2024年3月9日发(作者：瞿巧兰)

鲥needn异ReseaI_ch，'…。

轰‰巴盖器怒删

En

ngR

船砌

2013

’

…。一。、

32(2)

．

-

69~73

J0umal

ofBiomedjcal

基于弹性模型的

CT

与

CARTO

电解剖图像的配准算法术

舒丽霞1△，关燕妮1，龙德勇2，喻荣辉2

(1，首都医科大学附属安贞医院／北京市心肺血管疾病研究所，北京100029；

2．首都医科大学附属安贞医院心内科，北京100029)

摘要：提出一种全自动、高精度的cARTo电解剖图与cT曲面配准算法。该算法采用了由粗到精的配

准策略。粗配准部分分两步：首先采用刚体变换模型以及迭代最近点法，初次配准EAM与CT曲面；然后选

择仿射变换模型，再次配准EAM与cT曲面。在粗配准的基础上，以基于B样条的自由形变模型进一步精

确配准EAM与CT曲面。实验结果表明，相对临床常用的CaIto—Merge配准软件，基于弹性模型的配准算

法获得了远高于前者的EAM与CT曲面配准精度，配准效果稳定；同时算法完全自动，不需要任何手工介

入。

关键词：电解割图；CT曲面；配准；Cano—Merge；B样条；FFD

中图分类号：R318

文献标识码：A

文章编号：1672_6278(2013)02伽69m5

based

CT

and

CARTO

Elastic

Model

Electro—anato皿c

Map

I沁gistration

S删L桶a1，GUAN

YanIlil，LONG

Deyon92，YU

Ronghlli2

(1．Be彬愕A砌en脚删，C印豇口z胁如of‰觇巧妙，既咖，lg胁m姚

旷胁。厅hng口谢B幻od‰seZ仇s咖e，＆舛，lg

100029，吼i眦

2．珧Port眦川矿如一面f0∥，＆彬，lgA，如趴觑印i纠，C叩矗oZ肘ed如oZ‰妇邝酊，&莎昭100029)

Abst髓ct：To

pmpose

an

autom“c

and

accurate

CART0

electro一曲atoIIlic

m

T

ap

aIldC

sudke

re舀stration

method．Coarse

to

nne

strategy

was

used．Coarse

registration

was

diVidedint0

two

steps．First，using

goritIlm，EAM

and

cT

as

e

rigid

transf0珊and

ItemtiV

were

closest

on

Point(ICP)al-

tIle

coarse

su血ce

were

re舀stered．Then，choosing

as

affjne

transf0肌，tlley

further

aligned．Based

result

showtheinitial

poin￡and

our

B—spline

f南e—foⅡndefoⅡna“onthetransfoml

m

ere

odel，twoimages

w

6nelyre百stered．Experiments

that

ore

anual

method

alignes

EAMandCTsu西acemuch

more

accum

ano—Merge

does；me鲫while，no

m

tely

and

m

steadily

tIlall

C

operation

isneeded

du^ng出e

wholecoarse—to—fiIIe

procedure．

orIls：Electm—anatomicmap；CT

Key

w

surface；re舀stration；Carto—Merge；B—spline；FFD

l

引言

段Ⅲ。手术时医生将导管插入患者心房，依x线透

视在内壁上依次标测近百个点，模拟构建出心腔内

壁的三维解剖模型，即CARTO电解剖图(electr0一

anatomic

作为临床最常见的心律失常，心房颤动(房颤)

的致残率和致死率很高‘1|。CARTO系统指导下的

导管消融手术是当前治疗房颤最常用也最有效的手

m印，EAM)；利用EAM，医生在心腔上导航

导管，设计并定位消融线；由导管头释放电能，逐点

*国家自然科学基金资助项目(60905004)。

△通信作者

Email：1ixia．shu@hotmail．com

第2期舒丽霞．等：基于弹性模型的cT与cAR7r0电解剖图像的配准算法

71

覆盖在EAM与CT曲面所在的空间中，在基于B样

条的FFD模型下，EAM中的标测点(x，y，z)被映射

到cT曲面的对应点(戈+出，)，+匆，z+出)上，偏移

量(也，咖，出)由标测点(戈，)，，z)周围的4×4×4

个控制点决定，具体表示如下：

333

Tabk

1

鼬

gis

晌

6

∞咖脚伽

a

表1单组图像对配准性能比较

AM

and

p8ir

0fE

c1'

幽

(也，咖，出)=(6，，艿，，晚，)．木，∑∑．∑^

Bf(M)曰。(口)B。(加)妒i+“+。，々+。

个方向上的间隔大小，

风(M)=(1一u)3／6

(4)

这里占，，6，，皖分别表示FFD网格在戈、八z三

木表示矩阵对应元素之间

分别相乘，B。表示B样条的第Z个基函数：

B-{M?={3u3

—

6

Ⅱ

2

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、’

其中u=x，8。一＼_。c／8。＼，∞=，／8，一＼_了／8，＼．埘=z／8z

—L加：J，L．J表示向下取整，江L戈届，-J一1，J=L∥

占，J一1，．|}=L加：J一1。

从(4)式可知，在网格间隔(6，，艿，，占：)已知的

情况下，偏移量(如，匆，出)完全由控制点

妒…n。¨。确定，改变调整控制点妒，即可实现心脏

EAM与CT曲面的配准。若控制点多，则网络间隔

小，控制网格细密，变形模型趋向于描述局部形变；

若控制点少，则网络间隔大，控制网格稀疏，变形模

型便趋向于描述全局形变。

3实验结果与分析

3．1实验数据与方法

由于真实的EAM与CT曲面上没有金标准，不

能准确验证配准算法的有效性。为了更好地验证算

法，在本文中，我们以模拟EAM与CT曲面参与实

验。模拟CT曲面取自一个心脏模型(见图1(a))。

从cT曲面上我们随机抽取若干个点(见图l(a)中

标记为木的点)，然后对其做仿射变换，并增加小幅

度的随机噪声，生成另一组点集，用作待配准的

EAM标测点(见图1(a)中标记为。的点)；在CT

曲面上随机抽取的点(标记为：．：的点)就是金标准

数据。因为配准EAM与CT曲面，本质即是配准标

测点与CT曲面，所以没有显示模拟构建的EAM。

以此方式，我们生成了16组EAM与CT图像对。

采用本研究提出的弹性配准算法，我们分别配准了

这16组图像对，并与CaJto—Merge的实验结果进行

了比较。考虑到配准精度与配准时间之间的平衡，

弹性配准过程中，我们设定FFD网格为5×5×5。

上海建材建材情报

目次

ateriaIs＆Equipment

Bu¨ding

M

建材情报

材料与设备

企业产品价格信息

ls＆MarketConditions

工程中标信息

工程备案信息

国内求购信息

输稿信息

审蘸信息

I程螽豢

纂螭信艇

第2期舒丽霞，等：基于弹性模型的cT与cART0电解剖图像的配准算法

oftheleft

73

然而，弹性配准耗时较长，所以下一步我们将继

续探讨弹性配准的算法优化问题，以期获得既精确

又快速的EAM与cT曲面配准。

参考文献：

[1]Benj锄in

EJ，Leyy

D，Vaz洒sM，eta1．1ndependent

risk

f如tors

for

a试um[J]．Med

I”agecomputco“put

Assist

Interv，

2008，11(2)：847—854．

[10]Holmes

and

DR，Dalegravec，stanton

c，et

for

a1．Acombinedsurface

volumemc印pmach

regist阳tion

of

patientspecific

modelsinto

leftatrial

tiDnal

ca—iacablation

pm

a—

cedures[c]．The

sixthIEEEIntem

iomedical

SyTnposium

on

B

K，zhao

Imaging，2009．1087一1090

circum—

[11]TangDD，zhaJlgⅣ，et

a1．Init“expe—encewith

a试al

fibriUa￡ionin

a

population—basedcohort：the

fr踟ingh啪heart

study[J]．Joumal

oftheAmericanMedical

Association，1994，271

(11)：840一8“．

[2]0uyang

F，Bansch

D，Emst

s，eta1．complete

isolation

of

left

atri—

um

suⅡoun击ng

the

pulmonary

veins：new

insi曲ts

fjDmthedoubie一

【越so

technique

in

pamxysmal

atdal肺rillation[J]．

circulati仰，

2004。llO(15)：2090一2096．

[3]徐亚伟，唐恺，马坚，等．联合应用磁共振扫描与三维电解剖标测

系统图像融合技术及L”so导管标测技术指导环肺静脉隔离治

疗心腔颤动[J]．中国介入心脏病学杂志．2007，15(4)：194—

197．

[4]Sm

J，Ratnakumar

s．cardiac

image

re舀stration

oftheleftatdum

aIId

pulmonary

veins[j]．HeanRhythm，2008，5(4)：609—617．

[5]Dong

J，Dalal

D，scherrD，et

a1．Impact

ofheart

rhythm

status

on

registration

accuracy

oftheleftat^um

for

eatheterablationof

atrial

6-

b而llation[J]．Joumal

of

cardiovascular

Electrophysiology，2007，18

(12)：1269一1276(8)．

[6]BertagIia

E，Brandolino

G，zoppo

F，et

aI．Inte孕ation

ofthree—di—

mensional

k矗撕al

m89netie

resonanee

images

into

a

real—time

electIDanatomic

mappi“g

system：validation

of

a

registmtion

method

[J]．Pacing

clin

Elec￡rDphysi。l，2008，3l(3)：273—282．

[7]wagner

M，ButlerC，Rief

M，et

a1．comp“son

of

non—gated

vs．

elec虹ocardiogram—gated

64一detector—row

computed

toIno弘phy

for

integmted

electroanatomic

mapping

in

patientsundergoingpulmo-

nary

vein

isolation[J]．EuI_opace，2010，12(8)：1090—1097，

[8]Itoh

T，sasakis，KimuraM，et

a1．Three—dimensionalcardiac

im一

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integration

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mapping

of

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to

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pulmonary

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Interv

ca耐Electmphysiol，2010，29(3)：167—173．

[9]Koolwal

AB，Barb嘻i

F，c盯lsoncR，eta1．Anincrementalmethod

for

registering

elect田anatomic

mapping

data

to

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ferential

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isolation

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inthetreatmentof

paIDxysmal

atrial

fibrillation[J]．

chin

Med

J(En91)，2010，123(10)：1269—1272．

12]cristoforetti

A，Mase

M，Fks

L，et

a1．Astochastic

8ppmach

for

automatic

re画stration

alldfusion

ofleft

atriaI

electmanatomicwiIh

3D

cTa11atomical

images[c]．Physics

inMedicineaJld

Biology，2007．

52(20)：6323～6337(15)．

13]Nollo

G，c^stofore￡tjA，Fhes

L，e￡a1．Re矛stratjon

andfusionof

se舯ented

left鲥um

CT

images

withCARTO

elec访cal

maps

for

the

ablative

tre栅ent

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fibriUation[J]．computers

in

cardiolqgy，

2004，3l：345—348．

14]Simon

A，LecleI℃q

c，PavinD，et

a1．Datafusion

0fleftventricle

e．

1ectm一卸atomical

mapping

8ndmultislice

computerizedtomography

[c]．The

16th

IEEE

Intemational

conference

on

ImagePrlDcessing．

2009．1745—1748．

15]“xia

Shu，Y卸ni

Gu卸，Deyong

L0ng，et

al，A

fuuy

auIomatic

reg

istrationmethodforCARTo

elec咖一anatomjc

m印aIld

CTsurface

[J]．Computing

in

caIdiolo影，2012，39：553—556．

16]舒丽霞，关燕妮，龙德勇，等．基于H“sdom距离的cARrrO电

解剖图与cT曲面配准[J]．生物医学工程研究，2叭2，31(2)：

74—78．

17]Fahmy

1s，Mlcochova

H，wazni

0M，et

aI．Intracardiac

echo—

guided

im89e

integration：opli两zi“g8如te舀es

for

re舀stration[j]．

Jou功al

ofCaldjov船cular

Elec的physiology，2007，18：276～282．

18]zhi№in

P，Alex∞der

ME，A舔ne

re舀stration：acomp矗son

of

sev—

eral

pmgrams[J]．MagIl

Reson

Ima西ng，2004，22(1)：55—66．

19]Rueckert

D，sonoda

u，Hayes

c，et

d．Non^舀d代舀stration

using

fke—fo皿def0Hnation

application

to

breast

MR

images[J]．IEEE

TransMed

lm姆“g，1999，18(8)：712—721．

(收稿日期：2013一04—20)

[

[

[

[

[

[

[

[

2024年3月9日发(作者：瞿巧兰)

鲥needn异ReseaI_ch，'…。

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J0umal

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基于弹性模型的

CT

与

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电解剖图像的配准算法术

舒丽霞1△，关燕妮1，龙德勇2，喻荣辉2

(1，首都医科大学附属安贞医院／北京市心肺血管疾病研究所，北京100029；

2．首都医科大学附属安贞医院心内科，北京100029)

摘要：提出一种全自动、高精度的cARTo电解剖图与cT曲面配准算法。该算法采用了由粗到精的配

准策略。粗配准部分分两步：首先采用刚体变换模型以及迭代最近点法，初次配准EAM与CT曲面；然后选

择仿射变换模型，再次配准EAM与cT曲面。在粗配准的基础上，以基于B样条的自由形变模型进一步精

确配准EAM与CT曲面。实验结果表明，相对临床常用的CaIto—Merge配准软件，基于弹性模型的配准算

法获得了远高于前者的EAM与CT曲面配准精度，配准效果稳定；同时算法完全自动，不需要任何手工介

入。

关键词：电解割图；CT曲面；配准；Cano—Merge；B样条；FFD

中图分类号：R318

文献标识码：A

文章编号：1672_6278(2013)02伽69m5

based

CT

and

CARTO

Elastic

Model

Electro—anato皿c

Map

I沁gistration

S删L桶a1，GUAN

YanIlil，LONG

Deyon92，YU

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(1．Be彬愕A砌en脚删，C印豇口z胁如of‰觇巧妙，既咖，lg胁m姚

旷胁。厅hng口谢B幻od‰seZ仇s咖e，＆舛，lg

100029，吼i眦

2．珧Port眦川矿如一面f0∥，＆彬，lgA，如趴觑印i纠，C叩矗oZ肘ed如oZ‰妇邝酊，&莎昭100029)

Abst髓ct：To

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l

引言

段Ⅲ。手术时医生将导管插入患者心房，依x线透

视在内壁上依次标测近百个点，模拟构建出心腔内

壁的三维解剖模型，即CARTO电解剖图(electr0一

anatomic

作为临床最常见的心律失常，心房颤动(房颤)

的致残率和致死率很高‘1|。CARTO系统指导下的

导管消融手术是当前治疗房颤最常用也最有效的手

m印，EAM)；利用EAM，医生在心腔上导航

导管，设计并定位消融线；由导管头释放电能，逐点

*国家自然科学基金资助项目(60905004)。

△通信作者

Email：1ixia．shu@hotmail．com

第2期舒丽霞．等：基于弹性模型的cT与cAR7r0电解剖图像的配准算法

71

覆盖在EAM与CT曲面所在的空间中，在基于B样

条的FFD模型下，EAM中的标测点(x，y，z)被映射

到cT曲面的对应点(戈+出，)，+匆，z+出)上，偏移

量(也，咖，出)由标测点(戈，)，，z)周围的4×4×4

个控制点决定，具体表示如下：

333

Tabk

1

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表1单组图像对配准性能比较

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个方向上的间隔大小，

风(M)=(1一u)3／6

(4)

这里占，，6，，皖分别表示FFD网格在戈、八z三

木表示矩阵对应元素之间

分别相乘，B。表示B样条的第Z个基函数：

B-{M?={3u3

—

6

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2

t4)／6，

B2(u)=(一3u3+3u2+3u+1)／6

曰3(u)=M3／6

(5)

、’

其中u=x，8。一＼_。c／8。＼，∞=，／8，一＼_了／8，＼．埘=z／8z

—L加：J，L．J表示向下取整，江L戈届，-J一1，J=L∥

占，J一1，．|}=L加：J一1。

从(4)式可知，在网格间隔(6，，艿，，占：)已知的

情况下，偏移量(如，匆，出)完全由控制点

妒…n。¨。确定，改变调整控制点妒，即可实现心脏

EAM与CT曲面的配准。若控制点多，则网络间隔

小，控制网格细密，变形模型趋向于描述局部形变；

若控制点少，则网络间隔大，控制网格稀疏，变形模

型便趋向于描述全局形变。

3实验结果与分析

3．1实验数据与方法

由于真实的EAM与CT曲面上没有金标准，不

能准确验证配准算法的有效性。为了更好地验证算

法，在本文中，我们以模拟EAM与CT曲面参与实

验。模拟CT曲面取自一个心脏模型(见图1(a))。

从cT曲面上我们随机抽取若干个点(见图l(a)中

标记为木的点)，然后对其做仿射变换，并增加小幅

度的随机噪声，生成另一组点集，用作待配准的

EAM标测点(见图1(a)中标记为。的点)；在CT

曲面上随机抽取的点(标记为：．：的点)就是金标准

数据。因为配准EAM与CT曲面，本质即是配准标

测点与CT曲面，所以没有显示模拟构建的EAM。

以此方式，我们生成了16组EAM与CT图像对。

采用本研究提出的弹性配准算法，我们分别配准了

这16组图像对，并与CaJto—Merge的实验结果进行

了比较。考虑到配准精度与配准时间之间的平衡，

弹性配准过程中，我们设定FFD网格为5×5×5。

上海建材建材情报

目次

ateriaIs＆Equipment

Bu¨ding

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建材情报

材料与设备

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输稿信息

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I程螽豢

纂螭信艇

第2期舒丽霞，等：基于弹性模型的cT与cART0电解剖图像的配准算法

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73

然而，弹性配准耗时较长，所以下一步我们将继

续探讨弹性配准的算法优化问题，以期获得既精确

又快速的EAM与cT曲面配准。

参考文献：

[1]Benj锄in

EJ，Leyy

D，Vaz洒sM，eta1．1ndependent

risk

f如tors

for

a试um[J]．Med

I”agecomputco“put

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Interv，

2008，11(2)：847—854．

[10]Holmes

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DR，Dalegravec，stanton

c，et

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a1．Acombinedsurface

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regist阳tion

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[11]TangDD，zhaJlgⅣ，et

a1．Init“expe—encewith

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[2]0uyang

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pulmonary

veins：new

insi曲ts

fjDmthedoubie一

【越so

technique

in

pamxysmal

atdal肺rillation[J]．

circulati仰，

2004。llO(15)：2090一2096．

[3]徐亚伟，唐恺，马坚，等．联合应用磁共振扫描与三维电解剖标测

系统图像融合技术及L”so导管标测技术指导环肺静脉隔离治

疗心腔颤动[J]．中国介入心脏病学杂志．2007，15(4)：194—

197．

[4]Sm

J，Ratnakumar

s．cardiac

image

re舀stration

oftheleftatdum

aIId

pulmonary

veins[j]．HeanRhythm，2008，5(4)：609—617．

[5]Dong

J，Dalal

D，scherrD，et

a1．Impact

ofheart

rhythm

status

on

registration

accuracy

oftheleftat^um

for

eatheterablationof

atrial

6-

b而llation[J]．Joumal

of

cardiovascular

Electrophysiology，2007，18

(12)：1269一1276(8)．

[6]BertagIia

E，Brandolino

G，zoppo

F，et

aI．Inte孕ation

ofthree—di—

mensional

k矗撕al

m89netie

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images

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mappi“g

system：validation

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[J]．Pacing

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Elec￡rDphysi。l，2008，3l(3)：273—282．

[7]wagner

M，ButlerC，Rief

M，et

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elec虹ocardiogram—gated

64一detector—row

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toIno弘phy

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[8]Itoh

T，sasakis，KimuraM，et

a1．Three—dimensionalcardiac

im一

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only

lefca出al

posteri—

or

wallwit|ICT

image

to

guide

circumferential

pulmonary

veinabla—

tion[J]．J

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for

registering

elect田anatomic

mapping

data

to

sud．acemeshmodels

ferential

pulmonary。ein

isolation

guldedby0verlay

RefaI】dCar-

toMerge

inthetreatmentof

paIDxysmal

atrial

fibrillation[J]．

chin

Med

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ofleft

atriaI

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se舯ented

left鲥um

CT

images

withCARTO

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for

the

ablative

tre栅ent

ofatrial

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(收稿日期：2013一04—20)

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