CN110494094A - 表征解剖学结构的行为 - Google Patents

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Abstract

本公开内容大体上涉及用于表征解剖学结构的行为的系统和方法。可以通过追踪系统生成追踪数据，以至少表示至少一个传感器在三维追踪坐标系中随时间变化的位置。生成运动模型以表征解剖学结构在多个时刻的行为。例如，运动模型包括时间参数和至少一个自由参数。每个自由参数估计解剖学结构的从追踪数据得出的几何形状，并且时间参数对多个时刻的自由参数进行索引。生成可视化显示以基于运动模型提供图形图像序列，以表征解剖学结构随时间变化的行为。

Description

表征解剖学结构的行为
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年2月6日提交的题为CHARACTERIZING A BEHAVIOR OF ANANATOMICAL STRUCTURE的美国临时申请No.62/455,140的优先权权益，其通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开内容大体上涉及用于表征解剖学结构诸如血管内结构的行为的系统、方法和装置。
背景技术
了解血管结构诸如血管(例如，动脉和静脉)如何运转对医务人员(例如，外科医生)来说是感兴趣的。各种成像方法学可以评估血管结构的行为。然而，许多现有的成像方法学诸如X射线透视使患者和护理人员均暴露于电离辐射。另外，许多现有的成像模态在不使用显影剂的情况下不能对由血管和其他结构表现出的行为进行实时充分地可视化，例如进行内部手术的情况下。在许多情况下，所得到的图像可能提供较差的可视化显示，并且因此不足以提供可执行性指导，尤其是在复杂的解剖学或先行(advance，先进)过程的情况下。
发明内容
作为一个实施例，公开了一种用于表征解剖学结构的运动的系统。该系统包括附接至设备的传感器，该传感器被配置成插入解剖学结构内。追踪系统生成追踪数据，该追踪数据至少表示传感器在三维追踪坐标系中随时间变化的位置。计算装置包括处理器，用以执行机器可读指令以基于时间参数和至少一个自由参数计算对解剖学结构在时间区间内的行为进行表征的运动模型。自由参数估计解剖学结构的从追踪数据得出的几何形状。时间参数对在时间区间内的自由参数进行索引。指令还被编程为生成运动模型的图形表示，以使解剖学结构在时间区间内的行为可视化。
作为另一实施例，一种方法包括存储由追踪系统生成的追踪数据，以至少表示至少一个传感器在三维追踪坐标系中随时间变化的位置。生成用以表征解剖学结构在多个时刻的行为的运动模型。例如，运动模型包括时间参数和至少一个自由参数。每个自由参数估计解剖学结构的从追踪数据得出的几何形状，并且时间参数对多个时刻的自由参数进行索引。生成可视化显示以基于运动模型提供图形图像序列，来表征解剖学结构随时间变化的行为。
附图说明
图1描绘了表征解剖学结构的解剖学行为的系统的实施例。
图2描绘了解剖学行为表征系统的框图的实施例。
图3描绘了使解剖学结构的解剖学行为可视化的系统的框图的实施例。
图4描绘了定位在解剖学结构内的用于表征解剖学结构的行为的设备的实施例。
图5描绘了定位在解剖学结构内的用于基于与血管壁接触的传感器来表征该解剖学结构的行为的另一设备的实施例。
图6描绘了定位在解剖学结构内的用于表征该解剖学结构的行为的另一设备的实施例。
图7描绘了定位在另一解剖学结构内的用于表征该解剖学结构的行为的设备的实施例。
图8是描绘了用于表征解剖学结构的行为的示例性方法的流程图。
图9是描绘了用于获取追踪数据和时间数据的示例性方法的流程图。
图10是描绘了用于表征解剖学结构的行为的另一示例性方法的流程图。
图11是描绘了用于表征解剖学结构的行为的又一示例性方法的流程图。
图12描绘了包括计算装置的示例性操作环境。
具体实施方式
本公开内容大体上涉及用于表征解剖学结构诸如血管内结构(例如，血管，诸如主动脉)或管状结构(例如食道、肠等)的行为的系统、方法和装置。在一些实施例中，血管内结构的行为可以表现出与一个或多个其他解剖学功能(function，官能、机能、器官的活动)有关的循环或周期性运动。例如，呼吸的循环解剖学功能(例如，呼吸循环)可以引起根据呼吸循环变化的主动脉、肾动脉或其他解剖学结构的运动。另外地或替代地，心动循环可以使主动脉或其他解剖学结构随着每次心跳相称地移动。因此，这些和其他解剖学结构的运动可以在没有电离辐射的情况下由追踪系统捕获并且由用于解剖学功能的传感器信号门控(gate，选通、分选)。
例如，可以在医疗手术诸如血管内手术期间采用本文描述的系统和方法。包括一个或多个传感器的物体(例如，设备，诸如导管内的导丝)可以设置在解剖学结构内，并且因此被附着和配置成随时间与解剖学结构的运动相称地移动。例如，传感器可以是电磁(EM)传感器，诸如沿着导丝的长度分布的导电传感器线圈。
追踪系统生成追踪数据，该追踪数据表示每个传感器在三维追踪坐标系中随时间变化的位置和/或定向。如上所述，相对于该结构固定的传感器可以在患者体内与一个或多个循环解剖学功能(例如，呼吸循环或心动循环)相称地移动。可以评估追踪数据以生成与解剖学结构随时间变化的位置相关联的血管表征数据。例如，可以针对每个时间样本计算传感器的位置和/或定向，传感器的位置和/或定向可以用于计算传感器所固定至的导丝或其他设备的几何形状。例如，生成一个或多个参数模型，以描述解剖学结构在每个相应时间样本的几何形状。所计算的在一系列时刻的几何形状信息可以被聚集以生成解剖学表征数据，解剖学表征数据可以被呈现以提供四维(4D)图形表示，该图形表示使解剖学结构的空间行为随时间的变化可视化。
作为另一实施例，可以基于一个或多个自由参数和时间参数计算与血管表征数据对应的4D参数运动模型，以表征解剖学结构在时间区间上的行为。例如，每个自由参数估计解剖学结构的从追踪数据得出的几何形状，诸如描述中心线的几何形状和/或表面壁的几何形状的一个或多个样条曲线函数。时间参数可以表示感兴趣的时间区间和/或对时间区间的自由参数进行索引的循环解剖学功能。
可以利用4D参数模型来生成图形表示，该图形表示使解剖学结构的行为(例如，空间几何形状)随时间的变化可视化。例如，4D参数模型可以用作基元(primitive，图元)，以驱动图形管线来呈现解剖学结构的随时间变化的对应可视化。对参数模型进行索引的时间参数可以根据表示解剖学功能的输入信号与时间解剖学功能的相(phase，阶段、相位)诸如心动循环或呼吸循环相关联。例如，心动循环可以由心电图(EKG)门控，并且呼吸循环可以由呼吸监测器(例如，带式或其他类型的监测器)提供的呼吸输入信号门控。因此，表征解剖学结构的运动的解剖学行为数据可以是与一个或多个解剖学功能时间相关的并且存储在存储器中，诸如用于使解剖学结构如何响应于这种解剖学功能的变化变得可视化。这种相关性可以提供对患者的心动循环和呼吸循环或其他解剖学功能如何影响解剖学结构的运动的更深入的理解。
作为又一个实施例，可以关于时间来评估从表征数据得出的结构(例如血管)的解剖学行为，以识别另一个可植入装置随时间对解剖学结构的运动的影响，包括这种可植入装置定位在解剖学结构内并在解剖学结构内移动的情况。例如，可以根据可植入装置上(或在可植入装置内的导丝上)的传感器生成第二组表征数据，以记录其在解剖学结构内前进时的位置和/或定向信息。在结构中没有可植入设备的情况下结构的预置表征数据(例如，4D参数模型)与在同一结构中具有可植入设备的第二组表征数据之间的差异可以被确定并可视化，以表示随时间的差异。在放置可植入装置之前捕获的关于解剖学结构的运动数据(例如，三维图像数据)可以用于得出该解剖学结构的一个或多个预置参数模型。可以关于在放置可植入装置之后捕获的关于该解剖学结构的运动数据来评估预置模型。以这种方式，可以基于该评估确定解剖学结构的运动的变化，并且该变化在存储器中被存储为随时间变化的变形数据并且为该装置沿解剖学结构的长度轴向前进和/或缩回时该可植入装置相对于解剖学结构的相对位置的函数。变形数据可以用于补充和得出针对解剖学结构的另一参数模型，该另一模型用于表征在可植入装置相对于解剖学结构移动情况下随时间变化的解剖学模型。
另外地或可替代地，本文描述的系统和方法还可以用于确定解剖学结构是否表现出扩张或其他病症的症状。这种系统和方法还可以用于响应于所识别的解剖学功能和/或穿过解剖学结构的可植入装置的影响来识别该解剖学结构的表现出扭转和/或平移的区域。例如，可以根据有和没有可植入装置的4D模型之间的差异来确定该影响，该影响可以在可视化显示中以图形方式呈现。可以根据颜色标度来呈现可视化显示，该颜色标度具有用以表示解剖学结构中经历的扭转和/或平移量的值。
图1示出了解剖学行为表征(ABC)系统100的实施例。ABC系统100可以包括物体102(例如，导丝或类似仪器)。例如，在医疗手术期间，物体102可以与现有的解剖学设备诸如护套和/或导管(图1中均未示出)一起使用。在一个实施例中，医疗手术可以是血管内手术，其中物体102被引导穿过血管解剖学结构114。血管内手术可以包括腹主动脉瘤(AAA)修复手术、肾动脉支架手术或主动脉夹层修复手术以及其他手术。在其他实施例中，该手术可以涉及将物体临时插入任何其他管状解剖学结构(例如，支气管、食道、肠等)114中。
举例来说，物体102可以插入患者(例如，人或动物)中并且被引导穿过患者的一个或多个解剖学结构114。该一个或多个解剖学结构可以包括伸长的管状血管结构，该伸长的管状血管结构包括管腔诸如一个或多个血管内结构(例如，动脉或静脉)。替代地，该一个或多个解剖学结构可以包括至少一个血管、动脉、胃肠道的一部分、呼吸道的一部分或生殖道的一部分。例如，物体102可以是具有远端段104的导丝，该远端段具有锥形内芯以赋予物体102穿过该一个或多个解剖学结构的扭转性、可追踪性、可推动性和可交叉性。导丝102可以是生物相容性的并且具有与现有导丝诸如可获得自Terumo的丝或可获得自Cook Group，Inc的丝相称的相对刚度和顺应性。
物体102可以包括可由关联的追踪系统110检测的一个或多个传感器106，该追踪系统被配置为在没有电离辐射的情况下确定每个传感器在三维空间(例如，追踪系统的坐标系)中的位置和/或定向。举例来说，追踪系统110可以是来自Northern Digital,Inc的EM追踪系统、来自Medtronic,的手术引导系统或来自Biosense Webster,的CARTO电极映射系统。
例如，一个或多个传感器106可以沿物体102的纵向部分留驻在选定位置处。例如，一个或多个传感器106可以包括沿物体(例如，导丝)102的远端段104的纵向部分的轴线(例如，中心线)分布的多个均匀间隔开的传感器。另外地或替代地，沿物体102的纵向部分的轴线固定的多个EM传感器可以是纵向部分长度的函数。在一些实施例中，每个传感器可以是由追踪系统110可检测的，以便能够以多个(例如，五个或六个)自由度进行追踪。可以被电磁类型的追踪系统110检测的传感器的示例是可自加拿大安大略省的Northern Digital,Inc.商购的传感器线圈。可以根据追踪系统的类型使用其他类型的传感器106。
在一些实施例中，物体102还可以包括一组两个或更多个的支腿(leg，支线、支管)(图1中未示出，但参见例如图4至图7)，支腿被机械偏置以从导丝处的第一端径向向外延伸并且在远端处终止，该远端与沿着解剖学结构114的内壁的接触位置接合。因此，每对径向相反的支腿运行，以将导丝本体保持在支腿远端之间的中心位置(例如，居中)。以这种方式，支腿运行以将每个传感器保持在相对于内侧壁的固定位置处，使得传感器在患者体内与相邻侧壁的运动相称地移动。例如，该支腿可以由镍钛合金或另一种自膨胀(例如，形状记忆合金)材料形成。
例如，每个支腿(例如，尖叉或尖齿)可以被配置成在现有解剖学装置(例如，导管本体或护套)相对于物体102缩回期间自膨胀并且在导管前进以接合沿物体102的支腿并且在支腿上前进期间塌缩。支腿可以被配置成有助于在物体102定位在解剖学结构的给定位置处时防止物体102的轴向移动(例如，通过将支腿暂时锚定至血管壁)。
在一些实施例中，传感器可以定位在沿导丝的传感器站处并且通过支腿保持在管腔的中心处或附近。另外地或替代地，支腿可以包括位于其远端处的传感器，该远端与沿解剖学结构的内壁的接触位置接合。例如，可以根据追踪数据确定每对径向相反的传感器之间的距离。该距离限定了相应站的解剖学结构的直径，并且管腔的位于传感器之间的中心线留驻在传感器的位置之间。例如，中心线位置被计算为沿管腔壁定位的相关传感器站的两个或更多个传感器位置的几何平均值。
在一些实施例中，仪器102还可以包括一个或多个电引线108。该一个或多个电引线108可以将一个或多个传感器106中的每一个传感器耦合至追踪系统110。例如，追踪系统110可以在插入患者体内的物体所留驻的空间体积3-D空间(例如，3-D追踪坐标系)内生成电磁场(EM)。由追踪系统生成的EM场可以在一个或多个EM传感器106中感生电流。这些感生信号可以经由一个或多个电引线108供应给追踪系统110。在患者空间中的给定点处的相应EM传感器106处感生的给定量的电流可以表示相应EM传感器106在追踪系统空间的坐标系中的三维(3-D)位置。
追踪系统110可以基于相应EM传感器106提供的诱导信号，在相应EM传感器106改变其在3-D空间内的位置和/或定向的情况下，实时(例如，在手术中)确定相应EM传感器106随时间变化的3-D位置和定向。追踪系统110可以允许：例如响应于解剖学结构的空间行为的变化，在一个或多个EM传感器106经历随时间的移动时，动态实时计算每个传感器106在追踪系统的坐标系中的位置和/或定向。例如，空间行为可能受到一个或多个自主或非自主的解剖学功能诸如呼吸、心脏跳动、吞咽等的影响。追踪系统110可以向计算装置112供应响应于传感器信号而得出的追踪数据。计算装置位置和/或定向数据表征了多个EM传感器106中的每一个EM传感器随时间变化的3-D位置和定向。计算装置112可以在存储器中将位置和/定向数据存储为追踪数据。
计算装置112被编程为包括机器可读指令，机器可读指令可以由包括ABC方法116的一个或多个处理器(例如，处理器核)执行。ABC方法116被编程为基于由追踪系统生成的针对每个传感器106随时间变化的追踪数据来生成解剖学结构114的4D表征。例如，解剖学结构114的几何形状可以包括在时间区间中每个相应时刻下中心线的几何形状和/或管腔壁的几何形状。如本文所公开的，时间区间可以是循环的，诸如对应于解剖学功能，诸如心动循环的呼吸，并且因此ABC方法116可以基于表示一个或多个这种循环的时间参数来表征解剖学结构的几何形状。因此，计算装置112可以通过将在给定时间区间中的多个连续时刻生成的ABC数据(例如，通过ABC方法116)聚集来在存储器中存储4D ABC数据。可以将ABC数据供应给图形管线以呈现对应的4D图形表示，该4D图形表示使解剖学结构随时间变化的行为可视化。如上所述，时间参数可以对应于循环的解剖学功能，并且因此可以将ABC数据的时刻由表示这种解剖学功能的输入信号门控，并且被连接以使由于多个循环内这种解剖学功能造成的解剖学结构随时间的变化可视化。
在一些实施例中，ABC方法将ABC数据生成为4D参数模型，该4D参数模型表征解剖学结构在一个或多个时间区间内的空间行为。该参数模型可以采用时间参数和一个或多个自由参数。自由参数可以估计根据时间参数索引的多个时间片段的每个时间片段中解剖学结构的几何形状。例如，自由参数可以对应于线性自由参数，该线性自由参数限定根据时间参数在时间区间内变化的伸长管状解剖学结构的中心线的形状。替代地或另外地，自由参数可以对应于切向自由参数，该切向自由参数限定了根据时间参数在时间区间内变化的解剖学结构的截面形状。
如本文所公开的，输出控制118可以经由图形管线处理参数模型(例如，作为基元)，并生成图形表示以在显示器(例如，屏幕、抬头显示器等)120上使解剖学结构随时间变化的空间行为可视化。输出控制118可以实现为计算装置112中的硬件、固件和/或软件。在一些实施例中，输出控制118可以诸如响应于表示门控解剖学功能的输入信号来门控(例如，同步)具有选定(例如，用户选择的)解剖学功能的4D参数模型，以使解剖学结构如何响应于解剖学功能进行空间的变化变得可视化。为了提供关于可视化显示的另外的环境，可以将模型配准至与用于解剖学结构的图像数据的公共坐标系中(例如，基于解剖学标志)，并且可以将运动模型的可视化显示呈现为图像上图形表示的叠加。
在一些实施例中，4D参数模型可以与另一参数模型组合，另一参数模型静态地描述解剖学结构，诸如已经从3D图像数据得出(例如，计算机断层扫描(CT)扫描、磁共振成像(MRI)扫描或另一成像方式)的解剖学结构。例如，可以将4D参数模型配准至与其他参数模型(例如，先前在离线过程中得出的)的公共空间坐标系中。因此，4D参数模型可以提供由其他参数模型限定的解剖学结构的至少一部分的变形参数，并且从而使图形管线能够基于所获取的追踪数据生成4D可视化显示，该4D可视化显示示出了解剖学结构的至少一部分随时间变化的行为(例如，循环行为)。
作为另一个实施例，图2描绘了用于生成参数运动模型202(例如，4D时空模型)的系统200的框图的实施例，该参数运动模型表征了患者210的解剖学结构随时间变化的行为。如本文所公开的，运动模型202可以用于根据一个或多个时间参数来使解剖学结构随时间变化的运动可视化，该一个或多个时间参数可以用于通过模型202进行索引。在本文公开的实施例中，解剖学结构可以包括管状组织，该管状组织包括管腔，管腔具有延伸穿过管腔的纵向中心线和围绕该中心线的圆形侧壁。这种管状组织的示例包括一种或多种血管内结构(例如，动脉或静脉)、胃肠道的一部分、呼吸道的一部分或生殖道的一部分。
系统200包括追踪系统204，该追踪系统可以与关于图1公开的追踪系统110相同。因此，追踪系统204在不需要电离辐射的情况下提供了追踪数据206，追踪数据描绘一个或多个传感器208在追踪坐标系中的位置和/定向。每个传感器208可以侵入性地(例如，经由低侵入性手术或微创手术)定位在解剖学结构中。如本文所用，无电离辐射是指任何类型的电磁辐射，其每个量子携带的能量不足以使原子或分子电离——即，从原子或分子完全移除电子。当穿过物质时代替产生带电离子，由追踪系统提供的电磁辐射可以具有仅足以将电子移动激发至更高能态的能量。也可以采用其他类型的追踪系统诸如超声传感器等来提供追踪数据206。追踪数据206可以包括可以被追踪系统204检测到的每个传感器208在3D坐标系中的位置和/或定向(例如，3D矢量)。
对于EM追踪系统204的实施例，位置计算器212基于来自每个传感器208的传感器信号计算每个相应传感器的三维位置和/或定向。例如，响应于来自追踪系统204的询问场(例如，由场发生器产生的变化磁场)，在每个传感器208中感生传感器信号。位置计算器212可以实现变换216，以将传感器信号转换成限定每个传感器的位置和定向的对应矢量。例如，变换216被应用于数字化传感器信号，以根据其中提供询问场的空间体积来计算每个传感器相对于留驻在追踪系统的坐标系中的原点的3D位置和定向。追踪系统204可以提供具有输出采样率的追踪数据，以使模型生成器220能够利用每个传感器的4D实时定位信息来随着追踪数据的生成实时地构建患者210的解剖学结构的4D运动模型。
模型生成器220被配置为生成运动模型数据206，运动模型数据表示解剖学结构随时间变化的空间行为，包括几何形状的变化。模型生成器可以实现为存储在一个或多个存储介质中的机器可读指令，当由处理器(例如，计算装置112或1200)执行时，该机器可读指令执行对应的功能和方法，如本文所公开的。因此，模型生成器220执行下述指令：基于多个时刻的追踪数据206计算模型数据206。模型生成器220可以例如经由应用程序接口(API)访问由追踪系统204生成的追踪数据206。由模型生成器实施的用以提供运动模型202的指令和对应的计算将根据传感器208相对于解剖学结构的中心线或内壁的位置和传感器的数量进行变化。
在其中追踪数据206由沿解剖学结构(例如，具有管腔的管状结构，例如图4中所示)的一部分的中心线定位的多个传感器生成的实施例中，模型生成器220可以利用传感器位置(例如，3D位置和定向)来计算4D中心线模型222。例如，模型生成器220包括结点定位器功能224，结点定位器功能根据由追踪数据206提供的在一个或多个时间区间中每个采样时间(时刻)的传感器位置来确定沿着结构的中心线的一系列几何结点。在一些实施例中，结点定位器222可以在传感器位置之间进行插值，诸如相邻传感器位置的几何平均值，以提供插值位置，该插值位置可以为每个相应时刻的中心线位置提供另外的几何结点。结点定位器222可以存储每个结点在一个或多个时间区间的每个时刻的3D位置(例如，在二维(2D)阵列中，其中，每行包括相应时间的一系列结点位置)。
中心线模型计算器224实施样条曲线反演(inversion，求逆、转化)226以生成对应的样条曲线插值，这使得针对每个时刻对中心线参数化(例如，参数化为放样基础(loftedbasis)或B样条曲线)。例如，基于一个或多个自由参数，诸如对应于沿着中心线的几何结点的位置以及指定每个相应几何结点的曲率的控制点的自由参数，样条曲线插值可以将中心线的几何形状表示为B样条曲线。中心线模型计算器224可以将中心线模型224生成为这种样条曲线的根据一个或多个时间参数230索引的时间系列序列。例如，时间参数可以由周期性解剖学功能，诸如心动循环(例如，来自EKG)或呼吸循环(例如，来自呼吸传感器带)门控。在一些实施例中，可以应用不止一个时间索引来使随时间变化的中心线参数化。例如，可以根据第一周期性解剖学功能(例如，心动循环)生成用以表示中心线的几何形状的一个4D模型，并且可以根据第二周期性解剖学功能(呼吸循环)生成用以表示几何形状的另一4D模型。因此，第一和第二模型都可以表示来自随时间收集的相同几何结点的通过样条曲线反演计算的空间行为的变化，但是不同模型包括不同的时间参数，不同的时间参数用于通过中心线的几何形状(例如，在样条曲线评估期间)进行索引以使门控至相应解剖学功能的结构的随时间变化的运动可视化。在一些实施例中，这种第一和第二模型可以存储为具有可变参数的单个4D模型，该可变参数可以被设定为响应于输入(例如，用户或机器启动的输入)来选择时间参数。
模型生成器220还可以包括表面模型计算器232，表面模型计算器被配置为生成对应的4D表面模型234。例如，表面模型计算器可以采用结点位置和每个结点处的空间信息(例如，直径)，来为中心线提供对应的参数模型。参数可以包括自由参数、切向自由参数和时间参数。例如，自由参数限定每个结点处的半径或直径，并且时间参数用于随时间索引表面模型，其可以与4D中心线模型222中使用的时间参数230相同。因此，通过在沿着中心线的几何结点处限定的圆形边界(例如，圆形、椭圆形或其他几何形状)之间放样，如通过时间参数以时间索引的，样条曲线评估函数可以构造表面的图形表示。因此，4D中心线模型224因此可以根据一个或多个自由参数以及时间参数(时间戳)进行计算，自由参数表示结构在每个时刻的几何形状(例如，中心线和/或表面几何形状)，时间参数用于对随时间变化的自由参数进行索引，其可以由解剖学周期性功能门控。
在其中追踪数据206由沿着解剖学结构的内侧壁定位的多个传感器生成的实施例中(参见例如图5)，模型生成器220可以利用传感器位置(例如，3D位置和定向)计算表面模型234和中心线模型222。所得的模型222和234可以类似地从所识别的几何结点位置得出，如上所述。然而，结点定位器224从由传感器208提供的管腔的几何形状得出沿中心线的几何结点的空间位置。例如，结点定位器224将几何结点位置计算为每个传感器站处的传感器位置的几何平均值。通过模型生成器(例如，通过计算器226和232)的剩余计算可以以与前述实施例中描述的相同方式执行。
如本文所公开的，运动模型数据可以用于生成解剖学结构(或其生成模型的一部分)的行为的图形表示。作为一个实施例，可以通过在图形图像上叠加模型的4D呈现来使模型的运动可视化。作为另一实施例，运动模型数据可以与静态参数模型组合(例如，配准)，以提供变形参数，以使得几何形状随时间的变化能够可视化。
作为另一实施例，图3描绘了用以使解剖学结构的解剖学行为可视化的系统300的实施例。在该实施例中，系统基于运动模型数据302和静态模型数据304生成可视化显示。运动模型数据302可以作为图2的运动模型202(例如，表面和中心线模型222和234)存储在存储器中。因此，运动模型302可以针对从中获取传感器数据的结构的一部分表示解剖学结构随时间的移动，诸如根据时间参数数据索引的移动。静态模型数据例如包括估计解剖学结构的几何形状的一个或多个自由参数。例如，自由参数可以对应于线性自由参数，该线性自由参数限定了保持固定的伸长的管状解剖学结构的中心线的形状。替代地或另外地，自由参数可以对应于切向自由参数，该切向自由参数限定了也保持固定的解剖学结构的截面形状。可以基于解剖学结构的3D图像数据在不同的过程中诸如在离线过程期间生成静态模型数据304。由于模型304是根据图像数据生成的，因此几何结点的数量和得到的静态模型的分辨率可以显著高于根据追踪数据生成的模型。
作为一实施例，模型304可以根据图像数据生成，如题为“AUTOMATED CENTERLINEEXTRACTION METHOD AND GENERATION OF CORRESPONDING ANALYTICAL EXPRESSION ANDUSE THEREOF”的美国专利No.9047685中公开的，其通过引用并入本文。生成管状解剖学结构的隐式模型的另一示例公开于Analytical centerline extraction and surfacefitting using CT scans for aortic aneurysm repair,Goel,Vikash R,Master’sThesis,Cornell University(2005)，其通过引用并入本文。还可以利用用于生成参数模型304的其他方法。用于管状解剖学结构的参数模型可以实施为放样基础(b-)样条曲线，其包括沿着中心线的控制点和相应的控制点以限定中心线的曲率。参数模型还可以包括对应的表面模型，诸如通过根据这些节点处的直径(例如，根据图像数据确定)在沿其中心线几何结点之间放样圆。
系统300包括模型聚集方法(例如，可由一个或多个处理器执行的指令)以组合运动模型302和静态模型304，并且从而生成复合模型数据306。例如，模型聚集方法包括配准函数310以使运动模型302与静态模型304对准。配准函数310可以利用配准矩阵将模型转换为公共坐标系，该坐标系可以是追踪系统的坐标系、生成静态模型的图像空间的坐标系或另一公共空间坐标系。以这种方式，模型聚集提供复合模型数据，在复合模型数据中运动模型可以提供静态模型中的对应几何形状的变形参数，其可以用于示出如由时间参数314索引的随时间的解剖学行为变化。
例如，配准函数310可以采用配准引擎来对模型进行共配准，诸如在题为METHODAND SYSTEM TO FACILITATE INTRAOPERATIVE POSITIONING AND GUIDANCE的美国专利公开No.20140276002中公开的，其全部内容通过引用并入本文。作为另一实施例，配准函数310可以利用每个模型中指定的一个或多个解剖学或其他标志的位置，诸如可以自动指定或响应于用户输入(例如，单击每个模型302和304的图形版本中公共位置上的指向设备)。
该系统还包括可视化引擎312，可视化引擎利用复合模型数据308来生成到图形管线316的输入图形数据。例如，可视化引擎312以与如由时间参数数据314索引的复合模型对应的基元的形式提供输入图形数据。图形管线呈现解剖学结构的供应给显示器322的图形表示。
例如，可视化引擎采用评估函数(例如，周期性B样条曲线评估)，评估函数对复合模型308进行评估以提供一系列几何结点。一系列几何结点(或其一部分)可以根据时间参数的值进行变化。例如，解剖学结构的包括来自运动模型数据302的变形模型参数的对应部分根据时间参数314在空间上变化并且由时间参数索引。由静态模型数据304表征的解剖学结构的其他部分可以随时间保持固定，并且因此不会基于时间参数数据进行改变。例如，对于管状结构的实施例，B样条曲线评估因此在几何结点的位置之间进行插值，以生成包括随时间变化的一个或多个部分(例如，如每个时间索引的运动模型所描述的)的中心线的图形表示。类似地，评估函数还可以通过在中心线周围设置的圆之间放样来构造管状结构在每个时间索引的相应表面模型。
在一些实施例中，可视化引擎用于通过复合模型数据308索引的时间参数数据314由循环解剖学功能门控。可以实时(或接近实时)从传感器接收解剖学功能，并且该解剖学功能被可视化引擎312用作时间参数数据，以通过模型的时间序列进行索引来响应于感测的解剖学功能提供门控。因此，可视化引擎可以响应于时间参数数据314向图形管线316提供输入。时间参数数据可以是自由流动时刻序列，诸如根据追踪系统的采样率。
在这种时间参数数据的其他实施例中，时间参数数据可以与解剖学功能的阶段相关。例如，解剖学功能的阶段是基于与解剖学功能对应的输入信号诸如EKG数据318和/或呼吸数据320确定的。在接收另外两种类型的时间数据318和320以用于索引模型308的系统中，用户可以采用用户接口(例如，图形用户接口)来提供用户输入，选择用于对该模型进行门控的函数类型之一。如上所述，可以针对运动模型可以被门控成的每种类型的解剖学功能生成不同的运动模型，其可以在复合模型中反映并且响应于用户输入而被选择。因此，所选择的门控类型确定在复合模型的情况下将利用哪种运动模型数据，并且又根据时间参数数据的对应类型来索引哪种运动模型数据。在一些实施例中，不同的复合模型可以通过对可以由系统300实施的每种类型的可能门控进行模型聚集来构造。替代地，所选类型的时间参数可以用于运动模型，以通过对应的时刻序列来对模型进行索引。
作为另一实施例，可以以即时方式(例如，具有由于处理时间而导致的任何延迟的近似实时)计算运动模型数据。例如，模型聚集将针对给定时刻(实时)生成的运动模型数据应用于静态模型304，以重新计算每个时刻的复合模型数据308。以这种方式，复合模型数据可以根据在运动模型中反映的空间行为而连续地改变。
在一些实施例中，当在解剖学结构内临时或永久地植入另一装置时可以获取另外的追踪数据。另外的追踪数据可以反映所植入的另一装置的位置。在该实施例中，可以确定在植入另一装置之前和之后生成的运动模型之间的差异。因此，对应的差异可以被集成到复合模型中，以使模型中的变化在显示器上可视化，例如通过使用不同颜色同时呈现两个模型。这可以允许医务人员了解所植入装置可能对解剖学结构的行为产生的影响，并推断临床意义。
图4描绘了解剖学结构402内的设备400的实施例，该设备用于表征解剖学结构的随时间变化的行为。例如，设备400是包括伸长的柔韧导丝404的血管内装置，导丝包括从远端408至与远端间隔开的中间位置410沿导丝的长度分布的多个传感器406。传感器406所在的位置可以称为站。在追踪系统是EM追踪系统的实施例中，传感器406可以实施为提供相应传感器信号的传感器线圈，诸如本文所公开的。
在图4的实施例中，导丝404包括在每个传感器站处或附近附接至导丝的支腿412。每个站处的支腿412被偏置成从附接至导丝404的第一端414径向向外自膨胀，并终止于相应的远端416，远端与沿解剖学结构的内壁418的接触位置接合。例如，如所示的，远端416可以弯曲(或以其他方式配置)以抵靠壁418的内表面搁置而不刺入组织中。在实施例中，可以存在一组支腿412以定位每个传感器406。支腿和传感器406的数量可以根据导丝404的刚度和/或被表征的壁418的长度进行变化，如本文所公开的。
举例来说，在从护套(例如，导管)420设置到壁418内后，支腿径向向外偏转并与相邻壁接合。在每个站处包括一对径向相反的支腿412的实施例中，当展开支腿412时，支腿将导丝404保持在支腿的远端416之间的中间距离处，使得包括传感器406的导丝的长(至少在408和410之间延伸的部分)保持在壁418的相对表面之间的中心。在其他实施例中，多于两个(例如，3个、4个或更多个)支腿可以从导丝404延伸，以沿着血管壁418的中心线保持导丝和每个传感器。在一时间段内进行了被认为足以表征结构402随时间变化的行为的测量之后，护套可以在支腿和导丝上前进，然后从结构402移除。在其他实施例中，导丝可以移动至结构402内的一个或多个不同位置，以获得用于表征结构随时间变化的不同部分的另外的测量。
图5描绘了定位在解剖学结构内的另一设备500的实施例，该设备用于基于与血管壁518内部接触的传感器516来表征解剖学结构的行为。为了简化说明，在图5的实施例中，相同附图标记通过增加100来用于标识先前在图4中引入的特征。因此，为了关于这种特征的另外信息可以重新参考图4。简言之，除了下述之外图5的实施例类似于图4：支腿512包括在支腿的远端514处的传感器516，远端与沿解剖学结构502的内壁518的接触位置接合。在展开情况下，例如，一对径向相反的支腿因此将相应的传感器支撑在径向相反的位置中，使得这对传感器之间的距离对应于壁518在该位置处的直径。
作为另一实施例，每个站的直径还可以用于(例如，通过解剖学表征116)通过在每个传感器站处放样圆来计算血管壁518的参数表面(例如，经由样条曲线插值和拟合)。因此，针对每个时刻，诸如由循环解剖学功能(例如，EKG和/或呼吸循环)索引的，可以在存储器中存储对应的参数表面模型。另外，通过确定传感器在时间区间期间的多个时间样本上的位置，可以将壁518的中心的位置确定为每个时间样本处的一对传感器位置的几何平均值。
图6描绘了在解剖学结构内的用于表征解剖学结构的行为的另一设备600的实施例。在该实施例中，设备600定位在胸主动脉602内。另外，为了清楚起见，该设备显示为具有单个传感器604。从导丝608延伸的支腿606是自偏置的，使得当从护套展开时支腿与主动脉602的相邻侧壁接触并将传感器604支撑在主动脉的几何中心处。设备600可以重新定位至在A、B、C和D处显示的多个上部主动脉部段，以收集每个这样的部段随时间变化的位置数据。以这种方式，可以采用本文公开的系统和方法收集随时间变化的位置数据，以表征上部和下部主动脉部段的运动。通过将从不同部段收集的数据索引至一个或多个公共解剖学功能(诸如心脏循环或呼吸循环)，数据可以被聚集以生成描述该组主动脉部段随时间变化的运动的可视化显示。部段的数量可以根据沿导丝长度分布的传感器的数量进行变化。
图7描绘了在另一解剖学结构内的用于表征该解剖学结构的行为的设备700的实施例。在图7的实施例中，该设备包括定位在患者肾动脉704内的传感器702。该设备包括支腿706，支腿从导丝708向外延伸以将传感器702的位置固定在肾动脉704内。当固定在脉管系统内时，可以随时间收集位置数据以及解剖学功能数据，诸如呼吸循环数据。如上所述，呼吸循环数据可以用于对随时间变化的位置数据进行索引。例如，肾动脉704和肾脏710的运动可以在虚线和实线所示的位置之间转移，该运动可以通过随时间收集的数据捕获并且通过与位置数据同时收集的呼吸循环数据索引。另外，传感器702可以经由导丝708移动到位置P1、P2、Pi(其中，i表示感测站的数量)中的每一个，其中，传感器沿肾动脉定位(例如，在每个位置Pi处)以在对应的时间区间期间生成追踪数据，该时间区间可以包括一个或多个呼吸循环。在其他实施例中，包括沿导丝的远端分布的多个传感器的感测装置可以定位在动脉704内，以提供对应的追踪数据。由追踪系统生成的每个位置处的传感器位置追踪数据还可以被聚集，以表征肾动脉704的整体或一部分关于呼吸循环(如由其索引的)的运动。在解剖学循环内获取的多个传感器站的追踪数据的聚集可以包括使关于解剖学循环的位置和/定向数据对准和同步，以使得肾动脉(或其他解剖学结构)的不同部分的位置能够由共同的时间循环诸如呼吸循环索引。
鉴于前面描述的上述结构和功能特征，将参考图8至图11更好地理解根据本发明的各个方面的方法。虽然为了简化说明的目的，该方法被示出和描述为串行执行，但是应该理解和认识到，该方法并不限于所示顺序，因为在其他实施例中，一些方面可以以与本文所示和所述的顺序不同的顺序发生和/或同时发生。此外，可能不需要所有示出的特征来实施方法。另外，可以将图8、图10和图11的方法实施为机器可读指令，当机器可读指令由处理装置执行时，机器可读指令执行相应的方法，或者机器可读指令执行相应的方法。
图8描绘了用于表征解剖学结构的行为的示例性方法800。方法800可以例如由计算装置(例如，计算装置112，如图1中所示的或本文中另外描述的)来实施。在810，将追踪数据存储在存储器中。追踪数据可以由追踪系统(例如，追踪系统110或204)生成，以表示在患者的解剖学结构的空间行为随时间发生变化期间一个或多个传感器在坐标系中的位置和/或定向。由于传感器相对于解剖学结构是固定的，因此在810提供的追踪数据可以表示在一个或多个时间区间内获取的对应解剖学结构(固定在其中的)在时间样本序列的位置。
在820，生成在时间区间的每个时刻(时间样本)的运动模型。如本文所公开的，运动模型是描述解剖学结构随时间变化的运动的4D参数模型(例如，呈时间系列序列的3D参数模型)。运动模型存储在存储器(例如，易失性和/或非易失性存储器)中。对于具有管腔的管状结构(例如，血管、胃肠道或呼吸道)的实施例，在每个时刻的参数运动模型可以包括表示管腔中心线的参数(例如，几何结点和控制点)以及表示管腔的表面几何形状的参数(例如，沿中心线的位置处的直径)。
在830，生成了表征解剖学结构随时间变化的行为的可视化显示。如本文所公开的，运动模型可以根据传感器被固定以提供810的追踪数据所在的解剖学位置来表征解剖学结构的一部分的运动。在一些实施例中，可视化显示包括在患者的解剖学结构图像上叠加(例如，在术前或术中获取的)运动模型的图形呈现。另外地或替代地，可以基于运动模型生成可视化显示，该运动模型提供根据另一(单独生成的)参数模型呈现的解剖学结构的一部分的随时间变化的变形参数。例如，可以根据图像数据(从患者手术前成像中获取的)生成其他单独生成的模型，诸如本文所公开的。
在一些实施例中，可以在手术中生成运动模型并且实时地呈现可视化显示，以用图形表示和表征解剖学结构随时间的空间变化。另外或作为替代，这可以包括在将另一装置或物体(例如，导管和/或支架)植入或移动至解剖学结构内的同时生成运动模型。作为另一实施例，在830生成的可视化显示可以包括从生成的解剖学结构在不同时间区间的运动模型之间的空间差异得出的图形表示。例如，生成可视化显示以表征解剖学结构的行为在第一时间区间和第二时间区间之间的变化。行为的变化可以是因为患者体内自然发生的生物学变化和/或由于在解剖学结构中放置或移除一个或多个其他物体。以这种方式，具有和没有其他装置或物体的运动模型之间的差异可以提供关于这种装置或物体在其定位或移动时对解剖学结构的影响的额外见解。
图9是描绘了用于获取追踪数据的方法的实施例的流程图，该追踪数据可以用于表征患者的解剖学结构随时间变化的运动。方法900与侵入性手术结合使用，该侵入性手术诸如可以是低侵入性或微创手术，在该侵入性手术中将具有一个或多个传感器的追踪物体插入患者体内。例如，一个或多个传感器可以附接至临时插入感兴趣的解剖学结构中并相对于其固定的物体或器械。如本文所公开的，感兴趣的解剖学结构对应于解剖学结构的随时间移动的部分。
在一些实施例中，移动可以表现出关于一个或多个其他解剖学功能的循环或周期性行为。例如，呼吸的循环行为(例如，呼吸循环)可以引起根据呼吸循环变化的主动脉或肾动脉的运动。另外地或替代地，心动循环可以使主动脉或其他解剖学结构与每次心跳相称地移动。因此，这些和其他解剖学结构的运动可以被追踪系统捕获，以在不需要电离辐射的情况下提供对应的可视化显示。
方法900开始于902，其中，将AMC装置定位在患者的解剖学结构中。例如，AMC装置可以定位在管状结构诸如血管内结构的管腔内。如本文所公开的，该装置可以包括沿导丝分布的位于支腿的远端的一个或多个传感器或者定位在患者体内的其他仪器。在904，存储来自一个或多个传感器的追踪数据。因此，追踪数据可以表示在没有电离辐射的情况下获得的每个传感器在3D坐标系中的位置和/或定向。
例如，传感器可以实施为线圈，并且追踪数据可以表示每个传感器线圈在追踪系统(例如，EM追踪系统)的坐标系中的位置和/或定向。追踪数据可以包括时间戳，该时间戳为可以在时间区间内获取的追踪数据指定时序(timing，计时、时机)信息。时间戳可以是由追踪系统生成的时间戳或获取系统的时间戳或全球同步的时间戳，诸如UBTMS时间
在一些实施例中，也可以在906存储门控数据。门控数据可以描述与在904处获取追踪数据同时发生的关于患者的解剖学功能相关联的时序。例如，在生成来自AMC传感器追踪数据期间，可以从一个或多个附接至患者的传感器获取或得出门控数据。门控数据和追踪数据可以具有公共的时间戳或以其他方式在时间上同步以促进这种数据的同步和对准。
在908，确定是否完成数据获取。如果数据获取未完成，则方法行进至910，在其中可以重新定位AMC装置以获取解剖学结构中的不同位置或位置组的另外的追踪数据。另外地或替代地，在910，AMC装置相对于解剖学结构保持在相同位置，并且针对不同情况获取另一组追踪数据。不同的情况可以是在解剖学结构中添加另一装置，应用可能影响解剖学功能运动的疗法或功能。该方法从910返回至904以重复存储新传感器位置的追踪数据和门控数据。
如果在908完成了数据获取，则方法行进至912。在912，将在一个或多个数据获取阶段内获取的追踪数据聚集在一起。例如，针对在解剖学结构内固定的多个位置处的传感器的位置和/或定向，追踪数据可以包括超过一个的连续时间序列和追踪数据。因此，每组追踪数据可以表示解剖学结构的其中留驻有传感器的对应区域在获取过程期间的运动。
在914，可以关联追踪数据和门控数据(如果有的话)。例如，公共时间戳可以用于使关联的追踪数据和门控数据对准。以这种方式，解剖学结构随时间改变的位置序列可以与门控解剖学功能时间相关。因此，相应的追踪数据和门控数据可以存储在存储器中，以用于进一步处理，诸如本文所公开的。
图10是描绘方法1000的实施例的流程图，该方法可以用于生成用于对解剖学结构随时间变化的行为进行表征的运动模型。方法1000开始于1002，其中从存储器访问每个传感器的追踪数据。可以例如如关于图9所公开的那样获取追踪数据。因此，追踪数据可以表示相对于解剖学结构定位和固定的多个传感器中的每个传感器的位置和/或定向。通过相对于解剖学结构固定传感器，因此传感器可以与解剖学结构的运动一起随时间相称地移动。因此，追踪数据提供了以下信息：该信息描述传感器位置处的解剖学结构在时刻序列的3D位置。在1004，计算多个传感器中的每个传感器在给定时刻(t)的位置和定向。在一些实施例中，可以通过追踪系统计算每个时刻的位置和定向。在其他实施例中，可以通过从追踪系统接收对应追踪数据的计算装置来执行在1004计算给定时刻的位置和定向，其可以包括将追踪数据标准化和缩放成期望的格式。
在1006，基于追踪数据生成给定时刻(t)的一系列几何结点。每个结点可以对应于追踪数据中限定的每个相应传感器在给定时刻的位置或者从追踪数据中限定的每个相应传感器在给定时刻的位置得出。对于其中AMC装置被配置为将多个传感器站中的每一个传感器站定位成沿着管状结构管腔的中心线的实施例(参见例如图4)，在1006每个传感器站的位置可以限定几何结点。在其中AMC装置被配置到管腔壁上多个传感器的位置的实施例中(参见例如图5)，可以根据每个传感器站处的传感器位置计算几何结点(例如，几何平均值)。根据沿AMC装置的长度的传感器的分布，可以在轴向地沿中心线的传感器站之间插入附加的结。
在1008，生成在给定时刻(t)的参数化中心线模型。例如，由于用于每个传感器位置和对应结点的追踪数据限定了给定时刻的中心线位置，因此可以构建中心线的对应参数模型，诸如B样条曲线，表示每个几何结点和控制点的三维位置，以限定给定时刻的中心线的曲率。在1010，生成当前时刻的参数化表面模型。例如，可以基于管腔在每个相应几何结点处的直径(在1006处)生成该表面模型。可以根据图像数据或根据作为AMC线的一部分的一个或多个传感器确定直径。在其他实施例中，估计的恒定直径可以用于生成该表面模型。
在1012，确定表征是否完成。如果表征未完成(否)，则方法行进至1014，在其中增加时间。该方法从1014返回以重复1004-1012来执行计算并最终生成用于表征下一时刻的解剖学结构的模型。因此，通过在时间区间内的多个时刻重复1004-1014，可以生成用于该解剖学结构的参数模型序列，包括中心线和表面模型。一旦完成了对一个或多个时间区间的表征，该方法就可以行进至1016，在其中将得到的运动模型(4D参数模型)存储在存储器中。以这种方式，运动模型可以表示并用于表征解剖学结构的行为随时间的变化。如本文所公开的，模型可以对应于在随时间获取期间解剖学结构的其中定位有传感器的部分。
图11是描绘了方法1100的实施例的流程图，用于显示表征解剖学结构随时间变化的运动的图形表示。方法1100包括存储运动模型(例如，图10中生成的运动模型)以及在存储器中存储静态模型1104。例如，1104的静态模型可以基于图像数据构建，诸如本文所公开的。在1106，生成了复合模型。因此，复合模型将运动模型和静态模型相组合。例如，运动模型可以提供静态模型的一部分的变形参数。在1102的存储器中的运动模型可以在实施方法1100之前生成，用于使解剖学结构的运动可视化。在其他实施例中，在与方法1100同时实施的侵入性手术期间，随着经由传感器生成追踪数据，在方法1100中在1102生成并存储在存储器中的运动模型可以在多个时刻中的每一个时刻实时生成。即图9、图10和图11的方法可以一起作为实时术中程序的一部分来实施。
在1106，生成了复合模型。复合模型将运动模型用于感兴趣的解剖学结构的一部分(对应于获得追踪数据的区域)和将静态模型用作用于解剖学结构的剩余部分的基线。因此，运动模型可以用于使静态模型的空间相关部分随时间变形。例如，1104处的静态参数模型可以对应于包括分支的整个解剖学结构的高分辨率模型。相反，运动模型可以是从几何结点得出的较低分辨率模型，基于通过如本文所公开的追踪系统在术中追踪的传感器的位置而使几何结点进一步间隔开。因此，复合模型将包括时间排序的变形参数序列，变形参数提供由静态参数模型表示的解剖学结构的一部分的运动模型。
在1108，提供了用于复合模型的时序。该时序可以是在其期间生成了解剖学模型的自由时间流(例如，在一个或多个时间区间内)。因此，序列可以表示在其期间生成了追踪数据的先前(历史或追溯)时间区间。替代地，用于复合模型的时序可以对应于当前时间(例如，实时)间隔减去标称处理时间，用于生成在1102存储的运动模型。另外地或可选地，在一些实施例中，在1108处的用于复合模型的时序与患者的解剖学功能的阶段诸如呼吸循环或心动循环相关联。如本文所公开的，用于复合模型的特定时序可以响应于用户输入进行选择或者以其他方式利用默认时序参数。在1110，根据在1108处提供的时序根据合成模型呈现图形图像的对应序列。以这种方式，用户可以使解剖学结构的一个或多个部分的随时间变化的运动在显示器(例如，监视器或抬头显示器)上可视化。如本文所公开的，可视化显示的各种参数可以响应于用户输入(例如，经由用户输入装置录入)被控制。
图12描绘了包括计算装置1200(例如，如图1所示的计算装置112)的操作环境的实施例，该计算装置可以经由I/O电路1204与追踪系统1202(例如，追踪系统112或204)通信。计算装置1200还可以与显示器装置1206对接。显示器装置1206通信地耦合至计算装置1200(例如，经由I/O电路1204)。还可以利用一个或多个用户接口装置1222来提供人机交互。用户接口1222可以经由I/O电路1204耦合至计算装置1200或者集成到计算装置中。计算装置1200可以包括一个或多个计算设备，计算设备可以包括存储器1210和处理器1210。存储器1208可以是非暂时性存储器，非暂时性存储器可以被配置为存储机器可读指令和数据1212。
例如，存储器1208可以存储各种机器可读指令和数据1212，包括操作系统1214、一个或多个应用程序1216、与一个或多个应用程序1216的至少一个相关联的一个或多个程序模块1218。操作系统1214可以是任何合适的操作系统或操作系统的组合，其可以取决于制造商和对应于不同计算机制造商的系统至系统。存储器1208可以实施为例如易失性存储器(例如，RAM)、非易失性存储器(例如，硬盘、闪存、固态驱动器等)或两者的组合。应当理解，存储器1208不需要单个固定存储器，但是存储器可以包括可以存储数据和指令的一个或多个非暂时性机器可读存储器(例如，易失性和/或非易失性存储器装置)。
存储器1208可以将与操作系统1214和/或一个或多个应用程序1216对应的数据1212和/或指令存储在单个装置中或分布在多个装置上，诸如在网络或云计算架构中。在一个实施例中，数据1212可以包括由追踪系统1202供应的追踪数据，该追踪数据表征一个或多个EM传感器(例如，传感器106)中的每个EM传感器随时间变化的3D位置和/或定向。
另外或替代地，数据1212可以包括表征患者解剖学结构的图像数据。图像数据可以通过成像模态诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像、多平面x射线等获取，图像数据可以被配置为在坐标系中提供患者解剖学结构的3D图像。处理器1210可以访问存储器1208并执行机器可读指令(例如，对应于操作系统1214和/或应用程序1216)以促进操作的执行。例如，处理器1210可以访问存储器1208以访问一个或多个应用程序1216，一个或多个应用程序实施了一个或多个程序模块以生成和利用一个或多个解剖学模型，诸如本文所公开的。例如，程序模块1218可以执行和/或控制关于图1、图2和图3公开的功能以及图8、图10和图11的方法，以便生成模型及可视化显示。
鉴于前述内容，本文公开的系统和方法使得能够在不需要电离辐射的情况下评估随时间变化的解剖学行为。这可以包括确定解剖学功能对解剖学结构的影响和/或可植入物体对解剖学结构的运动的影响(例如，在相对于解剖学结构放置和定位物体期间)。可以关于在相对于解剖学结构放置可植入装置之后捕获的运动数据来评估在相对于解剖学结构放置可植入装置之前捕获的运动数据。
作为另一个实施例，系统和方法可以表征解剖学结构在相对于解剖学结构展开可植入装置之前和之后的运动。这为可植入装置对解剖学结构的影响提供了见解，其可以用于改善。在血管内手术期间采用该系统和方法允许医务人员使血管内结构所表现的行为实时可视化，例如术中的行为，并且理解这些行为如何与患者的心脏和呼吸循环相关。这可以在不使工作人员或患者进一步暴露于电离辐射的情况下完成。
以上描述的是实施例。当然，不可能描述组件或方法的每个可想到的组合，但是本领域普通技术人员将会认识到许多其他组合和排列是可能的。因此，本发明旨在涵盖落入包括所附权利要求的本申请范围内的所有这些改变、修改和变化。如本文所用的，术语“包括(includes)”意指包括但不限于，术语“包括(including)”意指包括但不限于。术语“基于”意指至少部分地基于。另外，在本公开内容或权利要求书引用“一(a)”、“一(an)”、“第一”或“另一”要素或其等同物的情况下，其应该解释为包括一个或多个这样的要素，既不需要也不排除两个或更多这样的要素。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种表征解剖学结构的运动的系统，包括：
附接至设备的传感器，所述传感器被配置成插入所述解剖学结构内，其中，所述设备包括伸长的导丝以及至少一组机械偏置的支腿；
追踪系统，所述追踪系统生成追踪数据，所述追踪数据至少表示所述传感器在三维追踪坐标系中的随时间变化的位置；以及
计算装置，所述计算装置包括用以执行机器可读指令的处理器，所述指令用以至少：
基于时间参数和至少一个自由参数计算对所述解剖学结构在一时间区间上的行为进行表征的运动模型，所述自由参数估计所述解剖学结构的从所述追踪数据得出的几何形状，并且所述时间参数对所述时间区间上的自由参数进行索引；以及
生成所述运动模型的图形表示，以使所述解剖学结构在所述时间区间上的行为可视化。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述解剖学结构是具有管腔的管状结构，并且
其中，所述传感器沿所述管状结构的所述管腔定位。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述运动模型包括用于所述管状结构并且针对所述时间区间中的每个时刻的中心线模型，所述指令还被编程以：
基于由所述追踪数据提供的每个传感器的位置，确定沿着所述管腔的中心线的一系列几何结点；以及
针对所述几何结点中的每个几何结点，计算与所述自由参数对应的样条曲线。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述运动模型包括用于所述管状结构并且针对所述时间区间中的每个时刻的表面模型，所述指令还被编程以：
针对所述几何结点中的每个几何结点在圆形边界之间放样，所述圆形边界的大小是基于所述管状结构的直径设置的。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述指令还被编程以根据所述时间参数来计算与切向自由参数对应的样条曲线，所述切向自由参数限定所述管状结构的在所述时间区间上变化的截面形状。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述管状结构的直径是根据解剖学结构的图像数据或所述追踪数据中至少一种通过下述方式确定的：所述方式即计算与所述管腔的内壁接合的一对在径向上相反的传感器之间的距离。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6中任一项所述的系统，其中，所述传感器包括从所述导丝的远端到与所述远端间隔开的中间位置沿所述导丝的长度分布的多个传感器，所述追踪数据表示每个传感器在所述三维追踪坐标系中随时间变化的位置。
8.根据权利要求1、2、3、4、5或6中任一项所述的系统，其中，所述至少一组支腿从其附接至所述导丝的第一端向外延伸并且终止于所述支腿的远端，每组支腿被机械地偏置以在与沿所述解剖学结构的内壁的接触位置接合时将所述导丝保持在所述支腿的所述远端之间的中心位置处。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述支腿中的每个支腿包括位于其远端处的相应传感器，所述远端被配置为与沿所述解剖学结构的内壁的接触位置接合，以及
其中，所述指令还被编程以：基于与相应传感器站点相关联的所述传感器中的每个传感器的位置，确定所述解剖学结构针对所述相应传感器站点的直径。
10.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述追踪系统是电磁追踪系统，并且
其中，每个传感器被耦合以响应于由所述追踪系统提供的询问场向所述追踪系统提供传感器信号，所述追踪系统基于所述传感器信号生成所述追踪数据。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述时间参数包括循环解剖学功能，并且
其中，所述指令还被编程以使所述运动模型与所述解剖学功能的相进行时间相关，使得所述运动模型的图形表示由所述解剖学功能门控。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述解剖学功能是心动循环或呼吸循环中的至少一种，所述解剖学功能的相是基于与所述解剖学功能对应的输入数据确定的。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述指令还被编程以：将表示所述解剖学结构的图形图像的图像数据与所述追踪坐标系进行配准，以及将所述解剖学结构的经配准的图形图像叠加在所述解剖学结构的图形图像上，以使所述解剖学结构的行为关于所述解剖学结构的图形图像可视化。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述指令还被编程以将所述运动模型和所述解剖学结构的静态模型相组合并由此生成复合模型，在所述复合模型中，所述运动模型提供变形参数以描述所述解剖学结构的一部分在所述时间区间期间的空间变化。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述静态模型包括在所述追踪数据被生成之前从图像数据得出的参数模型。
16.一种方法，包括：
将追踪数据存储在存储器中，所述追踪数据由追踪系统在相对于患者的解剖学结构被固定时生成，用以至少表示至少一个传感器在三维追踪坐标系中随时间变化的位置，所述至少一个传感器设置于包括伸长的导丝和至少一组机械偏置的支腿的设备上，所述至少一组机械偏置的支腿从所述导丝向外延伸；
生成对所述解剖学结构在多个时刻上的空间行为进行表征的运动模型，所述运动模型包括时间参数和至少一个自由参数，每个自由参数估计从所述追踪数据得出的所述解剖学结构的几何形状，并且所述时间参数对所述多个时刻上的所述自由参数进行索引；以及
生成可视化显示，所述可视化显示基于所述运动模型提供图形图像序列，以表征所述解剖学结构随时间变化的行为。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括使可视化显示中的所述运动模型与所述患者的解剖学功能的相进行时间相关，使得所述可视化显示由所述解剖学功能门控。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括接收与所述解剖学功能对应的输入数据，其中，所述解剖学功能包括心动循环或呼吸循环。
19.根据权利要求16、17或18所述的方法，其中，所述解剖学结构包括具有管腔的伸长的管状结构，在所述至少一个传感器留驻于所述管腔内时所述追踪数据被生成。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述运动模型包括用于所述管状结构并且针对所述时刻中的每个时刻的中心线模型，所述方法还包括：
基于所述追踪数据中提供的每个传感器的位置，确定沿着所述管腔的中心线的一系列几何结点；以及
针对所述几何结点中的每个几何结点，计算与所述自由参数对应的样条曲线。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述运动模型还包括用于所述管状结构并且针对所述时刻中的每一个时刻的表面模型，所述方法还包括：针对所述几何结点中的每个几何结点，在圆形边界之间放样，以表示所述管状结构的外表面。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：根据所述时间参数来计算与切向自由参数对应的样条曲线，所述切向自由参数限定所述管状结构的随时刻序列变化的截面形状。
23.根据权利要求22所述的方法，基于所述管状结构的直径来设定每个圆形边界的尺寸，所述管状结构的直径是根据解剖学结构的图像数据或所述追踪数据中的至少一种确定的。
24.根据权利要求16所述的方法，还包括：
存储表示所述解剖学结构的图形图像的图像数据；
使所述图像数据与所述运动模型在空间上配准；以及
将所述可视化显示叠加在所述解剖学结构的所述图形图像上，以关于所述解剖学结构的图形图像显示所述解剖学结构的行为。
25.根据权利要求16所述的方法，还包括：
将静态模型存储到存储器中，所述静态模型包括所述解剖学结构的参数模型；
将所述解剖学结构的运动模型和所述静态模型相组合并由此生成复合模型，在所述复合模型中，所述运动模型提供变形参数以描述所述解剖学结构的一部分随时间的空间变化。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，在所述追踪数据被生成之前，从所获取的用于所述解剖学结构的图像数据得出所述静态模型。
27.根据权利要求16所述的方法，其中，所述运动模型是针对第一时间区间生成的第一运动模型，所述方法还包括：
生成用于所述解剖学结构的在第二时间区间期间的第二运动模型；
计算所述第一运动模型与所述第二运动模型之间的差异；以及
生成所计算的差异的视觉化显示，以表征所述解剖学结构的行为在所述第一时间区间和第二时间区间之间的变化。
28.根据权利要求16所述的方法，其中，所述传感器包括从所述导丝的远端到与所述远端间隔开的中间位置沿所述导丝的长度分布的多个传感器，所述导丝定位在所述解剖学结构内，使得所述追踪数据表示每个传感器在所述三维追踪坐标系中随时间变化的位置。
29.根据权利要求16所述的方法，所述至少一组支腿从其附接至所述导丝的第一端向外延伸并且终止于所述支腿的远端，每组支腿被机械地偏置以在与沿着所述解剖学结构的内壁的接触位置接合时将所述导丝保持在所述支腿的远端之间的中心位置处。
30.根据权利要求1或8所述的系统，其中，所述至少一组支腿包括沿所述导丝的长度分布的多组支腿，所述支腿中的至少一些包括位于其远端处的能够随所述解剖学结构的壁移动的传感器。
31.根据权利要求16或29所述的方法，其中，所述至少一组支腿包括沿所述导丝的长度分布的多组支腿，所述支腿中的至少一些包括位于其远端处的能够随所述解剖学结构的壁移动的传感器。

Claims (29)

1.一种表征解剖学结构的运动的系统，包括：
附接至设备的传感器，所述传感器被配置成插入所述解剖学结构内；
追踪系统，所述追踪系统生成追踪数据，所述追踪数据至少表示所述传感器在三维追踪坐标系中的随时间变化的位置；以及
计算装置，所述计算装置包括用以执行机器可读指令的处理器，所述指令用以至少：
基于时间参数和至少一个自由参数计算对所述解剖学结构在一时间区间上的行为进行表征的运动模型，所述自由参数估计所述解剖学结构的从所述追踪数据得出的几何形状，并且所述时间参数对所述时间区间上的自由参数进行索引；以及
生成所述运动模型的图形表示，以使所述解剖学结构在所述时间区间上的行为可视化。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述解剖学结构是具有管腔的管状结构，并且
其中，所述传感器沿所述管状结构的所述管腔定位。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述运动模型包括用于所述管状结构并且针对所述时间区间中的每个时刻的中心线模型，所述指令还被编程以：
基于由所述追踪数据提供的每个传感器的位置，确定沿着所述管腔的中心线的一系列几何结点；以及
针对所述几何结点中的每个几何结点，计算与所述自由参数对应的样条曲线。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其中，所述运动模型包括用于所述管状结构并且针对所述时间区间中的每个时刻的表面模型，所述指令还被编程以：
针对所述几何结点中的每个几何结点在圆形边界之间放样，所述圆形边界的大小是基于所述管状结构的直径设置的。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述指令还被编程以根据所述时间参数来计算与切向自由参数对应的样条曲线，所述切向自由参数限定所述管状结构的在所述时间区间上变化的截面形状。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述管状结构的直径是根据解剖学结构的图像数据或所述追踪数据中至少一种通过下述方式确定的：所述方式即计算与所述管腔的内壁接合的一对在径向上相反的传感器之间的距离。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6中任一项所述的系统，其中，所述设备还包括伸长的导丝，并且所述传感器包括从所述导丝的远端到与所述远端间隔开的中间位置沿所述导丝的长度分布的多个传感器，所述追踪数据表示每个传感器在所述三维追踪坐标系中随时间变化的位置。
8.根据权利要求1、2、3、4、5或6中任一项所述的系统，其中，所述设备还包括伸长的导丝，所述导丝包括至少一组支腿，所述支腿从其附接至所述导丝的第一端向外延伸并且终止于所述支腿的远端，每组支腿被机械地偏置以在与沿所述解剖学结构的内壁的接触位置接合时将所述导丝保持在所述支腿的所述远端之间的中心位置处。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述支腿中的每个支腿包括位于其远端处的相应传感器，所述远端被配置为与沿所述解剖学结构的内壁的接触位置接合，以及
其中，所述指令还被编程以：基于与相应传感器站点相关联的所述传感器中的每个传感器的位置，确定所述解剖学结构针对所述相应传感器站点的直径。
10.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述追踪系统是电磁追踪系统，并且
其中，每个传感器被耦合以响应于由所述追踪系统提供的询问场向所述追踪系统提供传感器信号，所述追踪系统基于所述传感器信号生成所述追踪数据。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述时间参数包括循环解剖学功能，并且
其中，所述指令还被编程以使所述运动模型与所述解剖学功能的相进行时间相关，使得所述运动模型的图形表示由所述解剖学功能门控。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述解剖学功能是心动循环或呼吸循环中的至少一种，所述解剖学功能的相是基于与所述解剖学功能对应的输入数据确定的。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述指令还被编程以：将表示所述解剖学结构的图形图像的图像数据与所述追踪坐标系进行配准，以及将所述解剖学结构的经配准的图形图像叠加在所述解剖学结构的图形图像上，以使所述解剖学结构的行为关于所述解剖学结构的图形图像可视化。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述指令还被编程以将所述运动模型和所述解剖学结构的静态模型相组合并由此生成复合模型，在所述复合模型中，所述运动模型提供变形参数以描述所述解剖学结构的一部分在所述时间区间期间的空间变化。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述静态模型包括在所述追踪数据被生成之前从图像数据得出的参数模型。
16.一种方法，包括：
将追踪数据存储在存储器中，所述追踪数据由追踪系统在相对于患者的解剖学结构被固定时生成，用以至少表示至少一个传感器在三维追踪坐标系中随时间变化的位置；
生成对所述解剖学结构在多个时刻上的空间行为进行表征的运动模型，所述运动模型包括时间参数和至少一个自由参数，每个自由参数估计从所述追踪数据得出的所述解剖学结构的几何形状，并且所述时间参数对所述多个时刻上的所述自由参数进行索引；以及
生成可视化显示，所述可视化显示基于所述运动模型提供图形图像序列，以表征所述解剖学结构随时间变化的行为。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括使可视化显示中的所述运动模型与所述患者的解剖学功能的相进行时间相关，使得所述可视化显示由所述解剖学功能门控。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括接收与所述解剖学功能对应的输入数据，其中，所述解剖学功能包括心动循环或呼吸循环。
19.根据权利要求16、17或18所述的方法，其中，所述解剖学结构包括具有管腔的伸长的管状结构，在所述至少一个传感器留驻于所述管腔内时所述追踪数据被生成。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述运动模型包括用于所述管状结构并且针对所述时刻中的每个时刻的中心线模型，所述方法还包括：
基于所述追踪数据中提供的每个传感器的位置，确定沿着所述管腔的中心线的一系列几何结点；以及
针对所述几何结点中的每个几何结点，计算与所述自由参数对应的样条曲线。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述运动模型还包括用于所述管状结构并且针对所述时刻中的每一个时刻的表面模型，所述方法还包括：针对所述几何结点中的每个几何结点，在圆形边界之间放样，以表示所述管状结构的外表面。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：根据所述时间参数来计算与切向自由参数对应的样条曲线，所述切向自由参数限定所述管状结构的随时刻序列变化的截面形状。
23.根据权利要求22所述的方法，基于所述管状结构的直径来设定每个圆形边界的尺寸，所述管状结构的直径是根据解剖学结构的图像数据或所述追踪数据中的至少一种确定的。
24.根据权利要求16所述的方法，还包括：
存储表示所述解剖学结构的图形图像的图像数据；
使所述图像数据与所述运动模型在空间上配准；以及
将所述可视化显示叠加在所述解剖学结构的所述图形图像上，以关于所述解剖学结构的图形图像显示所述解剖学结构的行为。
25.根据权利要求16所述的方法，还包括：
将静态模型存储到存储器中，所述静态模型包括所述解剖学结构的参数模型；
将所述解剖学结构的运动模型和所述静态模型相组合并由此生成复合模型，在所述复合模型中，所述运动模型提供变形参数以描述所述解剖学结构的一部分随时间的空间变化。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，在所述追踪数据被生成之前，从所获取的用于所述解剖学结构的图像数据得出所述静态模型。
27.根据权利要求16所述的方法，其中，所述运动模型是针对第一时间区间生成的第一运动模型，所述方法还包括：
生成用于所述解剖学结构的在第二时间区间期间的第二运动模型；
计算所述第一运动模型与所述第二运动模型之间的差异；以及
生成所计算的差异的视觉化显示，以表征所述解剖学结构的行为在所述第一时间区间和第二时间区间之间的变化。
28.根据权利要求16所述的方法，其中，所述传感器包括从导丝的远端到与所述远端间隔开的中间位置沿所述导丝的长度分布的多个传感器，所述导丝定位在所述解剖学结构内，使得所述追踪数据表示每个传感器在所述三维追踪坐标系中随时间变化的位置。
29.根据权利要求16所述的方法，其中，设备还包括伸长的导丝，所述导丝包括至少一组支腿，所述支腿从其附接至所述导丝的第一端向外延伸并且终止于所述支腿的远端，每组支腿被机械地偏置以在与沿着所述解剖学结构的内壁的接触位置接合时将所述导丝保持在所述支腿的远端之间的中心位置处。
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