CN101243975B - 一种快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法和系统，适合复杂腔体的快速构建。其技术方案为：本发明的方法包括：(1)将一个或多个传感元件导入器官内腔；(2)在内腔中移动该传感元件以采集内腔的空间位置信息，从而探知内腔所在的位置或范围；(3)根据内腔所在的位置或范围构建内腔表面的三维几何模型。本发明应用于器官模型构建的领域。

Description

一种快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统
技术领域
本发明涉及对人体器官内腔进行快速构建三维几何模型的系统，尤其涉及一种利用安装在导管头部的三维定位传感器对人体器官内腔进行快速构建三维几何模型的系统。
背景技术
房颤是一种源于心房的心律不齐，通常导致心房跳动速度超过每分钟300次。在美国大约有220万房颤患者，2006年新增的房颤病例达到20万，而中国的房颤患者在1000万以上。中国有关数据表明，房颤患者发生中风的几率是正常人的6倍，且房颤患者常感到心悸、胸闷、气喘，生活质量受到严重的影响。目前的肺静脉隔离技术在治疗突发性房颤中取得了85％的成功率。肺静脉隔离术是指从腹股沟的大静脉插入一根有头电极的导管达到左心房并在环肺静脉处进行射频消融的微创治疗方法。
医生在进行房颤手术时主要依赖于X光透视。X光透视的优点是实时性好，至少有15帧/秒以上的刷新速度；成像区域大，整个心脏区域都可以显示；导管和导丝等器械在X光下成像清晰。X光透视的缺点是只能提供二维平面图像，没有深度信息，当导管静止时不易识别它的指向。
近几年来三维标测技术在治疗房颤中得到广泛的应用。这种技术可以实时跟踪导管头部的三维坐标，通过导管头部直接接触心腔内壁采集一些三维数据点来构建心腔的几何模型。在手术中，构建的心腔几何模型和导管头部位置一起显示，配合电生理信号的分析，可以帮助医生对心律不齐的病灶进行诊断。三维标测技术可以有效地减少手术时间，X光曝光时间，并提高手术成功率。
通过心腔内壁的三维数据点构建心腔的几何模型，常用的是基于表面收缩的算法。这种方法初始化一个球面或椭球面包络所有三维数据点，随后不断收缩表面，直到表面接触到三维数据点。该方法适合对类似球体的内腔构建，但对左心房带有肺静脉分支的内腔，其整体构建功能不足，需要对左心房和肺静脉分别进行构建。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，适合复杂腔体的快速构建，尤其在治疗房颤的手术中可以对左心房和肺静脉进行整体重建。
本发明的另一目的在于提供了一种快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，适合复杂腔体的快速构建，尤其在治疗房颤的手术中可以对左心房和肺静脉进行整体重建。
本发明的技术方案为：本发明揭示了一种快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，包括：
(1)将一个或多个传感元件导入器官内腔；
(2)在内腔中移动该传感元件以采集内腔的空间位置信息，从而探知内腔所在的位置或范围；
(3)根据内腔所在的位置或范围构建内腔表面的三维几何模型。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，所述传感元件为三维定位传感器。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，所述三维定位传感器的定位方式包括电磁感应定位或电场定位。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，所述三维定位传感器可以安装于一根导管的头部内。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，所述传感元件采集的空间位置信息是相对于空间参考点的三维位置信息，也可以同时包括传感元件走向的切向量信息。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，所述切向量信息可以由球面坐标系的仰角和摆角表示，也可以由旋转矩阵表示。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，所述三维位置信息可以由所述传感元件直接获得，也可以由两个或两个以上的传感元件通过插值获得。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，步骤(2)进一步包括：
(a)先由传感元件在内腔向四周腔壁移动，根据采集的空间位置信息，估算出内腔在空间上的大体位置；
(b)在估算出的内腔空间内，移动传感元件使其达到内腔空间内的各个位置，从而探知内腔所在的位置和范围。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，在步骤(a)中，直接让传感元件触及内腔的上、下、左、右、前、后六个面，以估算内腔在空间上的大体位置。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，步骤(b)进一步包括：
(b.1)将估算出的内腔空间网格化，分成多个小块单元并将该些小块单元初始化为非空单元；
(b.2)在估算的内腔空间内移动传感元件，对传感元件所经过的小块单元做标记以标识该小块单元为空单元。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，在步骤(3)中，通过将空单元与非空单元之间的位置提取出来，形成内腔壁的位置，完成三维几何模型的构建。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，如果传感元件没有完全遍历整个内腔，就会导致构建出的内腔壁出现非空结构，则可以采用图像处理中的闭合算法消除被隔离的各组小单元，或者在提取内腔壁表面后去除表面积较小的结构，或者在网格化时采用比此前更大的网格。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，在提取内腔壁时采用Marching Cube的表面提取算法。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法，其中，如果提取出的内腔壁表面不光滑，可使用几何平滑算法产生光滑几何模型。
本发明另外揭示了一种快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，包括：
信息采集装置，用于采集器官表面的空间位置信息；
信息处理装置，用于处理通过该信息采集装置采集的空间位置信息，进而探知内腔所在的位置或范围；
几何模型构建装置，用于根据内腔所在的位置或范围构建内腔表面的三维几何模型。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述的信息采集装置包含一个或多个传感元件。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述传感元件为三维定位传感器。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述三维定位传感器的定位方式包括电磁感应定位或电场定位。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述三维定位传感器可以安装于一根导管的头部内。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述传感元件采集的空间位置信息是相对于空间参考点的三维位置信息，也可以同时包括传感元件走向的切向量信息。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述切向量信息可以由球面坐标系的仰角和摆角表示，也可以由旋转矩阵表示。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述三维位置信息可以由所述传感元件直接获得，也可以由两个或两个以上的传感元件通过插值获得。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述的信息处理装置进一步包括：
位置信息估算模块，用于根据在内腔中向四周腔壁移动的该传感元件所采集得到的空间位置信息，估算出内腔在空间上的大体位置；
位置信息探知模块，用于根据该传感元件在所估算出的内腔空间内的各个位置，探知内腔所在的位置和范围。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述位置信息估算模块进一步可用于通过直接将传感元件触及内腔的上、下、左、右、前、后六个面，对以估算出内腔在空间上的大体位置。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述的位置信息探知模块进一步包括：
网格化单元，用于将该位置信息估算模块估算出的内腔空间网格化，分成多个小块单元；
初始化单元，用于将网格化处理后的小块单元初始化为非空单元；
标识单元，用于将传感元件在估算的内腔空间内移动时所经过的小块单元标记为空单元。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述几何模型构建装置进一步包括提取模块，用于将空单元与非空单元之间的位置提取出来，完成对内腔三维几何模型的构建。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，如果所述的传感元件没有完全遍历整个内腔，则该几何模型构建装置采用图像处理中的闭合算法消除被隔离的各组小单元，或者在提取内腔壁表面后去除表面积较小的结构，或者该网格化单元在网格化时采用比此前更大的网格。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述的提取模块采用Marching Cube的表面提取算法提取内腔壁。
上述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其中，所述的几何模型构建装置进一步包括平滑模块，在所提取出的内腔壁表面不光滑时使用几何平滑算法产生光滑几何模型。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的方法和系统是在导管头部安装三维定位传感器，通过导管头部在人体器官内腔的移动来快速采集大量的三维位置信息，从而探知内腔所在位置和范围，进而构建内腔的几何模型。对某些内部结构较为复杂的人体器官例如左心房带有肺静脉分支的内腔来说，现有技术需要对左心房和肺静脉分别进行构建，而本发明则可以对左心房和肺静脉进行整体重建以构建成一个完整的几何模型，构建的内腔表面可用于图像导航的微创手术，对医生的诊断和操作都有很大帮助。
附图说明
图1是本发明的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法的较佳实施例的流程图。
图2是本发明的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统的较佳实施例的框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1示出了本发明的快速构建人体器官内腔三维几何模型的方法的较佳实施例的流程。请参见图1，下面是对该方法中各步骤的详细描述。
步骤S10：将头部安装有三维定位传感器的导管插入人体器官内腔。
在导管头部安装的三维定位传感器可以有一个或多个，其定位方式包括电磁感应定位或电场定位等。
导管头部安装的三维定位传感器采集的空间位置信息是相对于空间某一参考点的三维位置信息，也可以同时包括导管走向的切向量信息，其中切向量信息可以由球面坐标系的仰角和摆角表示或由旋转矩阵表示。
导管头部采集的三维位置信息可以通过三维定位传感器直接采集获得，也可以由两个或两个以上的三维定位传感器通过插值的计算方式获得。
步骤S11：先由导管在内腔向四周腔壁移动，根据采集的空间位置信息估算出内腔在空间上的大体位置或范围。
在估算内腔大体位置的过程中，可以直接让导管头部触及内腔的上、下、左、右、前、后六个面，以估算内腔在空间上的大体位置。
步骤S12：将估算出的内腔空间网格化，分成多个小块单元。
在内腔空间网格化时，网格大小是可以调整的。更小的网格能构建出更精确的内腔壁，但计算量大且速度慢。相反，更大的网格构建出的内腔壁不很精确，但构建速度快。
步骤S13：初始化所有的小块单元为非空单元。
步骤S14：在估算的内腔空间中移动导管，对导管头部经过的小块单元做标记以标识其为空单元。
步骤S15：在导管遍历整个内腔空间后，提取空单元与非空单元之间的位置，形成内腔壁的位置。
在遍历过程中，所采集的点随着时间累计会越来越多，曾经的采集点可以存储，也可以删除，不影响继续长时间采集更多的点以构建更精确的内腔壁。
提取内腔壁的算法可以是Marching Cube或其他的表面提取算法。
步骤S16：判断所构建的内腔壁中是否出现非空结构。如果出现非空结构则进入步骤S17，否则进入步骤S18。
步骤S17：清除内腔壁中的非空结构。
清除的方法有多种：(1)采用图像处理中的闭合算法以消除被隔离的各组小单元；(2)提取内腔壁表面后去除表面积较小的结构；(3)采用比步骤S12更大的网格来划分。在实际实施时可采用以上方法中的某一种或多种方法一起使用。
步骤S18：判断提取出的内腔壁是否光滑。如果不光滑则进入步骤S19，否则流程结束。
步骤S19：用几何平滑算法产生光滑几何模型，以使提取出的内腔壁更光滑。
通过本发明的方法构建的人体器官内腔模型，还可以包括管状结构，比如肺静脉、大动脉等。
图2示出了本发明的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统的原理。请参见图2，下面是对系统各模块的原理的详细描述。
系统包括信息采集装置10、信息处理装置20和几何模型构建装置30。信息采集装置10包含一个或多个传感元件100，用于采集器官表面的空间位置信息。在本实施例中，传感元件100是三维定位传感器，其定位方式包括电磁感应定位或者电场定位。三维定位传感器100可安装于仪器的一个导管的头部内。传感元件100采集的空间位置信息是相对于空间参考点的三维位置信息，也可以同时包括传感元件走向的切向量信息，切向量信息可以由球面坐标系的仰角和摆角表示，也可以由旋转矩阵来表示。而三维位置信息可以通过传感元件100直接获得，也可以由两个或两个以上的传感元件11通过插值获得。
信息处理模块20包括位置信息估算模块21和位置信息探知模块22。位置信息估算模块21根据在内腔中向四周腔壁移动的传感元件100所采集得到的空间位置信息，估算出内腔在空间上的大体位置。具体的说，位置信息估算模块21通过直接将传感元件100触及内腔的上、下、左、右、前、后六个面，以估算出内腔在空间上的大体位置。
位置信息探知模块22用于根据传感元件100在所估算出的内腔空间内的各个位置，探知内腔所在的位置和范围。位置信息探知模块22进一步包括网格化单元220、初始化单元221和标识单元222。其中网格化单元220用于将位置信息估算模块21估算出的内腔空间网格化，分成多个小块单元。然后初始化单元221将网格化处理后的小块单元初始化为非空单元。标识单元222再将传感元件100在估算的内腔空间内移动时所经过的小块单元标记为空单元。
最后几何模型构建装置30根据内腔所在的位置或范围构建内腔表面的三维几何模型。几何模型构建装置30包括提取模块300和平滑模块301。提取模块300将空单元和非空单元之间的位置提取出来，完成对内腔三维几何模型的构建，例如可采用Marching Cube的表面提取算法提取内腔壁。
如果传感元件100没有完全遍历整个内腔，就会导致构建的内腔壁出现非空结构，可由几何模型构建装置30采用图像处理中的闭合算法消除被隔离的各组小单元，或者在提取内腔壁表面后去除表面积较小的结构，或者网格化单元220在网格化时采用比此前更大的网格。
在所提取出的内腔壁表面不光滑时，平滑模块301使用几何平滑算法产生光滑几何模型。
本发明适合构建几何结构复杂的内腔，在图像导航的微创伤手术中有重要应用。构建内腔模型可以在手术初期完成，并在随后的手术过程中为医生提供导管相对内腔的所在位置，提高手术成功率，减少手术时间和X光曝光时间。
上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (12)

1.一种快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，包括：
信息采集装置，用于采集器官表面的空间位置信息，所述的信息采集装置包含一个或多个传感元件，其中采集的空间位置信息是相对于空间参考点的三维位置信息以及所述传感元件走向的切向量信息；
信息处理装置，用于处理通过该信息采集装置采集的空间位置信息，进而探知内腔所在的位置或范围；
几何模型构建装置，用于根据内腔所在的位置或范围构建内腔表面的三维几何模型；
其中所述的信息处理装置进一步包括：
位置信息估算模块，用于根据在内腔中向四周腔壁移动的该传感元件所采集得到的空间位置信息，估算出内腔在空间上的大体位置；
位置信息探知模块，用于根据该传感元件在所估算出的内腔空间内的各个位置，探知内腔所在的位置和范围。
2.根据权利要求1所述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其特征在于，所述传感元件为三维定位传感器。
3.根据权利要求2所述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其特征在于，所述三维定位传感器的定位方式包括电磁感应定位或电场定位。
4.根据权利要求2所述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其特征在于，所述三维定位传感器安装于一根导管的头部内。
5.根据权利要求1所述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其特征在于，所述切向量信息由球面坐标系的仰角和摆角表示，或由旋转矩阵表示。
6.根据权利要求1所述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其特征在于，所述三维位置信息由所述传感元件直接获得，或由两个以上的传感元件通过插值获得。
7.根据权利要求1所述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其特征在于，所述位置信息估算模块用于通过直接将传感元件触及内腔的上、下、左、右、前、后六个面，以估算出内腔在空间上的大体位置。
8.根据权利要求1所述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其特征在于，所述的位置信息探知模块进一步包括：
网格化单元，用于将该位置信息估算模块估算出的内腔空间网格化，分成多个小块单元；
初始化单元，用于将网格化处理后的小块单元初始化为非空单元；
标识单元，用于将传感元件在估算的内腔空间内移动时所经过的小块单元标记为空单元。
9.根据权利要求1所述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其特征在于，所述几何模型构建装置进一步包括提取模块，用于将空单元与非空单元之间的位置提取出来，完成对内腔三维几何模型的构建。
10.根据权利要求8所述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其特征在于，如果所述的传感元件没有完全遍历整个内腔，则该几何模型构建装置采用图像处理中的闭合算法消除被隔离的各组小单元，或者在提取内腔壁表面后去除表面积较小的结构。
11.根据权利要求9所述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其特征在于，所述的提取模块采用Marching Cube的表面提取算法提取内腔壁。
12.根据权利要求9所述的快速构建人体器官内腔三维几何模型的系统，其特征在于，所述的几何模型构建装置进一步包括平滑模块，在所提取出的内腔壁表面不光滑时使用几何平滑算法产生光滑几何模型。
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