CN108778393A - 用于控制成像系统的x射线帧速率的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制用于导管程序系统的成像系统的X射线帧速率的方法，包括：生成指示第一帧速率的第一控制信号；以及将第一控制信号提供给成像系统。成像系统基于第一控制信号以第一帧速率获得第一组图像。确定由导管程序系统执行的导管程序的至少一个参数，并基于导管程序的至少一个参数生成第二控制信号。第二控制信号指示第二帧速率。第二控制信号被提供给成像系统，以将第一帧速率调整为第二帧速率。成像系统以第二帧速率获得第二组图像，并在显示器上显示第二组图像。

Description

用于控制成像系统的X射线帧速率的系统和方法
相关申请交叉引用
本申请要求于2015年12月15日提交的、申请号为62/267,692、名称为“X-RAYFRAME RATE CONTROL(X射线帧速率控制)”的美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明总体上涉及机器人导管程序系统，并且具体地，涉及用于控制用于导管程序系统的成像系统的X射线帧速率的系统和方法。
背景技术
导管可用于许多医疗程序，包括插入导丝、输送支架以及给气囊输送并充气。导管插入程序通常用于心脏和血管系统疾病的诊断和治疗。通常通过将导丝插入患者体内的血管中来开始导管插入程序。然后将导丝推进到期望的位置，最常见的是在心脏血管之一中或血管系统中的其他地方。此时，导管在导丝上滑入血管和/或心脏。在一些程序中，导管是气囊导管或支架输送系统，其被部署在病变部位时允许增加血液流过受病变影响的冠状动脉部分。
已经开发了机器人导管程序系统，其可以用于帮助医生执行诸如经皮冠状动脉介入(percutaneous coronary intervention，PCI)的导管插入程序。医生使用机器人系统来精确地操纵冠状导丝、气囊导管或支架输送系统，以便例如扩大阻塞的动脉。为了执行PCI，导丝的远端尖端必须通过冠状动脉解剖被引导至穿过目标病变。在使用荧光透视观察冠状动脉解剖结构的同时，医生操纵导丝的近端，以便将远端尖端引导至适当的血管，朝向病变并避免前进至侧枝。荧光透视成像系统使用X射线来获得脉管系统内的人脉管系统和经皮装置的实时图像。所拍摄图像的频率或帧速率(例如，每秒帧数)影响患者和执行导管程序的医疗专业人员的辐射照射量或辐射剂量。帧速率也会影响荧光透视系统获取的图像的质量。
期望提供一种用于控制用于导管程序系统的成像系统的X射线帧速率的系统和方法，以减少拍摄的X射线图像的数量以减少X射线曝光，并且还提供适当质量的图像以执行导管程序。
发明内容
根据实施例，一种用于控制用于导管程序系统的成像系统的X射线帧速率的方法包括：生成指示第一帧速率的第一控制信号，将第一控制信号提供给成像系统，以第一帧速率获得第一组图像，确定由导管程序系统执行的导管程序的至少一个参数，基于导管程序的至少一个参数生成第二控制信号，第二控制信号指示第二帧速率，将第二控制信号提供给成像系统以将第一帧速率调整为第二帧速率，以第二帧速率获得第二组图像并在显示器上显示第二组图像。
根据另一个实施例，一种导管程序系统包括：具有至少一个经皮装置和耦合到该至少一个经皮装置的至少一个驱动机构的床边系统，成像系统；以及耦合到床边系统和成像系统的工作站，工作站具有用户接口，至少一个显示器，耦合到床边系统、用户接口、至少一个显示器和成像系统的控制器，控制器被编程为生成指示第一帧速率的第一控制信号，将第一控制信号提供给成像系统，确定由导管程序系统执行的导管程序的至少一个参数，基于导管程序的至少一个参数生成第二控制信号，第二控制信号指示第二帧速率，并且将第二控制信号提供给成像系统以将所述第一帧速率调整为所述第二帧速率，其中成像系统被配置为以第一帧速率获得第一组图像并且以第二帧速率获得第二组图像。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中将更全面地理解该申请，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是根据实施例的示例性导管程序系统的透视图；
图2是根据实施例的导管程序系统的示意性框图；
图3示出了根据实施例的用于控制用于导管程序系统的成像系统的X射线帧速率的方法；
图4示出了根据实施例的经皮装置到病变的示例性路径；
图5示出了根据实施例的经皮装置到病变的示例性路径；以及
图6是根据实施例的导引导管和导丝的布置的示意图。
具体实施方式
图1是根据实施例的示例性导管程序系统的透视图。在图1中，导管程序系统100可用于执行基于导管的医疗程序(例如，经皮介入程序)。基于导管的医疗程序可以包括诊断性导管插入术程序，在该程序期间使用一个或更多导管来帮助诊断患者的疾病。例如，在基于导管的诊断过程的一个实施例中，通过导管将造影剂注射到一个或更多冠状动脉上，并拍摄患者心脏的图像。基于导管的医疗程序还可以包括基于导管的治疗程序(例如，血管成形术、支架放置、外周血管疾病的治疗等)，在该程序期间导管用于治疗疾病。然而，应该注意的是，本领域技术人员将会认识到的是，将基于要被执行的程序的类型来选择某些特定的经皮介入装置或部件(例如，导丝的类型、导管的类型等)。导管程序系统100能够以较小的调整来执行任何数量的基于导管的医疗程序，以适应程序中要使用的特定的经皮介入装置。特别地，虽然本文描述的导管程序系统100的实施例主要与冠状动脉疾病的治疗有关，但是导管程序系统100可用于经由基于导管的程序诊断和/或治疗任何类型的的疾病或者适合诊断和/或治疗的病症。
导管程序系统100包括实验室单元106和工作站116。导管程序系统100包括机器人导管系统，显示为床边系统110，位于实验室单元106内与患者102相邻。患者102支撑在桌子108上。通常，床边系统110可以配备有适当的经皮介入装置或其他部件(例如导丝、导引导管、诸如气囊导管和支架输送系统的工作导管、造影剂、药物、诊断导管等)，以允许用户通过操作各种控件(诸如位于工作站116处的控件)经由机器人系统执行基于导管的医疗程序。床边系统110可以包括任何数量部件和/或部件的组合，以向床边系统110提供本文所述的功能。除了其他元件之外，床边系统110还包括由机器人臂112支撑的驱动组件114(例如，其可以包含无菌的一次性部分)，该机器人臂112可以用于将导丝自动地推进位于患者102的动脉中的导引导管中。
床边系统110与工作站116通信，允许由工作站116的用户输入生成的信号被传输到床边系统110，以控制床边系统110的各种功能。床边系统110还可以向工作站116提供反馈信号(例如，操作条件、警告信号、错误代码等)。床边系统110可以经由通信链路140(图2中示出)连接到工作站116，通信链路140可以是无线连接、电缆连接或能够允许在工作站116和床边系统110之间发生通信的任何其他手段。
工作站116包括用户接口126，其被配置为接收用户输入以操作导管程序系统100的各种部件或系统。用户接口126包括控件118，其允许用户控制床边系统110以执行基于导管的医疗程序。例如，控件118可以被配置为使床边系统110使用床边系统110可以配备的各种经皮介入装置执行各种任务(例如，推进、缩回或旋转导丝，推进、缩回或旋转工作导管，推进、缩回或旋转导引导管，膨胀或收缩位于导管上的气囊，定位和/或部署支架，将造影剂注射到导管中，将药物注射到导管中，或执行可以作为基于导管的医疗程序的一部分来执行的任何其他功能)。驱动组件114包括各种驱动机构，以引起包括经皮装置的床边系统110的部件的移动(例如，轴向和旋转运动)。
在一个实施例中，控件118包括触摸屏124、一个或更多操纵杆128和按钮130、132。操纵杆128可以被配置为推进、缩回或旋转各种部件和经皮装置，例如导丝、导引导管或工作导管。按钮130、132可以包括例如紧急停止按钮和倍增器按钮。当按下紧急停止按钮时，触发继电器以切断对床边系统110的电源。倍增器按钮用于响应于控件118的操纵而增加或减少相关部件移动的速度。在一个实施例中，控件118可以包括在触摸屏124上显示的一个或更多控件或图标(未示出)，其在被激活时引起导管程序系统100的部件的操作。控件118还可以包括气囊或支架控件，其配置为使气囊和/或支架膨胀或收缩。控件中的每个可以包括一个或更多按钮、操纵杆、触摸屏等，这些控件可能需要控制该控件专用的特定部件。另外，触摸屏124可以显示与控件118的各个部分有关的或者与导管程序系统100的各种部件有关的一个或更多图标(未示出)。
用户接口126可以包括第一监测器或显示器120以及第二监测器或显示器122。第一监测器120和第二监测器122可以被配置为向位于工作站116处的用户显示信息或患者特定数据。例如，第一监测器120和第二监测器122可以被配置为显示图像数据(例如，X射线图像、MRI图像、CT图像、超声图像等)、血液动力学数据(例如血压、心率等)、患者记录信息(例如，病史、年龄、体重等)。另外，第一监测器120和第二监测器122可以被配置为显示程序特定信息(例如，程序的持续时间、导管或导丝位置、输送的药物或造影剂的体积等)。监测器120和监测器122可以被配置为显示关于导引导管的位置的信息。此外，监测器120和监测器122可以被配置为显示信息以提供与下面讨论的控制器134(图2所示)相关联的功能。在另一个实施例中，用户接口126包括具有足够尺寸的单个屏幕，以显示本文讨论的显示部件和/或触摸屏部件中的一个或更多个。
导管程序系统100还包括位于实验室单元106内的成像系统104。成像系统104可以是可与基于导管的医学程序(例如，非数字X射线、数字X射线、CT、MRI、超声等)结合使用的任何医学成像系统。在示例性实施例中，成像系统104是与工作站116通信的数字X射线成像设备。在一个实施例中，成像系统104可以包括C形臂(未示出)，其允许成像系统104围绕患者102部分或完全地旋转，以便获得相对于患者102的不同角度位置(例如，矢状视图、尾视图、前后视图等)的图像。
成像系统104可以被配置成在特定程序期间拍摄患者102的适当区域的X射线图像。例如，成像系统104可以被配置为拍摄心脏的一个或更多X射线图像，以诊断心脏状况。成像系统104还可以被配置为在基于导管的医疗程序期间拍摄一个或更多X射线图像(例如，实时图像)，以在程序期间帮助工作站116的用户适当地定位导丝、导引导管、支架等。一个或更多图像可以显示在第一监测器120和/或第二监测器122上。特别地，图像可以显示在第一监测器120和/或第二监测器122上，以允许用户例如准确地将导引导管移动到适当的位置。
另外，工作站116的用户可能能够控制成像系统104相对于患者的角度位置，以获得并显示患者心脏在第一监测器120和/或第二监测器122上的各种视图。在程序的不同部分显示的不同视图可以帮助工作站116的用户在患者心脏的3D几何形状内适当地移动和定位经皮介入装置。在实施例中，成像系统104可以是2D成像系统。在另一个实施例中，成像系统104可以是任何3D成像模态，诸如基于X射线的计算机断层摄影(CT)成像设备、磁共振成像设备、3D超声成像设备等。在该实施例中，在程序期间显示的患者的心脏的图像可以是3D图像。另外，控件118还可以被配置为允许位于工作站116的用户控制成像系统104的各种功能(例如，图像捕捉、放大、准直、C形臂定位等)。
参考图2，根据示例性实施例示出了导管程序系统100的框图。导管程序系统100可以包括示出为控制器134的控制系统。控制器134可以是工作站116的一部分。控制器134通常可以是适于向导管程序系统100提供本文描述的各种功能的电子控制单元。例如，控制器134可以是嵌入式系统、专用电路、用本文描述的功能编程的通用系统等。控制器134与一个或更多个床边系统110、控件118、监测器120和122、成像系统104和患者传感器136(例如，心电图(“ECG”)设备、脑电图(“EEG”)设备、血压监测器、温度监测器、心率监测器、呼吸监测器等)进行通信。在各种实施例中，控制器134被配置为基于用户与控件118的交互和/或基于可访问控制器134的信息生成控制信号，使得可以使用导管程序系统100来执行医疗程序。另外，控制器134可以与医院数据管理系统或医院网络142以及一个或更多附加输出设备138(例如，打印机、磁盘驱动器、CD/DVD刻录机等)进行通信。
导管程序系统100的各种部件之间的通信可以经由通信链路140来完成。通信链路140可以是专用线或无线连接。通信链路140也可以表示通过网络的通信。导管程序系统100可以被连接或配置为包括未明确示出的任何其他系统和/或装置。例如，导管程序系统100可以包括IVUS系统、图像处理引擎、数据存储和存档系统、自动气囊和/或支架充气系统、药物注射系统、药物追踪和/或记录系统、用户日志、加密系统、限制访问或使用导管程序系统100的系统等。
如上所述，控制器134与成像系统104通信，并且控制器134可以用于控制成像系统104。在一个实施例中，控制器134被配置为基于使用导管程序系统100正执行的导管程序的各种参数或状态来调整由成像系统104使用的帧速率(例如，X射线帧速率)。图3示出了根据实施例的用于控制用于导管程序系统的成像系统的X射线帧速率的方法。在框302中，控制器134(在图2中示出)生成用于成像系统104(在图1和2中示出)的第一控制信号。第一控制信号指示用于由成像系统104进行图像获取的第一帧速率(例如，每秒帧数)。在一个实施例中，第一帧速率是预定帧速率，例如用于使用的标准帧速率，除非如下文进一步描述的那样，导管程序的特征指示了可以使用替代帧速率(例如，更低或更高)来进行图像获取的状态。在另一个实施例中，如下文进一步讨论的，基于导管程序的一个或更多参数来选择第一帧速率。在框304中，控制器134将第一控制信号提供给成像系统104，并且在框306中，成像系统以第一帧速率获得第一组图像。在框308中，根据实施例，可以使用例如导管程序系统的显示器120或122来显示第一组图像。
在框310中，确定导管程序的至少一个参数，并且在框312中，由控制器134基于至少一个参数生成第二控制信号，以指示用于由成像系统104进行图像获取的第二帧速率。因此，可以基于导管程序的不同状态自动调整成像系统所使用的帧速率。在一个实施例中，导管程序的参数是由导管程序系统穿过患者的脉管系统推进的经皮装置的速度。例如，经皮装置可以是导丝，并且参数是导丝的远端或尖端在患者体内移动时的速度。在一个实施例中，如果经皮装置的速度低于预定阈值，则选择第二帧速率为比第一帧速率更高的帧速率或者与第一帧速率相同的帧速率。如果经皮装置的速度快于预定阈值，则选择第二帧为比第一帧速率更低的帧速率或与第一帧速率相同的帧速率。
在另一个实施例中，导管程序的参数是由用户(例如，使用用户接口126)选择的用于观察由成像系统生成的图像的感兴趣区域的放大水平。如果放大水平增加到在感兴趣区域上的“放大”，例如，放大水平被选择为大于预定放大阈值，则可以选择第二帧速率为比第一帧速率更高的帧速率。如果放大水平降低到预定放大阈值或低于预定放大率阈值的“缩小”，则可以选择第二帧速率为比第一帧速率更低或减小的帧速率。
在另一个实施例中，参数是由导管程序系统定位在脉管系统内的或通过脉管系统推进的经皮装置(或经皮装置的选定部分)的位置。可以由用户或者自动地使用导管程序系统的控制器来使用例如由成像系统获得的图像确定经皮装置的位置。在一个实施例中，参数是经皮装置(或经皮装置的选定部分)相对于感兴趣区域的位置(即，经皮装置与感兴趣区域之间的接近度或距离)，例如病变。例如，可以如图4所示识别在病变410之前和之后具有预定距离的区域402。当例如导丝406的远端404在区域402内时，可以选择第二帧速率为高于第一帧速率。在另一个实施例中，参数是经皮装置(或经皮装置的选定部分)相对于脉管系统的几何体的位置，例如，靠近经皮装置的远端的管腔的宽度或经皮装置的远端至脉管系统中的接合处的接近度(proximity)。如果靠近例如导丝的远端的脉管系统的宽度大于预定宽度，则可以选择第二帧速率为低于第一帧速率。如果靠近导丝的远端的脉管系统的宽度超过预定宽度，则可以选择第二帧速率为与第一帧速率相同或高于第一帧速率。在另一个例子中，通向病变516的路径可以穿过冠状动脉解剖结构中的一个或更多接合点或接合处510，如图5所示。在接合处510处，经皮装置(例如导丝506)的远端504可沿第一管腔512或第二管腔514向下推进。导丝506的远端504应被推进通过合适的管腔到达期望的位置，例如病变516。可以由用户或者自动地使用导管程序系统的控制器来使用例如由成像系统获取的图像确定导丝506的远端504和接合处510的位置。如果远端504位于接合处510附近(例如，离结合处510预定距离处)，则可以选择第二帧速率为高于第一帧速率。如果远端504没有位于离接合处510预定的距离内，则可以选择第二帧速率为等于或低于第一帧速率。
在另一个实施例中，导管程序的参数是第一经皮装置相对于第二经皮装置的位置。例如，作为导丝的导引导管内的导丝的位置被导向病变或其他感兴趣区域。图6是根据实施例的导引导管和导丝在患者的脉管系统中的布置的示意图。在图6中，导引导管602已经被馈送到患者的躯干604中以到达心脏区域606。在导引导管602内的是导丝608，该导丝608的远端或尖端610还没有穿过导引导管602的远端612。由成像系统获得的图像可以用于识别导丝608在导引导管602内的位置，并监测导丝6087在穿过导引导管602时的进程。如果导丝608位于导引导管内并且导丝608的远端610还没有从导引导管602中穿出，可以选择第二帧速率为低于第一帧速率。
在另一个实施例中，导管程序的参数是由成像系统获得的连续图像的比较，以识别例如脉管系统(例如跳动心脏)的运动或者如果经皮装置不移动或空闲。如果经皮装置的选定部分(例如，导丝的远端)位于移动脉管系统的区域内，则可以选择第二帧速率为高于第一帧速率。如果经皮装置的选定部分不位于移动脉管系统的区域内，则可以选择第二帧速率为与第一帧速率相同或低于第一帧速率。如果经皮装置空闲，则可以选择第二帧速率为低于第一帧速率。
一旦选择了第二帧速率并且已经生成了第二控制信号，则在框314处控制器134将第二控制信号提供给成像系统以将第一帧速率调整为第二帧速率。在框316处，成像系统以第二帧速率获得第二组图像。在框318处，根据实施例，可以使用例如导管程序系统的显示器120或122来显示第二组图像。上面讨论的参数中的一个或更多可以用来在导管程序执行时以及在导管程序通过程序的不同状态进行时(例如，经皮装置在脉管系统内的前进和定位)调整帧速率。通过识别何时可以降低帧速率，可以减少程序过程中的X射线照射或剂量。
根据上述方法用于控制用于导管程序系统的成像系统的X射线帧速率的计算机可执行指令可以存储在计算机可读介质的形式上。计算机可读介质包括用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息的以任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读介质包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存或其他存储器技术、光盘ROM(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)或其他光存储器、盒式磁带、磁带、磁盘存储器或其他磁存储设备、或可用于存储期望的指令并可由系统10(图1示出)访问的任何其他介质，包括通过互联网或其他计算机网络形式的访问。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够制作和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同结构要素，则这些其他示例旨在权利要求的范围内。根据替代性实施例，任何过程或方法步骤的顺序和次序可以变化或重新排序。
在不脱离其精神的情况下可以对本发明做出许多其他改变和修改。这些和其他变化的范围将从所附权利要求中变得显而易见。

Claims (19)

1.一种用于控制用于导管程序系统的成像系统的X射线帧速率的方法，所述方法包括：
生成指示第一帧速率的第一控制信号；
将所述第一控制信号提供给成像系统；
以所述第一帧速率获得第一组图像；
确定由所述导管程序系统执行的导管程序的至少一个参数；
基于所述导管程序的所述至少一个参数生成第二控制信号，所述第二控制信号指示第二帧速率；
将所述第二控制信号提供给所述成像系统，以将所述第一帧速率调整为所述第二帧速率；
以所述第二帧速率获得第二组图像；以及
在显示器上显示所述第二组图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二帧速率低于所述第一帧速率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二帧速率高于所述第一帧速率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管程序的所述参数是经皮装置的速度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管程序的所述参数是所述第一组图像中的至少一个图像的放大水平。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管程序的所述参数是经皮装置相对于感兴趣区域的位置。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管程序的所述参数是经皮装置相对于脉管系统的几何体的位置。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管程序的所述参数是第一经皮装置相对于第二经皮装置的位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管程序的所述参数是脉管系统的区域的运动。
10.一种导管程序系统，包括：
床边系统，包括至少一个经皮装置和耦合到所述至少一个经皮装置的至少一个驱动机构；
成像系统；以及
耦合到所述床边系统和所述成像系统的工作站，所述工作站包括：
用户接口；
至少一个显示器；
耦合到所述床边系统、所述用户接口、所述至少一个显示器和所述成像系统的控制器，所述控制器被编程为：
生成指示第一帧速率的第一控制信号；
将所述第一控制信号提供给所述成像系统；
确定由所述导管程序系统执行的导管程序的至少一个参数；
基于所述导管程序的所述至少一个参数生成第二控制信号，所述第二控制信号指示第二帧速率；以及
将所述第二控制信号提供给所述成像系统，以将所述第一帧速率调整为所述第二帧速率；
其中所述成像系统被配置成以所述第一帧速率获得第一组图像，并且以所述第二帧速率获得第二组图像。
11.根据权利要求10所述的导管程序系统，其中所述成像系统是荧光透视系统。
12.根据权利要求10所述的导管程序系统，其中所述第二帧速率低于所述第一帧速率。
13.根据权利要求10所述的导管程序系统，其中所述第二帧速率高于所述第一帧速率。
14.根据权利要求10所述的导管程序系统，其中所述导管程序的所述参数是所述至少一个经皮装置的速度。
15.根据权利要求10所述的导管程序系统，其中所述导管程序的所述参数是所述第一组图像中的至少一个图像的放大水平。
16.根据权利要求10所述的导管程序系统，其中所述导管程序的所述参数是所述至少一个经皮装置相对于感兴趣区域的位置。
17.根据权利要求10所述的导管程序系统，其中所述导管程序的所述参数是经皮装置相对于脉管系统的几何体的位置。
18.根据权利要求10所述的导管程序系统，其中所述床边系统包括第一经皮装置和第二经皮装置，并且其中所述导管程序的所述参数是所述第一经皮装置相对于所述第二经皮装置的位置。
19.根据权利要求10所述的导管程序系统，其中所述导管程序的所述参数是脉管系统的区域的运动。
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