用于可視化各種起搏條件下心臟變化的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)要求2014年6月24日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 62/016,220的權(quán)益，其公 開(kāi)內(nèi)容通過(guò)整體引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及可視化電起搏對(duì)患者心臟功能的影響，并且更特別地涉及針對(duì)各種起 搏位置和協(xié)議自動(dòng)計(jì)算心臟參數(shù)以及可視化由各種起搏位置和協(xié)議導(dǎo)致的心臟變化，以指 導(dǎo)用于介入治療的導(dǎo)聯(lián)布置（leadplacement)。
【背景技術(shù)】
[0003] 心力衰竭是西方世界中死亡的主要原因。由于心臟功能不足，心力衰竭導(dǎo)致呼吸 困難和疲勞，并且還可能導(dǎo)致心臟停搏。對(duì)于具有延長(zhǎng)的QRS-復(fù)波（例如，QRS> 120ms) 和低左心室射血分?jǐn)?shù)（ejectionfraction)的患者而言，心臟再同步治療（CRT)是得到確 認(rèn)（well-established)的療法。CRT包括心臟內(nèi)的植入電極以人工地起搏肌肉并"再同步" 心臟收縮。理念是以給定的起搏間隔在右心室（RV)心內(nèi)膜和左心室（LV)心外膜處起搏心 肌，以便再同步心臟運(yùn)動(dòng)并因此重建心臟的栗送效率。然而，盡管有嚴(yán)格的指導(dǎo)方針，30% 的患者卻對(duì)CRT沒(méi)有響應(yīng)。因此，期望用于CRT的更好的患者選擇和朝起搏導(dǎo)聯(lián)的最優(yōu)位 置的改進(jìn)的指導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種用于可視化各種起搏條件下心臟變化以便指導(dǎo)介入治療中的 導(dǎo)聯(lián)布置的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的實(shí)施例利用心臟電力學(xué)（electro-mechanics)的患者特 定計(jì)算模型來(lái)針對(duì)各種起搏位置和各種起搏協(xié)議來(lái)計(jì)算心臟參數(shù)，并且在能夠覆蓋在用于 導(dǎo)聯(lián)布置指導(dǎo)的介入圖像上的患者特定心臟網(wǎng)格上對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化。本發(fā)明的實(shí)施例生 成結(jié)果圖，其針對(duì)各種起搏位置和協(xié)議來(lái)將心臟參數(shù)可視化為彩色網(wǎng)格。
[0005] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基于患者的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)生成患者特定解剖心臟模 型。基于患者特定解剖心臟模型來(lái)生成心臟功能的患者特定計(jì)算模型。通過(guò)使用心臟功能 的患者特定計(jì)算模型來(lái)在患者特定解剖心臟模型上的多個(gè)位置中的每個(gè)位置處執(zhí)行虛擬 介入，以計(jì)算由于在多個(gè)位置中的每個(gè)位置處執(zhí)行的虛擬介入而產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)心臟參 數(shù)。生成一個(gè)或多個(gè)結(jié)果圖，該結(jié)果圖在患者特定解剖心臟模型上的多個(gè)位置中的每個(gè)位 置處，將針對(duì)由于在患者特定解剖心臟模型上的該位置處所執(zhí)行的虛擬介入而產(chǎn)生的一個(gè) 或多個(gè)心臟參數(shù)的最優(yōu)值進(jìn)行可視化。
[0006] 在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，基于患者的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)來(lái)生成目標(biāo)器官的患者特定 解剖模型?；谀繕?biāo)器官的患者特定解剖模型來(lái)生成器官功能的患者特定計(jì)算模型。通過(guò) 使用器官功能的患者特定計(jì)算模型來(lái)在目標(biāo)器官的患者特定解剖模型上的多個(gè)位置中的 每個(gè)位置處執(zhí)行虛擬介入，以計(jì)算由于在多個(gè)位置中的每個(gè)位置處執(zhí)行的虛擬介入而產(chǎn)生 的一個(gè)或多個(gè)結(jié)果參數(shù)。生成一個(gè)或多個(gè)結(jié)果圖，該結(jié)果圖在目標(biāo)器官的患者特定解剖模 型上的多個(gè)位置中的每個(gè)位置處，將針對(duì)由于在目標(biāo)器官的患者特定解剖模型上的該位置 處所執(zhí)行的虛擬介入而產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)結(jié)果參數(shù)的最優(yōu)值進(jìn)行可視化。
[0007] 通過(guò)參考下面的詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明的這些以及其他優(yōu)點(diǎn)將對(duì)于本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1圖示了用于心臟再同步治療（CRT)的示例性導(dǎo)聯(lián)配置；
[0009] 圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于指導(dǎo)心臟介入治療的方法；
[0010] 圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的計(jì)算心臟模型的詳細(xì)框架；
[0011] 圖4圖示了生成患者特定解剖心臟模型的示例性結(jié)果；
[0012] 圖5圖示了交互式虛擬CRT的示例；
[0013] 圖6圖示了針對(duì)QRS持續(xù)時(shí)間和電軸心臟參數(shù)的示例性?xún)H左心室（LV)結(jié)果圖；
[0014] 圖7圖示了針對(duì)LV的示例性2D展開(kāi)結(jié)果圖；
[0015] 圖8圖示了覆蓋在介入圖像上的示例性結(jié)果圖；以及
[0016] 圖9是能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)的高級(jí)別框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明涉及可視化各種起搏條件下的心臟變化以便指導(dǎo)介入治療中的導(dǎo)聯(lián)布置。 本文描述本發(fā)明的實(shí)施例以給出對(duì)用于可視化心臟變化以及指導(dǎo)介入治療的方法的直觀 理解。數(shù)字圖像通常由一個(gè)或多個(gè)對(duì)象（或形狀）的數(shù)字表示構(gòu)成。對(duì)象的數(shù)字表示在本 文通常在識(shí)別和操縱該對(duì)象方面來(lái)描述。這種操縱是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器或其他電路/ 硬件中完成的虛擬操縱。因此，要理解的是，可以使用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 可得的數(shù)據(jù)來(lái)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行本發(fā)明的實(shí)施例。
[0018] 心臟再同步治療（CRT)涉及布置高級(jí)起搏器以在右心室（RV)心內(nèi)膜和左心室 (LV)心外膜處以給定的起搏間隔來(lái)起搏心肌，從而再同步心臟運(yùn)動(dòng)并因此重建心臟的栗送 效率。CRT是針對(duì)心力衰竭的得到確認(rèn)的治療。圖1圖示了用于CRT的示例性導(dǎo)聯(lián)配置，包 括LV導(dǎo)聯(lián)、RV導(dǎo)聯(lián)和左心房（LA)導(dǎo)聯(lián)。
[0019] 圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于指導(dǎo)心臟介入治療的方法。圖2的方法在本 文被描述用于指導(dǎo)CRT，但是本發(fā)明并不限于此，并且圖2的方法可以被類(lèi)似地應(yīng)用于針對(duì) 心臟心律失常的消融療法或者心臟的一個(gè)或多個(gè)特定位置處所應(yīng)用的任意其他心臟介入 過(guò)程。此外，圖2的方法可以也被類(lèi)似地應(yīng)用于通過(guò)使用針對(duì)其他器官的計(jì)算模型（例如， 肝臟熱容）而在其他器官中的特定位置處所執(zhí)行的介入治療（例如，肝臟腫瘤消融治療）。 如圖2中所圖示的，在步驟202處，接收患者的臨床數(shù)據(jù)和醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)。臨床數(shù)據(jù)可以包 括諸如ECG的電生理學(xué)數(shù)據(jù)和/或諸如侵入式導(dǎo)管測(cè)量結(jié)果或壓力袖帶測(cè)量結(jié)果的壓力數(shù) 據(jù)。醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)可以是在至少一個(gè)完整的心搏周期（heartcycle)上獲取的3D醫(yī)學(xué)圖 像序列。在本發(fā)明的有益實(shí)施例中，醫(yī)學(xué)圖像可以是MRI圖像、CT圖像和/或超聲圖像，但 是本發(fā)明不必限于這些成像模態(tài)。醫(yī)學(xué)圖像可以直接從醫(yī)學(xué)成像設(shè)備來(lái)接收，醫(yī)學(xué)成像設(shè) 備諸如是MR、CT或超聲掃描器，或者醫(yī)學(xué)圖像可通過(guò)加載所存儲(chǔ)的患者醫(yī)學(xué)圖像來(lái)接收。
[0020] 在步驟204處，基于患者的醫(yī)學(xué)圖像和臨床數(shù)據(jù)來(lái)生成患者特定計(jì)算心臟模型。 通過(guò)求解逆問(wèn)題以調(diào)整計(jì)算心臟模型的參數(shù)來(lái)生成患者特定計(jì)算心臟模型，使得由患者特 定計(jì)算心臟模型所輸出的諸如心臟運(yùn)動(dòng)、射血分?jǐn)?shù)等的模擬參數(shù)匹配針對(duì)患者所觀察到的 臨床數(shù)據(jù)和醫(yī)學(xué)圖像。
[0021] 圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的計(jì)算心臟模型的詳細(xì)框架。如圖3中所圖示的， 患者特定心臟模型包括表示心臟解剖結(jié)構(gòu)、心臟電生理學(xué)、心臟生物力學(xué)、和心臟血液動(dòng)力 學(xué)的四個(gè)主要模型。這些模型如下被連接。從心臟的醫(yī)學(xué)圖像302 (MRI、CT、超聲）開(kāi)始，在 步驟310處，生成患者心臟的詳細(xì)患者特定解剖模型312。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，僅生成 兩個(gè)心室的詳細(xì)解剖模型，但是本發(fā)明并不限于此。動(dòng)脈和心房被建模為系統(tǒng)的邊界條件。 解剖模型312包括兩心室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)、肌細(xì)胞纖維的取向、以及在空間上變化的任何信息，諸 如動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間、創(chuàng)傷等。然后給出解剖模型312作為對(duì)心臟模型子系統(tǒng)的輸入（步 驟320)，該心臟模型子系統(tǒng)將根據(jù)三個(gè)主要的子部分：心臟電生理學(xué)模型322、心臟生物力 學(xué)模型324和心臟血液動(dòng)力學(xué)模型326,來(lái)計(jì)算隨時(shí)間的心肌運(yùn)動(dòng)。這些心臟功能模型中的 每一個(gè)模型都能夠通過(guò)使用逆問(wèn)題方法和全部可用的術(shù)前數(shù)據(jù)而被擬合至患者數(shù)據(jù)，該術(shù) 前數(shù)據(jù)諸如是動(dòng)態(tài)圖像306、ECG304、侵入式壓力測(cè)量結(jié)果308等。因此，模擬參數(shù)330匹 配臨床觀測(cè)結(jié)果。一旦模型被個(gè)性化，諸如CRT的心臟治療能夠例如通過(guò)在各種位置處對(duì) 模型起搏而被模擬。根據(jù)模擬來(lái)計(jì)算臨床參數(shù)以量化對(duì)于治療的預(yù)測(cè)患者響應(yīng)。取決于應(yīng) 用，模型可以包括上面提到的子部分中的一個(gè)、若干個(gè)或全部。
[0022] 在示例性實(shí)施例中，為了生成患者特定解剖模型312,從醫(yī)學(xué)圖像提取左心室 (LV)和右心室（RV)的解剖模型。雖然有可能針對(duì)所有的心腔來(lái)提取模型，在有益實(shí)施例 中，僅明確建模LV和RV的幾何結(jié)構(gòu)。如果應(yīng)用的目標(biāo)在于心房的解剖結(jié)構(gòu)，能夠分割至少 一個(gè)心房并將其用作計(jì)算域。對(duì)于LV和RV中的每一個(gè)，心腔分割能夠闡述為兩步學(xué)習(xí)問(wèn) 題：解剖結(jié)構(gòu)定位和邊界描繪。邊緣空間學(xué)習(xí)（MSL)可以被用于將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于3D對(duì) 象檢測(cè)。MSL的理念并不是在相似性變換的全部參數(shù)空間內(nèi)直接學(xué)習(xí)單片分類(lèi)器，而是在 邊緣空間上遞增地學(xué)習(xí)分類(lèi)器。特別地，對(duì)每個(gè)心腔的檢測(cè)能夠被分成三個(gè)問(wèn)題：位置估 計(jì)、位置-取向估計(jì)、和位置-取向-標(biāo)度估計(jì)。針對(duì)這些估計(jì)問(wèn)題中的每一個(gè)，基于帶注 釋的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練單獨(dú)的分類(lèi)器。較低維度邊緣空間中的分類(lèi)器被用于有效地剪除搜索 空間。這一對(duì)象定位階段導(dǎo)致對(duì)象（例如，心腔）的經(jīng)估計(jì)的變換（位置、取向和標(biāo)度）。 在自動(dòng)對(duì)象定位之后，對(duì)象的平均形狀模型與經(jīng)估計(jì)的變換對(duì)準(zhǔn)以獲得對(duì)象形狀的粗略估 計(jì)。然后使用主動(dòng)形狀模型（ASM)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的邊界檢測(cè)器來(lái)對(duì)形狀進(jìn)行局部變形以 擬合對(duì)象邊界。有關(guān)基于MSL的心腔分割的附加細(xì)節(jié)在2011年3月29日發(fā)布的、且標(biāo)題 為"SystemandMethodforSegmentingChambersofaHeartinaThreeDimensional Image"的美國(guó)專(zhuān)利No. 7, 916, 919、美國(guó)公開(kāi)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2010/0040272、以及美國(guó)公開(kāi)專(zhuān) 利申請(qǐng)No. 2012/0022843中被描述，這些專(zhuān)利通過(guò)引用合并于此。
[0023] 然后，將患者特定LV和RV模型融合到兩心室心肌的單個(gè)解剖模型中。特別地，LV 和RV解剖結(jié)構(gòu)被融合到單個(gè)容積網(wǎng)格表示中，在該單個(gè)容積網(wǎng)格表示上根據(jù)底層解剖結(jié) 構(gòu)來(lái)將頂點(diǎn)標(biāo)記到表面區(qū)域中。根據(jù)有益的實(shí)現(xiàn)方式，四面體元素能夠被用于精確地表示 兩心室解剖結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。然后將空間信息映射到兩心室心肌的解剖模型上。諸如創(chuàng)傷、邊 界區(qū)域、和纖維化的空間信息可以