专利名称：实现对图像配准变换的选择的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种系统，用于实现对图像配准变换的选择，更具 体而言，涉及一种系统，用于实现在手术中对临床最佳配准变换的医生指 导性选择，以便将手术前或手术中获得的图像数据集变换到所获得的其它
图像数据集的坐标空间，例如在有创式介入(invasive interventional)过程期间。
本发明还涉及一种方法，用于使医生能够在有创式外科手术过程期间 选择多个同时显示的配准变换中的一个，以便将手术前或手术中获得的图 像数据集变换到在介入过程期间获得的其它图像数据集的坐标空间。
背景技术：
图像指导在最小有创式介入过程中起到越来越重要的作用，例如那些 在临床EP实验室和心导管插入实验室中常规执行的过程。在手术前执行的 (例如，MDCT和MRI)或者在手术中执行的(例如，体超声和依据旋转X射 线的类似CT的重构)、并且以图像数据集表示的、来自多种成像模式的信 息增加值，已经激发了对于这种图像数据集与其它手术中获取的信息(例如， 来自旋转X射线、超声(U/S)和电子解剖映射的多种图像数据集)的多模式融 合的需求。图像数据集通常表示来自诸如大脑、心脏、肺等等的结构的解 剖和功能信息，或者可以表示符号信息，诸如结构名称、对象特征、解剖 曲率、大脑功能等等。
对于这些手术前和手术中获取的图像数据集的快速且准确的配准，对 于在图像指导下的介入和做出临床决定而言是必要的。图像数据集的配准 构成这样的过程其中，将两个不同图像数据集彼此相互比较，以确认它 们彼此匹配或对准程度如何。 一旦进行了确定，图像数据集就可以正确的 彼此重叠地或彼此融合地进行显示。
大多数时候，如果没有完全准确地执行配准处理，就计算相似性测量值，假设当前估计是针对几何变换的，则该相似性测量值反应了两个数据 集彼此对准的似然性。相似性测量值常常称为相似性对象函数。依据相似 性函数来优化变换参数估计值，以确定与全局最大值相关联的参数估计值， 并且将所得到的变化显示为融合结果。可能的相似性函数包括归一化互相 关、互信息、平方差之和与绝对值差之和。理论上，相似性函数会具有一个最主要的局部极大值，其就是最大的 局部极大值。釆用通常的成像系统，是显示与该最大极大值相对应的单一 配准结果。然而，该最大值可能并不对应于临床可接受的"最佳"配准， 迫使医生在手术中执行数据集的耗时和繁琐的人工对准。而且，真实患者数据的融和所共有的问题是在相似性函数中存在多个 局部极大值，它们会具有相似的成本值。对于配准变换，当前仅考虑了这 些局部极大值中最大的一个。因此，在以下情况下将会是有益的使医生能够从几个可能的配准变 换构成的一个组中进行选择，以致力于确定在对执行图像指导的介入和做 出临床决定所必需的图像进行变换时所采用的最佳配准变换。发明内容本发明的目的是提供一种新的改进的系统，用于实现图像配准变换的 选择。本发明的另一个目的是提供一种新的改进的系统，用于实现在手术中 对临床最佳配准变换的医生指导性选择，以便将手术前和手术中获得的图 像数据集变换为例如在有创式介入过程中所获得的图像数据集。本发明的另一个目的是提供一种新的改进的系统，用于对配准信息的 选择，其提供了多个配准结果，作为临床最佳配准的高似然性候选的一个 等级列表，并使得医生能够选择其中之一。本发明的再另一个目的是提供一种新的改进的系统，用于对临床最佳 配准变换的选择，其并非仅提供了单个配准结果，例如与表示多个数据集 间相似性的相似性函数的最大极大值相对应的配准结果。本发明的再另一个目的是提供一种新的改进的系统，用于对临床最佳 配准变换的选择，其最小化甚至消除了医生在手术中执行数据集的人工对准的需要。
本发明的再另一个目的是提供一种新的改进的方法，用于使医生在有 创式外科手术过程中能够选择多个同时显示的配准变换中的一个，以便将 在手术前和手术中获得的图像变换为在外科手术过程中获得的其它图像。
为了实现这些目的以及其它的目的， 一种系统用于实现在手术中对图 像配准变换的选择，用于显示彼此相一致的第一图像数据集和第二图像数 据集，该系统包括图像数据集采集设备，其获得第一和第二图像数据集;
处理器，其耦合到图像数据集采集设备，并且计算相似性函数，并随后确 定所述相似性函数的多个局部极大值中每一个的等级顺序，其中，所述相
似性函数表示第一和第二图像数据集彼此相一致的似然性；显示设备，其 耦合连接到处理器，在所述显示设备上显示得自于所述多个局部极大值的 多个配准变换；以及用户接口，其耦合到处理器，，以便能够为随后的使用 而选择每一个所述配准变换。
通过为医生呈现多个可能的配准变换，使医生能够易于观看不同的配 准变换结果，并随后选择每一个，以确定其是否是临床最佳的配准变换。 如果医生选择了最高等级的配准变换，但断定其不是最佳的，医生就可以 迅速选择另一个配准变换，并査看该备选变换是否是临床最佳的结果。对 于得自于多个局部极大值的多个配准变换的确定有利于简易型和便利性， 由此医生能够更为容易地实施手术。
所述多个配准变换能够按照局部极大值从最高到最低的等级顺序来显 示，等级排列是基于以下的一个或多个的极值特征，例如，相似性函数 在局部极大值上的值、局部极大值的曲率和局部极大值的捕捉范围 (capture-arrange);自与第一和第二图像数据集具有相似特性的两个图像数 据集的先验变换而来的数据；以及自与第一和第二图像数据集具有相似特 性的两个数据集的先验变换而来的医生输入数据，其与来自先验变换的数 据存储在同一在前信息数据库或存储库中。
一种方法用于实现在手术中对图像配准变换的选择，用于显示彼此相 一致的第一图像数据集和第二图像数据集，该方法包括以下步骤获得第 一和第二图像数据集；计算相似性函数，所述相似性函数表示第一和第二 图像数据集彼此相一致的似然性；确定所述相似性函数的多个局部极大值中每一个的等级顺序；显示多个得自于所述局部极大值的多个配准变换；
并且能够为随后的使用而选择所显示的配准变换中的每一个。以上说明了 为医生提供易于选择多个不同配准变换中的一个的优点。
局部极大值的等级排列可以基于自与第一和第二图像数据集具有相似 特性的两个图像数据集的先验变换而来的数据来确定。在此情况下，得到 来自第一和第二图像数据集的数据特性，搜索以前获得的数据集或先验变 换信息，以确认与第一和第二数据集具有相似数据特性的情况或相关图像 数据集。局部极大值的等级排列还可以基于自与第一和第二图像数据集具 有相似特性的两个图像数据集的先验变换而来的医生输入数据来确定。在 此情况下，与先验情况有关的医生输入数据与先验情况的数据特性一起存 储。局部极大值的等级排列还可以用所述相似性函数的局部极大值的极值 特征来确定。优选的，所有这三个技术都用于确定配准变换的等级顺序。
参考以下说明并结合附图，可以最好的理解本发明及其进一步的目的 和优点，其中相同的参考数字标记标识了相同的元件。
图1是显示用于执行根据本发明的方法的系统主要部分的示意图。
图2是根据本发明用于编码信息的方法的流程图。 图3显示了一种相似性函数，其可以根据本发明的方法来构成。 图4是显示得自于图3所示的相似性函数的信息的表。 图5显示了在根据本发明的系统和方法中的显示配准变换的方式。
具体实施例方式
参考附图，其中相同的参考数字指代相同或相似的元件，图1是显示 用于执行根据本发明的方法的系统IO主要部分的示意图。在其最基本的形 式中，系统10包括两个成像系统12、 14，连接到处理器16，处理器16还 连接到显示器18，存储部件包含临床数据集20和图形用户界面(GUI)22。 尽管是分别示出的，但GUI22可以集成到显示器18中，即触摸屏显示器。
图2显示了一种方法的流程图，用于构成并向医生呈现一个配准变换 的列表，以使得医生能够选择一个在手术中使用的配准变换。尽管说明提到了向医生呈现该列表，但可以理解，本发明还可以由需要使用图像变换 的其它类型的人来使用。在该方法中，第一步骤24、 26是从两个成像系统12、 14获得多模式 的数据集。通常，其中一个数据集在手术前，例如从诸如MDCT或MRI 之类的成像模式中获得的，另一个数据集在手术中，例如从旋转X射线系 统、超声系统或电子解剖映射(electroanatomicalmapping)中获得的。尽管如 此，根据使用该方法的方式，两个数据集都可以在手术前或手术中获得。 当在手术前获得时，可以将图像数据集存储在存储器部件中，其在使用该 方法时被存取。依据这些数据集，得到数据特性，并送往数据库20中的先验信息存储 库。对数据库20进行搜索28，以确认与通过成像系统12、 14所获得的数 据集中的数据具有相似数据特性的情况，即，相关的图像数据集。数据库 20中的先验信息存储库还包括来自所确认的情况30的医生输入，其优选地 在配准变换的等级排列时用作额外信息，以下将会进行详述。该医生输入 与该特定情况相关联地存储在数据库20中。基本上与临床数据库20的搜索同时，配准过程32启动。配准过程32 包含选择几何变换模型、相似性度量和优化策略34。随后从相似性函数的 随机的、均匀网格的、自适应探测的或随机散布的样本，得到对于变换参 数的几个初始条件估计值36。随后，由探测的成本曲面(costsurface)来确认局部极大值38。这能够从 每个初始状态开始并行地执行数值优化，并在迭代期间，累积用于每一个 参数搜索向量的相似性成本曲面值和梯度的列表。在对于全部开始条件都 收敛之后，基于所累积的相似性成本曲面特征，来确认在相似性函数中的 局部极大值。图3显示了相似性函数的曲线图，其具有所确认的前五个局 部极大值。随后，计算相应的极值特征40，其包括例如，相似性值、局部曲率 和捕捉范围。随后，基于例如极值特征，且优选的考虑了数据库20中的信息，得到 配准变换的等级列表42。例如，根据一个或多个以下因素，来按等级对配 准变换进行排序相似性函数的值、极大值的曲率、和极大值的捕捉范围。基于得自于具有类似特征的以前情况的医生选择30的先验知识，S卩，对与 数据库20中包含的医生输入相关的数据集的分析，来适应性地修改该排序。 在显示器18上将配准变换的等级列表图形化地描绘给医生，例如作为 大连续按钮或激活区域的一个列表，所述大连续按钮或激活区域每一个都 具有来自相应变换参数44的三维融合结果。具体而言，对于每一个等级位 置，都结合了相应的配准结果，并且会显示极值特征，例如相似性函数的 值、极大值的曲率以及极大值的捕捉范围，以及来自先验信息46的存储库 的汇总先验信息。
更具体而言，图4显示了在图3中示出的相似性函数的前五个极大值 的等级排列(在栏52中)，以及在局部极大值上的相似性函数的值(在栏54 中)。仅用于说明目的，还示出了显示在两个图像数据集之间的对应性的概 念性结果(在栏56中)，其中一个图像数据集以椭圆形显示，另一个以六边 形显不。
图5是要显示在显示器18上的一个示范性的屏幕，其基于例如图3中 所示的结果而使用了根据本发明的方法。图4显示了在左侧的5个激活区 域58，较大显示区域60在激活区域58的右侧。显示区域60显示所选择的 配准变换。系统10可以被设计为在最上方的一个激活区域58中以及显示 区域60中自动显示具有最大局部极大值的配准变换，而具有较小局部极大 值的配准变换会以数值降序的顺序在其它激活区域58中显示。如所示的， 呈现了 5个激活区域58，例如，其分别对应于由图3所示的相似性函数而 确定的前5个局部极大值。然而，可以使用不同数量的激活区域58。
使用该方法，为医生提供了在激活区域58中的多个配准变换，其全部 都易于用GUI22分别进行选择，直到医生确定了能够提供了临床最佳融合 结果的一个配准变换。因此，在观察显示器18时，医生能够从该列表中选 择一个描绘了医生所认为的临床最佳结果的激活区域58，并且这会以放大 视图显示在显示区域60中。
回来参考图2，提供了一个可选项48，用以允许医生在对所选结果不 满意时，从对几何变换模型、相似性量度和优化策略的选择34开始重新进 行配准过程30。当医生对所选结果满意时，系统10在显示器18上保持该 结果50，并且医生利用GUI 22继续进行介入。医生对临床最佳变换和每一个临床数据集的关键特征的选择可以存储在数据集20中，以便在以后用作将来研究的配准播放列表等级排列中的先 验知识。医生对于候选播放列表中的临床有效变换参数的选择可以用作种 子点，用于其他候选变换的更加局部化和受约束的搜索。实质上，这种精 炼会提供对最佳临床配准的快速分级选择。存在上述根据本发明的方法的各种应用。 一个应用是在多模式数据集 融合中使用，用于介入指导或诊断，例如用于在心导管实验室、EP实验室 或图像指导性外科手术系列中变换图像。该方法提供了一种简单有效的方 式，来实现在手术中对临床最佳配准变换的快速选择，其最小化了人工对 准的需要，因为医生可以仅使用GUI，从与在相似性函数中所确认的多个 局部极大值相对应的配准结果构成的一个等级列表的可视化描述中进行选 择。医生能够快速浏览该配准播放列表，即激活区域58，选择临床最佳的 变换，并随后继续进行介入。该方法还能够包括多个分级步骤，用于配准 变换的局部精炼。尽管在此参考附图描述了本发明的说明性实施例，但可以理解本发明 不限于这些确切的实施例，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，本领 域普通技术人员在此可以实现各种其它变化和修改。
权利要求
1、一种系统(10)，用于实现在手术中对图像配准变换的选择，以用于显示彼此相一致的第一图像数据集和第二图像数据集，包括图像数据集提供装置(12、14)，用于提供所述第一和第二图像数据集；处理器(16)，耦合到所述图像数据集提供装置(12、14)，用于计算相似性函数，所述相似性函数表示所述第一和第二图像数据集彼此相一致的似然性，并还用于确定所述相似性函数的多个局部极大值中每一个的等级顺序；显示装置(18)，耦合到所述处理器(16)，用于显示得自于所述多个局部极大值的多个配准变换；以及用户接口(22)，耦合到所述处理器，以便能够为随后的使用而选择每一个所述配准变换。
2、 如权利要求1所述的系统，其中，所述图像数据集提供装置(12、 14) 包括第一图像数据集采集设备(12)，其在手术前获取所述第一图像数据集， 并将其存储在存储器部件中；以及第二图像数据集采集设备(14)，其在手术 中获取所述第二图像数据集。
3、 如权利要求1所述的系统，其中，所述图像数据集提供装置(12、 14) 包括第一图像数据集采集设备(12)，其在手术中获取所述第一图像数据集; 以及第二图像数据集采集设备(14)，其与所述第一图像数据集采集设备不 同，并且在手术中获取所述第二图像数据集。
4、 如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器(16)被设置为，命令 所述显示装置(18)按照所述多个局部极大值从最高到最低的等级顺序来显 示所述多个配准变换。
5、 如权利要求4所述的系统，其中，所述处理器(16)被设置为，部分 地基于以下至少一项来排列所述多个局部极大值的等级顺序在所述局部极大值上的所述相似性函数的值、所述局部极大值的曲率、以及所述局部 极大值的捕捉范围。
6、 如权利要求4所述的系统，其中，所述处理器(16)被设置为，部分 地基于自与所述第一和第二图像数据集具有相似特性的两个图像数据集的 先验变换而来的数据，来排列所述局部极大值的等级顺序。
7、 如权利要求6所述的系统，其中，所述处理器(16)被设置为，部分 地基于自与所述第一和第二图像数据集具有相似特性的两个图像数据集的 先验变换而来的医生输入数据，来排列所述局部极大值的等级顺序。
8、 如权利要求l所述的系统，其中，所述图像数据集提供装置(12、 14) 被设置为，获取两个不同类型的图像数据集。
9、 如权利要求l所述的系统，其中，所述处理器(16)被设置为，命令 所述显示装置(18)采甩比所述多个配准变换中未被选择的配准变换更大的 格式，来显示所述多个配准变换中被选择的配准变换。
10、 一种方法，用于实现在手术中对图像配准变换的选择，用于显示 彼此相一致的第一图像数据集和第二图像数据集，包括以下步骤-获得第一和第二图像数据集(24、 26);计算相似性函数，其表示所述第一和第二图像数据集彼此相一致的似 然性(S4、 36);确定所述相似性函数的多个局部极大值中的每一个的等级顺序(42); 显示得自于所述多个局部极大值的多个配准变换(44);并且 使得能够为随后的使用而选择每一个所述配准变换(46)。
11、 如权利要求10所述的方法，还包括 从所述第一和第二图像数据集得到数据特性；以及 搜索变换信息的数据库，以确认与所述第一和第二图像数据集具有相似数据特性的图像数据集(28)，部分地基于自与所述第一和第二图像数据集具有相似特性的所述所确 认的图像数据集的变换而来的数据，来确定所述多个局部极大值的等级顺 序。
12、 如权利要求11所述的方法，还包括存储医生输入数据(30)，其来 自于与之相关联的情况，部分地基于自与所述第一和第二图像数据集具有相似特性的两个图像 数据集的先验变换而来的医生输入数据，来确定所述局部极大值的等级顺 序。
13、 如权利要求IO所述的方法，其中，所述相似性函数的计算(34、 36) 包括选择几何变换模型、相似性度量和优化策略；并且 得到对于来自相似性函数的变换参数的初始条件估计值， 所述方法还包括探査所述相似性函数，以确认所述局部极大值。
14、 如权利要求10所述的方法，还包括计算所述相似性函数的所述局 部极大值的极值特征(40)，用所述极值特征来确定所述局部极大值的等级顺 序。
15、 如权利要求10所述的方法，还包括确定多个顺序最靠前的局部极 大值，仅显示得自于所述多个顺序最靠前的局部极大值的配准变换。
16、 如权利要求10所述的方法，还包括与每一个配准变换相关联地显 示所述等级顺序；所述相似性函数的所述局部极大值的极值特征的值； 以及与从这种信息的数据库中获得的、具有相似于所述第一和第二图像数 据集的数据集的情况有关的信息。
17、 如权利要求10所述的方法，其中，获得所述第一和第二图像数据集(24、 26)的步骤包括在手术前获得所述第一图像数据集；以及 在手术中获得所述第二图像数据集。
18、如权利要求10所述的方法，其中，获得所述第一和第二图像数据 集(24、 26)的步骤包括在手术中获得所述第一和第二图像数据集两者。
全文摘要
系统和方法，用于实现在手术中对图像配准变换的选择，以用于显示彼此相一致的第一图像数据集和第二图像数据集。图像数据集采集装置(12、14)获得第一和第二图像数据集。由处理器(16)计算相似性函数，其表示所述第一和第二图像数据集彼此相一致的似然性，并随后确定所述相似性函数的多个局部极大值中每一个的等级顺序。在显示器(18)上显示得自于多个局部极大值的多个配准变换，并医生能够使用用户界面(22)，选择每一个配准变换，以在视觉上确定其是否是用于随后使用的临床最佳的配准变换。
文档编号G06T7/00GK101322156SQ200680045684
公开日2008年12月10日 申请日期2006年12月5日 优先权日2005年12月8日
发明者R·C·陈, R·曼茨克, S·索卡, V·拉舍, V·雷迪 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司