專利名稱：用于干預性磁共振成像的主動導管重構的制作方法
技術領域：
本公開涉及磁共振成像，并且更具體地涉及用于干預性磁共振成像的主動(active)導管重構。
背景技術：
心臟節律障礙(心律不齊)的特征在于心臟中的異常電活動。心臟節律障礙可以促使心臟搏動過快、過慢或不規則，并且可能是危及生命的狀況。心房纖維性顫動是心臟節律障礙的特別常見的形式。在這里，心臟的上面的兩個室(稱為心房)以不規則的間隔搏動。此不規則搏動可能是由可以由患病或受損的心臟組織產生的異常電脈沖引起的。慢性心房纖維性顫動以及其它形式的心臟節律障礙可能將病人置于針對諸如中風的某些狀況的更大風險。可以使用諸如導管消融的治療來治療諸如心房纖維性顫動的心臟節律障礙。在導管消融中，導管被插入病人的血管中并隨后朝著心臟前進。當與負責生成異常電脈沖的心臟組織進行接觸時，導管被用來破壞該責任組織，使得可以恢復正常的電脈沖。一般地使用熱量來執行責任組織的消融。也稱為肺靜脈前庭隔離或PVAI的肺靜脈消融是用于心房纖維性顫動的常見治療。適當的可視化是諸如執行PVAI時的成功干預中的重要因素。在可視化中，可以在視覺上向執行干預的醫師從業者呈現導管、導線或其它器材的位置，例如通過在醫學圖像上疊加導管的位置，使得醫師從業者能夠在使諸如穿孔的復雜化的風險最小化的同時準確地將導管引導至其目的地。
發明內容
一種用于設備可視化的方法包括接收包括設備內的多個標記的空間關系的描述的一組物理特性。獲取對象體內的設備的射線照相數據。在射線照相數據內標識所述多個標記中的每一個的近似位置。基于每個標記的所標識近似位置和接收到的一組物理特性針對對象體內的設備來構造軌跡函數。基于該組物理特性針對該設備來構造分段函數。基于所構造的軌跡函數和分段函數針對設備來生成3D模型。在顯示設備上顯示3D模型的呈現。該設備可以是導管且所述多個標記可以包括一個或多個微彈簧圈(miciO-coil)。該組物理特性可以包括一個或多個微彈簧圈中的相鄰微彈簧圈之間的距離和導管的最大可能曲率或彎曲的度量。該軌跡函數可以是由用于樣條函數的節點向量、控制點的向量以及多項式的次數定義的數學樣條函數。可以改變節點向量和控制點的向量以找到滿足接收到的該組物理特性的一個或多個約束的樣條函數。該樣條函數可以是給定多項式的次數的分段多項式函數。用于樣條函數的多項式的次數可以是三。可以使樣條函數的曲線能量最小化。該樣條函數可以是B樣條函數。該樣條函數可以是非均勻有理B樣條(NURBS)函數。射線照相數據可以是MR圖像。分段函數可以具有預定形狀。該預定形狀可以是圓形。圓形的半徑可以取決于沿著軌跡函數的長度。3D模型可以是3D網格，并且該3D網格可以包括沿著軌跡函數掃描分段函數。構造軌跡函數可以包括按照特定順序通過標記的每個所標識近似位置對軌跡函數的曲線進行內插。構造軌跡函數可以包括通過允許曲線不與標記的每個所標識近似位置相交并通過使被計算為標記的每個所標識近似位置與沿著曲線的相應點之間的距離的誤差和最小化來近似軌跡函數的曲線。標識射線照相數據內的所述多個標記中的每一個的近似位置可以包括確定用于該近似位置的置信度或概率。在生成3D模型之前，可以確定軌跡函數是否是退化的，并且在軌跡函數被確定為是退化的情況下，在顯示設備上顯示警告消息。一種用于提供用于干預指導的可視化的方法包括獲取射線照相研究。在所獲取的射線照相研究內標識設備內的一組標記。根據射線照相研究內的所標識的該組標記的位置和設備的物理特性的先驗知識將曲線擬合到所標識的該組標記。通過在擬合曲線上對準設備的可變形模型來生成用于設備的3D模型。在顯示設備上顯示3D模型的呈現以用于干預指導。設備的物理特性的先驗知識包括設備內的標記之間的距離和設備的最大可能曲率或彎曲程度。該曲線可以是由用于樣條函數的節點向量、控制點的向量和多項式的次數來定義的數學樣條函數，并且可以改變節點向量和控制點的向量以找到滿足該設備的物理特性的先驗知識的一個或多個約束的樣條函數。生成用于設備的3D模型可以包括沿著擬合曲線掃描分段曲線。計算機系統包括處理器和非瞬時有形程序存儲介質，其可被計算機系統讀取，體現可由處理器實行以執行用于設備可視化的方法步驟的指令程序。該方法包括接收一組物理特性，其包括設備內的多個標記的空間關系的描述。獲取對象體內的設備的射線照相掃描。在射線照相掃描內標識所述多個標記中的每一個的近似位置。基于每個標記的所標識近似位置和接收到的該組物理特性針對對象體內的設備構造數學樣條函數。基于構造的樣條函數來生成用于設備的3D模型。在顯示設備上顯示3D模型的呈現。
將很容易獲得本公開以及其許多伴隨方面的更完整認識，因為當結合附圖來考慮時通過參考以下詳細描述，其將被更好地理解，在所述附圖中
圖1是舉例說明依照本發明的示例性實施例的用于提供干預可視化的方法步驟的流程 圖2是舉例說明依照本發明的示例性實施例的用于提供醫學設備重構的方法的流程
圖3是舉例說明依照本發明的示例性實施例的可以使用的醫學設備和一組物理性質的 圖4是依照本發明的示例性實施例的用來表示醫學設備曲線的B樣條函數的圖示；
圖5是依照本發明的示例性實施例的分段曲線和軌跡曲線的圖示；
圖6是依照本發明的示例性實施例的通過沿著軌跡曲線掃描分段曲線產生的3D設備網格的圖不；以及
圖7示出能夠實現根據本發明的實施例的方法和設備的計算機系統的示例。
具體實施方式
在描述附圖所示的本公開的示例性實施例時，為了明了起見采用特定術語。然而，本公開并不意圖局限于這樣選擇的特定術語，并且應理解的是每個特定元件包括以類似方式操作的所有技術等價物。本發明的示例性實施例提供了一種用于在干預期間精確地對諸如導管或導線的醫學設備進行定位的方法。替代依賴于使病人暴露于連續劑量的潛在有害的電離輻射的熒光鏡檢查，本發明的示例性實施例采用磁共振(MR)成像技術來提供用于可視化的連續或周期性遙測技術。為了增強醫學設備的可視性，可以在其中嵌入無源或有源標記。無源標記僅僅是由被已知在所采用的成像模式內清楚地呈現的材料構成的對象，而有源標記是在被暴露于成像模式時傳送可標識信號的標記。適當的有源標記的一個示例是微彈簧圈，其可以在各種位置處被嵌入醫學設備中，使得當被暴露于成像模式時可以生成可標識信號。雖然在本文中參考有源標記和MR成像來描述本發明的示例性實施例，但應理解的是無論所使用的標記類型或所使用的成像模式如何，都可以應用這些技術。例如，該標記可以是由不透輻射材料構造而成的無源標記，并且成像模式可以是熒光鏡檢查。無論所使用的標記類型如何，本發明的示例性實施例利用醫學器材的幾何結構的先驗知識和被嵌入其中的標記的相對位置，并且因此，這些詳細說明可以是已知且可檢索的。在干預期間，觀察關于標記的位置信息并用來構造曲線，其受到器材幾何結構的先驗知識的約束。然后可以由醫學器材的幾何結構的先驗知識和曲線來構造三維(3D)網格。可以向醫師從業者顯示所構造的3D網格以在干預期間提供指導。圖1是舉例說明依照本發明的示例性實施例的用于提供干預可視化的方法步驟的流程圖。醫學設備的物理性質可以是先驗已知的。可以將這些物理性質例如存儲為形狀模型或作為一組特性，并且然后在干預期間或之前被檢索(retrieve)(步驟S101)。然后可以獲取醫學圖像數據(步驟S102)。醫學圖像數據可以是從MR掃描儀獲取的MR圖像數據。可以連續地或周期性地獲取醫學圖像數據。根據醫學圖像數據，可以測量各種輸入(步驟S103)。這些輸入可以包括醫學設備內的每個標記的所觀察位置和(在可用的情況下)用于所觀察位置中的一個或多個的置信度的度量。每個標記的所觀察位置可以包括具有沿著全部三個空間方向(x、y和z)的一維(ID)投影的測量位置。結果可以是用于每個標記的一組三維坐標。在標記包括微彈簧圈的情況下，可以使用特殊化MR獲取來確定這些位置坐標。然后可以基于標記位置坐標、置信度的度量(在可用的情況下)和從醫學設備的已知物理性質導出的幾何約束來定義曲線(步驟S104)。該曲線可以表示由標記定義的醫學設備的物理形狀的模型。由于醫學設備可以是柔性的且可以隨著其穿過病人的身體而變形，所以被選擇用于表示曲線的數學函數可以能夠以自然的方式表示該變形。本發明的示例性實施例可以利用分段多項式函數來表示曲線。例如，可以使用諸如B樣條函數的樣條函數。根據本發明的某些示例性實施例，該樣條函數還可以是非均勻有理B樣條(NURBS)函數。圖4是依照本發明的示例性實施例的用來表示醫學設備曲線的B樣條函數的圖示。如在圖中可以看到的，可以由三個參數來定義唯一 B樣條函數。這些參數可以包括節點向量tp控制點(de Boor點)的向量Pi以及多項式的次數η。在這里，i表示編號的標記位置i = O…imax。可以將多項式的次數η選擇為在提供平滑度、二階導數連續性的同時提供高自由度，并在避免引入Runge現象的同時提供快速的曲線震蕩。出于這些目的，可以將多項式的次數η設置為3。然而，應理解的是可以利用其它選擇。然后可以改變參數\和Pi以找到滿足從先驗已知的醫學設備的物理性質導出的一組約束的樣條函數，在步驟SlOl中檢索該設備性質。可以基于關于醫學設備在使用中的同時在形狀上變形的能力的觀察來選擇該組物理約束。圖3是舉例說明依照本發明的示例性實施例的可以使用的醫學設備和一組物理性質的圖。圖3 (a)舉例說明具有手柄部32和主體部31的導管設備30。圖3 (b)提供了在圖3 (a)中框住的部分的近視圖且圖3 (c)提供了在圖3 (b)中框住的部分的近視圖。如用這些圖能夠看到的，導管30的物理性質可以包括導管主體的寬度、第一彈簧圈33相對于沿著導管的固定點(在這里主體末端)的位置、第二彈簧圈34的位置、第三彈簧圈35的位置、第四彈簧圈36的位置、第一電極37的位置以及第二電極38的位置。應理解的是醫學設備不限于導管，并且不存在對可以作為物理性質的先驗知識包括的標記(在這里彈簧圈)和電極(或感興趣的其它位置)的數目的限制。如圖3的示例性醫學設備中所示，示例性物理約束可以包括(I)在每對相鄰彈簧圈之間的設備主體的長度 ，(2)設備彎曲的最大可能曲率的度量以及(3)曲線能量的最小化。可以使用曲線能量的最小化作為設備將不具有尖端或環路的物理約束的表示。根據物理約束，可以針對參數\和Pi找到最佳變體。例如，如圖4所示，然后找到最佳曲線函數以將B樣條擬合到參數點。如果置信度信息(離散或分布函數)可用，則可以使用近似算法考慮到置信度來擬合曲線。如果置信度信息不可用，則可以使用通過各點的精確內插來擬合曲線。可以預期最佳曲線以提供實際形狀，并且在形狀被確定為不切實際的情況下可以拒絕曲線。然后可以從擬合曲線生成3D呈現(步驟S105)。3D呈現可以充當醫學器材的幾何結構的3D表示。可以使用各種方法來生成3D呈現。例如，3D呈現可以是通過沿著曲線函數的軌跡掃描分段函數而生成的3D網格。如果曲線似乎不是真實的，則可能不會生成3D呈現，并且可以顯示警告。其后，可以使用諸如被集成到中央處理單元(CPU)上或作為離散圖形處理設備提供的圖形處理單元(GPU)的圖形呈現設備來在顯示設備上顯示3D呈現(步驟S106)。圖2是舉例說明依照本發明的示例性實施例的用于提供醫學設備重構的方法的流程圖。在這里，結合數據輸入和輸出來舉例說明方法步驟。首先，可以提供測量輸入201。如上文所討論的，測量輸入可以包括諸如在成像數據內標識的微彈簧圈的標記的位置和(在可用的情況下)置信區間。在沒有置信度或概率數據可用于測量點位置的情況下或在可用置信度/概率數據指示高準確度的情況下(例如由預定閾值定義)(否，202)，則可以使用內插方法203來提供曲線函數。替換地，在置信度數據可用且置信度數據未指示高準確度的情況下(是，202)，則可以使用近似方法204來提供曲線函數。作為替換，可能不考慮準確度，并且在準確度/概率數據不可用的情況下可以使用內插方法203，并且在此類數據可用的情況下可以使用近似方法204。根據內插方法203，內插曲線按照其給定順序通過所有給定數據點，所述給定順序可以是標記被已知在設備內對準的順序。可以使用近似方法204來克服與信號獲取中的有噪聲測量結果相關聯和/或與由諸如血流的相鄰解剖元素引起的信號干擾有關的問題。在這里，可以放松曲線必須通過所有數據點的另外的嚴格要求。例如，可以允許該曲線遺漏除第一和最后一個數據點之外的一個或多個數據點，根據本發明的某些示例性實施例，其仍必須被曲線通過。為了測量曲線有多好地擬合到數據點，可以測量誤差距離。可以將該誤差距離定義為數據點與其在曲線上的“相應”點之間的距離。曲線上的相應點可以是曲線上的距離數據點最近的點或已通過曲線被要求通過的數據點的曲線的點。可以將所有誤差距離的和加在一起，并且可以使此和最小化以在給定影響曲線形狀的其它約束的情況下盡可能密切地遵循數據點。在置信度值和/或概率分布可用于測量點的情況下，可以將其用于上述近似方法204以定義成本函數并約束曲線近似。例如，可以將誤差距離的最小化與置信度成本函數組合。由于可以使置信度的度 量與每個投影信號相關聯而不是直接與數據點相關聯，所以給定數據點可以針對一個方向(例如X軸坐標)具有低置信度，同時針對另一方向(例如y軸和/或z軸坐標)具有高置信度。因此，雖然仍可以使用一個方法(內插或近似)，但置信度數據可能僅用來針對給定點沿一個或多個方向調整曲線。無論使用內插203還是近似204方法，可以提供關于設備的物理配置的數據(例如設備定義信息和模型)205以用于重構。在該背景中，可以使用設備的物理尺寸(例如諸如上文所述和圖3所示的信息)來約束曲線函數。在設備定義信息與模型205之間還可以有彈性和/或最大可容許彎曲。可以基于設備設計來計算這些值，或者可以憑經驗來確定這些值。例如，在設計供依照本發明的示例性實施例使用的導管時，可以獲取相關設備信息。還可以在3D模型生成209和呈現210中通過利用設備的各種元件的位置和長度的知識確定沿著該長度的每個距離處的設備的尺寸和/或形狀來使用設備信息205。可以將此信息表示為設備分段函數/曲線207，因為其可以表示每個分段處的設備的近似形狀和/或尺寸。然后可以在3D模型生成209和/或屏幕呈現210期間使用分段函數/曲線以修改顯示設備模型的外觀，使得每個元件(例如電極)對于觀看顯示并執行干預的從業者而言可以容易地標識。由重構(203或204)產生的曲線函數可以包括表示到數據點的擬合(內插或近似)的軌跡曲線。在曲線被確定為不真實的情況下(例如其是退化曲線)(是，206)，可以在屏幕208上顯示適當的警告。然而，在曲線被認為真實(例如，非退化)的情況下(否，S206)，出于提供更直觀顯示的目的，可以從曲線209生成3D模型。3D模型可以是設備網格，并且可以通過沿著軌跡曲線掃描分段函數/曲線來產生。為了更好地舉例說明這種技術，圖5是依照本發明的示例性實施例的分段曲線和軌跡曲線的圖示，并且圖6是依照本發明的示例性實施例的通過沿著軌跡曲線掃描分段曲線而產生的3D設備網格的圖示。根據一種方法，該分段曲線可以是具有取決于實際設備相對于距離的厚度的半徑的圓。替換地，該分段曲線可以相對于距離改變形狀和尺寸，從而在掃描時定義設備的更真實表示。例如，可以根據設備定義來對分段曲線進行縮放，以便對內置在設備上的感興趣元件(例如彈簧圈、電極等)進行壓紋或雕刻。另外，可以以不同的色彩來呈現不同的元件以使得易于視覺解釋。另外，可以在設備末端處添加半球以表示設備尖端。然后可以呈現這樣生成的模型以便例如使用GPU從在209中產生的完整3D模型觀看210。然后可以在顯示設備211上顯示GPU呈現以向執行干預的從業者提供視覺指導。圖7示出可以實現本公開的方法和系統的計算機系統的示例。可以以在計算機系統上運行的軟件應用程序的形式來實現本公開的系統和方法，所述計算機系統例如主機、個人計算機(PC)、手持式計算機、服務器等。可以將軟件應用程序存儲在可被計算機系統本地地訪問且可經由到例如局域網或因特網的網絡的硬接線或無線連接來訪問的記錄介質上。一般地稱為系統1000的計算機系統可以包括例如中央處理單元(CPU) 1001、隨機存取存儲器(RAM) 1004、打印機接口 1010、顯示單元1011、局域網(LAN)數據傳輸控制器1005、LAN接口 1006、網絡控制器1003、內部總線1002以及一個或多個輸入設備1009，例如，鍵盤、鼠標等。如所示，可以經由鏈路1007將系統1000連接到數據存儲設備，例如硬盤1008。 本文所述的示例性實施例是說明性的，并且在不脫離本公開的精神或所附權利要求的范圍的情況下可以引入許多變化。例如，在本公開和所附權利要求的范圍內，可以將不同示例性實施例的元件和/或特征相互組合和/或相互替換。
權利要求
1.一種用于設備可視化的方法，包括接收一組物理特性，其包括設備內的多個標記的空間關系的描述；獲取對象體內的設備的射線照相數據；標識所述多個標記中的每一個在射線照相數據內的近似位置；基于每個標記的所標識近似位置和接收到的該組物理特性構造用于對象體內的設備的軌跡函數；基于該組物理特性來構造用于設備的分段函數；基于所構造的軌跡函數和分段函數來生成用于設備的3D模型；以及在顯示設備上顯示3D模型的呈現。
2.權利要求1的方法，其中，所述設備是導管且所述多個標記包括一個或多個微彈簧圈。
3.權利要求2的方法，其中，該組物理特性包括一個或多個微彈簧圈中的相鄰微彈簧圈之間的距離和導管的最大可能曲率或彎曲的度量。
4.權利要求1的方法，其中，所述軌跡函數是由用于樣條函數的節點向量、控制點的向量以及多項式的次數定義的數學樣條函 數。
5.權利要求4的方法，其中，改變所述節點向量和所述控制點的向量以找到滿足接收到的該組物理特性的一個或多個約束的樣條函數。
6.權利要求5的方法，其中，所述樣條函數是給定多項式的次數的分段多項式函數。
7.權利要求6的方法，其中，用于樣條函數的多項式的次數是三。
8.權利要求4的方法，其中，所述樣條函數的曲線能量被最小化。
9.權利要求4的方法，其中，所述樣條函數是B樣條函數。
10.權利要求4的方法，其中，所述樣條函數是非均勻有理B樣條(NURBS)函數。
11.權利要求1的方法，其中，所述射線照相數據是MR圖像。
12.權利要求1的方法，其中，所述分段函數是預定形狀。
13.權利要求12的方法，其中，所述預定形狀是圓形。
14.權利要求13的方法，其中，所述圓形的半徑取決于沿著軌跡函數的長度。
15.權利要求1的方法，其中，所述3D模型是3D網格，并且生成3D網格包括沿著軌跡函數掃描分段函數。
16.權利要求1的方法，其中，構造軌跡函數包括按照特定順序通過標記的所標識近似位置中的每一個對軌跡函數的曲線進行內插。
17.權利要求1的方法，其中，構造軌跡函數包括通過允許曲線不與標記的每個所標識近似位置相交并通過使被計算為標記的每個所標識近似位置與沿著曲線的相應點之間的距離的誤差和最小化來近似軌跡函數的曲線。
18.權利要求17的方法，其中，標識所述多個標記中的每一個在射線照相數據內的近似位置包括確定用于近似位置的置信度或概率。
19.權利要求1的方法，其中，在生成3D模型之前，確定軌跡函數是否是退化的，并且在軌跡函數被確定為是退化的情況下，在顯示設備上顯示警告消息。
20.一種用于提供用于干預指導的可視化的方法，包括；獲取射線照相研究；在所獲取的射線照相研究內標識設備內的一組標記；根據射線照相研究內的所標識的標記組的位置和設備的物理特性的先驗知識將曲線擬合到所標識的標記組；通過使設備的可變形模型在擬合曲線上對準來生成用于設備的3D模型；以及在顯示設備上顯示3D模型的呈現以進行干預指導，其中，設備的物理特性的先驗知識包括設備內的標記之間的距離和設備的最大可能曲率或彎曲程度。
21.權利要求20的方法，其中，所述曲線是由用于樣條函數的節點向量、控制點的向量和多項式的次數定義的數學樣條函數，并且改變節點向量和控制點的向量以找到滿足設備的物理特性的先驗知識的一個或多個約束的樣條函數。
22.權利要求20的方法，其中，生成用于設備的3D模型包括沿著擬合曲線掃描分段曲線。
23.一種計算機系統，包括處理器；以及非瞬時有形程序存儲介質，其能夠被計算機系統讀取，體現能夠由處理器實行以執行用于設備可視化的方法步驟的指令程序，該方法包括接收一組物理特性，其包括設備內的多個標記的空間關系的描述；獲取對象體內的設備的射線照相掃描；標識所述多個標記中的每一個在射線照相掃描內的近似位置；基于每個標記的所標識近似位置和接收到的該組物理特性來構造用于對象體內的設備的數學樣條函數；基于構造的樣條函數來生成用于設備的3D模型；以及在顯示設備上顯示3D模型的呈現。
全文摘要
本發明涉及用于干預性磁共振成像的主動導管重構。一種用于設備可視化的方法包括接收包括多個標記在設備內的空間關系的描述的一組物理特性(S101)。獲取對象體內的設備的射線照相數據(S102)。在射線照相數據內標識所述多個標記中的每一個的近似位置(S103)。基于每個標記的所標識近似位置和接收到的該組物理特性來針對對象體內的設備構造軌跡函數(S104)。基于該組物理特性針對設備構造分段函數，并且基于構造的軌跡函數和分段函數來針對設備生成3D模型(S105)。在顯示設備上顯示3D模型的呈現(S106)。
文檔編號A61B5/06GK103027683SQ20121036720
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月28日 優先權日2011年9月29日
發明者J.C.巴博, K.J.基爾伯格 申請人:西門子公司