专利名称：用于结构性心脏病处置的自动c臂观察角的制作方法结构性心脏病包括很多状况或疾病，其可能影响心肌本身、心脏的构造以及控制血流进出心脏的心脏瓣膜。结构性心脏失调可能是在出生时就存在的，也可能是在生活当中后天发展的，并且能够由若干种条件引起。例如，冠状动脉疾病可能导致心脏动脉的阻塞。通常的做法是实施微创处置，以改善心脏状况。例如，可以通过有创处置减少心脏瓣膜的闭锁不全或狭窄、充血性心力衰竭和心肌病。这些处置可以包括血管成形术和支架放置、 二尖瓣的手术修复和更换、一般的心脏手术和血管再造。在下文中，关注于通过微创的经皮接入(例如，导管插入或针插入)对结构性心脏缺陷实施微创处置，例如，在C臂荧光检查下对所述接入加以引导。由此，动态的三维路线图提供了通过迂回曲折的脉管系统或者其他病理性解剖结构的实况引导，因为实现了实时二维荧光检查图像和血管树的三维重建的叠加。可以通过 (例如)具有被称为C臂的类型的X射线图像采集装置提供所述二维图像。因此，图像示出了实时的在单幅图像上导丝、导管、支架、线圈或针的推进，并且其改善了复杂介入过程中的可视化。为了使采集到的二维图像与数据集的三维表示匹配，必须使诸如C臂X射线系统的X射线图像采集装置的参照系和三维多模态数据集的参照系配准。可以采用配准算法， 人工或者自动地执行与二维投影X射线图像的直接配准。为了各种介入式处置的目的，必须有最佳观察方向。这意味着，外科医生或临床医生必须具有看到每一个正确施用心内装置或其他仪器所需的细节的能力。因此，必须选择适当的观察角，以便能够为临床医生优化侵入手术流程中的视图。因此，必须对X射线成像设备加以调整，从而取得期望的观察角。例如，冠状循环的主要血管是分成左前降支和旋支的左侧主冠状动脉，以及右侧主冠状动脉。左冠状动脉和右冠状动脉在主动脉基部起源于位于主动脉瓣小叶后面的被称为冠状动脉口(coronary ostia)的开口。在主动脉的介入式处置期间中，例如，在支架部署过程中，必须具备所述口的清晰可见度，以便防止由所要部署的支架堵塞所述口。在US 6424731B1中公开了一种用于对X射线图像采集装置加以控制，从而使所述装置能够自动遵循对所要实时检查的血管的三维表示的观察方向的方法。此外，这种方法能够防止与患者身体的碰撞，因为其允许对那些从物理的角度而言不发生碰撞就不可能的几何结构参数做出预测。此外，在US 2002/0006185A1中公开了一种用于对X射线图像采集装置进行自动定位的方法，其中，确定第一方向，计算观察方向使得其图像质量优于采用平行于所述第一方向的观察方向得到的图像质量。
如上所述，选择用于适当的实况图像引导的最佳观察角在介入式处置过程中是必须的。因而，必须对提供二维荧光检查图像的X射线图像采集装置的几何参数加以调整，以用于这一目的。通常采用C臂型X射线图像采集装置，这意味着必须相应地设置C臂几何特性。通常，通过在用户界面上进行人工控制输入来调整C臂几何特性，以沿着预期的观察方向，在有创流程期间，这样做可能十分烦琐。而且，在介入期间调整观察方向将导致患者不必要的曝露于X射线辐射。此外，在X射线图像采集装置的观察角的调整过程中，视差效应可能很明显。视差代表沿两条不同的视线观察的对象的视位移。可以通过这两条线之间的倾斜角对视位移加以测量。在从不同的位置观察时，处于观察者或者X射线源附近的对象将分别比更远的对象显现出更大的视差。实质上，这一视差给人或动物提供了通过沿两条不同的视线观察对象来确定距离的能力。通常，由于荧光检查图像是二维的，从实况图像中的对象长度的再现或表示不够精确这一方面来看这一视差效应可能影响图像质量。因而，可能需要一种定位X射线图像采集装置的方法，以便获得对在介入式处置期间所要监测的病状的最佳观察方向。而且，可能需要一种定位X射线图像采集装置的方法，其允许选择对三维表示中的病理解剖结构的至少一个最佳观察角，并允许对所述X射线图像采集装置的自动调整， 以满足这些期望的观察角。此外，可能还需要一种用于定位X射线图像采集装置的方法，其能够最小化或者完全消除实况荧光检查图像的视差效应。可以利用根据独立权利要求的用于定位X射线图像采集装置的方法、包括X射线图像采集装置的医疗观察系统、用于实施所述方法的计算机程序单元和计算机可读介质满足这些需要。在从属权利要求中描述了本发明的各种示例性的、有利实施例。对于本发明的下述描述而言，假设存在对所要检查的病理结构的三维重建。通常， 这一三维重建是在手术前通过本领域技术人员公知的一种或若干种方法获得的。可以基于利用C臂X射线图像采集装置从若干个观察方向采集的X射线图像实现这一重建。或者， 可以将用于诊断用途和治疗规划的CT或MR扫描等用于这一目的。然而，本发明的主题不限于采集结构的三维表示的形式。假定所述病理解剖结构具有在三维数据集内的可视性，那么根据第一方面，根据本发明的方法能够拟合出通过所述病理解剖结构的直平面，所述结构可以是主动脉瓣、分路(shunt)等。所述平面与所述病理解剖结构相交。还可以将这一平面称为参考平面，因为如下文所进一步描述的，所选择的观察方向是参照这一平面定义的。然后，将这一平面上的中心点定义为处于所述病理解剖结构中间，例如，参考平面和病理解剖结构之间的相交区域的几何中心。于是，可以相对于这一参考平面和病理解剖结构内的中心点定义最佳观察方向。可以相对于参考平面定义最佳观察方向，可以通过定义法向向量和若干切向向量对此予以支持。可以将法向向量定义为通过病理解剖结构的中心点的向量，其垂直于所述平面延伸。切向向量可以是通过所述中心点的在所述平面上切向延伸的向量。就后一种情况而言，所述向量可以是所述平面上的任何穿过所述平面的中心点的向量。根据本发明的方法的基本思想在于，可以在介入式处置之前选择从三维数据集导出一个或多个最佳观察方向。这可以通过在单独的计算装置或述X射线图像采集装置中包含的计算单元的屏幕上查阅病理解剖结构的三维表示来实施。通过对这一表示进行旋转和 /或平移，可以找到对于介入式处置被认为是最佳的观察方向。在必须实施多于一项介入式处置时，可以选择各种观察方向，所有的方向均参照参考平面以及法向和切向向量。此外， 也可以存储多于一个观察方向，以引导单项处置中的不同方面。通过切向向量定义相对于参考平面的观察方向作为X射线图像采集装置观察方向的优点在于能够将心内装置精确地放置到病理位置内，心内装置可以实现为主动脉瓣支架。因此，在参考平面上的法向向量的范围内，处于法向的观察方向可能对放置(例如)心房间隔缺损闭合装置或类似装置有用。例如，当必须在主动脉内部署支架时，外科医生从三维数据集检查从什么方向能够实现对病理解剖结构的最佳观察。认为必须使这一支架不覆盖任何口。因此，外科医生可以选择在使支架在主动脉中推进时总是使主动脉和所述口清晰可见的观察方向。较早描述的切向向量提供了这样的最佳观察方向。因而，将确保没有口受到任何血管的覆盖。结果，可以对支架进行理想地部署。本发明的一个方面是提供将这些规划出的用于介入式处置的最佳观察方向存储到存储单元内的能力，该存储单元连接至包含在X射线图像采集装置中的数据处理单元。 由此，有可能在数据处理单元中通过适当命令检索所有的最佳观察方向。X射线图像采集装置的几何参数，例如，X射线辐射源和X射线束的位置和角度以及X射线探测器件的位置和角度可以通过数据处理单元或单独的控制单元加以控制。因而，其允许X射线图像采集装置自动沿着任何选定的最佳观察方向。在可以在介入期间使用任何最佳观察方向之前，必须使表示最佳观察方向的规划参照系与X射线图像采集装置和手术中患者空间的参照系之间的关系匹配，手术中患者空间的参照系可能取决于患者在手术台上的位置。这可以通过自动配准算法或者通过人工配准过程完成。例如，通过在三维数据集中对气管的自动分割以及相对于由X射线图像采集装置从不同角度拍摄的两幅X射线图像人工确定所述气管的位姿(pose)来执行所述配准。由此，三维数据集和实况二维荧光检查图像相互对准。必须指出，如果用于规划的三维数据集是由X射线图像采集装置在手术期间 (peri-operatively)获得的，那么这一配准过程是固有的。通过实施包括上文指出的各个方面的根据本发明的方法，可以实现若干优点。能够防止经皮装置或其他医疗仪器的错误放置。通过在介入之前规划最佳观察方向，可以得到对于整个介入流程的最佳观察方向。因此，可以认为不可能采用欠佳的(sub-optimal) 观察方向实施介入，在欠佳的观察方向下，外科医生可能错误地假定采取了正确的治疗或者对心内装置进行了正确部署等。因此，根据本发明的方法提供了对介入式处置的明确改进。此外，实施根据本发明的方法降低了患者身体对X射线辐射的曝光量。可以不必在不采用实况荧光检查图像引导医疗仪器的介入式处置过程中若干次调整X射线图像采集装置。通过根据本发明的方法，对X射线图像采集装置的自动调整总是提供最佳观察方向。由此，加速了介入过程，并因而减少了 X射线辐射曝光时间。根据本发明的有利实施例，在三维数据集中自动拟合参考平面。这可以通过在所要检查的病理解剖结构内扩展一平面来实施，其中，使从所有的轨迹点到该平面的平均距离最小化。在这种背景下，应当指出，所要检查的病理解剖结构可以表征为病理轮廓，所述病理轮廓是通过三维空间的闭合轨迹。例如，对于分路而言，它是围绕孔的最小轮廓，对于心脏瓣膜而言，它是含有瓣膜瓣叶的最小轮廓。可以通过对病理解剖结构进行分割来确定这一轮廓，从而可以实施拟合通过由所述轮廓定义的这一轨迹的直平面的算法。或者，可以人工设定所述平面。可以由用户通过连接至显示病理解剖结构的三维表示的图形用户界面的适当输入器件实现这一点。用户可以定位剪切(clip)平面或者指示病理解剖结构内的足以定义平面的空间位置的三个三维点。为此目的，所述三维数据集是通过X射线图像采集装置或者单独的计算单元的屏幕上的图形用户界面可见的，该单独的计算单元连接至X射线图像采集装置或者适于在存储器件上存储这一信息。所述三维表示可以是可旋转和可平移的。在本发明的有利实施例中，在参考平面上创建中心点，所述中心点可以位于病理解剖结构的中间。例如，可以将中心点定义为所述平面上的接近实际中心点的点，所述实际中心点可以由病理轮廓所跨越的区域的重心表示。中心点可以通过对病理轮廓的坐标求平均来确定，或者也可以由用户通过输入器件和图形用户界面来设定。在本发明的另一优选实施例中，确定参考平面的法向向量。该法向向量从参考平面垂直延伸，并且穿过上文定义的中心点。而且，确定一组切向向量，其中，切向向量全部直接位于所述平面上，并且全部延伸通过中心点。进而，由法向向量和该组切向向量导出最佳观察方向。这意味着，对于选择的法向或切向向量而言，X射线系统的观察入射(incidence)使得相应的归一化的法向或切向向量存在于从X射线源的焦斑到X射线探测器的归一化的向量组中。在本发明的优选实施例中，将X射线图像采集装置自动导引至选定的最佳观察方向，伴随以接下来的对三维表示的调整和配准。例如，当外科医生在适当的用户界面等上选择了存储的最佳观察方向时，X射线图像采集装置自动移动以匹配这一最佳观察方向，并调整病理解剖结构的三维表示，然后对两视图配准，以便为外科医生自动调整实况引导视图， 该操作优选通过简单地按压按钮或者在触摸屏或者其他输入/输出装置上选择存储的观察方向完成。在这一背景下，导引这一表述表示调整高度取决于X射线图像采集装置的类型的 X射线图像采集装置的几何参数，例如，X射线探测器、X射线辐射源、X射线辐射束等的位置和角度。通常使用C臂X射线图像采集装置，这意味着导引过程包括调整至少三个角度， 即旋转、成角(angulation)、L臂，并且还可能调整C臂在手术室内的框架位置。在本发明的另一优选实施例中，X射线图像采集装置的导引包括视差误差的补偿。由此考虑了视差情况，所述视差效应是X射线图像中的透视的结果。基本上，可以如下通过 C臂型X射线图像采集装置的示例实施视差补偿。探测器源的焦斑与C臂几何结构的等中心具有固定距离。围绕所述等中心的、半径被设为该距离的球面描述了所有可能的探测器焦斑位置。如上所述，依据向量和病理部位(pathology)的中心点来定义了最佳观察方向。 可以定义通过这一中心点的处于最佳观察向量的方向上的直线。这条线与前述球面的交点可以确定焦斑的最佳位置。根据本发明的另一方面，提供了一种医疗观察系统，尤其是C臂系统或计算机断层摄影系统。医疗观察系统包括适于实施上述方法步骤的数据处理装置。根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有用于自动定位X 射线图像采集装置的计算机程序。所述计算机程序在由数据处理器执行时适于控制上述方法的示例性实施例。根据本发明的又一方面，提供了一种用于提供X射线图像采集装置的自动定位的计算机程序单元。所述计算机程序单元在由数据处理器执行时适于控制上述方法的示例性实施例。可以以诸如JAVA、C++的任何适当编程语言将所述计算机程序单元实现为计算机可读指令代码，并且可以将其存储在计算机可读介质(可移动磁盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器等)上。所述指令代码可操作用于对计算机或其他可编程装置进行编程控制，以执行预期功能。可以从诸如WorldWideWeb的网络获得所述计算机程序，从该网络下载所述计算机程序。而且，可以采用新的软件对现有的医疗观察系统升级，当该新的软件在处理器上执行时，使系统执行根据本发明的上述方法步骤。必须指出，已经参考本发明的不同实施例描述了本发明的特征和副效应。但是，本领域技术人员将从上文和下文的描述认识到，除非另行说明，否则除了属于一个实施例的特征的任何组合之外，应当认为本申请还公开了与不同实施例或者与制造方法相关的特征之间的任何组合。本发明的上述方面以及其他方面可以通过下文将要描述的实施例的示例变得显而易见并且将参考实施例的示例进行解释。在下文中将参考实施例的示例更详细地描述本发明，从而对本发明做进一步解释，并使本发明得到更好的理解，但是本发明不限于所述实施例的示例。在不同的附图中，为相同或相似的部件提供相同的附图标记。附图中的图示是示意性的，并非按比例绘制。图1示出了根据本发明的X射线成像系统；图加和2b示出了对器官和经皮装置的垂直视图和有角度视图；图3示出了相对于所要检查的病理部位的平面；图4示出了根据本发明的方法；图5示意性地演示了视差补偿。附图标记列表10 X射线成像系统
12 X射线辐射源14 台子16 X射线图像探测模块18 计算单元20 显示单元22 接口单元24 主动脉26口28 支架30 参考平面32 轮廓34 中心点36 平面生成(spanning)点38 法向向量40 切向向量42定义平面422生成参考平面424分割对象426确定轮廓428生成参考平面44定义中心46存储48配准50选择52导引54实施视差补偿542产生球面544确定交点56最佳观察方向向量58球面60等中心62X射线探测器64交点66X射线探测器的中心68X射线探测器上的点

X射线成像系统10包括具有X射线辐射源12的X射线图像采集装置，提供X射线辐射源12以产生X射线辐射。提供台子14以接收所要检查的对象。此外，X射线图像探测模块16处于与X射线辐射源12相对的位置。在辐射流程期间，使检查对象位于X射线辐射源12和探测模块16之间。后者向连接至X射线图像探测模块16和X射线辐射源12 二者的数据处理单元或计算单元18发送数据。例如，为了节约检查室内的空间，使计算单元18位于台子14的下面。显然，其也可以处于不同的位置上，例如，处于不同的房间中或者不同的实验室中。此外，将显示单元20布置在台子14的附近，用于向操作X射线成像系统的人显示信息，该人可以是临床医生，例如，心脏病专家或心脏外科医生。优选地，可移动地安装显示单元20，从而允许根据检查状况进行个别调整。此外，还布置了接口单元22，以便由用户输入信息。基本上，图像探测模块16通过使这一对象曝露于X射线辐射而产生图像，其中，在计算单元18中对所述图像做进一步处理。要指出的是，所示示例具有所谓的C型X射线图像采集装置。该X射线图像采集装置包括C形臂，其中，将探测模块16布置在C臂的一端， X射线辐射源12位于C臂的相对端。可移动地安装C臂，并且C臂可以围绕位于台子14上的感兴趣对象旋转。换言之，有可能采用不同的观察方向采集图像。计算单元18可以适于实施根据本发明的方法，因而其可以被看作或者其可以包括用于自动定位X射线图像采集装置的数据处理装置。由此，提供数据处理器，并优选提供用于存储最佳观察方向的存储器件，以及引导一个程序单元对所述X射线图像采集装置自动定位的、适于控制上述方法的示例性实施例的相关软件。可以通过计算机可读介质或者通过网络将该软件传输至计算单元18，并且可以将该软件实现为全新的操作系统或实现为一种更新。在图加中，显示了包括两个口沈的主动脉M。在介入过程中，可以在主动脉M 上部署支架28。从图加中可以看到，必须小心使支架28不覆盖口 26。因此，对主动脉M 的垂直观察方向可以被认为是最佳观察方向，这意味着完全垂直于主动脉壁观察。在图2b中，在具有两个口沈的相同主动脉M上呈现略微成角度的观察方向。由图2b中的显示可以清楚地看到，监测支架观的部署变得困难得多，因为在支架即将抵达其最终目的地时，口沈并不完全可见。因此，不能认为图2b中的观察方向是最佳的，因为从这一观察方向难以防止支架观覆盖所述口。外科医生必须假定支架是得到了正确的部署， 还是未得到正确部署，因而导致了不希望的不确定水平。以图加和图2b为例，解释了可以怎样向要检查的病理部位拟合直参考平面。在图3中示出了主动脉M连同口 26。根据本发明的方法，使平面30拟合至病理部位的轮廓32上，在这一例子中，所述病理部位是处于两个口沈的范围内的主动脉M。以实现轮廓32的所有轨迹点与平面30之间的最小距离的方式拟合平面30。为了接收轮廓32，可以考虑经分割的子体积，其中，可以通过本领域技术人员已知的方法自动产生所述分割。应当对轮廓32加以选择，从而使(例如)在平面截面中主动脉面积最小。在平面30上创建中心点34。可以将这一中心点34确定为由轮廓32限定的区域的几何中心或重心。或者，外科医生可以自己选择中心点34。而且，外科医生可以通过(例如)在三维空间中定义生成平面30的三个三维点36人工选择平面30。在中心点34上创建垂直于平面30延伸的法向向量38。一组切向向量40从中心点34开始在平面30内延伸。对于所示的示例而言，可以认为平行于切向向量40的观察方向是最佳的，而就其他情况而言(例如，心壁内的分路)，可能认为平行于法向向量38的观察方向是最佳的。可以通过旋转病理部位的三维表示来选择最佳切线方向，以便找到被认为是最佳的观察方向。可以将一组最佳观察方向存储在存储器件中，并使其通过利用用户界面或输入器件进行适当的输入能够检索到。在图4中将进一步详细地描述根据本发明的方法。在根据所要检查的病理部位的轮廓32定义/创建42平面以及定义/创建44所述平面上的中心点之后，可以找到最佳观察方向，然后将其存储46在存储器件中。参考平面30的创建可以包括生成422所述参考平面的特征，从而使从对象的轨迹点到参考平面的平均距离最小化。此外，参考平面30的创建可以包括将所要检查的对象分割4M成子体积，确定426 经分割的子体积的轮廓，以及生成4 所述参考平面，从而使其与由经分割的子体积中至少一个的轮廓定义的轨迹的平均距离最小化。为了使所采集的三维数据集与实际位于X射线图像采集装置的台子上的患者匹配，使所述规划和病理部位空间配准48。在介入过程中，可以选择50最佳观察方向，将所述X射线图像采集装置导弓I 52至所述观察方向，这也可以称为调整所述X射线图像采集装置的几何特性。为了防止透视观察中的长度变化或误差，实施M视差补偿。视差补偿可以包括如下步骤产生542围绕X射线图像采集装置的等中心60的球面58，其中，所述球面的半径等于X射线图像采集装置的中心60与X射线辐射源12之间的距离；确定544通过参考平面30的中心点60、在最佳观察方向56中的直线与球面58的交点；以及调整52X射线图像采集装置的几何参数，以使所述交点与X射线源的焦斑匹配。在图5中示意性地演示了视差补偿。向量56定义了抵达X射线探测器62的最佳观察方向，围绕该探测器62构造球面58，该球面类似于所述X射线源的所有可能的焦斑。 所述探测器未被严格地导引到预期观察方向向量56的方向中。而是，探测器62移动到指向交点64的位置，所述交点64是向量56、球面58和从探测器62的中心66通过球面58的等中心60延伸的线的交点。由此，将最佳观察方向向量58投影到所述X射线探测器62上成为点68，并且适当地补偿了视差效应。通过根据本发明的方法和适当的临床工作流程获得了一种有效的提供最佳观察角的方法。临床医生或外科医生可以根据三维数据集对介入进行规划，并且能够设置最佳观察方向。可以相对于拟合至病理部位分割段的轮廓的平面上的法向向量和切向向量定义这些观察方向，之后可以将其存储起来，以便以后在介入过程中对其进行检索。因而，这一方法缩短了手术期间阶段，减少了患者的X射线辐射曝光量。尽管已经在附图和前述说明中对本发明进行了图示和描述，但是应当认为这样的图示和描述是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。


在用于定位X射线图像采集装置的方法中，创建与对象的三维表示相交的直参考平面(30)、处于对象的相交区域的中心点(34)、参考平面的法向向量(38)以及参考平面内的至少一个切向向量(40)。此后，使所述参考平面、所述对象的参照系和所述X射线图像采集的参照系配准。定义由所述法向向量(38)和/或至少一个切向向量(40)导出的至少一个观察方向，其中，将X射线图像采集装置调整至所述X射线图像采集装置的所述几何参数。由此，可以仅按下一次按钮就可获得所规划并存储的最佳观察方向，从而得到对所述X射线图像采集装置的自动定位以及对实况引导图像的快得多的调整，从而使得辐射的曝光量更少，并且调整流程的烦琐程度也更低。此外，可以实现对介入装置的更加优化的部署，因为能够对所述装置进行更加准确地定位。