專利名稱：用于支架規劃和支架植入過程的計算機化的工作流方法
技術領域：
本發明涉及一種用于規劃植入支架過程的技術，包括選擇合適的支架，該技術還用于進行支架植入過程，在該過程中將支架植入對象體內的合適位置。
背景技術：
使用經由皮膚的冠狀介入、尤其是支架植入過程已成為很多冠狀動脈疾病現象的治療選擇。
支架植入過程也已廣泛地用于治療血管而不是冠狀動脈中的狹窄，如腎動脈、腸動脈或其它外圍血管。
盡管支架植入通過減輕患者的癥狀和幾乎立即降低局部缺血而大大加強了患者的生命質量，但該技術從長遠來說對很多患者并不是完全成功的。對有些患者沒有成功是因為一種在被植入支架的區域內部或附近的再狹窄現象。再狹窄的出現通常是由于支架放錯了位置，或者次佳地選擇了支架類型或支架大小。
支架類型和大小是由執行支架植入過程的醫生基于從血管造影X射線投影(圖像)獲得的損傷部位的大小和延伸度來確定的。但由于血管造影X射線投影是二維圖像并且用于測量三維結構，因此實質上沒有完全位于血管造影投影平面中的三維結構會在該二維圖像中顯得縮短了。
此外，基于在沒有注入造影劑的條件下獲得的實時二維X射線投影中顯示的運送支架的導管來放置支架。這意味著損傷很可能不能在該實時二維X射線投影中清楚可見，因此當醫生基于對血管解剖結構的記憶(從注射了造影劑的前X射線投影中獲得)而考慮正確放置運送支架的導管時必定有些盲目地放置支架。三維對象在二維X射線投影中的縮短又會削弱對運送支架的導管的正確放置。
為了提高這種損傷測量的精確度，公知基于病變血管的多個二維X射線投影來產生該患者的包含損傷部位的三維再現。在該三維再現中，可以三維地測量損傷大小和延伸度，這會大大降低由于該縮短效應產生的錯誤。因此可以改善選擇合適的支架來治療損傷的問題。
還公知其它用于控制支架在病變血管中的位置和展開程度的技術。例如，公知用于增強支架(尤其是支架的支桿)在二維X射線投影中的顯示的后處理方法。血管內超聲波(IVUS)技術以及諸如光相干斷層造影(OCT)的光學技術也是公知的，并用于幫助相對于血管壁來顯示支架。但這些技術是后介入式地使用的(在放置了支架之后)。因此所植入的支架無法移出，甚至無法移動到血管內更好的位置上。這意味著如果沒有在支架植入過程中正確地放置支架，就必須植入第二個支架來更好地治療損傷區域。
發明內容
本發明的目的是提供一種由計算機支持的改進方法，用于規劃用于治療患者體內感染了損傷的內腔的支架植入過程，包括為該過程選擇最合適的支架，以及進行該支架植入過程本身。本發明的另一個目的是為支架植入過程提供實時的計算機支持。
本發明的另一個目的是提供這樣的一種方法，其中一些或所有方法步驟完全是自動的，即一旦輸入了合適的輸入項目，該步驟就無需醫生的進一步干預而自動進行。
按照本發明，上述目的是通過一種用于規劃支架和執行支架植入過程的計算機化的工作流方法達到的，其中利用C臂熒光鏡成像系統實時監控支架植入過程。該方法包括以下基本階段對需要植入支架來治療的包含損傷的對象部位采集三維圖像，從圖像數據中再現該三維圖像。利用該三維圖像來分析與該損傷關聯的狹窄，包括確定損傷大小、長度、損傷延伸程度、組織成分、血管壁彈性等。然后該三維圖像還用于規劃支架，包括選擇支架和對所選擇支架相對于損傷的位置進行仿真，以及顯示所選擇支架的放置結果。一旦確定支架的放置是令人滿意的，則可以進行角度選擇，其中設置熒光鏡檢查系統的C臂的角度，由此設置最適合于監控實際支架植入過程的圖像平面。然后利用C臂熒光鏡檢查系統進行的監控來進行支架植入過程，其中C臂設置在所選擇的位置上。
狹窄分析可以通過醫生的交互來進行，以便在計算機屏幕上識別和標記出表明該狹窄的上述特征的點。可替換的，利用公知的模式識別和圖像處理軟件，可以由運行了狹窄分析軟件的計算機自動確定上述特征。然后向醫生顯示由計算機自動確定的結果，醫生可以接受該結果、修改該結果，或改變底層輸入并重新運行該分析。
對包括支架選擇的支架規劃來說同樣如此。基于狹窄分析的結果，計算機可以顯示可得到的合適支架的列表，從中醫生可以通過與計算機的交互進行選擇。可替換的，計算機可以執行支架選擇程序，其中基于狹窄分析結果自動選擇支架。然后由計算機對所選擇支架的虛擬表示進行仿真。如果虛擬支架的特定結構點與三維圖像中與損傷關聯的點重合，則確定所選擇的支架是否實際上適用于治療有問題的損傷。該確定可以由醫生在觀看所選擇的支架疊加在所顯示的三維圖像上的虛擬表示時進行，或者由計算機利用合適的模式識別和圖像分析軟件來自動進行。如果醫生不滿意通過該選擇的支架所達到的支架植入，則他可以選擇不同的支架并重新運行該仿真。可替換的，計算機可以進行同樣的工作而無須醫生的干預，直到在選擇的支架的虛擬仿真與三維圖像中與損傷關聯的指定點之間的一致性達到預定的最低偏差為止。
熒光鏡系統C臂的角度可以由醫生選擇，或者由計算機自動選擇。
在支架植入過程本身，用C臂熒光鏡檢查系統獲得的包含損傷的部位本身的二維實時圖像可以與規劃圖像數據組(也就是事先對該包含損傷的部位獲得的三維圖像)相關。在該支架植入過程中，所選擇支架的虛擬表示的最佳部署位置可以重疊在該實時二維圖像上。在支架植入過程中，實際支架被可視化在對象體內的實時二維圖像中，并手動地使之與顯示的該虛擬表示的最佳部署位置重合。因此可以保證實際支架放置在事先用仿真確定的對象體內的最佳位置上。
圖1是按照本發明的包括計算機規劃和執行支架植入過程的基本步驟的流程圖。
圖2是圖1的流程圖中步驟E的詳細流程圖。
圖3示意性示出呈現給醫生的按照本發明方法的顯示圖像。
具體實施例方式
在圖1的流程圖示出本發明方法中的一些基本步驟，用于用計算機規劃支架植入過程，并用計算機輔助進行支架植入過程本身。
在步驟A，對對象的包含損傷的區域獲取三維規劃圖像數據組，并以公知方式從該數據組中再現三維圖像。利用Siemens公司提供的AXIOM Artis和介入心臟3D(IC 3D)進行該三維圖像數據組和圖像的再現。數據采集可以是三維的或四維的。在該公知數據采集中，在注入造影劑的條件下用C臂系統獲取病變血管的X射線圖像，其中C臂位于在第一平面采集圖像的位置。然后C臂移動到第二角位置，并在諸如造影劑的條件下在不同于第一平面的第二平面中采集病變血管的圖像。然后將這些圖像之一顯示在顯示器上，并通過與該顯示圖像的用戶交互，醫生在所顯示平面中的損傷周圍指定(標記)合適的點。然后基于在第一和第二平面中獲得的圖像以公知方式再現三維圖像或四維圖像。所再現的圖像(更準確地說是所再現圖像的底層數據組)包括由醫生輸入的指定。下面將該數據組稱為規劃圖像數據組。
在步驟B，分析該規劃的圖像數據組以獲得規劃分析結果。這可以在用于獲取該規劃圖像數據組的成像模態的工作站上利用血管分析和虛擬支架植入軟件程序進行，或者用遠方在線提供的規劃圖像數據組在不同位置上進行。分析該規劃圖像(狹窄分析)以標識出涉及要被植入支架的損傷的合適特征，如損傷的大小、長度、延伸程度、組織成分、血管壁彈性等。該分析可以由醫生通過與顯示的規劃圖像進行合適的交互來進行。可替換的，可以在計算機中利用公知的模式識別和圖像處理軟件完全自動地進行狹窄分析。步驟B的結果是足以允許從提供的支架中選擇合適支架(或至少允許進行初級選擇，然后進行細化)的一組特征。
在步驟C中基于規劃分析結果從提供的支架中選擇實際的支架。這也可以通過醫生的交互而手動進行，或者在計算機內完全自動進行。在手動實施例中，醫生從支架數據庫中選擇一個支架，該支架數據庫可以是由支架制造商分類的支架、支架類型和支架大小的列表。該選擇是基于在步驟B中獲得的特征組來進行的。可替換的，利用相同的特征按照不同的選擇標準和搜索規則對該支架數據庫進行計算機支持的自動搜索。
在選擇出實際的支架之后，在步驟D計算機對選擇的實際支架產生虛擬表示。在步驟E，通過將選擇的實際支架的虛擬表示重疊在規劃圖像數據組上來確定實際支架的最佳部署位置。利用模式識別和圖像處理軟件，計算機可以標識出所選擇支架的計算機模型(虛擬表示)在再現圖像內的最佳位置。該分析考慮了支架在支架展開過程中預計的收縮程度。如果在狹窄分析中獲得的特征包括諸如組織成分和/或血管壁彈性的信息，則也可以將該信息包括在該仿真中。
然后計算機通過展示支架在顯示的規劃圖像內的虛擬表示來顯示該仿真結果。通常會例如在支架的反向端為該實際支架提供標記，該標記可以在支架植入過程期間顯示的支架的實時圖像中見到。也為用于引入支架的導管提供至少一個這樣的標記。當支架放置在最佳位置時，在仿真結果中包含了這些標記應當位于何處的虛擬指示。
在計算機仿真中，所選擇的支架的虛擬表示有可能不會產生與損傷在規劃圖像中的尺寸和位置足夠匹配的結果。如果發生這樣的情況，則仿真程序自動跳轉到步驟C，并選擇不同的支架并重新運行該仿真，直到找到能導致與規劃圖像中的損傷足夠匹配的支架為止(在編制的優化標準程序內)。
可替換的，至少步驟E部分可以用圖2所示的醫生交互來手動實施。在步驟E的手動版本中，在步驟E1顯示從三維規劃圖像數據組中產生的規劃圖像。在步驟E2在三維規劃圖像中向醫生顯示所選擇的支架的虛擬表示的最佳部署位置。然后在步驟E4醫生可以選擇接受該部署位置。如果醫生同意所顯示的部署位置是最佳的，則醫生通過計算機接口進行合適的輸入，然后該方法跳至如下所述的步驟F。如果醫生不同意當前顯示的部署位置是最佳的，則在步驟E醫生拒絕接受該建議，并在步驟E3計算機重新確定該最佳部署位置。在重新確定時，可以提示或允許醫生輸入將會被計算機在重新確定最佳部署位置時考慮的修改建議，或者醫生可以實際指定一個修改位置。在重新確定該最佳部署位置時，醫生或計算機可以確定當前選擇的支架無法滿足最佳標準，其中醫生或計算機可以選擇不同的實際支架，然后通過計算機產生該不同選擇的支架的虛擬表示來用于重新確定最佳部署位置。
在步驟E確定最佳的部署位置還可以包括由計算機自動地或由醫生手動輸入地確定熒光鏡檢查系統的C臂的角位置，該熒光鏡檢查系統將用于產生用于監控支架植入過程的實時圖像。這樣來選擇該角位置，使得熒光鏡圖像(二維圖像)的圖像平面對降低縮短效應來說是最佳的。
在步驟F，用C臂熒光鏡檢查系統獲得包含損傷的區域的二維實時圖像，其中該C臂在步驟E確定的合適角位置上。還可以采用雙平面熒光鏡檢查系統，其中在步驟E只能確定一個C臂的平面或者可以確定兩個C臂的相應平面。
包含損傷的區域的實時圖像與規劃圖像數據組相關。在步驟G，所選擇的支架的虛擬表示的最佳部署位置在支架植入過程期間重疊在實時二維圖像上。在步驟H進行支架植入過程，從而植入對應于步驟C中選擇的以及可能在步驟E中細化的實際支架。
在步驟H，將支架標記的虛擬表示以及支架邊緣的虛擬表示(被看作直線)在支架放置過程期間重疊在實時的熒光鏡圖像上。在圖3示出這樣顯示的圖像的示意圖，其中可以從該實時圖像中看見收縮的血管壁，以及在該二維圖像中顯示出來的實際支架標記，和用于支架導管的標記，后者可能是很多支架導管標記中的第一標記。在圖3中用雙圓圈表示的虛擬支架標記重疊在該二維熒光鏡圖像以及虛擬支架邊緣上。當各支架標記都包含在該虛擬支架標記內時才能精確放置該實際支架。當支架標記與虛擬支架標記一致時，也可以從顯示的圖像中確定虛擬支架邊緣相對于血管壁的位置。
在實現了這樣的對準和定位之后，醫生啟動通過導管對支架的部署，從而展開支架。如果可以在二維圖像中看見支架邊緣，則可以將該支架邊緣與虛擬支架邊緣的位置相比較。只要實際支架標記留在虛擬支架標記內，就可以可靠地假設支架在部署期間沒有移動或被放錯位置，而且支架已經部署在預期的最佳位置。
隨著實時支架植入過程的進展，醫生可能會確定最初選擇的C臂角度已變成次優的。如果是這樣，則醫生可以在支架植入過程期間改變熒光鏡檢查系統的C臂的位置，以再次優化病變血管在熒光鏡圖像中的表示。如果改變了角度，則計算機可以重新計算出虛擬標記和虛擬支架邊緣的新位置，使得它們準確地重疊顯示在調整后的熒光鏡平面中。
可以通過利用諸如IVUS的成像技術進行的三維圖像再現來獲得規劃圖像(三維規劃)圖像數據組，IVUS公開在美國專利5830145中，ANGUS公開在“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頁，或者利用諸如公開在PCT申請WO97/032182中的OCT或OFDI的光學方法。利用這樣的成像模態，規劃圖像不僅包括病變血管的形態信息，還包括血管壁的組織信息。如果規劃圖像是作為四維數據組(即還包括時間坐標)獲得的，則還可以包括關于血管壁的彈性的信息。
條形碼或RFID標簽可用于檢查所選擇的支架(實際支架)是否具有與醫生在步驟C中驗證的虛擬支架相同的規格。可以向監控支架植入過程的計算機提供條形碼讀取器或RFID檢測器，其輸出必須要由醫生同意才可以繼續進行支架植入。如果不同意，則計算機不會在實時熒光鏡檢查圖像中繼續顯示虛擬支架標記和支架邊緣。
在步驟H，當實際支架標記與虛擬支架標記重合時發出聲音信號，或者例如通過使該虛擬支架標記閃爍而提供光學信號。
作為上述仿真的可選增添項，可以在虛擬植入支架的血管中進行血流的流動動態仿真(二維或三維或四維)，并向醫生顯示結果。然后醫生可以在決定是否同意仿真結果時考慮該動態信息。
上述工作流可用于分岔的損傷。在這種狀況下，計算機仿真還提供不同支架植入技術的仿真(如內嵌支架、V型支架等)，從而不僅幫助醫生選擇最適合的支架，還幫助他選擇最適合的支架植入技術。
盡管本領域的技術人員可以給出修正和改變，本發明意欲在本專利的范圍內體現所有合理的改變和修正并恰當地落入其對本領域的貢獻范圍內。
權利要求
1.一種用于包括支架規劃的計算機輔助植入支架方法，包括步驟對包含感染了損傷的內腔的對象體內部位采集三維圖像，并從該圖像數據中再現該部位的至少一幅三維圖像，所述三維圖像包含和表現了所述損傷的特征；利用該三維圖像來分析該損傷的狹窄特征，其中該狹窄分析的至少一部分自動電子地由對所述損傷特征的計算機分析進行，以獲得狹窄分析結果；基于該狹窄分析結果選擇用于治療所述損傷的實際支架；在計算機中產生對應于該實際支架的虛擬仿真支架；將所述虛擬支架電子地疊加在所述三維圖像上，并在計算機中自動電子地確定該虛擬支架相對于所述損傷的最佳位置以高效地治療所述損傷，以及自動電子地確定在支架植入過程中用于植入所述實際支架的成像系統的C臂的角度；執行所述支架植入過程以植入所述實際支架，包括利用該成像系統產生所述體內部位的實時二維圖像，其中所述C臂位于所述角度上，和所述虛擬支架位于該實時二維圖像中的所述最佳位置上，在支架植入過程中利用該實時二維圖像手動引導所述實際支架，用以將所述實際支架設置到所述體內部位中與所述最佳位置重合的實際位置上。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述再現體內部位的至少三維圖像的步驟包括從所述圖像數據中再現該體內部位的四維圖像。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述獲得所述圖像數據的步驟包括利用雙平面或單平面C臂成像系統采集所述體內部位的圖像數據。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述利用雙平面或單平面C臂成像系統采集圖像數據的步驟包括在所述體內部位注射造影劑，并在第一平面內利用位于第一角度位置的所述C臂采集該體內部位的第一圖像數據；在所述體內部位具有造影劑的情況下，在第二平面利用位于第二角度位置的所述C臂采集該體內部位的第二圖像數據；其中，從所述圖像數據中再現至少三維圖像的步驟包括從所述第一圖像數據組中再現所述體內部位的第一二維圖像，從所述第二圖像數據組中再現所述體內部位的第二二維圖像，分別顯示第一和第二二維圖像；在顯示的第一和第二二維圖像中，分別手動指定限定所述損傷的標記，以指明在第一和第二二維圖像中的包含損傷的部分；從所述第一和第二二維圖像的各包含損傷的部分中再現所述部位的至少三維圖像。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述執行狹窄分析的步驟包括完全自動電子地在計算機中執行所述狹窄分析，而無需在開始所述狹窄分析之后進行手動干預。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述執行狹窄分析的步驟包括自動電子地確定至少一個中間狹窄分析結果，并在計算機工作站上提供該中間狹窄分析結果，允許通過所述計算機工作站進行人工干預以獲得最終的狹窄分析結果。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，包括在所述三維圖像中選擇所述特征用于進行所述狹窄分析，所述特征是從包括損傷大小、損傷長度、損傷延伸程度、內腔的組織成分、內腔的內腔壁彈性的集合中選擇的。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，所述選擇實際支架的步驟包括向用戶提供所述狹窄分析結果，并由用戶從多個可獲得的實際支架中人工選擇所述實際支架。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述選擇支架的步驟包括自動電子地將所述狹窄分析結果與存儲的代表可獲得的各實際支架的數據組相比較，以獲得比較結果，并基于該比較結果自動電子地選擇實際支架。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，允許用戶在開始所述支架植入過程之前的任何時候手動接受所述自動電子選擇的實際支架。
11.根據權利要求1所述的方法，其中，所述實際支架包括在所述實時二維圖像中可以看見的支架標記，其中所述將實際支架仿真為虛擬支架的步驟包括在所述虛擬支架中包含該支架標記的虛擬表示。
12.根據權利要求11所述的方法，其中包括在所述支架植入過程中，引導所述實際支架，使得所述支架標記在所述實時二維圖像中與所述虛擬支架中的支架標記在所述實時二維圖像中的虛擬表示重合。
13.根據權利要求1所述的方法，其中包括在所述支架植入過程中，利用導管引導所述實際支架，其中確定所述最佳位置的步驟包括顯示疊加了所述虛擬支架并包含該導管的表示的所述三維圖像，其中所述導管的表示在顯示的三維圖像中與該虛擬支架關聯。
14.根據權利要求1所述的方法，其中，所述確定最佳位置的步驟包括在開始確定該最佳位置后，沒有手動干預地在計算機中自動電子地確定最佳位置。
15.根據權利要求1所述的方法，其中，所述確定最佳位置的步驟包括在計算中自動電子地確定一個中間最佳位置，并在計算機工作站上向用戶提供該中間最佳位置，允許用戶通過所述計算機工作站修改所述中間最佳位置以獲得最終的最佳位置。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，允許用戶修改所述中間最佳位置的步驟包括允許用戶選擇不同的實際支架，還包括，如果選擇了不同的實際支架，則自動電子地仿真該不同的實際支架以獲得虛擬的不同支架，并用疊加在所述三維圖像上的虛擬不同支架重新確定所述中間最佳位置。
17.根據權利要求1所述的方法，其中，所述產生實時二維圖像的步驟包括利用C臂熒光鏡成像系統產生熒光鏡圖像。
18.根據權利要求1所述的方法，其中，包括在所述實際支架的位置與所述最佳位置重合時自動發出肉眼可察覺的信號。
19.根據權利要求1所述的方法，其中，包括允許用戶在所述支架植入過程期間，將所述C臂的角度手動更改為一改變的角度，并根據該改變的角度在所述實時二維圖像中自動電子地重新找到所述虛擬支架的所述最佳位置。
20.一種用于計算機輔助植入支架和規劃所述支架植入的方法，包括步驟利用成像模態在規劃步驟中，對包含感染了損傷的內腔的對象體內部位以及圍繞該損傷的環境產生至少三維圖像數據組，實際支架將在隨后的支架植入過程中定位和部署在該環境中；利用配備了所述三維圖像數據組的計算機，分析所述三維圖像數據組中的所述部位和環境，并產生表現所述損傷和所述環境的解剖和病理特征的確定損傷特征的數據組；利用所述確定損傷特征的數據組，選擇用于所述支架植入過程的實際支架，該實際支架具有可由支架植入過程成像模態檢測到的標記；在所述計算機中，產生對應于選擇的實際支架的虛擬支架，該虛擬支架包括對應于該實際支架的所述標記的虛擬標記，并將所述虛擬支架在一個針對所述損傷的最佳虛擬支架部署位置上疊加到三維圖像數據組中；從疊加了所述虛擬支架的三維圖像數據組中，確定用于執行支架植入過程的支架植入過程成像模態的成像方向；執行所述支架植入過程，包括將支架植入過程成像模態定向在所選擇的方向上，并利用該支架植入過程成像模態產生所述部位的實時二維圖像；在所述支架植入過程中顯示所述實時二維圖像，在該圖像中虛擬支架在所述針對損傷的最佳支架部署位置上，并相對于所述損傷手動引導所述實際支架，使得實際支架在實時二維圖像中的表示與虛擬支架重合。
全文摘要
本發明涉及一種用于支架規劃和執行支架植入過程的計算機化的工作流方法，其中，從部位的三維規劃圖像中確定將被設置支架的損傷的特征，并基于該特征利用對損傷的計算機輔助分析來選擇設置在該損傷處的實際支架。基于該實際支架電子地產生虛擬支架，并利用該虛擬支架確定實際支架的最佳位置以有效地將支架設置在該損傷處。在支架植入過程中顯示包含損傷的部位的實時二維圖像，其中虛擬支架位于上述最佳位置上。醫生在支架植入過程中手動地相對于損傷引導該實際支架，直到在顯示的實時二維圖像中能看見的實際支架的位置與該圖像中的虛擬支架重合為止。
文檔編號A61F2/82GK1977773SQ200610165940
公開日2007年6月13日 申請日期2006年12月11日 優先權日2005年12月9日
發明者埃斯特爾·卡默斯, 托馬斯·雷德爾 申請人:西門子公司