[发明专利]使用标准荧光镜进行局部三维体积重建的系统和方法

说明书

本发明题为“使用标准荧光镜进行局部三维体积重建的系统和方法”。本发明公开了一种系统，该系统用于由二维荧光镜图像构建在患者内的目标区域的基于荧光镜的三维体积数据，包括标记物的结构、被配置为采集所述目标区域和所述标记物的结构的图像序列的荧光镜成像设备、以及计算设备。所述计算设备被配置为基于所述标记物的结构整体在所述多个图像的每个图像上的可能且最大概率的投影的检测估计所述图像序列的至少多个图像的所述荧光镜成像设备的姿态。所述计算设备被进一步配置为基于所述荧光镜成像设备的所估计的姿态构建所述目标区域的基于荧光镜的三维体积数据。

背景技术

技术领域

本公开涉及外科规程的导航、位置确认和位置校正的系统、装置和方法。更特别地，本公开涉及由使用标准荧光镜成像设备所捕获的二维荧光镜图像构建基于荧光镜的三维体积并且利用该基于荧光镜的三维体积实时确定医疗设备相对于在患者内的目标的位置的系统和方法。

相关领域

存在若干用于治疗影响器官(包括肝、脑、心脏、肺、胆囊、肾和骨骼)的各种疾病的普遍应用的医疗方法，诸如内窥镜规程或微创规程。通常，临床医生采用诸如磁共振成像、超声成像、计算机断层扫描(CT)及其他的一种或多种成像模式来识别在患者内的感兴趣的区域并最终识别治疗目标。

例如，内窥镜方法已被证明可用于导航到在患者内的感兴趣的区域，并且特别是导航到在身体管腔网络(诸如肺)内的区域。为了实现肺中的内窥镜(并且更特别地，支气管镜)方法，已开发了支气管内导航系统，其使用先前所采集的MRI数据或CT图像数据来生成特定身体部分(诸如肺)的三维渲染或体积。特别地，利用从患者所采集的MRI扫描或CT扫描的先前所采集的图像来生成患者的三维或体积渲染。

然后利用从MRI扫描或CT扫描生成的所得的体积来创建导航规划以促进导航导管(或其他合适设备)穿过支气管镜和患者支气管分支(例如，手动地或在执行机器人外科手术时经由控制台)到感兴趣的区域。可将电磁跟踪与CT数据联合用于促进导航导管穿过支气管分支引导到感兴趣的区域。在某些情况下，导航导管可定位在感兴趣的区域附近或内的分支管腔网络的气道之一内以为一个或多个医疗器械提供入路。

作为另一个示例，微创规程(诸如腹腔镜规程，包括机器人辅助外科手术)可采用操作中荧光镜检查以增加可视化(例如，用于引导和病灶定位)或防止损伤和并发症。

为了生成导航规划或为了甚至生成患者解剖结构(诸如肺)的三维或体积渲染，需要临床医生利用MRI系统或CT系统采集三维体积构建的必需图像数据。MRI系统或基于CT的成像系统极其昂贵，并且在许多情况下在与生成导航规划或执行导航规程的位置相同的位置中不可用。

荧光镜成像设备在导航规程期间通常位于操作室中。临床医生可使用标准荧光镜成像设备来显现并确认工具或医疗设备在被导航到所需的位置之后的放置。然而，虽然标准荧光镜图像显示高度致密的对象(诸如金属工具和骨骼)以及大软组织对象(诸如心脏)，但荧光镜图像难以分辨感兴趣的小软组织对象，诸如病灶。此外，荧光镜图像仅是二维投影。为了能够在三维空间中看见小软组织对象，需要X射线体积重建。存在提供软组织的三维体积重建的若干解决方案，诸如医疗领域广泛使用的CT和锥形束CT。这些机器在算法上将来自已知的校准X射线源位置的多个X射线投影组合到软组织可见的三维体积中。

为了将工具导航到远端软组织目标进行活检或治疗，工具和目标在某种三维引导系统中均应可见。这些系统中的大多数使用某种X射线设备来透视身体。例如，CT机器可在规程期间与迭代扫描一起用于提供穿过身体的引导直到工具到达目标。这是冗长的规程，因为其需要若干完整CT扫描、专用CT室以及在扫描之间的仪表导航。另外，每次扫描都需要工作人员离开CT室。另一种选择是锥形束CT机器，这种机器在一些操作室中可用并且比较容易操作，但很昂贵，而且与CT一样仅提供在扫描之间的仪表导航，需要导航的多次迭代并需要工作人员离开CT室。