CN104703558A - 使用形状约束的三维多线配准 - Google Patents

Abstract

提供一种用于将针对形状感测系统的坐标系配准到用于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。形状重建中的稳定弧线被识别并被匹配到另一弧线，其中，另一个弧线从随后时间的形状重建而来或从来自另一成像模态的成像数据而来。经匹配的弧线被对齐，将针对各自弧线的坐标系对齐。

Description

使用形状约束的三维多线配准

技术领域

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

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。

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。

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)。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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，所述不同的成像是根据过程前成像数据或过程中成像数据的计算的图像。

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。

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。

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。

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。

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

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：

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；

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；

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；

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；

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；

图6示出了根据本发明的实施例的对齐匹配曲线的步骤；

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

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。

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转而被配准到一起。

图1是成像系统1的方框图，所述成像系统1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针对过程前成像数据或过程中成像数据的坐标系。根据本发明的一个实施例，成像系统1包括形状感测系统10，所述形状感测系统10用于形状感测坐标系配准到另一坐标系的配准。例如，所述另一坐标系可以是针对过程前成像数据或过程中成像数据的坐标系。

形状感测系统10包括被设置外科仪器200中或被固定到外科仪器200的形状感测纤维212。仪器200可以是在介入期间使用的任何仪器，包括但不限于：机械手术刀(柳叶刀)、激光手术刀、内窥镜、显微成像探头、手术吻合器、牵开器、烧灼设备(电的或光学的)、导管、凿子、夹具、探头、套管针、剪刀、等等。仪器200可以由医师操纵以执行介入过程。在很多介入过程中，医师将使用多于一个仪器。因此，根据一个实施例，形状感测系统10包括多于一个仪器200。

可以通过导引器220来将仪器200经管腔内或血管内方式引入患者，导引器220可以包括一个或多个柔性套管和/或刚性套管，通过所述套管，仪器200可以被推进和/或收回。根据一个实施例，如在图2和图3中所示，仪器200可以被设置在柔性套管222中，所述柔性套管222被设置在更短的刚性套管224中，刚性套管224用于将所述仪器和所述柔性套管引入到身体管腔或血管中。

形状感测纤维212与光学控制台210一起形成形状感测系统10，所述形状感测系统10提供应变信息。光学控制台210被可操作地连接到形状感测纤维212。例如，形状感测纤维212可以在光学连接器处被连接到光学控制台。形状感测纤维212是光纤。多个光学散射器(例如光纤布拉格光栅或瑞利散射器)可以在光纤的长度上在纤芯或包层中分布，以形成传感器或计量器来测量应变。光学控制台210对纤维进行询问，沿光纤纤芯发射宽带光信号并测量反射波长以确定光纤纤芯中的长度解析的应变。备选地，反射谱可以从窄带光源获得，从而，波长随时间扫描。应变数据然后被用于计算每个传感器处的局部弧线，并且弧线数据被编译以计算形状感测纤维212的三维形状，其对应于形状感测纤维设置于其中或固定于其上的仪器的形状。光学控制台210可以包括处理器，并且可以处理来自传感器的波长和应变数据。备选地，光学控制台可以将波长或应变数据发送到与光学控制台分开的处理系统以供处理。

成像系统1还包括：处理器110；存储器130，通过例如系统总线120其可操作地被连接到处理器；以及，输入/输出(I/O)连接器115，其可操作地将形状感测系统10连接到处理器110。处理器110可以是能够执行过程指令的任何设备，诸如，一个或多个微处理器。此外，处理器110可以实现于通用计算机中。

存储器130可以是用于存储数据和程序指令的任何易失性存储器或非易失性存储器，例如，可移除盘、硬盘驱动器、CD、随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)、等等。此外，存储器130可以包括一个或多个存储设备。

I/O连接器115可以是可操作地将处理器110连接到形状感测系统210、另一计算机、或数据源的任何硬件。I/O连接器可以包括，但不限于RS232串行接口、以太网、以及USB端口。

处理系统100还包括成像程序132，成像程序132被存储在存储器130上并且由处理器110运行以接收和处理形状感测系统10的成像数据，并且在显示器140上显示图像。成像程序132可以包括用于各种图像处理功能的模块或单元。

处理系统100还包括配准程序134，配准过程134被存储在存储器130上并且由处理器110运行，以将针对形状感测系统10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。成像数据可以是存储的成像数据或者是来自MRI、X射线、超声、或适于采集解剖结构的图像的任何其他类型的成像系统的实时成像数据。根据一个实施例，成像系统数据包括三维图像体积。

配准程序134可以是成像程序134的部分、独立程序或能够由成像程序调用的子例程。

配准程序134确定稳定弧线，然后，配准程序134将来自另一源的弧线匹配到稳定弧线，并且将经匹配的弧线进行对齐。另一源可以是来自形状感测系统10的不同时间的数据(时间比较)。备选地，另一源可以是来自另一成像模态的成像数据。

根据另一实施例，另一源可以是来自另一形状感测纤维的重建，所述另一形状感测纤维被设置或固定到与第一形状感测纤维经受相同的形状限制的结构。例如，一个形状感测纤维可以被设置在或固定到诸如导管的仪器，并且另一形状感测纤维可以被并入到导管内部的导丝并且因此经受相同的形状限制。

图4是根据本发明的实施例的方法的流程图，所述方法用于通过将来自不同的源的稳定弧线进行匹配和对齐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。

根据一个实施例，配准程序134执行形状感测系统10的坐标系到来自过程前成像数据或过程中成像数据的坐标系的初始对齐(步骤410)。初始配准可以使用各种己知方法中的任意方法来执行。例如，初始配准可以通过将形状感测使能的仪器触碰到成像数据中与可识别的点相对应的标记物或解剖标志来执行。

配准程序134确定稳定弧线(步骤420)。为确定稳定弧线，配准程序首先识别形状感测纤维212中的曲线。形状感测纤维212提供多线曲线500，如图5中所示。多线曲线是由多个点(对应于传感器位置)形成的曲线，其中，每个点在形状感测纤维212上与前一个点相继。

图5中更详细地示出了确定稳定弧线420的步骤。配准程序134识别多线曲线500中的弯曲501-506(步骤421)。为了识别弯曲，配准程序确定多线曲线500的弯曲半径。弯曲半径可以通过查看沿着多线曲线500的点的弧线的率和方向来确定。例如，弧线的率和方向可以根据应变数据来确定。备选地，配准程序134可以通过以预定的间隔和采样率在多线曲线上取三个点并且计算从中点到始于第一点指向最后点的矢量的距离作为弧度的度量，从而确定弯曲半径。

根据另一实施例，所述弧线可以通过根据所述多线曲线上的坐标计算梯度来确定。

配准程序134在时间上对弧线进行比较(即，在相继的形状重建上)以查看弯曲是否稳定(步骤422)。出于临床目的，优选地尽可能远地沿形状定位弯曲，因为要将仪器的尖端关于弯曲的位移最小化。如果己知形状的原点到仪器(以及形状感测纤维)上的稳定物理限制的距离，则例如通过使用弧线导引器，针对弯曲半径的搜索窗口能够被限定到针对己知稳定物理限制的测量距离(geodesic distance)处的位置。

配准程序确定弧线或弯曲是否稳定(步骤425)。如果来自相继的形状重建的弯曲半径在预定容差内匹配，则确定所述弧线稳定(来自步骤4125的Y分支)。如果弧线不稳定(来自步骤425的N分支)，则测试额外的弯曲。

返回图4，一旦确定了稳定弧线(步骤420)，则弧线被匹配到来自另一源的稳定弧线(步骤430)。所述另一源可以是来自不同时间的另一形状重建。备选地，所述另一源可以是来自过程前成像或过程中成像的数据，诸如，来自计算机断层摄影的解剖体积重建。在另一实施例中，所述另一源可以是与第一形状感测纤维经受相同的形状限制的不同形状感测纤维。

通过比较如图6中所示的来自不同曲线的不同弧线的弯曲半径来匹配所述弧线。由点501、502、503限定的曲线500的弯曲半径(从步骤420中存储)被匹配到由点610、602、603限定的曲线600的弯曲半径(来自不同的源)。如果弯曲半径在预定容差内匹配，则弧线被确定为匹配。因为点处于分立的距离，因而新的形状的曲线可能己在参考形状的点之间移位。根据各个实施例，可以使用非常小的采样率或者可以使用埃尔米(Hermite)曲线或样条线执行插值以改进检测。

配准程序134将匹配曲线对齐(步骤440)。计算平移和旋转以使来自不同的源具有匹配的弯曲半径的三维弧线与来自存储的稳定弧线的三维弧线对齐。对齐所需的平移和旋转可以用变换矩阵的形式表示，变换矩阵可以被应用于形状重建以将其对齐到成像数据。可以根据匹配的弧线上的点的坐标来计算所述矩阵。

根据一个实施例，配准程序134通过以下方式来对齐弧线：从每个弧线上取三个点(弯曲点、近点、以及远点)来形成处于相应弯曲的平面内的三角形，然后将所述三角形对齐。

根据一个实施例，配准程序134在与所述配准相符的过程前图像重建或过程内图像重建上显示针对新配准的弧线的形状重建(步骤450)。

本发明可以采取完全硬件的实施例的形式或者包括硬件和软件元素两者的实施例的形式。在示范性实施例中，本发明是通过软件来实现的，软件包括但不限于固件、驻留软件、微代码等。

此外，本发明可以采取能够从计算机可用或计算机可读存储设备可访问的计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品提供程序代码用于由计算机或任何指令执行系统或设备使用或者结合计算机或任何指令执行系统或设备使用。出于本说明的目的，计算机可用或计算机可读存储设备可以是能够包括或存储用于指令执行系统、装置或设备使用或者结合指令执行系统、装置或设备使用的程序的任何装置。

以上方法可以通过包括机器可读存储设备的程序产品来实现，所述机器可读存储设备具有编码在非暂态计算机可读介质中的机器可执行程序指令，所述机器可执行程序指令在由诸如计算机的机器运行时，执行所述方法的步骤。该程序产品可以存储在各种己知机器可读存储设备中的任意机器可读存储设备上，包括但不限于，压缩盘，软盘，USB存储设备，等等。

存储设备能够是电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的、或者半导体系统(或装置或设备)。计算机可读存储设备的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘、光盘。光盘的当前范例包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读/写存储器(CD-R/W)以及DVD。

前述说明和附图旨在说明而非限制本发明。本发明的范围旨在涵盖对权利要求的完整范围内的等价变化和配置。

本领域技术人员通过研究附图、公开和权利要求，在实践要求保护的本发明时能够理解和实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求书中记载的若干项的功能。尽管在权利要求中记载了特定特征，但是这并不指示不能有利地使用这些特征的组合。权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为对本发明的范围的限制。

Claims (17)

1.一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，包括：

至少一个仪器(200)，其并入具有形状感测传感器的光纤(212)；

光学控制台，其对光学形状传感器询问；并且确定所述仪器的三维形状；以及

处理器(110)，其通过将所述光纤中的稳定弧线与来自不同的源的弧线匹配并将经匹配的弧线对齐来将所述形状感测纤维的所述坐标系配准到成像数据的坐标系。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述不同的源是不同的成像模态。

3.如权利要求2所述的系统，其中，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图像。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述处理器也是处理所述过程前成像数据和所述过程中成像数据的所述处理器。

5.如权利要求3所述的系统，其中，所述不同的源是来自分割的过程前成像或过程中成像的中心线。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述不同的源是来自不同时间的形状重建。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述不同的源是来自不同的形状感测纤维的形状重建。

8.一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，包括：

识别装备了形状感测纤维的仪器的重建图像中的稳定弧线；

将所述稳定弧线匹配到来自不同的源的弧线；以及

对齐经匹配的弧线。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述稳定弧线和来自不同的源的所述弧线是通过比较弯曲半径而被匹配的。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述稳定弧线和来自不同的源的所述弧线是通过比较所述弧线中的坐标的梯度而被匹配的。

11.如权利要求8所述的方法，其中，所述不同的源是来自不同时间的形状重建。

12.如权利要求8所述的方法，其中，识别稳定曲线的所述步骤包括以下步骤：

测量装备了形状感测纤维的仪器的所述重建图像的曲线中的至少一个弯曲的半径；

将来自装备了形状感测纤维的仪器的随后的重建图像的弯曲半径与装备了形状感测纤维的仪器的先前的所述重建图像的弯曲半径进行比较；

确定所述弯曲半径是否符合预定匹配标准；以及

如果符合所述匹配标准，则保存所述弯曲的所述半径和位置。

13.如权利要求8所述的方法，其中，所述不同的源是来自不同的形状感测纤维的形状重建。

14.如权利要求8所述的方法，其中，所述不同的源是不同的成像模态。

15.如权利要求14所述的方法，其中，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图像。

16.如权利要求14所述的方法，其中，所述不同的源是来自分割的过程前成像或过程中成像的中心线。

17.一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计算机程序产品，包括计算机可读存储设备，所述计算机可读存储设备在其上编码有在非暂态计算机可读介质上的计算机可执行程序指令，所述程序指令包括：

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。