[发明专利]用于EM跟踪内窥镜系统的无标记物跟踪的配准和校准

说明书

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。

一般而言，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，(2)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

在以上引用的无标记物配准方法中，通过使来自内窥镜跟踪器的EM读数和从CT图像中提取出的中央线路径之间的空间距离最小化可以建立变换矩阵。这意味着操作者，为了执行配准任务，必须沿着一条线稳定地移动以使得数据可用于配准。同样，不可避免的是当操作者尝试着将观察仪器向着子分支扭转，或者将照相机转向旁边以检查壁部时，内窥镜的轨迹变得“脱离轨迹”(不再在中央线上)。这些数据对于配准不再可用，并且必须被丢弃直到观察仪器返回轨迹(也即，回到中心线上)。这一数据限制(可用帧的选择性)使得实时配准是困难的。

根据本发明原理，提出一种简化的校准方法，其只通过计算出照相机坐标和内窥镜跟踪器之间的偏移变换矩阵(假设已经获得了该照相机的固有参数)而避开了麻烦的离线校准。在一个实施例中，从3D CT图像，或者虚拟图像(例如，虚拟支气管镜(VB)图像)来绘制出腔道(例如，气道)的漫游(fly-through)腔内视图。软件程序被配置为具有优化方案，该优化方案能够从一系列的候选实际位姿中识别出与术前图像最相似的实际图像(例如，实际支气管镜(RB)图像)。确定与该实际图像相关联的EM位置传感器(放置在该内窥镜的顶端上)的位置。将该位置与术前图像相关以确定出变换矩阵，该变换矩阵指示如何将实时图像与虚拟或者术前图像相关联。