超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)與基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)以及一種用于操作這種系統(tǒng)的基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法。所述系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)超聲探頭（20），所述一個(gè)或多個(gè)超聲探頭能用于生成解剖對(duì)象（10）的圖像體積（13i、13j）。所述系統(tǒng)還包括適配器設(shè)備（50），所述適配器設(shè)備包括至少一個(gè)位置傳感器（30），所述適配器設(shè)備（50）針對(duì)一個(gè)使用事件能附接到所述超聲探頭（20）之一。所述至少一個(gè)位置傳感器（30）從一個(gè)使用事件到另一個(gè)使用事件，相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)超聲探頭（20）處于可變位置。所述系統(tǒng)還包括跟蹤設(shè)備（51），所述跟蹤設(shè)備能用于生成跟蹤數(shù)據(jù)（32），所述跟蹤數(shù)據(jù)表示在坐標(biāo)系（11）內(nèi)對(duì)所述至少一個(gè)位置傳感器（20）的跟蹤；以及超聲成像設(shè)備（21），所述超聲成像設(shè)備能用于基于所述圖像體積（13i、13j）生成所述解剖對(duì)象（10）的成像數(shù)據(jù)（22）。所述系統(tǒng)還包括計(jì)算設(shè)備（40），所述計(jì)算設(shè)備能用于針對(duì)每個(gè)使用事件，通過(guò)使用基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)（VM?IB）和基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)（VM?TB）計(jì)算校準(zhǔn)矩陣（51），來(lái)相對(duì)于所述至少一個(gè)位置傳感器（30）的所述坐標(biāo)系（11）自動(dòng)地自校準(zhǔn)所述成像數(shù)據(jù)（22）。所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)（VM?IB）表示從所述成像數(shù)據(jù)（22）導(dǎo)出的至少兩個(gè)圖像體積（13i、13j）的圖像運(yùn)動(dòng)。所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)（VM?TB）表示從所述跟蹤數(shù)據(jù)（32）導(dǎo)出的所述圖像體積（13i、13j）的跟蹤運(yùn)動(dòng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)與基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)，其包括能用于生成解剖對(duì)象的圖像體積的一個(gè)或多個(gè)超聲探頭。本發(fā)明還涉及一種用于操作這種超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)的基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法以及一種實(shí)施這種方法的計(jì)算機(jī)程序。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲在過(guò)去的幾十年里已開(kāi)始變成用于介入程序，例如用于微創(chuàng)介入的優(yōu)選模態(tài)。具體范例為程序中跳動(dòng)心臟的手術(shù)及治療。具體而言，超聲圖像引導(dǎo)的介入是非常感興趣的，例如范圍從瓣膜放置到活檢，到消融。在這里超聲圖像能幫助外科醫(yī)生或治療師導(dǎo)航或引導(dǎo)臨床器械，例如針或?qū)Ч堋?br> [0003]這些超聲圖像引導(dǎo)(導(dǎo)航)的系統(tǒng)的主要限制之一為需要預(yù)校準(zhǔn)的超聲探頭，其中，用于跟蹤的位置傳感器需要被附接到超聲探頭，并且必須執(zhí)行對(duì)系統(tǒng)/超聲探頭的校準(zhǔn)，更具體地必須執(zhí)行超聲探頭與位置傳感器的圖像之間的校準(zhǔn)。已顯示該校準(zhǔn)確定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，使得傳感器集成既有挑戰(zhàn)性又昂貴。其要求昂貴的預(yù)校準(zhǔn)過(guò)程，并且系統(tǒng)的工廠制造也是昂貴的。
[0004]例如,US2010/0081920A1公開(kāi)一種用于超聲和其他成像模態(tài)引導(dǎo)的醫(yī)學(xué)程序的電磁(EM)跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電磁(EM)傳感器能夠被可釋放地固定于其上的各種部件的工具集合。所述工具集合包括EM可跟蹤套針、裝配EM傳感器的托架、開(kāi)槽針導(dǎo)、裝配EM傳感器的適配器、以及外部皮膚標(biāo)記物。然而，該系統(tǒng)復(fù)雜且要求特殊的預(yù)校準(zhǔn)。這得到相當(dāng)昂貴的系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種較便宜但仍提供醫(yī)學(xué)介入所需要的可靠結(jié)果的超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)。另一目的是提供一種用于操作這種系統(tǒng)的基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法，以及一種實(shí)施這種方法的計(jì)算機(jī)程序。
[0006]在本發(fā)明的第一個(gè)方面中，提出一種超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)，其包括:一個(gè)或多個(gè)超聲探頭，所述一個(gè)或多個(gè)超聲探頭能用于生成解剖對(duì)象的圖像體積；以及適配器設(shè)備，所述適配器設(shè)備包括至少一個(gè)位置傳感器。所述適配器設(shè)備針對(duì)一個(gè)使用事件，能附接到所述超聲探頭之一，其中所述至少一個(gè)位置傳感器從一個(gè)使用事件到另一個(gè)使用事件，相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)超聲探頭處于可變位置。所述系統(tǒng)還包括:跟蹤設(shè)備，所述跟蹤設(shè)備能用于生成跟蹤數(shù)據(jù)，所述跟蹤數(shù)據(jù)表示在坐標(biāo)系內(nèi)對(duì)所述至少一個(gè)位置傳感器的跟蹤；以及超聲成像設(shè)備，所述超聲成像設(shè)備能用于基于所述圖像體積生成所述解剖對(duì)象的成像數(shù)據(jù)。所述系統(tǒng)還包括計(jì)算設(shè)備，所述計(jì)算設(shè)備能用于針對(duì)每個(gè)使用事件，通過(guò)使用基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)和基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)計(jì)算校準(zhǔn)矩陣，來(lái)相對(duì)于所述至少一個(gè)位置傳感器的所述坐標(biāo)系自動(dòng)地自校準(zhǔn)所述成像數(shù)據(jù)。所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)表示從所述成像數(shù)據(jù)導(dǎo)出的至少兩個(gè)圖像體積的圖像運(yùn)動(dòng)。所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)表示從所述跟蹤數(shù)據(jù)導(dǎo)出的所述圖像體積的跟蹤運(yùn)動(dòng)。
[0007]在本發(fā)明另一方面中，提出一種用于操作超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)的基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法，所述超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)包括:一個(gè)或多個(gè)超聲探頭，所述一個(gè)或多個(gè)超聲探頭能用于生成解剖對(duì)象的圖像體積；以及適配器設(shè)備，所述適配器設(shè)備包括至少一個(gè)位置傳感器。所述適配器設(shè)備針對(duì)一個(gè)使用事件，能附接到所述超聲探頭之一。所述至少一個(gè)位置傳感器從一個(gè)使用事件到另一個(gè)使用事件，相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)超聲探頭處于可變位置。所述方法包括如下步驟:a)生成跟蹤數(shù)據(jù)，其表示在坐標(biāo)系內(nèi)對(duì)所述至少一個(gè)位置傳感器的跟蹤；b)基于所述圖像體積生成所述解剖對(duì)象的成像數(shù)據(jù)；并且c)針對(duì)每個(gè)使用事件，通過(guò)使用基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)和基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)計(jì)算校準(zhǔn)矩陣，來(lái)相對(duì)于所述至少一個(gè)位置傳感器的所述坐標(biāo)系自動(dòng)地自校準(zhǔn)所述成像數(shù)據(jù)。所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)表示從所述成像數(shù)據(jù)導(dǎo)出的至少兩個(gè)圖像體積在所述坐標(biāo)系內(nèi)的圖像運(yùn)動(dòng)。所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)表示從所述跟蹤數(shù)據(jù)導(dǎo)出的所述圖像體積在所述坐標(biāo)系內(nèi)的跟蹤運(yùn)動(dòng)。
[0008]在本發(fā)明另一方面中，提出一種包括代碼模塊的計(jì)算機(jī)程序，所述代碼模塊用于當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行時(shí)，令所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行本文公開(kāi)的方法的步驟。
[0009]本發(fā)明的基本思想是使用不精確的適配器設(shè)備，結(jié)合于特定自動(dòng)自校準(zhǔn)方法，以用于計(jì)算校準(zhǔn)矩陣。提供一種具有適配器設(shè)備的(未校準(zhǔn)的)系統(tǒng)或超聲探頭，所述適配器設(shè)備具有能附接到或被附接到所述超聲探頭的(一個(gè)或多個(gè))位置(跟蹤)傳感器，其中，所述適配器設(shè)備能夠被不精確地制造。因此，不需要針對(duì)特定超聲探頭提供特殊制造的適配器。所述適配器設(shè)備尤其能配合多種不同的超聲探頭(或超聲探頭的類(lèi)型)。以此方式，提出一種顯著更便宜的更加即插即用的機(jī)構(gòu)(適配器設(shè)備)。因此，所述適配器設(shè)備能夠被大量制造，例如使用提供微米級(jí)可重復(fù)性的澆鑄或快速原型制造/打印技術(shù)。具體而言，所述適配器設(shè)備能夠可移除地能附接到或被附接到所述超聲探頭。具體而言，所述適配器設(shè)備和/或超聲探頭能夠適于體內(nèi)應(yīng)用或使用。
[0010]包括(一個(gè)或多個(gè))所述位置傳感器的不精確制造的適配器設(shè)備針對(duì)一個(gè)使用事件，能附接到或被附接到所述超聲探頭之一。使用事件是指所述適配器設(shè)備與所述超聲探頭之一的附接，以及該適配器-探頭組合的使用(例如在諸如微創(chuàng)介入的醫(yī)學(xué)介入中)。所述適配器設(shè)備被設(shè)計(jì)使得(一個(gè)或多個(gè))所述位置傳感器針對(duì)一個(gè)使用事件到另一個(gè)使用事件，相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)超聲探頭處于或能夠處于可變位置。所述適配器設(shè)備的所述位置傳感器相對(duì)于所述超聲探頭的定位或布置不需要為可重復(fù)的。(一個(gè)或多個(gè))所述位置傳感器能夠被集成到所述適配器設(shè)備中或被附接到所述適配的設(shè)備(例如粘合到所述適配器設(shè)備)。或者，(一個(gè)或多個(gè))所述位置傳感器能夠被可移除地附接到或集成到所述適配器設(shè)備(例如，使用具有(一個(gè)或多個(gè))所述位置傳感器的單獨(dú)的可移除部分)。
[0011]在一個(gè)范例中，一個(gè)適配器設(shè)備從一個(gè)使用事件到另一個(gè)使用事件，能附接到或被附接到所述超聲探頭中確切的一個(gè)。然而，從所述一個(gè)使用事件到其他使用事件，由于所述適配器設(shè)備的不精確制造，例如由于容差，(一個(gè)或多個(gè))所述位置傳感器相對(duì)于這一個(gè)超聲探頭處于可變位置。
[0012]在另一個(gè)范例中，所述適配器設(shè)備針對(duì)第一使用事件，能附接到或被附接到第一超聲探頭，并且針對(duì)第二使用事件，能附接到或被附接到第二、不同的超聲探頭。由于所述適配器設(shè)備的不精確制造(例如，容差)，從所述第一使用事件到所述第二使用事件，相比較于所述第一超聲探頭，(一個(gè)或多個(gè))所述位置傳感器相對(duì)于所述第二超聲探頭處于可變位置。換言之，相比較針對(duì)所述第一使用事件的(一個(gè)或多個(gè))所述位置傳感器的位置，針對(duì)所述第二使用事件，(一個(gè)或多個(gè))所述位置傳感器處于另一個(gè)位置。
[0013]然而，由于根據(jù)本發(fā)明使用特殊的自動(dòng)自校準(zhǔn)，在所述(未校準(zhǔn)的)系統(tǒng)中使用不精確制造的適配器設(shè)備仍然起作用。該自動(dòng)自校準(zhǔn)針對(duì)每個(gè)使用事件，通過(guò)使用基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)和基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)計(jì)算校準(zhǔn)矩陣，來(lái)相對(duì)于(一個(gè)或多個(gè))所述位置傳感器自動(dòng)地自校準(zhǔn)所述成像數(shù)據(jù)。所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)表示從所述成像數(shù)據(jù)導(dǎo)出的至少兩個(gè)圖像體積在所述坐標(biāo)系內(nèi)的圖像運(yùn)動(dòng)。所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)表示從所述跟蹤數(shù)據(jù)導(dǎo)出的所述圖像體積在所述坐標(biāo)系內(nèi)的跟蹤運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)自校準(zhǔn)意指不再需要執(zhí)行特殊的預(yù)校準(zhǔn)(例如使用模型)。在所述系統(tǒng)的使用期間(例如處置或外科手術(shù)期間)以任意方式生成的所述跟蹤數(shù)據(jù)和成像數(shù)據(jù)能夠用于該校準(zhǔn)。具體而言，能夠在自身介入(例如外科手術(shù))期間執(zhí)行所述自校準(zhǔn)。所述自校準(zhǔn)無(wú)需來(lái)自用戶(hù)(例如醫(yī)生)的手動(dòng)輸入而發(fā)生。所述校準(zhǔn)無(wú)需改變現(xiàn)有的臨床工作流程而發(fā)生。因此所述不精確適配器的使用，結(jié)合于所述自動(dòng)自校準(zhǔn)方法，簡(jiǎn)化了臨床工作流程。
[0014]在從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)理解，要求保護(hù)的基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法或計(jì)算機(jī)程序具有與要求保護(hù)的超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例，如在從屬權(quán)利要求中所限定的。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，在所述計(jì)算設(shè)備相對(duì)于所述至少一個(gè)位置傳感器的所述坐標(biāo)系自動(dòng)地自校準(zhǔn)所述成像數(shù)據(jù)之前，所述系統(tǒng)為未校準(zhǔn)的。因此，所述系統(tǒng)在所述使用事件之前能夠?yàn)槲葱?zhǔn)的。在該情況中，所計(jì)算的校準(zhǔn)矩陣為初始校準(zhǔn)矩陣。這意味著，之前沒(méi)有針對(duì)該特定超聲探頭計(jì)算校準(zhǔn)矩陣。
[0016]在另一個(gè)實(shí)施例中，所述適配器設(shè)備能重復(fù)用于多個(gè)使用事件。這降低了所述系統(tǒng)的成本。
[0017]在另一實(shí)施例中，其中，所述適配器設(shè)備為硬殼，所述硬殼具有被集成在其中或被附接到其上的至少一個(gè)位置傳感器。這提供了魯棒的適配器設(shè)備。
[0018]在該實(shí)施例的變型中，所述硬殼被分成適于彼此夾緊的至少兩個(gè)部分。這提供了可移除的適配器設(shè)備，這尤其可重復(fù)用于多個(gè)使用事件。
[0019]在備選實(shí)施例中，所述適配器設(shè)備為彈性管。這提供最佳安裝于所述超聲探頭的適配器設(shè)備。
[0020]在該實(shí)施例的變型中，所述彈性管被熱收縮在所述超聲探頭上。這提供將所述適配器設(shè)備附接到所述超聲探頭的容易且可靠的方式。
[0021] 在另一個(gè)備選實(shí)施例中，所述適配器設(shè)備為無(wú)彈性預(yù)成型管。這提供了魯棒的適配器設(shè)備。
[0022]在該實(shí)施例的變型中，所述預(yù)成型管具有內(nèi)部粘膠層。這提供將所述適配器設(shè)備附接到所述超聲探頭的容易且可靠的方式。
[0023]在另一實(shí)施例中，每個(gè)圖像體積均為所述解剖對(duì)象的基線圖像體積的不同子集。例如，所述基線圖像體積能夠?yàn)樾呐K的完整超聲體積掃描。
[0024]在另一實(shí)施例中，所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)被計(jì)算為相對(duì)于第二圖像體積在所述坐標(biāo)系內(nèi)的圖像位置的第一圖像體積在所述坐標(biāo)系內(nèi)的圖像位置的函數(shù)。備選地或累積地，所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)被計(jì)算為如由所述跟蹤數(shù)據(jù)表示的第一圖像體積在所述坐標(biāo)系內(nèi)的跟蹤位置和如由所述跟蹤數(shù)據(jù)表示的第二圖像體積在所述坐標(biāo)系內(nèi)的跟蹤位置的函數(shù)。
[0025]在該實(shí)施例的變型中，所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)的計(jì)算包括所述第一圖像體積與所述第二圖像體積的配準(zhǔn)，尤其是配準(zhǔn)到所述解剖對(duì)象的基線圖像體積。備選地或累積地，所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)的計(jì)算包括作為所述第一圖像體積在所述坐標(biāo)系內(nèi)的跟蹤位置、所述第二圖像體積在所述坐標(biāo)系內(nèi)的跟蹤位置以及所述校準(zhǔn)矩陣的函數(shù)的，所述第一體積圖像與所述第二體積圖像之間的配準(zhǔn)變換。
[0026]在另一變型中，所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)的計(jì)算包括針對(duì)所述解剖對(duì)象在所述坐標(biāo)系內(nèi)的移動(dòng)的補(bǔ)償。
[0027]在另一個(gè)實(shí)施例中，所述跟蹤數(shù)據(jù)和所述成像數(shù)據(jù)是同時(shí)生成的。具體而言，所述解剖對(duì)象的多個(gè)圖像體積，以及跟蹤信號(hào)的多個(gè)讀數(shù)(經(jīng)由至少一個(gè)位置傳感器)能夠同時(shí)生成，其中，所述跟蹤信號(hào)的每個(gè)讀數(shù)對(duì)應(yīng)于所生成的圖像體積。數(shù)目可以對(duì)應(yīng)于所述超聲探頭的不同姿態(tài)的數(shù)目。以此方式，提供多個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)，所述多個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)之后能夠用于所述校準(zhǔn)矩陣的計(jì) 算。
[0028]在另一個(gè)實(shí)施例中，所述計(jì)算設(shè)備能用于通過(guò)使用所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)和所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)求解線性方程，來(lái)計(jì)算所述校準(zhǔn)矩陣。具體而言，能夠使用所述線性方程，使所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)和所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)相同，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的量應(yīng)是相同的。使用這種線性方程提供閉型解和快速校準(zhǔn)。與例如非線性?xún)?yōu)化方法相比較，所述計(jì)算不能被困在局部最小值。在該實(shí)施例的變型中，使用對(duì)偶四元數(shù)求解所述線性方程。
[0029]在另一實(shí)施例中，所述校準(zhǔn)矩陣表示所述圖像體積與所述至少一個(gè)位置傳感器之間的空間關(guān)系。
[0030]在另一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一個(gè)位置傳感器為電磁傳感器并且所述跟蹤設(shè)備為電磁跟蹤設(shè)備。在備選實(shí)施例中，所述至少一個(gè)位置傳感器為光學(xué)傳感器并且所述跟蹤設(shè)備為光學(xué)跟蹤設(shè)備。也能夠使用任意其他合適類(lèi)型的位置傳感器與跟蹤系統(tǒng)，例如FOSSL傳感器與跟蹤系統(tǒng)或者RFID傳感器與跟蹤系統(tǒng)。
[0031 ] 在另一實(shí)施例中，所述計(jì)算設(shè)備還能用于執(zhí)行對(duì)從所述自動(dòng)自校準(zhǔn)導(dǎo)出的所述校準(zhǔn)矩陣的驗(yàn)證測(cè)試，所述驗(yàn)證測(cè)試包括對(duì)所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)與所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)之間的絕對(duì)偏差的測(cè)試。這在醫(yī)學(xué)介入期間，例如在手術(shù)程序(例如心臟程序)期間提供對(duì)所述超聲探頭的術(shù)中質(zhì)量控制，更具體而言提供校準(zhǔn)。具體而言，對(duì)所述校準(zhǔn)矩陣的驗(yàn)證能夠被連續(xù)地測(cè)試。如果在任一點(diǎn)，所述校準(zhǔn)矩陣因任何原因變得無(wú)效，則可以通過(guò)所述系統(tǒng)發(fā)出警示。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]本發(fā)明的這些及其他方面將從后文描述的(一個(gè)或多個(gè))實(shí)施例變得顯而易見(jiàn)，并參考后文描述的(一個(gè)或多個(gè))實(shí)施例得以闡明。在以下附圖中:
[0033]圖1圖示根據(jù)本發(fā)明的超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)的示范性實(shí)施例；
[0034]圖2圖示在本領(lǐng)域已知的解剖對(duì)象的兩(2)個(gè)圖像體積的示范性體積運(yùn)動(dòng)；
[0035]圖3a圖示根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的適配器設(shè)備的第一實(shí)施例；[0036]圖3b圖示根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的適配器設(shè)備的第二實(shí)施例；
[0037]圖4圖示根據(jù)本發(fā)明的超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)的示范性操作；
[0038]圖5圖示了流程圖，其表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法;
[0039]圖6圖示了流程圖，其表示根據(jù)本發(fā)明的基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法的示范性實(shí)施例；
[0040]圖7A和圖7B圖示了流程圖，其表示根據(jù)本發(fā)明的基于圖像的配準(zhǔn)方法的兩(2)個(gè)示范性實(shí)施例；
[0041]圖8圖示了流程圖，其表示根據(jù)本發(fā)明的心臟運(yùn)動(dòng)建模方法的第一示范性實(shí)施例；
[0042]圖9圖示了流程圖，其表示根據(jù)本發(fā)明的基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法的示范性實(shí)施例；
[0043]圖10圖示根據(jù)本第二實(shí)施例的超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)的示范性操作；
[0044]圖11圖示了流程圖，其表示根據(jù)第二實(shí)施例的基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法；
[0045]圖12圖示了流程圖，其表示校準(zhǔn)閾值計(jì)算方法的示范性實(shí)施例；
[0046]圖13圖示根據(jù)本發(fā)明的超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)或基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法在臨床環(huán)境中的示范性操作；并且
[0047]圖14a和圖14b每個(gè)圖示了利用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)或方法獲得的結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0048]圖1圖示了超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)的示范性實(shí)施例。所述系統(tǒng)采用超聲成像系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)和計(jì)算設(shè)備40。
[0049]出于本發(fā)明的目的，所述超聲成像系統(tǒng)在本文中被廣泛定義為包括以下內(nèi)容的任意系統(tǒng):一個(gè)或多個(gè)超聲探頭20，其能用于或在結(jié)構(gòu)上被配置為在坐標(biāo)系內(nèi)生成解剖對(duì)象(例如心臟10)的圖像體積；以及超聲成像設(shè)備21，其能用于或在結(jié)構(gòu)上被配置為基于所述圖像體積(處理所述圖像體積)生成解剖對(duì)象的成像數(shù)據(jù)22。具體而言，每個(gè)圖像體積能夠?yàn)樗鼋馄蕦?duì)象的基線圖像體積的不同子集。所述超聲成像系統(tǒng)尤其能夠使用3D經(jīng)食道回波(“TEE”)探頭。在一個(gè)實(shí)施例中，由Philips Healthcare商業(yè)出售的iEEE智能回波系統(tǒng)可以充當(dāng)超聲成像系統(tǒng)。然而，能夠使用任意其他合適的超聲成像系統(tǒng)。
[0050]出于本發(fā)明的目的，所述跟蹤系統(tǒng)在本文中被廣泛定義為包括以下內(nèi)容的任意系統(tǒng):適配器設(shè)備50，其包括至少一個(gè)位置傳感器30 ;以及跟蹤設(shè)備，其能用于或在結(jié)構(gòu)上被配置為生成跟蹤數(shù)據(jù)32，跟蹤數(shù)據(jù)32表示在坐標(biāo)系內(nèi)對(duì)至少一個(gè)位置傳感器30的跟蹤(在所述坐標(biāo)系內(nèi)跟蹤(一個(gè)或多個(gè))位置傳感器30)。適配器設(shè)備50針對(duì)一個(gè)使用事件，能附接到或被附接到超聲探頭20之一。使用事件是指適配器設(shè)備30與所述超聲探頭之一的附接以及該適配器-探頭組合的使用。適配器設(shè)備30被設(shè)計(jì)為使得至少一個(gè)位置傳感器30從一個(gè)使用事件到另一個(gè)使用事件，相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)超聲探頭處于可變位置。因此，所述適配器設(shè)備能夠被不精確地制造。所述跟蹤系統(tǒng)的范例包括，但不限于，任意類(lèi)型的電磁跟蹤系統(tǒng)以及任意類(lèi)型的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，例如形狀感測(cè)。在一個(gè)實(shí)施例中，由NDI商業(yè)出售的Airnrni?電磁跟蹤系統(tǒng)可以充當(dāng)電磁跟蹤系統(tǒng)。然而，能夠使用任意其他合適的跟蹤系統(tǒng)。
[0051]圖3a圖示了適配器設(shè)備的第一實(shí)施例并且圖3b圖示了適配器設(shè)備的第二范例。在圖3a的實(shí)施例中，適配器設(shè)備50為硬殼，其具有被集成在其中或被附接到其上的兩個(gè)位置傳感器30。在圖3a和圖3b的實(shí)施例中，位置傳感器30為電磁(EM)傳感器。圖3a中所示的硬殼被分成適于彼此夾緊的兩個(gè)部分。能夠保持該兩個(gè)部分分開(kāi)放置在超聲探頭20上，并之后將它們彼此夾緊。以此方式，所述適配器設(shè)備完全包裹住所述超聲探頭。適配器設(shè)備50和超聲探頭20適于體內(nèi)應(yīng)用或使用。在圖3b的實(shí)施例中，適配器設(shè)備50為彈性管。所述彈性管被熱收縮在聲音探頭20上。
[0052]出于本發(fā)明的目的，計(jì)算設(shè)備40在本文中被廣泛定義為任意這樣的設(shè)備，其能用于或在結(jié)構(gòu)上被配置為針對(duì)每個(gè)使用事件，通過(guò)使用基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)和基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)計(jì)算校準(zhǔn)矩陣，來(lái)相對(duì)于至少一個(gè)位置傳感器30的坐標(biāo)系，自動(dòng)地自校準(zhǔn)成像數(shù)據(jù)22。這能夠在計(jì)算設(shè)備40的校準(zhǔn)單元41中得以執(zhí)行，如在圖1中圖示的。計(jì)算設(shè)備40還能用于將所述圖像體積配準(zhǔn)到解剖對(duì)象10的所述基線圖像體積(例如心臟10的完整US體積)。為此，由計(jì)算設(shè)備40利用校準(zhǔn)矩陣作為轉(zhuǎn)換所述坐標(biāo)系中的圖像體積的體素的坐標(biāo)的變換，以用于跟蹤位置傳感器30。換言之，校準(zhǔn)矩陣表示所述圖像體積與至少一個(gè)位置傳感器30之間的空間關(guān)系。 [0053]為了便于理解所述校準(zhǔn)矩陣，圖2圖示坐標(biāo)系11 (例如跟蹤坐標(biāo)系)內(nèi)解剖對(duì)象的基線圖像體積12 (例如心臟的完整US體積掃描)。超聲探頭20 (圖1)用于依次生成體積圖像13i和體積圖像13j，并且隨著由探頭20生成體積圖像13，位置傳感器30 (圖1)在坐標(biāo)系11內(nèi)被跟蹤。實(shí)踐中，體積圖像13可以交疊，但在圖2中出于清楚示出每個(gè)個(gè)體體積圖像13的目的，體積圖像13是隔離的。
[0054]所述校準(zhǔn)矩陣提供將圖像體積13中的體素的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系11中的變換。這使得圖像體積13能夠被映射到所述坐標(biāo)系中，以用于圖像重建。針對(duì)自動(dòng)自校準(zhǔn)，計(jì)算設(shè)備40測(cè)量來(lái)自?xún)蓚€(gè)源的圖像體積13之間的運(yùn)動(dòng)14。第一個(gè)源為圖像體積13的圖像運(yùn)動(dòng)，并且第二個(gè)源為圖像體積13的跟蹤運(yùn)動(dòng)。由此，測(cè)量來(lái)自?xún)蓚€(gè)源的圖像體積運(yùn)動(dòng):a)基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)和(b )基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)。所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)因此表示從所述成像系統(tǒng)導(dǎo)出的至少兩個(gè)體積的圖像運(yùn)動(dòng)，并且所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)表示所述圖像體積的跟蹤運(yùn)動(dòng)。
[0055]現(xiàn)在將在本文中提供對(duì)圖4至圖9的描述，以提供對(duì)根據(jù)本發(fā)明的自動(dòng)自校準(zhǔn)的更詳細(xì)解釋。
[0056]圖4圖示了所述超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)的各個(gè)示范性操作狀態(tài)。首先是用于經(jīng)由探頭20 (圖1)生成解剖對(duì)象(例如心臟10)的N個(gè)圖像體積61的體積成像狀態(tài)60，以及用于經(jīng)由位置傳感器30 (圖1)獲得跟蹤信號(hào)71的N個(gè)讀數(shù)的傳感器跟蹤狀態(tài)70，其中，跟蹤信號(hào)71的每個(gè)讀數(shù)對(duì)應(yīng)于生成的圖像體積61。這對(duì)應(yīng)于成像數(shù)據(jù)22的生成以及對(duì)應(yīng)于跟蹤數(shù)據(jù)32的生成。該數(shù)據(jù)之后用于自校準(zhǔn)狀態(tài)50，如在圖4中所示。在自校準(zhǔn)狀態(tài)50中，通過(guò)使用基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)和基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)計(jì)算校準(zhǔn)矩陣51，來(lái)執(zhí)行針對(duì)該使用事件，相對(duì)于坐標(biāo)系11對(duì)成像數(shù)據(jù)22的自動(dòng)自校準(zhǔn)。校準(zhǔn)矩陣51尤其能夠?yàn)槌跏夹?zhǔn)矩陣。校準(zhǔn)矩陣51的準(zhǔn)確度對(duì)于經(jīng)由跟蹤信號(hào)在所述坐標(biāo)系內(nèi)定位每個(gè)圖像體積是至關(guān)重要的。通過(guò)由計(jì)算設(shè)備40執(zhí)行的基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法實(shí)施狀態(tài)50，如聯(lián)系對(duì)圖5至圖9的描述在本文中進(jìn)一步解釋的。
[0057]圖5圖示了流程圖100，其表示所述基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法的一個(gè)實(shí)施例。流程圖100的階段SlOl包括計(jì)算設(shè)備40對(duì)基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)VMib的計(jì)算，并且流程圖100的階段S102包括由計(jì)算設(shè)備40對(duì)基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)VMtb的計(jì)算。出于本發(fā)明的目的，基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)VMib在本文中被廣泛定義為從圖像體積61的成像數(shù)據(jù)22 (圖1)導(dǎo)出的,坐標(biāo)系(例如圖2中所示的坐標(biāo)系11)的解剖對(duì)象的圖像體積61 (圖4)之間的任意運(yùn)動(dòng)，并且基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)VMtb在本文中被廣泛定義為從跟蹤數(shù)據(jù)32 (圖1)導(dǎo)出的，所述坐標(biāo)系內(nèi)的所述解剖對(duì)象的圖像體積61之間的任意運(yùn)動(dòng)。流程圖100的階段S103包括使用基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)VMib以及基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)VMtb的初始校準(zhǔn)矩陣計(jì)算。具體而言，能夠通過(guò)將基于運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)問(wèn)題以方程表示為線性方程AX=BX,來(lái)計(jì)算所述校準(zhǔn)矩陣，其中，X為所述校準(zhǔn)矩陣(例如從超聲圖像空間US到傳感器空間S的校準(zhǔn)變換，由X=Ts.us表示)，A代表基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)VMtb (例如從姿態(tài)2到姿態(tài)I的運(yùn)動(dòng)，由A=
表不)，并且B代表基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)(例如從超聲圖像US2到位直超聲圖像USl的運(yùn)動(dòng)，由B=Tus1.US2表示，其中，USi對(duì)應(yīng)于姿態(tài)i)。具體而言，能夠使用線性方程使基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)VMtb和基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)VMib相等，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的量應(yīng)是相同的。使用這樣的線性方式提供了閉型解和快速校準(zhǔn)。與例如非線性?xún)?yōu)化方法相比較，所述計(jì)算不會(huì)被困在局部最小值。在該實(shí)施例的變型中，使用對(duì)偶四元數(shù)求解所述線性方程。
[0058]在一個(gè)范例中，能夠使用對(duì)偶四元數(shù)求解所述線形方程。這種對(duì)偶四元數(shù)例如在 Daniilisdis K 的〈〈Hand-eye calibration using dual quaternion)) (The Int.J.0fRobotics Research, 18 (3):第 286-298 頁(yè)，1999 年)中得以描述。
[0059]示范性的計(jì)算算法例如能夠包括:提供運(yùn)動(dòng)對(duì)ApBi ;提供運(yùn)動(dòng)的螺紋表示(screwrepresentation)(使用運(yùn)動(dòng)對(duì)Ai'Bi),其得到矩陣T=[S1，……，Sn];執(zhí)行對(duì)矩陣T的奇異值分解；并且將校準(zhǔn)矩 陣X提供為奇異值分解的函數(shù)，X=f (SVD)。
[0060]圖6圖示了流程圖110，其表示可以在階段SlOl (圖5)中執(zhí)行的基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法。該方法涉及處理圖像體積(例如圖2中所示的圖像體積13)的對(duì)(i，j)。具體地，流程圖110的階段Slll包括圖像體積61a和圖像體積61b在坐標(biāo)系(例如圖2中所示的坐標(biāo)系11)內(nèi)的位置的確定，并且流程圖110的階段S112包括基于對(duì)解剖對(duì)象(例如心臟10)的運(yùn)動(dòng)的建模，對(duì)圖像體積61a和61b所確定的位置的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。
[0061]在階段Slll (圖6)的一個(gè)實(shí)施例中，如圖7A中所示的流程圖120包括階段S121，階段S121包括經(jīng)由已知的基于圖像的剛性或可變形配準(zhǔn)以及已知的優(yōu)化度量(例如互信息、交叉相關(guān)等)，對(duì)圖像體積61a和61b的對(duì)(i，j)進(jìn)行基于圖像的配準(zhǔn)。流程圖120還包括階段S122，階段S122包括利用對(duì)圖像體積61a和61b的配準(zhǔn)，以確定相對(duì)于圖像體積61b在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置VLji,圖像體積61a在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置VLn。
[0062]在階段Slll (圖6)的備選實(shí)施例中，如圖7B中所示的流程圖130包括階段S131，階段S131包括圖像體積61a和61b的對(duì)(i，j)與所述解剖對(duì)象的基線圖像體積62 (例如完整US圖像)的基于圖像的配準(zhǔn)。可以經(jīng)由基于圖像的剛性或可變形配準(zhǔn)和已知的優(yōu)化度量(例如互信息、交叉相關(guān)等)執(zhí)行這些配準(zhǔn)。流程圖130還包括階段S132，階段S132包括利用對(duì)圖像體積61a與基線圖像體積62的配準(zhǔn)，以確定在所述坐標(biāo)系內(nèi)相對(duì)于基線圖像體積62，圖像體積61a的位置VLiitl類(lèi)似地，圖像體積61b與基線圖像體積62的配準(zhǔn)用于確定在所述坐標(biāo)系內(nèi)，相對(duì)于基線圖像體積62，圖像體積61b的位置VLji。這方便了確定在所述坐標(biāo)系內(nèi)相對(duì)于圖像體積61b的位置VLji,圖像體積61a的位置VLiitl
[0063]在階段S112 (圖6)的一個(gè)實(shí)施例中，如圖8中所示的流程圖140包括階段S141，階段S141包括對(duì)解剖對(duì)象在所述坐標(biāo)系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)。例如，在所述解剖對(duì)象為心臟10時(shí)，利用針對(duì)心臟相位的心電圖信號(hào)82、針對(duì)呼吸相位的胸帶信號(hào)83、以及任意其他額外的感測(cè)信號(hào)以預(yù)測(cè)心臟10在所述坐標(biāo)系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)的已知學(xué)習(xí)算法能夠被使用。流程圖140還包括階段S142，階段S142包括質(zhì)量圖像控制，其涉及經(jīng)由解剖對(duì)象的預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)，對(duì)圖像體積61a和61b進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。在所述解剖對(duì)象為心臟10的一個(gè)實(shí)施例中，出于質(zhì)量控制的目的，由階段S113 (圖6)專(zhuān)門(mén)利用經(jīng)由ECG信號(hào)82對(duì)應(yīng)于心臟10的舒張期的圖像體積61，并且階段S103 (圖5)將僅處理這些所選的圖像體積61的體積運(yùn)動(dòng)。請(qǐng)注意，該選擇假設(shè)呼吸運(yùn)動(dòng)為最小的。
[0064]在備選實(shí)施例中，出于質(zhì)量控制的目的，由階段S113 (圖6)專(zhuān)門(mén)利用當(dāng)呼吸相位和心臟相位回到相同循環(huán)時(shí)的時(shí)間間隔處的圖像體積61，并且S103 (圖5)將僅處理這些選擇的圖像體積61的體積運(yùn)動(dòng)。
[0065]返回參考圖6，流程圖110的階段S113包括將基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)VMib計(jì)算為相對(duì)于圖像體積61b在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置VLji的圖像體積61a在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置VLii的函數(shù)，如本領(lǐng)域已知的。所計(jì)算的基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)VMib在初始校準(zhǔn)矩陣計(jì)算期間由階段S103 (圖5)實(shí)施。
[0066]圖9圖示了流程圖150，其表示基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法，該方法可以在階段S102 (圖5)期間被執(zhí)行。流程圖150的階段S151包括經(jīng)由跟蹤信號(hào)71a和校準(zhǔn)矩陣51，確定體積圖像61a在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置VLit,如本領(lǐng)域已知的。所確定的圖像體積61a的位置VLit可以利用所述解剖 對(duì)象的所述基線圖像體積的位置得以證實(shí)。
[0067]流程150的階段S152包括經(jīng)由跟蹤信號(hào)71b和校準(zhǔn)矩陣51確定圖像體積61b在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置VLjt,如本領(lǐng)域已知的。所確定的圖像體積61b的位置VLjt可以利用所述解剖對(duì)象的所述基線圖像體積的位置得以證實(shí)。
[0068]流程圖150的階段S153包括將基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)VMtb計(jì)算為相對(duì)于體積61b在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置VLjt,圖像體積61a在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置VLit的函數(shù)，如本領(lǐng)域已知的。在一個(gè)實(shí)施例中，可以如本領(lǐng)域已知的，在階段S153期間，執(zhí)行基于圖像體積61a的位置VLit、體積61b的位置VLjt以及校準(zhǔn)矩陣51的圖像體積61a和61b之間的配準(zhǔn)變換。該計(jì)算的基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)VMtb在初始校準(zhǔn)矩陣計(jì)算期間，由階段S103 (圖5)實(shí)施。
[0069]圖14a和圖14b每個(gè)圖示了利用上文描述的所述超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)和/或所述基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法獲得的結(jié)果。通過(guò)使用具有基準(zhǔn)標(biāo)志物的心臟模擬對(duì)象的視覺(jué)探查和量化驗(yàn)證，獲得校準(zhǔn)的性能的結(jié)果，已簡(jiǎn)單地測(cè)試所述系統(tǒng)/方法的性能。這些標(biāo)記物被定位在計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像與超聲圖像兩者中，并且之后計(jì)算校準(zhǔn)驗(yàn)證度量，所述校準(zhǔn)驗(yàn)證度量包括單一標(biāo)記物在多次測(cè)量上的點(diǎn)模糊度(blowing),如圖14b中所示，以及多個(gè)標(biāo)記物的距離準(zhǔn)確度，如圖14a中所示。由于硬模擬對(duì)象的高質(zhì)量計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像，這些標(biāo)記物在計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像中的位置被用作黃金標(biāo)準(zhǔn)。如從圖14a和圖14b中能夠看出，結(jié)果是:所述校準(zhǔn)的性能非常準(zhǔn)確。
[0070]圖10至圖12圖示根據(jù)本發(fā)明的所述系統(tǒng)與方法的另一個(gè)(第二)實(shí)施例。該實(shí)施例基本上對(duì)應(yīng)于上文描述的第一實(shí)施例，除了與所述校準(zhǔn)矩陣的有效性測(cè)試相組合。通過(guò)自動(dòng)自校準(zhǔn)計(jì)算的所述校準(zhǔn)矩陣可能因多種原因而變得不準(zhǔn)確，例如不可預(yù)料的場(chǎng)失真、位置傳感器30相對(duì)于探頭20的意外物理移動(dòng)以及位置傳感器30的部分故障。為了測(cè)試所述校準(zhǔn)矩陣的有效性，計(jì)算設(shè)備40再次測(cè)量來(lái)自?xún)蓚€(gè)源的圖像體積13之間的運(yùn)動(dòng)14、基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)以及基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)。
[0071]現(xiàn)在將在本文中提供對(duì)圖10至圖12的描述，以提供對(duì)所述校準(zhǔn)矩陣的有效性測(cè)試的更詳細(xì)解釋。[0072]圖10圖示如參考圖4解釋的超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)的操作狀態(tài)。進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)從自校準(zhǔn)狀態(tài)50移動(dòng)到校準(zhǔn)矩陣驗(yàn)證狀態(tài)80。校準(zhǔn)矩陣51的準(zhǔn)確度對(duì)于經(jīng)由跟蹤信號(hào)71在所述坐標(biāo)系內(nèi)定位每個(gè)圖像體積61來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。因此，校準(zhǔn)驗(yàn)證狀態(tài)80利用圖像體積61和跟蹤信號(hào)71，以證實(shí)所述校準(zhǔn)矩陣的有效性。鑒于無(wú)效校準(zhǔn)矩陣，狀態(tài)80繼續(xù)進(jìn)行到校準(zhǔn)警報(bào)狀態(tài)90。能夠通過(guò)由計(jì)算設(shè)備40執(zhí)行的校準(zhǔn)矩陣驗(yàn)證測(cè)試方法，實(shí)施狀態(tài)80，如在本文中聯(lián)系對(duì)圖11至圖12的描述進(jìn)一步解釋的。
[0073]圖11圖示了流程圖200，其表示根據(jù)本發(fā)明的所述校準(zhǔn)方法與校準(zhǔn)矩陣驗(yàn)證測(cè)試方法相組合的第二實(shí)施例。步驟S101、S102和S103對(duì)應(yīng)于參考圖4所解釋的步驟。額外地，流程圖200的階段S104包括計(jì)算設(shè)備40對(duì)基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)VMib進(jìn)行另一計(jì)算，并且流程圖100的階段S105包括計(jì)算設(shè)備40對(duì)基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)VMtb進(jìn)行另一計(jì)算。
[0074]流程圖100的階段S106包括基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)VMib與基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)VMtb之間的絕對(duì)偏差對(duì)相對(duì)于校準(zhǔn)閾值CT的測(cè)試。如果所述絕對(duì)偏差小于校準(zhǔn)閾值CT，則流程圖200的階段S107包括對(duì)所述校準(zhǔn)矩陣的有效驗(yàn)證，這方便了圖像體積61的連續(xù)生成。相反，如果所述絕對(duì)偏差不小于校準(zhǔn)閾值CT，則流程圖200的階段S108包括所述校準(zhǔn)矩陣的無(wú)效驗(yàn)證，這方便了對(duì)于圖像體積61的可能失真或不準(zhǔn)確的警報(bào)。
[0075]在階段S107和S108的一個(gè)示范性實(shí)施例中，實(shí)時(shí)校準(zhǔn)警報(bào)被停止，因?yàn)閳D像體積61是利用有效校準(zhǔn)矩陣生成的，并且實(shí)時(shí)校準(zhǔn)警報(bào)被激活為一旦驗(yàn)證所述校準(zhǔn)矩陣的無(wú)效時(shí)的對(duì)圖像體積61的可能失真或不準(zhǔn)確的警報(bào)。在階段S108的示范性實(shí)施例中，所述解剖對(duì)象的區(qū)域圖被顯示為對(duì)與所述區(qū)域圖相關(guān)聯(lián)的圖像體積61的可能失真或不準(zhǔn)確的警報(bào)。在階段S107和S108的另一個(gè)示范性實(shí)施例中，可以顯示所述解剖對(duì)象的圖，通過(guò)將所述圖中相關(guān)聯(lián)于無(wú)效校準(zhǔn)矩陣的(一個(gè)或多個(gè))區(qū)域與所述圖中相關(guān)聯(lián)于有效校準(zhǔn)矩陣的(一個(gè)或多個(gè))區(qū)域區(qū)分開(kāi)來(lái)，以提供對(duì)與(一個(gè)或多個(gè))無(wú)效區(qū)域相關(guān)聯(lián)的圖像體積61的可能失真或不準(zhǔn)確的警報(bào)。
[0076]圖12圖示了流程圖210，其表示校準(zhǔn)閾值計(jì)算方法。流程圖210的階段211包括對(duì)所述校準(zhǔn)矩陣的可能準(zhǔn)確度邊際的計(jì)算。隨機(jī)誤差信息54能夠與所述跟蹤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，已知統(tǒng)計(jì)學(xué)準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)55與術(shù)前校準(zhǔn)過(guò)程相關(guān)聯(lián)，并且圖像配準(zhǔn)準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)56可以用于計(jì)算所述可能準(zhǔn)確度邊際。流程圖200的階段S212包括將校準(zhǔn)閾值CL計(jì)算為所計(jì)算的可能準(zhǔn)確度邊際以及與所述系統(tǒng)的應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的期望準(zhǔn)確度邊際的函數(shù)。
[0077]圖13圖示在臨床環(huán)境中，根據(jù)本發(fā)明的所述超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)或所述基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法的示范性操作。操作性地，提供或制造超聲探頭20，并且提供或制造適配器設(shè)備50 (具體而言，是如前文描述的所述超聲探頭和適配器設(shè)備)。之后開(kāi)始外科手術(shù)。在外科手術(shù)剛開(kāi)始時(shí)(臨近手術(shù)時(shí))，將適配器設(shè)備50附接到超聲探頭20。因此，本文公開(kāi)的(不精確制造的)適配器設(shè)備50能夠恰好在外科手術(shù)之前被(不準(zhǔn)確地)附接到超聲探頭20。該適配器設(shè)備例如能夠?yàn)楸粖A緊在超聲探頭上，并且結(jié)合圖3a描述的硬殼。之后在患者上執(zhí)行適配器設(shè)備/超聲探頭組合的正常使用，由此生成圖像數(shù)據(jù)和跟蹤數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)之后在術(shù)中用于相對(duì)于位置傳感器自動(dòng)地自校準(zhǔn)所述系統(tǒng)或超聲探頭。該經(jīng)校準(zhǔn)的超聲探頭與適配器(適配器設(shè)備-超聲探頭)之后用于在外科手術(shù)期間，對(duì)外科器械(例如針或?qū)Ч?進(jìn)行導(dǎo)航和引導(dǎo)。在術(shù)中，所述校準(zhǔn)矩陣能夠被驗(yàn)證用于質(zhì)量監(jiān)控。具體而言，所述適配器設(shè)備和超聲探頭在該情況中適于體內(nèi)應(yīng)用或使用。針對(duì)外科手術(shù)，外科器械能夠被置于超聲圖像/體積內(nèi)部?；蛘撸饪破餍的軌蛟诔晥D像/體積外部，并且具體而言能夠用于規(guī)劃和瞄準(zhǔn)。
[0078]盡管已在附圖和前文的描述中詳細(xì)說(shuō)明并描述了本發(fā)明，但這樣的說(shuō)明和描述應(yīng)被認(rèn)為是說(shuō)明性或示范性的，而非限制性的；本法不限于所公開(kāi)的實(shí)施例。通過(guò)研究附圖、說(shuō)明書(shū)以及權(quán)利要求書(shū)，本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)施要求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)，能理解并實(shí)現(xiàn)對(duì)所公開(kāi)實(shí)施例的其他變型。
[0079]在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”不排除其他元件或步驟，并且量詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。單個(gè)元件或其他單元可以完成權(quán)利要求中記載的若干項(xiàng)目的功能。互不相同的從屬權(quán)利要求中記載了特定措施并不指示不能有利地使用這些措施的組合。
[0080]計(jì)算機(jī)程序可以存儲(chǔ)/分布在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)上，所述介質(zhì)例如是與其他硬件一起供應(yīng)或作為其他硬件的部分供應(yīng)的光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì)，但計(jì)算機(jī)程序也可以以其他形式分布，例如經(jīng)由因特網(wǎng)或其他有線或無(wú)線的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。
[0081 ] 權(quán)利要求書(shū)中的任何 附圖標(biāo)記均不得被解釋對(duì)為范圍的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: -一個(gè)或多個(gè)超聲探頭(20)，其能用于生成解剖對(duì)象(10)的圖像體積(131、13j)； -適配器設(shè)備(50)，其包括至少一個(gè)位置傳感器(30)，所述適配器設(shè)備(50)針對(duì)一個(gè)使用事件能附接到所述超聲探頭(20 )之一，其中，所述至少一個(gè)位置傳感器(30 )從一個(gè)使用事件到另一個(gè)使用事件，相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)超聲探頭(20)處于可變位置； -跟蹤設(shè)備(51)，其能用于生成跟蹤數(shù)據(jù)(32)，所述跟蹤數(shù)據(jù)表示在坐標(biāo)系(11)內(nèi)對(duì)所述至少一個(gè)位置傳感器(20)的跟蹤； -超聲成像設(shè)備(21)，其能用于基于所述圖像體積(131、13j)生成所述解剖對(duì)象(10)的成像數(shù)據(jù)(22);以及 -計(jì)算設(shè)備(40)，其能用于針對(duì)每個(gè)使用事件，通過(guò)使用基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)(VMib)和基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)(VMtb)計(jì)算校準(zhǔn)矩陣(51 )，來(lái)相對(duì)于所述至少一個(gè)位置傳感器(30)的所述坐標(biāo)系(11)自動(dòng)地自校準(zhǔn)所述成像數(shù)據(jù)(22)， 所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)(VMib)表示從所述成像數(shù)據(jù)(22)導(dǎo)出的至少兩個(gè)圖像體積(131、13j)的圖像運(yùn)動(dòng)， 所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)(VMtb)表示從所述跟蹤數(shù)據(jù)(32)導(dǎo)出的所述圖像體積(131、13j)的跟蹤運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在所述計(jì)算設(shè)備(40)相對(duì)于所述至少一個(gè)位置傳感器(30 )的所述坐標(biāo)系 (11)自動(dòng)地自校準(zhǔn)所述成像數(shù)據(jù)(22 )之前，所述系統(tǒng)為未校準(zhǔn)的。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述適配器設(shè)備(50)能重復(fù)用于多個(gè)使用事件。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述適配器設(shè)備(50)為硬殼，所述硬殼具有被集成在其中或被附接到其的所述至少一個(gè)位置傳感器(30 )。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述硬殼被分成適于彼此夾緊的至少兩個(gè)部分。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述適配器設(shè)備(50)為彈性管。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述彈性管被熱收縮在所述超聲探頭上。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述適配器設(shè)備(50)為無(wú)彈性預(yù)成型管。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述預(yù)成型管具有內(nèi)部粘膠層。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)(VMib)被計(jì)算為相對(duì)于第二圖像體積(13 j )在所述坐標(biāo)系(11)內(nèi)的圖像位置(VLji)的第一圖像體積(13i )在所述坐標(biāo)系(11)內(nèi)的圖像位置(VLii)的函數(shù)，和/或其中，所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)(VMtb)被計(jì)算為如由所述跟蹤數(shù)據(jù)(32)表示的第一圖像體積(13?)在所述坐標(biāo)系(11)內(nèi)的跟蹤位置(VLit)和如由所述跟蹤數(shù)據(jù)(32)表示的第二圖像體積(13j)在所述坐標(biāo)系(11)內(nèi)的跟蹤位置(VLjt)的函數(shù)。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算設(shè)備(40)能用于通過(guò)使用所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)和所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)求解線性方程，來(lái)計(jì)算所述校準(zhǔn)矩陣。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)位置傳感器(30)為電磁傳感器并且所述跟蹤設(shè)備(51)為電磁跟蹤設(shè)備。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述計(jì)算設(shè)備(40)還能用于執(zhí)行對(duì)從所述自動(dòng)自校準(zhǔn)導(dǎo)出的所述校準(zhǔn)矩陣(51)的驗(yàn)證測(cè)試，所述驗(yàn)證測(cè)試包括對(duì)所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)(VMib)與所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)(VMtb)之間的絕對(duì)偏差的測(cè)試。
14.一種用于操作超聲圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)的基于體積運(yùn)動(dòng)的校準(zhǔn)方法，所述系統(tǒng)包括:一個(gè)或多個(gè)超聲探頭(20)，所述一個(gè)或多個(gè)超聲探頭能用于生成解剖對(duì)象(10)的圖像體積(131、13j);以及適配器設(shè)備(50)，所述適配器設(shè)備包括至少一個(gè)位置傳感器(30)，所述適配器設(shè)備(50 )針對(duì)一個(gè)使用事件能附接到所述超聲探頭(20 )之一，其中，所述至少一個(gè)位置傳感器(30 )從一個(gè)使用事件到另一個(gè)使用事件相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)超聲探頭(20 )處于可變位置，所述方法包括如下步驟: a)生成跟蹤數(shù)據(jù)(32)，其表示在坐標(biāo)系(11)內(nèi)對(duì)所述至少一個(gè)位置傳感器(30)的跟蹤; b)基于所述圖像體積(131、13j )生成所述解剖對(duì)象(10)的成像數(shù)據(jù)(22);并且 c)針對(duì)每個(gè)使用事件，通過(guò)使用基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)(VMib)和基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)(VMtb)計(jì)算校準(zhǔn)矩陣(51)，來(lái)相對(duì)于所述至少一個(gè)位置傳感器(30)的所述坐標(biāo)系(11)自動(dòng)地自校準(zhǔn)所述成像數(shù)據(jù)(22)， 所述基于圖像的體積運(yùn)動(dòng)(VMib)表示從所述成像數(shù)據(jù)(22)導(dǎo)出的至少兩個(gè)圖像體積(131、13j)在所述坐標(biāo)系(11)內(nèi)的圖像運(yùn)動(dòng)， 所述基于跟蹤的體積運(yùn)動(dòng)(VMtb)表示從所述跟蹤數(shù)據(jù)(32)導(dǎo)出的所述圖像體積(131、13j )在所述坐標(biāo)系(11)內(nèi)的跟蹤運(yùn)動(dòng)。
15.一種包括程序代碼模塊的計(jì)算機(jī)程序，所述程序代碼模塊用于當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行時(shí)，令所述計(jì)算機(jī)`執(zhí)行如權(quán)利要求14所述的方法的步驟。
【文檔編號(hào)】A61B8/00GK103648397SQ201280031580
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月27日
【發(fā)明者】A·K·賈殷, D·A·斯坦頓, C·S·霍爾 申請(qǐng)人:皇家飛利浦有限公司