專(zhuān)利名稱：采用器官外部解剖特征的器官圖像的配準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及圖像處理，尤其涉及用于醫(yī)學(xué)圖像的分析和顯示的方法和系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在一些醫(yī)療成像應(yīng)用中，來(lái)自不同源的用多種模態(tài)產(chǎn)生的圖像被一個(gè)個(gè)的配準(zhǔn) 并顯示。例如，美國(guó)專(zhuān)利5568384，其公開(kāi)的內(nèi)容在此引入作為參考，其描述了用于將 3D多模態(tài)圖像集合合成為單一組合圖像的方法。最初用半自動(dòng)分割技術(shù)從兩個(gè)或更多不 同的、將被匹配的圖像中提取表面。表面被表示為具有將被匹配的共同特征的輪廓。匹 配方法包括查找多參數(shù)空間和調(diào)節(jié)一個(gè)表面或多個(gè)表面以找出其中最適合的。Makela等 人在 “ A Review of Cardiac Image Registration Methods” 中研究了 圖像配準(zhǔn)的方法，該文 章發(fā)表于 IEEE Transactions on Medical Imaging 21:9 (2002 年 9 月)，1011 1021 頁(yè)，其 被引入于此作為參考。Aylward 等人在美國(guó)專(zhuān)利 6690816 和 International Journal of ComputerVision55 2-3 (2003 年 11-12 月)，第 123 138 頁(yè)的 “Registration and Analysisof Vascular Images”
中描述了在醫(yī)學(xué)圖像中管狀目標(biāo)的處理方法，這兩篇都在此引入作為參考。他們指出在 多維圖像中管狀目標(biāo)的配準(zhǔn)有助于醫(yī)學(xué)成像的應(yīng)用。這類(lèi)管狀目標(biāo)配準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)了源圖像和 目標(biāo)圖像之間的管狀目標(biāo)的圖像單元，該源圖像和目標(biāo)圖像可以用不同的圖像模態(tài)來(lái)產(chǎn) 生。本專(zhuān)利給出一個(gè)用于肝臟損害的射頻切除治療，配準(zhǔn)手術(shù)前CT或MR數(shù)據(jù)和手術(shù) 內(nèi)超聲數(shù)據(jù)的例子。

發(fā)明內(nèi)容
以下所描述的本發(fā)明的實(shí)施例提供了利用器官外解剖特征，配準(zhǔn)所述器官的不 同醫(yī)學(xué)圖像的方法和系統(tǒng)。術(shù)語(yǔ)“圖像”被廣泛用在本專(zhuān)利申請(qǐng)的上下文和權(quán)利要求書(shū) 中，以表示器官的形狀或輪廓的任何三維(3D)圖示。下文描述的方法可用于配準(zhǔn)使用不 同模態(tài)捕獲的圖像，諸如配準(zhǔn)器官的預(yù)采集3D圖像和器官內(nèi)用侵入性探針實(shí)時(shí)生成的器 官的3D圖示。在一些實(shí)施例中，器官外的管狀結(jié)構(gòu)諸如血管被用于配準(zhǔn)圖像。基于管狀結(jié)構(gòu) 的分段表面，采用下文描述的快速準(zhǔn)確的方法可以在3D圖像中識(shí)別管狀結(jié)構(gòu)。由于用于 治療器官的侵入性探針，諸如心導(dǎo)管常常穿過(guò)血管插入靶器官(target organ)中，所以在探針穿過(guò)血管的過(guò)程中，使用探針可以產(chǎn)生血管的實(shí)時(shí)圖像。這個(gè)圖像可以與預(yù)采集圖 像中的相應(yīng)血管配準(zhǔn)，使得在探針平滑進(jìn)入靶器官之前，探針的參考結(jié)構(gòu)可以與預(yù)采集 的圖像配準(zhǔn)?？蛇x擇地或附加地，手術(shù)者可以在預(yù)采集的圖像中交互地指示靶器官外的標(biāo)志 點(diǎn)，例如，用指示裝置在顯示器上標(biāo)記相應(yīng)的點(diǎn)。于是手術(shù)者可以通過(guò)使探針與標(biāo)志點(diǎn) 位置物理接觸，在實(shí)時(shí)圖像中指示相應(yīng)點(diǎn)。再次參考以上提到的血管例子，標(biāo)志點(diǎn)可以 是在主動(dòng)脈或腔靜脈中的位置，并且當(dāng)探針穿過(guò)通向心臟的、將被討論的血管時(shí)，手術(shù) 者可以使探針接觸這些位置。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種成像方法，包括接收受檢者體內(nèi)的器官附近的第一個(gè)三維(3D)圖像；創(chuàng)建器官附近第一個(gè)3D圖像中的管狀結(jié)構(gòu)的幾何模型；將侵入性探針插入器官；使用侵入性探針捕獲包含器官的第二個(gè)3D圖像；使用侵入性探針在管狀結(jié)構(gòu)的表面上定位一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)，以及通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)與幾何模型匹配，將第二個(gè)3D圖像與第一個(gè)3D圖像配 準(zhǔn)。在一些實(shí)施例中，定位一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)包括將侵入性探針插入管狀結(jié)構(gòu)，以及當(dāng) 侵入性探針在管狀結(jié)構(gòu)中時(shí)識(shí)別管狀結(jié)構(gòu)的表面。在一個(gè)實(shí)施例中，識(shí)別表面包括使探 針與一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)接觸，以及確定探針的坐標(biāo)。定位一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)可以包括接收來(lái)自使 用者的輸入，以在第一個(gè)3D圖像上標(biāo)記一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)?？蛇x擇地或附加地，將侵入性探 針插入管狀結(jié)構(gòu)包括使侵入性探針經(jīng)由管狀結(jié)構(gòu)進(jìn)入器官。在公開(kāi)的實(shí)施例中，器官包 括受檢者心臟，并且侵入性探針穿過(guò)的管狀結(jié)構(gòu)包括與心室相通的血管。在一些實(shí)施例中，由第一個(gè)3D圖像中的管狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的幾何模型是第一個(gè)幾何 模型，定位一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)包括處理第二個(gè)3D圖像以創(chuàng)建管狀結(jié)構(gòu)的第二個(gè)幾何模型，并 且匹配一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)包括使第二個(gè)幾何模型適配第一個(gè)幾何模型。在公開(kāi)的實(shí)施例中， 捕獲第二個(gè)3D圖像包括通過(guò)使探針在內(nèi)表面的多個(gè)位置上與器官內(nèi)表面接觸而產(chǎn)生器官 內(nèi)表面的解剖圖，以及在每個(gè)位置上記錄探針的位置坐標(biāo)。產(chǎn)生解剖圖可以包括，通過(guò) 在多個(gè)位置上使用探針測(cè)量局部電活動(dòng)生成電解剖圖，其中將第二個(gè)3D圖像與第一個(gè) 3D圖像配準(zhǔn)包括在第一個(gè)3D圖像上添加局部電活動(dòng)的指示?？蛇x擇地，捕獲第二個(gè)3D 圖像包括使用探針內(nèi)的超聲傳感器生成超聲圖像，以及定位一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)包括識(shí)別超聲 圖像中的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)。在公開(kāi)的實(shí)施例中，定位一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)包括基于探針中的位置傳感器提供的信 號(hào)確定一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。在一個(gè)實(shí)施例中，管狀結(jié)構(gòu)在器官外，其中所述器官是受檢者的心臟，其中管 狀結(jié)構(gòu)包括在心臟附近的血管。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還提供了一種成像方法，包括接收受檢者體內(nèi)管狀結(jié)構(gòu)的三維(3D)圖像；識(shí)別出現(xiàn)在管狀結(jié)構(gòu)表面上的3D圖像中的多個(gè)點(diǎn)；定義多個(gè)環(huán)，每個(gè)環(huán)穿過(guò)表面上所述多個(gè)點(diǎn)的各自子集，并環(huán)繞管狀結(jié)構(gòu)，以及結(jié)合所述多個(gè)環(huán)以創(chuàng)建管狀結(jié)構(gòu)表面的3D幾何模型。典型地，定義多個(gè)環(huán)包括指定起始點(diǎn)，以及在各自的子集中為每一個(gè)環(huán)合并一 組點(diǎn)，這一組點(diǎn)到起始點(diǎn)的距離相等。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，另外提供成像裝置，包括侵入性探針，其被配置為插入受檢者體內(nèi)的器官；以及處理器，其被耦合以接收器官附近的第一個(gè)三維(3D)圖像和創(chuàng)建器官附近第一 個(gè)3D圖像中的管狀結(jié)構(gòu)的幾何模型，并且其被配置為使用侵入性探針捕獲包括器官的第 二個(gè)3D圖像，以及使用侵入性探針在管狀結(jié)構(gòu)表面上定位一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)，并且通過(guò)將一 個(gè)或多個(gè)點(diǎn)與幾何模型匹配來(lái)配準(zhǔn)第二個(gè)3D圖像和第一個(gè)3D圖像。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，進(jìn)一步提供了計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)， 其中儲(chǔ)存了程序指令，當(dāng)計(jì)算機(jī)讀操作時(shí)，該指令使計(jì)算機(jī)接收受檢者體內(nèi)器官附近的 第一個(gè)三維(3D)圖像，創(chuàng)建器官附近第一個(gè)3D圖像中的管狀結(jié)構(gòu)的幾何模型，使用插 入器官的侵入性探針捕獲包括器官的第二個(gè)3D圖像，使用侵入性探針在管狀結(jié)構(gòu)表面上 定位一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)，以及通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)與幾何模型匹配來(lái)配準(zhǔn)第二個(gè)3D圖像與第 一個(gè)3D圖像。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，此外還提供了計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)， 其中儲(chǔ)存了程序指令，當(dāng)計(jì)算機(jī)讀操作時(shí)，該指令使計(jì)算機(jī)接收受檢者體內(nèi)管狀結(jié)構(gòu)的 三維(3D)圖像，識(shí)別出現(xiàn)在管狀結(jié)構(gòu)表面上的3D圖像中的多個(gè)點(diǎn)；定義多個(gè)環(huán)，每個(gè) 環(huán)穿過(guò)表面上多個(gè)點(diǎn)的各自的子集并環(huán)繞管狀結(jié)構(gòu)；結(jié)合所述多個(gè)環(huán)以創(chuàng)建管狀結(jié)構(gòu)表 面的3D幾何模型。從下面結(jié)合附圖的實(shí)施例的詳細(xì)描述中，將更充分地理解本發(fā)明，其中


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的示意性圖示說(shuō)明；圖2是示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，配準(zhǔn)心臟圖像的方法的流程圖；圖3是示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在3D圖像中建立管狀結(jié)構(gòu)模型的方法的 流程圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，通過(guò)圖3方法產(chǎn)生的心臟的3D模型中代表血管的多 個(gè)環(huán)和中心線的圖示；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過(guò)圖3的方法產(chǎn)生的心臟肺靜脈3D模型的圖 示；圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，示意性說(shuō)明在用侵入性探針產(chǎn)生的圖像中建立管 狀結(jié)構(gòu)模型的方法流程圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在通過(guò)圖6的方法產(chǎn)生的血管3D模型中代表血管 的多個(gè)環(huán)和中心線的圖示；圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過(guò)圖6的方法產(chǎn)生的血管的3D模型的圖示；圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，包括連接到心房的肺靜脈的左心房電解剖圖的圖 示；
圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，從電解剖圖中移除肺靜脈之后的圖9的電解剖圖 的圖示；圖11是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，左心房的預(yù)采集圖像的圖示，在圖像配準(zhǔn)之后已 在該預(yù)采集圖像上添加了左心房電解剖圖的特征；以及圖12A和12B分別是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，心臟的預(yù)采集圖像和心臟電解剖圖 的圖示，在其上已添加了手術(shù)者指出的標(biāo)志點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式系統(tǒng)描述圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)病人22的心臟24進(jìn)行成像的系統(tǒng)20的示意性圖 示，該系統(tǒng)包括導(dǎo)管28，由手術(shù)者26諸如內(nèi)科醫(yī)生將其通過(guò)靜脈或動(dòng)脈插入心室。系 統(tǒng)20包括測(cè)量導(dǎo)管28位置(位置和方向)坐標(biāo)的定位子系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，定位 子系統(tǒng)包括磁位置追蹤系統(tǒng)，該磁位置追蹤系統(tǒng)包括一套外部輻射器30，定位在病人外 部固定、已知的位置。線圈30在心臟24附近產(chǎn)生場(chǎng)，典型是電磁場(chǎng)。產(chǎn)生的場(chǎng)由導(dǎo)管 28的遠(yuǎn)端內(nèi)的位置傳感器31感測(cè)。一些可以用這樣的方式使用的位置追蹤系統(tǒng)例如，在美國(guó)專(zhuān)利6,690,963、 6,618,612 和 6,332,089 以及美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)文本 2002/0065455A1, 2004/0147920A1 和 2004/0068178A1中被描述，其公開(kāi)內(nèi)容都在此引入作為參考。在CARTO 系統(tǒng)中使用 這種由BiosenseWebster公司(Diamond Bar，加利福尼亞州)生產(chǎn)的追蹤系統(tǒng)?？蛇x擇 的，盡管圖1所示的定位子系統(tǒng)使用磁場(chǎng)，以下描述的方法可以使用任何其它合適的定 位子系統(tǒng)來(lái)實(shí)施，諸如基于電磁場(chǎng)、電阻抗測(cè)量、或聲學(xué)測(cè)量的系統(tǒng)。導(dǎo)管28還包括至少一個(gè)在其遠(yuǎn)端的轉(zhuǎn)換器33，用于產(chǎn)生心臟24的圖像。轉(zhuǎn)換 器33可以包括例如電極，該電極測(cè)量在心內(nèi)膜上多個(gè)點(diǎn)處的電活動(dòng)，導(dǎo)管尖端與這些點(diǎn) 接觸。這種電極，與位置傳感器結(jié)合，可用于產(chǎn)生心臟的一個(gè)或多個(gè)心室的電解剖圖， 例如在以上提到的CARTO系統(tǒng)中。根據(jù)以上的定義，這種電解剖圖在本專(zhuān)利申請(qǐng)的上 下文和權(quán)利要求書(shū)中被認(rèn)為是“圖像”。附加地或可選擇地，轉(zhuǎn)換器33可以包括一個(gè)或多個(gè)超聲轉(zhuǎn)換器，其用于捕獲心 臟內(nèi)的超聲圖像。位置傳感器31提供的讀數(shù)用于配準(zhǔn)在導(dǎo)管不同位置上捕獲的超聲圖像 (可以是二維或三維圖像)以重建一個(gè)完整的3D圖像。該圖像可以包括一個(gè)或多個(gè)心 室，以及心臟外的附近結(jié)構(gòu)諸如血管。在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)文本2006/0241445中描述了 具有這種能力的導(dǎo)管和系統(tǒng)(還包括用于電解剖感測(cè)的電極)，其公開(kāi)內(nèi)容在此引入作為 參考。進(jìn)一步附加的或可選擇的，導(dǎo)管28和系統(tǒng)20可以適于產(chǎn)生其他類(lèi)型的圖像，諸 如表示心臟內(nèi)機(jī)械活動(dòng)或其它類(lèi)型生理活動(dòng)的圖。而且，盡管在此描述的實(shí)施例尤其涉 及心臟成像，但本發(fā)明的原理同樣也可以應(yīng)用于身體的其它器官。控制臺(tái)32驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)20的元件?？刂婆_(tái)32包括輻射器驅(qū)動(dòng)電路34，其產(chǎn) 生信號(hào)以驅(qū)動(dòng)輻射器30。信號(hào)處理器36處理導(dǎo)管28輸出的信號(hào)，包括傳感器31輸出的 位置信號(hào)和轉(zhuǎn)換器33輸出的轉(zhuǎn)換器信號(hào)。信號(hào)處理器處理這些信號(hào)以產(chǎn)生心臟24的圖 像，諸如上述3D超聲圖像和/或電解剖圖。典型地這種圖像是實(shí)時(shí)產(chǎn)生的，即在使用導(dǎo)管獲得數(shù)據(jù)的期間，手術(shù)者同時(shí)在病人的身體中操作導(dǎo)管。(可選的，以下描述的方法可 以在獲得這種圖像后得到應(yīng)用。)圖像呈現(xiàn)在輸出裝置上，諸如顯示器38。手術(shù)者可以 使用用戶輸入裝置諸如跟蹤球40或其它指示器與信號(hào)處理器交互作用。在下文進(jìn)行更詳細(xì)描述的一些實(shí)施例中，信號(hào)處理器36還接收心臟24的預(yù)采集 3D圖像。圖像是預(yù)采集的，意味著它是使用另一種成像模態(tài)分別獲得的。這種模態(tài)的例 子包括計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、正電子放射型計(jì)算機(jī)斷層成像(PET) 以及使用外部探針的超聲成像。信號(hào)處理器處理預(yù)采集的圖像和實(shí)時(shí)圖像以配準(zhǔn)所述實(shí) 時(shí)圖像和預(yù)采集圖像。用于進(jìn)行該處理和配準(zhǔn)的方法在下文進(jìn)行詳細(xì)描述。然后已配準(zhǔn) 的圖像可以一起呈現(xiàn)在顯示器38上。例如，來(lái)自實(shí)時(shí)圖像的解剖和/或功能細(xì)節(jié)可以添 加到預(yù)采集圖像上。典型地，信號(hào)處理器36包括通用計(jì)算機(jī)，該通用計(jì)算機(jī)具有用于接收相關(guān)圖 像和位置數(shù)據(jù)的合適的輸入電路，并且將該通用計(jì)算機(jī)以軟件編程來(lái)執(zhí)行在此描述的功 能。這個(gè)軟件可以電子方式例如通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載到計(jì)算機(jī)中。可選擇地或附加地，該軟件 可存儲(chǔ)在有形介質(zhì)上，諸如光學(xué)、磁或電子存儲(chǔ)介質(zhì)。進(jìn)一步可選擇地或附加地，至少 一些信號(hào)處理器的功能可以通過(guò)專(zhuān)用或可編程的信號(hào)處理電路來(lái)執(zhí)行。管狀目標(biāo)的配準(zhǔn)圖2是示意性說(shuō)明配準(zhǔn)預(yù)采集的3D圖像諸如MRI，CT或PET圖像的方法流程 圖，該預(yù)采集的3D圖像在圖像坐標(biāo)系統(tǒng)中使用具有電磁位置感測(cè)系統(tǒng)的導(dǎo)管(諸如系統(tǒng) 20中的導(dǎo)管28)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)心臟模型獲得。實(shí)時(shí)心臟模型由電解剖接觸繪圖產(chǎn)生，或由 心臟內(nèi)超聲成像產(chǎn)生。盡管最終結(jié)果是心室的配準(zhǔn)圖像，但是配準(zhǔn)處理是基于配準(zhǔn)預(yù)采 集和實(shí)時(shí)模型中感興趣的血管。血管不是心臟自身的必要部分。貫穿本專(zhuān)利申請(qǐng)，用于配準(zhǔn)的血管被稱為“管狀結(jié)構(gòu)”。其它管狀結(jié)構(gòu)(不僅 僅血管)可同樣用于配準(zhǔn)。以下的管狀結(jié)構(gòu)例如可以作為用于心臟圖像配準(zhǔn)的目標(biāo) 下腔靜脈； 上腔靜脈； 冠狀竇； 心臟的冠狀動(dòng)脈； 主動(dòng)脈； 食道； 肺靜脈。管狀結(jié)構(gòu)的配準(zhǔn)是快速和精確的，并且當(dāng)導(dǎo)管在器官外時(shí)，可以用導(dǎo)管的坐標(biāo) 系統(tǒng)配準(zhǔn)感興趣的器官圖像的坐標(biāo)。因此，例如，在圖2的方法中，可以使用心臟外的 血管或其它管狀結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)心室。該方法不依賴于預(yù)采集圖像的體數(shù)據(jù)(volumetric data)， 而是使用管狀結(jié)構(gòu)的分段表面。由于導(dǎo)管通常穿過(guò)確定的血管插入心臟，諸如腔靜脈或主動(dòng)脈，因此在導(dǎo)管穿 過(guò)血管的通路時(shí)可獲得圖2方法中使用的實(shí)時(shí)圖像。然后在導(dǎo)管平滑進(jìn)入心臟之前可以 用參考的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)預(yù)先配準(zhǔn)預(yù)采集的圖像。導(dǎo)管正在穿過(guò)的血管的實(shí)時(shí)模型為使用者提 供清晰的關(guān)于血管形狀和其中導(dǎo)管位置的反饋。本實(shí)施例的特征提高了繪圖程序的安全 和速度。
此外，如下圖所述，圖2的方法可用于同時(shí)配準(zhǔn)幾個(gè)管狀結(jié)構(gòu)。發(fā)明人已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)，這種同時(shí)的方法為僅使用單一血管或甚至幾個(gè)血管的順序配準(zhǔn)提供較高的配準(zhǔn)準(zhǔn)確 度。同時(shí)配準(zhǔn)使可能的誤差平均化，該可能的誤差可以是心律改變導(dǎo)致的心臟和周?chē)M 織的變形以及在繪圖期間由導(dǎo)管導(dǎo)致的軟組織的變形引起的。圖2的方法也可提供管狀血管模型和感興趣的腔(諸如與血管相連的心室)的相 交區(qū)域的自動(dòng)檢測(cè)。該技術(shù)產(chǎn)生了單獨(dú)的幾何實(shí)體，該幾何實(shí)體可以可靠地用于進(jìn)一步 的診斷和/或治療活動(dòng)。例如，肺靜脈與左心房的交叉區(qū)域的檢測(cè)，如下圖所述，允許 血管口的位置高亮顯示以用于計(jì)劃后期的切除程序?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2的說(shuō)明，在第一個(gè)圖像建模步驟50中，該方法首先在預(yù)采集圖像 中建立一個(gè)或多個(gè)管狀結(jié)構(gòu)的模型，諸如血管。在可用于提供預(yù)采集圖像的一些成像模 態(tài)諸如CT中，管狀結(jié)構(gòu)諸如血管通常是與其相關(guān)的主要腔的分段部分的輸出。此外，該 分段可作為網(wǎng)孔提供，而不是體素?cái)?shù)據(jù)(voxel data)，并且該分段可以包含分段人造物。 在這種環(huán)境下，步驟50中的建立管狀結(jié)構(gòu)模型需要使處理器能夠正確地識(shí)別和定位這些 結(jié)構(gòu)。這個(gè)步驟的細(xì)節(jié)如下圖3所示。手術(shù)者可以在將被建模的預(yù)采集圖像中指定管狀 結(jié)構(gòu)，以減小例如不正確分段造成的誤差的可能性。在實(shí)時(shí)采集步驟52中，控制導(dǎo)管28穿過(guò)身體中感興趣的區(qū)域，并且采集圖上的 點(diǎn)，尤其是沿著將被建模的血管的內(nèi)表面。通過(guò)在空間和電穩(wěn)定的位置上使導(dǎo)管尖端接 觸血管內(nèi)表面來(lái)產(chǎn)生圖上的點(diǎn)。可選擇地或附加地，如上所述，感興趣的血管的心臟內(nèi) 輪廓可使用心臟內(nèi)的超聲導(dǎo)管獲得，該心臟內(nèi)的超聲導(dǎo)管配備位置傳感器。在這種操作 模式下，可通過(guò)導(dǎo)管獲得的每個(gè)血管輪廓被認(rèn)為包括幾個(gè)圖上的點(diǎn)。在圖建模步驟54中，處理器36從圖上的點(diǎn)云中實(shí)時(shí)構(gòu)建血管模型。如之前注 釋的，在本專(zhuān)利申請(qǐng)的上下文和權(quán)利要求書(shū)中，這種圖被認(rèn)為是“圖像”。步驟54的細(xì) 節(jié)如下圖6所示。在血管分離步驟56中，處理器從感興趣的心室中分離一個(gè)或多個(gè)將被建模的血 管。為了這個(gè)目的，處理器識(shí)別血管口例如肺靜脈進(jìn)入左心房的血管口，或主動(dòng)脈從左 心室離開(kāi)的血管口。這個(gè)步驟的目的是，當(dāng)作為血管一部分的已采集到的圖上點(diǎn)與心室 有著錯(cuò)誤聯(lián)系時(shí)，解決發(fā)生在繪圖程序中可能出現(xiàn)的紊亂，反之亦然。例如，由于手術(shù) 者工作流程的錯(cuò)誤，肺靜脈點(diǎn)可能被錯(cuò)誤地識(shí)別為左心房的一部分，或主動(dòng)脈點(diǎn)可能被 識(shí)別為左心室的一部分。步驟56試圖通過(guò)自動(dòng)描繪出血管口來(lái)糾正這樣的錯(cuò)誤。例如， 該血管口可以例如通過(guò)檢測(cè)網(wǎng)孔的相交線以及識(shí)別位于心室中的部分血管網(wǎng)孔來(lái)識(shí)別， 該網(wǎng)孔的相交線與血管(或多個(gè)血管)及心室對(duì)應(yīng)。劃分由相交線交叉的網(wǎng)孔的三角形， 因此產(chǎn)生兩個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)孔。然后移除每個(gè)網(wǎng)孔的內(nèi)部部分。為了使網(wǎng)孔拓?fù)湟恢?，通過(guò) 三角剖分將孔關(guān)閉。在目標(biāo)關(guān)聯(lián)步驟58中，處理器36將步驟54和56中建模的每個(gè)血管與步驟50 中的預(yù)采集圖像模型中的相應(yīng)血管相關(guān)聯(lián)。如之前注釋的，幾個(gè)不同的血管諸如肺靜脈 可以在該步驟同時(shí)配準(zhǔn)，以提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。在下文中參考圖9和10進(jìn)一步描述血管 識(shí)別和關(guān)聯(lián)的方法。盡管血管關(guān)聯(lián)的方法典型地是自動(dòng)執(zhí)行，但是手術(shù)者可以通過(guò)指向 相互關(guān)聯(lián)的多對(duì)血管(在預(yù)采集圖像和圖上)隨意輔助該自動(dòng)方法，尤其是當(dāng)涉及多種血 管的時(shí)候。
基于關(guān)聯(lián)的血管，在配準(zhǔn)步驟60，處理器配準(zhǔn)在步驟50至56中創(chuàng)建的模型。 起初通過(guò)使代表步驟58中每對(duì)關(guān)聯(lián)血管的相應(yīng)管中心線的分段之間距離最小化來(lái)配準(zhǔn)模 型。然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)和平移圖執(zhí)行精確的配準(zhǔn)，以使網(wǎng)孔點(diǎn)的帶符號(hào)距離的平方和最小， 該網(wǎng)孔點(diǎn)是在步驟56從預(yù)采集圖像模型的表面中產(chǎn)生的。對(duì)于位于預(yù)采集圖像模型的網(wǎng) 孔內(nèi)的網(wǎng)孔點(diǎn)，帶符號(hào)距離是負(fù)數(shù)。為了抵消手術(shù)者不完善或片面的繪圖可能造成的影 響，對(duì)于這些內(nèi)部點(diǎn)的每一個(gè)點(diǎn)來(lái)講距離設(shè)置為零。可選擇的或附加的，預(yù)采集圖像模 型可以被修改以適配圖模型。在配準(zhǔn)程序之后，步驟52中獲得的圖數(shù)據(jù)可添加到預(yù)采集圖像上。由這種建模 和配準(zhǔn)產(chǎn)生的重疊圖像如圖11所示?；谑中g(shù)者獲得的新的圖點(diǎn)，其后如果需要，可在 任何時(shí)間重復(fù)類(lèi)似的配準(zhǔn)程序。還可以為手術(shù)者測(cè)量和顯示配準(zhǔn)準(zhǔn)確度。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，示意性說(shuō)明一種方法細(xì)節(jié)的流程圖，其可用于步 驟50在預(yù)采集圖像中建立管狀結(jié)構(gòu)模型。該方法是基于預(yù)采集圖像中分段目標(biāo)或輪廓表 面上點(diǎn)的位置建立管狀結(jié)構(gòu)模型，并且不需要體素(位置/強(qiáng)度)數(shù)據(jù)。因此，該方法 能在分段網(wǎng)孔輸入上接收和操作，如以上的說(shuō)明，而不是象本領(lǐng)域公知的一些方法中的 完整體圖像。在圖3方法的準(zhǔn)備中，處理器36將預(yù)采集圖像網(wǎng)孔轉(zhuǎn)換成半邊緣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其 有利于有效的3D計(jì)算。(半邊緣是有向邊緣，該有向邊緣儲(chǔ)存到其原點(diǎn)的指針、到其左 面的指針、到其靶頂點(diǎn)的指針、和到其右面上的相對(duì)邊緣的指針)。為了識(shí)別模型主體， 在環(huán)建立步驟70中，處理器在圖像中建立一套環(huán)繞圖像體外表面的環(huán)。為了建立多個(gè) 環(huán)，處理器開(kāi)始于將被建模的體內(nèi)的任意點(diǎn)，并且連接所述體的邊緣上的點(diǎn)子集，這些 點(diǎn)到起始點(diǎn)的距離相等。起始點(diǎn)可以不在使用者干涉下自動(dòng)地隨機(jī)選擇。然后處理器使 用半邊緣之間的關(guān)系在這些邊緣點(diǎn)之間建立拓?fù)溥B接，由此分離屬于不同血管分支的多 個(gè)環(huán)。在給定步驟中，無(wú)論何時(shí)從一個(gè)初始環(huán)定義幾個(gè)環(huán)，處理器都會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)或更多 相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)(分支)。處理器在樹(shù)結(jié)構(gòu)中排列分支。為了改進(jìn)建模結(jié)果，現(xiàn)在處理器識(shí)別樹(shù)根，并且使用樹(shù)根作為起始點(diǎn)(取代在 第一個(gè)通過(guò)數(shù)據(jù)中使用的任意點(diǎn))建立一組新的環(huán)?；谶@些新的環(huán)，在分支構(gòu)建步驟 72中，處理器重建樹(shù)并連接多個(gè)環(huán)中心，以建立分支中心線的第一近似值。然后在環(huán)標(biāo) 準(zhǔn)化步驟74中，處理器調(diào)整該多個(gè)環(huán)，以使其與這些中心線正交。為了創(chuàng)建一致的模 型，迭代重復(fù)標(biāo)準(zhǔn)化和中心線的構(gòu)建。圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的步驟72和74之后的左心房80的示意性表示。由圍 繞每個(gè)靜脈和其附屬分支的環(huán)84表示肺靜脈82的樹(shù)。樹(shù)分支的中心線86在根88交匯?，F(xiàn)在返回到圖3，處理器36在分支分離步驟90中檢測(cè)和分離分支入口點(diǎn)。本 文中分支的“入口點(diǎn)”是指分支的基部，包括主分支從主體分離的入口點(diǎn)?；诓襟E74 中建立的樹(shù)的拓?fù)?，入口點(diǎn)是第一個(gè)近似。然后表面分析器算法用于精確識(shí)別入口點(diǎn)。 這個(gè)算法在體表面上沿著表面與圍繞中心線旋轉(zhuǎn)的平面的相交處建立線條。連接具有大 的相交角的點(diǎn)以產(chǎn)生用于分支入口的多個(gè)環(huán)。處理器用這些環(huán)從體的其它部分中分離管 狀結(jié)構(gòu)(諸如肺靜脈)。在一些情況下，諸如在建立左心房和肺靜脈模型中，在后處理步驟92中，處理 器執(zhí)行額外的后處理階段以“清除”模型。基于已知的解剖學(xué)和預(yù)采集3D圖像的方向，處理器識(shí)別肺靜脈。這個(gè)步驟使處理器能夠識(shí)別偽分支，該偽分支可能已在分段過(guò)程或 解剖特征諸如左心房附屬物中作為不精確的結(jié)果產(chǎn)生。處理器將其作為“管狀結(jié)構(gòu)”而 消除這些分支。圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在完成步驟92之后的肺靜脈82的示意性表示。 該表示通過(guò)組合多個(gè)環(huán)84產(chǎn)生，這樣定義了靜脈拓?fù)?。為了清楚，左心房本身已從模?中移出。該圖顯示了入口區(qū)域100，主靜脈從該入口區(qū)域100進(jìn)入左心房，以及入口點(diǎn) 102，附屬靜脈在該入口點(diǎn)102處從主靜脈分支。圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，示意性說(shuō)明可用于步驟54中建立實(shí)時(shí)內(nèi)心臟數(shù)據(jù) 的方法細(xì)節(jié)的流程圖，該實(shí)時(shí)內(nèi)心臟數(shù)據(jù)通過(guò)導(dǎo)管28獲得。該方法對(duì)在步驟52中使用 導(dǎo)管獲得的所討論的管狀結(jié)構(gòu)表面上一組圖點(diǎn)進(jìn)行操作。如果管狀結(jié)構(gòu)具有分支，那么 處理器36在預(yù)處理步驟110中識(shí)別和分離它們。為了這個(gè)目的，處理器建立包括管狀結(jié) 構(gòu)的最小體的方向盒。如果該分離造成體的嚴(yán)重減少，則這個(gè)最小體的方向盒被分成兩 個(gè)最小體的方向盒，并且繼續(xù)重復(fù)將盒分割成較小的盒。圖點(diǎn)的子集是通過(guò)把采集的點(diǎn) 投影到最近的平面上來(lái)定義，該最近的平面與所選掃描方向(典型地與盒的長(zhǎng)軸相平行) 正交。分級(jí)群聚用于在每個(gè)屬于不同分支的盒內(nèi)識(shí)別點(diǎn)組，以及相應(yīng)調(diào)整分支界限。然 后圖6的方法中后面的步驟被用于為每個(gè)分支單獨(dú)建立模型，此后分支模型合成為整個(gè) 血管樹(shù)的模型。對(duì)于每個(gè)分支，在圖構(gòu)建步驟112中，處理器建立連接點(diǎn)的圖。如果點(diǎn)之間的 距離在預(yù)定的閥值內(nèi)，那么點(diǎn)被定義為已連接。處理器自動(dòng)找到圖上的極值點(diǎn)，也就 是，在極值定義步驟114中，以最大距離分離的點(diǎn)。在邊緣點(diǎn)選擇步驟116中，從這些 極值點(diǎn)中的一個(gè)極值點(diǎn)開(kāi)始，處理器步進(jìn)到圖上的其坐標(biāo)在極值點(diǎn)的預(yù)定步長(zhǎng)內(nèi)的下一 個(gè)邊緣點(diǎn)。在圓環(huán)擬合步驟118中，處理器圍繞這些邊緣點(diǎn)擬合封閉圓環(huán)(環(huán))。然后 在管完成步驟120中，處理器從這些邊緣點(diǎn)步進(jìn)到下一個(gè)邊緣點(diǎn)(重復(fù)同樣的步長(zhǎng))，并 且不斷重復(fù)步驟116和118來(lái)擬合另一個(gè)圍繞它們的封閉圓環(huán)，直到到達(dá)另一個(gè)極值點(diǎn)。 處理器定義了連接步驟118中產(chǎn)生的圓環(huán)中心的線，以及平滑該線使其作為血管中心線 的第一近似值。圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圓環(huán)132的圖示，該圓環(huán)132在由上述步驟產(chǎn)生的 血管的3D模型中表示血管130。在這個(gè)例子中，血管是主動(dòng)脈，表示沒(méi)有分支血管的主 動(dòng)脈弓形區(qū)域。最初的中心線134連接多個(gè)圓環(huán)的多個(gè)中心。回到圖6，在標(biāo)準(zhǔn)化步驟140中，處理器36使圓環(huán)標(biāo)準(zhǔn)化，也就是說(shuō)，調(diào)整圓環(huán) 使得它們與平滑的中心線正交。然后在擬合步驟142中，處理器通過(guò)擬合多項(xiàng)式曲線以 近似先前定義的中心線，重新定義中心線。該曲線提供中心線的分析表示，其可用于模 型的細(xì)化。這種多項(xiàng)式中心線136如圖7所示。最終，在網(wǎng)孔建立步驟144中，處理器 在圓環(huán)上擬合三角網(wǎng)孔以給出管狀結(jié)構(gòu)的整個(gè)表面。圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在步驟144中產(chǎn)生的主動(dòng)脈的三角網(wǎng)孔表面146的圖
示
作為另一個(gè)例子，圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的左心房150的電解剖圖的示意性表 示，其包括用圖6的方法建模的肺靜脈152。通過(guò)導(dǎo)管28獲得的圖點(diǎn)154標(biāo)記在心房和 靜脈的表面上。(不像圖7和圖8的模型，在圖9所示的典型臨床案例中，在肺靜脈中僅捕獲稀疏圖點(diǎn)，引起靜脈152的管狀模型中的變形)。心房表面的陰影表示關(guān)于電活動(dòng)的 被測(cè)參數(shù)的局部值，諸如電活動(dòng)次數(shù)。圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，從步驟56 (圖2)的圖中移除肺靜脈之后，圖9中 心房150的電解剖圖的示意性表示。肺靜脈口區(qū)域被認(rèn)為是入口區(qū)域156。為了從心房 圖中分離肺靜脈，處理器36檢測(cè)定義靜脈152的網(wǎng)孔與定義心房150的網(wǎng)孔的相交線。 然后處理器移除位于心房腔內(nèi)的靜脈網(wǎng)孔的任何部分，并為了一致性(consistency)而閉 合靜脈的網(wǎng)孔。圖11是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，左心房80的預(yù)采集CT圖像160的示意性表示， 使用各自的肺靜脈模型用電解剖圖來(lái)配準(zhǔn)。電解剖圖中的圖點(diǎn)162是用CT圖像中的心房 表面完全配準(zhǔn)的。心房80上的陰影表示電活動(dòng)數(shù)據(jù)，其在圖像配準(zhǔn)之后被添加在CT圖 像上。使用靶器官外的標(biāo)志點(diǎn)的圖像配準(zhǔn)該實(shí)施例提供一個(gè)配準(zhǔn)3D預(yù)采集圖像的方法，諸如MRI、CT、PET或超聲心 臟模型，在圖像坐標(biāo)系統(tǒng)中由使用帶有位置感測(cè)系統(tǒng)的探針產(chǎn)生的實(shí)時(shí)心臟模型獲得。 實(shí)時(shí)心臟模型可以通過(guò)例如電解剖接觸繪圖或心臟內(nèi)超聲輪廓產(chǎn)生，如在系統(tǒng)20(圖1) 中。盡管最終結(jié)果是心室的配準(zhǔn)圖和圖像，但是配準(zhǔn)過(guò)程使用不是心臟本身部分的標(biāo)志
點(diǎn)o使用心臟外的標(biāo)志點(diǎn)的配準(zhǔn)有幾個(gè)優(yōu)勢(shì) 用導(dǎo)管尖端相對(duì)容易發(fā)現(xiàn)和識(shí)別心室外血管中的標(biāo)志點(diǎn)。 如以上所述，在導(dǎo)管穿過(guò)血管進(jìn)入心臟時(shí)，可以執(zhí)行以上該方法，因此提高 了繪圖程序的安全和速度。 在心搏周期期間，心臟外的標(biāo)志點(diǎn)不會(huì)明顯移動(dòng)。此外，呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)心臟后 的垂直定向目標(biāo)的位置，諸如上行的主動(dòng)脈和腔靜脈只有輕度影響。與心臟內(nèi)標(biāo)志點(diǎn)的 配準(zhǔn)相比，用預(yù)采集圖像配準(zhǔn)這些相對(duì)靜止的標(biāo)志點(diǎn)是更容易和更可靠的。 當(dāng)預(yù)采集圖像的方向已知時(shí)，一對(duì)標(biāo)志點(diǎn)足夠配準(zhǔn)圖像。如果預(yù)采集圖像例 如是DICOM(醫(yī)學(xué)中的數(shù)字成像和通訊)格式，那么可以通過(guò)DICOM頭文件提供圖像 方向。系統(tǒng)20的位置跟蹤能力允許處理器36決定實(shí)時(shí)圖像的方向。處理器可以使用該 信息來(lái)排列預(yù)采集和實(shí)時(shí)圖像的方向，這樣基于匹配這對(duì)標(biāo)志點(diǎn)，僅需要平移以配準(zhǔn)圖 像。 使用者可以對(duì)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)，這樣在配準(zhǔn)過(guò)程中不同的標(biāo)志點(diǎn)有不同的權(quán) 重，例如，這依賴于使用者對(duì)它們的準(zhǔn)確度的信心。圖12A和12B分別是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的心臟的預(yù)采集圖像170和心臟的電解 剖圖180的圖示，它們是通過(guò)標(biāo)志點(diǎn)匹配配準(zhǔn)的。為了配準(zhǔn)圖像170和180，手術(shù)者識(shí)別 出現(xiàn)在3D圖像中的心臟外的解剖特征，該解剖特征被用作配準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)。例如，手術(shù)者可 以在主動(dòng)脈上選擇一個(gè)點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)172，諸如主動(dòng)脈弓形中主血管的分叉。作為另一個(gè)例 子，手術(shù)者可以選擇下腔靜脈或上腔靜脈的口。然后手術(shù)者26操作導(dǎo)管28，使得它的尖端接觸所討論的每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)特征，同 時(shí)在顯示器38的預(yù)采集3D圖像上示出相應(yīng)位置。可選擇的，當(dāng)使用超聲成像導(dǎo)管時(shí)， 手術(shù)者可以操作導(dǎo)管，使得超聲束獲得需要的感興趣區(qū)域，同時(shí)在顯示器上示出相應(yīng)的位置。標(biāo)志點(diǎn)在主血管中諸如主動(dòng)脈或腔靜脈的情況下，手術(shù)者可以在將導(dǎo)管穿過(guò)血管 插入心臟時(shí)執(zhí)行這個(gè)配準(zhǔn)程序。結(jié)果是，當(dāng)導(dǎo)管進(jìn)入心臟以開(kāi)始繪圖或心臟內(nèi)成像程序 時(shí)，實(shí)時(shí)圖像已經(jīng)用預(yù)采集圖像配準(zhǔn)。標(biāo)志點(diǎn)成對(duì)的配準(zhǔn)方法可以與多種其他標(biāo)志點(diǎn)同時(shí)使用。一些例子包括 在經(jīng)中隔進(jìn)入左心房之前，用在右心房中識(shí)別的標(biāo)志點(diǎn)配準(zhǔn)左心房的電解剖 圖。 在病人心臟中使用起搏電極作為標(biāo)志點(diǎn)來(lái)配準(zhǔn)電解剖圖。 在食道中使用一個(gè)或多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)配準(zhǔn)電解剖圖。這個(gè)變化要求在繪制心臟圖 之前(或之后)將導(dǎo)管插入食道。盡管以上實(shí)施例在配準(zhǔn)預(yù)采集和實(shí)時(shí)圖像中使用管狀目標(biāo)，但是以上描述的識(shí) 別和處理管狀目標(biāo)的原理可以同樣用于其它應(yīng)用中，諸如圖像增強(qiáng)和識(shí)別，不一定包括 不同圖像的配準(zhǔn)。因此，可以意識(shí)到以上所述的實(shí)施例是通過(guò)例子引證的，并且本發(fā)明 不限于以上的特別說(shuō)明和描述。相反，本發(fā)明的范圍包括以上所描述的多種特征的結(jié)合 和子結(jié)合及其變化和修改，該變化和修改是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了以上描述后能夠想 到的，并且是未在現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的。
權(quán)利要求
1.一種成像方法，包括接收受檢者體內(nèi)管狀結(jié)構(gòu)的三維圖像；識(shí)別出現(xiàn)在管狀結(jié)構(gòu)表面上的三維圖像中的多個(gè)點(diǎn)；定義多個(gè)環(huán)，每個(gè)環(huán)穿過(guò)表面上多個(gè)點(diǎn)的各個(gè)子集并環(huán)繞管狀結(jié)構(gòu)，以及結(jié)合多個(gè)環(huán)以創(chuàng)建管狀結(jié)構(gòu)表面的三維幾何模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中定義多個(gè)環(huán)包括指定起始點(diǎn)，以及在各自的子集中為 每個(gè)環(huán)合并與起始點(diǎn)的距離相等的一組點(diǎn)。
全文摘要
采用器官外部解剖特征的器官圖像的配準(zhǔn)。一種成像方法，包括接收受檢者體內(nèi)器官附近的第一個(gè)三維(3D)圖像和創(chuàng)建器官附近第一個(gè)3D圖像中的管狀結(jié)構(gòu)的幾何模型。將侵入性探針插入器官，并使用侵入性探針捕獲包含器官的第二個(gè)3D圖像。使用侵入性探針在管狀結(jié)構(gòu)的表面上定位一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)，以及通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)與幾何模型匹配來(lái)配準(zhǔn)第二個(gè)3D圖像與第一個(gè)3D圖像。
文檔編號(hào)A61B5/042GK102024257SQ20101052559
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2007年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月9日
發(fā)明者A·普賴斯, G·哈亞姆, V·特洛菲莫夫 申請(qǐng)人:韋伯斯特生物官能公司