Система для комплексного слияния данных формирования изображения на основании статистических моделей анатомии - RU2472442C2

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Заявитель испрашивает приоритет предварительной заявки на выдачу патента США № 61/014451, поданной 18 декабря 2007 г. Родственными заявками являются предварительная заявка на выдачу патента США № 61/014,455, поданная 18 декабря 2007 г, и предварительная заявка на выдачу патента США № 61/099637, поданная 24 сентября 2008 г.

Настоящее изобретение относится к способам и системам для объединения кардиальной трехмерной рентгеновской и ультразвуковой информации на основании анатомических признаков (например, эпикардиальных поверхностей и опознавательных точек) в пределах рентгенографических и ультразвуковых изображений желудочкового эпикарда сердца.

Пациенты, подвергающиеся кардиальным вмешательствам, типично крайне слабы и подвержены сердечной недостаточности. Они часто не способны переносить инъекции большого объема контрастного вещества, которые являются типичными для процедур, например, таких как вентрикулография. В некоторых из этих сценариев требующая основанного на комплексных изображениях совмещения вентрикулография не может выполняться из этических соображений.

Например, при лечении кардиальной ресинхронизацией полагаются на имплантацию проводов двухжелудочкового кардиостимулятора в полости правой и левой половин сердца. Для синхронизации сердечного сокращения положение проводника левого желудочка управляется в пределах относящейся к коронарным венам анатомии для позиционирования наконечника электрода в пределах области наибольшей механической задержки. Трехмерные модели вен, получаемые из ротационных флебограмм, помогают врачам идентифицировать перспективные венные ветви для навигации проводника, тогда как оценка асинхронности, основанная на формировании трехмерных ультразвуковых изображений, помогает идентифицировать целевое местоположение для размещения наконечника электрода. Чтобы эффективно использовать информацию рентгеновского и ультразвукового исследований, должно вычисляться совмещение (например, пространственное выравнивание) между рентгеновским и ультразвуковым изображением. Одна из технологий эндокардиального отображения для совмещения рентгеновского и ультразвукового изображений использует для совмещения получающуюся из вентрикулографии анатомию полости LV (левого желудочка) в сочетании с той же самой полостью, изображенной с помощью ультразвука. Однако пациенты, подвергающиеся лечению кардиальной ресинхронизацией, обычно крайне слабы и подвержены сердечной недостаточности, а потому часто неспособны переносить инъекции контрастных агентов большого объема, которые обычно требуются для процедур, таких как вентрикулография. Основанное на вентрикулографии совмещение рентгеновских и ультразвуковых изображений, поэтому, является проблематичным для пациентов CRT (лечения кардиальной ресинхронизацией) с плохой сердечной и почечной функцией.

Подход настоящего изобретения полностью избегает вентрикулографии и является клинически более жизнеспособным в ситуациях, где пациенты не переносят контрастирования большого объема.

Одной из форм настоящего изобретения является способ совмещения желудочкового эпикарда, включающий в себя (1) представление одного или более анатомических признаков, невидимых в пределах ультразвуковых изображений желудочкового эпикарда сердца, (2) идентификацию анатомического признака(ов), видимого в пределах рентгеновских изображений желудочкового эпикарда сердца, и (3) совмещение ультразвуковых изображений и рентгеновских изображений желудочкового эпикарда на основании представления анатомического признака(ов), невидимого в пределах ультразвуковых изображений, и идентификации анатомического признака(ов), видимого в пределах рентгеновских изображений.

Примеры анатомических признаков включают в себя, но не в качестве ограничения, часть или всю полноту эпикардиальной поверхности и вены коронарного синуса.

Второй формой настоящего изобретения является система комплексного совмещения, содержащая процессор и память, связанную с процессором, при этом память хранит реализующие программу команды, выполняемые процессором для (1) представления одного или более анатомических признаков, невидимых в пределах ультразвуковых изображений желудочкового эпикарда сердца, (2) идентификации анатомического признака(ов), видимого в пределах рентгеновских изображений желудочкового эпикарда сердца, и (3) совмещения ультразвуковых изображений и рентгеновских изображений желудочкового эпикарда на основании представления анатомического признака(ов), невидимого в пределах ультразвуковых изображений, и идентификации анатомического признака(ов), видимого в пределах рентгеновских изображений.

Вышеизложенная форма и другие формы настоящего изобретения, а также различные признаки и преимущества настоящего изобретения станут дополнительно очевидны из последующего подробного описания различных вариантов осуществления настоящего изобретения, прочитанных в соединении с прилагаемыми чертежами. Подробное описание и чертежи скорее являются только иллюстрирующими настоящее изобретение, нежели ограничивающими объем настоящего изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

Фиг.1 иллюстрирует примерный вариант осуществления объединенной модели эпикардиальной оболочки/коронарной вены в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 иллюстрирует примерное совмещение рентгеновских и ультразвуковых наборов данных.

Фиг.3 иллюстрирует структурную схему различных систем в соответствии с настоящим изобретением для реализации способа совмещения желудочкового эпикарда в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 иллюстрирует блок-схему последовательности операций примерного варианта осуществления способа совмещения желудочкового эпикарда в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.5 иллюстрирует блок-схему последовательности операций способа, представляющую примерный вариант осуществления фазы формирования ультразвукового изображения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.6 иллюстрирует блок-схему последовательности операций способа, представляющую примерный вариант осуществления фазы формирования рентгеновского изображения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.7 иллюстрирует блок-схему последовательности операций способа, представляющую примерный вариант осуществления фазы совмещения формирования изображения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.8 иллюстрирует блок-схему последовательности операций способа, представляющую примерный вариант осуществления способа формирования/отображения статистической модели в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.9 иллюстрирует примерное формирование и отображение статистической модели в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.10 иллюстрирует примерное совмещение формирования изображения в соответствии с настоящим изобретением.

Настоящее изобретение основано на осознании, что вместо использования вентрикулографии для очерчивания эндокардиальных поверхностей левого и/или правого желудочков сердца желудочковый эпикард может использоваться для определения местоположения левого и/или правого желудочков сердца. Более точно рентгеновские изображения желудочкового эпикарда могут быть автоматически, полуавтоматически или вручную сегментированы для формирования модели поверхности, на которой может быть указано положение жизнеспособного анатомического признака, который визуализируется рентгеновскими изображениями. Дополнительно для трехмерного ультразвукового исследования может быть задействовано формирование изображений большого объема или множество меньших объемов могут сливаться вместе для фиксации профиля полного желудочкового эпикарда, в соответствии с чем, жизнеспособный анатомический признак много раз увеличивается и, возможно, видим при формировании ультразвукового изображения. Положение анатомического признака может автоматически, полуавтоматически или вручную указываться на ультразвуковом изображении, если он видим на ультразвуковом изображении.

Как изложено выше, стратегия объединения рентгеновского/ультразвукового исследования согласно настоящему изобретению основана на совмещении совместных признаков. Например, как показано на фиг.2, местоположение 25 наконечника проводника правого желудочка (RV) и местоположение 26 центральной линии коронарных вен, идентифицированные по ультразвуковым данным, преобразовывались, чтобы совпадать с местоположением центральных линий модели коронарных вен, полученных из ротационного рентгеновского исследования. В некоторых случаях эти признаки могут не быть легко различимыми в ультразвуковых данных. Настоящее изобретение, кроме того, основано на выведении и использовании статистических моделей для определения трехмерных вероятностных диаграмм для местоположений невидимых анатомических признаков относительно других структур, которые видимы в полученных ультразвуковых данных. В частности, статистические модели интересующей анатомии могут выводиться из библиотеки наборов данных кардиальной компьютерной топографии, причем каждая статистическая модель используется для логического вывода положения того же самого признака в ультразвуковом пространстве, а затем выполнения совмещения для преобразования логически выведенного положения в реальное местоположение признака, видимое в рентгеновском наборе данных. После этой последовательности операций успешное слияние ультразвуковых и рентгеновских данных будет достигнуто, несмотря на отсутствие реального анатомического признака, используемого для совмещения, в ультразвуковых данных.

Например, со ссылкой на фиг.1, рентгеновские изображения желудочкового эпикарда сердца 10 могут быть сегментированы для формирования модели поверхности, на которую может наноситься положение эпикардиальной поверхности 11 левого желудочка сердца 10, положение эпикардиальной поверхности 12 правого желудочка сердца 10 и/или положение вены 13 коронарного синуса, которые визуализируются в задних проекциях сердца 10 рентгеновскими изображениями. Дополнительно для трехмерного ультразвукового исследования может быть задействовано формирование изображений большого объема или многочисленные меньшие объемы могут сливаться вместе для фиксации профиля полного желудочкового эпикарда сердца 10, в соответствии с чем вена 13 коронарного синуса является невидимой при формировании ультразвукового изображения, но является допускающей представление посредством статистического моделирования согласно настоящему изобретению. По существу положение эпикардиальной поверхности 11 левого желудочка сердца 10, положение эпикардиальной поверхности 12 правого желудочка сердца 10 и/или положение вены 13 коронарного синуса может автоматически, полуавтоматически или вручную наноситься на ультразвуковые изображения.

Конечным результатом настоящего изобретения является совмещение ультразвуковых изображений и рентгеновских изображений, чтобы получать объединение эпикардиальной поверхности/коронарной вены для хирургических целей, например, такое как интегрированное объединение 20 эпикардиальной поверхности/коронарной вены, показанное на фиг.1. В этом примере объединение 20 включает в себя эндокардиальную поверхность 21, имеющую вену 22 коронарного синуса, расположенную на определенном расстоянии от поверхности 21, и опознавательные точки 23 и 24 (например, наконечник катетера), связанные с поверхностью 21.

Для содействия дополнительному пониманию настоящего изобретения фиг.3 иллюстрирует рентгенографическую систему 30, ультразвуковую систему 40 и новую уникальную систему 50 комплексного совмещения, имеющую процессор 51 и память 52, хранящую команды, выполняемые процессором 51 для реализации способа совмещения желудочкового эпикарда, представленного блок-схемой 60 последовательности операций способа, показанной на фиг.4.

Со ссылкой на фиг.3 рентгенографическая система 30 является рентгенографической системой, конструктивно сконфигурированной для формирования рентгеновских изображений 31 для сосуда, формирующего изображение сердца 10, и для передачи данных 32 формирования рентгеновских изображений, указывающих рентгеновские изображения 31, в систему 50. Дополнительно ультразвуковая система 40 является любой ультразвуковой системой, конструктивно сконфигурированной для формирования трехмерных ультразвуковых изображений 41 полнообъемного трехмерного или многообъемного трехмерного формирования изображения сердца 10 и для передачи данных 42 формирования ультразвуковых изображений, указывающих ультразвуковые изображения 41, в систему 50. Система 50 комплексного совмещения конструктивно сконфигурирована с командами, хранимыми в памяти 52 и выполняемыми процессором 51 для обработки данных 32 рентгеновской флебографии и ультразвуковых данных 42 для целей реализации блок-схемы 60 последовательности операций способа.

Более точно фаза P61 формирования ультразвуковых изображений блок-схемы 60 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, выполняющий команды для представления одного или более анатомических признаков, отсутствующих в ультразвуковых изображениях 41. Фаза P62 формирования рентгеновских изображений блок-схемы 60 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, выполняющий команды для идентификации одного или более анатомических признаков, показанных в рентгеновских изображениях 31. А фаза P63 совмещения изображений блок-схемы 60 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, выполняющий команды для отображения изображений 31 и 41 на основании рентгеновской идентификации и ультразвукового представления анатомических признаков. Вновь примеры анатомических признаков включают в себя, но не в качестве ограничения, эпикардиальные поверхности 11 и 12 и вену 13 коронарного синуса, как показано на фиг.1 и 2.

На практике фаза P61 формирования ультразвуковых изображений типично будет выполняться в качестве предоперационного этапа наряду с тем, что фаза P62 формирования рентгеновских изображений и фаза P63 совмещения изображений будут выполняться в качестве операционных этапов. Однако для целей настоящего изобретения фазы P61-P63 могут осуществляться на практике при необходимости для выполнения любой применимой сердечно-сосудистой процедуры.

Блок-схема 70 последовательности операций способа, показанная на фиг.5, является примерным вариантом осуществления фазы P61 формирования ультразвуковых изображений, принимая во внимание эпикардиальные поверхности 11 и 12, а также вену 13 коронарного синуса, служащие в качестве анатомических признаков. Со ссылкой на фиг.5, этап S71 блок-схемы 70 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, формирующий трехмерную эпикардиальную оболочку из ультразвуковых данных 42, в соответствии с чем, один или более анатомических признаков могут быть невидимы в ультразвуковых изображениях 41 (то есть, анатомический признак (2) необнаружим или является недопускающим положительную идентификацию). По существу необязательный этап S72 блок-схемы 70 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, формирующий статистическую модель невидимого анатомического признака(ов), а необязательный этап S73 блок-схемы 70 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, отображающий статистическую модель невидимого анатомического признака(ов) на трехмерной эпикардиальной оболочке. Формирование статистической модели этапа S72 получается из библиотеки, содержащей множество X кардиальных наборов данных любого типа (например, компьютерной топографии и магнитного резонанса), где X ≥ 1. Более того, отображение статистической модели этапа S74 логически выводит положение невидимого анатомического признака(ов) на трехмерной эпикардиальной оболочке.

По завершении этапов S72 и S73, если применимо, этап S74 блок-схемы 70 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, определяющий один или более сегментов трехмерной эпикардиальной оболочки, которые могут использоваться для отображения сегмента(ов) выпуклой оболочки, определенного в течение этапа S83 блок-схемы 80 последовательности операций способа, а этап S75 блок-схемы 70 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, указывающий положение вены 13 коронарного синуса на трехмерной эпикардиальной оболочке. Вновь положение вены 13 коронарного синуса включает в себя координаты пространственного местоположения вены 13 коронарного синуса и/или координаты угловой ориентации вены 13 коронарного синуса.

Блок-схема 80 последовательности операций способа, показанная на фиг.6, является примерным вариантом осуществления фазы P62 формирования рентгеновских изображений, принимая во внимание эпикардиальные поверхности 11 и 12, а также вену 13 коронарного синуса, служащие в качестве анатомических признаков. Со ссылкой на фиг.6 этап S81 блок-схемы 80 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, формирующий трехмерную модель вены из данных 32 рентгеновской флебографии, а этап S82 блок-схемы 80 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, формирующий трехмерную выпуклую оболочку из трехмерной модели вены для целей аппроксимации полного желудочкового эпикарда сердца 10. Ввиду обстоятельства, что трехмерная выпуклая оболочка может быть точной на ограниченной части эпикардиальных поверхностей 11 и 12 (например, форма верхушечной оболочки может не быть точной), этап S83 блок-схемы 80 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, определяющий один или более сегментов трехмерной выпуклой оболочки, которая точно отражает желудочковый эпикард сердца 10, в соответствии с чем этот сегмент(ы) выпуклой оболочки может использоваться для отображения формирования ультразвуковых изображений желудочкового эпикарда сердца 10, как будет дополнительно пояснено в материалах настоящей заявки. Этап S84 блок-схемы 80 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, аннотирующий положение вены 13 коронарного синуса на трехмерной выпуклой оболочке. Положение включает в себя координаты пространственного местоположения вены 13 коронарного синуса и/или координаты угловой ориентации вены 13 коронарного синуса.

Блок-схема 90 последовательности операций способа, показанная на фиг.7, является примерным вариантом осуществления фазы P63 совмещения изображений, принимая во внимание эпикардиальные поверхности 11 и 12, а также вену 13 коронарного синуса, служащие в качестве анатомических признаков. Со ссылкой на фиг.7 этап S91 блок-схемы 90 последовательности операций способа вовлекает процессор 91, оценивающий один или более параметров совмещения, при необходимости, чтобы, тем самым, получать минимальное полное расстояние между выпуклой оболочкой и сегментами эпикардиальной поверхности во время этапа S92 блок-схемы 90 последовательности операций способа, и чтобы, тем самым, получать минимальное полное расстояние между положениями вены 13 коронарного синуса в трехмерной выпуклой оболочке и трехмерной оболочке эпикардиальной поверхности во время этапа S93 блок-схемы 90 последовательности операций способа. По получении таких минимальных полных расстояний этап S94 блок-схемы 90 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, отображающий рентгеновские изображения 31 и ультразвуковые изображения 41 на основании метрики минимального полного расстояния по этапам S92 и S93. В качестве альтернативы этап S94 блок-схемы 90 последовательности операций способа может вовлекать процессор 51, отображающий рентгеновские изображения 31 и ультразвуковые изображения 41 на основании определения минимального полного расстояния на этапе S92 или этапе S93, как указано пунктирными линиями.

В дополнительных альтернативных вариантах осуществления дополнительные свойственные опознавательные точки (например, анатомическая опознавательная точка 21, показанная на фиг.2) и/или свойственные опознавательные точки (например, наконечник 22 катетера/электрода, показанный на фиг.2) могут использоваться для аннотирования и/или минимизации расстояния между рентгеновским и ультразвуковым изображениями. Дополнительно метрика полного расстояния или любая другая надлежащая степень соответствия технологии параметров подгонки может использоваться во время этапа S92 и/или S93.

Результатом является объединение моделей желудочковой оболочки/коронарной вены (например, объединение 20 эндокардиальной оболочки/коронарных вен, показанное на фиг.1 и 2) для целей проведения применимых сердечно-сосудистых процедур, например, таких как процедуры рентгеновского вмешательства/области EP и, в частности, лечения кардиальной ресинхронизацией.

Фиг.8 иллюстрирует блок-схему 100 последовательности операций способа для облегчения дальнейшего понимания формирования/отображения статистической модели согласно настоящему изобретению. Со ссылкой на фиг.8 этап S101 блок-схемы 100 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, отображающий одну или более реперных точек, показанных в ультразвуковых изображениях 41 в статистической модели, а этап S102 блок-схемы 100 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, вычисляющий среднее положение невидимого анатомического признака.

Например, фиг.9 иллюстрирует формирование 100 статистической модели на основании очерчивания ближайших к месту прикрепления 3 см центральной линии коронарной вены относительно четырех (4) реперных точек митрального клапана, видимых на кардиальной компьютерной томографии и ультразвуке. Трехмерные местоположения четырех (4) реперных точек митрального клапана (112 на нижней левой диаграмме) определяются из многослойных реформатированных тонких срезов двенадцати (12) кардиальных объемов компьютерной томографии. Местоположение центральной линии ближайших к месту прикрепления 3 см коронарной вены также определяется 113 для каждого пациента. Все эти метки отображаются в общее базовое пространство, и вычисляется среднее положение трехмерной центральной линии 114 коронарных вен. Центральная линия 114 представляет логически выведенное ближайшее к месту прикрепления местоположение центральной линии вены относительно реперных точек митрального клапана, которые без труда опознаваемы в трехмерных ультразвуковых наборах данных.

Вновь со ссылкой на фиг.8, по завершении этапа S101 и S102, этап S103 вовлекает процессор 51, идентифицирующий реперную точку(и) ультразвукового набора 42 данных, а этап S104 блок-схемы 100 последовательности операций способа вовлекает процессор 51, совмещающий вычисленное среднее положение невидимого анатомического признака в пределах ультразвукового набора 42 данных.

Например, со ссылкой на фиг.9, отображение 101 статистической модели использует те же самые реперные точки митрального клапана, измеренные в кардиальных объемах компьютерной томографии и легко идентифицируемые в ультразвуковых объемных данных 42, в соответствии с чем реперные точки митрального клапана используются для совмещения оболочки левого желудочка из кардиального отраженного сигнала со статистической моделью ближайшей к месту крепления коронарной вены. Вновь измерения коронарной вены у 12 пациентов были усреднены для построения показанной модели. Центральная линия модели вены (пунктирная зеленая линия на левой диаграмме, красный криволинейный сегмент в трехмерной визуализации справа) является средним трехмерным положением для 12 пациентов, тогда как диаметр модели представляет одно среднеквадратическое отклонение положения центральной линии в местоположении каждого сегмента. Фиг.10 иллюстрирует совмещение ультразвуковых и рентгеновских пространств на основании пространственного преобразования модели ближайшей к месту крепления вены в ультразвуковом пространстве с соответствующим сегментом коронарной вены, присутствующим в рентгеновском пространстве с конечным результатом, показывающим ротационную рентгеновскую проекцию внизу слева и соответствующие соединенные оболочку LV (из 3DUS) и модель вены (из ротационного рентгеновского исследования) внизу справа.

Со ссылкой на фиг.1-10 рядовые специалисты в данной области техники будут принимать во внимание различные эффекты настоящего изобретения, в том числе, но не в качестве ограничения, сокращение или устранение внешних систем слежения, что дает в результате низкие клинические накладные расходы и предоставляет возможность/требует очень небольших контрастных болюсов. Дополнительно на практике различные технологии для потребностей нанесения, сегментации и совмещения по настоящему изобретению могут использоваться в зависимости от отдельной выполняемой кардиальной процедуры и отдельного оборудования, используемого для выполнения кардиальной процедуры. Предпочтительно: (1) сегментация трехмерной выпуклой оболочки выведена из Elco Oost, et.al, «Automated contour detection in X-ray left ventricular angiograms using multiview active appearance models and dynamic programming» («Автоматизированное выявление контура в рентгеновских ангиограммах левого желудочка с использованием многопроекционных активных моделей внешнего вида и динамического программирования»), IEEE Trans Med Imaging, September 2006; (2) сегментация трехмерной оболочки эпикардиальной поверхности выведена из Alison Noble, et.al, «Ultrasound image segmentation: a survey» («Сегментирование ультразвуковых изображений: исследование»), IEEE Trans Med Imaging, August 2006, и (3) совмещение рентгеновских и ультразвуковых изображений выведено из Audette et. al, Medical Image Analysis, 2000.

Несмотря на то, что варианты осуществления изобретения, раскрытые в материалах настоящей заявки, сегодня считаются предпочтительными, различные изменения и модификации могут быть произведены, не выходя за рамки сущности и объема изобретения. Объем изобретения указан в прилагаемой формуле изобретения и все изменения, которые оказываются в пределах значения и диапазона эквивалентов, подразумеваются охваченными в материалах настоящей заявки.

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способам и системам кардиальной трехмерной рентгеновской и ультразвуковой томографии. В способе совмещения изображений желудочкового эпикарда сердца формируют рентгеновское и ультразвуковое изображения. При этом один или более анатомический признак является невидимым в пределах ультразвуковых изображений. Формируют статистическую модель для определения местоположений невидимых признаков относительно видимых в ультразвуковых данных признаков. Идентифицируют один или более анатомический признак, видимый в пределах рентгеновских изображений. Совмещают ультразвуковые и рентгеновские изображения желудочкового эпикарда сердца на основании представления анатомического признака, невидимого в ультразвуковых изображениях, и идентификации анатомического признака, видимого в пределах рентгеновских изображений. Для осуществления способа используют систему совмещения изображений, включающую процессор, память для хранения реализующих программу команд для осуществления этапов способа. Использование изобретения позволяет избежать вентрикулографию и контрастирование большого объема желудочкового эпикарда сердца. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

Формула