CN105411679A - 一种穿刺规划路径纠正方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种穿刺规划路径纠正方法及装置，其中，方法包括：根据初始规划路径，在穿刺区域表皮上确定初始入口点，并将初始入口点设置为标记点；对穿刺区域先后进行两次CT扫描，获得初始CT图像和第二CT图像；在初始CT图像上标出初始规划路径；在第二CT图像中获取标记点的位置信息；将初始CT图像和第二CT图像进行配准；并根据标记点的位置信息，确定标记点在配准之后的初始CT图像中的位置；获得标记点到初始规划路径的距离向量；利用标记点到初始规划路径的距离向量，对初始规划路径做平移变换，变换后的路径与穿刺区域表皮的交点定为实际入口点，根据实际入口点，按照初始规划路径的长度确定靶点，获得纠正后的穿刺规划路径。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学图像技术领域，特别涉及一种穿刺规划路径纠正方法及装置。
背景技术
衡量穿刺导航系统精度的一个主要指标是穿刺完成后肿瘤质心到穿刺针尖的距离即tippositionerror(TPE)，且TPE可分解成两部分，如图1所示。沿着穿刺针体方向的分量为TPE径向分量，垂直于穿刺针体方向的分量为TPE横向分量。其中，TPE横向分量最为重要，若横向分量过大则必须重新穿刺以纠正此偏移，否则只需要调整穿刺针的插入深度来抵消TPE径向分量的误差。导航误差TPE的计算往往需要在穿刺完成后通过扫术后CT并在CT图像中定位肿瘤的位置及针尖位置，计算两者之间的距离确定TPE的大小及其横向、径向分量。若导航误差较大，特别是TPE横向分量较大时，首次穿刺之后才能发现穿刺失败，之后必须再做第二次穿刺以纠正导航偏差。多次穿刺必然会提高并发症发生的几率，且医生靠经验做导航偏差纠正会引入较大的手动误差，不能彻底的消除导航偏差。故而在导航误差较大的情况下，需要一种能够在穿刺前量化导航误差，并可做自动误差纠正的方法，用于提高穿刺导航精度，降低导航误差特别是TPE横向分量误差。
目前，穿刺导航误差纠正仍是一个较为新颖的研究课题，传统误差纠正大多是在穿刺完成后，医生根据术后CT图像，肉眼观察穿刺效果并粗约估计穿刺偏差，然后靠经验做纠正并进行第二次穿刺。最近，Toporek等人将导航误差进行了量化并直观展示给医生做参考，其中包括TPE的横向与径向分量，但是在初次穿刺后根据术后CT图像中肿瘤和针尖位置做导航误差量化，仍未避免初次穿刺，且也未根据导航误差对规划路径做纠正来指导医生做二次穿刺。
综上所述，现对穿刺导航误差纠正的研究大都停留在导航误差量化上，并未对误差纠正提出实质性的解决方案，且主要是在穿刺后发现导航误差较大时，医生根据经验对导航偏差做纠正并做二次穿刺。
发明内容
针对介入手术导航，导航误差在穿刺之前无法预知，只能在首次穿刺后，医生根据术后CT估算误差并靠经验纠正导航偏差，进而做第二次穿刺。为解决这一技术问题，本发明提出一种穿刺规划路径纠正方法及装置，无须穿刺即可对导航误差做预知量化，且根据此导航偏差对规划路径做纠正，最终按照纠正后的规划路径做穿刺可大幅度提高导航精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种穿刺规划路径纠正方法，包括：
根据初始规划路径，在穿刺区域表皮上确定初始入口点，并将所述初始入口点设置为标记点；
对穿刺区域先后进行两次CT扫描，获得初始CT图像和第二CT图像；
在所述初始CT图像上标出初始规划路径；在所述第二CT图像中获取所述标记点的位置信息；
将所述初始CT图像和所述第二CT图像进行配准；并根据所述标记点的位置信息，确定所述标记点在配准之后的初始CT图像中的位置；
获得所述标记点到所述初始规划路径的距离向量；
在配准之后的初始CT图像中，利用所述标记点到所述初始规划路径的距离向量，对所述初始规划路径做平移变换，变换后的路径与穿刺区域表皮的交点定为实际入口点，根据所述实际入口点，按照所述初始规划路径的长度确定靶点，获得纠正后的穿刺规划路径。
优选地，所述配准的步骤包括：
分别在两幅CT图像中的标记点附近区域确定多个解剖结构标志点；
将所述初始CT图像的解剖结构标志点对应的与所述第二CT图像的解剖结构标志点做刚体匹配。
优选地，所述距离向量的大小与导航误差的横向分量的大小相等。
为实现上述目的，本发明还提供了一种穿刺规划路径纠正装置，包括：
标记点确定单元，用于根据初始规划路径，在穿刺区域表皮上确定初始入口点，并将所述初始入口点设置为标记点；
CT扫描单元，用于对穿刺区域先后进行两次CT扫描，获得初始CT图像和第二CT图像；
初始化单元，用于在所述初始CT图像上标出初始规划路径；在所述第二CT图像中获取所述标记点的位置信息；
配准单元，用于将所述初始CT图像和所述第二CT图像进行配准，并根据所述标记点的位置信息，确定所述标记点在配准之后的初始CT图像中的位置；
平移向量获取单元，用于获得所述标记点到所述初始规划路径的距离向量；
纠正单元，用于在配准之后的初始CT图像中，利用所述标记点到所述初始规划路径的距离向量，对所述初始规划路径做平移变换，变换后的路径与穿刺区域表皮的交点定为实际入口点，根据所述实际入口点，按照所述初始规划路径的长度确定靶点，获得纠正后的穿刺规划路径。
优选地，所述配准单元包括：
解剖结构标志点确定模块，用于分别在两幅CT图像中的标记点附近区域确定多个解剖结构标志点；
刚体匹配模块，用于将所述初始CT图像的解剖结构标志点对应的与所述第二CT图像的解剖结构标志点做刚体匹配。
优选地，所述平移向量获取单元获得的距离向量的大小与导航误差的横向分量的大小相等。
上述技术方案具有如下有益效果：本技术方案无须穿刺即可量化导航误差，且根据导航误差纠正初始规划路径，相对医生靠经验做导航偏移纠正更加精确直观。同时，本技术方案简单、通用，可适用于各种不同种类的穿刺导航系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为穿刺导航误差TPE分解示意图；
图2为本发明提出的一种穿刺规划路径纠正方法流程图；
图3为TPE横向分量误差量化说明示意图；
图4为本发明提供的一种穿刺规划路径纠正装置框图；
图5为穿刺规划路径纠正流程示意图；
图6为穿刺规划路径纠正装置中配准单元的功能框图；
图7a为本实施例初始规划路线示意图；
图7b为本实施例按照初始规划路线穿刺的结果示意图；
图7c为本实施例纠正后的路线示意图；
图7d为本实施例按照纠正后的路线穿刺的结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术方案的工作原理：目前对穿刺导航误差纠正的研究大都停留在导航误差量化上，并未对误差纠正提出实质性的解决方案，且主要是在穿刺后发现导航误差较大时，医生根据经验对导航偏差做纠正并做二次穿刺。针对现存的问题，本技术方案解决了穿刺前做导航误差量化的问题，根据量化后的误差实现对规划路径的纠正，这样在穿刺之前即可纠正导航误差，使得根据修正后的规划路径精确指导医生穿刺。
本技术方案是一种规划路径自动纠正方法，用于提高穿刺导航精度。在导航穿刺前按照初始规划路径找到入口点位置，并在病人身上贴上标记点，然后做二次CT扫描，之后提取标记点的位置并将其变换到初始CT图像中，在初始CT图像中计算标记点到初始规划路径的距离向量，然后利用该向量对初始规划路径做平移，根据平移后的路径及病人CT表面数据搜索新的穿刺路径入口点及终点，最终利用新的规划路径指导医生穿刺。
基于上述工作原理，本发明提出一种穿刺规划路径纠正方法，如图2所示。包括：
步骤201)：根据初始规划路径，在穿刺区域表皮上确定初始入口点，并将所述初始入口点设置为标记点；
步骤202)：对穿刺区域先后进行两次CT扫描，获得初始CT图像和第二CT图像；
步骤203)：在所述初始CT图像上标出初始规划路径；在所述第二CT图像中获取所述标记点的位置信息；
在步骤201、步骤202、步骤203中，在穿刺导航开始之前，根据初始规划路径在病人身上找到入口点，并在此处粘贴标记点，然后对病人做第二次CT扫描，最后从第二CT图像中手动提取标记点的位置信息。
步骤204)：将所述初始CT图像和所述第二CT图像进行配准；并根据所述标记点的位置信息，确定所述标记点在配准之后的初始CT图像中的位置；
步骤205)：获得所述标记点到所述初始规划路径的距离向量；
在步骤204、步骤205中，首先，做初始CT图像和第二CT图像之间配准，然后，将第二CT图像中的标记点变换到初始CT图像中。这里CT图像配准是通过使用标志点做刚体配准实现的，即分别在两幅图像中的标记点附近区域选择多组对应的解剖结构标志点做刚体匹配。
刚体配准或刚体匹配指的是利用刚体变换做两幅图像之间的配准，本发明利用刚体变换将第二CT图像变换到初始CT图像空间中，变换后的第二CT图像中各个像素点之间的相对距离在初始CT图像中没有发生改变，即第二CT图像经过变换后整体拓扑结构没有发生改变。
之后在初始CT图像中计算标记点到初始规划路径的距离向量，即为消除导航误差的平移向量。如图3所示，为TPE横向分量误差量化说明示意图。该平移向量的大小等于导航误差TPE的横向分量的大小，且对初始路径施加此平移向量后可有效减小TPE的横向分量误差，从而大大提高导航精度。
步骤206)：在配准之后的初始CT图像中，利用所述标记点到所述初始规划路径的距离向量，对所述初始规划路径做平移变换，变换后的路径与穿刺区域表皮的交点定为实际入口点，根据所述实际入口点，按照所述初始规划路径的长度确定靶点，获得纠正后的穿刺规划路径。
在步骤206中，对导航误差(TPE横向误差)量化后，利用得到的平移向量对初始规划路径做平移变换，根据变换后的路径在穿刺区域表皮上搜索新的入口点，该点为平移后的路径入口点，一旦确定该入口点，即可按照初始规划路径的长度确定新路径的靶点，最终得到纠正后的穿刺规划路径。
对应地，基于上述工作原理，本发明还提供了一种穿刺规划路径纠正装置，如图4所示。根据图5描述穿刺规划路径纠正装置的各功能模块的功能。该穿刺规划路径纠正装置包括：
标记点确定单元401，用于根据初始规划路径，在穿刺区域表皮上确定初始入口点，并将所述初始入口点设置为标记点；
CT扫描单元402，用于对穿刺区域先后进行两次CT扫描，获得初始CT图像和第二CT图像；
初始化单元403，用于在所述初始CT图像上标出初始规划路径；在所述第二CT图像中获取所述标记点的位置信息；
配准单元404，用于将所述初始CT图像和所述第二CT图像进行配准，并根据所述标记点的位置信息，确定所述标记点在配准之后的初始CT图像中的位置；
平移向量获取单元405，用于获得所述标记点到所述初始规划路径的距离向量；
纠正单元406，用于在配准之后的初始CT图像中，利用所述标记点到所述初始规划路径的距离向量，对所述初始规划路径做平移变换，变换后的路径与穿刺区域表皮的交点定为实际入口点，根据所述实际入口点，按照所述初始规划路径的长度确定靶点，获得纠正后的穿刺规划路径。
其中，如图6所示，为穿刺规划路径纠正装置重配准单元的功能框图。所述配准单元404包括：
解剖结构标志点确定模块4041，用于分别在两幅CT图像中的标记点附近区域确定多个解剖结构标志点；
刚体匹配模块4042，用于将所述初始CT图像的解剖结构标志点对应的与所述第二CT图像的解剖结构标志点做刚体匹配。
采用上述技术方案，通过体模穿刺实验进行验证。如图7a～图7d所示。在图7a中，深色线条为初始规划路径。图7b展示了按照图7a显示的初始规划路径进行穿刺的结果。在图7b中，黑色小球为肿瘤靶点。在图7c中，深色线条为初始规划路径，浅色线条为纠正后的路径。图7d展示了按照纠正后的路径进行穿刺的结果。实验表明在原有穿刺导航系统基础上，引入本方案做规划路径自动纠正可有效的提高穿刺导航精度。并且，再前期，无需进行穿刺尝试。给病人不会带来额外的创伤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种穿刺规划路径纠正方法，其特征在于，包括：
根据初始规划路径，在穿刺区域表皮上确定初始入口点，并将所述初始入口点设置为标记点；
对穿刺区域先后进行两次CT扫描，获得初始CT图像和第二CT图像；
在所述初始CT图像上标出初始规划路径；在所述第二CT图像中获取所述标记点的位置信息；
将所述初始CT图像和所述第二CT图像进行配准；并根据所述标记点的位置信息，确定所述标记点在配准之后的初始CT图像中的位置；
获得所述标记点到所述初始规划路径的距离向量；
在配准之后的初始CT图像中，利用所述标记点到所述初始规划路径的距离向量，对所述初始规划路径做平移变换，变换后的路径与穿刺区域表皮的交点定为实际入口点，根据所述实际入口点，按照所述初始规划路径的长度确定靶点，获得纠正后的穿刺规划路径。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述配准的步骤包括：
分别在两幅CT图像中的标记点附近区域确定多个解剖结构标志点；
将所述初始CT图像的解剖结构标志点对应的与所述第二CT图像的解剖结构标志点做刚体匹配。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述距离向量的大小与导航误差的横向分量的大小相等。
4.一种穿刺规划路径纠正装置，其特征在于，包括：
标记点确定单元，用于根据初始规划路径，在穿刺区域表皮上确定初始入口点，并将所述初始入口点设置为标记点；
CT扫描单元，用于对穿刺区域先后进行两次CT扫描，获得初始CT图像和第二CT图像；
初始化单元，用于在所述初始CT图像上标出初始规划路径；在所述第二CT图像中获取所述标记点的位置信息；
配准单元，用于将所述初始CT图像和所述第二CT图像进行配准，并根据所述标记点的位置信息，确定所述标记点在配准之后的初始CT图像中的位置；
平移向量获取单元，用于获得所述标记点到所述初始规划路径的距离向量；
纠正单元，用于在配准之后的初始CT图像中，利用所述标记点到所述初始规划路径的距离向量，对所述初始规划路径做平移变换，变换后的路径与穿刺区域表皮的交点定为实际入口点，根据所述实际入口点，按照所述初始规划路径的长度确定靶点，获得纠正后的穿刺规划路径。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述配准单元包括：
解剖结构标志点确定模块，用于分别在两幅CT图像中的标记点附近区域确定多个解剖结构标志点；
刚体匹配模块，用于将所述初始CT图像的解剖结构标志点对应的与所述第二CT图像的解剖结构标志点做刚体匹配。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述平移向量获取单元获得的距离向量的大小与导航误差的横向分量的大小相等。
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