利用患者特异性模型对影像引导进程进行计算机化模拟的系统和方法

摘要

本发明的实施方式涉及进行影像引导进程的计算机化模拟的方法。所述方法包括根据医学影像数据产生基于数字影像的解剖结构的模型，根据基于影像的模型和外推数据产生代表解剖结构和未包括在医学影像数据中的邻近解剖区域的扩展模型，显示扩展模型的图解表示，以及利用扩展模型进行影像引导进程的计算机化模拟。

说明书

背景技术

临床实践正在尽可能地用较小创伤的技术来代替传统的开放式外科 进程(程序，方法)，然而，其间接地需要基于影像的反馈。在诸如血管 导管插入术、血管成形术和支架置入术的影像引导进程中，医生需要识别 影像中的解剖结构。如果没有全面的培训，这些进程是难以掌握的，而使 用人来进行培训可能是致命的。因此，影像引导进程的模拟系统可以在没 有不必要的风险的情况下培训医生，并且也可作为手术前的计划工具或手 术后的评估工具。大多数模拟系统基于预定义的解剖结构模型，不是患者 特异性的。因此，这样的系统不能在实施手术前准确地计划特定患者的手 术，也不能用于手术后的评估。一种更先进的模拟系统是使用患者特异性 医学影像数据的患者特异性模拟系统。

附图说明

特别指出并且在说明书的结论部分明确要求保护的为发明的主题。然 而本发明既与组织和操作方法有关，又与其对象、特征和优点有关，当阅 览附图时，可通过参考以下详细描述最好地理解，其中：

图1示出了根据本发明实施方式的用于模拟影像引导进程的示例性 系统；

图2示出了有助于理解本发明实施方式的示例性解剖结构的图解；

图3为说明根据本发明的某些实施方式模拟影像引导进程的方法的 流程图；

图4A和图4B示出了根据本发明的实施方式产生的示例性的3D数 字模型的图示；

图5为说明根据本发明的一些实施方式，生成影像引导进程的客户特 异性模拟扩展模型的示例性方法的流程图；

图6为根据本发明实施方式的扩展模型的示例性3D通用模型的图 示；和

图7A和图7B示出了根据本发明的实施方式产生的示例性3D数字 模型的图示。

应理解为了简单和明确地说明，图中示出的元件未必是按比例绘制 的。例如，可能为了清晰而将某些元件的尺寸相对于其他元件进行放大。 此外，在认为适合的情况下，各幅图之间可重复编号以表示相对应的或类 似的元件。

具体实施方式

在下面的详细描述中，为了全面理解本发明，提出了许多具体细节。 然而，本领域普通技术人员应懂得本发明可在没有这些具体细节的情况下 实施。在其他情况下，未详细描述公知的方法、程序、组件、模块、单元 和/或流程，以免使本发明含糊不清。

本发明的实施方式涉及患者特异性的影像引导进程的计算机化模拟。 该方法可包括根据从对象扫描接收的医学影像数据产生解剖结构的数字 模型。该对象可以例如为即将接受影像引导进程的患者。从例如CT系统 或任何其他合适的成像系统接收的医学影像数据通常不包括或覆盖要模 拟的所关注的整个区域，而是更有限的区域或部分。例如，支架置入术前 进行的扫描可通常覆盖紧邻于待治疗区域的区域。如本领域技术人员所理 解的，对患者的扫描通常是作为诊断工具进行的，以诊断例如特定解剖区 域的病理，因此这样的扫描通常仅覆盖患病、损伤或变化的区域及其紧邻 区域。治疗病理的手术或程序可能需要穿过扫描未覆盖的其他解剖区域。 医生希望在进行手术之前实践整个进程和/或进行进程后评估。因此，为了 能够进行全面的进程模拟，需要其他区域的解剖模型。

根据本发明的实施方式，该方法可包括根据数字模型和代表未包括在 医学影像数据中的解剖结构的邻近截面的外推数据来产生扩展模型。扩展 模型的图示可显示在监视器上，扩展模型可与其他信息如工具模型一起示 出。医生可使用扩展模型进行影像引导进程的计算机化模拟，作为实际手 术的预先进程。

医学影像数据可以是患者特异性医学影像，其获得自成像系统如计算 机断层扫描(CT)、CT-荧光透视、荧光透视、磁共振成像(MRI)、超声、 正电子发射断层扫描(PET)和X-射线。本发明的实施方式可使用医学影 像数据作为输入来产生解剖结构、器官和系统的3D或4D模型，并进一 步产生包括获得自成像系统而未呈现在医学影像中的区域的扩展模型。

根据影像数据生成的3D模型可以为，例如代表解剖结构三维(3D) 表面的多边形网格，结构体积的体素掩码(voxel mask)或面片表面(patch  surface)，如2D B-样条等。为了便于说明，根据多边形网格对本发明的实 施方式进行描述。然而本领域技术人员应理解，本发明并不限于这样的模 型，其他模型也包括在本发明的范围内。

参照图1，图1示出了根据本发明实施方式的用于模拟影像引导进程 的示例性系统100。系统100可包括输入单元105、输出单元120、模型生 成单元110、模拟单元115和管理单元135。系统100进一步包括存储器 130和控制器131。输入单元105可接收医学影像数据并可将该医学影像 数据传输至模型生成单元110以产生患者特异的模拟模型。该模型可包括 代表未呈现在用作输入数据的医学影像数据中的解剖结构区域的扩展部 分。当使用者使用模拟单元115进行模拟作为例如预先进程时，模型图示 和模拟过程会显示在输出单元120的监视器(未示出)上。

输入单元105可与成像系统(未示出)如X-射线系统、CT系统、 MRI系统和/或超声成像系统相连或接收来自其的医学影像数据。输入单 元105可包括鼠标、键盘、触摸屏或触摸板或任意合适的输入设备。可替 代地或另外地，输入单元105可包括有线或无线网络接口卡(NIC)，以接 收来自例如成像系统的数据。根据一些实施方式，输入单元105可与储存 医学影像的系统或服务器如影像归档和通信系统(picture archiving  communication system，PACS)通信，并可从该系统、服务器或应用程序 中获得任何相关的影像信息、数据或参数。

模型生成单元110可包括以生成数字模型例如解剖结构如器官脉管 系统或体内任何其他重要区域的3D或4D解剖模型及其图示的组件或模 块。该模型可根据从成像系统接收的信息，例如，通过输入单元105从 CT系统接收的医学影像，通过模型生成单元110生成。模拟单元115可 包括用于生成影像引导进程的模拟的组件。根据本发明的实施方式，系统 100可进一步包括力反馈装置(未示出)，从而当在体内操作物理工具时可 模拟对力的感知。

输出单元120可包括与显示屏相连的组件以实现可见的输出或可选 地与扬声器或另一音频设备相连以实现可听的输出。输出单元120可包括 一个或多个显示器、扬声器和/或任何其他合适的输出装置。输出单元120 可与系统100的任何其他组件或单元通信，并由此使该单元能够与外部系 统通信。单元105、110和120可以是软件、硬件、固件或它们的任意合 适组合或可以包括软件、硬件、固件或它们的任意合适组合。

控制器131可以是任何合适的控制器或处理单元，例如中央处理单元 处理器(CPU)。存储器130可以是任何合适的存储组件、装置、芯片或 系统，并且可储存可由控制器131执行的应用程序或其他可执行代码。例 如，可将执行模型生成和/或模拟的应用程序或模块装载到存储器130中并 由控制器131执行。

应认识到，本文描述的系统100为一种示例性的系统。根据本发明的 实施方式，可在单一的计算装置上实现系统100，或可替代地在分布式配 置中在两个或多个不同的计算装置上实现。例如，模型生成单元110可在 第一计算装置上运行并由第一管理单元管理，而模拟单元115可在另一个 计算装置上运行并由与该第一管理单元通信的第二管理单元管理。在另一 种示例性实施方式中，管理单元135可在计算装置上运行，模型生成单元 110可在第二计算装置上运行，模拟单元115可在第三计算装置上运行。

参照图2，其示出了心血管系统的解剖结构的示例性图解，有助于理 解本发明的实施方式。当进行影像引导进程模拟，如颈动脉支架术模拟时， 使用者可在使用各种导管进行实验的同时在脉管系统中实施导航。通常， 出于诊断目的而对患者进行的扫描仅在紧邻损伤处进行。因此，用作输入 数据的模拟模型时，这样的扫描可能未包括医生应通过该区域导航而到达 损伤处的所有区域。

图2的图解示出了代表用示例性成像系统扫描的区域的顶部区域220 和未扫描的底部区域230。因此，医学影像数据仅包括区域220的影像。 根据本发明的实施方式，为了进行充分和/或全面的进程模拟，可产生代表 扫描区域220和非扫描区域230的用于模拟的扩展模型。根据本发明的实 施方式，代表扫描区域的模型部分可由特定对象的医学影像数据生成，并 且可见该模型外推至包括未扫描区域的表示。外推可包括从一组预先设计 的代表解剖结构的通用模型中选择代表所需的扩展部分的最佳匹配。

例如，在血管成形术如颈动脉支架置入术中，为了到达左脊椎中损伤 可能存在的点235，可将导管插入患者身体下部的主动脉中，并引导其通 过位于通往左脊椎的路途的点240。因此，在模拟进程中需要包括主动脉 的扩展模型。

参照图3，图3为描述了根据本发明一些实施方式的模拟影像引导进 程方法的示例性流程图。另外参照图4A和图4B，其示出了根据本发明的 实施方式产生的示例性3D数字模型的图示。如框310所示，该方法可包 括接收对象的医学影像数据。该医学影像数据从成像或扫描系统接收，如 CT或MRI扫描仪。如框315所示，该方法可包括处理所接收的影像数据 并根据处理数据生成医学影像中所描绘的解剖结构的模型，该模型是患者 特异性的。仅包括在医学影像数据中体现的解剖结构的模型在本文中也被 称为基本模型或基于影像的模型。图4A示出了一种示例性的基于影像的 模型410，其由部分脉管系统的CT数据处理得到。

根据示例性实施方式，处理可包括将医学影像数据分割。分割涉及将 影像区域划分为与不同解剖结构相对应的非重叠区域，以及识别医学影像 中所需的解剖结构。其他分割技术，如软分割(soft segmentation)、概率 分割或贝叶斯分割(Bayesian segmentation)可实现重叠区域。应认识到， 本发明的实施方式对这方面没有限制，可使用任何适用的分割或软分割方 法。

可使用全自动算法、具有来自使用者的最小输入的半自动算法、使用 者可明确指定所需分割或使用例如CAD工具进行手动分割的定制算法来 实现分割过程。分割过程的输出包括将影像数据的一部分作为代表所需解 剖结构体积的一组体素(掩码)进行识别。数据的处理进一步包括生成该 体积的离散表面，也称为边界表示(boundary-representation，B-rep)。这 些表面通常由多边形网格表示，本发明的实施方式对这方面没有限制，其 他表示如样条曲面片(spline surface patches)或体素构造表示(实体几何 构造法，constructive solid geometry，CSG)或它们的任意混合也同样可能。

处理可进一步包括多边形网格的近似管状截面的中心线的计算，例如 血管、肠或结肠。在图4A的示例性基于影像的模型中，中心线代表不同 管道的中心线。可通过三次样条(cubic splines)例如Catmul-Rom样条或 任何其他合适的数学函数来定义管道中心线。另外地或可替代地，该处理 可进一步包括不同管道的半径的计算。

根据某些实施方式，生成医学影像中所描绘的解剖结构的基于影像的 模型可包括配准过程。配准(registration)可被定义为将多个数据集校准 至单一坐标系中，以使得对应点的空间位置重叠。解剖结构的分割部分可 根据代表患者解剖结构的其他模型进行适当定位和旋转。该其他模型可以 是本文中所述的通用模型或患者特异性模型。例如，配准模拟血管可包括 根据患者的骨骼结构、内脏器官或肺的数字模型对其进行适当定位。配准 使得能够呈现出所处理对象的真实影像。配准可进一步实现在保留模拟模 型中器官的相对位置、截面、区域或部分的同时，在模拟模型的空间中旋 转或浮动或重新定位。

根据某些实施方式，与分割、多边形网格的生成、计算中心线和/或 半径有关的程序、任务和/或函数可在分割阶段进行，或在模型生成单元 110或模拟单元115启动模拟时进行。本领域技术人员应知晓，虽然通常 进行本文中所述内容，但也存在其他实施。例如，模拟单元115可利用一 组体素作为输入以生成模型，而无需进行面绘制(surface rendering)和/ 或中心线或半径的计算和/或配准。应认识到本发明的实施方式不限于示例 性方法或所描述的用于生成基于影像的解剖结构的基本模型的系统，在未 偏离本发明范围的前提下，也可使用其他方法生成该模型。

再参见图3，根据本发明的实施方式，该方法可包括通过外推医学影 像数据中所描绘的基本模型来生成或计算解剖结构的扩展模型(框320)。 然后，该方法可包括根据扩展模型进行影像引导进程的患者特异性模拟 (框325)。根据本发明的实施方式，对象的医学影像数据中缺失的部分、 截面或区域可通过外推根据医学影像数据计算的模型来进行模拟或建模。 图4B示出了通过识别图4中的基本模型410的边界并外推该基本模型410 并添加外推截面420、421而产生的扩展模型，在图5、图6、图7A和图 7B中有详细解释。

参照图5，其为描述了根据本发明的实施方式生成影像引导进程的患 者特异性模拟的扩展模型的方法的示例性流程图。另外参照图6、图7A 和图7B，它们示出了根据本发明的实施方式产生的典型多边形网格的图 示。本发明的实施方式可适用于不同的解剖结构、系统、截面、区域、器 官或它们的部分。因此，本文中参照图5所述的方法可适用于生成任何这 样的解剖结构的扩展模型。然而，为了简单和清楚，下面的讨论涉及脉管 系统的示例性图示说明。应注意本发明的实施方式在这方面没有限制。为 了便于说明，根据多边形网格对本发明的实施方式进行了描述。然而本领 域技术人员应知晓，本发明并不限于这样的模型，其他模型也包括在本发 明的范围内。

根据图5的典型实施方式，输入至外推阶段是指表示为多边形网格的 基于影像的模型，其代表基于该影像模型的3D表面，经过适当的配准和 旋转，还包括由样条表示的管道中心线。如框510所示，该方法可包括识 别一个或多个多边形网格的边界，如图4A的网格410或图7A的网格710。 例如，可通过检测仅与一个多边形有关的边缘来检测多边形网格的边界。 所检测的边缘可被分为一个或多个连接性组件，其中每个组件与可能需要 外推的单一管道的开放性边界相连。

根据本发明的一种示例性实施方式，该方法可包括为每个需要外推的 边界选择通用的预先设计的模型以用作扩展截面的模型，其表示为例如多 边形网格，如图6的网格610(框515)。通用模型可选自一组预先设计的 模型以根据特定参数和规则与开放性边界的边缘最佳匹配。可用多边形网 格代表通用模型，以用作对未包括在根据医学影像数据生成的基于影像的 模型的区域或截面进行的近似或估计。

所选的通用模型，例如多边形网格，可在数据库、图书馆或任何其他 通用网格的存储库中检索。该存储库可存储大量的多边形网格或其他模 型，每个模型对应于例如特定解剖位置的特定管道，并具有已知的物理特 性如长度和半径。根据本发明的实施方式，可利用预先生成的模型或多边 形网格的存储库获得与代表基本的或基于影像模型的多边形网格的开放 性边界最接近或最佳匹配的多边形网格。例如，如图7A和图7B所描述， 可选择多边形网格610作为基础或起始点，以在边界715处生成截面710 的扩展截面720。可基于预定义的分割模型的几何属性组手动或自动进行 最佳匹配的选择。另外，可使用手动或自动运行进行选择。根据本发明的 实施方式，系统可发送给使用者建议以选择特定的通用模型，然后使用者 可手动确认或拒绝建议。

然后，如框525所示，示例性实施方式可包括定位所选的网格使其与 边界成一直线。示例性对准方法可利用与预定义的外推网格库有关的中心 线，并可且包括在边界附近的分割区域的边缘处计算中心线的切向量。可 根据在边缘或所检测边界的点计算这样的切向量。接下来，可定位预定义 的或生成的多边形网格中心线上的点。该点可与所计算的模拟器官边界的 正切值接近或相同的切向量相关或具有该切向量。使用具有相似切向量的 点能够使预定义的多边形网格按照与模拟器官或代表其的多边形网格有 关的正确方向定位。

然后，如框530所示，示例性的实施方式可包括将代表基于影像模型 的多边形网格的中心线与如图7A所描述的所选的预定义多边形网格的中 心线相连接。如此处所述，可根据所计算的正切值进行中心线的连接。可 对中心线进行接合、结合或紧密结合(weld)，使具有接近、相似或相同 正切值的点重叠以确保在3D空间中对基本模型和添加截面进行相似定位 或定向。

接下来，如框535所示，示例性实施方式可包括除去多余截面。由于 已知由基本多边形网格表示的基本模型的边界的配准，可定义虚框、球体 或其他结构化体积以使其包含多边形网格。因此，除去延伸出或在该虚拟 体积外的所添加截面的部分，因为其是多余的。可替代地，只有位于该虚 拟框或体积内的所选择网格的顶点才能得以保留并如本文所述进行进一 步处理。

如框540所示，示例性实施方式可包括缩放所选通用网格的半径以更 好地匹配代表基本模型的基本多边形网格的半径。所选择的预定义多边形 网格的形状可能不适合或完全匹配其所连接的边界或开放端。此外，虽然 如本文所述进行定位或定向，然而代表基本模型的多边形网格和所选的代 表扩展截面的多边形网格的中心线在空间中仍然可能是分离的。此外，例 如在模拟血管的情况下，预定义的横截面匹配至开放端的外推截面可能不 是一个完整的圆形，也不能保证其中心线为精确的圆柱体的数学中心线。 因此，可能对中心线周围的每个角度使用不同的缩放因子。

随后，如框545所示，示例性实施方式可能包括将所选的多边形网格 的表面与基本多边形网格的表面进行焊接。例如，如图7B所描述，可将 基本多边形网格和所选择的预定义多边形网格连接以产生连续表面。可将 来自基本多边形网格的边界和来自相应的所选扩展截面的网格的顶点进 行连接并用单一顶点表示，同时将多余顶点从模型中除去。对需要扩展的 基本模型的每个开放端、边界或边缘重复上述典型方法。

本领域技术人员应理解，可使用多种方法和与基本模型不同或相似的 模型来代表扩展解剖结构的预定义的通用模型。根据某些实施方式，代表 扩展区域的模型可与基本模型不同。因此，代表外推区域的模型可转换为 符合基本模型的另一种格式或表示。然后在所转换表示中的外推区域可与 基本模型紧密结合或连接。

可替代地，根据本发明的其他实施方式，多边形网格或代表外推截面 的另一合适模型可在进程中(程序性)生成。外推截面或区域的程序性生 成可包括识别基本模型的关键属性，如待扩展的边界、相关半径、中心线 等。例如，所生成的血管基本模型的中心线可根据第一组规则进行外推。 第一组规则的非限定性实例可包括涉及将外推朝着预定方向均匀弯曲的 规则。然后，通过例如第二组规则，对模拟血管模型的半径函数进行外推。 第二组规则的非限制性实例可包括均匀地将半径从基本模型的识别值朝 向预定义长度的预定义值(例如1cm)进行改变，然后在距离顶端的预定 义的距离处(例如距离顶端2mm)，均匀地将半径改变为零。然后，使用 外推中心线和半径函数，生成代表基本模型及其外推的统一多边形网格。

本发明的实施方式可包括物件如计算机或处理器可读的介质，或计算 机或处理器的存储介质如存储器、磁盘驱动器或USB快速存储器，其编 码、包括或储存指令如计算机可执行指令，当由处理器或控制器执行时， 可实施本文所公开的方法。

虽然本发明的实施方式无此方面的限制，但如本文中所使用的，术语 “多个”和“复数个”可包括例如“多个”或“两个或更多”。术语“多 个”和“复数个”可在整个说明书中使用，以描述两个或多个组件、装置、 元件、单元、参数等。

除非明确规定，本文的方法实施方式不限于特定顺序或序列。另外， 某些描述的方法实施方式或其元素可能在相同时间点或重叠的时间点进 行。如本领域所知，可执行代码段如函数、任务、子任务或程序的执行可 称为函数、程序或其他组件的执行。

虽然本发明的实施方式无此方面限制，但利用术语例如“处理”、“计 算”、“计算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检验”等进行的讨论可能涉及 计算机、计算平台、计算系统或其他电子计算设备的运行和/或处理，其将 计算机寄存器和/或存储器内的表示为物理(例如电子)量的数据操作和/ 或转换成计算机寄存器和/或存储器或可储存指令并进行运行和/或处理的 其他信息储存介质内的其他类似的表示为物理量的数据。

虽然本文对本发明的某些特征进行了说明和描述，但本领域技术人员 将可进行多种修改、替换、更改、及等同替代等。因此，应理解所附权利 要求意图覆盖落入本发明实质精神内的所有修改和更改。