CN102365653B - 对医学成像的改进 - Google Patents
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Abstract
超声成像或超声探测术是一种用于诊断目的的方便的成像方式。在需要可视化的流程期间，用户通过在屏幕上手动选择适当的表示，协调换能器的运动。也可以采用超声进行功能性测量。通常，测量需要手动选择要进行测量的目标平面、线或体积。现有技术中也已知超声的治疗应用。这样的应用通常采用更高的能量，因此定位不精确可能对周围组织造成损伤。本发明提供了一种系统和方法，用于重复确定解剖体积中包括的参考结构和配置成提供解剖体积成像数据的医学成像换能器之间的第一矢量。本发明提供了一种参考结构的自动化跟踪系统，仅要求用户选择参考结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于提供解剖体积中参考结构的成像数据的系统和方法。
背景技术
超声成像或超声探测术是一种用于诊断目的的方便的成像模态(modality)。可以在治疗介入之前、期间或之后采用该技术。通常，健康护理专业人员使用手持探头或换能器，适当移动探头或换能器以对参考结构进行可视化。在许多情况下，换能器被放在身体表面上。然而，在一些专门的流程中，诸如阴道内、直肠内和经食道流程中，将特定换能器放在患者身体内部。甚至可以将小的换能器安装在导管上并插入血管中以对血管壁成像。
超声技术的新发展需要在越来越大范围的诊断和介入流程中进行实时监测。例如，为了诊断和治疗心房间隔缺损(ASD)或卵圆孔未闭(PFO)，健康护理专业人员可以采用：
-经食道超声心动描记术(TEE)，其中超声换能器放在食道内部
-经胸廓的超声心动描记术(TTE)，其中超声换能器放在胸部，身体外部
-心内回波(ICE)，其中超声换能器放在静脉系统中并推进到心脏。
在需要可视化的流程期间，用户通过在屏幕上手段选择适当的表示，诸如3D成像体积的2D观察截面，来协调换能器的运动。在现有技术的系统中，诸如在美国专利6342889中所公开的，提供了一种系统，其提供初始视图，然后用户选择感兴趣点，并且该系统在显示器上提供包括所选点的表示。尽管提供了一定程度的自动化，但仍需要系统的操作员频繁输入感兴趣点。尽管在用户处理先前采集的成像数据的离线应用中这可能是可接受的，但在实时应用中这是不可接受的，其中用户的输入直接影响到正在执行的流程的精确性和可靠性。将要求用户做出选择并在整个流程中做出观察选择，甚至常常需要受到更高培训的操作员进行试错以获得预期结果。
也可以采用超声进行功能性测量，例如多普勒(Doppler)测量，其中采用多普勒效应以测量参考结构相对于换能器运动的方向和速度，参考结构例如是心脏瓣膜的一部分或血管中的一股血流。通常，测量需要手动选择要执行测量的靶平面、线或体积。
可以利用连续的和脉冲式系统执行多普勒测量，其中脉冲式系统的优点是可以从超声脉冲获得关于参考结构深度或范围的距离信息。
然而，已知如果参考结构的速度和测量束和血流方向之间的角度组合给出大于脉冲重复频率一半的多普勒频率，则脉冲式多普勒受到混淆现象的影响。这在多普勒信号中造成歧义，并且可能导致参考对象运动的错误解释。通常利用低脉冲重复频率测量低速度，例如静脉流动，利用更高的脉冲重复频率测量高速度，例如动脉流动。
脉冲多普勒的额外问题是测量深度受到所选脉冲重复频率的限制，因为时间间隔必须足以允许脉冲在发射下一脉冲之前从换能器行进到参考结构并返回。
在现有技术中已知有组合了可视化和功能性可能的系统。可以利用不同的换能器完成这一点，或者更常见地，利用能够工作在两种不同模式下的单个换能器实现，例如用于功能模式的脉冲多普勒和用于可视化的B模式成像。
在彩色多普勒超声技术中，测量图像平面中数千个样本体积中的多普勒频移。对于每个样本体积，将平均多普勒频移编码为颜色，并在B模式图像顶部显示。同样在两种不同工作模式之间切换换能器。
测量样本和处理结果需要相当强的计算能力，使得这种仪器很昂贵。
此外，功能测量通常需要在换能器取向、测量体积的选择、脉冲重复频率的选择等方面适当配置超声装置，从而在选定参考结构处精确反映超声波束。通常由用户选择测量体积的位置和范围，因此可能导致测量结果不精确。
在一些情况下，可以在使用手术器械的介入期间采用超声，所述器械例如是治疗心房间隔缺损(ASD)或未闭卵圆孔(PFO)时的导管。
PCT申请WO 2005/101277公开了一种系统，提供实时三维成像，在利用活检针的介入期间使用。这种系统利用霍夫(Hough)变换从体积分割出活检针以给出针的位置和延伸情况。然后可以将此用于自动选择图像切片，使得用户始终在活检针的方向上观看。
尽管对于一些应用而言是可接受的，所以从活检针的角度讲这种系统只能提供有限的视场，使得用户非常容易对针进行不正确的引导并失去取向。用户然后必须手动选择图像平面以恢复取向，甚至要移动针返回直到恢复取向。
现有技术中还已知超声的治疗应用。它们在解剖体积中提供局部加热和/或机械激励。例如，可以使用聚焦超声手术(FUS)或高强度聚焦超声(HIFU)来加热诸如囊肿和肿瘤的参考结构。在另一范例中，碎石术采用超声破碎参考结构，例如肾、膀胱、输尿管或胆囊中的结石。这样的应用通常采用比可视化或功能测量更高的能量，因此定位不精确可能对周围组织造成损伤。在现有技术中，已知用户利用适于可视化的器械，例如MRI确定位置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于提供解剖体积中参考结构的成像数据的系统和方法。
本发明由独立权利要求限定。在从属权利要求中限定了有利的实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种系统，用于重复确定解剖体积中包括的参考结构和配置成提供解剖体积成像数据的医学成像换能器之间的第一矢量；所述系统包括：
-被配置成指定所述参考结构的用户输入；
-被配置成接收成像数据的成像器；
-被配置成提供参考结构的模型的模型输入；
-被配置成接收模型并利用模型分割成像数据的分割器，由此与参考结构相关联的成像数据至少部分被注释，以及
-被配置成接收参考结构的经注释的成像数据并基于所述经注释的成像数据确定换能器和参考结构之间的第一矢量的确定器。
本发明基于这样的认识，即，需要用户进行的许多手动动作是他试图将换能器相对于参考结构的取向保持在一定限度之内的结果，并且用户移动换能器以针对静态和运动参考结构补偿患者的解剖学差异。因此需要高度的培训以能够解释成像数据并能够做出适当的选择。
取向对于功能性测量甚至更为关键。用户选择测量的位置和位置范围，并且因此手动选择可能导致所测结果中的不精确性。例如，在多普勒测量中，对血流精确量化需要知道(超声波束和血流方向之间的)多普勒角度。因此需要高度的培训以能够解释超声数据并且能够选择适当的测量线、体积或平面。
对于治疗应用，不正确的取向可能损伤到相邻组织，因此换能器和参考结构之间的取向获益于高度精确性。
超声用户希望在一段时间期间执行流程，无需手动校正相关设置以补偿换能器和/或参考结构的运动。本发明提供了一种对参考结构的自动化跟踪的系统，仅要求用户选择参考结构。然后借助重复应用的患者特异性分割跟踪这一参考结构，并使用分割结果自动更新相关参数，诸如用于可视化的视图或用于功能性测量和治疗流程的值。利用患者特异性数据可以执行这种操作的精确度和相对速度使得本发明尤其适用于在线测量，其中用户的动作和选择可以很大地影响测量结果的精确性和可靠性，甚至治疗效果。
此外，在功能性测量和治疗应用中，可能要求用户指定距离。例如，在多普勒脉冲波血流中，可能需要换能器和参考结构之间的距离以确定推荐的脉冲-重复频率范围。通常，用户必须要基于针对可比较患者的平均值或通过执行独立测量估计这一范围。这种值中的不精确性影响函数值的精确性，并且对于治疗应用而言，可能损伤到相邻组织。
本发明利用患者特异性模型来提供这样的值，减少了与不精确性相关联的问题。此外，也可以减小用户因选择错误的参考结构而出错的风险——例如，可能难以从可视化数据识别特定血管，但是通过应用模型，可以量化相关性并向用户提供以作为适当的反馈。
根据本发明的另一方面，配置该系统，从而进一步配置确定器以监测从包括以下项的组选择的几何参数：第一矢量的长度、第一矢量的方向、参考结构与解剖体积的边界的邻近性、参考结构在解剖体积之内的比例、参考结构的几何量、或者其任何组合；确定器还被配置成，如果几何参数偏离预定值或值的范围，则提示用户。
可以使用系统导出的值来自动提示用户。例如，如果选择心脏瓣膜作为要在流程期间跟踪的参考结构，并且它开始移动到正由换能器产生成像数据的解剖体积之外，用户可能受益于可能需要改变换能器和/或患者位置的警告。
在功能性测量或治疗应用期间，如果这些值偏离，或即将偏离预定值或预定值的范围，可以使用对参考结构相对于换能器的取向的监测来提示用户。可以将取向量化为具有长度和相对方向的矢量。对于功能性测量，这减小了不正确测量的风险，并且对于治疗应用，这减小了损伤到相邻组织的风险。例如，可以提示用户，因为参考结构距超声换能器太远，可能会有模糊的测量。
根据本发明的另一方面，确定器还被配置成基于第一矢量从注释的数据确定观察截面，其中，观察截面与参考结构相交，并且该系统还包括被配置成提供观察截面的表示的显示器。
例如，患者之间器官的位置可能不同，并且心脏瓣膜的运动程度也可能改变。利用本发明，用户选择心脏瓣膜作为参考结构，在将模型用于注释图像数据之后，根据成像数据跟踪心脏瓣膜的位置。该系统然后例如从心脏瓣膜模型之内指定的一组界标确定适当的2D截面。然后显示2D截面的适当表示。通过重复更新分割，可以跟踪心脏瓣膜的位置，并以对应的方式更新2D截面的表示。
根据本发明的另一方面，确定器还被配置成基于参考结构的经分割的数据确定功能参数。
可以通过确定距经分割的数据的解剖学距离改善功能测量的精确性，其中已经针对患者特异性解剖结构调节了分割数据。同样地，从患者特异性数据提供值比用户必须从平均患者细节或成像数据估计的值更精确。例如，可以提示用户，因为利用多普勒效应计算所需的超声波束和血流方向之间的角度偏离预定值或预定值的范围，可能会有模糊的测量。
在本发明的另一方面中，该系统还包括被配置成确定手术器械在解剖体积中位置的跟踪器，并且确定器还被配置成确定参考结构和手术器械之间的第二矢量。
当在介入期间使用现有技术的系统和方法时，如果丢失了取向，用户需要频繁手动改变观察平面。如果用户集中精力于追随导管进入患者体内的路径，可能发生这种情况-他可能不慎重地移动换能器，使得参考结构被移动到范围之外。
由于参考结构是导管正移动朝向的结构，用户一般优选在流程期间的所有时间将这一结构保持在范围内。通过利用本发明，可以确定器械的位置，并且可以相对于参考结构精确地重复确定其在患者特异性解剖模型之内的位置。
在本发明的另一方面中，确定器还被配置成监测从包括以下项的组选择的几何参数：第二矢量的长度、第二矢量的方向、手术器械与解剖体积的边界的邻近性、手术器械在解剖体积之内的比例、器械的几何量、或者其任何组合；确定器还被配置成，如果几何参数偏离预定值或值的范围，则提示用户。
通过将器械的位置与可以利用患者特异性注释数据确定的值组合，可以以高度精确性确定器械的相对位置。在徒手将器械移动到参考结构的流程中，如果器械处在解剖体积外部或处在解剖体积的边缘处，提示用户可以是有利的。此外，器械和参考结构之间的距离为用户给出了关于仍需移动器械多远的有价值的反馈。
在本发明的另一方面中，跟踪器包括在分割器中，并且还被配置成分割成像数据，由此至少部分地注释与手术器械相关联的成像数据。
如果有充分大的计算能力，可以利用基于模型的分割来实施针对器械的跟踪系统。通过选择不采用独立的跟踪系统，可以实现系统以及用户操作的简化。
在本发明的又一方面中，该系统还包括被配置成探测手术器械的器械探测器，并且跟踪器被配置成基于来自器械探测器的信号确定手术器械在解剖体积中的位置。
可以采用现有技术中已知的任何适当器械跟踪系统，从而能够精确和重复地确定器械在患者特异性解剖模型之内的位置。因此不需要采用计算密集型算法来确定器械位置。
在本发明的另一方面中，确定器还被配置成基于第一和第二矢量从注释的数据确定观察截面，其中，观察截面与手术器械相交，并且该系统还包括被配置成提供观察截面的表示的显示器。
由于精确地已知参考结构和器械两者的位置，所以可以使用适当的值来提供新观察平面的自动或高度自动化选择来对参考结构和器械两者进行可视化。
在利用非分割技术进行器械跟踪的范例中，可以实时地获得器械的“世界坐标”。利用模型频繁应用分割，可以跟踪参考结构，例如前房隔膜壁的位置并在“世界坐标”中(利用适当的校准)表示。跟踪这种信息可以计算出包含器械位置和参考结构上适当点的最佳观察平面，并在显示器上连续更新，以跟踪器械相对于参考结构的位置。
在本发明的另一方面中，提供了一种方法，用于重复确定解剖体积中包括的参考结构和被配置成提供解剖体积成像数据的医学成像换能器之间的第一矢量；
该方法包括：
-用户指定参考结构；
-提供参考结构的模型；
-利用所述模型分割成像数据，由此至少部分注释与参考结构相关联的成像数据，以及
-基于参考结构的经注释的成像数据确定换能器和参考结构之间的第一矢量。
本领域的技术人员将认识到，可以通过任何被认为有用的方式组合两个或更多上述本发明实施例、实施方式和/或各方面。
在本说明书的基础上，本领域技术人员能够执行对图像采集设备、工作站、方法和/或计算机程序产品的修改和变化，所述修改和变化对应于对所述系统的修改和变化。
对于技术人员而言，本发明不需要受限于超声器械也是显然的。可以将其用于需要提供更新的选择以补偿测量装置运动、患者的解剖运动、参考结构的解剖运动或者其任何组合的任何成像模态。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将显而易见并得以阐述。
在附图中：
图1示出了根据本发明的系统；
图2示出了根据本发明的方法；
图3A和3B示出了显示给用户的表示的范例；以及
图4示意性示出了相对于参考结构和手术器械对换能器的定位。
附图仅仅是概略的，未按比例绘制。尤其为了清楚起见，强烈夸大了一些尺度。尽可能用相同的附图标记表示附图中的类似部件。
具体实施方式
图1中描绘了用于提供特定解剖体积的成像数据的系统300。系统300包括：
-被配置成提供解剖体积100的成像数据的医学成像换能器360。例如，这是一种超声换能器，适于进行可视化、功能性测量或治疗应用。在实践中，可以认为解剖体积是成像换能器360范围之内患者的解剖区域；
-被配置成在解剖体积中指定参考结构120的用户输入350。通常，用户输入350以现有技术中任何已知形式与系统交互，例如，图标、略图、菜单和下拉菜单。用户输入350还可以包括键盘、鼠标、跟踪球、指针、绘图板等；
-被配置成接收成像数据的成像器310。成像器310与换能器360协作以向分割器330提供适当格式的成像数据。因此成像器310的配置取决于换能器360采用的成像模态以及换能器360的工作模式。在实践中，成像器310甚至可以与换能器360物理地集成，实现可互换性；
-被配置成提供与参考结构120对应的类属(generic)模型的模型输入320。可以通过适当分割成像数据来提供这种模型。然而，通过利用现有技术中已知的配准和叠加技术，该模型可以基于来自其他医学模态的成像数据，诸如X射线成像、计算断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算断层摄影(SPECT)和核医学(NM)；-被配置成接收模型并利用所述模型分割成像数据的分割器330，由此与参考结构120相关联的成像数据至少部分被注释，以及
-被配置成接收参考结构120的经注释的成像数据并基于所述经注释的成像数据确定换能器360和参考结构120之间的第一矢量的确定器370。
该系统还被配置成重复确定参考结构120和医学成像换能器360之间的第一矢量。
图4描绘了换能器360和解剖体积100之间的示意性关系，解剖体积包括参考结构120。定位换能器360，使其能够提供通过单独探测性质或现象或发射适当能量370并探测能量370触发的性质或现象来提供解剖体积100的成像数据。通常，解剖体积100将被解剖表面110划界，诸如皮肤。然而，并非始终是这种情况，因为换能器360也可以插入患者身体中。
应当将短语“成像数据”宽泛地解释为利用成像技术采集的数据。这并非意味着数据仅适于提供可视化或数据的可视图像。
应当将短语“解剖体积”宽泛解释为包括解剖体积的任何区域。它可以包括一个或多个参考结构，甚至由一个或多个参考结构构成。
也应当宽泛地解释短语“参考结构”。例如，参考结构可以是器官、器官的一部分、器官的叶瓣、骨骼的骨架、骨架的一部分、肌肉、肌肉的一部分、淋巴结、淋巴结的一部分、血管和血管的一部分。这样的结构还可以包括肿瘤、原发肿瘤、转移性肿瘤、囊肿、假性囊肿、瘤、淋巴结、子宫肌瘤和痣。
此外，参考结构可以是体液的区域，诸如流经一段血管的血液。在进行功能性测量，诸如血液流速测量时，通常是这种情况。
参考结构甚至可以是肾脏、膀胱、输尿管或胆囊中的结石。
在使用期间，用户将考虑参考结构120，将把换能器360放在适当位置，以收集参考结构120的成像数据。通常，将从比参考结构120大的体积，即解剖体积100收集成像数据。
用户与系统交互，使用用户输入350选择参考结构120。这种选择确定了要跟踪的解剖学对象，并确定了要用于分割的适当模型。通常，将使用户能够使用适当模型的数据库进行不同流程和应用。
分割器330向成像数据应用模型，由此注释与患者中被成像参考结构120对应的成像数据。
确定器370确定参考结构120的任何特性点相对于换能器360的取向。选择这两个点中的一个作为第一矢量到其他点的原点——使用哪个不重要，但使用参考结构120作为原点可能是有利的。这一矢量将具有长度和方向分量。可以使用任何方便的坐标系，诸如欧几里得或极坐标系。
该系统然后更新成像数据，重复分割并重复确定第一矢量。
或者，用户一开始可以选择参考结构120，并且确定器370还可以被配置成提供辅助，即换能器360将被放在哪里。
该系统被配置成执行根据本发明的方法500，在图2中描绘了该系统。方法500包括：
-提供被配置成提供解剖体积100的成像数据的医学成像换能器360；
-由用户指定550解剖体积100中的参考结构120。用户实际上选择解剖学参考点，在测量期间要跟踪其位置；
-提供520参考结构120的模型；
-利用该模型分割535成像数据，由此至少部分注释与参考结构120相关联的成像数据。如果从与成像数据相同的模态导出该模型，成像数据的分割可以更为简单；以及
-基于参考结构120的经注释的成像数据确定575换能器360和参考结构120之间的第一矢量。
该方法还包括重复确定参考结构120和换能器360之间的第一矢量。
本发明提供的精确度基于解剖结构，尤其是器官解剖结构的精确和鲁棒表示，即使在存在图像伪影和噪声的情况下也可以使用基于模型的分割来实现这一目的。可以使用现有技术中已知的任何适当的基于模型的分割。例如，参见O.Ecabert，J.Peters，H.Schramm等人正在印刷的IEEE Trans.Med.Im.上的“Automatic model-based segmentation of the heart in CT images”一文。
降低执行实时分割和确定所需的计算能力可能是有利的。可以通过本领域技术人员公知的任何适当的技术实现这一目的，诸如使解剖体积最小化、根据与参考结构的距离改变分辨率、使参考结构的尺寸最小化、减小帧速率、或减少模型中顶点的数目。
尽管可以完全自动地执行方法500，但也可以想到可以实施方法500，从而提示操作本发明的健康护理专业人员从有限数量的选择中做出选择。换言之，该方法高度自动化。这还可以降低所需的计算能力。例如，在测量期间的适当点处，可以提供下拉菜单或可以提示专业人员选择在成像数据的显示上注释的若干备选中的一个。也想到过中间实施例，其中自动执行测量的部分，被稀少的手动选择不时打断。
可以通过以现有技术中已知的任何适当方式跟踪换能器位置进一步简化实施。
还可以进一步配置确定器370以监测几何参数，并在几何参数偏离预定值或值的范围时，提示用户。例如，可以将换能器360相对于参考结构120的取向表示为具有长度和方向的矢量。可以监测这些参数中的一个或两者以警告用户由于定位不正确，该流程可能效果不好甚至危险。
其他适当的参数包括参考结构120与解剖体积100的边界的邻近性、参考结构120在解剖体积100之内的比例、或者其任何组合；
参数甚至可以是参考结构120的几何量，如可以从患者特异性分割的数据获得的几何性质。
对于功能性测量流程，确定器370还可以被配置成基于参考结构120的分割数据确定功能参数。
例如，为了监测肺静脉口的直径，可以在模型中包括个体静脉口适当的椭圆形截面。通过针对成像数据调整类属模型，获得肺静脉口的患者特异性表征，并且可以通过确定器370确定椭圆的几何参数。然后直接确定这些患者特异性肺静脉口直径。
对于技术人员而言，显然，可以将根据本发明的系统和方法仅应用于功能性测量，实现定位精度的改善，并且因此还实现了功能性测量精确度的改善。然而，在实践中，用户将需要一种在解剖体积100中定位参考结构120的方式。可以通过独立的可视化模态以及某种形式的协调转换提供这一方式以将可视化和功能性模态对准。可以利用功能性测量模态备选地或额外地提供这一方式以提供可视化数据——例如，可以在可视化模式和功能性测量模式之间切换脉冲多普勒超声系统。
对于需要可视化的流程，或者单独地，或者与功能性测量或治疗流程组合，配置确定器370还可以被配置成基于参考结构120相对于换能器360的取向从经注释的成像数据确定观察截面。这优选是与参考结构120相交的2D观察截面。通过为系统提供显示器340，可以向用户提供2D观察截面的表示，从而对参考结构120进行可视化。
例如，如果用户希望对心脏瓣膜的实时运动进行可视化，参考结构120可以是心脏瓣膜。通过应用模型以到达患者特异性分割，可以精确地确定心脏瓣膜的位置。确定器370可以选择瓣膜适当的2D截面作为待显示的观察平面。通过反复更新成像数据和患者特异性分割，跟随心脏瓣膜的位置并适当地更新屏幕上的表示。
通常，对参考结构120的选择将导致确定器370访问一个或多个标准，以确定适当的截面。基于类属或平均解剖学数据，例如，对于二尖瓣而言，可以由三个瓣膜小叶的重心限定最佳观察平面。当执行该方法时，基于这种平均数据确定感兴趣区域并基于患者特异性解剖数据进行更新。可以通过在解剖模型中并入一组解剖学界标进一步简化这种方案的实施。
对于将可视化与功能性测量或治疗流程组合的系统，可以基于功能性测量或治疗流程的目标理想地确定适当的观察平面。例如，当正在对左心房或肺静脉口直径进行功能性测量时，可以将这些结构用作可视化的参考结构120，并可以确定并显示观察平面。
还想到了一种学习模式，其中记录较早用户的动作以针对特定流程确定典型事件序列。这些然后可以形成确定器370确定适当2D截面的依据。
技术人员将意识到，可以使用包括一系列时间偏移模型的时间复合模型修改本发明的方法以执行本发明。在那种情况下，某种时域标记，例如与心搏相位(phase)的关系，可以简化与测量期间获得的图像的同步。在一些情况下，可以接受的是针对时间复合模型计算最佳观察平面的时域平均值，并将此提供给确定器370以减小计算负荷。
通常，还将用户输入350配置成与系统交互，使得用户可以影响和选择显示什么以及如何显示，例如尺寸、颜色。
对于技术人员显而易见的是，可以采用独立的换能器或者在所需工作模式之间切换的单个换能器将可视化、治疗和功能性测量实施例中的一个或多个集成到单一系统中。
图3A示出了基于超声成像数据包括可视化实施例和功能性实施例的系统向用户提供的显示的范例。
在根据本发明的组织脉冲波多普勒测量期间在显示器340上向操作员显示数据表示200。脉冲多普勒测量的详情是本领域公知的。
数据表示200包括从可视化导出的要素以及从功能性测量导出的要素。更具体而言，提供了解剖体积的表示210、速度-时间图形式的功能表示230以及给出关于比例、设置和功能性测量结果的字母数字和符号信息的部分240。
图3B描绘了图3A的表示210的放大图，包括具有2D截面211的可视化的背景，叠加了从功能性测量导出的注释。注释包括测量线212和目标体积214，目标体积214被设置在沿测量线212的一位置处，并取向为垂直于测量线212。
为了生成表示200，用户在患者110的皮肤上放置适当的换能器360，与要执行功能性测量的血管相邻。换能器360可以是能够分别以可视化和功能性模式，例如B模式和脉冲多普勒模式，驱动的单个换能器360。或者，可以使用两个独立的换能器。
使用可视化模式，采集解剖体积100的成像数据。
用户使用用户输入350选择血管的预期的段作为要执行速度测量的参考结构120。或者，可以选择血管段之内的血液体积作为参考结构120。
可以通过在显示器340上提供在可视化模式下采集的2D截面211并允许用户通过绕其绘制框选择血管段来进行选择。或者，用户可以通过在其上点击或使用预定框的拖放来选择该血管段。
该选择确定了要用于分割的模型，即包括特定血管的特定段的模型。分割器330向来自可视化模式的成像数据应用该模型，从而注释与参考结构120对应的成像数据。优选地，然后由确定器370自动确定执行功能性测量的小目标体积214。假设限定参考结构120以包括小目标体积214。
或者，可以要求用户选择小目标体积214，然后自动确定参考结构120，或者在高度自动化的系统中，可以要求用户选择两者。
在一些情况下，参考结构120可以与目标体积214相同。然而，在实践中，技术人员可以将它们实施为不同的，以基于现有计算能力和所需的用户技能调整该系统。在后一种情况下，然后将确定器370进一步配置成基于用于跟踪目的的参考结构120和用于测量目的的目标体积214的解剖学关系在其之间进行转换。
确定器370根据目标体积214的功能性测量期间采集的成像数据计算功能性数据并在显示器上提供速度-时间图230。任选地，可以向2D截面211上叠加目标体积214作为注释。向2D截面211上叠加测量线212也可能是有利的。
利用基于模型的分割，通过跟踪参考结构120的位置，对应地更新目标体积214的解剖位置，以使功能性测量的精确度最佳化。
对于功能性测量，确定器370使用换能器360相对于目标体积214的取向来确定多普勒角度，并由此确定血流速度。多普勒角度是超声波束370和目标体积214中血流方向之间的角度。任选地，可能有利的是监测换能器360和目标体积214之间的距离，从而可以提示用户该距离处在预定范围之外，从而基于该距离自动调节脉冲重复频率，或向用户建议应当改变频率。
可以通过现有技术中已知的任何方式向确定器370提供该距离的值的范围。也可以通过向解剖模型中并入这一距离的参考值来提供该范围。
如果额外的解剖结构与参考结构(例如目标血管附近的(平行)血管)相邻，获得的功能性测量结果可能是模糊的。因此，可能有利的是扩展所用模型的边界以涵盖参考结构120及其周边组织，从而注释相关相邻结构的位置。然后可以进一步配置确定器370以修改执行测量的区域或针对模糊校正测量。
技术人员将意识到，可以根据在可视化模式中采集的分割成像数据导出几何参数。还可以配置确定器以利用在功能性模式中采集的成像数据确定与功能性测量期间导出的参数对应的几何参数。为了对测量的正确性进行检查以减少用户不正确操作的风险，这可能是有利的。
技术人员还将意识到，也可以根据一系列时间偏移的分割成像数据确定速度和加速度。可以进一步配置确定器370以计算从可视化模式导出的适当速度和/或加速度，可以将其与功能性测量计算的速度和/或加速度进行比较。可以将这用在脉冲多普勒测量中以提示用户伪信号产生的问题以及因此带来的模糊结果，从而通过提供参考速度/加速度校正伪信号产生问题，或自动更新脉冲重复频率。
还可以使用从功能性测量导出的信息改善该模型。例如，可以使用多普勒测量来检查血流的实测方向是否与解剖模型一致，并且如果必要，系统300可以更新该模型。
任选地，可以将该模型扩展至包括除几何或解剖信息之外的更多信息。例如，关于血流速度的血液动力学信息、关于电触发的肌肉收缩的电机械信息、关于组织中电传播的电学信息。对于技术人员而言，显然，这种额外信息可能涉及到功能性测量。因此可以使用这种额外信息用于提供功能性测量的初始设置；提供要将功能性测量与其比较以得到偏差的预定值或值的范围；甚至允许使用利用本发明进行的测量生成或调节这种功能模型。
例如，可以提供使用脉冲多普勒的实际血流速度测量以改善组合式血液动力学/分析模型的精确度和预测。
在本发明的另一实施例中，该系统还包括被配置成确定手术器械130在解剖体积100中的位置的跟踪器335，并且确定器370还被配置成确定参考结构120和手术器械130之间的第二矢量。例如，器械120可以是导管，并且参考结构120可以是隔膜或肺静脉。
可以使用适当的器械探测器365实现对诸如导管的手术器械130的跟踪，对于探测器365，如图1和4所示，相对于换能器360的空间取向是已知的。器械跟踪器是现有技术中公知的，并且可以采用任何适当的系统，诸如导管跟踪算法。
或者，可以由跟踪器335对换能器360采集的成像数据进行分割以定位器械130。这是优选的，因为它减小了系统的复杂性。
确定器370计算器械130相对于参考结构120的取向。
有利地是，还可以进一步配置确定器370以监测与器械130相关联的几何参数，在几何参数偏离预定值或值的范围时提示用户。其范例包括：器械130相对于参考结构120的取向(可能表示为矢量)、手术器械130与解剖体积100的边界的邻近性、手术器械130在解剖体积100之内的比例，或者其任何组合。
参数甚至可以是器械130的几何量，如可以从患者特异性分割的数据导出的几何性质。
在确定可视化截面时考虑器械的位置可能是有利的。例如，可以进一步配置确定器370以基于换能器360和器械130相对于参考结构的取向根据注释的数据确定观察截面，其中，观察截面与参考结构120和手术器械130相交。
在使用现有技术的系统和方法时，如果器械移动到当前观察平面之外或如果由于显示器上表示的小视场而丢失取向，操作员需要手动频繁改变观察平面。通过连续跟踪参考结构120和器械130的位置，可以精确和重复地确定解剖体积100之内它们的位置，能够在向参考结构120移动器械130时自动或高度自动化地选择新的观察平面。任选地，可以为用户提供参考结构120和器械130的坐标并且还可以确定和提供它们之间的距离。
还想到可以向用户提供多种表示，诸如分块的屏幕，从而针对参考结构120和器械130两者生成观察平面。这样的技术减小了丢失器械130相对于参考结构120的取向的可能性。
可能有利的是记录流程期间的各种参数和值，诸如所确定的观察平面的位置，用于几何或功能性测量。可以将这样的数据用于比较的目的。
根据所公开方法的细节，本领域技术人员将能够实施计算机程序，以在所述计算机程序被加载到计算机并在其上运行时执行这些方法。
例如，在图像采集、图像观察、图像分析和图像修整期间，用户可以使用工作站执行这些交互。那么工作站可以包括根据本发明的系统。还想到系统300可以包括在医学图像采集设备中。
在权利要求书中，不应当任何放置在括号内的附图标记推断为限制权利要求。动词“包括”及其词性变化的使用不排除权利要求陈述的元件或步骤以外的元件或步骤的存在。元件前的冠词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。可以借助包括若干分立元件的硬件，也可以利用经适当编程的计算机实现本发明。
在枚举了用户输入、成像器、模型输入、分割器、确定器、跟踪器和显示器的系统权利要求中，可以由同一件硬件实现若干这些模块。
在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施不表示不能有利地采用这些措施的组合。
Claims (14)
1.一种用于重复确定以下项之间的第一矢量的系统（300）：
-解剖体积（100）中包括的参考结构（120），和
-被配置成提供所述解剖体积（100）的成像数据的医学成像换能器（360）；
所述系统包括：
-被配置成指定所述参考结构（120）的用户输入（350）；
-被配置成接收所述成像数据的成像器（310）；
-被配置成提供所述参考结构（120）的模型的模型输入（320）；
-被配置成接收所述模型并利用所述模型分割所述成像数据的分割器（330），由此与所述参考结构（120）相关联的所述成像数据至少部分被注释，以及
-被配置成接收所述参考结构（120）的经注释的成像数据并基于所述经注释的成像数据确定所述换能器（360）和所述参考结构（120）之间的所述第一矢量的确定器（370）。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：
-所述确定器（370）还被配置成监测从包括以下项的组选择的几何参数：-所述第一矢量的长度、所述第一矢量的方向、所述参考结构（120）与所述解剖体积（100）的边界的邻近性、所述参考结构（120）在所述解剖体积（100）之内的比例、所述参考结构（120）的几何量，或者其任何组合；
-所述确定器（370）还被配置成，如果所述几何参数偏离预定值或值的范围，则提示所述用户。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中：
-所述确定器（370）还被配置成基于所述第一矢量从经注释的数据确定观察截面，其中，所述观察截面与所述参考结构相交，并且
所述系统还包括：
-被配置成提供所述观察截面的表示的显示器（340）。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中：
-所述确定器（370）还被配置成基于所述参考结构的经分割的数据确定功能性参数。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述系统还包括：
-被配置成确定手术器械（130）在所述解剖体积（100）中的位置的跟踪器（335），以及
-所述确定器（370）还被配置成确定所述参考结构（120）和所述手术器械（130）之间的第二矢量。
6.根据权利要求5所述的系统，其中：
-所述确定器（370）还被配置成监测从包括以下项的组选择的几何参数：-所述第二矢量的长度、所述第二矢量的方向、所述手术器械（130）与所述解剖体积（100）的边界的邻近性、所述手术器械（130）在所述解剖体积（100）之内的比例、所述器械的几何量，或者其任何组合；-所述确定器（370）还被配置成，如果所述几何参数偏离预定值或值的范围，则提示所述用户。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述跟踪器（335）包括在所述分割器（330）中，并且还被配置成分割所述成像数据，由此与所述手术器械（130）相关联的所述成像数据至少部分被注释。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统还包括器械探测器（365），所述器械探测器（365）被配置成探测所述手术器械（130），并且所述跟踪器（335）被配置成基于来自所述器械探测器（365）的信号确定所述手术器械（130）在所述解剖体积（100）中的位置。
9.根据权利要求5所述的系统，其中：
-所述确定器（370）还被配置成基于所述第一矢量和第二矢量从经注释的数据确定观察截面，其中，所述观察截面与所述参考结构（120）和所述手术器械（130）相交，并且
所述系统还包括：
-被配置成提供所述观察截面的表示的显示器（340）。
10.一种工作站或医学成像采集设备，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的系统。
11.一种用于重复确定以下项之间的第一矢量的方法（500）：
-解剖体积（100）中包括的参考结构（120），以及
-被配置成提供所述解剖体积（100）的成像数据的医学成像换能器（360）；
所述方法包括：
-用户指定（550）所述参考结构（120）；
-提供（520）所述参考结构（120）的模型；
-利用所述模型分割（535）所述成像数据，由此与所述参考结构（120）相关联的所述成像数据至少部分被注释，以及
-基于所述参考结构（120）的经注释的成像数据确定（575）所述换能器（360）和所述参考结构（120）之间的所述第一矢量。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：
-监测（576）从包括以下项的组选择的几何参数：
-所述第一矢量的长度、所述第一矢量的方向、所述参考结构（120）与所述解剖体积（100）的边界的邻近性、所述参考结构（120）在所述解剖体积（100）之内的比例、所述参考结构（120）的几何量，或者其任何组合；
-如果所述几何参数偏离预定值或值的范围，则提示（577）所述用户。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述方法还包括：
-确定手术器械（130）在所述解剖体积（100）中的位置，以及-确定所述参考结构（120）和所述手术器械（130）之间的第二矢量。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括：
-监测从包括以下项的组选择的几何参数：
-所述第二矢量的长度、所述第二矢量的方向、所述手术器械（130）与所述解剖体积（100）的边界的邻近性、所述手术器械（130）在所述解剖体积（100）之内的比例、所述器械（130）的几何量，或者其任何组合；
-如果所述几何参数偏离预定值或值的范围，则提示所述用户。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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