[发明专利]血管树图像的内窥镜配准

说明书

本申请主张2011年9月13日提交的标题为“Robotic Control of an Endoscope from Blood Vessel Tree Images”的共同专利申请PCT/IB2011/053998的权利。

技术领域

本发明大体上涉及对术前三维(“3D”)血管树图像与术中内窥镜血管树图像之间的术中配准。本发明具体涉及用于在冠状外科手术过程期间解决在血管树的拓朴结构中的任何改变的术中配准合并方法。

背景技术

冠状动脉旁路移植术(“CABG”)是阻塞冠状动脉的血管重建的外科手术过程。在美国每年执行大约500,000例手术。在常规CABG中，患者的胸骨被打开，并且患者的心脏被完全暴露于外科医生。尽管心脏暴露，由于动脉上面的脂肪组织层，一些动脉会是部分不可见的。对于这样的动脉，外科医生可以触诊心脏表面，并且感觉来自动脉和动脉狭窄的血液脉动。然而，该数据稀少，并且可能不足以将外科手术规划转移到外科手术部位。

在最小侵入性CABG中，由于外科医生不能触诊心脏表面，因此放大了常规CABG的前述问题。额外地，用于最小侵入性CAB中的外科手术器械的长度阻止来自工具近端的任何触觉反馈。

用于解决常规CABG问题的一个已知技术是将术中部位与术前3D冠状动脉树进行配准。具体而言，光学追踪指针用于使开放性心脏环境中动脉的位置数字化，并且使用本领域已知的迭代最近点(“ICP”)算法将位置数据配准到术前树。然而，因为由小口进出施加的空间约束，与匹配数字化动脉和术前数据的任何相关途径一样，该技术对于最小侵入性CABG是不实际的。另外，该技术要求大多数动脉是可见的或可由外科医生触诊，这在最小侵入性CABG中是不可能。

用于解决最小侵入性CABG问题的一个已知技术是实施配准方法，在所述配准方法中，使用光学追踪内窥镜重建心脏表面，并且将其与相同表面的术前计算机断层摄影(“CT”)数据进行匹配。然而，如果用于导出表面的内窥镜视图太小，该技术与提出基于表面的匹配的任何相关途径一样，可能失败。而且，当在不具有特定表面特征的情况下心脏表面相对平滑时，该技术的算法通常在算法的次优局部最大值中操作。

用于解决最小侵入性CABG问题的另一已知技术是使用先前标注情况和基于图形匹配的数据库来标注从新患者中提取的冠状树。然而，只有完全树是可用的，该技术才运作，并且其目的是标记树，而不是匹配几何结构。

一旦到达关于术前3D图像的全局位置，最小侵入性CABG的又一问题是内窥镜的取向和引导。配准的目的是便于吻合部位和狭窄的定位。在标准装备中，当外科医生握住两个器械时，辅助装置正握住内窥镜。外科医生向辅助装置发出命令，并且辅助装置据此移动内窥镜。由于辅助装置需要直觉地将通常在外科医生参照系发出的外科医生的命令转换到辅助装置参照系和内窥镜参照系，这类装备阻碍外科医生的手眼协同。多个坐标系会引起各种处理错误，延长外科手术或引起冠状动脉的错误识别。

被设计为允许外科医生经由感测到的外科医生头部的移动直接控制内窥镜的外科内窥镜辅助装置，通过将辅助装置从控制回路中移除，可以解决那些问题中的一些，但是外科医生参照系和内窥镜参照系之间的变换问题依然。

发明内容

本发明提供用于匹配如在术前三维(“3D”)图像(例如，CT图像、锥形射束CT图像、3D X-射线图像或MRI图像)和术中内窥镜图像中示出的在血管树的每个分叉(例如，动脉、毛细血管、静脉和其他多分枝解剖结构的每个点)的图形表示的图像配准方法。图像配准方法还可以解决在外科手术过程(尤其CABG)期间在血管树的拓朴结构中的任何改变。

出于本发明的目的，本文中术语“分叉”被广义定义为沿着血管树分成两个或更多分枝的任何点。

本发明的一个形式是采用内窥镜和内窥镜控制器的配准系统。在手术中，内窥镜生成解剖区域内的血管树(例如，动脉树、静脉树或人体任何其他管状结构)的术中内窥镜图像，并且内窥镜控制器图像将血管树的术中操作内窥镜图像与血管树的术前三维图像进行配准。图像配准包括对血管树的术中内窥镜图像内的血管树的每个分叉的图形表示与血管树的术前三维图像内的血管树的每个分叉的图形表示的图像匹配。

本发明的第二形式是图像配准方法，所述图像配准方法涉及解剖区域内的血管树的术前三维图像的生成、解剖区域内的血管树的术中内窥镜图像的生成、以及对血管树的术中内窥镜图像与血管树的术前三维图像的图像配准。图像配准包括对血管树的术中内窥镜图像内的血管树的每个分叉的图形表示与血管树的术前三维图像内的血管树的每个分叉的图形表示的图像匹配。