CN103027683B - 用于干预性磁共振成像的主动导管重构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于干预性磁共振成像的主动导管重构。一种用于设备可视化的方法包括接收包括多个标记在设备内的空间关系的描述的一组物理特性（S101）。获取对象体内的设备的射线照相数据（S102）。在射线照相数据内标识所述多个标记中的每一个的近似位置（S103）。基于每个标记的所标识近似位置和接收到的该组物理特性来针对对象体内的设备构造轨迹函数（S104）。基于该组物理特性针对设备构造分段函数，并且基于构造的轨迹函数和分段函数来针对设备生成3D模型（S105）。在显示设备上显示3D模型的呈现（S106）。

Description

用于干预性磁共振成像的主动导管重构

相关申请的交叉引用

本申请基于2011年9月29日提交的临时申请序号NO.61/540,789，其全部内容被通过引用结合到本文中。

技术领域

本公开涉及磁共振成像，并且更具体地涉及用于干预性磁共振成像的主动（active）导管重构。

背景技术

心脏节律障碍（心律不齐）的特征在于心脏中的异常电活动。心脏节律障碍可以促使心脏搏动过快、过慢或不规则，并且可能是危及生命的状况。心房纤维性颤动是心脏节律障碍的特别常见的形式。在这里，心脏的上面的两个室（称为心房）以不规则的间隔搏动。此不规则搏动可能是由可以由患病或受损的心脏组织产生的异常电脉冲引起的。慢性心房纤维性颤动以及其它形式的心脏节律障碍可能将病人置于针对诸如中风的某些状况的更大风险。

可以使用诸如导管消融的治疗来治疗诸如心房纤维性颤动的心脏节律障碍。在导管消融中，导管被插入病人的血管中并随后朝着心脏前进。当与负责生成异常电脉冲的心脏组织进行接触时，导管被用来破坏该责任组织，使得可以恢复正常的电脉冲。一般地使用热量来执行责任组织的消融。也称为肺静脉前庭隔离或PVAI的肺静脉消融是用于心房纤维性颤动的常见治疗。

适当的可视化是诸如执行PVAI时的成功干预中的重要因素。在可视化中，可以在视觉上向执行干预的医师从业者呈现导管、导线或其它器材的位置，例如通过在医学图像上叠加导管的位置，使得医师从业者能够在使诸如穿孔的复杂化的风险最小化的同时准确地将导管引导至其目的地。

发明内容

一种用于设备可视化的方法包括接收包括设备内的多个标记的空间关系的描述的一组物理特性。获取对象体内的设备的射线照相数据。在射线照相数据内标识所述多个标记中的每一个的近似位置。基于每个标记的所标识近似位置和接收到的一组物理特性针对对象体内的设备来构造轨迹函数。基于该组物理特性针对该设备来构造分段函数。基于所构造的轨迹函数和分段函数针对设备来生成3D模型。在显示设备上显示3D模型的呈现。

该设备可以是导管且所述多个标记可以包括一个或多个微弹簧圈（micro-coil）。该组物理特性可以包括一个或多个微弹簧圈中的相邻微弹簧圈之间的距离和导管的最大可能曲率或弯曲的度量。该轨迹函数可以是由用于样条函数的节点向量、控制点的向量以及多项式的次数定义的数学样条函数。可以改变节点向量和控制点的向量以找到满足接收到的该组物理特性的一个或多个约束的样条函数。该样条函数可以是给定多项式的次数的分段多项式函数。用于样条函数的多项式的次数可以是三。可以使样条函数的曲线能量最小化。该样条函数可以是B样条函数。该样条函数可以是非均匀有理B样条（NURBS）函数。

射线照相数据可以是MR图像。

分段函数可以具有预定形状。该预定形状可以是圆形。圆形的半径可以取决于沿着轨迹函数的长度。

3D模型可以是3D网格，并且该3D网格可以包括沿着轨迹函数扫描分段函数。构造轨迹函数可以包括按照特定顺序通过标记的每个所标识近似位置对轨迹函数的曲线进行内插。构造轨迹函数可以包括通过允许曲线不与标记的每个所标识近似位置相交并通过使被计算为标记的每个所标识近似位置与沿着曲线的相应点之间的距离的误差和最小化来近似轨迹函数的曲线。

标识射线照相数据内的所述多个标记中的每一个的近似位置可以包括确定用于该近似位置的置信度或概率。

在生成3D模型之前，可以确定轨迹函数是否是退化的，并且在轨迹函数被确定为是退化的情况下，在显示设备上显示警告消息。

一种用于提供用于干预指导的可视化的方法包括获取射线照相研究。在所获取的射线照相研究内标识设备内的一组标记。根据射线照相研究内的所标识的该组标记的位置和设备的物理特性的先验知识将曲线拟合到所标识的该组标记。通过在拟合曲线上对准设备的可变形模型来生成用于设备的3D模型。在显示设备上显示3D模型的呈现以用于干预指导。设备的物理特性的先验知识包括设备内的标记之间的距离和设备的最大可能曲率或弯曲程度。

该曲线可以是由用于样条函数的节点向量、控制点的向量和多项式的次数来定义的数学样条函数，并且可以改变节点向量和控制点的向量以找到满足该设备的物理特性的先验知识的一个或多个约束的样条函数。

生成用于设备的3D模型可以包括沿着拟合曲线扫描分段曲线。

计算机系统包括处理器和非瞬时有形程序存储介质，其可被计算机系统读取，体现可由处理器实行以执行用于设备可视化的方法步骤的指令程序。该方法包括接收一组物理特性，其包括设备内的多个标记的空间关系的描述。获取对象体内的设备的射线照相扫描。在射线照相扫描内标识所述多个标记中的每一个的近似位置。基于每个标记的所标识近似位置和接收到的该组物理特性针对对象体内的设备构造数学样条函数。基于构造的样条函数来生成用于设备的3D模型。在显示设备上显示3D模型的呈现。

附图说明

将很容易获得本公开以及其许多伴随方面的更完整认识，因为当结合附图来考虑时通过参考以下详细描述，其将被更好地理解，在所述附图中：

图1是举例说明依照本发明的示例性实施例的用于提供干预可视化的方法步骤的流程图；

图2是举例说明依照本发明的示例性实施例的用于提供医学设备重构的方法的流程图；

图3是举例说明依照本发明的示例性实施例的可以使用的医学设备和一组物理性质的图；

图4是依照本发明的示例性实施例的用来表示医学设备曲线的B样条函数的图示；

图5是依照本发明的示例性实施例的分段曲线和轨迹曲线的图示；

图6是依照本发明的示例性实施例的通过沿着轨迹曲线扫描分段曲线产生的3D设备网格的图示；以及

图7示出能够实现根据本发明的实施例的方法和设备的计算机系统的示例。

具体实施方式

在描述附图所示的本公开的示例性实施例时，为了明了起见采用特定术语。然而，本公开并不意图局限于这样选择的特定术语，并且应理解的是每个特定元件包括以类似方式操作的所有技术等价物。

本发明的示例性实施例提供了一种用于在干预期间精确地对诸如导管或导线的医学设备进行定位的方法。替代依赖于使病人暴露于连续剂量的潜在有害的电离辐射的荧光镜检查，本发明的示例性实施例采用磁共振（MR）成像技术来提供用于可视化的连续或周期性遥测技术。为了增强医学设备的可视性，可以在其中嵌入无源或有源标记。无源标记仅仅是由被已知在所采用的成像模式内清楚地呈现的材料构成的对象，而有源标记是在被暴露于成像模式时传送可标识信号的标记。

适当的有源标记的一个示例是微弹簧圈，其可以在各种位置处被嵌入医学设备中，使得当被暴露于成像模式时可以生成可标识信号。

虽然在本文中参考有源标记和MR成像来描述本发明的示例性实施例，但应理解的是无论所使用的标记类型或所使用的成像模式如何，都可以应用这些技术。例如，该标记可以是由不透辐射材料构造而成的无源标记，并且成像模式可以是荧光镜检查。

无论所使用的标记类型如何，本发明的示例性实施例利用医学器材的几何结构的先验知识和被嵌入其中的标记的相对位置，并且因此，这些详细说明可以是已知且可检索的。

在干预期间，观察关于标记的位置信息并用来构造曲线，其受到器材几何结构的先验知识的约束。然后可以由医学器材的几何结构的先验知识和曲线来构造三维（3D）网格。可以向医师从业者显示所构造的3D网格以在干预期间提供指导。

图1是举例说明依照本发明的示例性实施例的用于提供干预可视化的方法步骤的流程图。医学设备的物理性质可以是先验已知的。可以将这些物理性质例如存储为形状模型或作为一组特性，并且然后在干预期间或之前被检索（retrieve）（步骤S101）。然后可以获取医学图像数据（步骤S102）。医学图像数据可以是从MR扫描仪获取的MR图像数据。可以连续地或周期性地获取医学图像数据。

根据医学图像数据，可以测量各种输入（步骤S103）。这些输入可以包括医学设备内的每个标记的所观察位置和（在可用的情况下）用于所观察位置中的一个或多个的置信度的度量。每个标记的所观察位置可以包括具有沿着全部三个空间方向（x、y和z）的一维（1D）投影的测量位置。结果可以是用于每个标记的一组三维坐标。在标记包括微弹簧圈的情况下，可以使用特殊化MR获取来确定这些位置坐标。

然后可以基于标记位置坐标、置信度的度量（在可用的情况下）和从医学设备的已知物理性质导出的几何约束来定义曲线（步骤S104）。该曲线可以表示由标记定义的医学设备的物理形状的模型。由于医学设备可以是柔性的且可以随着其穿过病人的身体而变形，所以被选择用于表示曲线的数学函数可以能够以自然的方式表示该变形。本发明的示例性实施例可以利用分段多项式函数来表示曲线。例如，可以使用诸如B样条函数的样条函数。根据本发明的某些示例性实施例，该样条函数还可以是非均匀有理B样条（NURBS）函数。

图4是依照本发明的示例性实施例的用来表示医学设备曲线的B样条函数的图示。如在图中可以看到的，可以由三个参数来定义唯一B样条函数。这些参数可以包括节点向量t_i、控制点（deBoor点）的向量P_i以及多项式的次数n。在这里，i表示编号的标记位置i=0…i _max 。可以将多项式的次数n选择为在提供平滑度、二阶导数连续性的同时提供高自由度，并在避免引入Runge现象的同时提供快速的曲线震荡。出于这些目的，可以将多项式的次数n设置为3。然而，应理解的是可以利用其它选择。

然后可以改变参数t_i和P_i以找到满足从先验已知的医学设备的物理性质导出的一组约束的样条函数，在步骤S101中检索该设备性质。可以基于关于医学设备在使用中的同时在形状上变形的能力的观察来选择该组物理约束。

图3是举例说明依照本发明的示例性实施例的可以使用的医学设备和一组物理性质的图。图3（a）举例说明具有手柄部32和主体部31的导管设备30。图3（b）提供了在图3（a）中框住的部分的近视图且图3（c）提供了在图3（b）中框住的部分的近视图。如用这些图能够看到的，导管30的物理性质可以包括导管主体的宽度、第一弹簧圈33相对于沿着导管的固定点（在这里主体末端）的位置、第二弹簧圈34的位置、第三弹簧圈35的位置、第四弹簧圈36的位置、第一电极37的位置以及第二电极38的位置。应理解的是医学设备不限于导管，并且不存在对可以作为物理性质的先验知识包括的标记（在这里弹簧圈）和电极（或感兴趣的其它位置）的数目的限制。

如图3的示例性医学设备中所示，示例性物理约束可以包括：（1）在每对相邻弹簧圈之间的设备主体的长度，（2）设备弯曲的最大可能曲率的度量以及（3）曲线能量的最小化。可以使用曲线能量的最小化作为设备将不具有尖端或环路的物理约束的表示。

根据物理约束，可以针对参数t_i和P_i找到最佳变体。例如，如图4所示，然后找到最佳曲线函数以将B样条拟合到参数点。如果置信度信息（离散或分布函数）可用，则可以使用近似算法考虑到置信度来拟合曲线。如果置信度信息不可用，则可以使用通过各点的精确内插来拟合曲线。可以预期最佳曲线以提供实际形状，并且在形状被确定为不切实际的情况下可以拒绝曲线。

然后可以从拟合曲线生成3D呈现（步骤S105）。3D呈现可以充当医学器材的几何结构的3D表示。可以使用各种方法来生成3D呈现。例如，3D呈现可以是通过沿着曲线函数的轨迹扫描分段函数而生成的3D网格。如果曲线似乎不是真实的，则可能不会生成3D呈现，并且可以显示警告。

其后，可以使用诸如被集成到中央处理单元（CPU）上或作为离散图形处理设备提供的图形处理单元（GPU）的图形呈现设备来在显示设备上显示3D呈现（步骤S106）。

图2是举例说明依照本发明的示例性实施例的用于提供医学设备重构的方法的流程图。在这里，结合数据输入和输出来举例说明方法步骤。首先，可以提供测量输入201。如上文所讨论的，测量输入可以包括诸如在成像数据内标识的微弹簧圈的标记的位置和（在可用的情况下）置信区间。在没有置信度或概率数据可用于测量点位置的情况下或在可用置信度/概率数据指示高准确度的情况下（例如由预定阈值定义）（否，202），则可以使用内插方法203来提供曲线函数。替换地，在置信度数据可用且置信度数据未指示高准确度的情况下（是，202），则可以使用近似方法204来提供曲线函数。作为替换，可能不考虑准确度，并且在准确度/概率数据不可用的情况下可以使用内插方法203，并且在此类数据可用的情况下可以使用近似方法204。

根据内插方法203，内插曲线按照其给定顺序通过所有给定数据点，所述给定顺序可以是标记被已知在设备内对准的顺序。

可以使用近似方法204来克服与信号获取中的有噪声测量结果相关联和/或与由诸如血流的相邻解剖元素引起的信号干扰有关的问题。在这里，可以放松曲线必须通过所有数据点的另外的严格要求。例如，可以允许该曲线遗漏除第一和最后一个数据点之外的一个或多个数据点，根据本发明的某些示例性实施例，其仍必须被曲线通过。为了测量曲线有多好地拟合到数据点，可以测量误差距离。可以将该误差距离定义为数据点与其在曲线上的“相应”点之间的距离。曲线上的相应点可以是曲线上的距离数据点最近的点或已通过曲线被要求通过的数据点的曲线的点。可以将所有误差距离的和加在一起，并且可以使此和最小化以在给定影响曲线形状的其它约束的情况下尽可能密切地遵循数据点。

在置信度值和/或概率分布可用于测量点的情况下，可以将其用于上述近似方法204以定义成本函数并约束曲线近似。例如，可以将误差距离的最小化与置信度成本函数组合。由于可以使置信度的度量与每个投影信号相关联而不是直接与数据点相关联，所以给定数据点可以针对一个方向（例如x轴坐标）具有低置信度，同时针对另一方向（例如y轴和/或z轴坐标）具有高置信度。因此，虽然仍可以使用一个方法（内插或近似），但置信度数据可能仅用来针对给定点沿一个或多个方向调整曲线。

无论使用内插203还是近似204方法，可以提供关于设备的物理配置的数据（例如设备定义信息和模型）205以用于重构。在该背景中，可以使用设备的物理尺寸（例如诸如上文所述和图3所示的信息）来约束曲线函数。在设备定义信息与模型205之间还可以有弹性和/或最大可容许弯曲。可以基于设备设计来计算这些值，或者可以凭经验来确定这些值。例如，在设计供依照本发明的示例性实施例使用的导管时，可以获取相关设备信息。

还可以在3D模型生成209和呈现210中通过利用设备的各种元件的位置和长度的知识确定沿着该长度的每个距离处的设备的尺寸和/或形状来使用设备信息205。可以将此信息表示为设备分段函数/曲线207，因为其可以表示每个分段处的设备的近似形状和/或尺寸。然后可以在3D模型生成209和/或屏幕呈现210期间使用分段函数/曲线以修改显示设备模型的外观，使得每个元件（例如电极）对于观看显示并执行干预的从业者而言可以容易地标识。

由重构（203或204）产生的曲线函数可以包括表示到数据点的拟合（内插或近似）的轨迹曲线。在曲线被确定为不真实的情况下（例如其是退化曲线）（是，206），可以在屏幕208上显示适当的警告。然而，在曲线被认为真实（例如，非退化）的情况下（否，S206），出于提供更直观显示的目的，可以从曲线209生成3D模型。

3D模型可以是设备网格，并且可以通过沿着轨迹曲线扫描分段函数/曲线来产生。为了更好地举例说明这种技术，图5是依照本发明的示例性实施例的分段曲线和轨迹曲线的图示，并且图6是依照本发明的示例性实施例的通过沿着轨迹曲线扫描分段曲线而产生的3D设备网格的图示。

根据一种方法，该分段曲线可以是具有取决于实际设备相对于距离的厚度的半径的圆。替换地，该分段曲线可以相对于距离改变形状和尺寸，从而在扫描时定义设备的更真实表示。

例如，可以根据设备定义来对分段曲线进行缩放，以便对内置在设备上的感兴趣元件（例如弹簧圈、电极等）进行压纹或雕刻。另外，可以以不同的色彩来呈现不同的元件以使得易于视觉解释。另外，可以在设备末端处添加半球以表示设备尖端。

然后可以呈现这样生成的模型以便例如使用GPU从在209中产生的完整3D模型观看210。然后可以在显示设备211上显示GPU呈现以向执行干预的从业者提供视觉指导。

图7示出可以实现本公开的方法和系统的计算机系统的示例。可以以在计算机系统上运行的软件应用程序的形式来实现本公开的系统和方法，所述计算机系统例如主机、个人计算机（PC）、手持式计算机、服务器等。可以将软件应用程序存储在可被计算机系统本地地访问且可经由到例如局域网或因特网的网络的硬接线或无线连接来访问的记录介质上。

一般地称为系统1000的计算机系统可以包括例如中央处理单元（CPU）1001、随机存取存储器（RAM）1004、打印机接口1010、显示单元1011、局域网（LAN）数据传输控制器1005、LAN接口1006、网络控制器1003、内部总线1002以及一个或多个输入设备1009，例如，键盘、鼠标等。如所示，可以经由链路1007将系统1000连接到数据存储设备，例如硬盘1008。

本文所述的示例性实施例是说明性的，并且在不脱离本公开的精神或所附权利要求的范围的情况下可以引入许多变化。例如，在本公开和所附权利要求的范围内，可以将不同示例性实施例的元件和/或特征相互组合和/或相互替换。

Claims (20)

1.一种用于设备可视化的方法，包括：

接收一组物理特性，其包括设备内的多个标记的空间关系的描述；

获取对象体内的设备的射线照相数据；

标识所述多个标记中的每一个在射线照相数据内的近似位置；

基于每个标记的所标识近似位置和接收到的该组物理特性构造用于对象体内的设备的轨迹函数；

基于该组物理特性来构造用于设备的分段函数；

通过沿着所构造的轨迹函数扫描分段函数来生成用于设备的3D模型；以及

在显示设备上显示3D模型的呈现。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设备是导管且所述多个标记包括一个或多个微弹簧圈。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，该组物理特性包括一个或多个微弹簧圈中的相邻微弹簧圈之间的距离和导管的最大可能曲率或弯曲的度量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轨迹函数是由用于样条函数的节点向量、控制点的向量以及多项式的次数定义的数学样条函数。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，改变所述节点向量和所述控制点的向量以找到满足接收到的该组物理特性的一个或多个约束的样条函数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述样条函数是给定多项式的次数的分段多项式函数。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，用于样条函数的多项式的次数是三。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述样条函数的曲线能量被最小化。

9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述样条函数是B样条函数。

10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述样条函数是非均匀有理B样条（NURBS）函数。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述射线照相数据是MR图像。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分段函数是预定形状。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述预定形状是圆形。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述圆形的半径取决于沿着轨迹函数的长度。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述3D模型是3D网格。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，构造轨迹函数包括按照特定顺序通过标记的所标识近似位置中的每一个对轨迹函数的曲线进行内插。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，构造轨迹函数包括通过允许曲线不与标记的每个所标识近似位置相交并通过使被计算为标记的每个所标识近似位置与沿着曲线的相应点之间的距离的误差和最小化来近似轨迹函数的曲线。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，标识所述多个标记中的每一个在射线照相数据内的近似位置包括确定用于近似位置的置信度或概率。

19.根据权利要求1所述的方法，其中，在生成3D模型之前，确定轨迹函数是否是退化的，并且在轨迹函数被确定为是退化的情况下，在显示设备上显示警告消息。

20.一种用于设备可视化的装置，包括：

用于接收包括设备内的多个标记的空间关系的描述的一组物理特性的部件；

用于获取对象体内的设备的射线照相数据的部件；

用于标识所述多个标记中的每一个在射线照相数据内的近似位置的部件；

用于基于每个标记的所标识近似位置和接收到的该组物理特性构造用于对象体内的设备的轨迹函数的部件；

用于基于该组物理特性来构造用于设备的分段函数的部件；

用于通过沿着所构造的轨迹函数扫描分段函数来生成用于设备的3D模型的部件；以及

用于在显示设备上显示3D模型的呈现的部件。