專利名稱：用于對心臟進(jìn)行特定于患者的綜合性建模的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用醫(yī)學(xué)圖像對心臟進(jìn)行建模，并且更具體來說，涉及基于4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)對心臟進(jìn)行特定于患者的綜合性建模。
背景技術(shù)：
在美國，心臟病是男性和女性的主要死亡原因，并且占全世界死亡人數(shù)的比例不低于30%。雖然近些年來醫(yī)學(xué)的進(jìn)步已經(jīng)在針對復(fù)雜心臟病(比如瓣膜病、胸主動脈瘤以及法洛氏四聯(lián)癥)的診斷和治療方面提供了重要的改進(jìn)，但是仍然會大量發(fā)生過早的發(fā)病和死亡(morality)?？梢允褂酶麽t(yī)學(xué)成像模態(tài)(比如計算機(jī)斷層攝影(CT)、磁共振(MR)、旋轉(zhuǎn) X射線以及超聲)以高時間一空間分辨率采集大量形態(tài)和機(jī)能圖像數(shù)據(jù)。但是由于數(shù)據(jù)理解能力的滯后，醫(yī)師會被迫基于范圍受到限制的測量和方法來做出極為重要的判定。這些限制至少部分地是由于缺少對于描述心臟一主動脈解剖學(xué)、生理學(xué)以及血液動力學(xué)的特定于患者的參數(shù)的高效且精確的估計以及缺少疾病進(jìn)展模型而導(dǎo)致的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種根據(jù)4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)對心臟進(jìn)行特定于患者的綜合性建模的方法和系統(tǒng)。具體來說，本發(fā)明的實施例根據(jù)4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)提供對于整個心臟解剖學(xué)、動力學(xué)、血液動力學(xué)以及流體結(jié)構(gòu)交互的特定于患者的建模。通過根據(jù)對于患者的4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)估計心臟的生理模型的特定于患者的參數(shù)來確定心臟的解剖學(xué)和動力學(xué)。所述特定于患者的解剖學(xué)和動力學(xué)被用作對于3D Navier-Stokes求解器的輸入，所述3D Navier-Stokes求解器沿著整個心搏周期導(dǎo)出受到局部解剖學(xué)約束的實際血液動力學(xué)。通過仿真給定時間步處的血流并且基于所述仿真的血流計算心臟結(jié)構(gòu)的形變在所述心搏周期內(nèi)迭代地確定流體結(jié)構(gòu)交互，從而在下一個時間步處的血流仿真中使用心臟結(jié)構(gòu)的所述形變。表示解剖學(xué)、動力學(xué)、血液動力學(xué)以及流體結(jié)構(gòu)交互的心臟的特定于患者的綜合性模型可以被用于對心臟的非侵入式評定和診斷，以及用于虛擬療法規(guī)劃和心血管疾病管理。在本發(fā)明的一個實施例中，根據(jù)4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)生成心臟的特定于患者的4D解剖模型。隨后通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流。在本發(fā)明的另一個實施例中，根據(jù)4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)生成心臟的特定于患者的4D 解剖模型。在當(dāng)前時間步處在所述特定于患者的4D解剖模型的至少一個心臟組成部分中仿真血流，這是通過利用水平集框架求解受到所述至少一個心臟組成部分在當(dāng)前時間步處的位置約束的Navier-Stokes方程而實現(xiàn)的。基于當(dāng)前時間步處的仿真血流在當(dāng)前時間步處計算所述至少一個心臟組成部分的形變。對于多個時間步重復(fù)所述仿真和計算步驟，并且至少部分地基于在前一時間步處計算的所述至少一個心臟組成部分的形變來確定當(dāng)前時間步處的所述至少一個心臟組成部分的當(dāng)前位置。在本發(fā)明的另一個實施例中，根據(jù)4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)生成心臟的特定于患者的綜合性4D模型。對所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便仿真諸如疾病或療法之類的狀況。隨后重新生成心臟的特定于患者的綜合性4D模型以便仿真所述經(jīng)過調(diào)節(jié)的部分對于所述特定于患者的綜合性4D模型的影響。參照下面的詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得顯而易見。


圖1圖解說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種用于對心臟進(jìn)行特定于患者的綜合性建模的方法；
圖2圖解說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的對于各個心臟組成部分的心臟模型； 圖3圖解說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種用于生成心臟的特定于患者的4D解剖模型的方法；
圖4圖解說明從多期CT序列估計的示例性的特定于患者的解剖心臟模型； 圖5圖解說明作為水平集嵌入在矩形域內(nèi)的特定于患者的解剖心臟模型； 圖6圖解說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種基于特定于患者的解剖心臟模型仿真心臟中的血流的方法；
圖7圖解說明利用圖6的方法的示例性血流仿真結(jié)果；
圖8圖解說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種用于估計主動脈的流體結(jié)構(gòu)交互(FSI) 的迭代方法；
圖9圖解說明估計對于所述主動脈的流體結(jié)構(gòu)交互的示例性結(jié)果；
圖10圖解說明LV的多尺度解剖模型；
圖11圖解說明對于主動脈瓣區(qū)和二尖瓣區(qū)的測量精度；
圖12圖解說明各種類型的肺動脈干形態(tài)；
圖13圖解說明對于心臟收縮事件和結(jié)構(gòu)的血液動力學(xué)仿真；
圖14圖解說明利用血流仿真獲得的主動脈瓣竇區(qū)中的漩渦的形成；
圖15圖解說明心臟舒張事件和結(jié)構(gòu)的血液動力學(xué)仿真；
圖16圖解說明示出在一個心搏周期內(nèi)經(jīng)過各瓣區(qū)的血流的時間通量的曲線圖17和18圖解說明被用來測量流的切片位置的位點；
圖19圖解說明對于具有二尖回流主動脈瓣和病態(tài)二尖瓣的心臟的血流仿真；
圖20圖解說明對于一個健康心臟和兩個患病心臟的仿真的血液動力學(xué)的比較；
圖21圖解說明具有和不具有左心房的血流仿真結(jié)果；
圖22圖解說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種利用特定于患者的綜合性4D模型進(jìn)行預(yù)測性規(guī)劃的方法；
圖23圖解說明在虛擬部署期間作用在植入物模型上的力；圖24圖解說明對于主動脈內(nèi)的動脈瘤處的支架部署的仿真； 圖25圖解說明虛擬動脈瘤切除；以及圖26是能夠?qū)嵤┍景l(fā)明的計算機(jī)的高級框圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及根據(jù)體數(shù)據(jù)序列(比如計算機(jī)斷層攝影(CT)、磁共振成像(MRI)以及超聲心動描記數(shù)據(jù))對心臟進(jìn)行特定于患者的綜合性建模。這樣的體數(shù)據(jù)序列(在這里也 被稱作4D圖像數(shù)據(jù)或4D圖像)是在一定時間段內(nèi)獲取以涵蓋一個或多個心動周期的序列，其中每一幀是一幅3D圖像(體)。在這里描述本發(fā)明的實施例以便給出對于所述心臟建模方法的視覺理解。一幅數(shù)字圖像常常由一個或多個對象(或形狀)的數(shù)字表示構(gòu)成。對象的數(shù)字表示在這里常常按照識別及操縱所述對象來描述。這樣的操縱是在計算機(jī)系統(tǒng)的存儲器或其他電路/硬件中實現(xiàn)的虛擬操縱。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是可以在計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)利用存儲在所述計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)來施行本發(fā)明的實施例。本發(fā)明的實施例提供一種用于根據(jù)4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)對整個心臟解剖學(xué)、動力學(xué)、 血液動力學(xué)和流體結(jié)構(gòu)交互進(jìn)行特定于患者的建模的方法和系統(tǒng)。通過根據(jù)對于患者的 4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)估計心臟的生理模型的特定于患者的參數(shù)來確定心臟的解剖學(xué)和動力學(xué)。 所述特定于患者的解剖學(xué)和動力學(xué)被用作對于3D Navier-Stokes求解器的輸入，所述3D Navier-Stokes求解器沿著整個心搏周期導(dǎo)出受到局部解剖學(xué)約束的實際血液動力學(xué)。通過仿真給定時間步處的血流并且基于所述仿真的血流計算心臟結(jié)構(gòu)的形變在所述心搏周期內(nèi)迭代地確定流體結(jié)構(gòu)交互，從而在下一個時間步處的血流仿真中使用心臟結(jié)構(gòu)的所述形變。表示解剖學(xué)、動力學(xué)、血液動力學(xué)以及流體結(jié)構(gòu)交互的心臟的特定于患者的綜合性模型可以被用于對心臟的非侵入式評定和診斷，以及用于虛擬療法規(guī)劃和心血管疾病管理。圖1圖解說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種用于對心臟進(jìn)行特定于患者的綜合性建模的方法。圖1的方法將表示患者的冠狀動脈區(qū)的圖像數(shù)據(jù)變換成心臟的特定于患者的解剖模型，并且使用該特定于患者的心臟模型來仿真所述心臟的血流和流體結(jié)構(gòu)交互。參照圖1，在步驟102處，接收4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)。具體來說，接收至少一個體圖像數(shù)據(jù)序列。所述體圖像數(shù)據(jù)序列可以是在特定時間段內(nèi)采集的3D圖像(體)序列。舉例來說，可以在一個完整心搏周期內(nèi)采集這樣的4D圖像數(shù)據(jù)(3D+時間)。可以利用各種醫(yī)學(xué)成像模態(tài)接收一個或多個序列。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明的各種實施例，可以接收4D CT數(shù)據(jù)、 4D超聲心動描記和/或4D磁共振(MR)圖像數(shù)據(jù)，以及其他類型的圖像數(shù)據(jù)?？梢詮囊粋€或多個圖像采集設(shè)備(比如CT掃描器、超聲設(shè)備或MR掃描器)直接接收所述圖像數(shù)據(jù)。還有可能例如從計算機(jī)系統(tǒng)的存儲器或存儲裝置或者某種其他計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)加載先前存儲的圖像數(shù)據(jù)。在步驟104處，根據(jù)所接收的4D圖像數(shù)據(jù)生成心臟的特定于患者的4D解剖模型。具體來說，所述4D解剖模型是具有多個心臟組成部分的多組成部分模型，其包括例如各個腔室(左心室、左心房、右心室和右心房)、各個心瓣膜(主動脈瓣、二尖瓣、三尖瓣以及肺動脈瓣)以及主動脈。這樣的心臟綜合性模型被用來捕獲各種各樣的形態(tài)、機(jī)能和病理變化?？梢允褂靡环N模塊化且分層方法來降低解剖復(fù)雜度并且促進(jìn)對于單獨解剖結(jié)構(gòu)的有效且靈活的估計。本發(fā)明的實施例使用一種心臟模型，該心臟模型符合解剖學(xué)并且對于整個心動周期和不同患者保持一致的參數(shù)化，這是通過利用生理驅(qū)動的約束和采樣方案而實現(xiàn)的。每一個心臟腔室和瓣膜的全局動力學(xué)變化都被參數(shù)化為與時間相關(guān)的相似變換， 其定義平移(translation)、旋轉(zhuǎn)的四元數(shù)表示、相似變換縮放因數(shù)以及心動周期中的時間位置。在一個有利實施例中，使用對于心臟腔室的152個解剖標(biāo)志和對于心臟瓣膜的33個解剖標(biāo)志的集合來參數(shù)化所有心臟解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜且同步運動模式。由此，每一個標(biāo)志由三維空間內(nèi)的一條軌跡描述，并且由所述與時間相關(guān)的相似變換歸一化。通過用以表示腔室的9個稠密表面網(wǎng)格集合以及對于瓣膜的附加的13個結(jié)構(gòu)集合來完成最終的模型。每一個網(wǎng)格是沿著通過所述標(biāo)志定義的頂點的解剖柵格采樣的。圖2圖解說明了根據(jù)本發(fā)明的實施例的對于各個心臟組成部分的心臟模型。具體來說，圖2的圖像(a) —(f)示出了對于所述解剖心臟模型的各個組成部分的解剖定義。基于4D圖像數(shù)據(jù)在一個心動周期內(nèi)對于特定患者估計這些解剖模型的參數(shù)。圖2的圖像(a)示出了對于左心室200和左心房202的模型。左心室200是從78 個標(biāo)志(16個二尖瓣側(cè)控制點、15個二尖瓣中隔控制點、16個左心室輸出管道控制點以及 32個主動脈瓣控制點)以及四個表面幾何結(jié)構(gòu)(LV心外膜、LV心內(nèi)膜以及LV輸出管道)構(gòu)造的。左心房表面202通過主動脈瓣控制點連接到左心室200。圖2的圖像(b)示出了對于右心室204和右心房206的模型。右心室204是從74 個標(biāo)志(16個三尖瓣側(cè)控制點、15個三尖瓣中隔控制點、觀個三尖瓣控制點以及18個肺動脈瓣控制點)以及四個表面幾何結(jié)構(gòu)(RV尖(apeX)、RV輸出管道以及RV流入管道)構(gòu)造的。 右心房表面206由28個三尖瓣控制點約束并且鏈接到右心室204。圖2的圖像(c)示出了對于主動脈瓣208的模型。主動脈瓣模型208是從11個標(biāo)志(3個連合部、3個鉸合部、3個小葉末梢以及2個心門)以及四個表面結(jié)構(gòu)(主動脈根、N 小葉、L小葉以及R小葉)構(gòu)造的。主動脈根由所述鉸合部和連合部平面約束，并且每一個小葉跨越在兩個連合部和一個鉸合部之間。圖2的圖像(d)示出了對于二尖瓣210的模型。二尖瓣模型210是從七個標(biāo)志(3 個三角區(qū)、2個連合部以及2個小葉末梢)構(gòu)造的。前小葉由兩個三角區(qū)、一個小葉末梢和兩個連合部定義，并且后小葉由三個三角區(qū)、一個小葉末梢和一個連合部定義。圖2的圖像(e)示出了肺動脈瓣212的模型。肺動脈瓣模型212是從九個標(biāo)志(3 個連合部、3個鉸合部和3個小葉末梢)以及四個平面結(jié)構(gòu)(肺動脈根、N小葉、L小葉和R小葉)構(gòu)造的。圖2的圖像(f)示出了三尖瓣214的模型。三尖瓣模型214是從四個表面幾何結(jié)構(gòu)(環(huán)狀結(jié)構(gòu)、中隔小葉、前小葉和后小葉)以及六個解剖標(biāo)志(三個連合部和三個小葉末梢)構(gòu)造的。所述特定于患者的4D解剖模型給出患者的心臟的形態(tài)，并且可以被用來確定對于心臟的任何組成部分的形態(tài)(尺寸)和動力參數(shù)。圖3圖解說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種用于生成心臟的特定于患者的4D解剖模型的方法。圖3的方法對表示患者的冠狀動脈區(qū)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換以生成對于該患者的心臟的特定于患者的解剖模型。圖3的方法可以被用來實施圖2的方法的步驟104。在美國公開的專利申請?zhí)?010/(^80352和2011/0060576中更加詳細(xì)地描述了圖3的用于生成心臟的特定于患者的解剖模型的方法， 所述專利申請的公開內(nèi)容通過參考被合并在此。在步驟302處，根據(jù)對于多個心臟組成部分當(dāng)中的每一個所接收到的圖像數(shù)據(jù)來生成單獨的模型。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，為以下各項生成模型各個心臟腔室，即左心室(LV)(心內(nèi)膜和心外膜)、右心室(RV)、左心房(LA)和右心房(RA)；各個瓣膜，即二尖瓣、 主動脈瓣、肺動脈瓣和三尖瓣；以及主要脈管，即主動脈和肺動脈干。心臟的所有這些部分在這里被共同稱為“心臟組成部分”。對于每一個心臟組成部分，利用數(shù)據(jù)庫引導(dǎo)的判別式估計/檢測技術(shù)在所述4D圖像數(shù)據(jù)的每一幀中估計所述心臟組成部分的生理模型 。在生成對于特定患者的個人化心臟模型之前離線構(gòu)造每一個解剖結(jié)構(gòu)(心臟組成部分)的生理模型。每一個生理模型是基于有注解的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合中的對應(yīng)心臟組成部分的數(shù)學(xué)表示而生成的。舉例來說，可以利用有注解的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合中的心臟組成部分的平均形狀生成對于每一個心臟組成部分的生理模型。舉例來說，通過參考合并在此的美國專利申請公開號2008/0101676描述了生成四腔室生理心臟模型并且將所述心臟模型擬合到圖像數(shù)據(jù)。正如這里所描述的那樣，所述心臟模型是3D網(wǎng)格，并且對于每一個腔室的初始網(wǎng)格是利用有注解的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的各腔室的平均形狀生成的。此外，通過參考合并在此的美國專利申請?zhí)?009/0123050描述了主動脈瓣的一種4D生理模型。可以類似地基于有注解的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合為每一個所述心臟組成部分離線生成生理模型。為了估計3D圖像(S卩4D圖像序列的幀)中的特定心臟組成部分的生理模型，基于較大的有注解的訓(xùn)練圖像的數(shù)據(jù)庫利用判別式機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對所述生理模型的參數(shù)進(jìn)行估計以便擬合所述圖像。根據(jù)一個實施例，使用邊際空間學(xué)習(xí)(marginal space learning, MSL)在每一幅圖像中定位所述生理模型。MSL的想法不是直接在完全相似變換參數(shù)空間內(nèi)學(xué)習(xí)分類器，而是基于有注解的訓(xùn)練數(shù)據(jù)在增加的維度內(nèi)遞進(jìn)地學(xué)習(xí)判別式分類器。隨著維度增大，有效(正)空間區(qū)域變得受到先前的邊際空間分類器的更多約束。為了估計解剖結(jié)構(gòu)(比如特定的心臟組成部分) 的生理模型，在圖像中，可以把對應(yīng)于所述心臟組成部分的位置的相似變換(即位置、取向和尺度)的估計分成三個階段位置估計，位置一取向估計，以及完全相似變換估計?；谒鲇?xùn)練數(shù)據(jù)對于每一個階段訓(xùn)練一個判別式分類器?？梢园阉信袆e式分類器訓(xùn)練為概率推進(jìn)樹(PBT)。除了減小搜索空間的大小之外，MSL的另一個優(yōu)點是有可能在每一個邊際空間水平使用不同的特征(比如3D Haar特征或可操控特征)來訓(xùn)練所述分類器。在下面的出版物中描述了利用MSL來估計3D圖像數(shù)據(jù)中的各個心臟組成部分的生理模型的例子，通過參考將其公開內(nèi)容合并在此美國專利申請公開號 2008/0101676，其描述了估計對于3D CT圖像數(shù)據(jù)中的每一個腔室的模型；美國專利申請?zhí)?009/0123050，其描述了將主動脈瓣的生理模型擬合到4D CT數(shù)據(jù)；以及Yang等人的“3D Ultrasound Tracking of the Left Ventricles Using One-Step Forward Prediction and Data Fusion of Collaborative Trackers", CVPR 2008，其描述了將左心室的模型擬合到3D超聲圖像序列。應(yīng)當(dāng)理解的是，可以通過利用與上面的例子相似的判別式機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)將每一個心臟組成部分的生理模型擬合到圖像數(shù)據(jù)來估計所述心臟組成部分。一旦例如利用MSL在4D圖像數(shù)據(jù)的每一幀中估計了每一個單獨的心臟組成部分模型的參數(shù)，就可以在每一幅圖像中對所述單獨的心臟組成部分模型執(zhí)行基于學(xué)習(xí)的邊界檢測，以便細(xì)化所估計的模型參數(shù)。具體來說，可以利用所述基于學(xué)習(xí)的邊界檢測來細(xì)化每一個所估計的模型的邊界，以便提高對于每一個心臟組成部分的生理模型估計的精度。在步驟304處，通過集成為每一個心臟組成部分生成的各單獨模型而生成心臟的特定于患者的4D個人化解剖模型。從步驟402得到的每一個單獨的心臟組成部分模型是一個由特定數(shù)目的點構(gòu)成的網(wǎng)格。根據(jù)一種有利的實施方式，為了集成LV (心內(nèi)膜和心外膜)、RV、LA、RA、二尖瓣、主動脈瓣、主動脈和肺動脈干的單獨模型，在連接的或重疊的模型之間建立網(wǎng)格點對應(yīng)。所述網(wǎng)格點對應(yīng)允許將各個模型正確地相對于彼此對準(zhǔn)。有可能通過對模型進(jìn)行重新采樣而在各模型之間建立網(wǎng)格點對應(yīng)。舉例來說，通過參考合并在此的美國專利申請公開號2008/0^^814描述了用以在四個心臟腔室的模型之間建立網(wǎng)格點對應(yīng)的各種重新采樣方法，以便正確地對準(zhǔn)各心臟腔室模型。應(yīng)當(dāng)理解的是，在美國專利申請公開號2008/0^^814中描述的技術(shù)可以被擴(kuò)展到在這里描述的在各個單獨的心臟組成部分模型之間建立網(wǎng)格點對應(yīng)。在步驟306處，輸出特定于患者的4D解剖心臟模型?？梢酝ㄟ^將特定于患者的4D 解剖心臟模型存儲到存儲器、存儲裝置或計算機(jī)可讀介質(zhì)中來輸出特定于患者的4D解剖心臟模型。還可以通過顯示特定于患者的4D解剖心臟模型或者打印特定于患者的4D解剖心臟模型的圖像來輸出特定于患者的4D解剖心臟模型。所輸出的特定于患者的4D解剖心臟模型可以被用于進(jìn)一步的醫(yī)學(xué)圖像處理。舉例來說，個人化的4D解剖心臟模型可以被用來估計心臟的各種形態(tài)和機(jī)能測量。個人化的4D解剖心臟模型還可以被用來仿真血流或血液一組織交互，正如在圖1的方法的后續(xù)步驟中所描述的那樣。如上所述，圖3的方法圖解說明了根據(jù)一個實施例的一種用于生成特定于患者的 4D解剖模型的方法。在另一個實施例中，可以基于基本解剖結(jié)構(gòu)的自然細(xì)節(jié)水平遵循一種從粗到細(xì)的策略來為患者估計所述4D解剖模型的參數(shù)。在第一步驟中，從所接收的4D圖像數(shù)據(jù)恢復(fù)每一個模型組成部分的姿勢和對應(yīng)的運動參數(shù)，這是利用一種將MSL與隨機(jī)采樣一致性(RANSAC)技術(shù)相組合以便獲得魯棒且時間上連貫的對象定位的方法而實現(xiàn)的。 在 Ionasec 等人的"Patient-Specific Modeling and Quantification of the Aortic and Mitral Valves from 4D Cardiac CT and TEE”，IEEE Transactions on Medical Imaging,2QIQ中詳細(xì)描述了這種方法，通過參考將其合并在此。在第二步驟中，利用軌跡譜學(xué)習(xí)(trajectory spectrum learning, TSL)算法同時估計各個解剖標(biāo)志的位置和運動，該算法采用基于軌跡的特征和強(qiáng)軌跡譜分類器。在Ionasec等人的“Robust Motion Estimation Using Trajectory Spectrum Learning: Application to Aortic and Mitral Valve Modeling from 4D TEE "Proceedings of 12th IEEE In terna tional Conference on Computer Kisio/ ，2008，第1601 — 1608頁中更加詳細(xì)地描述了所述TSL算法，通過參考將其合并在此。在最終步驟中，在整個心動周期內(nèi)執(zhí)行完整心臟表面的邊界描繪。這種方法調(diào)節(jié)(leverage) 了魯棒的邊界檢測器連同協(xié)作跟蹤器和運動流形。圖4圖解說明了從多期CT序列估計的一個示例性的特定于患者的解剖心臟模型。 如圖4中所圖解說明的那樣，圖像402、404和406示出了左心室、左心房、右心室、右心房、 主動脈瓣(AV)、二尖瓣(MV)、肺動脈瓣(PV)和三尖瓣(TV)以及升主動脈和肺動脈。雖然圖 4沒有示出整個主動脈，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，還可以作為特定于患者的4D解剖模型的一部分來估計主動脈。舉例來說，可以利用在美國公開的專利申請?zhí)?010/0239148中描述的方法來估計主動脈，通過參考將其公開內(nèi)容合并在此?；氐綀D1，在步驟106處，基于特定于患者的4D解剖模型仿真心臟中的血流(血液動力學(xué))。為了仿真血流，所述特定于患者的幾何結(jié)構(gòu)充當(dāng)對于3D Navier-Stokes求解器的輸入，所述求解器沿著整個心搏周期導(dǎo)出受到局部解剖學(xué)約束的實際血液動力學(xué)。這里所描述的血液動力學(xué)計算對于血液使用經(jīng)典連續(xù)模型。在水平集公式中利用直接數(shù)值仿真來求解作為對于流體流的標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)力學(xué)模型的帶有粘性項的不可壓縮 Navier-Stokes方程(下面的等式(1))
權(quán)利要求
1.一種用于基于4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)來仿真心臟中的血流的方法，其包括根據(jù)所述4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)生成心臟的特定于患者的4D解剖模型；以及通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，所述心臟的特定于患者的4D解剖模型包括多個心臟組成部分，并且通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流的所述步驟包括在所述特定于患者的4D解剖模型的多個心臟組成部分當(dāng)中的一個或多個心臟組成部分中單獨仿真血流。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，所述心臟的特定于患者的4D解剖模型包括多個心臟組成部分，并且通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流的所述步驟包括在所述特定于患者的4D解剖模型的多個心臟組成部分當(dāng)中的每一個心臟組成部分中同時仿真血流。
4.權(quán)利要求1的方法，其中，通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流的所述步驟包括基于被用來將所述特定于患者的4D解剖模型嵌入在計算域內(nèi)的水平集函數(shù)的零水平的位置，對所述解剖模型的流體區(qū)施加無滑移邊界條件。
5.權(quán)利要求1的方法，其中，所述心臟的特定于患者的4D解剖模型包括多個心臟組成部分，并且通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流的所述步驟包括對于所述多個時間步當(dāng)中的每一個執(zhí)行以下操作基于當(dāng)前時間步處的所述特定于患者的4D解剖模型的位置，計算對于水平集函數(shù)和速度的對流更新；計算對于代表當(dāng)前時間步處的粘性力貢獻(xiàn)的速度的半隱式更新；通過求解具有Neumann邊界條件的Poisson方程計算當(dāng)前時間步處的壓力更新；以及基于所述半隱式速度更新和壓力更新，計算對于當(dāng)前時間步的新的速度更新。
6.權(quán)利要求1的方法，其中，所述特定于患者的4D解剖模型包括所述心搏周期內(nèi)的心臟的特定于患者的3D解剖模型序列，并且通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的 Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流的所述步驟包括對所述特定于患者的3D解剖模型序列進(jìn)行內(nèi)插，以便導(dǎo)出所述多個時間步當(dāng)中的至少一個時間步處的所述特定于患者的4D解剖模型的位置。
7.權(quán)利要求1的方法，其中，根據(jù)所述4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)生成心臟的特定于患者的4D解剖模型的所述步驟包括生成至少一個心臟組成部分的特定于患者的多尺度解剖模型，所述多尺度解剖模型包括所述至少一個心臟組成部分的粗糙解剖模型和所述至少一個心臟組成部分的精細(xì)解剖模型。
8.權(quán)利要求7的方法，其中，通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流的所述步驟包括通過求解受到所述至少一個心臟組成部分的精細(xì)解剖模型約束的Navier-Stokes方程來仿真所述至少一個心臟組成部分中的血流。
9.權(quán)利要求8的方法，其中，所述至少一個心臟組成部分包括左心室，并且所述左心室的精細(xì)解剖模型包括乳頭肌和骨小梁。
10.一種用于基于4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)對心臟進(jìn)行特定于患者的綜合性建模的方法，其包括根據(jù)所述4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)生成心臟的特定于患者的4D解剖模型； 通過利用水平集框架求解受到所述特定于患者的4D解剖模型的至少一個心臟組成部分在當(dāng)前時間步處的位置約束的Navier-Stokes方程而在當(dāng)前時間步處仿真所述至少一個心臟組成部分中的血流；基于當(dāng)前時間步處的仿真血流計算當(dāng)前時間步處的所述至少一個心臟組成部分的形變；以及對于多個時間步重復(fù)所述仿真和計算步驟，其中至少部分地基于在前一時間步處計算的所述至少一個心臟組成部分的形變來確定當(dāng)前時間步處的所述至少一個心臟組成部分的當(dāng)前位置。
11.權(quán)利要求10的方法，其還包括將所計算的所述至少一個心臟組成部分的形變與所述4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)中的所述至少一個心臟組成部分的觀測得到的形變進(jìn)行比較，以便確定所述至少一個心臟組成部分的生物力學(xué)參數(shù)。
12.權(quán)利要求10的方法，其中，所述至少一個心臟組成部分是主動脈。
13.權(quán)利要求10的方法，其中，通過利用水平集框架求解受到所述特定于患者的4D解剖模型的至少一個心臟組成部分在當(dāng)前時間步處的位置約束的Navier-Stokes方程而在當(dāng)前時間步處仿真所述至少一個心臟組成部分中的血流的所述步驟包括計算由于所仿真的所述至少一個心臟組成部分中的血流而導(dǎo)致的當(dāng)前時間步處的所述至少一個心臟組成部分的壁界面處的壓力。
14.權(quán)利要求13的方法，其中，基于當(dāng)前時間步處的仿真血流計算當(dāng)前時間步處的所述至少一個心臟組成部分的形變的所述步驟包括計算由于所述至少一個心臟組成部分的壁界面處的壓力而導(dǎo)致的所述至少一個心臟組成部分的壁的形變。
15.權(quán)利要求10的方法，其中，基于當(dāng)前時間步處的仿真血流計算當(dāng)前時間步處的所述至少一個心臟組成部分的形變的所述步驟包括基于對所述至少一個心臟組成部分的組織的被動特性進(jìn)行建模的內(nèi)力和對由所述至少一個心臟組成部分內(nèi)部的血流生成的加載進(jìn)行建模的外力，計算所述至少一個心臟組成部分的形變。
16.一種利用特定于患者的綜合性4D心臟模型進(jìn)行預(yù)測性規(guī)劃的方法，其包括根據(jù)4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)生成心臟的特定于患者的綜合性4D模型；調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便仿真一種狀況；以及重新生成所述心臟的特定于患者的綜合性4D模型，以便仿真所述經(jīng)過調(diào)節(jié)的部分對所述特定于患者的綜合性4D模型的影響。
17.權(quán)利要求16的方法，其中，調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便仿真一種狀況的所述步驟包括調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的解剖參數(shù)。
18.權(quán)利要求15的方法，其中，調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便仿真一種狀況的所述步驟包括調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的血液動力學(xué)參數(shù)。
19.權(quán)利要求16的方法，其中，調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便仿真一種狀況的所述步驟包括調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的生物力學(xué)參數(shù)。
20.權(quán)利要求16的方法，其中，調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便仿真一種狀況的所述步驟包括調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的解剖參數(shù)、血液動力學(xué)參數(shù)和生物力學(xué)參數(shù)的至少一個，以便仿真心臟中的疾病進(jìn)展。
21.權(quán)利要求16的方法，其中，調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便仿真一種狀況的所述步驟包括調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分，以便虛擬仿真對心臟的對應(yīng)部分應(yīng)用療法。
22.權(quán)利要求21的方法，其中，調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便虛擬仿真對心臟的對應(yīng)部分應(yīng)用療法的所述步驟包括在所述特定于患者的綜合性4D模型中虛擬仿真經(jīng)皮人工瓣膜植入。
23.權(quán)利要求21的方法，其中，調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便虛擬仿真對心臟的對應(yīng)部分應(yīng)用療法的所述步驟包括在所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分中虛擬仿真動脈瘤處的支架部署。
24.權(quán)利要求21的方法，其中，調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便虛擬仿真對心臟的對應(yīng)部分應(yīng)用療法的所述步驟包括在所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分中虛擬仿真動脈瘤的切除。
25.權(quán)利要求M的方法，其中，重新生成所述心臟的特定于患者的綜合性4D模型以便仿真所述經(jīng)過調(diào)節(jié)的部分對所述特定于患者的綜合性4D模型的影響的所述步驟包括基于所述仿真的動脈瘤的切除，在所述特定于患者的綜合性4D模型的所述部分中仿真血流和流體結(jié)構(gòu)交互。
26.一種用于基于4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)來仿真心臟中的血流的設(shè)備，其包括用于根據(jù)所述4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)生成心臟的特定于患者的4D解剖模型的裝置；以及用于通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流的裝置。
27.權(quán)利要求26的設(shè)備，其中，用于通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的 Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流的所述裝置包括用于基于被用來將所述特定于患者的4D解剖模型嵌入在計算域內(nèi)的水平集函數(shù)的零水平的位置對所述解剖模型的流體區(qū)施加無滑移邊界條件的裝置。
28.權(quán)利要求26的設(shè)備，其中，所述心臟的特定于患者的4D解剖模型包括多個心臟組成部分，并且用于通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流的所述裝置包括用于基于當(dāng)前時間步處的所述特定于患者的4D解剖模型的位置計算對于水平集函數(shù)和速度的對流更新的裝置；用于計算對于代表當(dāng)前時間步處的粘性力貢獻(xiàn)的速度的半隱式更新的裝置；用于通過求解具有Neumann邊界條件的Poisson方程來計算當(dāng)前時間步處的壓力更新的裝置；以及用于基于所述半隱式速度更新和壓力更新來計算對于當(dāng)前時間步的新的速度更新的裝置。
29.權(quán)利要求26的設(shè)備，其中，用于根據(jù)所述4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)生成心臟的特定于患者的4D解剖模型的所述裝置包括用于生成至少一個心臟組成部分的特定于患者的多尺度解剖模型的裝置，所述多尺度解剖模型包括所述至少一個心臟組成部分的粗糙解剖模型和所述至少一個心臟組成部分的精細(xì)解剖模型。
30.權(quán)利要求29的設(shè)備，其中，用于通過利用水平集框架在一個心搏周期內(nèi)的多個時間步當(dāng)中的每一個時間步處求解受到所述特定于患者的4D解剖模型約束的 Navier-Stokes方程來仿真心臟中的血流的所述裝置包括用于通過求解受到所述至少一個心臟組成部分的精細(xì)解剖模型約束的Navier-Stokes 方程來仿真所述至少一個心臟組成部分中的血流的裝置。
31.一種用于基于4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)對心臟進(jìn)行特定于患者的綜合性建模的設(shè)備，其包括用于根據(jù)所述4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)來生成心臟的特定于患者的4D解剖模型的裝置；用于通過利用水平集框架求解受到所述特定于患者的4D解剖模型的至少一個心臟組成部分在當(dāng)前時間步處的位置約束的Navier-Stokes方程而在當(dāng)前時間步處仿真所述至少一個心臟組成部分中的血流的裝置，其中至少部分地基于在前一時間步處計算的所述至少一個心臟組成部分的形變來確定當(dāng)前時間步處的所述至少一個心臟組成部分的當(dāng)前位置；以及用于基于當(dāng)前時間步處的仿真血流計算當(dāng)前時間步處的所述至少一個心臟組成部分的形變的裝置。
32.權(quán)利要求31的設(shè)備，其還包括用于將所計算的所述至少一個心臟組成部分的形變與所述4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)中的所述至少一個心臟組成部分的觀測得到的形變進(jìn)行比較以便確定所述至少一個心臟組成部分的生物力學(xué)參數(shù)的裝置。
33.權(quán)利要求31的設(shè)備，其中，用于通過利用水平集框架求解受到所述特定于患者的 4D解剖模型的至少一個心臟組成部分在當(dāng)前時間步處的位置約束的Navier-Stokes方程而在當(dāng)前時間步處仿真所述至少一個心臟組成部分中的血流的所述裝置包括用于計算由于所仿真的所述至少一個心臟組成部分中的血流而導(dǎo)致的當(dāng)前時間步處的所述至少一個心臟組成部分的壁界面處的壓力的裝置。
34.權(quán)利要求33的設(shè)備，其中，用于基于當(dāng)前時間步處的仿真血流計算當(dāng)前時間步處的所述至少一個心臟組成部分的形變的所述裝置包括用于計算由于所述至少一個心臟組成部分的壁界面處的壓力而導(dǎo)致的所述至少一個心臟組成部分的壁的形變的裝置。
35.權(quán)利要求31的設(shè)備，其中，用于基于當(dāng)前時間步處的仿真血流計算當(dāng)前時間步處的所述至少一個心臟組成部分的形變的所述裝置包括用于基于內(nèi)力和外力計算所述至少一個心臟組成部分的形變的裝置，其中所述內(nèi)力對所述至少一個心臟組成部分的組織的被動特性進(jìn)行建模，所述外力對由所述至少一個心臟組成部分內(nèi)部的血流所生成的加載進(jìn)行建模。
36.一種利用特定于患者的綜合性4D心臟模型進(jìn)行預(yù)測性規(guī)劃的設(shè)備，其包括用于根據(jù)4D醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)生成心臟的特定于患者的綜合性4D模型的裝置；用于調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便仿真一種狀況的裝置；以及用于重新生成所述心臟的特定于患者的綜合性4D模型以便仿真所述經(jīng)過調(diào)節(jié)的部分對所述特定于患者的綜合性4D模型的影響的裝置。
37.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中，用于調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便仿真一種狀況的所述裝置包括用于調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的解剖參數(shù)、血液動力學(xué)參數(shù)和生物力學(xué)參數(shù)中的至少一個的裝置。
38.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中，用于調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便仿真一種狀況的所述裝置包括用于調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的解剖參數(shù)、血液動力學(xué)參數(shù)和生物力學(xué)參數(shù)中的至少一個以便仿真心臟中的疾病進(jìn)展的裝置。
39.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中，用于調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便仿真一種狀況的所述裝置包括用于調(diào)節(jié)所述特定于患者的綜合性4D模型的一部分以便虛擬仿真對心臟的對應(yīng)部分應(yīng)用療法的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于對心臟進(jìn)行特定于患者的綜合性建模的方法和系統(tǒng)。公開了一種用于根據(jù)4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)對整個心臟解剖學(xué)、動力學(xué)、血液動力學(xué)和流體結(jié)構(gòu)交互進(jìn)行特定于患者的建模的方法和系統(tǒng)。通過根據(jù)對于患者的4D醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)估計心臟的生理模型的特定于患者的參數(shù)來確定心臟的解剖學(xué)和動力學(xué)。所述特定于患者的解剖學(xué)和動力學(xué)被用作對于3DNavier-Stokes求解器的輸入，所述3DNavier-Stokes求解器沿著整個心搏周期導(dǎo)出受到局部解剖學(xué)約束的實際血液動力學(xué)。通過仿真給定時間步處的血流并且基于所述仿真的血流計算心臟結(jié)構(gòu)的形變來在所述心搏周期內(nèi)迭代地確定流體結(jié)構(gòu)交互，以使得在下一個時間步處的血流仿真中使用心臟結(jié)構(gòu)的所述形變。
文檔編號G06F19/00GK102346811SQ20111020493
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者喬治斯庫 B., 科馬尼丘 D., 維塔諾夫斯基 D., 富格特 I., 莎馬 P., I. 約納塞克 R., 格爾比克 S., 曼西 T., 米哈勒夫 V., 王 Y., 鄭冶楓 申請人:西門子公司