[发明专利]用于内窥镜手术的术中照相机校准

说明书

技术领域

本发明通常涉及基于解剖区域的术前扫描图像和内窥镜图像，对身体的解剖区域之内的手术工具的实时追踪。本发明具体涉及使用解剖区域的术前扫描图像和一个或多个内窥镜图像计算内窥镜照相机与电磁（“EM”）追踪器之间的偏移变换矩阵。

背景技术

EM引导的内窥镜检查法已经被认为是针对许多肺部应用的有价值工具。这种技术超出传统内窥镜检查法的优势是基于当执行介入程序时与肺部三维（“3D”）路线图的实时联系。这种联系要求在全局坐标系统中对内窥镜顶端的追踪，以因而将肺部的内窥镜图像与肺部的术前扫描图像（例如，计算机断层摄影图像、磁共振图像、X射线图像、三维超声图像，等等）相关联。显示融合的图像以使得外科医生能够可视地将内窥镜导航至肺部之内的手术部位。

这种图像整合的关键要求是内窥镜校准，其涉及确定安装在内窥镜外部的EM追踪器相对于设置在内窥镜照相机通道之内的内窥镜照相机的坐标系统的位置和取向。这种内窥镜校准的结果采取下列六（6）个偏移常数的形式：三（3）个用于旋转并且三（3）个用于平移。介入内窥镜程序中的内窥镜校准的目的是基于附接的EM追踪器的EM读数来动态确定内窥镜照相机相对于术前扫描图像的姿态。

一般而言，现有技术中已经通过使用EM-追踪的内窥镜获得校准参数，以对具有已知几何属性的具体校准模式的EM-追踪的肺部体模（phantom）进行成像。然而，基于体模的内窥镜校准涉及复杂冗长的工程程序。在一个已知的内窥镜校准中，虽然内窥镜校准的期望变换是在照相机坐标系统和EM追踪器坐标系统之间的，但是事实上，需要在内窥镜、外部地以及刚性地附接于该内窥镜的EM追踪器、EM场生成器、校准体模以及参考追踪器之间的校准程序的阵列。例如，所需的校准程序包括EM追踪器坐标系统与参考追踪器的校准、校准体模与参考追踪器之间的校准、以及内窥镜照相机与校准体模之间的校准，以因而达到照相机坐标系统与EM追踪器坐标系统之间的目标校准。

另外，在收集校准数据中所需的数据采集协议通常来自具有棋盘模式的校准体模。这使得该校准对于内窥镜应用的术中校准程序而言是不切实际的。然而，在这样的情况下，倾向具有术中校准：（1）固有照相机和失真参数是固定的，并且通过术前校准过程来确定，以及（2）非固有照相机参数（例如，EM追踪器和内窥镜照相机的坐标之间的变换）是非固定的，并且将随着不同的内窥镜应用而变化。这种变化可以归因于这样的事实：EM追踪器由于多种原因可能不是永久地捆束在内窥镜顶端上。例如，EM追踪器可能在内窥镜应用的初始阶段时被插入内窥镜的工作通道内部，当内窥镜到达解剖区域之内的目标部位时从该工作通道中移除，并且为了随后的介入而用手术仪器（例如，活组织检查针或者手术钳）替换。

此外，现有技术中已知的术中校准程序仍然利用校准体模。

发明内容

本发明提供了一种内窥镜校准方法，所述方法快速且准确地计算出期望的非固有参数，因而实现解剖区域的术前扫描图像（例如，CT图像）与所述解剖区域的内窥镜图像之间的实时数据融合。具体地，本发明的内窥镜校准方法排除任何体模的任何参与。而是，本发明的内窥镜校准方法利用来自患者的术前扫描数据和内窥镜视频数据两者来执行基于图像的配准，该配准产生从术前扫描坐标到内窥镜照相机坐标的变换，该变换与其他已知的变换矩阵一起被利用来推导期望的校准变换矩阵。

本发明的一种形式是采用内窥镜和成像单元的手术导航系统。所述内窥镜包括在所述内窥镜的工作通道之内的电磁追踪器，所述电磁追踪器用于在解剖区域之内生成指示所述内窥镜的一个或多个姿态的电磁感测信号；以及在所述内窥镜的成像通道之内的内窥镜照相机，所述内窥镜照相机用于生成所述解剖区域的内窥镜图像。在手术中，所述成像单元根据在所述解剖区域之内的校准部位的所述术前扫描图像与在所述解剖区域之内的所述校准部位的一个或多个内窥镜图像之间的图像配准，执行所述电磁追踪器和所述内窥镜照相机的术中校准。

在本发明的第二形式中，所述手术导航系统还采用了电磁追踪单元，所述电磁追踪单元响应于电磁信号以电磁追踪在所述解剖区域之内的相对于全局参考的所述内窥镜，并且所述电磁追踪器和所述内窥镜照相机的术中校准是根据在所述解剖区域之内的校准部位的所述术前扫描图像与所述解剖区域之内的所述校准部位的一个或多个内窥镜图像之间的图像配准，以及根据所述全局参考与所述术前扫描图像之间的电磁配准全部两者。