專利名稱：一種血管三維重建及虛擬支架置入的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及醫學影像診斷領域的X射線血管造影術，特別應用于心臟冠狀動脈導管插入、診斷和介入治療中，具體指利用C型臂X射線造影系統在兩個不同造影角度上用固定采集方法獲得的血管圖像，重建出血管的三維模型，然后通過該三維模型對血管病變如狹窄等進行分析，并在血管三維模型上進行虛擬血管支架置入的一種方法和系統。
背景技術：
隨著醫學的不斷發展，冠狀動脈介入治療冠心病在臨床上得到了廣泛的應用。冠狀動脈造影術利用穿刺針經皮穿刺動脈血管(股動脈或橈動脈)后置入細小造影導管于心臟冠狀動脈開口處，然后注入造影劑使冠狀動脈在X射線下顯影，這樣能較為明確地揭示冠狀動脈的解剖畸形及其阻塞性病變的位置、程度及范圍，為下一步治療(藥物治療方案的確定、能否可以施行冠狀動脈成形術(PTCA)及冠脈內支架術重新疏通病變冠狀動脈血管、還是需要外科搭橋手術)做準備。
血管造影術利用C型臂X射線造影系統提供給臨床醫生常規二維平面血管造影圖像(參見圖1)，提供的醫療信息往往有限，而利用二維造影圖像重建三維血管模型之后，可以提供更加豐富的醫療信息(參見圖3)，有利于病情的定量描述和診斷，并且可對病變部位進行任意角度觀察，為臨床醫生提供了一種更為直觀判斷血管病變和預計介入治療中所用到的支架型號的手段，可指導冠心病等的介入治療。
最常用的應用于醫學圖像領域的三維重建方法是基于體繪制的重建，它的基本原理是利用光線穿越半透明物質時能量的吸收/耗散原理，直接對數據進行整體的色彩合成，生成可視圖。但由于患者心臟跳動和呼吸運動，使得利用常規CT或DSA設備得到的數據進行直接體重建較難獲得血管的精確表達，即使能夠進行合適的體重建也需要獲得更多的造影圖像，這勢必使患者接受更多劑量的造影劑和X射線輻射，因此急需一種能降低放射劑量而不降低成像質量的重建方法。
本發明所涉及的血管三維表面重建利用兩個不同造影角度上的造影圖像，依據三維透視投影原理，經過幾何投影變換及相關算法，最終采用OpenGL重建出血管的三維模型(圖2)。該重建方法只需要在兩個不同造影位上采集血管的兩幅造影圖像，即可重建出血管的三維模型，簡化了臨床醫生進行血管造影術的過程，同時也減少了患者接收X射線輻射強度和造影劑劑量。
血管支架術是將金屬支架置入病變的血管內，支撐其管壁，保持血管血流通暢。在進行血管內支架置入操作時，首先要實行血管造影檢查，以明確病變的性質、部位及程度并選擇合適的適應癥，然后根據病變特點選擇適當的支架，包括支架的類型、直徑及長度等指標。通常若一個或單節不夠時可將兩個支架重疊或采用多節式支架。置入支架時應注意支架的準確定位，成功的支架置入應使支架準確置于狹窄段，且覆蓋病變的上下端。由此可見血管支架植入術取得成功的關鍵是正確選擇合適的置入支架。以前，臨床醫生一般是在二維造影圖像上利用一些二維血管分析手段來分析血管的病變程度及所需支架的型號，由于二維造影圖像所提供的幾何信息非常有限，往往不能真實反應血管的實際情況，這勢必為準確的估計所用支架的型號帶來困難。
本發明所涉及的虛擬血管支架置入方法由于是在三維血管模型上進行的(參見圖4)，可模擬顯示出支架置入后的位置、大小是否合適、支架貼壁情況、封閉部位是否合適；可以反復更換支架直到支架型號合適，由此作為支架置入的手術參考，保證手術取得良好的治療效果。虛擬血管支架置入方法是一種輔助醫生有效選擇血管支架，指導臨床介入治療的手段。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種血管三維重建方法，簡化了獲得臨床有用重建的方法，在保證成像質量的前提下，減少了患者注入造影劑和接受X射線輻射的劑量。
本發明所要解決的另一技術問題在于提供一種虛擬支架置入方法，根據在血管三維模型上所做的狹窄分析，指導醫生合理選取支架型號和放置方式，并且顯示出不同放置方式所表現出的支架變形效果，降低了因支架脫落等引起的臨床風險。
本發明所提供的一種血管三維重建方法其特點在于，包括如下步驟雙平面造影圖像選取步驟，造影圖像由導管機(C型臂)采用固定方式采集，理論上只要造影血管輪廓清晰，通過任意兩幅不同造影角度的血管造影圖像都可重建出血管三維模型，但由于算法實現上計算精度的限制，實際上所用的兩幅血管造影圖像的夾角在60-120度之間；關鍵幀選取步驟，由于導管機采集圖像的時間至少要持續一個心動周期，選擇關鍵幀中的血管輪廓要求位置和形態對應；二維血管識別輪廓步驟，首先利用至少三個點定義一根血管，然后采用區域增長法識別出該段血管；三維血管重建步驟，采用表面重建法實現。
上述三維重建方法，其特點在于該方法適用于冠狀動脈血管的三維重建，同樣適用于其它血管(腎動脈、股動脈、下腔靜脈等)的三維重建，下文的描述和附圖僅闡述了冠狀動脈血管應用本發明方法的實例，它不應被解釋為對本發明的限制。
上述三維重建方法，其特點在于選擇兩個不同造影角度的造影圖像，并根據透視投影原理和兩幅造影圖像之間的幾何變換關系建立雙平面血管造影系統的投影模型。
上述三維重建方法，其特點在于生成血管三維模型的步驟是先得到血管中心線及中心線上各點處的截面輪廓數據，然后采用相鄰輪廓線同步前進法構造血管表面三角形面片實現血管的表面重建。
上述三維重建方法，其特點在于選擇造影面圖像關鍵幀的方法，該方法結合心臟周期運動的相位標記曲線ECG信號曲線及在不同圖像中人眼可區分的標記點所對應標識線來綜合考慮兩個造影圖像的對應幀，最大限度減少了造影圖像獲得過程中由于造影血管運動所帶來的誤差。
上述三維重建方法，其特點在于在造影過程中為了得到最佳的視野常常需要移動床位，利用在不同圖像中人眼可區分的標記點所對應標識線能消除造影過程中床移對三維重建模型所帶來的偏差。
上述三維重建方法，其特點在于對于興趣血管部分，特別是分叉血管的標記方法，該方法利用至少三個標記點來確定感興趣的血管部分，當標記分叉血管時，只需標記出分叉血管的末端即可。
上述三維重建方法，其特點在于一幅造影面圖像中用來標識興趣血管部分的至少三個標記點在另一幅造影面圖像中包含對應標識線，用于標識興趣血管部分的至少三個標記點必在對應標識線上。
上述三維重建方法，其特點在于血管三維重建后可任意調整視角來觀察血管三維模型，也可對三維模型進行任意縮放。
本發明所提供的一種虛擬支架置入方法其特點在于，包括如下步驟狹窄病變分析步驟，在重建后的三維重建圖像中進行血管狹窄分析；支架選取步驟，根據分析的數據選取放置支架的規格；模擬支架放置步驟；效果顯示步驟，顯示虛擬支架放置后的效果。
上述虛擬支架置入方法，其特點在于包括一個指示狹窄的橫斷面和兩個參考橫斷面，可通過調整狹窄橫斷面和參考橫斷面的位置來確定狹窄的位置并由此計算狹窄病變信息(狹窄直徑、狹窄面積、狹窄長度、斑塊體積、直徑狹窄率、截面狹窄率、容積狹窄率、狹窄對稱度、長短直徑比)。
上述虛擬支架置入方法，其特點在于可將虛擬支架放置到血管上，并調整其尺寸和其在血管上的位置。
上述虛擬支架置入方法，其特點在于虛擬支架放置到血管上后，可以模擬不同放置方式(Culotte\Kissing\Crush\Tshape)下支架的擠壓變形情況。
本發明還提供一種血管三維重建及虛擬支架置入的系統，其特點在于，包括雙平面造影圖像選取模塊，要求兩幅血管造影圖像的夾角在60-120度之間；關鍵幀選取模塊，必須在一個心動周期內且血管輪廓要求位置和形態對應；二維血管輪廓識別模塊，采用至少三個點定義一根血管，區域增長法提取輪廓數據；三維血管重建步驟，采用表面重建方法；狹窄病變分析模塊，在重建后的三維圖像中進行；支架選取模塊，根據分析的數據選取放置支架的規格；模擬支架放置模塊；效果顯示模塊，顯示虛擬支架放置后的效果。
上述三維重建及虛擬支架置入系統，其特點在于還包括一個圖像導入模塊，用于病人的血管造影圖像輸入系統。
上述三維重建及虛擬支架置入系統，其特點在于還包括一個顯示模塊，用于將所有模塊的操作說明及結果進行顯示，包括圖像、文字和數據。
上述三維重建及虛擬支架置入系統，其特點在于還包括一個存儲模塊，用于保存重建結果、狹窄分析結果和虛擬支架放置結果和DICOM圖像。
上述三維重建及虛擬支架置入系統，其特點在于二維血管輪廓識別模塊中包括了對于二維分支血管輪廓的識別。
上述三維重建及虛擬支架置入系統，其特點在于三維血管重建模塊中包括了實際血管和參考正常血管的重建。
上述三維重建及虛擬支架置入系統，其特點在于三維血管重建模塊中包括了三維圖像的多視角觀察功能。
本發明的功效如下1、實現了利用雙平面血管造影圖像進行血管的三維重建。它只需要在兩個不同造影位上采集血管的兩幅造影圖像，即可重建出三維模型，簡化了臨床醫生血管造影術的過程，也減少了患者接收X射線輻射強度和造影劑劑量。同時血管的三維模型可以提供更加豐富的醫療信息，有利于病情的定量描述和診斷，并可指導冠心病等疾病的介入性治療。
2、虛擬顯示臨床支架置入的效果。在血管三維模型上進行狹窄分析，利用其結果選取相應支架，模擬顯示出支架置入后的位置、大小是否合適、支架貼壁情況、封閉部位是否合適，能更好地指導臨床血管內介入治療的操作，規避手術中的風險。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖1是根據本發明方法的二維血管輪廓識別示意圖。
圖2是根據本發明方法的三維重建結果示意圖。
圖3是根據本發明方法的狹窄分析結果示意圖。
圖4是根據本發明方法的虛擬支架放置示意圖。
圖5是根據本發明方法的實施步驟流程圖。
具體實施例方式
整個發明的實施方式可圍繞圖5所示的流程圖來展開說明。步驟501是利用導管機得到血管的數字化造影圖像系列，這是本發明實施的前提。由于醫生通常會在若干個不同的體位實施造影，以便獲得血管不同部位更清晰的圖像，所以對于同一患者通常會有一系列的造影圖像，并且每一個體位上的造影圖像都由若干個連續造影幀組成，這些造影幀保存了血管在至少一個心動周期內的變化情況。步驟502為導入同一患者的造影圖像系列到本發明實施的系統備用，以下各步驟都是圍繞著這些造影圖像來進行的。接著先后實施步驟503和步驟504，即選定造影面(一)或造影面(二)作為當前具有輸入焦點的造影面。這里所謂的造影面是指用于采集血管輪廓二維數據的造影圖像所在的平面，也即一個造影體位對應一個造影面。步驟505分別往這兩個造影面中導入一個造影圖像，這兩個圖像必須滿足造影夾角在60-120度之間，這由步驟506來判斷。同時還必須滿足其上的興趣部分血管段在可視區域內，這由步驟507來判斷。由于在不同體位所獲得的造影圖像中的興趣部分血管段有可能不同(例如一個是前降支，一個是回旋支)，因此有必要通過步驟507來篩選使得兩造影面中的圖像興趣部分血管段為同一段血管。之后步驟508針對每一個造影面圖像選取關鍵造影幀。關鍵造影幀必須滿足其上興趣部分血管輪廓清晰無重影現象，即保證能夠正確識別出來，這由步驟509來判斷，這是由于患者心臟跳動和呼吸運動的影響，在一個心動周期內所采集到的血管的位置是變化的，通常選擇在舒張末期時的一幀圖像上標識血管輪廓。一旦有某個造影面中的圖像不滿足步驟506、507、509其中的一個條件，則相應返回到步驟503(造影面(一)中圖像不滿足)，或是步驟504(造影面(二)中圖像不滿足)，重新選擇和裝載造影圖像。
接下來的工作便是在選定的造影面圖像中進行。在步驟510中，分別在兩個造影面圖像關鍵幀上用至少三個點(106)標識一根血管，該段血管被默認為主干血管(104)。標識的順序是首先標記分叉/狹窄點，然后在標記血管的兩個端點(起點和終點)，當標識完畢后系統將自動識別出該段血管實際輪廓線(102)和理論輪廓線(101)(參見圖1)。接著切換到另一個造影面圖像關鍵幀上也按照相同的順序標識血管，在點選標識點之前，系統會給出標識導引線(103)，它將指示出與前一個造影面圖像關鍵幀上的標識點所能夠對應的全部點的集合，理論上這將是一條直線，與前一個造影面圖像關鍵幀上的標識點相對應的標識點即在標識導引線與興趣血管段的交叉位置上。由于臨床醫生在采集造影圖像時為了將感興趣部分血管段移動到視野中來，一般會在造影過程中移動床位，這造成的直接后果是標識導引線與感興趣血管段明顯不是對應點位置，這時就要利用人眼可區分的標記點，計算出標識導引線的偏移量。步驟511判斷是否有分叉血管，如果有分叉血管則執行步驟512標記分叉血管，在分叉血管上點選一個標識點作為終點，系統即可自動依據起點一分叉點一分叉終點識別出分叉血管(105)輪廓(參見圖1)，如果沒有分叉血管，則跳過步驟512直接進入步驟513進行三維重建階段。本發明采用的是三維表面重建方法，首先重建出血管骨架(即中心線)，在血管骨架上選取等間距的一系列點，計算這些點上血管橫斷面輪廓，利用相鄰輪廓線同步前進法生成血管表面三角形面片，進而構成血管表面三維模型(201)(參見圖2)。
當血管三維重建結束以后，便可進行步驟514血管狹窄交互分析了，改變參考橫斷面(203)及狹窄橫斷面(202)在血管上的位置，得到相應的狹窄分析結果，包括狹窄直徑、狹窄面積、狹窄長度、斑塊體積、直徑狹窄率、截面狹窄率、容積狹窄率、狹窄對稱度、長短直徑比等(參見圖3)，通過這些信息醫生可以定量地分析血管病變的程度。以上各狹窄分析項簡要的計算方法如下狹窄直徑狹窄橫斷面處血管的當量直徑(假設血管橫斷面為圓形)；狹窄面積狹窄橫斷面處血管的橫截面積；狹窄長度兩個參考橫斷面所夾血管的長度；斑塊體積兩個參考橫斷面所夾參考血管體積與實際血管體積之差；直徑狹窄率狹窄橫斷面處實際血管當量直徑與參考血管當量直徑之比。
截面狹窄率狹窄橫斷面處實際血管橫截面積與參考血管橫截面積之比。
容積狹窄率兩個參考橫斷面所夾實際血管體積與參考血管體積之比；狹窄對稱度狹窄橫斷面處實際血管橫截面與參考血管橫截面的中心距與參考血管的當量直徑之比；長短直徑比狹窄橫斷面處實際血管橫截面的最短直徑與最長直徑比。
步驟515為虛擬支架置入，這在當血管狹窄分析所得出的結論提示有必要進行支架置入術時進行，將虛擬支架用置于到血管上方，則支架自動與血管走向相吻合，調整虛擬支架的位置、長度及直徑，觀察其是否與血管匹配，選擇不同的支架放置方式{(Culotte(401)、Kissing(402)、Crush(403)、Tshape(404)}，相應的虛擬支架顯示不同放置方式情況下的變形結果(參見圖4)。當選擇好支架放置方式及確定了支架的型號，可將結果以DICOM圖像的形式保存到數據庫中，這在步驟516中完成。最后進入步驟517結束整個實施流程。
權利要求
1.一種血管三維重建及虛擬支架置入方法，其特征在于，虛擬支架置入過程是建立在血管三維表面重建基礎上的；同時，三維重建的原始數據為血管造影機采集的、在一個心動周期內，夾角范圍在60-120度之間且血管輪廓的位置和形態對應的兩幅造影圖像。
2.一種血管三維重建方法，其特征在于，包括如下步驟雙平面造影圖像選取步驟，所選的兩幅冠脈造影圖像的夾角應在60-120度之間；關鍵幀選取步驟，兩個造影面選定的關鍵幀中的血管輪廓要求位置和形態對應；二維血管輪廓識別步驟，首先利用至少三點定義一根血管，然后采用區域增長法得到血管輪廓數據，并且血管識別后的輪廓數據包括真實血管輪廓數據和參考血管輪廓數據；三維血管模型重建步驟，采用表面重建法實現。
3.一種虛擬支架置入方法，其特征在于，包括如下步驟狹窄病變分析步驟，根據在血管三維模型上利用一個狹窄橫斷面和兩個參考橫斷面對血管進行狹窄分析；支架選取步驟，根據血管狹窄分析選取放置的支架規格；模擬支架放置步驟，在計算機營造的虛擬三維空間中，模擬血管支架放置過程；效果顯示步驟，以人可讀方式顯示出支架不同放置方式所表現出的變形效果。
4.權利2要求的血管三維重建方法，其特征在于該方法適用于冠狀動脈血管的三維重建，同樣適用于其它血管(腎動脈、股動脈、下腔靜脈等)的三維重建。
5.權利2要求的血管三維重建方法，其特征在于所用的兩幅造影圖像的最佳夾角范圍在60-120度之間。
6.權利2要求的血管三維重建方法，其特征在于造影圖像由導管機(C型臂)采用固定方式采集，采集圖像的時間至少要持續一個心動周期。
7.權利2要求的血管三維重建方法，其特征在于關鍵幀的選取方法結合了心臟周期運動的相位標記曲線ECG信號曲線及在不同圖像中人眼可區分的特征點所對應標識線來綜合考慮兩個造影圖像的對應幀。
8.權利2要求的血管三維重建方法，其特征在于通過在不同圖像中人眼可區分的特征點所對應標識線消除了由于造影過程中可能的床位移動所帶來的三維重建模型偏差影響。
9.權利2要求的血管三維重建方法，其特征在于二維血管輪廓識別前采用至少三點標記感興趣的血管部分，這三個點分別表示興趣血管的起點和終點及分叉(或狹窄)位置點(如果有的話)，標記順序依次是分叉/狹窄點—起點—終點。當標記分叉血管時，只需再標記出分叉血管的終點即可。
10.權利2要求的血管三維重建方法，其特征在于一幅造影面圖像中用來標識感興趣血管部分的至少三個標記點在另一幅造影面圖像中包含對應標識線，用于標識感興趣血管部分的至少三個標記點必在對應標識線上。
11.權利2要求的血管三維重建方法，其特征在于以區域增長的方式沿著三個標記點的方向對二維血管輪廓進行識別。
12.權利2要求的血管三維重建方法，其特征在于利用兩個造影面上的二維血管輪廓識別數據，完成血管模型表面三維重建，并且以人可讀方式顯示三維重建結果；
13.權利2要求的血管三維重建方法，其特征在于選擇兩個不同造影角度的造影圖像，并根據透視投影原理和兩幅造影圖像之間的幾何變換關系建立雙平面血管造影系統的投影模型。
14.權利2要求的血管三維重建方法，其特征在于生成血管三維模型的步驟是先得到血管中心線及中心線上各點處的截面輪廓數據，然后采用相鄰輪廓線同步前進法構造血管表面三角形面片實現血管的表面重建。
15.權力3要求的一種虛擬支架置入方法，其特征在于包括一個指示狹窄的橫斷面和兩個參考橫斷面，可通過調整狹窄橫斷面和參考橫斷面的位置來確定狹窄的位置并由此計算狹窄病變信息(狹窄直徑、狹窄面積、狹窄長度、斑塊體積、直徑狹窄率、截面狹窄率、容積狹窄率、狹窄對稱度、長短直徑比)。
16.權力3要求的一種虛擬支架置入方法，其特征在于可將虛擬支架放置到血管上，并調整其尺寸和其在血管上的位置。
17.權力3要求的一種虛擬支架置入方法，其特征在于虛擬支架放置到血管上以后可模擬不同放置方式(Culotte\Kissing\Crush\Tshape)下支架的擠壓變形情況。
18.一種血管三維重建及虛擬支架置入的系統，其特征在于，包括如下模塊雙平面造影圖像選取模塊，要求兩幅血管造影圖像的夾角在60-120度之間；關鍵幀選取模塊，必須在一個心動周期內且血管輪廓要求位置和形態對應；二維血管輪廓識別模塊，選擇至少三個點定義一根血管，利用區域增長法得到輪廓數據；三維血管重建步驟，采用表面重建方法；狹窄病變分析模塊，在重建后的三維圖像中進行；支架選取模塊，根據分析的數據選取放置支架的規格；模擬支架放置模塊；效果顯示模塊，顯示虛擬支架放置后的效果。
19.權力要求18中的血管三維重建及虛擬支架置入系統，其特征在于還包括一個圖像導入模塊，用于病人的血管造影圖像輸入系統。
20.權力要求18中的血管三維重建及虛擬支架置入系統，其特征在于還包括一個顯示模塊，用于將所有模塊的操作說明及結果進行顯示，包括圖像、文字和數據。
21.權力要求18中的血管三維重建及虛擬支架置入系統，其特征在于還包括一個存儲模塊，用于保存重建結果、狹窄分析結果和虛擬支架放置結果和DICOM圖像。
22.權力要求18中的血管三維重建及虛擬支架置入系統，其特征在于二維血管輪廓識別模塊中包括了對于二維分支血管輪廓的識別。
23.權力要求18中的血管三維重建及虛擬支架置入系統，其特征在于三維血管重建模塊中包括了實際血管和參考正常血管的重建。
24.權力要求18中的血管三維重建及虛擬支架置入系統，其特征在于三維血管重建模塊中包括了三維圖像的多視角觀察功能。
全文摘要
本發明涉及一種血管三維重建及虛擬支架置入的方法和系統，包括如下步驟雙平面造影圖像選取步驟(505)；關鍵幀選取步驟(508)；二維血管輪廓識別步驟(510)；三維血管重建步驟(513)；支架選取步驟；模擬支架放置步驟(515)；放置效果顯示步驟。本發明實現了一種利用雙平面造影圖像進行三維表面模型重建的方法，在保證成像質量的前提下，減少了患者注入造影劑和接受X射線輻射的劑量；同時提供一種在血管三維模型基礎上進行虛擬血管支架置入方法，可指導醫生合理選取支架型號和放置方式，并且預見不同放置方式下的效果，降低了臨床手術中的風險。
文檔編號A61F2/82GK1871998SQ200610011758
公開日2006年12月6日 申請日期2006年4月20日 優先權日2006年4月20日
發明者付玉錦, 王民漢, 周宇 申請人:北京思創貫宇科技開發有限公司