用於執行醫學圖像的配準的方法和設備的製作方法
2023-06-02 07:14:26 1
用於執行醫學圖像的配準的方法和設備的製作方法
【專利摘要】公開一種用於執行醫學圖像的配準的方法和設備。所述方法包括：將第一醫學設備所使用的虛擬坐標系和第二醫學設備所使用的虛擬坐標系彼此映射。坐標系分別與第一醫學設備所捕獲的實時醫學圖像和第二醫學設備先前所捕獲的三維（3D）醫學圖像相關聯。所述方法還包括：基於映射的結果，從第二醫學設備所使用的坐標系檢測第一醫學設備的探測器的位置；從先前捕獲的3D醫學圖像確定與檢測到的探測器的位置相應的體積圖像；從確定的體積圖像提取與實時醫學圖像相應的截面圖像，其中，實時醫學圖像根據患者的物理運動而改變。
【專利說明】用於執行醫學圖像的配準的方法和設備
[0001]本申請要求在2013年2月21日提交到韓國知識產權局的第10-2013-0018833號韓國專利申請的權益，所述專利申請的全部公開為了所有目的通過引用合併於此。
【技術領域】
[0002]本公開涉及用於執行醫學圖像的配準的方法和設備。
【背景技術】
[0003]隨著醫學技術的近期發展，可獲取高清晰度醫學圖像，並且諸如通過醫學裝置對醫學設備進行精細操作變得可行。因此，正在積極開發如下的治療患者的方法:在患者的皮膚上直接形成小孔，通過小孔將導管或醫用針頭插入患者體內，並通過使用經由導管或醫用針頭引入身體內部的醫學成像設備來觀察患者身體的內部。這樣的方法可被稱為使用圖像的醫學治療方法或介入圖像醫學治療方法。在這樣的方法中，醫學從業者通過使用該技術提供的圖像來識別器官或病變的位置。另外，醫學從業者可在醫學治療期間根據患者的呼吸或運動觀察器官或病變的位置的變化。因此，醫學從業者需要能夠基於實時醫學成像精確地且快速地識別呼吸或運動。然而，利用裸眼難以從實時醫學圖像清楚地識別器官和病變的形狀。與超聲波圖像相反，磁共振(MR)圖像或計算機斷層掃描(CT)圖像可清楚地區分器官和病變的位置和形狀。然而，由於在醫學治療期間可能無法實時獲取MR或CT圖像，因此在醫學治療期間患者的呼吸和運動可能無法被反映在這樣的圖像中。
【發明內容】
[0004]提供本
【發明內容】
以按簡化形式引入對以下在【具體實施方式】中進一步描述的構思的選擇。本
【發明內容】
不意圖辨識要求保護的主題的關鍵特徵或必要特徵，也不意圖用於幫助確定要求保護的主題的範圍。
[0005]提供用於對第一醫學設備所捕獲的實時醫學圖像和第二醫學設備先前所捕獲的三維(3D)醫學圖像執行配準以反映根據患者的物理運動的改變的方法、設備和系統。
[0006]在一個總體方面，一種執行醫學圖像的配準的方法包括:將第一醫學設備所使用的虛擬坐標系和第二醫學設備所使用的虛擬坐標系彼此映射，其中，虛擬坐標系分別與第一醫學設備所捕獲的實時醫學圖像和第二醫學設備先前所捕獲的三維(3D)醫學圖像相關聯；基於映射的結果，在第二醫學設備所使用的虛擬坐標系中檢測第一醫學設備的探測器的位置；從先前捕獲的3D醫學圖像確定與檢測到的探測器的位置相應的體積圖像；從確定的體積圖像提取與實時醫學圖像相應的截面圖像，其中，實時醫學圖像根據患者的物理運動而改變。
[0007]所述方法還可提供:在提取截面圖像的操作中，當探測器的掃描平面根據患者的物理運動在患者體內相對運動時，更新截面圖像。
[0008]確定體積圖像的操作可包括:根據在探測器保持靜止時患者的物理運動來估計探測器的掃描平面的相對運動範圍；基於估計的運動範圍從3D醫學圖像確定體積圖像的大小。
[0009]確定體積圖像的操作可包括:通過使用檢測到的位置的坐標值，從3D醫學圖像選擇與探測器的掃描平面相應的截面；從3D醫學圖像選擇參考截面和與參考截面鄰近的截面。
[0010]確定體積圖像的操作還可包括:通過積累參考截面和與參考截面鄰近的截面來重建體積圖像。
[0011]映射虛擬坐標系的操作可包括:產生實時醫學圖像的第一截面圖像；基於在第一截面圖像中出現的解剖特徵，在形成3D醫學圖像的多個二維(2D)醫學圖像中選擇與第一截面圖像相應的2D醫學圖像；基於選擇的2D醫學圖像和第一截面圖像，產生用於將第一醫學設備所使用的坐標系轉換為第二醫學設備所使用的坐標系的坐標轉換函數。
[0012]檢測探測器的位置的操作可包括:當探測器運動時，接收在第一醫學設備所使用的坐標系中運動的探測器的坐標值；通過使用映射結果，將運動的探測器的坐標值轉換為第二醫學設備所使用的坐標系的坐標值。
[0013]提取截面圖像的操作可包括:基於在實時醫學圖像和確定的體積圖像上出現的解剖特徵之間的相似度，提取截面圖像。
[0014]提取截面圖像的操作可包括:對在實時醫學圖像和體積圖像上出現的每個解剖對象執行分割；從體積圖像提取具有在實時醫學圖像和體積圖像中分割的解剖對象之間的最大相似度的截面。
[0015]提取截面圖像的操作可包括:獲取在探測器保持靜止的狀態下改變的實時醫學圖像；考慮在獲取的實時醫學圖像上出現的解剖特徵來提取截面圖像。
[0016]在另一總體方面，一種存儲用於執行醫學圖像的配準的程序的非暫時性計算機可讀存儲介質，所述程序包括用於使計算機執行以上描述的方法的指令。
[0017]在另一總體方面，一種用於執行醫學圖像的配準的設備包括:坐標轉換裝置，被配置為將第一醫學設備所使用的虛擬坐標系和第二醫學設備所使用的虛擬坐標系彼此映射，並基於映射的結果，在第二醫學設備所使用的虛擬坐標系中檢測第一醫學設備的探測器的位置；體積圖像確定裝置，被配置為從先前捕獲的3D醫學圖像確定與檢測到的位置相應的體積圖像；圖像輸出裝置，被配置為從確定的體積圖像提取與第一醫學設備所捕獲的根據患者的物理運動而改變的實時醫學圖像相應的截面圖像。
[0018]當探測器的掃描平面根據患者的物理運動在患者體內相對運動時，截面圖像可被更新。
[0019]體積圖像確定裝置可根據在探測器保持靜止時患者的物理運動來估計探測器的掃描平面的相對運動範圍，並基於估計的運動範圍從3D醫學圖像確定體積圖像的大小。
[0020]體積圖像確定裝置可通過使用檢測到的位置的坐標值，從3D醫學圖像選擇與探測器的掃描平面相應的截面，並從3D醫學圖像選擇參考截面和與參考截面鄰近的截面。
[0021]所述設備還可包括:模型重建裝置，被配置為通過積累參考截面和與參考截面鄰近的截面來重建體積圖像。
[0022]所述設備還可包括:2D圖像選擇裝置，被配置為產生實時醫學圖像的第一截面圖像，並基於在第一截面圖像中出現的解剖特徵，在形成3D醫學圖像的多個2D醫學圖像中選擇與第一截面圖像相應的2D醫學圖像，其中，坐標轉換裝置基於選擇的2D醫學圖像和第一截面圖像，產生用於將第一醫學設備所使用的坐標系轉換為第二醫學設備所使用的坐標系的坐標轉換函數。
[0023]所述設備可提供:當探測器運動時，坐標轉換裝置接收在第一醫學設備所使用的坐標系中運動的探測器的坐標值，並通過使用映射結果，將運動的探測器的坐標值轉換為第二醫學設備所使用的坐標系的坐標值。
[0024]圖像輸出裝置可基於在實時醫學圖像和確定的體積圖像上出現的解剖特徵之間的相似度，提取截面圖像。
[0025]所述設備還可包括:圖像分割裝置，被配置為對在實時醫學圖像和體積圖像上出現的每個解剖對象執行分割，其中，圖像輸出裝置從體積圖像提取具有在實時醫學圖像和體積圖像中分割的解剖對象之間的最大相似度的截面。
[0026]所述設備還可包括:實時醫學圖像獲取裝置，被配置為獲取第一醫學設備所捕獲的實時醫學圖像。
[0027]在另一總體方面，一種醫學圖像配準系統包括:預治療醫學成像設備，被配置為產生患者的感興趣體積的一組預治療醫學圖像；實時醫學成像設備，被配置為實時產生患者的感興趣體積的治療醫學圖像；醫學圖像配準設備，被配置為執行該組預治療醫學圖像和治療醫學圖像之間的配準。
[0028]預治療醫學圖像可比治療醫學圖像具有更高的信噪比或更高的邊緣對比度中的至少一個。
[0029]醫學圖像配準設備可通過將該組預治療醫學圖像的虛擬坐標系和治療醫學圖像的虛擬坐標系彼此映射來執行配準。
[0030]可基於發射和接收超聲波的探測器實時地產生和更新治療醫學圖像。
[0031]醫學圖像配準設備可考慮根據在探測器處於靜止狀態的狀態下患者的物理運動的實時醫學圖像的改變來執行配準。
[0032]醫學圖像配準設備可考慮根據探測器的物理運動的實時醫學圖像的改變來執行配準。
[0033]從下面詳細描述、附圖和權利要求中，其他特徵和方面將是顯然的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1示出根據示例實施例的醫學圖像配準系統的結構。
[0035]圖2是用於解釋根據示例實施例的醫學圖像配準方法的流程圖。
[0036]圖3是用於解釋根據示例實施例的映射第一醫學設備和第二醫學設備所使用的虛擬坐標系的處理的流程圖。
[0037]圖4是用於解釋根據示例實施例的從第二醫學設備所使用的虛擬坐標系檢測第一醫學設備的探測器所位於的位置的處理的流程圖。
[0038]圖5和圖7分別是用於解釋根據示例實施例的確定體圖像的處理的流程圖和坐標系O
[0039]圖6是用於解釋根據示例實施例的從考慮患者的物理運動的三維(3D)醫學圖像提取截面圖像的處理的流程圖。
[0040]圖8和圖9是示出根據示例實施例的醫學圖像配準設備的框圖。[0041]圖10是根據示例實施例的在醫學圖像配準方法中的平面匹配處理中的一組醫學圖像。
[0042]圖11和圖12示出根據示例實施例的根據患者的物理運動的實時醫學圖像的改變。
[0043]在整個附圖和詳細描述中，除非另外描述或提供，否則相同的附圖標號將被理解為表示相同的元件、特徵和結構。為了清楚、說明和簡明，附圖可不按比例縮放，並且可誇大附圖中的元件的相對尺寸、比例和描繪。
【具體實施方式】
[0044]提供以下詳細描述以幫助讀者獲得對這裡描述的方法、設備和/或系統的全面理解。然而，這裡描述的系統、設備和/或方法的各種改變、修改和等同物對本領域的普通技術人員將是顯然的。所描述的處理步驟和/或操作的進展是示例；然而，除了必需按特定順序發生的步驟和/或操作之外，處理步驟和/或操作的順序不限於這裡闡述的順序，並可進行如本領域中公知的改變。此外，為了更加清楚和簡明，可省略對本領域的普通技術人員公知的功能和構造的描述。
[0045]這裡描述的特徵可以以不同形式實施，並且不被解釋為限於這裡描述的示例。相反，提供這裡描述的示例，使得本公開將是徹底和完整的，並且這裡描述的示例將把本公開的完整範圍傳達給本領域的普通技術人員。
[0046]現在將詳細說明實施例，在附圖中示出實施例的示例，其中，相似的標號始終表示相似的元件。在這方面，本實施例可具有不同形式並且不應被解釋為限於這裡闡述的描述。因此，以下通過參考附圖僅描述實施例，以解釋本描述的多個方面。
[0047]如這裡使 用的，術語「和/或」包括相關聯列出項中的一個或更多個的任何和全部組合。諸如「…中的至少一個」的表達在位於一列元素之後時修飾整列元素而不是修飾列中的單個元素。如這裡使用的，短語「相對運動」用於表示項目相對於參考點運動的情況，其中，參考點自身可不運動。例如，當被掃描的器官在呼吸期間在患者身體內部運動並且針對保持靜止的探測器改變位置時，被掃描的器官針對探測器「相對運動」。
[0048]圖1示出根據示例實施例的醫學圖像配準系統100的結構。參照圖1，根據本實施例的醫學圖像配準系統100包括第一醫學設備120、第二醫學設備110、醫學圖像配準設備130和圖像顯示設備140。
[0049]第二醫學設備110在醫學治療之前針對對象的感興趣體積(VOI)產生一組第二醫學圖像。該組第二醫學圖像用作提供高質量參考圖像的一組參考圖像，所述高質量參考圖像提供關於VOI的內容的信息以幫助解釋低質量實時圖像。在示例中，第二醫學設備110被配置為計算機斷層掃描(CT)成像設備、磁共振(MR)成像設備、X射線成像設備和正電子發射斷層掃描(PET)成像設備中的任何一個。
[0050]然而，這些僅是第二醫學設備110的示例，並且可使用其他潛在成像設備，或者可結合在一起使用多種類型的成像設備。在以下描述中，為了便於解釋，假設第二醫學圖像是MR圖像或CT圖像。第二醫學設備110所產生的CT圖像或MR圖像具有清楚地區分器官的位置和病變的位置的特徵。然而，CT圖像或MR圖像可能無法反映隨著患者在醫學治療期間呼吸或運動所發生的實時變化。這樣的實時變化潛在地變形或者改變器官的位置，並且因為它們實時發生，所以諸如CT或MR成像的技術不能很好地適應於反映這樣的變化。不能反映這樣的實時變化的原因針對每種技術而不同。在作為使用放射線的捕獲方法的CT圖像的情況下，實時拍攝圖像導致患者和醫學從業者長時間地暴露於放射線的可能性，這會給患者和醫學從業者帶來健康風險。在MR圖像的情況下，捕獲單個圖像所需的時間長度是長時間，所以能夠實時捕獲MR圖像是不現實的。
[0051]第一醫學設備120針對對象的VOI實時提供醫學圖像。在示例中，第一醫學設備120由用於在針對患者內部的介入醫學治療處理中產生實時醫學圖像的超聲檢查機器形成。第一醫學設備120通過使用通信地連接到第一醫學設備的探測器121將超聲波信號照射到感興趣區域(諸如照射到患者內部的體積)，並檢測反射的超聲波信號以產生超聲波圖像。
[0052]基於VOI中的不同排列和類型的材料將不同地反射超聲波信號的原理來產生這樣的超聲波圖像，並且通過分析反射的超聲波的特性，可產生代表VOI的內容的圖像。下面將進一步論述該原理。探測器121可使用有線或無線連接通信地連接到第一醫學設備。探測器121通常由壓電換能器形成，所述壓電換能器將電能轉換為超聲波，反之亦然。
[0053]當幾兆赫(MHz)到幾百MHz的超聲波從探測器121被發送到患者身體內部的特定區域時，超聲波諸如從各種不同組織之間的邊界被部分地反射。具體地講，超聲波從患者身體內部的密度改變的地方(例如，血液血漿中的血細胞或器官中的小結構)被反射。反射的超聲波使探測器121的壓電換能器振動，並且壓電換能器根據振動輸出電脈衝。因此，壓電換能器進行操作以轉換電能，從而輸出超聲波，但隨後接收反射的超聲能量，並將接收到的反射的超聲能量轉換為包括代表反射的超聲能量的電脈衝的信號。一旦由壓電換能器響應於反射的超聲能量而被產生，電脈衝就被轉換為圖像數據。
[0054]如上所述，在示例中，雖然諸如超聲圖像的第一醫學圖像由第一醫學設備120實時獲取，但是由於超聲圖像因超聲成像的性質而可以是低質量圖像，因此第一醫學圖像可包括大量的噪聲。這樣的噪聲使得難以識別器官的輪廓、內部結構或病變。例如，由於病變和外圍組織響應於超聲波能量而具有相似的反射特性，因此超聲波圖像中的病變和外圍組織之間的邊界處的對比度(即，對象的邊緣對比度)相對低。例如，當存在低邊緣對比度時，難以區分圖像的對應於病變的部分和對應於外圍組織的部分。因此，即使超聲波圖像可被實時獲得，也可能難以使用圖像來確定圖像中的邊界所位於的位置。此外，由於超聲波在通過患者傳播並被反射時的幹涉和擴散，存在噪聲和偽影。因此，雖然超聲波醫學圖像比MR或CT圖像被更快地獲取並且提供實時成像，但是在MR或CT圖像中可區分的器官和病變可能在超聲波醫學圖像中不能與外圍組織清楚地區分，這是因為超聲波醫學圖像中的對象的信噪比(SNR)和邊緣對比度低。
[0055]在實施例中，第一醫學設備120和第二醫學設備110所捕獲的醫學圖像是二維(2D)截面圖像。然而，實施例可通過積累2D截面圖像來產生三維(3D)醫學圖像。例如，第二醫學設備110通過改變每個截面圖像的位置和方位捕獲多個截面圖像。如以上所論述的，這些截面圖像在治療之前被捕獲。當截面圖像被積累時，基於用於組合2D截面圖像的適當技術來產生表示3D的患者身體的特定部分的3D體積的圖像數據。通過積累截面圖像產生3D體積的圖像數據的以上方法被稱為多平面重建(MPR)方法。可使用各種特定方法和算法來執行這樣的MPR方法。具體地講，一種方法操作如下，使得雖然第二醫學圖像中的每一個是2D圖像，但是第二醫學圖像中的圖像的每個像素具有與其相關聯的深度值。換言之，第二醫學圖像定義體素的集合。因此，可通過積累第二醫學圖像產生VOI的3D模型，因為第二醫學圖像在被組合時定義充分的信息以使用3D模型對VOI建模。下文中，使用MPR被處理的以產生關於3D體積的信息的由第二醫學設備110捕獲的一組第二醫學圖像被稱為3D醫學圖像。
[0056]醫學圖像配準設備130執行從第二醫學設備110獲取的一組第二醫學圖像和從第一醫學設備120捕獲的第一醫學圖像之間的配準。通過執行配準，醫學圖像配準設備130能夠建立第一醫學圖像和第二醫學圖像之間的對應，以利用第一醫學圖像的實時性質和第二醫學圖像的較高質量。在實施例中，第一醫學圖像和第二醫學圖像的配準包括當管理圖像時將第一醫學設備120和第二醫學設備110分別使用的虛擬坐標系進行匹配的處理。在這樣的實施例中，醫學圖像配準設備130所產生的配準的醫學圖像是通過疊加第一醫學圖像和第二醫學圖像或通過彼此平行地布置第一醫學圖像和第二醫學圖像所獲取的醫學圖像。如所論述的，這樣的疊加和布置可使用虛擬坐標系來幫助確定如何相對於彼此對圖像定向。被醫學圖像配準設備130配準的醫學圖像通過圖像顯示設備140進行顯示。
[0057]第一醫學設備120和第二醫學設備110使用不同的虛擬坐標系。醫學圖像配準設備130可通過將第一醫學設備120和第二醫學設備110的不同虛擬坐標系彼此映射來執行第一醫學設備120和第二醫學設備110所捕獲的醫學圖像的配準。3軸位置信息(X，y, z)和3軸旋轉信息(滾轉、俯仰、偏航)被一起使用以確定在第一醫學設備120和第二醫學設備110所使用的虛擬坐標系中捕獲醫學圖像的截面。因此，對準虛擬坐標系需要確定使虛擬坐標系對準的平移和旋轉。例如，通過第一醫學設備120和第二醫學設備110所使用的虛擬坐標係指定醫學圖像被捕獲的3D空間中的位置。對於MR或CT圖像，在選擇將被第二醫學設備110捕獲的截面的處理中使用虛擬坐標系的坐標值。S卩，當MR或CT圖像被獲得時，MR或CT圖像必須被設置為對應於如以上論述的一組特定軸，因此，坐標值對通過第二醫學設備110捕獲每個圖像是固有的。從而，無需另外的感測來識別第二醫學設備100所捕獲的醫學圖像的坐標值。
[0058]然而，在第一醫學設備120中，將被捕獲的截面的位置根據探測器121的運動而改變。在實施例中，探測器121不是根據第一醫學設備120的控制進行運動，而是根據醫學操作者的控制進行運動。因此，在這樣的實施例中，為了識別第一醫學設備120所捕獲的醫學圖像在虛擬坐標系中所位於的位置，感測探測器121的運動。多種方法允許第一醫學設備120感測探測器121的運動。例如，為了感測探測器121的運動，一種方法是通過使用探測器121中的磁跟蹤器感測磁場的變化的方法，另一種方法是通過將光學標記(opticalmarker)附著於探測器121利用紅外或彩色相機感測光學變化的方法。然而,這些僅是示例，可使用感測探測器121的運動以建立針對第一醫學圖像的虛擬坐標系的其他方式。
[0059]第一醫學設備120和第二醫學設備110通常使用不同的3D坐標系，因此，通過使用位置BI的3軸位置信息(X，y, z)和探測器121的3軸旋轉信息(滾轉、俯仰、偏航)來指定第一醫學設備120所使用的坐標系中的截面1011。一旦該信息可用，就變得可將單獨的3D坐標系彼此相關。
[0060]在實施例中，實時醫學圖像表示第一醫學設備120所捕獲的第一醫學圖像，而3D醫學圖像表示第二醫學設備110所捕獲的一組第二醫學圖像。如以上論述的，實時醫學圖像具有比3D醫學圖像低的質量，但是3D醫學圖像不隨時間改變。為了考慮患者身體的變化(諸如由於呼吸)，醫學圖像配準設備130周期性地更新第一醫學設備120所捕獲的實時醫學圖像。假設第二醫學設備110先前所捕獲的3D醫學圖像先前被存儲在醫學圖像配準設備130中。
[0061]根據本實施例，第一醫學設備120和第二醫學設備110所使用的虛擬坐標系可使用下面描述的方法彼此映射。當虛擬坐標系彼此映射時，從第二醫學設備110所使用的虛擬坐標系檢測第一醫學設備120的探測器121的位置。因此，基於以上論述的映射和跟蹤方法，在第二醫學設備110所捕獲的3D醫學圖像中跟蹤探測器121的運動，並且基於跟蹤到的探測器121的運動，提供與探測器121的運動相應的截面圖像。
[0062]相應地，當探測器121運動時，實時醫學圖像改變，並且從3D醫學圖像提取與改變後的實時醫學圖像相應的截面圖像。因此，一旦發生映射，實時醫學圖像和3D醫學圖像就彼此同步。
[0063]然而，當探測器121沒有運動時，實時醫學圖像可根據患者的物理運動連續地改變。例如，由於患者的呼吸，器官運動或改變形式，即使當探測器121相對於患者保持靜止時，實時醫學圖像仍然隨著患者的器官和其他內部構成的運動而改變。
[0064]參照圖11，當處於吸入和呼出之間的中間狀態時，肝臟1110沿朝吸入狀態下的圖例「下」的方向運動到位置1120，並沿朝呼出狀態下的圖例「上」的方向運動到位置1130。結果，雖然探測器1140的超聲掃描平面1150在物理上沒有運動，但是探測器1140所捕獲的實時醫學圖像通過呼吸而改變，這是因為被掃描的肝臟1110仍然相對於探測器1140的位置而改變。換言之，隨著超聲掃描平面1150和肝臟1110之間的相對位置關係改變，即使探測器1140處於靜態，實時醫學圖像也改變。
[0065]在實施例中，醫學圖像配準設備130考慮在第一醫學設備120的探測器121處於靜止狀態的狀態下根據患者的物理運動的實時醫學圖像的改變來執行實時醫學圖像和3D醫學圖像的配準。例如，當實時醫學圖像表示吸入狀態時，從3D醫學圖像提取與吸入狀態相應的截面圖像，然後，將該截面圖像與實時醫學圖像配準。當實時醫學圖像表示呼出狀態時，從3D醫學圖像提取與呼出狀態相應的截面圖像，然後，將該截面圖像與實時醫學圖像配準。因此，通過執行該配準，即使器官由於呼吸而運動，配準也允許隨著器官的運動而推斷器官的聞質量圖像。
[0066]因此，根據實施例的執行醫學圖像的配準的方法可主要被分類為兩種方法。第一種方法是考慮探測器121的物理運動來執行配準的方法，第二種方法是考慮在探測器121保持靜止的狀態下根據患者的物理運動的超聲掃描平面的相對運動來執行配準的方法。
[0067]圖2是用於解釋根據示例實施例的醫學圖像配準方法的流程圖。參照圖2，在操作S205，所述方法通過使用第一醫學設備120所捕獲的實時醫學圖像和第二醫學設備110先前所捕獲的3D醫學圖像將第一醫學設備120和第二醫學設備110所使用的虛擬坐標系彼此映射。例如，醫學圖像配準設備130將作為第一醫學設備120所使用的虛擬坐標系的第一坐標系和作為第二醫學設備110所使用的虛擬坐標系的第二坐標系進行匹配。
[0068]參照圖3詳細描述操作S205。參照圖3，在操作S305，所述方法獲取第一醫學設備120所捕獲的實時醫學圖像。所獲取的實時醫學圖像隨後被連續更新。當獲取到實時醫學圖像時，醫學圖像配準設備130獲取關於探測器121在第一坐標系中所位於的位置的坐標值。
[0069]在操作S310，所述方法產生實時醫學圖像的第一截面圖像。在該操作中，例如，實時醫學圖像根據探測器121的運動或患者的物理運動(諸如由於呼吸而導致的運動)而改變。因此，產生實時醫學圖像的第一截面圖像以獲取靜止圖像。產生第一截面圖像，使得第一截面圖像被捕獲的方位平行於形成3D醫學圖像的第二醫學圖像被捕獲的方位。以這種方式對準方位提高了如下所述的從3D醫學圖像檢測與第一截面圖像相應的2D醫學圖像的精確性。例如，用戶通過第一醫學設備120或醫學圖像配準設備130輸入第一截面圖像的產生命令。在圖10中，圖像1020是通過上面描述的處理所產生的第一截面圖像，平面1011是與所產生的第一截面圖像相應的探測器121的超聲掃描平面。
[0070]在操作S315，所述方法基於第一截面醫學圖像的解剖特徵從形成3D醫學圖像的多個2D醫學圖像中選擇與第一截面圖像相應的2D醫學圖像。為此，醫學圖像配準設備130將第一截面圖像的解剖特徵與形成3D醫學圖像的2D醫學圖像的解剖特徵進行比較。作為比較的結果，醫學圖像配準設備130從3D醫學圖像檢測與第一截面圖像具有最大相似度的2D醫學圖像。參照圖10，3D醫學圖像1030包括多個2D醫學圖像。醫學圖像配準設備130從3D醫學圖像1030檢測到與第一截面圖像1020具有關於解剖特徵的最大相似度的2D醫學圖像1033。
[0071]此外，在操作S315，所述方法分割第一截面圖像中的解剖對象和3D醫學圖像中的解剖對象。解剖對象可以是人體的一部分(諸如器官、血管、病變和骨骼)或器官之間的邊界。在示例中，第一截面圖像提供解剖對象的可區分視圖。這裡，分割表示將解剖對象與背景圖像及其部分彼此分離。可基於特定組織趨向於如何出現在醫學成像中的已知特性，將關於待分割的解剖對象的分割信息預先輸入到醫學圖像配準設備130。作為一個示例，對於超聲波醫學圖像，預先輸入指示血管在超聲波醫學圖像中比背景具有更暗亮度值的信息。在另一示例中，預先輸入關於解剖特徵的信息，例如，作為具有預定值或低於預定值的曲率的平面的膈肌和作為具有大約IOmm或高於IOmm的直徑的血管的下腔靜脈。這樣的信息的特徵在於解剖特徵的多個方面，諸如其形狀、大小和位置。
[0072]在一些實施例中，醫學圖像配準設備130通過使用圖形切割方法或高斯混合模型(GMM)方法執行分割。
[0073]根據圖形切割方法，醫學圖像配準設備130通過使用背景的種子值和解剖對象的種子值逐漸地擴展背景的種子點和解剖對象的種子點的區域。以這種方式，醫學圖像配準設備130通過確定背景區域和解剖對象的區域相接的邊界來分割解剖對象，這是因為背景和解剖對象在逐漸擴展處理中被擴展，直到它們建立背景和解剖對象之間的邊界為止。
[0074]根據GMM方法，醫學圖像配準設備130使用醫學圖像的顏色直方圖，其中，顏色直方圖通過多個高斯分布模型來表示。然後，醫學圖像配準設備130通過在直方圖的特定帶中選擇高斯分布模型使得該模型定義解剖對象之間的邊界來分割解剖對象。
[0075]可在醫學圖像配準設備130中採用除了上述方法之外的各種分割方法。然而，圖形切割方法和高斯混合模型(GMM)方法僅是用於執行分割的候選方法的示例。其他實施例可使用提供與以上論述的圖形切割方法和高斯混合模型相似的結果的用於執行分割的不同方法。[0076]醫學圖像配準設備130使用以上論述的分割方法計算在第一截面圖像中被分割的解剖對象和在3D醫學圖像中被分割的解剖對象之間的相似度。例如，醫學圖像配準設備130使用相似度的數字測量來表示在第一截面圖像中被觀察並被分割的解剖對象與在形成3D醫學圖像的2D醫學圖像中被觀察並被分割的解剖對象相比的相似程度。
[0077]作為示例，醫學圖像配準設備130通過使用Gabor小波方法或局部二值模式匹配方法來計算相似度。
[0078]根據Gabor小波方法,醫學圖像配準設備130使用具有多種不同濾波特性的Gabor濾波器對解剖對象進行濾波。醫學圖像配準設備130將濾波的結果相互比較，並計算解剖對象之間的相似度，諸如數字相似度。
[0079]根據局部二值模式匹配方法，醫學圖像配準設備130定義圍繞一個中心像素的外圍像素之間的關係。換言之，醫學圖像配準設備130將外圍像素的值相對於中心像素的值進行二值化。該二值化幫助指示候選圖像中的像素是否彼此相似。醫學圖像配準設備130按預設方向布置二值化結果。如此，通過比較二值化結果，醫學圖像配準設備130可在數量上估計解剖對象之間的相似度。
[0080]然而，Gabor小波方法和局部二值模式匹配方法僅是用於計算相似度的候選方法的示例。其他實施例可使用提供與以上論述的Gabor小波方法和局部二值模式匹配方法相似的結果的用於計算相似度的不同方法。
[0081]在實施例中，醫學圖像配準設備130從3D醫學圖像選擇具有最大計算的相似度的2D醫學圖像。在操作S320，所述方法基於第一截面圖像和從3D醫學圖像選擇的2D醫學圖像來產生用於將第一醫學設備120所使用的第一坐標系轉換為第二醫學設備110所使用的第二坐標系的坐標轉換 函數。
[0082]此外，在操作S320，醫學圖像配準設備130在作為第二醫學設備110的虛擬坐標系的第二坐標系中檢測與第一醫學設備120的探測器121的坐標值相應的位置。這樣的相應位置是作為第一醫學設備120的虛擬坐標系的第一坐標系中的與作為第二醫學設備110的虛擬坐標系的第二坐標系中的位置相應的位置。
[0083]參照圖10，與圖像1010中的探測器121的位置BI相應的位置對應於醫學圖像1030中的位置B2。醫學圖像配準設備130檢測位置B2。醫學圖像配準設備130將選擇的2D醫學圖像1033和第一截面圖像1020疊加，使得如以上所論述的，第一截面圖像1020和在操作S315選擇的2D醫學圖像1033中的分割的解剖對象的位置相匹配。
[0084]如果第一截面圖像1020和2D醫學圖像1030的解析度彼此不同，則所述圖像中的一個或兩個可被放大或縮小，以使所述兩個圖像具有相同的解析度。當2D醫學圖像1033和第一截面圖像1020彼此疊加時，醫學圖像配準設備130基於關於探測器位置和坐標系的信息在2D醫學圖像1033中設置探測器121的位置BI。因此，醫學圖像配準設備130在第二坐標系中檢測與探測器所位於的位置BI相應的位置B2。
[0085]醫學圖像配準設備130通過使用檢測到的位置B2的坐標值產生用於將第一坐標系轉換為第二坐標系的坐標轉換函數。這樣的坐標轉換函數是將第一坐標系的坐標值轉換為第二坐標系的坐標值的函數。第二坐標系中的位置B2的坐標被稱為Tinit。然後，當探測器121被平移和旋轉時，假設探測器121的平移是T(x，y，z)並且探測器121的旋轉是W, Θ , 9)，則在下面的等式1和2中提供表示1'0^，7，幻和Ι?(ψ，θ，φ)的一組示例矩陣。
[0086]等式I
【權利要求】
1.一種執行醫學圖像的配準的方法，包括: 將第一醫學設備所使用的虛擬坐標系和第二醫學設備所使用的虛擬坐標系彼此映射，其中，虛擬坐標系分別與第一醫學設備所捕獲的實時醫學圖像和第二醫學設備先前所捕獲的三維3D醫學圖像相關聯； 基於映射的結果，在第二醫學設備所使用的虛擬坐標系中檢測第一醫學設備的探測器的位置； 從先前捕獲的3D醫學圖像確定與檢測到的探測器的位置相應的體積圖像； 從確定的體積圖像提取與實時醫學圖像相應的截面圖像，其中，實時醫學圖像根據患者的物理運動而改變。
2.如權利要求1所述的方法，其中，在提取截面圖像的操作中，當探測器的掃描平面根據患者的物理運動在患者體內相對運動時，更新截面圖像。
3.如權利要求1所述的方法，其中，確定體積圖像的操作包括: 根據在探測器保持靜止時患者的物理運動來估計探測器的掃描平面的相對運動範圍； 基於估計的運動範圍從3D醫學圖像確定體積圖像的大小。
4.如權利要求1所述 的方法，其中，確定體積圖像的操作包括: 通過使用檢測到的位置的坐標值，從3D醫學圖像選擇與探測器的掃描平面相應的截面； 從3D醫學圖像選擇參考截面和與參考截面鄰近的截面。
5.如權利要求4所述的方法，其中，確定體積圖像的操作還包括:通過積累參考截面和與參考截面鄰近的截面來重建體積圖像。
6.如權利要求1所述的方法，其中，映射虛擬坐標系的操作包括: 產生實時醫學圖像的第一截面圖像； 基於在第一截面圖像中出現的解剖特徵，在形成3D醫學圖像的多個二維2D醫學圖像中選擇與第一截面圖像相應的2D醫學圖像； 基於選擇的2D醫學圖像和第一截面圖像，產生用於將第一醫學設備所使用的坐標系轉換為第二醫學設備所使用的坐標系的坐標轉換函數。
7.如權利要求1所述的方法，其中，檢測探測器的位置的操作包括: 當探測器運動時，接收在第一醫學設備所使用的坐標系中運動的探測器的坐標值；通過使用映射結果，將運動的探測器的坐標值轉換為第二醫學設備所使用的坐標系的坐標值。
8.如權利要求1所述的方法，其中，提取截面圖像的操作包括:基於在實時醫學圖像和確定的體積圖像上出現的解剖特徵之間的相似度，提取截面圖像。
9.如權利要求1所述的方法，其中，提取截面圖像的操作包括: 對在實時醫學圖像和體積圖像上出現的每個解剖對象執行分割； 從體積圖像提取具有在實時醫學圖像和體積圖像中分割的解剖對象之間的最大相似度的截面。
10.如權利要求1所述的方法，其中，提取截面圖像的操作包括: 獲取在探測器保持靜止的狀態下改變的實時醫學圖像；考慮在獲取的實時醫學圖像上出現的解剖特徵來提取截面圖像。
11.一種用於執行醫學圖像的配準的設備，包括: 坐標轉換裝置，被配置為將第一醫學設備所使用的虛擬坐標系和第二醫學設備所使用的虛擬坐標系彼此映射，並基於映射的結果，在第二醫學設備所使用的虛擬坐標系中檢測第一醫學設備的探測器的位置； 體積圖像確定裝置，被配置為從先前捕獲的3D醫學圖像確定與檢測到的位置相應的體積圖像； 圖像輸出裝置，被配置為從確定的體積圖像提取與第一醫學設備所捕獲的根據患者的物理運動而改變的實時醫學圖像相應的截面圖像。
12.如權利要求11所述的設備，其中，當探測器的掃描平面根據患者的物理運動在患者體內相對運動時，截面圖像被更新。
13.如權利要求11所述的設備，其中，體積圖像確定裝置根據在探測器保持靜止時患者的物理運動來估計探測器的掃描平面的相對運動範圍，並基於估計的運動範圍從3D醫學圖像確定體積圖像的大小。
14.如權利要求11所述 的設備，其中，體積圖像確定裝置通過使用檢測到的位置的坐標值，從3D醫學圖像選擇與探測器的掃描平面相應的截面，並從3D醫學圖像選擇參考截面和與參考截面鄰近的截面。
15.如權利要求14所述的設備，還包括:模型重建裝置，被配置為通過積累參考截面和與參考截面鄰近的截面來重建體積圖像。
16.如權利要求11所述的設備，還包括:2D圖像選擇裝置，被配置為產生實時醫學圖像的第一截面圖像，並基於在第一截面圖像中出現的解剖特徵，在形成3D醫學圖像的多個2D醫學圖像中選擇與第一截面圖像相應的2D醫學圖像， 其中，坐標轉換裝置基於選擇的2D醫學圖像和第一截面圖像，產生用於將第一醫學設備所使用的坐標系轉換為第二醫學設備所使用的坐標系的坐標轉換函數。
17.如權利要求11所述的設備，其中，當探測器運動時，坐標轉換裝置接收在第一醫學設備所使用的坐標系中運動的探測器的坐標值，並通過使用映射結果，將運動的探測器的坐標值轉換為第二醫學設備所使用的坐標系的坐標值。
18.如權利要求11所述的設備，其中，圖像輸出裝置基於在實時醫學圖像和確定的體積圖像上出現的解剖特徵之間的相似度，提取截面圖像。
19.如權利要求11所述的設備，還包括:圖像分割裝置，被配置為對在實時醫學圖像和體積圖像上出現的每個解剖對象執行分割， 其中，圖像輸出裝置從體積圖像提取具有在實時醫學圖像和體積圖像中分割的解剖對象之間的最大相似度的截面。
20.如權利要求11所述的設備，還包括:實時醫學圖像獲取裝置，被配置為獲取第一醫學設備所捕獲的實時醫學圖像。
21.一種醫學圖像配準系統，包括: 預治療醫學成像設備，被配置為產生患者的感興趣體積的一組預治療醫學圖像； 實時醫學成像設備，被配置為實時產生患者的感興趣體積的治療醫學圖像； 醫學圖像配準設備，被配置為執行該組預治療醫學圖像和治療醫學圖像之間的配準。
22.如權利要求21所述的醫學圖像配準系統，其中，預治療醫學圖像比治療醫學圖像具有更高的信噪比或更高的邊緣對比度中的至少一個。
23.如權利要求21所述的醫學圖像配準系統，其中，醫學圖像配準設備通過將該組預治療醫學圖像的虛擬坐標系和治療醫學圖像的虛擬坐標系彼此映射來執行配準。
24.如權利要求21所述的醫學圖像配準系統，其中，基於發射和接收超聲波的探測器實時地產生和更新 治療醫學圖像。
25.如權利要求24所述的醫學圖像配準系統，其中，醫學圖像配準設備考慮根據在探測器處於靜止狀態的狀態下患者的物理運動的實時醫學圖像的改變來執行配準。
26.如權利要求24所述的醫學圖像配準系統，其中，醫學圖像配準設備考慮根據探測器的物理運動的實時醫學圖像的改變來執行配準。
【文檔編號】A61B8/00GK104008540SQ201410054332
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月18日 優先權日:2013年2月21日
【發明者】金亭培, 黃英珪, 金道均, 方遠喆, 吳煐澤 申請人:三星電子株式會社