CN106898027B - 用于三维图像到二维图像的标测的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于对在空间中包含体积的3D表面进行标测的方法，所述方法包括：采集表示所述表面的3D顶点，并且在所述空间中限定切割所述体积的第一平面和在所述体积外部的平行的第二平面，从而将3D顶点划分为未在所述两个平面之间的所述第一组和位于所述两个平面之间的第二组。所述方法还包括将所述第一组顶点投射到所述第一平面上以便在其中生成第一投射点，以及将所述第二组顶点投射到所述第一平面上同时通过响应于所述第二顶点距所述第一平面的相应距离的相应平移沿平行于所述第二平面的相应方向使这些点平移，从而在所述第一平面中生成第二投射点。所述第一投射点和第二投射点作为所述表面的2D表示显示在屏幕上。
Description
技术领域
本发明整体涉及图像标测，并且具体地涉及三维图像到二维图像的标测。
背景技术
三维结构在二维屏幕上的表示通常涉及在所呈现信息的质量方面的缩减。该缩减在解剖结构的情况下通常为显著的，并且许多现有技术参考文献解决了这种问题。
授予Gering等人的美国专利7,643,662(该专利的公开以引用方式并入本文)描述了用于访问解剖表面的三维表示和使该解剖表面变平以便产生该解剖表面的二维表示的系统。
授予Roberts等人的美国专利8,611,989(该专利的公开以引用方式并入本文)描述了产生管腔结构的一段的图像的方法。该方法包括采集图像体积数据以及基于厚度和该图像体积数据再现平面板图像。
授予Hobbs等人的美国专利申请2013/0088491(该专利申请的公开以引用方式并入本文)描述了可从三维(3D)网片通过机器或装置产生的二维(2D)动画，该机器或装置对3D网片进行拉平、纹理化和修改处理，这可导致3D网片的纹理扭曲。
授予Nair的美国专利申请2011/0142306(该专利申请的公开以引用方式并入本文)描述了：提供心脏的3D数据集并且通过将该心脏的弯曲表面拉平来产生该3D数据集的弯曲表面的2D表示。
以引用方式并入本专利申请的文献将视为本专利申请的整体部分，但不包括在这些并入的文献中以与本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突的方式定义的任何术语，而只应考虑本说明书中的定义。
发明内容
本发明的实施方案提供用于对在三维(3D)空间中包含体积的3D表面进行标测的方法，所述方法包括：
采集表示3D表面的3D顶点的组；
在3D空间中限定切割该体积的第一平面和平行于该第一平面且在该体积外部的第二平面，从而将3D顶点划分为未在第一平面和第二平面之间的第一组顶点和位于3D空间中的第一平面和第二平面之间的第二组顶点；
将第一组中的顶点投射到第一平面上，以便在第一平面中产生第一投射点；
将第二组中的顶点投射到第一平面上同时通过响应于第二顶点距第一平面的相应距离的相应平移沿平行于第二平面的相应方向使第二组中的顶点平移，从而在该第一平面中产生第二投射点；以及
将该第一投射点和第二投射点一起作为3D表面的二维(2D)表示显示在屏幕上。
通常，该方法包括将第一组中的顶点以正交于该第一平面的方式投射到第一平面上。另选地或除此之外，该方法包括将第二组中的顶点以正交于该第一平面的方式投射到第一平面上。
在公开的实施方案中，相应的平移与相应的距离成正比。
在另一个实施方案中，相应的平移响应于平行于第一平面而测量的距第二平面中的预定点的距离。通常，给定顶点的相应平移中的每个平移与给定点距预定点的距离成正比。
在另选的实施方案中，3D表面包括心脏腔室的表面。
在另一另选的实施方案中，3D表面包括导管远侧尖端的3D表面。该3D表面可为远侧尖端的温度分布标测图。
还在另一个公开的实施方案中，显示该第一投射点和第二投射点包括形成2D表面(该2D表面包括点)。
通常，该3D表面包括对称轴，并且该2D表示具有与该对称轴相关的对称性。
在实施方案中，该3D表面不具有对称性。
根据本发明的实施方案还提供了用于对在三维(3D)空间中包含体积的3D表面进行标测的设备，该设备包括：
屏幕，该屏幕被配置成显示3D表面的二维(2D)表示；和
处理器，该处理器被配置用于：
采集表示3D表面的3D顶点的组；
在3D空间中限定切割该体积的第一平面和平行于该第一平面且在该体积外部的第二平面，从而将3D顶点划分为未在第一平面和第二平面之间的第一组顶点和位于3D空间中的第一平面和第二平面之间的第二组顶点；
将第一组中的顶点投射到第一平面上，以便在第一平面中产生第一投射点；
将第二组中的顶点投射到第一平面上同时通过响应于第二顶点距第一平面的相应距离的相应平移沿平行于第二平面的相应方向使第二组中的顶点平移，从而在该第一平面中产生第二投射点；以及
将该第一投射点和第二投射点传送到屏幕上。
结合附图，通过以下对本发明实施方案的详细说明，将更全面地理解本发明，其中：
附图说明
图1为根据本发明的实施方案的图像操纵系统的示意图；
图2为根据本发明的实施方案的执行操纵三维(3D)表面的展示的步骤的流程图；
图3为根据本发明的实施方案的3D网片的示意图；
图4为根据本发明的实施方案绘制在参照系上的两个平面和四个顶点的图；
图5根据本发明的实施方案示出了图2的流程图的步骤之后的图3的3D网片；并且
图6根据本发明的实施方案示出了已经执行了图2的流程图的所有步骤之后在屏幕上的结果显示。
具体实施方式
概述
在医疗程序期间，通常存在需要呈现给操作医师的大量信息，目的在于使该医师有效地进行医疗程序。然而，具体地在患者身体的器官的三维(3D)表示的情况下，或者在实体的3D标测图(例如温度分布)的情况下，难以将该3D图像有效地呈现在二维(2D)屏幕上。
本发明的实施方案提供可用于克服该困难的3D表面的展示。采集表示在3D空间中包含体积的3D表面的顶点的组。限定两个平行表面：切割该体积的第一平面和该体积外部的第二平面。该两个平面将3D顶点划分到未在该两个平面之间的第一组顶点和位于该两个平面之间的第二组顶点。
该第一组中的顶点通常正交地投射到第一平面上，因此生成第一组投射点。
该第二组中的顶点经历两个转换：平移和投射。该投射通常为正交地投射到第一平面上。该平移平行于表面，并且对于给定顶点，平移的量对应于顶点的距离，并且通常直接与该距离成正比。
该第一投射点和第二投射点作为3D表面的2D表示显示在屏幕上。
系统描述
现在参考图1，其为根据本发明的一个实施方案的图像操纵系统20的示意图。系统20通常用于受试对象30的身体器官上的医疗程序期间，并且在本文的描述中该身体器官以举例的方式被假设为包括心脏22，其中该系统被施加用于观察源于心脏测量的三维(3D)图像。然而，应当理解，系统20可施加用于观察其他3D图像，包括除身体器官之外的实体的3D图像。
系统20可由系统处理器40控制，所述系统处理器包括与心电图(ECG)模块44、探头跟踪模块46以及温度模块48连通的处理单元42。模块44,46和48的功能如下所述。处理器40可被安装在控制台50上，该控制台包括操作控制装置52，该操作控制装置通常包括指向设备(诸如鼠标或轨迹球)。处理器32利用操作控制装置与处理器交互，该处理器如下文所述可用于将系统20产生的结果呈现在屏幕54上以呈现给专业人员。
处理器40使用存储在所述处理器的存储器中的软件来操作系统20。例如，该软件可以电子形式通过网络下载到处理器40，或者另选地或除此之外，该软件可被提供和/或存储在非临时性有形介质(例如，磁存储器、光学存储器，或电子存储器)上。
为了在心脏22上执行程序，专业人员32将导管24(在本文中还称为探头)插入到心脏内。为了跟踪探头24的3D位置，该探头包括安装到该探头的远侧尖端26内的传感器28。传感器28(通常一个或多个线圈)生成响应于通过该传感器的磁场的信号。该信号通常通过探头24被传送至处理单元42，该处理单元利用探头跟踪模块46来分析信号，以便确定探头远侧尖端的3D位置和3D取向。由Biosense Webster,Diamond Bar,CA生产的
系统使用类似于本文所述的跟踪系统来跟踪插入到受检者体内的探针的远侧末端的位置和取向。
远侧尖端26通常包括电极34，该电极采集与电极接触的心脏22的节段的电极电位。该电极电位通常通过探头24被传送至处理单元42，该处理单元利用ECG模块46来分析信号。该分析通常包括产生电极电位相对于时间的图，以及确定电极接触的心脏的节段的局部激活时间(LAT)。
远侧尖端26还可具有通常包括热电偶的一个或多个温度传感器49。传感器49产生被传送至处理单元42的信号，并且该处理单元利用温度模块48确定通过传感器测量的温度。
处理器40通常包括除了上文涉及的模块之外的模块，例如测量远侧端部26上的力的力模块，和将规定功率提供给电极28的消融模块，或者远侧端部中的另一个电极。为简明起见，图1未示出此类模块。上文涉及的
系统利用此类模块。
屏幕54显示由处理器40产生的结果。通常，来自ECG模块44的合成信号以一个或多个电势相对于时间的图的形式呈现在屏幕54上，并且这种图的示例性实施例60示出于图1中。然而，合成的ECG信号还可被处理器40用于导出与该ECG信号相关联的其他结果，例如上文涉及的LAT。来自探头跟踪模块46的结果可以心脏22内表面的三维标测图64的形式呈现在屏幕54上，并且还在该探头跟踪模块在心脏中移动时合并远侧尖端26的位置，这种标测图还可合并其他值，例如远侧尖端位置处的LAT值。
来自温度模块48的结果还可以远侧尖端26周围测量的内表面的温度分布的三维标测图66的形式呈现在屏幕54上。
标测图(例如标测图64和标测图66)为呈现在屏幕54的二维(2D)表面上的三维表面的标测图。通常存在合并到两个标测图内的大量的信息，并且这种信息变得更难以理解，原因在于(尤其在于)从标测图的真实三维表示降为二维表面。本发明的实施方案为专业人员32提供方法，该方法用于操纵标测图(例如标测图64或标测图66)在屏幕54上的展示，以便改进对标测图所选特征的理解。
图2为根据本发明的实施方案的由处理器40执行的操纵三维(3D)表面的展示的步骤的流程图。在下述的具体实施方式中，以举例的方式，该流程图的步骤被描述为假设处理器40操作在源于标测图66的3D网片上。
图3为根据本发明的实施方案的源于标测图66的3D网片100的示意图。网片100为穹顶形的，具有对称轴101，并且包括多个顶点102。顶点和网片为在3D空间中包含体积的表面的部分。
在流程图的初始步骤150中，处理器40以任何便利的方法采集形成在xyz参照系108上的顶点的三维值。例如，由于网片100对应于远侧尖端26，所以处理器可生成来自远侧尖端几何结构的顶点的3D值。为了产生网片，处理器40利用本领域内已知的连接方法通过线片段连接顶点102。处理器40通常从3D网片100通过利用平滑连接该线片段的3D表面覆盖该网片来产生三维标测图，之后处于不同颜色形式的温度被合并到3D表面内以产生标测图66。然而，为方便起见，流程图的下述描述假设处理器操作于网片100上。
在平面限定步骤152中，专业人员32利用控制装置52限定两个平行的平面104,106以用于划分网片100。图4为根据本发明的实施方案示出了绘制在参照系108上的网片100的平面和四个顶点102(称为102C、102D、102P和102L)的图。方便起见，在本文的具体实施方式中，顶点102C、102D、102P和102L被假设为具有相应坐标(xC,yC,zC)、(xD,yD,zD)、(xP,yP,zP)和(xL,yL,zL)，该两个平面被假设为水平的xz平面，该xz平面正交于y轴线，该y轴线被假设为竖直地。然而，本领域内的普通技术人员在y轴线不是竖直的情况下将能够调整具体实施方式，使得两个xz平面在正交于y轴线时不是水平的。
此外，还可进行如下假设：
参照系108的原点被选择成使得网片100的所有顶点具有x,z,≥0，并且存在至少一个顶点为y>0和至少一个顶点为y<0。
平面104穿过原点。在这种情况下，平面104具有由公式(1)给定的公式，该公式(1)为：
y＝0 (1)
平面106具有由公式(2)给定的公式，该公式(2)为：
y＝yB (2)
其中yB为小于顶点102的最大负y值的负值。顶点102L被假设为网片100的具有最大负值的顶点。
平面106包括点B，该点具有坐标(xB,yB,zB)。以举例的方式，平面106在图4中被绘制为将点B作为其中心的有界平面，但是整体上点B可为平面106上的任何点。在一些实施方案中，有界平面在正y方向的竖直投射限定矩形平行六面体，该矩形平行六面体充当包含网片100中的所有的有界框。
应当理解，利用上述的假设不影响所产生的结果的普遍性，并且对于绘制在任何参照系上的顶点集合而言本领域的普通技术人员将能够调整本文的具体实施方式以必要的变更。
如图4所示，平面104和106将顶点102划分为两个区域：包括未位于两个平面之间的第一组顶点102的上部区域和包括位于两个平面之间的第二组顶点102的下部区域。
从公式(1)和公式(2)，两个平面之间的距离为yB。在下述的具体实施方式中，平面104还称为上平面，并且平面106还称为下平面。应当理解，上平面将网片100分成两个区域，在该平面之上的上部区域(其中y>0)，和在该平面之下的下部区域(其中y<0)。顶点102C和102D为上部区域中的泛型顶点；顶点102P为下部区域中的泛型顶点；并且顶点102L为下部区域中的最低顶点。
在第一投射步骤154中，处理器40竖直地投射上部区域中的每个顶点102，即正交于平面并且平行于y轴线，使得投射的点位于上平面上。因此顶点102C(xC,yC,zC)和顶点102D(xD,yD,zD)分别如虚线箭头110和112所示那样投射到点(xC,0,zC)和(xD,0,zD)。
相比于上部区域中的顶点(该上部区域中的顶点经受单一转换)，下部区域中的顶点经受两个转换，水平平移和竖直投射。转换的细节在下文结合步骤154和156进行描述。
在平移步骤156中，处理器40水平地(即，平行于平面)平移下部区域中的顶点中的每一个。对于给定顶点，平移直接与顶点距上平面的距离成正比并且与距顶点B的水平距离成正比。平移的方向对应于初始顶点从竖直线穿过点B的方向。
具有坐标(xP,yP,zP)的泛型顶点102P距下平面的距离可根据如下的公式(3)进行归一化：
其中F为从泛型顶点到下平面的归一化距离，并且0≤F≤1。
因此，如果泛型顶点位于下平面上，那么F＝0，并且如果顶点位于上平面上(对于下部区域中的泛型顶点而言这为可能的最高位置)，那么yP＝0并且F＝1。
应当理解，表达式(1–F)给定下部区域中的泛型顶点至上平面的归一化距离。
泛型顶点(xP,yP,zP)的水平平移的一般方程由公式(4)给定：
(xG，yG，zG)＝
(xP，yP，zP)+((xP-xB)·S·(1-F)，0，(zP-zB)·S·(1-F)) (4)
其中(xG,yG,zG)为顶点(xP,yP,zP)所平移到的坐标，
F为由公式(3)给定的归一化距离，
和
S为对应于缩放比例常数的缩放因子。
S可为大于1的任何数。S值得典型范围为2至100之间，并且在一个实施方案中S＝10。检查公式(4)，应当理解，任何给定顶点沿xz平面的平移为S和F两者的函数。
在步骤156中，S可通常由专业人员32利用控制台52选择。
虚线箭头116示出了泛型顶点(xP,yP,zP)至(xG,yG,zG)的水平平移。
在第二投射步骤158中，处理器40将步骤156中产生的平移顶点竖直向上投射，即平行于y轴线投射，以使得投射的点位于上平面上。虚线箭头118示出了竖直投射。因此，从公式(4)，平移的和投射的泛型顶点(xP,yP,zP)的最终坐标(xF,yF,zF)由如下的公式(5)给定：
(xF，yF，zF)＝
((xP-xB)·S·(T-F)+xp，0，(zP-zB)·S·(1-F)+zp) (5)
在最终显示步骤160，一旦已经实施了上述的平移和投射，已经投射到上平面上的顶点的2D结果显示在屏幕54上，其中所得网片的y轴线正交于屏幕54。
应当理解，图3的流程图的投射和平移顺序为举例的方式，并且其他顺序对本领域的普通技术人员而言将显而易见。所有此类顺序(包括按需要对步骤的具体实施方式的改变)被认为在本发明的范围内。例如，平移步骤156可在实施第一投射步骤154或者实施第二投射步骤158之前来实施。
图5根据本发明的实施方案示出了已经在网片上执行了平移步骤156之后并且在执行投射步骤154和158之前的网片100。在图5中，点B被假设为如下情况：网片100的对称轴101与平面106相交，并且缩放系数S值为2。应当理解，通过检查公式(4)，更小值S使下部区域中产生的锥形节段的基部“缩窄”。
图6根据本发明的实施方案示出了显示步骤160，即在已经执行了图2的流程图的平移和投射步骤之后，在屏幕54上的结果显示。S在这种情况下为4。尽管为清楚起见在图6中显示了平面104和106，但是它们通常在屏幕54的显示中未示出。
图6中所示的结果显示为对称的2D显示，并且应当理解该对称性为3D网片100(图3)的初始对称性，以及选择3D网片(图5)的对称轴上的点B的结果。然而，应当理解，如果初始网片不具有对称性，例如在网片为心脏腔室的表面的情况下，那么所显示的最终2D结果也不具有对称性。甚至在初始网片不具有对称性的情况下，最终2D结果可不具有对称性。例如，如果在图5中点B被选为未在对称轴上，那么最终结果为非对称的2D显示。
方便起见，上述的具体实施方式已假设通常在源于包封体积的表面的多个顶点上执行了转换。顶点被配置到3D网片的形式，这可通过流程图的步骤转换到2D网片。应当理解，由转换顶点形成的2D网片通常用作支架，并且支架处理器40构建2D表面，该表面包括转换顶点。
应当理解，所产生的2D表面可用于呈现3D标测图，例如示出了心脏22的内表面的图像64和示出了远侧尖端26周围的温度分布的标测图66。根据本发明的具体实施方式可转换为2D表面的其他3D标测图将对本领域的普通技术人员而言将显而易见，并且所有此类标测图被假设为包括在本发明的范围内。
因此应当理解，上述实施方案以举例的方式引用，并且本发明并不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和亚组合以及它们的变化形式和修改形式，本领域的技术人员在阅读上述说明时将会想到所述变化形式和修改形式，并且所述变化形式和修改形式并未在现有技术中公开。
Claims (24)
1.一种用于对在三维(3D)空间中包含体积的3D表面进行标测的方法，所述方法包括：
采集表示所述3D表面的3D顶点的组；
在所述3D空间中限定切割所述体积的第一平面和平行于所述第一平面且在所述体积外部的第二平面，从而将所述3D顶点划分为未在所述第一平面和所述第二平面之间的第一组顶点和位于所述3D空间中的所述第一平面和所述第二平面之间的第二组顶点；
将所述第一组中的所述顶点投射到所述第一平面上，以便在所述第一平面中生成第一投射点；
将所述第二组中的所述顶点投射到所述第一平面上同时通过响应于所述第二组中的所述顶点距所述第一平面的相应距离的相应平移沿平行于所述第二平面的相应方向使所述第二组中的所述顶点平移，从而在所述第一平面中生成第二投射点；以及
将所述第一投射点和所述第二投射点一起作为所述3D表面的二维(2D)表示显示在屏幕上。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第一组中的所述顶点与所述第一平面正交地投射到所述第一平面上。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第二组中的所述顶点与所述第一平面正交地投射到所述第一平面上。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述相应平移与所述相应距离成正比。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述相应平移响应于平行于所述第一平面而测量的距所述第二平面中的预定点的距离。
6.根据权利要求5所述的方法，其中给定顶点的所述相应平移中的每个平移与所述给定顶点距所述预定点的距离成正比。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述3D表面包括心脏腔室的表面。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述3D表面包括导管的远侧尖端的3D表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述3D表面包括所述远侧尖端的温度分布标测图。
10.根据权利要求1所述的方法，其中显示所述第一投射点和所述第二投射点包括形成包括所述点的2D表面。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述3D表面包括对称轴，并且其中所述2D表示具有与所述对称轴相关的对称性。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述3D表面不具有对称性。
13. 用于对在三维(3D)空间中包含体积的3D表面进行标测的设备，所述设备包括：
屏幕，所述屏幕被配置成显示所述3D表面的二维(2D)表示；和
处理器，所述处理器被配置成：
采集表示所述3D表面的3D顶点的组；
在所述3D空间中限定切割所述体积的第一平面和平行于所述第一平面且在所述体积外部的第二平面，从而将所述3D顶点划分为未在所述第一平面和所述第二平面之间的第一组顶点和位于所述3D空间中的所述第一平面和所述第二平面之间的第二组顶点；
将所述第一组中的所述顶点投射到所述第一平面上，以便在所述第一平面中生成第一投射点；
将所述第二组中的所述顶点投射到所述第一平面上同时通过响应于所述第二组中的所述顶点距所述第一平面的相应距离的相应平移沿平行于所述第二平面的相应方向使所述第二组中的所述顶点平移，从而在所述第一平面中生成第二投射点；以及
将所述第一投射点和所述第二投射点传送到所述屏幕。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述处理器被配置成将所述第一组中的所述顶点与所述第一平面正交地投射到所述第一平面上。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述处理器被配置成将所述第二组中的所述顶点与所述第一平面正交地投射到所述第一平面上。
16.根据权利要求13所述的设备，其中所述相应平移与所述相应距离成正比。
17.根据权利要求13所述的设备，其中所述相应平移响应于平行于所述第一平面而测量的距所述第二平面中的预定点的距离。
18.根据权利要求17所述的设备，其中给定顶点的所述相应平移中的每个平移与所述给定顶点距所述预定点的距离成正比。
19.根据权利要求13所述的设备，其中所述3D表面包括心脏腔室的表面。
20.根据权利要求13所述的设备，其中所述3D表面包括导管的远侧尖端的3D表面。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述3D表面包括所述远侧尖端的温度分布标测图。
22.根据权利要求13所述的设备，其中显示所述第一投射点和所述第二投射点包括形成包括所述点的2D表面。
23.根据权利要求13所述的设备，其中所述3D表面包括对称轴，并且其中所述2D表示具有与所述对称轴相关的对称性。
24.根据权利要求13所述的设备，其中所述3D表面不具有对称性。
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