医疗训练方法及设备的制作方法

专利名称：医疗训练方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及促进医疗训练，且具有进一步的应用。
背景技术：
医疗成像装置为许多医疗应用提供了重要的诊断工具。医疗成像装置的一个示 例为超声扫描仪。可通过将高频超声波发送至人体并对所发送的声波的反射波进行接收 和处理来执行超声扫描，以创建器官或体内其他结构的图像。出于诊断的目的，医学专业人员可通过使用手持式探测器(或更为普遍地被称 之为换能器)、将该手持式探测器直接置于人体表面上并在人体表面上移动，以执行超声 扫描。本质上，所述换能器发送声波至人体，并接收反射自内部器官、液体以及组织的 回波。所反射的波被转换成相应的电脉冲，该电脉冲被发送至电子分析仪，并由计算机 进行显示，该计算机可转而在监视器上创建实时图像。心脏超声波或超声心动图使用标准的超声技术来对心脏的二维切片进行成像。 超声心动图允许医学专业人员对心跳进行分析，显现心脏的结构，以对心脏的状态进行 监视，并对心血管疾病进行诊断。现存在两种主要类型的超声心动图，即经胸超声心动图(TTE)以及经食道超声 心动图(也被称之为TEE或TOE)。TTE为标准的非侵入式手术，且可通过将换能器置于胸壁、并穿过胸腔瞄向心 脏来执行。类似的，换能器记录反射自患者胸腔内部结构的声波回声。在此手术中，肺 和肋骨可能会阻碍视线，但可应用少量进入静脉的染料来改善图像。虽然TTE已被视为是精确度很高的手术，但其精确度可能会因为肥胖症、肺慢 性阻塞性疾病或胸壁畸形而降低。在这些情况下，推荐使用TOE。在TOE手术中，将 含有换能器的柔性管引导进入患者喉咙，并插入到食道底部。该手术可允许得到心脏的 更清晰的二维超声心动图。随着超声心动图变为广泛使用的诊断工具，超声心动图的训练及认证也变得极 其重要。超声心动图的训练包括以下内容超声的基本形态(aspect)的教学、执行超声 心动图检查以得到对三维心脏解剖的完整理解、解释二维(2D)屏幕图像、以及学习根据 多个2D图像来构建心脏的构思模型。因此，亟需提供一种理想的训练装置，以用于训练医学专业人员使用超声心动 图仪器以及解释产生的2D超声图像。其他类型的医学成像装置也存在类似的需求，诸如磁共振成像(MRI)扫描仪、
X射线装置等。

发明内容
有鉴于上述问题，本 发明提供了一种通过对选择数据和模型数据进行处理以生 成输出数据(该输出数据表示在对所选区域进行成像时医学成像装置的输出的仿真)来对医学成像装置的输出进行仿真的方法(及相应设备)。还可提供进一步的设备及方法，包括但不限于人体模型(mannequin)和仿真器探 测器。这些进一步的设备及方法并不必局限于医学成像装置领域。


下面将参考附图对本发明的实施方式进行描述，其中图1为传统的超声扫描装置的操作的图示；图2为示出了经胸超声心动图(超声检查)手术的患者截面示意图；图3为来自超声成像装置的典型输出的示意图；图4为示出了适用于第一实施方式的典型计算机系统的组件的示意图；图5为示出了根据第一实施方式的超声仿真系统的组件的示意图；图6为图5的模型数据存储内的数据结构的示意图；图7为示出了超声仿真器系统的屏幕显示的示意图；图8为超声仿真器系统的屏幕显示的屏幕截图；图9为本实施方式中所使用的解剖数据的示意图；图10为示出了用于形成图7和图8的超声图像的处理步骤的流程图；图11为更为详细地示出了图10中添加超声伪影的处理步骤的流程图；图12为更为详细地示出了图10中覆盖进一步的伪影及信息的处理步骤的流程 图；图13为图10、图11以及图12的处理步骤的总体视图；图14为图10至图13的处理步骤的总体视图；图15为根据进一步实施方式的超声仿真系统的示意图；图16为仿真器系统的组件的更为详细的示意图；图17示出了典型超声换能器的操作，该操作示出了需要仿真的控制及运动；图18为图15至图17的实施方式的变型的示意图；图19为图15至图17的实施方式的进一步变型的示意图；以及图20为涉及参数化的进一步实施方式的示意图。
具体实施例方式在对附图所示的实施方式进行详细描述之前，将作出以下总体及非限制性的申 明一个实施方式提供了一种对医学成像装置(该医学成像装置可用于对解剖结构 进行成像)的输出进行仿真的方法，该方法包括访问模型数据，该模型数据表示解剖 结构的模型；访问选择数据，该选择数据表示待成像解剖结构的所选区域；以及处理所 述选择数据和模型数据，以生成输出数据，该输出数据表示在对所选区域进行成像时医 学成像装置的输出的仿真。通过对表示解剖结构的模型数据进行访问以形成表示医学成像装置的输出的仿 真的输出数据，可提供更为通用的仿真。例如，如果需要，可通过对所述模型进行适当 的改良来提供更为精确的仿真。
在此所使用的涉及结构的术语“模型”优选地意味着对所述结构的表示或描 述，更为具体地可指结构组成部分的数学或几何抽象。该几何抽象例如可包括一组互联 多边形，该组互联多边形形成了近似于正讨论的结构的表面或体积的复杂表面或体积。 术语“成像”优选地意味着对传感器输入进行处理，以(最终)形成用户(例如，诸如 医学专业人员)可理解的图像(图片)。医学成像装置可涉及任何能够执行用于治疗应用 或外科应用的成像功能的装置，例如一般可涉及对电磁、电、磁、声音或其他微扰(其 可能由该设备所引起)进行检测以确定患者解剖体的所选区域(诸如，表面或体积)的构 图。术语“结构”可涉及特定器官或人体部位，或更为广泛地涉及例如给定体积或区域 内所围住的解剖体的非特定部位。下面将为更详细地对选择数据进行论述，但其一般是 对某形式的用户输入进行编码，例如对键盘上的按键按压、通过点击装置(诸如鼠标)或 其他输入装置(例如，在专门在单个计算机设备内执行本方法的实施方式中)选择点或区 域进行记录。在在此所述的一个实施例中，所述解剖结构为心脏，且所述医学成像装置为超 声探测器。在本实施例中，所述模型数据包括通过使用多边形模拟技术对心脏及心脏的 相关子结构的3D定义。在此特定实施例中，可向医学专业人员提供涉及心脏的高级医学 训练，而不必要依赖于“体内(in vivo)”技术。解剖结构、医学成像装置以及模型数据 (除了其他方面)的其他实施例当然也是可以的，以下将给出进一步的实施例。处理选择数据和模型数据的步骤可进一步包括对医学成像设备所执行的图像处 理步骤进行仿真。该步骤可包括执行与由仿真医学成像装置执行的或在医学成像装置内 执行的处理相类似的处理步骤(或对所述处理进行仿真)，诸如图像锐化、覆盖仿真医学 信息、成像剪切、增益及对比度调节等。这可提供更为理想的医学成像装置输出仿真， 允许医学专业人员更为直接地将仿真输出与实际输出进行比较。所述医学成像装置可包括用于对穿过患者传播的信号进行感测的传感器，且其 中处理选择数据和模型数据的步骤可进一步包括对涉及信号传播的物理效应进行仿真。 这可进一步总体提高仿真的精确度。物理效应的仿真例如可包括对信号进行射线跟踪 (特别是在信号发射自公知发射器的情况下，该发射器例如可以为传感器、传感器探测 器自身或远程源(例如，在X射线的情况下))，或考虑与某类信号的传播有关的物理现 象。所述处理选择数据和模型数据的步骤可进一步包括对选择数据所定义的部分模 型进行绘制，以形成输出图像。该绘制可能需要形成所述模型的所选区域的2D或3D表 示，例如作为像素或体素阵列(传统的计算机可读“图像”)或图形操作列表(诸如，
“矢量图形”图像)。该图像可显示于例如计算机或使用传统显示硬件的其他显示屏上。更具体而言，所述对部分模型进行绘制包括形成截面图的步骤。可通过多种医 学成像装置输出截面图，因为他们一般均用于获取有关患者内部结构的信息。尤其需 要进行医学训练，以允许医生基于结构的给定截面或一组截面来形成解剖结构的构思图 像。所述处理选择数 据和模型数据的步骤可进一步包括将至少一个视觉伪影 (artefact)添加至所述输出图像。在超声的情况下，例如，各种机构均可能导致视觉伪 影，诸如能量组织相互作用的物理机制、或因患者移动而导致的数据采集误差。以下将给出一些物理效应及伪影的具体实施例。对于使用径向扫描原理的医学成像装置(诸如，超声换能器)而言，已注意到可 在平行于信号传播路径(或在某些情况下可能横穿该信号传播路径)的方向上产生视觉伪 影。对于此类装置，生成所述至少一个伪影的步骤可进一步包括相对于所述输出图像 定义极坐标空间，该极坐标空间对应于径向扫描所扫过的区域；将所述输出图像从所定 义的极坐标空间转换至平面坐标空间，以形成平面坐标转换图像，所述平面坐标空间具 有两个正交轴，所述正交轴中的一者对应于径向扫描的径向方向，另一者对应于径向扫 描的扫描方向；对所述平面坐标转换图像的单独行和单独列进行处理，以将视觉伪影添 加至所述平面坐标转换图像；以及将所述平面坐标转换图像转换回极坐标空间。 通过将输出图像从极坐标空间转换至平面坐标空间以添加伪影、并在之后将图 像转换回极坐标空间，可更有效地执行伪影的生成，因为在平面坐标转换图像中，单独 的信号路径已被分为图像的单独行(或列)，从而可独立于任何其他内容而对该单独的信 号路径进行单独处理(例如，根据例如扫描分辨率)。还可以以独立形式提供所述特征。相应地，在另一个实施方式中，提供一种生 成图像以对成像装置(该成像装置可操作以执行径向扫描)的输出进行仿真的方法，且该 方法包括接收表示成像装置的近似输出的图像；相对于该图像，定义极坐标空间，该 极坐标空间对应于径向扫描所扫过的区域；将所述图像从所定义的极坐标空间转换至平 面坐标空间，以形成平面坐标转换图像，所述平面坐标空间具有两个正交轴，所述正交 轴中的一者对应于径向扫描的径向方向，另一者对应于径向扫描的扫描方向；生成至少 一个视觉伪影并将该至少一个视觉伪影添加至所述输出图像，包括对所述平面坐标转换 图像的单独行和单独列进行处理、以将视觉伪影添加至所述平面坐标转换图像的步骤； 以及将所述平面坐标转换图像转换回极坐标空间，以形成输出图像数据。所述方法可进一步包括生成边缘检测数据(该边缘检测数据对有关输出图像 数据中的边缘过渡的信息进行编码)。该边缘检测数据可例如包括对所检测的边缘的 位置和/或属性(诸如，“硬度”)进行编码的数据。所述生成边缘检测数据的步骤 可包括对输出图像数据进行扫描以检测边缘并将与所检测的边缘有关的特性记录至边 缘检测数据中，或可例如包括访问模型数据以确定模型所表示的边缘之间的对应部分 (correspondence)以及在输出图像数据中的各个地点。已经注意到，在医学成像装置的输 出中的多个伪影关系到由患者的内部结构中的边缘过渡所引起的效应。所述边缘过渡可 对应于不同类型组织之间、固体结构与空隙之间、不同结构之间、患者体外与体内之间 等的边界。通过生成边缘检测数据，可使得多个后续的图像处理步骤得到简化和/或更 为高效。生成所述至少一个视觉伪影的步骤可包括对边缘检测数据进行处理，以将回响 伪影添加至输出图像数据，该回响伪影表示因多个边缘过渡处的探测器信号反射而导致 的重影图像。所述处理可进一步包括将所检测的反射的数量限制于有限数，以减少总的 处理量，且还可包括根据所发生的反射的数量来减小重影图像的幅度。另外地，或可选地，生成所述至少一个视觉伪影的步骤可包括对边缘检测数据 进行处理，以将阴影伪影添加至输出图像数据，该阴影伪影表示因多个边缘过渡处的探 测器信号衰减所导致的成像区域某些部分的掩蔽。
此外，生成所述至少一个视觉伪影的步骤可包括将规则伪影(systematicartefact)
添加至平面坐标转换图像，所述规则伪影具有基于平面坐标空间的轴中的一个轴而变化 的特性。所述规则伪影可为图像衰减，例如在此情况下，所述衰减可具有强度特性，该 强度特性的幅度随着沿着与扫描中的径向距离相对应的轴的距离增大而增大。这可促使 图像随着距仿真传感器的距离而逐渐变淡，这可例如有助于在探测器信号发射自包含传 感器的收发机(例如如同利用超声换能器的情况那样)时，对信号衰减的效果进行仿真。当然，其他伪影类型也是可能的，诸如噪声(高斯噪声或其他方面的)，且其他 变化形式的特性也是可能的。例如，可通过根据横轴(即，对应于径向扫描角度的轴) 对图像进行衰减，且具体为在所述轴的最末端对图像进行更大的衰减，来实现径向扫描 区外缘处的信号衰落。另外，可通过根据所检测的边缘过渡来向输出图像插入图像噪声 (诸如，高斯噪声)来提供散射效果。在一个实施方式中，所述输出图像数据可包括多列图像元素，且生成边缘检测 数据的步骤可包括生成表示边缘过渡位置的数据的稀疏数组，该稀疏数组具有多个列和 多个行，所述多个列与输出图像数据的各列相对应，特定列的每一连续行的值表示输出 图像数据的各个列中的每一连续边缘过渡的地点。可通过使用例如上述极坐标至平面坐标转换方法中的任一者来对输出图像数据 进行预处理，以将每一列图像元素映射至一个或多个探测器信号的信号路径(如上所 述)，以简化处理。可以理解的是，如果需要，稀疏数组的行和列可以互换，且输出图像 数据的行和列亦是相类似的。所述图像元素可为像素、或例如体素(三维像素)的行或 列，该体素的行或列可在适当情况进一步被细分。优选地，可通过对输出图像数据中与 所最后检测的边缘相对应的行之后的相关列进行扫描，以确定每一连续的边缘过渡。所 述稀疏数组中每一项的值可为例如对输出图像数据中的行号进行编码的数。该数可以以 任何合适的形式被编码，诸如彩色数据(以允许图形处理单元(GPU)对稀疏数组进行处 理)。如果输出图像数据的大小为mXn，例如稀疏数组的大小可为mXs个单元(或实 际的像素)，其中s (稀疏数组中所要求的最大行数)一般远小于η。从而，可将边缘检 测信息存储于存储器中相对小的区域内。生成数据的稀疏数组的步骤可包括创建多个数据矢量，每一数据矢量对应于 所述稀疏数组的行；顺次对每一数据矢量进行处理，对每一连续数据矢量的处理会访问 各个在前数据矢量中的数据；以及合并多个数据矢量，以形成数据稀疏数组。优选地，所述数据矢量可为大小为mXl的图像(其中稀疏数组的整体大小为 mXs,如之前所述)。这可允许每一图像由图形处理单元(GPU)来处理，减小了中央处 理单元(CPU)的负荷。另外，GPU的高并行本能可允许并行计算每一图像中每一列的值 (在此情况下，这是可能的，因为在输出图像数据的单独列中边缘被检测，因此稀疏数组 中每一列的值与其他列的值是完全独立的)。稀疏数组中给定列中不同行的值取决于其他 行，因此无法被并行处理。通过将稀疏数组分割为一系列行“切片(slice)”，可使GPU 的并行处理本能得到最大程度的利用。在另一实施例中，生 成所述至少一个视觉伪影的步骤可包括访问体积噪声数 据，该体积噪声数据表示围绕解剖结构的体积内的随机生成噪声数据值的分布；处理所述体积噪声数据，以将大量噪声数据值映射到输出图像数据的元素；以及处理输出图像 数据，以将所映射的噪声数据值重叠至输出图像数据的各个元素上。这允许不考虑待成像的所选区域(包括位置及方向)，始终且可重复地应用随机 生成的噪声数据值。这可允许对变化组织密度等的理想仿真(当从不同的位置和方位观 察时该仿真近似稳定不变)。 所述体积噪声数据可包括例如多个体素(沿着三个正交轴布置的三维像素值的 数组或矩阵)，或可选地以算法生成(更为具体地，例如，可依赖于算法来生成随机数生 成器的种子，该种子包括标识了体积内的点的三个纵坐标)。可以理解的是，涉及图形处理单元(GPU)的上述原理可更为广泛地应用于本发 明的其他方面。因此，所述处理选择数据和模型数据的步骤可进一步包括通过使用图形 处理单元(GPU)来对选择数据和模型数据进行处理。在一个实施方式中，所述方法可进一步包括访问定义了模型的至少一个参数的 模型参数数据，且其中所述处理所选数据和模型数据的步骤进一步包括通过使用所述模 型参数数据来对模型进行转换。所述模型参数数据可包括有关模型的形态(aspect)的规范或约束。例如，所述 参数可指明应用至模型特定部分或整个模型的比例因子(诸如，与所定义的模型方位结 合使用的长宽比例因子)。所述参数还可涉及定时，该定时可为绝对的、或相对于所定义 的动画周期内的点。例如，根据定时周期模型可不断变形，且可依据所述参数或通过使 用查找表等来进行算术变形。参数的使用可减小显示多个相关模型所需的存储容量。所述方法可进一步包括接收与实际解剖结构相关的实际医学成像数据；以及 通过估计实际解剖结构的参数，对该实际医学成像数据和模型数据进行处理，以生成参 数数据。在此，“实际”仅是与“仿真”相对而言。换句话说，“实际”医学成像数 据为(非仿真)医学成像装置所输出的数据，而“实际”解剖结构为(非仿真)医学成 像装置所成像的解剖结构。所述参数数据可通过使用例如贝叶斯(Bayesian)或其他统计 方法来估计。可被估计的参数包括与维数相关的参数以及与定时相关的参数，例如，与 周期内的相对定时相关的参数。通过将解剖结构模型与实际医学成像数据合并到一起，可以以更为抽象的形式 展现有关实际解剖结构的信息，这对于医学专业人员而言是更为有用的。例如，通过将 参数化模型与“健康”模型进行比较，可更为有效地识别出病状。所述参数数据例如可 被存储或发送(参见以下描述)。生成所述参数数据的步骤可进一步包括访问成像位置数据，该成像位置数据 标识了与实际医学成像数据相关联的成像区域；生成与所述成像位置数据相对应的区域 的输出图像数据；以及通过将实际成像数据与输出图像数据进行比较来确定参数。所述成像位置数据例如可从医学成像装置直接接收，或从实际医学成像数据上 覆盖的信息(诸如，文本)获取，或例如可参考模型数据并根据实际医学成像数据来估 计。所述方法可进一步包括经由网络接收所述参数数据。可选的，可使用其他合适 的输入过程(诸如，从连接到主计算机的可移动媒介下载参数数据)。这可允许模型的 特别定制版本在不要求对模型(或模型的多组版本)自身进行传输的情况下被共享。这可促进训练及参考物质(例如，与相关结构的某些病状相关的训练及参考物质)的分布。可以理解的是，也可通过类似的手段共享上述其他数据项。还可以理解的是，所述方法 可进一步包括经由网络发送所述参数数据。关于上述定时参数，可采用以下可选方法所述方法可进一步包括访问定时数 据，且所述访问模型数据的步骤可进一步包括依赖于所述定时数据来从多组模型数据中 选择模型数据。因此，可存储多个模型版本，并依赖于定时数据(该定时数据例如可表 示动画周期中的当前位置)来选择合适的模型版本。可以理解的是，可以以类似的方式 对其他方面进行控制。例如，在作出所有必须的变形以对应于当前的模型版本的情况 下，还可依赖于定时数据来选择合适的体积噪声数据(如上所述)版本。如果所述定时数据指定了时间周期，则所述方法可进一步包括依赖于定时数 据来从多组模型数据中选择进一步的模型数据，首先选择的模型数据与所指定时间周期 之前的时间周期相关联且所进一步选择的模型数据与所指定时间周期之后的时间周期相 关联；对所述首先选择的模型数据与所进一步选择的模型数据进行内插，以生成内插模 型数据。通过使得针对给定总量的动画“帧”需要提供的模型数据组更少，这可减少所 需的存储量。所述时间周期可为例如绝对定时值或限定的动画周期内的时间偏移。在与解剖结构相关的实施方式中，所述模型数据可定义解剖结构的多个子结 构，且所述方法可进一步包括接收用户选择数据，该用户选择数据标识了输出图像数 据的所选部分；处理解剖数据(该解剖数据包括与每一子结构相关联的解剖信息)，以选 择与输出图像数据的所选部分相关联的解剖数据；以及输出所选择的解剖数据。通过在对输出图像的特定部分作出用户选择时允许输出相关解剖数据(以及例 如在输出图像邻近显示相关解剖数据)，这可提高用于训练医学专业人员的方法的有用 性。所述解剖数据可包括所选子结构的名称和/或描述，且可还包括层级信息，例如示 出了子结构层级内的所选子结构的相关布置。所述用户选择数据可包括输出图像数据内 的像素(或体素)坐标(诸如，X和y位置等)，或可包括覆盖大量像素或体素的所选区 域的标识等。该用户选择数据可依赖于用户的一次或多次鼠标点击或其他类型输入装置 的同等操作来生成。所述方法可进一步包括访问体积选择数据，该体积选择数据表示围绕解剖结 构的体积内的多个点处的相关子结构的标识；处理所述体积选择数据，以确定该体积选 择数据内与所述用户选择数据相对应的点；以及确定与该点相关联的相关子结构，所述 解剖数据根据该相关子结构而被选择。这可提供更为有效的计算方式来对所选子结构进 行标识。优选地，所述体积选择数据存储于适于由图像处理单元(GPU)进行处理的体积
“纹理(texture) ” 中。在一个实施方式中，所述体积选择数据能够将多个子结构与体积内的每一点相 关联，且所述处理体积选择数据的步骤进一步包括确定之前所选的子结构是否与体积 选择数据内对应于用户选择数据的点相关联，如果是，则选择与体积选择数据内的该点 相关联的下一子结构，从而对应于体积选择数据内的该点的重复用户选择可遍历所有相 关联的子结构。这可提供简单的用户界面以允许对潜在非常大量的子结构进行便利地选择。优 选地，可在层级中以升序或降序来布置每一点的子结构，从而对图像同一部分的重复点击可选择逐渐增大(逐渐缩小)的子结构。例如，心脏(假设)的体积选择数据内的特 定点可包含与心室表面、心室自身、心脏特定侧以及心脏自身(在特征的层级中以升序 布置)相关的子结构的标识。所述体积选择数据可依赖于指定了时间周期的定时参数而被访问，在此情况 下，所述方法可包括依赖于时间周期来对体积选择数据进行变形，或可选的，所述方法 可进一步包括依赖于定时参数选择进一步的体积选择数据，首先选择的体积选择数据 与所指定时间周期之前的时间周期相关联且所进一步选择的体积选择数据与所指定时间 周期之后的时间周期相关联；以及对首先选择的体积选择数据与所进一步选择的体积选 择数据进行内插，以生成内插体积选择数据。这可允许在动画周期过程期间(例如，当与特定子结构相关联的模型部分可能 显著变形时)作出精确选择。所述时间周期可以为之前所述的时间周期。优选地，所述 对体积选择数据进行内插的步骤可包括处理体积矢量数据的步骤，该体积矢量数据指代 体积选择数据内的每一点，其中所述点相对于动画周期内的前一(或后一)体积矢量数据 组被移走(或移至)。相比于“淡入淡出(fade through)”技术，这可提供改进结果。所述方法可进一步包括输出多个输出图像，该多个输出图像形成动画序列。所 述输出图像可以以例如连续或实时的方式被输出，以提供“现场的”仿真。所述方法可进一步包括接收位置数据，该位置数据表示仿真医学成像装置的 仿真传感器的位置；处理所述位置数据，以对仿真传感器相对于仿真解剖结构的相对位 置进行标识；以及依赖于仿真传感器的相对位置，生成选择数据。通过允许使用更接近 医学成像装置的实际控制的工具来作出区域选择，这可改善仿真的精确度。术语“位置”可包括例如地点(例如，在3D中，该地点可通过笛卡尔坐标系统 中的χ、y和ζ坐标来指定)和/或方位(例如，该方位可由2D或3D矢量、或相对于适 当基准面的多个方位角、定向角以及仰角中的一者来指定)。所述位置数据可包括仿真传感器的位置表示，且所述位置数据可包括仿真探测 器上的参考点的位置表示，所述仿真传感器设置于仿真探测器上远离参考点的位置处。 在知晓仿真探测器的维度的情况下，可通过基于参考点的位置进行合适的矢量(或其他) 计算来推断仿真传感器位置。如果仿真探测器包括至少一个自由度，则所述位置数据可包括关于该至少一个 自由度的状态信息。所述自由度可包括促使探测器在顶端处的例如一个或多个方向上弯 曲的能力。可沿着其长度控制弯曲的更为复杂的探测器也是可以的。所述状态信息依赖 于自由度的性质。其可与例如角变形有关。在上述弯曲探测器顶端的示例中，所述状态 信息可包括例如控制盘(dial)(该控制盘可操作用于控制所述弯曲)的当前位置(且可据 此推断出角变形)。在另一示例中，所述自由度可为探测器在通道(诸如，例如食道) 中行进的距离，且所述状态信息可包括通过通道行进的长度(或可借以确定该长度的度 量)。此通道可被扭曲成复杂路径，在此情况下，探测器所通行的长度与探测器传感器的 地点和方位显然不存在直接的相互关系。在例如此情况下，可使用本征坐标函数，以获 得探测器顶端的地点和方位。所述方法可用于对患者进行仿真的人模。在此情况下，所述处理位置数据的步 骤可进一步包括访问人模模型数据，该人模模型数据表示人模模型。该人模模型数据可仅足以允许如上所述那样对仿真传感器的位置进行计算。例如，人模模型数据可以为定 义仿真探测器所经过的通道的形状的公式。可选的，可提供更为具体的模型，例如该模 型可包括人模内部或外部表面的三维表示。在此情况下，通过使用人模模型数据(通过 将适当约束和/或参数应用至模型)，可将部分不完整的位置数据转变成完整的位置。所述方法可进一步包括接收校准位置数据，且所述处理位置数据的步骤可进一 步包括通过使用所述校准位置数据来调节所接收的位置数据。这可允许确定实际探测器 相对于人模的地点(从而可确定仿真传感器的位置)，尽管所述位置数据并未定义相对于 人模的位置(例如，因为并未使用本征坐标或相对坐标来对位置数据进行定义)。可在校 准阶段期间提供所述校准位置数据，例如可通过将探测器置于已知或预先定义的相对于 人模的位置来提供所述校准位置数据。所述解剖结构可为人体或动物体的器官，且具体可为心脏、肺脏、肺、胃、肝 脏、肾脏以及肾中任意一者或多者。通过考虑早前所论述的各种方法，可以理解的是， 所述方法可特别适用于具有复杂结构和/或“动态”的器官(例如心脏)。所述医学成像装置为可为例如超声换能器、χ射线设备、磁共振成像设备以及正 电子发射断层照相装置中的任一者，但不限于这些选择。很显然，在适当情况下，其他 医学成像装置也可被仿真。在另一实施方式中，所述方法进一步包括访问医学装置定位数据，该医学装 置定位数据表示插入患者的医学装置的位置；以及将与医学装置相关的图像数据添加至 输出图像数据。这可允许医学装置(诸如，支架或其他植入物)插入患者以及经由适当成 像装置被监视的操作可视化。所述方法还可进一步包括访问医学装置模型数据，该医 学装置模型数据表示插入患者的医学装置的模型；以及通过使用该医学装置模型数据来 生成所述图像数据。这可允许医学装置的精确表示覆盖在仿真图像上。还可将上述图像 处理步骤应用至医学装置的表示。另外，可依赖于用户输入来生成医学装置定位数据。 该定位数据可例如响应于经由传统计算机输入方法(例如，键盘以及点击装置)、或响应 于仿真医学装置插入过程而被更新，这可以以与上述仿真探测器的实施相类似的方式而 被实施。在另一实施方式中，提供一种用于对医学成像装置的输出进行仿真的设备，所 述医学成像装置可操作用于对解剖结构进行成像，且所述设备包括模型数据访问装 置，该装置用于访问模型数据，该模型数据表示解剖结构的模型；选择数据访问装置， 该装置用于访问选择数据，该选择数据表示待成像解剖结构的所选区域；以及选择数据 及模型数据处理装置，该装置用于处理所述选择数据和模型数据，以生出输出数据，该 输出数据表示医学成像装置对所选区域进行成像时的输出的仿真。在进一步的实施方式中，提供一种用于促进对有关医学成像装置(该装置用于 对患者进行成像)的训练的设备，该设备包括人模，该人模对患者进行仿真；仿真探 测器，用于对医学成像装置的探测器进行仿真；以及上述成像设备。所述人模可包括用 于容纳所述仿真器探测器的通道(诸如，例如食道近似物或其他体腔)。所述设备可进一步包括用于确定所述仿真器探测器的位置的定位装置，该定位 装置可操作用于发送位置数据至所述成像设备。所述定位装置可通过使用任何合适的方 法(诸如，USB连接、无线收发机等)来发送位置数据。所述定位装置可包括用于确定探测器在所述通道内所行进的长度的长度测量装置。该长度测量装置可为例如连接至探 测器末端的弹簧卷筒，例如可操作用于确定该卷筒的转数，从而确定延伸的长度。还可 使用其他技术来确定探测器和/或仿真传感器的位置，包括通过使用例如磁性传感器和/ 或射频发射机及接收机的三角测量技术。所述定位装置可包括安装于探测器内的加速度计(或类似装置，诸如陀螺仪)， 用于跟踪探测器的地点和方位中的至少一者。这可允许探测器在例如体模周围及内部自 由移动。所述定位装置可包括用于配置探测器的形态(aspect)的至少一个用户可控输入 装置。该形态可为例如探测器的顶端或其他部分的变形，且可为旋转控制盘、按钮或其 他控制装置。优选地，所述用户可控输入装置可模仿实际探测器上的类似装置的构造。所述设备可进一步包括校准参考地点，且所述定位装置因此可被配置为在探测 器位于所述校准参考地点时，发送校准位置信息。所述校准参考地点可为诸如使探测器 被完全插入所述通道、或使探测器被置于例如体模上的特定标记位置上的限定位置。所述体模可进一步包括对患者胸廓进行仿真的内部结构。这可给予必要的弹性 及硬度以及外部表面清晰度，以更为精确地对患者进行仿真。所述体模可进一步包括可变形外膜，以对患者的皮肤层进行仿真。由于某些成 像技术(诸如，超声)是经皮的(穿过皮肤执行)，因此更为精确的皮肤层再现可增强仿 真的精确性。所述可变形外膜可包括硅有机树脂、橡胶以及其他适用的可变形材料。在相关实施方式中，提供一种促进与利用超声换能器对患者进行成像相关的训 练的体模，该体模包括对患者胸廓进行仿真的内部结构；用于对患者的皮肤层进行仿 真的可变形外膜；用于确定应用至该体模的仿真超声探测器的地点和方位以允许对患者 的超声检查进行仿真的装置(诸如，传感器)。所述体模可进一步包括通道，用于容纳仿 真超声探测器，以允许对患者的侵入式超声检查进行仿真。另一实施方式提供一种促进与用于对患者进行成像的医学成像装置有关的训练 的方法，该方法包括提供对患者进行仿真的体模；提供用于对医学成像装置的探测器 进行仿真的仿真器探测器；以及执行上述方法。在进一步的实施方式中，提供一种计算机，该计算机包括指令存储器，存储 处理器可执行指令；以及处理器，用于根据指令存储器内所存储的指令来处理数据；其 中存储在指令存储器内的指令包括用于控制处理器以执行上述方法的指令。所述计算机可进一步包括图形处理单元(GPU)，可操作用于执行部分处理选 择数据和模型数据的步骤。可以以任何方便的形式来实施在此所述的实施方式，例如通过使用专用硬件或 专用硬件及软件的混合体。本发明可特别适于(部分地)被实施为工作站或便携式计算 机(在用于输出仿真图像的方法及设备的情况下)或者服务器系统(在发送和接收参数数 据(例如，对特定解剖结构的病状进行编码的参数数据)的情况下)所实施的计算机软 件。本发明可进一步包括网络，该网络可包括任何局域网或甚至广域网、传统的陆地网 络或无线通信网络。本系统可包括任何合适的可编程设备，诸如通用计算机、个人数字 助理、移动电话(诸如，WAP或3G兼容电话)等。本发明的各个方面涵盖了可在可编 程装置上实施的计算机软件。可通过使用任何传统载体介质将该计算机软件提供给可编程装置。所述载体介质可包括瞬时载体介质，诸如携带计算机代码的电、光、微波、声 或射频信号。此瞬时介质的一个示例为经由IP网络(诸如，因特网)携带计算机代码的 TCP/IP信号。所述载体介质还可包括用于存储处理器可读代码的存储介质，诸如软盘、 硬盘、CD ROM、磁带装置或固态存储器装置。虽然已在上文中对本发明的每一方面及各个特征进行了定义，但可以理解的 是，在适当情况下，可将每一方面与本发明的任何其他方面或特征结合使用。详细描述下面将参考附图对上述各种实施方式进行更为具体的描述。首先，将参考图1-图3简要描述传统的医学成像装置。图1为传统的超声扫描装置的操作的图示。可使用超声成像装置100和超声探测器110来对患者120内的解剖结构进行成 像。所述成像装置100包括超声成像处理器102，用于控制适当的超声信号的生成，并 对所接收的超声反射进行解释；以及输出显示屏104，用于输出处理器102的处理结果。 所述探测器110可包括探测器控制部件112 (以下将对其进行更为具体的描述)以及用于 生成和接收超声波的超声换能器114。在使用中，输入装置(未示出)可允许依赖于例如待成像结构的类型来对超声扫 描的各种属性进行控制。所述超声换能器截取(pickup)来自不同密度的体积之间的边界 的反射。根据该信息，所述超声成像处理器102构建患者内部结构的图像。可通过将换能器114应用在皮肤上来在外部执行超声成像。然而，体内的一些 结构(诸如，肋以及其他骨骼)可能会阻碍超声波，从而难以对体内的某些部分(诸如， 心脏和肺)进行成像。因此，还可在内部使用超声，这将在以下参考图2进行描述。图2为患者的截面示意图，该图示出了经食道超声心动图(超声检查)手术。在图2中，示意性示出了患者200。示出了主要的内部器官202，诸如心脏。还 示出了肋204，且可以理解的是，这些阻断了胸廓的外部(图的顶部)与器官202之间的 视线(line of sight) (LOS)。因此，可通过将超声换能器定位在标记为206的位置(或类 似位置)处来执行超声检查。这可通过将换能器提供在食道208下方(例如，在全身麻 醉的情况下)来实现。源自位置206的短划线指示传感器的典型视野。图3为来自超声成像装置(诸如，上述装置100)的典型输出(以示意性的形式) 的图示。所述输出图像被剪切为大致锥形形状300，该锥形形状300表示超声扫描的范 围。可将该扫描映射至极坐标空间，顶点302表示该坐标空间的原点，箭头304示意性 指示径向方向，且箭头306示意性指示角方向。虚线308示意性指示相对于原点的等半 径线。该坐标方案中的半径方向对应于与超声换能器的增大的距离。该扫描基本上示出 了解剖结构的二维截面，该截面由角度覆盖范围及最大半径所限定。在此示例中，对应 于图2中的布置(其中器官202为心脏)，例如，图3示出了心脏310的截面，该截面示 出了子特征第一腔室312和第二腔室314。实际上，超声图像包含多个视觉伪影，该多个视觉伪影例如源起于诸如回响、 阴影、散射以及不同的组织密度。由于超声(以及其他类似的成像技术)仅显示了解剖结构的二维截面，医学专业人员可能难以设想(visualise)下层的三维结构。另外，一些结构(诸如，心脏)总是根 据肌肉运动的限定周期而变化。这可能会增大可视化过程的复杂度。现在将参考图4-图14描述第一实施方式。该实施方式涉及一种用于对超声扫 描装置的输出进行仿真，以例如允许要训练的医学专业人员基于所仿真的超声图像来设 想皮下解剖结构的系统。图4是示出了适用于本实施方式的典型计算机系统的组件的示意图。计算机400包括中央处理单元(CPU)402，程序(以及程序数据)存储器404、 存储装置406 (诸如，硬盘或类似装置)、输入/输出模块408以及图形卡410，该图形卡 410包括图形处理单元(GPU) 412以及专用图形存储器414。可将用户输入装置420和显 示单元422连接至计算机400。所述CPU 402依赖于经由输入/输出模块408所提供的用户输入，来控制和协调 计算机400内的整体程序执行。CPU 402可将一些任务(尤其是那些与图形输出的生成 相关的任务)委托给GPU 412。GPU 412通过使用其专用存储器414来承担所委托的任 务，以提高其效率(例如，存储共用的图形“纹理”)。可在CPU 402的控制下，将程 序代码从存储装置406传输至存储器404。图5为示出了根据第一实施方式的超声仿真系统的组件的示意图。该系统被设 计为对心脏的经食道超声心动图(超声检查)进行仿真。心脏为超声训练的特定对象， 因为其具有非常复杂的内部结构且会不断运动，这将增大根据二维超声图像进行可视化 的难度。在图5中，超声仿真系统500包括处理器502(诸如，图4中的CPU和/或 GPU)、用于存储心脏模型的模型数据存储504、表示待成像心脏的所选区域的选择数据 506、以及用于存储输出仿真图像的输出图像数据存储508。在使用中，处理器502处理模型数据504和选择数据506，以生成仿真图像 508。在形成图像508时，处理器(其可为CPU和/或GPU)执行用于对被仿真的超声 成像器所执行的处理进行仿真的多个处理步骤，以及用于对与超声信号传播有关的物理 效应进行仿真的多个处理步骤。现在将参考图6更为具体地描述模型数据504。图6为图5的模型数据存储504内的数据结构的图示。所示出的模型数据存储600为原版心脏模型(master heart model) 602。该原版心 脏模型602为通过使用传统三维建模技术所创建的三维心脏模型。在本实施方式中，例 如，所述原版心脏模型包括形成自多边形基元(基本构建块)且包括表面纹理信息(以控 制该模型的外貌)的多个表面。另外，可将随时间变化的变形应用至原版心脏模型602， 以再次通过使用传统三维建模技术来对心脏在心搏周期的运动进行仿真。还可提供绘制 引擎604，以将原版心脏模型转换至模型数据存储600 (参见以下描述)内的模型。所述模型数据存储600包括多个模型，每一模型对应于心脏周期动画的帧。因 此，可提供第一心脏模型帧606、第二心脏模型帧608等直至针对动画第η帧的心脏模型 帧610 (对于总共η个帧而言)。所述绘制引擎604基本上在相对时间偏移处对原版心脏 模型拍快照，并将得到的变形后的模型版本存储在心脏数据存储600中。由于所述绘制操作，可简化心脏动画，因为处理器仅需选择适当的模型版本，而不需要对模型进行变形(这可能需要很大的计算强度)。通过在所存储的模型606、608、610之间进行内插，超声仿真器能够生成表示 落入限定的动画帧时间周期之间的时间周期的模型数据。可使用传统的内插方法。例 如，可取两相邻模型中每一多边形顶点的χ、y和ζ坐标的加权平均值。另外，所述模型数据存储600包括模型元数据612，该模型元数据612包含有关 模型的信息。所述元数据612包括有关模型的附加信息，诸如标识了模型不同部分的分 组信息。在使用中，可绘制所选的或内插的心脏模型，以显示心脏在心搏周期中的特定 点处的三维表示。另外，可执行进一步的绘制，以形成仿真超声图像。现在将参考图7和图8更为具体地描述对模块数据的处理。图7为示出了超声仿真系统的屏幕显示的示意图。屏幕显示700包括心脏及成像探测器的三维视图702、仿真超声探测器的控制及 配置的概要704、仿真超声成像器输出706、以及其上设置有心搏周期的时间线708。在所述三维视图702中，示出了心脏710和经食道探测器712。示出了该探测器 的视野714。其中视野714与心脏710交汇，示出了穿过心脏的截面716，且在线框图/ 半透视图中示出了心脏的其余部分718 (以允许示出截面716)。在成像器输出窗口 706中，示出了仿真超声图像。截面图像720对应于三维视图 702中所示的截面716，但还包括伪影及其他图像处理，以更好地对超声输出进行仿真。在时间线708中，示出了当前时间722。在使用中，用户可通过使用各种键盘输入并利用鼠标进行点击及拖拽来控制探 测器的位置及方位。视野714会相应改变，且转而截面716、720也会相应改变。视野 714表示待成像心脏的区域选择。该选择对应于图5中的选择数据508。图8为超声仿真系统的屏幕显示的屏幕截图。该屏幕截图对应于图7中的示意图。可以理解的是，模型和/或仿真窗口的不同视图均是可以的。例如，在一个模 式中，可以以完整的固体形式绘制心脏。在其他模式中，可选择模型的不同部分，且每 一部分的显示均可独立地打开或关闭。另外，可通过点击三维视图502或仿真器输出窗 口 504的相关部分来选择对模型的选择。以下将对更为具体地描述这些特征中的部分特 征。用户还可旋转“虚拟”心脏，以在不同角度检查该虚拟心脏的外表，且用户还 可“放大”心脏，以获得近视图。在本实施方式中，可使用OpenGL应用程序接口(API)来绘制所建模心脏的各种 视图。虽然某些处理使用了来自扩展OpenGLAPI的功能(基于计算效率的原因)，但这 些功能并非必然可在其他地方得到支持，因此还可使用其他接口。图9为本实施方式中所使用的解剖数据的图示。解剖数据900包括限定心脏模型的内部结构的层级数据。心脏解剖数据902具有 子部分904、906、908。接下来，该子部分904、906、908可具有进一步的子部分910、 912。因此层级被限定。所述解剖数据900包括有关心脏结构(诸如，心室、静脉等)的信息，且可在图
247和图8的主屏幕显示中进行显示。所述解剖数据还限定了与相关解剖结构相对应的模型 部分(在本实施方式中为一组多边形)。这例如使得上述允许打开和关闭某些模型部分的 功能成为可能。可提供进一步的数据来允许对每一心脏子部分进行选择。具体而言，可提供体 积“选择纹理”(未示出)。该纹理具有布置在三维阵列中的多个体素(体积像素)。 每一体素具有与其相关联的数据，该数据对与给定点相关联的任何子部分的标识进行了 编码。因此，当用户点击三维模型或二维仿真图像上的特定点时，系统可计算出该点击 的三维地点(通过使用传统算法)，之后在选择纹理中“查找”最近的体素。因为每一体素均对应于多个子结构(由于特征层级)，系统可使用进一步的算法 来确定应选择哪一子结构。当作出新的选择时，系统确定之前所选的子结构是否与所选 体素相关联。如果是，则选择列表中的下一子结构。否则选择第一子结构。该算法确 保了与特定点相关联的所有子结构均可被选择，并以顺序方式查阅子结构(对于每一体 素而言，子结构根据层级而被排序)。在本实施方式中，可生成单个选择纹理，并依赖于定时值对其进行变形。为实 现该目的，可使用与 “Harmonic Coordinates for Character Articulation” (Joshi etAl, ACM Transations on Graphics (TOG), July 2007，Vol.26, issue 3)中所描述的相类似的技术。—般来说，该文章描述了一种用于根据网孔顶点来对该网孔的内部体积进行参 数化，以在其内部体积内任意点处确定对该网孔进行变形的效应的技术。该文章特别将 该技术描述为一种用于使用任意点阵对网孔进行变形的机制。在本实施方式中，可采用相同的方法来对心脏模型的内部体积进行参数化，以 实现3D纹理的变形(实时地)。本实施方式利用反向局部映射，而皮克斯(Pixar)的文 章基本上描述了一种正向局部映射。为实现该映射，可使用一技术来创建从每一变形后 的帧(皮克斯的文章中的姿态(pose))映射回3D纹理所对应的基础姿态的映射。该反向 映射可被编码为3D纹理序列，在该3D纹理序列中，每一体素对其在未变形体积内的所 源自的位置进行编码。之后，可通过修改4D数组在4维(即，空间的或时间的)中任一 维中的分辨率来将该4D数组的质量与其存储器占用情况进行折中。在绘制时，可在4D数组内对该数组所编码的体积的界限内的空间中(在该区域 外的点被假定为静止的)的任一点进行查找，以在未变形体积内建立该点所源自的点。在本实施方式的变化方式中，可创建和存储与所存在的模型相等数量的选择纹 理(所限定的η个动画帧中的每一帧对应一个选择纹理)。可以以与创建多个心脏模型相 类似的过程来根据原版模型创建选择纹理。这要求更大的存储器，但可提供更为精确的 结果。现更为具体地描述生成仿真超声图像的过程。图10为示出了用于形成图7和图8的超声图像的处理步骤的流程图。该过程起始于步骤S1000。在步骤1002中绘制截面图像(如上所述那样)之 后，将极坐标系统应用至该图像(步骤S1004)。依旧如上参考图3所述，所述极坐标系 统的原点位于超声图像的“顶点”。该极坐标系统的径向方向在超声探测器信号的方向 上伸展。之后在步骤S1006中将图像“展开”至极坐标系统。从而，锥形图像被转换成 直线图像。这意味着平面图像的每一列对应于探测器信号的路径，简化了后续的计算。在步骤S1008，将多个超声伪影添加至所述图像(这将在以下进行更为具体的描述)。之 后，将所述图像转换回极坐标空间(步骤S1010)，且覆盖一些进一步的伪影及信息(步 骤S1012)。将图像转换至极坐标空间并再转换回来可助于对进一步远离超声换能器的分 辨率的降低进行仿真。该处理终止于步骤S1014。现参考图11更为具体地描述添加超声伪影的处理。图11为更为具体地示出了图10中的添加超声伪影(步骤S1008)的处理步骤的
流程图。在过程起始之后(步骤S1100)，在“展开”的超声图像上运行边缘检测算法(步 骤S1202)，针对图像每一列生成包含边缘过渡的稀疏数组。之后，使用边缘检测数据来 添加回响伪影(步骤1104)、阴影伪影(步骤S1106)以及散射伪影(步骤S1108)，所有 伪影均源自与超声回波相关的基本物理效应。在步骤1110，还可添加其他仿真衰减效应 的伪影。之后，该处理终止(步骤S1112)。更为具体的，所述回响效应模仿被成像组织中的边缘过渡之间的多个反射的效 应(该效应创建“重影”图像)。为保持算法的计算效率，可在所跟踪的反射的数量上 设置限制。所述阴影伪影涉及对锐缘过渡之后的图像进行衰减，模仿实际的物理效应。 所述散射伪影与超声波的散射有关，且可通过在锐缘过渡附近添加局部高斯噪声而被实 施。还可例如通过计算声音在传播及反射期间的幅度及相位、并汇集直达声以及所 有反射声以获得心脏周围的声级压级分布，来计算与超声有关的物理效应。对反射及阴 影进行建模的进一步实施方式包括射线跟踪模型、椎体跟踪模型以及棱锥体跟踪模型。图12为更为详细地示出了图10的覆盖进一步的伪影及信息的处理步骤(步骤 S1012)的流程图。在过程起始之后(步骤S1200)，添加体积噪声，以对随机组织密度变化的效应 进行仿真(步骤S1202)。可通过使用高斯噪声算法来创建原版噪声纹理，并针对每一动 画帧(以及“中间”帧)对该原版噪声纹理进行变形。体积纹理的相关部分被选择并被 覆盖在图像数据上。这可在超声图像中提供一致的噪声纹理，该噪声纹理随着视角的变 化是一致且可重复的。在步骤S1204，将所述图像剪切成“锥形”超声形状，且在步骤 S1206添加一些基本图形，以对仿真超声成像器的输出进行仿真。之后，该处理终止(步 骤 S1208)。还可对所述图像应用一些形式的锐化，以增强边缘效应。图13为更为详细地示出了检测边缘的处理步骤(步骤S1102)的流程图。在过程起始之后(步骤S1300)，在步骤S1302生成大小为mXs的稀疏数组(更 确切的说，再生)。基于以下解释的原因，该稀疏数组采取图像的形式，其中每一像素处 的颜色值实际上是对数据进行编码，尤其是所连续检测的边缘的行号。更为具体的，通 过向下扫描图像的每一列来对输出图像执行边缘检测。每一列中所找到的每一连续边缘 被存储于稀疏数组各列的下一可用行中。因此(且很重要的，根据处理布置)，稀疏数组 的每一列中的数据值独立于其他列中的数据值(但每一列中的行均相互依赖，因为每一 行的值依赖于之前所检测的边缘数目)。可选择适当的s值，以在大多数情况下给出精确 的处理，且同时保持存储器的最少使用。因此，最多可记录总共S个边缘过渡。
在步骤S1304，将数组划分为总共S个子图像，每一子图像的大小为mXl。这利 用了稀疏数组的每一列的边缘检测值均是独立的这一事实。通过将该数组转成子图像， 之后可由GPU对该数组进行处理，该GPU采用大量并行处理。由于连续行的相互依赖 (此将阻止将GPU的并行处理被整个应用至数组)，需要根据行来对图像进行分解。步 骤S1306-S1616表示循环，在该循环中，可轮流处理所有行(及对应的子图像)。在该 循环开始时，可将子图像计数器设置为1(步骤S1306)，并利用转换后图像的行号(该行 号对应于首次检测的边缘)来填充稀疏数组的第一行(子图像号1)(步骤S1308)。在该 循环的其他迭代中，之前的行号加载自之前的子图像(即，稀疏数组的前一行)，且从之 前的点检测边缘(步骤S1310)，这减少了所需的计算量。之后，将所确定的接下来的行 存储于稀疏数组的相关列中(步骤S1312)。增加行指针(子图像号)(步骤S1314)，且 如果存在更多的行，则该循环重复(步骤S1316)。之后，以适当顺序对子图像进行重新 合并，以形成所检测边缘的稀疏数组。之后，该处理终止(步骤S1320)如果已检测到图像中的最后边缘，则在稀疏数组的相关列中设置特定的“标 示”值。该检测边缘的处理可涉及在转换后图像自身上使用传统的图像边缘检测算法 (以提高计算效率)，或通过将转换后图像上的点映射回模型，并使用传统的射线跟踪算 法来检测模型中的表面交叉(提高精确度，且还可允许导入更多有关边缘过渡的性质的 fn 息)ο如上所述，可使用稀疏数组中的信息来在计算上提供有效的回响、阴影、散射 以及其他视觉伪影(由于这些伪影一般与边缘过渡相关联)。图14为图10-图13的处理步骤的总体视图。图像1400为已从极坐标空间转换回平面坐标空间的截面图的图示。图像1402 示出了检测图像1400中边缘的处理。图像1404示出了用于保存边缘检测信息的稀疏数 组。图像1406示出了所述稀疏数组如何被划分为多个子图像(从图像的顶部至底部运 行)。步骤1408示出了将视觉伪影添加至转换后图像1400 (通过使用稀疏数组)。图像 1410示意性示出了添加各种视觉伪影的效果。之后，添加高斯噪声1412，以对散射效应 进行仿真，以形成图像1414。之后，将该图像1414转换回平面坐标空间，且覆盖进一步 的信息，以形成图像1416。现将参考图15-图19描述进一步的实施方式，其中为TOE超声训练提供了更易 理解的超声仿真器。图15为根据进一步实施方式的超声仿真系统的图示。在图15中，示出了体模1500、计算机1520以及仿真探测器1540。所述体模为类似于人的躯体，且包括用于在类似于食道的腔体内容纳探测器 1540的通道1502。所述计算机1520连接至输出显示器1522和用户输入装置1524(诸如，键盘及鼠 标)。计算机1520可操作用于运行第一实施方式的超声仿真系统，该超声仿真系统可具 有以下所述的一些附加功能。所述仿真器探测器1540包括手柄及控制单元1542以及探测器本体1544，所述 手柄及控制单元1542被设计为类似于或等同于实际的经食道超声探测器，所述探测器本体1544用于插入食道通道1502中。所述探测器通过线1548连接至弹簧卷筒1546。手 柄及控制单元1542和弹簧卷筒1546输出数据至探测器控制单元1550，该探测器控制单元 1550监视所述手柄及控制单元1542和卷筒1546所输出的数据，并将所述数据转换成表示 探测器的顶端在体模内的位置。之后，将该位置数据发送至计算机1520。(在可选实施 方式中，可将原始数据发送至计算机1520，并可在该计算机上执行相关位置计算。)所述探测器具有对TOE手术中通常所使用的手术探测器的实际表示进行效仿的 柔性管状结构。可使用传统USB接口来将来自单元1550的数据发送至计算机1520，当然还可使 用其他接口及数据协议。更为具体的，探测器手柄包含一组加速度计和卷筒，所述加速度可用于推断探 测器的方位，所述卷筒可对线已向探测器顶端延伸的长度进行跟踪(可据此推断探测器 在体模内所行进的距离)。诸如来自飞思卡尔半导体公司(Freescale Semiconductor)的 MMA7260QT低成本电容式微型机电加速度计的加速度计足以满足此目的。图16为仿真系统的更为具体的组件的示意图。图16示意性示出了超声仿真器系统1600、仿真器探测器系统1610以及体模 1620。所述仿真器系统1600包括以上结合第一实施方式所述的超声成像控制器1602 以及输出显示屏1604 (除其他组件之外)。所述超声探测器1610包括探测器控制部件 1612(如下所述)、位置传感器1614(以上所述的加速度计)以及探测器控制器1616。所 述体模包括位置传感器1622 (弹簧卷筒)。图17示出了一般的超声换能器的操作，该操作示出了需要仿真的控制及运动。所述探测器1700包括手柄/控制部分1702，该手柄及控制部分1702包括用户可 控控制盘1704和1706、本体部分1708、顶端部分1710以及超声换能器自身1712。所述顶端部分1710可由控制盘1704、1706控制，以在特定方向上弯曲。在一个 示例探测器中，控制盘1704可促使如箭头1714所示的侧向(一侧至另一侧)弯曲，且另 一控制盘1706可促使该图平面内和图平面外的前后轴(向前和向后)弯曲。实际上，可 仅使用前后轴弯曲控制盘，因为可通过整个探测器1700的简单旋转(如箭头1716所示) 而得到其他角度。从而，需要考虑至少一个用户可控控制盘(仿真器探测器上有多个用户可控控 制盘)的状态、探测器手柄的方位以及探测器所行进的表观长度(apparent length)，以计 算超声换能器1712的位置及方位。根据该信息，可确定探测器(如果该探测器是真实 的)可成像的区域。之后，可将该区域信息馈送至仿真器系统，以示出探测器在三维视 图中的地点以及可被获得的对应的超声(参考图7和图8)。从而，图15-图17所示的系统可基于仿真器探测器在体模内的表观位置 (apparent position)，提供实时的仿真超声输出。在本实施方式的变化方式中，可提供不同的感测方案来确定探测器顶端的表观 位置。在一个变化方式中，可在体模内实际构造食道通道，并使用探测器(该探测器如 一般换能器那样)上的传感器和/或发射机，通过磁性三角测量或射频三角测量等来确定 探测器顶端的位置。在另一个变化方式中，可磁化探测器顶端，并通过对设置于体模通道内的多个霍尔效应传感器(或类似传感器)进行轮询(poll)调查来确定顶端的位置。图18为图15-图17的实施方式的变化方式的图示。在图18中，示出了体模1800和在一定范围内自由的探测器1810。在该变化方式中，基于以下事实，即体模内通道的约束以及探测器本体的弹性 可允许针对探测器的放置范围来计算探测器顶端的位置，可使用探测器手柄内的加速度 计来跟踪探测器的地点及方位，并据此推断探测器顶端的位置。需要进一步的计算以计 算探测器和体模的相对位置。为实现这点，存在校准模式，在该校准模式中，可将探测器置于已知的地点中 的已知方向，该已知的地点中的已知方位可由适当的标记或接合模块1802在体模上指示 出。通过使用该校准位置及方位作为参考，则可确定探测器的位置及方位。由于加速度 计所计算的位置的长期漂移，探测器可能需要不时地被重新校准。还可在三角测量或其他感测方案中使用类似的原理。另外，还可将限定了体模 及通道的形状的模型存储在计算机中，以助于探测器顶端的计算。图19为图15-图17的实施方式的进一步的变化方式的图示。在该变化方式中，可对人模1900提供肋状结构1902以及类似于皮肤层的一致性 的可变形外层1904。该体模适于允许经胸廓超声仿真或其他外部超声技术。可如上所述 那样使用一些形式的探测器或仿真换能器(未示出)，通过使用任何适当的上述定位技术 来跟踪该探测器或仿真换能器(未示出)的位置，并通过使用仿真器计算机系统来实时显 示超声仿真的结果。肋状特征1902和可变形外层1904的提供可以以更高的精确度来再现执行经胸廓 超声检查的效果，从而提高了仿真的精确度。可如上所述那样提供通道1906，以增加仿真的灵活度，但这不是必须的。现将描述上述实施方式的一些进一步的实施方式及变化方式。在一个实施方式中，可对模型的各形态(aspect)进行参数化。也就是说，可通 过变量来以各种方式修改模型的形态。例如，一个变量可为应用至模型几何体的全局比 例因数。另一参数可为仅应用至一维的比例因数。其他参数可与例如模型单个组件的比 例相关。在本实施方式的变化方式中，参数还可涉及与模型有关的定时，以例如限定部 分周期相对于其他周期的相对长度等。可在模型数据绘制期间，通过实时将转换应用至所述模型来实行所述参数。可 选的，可在根据原版模型绘制动画帧模型期间，考虑所述参数。参数的使用可有效地允许整个新模型通过仅指定一些数据段而被构建。这还可 允许各种病状及畸形以有医学意义的方式被特征化。另外，可创建或生成参数组，以作 为训练辅助工具。图20为涉及解剖模型的参数化的进一步实施方式的图示。在该实施方式中，对实际医学数据进行分析，以推断可将仿真模型变形成与实 际成像解剖结构相对应的参数。在过程起始之后(步骤S2000)，接收实际医学图像，例如实际超声扫描仪的输 出(步骤S2002)。接收指示(步骤S2004)，该指示例如来自扫描装置、或来自对已由扫 描仪成像的区域的其他估计(通过肉眼、或通过对医学图像的统计分析及与所存储模型的比较)。接下来(步骤S2006)，基于所确定的(所估计的)区域来生成仿真图像。之 后，将仿真图像和实际图像进行比较(步骤S2008)，以分析该两者之间的重大不同点。 之后，在步骤S2010进行统计分析(或优选地，由人眼进行评估)，以估计实际成像器官 的相关参数(以估计可以对一系列图像进行比较的基于时间的参数)。之后，可将这些参 数存储并应用至仿真器模型(步骤S2012)。之后，该过程终止(步骤S2014)。从而，可使用所估计的参数来调查成像器官所可能涉及的病状，且有关有异于 常态的偏离的任何信息均可以以更为有益的形式(该形式必然比原始医学图像数据更为 明显)展现。可将所述参数经由网络上传至中央数据库，以例如可添加至已存在的医学 记录、或例如允许对被检查者进行远程诊断。在一个变化方式中，可省略步骤S2006和步骤S2008，且可对所提供的实际医学 图像单独执行统计分析(参考必要的模型数据)。当考虑了所有已知信息(例如，该信息 来自标准模型以及对超声伪影的获知)时，贝叶斯分析(例如，在计算需要时)可产生合 理的参数估计。在另一实施方式中，可使用仿真器系统来对医学装置(诸如，血管内支架或起 搏器)的植入进行仿真。这些装置的植入可在局部麻醉的情况下在医院中由外科医生在 心脏病专家的帮助下执行。可将这些装置定位于需要仿真的心脏的区域上。从而，必须 对医学实习生进行训练，以经历和设想这些装置的适当定位。可利用例如每一上述心脏模型可得到的模型数据(尽管省略了动画信息及多个 模型，因为并不需要他们)来对所植入的医学装置进行建模。通过经由键盘及鼠标或 类似装置的用户输入、或通过类似于上述有关超声探测器的仿真，可修改医学装置的位置。之后，可通过在三维绘制以及二维成像仿真中示出医学装置而将该医学装置以 类似的方式显示给上述心脏模型。在进一步的实施方式中，不仅可使用模型数据通过输出用于驱动原型打印机 (或类似装置)的数据来提供仿真图像输出，而且还可创建心脏(或其他被建模的器官或 结构)的物理模型。原型打印机可通过构建连续的2D切片来构造任意有效的三维结构。因此，可出于训练、或助于病状诊断的目的来创建模型(例如，如果如上所述 那样对模型进行参数化)。相比于现有的医学模型，这可提供更高的灵活性(因为可相当 密切地对精确度进行控制)，且可对处于心搏周期中任意点的心脏进行打印。另外，由于 设施可选择性地隐藏部分模型，从而可输出物理模型的更大范围。已针对经食道超声心动描记法在原理上描述上述方法及设备，然而可以理解的 是，这些方法及设备还适用于其他形式的超声检查(包括经胸廓超声心动图)。还可理解的是，可对可选或附加解剖组件的成像进行仿真。例如，在必要时， 可将所述心脏模型替换为肺模型、胃模型、肝脏模型、肾模型等，或可对所述心脏模型 增补肺模型、胃模型、肝脏模型、肾模型等。可被成像/仿真的其他具体结构包括鼻 咽、口咽、喉、支气管树以及(在进行鼻内窥镜检查及光纤插管的潜在仿真的情况下) 周围的头部及颈部结构。还可将本方法及设备应用于开发心外膜超声心动描记法仿真器 (在当前情况下，这由持有直接与心脏接触的超声探测器的外科医生在手术室执行)。另一应用提供了有关执行胎儿超声检查的训练，可以理解的是，以上所展现的用于提供例如多个有关不同动画帧的模型的方法还可用于提供多个表示胎儿发育等的不 同阶段的模型。还可将在此所述的方法及设备应用于与哺乳动物及其他动物有关的非人 类仿真，以及进行训练可能是很危险的某些工业情况(诸如，无损测试以及针对材料的 裂缝检查等)。所述医学成像装置还可为除超声换能器之外的其他装置。例如，其可为例如χ 射线设备、磁共振成像设备以及正电子发射断层照相装置中的任一者。在适当情况下， 可对图10-图12所示的伪影生成方法进行修改，以用于不同的成像技术。可进一步理解的是，上述图像处理方法还可应用至更为通用的成像装置(而非 仅此医学领域)。例如，涉及径向扫描(诸如，雷达)的成像方法还可很好地适应于结合 图10-图12所述的伪影处理方法的多个方面，且所述仿真系统可整体适应于适合此类情 形的场合。还应该注意的是，可基于计算效率的原因提供许多上述系统，例如根据原版模 型生成模型、体积纹理等。必然可行的是，在处理能力增强的情况下，可简化这些处 理。例如，可在显示模型、形成截面以创建仿真图像等时，直接绘制和处理原版模型。以上已对各种实施方式及变化进行了描述。然而，本发明并非限于这些实施方 式。对于本领域技术人员而言，本发明本质与范围内的进一步的修改也是很显然的。可 以以各种方式来合并上述布置的特征，以在可选布置中提供类似的益处。
3权利要求
1.一种对医学成像装置的输出进行仿真的方法，所述医学成像装置可操作用于对解 剖结构进行成像，且所述方法包括访问模型数据，该模型数据表示所述解剖结构的模型； 访问选择数据，该选择数据表示待成像解剖结构的所选区域；以及 处理所述选择数据和所述模型数据，以生成输出数据，该输出数据表示在所述医学 成像装置对所述所选区域进行成像时的输出的仿真。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理所述选择数据和模型数据的步骤进一步 包括对由所述医学成像装置所执行的图像处理步骤进行仿真。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述医学成像装置包括用于对透过患者传播的信 号进行感测的传感器，且其中所述处理所述选择数据和模型数据的步骤进一步包括对与 所述信号的传播相关的物理效应进行仿真。
4.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中所述处理所述选择数据和模型数据的 步骤进一步包括对由所述选择数据所标识的模型部分进行绘制，以形成输出图像。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述对模型部分进行绘制的步骤包括形成截面图 像的步骤。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述处理所述选择数据和模型数据的步骤进 一步包括将至少一个视觉伪影添加至所述输出图像。
7.根据权利要求6所述的方法，所述医学成像装置执行径向扫描，且其中生成所述至 少一个伪影的步骤进一步包括相对于所述输出图像定义极坐标空间，该极坐标空间对应于径向扫描所扫过的区域；将所述输出图像从所定义的极坐标空间转换至平面坐标空间，以形成平面坐标转换 图像，所述平面坐标空间具有两个正交轴，所述轴中的一个轴对应于径向扫描的径向方 向，所述轴中的另一个轴对应于径向扫描的扫描方向；对所述平面坐标转换图像的单独行和单独列中的至少一者进行处理，以将视觉伪影 添加至所述平面坐标转换图像；以及将所述平面坐标转换图像转换回所述极坐标空间。
8.—种生成图像以对成像装置的输出进行仿真的方法，所述成像装置可操作用于执 行径向扫描，且所述方法包括接收表示所述成像装置的近似输出的图像；相对于所述图像来定义极坐标空间，该极坐标空间对应于径向扫描所扫过的区域； 将所述图像从所定义的极坐标空间转换至平面坐标空间，以形成平面坐标转换图 像，所述平面坐标空间具有两个正交轴，所述轴中的一个轴对应于径向扫描的径向方 向，所述轴中的另一个轴对应于径向扫描的扫描方向；生成至少一个视觉伪影，并将该至少一个视觉伪影添加至所述输出图像，这包括对 所述平面坐标转换图像的单独行和单独列中的至少一者进行处理以将视觉伪影添加至所 述平面坐标转换图像的步骤；以及将所述平面坐标转换图像转换回所述极坐标空间，以形成输出图像数据。
9.根据权利要求6-8中任一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括生成边缘检测数据，该边缘检测数据对有关所述输出图像数据中的边缘过渡的信息进行编码。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述生成至少一个视觉伪影的步骤包括处理所 述边缘检测数据，以将回响伪影添加至所述输出图像数据，所述回响伪影表示由多个边 缘过渡处的探测器信号反射所导致的重影图像。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述生成至少一个视觉伪影的步骤包括处 理所述边缘检测数据，以将阴影伪影添加至所述输出图像数据，所述阴影伪影表示由多 个边缘过渡处的探测器信号的衰减所导致的成像区域的某些部分的遮蔽。
12.根据权利要求9-11中任一项权利要求所述的方法，其中所述生成所述至少一个视 觉伪影的步骤包括将规则伪影添加至所述平面坐标转换图像，所述规则伪影具有依赖于 所述平面坐标空间的所述轴中的一个轴而变化的特性。
13.根据权利要求9-12中任一项权利要求所述的方法，其中 所述输出图像数据包括多列图像元素；以及所述生成所述边缘检测数据的步骤包括生成表示边缘过渡的地点的数据的稀疏数 组，该稀疏数组具有多个列和多个行，所述多个列对应于所述输出图像数据的各个列， 特定列的每一连续行的值表示所述输出图像数据的各个列中的每一连续边缘过渡的地点。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述生成数据的稀疏数组的步骤包括 创建多个数据矢量，每一数据矢量对应于所述稀疏数组的行；顺次处理每一数据矢量，对每一连续数据矢量的处理访问各前一数据矢量中的数 据；以及合并所述多个数据矢量，以形成数据的所述稀疏数组。
15.根据权利要求6-14中任一项权利要求所述的方法，其中所述生成所述至少一个视 觉伪影的步骤包括访问体积噪声数据，该体积噪声数据表示围绕所述解剖结构的体积内的随机生成噪 声数据值的分布；处理所述体积噪声数据，以将多个噪声数据值映射至所述输出图像数据的元素；以及处理所述输出图像数据，以将所映射的噪声数据值叠加至所述输出图像数据的各个 元素上。
16.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中所述处理所述选择数据和所述模型数 据的步骤进一步包括通过使用图形处理单元GPU来处理所述选择数据和所述模型数据。
17.根据权利要求1-7中任一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括访问定义所 述模型的至少一个参数的模型参数数据，且其中所述处理所述选择数据和所述模型数据 的步骤进一步包括通过使用所述模型参数数据来转换所述模型。
18.根据权利要求17所述的方法，该方法进一步包括 接收与实际解剖结构相关的实际医学成像数据；以及通过估计所述实际解剖结构的参数，处理所述实际医学成像数据和所述模型数据， 以生成所述参数数据。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述生成所述参数数据进一步包括访问成像位置数据，该成像位置数据标识了与所述实际医学成像数据相关联的成像 区域；生成与所述成像位置数据相对应的区域的输出图像数据；以及通过将所述实际成像数据与所述输出图像数据进行比较，来确定所述参数。
20.根据权利要求17-19中任一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括经由网络 接收所述参数数据。
21.根据权利要求17-20中任一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括经由网络 发送所述参数数据。
22.根据上述任一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括访问定时数据，且其中 所述访问所述模型数据的步骤进一步包括依赖于所述定时数据而从多组模型数据中选择 所述模型数据。
23.根据权利要求22所述的方法，所述定时数据指定时间周期，且所述方法进一步包括依赖于所述定时数据来从所述多组模型数据中选择进一步的模型数据，首先选择的 模型数据与所指定的时间周期之前的时间周期相关联，且进一步选择的模型数据与所指 定时间周期之后的时间周期相关联；以及对所述首先选择的模型数据与所述进一步选择的模型数据进行内插，以生成内插模 型数据。
24.根据权利要求1-7和17-21中任一项权利要求所述的方法，所述模型数据定义了 所述解剖结构的多个子结构，且所述方法进一步包括接收用户选择数据，该用户选择数据标识了所述输出图像数据的所选部分；处理包括与每一所述子结构相关联的解剖信息的解剖数据，以选择与所述输出图像 数据的所选部分相关联的解剖数据；以及输出所选的解剖数据。
25.根据权利要求24所述的方法，该方法进一步包括访问体积选择数据，该体积选择数据表示对围绕所述解剖结构的体积内的多个点处 的相关子结构的标识；处理所述体积选择数据，以确定所述体积选择数据内与所述用户选择数据相对应的 点，并确定与该点相关联的相关子结构，所述解剖数据根据该相关子结构被选择。
26.根据权利要求25所述的方法，所述体积选择数据能够将多个子结构与所述体积内 的每一点相关联，且所述处理所述体积选择数据的方法进一步包括确定之前所选的子结构是否与所述体积选择数据内与所述用户选择数据相对应的点 相关联；以及如果之前所选的子结构与所述体积选择数据内与所述用户选择数据相对应的点相关 联，则选择所述体积选择数据内与所述点相关联的下一子结构，从而与所述体积选择数 据内的同一点相对应的反复的用户选择将通过所有相关子结构循环。
27.根据权利要求25或26所述的方法，所述体积选择数据依赖于指定时间周期的定 时参数而被访问，且所述方法进一步包括依赖于所述定时参数选择进一步的体积选择数据，首先选择的体积选择数据与所述指定时间周期之前的时间周期相关联，且进一步选择的体积选择数据与所述指定时间周 期之后的时间周期相关联；以及对所述首先所选的体积选择数据与所述进一步选择的体积选择数据进行内插，以生 成内插体积选择数据。
28.根据上述任一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括输出多个输出图像，该 多个输出图像形成动画序列。
29.根据权利要求1-7、17-21和24-27中任一项权利要求所述的方法，该方法进一步 包括接收表示仿真医学成像装置的仿真传感器位置的位置数据；处理该位置数据，以标识所述仿真传感器相对于仿真解剖结构的相对位置；以及依赖于所述仿真传感器的相对位置，生成所述选择数据。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述位置数据包括对所述仿真传感器的位置的表不。
31.根据权利要求29或30所述的方法，其中所述位置数据包括对仿真探测器上参考 点的位置的表示，所述仿真传感器设置于所述仿真探测器上远离所述参考点的位置处。
32.根据权利要求31所述的方法，所述仿真探测器包括至少一个自由度，且其中所述 位置数据包括关于所述至少一个自由度的状态信息。
33.根据权利要求29-32中任一项权利要求所述的方法，该方法用于利用人模来对患 者进行仿真，且其中所述处理所述位置数据的步骤进一步包括访问代表所述人模的模型 的人模模型数据。
34.根据权利要求33所述的方法，该方法进一步包括接收校准位置数据，且其中所述 处理所述位置数据的步骤进一步包括通过使用所述校准位置数据来调节所接收的位置数 据。
35.一种根据权利要求1-7、17-21、24-27和29-34中任一项项权利要求所述的方 法，其中所述解剖结构为人体或动物体的器官。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述解剖结构为心脏、肺脏、肺、胃、肝 脏、肾脏以及肾中任意一者或多者。
37.根据权利要求1-7、17-21、24-27和29-36中任一项项权利要求所述的方法，其 中所述医学成像装置为超声换能器、χ射线设备、磁共振成像设备以及正电子发射断层照 相装置中的任一者。
38.根据权利要求1-7、17-21、24-27和29-37中任一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括访问表示插入患者的医学装置的位置的医学装置位置数据；以及 将与所述医学装置相关的图像数据添加至所述输出图像数据中。
39.根据权利要求38所述的方法，该方法进一步包括访问表示插入患者的医学装置的模型的医学装置模型数据；以及 通过使用该医学装置模型数据来生成所述图像数据。
40.根据权利要求38或39所述的方法，该方法进一步包括 依赖于用户输入，生成医学装置定位数据。
41.一种用于对医学成像装置的输出进行仿真的设备，所述医学成像装置可操作用于 对解剖结构进行成像，且所述设备包括模型数据访问装置，该模型数据访问装置用于访问模型数据，该模型数据表示所述 解剖结构的模型；选择数据访问装置，该选择数据访问装置用于访问选择数据，该选择数据表示待成 像解剖结构的所选区域；以及选择数据及模型数据处理装置，该选择数据及模型数据处理装置用于处理所述选 择数据和所述模型数据，以生成所述医学成像装置在对所选区域进行成像时的输出的仿真。
42.根据权利要求41所述的设备，其中所述选择数据及模型数据处理装置被配置为对 由所述医学成像装置所执行的图像处理步骤进行仿真。
43.根据权利要求41或42所述的设备，所述医学成像装置包括用于对透过患者传播 的信号进行感测的传感器，且其中所述选择数据及模型数据处理装置被配置为对与所述 信号的传播相关的物理效应进行仿真。
44.根据权利要求41-43中任一项权利要求所述的设备，其中所述选择数据及模型处 理装置被配置为对由所述选择数据所标识的模型部分进行绘制，以形成输出图像。
45.根据权利要求44所述的设备，其中所述选择数据及模型数据处理装置被进一步配 置为形成截面图像。
46.根据权利要求44或45所述的设备，其中所述选择数据及模型数据处理装置被配 置为将至少一个视觉伪影添加至所述输出图像。
47.根据权利要求46所述的设备，所述医学成像装置执行径向扫描，且其中所述选择 数据及模型数据处理装置被进一步配置为相对于所述输出图像定义极坐标空间，该极坐标空间对应于径向扫描所扫过的区域；将所述输出图像从所定义的极坐标空间转换至平面坐标空间，以形成平面坐标转换 图像，所述平面坐标空间具有两个正交轴，所述轴中的一个轴对应于径向扫描的径向方 向，所述轴中的另一个轴对应于径向扫描的扫描方向；对所述平面坐标转换图像的单独行和单独列中的至少一者进行处理，以将视觉伪影 添加至所述平面坐标转换图像；以及将所述平面坐标转换图像转换回所述极坐标空间。
48.一种用于生成图像以对成像装置的输出进行仿真的设备，所述成像装置可操作用 于执行径向扫描，且所述设备包括图像输入装置，该图像输入装置用于接收一表示所述成像装置的近似输出的图像；以及处理装置，该处理装置被配置为相对于所述图像，定义极坐标空间，该极坐标空间对应于径向扫描所扫过的区域； 将所述图像从所定义的极坐标空间转换至平面坐标空间，以形成平面坐标转换图 像，所述平面坐标空间具有两个正交轴，所述轴中的一个轴对应于径向扫描的径向方 向，所述轴中的另一个轴对应于径向扫描的扫描方向；生成至少一个视觉伪影，并将该至少一个视觉伪影添加至所述输出图像，这包括对 所述平面坐标转换图像的单独行和单独列中的至少一者进行处理以将视觉伪影添加至所 述平面坐标转换图像的步骤；以及将所述平面坐标转换图像转换回所述极坐标空间，以形成输出图像数据。
49.根据权利要求46-48中任一项权利要求所述的设备，该设备进一步包括用于生成 边缘检测数据的边缘检测装置，所述边缘检测数据对有关所述输出图像数据中的边缘过 渡的信息进行编码。
50.根据权利要求49所述的设备，其中所述选择数据及模型数据处理装置被进一步配 置为处理所述边缘检测数据，以将回响伪影添加至所述输出图像数据，所述回响伪影表 示由多个边缘过渡处的探测器信号反射所导致的重影图像。
51.根据权利要求49或50所述的设备，其中所述选择数据及模型数据处理装置被进 一步配置为处理所述边缘检测数据，以将阴影伪影添加至所述输出图像数据，所述阴影 伪影表示由多个边缘过渡处的探测器信号的衰减所导致的成像区域的某些部分的遮蔽。
52.根据权利要求49-51中任一项权利要求所述的设备，其中所述选择数据及模型数 据处理装置被进一步配置为将规则伪影添加至所述平面坐标转换图像，所述规则伪影具 有依赖于所述平面坐标空间的所述轴中的一个轴而变化的特性。
53.根据权利要求49-52中任一项权利要求所述的设备，其中，所述输出图像数据包括多列图像元素；以及所述选择数据及模型数据处理装置被进一步配置为生成表示边缘过渡的地点的数据 的稀疏数组，该稀疏数组具有多个列和多个行，所述多个列对应于所述输出图像数据的 各个列，特定列的每一连续行的值表示所述输出图像数据的各个列中的每一连续边缘过 渡的地点。
54.根据权利要求53所述的设备，其中所述选择数据及模型数据处理装置被进一步配 置为创建多个数据矢量，每一数据矢量对应于所述稀疏数组的行；顺次处理每一数据矢量，对每一连续数据矢量的处理访问各前一数据矢量中的数 据；以及合并所述多个数据矢量，以形成数据的所述稀疏数组。
55.根据权利要求46-54中任一项权利要求所述的设备，其中所述选择数据及模型数 据处理装置被进一步配置为访问体积噪声数据，该体积噪声数据表示围绕所述解剖结构的体积内的随机生成的 噪声数据值的分布；处理所述体积噪声数据，以将多个噪声数据值映射至所述输出图像数据的元素；以及处理所述输出图像数据，以将所映射的噪声数据值叠加至所述输出图像数据的各个 元素上。
56.根据权利要求41-55中任一项权利要求所述的设备，该设备进一步包括用于处理 所述选择数据和所述模型数据的图像处理单元GPU。
57.根据权利要求41-47中任一项权利要求所述的设备，该设备进一步包括用于访问定义所述模型的至少一个参数的模型参数数据的模型参数访问装置，且其中所述选择数 据及模型数据处理装置进一步被配置为通过使用所述模型参数数据来转换所述模型。
58.根据权利要求57所述的设备，该设备进一步包括医学成像数据输入装置，该医学成像数据输入装置用于接收与实际解剖结构相关的 实际医学成像数据；以及参数数据生成装置，该参数数据生成装置用于通过估计所述实际解剖结构的参数， 处理所述实际医学成像数据和所述模型数据，以生成所述参数数据。
59.根据权利要求58所述的设备，其中所述参数数据生成装置被进一步配置为访问成像位置数据，该成像位置数据标识了与所述实际医学成像数据相关联的成像区域；生成与所述成像位置数据相对应的区域的输出图像数据；以及通过将所述实际成像数据与所述输出图像数据进行比较，来确定所述参数。
60.根据权利要求57-59中任一项权利要求所述的设备，该设备进一步包括参数数据 接收器装置，该参数数据接收器装置用于经由网络接收所述参数数据。
61.根据权利要求57-60中任一项权利要求所述的设备，该设备进一步包括参数数据 发送器装置，该参数数据发送器装置用于经由网络发送所述参数数据。
62.根据权利要求41-61中任一项权利要求所述的设备，该设备进一步包括用于访问 定时数据的定时数据访问装置，且其中所述选择数据及模型数据处理装置被进一步配置 为依赖于所述定时数据从多组模型数据中选择所述模型数据。
63.根据权利要求62所述的设备，所述定时数据指定时间周期，且所述选择数据及模 型数据处理装置被进一步配置为依赖于所述定时数据来从所述多组模型数据中选择进一步的模型数据，首先选择的 模型数据与所指定时间周期之前的时间周期相关联，且进一步选择的模型数据与所指定 时间周期之后的时间周期相关联；以及对所述首先选择的模型数据与所述进一步选择的模型数据进行内插，以生成内插模 型数据。
64.根据权利要求41-47和57-61中任一项权利要求所述的设备，所述模型数据定义 了所述解剖结构的多个子结构，且所述设备进一步包括用户选择数据接收装置，该用户选择数据接收装置用于接收用户选择数据，该用户 选择数据标识了所述输出图像数据的所选部分；解剖数据处理装置，该用户选择数据接收装置用于处理包括与每一所述子结构相关 联的解剖信息的解剖数据，以选择与所述输出图像数据的所选部分相关联的解剖数据； 以及输出装置，用于输出所选解剖数据。
65.根据权利要求64所述的设备，该设备进一步包括体积选择数据访问装置，该体积选择数据访问装置用于访问体积选择数据，该体积 选择数据表示围绕所述解剖结构的体积内的多个点处的相关子结构的标识；体积选择数据处理装置，该体积选择数据处理装置用于处理所述体积选择数据，以 确定所述体积选择数据内与所述用户选择数据相对应的点，并确定与该点相关联的相关子结构，所述解剖数据根据该相关子结构而被选择。
66.根据权利要求65所述的设备，所述体积选择数据能够将多个子结构与所述体积内 的每一点相关联，且所述体积选择数据处理装置被进一步被配置为确定之前所选的子结构是否与所述体积选择数据内与所述用户选择数据相对应的点 相关联；以及如果之前所选的子结构与所述体积选择数据内与所述用户选择数据相对应的点相关 联，则选择所述体积选择数据内与所述点相关联的下一子结构，从而与所述体积选择数 据的同一点相对应的反复的用户选择将通过所有相关子结构循环。
67.根据权利要求65或66所述的设备，所述体积选择数据依赖于指定时间周期的定 时参数而被访问，且所述体积选择数据处理装置被进一步配置为依赖于所述定时参数，选择进一步的体积选择数据，首先选择的体积选择数据与所 述指定时间周期之前的时间周期相关联，且进一步选择的体积选择数据与所述指定时间 周期之后的时间周期相关联；以及对所述首先所选的体积选择数据与所述进一步选择的体积选择数据进行内插，以生 成内插体积选择数据。
68.根据权利要求41-67中任一项权利要求所述的设备，该设备进一步包括用于输出 多个输出图像的装置，所述多个输出图像形成动画序列。
69.根据权利要求41-47、57-61和64-67中任一项权利要求所述的设备，该设备进一 步包括位置数据接收装置，该位置数据接收装置用于接收表示仿真医学成像装置的仿真传 感器位置的位置数据；位置数据处理装置，该位置数据处理装置用于处理所述位置数据，以标识所述仿真 传感器相对于仿真解剖结构的相对位置；以及选择数据生成装置，该选择数据生成装置用于依赖于所述仿真传感器的相对位置来 生成所述选择数据。
70.根据权利要求69所述的设备，其中所述位置数据包括对所述仿真传感器的位置的表不。
71.根据权利要求69或70所述的设备，其中所述位置数据包括对仿真探测器上参考 点的位置的表示，所述仿真传感器设置于所述仿真探测器上远离所述参考点的位置。
72.根据权利要求71所述的设备，所述仿真探测器包括至少一个自由度，且其中所述 位置数据包括关于所述至少一个自由度的状态信息。
73.根据权利要求69-72中任一项权利要求所述的设备，该设备利用人模来对患者进 行仿真，且其中所述位置数据处理装置被进一步配置为访问代表所述人模的模型的人模 模型数据。
74.根据权利要求73所述的设备，该设备进一步包括用于接收校准位置数据的校准位 置数据接收装置，且其中所述位置数据处理装置进一步包括通过使用所述校准位置数据 来调节所接收的位置数据。
75.一种根据权利要求41-47、57-61、64-66和69-74中任一项权利要求所述的设 备，其中，所述解剖结构为人体或动物体的器官。
76.根据权利要求75所述的设备，其中，所述解剖结构为心脏、肺脏、肺、胃、肝 脏、肾脏以及肾中任意一者或多者。
77.根据权利要求41-47、57-61、64-66和69-76中任一项权利要求所述的设备，其 中，所述医学成像装置为超声换能器、χ射线设备、磁共振成像设备以及正电子发射断层 照相装置中的任一者。
78.根据权利要求1-7、17-21、24-27和29-37中任一项权利要求所述的设备，该设 备进一步包括访问表示插入患者的医学装置的位置的医学装置位置数据；以及 将与所述医学装置相关的图像数据添加至所述输出图像数据中。
79.根据权利要求78所述的设备，该设备进一步包括访问表示插入患者的医学装置的模型的医学装置模型数据；以及 通过使用该医学装置模型数据来生成所述图像数据。
80.根据权利要求78或79所述的方法，该方法进一步包括 依赖于用户输入，生成医学装置定位数据。
81.一种用于促进与用于对患者进行成像的医学成像装置相关的训练的设备，该设备 包括体模，该体模用于对所述患者进行仿真；仿真探测器，该仿真探测器用于对所述医学成像装置的探测器进行仿真；以及 权利要求41-80中任一项权利要求所定义的成像设备。
82.根据权利要求81所述的设备，其中所述体模包括用于容纳所述仿真探测器的通道。
83.根据权利要求81或82所述的设备，该设备进一步包括用于确定所述仿真探测器 的位置的定位装置，该定位装置用于发送位置数据至所述成像设备。
84.根据权利要求83所述的设备，其中所述定位装置包括长度测量装置，该长度测量 装置用于确定所述探测器在所述通道内所行进的长度。
85.根据权利要求83或84所述的设备，其中所述定位装置包括安装于所述探测器内 的加速度计，该加速度计用于对所述探测器的地点和方位中的至少一者进行跟踪。
86.根据权利要求83-85中任一项权利要求所述的设备，其中所述定位装置包括至少 一个用户可控输入装置，该用户可控输入装置用于配置所述探测器的形态。
87.根据权利要求83-86中任一项权利要求所述的设备，该设备进一步包括校准参考 地点，且所述定位装置被配置为在所述探测器位于所述校准参考地点时发送校准位置数 据。
88.根据权利要求81-87中任一项权利要求所述的设备，其中所述体模进一步包括对 所述患者的胸廓进行仿真的内部结构。
89.根据权利要求81-88中任一项权利要求所述的设备，其中所述体模进一步包括可 变形外膜，该可变形外膜用于对患者的皮肤层进行仿真。
90.一种用于促进与利用超声换能器对患者进行成像相关的训练的体模，该体模包括内部结构，该内部结构用于对所述患者的胸廓进行仿真；可变形外膜，该可变形外膜用于以对患者的皮肤层进行仿真；以及 用于确定应用至所述体模的仿真超声探测器的地点及方位的装置，该装置用于允许 对所述患者的超声检查进行仿真。
91.根据权利要求90所述的体模，该体模进一步包括通道，该通道用于容纳所述仿真 超声探测器，以允许对所述患者的非侵入式超声检查进行仿真。
92.一种促进与用于对患者进行成像的医学成像装置相关的训练的方法，该方法包括提供对所述患者进行仿真的体模；提供用于对所述医学成像装置的探测器进行仿真的仿真器探测器；以及 执行权利要求1-40中任一项权利要求所定义的方法。
93.—种计算机，该计算机包括指令存储器，该指令存储器用于存储处理器可执行指令；以及 处理器，该处理器可操作用于根据存储于所述指令存储器内的指令来处理数据； 其中存储于所述指令存储器内的指令包括用于控制所述处理器执行权利要求1-40中 任一项权利要求所定义的方法的指令。
94.根据权利要求93所述的计算机，该计算机进一步包括图形处理器单元GPU，该 图像处理器单元可操作用于执行所述处理所述选择数据和所述模型数据的步骤中的部分 步骤。
95.一种携带计算机可读代码的载体介质，所述可读代码用于控制计算机执行权利要 求1-40中任一项权利要求所述的方法。
96.一种携带计算机可读代码的信号，所述可读代码用于控制计算机执行权利要求 1-40中任一项权利要求所述的方法。
97.一种实质上如参见附图4-20在此所述的方法。
98.—种实质上如参见附图5、15、16、18和19在此所述的设备。
全文摘要
公开了一种对医学成像装置的输出进行仿真的方法，所述医学成像装置用于对解剖结构进行成像，且所述方法包括访问模型数据，该模型数据表示所述解剖结构的模型；访问选择数据，该选择数据表示待成像解剖结构的所选区域；以及处理所述选择数据和模型数据，以生成输出数据，该输出数据表示在所述医学成像装置对所述所选区域进行成像时的输出的仿真。
文档编号G09B23/28GK102016957SQ200880128721
公开日2011年4月13日 申请日期2008年2月25日 优先权日2008年2月25日
发明者A·丘比特, A·史密斯, C·B·马丁, S·J·赖特 申请人:发明医药有限公司