CN104010587A - 对追踪系统的术中质量监测 - Google Patents

对追踪系统的术中质量监测 Download PDF

Info

Publication number
CN104010587A
CN104010587A CN201280064957.1A CN201280064957A CN104010587A CN 104010587 A CN104010587 A CN 104010587A CN 201280064957 A CN201280064957 A CN 201280064957A CN 104010587 A CN104010587 A CN 104010587A
Authority
CN
China
Prior art keywords
image
tracking
calibration
quality
error
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201280064957.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104010587B (zh
Inventor
A·K·贾殷
V·帕塔萨拉蒂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Koninklijke Philips Electronics NV
Publication of CN104010587A publication Critical patent/CN104010587A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104010587B publication Critical patent/CN104010587B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N17/00—Diagnosis, testing or measuring for television systems or their details
    • H04N17/002—Diagnosis, testing or measuring for television systems or their details for television cameras
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/06—Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; determining position of probes within or on the body of the patient
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus for radiation diagnosis, e.g. combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/44—Constructional features of apparatus for radiation diagnosis
    • A61B6/4417—Constructional features of apparatus for radiation diagnosis related to combined acquisition of different diagnostic modalities
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/42—Details of probe positioning or probe attachment to the patient
    • A61B8/4245—Details of probe positioning or probe attachment to the patient involving determining the position of the probe, e.g. with respect to an external reference frame or to the patient
    • A61B8/4254—Details of probe positioning or probe attachment to the patient involving determining the position of the probe, e.g. with respect to an external reference frame or to the patient using sensors mounted on the probe
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4416—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device related to combined acquisition of different diagnostic modalities, e.g. combination of ultrasound and X-ray acquisitions
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/80—Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00681—Aspects not otherwise provided for
    • A61B2017/00725—Calibration or performance testing
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/08—Accessories or related features not otherwise provided for
    • A61B2090/0818—Redundant systems, e.g. using two independent measuring systems and comparing the signals
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B2090/364—Correlation of different images or relation of image positions in respect to the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/06—Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; determining position of probes within or on the body of the patient
    • A61B5/061—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body
    • A61B5/062—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body using magnetic field
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30004—Biomedical image processing

Abstract

一种介入系统，其采用：具有追踪点的介入工具(20)，以及成像系统(30)，所述成像系统(30)能够操作用于生成所述介入工具的至少部分相对于身体的解剖区域的至少一个图像。所述系统还采用：追踪系统(40)，所述追踪系统能够操作用于追踪所述介入工具(20)和所述成像系统(30)在空间参考系内相对于所述身体的所述解剖区域的任何移动，其中，所述追踪系统(40)针对所述介入工具(20)和所述成像系统(30)而被校准；以及追踪质量监测器(52)，其能够操作用于根据针对每个图像的所述追踪点在所述空间参考系内的校准追踪位置与所述追踪点在所述图像中的图像坐标位置之间的校准位置误差而监测所述追踪系统(40)的追踪质量。

Description

对追踪系统的术中质量监测
技术领域
本发明大体涉及用于对身体、人或动物的诊断和/或处置的介入程序，其可以包含做切口或孔以进入身体内部，或无需切开进入身体而进入体腔，或对身体施予电磁辐射(例如X射线、激光、伽马射线和紫外光)。本发明具体涉及在介入程序期间，对针对介入工具的追踪系统的校准的术中质量监测。
背景技术
图1图示了已知的介入系统，其采用一个或多个介入工具20、一个或多个成像系统30、追踪系统40以及工作站50。
每个介入工具20均可以为在结构上被配置用于在介入程序期间执行具体动作的任意类型的工具、仪器、设备、小器件等等。介入工具20的范例包括，但不限于内窥镜、导管和超声(“US”)探头。
每个成像系统30均可以为在结构上被配置用于在介入程序期间生成身体的解剖区域的图像的任意类型的系统。成像系统30的范例包括，但不限于X射线系统和US系统。
追踪系统40可以为在结构上被配置用于在介入程序期间追踪(一个或多个)介入工具20在空间参考系内的移动的任意类型的系统。追踪系统40的范例包括，但不限于，电磁(“EM”)追踪系统和光学追踪系统。
工作站50可以包括任意类型的组装装置，所述组装装置在结构上被配置用于在所述介入程序期间，处理来自(一个或多个)成像系统30的图像数据31和来自追踪系统40的追踪数据41，以可视化(一个或多个)介入工具20在空间参考系内相对于身体的解剖区域的配准图像的位置。工作站50的范例包括，但不限于，这样的计算机，其具有：(1)介入导航器应用程序51，介入导航器应用程序51用于处理图像数据31和追踪数据41以显示(一个或多个)介入工具20在所述空间参考系内相对于身体的解剖区域的配准图像的位置；以及(2)图形用户接口(“GUI”)(未示出)，其用于与介入导航器应用程序51交互。
对任意介入程序尤其重要的是对追踪系统40的校准。例如，EM追踪系统典型地采用用于定义空间参考系的一个或多个磁场源，以及用于测量由所述磁场源产生的场的一个或多个磁传感器，由此所述测量结果被用于确定(一个或多个)介入工具20在所述空间参考系内的位置。该技术依赖于对源的相对位置和它们的磁场的空间形式以及磁传感器的相对位置和灵敏度的准确的先验知识。由于不可能制作出具有理想特性的磁源和磁传感器，对这种特性的纯理论计算很可能有误差，并因此必须在述介入程序之前或期间根据校准测量结果来确定它们。对EM追踪系统的校准确保了由(一个或多个)成像系统30(例如X射线成像系统和/或US成像系统)生成的图像的准确配准。
然而，对由(一个或多个)成像系统30生成的所述图像的配准可能因多种原因而在介入程序期间变得有误差，所述原因包括，但不限于，校准误差、不能操作或有故障的磁源/传感器、电磁畸变或干扰、患者台的运动和/或患者台的弯曲。为了解决该潜在的校准问题，本发明提供一种工作站50的追踪质量监测器52(如在图2中所示)，用于监测校准的追踪系统40的追踪质量。具体地，追踪质量监测器52实施以下方法，用于确定(一个或多个)介入工具20在由追踪系统40定义的空间参考系内的位置误差，以及用于提供警报和/或对这种(一个或多个)位置误差的校正。
发明内容
本发明的一种形式为介入系统，其采用具有追踪点的介入工具、成像系统、追踪系统和追踪质量监视器。在操作中，所述成像系统能够操作为生成所述介入工具的部分或整体相对于身体的解剖区域的一个或多个图像。所述追踪系统追踪所述介入工具和所述成像系统在空间参考系内相对于所述身体的所述解剖区域的任何移动，其中，所述追踪系统针对所述介入工具和所述成像系统而被校准。所述追踪质量监测器根据针对每个图像的所述追踪点在所述空间参考系内的校准追踪位置与所述追踪点在所述图像中的图像坐标位置之间的校准位置误差而监测所述追踪系统的追踪质量。
本发明第二种形式为介入工作站，其采用介入导航器和追踪质量监测器。在操作中，所述介入导航器在介入程序期间，可视化介入工具在空间参考系内相对于身体的解剖区域的一个或多个配准图像的位置。所述追踪质量监测器根据针对每个配准图像在所述追踪点在所述空间参考系内的校准追踪位置与所述追踪点在所述配准图像中的图像坐标位置之间的校准位置误差而监测所述配准图像的追踪质量。
本发明的第三种形式为介入方法，其包括：对介入工具的相对于身体的解剖区域的导航，所述介入工具具有追踪点；对成像系统的操作，用于生成至少所述介入工具的部分相对于身体的解剖区域的至少一个图像；对追踪系统的操作，用于追踪所述介入工具和所述成像系统在空间参考系内相对于所述身体的所述解剖区域的任何移动，其中，所述追踪系统针对所述介入工具和所述成像系统而被校准；以及根据针对每个图像的所述追踪点在所述空间参考系内的校准追踪位置与所述追踪点在所述图像中的图像坐标位置之间的校准位置误差而对所述追踪系统的追踪质量进行的监测。
附图说明
根据下文结合附图阅读的对本发明的各个实施例的详细描述，本发明的前述形式与其他形式以及本发明的各个特征与优点将变得更加显而易见。所述详细描述和附图仅是对本发明的例示而非限制，本发明的范围由权利要求书及其等价方案限定。
图1图示了本领域已知的介入系统的示范性实施例。
图2图示了根据本发明的介入系统的示范性实施例。
图3图示了根据本发明的追踪质量监测方法的示范性实施例的流程表示。
图4图示了图3中示出的流程的第一示范性介入实现方式。
图5图示了对图4中示出的介入实施方式的示范性追踪质量监测。
图6图示了图3中示出的流程的第二示范性介入实现方式。
图7和图8图示了对图6中示出的介入实施方式的示范性追踪质量监测。
图9图示了图3中示出的流程的第三示范性介入实现方式。
图10图示了对图9中示出的介入实现方式的示范性追踪质量监测。
具体实施方式
如本文前面所述，如图2中所示的追踪质量监测器52实施用于以下目的方法：用于确定(一个或多个)介入工具20在由追踪系统40定义的空间参考系内的(一个或多个)位置误差，并且用于提供警报和/或对这种(一个或多个)位置误差的校正。为此，追踪质量监测器52运行图3中所示的流程60，其表示本发明的所述追踪质量监测方法。
大体上，流程60的阶段S61包括追踪质量监测器52采集介入工具20的部分或整体相对于身体的对象解剖区域的图像(例如，扫描身体的解剖区域的US探头的X射线图像以及身体的解剖区域的US图像)。
流程60的阶段S62包括追踪质量监测器52识别如由追踪系统40追踪的、介入工具20的追踪点在所述空间参考系内的校准追踪位置(例如，导管的末端或US探头的头部在空间参考系内的校准追踪位置)。
流程60的阶段S63包括追踪质量监测器52识别介入工具20的追踪点在所采集的图像内的图像坐标位置(例如，导管的末端或US探头的头部在所采集的图像内的图像坐标位置)。在一个实施例中，所识别的介入工具20的图像坐标位置是根据已知的图像分割技术导出的。
流程60的阶段S64包括追踪质量监测器52计算介入工具20的所述追踪点在介入工具20在所述空间参考系内的所述校准追踪位置与介入工具20的所述追踪点在所采集的图像内的所述图像坐标位置之间的校准位置误差。在一个实施例中，介入工具20的所述校准位置误差为所述空间参考系的一个或多个维度上、介入工具20的所述追踪点在所述空间参考系内的所述校准追踪位置与介入工具20的所述追踪点在所采集的图像内的所述图像坐标位置之间的空间差。
流程60的阶段S65包括追踪质量监测器52确定介入工具20的所述校准位置误差是否表示介入工具20的校准追踪误差。在一个实施例中，追踪质量监测器响应于所述校准位置误差等于和/或超过校准误差阈值，确定介入工具20的校准位置误差表示介入工具20的校准追踪误差。
如果追踪质量监测器52确定介入工具20的校准位置误差不表示介入工具20的校准追踪误差，则追踪质量监测器52返回到阶段S61，以采集介入工具20相对于所述身体的所述对象解剖区域的任意后续图像。
如果追踪质量监测器52确定介入工具20的校准位置误差表示介入工具20的校准追踪误差，则追踪质量监测器52继续进行到流程60的阶段S66，以提供对所述校准追踪误差的警报和/或以校正所述校准追踪误差。在实践中，所述校准追踪误差的任意警报可以为视觉和/或声音警报，并且可以在对多个校准追踪误差的探测之后发生。同样，在实践中，对所述校准追踪误差的任意校正可以为自动或半自动的，并且可以在对多个校准追踪误差的探测之后发生。
在阶段S66完成时，追踪质量监测器52可以返回到阶段S61，以采集介入工具20相对于所述身体的所述对象解剖区域的任意后续图像，或终止流程60。
在实践中，追踪质量监测器52可以被用于任意类型的介入程序，作为对追踪系统40的校准的质量的手段。尽管如此，为了便于对本发明的所述追踪质量监测方法的理解，现在将在(1)心脏介入程序中的X射线/超声融合、(2)超声引导的心脏介入程序以及(3)用于心脏介入程序的X射线/电磁校准的背景下描述由追踪质量监测器52对流程60的运行。
心脏介入程序中的X射线/超声融合。针对在X射线引导下的先进心脏介入，用于改进的心脏可视化的技术不断地被研究。用于改进的软组织可视化的一个范例是，实况二维(“2D”)/三维(“3D”)US成像在使用EM追踪的流式X射线成像上的融合。例如，图4图示了一种介入程序，其包括US探头21(例如，经食管探头)与X射线成像器32的配准。EM传感器42被附贴到US探头21并被预校准到2D/3D US图像，并且EM传感器43被附贴到患者台并被预校准到X射线成像器32，由此将实时X射线图像的流永久性地配准到所述US图像。EM源44被操作用于在由EM源44定义的空间参考系内追踪EM传感器42和43的目的。挑战在于US/X射线配准可能因多种原因而变得有误差，这可能导致所述介入程序的准确度和可靠性的降低。
为了解决潜在的有误差的US/X射线配准，追踪质量监测器52(图2)连续地在背景中运行，并随着所述程序进行而定期监测所述配准的健全。大体上，作为常规临床协议的部分，临床医师每次拍摄X射线图像时，追踪质量监测器52都识别US探头21的头部在所述X射线图像上的图像坐标位置，并经由当前的US/X射线配准，将US探头21的所述头部的所述图像坐标位置与US探头21的所述末端在所述X射线图像上的预期校准追踪位置进行比较。追踪质量监测器52连续地计算US探头21的所述头部的任意校准位置误差，生成所述校准位置误差的日志，并当在所述校准位置误差中探测到显著的误差漂移(即，校准位置误差等于和/或超过校准误差阈值)时向所述临床医师发出警报。
在流程30(图3)的背景下，流程60的阶段S61包括追踪质量监测器52采集并储存患者的心脏区域的每个X射线图像。可选地，追踪质量监测器52采集并储存针对所述患者的所述心脏区域取得的每第n个X射线图像，其中n≥2。
在采集和储存X射线图像时，流程60的阶段S62包括追踪质量监测器52使用已知的US/X射线配准矩阵来计算US探头21的所述头部的校准追踪位置，并且流程60的阶段S63包括追踪质量监测器52使用已知的分割算法(用于分割US探头21的所述头部或用于提取US探头21的大致六(6)个自由度(“DOF”)姿态)来计算US探头21的所述头部在所述X射线图像内的图像坐标位置。例如，图5A示出了US探头21的头部在X射线图像33a内的校准追踪位置34a和图像坐标位置35，并且图5B示出US探头21在X射线图像33b内的校准追踪位置34b和图像坐标位置35。请注意，为了使位置34和35清楚，省略了X射线图像33的剩余部分。
流程60的阶段S64包括追踪质量监测器52将US探头21的所述头部的在所述X射线图像内的所述校准追踪位置与US探头21的所述头部在所述X射线图像内的所述图像坐标位置进行比较，以确定所述两个(2)位置之间的校准追踪并生成日志。在流程60的阶段S65期间，如果所述校准追踪小于或等于围绕所述图像坐标位置的最大容许校准误差阈值，则所述比较指示可接受的US/X射线图像配准。例如，图5A示出了匹配校准追踪阈值36内的图像坐标位置35的校准追踪位置34a，并因此已由追踪质量监测器52确定了可接受的US/X射线图像配准。如果所述比较指示可接受的US/X射线图像配准，则追踪质量监测器52返回到阶段S61以采集并储存另一X射线图像。
相反，在流程60的阶段S65期间，如果所述校准追踪超过围绕所述图像坐标位置的所述最大容许校准追踪阈值，则所述比较指示不可接受的US/X射线图像配准。例如，图5B示出在校准追踪阈值36以外的校准追踪位置34b，并且因此已由追踪质量监测器52确定不可接受的US/X射线图像配准。如果所述比较指示不可接受的US/X射线图像配准，则追踪质量监测器52继续进行到流程60的阶段S66，以根据需要提供追踪警报和/或实施对所述US/X射线图像配准的校正。
针对所述追踪警报，追踪质量监测器52向临床医师发出警报，以复查所述校准追踪误差的日志，以确认是否继续进行所述介入程序和/或请求对所述不可接受的配准的校正。
针对自动或半自动的配准校正，追踪质量监测器52可以优化合适的配准矩阵，以得到正确地匹配。为了稳定的结果必须在多个X射线图像上执行这种优化，并将需要来自两个不同角度的X射线图像。更具体地，如果获得了多个X射线图像，在它们被捕获时，则全部所述X射线图像可以被一起用于做出统计上的强估计。还要注意，可以作为常规临床工作流的部分而捕获或者出于校正的目的有意地捕获这些X射线图像。
可以观察到，由于投影几何学的性质，在特定X射线图像的深度方向中校准追踪误差的不确定性要比在平行于所述X射线图像的方向高得多。然而，对第二斜X射线图像的处理可以解决该问题。
此外，累积误差信息可以被用于将所述误差分解成因所述配准的改变造成的第一误差和因随机事件造成的第二误差(例如EM畸变和C型臂追踪误差)。
心脏介入程序中的超声引导。改进的软组织可视化的另一范例已是使用EM追踪，与被追踪导管一起的，实况2D/3D US在流式X射线上的融合。例如，图6图示外加追踪导管22的图4的介入程序。再次，挑战在于US/X射线配准可能因多种原因而变得有误差，这可能导致介入程序的准确度和可靠性的降低。
为了解决潜在的有误差的US/X射线配准，追踪质量监测器52(图2)连续地在背景中运行，并更新跳动的心脏内部的EM追踪误差。一般而言，追踪质量监测器52利用本领域已知的对导管22的末端的实况分割以及导管22的所述末端的对应的EM追踪位置。一旦收集到足够数目的这样的数据点，追踪质量监测器52即运行算法以确定最可能的误差分布以拟合该数据。所述心脏内部的该实况误差图可以被显示给所述临床医师。此外，所述图可以被用于在所述误差超出界限时自动通知所述临床医师。这将显著增大所述系统的置信度和准确度。
在流程60(图3)的背景下，流程60的阶段S61包括追踪质量监测器52采集和储存患者的心脏区域的每个US图像。可选地，追踪质量监测器52采集并储存取得的患者的心脏区域每第n个US图像，其中n≥2。
在采集和储存所述US图像时，流程60的阶段S62包括追踪质量监测器52使用已知的US/X射线配准矩阵来计算导管22的末端在所述US图像内的校准追踪位置，并且流程60的阶段S63包括追踪质量监测器52使用已知的用于分割导管22的末端的分割算法，来计算导管22的末端在所述US图像内的图像坐标位置。例如，图7示出了导管22的校准追踪位置(由US图像37内的白色虚线表示)和导管22的图像坐标位置35(由US图像37内的白色实线表示)。
实践中，并非所有的US图像都可以有足以允许分割的的质量。典型地US图像以30体积/秒流出。这样，每10-1000体积的所述US图像可以达到良好的分割。
流程60的阶段S64包括追踪质量监测器52将导管22的末端在所述US图像内的所述校准追踪位置与导管22的所述末端在所述US图像内的所述图像坐标位置进行比较，以确定所述两个(2)位置之间的校准追踪并生成日志。
在阶段S64的基本实施例中，如果所述校准位置误差小于或等于围绕所述图像坐标位置的最大容许校准追踪阈值，则所述比较指示在流程60的阶段S65期间可接受的配准。如果所述比较指示可接受的配准，则追踪质量监测器52返回到流程60的阶段S61以采集并储存另一US图像。
相反，如果所述校准位置误差超过围绕所述图像坐标位置的所述最大容许校准追踪阈值，则所述比较在流程60的阶段S65期间指示不可接受的配准。如果所述比较指示不可接受的配准，则追踪质量监测器52继续进行到流程60的阶段S66，以根据需要提供追踪警报和/或实施对所述配准的校正。
由于US分割中的不确定性，阶段S64的基本实施例可能不提供所述位置处对所述EM追踪误差的良好估计。此外，导管22的EM追踪中的误差可能与US-EM校准相混合。这样，阶段S64的映射实施例包括追踪质量监测器52收集多个误差数据集，用于做统计相关图。具体地，针对全部所捕获的且相关的体积，将所述EM位置、所分割的位置以及分割置信度值馈送到已知算法。所述算法运行统计优化方法，以计算EM误差在所述3D体积内部的分布的3D图，例如，图8中所示的3D图38具有不同的误差区39a-39d。所述算法插值以使该误差分布在所述3D图内平滑，并输出其在所述US-EM校准中发现的任意系统误差。当所述算法计算这样的偏移时，所述算法将也测量这样的偏移的置信度。
此外，所述算法可以用于‘初始化’来自先前实验的预计算的EM误差图。尤其地，由于所述误差图计算没有确切的条件性，使用所述系统预期的误差图所述概率性估计将显著获益。这些预计算的图也可以提供定性信息，如误差在各个维度的各向同性(相等/不等)分布。
阶段S64的映射实施例也可以包括来自X射线成像器32的成像数据。然而挑战将是将其正确地并入。例如，X射线图像中的分割不确定性可能在所述图像的平面中更低。然而，在深度的不确定性未知/更高。概率方法将帮助显著改进该估计。注意，如果获得多个X射线图像，在它们被捕获时，它们可以全部被一起用于做出统计上的强估计。还要注意，可以作为常规临床工作流的部分而捕获，或者出于校正的目的有意地捕获这些X射线图像。
在阶段S65期间使用该误差图，追踪质量监测器52可以自动判断对导管22的EM追踪的准确度，并将该值储存在日志中。如果所述校准位置误差小于或等于校准误差阈值，则追踪质量监测器52返回到阶段S61，以采集并储存另一US图像和/或X射线图像。如果所述校准位置误差超过所述校准误差阈值，则追踪质量监测器52继续进行到流程60的阶段S66，以根据需要提供追踪警报和/或实施对所述配准的校正。
对于流程60，一旦计算了一个具体的误差图，则追踪质量监测器52随着采集并储存每个新的US图像而更新所述误差图。随着新的数据点(EM位置、图像分割和置信度)变得可用，由追踪质量监测器52飞行中更新所述误差图。如果对所述图的新的更新是突然且不一致的，则可以对所述临床医师提出警告。
对于阶段S66的追踪警报，追踪质量监测器52可以向临床医师发出警报，以复查所述校准误差追踪的日志，以确认是否继续进行所述介入程序和/或请求对所述不可接受的配准的校正。
针对阶段S66的自动或半自动配准校正，追踪质量监测器52可以优化合适的配准矩阵，以得到正确地匹配。为了稳定的结果，必须在多个US图像(和/或X射线图像)上执行这种优化，并将需要来自两个不同角度的US图像(和/或X射线图像)。更具体地，如果获得了多个US图像(和/或X射线图像)，在它们被捕获时，则全部所述US图像(和/或X射线图像)可以被一起用于做出统计上的强估计。还要注意，可以作为常规临床工作流的部分而捕获，或者出于校正的目的有意地捕获这些US图像(和/或X射线图像)。
心脏介入程序中的X射线引导。当前流行的方法是使用EM追踪将导管的虚拟位置叠加在X射线上。例如，图9示出了X射线成像器32，其通过将参考传感器43附接到患者台，而被预校准到EM追踪系统。该X射线/EM校准随时间漂移，降低了总体的准确度。主要原因是因变化的患者重量造成的台弯曲(～5-10mm)。例如，图9夸张地示出所述患者台的弯曲，具有在垂直方向的位移46和相对于水平轴45的旋转。
为了解决该漂移，追踪质量监测器52在术中通过将导管22的实际X射线图像与从内部预校准估计的X射线图像，监测并校正该配准。一般而言，追踪质量监测器52作为优化连续地在背景中运行，并随着所述介入程序进行而定期监测所述配准的健全。作为常规临床协议的部分，临床医师每次拍摄X射线图像时，追踪质量监测器52都计算所述台弯曲并校正所述校准(如果需要的话)。追踪质量监测器52可以计算所述术中校正并可视化来自其他随机源的误差。
在流程60(图3)的背景下，流程60的阶段S61包括追踪质量监测器52采集并储存患者的心脏区域的每个X射线图像。可选地，追踪质量监测器52采集并储存对所述患者的所述心脏区域取得的每第n个X射线图像，其中n≥2。
在采集和储存所述X射线图像时，流程60的阶段S62包括追踪质量监测器52使用已知的EM/X射线配置矩阵计算导管22的末端在所述X射线图像内的校准追踪位置，并且流程60的阶段S63包括追踪质量监测器52使用已知的分割算法(用于分割导管22的所述末端)计算导管22的末端在所述X射线图像内的图像坐标位置。例如，图10示出了导管22的校准追踪位置(由X射线图像70内的白色虚线表示)和导管22的图像坐标位置(由X射线图像33c内的白色实线表示)。
流程60的阶段S64包括追踪质量监测器52将导管22的末端在X射线图像内的校准追踪位置与导管22的末端在X射线图像内的图像坐标位置进行比较，以确定所述两个(2)位置之间的误差并生成日志。例如，图10示出了为从所述校准追踪位置到所述图像坐标位置的白色矢量形式的误差。
针对该误差，X误差取决于所述C型臂旋转，Y误差取决于所述患者台的弯曲，并且剩余误差是随机的。可以从误差向量来估计所述台运动，并在所述心脏介入程序期间连续地改善所述台运动。
更特别地，使用该误差，追踪质量监测器52在阶段S66期间优化所述台参数。同样，观察到由于所述台的特殊弯曲，在AP取向中的典型X射线图像将不经历如在倾斜取向中的图像那么多的可视化误差。该累积误差信息可以被用于将所述误差分解成因所述校准造成的误差和来自随机事件的误差(如EM畸变和C型臂追踪误差)两者。因此，追踪质量监测器52校正来自所述校准的系统误差，并估计外来误差的量(主要为追踪)。该追踪误差可以被呈现为减去来自所述更新的校准的误差之后，所述系统中留下的残留误差。
从本文中对图1-图10的描述，本领域技术人员将认识到本发明的众多益处，包括但不限于，本发明的追踪质量监测器到采用追踪系统的任意类型的介入程序的应用。
介入导航器51(图1和图2)和追踪质量监测器52(图2)可以是由硬件、软件和/或固件组成的模块，如本领域技术人员将认识到的。此外，追踪质量监测器52可以为介入导航器51的部件。
尽管已参考示范性的方面、特征和实现方式描述了本发明，但所公开的系统和方法不限于这样的示范性方面、特征和/或实现方式。而是，如本领域技术人员根据本文提供的描述将显而易见，可对所公开的系统与方法进行修改、变型和增强，而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明明确包含本发明范围内的这种修改、变型和增强。

Claims (20)

1.一种介入系统，包括：
介入工具(20)，其具有追踪点；
成像系统(30)，其能够操作用于生成所述介入工具(20)的至少部分相对于身体的解剖区域的至少一个图像；
追踪系统(40)，其能够操作用于追踪所述介入工具(20)和所述成像系统(30)在空间参考系内相对于所述身体的所述解剖区域的任何移动，其中，所述追踪系统(40)针对所述介入工具(20)和所述成像系统(30)进行校准；以及
追踪质量监测器(52)，其能够操作用于根据针对每个图像的所述追踪点在所述空间参考系内的校准追踪位置与所述追踪点在所述图像中的图像坐标位置之间的校准位置误差而监测所述追踪系统(40)的追踪质量。
2.如权利要求1所述的介入系统，其中，每个校准位置误差为所述空间参考系的一个或多个维度上所述追踪点在所述空间参考系内的所述校准追踪位置与所述追踪点在所述图像中的所述图像坐标位置之间的空间差。
3.如权利要求1所述的介入系统，其中，所述追踪质量监测器(52)还能够操作用于生成所述空间参考系内相对于所述身体的所述解剖区域的校准位置误差的分布图。
4.如权利要求1所述的介入系统，其中，所述追踪质量监测器(52)还能够操作用于响应于至少一个校准位置误差超过校准误差阈值而提供警报。
5.如权利要求1所述的介入系统，其中，所述追踪质量监测器(52)还能够操作用于响应于至少一个校准位置误差超过校准误差阈值，而校正针对所述介入工具(20)和所述成像系统(30)而对所述追踪系统(40)进行的所述校准。
6.如权利要求1所述的介入系统，其中，所述介入工具(20)为超声探头，并且所述追踪点为所述超声探头的头部。
7.如权利要求1所述的介入系统，其中，所述介入工具(20)为导管，并且所述追踪点为所述导管的末端。
8.如权利要求1所述的介入系统，其中，所述成像系统(30)为超声成像系统(30)。
9.如权利要求1所述的介入系统，其中，所述成像系统(30)为X射线成像系统(30)。
10.如权利要求1所述的介入系统，其中，所述追踪系统(40)为电磁追踪系统(40)。
11.如权利要求1所述的介入系统，其中，所述成像系统(30)为光学追踪系统(40)。
12.一种介入工作站，包括：
介入导航器(51)，其能够操作用于在介入程序期间，可视化介入工具(20)在空间参考系内相对于身体的解剖区域的至少配准图像的位置；以及
追踪质量监测器(52)，其能够操作用于根据针对每个配准图像的所述追踪点在所述空间参考系内的校准追踪位置与所述追踪点在所述配准图像中的图像坐标位置之间的校准位置误差而监测所述至少一个配准图像的追踪质量。
13.如权利要求12所述的介入工作站，其中，每个校准位置误差为所述空间参考系的一个或多个维度上所述追踪点在所述空间参考系内的所述校准追踪位置与所述追踪点在所述图像中的所述图像坐标位置之间的空间差。
14.如权利要求12所述的介入工作站，其中，所述追踪质量监测器(52)还能够操作用于生成所述空间参考系内相对于所述身体的所述解剖区域的校准位置误差的分布图。
15.如权利要求12所述的介入工作站，其中，所述追踪质量监测器(52)还能够操作用于以下中的至少一项：响应于至少一个校准位置误差超过校准误差阈值而提供警报，以及响应于至少一个校准位置误差超过校准误差阈值而校正针对所述介入工具(20)和所述成像系统(30)而对所述追踪系统(40)进行的所述校准。
16.一种介入方法，包括：
相对于身体的解剖区域导航介入工具(20)，所述介入工具(20)具有追踪点；
操作成像系统(30)以生成所述介入工具(20)的至少部分相对于身体的解剖区域的至少一个图像；
操作追踪系统(40)以追踪所述介入工具(20)和所述成像系统(30)在空间参考系内相对于所述身体的所述解剖区域的任何移动，其中，所述追踪系统(40)针对所述介入工具(20)和所述成像系统(30)而被校准；并且
根据针对每个图像的所述追踪点在所述空间参考系内的校准追踪位置与所述追踪点在所述图像中的图像坐标位置之间的校准位置误差而监测所述追踪系统(40)的追踪质量。
17.如权利要求16所述的介入方法，其中，每个校准位置误差为所述空间参考系的一个或多个维度上所述追踪点在所述空间参考系内的所述校准追踪位置与所述追踪点在所述图像中的所述图像坐标位置之间的空间差。
18.如权利要求16所述的介入方法，还包括：
生成所述空间参考系内相对于所述身体的所述解剖区域的校准位置误差的分布图。
19.如权利要求16所述的介入方法，还包括：
响应于至少一个校准位置误差超过校准误差阈值，提供警报。
20.如权利要求16所述的介入方法，还包括：
响应于至少一个校准位置误差超过校准误差阈值，校正针对所述介入工具(20)和所述成像系统(30)而对所述追踪系统(40)进行的所述校准。
CN201280064957.1A 2011-12-27 2012-12-27 对追踪系统的术中质量监测 Active CN104010587B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161580519P 2011-12-27 2011-12-27
US61/580,519 2011-12-27
PCT/IB2012/057745 WO2013098768A2 (en) 2011-12-27 2012-12-27 Intra-operative quality monitoring of tracking systems

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104010587A true CN104010587A (zh) 2014-08-27
CN104010587B CN104010587B (zh) 2017-09-05

Family

ID=47754881

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280064957.1A Active CN104010587B (zh) 2011-12-27 2012-12-27 对追踪系统的术中质量监测

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10404976B2 (zh)
EP (1) EP2797543A2 (zh)
JP (1) JP6073369B2 (zh)
CN (1) CN104010587B (zh)
BR (1) BR112014015673B1 (zh)
RU (1) RU2619990C2 (zh)
WO (1) WO2013098768A2 (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2584965B1 (en) * 2010-06-28 2016-04-13 Koninklijke Philips N.V. Real-time quality control of em calibration
WO2013098768A2 (en) 2011-12-27 2013-07-04 Koninklijke Philips Electronics N.V. Intra-operative quality monitoring of tracking systems
US20140316234A1 (en) * 2013-02-19 2014-10-23 Pathfinder Therapeutics, Inc. Apparatus and methods for accurate surface matching of anatomy using a predefined registration path
EP2769689B8 (en) * 2013-02-25 2018-06-27 Stryker European Holdings I, LLC Computer-implemented technique for calculating a position of a surgical device
CA2959232C (en) * 2015-01-07 2018-08-14 Synaptive Medical (Barbados) Inc. Method, system and apparatus for adaptive image acquisition
JP6392190B2 (ja) * 2015-08-31 2018-09-19 富士フイルム株式会社 画像位置合せ装置、画像位置合せ装置の作動方法およびプログラム
US20170311843A1 (en) * 2016-04-27 2017-11-02 Brent Andrew BAILEY Medical instrument tracking indicator system
JP7133474B2 (ja) * 2016-05-31 2022-09-08 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ 内視鏡画像及び超音波画像の画像ベースの融合
JP6887942B2 (ja) * 2017-12-27 2021-06-16 株式会社日立製作所 超音波撮像装置、画像処理装置、及び方法
DE102019004235B4 (de) 2018-07-16 2024-01-18 Mako Surgical Corp. System und verfahren zur bildbasierten registrierung und kalibrierung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040002642A1 (en) * 2002-07-01 2004-01-01 Doron Dekel Video pose tracking system and method
US20060258938A1 (en) * 2005-05-16 2006-11-16 Intuitive Surgical Inc. Methods and system for performing 3-D tool tracking by fusion of sensor and/or camera derived data during minimally invasive robotic surgery
CN101108140A (zh) * 2007-09-05 2008-01-23 新奥博为技术有限公司 一种用于图像导航手术系统的标定模及标定方法
DE102010020781A1 (de) * 2010-05-18 2011-11-24 Siemens Aktiengesellschaft Bestimmung und Überprüfung der Koordinatentransformation zwischen einem Röntgensystem und einem Operationsnavigationssystem

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2201877C (en) * 1994-10-07 2004-06-08 Richard D. Bucholz Surgical navigation systems including reference and localization frames
US7806829B2 (en) 1998-06-30 2010-10-05 St. Jude Medical, Atrial Fibrillation Division, Inc. System and method for navigating an ultrasound catheter to image a beating heart
EP1259160A2 (en) 1999-07-02 2002-11-27 Ultraguide Ltd. Apparatus and methods for medical interventions
JP2009531116A (ja) 2006-03-31 2009-09-03 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ 電磁式追跡システムにおける局所的誤差補償システム
JP5238693B2 (ja) 2006-05-26 2013-07-17 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ 電磁又は音響カテーテルの較正及びトラッキングを向上させる装置
US10016148B2 (en) * 2006-09-27 2018-07-10 General Electric Company Method and apparatus for correction of multiple EM sensor positions
US8364242B2 (en) 2007-05-17 2013-01-29 General Electric Company System and method of combining ultrasound image acquisition with fluoroscopic image acquisition
JP5191167B2 (ja) * 2007-06-06 2013-04-24 オリンパスメディカルシステムズ株式会社 医用ガイドシステム
DE102008009266B4 (de) 2008-02-15 2013-01-10 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Einrichtung zur Kalibrierung einer Instrumentenlokalisierungseinrichtung mit einer Bildgebungsvorrichtung
JP5486182B2 (ja) * 2008-12-05 2014-05-07 キヤノン株式会社 情報処理装置および情報処理方法
WO2010076676A1 (en) 2009-01-05 2010-07-08 Koninklijke Philips Electronics, N.V. System and method for dynamic metal distortion compensation for electromagnetic tracking systems
CA2754128C (en) 2009-03-04 2019-01-08 Imricor Medical Systems, Inc. Combined field location and mri tracking
US8724874B2 (en) 2009-05-12 2014-05-13 Siemens Aktiengesellschaft Fusion of 3D volumes with CT reconstruction
RU2422084C2 (ru) * 2009-11-18 2011-06-27 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория медицинской электроники "Биоток" Устройство слежения за электродами внутри тела пациента и способ его реализации
WO2013098768A2 (en) 2011-12-27 2013-07-04 Koninklijke Philips Electronics N.V. Intra-operative quality monitoring of tracking systems

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040002642A1 (en) * 2002-07-01 2004-01-01 Doron Dekel Video pose tracking system and method
US20060258938A1 (en) * 2005-05-16 2006-11-16 Intuitive Surgical Inc. Methods and system for performing 3-D tool tracking by fusion of sensor and/or camera derived data during minimally invasive robotic surgery
CN101108140A (zh) * 2007-09-05 2008-01-23 新奥博为技术有限公司 一种用于图像导航手术系统的标定模及标定方法
DE102010020781A1 (de) * 2010-05-18 2011-11-24 Siemens Aktiengesellschaft Bestimmung und Überprüfung der Koordinatentransformation zwischen einem Röntgensystem und einem Operationsnavigationssystem

Also Published As

Publication number Publication date
US10404976B2 (en) 2019-09-03
BR112014015673A8 (pt) 2017-07-04
WO2013098768A2 (en) 2013-07-04
BR112014015673B1 (pt) 2021-02-02
CN104010587B (zh) 2017-09-05
JP2015503390A (ja) 2015-02-02
RU2014131073A (ru) 2016-02-20
JP6073369B2 (ja) 2017-02-01
BR112014015673A2 (pt) 2017-06-13
EP2797543A2 (en) 2014-11-05
RU2619990C2 (ru) 2017-05-22
US20140375822A1 (en) 2014-12-25
WO2013098768A3 (en) 2013-08-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104010587A (zh) 对追踪系统的术中质量监测
CN104039260B (zh) 位置确定装置
US9165114B2 (en) Method and system for characterizing and visualizing electromagnetic tracking errors
US7760909B2 (en) Video tracking and registering
US20100266171A1 (en) Image formation apparatus and method for nuclear imaging
US20070211927A1 (en) Methods and systems for registration of surgical navigation data and image data
EP2831841B1 (en) Multicamera tracking
CN107106240B (zh) 显示线性仪器相对于3d医学图像导航后的位置和取向的方法和系统
US9286732B2 (en) Nuclear image system and method for updating an original nuclear image
KR101954868B1 (ko) 혈관 중재 시술을 위한 내비게이션 시스템 및 가상의 엑스선 이미지 생성 방법
CN103313675A (zh) 用于内窥镜手术的术中照相机校准
US20130188851A1 (en) Information processing apparatus and control method thereof
CN103957772A (zh) 形状感测辅助的医疗过程
CN103458764A (zh) 形状感测辅助的医疗程序
US11847730B2 (en) Orientation detection in fluoroscopic images
JP6835959B2 (ja) 管状構造内の器具の位置を決定するための位置決定装置
KR20180119361A (ko) 엑스선 장치의 캘리브레이션 방법 및 장치
KR102289327B1 (ko) 엑스선 장치의 캘리브레이션 방법 및 이를 위한 캘리브레이션 장치
Shen et al. Fast and simple automatic 3D ultrasound probe calibration based on 3D printed phantom and an untracked marker
KR102270942B1 (ko) 수술용 내비게이션 장치 및 방법
CN108735280B (zh) 运动平台运动精度的检测方法、装置、设备及存储介质
JP6703470B2 (ja) データ処理装置及びデータ処理方法
CN109475318B (zh) 阻抗偏移检测的方法和系统
EP3931799B1 (en) Interventional device tracking
US20220284602A1 (en) Systems and methods for enhancement of 3d imagery and navigation via integration of patient motion data

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant