CN101410724B - 在电磁跟踪系统中进行局部误差补偿的系统 - Google Patents

在电磁跟踪系统中进行局部误差补偿的系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种在医疗环境中使用精确的电磁跟踪系统进行局部误差补偿的系统，包括电磁场发生器，其监测具有合适的传感器线圈的医疗设备，其中从误差校正工具导出的校正函数应用于传感器线圈的定位和定向读数。误差校正工具包括布置成固定和已知几何结构的大量电磁传感器，并且放置在进行医疗过程的部位周围。在成像系统上显示传感器数据。此外，利用用于相对定位读数的光学传感器和电磁跟踪系统传感器可以实现失真绘图。

Description

在电磁跟踪系统中进行局部误差补偿的系统
技术领域
本发明涉及一种用于医疗设备的电磁跟踪系统(EMTS)，并且尤其涉及用于在医疗环境中进行精确跟踪的金属失真(metal distortion)误差补偿系统和方法。
背景技术
通过使用电磁跟踪系统(EMTS)跟踪医疗器械的位置并且将该信息显示在医疗图像上，可以改进微创医疗过程的结果，由此有助于将医疗器械导入解剖结构中的目标位置。EMTS通常使用在进行该过程的部位产生局部电磁场的电磁场发生器和包含合适的传感器线圈的医疗器械或设备。在传感器线圈中感生出电流，其是传感器线圈相对于电磁场发生器的定位和定向的函数。EMTS基于感生出的电流计算传感器线圈的定位，并且因而计算医疗器械的定位。EMTS的特别有利之处在于，不需要以瞄准线来确定/监测器械位置或运动，由此使其特别适于跟踪解剖结构中的针或导管。
在医疗环境中使用EMTS的一个主要问题是在电磁场附近存在金属导电性或铁磁物体。这些物体产生了失真或金属伪影，这在医疗器械的定位和方向跟踪中产生了误差。能够进行医疗过程的工作台或平台通常是金属失真的主要来源。然而，诸如CT扫描架、X射线或C型臂的其它物体也可以引起和/或造成失真。在对器械定位进行临床评估/了解的过程中的这种失真和相关误差可以直接和负面地影响使用EMTS的医疗过程的结果。当前，EMTS的临床使用是有限的，因为EMTS的定位和定向精确度在存在金属失真时不能得到保证。
授予Khalfin等人的美国专利号No.6,400,139公开了具有失真补偿功能的用于电磁定位和定向跟踪的方法/装置。更特别地，Khalfin‘139专利公开的方法/装置，采用了至少一个固定传感器，称为“目击传感器”，其具有在体积附近或体积内的固定定位和定向以考虑电磁失真。一个或多个探头传感器放置在要在该体积中跟踪的物体上，并且使用每个目击传感器的输出计算非真有效电磁源(non-real effective electromagnetic source)的参数。使用有效源的参数作为用于如每个探头传感器测量的定位和定向的计算的输入，就如同该物体位于一个或多个有效源产生的非失真电磁场中一样。
尽管经过了历年的努力，仍然需要有效地补偿金属失真的系统和方法，由此改进医疗/临床环境中EMTS的精确度和/或可靠性。此外，需要改进EMTS性能的系统和方法，从而有效地和可靠地实现在心血管应用、肿瘤学应用中的导管跟踪，所述肿瘤学应用诸如穿刺活检、射频消融、低温消融、前列腺癌治疗等。由本文中公开的系统和方法满足了这些和其它需求。
发明内容
本公开涉及误差补偿系统和装置，用于处理例如在医疗和/或外科手术过程中使用电磁跟踪系统(EMTS)时存在和/或遇到的金属失真。
根据本发明的一方面，提供了一种在使用电磁跟踪系统(EMTS)时对金属失真进行局部误差补偿的方法，包括：
从至少一个电磁场发生器生成电磁场；
监测移动通过解剖结构的具有至少一个电磁传感器线圈的医疗设备的定位读数；
监测能够监测所述金属失真的误差校正工具的至少三个电磁传感器的定位读数，其中，所述误差校正工具位于所述医疗设备附近内，并且其中，所述至少三个电磁传感器布置成已知固定结构；
根据所述至少三个电磁传感器的所述定位读数和所述已知固定结构导出校正函数；以及
将所述校正函数应用于所述医疗设备的所述定位读数，以补偿所述金属失真。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于跟踪通过解剖结构的医疗设备的电磁跟踪系统(EMTS)，包括：
电磁场发生器，用于生成电磁场，以获得所述医疗设备的定位数据；
误差校正工具，包括布置成已知固定结构的至少三个电磁传感器，并且所述误差校正工具用于根据所述至少三个电磁传感器的探测的定位和所述已知固定结构来生成误差校正函数，用于基于所述误差校正函数来校正所述医疗设备的所述定位数据，以补偿金属失真。
根据本发明的又一方面，提供了一种使用电磁跟踪系统(EMTS)对医疗设备进行跟踪时对金属失真进行局部误差补偿的方法，包括：
从至少具有第一光学传感器的至少一个电磁场发生器生成电磁场；
至少具有第二光学传感器的能够进行医疗过程的第一平台；
定位系统包括
至少一个电磁跟踪系统(EMTS)传感器；
执行包括下列步骤的补偿绘图：
使所述定位系统运动到所需空间体积中的不同位置；
根据所述电磁场发生器和所述第一平台相对于所述定位系统的已知定位生成校正函数；
其中，所述第一光学传感器、第二光学传感器和所述EMTS传感器互相通信。
根据一个典型实施例，所公开的EMTS包括电磁场发生器，其适于生成电磁场。电磁场发生器通常适于定位在医疗/外科手术/临床环境中，从而使得由此生成的电磁场可以用于跟踪来自电磁传感器和合适的电磁传感器线圈的传感器数据。所公开的传感器线圈通常嵌入在要引入临床环境中的医疗设备或其它结构/元件中，由此允许在医疗设备或其它结构整体或局部定位在解剖结构中时跟踪定位和定向数据。从与所公开的系统/方法相关的误差补偿工具生成误差补偿函数，并且将由此生成的误差补偿应用于与用于精确跟踪的医疗设备或其它结构相关的定位和定向数据。经误差补偿的信息可以显示在成像系统上、存储在计算机存储器中和/或打印。
根据本公开的典型实施例，所公开的误差校正工具包括固定在已知/预定几何结构中的多个电磁传感器。优选地，将该误差校正工具定位或定向以使得围绕感兴趣的局部区域，即将发生医疗、外科手术和/或诊断过程的临床/解剖区域。在优选实施例中，将光学跟踪传感器连接至误差校正工具，以获得更高的精确度。光学跟踪传感器通常不受金属失真的影响，并且其关于误差校正工具的至少一个电磁传感器的定位和定向固定并且已知。
在本公开的又一典型实施例中，通过生成考虑了发生器和/或工作台自由运动的失真绘图克服了现有技术与EMTS相关的问题。本实施例利用了光学跟踪系统，其适于跟踪来自放置在电磁场发生器和在医疗/外科手术过程中使用的工作台上的光学传感器的定位数据。使用定位系统使EMTS传感器运动至不同的位置以促进对失真数据的绘图。这对于工作台和场发生器相对于彼此的不同定位创建了数个可能的失真图。因而，获得单一全面的绘图，并且根据本公开，工作台和/或场发生器在过程期间和/或过程之间的随后运动不负面地影响所公开的EMTS的可靠性和/或精确度。当然，根据本发明的典型实施例，提供一种成像系统，其适于显示通过失真绘图有利地补偿的医疗设备或其它结构的跟踪信息。
特别地当与随附附图一同阅读时，根据随后的说明书，与所公开的系统和方法相关的附加特征、功能和优点将变得显而易见。
附图说明
为了协助本领域技术人员制造和使用所公开的系统和方法，参考随附附图，其中：
图1是示出本公开的第一典型实施例的示意图；
图2是示出本公开的第二典型实施例的示意图；以及
图3是示出本公开的第三典型实施例的示意图。
具体实施方式
本公开提供了用于医疗设备和其它结构的有利电磁跟踪系统(EMTS)。所公开的系统/方法提供了金属失真误差补偿，由此便于精确地跟踪医学/外科手术环境中的这种设备/结构。通过有效地补偿金属失真，所公开的系统和方法提高了医疗/临床环境中EMTS的精确度和/或可靠性。例如，提供改进的EMTS性能，从而有效和可靠地实现在心血管应用、肿瘤学应用中的导管跟踪，所述肿瘤学应用诸如穿刺活检、射频消融、低温消融、前列腺癌治疗等。
首先参考图1，示出了具有电磁场发生器11的电磁跟踪系统(EMTS)10。在第一实施例中，发生器11创建了能够跟踪来自电磁传感器13和医疗设备14的传感器数据的局部电磁场。在医疗/外科手术过程期间，设备14通常穿透皮肤下的解剖结构15到目标位置。将电磁传感器线圈嵌入在设备14中。在传感器线圈中感生出电流，其是传感器线圈相对于电磁场发生器11的定位和定向的函数。通过由发生器11生成的局部电磁场检测传感器线圈。来自传感器线圈的传感器数据显示在成像系统16上。成像系统16可以包括，但不局限于，具有通常处于医疗环境中的计算机的监测器。该数据包括传感器线圈的定位和定向，因而医疗设备14的定位和定向可以得以确定。医疗设备可以是针、导管或移动通过解剖结构的任何设备。
具有电磁传感器13的误差校正工具12围绕感兴趣的部位放置，通常在进行医疗过程的位置之上。通过监测校正工具12上的传感器13的定位读数，导出校正函数并且将其施加于传感器线圈的定位和定向数据。校正工具因而实现对存在于环境中的金属失真进行的局部误差补偿。这些失真是CT、X射线和超声环境所共有的。
误差校正工具12通常具有布置成固定和已知几何结构的大量电磁传感器。例如，图1示出了布置成正方形结构的四个传感器。在典型实施例中，电磁传感器可以布置成10cm乘以10cm的正方形。在备选典型结构中，仅三个传感器布置成已知大小的三角形。在优选实施例中，应当已知传感器相对彼此的精确定位。这尤其有利于以这样的方式布置传感器，即对于过程来说感兴趣的部位可以由传感器围绕。
根据所公开的系统和方法的典型实施例，当工具12放置在发生器11的视场中时，从传感器13中获取定位读数。如果存在金属失真(并且不存在如本文中公开的校正函数)，那么一个或多个传感器的定位将不正确，并且EMTS 10将不正确地识别/转化几何布置。然而，由于根据本公开，传感器13的相对定位固定并且已知，所公开的系统和方法便于校正EMTS读数(即，不失真)，由此产生正确的几何形状。随后将该校正施加于医疗设备14的定位读数，并且这样补偿了工具局部的场由于金属失真所引起的误差。
虽然可以仅使用电磁传感器执行误差校正，由于存在金属失真时EMTS读取的传感器的绝对定位未知，从而误差可能仍然存在。在本公开的优选实施例中，用于识别至少一个传感器的绝对定位的装置允许知晓/确定所有传感器23的绝对定位。图2示出了典型实施例，其中，光学跟踪传感器26连接至误差校正工具22。光学跟踪传感器26通常以相对于至少一个电磁传感器23的固定和已知位置定位。光学跟踪空间和电磁跟踪空间可以对齐成像系统27，因而向误差工具22提供了绝对定位参考。成像系统27可以包括但不局限于，具有计算机/中央处理单元的监测器，正如用于在医疗/外科手术环境中所已知的。在该优选实施例中，电磁传感器23的绝对定位生成了误差工具局部的更精确的失真校正函数。
根据图2，示意性地示出了EMTS 20，并且其包括电磁场发生器21。在该典型实施例中，发生器21创建了能够跟踪来自电磁传感器23和医疗设备24的传感器数据的局部电磁场。在医疗/外科手术过程期间，设备24通常穿透皮肤下的解剖结构25至目标位置。将电磁传感器线圈嵌入在设备24中。在传感器线圈中感生出电流，其是传感器线圈相对于电磁场发生器21的定位和定向的函数。由发生器21生成的局部电磁场检测传感器线圈。来自传感器线圈的传感器数据显示在成像系统27上。该数据包括传感器线圈的定位和定向，因而包括医疗设备24的定位和定向。医疗设备可以是针、导管或移动通过解剖结构的任何设备。
误差校正工具22包括电磁传感器23，其位于感兴趣部位周围，通常在进行医疗过程的位置之上。通过监测校正工具22上的传感器23的定位读数，导出校正函数并且将其施加于传感器线圈的定位和定向数据，由此实现对存在于环境中的金属失真进行的局部误差补偿。这些失真是CT、X射线和超声环境所共有的。
误差校正工具22通常具有布置成固定和已知几何结构的大量电磁传感器。例如，图2示出了布置成正方形结构的四个传感器。正如参考图1的实施例所述，电磁传感器可以布置成10cm乘以10cm的正方形。在备选典型结构中，仅三个传感器布置成已知大小的三角形。在优选实施例中，应当已知传感器相对彼此的精确定位。这尤其有利于以这样的方式布置传感器，即对于过程来说感兴趣的部位可以由传感器围绕。
当工具22位于发生器21的视场中时，可以从传感器23中获取定位读数。如果存在金属失真，那么一个或多个传感器的定位将不正确，并且EMTS20将不正确地转化几何布置。由于传感器23的相对定位固定并且已知，可以使EMTS读数不失真并且校正EMTS读数，由此产生正确的几何形状。随后将该校正施加于医疗设备24的定位读数，并且这样补偿了工具局部的场由于金属失真所引起的误差。
图3示出了本发明的第三典型实施例，其中电磁场发生器34至少具有第一光学跟踪传感器35a。发生器34创建局部电磁场，其能够跟踪来自嵌入在医疗设备或其它结构/元件上的电磁传感器的传感器数据。在传感器线圈中感生出电流。电流是传感器线圈相对于电磁场发生器34的定位和定向的函数。来自传感器线圈的传感器数据显示在成像系统36上。成像系统36可以包括，但不局限于，具有通常处于医疗/外科手术环境中的计算机/中央处理单元的监测器。该数据包括传感器线圈的定位和定向，其转化成医疗设备的定位和定向。医疗设备可以是针、导管或移动通过解剖结构的任何设备。
进一步参考图3，典型工作台33可以采用用于医疗/外科手术过程的典型平台的形式，包括但不局限于CT工作台、X射线工作台或超声工作台。如在先所述，包括工作台33的医疗过程环境通常产生金属失真，其改变了常规EMTS的精确度。这些失真根据图3的典型实施例得到有利地克服。
如图3中示意性所示的，至少第二光学跟踪传感器有利地连接至工作台33。通过使用具有EMTS传感器31的定位系统30，实现了电磁绘图。在图3的典型实施例中，定位系统30移动至所需空间体积中的不同位置，其中电磁传感器31、第一光学传感器35a和第二光学传感器35b互相通信。对于相对于彼此的所有三个传感器，收集定位数据，由此允许和/或便于描绘由相对于定位系统、电磁场发生器和工作台的不同已知定位的局部环境引起的任何局部失真。
根据本公开的典型实施例，通过将至少一个传感器31以高精确度移动至所需空间体积中的已知位置，导出有用和实用的失真补偿。对电磁场发生器34和/或平台33的许多不同位置和定向，可以执行多个绘图。光学跟踪传感器35a和35b可以是对金属失真免疫的六自由度光学传感器。因而，对不同的发生器和工作台定位导出全面绘图和补偿。该过程仅需要发生一次，由此增强例如在医疗/外科手术环境中使用所公开的EMTS系统的容易性。一旦预期，在实际医疗/外科手术过程期间，就可以使发生器和工作台移动，且补偿绘图将仍然有效。
根据本发明的典型实施例，光学跟踪系统35监测光学跟踪传感器35a和35b的位置，从而在绘图过程期间始终知晓它们的定位。定位系统30将EMTS传感器31非常精确地放置在空间中的已知位置。在EMTS上记录相应的位置和方向数据。随后，使场发生器运动到相对于工作台的不同位置，并且重复该过程。场发生器和工作台不需要移动至不同的位置：少量位置可能足以导出能够补偿一定范围的发生器和工作台定位的绘图。工作台是医疗应用中使用EMTS时金属失真的主要来源，然而，典型医疗环境中的其它对象，诸如CT扫描架、X射线或C型臂也可以引起失真。该方法可以应用于其它所预期的破坏源。
通过提供误差补偿，使用EMTS更现实和实用，从而允许得到将医学成像与医疗设备跟踪集成的许多机会。该技术基本上可应用于其中医生需要将医疗设备引导至解剖结构中的一个位置的几乎任何情况。
虽然参考本系统和方法的典型实施例提供了本公开，但是本公开不局限于这种典型实施例。当然，本公开的系统和方法可以修改、改变和/或增强，而不脱离其精神或范围，正如对于本领域普通技术人员而言，基于本文描述是显而易见的。本公开清楚地将这种修改、改变和增强包括在其范围中。

Claims (17)

1.一种在使用电磁跟踪系统(EMTS)时对金属失真进行局部误差补偿的方法，包括：
从至少一个电磁场发生器生成电磁场；
监测移动通过解剖结构的具有至少一个电磁传感器线圈的医疗设备的定位读数；
监测能够监测所述金属失真的误差校正工具的至少三个电磁传感器的定位读数，其中，所述误差校正工具位于所述医疗设备附近内，并且其中，所述至少三个电磁传感器布置成已知固定结构；
根据所述至少三个电磁传感器的所述定位读数和所述已知固定结构导出校正函数；以及
将所述校正函数应用于所述医疗设备的所述定位读数，以补偿所述金属失真。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述误差校正工具具有至少四个电磁传感器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述误差校正工具包括至少一个光学跟踪传感器，其以相对于至少一个所述电磁传感器的固定已知定位连接至所述工具。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在成像空间上显示对所述电磁传感器、光学跟踪传感器和医疗设备的所述定位监测。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述医疗设备的所述传感器线圈中感生出电流，其中，所述电流是所述传感器线圈相对于所述电磁场发生器的定位和定向函数。
6.一种用于精确跟踪通过解剖结构的医疗设备的电磁跟踪系统(EMTS)，包括：
电磁场发生器，用于生成电磁场，以获得所述医疗设备的定位数据；
误差校正工具，包括布置成已知固定结构的至少三个电磁传感器，并且所述误差校正工具用于根据所述至少三个电磁传感器的探测的定位和所述已知固定结构来生成误差校正函数，用于基于所述误差校正函数来校正所述医疗设备的所述定位数据，以补偿金属失真。
7.根据权利要求6所述的电磁跟踪系统，其中，至少一个光学跟踪传感器以相对于至少一个电磁传感器的固定已知定位连接至所述误差校正工具。
8.根据权利要求7所述的电磁跟踪系统，其中，将所述光学跟踪传感器和电磁传感器对齐成像源，从而向所述误差校正工具提供定位参考。
9.根据权利要求7所述的电磁跟踪系统，其中，所述误差校正工具具有至少四个电磁传感器。
10.根据权利要求7所述的电磁跟踪系统，其中，在所述医疗设备的所述传感器线圈中感生出电流，所述电流是所述传感器线圈相对于所述电磁场发生器的定位和定向函数。
11.一种使用电磁跟踪系统(EMTS)对医疗设备进行跟踪时对金属失真进行局部误差补偿的方法，包括：
从至少具有第一光学传感器的至少一个电磁场发生器生成电磁场；
至少具有第二光学传感器的能够进行医疗过程的第一平台；
定位系统包括
至少一个电磁跟踪系统(EMTS)传感器；
执行包括下列步骤的补偿绘图：
使所述定位系统运动到所需空间体积中的不同位置；
根据所述电磁场发生器和所述第一平台相对于所述定位系统的已知定位生成校正函数；
其中，所述第一光学传感器、第二光学传感器和所述电磁跟踪系统(EMTS)传感器互相通信。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，采用具有至少一个电磁传感器线圈的至少一个医疗设备执行医疗过程。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述医疗设备的所述传感器线圈中感生出电流，所述电流是所述传感器线圈相对于所述电磁场发生器的定位和定向函数。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述校正函数应用于所述传感器线圈的所述定位和定向的监测，以补偿所述金属失真。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，已经补偿了所述金属失真的所述传感器线圈的所述定位和定向的所述监测，显示在成像源上，从而提供定位参考。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一光学传感器是六自由度光学跟踪传感器。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二光学传感器是六自由度光学跟踪传感器。
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