專利名稱：基于預(yù)確定的最優(yōu)視圖映射圖對ra確定最優(yōu)旋轉(zhuǎn)軌跡的制作方法
基于預(yù)確定的最優(yōu)視圖映射圖對RA確定最優(yōu)旋轉(zhuǎn)軌跡
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)X射線血管造影(RA)領(lǐng)域，并且更具體地涉及基于最優(yōu)視圖映射圖(optimal view map, OVM)來確定RA的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)軌跡。
在介入神經(jīng)放射學(xué)中，神經(jīng)放射學(xué)家或血管造影師在任何時(shí)候知道導(dǎo)管以毫米精度位于病人體內(nèi)的位置是重要的。該信息從數(shù)字減影血管造影(DSA)圖像推導(dǎo)出，由于他/她具有解剖知識，他/她心理上將該減影圖像與術(shù)前三維圖像(例如，磁共振(MR)圖像)聯(lián)系起來。
現(xiàn)今，3DX射線旋轉(zhuǎn)血管造影(3D-RA)重建的體積常規(guī)地由旋轉(zhuǎn)血管造影(RA)序列生成。盡管這樣的體積已被證實(shí)為給醫(yī)師帶來實(shí)際的輔助性幫助，DSA仍然是介入神經(jīng)放射學(xué)的基礎(chǔ)。結(jié)果，具有3D-RA體積的DSA圖像的配準(zhǔn)似乎是非常有前途的特征。
當(dāng)前的導(dǎo)管室，即冠狀動脈疾病或其他血管疾病治療中心，基于二維(2D)投影圖像來執(zhí)行諸如定性的狹窄確定、球囊擴(kuò)張、支架治療等的介入過程。近年來，旋轉(zhuǎn)血管造影(RA)已被引入，其中C型臂X射線系統(tǒng)圍繞病人旋轉(zhuǎn)，同時(shí)從填充造影劑的冠狀動脈采集投影圖像。如J. T.Maddux、 0. Wink、 J. C. Messenger、 B. M. Groves、 R. Liao、 J. Strzelczyk、S. Y. Chen、 J. D. Carroll在已出版的2004年的Catheterization andCardiovascular Interventions中的"A Randomized Study of the Safety andClinical Utility of Rotational Angiography versus Standard Angiography in theDiagnosis ofCoronary Artery Disease"中所描述的，這些數(shù)據(jù)集可以用于診斷。
如B. Movassaghi、 V. Rasche、 M. Grass、 M. Viergever、 W. Ni6ssen在2004年的IEEE Trans. Med. Imag第12巻第23期第1517-1531頁的"Aquantitative analysis of 3D coronary modeling from two or more projectionimages"中所描述的，該數(shù)據(jù)集還可以用于3D冠狀動脈建模。
此夕卜，如V. Rasche、 A. Buecker、 M. Grass、 R. Suurmond、 R. Koppe.、H. Kuehl在2003年的RSNA第83屆科學(xué)年會第C19-382頁的"ECG-gated 3D Rotational Coronary Angiography"中所述的，所采集的數(shù)據(jù)集還用于3D 冠狀動脈重建程序。上述出版物的主題被視為本申請的整體部分并且應(yīng)以 引用的方式將其包括。
基于醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)來選擇當(dāng)前臨床應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)采集方案并且該方案不受 到任何科學(xué)背景的影響。典型地，醫(yī)師將X射線系統(tǒng)定位在特定坐標(biāo)以采 集投影圖像，將X射線系統(tǒng)定位在下一特定坐標(biāo)以采集下一投影圖像，等。 因此，用于采集所述投影圖像的位置確定由于人體的差異而不能被最優(yōu)化。 為了獲得冠狀動脈樹的最精確的三維模型，應(yīng)該使用C型臂血管造影系統(tǒng) 的病人特定位置。
冠狀動脈樹的三維(3D)特性由于投影幾何結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致任何投影中各 種片段的投影縮短(foreshortening)。因此，各種旋轉(zhuǎn)采集方案包括具有或 多或少血管投影縮短和血管重疊的大量投影圖像。如果感興趣對象沒有被 定位為與X射線探測器的投影平面平行，而是如

圖1所示地與該平面成某 一角度，則發(fā)生投影縮短。
醫(yī)師基于經(jīng)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)值中選擇坐標(biāo)以減少感興趣區(qū)域(ROI)的各個(gè)冠 狀動脈樹的投影縮短和重疊。實(shí)際上，得到多于理論上必需的圖像以便對 最終的冠狀動脈樹重建選擇最佳圖像投影。另一方面，將所采集的投影數(shù) 量保持得較低以便將病人對X射線的暴露保持為最低限度對病人是有利 的。另一方面，醫(yī)師需要視圖和圖像投影以便重建冠狀動脈樹的最可能的 三維模型以供其診斷和/或治療。
S. James Chen和John D. Carrol在2000年4月第19巻第4期的IEEE transaction on medical imaging中的"3D Reconstruction of Coronary Arterial Tree to Optimize Angiographic Visualization"中提出一種基于對特定心臟相 位從所確定的冠狀動脈3D中心線得出的計(jì)算機(jī)生成的2D中心線模型，對 每個(gè)任意投影角確定血管投影縮短和血管重疊的定量值的方法。該文獻(xiàn)描 述了由于血管重疊和投影縮短，多個(gè)投影對于用血管造影充分評估冠狀動 脈樹是必要的。只有當(dāng)成功解決這些可視化問題時(shí)，才可能最優(yōu)地執(zhí)行基 于導(dǎo)管的介入。傳統(tǒng)方法提供多個(gè)選擇的視圖，其中基于二維(2D)投影 主觀地使重疊和投影縮短最小化。根據(jù)常規(guī)血管造影研究利用單平面成像系統(tǒng)以任意取向采集的一對圖像被選擇用于三維(3D)重建。在選擇感興趣動脈片段(例如，單個(gè)冠狀動脈狹窄或分叉病變)之后，計(jì)算一組使片
段投影縮短最小化的c型臂成角。然后將多個(gè)具有最小化片段投影縮短的
計(jì)算機(jī)生成的投影圖像用來選擇視圖，該視圖具有相對于感興趣片段或區(qū)
域(ROI)最小重疊的血管。然后利用最優(yōu)視圖或最優(yōu)視圖映射圖來引導(dǎo)隨后的血管造影采集和介入。
然后增強(qiáng)該方法以便生成合并有冠狀動脈樹的4D (3-D加時(shí)間)特性的完整最優(yōu)視圖映射圖。醫(yī)師可能使用如此生成的最優(yōu)視圖映射圖(OVM)來選擇具有最小的血管投影縮短和重疊的靜態(tài)視圖以用于介入過程。典型地，所生成的最優(yōu)視圖映射圖是彩色的。明亮區(qū)域典型地指示具有最小的投影縮短和減重疊的區(qū)域。在圖2的示例中，白色區(qū)域示出了具有0-10%投影縮短或重疊的區(qū)域。因此，血管造影系統(tǒng)的這些位置表示相對于病人身體的最優(yōu)位置從而對冠狀動脈樹或其部分的最佳三維重建生成圖像投影。
可以基于ChenSYJ、 Carroll JD、 Messenger JC發(fā)表在2002年的正EETrans. Med. Imag.第21期第724-740頁的"Quantitative analysis ofreconstructed 3-D coronary arterial tree and intra-coronary devices"中描述的方法來確定血管重疊。具體血管片段Ck的重疊值被定義為相對所有其他動脈C1的重疊傳播(propagation of overlap):
。{ovm}= t n,化a,/c",薩 (1)
其中d和ck分別表示第i動脈的動脈管腔和在第k動脈處所選擇的感興趣片段。ria,p(c)表示算子，其基于c型臂角度(a， p)在將對象c投影到圖像平面之后對像素?cái)?shù)量進(jìn)行記數(shù)。
然而，因?yàn)榛卺t(yī)師的經(jīng)驗(yàn)來選擇當(dāng)前臨床應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)采集方案，所以確定最優(yōu)的一組采集圖像投影的問題仍存在。
因此需要一種確定c型臂x射線系統(tǒng)最優(yōu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的方法，以便對感興趣區(qū)域采集具有最小血管投影縮短和最小血管重疊的投影圖像。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種為c型臂x射線系統(tǒng)針對血管狀結(jié)構(gòu)確定旋轉(zhuǎn)X射線血管造影的最優(yōu)軌跡的方法，該C型臂X射線系統(tǒng)具
有至少兩個(gè)自由度，所述自由度由以左/右冠狀動脈斜角a表示的C型臂的 螺旋槳式運(yùn)動，和以后側(cè)角/前側(cè)角(3表示的C型臂的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動所定義。該 方法包括以下步驟
(a) 生成感興趣區(qū)域內(nèi)的體血管中心線的三維表示；
(b) 生成在x和y方向由a和p的最大值限制的最優(yōu)視圖映射圖和/
或選擇由臨床醫(yī)生確定的優(yōu)選視角；并且
(c) 在最優(yōu)視圖映射圖的限制內(nèi)為X射線系統(tǒng)C型臂計(jì)算最優(yōu)軌跡， 其中最優(yōu)軌跡至少由C型臂在其兩個(gè)自由度內(nèi)的運(yùn)動所確定，該軌跡使得 投影圖像具有最小投影縮短和重疊，同時(shí)使感興趣區(qū)域?qū)射線的暴露最 小化。
所述方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在最小的血管投影縮短和血管重疊方面，自動 確定C型臂X射線系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)血管造影的最優(yōu)軌跡，從而確保二維血管造 影具有最優(yōu)診斷值和/或最優(yōu)三維重建圖像質(zhì)量。感興趣區(qū)域典型地是病人 的特定血管片段或完整冠狀動脈樹。任何其他體血管也可以是感興趣區(qū)域。 那些區(qū)域包括冠狀動脈、頭部內(nèi)的冠狀葉(coronary vane)或血管或結(jié)構(gòu)。 應(yīng)該明確提及的是，病人體內(nèi)所有血管均不應(yīng)被排除在使用所要求保護(hù)的 方法之外。該方法可以應(yīng)用到活體的任何部分。
當(dāng)前使用的軌跡或C型臂位置基于醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)，不能保證最優(yōu)圖像投 影，并且因此不能向醫(yī)師遞交所需質(zhì)量的圖像。這限制了圖像投影或重建 的冠狀動脈樹或其部分對于醫(yī)師的價(jià)值。
本發(fā)明的方法使用現(xiàn)代X射線血管造影系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時(shí)以兩個(gè) 自由度移動血管造影系統(tǒng)的C型臂。這是必需的以便在C型臂力學(xué)的限制 內(nèi)實(shí)現(xiàn)X射線系統(tǒng)的任何可能軌跡。傳統(tǒng)上，3D-RA系統(tǒng)(三維X射線血 管造影系統(tǒng))允許每次僅圍繞一個(gè)角度的旋轉(zhuǎn)。C型臂允許螺旋槳式運(yùn)動， 其中臨床相關(guān)角度范圍從120。 LAO (左動脈傾斜)到120° RAO (右動脈 傾斜)。此外，C型臂的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動也是可能的。臨床相關(guān)角度的范圍從60° CRAN (前側(cè)角)至lj60。 CAUD (后側(cè)角)。這相當(dāng)于圍繞C型臂的中立位 相對于其旋轉(zhuǎn)樞軸點(diǎn)或中心旋轉(zhuǎn)+/-60°。
所要求保護(hù)的方法的步驟(b)允許兩個(gè)可替代的選項(xiàng)生成最優(yōu)視圖映射圖，或臨床醫(yī)生具有他/她自己的能從其構(gòu)造圖像的一組最優(yōu)視角。然后可以計(jì)算最優(yōu)軌跡以便訪問這些以視角表示的點(diǎn)。此外，許多臨床醫(yī)生可以對最優(yōu)地滿足他們需求的軌跡達(dá)成共識。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種X射線C型臂系統(tǒng)，其具有運(yùn)行根據(jù)用于對旋轉(zhuǎn)X射線冠狀動脈血管造影確定最優(yōu)軌跡的方法所確定的軌跡的能力。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其用于根據(jù)用于對
旋轉(zhuǎn)X射線冠狀動脈血管造影確定最優(yōu)軌跡并控制C型臂X射線血管造影
系統(tǒng)的運(yùn)動的方法來計(jì)算軌跡。
本發(fā)明的另一方面是提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其具有用于根據(jù)用于
對旋轉(zhuǎn)X射線冠狀動脈血管造影確定最優(yōu)軌跡并控制C型臂X射線血管造
影系統(tǒng)的運(yùn)動的方法來計(jì)算軌跡的指令。
本發(fā)明的另一方面是提供一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其存儲用于計(jì)算機(jī)系
統(tǒng)并能夠根據(jù)用于對旋轉(zhuǎn)X射線冠狀動脈血管造影確定最優(yōu)軌跡并控制c
型臂X射線血管造影系統(tǒng)的運(yùn)動的方法來計(jì)算軌跡的一組指令。
上述方面的優(yōu)點(diǎn)在于，使得RA系統(tǒng)全自動地運(yùn)行用于提供具有最小可
能的血管投影縮短和/或血管重疊的最優(yōu)圖像投影的軌跡。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，確定最優(yōu)軌跡的步驟包括使下列等式最小
化的步驟
FO，;i，a，》Z S/^o，y0)+義(9("，y ) (2)
其中
k是加權(quán)參數(shù)；入是加權(quán)參數(shù)；
a是左冠狀動脈斜角或右冠狀動脈斜角的角度值；
P是后側(cè)角或前側(cè)角的角度值；
f(a，(3)是與血管投影縮短相關(guān)的函數(shù)；以及O(a，p)是與血管重疊相關(guān)的函數(shù)。
k和X是典型地從O到1變化的參數(shù)，并且根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，它們的數(shù)學(xué)和是l。在一個(gè)實(shí)施例中，血管造影系統(tǒng)的C型臂安裝到L型臂上，產(chǎn)生組合
的L型臂/C型臂血管造影系統(tǒng)并能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)額外的自由度，從而在相對
于病人定位造影系統(tǒng)上給予血管造影師更大的靈活性。
在另一實(shí)施例中，生成感興趣區(qū)域中的血管中心線的3D表示的步驟包 括基于兩個(gè)或更多個(gè)采集的投影圖像的建模方法。如上所述，這些投影圖 像可以通過B. Movassaghi、 V. Rasche、 M. Grass、 M. Viergever、 W. Niessen 在2004年的IEEE Trans. Med, Imag第12巻第23期第1517-1531頁的"A quantitative analysis of 3D coronary modeling from two or more projection images"中所描述的方法來采集。該文獻(xiàn)的主題也應(yīng)以引用的方式將其并入。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，生成感興趣區(qū)域的中心線的三維表示的步 驟包括基于預(yù)采集的不同模態(tài)的圖像數(shù)據(jù)集的建模方法。因此該實(shí)施例使 用來自先前檢查的預(yù)采集的數(shù)據(jù)集。兩類數(shù)據(jù)集應(yīng)被提及為示例計(jì)算機(jī) 斷層攝影(CT)掃描和磁共振(MR)數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)對于有心臟病的病 人通常是可獲得的并可被重復(fù)使用。 在又一實(shí)施例中，生成感興趣區(qū)域內(nèi)血管中心線的三維表示的步驟包 括以基于非最優(yōu)的任意采集軌跡的預(yù)采集的三維旋轉(zhuǎn)血管造影圖像為基礎(chǔ) 的建模方法。如上所述，可以基于醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)來采集這些圖像。這些圖像 中的一些對于有規(guī)劃地治療病人來說可能足夠好，但它們表示無法保證以 下方面的點(diǎn)數(shù)據(jù)即它們表示用于重建血管的三維模型的最佳可用數(shù)據(jù)。
還有另一方式來執(zhí)行生成感興趣區(qū)域內(nèi)血管中心線的三維表示的步 驟。在該實(shí)施例中，該步驟包括基于表示平均的人體冠狀動脈的體模的建 模方法。熟知的體模是包含從大約二十四個(gè)病人獲得的經(jīng)驗(yàn)的Dudge模型。 該模型是對不同測試個(gè)人之間的變化進(jìn)行平均的抽象模型。然而，該模型 也不給出完善的體模。
必須注意，已經(jīng)參考不同主題描述了本發(fā)明的各實(shí)施例。具體地，已 經(jīng)參考裝置類型權(quán)利要求描述了一些實(shí)施例，而參考方法類型權(quán)利要求描 述了其他實(shí)施例。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可從上面和下面的描述中獲悉， 除非特別指出，除屬于一種主題類型的特征的任意組合外，涉及不同主題 的特征之間的任意組合，具體是方法類型權(quán)利要求的特征和設(shè)備類型權(quán)利 要求的特征之間的任意組合也被認(rèn)為是由本申請所公開的?；谟糜跒榻M合C型臂X射線或組合L型臂/C型臂系統(tǒng)確定旋轉(zhuǎn)X射線冠狀動脈血管造影的最優(yōu)軌跡的方法的上面已給出的和下面的解釋，技術(shù)人員能將該方法的所述步驟轉(zhuǎn)換成執(zhí)行該方法的計(jì)算機(jī)程序。
根據(jù)下文中要描述的實(shí)施例的示例，本發(fā)明的上面限定的方面和另外的方面將變得明顯并參考實(shí)施例的示例進(jìn)行解釋。但本發(fā)明不限于這些示例。
附圖的圖示說明是示意性的。應(yīng)該注意的是，在不同的附圖中，類似
的或同一元件具有相同的附圖標(biāo)記。附圖示出了
圖la是血管0%投影縮短的示意圖；圖lb是血管30%投影縮短的示意圖lc是示出了三維視圖中血管0%和30%投影縮短的示意圖2是特定血管的最優(yōu)視圖映射圖的示例，其中不同灰度陰影示出了
不同的投影縮短和/或重疊值；
圖3a是使右動脈斜角(RAO)的含義可視化的組合L型臂/C型臂血管
造影系統(tǒng)；
圖3b是在中立中間位置的具有所有可能運(yùn)動角度的組合L型臂/C型臂血管造影系統(tǒng)；
圖3c是使左動脈斜角(LAO)的含義可視化的組合L型臂/C型臂血管造影系統(tǒng)；
圖4a是使前側(cè)角(CRAN)的含義可視化的組合L型臂/C型臂血管造影系統(tǒng)；
圖4b是在中立中間位置的具有所有可能運(yùn)動角度的組合L型臂/C型臂血管造影系統(tǒng)；
圖4c是使后側(cè)角(CRAD)的含義可視化的組合L型臂/C型臂血管造影系統(tǒng)；
圖5a是示出了 L型臂向左旋轉(zhuǎn)運(yùn)動90°的組合L型臂/C型臂血管造影系統(tǒng)；
圖5b是在中立中間位置的具有所有可能運(yùn)動角度的組合L型臂/C型臂血管造影系統(tǒng)；圖5c是使L型臂向右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動卯°可視化的組合L型臂/C型臂血管造 影系統(tǒng)；
圖6a是建模的LCA (左冠狀動脈)的次優(yōu)視圖6b是根據(jù)接近完善的視角的建模的LCA的視圖6c是根據(jù)圖6a和圖6b的建模的LCA的位置的最優(yōu)視圖映射圖7a-f是C型臂血管造影系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式滾轉(zhuǎn)采集軌跡的圖示，結(jié)合有
經(jīng)過OVM的軌跡的圖示；
圖8a-f是C型臂血管造影系統(tǒng)的傾斜的螺旋槳式旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的圖示，結(jié)
合有經(jīng)過OVM的軌跡的圖示；
圖9a-f是C型臂血管造影系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動的圖示，結(jié)合有在螺旋槳式
位置固定且L型臂向右定位90°的情況下經(jīng)過OVM的軌跡的圖示；
圖10a-f是具有3D-RA系統(tǒng)的C型臂的同步滾轉(zhuǎn)和螺旋槳式運(yùn)動的雙
運(yùn)動采集的圖示，結(jié)合有經(jīng)過OVM的軌跡的圖示；并且
圖11是經(jīng)過最優(yōu)視圖映射圖的C型臂系統(tǒng)的確定的最優(yōu)軌跡的圖示； 圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的簡化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該計(jì)算
機(jī)系統(tǒng)可以用作根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的X射線系統(tǒng)的控制單元。
附圖標(biāo)記列表
1血管位置
3血管位置
5投影圖像平面
7投影對象
9病人
11C型臂
13L型臂
15支架
17L型臂頂點(diǎn)
19幾乎沒有投影縮短和重疊的OVM區(qū)域
21白色十字
23黑色十字
25C型臂的最優(yōu)軌跡27 重疊和投影縮短的灰度標(biāo)度
29 中央處理單元
31 輸入/輸出設(shè)備
33 主存儲器
35 大容量存儲器
37 控制單元
39 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
對于某些治療和診斷步驟，醫(yī)師需要針對血管即冠狀動脈血管系統(tǒng)的最佳模型。關(guān)鍵問題是如圖la、 lb、 lc示出的血管投影縮短。如典型地由X射線血管造影系統(tǒng)生成的，三維血管投影在二維投影圖像上產(chǎn)生不同的投影。在圖lc中的兩個(gè)位置1和3示出了血管。如果要投影的血管部分與圖像平面5平行，則投影達(dá)到其最大值。在血管或血管部分的縱軸與圖像平面之間的角度大于0的情況下，在圖lc的示例中投影縮短了 30%的系數(shù)。圖la和圖lb示出了二維示意圖中的效應(yīng)。取決于對象7和圖像平面5之間的不同距離和角度，對象7的投影通過投影縮短效應(yīng)被縮短。圖la的示例給出了具有0%投影縮短的最佳圖像投影。
圖3a、圖3b、圖3c和圖4a、圖4b、圖4c解釋了典型C型臂血管造影系統(tǒng)的運(yùn)動。病人平躺在支架15上。病人身體的縱軸形成用于取向的天然軸線。如果如圖3b示出的，血管造影系統(tǒng)處在中立位，則C型臂被安裝使其樞軸點(diǎn)在病人縱軸的線上或靠近病人縱軸的線。C型臂11可以圍繞該樞軸點(diǎn)以螺旋漿式運(yùn)動方式旋轉(zhuǎn)。如圖3a所示，從如圖3b所示的中立位測量的角度典型地被稱為RAO (右前斜角)，其意指從病人的腳看去的逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；而如圖3c所示，從如圖3b所示的中立位測量的角度典型地被稱為LAO (左前斜角)，其意指與RAO角度旋轉(zhuǎn)相比在相反方向的旋轉(zhuǎn)。此外，示出了L型臂13。 L型臂13承載血管造影系統(tǒng)的C型臂11并且處在中立中間位置。
如本領(lǐng)域所公知的，血管造影系統(tǒng)的焦點(diǎn)即X射線發(fā)射機(jī)和X射線接收機(jī)陣列或圖像平面定位于C型臂11的相應(yīng)末端并隨C型臂11運(yùn)動。在血管造影系統(tǒng)的工作周期期間，感興趣區(qū)域(ROI)即病人的心臟典型地處在恒定的位置。
圖4a、圖4b、圖4c示出了C型臂11的另一可能運(yùn)動。其是滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。 該運(yùn)動用角度CRAN (后側(cè)角)和CAUD (前側(cè)角)來測量。它們典型地 從中間位置起達(dá)到60。。例如如圖3b或圖4b所示，假定C型臂11從中立 位開始，C型臂ll末端的運(yùn)動處于由病人縱軸和重力矢量所定義的平面。
最后，現(xiàn)代血管造影系統(tǒng)還可以使得L型臂13圍繞其頂端17上的樞 軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)軸被限定在處于檢査室天花板上的安裝裝置和L型臂13 之間。L型臂13的典型運(yùn)動是如圖5a所示地向左運(yùn)動90。，或如圖5c所 示地向右運(yùn)動90。。圖5b再次示出了整個(gè)系統(tǒng)的中立位。
所述的血管造影系統(tǒng)表示具有三個(gè)自由度的系統(tǒng)該三個(gè)自由度中的 兩個(gè)由C型臂11的可能運(yùn)動所定義，而另一個(gè)由L型臂13的旋轉(zhuǎn)所定義。 然而，這里所討論的方法不限于具有三個(gè)自由度的血管造影系統(tǒng)，其還適 用于傳統(tǒng)血管造影系統(tǒng)的C型臂的兩個(gè)自由度的運(yùn)動。在這種情況下，L 型臂13被認(rèn)為是固定的。利用這樣的設(shè)置，還可以利用血管造影系統(tǒng)(如 基底可移動血管造影系統(tǒng))的實(shí)施例來執(zhí)行本發(fā)明的方法，該可移動血管 造影系統(tǒng)沒有被安裝在房間的天花板上。
圖2示出了血管造影系統(tǒng)的典型結(jié)果。其是最優(yōu)視圖映射圖(OVM)。 OVM典型地是彩色的，其中每個(gè)像素表示在ROI中0-100°/。之間的重疊或 投影縮短值。OVM中的每個(gè)像素由兩個(gè)角度值表示 一對RAO/LAO，其 定義圖2的圖表中的x方向，以及一對CRAN和CAUD，其定義圖表中的 y軸。圖2是OVM的原始彩色圖的黑白轉(zhuǎn)換。根據(jù)圖2，在OVM中具有 淺色區(qū)域和深色區(qū)域。簡單地講，淺色區(qū)域表示具有較低血管投影縮短和/ 或重疊的區(qū)域，但更深色的區(qū)域表示具有較高值的投影縮短和/或重疊的區(qū) 域。
這意指針對給定的角度對，例如RAOLAO0。且CRAN=30°，對由血 管造影系統(tǒng)產(chǎn)生的二維投影圖像建立的三維模型的良好圖像重建得到的結(jié) 果與針對例如RAO100。且CRAN-30。的RAO/LAO和CRAN/CAUD組合
產(chǎn)生的淺色區(qū)域(其在圖2中由數(shù)字19表示)相比會差得多。
這對于醫(yī)師意味著如果他想得到C型臂血管造影系統(tǒng)的最優(yōu)位置以便 產(chǎn)生為診斷或治療目的的血管(例如冠狀動脈管)的最佳三維重建，他要將C型臂11定位在OVM中的白色區(qū)域內(nèi)的區(qū)域。
圖6a和圖6b示出了血管樹的三維模型的示例。圖6a是較差的示例，因?yàn)獒t(yī)師不能真正想象血管樹實(shí)際上看起來會怎樣。圖6b是圖像掃描生成的好得多的三維模型。在圖6b中三維模型由于非常小的減小后的投影縮短和重疊值，其能夠好得多地解釋實(shí)際冠狀動脈樹。
在該情況下，假定醫(yī)師想得到重建血管系統(tǒng)的三維模型的最佳可能圖像投影，圖6c中的白色十字21可以表示C型臂11的較差位置的RAO/LAO和CRAN/CAUD組合。產(chǎn)生如圖6b中所示的血管樹的三維模型與圖6c中的黑色十字23相關(guān)。其表示血管造影系統(tǒng)采集圖像的較好的位置以便得到血管樹的最佳可解釋的三維模型，因?yàn)槠渚哂行〉枚嗟耐队翱s短和重疊。
現(xiàn)在，參考圖7a-圖7e討論C型臂11的運(yùn)動和OVM的位置。由于L型臂13向左運(yùn)動90°， C型臂11的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動不表示其在LAO/RAO方向的旋轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@是針對L型臂13處于中立中間位置的情形。這是因?yàn)楸仨毟鶕?jù)ROI的病人視圖來解釋坐標(biāo)系。由于L型臂13的取向，C型臂ll末端的X射線發(fā)射機(jī)/探測器在從病人看去的CRAN/CAUD方向上運(yùn)動。因此通過使L型臂13運(yùn)動90°， LAO/RAO和CRAN/CAUD方向可相互交換。在圖7f的OVM上，這產(chǎn)生沿x軸的運(yùn)動，如由水平白色虛線所指示的。圖7c表示具有LAO/RAOO。和CRAN=CAUD=0°的OVM的中間點(diǎn)。圖7a和圖7e中的位置將標(biāo)識圖7f中白線的端點(diǎn)。
圖8f中示出了類似的結(jié)果，即OVM上的軌跡。這里L(fēng)型臂13再次處在中立中間位置。C型臂11作出滾轉(zhuǎn)運(yùn)動并且將其保持在固定于CAUD-30。處，同時(shí)C型臂11圍繞ROI執(zhí)行螺旋槳式運(yùn)動。這產(chǎn)生圖8f中OVM上的白色虛線。應(yīng)該注意，示出的位置大致是從RAO90。到LAO=90°，同時(shí)圖8f的圖表中示出了從RAO120。到LAO120。的線。但這沒有改變OVM上直線的基本原理。還應(yīng)該注意，C型臂ll的軌跡在明亮區(qū)域所指示的CAUD大約30°且LAO大約10°至20。處的幾乎沒有投影縮短和重疊的區(qū)域上運(yùn)動。然而，通過C型臂11的運(yùn)動在OVM上也經(jīng)過深色區(qū)域，因此通過使等式(2)最小化不能執(zhí)行最優(yōu)軌跡。
圖9a-圖9f示出了血管造影系統(tǒng)的C型臂在兩個(gè)自由度上的仿真組合運(yùn)動。在圖9a中，LAO大約90。且CRAN大約10°。 C型臂ll的運(yùn)動原則上產(chǎn)生圖9f中的白色虛線。應(yīng)該注意，圖9a-圖9e并不精確地與軌跡相關(guān)， 該軌跡產(chǎn)生圖9e中的白線，其以RAO120。開始，在CAUD大約30°時(shí)經(jīng) 過y軸并且以LAO120。且CRAN-CAUD-0。在圖9e的右側(cè)結(jié)束。然而， 重要的是要實(shí)現(xiàn)C型臂造影系統(tǒng)能運(yùn)行這樣的軌跡。還應(yīng)該注意，在圖9f 中白色虛線指示的血管造影系統(tǒng)的軌跡運(yùn)動經(jīng)過OVM的淺色區(qū)域和深色 區(qū)域。
這意指從最小的重疊和投影縮短的視角出發(fā)所選擇的軌跡不是最優(yōu) 的，因?yàn)檐壽E沒有經(jīng)過圖9f的OVM上的所有明亮區(qū)域。
在圖10f中這是不同的。這里根據(jù)圖10a-圖10e，白色虛線是C型臂 11的雙重運(yùn)動結(jié)果。C型臂血管造影系統(tǒng)的角運(yùn)動以如圖10f所示的經(jīng)過 OVM中多于一個(gè)白色區(qū)域的方式被操縱。
圖ll最終示出了C型臂ll的另一最優(yōu)軌跡25。所得到的軌跡或多或 少地僅在基礎(chǔ)OVM的白色區(qū)域運(yùn)動。其基本上從OVM左上側(cè)的象限1移 動經(jīng)過定義為OVM的左下象限的象限4，到定義為右下象限的象限3。軌 跡既不接觸也不接近由OVM中深色區(qū)域象征的高度重疊和/或投影縮短的 區(qū)域。那些區(qū)域中的一個(gè)示出為在所示出的OVM的象限2 (定義為右上象 限)的深色斑。圖表左側(cè)的標(biāo)度27解釋了重疊和域投影縮短的程度?？梢?看出，軌跡僅位于具有低于10%的重疊和投影縮短的區(qū)域。
如上所述，所得到的軌跡基于使等式(2)最小化的本發(fā)明的理念。當(dāng) 然該計(jì)算必須考慮實(shí)際血管造影系統(tǒng)的物理上的限制因素。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)39，以執(zhí)行根據(jù) 本發(fā)明的示例性實(shí)施例的方法。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的軟件可使計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行本發(fā)明的示例性實(shí)施例的方法步驟，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括用于 所有處理目的的中央處理單元29、輸入輸出設(shè)備31、主存儲器33、大容量 存儲器35和控制單元37。該輸入/輸出設(shè)備31典型地包括用于輸入命令到 該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的鍵盤和諸如計(jì)算機(jī)屏幕或任何其他顯示器的可視化設(shè)備。 主存儲器33與CPU —起工作并支持該CPU同時(shí)存儲用于CPU或數(shù)據(jù)值的 可執(zhí)行命令。這些組件的設(shè)置等價(jià)于本領(lǐng)域熟知的馮4若依曼計(jì)算機(jī)。大容 量存儲器37可以存儲如從C型臂X射線系統(tǒng)所得到或接收的圖像數(shù)據(jù)的海 量數(shù)據(jù)或任何其他數(shù)據(jù)、命令和程序代碼。并不是經(jīng)典馮，諾依曼計(jì)算機(jī)的部分的任選控制單元可以控制C型臂X射線系統(tǒng)的引擎和其他設(shè)備或從各 個(gè)探測器接收數(shù)據(jù)。由此可以控制和監(jiān)控X射線血管造影系統(tǒng)的C型臂的
運(yùn)動。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)39還可以與支持X射線血管造影師的必需的其他電子設(shè) 備具有通信鏈路。這些通信鏈路可以連接到輸入/輸出設(shè)備31或控制單元 37。連接到其他電子系統(tǒng)的其他連接類型是任選的并且在本領(lǐng)域是熟知的。
應(yīng)該注意，術(shù)語"包括"不排除其他元件或步驟，并且"一"或"一" 不排除多個(gè)。結(jié)合不同實(shí)施例描述的元件還可以進(jìn)行組合。還應(yīng)該注意， 權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)該被解釋為限制權(quán)利要求的范圍。
為了概括本發(fā)明的上述各實(shí)施例，可以陳述為中心理念是從已知的 最優(yōu)視圖映射圖開始，確定C型臂血管造影系統(tǒng)或3D-RA系統(tǒng)的軌跡。經(jīng) 過OVM的C型臂11的軌跡以僅經(jīng)過具有最小的投影縮短和重疊的區(qū)域的 方式被操縱。這最終產(chǎn)生用于冠狀動脈樹或其他血管或其部分的三維重建 的最可能的圖像投影或二維圖像投影以用于治療。
權(quán)利要求
1、一種用于為C型臂X射線系統(tǒng)針對血管狀結(jié)構(gòu)確定旋轉(zhuǎn)X射線血管造影的最優(yōu)軌跡(25)的方法，其中，所述C型臂X射線系統(tǒng)的C型臂具有至少兩個(gè)自由度，所述自由度由以右冠狀動脈斜角或左冠狀動脈斜角α表示的所述C型臂(11)的螺旋槳式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，和以后側(cè)角或前側(cè)角β表示的所述C型臂(11)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動所定義，所述方法包括下列步驟(a)生成感興趣區(qū)域內(nèi)的體血管中心線的三維表示；(b)生成最優(yōu)視圖映射圖和/或選擇由臨床醫(yī)生確定的優(yōu)選視角；并且(c)計(jì)算最優(yōu)軌跡(25)，其中，最優(yōu)軌跡(25)至少由所述C型臂(11)在其至少兩個(gè)自由度內(nèi)的運(yùn)動所定義，所述軌跡使得圖像投影具有最小的投影縮短和/或重疊，同時(shí)使感興趣區(qū)域?qū)射線的暴露最小化。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，計(jì)算最優(yōu)軌跡(25)的所述步驟 包括使下列等式最小化的步驟<formula>formula see original document page 2</formula>其中K是加權(quán)系數(shù)； i是加權(quán)系數(shù)；(X是所述左冠狀動脈斜角或所述右冠狀動脈傾斜角的角度值； P是所述后側(cè)角或所述前側(cè)角的角度值； /(a，|3)是與血管投影縮短相關(guān)的函數(shù)；并且 0 (a,p)是與血管重疊相關(guān)的函數(shù)。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述加權(quán)系數(shù)K和X滿足下列等式<formula>formula see original document page 2</formula>
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，生成感興趣區(qū)域的中心線的三維 表示的所述步驟包括基于兩個(gè)或更多個(gè)采集的投影圖像的建模方法。
5、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，生成感興趣區(qū)域的中心線的三維 表示的所述步驟包括基于預(yù)采集的不同模態(tài)的圖像數(shù)據(jù)集的建模方法。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述不同的模態(tài)從包括計(jì)算機(jī)斷 層圖和磁共振數(shù)據(jù)的組中選出。
7、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，生成感興趣區(qū)域的中心線的3D 表示的所述步驟包括以基于非最優(yōu)采集軌跡預(yù)采集的三維旋轉(zhuǎn)血管造影圖 像為基礎(chǔ)的建模方法。
8、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，生成感興趣區(qū)域的中心線的3D 表示的所述步驟包括基于表示平均的人體冠狀動脈的體模的建模方法。
9、 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述體模從包括Dudge模型的一 組體模中選出。
10、 一種X射線C型臂系統(tǒng)，具有C型臂，其具有至少兩個(gè)自由度，所述自由度由以左冠狀動脈斜角或 右冠狀動脈斜角a表示的所述C型臂(11)的螺旋槳式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，和以后 側(cè)角或前側(cè)角P表示的所述C型臂(11)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動所定義；至少一個(gè)馬達(dá)，用于所述C型臂在其至少兩個(gè)自由度內(nèi)的運(yùn)動；以及控制單元，用于控制所述至少一個(gè)馬達(dá)，從而使所述C型臂的所述運(yùn) 動表示最優(yōu)軌跡(25);其中，控制單元適用于基于下列步驟來確定所述最優(yōu)軌跡(25): U)生成感興趣區(qū)域內(nèi)的體血管中心線的三維表示；(b) 生成最優(yōu)視圖映射圖；以及(c) 計(jì)算所述C型臂運(yùn)動的所述最優(yōu)軌跡(25)，所述軌跡使得圖像投影具有最小投影縮短和/或重疊，同時(shí)使感興趣區(qū)域?qū)射線的暴露最小 化。
11、 一種為C型臂(13) X射線系統(tǒng)確定三維旋轉(zhuǎn)X射線冠狀動脈血 管造影的最優(yōu)軌跡(25)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中，所述C型臂X射線系統(tǒng)的 C型臂具有至少兩個(gè)自由度，所述自由度由以左冠狀動脈斜角或右冠狀動 脈斜角oc表示的所述C型臂(11)的螺旋槳式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，和以后側(cè)角或前 側(cè)角P表示的所述C型臂(11)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動所定義，其中，所述計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)適用于通過至少執(zhí)行下列步驟來確定所述C型臂(13)的所述最優(yōu)軌跡(25):(a) 生成感興趣區(qū)域內(nèi)的體血管中心線的三維表示；(b) 生成最優(yōu)視圖映射圖；以及(c) 計(jì)算所述C型臂(11)的所述最優(yōu)軌跡(25)，所述軌跡使得圖 像投影具有最小投影縮短和/或重疊，同時(shí)使感興趣區(qū)域?qū)射線的暴露最 小化。
12、 一種在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其用于為C型臂(11) X射線系統(tǒng)確定三維旋轉(zhuǎn)X射線冠狀動脈血管造影的最優(yōu)軌跡(25)，其中， 所述C型臂X射線系統(tǒng)的C型臂具有至少兩個(gè)自由度，所述自由度由以左 冠狀動脈斜角或右冠狀動脈斜角a表示的所述C型臂(11)的螺旋槳式旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動，和以后側(cè)角或前側(cè)角(3表示的所述C型臂(11)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動所定 義；其中，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品適用于使所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行下列步驟以 確定所述C型臂(11)的所述最優(yōu)軌跡(25):(a) 生成感興趣區(qū)域內(nèi)的體血管中心線的三維表示；(b) 生成最優(yōu)視圖映射圖；以及(c) 計(jì)算所述C型臂(13)的所述最優(yōu)軌跡(25)，所述軌跡使得圖 像投影具有最小投影縮短和/或重疊，同時(shí)使感興趣區(qū)域?qū)射線的暴露最 小化。
13、 一種用于存儲如權(quán)利要求12所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
全文摘要
描述了一種為C型臂X射線系統(tǒng)確定三維旋轉(zhuǎn)X射線冠狀動脈血管造影的最優(yōu)軌跡(25)的方法。該C型臂X射線系統(tǒng)具有至少兩個(gè)自由度。它們由以左/右冠狀動脈斜角表示的C型臂(11)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和以后側(cè)角/前側(cè)角表示的C型臂(11)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動所定義。該方法依次按順序下述步驟。首先，執(zhí)行感興趣區(qū)域內(nèi)體血管中心線的三維表示的生成。其次，生成至少一個(gè)最優(yōu)視圖映射圖。最后，在最優(yōu)視圖映射圖內(nèi)確定X射線系統(tǒng)的最優(yōu)軌跡(25)，其中最優(yōu)軌跡(25)至少由C型臂在其兩個(gè)自由度內(nèi)的運(yùn)動所確定，該軌跡使得圖像投影具有最小的投影縮短和/或重疊，同時(shí)使對X射線的暴露最小化。
文檔編號A61B6/00GK101594824SQ200780024261
公開日2009年12月2日 申請日期2007年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月28日
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