医学成像系统及其操作方法、模拟器官的三维模型的局部变形的方法技术方案

本发明专利技术涉及医学成像系统及其操作方法、模拟器官的三维模型的局部变形的方法。根据这些方法，根据在器官(10)的局部变形运动(18)之前和之后捕获的术中图像数据计算点云。几何特征向量(40)被分配给不动点(20、21、22)，这些不动点的位置不会由于局部变形运动(18)而改变。指示由于不动点(20、21、22)附近的移动点(30、31、32)的位置变化而导致的几何特征向量(40)的变化的差向量(42)被用于估计器官(10)的局部变形运动(18)。形运动(18)。形运动(18)。

【技术实现步骤摘要】
医学成像系统及其操作方法、模拟器官的三维模型的局部变形的方法


[0001]本专利技术涉及操作医学成像系统以估计器官的局部变形的方法。本专利技术还涉及模拟器官的三维模型的局部变形的方法、医学成像系统和软件程序产品。

技术介绍

[0002]利用腹腔镜进行的手术(也称为腹腔镜手术或腹腔镜检查)与传统的开放式手术相比具有许多优势，例如更小的切口和更短的恢复时间。在腹腔镜手术中，术中导航起着至关重要的作用。然而，这种导航存在许多困难。器官无法被触摸到，以致外科医生无法获得触觉反馈。因此，无法感觉到肿瘤的位置。另外，腹腔镜超声是唯一可用的技术来可视化目标器官表面下的表面下结构，例如静脉、动脉和肿瘤。腹腔镜超声通常只提供2D图像，其需要被整合到外科医生的脑海中，以参考2D超声切片在3D空间中的实际位置。
[0003]为了解决这个问题，通常在手术前捕获器官的术前图像数据，例如计算机断层扫描(CT)图像或磁共振(MR)图像。将该术前图像数据变换为器官的三维模型，然后将该三维模型与术中腹腔镜图像数据对准，从而可以将来自术前图像的附加信息添加到术中图像。模型与术中图像的对准称为图像配准。
[0004]然而，在术前图像数据中，器官以其自然未变形状态表示。相比之下，在腹腔镜手术期间，目标器官通常会由于注入气体引起的压力而经受变形。此外，由于腹腔中的受限空间，需要迁移(mobilization)技术将目标器官的一些部分移动到合适的位置以进行切除。这些迁移技术也涉及器官的局部变形。因此，在配准之前，需要将器官的局部变形应用于模型以获得准确的配准结果。
[0005]基于有限元方法的生物力学建模通常用于模拟变形。然而，这些生物力学模型需要对包括器官刚度在内的若干参数的先验知识。如果这些参数未知并且例如由于器官疾病而偏离标准值，则这种方法无法预测变形的准确结果。
[0006]另一种方法利用诸如CT透视之类的术中成像技术来对变形进行建模。然而，为了实现术中图像与术前图像之间的对应，必须在术前成像之前将基准标记物放置在器官上，这需要附加的手术步骤。另外，在腹腔镜手术期间需要锥形束CT装置。而且，透视图像与术中表面的配准需要2D到3D配准方法，这在技术上通常比3D到3D配准更困难。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种简单、快速、可靠且廉价的方法来估计器官的局部变形，尤其是在腹腔镜手术期间。
[0008]该目的通过一种操作医学成像系统以估计器官的局部变形的方法来解决，其中，所述医学成像系统包括处理单元，其中，所述处理单元
[0009]‑
接收在第一时间点处捕获的所述器官的第一术中图像数据和在第二时间点处捕获的所述器官的第二术中图像数据，其中，所述第一时间点在所述器官的局部变形运动之
前，并且所述第二时间点在所述器官的所述局部变形运动之后，
[0010]‑
根据所述第一术中图像数据计算第一术中点云并且根据所述第二术中图像数据计算第二术中点云，其中，所述第一术中点云包括关于表示器官表面的图像点在所述第一时间点处的空间位置的信息，并且其中，所述第二术中点云包括关于表示所述器官表面的所述图像点在所述第二时间点处的空间位置的信息，
[0011]‑
将所述第一术中点云中的至少一个图像点及其在所述第二术中点云中的对应点分类为不动点，其中，所述不动点的空间位置在所述第一时间点处和在所述第二时间点处相同，
[0012]‑
计算几何特征向量并将其分配给所述第一术中点云和所述第二术中点云中的至少一个不动点，其中，不动点的几何特征向量指示所述不动点与其邻近图像点中的至少一个图像点的至少一种几何关系，
[0013]‑
计算至少一个不动点的差向量，其中，所述差向量是所述第一时间点处的几何特征向量与所述第二时间点处的几何特征向量之间的差，
[0014]‑
将所述第一术中图像数据中的至少一个图像点设定为邻近移动点，其中，所述邻近移动点位于以所述至少一个不动点为中心的预定义空间中，并且其中，所述邻近移动点的空间位置在所述第一时间点与所述第二时间点之间改变，
[0015]‑
根据至少一个不动点的所述差向量来估计所述至少一个邻近移动点的位置变化，并且利用所述位置变化来估计所述器官的局部变形。
[0016]有利地，利用该方法估计器官的局部变形而不需要附加的成像技术并且不需要器官特定参数的知识，例如其机械刚度。在第一时间点处在局部变形之前捕获第一术中图像数据，并且在第二时间点处在局部变形之后捕获第二术中图像数据。第一术中图像数据和第二术中图像数据都被变换为点云。这允许系统跟踪哪些点改变了它们的空间位置(即，移动点)，哪些点不改变位置(即，不动点)。
[0017]尤其是，处理单元通过以下方式将第一术中点云和第二术中点云中的图像点分类为不动点：比较两个点云中的图像点的空间位置并将两个点云中具有相同空间位置的那些图像点分类为不动点。相反，未被分类为不动点的图像点被分类为移动点。
[0018]在本说明书中，如果第二术中点云中的图像点与第一术中点云中的图像点表示器官表面的相同部分，则第二术中图像数据中的该图像点是与第一术中点云中的该图像点的对应点。
[0019]在对一个或多个不动点进行分类之后，系统将几何特征向量分配给两个点云中的一个或多个不动点。几何特征向量表示图像点与其邻近点的几何关系。所表示的几何关系例如是其表面法线的取向、其表面法线与邻近表面法线之间的角度或到3D空间中邻近点的距离。
[0020]尤其是，几何特征向量包括与其指示的几何关系的数量相对应的多个向量分量。每个向量分量的值尤其指示对应的几何关系应用于的邻近点的数量。
[0021]第一图像点的邻近点是位于以第一图像点为中心的预定义空间中的图像点。通过改变预定义空间的大小，可以影响第一图像点的几何特征向量对其周围环境的敏感度。尤其是，预定义空间是具有以不动点为中心的预定义半径的圆或球体。预定义半径的值可以由用户根据情况设定。
[0022]该方法依赖于这样的事实，即，点云中的点的几何特征向量取决于其邻近点。如果不动点的邻近点中的至少一个邻近点的位置发生变化(即，是移动点)，那么即使是该不动点的几何特征向量也会发生变化。因此，通过确定几何特征向量的变化(即，差向量)，可以估计出邻近移动点的空间位置的变化。以这种方式，可以通过仅检查不动点及其差向量来估计器官的局部变形运动。不必跟踪移动点本身的运动。
[0023]由于迁移步骤高度标准化，局部变形运动的识别变得更容易。这意味着各个典型的局部变形运动皆会导致不动点的几何特征向量发生特性变化。通过识别几何特征向量的这些特性变化，系统可以容易地推断出局部变形运动。尤其是，通过对器官的变形部分附近的多个不动点的差向量进行整合来估计局部变形运动。
[0024]根据实施方式，为了估计至少一个邻近移动点的位置变化，处理单元对所述至少一个邻近移动点的空间位置变化进行模拟，直到得到的几何特征向量的变化匹配差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种操作医学成像系统(2)以估计器官(10)的局部变形的方法，其中，所述医学成像系统(2)包括处理单元(4)，其中，所述处理单元(4)
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接收在第一时间点处捕获的所述器官(10)的第一术中图像数据和在第二时间点处捕获的所述器官(10)的第二术中图像数据，其中，所述第一时间点在所述器官(10)的局部变形运动(18)之前，并且所述第二时间点在所述器官(10)的所述局部变形运动(18)之后，
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根据所述第一术中图像数据计算第一术中点云并且根据所述第二术中图像数据计算第二术中点云，其中，所述第一术中点云包括关于表示器官表面(12)的图像点在所述第一时间点处的空间位置的信息，并且其中，所述第二术中点云包括关于表示所述器官表面(12)的所述图像点在所述第二时间点处的空间位置的信息，
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将所述第一术中点云中的至少一个图像点及其在所述第二术中点云中的对应点分类为不动点(20、21、22)，其中，所述不动点(20、21、22)的空间位置在所述第一时间点处和在所述第二时间点处相同，
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计算几何特征向量(40)并将其分配给所述第一术中点云和所述第二术中点云中的至少一个不动点(20、21、22)，其中，不动点(20、21、22)的所述几何特征向量(40)指示所述不动点(20、21、22)与其邻近图像点中的至少一个图像点的至少一种几何关系，
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计算所述至少一个不动点(20、21、22)的差向量(42)，其中，所述差向量(42)是所述第一时间点处的几何特征向量(40)与所述第二时间点处的几何特征向量(40)之间的差，
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将所述第一术中图像数据中的至少一个图像点设定为邻近移动点(30、31、32)，其中，所述邻近移动点(30、31、32)位于以所述至少一个不动点(20、21、22)为中心的预定义空间(23、24、25)中，并且其中，所述邻近移动点(30、31、32)的空间位置在所述第一时间点与所述第二时间点之间改变，
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根据至少一个不动点(20、21、22)的所述差向量(42)来估计至少一个邻近移动点(30、31、32)的位置变化，并且利用所述位置变化来估计所述器官(10)的所述局部变形。2.根据权利要求1所述的方法，其中，为了计算所述第一术中点云和/或所述第二术中点云，将光学和/或电子标记物(19)放置在所述器官表面(12)上，并且利用跟踪系统(9)来确定所述标记物(19)的位置，其中，所述处理单元(4)利用所述标记物(19)的位置来计算所述第一术中点云的图像点的位置和/或所述第二术中点云的图像点的位置。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述医学图像处理系统(2)包括术中图像采集装置(8)，所述术中图像采集装置(8)记录术中图像数据并且将所述术中图像数据传输到所述处理单元(4)。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述术中图像数据是所述第一术中图像数据和/或所述第二术中图像数据。5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述术中图像采集装置(8)是立体图像采集装置，其中，所述立体图像采集装置将所述术中图像数据记录为包括关于其图像点的深度信息的立体术中图像数据，其中，所述深度信息用于计算所述第一术中点云和/或所述第二术中点云。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理单元(4)接收在不同时间点处捕获的多个术中图像数据集合，其中，所述处理单元(4)通过比较所述术中图像数据集合来检测所述术中图像数据集合中的所述局部变形运动(18)，其中，所述处理单元将在所述局部变形运
动之前捕获的术中图像数据集合分类为所述第一术中图像数据，并且将在所述局部变形运动之后捕获的术中图像数据集合分类为所述第二术中图像数据。7.根据权利要求6所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：L，
申请(专利权)人：奥林巴斯株式会社，
类型：发明
国别省市：