CN101674774B - 使用低剂量钙化积分扫描的冠状动脉选择性钙分配 - Google Patents
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Abstract
描述了一种通过计算机断层摄影来进行冠状动脉选择性钙分配的方法，其中该方法包括以下步骤：执行低X射线剂量心脏钙化积分扫描；获得所述心脏钙化积分扫描的数据集；根据所述心脏钙化积分扫描的数据集生成重建图像；针对分割出的钙沉积分析重建图像；根据该分析导出钙化的数据集，其中心脏模型适应于重建图像，从而可以将分割出的钙沉积分配给心脏的特定区域。此外，描述了一种用于执行根据本发明方法的通过计算机断层摄影来进行冠状动脉选择性钙分配的方法的设备(100)，其中该设备(100)包括：CT单元(10)，用于执行低X射线剂量心脏钙化积分扫描；采集单元(20)，用于获得所述心脏钙化积分扫描的数据集；生成单元(30)，用于根据所述心脏钙化积分扫描的数据集生成重建图像；分析单元(40)，用于针对分割出的钙沉积分析重建图像；导出单元(50)，用于根据该分析导出钙化的数据集。
Description
技术领域
本发明涉及计算机断层摄影领域，尤其涉及使用计算机断层摄影(CT)的冠状动脉选择性钙分配的领域。
背景技术
钙化积分是心脏计算机断层摄影的主要指示之一。以前瞻性或者回顾性门控来执行计算机断层摄影扫描并且没有造影剂的应用。钙化积分解释为冠状动脉疾病的风险系数之一。此外，对于大量的临床用户，由这些扫描得到的高钙化积分是不执行随后的具有造影剂注射的冠状动脉扫描，而直接对患者进行心脏导管插入术的指示。然而，除了从CT扫描导出的高钙化积分之外，在随后的基于导管的介入期间不使用CT信息。
因而，可能需要使用CT扫描的数据并将这些数据分配给选择性的冠状动脉钙化。
发明内容
这个需要可由根据独立权利要求的主题实现。通过从属权利要求来描述本发明的有益实施例。
根据本发明的第一方面，提供通过计算机断层摄影来进行冠状动脉选择性钙分配的方法，其中该方法包括以下步骤：执行低X射线剂量心脏钙化积分扫描；获得所述钙化积分扫描的数据集；根据所述心脏钙化积分扫描的数据集生成重建图像；针对分割出的钙沉积分析重建图像；根据该分析导出钙化的数据集，并且其中心脏模型适应于所述钙化积分扫描的数据集从而可以将分割出的钙沉积分配给心脏的特定区域。
在该表述下，通过计算机断层摄影来进行的冠状动脉选择性钙分配优选理解为根据计算机断层摄影扫描(CT扫描)，心脏的冠状动脉的钙化可以借助于适当的心脏模型被分配给解剖学实体。
计算机断层摄影，也被称为CT扫描，使用X射线管和探测器来获得身体的任何部分的多个X射线图像。该图像比传统X射线观察方法所提供的那些图像更为详细。此外，CT可以显示很多不同类型的组织，包括血管。现代扫描器使用称为螺旋形或者螺旋状CT的技术来从很多角度和z位置(沿着旋转轴的位置)获得图像。这些图像的计算机化处理创建了感兴趣区域的横截面，或者切片。然后可以在计算机监视器上研究该图像或者将其打印出来。
作为CT设备可以使用多切片CT、锥束CT、电子束CT或者3D-RA设备，各个C臂CT系统。
用于钙化积分的心脏CT是获得关于冠状动脉(提供氧气-传输血液给心壁的血管)中的钙化斑块的位置和范围的信息的非侵入性方式。斑块可以是脂肪和其它物质，包括钙，的累积，其迟早可以使动脉变窄或者甚至堵塞了血液向心脏的流动。该结果可是胸腔中痛苦的心绞痛或者心脏病发作。钙化斑块沉积是冠状动脉疾病的指示。表现为钙化积分，特别是Agatston积分或者体积积分的心脏CT中的发现，可帮助决定可以执行什么措施以避免这些事件。这个测试的另一名称是冠状动脉钙化积分。
将执行低X射线剂量心脏钙化积分扫描的步骤优选理解为使用CT执行扫描。这样的CT扫描优选是不使用造影剂而执行的，也即没有造影剂注入患者的心脏。在这样的扫描期间的X射线剂量优选大约是在1和10mSv之间，最优选的低X射线剂量是大约4,5mSv。准确的剂量值取决于所选择的协议和患者的体型。
将获得所述钙化积分扫描的数据集的步骤理解为获得心脏和钙化冠状脉的数据形式的信息，其中在另外的步骤中分析这些数据并用于对心脏(心)模型的调整，另见下文。所述心脏钙化积分扫描的数据集固有地包含了心脏和冠状脉的数据。
将根据所述心脏钙化积分扫描的数据集生成重建图像的步骤优选理解为由CT扫描获得的数据经由适当的硬件和/或软件进行处理，如在CT技术领域中所已知的。
CT扫描的图像可以由所述硬件和/或软件重建。其中，对于当前具有多个探测器行并以回顾性心电图门控螺旋采集模式运行的高端扫描器而言，用于螺旋几何的锥束重建方法可以最适合于图像体积的生成(见Grass等，“Helical cardiac cone beam reconstruction using retrospective ECG gating”，Phys.Med.Biol.48(2003)，3069-3084)。因为将其中的图像体积理解为心脏钙化积分扫描的数据集。可选择地，门控步骤和单发或者连续采集可以使用扇束或者锥束圆形过滤反向投影重建方法与前瞻性门控的结合，以生成图像数据集。
可以将针对分割出的钙沉积分析重建图像的步骤理解为可以通过阈值法来探测钙沉积的区域。因为将分割出的钙沉积理解为由操作者特别选择地高于某个Hounsfield值的钙沉积。典型的，在感兴趣的心脏区域之内，覆盖了数据集中的患者的心脏，将所有代表大于130HU的Hounsfield值的体素标记为钙化斑块。钙化体积区域的选择可以使用图像处理方法全自动的完成或者它们可以手动交互地支持。
由于将阈值法理解为在心脏的CT扫描中标记出具有足够高的Hounsfield值(HU值)的图像的部分区域。因此不标记具有位于某个Hounsfield值之下的值的数据。优选该Hounsfield值大于130Hounsfield。
此外针对分割出的钙沉积分析重建图像的步骤可以使用Agatston积分或者体积积分。
Agatston积分可以理解为用于确定冠状脉钙化的值。Agatston积分是基于动脉中的钙化斑块的区域和密度。为0的Agatston积分指示没有钙化，在0和10之间它指示极少的冠状脉钙化，在10和100之间它指示很少的冠状脉钙化，在100和400之间它指示中度的冠状脉钙化并且400以上指示严重的冠状脉钙化。
在该表述下，体积积分可以理解为也用于确定钙化的值，在其中确定钙化的体积。因此，可以估计在冠状动脉中由钙化斑块占据的全部体积，也即动脉中钙化的空间分布。
因此通过上述的阈值法，使用Agatston和/或体积积分，可以确定心脏体积之内的钙沉积。
将根据分析导出钙化的数据集的步骤优选理解为通过适当的方法，如上述的阈值法、Agatston积分或者体积积分，可以通过CT硬件和软件获得数据集。这个数据集包含关于钙化斑块的密度和/或体积以及钙化斑块的三维位置的信息。
可以将心脏模型适应于重建CT图像的步骤理解为这个模型的变形以适应图像中的相应解剖学实体。
心脏模型携带了关于基本心脏解剖结构，如左心房和右心房、心肌和心脏的心室以及冠状动脉和静脉的信息。
心脏模型适应于CT图像因而允许对图像中给定位置的解剖学标记。
心脏模型的适应可以使用在Hofmann等人的“Towards model-basedlocalization of the three main coronary arteries in CT images”in Frangi，Delingette(Eds.)MICCAI workshop proceedings“From Statistical Atlases toPersonalized Models：Understanding Complex Diseases in Populations andIndividuals”，2006，第53-56页中描述的方法。在这个方法中描述了如何可以在CT图像中定位附加于心脏结构的冠状动脉，即使它们只是部分可见。
此外，在Ecabert等人的“Towards Automatic Full Heart Segmentation inComputed-Tomography Images”，32nd IEEE Conference on Computers inCardiology，2005年9月25-28日，第223-226页中描述的方法同样可以用于对心脏钙化积分扫描的适应。在这个文章中，它描述了如何实现心脏模型适应的自动化。
最后，在C.Lorenz，J.von Berg“A comprehensive model of the heart”，Medical Image Analysis 10，2006，第657-670页中描述的心脏模型同样可以适应于心脏钙化积分扫描。在这个文献中描述了当心脏腔体已经被定位时，如何估计冠状动脉的位置。
通过上述的方法，可以给出CT图像中的位置的解剖学意义。因而可能将已经通过阈值法确定的探测到的钙化分配给适当的解剖学结构。目前不仅可以为全部心脏体积给出有关钙化的信息，还可以为诸如LAD、RCA、LCX、大动脉和心脏瓣膜的所选择的心脏部分给出有关钙化的信息。
将心脏模型适应于钙化积分扫描的低剂量数据集之后，在心脏CT数据集中可知心脏的表面或者区域的位置。
在其中也可以包含平均冠状脉模型，其中这个平均冠状脉模型适应于数据集或者至少心脏表面的三角形，所述三角形从统计学上看位于心脏的冠状脉附近。由于平均冠状脉模型可以理解为使用用于冠状脉模型并代表从多个患者获得的冠状脉位置的数据的模型。这个常常称之为固有冠状脉模型。
对于每个其三维位置在相同的数据集中已知的分割出钙化，可以计算出到该模型位置的最短距离。其中可以将每个分割出钙化分配给，例如，冠状脉。因此，将探测到的钙分配给这个冠状脉。
由于对所有隔室，心脏的各个区域(心室，心房，LAD，LCX，RCA，心肌，瓣膜)的相对位置的认识，将在低剂量扫描中探测到的钙借助于心脏模型分配给心脏的不同隔室，归因于例如，最近距离或者任何其它适当的方法。
由于获取的钙化数据集，使用心脏模型来确定冠状动脉的钙化是可能的。因而可以通过在CT技术领域中已知的适当硬件和软件来实现可视化。
因此，可获得关于冠状动脉，如RCA、LCX、LAD、心室、心房、心肌和瓣膜的钙化的信息。
通过本发明，可以实现该优点：可以获取全自动的过程以将探测到的钙沉积直接分配给心脏的不同脉管结构。其中使用全自动的心脏建模来支持介入引导或者来执行空间分辨的钙报告。
关于心脏中的钙化的信息可以被用于引导介入心脏病专家(医生，各个心脏外科医生)的介入过程。
此外，可以获得在对严重钙化的导管介入期间的指示。因而，可能在导管插入术期间使用这个信息，因为对于操作者可以给出导管的路径，从而减少在这样的导管插入术期间的并发症的风险。
同样，通过将钙化分配给心脏的不同隔室和/或脉管结构而全自动的报告钙化是可能的。
根据本发明的另一实施例，低剂量心脏钙化积分的步骤包括前瞻性和/或回顾性门控的步骤。
将前瞻性门控优选理解为在CT扫描期间只扫描心动周期的某个区间。
将回顾性门控优选理解为在CT扫描期间扫描心动周期的全部区间。
门控可以基本基于心电图(ECG)的测量，其中该测量可以与投影数据的采集并行实施。
心动周期的周期性可以借助于ECG中的R波来确定。
在ECG中的时间点可以经由心跳长度的百分比指示(例如，通过在RR间期的70％处重建)来执行。
回顾性门控投影可以在扫描后借助于ECG确定。对于大约70％的ECG该投影可以位于20％RR(+/-10％)的时间区域。从这些投影可以确定图像。
在前瞻性门控时，可以假定在最近的R波之后的一个固定时间点。例如，在最近的R波之后200msec，可以开启X射线管并可以半个旋转加上一个扇形角度的进行操作。因而，通过预期门控可以对层(部分体积)进行重建。
回顾性门控是优选的，因为重建钙化积分数据集的心脏相位可以自由选择，并且从而，对于图像生成可以选择最高图像质量的静止期。预期门控对于应用的X射线剂量是优选的，因为没有多余地测量数据。然而，只可以生成在单独的心脏相位中的图像并且必须在扫描前选择该相位。
前瞻性或者回顾性门控还可以分别以螺旋模式、步进发射(step andshoot)模式、分别连续(respectively sequential)模式执行。
根据本发明的另一实施例，根据心脏钙化积分扫描生成重建图像的步骤优选使用阈值方法。
如以上已经描述的，在该表达下，阈值法，各个阈值方法理解为从心脏的CT扫描中仅选择具有足够高Hounsfield值(HU-值)的图像部分区域。不选择具有处于某个Hounsfield值之下的值的数据。优选地该Hounsfield值大约是130Hounsfield。
根据本发明的另一实施例，针对钙沉积分析重建图像的步骤优选使用Agatston积分和/或体积积分。
如以上已经描述的，可以将Agatston积分理解为用于确定冠状脉钙化的值。该Agatston积分是基于动脉中的钙化斑块的区域和密度。
可以将体积积分理解为也用于确定钙化的值，在其中确定钙化的体积。因此可以估计在冠状动脉中的钙化的密度分布，也即动脉中的钙化的空间分布。
因此，通过上述的阈值法，优选使用Agatston和/或体积积分可以确定在心脏体积之内的钙沉积。
根据本发明的另一方面，提供用于执行如上描述的通过计算机断层摄影来进行冠状动脉选择性钙分配的方法的设备，其中该设备包括：CT单元，用于执行低X射线剂量心脏钙化积分扫描；采集单元，用于获得所述心脏钙化积分扫描的数据集；生成单元，用于根据所述心脏钙化积分扫描的数据集中生成重建图像；分析单元，用于针对分割出的钙沉积分析重建图像；以及导出单元，用于根据该分析导出钙化的数据集。
根据本发明的另一方面，提供计算机程序产品，其存储于可通过计算、成像和/或打印机系统读取的介质，并包括软件代码部分，当该产品在计算、成像和/或打印机系统上执行时，该软件代码部分引导计算、成像和/或打印机系统来执行如在此以上所描述的方法。
根据本发明的另一方面，提供计算机可读产品，其中存储着根据以上方面的计算机程序产品。
必须注意的是，已经参考不同的主题而描述本发明的实施例。特别的，参考设备类型的权利要求描述了一些实施例，同时参考方法类型的权利要求描述其它实施例。必须指出的是关于不同主题的特征的任何组合当然也是可能的。
本发明以上限定的方面和其它方面通过以下将要描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考该实施例的示例进行解释。以下将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但是本发明不限于该实施例的示例。
基于以上给出的和以下的对通过CT进行冠状动脉选择性钙分配的方法的解释，本领域技术人员将能够把该方法的步骤转化为计算机程序以实现该方法。
以下将参考用于冠状动脉选择性钙分配的方法描述本发明的示例性实施例。
附图说明
图1示出了具有钙化的人类心脏的CT图像；
图2示出了由本发明方法的实施例导出的具有人类心脏钙化区域的心脏模型；
图3示出了根据本发明实施例的用于执行本发明方法的设备的示意性侧视图。
附图标记列表：
人类心脏区域
人类心脏的钙化冠状动脉
心脏的右冠状动脉(RCA)
心脏的左前降支(LAD)
心脏的左冠状动脉回旋支(LCX)
左前降支(LAD)的钙化区域
CT单元
X射线探测器
X射线管
X射线
患者台
患者
机器人手臂
采集单元
生成单元
分析单元
导出单元
60工作站
100用于执行本发明方法的设备
具体实施方式
图中的说明是示意性的。
图1示出了以低X射线剂量采集的人类心脏的三幅不同的CT图像。该CT图像从人类心脏的不同横截面采集。
在三个图像中，图示了心脏的不同区域1。此外，在2中可看到作为灰色点的冠状动脉的钙化。
图1的第三幅图像中的黑色点示出了穿过人体左支气管的横截面。
在图1的三幅图像中，CT扫描的阈值是大约140Hounsfield，从而可以看到在心脏不同区域1中的钙化为由白线围绕的圆形、椭圆形或者其它形状。该不同区域1示出了人类心脏的左心房、右心房、左心室、左心室、主动脉和肺动脉。
由于心脏模型对CT数据集的适应性，在CT图像中自动识别这些区域1。
附图标记2示出了在冠状动脉，尤其是LCX中的钙化。
其中的图像根据数据建立，该数据由对于CT设备已知的适当CT硬件和软件记录。
如以上所述，在发明内容中，执行不同的方法步骤以获得这些CT图像，如执行低X射线剂量心脏钙化积分扫描；获得所述钙化积分扫描的数据集；根据心脏钙化积分扫描生成重建图像；针对钙沉积分析重建图像并根据该分析导出钙化的数据集。
然后心脏模型适应于钙化积分扫描的数据集，从而可以将分割出的钙沉积分配给心脏的特定区域。
图2示出了心脏的冠状动脉树的计算机模型，其是根据在Hofmann等人的文章“Towards model-based localization of the three main coronary arteriesin CT images”中所描述的心脏模型而计算出的。
在附图标记3处可以看到人类心脏的RCA(右冠状动脉)。在附图标记4处可以看到人类心脏的LAD(左前降支)以及在附图标记5处可以看到人类心脏的LCX(左冠状动脉回旋支)。
当使用在图1中的不同横截面对人类心脏成像的钙化数据集，以及将这些钙化积分扫描的数据集与心脏模型相适应时，如在Hofmann等和Ecabert等的文章中所描述的模型，心脏冠状动脉中的钙化区域可以表现为如在图2的附图标记6处的白色矩形所示出的。
因此，可以使用在X射线低剂量CT扫描中获得的信息，通过将心脏模型适应于从CT扫描中获得的数据集来获得关于心脏中的冠状动脉钙化的信息。
因此，医生，尤其是在对患者进行导管插入术期间的外科医生可以使用钙化的信息。从而，可以减少冠状动脉的损害风险。
最后，参考图3，绘出了用于执行通过计算机断层摄影来进行冠状动脉选择性钙分配的方法的设备100。
根据本发明的实施例，所述设备100包括：CT单元10，尤其是由机器人手臂16接近于患者台14支撑着的摆臂扫描系统(C臂)。安置在CT单元10的摆臂之内地提供了X射线管12和X射线探测器11。将X射线探测器11布置并配置为接收X射线13，该X射线穿过代表被检查对象的患者15。此外，X射线探测器11适于生成代表其中的强度分布的电信号。通过移动CT单元10的摆臂，X射线管12和探测器11可以相对于患者15以任何期望的位置和方向放置。
设备100还包括在工作站或者个人计算机60之内容纳的采集单元20、生成单元30、分析单元40和导出单元50。采集单元20适于获得心脏钙化积分扫描的数据集。生成单元30适于根据所述心脏钙化积分扫描的数据集生成重建图像。此外，分析单元40适于针对分割出的钙沉积分析重建图像，以及导出单元50适于根据所述分析导出钙化的数据集。
必须要注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或者步骤，并且“一”或“一个”并不排除多个。同样，不同实施例中描述的元件是可以组合的。必须要注意的还有，权利要求中的附图标记不应解释为对权利要求保护范围的限制。
为了总结本发明的上述实施例，可以说，利用本发明，从上述本发明方法获得的冠状动脉钙化的解剖学信息，可用于在导管插入术期间引导介入过程。
Claims (5)
1.一种用于通过计算机断层摄影进行冠状动脉选择性钙分配的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
执行低X射线剂量心脏钙化积分扫描；
获得所述心脏钙化积分扫描的数据集；
根据所述心脏钙化积分扫描的所述数据集生成重建图像；
针对分割出的钙沉积分析所述重建图像；
根据所述分析导出钙化的数据集；
其中，携带有与包括冠状动脉和静脉的基本心脏解剖结构有关的信息的心脏模型适应于所述钙化积分扫描的所述重建图像，从而能够将所述分割出的钙沉积分配给心脏的特定区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低剂量心脏钙化积分的步骤包括前瞻性或者回顾性门控的步骤。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将阈值方法应用于根据所述心脏钙化积分扫描所生成的重建图像。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，针对钙沉积分析重建图像的步骤使用Agatston积分和/或体积积分。
5.一种用于通过计算机断层摄影进行冠状动脉选择性钙分配的设备，包括：
用于利用CT设备执行低X射线剂量心脏钙化积分扫描的装置；
用于获得所述心脏钙化积分扫描的数据集的装置；
用于根据所述心脏钙化积分扫描的所述数据集生成重建图像的装置；
用于针对分割出的钙沉积分析所述重建图像的装置；
用于根据所述分析导出钙化的数据集的装置；
用于将携带有与包括冠状动脉和静脉的基本心脏解剖结构有关的信息的心脏模型适应于所述钙化积分扫描的所述重建图像，从而能够将所述分割出的钙沉积分配给心脏的特定区域的装置。
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