人體器官運動監測方法和人體導航系統的制作方法

人體器官運動監測方法和人體導航系統的制作方法
【專利摘要】人體器官運動監測方法和人體導航系統。提供了手術過程中實時監測人體器官的運動的人體器官運動監測方法和手術導航系統。該人體器官運動監測方法包括：獲得從術前三維立體醫學圖像中識別的各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態；在手術中實時確定各個運動監測工具在定位坐標系中的第二位置和姿態；基于各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態以及在定位坐標系中的第二位置和姿態，實時計算定位坐標系到影像坐標系之間的最優坐標轉換關系，以及基于該最優坐標轉換關系計算各個運動監測工具在從定位坐標系到影像坐標系的坐標轉換的總體誤差；基于實時確定的各個時刻的各個運動監測工具的坐標轉換總體誤差，評估人體器官在該各個時刻相對于手術前掃描時刻的運動程度。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明總體地涉及手術導航系統和方法，更具體地涉及醫學過程中實時監測人體 器官的運動的人體器官運動監測方法、人體導航系統、計算機可讀介質。 人體器官運動監測方法和人體導航系統

【背景技術】
[0002] 介入手術是現代外科手術的發展方法，介入手術與傳統外科手術的區別是不需要 開刀，只需要一個很小的創口即可將特制的手術器械例如導管、冷凍針、射頻消融振、導絲 等刺入到人體內的病灶部位或者手術靶點位置上，然后通過各種物理/化學作用達到治療 的目的，從而解決過去需要開放式手術才能解決的腫瘤切除、組織活檢、人工器材放置等問 題。
[0003] 在介入手術過程中，醫生無法直接觀察到病人體內的治療部位或者病灶，需要借 助于醫學影像引導下的計算機輔助手術導航技術。計算機輔助手術導航技術是集計算機科 學、人工智能、自動控制、影像處理、三維圖形學、虛擬現實和臨床治療等多方面技術為一體 的交叉研究課題。手術導航技術使用多種模態的醫學影像協助醫生將手術器械直接穿刺到 病灶進行局部治療，進而提高手術質量、減少手術創傷、降低患者痛苦。
[0004] 手術導航應用患者的醫學影像及由其重構生成的三維模型來實時引導臨床手術 的實施。患者的醫學影像數據集例如通過CT (computerized tomography,計算機斷層攝影） 或MRI (Magnetic Resonance Imaging,核磁共振成像）掃描手段來獲得。手術導航系統把 患者術前醫學影像數據和術中手術部位通過定位設備聯系起來，并能夠在軟件界面里準確 地顯示患者的解剖結構及病灶附近三維空間位置的細節。當手術器械指向患者身體內部的 任意部位時，它的坐標信息都會被導航系統實時獲取，并顯示在患者的三維模型上。這樣即 使不用給患者開刀，醫生也能夠實時了解手術器械和腫瘤病灶之間的相對位置關系。
[0005] 相對于傳統手術手段而言，手術導航具有下述優點：
[0006] 1.可通過三維可視化技術實時重構病灶，并顯示手術視野周圍的結構特征；
[0007] 2.可通過術前手術方案設計選擇最合適的手術路徑；
[0008] 3.可顯示手術路徑上可能遇到的組織結構；
[0009] 4.可顯示重要的應回避的組織結構，比如血管、神經和骨骼等；
[0010] 5.可顯示病灶的需要治療的范圍；
[0011] 6.可實時精確計算出手術器械的位置姿態并加以顯示；
[0012] 7.可顯示手術器械與病灶的空間位置關系，并指示手術器械前進的方向；
[0013] 8.可術中實時調整手術入路，從而更加精確地達到病灶部位。
[0014] 為了描述方便，下文以CT圖像作為醫學影像的例子，不過顯然醫學影像也可以例 如MRI影像的其它影像。
[0015] 實時手術導航涉及采用定位設備或者跟蹤系統，例如，采用電磁 (EM, electromagnetic)跟蹤器，來跟蹤手術工具例如穿刺針的末端，從而將手術工具的位 置與手術前醫學影像例如CT圖像相關，并將融合圖像顯示給臨床醫生。為了實現CT空間 和跟蹤器空間之間的數據整合，通常在導航之前執行基于參考標記的配準過程。從CT圖像 中識別這些參考標記（外部參考標記或者內部解剖參考標記），并由經校準的跟蹤探頭觸 碰這些參考標記，從而得到這些參考標記在跟蹤器空間，下文稱之為定位坐標系中的坐標。 之后，執行基于點的配準，以找到CT空間和跟蹤器空間之間的坐標變換矩陣。由坐標變換 矩陣得到配準矩陣，該配準矩陣使得手術工具與手術前CT圖像對準，從而能夠基于手術工 具在定位系統中的位置信息，實現手術工具的圖像與CT圖像在CT坐標系中的準確融合，并 可視地顯示給臨床醫生。


【發明內容】

[0016]目前手術導航技術已經廣泛地應用于神經外科手術導航和骨科手術導航中。然而 這些手術都假設人體是一個完全靜止的剛體，并且這種靜止狀態會從CT掃描初期保持到 整個手術過程的結束。雖然這種假設在大多數神經外科手術和骨科手術里可以近似假定成 立，但是它在胸腹腔介入手術領域卻難以獲得成立。由例如呼吸而導致的胸腹腔組織運動 (包括腫瘤組織和正常組織）往往可以達到2-4厘米的范圍，而臨床手術的精度要求往往是 在毫米級別的，這樣的誤差會導致目前主流的手術導航系統難以安全穩定地應用于胸腹腔 介入手術的臨床實踐中。
[0017] 鑒于上述情況，做出了本發明。
[0018] 根據本發明的一個方面，提供了一種手術過程中實時監測人體器官的運動的人體 器官運動監測方法，在手術前通過掃描已經獲得了固定有兩個或兩個以上的運動監測工具 的患者的醫療部位的三維立體醫學圖像，該三維立體醫學圖像具有相關聯的影像坐標系， 該人體器官運動監測方法包括如下步驟：獲得從術前三維立體醫學圖像中識別的各個運動 監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態；在同樣的運動監測工具以與手術前掃描時同 樣的位置和姿態固定于患者身體上的狀態下：實時確定各個運動監測工具在定位坐標系中 的第二位置和姿態，該定位坐標系是定位手術工具的位置和姿態過程中所參考的坐標系； 基于各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態以及在定位坐標系中的第二位 置和姿態，實時計算定位坐標系到影像坐標系之間的最優坐標轉換關系，以及基于該最優 坐標轉換關系計算各個運動監測工具在從定位坐標系到影像坐標系的坐標轉換的總體誤 差；以及基于實時確定的各個時刻的各個運動監測工具的坐標轉換的總體誤差，來評估人 體器官在該各個時刻相對于手術前掃描時刻的運動程度。根據本發明的另一方面，提供了 一種手術導航系統，包括：定位設備，用于跟蹤手術工具和運動監測工具在定位坐標系中的 位置和姿態；兩個或兩個以上的運動監測工具，被固定于患者身體上，其在定位坐標系中的 位置和姿態能夠被定位設備跟蹤到；三維立體醫學圖像獲得單元，用于獲得手術前的固定 有運動監測工具的患者的醫療部位的三維立體醫學圖像，該立體醫學圖像具有相關聯的影 像坐標系；手術導航工作站，進行術前三維立體醫學圖像與手術中的手術工具圖像的配準 和組合，并在所連接的顯示設備上進行可視化顯示，以指導手術執行者的手術操作；其中， 所述手術導航工作站還通過下述操作監視人體器官的運動狀態：從術前三維立體醫學圖像 中識別各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態；在手術中實時確定各個運動 監測工具在定位坐標系中的第二位置和姿態；基于各個運動監測工具在影像坐標系中的第 一位置和姿態以及在定位坐標系中的第二位置和姿態，實時計算定位坐標系到影像坐標系 之間的最優坐標轉換關系，以及計算各個運動監測工具在從定位坐標系到影像坐標系的坐 標轉換的總體誤差；以及基于實時確定的各個時刻的坐標轉換的總體誤差，來評估人體器 官在該各個時刻相對于手術前掃描時刻的運動程度。
[0019] 所述手術導航工作站可以基于所述評估的人體器官在該各個時刻相對于手術前 掃描時刻的運動程度，確定手術工具介入人體病灶的時機，并向執行手術的操作者提示該 時機。
[0020] 所述手術導航工作站還可以配置為：確定坐標轉換的總體誤差小于預定閾值的時 亥IJ ;確定該時刻的定位坐標系到影像坐標系的坐標轉換矩陣；以及基于該坐標轉換矩陣， 實時確定手術工具在影像坐標系中的位置，并將手術工具的圖像在該位置與三維立體醫學 圖像組合地顯示在顯示設備上。
[0021 ] 所述手術工具可以是穿刺針。
[0022] 所述每個運動監測工具可以具有至少四個能夠被定位設備跟蹤的標志點，其中任 意三個標志點不共線，其中通過在該三維立體醫學圖像中識別每個運動監測工具的各個標 志點來識別各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態；以及在手術中定位設備 通過跟蹤每個運動監測工具的各個標志點來確定各個運動監測工具在定位坐標系中的第 二位置和姿態。
[0023] 所述運動監測工具可以被固定于受人體器官運動影響大的患者身體部位上。
[0024] 根據本發明的再一方面，提供了一種計算機可讀介質，其上記載有計算機程序，該 計算機程序與手術導航系統結合使用，且當被處理裝置執行時，執行下述操作：獲得從術前 三維立體醫學圖像中識別的各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態，該術前 三維立體醫學圖像基于手術前通過掃描固定有兩個或兩個以上的運動監測工具的患者的 醫療部位得到的，該三維立體醫學圖像具有相關聯的影像坐標系；在同樣的運動監測工具 以與手術前掃描時同樣的位置和姿態固定于患者身體上的狀態下：實時確定各個運動監測 工具在定位坐標系中的第二位置和姿態，該定位坐標系是定位手術工具的位置和姿態過程 中所參考的坐標系；基于各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態以及在定 位坐標系中的第二位置和姿態，實時計算定位坐標系到影像坐標系之間的最優坐標轉換關 系，以及基于該最優坐標轉換關系計算各個運動監測工具在從定位坐標系到影像坐標系的 坐標轉換的總體誤差；以及基于實時確定的各個時刻的各個運動監測工具的坐標轉換的總 體誤差，來評估人體器官在該各個時刻相對于手術前掃描時刻的運動程度。
[0025] 該計算機程序當被計算裝置執行時還可以執行下述操作：確定坐標轉換的總體誤 差小于預定閾值的時刻；確定該時刻的定位坐標系到影像坐標系的坐標轉換矩陣；基于該 坐標轉換矩陣，確定手術工具在影像坐標系中的位置和姿態，并將手術工具的圖像基于該 位置和姿態與立體醫學圖像組合地顯示在顯示裝置上。
[0026] 利用本發明實施例的手術導航系統和人體器官運動監測方法，能夠解決或緩解胸 胸腹腔手術導航中人體由于呼吸運動而導致腫瘤位移、進而降低手術導航精度的問題；也 能夠簡化手術導航的流程，方便手術導航在多個領域的使用和推廣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 從下面結合附圖對本發明實施例的詳細描述中，本發明的這些和/或其它方面和 優點將變得更加清楚并更容易理解，其中：
[0028] 圖1示出了根據本發明實施例的示例性手術導航系統100的配置框圖。
[0029] 圖2示出了根據本發明實施例的呼吸監測工具120的示例性結構示意圖。
[0030] 圖3示出了根據本發明實施例的手術導航方法200的示例性過程。
[0031] 圖4示出了呼吸運動過程中的坐標轉換的總體誤差隨時間變化曲線的一部分的 示意圖。

【具體實施方式】
[0032] 為了使本領域技術人員更好地理解本發明，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發 明作進一步詳細說明。
[0033] 在詳細描述本發明實施例之前，為便于本領域技術人員理解和把握本發明，下面 描述以下本發明的主要思想。
[0034] 手術前的CT圖像是在患者的某個呼吸狀態時刻或者呼吸狀態階段采集到的。在 進行CT掃描的過程中通常不便于跟蹤參考標記在定位坐標系中的位置和姿態。掃描CT的 時刻與實際手術的時刻可能間隔數天。
[0035] 在后續的手術過程中患者持續處于呼吸的周期運動過程中，理論上只有當患者的 某時刻的呼吸狀態與手術前CT掃描時刻或階段相一致或相近時，此時的參考標記在定位 坐標系中的位置和姿態才對應于先前從CT圖像中識別出來的參考標記在圖像坐標系中的 位置和姿態，因而此時得到的配準矩陣才是正確的，從而在此時刻才能精確地將手術工具 的位置變換到CT空間中，提供給臨床醫生的融合后的三維體模型的可視顯示才是精確的。
[0036] 為此，發明人想到，可以監測各個監測工具（上有參考標記）在定位坐標系中的位 置和姿態（取向或方位角），優化一個統一的從定位坐標系到三維影像坐標系的坐標轉換 矩陣，確定各個監測工具從定位坐標系到三維影像坐標系的轉換的誤差的總計（后文中有 時簡稱之為總體誤差），認為誤差較小的時刻表明此時的人體器官的位置和姿態接近于在 掃描CT時刻人體器官的位置和姿態，并以可視或者可聽等形式將該信息提供給臨床醫生， 輔助醫生進行手術。
[0037] 需要說明的是，下文描述中，以呼吸運動引起肺部及相關組織運動作為人體器官 運動的示例，不過本發明并不局限于此，而是適用于監測人體存在動態內部運動的其他過 程，例如心跳運動。本文中描述的實施例可以優選用于協助對肺或者接近肺的組織進行定 位，不過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（取向）可以用6個數值來表示，即表示三維位置的位 置坐標和表示取向的三個角度值，這在某些傳統技術中也被稱為6D位姿。不過根據需要， 位置和姿態可以用更少的數值來描述。
[0039] 在本文中，"配準"表示在兩個坐標系之間建立映射關系或者建立坐標轉換關系， 例如"定位坐標系和影像坐標系之間的配準"表示在定位坐標系和影像坐標系之間建立映 射關系，或者求得兩者之間的坐標轉換矩陣，這里的定位坐標系是定位設備定位手術工具 和運動監測工具中所參考的坐標系。
[0040] 圖1示出了根據本發明實施例的示例性手術導航系統100的配置框圖。
[0041] 如圖1所示，手術導航系統100包括定位設備110、兩個或兩個以上的運動監測工 具120、三維立體醫學圖像獲得單元130、手術導航工作站140。為了便于描述手術導航系統 100工作過程，圖1還示出了與手術導航系統100協同工作的控制臺210和醫療工具220。
[0042] 定位設備110配置為跟蹤運動監測工具在定位坐標系中的位置和姿態。如圖所 示，運動監測工具上能夠放置定位傳感器112,例如磁感應定位傳感器。定位設備110借助 于該磁感應定位裝置，能夠跟蹤各個運動監測工具在定位坐標系中的位置和姿態。
[0043] 定位設備110還配置為跟蹤手術工具在第二定位坐標系中的位置和姿態。手術工 具例如為穿刺針，穿刺針上安裝有定位傳感器112,由此定位設備110能夠借助于該定位傳 感器跟蹤穿刺針的位置和姿態。在一個示例中，一個定位設備能夠同時跟蹤8個定位傳感 器的信號。
[0044] 定位設備110可以采用電磁（EM)跟蹤技術、光學跟蹤技術、光纖光柵跟蹤技 術之一。作為商業可用電磁定位系統的例子，具有加拿大NDI公司的Aurora系統，美 國Asension公司的DriveBay,荷蘭Philips公司的PercuNav系統、美國GE公司的 InstaTrak3500Plus 系統、美國 Medtronic 公司的 StealthStation AxiEM 系統和美國 Compass 公司的 Cygnus FPS 系統。
[0045] 兩個或兩個以上的運動監測工具120被配置為分別在手術前（具體地，CT掃描 前）和手術中但在手術工具介入之前以相同的位置和姿態被固定于患者身體上。下文以監 測的運動為呼吸運動為例進行描述。為描述便利，下文可能將運動監測工具120稱為呼吸 監測工具。呼吸監測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 著呼吸運動幾個呼吸監測工具之間的相對位置可能會發生一定程度的相對變化。
[0046] 在一個示例中，每個運動監測工具具有至少四個能夠被定位設備跟蹤的標志點， 其中任意三個標志點不共線，其中通過在該三維立體醫學圖像中識別每個運動監測工具的 各個標志點來識別各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態；以及在手術中定 位設備通過跟蹤每個運動監測工具的各個標志點來確定各個運動監測工具在定位坐標系 中的第二位置和姿態。這里，在一個運動監測工具上設置至少四個標志點并且任意三個標 志點不共線是為了基于該至少四個標志點在影像坐標系和第一定位坐標系的位置和姿態 即能夠求解出從定位坐標系到影像坐標系的坐標轉換矩陣。在一個示例中，標志點例如為 金屬小球，該金屬小球在CT中的影像參數明顯不同于人體材質的影像參數，很容易人工或 者通過圖像處理將其自動識別出來。對于這樣的每個呼吸監測工具，可以根據其在影像坐 標系的第一位置和姿態以及在定位坐標系中的第二位置和姿態，來確定一個唯一的坐標轉 換矩陣，該坐標轉換矩陣可以使得轉換誤差為零。但是因為有多個呼吸監測工具，要利用單 個坐標轉換矩陣來進行該多個呼吸監測工具的每個在影像坐標系的第一位置和姿態和在 定位坐標系中的第二位置和姿態之間的轉換，因此會產生轉換誤差。如前所述，本發明的主 要思想是通過計算各個時刻的最優統一轉換矩陣和對應的總體轉換誤差來監測各個時刻 呼吸監測工具的位姿相對于手術前CT掃描時刻的位姿的差異，從而實現了監測各個時刻 人體器官的狀態相對于手術前CT掃描時刻的狀態的差異，達到了監測人體器官運動的目 的。
[0047] 需要說明的是，每個呼吸監測工具并不必需具有四個或更多個的標志點。而是只 要基于來自所有呼吸監測工具的全部標志點在定位坐標系和影像坐標系中的位置能夠優 化求解兩個坐標系之間的轉換矩陣和總體轉換誤差即可。例如可以具有兩個呼吸監測工 具，每個呼吸監測工具具有例如三個標志點，這樣同樣可以由總計六個標志點在定位坐標 系中的位置和在影像坐標系中的位置而求解最優坐標轉換矩陣和對應的轉換誤差。再例 如，可以具有四個呼吸監測工具，每個呼吸監測工具具有2個標志點，這樣同樣可以由總計 八個標志點在定位坐標系中的位置和在影像坐標系中的位置而求解最優坐標轉換矩陣和 對應的轉換誤差。一個更極端的例子是，具有5個呼吸監測工具，每個呼吸監測工具具有一 個標志點，這樣同樣可以由總計五個標志點在定位坐標系中的位置和在影像坐標系中的位 置而求解最優坐標轉換矩陣和對應的轉換誤差。
[0048] 圖2示出了根據本發明實施例的呼吸監測工具120的示例性結構示意圖。該呼吸 監測工具120可以由塑料框架和被識別物組成。在塑料框架中，在標號121所指示的位置 處放置4個影像可識別標記物（比如金屬小球，例如鉛材質），這些標記物在CT或者MRI影 像里和周邊材質的影像參數（主要是CT值和MRI值）有明顯的區別特征，從而例如可以在 CT機內得到比較好的顯影，可以通過已知方法方便的提取出來。作為標記物的另一個示例， 可以使用心電圖制作中采用的電極貼。后續可以通過對CT影像或者MRI影像的后處理自 動從影像里提取可識別標記物，并進一步計算工具的位置和姿態（下文中，為描述方便，可 以簡稱之為位姿）信息（包括工具中心的坐標信息和方向信息）。
[0049] 圖2中例示的呼吸監測工具120的正面可以放置磁感應定位裝置，中間的圓孔122 以及左邊的凹結構主要是方便磁感應定位裝置的拆卸。
[0050] 三個延長的直桿主要是方便在人體表面附著，同時在桿上可以放置能夠被CT或 者MR識別的標記物，識別后方能夠計算位姿信息
[0051] 直桿末端的小橫桿上的圓孔123可以通過記號筆在人體表面記錄位置信息，這樣 將呼吸監測工具120從患者表面拆卸下來以后，能夠依據所記錄的位姿信息來準確地將該 呼吸監測工具120再次粘貼到人體表面。
[0052] 圖2所示的呼吸監測工具的結構和形狀僅為示例，可以根據需要改變其配置。
[0053] 作為示例，呼吸監測工具的利用過程可以分為CT掃描階段和手術中階段。具體 地，在進行CT掃描前，將兩個或兩個以上的呼吸監測工具固定于患者胸部位置，并在人體 表面例如利用記號筆記錄下佩戴的位姿信息，然后將患者推入CT室進行CT掃描，得到CT 掃描數據集，從這樣的CT掃描數據集中可以識別出呼吸監測工具的位置和姿態。順便說一 下，由這樣的CT掃描數據集經過圖像處理可以重構得到患者相關醫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備上，并與被跟蹤的醫療工具的圖像 融合顯示，以輔助醫生進行手術。在手術中并且在手術工具介入人體之前，按照前述記錄在 患者身體表面的位姿信息來佩戴呼吸監測工具，實時監測各個呼吸監測工具在定位坐標系 中的位姿，并且優化求得針對所有呼吸監測工具的坐標轉換矩陣和對應的總計誤差，基于 總計誤差的隨時間變化來監測人體器官的運動。
[0054] 三維立體醫學圖像獲得單元130可以是手術導航工作站140的一部分，或者是單 獨的設備。三維立體醫學圖像獲得單元130獲得手術前的固定有運動監測工具的患者的醫 療部位的三維立體醫學圖像，該立體醫學圖像具有相關聯的影像坐標系。例如手術前CT掃 描得到的三維數據集被存儲于數據庫中，三維立體醫學圖像獲得單元130能夠操作地耦合 到該數據庫，并從該數據庫中讀取特定的三維數據集，并通過圖像處理諸如渲染等可視地 顯示到顯示設備上。三維立體醫學圖像獲得單元130可以是簡單地讀取已經重構好的三維 立體模型并顯示，也可以是讀取重構前的CT圖像數據集并進行重構處理來得到三維立體 模型并顯示。有關從CT或MRI掃描數據集重構三維立體模型的方法可以參考有關坐標轉 換和誤差計算的介紹，例如可以參考作者為翟偉明的題為"影像引導下計算機輔助介入手 術導航關鍵技術的研究"的博士論文中第三章和第四章的介紹，這里將該部分內容通過引 用合并于此。
[0055] 控制臺210可以連接至手術導航工作站140或者是手術導航工作站140的一部 分。控制臺210可以接收來自定位設備110的呼吸監測工具的位姿信息和手術工具的位姿 信息。控制臺210還可以依據臨床醫生的指示來發出操作穿刺針的指令。
[0056] 手術導航工作站140配置為進行術前三維立體醫學圖像與手術中的手術工具圖 像的配準和組合，并在所連接的顯示設備上進行可視化顯示，以指導手術執行者的手術操 作。
[0057] 手術導航工作站140可以包括處理器141和存儲器142,存儲器142中可以存儲有 應用程序1421和操作系統1422。應用程序1421可以包括程序代碼，該程序代碼當被處理 器141執行時可以執行下面將詳細描述的人體器官運動監測方法。這里的處理器是廣義的 概念，可以通過單個專用處理器、單個共享處理器或者多個個體處理器來實施，其中多個處 理器中的一個處理器可以共享，此外不應將詞語"處理器"或"控制器"的使用解釋為排他 性地指代能夠執行軟件的硬件，而是其能夠隱含地包括但不限于數字信號處理器（"DSP"） 硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器（"RAM"）和非易失性存儲器。手術導航工作站140還可 以包括用于與顯示器150實時交互的接口。
[0058] 顯示器150可以在手術導航工作站140的控制下顯示醫療目標組織的取向、形狀 和/或位置等，也可以顯示患者有關部位的三維立體模型和手術工具的圖像的融合。
[0059] 手術導航工作站140還可以包括各個人機交互用接口，例如連接到鍵盤、鼠標、觸 摸屏系統等外圍設備。手術導航工作站140還可以包括用于與三維立體醫學圖像獲得單元 130交互的接口、用于與控制臺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流程。一般地，臨床手術流程可以包括術 前準備、術前影像掃描、術前手術規劃、術中手術導航、術后手術評估等處理。術前準備例如 包括導航手術室設備準備、使用真空墊固定患者、往患者體表固定運動監測工具（或者貼 標記點等）。術前影像掃描包括例如對患者進行術前CT掃描或者MRI掃描。術前手術規 劃可以包括醫學影像的三維可視化、器官及病灶的三維重構、交互式手術路徑計劃以及手 術效果模擬等，其中手術路徑計劃例如包括穿刺針的入針點、入針角度的選擇；手術效果模 擬可以包括熱場模擬、損傷場模型重構等。術中手術導航包括按照手術計劃中的路徑完成 穿刺等。術后手術評估可以包括術后規定事件重新掃描CT影像或者MRI影像，并在CT數 據上測量實際損傷區域的尺寸并和手術規劃計算的數據進行比較，以衡量手術的精度和效 果。
[0061] 根據本發明實施例的人體器官運動監測方法例如可以用在術中手術導航過程中。
[0062] 下面結合圖3描述結合人體導航系統進行的示例性手術導航過程。
[0063] 圖3示出了根據本發明實施例的手術導航方法200的示例性過程。
[0064] 在步驟S210,在手術前將兩個或兩個以上的運動監測工具固定于患者身體上。
[0065] 在一個示例中，在患者身體表面放置2-4個呼吸監測工具，佩戴的位置最好選擇 受呼吸影響較大的地方，使得隨著呼吸運動，幾個工具之間的相對位置會發生一定程度的 相對變化，由此對呼吸監測工具的位姿的跟蹤更能代表呼吸運動的特性，也就更能描述隨 著呼吸運動而運動的目標醫療部分（病灶）的特性。
[0066] 不過上述呼吸監測工具的個數僅為示例，可以根據需要選擇更多數目個呼吸監測 工具，例如5個、6個乃至更多個等等。
[0067] 在步驟S220中，在手術前掃描以獲得固定有運動監測工具的患者的醫療部位的 三維立體醫學圖像，該三維立體醫學圖像具有相關聯的影像坐標系。手術前掃描例如為CT 掃描或者MRI掃描。三維立體醫學圖像例如由圖1所示的三維立體醫學圖像獲得單元130 來基于CT掃描圖像數據集而重構得到。
[0068] 在進行術前掃描并獲得固定有運動監測工具的患者的醫療部位的三維立體醫學 圖像后，這樣的立體醫學圖像可以可視地顯示在顯示設備上，臨床醫生可以參考該立體醫 學圖像例如借助于導航軟件系統進行手術路徑規劃。
[0069] 在步驟S230中，例如由手術導航工作站140從術前三維立體醫學圖像中識別各個 運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態。
[0070] 如前所述，各個運動監測工具上可以布置有標記點，該標記點在CT影像中具有明 顯區別于人體組織的影像參數，從而能夠人工或者自動地從CT影像中識別出各個標記點， 從而能夠識別出各個運動監測工具在影像坐標系中的位置和姿態。
[0071] 需要說明的是，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 隔較長時間，例如幾個小時或數天。
[0072] 在步驟S240中，在手術中，在同樣的運動監測工具以與手術前掃描時同樣的位置 和姿態固定于患者身體上的狀態下，實時確定各個運動監測工具在定位坐標系中的第二位 置和姿態，該定位坐標系是與定位設備跟蹤手術工具的位置和姿態相關聯的坐標系。例如， 利用圖1中所示定位設備和各個運動監測工具上的定位傳感器來得到各個運動監測工具 在定位坐標系中的第二位置和姿態，并傳遞給手術導航工作站140。
[0073] 在步驟S250中，手術導航工作站基于各個運動監測工具在影像坐標系中的第一 位置和姿態以及在定位坐標系中的第二位置和姿態，實時計算定位坐標系到影像坐標系之 間的最優坐標轉換關系，以及基于該最優坐標轉換關系計算各個運動監測工具在從定位坐 標系到影像坐標系的坐標轉換的總體誤差。
[0074] 有關坐標轉換和誤差計算的介紹，例如可以參考作者為翟偉明的題為"影像引導 下計算機輔助介入手術導航關鍵技術的研究"的博士論文中第6. 4節的介紹，這里將該部分 內容通過引用合并于此。
[0075] 在步驟S260中，基于實時確定的各個時刻的各個運動監測工具的坐標轉換的總 體誤差，來評估人體器官在該各個時刻相對于手術前掃描時刻的運動程度。
[0076] 如前所述，理論上，在肺部的呼吸運動周期的各個階段中，如果某時刻的運動狀態 與CT掃描時刻的運動狀態最接近，則該時刻的呼吸監測工具在影像坐標系中的映射應該 是最接近于手術前CT掃描獲得的呼吸監測工具在影像坐標系中的位姿的，因此與手術中 該時刻優化得到的坐標轉換矩陣相對應的坐標轉換誤差應該是最小的。
[0077] 圖4示出了呼吸運動過程中的坐標轉換的總體誤差隨時間變化曲線的一部分的 示意圖。其中橫軸表示時間，縱軸表示坐標轉換總體誤差。如圖4所示，在時刻tl、t2、t3,坐 標轉換總體誤差較小，此時的呼吸狀態與手術前掃描時刻的呼吸狀態較接近，而其它時刻 的呼吸狀態不同程度地背離手術前掃描時刻的呼吸狀態，坐標轉換總體誤差也隨之變化。
[0078] 通過考察手術過程中坐標轉化總體誤差隨時間的變化情況，能夠評估人體器官的 狀態在該各個時刻相對于手術前掃描時刻的狀態的差異程度。
[0079] 可以以多種形式利用本發明實施例的人體器官運動監測結果。
[0080] 在一個示例中，可以將實時獲得的坐標轉換總體誤差的隨時間變化曲線以例如圖 4的形式可視地顯示在顯示設備上。臨床醫生通過觀察該總體誤差隨時間變化曲線，可以確 定例如穿刺針對于患者入針的時機。
[0081] 在一個示例中，例如圖1的手術導航工作站基于所述評估人體器官在該各個時刻 相對于手術前三維掃描時刻的運動程度，確定手術工具介入人體病灶的時機，并向執行手 術的操作者提示該時機。在一個示例中，例如當某時刻的坐標轉換總體誤差為某一時段的 平均坐標轉換總體誤差的50%時并且變化趨勢為降低時，確定為適于手術工具介入人體病 灶的時機，接著例如以短消息形式顯示在顯示設備上，或者以語音形式從揚聲器輸出，來提 醒臨床醫生。
[0082] 在一個示例中，因為描述呼吸監測工具的位姿所參考的定位坐標系即是手術中定 位手術工具的位置和姿態的過程中參考的坐標系，所以可以基于所評估的人體器官的位姿 在各個時刻相對于術前CT掃描時刻的位姿的運動（或差異）程度，而確定人體器官的位姿 與CT掃描時刻的位姿基本一致的時刻，并且利用所計算的該時刻的從定位坐標系到影像 坐標系的坐標轉換矩陣，來將實時跟蹤到的手術工具的位置轉換到影像坐標系中并與立體 醫學圖像融合，進而可視地顯示在顯示設備上。具體地，該人體器官運動監測方法還可以 包括：確定坐標轉換的總體誤差小于預定閾值的時刻；確定該時刻的定位坐標系到影像坐 標系的坐標轉換矩陣；基于該坐標轉換矩陣，確定手術工具在影像坐標系中的位置，并將手 術工具的圖像在該位置與立體醫學圖像組合地顯示在顯示裝置上。即，在坐標轉換的總體 誤差小于預定閾值的時刻，進行手術工具所在的定位坐標系到影像坐標系的配準，并且基 于例如定位設備110跟蹤到的手術工具的位置，將手術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備上，以輔助臨床醫生手術。
[0083] 需要說明的是，該呼吸監測過程可以在手術中持續地進行。
[0084] 另外，由呼吸監測獲得的規律，例如前一總體誤差最小時刻和總體誤差最小的時 刻之間的時間間隔（如圖4所示）信息也可以提供給臨床醫生，讓臨床醫生在下次入針之 前做好心理準備和操作準備。
[0085] 利用上述的手術導航系統和人體器官運動監測方法，能夠不借助于專門的人體器 官監測儀器來監測人體器官的狀態相對于CT掃描時刻的狀態的運動程度（或者說差異程 度），例如對于呼吸運動而言，不需要專門的呼吸門控裝置。不過，本發明并不排斥與專門的 人體器官監測儀器的協同使用。
[0086] 利用本發明實施例的手術導航系統和人體器官運動監測方法，不是簡單地將人體 視為剛體來進行術前定位坐標系和影像坐標系的配準，而是考慮了人體的內部運動來監測 人體器官的狀態相對于CT掃描時刻的狀態的差異程度，從而能夠提示醫生恰當的操作時 機，使得能夠更準確地執行術前的手術規劃，減少對臨床醫生個人經驗的依賴。
[0087] 此外，本發明的實施例可以采取計算機程序產品的形式。可經由計算機可讀介質 訪問所述計算機程序產品，以供計算機或任何指令執行系統使用或者與之結合使用。計算 機可讀介質可以包括、存儲、交換、傳播或發送程序的設備。計算機可讀介質可以是電子、 磁、光、電磁、紅外或半導體系統（或器件或裝置）或傳播介質。計算機可讀介質的例子包 括半導體或者固態存儲器、磁帶、可拆卸計算機軟盤、隨機存取存儲器（RAM)、只讀存儲器 (ROM)、磁盤或光盤。
[〇〇88] 以上已經描述了本發明的各實施例，上述說明是示例性的，并非窮盡性的，并且也 不限于所披露的各實施例。在不偏離所說明的各實施例的范圍和精神的情況下，對于本技 術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。本文中所用術語的選擇，旨 在最好地解釋各實施例的原理、實際應用或對市場中的技術的改進，或者使本【技術領域】的 其它普通技術人員能理解本文披露的各實施例。
【權利要求】
1. 一種手術過程中實時監測人體器官的運動的人體器官運動監測方法，在手術前通過 掃描已經獲得了固定有兩個或兩個以上的運動監測工具的患者的醫療部位的三維立體醫 學圖像，該三維立體醫學圖像具有相關聯的影像坐標系，該人體器官運動監測方法包括如 下步驟： 獲得從術前三維立體醫學圖像中識別的各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位 置和姿態； 在同樣的運動監測工具以與手術前掃描時同樣的位置和姿態固定于患者身體上的狀 態下： 實時確定各個運動監測工具在定位坐標系中的第二位置和姿態，該定位坐標系是定位 手術工具的位置和姿態過程中所參考的坐標系； 基于各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態以及在定位坐標系中的第 二位置和姿態，實時計算定位坐標系到影像坐標系之間的最優坐標轉換關系，以及基于該 最優坐標轉換關系計算各個運動監測工具在從定位坐標系到影像坐標系的坐標轉換的總 體誤差；以及 基于實時確定的各個時刻的各個運動監測工具的坐標轉換的總體誤差，來評估人體器 官在該各個時刻相對于手術前掃描時刻的運動程度。
2. 根據權利要求1的人體器官運動監測方法，其中所述人體器官的運動包括肺部的呼 吸周期的各個階段。
3. 根據權利要求1的人體器官運動監測方法，還包括基于所述評估人體器官在該各個 時刻相對于手術前三維掃描時刻的運動程度，確定手術工具介入人體病灶的時機，并向執 行手術的操作者提示該時機。
4. 根據權利要求1的人體器官運動監測方法，還包括： 確定坐標轉換的總體誤差小于預定閾值的時刻； 確定該時刻的定位坐標系到影像坐標系的坐標轉換矩陣； 基于該坐標轉換矩陣，確定手術工具在影像坐標系中的位置，并將手術工具的圖像在 該位置與立體醫學圖像組合地顯示在顯示裝置上。
5. 根據權利要求1的人體器官運動監測方法，所述手術工具是穿刺針。
6. 根據權利要求1的人體器官運動監測方法，所述每個運動監測工具具有至少四個能 夠被定位設備跟蹤的標志點，其中任意三個標志點不共線，其中通過在該三維立體醫學圖 像中識別每個運動監測工具的各個標志點來識別各個運動監測工具在影像坐標系中的第 一位置和姿態；以及在手術中定位設備通過跟蹤每個運動監測工具的各個標志點來確定各 個運動監測工具在定位坐標系中的第二位置和姿態。
7. 根據權利要求1的人體器官運動監測方法，所述運動監測工具被固定于受人體器官 運動影響大的患者身體部位上。
8. 根據權利要求1的人體器官運動監測方法，所述定位設備為電磁跟蹤器。
9. 一種手術導航系統，包括： 定位設備，用于跟蹤手術工具和運動監測工具在定位坐標系中的位置和姿態； 兩個或兩個以上的運動監測工具，被固定于患者身體上，其在定位坐標系中的位置和 姿態能夠被定位設備跟蹤到； 三維立體醫學圖像獲得單元，用于獲得手術前的固定有運動監測工具的患者的醫療部 位的三維立體醫學圖像，該立體醫學圖像具有相關聯的影像坐標系； 手術導航工作站，進行術前三維立體醫學圖像與手術中的手術工具圖像的配準和組 合，并在所連接的顯示設備上進行可視化顯示，以指導手術執行者的手術操作； 其中，所述手術導航工作站還通過下述操作監視人體器官的運動狀態： 從術前三維立體醫學圖像中識別各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿 態； 在手術中實時確定各個運動監測工具在定位坐標系中的第二位置和姿態； 基于各個運動監測工具在影像坐標系中的第一位置和姿態以及在定位坐標系中的第 二位置和姿態，實時計算定位坐標系到影像坐標系之間的最優坐標轉換關系，以及計算各 個運動監測工具在從定位坐標系到影像坐標系的坐標轉換的總體誤差；以及 基于實時確定的各個時刻的坐標轉換的總體誤差，來評估人體器官在該各個時刻相對 于手術前掃描時刻的運動程度。
10.根據權利要求9的手術導航系統，其中所述人體器官的運動包括肺部的呼吸周期 的各個階段。
【文檔編號】A61B5/11GK104055520SQ201410259145
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】翟偉明, 宋亦旭 申請人:清華大學