CN104055520A - 人体器官运动监测方法和人体导航系统 - Google Patents

人体器官运动监测方法和人体导航系统 Download PDF

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Abstract

人体器官运动监测方法和人体导航系统。提供了手术过程中实时监测人体器官的运动的人体器官运动监测方法和手术导航系统。该人体器官运动监测方法包括：获得从术前三维立体医学图像中识别的各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态；在手术中实时确定各个运动监测工具在定位坐标系中的第二位置和姿态；基于各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态以及在定位坐标系中的第二位置和姿态，实时计算定位坐标系到影像坐标系之间的最优坐标转换关系，以及基于该最优坐标转换关系计算各个运动监测工具在从定位坐标系到影像坐标系的坐标转换的总体误差；基于实时确定的各个时刻的各个运动监测工具的坐标转换总体误差，评估人体器官在该各个时刻相对于手术前扫描时刻的运动程度。

Description

人体器官运动监测方法和人体导航系统
技术领域
本发明总体地涉及手术导航系统和方法，更具体地涉及医学过程中实时监测人体器官的运动的人体器官运动监测方法、人体导航系统、计算机可读介质。
背景技术
介入手术是现代外科手术的发展方法，介入手术与传统外科手术的区别是不需要开刀，只需要一个很小的创口即可将特制的手术器械例如导管、冷冻针、射频消融振、导丝等刺入到人体内的病灶部位或者手术靶点位置上，然后通过各种物理/化学作用达到治疗的目的，从而解决过去需要开放式手术才能解决的肿瘤切除、组织活检、人工器材放置等问题。
在介入手术过程中，医生无法直接观察到病人体内的治疗部位或者病灶，需要借助于医学影像引导下的计算机辅助手术导航技术。计算机辅助手术导航技术是集计算机科学、人工智能、自动控制、影像处理、三维图形学、虚拟现实和临床治疗等多方面技术为一体的交叉研究课题。手术导航技术使用多种模态的医学影像协助医生将手术器械直接穿刺到病灶进行局部治疗，进而提高手术质量、减少手术创伤、降低患者痛苦。
手术导航应用患者的医学影像及由其重构生成的三维模型来实时引导临床手术的实施。患者的医学影像数据集例如通过CT(computerizedtomography，计算机断层摄影)或MRI(Magnetic Resonance Imaging，核磁共振成像)扫描手段来获得。手术导航系统把患者术前医学影像数据和术中手术部位通过定位设备联系起来，并能够在软件界面里准确地显示患者的解剖结构及病灶附近三维空间位置的细节。当手术器械指向患者身体内部的任意部位时，它的坐标信息都会被导航系统实时获取，并显示在患者的三维模型上。这样即使不用给患者开刀，医生也能够实时了解手术器械和肿瘤病灶之间的相对位置关系。
相对于传统手术手段而言，手术导航具有下述优点：
1.可通过三维可视化技术实时重构病灶，并显示手术视野周围的结构特征；
2.可通过术前手术方案设计选择最合适的手术路径；
3.可显示手术路径上可能遇到的组织结构；
4.可显示重要的应回避的组织结构，比如血管、神经和骨骼等；
5.可显示病灶的需要治疗的范围；
6.可实时精确计算出手术器械的位置姿态并加以显示；
7.可显示手术器械与病灶的空间位置关系，并指示手术器械前进的方向；
8.可术中实时调整手术入路，从而更加精确地达到病灶部位。
为了描述方便，下文以CT图像作为医学影像的例子，不过显然医学影像也可以例如MRI影像的其它影像。
实时手术导航涉及采用定位设备或者跟踪系统，例如，采用电磁(EM,electromagnetic)跟踪器，来跟踪手术工具例如穿刺针的末端，从而将手术工具的位置与手术前医学影像例如CT图像相关，并将融合图像显示给临床医生。为了实现CT空间和跟踪器空间之间的数据整合，通常在导航之前执行基于参考标记的配准过程。从CT图像中识别这些参考标记(外部参考标记或者内部解剖参考标记)，并由经校准的跟踪探头触碰这些参考标记，从而得到这些参考标记在跟踪器空间，下文称之为定位坐标系中的坐标。之后，执行基于点的配准，以找到CT空间和跟踪器空间之间的坐标变换矩阵。由坐标变换矩阵得到配准矩阵，该配准矩阵使得手术工具与手术前CT图像对准，从而能够基于手术工具在定位系统中的位置信息，实现手术工具的图像与CT图像在CT坐标系中的准确融合，并可视地显示给临床医生。
发明内容
目前手术导航技术已经广泛地应用于神经外科手术导航和骨科手术导航中。然而这些手术都假设人体是一个完全静止的刚体，并且这种静止状态会从CT扫描初期保持到整个手术过程的结束。虽然这种假设在大多数神经外科手术和骨科手术里可以近似假定成立，但是它在胸腹腔介入手术领域却难以获得成立。由例如呼吸而导致的胸腹腔组织运动(包括肿瘤组织和正常组织)往往可以达到2-4厘米的范围，而临床手术的精度要求往往是在毫米级别的，这样的误差会导致目前主流的手术导航系统难以安全稳定地应用于胸腹腔介入手术的临床实践中。
鉴于上述情况，做出了本发明。
根据本发明的一个方面，提供了一种手术过程中实时监测人体器官的运动的人体器官运动监测方法，在手术前通过扫描已经获得了固定有两个或两个以上的运动监测工具的患者的医疗部位的三维立体医学图像，该三维立体医学图像具有相关联的影像坐标系，该人体器官运动监测方法包括如下步骤：获得从术前三维立体医学图像中识别的各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态；在同样的运动监测工具以与手术前扫描时同样的位置和姿态固定于患者身体上的状态下：实时确定各个运动监测工具在定位坐标系中的第二位置和姿态，该定位坐标系是定位手术工具的位置和姿态过程中所参考的坐标系；基于各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态以及在定位坐标系中的第二位置和姿态，实时计算定位坐标系到影像坐标系之间的最优坐标转换关系，以及基于该最优坐标转换关系计算各个运动监测工具在从定位坐标系到影像坐标系的坐标转换的总体误差；以及基于实时确定的各个时刻的各个运动监测工具的坐标转换的总体误差，来评估人体器官在该各个时刻相对于手术前扫描时刻的运动程度。根据本发明的另一方面，提供了一种手术导航系统，包括：定位设备，用于跟踪手术工具和运动监测工具在定位坐标系中的位置和姿态；两个或两个以上的运动监测工具，被固定于患者身体上，其在定位坐标系中的位置和姿态能够被定位设备跟踪到；三维立体医学图像获得单元，用于获得手术前的固定有运动监测工具的患者的医疗部位的三维立体医学图像，该立体医学图像具有相关联的影像坐标系；手术导航工作站，进行术前三维立体医学图像与手术中的手术工具图像的配准和组合，并在所连接的显示设备上进行可视化显示，以指导手术执行者的手术操作；其中，所述手术导航工作站还通过下述操作监视人体器官的运动状态：从术前三维立体医学图像中识别各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态；在手术中实时确定各个运动监测工具在定位坐标系中的第二位置和姿态；基于各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态以及在定位坐标系中的第二位置和姿态，实时计算定位坐标系到影像坐标系之间的最优坐标转换关系，以及计算各个运动监测工具在从定位坐标系到影像坐标系的坐标转换的总体误差；以及基于实时确定的各个时刻的坐标转换的总体误差，来评估人体器官在该各个时刻相对于手术前扫描时刻的运动程度。
所述手术导航工作站可以基于所述评估的人体器官在该各个时刻相对于手术前扫描时刻的运动程度，确定手术工具介入人体病灶的时机，并向执行手术的操作者提示该时机。
所述手术导航工作站还可以配置为：确定坐标转换的总体误差小于预定阈值的时刻；确定该时刻的定位坐标系到影像坐标系的坐标转换矩阵；以及基于该坐标转换矩阵，实时确定手术工具在影像坐标系中的位置，并将手术工具的图像在该位置与三维立体医学图像组合地显示在显示设备上。
所述手术工具可以是穿刺针。
所述每个运动监测工具可以具有至少四个能够被定位设备跟踪的标志点，其中任意三个标志点不共线，其中通过在该三维立体医学图像中识别每个运动监测工具的各个标志点来识别各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态；以及在手术中定位设备通过跟踪每个运动监测工具的各个标志点来确定各个运动监测工具在定位坐标系中的第二位置和姿态。
所述运动监测工具可以被固定于受人体器官运动影响大的患者身体部位上。
根据本发明的再一方面，提供了一种计算机可读介质，其上记载有计算机程序，该计算机程序与手术导航系统结合使用，且当被处理装置执行时，执行下述操作：获得从术前三维立体医学图像中识别的各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态，该术前三维立体医学图像基于手术前通过扫描固定有两个或两个以上的运动监测工具的患者的医疗部位得到的，该三维立体医学图像具有相关联的影像坐标系；在同样的运动监测工具以与手术前扫描时同样的位置和姿态固定于患者身体上的状态下：实时确定各个运动监测工具在定位坐标系中的第二位置和姿态，该定位坐标系是定位手术工具的位置和姿态过程中所参考的坐标系；基于各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态以及在定位坐标系中的第二位置和姿态，实时计算定位坐标系到影像坐标系之间的最优坐标转换关系，以及基于该最优坐标转换关系计算各个运动监测工具在从定位坐标系到影像坐标系的坐标转换的总体误差；以及基于实时确定的各个时刻的各个运动监测工具的坐标转换的总体误差，来评估人体器官在该各个时刻相对于手术前扫描时刻的运动程度。
该计算机程序当被计算装置执行时还可以执行下述操作：确定坐标转换的总体误差小于预定阈值的时刻；确定该时刻的定位坐标系到影像坐标系的坐标转换矩阵；基于该坐标转换矩阵，确定手术工具在影像坐标系中的位置和姿态，并将手术工具的图像基于该位置和姿态与立体医学图像组合地显示在显示装置上。
利用本发明实施例的手术导航系统和人体器官运动监测方法，能够解决或缓解胸胸腹腔手术导航中人体由于呼吸运动而导致肿瘤位移、进而降低手术导航精度的问题；也能够简化手术导航的流程，方便手术导航在多个领域的使用和推广。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1示出了根据本发明实施例的示例性手术导航系统100的配置框图。
图2示出了根据本发明实施例的呼吸监测工具120的示例性结构示意图。
图3示出了根据本发明实施例的手术导航方法200的示例性过程。
图4示出了呼吸运动过程中的坐标转换的总体误差随时间变化曲线的一部分的示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
在详细描述本发明实施例之前，为便于本领域技术人员理解和把握本发明，下面描述以下本发明的主要思想。
手术前的CT图像是在患者的某个呼吸状态时刻或者呼吸状态阶段采集到的。在进行CT扫描的过程中通常不便于跟踪参考标记在定位坐标系中的位置和姿态。扫描CT的时刻与实际手术的时刻可能间隔数天。
在后续的手术过程中患者持续处于呼吸的周期运动过程中，理论上只有当患者的某时刻的呼吸状态与手术前CT扫描时刻或阶段相一致或相近时，此时的参考标记在定位坐标系中的位置和姿态才对应于先前从CT图像中识别出来的参考标记在图像坐标系中的位置和姿态，因而此时得到的配准矩阵才是正确的，从而在此时刻才能精确地将手术工具的位置变换到CT空间中，提供给临床医生的融合后的三维体模型的可视显示才是精确的。
为此，发明人想到，可以监测各个监测工具(上有参考标记)在定位坐标系中的位置和姿态(取向或方位角)，优化一个统一的从定位坐标系到三维影像坐标系的坐标转换矩阵，确定各个监测工具从定位坐标系到三维影像坐标系的转换的误差的总计(后文中有时简称之为总体误差)，认为误差较小的时刻表明此时的人体器官的位置和姿态接近于在扫描CT时刻人体器官的位置和姿态，并以可视或者可听等形式将该信息提供给临床医生，辅助医生进行手术。
需要说明的是，下文描述中，以呼吸运动引起肺部及相关组织运动作为人体器官运动的示例，不过本发明并不局限于此，而是适用于监测人体存在动态内部运动的其他过程，例如心跳运动。本文中描述的实施例可以优选用于协助对肺或者接近肺的组织进行定位，不过所述组织也可以位于其他位置，例如心脏、消化器官、血管、肾脏等。
在下文描述中，位置和姿态(取向)可以用6个数值来表示，即表示三维位置的位置坐标和表示取向的三个角度值，这在某些传统技术中也被称为6D位姿。不过根据需要，位置和姿态可以用更少的数值来描述。
在本文中，“配准”表示在两个坐标系之间建立映射关系或者建立坐标转换关系，例如“定位坐标系和影像坐标系之间的配准”表示在定位坐标系和影像坐标系之间建立映射关系，或者求得两者之间的坐标转换矩阵，这里的定位坐标系是定位设备定位手术工具和运动监测工具中所参考的坐标系。
图1示出了根据本发明实施例的示例性手术导航系统100的配置框图。
如图1所示，手术导航系统100包括定位设备110、两个或两个以上的运动监测工具120、三维立体医学图像获得单元130、手术导航工作站140。为了便于描述手术导航系统100工作过程，图1还示出了与手术导航系统100协同工作的控制台210和医疗工具220。
定位设备110配置为跟踪运动监测工具在定位坐标系中的位置和姿态。如图所示，运动监测工具上能够放置定位传感器112，例如磁感应定位传感器。定位设备110借助于该磁感应定位装置，能够跟踪各个运动监测工具在定位坐标系中的位置和姿态。
定位设备110还配置为跟踪手术工具在第二定位坐标系中的位置和姿态。手术工具例如为穿刺针，穿刺针上安装有定位传感器112，由此定位设备110能够借助于该定位传感器跟踪穿刺针的位置和姿态。在一个示例中，一个定位设备能够同时跟踪8个定位传感器的信号。
定位设备110可以采用电磁(EM)跟踪技术、光学跟踪技术、光纤光栅跟踪技术之一。作为商业可用电磁定位系统的例子，具有加拿大NDI公司的Aurora系统,美国Asension公司的DriveBay,荷兰Philips公司的PercuNav系统、美国GE公司的InstaTrak3500Plus系统、美国Medtronic公司的StealthStation AxiEM系统和美国Compass公司的Cygnus FPS系统。
两个或两个以上的运动监测工具120被配置为分别在手术前(具体地，CT扫描前)和手术中但在手术工具介入之前以相同的位置和姿态被固定于患者身体上。下文以监测的运动为呼吸运动为例进行描述。为描述便利，下文可能将运动监测工具120称为呼吸监测工具。呼吸监测工具在患者体表佩戴的位置最好选择受呼吸影响较大的地方，从而随着呼吸运动几个呼吸监测工具之间的相对位置可能会发生一定程度的相对变化。
在一个示例中，每个运动监测工具具有至少四个能够被定位设备跟踪的标志点，其中任意三个标志点不共线，其中通过在该三维立体医学图像中识别每个运动监测工具的各个标志点来识别各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态；以及在手术中定位设备通过跟踪每个运动监测工具的各个标志点来确定各个运动监测工具在定位坐标系中的第二位置和姿态。这里，在一个运动监测工具上设置至少四个标志点并且任意三个标志点不共线是为了基于该至少四个标志点在影像坐标系和第一定位坐标系的位置和姿态即能够求解出从定位坐标系到影像坐标系的坐标转换矩阵。在一个示例中，标志点例如为金属小球，该金属小球在CT中的影像参数明显不同于人体材质的影像参数，很容易人工或者通过图像处理将其自动识别出来。对于这样的每个呼吸监测工具，可以根据其在影像坐标系的第一位置和姿态以及在定位坐标系中的第二位置和姿态，来确定一个唯一的坐标转换矩阵，该坐标转换矩阵可以使得转换误差为零。但是因为有多个呼吸监测工具，要利用单个坐标转换矩阵来进行该多个呼吸监测工具的每个在影像坐标系的第一位置和姿态和在定位坐标系中的第二位置和姿态之间的转换，因此会产生转换误差。如前所述，本发明的主要思想是通过计算各个时刻的最优统一转换矩阵和对应的总体转换误差来监测各个时刻呼吸监测工具的位姿相对于手术前CT扫描时刻的位姿的差异，从而实现了监测各个时刻人体器官的状态相对于手术前CT扫描时刻的状态的差异，达到了监测人体器官运动的目的。
需要说明的是，每个呼吸监测工具并不必需具有四个或更多个的标志点。而是只要基于来自所有呼吸监测工具的全部标志点在定位坐标系和影像坐标系中的位置能够优化求解两个坐标系之间的转换矩阵和总体转换误差即可。例如可以具有两个呼吸监测工具，每个呼吸监测工具具有例如三个标志点，这样同样可以由总计六个标志点在定位坐标系中的位置和在影像坐标系中的位置而求解最优坐标转换矩阵和对应的转换误差。再例如，可以具有四个呼吸监测工具，每个呼吸监测工具具有2个标志点，这样同样可以由总计八个标志点在定位坐标系中的位置和在影像坐标系中的位置而求解最优坐标转换矩阵和对应的转换误差。一个更极端的例子是，具有5个呼吸监测工具，每个呼吸监测工具具有一个标志点，这样同样可以由总计五个标志点在定位坐标系中的位置和在影像坐标系中的位置而求解最优坐标转换矩阵和对应的转换误差。
图2示出了根据本发明实施例的呼吸监测工具120的示例性结构示意图。该呼吸监测工具120可以由塑料框架和被识别物组成。在塑料框架中，在标号121所指示的位置处放置4个影像可识别标记物(比如金属小球，例如铅材质)，这些标记物在CT或者MRI影像里和周边材质的影像参数(主要是CT值和MRI值)有明显的区别特征，从而例如可以在CT机内得到比较好的显影，可以通过已知方法方便的提取出来。作为标记物的另一个示例，可以使用心电图制作中采用的电极贴。后续可以通过对CT影像或者MRI影像的后处理自动从影像里提取可识别标记物，并进一步计算工具的位置和姿态(下文中，为描述方便，可以简称之为位姿)信息(包括工具中心的坐标信息和方向信息)。
图2中例示的呼吸监测工具120的正面可以放置磁感应定位装置，中间的圆孔122以及左边的凹结构主要是方便磁感应定位装置的拆卸。
三个延长的直杆主要是方便在人体表面附着，同时在杆上可以放置能够被CT或者MR识别的标记物，识别后方能够计算位姿信息
直杆末端的小横杆上的圆孔123可以通过记号笔在人体表面记录位置信息，这样将呼吸监测工具120从患者表面拆卸下来以后，能够依据所记录的位姿信息来准确地将该呼吸监测工具120再次粘贴到人体表面。
图2所示的呼吸监测工具的结构和形状仅为示例，可以根据需要改变其配置。
作为示例，呼吸监测工具的利用过程可以分为CT扫描阶段和手术中阶段。具体地，在进行CT扫描前，将两个或两个以上的呼吸监测工具固定于患者胸部位置，并在人体表面例如利用记号笔记录下佩戴的位姿信息，然后将患者推入CT室进行CT扫描，得到CT扫描数据集，从这样的CT扫描数据集中可以识别出呼吸监测工具的位置和姿态。顺便说一下，由这样的CT扫描数据集经过图像处理可以重构得到患者相关医疗部位的三维立体模型，并且可以将这样的三维立体模型可视化于显示设备上，并与被跟踪的医疗工具的图像融合显示，以辅助医生进行手术。在手术中并且在手术工具介入人体之前，按照前述记录在患者身体表面的位姿信息来佩戴呼吸监测工具，实时监测各个呼吸监测工具在定位坐标系中的位姿，并且优化求得针对所有呼吸监测工具的坐标转换矩阵和对应的总计误差，基于总计误差的随时间变化来监测人体器官的运动。
三维立体医学图像获得单元130可以是手术导航工作站140的一部分，或者是单独的设备。三维立体医学图像获得单元130获得手术前的固定有运动监测工具的患者的医疗部位的三维立体医学图像，该立体医学图像具有相关联的影像坐标系。例如手术前CT扫描得到的三维数据集被存储于数据库中，三维立体医学图像获得单元130能够操作地耦合到该数据库，并从该数据库中读取特定的三维数据集，并通过图像处理诸如渲染等可视地显示到显示设备上。三维立体医学图像获得单元130可以是简单地读取已经重构好的三维立体模型并显示，也可以是读取重构前的CT图像数据集并进行重构处理来得到三维立体模型并显示。有关从CT或MRI扫描数据集重构三维立体模型的方法可以参考有关坐标转换和误差计算的介绍，例如可以参考作者为翟伟明的题为“影像引导下计算机辅助介入手术导航关键技术的研究”的博士论文中第三章和第四章的介绍，这里将该部分内容通过引用合并于此。
控制台210可以连接至手术导航工作站140或者是手术导航工作站140的一部分。控制台210可以接收来自定位设备110的呼吸监测工具的位姿信息和手术工具的位姿信息。控制台210还可以依据临床医生的指示来发出操作穿刺针的指令。
手术导航工作站140配置为进行术前三维立体医学图像与手术中的手术工具图像的配准和组合，并在所连接的显示设备上进行可视化显示，以指导手术执行者的手术操作。
手术导航工作站140可以包括处理器141和存储器142，存储器142中可以存储有应用程序1421和操作系统1422。应用程序1421可以包括程序代码，该程序代码当被处理器141执行时可以执行下面将详细描述的人体器官运动监测方法。这里的处理器是广义的概念，可以通过单个专用处理器、单个共享处理器或者多个个体处理器来实施，其中多个处理器中的一个处理器可以共享，此外不应将词语“处理器”或“控制器”的使用解释为排他性地指代能够执行软件的硬件，而是其能够隐含地包括但不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“RAM”)和非易失性存储器。手术导航工作站140还可以包括用于与显示器150实时交互的接口。
显示器150可以在手术导航工作站140的控制下显示医疗目标组织的取向、形状和/或位置等，也可以显示患者有关部位的三维立体模型和手术工具的图像的融合。
手术导航工作站140还可以包括各个人机交互用接口，例如连接到键盘、鼠标、触摸屏系统等外围设备。手术导航工作站140还可以包括用于与三维立体医学图像获得单元130交互的接口、用于与控制台210交互的接口等。
为便于理解，下面概要描述一下临床手术流程。一般地，临床手术流程可以包括术前准备、术前影像扫描、术前手术规划、术中手术导航、术后手术评估等处理。术前准备例如包括导航手术室设备准备、使用真空垫固定患者、往患者体表固定运动监测工具(或者贴标记点等)。术前影像扫描包括例如对患者进行术前CT扫描或者MRI扫描。术前手术规划可以包括医学影像的三维可视化、器官及病灶的三维重构、交互式手术路径计划以及手术效果模拟等，其中手术路径计划例如包括穿刺针的入针点、入针角度的选择；手术效果模拟可以包括热场模拟、损伤场模型重构等。术中手术导航包括按照手术计划中的路径完成穿刺等。术后手术评估可以包括术后规定事件重新扫描CT影像或者MRI影像，并在CT数据上测量实际损伤区域的尺寸并和手术规划计算的数据进行比较，以衡量手术的精度和效果。
根据本发明实施例的人体器官运动监测方法例如可以用在术中手术导航过程中。
下面结合图3描述结合人体导航系统进行的示例性手术导航过程。
图3示出了根据本发明实施例的手术导航方法200的示例性过程。
在步骤S210，在手术前将两个或两个以上的运动监测工具固定于患者身体上。
在一个示例中，在患者身体表面放置2-4个呼吸监测工具，佩戴的位置最好选择受呼吸影响较大的地方，使得随着呼吸运动，几个工具之间的相对位置会发生一定程度的相对变化，由此对呼吸监测工具的位姿的跟踪更能代表呼吸运动的特性，也就更能描述随着呼吸运动而运动的目标医疗部分(病灶)的特性。
不过上述呼吸监测工具的个数仅为示例，可以根据需要选择更多数目个呼吸监测工具，例如5个、6个乃至更多个等等。
在步骤S220中，在手术前扫描以获得固定有运动监测工具的患者的医疗部位的三维立体医学图像，该三维立体医学图像具有相关联的影像坐标系。手术前扫描例如为CT扫描或者MRI扫描。三维立体医学图像例如由图1所示的三维立体医学图像获得单元130来基于CT扫描图像数据集而重构得到。
在进行术前扫描并获得固定有运动监测工具的患者的医疗部位的三维立体医学图像后，这样的立体医学图像可以可视地显示在显示设备上，临床医生可以参考该立体医学图像例如借助于导航软件系统进行手术路径规划。
在步骤S230中，例如由手术导航工作站140从术前三维立体医学图像中识别各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态。
如前所述，各个运动监测工具上可以布置有标记点，该标记点在CT影像中具有明显区别于人体组织的影像参数，从而能够人工或者自动地从CT影像中识别出各个标记点，从而能够识别出各个运动监测工具在影像坐标系中的位置和姿态。
需要说明的是，步骤S220与步骤S230之间以虚线箭头连接，表示两者之间可以间隔较长时间，例如几个小时或数天。
在步骤S240中，在手术中，在同样的运动监测工具以与手术前扫描时同样的位置和姿态固定于患者身体上的状态下，实时确定各个运动监测工具在定位坐标系中的第二位置和姿态，该定位坐标系是与定位设备跟踪手术工具的位置和姿态相关联的坐标系。例如，利用图1中所示定位设备和各个运动监测工具上的定位传感器来得到各个运动监测工具在定位坐标系中的第二位置和姿态，并传递给手术导航工作站140。
在步骤S250中，手术导航工作站基于各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态以及在定位坐标系中的第二位置和姿态，实时计算定位坐标系到影像坐标系之间的最优坐标转换关系，以及基于该最优坐标转换关系计算各个运动监测工具在从定位坐标系到影像坐标系的坐标转换的总体误差。
有关坐标转换和误差计算的介绍，例如可以参考作者为翟伟明的题为“影像引导下计算机辅助介入手术导航关键技术的研究”的博士论文中第6.4节的介绍，这里将该部分内容通过引用合并于此。
在步骤S260中，基于实时确定的各个时刻的各个运动监测工具的坐标转换的总体误差，来评估人体器官在该各个时刻相对于手术前扫描时刻的运动程度。
如前所述，理论上，在肺部的呼吸运动周期的各个阶段中，如果某时刻的运动状态与CT扫描时刻的运动状态最接近，则该时刻的呼吸监测工具在影像坐标系中的映射应该是最接近于手术前CT扫描获得的呼吸监测工具在影像坐标系中的位姿的，因此与手术中该时刻优化得到的坐标转换矩阵相对应的坐标转换误差应该是最小的。
图4示出了呼吸运动过程中的坐标转换的总体误差随时间变化曲线的一部分的示意图。其中横轴表示时间，纵轴表示坐标转换总体误差。如图4所示，在时刻t1、t2、t3，坐标转换总体误差较小，此时的呼吸状态与手术前扫描时刻的呼吸状态较接近，而其它时刻的呼吸状态不同程度地背离手术前扫描时刻的呼吸状态，坐标转换总体误差也随之变化。
通过考察手术过程中坐标转化总体误差随时间的变化情况，能够评估人体器官的状态在该各个时刻相对于手术前扫描时刻的状态的差异程度。
可以以多种形式利用本发明实施例的人体器官运动监测结果。
在一个示例中，可以将实时获得的坐标转换总体误差的随时间变化曲线以例如图4的形式可视地显示在显示设备上。临床医生通过观察该总体误差随时间变化曲线，可以确定例如穿刺针对于患者入针的时机。
在一个示例中，例如图1的手术导航工作站基于所述评估人体器官在该各个时刻相对于手术前三维扫描时刻的运动程度，确定手术工具介入人体病灶的时机，并向执行手术的操作者提示该时机。在一个示例中，例如当某时刻的坐标转换总体误差为某一时段的平均坐标转换总体误差的50％时并且变化趋势为降低时，确定为适于手术工具介入人体病灶的时机，接着例如以短消息形式显示在显示设备上，或者以语音形式从扬声器输出，来提醒临床医生。
在一个示例中，因为描述呼吸监测工具的位姿所参考的定位坐标系即是手术中定位手术工具的位置和姿态的过程中参考的坐标系，所以可以基于所评估的人体器官的位姿在各个时刻相对于术前CT扫描时刻的位姿的运动(或差异)程度，而确定人体器官的位姿与CT扫描时刻的位姿基本一致的时刻，并且利用所计算的该时刻的从定位坐标系到影像坐标系的坐标转换矩阵，来将实时跟踪到的手术工具的位置转换到影像坐标系中并与立体医学图像融合，进而可视地显示在显示设备上。具体地，该人体器官运动监测方法还可以包括：确定坐标转换的总体误差小于预定阈值的时刻；确定该时刻的定位坐标系到影像坐标系的坐标转换矩阵；基于该坐标转换矩阵，确定手术工具在影像坐标系中的位置，并将手术工具的图像在该位置与立体医学图像组合地显示在显示装置上。即，在坐标转换的总体误差小于预定阈值的时刻，进行手术工具所在的定位坐标系到影像坐标系的配准，并且基于例如定位设备110跟踪到的手术工具的位置，将手术工具的图像与人体三维立体模型融合，并可视地显示在显示设备上，以辅助临床医生手术。
需要说明的是，该呼吸监测过程可以在手术中持续地进行。
另外，由呼吸监测获得的规律，例如前一总体误差最小时刻和总体误差最小的时刻之间的时间间隔(如图4所示)信息也可以提供给临床医生，让临床医生在下次入针之前做好心理准备和操作准备。
利用上述的手术导航系统和人体器官运动监测方法，能够不借助于专门的人体器官监测仪器来监测人体器官的状态相对于CT扫描时刻的状态的运动程度(或者说差异程度)，例如对于呼吸运动而言，不需要专门的呼吸门控装置。不过，本发明并不排斥与专门的人体器官监测仪器的协同使用。
利用本发明实施例的手术导航系统和人体器官运动监测方法，不是简单地将人体视为刚体来进行术前定位坐标系和影像坐标系的配准，而是考虑了人体的内部运动来监测人体器官的状态相对于CT扫描时刻的状态的差异程度，从而能够提示医生恰当的操作时机，使得能够更准确地执行术前的手术规划，减少对临床医生个人经验的依赖。
此外，本发明的实施例可以采取计算机程序产品的形式。可经由计算机可读介质访问所述计算机程序产品，以供计算机或任何指令执行系统使用或者与之结合使用。计算机可读介质可以包括、存储、交换、传播或发送程序的设备。计算机可读介质可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或器件或装置)或传播介质。计算机可读介质的例子包括半导体或者固态存储器、磁带、可拆卸计算机软盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁盘或光盘。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种手术过程中实时监测人体器官的运动的人体器官运动监测方法，在手术前通过扫描已经获得了固定有两个或两个以上的运动监测工具的患者的医疗部位的三维立体医学图像，该三维立体医学图像具有相关联的影像坐标系，该人体器官运动监测方法包括如下步骤：
获得从术前三维立体医学图像中识别的各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态；
在同样的运动监测工具以与手术前扫描时同样的位置和姿态固定于患者身体上的状态下：
实时确定各个运动监测工具在定位坐标系中的第二位置和姿态，该定位坐标系是定位手术工具的位置和姿态过程中所参考的坐标系；
基于各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态以及在定位坐标系中的第二位置和姿态，实时计算定位坐标系到影像坐标系之间的最优坐标转换关系，以及基于该最优坐标转换关系计算各个运动监测工具在从定位坐标系到影像坐标系的坐标转换的总体误差；以及
基于实时确定的各个时刻的各个运动监测工具的坐标转换的总体误差，来评估人体器官在该各个时刻相对于手术前扫描时刻的运动程度。
2.根据权利要求1的人体器官运动监测方法，其中所述人体器官的运动包括肺部的呼吸周期的各个阶段。
3.根据权利要求1的人体器官运动监测方法，还包括基于所述评估人体器官在该各个时刻相对于手术前三维扫描时刻的运动程度，确定手术工具介入人体病灶的时机，并向执行手术的操作者提示该时机。
4.根据权利要求1的人体器官运动监测方法，还包括：
确定坐标转换的总体误差小于预定阈值的时刻；
确定该时刻的定位坐标系到影像坐标系的坐标转换矩阵；
基于该坐标转换矩阵，确定手术工具在影像坐标系中的位置，并将手术工具的图像在该位置与立体医学图像组合地显示在显示装置上。
5.根据权利要求1的人体器官运动监测方法，所述手术工具是穿刺针。
6.根据权利要求1的人体器官运动监测方法，所述每个运动监测工具具有至少四个能够被定位设备跟踪的标志点，其中任意三个标志点不共线，其中通过在该三维立体医学图像中识别每个运动监测工具的各个标志点来识别各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态；以及在手术中定位设备通过跟踪每个运动监测工具的各个标志点来确定各个运动监测工具在定位坐标系中的第二位置和姿态。
7.根据权利要求1的人体器官运动监测方法，所述运动监测工具被固定于受人体器官运动影响大的患者身体部位上。
8.根据权利要求1的人体器官运动监测方法，所述定位设备为电磁跟踪器。
9.一种手术导航系统，包括：
定位设备，用于跟踪手术工具和运动监测工具在定位坐标系中的位置和姿态；
两个或两个以上的运动监测工具，被固定于患者身体上，其在定位坐标系中的位置和姿态能够被定位设备跟踪到；
三维立体医学图像获得单元，用于获得手术前的固定有运动监测工具的患者的医疗部位的三维立体医学图像，该立体医学图像具有相关联的影像坐标系；
手术导航工作站，进行术前三维立体医学图像与手术中的手术工具图像的配准和组合，并在所连接的显示设备上进行可视化显示，以指导手术执行者的手术操作；
其中，所述手术导航工作站还通过下述操作监视人体器官的运动状态：
从术前三维立体医学图像中识别各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态；
在手术中实时确定各个运动监测工具在定位坐标系中的第二位置和姿态；
基于各个运动监测工具在影像坐标系中的第一位置和姿态以及在定位坐标系中的第二位置和姿态，实时计算定位坐标系到影像坐标系之间的最优坐标转换关系，以及计算各个运动监测工具在从定位坐标系到影像坐标系的坐标转换的总体误差；以及
基于实时确定的各个时刻的坐标转换的总体误差，来评估人体器官在该各个时刻相对于手术前扫描时刻的运动程度。
10.根据权利要求9的手术导航系统，其中所述人体器官的运动包括肺部的呼吸周期的各个阶段。
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