[发明专利]用于导航系统的自动初始化和配准的系统和方法

说明书

政府权利：

本发明是在执行美国公共卫生署的合作研究和开发协议（CRADA No.NCI-NIHCC-01864）中做出的。美国政府具有本发明中的特定权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2011年3月3日提交的美国临时专利申请No.61/448714的优先权，在此通过引用将其全文并入本文。

技术领域

本公开涉及医疗系统，更具体而言，涉及用于使用不同成像模态之间的协调配准进行设备导航的系统和方法。

背景技术

手术和最小有创治疗需要沿预定义路径到达预定目标点的可靠而精确的导航。基于从感兴趣区域获取的程序前的高分辨率三维（3D）图像，多种介入得以引导。通常，计算机断层摄影（CT）或磁共振（MR）扫描器采集介入之前的图像（术前图像）。这些模态不是实时的，至少当需要高分辨率时，因此在介入期间它们用于成像的用处是非常有限的。术前图像的适当空间配准与导航系统的组合将使图像在介入程序期间更加有效。

在获取高分辨率3D图像之前将基准标记附着到患者皮肤是一种广泛的用于促进空间配准的方法。在图像中能够容易地定位这些标记，即，在图像坐标系中能够精确地确定它们的空间坐标。为了执行实际的介入，将患者放置于介入台上。通过利用在空间上被跟踪的指针设备接触标记，在定位测量系统坐标系中获得基准标记的位置。通过将这些坐标映射到定位在图像中的标记的坐标，能够确定从定位测量系统坐标到图像坐标的变换。假如在患者和测量系统之间存在固定的空间关系，那么就能够在术前图像中确定被跟踪设备的位置。

通常，在所述程序期间医师使用诸如超声的实况成像模态以获得额外信息，并且将实况成像模态用作配准的验证以增强当使用术前图像信息时的可靠性。还跟踪这种实况成像模态的位置，从而知晓在跟踪坐标系中实况图像的空间坐标。

然而，在许多情况中不能使用基准标记。这些情况包括：1）当尝试在能够在附着基准之前获得并且不能以附着的基准被重复的程序前诊断图像上导航时（例如，由于担心成本、辐射剂量或造影剂暴露、工作流程等）。2）当限制成像模态的视野从而使得视野不能够覆盖用于介入的皮肤基准和感兴趣区域时。

当基准标记不能用于配准时，必须使用备选模块匹配程序前图像空间与导航系统空间。目前，可用方法局限于使用点对匹配的手动配准（例如在诸如超声的实况程序中模态和程序前图像中找到对应的解剖标志）；扫描平面匹配（在感兴趣区域中选择“实况”图像平面，并调整配准变换以将它映射到程序前图像中的对应图像平面，或反之亦然，在程序前图像中选择图像平面并调整“实况”图像平面以与程序前图像平面相匹配）或这些的组合。

程序前图像采集与介入程序之间的器官运动和变形，以及在具有非常不同的特性的图像（例如超声相对于CT/MR）中可靠地识别等价目标的困难，将这种手动配准过程变为困难的工作，这经常花费大量的时间，和/或导致不准确的配准结果。

确定准确而可靠的传递函数以将图像像素从一种模态映射到另一种模态是非常具有挑战性的，假定不同模态具有内在不同的图像形成现象且具有变化的对比度和强度水平，。呼吸相位和感兴趣结构的各种弹性变形在确定准确的配准中也具有重要的作用。已描述了多种方法，包括各种基于图像的方法，以在US和CT或MR之间建立适当的相似性度量。然而，特定结构的可靠自动分割成为能够妨碍配准质量的误差的主要来源之一。这样的方法保持高度受监督，因为它们需要配准变换的手动初始化或出于配准目的采集的超声帧的手动门控。

发明内容

根据本发明原理，提供了这样的系统和方法，其创建可靠的配准初始化，以自动将术前图像融合到术中图像，而不依赖人工对准或处理术中帧的选择。这些实施例包括从术中图像获得的受试者特异性结构形状信息（例如参考器官或边界），以提供与对应的术前形状模型的适当对准。这些实施例提供了关于就平移和旋转参数而言的有效搜索空间的有用信息，以及关于用于自动的基于图像的配准方法的起点的有用信息。