CN102196782B - 在医学过程中进行电磁跟踪的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于患者(305)的靶标解剖结构的跟踪系统(300)，可以包括：第一标记物(10)，其具有用于插入到所述患者中以到达所述靶标解剖结构的尺寸和形状，其中，所述第一标记物具有第一电磁(EM)传感器(50)和可成像区域(90)；多个第二标记物(310)，其具有用于粘附至所述患者身上接近所述靶标解剖结构处的尺寸和形状，其中，所述第二标记物每个都具有第二EM传感器并且是可成像的；场发生器(340)，其适于向所述靶标解剖结构施加磁场并在所述第一和第二传感器中诱发电流；以及处理器(11、320)，其具有适于基于所诱发的电流确定所述第一和第二标记物的位置的控制器。

Description

在医学过程中进行电磁跟踪的方法和系统

本申请涉及治疗领域，具体涉及用于医学过程的电磁跟踪并将结合其特定参考加以描述。

已经提出基于来自3D成像格式的测量结果改善向组织内放置工具(例如，放置导管)的精度的各种技术和系统。这些成像格式试图相对于诸如MRI检测到的靶标组织的治疗靶标组织定位针状进入装置。这些成像格式生成用于在治疗期间确定针的适当位置的成像数据，所述针通常被置于引导装置中并移动至组织内。

在许多情况下，医学装置的递送仅仅基于这一成像数据信息并且最终医学装置相对于靶标的位置的确认需要采集第二组图像。在组织硬度差异很大的情况下，医学装置可能与预期的路径偏离。类似地，医学装置可能使组织自身扭曲并且因此将靶标组织移动到新的位置，使得原始的靶标向坐标不再正确。

因此，需要一种用于在医学过程期间将手术装置精确放置到靶标解剖结构中的技术和系统。

依照要求简要指出本发明的类型和主旨的本发明的概要说明的美国法规37C.F.R.§1.73，提供了概括说明。应当理解，其并非用于解释或限制权利要求的范围或意义，并在此基础上进行提交。

根据示范性实施例的一个方面，一种跟踪医学装置的方法能够包括：提供用于使靶标解剖结构的电磁空间与靶标解剖结构的成像空间配准的至少三个标记物，其中，所述标记物包括第一标记物和第二标记物；将第一标记物定位于患者的靶标解剖结构中，其中，第一标记物具有第一电磁(EM)传感器和可成像区域；将第二标记物定位于患者身上接近靶标解剖结构处，其中，第二标记物具有第二EM传感器并且是可成像的；使用患者外部的场发生器在第一和第二传感器中诱发电流；基于所诱发的电流确定第一和第二标记物的位置；执行对靶标解剖结构的成像，其包括使可成像区域和第二标记物可视化；以及至少部分基于对第一和第二标记物确定的位置以及对可成像区域和第二标记物的可视化，将靶标解剖结构的电磁空间与靶标解剖结构的成像空间配准。

根据示范性实施例的另一方面，一种计算机可读存储介质能够包括其中存储的计算机可执行代码，其中，所述计算机可执行代码被配置成令在其中提供有所述计算机可读存储介质的计算装置执行以下步骤：基于在第一和第二标记物中诱发的电流获得第一和第二标记物的位置，其中，第一标记物在靶标解剖结构内，而第二标记物在靶标解剖结构外部；获得对靶标解剖结构的成像，其包括使第二标记物和与第一标记物相关联的可成像区域可视化；以及至少部分基于第一和第二标记物的位置以及可成像区域和第二标记物的可视化，将靶标解剖结构的电磁空间与靶标解剖结构的成像空间配准。

根据示范性实施例的另一方面，一种针对患者的靶标解剖结构的跟踪系统能够包括：第一标记物，其具有用于插入患者以到达靶标解剖结构的尺寸和形状，其中，所述第一标记物具有第一电磁(EM)传感器和可成像区域；多个第二标记物，其具有用于粘附至患者身上接近靶标解剖结构处的尺寸和形状，其中，所述第二标记物每个都具有第二EM传感器并且是可成像的；场发生器，其适于向靶标解剖结构施加磁场并在第一和第二传感器中诱发电流；以及处理器，其具有适于基于所诱发的电流确定第一和第二标记物的位置的控制器。

本文所描述的示范性实施例与目前的系统和处理相比具有若干优点，包括手术装置放置的精度。此外，本文所描述的系统和方法能够与具有跟踪装置的现有手术装置一起使用。在阅读和理解下文的详细描述的基础上，进一步的优点和益处对本领域普通技术人员而言将变得显而易见。

本领域技术人员根据下文的详细描述、附图和所附权利要求书将意识到并理解本公开的上述和其他特征及优点。

图1是与一个示范性实施例的跟踪系统一起使用的内部标记物的分解图的示意性图示；

图2是图1中的内部标记物的另一示意性图示；

图3是耦合到内部标记物的跟踪系统的示意性图示；

图4是内部标记物的另一示范性实施例的示意性图示；

图5是内部标记物的另一示范性实施例的示意性图示；

图6是内部标记物的另一示范性实施例的示意性图示；以及

图7是可以由图1-6中的系统用于执行对医学装置的跟踪的方法。

结合电磁跟踪系统描述本公开的示范性实施例，所述电磁跟踪系统用于在针对人的过程期间使用的手术或其他医学装置。本领域普通技术人员应当理解，本公开的示范性实施例可以应用于各种类型的医学或手术装置、各种类型的过程以及人或动物的身体的各个部分，或者与其一起使用。本公开的示范性实施例的方法和系统的使用可以适于对其他类型的内部标记物的应用。

参考各附图并具体参考图1-3，跟踪系统300可以具有带传感器装置50的内部标记物10。传感器装置50能够被配置成具有核心55(例如，金属核心)的传感器线圈以及缠绕核心的盘绕电线60。传感器线圈50具有用以在装置50暴露于磁场时提供通过电线60的电流的诱发的尺寸和形状。线圈50的具体尺寸，包括线圈的直径和长度以及线圈的环形部分之间的间隔能够基于若干因素，包括磁场的强度、靶标解剖结构和/或存在或潜在存在接近靶标解剖结构处的金属畸变。本公开涵盖其他线圈构造，其允许基于暴露于磁场而在其中诱发电流。

在一个实施例中，能够将传感器线圈50插入针75或允许将传感器线圈置于靶标解剖结构内诸如在组织中、靠近器官等的其他装置中或者以其他方式并入其中。例如，针75可能具有锥形端80，以便于插入患者从而到达靶标解剖结构，以及沿其长度的通道85或其他开口，以在其中放置传感器线圈50。通道85还允许配线95或与其他连接将传感器线圈50与外部处理器11或其他计算装置连接。

针75能够具有成像带90或其他识别区域。带90可以由在对靶标解剖结构的成像期间允许其可见的材料制成，并且所述带90具有一定的尺寸和形状。特定类型的材料以及其尺寸和形状可以基于若干因素，包括将使用的成像类型以及被成像的靶标解剖结构。例如，在成像模态是磁共振成像的情况下，带90能够包括掺有钆的材料。作为另一范例，在成像模态是计算机断层摄影或X射线成像的情况下，带90能够包括具有足够密度的塑料或类骨骼物质以提供X射线衰减。在一个实施例中，能够在接近线圈50的中心处定位带90。带相对于传感器线圈50的位置可以表示根据在传感器线圈中诱发的电流确定的位置和取向。

在一个实施例中，跟踪系统300能够包括：处理器11，处理器11诸如通过贯穿针75的电线95与内部标记物10通信；以及场发生器340，场发生器340在靶标解剖结构中产生磁场。内部标记物10的传感器50能够接收由场发生器340生成的EM信号，所述场发生器340定位在接近患者305处，例如定位在患者的床370或其他支撑结构下方。

在一个实施例中，场发生器340能够在不同取向处具有多个天线。传感器50能够在靶标解剖结构中拾取来自不同位置和取向的天线的信号。根据它们的相对信号特征，例如，相对信号强度、相对相位等，可以确定传感器50相对于天线的位置。

跟踪系统300还能够包括一个或多个外部标记物310，其能够在接近靶标解剖结构处安装在患者305身上。每个标记物310能够包括诸如传感器线圈的电磁传感器单元，其与处理器11通信。外部标记物310能够包括在成像期间可见的材料。内部标记物10和外部标记物310能够基于使用场发生器340在传感器单元中诱发电流而为处理器11提供位置和取向信息。标记物10、310中的诱发电流能够是传感器50相对于场发生器340的位置和取向的函数。处理器11能够分析电流或表示电流的数据以确定位置和取向。正如之后将再次描述地，跟踪系统300能够利用各种数量的内部标记物10和外部标记物310，包括三个或更多个标记物。

跟踪系统300可以与成像模态350一起使用或包括成像模态350，所述成像模态350例如是包括CT扫描器360的高分辨率成像模态。例如，能够由CT扫描器360生成包括内部标记物10、一个或多个外部标记物310以及周边区域(例如，组织、器官、血管等)的患者305的靶标解剖结构的高分辨率图像，并将其存储在CT图像存储器中。CT图像存储器能够并入到工作站320中和/或能够是分立的存储和/或处理装置。出于图示说明的目的，在图3中示出了封闭的CT扫描装置360，但本公开涵盖了各种成像装置的使用，包括移动C型臂装置或开放型MRI。本公开涵盖各种成像模态的使用，包括单独的MRI、超声、X射线、CT等或其组合。本公开还涵盖依赖其收集图像的、为分立系统的成像模态350，所述图像包括手术前和/或手术中图像。

在一个实施例中，处理器11能够是EM跟踪系统处理器，其接收来自多个标记物的传感器线圈的感测电流，并结合来自EM场发生器的信息计算传感器线圈的位置和取向信息。然后处理器11能够将所述位置和取向信息提供给另一处理320(例如计算机工作站)。在另一实施例中，能够将来自CT扫描器360的图像提供给计算机工作站320或直接与计算机工作站320接合。类似地，能够将来自处理器11的位置和取向信息提供给计算机工作站320以便引导医学过程。该示范性实施例描述分立处理器11和320的使用，所述处理器用于执行传感器电流的信号处理并执行配准。然而，本公开涵盖了单个处理器或多于两个处理器的使用以执行这些功能或这些功能的各部分，例如计算机工作站，其从标记物10、310接收原始电流数据并接收来自CT扫描器360的成像数据，以及然后至少部分基于这一信息执行配准。

计算机工作站320能够利用来自标记物10和310的EM数据，用于配准EM空间与成像空间。内部标记物10的带90和外部标记物310中的每个在成像中都是可见的，其允许利用各种配准技术，包括逐点的配准。例如，EM跟踪标记物10、310的位置和取向以及其在成像模态350的CT图像中的可见性能够用于将EM测量结果与CT图像的参考系配准。

然后能够将EM空间与成像空间的所得到的配准用于在手术中跟踪包括EM传感器399的手术装置398。该配准能够用于将手术装置传感器399的测量结果从EM参考系转换至CT图像参考系，其能够由显示装置330进行显示。在一个实施例中，通过使用EM跟踪和成像能够实时显示手术装置398。在另一实施例中，系统300能够将标记物10、310和/或手术装置398的EM测量结果与CT图像的参考系配准而无需用户介入。在另一实施例中，系统300诸如通过使用显示器330能够以图形显示覆盖或叠加到CT图像上的EM测量到的定位。在一个实施例中，用户能够接收、拒绝或编辑位置的经配准的EM测量结果作为精确的配准，并且继续进行手术过程。

本公开涵盖除标记物10、310之外所利用的其他技术。例如，示范性实施例能够利用图像相关或处理算法用于定位。例如，图像相关算法能够利用出现在图像中并具有已知位置的一个或多个特征，例如手术装置398的部分。

在一个实施例中，跟踪系统300能够使用各种跟踪部件以跟踪手术装置398，例如可以从Traxtal Inc.或Northern Digital Inc.获得这些手术装置。能够使用场发生器340和处理器11执行对手术装置398的跟踪或者能够使用基于由计算机工作站320执行的配准的其他部件执行所述跟踪。

参考图4，示出了内部标记物的另一示范性实施例并一般由参考标记400表示。标记物400能够包括以上关于标记物10描述的一个或多个部件，包括传感器线圈50、针75和带90。标记物400能够包括具有无线发射器的控制器495。控制器495能够通过电线95可操作地耦合到传感器线圈50，并且能够向例如可操作地连接到处理器11的接收器无线发射表示传感器线圈中诱发的电流的定位数据。在一个实施例中，控制器495能够根据其自身对传感器线圈50中的诱发电流的分析生成定位数据。用于无线发射定位数据的部件和技术可以不同，并且可以包括RF信号。控制器495能够具有其自身的电源(例如，电池)和/或能够是由诸如RF信号或其他无线功率场的外部信号供电的无源装置。

参考图5，示出了另一内部标记物并且一般由参考标记500表示。标记物500能够包括以上关于标记物10描述的一个或多个部件，包括针75和带90。标记物500可以配备有沿针的外表面560形成或嵌入针中(例如被定位于外表面中形成的通道或凹槽内)的传感器线圈550。能够将线圈550连接至电线95，所述电线95也沿针的外表面560形成或嵌入针中(例如被定位于外表面中形成的通道或凹槽内)，并且其能够连接至处理器11，以向处理器11提供诱发的电流。在一个实施例中，线圈550和/或电线75(或其部分)能够沿外表面560印制。在这一范例中，然后能够例如通过焊接将所印制的电线连接至绝缘电线，所述绝缘电线连接至处理器11。

参考图6，示出了导管并且一般由参考标记600表示。导管600能够是中空的装置，其允许从其中穿过诸如手术装置698的手术器具。导管600能够包括以上关于标记物10描述的一个或多个部件，包括带90。导管600可以配备有在接近导管的远端处沿导管体675的外表面660形成或嵌入其中的传感器线圈650。线圈650能够连接至电线95，电线95也沿导管体675的外表面660形成或嵌入其中，并且电线95连接至处理器11，用于向处理器11提供诱发的电流。在一个实施例中，线圈650和/或电线95(或其部分)能够沿外表面660印制，在这一范例中，然后例如通过焊接能够将所印制的电线连接至绝缘电线，所述绝缘电线连接至处理器11。

手术装置698能够包括一个或多个跟踪传感器699，例如定位在手术装置的尖端或远端的传感器，使得能够由系统300跟踪该装置。在一个实施例中，导管600可以是柔性的，包括形状记忆合金的使用。在另一实施例中，导管600能够具有非线性形状，其包含沿导管，例如沿非线性长度的峰和谷定位的多个传感器线圈650和带90。

此外参考图7，示出了在医学过程中进行电磁跟踪的方法700。能够针对医学装置的定位是该过程的预期标准的不同类型的医学治疗采用方法700。在步骤702，可以将内部标记物10插入靶标解剖结构。内部标记物10能够具有用以允许直接插入靶标解剖结构中而无需诸如导管等的辅助器具的尺寸和形状，尽管如此，本公开还涵盖这种具有导管10的辅助器具的使用。

在步骤704，能够将一个或多个外部标记物310在接近靶标解剖结构和所植入的内部标记物10处安装在患者305身上。在步骤706中，能够由成像装置生成包括内部和外部标记物10、310和周边组织的靶标解剖结构的高分辨率图像并将其提供给计算机工作站320。在步骤708中，能够使用跟踪系统通过以下方法获得标记物10、310的位置和取向：利用场发生器340在标记物的每个中诱发电流，并且然后例如通过使用处理器11分析所述电流，包括强度和相位，以确定标记物的位置和取向。处理器11然后能够将这一信息发射至计算机工作站320。

在步骤710，计算机工作站320能够利用如通过处理器11处理的来自标记物10、310的EM数据，并结合来自CT图像中的带90和外部标记物的视觉数据，能够将EM空间与成像空间配准。该配准过程能够基于不同数量的标记物，包括三个或更多个标记物。三个或更多个标记物能够是内部和外部标记物10、310的各种组合，包括单个内部标记物10和两个或更多个外部标记物310。在步骤712，使用EM跟踪的手术装置执行该医学过程。

在一个实施例中，该配准过程可以是逐点的配准。一旦已经开始配准，那么能够利用EM空间通过使用耦合到医学装置398的EM传感器399在医学过程期间跟踪该医学装置398。在另一实施例中，能够在医学过程期间获得成像并将医学装置398的EM跟踪与该成像进行组合以向临床医生显示。能够通过使用利用内部标记物10和外部标记物310的配准过程提高对医学装置398的EM跟踪的精度。

本公开能够提供要在微创医学过程中使用的内部有源基准标记物，其具有经标记的传感器线圈，以便使其在医学图像中可见并提供在电磁跟踪系统空间中的位置读数。内部有源基准标记物能够放置在患者身体内部。标记物能够包括通过电磁跟踪系统识别的传感器线圈。能够标记传感器线圈的中心区域以使其在医学图像中可见。该有源基准标记物能够集成到机械工具中，从而使得其能够插入身体中。该机械工具还能够提供用于传感器线圈电线的管路。该电磁跟踪系统能够计算传感器线圈的位置，并据此通过电磁跟踪系统跟踪医学器具的位置。该有源基准标记物能够在图像空间中可见并且能够给出在电磁跟踪系统空间中的位置读数，从而允许配准这两个空间。有源基准标记物还能够补偿由电磁跟踪系统空间中或其附近的金属所引起的EM场畸变造成的电磁跟踪系统空间位置误差。

能够用硬件、软件或者硬件和软件的组合实现包括上述方法的步骤的本发明。本发明能够在一个计算机系统中以集中的形式实现，或以分散的形式实现，其中，不同的元件分散在若干互连的计算机系统之间。适于执行本文所描述的方法的任何类型的计算机系统或其他装置都是合适的。硬件和软件的典型组合能够是通用计算机系统，该计算机系统具有当被加载或执行时控制计算机系统使其执行本文所描述的方法的计算机程序。

能够将包括上述方法的步骤的本发明嵌入计算机程序产品中。该计算机程序产品能够包括计算机可读存储介质，在所述计算机可读存储介质中嵌入有计算机程序，所述计算机程序包括计算机可执行代码，用于指导计算装置或基于计算机的系统执行本文所述的各种程序、过程和方法。本文背景下的计算机程序意味着以任何语言、代码或符号的一组指令的任何表达方式，所述指令意在令具有信息处理能力的系统直接地或在执行以下两个操作中的任一个或两个之后执行具体的功能：a)转换为另一种语言、代码或符号；b)在不同的材料形式上复制。

本文所描述的实施例的图示意在提供对各种实施例的结构的大致理解，并且它们并非意图充当对可以利用本文所描述的结构的装置和系统的所有元件和特征的完全描述。在回顾以上描述的基础上，许多其他实施例对本领域技术人员将显而易见。可以利用和从中导出其他实施例，从而使得可以做出结构性和逻辑性替换和变化，而不会背离本公开的范围。附图仅仅是代表性的并且未按照比例进行绘制。其中某些比例可能是夸大的，而其他可能被最小化。因此，说明书和附图被认为是图示性的而非限制性的。

因此，尽管本文已经图示说明和描述了特定实施例，但应当认识到，推测为实现相同目的的任意布置可以替代所示的特定实施例。本公开意图覆盖各种实施例的任意和所有修改或变型。在回顾以上描述之后，以上实施例的组合以及本文未具体描述的其他实施例对本领域技术人员将显而易见。因此，本公开并非旨在限于作为执行本发明的最佳模式而公开的(一个或多个)具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

依照要求使读者能够快速确定技术公开的性质的摘要的美国法规37C.F.R.§1.72(b)，提供了公开物的摘要。在理解不应将其用于解释或限制权利要求的范围或意义的基础上，提交本发明。

Claims (12)

1.一种用于跟踪患者（305）的靶标解剖结构内部的医学装置的跟踪系统（300），所述跟踪系统包括：

第一标记物（10），其具有用于插入所述患者以到达所述靶标解剖结构的尺寸和形状，所述第一标记物具有第一电磁（EM）传感器（50）；

多个第二标记物（310），其具有用于粘附到所述患者身上接近所述靶标解剖结构处的尺寸和形状，所述多个第二标记物每个都具有第二电磁传感器并且是可成像的，其中，所述第一标记物和所述多个第二标记物包括在所述靶标解剖结构的图像中可见的可成像区域；

场发生器（340），其适于向所述靶标解剖结构施加磁场并在所述第一电磁传感器和所述第二电磁传感器中诱发电流；以及

处理器（11），其具有适于基于所诱发的电流以及所述第一标记物和所述多个第二标记物在所述靶标解剖结构的所述图像中可见的所述可成像区域确定所述第一标记物和所述多个第二标记物的位置和取向的控制器。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括具有适于执行以下操作的控制器的另一处理器（320）：

获得所述靶标解剖结构的图像，其包括所述第一标记物和所述多个第二标记物的所述可成像区域的可视化；以及

基于所确定的所述第一标记物（10）和所述多个第二标记物（310）的位置和取向以及所述第一标记物和所述多个第二标记物的所述可成像区域的所述可视化，将所述靶标解剖结构的电磁空间与所述靶标解剖结构的成像空间配准。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器（11）的所述控制器适于执行以下操作：

获得对所述靶标解剖结构的成像，其包括所述第一标记物和所述多个第二标记物的可成像区域的可视化；以及

基于所确定的所述第一标记物和所述多个第二标记物的位置和取向以及所述第一标记物和所述多个第二标记物的所述可成像区域的所述可视化，将所述靶标解剖结构的电磁空间与所述靶标解剖结构的成像空间配准。

4.根据权利要求3所述的系统，还包括具有第三传感器（399）的手术装置（398），其中，所述场发生器（340）在所述第三传感器中诱发电流，并且其中，所述处理器（11、320）基于在所述第三传感器中所诱发的电流和所述电磁空间与成像空间之间的配准跟踪所述手术装置的定位。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述手术装置（398）包括导管并且所述第三传感器（399）定位于所述导管的远端。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，所跟踪的所述手术装置（398）的位置被叠加到所述靶标解剖结构的所述成像上。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所叠加的图像被实时显示。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一标记物（10）是具有锥形远端（80）的针，其具有适于通过所述患者（305）的组织插入所述靶标解剖结构中的尺寸和形状。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一电磁传感器（50）是定位在所述针（10）中形成的通道（85）内的传感器线圈。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一标记物（10）的所诱发的电流经由从所述第一标记物的近端延伸的电线（95）被提供至处理器（11），所述处理器确定所述第一标记物的所述位置和取向。

11.根据权利要求3所述的系统，其中，所述成像是通过使用计算机断层摄影、磁共振成像和超声成像中的至少一种执行的。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，表示所诱发的电流的数据被发射至所述处理器（11）。

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