CN1977773A - 用于支架规划和支架植入过程的计算机化的工作流方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于支架规划和执行支架植入过程的计算机化的工作流方法，其中，从部位的三维规划图像中确定将被设置支架的损伤的特征，并基于该特征利用对损伤的计算机辅助分析来选择设置在该损伤处的实际支架。基于该实际支架电子地产生虚拟支架，并利用该虚拟支架确定实际支架的最佳位置以有效地将支架设置在该损伤处。在支架植入过程中显示包含损伤的部位的实时二维图像，其中虚拟支架位于上述最佳位置上。医生在支架植入过程中手动地相对于损伤引导该实际支架，直到在显示的实时二维图像中能看见的实际支架的位置与该图像中的虚拟支架重合为止。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于规划植入支架过程的技术，包括选择合适的支架，该技术还用于进行支架植入过程，在该过程中将支架植入对象体内的合适位置。
背景技术
使用经由皮肤的冠状介入、尤其是支架植入过程已成为很多冠状动脉疾病现象的治疗选择。
支架植入过程也已广泛地用于治疗血管而不是冠状动脉中的狭窄，如肾动脉、肠动脉或其它外围血管。
尽管支架植入通过减轻患者的症状和几乎立即降低局部缺血而大大加强了患者的生命质量，但该技术从长远来说对很多患者并不是完全成功的。对有些患者没有成功是因为一种在被植入支架的区域内部或附近的再狭窄现象。再狭窄的出现通常是由于支架放错了位置，或者次佳地选择了支架类型或支架大小。
支架类型和大小是由执行支架植入过程的医生基于从血管造影X射线投影(图像)获得的损伤部位的大小和延伸度来确定的。但由于血管造影X射线投影是二维图像并且用于测量三维结构，因此实质上没有完全位于血管造影投影平面中的三维结构会在该二维图像中显得缩短了。
此外，基于在没有注入造影剂的条件下获得的实时二维X射线投影中显示的运送支架的导管来放置支架。这意味着损伤很可能不能在该实时二维X射线投影中清楚可见，因此当医生基于对血管解剖结构的记忆(从注射了造影剂的前X射线投影中获得)而考虑正确放置运送支架的导管时必定有些盲目地放置支架。三维对象在二维X射线投影中的缩短又会削弱对运送支架的导管的正确放置。
为了提高这种损伤测量的精确度，公知基于病变血管的多个二维X射线投影来产生该患者的包含损伤部位的三维再现。在该三维再现中，可以三维地测量损伤大小和延伸度，这会大大降低由于该缩短效应产生的错误。因此可以改善选择合适的支架来治疗损伤的问题。
还公知其它用于控制支架在病变血管中的位置和展开程度的技术。例如，公知用于增强支架(尤其是支架的支杆)在二维X射线投影中的显示的后处理方法。血管内超声波(IVUS)技术以及诸如光相干断层造影(OCT)的光学技术也是公知的，并用于帮助相对于血管壁来显示支架。但这些技术是后介入式地使用的(在放置了支架之后)。因此所植入的支架无法移出，甚至无法移动到血管内更好的位置上。这意味着如果没有在支架植入过程中正确地放置支架，就必须植入第二个支架来更好地治疗损伤区域。
发明内容
本发明的目的是提供一种由计算机支持的改进方法，用于规划用于治疗患者体内感染了损伤的内腔的支架植入过程，包括为该过程选择最合适的支架，以及进行该支架植入过程本身。本发明的另一个目的是为支架植入过程提供实时的计算机支持。
本发明的另一个目的是提供这样的一种方法，其中一些或所有方法步骤完全是自动的，即一旦输入了合适的输入项目，该步骤就无需医生的进一步干预而自动进行。
按照本发明，上述目的是通过一种用于规划支架和执行支架植入过程的计算机化的工作流方法达到的，其中利用C臂荧光镜成像系统实时监控支架植入过程。该方法包括以下基本阶段：对需要植入支架来治疗的包含损伤的对象部位采集三维图像，从图像数据中再现该三维图像。利用该三维图像来分析与该损伤关联的狭窄，包括确定损伤大小、长度、损伤延伸程度、组织成分、血管壁弹性等。然后该三维图像还用于规划支架，包括选择支架和对所选择支架相对于损伤的位置进行仿真，以及显示所选择支架的放置结果。一旦确定支架的放置是令人满意的，则可以进行角度选择，其中设置荧光镜检查系统的C臂的角度，由此设置最适合于监控实际支架植入过程的图像平面。然后利用C臂荧光镜检查系统进行的监控来进行支架植入过程，其中C臂设置在所选择的位置上。
狭窄分析可以通过医生的交互来进行，以便在计算机屏幕上识别和标记出表明该狭窄的上述特征的点。可替换的，利用公知的模式识别和图像处理软件，可以由运行了狭窄分析软件的计算机自动确定上述特征。然后向医生显示由计算机自动确定的结果，医生可以接受该结果、修改该结果，或改变底层输入并重新运行该分析。
对包括支架选择的支架规划来说同样如此。基于狭窄分析的结果，计算机可以显示可得到的合适支架的列表，从中医生可以通过与计算机的交互进行选择。可替换的，计算机可以执行支架选择程序，其中基于狭窄分析结果自动选择支架。然后由计算机对所选择支架的虚拟表示进行仿真。如果虚拟支架的特定结构点与三维图像中与损伤关联的点重合，则确定所选择的支架是否实际上适用于治疗有问题的损伤。该确定可以由医生在观看所选择的支架叠加在所显示的三维图像上的虚拟表示时进行，或者由计算机利用合适的模式识别和图像分析软件来自动进行。如果医生不满意通过该选择的支架所达到的支架植入，则他可以选择不同的支架并重新运行该仿真。可替换的，计算机可以进行同样的工作而无须医生的干预，直到在选择的支架的虚拟仿真与三维图像中与损伤关联的指定点之间的一致性达到预定的最低偏差为止。
荧光镜系统C臂的角度可以由医生选择，或者由计算机自动选择。
在支架植入过程本身，用C臂荧光镜检查系统获得的包含损伤的部位本身的二维实时图像可以与规划图像数据组(也就是事先对该包含损伤的部位获得的三维图像)相关。在该支架植入过程中，所选择支架的虚拟表示的最佳部署位置可以重叠在该实时二维图像上。在支架植入过程中，实际支架被可视化在对象体内的实时二维图像中，并手动地使之与显示的该虚拟表示的最佳部署位置重合。因此可以保证实际支架放置在事先用仿真确定的对象体内的最佳位置上。
附图说明
图1是按照本发明的包括计算机规划和执行支架植入过程的基本步骤的流程图。
图2是图1的流程图中步骤E的详细流程图。
图3示意性示出呈现给医生的按照本发明方法的显示图像。
具体实施方式
在图1的流程图示出本发明方法中的一些基本步骤，用于用计算机规划支架植入过程，并用计算机辅助进行支架植入过程本身。
在步骤A，对对象的包含损伤的区域获取三维规划图像数据组，并以公知方式从该数据组中再现三维图像。利用Siemens公司提供的AXIOM Artis和介入心脏3D(IC 3D)进行该三维图像数据组和图像的再现。数据采集可以是三维的或四维的。在该公知数据采集中，在注入造影剂的条件下用C臂系统获取病变血管的X射线图像，其中C臂位于在第一平面采集图像的位置。然后C臂移动到第二角位置，并在诸如造影剂的条件下在不同于第一平面的第二平面中采集病变血管的图像。然后将这些图像之一显示在显示器上，并通过与该显示图像的用户交互，医生在所显示平面中的损伤周围指定(标记)合适的点。然后基于在第一和第二平面中获得的图像以公知方式再现三维图像或四维图像。所再现的图像(更准确地说是所再现图像的底层数据组)包括由医生输入的指定。下面将该数据组称为规划图像数据组。
在步骤B，分析该规划的图像数据组以获得规划分析结果。这可以在用于获取该规划图像数据组的成像模态的工作站上利用血管分析和虚拟支架植入软件程序进行，或者用远方在线提供的规划图像数据组在不同位置上进行。分析该规划图像(狭窄分析)以标识出涉及要被植入支架的损伤的合适特征，如损伤的大小、长度、延伸程度、组织成分、血管壁弹性等。该分析可以由医生通过与显示的规划图像进行合适的交互来进行。可替换的，可以在计算机中利用公知的模式识别和图像处理软件完全自动地进行狭窄分析。步骤B的结果是足以允许从提供的支架中选择合适支架(或至少允许进行初级选择，然后进行细化)的一组特征。
在步骤C中基于规划分析结果从提供的支架中选择实际的支架。这也可以通过医生的交互而手动进行，或者在计算机内完全自动进行。在手动实施例中，医生从支架数据库中选择一个支架，该支架数据库可以是由支架制造商分类的支架、支架类型和支架大小的列表。该选择是基于在步骤B中获得的特征组来进行的。可替换的，利用相同的特征按照不同的选择标准和搜索规则对该支架数据库进行计算机支持的自动搜索。
在选择出实际的支架之后，在步骤D计算机对选择的实际支架产生虚拟表示。在步骤E，通过将选择的实际支架的虚拟表示重叠在规划图像数据组上来确定实际支架的最佳部署位置。利用模式识别和图像处理软件，计算机可以标识出所选择支架的计算机模型(虚拟表示)在再现图像内的最佳位置。该分析考虑了支架在支架展开过程中预计的收缩程度。如果在狭窄分析中获得的特征包括诸如组织成分和/或血管壁弹性的信息，则也可以将该信息包括在该仿真中。
然后计算机通过展示支架在显示的规划图像内的虚拟表示来显示该仿真结果。通常会例如在支架的反向端为该实际支架提供标记，该标记可以在支架植入过程期间显示的支架的实时图像中见到。也为用于引入支架的导管提供至少一个这样的标记。当支架放置在最佳位置时，在仿真结果中包含了这些标记应当位于何处的虚拟指示。
在计算机仿真中，所选择的支架的虚拟表示有可能不会产生与损伤在规划图像中的尺寸和位置足够匹配的结果。如果发生这样的情况，则仿真程序自动跳转到步骤C，并选择不同的支架并重新运行该仿真，直到找到能导致与规划图像中的损伤足够匹配的支架为止(在编制的优化标准程序内)。
可替换的，至少步骤E部分可以用图2所示的医生交互来手动实施。在步骤E的手动版本中，在步骤E1显示从三维规划图像数据组中产生的规划图像。在步骤E2在三维规划图像中向医生显示所选择的支架的虚拟表示的最佳部署位置。然后在步骤E4医生可以选择接受该部署位置。如果医生同意所显示的部署位置是最佳的，则医生通过计算机接口进行合适的输入，然后该方法跳至如下所述的步骤F。如果医生不同意当前显示的部署位置是最佳的，则在步骤E医生拒绝接受该建议，并在步骤E3计算机重新确定该最佳部署位置。在重新确定时，可以提示或允许医生输入将会被计算机在重新确定最佳部署位置时考虑的修改建议，或者医生可以实际指定一个修改位置。在重新确定该最佳部署位置时，医生或计算机可以确定当前选择的支架无法满足最佳标准，其中医生或计算机可以选择不同的实际支架，然后通过计算机产生该不同选择的支架的虚拟表示来用于重新确定最佳部署位置。
在步骤E确定最佳的部署位置还可以包括由计算机自动地或由医生手动输入地确定荧光镜检查系统的C臂的角位置，该荧光镜检查系统将用于产生用于监控支架植入过程的实时图像。这样来选择该角位置，使得荧光镜图像(二维图像)的图像平面对降低缩短效应来说是最佳的。
在步骤F，用C臂荧光镜检查系统获得包含损伤的区域的二维实时图像，其中该C臂在步骤E确定的合适角位置上。还可以采用双平面荧光镜检查系统，其中在步骤E只能确定一个C臂的平面或者可以确定两个C臂的相应平面。
包含损伤的区域的实时图像与规划图像数据组相关。在步骤G，所选择的支架的虚拟表示的最佳部署位置在支架植入过程期间重叠在实时二维图像上。在步骤H进行支架植入过程，从而植入对应于步骤C中选择的以及可能在步骤E中细化的实际支架。
在步骤H，将支架标记的虚拟表示以及支架边缘的虚拟表示(被看作直线)在支架放置过程期间重叠在实时的荧光镜图像上。在图3示出这样显示的图像的示意图，其中可以从该实时图像中看见收缩的血管壁，以及在该二维图像中显示出来的实际支架标记，和用于支架导管的标记，后者可能是很多支架导管标记中的第一标记。在图3中用双圆圈表示的虚拟支架标记重叠在该二维荧光镜图像以及虚拟支架边缘上。当各支架标记都包含在该虚拟支架标记内时才能精确放置该实际支架。当支架标记与虚拟支架标记一致时，也可以从显示的图像中确定虚拟支架边缘相对于血管壁的位置。
在实现了这样的对准和定位之后，医生启动通过导管对支架的部署，从而展开支架。如果可以在二维图像中看见支架边缘，则可以将该支架边缘与虚拟支架边缘的位置相比较。只要实际支架标记留在虚拟支架标记内，就可以可靠地假设支架在部署期间没有移动或被放错位置，而且支架已经部署在预期的最佳位置。
随着实时支架植入过程的进展，医生可能会确定最初选择的C臂角度已变成次优的。如果是这样，则医生可以在支架植入过程期间改变荧光镜检查系统的C臂的位置，以再次优化病变血管在荧光镜图像中的表示。如果改变了角度，则计算机可以重新计算出虚拟标记和虚拟支架边缘的新位置，使得它们准确地重叠显示在调整后的荧光镜平面中。
可以通过利用诸如IVUS的成像技术进行的三维图像再现来获得规划图像(三维规划)图像数据组，IVUS公开在美国专利5830145中，ANGUS公开在“True Three-Dimensional Reconstruction of Coronary Arteries in Patients byFusion of Angiography and IVUS(ANGUS)and its Quantitative Validation”，Slager等人，Circulation 2000，Vol.102，511-516页，或者利用诸如公开在PCT申请WO97/032182中的OCT或OFDI的光学方法。利用这样的成像模态，规划图像不仅包括病变血管的形态信息，还包括血管壁的组织信息。如果规划图像是作为四维数据组(即还包括时间坐标)获得的，则还可以包括关于血管壁的弹性的信息。
条形码或RFID标签可用于检查所选择的支架(实际支架)是否具有与医生在步骤C中验证的虚拟支架相同的规格。可以向监控支架植入过程的计算机提供条形码读取器或RFID检测器，其输出必须要由医生同意才可以继续进行支架植入。如果不同意，则计算机不会在实时荧光镜检查图像中继续显示虚拟支架标记和支架边缘。
在步骤H，当实际支架标记与虚拟支架标记重合时发出声音信号，或者例如通过使该虚拟支架标记闪烁而提供光学信号。
作为上述仿真的可选增添项，可以在虚拟植入支架的血管中进行血流的流动动态仿真(二维或三维或四维)，并向医生显示结果。然后医生可以在决定是否同意仿真结果时考虑该动态信息。
上述工作流可用于分岔的损伤。在这种状况下，计算机仿真还提供不同支架植入技术的仿真(如内嵌支架、V型支架等)，从而不仅帮助医生选择最适合的支架，还帮助他选择最适合的支架植入技术。
尽管本领域的技术人员可以给出修正和改变，本发明意欲在本专利的范围内体现所有合理的改变和修正并恰当地落入其对本领域的贡献范围内。
Claims (20)
1.一种用于包括支架规划的计算机辅助植入支架方法，包括步骤：
对包含感染了损伤的内腔的对象体内部位采集三维图像，并从该图像数据中再现该部位的至少一幅三维图像，所述三维图像包含和表现了所述损伤的特征；
利用该三维图像来分析该损伤的狭窄特征，其中该狭窄分析的至少一部分自动电子地由对所述损伤特征的计算机分析进行，以获得狭窄分析结果；
基于该狭窄分析结果选择用于治疗所述损伤的实际支架；
在计算机中产生对应于该实际支架的虚拟仿真支架；
将所述虚拟支架电子地叠加在所述三维图像上，并在计算机中自动电子地确定该虚拟支架相对于所述损伤的最佳位置以高效地治疗所述损伤，以及自动电子地确定在支架植入过程中用于植入所述实际支架的成像系统的C臂的角度；
执行所述支架植入过程以植入所述实际支架，包括利用该成像系统产生所述体内部位的实时二维图像，其中所述C臂位于所述角度上，和所述虚拟支架位于该实时二维图像中的所述最佳位置上，在支架植入过程中利用该实时二维图像手动引导所述实际支架，用以将所述实际支架设置到所述体内部位中与所述最佳位置重合的实际位置上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述再现体内部位的至少三维图像的步骤包括从所述图像数据中再现该体内部位的四维图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述获得所述图像数据的步骤包括利用双平面或单平面C臂成像系统采集所述体内部位的图像数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述利用双平面或单平面C臂成像系统采集图像数据的步骤包括：
在所述体内部位注射造影剂，并在第一平面内利用位于第一角度位置的所述C臂采集该体内部位的第一图像数据；
在所述体内部位具有造影剂的情况下，在第二平面利用位于第二角度位置的所述C臂采集该体内部位的第二图像数据；
其中，从所述图像数据中再现至少三维图像的步骤包括：
从所述第一图像数据组中再现所述体内部位的第一二维图像，从所述第二图像数据组中再现所述体内部位的第二二维图像，分别显示第一和第二二维图像；
在显示的第一和第二二维图像中，分别手动指定限定所述损伤的标记，以指明在第一和第二二维图像中的包含损伤的部分；
从所述第一和第二二维图像的各包含损伤的部分中再现所述部位的至少三维图像。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述执行狭窄分析的步骤包括完全自动电子地在计算机中执行所述狭窄分析，而无需在开始所述狭窄分析之后进行手动干预。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述执行狭窄分析的步骤包括自动电子地确定至少一个中间狭窄分析结果，并在计算机工作站上提供该中间狭窄分析结果，允许通过所述计算机工作站进行人工干预以获得最终的狭窄分析结果。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，包括在所述三维图像中选择所述特征用于进行所述狭窄分析，所述特征是从包括损伤大小、损伤长度、损伤延伸程度、内腔的组织成分、内腔的内腔壁弹性的集合中选择的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述选择实际支架的步骤包括向用户提供所述狭窄分析结果，并由用户从多个可获得的实际支架中人工选择所述实际支架。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述选择支架的步骤包括自动电子地将所述狭窄分析结果与存储的代表可获得的各实际支架的数据组相比较，以获得比较结果，并基于该比较结果自动电子地选择实际支架。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，允许用户在开始所述支架植入过程之前的任何时候手动接受所述自动电子选择的实际支架。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述实际支架包括在所述实时二维图像中可以看见的支架标记，其中所述将实际支架仿真为虚拟支架的步骤包括在所述虚拟支架中包含该支架标记的虚拟表示。
12.根据权利要求11所述的方法，其中包括：在所述支架植入过程中，引导所述实际支架，使得所述支架标记在所述实时二维图像中与所述虚拟支架中的支架标记在所述实时二维图像中的虚拟表示重合。
13.根据权利要求1所述的方法，其中包括：在所述支架植入过程中，利用导管引导所述实际支架，其中确定所述最佳位置的步骤包括显示叠加了所述虚拟支架并包含该导管的表示的所述三维图像，其中所述导管的表示在显示的三维图像中与该虚拟支架关联。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定最佳位置的步骤包括在开始确定该最佳位置后，没有手动干预地在计算机中自动电子地确定最佳位置。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定最佳位置的步骤包括在计算中自动电子地确定一个中间最佳位置，并在计算机工作站上向用户提供该中间最佳位置，允许用户通过所述计算机工作站修改所述中间最佳位置以获得最终的最佳位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，允许用户修改所述中间最佳位置的步骤包括允许用户选择不同的实际支架，还包括，如果选择了不同的实际支架，则自动电子地仿真该不同的实际支架以获得虚拟的不同支架，并用叠加在所述三维图像上的虚拟不同支架重新确定所述中间最佳位置。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述产生实时二维图像的步骤包括利用C臂荧光镜成像系统产生荧光镜图像。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，包括在所述实际支架的位置与所述最佳位置重合时自动发出肉眼可察觉的信号。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，包括允许用户在所述支架植入过程期间，将所述C臂的角度手动更改为一改变的角度，并根据该改变的角度在所述实时二维图像中自动电子地重新找到所述虚拟支架的所述最佳位置。
20.一种用于计算机辅助植入支架和规划所述支架植入的方法，包括步骤：
利用成像模态在规划步骤中，对包含感染了损伤的内腔的对象体内部位以及围绕该损伤的环境产生至少三维图像数据组，实际支架将在随后的支架植入过程中定位和部署在该环境中；
利用配备了所述三维图像数据组的计算机，分析所述三维图像数据组中的所述部位和环境，并产生表现所述损伤和所述环境的解剖和病理特征的确定损伤特征的数据组；
利用所述确定损伤特征的数据组，选择用于所述支架植入过程的实际支架，该实际支架具有可由支架植入过程成像模态检测到的标记；
在所述计算机中，产生对应于选择的实际支架的虚拟支架，该虚拟支架包括对应于该实际支架的所述标记的虚拟标记，并将所述虚拟支架在一个针对所述损伤的最佳虚拟支架部署位置上叠加到三维图像数据组中；
从叠加了所述虚拟支架的三维图像数据组中，确定用于执行支架植入过程的支架植入过程成像模态的成像方向；
执行所述支架植入过程，包括将支架植入过程成像模态定向在所选择的方向上，并利用该支架植入过程成像模态产生所述部位的实时二维图像；
在所述支架植入过程中显示所述实时二维图像，在该图像中虚拟支架在所述针对损伤的最佳支架部署位置上，并相对于所述损伤手动引导所述实际支架，使得实际支架在实时二维图像中的表示与虚拟支架重合。
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