CN101959470A - 通过电磁跟踪和光子针进行的活检引导 - Google Patents

Abstract

一种用于提供集成引导以在身体中定位针的系统具有两级引导：粗糙引导和精密引导。该系统包括非侵入式跟踪系统(400)，其用于追踪身体内的活检设备(100)、用于提供粗糙引导。而且，该系统包括安装在针(100)上的光学检测器(101′，102′，103′)，其用于获得区分身体组织的光学信息、用于提供精密引导。

Description

通过电磁跟踪和光子针进行的活检引导

技术领域

本发明涉及一种用于集成引导以在身体内定位活检设备的系统，还涉及一种活检设备和一种用于定位活检设备的方法。

背景技术

为了正确诊断各种癌症疾病，进行活检。这可以经由内窥镜的腔或经由针和导管活检来完成。图1中示出针活检的一个实例，其中经由直肠从前列腺进行活检。为了找到进行活检的正确位置，使用各种成像模式，比如X射线、CT、MRI和超声。在前列腺癌的情况下，在大多数情况下活检由超声引导(参见图1)。尽管有帮助，但是这些引导方法远没有达到最优。

存在与活检直接相关的问题。

成像系统的分辨率是有限的，并且这些成像模式在大多数情况下不能区分正常组织和肿瘤组织并不能进一步区分良性的与恶性的组织。

结果，存在着关于是否取得了合适的组织标本的高度不确定性。

除此之外，经常盲目地进行活检，其中由于所述针相对于目标肿瘤的位置的有限反馈，这导致了关于病灶(lesion)是否被针刺中的附加的不确定性。清楚的是，需要改进引导以将活检针导向组织中的正确位置。

解决朝可疑组织导航的方法是，通过利用如美国专利US6,785,571B2中所述的电磁引导来导航活检针尖。然而，该方法的精确性被限制于几毫米。因此，对于小尺寸的可疑组织体积，存在一定的机会在错误的地方进行活检。进一步的限制在于，即使该方法可以将活检针引导到对应于预先记录图像的确切位置，由于组织的可压缩性使得永远不能保证这就是确切的位置。由于在活检针进入期间该活检针在组织上的作用力，该组织可能会变形。

如果所取得的标本表现为癌性的，则在大多数情况下该癌性组织将通过外科手术(特别是当肿瘤被很好地定位时)或通过使用RF、微波或冷冻消融术的经皮治疗而被去除。

手术方法的困惑在于下述事实：外科医生典型地只能使用他们的眼睛和手(触诊)来找到肿瘤并且必须依靠预记录的图像的信息。这些预先记录的图像提供了关于肿瘤的位置的信息，但是不总是清楚地显示肿瘤的边界。有时，外科医生在图像的引导下植入标记，从而向他或她提供在手术过程中要注意的参考点。将定位导丝引导到正确的位置也是困难的。

特别困难的是找到肿瘤的边界，实际上这几乎是不可能的。其结果是，外科医生去除肿瘤核心周围的大量组织以确保全部肿瘤块被去除。尽管去除肿瘤周围的额外量的组织在大多数情况下确实将会导致完全去除，但是外科医生从未表示确定。癌症在去除之后复发的数量是30％，这表示肿瘤的某些部分保持在原来的位置并导致其他肿瘤再生。我们当然可以增加待去除的组织的量，但是在某些情况下这是困难的。在某些情况下，组织(神经、重要血管、脑组织)中存在要害结构。于是，外科医生必须决定由额外健康组织的去除所造成的失常是否在重要性上超过不完全去除肿瘤所带来的危险。重要的是注意，当切除不完全时，外科医生实际上已经切穿肿瘤并且可以导致肿瘤的进一步扩散。

活检设备也可以用作用于在身体内的一定位置处给药或治疗(如消融)而不去除组织的设备，例如用于在受感染的身体部分的正确位置处注射流体的设备。相同的缺点存在于这些介入疗法，在这些介入疗法中将活检设备引导到正确位置是困难的。

当前用于进行活检的工作方法具有一些缺点，包括：

-很难将活检针引导到待调查的组织的中心；

-很难描绘肿瘤边界(肿瘤的形状和尺寸)；以及

-将标本从身体取出以进行组织学分析可能导致肿瘤的进一步扩散。

发明内容

本发明的目的是减轻上面提及的一个或多个缺点。

这是通过相应的独立权利要求的主题实现的。其他示范性实施例在相应的从属权利要求中被描述。

一般地，根据本发明的用于集成引导以在身体内定位活检设备的系统包括：用于粗糙引导的跟踪设备；用于精密引导的分析设备，其包括光学检测器并提供区分身体组织的信息；和活检设备。活检设备适于由跟踪设备追踪，并且光学检测器集成在活检设备的前导部分。

换言之，本发明提供一种包括可插入解剖体内的仪器的集成的系统，所述仪器包括用于保持位置传感器的可插入部分，所述位置传感器可以发射指示其在参考系中的位置的信号，其中该可插入部分包含用于利用光学模式检测可插入部分前面的组织的光学特性的光纤；其中该光学特性用于保证可插入部分定位在可疑组织中，即用于将可插入部分精密定位在目标组织中。

活检设备或可插入部分可以是活检针或可以是适于容纳实际执行活检的针的插管、套管针或导管。

根据示范性实施例，所述系统具有用于计算图像与解剖体内被保持在可插入部分中的位置传感器的配准的装置。

所述成像模式可以是下列之一：反射光谱法、荧光光谱法、自体荧光光谱法、差分路径长度光谱法、拉曼光谱法、光学相干断层成像术、光散射光谱法或多光子荧光光谱法。

优选地，通过利用由位置传感器所识别的在参考系中位置，所述光学信息被配准到由非入侵式成像模式(X射线、CT、MRI、超声波)取得的预先记录的图像中，该被识别的位置又被配准到预先记录的图像中的一位置。

优选地，所述针导航系统提供了相对于预先记录的图像的针位置，所有这些位置耦合到由该针获得的光学信息，其特征在于该导航系统提供上述粗糙的引导，而所述光学信息提供对到活检位置的最后的精确引导。

不同类型的组织的反射光谱一般是不同的，这是由于组织的不同分子构成方式所造成的。测量这些光谱的结果是，可以彼此区分不同的组织。事实上，所述光学方法仅仅具有有限的穿透深度，该成像深度仅仅为几厘米。不在非侵入模式的导引下来引导所述针是困难的，这是因为不具有关于所述针在空间中的位置的概观。而且，不能够将光学信息与所述针在患者内部的位置配准意味着，一旦所述针移动先前测量的数据就会丢失其相关性。

本发明的另一个方面在于，当不知道关于周围的形态的信息时，将所测量的光学数据转化为组织类型可能是困难的。因此，形成组织表征的决定改进了将来自非侵入式成像系统的形态信息作为输入。因此，优选地首先将光学数据与非侵入式成像数据配准，随后该光学信息连同来自非侵入式成像模式的在针周围的形态信息被用于将测量的光学数据转化为针前面或附近的组织类型。例如，当针在软组织中时，光学信息可能受到影响，无论其是否靠近骨结构。将这一点考虑在内，更可靠的组织表征是可能的。

下面是本发明的系统的优点的概述：

本系统能够通过医学图像上的电磁针导航交互式地跟随活检针从切口到目标点，并且提供在沿着针的轨迹的每个点处的分子组织信息。

沿着针轨迹的区域可被光学扫描(向前扫描和向旁边扫描)，以便在分子水平上提供病灶存在的指示。

将从针扫描推断的肿瘤边界与从预先记录的图像(X射线，超声波，MRI)推断的肿瘤边界进行比较。例如，X射线信息给出了对肿瘤形状的估计(参见图8)，但是不能确定确切的边界。所述针给出了肿瘤边界的详细信息，但是该信息仅仅是沿着针轨迹获得的。将肿瘤的X射线形状与针的1维信息相结合，可以计算3D肿瘤尺寸的新估计(参见实施例4)。新推断的扩大的边界将是对肿瘤边界的更好的估计。

活检针用于对定位导丝的精密定位，粗糙定位的电磁导航。包含固定装置的定位导丝可以装配有光纤。

附图说明

下文中，将通过关于附图的示范性实施例描述本发明。

图1：在超声的引导下经由直肠进行活检的示意图。

图2：实施例的横截面，其中用于活检的引导和活检的检查的光纤集成在轴(shaft)中。

图3：拉曼光谱法或荧光光谱法的设置。

图4：基于两种类型光纤的针：(A)固定光纤和(B)扫描光纤。

图5：用于测量光学光谱的实验装置的示意图。

图6：智能活检针。

图7：电磁跟踪设备的示意性图示。

图8：肿瘤边界确定。

具体实施方式

第一实施例基于如美国专利US6,785,571中所述的基于针导航的针引导系统。而且，活检设备200的轴210包含光纤220或光纤束(参见图2)。而且，轴210适于容纳用于获取活检组织的针240。优选地，光纤束220位于轴210中，使得光纤的相应端部位于活检设备的尖端部分中。换言之，一些光纤可以在活检设备的前表面中结束，并且/或者一些光纤可以在活检设备的侧表面或壁表面处的前表面附近结束。而且，可能有一些在朝着由活检设备获取的活检组织的方向上取向的光纤端，并且可能有一些在朝向活检设备的前面或侧面的方向上取向的其他光纤端，以用于在活检之前进行光学引导。

应当注意，任何光纤可以用于发送和/或接收光。

图3中示出本系统的其他组件，根据该实施例，一些光纤30耦合到身体之外的光源10并且用于激发活检设备100的轴梢前面的组织。散射的和发射的光的一部分被其他光纤40收集并且被引导到包含光谱仪22和CCD-相机的检测器，其中例如记录了自体荧光或拉曼光谱(参见图3)。根据光谱检查，决定进行活检或如果没有发现光谱异常则进一步移动轴到另一个位置。

在活检设备插入组织期间，光谱被记录并关联到从设备导航推断出的活检设备的位置。以此方式，获得各个点的组织的信息并且将这些信息组合到例如由X射线获得的图像中。到患病组织的粗糙引导通过电磁引导系统来执行。所述精密引导基于光学信息。当到达最终位置时，进行活检。可选地，该活检可以被光学地检查它是否包含了患病组织。

提供实时组织表征的一种方法是借助光学方法。例如，已知光学反射光谱法或拉曼光谱法提供了组织特异的签名(signature)。在反射光谱法中，其中组织是用宽带光源照射的，反射的散射光谱光分布被测量。组织特性的差异(即，特定组织的散射特性的差异)在光谱光分布的变化中与照明源的原始光谱分布相比是可见的。而且，光学光谱成像(即从来自点测量的光学成像扩展到二维成像)提供甚至更详细的组织表征。在这种情况下，组织可以以微米的分辨率被观看，以允许细胞结构变得可见，从而允许进行详细的组织分析。当该细胞成像与光学光谱法结合时，可以获得组织表征，而不使用与当前在体外病理学中所使用的相近似的染色。

为了使得这些方法可用在活检设备中，使用光纤技术。通过将光纤集成到该设备中，在活检设备的尖端处光纤的远端的尖端处进行光探测变得可能。随后，可以在附接到光纤的近端的控制台402处完成所述分析(参见图4)。该控制台是集成的导航系统的组成部分。设想基于两种不同类型的光纤的针。在第一类型中，光纤刚性地集成到针中(参见图4(A))，从而允许对针尖端附近的组织进行光谱分析。由于光纤被刚性地合并，所以细胞成像是不可能的。在第二类型中，扫描光纤被集成到针中(参见图4(B))。当透镜系统安装在光纤前面时，建立一扫描共焦显微镜，从而允许组织的微观成像。为了扫描所述光纤，必须将电机集成在针内，从而使得系统比所述固定光纤更复杂。

存在可以耦合到这两种组织检查方法的各种光学技术，其中光谱法是其中之一。一个实例是光学光谱法。在被切除的组织上的光谱法测量是利用装配有如图5所示的光纤的针来执行的。耦合到光纤的光源是宽带光源。反射光谱是利用光谱仪测量的。

在另一个实施例中，所述针包含光纤的集合(没有腔)(参见图6)。在针的底部的每个光纤入口位置(例如在图6中，由数字101、102和103指示的位置)与在针的头部的光纤出口位置(在图6中由加撇的数字101′、102′和103′指示)相关。以此方式，针头覆盖有各种光学探针位置。

光耦合进入针底部的光纤或从中耦合输出。连接到激发光纤30的被透镜50聚焦的光源10照射例如光纤101。光将穿越光纤并照射出口位置101′周围的组织。从该位置散射的光可以例如到达位置102′和103′。检测器20连接到光纤40，其收集来自每个光纤(分别为101、102和103)的通过透镜50的光。光的强度是出口位置101′和102′和103′之间的吸收和散射的量的度量。从这些信号中，可以提取针周围的组织特性。值得注意的是，该实施例允许对针周围的组织的散射和吸收特性进行二维成像，且横向分辨率等于光纤到光纤的距离的分辨率。而且，也可以针对每个光纤执行光学相干扫描，这为每个光纤给出了沿着直线的深度扫描。将这些线组合起来，可以重构针周围的组织的三维图像，且横向分辨率再次等于光纤到光纤的距离的分辨率。

该实施例的一种其他变型是，执行荧光成像和/或光谱法测量。在该情况下，源10和光纤30用作激发光纤从而激发荧光分子并且用作收集光纤以收集这些分子发射的荧光。与如在第一实施例中所述相似，可以执行拉曼光谱法，但是现在原则上是针对每个光纤端位置101′、102′等执行拉曼光谱法。

最后，也可以在所述针周围执行扩散光学层析成像(DOT)。这允许在针周围相对较大的体积中进行功能性成像，这与在光学乳腺成像中进行的类似。在该实施例中，一个或多个光纤用于(顺序地)照射组织。一个或多个其他的光纤用于收集散射光。使用图像重构算法，可以获得针周围的区域中光学特性的3D图。与其他光学方法相比，DOT的主要优点是高穿透深度：源检测器距离的大约一半。DOT的最有利的波长区域是近红外区(NIR)。这里，穿透深度处于其最大值并且光学特性强烈地由重要生理参数(如血含量和氧饱和度)决定。通过组合不同波长处的DOT，可以将光学参数转化为生理参数。

上面提及的成像方法可以依靠所研究的组织的直接吸收和散射特性，然而也可以通过利用适当波长照射同时阻挡在检测器侧的照射波长来映射组织的荧光。该荧光可以是内源性的，或外源性的，即在造影剂的辅助下。荧光检测的特异性可以通过本领域公知的方法(比如荧光寿命成像)改进。

本发明的其它方面是：通过使用电磁导航信息链接针位置来将所述位置耦合到预先记录X射线图像中的位置，从而比较从针信息推导出的肿瘤边界和来自X射线的信息的肿瘤边界。

然而，为了精确地跟踪解剖体中感兴趣的区域，必需的是将位置传感器刚性地固定在解剖体中感兴趣的位置附近或在该位置处。随后，必需的是将位置传感器与解剖体配准。通过将解剖体中的位置传感器的位置关联到位置传感器在参考系中确定的位置来将位置传感器配准到解剖体。这时，解剖体中感兴趣的位置可以通过确定位置传感器的位置而在固定的参考系(比如手术室参考系)中被跟踪。

最近，相当小的且因此能非常不显眼地插入到解剖体中的磁性传感器线圈或光纤光学传感器可被成功地使用。

图7示出了合适的位置传感器系统或跟踪设备400，其包括连接到场发生器410和主机的控制单元420。该主机可以是用户提供的工作站430。场发生器410在参考系内生成复杂的电磁场。在参考系内，在活检设备的尖端处的位置传感器450可以感测复杂的电磁场。该位置传感器还可以被定位在活检设备的另一部分处，只要尖端与传感器之间的空间关系是已知的。系统400还包括使控制单元420与位置传感器450对接的传感器接口单元440。应当理解，这些组件可以集成在一起。例如，传感器接口单元440可以与控制单元420结合。

位置传感器450一般包括传感器元件，比如磁性传感器线圈，其对由场发生器410生成的复杂电磁场起反应或感测该电磁场。当位置传感器在由场发生器生成的电磁场中移动时，传感器线圈生成指示位置传感器的位置的位置信号。一般地，传感器线圈将对位置传感器在参考系中位置和取向二者的变化起反应。以此方式，由传感器线圈生成的位置信号指示位置传感器的位置和取向二者。位置信号被传感器接口单元440接收并被转换为可被主机430理解的形式。

因此，位置传感器450的位置和取向可以在场发生器410的参考系中被确定。场发生器的参考系一般地是固定的参考系，比如手术室的参考系。为了使得位置传感器在跟踪或确定解剖体中感兴趣的部位的位置和取向时进行辅助，必需的是位置传感器相对于解剖体中感兴趣的位置被配准。

将来自预先记录的图像(X射线，超声波，MRI)的信息与来自借助电磁跟踪系统追踪的位置传感器的信息和来自分析设备的光学信息相结合，将导致更好地确定例如恶性组织的边界。如图8所示，从光学信息推断的边界(310)(沿着线330，产生边界点B和E)一般大于X射线的边界(产生与线330的横截面点C和D)，这是因为该方法具有更高的灵敏度。由此推断的比例因子用于扩展根据X射线的区域。新推断的扩大的边界320将为可被外科医生使用来计划介入疗法的肿瘤边界的更好的估计。

另一个实施例是，本发明用于将所述针引导到可疑组织的部位，但是所述中空的针用于定位一定位导丝，而不是进行活检。该定位导丝随后被外科医生用来发现将被切除的肿瘤的位置。

为了概括本发明：

用于在介入疗法过程中使活检针进入的当前技术被认为是不令人满意的并且可能偶尔为患者带来损害。当前技术的缺点在于：所述针从切口到病灶部位需要精确进入和需要将针尖端精确放置在待研究的病灶内。为了解决该问题，基于与光子活检针结合的、发射一指示其相对于场发生器的位置的信号的位置传感器设备来提供一活检引导系统。该新信息系统将所引导的针进入与交互的直接组织评估相结合，同时执行活检过程。除此之外，该系统使得能够将组织的分子评估扩展到活检点之外，从而例如导致肿瘤边界的精确描绘。

尽管在附图和前文的描述中详细示出并描述了本发明，但是这样的图示和描述被认为是说明性的或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

本领域技术人员在实践要求保护的本发明时通过研究附图、公开和所附权利要求能够理解并实现针对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词“包括”不排除其它元件活步骤，不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的起码事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制其范围。

附图标记列表

10    光源

20    检测器

22    光谱仪

24    CCD-相机

30    激发光纤

40    收集光纤

50    透镜

100，200             活检设备

101，102，103        光纤入口位置

101′，102′，103′  光纤出口位置

210    轴

220    光纤

240    针

300，310，320    边界

330    光学信息线

400    跟踪设备

402    控制台

410    场发生器

420    系统控制单元

430    用户提供的工作站

440    传感器接口单元

450    位置传感器

Claims (14)

1.一种用于集成引导以在身体内定位活检设备的系统，该系统包括：

用于粗糙引导的跟踪设备，

用于精密引导的分析设备，包括光学检测器并提供区分身体组织的信息，和

活检设备，其是具有尖端部分的细长元件，

其中活检设备适于由跟踪设备追踪，并且

其中光学检测器集成在活检设备的尖端部分。

2.如权利要求1所述的系统，其中活检设备是活检针。

3.如权利要求1所述的系统，其中活检设备包括适于容纳用于取得组织样本的针的中空轴。

4.如权利要求1所述的系统，其中活检设备包括位置传感器，用于向跟踪设备发送指示活检设备相对于身体结构的位置的信号。

5.如权利要求1所述的系统，其中分析设备的光学检测器包括光纤。

6.如权利要求5所述的系统，其中分析设备进一步包括用于光谱法的控制台，其中该控制台和光纤彼此连接。

7.如权利要求6所述的系统，其中用于光谱法的控制台适于提供来自以下之一的信息：反射光谱法、荧光光谱法、自体荧光光谱法、差分路径长度光谱法、拉曼光谱法、光学相干断层成像术、光散射光谱法或多光子荧光光谱法。

8.如权利要求1所述的系统，其中跟踪设备是基于电磁场的非侵入式跟踪模式。

9.如权利要求1所述的系统，其中跟踪设备适于将位置信息关联到提供身体结构图像的成像设备的预先记录的图像。

10.如权利要求9的系统，其中利用跟踪设备的位置，由分析设备提供的信息在成像设备的图像中被配准。

11.一种活检设备，包括

位置传感器，其能够提供指示活检设备的位置的信息，和

集成在活检设备的尖端部分的光纤，其能够发射和接收光。

12.如权利要求11所述的活检设备，其中活检设备是活检针。

13.如权利要求11所述的活检设备，其中活检设备包括适于容纳用于取得组织样本的针的中空轴。

14.一种在身体内定位根据权利要求11-13中任一项的活检设备的方法，该方法包括以下步骤

-将活检设备引入到身体中，借助非侵入式电磁跟踪设备来追踪，和

-通过分析设备的辅助来精密定位活检设备，所述分析设备包括集成在活检设备中的光纤，和获取区分活检设备的尖端前面或附近的组织的光学信息用于光谱法的控制台。

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