CN108720924A - 基于到骨组织的视觉接近度来改善解剖图像与位置跟踪坐标系的配准 - Google Patents

基于到骨组织的视觉接近度来改善解剖图像与位置跟踪坐标系的配准 Download PDF

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Abstract

本发明提出了用于基于到骨组织的视觉接近度来改善解剖图像与位置跟踪坐标系的配准的系统和方法。该方法可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患者器官的皮肤上的相应预定义部位的多个解剖点，通过在第一坐标系中的位置与第二坐标系中相应的解剖点之间进行关联来执行第一坐标系和第二坐标系的初始配准，使用查看装置来查看第一坐标系中的位置，当位置与预定部位不匹配时标记该位置并对该位置进行加权，以及通过在位置、标记位置以及相应的解剖点之间进行重新关联来改进第一坐标系和第二坐标系的初始配准。

Description

基于到骨组织的视觉接近度来改善解剖图像与位置跟踪坐标 系的配准
相关申请的交叉引用
本申请通过引用并入如同完全阐述的与本申请同日提交的标题为“基于到骨组织的接近度进行的解剖图像与位置跟踪坐标系的配准(Registration of an AnatomicalImage with a Position-Tracking Coordinate System Based on Proximity to BoneTissue)”的代理人案卷号JNJ-BIO5789USNP。
技术领域
本发明整体涉及坐标系的配准，并且特别涉及用于基于静态器官的视觉检查配准坐标系的方法和系统。
发明内容
提出了用于基于到骨组织的视觉接近度来改善解剖图像与位置跟踪坐标系的配准的系统和方法。该方法可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患者器官的皮肤上的相应预定义部位的多个解剖点，通过在第一坐标系中的位置与第二坐标系中相应的解剖点之间进行关联来执行第一坐标系和第二坐标系的初始配准，使用查看装置来查看第一坐标系中的位置，当位置与预定部位不匹配时标记该位置并对该位置进行加权，以及通过在位置、标记位置以及相应的解剖点之间进行重新关联来改进第一坐标系和第二坐标系的初始配准。
在一个实施方案中，方法可另外包括例如通过创建多个相同位置对位置进行加权。
在一个实施方案中，3D解剖图像可包括计算机断层摄影(CT)解剖图像。在一个实施方案中，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。
一种用于基于到骨组织的接近度来改善解剖图像与位置跟踪坐标系的配准的设备可包括医疗装置，该医疗装置包括视频显示装置和处理器，该处理器被配置成在患者器官的三维(3D)解剖图像中识别对应于第一坐标系中的患者器官的皮肤或表面上的相应预定义部位的多个解剖点，通过在第一坐标系中的位置与第二坐标系中相应的解剖点之间进行关联来执行第一坐标系和第二坐标系的初始配准，使用查看装置来查看第一坐标系中的位置，当位置与预定部位不匹配时标记该位置并对该位置进行加权，以及通过在位置、标记位置以及相应的解剖点之间进行重新关联来改进第一坐标系和第二坐标系的初始配准。
在一个实施方案中，处理器被进一步配置成包括对所述位置加权包括创建多个相同位置。在一个实施方案中，医疗装置为导管并且视频显示装置为相机。
还提出了用于使用近侧位置传感器以改善精确度和部位的抗干扰性的计算机程序产品。
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为根据本发明的实施方案的与外科系统一起使用的医疗装置的示意图；并且
图3为示意性地示出根据本发明的实施方案的用于改进磁性位置跟踪系统的坐标系与预先获取的计算机断层摄影(CT)图像的坐标系的初始配准的方法的流程图。
具体实施方式
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，可基于在预选部位处的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可能不准确并且不适合鼻窦扩张过程，其中通常重要的是获得处于超过1mm的精确度等级的解剖图像的配准。由于一些面部元件可包括自然变形的软组织，并且因为通过配准工具施加在组织上的不受控制的压力，所以该假想解决方案的精确度可变得不可接受。
下面描述的本发明的实施方案提供了用于改进解剖成像系统的坐标系与位置跟踪系统的坐标系之间的初始配准的改善技术。在所公开的实施方案中，执行初始配准，其中使用计算机断层摄影(CT)系统获取患者头部的三维(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。预定义部位的示例可包括但不限于脸颊、前额、鼻梁等。
在预定义部位中的每个处，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的位置)。
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。
在一些实施方案中，处理器被配置成通过在由配准工具获取的位置与由CT获取的图像的相应解剖点之间进行关联来执行CT到位置跟踪系统的坐标系的初始配准。在实施方案中，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进行初始配准。初始配准处理通常估计两个坐标系之间的转换，其中在距最近的骨组织具有小距离的部位处的测量结果被给定高权重，反之亦然。
在初始配准之后，可将包括传感器和相机或其它视频显示装置的导管插入患者的腔中。使用该相机，医师将导管放置在上面所讨论的预定义部位中的一个上。例如，医师将导管放置在鼻梁上，如相机视图所示。如果由相机显示的部位与预定义部位不匹配，则医师将相机视图部位标记为预定部位。该相机视图部位将在下面更详细描述的配准计算中加权。
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。
图1为根据本发明的实施方案的磁性位置跟踪系统20的示意性图解。系统20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。如将在下文中详细描述，磁性位置跟踪系统20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。
图2为可用于磁性跟踪系统20中的医疗装置诸如导管的示意图。医疗装置201可包括视频显示元件202以及一个或多个传感器203。图2中仅示出了一个传感器，但是可在医疗装置201上设置多于一个传感器。
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。
重新参见图1，在本示例中，磁性位置跟踪系统20包括定位垫40，定位垫40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定位在患者外部的已知位置处。系统20另外包括控制台33，控制台33包括驱动电路(未示出)，该驱动电路被配置成利用合适的信号驱动场发生器44以在头部41周围的预定工作空间中生成磁场。定位垫40 由缆线(未示出)连接到控制台33。
在一些实施方案中，磁性位置跟踪系统20包括用于将磁性位置跟踪系统20的坐标系与预先获取的计算机断层摄影(CT)图像的坐标系配准的配准工具30，诸如手持棒。用于初始配准处理的配准工具30被配置成获取位置测量结果。
通常，医师24执行初始配准处理。在初始配准处理期间，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：1)CT系统的坐标系中的“解剖点”；以及2)位置跟踪系统20的坐标系中的“位置点”。位置点来源于该预定义部位处的棒30的位置测量结果，并且表示该部位处的皮肤在磁性位置跟踪系统20的坐标系中的坐标。解剖点表示在如CT图像中识别的该位置处的皮肤的坐标。处理器34被配置成在图像35中的预定义部位的解剖点和位置点之间进行关联，从而执行将CT图像与磁性位置跟踪系统20的坐标系进行配准的初始配准处理。在一些实施方案中，处理器34被配置成通过在由配准工具获取的位置与由CT获取的图像的相应解剖点之间进行关联来将CT配准到位置跟踪系统的坐标系。在实施方案中，处理器34通过应用适当的配准方法诸如迭代最近点(ICP)方法使用相应的权重进行配准。配准处理通常估计两个坐标系之间的转换，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。
初始配准过程通常在实际的医疗过程诸如鼻窦扩张过程之前执行。在医疗过程期间，医师24可将包括磁性位置跟踪系统20的相机202和/或其它附加位置传感器203的医疗装置诸如导管201或其它外科工具插入头部 41中。由于CT图像已与位置跟踪系统配准，因此医师24可将其远侧端部在CT图像上显示的医疗装置201引导到头部41中的目标位置。医疗装置201根据其由医疗装置中的一个或多个传感器203确定的磁性位置以及由相机202显示的结构例如头部41中的物理特征或元件(和/或医疗装置插入其中的其它腔)在位置跟踪系统中被跟踪。在一个实施方案中，目标部位可为头部41中的结构。
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。
在实施方案中，处理器34通常为计算机，该计算机包括用于接收来自外部源的数据以及经由缆线32来自棒30的位置传感器的测量结果和来自相机202的视频数据，并且用于控制磁性位置跟踪系统20的其它部件的合适的前端和接口电路。控制台33另外包括输入装置39诸如键盘、鼠标、麦克风、手势读取装置或触摸屏以及被配置成显示来自相机131的视频数据以及其它数据的显示器36。
为了简单和清楚起见，图1和图2仅示出与所公开的技术有关的元件。磁性位置跟踪系统20通常包括附加模块和元件，这些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和从对应的描述中有意地省略这些元件。
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。
图3为示意性地示出根据本发明的实施方案的用于改善磁性位置跟踪系统20的坐标系与CT成像系统的坐标系的初始配准的方法的流程图。
该方法以在步骤S1中执行初始配准处理开始。在一个实施方案中，初始配准处理可为在一起提交的标题为“基于到骨组织的接近度进行的解剖图像与位置跟踪坐标系的配准(Registration of an Anatomical Image with a Position-Tracking CoordinateSystem Based on Proximity to Bone Tissue)”的本发明人的共同未决申请中描述的配准处理，其如同在此完全阐述一样以引用方式并入本文。
在步骤S2中，将带有查看能力例如具有相机202的导管201插入患者的腔中。
在步骤S3中，根据初始配准期间所确定的预定部位将导管引导到预定部位。在一个实施方案中，预定部位为患者的腔中的结构，诸如例如鼻骨的顶端。
在步骤S4中，确定由相机显示的导管部位是否匹配预定部位处的位置数据。如果部位匹配(S4＝是)，则转到步骤S6。
如果部位不匹配(S4＝否)，则在步骤S5中，在预定部位处创建标记部位，即由相机202所示的导管201的部位。
在步骤S6中，确定是否存在更多的预定部位要检查。如果存在更多的预定部位要检查(S6＝是)，则转到步骤S3。
如果已检查所有预定部位(S6＝是)，则在步骤S7中执行重新关联以通过在步骤S5中标记的(一个或多个)加权部位改进初始配准。
在一个实施方案中，通过执行计算改进初始配准，其中每个标记部位被多次复制。在一个实施方案中，每个标记部位可被复制例如一百次。因此，标记部位被给定的权重显著多于初始配准处理中所确定的未标记部位的权重。因此，这些加权部位对改进配准的影响比未标记的预定义部位处的权重高。
在实施方案中，处理器34通过对应用合适的方法诸如迭代最近点 (ICP)方法进行改进的配准，所述方法迭代地最小化CFOR和PFOR系统的成对点之间的距离之和。
尽管本文所述的实施方案主要论述鼻窦扩张应用，但本文所述的方法和系统也可被用在其它应用中，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 (11)

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表面上的相应预定义部位的多个解剖点；
通过在所述第一坐标系中的位置与第二坐标系中的相应解剖点之间进行关联来执行所述第一坐标系和所述第二坐标系的初始配准；
使用查看装置来查看所述第一坐标系中的位置；
当所述位置与预定部位不匹配时，标记所述位置并对所述位置进行加权；以及
通过在所述位置、所标记位置和所加权位置以及所述相应的解剖点之间进行重新关联来改进所述第一坐标系和所述第二坐标系的所述初始配准。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
对所述位置进行加权包括创建多个相同位置。
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。
5.一种设备，包括：
医疗装置，所述医疗装置包括视频显示装置；以及
处理器，其被配置成：
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；
通过在所述第一坐标系中的位置与第二坐标系中的相应解剖点之间进行关联来执行所述第一坐标系和所述第二坐标系的初始配准；
使用查看装置来查看所述第一坐标系中的位置；
当所述位置与预定部位不匹配时，标记所述位置并对所述位置进行加权；以及
通过在所述位置、所标记位置以及所述相应解剖点之间进行重新关联来改进所述第一坐标系和所述第二坐标系的所述初始配准。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述处理器被配置成：
对所述位置进行加权包括创建多个相同位置。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述3D解剖图像包括计算机断层摄影(CT)解剖图像。
8.根据权利要求5所述的设备，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多个位置。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述医疗装置为导管并且所述视频显示装置为相机。
10.一种计算机软件产品，包含在其中存储有计算机程序指令的非暂态计算机可读存储介质，所述指令在由计算机执行时，使得所述计算机执行以下步骤：
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；
通过在所述第一坐标系中的位置与第二坐标系中的相应解剖点之间进行关联来执行所述第一坐标系和所述第二坐标系的初始配准；
使用查看装置来查看所述第一坐标系中的位置；
当所述位置与预定部位不匹配时，标记所述位置并对所述位置进行加权；以及
通过在所述位置、所标记位置以及所述相应的解剖点之间进行重新关联来改进所述第一坐标系和所述第二坐标系的所述初始配准。
11.根据权利要求10所述的计算机软件产品，其中：
对所述位置进行加权包括创建多个相同位置。
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