用于可視化各種起搏條件下心臟變化的系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 本申請要求2014年6月24日提交的美國臨時申請No. 62/016,220的權(quán)益，其公 開內(nèi)容通過整體引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及可視化電起搏對患者心臟功能的影響，并且更特別地涉及針對各種起 搏位置和協(xié)議自動計(jì)算心臟參數(shù)以及可視化由各種起搏位置和協(xié)議導(dǎo)致的心臟變化，以指 導(dǎo)用于介入治療的導(dǎo)聯(lián)布置（leadplacement)。
【背景技術(shù)】
[0003] 心力衰竭是西方世界中死亡的主要原因。由于心臟功能不足，心力衰竭導(dǎo)致呼吸 困難和疲勞，并且還可能導(dǎo)致心臟停搏。對于具有延長的QRS-復(fù)波（例如，QRS> 120ms) 和低左心室射血分?jǐn)?shù)（ejectionfraction)的患者而言，心臟再同步治療（CRT)是得到確 認(rèn)（well-established)的療法。CRT包括心臟內(nèi)的植入電極以人工地起搏肌肉并"再同步" 心臟收縮。理念是以給定的起搏間隔在右心室（RV)心內(nèi)膜和左心室（LV)心外膜處起搏心 肌，以便再同步心臟運(yùn)動并因此重建心臟的栗送效率。然而，盡管有嚴(yán)格的指導(dǎo)方針，30% 的患者卻對CRT沒有響應(yīng)。因此，期望用于CRT的更好的患者選擇和朝起搏導(dǎo)聯(lián)的最優(yōu)位 置的改進(jìn)的指導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種用于可視化各種起搏條件下心臟變化以便指導(dǎo)介入治療中的 導(dǎo)聯(lián)布置的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的實(shí)施例利用心臟電力學(xué)（electro-mechanics)的患者特 定計(jì)算模型來針對各種起搏位置和各種起搏協(xié)議來計(jì)算心臟參數(shù)，并且在能夠覆蓋在用于 導(dǎo)聯(lián)布置指導(dǎo)的介入圖像上的患者特定心臟網(wǎng)格上對結(jié)果進(jìn)行可視化。本發(fā)明的實(shí)施例生 成結(jié)果圖，其針對各種起搏位置和協(xié)議來將心臟參數(shù)可視化為彩色網(wǎng)格。
[0005] 在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，基于患者的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)生成患者特定解剖心臟模 型?；诨颊咛囟ń馄市呐K模型來生成心臟功能的患者特定計(jì)算模型。通過使用心臟功能 的患者特定計(jì)算模型來在患者特定解剖心臟模型上的多個位置中的每個位置處執(zhí)行虛擬 介入，以計(jì)算由于在多個位置中的每個位置處執(zhí)行的虛擬介入而產(chǎn)生的一個或多個心臟參 數(shù)。生成一個或多個結(jié)果圖，該結(jié)果圖在患者特定解剖心臟模型上的多個位置中的每個位 置處，將針對由于在患者特定解剖心臟模型上的該位置處所執(zhí)行的虛擬介入而產(chǎn)生的一個 或多個心臟參數(shù)的最優(yōu)值進(jìn)行可視化。
[0006] 在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，基于患者的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)來生成目標(biāo)器官的患者特定 解剖模型。基于目標(biāo)器官的患者特定解剖模型來生成器官功能的患者特定計(jì)算模型。通過 使用器官功能的患者特定計(jì)算模型來在目標(biāo)器官的患者特定解剖模型上的多個位置中的 每個位置處執(zhí)行虛擬介入，以計(jì)算由于在多個位置中的每個位置處執(zhí)行的虛擬介入而產(chǎn)生 的一個或多個結(jié)果參數(shù)。生成一個或多個結(jié)果圖，該結(jié)果圖在目標(biāo)器官的患者特定解剖模 型上的多個位置中的每個位置處，將針對由于在目標(biāo)器官的患者特定解剖模型上的該位置 處所執(zhí)行的虛擬介入而產(chǎn)生的一個或多個結(jié)果參數(shù)的最優(yōu)值進(jìn)行可視化。
[0007] 通過參考下面的詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明的這些以及其他優(yōu)點(diǎn)將對于本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員而言是顯而易見的。
【附圖說明】
[0008] 圖1圖示了用于心臟再同步治療（CRT)的示例性導(dǎo)聯(lián)配置；
[0009] 圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于指導(dǎo)心臟介入治療的方法；
[0010] 圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的計(jì)算心臟模型的詳細(xì)框架；
[0011] 圖4圖示了生成患者特定解剖心臟模型的示例性結(jié)果；
[0012] 圖5圖示了交互式虛擬CRT的示例；
[0013] 圖6圖示了針對QRS持續(xù)時間和電軸心臟參數(shù)的示例性僅左心室（LV)結(jié)果圖；
[0014] 圖7圖示了針對LV的示例性2D展開結(jié)果圖；
[0015] 圖8圖示了覆蓋在介入圖像上的示例性結(jié)果圖；以及
[0016] 圖9是能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)的高級別框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明涉及可視化各種起搏條件下的心臟變化以便指導(dǎo)介入治療中的導(dǎo)聯(lián)布置。 本文描述本發(fā)明的實(shí)施例以給出對用于可視化心臟變化以及指導(dǎo)介入治療的方法的直觀 理解。數(shù)字圖像通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)字表示在本 文通常在識別和操縱該對象方面來描述。這種操縱是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲器或其他電路/ 硬件中完成的虛擬操縱。因此，要理解的是，可以使用存儲在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)或通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 可得的數(shù)據(jù)來在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行本發(fā)明的實(shí)施例。
[0018] 心臟再同步治療（CRT)涉及布置高級起搏器以在右心室（RV)心內(nèi)膜和左心室 (LV)心外膜處以給定的起搏間隔來起搏心肌，從而再同步心臟運(yùn)動并因此重建心臟的栗送 效率。CRT是針對心力衰竭的得到確認(rèn)的治療。圖1圖示了用于CRT的示例性導(dǎo)聯(lián)配置，包 括LV導(dǎo)聯(lián)、RV導(dǎo)聯(lián)和左心房（LA)導(dǎo)聯(lián)。
[0019] 圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于指導(dǎo)心臟介入治療的方法。圖2的方法在本 文被描述用于指導(dǎo)CRT，但是本發(fā)明并不限于此，并且圖2的方法可以被類似地應(yīng)用于針對 心臟心律失常的消融療法或者心臟的一個或多個特定位置處所應(yīng)用的任意其他心臟介入 過程。此外，圖2的方法可以也被類似地應(yīng)用于通過使用針對其他器官的計(jì)算模型（例如， 肝臟熱容）而在其他器官中的特定位置處所執(zhí)行的介入治療（例如，肝臟腫瘤消融治療）。 如圖2中所圖示的，在步驟202處，接收患者的臨床數(shù)據(jù)和醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)。臨床數(shù)據(jù)可以包 括諸如ECG的電生理學(xué)數(shù)據(jù)和/或諸如侵入式導(dǎo)管測量結(jié)果或壓力袖帶測量結(jié)果的壓力數(shù) 據(jù)。醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)可以是在至少一個完整的心搏周期（heartcycle)上獲取的3D醫(yī)學(xué)圖 像序列。在本發(fā)明的有益實(shí)施例中，醫(yī)學(xué)圖像可以是MRI圖像、CT圖像和/或超聲圖像，但 是本發(fā)明不必限于這些成像模態(tài)。醫(yī)學(xué)圖像可以直接從醫(yī)學(xué)成像設(shè)備來接收，醫(yī)學(xué)成像設(shè) 備諸如是MR、CT或超聲掃描器，或者醫(yī)學(xué)圖像可通過加載所存儲的患者醫(yī)學(xué)圖像來接收。
[0020] 在步驟204處，基于患者的醫(yī)學(xué)圖像和臨床數(shù)據(jù)來生成患者特定計(jì)算心臟模型。 通過求解逆問題以調(diào)整計(jì)算心臟模型的參數(shù)來生成患者特定計(jì)算心臟模型，使得由患者特 定計(jì)算心臟模型所輸出的諸如心臟運(yùn)動、射血分?jǐn)?shù)等的模擬參數(shù)匹配針對患者所觀察到的 臨床數(shù)據(jù)和醫(yī)學(xué)圖像。
[0021] 圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的計(jì)算心臟模型的詳細(xì)框架。如圖3中所圖示的， 患者特定心臟模型包括表示心臟解剖結(jié)構(gòu)、心臟電生理學(xué)、心臟生物力學(xué)、和心臟血液動力 學(xué)的四個主要模型。這些模型如下被連接。從心臟的醫(yī)學(xué)圖像302 (MRI、CT、超聲）開始，在 步驟310處，生成患者心臟的詳細(xì)患者特定解剖模型312。在一個示例性實(shí)施例中，僅生成 兩個心室的詳細(xì)解剖模型，但是本發(fā)明并不限于此。動脈和心房被建模為系統(tǒng)的邊界條件。 解剖模型312包括兩心室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)、肌細(xì)胞纖維的取向、以及在空間上變化的任何信息，諸 如動作電位持續(xù)時間、創(chuàng)傷等。然后給出解剖模型312作為對心臟模型子系統(tǒng)的輸入（步 驟320)，該心臟模型子系統(tǒng)將根據(jù)三個主要的子部分：心臟電生理學(xué)模型322、心臟生物力 學(xué)模型324和心臟血液動力學(xué)模型326,來計(jì)算隨時間的心肌運(yùn)動。這些心臟功能模型中的 每一個模型都能夠通過使用逆問題方法和全部可用的術(shù)前數(shù)據(jù)而被擬合至患者數(shù)據(jù)，該術(shù) 前數(shù)據(jù)諸如是動態(tài)圖像306、ECG304、侵入式壓力測量結(jié)果308等。因此，模擬參數(shù)330匹 配臨床觀測結(jié)果。一旦模型被個性化，諸如CRT的心臟治療能夠例如通過在各種位置處對 模型起搏而被模擬。根據(jù)模擬來計(jì)算臨床參數(shù)以量化對于治療的預(yù)測患者響應(yīng)。取決于應(yīng) 用，模型可以包括上面提到的子部分中的一個、若干個或全部。
[0022] 在示例性實(shí)施例中，為了生成患者特定解剖模型312,從醫(yī)學(xué)圖像提取左心室 (LV)和右心室（RV)的解剖模型。雖然有可能針對所有的心腔來提取模型，在有益實(shí)施例 中，僅明確建模LV和RV的幾何結(jié)構(gòu)。如果應(yīng)用的目標(biāo)在于心房的解剖結(jié)構(gòu)，能夠分割至少 一個心房并將其用作計(jì)算域。對于LV和RV中的每一個，心腔分割能夠闡述為兩步學(xué)習(xí)問 題：解剖結(jié)構(gòu)定位和邊界描繪。邊緣空間學(xué)習(xí)（MSL)可以被用于將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于3D對 象檢測。MSL的理念并不是在相似性變換的全部參數(shù)空間內(nèi)直接學(xué)習(xí)單片分類器，而是在 邊緣空間上遞增地學(xué)習(xí)分類器。特別地，對每個心腔的檢測能夠被分成三個問題：位置估 計(jì)、位置-取向估計(jì)、和位置-取向-標(biāo)度估計(jì)。針對這些估計(jì)問題中的每一個，基于帶注 釋的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來訓(xùn)練單獨(dú)的分類器。較低維度邊緣空間中的分類器被用于有效地剪除搜索 空間。這一對象定位階段導(dǎo)致對象（例如，心腔）的經(jīng)估計(jì)的變換（位置、取向和標(biāo)度）。 在自動對象定位之后，對象的平均形狀模型與經(jīng)估計(jì)的變換對準(zhǔn)以獲得對象形狀的粗略估 計(jì)。然后使用主動形狀模型（ASM)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的邊界檢測器來對形狀進(jìn)行局部變形以 擬合對象邊界。有關(guān)基于MSL的心腔分割的附加細(xì)節(jié)在2011年3月29日發(fā)布的、且標(biāo)題 為"SystemandMethodforSegmentingChambersofaHeartinaThreeDimensional Image"的美國專利No. 7, 916, 919、美國公開專利申請No. 2010/0040272、以及美國公開專 利申請No. 2012/0022843中被描述，這些專利通過引用合并于此。
[0023] 然后，將患者特定LV和RV模型融合到兩心室心肌的單個解剖模型中。特別地，LV 和RV解剖結(jié)構(gòu)被融合到單個容積網(wǎng)格表示中，在該單個容積網(wǎng)格表示上根據(jù)底層解剖結(jié) 構(gòu)來將頂點(diǎn)標(biāo)記到表面區(qū)域中。根據(jù)有益的實(shí)現(xiàn)方式，四面體元素能夠被用于精確地表示 兩心室解剖結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。然后將空間信息映射到兩心室心肌的解剖模型上。諸如創(chuàng)傷、邊 界區(qū)域、和纖維化的空間信息可以