專利名稱：醫(yī)學(xué)成像模擬的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)成像模擬領(lǐng)域，尤其涉及使用諸如用于超聲成像的探針的成像裝置進(jìn)行的醫(yī)學(xué)成像。
背景技術(shù)：
超聲成像模擬器被用來(lái)訓(xùn)練學(xué)生超聲描記技術(shù)。然而，使用這類裝置能提供的訓(xùn)練是有限的。某些超聲描記診斷訓(xùn)練設(shè)備使用基于利用超聲裝置或其它醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備對(duì)真人身體的精確掃描的超聲描記數(shù)據(jù)集的3D陣列，要獲得它是耗時(shí)且昂貴的。然后將在掃描期間獲得的各種超聲描記“切片”保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并使用插值技術(shù)來(lái)填充切片之間的間隙。大多數(shù)時(shí)候，所述數(shù)據(jù)集來(lái)自健康的患者，或者來(lái)自具有不需要立即治療的微小病狀的患者。獲得關(guān)于需要立即介入的罕見(jiàn)病狀或病情的超聲描記數(shù)據(jù)集是很困難的，因?yàn)槟切┗颊叱３２荒苡脕?lái)長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行感興趣區(qū)域或器官的完整掃描。
此外，在每個(gè)病例或數(shù)據(jù)集中，存在有限量的數(shù)據(jù)。與真實(shí)臨床檢查相比，掃描窗口和角度是有限的。教師和學(xué)生可能發(fā)現(xiàn)他們自己在爭(zhēng)取更好的圖像，但是該完美的圖像常常超出所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的能力。
因此，需要改進(jìn)超聲描記診斷訓(xùn)練裝置。

發(fā)明內(nèi)容
這里提出的方法涉及使用體積建模來(lái)生成器官的3D模型。與線框和表面建模不同，體積建模系統(tǒng)確保所有表面適當(dāng)?shù)亟粫?huì)，并且確保對(duì)象在幾何上是正確的。體積建模對(duì)對(duì)象進(jìn)行內(nèi)部和外部模擬。體積3D模型可被截?cái)嘁越沂舅鼈兊膬?nèi)部特征。當(dāng)對(duì)象被構(gòu)建為3D模型時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橫截面可就像其被切成切片一樣呈現(xiàn)。
使用體積建模生成的虛擬3D模型可被動(dòng)畫(huà)化，以再現(xiàn)例如跳動(dòng)的心臟，并且因此該技術(shù)可被用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)器官以及靜態(tài)器官成像。另外，該方法涵蓋了非侵入式、 半侵入式和侵入式超聲描記術(shù)模擬技術(shù)。經(jīng)胸廓回波心動(dòng)描記術(shù)(transthoracic echocardiography)回M·1!^^jiffii己(transesophageal echocardiography)禾口臟內(nèi)回波描記術(shù)(intracardiac echography)分別是非侵入式、半侵入式和侵入式超聲成像技術(shù)的例子。
根據(jù)第一個(gè)寬泛的方面，提供了一種用于模擬器官的成像過(guò)程的方法，該方法包括從存儲(chǔ)器取回所述器官的3D體積模型，所述3D體積模型描述所述器官的3D結(jié)構(gòu)和所述3D結(jié)構(gòu)內(nèi)的密度分布，所述3D結(jié)構(gòu)表示所述器官的表面和內(nèi)部特征；根據(jù)成像裝置的位置和取向生成所述3D模型的切片，所述切片包括所述表面和所述內(nèi)部特征的橫截面；根據(jù)
4所述切片繪制圖像；以及顯示所述圖像。
根據(jù)第二個(gè)寬泛的方面，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器上記錄有表示器官的3D體積模型的數(shù)據(jù)集以及為了執(zhí)行以下步驟而由處理器執(zhí)行的語(yǔ)句和指令根據(jù)成像裝置的位置和取向?qū)⑺?D體積模型切成切片；根據(jù)所述切片繪制圖像；以及顯示所述圖像，所述3D體積模型描述所述器官的3D結(jié)構(gòu)和所述3D結(jié)構(gòu)內(nèi)的密度分布，所述3D結(jié)構(gòu)表示所述器官的表面和內(nèi)部特征，所述切片包括所述表面和所述內(nèi)部特征的橫截面。
根據(jù)又一個(gè)寬泛的方面，提供了一種用于模擬成像過(guò)程的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括成像裝置；適于確定所述成像裝置的位置和取向的位置跟蹤裝置；以及包括存儲(chǔ)器和處理器的機(jī)器，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有表示器官的3D體積模型的數(shù)據(jù)集，所述處理器被配置用于根據(jù)所述成像裝置的所述位置和取向?qū)⑺?D體積模型切成切片、根據(jù)所述切片繪制圖像、并在顯示單元上顯示所述圖像，所述3D體積模型描述所述器官的3D結(jié)構(gòu)和所述3D結(jié)構(gòu)內(nèi)的密度分布，所述3D結(jié)構(gòu)表示所述器官的表面和內(nèi)部特征，所述切片包括所述表面和所述內(nèi)部特征的橫截面。
應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語(yǔ)“回波描記術(shù)”、“超聲描記術(shù)”和“醫(yī)學(xué)聲波描記術(shù)”可以互換使用。
術(shù)語(yǔ)“器官”應(yīng)被理解為可由超聲掃描的生物的任何單元或結(jié)構(gòu)，包括肌肉、腱和內(nèi)部器官，如心臟、肝臟等。胎兒也是器官的一個(gè)例子。


根據(jù)以下結(jié)合附圖作出的詳細(xì)描述，將容易理解本發(fā)明的更多特征和優(yōu)點(diǎn)，其中 圖Ia是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于模擬器官的超聲圖像的方法的流程圖； 圖Ib是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于創(chuàng)建3D模型的方法的流程圖； 圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的心臟的3D結(jié)構(gòu)的橫截面； 圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的填充有隨機(jī)點(diǎn)的心臟的3D結(jié)構(gòu)的橫截面； 圖4示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的與隨機(jī)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的球體的體素化(voxelization)； 圖5示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的與第一橫截平面相交的3D心臟； 圖6示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的根據(jù)圖5的橫截平面生成的模擬超聲圖像； 圖7示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的與第二橫截平面相交的圖5的3D心臟； 圖8示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的根據(jù)圖7的橫截平面生成的模擬超聲圖像； 圖9示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的與第三橫截平面相交的圖5的3D心臟； 圖10示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的根據(jù)圖9的橫截平面生成的模擬超聲圖像； 圖11示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的濾波處理之前的根據(jù)3D心臟模型生成的模擬超聲圖像； 圖12示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的濾波處理之后的圖11的模擬超聲圖像；以及 圖13示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的超聲模擬器。
具體實(shí)施例方式圖Ia示出了用于模擬器官的超聲圖像的方法8的一個(gè)實(shí)施例。方法8的第一個(gè)步驟10是創(chuàng)建器官的3D體積模型。可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的3D模型包括器官的3D結(jié)構(gòu)， 該3D結(jié)構(gòu)包括器官的3D表面和內(nèi)部特征這二者。器官的3D表面包括器官的外部表面并且還可以包括內(nèi)部表面。諸如密度的數(shù)據(jù)分布在3D模型內(nèi)。內(nèi)部特征包括包含在器官的外部表面內(nèi)的單元，如肌細(xì)胞、靜脈、動(dòng)脈、腔等。以心臟為例，3D模型考慮到了諸如心內(nèi)膜、 心室腔、乳頭肌、瓣膜等的內(nèi)部特征。此外，3D模型還可以被修改為包括任何病狀，甚至罕見(jiàn)病狀。
在一個(gè)實(shí)施例中，如圖Ib中所示，創(chuàng)建3D模型10包括四個(gè)步驟。第一個(gè)步驟16 是生成器官的3D結(jié)構(gòu)。3D結(jié)構(gòu)是表示器官外部輪廓的器官的空模型?？漳Ｐ桶ㄆ鞴俚耐獠勘砻妗Q句話說(shuō)，第一個(gè)步驟16是創(chuàng)建器官的外部包絡(luò)。3D結(jié)構(gòu)還可以包括器官的內(nèi)部特征。在此情形下，空模型還包括任何內(nèi)部特征的表面。以心臟為例，圖2示出了心臟的空模型的橫截面20。心臟的空模型包括心臟的外部表面22以及內(nèi)部腔M和沈的表面。 應(yīng)當(dāng)理解，在3D結(jié)構(gòu)中可以省略內(nèi)部腔M和沈的表面?？墒褂弥T如多邊形表面建模或非均勻有理B樣條建模的任何表面建模技術(shù)來(lái)生成空模型。
創(chuàng)建3D模型10的第二個(gè)步驟17是將多個(gè)點(diǎn)分布在器官的3D結(jié)構(gòu)內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述點(diǎn)隨機(jī)分布在器官的3D結(jié)構(gòu)內(nèi)。圖3示出了隨機(jī)分布有多個(gè)點(diǎn)30的心臟20 的橫截面。可替選地，可以根據(jù)預(yù)定的空間模式在空間上組織所述點(diǎn)30。例如，可以沿著預(yù)定的線對(duì)齊點(diǎn)30，并且可以使連續(xù)的點(diǎn)30間隔開(kāi)預(yù)定的距離。盡管在圖3中沒(méi)有點(diǎn)30存在于腔M和沈中。但應(yīng)當(dāng)理解，一些點(diǎn)30可以分布在腔M和沈內(nèi)。
下一個(gè)步驟18是將數(shù)據(jù)與每個(gè)點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)。諸如密度值的數(shù)據(jù)與每個(gè)點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)。在圖3中，不包含點(diǎn)30的區(qū)域被認(rèn)為是具有零密度的區(qū)域，并且在模擬超聲圖像上表現(xiàn)為黑色。如果多個(gè)點(diǎn)30存在于腔M和沈中，則與這些點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的密度值被設(shè)定為零。
在器官包括內(nèi)部特征的一個(gè)實(shí)施例中，在步驟16生成的器官的3D結(jié)構(gòu)不包括內(nèi)部特征。在此情形下，在步驟17，將多個(gè)點(diǎn)30以隨機(jī)方式或有組織的方式分布在3D結(jié)構(gòu)內(nèi)，并在步驟18，將諸如密度值的數(shù)據(jù)與每個(gè)點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)。通過(guò)將與一些點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的值設(shè)定為特定值，在3D模型中生成器官的內(nèi)部特征。例如，可以將包含在3D結(jié)構(gòu)的與腔對(duì)和沈?qū)?yīng)的區(qū)域中的多個(gè)點(diǎn)30的密度值設(shè)定為零。這些特定的零密度區(qū)域在模擬超聲圖像上表現(xiàn)為黑色。
在一個(gè)實(shí)施例中，影響參數(shù)R也與每個(gè)點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)。參數(shù)R可以是限定了以點(diǎn)30 為中心的球體的半徑。球體內(nèi)任何點(diǎn)的密度值由與球體的中心即點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)的密度值來(lái)限定。應(yīng)當(dāng)理解，參數(shù)R可以用來(lái)限定不同于球體的3D對(duì)象。例如，參數(shù)R可以限定以點(diǎn) 30為中心的立方體，并且立方體內(nèi)任何點(diǎn)的密度值由與立方體的中心即點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)的密度值來(lái)限定。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于整個(gè)3D模型內(nèi)的所有點(diǎn)30，參數(shù)R可以是固定的?？商孢x地，對(duì)于不同的點(diǎn)30，參數(shù)R可以不同。例如，可以在器官的密度逐漸變化的區(qū)域中使用大的球體，而在密度在小區(qū)域內(nèi)大范圍變化的區(qū)域中使用小的球體。
生成3D模型10的第四個(gè)步驟19是模型的體素化。將包括點(diǎn)30的3D模型劃分成多個(gè)單位體積元(體素)。將體積值、指示3D空間位置的指數(shù)和密度值與每個(gè)體素相關(guān)聯(lián)。每個(gè)體素所關(guān)聯(lián)的密度值被限定為與它相關(guān)的點(diǎn)30的密度值的函數(shù)。圖4示出了與點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)的體素化。
在一個(gè)實(shí)施例中，將密度值dl和半徑R與每個(gè)點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)。點(diǎn)30是具有半徑R
6的球體32的中心。所述體素化生成與球體32相交的多個(gè)體素34。球體32限定了球體中心30的影響區(qū)域以便向體素分配密度值。將密度值作為與點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)的密度值dl的函數(shù)賦給每個(gè)體素；34。
在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)體素34共享與點(diǎn)30所關(guān)聯(lián)的密度值相同的密度值dl?？商孢x地，與特定體素34相關(guān)聯(lián)的密度值可依賴于點(diǎn)30的密度值以及該特定體素與點(diǎn)30之間的距離。與特定體素34相關(guān)聯(lián)的密度值還可依賴于體素34周圍的多于一個(gè)的點(diǎn)30。
在屬于多于一個(gè)的球體32的體素34的情形下，其密度可以是其所屬的球體的中心的密度值的平均。在包括兩個(gè)點(diǎn)30的體素的情形下，可進(jìn)行子采樣。這意味著較小尺寸的體素生成，使得每個(gè)點(diǎn)30被包括在不同的體素中。應(yīng)當(dāng)理解，可以使用將密度值作為點(diǎn) 30的密度值的函數(shù)分配給體素的任何數(shù)學(xué)方法。
在一個(gè)實(shí)施例中，省略體素化步驟19，而直接從點(diǎn)30的云及其相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)如密度值生成超聲圖像。限定例如球體的參數(shù)R也可以與云的每個(gè)點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)。在此情形下， 根據(jù)球體中心即點(diǎn)30的密度值來(lái)確定包含在球體中的點(diǎn)的密度值。參數(shù)R的使用允許創(chuàng)建器官的3D模型所需的點(diǎn)30的數(shù)目得以減少。
還可創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)化的3D模型。例如，可以模擬跳動(dòng)的心臟的圖像。另一個(gè)例子是活的胎兒。任何移動(dòng)和/或該移動(dòng)的任何頻率可被包括在3D模型中。在一個(gè)實(shí)施例中，為了將3D模型動(dòng)畫(huà)化，與點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)的位置、半徑和密度中的至少一個(gè)隨時(shí)間變化。此外，還可以將3D結(jié)構(gòu)動(dòng)畫(huà)化，使得包括器官內(nèi)部特征的器官的形狀可以隨時(shí)間變化。應(yīng)當(dāng)理解， 可以使用將器官動(dòng)畫(huà)化的任何動(dòng)畫(huà)技術(shù)，如對(duì)象變形技術(shù)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，使用實(shí)體建模來(lái)創(chuàng)建器官的3D模型。在此情形下，通過(guò)體素的3D組裝直接得到器官的3D模型。諸如密度值的數(shù)據(jù)與每一個(gè)所述體素相關(guān)聯(lián)。因體素不同而異的密度值允許限定器官的內(nèi)部特征。在整個(gè)建模的心臟中，體素的尺寸可以是恒定的?？商孢x地，體素的尺寸可以在模型內(nèi)變化。體素的尺寸可依賴于器官內(nèi)的密度的變化率。例如，可以在器官的密度逐漸變化的區(qū)域中使用大的體素，而在密度在小區(qū)域內(nèi)大范圍變化的區(qū)域中使用小的體素。
還可創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)化的實(shí)體3D模型。在一個(gè)實(shí)施例中，器官由動(dòng)態(tài)體素(doxel)的數(shù)據(jù)集表示。動(dòng)態(tài)體素是具有另一個(gè)維度即時(shí)間的體素。每個(gè)動(dòng)態(tài)體素是一個(gè)矩陣，其中密度值與每個(gè)時(shí)間t相關(guān)聯(lián)。應(yīng)當(dāng)理解，每個(gè)動(dòng)態(tài)體素還可包含與除密度以外的特性有關(guān)的信息?？墒褂帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員已知的制作器官的動(dòng)畫(huà)化3D模型的任何技術(shù)。
可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的創(chuàng)建包括與3D模型的點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)密度值的器官的3D模型的任何技術(shù)。應(yīng)當(dāng)注意，各種特性的值可與模型的每個(gè)點(diǎn)或體素相關(guān)聯(lián)。 可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的將3D模型動(dòng)畫(huà)化的任何方法。
在一個(gè)實(shí)施例中，分布多個(gè)點(diǎn)的步驟17包括將多個(gè)點(diǎn)30分布在器官的3D結(jié)構(gòu)之外，以便考慮到器官周圍的單元，例如骨骼或其它器官。在此情形下，將數(shù)據(jù)與點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的步驟18包括將數(shù)據(jù)與位于器官的3D結(jié)構(gòu)之外的外部點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。諸如密度的數(shù)據(jù)與這些外部點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，并且參數(shù)R也可以與這些外部點(diǎn)中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)，以便生成球體、立方體等。當(dāng)存在體素化步驟19時(shí)，該步驟包括器官周圍的分布有多個(gè)外部點(diǎn)的區(qū)域的體素化。 在使用實(shí)體建模生成器官的3D模型的一個(gè)實(shí)施例中，體素或動(dòng)態(tài)體素可分布在器官的3D 結(jié)構(gòu)之外，并且諸如密度的數(shù)據(jù)與器官外部的體素或動(dòng)態(tài)體素相關(guān)聯(lián)，以便表示器官的周圍環(huán)境。
回到圖la，該方法的步驟12包括生成3D模型的平面切片。根據(jù)探針的位置和取向生成切片，并且切片具有給定的厚度。切片的厚度被選擇為使得模擬超聲圖像逼真地再現(xiàn)真實(shí)超聲圖像。如圖5中所示，探針的位置和取向限定橫截平面52。根據(jù)該橫截平面限定切片。下一個(gè)步驟14包括使用在步驟12生成的切片繪制超聲圖像。由所述體素化得到的體積以及每個(gè)體素所關(guān)聯(lián)的密度值為超聲圖像提供虛擬的超聲描記紋理?？梢詫⑺玫降某晥D像彩色化或灰度化。所顯示的圖像的每個(gè)像素的色彩或灰度值由與其對(duì)應(yīng)體素相關(guān)聯(lián)的密度值來(lái)限定。如果切片的厚度大到足以包括多個(gè)體素，則將所顯示的圖像的每個(gè)像素與多個(gè)體素相關(guān)聯(lián)。在此情形下，與該像素相關(guān)聯(lián)的色彩和密度值是與該像素相關(guān)聯(lián)的所有體素的密度值的函數(shù)。例如，可以計(jì)算平均密度值并使用該平均密度值來(lái)向所顯示的圖像的該特定像素分配色彩。圖Ia中所示的方法8的最后一個(gè)步驟15是顯示所繪制的超聲圖像。
盡管本說(shuō)明書(shū)涉及將器官的整個(gè)3D模型體素化并隨后切成切片的實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以在將模型切成切片之后執(zhí)行體素化步驟。在此情形下，首先根據(jù)探針的位置和取向生成切片，隨后將生成的切片體素化。然后，使用體素化的切片繪制超聲圖像。
在省略體素化步驟19的一個(gè)實(shí)施例中，切片包括一些點(diǎn)30，每個(gè)點(diǎn)30具有至少一個(gè)相關(guān)聯(lián)的密度值。所顯示的圖像的每個(gè)像素的色彩或灰度值由與其對(duì)應(yīng)點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)的密度值來(lái)限定。可以使用插值技術(shù)來(lái)確定像素的色彩或灰度值。如果切片的厚度大到足以包括多個(gè)點(diǎn)30，則將所顯示的圖像的每個(gè)像素與多個(gè)點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)。在此情形下，與該像素相關(guān)聯(lián)的色彩和密度值是與該像素相關(guān)聯(lián)的所有點(diǎn)30的密度值的函數(shù)。例如，可以計(jì)算平均密度值并使用該平均密度值來(lái)向所顯示的圖像的該特定像素分配色彩。如果限定例如球體的參數(shù)R與每個(gè)點(diǎn)30相關(guān)聯(lián)，則與特定像素相關(guān)聯(lián)的色彩和密度值是與該特定像素相關(guān)聯(lián)的所有球體的密度值的函數(shù)。
在省略體素化步驟19的一個(gè)實(shí)施例中，可以在時(shí)間上插入點(diǎn)30的位置，以降低或增大動(dòng)畫(huà)的速度，同時(shí)基本上不影響所顯示的圖像的運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)性。此外，點(diǎn)30的云可以被基本上實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)修改或變形，從而提供對(duì)模擬器官的形狀的動(dòng)態(tài)變化或者會(huì)影響模擬器官的形狀的任何過(guò)程如外科切除進(jìn)行模擬的能力。
通過(guò)改變探針的位置和取向，橫截平面改變，且不同的超聲圖像被創(chuàng)建并顯示。圖 5示出了心臟50的3D模型和第一橫截平面52，如圖6中所示，根據(jù)第一橫截平面52生成超聲圖像M。圖7示出了對(duì)應(yīng)于探針的第二位置和取向的第二橫截平面56。如圖8中所示，橫截平面56與3D心臟50的相交生成第二超聲圖像58。最后，如圖9中所示，通過(guò)將探針移動(dòng)到第三位置和取向，生成橫截平面60。如圖10中所示，平面60與建模的3D心臟50 相交，且心臟50的第三超聲圖像62被生成并顯示。
在一個(gè)實(shí)施例中，圖Ia中所示的方法可以進(jìn)一步包括細(xì)化圖像的逼真的虛擬超聲描記紋理以產(chǎn)生逼真的超聲描記紋理的步驟。所得到的圖像對(duì)應(yīng)于人在使用真實(shí)超聲裝置時(shí)將看到的視圖。圖11示出了當(dāng)未進(jìn)行超聲描記紋理的細(xì)化時(shí)的模擬超聲描記圖像。可通過(guò)向切片施加濾波來(lái)進(jìn)行超聲描記紋理的細(xì)化。圖12示出了呈現(xiàn)逼真的超聲描記紋理的超聲圖像72。超聲圖像70和72由同一個(gè)切片得到，但是濾波步驟被用來(lái)創(chuàng)建圖像72， 這導(dǎo)致逼真的超聲圖像。
在某些情況下，超聲描記圖像的創(chuàng)建可能涉及劣化圖像質(zhì)量，以便更逼真地再現(xiàn)超聲圖像。例如，為了考慮到假象和障礙如骨骼或其它器官，可以進(jìn)行圖像的劣化。可以根據(jù)探針的位置和取向進(jìn)行圖像的劣化。可替選地，圖像的劣化獨(dú)立于探針的位置和取向。
在一個(gè)實(shí)施例中，基本上實(shí)時(shí)地完成超聲圖像的創(chuàng)建及其顯示，并且所顯示的圖像基本上對(duì)應(yīng)于根據(jù)探針的實(shí)際位置和取向生成的切片。
在模擬跳動(dòng)的心臟的情形下，3D模型還包含時(shí)間。根據(jù)在特定時(shí)間每個(gè)點(diǎn)30或體素所關(guān)聯(lián)的密度值進(jìn)行每個(gè)圖像的繪制。通過(guò)連續(xù)地顯示超聲圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)。例如，可以模擬跳動(dòng)頻率在超聲成像模擬期間變化的跳動(dòng)的心臟，并且同樣可以模擬任何類型的心律失常。
上述方法可體現(xiàn)在可連接到探針和顯示器并且包括處理單元和存儲(chǔ)器的機(jī)器中。 器官的3D模型存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并且處理單元適于根據(jù)探針的位置和取向生成3D模型的切片、繪制超聲圖像、并在顯示器上顯示超聲圖像。還應(yīng)當(dāng)理解，上述方法可體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器上記錄有器官的3D模型以及為了執(zhí)行根據(jù)探針的位置和取向?qū)?D模型切成切片、使用切片繪制超聲圖像并顯示超聲圖像的方法而由處理器執(zhí)行的語(yǔ)句和指令。
圖13示出了超聲模擬器110的一個(gè)實(shí)施例。超聲模擬器110包括連接到監(jiān)視器 114的計(jì)算機(jī)112、探針116和人體模型118。人體模型118擔(dān)任要受訓(xùn)練的用戶必須通過(guò)超聲掃描的病人的角色。用戶通過(guò)將探針116移位和定向來(lái)選擇要顯示的器官的視圖。
計(jì)算機(jī)112包括可由處理器122存取的存儲(chǔ)器120。包括器官3D結(jié)構(gòu)和器官內(nèi)部特征的器官3D模型被保存在存儲(chǔ)器120上。在一個(gè)實(shí)施例中，表示3D模型的數(shù)據(jù)集被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器120中，該數(shù)據(jù)集包括位置點(diǎn)的云，每個(gè)位置點(diǎn)與3D空間坐標(biāo)和諸如密度的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。具有相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的位置點(diǎn)表示分布在3D結(jié)構(gòu)內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的云。在一個(gè)實(shí)施例中，處理器122適于進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的云的體素化以便獲得體素或動(dòng)態(tài)體素的3D網(wǎng)格。體素或動(dòng)態(tài)體素的密度值被確定為數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度值的函數(shù)?？商孢x地，表示3D模型并且存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器120中的數(shù)據(jù)集包括體素或動(dòng)態(tài)體素及其相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。
處理器122適于根據(jù)由探針116的位置和取向限定的橫截平面123來(lái)生成3D模型的切片，并使用切片繪制超聲圖像。在存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器120中的3D模型包括器官的表面模型以及與密度值相關(guān)聯(lián)的點(diǎn)的云的一個(gè)實(shí)施例中，處理器122適于使用點(diǎn)的云繪制超聲圖像。通過(guò)根據(jù)云中的點(diǎn)的密度值向切片的每個(gè)點(diǎn)分配色彩或灰度值來(lái)生成超聲圖像。所得到的超聲圖像1 顯示在監(jiān)視器114上?？商孢x地，處理器122適于進(jìn)行切片的體素化、計(jì)算每個(gè)體素的密度值、并使用體素化的模型繪制超聲圖像。通過(guò)根據(jù)與特定點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的體素的密度值向切片的每個(gè)點(diǎn)分配色彩或灰度值來(lái)生成超聲圖像。在存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器120中的 3D模型包括體素和相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的另一個(gè)實(shí)施例中，處理器122適于將3D模型切成切片并通過(guò)根據(jù)與特定點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的體素的密度值向切片的每個(gè)點(diǎn)分配色彩或灰度值來(lái)繪制超聲圖像。所得到的超聲圖像124顯示在監(jiān)視器114上。
在超聲模擬器110的一個(gè)實(shí)施例中，處理器122適于通過(guò)向切片施加濾波來(lái)細(xì)化超聲紋理。
處理器122基本上實(shí)時(shí)地生成和顯示超聲圖像124。結(jié)果，當(dāng)用戶移動(dòng)探針116 時(shí)，模擬器110將對(duì)應(yīng)的超聲圖像無(wú)任何實(shí)質(zhì)時(shí)間延遲地顯示在監(jiān)視器110上。將探針116移位導(dǎo)致顯示器官的不同視圖。
在模擬器110的一個(gè)實(shí)施例中，處理器122適于在繪制超聲圖像124時(shí)考慮到假象和障礙。例如，為了考慮到位于要被掃描的器官與探針之間的骨骼或其它器官，可以劣化所得到的超聲圖像124。這些假象和障礙可以由負(fù)責(zé)訓(xùn)練的教授選擇。
在另一個(gè)實(shí)施例中，處理器122適于從位置跟蹤系統(tǒng)或裝置接收信息以確定探針 116的位置和取向。應(yīng)當(dāng)理解，可以使用任何適當(dāng)?shù)奈恢酶櫹到y(tǒng)或裝置。例如，位置跟蹤系統(tǒng)可以包括信號(hào)發(fā)射裝置和信號(hào)接收裝置。信號(hào)發(fā)射裝置可以定位在人體模型118中、 將占據(jù)模擬人體器官的位置處，而信號(hào)接收裝置可以位于探針116中。可替選地，信號(hào)發(fā)射裝置可以定位在人體模型118內(nèi)的任何位置處。信號(hào)發(fā)射裝置適于在多個(gè)方向上發(fā)射信號(hào)，并且所發(fā)射的信號(hào)作為方向的函數(shù)而變化。信號(hào)接收裝置適于接收所發(fā)射的信號(hào)、使用接收到的信號(hào)和信號(hào)發(fā)射裝置的位置來(lái)確定探針116的位置和取向、并向處理器122發(fā)送所確定的位置和取向。可替選地，信號(hào)接收裝置適于向處理器122發(fā)送表示接收到的信號(hào)的數(shù)據(jù)，處理器122適于確定探針116的位置和取向。在另一個(gè)例子中，位置跟蹤系統(tǒng)包括適于測(cè)量由位于探針116上的可跟蹤裝置發(fā)射或反射的信號(hào)的傳感器。處理器122適于將探針116的位置和取向確定為從傳感器接收到的數(shù)據(jù)的函數(shù)。人體模型118可設(shè)有為探針 116提供參考位置的參考標(biāo)記。
可使用允許選擇器官的特定視圖或切片的任何成像裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，成像裝置是用來(lái)取得器官的真實(shí)醫(yī)學(xué)圖像并且設(shè)有適當(dāng)?shù)?D位置跟蹤裝置的真實(shí)成像裝置。 例如，成像裝置可以是設(shè)有適當(dāng)?shù)?D位置跟蹤裝置的真實(shí)探針。
在另一個(gè)實(shí)施例中，成像裝置被確定形狀和尺寸以模仿將被用來(lái)取得器官的真實(shí)醫(yī)學(xué)圖像的真實(shí)成像裝置。例如，成像裝置可以是設(shè)有適當(dāng)?shù)奈恢酶櫻b置的假探針。
在又一個(gè)實(shí)施例中，成像裝置是手持裝置，其尺寸和/或形狀與將被用來(lái)生成器官的真實(shí)醫(yī)學(xué)圖像的真實(shí)成像裝置的尺寸和/或形狀無(wú)關(guān)。例如，成像裝置可以是計(jì)算機(jī) 112的鼠標(biāo)、游戲桿等。在此情形下，可以在顯示單元114上顯示身體的表示上的虛擬探針。 用戶通過(guò)操縱鼠標(biāo)或游戲桿將虛擬探針在虛擬身體上移位，且圖像1 作為虛擬探針的位置和取向的函數(shù)顯示在顯示單元114上?？商孢x地，不提供虛擬探針，而只使用鼠標(biāo)或游戲桿?？梢允褂迷试S確定成像裝置的位置和取向的任何系統(tǒng)或裝置。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以將模擬超聲圖像動(dòng)畫(huà)化，以模擬例如回波心動(dòng)描記術(shù)或產(chǎn)科超聲成像。在此情形下，3D模型的每個(gè)點(diǎn)或體素所關(guān)聯(lián)的密度值、參數(shù)R和/或該點(diǎn)或體素的位置是依賴于時(shí)間的。因此，可以例如再現(xiàn)心臟的跳動(dòng)。模擬器官的移動(dòng)頻率可在訓(xùn)練期間改變，從而更逼真。
在一個(gè)實(shí)施例中，模擬器110的用戶可以改變模擬超聲的功率和/或頻率。為了模擬功率和/或頻率的變化，處理器122向超聲圖像IM施加濾波。這導(dǎo)致與不同的超聲頻率和/或功率相關(guān)聯(lián)的修改后的超聲圖像124?？商孢x地，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器120中的3D模型對(duì)于每個(gè)點(diǎn)和/或體素可以包含一個(gè)不同的密度值集合。一個(gè)密度值集合對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定的超聲功率和/或頻率。
在一個(gè)實(shí)施例中，3D模型是器官的逼真且精確的表示。可替選地，3D模型可以是器官的簡(jiǎn)化表示。應(yīng)當(dāng)理解，在3D模型中可包括任何特征。
在一個(gè)實(shí)施例中，超聲描記模擬器110還可模擬多普勒?qǐng)D像。多普勒技術(shù)允許利用多普勒效應(yīng)確定血流的速度和方向。在此情形下，保存在存儲(chǔ)器120中的器官的3D模型還包含與血流的速度和方向有關(guān)的信息。3D模型的每個(gè)點(diǎn)或動(dòng)態(tài)體素與速度值以及模擬超聲圖像所需的其它值相關(guān)聯(lián)。
在一個(gè)實(shí)施例中，超聲模擬器110適于生成模擬M模式超聲圖像。M模式超聲圖像是根據(jù)時(shí)間沿著單條發(fā)光線的圖像(時(shí)間-運(yùn)動(dòng)超聲描記術(shù))。
超聲成像模擬器110可設(shè)有表示不同器官或同一器官的不同模型的多個(gè)3D模型。 例如，用戶可通過(guò)使用器官的簡(jiǎn)化模型來(lái)開(kāi)始他的訓(xùn)練。當(dāng)用戶變得對(duì)超聲掃描技術(shù)熟悉時(shí)，可使用更復(fù)雜和精確的模型。
人體模型118可設(shè)有食道，以訓(xùn)練用戶經(jīng)食道回波心動(dòng)描記技術(shù)。在此情形下，用戶將探針116插入人體模型的食道中。然后，根據(jù)探針116的位置和取向在顯示器114上顯示心臟的模擬超聲圖像。
在一個(gè)實(shí)施例中，模擬器包括不同器官的3D模型，使得用戶在使用同一個(gè)模擬器時(shí)可被訓(xùn)練關(guān)于不同器官的超聲成像。在此情形下，人體模型118適應(yīng)于存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)112 中的器官的數(shù)目和類型。例如，人體模型可以包括腹部和/或胸部和/或頭部等。
應(yīng)當(dāng)注意，上述方法和設(shè)備可被用來(lái)模擬二維和/或三維回波描記術(shù)。
應(yīng)當(dāng)理解，上述方法和設(shè)備可被用來(lái)模擬其它醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，如磁共振成像、血管造影、CT掃描等。
應(yīng)當(dāng)注意，上面描述的本發(fā)明的實(shí)施例意在僅是示范性的。本發(fā)明可作為方法來(lái)執(zhí)行，可體現(xiàn)在系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中。因此，本發(fā)明的范圍意在僅由所附權(quán)利要求的范圍來(lái)限定。
1權(quán)利要求
1.一種用于模擬器官的成像過(guò)程的方法，所述方法包括從存儲(chǔ)器取回所述器官的3D體積模型，所述3D體積模型描述所述器官的3D結(jié)構(gòu)和所述3D結(jié)構(gòu)內(nèi)的密度分布，所述3D結(jié)構(gòu)表示所述器官的表面和內(nèi)部特征；根據(jù)成像裝置的位置和取向生成所述3D模型的切片，所述切片包括所述表面和所述內(nèi)部特征的橫截面；根據(jù)所述切片繪制圖像；以及顯示所述圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 生成所述器官的3D表面模型；將多個(gè)位置點(diǎn)分布在所述3D表面模型內(nèi)，每一個(gè)所述點(diǎn)具有3D空間坐標(biāo)； 將密度值與每一個(gè)所述位置點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，從而獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)的云；以及將數(shù)據(jù)點(diǎn)的所述云作為所述3D體積模型存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 生成所述器官的3D表面模型；將多個(gè)位置點(diǎn)分布在所述3D表面模型內(nèi)，每一個(gè)所述點(diǎn)具有3D空間坐標(biāo)； 將密度值與每一個(gè)所述位置點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，從而獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)的云； 進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的所述云的體素化；將密度值作為所述數(shù)據(jù)點(diǎn)的所述密度值的函數(shù)與每一個(gè)所述體素相關(guān)聯(lián)，從而獲得體素網(wǎng)格；以及將所述體素網(wǎng)格作為所述3D體積模型存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中所述3D體積模型的內(nèi)部表面限定其中沒(méi)有位置點(diǎn)的體積。
5 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述將所述密度值與每一個(gè)所述位置點(diǎn)相關(guān)聯(lián)包括將時(shí)變密度值與每一個(gè)所述位置點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述繪制所述圖像進(jìn)一步包括細(xì)化所述圖像以獲得所述圖像的逼真紋理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述生成切片包括根據(jù)探針的位置和取向生成切片，并且所述繪制包括繪制超聲圖像，所述顯示包括顯示所述超聲圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述取回所述器官的所述3D體積模型包括取回心臟的3D體積模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括將所述心臟動(dòng)畫(huà)化。
10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器上記錄有表示器官的3D體積模型的數(shù)據(jù)集以及為了執(zhí)行以下步驟而由處理器執(zhí)行的語(yǔ)句和指令根據(jù)成像裝置的位置和取向?qū)⑺?D體積模型切成切片；根據(jù)所述切片繪制圖像；以及顯示所述圖像，所述3D體積模型描述所述器官的3D結(jié)構(gòu)和所述3D結(jié)構(gòu)內(nèi)的密度分布，所述3D結(jié)構(gòu)表示所述器官的表面和內(nèi)部特征，所述切片包括所述表面和所述內(nèi)部特征的橫截面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，其中所述數(shù)據(jù)集包括多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)所述數(shù)據(jù)點(diǎn)與3D空間坐標(biāo)和密度值相關(guān)聯(lián)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，其中所述數(shù)據(jù)集包括多個(gè)體素，每個(gè)所述體素與體積、3D空間坐標(biāo)和密度值相關(guān)聯(lián)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，其中所述密度值是時(shí)變的。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，進(jìn)一步包括細(xì)化所述圖像以獲得所述圖像的逼真紋理的步驟(或者其中為了執(zhí)行細(xì)化所述圖像以獲得所述圖像的逼真紋理的步驟，進(jìn)一步適于由處理器執(zhí)行所述語(yǔ)句和所述指令)。
15.一種用于模擬成像過(guò)程的系統(tǒng)，包括成像裝置；適于確定所述成像裝置的位置和取向的位置跟蹤裝置；以及包括存儲(chǔ)器和處理器的機(jī)器，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有表示器官的3D體積模型的數(shù)據(jù)集， 所述處理器被配置用于根據(jù)所述成像裝置的所述位置和取向?qū)⑺?D體積模型切成切片、根據(jù)所述切片繪制圖像、并在顯示單元上顯示所述圖像，所述3D體積模型描述所述器官的3D結(jié)構(gòu)和所述3D結(jié)構(gòu)內(nèi)的密度分布，所述3D結(jié)構(gòu)表示所述器官的表面和內(nèi)部特征， 所述切片包括所述表面和所述內(nèi)部特征的橫截面。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)集包括多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)所述數(shù)據(jù)點(diǎn)與3D空間坐標(biāo)和密度值相關(guān)聯(lián)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)集包括多個(gè)體素，每個(gè)所述體素與體積、3D空間坐標(biāo)和密度值相關(guān)聯(lián)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的系統(tǒng)，其中所述密度值是時(shí)變的。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置用于細(xì)化所述圖像以獲得所述圖像的逼真紋理。
20.根據(jù)權(quán)利要求15至19中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述成像裝置是探針，所述位置跟蹤裝置適于確定所述探針的位置和取向，并且所述處理器被配置用于繪制所述器官的超聲圖像并顯示所述超聲圖像。
21.根據(jù)權(quán)利要求15至20中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)集表示心臟的3D模型。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)集表示動(dòng)畫(huà)化的心臟的3D模型。
全文摘要
描述了一種用于模擬器官的成像過(guò)程的方法，該方法包括從存儲(chǔ)器取回所述器官的3D體積模型，所述3D體積模型描述所述器官的3D結(jié)構(gòu)和所述3D結(jié)構(gòu)內(nèi)的密度分布，所述3D結(jié)構(gòu)表示所述器官的表面和內(nèi)部特征；根據(jù)成像裝置的位置和取向生成所述3D模型的切片，所述切片包括所述表面和所述內(nèi)部特征的橫截面；根據(jù)所述切片繪制圖像；以及顯示所述圖像。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102187379SQ200980141720
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2009年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者羅伯特·阿米歐, 塞巴斯蒂安·納多, 斯特凡·皮萊特, 讓-馬克·盧梭, 亞尼克·比利 申請(qǐng)人:Cae醫(yī)療保健有限公司