专利名称：用于em跟踪内窥镜系统的无标记物跟踪的配准和校准的制作方法
用于EM跟踪内窥镜系统的无标记物跟踪的配准和校准这一公开涉及成像工具，并且更具体地涉及用于在内窥镜检查程序期间配准和校准内窥镜的系统和方法。内窥镜是一种微创实时成像模式，其中照相机被插入身体以用于可视化检查诸如肺部气道或者肠胃系统的内部结构。内窥镜典型地是长柔性的光纤系统，在患者身体外部的近端处连接至光源，并且在患者身体内部的远端处连接有透镜。此外，一些内窥镜包括工作通道，经过该工作通道操作者能够执行抽吸或者使诸如刷、活组织检查针或者钳夹的器械穿过。视频反馈给医师或者技术人员提示以将观察仪器操纵至目标区域。与传统的内窥镜相比，图像引导内窥镜具有的优点是在执行介入程序的同时，与肺部的三维(3D)路线图实时关联。因而其被公认为是用于很多肺部应用的有价值工具。这一形式的内窥镜需要在全局坐标系中跟踪该内窥镜的顶端，以便将该内窥镜的位置与术前计算机断层摄影(CT)图像相关联，并且显示融合图像。在对支气管镜定位的研究中，有三种方式来跟踪内窥镜的顶端。类型(a)基于安装在内窥镜顶端上的位置传感器来跟踪；类型(b)基于实况图像配准来跟踪，以及类型(C) 是类型(a)和(b)的组合。电磁(EM)引导内窥镜(类型(a)系统)已经被公认为是用于很多肺部应用的有价值工具，但是它需要采用附加的引导设备。由于类型(b)不采用附加的引导设备，因此它比类型(a)更令人满意，但是持续地一帧接一帧地配准可能是很费时间的，并且容易出错，例如当气道内部的流体模糊了视频图像时。将电磁(EM)位置传感器引入内窥镜(例如，在类型(a)系统中)可克服这一障碍。 为了给内窥镜检查程序提供光学图像(由内窥镜照相机捕获)和CT图像之间的精确数据融合，需要校准和配准该内窥镜系统。校准涉及确定照相机的坐标系和附接在观察仪器顶端的EM跟踪器之间的坐标偏移的过程(假设已经获得该照相机的固有参数)。配准涉及确定EM跟踪器和CT图像空间之间的坐标变换矩阵。校准为了整合EM空间和照相机空间之间的数据，采用校准来确定安装在内窥镜上的EM跟踪器相对于照相机坐标(光轴和投影中心位于该处)的位置和方向。这一校准的结果具有六个偏移常量的形式三个针对旋转，三个针对平移。在介入内窥镜检查程序中校准的目的在于人们能够基于附接的内窥镜跟踪器的EM读数来动态地确定照相机的位姿。—般而言，校准是一种离线程序可以通过使用EM跟踪内窥镜对其几何属性已知的EM跟踪体模(具有例如西洋棋盘的校准式样)成像来获得校准参数。这包含麻烦的工程学程序。虽然就此而论期望的变换在照相机坐标和内窥镜跟踪器之间，但是在校准体模的每个单元中需要一系列校准程序。例如，指示跟踪器的校准、测试格子和该格子上的参考跟踪器之间的校准、照相机坐标和测试格子之间的校准(照相机校准)都是需要的，以实现照相机坐标和EM跟踪器坐标之间的目的校准。配准EM引导内窥镜介入的另一程度是将EM空间与术前CT空间对齐。历史上，可执行三种类型的配准方法(1)基于外部基准，⑵基于内部基准以及(3)无基准方法。现有配准方法的优点和缺点可以在下表(表1)中查明。表1不同配准方法之间的比较
权利要求
1.一种用于图像之间基于图像的配准的方法，包括定位(304)术前图像中的特征；将用被跟踪的观察仪器拍摄的实时图像与具有所述特征的所述术前图像相比较 (307)，以找出与所述术前图像密切匹配的实时图像；以及将最密切匹配的实时图像配准(308)到所述术前图像以确定所述术前图像的位置和由跟踪器提供的所述实时图像的位置之间的变换矩阵，从而所述变换矩阵允许使用所述跟踪器在术前图像空间中跟踪实时图像坐标。
2.如权利要求1所述的方法，其中，使用具有电磁跟踪的内窥镜照相机G5)来收集所述实时图像。
3.如权利要求2所述的方法，还包括使所述内窥镜照相机0 不沿着被观察腔道的中央线行进。
4.如权利要求1所述的方法，其中，比较包括优化(18)所述实际图像和所述术前图像之间的最大相似性。
5.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述变换矩阵以在内窥镜检查程序期间将所述术前图像空间与电磁跟踪空间对齐。
6.如权利要求1所述的方法，还包括初始时将内窥镜照相机校准到跟踪设备。
7.如权利要求1所述的方法，还包括确定所述术前图像的虚拟照相机位姿，以及将所述术前位姿与所述最密切匹配的实际图像的实际照相机位姿相关，以确定所述变换矩阵。
8.一种用于图像之间基于图像的配准的系统，包括内窥镜006)，其包括用于在程序期间收集实时图像的照相机008)，所述内窥镜包括用于定位所述内窥镜的顶端的跟踪器G10)；以及存储在存储器介质中的计算机执行程序G12)，其被配置为将由所述照相机拍摄的一组实时图像与针对同一对象的术前图像相比较，以找出所述实时图像和所述术前图像之间的最密切匹配，所述程序被配置为确定变换矩阵G20)以使得能够使用术前图像空间而免于使用接触标记物进行内窥镜跟踪。
9.如权利要求8所述的系统，其中，不是沿着被观察腔道的中央线来跟踪内窥镜的行进。
10.如权利要求8所述的系统，其中，所述程序(412)还包括优化特征022)，所述优化特征被配置为找出最大相似性以确定图像之间的所述最密切匹配。
11.如权利要求8所述的系统，其中，在内窥镜检查程序期间采用所述变换矩阵(420) 来将术前图像的坐标配准到电磁跟踪坐标。
12.如权利要求8所述的系统，还包括显示器056)，所述显示器被配置为示出术前图像空间中的内窥镜的行进。
13.一种用于针对引导内窥镜的照相机位置校准的方法，包括收集(350)具有标记物的对象的术前图像；使用跟踪器接触(35 所述标记物中的每个以将所述术前图像与和所述跟踪器相关联的照相机图像相配准；在由所述跟踪器确定的第一位置处确定(354)与内窥镜位置相关联的术前图像；在由所述跟踪器确定的第二位置处调整(356)所述内窥镜直到由所述照相机获得的图像与所述术前图像相匹配；以及确定(358)所述第一和第二位置之间的旋转和平移矩阵以将所述跟踪器校准到所述照相机。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述标记物包括基准标记物(122)，并且使用所述跟踪器接触所述标记物中的每个包括基于基准的配准。
15.如权利要求13所述的方法，其中，通过所述操作者的调整来执行所述观察仪器的调整(356)。
16.如权利要求13所述的方法，其中，采用确定(358)旋转和平移矩阵来将所述照相机的坐标校准到所述跟踪器的图像，从而与术前图像的所述校准和配准允许所述术前图像与由所述照相机拍摄的实时图像一起更新。
17.如权利要求13所述的方法，其中，在程序期间在线执行所述照相机的校准。
18.一种用于针对引导内窥镜的照相机位置校准的系统，包括内窥镜(108)，其包括用于在程序期间收集实时图像的照相机(130)，所述内窥镜包括用于定位所述内窥镜的顶端的跟踪器(104)；使用标记物(12 收集的术前图像，所述术前图像具有通过使用所述跟踪器接触所述标记物中的每个而与所述跟踪器的坐标相配准的坐标；以及存储在存储器中的旋转和平移矩阵(113)，所述旋转和平移矩阵通过将所述内窥镜从第一位置调整到第二位置的运动而导出，其中，所述第一位置包括第一照相机位姿，并且所述第二位置包括第二照相机位姿，所述第二照相机位姿更好地匹配参考术前图像，从而所述矩阵提供了所述跟踪器和所述照相机之间的校准。
19.如权利要求18所述的系统，其中，所述标记物(122)包括基准标记物，并且使用跟踪器接触所述标记物中的每个包括基于基准的配准。
20.如权利要求18所述的系统，其中，通过操作者的调整来调整所述内窥镜(108)。
21.如权利要求18所述的系统，其中，使用所述矩阵(113)来将照相机的坐标系变换至所述跟踪器的坐标系。
全文摘要
一种用于图像之间基于图像的配准的系统和方法，其定位(304)术前图像中的特征，并且将用被跟踪的观察仪器拍摄的实时图像与具有所述特征的所述术前图像相比较(307)，以找出与所述术前图像密切匹配的实时图像。将最密切匹配的实时图像配准(308)到所述术前图像以确定所述术前图像的位置和由跟踪器提供的所述实时图像的位置之间的变换矩阵，从而所述变换矩阵允许使用所述跟踪器在术前图像空间中跟踪实时图像坐标。
文档编号G06T7/00GK102428496SQ201080021642
公开日2012年4月25日 申请日期2010年4月2日 优先权日2009年5月18日
发明者L·F·古铁雷斯, X·刘 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司