使用形状约束的三维多线配准的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及医学成像领域，并且更具体而言，涉及使用形状匹配的三维配准。
【背景技术】
[0002]光学形状感测技术提供纤维的3D形状。通过将这样的纤维集成到介入设备中，能够已知所述设备的形状，直到非常接近所述设备的尖端的点。然而，仅知道形状还是不够的:所述形状必须被置于过程前成像数据和/或过程中成像数据的背景中(即，与之配准)。具有形状感测系统的坐标系和过程前成像数据和/或过程中成像数据的坐标系之间的正确(即，精确)配准，对使用和采用形状感测技术是至关重要的。
[0003]在形状感测技术的一个应用中，形状感测纤维可以被集成到被附接到外科仪器的系绳中或被集成到外科仪器本身中并且被用于仪器跟踪。纤维跟踪的设备被引入到血管内或腔体内。为了使用纤维用于仪器跟踪，需要纤维坐标系到参考坐标系的初始配准。例如，参考坐标系可以是从对锥形束计算机断层摄影(CBCT)扫描进行分割导出的3D解剖模型。
[0004]如果使用来自形状感测纤维的虚拟设备和过程前成像数据或过程中成像数据之间的初始配准，则可能会由各种效应引起未对齐。这些效应包括:形状重建的不精确性(即便形状重建中小的误差也会引起显著的未对齐)，启动点移动(如果形状感测系统的启动点在过程期间移动，则整个形状将会移动，引起未对齐)，以及患者移动(初始配准之后的任何患者移动将引起形状感测坐标与图像数据坐标的未对齐)。
[0005]对初始配准之后或初始配准期间引起的未对齐的一个解决方案是实时基于X射线成像来对坐标系进行配准。然而，由于X射线暴露的有害作用，应该对其进行限制。另外，X射线仅提供设备的2D投影，并且2D投影和设备内的纤维的准确关系是未知的，而是仅能够被估计。
【发明内容】
[0006]提供一种用于将针对形状感测系统的坐标系配准到针对过程前成像数据或过程中成像数据的坐标系的系统和方法。根据一个实施例，在形状感测重建中检测三维形状，所述三维形状能够通过它们的弧线来识别并且随时间恒定，但是其不一定沿三维形状处于相同位置。如果两个形状随时间具有该相同的可检测弧线，或者来自不同成像源的两个形状具有该相同的可检测弧线，则它们的坐标系能够通过对齐所述弧线而关于平移和旋转被配准到一起。
[0007]出于本申请的目的，术语形状和曲线被用于描述来自对应于被设置在外科仪器中或被固定到外科仪器的形状感测纤维的形状的形状重建的三维曲线。术语弧线被用于描述三维曲线的子段的形态。术语弯曲被用于描述具有方向的单个变化或反转的非直弧线。
[0008]根据本发明的一个方面，提供一种用于将针对形状感测系统的坐标系配准到过程前成像数据或过程中成像数据的坐标系的系统。所述系统包括并入具有形状感测传感器的纤维的一个或多个外科仪器。光学控制台被可操作地与纤维连接并且询问光学形状传感器并且根据返回信号来确定所述仪器的三维形状。处理器通过将纤维中的稳定弧线与来自不同的源的弧线匹配来将形状感测纤维的坐标系配准到成像数据的坐标系，并且将经匹配的弧线对齐。
[0009]根据一个实施例，所述不同的源是不同的成像模态。根据一个实施例，所述不同的成像模态是根据过程前成像数据或过程中成像数据的计算的图像。
[0010]根据一个实施例，所述处理器也是处理过程前成像数据或过程中成像数据的处理器。
[0011]根据一个实施例，所述不同的源是来自分割的过程前成像和过程中成像的中心线。
[0012]根据一个实施例，所述不同的源是来自不同时间的形状重建。
[0013]根据一个实施例，所述不同的源是来自不同的形状感测纤维的形状重建。例如，多系绳跟踪能够用于形状感测的导管和所述导管内的形状感测的导丝。
[0014]根据本发明的另一实施例，提供一种用于将针对形状感测系统的坐标系配准到针对过程前成像数据或过程中成像数据的坐标系的方法。在装备了形状感测纤维的仪器的重建图像中识别稳定弧线。所述稳定弧线被匹配到来自不同的源的弧线。然后，经匹配的弧线被对齐。
[0015]根据一个实施例，通过比较弯曲半径来匹配所述稳定弧线与来自不同的源的弧线。
[0016]根据一个实施例，通过比较弧线的坐标的梯度来匹配所述稳定弧线和来自不同的源的弧线。
[0017]根据一个实施例，所述不同的源是不同的成像模态。
[0018]根据一个实施例，所述不同的成像是根据过程前成像数据或过程中成像数据的计算的图像。
[0019]根据一个实施例，所述不同的源是来自分割的过程前成像和过程中成像的中心线。
[0020]根据一个实施例，所述不同的源是来自不同的时间的形状重建。
[0021]根据一个实施例，在外科过程中同时使用多于一个形状感测纤维，并且所述不同的源是来自不同的形状感测纤维的形状重建。
[0022]根据一个实施例，识别稳定弧线的步骤包括以下步骤:测量装备了形状感测纤维的仪器的重建图像的形状中的至少一个弯曲的半径；比较来自装备了形状感测纤维的仪器的后续重建图像的弯曲半径与来自装备了形状感测纤维的仪器的先前重建图像的弯曲半径；确定弯曲半径是否符合预定匹配标准；并且，如果符合匹配标准则保存弯曲的半径和位置。
[0023]根据本发明的另一方面，提供一种用于将针对形状感测系统的坐标系配准到过程前成像数据或过程中成像数据的坐标系的计算机程序产品。所述程序产品被编码有:用于识别装备了形状感测纤维的仪器中的稳定弧线的程序指令；用于将所述稳定弧线匹配到来自不同的源的弧线的程序指令；以及用于对齐经匹配的弧线的程序指令。
【附图说明】
[0024]结合附图阅读以下对优选实施例的详细描述，将更清楚地理解本发明的特征和优势。附图中包括以下图:
[0025]图1是根据本发明的实施例的用于通过将来自不同的源的稳定形状进行匹配和对齐来将针对形状感测系统的坐标系配准到过程前成像数据或过程中成像数据的坐标系的系统的方框图；
[0026]图2是来自根据本发明的实施例的图1的系统的仪器和导引器的侧视图；
[0027]图3是在图2中剖面A-A处所取的图2的仪器和导引器的剖视图；
[0028]图4是根据本发明的实施例的用于通过将来自不同的源的稳定形状进行匹配和对齐来将针对形状感测系统的坐标系配准到过程前成像数据或过程中成像数据的坐标系的方法的流程图；
[0029]图5是示出了形状感测纤维中的各种弯曲的多线曲线视图；
[0030]图6示出了根据本发明的实施例的对齐匹配曲线的步骤；
[0031]图7是根据本发明的实施例的用于确定稳定曲线的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0032]本发明提供一种用于通过匹配和对齐来自不同的源的稳定弧线来将针对形状感测系统的坐标系配准到针对过程前成像数据或过程中成像数据的坐标系的系统和方法。弧线的稳定性从被设置在外科仪器中或被附接至外科仪器上的形状感测纤维的物理限制导出。例如，所述物理限制可以通过刚性曲线导引器套管或者不会因仪器的引入而变形的解剖结构来提供。
[0033]根据一个实施例，在形状感测重建中检测三维形状，所述三维形状能够通过它们的弧线被识别并且随时间恒定，尽管不一定沿三维形状处于相同位置。如果两个形状随时间具有该相同的可检测弧线或者来自不同成像源的两个形状具有该相同的可检测弧线，则它们的坐标系能够通过对齐所述弧线来关于平移和旋