TWI468641B - 影像拍攝與座標擷取時間同步之校正方法與校正系統及其延遲時間計算方法 - Google Patents

影像拍攝與座標擷取時間同步之校正方法與校正系統及其延遲時間計算方法 Download PDF

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Description

影像拍攝與座標擷取時間同步之校正方法與校正系統及 其延遲時間計算方法
本發明係為一種校正方法與校正系統及其延遲時間計算方法，特別是一種應用於手術導引之影像拍攝與座標擷取時間同步之校正方法與校正系統及其延遲時間計算方法。
第1圖為現今之一種手術導引硬體架構圖。如第1圖所示，在現今的手術導引硬體架構10中，藉由分別在手術器械11、手術位置12及架設於影像拍攝裝置17之接收端的校正器13上設置動態參考框架(Dynamic Reference Frame,DRF)14a、DRF 14b及DRF 14c，再使用光學定位器15接收DRF 14a、DRF 14b及DRF 14c所反射回的訊號。接著，手術導引系統16根據由光學定位器15所得到的訊號獲得校正器13與手術位置12之DRF座標，同時藉由影像拍攝裝置17拍攝到之含有校正器13的影像計算出DRF座標與影像座標的關係，最後才能將手術器械11的動態位置及手術位置12顯示於對應的影像位置上，以提供醫師手術導引資訊。
上述之手術導引系統16非常仰賴精確的座標對應關係，也就是說，DRF座標要能和影像座標相互對應，否則手術導引系統16所提供的導引資訊就會不準確。即使在手術導引系統16接收影像拍攝裝置17拍攝到之影像後隨即取得當下DRF 14a、DRF 14b及DRF 14c反射回光學定位器15的訊號，拍攝影像至擷取DRF座標之間仍有時間差，很可能患者一移動， 取得的DRF座標就不能正確對應到接收的影像，最後造成了導引資訊的不準確。因此亟為需要一種能夠校正拍攝影像至擷取DRF座標之時間差的方法及系統。其次，更希望能在同一手術導引硬體架構10中只需要進行一次時間差計算的步驟，就能將時間差應用於日後每次的手術導引校正，並且希望手術導引系統16能夠便利地通用於不同的手術導引硬體架構10中。
本發明係為一種影像拍攝與座標擷取時間同步之校正方法與校正系統及其延遲時間計算方法，其中校正方法包括：取得每一時間點之一校正器座標及一手術目標座標；讀取每一時間點之一影像；計算影像相似度；輸出一讀取時間；計算一拍攝時間以及輸出一影像-座標轉換關係。本發明主要是要達到可以於一次測試中得到準確的延遲時間，並使用此延遲時間應用於所有後續之手術導引時間補償。
本發明係提供一種影像拍攝與座標擷取時間同步之校正方法，其係執行於一電腦系統中，校正方法包括下列步驟：取得每一時間點之一校正器座標及一手術目標座標並儲存至一記憶單元中；讀取每一時間點之一影像，該些影像係由一X射線儀器輸出；計算影像相似度，其係藉由一處理單元將每一影像與一前一時間點之影像進行一相似度比對；輸出一讀取時間，其係於任一影像與其前一時間點之影像低於一預設相似度時，輸出讀取影像之讀取時間；計算一拍攝時間，其係將讀取 時間減去一延遲時間以計算與讀取時間相應之影像之拍攝時間；以及輸出一影像-座標轉換關係，其係將拍攝時間之校正器座標及手術目標座標進行座標轉換計算以取得相對應之一座標關係，再將座標關係對應至與讀取時間相應之影像以輸出影像-座標轉換關係。
本發明又提供一種影像拍攝與座標擷取時間同步之校正系統，其係執行於一電腦系統中，校正系統包括：一擷取模組，其係於每一時間點讀取一校正器座標、一手術目標座標以及一X射線儀器輸出之一影像，並儲存至一記憶單元中；一比對模組，其係讀取記憶單元中之該些影像並藉由一處理單元將每一影像與一前一時間點之影像進行一相似度比對以輸出一比對結果；一輸出模組，其係於比對結果低於一預設相似度時，自記憶單元取得影像之一讀取時間並輸出；一計算模組，其係將讀取時間與一延遲時間相減以計算出與讀取時間相應之影像之一拍攝時間；以及一輸出座標轉換關係模組，其係將自記憶單元取得之校正器座標及手術目標座標進行座標轉換計算以輸出一座標轉換關係，再將座標轉換關係對應至與讀取時間相應之影像以輸出一影像-座標轉換關係。
本發明再提供一種影像拍攝與座標擷取時間同步之延遲時間計算方法，其包括下列步驟：取得一第一時間，其係擷取一感測器感測到一X射線儀器產生X射線之時間作為第一時間；讀取每一測試時間點之一測試影像，並記錄讀取每一測試影像之一第二時間，該些測試影像係由X射線儀器輸出之；以及計算延遲時間，當每一測試影像與一前一測試時間點之測試 影像低於預設相似度時，計算第一時間與第二時間之差值作為延遲時間。
藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：
一、可以同步校正影像拍攝與座標擷取的時間。
二、可以僅進行一次延遲時間之量測，便可將量測到的延遲時間用於後續之手術導引。
三、可以便利地通用於不同的手術導引硬體架構中。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
第2圖為本發明實施例之一種影像拍攝與座標擷取時間同步之校正方法流程圖。第3圖為本發明實施例之一種影像拍攝與座標擷取時間同步之校正系統方塊圖。第4圖為本發明實施例之一種手術導引硬體架構圖。第5圖為本發明實施例之一種讀取每一時間點之一影像步驟示意圖。第6圖為本發明實施例之一種計算時間差步驟流程圖。
如第2圖及第3圖所示，本發明實施例為一種影像拍攝與座標擷取時間同步之校正方法S100及其校正系統160，其係執行於一電腦系統190中，電腦系統190包括記憶單元191及處理單元。其中，同步校正方法S100包括下列步驟：取得每 一時間點之一校正器座標及一手術目標座標(步驟S10)；讀取每一時間點之一影像(步驟S20)；計算影像相似度(步驟S30)；輸出一讀取時間(步驟S40)；計算一拍攝時間(步驟S50)；以及輸出一影像-座標轉換關係(步驟S60)。另外，影像拍攝與座標擷取時間同步之校正系統160包括：一擷取模組161、一比對模組162、一輸出模組163、一計算模組164及一輸出座標轉換關係模組165。
請同時參考第4圖，取得每一時間點之一校正器座標及一手術目標座標(步驟S10)。在手術導引過程中，透過光學定位器150接收DRF 140反射回之訊號，並由校正系統160藉由擷取模組161自光學定位器150讀取每一時間點之校正器130於DRF座標系統上的校正器座標和手術目標120於DRF座標系統上的手術目標座標，並且將每一時間點及其對應之校正器座標和手術目標座標儲存至電腦系統190中之記憶單元191中以供後續步驟之提取及使用。
請同時參考第5圖，讀取每一時間點之一影像(步驟S20)是在進行手術導引時，醫師利用X射線儀器170拍攝手術位置之影像，而擷取模組161於每一時間點藉由處理單元自X射線儀器170之輸出埠讀取其輸出之影像，並將影像存入記憶單元191中，X射線儀器170可以為C型臂X光儀器(C-arm Fluoroscope)。
假設在5：00時，X射線儀器170剛拍攝了△影像；在5：05時，X射線儀器170拍攝了□影像；在5：07時，X射線儀器170拍攝了○影像。因此5：00至5：04之每個時間點，擷 取模組161讀取到由X射線儀器170輸出的影像就是△影像。在5：05及5：06時，擷取模組161讀取到由X射線儀器170輸出的影像就是□影像。
計算影像相似度(步驟S30)，接著，比對模組162讀取儲存於記憶單元191中之影像，並藉由一處理單元將目前時間點之影像以及其前一時間點之影像進行一相似度比對以輸出一比對結果。例如目前為5：05，影像為□影像，前一時間點為5：04，則前一時間點之影像為△影像，由處理單元將□影像與△影像進行相似度比對。至於時間點的間隔則由系統設計者或使用者決定，本實施例係以一分鐘為時間點的間隔。
其中，相似度比對係為一正規化相關係數(Normalized Correlation Coefficient,NCC)方法，NCC方法是利用向量內積的觀念來計算相關係數，相關係數越趨近於1也就是相似度越高。相似度的指標(Index)可以使用歐式距離(Euclidean Distance)、城市街距離(Cityblock Distance)、切比雪夫距離(Chebyshev Distance)、馬式距離(Mahalanobis Distance)或弦距離(Chord Distance)表示。
輸出一讀取時間(步驟S40)，當對每一影像與其同一拍攝方向之前一時間點之影像進行相似度比對時，若相似度高於預設相似度，代表影像沒有改變，也就是醫師沒有重新拍攝影像，因此重新於下一時間點進行步驟S10、步驟S20及步驟S30。最後，終於在一次相似度比對中得到的比對結果是影像與其同一拍攝方向之前一時間點之影像低於一預設相似度時(例如0.8)，代表醫師剛剛使用X射線儀器170拍攝了新的影 像，因此需要重新建立影像-座標轉換關係。
例如5：04時，目前的影像是△影像，因此可以使用與5：00時相同的影像-座標轉換關係。而當5：05時，醫師拍攝了□影像，由相似度比對後校正系統160可以判斷出□影像與△影像不同，所以不能再使用與5：00時相同的影像-座標轉換關係。因此，校正系統160需要重新取得□影像對應的影像-座標轉換關係才能讓手術導引正確。此時，輸出模組163自記憶單元191得到擷取模組161讀取影像之時間點，並以此時間點作為讀取時間，再將此讀取時間輸出。
計算一拍攝時間(步驟S50)，計算模組164接收輸出模組163輸出之讀取時間及儲存於記憶單元191中的一延遲時間，並將讀取時間減去延遲時間，便可以經計算而獲得與讀取時間相應之影像正確的拍攝時間。延遲時間即是拍攝影像之時間與校正系統160讀取到影像之時間的時間差，因此藉由步驟S50可以得知擷取模組161擷取到之影像是哪個時間點被X射線儀器170拍攝到的。其中，延遲時間可以儲存於記憶單元191中。
輸出一影像-座標轉換關係(步驟S60)，由於拍攝了新影像，故必須使用新的影像-座標轉換關係，因此輸出座標轉換關係模組165取得計算模組164計算出之拍攝時間，接著自記憶單元191取出拍攝時間之校正器座標及手術目標座標，並將拍攝時間之校正器座標及手術目標座標進行座標轉換計算，以取得相對應之一座標轉換關係，此時的座標轉換關係可以為一矩陣轉換關係。接著，將座標轉換關係對應至與讀取時間相應之影像，如此一來，就可以輸出得到影像-座標轉換關係，並 將此影像-座標轉換關係應用於後續的手術導引，以將手術器械110之位置及手術目標120正確顯示於影像中。直到影像再更新時，也就是再有相似度低於預設相似度的情況時，才需要重新計算新的影像-座標轉換關係。
請同時參考第6圖，校正方法S100進一步包括一計算時間差步驟(步驟S70)以計算延遲時間。計算時間差步驟(步驟S70)係由校正系統160進一步包括之一計算時間差模組166處理。其中，計算時間差步驟(步驟S70)係包括下列步驟：取得一第一時間(步驟S71)、讀取每一測試時間點之一測試影像(步驟S72)以及計算延遲時間(步驟S73)。
取得一第一時間(步驟S71)，當X射線儀器170拍攝測試影像時，X射線儀器170會產生X射線，因此X射線儀器170產生X射線的時間就是測試影像之正確的拍攝時間。為了得到測試影像之拍攝時間，計算時間差模組166擷取感測器180感測到X射線儀器170產生X射線之時間作為第一時間。
讀取每一測試時間點之一測試影像(步驟S72)，在拍攝測試影像後，由於讀取到測試影像的時間與正確的拍攝時間之間有時間差，所以無法得知測試影像被讀取的時間，故計算時間差模組166於每一測試時間點讀取X射線儀器170輸出之測試影像，並記錄讀取每一測試影像之一第二時間。
計算延遲時間(步驟S73)，當每一測試時間點讀取之測試影像與其前一測試時間點的測試影像進行一相似度比對而相似度很高時，就代表仍是同一張測試影像，X射線儀器170沒有拍攝新的測試影像，因此重複讀取下一測試時間點的測試影 像並且重複將當下測試時間點之測試影像與前一測試時間點之測試影像進行相似度比對。當每一測試影像與一前一測試時間點之測試影像進行一相似度比對，且相似度低於預設相似度時，即代表X射線儀器170拍攝了新的測試影像，且讀取到此測試影像的時間即是第二時間。
計算時間差模組166藉由處理單元計算感測器180偵測到X射線之第一時間與測試影像被讀取之第二時間之差值作為延遲時間，並將延遲時間儲存至記憶單元191。其中，測試時間點的間隔與應用於校正系統160時的時間間隔相同，且預設相似度亦與應用於校正系統160時的預設相似度相同。拍攝測試影像時與測試影像被讀取到時之間會有時間差，而讀取到測試影像的時間與正確的拍攝時間之間的時間差就是校正方法S100中所使用的延遲時間。
上述之延遲時間亦可以獨立於一種影像拍攝與座標擷取時間同步之延遲時間計算方法中事先計算得到，此延遲時間計算方法係與上述之步驟S70相同，接著將得到之延遲時間儲存至記憶單元191供後續之手術導引之校正使用。由於在同一個手術導引硬體架構100中，在硬體之間的傳輸所造成的延遲時間是固定的，因此在同一個手術導引硬體架構100中可以僅計算一次延遲時間，大幅減少了校正所需的時間。除此之外，本發明實施例之校正系統160亦可以與其他手術導引硬體架構100搭配使用，增進了手術導引系統的使用精確度。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明 之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
10、100‧‧‧手術導引硬體架構
11、110‧‧‧手術器械
12‧‧‧手術位置
13、130‧‧‧校正器
14a、14b、14c、140‧‧‧DRF
15、150‧‧‧光學定位器
16‧‧‧手術導引系統
17‧‧‧影像拍攝裝置
120‧‧‧手術目標
160‧‧‧校正系統
161‧‧‧擷取模組
162‧‧‧比對模組
163‧‧‧輸出模組
164‧‧‧計算模組
165‧‧‧輸出座標轉換關係模組
166‧‧‧計算時間差模組
170‧‧‧X射線儀器
180‧‧‧感測器
190‧‧‧電腦系統
191‧‧‧記憶單元
第1圖為現今之一種手術導引硬體架構圖。
第2圖為本發明實施例之一種影像拍攝與座標擷取時間同步之校正方法流程圖。
第3圖為本發明實施例之一種影像拍攝與座標擷取時間同步之校正系統方塊圖。
第4圖為本發明實施例之一種手術導引硬體架構圖。
第5圖為本發明實施例之一種讀取每一時間點之一影像步驟示意圖。
第6圖為本發明實施例之一種計算時間差步驟流程圖。
S100‧‧‧影像拍攝與座標擷取時間同步之校正方法
S10‧‧‧取得每一時間點之一校正器座標及一手術目標座標
S20‧‧‧讀取每一時間點之一影像
S30‧‧‧計算影像相似度
S40‧‧‧輸出一讀取時間
S50‧‧‧計算一拍攝時間
S60‧‧‧輸出一影像-座標轉換關係

Claims (11)

  1. 一種影像拍攝與座標擷取時間同步之校正方法，其係執行於一電腦系統中，該校正方法包括下列步驟：取得每一時間點之一校正器座標及一手術目標座標並儲存至一記憶單元中；讀取每一該時間點之一影像，該些影像係由一X射線儀器輸出；計算影像相似度，其係藉由一處理單元將每一該影像與一前一時間點之影像進行一相似度比對；輸出一讀取時間，其係於任一該影像與其該前一時間點之影像低於一預設相似度時，輸出讀取該影像之該讀取時間；計算一拍攝時間，其係將該讀取時間減去一延遲時間以計算與該讀取時間相應之該影像之該拍攝時間；以及輸出一影像-座標轉換關係，其係將該拍攝時間之該校正器座標及該手術目標座標進行座標轉換計算以取得相對應之一座標關係，再將該座標關係對應至與該讀取時間相應之該影像以輸出該影像-座標轉換關係。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之校正方法，其進一步包括一計算時間差步驟以計算該延遲時間，其中該計算時間差步驟係包括下列步驟：取得一第一時間，其係擷取一感測器感測到一X射線之時間作為該第一時間；讀取每一測試時間點之一測試影像，並記錄讀取每一 該測試影像之一第二時間，該些測試影像係由該X射線儀器輸出之；以及計算該延遲時間，當每一該測試影像與一前一測試時間點之測試影像低於該預設相似度時，計算該第一時間與該第二時間之差值作為該延遲時間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之校正方法，其中該記憶單元中儲存有該延遲時間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之校正方法，其中該相似度比對係為一正規化相關係數(NCC)方法。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之校正方法，其中該X射線儀器為一C型臂X光儀器(C-arm Fluoroscope)。
  6. 一種影像拍攝與座標擷取時間同步之校正系統，其係執行於一電腦系統中，該校正系統包括：一擷取模組，其係於每一時間點讀取一校正器座標、一手術目標座標以及一X射線儀器輸出之一影像，並儲存至一記憶單元中；一比對模組，其係讀取該記憶單元中之該些影像並藉由一處理單元將每一該影像與一前一時間點之影像進行一相似度比對以輸出一比對結果；一輸出模組，其係於該比對結果低於一預設相似度時，自該記憶單元取得該影像之一讀取時間並輸出；一計算模組，其係將該讀取時間與一延遲時間相減以計算出與該讀取時間相應之該影像之一拍攝時間；以及一輸出座標轉換關係模組，其係將自該記憶單元取得之該 校正器座標及該手術目標座標進行座標轉換計算以輸出一座標轉換關係，再將該座標轉換關係對應至與該讀取時間相應之該影像以輸出一影像-座標轉換關係。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之校正系統，其中進一步包括一計算時間差模組，其係讀取該X射線儀器輸出之一測試影像，且藉由該處理單元計算一感測器偵測到X射線之一第一時間與該測試影像被讀取之一第二時間之差值以得到該延遲時間。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之校正系統，其中該記憶單元中儲存有該延遲時間。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之校正系統，其中該相似度比對係為一正規化相關係數(NCC)方法。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之校正系統，其中該X射線儀器為一C型臂X光儀器。
  11. 一種影像拍攝與座標擷取時間同步之延遲時間計算方法，其包括下列步驟：取得一第一時間，其係擷取一感測器感測到一X射線儀器產生X射線之時間作為該第一時間；讀取每一測試時間點之一測試影像，並記錄讀取每一該測試影像之一第二時間，該些測試影像係由該X射線儀器輸出之；以及計算該延遲時間，當每一該測試影像與一前一測試時間點之測試影像低於該預設相似度時，計算該第一時間與該第二時間之差值作為該延遲時間。
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