TWI605795B - 判定手術部位中探針位置之方法與系統 - Google Patents

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TWI605795B TW104126834A TW104126834A TWI605795B TW I605795 B TWI605795 B TW I605795B TW 104126834 A TW104126834 A TW 104126834A TW 104126834 A TW104126834 A TW 104126834A TW I605795 B TWI605795 B TW I605795B
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Description

判定手術部位中探針位置之方法與系統
本發明係關於一種導引定位系統，特別是關於一種在手術期間判定一手術部位中一探針之一位置之方法與系統。
腦瘤、帕金森氏症、癲癇等常見腦部疾病不只大幅降低病患的生活品質，更甚者亦會直接危及病患生命。此類病患在經過藥物或物理治療等保守性治療後，若無法改善症狀，通常會以侵入性手術來進行治療。在上述手術操作中，儘管外科醫生可參考腦部解剖結構，操縱手術器具的空間仍有限。
目前，外科醫生進行腦部手術前只能仰賴術前資料。然而，手術操作期間，即使只是腦部位置稍微改變或立體定位系統操作不當，都時常導致手術部位的位置資料不正確。
此外，根據術前資料預先規劃的路徑可能因為幾項因素而改變，例如病患的位置移動、病情改變或手術探針本身的***。偏離術前規劃路徑經常導致併發症或死亡率提高。
本發明之一具體實施例揭露一種以複數個參考結構判定一 手術部位中一探針之一位置之方法。該方法包含：接收該探針進入該手術部位前所產生的該手術部位之一三維影像；以及接收該探針從該手術部位中一位置產生的一第一二維影像。該三維影像係與一第一座標系統相關聯，而該第一二維影像係與一第二座標系統相關聯。該方法亦包含：基於該第一二維影像，取得該複數個參考結構之定位，進而獲得一組容許的探針姿態參數；基於該組容許的探針姿態參數，從該三維影像擷取一第二二維影像；以及計算該第一二維影像與所擷取的該第二二維影像之間的相關性，進而將該第二座標系統所表示的該探針之該位置映射至有關該三維影像之該第一座標系統所表示的一位置。
本發明之一具體實施例揭露一種包含一組指令之機器可讀取媒體，當該組指令由一運算裝置執行時，使該運算裝置判定一手術部位中一探針之一位置。該方法包含：接收該探針進入該手術部位前所產生的該手術部位之一三維影像；以及接收該探針從該手術部位中一位置產生的一第一二維影像。該三維影像係與一第一座標系統相關聯，而該第一二維影像係與一第二座標系統相關聯。該方法亦包含：基於該第一二維影像，取得該複數個參考結構之定位，進而獲得一組容許的探針姿態參數；基於該組容許的探針姿態參數，從該三維影像擷取一第二二維影像；以及計算該第一二維影像與所擷取的該第二二維影像之間的相關係數，進而將該第二座標系統所表示的該探針之該位置映射至有關該三維影像之該第一座標系統所表示的一位置。
本發明之一具體實施例揭露一種以複數個參考結構判定一 手術部位中一探針之一位置之系統。該系統包含一處理器、一第一對應表、一第二對應表以及一記憶體。該記憶體包含一組可執行的指令，當該組可執行的指令由該處理器執行時，使該處理器：根據手術操作期間該探針從該手術部位中一位置產生的一第一二維影像以及手術操作前該手術部位的一三維影像取得該複數個參考結構之定位，進而獲得一組容許的探針姿態參數，其中該三維影像係與一第一座標系統相關聯，而該第一二維影像係與一第二座標系統相關聯；基於該組容許的探針姿態參數，從該三維影像擷取一第二二維影像；利用該第一對應表，從該第一二維影像選出一第一組像素；利用該第一對應表與該第二對應表並基於該組容許的探針姿態參數其中一者，從所擷取的該第二二維影像選出一第二組像素；以及計算該第一組像素與該第二組像素之間的相關性，進而將該第二座標系統所表示的該探針之該位置映射至有關該三維影像之該第一座標系統所表示的一位置。
上述發明內容僅作為說明之用而非用以限制本發明。除前述各方面、具體實施例與特徵，本發明其他方面、具體實施例與特徵依據以下詳細說明以及參照附隨的圖式將更趨於明瞭。
100‧‧‧手術導引定位系統
102‧‧‧全域資訊裝置
104‧‧‧區域資訊裝置
106‧‧‧運算裝置
108‧‧‧操作裝置
110‧‧‧監控裝置
112‧‧‧探針
114‧‧‧感測器
116‧‧‧機械手臂
118‧‧‧顯示裝置
120‧‧‧警示裝置
202‧‧‧手術裝置
204‧‧‧感測器
206‧‧‧二維影像
300‧‧‧三維影像
302‧‧‧起始點
304‧‧‧體素
400‧‧‧二維影像
402‧‧‧起始點
404‧‧‧體積影像
406‧‧‧起始點
408‧‧‧二維影像
410‧‧‧起始點
700‧‧‧切片影響
701‧‧‧軟組織
703‧‧‧顱骨
705‧‧‧基底板
707‧‧‧探針軸
710‧‧‧超音波影像
725‧‧‧區域
730‧‧‧區域
800‧‧‧切片影像
810‧‧‧超音波影像
820‧‧‧超音波影像
900‧‧‧系統
1000‧‧‧電腦程式產品
1002‧‧‧訊號承載媒體
1004‧‧‧指令
1006‧‧‧通訊媒體
1008‧‧‧電腦可讀取媒體
1010‧‧‧可記錄媒體
第一圖為一種手術導引定位系統的配置方塊圖。
第二圖為一探針上一或多個感測器的例示配置圖。
第三圖為進行手術操作前病患頭部的一例示三維影像。
第四圖為說明從一體積影像中擷取一二維影像的簡化方塊 圖。
第五圖為說明在手術操作期間判定一探針位置之一例示程序的流程圖。
第六圖為說明用以取得參考結構定位之一例示方法600的流程圖。
第七圖顯示一例示顯示器上，數個超音波影像疊置於擷取自一CT體積影像的一切片影像上。
第八圖顯示一例示顯示器上，經濾波處理的數個超音波影像疊置於擷取自一經處理的CT體積影像的一切片影像上。
第九圖為以對應表為基礎之一例示系統的方塊圖，該系統係用以計算一多維相關面。
第十圖為說明用以實施一種判定手術部位中探針位置之方法之一電腦程式產品的方塊圖，皆根據本發明至少一些具體實施例配置。
以下將參照說明書所附圖式予以詳細說明。除非文中另有說明，否則圖式中類似符號通常代表類似元件。以下描述之具體實施例、圖式與申請專利範圍係作為說明之用而非限制本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，當可使用其他具體實施例並為其他更動。應了解，此處概述及圖示說明之本發明各方面可配置、組合與設計成各種不同型態，該等型態仍屬本發明所保護之技術範疇。
本發明是特別針對在手術操作期間判定一手術部位中一探 針位置的相關方法、裝置與系統。在本說明書中，「三維影像」與「體積影像」可互換使用。
第一圖為根據本發明一具體實施例之一種手術導引定位系統100的配置方塊圖。手術導引定位系統100主要包含一全域資訊裝置102、一區域資訊裝置104、一運算裝置106、一監控裝置110以及一操作裝置108。
全域資訊裝置102可在手術操作開始前蒐集待手術部位(例如，腦部)的整體資訊。在一些具體實施例中，可透過電腦斷層掃描(Computed Tomography，CT)、核磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)、表面掃描、X射線(X-ray)掃描、超音波掃描等方式取得該整體資訊。藉由此待手術部位之整體資訊(例如，腦部的顱內解剖結構(Intracranial Anatomy)、目標或病變的位置(Lesion Location)或是表面位置的標的等)，外科醫生可在手術操作開始前規劃一手術路徑。
區域資訊裝置104之一具體實施例包含一探針112，探針112具有至少一感測器114直接設置其上。
外科醫生也可透過操作裝置108控制探針112。操作裝置108之一具體實施例可包含一機械手臂116，外科醫生可藉由機械手臂116來控制探針112。
手術操作期間，設置在探針112上的一或多個感測器114是用以獲得探針112附近的區域資料。所搜集到的區域資料與全域資訊裝置102獲得的全域資料可由運算裝置106處理。
在一具體實施例中，運算裝置106能參照全域資料判定探針 112在手術部位中的位置資料。全域資料是在手術操作開始前獲得，而區域資料是在手術操作期間獲得。其他相關細節將於後續段落提供。
監控裝置110之一具體實施例包含一顯示裝置118以及一警示裝置120。顯示裝置118能根據手術操作開始前全域資訊裝置102蒐集到的前述整體資訊顯示一3D影像。手術操作期間，顯示裝置118能根據運算裝置106算出的位置資料顯示疊置於該3D影像上的探針112即時位置。在此具體實施例中，外科醫生可得知探針112相對於該3D影像的即時位置並對應地調整手術操作。
當血管或重要區域在附近、探針112位於目標位置或危險位置或探針112偏離預定的手術路徑時，警示裝置120之一具體實施例能向外科醫生傳送即時警示。
第二圖為根據本發明一具體實施例之探針(如第一圖的探針112)上一或多個感測器之例示配置圖。探針112之一具體實施例可配置成一鞘體，一手術裝置202由該鞘體所包覆且可移動於其中。手術裝置202的例子可包含但不限於切片檢查針(Biopsy Needle)、活組織切片檢查用鉗(Biopsy Forceps)、鉗(Clamp)、雷射光纖(Laser Fiber)、腦壓監控導管(Brain Pressure Monitor Catheter)和其他裝置。
探針112包含一或多個感測器204。感測器204的一個例子為具有可變偵測範圍的超音波換能器。在一具體實施例中，探針112可包含八個感測器204，呈每圓周45度間隔設置於探針112周邊。每一感測器204可用以於包含探針112的平面(如w軸)蒐集並產生一二維(2D)影像206。在 一具體實施例中，探針112所蒐集並產生的資料係與一座標系統相關聯(如u,v,w，其中w軸對準探針112的軸)。
在一具體實施例中，超音波換能器是用以將超音波的脈衝傳送入換能器超音波範圍內的組織及/或解剖部位。超音波碰到組織及/或解剖部位會反射彈回，不同類型的組織及/或解剖部位反射音波程度各異。反射波會被記錄並顯示為2D影像206。由於與骨骼相關的訊號強度一般而言比與腦部軟組織相關的訊號強度強，為避免骨骼訊號壓過組織訊號，可調整超音波範圍，使產生的超音波影像揭示更多腦部軟組織相關資訊，腦部軟組織可包含手術操作中的目標組織與其他重要組織。
第三圖為進行手術操作前病患頭部的一例示三維(3D)影像300。為說明之目的，假定3D影像300為一CT影像。手術前，外科醫生會指示提供3D影像300，因此可以就相對於腦部其他組織或結構的目標區域位置進行初次評估，並規劃手術路徑。3D影像300包含數個體素，每個體素代表三D空間中一網格上的一數值。在此圖中，體素係配置成具有一起始點302的可辨識立方體。
在一具體實施例中，3D影像300係與一座標系統(如x,y,z)相關聯。舉例來說，起始點302座標為(0,0,0)時，便可獲得相同座標系統中3D影像300(如X1,Y1,Z1)之一體素304的座標。
欲決定第一圖與第二圖的探針112所擷取與產生、在一座標系統(如u,v,w)的2D影像資料放在第三圖所示、在另一座標系統(如x,y,z)的3D影像資料中何處較合適，一種方法是從該3D影像資料中擷取一2D 影像，並將所擷取的2D影像與探針112所產生的2D影像作比較。第四圖為說明根據本發明一具體實施例之從一體積影像中擷取一二維影像的簡化方塊圖。具有一起始點402之一2D影像400可對應第二圖的2D影像206。具有一起始點406之一體積影像404可分別對應第三圖的3D影像300與起始點302。
如前所述，由於2D影像400對應第一圖與第二圖的探針112在手術操作期間於手術部位(如腦部)特定位置和方向所拍攝與產生的2D影像，且體積影像404對應手術操作開始前相同手術部位之3D影像，探針112蒐集並產生2D影像400的位置和方向與辨識體積影像404中用以擷取一2D影像408之一適當點有關。為簡化之目的，假定起始點402經判定為映射至體積影像404中一起始點410。在一具體實施例中，如第四圖所示，2D影像400的尺寸及/或光柵掃描順序可用來擷取2D影像408。舉例來說，體積影像404中體素位置的定位方式使其對應2D影像400的光柵掃描。在其他具體實施例中，可藉由***至體素所表示的資料點之間的中間點進行更正，因為所擷取之2D影像408的像素一般而言不會完全對齊體積影像404的體素。
藉由所擷取之2D影像408，可對2D影像400與2D影像408進行比較來判定兩者間是否高度相關。若為高度相關，則2D影像400與2D影像408之間的映射具相當準確性之可信度較高。若映射相當準確，則進行手術操作時，外科醫生能基於體積影像404來評估探針112附近的資料，其可能是沿著預定的手術路徑的資料。因此，在手術操作期間，可預估組織平移、旋轉偏移以及剪力變形等手術部位的局部變形，並將之納入考量。
儘管2D影像400與所擷取之2D影像408被顯示為類方形，熟悉發明所屬領域技藝之人士應了解這些影像可為實際可行的任何形狀(如第二圖所示之扇片)。
第五圖為說明根據本發明一具體實施例之在手術操作期間判定一探針位置之一例示方法500之流程圖。程序500可包含可以硬體、軟體及/或韌體執行的一或多個操作、功能或動作，如圖中繪示的方塊510、520、530、540、550及/或560。該等方塊並非用以限制所描述的具體實施例。例如，熟悉發明所屬領域技藝之人士明白，就本說明書所揭露之此方法及其他程序和方法，其中執行的功能可依不同次序執行。此外，列出的步驟與操作僅為例示，在不影響所揭露具體實施例要點的前提下，其中一些步驟與操作可視需要而選擇、合併成較少的步驟與操作或擴增為額外的步驟與操作。儘管圖中方塊是依序說明，該等方塊亦可並行執行及/或以不同於圖中順序之次序執行。
方法500的進行可始自方塊510：「接收手術操作前手術部位的三維影像」。例如，手術操作前，可使用一些醫療影像技術拍攝病患症狀的相片，藉此擬訂手術計畫。假定手術部位是病患腦部。外科醫生可指示對腦部進行電腦斷層掃描。結合第一圖與第二圖，運算裝置106可自全域資訊裝置102(如電腦斷層掃描器)接收病患腦部3D體積影像。除了腦部軟組織外，3D體積影像亦可包含表示參考結構(例如但不限於病患的顱骨或連接至顱骨的基底板)的體素。
方塊510後接著是方塊520：「接收手術操作期間探針所產生 的第一二維影像」。手術操作開始後，運算裝置106可用以接收探針112所產生的一第一2D影像。如上所述，在一具體實施例中，設置於探針112上的感測器或超音波換能器可用以自探針112在腦部的位置與方向拍攝並產生2D影像。
方塊520後接著是方塊530：「取得參考結構的定位」。取得定位廣義來說是指一座標系統中一組座標至另一座標系統中另一組座標之一對一映射的判定，使兩個座標系統中對應相同解剖部位的資料彼此映射。參考結構的例子包含但不限於骨骼與特定軟組織。取得這些參考結構的定位涉及疊代過程，其中根據探針112的不同組姿態參數(如x,y,z、俯仰、偏擺、翻滾)及不同搜尋參數(如超音波範圍)進行不同類型的搜尋。在一具體實施例中，定位取得操作之一輸出項是3D體積影像之座標系統中一或多組容許的姿態參數。換句話說，取得參考結構定位之後，3D體積影像之座標系統中可映射至腦中探針112位置的該組可能座標變得更明確。此定位取得程序的細節將於後續段落說明。
方塊530後接著是方塊540：「基於容許的探針姿態參數組，自三維影像擷取第二二維影像」。如前所述並參照第四圖，藉由體積影像之座標系統中的座標，可擷取該第二2D影像(如2D影像408)。
方塊540後接著是方塊550：「計算第一與第二二維影像之間的相關性」。兩個影像間具有高相關性表示，為探針112選擇的姿態參數使兩個座標系統間產生相當準確的映射，而外科醫生可仰賴所擷取的2D影像評估手術。
方塊550後接著是方塊560：「與歷史相關性資料作比較以判定探針位置」。在一具體實施例中，保留先前算出的相關性分數中最佳的相關性分數及探針的相關姿態參數。若新算出的相關性分數更高(即兩個影像更高度相關)，則保留新算出的相關性分數及相關姿態參數。
在一具體實施例中，為確保能獲得算出的相關性分數中最佳者，可使用每一組容許的探針姿態參數來獲得不同2D影像，並計算不同的相關性分數。再者，設置於探針112上的每一感測器，從不同方向拍攝並產生一不同的2D影像。將所有這些不同的2D影像與其個別對應之所擷取的2D影像作比較，且相關性分數可累計。此外，可施加一致性限制條件。一限制條件可允許探針持續沿著大體呈直線的路徑移動。另一限制條件可允許探針繞著自身軸線旋轉。
第六圖為說明根據本發明一具體實施例之取得參考結構定位之一例示方法600之流程圖。程序600可包含可以硬體、軟體及/或韌體執行的一或多個操作、功能或動作，如圖中繪示之方塊610、620、630及/或640。該等方塊並非用以限制所描述的具體實施例。舉例來說，熟悉發明所屬領域技藝之人士明白，就本說明書所揭露之此方法與其他程序和方法，其中執行的功能可依不同次序執行。此外，列出的步驟與操作僅為例示，在不影響所揭露具體實施例要點的前提下，其中一些步驟與操作可視需要而選擇、合併成較少的步驟與操作或擴增為額外的步驟與操作。儘管圖中方塊是依序說明，該等方塊亦可並行執行及/或以不同於圖中順序之次序執行。
方法600的進行可始自方塊610：「設定探針姿態參數及搜尋 參數」。在一具體實施例中，可根據術前預先規畫及/或機械限制條件(如相對於連接至病患顱骨之基底板)設定初始探針姿態參數。一組初始搜尋參數可包含但不限於搜尋間隔、每一姿態參數的增量大小、超音波範圍界限及其他。
方塊610後接著方塊620：「在第一二維影像中搜尋參考結構」。在一具體實施例中，初始超音波範圍界限設定得較大，因此可在該第一2D影像(探針所拍攝/產生的2D影像，如第四圖的2D影像400)中進行更徹底地搜尋，進而辨識參考結構。
方塊620後接著方塊630：「判斷探針姿態參數是否使得經辨識的參考結構能被取得」。換句話說，藉由將探針姿態參數設為特定數值，將方法600疊代一次以判斷該第一2D影像中所辨識出的參考結構與該體積影像中相應的參考結構是否一致。若一致，則保留使該(等)參考結構定位的該組探針姿態參數。否則，可將探針姿態參數設成不同數值再執行一次方塊630，以判斷是否一致。
假定在方塊630取得一參考結構(如骨骼)的定位。方塊630後可接著進行方塊640：「修改搜尋參數」。在一具體實施例中，作為搜尋參數之一的超音波範圍界限可縮小，使探針112附近的軟組織得以納入考量。亦可使用不同的超音波範圍界限，藉此量測與探針112相距的不同距離。
在一具體實施例中，第一圖的運算裝置106可用以執行方法500與方法600。為獲得更有意義的結果，在執行前述某些操作之前，運算裝置106可用以處理該3D體積影像、該第一2D影像及/或所擷取的第二2D影 像。
在CT及超音波影像中，骨骼相關訊號皆比腦部軟組織相關訊號的強度強。在一具體實施例中，運算裝置106可利用骨骼與腦部軟組織之間的訊號強度差異來區別該第一2D影像和所擷取的第二2D影像中表示顱骨的像素及表示腦部軟組織的像素。僅計算上述兩個2D影像中表示腦部軟組織的像素間的相關性可使比較結果更有意義。
更具體來說，在一具體實施例中，擷取自體積影像的2D影像中表示骨骼的像素可被指定一第一數值，上述所擷取的影像中表示顱骨以外其他部份的像素可被指定一第二數值。若比起該第二數值，一像素值更接近該第一數值，則很可能此一像素所表示的部份是接近顱骨但遠離腦部軟組織。此外，可將一遮罩應用在所擷取的2D影像以選取被指定的數值低於一閾值的像素，進而壓制與顱骨相關的強訊號。
在一具體實施例中，運算裝置106可將一空間帶通濾波器，例如高斯拉普拉斯(Laplacian of Gaussian，LOG)迴旋積運算，應用至該第一2D影像，在計算該第一2D影像與所擷取的該第二2D影像間的相關性之前壓制較細緻與較粗糙的紋理(如第五圖的方塊550)。經濾波的2D影像，其正負波動的平均值大體為0。經LOG濾波的影像中，正負區域的邊界是在原始影像中發生轉換的地點。此外，正負區域可在轉換區域之間置中且通常呈穩定狀態。即使影像拍攝/產生機制明顯不同，這些區域可用來取得不同影像間(例如超音波影像和CT體積影像或超音波影像和MRI體積影像)相同標的之定位。
在一具體實施例中，LOG迴旋積運算可應用於所擷取的該第二2D影像。或者，也可以在從該體積影像中擷取該第二2D影像之前，將LOG迴旋積運算應用於該體積影像。從經LOG處理的體積影像中擷取的一二維影像可能與經LOG處理的所擷取的該第二2D影像類似。
在一具體實施例中，韓森費爾德單位(Hounsfield Units)重映射法可應用於所擷取的該第二2D影像。韓森費爾德單位重映射法包含重映射韓森費爾德單位至不同數值範圍，進而增加組織阻抗。舉例來說，為與大腦灰質相關聯的韓森費爾德單位範圍指定的數值範圍可大於與大腦白質相關聯的韓森費爾德單位範圍。
由於超音波影像通常會有明顯的斑點雜訊，在一具體實施例中，斑點雜訊是在進行後續處理之前就從超音波影像濾除。一例示濾波器其與超音波影像頻率成比例之徑向頻率具有零振幅。在另一具體實施例中，濾波器為頻域濾波器。在另一具體實施例中，濾波器為徑向頻率座標的辛克函數： 在另一具體實施例中，選擇刻度頻率在預期的徑向頻率時提供零振幅。
參照第五圖，由於探針位置在方塊560經確定，在一具體實施例中，該第一2D影像(如第四圖的2D影像400)與所擷取的該第二2D影像(如所擷取的2D影像408)可顯示於顯示裝置118。第七圖顯示根據本發明一具體實施例之一例示顯示器上，超音波影像710與720疊置在擷取自一 CT體積影像的一切片影像700上。此處的超音波影像710與720是從探針在腦中的特定位置拍攝及產生，該位置對應與該CT體積影像相關聯的座標系統的一組座標(如座標(X0,Y0,Z0))。根據座標(X0,Y0,Z0)，從該CT體積影像擷取切片影像700。
切片影像700顯示包覆在顱骨703(陰影較淺的區域)中的軟組織701(陰影較深的區域)、基底板705(垂直長條)以及此切片影像的探針軸707(穿過中央的白線)。區域725與730顯示，切片影像700中表示顱骨703的像素所呈現的影像與超音波影像710中表示顱骨703的像素所呈現的影像大致相似。此大致相似表示，切片影像700中表示顱骨703的像素與超音波影像710中表示顱骨703的像素對應顱骨703的相同部位。由於顱骨解剖結構吻合，可確定相對於顱骨703的座標(X0,Y0,Z0)之位置。
第八圖顯示根據本發明一具體實施例之一例示顯示器上，經濾波的超音波影像810與820疊置在擷取自一經處理的CT體積影像的一切片影像800上。儘管經濾波的超音波影像810與820是從第七圖的相同座標(X0,Y0,Z0)拍攝，經濾波的超音波影像810與820的範圍比超音波影像710與720的範圍更限縮，因此超音波影像810與820未包含顱骨且不具有第七圖顯示的區域725與730。同時，在此圖示中，CT體積影像的體素值已變更，藉由遮蔽骨骼邊界強調腦部軟組織。因此，切片影像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。切片影像800中表示腦部軟組織的像素可與超音波影像810與820中表示腦部軟組織的像素作比較。同時，可計算切片影像800中表示腦部軟組織的像素所呈現的影像及超音波影像810與 820中表示腦部軟組織的像素所呈現的影像之間的相關性。假定切片影像800及超音波影像810與820高度相關，切片影像800及超音波影像810與820間的差異會對應腦部軟組織的移動。隨著此判定的高可信度，外科醫生能在手術操作中判斷目標組織或其他重要組織是否移動，而在手術操作期間採取適當行動。
第九圖為根據本發明一具體實施例之以對應表為基礎之一例示系統900的方塊圖，系統900係用以計算一多維相關面。
數值N為相關像素的總數。N一般而言小於超音波影像中的像素數量。這是因為超出超音波探針設定範圍的像素皆不使用，同樣地亦忽略比預定範圍近的像素。
US遮罩對照表包含用於比對相關性的像素之記憶體位址(自超音波影像的起始處偏移)長度N之清單。此清單依循一光柵掃描順序。此偏移輸出亦饋入用於選擇體積影像中相關體素位址之扇形偏移表。
扇形偏移表為k=k1*k2*k3扇片偏移表集合，其中：
k1為翻滾方向數量(就半度解析度，一般為720)
k2為相對於垂直頭骨板之標稱探針方向之偏擺方向數量(就半度解析度±10度的範圍，一般為40)。
k3為相對於垂直頭骨板之標稱探針方向之俯仰方向數量(就半度解析度±10度的範圍，一般為40)。
k扇片表中每一者具有偏移位址清單，該清單以光柵圖樣掃描過3D影像體積的一扇片平面。此光柵掃描與超音波影像具有相同維度。 因此，在操作過程中，「扇形選擇」方框及「探針軸偏擺、俯仰與翻滾」方框提供輸入項至「扇形偏移表」方框以選擇k扇片偏移表其中一者。所選擇的表接收來自US遮罩對照表的輸入項，並為3D體積影像輸出一偏移位址。
此偏移位址與來自「探針軸xyz位置指標偏移」方框的一固定偏移位址加總(♁)。此固定偏移轉譯影像體積中的扇片。接著，加法器的輸出被饋入體積影像記憶體，其中一數值被存取並輸出至相關性乘法器()。
相關性乘法器接收來自超音波影像與體積影像的像素值，將這些數值相乘並將結果饋入一累加器。
左上方的步驟中，計數器模組計數0至N-1，使整個程序重複N次。計數結束時，最右邊的累加器會包含扇形指標、翻滾、俯仰、偏擺、x,y,z等七個輸入參數的相關性總和。藉由遞增扇形選擇暫存器範圍來計算全部八個扇片的綜合相關性。
藉由改變七個參數以搜尋最佳相關性，此機制可用於找到影像體積中使先前記錄的體積影像與即時超音波影像間最一致的探針姿態。
依照需要系統900可包含一骨罩體積影像，使骨骼區域排除在相關性計算之外。在一具體實施例中，骨罩體積影像包含指出CT/MRI LOG體積中對應體素是否為軟組織或骨骼之體素。此骨罩體積是與LOG體積並行存取，以判斷是否允許將所存取的LOG體素提供至相關性總和。在一具體實施例中，利用適當的造影技術辨識骨骼體素，從原CT/MRI體積影像取得遮罩體積影像。該等體素值設為1.0而非骨骼體素設為0.0。接著，將 一濾波器裝置應用至標示一與零的體積，因此骨骼附近標示為軟組織的位置獲得大於零小於一的數值。此外，愈靠近骨骼的位置獲得的數值越接近一。是以一閾值能被用來選擇離最近的骨骼體素至少一特定距離的體素。
第十圖為說明根據本發明一具體實施例之用以實施一種判定手術部位中探針位置之方法之一電腦程式產品1000的方塊圖。電腦程式產品1000可包含一訊號承載媒體1002。訊號承載媒體1002可包含一或多組儲存其上的可執行指令1004，當該等指令由例如第一圖的運算裝置106執行時，可提供上述特徵與操作。
在一些實施方式中，訊號承載媒體1002可包含一非暫態電腦可讀取媒體1008，例如但不限於硬碟、光碟(CD)、數位光碟(DVD)、數位磁帶、記憶體等。在一些實施方式中，訊號承載媒體1002可包含一可記錄媒體1010，例如但不限於記憶體、讀/寫(R/W)CDs、R/W DVDs等。在一些實施方式中，訊號承載媒體1002可包含一通訊媒體1006，例如但不限於數位及/或類比通訊媒體(如光纖電纜、波導、有線通訊線路、無線通訊線路等)。
上文已透過方塊圖、流程圖及/或示例詳細說明裝置及/或程序的各具體實施例。在該等方塊圖、流程圖及/或示例範圍內包含一或多個功能及/或操作，發明所屬領域技藝之人士明白該等方塊圖、流程圖或示例範圍內的每一功能及/或操作可由種類甚多的硬體、軟體、韌體或其任何組合個別及/或共同地執行。在一些具體實施例中，本發明標的的幾個部份可透過特定功能積體電路(ASICs)、場效可編程邏輯閘陣列(FPGAs)、數位 訊號處理器(DSPs)或其他整合格式實施。然而，熟悉發明所屬領域技藝之人士了解，本說明書揭示之具體實施例某些方面的全部或部份同樣可在積體電路執行，如一或多個電腦程式在一或多個電腦上執行(例如一或多個程式在一或多個電腦系統上執行)、如一或多個程式在一或多個處理器上執行(例如一或多個程式在一或多個微處理器上執行)、如韌體或如其任何組合，而依本發明揭露內容來設計電路及/或為軟體及/或韌體寫程式碼屬發明所屬領域技藝。此外，熟悉發明所屬領域技藝之人士明白，本發明標的之機制能作為不同形式的程式產品而散佈，且不論實際執行散佈的特定類型訊號承載媒體為何，本發明標的之例示具體實施例均適用。訊號承載媒體的示例包含但不限於下列項目：磁片、硬碟、光碟(CD)、數位光碟(DVD)、數位磁帶、電腦記憶體等可記錄型媒體；以及傳輸型媒體，例如數位及/或類比通訊媒體(例如光纖電纜、波導、有線通訊線路、無線通訊線路等)。
應明白本發明各具體實施例是作為說明之用，在不脫離本發明範圍與精神下可進行各種改變。因此，本說明書所描述的各具體實施例並非用以限制本發明，本發明之真實範圍與精神揭示於以下申請專利範圍。
100‧‧‧手術導引定位系統
102‧‧‧全域資訊裝置
104‧‧‧區域資訊裝置
106‧‧‧運算裝置
108‧‧‧操作裝置
110‧‧‧監控裝置
112‧‧‧探針
114‧‧‧感測器
116‧‧‧機械手臂
118‧‧‧顯示裝置
120‧‧‧警示裝置

Claims (24)

  1. 一種以複數個參考結構判定一手術部位中一探針之一位置之方法，包含：接收該探針進入該手術部位前所產生的該手術部位之一三維影像，其中該三維影像係得自醫療攝像技術且與一第一座標系統相關聯；接收該探針從該手術部位中一位置產生的一第一二維影像，其中該第一二維影像係由設於該探針上的一或多個感測器所取得且與一第二座標系統相關聯；基於該第一二維影像，疊代取得該複數個參考結構的定位，進而獲得一組容許的探針姿態參數；基於該組容許的探針姿態參數，從該三維影像擷取一第二二維影像；以及計算該第一二維影像與所擷取之該第二二維影像之間的相關性，進而將該第二座標系統所表示的該探針之該位置映射至有關該三維影像之該第一座標系統所表示的一位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中取得定位之步驟包含：設定一第一組探針姿態參數和一第一組搜尋參數；基於該第一組探針姿態參數和該第一組搜尋參數，搜尋該第一二維影像中該複數個參考結構中的一第一者；及判定該第一組探針姿態參數是否使該第一二維影像所描繪的該複數個參考結構中的該第一者與該三維影像所描繪的該複數個參考結構 中的該第一者能被判定為一致。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，進一步包含設定一第二組搜尋參數，用以搜尋該第一二維影像中該複數個參考結構中的一第二者。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中計算該相關性之步驟包含：從該第一二維影像選擇表示組織之一第一組像素；從所擷取的該第二二維影像選擇表示組織之一第二組像素；及基於該第一組像素與該第二組像素，計算該相關性。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含在計算該相關性之前，將一空間帶通濾波器應用至該第一二維影像。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含在計算該相關性之前，將一空間帶通濾波器應用至所擷取的該第二二維影像。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含在擷取該第二二維影像之前，將一空間帶通濾波器應用至該三維影像。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含在計算該相關性之前，濾除該第一二維影像中的斑點雜訊。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該探針被限定在該手術部位中線性移動。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該探針被限定在該手術部位中繞著自身軸線旋轉。
  11. 一非暫態機械可讀取媒體包含用於一種以複數個參考結構判定一手術部位中一探針之一位置之方法的一組可執行指令，當該組指令由一運 算裝置執行時，使該運算裝置：接收該探針進入該手術部位前所產生的該手術部位之一三維影像，其中該三維影像係得自醫療攝像技術且與一第一座標系統相關聯；接收該探針從該手術部位中一位置產生的一第一二維影像，其中該第一二維影像係由設於該探針上的一或多個感測器所取得且與一第二座標系統相關聯；基於該第一二維影像，疊代取得該複數個參考結構的定位，進而獲得一組容許的探針姿態參數；基於該組容許的探針姿態參數，從該三維影像擷取一第二二維影像；以及計算該第一二維影像與所擷取之該第二二維影像之間的相關性，進而將該第二座標系統所表示的該探針之該位置映射至有關該三維影像之該第一座標系統所表示的一位置。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之非暫態機械可讀取媒體，其中取得定位之步驟包含：設定一第一組探針姿態參數和一第一組搜尋參數；基於該第一組探針姿態參數和該第一組搜尋參數，搜尋該第一二維影像中該複數個參考結構中的一第一者；及判定該第一組探針姿態參數是否使該第一二維影像所描繪的該複數個參考結構中的該第一者與該三維影像所描繪的該複數個參考結構中的該第一者能被判定為一致。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之非暫態機械可讀取媒體，進一步包含一組可執行指令，當該組指令由該運算裝置執行時，使該運算裝置設定一第二組搜尋參數，用以搜尋該第一二維影像中該複數個參考結構中一第二者。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之非暫態機械可讀取媒體，其中計算該相關性之步驟包含：從該第一二維影像選擇表示組織之一第一組像素；從所擷取的該第二二維影像選擇表示組織之一第二組像素；及基於該第一組像素與該第二組像素，計算該相關性。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之非暫態機械可讀取媒體，進一步包含一組可執行指令，當該組指令由該運算裝置執行時，使該運算裝置在計算該相關性之前，將一空間帶通濾波器應用至該第一二維影像。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之非暫態機械可讀取媒體，進一步包含一組可執行指令，當該組指令由該運算裝置執行時，使該運算裝置在計算該相關性之前，將一空間帶通濾波器應用至所擷取的該第二二維影像。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之非暫態機械可讀取媒體，進一步包含一組可執行指令，當該組指令由該運算裝置執行時，使該運算裝置在擷取該第二二維影像之前，將一空間帶通濾波器應用至該三維影像。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之非暫態機械可讀取媒體，進一步包含一組可執行指令，當該組指令由該運算裝置執行時，使該運算裝置在計 算該相關性之前，濾除該第一二維影像中的斑點雜訊。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之非暫態機械可讀取媒體，其中該探針被限定在手術部位中線性移動。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之非暫態機械可讀取媒體，其中該探針被限定在手術部位中繞著自身軸線旋轉。
  21. 一種以複數個參考結構判定一手術部位中一探針之一位置之系統，包含：一處理器；一第一對應表與一第二對應表；以及一記憶體，其包含一組可執行指令，當該組指令由該處理器執行時，使該處理器：根據手術操作期間該探針從該手術部位中一位置產生的一第一二維影像以及手術操作前該手術部位的一三維影像疊代取得該複數個參考結構之定位，進而獲得一組容許的探針姿態參數，其中該三維影像係與一第一座標系統相關聯，而該第一二維影像係與一第二座標系統相關聯，其中該三維影像係由醫療攝像技術所取得，且該第一二維影像係由設於該探針上之一或多個感測器所取得；基於該組容許的探針姿態參數，從該三維影像中擷取一第二二維影像；利用該第一對應表，從該第一二維影像選出一第一組像素；利用該第一對應表與該第二對應表並基於該組容許的探針姿 態參數中一參數，從所擷取的該第二二維影像選出一第二組像素；及計算該第一組像素與該第二組像素之間的相關性，進而將該第二座標系統所表示的該探針之該位置映射至有關該三維影像之該第一座標系統所表示的一位置。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之系統，其中該記憶體包含額外的可執行指令，當該等指令由該處理器執行時，使該處理器在計算該相關性之前，排除該第二組像素中表示骨骼的像素。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之系統，其中該第一對應表包含該第一組像素的記憶體位址之一清單，該清單遵循一光柵掃描順序。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之系統，其中該組容許的探針姿態參數中至少一些參數被輸入至該第二對應表。
TW104126834A 2014-08-19 2015-08-18 判定手術部位中探針位置之方法與系統 TWI605795B (zh)

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