根據3-d圖像和表面標測的解剖建模的製作方法

2023-06-04 16:43:21 3

專利名稱：根據3-d圖像和表面標測的解剖建模的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及醫學成像系統，並且具體地涉及用於構造內部器官 的三維視圖的方法和系統。
背景技術：
在許多基於導管(catheter)的診斷和治療應用中，內部器官的三 維(3-D)圖像是有用的，並且實時成像在外科手術期間被廣泛地使用。 超聲成像是相對方便的實時成像模式，然而實時超聲成像的解析度通常 不如從諸如計算機斷層攝影(CT)和磁共振成像(MRI)的其它成像並莫 態得到的解析度好。
Sheehan等人的美國專利6, 106,466描述了一種用於根據2-D超聲 圖像生成心臟的3-D模型的方法，該專利的公開內容在此引入以供參考。 在2-D圖l象中人工識別解剖部位(location) 。 3-D網才各(mesh)用作原 型的心臟形狀，其與解剖部位對準從而描繪3-D才莫型。
用於依據組織類型而分割3-D結構的方法在本領域中是已知的。 Lorensen等人的美國專利4,751,643描述了 一種用於確定結構的切片 怎樣跨越2-D圖像而連接的方法，該專利的公開內容在此引入以供參考。 操作者指定識別待顯示的組織類型的強度閾值。操作者還選擇識別結構 部位的初始體元(initial voxel )或種子。Cline等人的美國專利 5， 187, 658描述了一種用於通過基於如組織在3-D圖像中呈現的組織的 相對強度構造統計扭無率分布來分割內部結構的方法，該專利的公開內容 在此引入以供參考。
Hartley等人的美國專利5, 903， 664描述了 一種基於在感興趣區域 (ROI)(例如，左心室)內選擇種子點進行分割的方法，該專利的公 開內容在此引入以供參考。基於閾值將該種子點擴大到包括ROI內與該 種子點具有相同分類的點。
Altmann等人的美國專利申請公開2006/0253024描述了一種其中 操作者在 一 個或多個超聲圖像中標記感興趣輪廓 (contour-of-interest )的方法，該專利申請的乂>開內容在此引入以供參考。基於感興趣輪廓並且基於超聲波傳感器的所測量的部位和方位
坐標而構造解剖結構的3D模型。
Preiss等人的美國專利申請7>開2007/0049817描述了一種用於配 準(register) 3-D圖像與包含離散點的心臟圖(cardiac map)的方法， 該專利申請的公開內容在此引入以供參考。該配準是通過識別功能或生 理信息的地點(site)(例如，^痕組織)而同時獲得心臟圖中的點來 實現的。在3-D圖像中人工識別所述地點，並且根據該圖和3-D圖像共 有的所識別的地點配準該圖和3-D圖像。
Altmann等人的美國專利申請乂^開2007/01 06146描述了一種用於 同步電解剖圖和3-D超聲圖像的採集並且隨後顯示這兩個的重疊的 (overlaid)周期運動的方法和系統，該專利申請的公開內容在此引入 以供參考。
Strommer的美國專利申請公開2002/0049375描述了一種用於顯示 循環移動器官(cyclically moving organ)的圖像序列的方法。檢測 器官定時信號(timing signal),並且使用圖像檢測器從不同位置和 方位採集器官的多個二維圖像。每一個二維圖像都與其相應的圖像檢測 器位置和方位相關，並且與器官定時信號的讀取相關。該二維圖像根據 器官運動周期中的周期點(cycle point)來分組，並且每一組都神皮用 於重建與相應周期點相關的三維圖像。
用於使用位置感測(position-sensing )導管進行心臟的3-D標測 (mapping )的方法在本4頁i或中是7^^口的。例如，Ben—Haim的美國專利 5, 738, 096描述了一種使其與身體中的多個點接觸以便生成解剖圖的位 置感測探針(probe )，該專利的公開內容在此引入以供參考。包括心 髒表面上的電活動的生理特性也可以通過導管來採集。(這樣的電解剖 圖的生成可以用由力口利3畐尼亞州的Diamond Bar的Biosense Webster 公司製造並銷售的CART(T導航和標測系統來實現。)
Reisfeld的美國專利6,226,542描述了 一種用於基於心臟圖而生 成3-D模型的方法，該專利的公開內容在此引入以供參考。任意的、封 閉的3D曲面被大致調整為類似於該圖的點的重建物的形狀。其後，執 行柔性匹配級(flexible matching stage)以4吏該封閉面精確地類似 於重建的實際體積(volume)的形狀。
一些醫學成像系統應用配準多個3-D才莫型的方法。例如，Robb等人的美國專利5， 568， 384描述了一種用於將多個3-D圖像集合成到單個合 成圖像中的方法，該專利的公開內容在此引入以供參考。執行一個圖像 的變換以將它與第二圖像對準。授予Packer等人的美國專利No. 6,556,695指出磁可以採集共振圖像，然後將其與隨後採集的電激活圖 (electrical activation map )或超聲圖4象酉己準，該專利的乂>開內容 在此引入以供參考。
超聲導管可以用於心內膜(即，心臟的內表面)的成像。例如，Govari 的美國專利6， 716, 166和Govari等人的美國專利6, 77 3， 402描述了用 於根據用超聲導管獲得的二維(2-D)圖像來重建體腔的系統，這兩個 專利的公開內容在此引入以供參考。該導管還可以包括位置傳感器，其 確定體腔內的導管的坐標。導管中的聲換能器發射超聲波，該超聲波從 腔的表面反射。確定從每一個換能器到該表面的距離，並且該距離測量 和該導管位置被組合以便重建該腔的三維(3-D)形狀。
發表Medical Image Analysis (1:2) , June 1996, pages 91-108 的Mclnerney禾口 Terzopoulos的才艮告 "Deformable Models in Medical Image Analysis: A Survey"描述了計算機輔助的醫學圖像分析技術， 該技術用於通過採用(自下而上)源自圖像數據的約束連同(自上而下) 關於這些解剖結構的位置、大小和形狀的先驗知識來分割、匹配和追蹤 這些結構，該報告的內容在此引入以供參考。
另一個分析技術由Neubauer和Wegenkittl在"Analysis of Four-Dimensional Cardiac Data Sets Using Skeleton—Based Segmentation" ( the 11th International Conference in Central Europe on Computer Graphics, Visualization and Computer Vision, University of West Bohemia, Plzen, Czech Republic, February 2003 )
中描述，該論文內容在此引入以供參考。作者描述了一種計算機輔助方 法，該方法用於根據在心動周期上的許多時間點處獲得的心臟CT(計算
機斷層攝影)圖像序列來分割心臟的多個部分。

發明內容
本發明的實施例提供了用於對三維(3-D)解剖結構建模的系統、 裝置和方法，所述建模包括沿著3-D分割輪廓的3-D圖像的自動分割和 基於分割輪廓的3-D圖的增強。在本發明的一些實施例中，諸如心室的內表面的目標結構的解剖圖用位置感測探針來採集(acquire)。可選 地或者附加地，解剖圖可以從描繪目標結構的用戶輸入來組裝 (assemble)。基於該解剖圖，確定3-D超聲圖像中的3-D分割輪廓。 然後可以基於用戶輸入來顯示由分割輪廓所描繪的'^髒的特定區域。
在一些實施例中，位置感測超聲導管可以用來採集解剖圖數據和超 聲圖像。圖數據的採集和超聲圖像的採集可以在心動周期中的單個時間 點處被選通(gate)或者可以在心動周期中的多個同步點處被選通，從 而使得顯示的特定分割區域有與心動周期對應的移動。
在另外的實施例中，來自分割輪廓的點的變換提供了被併入到解剖 圖中的附加數據。另外的圖數據的採集也可以遞增地(incrementally) 實現，使得所顯示圖像的質量遞增地改善。
因此，根據本發明的實施例，提供了一種醫學成像方法，該方法包
括
通過將探針插入到對象身體中並使用該探針收集數據，來創建對象 身體中的腔(例如，心室)的內壁的解剖圖； 創建該腔的三維(3-D)圖像；以及 基於該圖描繪該3-D圖像中的3-D輪廓。
在所公開的實施例中，描繪該輪廓的步驟包括基於該解剖圖確定種
子點。描繪該輪廓可以包括識別位於該種子點與該腔之間的該輪廓上的 佔
/ 、 、、 o
在一些實施例中，創建該解剖圖包括將探針插入到該腔中並且使該 探針在多個部位處與內部部位接觸。該解剖圖包括多個第一點，所述多 個第一點的每一個都與由與內壁接觸的該探針得到的生理參數的相應 測量相關，並且該方法可以包括基於該輪廓將多個第二點添加到該解剖 圖，並且生成示出該生理參數在第一和第二點上分布的該解剖圖的顯 示。典型地，所述生理參數選自由心臟電活動、組織特性、溫度和血流
量(blood flow)組成的參悽史組。
在一些實施例中，創建該3-D圖像包括通過使用探針中的超聲換能 器捕獲多個二維(2-D )超聲圖像並且將該2-D超聲圖像組合以生成3-D 圖像來創建3-D超聲圖像。創建該解剖圖可以包括在多個所述2-D超聲 圖像中描繪各自的2-D輪廓，並且將該2-D輪廓組合以產生該解剖圖。
附加地或者可選地，創建該3-D超聲圖像包括在給定的3-D坐標空間中確定該3-D超聲圖像的像素的第一坐標，並且使該探針與該腔的內 壁接觸包括在給定的3-D坐標空間中測量內壁上的 一個或多個部位的第 二坐標。在一個實施例中，使用第一探針創建該解剖圖，並且使用包括 超聲換能器的第二探針捕獲該3-D超聲圖像，其中該第一和第二探針包 括相應的第一和第二位置傳感器，並且其中該方法包括耦合該位置傳感 器以感測所生成的場並且響應於所感測的場來計算第 一和第二探針的 位置。在所公開的實施例中，該探針包括超聲換能器和位置傳感器，並 且用來創建該解剖圖以及用來捕獲該3-D超聲圖像。
在一個實施例中，該方法包括相對於同步信號來同步捕獲超聲圖像 和創建解剖圖的定時(timing)，所述同步信號選自由心電圖(ECG) 信號、內部生成的同步信號和外部提供的同步信號組成的信號組。典型 地，該定時被同步到心動周期中的多個定時點，並且該方法包括生成作 為移動圖像的輪廓、解剖圖和超聲圖像中的 一個或多個的顯示。
可選地，捕獲該3-D圖像包括使用體外超聲探針來掃描解剖結構。
在所公開的實施例中，該方法包括生成示出來自至少一個成像模態 的數據在該輪廓上的分布的輪廓的顯示，所述至少一個成像模態選自由 超聲成像、磁共振成像(MRI)、計算機斷層攝影(CT)和X射線成像 組成中的衝莫態組中。
在另 一個實施例中，該方法包括識別由該輪廓限制的體積並且生成 示出來自3-D成像模態的體元在該體積內的分布的顯示。
根據本發明的實施例，還提供了一種醫學成像方法，該方法包括
將探針插入到身體中，該探針包括用於測量生理參數的傳感器；
使該探針與身體中的器官表面上的多個第一點接觸以便在每個第 一點處測量該生理參數；
創建包括該多個第 一點並代表該生理參數在該器官表面上的分布 的該器官的解剖接收該器官的三維(3-D)圖像；
確定包括在該3-D圖像中的輪廓；以及
基於該輪廓將不包括在第 一點中的多個第二點添加到該解剖圖。 典型地，添加第二點包括應用變換以便將該輪廓與該解剖圖配準。 在一些實施例中，響應於將該多個第二點添加到該解剖圖而生成該 解剖圖的顯示，其中該顯示包括第一和第二點並且示出該生理參數在該器官表面上的分布。該方法可以包括響應於生成該顯示，將該探針與該
器官表面上的多個補充點(supplemental point)接觸以便測量在每一 個補充點處的該生理參數，將該補充點添加到該解剖圖，並且重新生成 包括第三點的該解剖圖的顯示。
根據本發明的實施例，還提供了一種醫學成像方法，該方法包括
捕獲解剖結構的3-D圖像；
確定包括在該3-D圖像中的輪廓；
識別由該輪廓限制的3-D坐標空間中的體積；
生成示出該體積內的來自3-D成像模態的體元的圖片。
在一個實施例中，示出該體元包括生成一個或多個該體元的半透明 顯象(visualization)。可選地或者附加地，生成該圖片包括示出由 該輪廓限制的器官的壁的厚度。
根據本發明的實施例，還提供了一種用於醫學成像的系統，該系統 包括
至少 一個探針，其被配置成插入到對象身體中的腔中並且收集用於 創建該腔的內壁的解剖圖的數據；以及
處理器，其被配置成生成該腔的三維(3-D)圖像並且基於該圖在 該圖像中描繪3-D輪廓。
該系統典型地包括配置成示出圖片的顯示器。
在一些實施例中，該系統包括一個或多個輻射器(radiator)和至 少一個位置傳感器，耦合該一個或多個輻射器以在第一和第二探針的附 近生成場，該至少一個位置傳感器與該至少一個探針相關聯並且被耦合 以響應於所生成的場而發射信號，其中該處理器被配置為響應於該信號 而確定該至少一個探針的坐標。在一個實施例中，該處理器被耦合以響 應於所感測的場而計算該至少一個位置傳感器在給定的三維坐標空間 中的第一坐標，並且基於該3-D圖像的像素在該給定的三維坐標空間中 的笫一坐標和第二坐標而確定，並且確定在內壁上的一個或多個部位在 該給定的三維坐標空間中的第三坐標。
在所公開的實施例中，該解剖結構包括心臟，並且該至少一個探針 包括至少一個導管，該導管被插入到心室中以便採集該3-D圖像和該解 剖圖的坐標。
此外，根據本發明的實施例，提供了一種用於醫學成像的系統，該系統包4舌
探針，其被配置成插入到身體中，以與該身體中的器官表面上的多 個第 一 點接觸以便測量在每個第 一 點處的生理參數；以及
處理器，其被配置成創建包括該多個第 一點並表示該生理參數在該 器官表面上的分布的該器官的解剖圖，接收該器官的三維(3-D)圖像， 確定包括在該3-D圖像中的輪廓，並且基於該輪廓將不包括在該第一點 中的多個第二點添加到該解剖圖。
根據本發明的實施例，還提供了一種用於醫學成像的系統，該系統 包括
探針，其被配置成捕獲解剖結構的3-D圖像；
處理器，其被配置成確定該3-D圖像中的輪廓，識別由該輪廓限制 的體積，並且生成示出該體積內的來自3-D成像模態的體元的圖片；以 及
顯示器，其被配置成顯示該圖片。
根據本發明的實施例，還提供了 一種用於醫學成像的計算機軟體產 品，該產品包括其中存儲有程序指令的計算機可讀介質，其中該指令在 被計算機讀取時使得該計算機採集對象身體中的腔的三維(3-D)圖像， 確定該腔內壁的解剖圖的坐標，並且基於該圖描繪該3-D圖像中的3-D輪廓。
根據本發明的實施例，還提供了 一種用於醫學成像的計算機軟體產 品，該產品包括其中存儲有程序指令的計算機可讀介質，其中該指令在 被計算機讀取時使得該計算機創建包括多個第 一點並表示生理參數在 器官表面上的分布的身體器官表面的解剖圖，接收該器官的三維(3-D) 表面表示(surface representation), 並且基於該3-D表面表示將不 包括在該第 一 點中的多個第二點添加到該解剖圖。
根據本發明的實施例，又提供了 一種用於醫學成像的計算機軟體產 品，該產品包括其中存儲有程序指令的計算機可讀介質，其中該指令在 被計算機讀取時使得該計算機採集解剖結構的3-D圖像，確定包括在該 3-D圖像中的輪廓，識別由該輪廓限制的3-D坐標空間中的體積，並且 生成示出該體積內的來自3-D成像模態的體元的圖片。
從下面本發明實施例的詳細描述連同附圖將更充分地理解本發明， 其中
1

圖1是根據本發明實施例的用於心臟標測和成像的系統的示意性的
圖示；
圖2是根據本發明實施例的導管的示意性的剖面示圖； 圖3是示意性示出根據本發明實施例的用於心臟標測和成像的方法 的流程圖；以及
圖4A-4F、 5A-5B、 6A-6C、 7和8A-8B是在視覺上演示根據本發明 實施例的用於心臟標測和成像的方法的圖像。
具體實施例方式
圖1是根據本發明實施例的用於對目標結構(例如，患者的心臟22 ) 進行成像和標測的系統20的示意性圖示。(在下文中，術語"目標結 構，，可以指整個或者部分心室，或者指其它體腔，或者指特定的壁、表 面、血管或其它解剖特徵。雖然在這裡描述的實施例具體指的是在心臟 中及其周圍的結構，但是本發明的原理可以加以必要的變更之後類似地 應用於骨頭、肌肉和其它器官以及解剖結構的成像。)
該系統包括導管24,其由醫師插到心室中。典型地，導管24是感 測位置的超聲探針，其被配置為執行包括解剖標測和超聲成像的功能。 導管24的標測和超聲成像能力在上述的美國專利公開2006/0253024、 2007/0049817和2007/0106146中進一步描述。
系統2 0的定位子系統包含一組外部輻射器，例如場生成線圈(fi e 1 d generating coil) 26。場生成線圈的位置淨皮限定在該定位子系統的固 定坐標空間中。
基於由線圈26生成的場，定位在接近導管24的末端(distal end) 處的位置傳感器(圖2)生成位置相關的信號並且將這些信號發送到控 制臺28。通常包含在控制臺中的定位處理器30根據該位置相關的信號 來計算導管24的末端的位置坐標(location coordinate)。在本發明 的實施例中，導管的末端與心臟內表面上的一個或多個部位接觸，並且 在每一個部位處的坐標被確定並作為點的矩陣被存儲在控制臺中。所存 儲的矩陣在下文中被稱為解剖圖。
導管24進一步包含超聲傳感器(圖2)，該超聲傳感器生成超聲能量並接收所反射的超聲回波。基於所反射的回波，該超聲傳感器將超聲
相關信號發送到控制臺28中的圖像處理器32。
圖像處理器32典型地接收來自超聲傳感器的多個位置和方向的超 聲相關信號，並且處理這些信號以在3-D空間中重建包含一組體元(即， 3-D像素)的3-D超聲圖像。
圖像處理器可以被配置為執行在下文中更詳細描述的其它功能，例 如輪廓描繪。使用3-D可視化技術，圖像處理器也在控制臺28的顯示 器34上顯示3-D物體(例如，所描繪的輪廓)。控制臺是交互式的， 使醫師能夠使用定點設備(例如，跟蹤球36 )來控制所顯示的項目，和 /或能夠用鍵盤38來輸入命令。
典型地，定位和圖像處理器的功能使用通用計算機來實現，該計算 機以軟體形式編程以執行在這裡所述的功能。該軟體可以例如通過網絡 以電子形式被下載到計算機，或者它可以可選地在有形的介質上(例如， CD-ROM)提供給計算機。定位處理器和圖像處理器可以使用單獨的計算 機或使用單個計算機來實現，或者可以與系統20的其它計算功能集成。 附加地或可選地，定位和圖像處理功能中的至少 一些可以使用專用硬體 來執行。
圖2是示出根據本發明實施例的導管24的末端的示意性圖示。該 導管包含位置傳感器42和超聲傳感器44,如上文中所述的，其通過導 線46發送相應的位置相關和超聲相關信號到控制臺28。可選地，控制 臺28可以通過導管24中的無線發送器(未示出)來接收這些信號。
在一些實施例中，該導管的末端包含用於執行診斷和/或治療功能 的至少一個電極48。電才及48可以用於在生成解剖圖期間感測電勢或心 髒激活時間(cardiac activation time),從而提供電解剖圖。在電 解剖圖中，目標結構的位置坐標與對應的電勢值相關。
在可選實施例中，單獨的導管可以用來採集超聲圖像數據和圖數 據。該超聲圖像探針也可以是體外的。
位置傳感器42位於導管24的末端內的電極48和超聲傳感器44的 附近。典型地，位置傳感器42、電極48和超聲傳感器44之間的位置和 方位偏移量恆定的，並且被定位處理器30用來導出超聲傳感器44的坐 標和電極48的坐標。在一些實施例中，該偏移;波預先標定並存〗諸在定 位處理器30中。可選地，該偏移可以存儲在耦合到導管24的存儲器設備中。
一般，通過相對於體表心電圖(ECG)信號或心內心電圖選通數據 採集將超聲圖像和位置測量與心動周期同步。因為在心臟周期性的收縮 和舒張期間心臟的特徵改變它們的形狀和位置，所以整個成像過程通常 在對於該周期的單個觸發(trigger )或定時點處執行。可選地，數據 採集可以在心動周期中的多個定時點處被選通，使得可以顯示移動圖 像。在一些實施例中，可以由超聲傳感器測量的附加參數也被同步到該 ECG信號，所述附加參數例如各種組織特性(例如，密度或平滑度)、 溫度和血流量。
圖3是示意性示出根據本發明實施例的用於目標結構的標測和成像 的過程50的流程圖。
在數據採集步驟52中，醫師操縱導管24以採集目標結構的超聲圖 像數據和解剖圖數據。該超聲圖像包含對應於至少三個解剖結構的特 徵，這些解剖結構是第一，導管24定位在其中的內部體積，例如心 室、血管或瓣膜(valve);第二，壁，其通常具有不同的內表面和外 表面，其中該內表面限制該內部體積；以及第三，外部體積，其對應於 附加的解剖結構，例如第二心室或身體器官。該解剖圖數據可以通過接 觸標測(例如，電解剖標測)來採集，其中導管與壁的內表面上的多個 點接觸。可選地或附加地，解剖數據可以由系統20的用戶來描繪，如 下面的圖4B-4D中所示出的。
如上所述，超聲圖像數據和解剖圖數據的採集被同步到心動周期中
的單個定時點，或同步到多個定時點。
在種子生成步驟54中，圖像處理器自動根據解剖圖生成一個或多 個種子點。種子點可以是包含在該圖中的特定的點，或者可以由從幾個 所測量的點的內插和/或外推來確定。在一個實施例中，表面可以由解 剖圖中的點的最小二乘多項式擬合來生成，並且單個種子點被確定為該 表面上的中點。可選地，種子點可以由系統20的用戶選擇。
接下來，在輪廓檢測步驟56中，基於種子點檢測和描繪超聲圖像 中的4侖廓。在示例性實施例中，該4侖廓是對應於在內部和外部部分 (section)之間分割該圖像的特徵的3-D表面。典型地，該輪廓對應 於限制內部部分的壁的內表面。
輪廓檢測和描繪是基於種子點的並在下文中示意性示出(圖4E).-險測可以包括邊緣;險測法、相關法、運動4僉測法和其它本領域中已知的 方法。邊緣檢測的公知方法是Canny邊緣檢測法，其在F. J. Canny的 "A Computational Approach to Edge Detection" ( IEEE Trans PAMI, 8 (6): 679-698， 1986 )中有所描述。基於Canny邊緣檢測的可以-故用 在該背景中的改進方法在2007年5月1日提交的美國臨時專利申請 60/915， 152中有所描述，該專利申請被轉讓給本專利申請的受讓人並且 其公開在此引入以供參考。
與例如在上述美國專利5,903,664和美國專利公開2006/0253024 中描述的那些分割方法形成對照，在步驟54中確定的種子點是基於解 剖圖自動確定的。此外，在步驟56中執行的輪廓檢測可以基於在腔壁 的內表面之外的種子點，因為該表面出現在超聲圖像中。在解剖圖中的 點以及因此種子點也可以由於導管在位置坐標採集期間施加在壁上的 壓力而位於內壁之外。
步驟56的輸出是三維矩陣，其限定分割原始超聲3-D圖像的一個 或多個輪廓。可選地，可以使用參數方程來限定輪廓。
一旦根據上述步驟確定了輪廓，則該輪廓可以應用在隨後的使超聲 圖像和解剖圖可視化的步驟中，如在下文中所述的。
在圖增強步驟60中，在步驟52中所獲得的解剖圖的解析度用從輪 廓提取的點來增強。如圖3中所指出的，步驟60包含三個子步驟。在 子步驟62中，在步驟56確定的輪廓在3-D坐標空間中變換以與電解剖 圖中的點對準，如在下文中關於圖6B進一步描述的。在一個實施例中， 輪廓的變換是基於最小二乘、最佳擬合的算法來執行的。
隨後，在點提取子步驟64中，從變換的輪廓中提取輪廓點並且將 其添加到解剖圖，從而增強該圖的密度。輪廓點的提取可以通過將給定 密度的2-D柵格(grid)投影到輪廓表面上以及在柵格交叉處提取點來 自動執行，如下面圖6C中所指出的。
用來增強解剖圖的數據點也可以從除了由上文所述方法得到的輪 廓之外的3-D圖像源中提取。例如，根據在背景技術中所述的美國專利 公開2007/0049817的方法與解剖圖配準的3-D解剖表面也可以4是供可 以-故添加到解剖圖的點的源。
如上所述，解剖圖一般是電解剖圖，然而該圖也可以可選地或附加 地包含其它生理參數，例如組織和溫度特性。在子步驟66中，顯示了所增強的圖的圖片，該圖包括所提取的輪廓點的坐標。對於所添加的輪 廓點可以通過從原始圖數據內插和/或外推參數值來估計生理參數。該
圖片一般使用3-D可視化方法(包括3-D數據到控制臺顯示器的2-D平 面上的投影)而顯示為3-D圖像。典型地，所顯示的圖像可以被旋轉以 便從多個一見角來觀看。
在輪廓顯示步驟67中，使用上述3-D可4^L化方法顯示在步驟56確 定的輪廓。來自解剖圖的生理參數可以在輪廓表面上內插和/或外推以 便顯示具有表示參數值的突顯(highlighting)的輪廓，如下文中參考 圖7而進一步描述的。突顯可以通過各種方法(例如著色或陰影)來表 示。
輪廓表面的類似的突顯也可以用於顯示來自3-D超聲圖像的圖像數 據(即，體元)。輪廓表面的每一個點可以才艮據在3-D圖像中對應坐標 處的體元的值而被突顯。也可以基於從其它源提取的3-D圖像數據來突 顯輪廓，所述其它源包括磁共振成像(MRI)、計算機斷層攝影(CT) 或X射線成像。輪廓也可以依據給定的徑向偏移而變換，並且可以根據 偏移坐標顯示3-D圖像數據突顯，類似於在各種深度觀看洋蔥皮。
在以下參考圖8A和8B描述的另外的實施例中，圖像處理器可以基 於輪廓生成封閉的體積而不是表面。在該封閉的體積內，從3-D圖像源 提取的體元可以用各種透明度來顯示，使得對應於不被阻塞的體腔的體 元顯示為透明的而對應於組織或其它障礙物的體元顯示為相對暗的和 不透明的。
在補充採集步驟68中，用導管24測量附加的圖點並將其添加到解 剖圖，從而增大圖密度。
過程50可以實時地迭代地執行，使得基於最新採集的數據和基於 該最新採集的數據的隨後計算而更新所顯示的圖像。
如上所述，如果數據採集被同步到心動周期中的單個定時點，則所 顯示的圖像表現得相對固定。如果選擇多個定時點，則超聲圖像數據和 解剖圖數據的採集被同步到每個定時點，並且通常為每組同步的數據確 定不同的種子點和4^廓。也可以通過確定心動周期中的一個點處的^"廓 並且使用所確定的輪廓作為自動過程的 一部分以便找到該周期中下一 個定時點處的相應輪廓來l丸行輪廓描繪。
圖4-8是在視覺上演示根據本發明實施例的上述建模方法的各方面的圖像的示意性圖示。
圖4A-4F提供了步驟52-56的示圖，由此基於從解剖圖得到的種子 點而描繪了輪廓。在圖4A中，導管24被插到心臟22的右心房70中， 並且捕獲右心房的2-D圖像以及左心房72的2-D圖像。圖4B示出這些 圖像中的一個(為了看得清楚將強度等級(intensity scale)翻轉， 使得左心房的內部為淺灰，而心臟的更具反射性的壁為暗灰)。系統20 的操作者描繪左心房的內表面的輪廓線(outline) 74，如它出現在該 圖像中的。操作者可以例如通過使用滑鼠或其它定點設備操縱屏幕上的 光標75來描畫(trace )該輪廓線。
圖4C和4D示出了被疊加在左心房72的體積上的用戶描繪的輪廓 線。每一個輪廓線從不同的2-D圖像中得到，具有在捕獲該2-D圖像時 由導管24的位置和方位確定的位置和方位。當已經描繪了足夠的這種 輪廓線時，它們限定了左心房的內部輪廓76的解剖圖。可選地，如上 所述，類似形狀的圖可以通過接觸標測來生成，例如通過將導管移到左 心房自身中並與左心房的實際內表面上的多個點接觸。在該情況下，解 剖圖也可以包括電數據。
處理器32將內部輪廓76放置在包含左心房的體積78內部，如圖 4E所示出的。基於該輪廓上的圖點，生成種子點80,如上文中在步驟 54中所述的。在一個實施例中，種子點被確定為根據解剖圖點生成的輪 廓76的中心。生成的表面通常是使用本領域已知的表面生成方法而擬 合到輪廓線上的點的函數，該輪廓線由用戶描繪或者由導管標測。如上 關於步驟54所述的，解剖圖中的點可以由於導管在位置坐標採集期間 施加於壁上的壓力而位於左心房的壁的實際內表面之外。
處理器32在三維中相對於種子點80和在步驟52收集的3-D超聲 圖像數據中的實際邊緣操縱輪廓76。在本發明的實施例中，實施邊緣檢 測算法以;險測對應於內壁表面的4侖廓。(可以用於該目的的方法例如在 上述的美國臨時專利申請60/915,152中有所描述)。如所示出的，檢 測射線在體積78的壁的方向上從種子點80展開。根據上述的Canny邊 緣檢測法或其它類似算法,當檢測射線與具有匹配閾值的強度變化的體 元組相交時，檢測到輪廓點。
圖4F示出基於3-D輪廓76描繪的左心房72的輪廓。該輪廓描繪 在三維中進行，從而在超聲圖像的3-D空間中生成輪廓。如前面所述的，相似種類的3-D輪廓可以由3-D電解剖圖開始而不是如該實例中所示的 由基於用戶描繪的輪廓線的圖開始而生成。
圖5A和5B示出對於心動周期中的兩個不同定時點的超聲圖像的 2-D切片和所描繪的輪廓。圖5A示出當數據採集在對應於心動周期的峰 值收縮(peak systole)的定時點102處被選通時的圖像；在圖5B中 數據採集在心動周期的心臟舒張期間的定時點104處被選通。如上所述， 也在每個定時點處採集解剖圖數據，使得解剖圖數據和超聲數據對於每 個定時點都是同步的。因此，對於相應的定時點102和l(M可以生成不 同的輪廓，即分別為輪廓106和輪廓108。
圖6A-6C提供了上面所述的圖增強步驟60的圖示。圖6A示出其上 覆有圖點112的3-D輪廓110。輪廓110可以如上關於輪廓96的生成所 述的生成，或者可以由本領域已知的其它方法來提供。圖點被包含在解 剖圖中，該解剖圖通常具有相對於輪廓的解析度的低密度的點。
圖6B示出輪廓114,其通過根據上面所述的子步驟62將輪廓110 變換到新坐標而生成。
圖6C提供了上面所述的點提取子步驟64的可視化。可以應用各種 固定柵格或柔性柵格方法以便在輪廓114中確定要被添加到解剖圖的點 118。在一個實施例中，基於輪廓114限定絲網(wire-mesh) 116，並 且網格交叉點用來確定點118。隨後可以根據包含原始圖點112和附加 點118的解剖圖生成表面。該表面可以根據包含在解剖圖中的生理參數 (例如電勢)而著色或加陰影。
圖7提供了上面所述的輪廓顯示步驟67的圖示。來自解剖圖的生 理參數的值在輪廓表面120上被內插和/或外推。雖然該圖中使用文本 符號122來示出突顯，但是突顯一般由其它方法(例如，著色或陰影)
來表示o
突顯可以可選地基於3-D圖像數據。因為輪廓表面上的每個點對應 於3-D超聲圖像中的體元，所以可以根據相應體元的值而突顯每個^侖廓 表面點。也可以在使用本領域中已知的圖像配準方法配準得自其它源 (包括MRI、 CT或X射線成像)的3-D圖像的坐標與輪廓之後基於這些 圖^f象中的相應體元突顯該輪廓。
在一些實施例中，醫師也可以指定輪廓偏移，以便觀看來自與該輪 廓處於給定偏移的3-D圖像的體元。指定偏移生成了輪廓的變換，其可圖8A和8B示出了輪廓顯示步驟67的附加方面，其中生成並顯示 由輪廓限制的封閉體積。生成封閉體積的兩種方法分別通過圖8A和8B 而舉例說明。為了說明清楚，該圖基於圖4D中所示的表示在兩維中表 示輪廓。
圖8A示出基於變換第一輪廓130以生成第二輪廓132的封閉體積 的生成，使得該封閉體積由這兩個輪廓限制。在一個實施例中，實現該 轉換使得在由導管指示器的位置限定的徑向方向上按照設置距離(set distance)來變換第一輪廓上的每個點。封閉體積1 34被限定在這兩個 輪廓之間，從而實際上提供了具有給定厚度的輪廓。
圖8B示出生成封閉體積138的可替代的方法，由此封閉體積被限 定為至少在一側由輪廓的凸起表面限制的空間。如果輪廓自身不是封閉 表面而是具有如圖所示的開口邊緣(open edge),則可以生成連接該 開口邊緣的點的表面，/人而封閉該體積。
在所生成的封閉體積內，從3-D圖像源(例如，3-D超聲圖像)提 取的體元可以用各種透明度來顯示。對應於不一皮阻塞的體腔的體元顯示 為透明的而對應於組織或其它障礙物(例如，障礙物140)的體元顯示 為相對暗的和不透明的。
雖然上面描述的實施例具體涉及使用侵入式探針(例如，心臟導管) 的超聲成像，但是本發明的原理也可以應用於使用配備有定位傳感器的 其它外部或內部超聲探針(例如，經胸廓的探針)來重建器官的3-D模 型。附加地或可選地，如上所迷，所公開的方法可以用於除心臟之外的 器官的3-D建模以及使用得自除超聲之外的包括MRI、 CT和X射線成像 的成像方法的3-D圖像。另外附加地或可選地，如上所述，其它診斷或 治療信息(例如，組織厚度和溫度)可以以電活動覆蓋(electrical activity overlay)的方式淨皮覆蓋在3-D衝莫型上。該3-D衝莫型也可以與 其它診斷或外科工具(例如，消融導管)一起使用，以及與其它程序(例 如，心房中隔缺損閉合程序、脊柱外科手術和尤其是最低程度侵入的程 序) 一起使用。
因此，應當明白，作為示例列舉了上述實施例，並且本發明不限於 在上文中已經具體示出和描述的那些實施例。相反，本發明的範圍包括 上文中所述的各種特徵的組合和子組合，以及本領域技術人員在閱讀上
21述描述之後將想到的並且沒有在現有技術中公開的變化和修改。
權利要求
1. 一種醫學成像方法，包括通過將探針插入到對象身體中並使用該探針收集數據，來創建該對象身體中的腔的內壁的解剖圖；創建該腔的三維(3-D)圖像；以及基於該圖描繪該3-D圖像中的3-D輪廓。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中描繪該輪廓包括基於該解剖 圖確定種子點。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中描繪該輪廓包括識別位於該 種子點與該腔之間的該輪廓上的點。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中創建該解剖圖包括將該探針 插入到該腔中並且使該探針在多個部位(location)處與內部部位接觸。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中該解剖圖包括多個第一點， 該多個第 一 點中的每 一 個都與由與該內壁接觸的該探針進行的生理參 數的相應測量相關，並且其中該方法包括基於該輪廓將多個第二點添加 到該解剖圖，並且生成示出該生理參數在該第一和第二點上的分布的該 解剖圖的顯示。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中該生理參數選自由心臟電活 動、組織特性、溫度和血流量組成的參數組。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中創建該3-D圖像包括創建3-D 超聲圖像。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中創建該3-D超聲圖像包括使 用該探針中的超聲換能器來捕獲多個二維(2-D)超聲圖像，並且將該 2-D超聲圖像組合以生成該3-D圖像。
9. 根據權利要求8所述的方法，其中創建該解剖圖包括在多個該 2-D超聲圖像中描繪相應的2-D輪廓，並且將該2-D輪廓組合以產生該 解剖圖。
10. 根據權利要求7所述的方法，其中創建該3-D超聲圖像包括在 給定的3-D坐標空間中確定該3-D超聲圖像的像素的第一坐標，並且其 中使該探針與該腔的內壁接觸包括在該給定的3-D坐標空間中測量該內 壁上的一個或多個部位的第二坐標。
11. 根據權利要求10所述的方法，其中使用第一探針創建該解剖圖，並且其中使用包括超聲換能器的笫二探針捕獲該3-D超聲圖像，其 中該第一和第二探針包括各自的第一和第二位置傳感器，並且其中該方 法包括耦合該位置傳感器以感測所生成的場並且響應於所感測的場來 計算該第一和第二探針的位置。
12. 根據權利要求10所述的方法，其中該探針包括超聲換能器和 位置傳感器，並且用來創建該解剖圖以及用來捕獲該3-D超聲圖像。
13. 根據權利要求1所述的方法，包括相對於同步信號使捕獲該超 聲圖像和創建該解剖圖的定時同步，該同步信號選自由心電圖(ECG) 信號、內部生成的同步信號和外部提供的同步信號組成的信號組。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中該定時被同步到心動周期 中的多個定時點，並且該方法包括生成作為移動圖像的該輪廓、該解剖 圖和該超聲圖像中的一個或多個的顯示。
15. 根據權利要求1所述的方法，其中捕獲該3-D圖像包括使用體 外超聲探針來掃描解剖結構。
16. 根據權利要求1所述的方法，包括生成該輪廓的顯示，其示出 來自至少 一 個成像模態的數據在該輪廓上的分布，所述至少 一 個成像模 態選自由超聲成像、磁共振成像(MRI)、計算機斷層攝影(CT)和X 射線成像組成的模態組。
17. 根據權利要求1所述的方法，包括識別由該輪廓限制的體積並 且生成示出來自3-D成像才莫態的體元在該體積內的分布的顯示。
18. 根據權利要求1所述的方法，其中該腔是心室。
19. 一種醫學成像方法，包括將探針插入到身體中，該探針包含用於測量生理參數的傳感器；使該探針與該身體中的器官表面上的多個第 一點接觸以便在每個 第一點處測量該生理參數；創建該器官的解剖圖，其包括該多個第一點並表示該生理參數在該 器官表面上的分布；接收該器官的三維(3-D)圖像；確定包括在該3-D圖像中的輪廓；以及基於該輪廓將不包括在該笫一點中的多個第二點添加到該解剖圖。
20. 根據權利要求19所述的方法，其中添加該第二點包括應用變 換以便將該輪廓與該解剖圖配準。
21. 根據權利要求19所述的方法，包括響應於將該多個第二點添 加到該解剖圖而生成該解剖圖的顯示，其中該顯示包括該第一和第二點 並且示出該生理參數在該器官表面上的分布。
22. 根據權利要求21所述的方法，包括響應於生成該顯示，將該 探針與該器官表面上的多個補充點接觸以便測量在每個補充點處的生 理參數，將該補充點添加到該解剖圖，並且重新生成包括第三點的該解 剖圖的顯示。
23. —種醫學成像方法，包括 捕獲解剖結構的3-D圖像； 確定包括在該3-D圖像中的輪廓； 識別由該輪廓限制的3-D坐標空間中的體積； 生成示出該體積內的來自3-D成像模態的體元的圖片。
24. 根據權利要求23所述的方法，其中示出該體元包括生成一個 或多個該體元的半透明顯象。
25. 根據權利要求23所述的方法，其中生成該圖片包括示出由該 輪廓限制的器官的壁的厚度。
26. —種用於醫學成像的系統，包括至少 一個探針，其被配置成插入到對象身體中的腔中並且收集用於 創建該腔的內壁的解剖圖的數據；以及處理器，其被配置成生成該腔的三維(3-D)圖像並且基於該圖在 該圖像中描繪3-D輪廓。
27. 根據權利要求26所述的系統，其中該解剖圖包括多個第一點， 該多個第 一點中的每一個都與通過使該探針與該內壁接觸而測量的生 理參數相關，其中該處理器進一步被配置為基於該輪廓將多個第二點添 加到該解剖圖並且生成示出該生理參數在該第一和第二點上的分布的 該解剖圖的圖片，其中該系統包括配置成示出該圖片的顯示器。
28. 根據權利要求26所述的系統，包括一個或多個輻射器，其被耦合以在該第 一 和第二探針的附近生成 場；以及至少 一 個位置傳感器，其與該至少 一 個探針相關並且被耦合以響應 於所生成的場而發射信號，其中該處理器被配置為響應於該信號而確定 該至少一個探針的坐標。
29. 根據權利要求28所述的系統，其中該處理器被耦合以響應於 所感測的場而計算在給定的三維坐標空間中該至少 一個位置傳感器的 第一坐標，並且基於在該給定的三維坐標空間中的該3-D圖像的像素的 第一坐標和第二坐標而確定，並且在該給定的三維坐標空間中確定在該 內壁上的一個或多個部位的第三坐標。
30. 根據權利要求26所述的系統，其中該腔包括心室，並且其中 該至少 一 個探針包括至少 一 個導管，其被插入到該心室中以便釆集該 3-D圖像和該解剖圖的坐標。
31. 根據權利要求26所述的系統，其中該至少一個探針包括用於 創建該解剖圖的第一探針和用於捕獲該3-D圖像的第二探針。
32. 根據權利要求26所述的系統，其中該至少一個探針包括超聲 換能器和位置傳感器，並且用來創建該解剖圖以及用來捕獲該3-D圖像。
33. 根據權利要求26所述的系統，其中該至少一個4笨針和該處理 器被耦合以相對於同步信號使該解剖圖的坐標和該3-D圖像的採集的定 時同步，該同步信號選自由心電圖(ECG)信號、內部生成的同步信號 和外部提供的同步信號組成的信號組。
34. 根據權利要求33所述的系統，其中該定時被同步到心動周期 中的多個定時點，並且其中該處理器被配置為生成作為移動圖像的該輪 廓、該解剖圖和該超聲圖像中的一個或多個的顯示。
35. 根據權利要求26所述的系統，其中該處理器被配置為生成該 輪廓的顯示，其示出來自至少 一 個成像模態的數據在該輪廓上的分布， 所述至少一個成像模態選自由超聲成像、磁共振成像(MRI)、計算機 斷層攝影(CT)和X射線成像的組成的模態組。
36. 根據權利要求26所述的系統，其中該處理器被配置為識別由 該輪廓限制的體積並且生成示出來自3-D成像模態的體元在該體積內的 分布的顯示。
37. —種用於醫學成像的系統，包括探針，其被配置成插入到身體中，使其與該身體中的器官表面上的 多個第 一 點接觸以便測量在每個第 一 點處的生理參數；以及處理器，其#:配置成創建包括該多個第 一點並表示該生理參數在該 器官表面上的分布的該器官的解剖圖，接收該器官的三維(3-D)圖像， 確定包括在該3-D圖像中的輪廓，並且基於該輪廓將不包括在該第一點中的多個第二點添加到該解剖圖。
38. 根據權利要求37所述的系統，其中該處理器被配置為通過應 用變換來添加該第二點以便將該輪廓與該解剖圖配準。
39. 根據權利要求37所述的系統，其中該處理器被配置為響應於 將該多個第二點添加到該解剖圖而生成該解剖圖的顯示，其中該顯示包 括該第一和第二點並且示出該生理參數在該器官表面上的分布。
40. —種用於醫學成像的系統，包括 探針，其被配置成捕獲解剖結構的3-D圖像；處理器，其被配置成確定該3-D圖像中的輪廓，識別由該輪廓限制 的體積，並且生成示出該體積內的來自3-D成像模態的體元的圖片；以 及顯示器，其被配置成顯示該圖片。
41. 根據權利要求40所述的系統，其中該處理器被配置為生成一 個或多個該體元的半透明顯象。
42. 根據權利要求40所述的系統，其中該處理器被配置為生成該 圖片以便示出由該輪廓限制的器官的壁的厚度。
43. —種用於醫學成像的計算機軟體產品，該產品包括其中存儲有 程序指令的計算機可讀介質，其中該指令在被計算機讀取時使得該計算 機採集對象身體中的腔的三維(3-D)圖像，確定該腔內壁的解剖圖的 坐標，並且基於該圖描繪該3-D圖像中的3-D輪廓。
44. 一種用於醫學成像的計算機軟體產品，該產品包括其中存儲有 程序指令的計算機可讀介質，其中該指令在被計算機讀取時使得該計算 機創建包括多個第一點並表示生理參數在器官表面上的分布的身體器 官表面的解剖圖，接收該器官的三維(3-D)表面表示，並且基於該3-D 表面表示將不包括在該第一點中的多個第二點添加到該解剖圖。
45. —種用於醫學成像的計算機軟體產品，該產品包括其中存儲有 程序指令的計算機可讀介質，其中該指令在被計算機讀取時使得該計算 機採集解剖結構的3-D圖像，確定包括在該3-D圖像中的輪廓，識別由 該輪廓限制的3-D坐標空間中的體積，並且生成示出該體積內的來自 3-D成像模態的體元的圖片。
全文摘要
本發明涉及根據3-D圖像和表面標測的解剖建模。一種醫學成像方法包括通過將探針插到對象身體中並使用該探針收集數據來創建該對象身體中的腔的內壁的解剖圖。基於該圖三維(3-D)輪廓在該腔的3-D圖像中被描繪。
文檔編號A61B8/13GK101449985SQ200810179820
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月5日 優先權日2007年12月5日
發明者A·C·阿爾特曼, A·戈瓦裡 申請人:韋伯斯特生物官能公司