本發(fā)明關(guān)于一種導(dǎo)引定位系統(tǒng)，特別是關(guān)于一種在手術(shù)期間判定一手術(shù)部位中一探針的一位置的方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

腦瘤、帕金森癥、癲癇等常見(jiàn)腦部疾病不只大幅降低病患的生活質(zhì)量，更甚者還會(huì)直接危及病患生命。此類病患在經(jīng)過(guò)藥物或物理治療等保守性治療后，若無(wú)法改善癥狀，通常會(huì)以侵入性手術(shù)來(lái)進(jìn)行治療。在上述手術(shù)操作中，盡管外科醫(yī)生可參考腦部解剖結(jié)構(gòu)，但是操縱手術(shù)器具的空間仍有限。

目前，外科醫(yī)生進(jìn)行腦部手術(shù)前只能依賴術(shù)前資料。然而，手術(shù)操作期間，即使只是腦部位置稍微改變或立體定位系統(tǒng)操作不當(dāng)，都時(shí)常導(dǎo)致手術(shù)部位的位置數(shù)據(jù)不正確。

此外，根據(jù)術(shù)前數(shù)據(jù)預(yù)先規(guī)劃的路徑可能因?yàn)閹醉?xiàng)因素而改變，例如病患的位置移動(dòng)、病情改變或手術(shù)探針本身的插入。偏離術(shù)前規(guī)劃路徑經(jīng)常導(dǎo)致并發(fā)癥或死亡率提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一具體實(shí)施例公開(kāi)一種以復(fù)數(shù)個(gè)參考結(jié)構(gòu)判定一手術(shù)部位中一探針的一位置的方法。該方法包含：接收該探針進(jìn)入該手術(shù)部位前所產(chǎn)生的該手術(shù)部位的一三維圖像；以及接收該探針從該手術(shù)部位中一位置產(chǎn)生的一第一二維圖像。該三維圖像與一第一坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，而該第一二維圖像與一第二坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。該方法還包含：基于該第一二維圖像，取得該復(fù)數(shù)個(gè)參考結(jié)構(gòu)的配準(zhǔn)，進(jìn)而獲得一組容許的探針姿態(tài)參數(shù)；基于該組容許的探針姿態(tài)參數(shù)，從該三維圖像擷取一第二二維圖像；以及計(jì)算該第一二維圖像與所擷取的該第二二維圖像之間的相關(guān)性，進(jìn)而將該第二坐標(biāo)系統(tǒng)所表示的該探針的該位置映射至有關(guān)該三維圖像的該第一坐標(biāo)系統(tǒng)所表示的一位置。

本發(fā)明的一具體實(shí)施例公開(kāi)一種包含一組指令的機(jī)器可讀取介質(zhì)，當(dāng)該組指令由一運(yùn)算裝置執(zhí)行時(shí)，使該運(yùn)算裝置判定一手術(shù)部位中一探針的一位置。該方法包含：接收該探針進(jìn)入該手術(shù)部位前所產(chǎn)生的該手術(shù)部位的一三維圖像；以及接收該探針從該手術(shù)部位中一位置產(chǎn)生的一第一二維圖像。該三維圖像與一第一坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，而該第一二維圖像與一第二坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。該方法還包含：基于該第一二維圖像，取得該復(fù)數(shù)個(gè)參考結(jié)構(gòu)的配準(zhǔn)，進(jìn)而獲得一組容許的探針姿態(tài)參數(shù)；基于該組容許的探針姿態(tài)參數(shù)，從該三維圖像擷取一第二二維圖像；以及計(jì)算該第一二維圖像與所擷取的該第二二維圖像之間的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而將該第二坐標(biāo)系統(tǒng)所表示的該探針的該位置映射至有關(guān)該三維圖像的該第一坐標(biāo)系統(tǒng)所表示的一位置。

本發(fā)明的一具體實(shí)施例公開(kāi)一種以復(fù)數(shù)個(gè)參考結(jié)構(gòu)判定一手術(shù)部位中一探針的一位置的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一處理器、一第一對(duì)應(yīng)表、一第二對(duì)應(yīng)表以及一內(nèi)存。該內(nèi)存包含一組可執(zhí)行的指令，當(dāng)該組可執(zhí)行的指令由該處理器執(zhí)行時(shí)，使該處理器：根據(jù)手術(shù)操作期間該探針從該手術(shù)部位中一位置產(chǎn)生的一第一二維圖像以及手術(shù)操作前該手術(shù)部位的一三維圖像取得該復(fù)數(shù)個(gè)參考結(jié)構(gòu)的配準(zhǔn)，進(jìn)而獲得一組容許的探針姿態(tài)參數(shù)，其中該三維圖像與一第一坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，而該第一二維圖像與一第二坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)；基于該組容許的探針姿態(tài)參數(shù)，從該三維圖像擷取一第二二維圖像；利用該第一對(duì)應(yīng)表，從該第一二維圖像選出一第一組像素；利用該第一對(duì)應(yīng)表與該第二對(duì)應(yīng)表并基于該組容許的探針姿態(tài)參數(shù)的其中一參數(shù)，從所擷取的該第二二維圖像選出一第二組像素；以及計(jì)算該第一組像素與該第二組像素之間的相關(guān)性，進(jìn)而將該第二坐標(biāo)系統(tǒng)所表示的該探針的該位置映射至有關(guān)該三維圖像的該第一坐標(biāo)系統(tǒng)所表示的一位置。

上述發(fā)明內(nèi)容僅作為說(shuō)明之用而非用以限制本發(fā)明。除前述各方面、具體實(shí)施例與特征，本發(fā)明其他方面、具體實(shí)施例與特征依據(jù)以下詳細(xì)說(shuō)明以及參照附圖將更加清楚。

附圖說(shuō)明

圖1是一種手術(shù)導(dǎo)引定位系統(tǒng)的配置方塊圖。

圖2是一探針上一或多個(gè)傳感器的例示配置圖。

圖3是進(jìn)行手術(shù)操作前病患頭部的一例示三維圖像。

圖4是說(shuō)明從一體積圖像中擷取一二維圖像的簡(jiǎn)化方塊圖。

圖5是說(shuō)明在手術(shù)操作期間判定一探針位置的一例示程序的流程圖。

圖6是說(shuō)明用以取得參考結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)的一例示方法600的流程圖。

圖7顯示一例示顯示器上，數(shù)個(gè)超聲波圖像迭置于擷取自一CT體積圖像的一切片圖像上。

圖8顯示一例示顯示器上，經(jīng)濾波處理的數(shù)個(gè)超聲波圖像迭置于擷取自一經(jīng)處理的CT體積圖像的一切片圖像上。

圖9是以對(duì)應(yīng)表為基礎(chǔ)的一例示系統(tǒng)的方塊圖，該系統(tǒng)用以計(jì)算一多維相關(guān)面。

圖10是說(shuō)明用以實(shí)施一種判定手術(shù)部位中探針位置的方法的一計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的方塊圖，都根據(jù)本發(fā)明至少一些具體實(shí)施例配置。

具體實(shí)施方式

以下將參照說(shuō)明書(shū)附圖予以詳細(xì)說(shuō)明。除非文中另有說(shuō)明，否則附圖中類似符號(hào)通常代表類似組件。以下描述的具體實(shí)施例、附圖與權(quán)利要求作為說(shuō)明之用而非限制本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可使用其他具體實(shí)施例并做出其他更動(dòng)。應(yīng)了解，此處概述及圖示說(shuō)明的本發(fā)明各方面可配置、組合與設(shè)計(jì)成各種不同型態(tài)，該等型態(tài)仍屬本發(fā)明所保護(hù)的技術(shù)范疇。

本發(fā)明是特別針對(duì)在手術(shù)操作期間判定一手術(shù)部位中一探針位置的相關(guān)方法、裝置與系統(tǒng)。在本說(shuō)明書(shū)中，“三維圖像”與“體積圖像”可互換使用。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例的一種手術(shù)導(dǎo)引定位系統(tǒng)100的配置方塊圖。手術(shù)導(dǎo)引定位系統(tǒng)100主要包含一全局信息裝置102、一區(qū)域信息裝置104、一運(yùn)算裝置106、一監(jiān)控裝置110以及一操作裝置108。

全局信息裝置102可在手術(shù)操作開(kāi)始前搜集待手術(shù)部位(例如，腦部)的整體信息。在一些具體實(shí)施例中，可通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed Tomography，CT)、核磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)、表面掃描、X射線(X-ray)掃描、超聲波掃描等方式取得該整體信息。通過(guò)此待手術(shù)部位的整體信息(例如，腦部的顱內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)(Intracranial Anatomy)、目標(biāo)或病變的位置(Lesion Location)或是表面位置的目標(biāo)等)，外科醫(yī)生可在手術(shù)操作開(kāi)始前規(guī)劃一手術(shù)路徑。

區(qū)域信息裝置104的一具體實(shí)施例包含一探針112，探針112具有至少一傳感器114直接設(shè)置其上。

外科醫(yī)生也可通過(guò)操作裝置108控制探針112。操作裝置108的一具體實(shí)施例可包含一機(jī)械手臂116，外科醫(yī)生可通過(guò)機(jī)械手臂116來(lái)控制探針112。

手術(shù)操作期間，設(shè)置在探針112上的一或多個(gè)傳感器114是用以獲得探針112附近的區(qū)域數(shù)據(jù)。所搜集到的區(qū)域數(shù)據(jù)與全局信息裝置102獲得的全局?jǐn)?shù)據(jù)可由運(yùn)算裝置106處理。

在一具體實(shí)施例中，運(yùn)算裝置106能參照全局?jǐn)?shù)據(jù)判定探針112在手術(shù)部位中的位置數(shù)據(jù)。全局?jǐn)?shù)據(jù)是在手術(shù)操作開(kāi)始前獲得，而區(qū)域數(shù)據(jù)是在手術(shù)操作期間獲得。其他相關(guān)細(xì)節(jié)將于后續(xù)段落提供。

監(jiān)控裝置110的一具體實(shí)施例包含一顯示設(shè)備118以及一警示裝置120。顯示設(shè)備118能根據(jù)手術(shù)操作開(kāi)始前全局信息裝置102搜集到的前述整體信息顯示一3D圖像。手術(shù)操作期間，顯示設(shè)備118能根據(jù)運(yùn)算裝置106算出的位置數(shù)據(jù)顯示迭置于該3D圖像上的探針112實(shí)時(shí)位置。在此具體實(shí)施例中，外科醫(yī)生可得知探針112相對(duì)于該3D圖像的實(shí)時(shí)位置并對(duì)應(yīng)地調(diào)整手術(shù)操作。

當(dāng)血管或重要區(qū)域在附近、探針112位于目標(biāo)位置或危險(xiǎn)位置或探針112偏離預(yù)定的手術(shù)路徑時(shí)，警示裝置120的一具體實(shí)施例能向外科醫(yī)生傳送實(shí)時(shí)警示。

圖2是根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例的探針(如圖1的探針112)上一或多個(gè)傳感器的例示配置圖。探針112的一具體實(shí)施例可配置成一鞘體，一手術(shù)裝置202由該鞘體所包覆且可移動(dòng)于其中。手術(shù)裝置202的例子可包含但不限于切片檢查針(Biopsy Needle)、活組織切片檢查用鉗(Biopsy Forceps)、鉗(Clamp)、雷射光纖(Laser Fiber)、腦壓監(jiān)控導(dǎo)管(Brain Pressure Monitor Catheter)和其他裝置。

探針112包含一或多個(gè)傳感器204。傳感器204的一個(gè)例子為具有可變檢測(cè)范圍的超聲波換能器。在一具體實(shí)施例中，探針112可包含八個(gè)傳感器204，呈每圓周45度間隔設(shè)置于探針112周邊。每一傳感器204可用以在包含探針112的平面(如w軸)搜集并產(chǎn)生一二維(2D)圖像206。在一具體實(shí)施例中，探針112所搜集并產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與一坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)(如u，v，w，其中w軸對(duì)準(zhǔn)探針112的軸)。

在一具體實(shí)施例中，超聲波換能器用以將超聲波的脈沖發(fā)送到位于換能器的超聲波范圍內(nèi)的組織和/或解剖部位。超聲波碰到組織和/或解剖部位會(huì)反射彈回，不同類型的組織和/或解剖部位反射音波程度各異。反射波會(huì)被記錄并顯示為2D圖像206。由于與骨骼相關(guān)的信號(hào)強(qiáng)度一般而言比與腦部軟組織相關(guān)的信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)，因此為避免骨骼信號(hào)壓過(guò)組織信號(hào)，可調(diào)整超聲波范圍，使產(chǎn)生的超聲波圖像揭示更多腦部軟組織相關(guān)信息，腦部軟組織可包含手術(shù)操作中的目標(biāo)組織與其他重要組織。

圖3是進(jìn)行手術(shù)操作前病患頭部的一例示三維(3D)圖像300。為說(shuō)明的目的，假定3D圖像300為一CT圖像。手術(shù)前，外科醫(yī)生會(huì)指示提供3D圖像300，因此可以就相對(duì)于腦部其他組織或結(jié)構(gòu)的目標(biāo)區(qū)域位置進(jìn)行初次評(píng)估，并規(guī)劃手術(shù)路徑。3D圖像300包含數(shù)個(gè)體素，每個(gè)體素代表三D空間中一網(wǎng)格上的一數(shù)值。在此圖中，體素被顯示為具有一原點(diǎn)302的可辨識(shí)立方體。

在一具體實(shí)施例中，3D圖像300與一坐標(biāo)系統(tǒng)(如x，y，z)相關(guān)聯(lián)。舉例來(lái)說(shuō)，原點(diǎn)302坐標(biāo)為(0，0，0)時(shí)，便可獲得相同坐標(biāo)系統(tǒng)中3D圖像300(如X₁，Y₁，Z₁)的一體素304的坐標(biāo)。

為了決定圖1與圖2的探針112所擷取與產(chǎn)生、在一坐標(biāo)系統(tǒng)(如u，v，w)中的2D圖像數(shù)據(jù)放在圖3所示、在另一坐標(biāo)系統(tǒng)(如x，y，z)的3D圖像數(shù)據(jù)中何處較合適，一種方法是從該3D圖像數(shù)據(jù)中擷取一2D圖像，并將所擷取的2D圖像與探針112所產(chǎn)生的2D圖像作比較。圖4是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例的從一體積圖像中擷取一二維圖像的簡(jiǎn)化方塊圖。具有一原點(diǎn)402的一2D圖像400可對(duì)應(yīng)圖2的2D圖像206。具有一原點(diǎn)406的一體積圖像404可分別對(duì)應(yīng)圖3的3D圖像300與原點(diǎn)302。

如前所述，由于2D圖像400對(duì)應(yīng)圖1與圖2的探針112在手術(shù)操作期間在手術(shù)部位(如腦部)特定位置和方向所拍攝與產(chǎn)生的2D圖像，且體積圖像404對(duì)應(yīng)手術(shù)操作開(kāi)始前相同手術(shù)部位的3D圖像，因此探針112搜集并產(chǎn)生2D圖像400的位置和方向與標(biāo)識(shí)體積圖像404中用以擷取一2D圖像408的一適當(dāng)點(diǎn)有關(guān)。為簡(jiǎn)化的目的，假定原點(diǎn)402被判定為映射至體積圖像404中一原點(diǎn)410。在一具體實(shí)施例中，如圖4所示，2D圖像400的尺寸和/或光柵掃描順序可用來(lái)擷取2D圖像408。舉例來(lái)說(shuō)，體積圖像404中體素位置的定位方式使其對(duì)應(yīng)2D圖像400的光柵掃描。在其他具體實(shí)施例中，可通過(guò)內(nèi)插至體素所表示的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的中間點(diǎn)進(jìn)行更正，因?yàn)樗鶖X取的2D圖像408的像素一般而言不會(huì)完全對(duì)齊體積圖像404的體素。

利用所擷取的2D圖像408，可對(duì)2D圖像400與2D圖像408進(jìn)行比較來(lái)判定兩者間是否高度相關(guān)。若為高度相關(guān)，則2D圖像400與2D圖像408之間的映射足夠準(zhǔn)確的可信度較高。若映射足夠準(zhǔn)確，則進(jìn)行手術(shù)操作時(shí)，外科醫(yī)生能基于體積圖像404來(lái)評(píng)估探針112附近的數(shù)據(jù)，其可能是沿著預(yù)定的手術(shù)路徑的數(shù)據(jù)。因此，在手術(shù)操作期間，可預(yù)估組織平移、旋轉(zhuǎn)偏移以及剪力變形等手術(shù)部位的局部變形，并將之納入考慮。

盡管2D圖像400與所擷取的2D圖像408被顯示為類方形，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解這些圖像可為實(shí)際可行的任何形狀(如圖2所示的扇片)。

圖5是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例的在手術(shù)操作期間判定一探針位置的一例示方法500的流程圖。過(guò)程500可包含可以硬件、軟件和/或固件執(zhí)行的一或多個(gè)操作、功能或動(dòng)作，如方塊510、520、530、540、550和/或560所示。該等方塊并非用以限制所描述的具體實(shí)施例。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，本說(shuō)明書(shū)所公開(kāi)的方法及其他過(guò)程和方法，其中執(zhí)行的功能可依不同次序執(zhí)行。此外，列出的步驟與操作僅為例示，在不影響所公開(kāi)具體實(shí)施例要點(diǎn)的前提下，其中一些步驟與操作可視需要而選擇、合并成較少的步驟與操作或擴(kuò)增為額外的步驟與操作。盡管圖中方塊是依序說(shuō)明，但是這些方塊還可并行執(zhí)行和/或以不同于圖中順序的次序執(zhí)行。

方法500的進(jìn)行可始自方塊510：“接收手術(shù)操作前手術(shù)部位的三維圖像”。例如，手術(shù)操作前，可使用一些醫(yī)療圖像技術(shù)拍攝病患癥狀的相片，由此擬訂手術(shù)計(jì)劃。假定手術(shù)部位是病患腦部。外科醫(yī)生可指示對(duì)腦部進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描。結(jié)合圖1與圖2，運(yùn)算裝置106可從全局信息裝置102(如計(jì)算機(jī)斷層掃描儀)接收病患腦部3D體積圖像。除了腦部軟組織外，3D體積圖像還可包含表示參考結(jié)構(gòu)(例如但不限于病患的顱骨或連接至顱骨的基底板)的體素。

方塊510后接著是方塊520：“接收手術(shù)操作期間探針?biāo)a(chǎn)生的第一二維圖像”。手術(shù)操作開(kāi)始后，運(yùn)算裝置106可用以接收探針112所產(chǎn)生的一第一2D圖像。如上所述，在一具體實(shí)施例中，設(shè)置于探針112上的傳感器或超聲波換能器可用以從探針112在腦部的位置與方向拍攝并產(chǎn)生2D圖像。

方塊520后接著是方塊530：“取得參考結(jié)構(gòu)的配準(zhǔn)(registration)”。取得配準(zhǔn)廣義來(lái)說(shuō)是指確定一坐標(biāo)系統(tǒng)中一組坐標(biāo)至另一坐標(biāo)系統(tǒng)中另一組坐標(biāo)的一對(duì)一映射，使兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)相同解剖部位的數(shù)據(jù)彼此映射。參考結(jié)構(gòu)的例子包含但不限于骨骼與特定軟組織。取得這些參考結(jié)構(gòu)的配準(zhǔn)涉及迭代過(guò)程，其中根據(jù)探針112的不同組姿態(tài)參數(shù)(如x，y，z、俯仰、偏擺、翻滾)及不同搜尋參數(shù)(如超聲波范圍)進(jìn)行不同類型的搜尋。在一具體實(shí)施例中，配準(zhǔn)取得操作的一輸出項(xiàng)是3D體積圖像的坐標(biāo)系統(tǒng)中一或多組容許的姿態(tài)參數(shù)。換句話說(shuō)，取得參考結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)之后，3D體積圖像的坐標(biāo)系統(tǒng)中可映射至腦中探針112位置的該組可能坐標(biāo)變得更明確。此配準(zhǔn)取得過(guò)程的細(xì)節(jié)將于后續(xù)段落說(shuō)明。

方塊530后接著是方塊540：“基于一組容許的探針姿態(tài)參數(shù)，從三維圖像擷取第二二維圖像”。如前所述并參照?qǐng)D4，利用體積圖像的坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)，可擷取該第二2D圖像(如2D圖像408)。

方塊540后接著是方塊550：“計(jì)算第一與第二二維圖像之間的相關(guān)性”。兩個(gè)圖像間具有高相關(guān)性表示，為探針112選擇的姿態(tài)參數(shù)使兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)間產(chǎn)生相當(dāng)準(zhǔn)確的映射，而外科醫(yī)生可依賴所擷取的2D圖像評(píng)估手術(shù)。

方塊550后接著是方塊560：“與歷史相關(guān)性數(shù)據(jù)作比較以判定探針位置”。在一具體實(shí)施例中，保留先前算出的相關(guān)性分?jǐn)?shù)中最佳的相關(guān)性分?jǐn)?shù)及探針的相關(guān)姿態(tài)參數(shù)。若新算出的相關(guān)性分?jǐn)?shù)更高(即兩個(gè)圖像更高度相關(guān))，則保留新算出的相關(guān)性分?jǐn)?shù)及相關(guān)姿態(tài)參數(shù)。

在一具體實(shí)施例中，為確保能獲得算出的相關(guān)性分?jǐn)?shù)中最佳者，可使用每一組容許的探針姿態(tài)參數(shù)來(lái)獲得不同2D圖像，并計(jì)算不同的相關(guān)性分?jǐn)?shù)。再者，設(shè)置于探針112上的每一傳感器，從不同方向拍攝并產(chǎn)生一不同的2D圖像。將所有這些不同的2D圖像與其個(gè)別對(duì)應(yīng)的所擷取的2D圖像作比較，且相關(guān)性分?jǐn)?shù)可累計(jì)。此外，可施加一致性限制條件。一限制條件可允許探針持續(xù)沿著大體呈直線的路徑移動(dòng)。另一限制條件可允許探針繞著自身軸線旋轉(zhuǎn)。

圖6是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例的取得參考結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)的一例示方法600的流程圖。過(guò)程600可包含可以硬件、軟件及/或固件執(zhí)行的一或多個(gè)操作、功能或動(dòng)作，如方塊610、620、630和/或640所示。這些方塊并非用以限制所描述的具體實(shí)施例。舉例來(lái)說(shuō)，本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，就本說(shuō)明書(shū)所公開(kāi)的方法與其他過(guò)程和方法，其中執(zhí)行的功能可依不同次序執(zhí)行。此外，列出的步驟與操作僅為例示，在不影響所公開(kāi)具體實(shí)施例要點(diǎn)的前提下，其中一些步驟與操作可視需要而選擇、合并成較少的步驟與操作或擴(kuò)增為額外的步驟與操作。盡管圖中方塊是依序說(shuō)明，這些方塊還可并行執(zhí)行和/或以不同于圖中順序的次序執(zhí)行。

方法600的進(jìn)行可始自方塊610：“設(shè)定探針姿態(tài)參數(shù)和搜尋參數(shù)”。在一具體實(shí)施例中，可根據(jù)術(shù)前預(yù)先規(guī)劃和/或機(jī)械限制條件(如相對(duì)于連接至病患顱骨的基底板)設(shè)定初始探針姿態(tài)參數(shù)。一組初始搜尋參數(shù)可包含但不限于搜尋間隔、每一姿態(tài)參數(shù)的增量大小、超聲波范圍界限及其他。

方塊610后接著方塊620：“在第一二維圖像中搜尋參考結(jié)構(gòu)”。在一具體實(shí)施例中，初始超聲波范圍界限設(shè)定得較大，因此可在該第一2D圖像(探針?biāo)臄z/產(chǎn)生的2D圖像，如圖4的2D圖像400)中進(jìn)行更徹底地搜尋，進(jìn)而標(biāo)識(shí)參考結(jié)構(gòu)。

方塊620后接著方塊630：“判斷探針姿態(tài)參數(shù)是否使得能夠取得所標(biāo)識(shí)的參考結(jié)構(gòu)”。換句話說(shuō)，利用將探針姿態(tài)參數(shù)設(shè)為特定數(shù)值，將方法600迭代一次以判斷該第一2D圖像中所標(biāo)識(shí)出的參考結(jié)構(gòu)與該體積圖像中相應(yīng)的參考結(jié)構(gòu)是否一致。若一致，則保留使該(等)參考結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)的該組探針姿態(tài)參數(shù)。否則，可將探針姿態(tài)參數(shù)設(shè)成不同數(shù)值再執(zhí)行一次方塊630，以判斷是否一致。

假定在方塊630取得一參考結(jié)構(gòu)(如骨骼)的配準(zhǔn)。方塊630后可接著進(jìn)行方塊640：“修改搜尋參數(shù)”。在一具體實(shí)施例中，作為搜尋參數(shù)之一的超聲波范圍界限可縮小，使探針112附近的軟組織得以納入考慮。還可使用不同的超聲波范圍界限，從而測(cè)量與探針112相距的不同距離。

在一具體實(shí)施例中，圖1的運(yùn)算裝置106可用以執(zhí)行方法500與方法600。為獲得更有意義的結(jié)果，在執(zhí)行前述某些操作之前，運(yùn)算裝置106可用以處理該3D體積圖像、該第一2D圖像和/或所擷取的第二2D圖像。

在CT及超聲波圖像中，骨骼相關(guān)信號(hào)都比腦部軟組織相關(guān)信號(hào)的強(qiáng)度強(qiáng)。在一具體實(shí)施例中，運(yùn)算裝置106可利用骨骼與腦部軟組織之間的信號(hào)強(qiáng)度差異來(lái)區(qū)別該第一2D圖像和所擷取的第二2D圖像中表示顱骨的像素及表示腦部軟組織的像素。僅計(jì)算上述兩個(gè)2D圖像中表示腦部軟組織的像素間的相關(guān)性可使比較結(jié)果更有意義。

更具體來(lái)說(shuō)，在一具體實(shí)施例中，擷取自體積圖像的2D圖像中表示骨骼的像素可被指定一第一數(shù)值，上述所擷取的圖像中表示顱骨以外其他部份的像素可被指定一第二數(shù)值。如果一像素值更接近該第一數(shù)值而不是該第二數(shù)值，則很可能此像素所表示的部份接近顱骨但遠(yuǎn)離腦部軟組織。此外，可將一屏蔽應(yīng)用在所擷取的2D圖像以選取被指定的數(shù)值低于一閾值的像素，進(jìn)而抑制與顱骨相關(guān)的強(qiáng)信號(hào)。

在一具體實(shí)施例中，運(yùn)算裝置106可將一空間帶通濾波器，例如高斯拉普拉斯(Laplacian of Gaussian，LOG)卷積，應(yīng)用至該第一2D圖像，以在計(jì)算該第一2D圖像與所擷取的該第二2D圖像間的相關(guān)性之前抑制較細(xì)致與較粗糙的紋理(如圖5的方塊550)。經(jīng)濾波的2D圖像，其正負(fù)波動(dòng)的平均值大體為0。經(jīng)LOG濾波的圖像中，正負(fù)區(qū)域的邊界是在原始圖像中發(fā)生轉(zhuǎn)換的地點(diǎn)。此外，正負(fù)區(qū)域可在轉(zhuǎn)換區(qū)域之間置中且通常呈穩(wěn)定狀態(tài)。即使圖像拍攝/產(chǎn)生機(jī)制明顯不同，這些區(qū)域也可用來(lái)取得相同目標(biāo)的不同圖像間(例如超聲波圖像和CT體積圖像或超聲波圖像和MRI體積圖像)的配準(zhǔn)。

在一具體實(shí)施例中，LOG卷積運(yùn)算可應(yīng)用于所擷取的該第二2D圖像。或者，也可以在從該體積圖像中擷取該第二2D圖像之前，將LOG卷積運(yùn)算應(yīng)用于該體積圖像。從經(jīng)LOG處理的體積圖像中擷取的一二維圖像可能與經(jīng)LOG處理的所擷取的該第二2D圖像類似。

在一具體實(shí)施例中，韓森費(fèi)爾德單位(Hounsfield Units)重映射法可應(yīng)用于所擷取的該第二2D圖像。韓森費(fèi)爾德單位重映射法包含重映射韓森費(fèi)爾德單位至不同數(shù)值范圍，進(jìn)而增加組織阻抗。舉例來(lái)說(shuō)，為與大腦灰質(zhì)相關(guān)聯(lián)的韓森費(fèi)爾德單位范圍指定的數(shù)值范圍可大于與大腦白質(zhì)相關(guān)聯(lián)的韓森費(fèi)爾德單位范圍。

由于超聲波圖像通常會(huì)有明顯的斑點(diǎn)噪聲，在一具體實(shí)施例中，斑點(diǎn)噪聲在進(jìn)行后續(xù)處理之前就從超聲波圖像濾除。一例示濾波器在與超聲波圖像頻率成比例的徑向頻率處具有零振幅。在另一具體實(shí)施例中，濾波器為頻域?yàn)V波器。在另一具體實(shí)施例中，濾波器為徑向頻率坐標(biāo)的辛格(sinc)函數(shù)：

在另一具體實(shí)施例中，選擇刻度頻率f_s以在希望的徑向頻率處提供零振幅。

參照?qǐng)D5，由于探針位置在方塊560確定，在一具體實(shí)施例中，該第一2D圖像(如圖4的2D圖像400)與所擷取的該第二2D圖像(如所擷取的2D圖像408)可顯示于顯示設(shè)備118。圖7顯示根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例的一例示顯示器上，超聲波圖像710與720迭置在擷取自一CT體積圖像的一切片圖像700上。此處的超聲波圖像710與720是從探針在腦中的特定位置拍攝及產(chǎn)生，該位置對(duì)應(yīng)與該CT體積圖像相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)的一組坐標(biāo)(如坐標(biāo)(X₀，Y₀，Z₀))。根據(jù)坐標(biāo)(X₀，Y₀，Z₀)，從該CT體積圖像擷取切片圖像700。

切片圖像700顯示包覆在顱骨703(陰影較淺的區(qū)域)中的軟組織701(陰影較深的區(qū)域)、基底板705(垂直長(zhǎng)條)以及此切片圖像的探針軸707(穿過(guò)中央的白線)。區(qū)域725與730顯示，切片圖像700中表示顱骨703的像素所呈現(xiàn)的圖像與超聲波圖像710中表示顱骨703的像素所呈現(xiàn)的圖像大致相似。此大致相似表示，切片圖像700中表示顱骨703的像素與超聲波圖像710中表示顱骨703的像素對(duì)應(yīng)顱骨703的相同部位。由于顱骨解剖結(jié)構(gòu)吻合，可確定相對(duì)于顱骨703的坐標(biāo)(X₀，Y₀，Z₀)的位置。

圖8顯示根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例的一例示顯示器上，經(jīng)濾波的超聲波圖像810與820迭置在擷取自一經(jīng)處理的CT體積圖像的一切片圖像800上。盡管經(jīng)濾波的超聲波圖像810與820是從圖7的相同坐標(biāo)(X₀，Y₀，Z₀)拍攝，但是經(jīng)濾波的超聲波圖像810與820的范圍比超聲波圖像710與720的范圍更有限，因此超聲波圖像810與820未包含顱骨且不具有圖7顯示的區(qū)域725與730。同時(shí)，在此圖標(biāo)中，通過(guò)遮蔽骨骼邊界，CT體積圖像的體素值已變更，以強(qiáng)調(diào)腦部軟組織。因此，切片圖像800僅包含表示腦部軟組織的像素，未包含任何表示顱骨的像素。切片圖像800中表示腦部軟組織的像素可與超聲波圖像810與820中表示腦部軟組織的像素作比較。同時(shí)，可計(jì)算切片圖像800中表示腦部軟組織的像素所呈現(xiàn)的圖像及超聲波圖像810與820中表示腦部軟組織的像素所呈現(xiàn)的圖像之間的相關(guān)性。假定切片圖像800及超聲波圖像810與820高度相關(guān)，切片圖像800及超聲波圖像810與820間的差異會(huì)對(duì)應(yīng)腦部軟組織的移動(dòng)。利用此判定的高可信度，外科醫(yī)生能在手術(shù)操作中判斷目標(biāo)組織或其他重要組織是否移動(dòng)，而在手術(shù)操作期間采取適當(dāng)行動(dòng)。

圖9是根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例的以對(duì)應(yīng)表為基礎(chǔ)的一例示系統(tǒng)900的方塊圖，系統(tǒng)900用以計(jì)算一多維相關(guān)面。

數(shù)值N為相關(guān)像素的總數(shù)。N一般而言小于超聲波圖像中的像素?cái)?shù)量。這是因?yàn)槌龀暡ㄌ结樤O(shè)定范圍的像素皆不使用，同樣地還忽略比預(yù)定范圍近的像素。

US屏蔽對(duì)照表包含用于比對(duì)相關(guān)性的像素的內(nèi)存地址(自超聲波圖像的起始處偏移)的長(zhǎng)度N的列表。此列表依循一光柵掃描順序。此偏移輸出還饋入用于選擇體積圖像中相關(guān)體素地址的扇形偏移表。

扇形偏移表為k＝k₁*k₂*k₃個(gè)扇片偏移表的集合，其中：

k₁為翻滾方向數(shù)量(對(duì)于半度分辨率，一般為720)

k₂為相對(duì)于垂直頭骨板的標(biāo)稱探針?lè)较虻钠珨[方向數(shù)量(對(duì)于半度分辨率±10度的范圍，一般為40)。

k₃為相對(duì)于垂直頭骨板的標(biāo)稱探針?lè)较虻母┭龇较驍?shù)量(對(duì)于半度分辨率±10度的范圍，一般為40)。

k個(gè)扇片表中的每一個(gè)具有偏移地址列表，該列表以光柵圖樣掃描過(guò)3D圖像體積的一個(gè)扇片平面。此光柵掃描與超聲波圖像具有相同維度。因此，在操作過(guò)程中，“扇形選擇”方框和“探針軸偏擺、俯仰與翻滾”方框提供輸入項(xiàng)至“扇形偏移表”方框以選擇k個(gè)扇片偏移表的其中一個(gè)。所選擇的表接收來(lái)自US屏蔽對(duì)照表的輸入項(xiàng)，并為3D體積圖像輸出一偏移地址。

此偏移地址與來(lái)自“探針軸xyz位置索引偏移”方框的一固定偏移地址加總此固定偏移對(duì)圖像體積中的扇片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。接著，加法器的輸出被饋入體積圖像內(nèi)存，其中一數(shù)值被存取并輸出至相關(guān)性乘法器

相關(guān)性乘法器接收來(lái)自超聲波圖像與體積圖像的像素值，將這些數(shù)值相乘并將結(jié)果饋入一累加器。

左上方的步驟中，計(jì)數(shù)器模塊計(jì)數(shù)0至N-1，使整個(gè)過(guò)程重復(fù)N次。計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，最右邊的累加器會(huì)包含扇形索引、翻滾、俯仰、偏擺、x，y，z等六個(gè)輸入?yún)?shù)的相關(guān)性總和。通過(guò)遞增扇形選擇緩存器范圍來(lái)計(jì)算全部八個(gè)扇片的綜合相關(guān)性。

通過(guò)改變這六個(gè)參數(shù)以搜尋最佳相關(guān)性，此機(jī)制可用于找到圖像體積中使先前記錄的體積圖像與實(shí)時(shí)超聲波圖像間最一致的探針姿態(tài)。

根據(jù)需要，系統(tǒng)900可包含一骨罩體積圖像，使骨骼區(qū)域排除在相關(guān)性計(jì)算之外。在一具體實(shí)施例中，骨罩體積圖像包含指出CT/MRI LOG體積中對(duì)應(yīng)體素是否為軟組織或骨骼的體素。此骨罩體積與LOG體積并行存取，以判斷是否允許將所存取的LOG體素提供至相關(guān)性總和。在一具體實(shí)施例中，利用適當(dāng)?shù)脑煊凹夹g(shù)標(biāo)識(shí)骨骼體素，從原CT/MRI體積圖像取得屏蔽體積圖像。這些體素值設(shè)為1.0而非骨骼體素設(shè)為0.0。接著，將一濾波器裝置應(yīng)用至以一和零標(biāo)記的體積，因此骨骼附近標(biāo)記為軟組織的位置獲得大于零小于一的數(shù)值。此外，越靠近骨骼的位置獲得的數(shù)值越接近一。因此可使用一閾值來(lái)選擇離最近的骨骼體素至少一特定距離的體素。

圖10是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例的用以實(shí)施一種判定手術(shù)部位中探針位置的方法的一計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品1000的方塊圖。計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品1000可包含一信號(hào)承載介質(zhì)1002。信號(hào)承載介質(zhì)1002可包含一或多組儲(chǔ)存其上的可執(zhí)行指令1004，當(dāng)這些指令由例如圖1的運(yùn)算裝置106執(zhí)行時(shí)，可提供上述特征與操作。

在一些實(shí)施方式中，信號(hào)承載介質(zhì)1002可包含一非瞬時(shí)計(jì)算機(jī)可讀取介質(zhì)1008，例如但不限于硬盤、光盤(CD)、數(shù)字光盤(DVD)、數(shù)字磁帶、內(nèi)存等。在一些實(shí)施方式中，信號(hào)承載介質(zhì)1002可包含一可記錄介質(zhì)1010，例如但不限于內(nèi)存、讀/寫(xiě)(R/W)CDs、R/W DVDs等。在一些實(shí)施方式中，信號(hào)承載介質(zhì)1002可包含一通信介質(zhì)1006，例如但不限于數(shù)字和/或模擬通信介質(zhì)(如光纖電纜、波導(dǎo)、有線通信線路、無(wú)線通信線路等)。

上文已通過(guò)方塊圖、流程圖和/或示例詳細(xì)說(shuō)明裝置及/或過(guò)程的各具體實(shí)施例。在這些方塊圖、流程圖和/或示例范圍內(nèi)包含一或多個(gè)功能和/或操作，發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員明白這些方塊圖、流程圖或示例范圍內(nèi)的每一功能和/或操作可由種類甚多的硬件、軟件、固件或其任何組合單獨(dú)和/或共同地執(zhí)行。在一些具體實(shí)施例中，本發(fā)明目標(biāo)的幾個(gè)部份可通過(guò)專用集成電路(ASICs)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGAs)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSPs)或其他整合格式實(shí)施。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員了解，本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)的具體實(shí)施例的某些方面的全部或部份同樣可在集成電路中執(zhí)行，如一或多個(gè)計(jì)算機(jī)程序在一或多個(gè)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行(例如一或多個(gè)程序在一或多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上執(zhí)行)、如一或多個(gè)程序在一或多個(gè)處理器上執(zhí)行(例如一或多個(gè)程序在一或多個(gè)微處理器上執(zhí)行)、如固件或如其任何組合，而依本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容來(lái)設(shè)計(jì)電路和/或?yàn)檐浖?或固件寫(xiě)程序代碼屬發(fā)明所屬領(lǐng)域技藝。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，本發(fā)明目標(biāo)的機(jī)制能作為不同形式的程序產(chǎn)品而散布，并且不論實(shí)際執(zhí)行散布的特定類型信號(hào)承載介質(zhì)為何，本發(fā)明目標(biāo)的例示具體實(shí)施例均適用。信號(hào)承載介質(zhì)的示例包含但不限于下列項(xiàng)目：磁盤、硬盤、光盤(CD)、數(shù)字光盤(DVD)、數(shù)字磁帶、計(jì)算機(jī)內(nèi)存等可記錄型介質(zhì)；以及傳輸型介質(zhì)，例如數(shù)字及/或模擬通信介質(zhì)(例如光纖電纜、波導(dǎo)、有線通信線路、無(wú)線通信線路等)。

應(yīng)明白本發(fā)明各具體實(shí)施例作為說(shuō)明之用，在不脫離本發(fā)明范圍與精神下可進(jìn)行各種改變。因此，本說(shuō)明書(shū)所描述的各具體實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明，本發(fā)明的真實(shí)范圍與精神揭示于所附權(quán)利要求中。