本發(fā)明涉及用于對(duì)外科器械進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在介入放射學(xué)中進(jìn)行的外科介入手術(shù)包括將外科器械，諸如針或等同物引入到患者的體內(nèi)。

介入放射科醫(yī)師使用成像系統(tǒng)，最有可能使用計(jì)算機(jī)斷層掃描(ct掃描)或錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描(cbct)或磁共振成像系統(tǒng)(mri)來(lái)查看患者的器官并選擇用于尖端(tip)的靶標(biāo)和針到達(dá)該靶標(biāo)所遵循的軌跡。該靶標(biāo)可為是身體的任何結(jié)構(gòu)，例如腫瘤區(qū)域、囊腫區(qū)域、骨骼區(qū)域等。

為了幫助介入放射科醫(yī)生到達(dá)該靶標(biāo)，導(dǎo)航系統(tǒng)是必要的。這種導(dǎo)航系統(tǒng)使用基于光學(xué)技術(shù)、電磁技術(shù)、射頻技術(shù)、慣性技術(shù)、超聲技術(shù)或機(jī)械技術(shù)的追蹤系統(tǒng)。

追蹤系統(tǒng)的目的是提供一個(gè)或多個(gè)追蹤器的實(shí)時(shí)空間位置和取向，一個(gè)追蹤器與針具有已知的空間關(guān)系。

也可以使用機(jī)器人，該機(jī)器人可為活動(dòng)的、觸覺(jué)的或遠(yuǎn)程操作的，并且在其末端包括針導(dǎo)向件或直接帶有針?？梢哉J(rèn)為，機(jī)器人是導(dǎo)航系統(tǒng)的具體情況。

文獻(xiàn)wo2010/086374描述了一種在患者的3d醫(yī)學(xué)圖像中對(duì)外科器械(諸如針)進(jìn)行導(dǎo)航的方法。為此，將針滑動(dòng)地布置在剛性地附接有追蹤器的手術(shù)導(dǎo)向件中，并且將參照標(biāo)記物附接到患者的身體并通過(guò)追蹤系統(tǒng)進(jìn)行定位。由于能夠在3d醫(yī)學(xué)圖像中發(fā)現(xiàn)參照標(biāo)記物，所以能夠確定外科導(dǎo)向件相對(duì)于3d醫(yī)學(xué)圖像的位置和取向。針是線性器械，其軸線應(yīng)與導(dǎo)向件的軸線相重合。因此，即使針本身沒(méi)有被追蹤，系統(tǒng)仍然能夠確定3d醫(yī)學(xué)圖像中針的軸線的位置和取向。

在介入放射學(xué)中，獲取患者身體區(qū)域的第一3d醫(yī)學(xué)圖像，同時(shí)使參照標(biāo)記物附接到患者身體，以便在第一3d圖像上可見(jiàn)。然而，在一些情況下，參照標(biāo)記物距感興趣的實(shí)際區(qū)域(例如，包含將要由外科器械處理的靶標(biāo)的體積)具有一定距離。這意味著，考慮到在外科介入手術(shù)期間對(duì)外科器械進(jìn)行導(dǎo)航，參照標(biāo)記物必須移位到更靠近感興趣區(qū)域的位置，并且必須獲取新的3d醫(yī)學(xué)圖像。這是耗時(shí)的。

此外，介入放射學(xué)的目標(biāo)是當(dāng)3d圖像為ct或cbct時(shí)，減少患者吸收的x射線劑量。所述劑量取決于為了獲得3d醫(yī)學(xué)圖像而對(duì)患者身體進(jìn)行掃描的體積。為了減少該劑量，可因此考慮降低受輻照的體積。

在mri的情況下，圖像的獲取是耗時(shí)的。由于獲取時(shí)間取決于體積大小，所以也可以考慮降低被成像的體積。

然而，為了能夠進(jìn)行導(dǎo)航，該減小的體積應(yīng)該總是包括參照標(biāo)記物，以便允許使3d醫(yī)學(xué)圖像與追蹤系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。該約束限制了減小被成像的體積的可能性。

另外，如果僅對(duì)病人的身體的小體積進(jìn)行成像，放射科醫(yī)師也更加難以解讀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是能夠相對(duì)3d醫(yī)學(xué)圖像對(duì)外科器械進(jìn)行導(dǎo)航，甚至該圖像對(duì)應(yīng)于患者身體的整體不包括參照標(biāo)記物的體積。

本發(fā)明的進(jìn)一步的目標(biāo)是減少在介入放射學(xué)中施加至患者的x-射線的劑量和/或減少圖像的獲取時(shí)間，同時(shí)仍然能夠在患者的3d醫(yī)學(xué)圖像中對(duì)外科器械進(jìn)行導(dǎo)航。

為此，本發(fā)明的目的是一種用于對(duì)外科器械進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括處理器，所述處理器配置用于：

獲得患者身體的第一體積的第一3d醫(yī)學(xué)圖像，所述第一體積包括參照標(biāo)記物；

使所述第一3d圖像與所述參照標(biāo)記物配準(zhǔn)；

獲得患者身體的第二體積的第二3d醫(yī)學(xué)圖像，所述第二體積與所述第一體積不同并且整體不含所述參照標(biāo)記物，所述第一3d圖像和所述第二3d圖像通過(guò)單一成像裝置來(lái)獲得；

使所述第二3d醫(yī)學(xué)圖像與所述第一3d醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)；

從追蹤系統(tǒng)獲得所述外科器械相對(duì)于所述參照標(biāo)記物的虛擬位置；

確定所述外科器械相對(duì)于所述第二3d醫(yī)學(xué)圖像的虛擬位置。

上述系統(tǒng)能夠進(jìn)行用于確定外科器械相對(duì)于3d醫(yī)學(xué)圖像的虛擬位置，為了對(duì)所述外科器械進(jìn)行導(dǎo)航，其包括：

獲得患者身體的第一體積的第一3d醫(yī)學(xué)圖像，所述第一體積包括參照標(biāo)記物；

使所述第一3d圖像與所述參照標(biāo)記物配準(zhǔn)；

獲得患者身體的第二體積的第二3d醫(yī)學(xué)圖像，所述第二體積與所述第一體積不同并且整體不含所述參照標(biāo)記物，所述第一3d圖像和所述第二3d圖像通過(guò)單一成像裝置來(lái)獲得；

使所述第二3d醫(yī)學(xué)圖像與所述第一3d醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)；

利用追蹤系統(tǒng)獲得所述外科器械相對(duì)于所述參照標(biāo)記物的虛擬位置；

確定所述外科器械相對(duì)于所述第二3d醫(yī)學(xué)圖像的虛擬位置。

根據(jù)實(shí)施方式，所述第二體積小于所述第一體積。

根據(jù)實(shí)施方式，所述第一3d圖像是大體積的ct圖像，且所述第二3d醫(yī)學(xué)圖像是患者身體的包括靶標(biāo)的體積的一小組ct切片。

根據(jù)另一實(shí)施方式，所述第一3d圖像和所述第二3d圖像是mr圖像。

根據(jù)實(shí)施方式，所述外科器械是針導(dǎo)向件。

有利地，所述針導(dǎo)向件剛性地附接有追蹤器，以對(duì)結(jié)合至所述針導(dǎo)向件的針進(jìn)行導(dǎo)航。

根據(jù)實(shí)施方式，根據(jù)所述第二3d醫(yī)學(xué)圖像中的蹤跡來(lái)檢測(cè)所述針，并且所述配準(zhǔn)包括使所述針的蹤跡與所述針的虛擬位置配準(zhǔn)。

在使所述針的蹤跡與所述針的虛擬位置配準(zhǔn)期間，可通過(guò)圖對(duì)圖配準(zhǔn)技術(shù)來(lái)確定沿所述針的軸線的平移以及繞所述針的軸線的旋轉(zhuǎn)。有利地，所述圖對(duì)圖配準(zhǔn)技術(shù)在與所述針的蹤跡或所述針導(dǎo)向件具有已知幾何關(guān)系的感興趣的區(qū)域中進(jìn)行。

根據(jù)實(shí)施方式，所述第二體積被包括在所述第一體積中。

可替代地，所述第二體積的至少一部分延伸到所述第一體積外。

根據(jù)實(shí)施方式，所述方法進(jìn)一步包括在所述第一3d醫(yī)學(xué)圖像中用所述第二3d醫(yī)學(xué)圖像替換所述第二體積來(lái)更新所述第一3d醫(yī)學(xué)圖像。

根據(jù)實(shí)施方式，所述第一3d圖像和所述第二3d圖像的配準(zhǔn)包括基于所述圖像的dicom標(biāo)簽的剛性配準(zhǔn)。

根據(jù)實(shí)施方式，所述第一3d圖像和所述第二3d圖像的配準(zhǔn)使用圖對(duì)圖配準(zhǔn)技術(shù)。

可結(jié)合這兩種上述配準(zhǔn)，從而將基于所述圖像的dicom標(biāo)簽的剛性配準(zhǔn)的結(jié)果用于初始化所述圖對(duì)圖配準(zhǔn)技術(shù)的迭代計(jì)算。

有利地，在與所述針導(dǎo)向件具有已知幾何關(guān)系的感興趣的區(qū)域中，進(jìn)行所述圖對(duì)圖配準(zhǔn)技術(shù)。

根據(jù)實(shí)施方式，所述參照標(biāo)記物包括基準(zhǔn)體，所述基準(zhǔn)體在所述第二3d醫(yī)學(xué)圖像中至少部分地可見(jiàn)，并且利用所述基準(zhǔn)體的所述部分來(lái)進(jìn)行所述圖對(duì)圖配準(zhǔn)技術(shù)。

附圖說(shuō)明

結(jié)合所附附圖，根據(jù)下文的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯，其中：

圖1示出了第一3d醫(yī)學(xué)圖像與參照標(biāo)記物的配準(zhǔn)；

圖2示出了利用剛性配準(zhǔn)技術(shù)，第一3d醫(yī)學(xué)圖像和第二3d醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)；

圖3示出了利用圖對(duì)圖配準(zhǔn)技術(shù)，第一3d醫(yī)學(xué)圖像和第二3d醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)；

圖4示出了當(dāng)在所述第二3d圖像中發(fā)現(xiàn)感興趣的針的蹤跡時(shí)，利用剛性配準(zhǔn)技術(shù)，第一3d醫(yī)學(xué)圖像和第二3d醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)；

圖5示出了當(dāng)在所述第二3d圖像中發(fā)現(xiàn)感興趣的針的蹤跡時(shí)，利用圖對(duì)圖配準(zhǔn)技術(shù)，第一3d醫(yī)學(xué)圖像和第二3d醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)；所述配準(zhǔn)包括使虛擬的針與真實(shí)的針的蹤跡配準(zhǔn)；

圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)航系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下文所述的方法的通用情景是在介入放射學(xué)中進(jìn)行的外科介入手術(shù)，旨在使外科工具(諸如，例如針)到達(dá)患者體內(nèi)的靶標(biāo)。上述方法使用導(dǎo)航系統(tǒng)，該導(dǎo)航系統(tǒng)包括追蹤外科器械的追蹤系統(tǒng)，該外科器械可為工具本身或者為工具導(dǎo)向件(例如，如果工具為針，則外科器械可為針導(dǎo)向件)。

上述方法可通過(guò)外科系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行，所述外科系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和顯示器，該顯示器連接至該計(jì)算機(jī)以向使用者顯示導(dǎo)航數(shù)據(jù)。該顯示器可例如為常規(guī)顯示監(jiān)視器、附接至儀器的緊湊顯示器、虛擬或?qū)嵕逞劬Φ取Ｔ撚?jì)算機(jī)連接至導(dǎo)航系統(tǒng)以接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)包括處理器，該處理器配置用于運(yùn)行軟件以進(jìn)行上述方法。

提供患者身體的第一體積的3d醫(yī)學(xué)圖像。

所述3d醫(yī)學(xué)圖像可例如通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描或通過(guò)磁共振成像來(lái)獲得。

所述第一體積包括參照標(biāo)記物，所述參照標(biāo)記物可通過(guò)追蹤系統(tǒng)來(lái)定位并且在3d圖像中是可見(jiàn)的。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述參照標(biāo)記物與電磁發(fā)射器集成，該電磁發(fā)射器被用作追蹤附接至該器械的追蹤器的定位器。

使3d圖像與參照標(biāo)記物配準(zhǔn)，即，利用已知方法來(lái)確定3d圖像的參照系與參照標(biāo)記物的參照系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，以檢測(cè)和配準(zhǔn)醫(yī)學(xué)圖像中的基準(zhǔn)體。參照標(biāo)記物的基準(zhǔn)體可由許多組成部分制成，諸如，球、管、線或任何組合等。

如圖6所示，導(dǎo)航裝置包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括處理器8和顯示單元9。導(dǎo)航裝置進(jìn)一步結(jié)合至成像系統(tǒng)10(諸如ct-掃描器)，且包括定位系統(tǒng)7，該定位系統(tǒng)包括定位器控制單元，用于發(fā)射和檢測(cè)磁場(chǎng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)優(yōu)選地連接至網(wǎng)絡(luò)以能夠接受來(lái)自ct工作站的dicom圖像。磁性追蹤器6固定至外科器械1。利用該導(dǎo)航追蹤器來(lái)相對(duì)于r1對(duì)該外科器械進(jìn)行導(dǎo)航。將并入至標(biāo)記物m的參照系設(shè)置在患者的身體上，以處于和第一3d醫(yī)學(xué)圖像對(duì)應(yīng)的體積中。

圖1示出了第一體積v1的3d圖像。參照系r1附接至3d圖像。參照標(biāo)記物m具有附接至其的參照系rm。在示出的實(shí)施方式中，外科器械為結(jié)合至針的針導(dǎo)向件1，該針能夠在針導(dǎo)向件1中滑動(dòng)。參照系ri附接至外科器械1。外科器械裝配有追蹤器(未示出)，以使該追蹤系統(tǒng)能夠通常以10赫茲以上的幀速率實(shí)時(shí)定位該外科器械。通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)以矩陣m1的形式確定參照系ri相對(duì)于參照系rm的位置。通過(guò)先前進(jìn)行的3d圖像與參照標(biāo)記物的配準(zhǔn)來(lái)知曉參照系rm相對(duì)于參照系r1的位置(矩陣m2)。因此，利用矩陣m1和矩陣m2的組合能夠在3d圖像中對(duì)虛擬針2進(jìn)行導(dǎo)航。

在對(duì)患者進(jìn)行外科介入手術(shù)期間，通過(guò)與之前用于獲取第一3d圖像的3d成像系統(tǒng)相同的3d成像系統(tǒng)來(lái)對(duì)患者身體的第二體積(不同于第一體積)成像。實(shí)際上，第一3d圖像的獲取以及外科器械的后續(xù)導(dǎo)航在單一患者檢查過(guò)程中進(jìn)行。因此，取決于可能的患者的小動(dòng)作，參照標(biāo)記物近似或完全保持在相對(duì)于患者的相同位置。

第二體積用于對(duì)外科器械進(jìn)行導(dǎo)航。

為了減少輻照劑量(在ct成像的情況下)或獲取時(shí)間(在mr成像的情況下)，第二體積通常小于第一體積。

此外，第二3d圖像可以不與第一3d圖像具有相同的分辨率和/或相同的取向。

例如，第一3d圖像為大體積的ct圖像，該大體積的ct圖像包括患者身體的大部分。通常，獲取沿患者身體軸線(z方向)的大于十厘米或二十厘米的圖像。而第二3d醫(yī)學(xué)圖像是一定體積的患者身體的一小組ct切片，該一定體積的患者身體包括將要通過(guò)外科器械處理的靶標(biāo)的區(qū)域。第二3d圖像的獲取因此需要較小的x-射線劑量。通常，僅在沿患者身體的軸線(z方向)的幾厘米的圖像上進(jìn)行短的ct掃描。在極端情況下，僅獲取包含靶標(biāo)區(qū)域的一個(gè)切片，但是實(shí)際上獲取三個(gè)、五個(gè)或更多個(gè)寬幾毫米且彼此隔開(kāi)幾毫米的切片，以構(gòu)成在感興趣的區(qū)域中包含靶標(biāo)的局部體積。通常，當(dāng)在ct成像裝置中已確定了感興趣的區(qū)域時(shí)，對(duì)小體積進(jìn)行數(shù)次獲取，以在儀器行進(jìn)地插入時(shí)跟蹤儀器的進(jìn)展。提供相對(duì)于小體積對(duì)針進(jìn)行導(dǎo)航的可能性所具有的優(yōu)點(diǎn)是：減少到達(dá)最終靶標(biāo)所必需的獲取次數(shù)，并且因此減少了遞送至患者的總x射線劑量以及過(guò)程時(shí)間。

可替代地，第一3d圖像和第二3d圖像均為mr圖像。由于第二體積的較小尺寸，第二3d醫(yī)學(xué)圖像的獲取要快于第一體積的獲取。

根據(jù)實(shí)施方式，第二體積可被包括在第一體積之中。

可替代地，第二體積的至少一部分延伸到第一體積外。如果該第一體積范圍并未設(shè)定為包含感興趣的區(qū)域，則該情況可能發(fā)生。

第二體積甚至可完全位于第一體積之外。實(shí)際上，這可尤其當(dāng)在患者的距感興趣的區(qū)域一定距離的區(qū)域上已經(jīng)獲取了第一3d圖像時(shí)發(fā)生。然而，如下所解釋的，即便第一3d圖像并未對(duì)應(yīng)于感興趣的區(qū)域，其能夠相對(duì)于第二體積的3d圖像對(duì)外科器械進(jìn)行導(dǎo)航，該第二體積包含感興趣的區(qū)域(例如，將要通過(guò)外科器械治療的靶標(biāo))。

第二體積整體并不包括參照標(biāo)記物，即，其并不包括參照標(biāo)記物或其僅包括一部分的參照標(biāo)記物。因此，利用已知的導(dǎo)航技術(shù)憑借參照標(biāo)記物不能直接相對(duì)于第二3d醫(yī)學(xué)圖像來(lái)對(duì)外科器械進(jìn)行導(dǎo)航。

為了克服該困難，本發(fā)明提出了使第二3d醫(yī)學(xué)圖像與第一3d醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。

這種配準(zhǔn)可通過(guò)任何已知的配準(zhǔn)方法來(lái)進(jìn)行。

例如，可基于第一3d圖像和第二3d圖像的dicom標(biāo)簽進(jìn)行粗略剛性配準(zhǔn)。在給定的參照系中，這些標(biāo)簽對(duì)應(yīng)于第一3d圖像和第二3d圖像的位置和取向。鑒于這些信息，能夠剛性地配準(zhǔn)第一3d圖像和第二3d圖像。

圖2示意性地示出了這種粗略剛性配準(zhǔn)。在該實(shí)施方式中，第二體積v2被包括在第一體積v1中，盡管如上所述，這種包括并不是必需的。參照系r2附接至第二體積v2的3d圖像?；诘谝?d圖像和第二3d圖像的dicom數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)提供了轉(zhuǎn)換矩陣m3。另一方面，如參照?qǐng)D1所進(jìn)行的解釋?zhuān)ㄟ^(guò)矩陣m1和矩陣m2的結(jié)合來(lái)知曉虛擬針2相對(duì)于第一3d圖像的位置和取向。因此，利用矩陣m1、矩陣m2和矩陣m3的結(jié)合來(lái)進(jìn)行虛擬針2相對(duì)于第二3d圖像的導(dǎo)航。

通常，dicom圖像中的每個(gè)圖像是包含指數(shù)z的2d圖像，該指數(shù)z表征患者沿ct臺(tái)(也是患者身體的軸線)的平移。如果第一體積從z1至z2獲取圖像，而第二體積從z3至z4獲取圖像，并且假定患者是剛性且穩(wěn)定的身體，那么第二體積以(z3–z1)的量朝向第一體積的簡(jiǎn)單平移將提供轉(zhuǎn)換矩陣m3。利用提供圖像的詳細(xì)幾何特征的dicom圖像，能夠考慮圖像相對(duì)于圖像臺(tái)軸線的傾斜的差異，v1和v2之間圖像分辨率之間的差異以及任何其它幾何差異。

除了這種粗略剛性配準(zhǔn)之外或替代該粗略剛性配準(zhǔn)，可進(jìn)行圖對(duì)圖配準(zhǔn)。為此，可使用技術(shù)人員已知的任何圖對(duì)圖配準(zhǔn)對(duì)齊。所使用的技術(shù)可例如為多個(gè)單模態(tài)圖像之間的剛性配準(zhǔn)，其中，僅改變第一體積或第二體積的位置和取向以僅可能好地匹配另一圖像。這種對(duì)齊可例如最大化標(biāo)準(zhǔn)c1，該標(biāo)準(zhǔn)c1可例如為在它們感興趣的范圍中，通過(guò)搜索矩陣m4轉(zhuǎn)換的第二圖像與第一圖像的灰度級(jí)體素的相關(guān)性?；蛘?，c1可為最佳的熵標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，或者可采用在醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)中公知的任何其它對(duì)齊。還可為彈性配準(zhǔn)，其中，不僅改變圖像的位置和取向，還改變圖像本身以考慮并且補(bǔ)償不同器官的小運(yùn)動(dòng)。其它配準(zhǔn)技術(shù)可用于利用感興趣的小區(qū)域來(lái)將圖像一起配準(zhǔn)，其中，與在圖像的其他區(qū)域中的配準(zhǔn)相比，在該感興趣的小區(qū)域中的配準(zhǔn)必須具有更高的精確度。利用體積v2的感興趣的區(qū)域而不利用全部體積v2具有的優(yōu)點(diǎn)是：能夠在所認(rèn)定且通?？拷袠?biāo)的區(qū)域中更快且更準(zhǔn)確地進(jìn)行該過(guò)程。也可使用其他配準(zhǔn)技術(shù)，諸如，形變模型，基于輪廓的技術(shù)等。

在具體的情況下，在第二圖像體積v2中，構(gòu)成參照標(biāo)記物的基準(zhǔn)體的一些部分能夠可見(jiàn)且被檢測(cè)到。當(dāng)該情況發(fā)生時(shí)，有益的是在圖對(duì)圖配準(zhǔn)過(guò)程中使用參照標(biāo)記物的所述部分。第一方法確保參照標(biāo)記物的部分在用于圖對(duì)圖配準(zhǔn)的v2的感興趣的部分中，且隨后進(jìn)行優(yōu)化體素的相關(guān)性或等效性的算法。具有高對(duì)比度和剛性結(jié)構(gòu)將有助于配準(zhǔn)以找到良好的匹配。第二方法檢測(cè)v2中的基準(zhǔn)體的可見(jiàn)部分，并且產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)c2，該標(biāo)準(zhǔn)c2代表所述檢測(cè)的基準(zhǔn)體和通過(guò)參照標(biāo)記物的設(shè)計(jì)已知的相同基準(zhǔn)體模型之間的距離。這種標(biāo)準(zhǔn)c2可例如為在基準(zhǔn)體上檢測(cè)的一些點(diǎn)特征和參照標(biāo)記物的模型的相應(yīng)點(diǎn)之間的距離。該標(biāo)準(zhǔn)c2隨后與圖對(duì)圖標(biāo)準(zhǔn)c1結(jié)合，并且利用優(yōu)化的常規(guī)算法(諸如levenberg-marquardt算法、梯度下降算法，遺傳算法等)來(lái)優(yōu)化c1和c2的加權(quán)和，諸如a1c1+a2c2，其中，a1和a2可具有正值或負(fù)值。如果系數(shù)a2的值大于a1，其將更著重于基準(zhǔn)體的部分的配準(zhǔn)。還可能的是，將基準(zhǔn)體的部分的配準(zhǔn)用作圖對(duì)圖配準(zhǔn)技術(shù)的一些參數(shù)的限制。例如，僅可使用基準(zhǔn)體的一個(gè)點(diǎn)來(lái)固定矩陣m4的平移分量，并且轉(zhuǎn)動(dòng)分量則利用圖對(duì)圖配準(zhǔn)來(lái)確定。

圖3示意性地示出了這種圖對(duì)圖配準(zhǔn)。在該實(shí)施方式中，第二體積v2被包括在第一體積v1中，盡管如上所解釋的，該包括并不是必需的。第一3d圖像和第二3d圖像的圖對(duì)圖配準(zhǔn)提供了轉(zhuǎn)換矩陣m4。另一方面，如參照?qǐng)D1所進(jìn)行的解釋?zhuān)ㄟ^(guò)矩陣m1和矩陣m2的結(jié)合來(lái)知曉虛擬針2相對(duì)于第一3d圖像的位置和取向。因此，利用矩陣m1、矩陣m2和矩陣m4的結(jié)合來(lái)相對(duì)于第二3d圖像對(duì)虛擬針2進(jìn)行導(dǎo)航。

根據(jù)實(shí)施方式，鑒于相對(duì)于第二3d圖像對(duì)針進(jìn)行導(dǎo)航，外科器械是夾持針的針導(dǎo)向件。在該情況下，將追蹤器附接至針導(dǎo)向件。由于針滑動(dòng)地布置在針導(dǎo)向件中或固定至針導(dǎo)向件中，針導(dǎo)向件的導(dǎo)航能夠?qū)ρ蒯樀目v向軸線延伸的虛擬針進(jìn)行導(dǎo)航。

如果在獲取圖像體積v2之前，真實(shí)的針已部分地插入，則利用檢測(cè)3d圖像中的線段的已知算法根據(jù)第二3d醫(yī)學(xué)圖像中的蹤跡來(lái)檢測(cè)該針，并且可利用該蹤跡進(jìn)行配準(zhǔn)。為此，配準(zhǔn)可包括使所述針的蹤跡與通過(guò)附接至針導(dǎo)向件的追蹤器確定的所述針的虛擬位置進(jìn)行配準(zhǔn)。

圖4示出了第一3d圖像和第二3d圖像，其中，可在第二3d圖像中檢測(cè)到針的蹤跡2’。如參照?qǐng)D2所進(jìn)行的解釋?zhuān)诙?d圖像的參照系r2和第一3d圖像的參照系r1之間的矩陣m3可通過(guò)這兩個(gè)圖像的dicom標(biāo)簽的粗略剛性配準(zhǔn)來(lái)確定。通過(guò)下列過(guò)程，在第二體積中檢測(cè)針的蹤跡2’。為了初始化檢測(cè)算法，使用第二體積中虛擬針的位置(如上所解釋的，通過(guò)矩陣m1、矩陣m2和矩陣m3的結(jié)合而知曉)。有用的是，有一個(gè)大致的位置來(lái)開(kāi)始搜索針的蹤跡，這是因?yàn)樗兄谒惴ㄕ业结樀恼_蹤跡，并且如果3d圖像中存在多個(gè)針，它有助于當(dāng)針導(dǎo)向件位于待檢測(cè)的針上時(shí)，選出被認(rèn)為與虛擬位置最接近的針。然后，計(jì)算矩陣m5，以使虛擬針2與真實(shí)的針的蹤跡2’進(jìn)行配準(zhǔn)。這種配準(zhǔn)可以采用文獻(xiàn)wo2010/086374中描述的任何技術(shù)來(lái)進(jìn)行。例如，可以認(rèn)為矩陣m5的兩個(gè)自由度被設(shè)定為零，四個(gè)其他自由度來(lái)自于虛擬針和真實(shí)針的線性形狀的配準(zhǔn)。這種配準(zhǔn)也可受益于基于dicom位置和取向標(biāo)簽的粗略剛性配準(zhǔn)的初始化。

可替代地，可通過(guò)圖對(duì)圖配準(zhǔn)技術(shù)來(lái)確定對(duì)應(yīng)于沿針的軸線的平移和繞該針的軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。

此外，可在感興趣的區(qū)域(roi)中差異性計(jì)算所述圖對(duì)圖配準(zhǔn)技術(shù)，所述roi以所要到達(dá)的靶標(biāo)為中心，從而配準(zhǔn)必須盡可能地精確，特別是在靶標(biāo)區(qū)域中。因此，即便全局配準(zhǔn)是彈性的，可局部進(jìn)行剛性轉(zhuǎn)換以考慮患者的動(dòng)作和呼吸系統(tǒng)引起的動(dòng)作。該roi的中心可為圍繞在距離檢測(cè)的針的尖端預(yù)定距離處位于檢測(cè)的針的軸線上的點(diǎn)。還可知曉的是，在使用者確定與針導(dǎo)向件的幾何關(guān)系的瞬間，同時(shí)對(duì)該針導(dǎo)向件進(jìn)行導(dǎo)航。例如，使用者可標(biāo)出朝向靶標(biāo)的虛擬針以表明roi的中心必須位于距導(dǎo)向件尖端的預(yù)定距離處在虛擬針的尖端或軸線。

此外，如圖5所示，利用矩陣m3’(參照?qǐng)D4所述，其來(lái)自于的矩陣m3和矩陣m5的結(jié)合)、矩陣m1和矩陣m2能夠相對(duì)于第二醫(yī)學(xué)圖像對(duì)虛擬針進(jìn)行導(dǎo)航。

一旦已經(jīng)進(jìn)行了第二3d醫(yī)學(xué)圖像與第一3d醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)，利用追蹤系統(tǒng)能夠確定外科器械相對(duì)于參照標(biāo)記物的虛擬位置。隨后，利用配準(zhǔn)矩陣，處理器能夠確定外科器械相對(duì)于第二3d醫(yī)學(xué)圖像的虛擬位置。

根據(jù)實(shí)施方式，第一3d醫(yī)學(xué)圖像(通常更早于第二3d醫(yī)學(xué)圖像)可通過(guò)用第二3d醫(yī)學(xué)圖像替換第二體積來(lái)在所述第一3d醫(yī)學(xué)圖像中進(jìn)行更新。因此，使用者受益于在介入期間小體積v2中的最新的圖像，并且受益于v2之外的體積v1的更早的圖像。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，圖像在v2中以完全對(duì)比度和亮度的形式顯示，并且在在v2之外的范圍(即，v1小于v2)中具有不同的可視化參數(shù)，諸如淺棕色，或者降低的亮度。

在優(yōu)選的實(shí)施方式中，如果在已經(jīng)獲取v2且在圖像體積v2已經(jīng)檢測(cè)到所述針的蹤跡且所述蹤跡已經(jīng)用于配準(zhǔn)之前，針已經(jīng)部分地插入，則利用最新的配準(zhǔn)矩陣，而不是體積v1中計(jì)算的針導(dǎo)向件相對(duì)于參照標(biāo)記物的直接位置，來(lái)確定體積v1中虛擬針的位置和取向，以受益于考慮了可能的患者運(yùn)動(dòng)的更新。

然而，該更新對(duì)于外科器械的導(dǎo)航并不是必需的，并且其可尤其在第二體積具有小尺寸時(shí)來(lái)進(jìn)行。

如上所解釋的，該導(dǎo)航方法能夠減少x-射線劑量和/或減少圖像的獲取時(shí)間，其中相對(duì)于該圖像，能夠?qū)ν饪破餍颠M(jìn)行導(dǎo)航。

另一優(yōu)點(diǎn)是，能夠相對(duì)于第二3d圖像(或多個(gè)連續(xù)3d圖像，其中每個(gè)圖像對(duì)應(yīng)于不同的可能小于第一體積的體積)對(duì)外科器械進(jìn)行導(dǎo)航，其中該第二3d圖像與第一3d圖像相比更新。

本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是，在相對(duì)于第二3d圖像對(duì)外科器械進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，使用者仍然能夠受益于對(duì)應(yīng)于較大體積的第一3d圖像所提供的信息。