用于成像装置的空间配准方法

技术领域

本发明大体上涉及传感器相对于成像换能器的图像平面的位置和定向的配准。

背景技术

存在用于借助于位置传感器和成像探针来引导仪器的医疗系统。举例来说，可以借助于放置在成像探针上的位置传感器来确定由成像系统显示的平面(图像平面)的绝对位置和定向。举例来说，如果期望跟踪针的路径和位置，则跟踪系统必须能够跟踪针相对于由成像系统获取的图像的位置。

一种跟踪针的方式是将针位置传感器附连到针上的预定点，并测量针尖的精确位置和定向。然而，在成像换能器上的方便的任意位置处附接到成像换能器的成像位置传感器并不具有相对于换能器的图像平面良好确定的空间位置和定向，以便将换能器位置传感器与换能器成像平面精确地相关。由于针到解剖靶标的导览使用所获取的图像作为用于针及其未来路径的显示的背景，故必须计算成像平面相对于成像换能器上的位置传感器的精确位置和定向。

融合成像是融合两种不同成像模态的技术。举例来说，在例如但不限于肝脏介入的某些医疗手术中，将实时超声与例如但不限于CT、MR和正电子发射断层显像PET-CT等的其它成像模态融合。融合成像需要超声图像与其它成像模态图像的配准。现有技术的成像配准需要将图像相对于基准标记(在患者内部或外部)配准。

发明内容

本发明旨在提供用于安装在成像探针(其可以是但不限于超声探针)上的位置传感器的位置和定向的配准的改进方法，如下文中更详细地所描述。术语“探针”和“换能器”在全文中可互换地使用。位置传感器，也被称为跟踪装置，可以是但不限于磁性、光学、电磁、射频(RF)、惯性测量单元(IMU)、加速计和/或其任何组合。

跟踪装置固定在成像换能器上，由此限定跟踪装置的位置和定向与成像换能器的图像平面的位置和定向之间维持的恒定空间关系。

校准方法可以用于找到此恒定空间关系。一种非限制性的合适校准方法是转让给以色列的Trig医疗有限公司的第8887551号美国专利的方法，所述美国专利的公开内容以引用的方式并入本文中。通过使用此恒定空间关系，处理器可以基于跟踪装置的位置和定向来计算图像的确切位置和定向。

为了使用此类校准方法，必须执行配准过程以便将图像(例如超声图像)相对于所附接的跟踪装置配准。

本发明提供一种用于使用成像装置的图像(例如超声换能器的图片)以及使用图像处理技术的所附接的跟踪装置来执行此配准过程的方法，如下文所描述。

此方法需要使用成像装置(例如相机、X射线、CT)以从一个或多个角度拍摄图像换能器的一个或多个图像，或捕获从一个或多个角度连续地查看图像换能器的视频剪辑。跟踪装置出现在一个或多个所获取的图像中。跟踪装置的形状和大小必须是已知的。

因此，根据本发明的实施例提供了一种用于图像相对于跟踪装置的配准的方法，其包含：获取跟踪装置附接到的成像换能器的图像；标识成像换能器和跟踪装置的形状和尺寸；计算成像换能器和跟踪装置的空间定向；基于成像换能器和跟踪装置的空间定向来计算变换矩阵；将成像换能器的坐标转换为所附接的跟踪装置的坐标，由此提供图像与成像换能器的配准；计算成像换能器的图像平面；以及假设图像平面与换能器主体成恒定且众所周知的空间关系。

成像换能器的图像可以包含成像换能器的发射成像能量的部分、跟踪装置以及成像换能器的基准标记。标识步骤可以包含找到成像换能器和发射成像能量的部分、跟踪装置以及基准标记的轮廓。

计算空间定向的步骤可以包含使用跟踪装置的形状作为参考来计算图像中的任何感兴趣的点之间的距离。

确定图像平面的空间位置的步骤可以包含确定图像的每个像素的空间位置。

所述方法进一步包含：在侵入性手术期间将位置传感器附连到侵入性仪器以获得侵入性仪器的位置数据；以及使用跟踪装置以将位置数据相对于成像换能器的图像平面配准。

附图说明

通过结合附图的以下具体实施方式，将更全面地理解和认识本发明，在附图中：

图1是根据本发明的非限制性实施例的安装在成像探针(换能器)上的位置传感器(跟踪装置)的简化图示，并展示了探针的图像平面；

图2是根据本发明的非限制性实施例的用于图像相对于跟踪装置的配准的方法的简化框图；并且

图3A和3B是根据本发明的非限制性实施例的参考板、成像台和位置传感器的简化图示。

具体实施方式

现在参考图1，其示出了安装在成像探针(换能器)12上的位置传感器(跟踪装置)10。图1展示了探针12的图像平面。探针12在探针12的左侧和/或右侧上具有基准标记14，例如凸耳或突起部。

以下是对本发明的方法的一项非限制性描述，并且以下参考图2进行描述。

步骤1—获取图片/视频剪辑(术语“图像”涵盖图片、照片、视频剪辑等)。

获取具有所附接的跟踪装置的换能器的一个或多个图像。在所获取的图像中，可以看到以下内容：

a.换能器，其包含换能器的发射超声能量(或其它成像模态能量，例如RF)的部分。

b.所附接的跟踪装置。

c.换能器的基准标记，例如换能器上的左侧或右侧凹口或标记。

步骤2—使用图像处理技术标识形状和尺寸

在获取图像之后，使用本领域中众所周知的且可商购的图像处理技术来标识换能器和所附接的跟踪装置的形状。此标识过程找到换能器和发射成像能量(例如超声波)的部分13(图1)、所附接的跟踪装置以及基准标记的轮廓。

步骤3—计算所标识的项目的3D尺寸和空间定向

所附接的跟踪装置的尺寸是已知的。使用此已知的几何形状，处理器使用跟踪装置的几何形状作为参考来计算同一图片(图像)中的任何感兴趣的点之间的距离。在一个或多个图像中标识换能器和所附接的跟踪装置的轮廓和细节之后，分析所标识的项目以参考跟踪装置获得发射成像能量的部分13和基准标记14的3D位置和定向。

步骤4—计算变换矩阵

基于测量以及所附接的跟踪装置相对于换能器的相对位置和定向，计算变换矩阵，其将用于将成像系统的坐标变换为所附接的跟踪装置的坐标。此矩阵表示图像(例如超声图像)与换能器的配准。

步骤5—计算图像平面

由于图像平面相对于换能器处于恒定且众所周知的位置，故确定了图像平面相对于跟踪装置的空间位置。此外，使用图像上呈现的尺度，确定了图像的每个像素相对于跟踪装置的空间位置。与本发明的配准过程一起使用的一些适用的定位系统和跟踪装置包含但不限于：

a.磁性定位系统，其中跟踪装置是任何类型的磁体或磁性传感器，或磁场源生成器。

b.电磁定位系统，其中跟踪装置是任何类型的电磁传感器，或电磁源生成器。

c.超声定位系统，其中跟踪装置是任何类型的超声传感器(或麦克风)，或超声源生成器(发射器或换能器)。

d.光学定位系统，其中跟踪装置用作分配/定向标记，或任何类型的光源。

e.除了上述系统以外的定位系统和装置，或被构造为上述系统的任何组合的系统。

将例如针的要跟踪的仪器的空间位置和定向实时覆叠在超声图像上，从而允许在插入之前进行规划，并在平面内和平面外手术两者中的插入期间展示针的预期位置和定向。

其它特征包含考虑用于患者的检查(成像)台以及侵入性仪器引导系统。检查(成像)台相对于图像平面(CT、MRI、X射线等)的位置是已知的，并被记录在图像上。可以经由医学数字成像和通信(DICOM)协议获得此相对位置。

CT、MR和X射线成像下的介入手术需要所扫描的图像的配准。现有技术的成像配准需要将图像相对于附接到患者的内部或外部基准标记配准。与此对比，本发明提供了一种新颖的配准技术，所述配准技术不是基于附接到患者的内部或外部基准标记，而是相对于包含任何类型的位置传感器或发射器的底板(参考板)50进行配准，所述位置传感器或发射器是例如但不限于光学、超声、RF、电磁、磁性、IMU等。

假设侵入性仪器引导系统具有参考板。为了知道侵入性仪器引导系统的位置，我们可以将侵入性仪器引导系统放置在检查台上，使得将参考板固定到所述台，并获得检查台上的板的图像。所述系统根据成像台上的台结构或基准标记而相对于所述台的位置来标识板(或固定到板的已知结构)。

参考板50的3D坐标是已知的，并相对于例如成像台的其它成像模态的已知结构54被限定。在每个成像切片中限定成像台的位置。接着可以相对于成像台(已知结构54)限定参考板50的3D坐标。

可以将至少一个传感器附连到患者，以补偿成像期间患者相对于参考板和成像台的任何移动。假设在执行扫描之前(从获得检查台上的板的图像直到通过CT、MRI、X射线等对患者进行扫描)板不移动。

在扫描之后，将扫描切片的位置相对于板50配准，所述板相对于扫描台的位置是已知的。因此，板可以处于任何任意位置，这是因为在扫描期间相对于板确立了患者的位置。

将位置传感器附连到侵入性仪器(例如针)，以在侵入性手术期间获得侵入性仪器的位置数据。

将插入工具(例如针)的空间位置和定向实时覆叠在包含靶标的CT/MR/PETCT/X射线矢状图像上，从而允许在插入之前进行规划，并在平面内和平面外手术两者中的插入期间展示针的预期位置和定向。

另一选项是使用已知的多平面重建(MPR)算法，所述算法提供了对所扫描的体积的图像的有效计算，其可以实时创建多平面显示。基于先前所扫描的矢状图像区段的已知空间位置，计算MPR体积和切片的任何区段相对于板的空间位置。系统实时呈现穿过针的配准体积的一个或多个横截面，从而允许以任何针角度进行平面外手术，其优点是在所渲染的图像(如平面内手术)中展示完整的针。

另一选项是使用至少一个图像切片，其显示具有特定几何形状(例如角锥形、多面体等)的板的外部或内部特征的图像，以作为相对于所述切片的板位置的参考。由于扫描体积中的所有切片的空间关系是已知的，故确定了板相对于所有图像切片的空间位置。

成像系统获得附连到针(或其它侵入性仪器)的位置传感器的图像以及侵入性仪器上的其它两个点。可以选择两个点，使得可以由成像处理器计算侵入性仪器的长度(可以替代地用手输入侵入性仪器的长度)。

参考图3A和3B，其示出了根据本发明的非限制性实施例的参考板、成像台和位置传感器。

如上文所提及，融合成像需要超声图像与其它成像模态图像的配准。现有技术的成像配准需要将图像相对于基准标记(在患者内部或外部)配准。与此对比，本发明提供了一种新颖的配准技术，所述配准技术不是基于内部或外部基准标记，而是相对于包含任何类型的位置传感器或发射器的底板(参考板)50进行配准，所述位置传感器或发射器是例如但不限于光学、超声、RF、电磁、磁性、IMU等。

在本发明的实施例中，通过将位置传感器附连到患者而确立患者相对于板50的位置。当获得患者体内的靶标的图像切片时由位置传感器感测的患者位置充当用于计算例如针插入的侵入性手术期间的患者位置的基础。位置传感器不移动，例如被放置在骨骼中，而不是可以移动的软组织中。然而，如果位置传感器确实移动，则可以通过使用所述位置传感器和/或例如安装在肋骨上方或隔膜下方的皮肤上的其它位置传感器来感测并考虑此移动，以消除呼吸或其它因素的效应。来自检测呼吸效应的位置传感器的信息可以用于指示患者在侵入性手术期间或在图像融合期间何时屏住其呼吸。此信息还可以用于实时指示患者当前呼吸状态与所显示的切片中的呼吸状态之间的相似度。