在影像引导手术过程中用于纠正变形的数据的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了用于收集和处理在执行影像引导外科手术(IGS)时使用的身体空间数据的系统和方法。所述系统和方法包括获得患者体内感兴趣的非刚性结构的计算机模型，和执行所述计算机模型和与所述非刚性结构的至少一部分相关的患者空间内的表面数据的刚性对准。所述系统和方法也包括计算所述计算机模型的变形，所述计算提供了所述计算机模型和表面数据的非刚性对准，采用基于所述刚性对准而给所述计算机模型的每个节点定义的一组边界条件和核心函数来计算所述变形。此外，所述系统和方法可包括显示基于所述变形有利于所述IGS手术的数据。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在影像引导手术过程中用于纠正变形的数据的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2010年1月22日提交的标题为“SYSTEMANDMETHODFORCORRECTINGDATAFORDEFORMATIONSDURINGIMAGE-GUIDEDPROCEDURES(在影像引导手术的过程中用于纠正变形的数据的系统和方法)”的美国临时申请序列号No.61/297,336的权益，其全文以引用的方式并入本文。
本专利技术涉及用于影像引导手术的系统和方法，并且更具体地涉及在影像引导手术的过程中用于纠正变形的组织数据的系统和方法。专利技术背景确定对影像至身体(image-to-physical)空间的精确配准(registration)是经由影像引导外科手术(IGS)对外科医生提供有意义的引导信息的基本步骤。一个著名的研究机构一直致力于将IGS技术使用于神经外科应用并且已生成一些商业上可用的系统。神经外科IGS技术的共同特征是，通过骨植入或皮肤附贴的基准标记而利用基于点的界标来提供影像和身体空间的配准。此类基于点的技术的使用通过围绕着感兴趣的组织(例如，颅骨)的刚性解剖而在神经外科IGS中被极大地推进。遗憾的是，使用此类基于点的技术并不适用于开放腹部IGS，因为缺乏刚性解剖界标和无法在手术前附加基准标记，这些基准标记在IGS操作过程中将保持在固定位置。由于使用刚性的、基于点的界标对于开放腹部IGS是不可行的，已提出基于表面的技术来确定术前影像和术中出现的影像之间的配准。例如，迭代最近点(ICP)算法传统上已被用于确定器官的影像空间表面和/或感兴趣的其他软组织之间的转化。在ICP方法中，转化通常来源于术前影像片段和术中组织表面。在腹部IGS中使用的术中数据典型地利用光学跟踪探头、激光测距扫描仪(LRS)，或术中超声波(iUS)和其他方法来获得。腹部IGS中基于表面的影像至身体空间配准的典型协议开始于在外科手术之前选择术前影像组中的解剖基准点。这些解剖基准点的对应身体空间位置然后在手术操作过程中被数字化，使得基于点的初始对准配准可被执行。基于点的配准用于提供ICP算法的合理初始姿态，该合理初始姿态被用于配准来源于术前影像和术中数据的组织表面。然而，ICP算法所提供的表面对准高度依赖于组织表面的初始姿态。因此，基于点的配准所提供的初始对准中的过失误差可导致错误的表面对准。虽然初始姿态是重要的，但是可混淆ICP算法的未对准的另一方面是出现术中变形。即，当器官和其他软组织的外科手术情况在术中被显现以用于表面采集(诸如，通过激光测距扫描)时，软组织通常由于例行外科手术处理而已经历变形。与姿态或变形相关的错误被引入到任何形式的刚性配准中将通常危及转达给外科医生的引导信息。因外科手术处理的软组织变形的一些实例为(1)在开放腹部中因器官关于重力方向的再定向使得肝脏的重力诱导变形，(2)组织松动和器官包裹的影响，和(3)器官灌注的变化。附图简述图1示出了根据本专利技术的一个实施例执行IGS手术的流程图。图2是根据本专利技术的一个实施例执行非刚性对准的示例性方法的流程图。图3A示出了根据本专利技术的一个实施例非刚性对准产生的转化图。图3B示出了图3A根据本专利技术的一个实施例实施包络之后的转换图。图4A是概念地说明该处理的示意图，藉由该处理贯穿肝脏的横向平面的影像切片基于刚性对准之后获得的映射进行修正。图4B是根据本专利技术的一个实施例概念地说明该处理的示意图，藉由该处理贯穿肝脏的横向平面的影像切片基于刚性对准和局部转换进行修正。图5是根据本专利技术的一个实施例用于计算影像空间中的仪器的映射调整的示例性方法的步骤流程图。图6示出了根据本专利技术的一个实施例的示例性硬件系统配置。图7示出了根据本专利技术的一个实施例的计算机模型和表面数据的初始刚性对准的结果。图8示出了根据本专利技术的一个实施例的图7中的计算机模型和表面数据的非刚性对准的结果。图9示出了图7所示的计算机模型和图8所示的变形计算机模型的重叠。图10是用于执行一组指令的计算机系统的示意图，当执行该组指令时，可促使计算机系统执行上述的一个或多个方法和步骤。专利技术概要本专利技术的实施例涉及在影像引导手术过程中用于纠正变形的组织数据的系统和方法。在第一实施例中，提供了一种用于收集和处理在执行影像引导外科手术(IGS)时使用的身体空间数据的方法。所述方法包括：执行刚性对准的步骤，将患者体内感兴趣的非刚性结构的计算机模型和与所述非刚性结构至少一部分相关的患者空间内的表面数据进行刚性对准。所述方法还包括计算所述计算机模型的变形，所述计算提供所述计算机模型和所述表面数据的非刚性对准，采用基于所述刚性对准而给所述计算机模型的每个节点定义的一组边界条件以及核心函数计算出所述变形。该方法可进一步包括基于该变形显示有利于IGS手术的数据。在第二实施例中，提供了一种用于收集和处理在执行影像引导外科手术(IGS)时使用的身体空间数据的系统。所述系统包括：存储介质，用于存储患者体内感兴趣的非刚性结构的计算机模型。该系统也包括用于生成与该非刚性结构相关的至少表面数据的至少一个传感器装置，和通信地连接至该存储介质和该传感器装置的处理元件。在该系统中，该处理元件被配置成用于获得计算机模型和与该非刚性结构的至少一部分相关的患者空间内的表面数据的刚性对准，用于计算该计算机模型的变形，该计算提供了该计算机模型和表面数据的非刚性对准，采用基于刚性对准而给该计算机模型的每个节点定义的一组边界条件和核心函数计算出该变形。该系统可额外地包括显示装置，该显示装置被通信地连接至该处理单元且被配置成基于该变形显示有利于IGS手术的数据。在第三实施例中，提供了一种计算机可读的存储介质，该存储介质具有存储其上的计算机程序，该计算机程序用于收集和处理在执行影像引导外科手术(IGS)时使用的身体空间数据。该计算机程序具有多个代码段，该多个代码段通过计算机可执行以促使该计算机执行以下步骤：获得患者体内感兴趣的非刚性结构的计算机模型；和执行该计算机模型和与该非刚性结构相关的患者空间内的表面数据的刚性对准。该代码段也被配置成促使该计算机执行计算该计算机模型的变形的步骤，该计算提供该计算机模型和表面数据的非刚性对准，采用基于刚性对准而给该计算机模型的每个节点定义的一组边界条件和核心函数计算出该变形。另外，该代码段也被配置成促使该计算机基于该变形执行显示有利于IGS手术的数据的步骤。在各种实施例中，该显示可进一步需要接收与该计算机模型相关的影像数据和与该目标相关和邻近该目标的该患者空间内的位置，和需要基于该刚性对准和该变形而将该计算机模型转换到该患者空间中。该显示也可包括基于该变形而计算该计算机模型的每个节点的反向变形位移矢量场值，和算出围绕该变形计算模型的一部分患者空间的额外反向变形矢量场值的包络。此外，该显示可包括基于该非刚性对准和该反向变形位移矢量场值而将该位置转换到该计算机模型的计算机模型空间中，和算出该转换位置的影像数据在影像空间内的坐标。具体实施方式本专利技术参照附图进行描述，其中附图中各处的相同附图标记用于指示类似或等同的元件。附图并未根据比例进行绘制，且它们仅被提供用于说明本专利技术。本专利技术的一些方面在下文中参照说明对实例应用进行描述。应理解，许多具体细节、关系和方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.01.22 US 61/297,3361.一种用于收集和处理在执行影像引导外科手术(IGS)时使用的身体空间数据的方法，所述方法包括：生成患者体内感兴趣的非刚性结构的术中表面数据，所述术中表面数据对应所述非刚性结构至少一部分；执行刚性对准，将对应所述非刚性结构术前影像的计算机模型和所述术中表面数据进行刚性对准，所述计算机模型包括多个节点；计算整个所述计算机模型的变形，所述计算出的变形提供所述计算机模型和所述术中表面数据的非刚性对准，采用给所述计算机模型的所述多个节点的每个节点定义的一组边界条件计算出所述变形，所述边界条件采用所述刚性对准以及生成加权的核心函数；显示所述术前影像的变形版本，其中所述变形版本包括被修改的所述术前影像数据以进行整个所述计算机模型的所述变形。2.如权利要求1所述的方法，其中所述计算进一步包括：采用对应函数而算出所述术中表面数据和所述计算机模型的对应部分之间的一组空间差值；计算该组空间差值上的所述边界条件和所述核心函数；采用所述边界条件而生成所述计算机模型的位移场矢量值；采用所述位移场矢量值而产生更新的计算机模型；采用所述更新的计算机模型而更新所述对应函数；采用所述更新的对应函数而重新算出所述空间差值；和如果该组空间差值无法满足收敛标准，则重复所述计算、生成、产生、更新和算出步骤。3.如权利要求2所述的方法，进一步包括输出所述更新的计算机模型。4.如权利要求3所述的方法，其中所述生成所述位移场矢量值进一步包括累积每次执行所述生成步骤时的所述位移场矢量值，且其中所述输出进一步包括输出包括所述累积位移场矢量值的累积位移矢量场。5.如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述收敛标准选择为该组空间差值的最小阈值、所述重新算出之前的该组空间差值和所述重新算出之后的该组空间差值之间的最小差值、和预定迭代数目中的至少一个。6.如权利要求1所述的方法，其中所述显示进一步包括：接收所述患者空间内对象的位置；计算所述计算机模型的多个节点的每个节点的反向变形位移矢量场值，对应于提供该非刚性对准的整个所述计算机模型的所述变形；算出围绕所述变形计算模型的一部分所述患者空间的额外反向变形矢量场值的包络；采用所述刚性对准和所述反向变形位移矢量场值而将所述位置转换到所述计算机模型的计算机模型空间中以形成转换位置；和从所述对象的所述转换位置算出所述对象在所述术前影像数据的影像空间中的坐标。7.如权利要求6所述的方法，进一步包括：显示所述术前影像数据；和显示基于对应于所述影像空间中所述算出的坐标的所述术前影像中所述影像空间中的所述对象位置的标记。8.如权利要求6所述的方法，其中所述包络的算出是基于包络策略。9.如权利要求1所述的方法，其中所述显示进一步包括：接收与所述计算机模型相关的影像数据和所述影像数据的影像空间中至少一个感兴趣的位置；将所述位置转换到所述计算机模型的计算机模型空间中以形成转换位置；算出所述转换位置在所述患者空间中的坐标。10.一种用于收集和处理在执行影像引导外科手术(IGS)时使用的身体空间数据的系统，所述系统包括：数字化系统，用于生成患者体内感兴趣的非刚性结构的术中表面数据，所述术中表面数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·I·米加，普拉善·邓普利，
申请(专利权)人：范德比尔特大学，
类型：
国别省市：