利用生物力學(xué)模型仿真配準(zhǔn)術(shù)前和術(shù)中圖像的系統(tǒng)和方法技術(shù)方案

公開了一種利用生物力學(xué)仿真配準(zhǔn)術(shù)前圖像和術(shù)中圖像的方法和系統(tǒng)。通過利用約束的生物力學(xué)注氣模型估計(jì)術(shù)前圖像中諸如肝臟、周圍組織和腹壁的一個(gè)或多個(gè)分割的解剖結(jié)構(gòu)的變形，來將術(shù)前圖像初始地配準(zhǔn)至術(shù)中圖像。然后利用微分同胚的非剛性細(xì)化對被初始配準(zhǔn)的術(shù)前圖像進(jìn)行細(xì)化。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【專利摘要】公開了一種利用生物力學(xué)仿真配準(zhǔn)術(shù)前圖像和術(shù)中圖像的方法和系統(tǒng)。通過利用約束的生物力學(xué)注氣模型估計(jì)術(shù)前圖像中諸如肝臟、周圍組織和腹壁的一個(gè)或多個(gè)分割的解剖結(jié)構(gòu)的變形，來將術(shù)前圖像初始地配準(zhǔn)至術(shù)中圖像。然后利用微分同胚的非剛性細(xì)化對被初始配準(zhǔn)的術(shù)前圖像進(jìn)行細(xì)化。【專利說明】本申請要求2012年11月15日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/726,687的優(yōu)先權(quán)，其公開在此通過引用被并入。
技術(shù)介紹
本專利技術(shù)涉及用于腹腔鏡手術(shù)的術(shù)前和術(shù)中圖像的配準(zhǔn)，并且更特別地涉及利用生物力學(xué)模型仿真的目標(biāo)器官的術(shù)前和術(shù)中圖像的配準(zhǔn)。腹腔鏡手術(shù)是廣泛用于治療癌癥和其它疾病的微創(chuàng)過程。諸如減少的術(shù)后痛苦和更短的恢復(fù)時(shí)間的優(yōu)勢使得腹腔鏡手術(shù)優(yōu)于開放手術(shù)。在腹腔鏡手術(shù)期間，器官表面僅能通過腹腔鏡圖像被觀察到并且難以可視化表面下腫瘤。因此，可引入術(shù)中三維(3D)圖像以在腹腔鏡手術(shù)期間提供更新的信息。雖然術(shù)中圖像通常由于手術(shù)室中強(qiáng)加的限制條件而具有有限的圖像信息，但術(shù)前圖像能夠提供器官、血管、及腫瘤的準(zhǔn)確分割和補(bǔ)充的解剖功能細(xì)節(jié)。為了縮小手術(shù)方案和腹腔鏡圖像之間的差別，需要對術(shù)前和術(shù)中3D圖像進(jìn)行配準(zhǔn)以引導(dǎo)實(shí)時(shí)導(dǎo)航。然而，這樣的配準(zhǔn)由于會導(dǎo)致大的器官變形以及內(nèi)臟和腹壁之間的滑動的注氣和其它手術(shù)準(zhǔn)備而具有挑戰(zhàn)性。因此，標(biāo)準(zhǔn)非剛性圖像配準(zhǔn)技術(shù)不提供準(zhǔn)確的結(jié)果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供了一種用于配準(zhǔn)目標(biāo)器官的術(shù)前和術(shù)中圖像的方法和系統(tǒng)。本專利技術(shù)的實(shí)施例提供了一種用于由注氣下的腹部變形的生物力學(xué)建模而驅(qū)動的術(shù)前和術(shù)中圖像的準(zhǔn)確配準(zhǔn)的方法。本專利技術(shù)的實(shí)施例通過優(yōu)化所建模的術(shù)前圖像和術(shù)中圖像之間的強(qiáng)度相似度量度來實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)和注氣模型之間的耦合。本專利技術(shù)的實(shí)施例優(yōu)化生物力學(xué)參數(shù)以利用患者特定的生物力學(xué)參數(shù)來估計(jì)注氣模型。在本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，通過利用與術(shù)中圖像的生物力學(xué)注氣模型約束配準(zhǔn)估計(jì)術(shù)前圖像中一個(gè)或多個(gè)分割的解剖結(jié)構(gòu)的變形，來生成初始配準(zhǔn)的術(shù)前圖像。利用微分同胚的非剛性細(xì)化對初始配準(zhǔn)的術(shù)前圖像進(jìn)行細(xì)化。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，本專利技術(shù)的這些和其它優(yōu)勢通過參照下面的詳細(xì)描述和附圖將變得顯而易見。【專利附圖】【附圖說明】圖1示出了術(shù)前CT掃描和注氣后的術(shù)中CT掃描之間的配準(zhǔn)問題；圖2示出了根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的對患者的目標(biāo)器官的術(shù)前圖像和術(shù)中圖像進(jìn)行配準(zhǔn)的方法；圖3示出了圖2的各方法步驟的示例性結(jié)果；圖4示出了針對術(shù)前圖像中的分割的解剖結(jié)構(gòu)生成的示例性網(wǎng)格；圖5是示出根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的用于實(shí)施注氣約束配準(zhǔn)的算法的偽碼；以及圖6是能夠?qū)嵤┍緦＠夹g(shù)的計(jì)算機(jī)的高級框圖。【具體實(shí)施方式】本專利技術(shù)涉及利用生物力學(xué)模型仿真的目標(biāo)器官的術(shù)前和術(shù)中圖像的配準(zhǔn)。在本文中描述了本專利技術(shù)的實(shí)施例，以給出對于利用生物力學(xué)模型仿真配準(zhǔn)術(shù)前和術(shù)后圖像的方法的可視化理解。數(shù)字圖像通常由一個(gè)或多個(gè)物體(或形狀)的數(shù)字表示組成。物體的數(shù)字表示在本文中通常根據(jù)識別和操作這些物體來描述。這樣的操作是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲器或其它電路/硬件中完成的虛擬操作。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，本專利技術(shù)的實(shí)施例可以利用存儲在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)在該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中被執(zhí)行。腹腔鏡手術(shù)是廣泛用于治療癌癥和其它疾病的微創(chuàng)過程。在該過程期間，使用注氣來為腹腔鏡成像和手術(shù)提供空間。注氣造成胸腹壁和內(nèi)臟的大的變形。由于這些大的變形，通常基于術(shù)前圖像的手術(shù)方案的益處對于實(shí)時(shí)導(dǎo)航來說是有限的。諸如錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)圖像或介入CT圖像的術(shù)中圖像能夠被用于提供注氣后的更新的體積信息。然而，由于由注氣引起的變形，將術(shù)前圖像配準(zhǔn)至術(shù)中圖像是具有挑戰(zhàn)性的。圖1示出了術(shù)前CT掃描和注氣后的術(shù)中CT掃描之間的配準(zhǔn)問題。如圖1中所示出的，圖像100是術(shù)前CT掃描，而圖像110是相同患者在注氣后的術(shù)中CT掃描。如圖像110中所示的，氣體被注入腹腔中，這造成肝臟表面上的大的變形。由于這樣的大的變形，標(biāo)準(zhǔn)的配準(zhǔn)方法無法實(shí)現(xiàn)術(shù)前和術(shù)中圖像之間的準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)。圖2示出了根據(jù)本專利技術(shù)的實(shí)施例的對患者的目標(biāo)器官的術(shù)前圖像和術(shù)中圖像進(jìn)行配準(zhǔn)的方法。雖然此處利用肝臟作為目標(biāo)器官描述了圖2的方法，但是本專利技術(shù)并不限于此，并且本專利技術(shù)的實(shí)施例還可類似地被應(yīng)用于其它器官，諸如膽囊。圖2的方法將表示患者的解剖結(jié)構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以使術(shù)前圖像數(shù)據(jù)與術(shù)中圖像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)或?qū)?zhǔn)，從而提供用于腹腔鏡過程的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。參照圖2，在步驟202處，接收患者的術(shù)前圖像。術(shù)前圖像是包括諸如肝臟的目標(biāo)器官的患者解剖結(jié)構(gòu)的至少一部分的醫(yī)學(xué)圖像。在一個(gè)有益的實(shí)施方式中，術(shù)前圖像是3D醫(yī)學(xué)圖像。例如，術(shù)前圖像可以是3D CT圖像，但是本專利技術(shù)并不限于此，并且還可利用其他成像模態(tài)獲得術(shù)前圖像，諸如磁共振成像(MRI)、正電子發(fā)射斷層成像(PET)、超聲，等等。術(shù)前圖像可直接從諸如CT掃描儀的圖像采集裝置被接收，或者術(shù)前圖像可通過加載來自計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲器或存儲設(shè)備的先前存儲的圖像而被接收。圖3示出了圖2的各方法步驟的示例性結(jié)果。如圖3中所示的，圖像300是患者的胸部的術(shù)前CT圖像。返回圖2，在步驟204處，在術(shù)前圖像中分割目標(biāo)器官和周圍的解剖結(jié)構(gòu)。例如，可以在術(shù)前圖像中分割肝臟，并且也能夠分割其它解剖結(jié)構(gòu)，諸如腹壁、其它器官、骨頭和其他周圍組織。在一個(gè)實(shí)施例中，在術(shù)前圖像中能夠利用圖論方法半自動地分割目標(biāo)器官和其它解剖結(jié)構(gòu)，所述圖論方法諸如隨機(jī)游走分割。對于每個(gè)結(jié)構(gòu)，用戶限定感興趣區(qū)域內(nèi)部和外部的種子。之后，隨機(jī)游走算法自動估計(jì)結(jié)構(gòu)的邊界。如果必要，該過程可被用戶交互地進(jìn)行細(xì)化。還能夠利用諸如基于邊緣空間學(xué)習(xí)(MSL)的分割的全自動分割、或手動分割來分割目標(biāo)器官和周圍結(jié)構(gòu)。例如利用計(jì)算幾何算法庫(CGAL)針對每個(gè)分割的結(jié)構(gòu)生成四面體網(wǎng)格元素，從而導(dǎo)致針對每個(gè)分割的結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格。這些體網(wǎng)格的表面點(diǎn)被自動地標(biāo)記，其隨后在步驟208中被用來施加注氣壓力。可替代地，結(jié)果得到的分割可被并入多標(biāo)記掩模圖像中，其隨后被用于生成四面體多域網(wǎng)格。在示例性實(shí)施例中，術(shù)前圖像被分割為肝臟、腹壁和周圍組織。圖4示出了針對術(shù)前圖像中的分割的解剖結(jié)構(gòu)而生成的示例性網(wǎng)格。如圖4中所示，圖像400示出了初始網(wǎng)格，包括從術(shù)前圖像中分割出的腹壁402、肝臟404、和周圍組織406。圖像410示出了網(wǎng)格，其包括為了配準(zhǔn)至注氣后所采集的術(shù)中圖像而被變形之后的腹壁402、肝臟404、和周圍組織406。圖2的步驟202和204可在腹腔鏡過程之前被執(zhí)行，并且這些步驟的結(jié)果可被存儲在例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲器或存儲設(shè)備上，并隨后在腹腔鏡過程期間被加載。步驟206-212在腹腔鏡過程期間被執(zhí)行。在步驟206處，接收患者的術(shù)中圖像。術(shù)中圖像是在諸如注氣后(即，在氣體已被注入腹腔中后)的腹腔鏡過程的過程期間采集的至少包括目標(biāo)器官的區(qū)域的醫(yī)學(xué)圖像。根據(jù)一個(gè)有益的實(shí)施方式，術(shù)中圖像可以是3D醫(yī)學(xué)圖像。例如，術(shù)中圖像可以是3D C形臂錐形束CT圖像或其它類型的介入CT圖像。術(shù)中圖像可直接從諸如C形臂圖像采集裝置的圖像采集裝置被接收。如圖3中所示，圖像310是患者胸部區(qū)域的術(shù)中CT圖像。返回圖2，在步驟208處，利用與術(shù)中圖像的注氣模型約束配準(zhǔn)來估計(jì)術(shù)前圖像中分割的目標(biāo)器官和周圍解剖結(jié)構(gòu)的變形。該步驟利用基于力學(xué)參數(shù)和壓力水平的注氣生物力學(xué)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于將患者的術(shù)前圖像配準(zhǔn)至所述患者的術(shù)中圖像的方法，包括：通過利用與術(shù)中圖像的生物力學(xué)注氣模型約束配準(zhǔn)來估計(jì)術(shù)前圖像中一個(gè)或多個(gè)分割的解剖結(jié)構(gòu)的變形來生成被初始配準(zhǔn)的術(shù)前圖像；以及利用微分同胚的非剛性細(xì)化對被初始配準(zhǔn)的術(shù)前圖像進(jìn)行細(xì)化。

【技術(shù)特征摘要】
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：O·奧克泰，L·張，
申請(專利權(quán))人：西門子公司，
類型：發(fā)明
國別省市：德國;DE