CN101449985A - 根据3-d图像和表面标测的解剖建模 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及根据3－D图像和表面标测的解剖建模。一种医学成像方法包括通过将探针插到对象身体中并使用该探针收集数据来创建该对象身体中的腔的内壁的解剖图。基于该图三维(3－D)轮廓在该腔的3－D图像中被描绘。

Description

根据3-D图像和表面标测的解剖建模
技术领域
本发明通常涉及医学成像系统，并且具体地涉及用于构造内部器官的三维视图的方法和系统。
背景技术
在许多基于导管(catheter)的诊断和治疗应用中，内部器官的三维(3-D)图像是有用的，并且实时成像在外科手术期间被广泛地使用。超声成像是相对方便的实时成像模式，然而实时超声成像的分辨率通常不如从诸如计算机断层摄影(CT)和磁共振成像(MRI)的其它成像模态得到的分辨率好。
Sheehan等人的美国专利6,106,466描述了一种用于根据2-D超声图像生成心脏的3-D模型的方法，该专利的公开内容在此引入以供参考。在2-D图像中人工识别解剖部位(location)。3-D网格(mesh)用作原型的心脏形状，其与解剖部位对准从而描绘3-D模型。
用于依据组织类型而分割3-D结构的方法在本领域中是已知的。Lorensen等人的美国专利4,751,643描述了一种用于确定结构的切片怎样跨越2-D图像而连接的方法，该专利的公开内容在此引入以供参考。操作者指定识别待显示的组织类型的强度阈值。操作者还选择识别结构部位的初始体元(initial voxel)或种子。Cline等人的美国专利5,187,658描述了一种用于通过基于如组织在3-D图像中呈现的组织的相对强度构造统计概率分布来分割内部结构的方法，该专利的公开内容在此引入以供参考。
Hartley等人的美国专利5,903,664描述了一种基于在感兴趣区域(ROI)(例如，左心室)内选择种子点进行分割的方法，该专利的公开内容在此引入以供参考。基于阈值将该种子点扩大到包括ROI内与该种子点具有相同分类的点。
Altmann等人的美国专利申请公开2006/0253024描述了一种其中操作者在一个或多个超声图像中标记感兴趣轮廓(contour-of-interest)的方法，该专利申请的公开内容在此引入以供参考。基于感兴趣轮廓并且基于超声波传感器的所测量的部位和方位坐标而构造解剖结构的3D模型。
Preiss等人的美国专利申请公开2007/0049817描述了一种用于配准(register)3-D图像与包含离散点的心脏图(cardiac map)的方法，该专利申请的公开内容在此引入以供参考。该配准是通过识别功能或生理信息的地点(site)(例如，疤痕组织)而同时获得心脏图中的点来实现的。在3-D图像中人工识别所述地点，并且根据该图和3-D图像共有的所识别的地点配准该图和3-D图像。
Altmann等人的美国专利申请公开2007/0106146描述了一种用于同步电解剖图和3-D超声图像的采集并且随后显示这两个的重叠的(overlaid)周期运动的方法和系统，该专利申请的公开内容在此引入以供参考。
Strommer的美国专利申请公开2002/0049375描述了一种用于显示循环移动器官(cyclically moving organ)的图像序列的方法。检测器官定时信号(timing signal)，并且使用图像检测器从不同位置和方位采集器官的多个二维图像。每一个二维图像都与其相应的图像检测器位置和方位相关，并且与器官定时信号的读取相关。该二维图像根据器官运动周期中的周期点(cycle point)来分组，并且每一组都被用于重建与相应周期点相关的三维图像。
用于使用位置感测(position-sensing)导管进行心脏的3-D标测(mapping)的方法在本领域中是公知的。例如，Ben-Haim的美国专利5,738,096描述了一种使其与身体中的多个点接触以便生成解剖图的位置感测探针(probe)，该专利的公开内容在此引入以供参考。包括心脏表面上的电活动的生理特性也可以通过导管来采集。(这样的电解剖图的生成可以用由加利福尼亚州的Diamond Bar的Biosense Webster公司制造并销售的CARTOTM导航和标测系统来实现。)
Reisfeld的美国专利6,226,542描述了一种用于基于心脏图而生成3-D模型的方法，该专利的公开内容在此引入以供参考。任意的、封闭的3D曲面被大致调整为类似于该图的点的重建物的形状。其后，执行柔性匹配级(flexible matching stage)以使该封闭面精确地类似于重建的实际体积(volume)的形状。
一些医学成像系统应用配准多个3-D模型的方法。例如，Robb等人的美国专利5,568,384描述了一种用于将多个3-D图像集合成到单个合成图像中的方法，该专利的公开内容在此引入以供参考。执行一个图像的变换以将它与第二图像对准。授予Packer等人的美国专利No.6,556,695指出磁可以采集共振图像，然后将其与随后采集的电激活图(electrical activation map)或超声图像配准，该专利的公开内容在此引入以供参考。
超声导管可以用于心内膜(即，心脏的内表面)的成像。例如，Govari的美国专利6,716,166和Govari等人的美国专利6,773,402描述了用于根据用超声导管获得的二维(2-D)图像来重建体腔的系统，这两个专利的公开内容在此引入以供参考。该导管还可以包括位置传感器，其确定体腔内的导管的坐标。导管中的声换能器发射超声波，该超声波从腔的表面反射。确定从每一个换能器到该表面的距离，并且该距离测量和该导管位置被组合以便重建该腔的三维(3-D)形状。
发表Medical Image Analysis(1:2)，June 1996，pages 91-108的McInerney和Terzopoulos的报告“Deformable Models in MedicalImage Analysis：A Survey”描述了计算机辅助的医学图像分析技术，该技术用于通过采用(自下而上)源自图像数据的约束连同(自上而下)关于这些解剖结构的位置、大小和形状的先验知识来分割、匹配和追踪这些结构，该报告的内容在此引入以供参考。
另一个分析技术由Neubauer和Wegenkittl在“Analysis ofFour-Dimensional Cardiac Data Sets Using Skeleton-BasedSegmentation”(the 11th International Conference in CentralEurope on Computer Graphics，Visualization and Computer Vision，University of West Bohemia，Plzen，Czech Republic，February 2003)中描述，该论文内容在此引入以供参考。作者描述了一种计算机辅助方法，该方法用于根据在心动周期上的许多时间点处获得的心脏CT(计算机断层摄影)图像序列来分割心脏的多个部分。
发明内容
本发明的实施例提供了用于对三维(3-D)解剖结构建模的系统、装置和方法，所述建模包括沿着3-D分割轮廓的3-D图像的自动分割和基于分割轮廓的3-D图的增强。在本发明的一些实施例中，诸如心室的内表面的目标结构的解剖图用位置感测探针来采集(acquire)。可选地或者附加地，解剖图可以从描绘目标结构的用户输入来组装(assemble)。基于该解剖图，确定3-D超声图像中的3-D分割轮廓。然后可以基于用户输入来显示由分割轮廓所描绘的心脏的特定区域。
在一些实施例中，位置感测超声导管可以用来采集解剖图数据和超声图像。图数据的采集和超声图像的采集可以在心动周期中的单个时间点处被选通(gate)或者可以在心动周期中的多个同步点处被选通，从而使得显示的特定分割区域有与心动周期对应的移动。
在另外的实施例中，来自分割轮廓的点的变换提供了被并入到解剖图中的附加数据。另外的图数据的采集也可以递增地(incrementally)实现，使得所显示图像的质量递增地改善。
因此，根据本发明的实施例，提供了一种医学成像方法，该方法包括：
通过将探针插入到对象身体中并使用该探针收集数据，来创建对象身体中的腔(例如，心室)的内壁的解剖图；
创建该腔的三维(3-D)图像；以及
基于该图描绘该3-D图像中的3-D轮廓。
在所公开的实施例中，描绘该轮廓的步骤包括基于该解剖图确定种子点。描绘该轮廓可以包括识别位于该种子点与该腔之间的该轮廓上的点。
在一些实施例中，创建该解剖图包括将探针插入到该腔中并且使该探针在多个部位处与内部部位接触。该解剖图包括多个第一点，所述多个第一点的每一个都与由与内壁接触的该探针得到的生理参数的相应测量相关，并且该方法可以包括基于该轮廓将多个第二点添加到该解剖图，并且生成示出该生理参数在第一和第二点上分布的该解剖图的显示。典型地，所述生理参数选自由心脏电活动、组织特性、温度和血流量(blood flow)组成的参数组。
在一些实施例中，创建该3-D图像包括通过使用探针中的超声换能器捕获多个二维(2-D)超声图像并且将该2-D超声图像组合以生成3-D图像来创建3-D超声图像。创建该解剖图可以包括在多个所述2-D超声图像中描绘各自的2-D轮廓，并且将该2-D轮廓组合以产生该解剖图。
附加地或者可选地，创建该3-D超声图像包括在给定的3-D坐标空间中确定该3-D超声图像的像素的第一坐标，并且使该探针与该腔的内壁接触包括在给定的3-D坐标空间中测量内壁上的一个或多个部位的第二坐标。在一个实施例中，使用第一探针创建该解剖图，并且使用包括超声换能器的第二探针捕获该3-D超声图像，其中该第一和第二探针包括相应的第一和第二位置传感器，并且其中该方法包括耦合该位置传感器以感测所生成的场并且响应于所感测的场来计算第一和第二探针的位置。在所公开的实施例中，该探针包括超声换能器和位置传感器，并且用来创建该解剖图以及用来捕获该3-D超声图像。
在一个实施例中，该方法包括相对于同步信号来同步捕获超声图像和创建解剖图的定时(timing)，所述同步信号选自由心电图(ECG)信号、内部生成的同步信号和外部提供的同步信号组成的信号组。典型地，该定时被同步到心动周期中的多个定时点，并且该方法包括生成作为移动图像的轮廓、解剖图和超声图像中的一个或多个的显示。
可选地，捕获该3-D图像包括使用体外超声探针来扫描解剖结构。
在所公开的实施例中，该方法包括生成示出来自至少一个成像模态的数据在该轮廓上的分布的轮廓的显示，所述至少一个成像模态选自由超声成像、磁共振成像(MRI)、计算机断层摄影(CT)和X射线成像组成中的模态组中。
在另一个实施例中，该方法包括识别由该轮廓限制的体积并且生成示出来自3-D成像模态的体元在该体积内的分布的显示。
根据本发明的实施例，还提供了一种医学成像方法，该方法包括：
将探针插入到身体中，该探针包括用于测量生理参数的传感器；
使该探针与身体中的器官表面上的多个第一点接触以便在每个第一点处测量该生理参数；
创建包括该多个第一点并代表该生理参数在该器官表面上的分布的该器官的解剖图；
接收该器官的三维(3-D)图像；
确定包括在该3-D图像中的轮廓；以及
基于该轮廓将不包括在第一点中的多个第二点添加到该解剖图。
典型地，添加第二点包括应用变换以便将该轮廓与该解剖图配准。
在一些实施例中，响应于将该多个第二点添加到该解剖图而生成该解剖图的显示，其中该显示包括第一和第二点并且示出该生理参数在该器官表面上的分布。该方法可以包括响应于生成该显示，将该探针与该器官表面上的多个补充点(supplemental point)接触以便测量在每一个补充点处的该生理参数，将该补充点添加到该解剖图，并且重新生成包括第三点的该解剖图的显示。
根据本发明的实施例，还提供了一种医学成像方法，该方法包括：
捕获解剖结构的3-D图像；
确定包括在该3-D图像中的轮廓；
识别由该轮廓限制的3-D坐标空间中的体积；
生成示出该体积内的来自3-D成像模态的体元的图片。
在一个实施例中，示出该体元包括生成一个或多个该体元的半透明显象(visualization)。可选地或者附加地，生成该图片包括示出由该轮廓限制的器官的壁的厚度。
根据本发明的实施例，还提供了一种用于医学成像的系统，该系统包括：
至少一个探针，其被配置成插入到对象身体中的腔中并且收集用于创建该腔的内壁的解剖图的数据；以及
处理器，其被配置成生成该腔的三维(3-D)图像并且基于该图在该图像中描绘3-D轮廓。
该系统典型地包括配置成示出图片的显示器。
在一些实施例中，该系统包括一个或多个辐射器(radiator)和至少一个位置传感器，耦合该一个或多个辐射器以在第一和第二探针的附近生成场，该至少一个位置传感器与该至少一个探针相关联并且被耦合以响应于所生成的场而发射信号，其中该处理器被配置为响应于该信号而确定该至少一个探针的坐标。在一个实施例中，该处理器被耦合以响应于所感测的场而计算该至少一个位置传感器在给定的三维坐标空间中的第一坐标，并且基于该3-D图像的像素在该给定的三维坐标空间中的第一坐标和第二坐标而确定，并且确定在内壁上的一个或多个部位在该给定的三维坐标空间中的第三坐标。
在所公开的实施例中，该解剖结构包括心脏，并且该至少一个探针包括至少一个导管，该导管被插入到心室中以便采集该3-D图像和该解剖图的坐标。
此外，根据本发明的实施例，提供了一种用于医学成像的系统，该系统包括：
探针，其被配置成插入到身体中，以与该身体中的器官表面上的多个第一点接触以便测量在每个第一点处的生理参数；以及
处理器，其被配置成创建包括该多个第一点并表示该生理参数在该器官表面上的分布的该器官的解剖图，接收该器官的三维(3-D)图像，确定包括在该3-D图像中的轮廓，并且基于该轮廓将不包括在该第一点中的多个第二点添加到该解剖图。
根据本发明的实施例，还提供了一种用于医学成像的系统，该系统包括：
探针，其被配置成捕获解剖结构的3-D图像；
处理器，其被配置成确定该3-D图像中的轮廓，识别由该轮廓限制的体积，并且生成示出该体积内的来自3-D成像模态的体元的图片；以及
显示器，其被配置成显示该图片。
根据本发明的实施例，还提供了一种用于医学成像的计算机软件产品，该产品包括其中存储有程序指令的计算机可读介质，其中该指令在被计算机读取时使得该计算机采集对象身体中的腔的三维(3-D)图像，确定该腔内壁的解剖图的坐标，并且基于该图描绘该3-D图像中的3-D轮廓。
根据本发明的实施例，还提供了一种用于医学成像的计算机软件产品，该产品包括其中存储有程序指令的计算机可读介质，其中该指令在被计算机读取时使得该计算机创建包括多个第一点并表示生理参数在器官表面上的分布的身体器官表面的解剖图，接收该器官的三维(3-D)表面表示(surface representation)，并且基于该3-D表面表示将不包括在该第一点中的多个第二点添加到该解剖图。
根据本发明的实施例，又提供了一种用于医学成像的计算机软件产品，该产品包括其中存储有程序指令的计算机可读介质，其中该指令在被计算机读取时使得该计算机采集解剖结构的3-D图像，确定包括在该3-D图像中的轮廓，识别由该轮廓限制的3-D坐标空间中的体积，并且生成示出该体积内的来自3-D成像模态的体元的图片。
从下面本发明实施例的详细描述连同附图将更充分地理解本发明，其中：
附图说明
图1是根据本发明实施例的用于心脏标测和成像的系统的示意性的图示；
图2是根据本发明实施例的导管的示意性的剖面示图；
图3是示意性示出根据本发明实施例的用于心脏标测和成像的方法的流程图；以及
图4A-4F、5A-5B、6A-6C、7和8A-8B是在视觉上演示根据本发明实施例的用于心脏标测和成像的方法的图像。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的用于对目标结构(例如，患者的心脏22)进行成像和标测的系统20的示意性图示。(在下文中，术语“目标结构”可以指整个或者部分心室，或者指其它体腔，或者指特定的壁、表面、血管或其它解剖特征。虽然在这里描述的实施例具体指的是在心脏中及其周围的结构，但是本发明的原理可以加以必要的变更之后类似地应用于骨头、肌肉和其它器官以及解剖结构的成像。)
该系统包括导管24，其由医师插到心室中。典型地，导管24是感测位置的超声探针，其被配置为执行包括解剖标测和超声成像的功能。导管24的标测和超声成像能力在上述的美国专利公开2006/0253024、2007/0049817和2007/0106146中进一步描述。
系统20的定位子系统包含一组外部辐射器，例如场生成线圈(fieldgenerating coil)26。场生成线圈的位置被限定在该定位子系统的固定坐标空间中。
基于由线圈26生成的场，定位在接近导管24的末端(distal end)处的位置传感器(图2)生成位置相关的信号并且将这些信号发送到控制台28。通常包含在控制台中的定位处理器30根据该位置相关的信号来计算导管24的末端的位置坐标(location coordinate)。在本发明的实施例中，导管的末端与心脏内表面上的一个或多个部位接触，并且在每一个部位处的坐标被确定并作为点的矩阵被存储在控制台中。所存储的矩阵在下文中被称为解剖图。
导管24进一步包含超声传感器(图2)，该超声传感器生成超声能量并接收所反射的超声回波。基于所反射的回波，该超声传感器将超声相关信号发送到控制台28中的图像处理器32。
图像处理器32典型地接收来自超声传感器的多个位置和方向的超声相关信号，并且处理这些信号以在3-D空间中重建包含一组体元(即，3-D像素)的3-D超声图像。
图像处理器可以被配置为执行在下文中更详细描述的其它功能，例如轮廓描绘。使用3-D可视化技术，图像处理器也在控制台28的显示器34上显示3-D物体(例如，所描绘的轮廓)。控制台是交互式的，使医师能够使用定点设备(例如，跟踪球36)来控制所显示的项目，和/或能够用键盘38来输入命令。
典型地，定位和图像处理器的功能使用通用计算机来实现，该计算机以软件形式编程以执行在这里所述的功能。该软件可以例如通过网络以电子形式被下载到计算机，或者它可以可选地在有形的介质上(例如，CD-ROM)提供给计算机。定位处理器和图像处理器可以使用单独的计算机或使用单个计算机来实现，或者可以与系统20的其它计算功能集成。附加地或可选地，定位和图像处理功能中的至少一些可以使用专用硬件来执行。
图2是示出根据本发明实施例的导管24的末端的示意性图示。该导管包含位置传感器42和超声传感器44，如上文中所述的，其通过导线46发送相应的位置相关和超声相关信号到控制台28。可选地，控制台28可以通过导管24中的无线发送器(未示出)来接收这些信号。
在一些实施例中，该导管的末端包含用于执行诊断和/或治疗功能的至少一个电极48。电极48可以用于在生成解剖图期间感测电势或心脏激活时间(cardiac activation time)，从而提供电解剖图。在电解剖图中，目标结构的位置坐标与对应的电势值相关。
在可选实施例中，单独的导管可以用来采集超声图像数据和图数据。该超声图像探针也可以是体外的。
位置传感器42位于导管24的末端内的电极48和超声传感器44的附近。典型地，位置传感器42、电极48和超声传感器44之间的位置和方位偏移量恒定的，并且被定位处理器30用来导出超声传感器44的坐标和电极48的坐标。在一些实施例中，该偏移被预先标定并存储在定位处理器30中。可选地，该偏移可以存储在耦合到导管24的存储器设备中。
一般，通过相对于体表心电图(ECG)信号或心内心电图选通数据采集将超声图像和位置测量与心动周期同步。因为在心脏周期性的收缩和舒张期间心脏的特征改变它们的形状和位置，所以整个成像过程通常在对于该周期的单个触发(trigger)或定时点处执行。可选地，数据采集可以在心动周期中的多个定时点处被选通，使得可以显示移动图像。在一些实施例中，可以由超声传感器测量的附加参数也被同步到该ECG信号，所述附加参数例如各种组织特性(例如，密度或平滑度)、温度和血流量。
图3是示意性示出根据本发明实施例的用于目标结构的标测和成像的过程50的流程图。
在数据采集步骤52中，医师操纵导管24以采集目标结构的超声图像数据和解剖图数据。该超声图像包含对应于至少三个解剖结构的特征，这些解剖结构是：第一，导管24定位在其中的内部体积，例如心室、血管或瓣膜(valve)；第二，壁，其通常具有不同的内表面和外表面，其中该内表面限制该内部体积；以及第三，外部体积，其对应于附加的解剖结构，例如第二心室或身体器官。该解剖图数据可以通过接触标测(例如，电解剖标测)来采集，其中导管与壁的内表面上的多个点接触。可选地或附加地，解剖数据可以由系统20的用户来描绘，如下面的图4B-4D中所示出的。
如上所述，超声图像数据和解剖图数据的采集被同步到心动周期中的单个定时点，或同步到多个定时点。
在种子生成步骤54中，图像处理器自动根据解剖图生成一个或多个种子点。种子点可以是包含在该图中的特定的点，或者可以由从几个所测量的点的内插和/或外推来确定。在一个实施例中，表面可以由解剖图中的点的最小二乘多项式拟合来生成，并且单个种子点被确定为该表面上的中点。可选地，种子点可以由系统20的用户选择。
接下来，在轮廓检测步骤56中，基于种子点检测和描绘超声图像中的轮廓。在示例性实施例中，该轮廓是对应于在内部和外部部分(section)之间分割该图像的特征的3-D表面。典型地，该轮廓对应于限制内部部分的壁的内表面。
轮廓检测和描绘是基于种子点的并在下文中示意性示出(图4E).检测可以包括边缘检测法、相关法、运动检测法和其它本领域中已知的方法。边缘检测的公知方法是Canny边缘检测法，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。基于Canny边缘检测的可以被用在该背景中的改进方法在2007年5月1日提交的美国临时专利申请60/915,152中有所描述，该专利申请被转让给本专利申请的受让人并且其公开在此引入以供参考。
与例如在上述美国专利5,903,664和美国专利公开2006/0253024中描述的那些分割方法形成对照，在步骤54中确定的种子点是基于解剖图自动确定的。此外，在步骤56中执行的轮廓检测可以基于在腔壁的内表面之外的种子点，因为该表面出现在超声图像中。在解剖图中的点以及因此种子点也可以由于导管在位置坐标采集期间施加在壁上的压力而位于内壁之外。
步骤56的输出是三维矩阵，其限定分割原始超声3-D图像的一个或多个轮廓。可选地，可以使用参数方程来限定轮廓。
一旦根据上述步骤确定了轮廓，则该轮廓可以应用在随后的使超声图像和解剖图可视化的步骤中，如在下文中所述的。
在图增强步骤60中，在步骤52中所获得的解剖图的分辨率用从轮廓提取的点来增强。如图3中所指出的，步骤60包含三个子步骤。在子步骤62中，在步骤56确定的轮廓在3-D坐标空间中变换以与电解剖图中的点对准，如在下文中关于图6B进一步描述的。在一个实施例中，轮廓的变换是基于最小二乘、最佳拟合的算法来执行的。
随后，在点提取子步骤64中，从变换的轮廓中提取轮廓点并且将其添加到解剖图，从而增强该图的密度。轮廓点的提取可以通过将给定密度的2-D栅格(grid)投影到轮廓表面上以及在栅格交叉处提取点来自动执行，如下面图6C中所指出的。
用来增强解剖图的数据点也可以从除了由上文所述方法得到的轮廓之外的3-D图像源中提取。例如，根据在背景技术中所述的美国专利公开2007/0049817的方法与解剖图配准的3-D解剖表面也可以提供可以被添加到解剖图的点的源。
如上所述，解剖图一般是电解剖图，然而该图也可以可选地或附加地包含其它生理参数，例如组织和温度特性。在子步骤66中，显示了所增强的图的图片，该图包括所提取的轮廓点的坐标。对于所添加的轮廓点可以通过从原始图数据内插和/或外推参数值来估计生理参数。该图片一般使用3-D可视化方法(包括3-D数据到控制台显示器的2-D平面上的投影)而显示为3-D图像。典型地，所显示的图像可以被旋转以便从多个视角来观看。
在轮廓显示步骤67中，使用上述3-D可视化方法显示在步骤56确定的轮廓。来自解剖图的生理参数可以在轮廓表面上内插和/或外推以便显示具有表示参数值的突显(highlighting)的轮廓，如下文中参考图7而进一步描述的。突显可以通过各种方法(例如着色或阴影)来表示。
轮廓表面的类似的突显也可以用于显示来自3-D超声图像的图像数据(即，体元)。轮廓表面的每一个点可以根据在3-D图像中对应坐标处的体元的值而被突显。也可以基于从其它源提取的3-D图像数据来突显轮廓，所述其它源包括磁共振成像(MRI)、计算机断层摄影(CT)或X射线成像。轮廓也可以依据给定的径向偏移而变换，并且可以根据偏移坐标显示3-D图像数据突显，类似于在各种深度观看洋葱皮。
在以下参考图8A和8B描述的另外的实施例中，图像处理器可以基于轮廓生成封闭的体积而不是表面。在该封闭的体积内，从3-D图像源提取的体元可以用各种透明度来显示，使得对应于不被阻塞的体腔的体元显示为透明的而对应于组织或其它障碍物的体元显示为相对暗的和不透明的。
在补充采集步骤68中，用导管24测量附加的图点并将其添加到解剖图，从而增大图密度。
过程50可以实时地迭代地执行，使得基于最新采集的数据和基于该最新采集的数据的随后计算而更新所显示的图像。
如上所述，如果数据采集被同步到心动周期中的单个定时点，则所显示的图像表现得相对固定。如果选择多个定时点，则超声图像数据和解剖图数据的采集被同步到每个定时点，并且通常为每组同步的数据确定不同的种子点和轮廓。也可以通过确定心动周期中的一个点处的轮廓并且使用所确定的轮廓作为自动过程的一部分以便找到该周期中下一个定时点处的相应轮廓来执行轮廓描绘。
图4-8是在视觉上演示根据本发明实施例的上述建模方法的各方面的图像的示意性图示。
图4A-4F提供了步骤52-56的示图，由此基于从解剖图得到的种子点而描绘了轮廓。在图4A中，导管24被插到心脏22的右心房70中，并且捕获右心房的2-D图像以及左心房72的2-D图像。图4B示出这些图像中的一个(为了看得清楚将强度等级(intensity scale)翻转，使得左心房的内部为浅灰，而心脏的更具反射性的壁为暗灰)。系统20的操作者描绘左心房的内表面的轮廓线(outline)74，如它出现在该图像中的。操作者可以例如通过使用鼠标或其它定点设备操纵屏幕上的光标75来描画(trace)该轮廓线。
图4C和4D示出了被叠加在左心房72的体积上的用户描绘的轮廓线。每一个轮廓线从不同的2-D图像中得到，具有在捕获该2-D图像时由导管24的位置和方位确定的位置和方位。当已经描绘了足够的这种轮廓线时，它们限定了左心房的内部轮廓76的解剖图。可选地，如上所述，类似形状的图可以通过接触标测来生成，例如通过将导管移到左心房自身中并与左心房的实际内表面上的多个点接触。在该情况下，解剖图也可以包括电数据。
处理器32将内部轮廓76放置在包含左心房的体积78内部，如图4E所示出的。基于该轮廓上的图点，生成种子点80，如上文中在步骤54中所述的。在一个实施例中，种子点被确定为根据解剖图点生成的轮廓76的中心。生成的表面通常是使用本领域已知的表面生成方法而拟合到轮廓线上的点的函数，该轮廓线由用户描绘或者由导管标测。如上关于步骤54所述的，解剖图中的点可以由于导管在位置坐标采集期间施加于壁上的压力而位于左心房的壁的实际内表面之外。
处理器32在三维中相对于种子点80和在步骤52收集的3-D超声图像数据中的实际边缘操纵轮廓76。在本发明的实施例中，实施边缘检测算法以检测对应于内壁表面的轮廓。(可以用于该目的的方法例如在上述的美国临时专利申请60/915,152中有所描述)。如所示出的，检测射线在体积78的壁的方向上从种子点80展开。根据上述的Canny边缘检测法或其它类似算法，当检测射线与具有匹配阈值的强度变化的体元组相交时，检测到轮廓点。
图4F示出基于3-D轮廓76描绘的左心房72的轮廓。该轮廓描绘在三维中进行，从而在超声图像的3-D空间中生成轮廓。如前面所述的，相似种类的3-D轮廓可以由3-D电解剖图开始而不是如该实例中所示的由基于用户描绘的轮廓线的图开始而生成。
图5A和5B示出对于心动周期中的两个不同定时点的超声图像的2-D切片和所描绘的轮廓。图5A示出当数据采集在对应于心动周期的峰值收缩(peak systole)的定时点102处被选通时的图像；在图5B中数据采集在心动周期的心脏舒张期间的定时点104处被选通。如上所述，也在每个定时点处采集解剖图数据，使得解剖图数据和超声数据对于每个定时点都是同步的。因此，对于相应的定时点102和104可以生成不同的轮廓，即分别为轮廓106和轮廓108。
图6A-6C提供了上面所述的图增强步骤60的图示。图6A示出其上覆有图点112的3-D轮廓110。轮廓110可以如上关于轮廓96的生成所述的生成，或者可以由本领域已知的其它方法来提供。图点被包含在解剖图中，该解剖图通常具有相对于轮廓的分辨率的低密度的点。
图6B示出轮廓114，其通过根据上面所述的子步骤62将轮廓110变换到新坐标而生成。
图6C提供了上面所述的点提取子步骤64的可视化。可以应用各种固定栅格或柔性栅格方法以便在轮廓114中确定要被添加到解剖图的点118。在一个实施例中，基于轮廓114限定丝网(wire-mesh)116，并且网格交叉点用来确定点118。随后可以根据包含原始图点112和附加点118的解剖图生成表面。该表面可以根据包含在解剖图中的生理参数(例如电势)而着色或加阴影。
图7提供了上面所述的轮廓显示步骤67的图示。来自解剖图的生理参数的值在轮廓表面120上被内插和/或外推。虽然该图中使用文本符号122来示出突显，但是突显一般由其它方法(例如，着色或阴影)来表示。
突显可以可选地基于3-D图像数据。因为轮廓表面上的每个点对应于3-D超声图像中的体元，所以可以根据相应体元的值而突显每个轮廓表面点。也可以在使用本领域中已知的图像配准方法配准得自其它源(包括MRI、CT或X射线成像)的3-D图像的坐标与轮廓之后基于这些图像中的相应体元突显该轮廓。
在一些实施例中，医师也可以指定轮廓偏移，以便观看来自与该轮廓处于给定偏移的3-D图像的体元。指定偏移生成了轮廓的变换，其可以按照上述方式基于3-D图像数据而被突显。
图8A和8B示出了轮廓显示步骤67的附加方面，其中生成并显示由轮廓限制的封闭体积。生成封闭体积的两种方法分别通过图8A和8B而举例说明。为了说明清楚，该图基于图4D中所示的表示在两维中表示轮廓。
图8A示出基于变换第一轮廓130以生成第二轮廓132的封闭体积的生成，使得该封闭体积由这两个轮廓限制。在一个实施例中，实现该转换使得在由导管指示器的位置限定的径向方向上按照设置距离(setdistance)来变换第一轮廓上的每个点。封闭体积134被限定在这两个轮廓之间，从而实际上提供了具有给定厚度的轮廓。
图8B示出生成封闭体积138的可替代的方法，由此封闭体积被限定为至少在一侧由轮廓的凸起表面限制的空间。如果轮廓自身不是封闭表面而是具有如图所示的开口边缘(open edge)，则可以生成连接该开口边缘的点的表面，从而封闭该体积。
在所生成的封闭体积内，从3-D图像源(例如，3-D超声图像)提取的体元可以用各种透明度来显示。对应于不被阻塞的体腔的体元显示为透明的而对应于组织或其它障碍物(例如，障碍物140)的体元显示为相对暗的和不透明的。
虽然上面描述的实施例具体涉及使用侵入式探针(例如，心脏导管)的超声成像，但是本发明的原理也可以应用于使用配备有定位传感器的其它外部或内部超声探针(例如，经胸廓的探针)来重建器官的3-D模型。附加地或可选地，如上所述，所公开的方法可以用于除心脏之外的器官的3-D建模以及使用得自除超声之外的包括MRI、CT和X射线成像的成像方法的3-D图像。另外附加地或可选地，如上所述，其它诊断或治疗信息(例如，组织厚度和温度)可以以电活动覆盖(electricalactivity overlay)的方式被覆盖在3-D模型上。该3-D模型也可以与其它诊断或外科工具(例如，消融导管)一起使用，以及与其它程序(例如，心房中隔缺损闭合程序、脊柱外科手术和尤其是最低程度侵入的程序)一起使用。
因此，应当明白，作为示例列举了上述实施例，并且本发明不限于在上文中已经具体示出和描述的那些实施例。相反，本发明的范围包括上文中所述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读上述描述之后将想到的并且没有在现有技术中公开的变化和修改。

Claims (45)

1.一种医学成像方法，包括：
通过将探针插入到对象身体中并使用该探针收集数据，来创建该对象身体中的腔的内壁的解剖图；
创建该腔的三维(3-D)图像；以及
基于该图描绘该3-D图像中的3-D轮廓。
2.根据权利要求1所述的方法，其中描绘该轮廓包括基于该解剖图确定种子点。
3.根据权利要求2所述的方法，其中描绘该轮廓包括识别位于该种子点与该腔之间的该轮廓上的点。
4.根据权利要求1所述的方法，其中创建该解剖图包括将该探针插入到该腔中并且使该探针在多个部位(location)处与内部部位接触。
5.根据权利要求4所述的方法，其中该解剖图包括多个第一点，该多个第一点中的每一个都与由与该内壁接触的该探针进行的生理参数的相应测量相关，并且其中该方法包括基于该轮廓将多个第二点添加到该解剖图，并且生成示出该生理参数在该第一和第二点上的分布的该解剖图的显示。
6.根据权利要求5所述的方法，其中该生理参数选自由心脏电活动、组织特性、温度和血流量组成的参数组。
7.根据权利要求1所述的方法，其中创建该3-D图像包括创建3-D超声图像。
8.根据权利要求7所述的方法，其中创建该3-D超声图像包括使用该探针中的超声换能器来捕获多个二维(2-D)超声图像，并且将该2-D超声图像组合以生成该3-D图像。
9.根据权利要求8所述的方法，其中创建该解剖图包括在多个该2-D超声图像中描绘相应的2-D轮廓，并且将该2-D轮廓组合以产生该解剖图。
10.根据权利要求7所述的方法，其中创建该3-D超声图像包括在给定的3-D坐标空间中确定该3-D超声图像的像素的第一坐标，并且其中使该探针与该腔的内壁接触包括在该给定的3-D坐标空间中测量该内壁上的一个或多个部位的第二坐标。
11.根据权利要求10所述的方法，其中使用第一探针创建该解剖图，并且其中使用包括超声换能器的第二探针捕获该3-D超声图像，其中该第一和第二探针包括各自的第一和第二位置传感器，并且其中该方法包括耦合该位置传感器以感测所生成的场并且响应于所感测的场来计算该第一和第二探针的位置。
12.根据权利要求10所述的方法，其中该探针包括超声换能器和位置传感器，并且用来创建该解剖图以及用来捕获该3-D超声图像。
13.根据权利要求1所述的方法，包括相对于同步信号使捕获该超声图像和创建该解剖图的定时同步，该同步信号选自由心电图(ECG)信号、内部生成的同步信号和外部提供的同步信号组成的信号组。
14.根据权利要求13所述的方法，其中该定时被同步到心动周期中的多个定时点，并且该方法包括生成作为移动图像的该轮廓、该解剖图和该超声图像中的一个或多个的显示。
15.根据权利要求1所述的方法，其中捕获该3-D图像包括使用体外超声探针来扫描解剖结构。
16.根据权利要求1所述的方法，包括生成该轮廓的显示，其示出来自至少一个成像模态的数据在该轮廓上的分布，所述至少一个成像模态选自由超声成像、磁共振成像(MRI)、计算机断层摄影(CT)和X射线成像组成的模态组。
17.根据权利要求1所述的方法，包括识别由该轮廓限制的体积并且生成示出来自3-D成像模态的体元在该体积内的分布的显示。
18.根据权利要求1所述的方法，其中该腔是心室。
19.一种医学成像方法，包括：
将探针插入到身体中，该探针包含用于测量生理参数的传感器；
使该探针与该身体中的器官表面上的多个第一点接触以便在每个第一点处测量该生理参数；
创建该器官的解剖图，其包括该多个第一点并表示该生理参数在该器官表面上的分布；
接收该器官的三维(3-D)图像；
确定包括在该3-D图像中的轮廓；以及
基于该轮廓将不包括在该第一点中的多个第二点添加到该解剖图。
20.根据权利要求19所述的方法，其中添加该第二点包括应用变换以便将该轮廓与该解剖图配准。
21.根据权利要求19所述的方法，包括响应于将该多个第二点添加到该解剖图而生成该解剖图的显示，其中该显示包括该第一和第二点并且示出该生理参数在该器官表面上的分布。
22.根据权利要求21所述的方法，包括响应于生成该显示，将该探针与该器官表面上的多个补充点接触以便测量在每个补充点处的生理参数，将该补充点添加到该解剖图，并且重新生成包括第三点的该解剖图的显示。
23.一种医学成像方法，包括：
捕获解剖结构的3-D图像；
确定包括在该3-D图像中的轮廓；
识别由该轮廓限制的3-D坐标空间中的体积；
生成示出该体积内的来自3-D成像模态的体元的图片。
24.根据权利要求23所述的方法，其中示出该体元包括生成一个或多个该体元的半透明显象。
25.根据权利要求23所述的方法，其中生成该图片包括示出由该轮廓限制的器官的壁的厚度。
26.一种用于医学成像的系统，包括：
至少一个探针，其被配置成插入到对象身体中的腔中并且收集用于创建该腔的内壁的解剖图的数据；以及
处理器，其被配置成生成该腔的三维(3-D)图像并且基于该图在该图像中描绘3-D轮廓。
27.根据权利要求26所述的系统，其中该解剖图包括多个第一点，该多个第一点中的每一个都与通过使该探针与该内壁接触而测量的生理参数相关，其中该处理器进一步被配置为基于该轮廓将多个第二点添加到该解剖图并且生成示出该生理参数在该第一和第二点上的分布的该解剖图的图片，其中该系统包括配置成示出该图片的显示器。
28.根据权利要求26所述的系统，包括：
一个或多个辐射器，其被耦合以在该第一和第二探针的附近生成场；以及
至少一个位置传感器，其与该至少一个探针相关并且被耦合以响应于所生成的场而发射信号，其中该处理器被配置为响应于该信号而确定该至少一个探针的坐标。
29.根据权利要求28所述的系统，其中该处理器被耦合以响应于所感测的场而计算在给定的三维坐标空间中该至少一个位置传感器的第一坐标，并且基于在该给定的三维坐标空间中的该3-D图像的像素的第一坐标和第二坐标而确定，并且在该给定的三维坐标空间中确定在该内壁上的一个或多个部位的第三坐标。
30.根据权利要求26所述的系统，其中该腔包括心室，并且其中该至少一个探针包括至少一个导管，其被插入到该心室中以便采集该3-D图像和该解剖图的坐标。
31.根据权利要求26所述的系统，其中该至少一个探针包括用于创建该解剖图的第一探针和用于捕获该3-D图像的第二探针。
32.根据权利要求26所述的系统，其中该至少一个探针包括超声换能器和位置传感器，并且用来创建该解剖图以及用来捕获该3-D图像。
33.根据权利要求26所述的系统，其中该至少一个探针和该处理器被耦合以相对于同步信号使该解剖图的坐标和该3-D图像的采集的定时同步，该同步信号选自由心电图(ECG)信号、内部生成的同步信号和外部提供的同步信号组成的信号组。
34.根据权利要求33所述的系统，其中该定时被同步到心动周期中的多个定时点，并且其中该处理器被配置为生成作为移动图像的该轮廓、该解剖图和该超声图像中的一个或多个的显示。
35.根据权利要求26所述的系统，其中该处理器被配置为生成该轮廓的显示，其示出来自至少一个成像模态的数据在该轮廓上的分布，所述至少一个成像模态选自由超声成像、磁共振成像(MRI)、计算机断层摄影(CT)和X射线成像的组成的模态组。
36.根据权利要求26所述的系统，其中该处理器被配置为识别由该轮廓限制的体积并且生成示出来自3-D成像模态的体元在该体积内的分布的显示。
37.一种用于医学成像的系统，包括：
探针，其被配置成插入到身体中，使其与该身体中的器官表面上的多个第一点接触以便测量在每个第一点处的生理参数；以及
处理器，其被配置成创建包括该多个第一点并表示该生理参数在该器官表面上的分布的该器官的解剖图，接收该器官的三维(3-D)图像，确定包括在该3-D图像中的轮廓，并且基于该轮廓将不包括在该第一点中的多个第二点添加到该解剖图。
38.根据权利要求37所述的系统，其中该处理器被配置为通过应用变换来添加该第二点以便将该轮廓与该解剖图配准。
39.根据权利要求37所述的系统，其中该处理器被配置为响应于将该多个第二点添加到该解剖图而生成该解剖图的显示，其中该显示包括该第一和第二点并且示出该生理参数在该器官表面上的分布。
40.一种用于医学成像的系统，包括：
探针，其被配置成捕获解剖结构的3-D图像；
处理器，其被配置成确定该3-D图像中的轮廓，识别由该轮廓限制的体积，并且生成示出该体积内的来自3-D成像模态的体元的图片；以及
显示器，其被配置成显示该图片。
41.根据权利要求40所述的系统，其中该处理器被配置为生成一个或多个该体元的半透明显象。
42.根据权利要求40所述的系统，其中该处理器被配置为生成该图片以便示出由该轮廓限制的器官的壁的厚度。
43.一种用于医学成像的计算机软件产品，该产品包括其中存储有程序指令的计算机可读介质，其中该指令在被计算机读取时使得该计算机采集对象身体中的腔的三维(3-D)图像，确定该腔内壁的解剖图的坐标，并且基于该图描绘该3-D图像中的3-D轮廓。
44.一种用于医学成像的计算机软件产品，该产品包括其中存储有程序指令的计算机可读介质，其中该指令在被计算机读取时使得该计算机创建包括多个第一点并表示生理参数在器官表面上的分布的身体器官表面的解剖图，接收该器官的三维(3-D)表面表示，并且基于该3-D表面表示将不包括在该第一点中的多个第二点添加到该解剖图。
45.一种用于医学成像的计算机软件产品，该产品包括其中存储有程序指令的计算机可读介质，其中该指令在被计算机读取时使得该计算机采集解剖结构的3-D图像，确定包括在该3-D图像中的轮廓，识别由该轮廓限制的3-D坐标空间中的体积，并且生成示出该体积内的来自3-D成像模态的体元的图片。
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