用于灌注比较和量化的数据动态归一化的制作方法
【专利摘要】本发明涉及X射线成像技术以及图像后期处理。具体而言，本发明涉及通过对灌注图像数据进行绝对或相对归一化，对X射线成像装置采集的灌注图像数据进行后期处理，以就不同采集以及不同患者对图像数据进行优选比较。为了允许对灌注图像数据进行归一化，可能希望知道保留在冠状动脉中的已注入造影剂的量。接下来，可以基于冠状动脉之内已知的造影剂的量对图像参数进行调整或归一化，以对灌注图像数据进行归一化。为了获得注入的造影剂的精确量，可以估计流经血管的界定区域或截面的造影剂的注入体积。于是可以从这个位置处总体积流量的估计，推断出造影剂的所述注入体积。因此，提供了一种方法（10），用于对数据进行动态归一化，以进行灌注比较和量化，包括如下步骤：确定（20）血管中总体积流量或造影剂的量，以及基于所确定的总体积流量或造影剂的量对灌注数据进行归一化（34）。
【专利说明】用于灌注比较和量化的数据动态归一化
【技术领域】
[0001]本发明涉及X射线成像技术以及图像后期处理。
[0002]具体而言，本发明涉及针对用于灌注比较和量化的数据动态归一化的方法和装置、计算机可读介质、程序单元以及处理设备。
[0003]具体而言，本发明涉及通过对灌注图像数据进行绝对或相对归一化，对X射线成像装置采集的灌注图像数据进行后期处理，以就不同采集以及不同患者对图像数据进行优选比较。
【背景技术】
[0004]当今，所谓的经皮冠状动脉介入或PC I是一种常见的手术程序。在这种介入期间，将导管插入患者进入部位的血管系统中。相应地沿大血管之内向需要处置的特定血管结构推进导管。
[0005]接下来经由导管注射造影剂，使用X射线成像装置采集血管造影图像序列，所述血管造影图像序列示出填充造影剂时的血管结构。
[0006]通常，例如，通过C型臂X射线成像装置获得二维图像数据。在其他实施例中，也可以采用三维医学成像模态获得三维血管结构。
[0007]将这样获得的血管造影图像数据提供给医生，接下来用于规划介入程序。不过，医生感兴趣的不仅仅是冠状动脉血管造影照片数据，而且还有关于心肌灌注的信息。
[0008]在这里，将灌注定义为流体通过淋巴系统或血管通向并进入器官或组织。于是，灌注扫描是一种可以观察、记录并量化灌注的过程。
[0009]例如，患有严重心脏病的患者通常会进行心脏导管插入术。在这种程序期间，可以确定冠状动脉狭窄的程度和/或动脉瘤尺寸。
[0010]不过，仅从冠状动脉血管造影照片提供的冠状动脉形状不能获得关于心肌灌注的信息。例如，这可能是因为一旦发生狭窄症，其余正常的冠状血管结构可以开始为局部缺血的肌肉提供血液，使得冠状动脉形状和心肌灌注之间几乎没有关系。
[0011]在采集冠状动脉血管造影照片图像数据期间，也可以获得心肌灌注图像数据。
[0012]为了改善心肌灌注图像数据的可见度，例如，可以从采集的图像减去，例如消除本身不属于冠状动脉血管造影照片或心肌灌注数据的背景特征或图像部分，从而获得仅可看到被注入的冠状动脉和心肌灌注的图像。
[0013]现有技术中这种过程被称为DSA过程。例如，为了检查患者的心脏，可以在注射造影剂之前采集与一个心搏周期对应的掩模图像，接下来将其从冠状动脉血管造影照片期间采集的图像数据中减掉。在与相同心搏相位相关的掩模图像和造影图像之间进行这种减法，由此从减法图像消除由于心搏导致的图像成分。
[0014]US2004/0082846A1描述了 一种用于体积心脏计算机断层摄影扫描的方法和装置，用于估计选定区域中造影剂的密度。
【发明内容】
[0015]本发明的一个目的可以被视为提供用于分析、解释和量化灌注图像数据的优选模块。
[0016]可以由独立权利要求的主题实现这个目的。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。
[0017]可以认为例如展开程序前后的心脏血管造影术中心肌灌注图像数据的比较或量化是复杂的，因为难以控制冠状动脉中注射的造影剂量。具体而言，从冠状动脉泄漏回流到主动脉中的造影剂不能忽略。
[0018]泵送到主动脉中的大量血液实际上创建压差，容易将经由注射导管通过对应的冠状动脉心门注射的造影剂的一部分吸回主动脉中。必须要考虑这种自然现象，以能够就不同的图像采集甚至不同患者对灌注图像数据，进行有意义的比较，甚至在心肌层之内进行量化。
[0019]尽管在造影剂注射期间的其他措施是已知的，例如具有受控量、稀释率和注射速率的ECG门控注射，但是仍然必须要考虑回流到主动脉中的造影剂影响。在比较灌注情形时，所考虑图像信息的灰度级标定的轻微修改都可能带来状态评估中的巨大差异。
[0020]在比较冠状动脉结构已经变化的灌注情形时，例如在展开程序前后，由于冠状血管结构变化造成灌注参数大大不同，更会出现这种情况。
[0021]可以进一步从下文描述的优选实施例的详细描述推断出本发明的方面、特征和优点，参考附图对其进行了解释。
[0022]可以利用类似的附图标记表示类似元件。
[0023]附图不是按比例绘制的，不过可以描绘定性的比例。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1示出了心肌层血管结构的示意图，
[0025]图2a_d示出了冠状动脉血管造影照片的示范性实施例，
[0026]图3示出了根据本发明用于对灌注数据进行动态归一化以进行比较和量化的方法的示范性实施例，以及
[0027]图4示出了用于对灌注数据进行动态归一化以比较和量化的示范性装置和X射线成像装置。
[0028]附图标记列表:
[0029]2 心肌层
[0030]4 主动脉
[0031]5 分叉点
[0032]6 右冠状动脉
[0033]7 主要收集部位
[0034]8 左冠状动脉
[0035]8a 旋动脉
[0036]8b 冠状动脉左前降支
[0037]9 冠状动脉心门[0038]10用于动态归一化以进行灌注比较和量化的方法
[0039]20步骤:造影剂体积积分
[0040]20a步骤:体积流量估计
[0041]20b步骤:造影剂测量
[0042]20c步骤:校准
[0043]20d步骤:确定3D血管几何形状/2D采集几何结构
[0044]21步骤:对时间积分
[0045]22步骤:受控采集
[0046]24步骤:受控注射
[0047]26步骤:输入数据采集
[0048]28步骤:注射尖端跟踪
[0049]30步骤:主要收集部位跟踪
[0050]32步骤:心脏DSA过程
[0051]34步骤:数据归一化
[0052]36步 骤:量化或比较
[0053]40X射线系统
[0054]41C 型臂
[0055]42装置
[0056]44X射线探测器
[0057]46X射线源
[0058]48对象
[0059]50支撑体
[0060]51X 辐射
[0061]53注射导管
[0062]55可视化元件
【具体实施方式】
[0063]为了允许对灌注图像数据进行归一化，可能希望知道保留在冠状动脉中的已注入的造影剂的量。接下来，可以基于冠状动脉之内已知的造影剂的量来调整图像参数，以对灌注图像数据进行归一化。
[0064]为了获得注入的造影剂的精确量，可以估计流经血管的界定区域或截面的造影剂的注入体积。于是可以从这个位置处总体积流量的估计，推断出造影剂的所述注入体积。
[0065]例如，在血管造影程序期间，可以在实时采集的X射线图像上跟踪注射导管的尖端。接下来可以将注射导管的尖端引入冠状动脉中，以注射造影剂。接下来可以在相应冠状动脉的部分中布置注射导管的尖端，所述部分基本没有分叉点，例如，体现为具有定义几何结构的单一血管。后面将冠状动脉的所述部分称为主要收集部位，这样例示造影剂被注入的冠状动脉之内的段或区域。
[0066]常规上，不将导管尖端引入冠状动脉中远超过冠状动脉心门之外，使得造影剂的注射还发生在布置在相应冠状动脉心门附近的主要收集部位处。[0067]在现在向冠状动脉中注入造影剂时，造影剂的主要部分经由冠状动脉流向心肌组织结构，而由于回流效应的缘故，少量，但是不能忽略的量的造影剂可以被视为泄漏回主动脉中。为了精确获得归一化的灌注图像数据，因而需要精确地知道或估计流经主要收集部位的、保留在相应冠状动脉中的、因此对采集心肌灌注图像数据有贡献的造影剂部分或量。
[0068]由于主动脉中大量的血流，泄漏回主动脉中的那部分造影剂对于局域化的灌注图像没有任何贡献，从而可以被完全忽略。
[0069]尽管可以在特定精确程度上知道造影剂的注射量，但上述主动脉回流需要造影剂量的更新确定。
[0070]为了获得流经主要收集部位的造影剂的精确量，本发明提出估计流经主要收集部位的造影剂积分体积。接下来可以使用这种估计，可能是估计到可以相乘的项，对整个图像轮次上的灌注图像数据进行归一化，允许灌注图像数据的适当量化或比较。
[0071]在已知血管结构的几何参数的情况下，可以获得绝对值，允许绝对的归一化。在不精确知道血管结构的情况下，至少可以获得造影剂的相对值，至少允许进行相对归一化。
[0072]不过，仅在比较不同患者时，才可能需要绝对值，因为对于相同的患者，任何相乘项在每次个体采集程序中都表现为相同，从而相对于不同的图像采集而消除其自身。
[0073]即便是实际流经心肌层的造影剂可变时，尤其是由于回流现象，所提出的方法也能够获得可比较的结果。
[0074]不过，在经由注射导管尖端向冠状血管中施予造影剂时，仍然可以考虑ECG触发和控制的注射。
[0075]可以从这个位置处总体积流量的估计，推断出流经主要收集部位的造影剂的注入体积估计值。
[0076]灌注比较的两个阶段之间的另一种可能偏差可能来自那些阶段期间发生的不同血流速度。例如，在冠状动脉修复(搭支架)前后，由于狭窄位置处修复的血管形状，血流可能不同。现在，由于通过浑浊化观察灌注，并且由于更高的血流量意味着由于更高的稀释导致的更少浑浊化，所以任何流动偏差都可能导致灌注评估偏差。如果在不同速度下注入造影剂，这同样是适用的。但在两种情况下，在主要收集部位中随时间测量血液体积使得能够对两种情形进行归一化。
[0077]图像采集程序期间的若干考虑可能对于后继归一化程序有益。
[0078]尽管基于流经主要收集部位的造影剂注入体积的估计进行归一化能够消除所述不同造影剂体积或造影剂的量所导致的图像数据中的差异，但可能有益的是还控制X射线成像系统的采集参数以在不同的图像采集程序之间，可能甚至在不同患者之间，进行接近的匹配。换言之，特定的采集设置可能对于灌注量化和/或比较是有用的。例如，可能有益的是，关闭对图像采集系统的连续自动剂量控制，至少为了获得适当的数字相减图像结果。
[0079]而且，在采集不同的灌注数据集期间，采用X射线成像系统的相同或可比拟的系统设置或图像采集参数，例如用于扩展前/后的比较，可能是有益的。
[0080]此外，为了为后续的造影剂体积估计提供充分的依据，可以精确控制向主要收集部位中注入造影剂的程序，以进行精细的灌注分析。这样的受控注射可以包括利用或根据特定的心搏周期来触发注射，即由ECG触发，并进一步控制注射量、稀释、或总血管体积与造影剂体积之比、以及注射速度。[0081]为了获得灌注图像数据的有意义结果，可能需要前述掩模，使得仅剩余具有随后的灌注图像数据的冠状动脉血管造影照片图像数据。换言之，输入数据(可以是注射血管造影照片)应当包含注射阶段本身和可以用于掩模目的的注射前阶段。
[0082]在注射前阶段期间，可能已经采集ECG触发或依赖于ECG的图像，接下来可以采用其在所获得的灌注图像数据中实现不相关组织结构的掩模目的。两个阶段，即注射前阶段和注射阶段本身，应当与后续的心脏DSA过程兼容，这是本领域中公知的。
[0083]为了在主要收集部位中进行造影剂的优选施予，可以沿输入序列，例如通过实时X射线图像，跟踪导管尖端或注射尖端，直到正确定位。可以采用已知的图像处理分割和跟踪工具，辅助注射尖端跟踪过程。注射尖端的容易识别的特性，例如已知的一段有造影剂管，可以使这个任选步骤简单，这显著方便了主要收集部位的跟踪。
[0084]在这里，跟踪主要血管收集部位，即位于注射尖端输出处，恰在心门之后的血管段或区域。对于主要血管收集部位，可以仅需要短段。这个血管段不应该包含相当大的分叉点。对于冠状动脉而言，对于左冠状动脉树，收集部位可以是所谓的“左主干”。对于右冠状动脉树，主要血管收集部位可以例如是主动脉从其出现的血管桩(vessel stump)o
[0085]可以由注射尖端跟踪步骤的结果大大促进这个步骤，因为可以认为主要收集部位与注射导管对准。
[0086]神经学介入是可以应用本发明的另一种情形。在注射造影剂之后在大脑中评估灌注。同样，为了进行适当的灌注比较，在注射点处或在本地观测的区域上游任一点处随时间测量血液体积流量可能是必要的。甚至可以应用相同的原理对动脉瘤之内的造影剂活动测量值进行归一化，通常在流动转向器植入前后。尽管动脉瘤腔中的造影剂活动精确地讲不是灌注效果，但是从更宽的角度而言，可以应用相同原理。可以将灌注的概念扩展到远离馈送点的区域中造影剂浑浊化的研究中。
[0087]在图像采集程序的这一点，可能已经采集了注射前阶段的图像，具体而言是依赖于ECG的图像。现在，可以开始造影剂的注射。
[0088]可以在所谓的心脏DSA过程中处理注射造影剂之后采集的血管造影图像。在这个步骤中，实现心脏DSA。可以将所述心脏DSA过程视为相当于针对每个当前注射帧或图像从注射前阶段图像发现非注射帧，可以采用其进行相减，以便消除背景图像信息，仅留下造影剂贡献。在非心脏情况下，例如在神经学中，DSA常常简单地相当于仅在无造影剂图像(掩模)和当前注射造影剂的图像系列之间进行相减。可能需要对未注射图像进行几何学翘曲，以针对优选的减法和背景图像信号的消除进行可能的运动补偿。于是，除了相应冠状动脉中的造影剂贡献之外，运动诱发的伪影可能保留在DSA已处理图像中。
[0089]接下来，作为本发明的中心方面，进行对时间积分的造影剂体积估计或造影剂的量估计，实际上在几个步骤中实现。更一般地，通过随时间估计总体积流量来进行归一化。
[0090]首先，进行总体积流量估计。主要收集部位之内的总体积流量涉及总流体(既有血液又有造影剂)的体积流量。在DSA图像中的主要收集部位的界定精细剖面或截面上估计所述总流体流量。
[0091]对于总体积流量估计，本领域已知几种方法(例如，J.Waechter, J.Bredno, PMJRongen, J.ffeese, D.C.Barratt, D.J.Hawkes Model-based blood flow quantificationfrom rotational angiography” ；Medical Image Analysis,卷 12,第 5 期，第 586-602 页(2008年10月)，在此通过引用将其公开并入)。
[0092]而且，可以通过在主要收集部位本地布置的流量计估计或确定总体积流量。
[0093]总体积流量估计可以是绝对估计，或可以将体积流量至少估计到相乘因数9。在后一种情况下，可以不必知道或估计主要收集部位的透视缩短和直径，即血管结构的几何特征。
[0094]这一总体积流量估计可以提供总绝对体积流量qT (t)或相对总体积流量q’ T (t)它们根据方程I彼此相关。
[0095]
【权利要求】
1.一种用于对数据进行动态归一化以进行灌注比较和量化的装置(42)，包括处理元件，所述处理元件适于执行用于对数据进行动态归一化以进行灌注比较和量化的方法， 其中，所述处理元件适于确定(20)血管中总体积流量或造影剂的量，并且其中，所述处理元件适于基于所确定的所述血管中总体积流量或造影剂的量来对灌注数据进行归一化(34)。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括: 可视化元件(55)； 其中，所述可视化元件(55)适于向用户可视地提供第一图像采集的第一归一化灌注X射线图像数据和第二图像采集的第二归一化灌注X射线图像数据中的至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的装置，还包括: X射线源(46)，以及 X射线探测器(44)， 其中，对象(48 )能够布置于所述X射线源(46 )和所述X射线探测器(48 )之间，并且其中，操作性耦合所述X射线源(46)和所述X射线探测器(44)，以采集所述对象(48)的感兴趣区域的X射线图像数据，特别是灌注X射线图像数据。
4.一种用于对数据进行动态归一化以进行灌注比较和量化的方法(10)，包括如下步骤: 确定(20)血管中造影剂的量；以及 基于所确定的所述血管中造影剂的量对灌注数据进行归一化(34)。
5.一种用于对数据进行动态归一化以进行灌注比较和量化的方法(10)，包括如下步骤: 确定(20)血管中的总体积流量；以及 基于所确定的所述血管中的总体积流量对灌注数据进行归一化(34 )。
6.根据权利要求4所述的方法， 其中，通过确定流经所述血管的定义截面的造影剂的积分体积来确定所述造影剂的量。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法， 其中，通过流经所述血管的所述定义截面的所述总体积流量和观察到的所述血管的定义截面上的平均造影剂来确定所述造影剂的所述积分体积。
8.根据权利要求5或7所述的方法， 其中，通过以下中的至少一项来确定所述总体积流量:由布置于所述血管的所述定义截面处的流量计做出的总体积流量估计，以及估计X射线图像信息中所述血管的所述定义截面处的所述总流体流量。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法， 其中，通过如下方程确定造影剂的绝对积分体积Q1U)，
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法， 其中，通过如下方程确定绝对归一化灌注数据Dn(t)，
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法， 其中，所述血管是血管的表示，特别是在预先采集的X射线图像数据中，并且/或者 其中，所述方法是用于预先采集的X射线图像数据的图像后期处理的方法。
12.—种在其中存储了用于执行根据权利要求4至11中任一项所述的方法的计算机程序的计算机可读介质。
13.一种程序单元，其中，所述程序单元在被执行时，控制根据权利要求1至3中任一项所述的装置来执行根据权利要求4至11中任一项所述的方法。
14.一种在其中执行计算机程序的处理设备，其中，所述处理设备适于控制根据权利要求I至3中任一项所述的装置来执行根据权利要求4至11中任一项所述的方法，用于对灌注X射线图像数据进行归一化。
15.一种用于操作设备的方法，包括根据权利要求4至11中任一项所述的方法的步骤。
【文档编号】G06T5/50GK103430211SQ201280014040
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年2月28日 优先权日:2011年3月18日
【发明者】R·弗洛朗, C·迪富尔, V·奥夫雷, O·博纳富 申请人:皇家飞利浦有限公司