介入期间的设备尺寸测定支持 本发明涉及在医疗介入 ( 例如经皮冠状动脉介入 ) 期间提供设备尺寸测定支持。 正如下文详细解释的那样， 确定诸如球囊或支架的介入设备的适当尺寸是重要的任务并且 对于成功介入至关重要。
可以使用本发明的领域的示例为用于在导管实验室中进行 PCI( 经皮冠状动脉介 入 ) 以治疗心脏狭窄的成像系统。参考文献 【1】 描述了基本介入过程 ：
“在导管于穿刺部位处插入脉管系统中之后， 导管沿着大脉管推进到需要处置的 脉管结构。 经由导管注射造影剂， 并且心导管工作站 (cathlab) 的 x 射线仪器记录了示出充 有造影剂时的脉管的血管造影序列。 可以以变化的成像仪几何尺寸来重复诊断血管造影片 的采集。 基于这样的诊断血管造影片进行诊断和介入规划 (……)。 在介入期间， 可弯曲的、 部分或完全射线透不过的导丝被推进到受感染的脉管结构 ( 例如冠状动脉中的狭窄、 神经 脉管的动脉瘤或动静脉畸形 ) 中。 荧光透视低剂量 x 射线监视对导丝进行可视化 (……) 并 允许介入专家在推进导丝时的手眼协调。当被定位时， 导丝充当轨道以输送介入设备 ( 例 如用于扩张的球囊及支架输送、 用于动脉瘤凝血的可脱弹簧圈 )。 介入设备的输送和展开也 受荧光透视控制。
在 PCI 中， 非常关键的一点在于对诸如球囊或支架的介入设备的正确尺寸测定。 特别是， 确定支架的正确长度至关重要。太短的支架未叠加在整个病变上且在极端情况下 可能损害斑块 ( 边缘效应， 引起再狭窄的发病诱因 )。另一方面， 太长的支架可能叠加不期 望的结构 ( 另一支架、 分支血管根等 )。事实上， 存在很多关于在 PCI 期间的理想长度策略 的文献、 研究和指导方针， 并且理想长度策略可以根据所使用的支架类型 ( 裸金属或药物 洗脱 ) 而变化。然而归根到底， 确定正确的支架长度确实是关键问题。
基本上， 心脏病学医师主要由病变的长度来确定支架长度 ( 支架应当完全叠加在 病变上 )。然而， 很难利用在 X 射线下在血管造影序列 ( 包括造影剂注射 ) 中观测的病变长 度， 主要因为投影缩减效应 ： 仅可获得病变的一个投影， 并且取决于病变相对于投影平面取 向的 3D 空间取向， 所观测的长度可能实质上缩减了。
然而可能使用针对精确长度测量的两种主要解决方案 ：
- 使用诸如脉管内超声 (IVUS) 的脉管内设备 【2】 ；
- 使用与重建或建模软件耦合的多个血管造影视图来生成病变的 3D 表示， 在该 3D 表示上可以应用定量测量算法 【3】 。
然而， 这些解决方法中没有一个是理想的 ：
-IVUS 昂贵， 但不一定能够报销， 并且不一定容易穿过狭窄的 ( 其构成对于介入的 附加风险 )。由于这些原因， IVUS 通常不被考虑用于设备尺寸测定的单一任务。其优选用 于那些能够报销并且仅关于特定介入 ( 通常包含诸如左主干的大血管段 ) 的国家。
-3D 表示或多或少是繁重的 ( 从两个视图冠状建模到对应冠状重建的完全旋转 )。 但是即使这些程序中最轻松的 ( 两个视图建模 ) 实际上也极少用于长度估计。具体而言， 这是由于它们相对于正常工作流程的破坏本质。它们实际上包含在工作站上的图像传输、 多路采集或旋转扫描， 并且它们往往不能从手术台侧进行控制。 因而， 它们对于病变长度估
计的简单目的来说是过于复杂了。
US6620114B2 公开了一种可以放置在患者的脉管系统或体腔内的导丝。该导丝包 括一个或多个射线透不过的标记物， 该标记物可以由荧光透视等来显现。该标记物优选沿 着导丝纵向分隔， 以使该标记物和 / 或标记物之间的空间能够用于测量体内的解剖结构或 人造结构。
US5253653A 公开了一种用于测量血管闭塞的尺寸的导丝组件， 该导丝组件包括具 有可弯曲的、 可设置在血管中的末端的导丝。 该导丝具有设置在其中的芯线， 该芯线延伸到 末端。射线透不过的标记物的线性阵列设置在该芯线的末端附近。该标记物相互间隔开预 先确定的距离， 由此使用户能够使用放射学技术精确测量血管闭塞的尺寸和直径。
GB2355797A 公开了一种用于动脉血管成形术的导丝或类似设备 ( 例如球囊导 管 )， 对该导丝或类似设备进行校准以便沿着其长度的至少部分提供标记物位置， 该标记物 位置或其之间的空间是射线透不过或射线半透过的， 以用于射线照相术检测和阅读。
WO03/049794A1 提出了一种用于计量的装置和方法， 该装置和方法用于精确辅助 对将要展开的适当支架的长度和尺寸的确定。导管的末端具有一系列射线透不过的标记， 其被布置成能够用于确定将要使用的支架的长度。 该标记同样帮助确定支架的尺寸。 为此， 相同计量导管的末端为子弹型的 (bulleted)， 以仿真支架和球囊组件的轮廓。
US2003/0088195A1 公开了一种用于制造具有多个射线透不过标记物的导丝的装 置和方法。 在优选的实施例中， 导丝具有逐渐变细的末段， 该末段包括以预先确定的间隔设 置在导丝上的多个金标记物， 从而使得导丝的外表面大体上为平滑的。金标记物提供了荧 光透视参考以用于定位导丝， 并且金标记物实现对脉管特征 ( 例如病变的长度 ) 的精确尺 寸测定。
本发明的目的为向用于医疗介入的设备尺寸测定提供改进的支持。
独立权利要求指出了本发明。从属权利要求指出了本发明的有利实施例。
本发明的一个主要优点是为 PCI 设备尺寸测定、 特别是为设备长度估计提供手术 台侧控制的支持。 该支持将帮助心脏病学家以针对投影缩减的快速且鲁棒的方式来精确计 算被检查病变的尺寸 ( 因此为设备的尺寸 )。
本发明能够捕获相对于在需要设备尺寸测定之前穿过病变的所谓导丝顶端 (wire-tip) 的病变的尺寸。该导丝顶端非常容易识别， 因为其表现为短的射线根本透不过 的导丝节段， 该导丝节段的长度是标准化的且已知的。 基本思想在一方面为， 产生在狭窄被 穿过的精确时刻的导丝顶端的增强视图 ( 利用少量造影剂施用 (puff) 使病变可视， 或者 从路图 (roadmapping) 手段获得病变 )， 在另一方面为， 产生将被用于估计病变范围的定量 ( 但是基本相对的 ) 尺寸测定信息。例如， 视图可能包含所叠加的与导丝顶端平行的弯曲 尺， 并且尺在导丝顶端长度中应当与病变比较的部分上标注刻度。
因为顶端处于病变中， 所以在两个对象之间的任何相对测量结果是不受投影缩减 影响的。 因为该视图是自动产生的， 并且其利用不需要点击， 所以可以从手术台侧进行其利 用。
以顶端衡量的尺 ( 基于顶端长度的刻度 ) 可以叠加在各个图像上， 而不一定叠加 在其中分割顶端并且计算弯曲尺的视图上 ：
a) 其实际上可以被叠加在从捕获顶端和利用少量造影剂看到的狭窄两者的荧光序列中计算出的增强视图上。
b) 其可以被叠加在当已经发生造影剂施用时但是在顶端进入狭窄之前的荧光序 列的段中。
c) 其可以被叠加在对应的血管造影图像中。
对于选项 ‘b’ ， 需要附加的荧光图像内配准， 以便在近似正确的位置 ( 注意， 这个 位置并不需要被精确估计， 因为仅仅相对长度比较是有意义的 ) 叠加该尺。对于选项 ‘c’ ， 可以利用路图手段以便确定哪幅血管图像以及确定应当在哪个近似位置处叠加该尺。 选项 ‘b’ 和 ‘c’ 的主要优点在于， 顶端不构成阻碍并且病变与尺的比较更容易。
另外， 还可以显示对病变的投影缩减局部的估计， 或者甚至可以显示对在第三维 的角度的估计。 这可以从顶端尺寸与所观测的尺寸 ( 以 mm 为单位 ) 的比较中计算得出。 对 于角度确定， 可以使用关于采集几何结构的简单规则以及顶端的位置来解决取向的不明确 性。
下文将基于附图来更加详细地描述本发明， 在附图中 ：
图 1 和图 2 示出了所期望的结果的示例 ； 以及
图 3 示出了两种实现方案。 在图 1 中， 在穿过狭窄时刻的荧光透视图像的顶层示出了所计算出的尺 ( 利用造 影剂施用 )。这涉及在上文中介绍的选项 ‘a’ 。
在图 2 中， 在血管造影图像的顶层示出了所计算出的尺 ( 顶端不构成阻碍 )。 顶端 在荧光图像中被分割 ( 并且在荧光图像中计算出尺 )， 荧光图像与血管造影图像之间的对 应性可以例如从在参考文献 【4】 中描述的心脏路图技术中得到。这涉及上文的选项 ‘c’ 。
为了获得该类型的结果， 需要如图 3 中描述的若干步骤。该图示出了选项 ‘a’ 和 选项 ‘c’ ( 选项 ‘b’ 为选项 ‘c’ 的变型 ) 两者。
图 3 示出了两种实现方案， 即在穿过时刻的图像中的叠加以及在无顶端的图像中 的叠加。
在图 3 中示出的第一方案中， 采用了荧光图像。作为后台任务执行对导丝顶端的 检测。然后， 测量在顶端周围的对比度， 接着进行 “最佳时刻” 的计算。对导丝顶端进行分 割并且建模， 接着计算弯曲的尺。然后， 执行该尺与最佳时刻的荧光图像的叠加。
图 3 示出的另一过程包括检测荧光图像中的顶端 ； 在该顶端穿过狭窄时的那一时 刻执行触发。然后， 对该顶端进行分割和建模， 并且计算对应的弯曲的尺。利用经配准的病 变图像叠加该尺。
图 3 示意性描绘的第三方法涉及血管造影图像。基于在穿过狭窄时刻的触发， 计 算经配准的病变图像。然后利用经配准的病变图像叠加该尺。
对于选项 ‘a’ ， 可以采用若干步骤。
- 在后台任务中的导丝顶端检测或追踪。由于其非常高的 X 射线吸收性质及其受 限的长度， 该检测过程是相当简单的， 并且可以利用常规脊线增强 (ridge enhancement) 技 术和阈值化技术来进行该检测过程。该方法甚至能够通过脊线跟踪方法得到加强。在任何 情况下， 该后台任务在当前荧光透视运行的每个帧提供对该顶端的分割。
- 一旦已经通过注射导管产生了对比度 (contrast)， 其快速到达顶端附近。对顶 端的连续分割提供了将进行查找并分析对比度的区域的几何结构。 通常监测在顶端周围和
顶端上的灰度值， 因而产生若干时间 - 强度曲线 ( 例如一条曲线对应于顶端上的平均灰度 值 ( 沿着时间 )， 而一条曲线对应于顶端两侧的平均值 )。这能够确定顶端和病变两者都最 佳可视的最佳时刻。
- 对于所选择的时刻， 然后将顶端进行仔细分割及建模 ( 例如作为样条曲线 )。这 可以利用传统的分割和曲线拟合工具来实现。
- 然后可以产生尺的模型， 该尺的模型基本上由与顶端曲线平行并且包含从当前 投影下观测的顶端长度中计算出的刻度的曲线构成。
- 然后可以将弯曲的尺叠加在实际的顶端和病变旁边， 从而为临床医师提供了依 照顶端长度的部分或者多个顶端长度来估计病变长度的能力， 并且这与可能的投影缩减无 关。
对于选项 ‘c’ ， 除了已经描述的步骤之外， 以下步骤是必须的 ：
- 以某种方法， 指出或检测穿过狭窄的时间。在最简单的版本中， 可以从在正确时 刻激发按钮简单得到触发信号。在较复杂的版本中， 可以使用路图图像 ( 参考 【4】 ) 并且可 以在顶端附近 ( 在荧光图像中 ) 检测病变 ( 在路图图像中 )。当顶端接近实际的病变时， 然 后发送触发信号。
- 触发信号指定参考荧光图像以及相关地指定在该图像中的顶端的参考位置。使 用如在路图中包含的对应及配准模块 ( 参考 【4】 )， 然后可以发现对应该荧光参考荧光图像 的匹配脉管图像 ( 称之为经配准的病变图像 )， 并且可以确定将被应用到参考顶端位置的 运动以使其适应该脉管图像。
- 然后可以利用那些项信息来将弯曲的尺 ( 与先前相同的方式计算出， 但是在由 触发信号指定的荧光时刻 ) 叠加到对应的脉管图像中， 并且在正确的位置。
本发明存在很多其他扩展和变型， 下文将对此进行概述。
- 如已经指出的， 经配准的病变图像可以从具有造影剂施用并且在顶端进入狭窄 之前的荧光图像中计算出。这简化了病变图像的构造和配准。
- 如果以某种方法将顶端长度输入系统 ( 对于该长度的值具有非常小的可能性 )， 然后将像素转换为毫米并且测量图像中的顶端长度， 则能够确定并且显示所估计的投影缩 减度。这只不过相当于将所期望的长度与所观测的长度进行比较。
- 此外， 甚至可以以相同方式确定第三维的角度。为了消除通常的角度不确定性， 可以包含与采集几何结构及顶端位置相关联的简单规则。
根据本发明的成像系统可以基于常规成像系统， 该常规成像系统适合通过包括用 于根据本发明方法的获得尺寸测定信息的模块进行修改或调整。 成像系统可以包括用于计 算虚拟尺的计算模块。成像系统还可以包括用于在叠加视图中显示尺的显示模块。
换言之， 根据本发明的成像系统可以基于常规成像系统并通过提供用于执行根据 本发明方法的功能的模块进行改动。
本发明可以应用于 PCI 介入中的心脏系统。由于这类介入的重要性以及精确设备 尺寸测定的重要性， 本发明的影响是非常广阔的。
参考文献 ：
【1】 “Algorithmic Solutions for Live Device-to-Vessel Match” ， J.Bredno、 B.Martin-Leung 和 K.Eck.In Proceedings of SPIE-Volume 5370-Medical Imaging2004， Image Processing， J.Michael Fitzpatrick， Milan Sonka， Editors， 2004 年 5 月， 第 1486-1497 页 ；
【2】 “The accuracy of length measurements using different intravascular ultrasound motorized transducer pullback systems” ， K.Tanaka、 S.G.Carlier 等人， The International Journal of Cardiovascular Imaging(formerly Cardiac Imaging)， 第 23 卷， 第 6 期 /2007 年 12 月 ；
【 3 】I n t r a - p r o c e d u r a l c o r o n a r y i n t e r v e n t i o n p l a n n i n g u s i n g hybrid3-dimensional reconstruction techniques.Academic Radiology， 第 10 卷， 第 12 期， 第 1433-1441 页 ；
【4】 “Algorithmic Solutions for Live Device-to-Vessel Match” ， J.Bredno、 B.Martin-Leung 和 K.Eck。In Proceedings of SPIE-Volume 5370-Medical Imaging 2004 ： Image Processing， J.Michael Fitzpatrick， Milan Sonka， Editors， 2004 年 5 月， 第 1486-1497 页 ；
【5】 US6620111B2(2003 年 )
【6】 US5253653A(1993 年 ) 【7】 GB2355797A(2001 年 )
【8】 WO03/049794A1(2003 年 )
【9】 US2003/0088195A1(2003 年 )