專利名稱：在影像引導(dǎo)手術(shù)過(guò)程中用于糾正變形的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于影像引導(dǎo)手術(shù)的系統(tǒng)和方法，并且更具體地涉及在影像引導(dǎo)手術(shù)的過(guò)程中用于糾正變形的組織數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：
確定對(duì)影像至身體(image-to-physical)空間的精確配準(zhǔn)(registration)是經(jīng)由影像引導(dǎo)外科手術(shù)(IGS)對(duì)外科醫(yī)生提供有意義的引導(dǎo)信息的基本步驟。一個(gè)著名的研究機(jī)構(gòu)一直致力于將IGS技術(shù)使用于神經(jīng)外科應(yīng)用并且已生成一些商業(yè)上可用的系統(tǒng)。神經(jīng)外科IGS技術(shù)的共同特征是，通過(guò)骨植入或皮膚附貼的基準(zhǔn)標(biāo)記而利用基于點(diǎn)的界標(biāo)來(lái)提供影像和身體空間的配準(zhǔn)。此類基于點(diǎn)的技術(shù)的使用通過(guò)圍繞著感興趣的組織(例如，顱骨)的剛性解剖而在神經(jīng)外科IGS中被極大地推進(jìn)。遺憾的是，使用此類基于點(diǎn)的技術(shù)并不適用于開(kāi)放腹部IGS，因?yàn)槿狈傂越馄式鐦?biāo)和無(wú)法在手術(shù)前附加基準(zhǔn)標(biāo)記，這些基準(zhǔn)標(biāo)記在IGS操作過(guò)程中將保持在固定位置。由于使用剛性的、基于點(diǎn)的界標(biāo)對(duì)于開(kāi)放腹部IGS是不可行的，已提出基于表面的技術(shù)來(lái)確定術(shù)前影像和術(shù)中出現(xiàn)的影像之間的配準(zhǔn)。例如，迭代最近點(diǎn)(ICP)算法傳統(tǒng)上已被用于確定器官的影像空間表面和/或感興趣的其他軟組織之間的轉(zhuǎn)化。在ICP方法中，轉(zhuǎn)化通常來(lái)源于術(shù)前影像片段和術(shù)中組織表面。在腹部IGS中使用的術(shù)中數(shù)據(jù)典型地利用光學(xué)跟蹤探頭、激光測(cè)距掃描儀(LRS)，或術(shù)中超聲波(iUS)和其他方法來(lái)獲得。腹部IGS中基于表面的影像至身體空間配準(zhǔn)的典型協(xié)議開(kāi)始于在外科手術(shù)之前選擇術(shù)前影像組中的解剖基準(zhǔn)點(diǎn)。這些解剖基準(zhǔn)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)身體空間位置然后在手術(shù)操作過(guò)程中被數(shù)字化，使得基于點(diǎn)的初始對(duì)準(zhǔn)配準(zhǔn)可被執(zhí)行。基于點(diǎn)的配準(zhǔn)用于提供ICP算法的合理初始姿態(tài)，該合理初始姿態(tài)被用于配準(zhǔn)來(lái)源于術(shù)前影像和術(shù)中數(shù)據(jù)的組織表面。然而，ICP算法所提供的表面對(duì)準(zhǔn)高度依賴于組織表面的初始姿態(tài)。因此，基于點(diǎn)的配準(zhǔn)所提供的初始對(duì)準(zhǔn)中的過(guò)失誤差可導(dǎo)致錯(cuò)誤的表面對(duì)準(zhǔn)。雖然初始姿態(tài)是重要的，但是可混淆ICP算法的未對(duì)準(zhǔn)的另一方面是出現(xiàn)術(shù)中變形。即，當(dāng)器官和其他軟組織的外科手術(shù)情況在術(shù)中被顯現(xiàn)以用于表面采集(諸如，通過(guò)激光測(cè)距掃描)時(shí)，軟組織通常由于例行外科手術(shù)處理而已經(jīng)歷變形。與姿態(tài)或變形相關(guān)的錯(cuò)誤被引入到任何形式的剛性配準(zhǔn)中將通常危及轉(zhuǎn)達(dá)給外科醫(yī)生的引導(dǎo)信息。因外科手術(shù)處理的軟組織變形的一些實(shí)例為
(I)在開(kāi)放腹部中因器官關(guān)于重力方向的再定向使得肝臟的重力誘導(dǎo)變形，(2)組織松動(dòng)和器官包裹的影響，和(3)器官灌注的變化。
附圖簡(jiǎn)述
圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例執(zhí)行IGS手術(shù)的流程圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例執(zhí)行非剛性對(duì)準(zhǔn)的示例性方法的流程圖。圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例非剛性對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化圖。圖3B示出了圖3A根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例實(shí)施包絡(luò)之后的轉(zhuǎn)換圖。圖4A是概念地說(shuō)明該處理的示意圖，藉由該處理貫穿肝臟的橫向平面的影像切片基于剛性對(duì)準(zhǔn)之后獲得的映射進(jìn)行修正。圖4B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例概念地說(shuō)明該處理的示意圖，藉由該處理貫穿肝臟的橫向平面的影像切片基于剛性對(duì)準(zhǔn)和局部轉(zhuǎn)換進(jìn)行修正。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于計(jì)算影像空間中的儀器的映射調(diào)整的示例性方法的步驟流程圖。 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性硬件系統(tǒng)配置。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)的初始剛性對(duì)準(zhǔn)的結(jié)果。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖7中的計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)的非剛性對(duì)準(zhǔn)的結(jié)果。圖9示出了圖7所示的計(jì)算機(jī)模型和圖8所示的變形計(jì)算機(jī)模型的重疊。

圖10是用于執(zhí)行一組指令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的示意圖，當(dāng)執(zhí)行該組指令時(shí)，可促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行上述的一個(gè)或多個(gè)方法和步驟。
發(fā)明概要本發(fā)明的實(shí)施例涉及在影像引導(dǎo)手術(shù)過(guò)程中用于糾正變形的組織數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法。在第一實(shí)施例中，提供了一種用于收集和處理在執(zhí)行影像引導(dǎo)外科手術(shù)(IGS)時(shí)使用的身體空間數(shù)據(jù)的方法。所述方法包括執(zhí)行剛性對(duì)準(zhǔn)的步驟，將患者體內(nèi)感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型和與所述非剛性結(jié)構(gòu)至少一部分相關(guān)的患者空間內(nèi)的表面數(shù)據(jù)進(jìn)行剛性對(duì)準(zhǔn)。所述方法還包括計(jì)算所述計(jì)算機(jī)模型的變形，所述計(jì)算提供所述計(jì)算機(jī)模型和所述表面數(shù)據(jù)的非剛性對(duì)準(zhǔn)，采用基于所述剛性對(duì)準(zhǔn)而給所述計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義的一組邊界條件以及核心函數(shù)計(jì)算出所述變形。該方法可進(jìn)一步包括基于該變形顯示有利于IGS手術(shù)的數(shù)據(jù)。在第二實(shí)施例中，提供了一種用于收集和處理在執(zhí)行影像引導(dǎo)外科手術(shù)(IGS)時(shí)使用的身體空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存儲(chǔ)患者體內(nèi)感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型。該系統(tǒng)也包括用于生成與該非剛性結(jié)構(gòu)相關(guān)的至少表面數(shù)據(jù)的至少一個(gè)傳感器裝置，和通信地連接至該存儲(chǔ)介質(zhì)和該傳感器裝置的處理元件。在該系統(tǒng)中，該處理元件被配置成用于獲得計(jì)算機(jī)模型和與該非剛性結(jié)構(gòu)的至少一部分相關(guān)的患者空間內(nèi)的表面數(shù)據(jù)的剛性對(duì)準(zhǔn)，用于計(jì)算該計(jì)算機(jī)模型的變形，該計(jì)算提供了該計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)的非剛性對(duì)準(zhǔn)，采用基于剛性對(duì)準(zhǔn)而給該計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義的一組邊界條件和核心函數(shù)計(jì)算出該變形。該系統(tǒng)可額外地包括顯示裝置，該顯示裝置被通信地連接至該處理單元且被配置成基于該變形顯示有利于IGS手術(shù)的數(shù)據(jù)。 在第三實(shí)施例中，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，該存儲(chǔ)介質(zhì)具有存儲(chǔ)其上的計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序用于收集和處理在執(zhí)行影像引導(dǎo)外科手術(shù)(IGS)時(shí)使用的身體空間數(shù)據(jù)。該計(jì)算機(jī)程序具有多個(gè)代碼段，該多個(gè)代碼段通過(guò)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行以促使該計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下步驟獲得患者體內(nèi)感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型；和執(zhí)行該計(jì)算機(jī)模型和與該非剛性結(jié)構(gòu)相關(guān)的患者空間內(nèi)的表面數(shù)據(jù)的剛性對(duì)準(zhǔn)。該代碼段也被配置成促使該計(jì)算機(jī)執(zhí)行計(jì)算該計(jì)算機(jī)模型的變形的步驟，該計(jì)算提供該計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)的非剛性對(duì)準(zhǔn)，采用基于剛性對(duì)準(zhǔn)而給該計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義的一組邊界條件和核心函數(shù)計(jì)算出該變形。另外，該代碼段也被配置成促使該計(jì)算機(jī)基于該變形執(zhí)行顯示有利于IGS手術(shù)的數(shù)據(jù)的步驟。在各種實(shí)施例中，該顯示可進(jìn)一步需要接收與該計(jì)算機(jī)模型相關(guān)的影像數(shù)據(jù)和與該目標(biāo)相關(guān)和鄰近該目標(biāo)的該患者空間內(nèi)的位置，和需要基于該剛性對(duì)準(zhǔn)和該變形而將該計(jì)算機(jī)模型轉(zhuǎn)換到該患者空間中。該顯示也可包括基于該變形而計(jì)算該計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的反向變形位移矢量場(chǎng)值，和算出圍繞該變形計(jì)算模型的一部分患者空間的額外反向變形矢量場(chǎng)值的包絡(luò)。此外，該顯示可包括基于該非剛性對(duì)準(zhǔn)和該反向變形位移矢量場(chǎng)值而將該位置轉(zhuǎn)換到該計(jì)算機(jī)模型的計(jì)算機(jī)模型空間中，和算出該轉(zhuǎn)換位置的影像數(shù)據(jù)在影像空間內(nèi)的坐標(biāo)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明參照附圖進(jìn)行描述，其中附圖中各處的相同附圖標(biāo)記用于指示類似或等同的元件。附圖并未根據(jù)比例進(jìn)行繪制，且它們僅被提供用于說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明的一些方面在下文中參照說(shuō)明對(duì)實(shí)例應(yīng)用進(jìn)行描述。應(yīng)理解，許多具體細(xì)節(jié)、關(guān)系和方法被闡述以提供本發(fā)明的全面理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明可在無(wú)一個(gè)或多個(gè)具體細(xì)節(jié)的情況下或使用其他方法來(lái)實(shí)施。在其他情況下，眾所周知的結(jié)構(gòu)或操作未被詳細(xì)地示出以避免本發(fā)明含糊不清。本發(fā)明通過(guò)說(shuō)明的動(dòng)作或事件的順序并不受限制，因?yàn)橐恍﹦?dòng)作可以不同順序和/或與其他動(dòng)作或事件同時(shí)地發(fā)生。此外，此外，并不需要所有說(shuō)明的動(dòng)作或事件來(lái)執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于糾正IGS手術(shù)過(guò)程中發(fā)生的變形的組織數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法。示例性方法的一般流程被說(shuō)明于圖I中。圖I是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于執(zhí)行IGS手術(shù)的示例性方法的步驟的流程圖。如圖I所示，方法100包括塊102處的術(shù)前階段、塊104處的術(shù)中剛性對(duì)準(zhǔn)階段和塊106處的術(shù)中非剛性對(duì)準(zhǔn)階段。接下來(lái)或與這些階段同時(shí)，IGS手術(shù)可在塊108處被執(zhí)行。如上所述，方法100在塊102處開(kāi)始。在塊102處，術(shù)前工作被執(zhí)行。術(shù)前工作包括構(gòu)建至少軟組織、器官或其他患者體內(nèi)感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)(即，數(shù)學(xué)上的)模型。盡管本發(fā)明的各種實(shí)施例將參照非剛性結(jié)構(gòu)的IGS手術(shù)進(jìn)行描述，但是本發(fā)明并不限于這方面。相反，本發(fā)明的各種實(shí)施例同等地適用于涉及患者體內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)剛性結(jié)構(gòu)(例如，骨頭)或剛性和非剛性結(jié)構(gòu)的組合的IGS手術(shù)。計(jì)算機(jī)模型可使用多組術(shù)前數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建。例如，非剛性結(jié)構(gòu)的術(shù)前影像被獲得和處理以生成計(jì)算機(jī)模型，該計(jì)算機(jī)模型描述了感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)的至少幾何形狀。這些數(shù)據(jù)利用兩維或三維成像技術(shù)可被獲得。例如，一些成像技術(shù)包括計(jì)算機(jī)化斷層掃描(CT)、磁共振(MR)和超聲成像技術(shù)，等等。然而，本發(fā)明的各種實(shí)施例不被限制在這方面，且可使用任何其他成像技術(shù)。另外，計(jì)算機(jī)模型也可被配置以包括任何其他可能的數(shù)據(jù)，諸如對(duì)估算手術(shù)環(huán)境范圍內(nèi)的變形可能是必要的身體數(shù)據(jù)(例如，彈性性能、熱彈性性能等和有關(guān)非剛性結(jié)構(gòu)力學(xué)的其他方面)?；讷@得的數(shù)據(jù)，構(gòu)建計(jì)算機(jī)模型的工作可被執(zhí)行。例如，可以生成用在擬合過(guò)程中的變形形狀分布。同樣，術(shù)前影像分析可被執(zhí)行以增強(qiáng)反饋或計(jì)算機(jī)網(wǎng)格生成。另外，可以執(zhí)行術(shù)前生成以幫助擬合的數(shù)學(xué)函數(shù)。同樣，感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)的形狀或部分表面的指定/分割可被執(zhí)行。然而，本發(fā)明不被限制于這方面，且其他工作可被執(zhí)行以增強(qiáng)方法100的成像或擬合過(guò)程。盡管各種實(shí)施例將首先參照非剛性組織的表面(其在醫(yī)療過(guò)程中被暴露，諸如器官、腫瘤和其他生物組織的外表面)進(jìn)行描述，但是各種實(shí)施例不被限制在這方面。相反，本文所使用的“表面”可指與感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)相關(guān)的外部或內(nèi)部特征。也就是說(shuō)，除了外表面之外，本文所指的表面可包括通過(guò)不同結(jié)構(gòu)或不同類型組織之間的邊界界定的內(nèi)部表面或特征。例如，癌性和健康組織之間的邊界或分隔可界定一個(gè)表面。在另一個(gè)實(shí)例中，肝臟脈管系統(tǒng)和肝臟實(shí)質(zhì)之間的分隔可界定一個(gè)表面。在另一個(gè)實(shí)施例中，表面可表示經(jīng)由一些定位方法可被定位的、插入器官內(nèi)的合成結(jié)構(gòu)的表面或特征點(diǎn)。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，該術(shù)前階段可任選地在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算系統(tǒng)上被執(zhí)行。另外，術(shù)前階段可在相同或不同計(jì)算系統(tǒng)上被執(zhí)行，隨著下文描述的術(shù)中工作被執(zhí)行。 示范性計(jì)算系統(tǒng)可包括被配置以解決可被用于數(shù)學(xué)模型解決方案的大型稀疏矩陣的軟件包。此類計(jì)算系統(tǒng)也可包括軟件庫(kù)，該軟件庫(kù)提供計(jì)算機(jī)模型網(wǎng)格/柵格生成。另外，此類計(jì)算系統(tǒng)可包括標(biāo)準(zhǔn)和定制的數(shù)學(xué)和模擬庫(kù)。一旦塊102處的術(shù)前階段已被完成，方法100前進(jìn)至塊104。在塊104處，術(shù)中剛性對(duì)準(zhǔn)工作被執(zhí)行。也就是說(shuō)，非剛性結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)部分的術(shù)中表面數(shù)據(jù)被術(shù)中地獲得，且影像空間范圍內(nèi)的配對(duì)物(counterparts)表面數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換而獲得和對(duì)準(zhǔn)。此后，非剛性結(jié)構(gòu)的表面數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)模型被初始地對(duì)準(zhǔn)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，最佳對(duì)準(zhǔn)方法可被使用。如本文所使用，最佳對(duì)準(zhǔn)方法是影像數(shù)據(jù)和非剛性結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)，使得非剛性結(jié)構(gòu)的表面上的特征在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程結(jié)束之后被盡可能接近地定位至它們的影像空間配對(duì)物。然而，本發(fā)明的各種實(shí)施例不被限制在這方面，且其他對(duì)準(zhǔn)方案也可被用作內(nèi)部子結(jié)構(gòu)或特征點(diǎn)。一旦該剛性對(duì)準(zhǔn)完成，則表明數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)模型被對(duì)準(zhǔn)，無(wú)計(jì)算機(jī)模型的任何變形，即剛性對(duì)準(zhǔn)。此類對(duì)準(zhǔn)可以多種方式被執(zhí)行。例如，迭代方法可被用于修改表面數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)模型中的一個(gè)的位置，直至該表面數(shù)據(jù)和該計(jì)算機(jī)模型之間的錯(cuò)誤被最小化?？捎玫膸缀螆D形表面數(shù)據(jù)的其他處理也可在塊106處被執(zhí)行。術(shù)中表面數(shù)據(jù)可以多種方式被獲得。例如，一些方法包括超聲波、MR成像、CT成像、激光和/或其他基于光的策略、使用跟蹤唱針的擦拭，等等。然而，本發(fā)明的各種實(shí)施例不被限制于這方面，且其他方法可用于獲得表面數(shù)據(jù)。在許多情況下，獲得的表面數(shù)據(jù)將僅表示非剛性結(jié)構(gòu)的一部分，即，部分表面。例如，在肝臟手術(shù)的過(guò)程中，僅僅該肝臟的前面部分可被暴露。因此，表面數(shù)據(jù)可利用激光范圍掃描技術(shù)來(lái)獲得，該激光范圍掃描技術(shù)將幾何數(shù)據(jù)限制為表示該肝臟的前面部分。在另一個(gè)實(shí)例中，該肝臟和腫瘤可被部分地暴露。然而，感興趣的表面可為腫瘤和肝臟之間的邊界，一個(gè)內(nèi)部表面。在這種情況下，超聲成像可被用于定位此類感興趣的內(nèi)部表面。表面數(shù)據(jù)也可包括噪音或可影響對(duì)準(zhǔn)的其他錯(cuò)誤。因此，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，一旦表面數(shù)據(jù)被獲得，則該表面數(shù)據(jù)可被過(guò)濾或以其他形式處理以減小或消除噪音和/或其他人為的物質(zhì)。這些方法對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是已知的，且將不會(huì)在本文中描述。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，此類處理可在剛性對(duì)準(zhǔn)之前或之后被執(zhí)行。此外，在一些情況下，不同方法獲得的多個(gè)表面數(shù)據(jù)在共同坐標(biāo)空間內(nèi)是可用的和被數(shù)字化，合成表面可被用于對(duì)準(zhǔn)目的。完成塊104處的剛性對(duì)準(zhǔn)之后，初始對(duì)應(yīng)函數(shù)被生成，將表面數(shù)據(jù)的每個(gè)點(diǎn)與影像空間范圍內(nèi)的非剛性結(jié)構(gòu)上的配對(duì)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。也就是說(shuō)，對(duì)于表面數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)，提供有一種手段以用于識(shí)別計(jì)算機(jī)模型中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。例如，最近點(diǎn)算子可被用于選擇計(jì)算機(jī)模型上最接近表面數(shù)據(jù)上每個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，該對(duì)應(yīng)函數(shù)可被表現(xiàn)為表格、數(shù)學(xué)函數(shù)，或描述兩組點(diǎn)界定的多個(gè)空間之間的關(guān)系的任何其他方法。在一些情況下，表面數(shù)據(jù)中觀察到的變形可生成對(duì)應(yīng)函數(shù)，該對(duì)應(yīng)函數(shù)將來(lái)自計(jì)算機(jī)模型的非對(duì)應(yīng)表面上的點(diǎn)與該表面數(shù)據(jù)相關(guān)的表面上的點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。因此，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，最近點(diǎn)算子可被改進(jìn)或約束以限制其搜索對(duì)應(yīng)表面。也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)可與指 示符相關(guān)，該指示符區(qū)分感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)的各種表面。因此，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的搜索通過(guò)這些指示符可被限制。例如，表面數(shù)據(jù)的前表面節(jié)點(diǎn)可被限制于計(jì)算機(jī)模型的前表面節(jié)點(diǎn)，盡管事實(shí)上計(jì)算機(jī)模型的較后的表面節(jié)點(diǎn)更為靠近。出于獲得對(duì)應(yīng)函數(shù)的目的，本發(fā)明各種實(shí)施例并不限制于最近點(diǎn)算子方法。相反，用于獲得兩個(gè)表面之間的對(duì)應(yīng)函數(shù)和配準(zhǔn)函數(shù)的任何其他方法可被用于本發(fā)明的各種實(shí)施例中。例如，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)點(diǎn)可利用射線投影技術(shù)而被選擇，在射線投影技術(shù)中，射線沿著垂直于一個(gè)點(diǎn)的直線被投影到一個(gè)表面上，且對(duì)應(yīng)點(diǎn)被選擇為在第二表面上交叉的點(diǎn)。一旦剛性對(duì)準(zhǔn)和對(duì)應(yīng)函數(shù)在塊104處被獲得，方法100可前進(jìn)至塊106。在塊106處，基于塊106處的剛性對(duì)準(zhǔn)和塊104處對(duì)應(yīng)函數(shù)，一組邊界或點(diǎn)(內(nèi)部和/或外部)條件和三維的位移場(chǎng)矢量被迭代地計(jì)算以執(zhí)行計(jì)算機(jī)模型對(duì)表面數(shù)據(jù)的非剛性對(duì)準(zhǔn)。也就是說(shuō)，用于變形計(jì)算機(jī)模型以擬合表面數(shù)據(jù)的位移場(chǎng)矢量被計(jì)算。發(fā)生在該塊中的操作將參照?qǐng)D2在下文中被更詳細(xì)地描述。一旦非剛性對(duì)準(zhǔn)工作在塊106處被完成，則IGS手術(shù)可在塊108處被執(zhí)行。
非剛性對(duì)準(zhǔn)階段如上所描述，一旦剛性對(duì)準(zhǔn)和對(duì)應(yīng)函數(shù)在塊104處被獲得，則非剛性對(duì)準(zhǔn)可在塊106處被執(zhí)行。這點(diǎn)參照?qǐng)D2在下文中進(jìn)行描述。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于執(zhí)行非剛性對(duì)準(zhǔn)的示例性方法106的流程圖。方法106在塊202處開(kāi)始，且持續(xù)至塊204。在塊204處，計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)函數(shù)被接收。除了識(shí)別計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)之外，對(duì)應(yīng)函數(shù)也識(shí)別計(jì)算機(jī)模型的補(bǔ)丁區(qū)域。也就是說(shuō)，因?yàn)橥ǔH可獲得非剛性結(jié)構(gòu)的暴露部分的表面數(shù)據(jù)(盡管使用額外儀器的情況下，子結(jié)構(gòu)指定是可能的)，所以補(bǔ)丁區(qū)域通過(guò)對(duì)應(yīng)于該表面數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)模型的位置被界定。然后，在塊206處，計(jì)算該補(bǔ)丁區(qū)域中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的空間差值。如本文所使用，術(shù)語(yǔ)“節(jié)點(diǎn)”是指用于執(zhí)行仿真的計(jì)算機(jī)模型網(wǎng)格的點(diǎn)。因?yàn)樵趬K204處接收的對(duì)應(yīng)函數(shù)是基于剛性對(duì)準(zhǔn)(即，計(jì)算機(jī)模型無(wú)變形)，該對(duì)準(zhǔn)可導(dǎo)致表面數(shù)據(jù)具有定位在計(jì)算機(jī)模型的幾何圖形的內(nèi)部和外部的數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此，在塊206處獲得的空間差值被標(biāo)記。這樣，正值就意味著計(jì)算機(jī)模型上的節(jié)點(diǎn)將需要被向外推以朝向?qū)?yīng)表面數(shù)據(jù)點(diǎn)移動(dòng)，而負(fù)值就意味著計(jì)算機(jī)模型上的節(jié)點(diǎn)將需要被向內(nèi)推以朝向?qū)?yīng)表面數(shù)據(jù)點(diǎn)移動(dòng)。該過(guò)程將任何此類轉(zhuǎn)換具體化，令計(jì)算機(jī)模型上的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)至通過(guò)對(duì)應(yīng)函數(shù)標(biāo)出的點(diǎn)。一旦補(bǔ)丁區(qū)域的空間差值在塊206處被計(jì)算，則可在塊208處計(jì)算用于計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)可用節(jié)點(diǎn)的邊界或點(diǎn)(內(nèi)部和/或外部)條件值。特別地，對(duì)于每個(gè)計(jì)算機(jī)模型的節(jié)點(diǎn)，該邊界或點(diǎn)(內(nèi)部和/或外部)條件被選擇為與感興趣的節(jié)點(diǎn)和周?chē)?jié)點(diǎn)相關(guān)的空間差值的加權(quán)平均值。這提供了一組光滑的邊界或點(diǎn)(內(nèi)部和/或外部)條件。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，該函數(shù)可平均加權(quán)所有空間差值。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，該函數(shù)通過(guò)利用空間核心函數(shù)或任何其他函數(shù)/統(tǒng)計(jì)關(guān)系，差異化地加權(quán)空間差值。例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，半徑空間函數(shù)可被選擇用于生成加權(quán)。然而本發(fā)明的各種實(shí)施例不被限制于這方面，且其他策略可被用于生成對(duì)空間函數(shù)的加權(quán)，該空間函數(shù)處理邊界或點(diǎn)(內(nèi)部和/或外部)條件。因?yàn)閮H補(bǔ)丁區(qū)域與可用表面數(shù)據(jù)相關(guān)，所以計(jì)算機(jī)模型的側(cè)面區(qū)域(即，該補(bǔ)丁 區(qū)域之外的計(jì)算機(jī)模型的部分)將不具有在表面數(shù)據(jù)上指定的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。因此，這些側(cè)面區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)被分配零標(biāo)記的最近點(diǎn)間距。因此，在經(jīng)由半徑空間核心而平均間距的處理過(guò)程中，補(bǔ)丁區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的所產(chǎn)生的邊界或點(diǎn)(內(nèi)部和/或外部)條件數(shù)值可小于它的空間差異數(shù)值，因?yàn)榫嚯x側(cè)面區(qū)域的節(jié)點(diǎn)的零間距將被考慮到加權(quán)平均值中。相似地，位于鄰近補(bǔ)丁區(qū)域但處于側(cè)面區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)將具有距離補(bǔ)丁區(qū)域范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的標(biāo)記間距，該間距作為它的加權(quán)平均值的一部分，且將導(dǎo)致非零標(biāo)記間距被應(yīng)用于緊靠側(cè)面空間區(qū)域。邊界條件數(shù)值的計(jì)算不被限制于上述的加權(quán)平均值方法。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，其他方法可被使用。例如，一種方法是基于使用的最近點(diǎn)算子的置信級(jí)別的非均勻地加權(quán)平均值。此外計(jì)算機(jī)模型的一部分可被忽視以便允許用戶規(guī)定的邊界或點(diǎn)(內(nèi)部和/或外部)條件。此類配置可允許計(jì)算機(jī)模型的不同部分進(jìn)行不同地變形。另外，平均值不必基于半徑空間核心。相反，基于不同幾何圖形結(jié)構(gòu)的核心，諸如非剛性結(jié)構(gòu)或其子結(jié)構(gòu)的形狀，可被用于界定待平均的點(diǎn)。例如，諸如肝臟的器官具有不同區(qū)段。因此，應(yīng)用該核心可根據(jù)肝臟的區(qū)段進(jìn)行限制。此外，一些組織可具有高曲率的區(qū)域。因此，此類表面變化的參數(shù)化可被用于提供與計(jì)算機(jī)模型相關(guān)的幾何形狀信息，且可被用作核心設(shè)計(jì)的部分。在另一個(gè)實(shí)例中，該核心也可基于對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)如何被結(jié)合于計(jì)算機(jī)模型中的形狀。另一實(shí)現(xiàn)利用器官表面結(jié)構(gòu)的偏微分方程表示以將邊界或點(diǎn)(內(nèi)部和/或外部)條件分布至側(cè)面區(qū)域。該方法將該表面處理為單個(gè)連續(xù)域或核心，且利用偏微分方程來(lái)分布邊界信息。用于從已知的表面數(shù)據(jù)生成位移空間分布的其他設(shè)計(jì)也可被使用。一旦邊界或點(diǎn)(內(nèi)部和/或外部)條件在塊208處被計(jì)算，則體積變形步驟或數(shù)值的位移場(chǎng)矢量在塊210處被生成和收集用于計(jì)算機(jī)模型。在塊208處計(jì)算出的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的邊界條件可被考慮為正交(即垂直)于器官表面的位移，作為一種可能的對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)。因此，所產(chǎn)生的平均值的符號(hào)可被用于界定在仿真過(guò)程中移動(dòng)的方向。另外，不同標(biāo)記的空間數(shù)值的組合有效地約束了計(jì)算機(jī)模型的一個(gè)或多個(gè)部分的移動(dòng)。因此，在塊210處，來(lái)自塊208的邊界或點(diǎn)(內(nèi)部和/或外部)條件被用于界定一個(gè)實(shí)施例中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的法線位移條件(推或拉已被指定)。這些位移條件然后在計(jì)算機(jī)模型的變形仿真的過(guò)程中與計(jì)算機(jī)模型一起被用于仿真變形和計(jì)算整個(gè)計(jì)算機(jī)模型的體積變形步驟或三維位移場(chǎng)矢量。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，任何仿真方法可被用于求解與變形力學(xué)相關(guān)的偏微分方程，諸如有限差分法、有限體積法、光譜元素法、基樣條法(Spline-Based Methods)、蒙特卡羅法(Monte Carlo methods),等等。然而,本發(fā)明不被限制于這方面，且其他仿真或內(nèi)插/外插法也可被使用。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，該仿真可被配置以規(guī)定真實(shí)的法線(出或入表面)位移，同時(shí)允許沿著該表面(與該表面相切)滑行/滑動(dòng)。除了邊界條件之外，用于具體身體模型的經(jīng)調(diào)諧仿真在仿真過(guò)程中也可被使用。例如，該仿真可以線性彈性、超彈性或粘彈性構(gòu)成法進(jìn)行調(diào)諧。然而，本發(fā)明的各種實(shí)施例不被限制于這方面，且該仿真可以其他方式被配置以捕獲該變形的一個(gè)或多個(gè)其他身體方面。另外，位移的方向不必是法線方向，即垂直的；這僅代表一個(gè)實(shí)施例。例如，位移方向可被修改以代表在該模型的給定區(qū)域內(nèi)法線的平均值。同樣，在可被使用的位移方向上可獲得用戶規(guī)定的信息。例如，如果在影像體積內(nèi)和可用器官表面上出現(xiàn)置信界標(biāo)，則該特征的位移可代表基于已知方向的直接應(yīng)用，從而執(zhí)行該特征的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。一旦體積變形場(chǎng)值在塊210處被生成，則更新的計(jì)算機(jī)模型在塊212處可被生成。特別地，累積的體積變形場(chǎng)值被用于使計(jì)算機(jī)模型的節(jié)點(diǎn)的位置變形。然后，在塊214處， 對(duì)應(yīng)函數(shù)基于更新的計(jì)算機(jī)模型而被更新，且一組新的空間差值被重新計(jì)算以確定仿真是否已收斂或是否需要額外的仿真。因此，空間差值在塊216處被評(píng)估以查看它們?cè)趬K216處是否滿足收斂或停止標(biāo)準(zhǔn)。如果該收斂或停止標(biāo)準(zhǔn)在塊216處被滿足，則變形的計(jì)算機(jī)模型在塊218處被輸出?？蛇x地，累積的變形場(chǎng)值也可在塊218處被輸出。方法106然后在塊220處可重新開(kāi)始先前的處理，包括在非剛性結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步變形的情況下重復(fù)方法106。否則，方法106計(jì)算重復(fù)塊208至216，其中更新的空間差值被用于計(jì)算下一個(gè)迭代的一組新的邊界條件。在收斂或停止標(biāo)準(zhǔn)不被滿足的情況下，其他實(shí)現(xiàn)可涉及返回至塊106之前的塊104。這允許迭代涉及剛性和非剛性兩個(gè)階段以包括變更順序的實(shí)施例。收斂或停止標(biāo)準(zhǔn)在塊216處可以多種方式被界定。例如，收斂標(biāo)準(zhǔn)可包括將更新的空間間距數(shù)值的平均值、中值或其他量度與閾值對(duì)比。因此，如果該量度小于該閾值，則收斂標(biāo)準(zhǔn)被滿足且無(wú)需進(jìn)一步的迭代。替代地或結(jié)合該閾值標(biāo)準(zhǔn)，也可提供一種標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比當(dāng)前的和先前組的空間差值以確定進(jìn)一步的迭代是否應(yīng)被執(zhí)行。例如，該收斂標(biāo)準(zhǔn)可包括對(duì)比或計(jì)算當(dāng)前的和先前空間間距數(shù)值的平均值、中值或其他量度之間的差。從而，如果該差小于閾值，則收斂標(biāo)準(zhǔn)被滿足，且無(wú)需進(jìn)一步的迭代。另外，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，收斂標(biāo)準(zhǔn)可為已經(jīng)發(fā)生的多次迭代。然而，本發(fā)明不被限制于上述的示例性收斂或停止標(biāo)準(zhǔn)條件。相反，任何類型的收斂標(biāo)準(zhǔn)條件也可被使用于本發(fā)明的各種實(shí)施例。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，用于生成加權(quán)的該核心可在每個(gè)連續(xù)迭代處被調(diào)整。例如，在半徑核心函數(shù)實(shí)施例的情況下，半徑尺寸可隨著時(shí)間被減小以防止過(guò)度變形。此類變化可為線性的或非線性的。另外，該核心函數(shù)也可空間地變更。例如，在半徑核心函數(shù)實(shí)施例的情況下，半徑尺寸可大于計(jì)算機(jī)模型的某些部分。在圖2示出的實(shí)施例中，原始未變形的計(jì)算機(jī)模型被用于運(yùn)行每個(gè)連續(xù)迭代的仿真。然而，本發(fā)明的各種實(shí)施例不被限制于這方面。在一些實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)模型可在每個(gè)連續(xù)迭代的過(guò)程中被變形。從而，仿真的每個(gè)迭代可為基于更新的計(jì)算機(jī)模型，而非原始的計(jì)算機(jī)模型。假定計(jì)算機(jī)仿真中所應(yīng)用的邊界位移的應(yīng)用可依賴(根據(jù)設(shè)計(jì))于被模型化的結(jié)構(gòu)的形狀，這將導(dǎo)致不同的轉(zhuǎn)換。例如，如果邊界位移是垂直于在每個(gè)迭代處被模型化的結(jié)構(gòu)的表面而移動(dòng)，則允許形狀在每個(gè)連續(xù)迭代處發(fā)生變化將改變軌線。此外，當(dāng)改變?cè)诿總€(gè)迭代處被模型化的結(jié)構(gòu)的形狀，則針對(duì)形狀的連續(xù)傳送的負(fù)載傳送可改變。例如將相同水平的力施加于幾何形狀尺寸增長(zhǎng)的區(qū)域，這導(dǎo)致應(yīng)力提高和更大的變形。因此，應(yīng)考慮，迭代之間的模型化結(jié)構(gòu)的形狀的變化最終影響生物力學(xué)仿真的精度。當(dāng)上述涉及變形過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)幾何圖形非線性行為的變化形式時(shí)，其他實(shí)施例可涉及材料非線性行為(即，變化的構(gòu)成行為)以及有關(guān)材料的破裂、撕裂或分離的方面。此外，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，額外剛性對(duì)準(zhǔn)步驟可在連續(xù)迭代過(guò)程中被執(zhí)行。例如，如果更新的計(jì)算機(jī)模型在每個(gè)迭代過(guò)程中被使用，則額外的剛性對(duì)準(zhǔn)在每個(gè)迭代過(guò)程中或在執(zhí)行最終迭代之后被執(zhí)行。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，邊界條件在每個(gè)迭代過(guò)程中也可以不同方式被應(yīng)用。例如，一個(gè)示例性方法為利用與剛性結(jié)構(gòu)形狀相關(guān)的法線方向?qū)⒚總€(gè)新邊界條件應(yīng)用于原 始未變形的幾何形狀。另一個(gè)示例性方法為將邊界條件應(yīng)用于未變形的幾何形狀但是根據(jù)非剛性形狀變化而改變法線方向。在這種情況下，未變形的網(wǎng)格可以修改的法線來(lái)使用。另一個(gè)示例性方法為，非剛性地變形器官，且以新形狀重建計(jì)算機(jī)仿真，且將該法線與其新形狀聯(lián)系起來(lái)。
局部轉(zhuǎn)換生成一旦變形位移矢量場(chǎng)被生成，如上文圖2中所描述，則術(shù)前影像數(shù)據(jù)可輕易地被變形且外科醫(yī)生可使用新的影像空間和其中的數(shù)據(jù)以著手IGS。然而，即使當(dāng)獲得基本上良好的對(duì)準(zhǔn)時(shí)(利用根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的方法或傳統(tǒng)的方法)，但是IGS并非簡(jiǎn)單的。首先，因?yàn)橛?jì)算機(jī)模型的變形將導(dǎo)致影像數(shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)部分的變形，所以非剛性結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)可變得失真、模糊，或甚至抹去。因此，在適當(dāng)?shù)刈R(shí)別影像空間內(nèi)非剛性結(jié)構(gòu)的一些特征的定位方面，外科醫(yī)生具有困難。其次，影像空間內(nèi)儀器的精確定位是困難的。例如，變形位移矢量場(chǎng)值和/或變形的計(jì)算機(jī)模型可被用于識(shí)別影像空間內(nèi)儀器的位置。然而，表面數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)模型之間的非剛性對(duì)準(zhǔn)的固有缺陷、表面數(shù)據(jù)中的誤差、和計(jì)算機(jī)模型中的誤差可導(dǎo)致影像空間內(nèi)儀器的錯(cuò)誤定位，從而導(dǎo)致患者體內(nèi)儀器的錯(cuò)誤定位。例如，如果非剛性對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致變形的計(jì)算機(jī)模型的一部分被定位在表面數(shù)據(jù)之上，則根據(jù)該計(jì)算機(jī)模型來(lái)定位該儀器可導(dǎo)致該儀器被完美地定位在影像空間中，但定位在患者空間內(nèi)非剛性結(jié)構(gòu)的表面之上。甚至更糟的是，如果該非剛性對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致該變形的計(jì)算機(jī)模型的一部分被定位在該表面數(shù)據(jù)之下，則根據(jù)該計(jì)算機(jī)模型來(lái)定位該儀器可導(dǎo)致該儀器被完美地定位在影像空間中，但定位在患者空間內(nèi)該非剛性結(jié)構(gòu)的表面之下，從而可能損傷該非剛性結(jié)構(gòu)。當(dāng)影像空間內(nèi)該儀器的定位導(dǎo)致患者空間內(nèi)垂直和橫向定位誤差時(shí)，這些問(wèn)題被進(jìn)一步混合。考慮到此類困難，本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了一種用于改進(jìn)影像空間內(nèi)定位儀器的轉(zhuǎn)換的過(guò)程。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，局部非剛性轉(zhuǎn)換可被提供用于從患者空間內(nèi)的儀器位置映射至影像空間內(nèi)其適當(dāng)位置。特別地，一種由3個(gè)單獨(dú)局部轉(zhuǎn)換體積(改變影像空間內(nèi)X、y和z的位置)組成的映射調(diào)整被提供。使用該映射調(diào)整，表示儀器位置的光標(biāo)可在影像空間內(nèi)被移動(dòng)至適當(dāng)?shù)挠跋褡鴺?biāo)，使得生成適當(dāng)?shù)挠跋袂衅佻F(xiàn)。其被概念地描述在作為實(shí)例顯示單獨(dú)轉(zhuǎn)換其中之一的圖3A和3B中。該局部轉(zhuǎn)化參照該說(shuō)明書(shū)中的儀器定位被體現(xiàn)，然而，外科醫(yī)生識(shí)別的任何結(jié)構(gòu)或界標(biāo)可經(jīng)歷該轉(zhuǎn)化過(guò)程。圖3A和3B描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例與修改該映射之前和之后的糾正有關(guān)的“y “坐標(biāo)的局部轉(zhuǎn)換的一個(gè)實(shí)例。圖3A示出了非剛性對(duì)準(zhǔn)階段所提供的原始轉(zhuǎn)化圖。如圖3A所示，轉(zhuǎn)換僅被提供于非剛性結(jié)構(gòu)的表面范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，該非剛性對(duì)準(zhǔn)過(guò)程提供了位移矢量場(chǎng)，該場(chǎng)允許該位移在該器官表面范圍內(nèi)的所有定位處被確定。為允許平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，當(dāng)外科醫(yī)生接 近患者空間內(nèi)該非剛性結(jié)構(gòu)的表面時(shí)，本發(fā)明的各種實(shí)施例將對(duì)圖3A的原始轉(zhuǎn)換圖采取擴(kuò)散處理。采取該擴(kuò)散處理之后所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換被示出于圖3B中。有許多方式來(lái)生成該轉(zhuǎn)換包絡(luò)，且擴(kuò)散處理僅是一種可能的實(shí)現(xiàn)方式。其他實(shí)施例可涉及各種平均化方案、新空間核心、過(guò)濾器，或鄰近函數(shù)形式。如圖3B所示的全3D局部轉(zhuǎn)換映射生成之后，該轉(zhuǎn)換將被接入IGS系統(tǒng)。因此，與儀器位置相關(guān)的數(shù)據(jù)被收集在患者空間內(nèi)，該局部轉(zhuǎn)化被應(yīng)用于影像空間以提供適當(dāng)?shù)奶鎿Q。因此，適當(dāng)?shù)幕居跋衿矫婵杀粠隝GS顯示器，且外科醫(yī)生得到對(duì)探針定位的更精確的了解。該過(guò)程的結(jié)果概念地被描述與圖4A和圖4B中。該實(shí)施例允許未受影響地使用原始影像數(shù)據(jù)。還應(yīng)注意，子表面目標(biāo)的額外轉(zhuǎn)換需要被提供給外科醫(yī)生以提供對(duì)目標(biāo)的精確路徑規(guī)劃。圖4A是概念地說(shuō)明該處理的示意圖，藉由該處理，貫穿肝臟的橫向平面的影像切片基于無(wú)任何調(diào)整(也就是說(shuō)，通過(guò)104提供的對(duì)準(zhǔn))獲得的映射進(jìn)行修正。圖4B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例概念地說(shuō)明該處理的示意圖，藉由該處理，貫穿肝臟的橫向平面的影像切片基于圖2的非剛性和根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的局部轉(zhuǎn)化進(jìn)行修正。出于仿真圖4A和4B中的IGS顯示的目的，在患者身體上中間至橫向方向顯示出仿真的刀尖光標(biāo)被拖拉穿過(guò)肝臟，其中該刀尖的位置在橫向影像上顯示為圓點(diǎn)，并帶有突出該位置的箭頭。如圖4A所示，可看見(jiàn)，由于僅使用剛性轉(zhuǎn)化(圖I中的步驟104)的對(duì)準(zhǔn)的缺陷，當(dāng)該刀尖被拖拉穿過(guò)且到達(dá)器官的多個(gè)橫向表面區(qū)域時(shí)，光標(biāo)可正好掉出影像空間內(nèi)的器官(在這種情況下為肝臟)。然而，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例而應(yīng)用非剛性映射包絡(luò)，光標(biāo)位置可被糾正，使得當(dāng)該刀尖被拖拉穿過(guò)且到達(dá)該器官的多個(gè)橫向表面區(qū)域時(shí)，其不會(huì)不精確地報(bào)告其位置使之掉出影像空間內(nèi)器官(在這種情況下為肝臟)，而是精確地描述出其在該器官上的定位。用于確定此類映射調(diào)整的一個(gè)示例性方法在下文中參照?qǐng)D5被描述。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于計(jì)算影像空間中的儀器的映射調(diào)整的示例性方法500的步驟的流程圖。方法500在塊502處開(kāi)始，且前進(jìn)至塊504。在塊504處，獲得或接收用于將患者空間內(nèi)的儀器轉(zhuǎn)換至影像空間的數(shù)據(jù)組。特別地，接收患者空間內(nèi)儀器的位置。另外，接收到非剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型，以及變形位移矢量場(chǎng)值和剛性對(duì)準(zhǔn)之后的計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)函數(shù)(諸如圖2中獲得的變形位移矢量場(chǎng)值和初始對(duì)應(yīng)函數(shù))。此外，與計(jì)算機(jī)模型和影像數(shù)據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)也被接收。特別地，接收計(jì)算機(jī)模型的節(jié)點(diǎn)和影像數(shù)據(jù)中的三維像素之間的關(guān)系。此類關(guān)系也可經(jīng)由影像/模型對(duì)應(yīng)函數(shù)被界定。一旦數(shù)據(jù)在塊504處被接收，則計(jì)算機(jī)模型的幾何形狀可被轉(zhuǎn)換成起始于塊506的患者空間。首先，在塊506處，剛性對(duì)準(zhǔn)信息可首先被用于將計(jì)算機(jī)模型空間內(nèi)的該計(jì)算機(jī)模型節(jié)點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換為患者空間內(nèi)的位置。例如，初始對(duì)應(yīng)函數(shù)可被用于將變形的節(jié)點(diǎn)映射到該患者空間。然后，在塊508處，變形位移矢量場(chǎng)值可被用于使患者空間內(nèi)的該計(jì)算機(jī)模型變形，從而提供對(duì)患者空間內(nèi)的表面數(shù)據(jù)的擬合。然后，或結(jié)合塊508處計(jì)算機(jī)模型節(jié)點(diǎn)的位置的變形或轉(zhuǎn)化，該計(jì)算機(jī)模型的節(jié)點(diǎn)也可與塊510處的反向變形值(S卩，接收的變形位移矢量場(chǎng)值的負(fù)值)相關(guān)。上述的步驟通常將足夠使得在儀器/對(duì)象的位置處于非剛性結(jié)構(gòu)的一部分的范圍內(nèi)時(shí)，IGS將表示儀器/對(duì)象的位置的光標(biāo)放置在適當(dāng)位置。然而在該非剛性結(jié)構(gòu)之外，該位置將迅速地復(fù)原回基本上剛性的轉(zhuǎn)換。這可導(dǎo)致光標(biāo)位置在該儀器/對(duì)象移動(dòng)時(shí)不規(guī)律地跳動(dòng)。因此，在儀器/對(duì)象位置的任何轉(zhuǎn)換之前，本發(fā)明的各種實(shí)施例在塊512處提供計(jì)算環(huán)繞該變形 分方程來(lái)進(jìn)行，該偏微分方程描述了在儀器定位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之前的患者空間內(nèi)的自然三維像素網(wǎng)格上明確利用有限差分法進(jìn)行擴(kuò)散處理。在該實(shí)施例中，與變形的計(jì)算機(jī)模型相關(guān)的所有三維像素具有與它們相關(guān)的未變形矢量位移。取一個(gè)單獨(dú)位移網(wǎng)格，例如中間至橫向位移方向，前述擴(kuò)散方法可被使用，藉由該方法，該中間至橫向位移被固定在器官范圍內(nèi)且允許數(shù)字地?cái)U(kuò)散以創(chuàng)建環(huán)繞該計(jì)算機(jī)模型的包絡(luò)。因此，在恰好處于非剛性結(jié)構(gòu)的表面之外的區(qū)域內(nèi)界定出附加的非剛性小包絡(luò)。該包絡(luò)從而界定了從患者空間內(nèi)變形的計(jì)算機(jī)模型的反向流動(dòng)場(chǎng)值和患者空間內(nèi)各處的剛性轉(zhuǎn)換光滑過(guò)渡的區(qū)域。因此，如果儀器/對(duì)象被定位在靠近該非剛性結(jié)構(gòu)的表面，則它進(jìn)入原始計(jì)算機(jī)模型空間的轉(zhuǎn)換將基于該包絡(luò)而不是剛性轉(zhuǎn)換。從而，映射被生成以允許光滑的局部轉(zhuǎn)化，此時(shí)刀尖/對(duì)象被使用在身體器官表面范圍內(nèi)和其附近的IGS系統(tǒng)內(nèi)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中,偏微分方程可為擴(kuò)散方程。然而，本發(fā)明不被限制于這方面，且其他類型的偏微分方程或內(nèi)插法可被用于形成本發(fā)明的各種實(shí)施例中的包絡(luò)，諸如平均化方案或鄰域函數(shù)形式。一旦計(jì)算機(jī)模型和患者空間在塊506至512處被處理，則進(jìn)入影像空間的儀器/對(duì)象定位轉(zhuǎn)換可在塊514處開(kāi)始。首先，在塊512處，塊508和512的反向流動(dòng)場(chǎng)值被用于初始地轉(zhuǎn)換患者空間內(nèi)的儀器位置坐標(biāo)。然后，在塊514處，患者空間內(nèi)該儀器/對(duì)象的位置數(shù)據(jù)被進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)模型空間的位置數(shù)據(jù)。更具體地，身體空間內(nèi)該儀器/對(duì)象的位置通過(guò)該反向位移場(chǎng)被轉(zhuǎn)換。一旦執(zhí)行，該儀器/對(duì)象位置有效地未產(chǎn)生變形。塊516然后可將患者空間的轉(zhuǎn)換應(yīng)用于影像空間，即，與圖I的步驟104相關(guān)的剛性對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換(或根據(jù)圖I的實(shí)施例的適當(dāng)剛性轉(zhuǎn)換)。一旦轉(zhuǎn)換在塊514和516處被完成，則影像空間內(nèi)的儀器/對(duì)象的坐標(biāo)是已知的，且適當(dāng)?shù)挠跋駭?shù)據(jù)在塊518可被確定。特別地，通過(guò)儀器操作所捕獲的患者空間內(nèi)的多個(gè)變形器官之間的關(guān)系可被用于調(diào)整該計(jì)算機(jī)模型的節(jié)點(diǎn)，使得能取得該影像數(shù)據(jù)的三維像素和儀器/對(duì)象的位置之間的完整路徑以用于影像空間的顯示。然后，在塊520處，儀器/對(duì)象位置的影像數(shù)據(jù)和標(biāo)記可在IGS手術(shù)的過(guò)程中被顯示。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，儀器/對(duì)象的影像數(shù)據(jù)和標(biāo)記可以兩維或三維格式被顯示。在兩維格式的情況下，影像空間內(nèi)儀器位置可被用于識(shí)別影像引導(dǎo)顯示中適當(dāng)?shù)幕居跋袂衅凸鈽?biāo)位置。然后，該影像數(shù)據(jù)和光標(biāo)在塊520處可被顯示。一旦儀器/對(duì)象身體位置對(duì)應(yīng)于影像空間內(nèi)具體三維像素的位置，則任意數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)顯示可被生成。例如，標(biāo)準(zhǔn)基本影像顯示可被使用。然而，該影像空間內(nèi)所表達(dá)的任何和所有其他信息可以用與該光標(biāo)的關(guān)系來(lái)體現(xiàn)。此外，雖然儀器/對(duì)象位置是重要的，但是從現(xiàn)有位置至鄰近位置的路徑或軌線可能是重要的。為了提供此類信息，該表面上或附近的其他對(duì)象或位置需要被轉(zhuǎn)換成影像空間以提供精確導(dǎo)航。在這種情況下，轉(zhuǎn)換步驟可被修改，使得該定位/對(duì)象和鄰近部分被變形和剛性地轉(zhuǎn)化為影像空間內(nèi)它們的適當(dāng)位置，從而確保從當(dāng)前位置導(dǎo)航至身體空間內(nèi)的鄰近位置，對(duì)應(yīng)路徑的影像空間是精確的。方法500然后前進(jìn)至塊520以繼續(xù)先前的處理，包括當(dāng)該儀器移動(dòng)時(shí)重復(fù)方法500。用于執(zhí)行上文中參照?qǐng)DI至5描述的一個(gè)或多個(gè)工作的示例性硬件配置在下文被示于圖6中。圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示范性硬件系統(tǒng)配置600。如圖6所示，系統(tǒng)600可包括影像/數(shù)據(jù)處理器605，顯示監(jiān)視器610和IGS控制器615。IGS控制器可被連接至由傳感光學(xué)相機(jī)630和發(fā)射器620、625和635組成的光學(xué)跟蹤傳感器。另外，IGS控制器615可被連接至可用作諸如620、635的儀器的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射器。640是單獨(dú)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器，出于非剛性變形糾正和相關(guān)處理的實(shí)施例的目的，該計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器與影像/數(shù)據(jù)處理器605交互。盡管各種實(shí)施例被示出為單獨(dú)的、分離部分，但是本發(fā)明不被限制于這方面。例如，IGS控制器615、影像數(shù)據(jù)處理器605和計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器604可被集成為單個(gè)系統(tǒng)。類似地，取決于糾正的性質(zhì)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器640可被分成通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起的多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器。系統(tǒng)600操作如下，首先，發(fā)射器625通常被固定于患者或支持手術(shù)器械。這通 過(guò)提供安裝于手術(shù)室內(nèi)的固定相機(jī)(即，固定630)可被替代。傳感器630被用于確定手術(shù)室內(nèi)所有發(fā)射器的位置(包括光刀620，或可能的激光測(cè)距掃描儀635)。發(fā)射器620或635可被用于檢測(cè)非剛性器官的表面或可視結(jié)構(gòu)，或儀器的定位。然而，本發(fā)明不會(huì)限制于這方面，且一個(gè)以上的傳感系統(tǒng)可被用于提供表面數(shù)據(jù)和/或儀器/目標(biāo)位置數(shù)據(jù)。用于生成表面數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例是激光測(cè)距掃描儀系統(tǒng)，諸如丹伯里3D數(shù)字公司所生產(chǎn)的RealScan3D系統(tǒng)、田納西州納什維爾的Pathfinder醫(yī)療公司為客戶定制的CT或類似系統(tǒng)。此類系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)點(diǎn)矩陣能夠捕獲三維地形圖表面數(shù)據(jù)以及表面紋理映射。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，由512垂直點(diǎn)構(gòu)成的水平掃描場(chǎng)500可在5至10秒內(nèi)被獲得，且被用于生成在IGS手術(shù)過(guò)程中暴露表面的表面數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，此類系統(tǒng)利用數(shù)字化系統(tǒng)在手術(shù)室空間內(nèi)可被追蹤且利用分離的獨(dú)立數(shù)字化的幻像可被校準(zhǔn)。635將表示它們使用的結(jié)果。與其他表面數(shù)字化技術(shù)相比，該激光測(cè)距掃描儀系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠捕獲該表面的豐富特征紋理圖以及地形圖特性。此類紋理圖數(shù)據(jù)通常促進(jìn)對(duì)準(zhǔn)于術(shù)前成像的肝臟表面的分段，即，提取。其他實(shí)施例可使用跟蹤超聲波探頭，該跟蹤超聲波探頭可獲得外部和/或內(nèi)部表面數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可被用于提取任何數(shù)目的邊界數(shù)據(jù)，包括對(duì)準(zhǔn)處理中使用的外部和/或內(nèi)部表面結(jié)構(gòu)。在手術(shù)中，系統(tǒng)600操作如下。在外科手術(shù)之前，涉及術(shù)前器官102的有關(guān)數(shù)據(jù)將被傳送至計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器640，或?qū)⒁言诳刂破?15上被處理。從類似于620和635的數(shù)字化設(shè)備收集表面數(shù)據(jù)之后，影像/數(shù)據(jù)處理器605將該數(shù)據(jù)以及任何其他有關(guān)術(shù)中信息傳送至計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器640。利用計(jì)算機(jī)模型，該計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器640完成如圖I所描述的該計(jì)算機(jī)模型至該表面數(shù)據(jù)的剛性對(duì)準(zhǔn)，然后是如圖I和2所描述的該計(jì)算機(jī)模型至該表面數(shù)據(jù)的非剛性對(duì)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)/影像處理器605也可執(zhí)行對(duì)該數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。如上文所描述，局部轉(zhuǎn)換也可被需要。在這種情況下，計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器640可生成此類變形的和調(diào)整的圖，如上文參照?qǐng)D5所描述的。通過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器640上的點(diǎn)，或通過(guò)將適當(dāng)映射函數(shù)提供給數(shù)據(jù)/影像處理單元605且允許其將該適當(dāng)轉(zhuǎn)化應(yīng)用于IGS顯示器610，該圖然后可被用于執(zhí)行IGS手術(shù)。實(shí)例下述非限制性實(shí)例用于說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)理解，示出的組件的比例變更和元件選擇對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)的，且處于本發(fā)明的實(shí)施例的范圍內(nèi)。一個(gè)示例性系統(tǒng)被構(gòu)建成類似于圖6所示的系統(tǒng)。特別地，Stealth型號(hào)LPC-650-T9500-64GF-04G-6-E-00小型PC (計(jì)算機(jī))被配置成如同計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器640進(jìn)行操作。該控制器根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例被用于提供計(jì)算機(jī)模型和肝臟表面數(shù)據(jù)的剛性和非剛性對(duì)準(zhǔn)，以及與102相關(guān)的術(shù)前處理組件。圖7示出了計(jì)算機(jī)模型702 (黑色網(wǎng)格)和表面數(shù)據(jù)704(灰色點(diǎn))的初始剛性對(duì)準(zhǔn)的結(jié)果。這些結(jié)果利用突出特征加權(quán)配準(zhǔn)法被獲得。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的非剛性對(duì)準(zhǔn)的結(jié)果。這些結(jié)果利用大約12次迭代的有限元法被獲得。如圖8所示，變形的計(jì)算機(jī)模型802(黑色網(wǎng)格)現(xiàn)與表面數(shù)據(jù)704的點(diǎn)(灰色點(diǎn))在很大程度上一致。執(zhí)行數(shù)據(jù)704示出的實(shí)現(xiàn)和結(jié)果表示在糾正計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器之前該模型和表面數(shù)據(jù)之間的平均最近點(diǎn)間 距為4. 7+/-3. 0_。完成本文所報(bào)告的該計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制器執(zhí)行之后，最近點(diǎn)間距變成I. 5+/-0. 8mm。該計(jì)算機(jī)模型的變形量被示出于圖9中，其中原始計(jì)算機(jī)模型數(shù)據(jù)和變形的計(jì)算機(jī)模型數(shù)據(jù)被重疊。在圖9中，原始計(jì)算機(jī)模型702通過(guò)灰色網(wǎng)格被示出，且變形的計(jì)算機(jī)模型通過(guò)黑色網(wǎng)格被示出。圖10是用于執(zhí)行一組指令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1000的示意圖。當(dāng)執(zhí)行時(shí)，該組指令可促使該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以執(zhí)行上文所描述的方法和步驟中的一個(gè)或多個(gè)。例如，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1000的體系可被用于描述圖6的一個(gè)或多個(gè)組件的體系。在一些實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1000如同獨(dú)立裝置進(jìn)行操作。在其他實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1000可被連接(例如，利用網(wǎng)絡(luò))至其他計(jì)算機(jī)裝置。在網(wǎng)絡(luò)化的配置中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1000可以作為服務(wù)器一客戶端開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的服務(wù)器或客戶開(kāi)發(fā)端進(jìn)行操作，或作為對(duì)等(或分布式)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的對(duì)等機(jī)進(jìn)行操作。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可為引導(dǎo)系統(tǒng)的插入卡。該機(jī)器可包括各種類型的計(jì)算系統(tǒng)和裝置，包括服務(wù)器計(jì)算機(jī)、客戶端用戶計(jì)算機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)、平板PC、便攜計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)路由器、開(kāi)關(guān)或橋接，或能夠執(zhí)行一組指令(連續(xù)的或其他方式)的任何其他裝置，該組指令指定了該裝置所采取的動(dòng)作。應(yīng)理解，本公開(kāi)的裝置也包括提供語(yǔ)音、視頻或數(shù)據(jù)通信的任何電子裝置。另夕卜，當(dāng)單個(gè)計(jì)算機(jī)被說(shuō)明時(shí)，短語(yǔ)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”應(yīng)被理解為包括單獨(dú)地或聯(lián)合地執(zhí)行一組(或多組)指令以執(zhí)行本文所討論的任何一種或多種方法的計(jì)算裝置的任何集合。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1000可包括處理器1002 (諸如中央處理單元(CPU)、圖象處理單元(GPU)，或兩者)、主存儲(chǔ)器1004和靜態(tài)存儲(chǔ)器1006，它們經(jīng)由總線1008彼此通信。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1000可進(jìn)一步包括顯示單元1010，諸如視頻顯示器(例如，液晶顯示器或IXD)、平板顯示器、固態(tài)顯示器，或陰極射線管(CRT))。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1000可包括輸入裝置1012(例如，鍵盤(pán))、光標(biāo)控制裝置1014(例如，鼠標(biāo))、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置1016、信號(hào)生成裝置1018(例如揚(yáng)聲器或遠(yuǎn)程控制)和網(wǎng)絡(luò)接口裝置1020。磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置1016可包括計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)1022，該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)1022上存儲(chǔ)一組或多組指令1024(例如，軟件代碼)，該一組或多組指令1024經(jīng)配置以實(shí)現(xiàn)本文所描述的一個(gè)或多個(gè)方法、步驟或功能。在通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1000的其執(zhí)行過(guò)程中，該指令1024也可完全地或至少部分地駐存在于主存儲(chǔ)器1004、靜態(tài)存儲(chǔ)器1006和/或處理器1002中。主存儲(chǔ)器1004和處理器1002也可構(gòu)成機(jī)器可讀介質(zhì)。
專用硬件實(shí)現(xiàn)包括但不限于具體應(yīng)用集成電路、可編程邏輯陣列和其他硬件裝置。這些硬件可同樣地被構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)本文所描述的方法?？砂ǜ鞣N實(shí)施例的裝置和系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛地包括各種電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一些實(shí)施例以兩個(gè)或兩個(gè)以上的具體連接硬件模塊或裝置實(shí)現(xiàn)這些功能。這些具體連接硬件模塊或裝置具有在這些模塊之間和貫穿這些模塊通信的相關(guān)控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，或作為具體應(yīng)用集成電路的部分。因此，示例性系統(tǒng)可適用于軟件、固件和硬件實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施例，本文所描述的方法可被存儲(chǔ)為計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中的軟件程序，且可·被配置用于在計(jì)算機(jī)處理器上運(yùn)行。此外，軟件實(shí)現(xiàn)可包括但不限于分布式處理、組件/對(duì)象分布式處理、并行處理、虛擬機(jī)處理，它們也可被構(gòu)成為實(shí)現(xiàn)本文所描述的方法。本公開(kāi)涉及計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)包含指令1024，或接收和執(zhí)行擴(kuò)散信號(hào)的指令1024使得連接至網(wǎng)絡(luò)環(huán)境1026的裝置可發(fā)送或接收語(yǔ)音和/或視頻數(shù)據(jù)，和可利用指令1024在網(wǎng)絡(luò)1026上進(jìn)行通信。該指令1024經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)接口裝置1020可在網(wǎng)絡(luò)1026上進(jìn)一步被傳送或接收。雖然計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)1022在示例性實(shí)施例中被示出為單個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)，但是術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)”應(yīng)包括存儲(chǔ)一組或多組指令的單個(gè)介質(zhì)或多個(gè)介質(zhì)(例如，集中式或分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，和/或相關(guān)的緩存和服務(wù)器)。術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)”也應(yīng)包括能夠存儲(chǔ)通過(guò)該機(jī)器執(zhí)行的一組指令和促使該機(jī)器執(zhí)行本公開(kāi)的任何一種或多種方法的任何裝置。術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)”應(yīng)相應(yīng)地包括但不限于固態(tài)存儲(chǔ)器(諸如存儲(chǔ)卡或其它容納只讀(非易失的)存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器或其他可擦寫(xiě)(易失的)存儲(chǔ)器中的一個(gè)或多個(gè)的包；磁性一光學(xué)或光學(xué)介質(zhì)例如碟或帶；以及載波信號(hào)(諸如包含傳輸介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)指令的信號(hào))，和/或電子郵件的數(shù)字文件附件或其他自足信息檔案或檔案組(視為等同于有形存儲(chǔ)介質(zhì)的分布介質(zhì))。因此，本公開(kāi)視為包括任何一種或多種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或分布介質(zhì)，其在本文中被列出且包括其中軟件實(shí)現(xiàn)在此被存儲(chǔ)的公認(rèn)等同物和接替介質(zhì)。盡管本說(shuō)明書(shū)參照具體標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議描述了組件和在實(shí)施例中執(zhí)行的功能，但是本公開(kāi)不被限制于此類標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。每條因特網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和其他分組交換網(wǎng)絡(luò)傳輸(例如，TCP/IP，UDP/IP，HTML和HTTP)表示本領(lǐng)域的狀態(tài)的實(shí)例。此類標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)具有基本上相同的功能的更快或更有效的等同物被周期性地被代替。因此具有相同功能的替換標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議被視為等同物。申請(qǐng)人:在下文中提出了某些理論方面，這些理論方面據(jù)信為精確地解釋了有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例而做出的觀察。然而，本發(fā)明的實(shí)施例可在無(wú)該提出的理論方面的情況下被實(shí)踐。此外，該理論的提出應(yīng)當(dāng)理解為申請(qǐng)人并非尋求被提出的理論所限制。雖然本發(fā)明的各種實(shí)施例在上文已被描述，但是應(yīng)理解，它們僅通過(guò)實(shí)例的方式被提出，而非限制。在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，根據(jù)本文的公開(kāi)可對(duì)公開(kāi)的實(shí)施例做出許多改變。例如，盡管多種實(shí)施例主要是參照患者空間相對(duì)計(jì)算機(jī)模型空間或影像空間的坐標(biāo)或位置的轉(zhuǎn)換被描述，但是本發(fā)明不被限制于這方面。相反，本文所描述的系統(tǒng)和方法同樣可適用于基于在計(jì)算機(jī)模型空間或影像空間內(nèi)感興趣的位置而確定患者空間內(nèi)的坐標(biāo)或位置。此類位置可通過(guò)提供有關(guān)任何置信標(biāo)記或與患者空間內(nèi)非剛性結(jié)構(gòu)相關(guān)的其他參考位置的坐標(biāo)或位置被識(shí)別。此類配置可被利用，例如以識(shí)別開(kāi)始步驟的初始定位，或以其他方式協(xié)助用戶識(shí)別或想象患者空間內(nèi)的結(jié)構(gòu)。從而，本發(fā)明的廣度和范圍不應(yīng)通過(guò)任何上文所描述的實(shí)施例而被限制。相反，本發(fā)明的范圍應(yīng)根據(jù)下述權(quán)利要求和它們的等同物被界定。盡管本發(fā)明已參照一個(gè)或多個(gè)實(shí)現(xiàn)被說(shuō)明和描述，但是對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，閱讀和理解本說(shuō)明書(shū)和所附圖紙之后，會(huì)產(chǎn)生同等替換和修改。此外，雖然本發(fā)明的具體特征已參照多個(gè)實(shí)現(xiàn)中的僅一個(gè)被公開(kāi)，但是該特征根據(jù)需要和有利于任何給定或具體應(yīng)用可結(jié)合其他實(shí)現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)其他特征。本文所使用的術(shù)語(yǔ)是僅僅出于描述具體實(shí)施例的目的，且并非旨在限制本發(fā)明。如本文所使用，單數(shù)形式“一個(gè)(a)”、“一種(an)”和“該(the)”旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非文中另有明確說(shuō)明。此外，程度術(shù)語(yǔ)“包括(including)，，,包含(include)，，,具有(having) ”、“有(has) ”、“帶有(with) ”，或其變體被使用于詳細(xì)說(shuō)明和/或權(quán)利要求書(shū)，此類術(shù)語(yǔ)旨在以類似于術(shù)語(yǔ)“含有(comprising) ”的方式來(lái)限定包括。 除非另有界定，本文所使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的意義相同的意義。還應(yīng)理解，術(shù)語(yǔ)，諸如通常使用的詞典所界定的術(shù)語(yǔ)，應(yīng)被解釋為具有與它們?cè)谙嚓P(guān)領(lǐng)域的環(huán)境中的意義一致的意義，且不應(yīng)解釋為理想化的或過(guò)于正式的意義，除非本文中清楚地如此界定。
權(quán)利要求
1.一種用于收集和處理在執(zhí)行影像引導(dǎo)外科手術(shù)(IGS)時(shí)使用的身體空間數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括 執(zhí)行剛性對(duì)準(zhǔn)，將患者體內(nèi)感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型和與所述非剛性結(jié)構(gòu)至少一部分相關(guān)的患者空間內(nèi)的表面數(shù)據(jù)進(jìn)行剛性對(duì)準(zhǔn)；和 計(jì)算所述計(jì)算機(jī)模型的變形，所述計(jì)算提供所述計(jì)算機(jī)模型和所述表面數(shù)據(jù)的非剛性對(duì)準(zhǔn)，采用基于所述剛性對(duì)準(zhǔn)而給所述計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義的一組邊界條件以及核心函數(shù)計(jì)算出所述變形。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述計(jì)算進(jìn)一步包括 基于所述對(duì)應(yīng)函數(shù)而算出所述表面數(shù)據(jù)和所述計(jì)算機(jī)模型的對(duì)應(yīng)部分之間的一組空間差值； 計(jì)算該組空間差值上的所述邊界條件和所述核心函數(shù)； 基于所述邊界條件而生成所述計(jì)算機(jī)模型的體積變形位移矢量值； 基于所述體積步驟值而生成更新的計(jì)算機(jī)模型； 基于所述更新的計(jì)算機(jī)模型而更新所述對(duì)應(yīng)函數(shù)； 基于所述更新的對(duì)應(yīng)函數(shù)而重新算出所述空間差值；和 如果該組空間差值無(wú)法滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)，則重復(fù)所述計(jì)算、生成、調(diào)整和更新步驟。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括輸出所述更新的計(jì)算機(jī)模型。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述生成所述體積變形位移矢量值進(jìn)一步包括累積所述體積變形位移矢量值，且其中所述輸出進(jìn)一步包括輸出包括所述累積位移矢量場(chǎng)值的累積位移矢量場(chǎng)。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括將所述收斂標(biāo)準(zhǔn)選擇為該組空間差值的最小閾值、所述更新之前的該組空間差值和所述更新之后的該組空間差值之間的最小差值、和預(yù)定迭代數(shù)目中的至少一個(gè)。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括基于所述變形顯示有利于所述IGS手術(shù)的數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述顯示進(jìn)一步包括 生成與所述計(jì)算機(jī)模型相關(guān)的術(shù)前影像數(shù)據(jù)的顯示，其中所述術(shù)前影像數(shù)據(jù)被修改以對(duì)應(yīng)于所述變形。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述顯示進(jìn)一步包括 接收與所述計(jì)算機(jī)模型相關(guān)的影像數(shù)據(jù)以及所述患者空間內(nèi)對(duì)象的位置； 基于所述剛性對(duì)準(zhǔn)和所述變形而將所述計(jì)算機(jī)模型轉(zhuǎn)換到所述患者空間中； 計(jì)算所述計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的反向變形位移矢量場(chǎng)值； 算出圍繞所述變形計(jì)算模型的一部分所述患者空間的額外反向變形矢量場(chǎng)值的包絡(luò)； 基于所述剛性對(duì)準(zhǔn)和所述反向變形位移矢量場(chǎng)值而將所述位置轉(zhuǎn)換到所述計(jì)算機(jī)模型的計(jì)算機(jī)模型空間中；和 算出所述儀器的所述轉(zhuǎn)換位置在所述影像數(shù)據(jù)的影像空間中的坐標(biāo)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括 顯示無(wú)變形的所述影像數(shù)據(jù)；和基于所述影像空間中的所述算出的坐標(biāo)而顯示所述影像空間中的所述對(duì)象位置的標(biāo)記。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述包絡(luò)的算出是基于包絡(luò)策略。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述顯示進(jìn)一步包括 接收與所述計(jì)算機(jī)模型相關(guān)的影像數(shù)據(jù)和所述影像數(shù)據(jù)的影像空間中至少一個(gè)感興趣的位置； 將所述位置轉(zhuǎn)換到所述計(jì)算機(jī)模型的計(jì)算機(jī)模型空間中； 算出感興趣的所述轉(zhuǎn)換位置在所述患者空間中的坐標(biāo)。
12.一種用于收集和處理在執(zhí)行影像引導(dǎo)外科手術(shù)(IGS)時(shí)使用的身體空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存儲(chǔ)患者體內(nèi)感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型和與所述非剛性結(jié)構(gòu)的至少一部分相關(guān)的患者空間中的表面數(shù)據(jù)；和 通信地連接至所述存儲(chǔ)介質(zhì)的處理單元，其中所述處理單元被配置成 獲得所述計(jì)算機(jī)模型和所述表面數(shù)據(jù)的剛性對(duì)準(zhǔn)，和 計(jì)算所述計(jì)算機(jī)模型的變形，所述計(jì)算提供所述計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)的非剛性對(duì)準(zhǔn)，采用基于所述剛性對(duì)準(zhǔn)給所述計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義的一組邊界條件以及核心函數(shù)計(jì)算出所述變形。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元在所述計(jì)算過(guò)程中進(jìn)一步被配置成 基于所述對(duì)應(yīng)函數(shù)而算出所述表面數(shù)據(jù)和所述計(jì)算機(jī)模型的對(duì)應(yīng)部分之間的一組空間差值； 基于該組空間差值和所述核心函數(shù)計(jì)算所述邊界條件； 基于所述邊界條件而生成所述計(jì)算機(jī)模型的體積變形位移矢量值； 基于所述體積步驟值而生成更新的計(jì)算機(jī)模型； 基于所述更新的計(jì)算機(jī)模型而更新所述對(duì)應(yīng)函數(shù)； 基于所述更新對(duì)應(yīng)函數(shù)而重新算出所述空間差值；和 如果該組空間差值無(wú)法滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)，則重復(fù)所述計(jì)算、生成、調(diào)整和更新步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元進(jìn)一步被配置成輸出所述更新計(jì)算機(jī)模型。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元進(jìn)一步被配置成在所述體積變形位移矢量值的生成過(guò)程中用于累積所述體積變形位移矢量值，且其中所述處理單元進(jìn)一步被配置成在所述輸出過(guò)程中用于輸出包括所述累積位移矢量場(chǎng)值的累積位移矢量場(chǎng)。
16.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括顯示裝置，所述顯示裝置通信地連接至所述處理單元且被配置成基于所述變形而顯示有利于所述IGS手術(shù)的數(shù)據(jù)。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元進(jìn)一步被配置成生成所述顯示裝置的信號(hào)以生成與所述計(jì)算機(jī)模型相關(guān)的術(shù)前影像數(shù)據(jù)的顯示，其中所述術(shù)前影像數(shù)據(jù)被修改以對(duì)應(yīng)所述變形。
18.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元進(jìn)一步配置為將所述收斂標(biāo)準(zhǔn)選擇為該組空間差值的最小閾值、所述更新之前的該組空間差值和所述更新之后的該組空間差值之間的最小差值、和預(yù)定迭代數(shù)目中的至少一個(gè)。
19.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元進(jìn)一步被配置成 接收與所述計(jì)算機(jī)模型相關(guān)的影像數(shù)據(jù)和所述患者空間內(nèi)對(duì)象的位置； 基于所述剛性對(duì)準(zhǔn)和所述變形而將所述計(jì)算機(jī)模型轉(zhuǎn)換到所述患者空間中； 計(jì)算所述計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的反向變形位移矢量場(chǎng)值； 算出圍繞所述變形計(jì)算模型的一部分所述患者空間的額外反向變形矢量場(chǎng)值的包絡(luò)； 基于所述剛性對(duì)準(zhǔn)和所述反向變形位移矢量場(chǎng)值而將所述位置轉(zhuǎn)換到所述計(jì)算機(jī)模型的計(jì)算機(jī)模型空間中；和 算出所述對(duì)象的所述轉(zhuǎn)換位置在所述影像數(shù)據(jù)的影像空間中的坐標(biāo)。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 基于所述剛性對(duì)準(zhǔn)和所述反向變形位移矢量場(chǎng)值，將鄰近所述對(duì)象位置的所述患者空間內(nèi)的額外位置轉(zhuǎn)換到所述計(jì)算機(jī)模型空間中；和 算出所述轉(zhuǎn)換的額外位置在所述影像數(shù)據(jù)的影像空間內(nèi)的坐標(biāo)。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述處理裝置進(jìn)一步被配置成，基于所述影像空間內(nèi)算出的各個(gè)所述坐標(biāo)而生成所述顯示裝置的信號(hào)以顯示無(wú)變形的所述影像數(shù)據(jù)和所述影像空間內(nèi)的所述對(duì)象和所述額外位置中的至少一個(gè)的標(biāo)記。
22.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元進(jìn)一步被配置成基于包絡(luò)策略而執(zhí)行所述包絡(luò)的算出。
23.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，具有存儲(chǔ)其上的計(jì)算機(jī)程序以用于收集和處理在執(zhí)行影像引導(dǎo)外科手術(shù)(IGS)時(shí)使用的身體空間數(shù)據(jù)，所述計(jì)算機(jī)程序具有多個(gè)代碼區(qū)段，所述代碼區(qū)段通過(guò)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行以促使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下步驟 獲得患者體內(nèi)感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型； 執(zhí)行與所述非剛性結(jié)構(gòu)的至少一部分相關(guān)的患者空間內(nèi)的所述計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)的剛性對(duì)準(zhǔn)； 計(jì)算所述計(jì)算機(jī)模型的變形，所述計(jì)算提供所述計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)之間的非剛性對(duì)準(zhǔn)，采用基于所述剛性對(duì)準(zhǔn)而給所述計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義的一組邊界條件和核心函數(shù)計(jì)算出所述變形；和 基于所述變形而顯示有利于所述IGS手術(shù)的數(shù)據(jù)。
24.如權(quán)利要求23所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其中所述計(jì)算進(jìn)一步包括代碼區(qū)段以用于 基于所述對(duì)應(yīng)函數(shù)而算出所述表面數(shù)據(jù)和所述計(jì)算機(jī)模型的對(duì)應(yīng)部分之間的一組空間差值； 基于該組空間差值計(jì)算所述邊界條件和所述核心函數(shù)； 基于所述邊界條件生成所述計(jì)算機(jī)模型的體積變形位移矢量值； 基于所述體積步驟數(shù)值而生成更新的計(jì)算機(jī)模型； 基于所述更新的計(jì)算機(jī)模型而更新所述對(duì)應(yīng)函數(shù)； 基于所述更新對(duì)應(yīng)函數(shù)而重新算出所述空間差值；和 如果該組空間差值無(wú)法滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)，則重復(fù)所述計(jì)算、生成、調(diào)整和更新步驟。
25.如權(quán)利要求24所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，進(jìn)一步包括用于輸出所述更新的計(jì)算機(jī)模型的代碼區(qū)段。
26.如權(quán)利要求25所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其中所述生成所述體積變形位移矢量值進(jìn)一步包括用于累積所述體積變形位移矢量值的代碼區(qū)段，且其中所述輸出進(jìn)一步包括用于輸出包括所述累積位移矢量場(chǎng)值的累積位移矢量場(chǎng)的代碼區(qū)段。
27.如權(quán)利要求23所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其中所述顯示進(jìn)一步包括代碼區(qū)段以用于 生成與所述計(jì)算機(jī)模型相關(guān)的術(shù)前影像數(shù)據(jù)的顯示，其中所述術(shù)前影像數(shù)據(jù)被修改以對(duì)應(yīng)所述變形。
28.如權(quán)利要求23所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，進(jìn)一步包括將所述收斂標(biāo)準(zhǔn)選擇為該組空間差值的最小閾值、所述更新之前的該組空間差值和所述更新之后的該組空間差值之間的最小差值、和預(yù)定迭代數(shù)目中的至少一個(gè)。
29.如權(quán)利要求23所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其中所述顯示進(jìn)一步包括代碼區(qū)段以用于 接收與所述計(jì)算機(jī)模型相關(guān)的影像數(shù)據(jù)和與所述對(duì)象相關(guān)且鄰近所述對(duì)象的所述患者空間內(nèi)的位置； 基于所述剛性對(duì)準(zhǔn)和所述變形而將所述計(jì)算機(jī)模型轉(zhuǎn)換到所述患者空間中； 基于所述變形而計(jì)算所述計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的反向變形位移矢量場(chǎng)值； 算出圍繞所述變形計(jì)算模型的一部分所述患者空間的額外反向變形矢量場(chǎng)值的包絡(luò)； 基于所述非剛性對(duì)準(zhǔn)和所述反向變形位移矢量場(chǎng)值而將所述位置轉(zhuǎn)換到所述計(jì)算機(jī)模型的計(jì)算機(jī)模型空間中；和 算出所述轉(zhuǎn)換位置在所述影像數(shù)據(jù)的影像空間內(nèi)的坐標(biāo)。
30.如權(quán)利要求29所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，進(jìn)一步包括代碼區(qū)段以用于 顯示無(wú)變形的所述影像數(shù)據(jù)；和 基于所述影像空間內(nèi)的所述算出的坐標(biāo)而顯示所述影像空間內(nèi)的所述位置的標(biāo)記。
31.如權(quán)利要求29所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，進(jìn)一步包括基于包絡(luò)函數(shù)算出所述包絡(luò)的代碼區(qū)段。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于收集和處理在執(zhí)行影像引導(dǎo)外科手術(shù)(IGS)時(shí)使用的身體空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)和方法包括獲得患者體內(nèi)感興趣的非剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型，和執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)模型和與所述非剛性結(jié)構(gòu)的至少一部分相關(guān)的患者空間內(nèi)的表面數(shù)據(jù)的剛性對(duì)準(zhǔn)。所述系統(tǒng)和方法也包括計(jì)算所述計(jì)算機(jī)模型的變形，所述計(jì)算提供了所述計(jì)算機(jī)模型和表面數(shù)據(jù)的非剛性對(duì)準(zhǔn)，采用基于所述剛性對(duì)準(zhǔn)而給所述計(jì)算機(jī)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義的一組邊界條件和核心函數(shù)來(lái)計(jì)算所述變形。此外，所述系統(tǒng)和方法可包括顯示基于所述變形有利于所述IGS手術(shù)的數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102844789SQ201180011392
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月22日
發(fā)明者邁克爾·I·米加, 普拉善·鄧普利 申請(qǐng)人:范德比爾特大學(xué)