CN110025379A - 一种超声图像与ct图像融合实时导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声图像与CT图像融合实时导航系统及方法，其特征在于包括以下步骤：连接各部件，进行坐标配准得到注册配准矩阵，并获取术前CT图像或其他术前图像；进行CT图像扫描，得到CT图像；根据得到的CT图像或CT图像与其他术前图像融合得到的离线融合图像，确认病变组织位置，辅以超声探头，确认入针平面，设置靶点/靶线；将超声图像融合到CT图像或离线融合图像中，生成实时融合图像，并在图象上动态显示手术器械的位置；阶段性更新CT图像，采用更新后的CT图像更新原有CT图像或离线融合图像，进一步更新实时融合图像，引导经皮微创手术操作。本发明可以广泛应用于经皮微创诊疗领域。

Description

一种超声图像与CT图像融合实时导航系统及方法

技术领域

本发明涉及超声成像技术领域，特别是涉及一种超声图像与CT图像融合实时导航系统及方法。

背景技术

多模态影像已被广泛应用于经皮微创诊疗领域，其中应用较广的图像包括CT、磁共振、超声、PET和DSA图像。各种图像都有其自身的特点：CT图像的分辨率高；磁共振图像在软组织成像方面具有优势；超声图像具有实时性的优点；PET图像是一种功能成像，可以反映人体组织的代谢信息；DSA扫描具有开放性，可以进行血管成像，可以作为术中影像设备，使用灵活。

目前，CT图像引导的经皮微创手术被广泛应用,但是由于电离辐射问题，术中CT图像存在非实时性的缺点，CT图像引导的经皮微创手术普遍采用步进式穿刺模式，手术中临床大夫根据离线图像，使用激光定位线和体表金属排丝确认入针路径，进行断层图像同层进针，并在手术过程中对病人进行多次扫描，确认手术针针尖位置和路径方向，以及手术针和周边人体组织的位置关系，直到手术器械(手术针)到达目标点。超声图像引导的腹部经皮微创手术是另外一种被广泛使用的技术，其特点在于超声图像具有实时性，设备方便使用，但是超声图像分辨率不足，无法精确描述病变区域位置及其边界，仅适用于腹部浅表的经皮微创诊疗操作。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种超声图像与CT图像融合实时导航系统及方法，该系统可以应用于全身各部位的经皮微创手术，结合了多模态图像的特点，应用于临床，可以有效提高经皮微创手术的精准度、安全性和有效性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种超声图像与CT图像融合实时导航系统，其包括导航定位传感器、导航示踪器、图像处理服务器以及CT设备、手术器械、超声设备和PACS系统；所述导航定位传感器通过所述导航示踪器，对所述CT设备、手术器械和超声设备中超声探头的位置进行定位跟踪，并发送到所述图像处理服务器；所述图像处理服务器与所述CT设备、超声设备和PACS系统相连，所述图像处理服务器将CT图像和超声图像进行融合，同时能够利用所述PACS系统，对包括CT图像、磁共振图像、PET图像和CBCT(锥型束CT)图像在内的其他术前容积图像进行融合，得到能够描绘病变区域位置和边界信息的融合图像；所述图像处理服务器同时动态追踪手术器械的位置和方向信息，并将其显示在融合图像上。

进一步的，所述导航定位传感器采用光学定位传感器，所述导航示踪器采用光学示踪器。

进一步的，所述导航示踪器包括设备示踪器、器械示踪器和超声探头示踪器，所述设备示踪器安装在所述CT设备的机架上，所述器械示踪器安装在手术器械上，所述超声探头示踪器安装在所述超声设备的超声探头上，所述导航定位传感器实时跟踪所述设备示踪器、器械示踪器和超声探头示踪器，并将获取的CT设备、手术器械和超声探头的位置发送到所述图像处理服务器。

进一步的，所述超声探头示踪器采用多面、分段可组装式探头。

本发明的第二个方面，是提供一种超声图像与CT图像融合实时导航方法，其包括以下步骤：

1)建立各个组成部件间的连接，执行术前配准，实时跟踪和定位CT图像坐标系的位置；

2)进行CT图像扫描，得到CT图像；

3)将CT图像与从PACS系统获取的术前容积图像进行融合，得到离线融合图像；

4)根据步骤2)所述CT图像或步骤3)所述离线融合图像确认病变组织位置及第一操作平面；

5)利用超声探头对病变区域进行扫描，图像处理服务器在超声探头所在切面位置上，在术前融合图像中实时切割得到虚拟超声图像，确认第二操作平面；

6)在步骤4)确定的第一操作平面或步骤5)确定的第二操作平面上，设置靶点/靶线；

7)在病变区域内进行超声扫描，并将实时超声图像融合到步骤2)所述CT图像或步骤3)所述离线融合图像中，生成实时融合图像；

8)实时跟踪手术器械的位置和方向，并将手术器械显示在实时融合图像中；

9)在导航示踪器的实时引导下，根据实时融合图像中病灶的位置、靶点/靶线以及针的实时位置进行操作；

10)阶段性更新步骤2)所述CT图像，并根据更新后的CT图像进一步更新步骤7)所述实时融合图像；

11)利用步骤10)得到的更新后的实时融合图像，确认手术器械的位置和方向，如已到达靶点位置，则操作结束；否则返回步骤9)。

进一步的，所述步骤1)中，建立各个组成部件间的连接，执行术前配准，实时跟踪和定位CT图像坐标系的方法包括以下步骤：

1.1)将CT设备、超声设备、导航定位传感器、PACS系统和图像处理服务器相连；

1.2)利用标定水模、CT设备、器械示踪器以及导航定位传感器，图像处理服务器对CT图像坐标系与相机定位坐标系进行注册配准，得到注册配准矩阵并标定扫描床得到扫描床移动向量。

进一步的，所述步骤7)中，在病变区域内进行超声扫描，并将实时超声图像融合到步骤2)所述CT图像或步骤3)所述离线融合图像中，生成实时融合图像的方法为：

导航定位传感器通过设备示踪器跟踪CT图像坐标系的坐标位置，通过器械示踪器跟踪手术器械的位置，通过超声探头示踪器跟踪超声探头的位置，进而得到超声图像的位置，并将所有位置信息发送到图像处理服务器；

图像处理服务器使用扫描床移动向量，将CT图像坐标系移动到手术位置，并根据注册配准矩阵，将手术器械与超声图像自动融合到CT图像坐标系中，生成实时融合图像。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用光学定位传感器、光学示踪器和图像处理服务器，与CT设备和超声设备共同使用，可应用于全身各部位的经皮微创手术领域，应用更加广泛；2、本发明的图像处理服务器具备图像融合功能，可将术前容积图像(包括CT图像、磁共振图像、PET图像和CBCT(锥型束CT)图像)与术中阶段性更新的CT图像融合，更加精准的描绘病变位置和边界信息，以及手术器械的实时位置；3、本发明采用术前标定方法，省去术中标定步骤，简化了手术导航流程，可有效增加导航设备的易用性，减少手术时间；4、本发明将导航设备与超声设备有机结合，可使用超声探头确认入针平面，操作过程中实时监测人体组织和器官漂移，并实时验证穿刺路径的效果，进一步提高了采用融合图像进行实时导航的精准度。本发明可以广泛应用于超声成像技术领域。

附图说明

图1是本发明超声图像与CT图像融合实时导航系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种超声图像与CT图像融合实时导航系统，其应用于CT图像引导经皮微创手术室，该系统包括：导航定位传感器1、导航示踪器2、图像处理服务器3、已有CT设备4、手术器械、超声设备5和PACS系统6。其中，导航定位传感器1通过导航示踪器2对CT设备4、手术器械、超声设备5的超声探头进行位置跟踪，并发送到图像处理服务器3；图像处理服务器3与导航定位传感器1、CT设备4、超声设备5和PACS系统6相连，将术前容积图像(包括CT图像、磁共振图像、PET图像和CBCT(锥形束CT)图像)、术中CT图像和超声图像进行融合，得到实时融合图像，精准描绘病变区域的位置和边界信息；图像处理服务器3实时追踪手术器械，并在实时融合图像中动态显示手术器械的位置和方向，帮助术者监控整个经皮微创手术入针过程。

进一步地，导航定位传感器1采用光学定位传感器，导航示踪器2采用光学示踪器。

进一步地，导航示踪器2包括设备示踪器21、器械示踪器22和超声探头示踪器23，其中，设备示踪器21安装在CT设备4的机架上，器械示踪器22安装在手术器械上，超声探头示踪器23安装在超声设备5的超声探头上，导航定位传感器1利用红外光学视野，对设备示踪器21、器械示踪器22和超声探头示踪器23进行实时追踪，并将相应CT影像设备、手术器械和超声探头的位置发送到图像处理服务器3。

进一步地，超声探头示踪器23采用多面、分段可组装式探头，可以满足手术的应用及消毒要求。

进一步地，导航定位传感器1可以采用其他定位原理进行定位，如电磁定位传感器，相应的，导航示踪器采用电磁示踪器。

进一步地，本发明超声图像与CT图像融合实时导航系统，还可以应用于除CT以外其他容积图像(磁共振，PET或CBCT)引导经皮微创手术室。

基于上述超声图像与CT图像融合实时导航系统，本发明还提供一种超声图像与CT图像融合实时导航方法，包括以下步骤：

1)将CT设备、超声设备、导航定位传感器、PACS系统和图像处理服务器相连；

2)使用标定水模、CT设备、器械示踪器以及导航定位传感器，图像处理服务器对CT图像坐标系与相机定位坐标系进行注册配准，得到注册配准矩阵，标定扫描床，得到扫描床方向向量；其中，标定方法为本申请人之前申请专利《一种用于图像导航手术系统的标定模及其使用方法》(CN200710121388)的标定方法，在此不在赘述；

3)从PACS系统获取术前容积图像，术前容积图像包括但不限于CT图像、磁共振图像、PET图像和CBCT图像；

4)手术开始，进行CT图像扫描；

5)将步骤4)得到的CT图像与从PACS系统获取的术前容积图像进行融合，得到离线融合图像；

6)根据步骤4)得到的CT图像或步骤5)得到的离线融合图像确认病变组织位置及入针平面；当没有其他术前图像时，则根据步骤4)得到的CT图像，确认病变组织位置及入针平面；当有其他术前图像时，则根据步骤5)得到的离线融合图像，确认病变组织位置及入针平面；

7)利用超声探头对待操作区域进行扫描，图像处理服务器在超声探头所在切面位置上，在CT图像或离线融合图像中实时切割得到虚拟超声图像，确认入针平面；

8)在步骤6)或步骤7)确认的入针平面上，设置靶点/靶线；当不使用超声图像辅助确认入针平面时，则根据步骤6)确认的入针平面上进行操作；当使用超声图像辅助确认入针平面时，则根据步骤7)确认的入针平面上进行操作；

9)进行超声扫描，并将实时超声图像融合到步骤4)的CT图像或步骤5)的离线融合图像中，生成实时融合图像；

操作过程中，导航定位传感器通过设备示踪器跟踪CT图像坐标系的坐标位置，通过器械示踪器跟踪手术器械(诊疗针)的位置，通过超声探头示踪器跟踪超声探头的位置，并将所有位置信息发送到图像处理服务器；图像处理服务器使用步骤2)获取的注册配准矩阵，将超声图像(超声探头)自动融合到CT图像坐标系中，得到实时融合图像；

10)导航定位传感器通过设备示踪器实时跟踪手术器械的位置和方向，并将手术针显示在实时融合图像中；

11)在导航系统实时引导下，根据实时融合图像中病灶的位置、靶点/靶线以及手术器械的实时位置进行入针操作；

12)阶段性更新步骤4)的CT图像，并进一步更新步骤9)的实时融合图像；

13)利用步骤12)更新的图像中手术器械的伪影，确认手术器械的位置和方向，如已到达靶点位置，则操作结束，进行下一步活检操作或者消融治疗；如有偏差，则返回步骤11)。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种超声图像与CT图像融合实时导航系统，其特征在于：其包括导航定位传感器、导航示踪器、图像处理服务器以及CT设备、手术器械、超声设备和PACS系统；

所述导航定位传感器通过所述导航示踪器，对所述CT设备、手术器械和超声设备中超声探头的位置进行定位跟踪，并发送到所述图像处理服务器；

所述图像处理服务器与所述CT设备、超声设备和PACS系统相连，所述图像处理服务器用于将CT图像和超声图像进行融合，同时能够利用所述PACS系统，对包括CT图像、磁共振图像、PET图像和CBCT图像在内的其他术前容积图像进行融合，得到能够描绘病变区域的位置和边界信息的融合图像；

所述图像处理服务器同时动态追踪所述手术器械的位置和方向，并将其显示在融合图像上。

2.如权利要求1所述的一种超声图像与CT图像融合实时导航系统，其特征在于：所述导航定位传感器采用光学定位传感器，所述导航示踪器采用光学示踪器。

3.如权利要求1所述的一种超声图像与CT图像融合实时导航系统，其特征在于：所述导航示踪器包括设备示踪器、器械示踪器和超声探头示踪器，所述设备示踪器安装在所述CT设备的机架上，所述器械示踪器安装在所述手术器械上，所述超声探头示踪器安装在所述超声设备的超声探头上，所述导航定位传感器实时跟踪所述设备示踪器、器械示踪器和超声探头示踪器，并将获取的CT设备、手术器械和超声探头的位置发送到所述图像处理服务器。

4.如权利要求3所述的一种超声图像与CT图像融合实时导航系统，其特征在于：所述超声探头示踪器采用多面、分段可组装式探头。

5.一种采用如权利要求1～4任一项所述系统的超声图像与CT图像融合实时导航方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将CT设备、超声设备、导航定位传感器、PACS系统和图像处理服务器相连，执行注册配准，实时跟踪和定位CT图像坐标系的位置；

2)进行CT图像扫描，得到CT图像；

3)将CT图像与从PACS系统获取的术前容积图像进行融合，得到离线融合图像；

4)根据步骤2)所述CT图像或步骤3)所述离线融合图像确认病变组织位置及第一操作平面；

5)利用超声探头进行扫描，图像处理服务器在超声探头所在切面位置上，在离线融合图像中实时切割得到虚拟超声图像，确认第二操作平面；

6)在步骤4)确定的第一操作平面或步骤5)确定的第二操作平面上，设置靶点/靶线；

7)进行超声扫描，并将实时超声图像融合到步骤2)所述CT图像或步骤3)所述离线融合图像中，生成实时融合图像；

8)实时跟踪手术器械的位置和方向，并将手术器械显示在实时融合图像中；

9)在导航示踪器的实时引导下，根据实时融合图像中病灶的位置、靶点/靶线以及手术器械的实时位置进行操作；

10)阶段性更新步骤2)所述CT图像，并根据更新后的CT图像进一步更新步骤7)所述实时融合图像；

11)利用步骤10)得到的更新后的实时融合图像中手术器械的伪影，确认手术器械的位置和方向，如已到达靶点位置，则操作结束；否则返回步骤9)。

6.如权利要求5所述的一种超声图像与CT图像融合实时导航方法，其特征在于：所述步骤1)中，建立各个组成部件间的连接，执行术前配准，实时跟踪和定位CT图像坐标系的方法包括以下步骤：

1.1)将CT设备、超声设备、导航定位传感器、PACS系统和图像处理服务器相连；

1.2)利用标定水模、CT设备、器械示踪器以及导航定位传感器，图像处理服务器对CT图像坐标系与相机定位坐标系进行注册配准，得到注册配准矩阵并标定扫描床得到扫描床移动向量。

7.如权利要求5所述的一种超声图像与CT图像融合实时导航方法，其特征在于：所述步骤7)中，在病变区域内进行超声扫描，并将实时超声图像融合到步骤2)所述CT图像或步骤3)所述离线融合图像中，生成实时融合图像的方法为：

导航定位传感器通过设备示踪器跟踪CT图像坐标系的坐标位置，通过器械示踪器跟踪手术器械的位置，通过超声探头示踪器跟踪超声探头的位置，进而得到超声图像的位置，并将所有位置信息发送到图像处理服务器；

图像处理服务器使用扫描床移动向量，将CT图像坐标系移动到手术位置，并根据注册配准矩阵，将手术器械与超声图像自动融合到CT图像坐标系中，生成实时融合图像。