CN111243084B - 一种用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法 - Google Patents

一种用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于模型构建技术领域，公开了一种用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法。本发明包括：获取三维心脏电生理图及对应的心脏横截面三维图像集；进行配准操作得到初步心脏三维模型；判断当前初步心脏三维模型中是否存在伪像，如是，则重复上述步骤，如否，则得到目标体三维结构轮廓；将包括目标体三维结构轮廓的初步心脏三维模型作为最终心脏三维模型输出。本发明通过三维心脏电生理图及心脏横截面三维图像集生成可以用于心脏放射治疗且具有参考意义的最终心脏三维模型，使得基于标准放射外科设备的射线消融目标点来治疗室性心动过速具有可实施性，进而有效缩短室性心动过速的治疗时间，并能够在一定程度上简化治疗过程，适于推广使用。

Description

一种用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法
技术领域
本发明属于模型构建技术领域，具体涉及一种用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法。
背景技术
室性心动过速是心脏的心律不齐，针对室性心动过速的现有常规治疗方法是将导管插入心脏，然后导管从心脏表面内侧的大量点记录电压数据形成电压图，然后医生分析电压图，并定义消融的目标区域，然后在目标区域通过导管发出阻塞电压，进而将热能带入目标位置来改变心脏的节律性激活周期。上述导管治疗室性心动过速通常是有效的，但是针对目标区域位于心脏内部的情况，导管治疗会在心脏内产生比目标区域更大的损伤，有可能会对心脏造成不可逆的损害，甚至使病人处于危急状态。
如果基于标准放射外科设备的射线消融目标区域来治疗室性心动过速，则可以实现心脏内的目标区域治疗，简化治疗过程，减少不必要的损伤；要实现基于标准放射外科设备的射线消融目标区域，则需要将显示了心脏上各个位置的电压的三维电生理数据图与现有的CT数据集结合。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
1)现有技术中必须获取电压数据，并将这些电生理数据手动标记到CT数据集上，手动将电生理数据标记到CT数据集中既费时又难以实现；
2)三维电生理数据图与CT数据集两者采用不同的坐标系，电生理数据的坐标与CT数据集中数据的坐标的相对位置未知；
3)三维电生理数据和放射外科手术机器的数据格式不同，三维电生理数据为大量三维点的电压数据，这种带有属性数据的点云数据不能直接转换为标准放射外科手术机器对应的数据格式。
发明内容
本发明旨在于至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
为此，本发明目的在于提供一种用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法，由此使得能够生成用于心脏放射治疗且具有参考意义的心脏三维模型。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法，包括以下步骤：
获取三维心脏电生理图及对应的心脏横截面三维图像集；
对当前三维心脏电生理图与心脏横截面三维图像集进行配准操作，得到初步心脏三维模型；
判断当前初步心脏三维模型中是否存在伪像，如是，则重新获取三维心脏电生理图和/或心脏横截面三维图像集，然后重新进行配准操作，如否，则根据当前初步心脏三维模型中的电生理数据及图形数据得到目标体三维结构轮廓；
将包括目标体三维结构轮廓的初步心脏三维模型作为最终心脏三维模型输出。
作为优选，得到初步心脏三维模型时，具体步骤如下：
将当前三维心脏电生理图的数据格式处理为DICOM RT格式，得到过程三维心脏电生理图；
获取当前心脏横截面三维图像集中的多张心脏横截面图像；
采用基于点线面几何特征约束的配准方法将过程三维心脏电生理图与多张心脏横截面图像进行处理得到初步心脏三维模型，其中，配准操作中，过程三维心脏电生理图的三维坐标与当前心脏横截面三维图像集的坐标统一，当前初步心脏三维模型包括过程三维心脏电生理图中的所有电生理数据。
作为优选，判断当前初步心脏三维模型中是否存在伪像时采用基于深度学习的伪像检测算法完成。
作为优选，心脏横截面三维图像集至少为1组。
作为优选，对当前三维心脏电生理图与心脏横截面三维图像集进行配准操作时，如当获取的心脏横截面三维图像集大于1组，则在进行配准操作前还包括以下步骤：
分别获取多个心脏横截面三维图像集中的多个心脏横截面图像；
依次标记每个心脏横截面图像中清晰度最高的结构轮廓；
将每个结构轮廓对应的清晰度最高的心脏横截面图像作为当前结构轮廓的最优图像；
将多个结构轮廓对应的多个最优图像进行预处理，得到过程心脏横截面三维图像集；
对当前过程心脏横截面三维图像集及对应的当前三维心脏电生理图进行配准操作。
作为优选，标记每个心脏横截面图像中的结构轮廓时，采用多段线构成的多边形来实现结构轮廓的标记。
作为优选，计算每个心脏横截面图像中各个结构轮廓的清晰度时，通过对比度增强的方式计算每个结构轮廓在每个心脏横截面图像中的清晰度。
作为优选，将多个结构轮廓对应的多个最优图像进行预处理时，具体步骤如下：
依次对每个结构轮廓对应的最优图像中包括该结构轮廓的部分进行勾画操作，得到多个结构轮廓横截面图像，其中，每个结构轮廓横截面图像与标记的该结构轮廓多边形对应；
对多个结构轮廓横截面图像进行组合操作，得到多个过程心脏横截面图像；
多个过程心脏横截面图像构成过程心脏横截面三维图像集。
作为优选，分别获取多个心脏横截面三维图像集中的多个心脏横截面图像前，对所有心脏横截面三维图像集进行一致性计算。
作为优选，心脏横截面三维图像集为CT数据集、MRI数据集、SPECT数据集及PETCT数据集中的一种或几种。
作为优选，最终心脏三维模型的数据格式为DICOM RT格式。
本发明的有益效果为：
通过三维心脏电生理图及心脏横截面三维图像集生成可以用于心脏放射治疗且具有参考意义的最终心脏三维模型，使得基于标准放射外科设备的射线消融目标点来治疗室性心动过速具有可实施性，进而有效缩短室性心动过速的治疗时间，并能够在一定程度上简化治疗过程，适于推广使用。
本发明的其他有益效果将在具体实施方式中进行详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本发明公开的功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本发明阐述的实施例中。
应当理解，本发明使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本发明中被使用时，指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性，并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如，取决于所涉及的功能/动作，实际上可以实质上并发地执行，或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法，包括以下步骤：
获取三维心脏电生理图及对应的心脏横截面三维图像集；
对当前三维心脏电生理图与心脏横截面三维图像集进行配准操作，得到初步心脏三维模型；
判断当前初步心脏三维模型中是否存在伪像，如是，则重新获取三维心脏电生理图和/或心脏横截面三维图像集，然后重新进行配准操作，如否，则根据当前初步心脏三维模型中的电生理数据及图形数据得到目标体三维结构轮廓；
将包括目标体三维结构轮廓的初步心脏三维模型作为最终心脏三维模型输出。
心脏横截面三维图像集可用于定位心脏内部的目标区域，以通过放射外科手术进行治疗室性心动过速，其中，放射外科手术过程中是将辐射束引导到目标区域；对于心脏放射外科手术，目标不是肿瘤，而是心脏壁或心脏上的目标。而要实现通过放射外科手术进行治疗室性心动过速，需要将来自心脏的电生理学在放射外科手术机器的坐标中表示，而现有技术中的心脏横截面三维图像集可直接在放射外科手术机器中显示，因此需要将三维心脏电生理图与心脏横截面三维图像集的坐标及格式等进行统一。
心脏横截面图像显示心脏的解剖结构，心脏横截面三维图像集的坐标是已知的，因此可以实现自动描绘心脏横截面图像中的目标体结构轮廓，目标体可以但不仅限于为目标肿瘤等，目标体结构轮廓是一个多边形。通常，对于单个目标体，每个心脏横截面图像中都会有目标体结构轮廓，心脏横截面三维图像集中的一系列多边形一起定义了一个三维区域，该三维区域即为目标体的三位结构轮廓。
在具体应用中，外科医生将目标区域所需的剂量值输入系统，机器计算一组光束方向，以瞄准此目标体，进而使用现有的放射外科手术手段完成室性心动过速的治疗。
实施例2
本实施例提供的技术方案是在实施例1的技术方案基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例1的区别在于：
本实施例中，得到初步心脏三维模型时，具体步骤如下：
将当前三维心脏电生理图的数据格式处理为DICOM RT格式，得到过程三维心脏电生理图；
获取当前心脏横截面三维图像集中的多张心脏横截面图像；
采用基于点线面几何特征约束的配准方法将过程三维心脏电生理图与多张心脏横截面图像进行处理得到初步心脏三维模型，其中，配准操作中，过程三维心脏电生理图的三维坐标与当前心脏横截面三维图像集的坐标统一，当前初步心脏三维模型包括过程三维心脏电生理图中的所有电生理数据。
作为其中一种优选的实施方式，配准操作采用现有的矩阵缩放算法实现，具体的，可以通过缩小或放大三维心脏电生理图的部分体积，以使三维心脏电生理图中的三维心脏形状适合心脏横截面三维图像构成的三维心脏形状，以此来补偿在配准操作期间源自心脏运动的伪像。
实施例3
本实施例提供的技术方案是在实施例1或2的技术方案基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例1或2的区别在于：
本实施例中，判断当前初步心脏三维模型中是否存在伪像时采用基于深度学习的伪像检测算法完成。
实施例4
本实施例提供的技术方案是在实施例1-3任一的技术方案基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例1-3任一的区别在于：
本实施例中，心脏横截面三维图像集至少为1组，由此使得最终结果更加准确，具体的，在有多个心脏横截面三维图像集的情况下，不同方式得到的心脏横截面三维图像集在某些方面会更优，如CT数据集的空间分辨率较高，但软组织分辨率不如MRI数据集，所以有时需要用到多种心脏横截面三维图像集互补才能看清心脏内的所有结构轮廓；因此，将各个心脏横截面三维图像集中清晰的结构轮廓合并在一起能够得到清晰度和准确性更高的最终心脏三维模型。
实施例5
本实施例提供的技术方案是在实施例4的技术方案基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例4的区别在于：
本实施例中，对当前三维心脏电生理图与心脏横截面三维图像集进行配准操作时，如当获取的心脏横截面三维图像集大于1组，则在进行配准操作前还包括以下步骤：
分别获取多个心脏横截面三维图像集中的多个心脏横截面图像；
依次标记每个心脏横截面图像中清晰度最高的结构轮廓；
将每个结构轮廓对应的清晰度最高的心脏横截面图像作为当前结构轮廓的最优图像；
将多个结构轮廓对应的多个最优图像进行预处理，得到过程心脏横截面三维图像集；
对当前过程心脏横截面三维图像集及对应的当前三维心脏电生理图进行配准操作。
由此即可通过多个心脏横截面三维图像集得到一个相对最清晰的过程心脏横截面三维图像集，避免伪像产生，进而提高后续三维模型的准确率。
实施例6
本实施例提供的技术方案是在实施例5的技术方案基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例5的区别在于：
本实施例中，标记每个心脏横截面图像中的结构轮廓时，采用多段线构成的多边形来实现结构轮廓的标记；其中，用于表示每个结构轮廓的多边形由多个线段组成，每个线段的颜色不同，不同的颜色表示该线段对应的电生理数据的电压值不同。
本实施例中，计算每个心脏横截面图像中各个结构轮廓的清晰度时，通过对比度增强的方式计算每个结构轮廓在每个心脏横截面图像中的清晰度。
实施例7
本实施例提供的技术方案是在实施例5或6的技术方案基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例5或6的区别在于：
本实施例中，将多个结构轮廓对应的多个最优图像进行预处理时，具体步骤如下：
依次对每个结构轮廓对应的最优图像中包括该结构轮廓的部分进行勾画操作，得到多个结构轮廓横截面图像，其中，每个结构轮廓横截面图像与标记的该结构轮廓多边形对应；
对多个结构轮廓横截面图像进行组合操作，得到多个过程心脏横截面图像；
多个过程心脏横截面图像构成过程心脏横截面三维图像集。
实施例8
本实施例提供的技术方案是在实施例5-7任一的技术方案基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例5-7任一的区别在于：
本实施例中，分别获取多个心脏横截面三维图像集中的多个心脏横截面图像前，对所有心脏横截面三维图像集进行一致性计算，由此避免不同方式得到的心脏横截面三维图像集采用不同的坐标系进而影响最终心脏三维模型的准确性。
实施例9
本实施例提供的技术方案是在实施例1-8任一的技术方案基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例1-8任一的区别在于：
本实施例中，心脏横截面三维图像集为CT数据集、MRI数据集、SPECT数据集及PETCT数据集中的一种或几种，由此使得本发明可以通过现有的各类心脏横截面三维图像集得到最终心脏三维模型，避免使用单一数据类型造成的数据采集不便。
实施例10
本实施例提供的技术方案是在实施例1-9任一的技术方案基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例1-9任一的区别在于：
本实施例中，最终心脏三维模型的数据格式为DICOM RT格式，DICOM RT格式为现有的放射外科手术机器采用的通用数据格式，由此使得最终心脏三维模型可以直接应用于现有的放射外科手术机器。
以上所描述的实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (5)

1.一种用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
获取三维心脏电生理图及对应的心脏横截面三维图像集；
对当前三维心脏电生理图与心脏横截面三维图像集进行配准操作，得到初步心脏三维模型；
判断当前初步心脏三维模型中是否存在伪像，如是，则重新获取三维心脏电生理图和/或心脏横截面三维图像集，然后重新进行配准操作，如否，则根据当前初步心脏三维模型中的电生理数据及图形数据得到目标体三维结构轮廓；
将包括目标体三维结构轮廓的初步心脏三维模型作为最终心脏三维模型输出；
心脏横截面三维图像集至少为1组；
对当前三维心脏电生理图与心脏横截面三维图像集进行配准操作时，如当获取的心脏横截面三维图像集大于1组，则在进行配准操作前还包括以下步骤：
分别获取多个心脏横截面三维图像集中的多个心脏横截面图像；
依次标记每个心脏横截面图像中的结构轮廓；
将每个结构轮廓对应的清晰度最高的心脏横截面图像作为当前结构轮廓的最优图像；
将多个结构轮廓对应的多个最优图像进行预处理，得到过程心脏横截面三维图像集；
对当前过程心脏横截面三维图像集及对应的当前三维心脏电生理图进行配准操作；
标记每个心脏横截面图像中的结构轮廓时，采用多段线构成的多边形来实现结构轮廓的标记；计算每个心脏横截面图像中各个结构轮廓的清晰度时，通过对比度增强的方式计算每个结构轮廓在每个心脏横截面图像中的清晰度；
将多个结构轮廓对应的多个最优图像进行预处理时，具体步骤如下：
依次对每个结构轮廓对应的最优图像中包括该结构轮廓的部分进行勾画操作，得到多个结构轮廓横截面图像，其中，每个结构轮廓横截面图像与标记的该结构轮廓多边形对应；
对多个结构轮廓横截面图像进行组合操作，得到多个过程心脏横截面图像；
多个过程心脏横截面图像构成过程心脏横截面三维图像集；
分别获取多个心脏横截面三维图像集中的多个心脏横截面图像前，对所有心脏横截面三维图像集进行一致性计算。
2.根据权利要求1所述的用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法，其特征在于：得到初步心脏三维模型时，具体步骤如下：
将当前三维心脏电生理图的数据格式处理为DICOM RT格式，得到过程三维心脏电生理图；
获取当前心脏横截面三维图像集中的多张心脏横截面图像；
采用基于点线面几何特征约束的配准方法将过程三维心脏电生理图与多张心脏横截面图像进行处理得到初步心脏三维模型，其中，配准操作中，过程三维心脏电生理图的三维坐标与当前心脏横截面三维图像集的坐标统一，当前初步心脏三维模型包括过程三维心脏电生理图中的所有电生理数据。
3.根据权利要求2所述的用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法，其特征在于：判断当前初步心脏三维模型中是否存在伪像时采用基于深度学习的伪像检测算法完成。
4.根据权利要求1所述的用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法，其特征在于：心脏横截面三维图像集为CT数据集、MRI数据集、SPECT数据集及PETCT数据集中的一种或几种。
5.根据权利要求1-4任一所述的用于心脏放射治疗中的心脏三维模型构建方法，其特征在于：最终心脏三维模型的数据格式为DICOM RT格式。
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