用于患者肺部的多张CT扫描片的统一坐标系的制作方法

本申请请求享有美国临时专利申请第62/020,242号的权益和优先权，该美国临时专利申请的申请日为2014年7月2日，其全部内容通过引用方式组合在本文中。

技术领域

本公开文本涉及处理计算机断层扫描(CT)图像以在统一坐标系中对准多组CT图像的系统和方法。

背景技术：

涉及可视化患者肺部的可视化技术已经得到发展，可帮助临床医生对患者肺部进行诊断和/或手术。可视化对于识别病变部位的位置尤为重要。此外，当治疗病变部位时，重点附加地放在病变部位的特定位置的识别上，以在正确位置执行手术操作。

在过去，使用肺部的二维(2D)扫描图像来帮助可视化。为了获得2D扫描图像，患者要经历多次CT扫描。但是，每次CT扫描基于扫描参数、起始点和视野而具有不同的坐标系。当确定肺部中的位置时，用户将确定沿Z轴的切片数量，然后从图像的左顶角(即，X轴上从左至右以及Y轴上从顶部到底部)确定图像的二维像素坐标。医学图像数字成像和通信(DICQM)标准的坐标规范规定了患者在特定扫描和/或机器中包含的图像中的方位。

技术实现要素：

根据本公开文本的一种用于对准CT图像的系统包括处理多组CT图像的中央处理单元(CPU)。CPU通过下述步骤处理每组CT图像：从该组CT图像的多张图像确定主隆突的位置；将主隆突设置为原点；根据原点，为所述多张CT图像中的每张CT图像中的每个像素计算x坐标、y坐标和z坐标；根据所述多张图像渲染出3D模型；使每张CT图像中的每个像素的x坐标、y坐标和z坐标与3D模型中的对应体素相关联；将用于3D模型中的每个对应体素的x坐标、y坐标和z坐标存储为体素位置数据。该系统还包括图形处理单元(GPU)和显示器，图形处理单元(GPU)根据体素位置数据处理用于所述多组CT图像中的每组CT图像的3D模型，显示器显示第一3D模型和第二3D模型。

在一些方面，CPU执行下述步骤：确定所述多张CT图像中的第一CT图像，其中，所述第一CT图像包括主隆突；将第一CT图像中的每个像素的z坐标设置为零；根据原点，确定第一CT图像中的每个像素的x坐标；根据原点，确定第一CT图像中的每个像素的y坐标；和将用于第一CT图像中的每个像素的z坐标、已确定的x坐标和已确定的y坐标存储为第一像素位置数据。

在另一方面，CPU执行下述步骤：处理所述多张CT图像中的第二CT图像；根据第一CT图像和第二CT图像之间的距离，确定第二CT图像中的每个像素的z坐标；设置第二CT图像中的基准点，其中，基准点沿z轴与原点轴向对准；根据基准点，确定第二CT图像中的每个像素的x坐标；根据基准点，确定第二CT图像中的每个像素的y坐标；和将用于第二CT图像中的每个像素的已确定的z坐标、已确定的x坐标、和已确定的y坐标存储为第二像素位置数据。

在一些方面，从数据存储中获取所述多张CT图像。

在一些方面，显示器并排显示第一3D模型和第二3D模型。此外，使第一3D模型和第二3D模型同步化，从而可让用户同时操纵第一3D模型和第二3D模型。

本公开文本还提供了另一种用于对准CT图像的系统，所述系统包括处理多组CT图像的CPU。CPU通过执行下述步骤处理每组CT图像：从该组CT图像中的多张CT图像确定主隆突、右叶隆突和左叶隆突的位置；根据主隆突、右叶隆突和左叶隆突的位置设置基准平面；将主隆突设置为原点；根据原点和基准平面，为所述多张CT图像中的每张CT图像中的每个像素计算x坐标、y坐标和z坐标；从所述多张CT图像渲染出3D模型；将每张CT图像中的每个像素的x坐标、y坐标和z坐标与3D模型中的对应体素相关联；和将用于3D模型中的每个对应体素的x坐标、y坐标和z坐标存储为体素位置数据。该系统还包括GPU和显示器，GPU根据体素位置数据处理用于所述多组CT图像中的每组CT图像的3D模型，显示器显示第一3D模型和第二3D模型。

在一些方面，CPU执行下述步骤：处理所述多张CT图像中的CT图像；根据离原点的距离，确定CT图像中的每个像素的z坐标；设置CT图像中的基准点，其中，所述基准点与基准平面共面，沿z轴与原点轴向对准；根据基准点确定用于第二CT图像中的每个像素的x坐标；根据基准点确定第二CT图像中的每个像素的y坐标；和，将用于CT图像中的每个像素的已确定的z坐标、已确定的x坐标和已确定的y坐标存储为像素位置数据。

在一些方面，从数据存储中获取所述多张CT图像。

在一些方面，显示器并排显示第一3D模型和第二3D模型。此外，使第一3D模型和第二3D模型同步化，从而可让用户同时操纵第一3D模型和第二3D模型。

在不违背本公开文本的范围的情况下，可组合本公开文本的上述任何方面和实施例。

附图说明

下面将参照附图描述本公开文本的各个方面和特征，附图如下：

图1是示出了根据本公开文本的一些方面的用于对准多张CT图像的系统的示意图；

图2是患者的透视图，示出了根据本公开文本的一些方面的用于对准CT图像的方法；

图3是患者的透视图，示出了根据本公开文本的一些方面的用于对准CT图像的另一方法；以及

图4根据本公开文本的一些方面对准的两张CT扫描片的并排视图。

具体实施方式

本公开文本涉及用于将多组CT图像在统一坐标系中对准的装置、系统和方法。在用于通过使用电磁导航(EMN)系统执行电磁导航支气管镜检查(ENB)程序、并监测肿瘤或病变进展和/或消退的路径规划中，必需的组成部分是对准多组CT图像。

ENB程序通常涉及至少两个阶段：(1)规划好通向患者肺部内或附近的目标的路径；和(2)沿规划路径向目标引导探头。这些阶段通常称之为(1)“规划”和(2)“导航”。ENB程序的路径规划阶段在拥有人相同的美国专利申请第13/838,805号、第13/838,997号和第13/839,224号得到了更充分的描述，这些文献的名称均为“路径规划系统和方法”，申请日均为2013年3月15日申请，发明人均为Baker，它们的全部内容通过引用方式组合在本文中。例如通过计算机断层扫描(CT扫描)使患者肺部成像，但是另外的合适成像方法对于本领域的技术人员而言是公知的。在规划之前、导航之前、和/或治疗之后获取图像。在CT扫描期间汇集的图像数据例如可以以医学数字影像和通讯(DICOM)格式存储，但是其他的合适格式对于本领域的技术人员而言是公知的。CT扫描图像数据然后可被加载到路径规划应用软件(“应用”)中，以在ENB程序的规划阶段使用。

将参照附图描述CT对准系统和方法的实施例。类似的参考数字标记表示附图描述部分中的类似或相同的元件。如附图所示，说明书中使用的“X正向”表示从患者左侧至右侧，“Y正向”表示从患者前部至后部，“Z正向”表示从患者下部至上部。

本说明书可使用“在某实施例中”、“在实施例中”、“在一些实施例中”或“在其他实施例中”这些短语，它们均可引用根据本公开文本的相同或不同实施例中的一个或更多个实施例。

参照图1，根据本公开文本的实施例提供了一种CT对准系统100。CT对准系统100将CT扫描图像数据对准到与患者体内的主要解剖学标志相关的右手正交坐标系中，从而在讲到在不同时间和/或通过不同设备获得的CT扫描片之间的位置时消除了模糊性。CT对准系统100能够在十分容易地操纵数据的情况下检查和比较患者的一个以上的CT扫描数据，同时能够实现一种简便方法来表达解剖结构(如，肺部)中的位置，所述位置与特定机器或解剖结构的详细标注无关。

如图1所示，CT对准系统100从数据源102接收CT扫描图像数据。数据源102可以是存储有术前测试阶段所获取的CT扫描图像数据的服务器，或者数据源102可以是能实时获取CT图像的装置。系统100还包括中央处理单元(CPU)104、存储器106、网卡(NIC)108和图形处理单元(GPU)110。工作站111包括显示器112和输入装置114，输入装置可让用户观察CT扫描图像数据并操纵CT扫描图像数据。

图2示出了一种通过使用系统100，利用患者体内的基准点对准CT扫描图像数据的方法，将参照图1描述图2。如图2所示，原点116位于主隆突118的中部。在CT扫描程序期间，沿Z轴获取各个CT扫描切片120₁、120₂…120_n，将它们存储在数据源102中。将CT扫描切片120提供给CPU104，CPU使用存储在存储器106中的算法来确定一个或更多个CT扫描切片中的一个或更多个像素的x、y、z坐标。因为CT扫描切片平行于XY平面，因此每个CT扫描切片的z坐标等于包括原点116的CT扫描切片120n与特定CT扫描切片之间的距离。然后，通过使用所述特定CT扫描切片内沿z轴与原点116轴向对准的基准点122，给出所述特定CT扫描切片内的每个像素的x坐标和y坐标。

以如下方式确定每个体素在统一坐标系中的x，y，z坐标：

根据下列输入数据：

n＝CT扫描切片数；

s＝CT扫描切片间距(即，切片之间在z轴方向上的距离，单位：mm)；

x＝特定CT切片上的点的X坐标(单位：mm)；

y＝特定CT切片上的点的Y坐标(单位：mm)；

n_c，x_c，y_c＝原点116的坐标；

n_p，x_p，y_p＝CT扫描图像中的像素的坐标；

CPU 104以如下方式确定每个体素在统一坐标系中的坐标(X_up，Y_up，Z_up)(单位：mm)：

X_up＝x_p-x_c

Y_up＝Y_p-Y_c；和

Z_up＝n_p*s-n_c*s。

CPU104将CT扫描切片120渲染为存储在存储器106中的3D模型。CPU 104针对每个CT扫描切片120₁、120₂…120_n所确定的每个像素的坐标与3D模型中的每个相应的体素相关。然后将坐标与3D模型一起存储在存储器106中，作为体素位置数据。

用户检查时，GPU110通过使用体素位置数据处理3D模型，以将3D模型与从不同的一组CT扫描切片中获得的另一3D模型对准。更具体而言，对这两个3D模型进行处理，将它们显示在与工作站111相关联的显示器112上，或采用任何其他合适的方式显示。通过使用工作站111，各种3D模型可渲染出来和/或可由临床医生操纵，以便利于识别目标、选择进入患者气道以接近目标的合适路径，等等。

图3示出了根据本公开文本的另一实施例的另一种对准CT扫描图像数据的方法。与图2中所示的方法类似，原点216位于主隆突的中部。但是，在图3中，通过使用如下三个解剖结构点确定XZ平面：主隆突、右上叶隆突、左上叶隆突。CPU在确定特定CT扫描切片中的每个像素的x，y，z坐标时，使用上述限定的XZ平面作为基准平面。具体而言，每个像素的z坐标等于z_d/cosα，其中z_d是包括原点216的CT扫描切片和包括所述像素的特定CT扫描切片之间沿垂直于XY平面的线的距离，α是在原点216处在z轴和垂直于XY平面的线之间的角度。然后，通过使用特定CT扫描切片内的基准点122为特定CT扫描切片内的每个像素给出x坐标和y坐标，该基准点122与XZ平面共面，沿z轴与原点216轴向对准。与上述方法类似，CPU104将CT扫描切片渲染为3D模型，使对于CT扫描切片中的每个像素所确定的坐标与3D模型中的每个体素相关联，并将它们存储起来作为体素位置数据。通过利用体素位置数据，GPU110使用3D模型来将3D模型与从不同的一组CT扫描切片获得的另一3D模型对准。

图4示出了两个3D模型的并排视图。可通过在不同时间获取的CT图像渲染出3D模型402和3D模型404。通过采用上述方法，使用主隆突作为原点，为3D模型402和3D模型404中的每个体素指定x，y，z坐标。同样地，将在统一坐标系中对准这两个3D模型402,402。对准这两个3D模型，可让用户追踪病情进展或治疗结果(如，肿瘤萎缩)。例如，如果在3D模型402中的位置x₁，y₁，z₁处发现肿瘤或病变，用户可通过使用相同坐标容易地发现3D模型404中的位置。优选地，可使这些3D模型402、404中的图像同步化，使得用户能一起滚动浏览它们，但是也可以不同步化。也可使它们在如下方面同步化，使得在屏幕一侧改变视图或增加视图会引起在另一侧也同样改变视图或增加视图。也可对3D模型402、404和肿瘤等进行测量和分析。这类测量和分析也可显示在3D模型402、404上并且可产生详述肿瘤进展的报告。

也可使用多组CT图像来渲染出多个三维(3D)模型。通过使用上述实施例，3D模型可在统一坐标系中对准，并排显示。优选地，可使3D模型同步化，使得用户能够一起滚动浏览它们，但是也可以不同步化。也可使它们在如下方面同步，使得在屏幕一侧改变视图或增加视图会引起在另一侧也同样改变视图或增加视图。也可对3D模型402、404和肿瘤等进行测量和分析。这类测量和分析也可显示在3D模型402、404上，可产生详述肿瘤进展的报告。

返回到图1，CPU104接收各种信息，转换接收到的信息以产生输出信息。CPU104可包括任何类型的计算装置、计算电路、或能执行一系列存储在存储器中的指令的任何类型的处理器或处理电路。CPU104可包括多个处理器和/或多核中央处理单元，可包括任何类型的处理器，如，微处理器、数字信号处理器、微控制器等。CPU104还可包括存储数据和/或算法的存储器以执行一系列指令。

文中所述的任何方法、程序、算法或代码可被转换成或表达为程序语言或计算机程序。“程序语言”和“计算机程序”是用于给计算机指定指令的任何语言，包括(但不局限于)下述语言及其衍生语言：汇编语言(Assembler)、Basic语言、批处理文件、BCPL、C、C+、C++、可视化语言(Delphi)、Fortran、Java、JavaScript、机器代码(Machine code)、操作系统指令语言、Pascal、Perl、PL1,脚本语言、Visual Basic、具体说明程序的元语言、和所有的第一、第二、第三、第四和第五代计算机语言。还包括数据库和其他数据模式和任何其他元语言。为了进行这种定义，被解释、编译的语言或使用编译和解释方式的语言之间没有差异。为了进行这种定义，程序的编译版本和源代码版本之间没有差异。因此，程序语言以一种以上的状态存在(如，源代码、汇编版本、目标版本或链接版本)时，涉及到程序时表示程序的任何和所有这样的状态。这种定义也包括实际指令和这些指令的含义。

文中所述的任何方法、程序、算法或代码可包含在一个或更多个机器可读媒介或存储器106中。术语“存储器”可包括以机器(如，处理器、计算机或数字处理装置)可读的形式提供(如，存储和/或传递)信息的机构。例如，存储器可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存装置或任何其他的易失或非易失存储装置。代码或代码上含有的指令可通过载波信号、红外信号、数字信号和其他类似信号表示。

NIC 108使用任何公知的通信方法来传递数据给一个或更多个源和/或从一个或更多个源接收数据。

GPU 108是专门电路，其被设计成快速操控和改变存储器以加速在帧缓冲器中形成图像，从而输出给显示器。

可在ENB方法的规划或导航阶段使用的图像和数据形成、管理和操纵的其他方面在同一受让人拥有的下列文献中得到了更充分的描述：美国临时专利申请序列第62/020,220号，其名称为“实时自动匹配反馈”，申请日为2014年7月2日，发明人为Brown等；美国临时专利申请序列第62/020,177号，其发明名称为“用于标注活检部位的方法”，申请日为2014年7月2日，发明人为Brown；美国临时专利申请序列第62/020,240号，其发明名称为“用于在肺部内导航的系统和方法”，申请日为2014年7月2日，发明人为Brown等；美国临时专利申请序列第62/020,238号，其发明名称为“智能显示器”，申请日为2014年7月2日，发明人为Kehat等；美国临时专利申请序列第62/020,245号，其发明名称为“CT对准”，申请日为2014年7月2日，发明人为Klein等；美国临时专利申请序列第62/020,250号，其发明名称为“荧光镜检查位姿评估算法”，申请日为2014年7月2日，发明人为Merlet；美国临时专利申请序列第62/020,261号，其发明名称为“用于分割肺部的系统和方法”，申请日为2014年7月2日，发明人为Markov等；美国临时专利申请序列第62/020,253号，其发明名称为“气管标注”，申请日为2014年7月2日，发明人为Lachmanovich等；美国临时专利申请序列第62/020,257号，其发明名称为“自动检测人体肺气管”，申请日为2014年7月2日，发明人为Markov等；美国临时专利申请序列第62/020,261号，其发明名称为“肺部和胸膜分割”，申请日为2014年7月2日，发明人为Markov等；美国临时专利申请序列第62/020,258号，其发明名称为“锥形图—提供距离和方位反馈并三维导航的方法”，申请日为2014年7月2日，发明人为Lachmanovich等；和美国临时专利申请序列第62/020,262号，其发明名称为“用于在肺部内进行工具导航的肺部动态三维地图视图”，申请日为2014年7月2日，发明人为Weingarten等。这些文献的全部内容通过引用方式组合在文中。文中所述的任何系统和方法可通过有线网络、无线网络、点对点通信协议、DICOM通信协议、传输线、可移动存储介质等传递数据。

尽管已经参照附图详细描述了实施例以进行阐释和说明，但是应该理解为，本发明的方法和装置不应解释为因此而受限。本领域的普通技术人员将能明显看出，在不违背本公开文本范围的情况下，可对前述实施例进行各种改进。