CN116035832A - 用于配准实况和扫描图像的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于配准实况和扫描图像的装置和方法。本发明的系统对患者的非刚性组织结构使用医学成像和实况成像，并通过在手术期间对患者的身体18进行塑形，使得手术期间患者的身体的外部形状与成像期间身体的外部形状相同，来提高精确度和可靠性。处理单元将精确地重叠扫描图像（或从几个扫描图像获得的图像或图形表示）和手术期间获取的实况图像，以用于增强外科医生在手术期间的理解和取向。

Description

用于配准实况和扫描图像的装置和方法
本发明涉及一种用于对患者的身体进行手术的布置和一种用于图像配准的方法。
美国专利第US9,433,387B2号公开了一种用于从患者获得颅骨或其他扫描的系统。该系统包括诊断扫描工作台和符合患者的身体轮廓的一部分的模具。在一个实施例中，提供了用于包围患者的头部的面罩。传感器被放置在模具或面罩内，以用于获得压力读数，该压力读数可以指示患者的移动，诸如吞咽动作。传感器的信号可以用于避免扫描期间由于患者的移动而导致的不准确性。为此，传感器被耦合到扫描系统。
此外，US 2019/0105423 A1公开了一种用于患者的肢体的支撑件，该支撑件包括形成网格结构的柔性多腔管交错网络。通过使该多腔管膨胀（inflat），可以固定放置在支撑件内的肢体。
文章V. Edward、C. Windishburger等人的Quantification of fMRI ArtefactReduction by a Novel Plaster Cast Head Holder（2000年9月在线出版，Wiley-Liz公司）公开了一种石膏铸件头部保持器，用于在fMRI扫描期间固定和重新定位患者的头部。石膏铸件头部保持器将减少无意的头部移动的幅度并减少移动伪影。石膏铸件头部保持器包括具有可延展固定材料的头部面罩，该固定材料在其完全硬化状态下是坚硬的。
虽然有各种各样的技术以用于在手术前从患者的身体获取图像，如超声成像放射检查、计算机断层摄影（CT）或磁共振成像（MRI），但外科医生关于标识在手术期间用相机观察的对象和组织可能仍然有问题。因此，强烈期望避免该问题，并帮助外科医生在手术期间取向。
该目的通过根据权利要求1的布置以及也通过根据权利要求15的方法来解决。
本发明的布置包括适应于患者的身体的形状的患者支撑设备。在医学成像期间（优选术前）以及也在外科手术期间，可以使用作为整体的支撑设备或至少适于患者的身体的（一个或多个）部分。在第一实施例中，患者支撑设备可以例如通过根据患者的身体部分的形状的扫描的三维打印（3D打印）被生产为刚性身体塑形元件（shaping element）。形状扫描可以在执行任何医学扫描或实况扫描之前执行，并获取患者的身体的至少一部分的外部形状。替代地，可以从医学扫描中直接获得患者的身体部分的形状，而不需要预先执行形状扫描，例如，在医学扫描中利用身体部分的自动皮肤分割。直接从医学扫描获得患者的身体部分的形状可以降低在形状扫描和医学扫描之间患者的身体部分的位置的进一步改变的风险。可以使用机械扫描仪、激光扫描仪、相机系统或任何其他合适的形状获取设备来扫描身体或其至少一部分的形状。如此获取的表征患者的身体的形状的数据可以用于产生在医学扫描期间以及也在外科手术期间应用于患者的刚性身体塑形元件。
在第二实施例中，患者支撑设备本身适于在术前扫描期间捕获患者的至少一个区域的轮廓，并且之后保持该轮廓。患者支撑设备或至少该设备的轮廓捕获部分可以具有两种状态：初始（柔软）状态，其中它可以适于身体的形状，以及最终（硬化）状态，其中一旦在患者的身体处或在患者的身体上获取它就保持该形状。患者支撑设备将用于在外科手术期间以与医学成像期间（扫描期间）相同的形状定位患者。连接到支撑设备的至少一个跟踪器元件适于指示支撑设备的位置和取向。换言之，跟踪器元件适于结合三个取向（围绕轴X、Y和Z的角度取向）来指示支撑件的空间中至少一个点的位置（X，Y，Z）。替代地，可以提供两个或更多个跟踪器元件来指示支撑设备的空间位置和取向。
此外，该布置包括用于捕获指示跟踪器元件中的任何跟踪器元件的位置和/或取向的数据的构件，例如相机、CT扫描仪、X射线装置或任何其他布置或医学成像设备。该医学成像设备适于获取患者的感兴趣的区域的至少一个至少二维扫描图像。医学成像设备适于获取与至少一个跟踪器元件的位置相关的那些图像。图像可以在术前扫描中或者甚至在手术期间获取。附接到支撑设备的跟踪器可以与其一起定位。医学成像设备可以包括处理单元，该处理单元用位于相同坐标系中的跟踪器元件在该坐标系中生成扫描图像。
在手术部位（operation site）处提供定位系统，以用于在手术期间捕获指示跟踪器的位置（和/或取向）的数据。关于跟踪器的位置的数据可以由至少一个跟踪相机捕获。相机可能不靠近外科手术部位，而是保持在一定距离处。然而，应确保视线能见度。
替代地，可以使用主动跟踪方法，其中支撑设备可以发射至少一个信号，诸如射频（RF）、光或超声波信号。支撑设备的信号可以被接收并用于在手术期间捕获/获得支撑设备的位置（和/或取向）。例如，RF跟踪器可以被嵌入支撑设备中。在该情况下，数据是从放置跟踪器的部位捕获/传输的。
由于患者被放置在与他或她在医学成像过程期间的支撑设备的相同的单独塑形部分内，因此患者的身体在手术期间将呈现（assume）与其在医学扫描期间具有的相同的形状。因此，由定位系统捕获的数据精确地指示了患者支撑设备的位置，并因此指示了患者的组织结构的位置。形状自适应支撑设备现在将重塑患者的身体，并确保患者的所有组织都在与它们在医学扫描期间已经处于的相同位置中。这对于在具有高灵活性并且没有特定的天然或人造界标（land marks）的软组织上或软组织中进行外科手术特别重要。
处理单元可以配准并混合扫描图像和实况图像，并为外科医生提供完美的取向。特别地，本发明的系统提供了以下优点：
1.不需要用于在患者的身体内植入跟踪标记或记号的术前干预。
2.不需要在骨骼或目标结构中使用螺钉、销钉或诸如此类。因此，可以避免附加的外科手术和并发症。
3.在外科手术期间减少或者甚至不需要使用附加的医学成像设备。
4.本发明的方法和系统不依赖于刚性的解剖结构（如骨骼）或具有低变形的器官。
本发明避免了由于由改变患者的轮廓或位置而引起的重量的重新分布而导致的患者的躯干的轮廓中的变化。因此，本发明允许获取医学图像并在之后执行外科手术。可以在与医学成像期间的位置不同的患者的位置中执行外科手术。
将患者放置在适应于患者的身体的形状的患者支撑设备中或患者支撑设备上，将把患者身体的形状转移到支撑设备。支撑设备将在术前扫描期间捕获并保持患者的轮廓。支撑设备可以包括至少一个元件，该元件包括铸造材料，例如石膏铸件、玻璃纤维、树脂基铸件或其他任何事物，当患者第一次被放置在其上或其中时，该材料是可延展的。在变得坚硬之后，塑形的支撑设备（铸件）将在外科手术期间重新定位患者时被再次使用。在固化可延展可固化材料之前或之后，至少一个跟踪器元件将被放置在支撑设备上或支撑设备中。比如螺钉、基准、球、销钉或诸如此类的嵌入式元件可以用作跟踪器，并且将充当位置标记以将患者配准到导航系统。导航系统可以包括处理单元，该处理单元适于基于放置在支撑设备中或支撑设备上的标记将至少一个扫描图像与至少一个实况图像配准。
患者支撑设备可以包括其上放置有可变形元件的可移动工作台。可变形元件可以可移除地连接到工作台。可变形元件可以具有两种状态：初始（柔软）状态，其中它可以适于患者的身体的形状，以及最终（硬化）状态，其中一旦在患者的身体处或在患者的身体上获取它就保持该形状。因此，可变形元件可以从用于扫描患者的一个工作台移动到用于外科手术的另一个支撑件。由于至少一个跟踪器元件与可变形元件牢固连接，并且由于可变形元件在患者被放置在其中之后并且在完成医学扫描之前将从可变形状态转变为刚性状态，因此导航系统将在外科手术部位中找到与至少一个跟踪器元件具有相同空间关系的组织和器官，如它们在医学成像期间一样。
优选地，所述至少一个可变形元件在一侧处开放，使得患者可以从可变形和可固化元件中移除和重新插入到可变形和可固化元件中。此外，支撑设备可以包括至少两个可变形元件，当放置在患者或其一部分周围时，可变形元件将包围并因此包围患者或其一部分。如果医学成像和手术将在不同的时间点、例如在不同的日子执行，则这是特别有用的。特别地，如果要在具有少量或没有刚性结构的身体部分上进行手术，则在呈现患者的形状并硬化成该形状之后，适应性患者支撑设备将重塑患者的身体，并且如果患者重新进入该设备，则保护柔性组织和器官呈现与之前成像步骤中相同的位置。
本发明的布置可以包括用于在感兴趣的区域中治疗患者的身体的仪器。该仪器可以是任何类型的RF外科、冷冻外科、等离子外科或任何其他仪器。特别地，该仪器适于放置在实况成像设备的视场内。实况成像设备可以是仪器的一部分、插入到套管针的单独的相机、或者放置在患者的身体处、身体上或身体内的单独的相机。
所述跟踪器系统被放置在所述布置的外科手术部位处，并且包括至少两个相机或其他位置探测器，用于三角测量地确定至少一个跟踪器元件在空间中的位置（并且如果有必要，还确定取向）。此外，成像系统可以包括至少一个跟踪器元件或连接到适于检测相机的位置和取向的检测系统的任何其他传感器。检测系统可以被连接到处理单元，该处理单元相应地可以配准实况图像和扫描图像。
此外，处理单元可以包括结构检测单元，以用于生成组织结构的图形表示，该图形表示可以从医学图像中获得。图形表示可以是线条、符号、彩色区域或适于指示外科医生应该与其他区域或组织区分的区域或组织的其他任何事物。这些图形结构可以被混合到实况图像中，这有助于外科医生在感兴趣的区域内找到要治疗的结构。
另外的细节和特征可以在附图、说明书和以及权利要求书中找到。
图1是其上放置有患者的患者支撑设备和医学成像设备的示意表示，
图2是患者支撑设备和放置在其上的患者的横截面视图，
图3是由医学成像设备提供的扫描图像的示意表示，
图4是放置在本发明的布置的手术部位处的患者支撑设备上的根据图1的患者，本发明的布置包括用于在手术期间定位患者的定位系统，
图5图示了提供给外科医生的扫描图像、实况图像和混合图像，
图6是用于获取实况图像的相机的示意图示，以及
图7图示了扫描图像、从扫描图像获得的患者的组织结构的体积模型以及配准到组织结构的空间表示中的实况图像。
图1图示了用于医学成像的布置10，包括用于将患者12相对于医学成像系统13定位在所期望的位置中的支撑设备11。支撑设备11可以由工作台14和放置在其上的至少一个可变形元件15组成。另外的可变形元件16和17可以被放置在患者12的身体18周围，如可以从图2中获得，图2图示了工作台14、可变形元件15至17以及身体18的横截面视图。
可变形元件15至17可以是填充有可延展耐用材料的衬垫，如石膏铸件、玻璃纤维、强化石膏铸件、树脂基铸件或诸如此类。替代地，可延展材料可以被直接放置在患者的皮肤上或者放置在位于皮肤上的布处。虽然可变形元件15可以被放置在患者12的身体18和工作台14之间，但是元件16和17可以被放置在患者12上，并且例如保持在壁19、20之间。可变形元件15至17中的至少一个和/或壁19中的至少一个被牢固地连接到跟踪器元件21、22、23，在当前情况下，跟踪器元件21、22、23是以彼此相距已知的距离固定在树状物（tree）24的端部处的球。球21至23可以是通过成像系统13或分配给成像系统13的特定相机可见的反光或吸光球。在当前情况下，提供三个跟踪元件以用于明确指示患者12的位置和取向。然而，尽管放置在树状物的端部上的三个球21、22、23给出了患者12的位置和取向的相当好的指示，但是还可能的是，将彼此独立的至少三个不同的球放置在可变形元件15、16或17的不同位置处。如果跟踪器元件21、22、23将被光学地检测，则它们将被放置在可变形元件15至17的可见侧处。
此外，可能的是仅使用一个物件（item）作为跟踪器元件，例如，一个牢固连接到支撑件14的立方体或可变形元件15、16和17中的至少一个。
成像系统13可以是用于获取术前医学扫描的任何类型的医学成像系统，如如图1中所图示的MRI系统或CT系统。CT系统可以包括X射线源和X射线检测器，该X射线检测器适于接收来自源的X射线并将数据递送到产生扫描图像29（29a到29z）的处理单元28，如图3中所图示。处理单元28可以是适于处理由X射线探测器27提供的信号的任何类型的计算机。处理单元28被连接到用于在其中存储扫描图像29的存储装置30。替代地或附加地，可以提供术中扫描装置，例如C形臂系统、超声成像装置或适用于在手术期间提供医学扫描图像的任何其他系统。
医学成像系统13可以另外用作用于在成像系统的操作期间、即在患者的身体18的扫描期间捕获指示跟踪元件21、22、23的位置的数据的构件33。替代地，可以提供单独的定位系统，以用于检测和定位跟踪元件21、22、23，并使图像29与跟踪元件21、22、23形成空间关系。
本发明的布置10的一部分是图4中所图示的手术部位34。患者12再次被放置在工作台14a上，该工作台14a可以与图1中所图示的成像部位的工作台14相同。然而，通常，工作台14a将是与常规手术室中通常使用的不同的工作台。无论工作台14、14a是否相同，在任何情况下，可变形元件15至17都将用于以与在图2中所图示时医学成像期间其已经具有的相同的形状呈现患者的身体18。此外，在成像期间和以及手术期间，跟踪元件21、22、23将相对于患者的身体18处于相同的位置中。
在手术部位34处，提供定位系统35，用于捕获馈送到连接到存储装置30的处理单元28a的数据36。处理单元28a可以与图1的处理单元28相同，或者替代地它可以是不同的处理单元。处理单元28a可以是适于从定位系统35接收数据并确定跟踪器元件21、22、23的位置和取向并且因此确定患者12的身体18的位置和取向的任何类型的计算机或处理器。定位系统35可以包括至少两个相机37、38，其取向使得跟踪元件21、22、23在相机37、38的视场内。如果工作台14a保持静止，则处理单元28或28a适于在手术开始之前通过三角测量定位跟踪器元件21、22、23一次。如果工作台14a被移动，则定位系统35可以重复确定患者12的身体18的定位和取向。替代地，定位可以由定位系统35永久地完成。
该布置的一部分是用于获取分别如图4和图6中所图示的实况图像的另一个相机39。相机39的视场40是患者的身体18的感兴趣的区域41，在该感兴趣的区域41处将执行手术。图5图示了由视场40覆盖的感兴趣的区域41。相机39可以是腹腔镜相机、和内窥镜相机或任何其他类型的适合并适于产生感兴趣的区域40的实况图像42的相机。
可以将实况图像42馈送到处理单元28或28a，如图4中所图示。处理单元28a可以处理图5右上图示中所示的任何实况图像42。实况图像42可以包含真实的组织结构43和仪器44的尖端。
任何类型的定位系统可以用于检测仪器44和/或相机39的位置和取向。定位系统35可以包括连接到相机39并且由相机37、38可见的跟踪器结构45。跟踪器结构可以包括至少一个跟踪器元件，例如如图6中所图示的三个跟踪器元件46、47、48，类似于跟踪器元件21、22、23。可以使用其他类型的跟踪系统。
迄今为止描述的布置10操作如下：
手术前，患者12将被放置在工作台14的支撑件11设备上，其中可变形元件15由身体18塑形，如图2中所图示。如果期望或必要，则一个或两个另外的可变形元件16、17将被放置在患者的身体18周围，使得可变形元件15、16、17呈现患者的身体18的负形状，并且紧密地配合（fit）在身体18周围。可变形元件15、16、17填充有可延展材料或由可延展材料形成，可延展材料将随时间凝固，例如在几分钟或几十分钟内凝固。在固化即凝固之后，成像系统13可以获取扫描图像29a至29z，所述图像由处理单元28存储在存储装置30中。之后，患者12可以离开支撑设备11并准备手术，手术可以在短时间内进行，并且有时在几小时或几天后进行。
对于外科手术，患者12通过将他或她的身体18放置在工作台14a处，重新进入如图4中所图示的支撑设备11，其中曾经可变形且现在为刚性的元件15至17被放置在身体18周围，如图2中所图示。外科医生可以已经在元件15、16、17的一个或多个中切出窗口49，使得他或她可以通过窗口49接近身体18。窗口49也可以在支撑设备中、特别是在（一个或多个）可变形元件15、16、17中提供，用于在患者被放置在可变形元件中之前的计划操作。替代地，窗口49可以在医学术前扫描和手术之间切入到（cut into）（一个或多个）可变形元件15、16、17中。该过程可能是计划操作的一部分。
在手术的开始时或在手术的开始前，定位系统35将被激活，其捕获跟踪元件21、22、23的位置。因此处理单元28a可以将患者的身体18的位置配准到扫描图像29a至29z，如图7中所图示。此外，处理单元28a或处理单元28可以产生患者的身体的至少一部分（例如感兴趣的区域41）的体积模型50。
用于确定相机39的位置和取向的定位系统35或任何其他跟踪系统连续地产生数据，处理单元28a根据该数据确定相机39的视场40的位置和取向，并且因此确定实况图像42的位置和实况图像的观察方向。如图7中所图示，实况图像42可以以与扫描图像29a至29z不同的方式与体积模型50相交。然而，处理单元28a可以产生体积模型50的合成图像，如图5中至少感兴趣的区域41的左上图中所图示。为此，处理单元可以在与实况图像相同的平面中与体积模型50相交。
然后，处理单元28a将合并或混合实况图像42（图5右上图示）与通过在与实况图像42相同的位置处和以与实况图像42具有的相同的取向与体积模型50相交而获得的体积模型图示。图5图示了混合图像51，其具有由相机39看到的组织结构43和由成像找到并由仪器44治疗的特定组织结构52。
此外，处理单元28或28a可以替代地或附加地产生组织结构的图形表示52，并将那些图形表示混合到实况图像中。根据权利要求1，扫描图像29中的任何扫描图像、通过与体积模型50相交而获得的图像以及从扫描图像中的至少一个或从体积模型50获得的图形表示52被认为是用于与“实况图像”混合的“扫描图像”。布置10进一步包括用于再现混合图像的图像显示器53。显示器53可以是屏幕、虚拟现实耳机或用于示出混合图像的任何其他构件。
本发明的系统对患者的非刚性组织结构使用医学成像和实况成像，并通过在手术期间对患者的身体18进行塑形，使得手术期间患者的身体的外部形状与成像期间身体的外部形状相同，来提高精确度和可靠性。处理单元28或28a将精确地重叠扫描图像（或从几个扫描图像获得的图像或图形表示）和手术期间获取的实况图像，以用于增强外科医生在手术期间的理解和取向。
参考编号：
10用于医学成像的布置
11支撑设备
12患者
13成像系统
14、14a工作台
15-17可变形元件
15a-17a可延展/可固化材料
18患者的身体
19、20壁
21-23跟踪器元件
24树状物
28、28a处理单元
29扫描图像
30存储装置
33用于捕获数据的构件
34手术部位
35定位系统
36数据
37、38相机
39相机
40相机39的视场
41感兴趣的区域
42实况图像
43组织结构
44仪器
45跟踪器结构
46-48跟踪器元件
49窗口
50体积模型
51混合图像
52组织结构
53显示器。

Claims (15)

1.一种用于在患者的身体（18）上成像（10）和手术（34）的布置，包括：
患者支撑设备（11），其适应于患者的身体的形状，
至少一个跟踪器元件（21），其连接到支撑设备（11）并适于指示支撑设备（11）的位置和取向，
用于捕获指示至少一个跟踪器元件（21）的位置和/或取向的数据的构件（33），
医学成像系统（13），其适于获取与至少一个跟踪器元件（21）的位置相关的患者的感兴趣的区域的至少一个至少2维扫描图像（29），
定位系统（35），用于在手术期间捕获指示至少一个跟踪器的位置的数据（36），
实况成像设备（39），用于获取手术部位的实况图像（42），
处理单元（28，28a），其适于根据在医学成像和实况成像期间捕获的数据配准和混合扫描和实况图像（29，42，52）。
2.根据权利要求1所述的布置，其中，患者支撑设备（11）包括可移动工作台（14，14a）。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，通过根据对患者的身体的外部形状的至少一部分的扫描来3D打印至少一个元件（15），患者支撑设备（11）适应于患者的身体的形状。
4.根据权利要求1或2中的任一项所述的布置，其中，患者支撑设备（11）包括可变形元件（15），所述可变形元件（15）包括可延展材料（15a）或由可延展材料（15a）组成，并且其中，所述可延展材料是可固化材料（15a）。
5.根据权利要求3所述的布置，其中至少一个跟踪器元件（21）被直接连接到至少一个可变形元件（15）。
6.根据权利要求3所述的布置，其中至少一个可变形元件（15）在一侧处是敞开的，使得能够从可变形元件（15）中移除患者和将患者重新插入到可变形元件（15）中。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述支撑设备包括至少两个可变形元件（15，16，17），所述可变形元件包围患者的至少一部分。
8.根据权利要求6或7所述的布置，其中至少一个可变形元件（15，16，17）包括用于接近患者的窗口（49）。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，包括用于在感兴趣的区域（41）中治疗患者的身体（18）的仪器（44）。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，跟踪器元件（21）适于指示所述支撑设备在空间中的位置和取向。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，跟踪器元件（21）包括可由定位系统定位的间隔开的反射器元件。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述定位系统包括至少两个相机（37，38），用于三角测量地确定至少一个跟踪器元件（21）在空间中的位置和取向。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，实况成像设备包括至少一个相机（39）。
14.根据权利要求13所述的布置，其中检测系统（35）被提供用于检测实况成像设备的相机（39）的位置和取向。
15.用于图像配准的方法，包括：
使患者支撑设备（11）适于患者的身体（18）的形状，
将至少一个跟踪器元件（21）连接到支撑设备（11）并捕获指示至少一个跟踪器元件（21）的位置和/或取向的数据，
通过使用医学成像系统（13）获取与跟踪器（21）的位置相关的患者的感兴趣的区域（41）的至少一个至少2维扫描图像（29），
借助于定位系统（35）捕获指示手术期间跟踪器的位置的数据（36），
通过实况成像设备（39）获取手术部位的实况图像（42），
根据在医学成像和实况成像期间捕获的数据（36）来配准和混合扫描和实况图像。
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