[发明专利]用于腹腔镜外科手术的组合的表面重构和配准

说明书

本申请要求2013年2月25日递交的、序列号为61/768,682的美国临时申请的优先权，通过引用将该临时申请以其整体并入本文。

技术领域

以下公开根据若干实施例描述了本发明，这些实施例涉及用于组合在腹腔镜外科手术应用中使用的表面重构和配准过程的方法、系统和装置。该技术尤其好地适于但不限于外科手术应用，该外科手术应用利用例如使用旋转的血管造影系统在手术中生成的三维模型。

背景技术

在诸如肝切除术之类的腹部微创外科手术中，腹腔镜摄像机用于为外科医生提供关注的解剖区域的可视化。例如，当移除肿瘤时，外科医生的目标是安全地移除肿瘤而不损伤诸如血管之类的关键结构。

为了计划外科手术，手术前图像扫描（例如，CT/MRI）典型地用于识别血管和腹部组织并创建三维分割的模型。通常使该三维分割的模型在外科手术期间在监视器上可获得，而在分离的监视器上显示经由腹腔镜生成的图像。尽管这为外科医生提供了在执行外科手术时可能有用的附加信息，但是将三维手术前模型和腹腔镜图像融合到单个空间中通常是有挑战性且容易出错的。例如，由于在手术前与手术中设定之间病人的呼吸和移动，关注的解剖区域中的组织与手术前模型相比可能变形。另外，腹腔镜摄像机通常提供小的视野，其限制了可用于手术前模型的配准的信息量。此外，对于某些组织，配准由于组织表面纹理的缺失和跨模态的共同界标（landmark）的缺失而进一步复杂。

因此，期望提供下述表面重构和配准技术：其即使在组织表面缺失纹理或者具有有限纹理的情况下也允许准确的立体重构，在存在共享界标的缺失的情况下提供跨模态的配准，并针对组织变形进行正确调整。

发明内容

本发明的实施例通过提供用于利用来自三维数据的组织表面的先验知识执行联合立体重构和配准的方法、系统、制品和装置，来解决和克服以上缺点和缺陷中的一个或多个。使用本文所公开的各种实施例，通过在手术中腹腔镜图像中可视化手术前三维模型来增强外科手术过程的指导。以这种方式，关键的结构和目标解剖可以被覆盖在组织上，并且可以可视化表面下的特征。本文所讨论的技术可以例如用于改进肿瘤移除过程中的准确性并减小肿瘤周围要求的安全界限，因此使更多病人有进行外科手术的资格。

根据本发明的一些实施例，一种执行立体腹腔镜图像的组合的表面重构和配准的计算机实现的方法包括：计算机系统（例如，使用旋转的血管造影系统）生成关注的解剖区域的手术中三维模型，并从腹腔镜接收关注的解剖区域的多个立体内窥镜图像。计算机系统使用多个立体内窥镜图像来执行第一立体重构过程以产生与关注的解剖区域相对应的第一表面图像。然后使用刚性配准过程来将第一表面图像与手术前三维模型的表面进行对齐。接着，计算机系统使用第一表面图像和（例如，来自手术前三维模型的）先验知识来执行第二立体重构过程以产生与关注的解剖区域相对应的第二表面图像。然后使用非刚性配准过程来将第二表面图像与手术中三维模型的表面进行对齐。

在本发明的其他实施例中，可以迭代地执行重构和配准。例如，在一个实施例中，一种执行立体腹腔镜图像的组合的表面重构和配准的计算机实现的方法包括：生成关注的解剖区域的手术中三维模型；以及从腹腔镜接收关注的解剖区域的多个立体内窥镜图像。然后，执行包括重构和配准的迭代过程多次，直到配准误差值低于阈值为止。在一个实施例中，该迭代过程包括：使用多个立体内窥镜图像来执行立体重构过程以产生与关注的解剖区域相对应的表面图像；执行配准过程以将表面图像与手术中三维模型的表面进行对齐；以及基于从配准过程产生的表面图像的一个或多个点的位移来更新配准误差值。

各种技术可以用于使用前述方法来生成关注的解剖区域的手术中三维模型。例如，在一个实施例中，通过首先经由旋转的血管造影系统获取旋转投影图像的组来生成该模型。接着，基于旋转投影图像的组来重构多个二维图像。然后，基于所重构的二维图像来生成手术中三维模型。

在一些实施例中，可以基于镜面高光来增强前述方法中使用的任何重构过程，所述镜面高光可以存在于立体内窥镜图像中。例如，在一个实施例中，重构过程包括：识别多个立体内窥镜图像中的一个或多个镜面高光，并基于所述一个或多个镜面高光来增加多个立体内窥镜图像的图像密度。镜面高光也可以（或可替代地）用于增强前述方法中使用的任何配准过程。例如，在一个实施例中，配准过程利用一个或多个镜面高光来将对应于关注的解剖区域的表面图像与手术中三维模型的表面进行对齐。