CN104144637A - 用于将心脏的传导束可视化的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于将心脏的传导束可视化的装置、方法和计算机程序。为了提供有助于例如在如心脏组织切除的有创程序中避免或找到所述传导束的可视化,针对所述患者的心脏的几何数据调整通用心脏模型,其中,根据所述调整来修改指示所述传导束的形状和/或位置的模型数据。基于电生理学数据来进一步细化对所述模型数据的修改,并且将经细化的模型用于生成可视化。
Description
技术领域
本发明涉及用于将心脏的传导束可视化的装置、方法和计算机程序。
背景技术
US 2011/0224962 A1涉及用于医学状况确定的电生理学测试模拟,其中,一个目的是识别疤痕组织。这是通过阈值处理来完成的,其中,疤痕组织由于强度不同而被识别。最终的模拟只被提供用于诊断的目的。
US 2010/0191131 A1涉及对心脏的无创电生理学研究的方法,其中,获得表面心脏模型的激动图(activation map),医学从业者可以使用所述激动图来估计传导束或传导结构可能定位于哪里。
在电生理学程序中,例如在心房扑动的情况下,例如通过切除来在心脏组织创建疤痕以中断异常的电传导。在切除程序中,知晓如Bachmann束(Bachmann’s bundle)和Purkinje纤维(Purkinje fiber)的生理学传导束的位置是重要的,这是因为它们具有特别的功能并且对它们的切除将不可逆转地破坏心脏的正常传导路径。这特别适用于Bachmann束,Bachmann束起源于窦房结中并且因此是将动作电位传导到左心房的唯一的束。
此外,还存在提供包括主动切除心脏的传导束的治疗的情况。这样的治疗的范例与通常包括两个解剖通路(一个快通路和一个慢通路(全部在右心房中))的房室结折返性心动过速(AVNRT)有关。对慢通路的成功的导管切除可以使得患者从AVNRT中康复。
目前,由于如Bachmann束的生理学传导束既不在介入中采集的X射线图像上可见也不在介入前采集的CT或MR图像上可见,因而在切除程序中对于医师没有可用的关于这些结构的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于将患者的心脏的传导束可视化的装置、方法和计算机程序,其中,这种可视化有助于例如在如心脏组织切除的有创程序中避免或找到传导束。
在本发明的第一方面中,一种用于将心脏的传导束可视化的装置,包括:针对通用心脏模型和模型数据的存储单元,所述通用心脏模型表示实际心脏的至少部分,并且与所述通用心脏模型相对应的所述模型数据指示所述心脏模型中所述传导束的形状和/或位置;输入单元,其用于获得患者的电生理学数据和与所述通用心脏模型相对应的所述患者的心脏的几何数据;模型调整单元,其用于调整所述通用心脏模型以与输入到所述输入单元的几何数据相匹配;模型数据修改单元,其用于修改所述模型数据以反映由所述模型调整单元提供的所述调整;模型细化单元,其用于基于所述电生理学数据来细化所修改的模型数据;以及生成单元,其用于使用经细化的模型数据来生成对所述传导束的可视化。
除了解剖图像,例如来自电解剖标测的电生理学测量结果已经是常规可用的。如来自Biosence Webster或Ensite NavX的CARTO系统能够向医师显示激动时刻和电势。然而,从这样的数据中医师也还不能够看出传导束的位置。
本发明的最终目的中的一个是允许对负责心脏的电生理学传导的结构的患者特异的形状和位置的确定,并且将它们显示给所述医师。
为了这个目的,使用介入前图像数据来针对患者特异的心脏形状调整具有编码的传导结构的通用模型。结果,能将所述传导结构的一般平均形状和位置转换成所述病人的几何结构。
然而,所述通用模型及其调整本身并不足以允许对实际传导束的正确定位。
还应当认识到,至少在电生理学数据可用的区域中及其周围,可以使用这样的电生理学数据来使所述传导结构的形状和位置进一步个人化。在所述过程中,细化所述传导结构的位置和形状,使得可以将经修改的模型和实际心脏认为是充分对应的。
应当注意到,针对实际患者的图像数据(或相似物)调整通用模型的一般方案是技术人员非常熟悉的方案,所以不需要在此详细讨论。
如果所述模型数据被并入所述通用模型以至于针对所述实际心脏对所述通用模型的调整也直接得到对应的修改,则可以同时提供针对所述实际心脏对所述通用模型的调整和对所述模型数据的修改。尽管如此,也可以以这样的形式提供所述模型数据,即在所述模型数据的细节(或一组细节)与所述心脏的模型的细节(或一组细节)之间存在关系。这样的关系可以是所述传导束的特定点与所述心脏模型的节点、所述心脏模型的节点之间的线上的点或由所述心脏模型的多个点节定义的平面(或几何形状)内部的点有关。这同样适用于所述模型数据的线或其他特征。
为了提供有助于例如在如心脏组织切除的有创程序中避免或找到传导束的可视化,针对所述患者的心脏的几何数据调整通用心脏模型,其中,根据所述调整来修改指示所述传导束的形状和/或位置的模型数据。基于电生理学数据来进一步细化对所述模型数据的修改,并且将所细化的模型用于生成可视化。
在优选的实施例中,所述模型细化单元包括:模拟单元,其用于计算与经修改的模型数据相对应的模拟的电生理学数据;比较单元,其用于将所述模拟的电生理学数据与所输入的电生理学数据进行比较,并且用于输出比较结果;以及第一细化单元,其用于基于所述比较结果来细化经修改的模型数据。
利用可用数据来检查可以重复提供的对所述模型的细化,并且尤其是实际测量的电生理学数据与基于经细化的模型的当前版本的模拟结果之间存在比较的情况下。
在优选的实施例中,所述模型细化单元包括:提取单元,其用于从所述电生理学数据提取特性特征;以及第二细化单元,其用于基于所述特性特征来细化经修改的模型数据。
例如,在电解剖标测被包括在所述电生理学数据中的情况下,可能存在与所述传导束的特定方面有关的特性特征,所述特性特征本身可能不足以对所述心脏的传导束的部分进行完全识别或定位,即使这样的特征足以细化所述模型(即调整所述模型)。例如可以粗略地将Bachmann束的位置推论为来自所述电解剖标测的对应的区域的中间线,此外,其中,从所述标测中的对应区域获得冠状窦的估计位置。
在对以上的实施例的修改中,所述提取单元被布置用于提取电激动时间的最小值,并且其中,所述第二细化单元被布置用于基于所提取的电激动时间来细化末端传导束的位置。
也可以将关于所述末端传导束与所述电激动时间的最小值之间的关系的知识用于细化所述模型。
在优选的实施例中,所述模型细化单元被布置用于以重复的方式来细化所述模型数据。
尤其在使用基于所述(细化的)模型的当前版本的模拟的背景下,细化的程度通常随重复的数量而增加,即,使用细化的模型以生成接下来被用于额外的细化的更新的模拟,其中,在所述额外的细化之后进一步生成模拟。尽管如此,在其他背景下,重复的方案也提供优势。相当粗糙的第一细化之后是更精细的细化,其中,第一细化和第二细化的组合可以需要比组合细化更少的计算负荷。
可以以组合的方式或单独地(即只使用一种特定的细化方案而不实施另一种细化方案)使用以上提及的关于细化的方案。
在优选的实施例中,所述生成单元被布置用于通过将经细化的模型数据的表示叠加在几何数据上,和/或通过单独地显示经细化的模型数据的表示来生成对所述传导束的可视化。
取决于用户的意愿和偏好,可以提供经细化的模型数据的图形可视化在所述心脏的图像数据上的叠加、仅对图形形式的经细化的模型数据的展示和/或这样的显示的组合。所述可视化可以是二维、三维和/或四维(即随时间变化的三维数据)的。
在优选的实施例中,所述几何数据包括二维数据和/或三维数据和/或四维数据,尤其是通过放射线摄影、断层摄影和/或磁共振成像获得的数据。
基本上,在本发明的背景下,可以使用能为心脏获得的任何种类的几何数据。
在优选的实施例中,所述电生理学数据包括对所述心脏的电解剖标测和/或所述患者的体表面电势数据。通过有创程序来获得所述电解剖标测,而能够以无创方式来获得所述体表面电势数据。
在优选的实施例中,本发明的可视化装置被包括在用于协助电生理学程序的装置中,所述装置还包括:仪器位置获得单元,其用于获得关于要在所述电生理学程序中使用的医学仪器的位置数据;距离计算单元,其用于在所述电生理学程序期间根据经细化的模型数据来计算所述医学仪器与所述传导束的位置之间的距离;以及指示单元,其用于指示所计算的距离。
用于协助电生理学程序的所述装置使用经细化的模型和所述可视化来改进从业者的关于所述程序的当前状态和所述患者体内的状况的信息的量。
指示所计算的距离的一种可能是仅声音或光学信号,所述信号指示所计算的距离小于预定的阈值。
另一种可能是关于所述距离而变化的信号输出,例如对所述距离的实际显示(例如以cm或mm)或声音或其频率与所述距离相关的声音调制。
又一种可能包括对在表示所述模型数据的显示中叠加的所述仪器的表示的显示。
在优选的实施例中,用于协助所述电物理学程序的所述装置还包括仪器控制单元,所述仪器控制单元用于基于所计算的距离来允许和/或禁止所述医学仪器的功能。
所述仪器控制单元还通过将所述医学仪器的有效操作限制到借助于所获得的经细化的模型来界定的区域,来减小所述电物理学程序所涉及的风险。
在本发明的另一方面中,提出了一种用于将心脏的传导束可视化的方法,包括以下步骤:提供通用心脏模型和指示所述心脏模型中的所述传导束的形状和/或位置的对应的模型数据,其中,所述通用心脏模型表示实际心脏的至少部分;获得与所述通用心脏模型相对应的患者的心脏的几何数据;调整所述通用心脏模型以与所获得的几何数据相匹配并且修改所述模型数据以反映所述调整;获得所述患者的电生理学数据;基于所获得的电生理学数据来细化经修改的模型数据;并且使用经细化的模型数据来生成对所述传导束的可视化。
在本发明的另一方面中,提出了一种用于将心脏的传导束可视化的计算机程序,所述计算机程序包括程序代码模块,当所述计算机程序时在计算机上运行时,所述程序代码模块使得根据本发明的所述方法被执行。
应当理解,权利要求1所述的用于将心脏的传导束可视化的装置、权利要求11所述的用于将心脏的传导束可视化的方法和权利要求12所述的计算机程序具有相似和/或相同的优选实施例,尤其是,如在从属权利要求中所限定。
应当理解,本发明的优选实施例也能够是从属权利要求和各自的独立权利要求的任何组合。
参考下文描述的实施例,本发明的这些和其他方面将是显而易见的,并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。
附图说明
在以下附图中:
图1示出了人类心脏的传导束的示意性表示,
图2示出了图示根据本发明的用于将心脏的传导束可视化的方法的实施例的流程图,并且
图3示出了根据本发明的包括在用于协助电生理学程序的装置中用于将传导束可视化的装置的实施例的示意性图示。
具体实施方式
图1示出了人类心脏的传导束的示意性表示,其中,图示了Bachmann束1、窦房结2、房室结3和Purkinje纤维4的位置作为传导束的范例。
图2示出了图示用于将心脏的传导束可视化的方法的实施例的流程图。在示范性实施例中,将负责电生理学传导的结构的形状(或至少是允许重建该形状的特性标记)编码在心脏分割框架的模型中(详情见例如M.W.Krueger,F.M.Weber,G.Seemann,O.,“Semi-automatic segmentationof sinus node,Bachmann’s Bundle and Terminal Crest for patient specific atrialmodels”,Proc.of World Congress on Medical Physics and BiomedicalEngineering,IFMBE Proceedings,25(4),2010,673-676)。
以上包括在步骤110中,其中,因此与指示心脏模型中的传导束的形状和/或位置的对应的模型数据一起提供通用心脏模型。应当注意到,该通用心脏模型不必表示完整的心脏,也可以仅指示心脏的局部或部分。
在进一步的步骤120中,获得患者的心脏的几何结构(或至少是与所述模型对应的心脏的相关部分)。这是借助于给出三维图像的计算机断层摄影(CT)的图像生成过程来完成的。或者,还可以使用如磁共振成像(MR)的其他方法。此外,这样的方法的组合也是可能的。
在步骤130中,调整步骤110中提供的通用心脏模型以与从步骤120获得的几何数据相匹配。对这样的器官模型的调整对于技术人员来说是众所周知的(例如,见O.Ecabert,J.Peters,H.Schramm,C.Lorenz,J.von Berg,M.J.Walker,M.Vembar,M.E.Olszewski,K.Subramanyan,G.Lavi,J.Weese,“Automatic Model-based Segmentation of the Heart in CT Images”,IEEETransactions on Medical Imaging 2008,27(9),1189-1202,或者P.Neher,H.Barschdorf,S.Dries,F.M.Weber,M.W.Krueger,O.,C.Lorenz,“Automatic Segmentation of Cardiac CTs–Personalized Atrial ModelsAugmented with Electrophysiological Structures”,提交到FIMH2011)。这里基本可以应用已知调整方法中的任何方法。因此,这里省略了对这样的调整的细节的进一步讨论。步骤130还包括修改模型数据以反映该调整。换言之,也对应于模型数据提供心脏的通用模型的形状的变化,所述心脏的通用模型被提供用于调整通用模型以与实际心脏的图像数据相匹配。
在步骤140中,使用电解剖标测结果(利用CARTO(见http://www.biosensewebster.com/products/navigation/)或Ensite NavX(见http://www.sjmprofessional.com/Products/US/Mapping-and-Visiaulization/EnSite-NavX-Navigation-and-Visualization-Technology.aspx)测量)来进一步细化心脏模型和修改的模型数据。这是通过从测量的电信号及其空间分布提取特性特征来完成的。这里使用电激动时间的最小值来细化末端传导束的位置。
作为可选项或以组合的方式,使用心脏形状和传导结构的位置来执行对电信号传播的模拟(见M.Sermesant,H.Delingette,N.Ayache,“AnElectromechanical Model of the Heart for Image Analysis and Simulation”,IEEE TRANSACTION ON MEDICAL IMAGING 2006,25(5),612-625,其中,将Purkinje网络终点用作模拟的初始条件)。为了这个目的,可以使用现有的程序,如CMISS(用于连续介质力学、图像分析、信号处理和系统识别的交互计算机程序)(http://www.cmiss.org/)、Continuity(http://www.continuity.ucsd.edu/Continuity)或CHASTE(http://web.comlab.ox.ac.uk/projects/chaste-cardiac-hpc/)。将模拟与测量的信号(例如全局地或仅在心脏的特定区域中,例如靠近快传导束的末端)进行比较,并且在迭代过程中修改定义传导束的(表示的)几何结构的参数(即模型数据),直到获得测量结果与模拟之间的最优一致。
作为有创电解剖标测的备选项,也可以使用获得体表面电势的无创方案。此外,可以组合使用获得电生理学数据的全部两种方式。
最后,步骤160,在介入期间显示经调整并且经细化的具有生理学传导束的心脏模型(借助于经修改并且经细化的模型数据),例如在单独的视口中或作为X射线图像上的覆盖图显示,使用经细化的模型数据来生成对传导束的可视化。
在心脏切除程序期间,本发明给予医师关于靠近切除位置的是什么生理学传导束或如果执行了在该特定点处的切除则可能影响什么生理学传导束的信息。这能够通过将切除导管的位置映射到包括编码在经修改并且经细化的模型数据中的传导束的心脏模型来实现。
在图2中,平行地指示了步骤110、120和140。然而,这并不意味必须平行地提供这些步骤。还有可能,并且在大多数实现方式中可能的情况是,以特定种类的顺序来执行步骤110、120和140,其中,例如步骤110之后是步骤120,并且步骤130之后是步骤140。
图3示出了根据本发明的用于将传导束可视化的装置200的实施例的示意性图示,其中,装置200包括在用于协助电生理学程序的装置300中。
用于可视化的装置200包括存储单元205、输入单元210、模型调整单元215、模型数据修改单元220、模型细化单元225和生成单元255。
存储单元205存储通用心脏模型和模型数据。通用心脏模型表示实际心脏的至少部分。模型数据与通用模型相对应并且指示心脏的传导束的形状和位置(见图1)。
提供输入单元210以用于接收将要被用于调整通用模型并且因此修改模型数据的患者的心脏的几何数据。
模型调整单元215接收从输入单元和来自存储单元205的通用心脏模型获得的几何数据。模型调整单元215以已知的方式调整通用心脏模型,以便于使经调整的心脏模型与获得的几何数据相匹配。
模型数据修改单元220从存储单元205和关于对心脏模型的调整的信息接收模型数据。基于该信息来修改模型数据,以便于在经修改的模型数据中反映所述调整。
向模型细化单元225提供经修改的模型数据,模型细化单元225也接收通过输入单元210获得的电生理学数据。
模型细化单元225包括模拟单元230、比较单元235、第一细化单元240、提取单元245和第二细化单元250。
模拟单元230基于经修改的模型数据来计算模拟的电生理学数据,由比较单元235将模拟的电生理学数据与获得的电生理学数据进行比较,其中,接下来由第一细化单元240使用所述比较的结果来细化模型数据。
平行于以上过程,提取单元245处理电生理学数据,以便于提取特性特征,所述特性特征由第二细化单元250使用来细化模型数据。
可以迭代地使用以上两个过程以改进结果。然而,也可以单独地提供所述过程并且(例如通过求平均值)将结果组合起来。
经细化的模型数据被提供给生成单元255,生成单元255基于所述经细化的模型数据来生成对传导束的可视化。
除了用于可视化的装置200,用于协助的装置300还包括仪器位置获得单元310、距离计算单元320、指示单元330和仪器控制单元340。
仪器位置获得单元310接收关于在电生理学程序(未示出)中使用的(一个或多个)仪器的位置的信息,并且将该信息转送到距离计算单元320,距离计算单元320也从模型数据细化单元225接收相关信息。可用信息被用于计算(一个或多个)仪器与传导束之间的距离。计算结果被提供给指示单元330和仪器控制单元340,即距离信息。指示单元330指示计算的距离。为了进一步避免对仪器的意外错用(例如切除传导束),如果所述距离小于预定的阈值距离,则仪器控制单元340禁止仪器活动,其中,该禁止可以通过仪器的使用者(即医学从业者)超越控制来取消。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容和权利要求书,在实践请求保护的本发明时,能够理解和实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求书中,词语“包括”不排除其他的元件或步骤,并且限定词“一”或“一个”不排除多个。
单个单元或设备可以完成在权利要求书中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载特定措施,但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
能够将如修改模型、细化模型、生成可视化、计算模拟数据、将测量的数据与计算的模拟数据进行比较以及从数据提取特征的操作实现为计算机程序的程序代码模块和/或专用硬件。
计算机程序可以被存储/发布于与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的适当的介质(例如光存储介质或固态介质)上,但是也可以以用其他形式发布,例如经由因特网或其他有线或无线电信系统。
Claims (12)
1.一种用于将心脏的传导束可视化的装置(200),包括:
-针对通用心脏模型和模型数据的存储单元(205),所述通用心脏模型表示实际心脏的至少部分,并且与所述通用心脏模型相对应的所述模型数据指示所述心脏模型中所述传导束的形状和/或位置,
-输入单元(210),其用于获得患者的电生理学数据和与所述通用心脏模型相对应的所述患者的心脏的几何数据,
-模型调整单元(215),其用于调整所述通用心脏模型以与输入到所述输入单元的几何数据相匹配,
-模型数据修改单元(220),其用于修改所述模型数据以反映由所述模型调整单元提供的所述调整,
-模型细化单元(225),其用于基于所述电生理学数据来细化经修改的模型数据,以及
-生成单元(255),其用于使用经细化的模型数据来生成对所述传导束的可视化。
2.如权利要求1所述的装置(200),其中,所述模型细化单元(225)包括:
-模拟单元(230),其用于计算与经修改的模型数据相对应的模拟的电生理学数据,
-比较单元(235),其用于将所述模拟的电生理学数据与所输入的电生理学数据进行比较,并且用于输出比较结果,以及
-第一细化单元(240),其用于基于所述比较结果来细化所述经修改的模型数据。
3.如权利要求1所述的装置(200),其中,所述模型细化单元(225)包括:
-提取单元(245),其用于从所述电生理学数据提取特性特征,以及
-第二细化单元(250),其用于基于所述特性特征来细化经修改的模型数据。
4.如权利要求3所述的装置(200),
其中,所述提取单元(245)被布置用于提取电激动时间的最小值,并且
其中,所述第二细化单元(250)被布置用于基于所提取的电激动时间来细化末端传导束的位置。
5.如权利要求1所述的装置(200),其中,所述模型细化单元(225)被布置用于以迭代的方式来细化所述模型数据。
6.如权利要求1所述的装置(200),其中,所述生成单元(255)被布置用于通过将经细化的模型数据的表示叠加在几何数据上和/或通过单独地显示经细化的模型数据的所述表示来生成对所述传导束的所述可视化。
7.如权利要求1所述的装置(200),其中,所述几何数据包括二维数据和/或三维数据和/或四维数据,尤其是通过放射线摄影、断层摄影和/或磁共振成像获得的数据。
8.如权利要求1所述的装置(200),其中,所述电生理学数据包括对所述心脏的电解剖标测和/或所述患者的体表面电势数据。
9.一种用于协助电生理学程序的装置(300),包括:
-如权利要求1所述的可视化装置(200),以及
-仪器位置获得单元(310),其用于获得关于要在所述电生理学程序中使用的医学仪器的位置数据,
-距离计算单元(320),其用于在所述电生理学程序期间根据经细化的模型数据来计算所述医学仪器与所述传导束的位置之间的距离,以及
-指示单元(330),其用于指示所计算的距离。
10.如权利要求9所述的装置(300),还包括:
-仪器控制单元(340),其用于基于所计算的距离来允许和/或禁止所述医学仪器的功能。
11.一种用于将心脏的传导束可视化的方法,包括以下步骤:
-提供(110)通用心脏模型和指示所述心脏模型中的所述传导束的形状和/或位置的对应的模型数据,所述通用心脏模型表示实际心脏的至少部分,
-获得(120)与所述通用心脏模型相对应的患者的心脏的几何数据,
-调整(130)所述通用心脏模型以与所获得的几何数据相匹配并且修改所述模型数据以反映所述调整,
-获得(140)所述患者的电生理学数据,
-基于所获得的电生理学数据来细化(150)经修改的模型数据,并且
-使用经细化的模型数据来生成(160)对所述传导束的可视化。
12.一种用于将心脏的传导束可视化的计算机程序,所述计算机程序包括程序代码模块,当所述计算机程序在计算机上运行时,所述程序代码模块使得如权利要求11所述的方法被执行。
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CN113784665A (zh) | 心脏图像的共配准 |
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Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141112 |