[发明专利]用于辅助2D‑3D图像配准的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种辅助相同区域的3D图像数据与2D图像数据的配准的技术。本发明的实施例特别应用于图像引导手术(IGS)系统，尤其在手术过程中用预获取的3D图像数据与获取的实时2D图像数据进行对准。

背景技术

对于一些临床应用，已广泛地提议将手术前的3D数据与手术中的2D透视数据进行配准。放射外科和神经外科的系统在临床中得到普遍使用。这些系统使得手术前的数据叠加到手术中的图像上，或者使得来自手术前的计算机断层(CT)扫描(例如放射治疗计划)的附加信息准确地与患者对齐。

更详细地，在操作前通常向患者将要执行手术的身体区域执行CT扫描。其产生扫描的身体区域的三维图像。然而，在手术过程中，例如采用C形臂透视机在相同的区域获取2D透视图像。然而，尤其在基于导管的MIS处理过程中，外科医生不足以凭2D透视图像确定手术器械或者手术植入物在体内的精确位置。例如，在主动脉瘤的支架移植物修复过程中，必须准确放置支架。

为了解决2D图像的缺陷，公知地，例如用CT扫描获取的3D预获取图像来增强2D实时图像。然后通过确保3D图像与2D图像进行精确调准，即确保2D图像与3D图像的正确部分进行对齐，来解决该问题。图1示出的位置和方位是由六个刚体参数来定义，其中有三个平移参数X、Y和Z以及三个旋转参数θx、θy和θz。这些参数可以划分为定义一运动的参数，该运动平行于透视图像平面(在平面中的参数θx、Y、和Z)，以及定义另一运动的参数，该运动的一分量正交于透视平面(在平面外的参数θy和θz，以及X)。然后，配准问题之一在于如何利用这些参数使3D数据体变得与2D图像对齐，从而使外科医生确信已经实现配准。

在本领域公开了各种配准技术。具体地，Penney等人的题为“图像引导的手术系统，以辅助复杂主动脉瘤的血管内治疗：描述和初步临床经验(An Image-Guided Surgery System to Aid Endovascular Treatment of Complex Aortic Aneurysms:Description and Initial Clinical Experience)”收录于IPCAI 2011,LNCS 6689，第13-24页，该发明者描述了一种基于强度配准的技术，需要依靠在透视图像中对椎骨的目视检查和辨识来选择起始位置。图3(a)至(c)示出其处理过程，其中使用GUI从初始位置(图3(a))绘制(图3(b))令人感兴趣的区域，然后在透视的椎骨(图3(c))上将该选取的3DCT椎骨表面手动地进行平移。

这种配置的问题在于，特别当胸腔和骨盆都不可见的时候，可能难以获得精确的椎骨辨识。在这种情况下，很多椎骨可能看似相同，除非执行配准的医疗技术人员能够精确地识别显示在透视图像上的是哪一个椎骨，否则将会无法实现精确的配准。这个问题的总体影响在于，通常会增加配准所花费的时间，同时医疗技术人员要尝试在透视图像中识别哪一个椎骨可见。

发明内容

本发明实施例的目的在于通过提供一种系统和方法以解决上述问题，该系统和方法能够自动提供用于2D至3D配准的起始点，而无需依靠人去识别显示在2D图像中的特征。这可以通过3D数据的预处理来实现，从而获取由3D数据体的那些部分所合成生成的2D图像，该3D数据体的那些部分将会用作配准。产生许多不同的3D体的或者3D体每个部分的合成生成的2D图像，每个合成生成的2D图像来自不同的可视方向。然后向这些合成图像中的每一个图像实施特征提取处理，以提取显示在图像中的配准特征的特性特征数据。例如，在其中采用广义霍夫变换(generalised Hough transform)，使特征提取包括产生用于配准特征的R表。在许多外科手术实施例中，配准特征可以是椎骨，然而可以理解到，几乎可以使用所有的解剖学特征，具体是那些可以在透视图像上看得见的解剖学特征。

一旦已对每一个图像实施特征提取，在手术前或手术过程中执行配准的时候，例如，向获取的实时2D图像应用每个提取的特征集，并通过透视处理获取的实时2D图像，从而尝试且识别在2D图像中哪个集最佳地匹配该配准特征。例如，在特征提取中采用广义霍夫变换，将R表应用到2D图像以分别获取堆积图像。然后可以对堆积图像进行排序，以识别出哪个配准特征显示在2D图像中，并且来自哪个视图方向。这给出所需的信息来指出显示在透视图中的是哪个配准特征，并且还指出其在图像内的位置和方位。然后可以将这些信息用作2D至3D配准过程的起始点。