用于生成幾何結(jié)構(gòu)的多維表面模型的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供用于生成幾何結(jié)構(gòu)的多維表面模型的系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)包括裝置和耦合至裝置的基于計算機(jī)的模型構(gòu)造系統(tǒng)，裝置包括至少一個傳感器，該傳感器被配置為采集與幾何結(jié)構(gòu)的表面上或由幾何結(jié)構(gòu)的表面包圍的各個位置相對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合。該基于計算機(jī)的模型構(gòu)造系統(tǒng)被配置為基于位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合來生成工作體積，計算針對工作體積的擴(kuò)張場，基于擴(kuò)張場來限定擴(kuò)張表面，基于擴(kuò)張表面來計算針對工作體積的侵蝕場，以及基于侵蝕場來限定侵蝕表面。
【專利說明】
用于生成幾何結(jié)構(gòu)的多維表面模型的方法和系統(tǒng)
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求在2014年3月21日提交的美國臨時專利申請No. 61 /968，554的權(quán)益，其 整個申請文件包含于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及用于生成幾何結(jié)構(gòu)的多維模型的系統(tǒng)和方法。更特別地，本發(fā)明涉及 用于生成例如心內(nèi)結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)的多維模型的計算機(jī)實(shí)施的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 已知各種基于計算機(jī)的系統(tǒng)和計算機(jī)實(shí)施的方法可以用于生成諸如例如解剖結(jié) 構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)的多維表面模型。更具體地，各種系統(tǒng)和方法已經(jīng)用于生成心臟和/或心臟的 特定部分的多維表面模型。
[0005] -種常規(guī)的方法或技術(shù)涉及與特定結(jié)構(gòu)的不同感興趣區(qū)域相對應(yīng)的多個單獨(dú)表 面模型的生成，以及之后將單獨(dú)表面模型結(jié)合以形成單個合成的多維表面模型。已知通過 以下來生成單獨(dú)表面模型:采集來自感興趣的各個區(qū)域的表面和由所述表面包圍的體積的 位置數(shù)據(jù)點(diǎn)并且之后使用這些位置數(shù)據(jù)點(diǎn)來生成針對每個感興趣區(qū)域的單獨(dú)表面模型。
[0006] 許多技術(shù)可以用于從各個位置數(shù)據(jù)點(diǎn)生成單獨(dú)表面模型，包括例如凸殼、星形域 近似、以及阿爾法形狀(alpha-shape)技術(shù)。然而，用于生成合成表面模型的常規(guī)技術(shù)有它 們的缺點(diǎn)。例如，單獨(dú)表面模型可能不以期望程度的細(xì)節(jié)或精度來反映相應(yīng)的感興趣區(qū)域， 或者表面模型對于多維布爾運(yùn)算而言可能不太理想。這些缺點(diǎn)中的任一個可能導(dǎo)致不以期 望精度反映感興趣結(jié)構(gòu)的合成表面模型。此外，至少一些常規(guī)技術(shù)是計算密集型的，并且可 能花費(fèi)相對長的時間和/或需要相對大的處理資源。
[0007] 由此，通過使用至少一些已知技術(shù)，使用位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合形成的表面模型可能 不提供期望精度和/或可能需要不期望的額外處理量，其增加了表面模型生成處理的復(fù)雜 性以及執(zhí)行表面模型生成處理所需要的時間的長度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 在一個實(shí)施例中，本發(fā)明涉及用于生成幾何結(jié)構(gòu)的多維表面模型的系統(tǒng)。系統(tǒng)包 括裝置和耦合至裝置的基于計算機(jī)的模型構(gòu)造系統(tǒng)，該裝置包括至少一個傳感器，該傳感 器被配置為采集與幾何結(jié)構(gòu)的表面上或由幾何結(jié)構(gòu)的表面包圍的各個位置相對應(yīng)的位置 數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合。該基于計算機(jī)的模型構(gòu)造系統(tǒng)被配置為基于位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合來生成工作 體積，計算針對工作體積的擴(kuò)張場，基于擴(kuò)張場來限定擴(kuò)張表面，基于擴(kuò)張表面來計算針對 工作體積的侵蝕場，以及基于侵蝕場來限定侵蝕表面。
[0009]在另一實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種生成幾何結(jié)構(gòu)的多維表面模型的計算機(jī)實(shí)施的 方法。所述方法包括獲取與幾何結(jié)構(gòu)的表面上或由幾何結(jié)構(gòu)的表面包圍的各個位置相對應(yīng) 的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合，基于位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合來生成工作體積，計算針對工作體積的擴(kuò)張 場，基于擴(kuò)張場來限定擴(kuò)張表面，基于擴(kuò)張表面來計算針對工作體積的侵蝕場，以及基于侵 蝕場來限定侵蝕表面。
[0010]在另一實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種用于生成幾何結(jié)構(gòu)的多維表面模型的處理設(shè) 備。所述處理設(shè)備被配置為獲取與幾何結(jié)構(gòu)的表面上或由幾何結(jié)構(gòu)的表面包圍的各個位置 相對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合，基于位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合來生成工作體積，計算針對工作體積 的擴(kuò)張場，基于擴(kuò)張場來限定擴(kuò)張表面，基于擴(kuò)張表面來計算針對工作體積的侵蝕場，以及 基于侵蝕場來限定侵蝕表面。
[0011] 本發(fā)明的前述和其它方面、特征、細(xì)節(jié)、用途和優(yōu)勢將通過閱讀下面的說明書和權(quán) 利要求書并且通過閱覽附圖而變得顯而易見。
【附圖說明】
[0012] 圖1是根據(jù)一個實(shí)施例的用于生成幾何結(jié)構(gòu)的多維模型的系統(tǒng)的圖解視圖。
[0013]圖2是圖1所不的系統(tǒng)的_旲型構(gòu)造系統(tǒng)的圖解和不意視圖。
[0014] 圖3是包含位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合的點(diǎn)云的示意視圖。
[0015] 圖4A-4D是適于在圖2所示的模型構(gòu)造系統(tǒng)中使用的驅(qū)動貼片電極的示例性偶極 子對的示意圖。
[0016] 圖5是示出根據(jù)一個實(shí)施例的生成多維表面模型的方法的流程圖。
[0017] 圖6是示出根據(jù)一個實(shí)施例的用于基于位置數(shù)據(jù)點(diǎn)來生成表面模型的方法的流程 圖。
[0018] 圖7-10是示出圖6所示的方法的示意圖。
[0019] 圖11是示出根據(jù)一個實(shí)施例的用于更新表面模型的方法的流程圖。
[0020] 相應(yīng)的附圖標(biāo)記表示圖的幾個視圖中的相應(yīng)的部件。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 本發(fā)明提供用于生成表面模型（例如，心臟的內(nèi)表面）的系統(tǒng)和方法。本文描述的 技術(shù)生成具有可控制量的微小細(xì)節(jié)的封閉的流形表面，該可控制量的微小細(xì)節(jié)通過如本文 所述改變第一預(yù)定值α和第二預(yù)定值k的值來確定。
[0022] 現(xiàn)在參考附圖，其中，相似的附圖標(biāo)記用于標(biāo)識各個視圖中的相同組件，圖1示出 用于生成一個或多個幾何結(jié)構(gòu)的多維表面模型的系統(tǒng)10的一個示例性實(shí)施例。如以下將描 述的，在該實(shí)施例中，由系統(tǒng)10生成的模型是三維模型。然而，應(yīng)該理解，盡管以下描述了三 維模型的生成，但本發(fā)明不意味著限制于此。而是，在其他實(shí)施例中，系統(tǒng)10可以被配置為 生成除三維以外的多維模型，并且這樣的實(shí)施例處于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
[0023] 還應(yīng)當(dāng)注意，盡管以下描述主要集中在系統(tǒng)10在解剖結(jié)構(gòu)、以及特別地心臟結(jié)構(gòu) 的模型的生成中的使用，但本發(fā)明不意味著限制于此。而是，系統(tǒng)10以及由此使用的方法和 技術(shù)可以應(yīng)用至包括除心臟結(jié)構(gòu)以外的解剖結(jié)構(gòu)的許多幾何結(jié)構(gòu)的三維模型的生成。然 而，為了示出和容易說明的目的，以下描述將限于系統(tǒng)10在心臟結(jié)構(gòu)的三維模型的生成中 的使用。
[0024] 繼續(xù)參考圖1，在該實(shí)施例中，系統(tǒng)10包括醫(yī)療裝置和模型構(gòu)造系統(tǒng)14,以及其他 組件。在該實(shí)施例中，醫(yī)療裝置是導(dǎo)管12,并且模型構(gòu)造系統(tǒng)14部分地包括處理設(shè)備16。處 理設(shè)備16可采用電子控制單元的形式，例如，其被配置為利用由導(dǎo)管12采集的數(shù)據(jù)來構(gòu)造 心臟內(nèi)的結(jié)構(gòu)的三維模型。
[0025]如圖1中所示，導(dǎo)管12被配置為插入患者身體18內(nèi)，并且尤其是插入患者心臟20 內(nèi)。導(dǎo)管12可包括線纜連接器或接口 22、手柄24、具有近端28和遠(yuǎn)端30(正如本文所使用的， "近"指的是朝向?qū)Ч?2的靠近臨床醫(yī)生的部分的方向，而"遠(yuǎn)"指的是遠(yuǎn)離臨床醫(yī)生且(通 常)位于患者體內(nèi)的方向）的軸桿26、以及安裝在導(dǎo)管12的軸桿26內(nèi)或其上的一個或多個傳 感器32(例如，321、322、323)。在該實(shí)施例中，傳感器32布置在軸桿26的遠(yuǎn)端30處或附近。導(dǎo) 管12還可包括其他常規(guī)組件，例如且不限于，溫度傳感器、其他傳感器或電極、消融元件(例 如，用于傳輸RF消融能量的消融尖端電極、高強(qiáng)度聚焦超聲消融元件，等等），以及相應(yīng)的導(dǎo) 體或引線。
[0026]連接器22為線纜提供機(jī)械、流體、和電連接，該線纜例如是延伸至模型構(gòu)造系統(tǒng)14 和/或系統(tǒng)10的其它組件(例如，可視化、導(dǎo)航、和/或標(biāo)測系統(tǒng)(如果獨(dú)立且不同于模型構(gòu)造 系統(tǒng)14的話）、消融發(fā)生器、灌注源、等等)的線纜34、36。連接器22在本領(lǐng)域中是常規(guī)型的且 布置在導(dǎo)管12的近端28,特別是在其手柄24上。
[0027]布置在軸桿26的近端28處的手柄24為臨床醫(yī)生提供了握持導(dǎo)管12的位置，并且可 進(jìn)一步提供用于在患者身體18內(nèi)操縱或引導(dǎo)軸桿26的工具。例如，手柄24可包括用于改變 延伸穿過導(dǎo)管12到達(dá)軸桿26遠(yuǎn)端30的操縱線的長度從而操縱軸桿26的工具。手柄24在本領(lǐng) 域也是常規(guī)型的，并且應(yīng)當(dāng)理解的是，手柄24的構(gòu)造可以改變。在其他實(shí)施例中，導(dǎo)管12可 由機(jī)器人驅(qū)動或控制。因而，在這種實(shí)施例中，不是臨床醫(yī)生操作手柄以操縱或?qū)б龑?dǎo)管12 及其軸桿26,而是使用機(jī)器人來操縱導(dǎo)管12。
[0028]軸桿26是配置用于在身體18內(nèi)移動的細(xì)長、管狀、柔性構(gòu)件。軸桿26支撐例如但并 不限于在其上安裝的傳感器和/或電極(例如傳感器32)、相關(guān)導(dǎo)體，以及可能存在的用于信 號處理和調(diào)節(jié)的其它電子設(shè)備。軸桿26還可以允許傳輸、輸送和/或移除流體(包括灌注流 體、低溫消融流體、和體液）、藥物、和/或外科手術(shù)工具或器械。軸桿26可由例如聚氨酯的常 規(guī)材料制成，并限定一個或多個腔，其被配置為容納和/或傳送電導(dǎo)體、流體、或外科手術(shù)工 具。軸桿26可通過常規(guī)導(dǎo)引器引入血管或身體18內(nèi)的其它結(jié)構(gòu)中。之后，可利用本領(lǐng)域公知 的工具操縱或?qū)бS桿26穿過身體18到達(dá)期望位置，例如心臟20。
[0029]安裝在導(dǎo)管12的軸桿26內(nèi)或軸桿26上的傳感器32可提供用于各種診斷和治療目 的，包括例如但不限于，電生理研究、步測、心臟標(biāo)測、和消融。在該實(shí)施例中，提供一個或多 個傳感器32以實(shí)現(xiàn)方位或位置感測功能。更特別地，如下面更為詳細(xì)的描述，一個或多個傳 感器32被配置作為定位傳感器，其提供特別是在某些時刻與導(dǎo)管12、及其軸桿26的遠(yuǎn)端30 的方位(位置和方向）相關(guān)聯(lián)的信息。因此，隨著導(dǎo)管12沿感興趣的心臟20的結(jié)構(gòu)的表面和/ 或繞該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部移動，傳感器32可用于采集與感興趣的結(jié)構(gòu)的表面和/或其內(nèi)部的其他 位置相對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)。之后，例如可由模型構(gòu)造系統(tǒng)14來利用這些位置數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行感 興趣的結(jié)構(gòu)的三維模型的構(gòu)造，這將在下文更為詳細(xì)地描述。為清楚和說明起見，以下說明 書將論述其中導(dǎo)管12的多個傳感器32包括定位傳感器的實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在處于本 發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的其他實(shí)施例中，導(dǎo)管12可以包括一個或多個定位傳感器以及配置為 執(zhí)行其他診斷和/或治療功能的其他傳感器。
[0030]如以上簡要描述并且如下文中更詳細(xì)描述的，模型構(gòu)造系統(tǒng)14被配置為部分地利 用由導(dǎo)管12采集的位置數(shù)據(jù)來構(gòu)造心臟內(nèi)的結(jié)構(gòu)的三維模型。更特別地，模型構(gòu)造系統(tǒng)14 的處理設(shè)備16被配置為獲取由傳感器32采集的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)，并且之后使用這些位置數(shù)據(jù)點(diǎn) 來構(gòu)造或生成該位置數(shù)據(jù)點(diǎn)所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)的模型。在該實(shí)施例中，模型構(gòu)造系統(tǒng)14通過與 傳感器32-起工作來采集位置數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而獲取位置數(shù)據(jù)點(diǎn)。然而，在其他實(shí)施例中，模型 構(gòu)造系統(tǒng)14可從傳感器32或系統(tǒng)10的另一組件(例如作為模型構(gòu)造系統(tǒng)14的一部分或者可 由其訪問的存儲器或其它存儲裝置)簡單獲取位置數(shù)據(jù)點(diǎn)，而不是積極地參與位置數(shù)據(jù)點(diǎn) 的采集。模型構(gòu)造系統(tǒng)14被配置為基于所采集的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)中的一些或全部來構(gòu)造三維模 型。為說明和清楚起見，下面的說明書將限于一個實(shí)施例，其中模型構(gòu)造系統(tǒng)14被配置為既 構(gòu)造模型，又通過與傳感器32-起工作來采集位置數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而獲取位置數(shù)據(jù)點(diǎn)。然而，應(yīng) 當(dāng)理解的是，模型構(gòu)造系統(tǒng)14僅從傳感器32或系統(tǒng)10的另一組件獲取位置數(shù)據(jù)點(diǎn)并隨后據(jù) 此構(gòu)造三維模型的其他實(shí)施例仍然處于本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
[0031] 因此，在該實(shí)施例中，除了構(gòu)造結(jié)構(gòu)的模型外，模型構(gòu)造系統(tǒng)14被配置為與傳感器 32-起工作以采集位置數(shù)據(jù)點(diǎn)，該位置數(shù)據(jù)點(diǎn)用于三維模型的構(gòu)造。模型構(gòu)造系統(tǒng)14可包 括基于電場的系統(tǒng)，例如市場可售的來自St. Jude Medical有限公司的EnSite?NaVX?系 統(tǒng)，并且通常參照美國專利Νο·7,263,397示出，其發(fā)明名稱為"Method and Apparatus for Catheter Navigation and Location and Mapping in the Heart"，其全部內(nèi)容通過引用 包含于此。然而，在其他實(shí)施例中，模型構(gòu)造系統(tǒng)14可包括其他類型的系統(tǒng)，例如但不限于： 基于磁場的系統(tǒng)，例如可從Biosense Webster購買的Carto?系統(tǒng)，并且其通常參照以下專 利中的一個或多個不出：名稱為"Intrabody Measurement"的美國專利No ·6,498,944、名稱 為"Medical Diagnosis，Treatment and Imaging Systems"的美國專利Νο·6,788,967、以 及名稱為 "System and Method for Determining the Location and Orientation of an Invasive Medical Instrument"的美國專利No.6,690,963,其全部內(nèi)容通過引用包含于 此，或者來自MediGuide Ltd.的gMPS系統(tǒng)，其通常參照以下專利中的一個或多個示出：名稱 為"Medical Positioning System"的美國專利Νο·6,233,476、名稱為"System for Determining the Position and Orientation of a Catheter" 的美國專利No · 7,197 , 354、以及名稱為 "Medical Imaging and Navigation System" 的美國專利No .7,386,339， 其全部內(nèi)容通過引用包含于此；基于電場和基于磁場的組合系統(tǒng)，例如可從Biosense Webster購買的Carto 3?系統(tǒng)；以及其他基于阻抗的定位系統(tǒng)、基于聲學(xué)或超聲的系統(tǒng)、以 及通?？傻玫臒晒鈾z查、計算機(jī)斷層掃描(CT)、和基于磁共振成像(MRI)的系統(tǒng)。
[0032] 如以上簡要描述的，導(dǎo)管12的傳感器32包括定位傳感器。傳感器32產(chǎn)生表示導(dǎo)管 方位(位置和/或方向）信息的信號。在該實(shí)施例中，其中模型構(gòu)造系統(tǒng)14為基于電場的系 統(tǒng)，傳感器32可包括一個或多個電極?？商鎿Q地，在模型構(gòu)造系統(tǒng)14為基于磁場的系統(tǒng)的實(shí) 施例中，傳感器32可包括一個或多個磁性傳感器，其被配置為檢測低強(qiáng)度磁場的一種或多 種特性。例如，在一個示例性實(shí)施例中，傳感器32可包括布置在導(dǎo)管12的軸桿26上或布置在 軸桿26內(nèi)的磁線圈。
[0033] 為清楚和說明起見，模型構(gòu)造系統(tǒng)14將在下文中描述為包括基于電場的系統(tǒng)，例 如上面提到的EnSiteTMNavX TM系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)理解的是，雖然下面的說明書主要限于傳感器32包 括一個或多個電極的實(shí)施例，但在其它實(shí)施例中，傳感器32可包括一個或多個磁場傳感器 (例如線圈）。因而，包括定位傳感器而非下述傳感器或電極的模型構(gòu)造系統(tǒng)仍處于本發(fā)明 的精神和范圍之內(nèi)。
[0034]參照圖2,除了處理設(shè)備16外，模型構(gòu)造系統(tǒng)14可包括多個貼片電極38、多路復(fù)用 開關(guān)40、信號發(fā)生器42、和顯示裝置44,以及其它可能組件。在其他實(shí)施例中，這些組件中的 部分或全部是獨(dú)立的且不同于模型構(gòu)造系統(tǒng)14,但是它們電連接至模型構(gòu)造系統(tǒng)14且被配 置為與模型構(gòu)造系統(tǒng)14進(jìn)行通信。
[0035] 處理設(shè)備16可包括可編程微處理器或微控制器，或者可包括專用集成電路 (ASIC)。處理設(shè)備16可包括中央處理單元(CPU)和輸入/輸出（I/O)接口，處理設(shè)備16可通過 輸入/輸出接口接收多個輸入信號，例如包括由貼片電極38和傳感器32生成的信號，并生成 多個輸出信號，例如包括用于控制例如顯示裝置44和開關(guān)40和/或?yàn)槠涮峁?shù)據(jù)的那些信 號。處理設(shè)備16可被配置為利用合適的編程指令或代碼（即，軟件)實(shí)現(xiàn)多種功能，例如上文 和下文中更為詳細(xì)描述的那些功能。因而，處理設(shè)備16可用計算機(jī)存儲介質(zhì)上編碼的一種 或多種計算機(jī)程序進(jìn)行編程，用于實(shí)現(xiàn)本文所述的功能。
[0036]除了稱為"腹部貼片"的貼片電極38B以外，貼片電極38用于生成電信號，例如用于 確定導(dǎo)管12的位置和方向。在一個實(shí)施例中，貼片電極38正交地置于身體18的表面上，并用 于在身體18內(nèi)創(chuàng)建特定軸線電場。例如，在一個實(shí)施例中，貼片電極38XU38X2可沿第一(X) 軸布置。貼片電極38YU38Y2可沿第二(y)軸布置，以及貼片電極38ZU38Z2可沿第三(z)軸 布置。每個貼片電極38都可耦合至多路復(fù)用開關(guān)40。在該實(shí)施例中，處理設(shè)備16通過合適的 軟件被配置為向開關(guān)40提供控制信號，從而順序地將電極38的對耦合至信號發(fā)生器42。激 勵每對電極38在身體18和諸如心臟20的感興趣區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電場。參考腹部貼片38B的未激 勵電極38處的電壓水平被濾波和轉(zhuǎn)換并提供至處理設(shè)備16以用作參考值。
[0037]在該實(shí)施例中，導(dǎo)管12的傳感器32電耦合至處理設(shè)備16,并被配置為實(shí)現(xiàn)位置感 測功能。更具體地，傳感器32布置在通過激勵貼片電極38而在身體18內(nèi)（例如，心臟內(nèi)）產(chǎn)生 的電場中。僅僅為清楚和說明起見，下面的說明書將限于一個實(shí)施例，其中單個傳感器32被 置于電場內(nèi)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，在仍處于本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的其它實(shí)施例中，多 個傳感器32可以置于電場內(nèi)并且隨后可以利用下述技術(shù)確定每個傳感器的位置和方向。 [0038]當(dāng)布置在電場內(nèi)時，傳感器32上的電壓取決于在貼片電極38之間的位置和傳感器 32相對于組織的位置。在傳感器32和貼片電極38之間所進(jìn)行的電壓測量值比較可用于確定 傳感器32相對于組織的位置。因而，隨著導(dǎo)管12圍繞或沿著特定感興趣區(qū)域或表面掃描，處 理設(shè)備16接收來自傳感器32的信號(位置信息），其反映了傳感器32上和來自于未激勵貼片 電極38的電壓水平變化。利用各種已知的算法，處理設(shè)備16隨后可確定傳感器32的方位(位 置和方向）并將該方位作為位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46(本文也稱為"數(shù)據(jù)點(diǎn)46"，且如圖3中所示)記錄在 與處理設(shè)備16相關(guān)聯(lián)或可由處理設(shè)備16訪問的諸如存儲器47的存儲器或存儲裝置內(nèi)，位置 數(shù)據(jù)點(diǎn)46對應(yīng)于傳感器32的位置以及因此在正被建模的感興趣的結(jié)構(gòu)的表面上或者在感 興趣的結(jié)構(gòu)內(nèi)的點(diǎn)。在一些實(shí)施例中，在記錄位置作為位置數(shù)據(jù)點(diǎn)之前，處理設(shè)備16可利用 已知或此后開發(fā)的技術(shù)對由處理設(shè)備16接收的信號所表示的原始位置數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，以考 慮呼吸、心臟活動、和其它偽跡。此外，導(dǎo)管12的其他部分的位置可以從傳感器32處的測量 值諸如通過插值或外推來推斷以生成另外的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46。無論如何，隨時間采集的位置 數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合46(461，462,……，46n)形成存儲在存儲器或存儲裝置中的點(diǎn)云48(最佳示于 圖3中）。
[0039] 雖然到目前為止上面的說明書基本上是關(guān)于貼片電極38的正交布置，但本發(fā)明并 不意味著限制于此。而在其它實(shí)施例中，非正交布置可用于確定傳感器32的位置坐標(biāo)。例 如，一般而言，圖4A-4D描繪了位于坐標(biāo)系50內(nèi)的多個示例性非正交偶極子DO、D1、D2和D3。 在圖4A-4D中，X軸貼片電極標(biāo)示為XA和XB，Y軸貼片電極標(biāo)示為YA和YB，而Z軸貼片電極標(biāo)示 為ZA和ZB。對于任一期望軸，跨過諸如傳感器32的心內(nèi)傳感器所測得的電位由預(yù)定集合的 驅(qū)動(源匯)配置產(chǎn)生，其可用代數(shù)方法進(jìn)行組合以產(chǎn)生與僅通過沿正交軸驅(qū)動均勻電流而 獲得的電位相同的有效電位。貼片電極38乂1、38乂2、38￥1、38￥2、3821和3822(參見圖2)中的 任意兩個可選定為相對于例如腹部貼片38B的接地參考的偶極子源和漏，同時未激勵貼片 電極測量相對于接地參考的電壓。置于心臟20內(nèi)的傳感器32還暴露于場中以產(chǎn)生電流脈沖 并相對于地電位(例如腹部貼片38B)進(jìn)行測量。
[0040] 在另一示例性實(shí)施例中，多個貼片電極38可以沿著公共軸線性地布置。在這種實(shí) 施例中，包括貼片電極38之一和安裝在導(dǎo)管12上的電極的電極對的激勵生成電場。非激勵 貼片電極38之后可以測量可以用于確定傳感器32的位置的電位。因此，在這種實(shí)施例中，包 括不同的貼片電極38和導(dǎo)管安裝的電極的多個電極對的激勵可以用于確定傳感器32的位 置。
[0041] 來自每個貼片電極和傳感器32的數(shù)據(jù)集全部用于確定心臟20內(nèi)傳感器32的位置。 在進(jìn)行電壓測量之后，用電流源激勵不同的貼片電極38對并進(jìn)行其余貼片電極38和傳感器 32的電壓測量過程。一旦確定了傳感器32的位置，如上所述，可以上述相同的方式記錄該位 置作為數(shù)據(jù)點(diǎn)46。在一些實(shí)施例中，在記錄位置作為位置數(shù)據(jù)點(diǎn)之前，處理設(shè)備16可利用已 知或此后開發(fā)的技術(shù)對由處理設(shè)備16接收的信號所表示的原始位置數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，以考慮 呼吸、心臟活動、和其它偽跡。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，許多技術(shù)都可用于確定傳感器32的位 置，并從而采集與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，每種技術(shù)都處于本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
[0042 ]圖3示出與正在建模的感興趣的特定結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的包括位置數(shù)據(jù)點(diǎn)4 6 1， 462,……，46n的點(diǎn)云48。應(yīng)當(dāng)理解，實(shí)際上，點(diǎn)云48通常包括幾百至幾十萬的數(shù)據(jù)點(diǎn)46。然 而，為了示出和容易說明起見，以下描述將限于具有有限數(shù)量的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的點(diǎn)云，例如， 包括位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46的點(diǎn)云48?？梢赃M(jìn)一步理解，可以采集與感興趣結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域相對應(yīng) 的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46。在這種實(shí)施例中，處理設(shè)備16可以被配置為對與從其采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的感興 趣結(jié)構(gòu)的區(qū)域相對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)46進(jìn)行分組。這樣，如果存在感興趣結(jié)構(gòu)的兩個區(qū)域，則與第 一區(qū)域相對應(yīng)的所有位置數(shù)據(jù)點(diǎn)將被分組在一起并形成第一點(diǎn)云，而與第二區(qū)域相對應(yīng)的 所有數(shù)據(jù)點(diǎn)將同樣被分組在一起并形成第二點(diǎn)云。
[0043]在一個示例性實(shí)施例中，并參考圖5,處理設(shè)備16-般來說被配置為首先生成100 感興趣的解剖結(jié)構(gòu)的一個或多個單獨(dú)區(qū)域的一個或多個表面模型。在生成感興趣的兩個或 更多個單獨(dú)區(qū)域的兩個或更多個表面模型的實(shí)施例中，處理設(shè)備16可以進(jìn)一步被配置為將 多個單獨(dú)表面模型結(jié)合102在一起以形成感興趣結(jié)構(gòu)的合成表面模型。
[0044]表面模型(或用于生成合成表面模型的每個表面模型）可以以許多方式生成。在該 實(shí)施例中，諸如在圖5中所示，并且一般來說，處理設(shè)備16被配置為最初獲取與第一感興趣 區(qū)域相對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46的第一集合。處理設(shè)備16還可以收集與第二感興趣區(qū)域相對應(yīng) 的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46的第二集合。如上所述，位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的第一集合中的每個位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46對 應(yīng)于由感興趣的解剖結(jié)構(gòu)的第一區(qū)域的表面包圍的體積上或體積內(nèi)的相應(yīng)位置，而位置數(shù) 據(jù)點(diǎn)的第二集合中的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)46對應(yīng)于由感興趣的解剖結(jié)構(gòu)的第二區(qū)域的表面包圍的 體積上或內(nèi)的相應(yīng)位置。
[0045]如本文其他部分所描述的，處理設(shè)備16被配置為以多種方式獲取104位置數(shù)據(jù)點(diǎn)。 在該實(shí)施例中，處理設(shè)備16從傳感器32獲取位置數(shù)據(jù)點(diǎn)，傳感器32采集來自結(jié)構(gòu)的表面的 位置數(shù)據(jù)點(diǎn)。在其他實(shí)施例中，處理設(shè)備16通過從作為處理設(shè)備16的一部分或電連接至處 理設(shè)備16并且被配置為與處理設(shè)備16通信的存儲器或存儲裝置獲取位置數(shù)據(jù)點(diǎn)來獲取位 置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合。因此，處理設(shè)備16可以從許多來源中的一個獲取位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合（以及 其中的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)），每個來源處于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。通過使用位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46的相應(yīng) 集合，處理設(shè)備16被配置為生成每個感興趣區(qū)域的表面模型，如本文所述。
[0046] 一旦獲取了位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46的一個或多個集合，處理設(shè)備16被配置為基于位置數(shù)據(jù) 點(diǎn)46的相應(yīng)集合中的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46來生成106每個感興趣區(qū)域的一個或多個單獨(dú)表面模 型。為此，并且一般來說，處理設(shè)備16之后使用所獲取的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46的一個或多個集合來 利用諸如本文詳細(xì)描述的阿爾法殼技術(shù)的表面重建技術(shù)來生成106表面模型。
[0047] 盡管現(xiàn)在為止概括了單獨(dú)表面模型的生成的描述，但現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述了用于 生成獨(dú)立表面模型的過程的示例性實(shí)施例。在該實(shí)施例中，使用下文中描述的特定阿爾法 殼技術(shù)或算法來生成單獨(dú)表面模型。然而，可以理解，在其他實(shí)施例中，不同的技術(shù)或技術(shù) 的組合可以用于生成基于體素的表面模型。一個這種示例性技術(shù)是移動立方體技術(shù)或算 法。另一這種不例性技術(shù)在題為 "System and Method for Surface Reconstruction from an Unstructured Point Set"的于2011年8月16日授予的美國專利No.8,000,941中描述， 該專利的全部內(nèi)容通過引用包含于此。因此，使用除了本文詳細(xì)地具體描述的技術(shù)以外的 技術(shù)生成基于體素的表面模型的實(shí)施例處于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
[0048] 此外，為了示出、清楚和容易描述起見，以下描述僅限于與解剖結(jié)構(gòu)的單個感興趣 區(qū)域(例如，第一感興趣區(qū)域)相對應(yīng)的表面模型的生成。然而，應(yīng)該理解，關(guān)于第一感興趣 區(qū)域的表面模型的生成所描述的技術(shù)也可以通過處理設(shè)備16實(shí)施以生成第二感興趣區(qū)域 的表面模型，或者感興趣解剖結(jié)構(gòu)的其他感興趣區(qū)域。因此，可以使用以下描述的相同技術(shù) 來生成第二感興趣區(qū)域(和任何其他感興趣區(qū)域)的表面模型。
[0049]圖6是用于基于位置數(shù)據(jù)點(diǎn)46來生成106表面模型的方法600的流程圖。在一些實(shí) 施例中，例如，使用上述處理設(shè)備16來執(zhí)行方法600。圖7-10示出方法600的步驟。為了清楚， 方法600被示出為在圖7-10中的二維空間中執(zhí)行。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，方法600 一般在三維空間中執(zhí)行。如下所述，圖7-10示出本文描述的兩個實(shí)現(xiàn)方式中的第二實(shí)現(xiàn)方 式。
[0050]如本文描述的，基于本文所述的第一預(yù)定值α和第二預(yù)定值k來生成表面模型。在 該實(shí)施例中，第一預(yù)定值α大于第二預(yù)定值k，以使得(α-k)是正量。此外，在該實(shí)施例中，k至 少與體素一樣大，以使得所使用的體素網(wǎng)格可以解析表面細(xì)節(jié)。第一預(yù)定值α控制表面模型 中微小細(xì)節(jié)的量。第二預(yù)定值k控制表面模型中的最小曲率半徑。更具體地，第二預(yù)定值k向 外移動表面以使得表面模型不包括具有小于第二預(yù)定值k的半徑的任意曲線。
[0051]首先參考圖7,示出了位置數(shù)據(jù)點(diǎn)702的集合700?？梢岳缡褂蒙鲜黾夹g(shù)來獲得集 合700。如圖6所示，基于位置數(shù)據(jù)點(diǎn)702,生成602工作體積。工作體積是在六面體網(wǎng)格上包 括多個離散點(diǎn)或位置的空間體積。為了生成表面模型，針對工作體積內(nèi)的位置計算特定值， 如本文詳細(xì)描述的。在該實(shí)施例中，通過包括在與位置數(shù)據(jù)點(diǎn)702相距預(yù)定距離內(nèi)的所有位 置來生成工作體積。例如，預(yù)定距離可以是第一預(yù)定值α的倍數(shù)(例如，5α)。
[0052]可替換地，可以使用任何合適的技術(shù)來生成工作體積。例如，在一個實(shí)施例中，確 定包括所有位置數(shù)據(jù)點(diǎn)702的軸對齊邊界框。邊界框之后在每個方向上被擴(kuò)展至少兩倍的α 加上體素大小，并且進(jìn)一步被擴(kuò)展以確保邊界框尺寸是體素大小的倍數(shù)。如下所述，如果另 外的點(diǎn)被采集以使得之前的邊界框在至少一個方向上不再是至少兩倍的α加上體素大小， 則在該至少一個方向上的邊界框的大小被乘以大于1的實(shí)數(shù)(例如，2 )，確保新的工作體積 是體素大小的倍數(shù)，以及新的體素與舊的體素對齊。使用該過程確保了域大小調(diào)整相對不 頻繁地發(fā)生。如果調(diào)整大小后的域超過可用存儲器，則可以利用較大的體素大小來限制存 儲使用。
[0053]在其他實(shí)施例中，可以使用其他體素數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如，工作體積可以利用DT網(wǎng)格、 諸如BCC晶格或六邊形網(wǎng)格的各種非六面體網(wǎng)格、和/或單個體素或體素的小區(qū)域可以根據(jù) 需要添加的稀疏數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。針對這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的任一個，工作體積不需要是矩形棱柱，而 可以是任何構(gòu)造，其中工作體積能夠至少表示在任何位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的兩倍α內(nèi)的所有體素加 上它們的最接近的鄰點(diǎn)。在對工作體積的增量更新的情況下，新的體素必須與舊的體素對 齊。值得注意地，選擇保證滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的工作體積的任何快速的方法是合適的。針對稀疏 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，工作體積不需要被提前選擇，因?yàn)轶w素可以在它們首次被交互時被添加。
[0054]針對工作體積計算604擴(kuò)張場。具體地，針對工作體積中的每個位置計算擴(kuò)張場值 D。在該實(shí)施例中，針對工作體積中的給定位置的擴(kuò)張場值D是從該位置到最近的位置數(shù)據(jù) 點(diǎn)702的距離。如下文詳細(xì)描述的，可以例如使用修改的快速推進(jìn)(Fast Marching)算法來 計算604擴(kuò)張場。
[0055] 基于擴(kuò)張場值，限定606擴(kuò)張表面。具體地，如圖8所示，在該實(shí)施例中，擴(kuò)張表面 802被限定以使得擴(kuò)張表面802上的每個頂點(diǎn)具有等于第一預(yù)定值α的擴(kuò)張場值D。在第一實(shí) 現(xiàn)方式中，使用移動立方體算法來三角化擴(kuò)張表面802。在該實(shí)現(xiàn)方式中，擴(kuò)張表面802包括 小平面、邊和頂點(diǎn)。在第二實(shí)現(xiàn)方式中，小平面和邊被省略，并且擴(kuò)張表面802僅通過頂點(diǎn)限 定。第一實(shí)現(xiàn)方式的小平面、邊和頂點(diǎn)以及第二實(shí)現(xiàn)方式的頂點(diǎn)可以被稱為"侵蝕源幾何結(jié) 構(gòu)"。值得注意的是，在兩個實(shí)現(xiàn)方式中，頂點(diǎn)在體素中心之間被插值以精確地位于擴(kuò)張表 面802上。第二實(shí)現(xiàn)方式可以比第一實(shí)現(xiàn)方式在計算上強(qiáng)度低，并且因此，可以比第一實(shí)現(xiàn) 方式更快速地執(zhí)行。
[0056] 在該實(shí)施例中，α的值是毫米級別的距離的度量，其可以特別地被設(shè)置為系統(tǒng)1 〇、 以及處理設(shè)備16的設(shè)置的一部分（即，在系統(tǒng)10的制造期間或在系統(tǒng)10的初始化期間并且 在使用之前）。在其他實(shí)施例中，可以通過醫(yī)療裝置的大小來限定α(例如，α可以是導(dǎo)管12、 傳感器32的半徑或直徑，或其一部分或倍數(shù)）。此外，該值可以是不可調(diào)節(jié)的，或者它可以由 系統(tǒng)10的用戶使用例如用戶界面53(在圖1中最佳地示出，例如觸摸屏、鍵盤、小鍵盤、滑塊 控件、具有一個或多個用戶可選擇或用戶可輸入欄的圖形用戶界面、或者可電連接至處理 設(shè)備16的一些其他用戶可控制輸入裝置)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以允許用戶設(shè)置或調(diào)節(jié)α值。
[0057]接下來，針對工作體積來計算608侵蝕場。具體地，針對工作體積中的每個位置來 計算侵蝕場值Ε。在該實(shí)施例中，針對工作體積中的給定位置的侵蝕場值E是從該位置至擴(kuò) 張表面802上的最近點(diǎn)的距離。如下文詳細(xì)描述的，可以例如使用修改的快速推進(jìn)算法來計 算608侵蝕場。
[0058]當(dāng)使用第一實(shí)現(xiàn)方式（即，包括小平面和邊)來限定606擴(kuò)張表面802時，擴(kuò)張表面 802外部的侵蝕場值E被記錄為負(fù)值，并且擴(kuò)張表面802內(nèi)部的侵蝕場值E被記錄為正值。當(dāng) 使用第二實(shí)現(xiàn)方式(即，僅頂點(diǎn))來生成擴(kuò)張表面802時，所有侵蝕場值E是正值。
[0059] 此時，處理設(shè)備16確定610擴(kuò)張表面802是使用第一實(shí)現(xiàn)方式（即，包括小平面和 邊)還是第二實(shí)現(xiàn)方式(即，僅包括頂點(diǎn))來限定606。
[0060] 如果處理設(shè)備16確定610第一實(shí)現(xiàn)方式被用于限定606擴(kuò)張表面802,則單獨(dú)地基 于侵蝕場來限定612侵蝕表面。具體地，如圖9所示，在該實(shí)施例中，侵蝕表面902被限定612 以使得侵蝕表面902上的每個頂點(diǎn)具有等于(α-k)的侵蝕場值E。因?yàn)樵诘谝粚?shí)現(xiàn)方式中，擴(kuò) 張表面802外部的侵蝕場值E被記錄為負(fù)值，并且擴(kuò)張表面802內(nèi)部的侵蝕場值E被記錄為正 值，因而具有侵蝕場值E等于(α-k)的頂點(diǎn)的單個侵蝕表面902被限定612。此外，侵蝕表面 902被限定612在擴(kuò)張表面802內(nèi)。
[0061] 然而，在第二實(shí)現(xiàn)方式中，通過單獨(dú)使用侵蝕場，利用具有等于(α-k)的侵蝕場值E 的頂點(diǎn)來限定多個表面。具體地，如圖9所示，第一表面904被限定在擴(kuò)張表面802內(nèi)，以及第 二表面906被限定在擴(kuò)張表面802外部。第一表面904對應(yīng)于期望侵蝕表面902,但第二表面 906是無關(guān)的。
[0062]因此，如果處理設(shè)備16確定610第二實(shí)現(xiàn)方式被用于限定606擴(kuò)張表面802,為了保 持第一表面904并排除第二表面906,則基于擴(kuò)張場和侵蝕場來計算614構(gòu)造立體幾何(CSG) 場。具體地，針對工作體積中的每個位置來計算CSG場值，C。在該實(shí)施例中，針對給定位置的 CSG場值C是(a - E+k)和(D- α)的最大值。
[0063]值得注意地，CSG場值C在第一表面904內(nèi)將是負(fù)的（其中，D〈a以及E>(a-k))，在第 一表面904處等于零，以及在第二表面906處將是正的（其中，D>a以及E= (a-k))。因此，一旦 計算了 CSG場，可以通過限定616侵蝕表面902以使得侵蝕表面902上的每個頂點(diǎn)具有等于零 的CSG場，來確定侵蝕表面902。這有效地排除了第二表面906并選擇第一表面904。圖10僅示 出侵蝕表面902,其是最終使用方法600來生成的表面。
[0064] 一旦使用方法600生成106表面模型，可以執(zhí)行另外的處理來修改所生成的表面模 型。例如，表面模型可以使用以下技術(shù)來抽取和/或平滑化，該技術(shù)在題為"Method and System for Generating a Multi-dimensional Surface Model of a Geometric Structure"的美國專利申請公布No . 2013/0173230中描述，該專利的全部內(nèi)容通過引用包 含于此。
[0065]圖11是當(dāng)采集了新的點(diǎn)或手動刪除了一些采集點(diǎn)時用于在不從頭開始重建表面 模型的情況下更新表面模型的方法1100的流程圖。除非以其他方式示出，通過處理設(shè)備16 執(zhí)行方法1100。當(dāng)一個或多個位置數(shù)據(jù)點(diǎn)被添加或移除1101時，方法1100開始。隨后，處理 設(shè)備16首先確定1102工作體積是否具有足夠大的域來容納新的點(diǎn)和在每個方向上的距離 α。即，工作體積可以被認(rèn)為具有邊界框，并且所有位置數(shù)據(jù)點(diǎn)必須通過在每個方向上具有 至少距離α落在邊界框內(nèi)。
[0066]如果工作體積具有足夠大的域，則處理設(shè)備16更新1104擴(kuò)張場。如果工作體積不 具有足夠大的域，則工作體積被擴(kuò)展1106。具體地，擴(kuò)張、侵蝕和CSG場的大小通過創(chuàng)建新的 較大的場并將來自之前場的值復(fù)制到新的場上的相應(yīng)位置來增大。軸對齊的邊界框用于工 作體積，并且在最初超過的情況下，工作體積在任何維度上加倍，直到其足夠大來容納新的 點(diǎn)和每個方向上的距離α。這便于防止體積擴(kuò)展例程運(yùn)行太頻繁。此外，如果擴(kuò)展的工作體 積大小利用相對大量的存儲，則體素大小增大以使得擴(kuò)展的工作體積消耗較少的存儲，并 且從頭開始重建表面，而不是執(zhí)行方法1100的剩余步驟。
[0067]在其他實(shí)施例中，體素可以被存儲為可替換的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如，只要在體素之間存 在鄰近(或接近)的概念，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以不是規(guī)則的六面體網(wǎng)格。此外，一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可 以不需要提前知道和/或更新工作體積的大小，而是代替地可以在第一次需要體素時在算 法的運(yùn)行期間根據(jù)需要擴(kuò)展工作體積。其他合適的實(shí)施例也在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。 [0068] 一旦擴(kuò)展1106 了工作體積，處理設(shè)備16更新1104擴(kuò)張場。擴(kuò)張場被更新1104以反 映所添加和/或移除的點(diǎn)。在該實(shí)施例中，使用下文描述的修改的快速推進(jìn)方法來執(zhí)行更新 1104〇
[0069] 在擴(kuò)張場由于更新1104而改變的情況下，擴(kuò)張表面（即，侵蝕源幾何結(jié)構(gòu)）的相關(guān) 的頂點(diǎn)、邊、和/或小平面被更新1106。因此，僅執(zhí)行頂點(diǎn)、邊、和/或小平面的局部更新。
[0070] 接下來，侵蝕場被更新1108以反映所更新的擴(kuò)張場的所添加和/或移除的圖元。在 該實(shí)施例中，使用下文描述的修改的快速推進(jìn)方法來執(zhí)行更新1108。當(dāng)利用第二實(shí)現(xiàn)方式 (即，在擴(kuò)張表面中僅包括頂點(diǎn)）時，CSG場也在擴(kuò)張和/或侵蝕場改變的所有位置被更新 IllOo
[0071] 最后，侵蝕表面被更新1112。具體地，針對第一實(shí)現(xiàn)方式，在侵蝕場由于更新1108 而改變的情況下，侵蝕表面的相關(guān)頂點(diǎn)、邊和/或小平面被更新1112。類似地，針對第二實(shí)現(xiàn) 方式，在CSG場由于更新1110而改變的情況下，侵蝕表面的相關(guān)頂點(diǎn)、邊和/或小平面被更新 1112。因此，侵蝕表面僅在由于所添加和/或移除的數(shù)據(jù)點(diǎn)而改變的對象處被更新。如果位 置數(shù)據(jù)點(diǎn)集合被確定1114為完成，則方法1100結(jié)束。如果位置數(shù)據(jù)點(diǎn)集合被確定1114為未 完成，則流程返回至塊1101用于添加或移除位置數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0072] 如上所述，在該實(shí)施例中，使用修改的快速推進(jìn)算法來執(zhí)行距離場構(gòu)造（即，擴(kuò)張 場和侵蝕場的構(gòu)造）。常規(guī)的快速推進(jìn)算法保持跟蹤與參考對象(例如，點(diǎn)、頂點(diǎn)、小平面、或 邊)的距離已知的位置，將已知距離外推至距離未知的相鄰位置，并將具有最近的外推值的 位置重復(fù)地移動至已知集合，更新其鄰點(diǎn)的外推值。
[0073] 相反，本文公開的修改的快速推進(jìn)算法快速地并且直接地傳播識別最近的采集點(diǎn) 或侵蝕源點(diǎn)的信息，而非外推距離。因此，它計算三角形網(wǎng)格的點(diǎn)的集合或頂點(diǎn)、小平面和 邊的近似體素化維諾(Voronoi)圖。修改的快速推進(jìn)算法還避免了距離值的數(shù)值外推，有利 于至最接近對象的分析計算，其便于改善精度。與通過外推已知的距離值來運(yùn)算的傳統(tǒng)的 快速推進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)方式比較，最近對象信息的傳播允許在對象被移除時較快地更新。幾何 圖元的插入和移除可以通過局部更新運(yùn)算來完成。
[0074]現(xiàn)在將詳細(xì)描述用于從三角形網(wǎng)格建立有符號的距離場(例如，擴(kuò)張場和侵蝕場） 以及用于從點(diǎn)的集合建立有符號的距離場的修改的快速推進(jìn)算法。例如使用處理設(shè)備16來 執(zhí)行兩個算法。兩個算法維持三元組(D，p，v)的優(yōu)先級隊列Q，其中，D是(可能的有符號的） 距離值，P表示圖元（即，點(diǎn)、頂點(diǎn)、小平面、或邊），以及V表示體素。兩個算法利用"柵格化"運(yùn) 算。如本文所使用的，在從體素 V的(可能的有符號的)距離D處柵格化圖元p意味著i)將體素 V的最接近的圖元設(shè)置為P; i i)將體素 V的距離值設(shè)置為D;以及i i i)將三元組(D，p，V)添加 至優(yōu)先級隊列Q。
[0075] 計算或更新圍繞三角形網(wǎng)格的有符號的距離場的修改的快速推進(jìn)算法如下。該算 法使用刪除的圖元(頂點(diǎn)、邊和小平面）的集合{pi}和新添加的圖元的集合N e R來運(yùn) 算，其中R是在算法的運(yùn)算之后剩余和新的圖元的組合集合。
[0076] 創(chuàng)建空的優(yōu)先級隊列Q，并且以下關(guān)系被限定:Dmax = a+A xl/2,其中，α是第一預(yù) 定值，以及△ X是體素大小。之后，針對工作體積中的每個體素 vi，如果在vi處的最接近對象 練R，則i)擦除vi處的最接近點(diǎn)和距離值；以及ii)針對具有一些rkeR作為其最接近點(diǎn)的、 鄰近vi的每個體素 vj，a)使得rclosest = rk;b)當(dāng)鄰接rclosest的頂點(diǎn)、小平面或邊比 rclosest離vj的中心更近時，將rclosest設(shè)置為該圖元;c)計算D，從rclosest至vi的中心 的有符號的距離；以及d)如果ID I小于目前為止柵格化至vi上的任何有符號距離的絕對值， 則將rclosest柵格化在vi上。當(dāng)執(zhí)行步驟c)時，在輪廓頂點(diǎn)和邊處，當(dāng)確定vi位于小平面的 哪一邊時確定vi是否從內(nèi)部或外部"看見"輪廓。
[0077] 在針對工作體積中的每個體素 vi執(zhí)行以上之后，針對每個ni e N，執(zhí)行以下。針對 具有一些rkeR作為其最接近點(diǎn)的、由ni相交的每個體素 vj，a)使得rclosest = rk;b)當(dāng)鄰 接rclosest的頂點(diǎn)、小平面或邊比rclosest離V j的中心更近時，將rclosest設(shè)置為該圖元； c)計算D，從rclosest至vj的中心的有符號的距離；以及d)如果I D I小于目前為止柵格化至 vj上的任何有符號距離的絕對值，則將rclosest柵格化在vj上。如上，當(dāng)執(zhí)行步驟c)時，在 輪廓頂點(diǎn)和邊處，當(dāng)確定符號時，確定vj是否從內(nèi)部或外部"看見"輪廓;在小平面處，確定 vj位于小平面的哪一邊。
[0078] 在針對每個ni eN執(zhí)行上述之后，當(dāng)Q包含三元組(D，ri，vj)時，其中，I D I SDmax (選擇(D，ri，vj)三元組以使得|D I被最小化），執(zhí)行以下：i)從Q移除(D，ri，vj)，以及ii)如 果ri保持為目前為止被柵格化至vj上的最接近對象，針對鄰近vj的每個vk，a)使得 rclosest = ri ;b)當(dāng)鄰接rclosest的頂點(diǎn)、小平面或邊比rclosest離vk的中心更近時，將 rclosest設(shè)置為該圖元;c)計算D2,從rclosest至vk的中心的有符號的距離；以及d)如果 D2 I小于目前為止柵格化至vk上的任何有符號距離的絕對值，則將rclosest柵格化在vk上。
[0079] 計算圍繞點(diǎn)的集合的距離場的修改的快速推進(jìn)算法稍微不同于計算或更新圍繞 三角形網(wǎng)格的有符號的距離場的算法。因?yàn)橄噜彽膱D元在快速推進(jìn)期間不被穿過，因而可 以使用漫水填充(flood-fill)運(yùn)算來在不在整個工作體積上循環(huán)的情況下移除來自源幾 何結(jié)構(gòu)的點(diǎn)。因此，為了移除來自距離場的點(diǎn)的集合P的貢獻(xiàn)并添加新的點(diǎn)的集合 N R:，其中R是更新之后剩余的和新的點(diǎn)的組合集合，算法操作如下。
[0080] 創(chuàng)建空的優(yōu)先級隊列Q，創(chuàng)建體素標(biāo)識符的空的集合V，并限定以下關(guān)系:Dmax = Ct+ Δ xl/2,其中，α是第一預(yù)定值，以及△ X是體素大小。針對每個，使得Vj是由pi相交的體素， 以及如果Pi是vj處的最接近的點(diǎn)，將vj添加至V。
[0081] 然后，針對每個vie V，在包含vi的工作體積的連續(xù)區(qū)域上執(zhí)行漫水填充，其中距 離值被記錄并且最接近點(diǎn)不在R中。針對連續(xù)區(qū)域中的每個體素 vj，i)擦除vj處的最接近點(diǎn) 和距離值；以及ii)針對具有rmeR作為其最接近點(diǎn)的、鄰近Vj的每個體素角 Vk$V，a)計算 D，從rm至vj的中心的距離；以及b)如果D小于目前為止柵格化至vj上的任何距離，則將rm柵 格化至vj上。
[0082]然后，針對每個ni eN，i)使得vj是由ni相交的體素；ii)計算D，從ni至vj的距離； 以及iii)如果D小于目前為止柵格化至vj上的任何距離，則將ni柵格化至vj上。
[0083] 在針對每個ni eN執(zhí)行上述之后，當(dāng)Q包含三元組(D，pi，vj)時，其中，I D I SDmax (選擇(D，pi，vj)三元組以使得|D I被最小化），執(zhí)行以下：i)從Q移除(D，pi，vj)，以及ii)如 果Pi保持為目前為止被柵格化至vj上的最接近對象，針對鄰近vj的每個體素 vk，a)計算D2， 從Pi至vk的中心的有符號的距離；以及b)如果D2小于目前為止柵格化至vk上的任何距離， 則將P i柵格化在vk上。
[0084]使用本文公開的系統(tǒng)和方法生成表面模型比至少一些已知的表面模型生成技術(shù) 具有幾個優(yōu)點(diǎn)。例如，使用本文描述的系統(tǒng)和方法，相對于在美國專利申請公布No . 2013/ 0173230中描述的系統(tǒng)和方法，性能可以從0(η Δ χ-3)改進(jìn)至0(n+V Δ x-31og A Δ χ-2)，其 中，Ax是體素大小，η是采集點(diǎn)的數(shù)量加上侵蝕源幾何機(jī)構(gòu)的描述的大小，V是體積，A是表 面面積，以及0限定運(yùn)行時間的集合，其針對大的η和小的Δ Χ，與以上表達(dá)至多成比例。
[0085] 因此，使用本文描述的系統(tǒng)和方法使得點(diǎn)的數(shù)量與體素大小分離，產(chǎn)生一種輸出 敏感算法，其中，第一項(柵格化步驟的時間）僅取決于點(diǎn)的數(shù)量，以及第二項（快速推進(jìn)的 時間)僅取決于結(jié)果的體素大小和幾何結(jié)構(gòu)。
[0086] 這具有兩個有利的結(jié)果。首先，可以使用更密集的點(diǎn)云，使得對于醫(yī)生來說更容易 識別"隆起"和用于手動移除的其他不準(zhǔn)確的或不期望的采集點(diǎn)。如本文所使用的，"隆起" 是指導(dǎo)管推擠組織并使得腔室體積看起來比導(dǎo)管不推擠組織的情況大。通常，隆起是導(dǎo)致 僅幾個位置數(shù)據(jù)點(diǎn)位于正常體積邊界外部的短暫的情況。如果"真實(shí)的"位置數(shù)據(jù)點(diǎn)足夠密 集，則由于隆起而處于外面的點(diǎn)更容易被檢測到，因?yàn)樗鼈兛雌饋砼c主云相對隔離。因此， 密集點(diǎn)云是有利的。
[0087] 作為第二個有利的結(jié)果，較小的體素大小變得對于密集的點(diǎn)云可行，從而允許改 進(jìn)表面精度。使用本文所述的系統(tǒng)和方法改進(jìn)了給定體素大小處的性能，只要PXKlog ΑΔ x-2)，其中，P是表面內(nèi)的點(diǎn)密度(等于n/V)。實(shí)際上，在體素大小變得足夠小以達(dá)到該閾值 之前，存儲可能變得有限。
[0088]此外，使用本文描述的系統(tǒng)和方法，與至少一些已知技術(shù)相比，小平面方向和頂點(diǎn) 位置可以更加準(zhǔn)確。此外，所生成的表面隨著α變化而平滑地改變，與例如美國專利申請公 布No. 2013/0173230中描述的系統(tǒng)和方法相比，這可以允許對細(xì)節(jié)水平的更直觀的控制。另 外，當(dāng)采集點(diǎn)被添加或移除時，表面可以被局部更新，而不是從頭開始重建表面的計算密集 得多的技術(shù)。這還允許更密集的點(diǎn)云和更高的分辨率。
[0089]應(yīng)該理解，模型構(gòu)造系統(tǒng)14,以及特別地處理設(shè)備16,如上所述，可以包括現(xiàn)有技 術(shù)已知的常規(guī)的處理設(shè)備，其能夠執(zhí)行存儲在關(guān)聯(lián)存儲器中的預(yù)編程指令，其全部根據(jù)本 文描述的功能執(zhí)行。可以預(yù)期，本文描述的方法(包括但不限于本發(fā)明的實(shí)施例的方法步 驟)將在一些實(shí)施例中被編程，所產(chǎn)生的軟件被存儲在關(guān)聯(lián)存儲器中，并且在如此描述的情 況下，還可以構(gòu)成用于執(zhí)行這種方法的手段?？紤]上述實(shí)現(xiàn)的描述，本發(fā)明在軟件中的實(shí)施 將僅需要本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的編程技能的例行應(yīng)用。這種系統(tǒng)還可以是具有R〇M、RAM、非 易失性和易失性(可修改的)存儲器的組合的類型，以使得軟件可以被存儲并允許動態(tài)產(chǎn)生 的數(shù)據(jù)和/或信號的存儲和處理。
[0090]雖然上面已經(jīng)以一定程度的特殊性描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下對所披露的實(shí)施例做出許多修改。所有的 方向性參考(例如，上、下、向上、向下、左、右、向左、向右、頂、底、上、下、垂直、7K平、順時針、 和逆時針)都僅用于標(biāo)識目的，以幫助讀者理解本發(fā)明，而并不產(chǎn)生限制，特別是對于本公 開的位置、方向或用途。連接參考(例如，附接、耦合、連接、等等)應(yīng)當(dāng)被廣義地解釋并且可 包括元件連接之間的中間構(gòu)件以及元件之間的相對運(yùn)動。正是如此，連接參考不必解釋為 兩個元件直接連接并且彼此關(guān)系固定。目的在于，上面說明書中所包含或附圖中所示的所 有主題都應(yīng)解釋為僅僅是示意性的而非限制性的?？梢栽诓槐畴x由所附的權(quán)利要求書所限 定的本發(fā)明的精神的情況下做出細(xì)節(jié)或結(jié)構(gòu)的改變。
[0091] 當(dāng)引入本發(fā)明或其優(yōu)選實(shí)施例的元件時，冠詞"一"、"該"和"所述"意于指存在一 個或多個元件。術(shù)語"包括"、"包含"和"具有"意于是包括在內(nèi)的并且可以存在除所列出的 元件以外的另外的元件。
[0092] 因?yàn)榭梢栽诓槐畴x本發(fā)明的范圍的情況下在以上構(gòu)造中作出各種改變，因而在以 上說明書中包含或在附圖中示出的所有事物都應(yīng)當(dāng)被解釋為示意性的并且不是限制性的。
【主權(quán)項】
1. 一種用于生成幾何結(jié)構(gòu)的多維表面模型的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 裝置，包括至少一個傳感器，所述傳感器被配置為采集與所述幾何結(jié)構(gòu)的表面上或由 所述幾何結(jié)構(gòu)的表面包圍的各個位置相對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合;以及 基于計算機(jī)的模型構(gòu)造系統(tǒng)，其耦合至所述裝置并且被配置為： 基于所述位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合來生成工作體積； 計算針對所述工作體積的擴(kuò)張場； 基于所述擴(kuò)張場來限定擴(kuò)張表面； 基于所述擴(kuò)張表面來計算針對所述工作體積的侵蝕場；以及 基于所述侵蝕場來限定侵蝕表面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，為了計算擴(kuò)張場，所述基于計算機(jī)的模型構(gòu)造系 統(tǒng)被配置為針對所述工作體積中的每個位置計算擴(kuò)張場值D，以及其中，所述擴(kuò)張場值D是 所述位置和最接近的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，為了限定擴(kuò)張表面，所述基于計算機(jī)的模型構(gòu)造 系統(tǒng)被配置為限定所述擴(kuò)張表面以使得所述擴(kuò)張表面上的每個頂點(diǎn)具有等于第一預(yù)定值α 的擴(kuò)張場值D。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，為了計算侵蝕場，所述基于計算機(jī)的模型構(gòu)造系 統(tǒng)被配置為針對所述工作體積中的每個位置計算侵蝕場值Ε，以及其中，所述侵蝕場值E是 所述位置和所述擴(kuò)張表面上的最接近點(diǎn)之間的距離。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，為了計算擴(kuò)張場以及為了計算侵蝕場，所述基于 計算機(jī)的模型構(gòu)造系統(tǒng)被配置為使用利用最近對象信息的傳播的修改的快速推進(jìn)算法來 計算所述擴(kuò)張場和所述侵蝕場。6. -種生成幾何結(jié)構(gòu)的多維表面模型的計算機(jī)實(shí)施的方法，所述方法包括： 獲取與所述幾何結(jié)構(gòu)的表面上或由所述幾何結(jié)構(gòu)的表面包圍的各個位置相對應(yīng)的位 置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合； 基于所述位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合來生成工作體積； 計算針對所述工作體積的擴(kuò)張場； 基于所述擴(kuò)張場來限定擴(kuò)張表面； 基于所述擴(kuò)張表面來計算針對所述工作體積的侵蝕場；以及 基于所述侵蝕場來限定侵蝕表面。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，計算擴(kuò)張場包括針對所述工作體積中的每個位置 計算擴(kuò)張場值D，以及其中，所述擴(kuò)張場值D是所述位置和最接近的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，限定擴(kuò)張表面包括限定所述擴(kuò)張表面以使得所述 擴(kuò)張表面上的每個頂點(diǎn)具有等于第一預(yù)定值α的擴(kuò)張場值D。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，計算侵蝕場包括針對所述工作體積中的每個位置 計算侵蝕場值Ε，以及其中，所述侵蝕場值E是所述位置和所述擴(kuò)張表面上的最接近點(diǎn)之間 的距離。10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，計算擴(kuò)張場以及計算侵蝕場包括使用利用最近 對象信息的傳播的修改的快速推進(jìn)算法來計算所述擴(kuò)張場和所述侵蝕場。11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，基于所述侵蝕場來限定侵蝕表面包括： 基于所述擴(kuò)張場和所述侵蝕場來計算構(gòu)造立體幾何場；以及 基于所述構(gòu)造立體幾何場來限定所述侵蝕表面。12. -種用于生成幾何結(jié)構(gòu)的多維表面模型的處理設(shè)備，所述處理設(shè)備被配置為： 獲取與所述幾何結(jié)構(gòu)的表面上或由所述幾何結(jié)構(gòu)的表面包圍的各個位置相對應(yīng)的位 置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合； 基于所述位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合來生成工作體積； 計算針對所述工作體積的擴(kuò)張場； 基于所述擴(kuò)張場來限定擴(kuò)張表面； 基于所述擴(kuò)張表面來計算針對所述工作體積的侵蝕場；以及 基于所述侵蝕場來限定侵蝕表面。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的處理設(shè)備，其中，為了計算擴(kuò)張場，所述處理設(shè)備被配置為 針對所述工作體積中的每個位置計算擴(kuò)張場值D，以及其中，所述擴(kuò)張場值D是所述位置和 最接近的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離。14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的處理設(shè)備，其中，為了計算侵蝕場，所述處理設(shè)備被配置為 針對所述工作體積中的每個位置計算侵蝕場值E，以及其中，所述侵蝕場值E是所述位置和 所述擴(kuò)張表面上的最接近點(diǎn)之間的距離。15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的處理設(shè)備，其中，為了計算擴(kuò)張場以及為了計算侵蝕場，所 述處理設(shè)備被配置為使用利用最近對象信息的傳播的修改的快速推進(jìn)算法來計算所述擴(kuò) 張場和所述侵蝕場。
【文檔編號】G06F19/00GK105917389SQ201580004906
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年2月13日
【發(fā)明人】C·P·湯普森, D·R·斯塔克斯
【申請人】圣猶達(dá)醫(yī)療用品心臟病學(xué)部門有限公司