首先未分割的血管造影记录，其然后通过计算装置来分割。在该情况下，向计算装置提供、然后通过计算单元本身提供分割的血管造影记录。分割在此可以理解为将关于身体血管或者身体血管片段或者身体血管所属的身体的其它部分的特性、特别是从属关系，与血管造影记录的各个图像点、也就是例如各个像素或体素相关联。
所述方法的一部分是，还通过计算装置从三维重建中第一提取身体血管的至少一个全局特征，也就是身体血管的一个或多个全局特征。身体血管的全局特征在此可以理解为与身体血管的血管树有关的特征。血管树在此可以理解为具有身体血管片段的血管枝上级的单元。所述方法的一部分是，同样通过计算装置从血管造影记录中第二提取身体血管片段的至少一个局部特征，也就是身体血管片段的一个或多个局部特征。身体血管片段的局部特征在此可以理解为与具有身体血管片段的血管枝有关的特征。特别地，局部特征可以与身体血管片段中的狭窄的特性有关，也就是代表狭窄的特性。最终，依据所提取的局部特征和所提取的全局特征确定身体血管片段的临床特征参量。这尤其可以通过计算装置例如半自动或全自动地进行。
这具有如下优点，即，血管造影记录仅必须对于身体血管片段建立，而不必对于包括身体血管片段的整个身体血管建立，尽管如此在计算或确定临床特征参量时可以考虑关于较大的身体血管的信息。由此，可以不进行在血管造影的过程中一般可能进行的对整个身体血管、例如整个血管树的重建，该重建是麻烦且困难的，并且需要多于两个的记录。由此减小了相应患者的辐射负荷，但是尽管如此同时在确定临床特征参量时以至少一个全局特征的形式考虑整个血管树，由此获得或甚至提高精确性。由此例如可以计算血管造影FFR值，其中使用该一个或多个全局特征，以考虑与整个血管树中的附加分支的关系，而该一个或多个局部特征提供血管枝、在此为身体血管片段中的狭窄的精确细节。
在优选的实施方式中在此设置为，将血管造影记录和三维重建彼此配准。配准在此可以在图像配准的意义上理解，其中，三维重建与血管造影记录成定义的、唯一确定的空间关系，以使得三维重建中的身体血管片段与血管造影记录中的身体血管片段在空间上重合。血管造影中的每个图像点由此可以以数学上一一对应的方式与三维重建中的图像点相关联。
这具有如下优点，即，局部特征和全局特征彼此具有定义的空间关系。特别是在几何特征的情况下，由此局部特征和全局特征可以更好地彼此关联，以在确定临床特征参量时提高精确性。此外，由此还可以实现，利用局部特征来检验全局特征，或反之，这又有助于提高精确性。此外，由此还排除了一般由于错误的关联、例如身体血管片段与身体血管的错误区域的关联而可能产生的错误。
在另外的优选的实施方式中设置为，临床特征参量包括血流动力学特征参量或血流动力学参数。特别地，临床特征参量可以包括身体血管片段的血流储备分数的值、FFR值和/或身体血管片段的瞬时压力比(instantaneous pressure ratio)和/或身体血管片段的瞬时无波压力比(instantaneous wave-free ratio,iFR)和/或身体血管片段的压力比或身体血管片段的远端压力和主动脉压力之间的压力比和/或流过身体血管片段的血流和/或身体血管片段中的血压和/或身体血管片段中的壁剪切力(Wandscherkraft)。对于提到的血流动力学特征参量，所描述的方法是特别具有优势的，因为这里为了进行确定，在血管造影的位置分辨率方面需要特别高程度的精确性。由此通过组合血管造影上的局部特征与来自于三维重建的全局特征，特别是经常可以省去附加的X射线记录，而不会损失精确性，或者通过引入来自于三维重建的全局特征，甚至可以在无需附加的辐射负荷的条件下提高精确性。
在另外的优选的实施方式中设置为，全局特征包括身体血管的几何特征和/或包括身体血管的生理特征和/或包括身体血管的结构特征。全局特征尤其还可以包括多个特征、特别是所提到的特征中的多个的组合。几何特征尤其可以是(身体血管或一部分身体血管的)长度和/或(身体血管或一部分身体血管与另一部分身体血管的)长度比和/或(身体血管或一部分身体血管的)直径和/或(身体血管或一部分身体血管与另一部分身体血管或与另外的身体血管的)直径比和/或角度、特别是身体血管的不同区域或部分彼此的角度。生理特征尤其可以包括身体血管的流体阻力和/或流过身体血管的流量和/或心肌组织的大小。结构特征尤其可以包括身体血管中分支的数量和/或分支的类型和/或分支的间隔和/或分支的分支角度。利用所提到的几何特征和/或生理特征和/或结构特征中的一个或多个作为全局特征，结合局部特征可以特别精确地计算临床特征参量。
在另外的特别优选的实施方式中设置为，局部特征包括身体血管片段的几何特征和/或包括身体血管片段的生理特征和/或包括身体血管片段的结构特征。局部特征尤其还可以包括多个特征的组合，尤其是所提到的特征中的多个的组合。几何特征尤其可以包括(身体血管片段或一部分身体血管片段的)长度和/或(身体血管片段或一部分身体血管片段与另一部分身体血管片段的)长度比和/或(身体血管片段或一部分身体血管片段的)直径和/或(身体血管片段或一部分身体血管片段与另一部分身体血管片段的)直径比和/或身体血管片段的不同部分彼此的角度。身体血管片段的生理特征尤其可以包括身体血管片段的流体阻力和/或流过身体血管片段的流量和/或心肌组织的大小。身体血管片段的结构特征尤其可以包括身体血管片段中狭窄的数量和/或狭窄的斑块或狭窄的成分和/或狭窄的间隔和/或一个或多个狭窄的几何尺寸、特别是长度和/或宽度和/或高度和/或一个或多个狭窄的内径和/或外径。也就是，身体血管片段尤其可以具有狭窄。所提到的几何特征、生理特征和/或结构特征作为身体血管片段的局部特征提供以下优点，即，结合全局特征可以特别好地计算临床特征参量。选择一个或多个一致的特征在此允许特别不复杂地将特征集成到临床特征参量的计算中，由此开发了另外的优点，例如临床特征参量的特别简单的确定。
在特别优选的实施方式中设置为，三维重建在使用与血管造影不同的成像方法的条件下产生。也就是，优选使用不同的记录模态。特别地，三维重建可以在使用计算机断层成像和/或磁共振断层成像的条件下产生。这具有如下优点，即，在确定或计算临床特征参量时，关于全局特征，可以考虑通过血管造影不太容易获得的或不太容易能够提取的或不太容易能够确定的信息，或者该信息可以对确定、由此对临床特征参量产生影响。使用计算机断层成像或磁共振断层成像在此恰好是具有优势的，因为其一方面使得能够记录整个血管树，也就是较大的身体血管，而血管造影一般适用于高分辨地记录极小且有限的记录区域，诸如作为身体血管或者身体血管树的一部分的身体血管片段或血管枝。此外，如开头提到的，通常事先进行计算机断层成像，从而在此通过使用现有的计算机断层成像特别容易减少辐射剂量，尽管如此仍然能够提取并在改善临床特征参量的计算时考虑全局特征形式的重要信息。
在另外的优选的实施方式中设置为，计算装置借助机器学习或机器学习方法进行临床参量的确定，其中，全局特征和局部特征在机器学习中被用作一个或多个计算步骤的边界条件。这具有如下优点，即，临床参量的确定可以特别灵活地在大量情况下自动化地、特别是完全自动化地进行。替换地，对于临床参量的确定，也可以使用另外的血流动力学计算方法。在该情况下，例如可以通过局部或全局特征使用几何信息，并且从另一个特征、也就是全局或局部特征中提取用于确定临床参量的另外的边界条件。
在另外的特别优选的实施方式中设置为，依据局部特征的值调整全局特征的值，也就是，特别是通过局部特征来提高全局特征的精确性，或依据全局特征调整局部特征的值，也就是，特别是依据全局特征提高局部特征的精确性。这些特征因此可以用于相互进行更新或改善精确性。这例如可以借助简单的统计学方法进行或通过特征的各个值的其它数学关系进行。
在该情况下，选择相同类型的特征是特别合适的。可以设置为，至少一个局部特征和至少一个全局特征分别包括相同类型的几何和/或生理和/或结构特征。为了提高各个特征的值的精确性，在该情况下设置为，将局部特征与全局特征进行比较，并且根据一个或多个比较的结果彼此补偿或调整各个特征的值。这具有如下优点，即，由三维重建和血管造影构成的可用信息的冗余，用于所确定的临床特征参量的精确性的改善。
在优选的实施方式中设置为，向计算装置第三提供另外的身体血管片段的分割的血管造影记录，以及通过计算装置第三提取另外的身体血管片段的至少一个局部特征，并且还依据另外的身体血管片段的局部特征确定身体血管片段的临床参量。确定在此也可以通过计算装置进行。另外的身体血管片段在此也可以在与迄今描述的身体血管片段相同的血管造影记录中提供。也就是，可以通过提供与第一提供相同的分割的血管造影记录进行第三提供。但是在特别优选的实施方式中，第三提供涉及与第二提供的分割的血管造影记录不同的、另外的分割的血管造影记录。这具有如下优点，即，例如如果在血管枝或身体血管片段中存在多个连续或并行的狭窄，其在血管造影中不能以足够精确度示出，则通过多个血管造影记录或血管造影记录内的分割的局部特征，通过将相应的局部特征与全局特征或全局计算参量关联为总特征模型或总计算模型，由此可以以较高的精确性和较小的辐射暴露计算临床参量的总值，例如总FFR值。
也就是优选地，一个身体血管片段或另一个身体血管片段包括与一个狭窄不同的另一个狭窄。
本发明还包括一种用于确定身体血管片段的临床特征参量的检查系统。在此，检查系统具有：医学成像设备，特别是计算机断层成像设备，用于提供具有身体血管片段的身体血管的三维重建；以及血管造影设备，用于提供身体血管片段的分割的血管造影记录；和计算装置，其可以与医学成像设备和血管造影设备耦合，以进行信息传输。在此，计算装置设计为，从三维重建中提取身体血管的至少一个全局特征，以及从血管造影记录中提取身体血管片段的至少一个局部特征，并且依据所提取的局部和全局特征确定身体血管片段的临床参量。
检查系统的优点和优选的实施方式在此相应于方法的优点和优选的实施方式。
前述在描述中提及的特征和特征组合以及在下文中在附图描述中提及的和/或单独在附图中示出的特征和特征组合不仅可以以相应地给出的组合使用而且可以以另外的组合使用，而不脱离本发明的范围。因此，在附图中未明确示出且解释、但通过单独的特征组合从所解释的实施方式中得到且可产生的本发明的实施方式也视作被包括且被公开。因此不具有最初拟定的独立的权利要求的所有特征的实施方式和特征组合也视作被公开。此外，超出或者偏离在对权利要求的再次参考中阐述的特征组合的实施方式和特征组合特别是视为通过上面阐述的实施方式公开。
附图说明
下面对照示意性附图对本发明的实施例作进一步的说明。在此
图1示出了用于确定身体血管片段的临床特征参量的方法的示例性实施方式的示意性流程图。
具体实施方式
在图1示出的方法中，首先，在第一步骤中，向计算装置第一提供1身体血管、在此是心脏冠状血管的三维重建。身体血管在此包括心脏冠状血管的完整的身体血管树并且还具有身体血管片段，在此例如是血管枝。在所示的示例中，身体血管片段是具有狭窄的心脏冠状血管的身体血管片段。具有身体血管片段的身体血管的三维重建在此在使用计算机断层成像设备或计算机断层成像的条件下产生。
下一步骤是向计算装置第二提供2在本示例中是身体血管片段、在此是具有狭窄的心脏冠状血管的血管枝的分割的血管造影。在此，作为下一步骤，将血管造影记录与三维重建配准3。也就是，将血管造影的一个或多个图像点或像素与三维重建的相应的图像点或体素相关联。由此可以将血管造影的另外的图像点与三维重建的另外的图像点相关联，并且反之亦然。
作为下一步骤，在此，通过计算装置从三维重建中第一提取4身体血管的至少一个全局特征，在此为与血管树有关的多个全局特征。在此，以身体血管或身体血管树的直径的形式提取全局几何特征，以及提取心脏冠状血管的心肌组织的参量作为全局生理特征，并且提取身体血管中的分支的数量以及分支的类型和分支的间隔作为身体血管的全局结构特征。
作为下一步骤，第二提取5身体血管片段的至少一个局部特征，在此为与在此具有狭窄的血管枝有关的多个局部特征。提取身体血管片段的直径作为身体血管片段的局部几何特征，以及提取身体血管片段的流体阻力作为局部生理特征，并且提取身体血管片段中的狭窄的数量以及狭窄的间隔和狭窄的相应的几何尺寸作为局部结构特征
然后，在此，依据局部特征的值调整6全局特征的值，在此将身体血管的直径调整为身体血管片段的直径。为此，在比较7中，使用相同类型的几何特征，也就是在此作为全局特征的身体血管的直径以及作为局部特征的身体血管片段的直径，来提高身体血管片段区域中的三维重建的精确性。
由此例如可以在存在在三维重建中没有明显地分离的两个连续或并行的狭窄的情况下，使用对身体血管片段的直径的更精确的局部识别，来改善三维重建。
最后，在此，依据所提取的局部和全局特征来确定8在此作为FFR值待确定的身体血管片段的临床特征参量。在此例如可以使用所确定的直径以及所确定的心肌质量、流体阻力以及所确定的分支以及所确定的狭窄的特征作为机器学习或其它已知的血流动力学计算方法的边界条件。
总之，由此通过局部特征，可以在涉及狭窄的身体血管片段中关于狭窄使用极精确的信息，同时在没有另外所需的X射线记录和由此没有附加的辐射剂量的条件下，考虑关于具有身体血管片段的血管树或身体血管的全局信息，以实现临床特征参量、在此为FFR值的特别精确的计算。

Claims (14)

1.一种用于确定身体血管片段的临床特征参量的方法，具有以下步骤：
a)向计算装置第一提供(1)具有身体血管片段的身体血管的三维重建；
b)向计算装置第二提供(2)身体血管片段的分割的血管造影记录；
c)通过计算装置从三维重建中第一提取(4)身体血管的至少一个全局特征；
d)通过计算装置从血管造影记录中第二提取(5)身体血管片段的至少一个局部特征；和
e)依据所提取的局部特征和全局特征确定身体血管片段的临床特征参量，
其中，通过计算装置借助机器学习进行临床特征参量的确定，
其中，所述至少一个全局特征和所述至少一个局部特征在机器学习中被用作一个或多个计算步骤的边界条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将血管造影记录和三维重建彼此配准。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，临床特征参量包括血流动力学特征参量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，临床特征参量包括身体血管片段的血流储备分数的值和/或身体血管片段的瞬时压力比和/或身体血管片段的瞬时无波压力比和/或身体血管片段的远端压力和主动脉压力之间的压力比和/或流过身体血管片段的血流和/或身体血管片段中的血压和/或身体血管片段中的壁剪切力。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，全局特征包括身体血管的几何特征，和/或包括身体血管的生理特征，和/或包括身体血管的结构特征。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，全局特征包括身体血管的长度和/或直径和/或角度，和/或包括身体血管的流体阻力和/或流过身体血管的流量和/或心肌组织的参量，和/或包括身体血管中分支的数量和/或分支的类型和/或分支的间隔和/或分支的分支角度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，局部特征包括身体血管片段的几何特征，和/或包括身体血管片段的生理特征，和/或包括身体血管片段的结构特征。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，局部特征包括身体血管片段的长度和/或直径和/或角度，和/或包括身体血管片段的流体阻力和/或流过身体血管片段的流量和/或心肌组织的参量，和/或包括身体血管片段中狭窄的数量和/或狭窄的斑块的成分和/或狭窄的间隔和/或一个或多个狭窄的几何尺寸。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，三维重建在使用与血管造影不同的成像方法的条件下产生。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，三维重建在使用计算机断层成像或磁共振断层成像的条件下产生。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，依据局部特征的值调整全局特征的值，或者依据全局特征调整局部特征的值。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，至少一个局部特征和至少一个全局特征分别包括相同类型的几何特征和/或生理特征和/或结构特征，将局部特征与全局特征进行比较，并且根据比较的结果相对于彼此调整各个特征的值。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，向计算装置第三提供另外的身体血管片段的分割的血管造影记录，以及通过计算装置第三提取另外的身体血管片段的至少一个局部特征，并且还依据另外的血管片段的局部特征确定身体血管片段的临床特征参量。
14.一种用于确定身体血管片段的临床特征参量的检查系统，具有
-医学成像设备，用于提供具有身体血管片段的身体血管的三维重建；
-血管造影设备，用于提供身体血管片段的分割的血管造影记录；和
-计算装置，其能够与医学成像设备和血管造影设备耦合，
其特征在于，
所述计算装置设计为，从三维重建中提取身体血管的至少一个全局特征，以及从血管造影记录中提取身体血管片段的至少一个局部特征，并且依据所提取的局部特征和全局特征确定身体血管片段的临床特征参量，
其中，所述计算装置设计为，借助机器学习进行临床特征参量的确定，
其中，所述至少一个全局特征和所述至少一个局部特征在机器学习中被用作一个或多个计算步骤的边界条件。
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