CN107405205B - 用于个体化血管支架的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于个体化血管支架（28）的方法和系统。该方法包括聚合由各种成像模式（12.1‑12.N）生成的与受试者相关的图像。然后该图像被进行处理，以便确定感兴趣区域（ROI）（26）和与ROI（26）相关的各种参数。此外，计算了要放置在受试者体内以缓解血管（25）状态的血管支架的模型（60）和构成。之后，使用由患者分层参数导出的信息对模型（60）的兼容性进行验证。在成功验证该模型后，生成模型（60）的格式，该格式可直接用于使用本领域已知的添加物制作工艺制作血管支架（26）。

Description

用于个体化血管支架的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于定制受试者的血管支架的方法和系统。更具体地，该方法和系统涉及基于与受试者相关的一个或多个参数来定制血管支架的结构。

背景技术

心血管疾病（CVD）已经成为世界各地死亡的主要原因。死于CVD的人多于任何因其他原因死亡的人。据世界卫生组织发布的一份报告显示，估计每年有1730万人由于CVD而死亡。CVD中常见的疾病之一是斑块在心血管动脉中的沉积。斑块沉积会阻碍心脏中的血液流动，从而导致心肌缺血或心肌梗塞。

CVD的最常见的治疗方法之一是将支架放置到动脉中发现有明显斑块沉积之处。目前，有许多可用于不同尺寸和形状的预制支架可以基于医生的评估插入动脉。然而，预制支架不能根据受试者受影响的血管中斑块沉积的性质进行个体化。最近随着添加物制作的进步，使制作个体化支架成为可能。因此，存在基于心血管动脉中斑块沉积的性质来生成个体化血管支架的需要。

因此，本发明的目的是提供一种通过考虑与受试者相关的各种参数和血管中斑块沉积的性质来制作个体化血管支架的方法和系统。本发明的目的是通过提供用于为受试者定制血管支架的方法来实现。

发明内容

在一方面，该方法包括由处理器聚合由一个或多个成像模式生成的一个或多个图像的步骤。成像模式可以包括各种诊断成像模式，诸如MRI扫描装置、PET扫描装置、CT扫描装置、超声扫描等。成像模式可以位于不同的地方，并且通过网络连接。该方法还包括处理所述一个或多个图像以获得一个或多个感兴趣区域和与一个或多个感兴趣区域（ROI）相关的一个或多个生理参数。可以处理被聚合的图像以识别一个或多个感兴趣区域（ROI）。在检测ROI时，基于图像的处理确定一个或多个参数，诸如构成、长度、结构和钙化。该方法包括基于与感兴趣区域相关的一个或多个参数和与受试者相关的一个或多个生理参数来生成个体化血管支架的模型的步骤。为了模制血管支架，需要受试者的生理参数，诸如年龄、体重、性别、身高和生命统计数据。

该方法还包括基于与感兴趣区域相关的一个或多个参数来确定用于制作个体化血管支架的一种或多种材料。在该步骤中，分析斑块沉积的确切位置和钙化的性质，并基于该分析确定血管支架的构成。该方法包括生成用于制作的个体化血管支架的模型的格式的步骤。该格式可以被传送到用于制作血管支架的添加物制作装置。

在另一方面，基于与一个或多个ROI和一个或多个患者分层参数相关的一个或多个生理参数来验证个体化血管支架的模型。与一个或多个ROI相关的参数包括狭窄区域处的斑块沉积的长度、厚度、构成、钙化水平及分布。

在另一方面，患者分层参数基于受试者的身体和生理参数来确定。患者分层参数可以是基于诸如人种、种族、年龄和性别特征的参数数据库。例如，动脉的直径可以基于上述特征来确定，所述动脉的直径可用于测试个体化血管支架。

在另一方面，一个或多个ROI包括血管中的狭窄区域。狭窄区域可以包含斑块沉积。血管中的狭窄区域可以包含不同厚度和长度的脂肪沉积和钙化区域。

在另一方面，用于制作个体化血管支架的一种或多种材料基于与感兴趣区域相关的参数来确定。基于与ROI相关的参数，个体化血管支架可以由多种材料构成。例如，如果在狭窄区域中存在突出的钙化，则可以修改血管支架的构成以降低血管支架施加在钙化区域上的压力。

在另一方面，用于制作个体化血管支架的一种或多种材料选自金属合金、聚氨酯和聚乙烯构成的组。所述材料可以基于与ROI处的斑块沉积相关的参数来选择。

在另一方面，个体化血管支架的制作通过添加物制作工艺进行。添加物制作工艺可以包括选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积模制（FDM）、选择性激光熔化（SLM）等。

为了实现该目的，公开了一种用于为受试者定制血管支架的装置。该装置包括诊断成像模式，其中成像模式能够接收并处理来自其他成像模式的图像。处理器以及与处理器耦合的存储器，其中所述存储器包括被配置用来个体化所述血管支架的处理器可执行指令。存储器包括血管支架个体化模块。血管支架个体化模块还包括图像登记模块、图像处理模块、模型生成模块、构成确定模块和3D打印启用模块。血管支架个体化模块和相关的模块被配置用来执行如上述方法步骤中所述的适当功能。例如，图像登记模块被配置用来处理从多个成像模式获得的一个或多个图像。图像处理模块被配置用来确定一个或多个感兴趣区域以及与一个或多个感兴趣区域（ROI）相关的一个或多个参数。

在一方面，该存储器包括验证模块，所述验证模块被配置用来基于与一个或多个ROI相关的一个或多个参数以及一个或多个患者分层参数来验证个体化血管支架的模型。

此外，该装置与3D打印机通信地耦合以制作个体化血管支架。3D打印启用模块生成个体化血管支架的模型的格式，该格式被3D打印机用于制作血管支架。

为了实现上述目的，公开了用于为受试者个体化血管支架的系统。该系统包括一个或多个诊断成像模式。该系统还包括处理单元，该处理单元包括与诊断成像模式相关的处理器以及与处理器相关的存储器，所述存储器包括用来执行如前所述的方法步骤的可执行指令。此外，该系统包括添加物制作装置，被配置用来使用模型的格式制作个体化血管支架。此外，该系统被配置用来使用基于从受试者的身体和生理参数获得的患者分层参数的参数来验证血管支架的模型。

在一方面，添加物制作装置被配置用来基于血管支架的模型的格式来制作个体化血管。个体化血管支架的模型的格式是STL格式和CAD格式中的至少一种。

现在将参考本发明的附图来描述本发明的上述和其他特征。所示实施例旨在说明而非限制本发明。

附图说明

下面参考附图中所示的实施例进一步描述本发明，其中：

图1示出了根据实施例的用于个体化血管支架的示例性装置；

图2示出了根据实施例的血管支架个体化模块的示例性框图；

图3示出了根据实施例的具有感兴趣区域的受试者的示例性血管；

图4示出了根据实施例的为受试者模制的示例性个体化血管支架；

图5示出了根据实施例的用于个体化血管支架的系统的示例性示意图；

图6示出了根据实施例的用于个体化血管支架的装置的示例性框图；

图7示出了根据实施例的使用上述系统制作的示例性血管支架；和

图8示出了根据实施例的用于个体化血管支架的示例性方法步骤的框图。

具体实施方式

参考附图描述各种实施例，其中相同的附图标记全文都用于指代相同的元件。在下面的描述中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对一个或多个实施例的透彻理解。很明显，可以在不考虑这些具体细节的情况下实施这样的实施例。

图1示出了根据实施例的用于个体化血管支架的示例性装置1。装置1包括通信总线2、处理器4、存储器6、存储单元8和输入/输出（I/O）模块10。此外，装置1可通信地耦合到多个诊断成像模式12.1 - 12.N。装置1还连接到包括例如患者分层数据的数据库。

如本文所使用的处理器4是指任何类型的计算电路，诸如但不限于微处理器、微控制器、复杂指令集计算微处理器、精简指令集计算微处理器、非常长的指令字微处理器、明确地并行指令计算微处理器、图形处理器、数字信号处理器或任何其他类型的处理电路。处理器4还可以包括诸如通用或可编程逻辑器件或阵列的嵌入式控制器、专用集成电路、单片机等。

存储器6可以是易失性存储器和非易失性存储器。存储器6可以被耦合用于与处理器4通信。处理器4可以执行存储在存储器6中的指令和/或代码。各种计算机可读存储介质可以存储在存储器6中并从存储器6访问。存储器6可以包括用于存储数据和机器可读指令的任何合适的元件，诸如只读存储器、随机存取存储器、可擦除可编程只读存储器、电可擦除可编程只读存储器、硬盘驱动器、用于处理光盘的可移动介质驱动器、数字视频盘、软盘、磁带盒、存储卡等。在本实施例中，存储器包括血管支架个体化模块15，其以任何上述存储介质的机器可读指令的形式存储，并且可以与处理器4通信并由处理器4执行。血管支架个体化模块15还包括这样的模块，由处理器4执行这样的模块时会导致基于受试者的身体和生理参数的血管支架的个体化。结合图2更详细地描述了模块的功能。

存储单元8可以是非暂时性存储介质，其存储由成像模式12.1-12.N生成的图像。在一种情况下，存储单元8存储用于验证血管支架的模型的患者分层参数。存储单元8还可以包括由多个成像模式生成的图像数据库14。通信接口7使装置1能够经由本领域已知的有线或无线通信协议与其他连接的装置进行通信。输入/输出单元10可以包括诸如键盘、触敏显示器等能接收输入信号的输入装置，以及诸如扬声器、打印机、显示装置这样用于输出例如血管支架的模型的输出装置。通信总线2用作处理器4、存储器6、存储单元8、通信接口7和输入/输出单元10之间的互连。

图2示出了根据实施例的血管支架个体化模块15的示例性框图。支架个体化模块15被配置用来基于受试者的各种生理参数以及其血管中的感兴趣区域（ROI）来定制血管支架。支架个体化模块15包括图像登记模块18、图像处理模块20、模型生成模块22和验证模块24。在一个实施例中，图像登记模块18包括处理器可执行指令，该图像登记模块被配置用来登记由一个或多个诊断成像模式生成的图像。成像模式可以包括各种基于X射线的成像模块、超声模块、基于磁共振（MR）的模块、计算机断层扫描（CT）模块、正电子发射断层摄影（PET）模块。在优选实施例中，图像与受试者的心脏功能相关。图像登记模块18可以以受试者的动脉结构进行表征的方式来登记受试者的一个或多个图像。在一些情况下，可以映射动脉的不同视图以使动脉结构更加清晰。

在一个实施例中，图像处理模块20被配置用来确定沉积在动脉的ROI中的斑块的一个或多个特征。图像处理模块20确定斑块的性质、斑块钙化程度、狭窄面积、狭窄位置等。图像处理模块20被配置用来使用一个或多个图像处理算法来确定参数。图像处理算法可以包括分割、血管检测、血管中心线检测等。

图3示出了受试者的示例性血管25，其描绘感兴趣区域（ROI）26。图像处理模块20可以确定血管中的ROI 26除了脂肪沉积之外还具有钙化区域27。此外，图像处理模块20可以基于来自不同诊断成像模式的图像来指示狭窄区域54的长度和厚度以及钙化区域27的钙化水平。图像处理模块20最终输出与血管的狭窄区域相关的参数和动脉的特征。图像处理模块20被配置用来处理如前所述由不同成像模式生成的图像。

在一个实施例中，模型生成模块22生成要在受试者中使用的血管支架的个体化多维模型。图4示出了为受试者模制的示例性个体化血管支架28。模型生成模块22生成为受试者个体化血管支架28的模型。模型生成模块22考虑用于生成血管支架28的模型的ROI 26的特征。在示例性场景中，模型生成模块22被配置用来分析ROI 26的性质并相应地对血管支架28模制。ROI的性质可以包括软（未钙化）区域、硬（钙化区域）和混合型区域。例如，模型生成模块22考虑到在血管25中存在钙化区域27并且以对钙化区域27施加较少压力的方式对血管支架28进行模制。在图4中可以看出，个体化血管支架28的模型和构成使得血管支架28对钙化区域27施加最小的压力。血管支架28的轮廓可以以避开狭窄处的钙化区域27的方式模制。模型生成模块22可以确定材料的选择、要使用的添加物制作工艺的方法、顺应性和用于使气囊充气的爆裂压力。模型生成模块22可以从一组金属合金中选择材料，诸如不锈钢、钴合金、镍-钛合金等。在一种情况下，模型生成模块22可以从激光加工、光化学蚀刻、编织、编织和绞合组成的一个组中选择添加物制作的方法。在另一种情况下，模型生成模块22可以建议血管支架28的任何添加，诸如不透射线涂层，药物洗脱涂层等。

在一个实施例中，模型生成模块22可以生成用于制作的个体化血管支架28的模型60的格式。该模型60的格式可以是例如立体平版印刷（STL）格式和计算机辅助模型（CAD）格式。模型的格式可以由添加物制作装置直接使用以制作血管支架。模型生成模块22基于诸如受试者的身体和生理参数以及斑块沉积的性质参数来生成血管支架的模型。

在一个实施例中，验证模块24通过基于由成像模式生成的图像和一个或多个患者分层数据来检查具有受试者的心血管系统模型的血管支架28来验证血管支架28的模型。患者分层数据是基于受试者的种族、年龄和性别获得的。在一个示例中，患者分层数据用于确定要放置血管支架的冠状血管的宽度。基于患者分层数据，血管支架被个体化以适合受试者的血管。在血管支架28的模型60不适合基于患者分层数据导出的受试者血管的情况下。基于患者分层数据改变模型60，使得血管支架适合受试者的受影响的血管。

此外，验证模块24被配置用来模拟个体化血管支架28在受试者的冠状血管的模型内的充气。模拟可以用于在充气气囊的不同压力值下验证个体化血管支架的充气。此外，验证模块24可用于验证支架相对于血管中狭窄区域的适合的结构。在模拟中显示出支架设计不十分适合的情况下，支架的设计可以重新模制以更好地适合。

图5示出了用于个体化血管支架的系统30的示例性示意图。该系统包括服务器32、附加制作装置44、网络42和成像模式12.1-12.N。服务器32包括存储器34、存储单元36、处理器38和通信接口40。服务器32经由网络42连接到成像模式12.1-12.N。网络42可以是本领域已知的有线或无线网络。存储器34包括处理器可执行指令形式的血管支架个体化模块，如图2所示。存储器36包括例如由成像模式12.1-12.N生成的图像的数据库14和患者分层数据。处理器38被配置用来执行存储在存储器34中的指令。此外，服务器32使用网络42通过通信接口40与成像模式12.1-12.N通信。通信接口40可以是网络接口卡。另外，服务器32通信地耦合到添加物制作装置44。添加物制作装置可以能够基于由服务器输出的血管支架的模型的格式来制作个体化血管支架。添加物制作装置44被装备用来使用诸如烧结、激光蚀刻、气相沉积、编织、啮合等添加物制作方法来制作个体化血管支架。

图6示出了根据实施例的用于个体化血管支架的设备的示例性框图50。该设备包括成像模式46、装置48和添加物制作装置44。装置48通信地耦合到成像模式46，从而使成像模式46能够个体化血管支架。在一个实施例中，成像模式46可以包括装置48的硬件作为其硬件的组成部分。成像模式46可以包括用于显示和定制血管支架的必要的输入/输出装置。成像模式可以包括例如键盘、鼠标和显示器。添加物制作装置44通信地耦合到成像模式46，使得个体化血管支架的模型可以直接与添加物制作装置44通信以进行制作。在图4中，添加物制作装置44可以由可以使用血管支架的模型的任何其他装置代替。

图7示出了根据实施例的使用系统1制作的示例性血管支架60。血管支架60可以基于由系统1生成的血管支架的模型的格式来制作。如图7所示，血管支架60由两种不同的材料62和64构成。在示例性实施例中，所述材料可以包括生物相容的并可用于添加物制作的任何材料。材料的一些示例包括锡基合金、不锈钢、钴基合金、铝基合金。在另一示例性实施例中，所述材料可以包括塑料，诸如聚乙烯和聚碳酸酯。基于与狭窄区域相关的参数，由模型生成模块22选择材料。参数可以包括例如狭窄区域的性质和构成以及狭窄区域的钙化。

图8示出了根据实施例的用于个体化血管支架的示例性方法步骤的框图70。在步骤72中，由一个或多个成像模式生成的一个或多个图像由处理器聚合。图像由一个或多个诊断成像模式生成。在一个示例中，可以从相应成像模式聚合成受试者心血管结构的血管造影、CT扫描和MRI扫描。在步骤74，处理所聚合的图像以获得一个或多个感兴趣区域和与一个或多个感兴趣区域（ROI）相关的一个或多个生理参数。在该示例中，ROI可以是受试者的心脏血管中的狭窄区域。狭窄区域可以包括斑块沉积，其中偶尔具有钙化区域。ROI可以通过对聚合图像的组合应用图像处理算法来确定。在步骤76，生成基于与感兴趣区域相关的一个或多个参数以及与受试者相关的一个或多个生理参数的个体化血管支架的模型。个体化血管支架的模型可以基于ROI的钙化的性质和程度。此外，个体化血管支架可以基于受试者的生理参数。此外，可以在步骤74确定受试者的血管的宽度和厚度，其也可以是生成血管支架的因素。

在步骤78，基于与ROI相关的一个或多个参数确定用于制作个体化血管支架的材料。参考该示例，可以基于，例如狭窄区域的构成和狭窄区域的钙化程度，来确定个体化血管支架的材料。如果狭窄区域存在钙化，就修改血管支架的构成，从而使支架不对狭窄区域施加可能导致血管爆裂的压力。在步骤80，使用患者分层数据可验证个体化血管支架的兼容性。诸如冠状动脉血管直径这样的参数可由患者分层数据获得。患者的生理数据诸如体重、年龄、性别和种族可用于检索验证血管支架的模型所需的适当参数。如果血管支架的模型基于患者分层数据不匹配，就对血管支架的模型进行重新模制。此外，对修正后的模型进行检验，并且通过检验的模型被传送进行制作。在步骤82，生成用于制作个体化血管支架的模型的格式。该格式可传送给添加物制作装置进行制作。该格式可伴随有要使用的添加物制作工艺的类型和用于制作个体化血管支架所要使用的材料。

本文描述的方法和系统允许医生使用受试者的生理参数实时制作个体化支架。该方法和系统在模制血管支架时考虑到了狭窄区域的钙化。因此，血管支架对受试者来说是安全的。所述方法和系统利用来自多个成像模式的图像来模制血管支架，从而导致血管支架的有效模制。血管支架被模制以便对ROI的钙化区域施加最小的作用力。使用所描述的方法和系统，可以基于ROI中钙化区域的位置来制作具有不同材料的支架。该方法和系统使得个体化血管支架的模型能够用于治疗身体任何部位的血管阻塞。虽然已经参考某些实施例详细描述了本发明，但应该理解的是，本发明不限于这些实施例。在本公开的基础上，本领域技术人员在不脱离如本文所述的本发明的各种实施例的范围的前提下可以进行许多修改和变更。因此，本发明的范围由以下权利要求而不是前述描述所指示。在权利要求的含义和等同范围内的所有改变、修改和变更都应认为落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.一种用于为受试者定制血管支架的方法，所述方法包括：

由处理器聚合由一个或多个成像模式生成的一个或多个图像（72）；

由所述处理器处理所述一个或多个图像以获得一个或多个感兴趣区域（ROI）（26）以及与受试者血管（25）中的ROI相关的一个或多个参数；

由所述处理器基于与ROI（26）相关的一个或多个参数以及与受试者相关的生理参数生成个体化血管支架（28）的模型（60）；

由所述处理器基于与感兴趣区域相关的一个或多个参数确定用于制作个体化血管支架（28）的一种或多种材料；以及

由所述处理器生成用于制作的个体化血管支架的模型（60）的格式；

其中所述一个或多个ROI（26）包括血管（25）内的狭窄区域，所述血管（25）包括钙化区域（27）和未钙化区域；

与所述一个或多个ROI（26）相关的参数包括狭窄区域处的斑块沉积的长度、厚度、组成、钙化水平及分布；

所述个体化血管支架（28）由一种或多种材料构成，以便对钙化区域（27）施加最小的压力。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：基于与一个或多个ROI（26）相关的一个或多个生理参数以及一个或多个患者分层参数，验证个体化血管支架的模型（60）。

3.如权利要求1所述的方法，其中患者分层参数是基于受试者的身体和生理参数确定的。

4.如权利要求1所述的方法，其中用于制作所述个体化血管支架（28）的所述一种或多种的材料是基于与ROI（26）相关的参数确定的。

5.如权利要求1所述的方法，其中用于制作所述个体化血管支架（28）的所述一种或多种材料包括生物相容的并可用于添加物制作工艺的任何材料。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述个体化血管支架（28）是通过添加物制作工艺制作的。

7.一种用于为受试者定制血管支架的装置（1），所述装置包括：

耦合到一个或多个诊断成像模式的装置（1），其中该装置包括处理器（4）；

与所述处理器（4）耦合的存储器（6），其中该存储器（6）包括血管支架个体化模块（15）形式的处理器可执行指令，所述处理器可执行指令被配置用来：

聚合由一个或多个成像模式（12.1-12.N）生成的一个或多个图像；

处理所述一个或多个图像以获得一个或多个感兴趣区域以及与一个或多个感兴趣区域（ROI）相关的一个或多个生理参数；

基于与ROI（26）相关的一个或多个参数以及一个或多个患者分层参数生成个体化血管支架（28）的模型（60）；

基于与ROI（26）相关的一个或多个参数确定用于制作个体化血管支架（28）的一种或多种材料（62，64）；以及

生成用于制作的个体化血管支架（28）的模型（60）的格式；

其中所述一个或多个ROI（26）包括血管（25）内的狭窄区域，所述血管（25）包括钙化区域（27）和未钙化区域；

与所述一个或多个ROI（26）相关的参数包括狭窄区域处的斑块沉积的长度、厚度、组成、钙化水平及分布；

所述个体化血管支架（28）由一种或多种材料构成，以便对钙化区域（27）施加最小的压力。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述装置（1）被配置用来基于与一个或多个ROI（26）相关的一个或多个参数以及一个或多个患者分层参数来验证个体化血管支架（28）的模型（60）。

9.如权利要求7所述的装置，其中所述装置（1）与用于制作个体化血管支架（28）的添加物制作装置（44）通信地耦合。

10.如权利要求7所述的装置，其中所述诊断成像模式（12.1-12.N）是X射线成像模式、计算机断层扫描（CT）成像模式和磁共振成像（MRI）模式中的至少一个。

11.一种用于为受试者个体化血管支架的系统（30），该系统包括：

一个或多个诊断成像模式（12.1-12.N），

处理器（38），

与所述处理器相关的存储器（34），所述存储器包含可执行指令，所述可执行指令被配置用来：

聚合由一个或多个成像模式（12.1-12.N）生成的一个或多个图像；

处理所述一个或多个图像以获得一个或多个感兴趣区域ROI（26）以及与一个或多个ROI（26）相关的一个或多个生理参数；

基于与ROI（26）相关的一个或多个参数以及一个或多个患者分层参数生成个体化血管支架（28）的模型（60）；

基于与ROI（26）相关的一个或多个生理参数确定用于制作个体化血管支架（28）的一种或多种材料；

生成用于制作的个体化血管支架（28）的模型（60）的格式；以及

添加物制作装置（44），被配置用来使用所述模型的所述格式制作个体化血管支架；

其中所述一个或多个ROI（26）包括血管（25）内的狭窄区域，所述血管（25）包括钙化区域（27）和未钙化区域；

与所述一个或多个ROI（26）相关的参数包括狭窄区域处的斑块沉积的长度、厚度、组成、钙化水平及分布；

所述个体化血管支架（28）由一种或多种材料构成，以便对钙化区域（27）施加最小的压力。

12.如权利要求11所述的系统，所述处理器（38）被配置用来：

基于受试者的身体和生理参数通过使用一个或多个患者分层参数来验证个体化血管支架（28）的模型（60）的兼容性。

13.如权利要求11所述的系统，其中所述添加物制作装置（44）被配置用来使用一种或多种材料制作个体化血管支架（28）。

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