確定醫(yī)療器械在分支解剖結(jié)構(gòu)中的位置的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及醫(yī)療系統(tǒng)，并且具體涉及用于通過(guò)將當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解 剖結(jié)構(gòu)時(shí)在其遠(yuǎn)端處拍攝的圖像信息與從分支解剖結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型提取的相應(yīng)信息進(jìn) 行比較來(lái)確定醫(yī)療器械在分支解剖結(jié)構(gòu)中的位置的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖像引導(dǎo)的外科手術(shù)有助于外科醫(yī)生將醫(yī)療器械導(dǎo)航至患者內(nèi)的目標(biāo)，以便可以 對(duì)目標(biāo)執(zhí)行治療和/或診斷的醫(yī)療程序。為了引導(dǎo)，可以跟蹤醫(yī)療器械的遠(yuǎn)端位置，并且其 圖像連同與目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的解剖結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型一起顯示或疊加在與目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的解剖 結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型上?？梢杂墒中g(shù)前和/或手術(shù)中患者解剖掃描數(shù)據(jù)諸如X-射線、超聲波、 熒光檢查、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT)、磁共振成像（MRI)和其他成像技術(shù)生成計(jì)算機(jī)模型。醫(yī)療 器械可以為內(nèi)窺鏡、導(dǎo)管或具有可操縱的末端和能夠貼合通向患者的分支解剖結(jié)構(gòu)中的目 標(biāo)的身體通道或腔的柔性主體的醫(yī)療器具。
[0003] 醫(yī)療器械、解剖結(jié)構(gòu)和該解剖結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型關(guān)于彼此的適當(dāng)配準(zhǔn)是精確的圖 像引導(dǎo)的外科手術(shù)所期望的。因此，通常在對(duì)患者執(zhí)行醫(yī)療程序之前執(zhí)行這些項(xiàng)目的配準(zhǔn)。 然而，由于解剖結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和/或當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)解剖結(jié)構(gòu)時(shí)難于跟蹤醫(yī)療器械，在 執(zhí)行醫(yī)療程序期間，配準(zhǔn)誤差可能出現(xiàn)。對(duì)于連續(xù)移動(dòng)在其中柔性醫(yī)療器械被導(dǎo)航至目標(biāo) 區(qū)域的分支解剖結(jié)構(gòu)，保持醫(yī)療器械的跟蹤位置和分支解剖結(jié)構(gòu)之間的適當(dāng)配準(zhǔn)是特別有 挑戰(zhàn)的。
[0004] U. S. 2005/0182319描述了使用動(dòng)態(tài)參比和/或選通技術(shù)跟蹤解剖結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和 使用電磁（EM)跟蹤設(shè)備跟蹤當(dāng)醫(yī)療器械在解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)部移動(dòng)時(shí)醫(yī)療器械的運(yùn)動(dòng)。然而，由 于至少部分歸因于動(dòng)態(tài)參比、EM跟蹤設(shè)備和解剖運(yùn)動(dòng)的不準(zhǔn)確性，當(dāng)分支解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的多 個(gè)腔停留在不確定的區(qū)域內(nèi)時(shí)，由這樣的不準(zhǔn)確造成移動(dòng)通過(guò)分支解剖結(jié)構(gòu)諸如肺或心臟 的醫(yī)療器械的精確配準(zhǔn)易于出錯(cuò)。
[0005] Luo, Xiongbiao 等人的"On Scale Invariant Features and Sequential Monte Carlo Samp ling for Bronchoscope Tracking, "Medi cal Imaging 2011 :Visualization, Image-Guided Procedures, and Modeling,由 Kenneth H. Wong, David R. Homes III 編輯，Proc. Of SPIE Vol. 7964, 79640Q，描述了基于兩階段圖 像的方法，用于確定當(dāng)前支氣管鏡攝像機(jī)幀和生成的虛擬幀之間的最大相似性以確定支氣 管鏡姿勢(shì)。第一階段使用尺度不變特征轉(zhuǎn)換（SIFT)特征和對(duì)極幾何分析預(yù)測(cè)支氣管鏡視 頻的連續(xù)圖像之間的幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)。第二階段根據(jù)第一階段估計(jì)的結(jié)果遞歸地近似當(dāng)前支 氣管鏡攝像機(jī)姿勢(shì)的后驗(yàn)概率密度。因?yàn)榈诙A段生成被定義為攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和虛擬支 氣管鏡檢查的圖像和患者具體真實(shí)的支氣管鏡檢查的圖像之間的相似性的隨機(jī)樣本集，所 以當(dāng)前攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以被確定為等于相應(yīng)于樣本集內(nèi)最大相似性的一個(gè)樣本的姿勢(shì)。 盡管已經(jīng)顯示該方法提供好的精確性，但其使用序貫蒙特卡羅（SMC)方法的計(jì)算的復(fù)雜性 不適合具有大約3. 0秒每幀的計(jì)算時(shí)間的實(shí)時(shí)應(yīng)用。
[0006] Soper, Timothy D.等人的"In Vivo Validation of a Hybrid Tracking System for Navigation of an Ultrathin Bronchoscope within Peripheral Airways, " IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 57, No. 3, March 2010, pp. 736-745,描述 了混合方法，其中電磁跟蹤（EMT)和基于圖像跟蹤（IBT)兩者連同適應(yīng)地估計(jì)兩種跟蹤輸 入之間的定位誤差的誤差狀態(tài)卡爾曼濾波一起被采用。然而，當(dāng)誤差變大時(shí)，系統(tǒng)不能自校 正自身。因此，一旦跟蹤偏離解剖結(jié)構(gòu)中支氣管鏡的真實(shí)路徑，操作員干預(yù)可能變得不可缺 少。
[0007] US7, 756, 563描述了通過(guò)連續(xù)地對(duì)準(zhǔn)實(shí)況攝像機(jī)視野與已經(jīng)由計(jì)算機(jī)模型提出的 相應(yīng)視野執(zhí)行支氣管鏡內(nèi)攝像機(jī)姿勢(shì)估計(jì)的方法。它假設(shè)來(lái)自在先幀的估計(jì)精確到當(dāng)前幀 的迭代優(yōu)化的種子。然而，該方法不能夠從非?？赡艹霈F(xiàn)在現(xiàn)實(shí)生活中的任何跟蹤失敗中 恢復(fù)。
[0008] 目的和概述
[0009] 因此，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的一個(gè)目的為用于當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解剖 結(jié)構(gòu)時(shí)確定醫(yī)療器械在分支解剖結(jié)構(gòu)中的位置的醫(yī)療系統(tǒng)和在其中實(shí)施的方法。
[0010] 本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的另一個(gè)目的為用于當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解剖結(jié) 構(gòu)時(shí)確定醫(yī)療器械在分支解剖結(jié)構(gòu)中的位置的自校正的醫(yī)療系統(tǒng)和在其中實(shí)施的方法。 [0011] 本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的另一個(gè)目的為用于當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解剖結(jié) 構(gòu)時(shí)確定醫(yī)療器械在分支解剖結(jié)構(gòu)中的位置的醫(yī)療系統(tǒng)和在其中實(shí)施的方法，其是計(jì)算有 效的并適合實(shí)時(shí)應(yīng)用。
[0012] 本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的另一個(gè)目的為用于當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解剖結(jié) 構(gòu)確定醫(yī)療器械在分支解剖結(jié)構(gòu)中的位置的醫(yī)療系統(tǒng)和在其中實(shí)施的方法，其提供精確結(jié) 果。
[0013] 通過(guò)本發(fā)明不同的方面實(shí)現(xiàn)這些和其它的目的，其中簡(jiǎn)單地說(shuō)，一方面為醫(yī)療系 統(tǒng)，其包括：存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)分支解剖結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型的信息；和處理器，其被編程以配 準(zhǔn)計(jì)算機(jī)模型與醫(yī)療器械，用于通過(guò)確定已經(jīng)從一系列圖像中提取的信息和由分支解剖結(jié) 構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型提取的相應(yīng)信息之間的最有可能的匹配，確定醫(yī)療器械在分支解剖結(jié)構(gòu)內(nèi) 的位置，其中當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)多個(gè)腔時(shí)，自醫(yī)療器械的遠(yuǎn)端透視圖由 圖像拍攝設(shè)備拍攝所述一系列圖像。
[0014] 另一方面是用于確定醫(yī)療器械在分支解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的位置的方法，該方法包括：確 定從一系列圖像中提取的信息和從分支解剖結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型提取的相應(yīng)信息之間的最 有可能的匹配，其中當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)多個(gè)腔時(shí)，自醫(yī)療器械的遠(yuǎn)端透 視圖拍攝所述一系列圖像。
[0015] 由結(jié)合附圖進(jìn)行的以下說(shuō)明，本發(fā)明的不同方面的額外的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變 得顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1圖示采用本發(fā)明的方面的醫(yī)療系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括手動(dòng)操作的醫(yī)療器械。
[0017] 圖2圖示采用本發(fā)明的方面的可選的醫(yī)療系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程操作的醫(yī)療器 械。
[0018] 圖3圖示對(duì)患者執(zhí)行醫(yī)療程序之前進(jìn)行的手術(shù)前任務(wù)的圖。
[0019] 圖4圖示在導(dǎo)航醫(yī)療器械至分支解剖結(jié)構(gòu)中目標(biāo)區(qū)域期間輔助屏的視圖。
[0020] 圖5圖示使用本發(fā)明的方面用于配準(zhǔn)分支解剖結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型與醫(yī)療器械的 方法的流程圖，該方法用于確定醫(yī)療器械在分支解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的位置。
[0021] 圖6圖示當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解剖結(jié)構(gòu)時(shí)自醫(yī)療器械的遠(yuǎn)端透視圖的圖像 拍攝設(shè)備拍攝的圖像。
[0022] 圖7圖示連同可用于限定斑塊（blab)特征屬性的線段的從圖6的拍攝圖像提取 的斑塊。
[0023] 圖8-13圖示當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解剖結(jié)構(gòu)時(shí)從可以被圖像拍攝設(shè)備自醫(yī)療 器械的遠(yuǎn)端透視圖拍攝的圖像提取的斑塊拓?fù)涞母鞣N實(shí)例。
[0024] 圖14圖示當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解剖結(jié)構(gòu)時(shí)，被圖像拍攝設(shè)備自醫(yī)療器械的 遠(yuǎn)端透視圖拍攝的圖像的假陰性斑塊識(shí)別的實(shí)例。
[0025] 圖15圖示當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解剖結(jié)構(gòu)時(shí)，被圖像拍攝設(shè)備自醫(yī)療器械的 遠(yuǎn)端透視圖拍攝的圖像的假陽(yáng)性斑塊識(shí)別的實(shí)例。
[0026] 圖16-17圖示可以被用于限定當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)分支解剖結(jié)構(gòu)時(shí)，從被圖像拍 攝設(shè)備自醫(yī)療器械的遠(yuǎn)端透視圖拍攝的圖像提取的斑塊的特征屬性的斑塊特性的實(shí)例。
[0027] 圖18-19圖示當(dāng)醫(yī)療器械朝向分支解剖結(jié)構(gòu)中二根分叉部移動(dòng)時(shí)，從被圖像拍攝 設(shè)備自醫(yī)療器械的遠(yuǎn)端透視圖拍攝的圖像提取的一系列斑塊的實(shí)例。
[0028] 圖20圖示連同用于限定斑塊特征屬性的線段的從圖6的拍攝圖像提取的斑塊。
[0029] 圖21圖示形狀為特征屬性的拍攝的圖像斑塊，所述特征屬性被用作自由計(jì)算機(jī) 模型生成的合成圖像尋找匹配的斑塊的模板。
[0030] 圖22圖示當(dāng)醫(yī)療器械移動(dòng)通過(guò)解剖結(jié)構(gòu)的腔時(shí)，具有任選的位置、方位、滾動(dòng)和 插入傳感器的醫(yī)療器械的示意圖。
[0031] 圖23圖示與圖22的任選的位置傳感器相關(guān)聯(lián)的笛卡兒坐標(biāo)系。
[0032] 圖24圖示與圖22的任選的方位傳感器相關(guān)聯(lián)的方位角度。
[0033] 詳細(xì)說(shuō)明
[0034] 作為實(shí)例，圖1圖示了醫(yī)療系統(tǒng)100,該系統(tǒng)包括可操縱的醫(yī)療器械110, 一個(gè)或多 個(gè)傳感器131、傳感器（一個(gè)或多個(gè)）處理器130、將一個(gè)或多個(gè)傳感器131連接至傳感器 (一個(gè)或多個(gè)）處理器130的一條或多條信號(hào)通信電纜132、圖像拍攝元件141、圖像處理器 140、將圖像拍攝元件141連接至圖像處理器140的光學(xué)纖維或電纜142、顯示處理器150、 主顯示屏151、輔助顯示屏152、主處理器160和存儲(chǔ)器161。雖然作為單獨(dú)的單元展示，但 是傳感器（一個(gè)或多個(gè)）處理器130、圖像處理器140、顯示處理器150和主處理器160可 以以單一處理器實(shí)施，或者它們各自的功能可被分配在多個(gè)處理器之中，其中每一個(gè)這樣 的處理器可以被實(shí)施為硬件、固件、軟件或它們的組合。如本文使用的，術(shù)語(yǔ)處理器被理解 為包括用于變換和/或通信進(jìn)入和/或離開(kāi)處理器的信號(hào)以及常規(guī)的數(shù)字處理邏輯的接口 邏輯和/或電路。存儲(chǔ)器161可以為常規(guī)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的任何存儲(chǔ)設(shè)備或數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系 統(tǒng)。主顯示屏151和輔助顯示屏152優(yōu)選地為能夠?qū)ο到y(tǒng)100的操作員顯示三維圖像的計(jì) 算機(jī)監(jiān)視器。然而，出于成本或其他考慮事項(xiàng)，主顯示屏151和輔助顯示屏152中的任意一 個(gè)或兩者可以是能夠僅僅顯示二維圖像的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)監(jiān)視器。
[0035] 醫(yī)療器械110具有柔性主體114、在其遠(yuǎn)端111處的可操縱的末端112和在其近端 1