对包括心脏的电传导系统的影响在内的患者特定心脏电生理的实时仿真的系统和方法技术方案

公开了一种用于仿真包括心脏的电传导系统的影响在内的患者特定心脏电生理的方法和系统。患者特定解剖心脏模型是根据患者的心脏图像数据来生成的。所述患者的心脏的电传导系统是通过基于心脏组织离心内膜的距离而确定心脏组织的电扩散率值来建模的。​离心内膜面的距离场是以亚网格精度使用嵌套水平集方法来计算的。患者的心脏电生理是使用具有被确定以对患者的浦肯野网络建模的电扩散率值的心脏电生理模型来仿真的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求于2014年2月18号提交的美国临时申请No.61/940，935的权益，其公开内容通过引用的在其整体上并入本文。
技术介绍
本专利技术涉及仿真患者的心脏电生理，并且更具体而言，涉及对包括心脏的电传导系统的影响在内的患者的心脏电生理进行患者特定仿真，用于规划或指导电生理介入。心脏节律疾病在西方国家的流行与日俱增。虽然主要治疗方案是基于药物的，但是微创电生理（EP）疗法的影响力正使其变得足以被视为可行的替代方案。例如，对于诸如房颤或者室速之类的心律不齐，消融疗法的使用正在增加，而心脏再同步化治疗（CRT）正成为心衰患者的治疗选择。然而，这些疗法需要全面患者选择以及复杂规划，并且其长期功效仍是次优的。因此，用以改进患者选择、疗法规划以及介入指导的工具和技术是合乎期望的。用于对心脏EP的实时仿真的计算模型可以用于术中指导以及对EP介入的优化，以及用于减少这种过程的持续时间并因此减少患者压力（特别是在侵入性过程的情况下）。不幸的是，模型精度与计算成本之间的折中仍是个挑战，并且尚没有提出解决方案用以实现对包括心脏的电传导系统在内的患者特定电生理的实时建模。
技术实现思路
本专利技术提供用于根据患者的医学图像数据来对包括心脏的电传导系统的影响在内的心脏电生理（EP）的交互患者特定仿真的方法和系统。本专利技术的各实施例提供了精确的患者特定EP模型，其对心脏中的高速传导组织（即，浦肯野系统）的影响建模。本专利技术的各实施例通过基于笛卡尔网格校正由EP求解器产生的数值解，来复制高速传导组织对电信号在心脏中的传播的影响，使得能够以不依赖网格空间分辨率的精度对高速传导组织的影响建模。这允许实时数值解，其中实时的数值解使用粗网格用于对包括心脏的高速传导组织的影响在内的心脏EP的患者特定建模。本专利技术的各实施例提供了使用了实时患者特定心脏EP仿真的术前介入规划以及术中介入指导两者。在一个实施例中，患者特定解剖心脏模型是根据患者的心脏图像数据来生成的。患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的物理特性是基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离来建模的。​患者的心脏功能是使用具有基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离进行建模的物理特性的心脏模型来仿真的。在一个实施例中，患者的心脏的电传导系统是通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离心外膜的距离而确定心脏组织的电特性来建模的，以及患者的心脏电生理是使用具有被确定以对患者的心脏的电传导系统建模的心脏组织的电特性的心脏电生理模型来仿真的。对于本领域的那些普通技术人员而言，参照如下具体实施方式以及附图，本专利技术的这些以及其它优势将是清楚的。附图说明图1示出了心脏的电生理传导系统；图2示出了根据本专利技术的实施例的用于仿真包括浦肯野系统的影响在内的患者特定心脏EP的方法；图3示出了根据本专利技术的实施例的对患者的浦肯野网络的影响进行建模的方法；图4示出了根据本专利技术的实施例的用于高速传导组织的建模方法的图形表示；以及图5是能够实现本专利技术的计算机的高级框图。具体实施方式本专利技术涉及使用患者的医学成像数据来对包括心脏的电传导系统的影响在内的心脏电生理（EP）进行患者特定仿真。在本文中描述了本专利技术的各实施例以给出对用于使用医学成像数据进行患者特定建模以及电生理仿真的方法的可视理解。数字图像通常由对一个或多个对象（或形状）的数字表示组成。对对象的数字表示在本文通常是就标识并操控对象而言来描述的。这种操控是在计算机系统的存储器或其它电路/硬件中实现的虚拟操控。因此，应当理解的是，本专利技术的各实施例可以是使用在计算机系统内存储的数据来在计算机系统内执行的。图1示出了心脏的电传导系统。如图1中所示，心脏的电传导系统是由包括如下的若干元件组成的：窦房结102、房室结104、希氏束106以及浦肯野纤维108。在正常的生理状况中，电脉冲是在位于上腔静脉与右心房的结处的窦房结102（自然起搏器）中自发生成的。当电波向房室结104传播时，电波将心房肌细胞去极化，心房肌细胞将血液收缩并泵取到心室。在将心房去极化后，动作电位达到位于纤维状房室环上的右心房下部中的房室（AV）结104。电脉冲随后停止若干毫秒以与心脏同步。此“暂停”是重要的，这是因为其使得心房能够将血液完全收缩并全部泵取到心室中。纤维状组织将心房和心室的肌肉组织隔开，仅有的连接是从AV结104脱离的希氏肌肉束106。在穿过房室结后，希氏肌肉束106在室间隔的顶峰处分开（通常分为两条分支）。左束支110是散布在左心室的隔膜上并与普通心肌纤维连接的一系列肌束。右束支112往往保持成束直到其到达前乳头肌为止，在前乳头肌中，右束支112分开成散布在右室心肌上的肌束。左束110和右束112的树状终端分支被称为浦肯野纤维108并在心内膜下延伸多达1/3或1/2的心室厚度。希氏浦肯野系统牵涉在可能导致心律不齐的异常激励模式中。这种现象的例子包括造成延迟的心室收缩的左或右束支阻滞、与心动过速相关联的束支折返以及被视为具有可能导致心动过速或纤颤的浦肯野来源的心内膜下病灶活动（subendocardialfocalactivity）。由于希氏浦肯野系统在普通的心室激励和危及生命的室性心律失常发挥如此重要的作用，所以对希氏浦肯野系统进行建模对于心脏的现实心室模型是重要的。早期的研究表明：浦肯野纤维的网络密集地扩散在心内膜下层中，并且其在称为浦肯野纤维心室肌（PV）结的分立的区中连接到心室肌。已开发的计算模型尝试复制浦肯野网络的树状结构并捕获高速传导系统的特有特征，诸如逆行性传播。此特征可以在诸如心脏再同步疗法之类的复杂场景中发挥作用，其中，起搏电极可以被放置心肌层中由浦肯野纤维的末端达到的区域中。当前的成像技术不允许在体内检测心脏传导系统，因此浦肯野网络的精细解剖模型不能被直接验证。这种模型通常基于来自组织学研究的解剖信息，并被个性化以根据电映射研究正确地复制最早激活以及普通激活序列的地点。然而，这种模型不适合演示实时计算性能性能。已提出了各种技术用于发展针对电生理仿真的快速求解器。这种技术包括使用程函模型以在不计算动作电位本身的情况下计算去极化波的到达时间。基于图形算法，程函模型从计算的角度而言是非常高效的。然而，程函模型的极度简化使得程函模型不适合建模诸如浦肯野系统的复杂结构。通过调谐模型参数以允许粗略的时间和空间离散化，针对电生理仿真的基于有限元的模型已被推动至几乎实时性能。然而，有关对高速传导组织的影响进行精确建模的问题尚未解决。本专利技术的各实施例通过提供对包括心脏的电传导系统对粗计算网格的影响在内的心脏EP的精确仿真，解决了实时患者特定心脏EP计算模型的临床需要。本专利技术的各实施例利用针对电生理的格子-玻尔兹曼方法（LBM-EP）以提供对心脏电生理的实时或近实时仿真连同一种用于对具有亚网格精度的心脏电扩散的量化的方法。为了模仿电波沿心脏的电传导系统的快速传播而同时保持计算问题易于解决，本专利技术的各实施例实现了“宏观”模型，其中假设电传导纤维均匀分布在子内膜区中。在基于笛卡尔计算网格（诸如LBM-EP）的EP求解器的框架中，与电传导纤维对应的网格单元被分配高扩散系数，该高扩散系数为心肌组织离心内膜的距离的函数。电传导系统的独立于网格的表示是通过定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对心脏功能的患者特定仿真的方法，包括：根据患者的心脏图像数据来生成患者特定解剖心脏模型；​基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离，来对患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的物理特性建模；以及​使用具有基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离进行建模的物理特性的心脏模型，来仿真患者的心脏功能。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.18 US 61/9409351.一种用于对心脏功能的患者特定仿真的方法，包括：根据患者的心脏图像数据来生成患者特定解剖心脏模型；​基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离，来对患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的物理特性建模；以及​使用具有基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离进行建模的物理特性的心脏模型，来仿真患者的心脏功能。2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离，来对患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的物理特性建模包括：​通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离解剖结构的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电特性，来对患者的心脏的电传导系统建模。3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用具有基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离进行建模的物理特性的心脏模型，来仿真患者的心脏功能包括：​使用具有被确定以对患者的心脏的电传导系统建模的电特性的心脏电生理模型，来仿真患者的心脏电生理。4.根据权利要求3所述的方法，其中，通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离解剖结构的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电特性，来对患者的心脏的电传导系统建模包括：​通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离心外膜的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电扩散率值，来对患者的心脏的电传导系统建模。5.根据权利要求4所述的方法，其中，使用具有被确定以对患者的心脏的电传导系统建模的电特性的心脏电生理模型，来仿真患者的心脏电生理包括：​使用具有被确定以对患者的心脏的电传导系统建模的电扩散率值的心脏电生理模型，来仿真患者的心脏电生理。6.根据权利要求3所述的方法，其中，通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离解剖结构的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电特性，来对患者的心脏的电传导系统建模包括：​使用心内膜面的嵌套水平集离散化，来计算与患者特定解剖心脏模型对应的具有亚网格精度的计算网格上的离心内膜的距离场；以及根据与计算网格上的多个点中的每个点对应的体素内的心脏组织离心内膜面的距离，来计算所述多个点中的每个点处的电扩散率值。7.根据权利要求5所述的方法，还包括：​根据患者特定解剖心脏模型来生成计算网格。8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离心外膜的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电扩散率值，来对患者的心脏的电传导系统建模包括：​从计算网格的多个节点中，基于每个节点离间隔心内膜的距离，来检测一组浦肯野候选节点；​针对浦肯野候选节点中的每个浦肯野候选节点，计算与该个浦肯野候选节点对应的体素内的高速传导组织的体积分数；以及​根据针对浦肯野候选节点中的每个浦肯野候选节点计算的高速传导组织的体积分数，来计算针对该个浦肯野候选节点的电扩散率值。9.根据权利要求8所述的方法，其中，从计算网格的多个节点中，基于每个节点离间隔心内膜的距离，来检测一组浦肯野候选节点包括：通过计算计算网格上的心内膜面的水平集表示的​离散化，来计算离间隔心内膜的第一距离场；以及​对于计算网格上的多个节点中的每一个节点，如果该个节点处的第一距离场的值小于第一阈值则选择该个节点作为浦肯野候选节点。10.根据权利要求9所述的方法，其中，针对浦肯野候选节点中的每个浦肯野候选节点，计算与该个浦肯野候选节点对应的体素内的高速传导组织的体积分数包括：对于浦肯野候选节点中的每个浦肯野候选节点：​定义与该个浦肯野候选节点对应的体素内的节点的亚网格；​通过计算针对该个浦肯野候选节点定义的亚网格上的心内膜面的水平集表示的​离散化，来计算离间隔心内膜的第二距离场；​对于与该个浦肯野候选节点对应的体素内的节点的亚网格中的节点的每个节点，如果该个节点处的第二距离场的值小于第二阈值则将该个节点分类成高速传导组织，而如果该个节点处的第二距离场的值大于第二阈值则将该个节点分类成正常组织；以及​作为节点的亚网格中被分类成高速传导组织的节点的数量与节点的亚网格中的节点的总数量之比，来计算与该个浦肯野候选节点对应的体素内的高速传导组织的体积分数。11.根据权利要求8所述的方法，其中，根据针对浦肯野候选节点中的每个浦肯野候选节点计算的高速传导组织的体积分数，来计算针对该个浦肯野候选节点的电扩散率值包括：​作为D（x）＝DPurkinψ+Dnormal（l-ψ)来计算针对浦肯野候选节点中的每个浦肯野候选节点的电扩散率值，其中，DPurkin是针对高速传导组织的电扩散率值，Dnormal是针对正常组织的电扩散率值，以及ψ是居于节点x中心处的体素内的高速传导组织的体积分数。12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离间隔心内膜的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电扩散率值，来对患者的浦肯野网络建模还包括：确定针对计算网格的多个节点中的未被检测成浦肯野候选节点的每一个节点的电扩散率值为Dnormal。13.根据​权利要求1所述的方法，其中，根据患者的心脏图像数据来生成患者特定解剖心脏模型包括：​从心脏图像数据提取多组分患者特定心脏形态模型；以及​将多组分患者特定心脏形态模型融合成单个心脏模型，并根据多个组分来标记单个心脏模型的元素。14.根据权利要求13所述的方法，其中，根据多个组分来标记单个心脏模型的元素包括：​自动标识和标记单个心脏模型中的心内膜。15.根据权利要求5所述的方法，其中，使用具有被确定以对患者的心脏的电传导系统建模的电扩散率值的心脏电生理模型，来仿真患者的心脏电生理包括：通过使用电扩散率值以计算心脏电生理学模型的解，来计算与患者特定解剖心脏模型对应的计算网格中的心肌内的多个节点中的每一个节点处随时间的跨膜电位变化，其中电扩散率值被确定以使用针对电生理学的格子-玻尔兹曼方法来针对多个节点中的每一个节点对患者的浦肯野网络建模。16.根据权利要求1所述的方法，其中，基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离来对患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的物理特性建模、以及使用具有基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离进行建模的物理特性的心脏模型来仿真患者的心脏功能，是在心脏介入过程期间实时执行的。17.根据权利要求3所述的方法，其中，通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离解剖结构的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电特性来对患者的心脏的电传导系统建模、以及使用具有被确定以对患者的心脏的电传导系统建模的电特性的心脏电生理模型来仿真患者的心脏电生理，是在心脏电生理介入过程期间实时执行的。18.一种用于对心脏功能的患者特定仿真的装置，包括：用于根据患者的心脏图像数据来生成患者特定解剖心脏模型的单元；​用于基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离，来对患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的物理特性建模的单元；以及​用于使用具有基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离进行建模的物理特性的心脏模型，来仿真患者的心脏功能的单元。19.根据权利要求18所述的装置，其中，用于基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离，来对患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的物理特性建模的单元包括：​用于通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离解剖结构的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电特性，来对患者的心脏的电传导系统建模的单元。20.根据权利要求19所述的装置，用于使用具有基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离一个或多个解剖结构的距离进行建模的物理特性的心脏模型，来仿真患者的心脏功能的单元包括：​用于使用具有被确定以对患者的心脏的电传导系统建模的电特性的心脏电生理模型，来仿真患者的心脏电生理的单元。21.根据权利要20所述的装置，其中，用于通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离解剖结构的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电特性，来对患者的心脏的电传导系统建模的单元包括：​用于通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离心外膜的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电扩散率值，来对患者的心脏的电传导系统建模的单元。22.根据权利要求21所述的装置，其中，用于使用具有被确定以对患者的心脏的电传导系统建模的电特性的心脏电生理模型，来仿真患者的心脏电生理的单元包括：​用于使用具有被确定以对患者的心脏的电传导系统建模的电扩散率值的心脏电生理模型，来仿真患者的心脏电生理的单元。23.根据权利要求20所述的装置，其中，用于通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离解剖结构的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电特性，来对患者的心脏的电传导系统建模的单元包括：用于使用心内膜面的嵌套水平集离散化，来计算与患者特定解剖心脏模型对应的具有亚网格精度的计算网格上的离心内膜的距离场的单元；以及用于根据与计算网格上的多个点中的每个点对应的体素内的心脏组织离心内膜面的距离，来计算多个点中的每个点处的电扩散率值的单元。24.根据权利要求22所述的装置，还包括：​用于根据患者特定解剖心脏模型来生成计算网格的单元。25.根据权利要求24所述的装置，其中，用于通过基于患者特定解剖心脏模型中的心脏组织离心外膜的距离而确定患者特定解剖心脏模型中的心脏组织的电扩散率值，来对患者的心脏的电传导系统建模的单元包括：​用于从计算网格的多个节点中，基于每个节点离间隔心内膜的距离，来检测一组浦肯野候选节点的单元；​用于针对浦肯野候选节点中的每个浦肯野候选节点，计算与该个浦肯野候选节...

【专利技术属性】
技术研发人员：T帕塞里尼，T曼西，A卡门，B乔治斯库，S拉帕卡，D科马尼丘，
申请(专利权)人：西门子保健有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE