解剖标测图的实时校正的制作方法

1.本发明涉及解剖标测领域。


背景技术：

2.授予altmann等人的美国专利申请公布2009/0148012描述了一种医学成像方法，包括通过将探头插入体内并使用该探头收集数据来创建受检者体内的腔的内壁的解剖标测图。基于该标测图以腔的3-d图像描绘三维(3-d)轮廓。


技术实现要素：

3.根据本发明的一些实施方案，提供了一种包括显示器和处理器的系统。该处理器被配置成计算表示解剖体积的点云的虚拟表面上的点p
′
，具体通过将对应于该解剖体积的解剖表面上的位置的另一个点p投影到该虚拟表面上。该处理器被进一步配置成限定以将p连接到p
′
的虚拟线为中心的虚拟球体，使得p位于虚拟球体的球形表面上。该处理器被进一步配置成执行选自由以下项组成的操作组的操作：在整个虚拟球体上展开点云，以及从点云排除虚拟球体。该处理器被进一步配置成在执行操作之后再生成虚拟表面，使得由于执行了操作，p位于虚拟表面上，并且在显示器上显示再生成的虚拟表面。
4.在一些实施方案中，该处理器被配置成通过向点云应用具有球半径r的球枢转算法(bpa)来再生成虚拟表面，并且该处理器被配置成限定球体，使得球体的半径r为至少2r。
5.在一些实施方案中，r＝2r。
6.在一些实施方案中，处理器被进一步配置成响应于来自用户的输入而识别p。
7.在一些实施方案中，该输入指示体内探头位于位置处。
8.在一些实施方案中，该输入包括从点云的显示中选择p。
9.在一些实施方案中，该解剖体积包括心脏的腔室的至少一部分。
10.根据本发明的一些实施方案，还提供了一种方法，该方法包括使用处理器计算表示解剖体积的点云的虚拟表面上的点p
′
，具体通过将对应于该解剖体积的解剖表面上的位置的另一个点p投影到该虚拟表面上。该方法还包括限定以将p连接到p
′
的虚拟线为中心的虚拟球体，使得p位于虚拟球体的球形表面上。该方法还包括执行选自由以下项组成的操作组的操作：在整个虚拟球体上展开点云，以及从点云排除虚拟球体。该方法还包括在执行操作之后再生成虚拟表面，使得由于执行了操作，p位于虚拟表面上。
11.根据本发明的一些实施方案，还提供了一种包括其中存储有程序指令的有形非暂态计算机可读介质的计算机软件产品。该指令在被处理器读取时使得处理器计算表示解剖体积的点云的虚拟表面上的点p
′
，具体通过将对应于该解剖体积的解剖表面上的位置的另一个点p投影到该虚拟表面上。该指令还使得处理器限定以将p连接到p
′
的虚拟线为中心的虚拟球体，使得p位于虚拟球体的球形表面上。该指令还使得处理器执行选自由以下项组成的操作组的操作：在整个虚拟球体上展开点云，以及从点云排除虚拟球体。该指令还使得处理器在执行操作之后再生成虚拟表面，使得由于执行了操作，p位于虚拟表面上。
12.根据本发明的一些实施方案，还提供了一种包括输入设备和处理器的系统。该处理器被配置成向表示解剖体积的点云添加对应于该解剖体积内的探头的相应位置的多个点。该处理器被进一步配置成在添加点之后，响应于经由输入设备接收的输入而从点云移除点的子集。该处理器被进一步配置成在移除子集之后，向点云添加对应于解剖体积内的探头的相应后续位置的其他点。
13.在一些实施方案中，
14.该输入指示探头将以点移除模式使用，并且
15.该处理器被配置成响应于探知探头位于点所对应的位置处而通过针对子集中的每个点移除点来移除子集。
16.在一些实施方案中，
17.该输入为第一输入，并且
18.该处理器被配置成响应于指示探头将以点添加模式使用的第二输入而向点云添加其他点。
19.在一些实施方案中，该处理器被配置成响应于探知探头正推压解剖体积的表面而移除该点。
20.在一些实施方案中，该输入指示一个时间段，并且子集包括在该时间段期间添加到点云的那些点。
21.在一些实施方案中，该时间段在提交输入的时间之前的t个时间单位开始，并且该输入通过指示t来指示时间段。
22.在一些实施方案中，该输入指示整数n，并且该子集包括最近添加到点云的n个点。
23.在一些实施方案中，该解剖体积包括心脏的腔室的至少一部分。
24.根据本发明的一些实施方案，还提供了一种方法，该方法包括使用处理器向表示解剖体积的点云添加对应于该解剖体积内的探头的相应位置的多个点。该方法还包括在添加点之后，响应于来自用户的输入而从点云移除点的子集。该方法还包括在移除子集之后，向点云添加对应于解剖体积内的探头的相应后续位置的其他点。
25.根据本发明的一些实施方案，还提供了一种包括其中存储有程序指令的有形非暂态计算机可读介质的计算机软件产品。该指令在被处理器读取时使得处理器向表示解剖体积的点云添加对应于该解剖体积内的探头的相应位置的多个点。该指令还使得在添加点之后，处理器响应于来自用户的输入而从点云移除点的子集。该指令还使得处理器在移除子集之后，向点云添加对应于解剖体积内的探头的相应后续位置的其他点。
附图说明
26.结合附图，通过以下对本发明的示例性实施方案的详细描述，将更全面地理解本发明，其中：
27.图1是根据本发明的一些示例性实施方案的解剖标测系统的示意图；
28.图2是根据本发明的一些示例性实施方案的用于生成解剖标测图的技术的示意图；
29.图3是根据本发明的一些示例性实施方案的用于生成解剖标测图的算法的流程图；
30.图4a至图4b是根据本发明的一些示例性实施方案的用于重构模型的技术的示意图；并且
31.图5是根据本发明的一些示例性实施方案的用于重构模型的算法的流程图。
具体实施方式
32.概述
33.在心脏腔室的解剖标测中，医师移动探头穿过腔室，同时跟踪系统跟踪探头的位置。基于该跟踪，构建腔室的模型。该模型包括点云和围绕该点云的表面，该点云包括对应于探头(通常为探头的远侧端部)在腔室内的位置的多个点，表面表示围绕腔室的组织。该表面可与组织的电特性相关联，该电特性可来源于由探头在组织上的各个位置处采集的电描记图信号。
34.当执行此类标测时，挑战在于例如由于呼吸运动或由探头施加到组织的过量力而可能将杂散点添加到模型。常规地，在标测之后通过修改模型表面(例如，使用样条变形和/或表面内插)使得表面穿过已知对应于组织上的位置的点，以此来移除这些点。(这些点在本文中被称为“锚定点”，可对应于采集电描记图信号所处的那些位置，因为医师在采集电描记图信号时通常注意不以过大的力推压组织。)然而，这种变形可能损害模型的准确性。
35.为了解决这个挑战，本发明的实施方案提供了用于从模型移除杂散点的各种技术。在移除杂散点之后，可再生成表面。因此，可能不需要使表面变形。
36.根据一种此类技术，提供了用于操作探头的点移除模式。当在该模式下操作探头时，该探头移动到特定位置导致从模型移除对应于该位置的点。因此，医师可通过从通常的点添加模式切换到点移除模式，然后将探头移动到对应于杂散点的任何位置来实时校正模型。
37.按照另一种此类技术，对于每个锚定点，限定表面穿过锚定点的虚拟球体(如下文参考图4a所详述)，然后从点云移除球体内的任何点。随后，再生成模型表面或模型表面的至少靠近锚定点的部分，使得模型表面穿过锚定点。有利地，该技术可在采集每个新锚定点之后、在点云的构建期间或之后执行。
38.对于锚定点位于点云之外的情况，可执行后一种技术的变型。按照该变型，在限定虚拟球体之后，用另外的点来填充球体以便增强点云。
39.系统描述
40.首先参考图1，其为根据本发明的一些实施方案的解剖标测系统20的示意图。
41.系统20包括在近侧连接到控制台32的体内探头26。系统20还包括通常容纳在控制台32中的处理器34。
42.系统20用于生成受检者22的心脏24的体积(诸如心脏24的腔室的至少一部分)的解剖标测图38。标测图38包括点云，该点云通过包括对应于标测体积内的相应位置的多个点来表示标测体积。标测图38还包括围绕点云周边的虚拟表面46。在生成标测图时和/或在生成标测图之后，处理器可在显示器36上显示标测图。
43.更具体地讲，随着医师30在该体积内移动探头26，处理器34连续地探知探头的远侧端部所占据的子体积27。对于每个探知的子体积27，处理器还通过向点云添加对应于子体积27的一个或多个点(通常为多个点)来构建点云。(因此，每个添加的点对应于标测体积
内的探头具体地讲是探头的远侧端部的任何部分的相应位置。)在构建点云之后和/或在构建点云时间歇地，处理器生成虚拟表面46。(应当注意，为了便于描述，子体积27在本文中可被称为“探头的位置”。)
44.通常，探头26的远侧端部包括至少一个感测电极28。随着探头在心脏内移动，电极28从心脏组织采集电描记图信号。处理器34分析这些信号，并且响应于此，注释标测图38(例如，通过根据滑动色标对标测图着色)以指示组织的电特性。在此类实施方案中，标测图38可被称为“电解剖图”或“电生理图”。
45.在一些实施方案中，为了便于跟踪探头，将一个或多个电磁线圈耦接到探头的远侧端部，并且在受检者22附近产生磁场。随着探头在心脏内移动，磁场在线圈中感应出依赖位置的信号。基于该信号，处理器探知线圈中的每个线圈的位置，从而识别子体积27。此类基于磁的跟踪公开于例如授予ben-ham的美国专利5,391,199、5,443,489和6,788,967、授予ben-ham等人的美国专利6,690,963、授予acker等人的美国专利5,558,091以及授予govari的美国专利6,177,792中，这些文献的相应公开内容以引用方式并入本文。
46.另选地或除此之外，耦接到探头的远侧端部的一个或多个电极可将电流传递到在不同的相应位置处耦接到受检者身体的多个电极贴片。(通常，这些电极不包括电极28。)基于电流和由其导出的身体阻抗测量值，处理器可探知电极中的每个电极的位置，从而识别子体积27。结合此类基于阻抗的跟踪与基于磁的跟踪的混合技术在授予bar-tal等人的美国专利8,456,182中有所描述，该文献的公开内容以引用方式并入本文。
47.另选地或除此之外，处理器可使用任何其他合适的跟踪技术来跟踪探头，从而构造点云。
48.一般来讲，处理器34可被体现为单个处理器或一组协作式联网或集群处理器。在一些实施方案中，如本文所述，处理器34的功能可仅以硬件例如使用一个或多个专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga)来实现。在其他实施方案中，处理器34的功能至少部分地以软件实现。例如，在一些实施方案中，处理器34被体现为包括至少中央处理单元(cpu)和随机存取存储器(ram)的编程数字计算装置。程序代码(包括软件程序和/或数据)被加载至ram中以供cpu执行和处理。例如，程序代码和/或数据可以通过网络以电子形式下载至处理器。另选地或除此之外，程序代码和/或数据可以被提供和/或存储在非暂态有形介质上，诸如磁性、光学或电子存储器。此类程序代码和/或数据在被提供给处理器时，产生被配置为执行本文所述的任务的机器或专用计算机。
49.生成解剖标测图
50.现在参见图2，其为根据本发明的一些实施方案的用于生成标测图38的技术的示意图。
51.图2示出了点云42的一部分，如上文参考图1所述，该部分通过包括对应于心脏内探头26的相应位置的多个点44来表示心脏的标测体积。图2还示出了虚拟表面46，其表示标测体积(即，包围标测体积的组织)的解剖表面40。
52.通常，处理器通过向点云应用球枢转算法(bpa)(在bemardini，fausto等人的“the ball-pivoting algorithm for surface reconstruction”中有所描述，ieee transactions on visualization and computer graphics 5.4(1999)：349-359，该文献以引用方式并入本文)来生成虚拟表面46。该算法通过以下方式将表面46计算为近似内插
点云周边的点的三角形网格：(i)找到顶点是点云周边的点的种子三角形，然后(ii)通过围绕现有三角形的边缘枢转虚拟球直到没有开口边缘剩余来扩展三角划分。另选地，该处理器可使用任何其他合适的表面生成算法。
53.图2的最左边部分示出探头26从表面的自然位置48向外推动表面40以便在表面中产生鼓包50的情形。因此，如图2的中间部分所示，对应于鼓包50内的探头的一个或多个位置的杂散点被添加到点云，使得虚拟表面46采集到杂散鼓包52。
54.为了解决此问题，本发明的实施方案提供了用于从点云移除点44的子集然后再生成虚拟表面46的各种技术，如图2的最右侧部分所示。在移除子集之后，可向点云添加其他点。这样，可在标测过程期间移除杂散点，从而减少所需的标测图的后处理。
55.通常，点的子集的移除由系统的用户发起。例如，响应于注意到显示器36上的鼓包52(图1)，用户诸如医师30可提交指示应从点云移除一些点的输入。随后，响应于该输入，处理器可移除点的子集。
56.在一些实施方案中，探头可以两种不同的模式使用：点添加模式和点移除模式。当探头处于点添加模式时，处理器添加对应于探头的每个新位置的相应点。另一方面，当探头处于点移除模式时，处理器移除对应于探头位置的任何点。(此外，探头可具有第三非活动模式，其中既不添加点也不移除点。)
57.在此类实施方案中，来自用户的上述输入指示探头将以点移除模式使用，并且处理器响应于探知探头位于子集中的每个点所对应的位置而移除点。例如，在将第一组点添加到点云之后，医师可提交指示探头将以点移除模式使用的输入。随后，医师可使探头穿过受检者解剖结构的先前标测部分。响应于该输入并且响应于探知探头在该部分内的位置，处理器可移除对应于这些位置的点。接下来，在从该部分移除探头之后，医师可提交指示探头将再次以点添加模式使用的另一输入。响应于该输入，处理器可再次向点云添加点。
58.为了减少从点云移除的合理点的数量，处理器可在移除点之前检查探头是否正在推压表面40，例如通过处理来自探头的远侧端部处的压力传感器的信号。响应于探知探头正推压表面，处理器可移除点；否则，处理器可避免移除点。
59.作为以点移除模式操作探头的另选或补充，可使用其他技术从点云移除点。例如，来自用户的点移除发起输入可指示一个时间段，并且点的移除子集可包括在该时间段期间添加到点云的那些点。作为具体示例，该时间段可在提交输入所在的时间之前的t个时间单位(例如，秒)开始，并且该输入可通过指示t来指示时间段。另选地，该输入可指示整数n，并且子集可包括最近添加到点云的n个点。
60.一般来讲，用户可使用任何合适的输入设备来提交前述输入。例如，用户可按下控制台32(图1)上或探头的控制手柄上的一个或多个按钮或按键。另选地或除此之外，显示器可包括触摸屏，并且用户可经由触摸屏提交输入中的至少一些。另选地或除此之外，用户可使用键盘和/或鼠标提交输入中的至少一些。作为另一种选择，用户可使用脚踏开关，例如，以在操作探头的模式之间来回切换。
61.现在参考图3，其为根据本发明的一些实施方案的用于生成标测图38(图1)的算法54的流程图。
62.根据算法54，在位置探知步骤56处，处理器重复地探知探头的位置。在探知探头的位置之后，在第一检查步骤58处，处理器检查探头是否处于点添加模式。如果是，则在点添
加步骤60处，处理器将对应于位置的一个或多个点添加到点云。否则，在第二检查步骤62处，处理器检查探头是否处于点移除模式。如果是，则在点移除步骤64处，处理器移除对应于位置的一个或多个点。在添加或移除点之后，或者如果探头既不处于点添加模式也不处于点移除模式(而是处于非活动模式)，则处理器返回到位置探知步骤56。
63.与算法54并行地，处理器可执行用于接收来自用户的输入并响应于此而在模式之间来回切换的另一算法。另外，与算法54并行地，处理器可执行用于间歇地再生成虚拟表面46(图2)的另一算法。例如，处理器可在点云的已添加或移除点的每个周边部分处间歇地再生成虚拟表面的一部分。
64.使用锚定点
65.在一些实施方案中，处理器识别已知对应于解剖表面上的位置的一个或多个锚定点。对于每个锚定点，处理器可移除点云的位于锚定点之外的一部分，然后再生成虚拟表面，使得虚拟表面穿过锚定点。(该技术可作为上述点移除技术的另选或补充执行。)另选地，处理器可展开点云，使得在再生成虚拟表面之后，虚拟表面穿过锚定点。
66.通常，处理器响应于来自用户诸如医师30(图1)的输入来识别每个锚定点。例如，如上文概述中所述，在标测期间，可在解剖表面上的各个位置处采集电描记图信号。在这些位置中的每一个位置处，医师可将探头放置成与组织接触，通常不向外推动组织，然后向处理器提交指示探头位于组织上的输入。(一般来讲，用户可使用任何合适的输入设备来提交该输入，如上文参考图2所述。)响应于此类输入，处理器可将对应于探头位置的点识别为锚定点。(应当注意，由于探头先前已位于当前位置，因此锚定点可能已经属于点云。)另选地或除此之外，当在显示器36(图1)上显示点云时，用户可选择属于点云的点中的一个点作为锚定点，例如，使用触摸屏或鼠标来执行该选择。
67.对于另外的细节，现在参见图4a至图4b，其为根据本发明的一些实施方案的用于重构模型的技术的示意图。
68.图4a的最左部分示出了其中点云以及因此虚拟表面46已被错误地向外展开的情形。(图4a至图4b的阴影部分对应于点云。)在这种情形下，如图4a的中间部分所示，处理器从点云移除点，使得对应于解剖表面上的位置的锚定点p位于点云的周边。随后，如图4a的最右侧部分所示，处理器再生成虚拟表面46，使得由于p位于点云的周边，p位于虚拟表面上。
69.具体地讲，在识别点p之后，处理器通过将p投影到虚拟表面上来计算虚拟表面上的另一个点p
′
。换句话讲，处理器将p
′
计算为虚拟表面上的最靠近p的点。(p
′
可以是属于点云的初始点，但通常p
′
是由处理器限定的新点。)随后，处理器限定以将p连接到p
′
的虚拟线47为中心(即，具有位于其上的中心45)的虚拟球体43，使得p位于虚拟球体43的(球形)表面上。接下来，处理器从点云排除虚拟球体，即，处理器从点云移除位于球体内的每个点。最后，处理器再生成虚拟表面，使得由于已经从点云排除虚拟球体，p位于虚拟表面上。
70.通常，使用bpa来再生成虚拟表面。在此类实施方案中，球体的半径r为至少2r，r是用于bpa的虚拟球49的半径，使得球49可在移除点的区域内枢转。例如，r可等于2r。
71.如图4b所示，在标测期间解剖体积的周边部分缺失的情况下，上述技术也可用于向外推进点云和虚拟表面。换句话讲，处理器可识别p
′
并且然后限定虚拟球体，如上所述并且如图4b的最左部分所示。随后，处理器可在整个虚拟球体中展开点云，即，用新点填充球
体的位于点云之外的部分，如图4b的中间部分所示。(新点可具有任何合适的点间间距。)最后，如图4b的最右侧部分所示，处理器可如上所述再生成虚拟表面，使得由于已经在整个虚拟球体中展开点云，p位于虚拟表面上。
72.现在参见图5，其为根据本发明的一些实施方案的用于重构模型的算法66的流程图。
73.算法66从点识别步骤68开始，在该步骤处，处理器识别锚定点p。随后，在投影步骤70处，处理器通过将p投影到虚拟表面上来计算点p
′
。接下来，在虚拟球体限定步骤72处，处理器限定虚拟球体。在限定虚拟球体之后，在点云修改步骤74处，处理器相对于虚拟球体修改点云(通过将点添加到虚拟球体或从虚拟球体移除点)，以便使得p位于点云的周边处。最后，在再生成步骤76处，处理器再生成虚拟表面，使得随后p位于虚拟表面上。
74.虽然上述说明主要涉及心脏的腔室的标测，但应当注意，本文所述的技术也可应用于任何其他解剖体积诸如耳咽体积的标测。
75.本领域技术人员应当理解，本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的实施方案的范围包括上文所述的各种特征的组合与子组合两者，以及本领域的技术人员在阅读上述说明书时可能想到的未在现有技术范围内的变型和修改。以引用方式并入本专利申请的文献被视为本技术的整体部分，不同的是如果这些并入的文献中限定的任何术语与本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突，则应仅考虑本说明书中的定义。