人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法和人體導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法和人體導(dǎo)航系統(tǒng)。提供了手術(shù)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體器官的運(yùn)動(dòng)的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法和手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。該人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法包括：獲得從術(shù)前三維立體醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別的各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)；在手術(shù)中實(shí)時(shí)確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)；基于各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)以及在定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系之間的最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及基于該最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在從定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差；基于實(shí)時(shí)確定的各個(gè)時(shí)刻的各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換總體誤差，評(píng)估人體器官在該各個(gè)時(shí)刻相對(duì)于手術(shù)前掃描時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)程度。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體地涉及手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)和方法，更具體地涉及醫(yī)學(xué)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體 器官的運(yùn)動(dòng)的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法、人體導(dǎo)航系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。 人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法和人體導(dǎo)航系統(tǒng)

【背景技術(shù)】
[0002] 介入手術(shù)是現(xiàn)代外科手術(shù)的發(fā)展方法，介入手術(shù)與傳統(tǒng)外科手術(shù)的區(qū)別是不需要 開(kāi)刀，只需要一個(gè)很小的創(chuàng)口即可將特制的手術(shù)器械例如導(dǎo)管、冷凍針、射頻消融振、導(dǎo)絲 等刺入到人體內(nèi)的病灶部位或者手術(shù)靶點(diǎn)位置上，然后通過(guò)各種物理/化學(xué)作用達(dá)到治療 的目的，從而解決過(guò)去需要開(kāi)放式手術(shù)才能解決的腫瘤切除、組織活檢、人工器材放置等問(wèn) 題。
[0003] 在介入手術(shù)過(guò)程中，醫(yī)生無(wú)法直接觀察到病人體內(nèi)的治療部位或者病灶，需要借 助于醫(yī)學(xué)影像引導(dǎo)下的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是集計(jì)算機(jī)科 學(xué)、人工智能、自動(dòng)控制、影像處理、三維圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)和臨床治療等多方面技術(shù)為一體 的交叉研究課題。手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)使用多種模態(tài)的醫(yī)學(xué)影像協(xié)助醫(yī)生將手術(shù)器械直接穿刺到 病灶進(jìn)行局部治療，進(jìn)而提高手術(shù)質(zhì)量、減少手術(shù)創(chuàng)傷、降低患者痛苦。
[0004] 手術(shù)導(dǎo)航應(yīng)用患者的醫(yī)學(xué)影像及由其重構(gòu)生成的三維模型來(lái)實(shí)時(shí)引導(dǎo)臨床手術(shù) 的實(shí)施?；颊叩尼t(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)集例如通過(guò)CT (computerized tomography,計(jì)算機(jī)斷層攝影） 或MRI (Magnetic Resonance Imaging,核磁共振成像）掃描手段來(lái)獲得。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)把 患者術(shù)前醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)和術(shù)中手術(shù)部位通過(guò)定位設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，并能夠在軟件界面里準(zhǔn)確 地顯示患者的解剖結(jié)構(gòu)及病灶附近三維空間位置的細(xì)節(jié)。當(dāng)手術(shù)器械指向患者身體內(nèi)部的 任意部位時(shí)，它的坐標(biāo)信息都會(huì)被導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取，并顯示在患者的三維模型上。這樣即 使不用給患者開(kāi)刀，醫(yī)生也能夠?qū)崟r(shí)了解手術(shù)器械和腫瘤病灶之間的相對(duì)位置關(guān)系。
[0005] 相對(duì)于傳統(tǒng)手術(shù)手段而言，手術(shù)導(dǎo)航具有下述優(yōu)點(diǎn)：
[0006] 1.可通過(guò)三維可視化技術(shù)實(shí)時(shí)重構(gòu)病灶，并顯示手術(shù)視野周圍的結(jié)構(gòu)特征；
[0007] 2.可通過(guò)術(shù)前手術(shù)方案設(shè)計(jì)選擇最合適的手術(shù)路徑；
[0008] 3.可顯示手術(shù)路徑上可能遇到的組織結(jié)構(gòu)；
[0009] 4.可顯示重要的應(yīng)回避的組織結(jié)構(gòu)，比如血管、神經(jīng)和骨骼等；
[0010] 5.可顯示病灶的需要治療的范圍；
[0011] 6.可實(shí)時(shí)精確計(jì)算出手術(shù)器械的位置姿態(tài)并加以顯示；
[0012] 7.可顯示手術(shù)器械與病灶的空間位置關(guān)系，并指示手術(shù)器械前進(jìn)的方向；
[0013] 8.可術(shù)中實(shí)時(shí)調(diào)整手術(shù)入路，從而更加精確地達(dá)到病灶部位。
[0014] 為了描述方便，下文以CT圖像作為醫(yī)學(xué)影像的例子，不過(guò)顯然醫(yī)學(xué)影像也可以例 如MRI影像的其它影像。
[0015] 實(shí)時(shí)手術(shù)導(dǎo)航涉及采用定位設(shè)備或者跟蹤系統(tǒng)，例如，采用電磁 (EM, electromagnetic)跟蹤器，來(lái)跟蹤手術(shù)工具例如穿刺針的末端，從而將手術(shù)工具的位 置與手術(shù)前醫(yī)學(xué)影像例如CT圖像相關(guān)，并將融合圖像顯示給臨床醫(yī)生。為了實(shí)現(xiàn)CT空間 和跟蹤器空間之間的數(shù)據(jù)整合，通常在導(dǎo)航之前執(zhí)行基于參考標(biāo)記的配準(zhǔn)過(guò)程。從CT圖像 中識(shí)別這些參考標(biāo)記（外部參考標(biāo)記或者內(nèi)部解剖參考標(biāo)記），并由經(jīng)校準(zhǔn)的跟蹤探頭觸 碰這些參考標(biāo)記，從而得到這些參考標(biāo)記在跟蹤器空間，下文稱之為定位坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。 之后，執(zhí)行基于點(diǎn)的配準(zhǔn)，以找到CT空間和跟蹤器空間之間的坐標(biāo)變換矩陣。由坐標(biāo)變換 矩陣得到配準(zhǔn)矩陣，該配準(zhǔn)矩陣使得手術(shù)工具與手術(shù)前CT圖像對(duì)準(zhǔn)，從而能夠基于手術(shù)工 具在定位系統(tǒng)中的位置信息，實(shí)現(xiàn)手術(shù)工具的圖像與CT圖像在CT坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確融合，并 可視地顯示給臨床醫(yī)生。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]目前手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航和骨科手術(shù)導(dǎo)航中。然而 這些手術(shù)都假設(shè)人體是一個(gè)完全靜止的剛體，并且這種靜止?fàn)顟B(tài)會(huì)從CT掃描初期保持到 整個(gè)手術(shù)過(guò)程的結(jié)束。雖然這種假設(shè)在大多數(shù)神經(jīng)外科手術(shù)和骨科手術(shù)里可以近似假定成 立，但是它在胸腹腔介入手術(shù)領(lǐng)域卻難以獲得成立。由例如呼吸而導(dǎo)致的胸腹腔組織運(yùn)動(dòng) (包括腫瘤組織和正常組織）往往可以達(dá)到2-4厘米的范圍，而臨床手術(shù)的精度要求往往是 在毫米級(jí)別的，這樣的誤差會(huì)導(dǎo)致目前主流的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)難以安全穩(wěn)定地應(yīng)用于胸腹腔 介入手術(shù)的臨床實(shí)踐中。
[0017] 鑒于上述情況，做出了本發(fā)明。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種手術(shù)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體器官的運(yùn)動(dòng)的人體 器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，在手術(shù)前通過(guò)掃描已經(jīng)獲得了固定有兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具 的患者的醫(yī)療部位的三維立體醫(yī)學(xué)圖像，該三維立體醫(yī)學(xué)圖像具有相關(guān)聯(lián)的影像坐標(biāo)系， 該人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法包括如下步驟：獲得從術(shù)前三維立體醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別的各個(gè)運(yùn)動(dòng) 監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)；在同樣的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具以與手術(shù)前掃描時(shí)同 樣的位置和姿態(tài)固定于患者身體上的狀態(tài)下：實(shí)時(shí)確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中 的第二位置和姿態(tài)，該定位坐標(biāo)系是定位手術(shù)工具的位置和姿態(tài)過(guò)程中所參考的坐標(biāo)系； 基于各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)以及在定位坐標(biāo)系中的第二位 置和姿態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系之間的最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及基于該最優(yōu) 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在從定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤 差；以及基于實(shí)時(shí)確定的各個(gè)時(shí)刻的各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差，來(lái)評(píng)估人 體器官在該各個(gè)時(shí)刻相對(duì)于手術(shù)前掃描時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)程度。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了 一種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：定位設(shè)備，用于跟蹤手術(shù)工具和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中的 位置和姿態(tài)；兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具，被固定于患者身體上，其在定位坐標(biāo)系中的 位置和姿態(tài)能夠被定位設(shè)備跟蹤到；三維立體醫(yī)學(xué)圖像獲得單元，用于獲得手術(shù)前的固定 有運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的患者的醫(yī)療部位的三維立體醫(yī)學(xué)圖像，該立體醫(yī)學(xué)圖像具有相關(guān)聯(lián)的影 像坐標(biāo)系；手術(shù)導(dǎo)航工作站，進(jìn)行術(shù)前三維立體醫(yī)學(xué)圖像與手術(shù)中的手術(shù)工具圖像的配準(zhǔn) 和組合，并在所連接的顯示設(shè)備上進(jìn)行可視化顯示，以指導(dǎo)手術(shù)執(zhí)行者的手術(shù)操作；其中， 所述手術(shù)導(dǎo)航工作站還通過(guò)下述操作監(jiān)視人體器官的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：從術(shù)前三維立體醫(yī)學(xué)圖像 中識(shí)別各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)；在手術(shù)中實(shí)時(shí)確定各個(gè)運(yùn)動(dòng) 監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)；基于各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第 一位置和姿態(tài)以及在定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系 之間的最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及計(jì)算各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在從定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差；以及基于實(shí)時(shí)確定的各個(gè)時(shí)刻的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差，來(lái)評(píng)估人體器 官在該各個(gè)時(shí)刻相對(duì)于手術(shù)前掃描時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)程度。
[0019] 所述手術(shù)導(dǎo)航工作站可以基于所述評(píng)估的人體器官在該各個(gè)時(shí)刻相對(duì)于手術(shù)前 掃描時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)程度，確定手術(shù)工具介入人體病灶的時(shí)機(jī)，并向執(zhí)行手術(shù)的操作者提示該 時(shí)機(jī)。
[0020] 所述手術(shù)導(dǎo)航工作站還可以配置為：確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差小于預(yù)定閾值的時(shí) 亥IJ ;確定該時(shí)刻的定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；以及基于該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣， 實(shí)時(shí)確定手術(shù)工具在影像坐標(biāo)系中的位置，并將手術(shù)工具的圖像在該位置與三維立體醫(yī)學(xué) 圖像組合地顯示在顯示設(shè)備上。
[0021 ] 所述手術(shù)工具可以是穿刺針。
[0022] 所述每個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具可以具有至少四個(gè)能夠被定位設(shè)備跟蹤的標(biāo)志點(diǎn)，其中任 意三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)不共線，其中通過(guò)在該三維立體醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別每個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的各個(gè)標(biāo) 志點(diǎn)來(lái)識(shí)別各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)；以及在手術(shù)中定位設(shè)備 通過(guò)跟蹤每個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)來(lái)確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中的第 二位置和姿態(tài)。
[0023] 所述運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具可以被固定于受人體器官運(yùn)動(dòng)影響大的患者身體部位上。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上記載有計(jì)算機(jī)程序，該 計(jì)算機(jī)程序與手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合使用，且當(dāng)被處理裝置執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行下述操作：獲得從術(shù)前 三維立體醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別的各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)，該術(shù)前 三維立體醫(yī)學(xué)圖像基于手術(shù)前通過(guò)掃描固定有兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的患者的 醫(yī)療部位得到的，該三維立體醫(yī)學(xué)圖像具有相關(guān)聯(lián)的影像坐標(biāo)系；在同樣的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具 以與手術(shù)前掃描時(shí)同樣的位置和姿態(tài)固定于患者身體上的狀態(tài)下：實(shí)時(shí)確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè) 工具在定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)，該定位坐標(biāo)系是定位手術(shù)工具的位置和姿態(tài)過(guò)程 中所參考的坐標(biāo)系；基于各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)以及在定 位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系之間的最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān) 系，以及基于該最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在從定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差；以及基于實(shí)時(shí)確定的各個(gè)時(shí)刻的各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總 體誤差，來(lái)評(píng)估人體器官在該各個(gè)時(shí)刻相對(duì)于手術(shù)前掃描時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)程度。
[0025] 該計(jì)算機(jī)程序當(dāng)被計(jì)算裝置執(zhí)行時(shí)還可以執(zhí)行下述操作：確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤 差小于預(yù)定閾值的時(shí)刻；確定該時(shí)刻的定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；基于該 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，確定手術(shù)工具在影像坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)，并將手術(shù)工具的圖像基于該 位置和姿態(tài)與立體醫(yī)學(xué)圖像組合地顯示在顯示裝置上。
[0026] 利用本發(fā)明實(shí)施例的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)和人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，能夠解決或緩解胸 胸腹腔手術(shù)導(dǎo)航中人體由于呼吸運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致腫瘤位移、進(jìn)而降低手術(shù)導(dǎo)航精度的問(wèn)題；也 能夠簡(jiǎn)化手術(shù)導(dǎo)航的流程，方便手術(shù)導(dǎo)航在多個(gè)領(lǐng)域的使用和推廣。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027] 從下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的這些和/或其它方面和 優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚并更容易理解，其中：
[0028] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)100的配置框圖。
[0029] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的呼吸監(jiān)測(cè)工具120的示例性結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的手術(shù)導(dǎo)航方法200的示例性過(guò)程。
[0031] 圖4示出了呼吸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差隨時(shí)間變化曲線的一部分的 示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā) 明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0033] 在詳細(xì)描述本發(fā)明實(shí)施例之前，為便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解和把握本發(fā)明，下面 描述以下本發(fā)明的主要思想。
[0034] 手術(shù)前的CT圖像是在患者的某個(gè)呼吸狀態(tài)時(shí)刻或者呼吸狀態(tài)階段采集到的。在 進(jìn)行CT掃描的過(guò)程中通常不便于跟蹤參考標(biāo)記在定位坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。掃描CT的 時(shí)刻與實(shí)際手術(shù)的時(shí)刻可能間隔數(shù)天。
[0035] 在后續(xù)的手術(shù)過(guò)程中患者持續(xù)處于呼吸的周期運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，理論上只有當(dāng)患者的 某時(shí)刻的呼吸狀態(tài)與手術(shù)前CT掃描時(shí)刻或階段相一致或相近時(shí)，此時(shí)的參考標(biāo)記在定位 坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)才對(duì)應(yīng)于先前從CT圖像中識(shí)別出來(lái)的參考標(biāo)記在圖像坐標(biāo)系中的 位置和姿態(tài)，因而此時(shí)得到的配準(zhǔn)矩陣才是正確的，從而在此時(shí)刻才能精確地將手術(shù)工具 的位置變換到CT空間中，提供給臨床醫(yī)生的融合后的三維體模型的可視顯示才是精確的。
[0036] 為此，發(fā)明人想到，可以監(jiān)測(cè)各個(gè)監(jiān)測(cè)工具（上有參考標(biāo)記）在定位坐標(biāo)系中的位 置和姿態(tài)（取向或方位角），優(yōu)化一個(gè)統(tǒng)一的從定位坐標(biāo)系到三維影像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 矩陣，確定各個(gè)監(jiān)測(cè)工具從定位坐標(biāo)系到三維影像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換的誤差的總計(jì)（后文中有 時(shí)簡(jiǎn)稱之為總體誤差），認(rèn)為誤差較小的時(shí)刻表明此時(shí)的人體器官的位置和姿態(tài)接近于在 掃描CT時(shí)刻人體器官的位置和姿態(tài)，并以可視或者可聽(tīng)等形式將該信息提供給臨床醫(yī)生， 輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)。
[0037] 需要說(shuō)明的是，下文描述中，以呼吸運(yùn)動(dòng)引起肺部及相關(guān)組織運(yùn)動(dòng)作為人體器官 運(yùn)動(dòng)的示例，不過(guò)本發(fā)明并不局限于此，而是適用于監(jiān)測(cè)人體存在動(dòng)態(tài)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的其他過(guò) 程，例如心跳運(yùn)動(dòng)。本文中描述的實(shí)施例可以優(yōu)選用于協(xié)助對(duì)肺或者接近肺的組織進(jìn)行定 位，不過(guò)所述組織也可以位于其他位置，例如心臟、消化器官、血管、腎臟等。
[0038] 在下文描述中，位置和姿態(tài)（取向）可以用6個(gè)數(shù)值來(lái)表示，即表示三維位置的位 置坐標(biāo)和表示取向的三個(gè)角度值，這在某些傳統(tǒng)技術(shù)中也被稱為6D位姿。不過(guò)根據(jù)需要， 位置和姿態(tài)可以用更少的數(shù)值來(lái)描述。
[0039] 在本文中，"配準(zhǔn)"表示在兩個(gè)坐標(biāo)系之間建立映射關(guān)系或者建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系， 例如"定位坐標(biāo)系和影像坐標(biāo)系之間的配準(zhǔn)"表示在定位坐標(biāo)系和影像坐標(biāo)系之間建立映 射關(guān)系，或者求得兩者之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，這里的定位坐標(biāo)系是定位設(shè)備定位手術(shù)工具 和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具中所參考的坐標(biāo)系。
[0040] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)100的配置框圖。
[0041] 如圖1所示，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)100包括定位設(shè)備110、兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工 具120、三維立體醫(yī)學(xué)圖像獲得單元130、手術(shù)導(dǎo)航工作站140。為了便于描述手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng) 100工作過(guò)程，圖1還示出了與手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)100協(xié)同工作的控制臺(tái)210和醫(yī)療工具220。
[0042] 定位設(shè)備110配置為跟蹤運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。如圖所 示，運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具上能夠放置定位傳感器112,例如磁感應(yīng)定位傳感器。定位設(shè)備110借助 于該磁感應(yīng)定位裝置，能夠跟蹤各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。
[0043] 定位設(shè)備110還配置為跟蹤手術(shù)工具在第二定位坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。手術(shù)工 具例如為穿刺針，穿刺針上安裝有定位傳感器112,由此定位設(shè)備110能夠借助于該定位傳 感器跟蹤穿刺針的位置和姿態(tài)。在一個(gè)示例中，一個(gè)定位設(shè)備能夠同時(shí)跟蹤8個(gè)定位傳感 器的信號(hào)。
[0044] 定位設(shè)備110可以采用電磁（EM)跟蹤技術(shù)、光學(xué)跟蹤技術(shù)、光纖光柵跟蹤技 術(shù)之一。作為商業(yè)可用電磁定位系統(tǒng)的例子，具有加拿大NDI公司的Aurora系統(tǒng)，美 國(guó)Asension公司的DriveBay,荷蘭Philips公司的PercuNav系統(tǒng)、美國(guó)GE公司的 InstaTrak3500Plus 系統(tǒng)、美國(guó) Medtronic 公司的 StealthStation AxiEM 系統(tǒng)和美國(guó) Compass 公司的 Cygnus FPS 系統(tǒng)。
[0045] 兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具120被配置為分別在手術(shù)前（具體地，CT掃描 前）和手術(shù)中但在手術(shù)工具介入之前以相同的位置和姿態(tài)被固定于患者身體上。下文以監(jiān) 測(cè)的運(yùn)動(dòng)為呼吸運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行描述。為描述便利，下文可能將運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具120稱為呼吸 監(jiān)測(cè)工具。呼吸監(jiān)測(cè)工具在患者體表佩戴的位置最好選擇受呼吸影響較大的地方，從而隨 著呼吸運(yùn)動(dòng)幾個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具之間的相對(duì)位置可能會(huì)發(fā)生一定程度的相對(duì)變化。
[0046] 在一個(gè)示例中，每個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具具有至少四個(gè)能夠被定位設(shè)備跟蹤的標(biāo)志點(diǎn)， 其中任意三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)不共線，其中通過(guò)在該三維立體醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別每個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的 各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)來(lái)識(shí)別各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)；以及在手術(shù)中定 位設(shè)備通過(guò)跟蹤每個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)來(lái)確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系 中的第二位置和姿態(tài)。這里，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具上設(shè)置至少四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)并且任意三個(gè)標(biāo) 志點(diǎn)不共線是為了基于該至少四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在影像坐標(biāo)系和第一定位坐標(biāo)系的位置和姿態(tài) 即能夠求解出從定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。在一個(gè)示例中，標(biāo)志點(diǎn)例如為 金屬小球，該金屬小球在CT中的影像參數(shù)明顯不同于人體材質(zhì)的影像參數(shù)，很容易人工或 者通過(guò)圖像處理將其自動(dòng)識(shí)別出來(lái)。對(duì)于這樣的每個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具，可以根據(jù)其在影像坐 標(biāo)系的第一位置和姿態(tài)以及在定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)，來(lái)確定一個(gè)唯一的坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換矩陣，該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣可以使得轉(zhuǎn)換誤差為零。但是因?yàn)橛卸鄠€(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具，要利用單 個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣來(lái)進(jìn)行該多個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具的每個(gè)在影像坐標(biāo)系的第一位置和姿態(tài)和在 定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，因此會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差。如前所述，本發(fā)明的主 要思想是通過(guò)計(jì)算各個(gè)時(shí)刻的最優(yōu)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換矩陣和對(duì)應(yīng)的總體轉(zhuǎn)換誤差來(lái)監(jiān)測(cè)各個(gè)時(shí)刻 呼吸監(jiān)測(cè)工具的位姿相對(duì)于手術(shù)前CT掃描時(shí)刻的位姿的差異，從而實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)各個(gè)時(shí)刻 人體器官的狀態(tài)相對(duì)于手術(shù)前CT掃描時(shí)刻的狀態(tài)的差異，達(dá)到了監(jiān)測(cè)人體器官運(yùn)動(dòng)的目 的。
[0047] 需要說(shuō)明的是，每個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具并不必需具有四個(gè)或更多個(gè)的標(biāo)志點(diǎn)。而是只 要基于來(lái)自所有呼吸監(jiān)測(cè)工具的全部標(biāo)志點(diǎn)在定位坐標(biāo)系和影像坐標(biāo)系中的位置能夠優(yōu) 化求解兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣和總體轉(zhuǎn)換誤差即可。例如可以具有兩個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工 具，每個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具具有例如三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，這樣同樣可以由總計(jì)六個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在定位坐標(biāo) 系中的位置和在影像坐標(biāo)系中的位置而求解最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換誤差。再例 如，可以具有四個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具，每個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具具有2個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，這樣同樣可以由總計(jì) 八個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在定位坐標(biāo)系中的位置和在影像坐標(biāo)系中的位置而求解最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣和 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換誤差。一個(gè)更極端的例子是，具有5個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具，每個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具具有一 個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，這樣同樣可以由總計(jì)五個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在定位坐標(biāo)系中的位置和在影像坐標(biāo)系中的位 置而求解最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換誤差。
[0048] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的呼吸監(jiān)測(cè)工具120的示例性結(jié)構(gòu)示意圖。該呼吸 監(jiān)測(cè)工具120可以由塑料框架和被識(shí)別物組成。在塑料框架中，在標(biāo)號(hào)121所指示的位置 處放置4個(gè)影像可識(shí)別標(biāo)記物（比如金屬小球，例如鉛材質(zhì)），這些標(biāo)記物在CT或者M(jìn)RI影 像里和周邊材質(zhì)的影像參數(shù)（主要是CT值和MRI值）有明顯的區(qū)別特征，從而例如可以在 CT機(jī)內(nèi)得到比較好的顯影，可以通過(guò)已知方法方便的提取出來(lái)。作為標(biāo)記物的另一個(gè)示例， 可以使用心電圖制作中采用的電極貼。后續(xù)可以通過(guò)對(duì)CT影像或者M(jìn)RI影像的后處理自 動(dòng)從影像里提取可識(shí)別標(biāo)記物，并進(jìn)一步計(jì)算工具的位置和姿態(tài)（下文中，為描述方便，可 以簡(jiǎn)稱之為位姿）信息（包括工具中心的坐標(biāo)信息和方向信息）。
[0049] 圖2中例示的呼吸監(jiān)測(cè)工具120的正面可以放置磁感應(yīng)定位裝置，中間的圓孔122 以及左邊的凹結(jié)構(gòu)主要是方便磁感應(yīng)定位裝置的拆卸。
[0050] 三個(gè)延長(zhǎng)的直桿主要是方便在人體表面附著，同時(shí)在桿上可以放置能夠被CT或 者M(jìn)R識(shí)別的標(biāo)記物，識(shí)別后方能夠計(jì)算位姿信息
[0051] 直桿末端的小橫桿上的圓孔123可以通過(guò)記號(hào)筆在人體表面記錄位置信息，這樣 將呼吸監(jiān)測(cè)工具120從患者表面拆卸下來(lái)以后，能夠依據(jù)所記錄的位姿信息來(lái)準(zhǔn)確地將該 呼吸監(jiān)測(cè)工具120再次粘貼到人體表面。
[0052] 圖2所示的呼吸監(jiān)測(cè)工具的結(jié)構(gòu)和形狀僅為示例，可以根據(jù)需要改變其配置。
[0053] 作為示例，呼吸監(jiān)測(cè)工具的利用過(guò)程可以分為CT掃描階段和手術(shù)中階段。具體 地，在進(jìn)行CT掃描前，將兩個(gè)或兩個(gè)以上的呼吸監(jiān)測(cè)工具固定于患者胸部位置，并在人體 表面例如利用記號(hào)筆記錄下佩戴的位姿信息，然后將患者推入CT室進(jìn)行CT掃描，得到CT 掃描數(shù)據(jù)集，從這樣的CT掃描數(shù)據(jù)集中可以識(shí)別出呼吸監(jiān)測(cè)工具的位置和姿態(tài)。順便說(shuō)一 下，由這樣的CT掃描數(shù)據(jù)集經(jīng)過(guò)圖像處理可以重構(gòu)得到患者相關(guān)醫(yī)療部位的三維立體模 型，并且可以將這樣的三維立體模型可視化于顯示設(shè)備上，并與被跟蹤的醫(yī)療工具的圖像 融合顯示，以輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)。在手術(shù)中并且在手術(shù)工具介入人體之前，按照前述記錄在 患者身體表面的位姿信息來(lái)佩戴呼吸監(jiān)測(cè)工具，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系 中的位姿，并且優(yōu)化求得針對(duì)所有呼吸監(jiān)測(cè)工具的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣和對(duì)應(yīng)的總計(jì)誤差，基于 總計(jì)誤差的隨時(shí)間變化來(lái)監(jiān)測(cè)人體器官的運(yùn)動(dòng)。
[0054] 三維立體醫(yī)學(xué)圖像獲得單元130可以是手術(shù)導(dǎo)航工作站140的一部分，或者是單 獨(dú)的設(shè)備。三維立體醫(yī)學(xué)圖像獲得單元130獲得手術(shù)前的固定有運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的患者的醫(yī) 療部位的三維立體醫(yī)學(xué)圖像，該立體醫(yī)學(xué)圖像具有相關(guān)聯(lián)的影像坐標(biāo)系。例如手術(shù)前CT掃 描得到的三維數(shù)據(jù)集被存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，三維立體醫(yī)學(xué)圖像獲得單元130能夠操作地耦合 到該數(shù)據(jù)庫(kù)，并從該數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取特定的三維數(shù)據(jù)集，并通過(guò)圖像處理諸如渲染等可視地 顯示到顯示設(shè)備上。三維立體醫(yī)學(xué)圖像獲得單元130可以是簡(jiǎn)單地讀取已經(jīng)重構(gòu)好的三維 立體模型并顯示，也可以是讀取重構(gòu)前的CT圖像數(shù)據(jù)集并進(jìn)行重構(gòu)處理來(lái)得到三維立體 模型并顯示。有關(guān)從CT或MRI掃描數(shù)據(jù)集重構(gòu)三維立體模型的方法可以參考有關(guān)坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換和誤差計(jì)算的介紹，例如可以參考作者為翟偉明的題為"影像引導(dǎo)下計(jì)算機(jī)輔助介入手 術(shù)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)的研究"的博士論文中第三章和第四章的介紹，這里將該部分內(nèi)容通過(guò)引 用合并于此。
[0055] 控制臺(tái)210可以連接至手術(shù)導(dǎo)航工作站140或者是手術(shù)導(dǎo)航工作站140的一部 分?？刂婆_(tái)210可以接收來(lái)自定位設(shè)備110的呼吸監(jiān)測(cè)工具的位姿信息和手術(shù)工具的位姿 信息?？刂婆_(tái)210還可以依據(jù)臨床醫(yī)生的指示來(lái)發(fā)出操作穿刺針的指令。
[0056] 手術(shù)導(dǎo)航工作站140配置為進(jìn)行術(shù)前三維立體醫(yī)學(xué)圖像與手術(shù)中的手術(shù)工具圖 像的配準(zhǔn)和組合，并在所連接的顯示設(shè)備上進(jìn)行可視化顯示，以指導(dǎo)手術(shù)執(zhí)行者的手術(shù)操 作。
[0057] 手術(shù)導(dǎo)航工作站140可以包括處理器141和存儲(chǔ)器142,存儲(chǔ)器142中可以存儲(chǔ)有 應(yīng)用程序1421和操作系統(tǒng)1422。應(yīng)用程序1421可以包括程序代碼，該程序代碼當(dāng)被處理 器141執(zhí)行時(shí)可以執(zhí)行下面將詳細(xì)描述的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法。這里的處理器是廣義的 概念，可以通過(guò)單個(gè)專用處理器、單個(gè)共享處理器或者多個(gè)個(gè)體處理器來(lái)實(shí)施，其中多個(gè)處 理器中的一個(gè)處理器可以共享，此外不應(yīng)將詞語(yǔ)"處理器"或"控制器"的使用解釋為排他 性地指代能夠執(zhí)行軟件的硬件，而是其能夠隱含地包括但不限于數(shù)字信號(hào)處理器（"DSP"） 硬件、用于存儲(chǔ)軟件的只讀存儲(chǔ)器（"RAM"）和非易失性存儲(chǔ)器。手術(shù)導(dǎo)航工作站140還可 以包括用于與顯示器150實(shí)時(shí)交互的接口。
[0058] 顯示器150可以在手術(shù)導(dǎo)航工作站140的控制下顯示醫(yī)療目標(biāo)組織的取向、形狀 和/或位置等，也可以顯示患者有關(guān)部位的三維立體模型和手術(shù)工具的圖像的融合。
[0059] 手術(shù)導(dǎo)航工作站140還可以包括各個(gè)人機(jī)交互用接口，例如連接到鍵盤、鼠標(biāo)、觸 摸屏系統(tǒng)等外圍設(shè)備。手術(shù)導(dǎo)航工作站140還可以包括用于與三維立體醫(yī)學(xué)圖像獲得單元 130交互的接口、用于與控制臺(tái)210交互的接口等。
[0060] 為便于理解，下面概要描述一下臨床手術(shù)流程。一般地，臨床手術(shù)流程可以包括術(shù) 前準(zhǔn)備、術(shù)前影像掃描、術(shù)前手術(shù)規(guī)劃、術(shù)中手術(shù)導(dǎo)航、術(shù)后手術(shù)評(píng)估等處理。術(shù)前準(zhǔn)備例如 包括導(dǎo)航手術(shù)室設(shè)備準(zhǔn)備、使用真空墊固定患者、往患者體表固定運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具（或者貼 標(biāo)記點(diǎn)等）。術(shù)前影像掃描包括例如對(duì)患者進(jìn)行術(shù)前CT掃描或者M(jìn)RI掃描。術(shù)前手術(shù)規(guī) 劃可以包括醫(yī)學(xué)影像的三維可視化、器官及病灶的三維重構(gòu)、交互式手術(shù)路徑計(jì)劃以及手 術(shù)效果模擬等，其中手術(shù)路徑計(jì)劃例如包括穿刺針的入針點(diǎn)、入針角度的選擇；手術(shù)效果模 擬可以包括熱場(chǎng)模擬、損傷場(chǎng)模型重構(gòu)等。術(shù)中手術(shù)導(dǎo)航包括按照手術(shù)計(jì)劃中的路徑完成 穿刺等。術(shù)后手術(shù)評(píng)估可以包括術(shù)后規(guī)定事件重新掃描CT影像或者M(jìn)RI影像，并在CT數(shù) 據(jù)上測(cè)量實(shí)際損傷區(qū)域的尺寸并和手術(shù)規(guī)劃計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以衡量手術(shù)的精度和效 果。
[0061] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法例如可以用在術(shù)中手術(shù)導(dǎo)航過(guò)程中。
[0062] 下面結(jié)合圖3描述結(jié)合人體導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行的示例性手術(shù)導(dǎo)航過(guò)程。
[0063] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的手術(shù)導(dǎo)航方法200的示例性過(guò)程。
[0064] 在步驟S210,在手術(shù)前將兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具固定于患者身體上。
[0065] 在一個(gè)示例中，在患者身體表面放置2-4個(gè)呼吸監(jiān)測(cè)工具，佩戴的位置最好選擇 受呼吸影響較大的地方，使得隨著呼吸運(yùn)動(dòng)，幾個(gè)工具之間的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生一定程度的 相對(duì)變化，由此對(duì)呼吸監(jiān)測(cè)工具的位姿的跟蹤更能代表呼吸運(yùn)動(dòng)的特性，也就更能描述隨 著呼吸運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)醫(yī)療部分（病灶）的特性。
[0066] 不過(guò)上述呼吸監(jiān)測(cè)工具的個(gè)數(shù)僅為示例，可以根據(jù)需要選擇更多數(shù)目個(gè)呼吸監(jiān)測(cè) 工具，例如5個(gè)、6個(gè)乃至更多個(gè)等等。
[0067] 在步驟S220中，在手術(shù)前掃描以獲得固定有運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的患者的醫(yī)療部位的 三維立體醫(yī)學(xué)圖像，該三維立體醫(yī)學(xué)圖像具有相關(guān)聯(lián)的影像坐標(biāo)系。手術(shù)前掃描例如為CT 掃描或者M(jìn)RI掃描。三維立體醫(yī)學(xué)圖像例如由圖1所示的三維立體醫(yī)學(xué)圖像獲得單元130 來(lái)基于CT掃描圖像數(shù)據(jù)集而重構(gòu)得到。
[0068] 在進(jìn)行術(shù)前掃描并獲得固定有運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的患者的醫(yī)療部位的三維立體醫(yī)學(xué) 圖像后，這樣的立體醫(yī)學(xué)圖像可以可視地顯示在顯示設(shè)備上，臨床醫(yī)生可以參考該立體醫(yī) 學(xué)圖像例如借助于導(dǎo)航軟件系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)路徑規(guī)劃。
[0069] 在步驟S230中，例如由手術(shù)導(dǎo)航工作站140從術(shù)前三維立體醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別各個(gè) 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)。
[0070] 如前所述，各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具上可以布置有標(biāo)記點(diǎn)，該標(biāo)記點(diǎn)在CT影像中具有明 顯區(qū)別于人體組織的影像參數(shù)，從而能夠人工或者自動(dòng)地從CT影像中識(shí)別出各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)， 從而能夠識(shí)別出各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。
[0071] 需要說(shuō)明的是，步驟S220與步驟S230之間以虛線箭頭連接，表示兩者之間可以間 隔較長(zhǎng)時(shí)間，例如幾個(gè)小時(shí)或數(shù)天。
[0072] 在步驟S240中，在手術(shù)中，在同樣的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具以與手術(shù)前掃描時(shí)同樣的位置 和姿態(tài)固定于患者身體上的狀態(tài)下，實(shí)時(shí)確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中的第二位 置和姿態(tài)，該定位坐標(biāo)系是與定位設(shè)備跟蹤手術(shù)工具的位置和姿態(tài)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。例如， 利用圖1中所示定位設(shè)備和各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具上的定位傳感器來(lái)得到各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具 在定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)，并傳遞給手術(shù)導(dǎo)航工作站140。
[0073] 在步驟S250中，手術(shù)導(dǎo)航工作站基于各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一 位置和姿態(tài)以及在定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系之 間的最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及基于該最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在從定位坐 標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差。
[0074] 有關(guān)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和誤差計(jì)算的介紹，例如可以參考作者為翟偉明的題為"影像引導(dǎo) 下計(jì)算機(jī)輔助介入手術(shù)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)的研究"的博士論文中第6. 4節(jié)的介紹，這里將該部分 內(nèi)容通過(guò)引用合并于此。
[0075] 在步驟S260中，基于實(shí)時(shí)確定的各個(gè)時(shí)刻的各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總 體誤差，來(lái)評(píng)估人體器官在該各個(gè)時(shí)刻相對(duì)于手術(shù)前掃描時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)程度。
[0076] 如前所述，理論上，在肺部的呼吸運(yùn)動(dòng)周期的各個(gè)階段中，如果某時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 與CT掃描時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)最接近，則該時(shí)刻的呼吸監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的映射應(yīng)該 是最接近于手術(shù)前CT掃描獲得的呼吸監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的位姿的，因此與手術(shù)中 該時(shí)刻優(yōu)化得到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)該是最小的。
[0077] 圖4示出了呼吸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差隨時(shí)間變化曲線的一部分的 示意圖。其中橫軸表示時(shí)間，縱軸表示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換總體誤差。如圖4所示，在時(shí)刻tl、t2、t3,坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換總體誤差較小，此時(shí)的呼吸狀態(tài)與手術(shù)前掃描時(shí)刻的呼吸狀態(tài)較接近，而其它時(shí)刻 的呼吸狀態(tài)不同程度地背離手術(shù)前掃描時(shí)刻的呼吸狀態(tài)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換總體誤差也隨之變化。
[0078] 通過(guò)考察手術(shù)過(guò)程中坐標(biāo)轉(zhuǎn)化總體誤差隨時(shí)間的變化情況，能夠評(píng)估人體器官的 狀態(tài)在該各個(gè)時(shí)刻相對(duì)于手術(shù)前掃描時(shí)刻的狀態(tài)的差異程度。
[0079] 可以以多種形式利用本發(fā)明實(shí)施例的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。
[0080] 在一個(gè)示例中，可以將實(shí)時(shí)獲得的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換總體誤差的隨時(shí)間變化曲線以例如圖 4的形式可視地顯示在顯示設(shè)備上。臨床醫(yī)生通過(guò)觀察該總體誤差隨時(shí)間變化曲線，可以確 定例如穿刺針對(duì)于患者入針的時(shí)機(jī)。
[0081] 在一個(gè)示例中，例如圖1的手術(shù)導(dǎo)航工作站基于所述評(píng)估人體器官在該各個(gè)時(shí)刻 相對(duì)于手術(shù)前三維掃描時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)程度，確定手術(shù)工具介入人體病灶的時(shí)機(jī)，并向執(zhí)行手 術(shù)的操作者提示該時(shí)機(jī)。在一個(gè)示例中，例如當(dāng)某時(shí)刻的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換總體誤差為某一時(shí)段的 平均坐標(biāo)轉(zhuǎn)換總體誤差的50%時(shí)并且變化趨勢(shì)為降低時(shí)，確定為適于手術(shù)工具介入人體病 灶的時(shí)機(jī)，接著例如以短消息形式顯示在顯示設(shè)備上，或者以語(yǔ)音形式從揚(yáng)聲器輸出，來(lái)提 醒臨床醫(yī)生。
[0082] 在一個(gè)示例中，因?yàn)槊枋龊粑O(jiān)測(cè)工具的位姿所參考的定位坐標(biāo)系即是手術(shù)中定 位手術(shù)工具的位置和姿態(tài)的過(guò)程中參考的坐標(biāo)系，所以可以基于所評(píng)估的人體器官的位姿 在各個(gè)時(shí)刻相對(duì)于術(shù)前CT掃描時(shí)刻的位姿的運(yùn)動(dòng)（或差異）程度，而確定人體器官的位姿 與CT掃描時(shí)刻的位姿基本一致的時(shí)刻，并且利用所計(jì)算的該時(shí)刻的從定位坐標(biāo)系到影像 坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，來(lái)將實(shí)時(shí)跟蹤到的手術(shù)工具的位置轉(zhuǎn)換到影像坐標(biāo)系中并與立體 醫(yī)學(xué)圖像融合，進(jìn)而可視地顯示在顯示設(shè)備上。具體地，該人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法還可以 包括：確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差小于預(yù)定閾值的時(shí)刻；確定該時(shí)刻的定位坐標(biāo)系到影像坐 標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；基于該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，確定手術(shù)工具在影像坐標(biāo)系中的位置，并將手 術(shù)工具的圖像在該位置與立體醫(yī)學(xué)圖像組合地顯示在顯示裝置上。即，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體 誤差小于預(yù)定閾值的時(shí)刻，進(jìn)行手術(shù)工具所在的定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的配準(zhǔn)，并且基 于例如定位設(shè)備110跟蹤到的手術(shù)工具的位置，將手術(shù)工具的圖像與人體三維立體模型融 合，并可視地顯示在顯示設(shè)備上，以輔助臨床醫(yī)生手術(shù)。
[0083] 需要說(shuō)明的是，該呼吸監(jiān)測(cè)過(guò)程可以在手術(shù)中持續(xù)地進(jìn)行。
[0084] 另外，由呼吸監(jiān)測(cè)獲得的規(guī)律，例如前一總體誤差最小時(shí)刻和總體誤差最小的時(shí) 刻之間的時(shí)間間隔（如圖4所示）信息也可以提供給臨床醫(yī)生，讓臨床醫(yī)生在下次入針之 前做好心理準(zhǔn)備和操作準(zhǔn)備。
[0085] 利用上述的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)和人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，能夠不借助于專門的人體器 官監(jiān)測(cè)儀器來(lái)監(jiān)測(cè)人體器官的狀態(tài)相對(duì)于CT掃描時(shí)刻的狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)程度（或者說(shuō)差異程 度），例如對(duì)于呼吸運(yùn)動(dòng)而言，不需要專門的呼吸門控裝置。不過(guò)，本發(fā)明并不排斥與專門的 人體器官監(jiān)測(cè)儀器的協(xié)同使用。
[0086] 利用本發(fā)明實(shí)施例的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)和人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，不是簡(jiǎn)單地將人體 視為剛體來(lái)進(jìn)行術(shù)前定位坐標(biāo)系和影像坐標(biāo)系的配準(zhǔn)，而是考慮了人體的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)來(lái)監(jiān)測(cè) 人體器官的狀態(tài)相對(duì)于CT掃描時(shí)刻的狀態(tài)的差異程度，從而能夠提示醫(yī)生恰當(dāng)?shù)牟僮鲿r(shí) 機(jī)，使得能夠更準(zhǔn)確地執(zhí)行術(shù)前的手術(shù)規(guī)劃，減少對(duì)臨床醫(yī)生個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的依賴。
[0087] 此外，本發(fā)明的實(shí)施例可以采取計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式?？山?jīng)由計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì) 訪問(wèn)所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，以供計(jì)算機(jī)或任何指令執(zhí)行系統(tǒng)使用或者與之結(jié)合使用。計(jì)算 機(jī)可讀介質(zhì)可以包括、存儲(chǔ)、交換、傳播或發(fā)送程序的設(shè)備。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以是電子、 磁、光、電磁、紅外或半導(dǎo)體系統(tǒng)（或器件或裝置）或傳播介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的例子包 括半導(dǎo)體或者固態(tài)存儲(chǔ)器、磁帶、可拆卸計(jì)算機(jī)軟盤、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM)、只讀存儲(chǔ)器 (ROM)、磁盤或光盤。
[〇〇88] 以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的各實(shí)施例，上述說(shuō)明是示例性的，并非窮盡性的，并且也 不限于所披露的各實(shí)施例。在不偏離所說(shuō)明的各實(shí)施例的范圍和精神的情況下，對(duì)于本技 術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)許多修改和變更都是顯而易見(jiàn)的。本文中所用術(shù)語(yǔ)的選擇，旨 在最好地解釋各實(shí)施例的原理、實(shí)際應(yīng)用或?qū)κ袌?chǎng)中的技術(shù)的改進(jìn)，或者使本【技術(shù)領(lǐng)域】的 其它普通技術(shù)人員能理解本文披露的各實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1. 一種手術(shù)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體器官的運(yùn)動(dòng)的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，在手術(shù)前通過(guò) 掃描已經(jīng)獲得了固定有兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的患者的醫(yī)療部位的三維立體醫(yī) 學(xué)圖像，該三維立體醫(yī)學(xué)圖像具有相關(guān)聯(lián)的影像坐標(biāo)系，該人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法包括如 下步驟： 獲得從術(shù)前三維立體醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別的各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位 置和姿態(tài)； 在同樣的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具以與手術(shù)前掃描時(shí)同樣的位置和姿態(tài)固定于患者身體上的狀 態(tài)下： 實(shí)時(shí)確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)，該定位坐標(biāo)系是定位 手術(shù)工具的位置和姿態(tài)過(guò)程中所參考的坐標(biāo)系； 基于各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)以及在定位坐標(biāo)系中的第 二位置和姿態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系之間的最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及基于該 最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在從定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總 體誤差；以及 基于實(shí)時(shí)確定的各個(gè)時(shí)刻的各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差，來(lái)評(píng)估人體器 官在該各個(gè)時(shí)刻相對(duì)于手術(shù)前掃描時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)程度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其中所述人體器官的運(yùn)動(dòng)包括肺部的呼 吸周期的各個(gè)階段。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，還包括基于所述評(píng)估人體器官在該各個(gè) 時(shí)刻相對(duì)于手術(shù)前三維掃描時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)程度，確定手術(shù)工具介入人體病灶的時(shí)機(jī)，并向執(zhí) 行手術(shù)的操作者提示該時(shí)機(jī)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，還包括： 確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差小于預(yù)定閾值的時(shí)刻； 確定該時(shí)刻的定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣； 基于該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，確定手術(shù)工具在影像坐標(biāo)系中的位置，并將手術(shù)工具的圖像在 該位置與立體醫(yī)學(xué)圖像組合地顯示在顯示裝置上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，所述手術(shù)工具是穿刺針。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，所述每個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具具有至少四個(gè)能 夠被定位設(shè)備跟蹤的標(biāo)志點(diǎn)，其中任意三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)不共線，其中通過(guò)在該三維立體醫(yī)學(xué)圖 像中識(shí)別每個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)來(lái)識(shí)別各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第 一位置和姿態(tài)；以及在手術(shù)中定位設(shè)備通過(guò)跟蹤每個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)來(lái)確定各 個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，所述運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具被固定于受人體器官 運(yùn)動(dòng)影響大的患者身體部位上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的人體器官運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，所述定位設(shè)備為電磁跟蹤器。
9. 一種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，包括： 定位設(shè)備，用于跟蹤手術(shù)工具和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)； 兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具，被固定于患者身體上，其在定位坐標(biāo)系中的位置和 姿態(tài)能夠被定位設(shè)備跟蹤到； 三維立體醫(yī)學(xué)圖像獲得單元，用于獲得手術(shù)前的固定有運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具的患者的醫(yī)療部 位的三維立體醫(yī)學(xué)圖像，該立體醫(yī)學(xué)圖像具有相關(guān)聯(lián)的影像坐標(biāo)系； 手術(shù)導(dǎo)航工作站，進(jìn)行術(shù)前三維立體醫(yī)學(xué)圖像與手術(shù)中的手術(shù)工具圖像的配準(zhǔn)和組 合，并在所連接的顯示設(shè)備上進(jìn)行可視化顯示，以指導(dǎo)手術(shù)執(zhí)行者的手術(shù)操作； 其中，所述手術(shù)導(dǎo)航工作站還通過(guò)下述操作監(jiān)視人體器官的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)： 從術(shù)前三維立體醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿 態(tài)； 在手術(shù)中實(shí)時(shí)確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在定位坐標(biāo)系中的第二位置和姿態(tài)； 基于各個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在影像坐標(biāo)系中的第一位置和姿態(tài)以及在定位坐標(biāo)系中的第 二位置和姿態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系之間的最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及計(jì)算各 個(gè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工具在從定位坐標(biāo)系到影像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差；以及 基于實(shí)時(shí)確定的各個(gè)時(shí)刻的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總體誤差，來(lái)評(píng)估人體器官在該各個(gè)時(shí)刻相對(duì) 于手術(shù)前掃描時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)程度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其中所述人體器官的運(yùn)動(dòng)包括肺部的呼吸周期 的各個(gè)階段。
【文檔編號(hào)】A61B5/11GK104055520SQ201410259145
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】翟偉明, 宋亦旭 申請(qǐng)人:清華大學(xué)