CN103458764A

CN103458764A - 形状感测辅助的医疗程序

Info

Publication number: CN103458764A
Application number: CN2012800163421A
Authority: CN
Inventors: T·克林德; R·曼茨克; R·陈
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: US11064955B2; WO2012131550A1; EP2691006A1; JP2014509546A; EP2691006B1; CN103458764B; US20140039306A1; JP6195822B2

Abstract

一种用于在医疗程序中的形状感测辅助的系统和方法，包括提供（402）分布式通路系统的三维图像。向所述通路系统中引入（406）能进行形状感测的细长设备。在所述通路系统中测量（410）所述细长设备的形状。将所述形状与所述三维图像进行比较（414）以确定是否已相对于目标选择了给定路径。

Description

形状感测辅助的医疗程序

技术领域

本公开涉及形状感测辅助的程序，更具体而言，涉及一种用于利用形状感测数据导航复杂生物或机械系统的系统和方法。

背景技术

在支气管镜检查期间获取组织样本是一项困难的任务，且成功率很低。在介入期间，在气道中插入支气管镜，从而使得医师能够导航至目标。然而，气道的拓扑结构非常复杂，医师在进一步向下进入支气管树时能够轻易迷失。

一个支气管镜问题是，支气管镜仅提供局部信息。在当前的临床实践中，通常在介入之前采集计算机断层摄影（CT）图像以进行诊断和目标界定。基于CT，计算机工具辅助工作流程，例如辅助分割期望结构，计算到达目标的最佳路径等。此外，CT提供介入期间能够使用的患者解剖结构的更全局的信息。为了跟踪路径并将支气管镜检查图像与其位置配准，通常采用电磁（EM）跟踪。然而，由于介入期间患者进行呼吸，因此CT和支气管镜检查图像之间的失准限制了图像绘制的使用。也可以采用实时X射线成像以跟踪设备。

发明内容

根据本发明原理，一种用于在医疗程序中进行形状感测辅助的系统和方法，包括提供分布式通路系统的三维图像。向所述通路系统中引入能进行形状感测的细长设备。测量在所述通路系统中的所述细长设备的形状。将所述形状与所述三维图像进行比较以确定是否已相对于目标选择了给定路径。一个目标是为医师提供一些信息和是否选择了期望路径的反馈。

根据本发明原理的方法包括提供分布式通路系统的三维图像；向所述通路系统中引入能进行形状感测的细长设备；测量所述通路系统中的所述细长设备的形状；并且将所述形状与所述三维图像进行比较以确定是否已相对于目标选择了给定路径。

一种系统包括分布式通路系统的三维图像。能进行形状感测的细长设备被提供用于插入所述通路系统中，以测量所述通路系统中的所述细长设备的形状。通路确定模块被配置为计算所述三维图像中的路径，并将所述形状与所述三维图像中的所述路径进行比较，以确定是否已相对于目标选择了给定路径。

另一系统包括处理器，以及耦合到所述处理器并被配置为存储分布式通路系统的三维图像的存储器设备，以及被配置为计算所述三维图像中的路径的通路确定模块。能进行形状感测的细长设备被提供用于插入所述通路系统中，以测量所述通路系统中的所述细长设备的形状。所述路径确定模块被配置为将所述形状与所述三维图像中的所述路径进行比较，以确定是否已相对于目标选择了给定路径。

从结合附图阅读的本发明的说明性实施例的以下详细描述，本公开的这些和其他目的、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

将参考以下附图在优选实施例的以下描述中给出本公开，在附图中：

图1为框图/流程图，其示出了根据本发明原理用于在医疗程序中进行形状感测辅助的系统/方法；

图2是示意图，其示出了根据一个实施例的，分叉图像中生成的且针对形状感测设备的中心线，以在确定是否已采取了正确路径中用于进行比较；

图3是示意图，其示出了根据另一实施例的，分叉图像中生成的中心线以及用于变形器官的形状感测测量，以在确定是否已采取了正确路径中用于进行比较；并且

图4为框图/程序图，其示出了根据本发明原理用于在医疗程序中进行形状感测辅助的方法。

具体实施方式

根据本发明原理，通过提取设备的形状感测数据在程序期间改进了设备导航。跟踪技术允许沿一段设备重建设备的形状。之后将形状感测数据和跟踪位置与先前收集的图像相关。利用形状感测，设备形状的三维（3D）信息（从而，例如相比于X射线提供的2D信息或来自电磁跟踪的稀疏3D点信息的3D信息）是可用的。这种形状信息在复杂系统中，例如在肺的气道中，是特别感兴趣的，在那里能够采用形状信息辅助医师验证是否已选择了正确的路径。此外，传感器附着于所述设备，并能够将由于呼吸或心跳导致的变形考虑在内，因此能够补偿这种运动。

在一个说明性范例中，在支气管镜检查程序期间，医师可以尝试利用通过肺的气道插入的支气管镜到达目标。气道的拓扑结构非常复杂，这常常令医师导航错误的路径。即使用于引导的术前成像数据是可用的，由于呼吸或患者重新定位导致的变形也会影响到成功的瞄准。本发明原理采用从支气管镜获得的形状感测信息以沿整个仪器长度重建支气管镜的形状。这种信息能够用于通过允许在指示通往目标的正确或不正确通路的正确和不正确设备形状之间进行检查，克服支气管镜检查介入中的当前限制。

应当理解，将按照医疗仪器描述本发明；然而，本发明的教义要宽得多，且适用于在跟踪或分析复杂生物或机械系统中采用的任何仪器。具体而言，本发明原理适用于生物系统的内部跟踪程序，身体的诸如肺、胃肠道、排泄器官、血管的所有区域中的程序等。图中描绘的元件可以以硬件和软件的各种组合的形式实施，并提供可以在单个元件或多个元件中组合的功能。

能够通过使用专用硬件以及能够执行与适当软件相关联的软件的硬件，提供图中所示的各种元件的功能。当由处理器提供时，所述功能能够由单个专用处理器，由单个共享处理器，或由多个独立处理器（其中一些可以是共享的）提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不得被解释为排他地指代能够执行软件的硬件，而是能够暗含地包括，但不限于数字信号处理器（“DSP”）硬件、用于存储软件的只读存储器（“ROM”）、随机存取存储器（“RAM”）、非易失性存储器等。

此外，本文中记载本发明的原理、方面和实施例以及其具体范例的所有陈述都旨在涵盖其结构和功能等价物两者。此外，这样的等价物旨在包括当前已知的等价物以及将来开发的等价物（即开发出来的执行相同功能的任何元件，不论其结构如何）。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文给出的框图表示体现本发明原理的说明性系统部件和/或电路的概念视图。类似地，应认识到，任何流程图，流程图表等表示可以基本表示于计算机可读存储介质中，并因此由计算机或处理器执行的各种过程，无论是否明确示出这样的计算机或处理器。

此外，本发明的实施例能够采取计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品可从提供由计算机或任何指令执行系统使用或结合计算机或任何指令执行系统使用的程序代码的计算机可用或计算机可读存储介质存取。出于本说明书的目的，计算机可用或计算机可读存储介质能够是，可以包括、存储、通信、传播或传输由指令执行系统、装置或设备使用或结合指令执行系统、装置或设备使用的程序的任何装置。介质能够是电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的或半导体系统（或装置或设备）或传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、刚性磁盘和光盘。当前光盘的范例包括压缩盘–只读存储器（CD-ROM）、压缩盘–读/写（CD-R/W）和DVD。

现在参考附图，其中，类似的编号表示相同或类似元件，首先参考图1，说明性地描绘了用于执行医疗程序的系统100。系统100可以包括工作站或控制台112，从工作站或控制台112监督并管理该程序。工作站112优选包括一个或多个处理器114以及用于存储程序和应用的存储器116。存储器116可以存储光学感测模块115，光学感测模块115被配置为解读来自形状感测设备104的光学反馈信号。光学感测模块115被配置为使用光学信号反馈（和任何其他反馈，例如电磁（EM））来重建变形、偏斜以及与医疗设备102和/或其周围区域相关联的其他变化。医疗设备102可以包括，例如导管、引导线、内窥镜、探头、机器人、电极、滤波器设备、气囊设备或其他医疗部件等。工作站112可以包括显示器118，如果采用了成像系统110，显示器118用于观察受检者的内部图像。成像系统110可以包括，例如磁共振成像（MRI）系统、荧光透视系统、计算机断层摄影（CT）系统等。显示器118还可以允许用户与工作站112及其部件和功能交互。接口120进一步方便这点，接口120可以包括键盘、鼠标、操纵杆或任何其他外围设备或控制设备，以允许用户与工作站112交互。

工作站112包括光源106以为光纤提供光。采用光学询问单元108以检测从所有光纤返回的光。这样允许确定应变或其他参数，应变或其他参数用于解读介入式设备102的形状、取向等。将采用光信号作为反馈，以对接入误差进行调节，并校准设备102或系统100。

形状感测设备104包括一个或多个纤维，所述一个或多个纤维被配置为采用其几何形状以检测并校正/校准设备102的形状。光学询问单元/模块108与光学感测模块115（例如，形状确定程序）一起工作，以允许跟踪仪器或设备102。

可以提供成像系统110以收集术前成像数据或实时术中成像数据。可以在任何程序之前，在另一设施、位置处等执行术前成像。这些3D图像111可以存储于存储器116中。

在特别有用的实施例中，采用设备102发现或观察目标。目标可以包括病灶、损伤位点、对象或其他目标。在程序期间，来自形状感测设备104的形状感测数据被收集并与术前成像数据配准。配准模块140确定配准位置并将形状感测数据与术前图像111配准，术前图像111优选是3D图像。形状感测数据可以包括来自心跳和/或呼吸的运动数据，可以执行运动补偿以将图像中的运动考虑在内（例如，能够使用形状感测来测量由于呼吸导致的变形）。3D图像111可以包括这些经运动补偿的图像。

通路确定模块144计算路径并比较来自与经运动补偿的图像配准的形状感测数据的丰富点数据以确定是否在遵循了正确路径。通过与设备102的形状匹配的通路，例如通过与设备102的形状匹配的肺中的通路，将设备102的位置和形状与经运动补偿的图像进行比较。如果经补偿图像中出现的管腔壁与形状感测数据位置交叠，则已经采取了错误路径。

当已经采取了错误路径时，系统100向临床医师或医师提供反馈。反馈可以采取多种不同形式。例如，可以在显示器118上提供可视化，该可视化向医师提供行进了错误路径以及在哪里最可能发生错误的反馈，以采取校正措施。另一个实施例当已经采取了不正确路径时，提供声音警报。

系统100可以包括警告机构146，警告机构146被配置为指示已选择了不正确路径。警告机构146可以采取很多形式，并可以被包括在已经是系统100的一部分的部件中。警告机构148可以包括以下特征的一个或多个。可以采用显示器118显示选择了不正确路径的位置，从而使得医师能够返回并进行校正。另外或备选地，当选择了不正确路径时，可以生成可视（显示器118）或可听（例如接口120处的扬声器）指示符。可以采用警告机构146警告即将发生的不正确选择，以有效地在程序期间引导医生。

在一个有用的实施例中，设备102包括支气管镜，被分析的通路系统148包括肺，并且形状感测包括光学形状感测。通过计算机断层摄影（CT）获得术前图像，但也可以采用其他成像方法。从术前图像提取肺的气道的全局结构，由通路确定模块144计算期望被选择以到达目标的路径。该路径提供了关于医生应该采取哪个路径的信息，从而限制了支气管镜能够到达的可能性。

参考图2，在一个实施例中，形状感测数据和经补偿成像数据的结果可以生成中心线以提供比较点。图2描绘了在程序期间待被导航的支气管树202。树202包括为到达目标206需要被导航的很多气道204。通过本发明原理，使得两条中心线是可用的。一条中心线208的路径由形状感测部件测量，而另一条中心线210是从术前图像计算的，所述术前图像例如是CT图像、MRI图像、荧光透视图像等。现在能够比较这两条中心线208和210。基于实测和预期的形状，能够验证医生选择的路径。通过形状感测数据生成的中心线208对该路径进行建模。

能够提取特征点（例如，在属于分叉的具有极高曲率的位置处的点）。这些点提供了参考点，以允许在介入期间在患者呼吸时更好地检验。基于这些参考点，向医师提供关于在下一个分支或分叉点选择哪个方向的信息。例如，跟踪支气管镜或其他仪器的尖端以提供其当前位置，从而能够调整虚拟绘制并辅助在下一决策点（例如气管分叉点212）针对采取哪个方向做出决策。例如，能够提取出，支气管镜的尖端在气管后方3mm。因此，能够相对于该信息调整虚拟图像。

有两条中心线208和210允许对提取的气道树和实测形状之间的局部扭曲进行运动补偿。能够采用此操作再次调整虚拟绘制或局部地补偿运动。局部运动或扭曲可能是物理变化的结果，例如血流、心跳、呼吸等，或是来自其他源的结果，例如融合来自两个或更多不同源的图像（例如CT/X射线融合），或是由于存在仪器而导致局部扭曲的结果。局部扭曲还能够有助于验证是否选择了正确路径。例如，能够根据从（例如在变形前和变形后）形状感测实测的中心线获得的变形场对支气管分割（从而对计算的路径）进行局部扭曲。之后，能够验证路径，以确定计算的路径和实测路径是否匹配。

参考图3，分别针对吸气状态和呼气状态说明性地描绘了支气管树系统300和301。在支气管树图像302上叠加了针对呼气的实测路径306，在支气管树图像304上叠加了针对吸气的实测路径308。从两个测量结果306和308，能够计算变形。测量路径306和308与图像302和304的每个的配准指示是否导航了期望路径，因为能够多次验证数据。

应当理解，局部运动补偿通常是足够的，因为主要兴趣通常在计算路径周围的区域上，目标位于在该区域上。因此，例如，在左主支气管中局部运动补偿是足够的，而右主支气管不是感兴趣的。

参考图4，根据一个实施例说明性地示出了用于在医疗程序中的形状感测辅助的方法。在方框402中，提供了分布式通路系统的三维（3D）图像。可以通过分割CT图像或由其他系统或技术（例如MRI、X射线等）收集的图像生成3D图像。可以在方框404中处理图像，以进行运动补偿或其他校正。运动补偿可以采用来自形状感测的信息。

在方框406中，向通路系统中引入了能进行形状感测的细长设备。通路系统可以包括肺、血管、心脏等。细长设备可以包括导管、引导线、支气管镜等。优选地使用光纤形状感测系统执行形状感测，但也可以采用其他形状感测设备。

在方框408中，优选地将细长设备与三维图像配准。这可以使用跟踪系统（例如EM）、物理导柱或其他配准方法来执行。在方框410中，在通路系统中测量细长设备的形状。测量形状可以包括在方框412中测量第一状态中细长设备的第一形状以及变形状态中细长设备的第二形状。通过在不同状态（例如吸气/呼气等）中测量形状，收集了额外的数据以提高在评估正被导航的正确路径中的置信水平。

在方框414中，将形状与三维图像进行比较以确定是否已相对于目标选择了给定路径。目标可以包括病灶或程序的其他对象。在方框416中，比较可以包括首先生成（一个或多个）形状的几何表示以及三维图像。通过这种方式，可以比较几何表示。几何表示可以包括，例如中心线、边界线、感兴趣点等。在方框418中，当在不同状态中测量形状时，可以执行第一形状和第二形状（例如吸气/呼气）与对应的三维图像之间的比较，以确定是否已相对于目标选择了正确路径。

在方框420中，当已经选择了不正确路径时，可以向医师做出这样的指示。该指示可以包括警告即将发生的不正确选择，显示选择了不正确路径的位置和/或选择了不正确路径的可视或可听指示。在方框422中，如果必要，则针对每次新决策，重复该过程。在方框424中，相对于目标执行该程序。

在解读权利要求书时，应当理解：

a）“包括”一词不排除存在给定权利要求中列出的那些之外的其他元件或动作；

b）元件前的量词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件；

c）权利要求书中的任何附图标记都不限制其范围；

d）可以由相同项目或硬件或软件实施的结构或功能表示若干“模块”；并且

e）除非具体指示，并不要求动作的具体顺序。

已经描述了用于形状感测辅助的医疗程序的系统和方法的优选实施例（旨在说明性的而非限制性的），应注意，本领域的技术人员根据以上教义能够做出修改和变型。因此应理解，可以在公开的说明书的实施例中做出改变，这些改变在权利要求书概述的本文公开的实施例的范围之内。在这样描述了专利法要求的细节和特性之后，在权利要求书中阐述了专利证书主张并期望保护的内容。

Claims

1.一种方法，包括：

提供（402）分布式通路系统的三维图像；

向所述通路系统中引入（406）能进行形状感测的细长设备；

测量（410）所述通路系统中的所述细长设备的形状；并且

将所述形状与所述三维图像进行比较（414）以确定是否已相对于目标选择了给定路径。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述细长设备与所述三维图像配准（408）。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，比较包括生成（416）所述形状的第一几何表示以及所述三维图像的第二几何表示，并且将所述第一几何表示与所述第二几何表示进行比较。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一几何表示和所述第二几何表示包括中心线。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，测量形状包括测量（412）所述细长设备在第一状态中的第一形状以及所述细长设备在变形状态中的第二形状。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，比较包括将所述第一形状和所述第二形状与对应的三维图像进行比较（418），以确定是否已相对于所述目标选择了给定路径。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括指示（420）已选择了不正确路径。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，指示（420）已选择了不正确路径包括如下之一：警告即将发生的不正确选择，显示选择了所述不正确路径的位置和/或可视或可听地指示选择了所述不正确路径。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，提供所述三维图像包括提供（404）经运动补偿的三维图像。

10.一种系统，包括：

分布式通路系统（148）的三维图像（111）；

能进行形状感测的细长设备（102），其用于插入所述通路系统中，以测量所述通路系统中的所述细长设备的形状；以及

通路确定模块（144），其被配置为计算所述三维图像中的路径，并将所述形状与所述三维图像中的所述路径进行比较，以确定是否已相对于目标选择了给定路径。

11.根据权利要求10所述的系统，还包括配准模块（140），其被配置为将所述细长设备与所述三维图像配准。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述通路确定模块（144）生成所述形状的第一几何表示以及所述三维图像的第二几何表示，并将所述第一几何表示与所述第二几何表示进行比较。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第一几何表示和所述第二几何表示包括中心线（208、210）。

14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述形状是在第一状态（300）中和变形状态（301）中测量的。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，将所述第一状态和所述变形状态中的形状与对应的三维图像进行比较，以确定是否已相对于所述目标选择了给定路径。

16.根据权利要求10所述的系统，还包括警告机构（146），所述警告机构被配置为指示已选择了不正确路径。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述警告机构（146）包括显示的选择了所述不正确路径的位置和/或选择了所述不正确路径的可视或可听指示符之一。

18.根据权利要求10所述的系统，其中，所述三维图像（111）包括经运动补偿的三维图像。

19.一种系统，包括：

处理器（114）；

存储器设备（116），其被耦合到所述处理器并被配置为存储：

分布式通路系统（148）的三维图像（111）；以及

被配置为计算所述三维图像中的路径的通路确定模块（144）；以及

能进行形状感测的细长设备（102），其用于插入所述通路系统中，以测量所述通路系统中的所述细长设备的形状，

所述通路确定模块被配置为将所述形状与所述三维图像中的所述路径进行比较，以确定是否已相对于目标选择了给定路径。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述存储器（116）还包括配准模块（140），所述配准模块被配置为将所述细长设备与所述三维图像配准。

21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述通路确定模块（144）生成所述形状的第一几何表示以及所述三维图像的第二几何表示，并将所述第一几何表示与所述第二几何表示进行比较。

22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述第一几何表示和所述第二几何表示包括中心线（208、210）。

23.根据权利要求19所述的系统，其中，所述形状是在第一状态（300）中和变形状态（301）中测量的。

24.根据权利要求23所述的系统，其中，将所述第一状态和所述变形状态中的形状与对应的三维图像（111）进行比较，以确定是否已相对于所述目标选择了给定路径。

25.根据权利要求19所述的系统，还包括警告机构（146），所述警告机构被配置为指示已选择了不正确路径。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述报警机构（146）包括显示的选择了所述不正确路径的位置和/或选择了所述不正确路径的可视或可听指示符之一。

27.根据权利要求19所述的系统，其中，所述三维图像（111）包括经运动补偿的三维图像。