用于自动可变形配准的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及对术前解剖图像(例如，对解剖结构的计算机断层摄影（"CT"） 扫描或磁共振（"MR"）成像扫描)和对术中解剖图像(例如，解剖结构的超声（"US"）图像帧） 的图像重建，以方便术前解剖图像与术中解剖图像的可靠配准。本发明尤其涉及对术前解 剖图像和术中解剖图像的解剖分割的区域标记，用于方便对解剖图像的基于强度的可变形 配准。
【背景技术】
[0002] 术前解剖图像与术中解剖图像的医学图像配准已被用于方便图像引导的介入/手 术/诊断流程。医学图像配准的主要目标是计算将相同解剖目标在相同或不同成像模态内 的相同或不同视图对齐的几何变换。
[0003] 医学图像配准解决的一个重要问题是匹配具有不同模态的图像，有时被称作多模 态图像融合。多模态图像融合相当富有挑战，这是因为多模态图像的灰度值之间的关系并 不总是易于找到，并且甚至在一些情况中，函数相关性通常缺失或非常难以识别。
[0004] 例如，一种周知的情境是高分辨术前CT或MR扫描与术中超声图像帧的融合。例如， 常规的二维（"2D"）超声系统可能配备有位置传感器(例如，电磁跟踪传感器），用于采集器 官的跟踪2D扫描。使用在图像采集期间获得的跟踪信息，2D扫描US帧关于参考坐标系被对 齐，以重建器官的三维（"3D"）体积。超声对于对器官的术中成像是理想的，但具有对图像引 导而言差的图像分辨率。超声成像与其他高分辨成像模态(例如，CT或MR)的融合因此已被 用于改善针对介入/手术/诊断流程的基于超声的引导。在图像融合期间，目标器官在术中 超声与术前模态之间被精确配准。同时，许多图像配准技术已被提供用于对两种不同模态 的融合，术中超声与任意术前模态(例如，CT或MR)的融合因缺乏术中超声与术前模态之间 的函数相关性，而已证明是有挑战的。
[0005] 尤其地，MR与超声模态之间的函数相关性的缺乏已使得非常难以利用基于图像强 度的度量用于对前列腺图像的配准。因此，用于MR到US图像融合的已有配准技术中的大多 数聚焦在两种形式中的点匹配技术。第一种，手动/自动提取在两种模态中都可见的共同界 标的集合(例如，尿道的轮廓），并将其用于基于点的配准。备选地，使用自动或手动技术在 两种模态内分割前列腺的表面。将所提取的表面网格馈送到基于点的配准架构，其尝试最 小化两个点集之间的距离。
[0006] 更特别地，可以实施基于点的刚性配准途径以配准MR与经直肠超声（"TRUS"）表面 数据。前列腺在US和MR图像两者中被自动分割为表面网格。刚性配准尝试寻找使两个网格 之间的距离最小化的最佳的平移与旋转参数的集合。然而，应当指出，前列腺并非刚性形 状。前列腺的形状在这些模态中的每个的采集期间可能以不同方式变形。例如，为了提升的 图像质量，MR图像通常是在直肠内线圈（"ERC"）被插入直肠中的同时来采集的。另一方面， TRUS成像是徒手执行的，并且要求TRUS探头与毗邻前列腺的直肠壁直接接触。该直接接触 引起前列腺的形状在图像采集期间的变形。
[0007] 用于改善在前列腺活检期间MR到US图像融合准确度的一种途径包括基于非线性 表面的刚性配准，其假设变形在整个前列腺上的均匀性。然而，刚性配准仅补偿MR与US点集 之间的平移和旋转错配，并且因此，作为因 TRUS探头和ERC引起的变形的结果，刚性变换对 于匹配两个分割的点集是无效的。而且，即使基于非线性表面的途径适合于图像融合，基于 表面的途径可能足以在前列腺的表面上匹配两种模态，但这样的从表面到表面的映射并不 提供任何关于如何匹配前列腺内的内部结构的信息。更重要地，考虑到前列腺是由具有非 均匀生物力学性质（例如，刚度）的细胞类型组成的，在整个前列腺上的均匀变形的假设是 不准确的。
【发明内容】
[0008] 本发明[DWB1]提供一种可变形配置的方法和系统，其引入题为"多区域图像"的自 动标记图像充当可以在术前解剖图像与术中解剖图像之间共同限定的中间模态。更具体而 言，基于解剖结构的非均匀生物力学性质(例如，前列腺的刚度)的不同变化，将来自每种模 态的解剖图像分割并标记为两个或更多个预定义的颜色区域。每个颜色区域通过不同的颜 色性质(例如，强度值)区别于其他颜色区域。备选地或同时地，颜色区域可以基于解剖结构 的不同的生物力学性质，均匀或非均匀的(例如，前列腺的刚度和粘度）。
[0009] 例如，前列腺图像将在每种模态中被分割成外围区域和中心区域，以基于前列腺 的非均匀刚度来重建多区域图像。在该情况中，中心区域具有比外围区域更高的刚度，并且 因此中心区域经由不同的强度值被标记(例如:背景:0强度值;外围区域：127强度值；以及 中心区域：255强度值）。任意基于强度的可变形配准技术然后可以被用于所重建的多区域 图像，以由此融合术前到术中解剖图像(例如，针对MR到US图像的具有归一化互相关图像相 似性度量的基于B样条的配准）。该重建途径可以在术前到术中解剖图像的实况配准期间， 或者在术前到术中解剖图像的训练集中来执行，以建立用于改善术前到术中解剖图像的实 况配准的变形的模式。
[0010] 本发明的一种形式是用于多模态可变形配准的系统。所述系统采用术前工作站 (例如，CT工作站或MRI工作站）、术中工作站(例如，超声工作站）以及可变形配准工作站。在 操作中，所述术前成像工作站生成术前解剖图像并且所述术中成像工作站生成术中解剖图 像。所述可变形配准工作站将所述术前解剖图像重建为包括多个颜色区域的术前多区域图 像并将所述术中解剖图像重建为包括所述多个颜色区域的术中多区域图像。每个颜色区域 表示与所述术前解剖图像和所述术中解剖图像相关联的非均匀生物力学性质的不同变化 或者与所述术前解剖图像和所述术中解剖图像相关联的不同生物力学性质。
[0011] 本发明的第二种形式是用于多模态可变形配准的模块化网络。所述系统采用术前 图像重建器和术中解剖图像重建器。在操作中，所述术前重建器将所述术前解剖图像重建 为包括多个颜色区域的术前多区域图像，并且所述术中重建器将所述术中解剖图像重建为 包括所述多个颜色区域的术中多区域图像。每个颜色区域表示与所述术前解剖图像和所述 术中解剖图像相关联的非均匀生物力学性质的不同变化或者与所述术前解剖图像和所述 术中解剖图像相关联的不同生物力学性质。
[0012] 本发明的第三种形式是用于多模态可变形配准的方法。所述方法涉及术前解剖图 像到包括多个颜色区域的术前多区域图像的重建以及术中解剖图像到包括对所述多个颜 色区域的术中多区域图像的重建。每个颜色区域表示与所述术前解剖图像和所述术中解剖 图像相关联的非均匀生物力学性质的不同变化或者与所述术前解剖图像和所述术中解剖 图像相关联的不同生物力学性质。
【附图说明】
[0013] 本发明的前述形式和其他形式以及本发明的各个特征和优点将从以下结合附图 对本发明的各个实施例的详细描述而变得进一步明显。所述详细描述和附图仅说明本发明 而非限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求及其等价方案限定。
[0014] 图1图示了根据本发明重建的多区域图像。
[0015] 图2图示了表示根据本发明的可变形配准的第一示范性实施例的流程。
[0016] 图3图示了图2中图示的流程的示范性实施方式。
[0017] 图4图示了表示根据本发明的可变形配准的第二示范性实施例的第一阶段的流 程。
[0018] 图5图示了图4中图示的流程的示范性实施方式。
[0019] 图6图示了表示根据本发明的可变形配准的第二示范性实施例的第二阶段的流 程。
[0020] 图7图示了图6