一种实时精准的支气管镜定位方法与流程

1.本发明涉及辅助定位技术领域，尤其涉及一种实时精准的支气管镜定位方法。


背景技术：

2.支气管肺癌是世界范围内发病率及死亡率最高的恶性肿瘤，晚期肺癌的生存率仅为20％，随着低剂量薄层计算机断层扫描的广泛使用，肺癌的死亡率降低了20％，越来越多的患者以肺外周病变就诊，为临床诊断提出了新的挑战。微创诊断ppls的方法包括支气管镜透支气管壁肺活检术及ct引导经皮肺穿刺术。目前无导航辅助定位的tblb阳性率仅为14％，ct引导下经皮肺穿刺活检术阳性率高达90％，但气胸的发生率为24％，病变＜2cm的肺外周结节经皮肺穿气胸发生率可高达30％，并且经皮肺穿刺活检术存在肿瘤转移的可能性，目前临床急需一种安全有效、方便快捷的辅助诊断ppls的定位方法，目前主流的安全辅助诊断ppls的定位方法有虚拟支气管镜导航和电磁支气管镜导航。vbn是一种新兴的辅助定位技术，可以将患者术前的ct数据导入系统进行重建，从而为支气管镜的操作路径提供最佳的指导作用。操作者沿着事先规划好的手术路径，将支气管镜送入所选支气管并到达目标病灶，在操作过程中配备一个助手可以实现真实支气管镜影像的前进、旋转方向等与虚拟视图的同步。vbn的优点是安全有效，操作便捷，经济实惠，且无额外的术前准备工作。缺点是操作过程中患者的呼吸、咳嗽及内镜操作丢失，会导致助手无法实现真实影像和虚拟影像的同步，需要重新退回操作，延长了操作时间。enb的优点是无需助手就能实现支气管镜的定位。缺点是enb受限于患者的呼吸运动，无法准确定位支气管镜的位置，定位操作步骤相对繁琐，延长了手术时间，此外无内镜视野引导不直观，不利于操作者掌握，检查成本也十分昂贵；为此，我们提出一种实时精准的支气管镜定位方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种实时精准的支气管镜定位方法。
4.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
5.一种实时精准的支气管镜定位方法，该定位方法具体步骤如下：
6.(1)手术路径规划；
7.(2)真实支气管镜影像与虚拟相机位置的自动初始化配准；
8.(3)结合图像传感器实现实时高精度配准。
9.作为本发明的进一步方案，步骤(1)中所述手术路径规划具体步骤如下：
10.步骤一：读入患者ct数据，同时自动提取出支气管树、血管和目标区域等解剖结构；
11.步骤二：自动生成支气管树的中心线，并构建中心线树的拓扑结构；
12.步骤三：自动规划出从主气道到目标区域的安全手术路径。
13.作为本发明的进一步方案，步骤(2)中所述初始化配准具体步骤如下：
14.第一步：操作者将支气管镜放置在患者主气道的隆凸位置；
15.第二步：对支气管镜的真实影像进行分析预处理，并分割出影像的气管结构；
16.第三步：建立真实影像与虚拟图像的信息测度，其具体测度公式如下：
[0017][0018]
其中，a为真实影像，b为虚拟影像，n为图像灰度级数，p
ai
为真实影像像素值为i的概率，p
bi
为虚拟影像像素值为i的概率，为真实影像像素值为i，且虚拟影像像素值为j的联合概率；
[0019]
第四步：采用全局优化器搜索与真实影像信息测度最大的虚拟相机位置以实现配准的初始化。
[0020]
作为本发明的进一步方案，第四步中所述全局优化器搜索具体步骤如下：
[0021]
p1：选定初始点x1和精度要求∈》1，取k＝1；
[0022]
p2：若则停止，取x
*
＝xk；否则
[0023]
p3：在xk处沿方向dk做精确线性搜索，得x
k 1
＝xk a
kdk
，k＝k 1，并返回p2。
[0024]
作为本发明的进一步方案，p3中所述精确线性搜索表达公式如下：
[0025]ak
＝-argminf(xk adk)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0026][0027]
其中，dk与d
k 1
正交。
[0028]
作为本发明的进一步方案，步骤(5)中所述高精度配准具体步骤如下：
[0029]
s1：在患者的体外安装图像传感器，让支气管镜的插入管穿过图像传感器；
[0030]
s2：图像传感器以高帧率实时监测支气管镜在图像传感器中的位移和旋转角度，其旋转角度具体计算公式如下：
[0031]
θ＝180l/πr
ꢀꢀꢀ
(4)
[0032]
其中，θ为旋转角度，l为支气管镜绕自身中心线旋转的位移，r为支气管镜插入部的半径；
[0033]
s3：依据初始化配准结果和支气管镜在图像传感器中的位移与旋转，估计出支气管镜相机的粗略位置；
[0034]
s4：当操作过程中因患者咳嗽或喷水出现支气管镜影像模糊不清而导致配准中断时，采用s3的估计结果对支气管镜相机位置进行粗略估计；
[0035]
s4：当支气管镜的影像恢复清晰时，结合s3和第四步实现自动重新精确配准。
[0036]
作为本发明的进一步方案，s3中所述支气管镜相机的粗略位置估计具体公式如下：
[0037]
[0038][0039]m′
＝t
·r·mꢀꢀꢀ
(7)
[0040]
其中，m
′
为估计的相机矩阵，m为初始配准相机矩阵，r为叠加的旋转矩阵，t为叠加的平移矩阵，(u,v,w)为初始m下的相机视角方向，(a,b,c)为初始m下的相机的位置。
[0041]
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
[0042]
1、该实时精准的支气管镜定位方法相较于以往支气管镜定位方法，本发明通过读入患者ct数据，全自动提取出各组解剖结构自动生成支气管树的中心线，并构建中心线树的拓扑结构，再自动规划出从主气道到目标区域的安全手术路径，之后操作者将支气管镜放置在患者主气道的隆凸位置，对支气管镜的真实影像进行分析预处理，并建立真实影像与虚拟图像的信息测度，它是采用全局优化器搜索与真实影像信息测度最大的虚拟相机位置以实现配准的初始化，操作者在患者的体外安装图像传感器，通过图像传感器以高帧率实时监测支气管镜在图像传感器中的位移和旋转角度，并估计出支气管镜相机的粗略位置，当操作过程中因患者咳嗽或喷水出现支气管镜影像模糊不清而导致配准中断时，采用估计出的支气管镜相机粗略位置对支气管镜相机位置进行粗略估计，当支气管镜的影像恢复清晰时，自动重新精确配准，能够保证检测实时稳定，定位精度高，不受患者呼吸、咳嗽干扰，方便快捷，且便于操作者掌握和使用，同时不需要助手辅助，降低经济成本，便于大规模推广。
附图说明
[0043]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0044]
图1为本发明提出的一种实时精准的支气管镜定位方法的流程框图；
[0045]
图2为本发明提出的一种实时精准的支气管镜定位方法的传感器安装示意图。
具体实施方式
[0046]
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。
[0047]
参照图1-2，一种实时精准的支气管镜定位方法，该定位方法具体步骤如下：
[0048]
手术路径规划。
[0049]
具体的，首先，计算机读入患者ct数据，同时自动提取出支气管树、血管和目标区域等解剖结构，之后依据提取出的各组解剖结构自动生成支气管树的中心线，并构建中心线树的拓扑结构，再自动规划出从主气道到目标区域的安全手术路径。
[0050]
真实支气管镜影像与虚拟相机位置的自动初始化配准。
[0051]
具体的，操作者将支气管镜放置在患者主气道的隆凸位置，对支气管镜的真实影像进行分析预处理，并分割出影像的气管结构，建立真实影像与虚拟图像的信息测度，并采
用全局优化器搜索与真实影像信息测度最大的虚拟相机位置以实现配准的初始化。
[0052]
需要进一步说明的是，选定初始点x1和精度要求∈》1，取k＝1，若则停止，取x
*
＝xk；否则在xk处沿方向dk做精确线性搜索，得x
k 1
＝xk a
kdk
，k＝k 1，并重复上述判断步骤，直至
[0053]
此外，需要进一步说明的是，具体测度公式如下：
[0054][0055]
其中，a为真实影像，b为虚拟影像，n为图像灰度级数，p
ai
为真实影像像素值为i的概率，p
bi
为虚拟影像像素值为i的概率，为真实影像像素值为i，且虚拟影像像素值为j的联合概率；
[0056]
精确线性搜索表达公式如下：
[0057]ak
＝-argminf(xk adk)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0058][0059]
其中，dk与d
k 1
正交。
[0060]
结合图像传感器实现实时高精度配准。
[0061]
具体的，如图2所示，操作者在患者的体外安装图像传感器，让支气管镜的插入管穿过图像传感器，之后图像传感器以高帧率实时监测支气管镜在图像传感器中的位移和旋转角度，依据初始化配准结果和支气管镜在图像传感器中的位移与旋转角度，估计出支气管镜相机的粗略位置，当操作过程中因患者咳嗽或喷水出现支气管镜影像模糊不清而导致配准中断时，采用估计出的支气管镜相机粗略位置对支气管镜相机位置进行粗略估计，当支气管镜的影像恢复清晰时，对支气管镜相机位置进行粗略估计，并依据全局优化器搜索与真实影像信息测度最大的虚拟相机位置进行配准初始化以实现自动重新精确配准，能够保证检测实时稳定，定位精度高，不受患者呼吸、咳嗽干扰，方便快捷，且便于操作者掌握和使用，同时不需要助手辅助，降低经济成本，便于大规模推广。
[0062]
需要进一步说明的是，支气管镜相机的粗略位置估计具体公式如下：
[0063][0064][0065]m′
＝t
·r·mꢀꢀꢀ
(7)
[0066]
其中，m
′
为估计的相机矩阵，m为初始配准相机矩阵，r为叠加的旋转矩阵，t为叠加的平移矩阵，(u,v,w)为初始m下的相机视角方向，(a,b,c)为初始m下的相机的位置。
[0067]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。