专利名称：用手术中图像在手术前三维图像中进行无标记引导的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对例如医疗仪器在手术前拍摄的三维图像中进行引导的方法，本发明尤其涉及一种不用解剖学标记和/或人工标记的引导。
背景技术：
对患病的患者进行检查或治疗越来越多地以最小侵入的方式进行，即，尽可能少地发生手术花费。作为例子有采用分别通过在身体开口引入患者检查部位的内窥镜、腹腔镜或导管的治疗。例如，导管经常使用在心脏的检查中。
从医疗技术的角度来看，问题在于，医疗仪器(下面作为不是用来限制的例子举出导管)尽管在通过利用C型(C-Bogen)设备的手术中的X射线监视的介入(手术，检查)期间，可以非常精确和高分辨地在干涉中可视化，但是，一方面在干涉期间患者的解剖在C型图像中仅仅被不充分地成像。另一方面医生经常希望，在手术计划中将医疗仪器表示在干预之前(手术前)拍摄的3D图像(3D数据组)中。
在DE 10151438A1中公开了一种在手术中进行3D成像的方法，特别是采用较小的移动C型系统，其中，通过在手术中产生的较小体积的3D数据组无标记地对准较大体积的手术前产生的3D数据组。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，以更简单的方式将医疗仪器的当前位置和状态在手术前获得的3D图像中可视化，以便可以在该手术前的3D图像中引导医疗仪器。
即，本发明提供了一种使用手术中获得的三维C型设备图像在手术前的三维图像中对医疗仪器进行无标记引导的方法，该方法具有下列步骤-利用C型设备拍摄手术中三维图像D，-相对该手术中三维图像D对准该医疗仪器N，由此得到一个对准矩阵MDN，-借助基于图像的对准相对于一现有手术前三维图像E，对准手术中三维图像D，由此得到一个对准矩阵MED，-在该手术前三维图像E中引导医疗仪器N。
按照本发明，在第一步骤中拍摄手术前3D图像E。
优选地，按照无标记对准的概念获得对准矩阵MDN。
另外，优选地通过参考手术中的3D图像D对手术前的3D图像E进行基于图像的对准而得到对准矩阵MED。
按照本发明，在确定对准矩阵MED时考虑C型扭转。
在在手术前的3D图像E中进行引导时，根据本发明，考虑介入计划的结果。
现在，对本发明的其它优点、特征和特性，借助于参照附图的实施方式的描述作进一步说明。
图1示意性地示出按照本发明的医疗检查和/或治疗设备的原理图，图2示出用于说明对两幅3D图像进行基于标记的对准的原理图，图3示出按照本发明方法的流程图。
具体实施例方式
图1示出了按照本发明的检查和/或治疗设备1的原理图，其中，仅示出了主要部件。该设备包括拍摄装置2，用于拍摄二维透视图像(2D荧光图像)以及用于拍摄3D数据组(不过其是通过一组2D荧光图像综合而成)。检查和/或治疗设备1由C型支架3构成，在其上安装了X射线源4、射线探测器5(例如固体图像探测器)和工具板TP。患者7的检查区域6优选地位于C型支架的同心，以使该区域的整个轮廓在借助于C型设备在手术中拍摄的3D图像中完全可见。
在拍摄装置2的直接近旁有一个引导传感器S，通过其可以采集工具板TP的当前位置和由此的借助于C型设备在手术中拍摄的3D图像的位置以及用于介入的医疗仪器11的位置和状态。
设备1的运行通过控制和处理装置8控制，该控制和处理装置8除其它外还控制图像拍摄运行。其还包括一个没有进一步示出的图像处理装置。在该图像处理装置中，除其它外包含手术前拍摄的3D图像数据组E。该手术前数据组E可以是由任意成像模式拍摄的，例如利用计算机断层造影设备CT、磁共振断层造影设备MRT、超声波设备UR、核医疗设备NM、正电子放射断层造影设备PET，等等。另一方面，该图像处理装置中还包含利用C型设备2在手术中拍摄的3D图像D，其位置相对于引导系统S被精确地定义。
在所示出的例子中，将导管11引入到检查区域6，在这里是心脏。导管11的位置和状况一方面可以通过引导系统S采集并在手术中3D图像D中以其当前位置和状态被可视化。在此，医疗仪器11在3D图像D中的位置可以通过矩阵MDN给出。这样一种3D图像在图1的下部以原理图的形式放大地示出。
本发明提供了这样一种方法，其中，将医疗仪器11淡入手术前3D图像E中，并由此在图像中引导。只要可以借助于用于当前医疗问题的专门拍摄方法(高分辨率、功能性的，等)测量该手术前3D图像，则本发明的方法就是有意义的。
在本发明的方法中，首先找出一种如何对医疗仪器11在以任意C型位置拍摄的手术中3D图像D中进行成像并由此进行引导的成像规则。正如已经提到的，这样一种成像规则通过矩阵MDN给出，也称为“对准”(Registrierung)。然后，寻找另一成像规则(对准)，使包含医疗仪器11的手术中3D图像D与手术前3D图像相关。这种成像规则(对准，相关)通过矩阵MED给出。通过将两种成像规则或者矩阵链接可以在3D图像E中对医疗仪器11进行变换N。
在图1中，以在显示器13上显示的重叠图像15的形式示出了这种变换的结果，其中，医疗仪器11以及两幅3D图像E和D合并或者重叠。
为了能够实现手术中3D图像与手术前3D图像E的正确(位置正确)重合，需要将两幅图像相互以及分别参照引导传感器S进行对准，即使它们的坐标系相互关联。正如上面提到的，对准是成像规则，其定义了一坐标系在另一个坐标系中或者关于另一个坐标系统的位置。在英语语言环境中将这样的对准称为“匹配”。这样的对准例如可以在显示屏上通过用户交互地实现。
为了对准两幅图像可以考虑不同的可能性1.存在这样的可能性，其中，在两幅3D图像中的第一幅中标识有意义的但是多个图像元素，在第二幅3D图像中标识相同的图像元素，然后将第二3D图像通过平移和/或旋转和/或2D投影相对第一3D图像这样校准，使得两幅3D图像的内部结构重合。这种图像元素被称为“标记”，它们可以是起源于解剖学或者是人为设置的。起源于解剖学的标记(例如血管分支点、冠状动脉的小段、口角或者鼻尖)被称为“解剖学标记”。人为设置的标记点被称为“人造标记”。人造标记例如有在手术前介入中设置的螺钉，或者固定(例如贴)在身体表面的简单物体。解剖学标记或人造标记可以由用户交互地在第一3D图像中确定(例如通过点击显示屏)，然后通过适当的分析算法在第二3D图像中找出并标识。这种对准被称为“基于标记的对准”。
2.另一种可能性是所谓的“基于图像的对准”。在此，相接地设置(计算地，例如在显示屏上)两幅3D图像(各以立方体的形式)，借助于平行辐射束相互投影并确定相关性。两个立方体中的一个一直转动和/或移动和/或拉伸，使相关性偏差最小。在此，首先由用户适当地将移动的立方体引导至一个位置，在该位置其与第二立方体尽可能相似，然后才启动一个优化周期，以便由此缩短对准的计算时间。
图2示出了用于说明在两幅立方体形状的3D图像的条件下进行基于标记的3D-3D对准的原理图。所示出的是一个具有三个标记(标记1，2和3)的、立方体形状的第一3D图像E(例如，手术前的3D数据组)，以及一个紧接在其生成后按原始形式的、立方体形状的第二3D图像D(例如，手术中的3D数据组)。为了对准必须在第一3D图像E中标识标记1，2和3，并通过用户交互地(例如用鼠标点击显示屏)在第二3D图像D中定位对应的点。通过旋转、平移和必要时通过比例变换从对应的点对(这里是标记1，2和3)中确定第一3D图像E和第二3D图像D之间的坐标变换，通过该坐标变换使两幅3D图像结构重合。这种坐标变换的确定即对准。
在基于标记的对准中对标记的标识不一定必须在显示屏上进行。在存在引导系统(引导传感器S，见图1)和为了准备支持引导的介入的情况下，例如手术前的3D图像相对于引导系统S的基于标记的对准，通过医生手动键入人工标记或者解剖学标记而进行。因为医疗仪器11根据现有检测器就相对于引导系统的位置和状态被对准，因此建立了医疗仪器11和手术前3D图像E之间的相关性。由此，通过控制和处理装置8可以分别将医疗仪器11的当前图像计算到3D图像中并可视地淡入。由此，可以在E中对医疗仪器进行引导。
常规基于标记对准的缺点在于，经常需要额外地进行设置人工标记的手术介入。解剖学标记经常难于明确地定位，因此针对基于标记对准的校准经常容易出错。引导支持的对准的主要缺点在于如果希望将手术中测量的3D图像与手术前的3D图像引导支持地进行对准，则必须在引导支持的、基于标记的对准中在所拍摄的3D图像的每个C型位置上再次手动地输入标记。这种方法在实际中非常容易出错和不方便。如果在图像中键入标记的顺序与对患者键入的序列不同，则解剖学标记不能再次产生或者标记的相对位置发生改变，由此产生错误的定位。此外，在介入期间引导失调时还必须每次重复对准。
为了避免或绕开上述基于标记对准的缺点，本发明的方法至少在对准两幅3D图像(手术前3D图像相对手术中3D图像)中使用基于图像的3D-3D对准。具有优点的是，即便是将医疗仪器11相对于手术中3D数据组的对准N也能按照无标记对准的概念实现。
图3示意性地示出了按照本发明的方法在使用手术中获得的3D C型图像的情况下在手术前的3D图像中进行无标记引导的流程图。该方法包含5个步骤在第一步骤S1中，拍摄手术前3D数据组E。该3D数据组可以采用任意成像模式(必要时高分辨率及功能性的)拍摄(MRT，CT，PET，US，等等)。在第二步骤S2中，利用C型设备拍摄手术中3D图像D。对于这种拍摄优选地将C型设备运行在3D血管造影的模式下，由此可以简单的方式随后确定在手术中3D图像D的单个层和手术前3D图像的层之间的相关性(投影)。在第三步骤S3，通过将医疗仪器11相对手术中3D图像对准确定对准矩阵MDN。通过该矩阵MDN给出医疗仪器11在3D图像D中的位置和状态N。矩阵MDN的确定优选按照无标记对准的概念进行。在第四步骤S4中，在手术前3D图像E和手术中3D图像D之间优选地进行基于图像的对准。作为对准的结果得到对准矩阵MED。对于对准所需要的、在手术中的拍摄中C型支架位置的确定可以通过工具板TP实现，该工具板TP可由引导系统S测取并固定在C型支架上。在第五和最后的步骤S5中，对上述对准进行链接，由此可以根据E＝MED*MDN*N在手术前数据组E中对医疗仪器11进行引导。
如已经提到的，通过借助于引导系统S的工具板的位置确定来实现C型位置和由此的手术中3D图像D位置的位置确定。各当前工具板位置与相对于引导传感器精确定义的工具板参考位置进行比较。在确定工具板位置时，如果测角≠0°，则通常由于C型设备的自身重量会出现非线性C型扭转，该扭转可以通过适当的校准加以考虑并进而得到校正。
总而言之，通过这里建议的本发明的方法实现了对医疗仪器在(高分辨率，功能性的等)手术前3D图像的引导，由此可以将预处理的结果(例如肿瘤的分段)和/或先前实施的通过或为手术前的3D图像提供的介入计划或者手术计划的结果引入到引导中来。尤其是，手术前3D图像又可以涉及两幅重叠的手术前3D图像(例如，解剖分辨的和功能分辨的3D图像)的结果。通过无标记引导的概念避免了基于标记对准的问题。
权利要求
1.一种使用手术中获得的三维C型设备图像在手术前的三维图像中对医疗仪器进行无标记引导的方法，其特征在于该方法具有下列步骤-利用C型设备拍摄手术中三维图像D(S2)，-相对该手术中三维图像D进行该医疗仪器(11)的对准N，由此得到一个对准矩阵MDN(S3)，-借助于基于图像的对准相对于一现有手术前三维图像E，对准手术中三维图像D，由此得到一个对准矩阵MED(S4)，-在该手术前三维图像E中引导该医疗仪器(11)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一步骤(S1)中拍摄所述手术前三维图像E。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，按照无标记对准的概念获得所述对准矩阵MDN。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在确定所述对准矩阵MED时考虑C型扭转。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在在所述手术前三维图像E中进行引导时，考虑介入计划的结果。
6.一种C型设备，其适合于实施根据权利要求1至5中任一项所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种使用手术中获得的三维C型设备图像在手术前的三维图像中对医疗仪器进行无标记引导的方法，其特征在于该方法具有下列步骤利用C型设备拍摄手术中三维图像D(S2)，－相对该手术中三维图像D进行该医疗仪器(11)的对准N，由此得到一个对准矩阵MDN(S3)，借助于基于图像的对准相对于一现有手术前三维图像E，对准手术中三维图像D，由此得到一个对准矩阵MED(S4)，在该手术前三维图像E中引导该医疗仪器(11)。
文档编号A61B6/12GK1550221SQ200410045860
公开日2004年12月1日 申请日期2004年5月20日 优先权日2003年5月20日
发明者马赛厄斯·米彻克, 诺伯特·拉恩, 迪特尔·里特, 拉恩, 里特, 马赛厄斯 米彻克 申请人:西门子公司