CN104732537A - 计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法，包括以下步骤：首先依据肺的生理学特征和临床统计学数据进行肺部分区，建立参考点与定位点相关模型；再根据参考探针的返回数据跟踪肺部形变，求得病灶实时坐标；然后使用可视化工具包将病灶动态变化在屏幕中显示；最后采用磁导航系统引导穿刺针准确定位病灶。与现有技术相比，本发明具有简单、快速、准确、低伤害等优点。

Description

计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法

技术领域

本发明涉及医学图像处理技术，尤其是涉及一种计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法。

背景技术

近年，随着计算机图形学和医学影像学的不断发展，计算机辅助医疗成为研究的热门，其中手术导航系统在临床中已广泛应用。本发明主要应用于肺部手术导航系统。肺部手术导航系统是将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械相对病人解剖结构的位置一目了然，使外科手术更快速、更精确、更安全。

根据2014年《世界癌症报告》，癌症已经成为全世界人类最大致死原因，其中肺癌在全球癌症病例中上升最快，已成为全球最大的癌症杀手。同样的，在我国肺部手术量大、难度高，价格昂贵。但是，由于呼吸作用带来的肺软组织漂移，使计算机定位精度与实时性难以保障，制约了肺部手术导航系统的发展。如何对肺部进行动态配准，实时获取病灶位置，是计算机辅助肺部手术的重点和难点。在传统肺部手术中，医生通过多次入针和CT/X射线反复成像来定位，极依赖自身经验。手术难度高、时间长，对患者和医生辐射伤害大。

经对现有技术的文献检索发现，张春生在《基于CT图像的肺部轮廓非刚性配准方法》论文中提出基于薄板样条的非刚性配准算法，通过确定性退火算法和特征点模糊对应矩阵模型来求得配准最优值。利用该方法可以很好的对肺部轮廓进行配准。但大量存在的肿瘤位置并不在肺部表面，此方法不能实时监控肺内部病灶的位移变化，并不适用。针对这类手术，国内外依然没有一个成熟的动态精确定位技术提出。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法，通过建立参考点与定位点相关模型，运用参考点返回给软件系统的坐标，实时计算病灶的位置变化，从而更敏捷而准确地定位病灶。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先依据肺的生理学特征和临床统计学数据进行肺部分区，建立参考点与定位点相关模型；

再根据参考探针的返回数据跟踪肺部形变，求得病灶实时坐标；

然后使用可视化工具包将病灶动态变化在屏幕中显示；

最后采用磁导航系统引导穿刺针准确定位病灶。

所述的肺部分区具体为：

首先将肺部区域从整个胸部体数据中分割出来，根据肺的生理学特征和临床数据统计学分析，将肺区分上、中、下三部分，对应标为A、B、C三个区。

所述的建立参考点与定位点相关模型具体为：

将嵌入参考探针的传感器视为参考点，通过参考点与定位点的位置关系，由参考点实时返回的数据计算跟踪定位点位移。

所述的根据参考探针的返回数据跟踪肺部形变，求得病灶实时坐标具体为：

假设CT扫描中，参考点的位置坐标为P_r0＝(X_r0,_r0,_r0)，病灶中心的坐标为P_f0＝(X_f0,_f0,_f0)，设此时t＝t₀；

由于呼吸作用导致的肺区漂移，参考点在t＝t₁时刻坐标为其中表示参考点从t₀到t₁时刻的位移；

在肺形变过程中，利用参考点在病人物理空间坐标系中的位移以及参考点与病灶点的相对关系，计算出病灶位移的矫正量：

最终病灶在图像系统中的位置：

式中α_i，β_i，γ_i为临床数据统计得到的参数。

所述的α_i，β_i，γ_i不同分区，数值不同，具体数值如下表所示：

其中A区为肺上部，B区为肺中部，C区为肺下部。

与现有技术相比，本发明具有简单、快速、准确、低伤害的优点，较好的解决了前面方法所存在的X光辐射大，手术创伤多，手术时间长，病灶定位难等缺点，提高了CT等成像设备的使用效率，降低对医生经验的依赖和手术费用，提高手术的精度和效率，有广泛的适用范围。

附图说明

图1为插入穿刺针和参考针的猪肺CT影像图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明首先依据肺的生理学特征和临床统计学数据进行肺部分区，再根据参考探针的返回数据跟踪肺部形变，求得病灶实时坐标，然后使用相关算法与VTK可视化工具包将病灶动态变化在屏幕中显示，最后采用磁导航系统引导穿刺针准确定位病灶。

以下对本发明方法作进一步的描述，具体步骤如下：

1.肺部分区：

本发明首先通过肺区分割算法将肺部区域从整个胸部体数据中分割出来，再将病灶所在一侧肺的肺尖视为坐标系的原点，从头顶至脚底方向为x轴，建立三维坐标系。由于肺结构呈现非刚体运动，肺底的移动速率远高于肺尖，因此对其形变可以近似地建立分段线性形变模型。

本发明根据肺的生理学特征和临床数据统计学分析，将肺区分上、中、下三部分，对应标为A、B、C三个区。其中，各区上点沿x、y、z轴的形变速率各不相同。

2.基于参考点的病灶位置跟踪：

参考点的建立是病灶动态配准的基础，而参考点与定位点的相对关系计算，是形变跟踪的关键。

在本发明中，医生首先依据第一次CT扫描数据，在接近病灶区插入嵌入传感器的参考探针，参考针中传感器位置记为参考点。参考点并不要求一定是在病灶上，但需尽可能接近。参考探针携带的传感器通过磁导航仪，实时传回位置数据，此数据一定程度上可表征呼吸运动产生的病灶漂移。

之后，进行第二次CT扫描，通过肺周边点传感器，将磁导航系统与术前影像配准，得到参考点的坐标，及其与病灶中心的相对位置关系，并判断参考点与病灶所在区域。假设此次CT扫描中，参考点的位置坐标为P_r0＝(X_r0,_r0,_r0)，病灶中心的坐标为P_f0＝(X_f0,_f0,_f0)，设此时t＝t₀。由于呼吸作用导致的肺区漂移，参考点在t＝t₁时刻坐标为其中表示参考点从t₀到t₁时刻的位移。导航系统与影像配准后，参考探针上的传感器实时传回其坐标变化。由于临床对精度要求为小于5mm，且选取的参考点很靠近病灶中心，在肺形变过程中，利用参考点在病人物理空间坐标系中的位移与参考点与病灶点的相对关系，计算出病灶位移的矫正量：

最终病灶在图像系统中的位置：

因为可以实时追踪参考的位于病人物理空间坐标系中的空间变化，故可以实现图像动态化。

由于肺形变的不规则性，参考点和病灶所在区域决定其计算使用参数。式中α_i，β_i，γ_i为临床数据统计得到的参数，不同分区，数值不同，具体数值如下表：

肺的不同区域对应计算参数值

与静态配准相比，本发明引入参考点，可获知病灶随肺形变而产生的位置变化，而不同区域参数的变化，可使得到结果更加精准。

3.显示与穿刺引导：

本发明利用VTK中的spheresource以及pipeline结构，在图像系统中的病灶中心位置绘制一个小球代表病灶区，并利用转换后的参考点坐标在图像系统中绘制一个穿刺参考针。利用实时传回的参考针的坐标数据及所在分区信息，计算得到病灶位置，然后使用SetPosition()函数及时更新病灶小球的位置。

本发明使用如下方法实现图像坐标系与病人物理空间坐标系的配准，即将病人物理空间坐标系中的手术器械、器官及病灶对应到图像坐标系。设病人物理空间坐标系下的点集为Q＝{Q_i,i＝0,1,2,…,n}，本发明以如下的映射关系映射到CT图像坐标系P＝{P_i,i＝0,1,2,…,n}，使P,Q点集中元素一一对应。即找到P和Q变化的矩阵R和T，使对于P,Q点集中，满足 $\stackrel{\→}{q_l}=R\stackrel{\→}{p_l}+T.$

上述R,T可利用最小二乘法求解最优解使：

$E=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|(R\stackrel{\→}{p_l}+T-\stackrel{\→}{q_l})\right|}^2$

最小时的R和T。

本发明采用磁导航系统，依托基于参考点的动态配准方法与肺周围和参考探针的传感器坐标信息，从偏移路径距离、角度和离病灶距离三方面引导穿刺。穿刺针同样携带传感器，可在软件系统中显示其坐标信息。根据计算得到的病灶中心位置坐标，生成穿刺路径，实时引导穿刺针插入。第三次CT扫描验证穿刺点的坐标与真实病灶中心位置是否重合，确保定位准确。仅3次CT扫描两次入针即可达到传统手术中十多次扫描、数次入针的效果。

具体实施方式

1.依据肺的生理学特征和临床统计学数据，将肺部分为3区；

2.活体实验猪被预先禁食12小时，并在手术前进行了全身麻醉，侧卧于贴好点传感器的定位板上；

3.依据一次CT扫描数据，将嵌入5DOF传感器的参考探针插入猪肺中；

4.进行一次CT扫描，获得并读入三维图像。将图像坐标系与病人物理空间坐标系进行配准，得到参考探针与病灶中心的坐标及其相对位置关系。判断参考点所在区间，选择合适参数。通过参考探针上的传感器实时返回数据，得到参考点的移动情况。经过计算，近似出病灶的实时位置；

5.使用相关算法与VTK可视化工具包将病灶动态变化在屏幕中显示；

6.系统生成穿刺路径，采用磁导航系统从偏移路径距离、角度和离病灶距离三方面引导穿刺；

7.插入嵌入传感器的穿刺针后，进行第三次CT扫描，确保穿刺针准确插入病灶。

系统运行于PC平台上，操作系统为windows 7，导航使用的NDI Aurora电磁跟踪系统，传感器主要是采用5DOF和6DOF这两种。第一根参考针嵌入的是5DOF，它是五个自由度的传感器，它返回的信息包括了在磁场的空间坐标以及它的角度。第二根穿刺针采用的是6DOF传感器，是六个自由度的传感器，它包含了针的扭度，它是由两个5DOF组成，这两个传感器是有联系。

试验结果如图1所示，从图1的CT影像数据和三维重建后的结果中，可以发现穿刺针尖距离定位点很近，精度达到临床需求。

Claims (5)

1.一种计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先依据肺的生理学特征和临床统计学数据进行肺部分区，建立参考点与定位点相关模型；

再根据参考探针的返回数据跟踪肺部形变，求得病灶实时坐标；

然后使用可视化工具包将病灶动态变化在屏幕中显示；

最后采用磁导航系统引导穿刺针准确定位病灶。

2.根据权利要求1所述的一种计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法，其特征在于，所述的肺部分区具体为：

首先将肺部区域从整个胸部体数据中分割出来，根据肺的生理学特征和临床数据统计学分析，将肺区分上、中、下三部分，对应标为A、B、C三个区。

3.根据权利要求1所述的一种计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法，其特征在于，所述的建立参考点与定位点相关模型具体为：

将嵌入参考探针的传感器视为参考点，通过参考点与定位点的位置关系，由参考点实时返回的数据计算跟踪定位点位移。

4.根据权利要求1所述的一种计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法，其特征在于，所述的根据参考探针的返回数据跟踪肺部形变，求得病灶实时坐标具体为：

假设CT扫描中，参考点的位置坐标为P_r0＝(X_r0，Y_r0，Z_r0)，病灶中心的坐标为P_f0＝(X_f0，Y_f0，Z_f0)，设此时t＝t₀；

由于呼吸作用导致的肺区漂移，参考点在t＝t₁时刻坐标为其中表示参考点从t₀到t₁时刻的位移；

在肺形变过程中，利用参考点在病人物理空间坐标系中的位移以及参考点与病灶点的相对关系，计算出病灶位移的矫正量：

最终病灶在图像系统中的位置：

式中α_i，β_i，γ_i为临床数据统计得到的参数。

5.根据权利要求4所述的一种计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法，其特征在于，所述的α_i，β_i，γ_i不同分区，数值不同，具体数值如下表所示：

其中A区为肺上部，B区为肺中部，C区为肺下部。