用于采集冠状血管，尤其是冠状静脉的3维图像的方法

专利名称：用于采集冠状血管，尤其是冠状静脉的3维图像的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于采集冠状血管的3维图像，尤其是采集周期运动 中运动的冠状静脉的3维图像的方法。此外，本发明涉及一种适于执行这 种方法的设备， 一种适于当在计算机上运行时执行这种方法的计算机程序， 以及包括这种程序的计算机可读介质。
背景技术：
对于医疗目的而言，精确地知道冠状血管的位置、大小、形状和/或运 动可能是重要的。例如，对于例如向冠状血管中植入支架的手术治疗，外 科医生必需要知道要治疗的血管系统的几何性质、要放置支架的位置，优 选地还需要知道手术过程期间血管系统的运动。因此，提供要治疗的血管 系统的3维图像可能是有利的，这样外科医生就可以在实际手术之前或实 际手术之中分析手术部位。此外，在实际手术之前或实际手术之中采集的 关于血管段的时间相关运动方向和/或运动速度的信息(也称为4维模型数 据)可以帮助防止实际手术过程期间发生困难。因此，可以更好地规划手 术，可以将侵入性保持在最小限度，并可以使手术后的不适保持最轻。
已经证实，旋转血管造影在治疗例如脑血管的具有病变的静态血管的 过程中是一种非常精确而有效的诊断工具。在这种方式中，在向血管中注 入造影剂之后， 一端具有X射线源而相对端具有2维X射线探测器的C臂 绕着例如患者头部的要成像部位快速旋转，同时采集若干2维X射线投影。 从在各种投射角下采集到的多个2维X射线图像，可以导出血管系统的3 维重构或模型。由于旋转采集的可复现性高，C臂系统的旋转速度快且脑 血管具有相对静态的性质，可以将投射用于体积重构，提供充分高的细节 和精确度。
然而，在对像跳动心脏的运动对象成像时，可能存在如下问题，艮口， 仅能够基于在心脏运动周期的相同阶段采集的投影计算3维重构或模型，在相同阶段中，心脏及其冠状血管基本在相同位置。为了针对不同视角采
集对应投影，可能必需要基于例如同时记录的心电图(ECG)信号来对采 集进行门控。因此，尽管在绕被成像部位旋转C臂例如180°的同时采集到 超过一百幅2维图像，但在相同运动阶段仅采集到几幅图像并因此能够用 于3维重构。结果，重构的3维模型可能仅给出冠状血管的粗糙表达。
此外，可能需要在外科治疗期间对冠状血管成像。在这种情况下，手 术工具可能会限制患者周围的可用空间，使得C臂不能绕手术部位完全地 旋转。尤其是在要对冠状静脉进行外科治疗且因此要对其成像时，由于这 种静脉的位置原因，手术工具必需要放置在靠近患者旁边，可能会大大限 制C臂的可用空间。因此，可能仅在小于180。的范围内，例如仅仅110。范 围内采集到2维投影。因此，可用于3维重构的2维投影更少(例如少于 10幅或通常甚至少于6幅投影)，因此冠状血管的图像信息更少，这可能会 造成从其导出的3维重构质量不够。
因此，可能需要一种改进的方法，用于采集冠状血管，尤其是诸如冠 状静脉的高图像质量的3维图像。此外，可能还需要一种适于执行这种方 法的设备， 一种适于在计算机上运行时执行这种方法的计算机程序，以及 包括这种程序的计算机可读介质。

发明内容
可以通过根据独立权利要求所述的主题满足这些需求。在从属权利要 求中描述了本发明的有利实施例。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于采集冠状血管的3维图像的 方法，该冠状血管以周期运动方式运动，所述方法至少包括优选如下顺序
的步骤(1)采集包括所述冠状血管的采集区的多幅2维X射线图像，其
中，至少三幅2维X射线图像是在所述周期运动的基本相同阶段中在不同 投射角下采集的；(2)根据在所述周期运动的基本相同阶段中在不同投射角 下采集的至少三幅2维X射线图像生成所述血管的至少一个3维中线模型; (3)向在所述周期运动的基本相同阶段中采集的对应2维X射线图像上生成 所述至少一个3维中线模型的2维拟合；(4)相对于不同投射角从所述2维 拟合导出局部血管直径；(5)基于所导出的局部血管直径生成表示冠状血管3维图像的3维体壳模型。
换言之，可以将本发明的第一方面视为基于如下创意基于少数几个 均在心脏的基本相同运动阶段在不同投射角下采集的2维X射线图像导出 诸如冠状静脉系统的冠状血管系统的质量良好的3维体壳模型。为此目的， 当在不同投射角下采集多个2维X射线投影之后，根据在心脏运动周期的 基本相同阶段中但在不同投射角下采集的若干X射线投影计算表示血管系 统的每个血管的中线的3维中线模型。然后，从3维中线模型到原始2维X 射线投影的拟合导出血管的局部直径。可以针对在基本相同的运动阶段但 在不同投射角下采集的多个2维投影这样做。从这样在不同投影平面中导 出的血管直径可以导出质量良好的血管系统的3维体壳模型。3维体壳模型 提供了冠状血管系统在导出3维中线模型的心脏运动的基本相同阶段状态 下的3维图像的良好表达。
在下文中，将详细解释根据第一方面的方法的可能特征和优点。
可以将根据本发明第一方面的方法的目的定义为提供以周期运动形式 运动的冠状血管，尤其是冠状静脉的3维图像。可以将由本发明方法提供 的导出3维体壳模型例如显示于屏幕上。外科医生然后可以在外科手术之 前或外科手术之中分析冠状血管。然后可以从不同视角观察3维体壳模型， 以便例如搜索血管系统中的异常。
首先，在不同投射角下采集包括要成像的冠状血管的采集区的多个2 维X射线图像。为此目的，可以绕着患者躯干旋转例如具有X射线源和相 对的2维X射线探测器的C臂系统。例如根据外科手术期间C臂运动的可 用空间，可以在例如110°直到180。的范围上执行旋转运动。在旋转运动期 间，可以获得不同投射角下的多幅2维X射线图像。例如，可以在整个旋 转范围内获得120和220幅之间的图像。旋转过程花费几秒种，使得在旋 转期间患者心脏跳动几次。因此，在心脏的反复周期运动期间，可以在相 继心脏周期中在心脏周期基本相同阶段采集若干X射线图像。在这些基本 相同的阶段中，心脏基本处于患者身体中相同的位置，且具有基本相同的 体积，使得冠状血管基本处于相同位置。因此，至少有两个在周期运动的 基本相同阶段但在不同投射角下采集的X射线图像。
在这里，可以这样解释"在基本相同阶段中"，即，在基本相同阶段中但在相继运动周期中的两次图像采集之间冠状血管的当前位置之间的差
异小于要成像的血管直径，优选小于该直径的20%。
在采集X射线图像之前，优选地将造影剂引入要观察的冠状血管中。 造影剂可以是X射线吸收液，可以利用例如插入冠状血管之一中的导管来 引入该吸收液。可以在血管之内部署气囊，以便暂时抑制血流量并从而防 止造影剂被过快地冲刷掉。
为了改善基本相同运动阶段采集的X射线图像的对应性，可以基于心 电图(ECG)信号对X射线图像的采集进行门控。为此目的，在采集多幅 X射线图像的同时，测量心电图，并可以由ECG的特定特征信号触发X射 线图像采集。例如，R峰可以触发或同步X射线图像采集。
接下来，优选地，利用所谓的血管增强滤波器对至少一些采集的2维X 射线图像进行滤波。血管增强滤波器可以是一种适于例如在X射线图像中 搜索能被视为管状的几何结构的图像处理工具。其中，可以将血管搜索限 制到直径大于特定最小值的血管。在A.RFmngi等人在Computer Science,pp.130-7, 1998 中的讲稿Medical Image Computing Computer Assisted Interventions,MICCAI 98，vol.l496， "Multiscale vessel enhancement filtering"中描述了一种可能的血管增强滤波方法，在此通过引用将其内容 并入本文。
为了进一步改进所采集的X射线图像的质量以进行进一步处理，可以 在血管增强过程之前对X射线图像进行例如2个-2个的下抽样和/或高通滤 波，以便改善滤波器质量。可以在图像空间中或傅里叶空间中进行高通滤 波。
接下来，可以使用在基本相同运动阶段但不同投射角下采集的至少两 个2维X射线图像来生成血管的3维中线模型。为此目的可以提供的基本 相同运动阶段的2维X射线图像越多，所得中线模型就可以越精确。
此外，可以优选针对周期运动各阶段的全部或大部分生成中线模型， 其中，针对每个这种阶段提供多幅X射线图像。在这种情况下，例如，可 以由外科医生手工地或由自动图像评估过程选择一个以最佳质量提取所有 重要血管的心脏运动阶段来进一步处理。例如，可以选择处于心脏舒张期 末尾的舒张末期运动阶段，因为心脏运动最小，这可以提高所采集的X射
8生成更精确的中线模型。
本发明的发明人已经开发出一种可能的用于冠状动脉的全自动3D中 线建模算法，在UweJandt, DirkSchafer， Volker Rasche， Michael Grass在 Proc.of SP正Vol.651065104Y, 2007的文章"Automatic generation of 3D coronary artery centerlines using rotational X-ray angiography"中给出了这禾中 算法，在此通过引用将其内容并入本文。所提供的算法使用了对应于单个 心脏阶段的标准旋转X射线血管照像投影的子集。可以基于同时记录的 ECG进行投影选择。该算法利用了区域生长方式，该方式选择3D空间中 最可能属于脉管结构的体素。由3D响应计算算法控制局部生长速度。该算 法计算一种度量，用于3D中的点是否属于血管的概率。从区域生长期间构 建的3D表达提取所有探测到的血管的中线并以分级方式链接。通过基于几 何性质的加权准则选择表示最重要血管的中线。根据算法理论上可实现的 精确度，能够以主要受限于投射和体积量化的精确度(例如0.25mm)提取 冠状中线。该算法需要至少三个投影来建模，而根据利用实际心脏的模拟 投影所做的假想研究，五个投影就足以实现可能最好的精确度。已经表明， 该算法对于残余运动适度地不敏感，这意味着其能够应付投影数据集之内 因为有限的门控精确度、呼吸或不规则心脏搏动导致的不一致。
在生成至少一个3维中线模型之后，将获得的中线拟合到对应的2维X 射线图像上。换言之，将3维中线分别投射到对应于最初采集3维中线模 型的平面的每个2维平面中。将这一 2维中线投影与对应的原始2维X射 线图像比较，或者任选地，可以实现血管增强滤波和/或下抽样和/或高通滤 波之后的2维X射线图像和最佳拟合。通过这种方式，可以针对在相同运 动阶段采集的X射线图像集的每个2维X射线图像实现最佳的2维中线拟 合。可以独立地针对每个投影，平行于所考察投影的探测器平面并垂直于 局部中线方向，以三维方式进行中线拟合。可以将每个血管的中心定义为 当前考察的中线点附近的小搜索区域之内的血管增强的投影的最大值。由 此，例如，可以对例如由患者的呼吸运动或不精确的门控导致的噪声的残 余的运动噪声进行补偿。
有了各自2维投影中投射和拟合的2维中线之后，就可以在每个投影 平面中导出所有血管的优选每个点的局部直径。这意味着，对于2D中线上
9的每个点，可以确定距血管边界的横向距离。于是，可以针对最开始采集
的x射线图像的每个投影平面导出包括局部血管直径的数据集。
现在有了包括针对中线模型基本每个点的不同投影平面中的多个直径
的数据集，就能够生成血管系统的3维凸多边形体壳模型。任选地，甚至 可以通过截面和/或纵向正规化来改善体壳模型，这意味着可以在沿着体壳 模型的截面和/或纵向上使体壳模型中导致不连续性或不稳定性的噪声缓 和。体壳模型提供了血管系统表面的良好3维表达，能够例如被从不同视 角显示于屏幕上。
然而，迄今为止获得的体壳模型仅给出了在特定运动阶段中血管系统 的3D表达，该特定运动阶段是先前为了导出用于确定局部血管直径的3维 中线模型而选择的。为了也在其他运动阶段中获得体壳模型，可以将针对 周期运动的基本相同阶段采集的3维体壳的2维投影拟合到心脏周期运动 的其他阶段的2维X射线图像。换言之，可以针对所有可区分心脏阶段的 每个X射线投影的轮廓改造所获得的体壳模型的被提取血管表面网。可以 沿着本地表面法线矢量进行改造。
为了预防噪声或改善其他运动阶段中所导出的体壳模型的质量，可以 在考虑内部能量项的情况下对投影上的冲突边缘进行加权和估计。换言之， 从可能以高质量采集的最初第一个体壳模型(因为它是从例如在舒张末期 的心脏低运动阶段采集的有利的X射线投影导出的)，考虑到第一个体壳模 型可能在心脏运动期间"移动"以便最佳地匹配其他运动阶段的X射线图 像，但第一体壳模型具有一定的"硬度"，从而在运动期间不会严重弯折 或甚至折叠，可以导出其他运动阶段的体壳模型。
通过这种方式，可以针对心脏运动的所有阶段获得血管系统的3维体 壳模型。
此外，为了获得血管运动的时间相关4维表达，可以基于在第一时间 点针对周期运动的基本相同阶段采集的3维体壳(或其2维投影)以及在 第二时间点拟合到周期运动的另一阶段的2维X射线图像的3维体壳(或 其2维投影)之间的差异，确定表示血管段位置的时间相关移位的本地移 位数据。换言之，在针对另一运动阶段导出3维体壳时，同时可以确定必 需沿哪个方向和/或以什么速度从第一运动阶段的原始状态向另一运动阶段的状态移动体壳到多大量，以便得到与实际x射线图像之间的最佳拟合。
根据本发明的另一方面，提出了一种采集周期运动的冠状血管的3维 图像的设备，所述设备适于执行上述方法。
该设备可以包括具有用于发射X射线的X射线源和用于采集2维X射 线图像的X射线探测器的C臂系统；任选地，造影剂注射器，用于向患者 的诸如静脉的血管中引入造影剂；控制单元，用于控制所述X射线源、所 述X射线探测器和任选的造影剂注射器的至少一个；以及计算单元，用于 基于由所述X射线探测器提供的所采集2维X射线图像计算冠状血管的3 维图像。
根据本发明的其他方面，提出了一种适于在计算机上被运行时执行以 上方法的计算机程序单元以及具有这种计算机程序单元的计算机可读介 质。
必需指出，参考不同的主题描述了本发明的实施例。具体而言， 一些 实施例是参考方法类型的权利要求描述的，而其他实施例是参考设备类型 的权利要求描述的。然而，本领域的技术人员将会从以上和以下说明领会 到，除非另行说明，除了属于同一主题的特征的任何组合之外，还认为该 申请中公开了涉及不同主题的特征之间的任何组合。
上述各方面以及本发明的其他方面、特征和优点也可以源于要在下文 中描述的实施例范例并参考实施例范例加以解释。在下文中将参考实施例 范例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于此。


图1示出了流程图，示意性示出了根据本发明的实施例采集冠状静脉 的3维图像的方法；
图2示出了根据本发明的实施例采集冠状静脉的3维图像的设备的图示。
具体实施例方式
可以使用图1解释根据本发明的实施例的采集冠状静脉的3维图像的 方法的基本步骤。在将患者定位于诸如C臂X射线设备的适当设备中之后，利用导管向 要成像的冠状静脉中注入造影剂(步骤101)。
然后，在绕着患者的躯干旋转c臂的同时，在不同投射角下采集包括
静脉ll的观察区的多幅2维X射线图像(步骤103)(仅示范性地示出了 两幅图像13)。
任选地，可以利用高通滤波器和/或血管增强滤波器对采集到的2D图 像进行下抽样和/或滤波(步骤105)，由此针对要成像的静脉改善图像质量。
从在相同运动阶段(例如心脏运动最小的舒张末期)釆集的特定数量 的2D图像导出静脉系统的3D中线模型15 (步骤107)。
然后将该3D中线模型以2维方式投射并拟合到相同运动阶段但投射角 不同的相应2D图像上(步骤109)。
从2维拟合导出静脉的局部直径wy (步骤lll)。示出步骤lll的图是 相对于步骤109所示的区域A的放大图。
利用在不同投影平面中导出的局部直径，生成3D体壳模型(步骤113)。 同样，该图示意性地示出了针对步骤109所示的部分区域。
任选地，然后可以将导出的3D体壳模型适配和拟合到其他心脏运动阶 段的X射线图像，由此获得冠状静脉运动的4-维信息(步骤115)。
在图2中，示意性示出了根据本发明的实施例的采集冠状血管的3维 图像的设备。C臂系统1包括X射线源3和X射线探测器5。可以沿不同 方向a、 b、 c、 d移动C臂7。为了根据上述方法采集不同的2维X射线投 影图像，优选沿着支持物8在方向c上移动C臂。可以基于ECG信号对X 射线投影的采集进行门控，可以利用电极27探测ECG信号，电极27可以 附着到患者或可以连接到控制系统9。
控制单元9连接到C臂系统1 。控制单元9适于控制X射线源3和X 射线探测器5，以及C臂7的运动。控制系统9包括适于执行根据本发明 的方法的计算单元21。因此，计算单元可以从探测器5接收2维图像数据， 对2维图像数据进行计算并在例如屏幕23或视频系统25上输出导出的3 维体壳模型。
为了以非限制性方式概括本发明的上述实施例，可以表达为提出了 一种用于采集冠状血管(21)，尤其是冠状静脉的3维图像的方法和设备。在心脏运动的相同阶段之内采集2维X射线图像(23)。然后，基于这些2 维图像生成3维中线模型(25)。从中线模型向相应投影平面中的2维投影 可以导出投影平面中血管的局部直径(w)。有了直径就可以生成血管系统 的3维体壳模型，且任选地，可以导出关于血管运动的4维信息。
应当指出，"包括" 一词并不排除其他元件或步骤，"一"或"一个" 并不排除多个。而且可以组合结合不同实施例描述的元件。还应当指出， 权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。
权利要求
1、一种用于采集冠状血管的3维图像的方法，所述冠状血管(11)以周期运动方式运动，所述方法包括采集包括所述冠状血管的采集区的多幅2维X射线图像(13)，其中，至少三幅2维X射线图像是在所述周期运动的基本相同相位中在不同投射角下采集的；根据在所述周期运动的基本相同相位中在不同投射角下采集的所述至少三幅2维X射线图像生成所述血管的至少一个3维中线模型(15)；生成所述至少一个3维中线模型在所述周期运动的基本相同相位中采集的对应的2维X射线图像上的2维拟合；针对所述不同投射角从所述2维拟合导出局部血管直径(w)；基于所导出的局部血管直径生成所述血管的3维体壳模型。
2、 根据权利要求1所述的方法，还包括将在所述周期运动的基本相同相位采集的3维体壳模型的2维投影拟 合到所述周期运动的其他相位的2维X射线图像。
3、 根据权利要求2所述的方法，还包括基于在第一时间点在所述周期运动的基本相同相位采集的所述3维体 壳的2维投影与在第二时间点拟合到所述周期运动的另一相位的2维X射 线图像的所述3维体壳的2维投影之间的差异，确定表示血管段的位置时 间相关移位的局部移位数据。
4、 根据权利要求1到3之一所述的方法，还包括 在生成所述至少一个3维中线模型之前利用血管增强滤波器对所采集的2维X射线图像进行滤波。
5、 根据权利要求1到4之一所述的方法，还包括 在生成至少一个3维中线模型之前对所采集的2维X射线图像进行下抽样和高通滤波中的至少一种操作。
6、 根据权利要求1到5之一所述的方法，其中在110°和180。之间的投射角下采集所述2维X射线图像。
7、 根据权利要求1到6之一所述的方法，其中 利用C臂系统采集所述2维X射线图像。
8、 根据权利要求1到7之一所述的方法，还包括对所生成的3维体壳进行截面正则化和纵向正则化中至少一种操作。
9、 根据权利要求1到8之一所述的方法，其中，基于心电图信号对所述2维X射线图像的采集进行门控。
10、 根据权利要求1到9之一所述的方法， 其中，所述冠状血管为冠状静脉。
11、 根据权利要求IO所述的方法，还包括在采集所述2维X射线图像之前向所述冠状静脉中注入造影剂。
12、 一种用于采集冠状血管的3维图像的设备，所述冠状血管以周期 运动方式运动，所述设备适于执行根据前述权利要求之一所述的方法。
13、 根据权利要求12所述的设备，包括.-C臂系统(1)，其包括用于发射X射线的X射线源(3)和用于采集2 维X射线图像的X射线探测器(5);控制单元(9),其用于控制所述X射线源和所述X射线探测器中的至 少一个；计算单元(11)，其用于基于由所述X射线探测器提供的所采集的2维 X射线图像计算冠状血管的3维图像。
14、 一种计算机程序单元，当在计算机上运行所述计算机程序单元时， 适于执行根据权利要求1到11之一所述的方法。
15、 一种计算机可读介质，所述计算机可读介质具有根据权利要求14 所述的计算机程序单元。
全文摘要
提出了一种采集冠状血管(11)，尤其是冠状静脉的3维图像的方法和设备。在心脏运动的相同阶段之内采集2维X射线图像(13)。然后，基于这些2维图像生成3维中线模型(15)。从中线模型向相应投影平面中的2维投影可以导出投影平面中血管的局部直径(w)。有了直径就可以生成血管系统的3维体壳模型，且任选地可以导出关于血管运动的4维信息。
文档编号A61B6/00GK101686822SQ200880023783
公开日2010年3月31日 申请日期2008年7月8日 优先权日2007年7月11日
发明者D·舍费尔, M·格拉斯, U·扬特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司