CN102307535A - 用于电磁跟踪系统的动态金属畸变补偿的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种使用电磁跟踪系统(EMTS)(10)进行动态金属畸变补偿的方法和系统，使用来自电磁场生成器(12)的电磁场。提供多个基准标记(14)，每个基准标记具有至少一个电磁传感器(26)，所述电磁传感器在多个传感器取向上取向，并且至少一些所述传感器邻近感兴趣的体积设置。对所述基准标记(14)进行成像，以提供所述基准标记在图像空间中的位置。使用所述EMTS来监视所述电磁传感器的位置读数。通过将所述基准标记在图像空间中的位置与所述电磁传感器的位置进行比较来计算金属畸变校正函数。还使用所述EMTS来跟踪移动通过所述感兴趣的体积的医学装置(16)，并且将所述畸变校正函数施加于所述医学装置位置读数，以补偿所述金属畸变。

Description

用于电磁跟踪系统的动态金属畸变补偿的系统和方法

本申请涉及用于电磁跟踪系统的动态金属畸变补偿的系统和方法，特别是使用有源基准标记物(fiducial marker)。

通过使用电磁跟踪系统(EMTS)来跟踪医学仪器的位置并将此信息显示在医学图像上，由此帮助将医学仪器导引至解剖体中的目标位置，能够改善最小化入侵医学处置的结果。

EMTS通过使用电磁(EM)场生成器和包含合适的最小化传感器线圈的医学仪器来工作，电磁(EM)场生成器在处置现场产生局部EM场。在传感器线圈中感生电流，该电流为传感器线圈相对EM场生成器的位置和取向的函数。EMTS能够计算传感器线圈的位置，并且因此医学仪器的位置。EMTS的特定优点是无需瞄准线(line of sight)，因为EM场能够主要未受干扰地穿透到人体中。因此，EMTS特别适合于跟踪解剖体内的针或导管。

在医学环境中使用EMTS的一个主要问题是，在EM场附近存在金属导电或铁磁对象。这些对象产生畸变，或金属伪影，畸变或金属伪影在跟踪医学仪器的位置和取向中产生误差。在医学环境中，存在对EMTS中的金属伪影做贡献的许多对象。畸变的主要源来自医学成像装备，患者躺在该医学成像装备上(例如CT托台、CT台、X射线C臂等)。畸变的另一源是到达EMTS附近的活动医学装备或工具(ECG监视器，金属工具等)。这些源使得EM场发生畸变，并且从而使得来自EMTS的位置和取向读数发生畸变，引入跟踪误差。该误差可以直接影响使用EMTS的医学处置的结果。当前，EMTS的临床利用受到限制，因为在存在金属畸变时，EMTS的位置和取向精度不能够得到保证。

Anderson的US2005/0107687提出了用于EMTS中的畸变分析和减小的系统和方法。跟踪修改单元依赖于用于被跟踪的每个特定工具或仪器的预定畸变模型。通过包括野外制图(field mapping)和/或建模/仿真的分析处理来发展预定模型，其也考虑传感器位置和遮蔽。跟踪分析单元生成仪器的畸变特性的图形和/或模型，其本质上是用于仪器的查找表。此系统不尝试减小环境中的静态对象引起的畸变。

Jensen的US2008/0079421提出了环境中的对象产生的畸变场的静态绘图。EM传感器的阵列位于感兴趣的体积内，并且对该传感器阵列进行采样以获取表示阵列内的EM传感器的位置的信号。因为阵列包括固定的已知几何结构，所以能够计算EM场畸变。在医学处置期间不能实时利用此系统，其也不能考虑由在感兴趣的体积内移动医学仪器和工具而产生的场畸变。

Shen等的WO2007/113719提出了一种用于局部金属畸变校正的系统，用于提高医学环境中的EMTS的精度。该系统包含电磁场生成器，该电磁场生成器监视具有合适的传感器线圈的医学装置，其中，从误差校正工具得到的校正函数施加于传感器线圈的位置和取向读数。误差校正工具包括布置在固定且已知的几何配置中的若干电磁传感器，并且围绕医学处置的位置放置。传感器数据显示在成像系统中。另外，能够利用光学传感器执行畸变绘图，用于沿电磁跟踪系统传感器的相对位置读数。

需要能够实时有效地补偿金属畸变的系统和方法，以提高医学环境中的EMTS的精度和可靠性。因此，期望提供能够补偿环境产生的静态畸变和医学仪器和工具自身产生的畸变的系统和方法。

提供了概述以符合U.S.细则37C.F.R.§1.73，其要求简短地指明发明的性质和实质的发明内容。应当理解，提交这个不是用于解释或限定权利要求的范围或意思。

根据范例实施例的一个方面，使用电磁跟踪系统(EMTS)进行动态金属畸变补偿的方法包括从至少一个电磁场生成器生成电磁场。提供多个基准标记，每个基准标记包括至少一个电磁传感器，电磁传感器在多个传感器取向上取向，并且至少一些传感器邻近感兴趣的体积设置。对基准标记进行成像，以提供至少一个基准标记在在图像空间的基线位置。该方法还包括使用EMTS监视多个电磁传感器的位置读数，并通过将基准标记在成像空间中的位置与电磁传感器在电磁场中的位置读数进行比较来计算金属畸变校正函数。使用EMTS监视移动通过感兴趣的体积的医学装置的位置读数，该装置具有至少一个电磁传感器。然后将畸变校正函数施加于医学装置位置读数，以补偿所述金属畸变。校正是动态且实时的，其容许对处置期间引入到附近区域中的对象/畸变进行补偿。

在位置监视期间，可以改变至少一个基准标记的定位。在医学处置期间，至少一些基准标记放置在围绕患者的身体的至少一部分的框架上，和/或在医学处置期间，至少一些基准标记直接放置在患者的皮肤上。替代地，或附加地，在医学处置期间，至少一个基准标记可以放置在患者的身体内部。

选择多个电磁传感器的对医学畸变校正函数起作用的一些位置读数。能够基于选择标准动态地选择电磁传感器。选择标准能够包括选择取向最接近所跟踪的医学装置的取向的传感器来计算补偿。在其它布置中，选择标准包括选择空间位置邻近所跟踪的医学装置的空间位置的传感器来计算补偿。在另外的布置中，选择的标准能够包括选择空间位置邻近患者身体内的目标位置的传感器来计算补偿。在另外的布置中，选择标准能够包括基于所跟踪的医学装置和患者的身体内的目标位置的相对空间位置的几何结构来选择传感器，以计算补偿。在所有布置中，随所跟踪的医学装置的取向和空间位置中的至少之一改变，选择标准能够改变。

能够基于对电磁传感器的选择来选择用于计算金属畸变校正函数的方法。例如，能够使用全局变换(仿射)计算方法，能够使用内插计算，如果所跟踪的医学装置位于选择的传感器的几何结构覆盖范围外，则能够使用全局变换计算方法，和/或如果所跟踪的医学装置位于选择的传感器的几何结构覆盖范围外，则使用外推计算方法。随着对电磁传感器的选择由于所跟踪的医学装置的运动而改变，用于计算金属畸变校正函数的方法能够动态改变。

根据范例实施例的另一方面，使用电磁跟踪系统(EMTS)进行动态金属畸变补偿的系统包括用于生成电磁场的至少一个电磁场生成器。多个基准标记，每个基准标记包括至少一个电磁传感器，电磁传感器在多个传感器取向上取向，并且至少一些传感器邻近感兴趣的体积设置，基准标记在图像空间是可见的。包括处理器，以通过将基准标记在图像空间的位置与电磁传感器在电磁场中的位置读数进行比较来计算金属畸变校正函数。至少一个电磁传感器连接至医学装置。处理器向所述医学装置位置读数施加计算的畸变校正函数，以补偿金属畸变。

在医学处置期间，至少一些基准标记设置在配置为围绕患者的身体的至少一部分的框架上。至少一些基准标记包括多个电磁传感器，并且该基准标记中的所述多个电磁传感器能够具有不同的传感器取向。

根据以下详细描述、附图、以及所附的权利要求，本领域技术人员将懂得并理解本公开的上述和其它特征和优点。

图1是本发明的部件的总体布置；

图2示出了有源(active)基准标记联接至框架的腹部幻影；

图3示出了图像获取；

图4示出了路径计划；

图5示出了基线配准；

图6示出了图像空间中有源基准标记的识别；

图7示例具有EM畸变补偿的导航(navigation)；

图8示例示出围绕目标布置的三个不同取向的有源基准的范例。

本公开涉及用于医学装置和其它结构的电磁跟踪系统(EMTS)。本领域技术人员应当理解，本公开的范例实施例能够应用于许多类型的结构，包括但不限于心脏和血管应用中的导管跟踪中的使用，诸如穿刺活检、射频消融、低温消融、前列腺癌治疗等的肿瘤学应用。

先参照图1，示例了具有电磁(EM)场生成器12的电磁跟踪系统(EMTS)10。在一个布置中，生成器12能够产生局部EM场，该EM能够跟踪来自包含在有源基准标记14和医学仪器16内的EM传感器的传感器数据。标记14围绕患者身体18排列。标记14在医学图像空间中是可见的，并且还包含传感器线圈以提供EM跟踪空间中的位置和取向信息，使得它们在EM跟踪空间内也是可定位的。在医学处置中，仪器16典型地穿透皮肤下面的患者身体18到达目标位置。EM传感器线圈嵌入仪器16中，例如如果仪器16为针或包括针的话，靠近尖端。在传感器线圈中感生电流，该电流为传感器线圈相对于EM场生成器12的位置和取向的函数。EMTS10能够计算传感器线圈的位置，并且因此医学仪器16的位置。EMTS的特定优点是不需要瞄准线。因此，EMTS特别适合于跟踪解剖体内的针或导管。

现在参照图2-8，在医学处置期间，能够将有源基准标记14放置在患者皮肤表面上，或在设计为围绕患者18(在示例的布置中，代替患者，示出了腹部幻影18，这可以用于测试目的)的固定框架20上。标记14能够放置为包围患者皮肤上的进入点附近或患者身体内的目标位置附近的合适区域。标记可以通过导线22连接至EMTS 10。患者18和框架20能够位于台24上，EM生成器12位于台24以上，或任何合适的位置。获取相关患者解剖体的图像。有源基准标记14在医学图像中是清楚地可识别的，并且标记在图像空间中的位置被确定(经由软件应用)。这形成用于有源基准标记14的位置的基线真值(truth)，并且从而通过EMTS获取标记14的位置读数。通过将EMTS位置与基线真实图像位置进行比较，来自EMTS的这些位置用于计算补偿。如果存在金属畸变源，则一个或多个有源基准标记14的位置将发生畸变，或不正确。与基线图像位置进行比较容许计算校正。能够以各种方式实施校正，包括刚性配准(rigid registration)、仿射配准、以及许多内插方法。

已经发现具有诸如与皮肤相切的单个传感器取向的基准标记14导致相对差的配准，主要是因为诸如针的最终的所跟踪的医学仪器垂直插入到皮肤表面，并且从而传感器垂直于皮肤表面。当标记固定于患者皮肤且内部的传感器垂直于皮肤表面取向时，有源基准标记14能够用于实现第一级可用的校正或补偿。当所跟踪的医学仪器16与有源基准标记中的传感器在相同的方向上取向时，效果是最佳的。然而，不总是如下情况，或者经常是如下情况：有源基准标记14中的传感器和所跟踪的医学装置能够接近对准。

在第一布置中，公开的系统和方法使用有源基准标记14的多个阵列，每个阵列具有不同传感器取向。在另一布置中，公开的系统和方法能够使用多个具有变化取向的有源基准标记14，它们不必组织到特定取向的阵列中。选择具有与所跟踪的医学仪器16最接近的传感器取向的有源基准标记14的阵列或具有与所跟踪的医学仪器16最接近的传感器取向的单个有源基准标记14。选择的阵列或传感器然后用于计算畸变校正。有源基准标记14能够无需精确地放置在患者身体周围，即无需先验的位置，因为标记14仅需要在医学图像中对用于计算补偿的基线位置可识别。这给出了重新定位标记的自由度，如果在医学处置期间需要的话。

通过将有源基准标记14放置在围绕患者18的框架20上，能够消除呼吸运动的影响。如果归因于呼吸，有源基准标记14处于恒定运动中，则这影响计算补偿的能力。如果能够估计呼吸运动，则可以将有源基准标记14直接放置在患者皮肤上。来自有源基准标记14的位置读数将必须与获取图像期间的呼吸水平一致。如果患者在呼吸机上，则通过门控程序能够实现这个，或者能够使用风箱(bellows)装置。替代地，内部有源基准标记，或类似标记能够用于使用EMTS或类似跟踪系统来估计呼吸状态。

为使用EMTS，首先使用任何合适的成像系统对患者进行成像(见图3)。然后识别用于介入医学处置的目标路径(见图4)。在处置期间，可以直接在开始医学处置之前执行这两个步骤，或可以在处置之前执行这两个步骤。能够获得图像空间和EM跟踪空间之间的基线配准(见图5)。基线配准是图像空间和EM跟踪空间之间的初始配准。此步骤是可选的，因为在补偿计算期间，能够使用有源基准标记14来计算两个空间之间的变换。然而，甚至在对EM补偿的计算失败的情况下，执行此步骤也提供图像和EM跟踪空间之间的基线变换。此外，如果软件应用使得用户能够选择EM畸变补偿(即开通或关断它)，则此步骤是有用的。

然后在图像空间识别有源基准标记的位置(见图6)。然后读取有源基准标记14的EMTS位置信息，并且EMTS计算图像空间位置和EMTS位置之间的变换或内插，这实施畸变补偿。一旦计算了畸变补偿，则能够对图像进行校正，并且能够将校正的图像提供给医生，使得能够以实时畸变补偿执行介入导航(见图7)。从而实时地监视所跟踪的医学仪器16的取向。

使用来自与所跟踪的医学仪器16具有相同(在阈值内)取向的有源基准标记14中的传感器的位置读数来计算补偿。在大多数情况下，所跟踪的医学仪器16的取向不固定，因为随着医学仪器16被重新定位，该取向动态地改变。从而，使用具有不同取向的多个传感器容许选择取向最接近所跟踪的医学仪器16的取向的传感器来计算补偿。替代地，能够选择最邻近医学仪器16的传感器，或可以基于传感器至医学仪器16的几何结构位置来进行选择。随着所跟踪的医学仪器16的取向改变，能够动态地选择合适的传感器来计算补偿。在所有情况下，必须使用最小数量的传感器来计算校正，然而实际最小数量取决于用于执行计算的方法。

用于计算的传感器的选择可以用于确定校正采用的补偿方法。例如，如果仅少数传感器符合选择标准，则可以通过全局仿射变换来实施补偿。然而，如果利用合适的几何结构覆盖范围选择了足够数量的传感器，则可以使用内插方法。在一些布置中，当所跟踪的医学装置的取向不确切地对应于最小数量的有源基准传感器的取向时，能够根据在取向上最接近地匹配的传感器来计算内插。类似地，如果所跟踪的医学仪器16在可用的传感器的几何结构覆盖范围外，则全局变换方法可能比外推方法更好。

补偿的速度和频率仅受到两个事件的限制，从有源基准标记14获取位置读数，以及计算补偿。取决于使用的有源基准标记的数量、EMTS的速度、以及使用的补偿算法，能够在几分之一秒中进行一个补偿。在临床环境中，真实的连续实时补偿可能是必须的或可能不是必须的。

补偿计算中使用的传感器选择的一个方法是使用多个传感器阵列，其中，每个阵列包含基本上具有相同取向或最靠近医学仪器16附近的若干传感器。基于所跟踪的医学仪器16的取向，选择合适的传感器阵列来计算补偿。能够经由对合适阵列的软件识别或通过硬件复用器/选择器来进行选择。每个独立的传感器阵列的传感器围绕目标位置合适地间隔开。第二方法是使用具有不同取向的若干独立传感器(未分组到阵列中)，基于所跟踪的医学仪器16的取向，选择取向最接近所跟踪的医学仪器16的取向的传感器来计算补偿。最可能经由对合适传感器的软件识别来进行选择。

图8中利用三个不同取向的成组传感器26给出了传感器布置的范例简化示例(传感器由表示它们的取向的线描绘)。每组传感器26能够位于一个有源基准标记14内，或每个有源基准标记14能够包含一个传感器，并且被一起分组到阵列中。取向的数量不必限制于三个，例如能够使用两个，或远大于三个。

在另一布置中，在处置期间，能够将至少一个基准标记14临时放置在患者内部，例如接近被跟踪的医学仪器16、接近目标，或在任何合适的位置，以提高补偿精度。

电磁跟踪是提高医学处置的手段，该医学处置包括：心脏和血管应用中的导管跟踪；诸如穿刺活检、射频消融、低温消融、前列腺癌治疗等的肿瘤学应用。金属干扰引起的误差能够影响使用电磁跟踪系统的医学处置的精度。通过提供实时动态误差补偿，公开的方法和系统提高了EM跟踪医学处置的精度，并使得EMTS的使用更现实和实际，依次产生许多机会用于在最小的侵入应用中将医学成像与医学装置跟踪整合。这些医学应用包括使用CT系统、X射线系统、超声系统，并且该技术一般地可应用于医生需要将医学装置导引至解剖体内的位置的几乎任何状况。

能够以硬件、软件、或硬件与软件的组合来实现包括上述方法学步骤的本发明。能够在一个计算机系统中以集中的方式来实现本发明，或以不同元件在数个互联的计算机系统上散步的分布方式来实现本发明。任何种类的计算机系统或配置为执行于此描述的方法的其它装置是合适的。硬件和软件的典型组合能够是具有计算机程序的通用目的计算机系统，当该程序被装载并执行时，其控制计算机系统，使得计算机系统执行于此描述的方法。

包括上述方法学的步骤的本发明能够植入计算机程序产品中。计算机程序产品能够包括计算机可读存储介质，该介质上植入有包括计算机可执行代码的计算机程序，用于引导计算装置或基于计算机的系统来执行于此描述的各种处置、处理以及方法。当前上下文中的计算机程序意指意在使具有信息处理能力的系统直接地或在执行以下二者之一或二者后执行特定功能的指令集的以任何语言、代码或符号的任何表述：a)转换为另一语言、代码或符号；b)在不同材料形式中进行复制。

于此描述的实施例的示例意在提供对各个实施例的结构的总体理解，并且它们不是意在用作可以利用于此描述的结构的装置和系统的所有元件和特征的完整描述。在校阅以上描述后，许多其它实施例对本领域技术人员将是明显的。可以利用其它实施例或从其得到其它实施例，使得可以进行结构和逻辑的替代和改变，而不会脱离此公开的范围。附图也仅是代表性的，并且可以不按比例绘制。其某些比例可以被夸大，而其它可以被最小化。因此，说明书和附图应视为示例性的而不是限制意义的。

从而，虽然于此示例并描述了特定实施例，但是应当理解，对于示出的特定实施例，可以取代任何计算的布置来实现相同目的。此公开意在涵盖各种实施例的任何以及所有调整或变形。在校阅以上描述后，对本领域技术人员来说，以上实施例以及未于此具体描述的其它实施例的组合将是明显的。因此，其意在本公开不限于作为视为执行此发明的最佳方式公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

于此使用的词语“包括”不应视为排除另外的元件。于此使用的单数冠词“一”或“一个”不应视为排除多个元件。词语“或”应当视为包含性的，或换句话说为“和/或”。

提供公开的摘要是为了符合U.S.细则37C.F.R.§1.72(b)，该条要求摘要将容许读者快速确定技术公开的性质。应当理解，其不是用于解释或限定权利要求的范围或意思。

Claims (20)

1.一种使用电磁跟踪系统(EMTS)(10)进行动态金属畸变补偿的方法，包括：

从至少一个电磁场生成器(12)生成电磁场；

提供多个基准标记(14)，每个基准标记包括至少一个电磁传感器(26)，所述电磁传感器在多个传感器取向上取向，并且至少一些所述传感器邻近感兴趣的体积设置；

对所述基准标记进行成像，以提供所述基准标记在图像空间中的基线位置；

使用所述EMTS来监视所述多个电磁传感器的位置读数；

通过将所述基准标记在图像空间中的位置与所述电磁传感器在所述电磁场中的位置读数进行比较来计算金属畸变校正函数；

使用所述EMTS来监视移动通过所述感兴趣的体积的医学装置(16)的位置读数，所述装置具有至少一个电磁传感器；

将所述畸变校正函数施加于所述医学装置位置读数，以补偿所述金属畸变。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述位置监视期间，至少一个基准标记(14)的定位是可改变的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在医学处置期间，至少一些所述基准标记(14)放置在围绕患者的身体(18)的至少一部分的框架上。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在医学处置期间，至少一些所述基准标记(14)直接放置到患者的皮肤上。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在医学处置期间，至少一个所述基准标记(14)放置在患者的身体(18)内部。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述多个电磁传感器(26)的所述位置读数中的对所述金属畸变校正函数起作用的一些位置读数。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，基于选择标准动态地选择所述电磁传感器(26)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述选择标准包括选择取向最接近所跟踪的医学装置(16)的取向的传感器(26)来计算所述补偿。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述选择标准包括选择空间位置邻近所跟踪的医学装置(16)的空间位置的传感器(26)来计算所述补偿。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述选择标准包括选择空间位置邻近患者的身体(18)内的目标位置的传感器(26)来计算所述补偿。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述选择标准包括基于所跟踪的医学装置(16)和患者的身体(18)内的目标位置的相对空间位置的几何结构来选择传感器(26)以计算所述补偿。

12.根据权利要求7所述的方法，其中，随所跟踪的医学装置的所述取向和空间位置的至少之一的改变，所述选择标准改变。

13.根据权利要求6所述的方法，其中，基于对电磁传感器(26)的选择来选择用于计算所述金属畸变校正函数的所述方法。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，使用全局变换计算方法。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，使用内插计算。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，如果所跟踪的医学装置(16)位于所选择的传感器(26)的几何结构覆盖范围外，则使用全局变换计算方法。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，随着对电磁传感器(26)的选择由于所跟踪的医学装置(16)的运动而发生改变，用于计算所述金属畸变校正函数的所述方法动态地改变。

18.一种使用电磁跟踪系统(EMTS)(10)进行动态金属畸变补偿的系统，包括：

至少一个电磁场生成器(12)，用于生成电磁场；

多个基准标记(14)，每个基准标记包括至少一个电磁传感器(26)，所述电磁传感器在多个传感器取向上取向，并且至少一些所述传感器邻近感兴趣的体积设置，所述基准标记在图像空间中是可见的；

处理器，通过将所述基准标记在图像空间中的位置与所述电磁传感器在所述电磁场中的位置读数进行比较来计算金属畸变校正函数；以及

至少一个电磁传感器，联接至医学装置(16)，

其中，所述处理器将所计算的畸变校正函数施加于所述医学装置位置读数，以补偿所述金属畸变。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，在医学处置期间，至少一些所述基准标记(14)设置在配置为围绕患者的身体(18)的至少一部分的框架上。

20.一种计算机可读存储介质，包括用于使计算装置执行以下步骤的计算机指令：

生成基准标记(14)的图像，以提供所述基准标记在图像空间中的基线位置，其中，所述基准标记包括在多个传感器取向上取向的电磁传感器(26)，其中，至少一些所述传感器邻近感兴趣的体积设置，并且其中，所述传感器能够探测从至少一个电磁场生成器(12)生成的电磁场；

监视所述电磁传感器的位置读数

通过将所述基准标记在所述图像空间中的位置与所述电磁传感器在所述电磁场中的位置读数进行比较来计算金属畸变校正函数；

监视移动通过所述感兴趣的体积的医学装置(16)的位置读数；以及

将所述畸变校正函数施加于所述医学装置位置读数，以补偿所述金属畸变。

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