導管行程的預測方法

專利名稱：導管行程的預測方法
技術領域：
本發明涉及一種用于預測脈管系統中的(微型)導管行程的方法，一 種用于制造導管的方法， 一種執行所述預測方法的數據處理單元，和一種 具有執行所述預測方法的程序的記錄載體。
背景技術：
如果可以在適合的建模程序的幫助下計劃和準備患者的脈管系統中 的導管介入，則可以促進其成功。所述程序一般需要患者的脈管系統的三維幾何模型，例如可以通過3D旋轉脈管造影術獲得之。導管介入的典型 范例是動脈瘤的治療，其中用于在3D脈管系統中對動脈瘤體素的全自動 標記已經在文獻(cf. J, Bruijins: "Fully-automatic labelling of aneurysm voxels for volume estimation", Proc. Bildverarbeitung ftier die Medizin, 51-55頁， Erlangen, Germany, 2003年3月)中有所描述。在標記動脈瘤之后，由醫 生制定治療計劃，包括選擇具有合適的例如直徑和彈性的性質的導管。發明內容基于這樣的情形，本發明的目的是提供用于輔助的和改進的導管介入 計劃的手段。該目的通過根據權利要求l的方法、根據權利要求9的方法、根據權 利要求IO的數據處理單元和根據權利要求11的記錄載體而實現。根據第一方面，本發明涉及一種用于預測在被建模的脈管系統中在給 定的開始位置(例如導管由此被導入身體內的切口)和給定的目標位置(例 如動脈瘤)之間的導管行程的方法。術語"導管"原則上應當包括任何能 夠通過患者的脈管系統前進的橢圓形儀器。通過所謂"行程管道"的管狀 對象描述導管的行程，其中所述管道沿從開始位置引導至目標位置的相關 "行程中心線"延伸。所述方法包括下列步驟a)確定從開始位置引導至目標位置經過脈管系統的路徑，并根據所述 路徑識別初始行程中心線。如果脈管系統例如由具有中心線的管狀對象建 模，則所述路徑可以沿著所述脈管中心線。 b)以這樣的方式調節前述初始行程中心線與該中心線相關的行程 管道位于脈管系統內部。優選地，產生的行程管道還將進一步實現(最佳 化)標準，例如具有將彎曲能量最小化的配置。利用前述這種方法，可以對脈管系統中的介入計劃進行改迸并將其自 動化，因為對于脈管系統可以單獨地預測被導入所述系統中的導管的行 程。這有助于醫生對介入的可行性以及執行介入的最佳方法作出決定。而 且，該方法有助于為特殊任務選擇和可以準備最合適類型的導管。在所提出的方法的第一應用中，所述行程管道可以是"通道管道"， 其描述其中導管可以從開始位置引導至目標位置經過脈管系統的通道。如 果通道足夠大以能夠容納導管同時仍然為剩下的血流留有空間，則介入是 切實可行的。在所提出的方法的第二應用中，所述行程管道可以是"微型導管管 道"，其描述從開始位置引導至目標位置經過脈管系統的微型導管的形 狀。名稱"微型導管"應當表示該應用特別適合于小而細的導管。然而該 術語并不意味著限制，并且原則上應當包括任何可以通過患者的脈管系統 而前進的橢圓形儀器。在前述應用的組合中，首先確定通道管道，然后以微型導管管道位于 所述通道管道之內的方式確定微型導管管道。在確定微型導管管道的過程中，該方法的步驟a)中所需的經過脈管系統的路徑優選地被限定為通道 管道的中心線。在本發明的優選實施例中，微型導管中心線包括直線部分和彎曲部分 的交替序列。對于直線部分，相關的管道部分被限定位于脈管系統的內部 (即各處都與脈管系統的壁保持距離)；反之，對于彎曲部分，相關的管 道部分接觸脈管壁(并未穿透脈管系統的周圍組織)和/或轉彎進入脈管系 統的旁分支。如它們的名字所表示的，直線部分優選(大約)為直的，而 彎曲部分是彎的。直線部分和彎曲部分的序列特別適于窄、細的微型導 管，其直直地延伸直到它們接觸到脈管壁或者必須轉彎以進入脈管系統的 分支。直線部分和彎曲部分的前述序列可以特別以迭代的方式確定，例如在 開始位置以直線部分開始。在迭代的過程中，直線部分將接著延伸直到有 必要引入彎曲部分以將微型導管導回脈管系統的內部或者進入旁分支。在前述方法的優選實施例中，每個迭代步驟包括下列的子步驟aa)確定"導管拐角"。所述導管拐角被限定為(i)當前在該迭代步 驟中所考慮的直線部分與圍繞該直線部分的脈管壁的交叉或被限定為 (ii)在當前的直線部分上位于從所述部分的開始與所述微型導管跟隨的 旁分支的最遠脈管壁相同距離的點(取替代方案(i) 、 (ii)中較近的一 個)。因此導管拐角表示脈管系統中當前的直線部分的直線行程必須結束 的點。
bb)通過初始"移位矢量"將當前直線部分的接近(可能最接近)導 管拐角的點移位朝向在步驟aa)中確定的導管拐角。相對于邊界條件(例 如有必要將微型導管管道保持在脈管系統以內) 一般將該點移位至盡可能 接近的導管拐角。
cc)在當前直線部分的前述移位點引入從當前直線部分到接下來的彎 曲部分的轉換。然后必須根據給定的邊界條件來確定彎曲部分的進程。
在前述迭代方法的優選延續中，在步驟cc)中被引入的接下來的彎曲 部分在步驟bb)的初始移位矢量的方向被連續地并且一個一個地被移位， 其中移位長度以這樣的方式單調遞減，即相關的微型導管管道只接觸脈管 系統的壁而不穿透它。移位長度的單調遞減避免了微型導管管道的局部回 轉。而且，接下來的直線部分將在以當前移位長度移位的微型導管管道第 一次與脈管壁失去接觸的地方開始。也就是說，微型導管中心線盡脈管壁 所需而被移位，并且它進入到微型導管管道可以在脈管系統內部再次自由 延伸的下一直線部分。
上述方法中所用的管道或管狀對象(例如微型導管管道或通道管道) 優選地由一系列探針描述，其中每個探針包括具有中心和相關平面的球 面。所述球面的中心位于被建模的管道的中心線上，并且相關平面包含所 述中心而且垂直于管道的中心線而延伸。此外，可以由其它參數表現探針 的特征，例如對應于管道的橫截面的橢圓形橫截面的半徑。
本發明還涉及一種用于制造導管，特別是微型導管，的方法，包括下 列步驟
a) 利用前述類型的方法在預期的介入過程中預測導管的行程。
b) 根據預測的行程對導管進行準備，優選進行預建模。 利用該方法，可以為特定介入和特定患者單獨設計(微型)導管。這充分地方便了介入，使得困難的情況可以應付，并降低復雜性的風險。 本發明還涉及一種數據處理單元，其適于執行上述類型的預測方法。
所述數據處理單元可以包括通常的計算機組件，例如中央處理單元、存儲 器、1/0接口等，和相關的計算機程序。最后，本發明包括一種記錄載體，例如軟盤、硬盤或光盤(CD)，其上存儲有用于根據前述類型的方法對導管行程進行預測的計算機程序。 參考下面描述的實施例，本發明的這些和其它方面將會明顯并得以闡明。


下面，借助于附圖，通過示例描述本發明，附圖中圖1示意性示出在脈管系統的彎曲部分(左)和脈管系統的分支部分(右)中的通道管道CT和微型導管管道MT，以及他們的各自的中心線CC和MC;圖2示出在脈管系統的旁分支處對導管拐角的確定，其中在所述導管 拐角處直線部分將轉換為彎曲部分；圖3示出在彎曲部分中微型導管探針從位置P。W到位置Pnew的移位，其中各點表示描述該區域中相應的通道管道的探針的中心；圖4示出將圖3的移位矢量投影到通道管道探針的平面上以計算最大移位矢量長度；圖5示出具有動脈瘤的脈管系統的不同的三維表現，艮P:1、上左灰度值量；2、上右被標注的量，其中動脈瘤以黑色標記;3、中左通道管道的中央曲線；4、中右微型導管管道的中央曲線；5、下左通道管道的表面；6、下右微型導管管道的表面。
具體實施方式
下面對本發明的附圖以及優選實施例的描述引用本發明人所準備的 文獻。 1介紹通過3D旋轉脈管造影術[4、 5]獲得的血管的體積表示在組織(組織是 除脈管之外的各種結構)和脈管體素之間具有灰度值(灰度值表示X射線
的吸收數量)方面的明顯區別。因此，由于脈管的局部全方向加寬(見圖5.1)，這些體積表示非常適于診斷動脈瘤。在[3]中，我們描述了一種用 于對動脈瘤體素進行全自動標記的方法(見圖5.2)。這里所用的被建模脈管系統優選地包括下列組件(比較[l]、 [2]、 [3]):1. 3D體積模型(例如標量模型)，對于規則的3D網格的每個點 具有指標指示該點是否屬于脈管，在脈管點的情況下它是"正 常"脈管點還是動脈瘤中的點，和在"正常"脈管點的情況下 該點屬于哪個分支或交叉("分叉")。2. 描述脈管和非脈管之間邊限的表面模型。該表面模型的每個頂 點應當不僅具有位置，還具有法線和標記，該標記指示該頂點 是否是部分動脈瘤邊界或者它屬于哪個分支或交叉。3. 描述交叉和分支之間的關系的圖形。在標記動脈瘤之后，下一步是創建治療計劃。通過首先在動脈瘤內部 移動導管然后通過導管將彈簧圈或膠注入動脈瘤，醫生可以治療動脈瘤。 我們通過"通道管道"為導管對經過脈管的通道建模(見圖5.5)。通道 管道的中央曲線代表通過通道脈管的中央曲線。通道管道的直徑代表通道 脈管的直徑。通道管道可以用于選擇具有合適性質(例如直徑、彈性)的 導管。通道管道的計算在部分2中有所描述。在經由導管將動脈瘤填滿之前，微型導管經由脈管被移入動脈瘤。與 脈管相比，微型導管是非常細的對象。因此，通道管道的中央曲線與微型 導管的中央曲線不同。實際上，微型導管將或多或少地沿著脈管的壁，當 脈管彎回時交叉(比較圖5.3與5.4)。因為微型導管是為了輕易移入動脈 瘤而被選擇和預建模的，因此我們開發了一種方法以從通道管道計算微型 導管的形狀。微型導管的形狀的計算在部分2中有所描述。2通道導管通過首先在動脈瘤內部移動導管然后通過導管將彈簧圈或膠注入動 脈瘤，醫生可以治療動脈瘤。我們通過"通道管道"為導管對經過脈管的 通道建模。通道管道的中央曲線代表通過通道脈管的中央曲線。通道管道 的直徑代表通道脈管的直徑。通道管道可以用于選擇具有合適的性質(例 如直徑、彈性)的導管。實際上，通道管道的最小直徑為導管給出上限。 通道管道的最小橫截面面積與所選導管之間的差是剩余流量的指標。注意
并未模擬經由通道管道的動脈瘤的填充。在我們的系統中，管道對象(短的管道)由一系列探針組成[l。探針 是球面、通過球面的中心的平面和多個形狀參數的組合。如果管道是通過 全自動脈管跟蹤[2]所創建的，則每個探針的球面中心將接近脈管的中心 軸，每個探針的平面將幾乎與脈管垂直并且每個探針的形狀參數包括近似 于局部橫截面的橢圓。我們使用探針的橢圓作為管道表面的近似描述。通道管道由兩個部分組成脈管管道和延伸管道。脈管管道代表通過 "正常"脈管部分的通道。延伸管道代表從脈管管道的末端進入動脈瘤的 通道。通過設置兩個探針來創建通道管道的開始和結束位置。首先，用戶選擇在連接至動脈瘤的"正常"脈管部分的表面的2D圖像上的點。接著， 我們的系統將第一探針在最接近視線的中心軸上通過所選擇的表面點移 動至脈管體素。此后，用戶在動脈瘤的表面上選擇點。通過該第二個點的 視線限定了動脈瘤的前面和后面之間的線段。將第二探針移動至最接近該 線段的中心的脈管體素。在選擇開始和結束位置之后，通過下列算法創建通道管道1、 找到最接近第一探針的動脈瘤頸(即沿"正常"脈管部分具有最 短路徑)。動脈瘤頸是動脈瘤與"正常"脈管部分之間的連接，并且可以 例如由"正常"脈管體素的連通集(被稱為"頸體素")建模，其中每個"正常"脈管體素被面連接至至少一個動脈瘤體素。動脈瘤可以具有一個 以上的頸，即如果存在兩個或多個分離的頸體素連通集。2、 通過從第一探針到該頸的中心的全自動脈管跟蹤[2]產生脈管管道。如下對該管道進行限定(a) 通過約束弛豫[7]使管道的中央曲線(即探針球面的中心)平滑。(b) 用與橢圓具有相同面積的圓形代替每個橢圓。(c) 由這些半徑的平滑(例如最小二乘法)近似來代替這些圓形的半 徑。由預定近似函數值代替作為探針數量的函數(或作為沿通道的中心線 的近似弧長的函數)的半徑的可能強變化的集合。可以將線性函數、立方 函數、樣條函數等用于對原始數據進行近似。3、 產生從頸中心到第二探針的延伸管道。我們使用二次貝塞爾曲線 來產生延伸管道的中央曲線。該貝塞爾曲線由頸中心、第二探針的位置和 動脈瘤中心和頸中心之間的標準化方向所限定。由任意但是合理的約束來
消除剩余的自由程度，所述約束為控制多邊形的兩側具有相同的長度。橢 圓的半徑(探針的形狀參數)等于脈管管道的最后橢圓(即圓形)的半徑。4、通道管道是脈管管道與延伸管道的連接。還以與(a) - (c)對于 脈管管道所描述的類似的方式限定該通道管道。 通道管道的示例(即它的表面)示于圖5.5中。3微型導管我們還通過管道對象表現微型導管的形狀。因為微型導管接著和導管 一樣沿著相同的通道通過脈管，并且因為該通道由通道管道所表現，因此 通過復制具有由微型導管的半徑代替的所有半徑的通道管道將微型導管 管道初始化。微型導管(和微型導管管道)的最后中央曲線由交替的直線部分和彎 曲部分組成。由微型導管的硬度造成的所述直線部分從微型導管不再被脈 管壁彎曲的地方開始。所述彎曲部分從直線部分與脈管壁沖突的地方(圖 1的左側圖畫)，或者從微型導管跟隨旁分支的地方(圖1的右側圖畫) 開始。通過以迭代算法將一系列移位矢量應用于微型導管的探針來計算微 型導管管道的最后中央曲線1、 將下一直線部分的開始位置和方向設定為微型導管管道的開始位 置和方向(通常是距離動脈瘤最遠的點)。2、 應用可能的初始移位并更新下一直線部分的開始位置和方向。3、 當找到新的開始位置和方向時，(a) 下一直線部分變為當前直線部分。(b) 找到導管拐角，其確定從當前直線部分到接下來的彎曲部分的 轉換(圖1中的箭頭點)。(c) 將微型導管管道的中央曲線調節為該導管拐角。(d) 找到下一直線部分的開始位置和方向。4、 調節微型導管管道的延伸部分。所述延伸部分是從"正常"脈管 部分前進通過頸部進入動脈瘤的部分。在部分3.1中解釋用于找到確定從直線部分到接下來的彎曲部分的轉 換的導管拐角(圖l中的箭頭點)的方法。在部分3.2中描述從微型導管 管道的中央曲線到導管拐角的調節。在部分3.3中解釋如何計算下一直線
部分的開始位置和方向。在部分3.4中報道微型導管管道的初始和延伸部分的調節。在部分4中，我們提供我們的結果并給出一些結論以供考慮。 3.1搜索導管拐角使用三個測試探針(如介紹中已經提到的，探針是球面、通過球面的 中心的平面和多個形狀參數的組合)來找到確定從直線部分到接下來的彎 曲部分的轉換的導管拐角(圖1中的箭頭點)。在計算直線部分的開始位置和方向之后(將在部分3.3中有所解釋)，第一測試探針的位置是該直 線部分的開始位置。第一測試探針的法線是該直線部分的標準化方向。該 第一測試探針也限定主要測試線。主要測試線在第一測試探針的法線方向 從第一測試探針的位置開始。第二測試探針的初始位置由主要測試線與脈管表面的最接近的交叉 點所給定。如果沒有找到交叉點(如圖1的右側畫面的情況)，則第二測 試探針位于主要測試線上以便第一和第二測試探針之間的距離等于表面 限制盒的最大對角線。在此情況下，第二測試探針總是遠離作為脈管壁的 表面模型的任一三角頂點的第一測試探針。第二測試探針的法線等于第一 測試探針的相對法線。如果通道管道(并且因此的微型導管管道)在主要測試線與脈管壁交 叉之前跟隨旁分支(見圖2)，則第二測試探針也遠離通道管道并因此遠 離微型導管管道的將來的中央曲線。如果在此情況下將第二測試探針的初 始位置用作導管拐角，則微型導管管道的中央曲線將變得彎曲。如果存在通道探針(由指數k表示)則第二測試探針足夠接近通道管道，以便該通道探針到第二測試探針的平面的距離足夠小<formula>formula see original document page 11</formula>其中nt,2是第二測試探針的平面的法線。Pt,2是第二測試探針的球面中心的位置。Pk是通道探針k的球面中心的位置。rk是通道探針k的橢圓的主半徑。系數1.1用于修正局部表面不規則。我們利用具有指數lbegm的通道探針開始檢測。該通道探針對應于當前直線部分的開始。
當然，通道探針ibegm和通道探針k之間的通道管道可以進入旁分支。 因此，被檢測的通道探針的球面中心與由第一和第二測試探針限定的線之 間的距離應當足夠小<formula>formula see original document page 12</formula>其中112是第一和第二測試探針之間的線。 d(Pl, 112)是Pi和112之間的距離。違反等式2表示通道管道的中央曲線彎曲進入旁分支。在違反等式2 之前等式1的正確性表示通道管道的表面在第二測試探針附近接近脈管 壁。如果第二測試探針的初始位置遠離通道管道(表示通道管道跟隨旁分 支)，則我們需要在主要測試線上更接近第一探針的點。圖2顯示我們需 要在主要測試線和旁分支的外推上表面(即離第一測試探針的平面最遠的 旁分支的表面)之間的交叉點。該交叉點與第一測試探針之間的距離等于 旁分支的上表面的開始(即最接近主要測試線的上表面的點)和第一測試 探針的平面之間的距離。因為旁分支中的通道探針與旁分支的上表面之間 的距離近似等于通道探針的橢圓的主半徑，因此通過在主要測試線的方向 檢查與脈管表面交叉的通道探針可以找到旁分支的上表面的開始。我們為每個通道探針創建次要測試線。該次要測試線在于第一測試探針的法線方向所檢查的通道探針的位置開始(見圖2)。該次要測試線與脈管表面的最接近的交叉點給出第三測試探針的位置Pt,3 (即上表面上的點)作為所檢查的通道探針的位置p,(由指數i表示)和第一測試探針的法線ntj的函數<formula>formula see original document page 12</formula>與第三測試探針的相應平面的距離足夠小的第一通道探針(表示該通 道探針與上表面交叉)，給出第三測試探針的最后位置(見圖2):<formula>formula see original document page 12</formula>
其中k是通道探針的指數，而nt,3是第三探針的法線(對于一致的距離 范數等于第二測試探針的法線)。如已經解釋的，第二測試探針的最后位置(并因此導管拐角的最 后位置)和第一測試探針的位置之間的距離等于第三測試探針的最后位置 (即旁分支的上表面的開始)與由第一測試探針限定的平面之間的距離 (見圖2):Ilpt,2-Pu II = nt/(p。 - pt,) (5)可以不存在實現等式4的通道探針。因此，如果實現下列兩個條件之一則停止對旁分支的上表面的開始的搜索1、 所檢查的通道探針(由指數i表示)與第二測試探針的初始平面之 間的距離足夠小nt/(pi-p"2)《rix 1.1 (6)在此情況下，旁分支中的通道管道的中央曲線變得非常接近第二測試 探針的平面，并且甚至可以在第二測試探針的平面的另一側繼續。2、 所檢査的通道探針與由第一和第二測試探針限定的線之間的距離 非常大d(pi, I") ^ 2 x max (r』，j e [1 .U) ( )在此情況下，旁分支中的通道管道的中央曲線離第一和第二探針之間 的線太遠。如果停止對旁分支的上表面的開始的搜索，則將第二測試探針的最后 位置與第一測試探針的位置之間的距離設定為第三測試探針的位置與由 第一測試探針限定的平面之間的距離的最小值II Pw — P"i II = min (n(7 (pt,3(pi, ngT) — p")) ( g )其中i表示所檢查的通道探針。3.2調節導管拐角 在找到導管拐角之后，通過將可能變化的移位矢量應用于微型導管探 針，不得不將微型導管管道的剩余部分調節為該拐角。該剩余部分從對應 于當前直線部分的開始的微型導管探針(即如等式1和等式2中所用的具有指數lbegm的微型導管探針)開始。
注意，微型導管管道的中央曲線的前面部分(即具有小于指數ibegin的 微型導管探針的球面中心)己經被調節。所述剩余部分被細分為兩塊。第一塊是微型導管管道的從當前直線部 分開始直到導管拐角的部分。第二塊是微型導管管道的從導管拐角開始直 到微型導管的結束的部分(后續進一步詳細給出對第一和第二塊的細 分)。調節微型導管管道以便實現下列目標1、 微型導管探針的球面中心和脈管壁之間的距離大約大于微型導管 管道的半徑。事實上，微型導管管道實際上應當位于通道管道之內(即在 通過脈管的通道之內)。2、 不存在視覺上的中斷。為了防止視覺上的中斷，將移位矢量的方 向保持固定。3、 微型導管探針的球面中心盡可能地接近對應的通道探針的球面中 心。因此，移位矢量的最大量值應當盡可能地小。4、 第一塊的中央曲線盡可能地接近在當前直線部分的開始與導管拐 角之間的直線段。5、 第二塊的開始部分盡可能地接近使微型導管彎曲的脈管壁。6、 不存在局部彎曲。為了防止局部彎曲，第二塊的移位矢量的最大 量值應與微型導管探針的指數函數同步減少。7、 第一塊與第二塊之間的連接是平滑的。首先描述如何將微型導管管道的剩余部分細分為第一和第二塊。然 后，說明第二塊的約束移動。此后，解釋第一塊的調節，包括第一和第二 塊之間的平滑過渡。細分為第一和第二塊基于目標3將微型導管管道的剩余部分細分為第一和第二塊。畢竟，如果為了移動至導管拐角而選擇最接近導管拐角的微型導管探針(從此將 其稱為"拐角探針")，則移位矢量的最大量值是最小的。在急轉彎的情 況下，可以在脈管中的更遠處選擇探針，由沿著直線的組織而與導管拐角分隔。因此，我們選擇具有指數ie。rner的拐角探針以便<formula>formula see original document page 14</formula>
并且(il Pi匿r - Pa II ^ II Pi陽Pa II) V (i e [ic咖汰+ 1, i』并且(m/ (pi - pt,2) 2 0) V (i e [i一， W(10)(11)最后的等式確定用于測試的最后探針的指數iend。如果具有指數ibegm的第一探針己經違反了該等式，則將第一探針用作 拐角探針。為了使得中央曲線盡可能地接近導管拐角，初始移位矢量應當等于導 管拐角和拐角探針之間的矢量Vi"i"al = Picorner _ Pt,2 (12)第二塊的約束移動第二塊的微型導管探針在移位矢量的方向被移動，以便實際上微型導 管管道保持在通道管道之內(部分3.2的目標1)。注意，將被移動的微 型導管探針的舊位置p。ld已經是可接受的，或者是因為它等于初始位置， 即相應通道探針的球面中心，或者是因為它是之前的約束移動的結果。圖3中示出了典型配置(后續將解釋水平線段)。將被移動的當前微 型導管探針的球面中心的舊位置P。w位于通道探針h,。id和iw,。id的平面之 間。該試驗性的新位置pnew = pold + Vcurrent (13)其中Veu^nt是當前的移位矢量(即或者是初始移位矢量Vini^，或者是 為之前的微型導管探針給出可接受的新位置的移位矢量)，位于iuew和ii+i,麗 的平面之間。 移位矢量的最大允許量值對線段P。W—Pnew與通道管道的表面的交叉的精確位置的計算是十分 復雜、易出錯和費時的工作。因此，我們由通道探針的平面上的最小(h,。kH U,new)和最大(il化。kH il化new)之間的線段的投影來估計移位矢量的最大 允許量值。圖4中示出一般的投影結果。Pp一是P。W在所檢查的通道探針的平面
上的投影，Pp,new是Pnew的投影。圓形的中心位置(后續將進行解釋)等于通道探針的球面的中心位置。圓形的半徑等于橢圓的次半徑rv和微型導管 半徑re之間的差。附帶地，如果投影Pp,。id位于圓形之外(投影應當位于非常接近圓形，因為舊位置P。W實際上位于通道管道之內)，將投影向圓形的中心移動，直到它位于圓形之內<formula>formula see original document page 16</formula> (14)通過由圓形限定的局部圓柱和所檢查的通道探針的平面法線(圖3中 的水平線段表示這些局部圓柱的上邊界)，我們近似計算通道管道的局部 表面，微型導管管道的中央曲線應當位于其中。在此情況下，P。W和與該局部圓柱的交叉點之間的線段P。kl—Pnew的片斷等于Pp,。kl與該圓形的交叉點之間的線段Pp,。ld—Pp,new的片斷f。因此，根據該投影的移位矢量的最大允許量值為<formula>formula see original document page 16</formula> (15)線段Pp,。ld —Pp,，與圓形的交叉點由使矢量和的長度與圓形的半徑相等來給出<formula>formula see original document page 16</formula> (16) 對于圖4中示出的投影結果，等式16為小于1.0的f給出一正數解。如果投影Pp,new位于圓形之內，則等式16為大于1.0的f給出一正數解。如果舊位置和新位置或它們的投影是一致的，則移位矢量的最大允許 量值取決于投影Pp,new的位置。如果該投影位于圓形之內(則線段Pdd—Pnew 位于局部圓柱之內)，則對于檢查的通道探針當前的移位矢量Vcumnt是可 接受的。為了表示之，將移位矢量的最大允許量值設定為大于當前移位矢 量的量值的值。如果投影Pp,new位于圓形之外，則將移位矢量的最大允許 量值設定為零。為了安全的原因，最后的移位矢量的最大允許量值是由在有關的通道 探針的平面上的投影計算的值中的最小值。注意，兩個連續的通道探針的平面之間的距離大約等于兩個體素之間 的距離。因此，由于局部圓柱的近似計算造成的誤差與兩個體素之間的距 離處于相同量級。
更新微型導管探針的位置如果移位矢量的最大允許量值IMI，大于或等于當前移位矢量的量值||VCT_,||，則試驗性的新位置Pnew變成ix后的新位置。如果移位矢量的最大允許量值小于當前移位矢量的量值，則調節當前移位矢量Vcurre旭=(卩v UmaxZ II Vcum;nt卩)X Vcunrem (17)并且最后的新位置變成pnew = pold + Vcurrent / i o 、第一塊的調節在將拐角探針(見部分3.2)移動至盡可能地接近(見部分3.2)導管 拐角(見部分3.1)之后，第一塊的可能的微型導管探針在相同方向上移 動，具有在與在第一塊的第一和最后探針之間線性變化的量值pi,new = pi,old + ((i - ibegin)/(icorner - ibegin))'Vcorner V (i G [ibegin， icorner _]) (19)其中Ve。rner是用于將拐角探針移動至導管拐角的移位矢量。 因為拐角探針盡可能地接近導管拐角，并且因為第一塊的第一探針和 導管拐角之間的直線部分位于脈管之內，等式19的轉換符合部分3.2的目標1、 2和4。在將第一和第二塊的微型導管探針調節至導管拐角之后，由約束弛豫算法[7]使微型導管管道的整個中央曲線平滑以符合部分3.2的目標7。在弛豫過程中所用的約束是在迭代k中提出的微型導管探針i的新位置Pi,k+1應當位于通道管道之內II Pi.k+1 - p, II S r, - 0.9 x (20)并且II Pu+i. P"i II《r'+-0.9 x rc (之i )其中通道探針1和1+1被選擇，以便微型導管探針的試驗性的新位置 PU^位于這些通道探針的平面之間(Pi和pw是這兩個通道探針的位置)。 更為合適的任選因數0.9能夠將微型導管管道的中央曲線更好地平滑，因 為微型導管管道的一小部分可能位于通道管道之外。 3.3下一直線部分在部分3.2中的所述約束移動為第二塊的每個微型導管探針計算出移位矢量的最大允許量值li^ 。只要當前移位矢量的量值lh^,ll大于或等于 移位矢量的最大允許量值，則微型導管管道由通過通道管道的表面所表現 的脈管壁彎曲。第二塊的第一微型導管探針是第一未約束的微型導管探 針，對于第二塊的第一微型導管探針來說，當前的移位矢量的量值小于移 位矢量的最大允許量值。我們使用第一未約束的微型導管探針前面的微型導管探針的位置作 為下一直線部分的開始位置。因為該微型導管探針和它前面的微型導管探 針一般由脈管壁彎曲，所以我們使用這些微型導管探針的位置之間的標準 化矢量作為下一直線部分的方向。事實上，該標準化矢量表示在微型導管 離開脈管壁之前由脈管壁引起的最后指引修正。注意，如果第二塊的所有微型導管探針被約束，則完成了微型導管管道的計算！3.4微型導管管道的末端如部分2中所解釋的，通道管道是脈管管道(即在"正常"脈管中到 達頸中心的部分)與延伸管道(即從頸中心進入動脈瘤的部分)的連接。 在前述部分中所述的算法只應用于相應于脈管管道的微型導管管道的部 分。事實上，將該算法應用于相應于延伸管道的微型導管管道的部分可以 將該部分從動脈瘤內部中的所選結束位置移開至動脈瘤的邊界。實際上， 在應用微型導管管道成形算法之前將延伸部分從初始微型導管管道(即具 有由微型導管的半徑代替的半徑的通道管道的復制)剝去。因為微型導管管道的脈管部分的最后探針的位置(和方向)可以由微 型導管管道成形算法改變，因此新的微型導管管道與舊的延伸部分的連接 可以造成微型導管管道的中央曲線和表面的視覺中斷。因此，使用微型導 管管道的脈管部分的最后探針產生微型導管管道的延伸部分。例如由3D旋轉脈管造影術[6]產生的體積為了清楚而主要只包括總脈 管結構的子集。因此，通道管道一般在脈管部分離開導引器護套處開始。 因此，在脈管結構的那個位置上，第一通道探針的位置和方向可能與微型
導管的真實位置和方向不同。事實上，被用于不被表現的微型導管的前面部分的脈管壁的彎曲可能導致微型導管的被表現部分的開始位置接近脈管壁而不是接近脈管的中央軸。為了改進微型導管的被表現部分的開始位置和方向，在搜索第一導管 拐角之前可以將任意的初始移位矢量應用于微型導管管道(使用部分3.2 中所述的約束移動算法)。我們的演示程序(如已經陳述的，所述合適的 算法允許任意的初始移位矢量)包含下列五個預定初始移位矢量Vin".ia， = r X (U X Uaxis + V X Vaxis) ( )(u, Y) e [(O, 0)， (1,0), (0,1), (-1， 0), (0, -l)] ( 23 )其中r是大于第一通道探針的半徑的半徑，而Uaxis、 Vaxis是第一通道探 針的平面中的局部坐標系。4結果和結論我們已經將從通道管道計算微型導管管道的方法應用于由3D Integris 系統[6]獲得的二十八個臨床體積數據集。該體積的尺寸為128X128X 128。動脈瘤中的十八個位于分叉處，十個位于單獨的脈管部分。在SGI Octane上用于計算通道管道的平均消耗時間是2.5秒(300MHz MIPS R12000+MIPSR12010 FPU)。用于計算微型導管管道的消耗時間 平均是用于計算相應的通道管道的時間的20%。圖5.4示出中央曲線，圖5.6示出由具有圖5.3中所示的中央曲線和圖 5.5中所示的表面的通道管道推導出的微型導管管道的表面。為了評估我們的方法的效率，我們如下為每個微型導管探針i評估了在微型導管管道的表面和通道管道的表面之間的距離rdi:rdi = !/2 ((r, - (II p, - p" II +rc》/(r/ - rc) + - (II p,+l - pi,w II +rc))/(rw - rc))( ^ )其中通道探針1和1+1被選擇,以便微型導管探針的位置Pi位于這些通道探 針的平面之間。p!和pw是這兩個通道探針的位置，r!和rw是這兩個通道 探針的橢圓次半徑。Pu和pU+1是微型導管探針位置Pi在通道探針的平面 上的投影。如果微型導管管道部分地在通道管道之外，則該相關距離為負，如果 表面一致則為零，并且如果微型導管管道局部完全地在通道管道之內則為
正。如果微型導管管道和通道探針的中心位置一致(即微型導管管道的初 始狀態)，則該相關距離等于l.O (最大值)。我們對每種情況和最后四個預定的初始移位矢量計算平均相關距離(見部分3.4中的等式22和23)。這些平均相關距離的統計在表1中給出。表1平均相關距離的統計初始移位(i,o)(o,i)(-i,o)(o,—i)最小值0.8%0.9%0.5%0,3%平均值14.2%12.0%13.1%14.1%標準偏差8.9%5.5%7.6%9.9%最大值39.6%25.2%30.2%44.0%由測試過程中收集的所述結果、圖形和實驗可以得出下列結論1、 由通道管道計算微型導管的方法給出視覺可接受的結果。在一些 臨床中己經開始臨床確認(在接下來的文獻中將報道臨床評價)。2、 相關距離(見表1)顯示出我們的方法的效率令人滿意地而不依賴 于所選擇的初始移位。3、 考慮到當脈管折回時橫過通道管道至相反側的微型導管管道的部分，相關距離表示我們的方法的效率相當好。然而，因為"黃金標準"(還) 無法獲得，因此僅僅可以通過視覺檢測的粗略確認。4、 為了輕易的移入動脈瘤，微型導管管道(見圖5.6)可以被用作用 于真實微型導管的選擇和預注的開始點。因為我們的用于由通道管道計算微型導管管道的方法將操作者之間 或操作者自身內的偏差最小化，因此可以預見所選擇的和預注的真實微型 導管具有較好的質量和/或可以更快地用于對于患者的治療。最后指出，在本說明中，術語"包括"不排除其它要素或步驟，"一" 不排除多個，而單個處理器或其它單元可以實現若干裝置的功能。本發明 存在于每個新穎的特征和每個特征的組合。而且，權利要求中的附圖標記 不應當構成對其范圍的限制。<formula>formula see original document page 21</formula>
權利要求
1、一種用于預測在被建模的脈管系統中開始位置和目標位置之間的導管行程的方法，其中所述行程由沿相關行程中心線(CC，MC)延伸的行程管道(CT，MT)描述，所述方法包括下列步驟a)確定從開始位置至目標位置來通過脈管系統的路徑，并根據所述路徑識別初始行程中心線(MC)；b)調節所述初始行程中心線以便相關的行程管道(CT，MT)位于脈管系統內部。
2、 根據權利要求l的方法，其特征在于所述行程管道是通道管道 (CT)，其描述了一種通道，在該通道中導管可以從開始位置延伸至目標位置來經過脈管系統。
3、 根據權利要求1的方法，其特征在于所述行程管道是微型導管管 道(MT)，其描述了從開始位置延伸至目標位置來經過脈管系統的微型 導管的估計形狀。
4、 根據權利要求2或3的方法，其特征在于首先確定通道管道(CT)， 然后確定微型導管管道(MT)以便微型導管管道位于所述通道管道(CT) 之內。
5、 根據權利要求3的方法，其特征在于微型導管中心線包括直線部 分和彎曲部分的交替序列，對于直線部分，相關的管道部分位于脈管系統 的內部；對于彎曲部分，相關的管道部分接觸脈管壁和/或轉彎進入脈管系 統的旁分支。
6、 根據權利要求5的方法，其特征在于迭代地確定所述序列，優選 地在開始位置從直線部分開始。
7、 根據權利要求6的方法，其特征在于每個迭代步驟包括.-aa)將導管拐角確定為(i)當前直線部分與圍繞該直線部分的脈管壁 的交叉點，或為(ii)在當前的直線部分上位于從所述部分的開始與所述 微型導管跟隨的旁分支的最遠脈管壁相同距離的點；bb)通過初始移位矢量將當前直線部分的接近導管拐角的點移位朝向 該導管拐角；cc)在前述移位點引入從當前直線部分到接下來的彎曲部分的轉換。
8、 根據權利要求7的方法，其特征在于接下來的彎曲部分的微型導 管中心線(MT)在初始移位矢量的方向被一個一個地移位，同時移位長度單調遞減，以便相關的管道接觸脈管系統的壁，其中接下來的直線部分 在與脈管壁失去接觸的地方開始。
9、 根據權利要求l的方法，其特征在于通過脈管系統的所述管道由 探針建模，所述探針包括具有中心和平面的球面，所述球面的中心位于管 道的中心線上，并且平面包含所述中心而且垂直于管道的中心線而延伸。
10、 一種用于制造導管，特別是微型導管，的方法，包括a) 利用根據權利要求1到9之一的方法預測導管的行程，和b) 根據預測的行程對導管進行準備。
11、 一種數據處理單元，其適于執行上述根據權利要求1到9之一的方法。
12、 一種記錄載體，其上存儲有對導管行程進行預測的計算機程序， 所述程序適于執行上述根據權利要求1到9之一的方法。
全文摘要
本發明涉及一種用于預測在脈管系統中的開始位置和目標位置之間的導管行程的方法。根據優選實施例，微型導管將由跟隨微型導管中心線(MC)而通過脈管系統的微型導管管道(MT)建模，其中所述中心線由直線部分和彎曲部分的交替序列構成。所述彎曲部分在微型導管管道接觸脈管壁和/或轉入脈管系統的旁分支的位置被引入。
文檔編號G06F19/00GK101128829SQ200680005840
公開日2008年2月20日 申請日期2006年2月20日 優先權日2005年2月23日
發明者J·布魯恩斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司