通过解剖模型增强引导腹腔镜手术过程的系统和方法技术方案

用于模型增强的系统和方法，包括接收变形状态下的关注的解剖对象的术中成像数据。术中成像数据被缝合到变形状态下的关注的解剖对象的术中模型中。基于生物力学模型通过使初始状态下的关注的解剖对象的术前模型变形，变形状态下的关注的解剖对象的术中模型与初始状态下的关注的解剖对象的术前模型配准。来自变形状态下的关注的解剖对象的术中模型的纹理信息映射至变形的术前模型以生成关注解剖对象的变形的、纹理映射的术前模型。

The system and method of enhancing the procedure of laparoscopic operation through an anatomical model

Systems and methods for model enhancement, including intraoperative imaging data of dissected objects of attention receiving deformable states. The intraoperative imaging data were sutured to the intraoperative models of the dissected objects of concern under the deformed state. Based on the biomechanical model, the preoperative model of the anatomical object under the initial state is deformed by the biomechanical model, and the intraoperative model of the anatomical object concerned in the deformation state is registered with the preoperative model of the anatomical object concerned at the initial stage. The texture information of intraoperative models from the anatomical objects concerned in the deformation state is mapped to the deformed preoperative models to create a pre operative model for the deformation and texture mapping of the anatomical objects.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过解剖模型增强引导腹腔镜手术过程的系统和方法
技术介绍
本专利技术总体涉及腹腔镜手术过程的基于图像的引导，且更具体地，涉及通过解剖模型增强在腹腔镜手术过程期间瞄准和定位解剖结构。目前，在微创腹部手术(诸如微创肿瘤切除术)中，使用立体或常规视频腹腔镜检查来帮助将临床医生引导至目标肿瘤部位，同时避免关键结构。因为不能从腹腔镜图像直接看到肿瘤和关键结构，所以在手术过程中使用术前成像信息非常有用。通过腹腔镜视频与外科医生的视野相一致的术前信息增强了外科医生更好地瞄准肿瘤并避免目标周围的关键结构的感知和能力。通常情况下，手术过程需要腹部充气，导致初始器官移位和必须调和的组织变形。由于由呼吸和可能的工具-组织相互作用引起的连续组织变形，使得该过程本身的这种配准问题进一步复杂化。可用于术中光学图像和术前图像融合的常规系统包括基于多模式基准的系统、基于手动配准的系统和基于三维表面配准的系统。基于基准的技术需要一组具有术前和术中图像获取的共同基准，这对于临床工作流程本身是具有破坏性的，因为在基准的额外步骤中必须对患者进行成像。手动配准耗时且可能不准确，特别是如果在过程的整个长度期间必须基于一个或多个二维图像不断地调整方位对准。另外，这种手动配准技术在过程中不能解释配准时的组织变形或暂时组织变形。使用生物力学特性的、基于三维表面的配准可能由于其对所关注解剖表面结构的观察有限和实时变形补偿计算复杂而损害准确度和性能。
技术实现思路
根据实施方式，用于模型增强的系统和方法包括接收变形状态下的关注的解剖对象的术中成像数据。将术中成像数据缝合到变形状态下的关注的解剖对象的术中模型中。基于生物力学模型通过使初始状态下的关注的解剖对象的术前模型变形，将变形状态下的关注的解剖对象的术中模型与初始状态下的关注的解剖对象的术前模型配准。将来自变形状态下的关注的解剖对象的术中模型的纹理信息映射至变形的术前模型，以生成关注的解剖对象的变形的、纹理映射的术前模型。通过参考以下详细说明和附图，本专利技术的这些优点和其它优点对于本领域普通技术人员将是显而易见的。附图说明图1示出了根据一个实施方式的、通过解剖模型增强用于在腹腔镜手术过程期间引导的高级框架；图2示出了根据一个实施方式的、通过解剖模型增强用于在腹腔镜手术过程期间引导的系统；图3示出了根据一个实施方式的、用于从初始的术中成像数据生成关注的解剖对象的三维模型的概观；图4示出了根据一个实施方式的、通过解剖模型增强用于在腹腔镜手术过程期间引导的方法；以及图5示出了根据一个实施方式的、通过解剖模型增强用于在腹腔镜手术过程期间引导的计算机的高级框图。具体实施方式本专利技术大体涉及在腹腔镜手术过程期间引导的解剖模型增强。本文描述了本专利技术的实施方式以给出对于增强解剖模型的方法的直观理解。数字图像常常由一个或多个对象(或者形状)的数字表示组成。这里通常在识别和操纵对象方面描述对象的数字表示。这种操纵是在计算机系统的存储器或者其他电路/硬件中完成的虚拟操纵。因此，应当理解，可以使用存储在计算机系统内的数据在计算机系统内执行本专利技术的实施方式。此外，应当理解，尽管可以关于患者的医疗过程讨论本文讨论的实施方式，但是本原理并不限于此。本专利技术的实施方式可用于增强任何研究对象的模型。图1示出了根据一个或多个实施方式的用于在腹腔镜手术过程期间引导的高级框架100。在执行手术过程期间，工作站102通过提供图像引导并且显示其他相关信息辅助用户(例如，外科医生)。工作站102接收患者(例如，肝脏)的关注的解剖对象的术前模型104和术中成像数据106。术前模型104是初始(例如，松弛或未变形)状态下的关注的解剖对象，而术中成像数据106是变形状态下的关注的解剖对象。术中成像数据106包括初始的术中成像数据110和实时术中成像数据112。初始的术中成像数据110在过程的初始阶段获取以提供关注的解剖对象的完整扫描。实时术中成像数据112在过程期间获取。术前模型104可从肝脏的术前成像数据(未示出)生成，术前成像数据可以是例如，计算机断层成像(CT)、磁共振成像(MRI)等的任意形态。例如，可使用任何分割算法来分割术前成像数据，并使用计算几何算法库(CGAL)将其转换为术前模型104。还可以采用其他已知的方法。术前模型104可以是例如，肝脏的表面或者四面体网络。术前模型104不仅包括肝脏的表面，而且包括亚表面目标和临界结构。肝脏的术中成像数据106可从任意形态的图像获取设备接收。在一个实施方式中，术中成像数据106包括从立体腹腔镜成像设备获取的光学二维(2D)和三维(3D)深度图。术中成像数据106包括变形状态下的肝脏的图像、视频、或者任何其他成像数据。变形可能是由于腹部的吹入或任何其他因素，例如患者的自然内部运动(例如，呼吸)，成像或手术设备的位移等引起的。工作站102根据术前模型104和初始术中成像数据110生成与患者的当前(即变形)状态对应的肝脏的纹理模型。具体地，工作站102应用缝合算法以将初始术中成像数据110的帧对准在变形状态下的关注的解剖对象的单个术中3D模型(例如，表面网格)中。术中模型与术前模型104刚性配准。术前模型104基于肝脏的内在生物力学特性局部变形，使得变形的术前模型与缝合的术中模型相匹配。来自缝合的术中模型的纹理信息映射到变形的术前模型以生成变形的纹理映射的术前模型。在变形的纹理映射的术前模型与在过程期间获取的实时术中成像数据112之间执行非刚性配准。工作站102输出增强显示108，该增强显示用实时的术中成像数据112在手术中显示变形的、纹理映射的术前模型。例如，变形的、纹理映射的术前模型可以以与实时术中成像数据112覆盖或并排的配置显示，以向临床医生提供对亚表面目标和关键结构的更好地理解，用于高效的导航和治疗的递送。图2示出了根据一个或多个实施方式的用于通过解剖模型增强在腹腔镜手术过程期间引导的系统200的详细视图。系统200的元件可能位于一处(例如，在手术室环境或者设施内)或者位于远处(例如，在设施的不同区域或不同的设施)。系统200包括可以用于手术过程(或者任何其他类型的过程)的工作站202。工作站202可包括通信耦接至一个或多个数据存储设备216的一个或多个处理器218、一个或多个显示器220、及一个或多个输入/输出设备222。数据存储设备216存储表示在处理器218上实行时执行的工作站202的功能的多个模块。应当理解，工作站202可包括另外的元件，例如，通信接口。工作站202在手术过程期间术中接收来自研究对象212(例如，患者)的关注对象211的图像获取设备204的成像数据。成像数据可包括图像(例如，帧)、视频、或者任何其他类型的成像数据。来自图像获取设备204的术中成像数据可包括初始的术中成像数据206和实时术中成像数据207。初始的术中成像数据206可在手术过程的初始阶段获取以提供关注的解剖对象211的完整扫描。实时术中成像数据207可在过程期间获取。术中成像数据206、207可在关注对象211处于变形状态时获取。变形可能是由于关注对象211的充气或任何其他因素，例如患者的自然运动(例如，呼吸)，成像或手术设备所引起的位移等。在一个实施方式中，术中成像数据206、207是工作站202在术中直接从成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于模型增强的方法，包括：接收变形状态下的关注的解剖对象的术中成像数据；将所述术中成像数据缝合到所述变形状态下的所述关注的解剖对象的术中模型中；基于生物力学模型通过使初始状态下的关注的解剖对象的术前模型变形，将所述变形状态下的关注的解剖对象的所述术中模型与所述初始状态下的关注的解剖对象的所述术前模型配准；以及将来自所述变形状态下的关注的解剖对象的所述术中模型的纹理信息映射至变形的所述术前模型，以生成关注的解剖对象的变形的、纹理映射的术前模型。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于模型增强的方法，包括：接收变形状态下的关注的解剖对象的术中成像数据；将所述术中成像数据缝合到所述变形状态下的所述关注的解剖对象的术中模型中；基于生物力学模型通过使初始状态下的关注的解剖对象的术前模型变形，将所述变形状态下的关注的解剖对象的所述术中模型与所述初始状态下的关注的解剖对象的所述术前模型配准；以及将来自所述变形状态下的关注的解剖对象的所述术中模型的纹理信息映射至变形的所述术前模型，以生成关注的解剖对象的变形的、纹理映射的术前模型。2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述术中成像数据缝合到所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型中进一步包括：识别所述术中成像数据中的对应帧；计算所述对应帧之间的相对姿态的假设；以及基于所述假设生成所述术中模型。3.根据权利要求2所述的方法，其中，计算所述对应帧之间的相对姿态的假设基于以下至少一个：对应图像测量和界标；以及三维深度通道。4.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型与初始状态下的关注的解剖对象的术前模型配准进一步包括：通过识别所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型与所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型之间的至少三个对应关系，使所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型与所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型刚性配准。5.根据权利要求1所述的方法，其中，基于生物力学模型使所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型变形进一步包括：识别所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型与所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型之间的稠密对应关系；确定处于识别的所述稠密对应关系的、所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型与所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型之间的错位；将所述错位转换为力度一致的区域；以及将所述力度一致的区域应用至所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型。6.根据权利要求5所述的方法，其中，基于生物力学模型使所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型变形进一步包括：根据关注的解剖对象的所述生物力学模型，基于所述力度一致的区域使关注的解剖对象的术前模型变形；以及最小化变形的所述术前模型和所述术中模型之间的距离度量。7.根据权利要求1所述的方法，其中，将来自所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型的纹理信息映射至所述变形的术前模型，以生成关注的解剖对象的变形的、纹理映射的术前模型进一步包括：将关注的解剖对象的变形的、纹理映射的术前模型表示为图表，所述图表具有在与所述图表的节点相对应的所述术中模型上可见的三角形面和在所述图表中由边缘连接的相邻面；基于一个或多个可见性测试来标记节点；以及基于所述标记来映射所述纹理信息。8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：使所述关注的解剖对象的变形的、纹理映射的术前模型与关注的解剖对象的实时术中成像数据非刚性配准。9.根据权利要求8所述的方法，其中，使所述关注的解剖对象的变形的、纹理映射的术前模型与所述关注的解剖对象的实时术中成像数据非刚性配准进一步包括：通过最小化深度和纹理的不匹配，使所述变形的、纹理映射的术前模型和所述实时术中成像数据对准；以及使用所述变形的、纹理映射的术前模型作为初始条件并且使用所述变形的、纹理映射的术前模型的表面的新位置作为边界条件，求解关注的解剖对象的所述生物力学模型。10.根据权利要求8所述的方法，其中，使所述关注的解剖对象的变形的、纹理映射的术前模型与所述关注的解剖对象的实时术中成像数据非刚性配准进一步包括：随时间跟踪所述实时术中成像数据的特征的位置；以及基于所述特征的跟踪的位置使所述变形的、纹理映射的术前模型变形。11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：利用所述变形的、纹理映射的术前模型增强所述实时术中成像数据的显示。12.根据权利要求11所述的方法，其中，利用所述变形的、纹理映射的术前模型增强所述实时术中成像数据的显示包括以下至少一个：显示覆盖在所述实时术中成像数据上的、所述变形的、纹理映射的术前模型；以及并排显示所述变形的、纹理映射的术前模型和所述实时术中成像数据。13.一种用于模型增强的装置，包括：用于接收变形状态下的关注的解剖对象的术中成像数据的装置；用于将所述术中成像数据缝合到所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型中的装置；用于基于生物力学模型通过使所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型变形，将所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型与所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型配准的装置；以及用于将来自所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型的纹理信息映射至变形的术前模型，以生成所述关注的解剖对象的变形的、纹理映射的术前模型的装置。14.根据权利要求13所述的装置，其中，用于将所述术中成像数据缝合到所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型中的装置进一步包括：用于识别所述术中成像数据中的对应帧的装置；用于计算所述对应帧之间的相对姿态的假设的装置；以及用于基于所述假设生成所述术中模型的装置。15.根据权利要求14所述的装置，其中，用于计算所述对应帧之间的所述相对姿态的所述假设的装置基于以下至少一个：对应图像测量和界标；以及三维深度通道。16.根据权利要求13所述的装置，其中，用于使所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型与所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型配准的装置进一步包括：用于通过识别所述变形状态下的所述关注的解剖对象的术中模型与所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型之间的至少三个对应关系，将所述变形状态下的所述关注的解剖对象的术中模型与所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型刚性配准的装置。17.根据权利要求13所述的装置，其中，用于基于生物力学模型使所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型变形的装置进一步包括：用于识别所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型与所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型之间的稠密对应关系的装置；用于确定处于识别的稠密对应关系的所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型与所述变形状态下的关注的解剖对象的术中模型之间的错位的装置；用于将所述错位转换为力度一致的区域的装置；以及将所述力度一致的区域应用至所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型的装置。18.根据权利要求17所述的装置，其中，用于基于生物力学模型使所述初始状态下的关注的解剖对象的术前模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿里·卡门，斯特凡·克卢克纳，张耀仁，托马索·曼西，蒂齐亚诺·帕塞里尼，陈德仁，彼得·蒙特尼，安东·希克，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE