一种抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法及系统

技术领域

本发明属于手术导航技术领域，涉及一种支气管镜导航方法，尤其涉及一种抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法及系统。

背景技术

支气管镜是呼吸系统疾病的重要诊疗器械之一，用于对支气管腔进行观察以及进行肺部组织活检等。支气管镜导航技术可以在支气管镜手术过程中指明器械末端在患者支气管中的位置，并引导到待观察目标以及活检目标处。

目前的支气管镜导航技术，按照利用的信息模态，可分为电磁导航支气管镜、图像导航支气管镜，以及混合模态导航支气管镜等。电磁导航支气管镜是相对可靠并被广泛使用的技术。

电磁导航支气管镜在器械中装有磁定位传感器，其实现过程包括：

1）对器械进行手眼标定，得到器械末端坐标系

和/>

（1）

的计算方式为首先用奇异值分解的方法进行初始估计，然后用迭代最近点的方法进行优化求解。

若已知器械末端的位姿

（2）

2）对术前CT数据进行处理，得到支气管树的三维形态描述信息（以下简称“地图信息”），其形式为支气管树的表面信息，或支气管树的表面信息和支气管树中各气道中心线信息。根据地图信息，可以在计算机图形界面上显示支气管树的三维形态图（以下简称“地图”）。

3）手术开始时，进行初始配准。用支气管镜携带器械在支气管中移动，将器械末端依次放置在多个位置，按照磁定位传感器记录的多个坐标

（3）

m为初始配准收集的坐标数量。

初始配准坐标变换矩阵

（4）

4）在手术过程中，由公式（5-6）进行实时配准。

得到手眼标定坐标变换矩阵

得到

（5）

（6）

电磁导航支气管镜使用的配准技术有多种，例如构建代价函数来计算最佳的配准坐标变换矩阵，或者综合磁定位传感器输出的坐标和角度信息，与支气管树中各气道中心线信息进行ICP配准等。

支气管镜手术由支气管镜镜体和器械耗材配合完成。器械耗材包括可视探头、活检钳等（下面简称“器械”）。器械由母镜的器械通道伸出，可以携带磁定位传感器进入更细的支气管。如果器械能够进入对CT数据进行三维重建时无法分辨的气道，就能够在手术中记录新的地图信息（下面简称“新气道信息”）。

由于呼吸及其他干扰，导航过程中支气管会发生形变，与地图信息有差异。如果没有考虑呼吸干扰，按照配准点在地图中的位置来判断是否进入了新气道以及记录新气道的形状，就出现误判和记录不准确。

本发明提出一种抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法，能够在有呼吸及其他干扰的情况下区分器械是在已有地图信息的气道内还是在无地图信息的气道内，并且在记录新气道信息时排除呼吸干扰对新气道形态的影响。

发明内容

本发明实施例提供了抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法及系统，可以根据经配准坐标变换矩阵变换后的磁导航轨迹，在术中记录新气道信息，更新地图信息。

第一方面，本发明实施例提供一种抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法，该方法包括：

针对电磁导航支气管镜，进行初始配准得到配准坐标变换矩阵；

在常规状态下，进行实时配准并实时更新配准坐标变换矩阵；由实时的配准坐标变换矩阵及磁导航轨迹点确定当前配准点在地图中的坐标；当满足建图预备判定条件，则记录满足建图预备判定条件之前最后时刻支气管树表面或支气管树各气道中心线中与配准点最近的点，定义为保留气道最近点，之后转移到建图预备状态；

在建图预备状态下，继续进行实时配准，更新配准坐标变换矩阵，并由配准坐标变换矩阵和磁导航轨迹点计算当前配准点在地图中的坐标；同时记录从进入建图预备状态时刻开始所有的配准点，并保存在预备配准点列表中；当满足建图预备结束判定条件，则删除对保留气道最近点和预备配准点列表的记录信息，并转移到常规状态；当满足建图判定条件，则记录满足建图判定条件之前最后时刻的配准坐标变换矩阵，以及由此刻磁传感器记录导出的代表器械朝向的方向向量，并转移到建图状态；

在建图状态下，配准坐标变换矩阵不再更新，并由当前保留的配准坐标变换矩阵和磁导航轨迹点计算配准点在地图中的坐标，利用保留气道最近点、预备配准点和实时记录的配准点，维护一个表示气道的三维点列表即气道点列表；每次更新气道点列表，将其与地图信息进行融合，得到新的地图信息；当满足建图结束判定条件，则停止对气道点列表的更新，将气道点列表和地图信息最后一次融合的结果作为新的地图信息；转移到常规状态，并恢复对配准坐标变换矩阵的更新。

第二方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一实施例所述的抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法。

第三方面，本发明实施例提供了一种电磁导航支气管镜系统，所述系统包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如任一实施例所述的抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法。

本发明实施例所提供的技术方案，通过将电磁导航支气管镜在工作过程中的状态分为三种，即常规状态、建图预备状态和建图状态，通过判定条件来确定状态是否转移；由于对建图预备状态和建图状态的判定不仅考虑了配准点和最近气道点的距离，还考虑了配准器械朝向向量

附图说明

图1为器械末端坐标系和磁定位传感器坐标系的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法流程图；

图3为不加抗呼吸干扰机制的地图拓展结果（图中圆点为初始配准使用的配准点）；

图4为具备抗呼吸干扰机制的地图拓展结果（图中圆点为初始配准使用的配准点）。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2是本发明实施例提供的一种抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法，该方法可以由软件和/或硬件的方式来实现。

如图2所示，抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法包括：

针对电磁导航支气管镜，在手术开始时进行初始配准得到配准坐标变换矩阵；用一个状态机来管理电磁导航支气管镜系统的工作过程，所述状态机中的状态有常规状态、建图预备状态和建图状态三种。

所述状态机的状态转移条件有建图预备判定条件、建图判定条件、建图结束判定条件、建图预备结束判定条件四种。系统在常规状态下，满足建图预备判定条件，即转移到建图预备状态，系统在建图预备状态下，满足建图判定条件，即转移到建图状态。系统在建图状态下，满足建图结束判定条件，即转移到常规状态。

在常规状态下，进行实时配准，更新配准坐标变换矩阵，并由配准坐标变换矩阵和磁导航轨迹点计算配准点在地图中的坐标。系统在计算机图形界面上实时显示地图和配准点位置。

如果满足建图预备判定条件，则记录满足建图预备判定条件之前的最后时刻支气管树表面或支气管树各气道中心线中与配准点最近的点即保留气道最近点，然后进入建图预备状态。

在建图预备状态下，继续进行实时配准，更新配准坐标变换矩阵，并由配准坐标变换矩阵和磁导航轨迹点计算配准点在地图中的坐标。系统记录从进入建图预备状态时刻开始所有的配准点，并保存在预备配准点列表中。系统并在计算机图形界面上实时显示地图和配准点位置。

如果满足建图预备结束判定条件，则删除对保留气道最近点和预备配准点列表的记录信息，并转移到常规状态；如果满足建图判定条件，则记录满足建图判定条件之前最后时刻的配准坐标变换矩阵，以及由此刻磁传感器记录导出的代表器械朝向的方向向量，并转移到建图状态。

在建图状态下，配准坐标变换矩阵不再更新，并由当前保留的配准坐标变换矩阵和磁导航轨迹点计算配准点在地图中的坐标。系统利用保留气道最近点、预备配准点列表和实时记录的配准点，维护一个表示气道的三维点列表即气道点列表。系统每次更新气道点列表，将其与地图信息进行融合，得到新的地图信息。系统在计算机图形界面上实时显示新的地图和配准点。

在建图状态下，如果满足建图结束判定条件，则停止对气道点列表的更新，将气道点列表和地图信息最后一次融合的结果作为新的地图信息，供接下来的系统工作过程使用。系统转移到常规状态，并恢复对配准坐标变换矩阵的更新。

以当前配准点为起点，以代表器械朝向的方向向量为方向，建立一个向量即配准器械朝向向量

状态机中的状态转移条件有两种定义方式，第一种定义方式是根据

建图预备判定条件为，在常规状态下，满足：

（7）

建图判定条件为，在建图预备状态下，满足：

（8）

建图预备结束判定条件为，在建图预备条件下，满足：

（9）

建图结束判定条件为，在建图条件下，满足：

（10）

其中，

第二种定义方式是根据

当气道最近点为支气管树各气道中心线上的点时：

建图预备判定条件为，在常规状态下，满足：

（11）

建图判定条件为，在建图预备状态下，满足：

（12）

建图预备结束判定条件为，在建图预备条件下，满足：

（13）

建图结束判定条件为，在建图条件下，满足：

（14）

其中，

当气道最近点为支气管树表面上的点时：

建图预备判定条件为，在常规状态下，满足：

（15）

建图判定条件为，在建图预备状态下，满足：

（16）

建图预备结束判定条件为，在建图预备条件下，满足：

（17）

建图结束判定条件为，在建图条件下，满足：

（18）

其中，

气道点列表的计算和更新方式如下：

在进入建图状态时，以保留气道最近点为起点，以代表器械朝向的方向向量为方向，建立一个向量即气道朝向向量，将预备配准点列表中的点往气道朝向向量上做投影，得到的投影点作为气道点列表。在建图状态中，实时记录的配准点继续往气道朝向向量上做投影，得到的投影点加入到气道点列表中。

实施例1

对器械进行手眼标定，得到手眼标定坐标变换矩阵

的计算方式为首先用奇异值分解的方法进行初始估计，然后用迭代最近点的方法进行优化求解。

对术前CT数据进行处理，得到地图信息，其形式为支气管树的表面信息。

手术开始时，进行初始配准，得到配准坐标变换矩阵

初始配准后，用一个状态机来管理所述电磁导航支气管镜系统的工作过程，如图1所示。系统在工作过程中的状态分为常规状态、建图预备状态和建图状态。

系统在常规状态下，进行实时配准，更新配准坐标变换矩阵，并由配准坐标变换矩阵和磁导航轨迹点计算配准点在地图中的坐标。系统在计算机图形界面上显示地图和配准点位置。

系统在常规状态下，如果满足建图预备判定条件（公式7），则记录满足建图预备判定条件之前的最后时刻支气管树表面与配准点最近的点，作为保留气道最近点，然后进入建图预备状态。本实施例使用的参数

系统在建图预备状态下，如果满足建图预备结束判定条件（公式9），则删除对保留气道最近点和预备配准点列表的记录信息，并转移到常规状态。

系统在建图预备状态下，如果满足建图判定条件（公式8），则记录满足建图判定条件之前最后时刻的配准坐标变换矩阵，以及由此刻磁传感器记录导出的代表器械朝向的方向向量，并转移到建图状态。本实施例使用的参数

系统在建图状态下，配准坐标变换矩阵不再更新，并由当前保留的配准坐标变换矩阵和磁导航轨迹点计算配准点在地图中的坐标。系统利用保留气道最近点、预备配准点和实时记录的配准点，维护气道点列表。系统每次更新气道点列表，将其与地图信息进行融合，得到新的地图信息。系统在计算机图形界面上显示新的地图和配准点。

系统在建图状态下，如果满足建图结束判定条件（公式10），则停止对气道点列表的更新，将气道点列表和地图信息最后一次融合的结果作为新的地图信息，供接下来的系统工作过程使用。系统转移到常规状态，并恢复对配准坐标变换矩阵的更新。

气道点列表的计算和更新方式如下：

在进入建图状态时，以保留气道最近点为起点，以代表器械朝向的方向向量为方向，建立一个向量即气道朝向向量，将预备配准点列表中的点往气道朝向向量上做投影，得到的投影点作为气道点列表。在建图状态中，实时记录的配准点继续往气道朝向向量上做投影，得到的投影点加入到气道点列表中。

每次更新气道点列表时，将气道点列表与支气管树的表面信息进行融合并在计算机图形界面显示，融合的方式如下：

1. 利用气道点列表，进行平滑和插值，得到一个新的点列表。

2. 依次连接上述新的点列表，得到一个线结构。将此线结构作为轴线，设置半径r，生成一个两端封闭的管道结构。

3. 将此管道结构与支气管树的表面信息做布尔并运算，得到的结果即是气道点列表与地图信息融合的结果。

实施例2

步骤同实施例1，不同之处在于：

建图预备判定条件如公式（15）。本实施例使用的参数

为根据当前气道最近点所在的气道分支级数对应的预计气道半径，所依据的气道分支模型参见Morphometry of the human lung[M]. Berlin: Springer, 1963.，/>

表 1 分支级数与对应预计气道半径的关系

建图预备结束判定条件如公式（17）。

建图判定条件如公式（16）。本实施例使用的参数

建图结束判定条件如公式（18）。

实施例3

对器械进行手眼标定，得到手眼标定坐标变换矩阵

的计算方式为首先用奇异值分解的方法进行初始估计，然后用迭代最近点的方法进行优化求解。

对术前CT数据进行处理，得到地图信息，其形式为支气管树中各气道中心线信息和支气管树的表面信息。

手术开始时，进行初始配准，得到配准坐标变换矩阵

初始配准后，用一个状态机来管理所述电磁导航支气管镜系统的工作过程，如图1所示。系统在工作过程中的状态分为常规状态、建图预备状态和建图状态。

系统在常规状态下，进行实时配准，更新配准坐标变换矩阵，并由配准坐标变换矩阵和磁导航轨迹点计算配准点在地图中的坐标。系统在计算机图形界面上显示地图和配准点位置。

系统在常规状态下，如果满足建图预备判定条件（公式7），则记录满足建图预备判定条件之前的最后时刻支气管树各气道中心线中与配准点最近的点，作为保留气道最近点，然后进入建图预备状态。本实施例使用的参数

系统在建图预备状态下，继续进行实时配准，更新配准坐标变换矩阵，并由配准坐标变换矩阵和磁导航轨迹点计算配准点在地图中的坐标。系统记录从进入建图预备状态时刻开始所有的配准点，并保存在预备配准点列表中。系统并在计算机图形界面上显示地图和配准点位置。

系统在建图预备状态下，如果满足建图预备结束判定条件（公式9），则删除对保留气道最近点和预备配准点列表的记录信息，并转移到常规状态。

系统在建图预备状态下，如果满足建图判定条件（公式8），则记录满足建图判定条件之前最后时刻的配准坐标变换矩阵，以及由此刻磁传感器记录导出的代表器械朝向的方向向量，并转移到建图状态。本实施例使用的参数

系统在建图状态下，配准坐标变换矩阵不再更新，并由当前保留的配准坐标变换矩阵和磁导航轨迹点计算配准点在地图中的坐标。系统利用保留气道最近点、预备配准点和实时记录的配准点，维护气道点列表。系统每次更新气道点列表，将其与地图信息进行融合，得到新的地图信息。系统在计算机图形界面上显示新的地图和配准点。

系统在建图状态下，如果满足建图结束判定条件（公式10），则停止对气道点列表的更新，将气道点列表和地图信息最后一次融合的结果作为新的地图信息，供接下来的系统工作过程使用。系统转移到常规状态，并恢复对配准坐标变换矩阵的更新。

气道点列表的计算和更新方式如下：

在进入建图状态时，以保留气道最近点为起点，以代表器械朝向的方向向量为方向，建立一个向量即气道朝向向量，将预备配准点列表中的点往气道朝向向量上做投影，得到的投影点作为气道点列表。在建图状态中，实时记录的配准点继续往气道朝向向量上做投影，得到的投影点加入到气道点列表中。

每次更新气道点列表时，将气道点列表与支气管树的表面信息、支气管树中各气道中心线信息进行融合并在计算机图形界面显示，融合的方式如下：

1. 气道点列表与支气管树的表面信息的融合

1)利用气道点列表，进行平滑和插值，得到一个新的点列表。

2)依次连接上述新的点列表，得到一个线结构。将此线结构作为轴线，设置半径r，生成一个两端封闭的管道结构。

3)将此管道结构与支气管树的表面信息做布尔并运算，得到的结果即是气道点列表与地图信息融合的结果。

2. 气道点列表与支气管树中各气道中心线信息的融合

1) 利用气道点列表，进行平滑和插值，得到一个新的点列表。

2) 依次连接上述新的点列表，得到一个线结构。

3) 将此线结构加入到支气管树中各气道中心线信息中，得到的结果即是气道点列表与支气管树中各气道中心线信息的融合结果。

实施例4

步骤同实施例3，不同之处在于：

建图预备判定条件如公式（11）。本实施例使用的参数

为根据当前保留气道最近点所在的气道分支级数而假设的气道半径，其定义方式如表1所示。

建图预备结束判定条件如公式（13）。

建图判定条件如公式（12）。本实施例使用的参数

建图结束判定条件如公式（14）。

为了验证本发明方法的有效性，设计了实验对本发明的抗呼吸干扰的术中地图拓展方法重建气道的误差进行评价。其实验方法如下：

首先，从算法用气道树中心线数据中删除需要重建的中心线分支，并把删除的中心线分支数据作为标准值。

然后用支气管镜携带磁定位传感器在假体内移动，进入需要重建的中心线分支，然后退出，此过程中录制磁导航数据。

在磁导航数据上加以主隆嵴为中心的呼吸干扰，每点的运动幅度和此点与主隆嵴距离成正比。假设呼吸过程中气管没有被伸长，因此在主隆嵴的气管一侧不加横断面方向的呼吸干扰。

公式(19-20)为在磁导航数据上加呼吸干扰的公式。公式（19）中，

（19）

M为一个呼吸周期的磁导航数据量，其计算如公式（20），

（20）/>

使用加呼吸干扰后的磁导航数据作为导航算法输入，在导航过程中重建出气道，将气道点列表和对应的中心线分支标准值相比较，为气道点列表中每一点找到中心线分支标准值中的最近点，并计算平均距离，作为气道重建的误差值。

在1条中心线分支上进行此实验过程，每个呼吸幅度下进行3次重建取平均值，并把无抗呼吸干扰的算法结果和加抗呼吸干扰的算法结果相比较。这里无抗呼吸干扰的算法是指状态机的状态转移条件只考虑气道最近点与配准点之间的欧几里得距离，并且在建立和更新气道点列表时直接使用预备配准点列表中的点和实时记录的配准点的原始坐标。对应的气道重建误差如表2所示，可以看出加抗呼吸干扰的算法气道重建误差比无抗呼吸干扰的算法气道重建误差有明显的减小。

表 2 有呼吸干扰下的气道重建误差

在呼吸干扰幅度为0.2时，对无抗呼吸干扰的算法结果和加抗呼吸干扰的算法结果各取截图如图3-4所示，可以看出抗呼吸干扰算法的效果是积极的，一是新气道起始位置不再有横向偏移，二是不会因为呼吸运动而使新气道出现折叠的形状。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一种抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法。

本申请实施例还提供一种电磁导航支气管镜系统，所述系统包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述任一种抗呼吸干扰的电磁导航支气管镜术中地图拓展方法。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明并不限于上述实施例，在本领域技术人员所具有的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。比如：将其扩展应用至多机协同探索系统。