CN101268967B - 用于提供校正信息的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提供用于在将器械(7)导引到对象(P)中的目标点(P3)时校正器械(7)的导引方向的校正信息的方法和装置，其中，从器械顶点(P2)的当前位置、器械的当前导引方向和对象中目标点(P3)的位置出发，确定表征器械(7)当前导引方向的第一直线(G1)，以及由器械顶点(P2)和对象(P)中目标点(P3)确定的、与该第一直线(G1)相交并表征期望的导引方向的第二直线(G2)。基于该第一直线(G1)和第二直线(G2)之间的相对位置至少在一个校正图像中至少给出一个用于校正器械当前导引方向的数值的校正信息。该校正图像具有定位在该器械的当前导引方向的透视图中的平面(E2)中的校正图表(20)。

Description

用于提供校正信息的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于提供校正信息的方法和装置，该信息用于在在对象中导引器械时校正器械的导引方向，器械应从对象上的开始点导引到对象中的目标点。
背景技术
在某些技术领域中，需要将器械导引至对象中的目标点，其中在器械至少部分地引入对象中之后至少器械的顶点和一部分不再为肉眼所能跟踪，因此不能确定器械、特别是器械顶点当前位于对象中的何处以及器械的当前导引方向是否就器械在对象中要到达的目标点来说与期望的器械导引方向相同。
这样的问题也存在于医疗技术中，例如在如经皮肤的胆管穿刺或活组织切片检查的穿刺中，其中穿刺针通常借助于透视图像或者说所谓的荧光镜检查被引导到目标组织。借助不同投影方向的透视图像，医生可以监控穿刺针相对于目标区域的位置和方向，并将穿刺针导引到患者身体的目标区域或者目标组织。但是对穿刺针的精确目标导引有时是困难的，因为医生仅有用于帮助监控和导引穿刺针的在不同投影方向下获得的投影图像，在这些图像中通常很难或根本不能识别出穿刺目标。
因此建议，为了更好了解患者和穿刺目标的解剖结构，在手术前记录穿刺区域的三维图像数据组，并将手术中拍摄的透视图像与该三维图像数据组配准。这使得有可能使三维图像数据组的图像数据与透视图像的图像数据互相重叠，从而为了更好地控制穿刺例如使穿刺组织或穿刺目标能出现透视图像中。
但是即使在通过2D-3D配准而可以实现的将透视图像与手术前获得的三维图像的图像数据重叠时，穿刺时仍存在不确定性。从由三维图像数据补充的透视图像中虽然同时可见目标组织和穿刺针，但却只能在有限程度上显示目标组织和穿刺针的精确的相对位置，因为在两维透视图像中通常缺乏目标和距离信息以及特别是深度信息。
在DE 10 2005 012 985A1中描述了一种用来在对患者的医学介入中控制穿刺针导引的方法，其中至少提供所介入的组织区域的三维图像。在该三维图像中使用者标记开始点和至少介入的目标点的位置。基于这些标记对器械在空间的导引路径自动进行计算。在考虑在介入期间获得的组织区域的透视图像的投影几何的情况下将所计算的导引途径投影到该获得的透视图像中，并图形地可视化。另外可以在这种透视图像中叠加如何校正穿刺针方向的可视信息。为实施DE 102005 012 985A1描述的方法，将三维图像和两维透视图像互相配准，例如在DE 102 10 646A1中描述的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种在本文开始提到的类型的方法和装置，用来简化对器械导引方向的校正。
本发明要解决的技术问题通过提供校正信息的方法和装置解决，该信息用于在将器械导引到对象中的目标点时校正器械的导引方向，其中，从该器械顶点的当前位置、该器械的当前导引方向和对象中目标点的位置出发，确定表征该器械当前导引方向的第一直线，以及由该器械的顶点和对象中的目标点确定的、与该第一直线相交并表征期望的导引方向的第二直线，其中，基于该第一直线和第二直线之间的相对位置至少在一个校正图像中至少给出一个用于校正器械的当前导引方向的数值的校正信息，其中，该校正图像具有定位在该器械的当前导引方向的透视图的平面中的校正图表(Korrekturdiagramm)。因此根据本发明为使用者在导引器械时在校正图像中提供具体的数值的校正信息，该信息还可以包括校正方向的说明，以使器械的使用者能够轻松地将当前的导引方向校正到期望的器械导引方向。
就校正图表来说，器械的当前导引方向与校正图表的平面垂直。对于根据校正图表的信息进行器械上的校正来说，使用者必须相应地实际上或假想在器械后面的位置上，以基于校正图表中给出的数值的校正信息来校正器械的导引方向。因此用校正图表提供了一种虚拟的或者说假设的设置于器械末端的调整图表(Einstelldiagramm)，其为一种“操纵杆”或“控制棒可视化装置”。
根据本发明的一种变形，数值的校正信息是关于器械顶点的校正角度，使用者必须围绕该角度摆动器械，以从当前导引方向到达期望的器械的导引方向。因为第一和第二直线的空间位置已知，可以关于不同的坐标系计算在空间中直线间的校正角度。
根据本发明的一个实施方式，可供使用者使用的校正图像具有器械的影像和至少第二直线(优选还有第一直线)的走向的图解，其至少基本上与器械的影像对应。
根据本发明的另一实施方式，校正图像为对象的投影图像或具有三维图像数据的对象的投影图像，即投影图像的图像数据以及出自于从对象产生的三维图像数据组或者说立体数据组的图像数据互相融合或重叠。在医学环境中投影图像优选地可以由X射线仪，特别是C弧X射线仪获得，利用该X射线仪可以获得对象特别是患者的不同投影方向的相对简单的两维投影图像。三维图像数据也可以由C弧X射线仪获得，其中C弧设置为围绕对象或者说患者大约190°。在此从不同的投影方向拍摄一系列两维X射线投影，从这些两维X射线投影可以重建三维图像数据组。但是也可以用其它成像设备，例如用计算机断层造影设备、MR设备或超声设备获得对象的三维图像数据组，以及提供与投影图像的图像数据的融合或重叠。
根据本发明的一种变形，数值的校正信息、特别是校正角度的说明，关于一个参考平面、特别是关于器械使用者在校正导引方向时必须相应考虑的校正图像或者说投影图像的图像平面给出。就此而言还需要使用者具有一定的想象力，例如器械和X射线探测仪如何相互表现。但是也可以提供具有关于另一参考平面、如患者卧榻平面的数值的校正信息的校正图像。在这种情况下数值的校正信息、特别是校正角度的说明是关于卧榻平面实现的。
根据本发明的一个实施方式，可以以投影图像的形式在相互不同的投影方向上产生多个校正图像，以使器械的使用者能基于两个或多个校正图像并相应于相关的数值的校正信息在空间调整到期望的导引方向。
根据本发明的一种变形，以投影图像的形式这样产生校正图像，使得校正图像的投影方向基本上垂直于由第一直线和第二直线张紧的平面。在使用C弧X射线仪拍摄投影图像或者说校正图像的情况下，这样使C弧定向，使投影图像的投影方向或从C弧的X射线源发出的X射线束的中心射线垂直位于由第一直线和第二直线张紧的平面，这样，该平面基本上与X射线接收器的平面平行。在这种情况下在该投影方向上拍摄的一幅校正图像就足够使器械向期望的导引方向摆动。
根据本发明的变形，校正图表具有至少一个校正方向和至少一个涉及该校正方向的用于校正器械的数值的校正信息。优选校正图表具有校正轮盘，该校正轮盘将校正方向与在校正方向上的数值的校正信息相对应。
与“操纵杆或控制棒可视化装置”相应地，根据本发明一个实施方式的校正图表具有表征器械的当前导引方向的第一点和表征器械要采取的期望的导引方向的第二点。在引入校正图表的情况下，根据校正图表中的数值的校正信息，特别是校正角度信息，使器械相应地这样摆动，使近乎逐点图解器械纵轴、表征器械的当前导引方向的第一点向近乎图解器械纵轴的终点位置并由此而表征器械的期望的导引方向的第二点移动。
根据本发明的一个实施方式，校正图表具有唯一的、在校正图表的平面中互相垂直的校正方向轴，这些轴这样得出：首先在第一直线上选择一个点和通过该所选点的平面，该平面即校正图表的平面，其这样确定：使该第一直线垂直于该平面。因此校正图表平面的法向矢量位于该第一直线上。校正图表的平面和对象的定位平面、例如患者的卧榻平面具有一交线，其中与该交线的平行线通过在第一直线上所选的点和在校正图表的平面中给出校正图表平面中的第一校正方向轴。校正图表平面中的第二校正方向轴由该交线的垂直线通过在校正图表平面上第一直线上所选的点给出。就此而言，在校正图表平面中得出二维的坐标系统，其中优选为每个校正方向轴或者说校正方向配备一个数值的校正信息。
根据本发明的变形，拍摄其中设有器械的对象的至少两个不同投影方向的投影图像，并借助该至少两个投影图像确定器械顶点的当前空间位置和/或器械的另一特定点的当前空间位置和/或对象中目标点的空间位置。通过确定器械顶点在空间中的当前位置和器械在空间中的另一特定点的当前位置可以计算器械在空间中的当前导引方向和计算表征器械当前导引方向的在空间中的第一直线。第二直线，如已经提到的，通过器械顶点在空间的当前位置和目标点在空间的位置给出。器械顶点和/或器械的另一特定点和/或对象的目标点的定位可以在至少两个投影图像中手动或用模式识别的方法实施。所标识的或者说定位的点的空间坐标可以借助三角测量反算出，这是可能的，因为例如由X射线仪，特别是C弧X射线仪拍摄的投影图像的投影几何是已知的。
此外还有一种可能，用位置采集系统来确定器械顶点的当前空间位置和/或器械的当前空间导引方向。位置采集系统可以是光学的、电磁的或也可以是其他合适的位置采集系统。在采用光学位置采集系统的情况下，例如可以将位置采集系统的多个标记这样确定地设置在器械上，使它们可以被位置采集系统的照相系统拍摄，从而不仅使器械的导引方向而且使器械顶点在空间的位置都可以由位置采集系统采集和确定。
对象中的目标点优选(但不是必须)借助立体数据组来标识，为此根据本发明的一个变形在手术前或手术中对对象或者说包含器械的对象拍摄立体数据组。在此也可以将立体数据组的图像数据和从至少两个互相不同的投影方向拍摄的对象的投影图像互相融合或重叠。
根据本发明的变形，器械顶点和/或器械的另一特定点和/或对象的目标点可以在立体数据组中或在立体数据组的和至少两个投影图像的互相融合或重叠的图像数据中手动或用模式识别的方法来定位。
所识别的点的空间坐标在使用C弧X射线仪的情况下可以通过反向投影根据公知的投影几何来确定。
附图说明
下面对照附图描述本发明的实施例。其中：
图1示出用于拍摄患者的两维投影的C弧X射线仪，
图2、3示出两个在不同投影方向上获得的其中设有穿刺针的患者的两维投影，
图4示出叠加在获得的患者的三维图像中的穿刺针的当前导引方向，
图5示出叠加在获得的患者的三维图像中的穿刺针的当前导引方向和期望的导引方向，
图6示出用于校正导引方向的两维投影图像形式的校正图像，
图7示出在当前导引方向的透视图中产生的对应于穿刺针的校正图表，
图8示出图7中校正图表的外观，
图9示出具有图8中的校正图表的校正图像，以及
图10示出用来解释对图8的校正图表的校正方向轴的确定的草图。
具体实施方式
图1示出用来提供在将器械导引至对象中的目标点时用于校正器械导引方向的校正信息的装置，其在本实施例的情况下应用于医学技术中。
在本实施例情况下，该装置包括图示的具有C弧2的C弧X射线仪1，在该C弧上相对地设有X射线源3和平面图像探测器形式的X射线接收器4。C弧2可以以本身已知的方式在双向箭头a的方向上围绕它的轨道轴O或在双向箭头b的方向上围绕它的角度轴A调整，以便能够拍摄对象、例如患者的不同投影方向的X射线投影。此外可以用C弧X射线仪1产生对象的立体数据组，为此C弧2为获得对象的不同投影方向的一系列两维X射线图像例如围绕它的轨道轴O在约为190°的角度范围内移动。由该系列投影几何已知的X射线图像可以最终以本身已知的方式重建立体数据组。为获得、产生、准备和显示对象的两维X射线投影或基于产生的立体数据组的三维图像的图像信息，C弧X射线仪1具有计算机5。图像信息显示在显示设备6上。
在本实施例情况下应借助具有计算机5的C弧X射线仪1和穿刺针7来对患者P的组织实施穿刺。此处患者P以在图1中示意性示出的方式位于患者卧榻8上。在本实施例情况下用穿刺针7实施荧光镜检查控制的穿刺，其中借助两维投影图像或者说透视图像来监控穿刺针7在患者P中的位置，特别是穿刺针7的顶端相对患者P的待穿刺组织的位置。
在本实施例情况下在实际的穿刺之前从患者，特别是患者P中待穿刺的组织所位于的范围内获取立体数据组。该立体数据组可以用计算机断层造影设备、MR仪或C弧X射线仪1在手术前产生。但也可以在手术中，即在穿刺过程中，优选地用C弧X射线仪1先于或后于穿刺针7插入患者而产生立体数据。用C弧X射线仪1在手术中产生的立体数据组只要患者P保持不动就具有这样优点：不必额外将立体数据组与在穿刺时用C弧X射线仪拍摄的两维X射线投影配准，因为立体数据组和两维X射线投影都是基本上在相同的条件下用C弧X射线仪1获得的并且已经互相配准。
根据立体数据组或根据基于立体数据组的、可在显示设备6上显示的患者P的感兴趣区域的三维图像，可以确定穿刺针7在患者P身体表面的插入位置以及目标点或穿刺目标P3或患者P中的目标组织。穿刺目标P3(请参见图5)可以通过计算机5的图形用户界面借助人工输入手动地或使用模式识别的方法在三维图像中定位。穿刺目标P3的位置或者说在空间坐标系KR中的坐标可以通过反投影确定。
为监控穿刺针7在插入患者P的插入位置之后的位置和方向，经过一定时间后用C弧X射线仪1从不同的投影方向至少获得两个X射线投影。在图2中示出了属于图1中投影方向X1的带有穿刺针7的患者P的两维X射线投影，而在图3中示出属于图1中投影方向X2的两维X射线投影。为了能确定穿剌针7的当前导引方向是否就患者P待穿刺组织来说与期望的导引方向相同并在必要时提供给实施穿刺的医生相应的校正信息，在分别具有穿刺针7的影像17和患者P的组织的显示D的图2和图3所示的两个X射线投影中，确定穿刺针7的顶端P2以及穿刺针7上另一特征点P1(在本实施例中是患者P的插入点)的位置。在此点P1和P2的定位或识别手动进行。但是也可以，用模式识别的方法来识别穿刺针7的顶端P2以及穿刺针7的点P1。如果点P1和P2在两个X射线投影图像中被识别，就可以借助三角测量反算出这些点在空间坐标系KR中的三维坐标，如果(在当前方式中)用C弧X射线仪1获得的X射线投影的投影几何已知的话。因此可以用计算机5确定属于点P1和点P2的空间坐标系KR中的坐标，并在空间坐标系KR中确定唯一表征穿刺针7的当前导引方向的直线G1。在图4中显示了直线G1与对象的三维图像中点P1和点P2的叠加。
此外基于点P2(穿刺针7的顶端)和穿刺目标P3的空间坐标可以计算至间坐标系KR中直线G2，该直线G2表征期望的穿刺针7的导引方向并与直线G1在穿刺针7的顶端P2处相交。因为直线G1和G2在空间已知，可以计算直线G1和G2间的角度α，穿刺针7关于它的顶端P2围绕该角度摆动，以从当前导引方向到达期望的导引方向。图5示出了直线G1和G2在患者P的三维图像中的叠加，其中还标记了穿刺目标P3或者说目标组织。
基于对第一和第二直线G1和G2在空间的相对位置的认识，根据本发明的第一变形，为至少一幅校正图像提供至少一个用于校正穿刺针7的当前导引方向的校正值或至少一个数值的校正信息。在图6中显示了这样的校正图像，在此该校正图像为两维X射线投影图像，为在必要时获得对穿刺组织的更好的可辨认性可将该校正图像与三维图像数据重叠。该校正图像具有穿刺针7的影像、患者P的组织的显示D以及与投影方向相应的直线G1的走向和直线G2的走向的图解。此外校正图像还具有数值的校正信息18，根据该校正信息穿刺针7关于图像平面围绕穿刺针7的顶端P2摆动一个15°的校正角。因此图6的校正图像或者说投影图像具有作为参考平面的两维X射线投影的图像平面，其对手拿穿刺针7的医生来说由于C弧2相对于患者P的位置而是已知的。
因此医生为了校正穿刺针7的导引方向可以基于校正图像在考虑作为参考平面的图像平面的情况下将穿刺针7在图6中记录的校正方向上相应地旋转+15°。因为此处校正仅关于参考平面给出，有时可能需要多个在不同投影方向下的校正图像，以使实际的导引方向最终能与穿刺针7的期望的导引方向一致。但是如果校正图像的投影方向基本上与通过第一和第二直线张紧的平面在空间垂直，这可以通过这样设置C弧2，使从X射线源3发出的X射线束的中心射线基本与由直线G1和G2张紧的平面垂直实现，那么一个校正图像就足够能将穿刺针7在空间从当前的导引方向导引到期望的导引方向。
根据本发明的另一个实施方式，校正图像可以具有图7至9所示的校正图表20。该校正图表20定位在穿刺针7的当前导引方向的透视图的平面E2中。即，穿刺针7的当前导引方向或直线G1与校正图表20的平面E2垂直。
在本实施例中，校正图表20具有一个校正轮盘21和两个校正方向轴K1和K2，该校正方向轴具有校正方向和与该校正方向相关的数值的校正信息。校正图表20还具有用来图解穿刺针7的当前导引方向的第一点U1，和用来图解穿刺针7要采取的期望的导引方向的第二点U2。校正图表20是一种“操纵杆或控制棒可视化装置”，其为想象中设置在穿刺针7或穿刺针7末端的医生给出，如何并且按什么角度在校正方向轴K1和K2的校正方向上摆动穿刺针7，以使穿刺针7采取期望的导引方向。在此校正图表20本身可以单独表示校正图像，或如在图9所示，叠加在校正图像中，例如投影图像中。
此外校正方向或校正方向轴K1和K2的信息是唯一的，如在图10中解释的。图10示出了直线G1以及为患者P位于之上的患者卧榻8的卧榻平面的平面E1。为确定校正方向轴在直线G1上选择点N0，该点例如可以是穿刺针7的末端，但也可以是在直线G1上选择的其它点。如果通过所选的点P0用直线G1上的法向量N1确定出平面E2，该平面E2是校正图表20的平面。平面E1和E2在交线S相交，在此，与该交线S的平行线通过平面E2中的点N0确定校正图表20平面中第一唯一的校正方向轴K1。第二唯一的校正方向轴K2由与该交线S的垂直线通过平面E2中的所选点N0来确定。
从直线G2与平面E2的交点可以最终计算出关于校正方向轴K1和K2的校正角度，从而使医生，当他假设位于穿刺针7的末端时，能确定地以校正图表20中给出的60°的校正角度来调节并因此而能将穿刺针7带到期望的穿刺针7的导引方向。
以上以用穿刺针的穿刺为例描述了本发明。但是本发明不限于在穿刺中的应用。更确切地说还可以用于为许多在医学领域或非医学领域中其它的器械根据本发明提供用于校正其导引方向的校正信息。

Claims (23)

1.一种提供用于在将器械(7)导引到对象(P)中的目标点(P3)时校正器械(7)的导引方向的校正信息的装置，具有成像设备(1)和计算装置(5)，其中，利用该成像设备(1)和该计算装置(5)确定器械(7)的顶点(P2)的当前空间位置、器械(7)的当前空间导引方向、对象(P)中目标点(P3)的位置以及表征器械(7)的当前空间导引方向的第一直线(G1)和通过该器械(7)的顶点(P2)和对象(P)中目标点(P3)确定的、与该第一直线(G1)相交并表征期望的导引方向的第二直线(G2)，其中，基于该第一直线(G1)和第二直线(G2)之间的相对位置至少在一个校正图像中至少给出一个用于校正器械(7)的当前空间导引方向的数值的校正信息，其中，该校正图像具有定位在该器械(7)的当前空间导引方向的透视图中的平面(E2)中的校正图表(20)，其中，所述器械是穿刺针(7)，所述对象是患者(P)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述成像设备是X射线仪。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述成像设备是C弧X射线仪(1)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，所述数值的校正信息是关于所述器械(7)顶点(P2)的校正角度。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，所述校正图像具有所述器械(7)的影像(17)和至少所述第二直线(G2)的走向的图解。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述校正图像是投影图像。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述校正图像是具有三维图像数据的投影图像。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述校正信息关于参考平面给出。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述参考平面是所述校正图像的图像平面。
10.根据权利要求6至9中的任一项所述的装置，其中，从互相不同的投影方向产生多个校正图像。
11.根据权利要求6至9中的任一项所述的装置，其中，所述校正图像的投影方向垂直于通过所述第一直线(G1)和第二直线(G2)张紧的平面。 
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，所述校正图表(20)具有至少一个校正方向。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述校正图表(20)具有至少一个关于校正方向的用于校正所述器械(7)的数值的校正信息。
14.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，所述校正图表(20)包括一个校正轮盘(21)。
15.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，所述校正图表(20)具有图解器械(7)的当前空间导引方向的第一点(U1)和图解器械(7)要采取的期望的导引方向的第二点(U2)。
16.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，所述校正图表(20)具有唯一的，在所述校正图表(20)的平面(E2)中互相垂直的校正方向轴(K1，K2)，其如下得出：
在所述第一直线(G1)上选择一点(N0)；
确定通过该所选点(N0)的平面(E2)，该平面是所述校正图表(20)的平面，所述第一直线(G1)垂直于该平面(E2)；
对象(P)的定位平面(E1)和所述校正图表(20)平面(E2)之间的交线(S)的平行线(PS)通过所选点(N0)给出第一校正方向轴(K1)；
通过所选点(N0)在所述校正图表(20)的平面(E2)中交线(S)的垂直线(SP)给出第二校正方向轴(K2)。
17.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，拍摄其中设有器械(7)的对象(P)的至少两个不同投影方向的投影图像，并借助该至少两个投影图像确定所述器械(7)顶点(P2)的当前空间位置和/或器械(7)的另一特定点(P1)的当前空间位置和/或对象(P)的目标点(P3)的空间位置。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，在至少两个投影图像中手动或用模式识别方法来定位所述器械(7)的顶点和/或器械(7)的另一特定点和/或对象(P)的目标点。
19.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，用位置采集系统来确定所述器械(7)顶点的当前空间位置和/或器械(7)的当前空间导引方向。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，记录对象(P)的手术前或手术中的立体数据组。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，将所述立体数据组的图像数据和 至少两个从相互不同投影方向拍摄的对象(P)的投影图像互相融合或重叠。
22.根据权利要求20或21所述的装置，其中，借助所述立体数据组确定所述器械(7)顶点(P2)的当前空间位置和/或器械(7)的另一特定点(P1)的当前空间位置和/或对象(P)的目标点(P3)的空间位置。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，在所述立体数据组中或在该立体数据组和至少两个投影图像的互相融合或重叠的图像数据中手动或用模式识别方法来定位所述器械(7)顶点和/或器械(7)的另一特定点和/或对象的目标点(P3)。 
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