用于使用标准荧光镜的局部三维体积重构的系统和方法技术方案

涉及用于使用标准荧光镜的局部三维体积重构的系统和方法。具体而言，一种用于从二维荧光图像构造基于荧光的三维体积数据的系统和方法，包括：被配置为有助于医疗设备到患者内的目标区域的导航的计算设备；以及被配置为绕相对于目标区域的多个角度获取目标区域的荧光视频的荧光成像设备。该计算设备被配置为确定针对荧光视频的每一帧的荧光成像设备的姿态以及使用快速迭代三维构造算法来构造目标区域的基于荧光的三维体积数据，在所述基于荧光的三维体积数据中，软组织对象是可视的。

【技术实现步骤摘要】
对相关申请的交叉引用本申请要求于2015年8月6日提交的、序号为No.62/201,750的美国临时申请的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。
本公开涉及用于外科手术程序的导航和位置确认的系统、装置和方法。更特别地，本公开涉及用于从使用荧光成像设备捕获的二维荧光图像构造基于荧光的三维体积的系统和方法。
技术介绍
存在若干常用的用于治疗影响器官(包括肝脏、大脑、心脏、肺和肾脏)的各种疾病的方法。通常，一种或多种诸如磁共振成像、超声成像、计算机断层扫描(CT)之类的成像模态以及其他被临床医师利用以便识别患者内的关注区域和用于治疗的最终目标。内窥镜方法已经被证实在到患者内的关注区域的导航中是有用的，并且针对到身体的内腔网络(诸如肺)内的区域的导航尤其是有用的。为了在肺中实现内窥镜方法并且尤其是支气管镜方法，已经开发了支气管内导航系统，该支气管内导航系统使用先前获取的MRI数据或CT图像数据来生成诸如肺之类的特定身体部分的三维渲染(rendering)或体积。特别地，先前获取的图像(从对患者的MRI扫描或CT扫描获取的)被用来生成患者的三维的或体积的渲染。然后，从MRI扫描或CT扫描生成的所得的体积被用于创建导航计划以有助于导航导管(或其他适合的设备)通过支气管镜和患者的支气管的分支到关注区域的前进。电磁跟踪连同CT数据可以被利用以有助于对导航导管通过支气管的分支到关注区域的引导。在某些情况下，导航导管可以被置于分支的内腔网络的气道中的与关注区域相邻的或在关注区域内的一个气道内以便为一个或多个医疗器械提供入口(access)。由此，为了生成导航计划或甚至为了生成患者的身体结构(诸如肺)的三维的或体积的渲染，临床医师被要求利用MRI系统或CT系统来获取三维体积的构造所必需的图像数据。MRI系统或基于CT的成像系统的成本是极高的，并且在许多情况下在与生成导航计划所在的位置或实行导航程序所在的位置相同的位置处不可用。在导航程序期间，荧光成像设备通常位于手术室中。临床医师可以使用标准荧光成像设备以便在工具已经被导航到期望的位置之后显现和确认工具的放置。但是，虽然标准荧光图像显示出诸如金属工具和骨骼之类的高致密对象以及诸如心脏之类的大的软组织对象，但荧光图像在解析诸如损伤之类的小的软组织关注对象上存在困难。另外，荧光图像仅仅是二维投影。为了能够在三维空间中看到小的软组织对象，需要进行X射线体积重构。存在若干提供软组织的三维体积重构的解决方案，诸如在医疗领域广泛使用的CT和锥束CT。这些机器在算法上将从已知的、校准的X射线源位置的多个X射线投影组合成在其中软组织可视的三维体积。为了将工具导航到远程的软组织目标以供活组织检查或治疗，在某种三维引导系统中工具和目标两者应该是可视的。这些系统中的大部分使用某种X射线设备来透视身体。例如，在手术期间，CT机器可以与迭代扫描一起使用以提供通过身体的引导直到工具到达目标。这是繁琐的程序，因为它要求若干次完全的CT扫描、专用的CT室以及扫描之间的盲目的导航。另外，每次扫描要求工作人员离开房间。另一种选择是锥束CT机器，它在一些手术室中是可用的，并且稍微更容易操作，但它较昂贵并且和CT一样在扫描之间仅仅提供盲目的导航，要求用于导航的多次迭代并且要求工作人员离开房间。相应地，存在对以下系统的需求：能够实现CT和锥束CT三维图像引导的益处，而没有潜在的成本、准备的要求以及与这些系统相关联的放射副作用。
技术实现思路
本公开涉及用于构造三维体积数据的系统和方法，在其中，小的软组织对象是从由大多数手术室中可用的标准荧光成像设备捕获的视频流(或多个图像)中可视的。基于荧光的构造的三维体积数据可以用于引导、导航计划、改进的导航准确性、导航确认以及治疗确认。软组织对象在标准荧光图像和视频中不可视，因为它们被诸如致密组织之类的致密对象遮蔽(obscure)。本公开涉及用于创建三维伪体积的系统和方法，在其中，基于三维位置造成遮蔽的对象被过滤，并且然后被反向投影为二维。在一个方面，多个荧光图像(其中每一个在不同的角度处捕获)被用于构造三维伪体积数据。本公开描述了一种能够利用从相对于患者或患者的目标区域的短的范围的角度捕获的荧光图像来构造三维伪体积数据的系统和方法。附加地，本公开还涉及用于利用由标准荧光成像设备捕获的二维图像或视频来改进先前创建的三维渲染的系统和方法。如下面更详细描述的，本公开的一个方面在于确定荧光视频中的特征部的三维位置，诸如三维导管位置、三维目标组织(例如，损伤)位置等。为了实现此，针对每一帧的荧光成像设备的姿态必须被确定或已知。如果耦合到荧光成像设备的外部角度测量设备被利用，则针对每一帧的成像设备的角度和姿态被已知。但是，当未利用外部测量设备时，其他技术被利用以便确定针对每一帧的荧光成像设备的姿态，如下面更详细描述的。例如，先前获取的CT扫描数据可以被配准(register)到荧光视频，以便在算法上找到针对所捕获的视频的每一帧的荧光镜的姿态。可替代地，通过在荧光视频中跟踪几个可视的标记物(二维可视特征部)，可以通过使用根据某种从运动恢复结构的技术共同解出姿态和三维位置。在一些方面，在其中姿态被已知的较容易的技术(通过角度测量设备)可以被利用，并且只有三维特征部的位置需要被解出。为了针对移动进行校正，可以利用至少一个标记物(或诸如导管尖端之类的外科设备)。多个荧光镜二维图像可以在算法上被处理以创建伪三维体积数据，类似于锥束CT，但具有变化的任意的角度范围以及荧光镜姿态，其中荧光镜被手动地旋转。该角度范围可以非常小(～30°)，这可能导致较差的三维重构质量。被使用的算法是迭代加速的投影/反向投影方法，该方法与分析算法(Radon变换、FDK……)不同，该方法不假定任何预定的角度范围或角度旋转率。为了避免较差的三维重构，不将原始的三维重构的数据显示给用户，而是可以在关注区域周围修剪三维重构(在本文中也被称为“FluoroCTBlob”)。被修剪的三维数据然后被重新投影到二维虚拟荧光图像中，在该二维虚拟荧光图像中，局部软组织特征部是可视的。重新投影的二维图像具有较好的质量(与较差的三维重构相比)，尤其是当从与视频中看到的姿态相同的荧光镜姿态进行投影时。为了重构三维数据，针对视频中的每个二维荧光镜帧，必须确定相对于某种固定的坐标系统荧光成像设备的姿态。针对捕获的每一帧的荧光成像设备的姿态可以通过使用以下描述的方法中的任何一种来确定。例如，可以使用耦合到荧光成像设备的外部测量设备来确定姿态。附加地或可替代地，可以使用外部测量设备和单个标记物或导管尖端来确定姿态。具体地，在一些情况下，荧光镜(或C臂)可能在旋转期间抖动，在此种情况下，需要进行一定的稳定。令人遗憾地，由于过滤，贯穿视频，角度测量设备可能仍然报告平滑的角度，而忽略存在于实际的摄像机姿态中的高频。在这种情况下，单个二维标记物可以贯穿视频被跟踪，并且用于稳定摄像机姿态，或用于提高在标记物的区域处摄像机姿态的准确性。由于标记物通常会位于关注区域处，因此这提高了在该区域中摄像机姿态的准确性，并且由此改进了三维重构质量。这种方法也可以用于补偿在视频期间诸如呼吸之类的患者身体移动。不是使用如角度测量设备所报告的摄像机姿态，而是通过使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从二维荧光图像构造基于荧光的三维体积数据的系统，所述系统包括：被配置为有助于医疗设备到患者内的目标区域的导航的计算设备；以及被配置为从捕获的目标区域的帧获取目标区域的荧光视频的荧光成像设备；其中，所述计算设备还被配置为：确定针对荧光视频的每一帧的荧光成像设备的姿态；以及使用快速迭代三维构造算法来构造目标区域的基于荧光的三维体积数据，在所述基于荧光的三维体积数据中，软组织对象是可视的。

【技术特征摘要】
2015.08.06 US 62/201,750;2016.08.01 US 15/224,8121.一种用于从二维荧光图像构造基于荧光的三维体积数据的系统，所述系统包括：被配置为有助于医疗设备到患者内的目标区域的导航的计算设备；以及被配置为从捕获的目标区域的帧获取目标区域的荧光视频的荧光成像设备；其中，所述计算设备还被配置为：确定针对荧光视频的每一帧的荧光成像设备的姿态；以及使用快速迭代三维构造算法来构造目标区域的基于荧光的三维体积数据，在所述基于荧光的三维体积数据中，软组织对象是可视的。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统还被配置为从先前获取的CT体积数据创建患者的虚拟荧光图像，并且基于荧光视频与虚拟荧光图像之间的配准来确定针对荧光视频的每一帧的荧光成像设备的姿态。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述计算设备还被配置为：检测从荧光视频丢失的帧；以及用对应的虚拟荧光图像来补充所检测到的丢失的帧。4.根据权利要求3所述的系统，其中基于荧光的三维体积数据是基于荧光视频和对应的虚拟荧光图像而构造的。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算设备还被配置为贯穿荧光视频在每一帧中跟踪被导航到目标区域的医疗设备的二维位置。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算设备还被配置为使用从运动恢复结构的技术贯穿荧光视频重构医疗设备的位置，并且针对荧光视频的每一帧的荧光成像设备的姿态基于被重构的位置而被确定。7.根据权利要求1所述的系统，其中针对荧光视频的每一帧的荧光成像设备的姿态基于耦接到荧光成像设备的外部角度测量设备而被确定。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算设备还被配置为：同步所捕获的目标区域的帧；以及补偿荧光成像设备中的偏移或患者移动以便校正基于荧光的三维体积数据的构造。9.根据权利要求1所述的系统，其中所述医疗设备是以下中的至少一个：包括被配置为置于患者的内腔网络内的延伸的工作通道的导管组件；被配置为放置于目标区域内的射线不透过的标记物，其中所述射线不透过的标记物在所获取的荧光视频中是至少部分可视的；或被配置为经由皮肤访问目标区域的工具。10.根据权利要求1所述的系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·巴拉克，O·P·维加藤，
申请(专利权)人：柯惠有限合伙公司，
类型：发明
国别省市：美国;US