用于确定第一对象在第二对象中的位置的装置

摘要

本发明涉及一种用于确定第一对象(14)在第二对象(13)内的位置的装置，其中，所述第一对象(14)在接触区与所述第二对象(13)接触。所述装置(1)包括用于提供第二对象(13)的三维模型(20)的提供单元(2)。投影单元(5、6、7、21)生成第一对象(14)和第二对象(13)的二维投影图像(26)，配准单元(8)将三维模型(20)与二维投影图像(26)进行配准。确定单元(9)根据第一对象(14)在二维投影图像(26)和经配准的第二对象(13)的三维模型(20)上的位置确定接触区的位置，其中，所述接触区的位置是所述第一对象(14)在所述第二对象(13)内的位置。

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定第一对象在第二对象中的位置的装置、方法和计算机程序。

背景技术

例如，将用于确定第一对象在第二对象中的位置的装置应用在心脏电生理学领域，从而定位导管顶端在患者心脏内的三维位置。采用这些经定位的导管顶端的三维位置记录感兴趣的位置，诸如，三维空间中的解剖学界标和/或消融位置。这种已知的定位基于电磁或超声实时(低潜伏时间)三维定位技术。例如，用于对导管顶端的三维位置进行定位的装置包括三个靠近患者布置的磁场发射线圈和位于导管的顶端的对应传感器，其中，通过三角测量确定导管顶端的三维位置。

这些用于确定诸如导管顶端的第一对象在诸如患者心脏的第二对象中的位置的已知技术是复杂的，需要大量的硬件，尤其是专用的导管，因此价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供用于确定第一对象在第二对象内的位置的装置、方法和计算机程序，它们具有更低的复杂性，需要的硬件数量更少，因而价格更加低廉。

在本发明的第一方面，提供了一种用于确定第一对象在第二对象内的位置的装置，其中，所述第一对象在接触区与所述第二对象接触，其中，所述装置包括：

-用于提供第二对象的三维模型的提供单元，

-用于生成第一对象和第二对象的二维投影图像的投影单元，

-用于将三维模型与二维投影图像进行配准的配准单元，

-用于根据第一对象在二维投影图像和经配准的第二对象的三维模型上的位置确定接触区的位置的确定单元，所述接触区的位置是第一对象在第二对象内的位置。

本发明基于这样的理念，即，可以采用第一对象在二维投影图像上的位置确定所述第一对象，进而确定接触区在第二对象内的二维位置，而且，能够优选地使用所述第一对象位于经配准的三维模型的表面上的信息根据所述接触区在第三维的位置确定所述第一对象在第三维内的位置，所述接触区优选地为所述第一对象和所述第二对象之间的接触点。因此，能够在不需要复杂的定位布置，如上述现有技术中的三个磁场发射线圈和位于导管顶端的传感器的情况下，确定第一对象在第二对象内的位置。因而，降低了确定第一对象在第二对象内的位置所需的硬件的数量，进而降低了这样的装置的成本。

提供单元优选地是用于根据从检测数据生成单元获取的第二对象的检测数据的生成所述第二对象的三维模型的三维模型生成单元，例如，所述检测数据生成单元可以是计算机层析成像系统、磁共振成像系统、三维旋转X射线系统或超声成像系统。三维模型生成单元优选适于采用用于根据所获取的检测数据对第二对象进行重构的已知重构技术生成所述第二对象的三维模型，其方式为，在重构图像内对所述第二对象分段，并对经分段的第二对象进行表面绘制。

第一对象优选地是定位于作为第二对象的患者心脏内的导管。投影单元优选是X射线荧光检查单元。

优选地，投影单元适于在不同的投影方向上生成二维投影图像，并且配准单元适于将三维模型与不同的二维投影图像进行配准，从而在不同投影方向上的每者均将所述三维模型与对应的二维投影图像进行配准。由于将不同的二维投影图像在不同投影方向上的每者与三维模型进行配准，因而，在每一任意选择的方向上，均将所述二维投影图像与所述三维模型进行配准。因而，能够在具有任意选定的投影方向的二维投影图像上显示所述三维模型。此外，能够通过采用任意选定投影方向的投影图像执行第一对象的位置的确定，而不必将三维模型再次与这一二维投影图像进行配准。如果用户想要在改变第一对象的位置和投影方向之后确定所述第一对象在第二对象内的位置，那么其缩短了用于确定第一对象在第二对象内的位置所需的时间。

在实施例中，确定单元适于通过确定第一对象的视线与三维模型相交的位置来确定接触区的位置。所述视线是由第一对象在二维投影图像上的位置和投影单元的源的位置定义的，其中，所述投影单元的源优选地为X射线源，具体而言是X射线源的焦斑。能够容易地确定这一视线和这一视线与三维模型之间的交点，其允许以低计算成本确定第一对象在第二对象内的位置。

优选地，装置还包括选择单元，其用于选择视线与三维模型的两个或更多交点中的哪一个对应于接触区的位置。进一步优选地，装置包括用于通过侧视图使三维模型、视线以及两个或更多交点可视化的可视化单元，并且选择单元包括允许用户选择所述两个或更多交点之一作为所述接触区的位置的输入单元。此外，优选地，投影单元适于在少两个投影方向上生成第一对象和第二对象的至少两个二维投影图像，所述确定单元适于确定接触区的位置，在该位置上所述第一对象相对于二维投影图像之一的投影方向的视线与三维模型相交，所述选择单元适于采用其他二维投影图像的至少其中之一选择所述视线与所述三维模型的两个或更多交点中的哪一个对应于所述接触区的位置。这些用于确定第一对象在第二对象内的位置的优选实施例能够容易地在计算机系统上实现，而且只需要非常低的计算成本。

所述视线通常在两个交点上与三维模型相交，尤其是在所述三维模型不是非常复杂的情况下。但是，就所述第二对象的，进而就所述三维模型的更为复杂的三维形态而言，可能存在两个以上的交点。

在另一实施例中，投影单元适于在至少两个投影方向上生成第一对象和第二对象的至少两个二维投影图像，其中，确定单元适于针对至少两个投影方向确定所述第一对象的至少两条视线，其中，所述确定单元还适于确定所述至少两条视线的交点，其中，所述确定单元还适于使所述交点移动到三维模型的表面上，其中，经移动的交点是所确定的接触区的位置。理论上，由于第一对象接触第二对象，因而至少两条视线的交点应当被定位于第二对象的表面上，但实际上，由于用于确定第一对象在第二对象内的位置的装置的可能存在的不准确性以及由于第一对象和/或第二对象的可能的移动，所述交点往往并非被定位于第二对象的表面上。因此，将所述交点移动到第二对象的三维模型的表面上。其允许以提高的准确度确定所述接触区，进而确定第一对象在第二对象内的位置，同时所需的计算成本仍然很低。

优选地，装置包括用于在二维投影图像上对三维模型可视化的可视化单元，其中，所述可视化单元适于同时显示三维模型、二维投影图像和所确定的第一对象的位置。进一步优选地，可视化单元适于在投影单元生成二维投影图像的同时，对三维模型和二维投影图像同时进行可视化。此外，优选地，可视化单元适于通过三维模型上的图形指示对所确定的第一对象的位置进行可视化。其允许显示第一对象在第二对象内的位置，从而使用户能够容易地理解。此外，优选地，如果使第一对象移动到第二对象的表面上的不同位置，那么确定这些位置中的每者，通过图形指示在三维模型上指示所述位置，并将其记录在所述三维模型上，这样所确定的不同位置，即，例如叉号或球的不同图形指示将形成第一对象沿第二对象的表面移动所遵循的路径。如果第一对象是消融导管的顶端，并且如果第二对象是患者的心脏，那么所记录的位置能够示出例如心壁上的消融点。

此外，优选地，可视化单元包括用于在二维投影图像之上使三维模型可视化的成像区。这允许在成像区上显示所有可用信息，即，二维投影图像、第二对象的三维模型以及优选地第一对象在第二对象内的位置。此外，优选地，例如X荧光检查系统的投影单元包括显示单元，或者可视化单元包括另一成像区，所述成像区用于在不受三维模型的干扰的情况下显示二维投影图像或对其进行可视化。

此外，优选地，提供单元适于提供第二对象的移动的三维模型，其中，装置还包括用于在通过投影单元生成第一对象和第二对象的二维投影图像的过程中检测所述第二对象的运动的运动检测单元，其中，配准单元适于将移动的三维模型与二维投影图像进行配准。这样即使第二对象正在移动，也能够准确地确定第一对象在第二对象内的位置。

在本发明的另一方面，提供了一种用于确定第一对象在第二对象内的位置的方法，其中，所述第一对象在接触区与所述第二对象接触，其中，所述方法包括下述步骤：

-提供第二对象的三维模型，

-生成第一对象和第二对象的二维投影图像，

-将三维模型与二维投影图像进行配准，

-根据第一对象在二维投影图像和经配准的第二对象的三维模型上的位置确定至少一个接触区的位置，所述至少一个接触区的位置就所述第一对象在所述第二对象内的位置。

在本发明的另一方面，提供了一种采用能量发射的第一对象经由第二对象的表面向所述第二对象施加能量的装置，其中，所述能量发射的第一对象在接触区与所述第二对象的表面接触，并且其中，用于施加能量的装置包括根据本发明的用于确定第一对象在第二对象内的位置的装置。例如，用于施加能量的装置是用于患者心脏的消融治疗的消融装置。在这种情况下，第一对象是在能量施加过程中接触心脏内表面的消融导管的顶端。

在本发明的另一方面，提供了一种用于确定第一对象在第二对象内的位置的计算机程序，其中，所述计算机程序包括当在控制根据权利要求1所述的装置的计算机上运行所述计算机程序时，使所述装置执行根据权利要求13所述的方法的步骤的程序代码模块。

应当理解，根据权利要求1所述的装置、根据权利要求12所述的方法和根据权利要求13所述的计算机程序具有与从属权利要求中界定的类似和/或等同的优选实施例。应当理解，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求的任何组合。

附图说明

通过下文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见，并参考其进行阐述。在下述附图中：

图1示意性地示出了采用能量发射的第一对象经由第二对象的表面向所述第二对象施加能量的装置的实施例；

图2示意性地示出了二维投影图像的生成；

图3示意性地示出了沿不同的取向依次显示第二对象的三维模型的可视化单元的成像区；

图4a示意性地示出了在第一投影方向上的第一二维投影图像的生成；

图4b示意性地示出了在第二投影方向上的第二二维投影图像的生成；

图5示意性地示出了显示第二对象的三维模型上的不同确定位置的成像区；

图6示意性地示出了说明用于确定第一对象在第二对象中的位置的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

图1示出了用于确定第一对象14在第二对象13内的位置的装置1，其中，所述第一对象14与所述第二对象13在接触区发生接触。在这一实施例中，第一对象是导管4的顶端14，例如，其用于使患者15的在这一实施例中作为第二对象的心脏13的内壁消融。患者位于患者台16上。因而，在这一实施例中，装置1能够确定导管顶端14在心脏13的内表面上的位置。优选地将导管4连接至消融和感测单元3。导管顶端14、导管4以及消融和感测单元3的组合是公知的，因此不再对其进行详细说明。

装置1包括用于发射X射线17的X射线源5、用于检测穿越了第二对象13之后的X射线17的检测单元6以及用于控制所述X射线源5和检测单元6的控制单元7。X射线源5、检测单元6和控制单元7形成投影单元，在这一实施例中，所述单元为荧光检查设备。投影单元5、6、7生成第一对象14和第二对象13的二维投影图像，并将这些二维投影图形发送至配准单元8。配准单元8还接收来自提供单元2的第二对象13的三维模型。提供单元2可以是存储了第二对象13的三维模型的存储器。可替代地或此外，投影单元2可以包括用于生成第二对象13的三维模型的三维模型生成单元。三维模型生成单元可以包括检测数据生成单元，如计算机层析成像系统、磁共振成像系统、三维旋转X射线系统或超声成像系统。三维模型生成单元通过使用检测数据生成第二对象13的三维图像，所述检测数据优选地由检测数据生成单元提前获取，即，在将第一对象14定位于第二对象13之前。优选地，在三维图像内对第二对象13分段，并通过例如表面绘制使所述经分段的第二对象13可视化，从而得到所述第二对象13的三维模型。同样，根据本发明还可以采用用于生成第二对象13的三维模型的其他方法。

配准单元适于将第二对象13的三维模型与从投影单元5、6、7接收的二维投影图像进行配准。配准单元8利用特征执行二维投影图像与第二对象13的三维模型的配准，所述特征可能被定位于二维投影图像和第二对象13的三维模型两者内。例如，针对这一2D-3D配准，可以使用在Circulation2005 112：3769-3776或在Lancet 2003 362：1877-82中描述的方法。

例如，可以采用在不同投影方向上生成的两个二维投影图像执行所述2D-3D配准。可以借助于已知的图形技术对第二对象13的三维模型进行尺寸调节、旋转和平移，从而利用以下方式使所述三维模型与所述二维投影图形进行对准，即：通过使用“基准点”(指示某些解剖学结构的图像特征或者在所述二维投影图像和三维投影图像二者中均可视的图像特征)，或者通过使用用于勾勒所研究的(在这一实施例中)心室的形状的X射线造影剂注射，或者通过将(在这一实施例中)导管放到已知位置，或者利用能够在所述二维投影图像和所述第二对象13的三维模型二者中能够容易地看到的(在这一实施例中)脊骨或肋骨。现在所述对准在两维内是正确的，所述两维是所述二维投影图像的两维。沿垂直于这两维的维的对准在最初是未知的。为了找到这一第三维，优选使投影单元旋转大约90°，并使所述三维模型相应地旋转。两个二维投影图像中的第二个对应于这一经旋转的投影方向，即，第二二维投影图像是在这一经旋转的投影方向内生成的，并使所述三维模型相对于这一第二二维投影图像进行对准。通过这种方式，能够在所有三维空间内建立二维投影图像和三维模型之间的对准。如果对投影单元进行旋转以获取新的投影方向，那么所述三维模型优选地自动随之旋转，这是由于所述投影单元将其位置参数自动发送至配准单元8。优选地在可视化单元12上将二维投影图像和经配准的第二对象13的三维模型可视化。

装置1优选还包括用于在生成第一对象14和第二对象13的二维投影图像的过程中检测第二对象的运动的运动检测单元23。在这一实施例中，运动检测单元23为检测心脏13的运动的心电图仪。在其他实施例中，运动检测单元23可以是用于实时(低潜伏时间)荧光检查的分析第二对象13的运动的图像处理软件，或者用于同样目的的实时超声成像系统。此外，所提供的第二对象13的三维模型优选地是移动的三维模型，例如，其可以由包括检测数据生成单元、图像重构单元、分段单元和表面绘制单元的三维模型生成单元生成，其中，在用于重构第二对象13的图像的检测信号的检测过程中，通过运动检测单元23检测第二对象13的运动。如果提供了移动的三维模型，并且如果在生成二维投影图像的过程中检测到了第二对象13的运动，那么配准单元8还用于相对于第二对象13的移动将移动的三维模型与二维投影图像进行配准。

可视化单元12包括成像区22。在成像区22上，优选地将第二对象13的三维模型20连同经配准的二维投影图像一起显示。此外，投影单元包括用于显示二维投影图像的显示单元21。

装置1还包括用于确定第一对象14和第二对象13之间的接触区的确定单元9，其中，所述接触区是所述第一对象14在所述第二对象13内的位置。

现在将参考图2描述接触区的确定的实施例。图2示出了发出X射线辐射17的X射线源5，所述X射线辐射穿过第一对象14和第二对象13，并生成第一对象14和第二对象13的投影图像26。确定单元9确定视线25，所述视线25将二维投影图像26上的第一对象，即这一实施例中的导管顶端与X射线源5，即，发出射线的区域，进行连接。确定单元9将这一视线25发送至可视化单元12，并且在使三维模型20连同视线25一起旋转以允许通过侧视图观看贯穿三维模型20的视线25之后，将第二对象13的三维模型和视线25显示在可视化单元12的成像区22上。确定单元9还确定视线25与三维模型20的交点27、28。还将所述交点27、28显示在成像区22上。图3的左侧部分示出了在三维模型20旋转之前显示三维模型20和经配准的二维投影图像26的成像区22。图3的中间部分示出了显示经旋转的三维模型20、经旋转的视线25、两个所确定的交点27、28以及两个假想导管和导管顶端的成像区22。用于确定第一对象在第二对象内的位置的装置1还包括选择单元10，其用于选择视线25与三维模型20的两个交点27、28中的哪一个对应于接触区的位置。选择单元优选包括诸如鼠标或键盘的输入单元11，其允许用户向选择单元10内输入信号，以选择交点27、28中的一个作为接触区。即：将由用户选择的交点作为接触区，从而，将其视为是第一对象14在第二对象13内的三维位置，即，在本实施例中，导管顶端14在心脏13的内壁上的位置。将所确定的这一第一对象14在第二对象13内的三维位置29连同三维模型20一起显示在成像区22上(图3的右侧部分)。

在另一实施例中，确定单元9可以适于如下文中参考图4a和4b所述确定接触区。在图4a中，相对于第一投影方向生成第一二维投影图像26a，确定单元9确定第一视线25a。在图4b中，使投影单元发生旋转，例如，旋转90°角，并生成第二二维投影图像26b，并且确定单元9确定第二视线25b。为了旋转投影单元，优选地将所述投影单元安装到C臂上。确定单元9确定第一视线25a和第二视线25b的交点，并将这一交点移动到与第一对象14接触的第二对象13的三维模型20的表面上。由于测量的欠准确性、非精确对准以及第二对象13的可能的运动的原因，所述交点并被定位于第二对象13的三维模型20的表面上。因而，只有在移动到第二对象13的三维模型20的表面上之后，两条视线25a、25b的经移动的确定交点才被定位于三维模型20的表面上。这一经移动的交点对应于第一对象14和第二对象13的接触区的位置，因此对应于第一对象14在第二对象13内的位置，即，所述经移动的交点的位置是所确定的第一对象14在第二对象13内的三维位置。可以将第二对象13的三维模型20连同所确定的第一对象14的三维位置一起显示在成像区22上。优选地沿所确定的交点和三维模型的表面之间的最短距离执行向所述三维模型的表面上的移动。

如上文所述，在这一实施例中，第一对象14是导管顶端，第二对象13是患者的心脏。导管顶端14可以在不同的接触区依次接触心脏13的内壁，从而例如使处于所述不同接触区上的心脏组织变性，以实施消融过程。装置1能够适于确定这些接触区的每一位置，即，这一实施例中，导管顶端14在心脏13的内壁上的三维位置，并且通过叉号或球在心脏的三维模型20上对所确定的三维位置中的每者进行标记。图5示出了在成像区22上连同三维模型20、导管4和导管顶端14的叉号18。图5还示意性地示出了肺静脉口19，其被所确定的位置18包围，在这一实施例中，所确定的位置18对应于消融点。

如果投影单元为X射线荧光检查单元，可以执行第一对象在第二对象内的三维位置的确定，使由X射线荧光检查所提供的总皮肤剂量明显地保持在针对确定性的辐射作用的任何阈值之下，即，显著低于2Gy。

为了确定视线，必须确定第一对象在二维投影图像上的位置。例如，可以通过阈值设定(thresholding)或者采用图像处理实施的图案识别自动执行这一确定。在这一实施例中，如果第一对象14是包括金属的导管顶端，那么可以通过阈值设定容易地确定导管顶端14在二维投影图像中的位置。此外，出于校正目的或者出于其他目的，用户可以入二维投影图像内的位置，其中，为了实现下述相应视线的确定，将这一输入位置视为第一对象14在二维投影图像上的位置。

可视化单元12优选适于通过所谓的“反透视法”显示第二对象13的三维模型20，所述方法将三维模型20显示为就像其是由优选地为锥形的相同X射线射束形状所投射的，其实际上生成关于第二对象13的二维投影图像。

在下文中，将参考图6所示的流程图说明根据本发明的用于确定第一对象在第二对象中的位置的方法。

在步骤101中，提供第二对象13的三维模型20。此外，在步骤102中，生成第一对象14和第二对象13的二维投影图像。在步骤103中，使第二对象13的三维模型20与二维投影图像配准。在步骤104中，确定单元将第一对象14和第二对象13之间的接触区确定为第一对象14在第二对象13内的三维位置。在步骤105中，将三维模型20连同所确定的第一对象14在第二对象13内的三维位置显示在可视化单元12上。

上述实施例描述了每次只在一个接触区上与第二对象接触的第一对象。但是，本发明不限于这样的布置。例如，第一对象可以包括几个同时接触第二对象的部分。例如，如果第一对象是消融导管以及如果第二对象是患者的心脏，那么所述消融导管可以包括能够同时接触心脏的内壁的几个电极或其他导管位点，其中，所述的用于确定第一对象在第二对象内的位置的装置适于针对所述消融导管的这些部分中的每者确定心脏内壁上的三维位置。

尽管主要以患者的心脏作为第二对象描述了本发明，但是本发明不限于患者心脏内的位置的确定。例如，第二对象还可以是诸如管线的技术对象，其中，例如，出于治疗目的必须向所述技术对象的内侧部分施加能量，其中，在所述技术对象内采用了用于施加能量的能量发射元件，并且其中，必须确定所述能量发射元件在所述技术对象内的位置。

在上述实施例中，可视化单元包括一个成像区。但是，本发明不限于可视化单元只具有一个成像区。例如，可视化单元还可以包括两个以上的成像区。此外，根据本发明，在其他实施例中，所述或者每一成像区都能够显示二维投影图像和/或第二对象的三维模型和/或所确定的第一对象在第二对象内的位置。

例如，还可以在从不同方向生成二维投影图像的过程中确定第二对象的图像，由此由二维投影图像的生成提供三维模型。

可以通过一个或几个单元实现上述单元的一些或全部。此外，例如，所述确定单元、配准单元或重构单元的执行计算和/或确定的单元，可以是运行于计算机系统上的执行相应的功能的程序代码模块或者执行相应功能的专用硬件。

可以将用于确定第一对象在第二对象内的位置的装置1与导管顶端14、导管4以及消融和感测单元3的组合视为根据本发明的通过采用能量发射的第一对象经由第二对象的表面向所述第二对象施加能量的装置，其中，能量发射的第一对象是可以为电极的导管顶端，其用于经由诸如患者的心脏的内壁的第二对象的表面向所述第二对象施加能量。

尽管在上述实施例中，已经确定了经由导管4连接至消融和感测单元3的导管顶端14在第二对象13中的位置，但是，同样可以采用用于确定第一对象在第二对象内的位置的装置确定定位于任意选择的第二对象的表面上的一个或多个其他的任意选择的第一对象的位置。

通过研究说明书的附图和权利要求，本领域技术人员能够在实践所要求保护的本发明的过程当中理解并实施针对所公开的实施例的其他变型。

尽管已经在附图和上述说明中详细示出和描述了本发明，但是应当将这样的图示和说明看作是示意性或示例性的，而非限定性的。本发明不限于所公开的实施例。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除复数。例如，在权利要求1中，也可以采用两个或更多二维投影图像确定接触区的位置。

可以将计算机程序存储/分布在适当的介质当中，例如，所述介质可以是光存储介质或者与其他硬件一起提供的或者作为其他硬件的部分的固体介质，但是，也可以使所述计算机程序通过其他形式分布，诸如，因特网或者其他有线或无线电信系统。

不应将权利要求中的附图标记理解为限制本发明的范围。