[go: up one dir, main page]

RU2843800C1 - Method for three-dimensional heart reconstruction for non-invasive electrophysiological examination in atrial and ventricular tachyarrhythmias - Google Patents

Method for three-dimensional heart reconstruction for non-invasive electrophysiological examination in atrial and ventricular tachyarrhythmias

Info

Publication number
RU2843800C1
RU2843800C1 RU2025103006A RU2025103006A RU2843800C1 RU 2843800 C1 RU2843800 C1 RU 2843800C1 RU 2025103006 A RU2025103006 A RU 2025103006A RU 2025103006 A RU2025103006 A RU 2025103006A RU 2843800 C1 RU2843800 C1 RU 2843800C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
iteration
zero
algorithm
heart
mask
Prior art date
Application number
RU2025103006A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Сергеевич Хлынин
Роман Ефимович Баталов
Отабек Рахимжанович Эшматов
Виталий Леонидович Хмелёв
Дмитрий Яковлевич Суханов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Томский национальный исследовательский медицинский центр Российской академии наук" (Томский НИМЦ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Томский национальный исследовательский медицинский центр Российской академии наук" (Томский НИМЦ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Томский национальный исследовательский медицинский центр Российской академии наук" (Томский НИМЦ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2843800C1 publication Critical patent/RU2843800C1/en

Links

Abstract

FIELD: medical science.
SUBSTANCE: invention refers to medicine, namely to image processing and data analysis systems and methods, and can be used for medical imaging image data processing. Disclosed is a method in which a non-contrast plain computed tomography is performed, data from the DICOM medical image transmission international standard are decoded and a tomogram spatial matrix is obtained, then the reference point of the heart region is selected in the spatial matrix in the XOZ plane, then the mask is created by the algorithm at the zero iteration, in which the zero pixel is selected, and a neighbouring pixel having a modulus value close to zero is placed into a mask of candidates for use in the next iteration, and for the next iteration, and continue to poll all pixels around the zero pixel, and upon completion of the poll, the algorithm switches to the first iteration, wherein the zero pixel is transferred to the mask of the final image, and from the mask of zero iteration is removed, after which the front of satisfying pixels around the initial zero pixel is obtained, next, around each of these pixels, checking for satisfying neighbours search, at that, at the N-th iteration, the algorithm polls the neighbours of the front formed at the N-1 iteration and the cardiac muscle is selected in the YOZ plane, then this algorithm is repeated for each tomogram slice in the XOY plane and a three-dimensional computer model of the heart is obtained.
EFFECT: invention provides more effective non-invasive electrophysiological examination and further catheter therapy of atrial and ventricular tachyarrhythmias.
1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к системам и способам обработки изображений и анализа данных, и может быть использовано для обработки данных изображений медицинской визуализации. Способ трехмерной реконструкции сердца, основан на безконтрастной, обзорной компьютерной томографии (КТ) и представляет по сути «выращивание» тканей путем оценки оттенков серого цвета в серо-шкальном диапазоне, на основании которой происходит выделение сердечной мышцы от других тканей в каждом срезе томограммы. Получаемые 3D-модели сердца в дальнейшем могут быть использованы в кардиологии и кардиохирургии. Данный способ внедрен в работу разрабатываемой системы для визуализации электрофизиологических процессов как при неинвазивном электрофизиологическом исследовании сердца, так и при сочетанном инвазивном и неинвазивном трехмерном электрофизиологическом и электроанатомическом картирование в условиях операционной, в том числе в режиме реального времени. В целом разработанный способ трехмерной визуализации позволит более широко использовать безконтрастную, обзорную КТ в рамках развития технологий для персонифицированной диагностики и лечения различных заболеваний, в том числе у пациентов с наличием противопоказаний для контрастусиленной КТ.The invention relates to medicine, namely to systems and methods for image processing and data analysis, and can be used to process medical imaging image data. The method of three-dimensional reconstruction of the heart is based on non-contrast, overview computed tomography (CT) and is essentially "growing" tissues by assessing shades of gray in the gray-scale range, on the basis of which the cardiac muscle is isolated from other tissues in each section of the tomogram. The resulting 3D models of the heart can subsequently be used in cardiology and cardiac surgery. This method is implemented in the operation of the developed system for visualizing electrophysiological processes both in non-invasive electrophysiological examination of the heart and in combined invasive and non-invasive three-dimensional electrophysiological and electroanatomical mapping in an operating room, including in real time. In general, the developed method of three-dimensional visualization will allow for a wider use of non-contrast, overview CT in the context of developing technologies for personalized diagnostics and treatment of various diseases, including in patients with contraindications for contrast-enhanced CT.

Известен способ трехмерного картирования камер сердца с использованием навигационной системы "астрокард" для лечения пациентов с нарушением ритма сердца [1]. Проводят мультиспиральную компьютерную томографию (МСКТ), или магнитно-резонансную (МРТ) сердца с получением 3D изображения сердца. Получают интраоперационно электроанатомическую модель камеры сердца с помощью системы навигационного картирования «Астрокард». Совмещают полученную электроанатомическую модель камер сердца с обработанным изображением МСКТ или МРТ сердца. Однако данный способ может быть использован только интраоперационно в процессе катетерного лечения аритмий, а при проведении КТ сердца используются протоколы с контрастным усилением.A method of three-dimensional mapping of the heart chambers using the Astrocard navigation system for treating patients with cardiac arrhythmia is known [1]. Multispiral computed tomography (MSCT) or magnetic resonance imaging (MRI) of the heart is performed to obtain a 3D image of the heart. An electroanatomical model of the heart chamber is obtained intraoperatively using the Astrocard navigation mapping system. The obtained electroanatomical model of the heart chambers is combined with the processed MSCT or MRI image of the heart. However, this method can only be used intraoperatively during catheter treatment of arrhythmias, and protocols with contrast enhancement are used when performing cardiac CT.

Известен способ неинвазивного электрофизиологического исследования сердца [2] реализованный при создании программно-аппаратного комплекса «Amycard™» (Россия, Швейцария). Представленная методика способна восстановить эпикардиальную поверхность сердца, но основой для ее работы являются данные, полученные при МСКТ с контрастным усилением.A method of non-invasive electrophysiological examination of the heart is known [2] implemented in the creation of the hardware and software complex "Amycard™" (Russia, Switzerland). The presented method is capable of restoring the epicardial surface of the heart, but the basis for its operation is data obtained from MSCT with contrast enhancement.

Недостатком способа является то, что основой для его работы являются данные, полученные при МСКТ с контрастным усилением, а проведение данного исследования не всегда возможно, особенно, у пациентов с наличием аллергических реакций на йодсодержащие препараты и при хронической болезни почек со значительным снижением скорости клубочковой фильтрации. Также стоит отметить, что для получения «удовлетворительной» трехмерной модели сердца, необходимой для неинвазивного электрофизиологического исследования, желательно чтобы во время проведения МСКТ было одинаковое заполнение контрастом всех камер сердца, чего достаточно сложно добиться при исследовании и что требует большего количества контрастного вещества и сопровождается увеличением лучевой нагрузки на пациента.The disadvantage of this method is that it is based on data obtained during contrast-enhanced MSCT, and this study is not always possible, especially in patients with allergic reactions to iodine-containing drugs and chronic kidney disease with a significant decrease in glomerular filtration rate. It is also worth noting that in order to obtain a "satisfactory" three-dimensional model of the heart, necessary for a non-invasive electrophysiological study, it is desirable that during MSCT there is equal filling of all chambers of the heart with contrast, which is quite difficult to achieve during the study and which requires a larger amount of contrast agent and is accompanied by an increase in the radiation load on the patient.

В проанализированной патентной и научно-медицинской литературе адекватного прототипа не обнаружено.No adequate prototype was found in the analyzed patent and scientific-medical literature.

Задачей изобретения является разработка способа трехмерной реконструкции сердца на основе безконтрастной обзорной компьютерной томографии для повышения эффективности неинвазивного электрофизиологического исследования и дальнейшего катетерного лечения предсердных и желудочковых тахиаритмиях, в том числе у пациентов с наличием аллергических реакций на йодсодержащие препараты и при хронической болезни почек со значительным снижением скорости клубочковой фильтрации.The objective of the invention is to develop a method for three-dimensional reconstruction of the heart based on non-contrast survey computed tomography to improve the effectiveness of non-invasive electrophysiological research and subsequent catheter treatment of atrial and ventricular tachyarrhythmias, including in patients with allergic reactions to iodine-containing drugs and in chronic kidney disease with a significant decrease in the glomerular filtration rate.

Поставленная задача решается тем, что проводят безконтрастную обзорную компьютерную томографию, расшифровывают данные из международного стандарта передачи медицинских изображений DICOM и получают пространственную матрицу томограммы, затем выбирают референтную точку области сердца в пространственной матрице в плоскости XOZ, далее алгоритмом создают маску на нулевой итерации, в которой выбирают нулевой пиксель, а соседний пиксель, обладающий значением по модулю близким к нулевому, помещают в маску кандидатов для использования в следующей итерации, а для следующей итерации и продолжают опрос всех пикселей вокруг нулевого пикселя, а по завершении опроса, алгоритм переходит на первую итерацию, при этом нулевой пиксель переносят в маску конечного изображения, а из маски нулевой итерации его убирают, после этого получают фронт удовлетворяющих пикселей вокруг исходного нулевого пикселя, далее вокруг каждого из данных пикселей проводят проверку на поиск удовлетворяющих соседей, при этом на N-ой итерации алгоритм опрашивает соседей фронта, сформированного на N-1 итерации и выделяют сердечную мышцу в плоскости YOZ, далее этот алгоритм повторяют для каждого среза томограммы в плоскости XOY и получают компьютерную трехмерную модель сердца.The problem is solved by performing a non-contrast overview computed tomography, decoding data from the international standard for transmitting medical images DICOM and obtaining a spatial matrix of the tomogram, then selecting a reference point of the heart region in the spatial matrix in the XOZ plane, then the algorithm creates a mask at the zero iteration, in which the zero pixel is selected, and the neighboring pixel, which has a value close to zero in modulus, is placed in the candidate mask for use in the next iteration, and for the next iteration, they continue to poll all pixels around the zero pixel, and upon completion of the poll, the algorithm goes to the first iteration, while the zero pixel is transferred to the mask of the final image, and it is removed from the mask of the zero iteration, after which a front of satisfying pixels is obtained around the original zero pixel, then a check is carried out around each of these pixels to find satisfying neighbors, while at the N-th iteration the algorithm polls the neighbors of the front formed at the N-1 iteration and selects the heart muscle in the YOZ plane, then this algorithm is repeated for each slice of the tomogram in the XOY plane and a three-dimensional computer model of the heart is obtained.

Таким образом, путем сегментации плоскости сердца в XOZ на основе выбранной оператором точки на плоскости, проходящей через ось X и ось Z, разбиение её на участки для анализа и выделение значимых точек, принадлежащих сердцу. Дальнейшие итерации - сегментации в плоскостях XOY: переход от плоскости к плоскости, перпендикулярных XOZ, и выявлению точек сердца, где начальными точками выступают точки сегментации по XOZ. Далее этот алгоритм повторяют для каждого среза томограммы в плоскости XOY, и получает облако точек, на основании которого будет построена трехмерная модель плоскости сердца.Thus, by segmenting the plane of the heart in XOZ based on a point selected by the operator on the plane passing through the X axis and the Z axis, dividing it into sections for analysis and identifying significant points belonging to the heart. Further iterations - segmentation in the XOY planes: transition from plane to plane perpendicular to XOZ, and identifying heart points, where the initial points are the segmentation points along XOZ. Then this algorithm is repeated for each slice of the tomogram in the XOY plane, and a point cloud is obtained, on the basis of which a three-dimensional model of the plane of the heart will be built.

Изобретение будет понятно из следующего описания и приложенных к нему фигур.The invention will be clear from the following description and the accompanying figures.

На фиг. 1 изображено схематичное представление исследования методом компьютерной томографииFig. 1 shows a schematic representation of a study using the computed tomography method.

На фиг. 2 представлен а - 21-й срез томограммы; б - 61-й срез томограммы; в - 150-й срез томограммыFig. 2 shows a - 21st slice of the tomogram; b - 61st slice of the tomogram; c - 150th slice of the tomogram.

На фиг. 3 изображено перестроенное в плоскость YOZ изображениеFig. 3 shows the image reconstructed into the YOZ plane.

На фиг. 4 представлен результат работы алгоритма сегментации в плоскости YOZFig. 4 shows the result of the segmentation algorithm in the YOZ plane.

На фиг. 5 изображена иллюстрация работы алгоритма в плоскости XOY на срезе 96: А - 1-ая итерация; Б - 20-ая итерация; В - 40-ая итерация; Г - 60-я - итерация, Д - 71-ая и последняя итерацияFig. 5 shows an illustration of the algorithm operation in the XOY plane at cut 96: A - 1st iteration; B - 20th iteration; C - 40th iteration; G - 60th iteration, D - 71st and last iteration.

На фиг. 6 представлен пример трехмерной реконструкции сердца по результатам работы алгоритмаFig. 6 shows an example of a three-dimensional reconstruction of the heart based on the results of the algorithm.

На фиг. 7 представлен пример реконструированной поверхности сердца после упрощения и сглаживанияFig. 7 shows an example of the reconstructed heart surface after simplification and smoothing.

Способ осуществляют следующим образом: основой для моделирования эпикардиальной поверхности сердца должны стать данные неинвазивного исследования сердца, например, ультразвуковое исследование сердца, рентгеновская томография, магниторезонансная томография. Большинство из этих исследований записываются томографом для последующей передачи лечащему врачу или пациенту. Для передачи медицинских изображений наиболее широко используется стандарт DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), разработанный Американской коллегией радиологии и Национальной ассоциацией производителей электроники [3]. Изображения, полученные с томографа, имеют формат DICOM и представляют собой набор изображений-слайсов, идущих друг за другом с заданным шагом. Минимально возможный шаг равен разрешающей способности томографа, однако для уменьшения дозы облучения возможна запись с уменьшением разрешения. На Фиг. 1 показано схематичное представление видов данных внутри формата DICOM, а так же показаны основные типы совместимых типов томографии.The method is implemented as follows: the basis for modeling the epicardial surface of the heart should be the data of a non-invasive study of the heart, for example, an ultrasound study of the heart, X-ray tomography, magnetic resonance imaging. Most of these studies are recorded by the tomograph for subsequent transmission to the attending physician or patient. The DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) standard, developed by the American College of Radiology and the National Association of Electronic Manufacturers [3], is most widely used for transmitting medical images. Images obtained from the tomograph are in DICOM format and represent a set of image slices following one another with a given step. The minimum possible step is equal to the resolution of the tomograph, however, in order to reduce the radiation dose, recording with a decrease in resolution is possible. Fig. 1 shows a schematic representation of the types of data within the DICOM format, and also shows the main types of compatible tomography types.

Данные, полученные в результате любого томографического исследования, представлены в едином стиле, а точнее в виде набора графических изображений в градации серого, где каждый пиксель представляет беззнаковое шестнадцатибитное число, величина которого зависит от соответствующей шкалы исследования и настроек контрастности в томографе. Так же в каждое растровое изображение записывается заголовок спецификации к ним. Внутри такого заголовка содержаться данные о пациенте, которые заполняет оператор томографа. В заголовок входят: имя фирмы производителя томографа, данные о томографе, специфический режим сканирования, доза облучения, пространственные данные области сканирования, разрешающая способность томографа, максимально доступная разрешающая способность томографа, разрешающая способность выбранного режима сканирования, порядковый номер слайса внутри набора и прочие важные для специалистов графы. Заголовок создаётся во время проведения неинвазивного исследования автоматически. Внутри спецификации описаны отношения физического размера области сканирования к цифровому размеру изображений в пикселях. При создании модели необходимо учитывать, что томографическое изображение трехмерно, а значит пиксель имеет «размер» не только в ширину и длину, но и толщину. Исследуя спецификацию, необходимо учитывать размер пикселя в трех осях, чтобы не допустить искажения последующей модели.The data obtained as a result of any tomographic examination are presented in a single style, or more precisely as a set of graphic images in grayscale, where each pixel represents an unsigned sixteen-bit number, the value of which depends on the corresponding examination scale and contrast settings in the tomograph. Also, a specification header is written to each raster image. This header contains patient data that is filled in by the tomograph operator. The header includes: the name of the tomograph manufacturer, tomograph data, specific scanning mode, radiation dose, spatial data of the scanning area, tomograph resolution, maximum available tomograph resolution, resolution of the selected scanning mode, slice serial number within the set, and other columns important for specialists. The header is created automatically during the noninvasive examination. The specification describes the relationship between the physical size of the scanning area and the digital size of the images in pixels. When creating a model, it is necessary to take into account that the tomographic image is three-dimensional, which means that a pixel has a "size" not only in width and length, but also in thickness. When examining the specification, it is necessary to take into account the pixel size in three axes in order to avoid distortion of the subsequent model.

В результате сканирования получается набор послойных слайсов грудной клетки в проекции X0Y с заданным шагом (толщиной) слайсов (ось Z). Эти изображения имеют формат медицинского отраслевого стандарта DICOM. Для построения 3D модели поверхности сердца необходимо вычленить контуры внешних стенок сердца из общего снимка грудной клетки для каждого слайса. Такая процедура называется сегментацией или выделением контура органа. Для реализации алгоритмов сегментации удобнее всего работать с формой растровых изображений, поэтому необходимо применить конвертирование изображений стандарта DICOM в общеупотребительные растровые графические форматы без сжатия и искажений с учётом пространственных размеров, приведя размер пикселях к к физическому значению, например 1 пиксель равен 1 мм.The scanning results in a set of layered chest slices in the X0Y projection with a given step (thickness) of slices (Z axis). These images have the format of the medical industry standard DICOM. To build a 3D model of the heart surface, it is necessary to isolate the contours of the outer walls of the heart from the general chest image for each slice. This procedure is called segmentation or organ contour selection. To implement segmentation algorithms, it is most convenient to work with the form of raster images, therefore it is necessary to apply the conversion of DICOM standard images into commonly used raster graphic formats without compression and distortion, taking into account spatial dimensions, bringing the size in pixels to a physical value, for example, 1 pixel is equal to 1 mm.

Результатом работы алгоритма на каждом из слайсов должен стать контур, который внутри будет содержать область пространства, где расположена сердечная мышца пациента. Имея контуры для каждого из слайсов, можно переходить к построению модели сердца. Так как для построения модели используются контуры каждого из слайсов, то первым этапом станет построение "проволочной" модели сердца. В итоге получается каркасная модель, состоящая из "проволочек" контуров, расположенных по координате Z в соответствии с их номером слайса. Для этого проводится нормализация координат, т.е. приводятся все контуры к общему нулю (в координатах x и y, но с разными координатами z).The result of the algorithm's work on each slice should be a contour that will contain the area of space where the patient's heart muscle is located. Having contours for each slice, you can proceed to building a heart model. Since the contours of each slice are used to build the model, the first step will be building a "wire" model of the heart. As a result, you get a wireframe model consisting of "wires" of contours located along the Z coordinate in accordance with their slice number. To do this, normalization of coordinates is carried out, i.e. all contours are brought to a common zero (in the x and y coordinates, but with different z coordinates).

Рассмотрим полученные томографические данные представленные в виде цифровых изображений динамический диапазон, которых был нормирован в границах от [0-255], для этого необходимо перейти от шестанадцетибитного к восьмибитному беззнаковому формату изображению. Изображения после нормирования представленные на (Фиг. 2) и получены на основе рентгеновской МСКТ. В таких данных каждый пиксель представляет собой не относительную интенсивность света попавшего на полупроводниковую матрицу камеры или сканера, как в классическом цифровом изображении, а относительной рентгеновской проницаемостью. Стоит отметить, что приведения к нормальному динамическому диапазону, необходимо для удобства оператора, в самом алгоритме далее будет применятся полноценные данные без интерполяции, чтобы не ухудшать ситуацию с контрастностью.Let us consider the obtained tomographic data presented in the form of digital images, the dynamic range of which was normalized within the limits of [0-255], for this it is necessary to switch from a sixteen-bit to an eight-bit unsigned image format. The images after normalization are presented in ( Fig. 2 ) and were obtained on the basis of X-ray MSCT. In such data, each pixel represents not the relative intensity of light that hit the semiconductor matrix of the camera or scanner, as in a classic digital image, but the relative X-ray permeability. It is worth noting that the reduction to a normal dynamic range is necessary for the convenience of the operator, in the algorithm itself, full-fledged data without interpolation will be used further, so as not to worsen the situation with contrast.

Посмотрев на (Фиг. 2) можно сделать вывод, что внутренние органы слабо различимы и границы между ними слабо контрастны. Для навигации оператору удобней использовать не плоскости XOY, а плоскость YOZ. Такое изображение может быть перестроено без потерь в другую плоскость. Пример, перестроенного изображения представлен на (Фиг. 3). Предлагаемый алгоритм, как и большинство методов сегментации, требует определить отправную точку работы, нулевую итерацию, некую область, которая, по мнению оператора, точно соответствует выделяемому органу, в нашем случае сердца. Необходимо так же выбрать слой, который отражает наиболее протяжённую проекцию сердца для сегментации в плоскость YOZ. Желательно, но не принципиально, выбрать срез близкий к оси в центре сердца. После выбора нулевой итерации, отправной точки, алгоритм опрашивает соседние значения исходя из правила - совпадения точек, соответствующих заданному диапазону.Looking at (Fig. 2), we can conclude that the internal organs are poorly distinguishable and the boundaries between them are poorly contrasting. For navigation, it is more convenient for the operator to use the YOZ plane rather than the XOY plane. Such an image can be reconstructed without losses into another plane. An example of a reconstructed image is shown in (Fig. 3). The proposed algorithm, like most segmentation methods, requires defining the starting point of the work, the zero iteration, a certain area that, in the operator's opinion, exactly corresponds to the selected organ, in our case, the heart. It is also necessary to select a layer that reflects the longest projection of the heart for segmentation into the YOZ plane. It is desirable, but not essential, to select a slice close to the axis in the center of the heart. After selecting the zero iteration, the starting point, the algorithm queries neighboring values based on the rule - the coincidence of points corresponding to a given range.

Рассмотрим алгоритм подробней, результаты его работы в плоскости YOZ представлены на (Фиг. 4), это его первая стадия. На нулевой итерации создаётся бинарная маска для пикселей кандидатов и бинарная маска для точно выбранных пикселей. Маски - трехмерные изображения заполненные нулями. В маске кандидатов находится один пиксель, который равен единице в области с координатами отправной точки, выбранный оператором. Финальная маска на нулевой итерации остаётся заполненной нулями. Вокруг операторской точки будут проверены соседние 8 пикселей и если соседний пиксель обладает значением по модулю близким к исходному, то такой пиксель помещается в маску кандидатов. Выбор пикселей происходит по правилуLet us consider the algorithm in more detail, the results of its work in the YOZ plane are presented in (Fig. 4), this is its first stage. At the zero iteration, a binary mask is created for candidate pixels and a binary mask for precisely selected pixels. Masks are three-dimensional images filled with zeros. In the candidate mask, there is one pixel, which is equal to one in the area with the coordinates of the starting point, selected by the operator. The final mask at the zero iteration remains filled with zeros. Around the operator point, neighboring 8 pixels will be checked and if a neighboring pixel has a value close in modulus to the original, then such a pixel is placed in the candidate mask. Pixels are selected according to the rule

, обнуления бинарной матрицы маски. , zeroing the binary mask matrix.

Шаг 1 - инициализация работы алгоритма.Step 1 - initialization of the algorithm.

точка инициализации, задаваемая оператором. initialization point specified by the operator.

Шаг 2 создание плоскости сердца YOZ, внутри которой лежит инициализирующая точка, выбранная оператором.Step 2: creation of the YOZ plane of the heart, inside which lies the initialization point selected by the operator.

Шаг 3 создание плоскостей сердца в каждой плоскости XOY, где содержаться точки определенные, как сердечная мышцы на шаге 2.Step 3 Create heart planes in each XOY plane that contains the points defined as the heart muscle in step 2.

Где - обзорное томографическое изображение, - бинарная матрица пикселей томографического изображения принадлежащего к сердечной мышце, - матрица пикселей-кандидатов.Where - overview tomographic image, - binary matrix of pixels of a tomographic image belonging to the heart muscle, - matrix of candidate pixels.

После опроса всех соседних пикселей вокруг нулевого, алгоритм переходит с нулевой итерации на первую. Нулевой пиксель переносится в финальную маску конечного изображения. Из маски кандидатов первой итерации он будет убран, чтобы не проводить опрос по уже проверенной области несколько раз. После этого будет получен фронт пикселей-кандидатов для проверки на первой итерации, кроме пикселей содержащихся внутри финальной маски. После опроса пиксели-кандидаты, прошедшие проверку, попадут в финальную маску, и вокруг них будет сформирован новый фронт кандидатов для второй итерации.After polling all neighboring pixels around the zero one, the algorithm moves from the zero iteration to the first one. The zero pixel is transferred to the final mask of the final image. It will be removed from the candidate mask of the first iteration, so as not to poll the already tested area several times. After this, a front of candidate pixels will be obtained for testing at the first iteration, except for the pixels contained inside the final mask. After polling, the candidate pixels that passed the test will be included in the final mask, and a new front of candidates for the second iteration will be formed around them.

На N-ой итерации алгоритм будет опрашивать соседей фронта, сформированного на N-1 итерации, исключая опрос уже утверждённых значений для экономии вычислительного времени. Таким образом, удаётся выделить сердечную мышцу в плоскости YOZ. Результат такого выделения представлен на (Фиг. 4).At the N-th iteration, the algorithm will poll the neighbors of the front formed at the N-1 iteration, excluding the polling of already approved values to save computational time. Thus, it is possible to select the cardiac muscle in the YOZ plane. The result of such selection is shown in (Fig. 4).

Далее этот алгоритм будет повторен для каждого среза томограммы в плоскости XOY. Здесь возможно расширение или сужение границы интервала допустимого значения пикселей трехмерного изображения, если необходимо сделать алгоритм более «агрессивным» и наоборот. Стоит отметить, что в нулевой итерации второй стадии алгоритма в качестве отправной точки или фронта будут использованы точки, признанные сердечной мышцей на прошлой стадии и это эти точки в каждом срезе в плоскости YOX станут автоматически первыми точками в матрице кандидатов. Пример работы алгоритма на разных итерациях в одном срезе представлены на Фиг. 6. Необходимо отметить, что слои, в которых на первой стадии «выращивания» не было найдено точек в первой стадии не будут использованы во второй стадии для экономии вычислительного времени. То есть рабочая область алгоритма будет уменьшена автоматически.Then this algorithm will be repeated for each slice of the tomogram in the XOY plane. Here it is possible to expand or narrow the boundary of the interval of the permissible value of the pixels of the three-dimensional image, if it is necessary to make the algorithm more "aggressive" and vice versa. It is worth noting that in the zero iteration of the second stage of the algorithm, the points recognized as the heart muscle at the previous stage will be used as a starting point or front, and these points in each slice in the YOX plane will automatically become the first points in the candidate matrix. An example of the algorithm's operation at different iterations in one slice is shown in Fig. 6. It should be noted that the layers in which no points were found at the first stage of "growing" will not be used in the second stage to save computing time. That is, the working area of the algorithm will be reduced automatically.

На (Фиг. 5) видно, что последняя итерация для слайса - это 71-ая итерация. Алгоритм может останавливаться самостоятельно, если он достиг предела роста и окружен «сильными» границами. Иными словами, алгоритм закончил работу из-за отсутствия новых точек для «выращивания» области. Так же он может быть остановлен принудительно, если оператор сочтёт выращенную область достаточной, так как в случае недостаточного качества снимков МСКТ, алгоритм может «прорастать» за пределы желаемой зоны. Изображения, полученные при МСКТ, трудно назвать идеальными из-за шумов, связанных с процессом получения данных, в целом качество их оставляет желать лучшего, повлиять на него трудно, если не невозможно.In (Fig. 5) it is seen that the last iteration for the slice is the 71st iteration. The algorithm can stop on its own if it has reached the growth limit and is surrounded by "strong" boundaries. In other words, the algorithm has finished its work due to the lack of new points for "growing" the area. It can also be stopped forcibly if the operator considers the grown area sufficient, since in case of insufficient quality of MSCT images, the algorithm can "grow" beyond the desired zone. Images obtained with MSCT can hardly be called ideal due to noise associated with the data acquisition process, in general, their quality leaves much to be desired, it is difficult, if not impossible, to influence it.

После послойного выделения области сердца в каждом срезе можно перейти к построению STL модели поверхности. Из выделенной на каждом участке области нужно построить точки периметра, эти полиномы станут основой для создания трехмерной STL модели сердца за счет их «сложения» по типу монетного столбика и образования проволоной модели. Далее используя алгоритм морфинга сферы можно получить из облака граничных точек STL модель для работы врача, а также можно использовать в других программных комплексах или напрямую показывать пациенту в демонстрационных целях.After layer-by-layer selection of the heart area in each section, you can proceed to constructing an STL surface model. From the area selected in each section, you need to construct perimeter points, these polynomials will become the basis for creating a three-dimensional STL model of the heart by "adding" them like a coin column and forming a wire model. Then, using the sphere morphing algorithm, you can obtain an STL model from the cloud of boundary points for the doctor's work, and can also be used in other software packages or directly shown to the patient for demonstration purposes.

Пример воссозданной трехмерной модели представлен на (Фиг. 6). Как можно отчетливо увидеть, алгоритму не удалось избежать главной ошибки построения модели - «прорастание» за пределы желаемой зоны, когда фрагмент печени был воспринят как часть сердца, и в данном случае оператору придётся его «отрезать», используя инструменты трехмерного графического редактора.An example of the reconstructed three-dimensional model is shown in (Fig. 6). As can be clearly seen, the algorithm failed to avoid the main error of model construction - "growth" beyond the desired zone, when a fragment of the liver was perceived as part of the heart, and in this case the operator will have to "cut" it off using the tools of a three-dimensional graphic editor.

Как показано на (Фиг. 6) в результате работы алгоритма он «пророс» за пределы сердца, что является следствием близкой плотности структур в диапазоне выбранных алгоритмом прилежащих тканей. Очевидно, что сами органы имеют физическую границу, однако на срезах МСКТ эта граница не отражена и алгоритм «рос» пока не встретил явное различие в плотности. Эта ошибка может быть решена при дальнейшем развитии алгоритма путём введения дополнительных «сложных» условий роста или же улучшением качества МСКТ. На данном этапе проблема решается окончательным формированием трехмерной модели вручную оператором, удаляя лишние элементы. После формирования массива опорных точек на воссозданной поверхности осуществляется аппроксимация поверхности модели сердца. Компьютерная графика располагает богатым набором средств построения поверхностей на основе опорных точек. Самым распространённым является триангуляция Делоне [4]. В итоге модель сердца состоит из множества треугольников и точек (Фиг. 7). Далее в зависимости от доступных вычислительных мощностей STL модель упрощают до необходимого уровня сложности.As shown in (Fig. 6), as a result of the algorithm's operation, it "grew" beyond the heart, which is a consequence of the close density of structures in the range of adjacent tissues selected by the algorithm. It is obvious that the organs themselves have a physical boundary, but this boundary is not reflected in the MSCT slices and the algorithm has not yet "grown" an obvious difference in density. This error can be solved with further development of the algorithm by introducing additional "complex" growth conditions or by improving the quality of MSCT. At this stage, the problem is solved by the final formation of a three-dimensional model manually by the operator, removing unnecessary elements. After forming an array of reference points on the reconstructed surface, the surface of the heart model is approximated. Computer graphics has a rich set of tools for constructing surfaces based on reference points. The most common is Delaunay triangulation [4]. As a result, the heart model consists of many triangles and points (Fig. 7). Then, depending on the available computing power, the STL model is simplified to the required level of complexity.

Источники информации:Sources of information:

1. Пат. №2724191 Российская Федерация Способ трехмерного картирования камер сердца с использованием навигационной системы «Астрокард» для лечения пациентов с нарушением ритма сердца [Текст] / Ривишвили А.Ш., Артюхина Е.А., Яшков М.В., Попов А.Ю., Васин В.А. ; заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное учреждений «Национальный медицинский исследовательский центр хирургии им. А.В. Вишневского» (RU) - №2019141386; заявл.13.12.2019; опубл. 22.06.2020 Бюл. №18.1. Patent. No. 2724191 Russian Federation Method of three-dimensional mapping of heart chambers using the Astrocard navigation system for treating patients with heart rhythm disorders [Text] / Rivishvili A.Sh., Artyukhina E.A., Yashkov M.V., Popov A.Yu., Vasin V.A.; applicant and patent holder: Federal State Budgetary Institution "A.V. Vishnevsky National Medical Research Center of Surgery" (RU) - No. 2019141386; declared.12.13.2019; published.06.22.2020 Bull. No. 18.

2. Пат. №2409313 Российская Федерация Способ неинвазивного электрофизиологического исследования сердца [Текст] / Ривишвили А.Ш., Калинин В.В., Калинин А.В. ; заявитель и патентообладатель: Ревишвили Амиран Шотаевич (RU) - №2008146994; заявл. 27.11.2008; опубл. 20.01.2011 Бюл. № 2.2. Patent. No. 2409313 Russian Federation Method of non-invasive electrophysiological study of the heart [Text] / Rivishvili A.Sh., Kalinin V.V., Kalinin A.V.; applicant and patent holder: Revishvili Amiran Shotaevich (RU) - No. 2008146994; declared 27.11.2008; published 20.01.2011 Bulletin No. 2.

3. ГОСТ Р ИСО 12052 - 2009 Цифровые изображения и связь в медицине (DICOM), включая управление документооборотом и данными : национальный стандарт Российской Федерации : дата введения 2009-09-14 / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. - Изд. официальное. - Москва : Стандартинформ, 2010. - 16 с.3. GOST R ISO 12052 - 2009 Digital imaging and communications in medicine (DICOM), including document and data management: national standard of the Russian Federation: date of introduction 2009-09-14 / Federal Agency for Technical Regulation and Metrology. - Official ed. - Moscow: Standartinform, 2010. - 16 p.

4. Скворцов А.В., Мирза Н.С. Алгоритмы построения и анализа триангуляции. - Томск: Издательство Том. Ун-та, 2006. - 168 с.4. Skvortsov A.V., Mirza N.S. Algorithms for constructing and analyzing triangulation. - Tomsk: Publishing House Tom. Univ., 2006. - 168 p.

Claims (1)

Способ трехмерной реконструкции сердца для проведения неинвазивного электрофизиологического исследования при предсердных и желудочковых тахиаритмиях, характеризующийся тем, что проводят безконтрастную обзорную компьютерную томографию, расшифровывают данные из международного стандарта передачи медицинских изображений DICOM и получают пространственную матрицу томограммы, затем выбирают референтную точку области сердца в пространственной матрице в плоскости XOZ, далее алгоритмом создают маску на нулевой итерации, в которой выбирают нулевой пиксель, а соседний пиксель, обладающий значением по модулю близким к нулевому, помещают в маску кандидатов для использования в следующей итерации, а для следующей итерации и продолжают опрос всех пикселей вокруг нулевого пикселя, а по завершении опроса, алгоритм переходит на первую итерацию, при этом нулевой пиксель переносят в маску конечного изображения, а из маски нулевой итерации его убирают, после этого получают фронт удовлетворяющих пикселей вокруг исходного нулевого пикселя, далее вокруг каждого из данных пикселей проводят проверку на поиск удовлетворяющих соседей, при этом на N-ой итерации алгоритм опрашивает соседей фронта, сформированного на N-1 итерации и выделяют сердечную мышцу в плоскости YOZ, далее этот алгоритм повторяют для каждого среза томограммы в плоскости XOY и получают компьютерную трехмерную модель сердца. A method for three-dimensional reconstruction of the heart for conducting a non-invasive electrophysiological study in atrial and ventricular tachyarrhythmias, characterized by the fact that non-contrast survey computed tomography is performed, data from the international standard for the transmission of medical images DICOM are decoded and a spatial tomogram matrix is obtained, then a reference point of the heart region is selected in the spatial matrix in the XOZ plane, then the algorithm creates a mask at the zero iteration, in which the zero pixel is selected, and the neighboring pixel, having a value in modulus close to zero, is placed in the candidate mask for use in the next iteration, and for the next iteration, and continue to poll all pixels around the zero pixel, and upon completion of the poll, the algorithm goes to the first iteration, wherein the zero pixel is transferred to the mask of the final image, and it is removed from the zero iteration mask, after which a front of satisfying pixels is obtained around the original zero pixel, then a check is carried out around each of these pixels to find satisfying neighbors, wherein At the N-th iteration, the algorithm queries the neighbors of the front formed at the N-1 iteration and selects the cardiac muscle in the YOZ plane, then this algorithm is repeated for each slice of the tomogram in the XOY plane and a three-dimensional computer model of the heart is obtained.
RU2025103006A 2025-02-12 Method for three-dimensional heart reconstruction for non-invasive electrophysiological examination in atrial and ventricular tachyarrhythmias RU2843800C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2843800C1 true RU2843800C1 (en) 2025-07-18

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2008146992A (en) * 2008-11-27 2010-06-10 Амиран Шотаевич Ревишвили (RU) METHOD FOR NON-INVASIVE ELECTROPHYSIOLOGICAL STUDY OF THE HEART
RU2409313C2 (en) * 2008-11-27 2011-01-20 Амиран Шотаевич РЕВИШВИЛИ Method for noninvasive electrophysiological examination of heart
US20140200429A1 (en) * 2013-01-16 2014-07-17 University Of Vermont Methods and systems for mapping cardiac fibrillation
RU2724191C1 (en) * 2019-12-13 2020-06-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр хирургии имени А.В. Вишневского" Министерства здравоохранения Российской Федерации Method for three-dimensional mapping of heart chambers using astrocardium navigation system for treating patients with cardiac rhythm disturbance

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2008146992A (en) * 2008-11-27 2010-06-10 Амиран Шотаевич Ревишвили (RU) METHOD FOR NON-INVASIVE ELECTROPHYSIOLOGICAL STUDY OF THE HEART
RU2409313C2 (en) * 2008-11-27 2011-01-20 Амиран Шотаевич РЕВИШВИЛИ Method for noninvasive electrophysiological examination of heart
US20140200429A1 (en) * 2013-01-16 2014-07-17 University Of Vermont Methods and systems for mapping cardiac fibrillation
RU2724191C1 (en) * 2019-12-13 2020-06-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр хирургии имени А.В. Вишневского" Министерства здравоохранения Российской Федерации Method for three-dimensional mapping of heart chambers using astrocardium navigation system for treating patients with cardiac rhythm disturbance

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107038728B (en) Contour automated determination based on iterative reconstruction
US7529396B2 (en) Method, computer program product, and apparatus for designating region of interest
JP5225387B2 (en) Volume rendering apparatus and method
CN105120738B (en) Narrow Treatment Planning
JP2001526806A (en) Method and apparatus for rapid evaluation of digital data processing parameters
WO2001037219A1 (en) Method and apparatus for reformatting tubular volumetric bodies
CN1666710A (en) Method for producing resultant images of inspected objects
US20070237380A1 (en) Three-dimensional medical image display device equipped with pre-processing system implementing clinical protocol
CN111815735B (en) Human tissue self-adaptive CT reconstruction method and reconstruction system
CN111369675B (en) Method and device for three-dimensional visual model reconstruction based on visceral pleura projection of pulmonary nodules
US9629599B2 (en) Imaging device, assignment system and method for assignment of localization data
TW201219013A (en) Method for generating bone mask
CN115209808A (en) Learning model creation method, image generation method, and image processing device
WO2014016720A2 (en) Dose deformation error calculation method and system
KR20190125592A (en) 3D Blood Vessel Construction Method using medical images
JP2007275595A (en) Reproducible view creation method for tomographic image data
CN108694007B (en) Unfolding ribs from magnetic resonance images
CN120476426A (en) A computer-implemented method, computer program product, and imaging system for calculating a centerline from a 3D model of a tubular structure
Puggelli et al. Accuracy assessment of CT-based 3D bone surface reconstruction
RU2843800C1 (en) Method for three-dimensional heart reconstruction for non-invasive electrophysiological examination in atrial and ventricular tachyarrhythmias
KR102428579B1 (en) Whole Body CT Scan 3D Modeling Method and System
CN114037803A (en) Medical image three-dimensional reconstruction method and system
Jung et al. Occlusion and slice-based volume rendering augmentation for PET-CT
US11847721B2 (en) Analysis of medical images
Khodadad et al. CT and PET Image Registration: Application to Thorax Area