CN105264573A - 规划对心脏植入体的植入 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于规划对心脏植入体(42)的植入的医学成像系统(10)，包括：接收单元(12)，其用于接收示出了在心动周期期间心脏(32)的不同状态的多幅三维(3D)心脏图像(14、14’)；分割单元(22)，其用于在多幅3D心脏图像(14、14’)内分割目标植入区域(38)和能够干扰心脏植入体(42)的局部相邻区域(40)；仿真单元(24)，其用于在多幅3D心脏图像(14、14’)中的至少两幅中对心脏植入体(42)在目标植入区域(40)内的植入进行仿真；冲突评估单元(26)，其用于评估在多幅3D心脏图像(14、14’)中的至少两幅中仿真的心脏植入体(42)与分割出的局部相邻区域(40)的交叠(46)；以及反馈单元(28)，其用于向用户提供关于所评估的交叠(46)的反馈信息。

Description

规划对心脏植入体的植入

技术领域

本发明涉及一种用于规划对心脏植入体的植入的医学成像系统。另外，本发明涉及一种用于规划对心脏植入体的植入的对应的方法。本发明还涉及一种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于令计算机执行所述方法的步骤。本发明的示范性技术应用是对用于处置主动脉狭窄的经导管主动脉瓣膜植入(TAVI)的规划。

背景技术

瓣形心脏病是心脏衰竭和早产儿心脏死亡的最主要原因之一。主动脉瓣膜狭窄是非常常见的瓣形疾病。通常通过经由开放心脏手术植入人造主动脉瓣膜来处置这种疾病。然而，这是一种有创性高且昂贵的处置。此外，其被认为对于许多患者风险太高或是禁忌的。

在过去十年中，已经发展出提供新的处置选项的用于微创主动脉瓣膜植入的技术。针对不能经受用于主动脉瓣膜更换的开放心脏手术的高风险患者的备选方法是经导管的主动脉瓣膜植入(TAVI)。在这种技术中，人造瓣膜被安装在支架上，所述支架在X射线引导下通过导管(经股动脉、经锁骨下动脉、或者前向经心尖)而被递送，并且接着展开到位。

尽管TAVI的有创性较小，但其长期结果不清楚。因此当前的讨论是，TAVI对于仅具有对瓣膜更换的中等风险的患者是否也是有益的。因为他们的期望寿命长得多，所以必须保证TAVI植入的长期益处。

如果TAVI植入体被放置得过低，即到左心室流出道中太远，则其可能损害二尖瓣前小叶的运动。病例报告表明，植入体与二尖瓣小叶之间的接触导致二尖瓣心内膜炎和小叶动脉瘤，例如见Piazza,N.等人的“Twocasesofaneurysmoftheanteriormitralvalveleafletassociatedwithtranscatheteraorticvalveendocarditis:amerecoincidence？”(JournalofThoracicandCardiovascularSurgery，140(3)，(2010)e36-e38)。

首先，植入体与小叶之间的重复摩擦可能损坏小叶表面。其次，植入体可能充当帮助主动脉瓣膜心内膜炎传播到二尖瓣的心内膜炎桥。特别地，植入体存在地越长，由重复摩擦引起的缓慢的组织退化可能变得越相关。

因此，在开始实际操作之前对如TAVI的医学流程的准备和规划是最重要的。处置规划应当特别确保避免以上解释的植入体与心脏的任何解剖结构之间的摩擦。这样的医学成像流程对于在外科手术期间(实时)引导植入也是重要的，这是因为当使用X射线成像时主动脉瓣膜解剖结构不是清楚可见的。

等人的“Patientspecificmodelsforplanningandguidanceofminimallyinvasiveaorticvalveimplantation”(MICCAI2010，部分I，LNCS6361，526-533页，2010年，Springer-VerlagBerlinHeidelnerg2010)提出一种用来从CT图像提取主动脉瓣膜解剖结构的方法。其中所提出的方法允许通过采用基于模型的分割来检测解剖标记。这允许接收相当准确的模型，特别是主动脉瓣膜和冠状动脉开口的模型。所述方法也在由申请人提交的在先专利申请WO2011/132131A1中进行了描述。

Capelli,C.等人的“FiniteElementStrategiestoSatisfyClinicalandEngineeringRequirementsintheFieldofPercutaneousValves”(AnnalsofBiomedicalEngineering，卷40，12号，2012年12月，2663-2673页)公开的研究示出射束元件(beamelements)是对于用于瓣膜植入的经皮设备的有限元建模的实际且可靠的的临床应用的方便的选择。在Capelli,C.等人的“Patient-specificsimulationsoftranscatheteraorticvalvestentimplantation”(Medical&BiologicalEngineering&Computing，Springer，柏林，卷50，2号，183-192页)中公开了类似的方面。

US2011/153286A1公开了一种用于虚拟经皮瓣膜植入的方法和系统。心脏瓣膜的患者特异解剖模型是基于3D心脏医学图像数据而被估计的，表示瓣膜植入体的植入体模型被虚拟地部署到心脏瓣膜的患者特异解剖模型中。保持植入体模型的库，其中，每个植入体模型对对应的瓣膜植入体的几何属性进行建模。被保持在库中的植入体模型被虚拟地部署到心脏瓣膜的患者特异解剖模型中，以选择植入体类型和尺寸以及用于经皮瓣膜植入的部署位置和取向。

然而，仍然需要对这样的医学规划系统的进一步改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种以上提及的种类的、用于规划对心脏植入体的植入的经改进的医学成像系统。本发明的另外的目的是提供一种对应的方法和用于实施这样的方法的计算机程序。

在本发明的第一方面中，提出了一种用于规划对心脏植入体的植入的医学成像系统，所述医学成像系统包括：

-接收单元，其用于接收示出了在心动周期期间心脏的不同状态的多幅三维(3D)心脏图像；

-分割单元，其用于在所述多幅3D心脏图像内分割目标植入区域和能够干扰所述心脏植入体的局部相邻区域，其中，所述目标植入区域是左心室流出道的一部分，并且所述局部相邻区域是二尖瓣的一部分；

–仿真单元，其用于在所述多幅3D心脏图像中的至少两幅中对所述心脏植入体在所述目标植入区域内的所述植入进行仿真；

-冲突评估单元，其用于评估在所述多幅3D心脏图像中的至少两幅中仿真的心脏植入体与分割出的局部相邻区域的交叠；以及

-反馈单元，其用于向用户提供关于所评估的交叠的反馈信息。

在本发明的第二方面中，提出了一种用于规划对心脏植入体的植入的医学成像系统，所述医学成像系统包括：

-接收单元，其用于接收示出了在心动周期期间心脏的不同状态的多幅三维(3D)心脏图像；

–分割单元，其用于在所述多幅3D心脏图像内分割目标植入区域和能够干扰所述心脏植入体的局部相邻区域，其中，所述目标植入区域是右心室流出道的一部分，并且所述局部相邻区域是三尖瓣的一部分；

-仿真单元，其用于在所述多幅3D心脏图像中的至少两幅中对所述心脏植入体在所述目标植入区域内的所述植入进行仿真；

-冲突评估单元，其用于评估在所述多幅3D心脏图像中的至少两幅中仿真的心脏植入体与分割出的局部相邻区域的交叠；以及

-反馈单元，其用于向用户提供关于所评估的交叠的反馈信息。

在本发明的第三方面中，提出了一种用于规划对心脏植入体的植入的方法，所述方法包括以下步骤：

-接收示出了在心动周期期间心脏的不同状态的多幅三维(3D)心脏图像；

-在所述多幅3D心脏图像内分割目标植入区域和能够干扰所述心脏植入体的局部相邻区域，其中，所述目标植入区域是左心室流出道的一部分，并且所述局部相邻区域是二尖瓣的一部分；

-在所述多幅3D心脏图像中的至少两幅中对所述心脏植入体在所述目标植入区域内的所述植入进行仿真；

-评估在所述多幅3D心脏图像中的至少两幅中仿真的心脏植入体与分割出的局部相邻区域的交叠；以及

-向用户提供关于所评估的交叠的反馈信息。

在本发明的第四方面中，提出了一种用于规划对心脏植入体的植入的方法，所述方法包括以下步骤:

-接收示出了在心动周期期间心脏的不同状态的多幅三维(3D)心脏图像；

-在所述多幅3D心脏图像内分割目标植入区域和能够干扰所述心脏植入体的局部相邻区域，其中，所述目标植入区域是右心室流出道的一部分，并且所述局部相邻区域是三尖瓣的一部分；

-在所述多幅3D心脏图像中的至少两幅中对所述心脏植入体在所述目标植入区域内的所述植入进行仿真；

-评估在所述多幅3D心脏图像中的至少两幅中仿真的心脏植入体与分割出的局部相邻区域的交叠；以及

-向用户提供关于所评估的交叠的反馈信息。

在本发明的又一方面中，提出了一种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于当在计算机上执行所述计算机程序时令所述计算机执行以上提及的方法中的任一项的步骤。

本发明的想法是基于对所述图像的分割来在多幅3D心脏图像内自动地对所述心脏植入体的位置进行仿真和评估。所述心脏图像可以是3DCT或MRI图像。在优选实施例中，可以使用利用超声成像系统采集到的3D经食道超声心动描记术(TEE)图像。

与大多数现有技术的这种类型的规划系统相比，不是使用仅一幅心脏图像而是使用多幅这样的3D心脏图像来进行仿真和评估。术语“多个”在本发明的上下文中应被理解为“至少两个”。这具有若干优点：首先，核查一系列图像以识别用于规划对心脏植入体的植入的最相关图像是繁琐的。医生或医学助理通常必须人工找到适合的图像，这可能是非常耗时的。其次，通过评估示出在心动周期期间心脏的不同状态的多幅3D心脏图像，可以精确得多的方式来估计在心脏植入体与在心动周期期间移动的心脏的部分之间的可能的不期望的冲突。取决于心脏的运动，所述心脏植入体能够干扰第一图像中的一个心脏区域，但可能在另一图像中考虑它时不干扰心脏的所述区域。使用用于规划流程的多幅3D心脏图像因此允许更精确地确定所述心脏植入体的植入位置、大小和形状。

优选地，所述多幅3D心脏图像是示出了一个或多个完整心动周期的时间上相继的心脏图像的序列。通过分割所有这些图像，建立允许对所述心脏的运动进行仿真的动态分割。这可以借助于已经预先采集到的心脏图像在实际植入之前的预规划步骤中完成。然而，这也可以在实际植入期间实时地完成。

所提出的系统和方法的另外的特征是，不仅分割所述目标植入区域，而且分割心脏的局部相邻区域，所述局部相邻区域能够例如由于心脏运动而干扰所述心脏植入体。当使用所提出的例如用于TAVI的系统时，所述目标植入区域被定义为左室流出道。然而，取决于TAVI植入体的大小和位置，其也能够与二尖瓣小叶产生干扰并交叠。该二尖瓣小叶接着将被认为是本发明的意义上的局部相邻区域，使得其将也被分割。由于使用了多幅3D心脏图像，因此这允许针对在所述心动周期期间的小叶的不同位置来评估所述TAVI植入体与所述二尖瓣小叶的可能的交叠。当然，可以说当二尖瓣完全打开时交叠最大。然而，人工地找到确切图示打开的二尖瓣的图像是相当困难的。除此之外，二尖瓣与心脏植入体的冲突也可以出现在二尖瓣的除了完全打开状态的其他状态中。

本发明的另外的特征是对所述心脏植入体在所述目标植入区域内的仿真。优选地，可以使用简单的几何模型来对所述心脏植入体进行仿真。该仿真的心脏植入体可以被用来评估与在此之前已被分割的所述局部相邻区域的交叠。例如可以通过显示器来实现的反馈单元接着向医生或医学人员提供关于所评估的交叠的反馈信息。所述交叠可以例如针对所有评估的心脏图像而被显示。这种基于多幅3D心脏图像的、关于所述心脏植入体与心脏的部分之间的可能的冲突的直接反馈在对这样的心脏植入地规划期间是非常有力的工具。

根据优选实施例，所述仿真单元被配置为在所述多幅3D心脏图像中的每幅中对所述心脏植入体在所述目标植入区域内的所述植入进行仿真，并且所述冲突评估单元被配置为评估所述多幅3D心脏图像中的每幅中所述仿真的心脏植入体与所述分割出的局部相邻区域的交叠。

这意味着，所述交叠评估不仅在接收到的多幅3D心脏图像的子集中被执行，而且在所有接收到的3D心脏图像中被执行。这样，交叠数据的量进一步增加，使得所述交叠评估被细化。因此可以针对整个时间上相继的成像序列来评估所述交叠数据，意味着可以在完整的心动周期上依据时间来计算所述局部相邻区域(如二尖瓣小叶)与虚拟心脏植入体的交叠。

因此，在该实施例中，所述反馈单元被配置为向所述用户提供关于所述多幅3D心脏图像中的每幅中所评估的交叠的反馈信息。该反馈信息可以针对所述3D心脏图像中的每幅而被单独显示，但也可以在针对所有3D心脏图像一起在总览中显示。

根据另外的实施例，由所述反馈单元提供的所述反馈信息包括所述交叠的量化范围和/或所述交叠在所述3D心脏图像中出现的位置。在显示器上，可以确切地向医生示出所述仿真的心脏植入体与所述分割出的局部相邻区域之间的交叠出现在哪个位置处。另外，可以将与所述交叠的所述范围有关的指标可视化。例如可以在所述显示器上图示在给定位置处所述交叠具有给定的大小，例如几毫米。

根据另外的优选实施例，所述冲突评估单元还被配置为在所述多幅3D心脏图像中的每幅中确定在沿着纵轴的多个不同空间位置处的所述交叠，所述目标植入区域基本沿着所述纵轴延伸。返回参考使用用于TAVI的系统的范例，这意味着，虚拟植入体与二尖瓣小叶之间的所述交叠被计算为植入体深度的函数。所述目标植入区域接着可以被定义为基本椭圆形的左心室流出道横截面向左心室的延长。坐标系可以被用作辅助手段，其中，左心室流出道的纵轴指示z轴。在以上提及的实施例中，所述冲突评估单元可以在所述多幅3D心脏图像的每幅中确定沿z轴的所述交叠，或者换言之，作为z位置的函数。

在优选实施例中，所述冲突评估单元还被配置为针对所述多个不同空间位置中的每个、通过将各所述3D心脏图像中在相应空间位置处的交叠彼此进行比较来确定最大交叠。

换言之，在图像中的每幅中所评估的交叠可以根据在z轴上的位置而被彼此进行比较。对于z轴上的每个位置，选择所述多幅3D心脏图像中检测到最突出或最大交叠的一幅。结果可以是对心脏的受检查区域的运动分析，例如，所述运动分析针对左心室流出道内的每个位置或多个位置示出在整个心动周期上虚拟仿真的心脏植入体与二尖瓣小叶的最大交叠。

在另外的优选实施例中，所述反馈单元被配置为提供图形表示，所述图形表示图示了根据沿所示纵轴z的所述不同空间位置的所述最大交叠。

该图形表示可以是例如示出取决于沿横坐标轴示出的纵轴上的位置的纵坐标轴上的最大交叠的图形。由于已经通过将所述3D心脏图像中的每幅中各位置处的交叠进行比较而找到了在所述目标植入区域的纵轴上的每个位置处的所述最大交叠，因此这样的图形示出了取自所有接收到的3D心脏图像的汇总交叠信息。术语“最大交叠”因此指示在各空间位置处的相对最大值，即当在所述位置处将接收到的3D心脏图像彼此进行比较时在该空间位置处的最高接收到的交叠值。

返回参考TAVI范例，已经示出，二尖瓣前叶运动与左心室流出道的延长之间的这些位置相关的最大交叠在不同患者之间显著变化。这样的汇总的最大交叠评估因此能够是针对二尖瓣小叶与TAVI植入体之间的摩擦的风险的良好指标。还已经示出，对于某些患者，绝对最大交叠(所有找到的相对最大值的最大交叠值)比其他值更接近于主动脉瓣膜出现。因此以上提及的图形表示可以帮助医生识别患者个体风险区。

在本发明的另外的实施例中，所述分割单元被配置为借助于具有椭圆形横截面的虚拟模型来对所述心脏植入体进行仿真，其中，所述椭圆形横截面的法线与所述目标植入区域基本沿其延伸的纵轴相符合。

在以上提及的TAVI范例的情况下，椭圆形横截面是针对被植入到左心室流出道中的支架的横截面的良好近似。所述虚拟心脏植入体的形状或外部轮廓因此可以被仿真为椭圆形左心室流出道横截面向左心室的延长。接着可以通过在数学上确定所述二尖瓣小叶的分割出的轨迹与椭圆形管模型之间的交点来计算所述二尖瓣小叶的所述交叠。为了确定所述二尖瓣小叶延伸到左心室流出道中的所有位置及其向左心室的线性延长，所述虚拟心脏植入体模型可以具有无限长度。

根据另外的实施例，所述系统可以额外地包括输入接口，所述输入接口允许用户改变所述仿真的心脏植入体的大小、形状和/或位置。

接着可以针对所述虚拟植入体的不同大小、形状和位置来评估所述交叠，以自动找到最佳类型的植入体和最佳的目标植入体位置。作为对使用以上提及的植入体的简化模型的替代，也可以使用更复杂的模型，其以更真实的方式对植入体的形状和大小进行比拟。

根据另外的优选实施例，所述分割单元被配置为根据基于模型的分割来分割所述目标植入区域和所述局部相邻区域。

可以例如以类似于Ecabert,O.等人的“Automaticmodel-basedsegmentationoftheheartinCTimages”(IEEETransactionsonMedicalImaging，27(9)卷，1189-1291页，2008年)中针对CT图像的基于模型的分割所描述方式来进行所述基于模型的分割，在此通过引用将其并入本文。这种基于模型的分割使用心脏的解剖结构的几何网格模型，并且可以包括表示心脏的各解剖特征的各段。这这样的基于模型的分割通常以对心脏在3D图像数据内的位置和取向的识别开始。例如，这可以使用广义霍夫变换(GeneralizedHoughTransform)的3D实现方式来完成。使用全局相似性转换，可以通过将几何网格模型匹配到图像来校正姿态错位。所述分割包括大致表示心脏的解剖特征的形状的初始模型。所述模型可以是具有三角形网格的多格网格模型。该初始模型将通过变换来变形。该变换被分解成不同种类的两种变换：能够在需要时对几何模型的初始形状进行平移、旋转或缩放的全局变换、以及实际使所述几何模型变形以使其更精确地匹配到感兴趣的解剖对象的局部变形。这通常是通过将几何模型的表面的法线向量定义为匹配图像梯度来完成的；亦即，所述分割将在接收到的3D成像数据中寻找明亮-黑暗边缘(或黑暗-明亮边缘)，所述明亮-黑暗边缘通常表示图像中的组织边界，即心脏的解剖特征的边界。以下将参考附图进一步解释这种基于模型的分割可以如何适于本文中所使用的对移动图像(例如4DTEE图像)的动态分割的目的的其他细节。

在前述说明中，主要参考所要求保护的医学成像系统的不同实施例。应当理解，所要求保护的方法具有与所要求保护的医学成像系统以及与在从属权利要求中限定的相似和/或相同的优选实施例。

附图说明

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。。在附图中：

图1示出了根据本发明的医学成像系统的实施例的示意性方框图；

图2示出了用来图示根据本发明的方法的实施例的简化流程图；

图3示出了已经根据本发明的方法被分割的示范性心脏图像；

图4示意性地图示了根据本发明的分割和冲突检测的结果；

图5示出了可以从由所提出的系统执行的分割得到的心脏的另外的模型；

图6从另一侧示出了图5的模型；

图7图示了从根据本发明的交叠评估得到的不同图形；并且

图8示出了取自两个不同患者的心脏图像的另外的示范性分割。

具体实施方式

图1示出了简化且示意性的方框图，以图示所提出的可以具体用于规划对心脏植入体的植入的医学成像系统的主要部件。其中，医学成像系统整体被以附图标记10来指代。

其包括被配置为接收多幅3D心脏图像14的接收单元(RU)12。所述多幅3D心脏图像14优选地是利用医学成像设备(MID)16采集到的时间上相继的帧的序列。该医学成像设备16可以是体积CT扫描器、MRI扫描器或3D超声系统。可以用于本发明的系统的3D超声系统的具体范例是由申请人出售的、特别是与申请人的X7-2tTEE换能器或使用申请人的xMatrix技术的另一3D换能器一起的iE33超声系统。尽管本发明不限于超声成像，但将参考优选使用的4DTEE超声成像技术(即时间相关3DTEE图像)来描述以下的示范性实施例。

应当指出，医学成像设备16不必需要是根据本发明的医学成像系统10的部分。作为对由医学成像设备16直接(实时地)提供3D心脏图像14的替代，也可以由存储单元(SU)18提供经检查和分析的3D心脏图像14’。存储单元18例如可以是如硬盘驱动器的外部或内部存储设备，通过医学成像设备16或任何其他成像模态提前采集到的3D心脏图像14’被存储在所述外部或内部存储设备上。

接收单元12可以是接收3D心脏图像14、14’并将它们传输到处理单元20的接口(内部或外部接口)。该处理单元20可以被实施为医学成像系统10内的CPU或微处理器。例如，其可以是在其上存储有软件的个人计算机的部分，所述软件被编程为执行以下解释的根据本发明的方法。

处理单元20优选地包括分割单元(SEG)22、仿真单元(SIM)24和冲突评估单元(COL)26。分割单元22、仿真单元24和冲突评估单元26可以全部被实现为单独的元件或者被集成在一个公共的处理元件中。所有这些单元22、24、26可以是被实施的硬件或软件。

分割单元22被配置为对多幅3D心脏图像14、14’进行分割。在4DTEE序列的情况下，每帧被分割。仿真单元24被配置为对心脏植入体的模型进行仿真，并且被配置为在3D心脏图像14、14’中对心脏植入体的植入进行仿真。冲突评估单元26接着评估在3D心脏图像14、14’中仿真的心脏植入体与分割出的解剖特征的交叠。可以借助于能够被实现为显示器或屏幕的反馈单元(EU)28来最终向用户(例如医生)示出该评估的结果。

优选地，医学成像系统10还包括输入接口30，其允许用户操纵设备10并改变在由单元22、24、26中的任何单元执行的图像评估内所使用的参数。输入接口30可以包括按键或键盘以及另外的输入设备，例如轨迹球或鼠标。输入接口30优选地被以硬连线或无线方式连接到处理单元20。

图2示出了由医学成像系统10执行的根据本发明的方法的简化流程图。下面将借助于示范性的经导管主动脉瓣膜实现方式(TAVI)规划流程来描述该方法的细节，其中，额外地参考图3至图8。

1、第一方法步骤S10(“接收图像”)

在第一方法步骤中，通过系统10来接收多幅3D心脏图像14、14’，其中，这些心脏图像14、14’示出了在心动周期期间心脏32(优选地是人类心脏32)的不同状态。在优选实施例中，这些心脏图像14、14’包括时间上的3DTEE图像的序列(也被称为4DTEE图像序列)。该4DTEE序列优选地示出在完整心动周期期间的心脏运动。图像序列也可以仅图示心动周期或多于一个心动周期的部分。该4DTEE图像序列可以被用于分析心脏运动，特别是用于分析针对TAVI规划的二尖瓣运动。

2、第二方法步骤S12(“分割”)

在下一步骤中，接收到的4DTEE图像序列的每帧被分割。这优选地通过由分割单元22执行的对心脏32的瓣膜装置的基于模型的分割来做出。

在该步骤期间，感兴趣解剖特征被分割，以便能够对这些解剖特征在时间上的移动进行仿真。在TAVI中具体感兴趣的解剖特征是主动脉瓣膜、被插入心脏植入体的左心室流出道以及二尖瓣前叶，这是因为取决于心脏植入体的位置和大小，二尖瓣前叶可能在其自然移动期间与医学植入体冲突。

图3示出了TEE超声图像，从其中可以看出，二尖瓣前叶34在其打开位置中至少部分地延伸到可以放置医学植入体的左心室流出道36中。关于本发明，如在图4中示意性图示的，左心室流出道36因此被指代为目标植入区域38，并且二尖瓣前叶34被指代为能够干扰心脏植入体42的局部相邻区域40。

在分割步骤中，至少目标植入区域38和局部相邻区域40被以多步骤方法分割，以便确定左心室流出道36和二尖瓣前叶34的动态。对其使用的模型被表示为具有平均形状的三角形表面模型。首先，使用自适应的广义霍夫变换来定位心脏位置。其次，通过确定使到检测到的边界的距离(外部能量E_ext)最小化的仿射变换T的参数来迭代地进行细化。最后，执行对可变形的自适应的多次迭代，所述可变形的自适应在图像边界的吸引(E_ext)与平均形状保留(E_int)之间取得平衡。这样的边界检测技术的细节可以在以上提及的Ecabert,O等人的科技论文以及Peters,J.等人的“Optimizingboundarydetectionviasimulatedsearchwithapplicationstomulti-modalheartsegmentation”(MedicalImageAnalysis，14(1)，(2010)70)中找到，在此通过引用将其也并入本文。

针对TAVI规划的图示范例，使用左心脏的三角形表面模型是足够的，所述三角形表面模型包括左心室、左心房、升主动脉、主动脉和二尖瓣的心内膜表面。

平均形状含有两个半打开状态的瓣膜。其以两个线性模式φ_m延伸以对瓣膜动态进行建模，类似于PCA模式：

$m(p_1,p_2)=\stackrel{\‾}{m}+p_1{\mathrm{\φ}}_1+p_2{\mathrm{\φ}}_2$

然而，不需要根据PCA来计算这些模式，但是那个将这些模式计算为针对每个心脏瓣膜的打开和关闭状态之间的线性插值。

系数p_m描述了每个心脏瓣膜的当前状态。针对各瓣膜外面的所有顶点，φ_m的向量元素为零并因此不影响剩余模型的形状。

自适应过程被执行如下：在广义霍夫变换之后，具有半打开的瓣膜的平均模型被用于估计全局刚性变换T。在该步骤中，不需要估计瓣膜动态。接着，在可变形的自适应期间对系数p_m进行优化。给出形状约束能量E_int的方程为：

$E_{\mathrm{int}}=\underset{i=1}{\overset{V}{\Σ}}\underset{j\∈N\left(i\right)}{\Σ}{\left(\right(v_i-v_j)-(T\[m_i(p_1,p_2)\]-T\[m_j\left(p_1,p_2\right)\]\left)\right)}^2$

其中，V是模型中顶点的数量，N(i)是第i个顶点的相邻顶点，v_i/j是经变形的网格中的顶点位置，并且m_i/j是模型中的顶点位置。

另外，能够将具有权重β的惩罚项添加到总能量，以避免非生理模式系数p_m。

为了分析来自特定患者的数据，使用上述模型和框架对接收到的图像数据集的所有心相进行分割。为此，第一心脏相位被分割，并且结果被用作针对下一心相的初始化。接着将各先前结果作为初始值针对后继的心相仅执行可变形的自适应。

为了补偿全局移动或其他位移，从一个时间系列分割的所有网格接着优选地被配准到在收缩末期状态时的网格。最优选地，在每帧中检测到的主动脉瓣膜环形点被配准到彼此上，以使所有心脏移动都是相对于目标植入区域38的。

作为以上提及的分割的结果，针对多个不同的表面点来确定与目标植入区域38(例如左心室流出道36)局部相邻的区域40(例如二尖瓣前叶34)的移动轨迹。这允许以相当准确的方式来将二尖瓣前叶34的移动绘制为动画。

为了简化对接收到的轨迹的移动分析，优选地由分割单元22引入坐标系。在TAVI规划的具体范例中，该坐标系优选地被布置在目标植入区域38(左室流出道36)内，其中，z轴沿纵轴被布置，目标植入区域38基本沿所述纵轴延伸(见图5)。接着可以将目标植入区域38的横截面建模为椭圆形环44，其中，x轴沿该椭圆44的长轴对齐并且y轴沿椭圆的短轴对齐(见图6)。接着可以将该坐标系的原点沿着z轴向主动脉环形平面46移位。由此，所有的z距离都是相对于主动脉环形平面46来参考的。

3、第三方法步骤S14(“植入体仿真”)

在由仿真单元24执行的植入体仿真步骤中，对心脏植入体42及其在目标植入区域38内的位置进行仿真。这优选地在接收到的3D图像序列中的每帧中来完成。由此可以借助于具有椭圆形横截面(例如已经在分割单元22内确定的目标植入区域38的横截面)的虚拟模型来对心脏植入体42进行仿真。在给出的范例中，在分割步骤S12内确定的椭圆形环44可以沿z轴延伸，目标植入区域38基本沿z轴延伸。备选地，可以在仿真中使用心脏植入体42的以更实际的方式比拟支架的形状的其他虚拟3D模型。借助于输入接口30，用户还可以人工改变仿真的心脏植入体42的大小、形状和/或位置。

4、第四方法步骤S16(“冲突检测”)

在由冲突评估单元26执行的冲突检测步骤中，计算仿真的心脏植入体42与分割出的局部相邻区域40的交叠。在给出的范例中，计算二尖瓣前叶34在多大范围上投影到虚拟心脏植入体42中。在图4中示意性地图示了该计算出的交叠并由附图标记46指示。这优选地是针对3D图像序列中的每帧而完成的。

由此可以参考所定义的坐标系根据分割出的且经配准的网格(见分割步骤S12)来确定在二尖瓣前叶34上的若干分割出的点的轨迹。在下一步骤中，冲突评估单元26优选地在多幅3D心脏图像14、14’中的每幅中确定在沿z轴的多个不同空间位置处的交叠，以便接收每帧中根据目标植入区域38的纵轴的交叠信息。

另外，冲突评估单元26被配置为通过对在各空间位置处在3D图像序列中的每帧中出现的交叠46彼此进行比较，来针对多个不同空间位置中的每个确定最大交叠46。这样，确定了在z轴上的每个位置处的最大交叠的范围。为了便于计算，冲突评估单元26优选地仅针对z轴上的特定不同点(例如具有2.5mm的步长)来评估最大交叠。

可以通过将在分割S12中已经找到的二尖瓣前叶34的所有分割出的且经配准的点组合成点云(pointcloud)来执行以上提及的冲突计算/评估。该点云的点接着可以根据所定义的步长融合成组。接着可以针对每组点计算最大交叠，以接收在z轴上的不同位置处的最大交叠。

5、第五方法步骤S18(“反馈”)

最后，可以经由反馈单元28给出关于计算出的交叠46的反馈信息。在图7中示出了这样的反馈的一个范例。

图7示出了图形表示48，其图示了根据沿z轴的不同空间位置的最大交叠46。应当理解，这些最大交叠值是相对最大值，意味着在心动周期期间在特定位置处出现的最大交叠值。通过评估在每帧中各位置处的交叠并将其与在其他帧中所述位置处出现的值进行比较来接收每个最大交叠。

图形表示48示出了已经根据十八名不同患者的3DTEE数据集确定的若干交叠曲线。每条曲线示出了二尖瓣小叶移动与虚拟心脏植入体42之间根据距主动脉环形平面的距离的最大交叠。因此，能够看出，绝对最大交叠(在每条曲线中的具有最大交叠的点)在患者之间显著变化，其中，不仅绝对最大值的范围变化，而且绝对最大值出现的位置也变化。具有最小交叠的患者(以附图标记50指示)具有约4.7mm的绝对最大交叠，而具有最大交叠的患者(由附图标记52指示)具有约16.6mm的绝对最大交叠。在给出的植入体深度处的相对最大交叠也显著变化。在对于市售植入体的下边缘为典型深度的12.5-15mm的植入体深度处，交叠在约2.6至13.4mm之间变化。

这些个体差异也可以从在图8A和图8B所示的示范性分割中看出。两幅图像示出了当二尖瓣打开时在心动周期期间的时间点处两个不同患者的心脏。通过将两幅图像彼此进行比较，能够看出，二尖瓣前叶与左心室流出道延长之间的交叠非常不同。在图8A中，交叠具有约8mm的范围，而最大交叠被定位为距主动脉环形平面非常远。在图8B中，最大交叠超过15mm并被定位为离主动脉环形平面近得多。

给出的结果示出，根据本发明的系统和方法是用于规划对心脏植入体的植入的强大工具。如图7中给出的图形表示为医生大大简化了风险评估，并且也允许他容易地选择具有正确形状和大小的心脏植入体。

总之，所提出的方法允许准确地规划对心脏植入体的植入，无论是在手术前或手术期间。其允许动态地分割一系列医学3D图像并计算或评估动态心脏模型与虚拟植入体模型的交叠。即使上述说明主要集中于TAVI，所提出的方法也可以被用于规划心脏的其他区域中的其他心脏植入体。还应当指出，本发明不局限于特定类型的医学图像(MR、CT、超声)，而是可以针对各种医学成像技术而被实施。

尽管已经在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述被视为说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践要求保护的本发明时，能够理解并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”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以满足权利要求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了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

计算机程序可以被存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统。

权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于规划对心脏植入体(42)的植入的医学成像系统(10)，包括：

-接收单元(12)，其用于接收示出了在心动周期期间心脏(32)的不同状态的多幅三维(3D)心脏图像(14、14’)；

-分割单元(22)，其用于在所述多幅3D心脏图像(14、14’)内分割目标植入区域(38)和能够干扰所述心脏植入体(42)的局部相邻区域(40)，其中，所述目标植入区域(38)是左心室流出道(LVOT)(36)的一部分，并且所述局部相邻区域(40)是二尖瓣(MV)(34)的一部分；

-仿真单元(24)，其用于在所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的至少两幅中对所述心脏植入体(42)在所述目标植入区域(40)内的所述植入进行仿真；

-冲突评估单元(26)，其用于评估在所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的至少两幅中仿真的心脏植入体(42)与分割出的局部相邻区域(40)的交叠(46)；

-反馈单元(28)，其用于向用户提供关于所评估的交叠(46)的反馈信息。

2.根据权利要求1所述的医学成像系统，其中，所述仿真单元(24)被配置为在所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的每幅中对所述心脏植入体(42)在所述目标植入区域(38)内的所述植入进行仿真，并且其中，所述冲突评估单元(26)被配置为评估在所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的每幅中所述仿真的心脏植入体(42)与所述分割出的局部相邻区域(40)的交叠(46)。

3.根据权利要求1所述的医学成像系统，其中，所述反馈单元(28)被配置为向所述用户提供关于所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的每幅中所评估的交叠(46)的反馈信息。

4.根据权利要求1所述的医学成像系统，其中，由所述反馈单元(28)提供的所述反馈信息包括所述交叠(46)的量化范围和/或所述交叠(46)在所述3D心脏图像(14、14’)中出现的位置。

5.根据权利要求1所述的医学成像系统，其中，所述冲突评估单元(26)还被配置为在所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的每幅中确定在沿着纵轴(z)的多个不同空间位置处的所述交叠(46)，所述目标植入区域(38)基本沿着所述纵轴延伸。

6.根据权利要求5所述的医学成像系统，其中，所述冲突评估单元(26)还被配置为针对所述多个不同空间位置中的每个、通过将各所述3D心脏图像(14、14’)中在相应空间位置处的交叠彼此进行比较来确定最大交叠(46)。

7.根据权利要求6所述的医学成像系统，其中，所述反馈单元(28)被配置为提供图形表示(48)，所述图形表示图示了根据沿所述纵轴(z)的所述不同空间位置的所述最大交叠(46)。

8.根据权利要求1所述的医学成像系统，其中，所述仿真单元(24)被配置为借助于具有椭圆形横截面的虚拟模型来对所述心脏植入体(42)进行仿真，其中，所述椭圆形横截面的法线与所述目标植入区域(38)基本沿其延伸的纵轴(z)相符合。

9.根据权利要求1所述的医学成像系统，还包括输入接口(30)，所述输入接口允许用户改变所述仿真的心脏植入体(42)的大小、形状和/或位置。

10.根据权利要求1所述的医学成像系统，其中，所述分割单元(22)被配置为根据基于模型的分割来分割所述目标植入区域(38)和所述局部相邻区域(40)。

11.根据权利要求1所述的医学成像系统，其中，所述多幅3D心脏图像(14、14’)是利用超声成像系统采集到的3D经食道超声心动描记术(TEE)图像。

12.一种用于规划对心脏植入体(42)的植入的医学成像系统(10)，包括：

-接收单元(12)，其用于接收示出了在心动周期期间心脏(32)的不同状态的多幅三维(3D)心脏图像(14、14’)；

-分割单元(22)，其用于在所述多幅3D心脏图像(14、14’)内分割目标植入区域(38)和能够干扰所述心脏植入体(42)的局部相邻区域(40)，其中，所述目标植入区域(38)是右心室流出道(RVOT)的一部分，并且所述局部相邻区域(40)是三尖瓣(TV)的一部分；

-仿真单元(24)，其用于在所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的至少两幅中对所述心脏植入体(42)在所述目标植入区域(40)内的所述植入进行仿真；

-冲突评估单元(26)，其用于评估在所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的至少两幅中仿真的心脏植入体(42)与分割出的局部相邻区域(40)的交叠(46)；以及

-反馈单元(28)，其用于向用户提供关于所评估的交叠(46)的反馈信息。

13.一种用于规划对心脏植入体的植入的方法，包括以下步骤：

-接收示出了在心动周期期间心脏(32)的不同状态的多幅三维(3D)心脏图像(14、14’)；

-在所述多幅3D心脏图像(14、14’)内分割目标植入区域(38)和能够干扰所述心脏植入体(42)的局部相邻区域(40)，其中，所述目标植入区域(38)是左心室流出道(LVOT)(36)的一部分，并且所述局部相邻区域(40)是二尖瓣(MV)(34)的一部分；

-在所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的至少两幅中对所述心脏植入体(42)在所述目标植入区域(38)内的所述植入进行仿真；

-评估在所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的至少两幅中仿真的心脏植入体(42)与分割出的局部相邻区域(40)的交叠(46)；

-向用户提供关于所评估的交叠(46)的反馈信息。

14.一种用于规划对心脏植入体的植入的方法，包括以下步骤:

-接收示出了在心动周期期间心脏(32)的不同状态的多幅三维(3D)心脏图像(14、14’)；

-在所述多幅3D心脏图像(14、14’)内分割目标植入区域(38)和能够干扰所述心脏植入体(42)的局部相邻区域(40)，其中，所述目标植入区域(38)是右心室流出道(RVOT)的一部分，并且所述局部相邻区域(40)是三尖瓣(MV)的一部分；

-在所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的至少两幅中对所述心脏植入体(42)在所述目标植入区域(38)内的所述植入进行仿真；

-评估在所述多幅3D心脏图像(14、14’)中的至少两幅中仿真的心脏植入体(42)与分割出的局部相邻区域(40)的交叠(46)；

-向用户提供关于所评估的交叠(46)的反馈信息。

15.一种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于当在计算机上执行所述计算机程序时令计算机执行权利要求13和14中的任一项所述的方法的所述步骤。