CN108720862A - 基于与骨组织的接近度配准解剖图像与位置跟踪坐标系 - Google Patents

基于与骨组织的接近度配准解剖图像与位置跟踪坐标系 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种方法，所述方法包括：在患者器官的三维(3D)解剖图像中识别多个解剖点，所述多个解剖点对应于第一坐标系中所述患者器官的皮肤上的相应预定义部位。接收由位置跟踪系统的位置传感器在所述患者器官的皮肤上的所述相应预定义部位处测量的第二坐标系中的多个位置。在每个预定义部位处，计算所述患者器官的相应解剖点和最近骨组织之间的距离。基于所述解剖点和所述最近骨组织之间的相应距离将权重分配给所述预定义部位。通过使用所分配的权重将所述位置和所述相应解剖点之间进行关联来配准所述第一坐标系和第二坐标系。

Description

基于与骨组织的接近度配准解剖图像与位置跟踪坐标系
技术领域
本发明整体上涉及坐标系的配准，并且更具体地讲，涉及基于与静止器官的接近度来配准坐标系的方法和系统。
背景技术
计算机断层摄影成像系统和位置跟踪系统可用于各种医疗应用，诸如图像引导程序。
例如，其公开内容通过引用方式并入本文的美国专利6,560,354描述了使用点和表面的加权组合将图像配准到物理空间的装置和方法。将通过X射线计算机断层摄影拍摄的患者图像与对患者身体进行的身体测量结果进行图像配准。患者身体的不同部位被赋予不同的数字权重；例如，如果骨骼测量结果被认为比皮肤测量结果更加准确，则骨骼可被赋予比皮肤更高的权重。权重在迭代配准过程中用于确定刚体变换函数。
以引用方式并入本文的美国专利8,271,068描述了一种确定导管末端的三维(3D)位置的方法，该方法包括：补偿用于呼吸运动的导管的末端的二维(2D)位置以生成补偿的2D导管位置，在补偿的2D导管位置周围生成加权采样点，确定3D图像中加权采样点的对应点，计算每个对应点的加权平均值和加权协方差，并且从加权平均值和加权协方差的融合中确定3D图像中的导管末端的3D位置。
发明内容
本文描述的本发明的实施方案提供了一种方法，该方法包括在患者器官的三维(3D)解剖图像中识别多个解剖点，所述多个解剖点对应于第一坐标系中患者器官的皮肤上的相应预定义部位。接收由位置跟踪系统的位置传感器在患者器官的皮肤上的相应预定义部位处测量的第二坐标系中的多个位置。在每个预定义部位处，计算患者器官的相应解剖点和最近骨组织之间的距离。基于解剖点和最近骨组织之间的相应距离将权重分配给预定义部位。通过使用所分配的权重将位置和相应解剖点之间进行关联来配准第一坐标系和第二坐标系。
在一些实施方案中，分配权重包括将第一权重分配给具有到最近骨组织的第一距离的第一预定义部位，并且将大于第一权重的第二权重分配给具有到最近骨组织的第二距离的第二预定义部位，第二距离小于第一距离，并且配准第一坐标系和第二坐标系包括计算第一坐标系和第二坐标系之间的变换，其中第二预定义部位具有比第一预定义部位更高的影响。在其它实施方案中，3D解剖图像包括计算机断层摄影(CT)解剖图像。在其它实施方案中，患者器官包括患者头部，并且接收多个位置包括接收位于患者头部上的预定义部位处的位置。
在一个实施方案中，接收多个位置包括从包括位置传感器的配准工具接收位置。在另一个实施方案中，计算距离包括计算具有多个分量的欧几里德距离向量。在又一个实施方案中，分配权重包括将权重分配给欧几里得距离向量的每个相应分量，并且配准第一坐标系和第二坐标系包括在每个预定义部位处使用给相应分量中的每个分量的所分配的权重。
根据本发明的实施方案另外提供了包括配准工具和处理器的装置。该配准工具包括位置跟踪系统的位置传感器，其被配置成通过将配准工具定位在患者器官的皮肤上的相应预定义部位处来采集第二坐标系中的多个位置。处理器被配置成：识别患者器官的三维(3D)解剖图像中对应于第一坐标系中的相应预定义部位的多个解剖点；接收在第二坐标系中测量的多个位置；在每个预定义部位处计算相应解剖点与患者器官的最近骨组织之间的距离；基于解剖点与最近骨组织之间的相应距离将权重分配给预定义部位；并且通过使用分配的权重在位置和相应解剖点之间进行关联来配准第一坐标系和第二坐标系。
以下结合附图根据本发明的实施方案的详细说明将更全面地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1为根据本发明的实施方案的鼻窦扩张外科系统的示意性图解；
图2为根据本发明实施方案的叠加在患者面部的解剖图像上的测量点的示意性图解说明；并且
图3为示意性地示出根据本发明实施方案的用于将磁位置跟踪系统的坐标系与预先获取的计算机断层摄影(CT)图像的坐标系进行配准的方法的流程图。
具体实施方式
概述
一些医疗过程诸如鼻窦扩张可涉及相关器官的解剖图像与位置跟踪系统的坐标系的配准。使用配准，配有位置传感器的外科工具可被引导到被处理的器官，并且可被可视化地叠置在解剖图像上。原则上，可使用配备位置跟踪系统的位置传感器的外部配准工具进行术前配准。此工具可附接到患者面部上的预选部位(例如，前额和两个脸颊的中心)。然后可基于预选部位处组织的测量位置，将解剖图像配准到位置跟踪系统的坐标系。
然而，这种可能的解决方案很可能不准确并且不适于鼻窦扩张手术，其中在该手术中，获得精度等级高于1mm的解剖图像配准非常重要。由于某些面部元素可能包括自然变形的软组织，并且由于配准工具施加在组织上的压力不受控制，因此该假设的解决方案的精度可能无法接受。
下文所述本发明的实施方案提供了用于在解剖成像系统的坐标系和位置跟踪系统的坐标系之间进行配准的改进技术。在公开的实施方案中，使用计算机断层摄影(CT)系统采集患者头部的三维(3D)解剖图像。解剖图像包括在CT的坐标系中测量的解剖点，并且这些解剖点应该映射到位置跟踪系统的坐标系。
在一些实施方案中，使用包括位置跟踪系统的位置传感器的配准工具进行两个坐标系之间的映射。为执行配准，医师将配准工具的远侧端部附接到患者面部的皮肤上的多个预定义部位。在预定义部位中的每一个处，位置跟踪系统在其自己的坐标系中测量位置传感器的位置(并且因此测量预定义部位)。
在一些实施方案中，提供解剖图像给处理器，处理器识别解剖图像中的预定义部位，并且针对每个预定义部位计算(在CT坐标系中)对应于预定义部位的解剖点与患者面部的骨组织上的最近点之间的距离。
在头部表面上从皮肤到骨的距离可能有所不同。例如，在前额上，解剖点和骨组织之间的最小距离比脸颊中的最小距离短得多。因此，预计前额处的预定义部位的位置测量比在脸颊处更精确。
在一些实施方案中，处理器被配置成基于解剖点和最近骨组织之间的相应距离将权重分配给预定义部位。在前额和脸颊的示例中，处理器将分配比脸颊更高的权重值给前额处的预定义部位。
在一些实施方案中，处理器被配置成通过使由配准工具采集的位置与由CT采集的图像的相应解剖点之间进行关联来将CT的坐标系配准至位置跟踪系统。在一个实施方案中，处理器通过应用合适的配准方法(诸如迭代最近点(ICP)方法)使用相应的权重执行配准。配准处理通常估计两个坐标系之间的变换，其中在距最近的骨组织具有小距离的位置处的测量结果被给定高权重，反之亦然。
由于它们的高精确度，所公开的技术能够例如改善插入患者头部中并且包括位置跟踪系统的另一位置传感器的鼻窦扩张外科工具的引导。
系统说明
图1为根据本发明的实施方案的鼻窦扩张外科系统20的示意性图解。系统20包括磁位置跟踪系统，其被配置成跟踪患者22的头部中的一个或多个位置传感器的位置。磁位置跟踪系统包括磁场发生器和一个或多个位置传感器。位置传感器响应于感测到来自场发生器的的外部磁场而生成位置信号，从而使得处理器34在位置跟踪系统的坐标系中映射每个传感器的位置，如将在下面所描述。
该位置感测方法在各种医疗应用中实现，例如在由Biosense Webster Inc.(Diamond Bar,Calif.)生产的CARTOTM系统中实现，并且详细地描述于美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089、PCT专利公布WO 96/05768，以及美国专利申请公布2002/0065455 A1、2003/0120150 A1和2004/0068178 A1中，这些专利的公开内容全部以引用方式并入本文。
在本示例中，系统20包括部位垫40，该部位垫包括固定在框架46上的多个场发生器44。在图1所示的示例性配置中，垫40包括五个场发生器44，但可使用任何其它合适数量的发生器44。垫40另外包括放置在患者22的头部41下方的枕头42，由此使得发生器44位于患者外部固定的已知位置处。系统20还包括控制台33，控制台包括驱动器电路(未示出)，该驱动器电路被配置成利用合适的信号驱动场发生器44，从而在头部41周围的预定义工作容积中产生磁场。
在一些实施方案中，系统20包括配准工具，诸如手持式细棒30，其由系统20使用将磁位置跟踪系统的坐标系与预先采集的计算机断层摄影(CT)图像的坐标系进行配准。配准工具被配置成采集位置测量结果，并且在下面的图2中详细描述。
在一个实施方案中，处理器34通常为通用计算机，其包括用于经由电缆32接收来自外部源的数据以及来自细棒30的位置传感器的测量结果，以及用于控制系统20的其它部件的合适的前端和接口电路。控制台33还包括输入设备39和被配置成显示数据的用户显示器36。
通常，内科医生24顺序地将细棒30附接到患者头部41的外表面上的多个预定义部位。通常，每个预定义部位被选择为头部41、前额，鼻梁26(位于患者22的眼睛之间)、脸颊上的容易识别的特征部或任何其它适合的可识别特征部。预定义部位在下面的图2中详细描述。
在一个实施方案中，处理器34接收使用外部CT系统(未示出)采集的计算机断层摄影(CT)图像35。处理器34使用图像35形成患者头部41的至少一部分的表面图像。在一些实施方案中，处理器34可使用任何合适的标准或技术(诸如，Hounsfield单位)区分CT图像中的不同类型的组织，并且具体地讲，识别皮肤和骨组织。
在一个实施方案中，当被放置在患者头部上的预定义部位时，细棒30被配置成生成位置信号，该位置信号指示该预定义部位在磁位置跟踪系统的坐标系中的位置。下文中的图2详细描述了细棒30对骨组织测量结果的采集。
在一些实施方案中，处理器34被配置成计算患者头部上的每个预定义部位的两个坐标—CT系统的坐标系中的“解剖点”，以及位置跟踪系统的坐标系中的“位置”。该位置是从该预定义部位处的细棒30的位置测量结果得出的，并且表示在磁位置跟踪系统的坐标系中该位置处的皮肤坐标。解剖点表示在如CT图像中识别的该位置处的皮肤的坐标。
在一个实施方案中，处理器34被配置成在解剖点与预定义部位在图像35中的位置之间进行关联，从而将CT图像与位置跟踪系统的坐标系进行配准。
配准过程通常在实际鼻窦扩张手术之前进行。在鼻窦扩张手术期间，内科医生24可将包括位置跟踪系统的附加位置传感器的医疗装置(未示出)诸如鼻窦成形导管或其它外科工具插入头部41。由于CT图像已经与位置跟踪系统配准，内科医生24可将远侧端部显示在CT图像上的医疗装置导航至头部41中的目标位置。
在另选的实施方案中，处理器34被配置成接收使用另一合适的解剖成像技术诸如荧光镜透视检查或磁共振成像(MRI)获取的一个或多个图像而不是CT图像35，并且如上所述将这些解剖图像与坐标系配准。
为了简单和清楚起见，图1仅示出了与所公开技术有关的元件。系统20通常包括附加模块和元件，所述附加模块和元件与所公开的技术不直接相关，并且因此从图1和对应的描述中被有意地省略。
处理器34可用软件编程以进行由系统使用的功能，并且将数据存储在待由软件处理或以其它方式使用的存储器(未示出)中。例如，可通过网络将软件以电子形式下载到处理器，或者可将软件提供在非临时性有形介质上，诸如，光学、磁性或电子存储介质。另选地，可通过专用或可编程数字硬件部件进行处理器34的功能中的一些或全部。
利用位置跟踪系统配准解剖图像
图2是根据本发明的实施方案的患者面部的三维(3D)解剖图像50的示意性侧视图。图像50可替换例如上文的图1的图像35。
在一些实施方案中，处理器34被配置成使用由外部CT系统采集的3D解剖图像，或者使用如上面图1中所描述的任何其它合适的解剖成像系统显示图像50。
在一些实施方案中，图像50描绘了患者22的皮肤52(显示为虚线)和骨组织，诸如患者22的相应前额、鼻梁和脸颊的骨54A、54B和54C。
图2描绘了图像50中的皮肤52上的多个预定义部位，诸如前额处的部位56、鼻梁处的部位58以及脸颊处的部位60。
现在参考插图51，其示出了在预定义部位56处的解剖结构和采集的测量结果。在一个实施方案中，内科医生24将细棒30施加在患者22前额的皮肤上，从而使用细棒30的位置传感器在位置跟踪系统中采集部位56的位置。
在一些实施方案中，处理器34被配置成显示包括由CT系统采集的被称为CT点62A的多个解剖点的参照系。在下面的描述中，为了清楚起见，术语“解剖点”和“CT点”可互换使用。CT点62A位于患者22的前额的皮肤52上，紧邻部位56。
在一些实施方案中，处理器34被配置成识别图像50中的预定义部位56，并且选择最近部位56的CT点62A。处理器34被进一步配置为计算所选CT点62A和骨54A之间的最小距离64A，即距离骨54A上的点的距离，该点是与患者骨组织上的识别部位56最近的骨组织。
在下面的描述中，为了清楚起见，术语“距离”和“距离向量”可互换使用。
现在参考插图53，其示出了在预定义部位60处的解剖结构和执行的测量。在一些实施方案中，处理器34被配置成显示位于皮肤52、骨54C上的CT点62C，以及细棒30的显示66。处理器34被进一步被配置成识别位于预定义部位60附近的CT点62C，并且计算识别的CT点62C和骨54C之间的距离64C，其是最近预定义部位60的骨组织。
如图2的示例所示，距离64C包括患者22的皮肤52和脸颊软组织的厚度，并且因此，显得比距离64A长得多，其中该距离主要包括仅皮肤52的厚度。
患者22的面部包括硬组织诸如骨54A、54B和54C，以及位于皮肤和相应骨之间的软组织诸如皮肤52和肉体。应当理解，随着内科医生22顺序地将细棒30附接到预定义部位处的皮肤52，由细棒30的远侧末端施加的不受控制的压力可使皮肤52变形。因此，使用位置传感器针对预定义部位所采集的位置可偏离预期的预定义部位，从而可能导致不准确的配准。
本发明人发现，皮肤52上的预定义部位与相应最近骨组织之间的距离越短，细棒30的位置传感器所采集的位置的精度越高。在一些实施方案中，处理器34被配置成基于解剖点和最近骨组织之间的相应距离将权重分配预定义部位中的每一个。分配的权重可与距离值成反比。
例如，部位56处的距离64A远远小于部位60处的距离64C。在一个实施方案中，处理器34被配置成在部位56处分配比部位60处更大的权重。
类似地，皮肤52和骨54B之间的最小距离比最小距离64A更长并且比距离64C更短。在一个实施方案中，处理器34被配置成在预定义部位58处分配权重，该权重大于在部位60处分配的权重，并且小于在部位56处分配的权重。
在一些实施方案中，距离(例如，距离64A)被计算为3D坐标系中的欧几里得距离向量。在一个实施方案中，该距离向量可在笛卡尔坐标系中计算，并且因此可包括相应的x、y和z轴的三个分量。在该实施方案中，在通过索引“i”标记的位置处(例如，在下面的等式(2)中)，处理器34被配置成分别将权重ai、bi和ci分配给x、y和z轴的距离向量分量。
基于骨与预定义部位的接近度配准坐标系
在一些实施方案中，在皮肤52例如预定义部位56、58和60处采集的解剖点在CT系统的坐标系中被称为“CT参照系(CFOR)”。类似地，在位置跟踪系统的坐标系中的相同位置(例如，部位56、58和60)处采集的位置被称为“位置参照系(PFOR)”。
在一些实施方案中，可使用任何合适的方法诸如迭代最近点(ICP)执行CFOR和PFOR系统之间的配准。
ICP方法迭代地应用变换(平移和/或旋转)以找到坐标系之间的最佳映射。
在每个预定义部位处，解剖点和相应位置点之间的距离矢量由等式(1)给出：
d位置＝||P位置-q位置|| (1)
其中d位置为解剖点和每个预定义部位处的对应位置之间的距离矢量；
P位置为CFOR系统中解剖点(例如，点62A)的位置；并且
q位置为由PFOR系统中的位置传感器获取的位置(例如，部位56)。
在一些实施方案中，处理器34被配置成通过例如使用加权最小二乘法最小化过程，在位置和相应解剖点之间进行关联来配准CT和位置跟踪系统的坐标系。在一个实施方案中，处理器34被进一步被配置成将所分配的权重应用于每个预定义部位处的距离矢量的每个分量(例如，x、y和z)，如等式(2)所示：
其中ai、bi和ci是在预定义部位处分配的权重，分别由索引“i”标记，表示x、y和z坐标的分量；
和分别为在x、y和z坐标处的解剖点的位置的分量；并且
和分别为位置传感器采集的位置在x、y和z坐标的分量。
注意，基于预定义部位处的解剖点(例如，部位56处的CT点62A)和最近骨组织(例如，骨54A)之间的距离向量(例如，距离64A)的分量计算ai、bi和ci的值。
图3为示意性地示出根据本发明实施方案的用于将磁位置跟踪系统的坐标系与CT成像系统的坐标系进行配准的方法的流程图。
该方法从图像采集步骤100开始，其中操作者(例如，内科医生24)使用CT系统或任何其它合适的成像系统采集患者22面部的3D解剖图像50。在一些实施方案中，处理器34被配置成在图像50的相应预定义部位(例如，部位56和60)处显示面部的骨组织和多个CT点，诸如点62A和62C。在位置采集步骤102中，内科医生24将包括位置传感器的细棒30附接至预定义部位中的每一个，从而在位置跟踪系统的坐标系中采集相应位置。
如上所述，在距离计算步骤104中，处理器34识别图像50中的预定义部位，并且在每个预定义部位处计算相应CT点和最近骨组织之间的距离。
在权重分配步骤106中，处理器34基于CT点与最近骨组织之间的相应距离将权重分配给预定义部位中的每一个。例如，距离64A的值小于距离64C的值，因此预定义部位56(前额)处的权重值高于预定义部位60(脸颊)处的权重值。
在配准步骤108中，处理器34通过使用分配给每个预定义部位的相应权重，通过使在预定义部位处由位置传感器采集的位置与相应CT点之间进行关联，从而在CT和位置跟踪系统的坐标系之间进行配准。
注意，前额处的权重值大于脸颊处的权重值，因此，预定义部位56处的权重比预定义部位60处的权重对配准的影响更大。
在一个实施方案中，处理器34通过应用迭代地使CFOR和PFOR系统的点对之间的距离和最小化的合适方法(诸如迭代最近点(ICP)方法)，从而执行配准。例如，由Rusinkiewicz等人在第三届3-D数字成像和建模国际会议的会议记录第145-152页(2005年)的“Efficient Variants ofthe ICP Algorithm”，以及Chen等人在在机器人和自动化IEEE会议的会议记录，第3卷，第2724–2729页(1991年)的“Object Modeling byRegistration of Multiple Range Images”中提供了有关ICP方法的更多细节，这两篇文献都通过引用方式并入本文。简而言之，ICP方法通常包括以下六个阶段：1.在一个或两个网格中选择一些组的点；2.将这些点匹配到另一个网格中的样本；3.适当地为相应对进行加权；4.基于分别查看每个对或考虑整个组的对，拒绝某些对；5.根据点对分配误差度量；6.最小化误差度量。
尽管本文所述的实施方案主要论述了鼻窦扩张应用，但本文所述的方法和系统也可被用于其它应用中，诸如耳-鼻-喉(ENT)和矫形应用中。
因此应当理解，上述的实施方案以举例的方式引用，并且本发明不限于上文已具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读上述说明时会想到且未在现有技术中公开的其变型和修改。以引用方式并入本专利申请的文献被视为本申请的整体部分，但是如果这些并入的文献中限定的任何术语与本说明书中明确或隐含地给出的限定相冲突，则应只考虑本说明书中的限定。

Claims (13)

1.一种方法，包括：
在患者器官的三维(3D)解剖图像中识别对应于第一坐标系中的所述患者器官的皮肤上的相应预定义部位的多个解剖点；
接收由位置跟踪系统的位置传感器在所述患者器官的所述皮肤上的所述相应预定义部位处测量的第二坐标系中的多个位置；
在每个预定义部位处，计算所述患者器官的相应解剖点和最近骨组织之间的距离；
基于所述解剖点和所述最近骨组织之间的相应距离将权重分配给所述预定义部位；以及
通过使用所分配的权重将所述位置和所述相应解剖点之间进行关联来配准所述第一坐标系和第二坐标系。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
分配所述权重包括将第一权重分配给具有到所述最近骨组织的第一距离的第一预定义部位，并且将大于所述第一权重的第二权重分配给具有到所述最近骨组织的第二距离的第二预定义部位，所述第二距离小于所述第一距离；并且
配准所述第一坐标系和第二坐标系包括计算所述第一坐标系和第二坐标系之间的变换，其中所述第二预定义部位具有比所述第一预定义部位更高的影响。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述3D解剖图像包括计算机断层摄影(CT)解剖图像。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述患者器官包括患者头部，并且其中接收所述多个位置包括接收位于所述患者头部上的所述预定义部位处的位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其中接收所述多个位置包括从包括所述位置传感器的配准工具接收所述位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述距离包括计算具有多个分量的欧几里德距离向量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中分配所述权重包括将权重分配给所述欧几里得距离向量的每个相应分量，并且其中配准所述第一坐标系和第二坐标系包括在每个预定义部位处使用给所述相应分量中的每个分量的所分配的权重。
8.一种装置，包括：
配准工具，其包括位置跟踪系统的位置传感器，其被配置成通过将所述配准工具定位在患者器官的皮肤上的相应预定义部位处来采集第二坐标系中的多个位置；以及
处理器，其被配置成：
在所述患者器官的三维(3D)解剖图像中识别多个解剖点，所述多个解剖点对应于第一坐标系中的所述相应预定义部位；
接收在所述第二坐标系中测量的所述多个位置；
在每个预定义部位处，计算所述患者器官的相应解剖点和最近骨组织之间的距离；
基于所述解剖点和所述最近骨组织之间的相应距离将权重分配给所述预定义部位；并且
通过使用所分配的权重将所述位置和所述相应解剖点之间进行关联来配准所述第一坐标系和第二坐标系。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述处理器被配置成：
将第一权重分配给具有到所述最近骨组织的第一距离的第一预定义部位，并且将大于所述第一权重的第二权重分配给具有到所述最近骨组织的第二距离的第二预定义部位，所述第二距离小于所述第一距离；并且
计算所述第一坐标系和第二坐标系之间的变换，其中所述第二预定义部位具有比所述第一预定义部位更高的影响。
10.根据权利要求8所述的装置，其中所述3D解剖图像包括计算机断层摄影(CT)解剖图像。
11.根据权利要求8所述的装置，其中所述患者器官包括患者头部，并且其中所述处理器被配置成接收位于所述患者头部上的所述预定义部位处的位置。
12.根据权利要求8所述的装置，其中所述处理器被配置成通过计算具有多个分量的欧几里德距离向量来计算所述距离。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述处理器被配置成将权重分配给所述欧几里得距离向量的每个相应分量，并且在每个预定义部位处使用给所述相应分量中的每个分量的所分配的权重。
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