CN105813563B - 利用用于呼吸监测的磁跟踪器来进行电磁跟踪的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种使用电磁跟踪来监测患者呼吸的方法和系统。所述系统包括：附接到所述患者的跟踪器，其发射并接收随着所述患者呼吸而变化的磁场。由所述跟踪器接收到的变化的场能够与所述患者的呼吸状态相关联并用于生成呼吸信号。所述呼吸信号可以用于指示在所述患者上的介入流程期间何时推进介入工具。还可以使用相同的电磁系统来跟踪所述介入工具的位置，从而进一步帮助介入流程。

Description

利用用于呼吸监测的磁跟踪器来进行电磁跟踪的方法和系统
技术领域
本申请总体涉及用于在介入流程期间进行基于呼吸的引导的方法和系统。介入流程能够包括交互式图像引导手术和交互式手术流程，例如活检。本申请尤其适用于结合x射线计算机断层扫描(CT)成像系统执行的微创手术流程。这些流程涉及使用手术工具进行活检，或者使用短距放疗针等用于组织采样或规划或在对象(例如患者)的体内放置物体或仪器。然而，可以理解的是，本发明还可以应用于广范的其他成像仪器和技术，例如超声和磁共振成像设备、PET、SPECT等，并可以应用于广范的微创手术流程，包括用于将物体或仪器放置在患者内的精确位置处的多种形式的手术，例如介入放射流程以及其他。介入流程连同大多数涉及辐射的流程的典型目标在于控制辐射传递以使对患者和技师(放射学家)的辐射暴露最小化。
背景技术
CT扫描器通常在介入流程期间用于图像引导。虽然可以使用CT荧光检查持续地观察针的推进，但是该方法由于对患者非常高的辐射剂量、放射学家手部暴露于主要射束、以及在CT机架膛内部操纵工具(例如，针)的不方便性而很少使用。因此，惯常做法是使用增量式工具推进，并通过单个CT发射或扫描来定期验证工具位置。
在这种流程期间的一个主要挑战在于呼吸运动。由于这种运动，在工具操纵期间在目标区域内的内部器官的位置会显著不同于在先前CT扫描期间内部器官的位置。
已经在CT引导流程的背景下使用了呼吸监测来选择CT扫描的最佳时间，主要为了(例如，通过使用呼吸门控)避免运动伪影或者用于所记录的呼吸波的后流程分析(例如，用于辐射治疗规划)。
用于解决在介入流程期间的呼吸运动的一个惯常做法是使患者在CT扫描和后来、在介入工具插入期间以相同水平屏住呼吸。然而，与屏住呼吸和其他呼吸控制协议一起使用的各种呼吸监测技术可能不能准确地确定对象的呼吸状态。另外，呼吸监测系统的各部件通常只用于一个目的，即用于监测呼吸。介入工具引导系统还通常是独立的系统，其只在介入流程期间监测介入工具的定位和位置。
发明内容
所提出的系统和方法允许用户(例如，技师、放射学家或医生)使用电磁跟踪系统来准确地监测呼吸并由此将对介入工具的操纵限制于内部器官的位置靠近它们在先前CT扫描期间的位置的时间。所述方法基于在扫描期间和在整个介入流程中工具推进期间两种情况下对患者的持续呼吸监测，在一个实施例中，利用音频和/或视觉通知何时开始和/或停止工具操纵，例如针推进。
在一个实施例中，一种电磁跟踪系统包括：附接到对象的第一跟踪器，其中，所述第一跟踪器包括用于发射磁场的发射器；附接到所述对象的第二跟踪器，其中，所述第二跟踪器包括用于测量所述磁场的第一接收器；以及逻辑单元，其用于基于由所述第一接收器测量的所述磁场来确定所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的位置，并且用于基于所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置来生成呼吸信号，其中，所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置在所述对象的多个呼吸状态期间变化。
许多优点和益处在本领域普通技术人员阅读后续对若干实施例的详细描述后将变得显而易见。本发明可以采取各种部件和部件的布置以及各种过程操作和过程操作的安排的形式。附图仅出于说明多个实施例的目的，而不应解释为限制本发明。
本发明的描述并不以任何方式限制在权利要求书中使用的词语或权利要求书或本发明的范围。在权利要求书中使用的词语具有全部它们完全的普通意义。
附图说明
在并入并构成说明书的一部分的附图中示出了本发明的实施例，附图与上文给出的本发明的概括描述以及下文中给出的详细描述一起用于例证本发明的各实施例。
图1示出了具有示例性电磁跟踪系统的示例性CT成像系统；
图2示出了具有示例性呼吸监测、成像和介入流程系统的示例性集成装置；
图3是示例性电磁跟踪组件的绘图；
图4是示出示例性三线圈配置的另一示例性电磁跟踪组件的绘图；
图5是示例性通用设备的绘图；
图6是示例性多模式基准标记的横截面绘图；
图7是利用电磁跟踪系统的示例性呼吸监测器的各部件的绘图；
图8是使用电磁跟踪系统的在患者上的另一示例性呼吸监测器的各部件的绘图；
图9是经历使用示例性电磁跟踪设备的介入流程的患者的横截面绘图；
图10包括经历介入流程的患者的横截面绘图；
图11是用于在介入流程期间的呼吸监测和指示介入工具推进时机的示例性系统的示意图/框图表示；
图12示出了表示患者在正常呼吸期间的呼吸状态的示例性波形；
图13示出了具有表示患者的吸气/呼气水平的高度的示例性条形图；
图14是经历利用示例性电磁跟踪设备来监测患者的呼吸和介入工具的定位和位置的介入流程的患者的横截面绘图；
图15是表示用于呼吸监测、介入工具导航以及指示介入工具推进时机的示例性系统1500的框图；
图16是使用电磁呼吸监测器来生成呼吸信号的示例性方法的流程图；
图17是使用电磁呼吸监测器来生成呼吸信号的另一示例性方法的流程图；
图18是使用电磁跟踪系统来生成呼吸信号和介入工具的虚拟表示的示例性方法的流程图；以及
图19是指示在介入流程期间何时推进介入工具的示例性方法的流程图。
具体实施方式
在一个实施例中，在图1中示出了示例性CT成像系统100和示例性电磁跟踪系统150。CT成像采集系统102包括机架104和可以沿z轴移动的台或其他支撑件106。要被成像的患者或其他对象(在图1中未示出)躺在台106上并被移动到被设置在机架104的孔或膛108内。一旦患者就位，x射线源110和x射线探测器112一起绕膛108旋转以记录CT成像数据。还可以结合要求保护的本发明使用其他成像系统模式，例如包括锥束CT、其他基于x射线的成像、超声成像、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)成像等。
CT成像采集系统102然后可以将CT成像数据通过通信链路101传递给CT成像处理和显示系统114。虽然在此为了说明目的将系统102和114示出和描述为分离的系统，但它们在其他实施例中可以是单个系统的一部分。CT成像数据传递到图像处理器116，所述图像处理器可以将数据存储在存储器118中。图像处理器116以电子方式处理数据以执行图像重建。图像处理器116可以在相关联的显示器120上示出得到的图像。可以向用户提供用户输入122(例如，键盘和/或鼠标设备)以控制处理器116。
图1中还示出了示例性电磁跟踪系统150。跟踪系统150包括跟踪部件和/或标记部件160，例如，跟踪器和/或标记器，其可以监测与对象的呼吸相关联的运动，并向部件登记对象的图像输入，如下文更详细描述的。跟踪部件和/或标记部件160可以向电磁跟踪系统处理器164提供一个或多个信号162，该电磁跟踪系统处理器可以将数据和其他信息存储在存储器166中。电磁跟踪系统处理器164可以包括用于确定在各跟踪部件和/或标记部件160之间的相对移动和/或位置的逻辑单元。电磁跟踪系统处理器164还可以产生介入工具推进指示器信号168，其可以指示患者的呼吸状态何时表示患者的位置适于推进介入工具(未示出)。在另一实施例中，电磁跟踪系统处理器164可以向介入推进处理器提供信号，这可以产生介入工具推进指示器信号168。在另一实施例中，可以组合这些处理器。推进指示器信号168可以用于驱动一个或多个指示设备，例如，可听指示器(如扬声器170)和/或视觉指示器(如显示器172)。
多个上述功能可以被执行为软件逻辑单元。如本文使用的“逻辑单元”包括但不限于用于执行(一个或多个)功能或(一个或多个)动作和/或引起来自另一部件的功能或动作的硬件、固件、软件和/或其每一个的组合。例如，基于期望的应用或需要，逻辑单元可以包括软件控制微处理器、离散逻辑单元(例如，专用集成电路(ASIC))或其他编程逻辑设备。逻辑单元还可以完全实现为软件。
如本文所使用的“软件”包括但不限于一个或多个计算机可读和/或可执行指令，其使计算机、处理器或其他电子设备以期望的方式执行功能、动作和/或行为。所述指令可以以各种形式实现，例如，例程、算法、模块或程序，包括来自动态链接库的单独的应用或代码。软件还可以以各种形式实现，例如独立程序、函数调用、小服务程序、小应用程序、存储于存储器(如存储器118和166)中的指令、操作系统或其他类型的可执行指令的一部分。本领域普通技术人员可以理解的是，软件的形式例如取决于期望应用的要求、其运行的环境和/或设计者/程序员的期望等。
本文所描述的系统和方法可以在多种平台上实现，例如包括：联网控制系统和独立控制系统。另外，在本文示出和描述的逻辑单元优选驻留在计算机可读介质(例如存储器118和/或166)中或上。不同的计算机可读介质的范例包括闪存、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可编程只读存储器(PROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、磁盘或磁带、光可读介质包括CD-ROM和DVD-ROM，等等。此外，本文所描述的过程和逻辑单元可以被合并成一个大的过程流或被划分成多个子过程流。本文描述的过程流的顺序并不是关键的，并且可以重新排列，同时仍实现相同的结果。实际上，本文描述的过程流可以在其实现方式中如保证或期望地被重新布置、合并和/或重新组织。
示例性电磁跟踪系统150可以是独立的系统或在其他实施例中可以完全或部分地与示例性CT成像系统100集成以形成组合系统。
现在参考图2，示出了具有示例性集成装置200的另一实施例，其包括示例性成像系统201和示例性电磁跟踪系统202。集成装置200尤其适用于规划和执行微创介入流程，例如，活检、在患者体内放置仪器和/或物体等，如上所述。
电磁跟踪系统202包括跟踪部件和/或标记部件204，其可以方便呼吸监测、图像配准和介入工具导航，如下文更详细讨论的。在一个实施例中，跟踪部件和/或标记部件204可以包括适于附接在患者的腹部或胸部周围的带子206，以及两个或更多个电磁跟踪设备207。在该实施例中，电磁跟踪设备207的相对移动可以用于生成对应于患者的腹部在呼吸期间的位移的信号。跟踪部件和/或标记部件204在适当的电子连接点208处连接到成像系统201。
继续参考图2，成像系统201包括如图所示的体积诊断CT成像装置/扫描器。CT成像装置210被设置为与患者台212与支撑件214轴向对准，使得支撑件214表面上的患者或对象可以被移动到CT扫描器210的膛216中或通过所述膛。CT扫描器210包括x射线管，其安装为绕预先选择的平面进行旋转。x射线管可以投射扇形辐射束通过辐射半透明材料的环218，通过患者支撑件214，通过患者的感兴趣区域或目标区域，并到达设置在x射线管对面的辐射检测器的环或弧。当x射线管在平面内旋转时，生成一系列数据线，使用已知的技术通过包含于可操作地与CT扫描器210连接的控制台220中的重建处理器将该数据线重建为至少切片图像。
如本领域已知的，在一些实施例中，当x射线管围绕对象旋转时患者支撑件214可以沿z轴纵向移动，使得沿螺旋路径或一系列切片扫描患者的所选体积。通过旋转位置编码器监测x射线管的位置，并通过设置在台212内的类似位置编码器来监测患者支撑件的纵向位置。在其他实施例中，可以在没有纵向移动的情况下获得体积数据。重建处理器可以根据所生成的数据线来重建体积图像表示。控制台220包括一个或多个人类可读显示设备，其可以是操作员监测器或显示器222以及至少一个操作员输入设备224(例如，键盘、轨迹球、鼠标等)的形式。
继续参考图2，示例性介入工具230被示出在患者支撑件214上面。在介入工具230对面示出了示例性介入工具推进指示器设备232。介入工具推进指示器设备232可以包括例如可听指示器(如扬声器170)和/或视觉指示器(如显示器172)，如图1所示。介入工具230和介入工具推进指示器设备232被示出为从顶上在轨道上支撑或通过CT扫描器210顶部的其他装置234支撑。在该实施例中，介入工具230和介入工具推进指示器设备232被示出在示例性位置中，其可以方便用户在对象上执行示例性介入流程。然而，在该实施例中示出的任何设备的定位在其他实施例中可以不同地布置或支撑。介入工具推进指示器设备232可以被取向或被移动到支撑系统234上的所选位置处以供用户容易地观察和/或听到。
如图2所示，示例性控制台220可以包括图像处理器、电磁跟踪系统处理器以及介入推进处理器(未示出)，例如，图1的图像处理器116和电磁跟踪系统处理器164。在各个实施例中，这些处理器可以物理地和/或电子地集成到控制台220中和/或彼此物理地和/或电子地集成。在另一实施例中，电磁跟踪系统处理器164可以包含于具有介入工具推进指示器设备232和/或介入推进处理器的设备中。
图3是示例性电磁跟踪组件300的绘图。组件300包括示例性电磁跟踪设备或跟踪器310以及用于经由例如粘合层附接到对象或患者的示例性基座320。电磁跟踪设备310可以是结合图2的上述跟踪部件和/或标记部件204之一，特别地是电磁跟踪设备207之一。电磁跟踪设备310可以基于已知的电磁技术用作空间跟踪或定位系统的一部分。特别地，电磁跟踪设备310包括：发射器，其发射由一个或多个线圈生成的磁场；或接收器，其在被定位在所发射的磁场中时使用一个或多个线圈来测量围绕接收器的磁场。电磁跟踪系统(例如，图2中所示的系统202)需要至少一个具有发射器的电磁跟踪设备310和至少一个具有接收器的电磁跟踪设备310。
处理器(例如，图1的电磁跟踪系统处理器164)可以利用来自电磁跟踪设备310的指示由发射器发射且由接收器测量的磁场的信号来确定电磁跟踪设备310的相对位置和/或取向。例如，具有单个线圈发射器和接收器设计的电磁跟踪设备310可以允许确定各电磁跟踪设备310之间的相对距离，而具有多个线圈的电磁跟踪设备310可以允许确定各电磁跟踪设备310的相对距离和取向。电磁定位系统是人类工程学的并且易于使用，这是因为不要求直接视线可视化，从而允许障碍物被定位在发射器与接收器之间，障碍物包括例如手、手术单、介入工具等，而不影响空间测量的准确性。虽然在图2和3中示出的电磁跟踪设备207、310被绘制为相对较大的立方体，但电磁跟踪设备207、310以及任意其他在本文提及的电磁跟踪设备可以是适于电磁跟踪系统的任意特定应用的任意尺寸和/或形状。
图4是示例性电磁跟踪设备400的绘图，其包括外壳410和嵌入到设备400内部的三个线圈420。在该实施例中，三个线圈420全部被取向为彼此正交，从而形成三轴空间参考网格或坐标系。两线圈设计也可以适于某些应用。虽然三个线圈420示出为它们的端部在共同的顶点处相遇，但不必非要如此。在其他实施例中，线圈可以是分离的且被取向为非正交配置。
图5是示例性通用设备500的绘图，其包括示例性电磁跟踪设备510、用于附接到对象或患者的示例性基座520、以及示例性基准标记530。电磁跟踪设备510可以是上述电磁跟踪设备310、410之一。虽然一起被示出在通用设备500中，但是在其他实施例中，电磁跟踪设备510和基准标记530可以用作单独的部件，例如图1所示的跟踪部件和/或标记部件160的一部分。在其他实施例中，电磁跟踪设备510和基准标记530可以集成到一个壳体或外壳中。
基准标记530允许图像配准。特别地，基准标记530由在扫描患者期间可以例如由图2所示的CT扫描器210检测到的材料制成。然而，除了CT外，成像模式可以包括荧光检查、正电子发射断层扫描(“PET”)、微型PET、单光子发射计算机断层扫描(“SPECT”)、微型SPECT、磁共振(“MR”)、超声以及其他。虽然在图5中示出为立方体，但是在其他实施例中，基准标记530和本文提及的任意其他基准标记可以是任意尺寸、形状，以及适于检测和配准来自与介入流程相关联的扫描的图像数据的材料，包括用于配准不同类型的成像数据的多模式标记。
通过在患者的扫描视图中包括基准标记530，获知基准标记相对于患者中的感兴趣区(例如，介入流程的目标区)的物理定位。也获知基准标记530相对于电磁跟踪设备510的物理定位。通过组合该信息，所采集的图像可以在公共空间参考网格或坐标系中进行对准以用于将介入工具(也装备了跟踪设备)导航到目标区，如下文详细描述的。
图6是可以用作基准标记530的示例性多模式基准标记600的横截面绘图。更具体地，多模式基准标记600的第一部分610可以是不透射线材料。不透射线材料是对x射线辐射不透明的材料，从而其可以在x射线照片中以及荧光检查下可见。足够致密而对x射线辐射不透明的材料还通常在超声扫描中可见。因此，第一部分610将对CT、荧光检查和其他基于x射线的成像系统以及超声成像系统可见。示例性基准标记600的第一部分610可以有利地被成形为球形形式。这种球形几何结构允许第一部分610从所有角度被一致地识别出，并允许准确定位基准标记600的中心。第一部分610的球形形状还允许基准标记600被容易地检测到，使得可以自动化图像配准流程。然而，可以使用现有技术中已知的其他形状和几何结构。多模式基准标记600的第二部分620可以是放射性的。例如，第二部分620可以包括多孔材料，其吸收放射性物质。一旦多孔材料至少部分地以放射性物质饱和，第二部分620就被激活。第二部分620的得到的放射性将对PET成像系统、微型PET成像系统、SPECT成像系统和微型SPECT成像系统可见。基准标记600还包括用于将基准标记600附接到基座或被成像对象或者被成像对象被布置在其上或中的装置的附接装置。
图7是利用类似于图2所示的跟踪部件和/或标记部件204的电磁跟踪系统的示例性呼吸监测器700的各部件的绘图。在该实施例中，呼吸监测器700包括适于附接到患者的腹部或胸部周围的带子710以及两个电磁跟踪设备720、730。图8是使用电磁跟踪系统的在患者810上的另一示例性呼吸监测器800的各部件的绘图。在该实施例中，呼吸监测器800包括直接附接到患者810上的三个电磁跟踪设备820、830、840。在其他实施例中，在图7和图8中示出的任一个电磁跟踪设备720、730、820、830、840可以利用一个或多个额外电磁跟踪设备、基准标记和/或用于在其他应用中使用的通用设备来替代或增强。
图9是经历利用用于监测患者的呼吸的示例性电磁跟踪设备940、950、960的介入流程的患者910的横截面绘图。患者910被示出在示例性CT扫描器930的膛的前方的支撑件920上。示例性的介入工具970还被示出为朝向患者910内的目标区980推进。如上所述，电磁跟踪设备940、950、960是在扫描和介入流程期间用于监测患者910的呼吸的电磁跟踪系统的一部分。
通常，电磁跟踪系统使用电磁跟踪设备940、950、960来跟踪患者的呼吸并生成患者的呼吸状态的信号或其他表示。信号可以用于向用户指示何时推进介入工具970。特别地，目的在于当患者的呼吸状态与患者910被扫描以产生图像数据集时处于相同的状态时推进介入工具970。如上所讨论的，患者的内部器官和胸腔可以在呼吸期间移动，但是该移动与患者的呼吸状态相关。当用户知道患者的内部器官和胸腔被定位在何处时推进介入工具970是有益且优选的。因此，在扫描期间知道患者910的呼吸状态(其是在介入工具推进期间用户用于引导介入工具970的图像数据的源)，允许系统向用户指示患者的内部器官和胸腔何时再次处于相同位置中，即，患者910何时处于相同的呼吸状态。在一个实施例中，如下文详细讨论的，当系统指示患者的呼吸状态是与进行扫描时相同的呼吸状态时，可以要求患者910屏住呼吸，由此允许用户在患者处于与进行扫描时相同的位置中的同时推进介入工具970。在另一实施例中，并如下文更详细讨论的，患者910可以正常呼吸，使得当系统指示患者的呼吸状态与进行扫描时相同或大约相同时，用户可以在患者910处于与进行扫描时相同的位置中的同时推进介入工具970相对少的量。
电磁跟踪系统处理器可以包括用于将电磁跟踪设备940、950、960的相对位置与患者的呼吸状态相关并生成呼吸信号或呼吸表示的逻辑单元。图10包括经历介入流程的患者910的横截面视图。利用示出的电磁跟踪设备940、950、960监测患者的呼吸，被示出为处于吸气状态(图10A，患者的胸腔的横截面更圆)和呼气状态(图10B，患者的胸腔的横截面更平)。在该简化范例中，在示例性吸气和呼气状态期间在两个维度上示出了在电磁跟踪设备940与950之间的取向和相对距离。如图10A所示，D1和D2是在吸气状态期间在两个维度上的在设备940与设备950之间的相对距离。此外在吸气状态期间，D3是在介入工具970的端部与目标区980之间的距离。如图10B所示，D1′和D2′是在呼气状态期间在设备940与设备950之间的相对距离。此外在呼气状态期间，D3′是介入工具970的端部与目标区980之间的距离。如这些绘图中所示，在患者910的示例性吸气状态期间，在设备940与设备950之间的相对位置变化。特别地，D1小于D1′，并且D2大于D2′。可以跟踪在相对位置中的这些变化，并且直接使其与患者910的呼吸状态相关。通过在吸气状态和呼气状态期间在介入工具970的端部与目标区980之间的距离的变化来描绘这些变化的显著性。特别地，D3显著大于D3′，这意味着当患者910呼气时，介入工具970的端部被绘制为更靠近目标区980，而没有用户对介入工具970的任何推进。在其他实施例中，可以在三维中跟踪设备940和设备950的相对位置，并且设备960以及可能的其他设备还可以用于监测呼吸。在其他实施例中，除了或替代相对位置，还可以跟踪空间取向，包括对角度测量和关系的使用。在该申请中对“位置”的引用可以包括位置和取向两者。不同的介入流程可以要求更高或更低程度的准确度，可以涉及在呼吸期间更多或更少的患者移动等，从而要求电磁跟踪系统和/或跟踪算法的不同配置。
图11是用于呼吸监测和指示在介入流程期间的介入工具推进时机的示例性系统1100的示意图/框图表示。系统1100包括示例性扫描系统1110，例如CT扫描器。系统1100还包括示例性跟踪部件1112，例如电磁跟踪设备、带子等，如上所述。在其他实施例中，可以并入标记(例如基准标记)以进行图像配准。
如图所示，电磁跟踪系统处理器1116从跟踪部件1112接收一个或多个信号，并操作地与系统1100的若干部件连接，所述若干部件包括存储器1118、用户接口1120、一个或多个介入工具推进指示器1122以及扫描系统控制器/门控设备1124。存储器1118可以用于存储由电磁跟踪系统处理器1116利用的各种软件、逻辑单元和/或参数，包括例如经测量的值和与部件1112以及对象的呼吸状态相关联的参数，相关联的介入工具触发/阈值和/或水平，用于确定触发/阈值点和/或水平的算法，用户所选值，图像数据等，如下文更详细讨论的。用户接口1120可以包括用户输入和显示器设备，并可以呗集成为图2的控制台220的一部分。
示例性介入工具推进指示器1122可以包括一个或多个可听指示器(如扬声器1126)和/或一个或多个视觉指示器(如显示器1128、1130)。扬声器1126可以产生连续的声音、相同声音的实例或不同声音的实例以指示何时开始和停止介入工具推进。例如，连续的哔哔声或“开”和“关”哔哔声可以用于指示何时推进介入工具。
显示器1128、1130可以包括患者的呼吸的视觉标记和/或指示何时推进介入工具。在一个实施例中，显示器1128、1130可以简单地显示视觉线索，例如词语或颜色(如，红色和/或黄色之后是绿色)以指示何时推进介入工具。在其他实施例中，如图11所示，显示器1128、1130可以描绘患者的呼吸的表示。示例性显示器1128示出了具有表示患者的呼吸的幅度的波形1132。示例性显示器1130示出了条形图1134，其具有表示根据肺活量百分比尺度(％VC)的患者的吸气水平/呼气水平的高度。可以理解的是，虽然示出了波形和条形图，但是也可以使用其他形式的患者呼吸图像，例如刻度量筒、进度条、动画隔板等。
除了驱动介入工具推进指示器1122外，电磁跟踪系统处理器1116还可以用于提供信号来控制扫描系统1110。例如，控制/门控设备1124可以用于控制或提供信号给扫描系统1110以扫描处于特定呼吸状态(例如，处于与用户正在推进介入工具期间相同的呼吸状态)的患者。这在确认扫描期间可以是有用的。在一个实施例中，控制/门控设备1124可以被集成为图2的控制台220的一部分。
示例性介入流程包括扫描阶段和介入工具推进阶段。在扫描阶段期间，扫描器扫描患者。电磁跟踪系统可以用于监测患者在扫描期间的呼吸状态，从而产生指示患者的呼吸状态的一个或多个信号。在扫描期间可以要求患者正常呼吸或者可以要求其屏住呼吸。扫描器产生适于在后续的介入流程期间帮助和引导用户的图像数据集，例如体积数据集。示例性图像处理设备可以如图1和图2中所描述的。介入工具可以与患者的目标区一起被扫描，但是这并不是在所有实施例中都必需的。在一些实施例中，使介入工具与患者一起被扫描有助于根据扫描和在图像数据集中建立介入工具的参考开始位置。在扫描阶段期间，可以对患者进行一次或多次扫描。对于每次扫描，电磁跟踪系统处理器从跟踪部件(例如，电磁跟踪设备)读取(一个或多个)呼吸信号，并将该信号读数与各自的图像数据集相关联。(一个或多个)呼吸信号还与患者的特定呼吸状态相关联。所有这些数据都可以被保存到存储器中。
介入工具推进阶段跟在扫描阶段后面。在工具推进阶段期间，将患者从扫描器移走，从而允许介入工具推进而没有额外暴露于来自扫描器的辐射。电磁跟踪系统继续监测患者的呼吸状态，并产生指示患者的呼吸状态的呼吸信号。在介入工具推进期间可以要求患者正常呼吸或者可以要求其屏住呼吸。电磁跟踪系统可以驱动介入工具推进指示器，其指示何时患者的呼吸状态与在创建由用户用于引导介入工具的推进的图像数据集的扫描期间处于相同状态。
以这种方式，通过跟踪患者的呼吸，警告用户何时患者的内部器官和胸腔处于用于推进介入工具的恰当的位置中。特别地，电磁跟踪系统处理器可以监测患者的呼吸状态的特定阈值/触发点以驱动介入工具推进指示器，其向用户指示用于推进介入工具的适当的时间。特别地，当电磁跟踪系统指示患者的呼吸状态与在扫描期间相同时，经由介入工具推进指示器，向用户提供指示用于推进介入工具的适当的时间，因为用户知道患者的目标区应当处于与图像数据集相匹配的位置中。
图12和图13示出了用于触发介入工具推进指示器的患者的呼吸状态的示例性图形表示。在图12和图13中示出的表示可以表示由电磁跟踪系统处理器和/或介入推进处理器利用的跟踪和触发算法，在一些实施例中其还被显示在与介入工具推进指示器相关联的显示器(例如，图1中的显示器172，图2中的显示器222、232以及图11中的显示器1132、1134)上。
图12示出了表示患者在正常呼吸期间的呼吸状态的示例性波形1202，但是从一次呼吸到另一次呼吸在时间和肺活量填充水平方面有变化。在该实施例中，可以通过上述的示例性电磁跟踪系统处理器来生成波形1202。波形1202在患者吸气和呼气的同时分别随时间上升和下降。在图12中示出的波峰和波谷可以分别对应于图10中示出的吸气和呼气。目标线1204表示对应于相关联的图像数据集的呼吸状态，所述相关联的数据集用于在介入流程期间使用并且来自早前的扫描。每次患者的实时呼吸状态1202处于(即，横条)线1204处时，患者的呼吸状态(以及患者的内部器官和胸腔的位置)对应于与图像数据集相关联的呼吸状态(和位置)。在该实施例中，处理器使用这些交叉点作为触发点1210来驱动介入工具推进指示器，其向用户指示用于推进介入工具的适当的时间。
图13示出了具有表示根据肺活量百分比尺度(％VC)的患者的吸气水平/呼气水平的高度的示例性条形图1302。在该实施例中，条形图1302在患者吸气和呼气的同时分别随时间上升和下降。目标线1304表示对应于相关联的图像数据集的呼吸状态，所述相关联的数据集用于在介入流程期间使用并且来自早前的扫描。每次患者的实时呼吸状态1302处于线1304处时，患者的呼吸状态(以及患者的内部器官和胸腔的位置)对应于与图像数据集相关联的呼吸状态(和位置)。在该实施例中，当图形处于线1304处时可以要求患者屏住呼吸，在该时间期间用户可以推进介入工具。
可以将与介入工具推进指示器相关联的各种参数和算法，例如，开始时间、停止时间、驱动指示器的时间长度、对介入的响应、患者和/或外界因素等，确定为开发介入流程计划的规划阶段的一部分，其通常在介入流程之前。在一些实施例中，可以在介入流程期间，基于各种因素(例如，包括确认扫描)来修改介入流程计划。
除了或替代驱动介入工具推进指示器，电磁跟踪系统可以用于跟踪介入工具的位置和/或取向。图14是经历介入流程的患者910的横截面绘图，其中，示例性电磁跟踪设备940、950、960用于监测患者的呼吸，示例性电磁跟踪设备940、1410用于监测介入工具1430的位置和取向，并且基准标记1420用于将电磁跟踪系统与图像数据进行配准。在该实施例中，电磁跟踪设备960包括发射器，其用于跟踪电磁跟踪设备940、950、1410，其中的每个包括接收器。以这种方式，相同的电磁跟踪系统可以用于监测患者的呼吸状态，驱动介入工具指示器，和/或跟踪介入工具1430的位置和取向。在一个实施例中，电磁跟踪设备960和基准标记1420可以被集成到一个通用设备中。
通过在患者910的扫描视图中包括基准标记1420，获知基准标记1420相对于目标区980的定位。也获知基准标记1420相对于电磁跟踪设备960的定位。通过组合该信息，所采集的图像可以与跟踪部件在公共空间参考网格或坐标系(即，定位空间)中进行对准以将配备有电磁跟踪设备1410的介入工具1430导航到目标区980。总之，在来自扫描系统的图像数据中检测基准标记1420，并且所述基准标记用于将患者910的图像与实时介入流程所涉及的部件进行配准。将电磁跟踪设备960与基准标记1420相关联使得能够定义由成像和定位系统利用的公共参考系，使得成像和定位系统的数据可以配准到一起。
可以使用电磁跟踪设备1410，以与上文结合用于呼吸监测的电磁跟踪设备940、950、960描述的相同方式来确定介入工具1430的空间位置和取向。在其他实施例中，可以将多于一个电磁跟踪设备与介入工具1430相关联。在一些实施例中，例如在介入工具1430推进的路径很重要的应用中，将要求电磁跟踪设备1410是复杂的三线圈接收器以准确地确定整个介入工具1430在定位系统中的空间位置和取向(而不是仅电磁跟踪设备1410的位置)。虽然在图14中将电磁跟踪设备1410示出为处于介入工具1430的远离推进端部的末端处，但是电磁跟踪设备1410可以被定位在介入工具1430上的任何定位(包括推进端部)处。在电磁跟踪设备1410未被定位在介入工具1430的推进端部处的实施例中，本领域已知如何通过获知在电磁跟踪设备1410与端部之间的关系来跟踪端部。为了维持适当的精度，在一些实施例中，将使在电磁跟踪设备1410与介入工具1430的端部之间的偏移距离最小化。
以这种方式，可以将介入工具1430的位置与患者910的图像数据相关联，从而允许系统实际上在患者910的图像中显示介入工具1430。配准和跟踪系统使得能够构造并显示导航图像，其中，使用由电磁跟踪设备(包括设备1410)定义的定位系统，在来自成像系统的图像数据上显示介入工具1430的空间位置的虚拟表示。
图15是表示用于呼吸监测、介入工具导航以及指示介入工具推进时机的示例性系统1500的框图。系统1500包括示例性成像系统1510，例如CT扫描器。系统1500还包括示例性跟踪部件和/或标记部件1512(例如电磁跟踪设备和基准标记)来支持呼吸1530和介入工具位置1532跟踪和配准功能。
如图所示，电磁跟踪系统处理器1516接收来自跟踪部件1512(例如，电磁跟踪设备)的指示呼吸1530和工具位置1532的信号以及来自成像系统1510的图像数据。处理器1516可以操作地与系统1500的若干其他部件连接，所述若干其他部件包括存储器1518、用户接口1520、一个或多个介入工具推进指示器1540以及导航显示器1550。存储器1518可以用于存储由电磁跟踪系统处理器1516利用的各种软件、逻辑值和/或参数，包括例如，与部件1512相关联的经测量的值和参数、对象的呼吸状态、部件1512和介入工具的位置和取向、相关联的介入工具触发/阈值和/或水平、用于确定触发/阈值点和/或水平的算法、用户所选值、图像数据、配准数据、工具维度等。用户接口1520可以包括用户输入和显示设备并且可以被集成为图2的控制台220的一部分。
电磁跟踪系统处理器1516可以使用上述数据和信号用于以下功能：呼吸监测1534；定位和位置/取向检测1536；以及配准1538。电磁跟踪系统处理器1516可以执行用于执行与如上所述的这些功能中的每个相关联的各种运算和确定的逻辑单元。这些功能可以由电磁跟踪系统处理器1516用于驱动介入工具推进指示器1540和介入工具导航显示器1550。导航显示器1550可以实时(包括在介入流程期间)显示患者的图像数据以及介入工具的虚拟表示。导航显示器1550可以由用户用于引导介入工具的推进。导航显示器1550可以是单独的显示器，或者可以与上述任意显示器(例如，图1的显示器172，图2的显示器222、232，以及图11的显示器1132、1134)合并。在一个实施例中，推进指示器1540与导航系统1550合并。
图16-19描述了与(例如，包括以上所述的那些)电磁跟踪系统的利用相关联的示例性方法。类似方法的另外的实施例可以包括其他额外步骤，或者省略图示方法中的一个或多个步骤。另外，在本文描述的过程流的顺序可以被重新布置，同时仍能实现相同的结果。因此，本文描述的过程流可以在其实现方式中如保证或期望的添加、重新布置、整合和/或重新组织。
图16是使用(如以上所述的那些)电磁呼吸监测器来生成呼吸信号的示例性方法的流程图。在步骤1610处，附接到对象的第一跟踪器发射磁场。接下来，在步骤1620处，附接到对象的第二跟踪器测量由第一跟踪器发射的磁场。在步骤1630处，基于由第二跟踪器测量的磁场来确定第一跟踪器和第二跟踪器的相对位置。可以将由跟踪器接收到的变化场与对象的呼吸状态相关联并用于生成呼吸信号。在步骤1640处，基于第二跟踪器相对于第一跟踪器的位置来生成呼吸信号。
图17是使用(例如，如上所述的那些)电磁呼吸监测器来生成呼吸信号的另一示例性方法的流程图。步骤1710-1720类似于上述步骤1610-1620。在步骤1730处，附接到对象的第三跟踪器测量由第一跟踪器发射的磁场。在步骤1740处，基于由第二跟踪器和第三跟踪器测量的磁场来确定第一跟踪器、第二跟踪器和第三跟踪器的相对位置。可以将由跟踪器接收到的变化场与对象的呼吸状态相关联并用于生成呼吸信号。在步骤1750处，基于第一跟踪器、第二跟踪器和第三跟踪器的相对位置来生成呼吸信号。
图18是使用(例如，以上所述的那些)电磁跟踪系统来生成呼吸信号和介入工具的虚拟表示的示例性方法的流程图。步骤1810-1820与上述步骤1610-1620相同。在步骤1830处，附接到介入工具的第三跟踪器测量由第一跟踪器发射的磁场。在步骤1840处，基于由第二跟踪器和第三跟踪器测量的磁场来确定第一跟踪器、第二跟踪器和第三跟踪器的相对位置。在步骤1850处，基于第一跟踪器和第二跟踪器的相对位置来生成呼吸信号。在步骤1860处，基于第一跟踪器和第三跟踪器的相对位置来生成介入工具的虚拟表示。
图19是指示在对象(例如，患者)上的介入流程期间何时推进介入工具的示例性方法的流程图。在步骤1910处，使用(例如，以上所述的那些)电磁呼吸监测器来监测患者的呼吸。接下来，在监测患者的呼吸的同时，在步骤1920处使用扫描器来扫描患者，并且在步骤1930处根据扫描来生成图像数据集。在步骤1940处，将图像数据集与患者在扫描时的呼吸状态相关联。在步骤1950处，在使用电磁呼吸监测器继续监测患者的呼吸的同时，介入工具推进指示器可以指示在与图像数据集的呼吸状态相匹配的患者的后续呼吸状态期间何时推进介入工具。以这种方式，在患者的目标区处于与进行扫描时的相同位置中时，推进指示器可以指示何时推进介入工具。
虽然通过描述本发明的各实施例说明了本发明，并且虽然以一些细节描述了本发明，但是申请人并不打算以任何方式将随附权利要求的范围约束或限制于这种细节。本领域技术人员将显而易见额外的优点和修改。本发明可以采取所公开实施例的多种构成、部件和布置、元件的组合和子组合的形式。因此，本发明在其更广泛的方面不限于具体细节、代表性装置和方法以及所示和所描述的说明性范例。因此，可以在不脱离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下偏离这种细节。

Claims (17)

1.一种电磁跟踪系统，包括：
附接到对象的第一跟踪器，其中，所述第一跟踪器包括用于发射磁场的发射器；
附接到所述对象的第二跟踪器，其中，所述第二跟踪器包括用于测量所述磁场的第一接收器；以及
逻辑单元，其用于基于由所述第一接收器测量的所述磁场来确定所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的位置，并且用于基于所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置来生成呼吸信号；
其中，所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置在所述对象的多个呼吸状态期间变化。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发射器包括至少两个发射线圈。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一接收器包括至少两个接收线圈。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一接收器包括至少三个接收线圈。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括：
附接到所述对象的第三跟踪器，其中，所述第三跟踪器包括用于测量所述磁场的第二接收器；以及
其中，所述逻辑单元基于由所述第二接收器测量的所述磁场来确定所述第三跟踪器相对于所述第一跟踪器的位置，并且基于所述第三跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置来生成所述呼吸信号；
其中，所述第三跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置在所述对象的所述多个呼吸状态期间变化。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括：
第四跟踪器，其中，所述第四跟踪器包括用于测量所述磁场的第三接收器；以及
其中，所述逻辑单元基于由所述第三接收器测量的所述磁场来确定所述第四跟踪器相对于所述第一跟踪器的位置，并且基于所述第四跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置来生成所述呼吸信号；
其中，所述第四跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置在所述对象的所述多个呼吸状态期间变化。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括：
基准标记，其中，所述基准标记能够在来自用于扫描所述对象的成像设备的成像数据集中观察到，其中，所述成像数据集与所述对象的第一呼吸状态相关联，并且其中，所述对象的所述第一呼吸状态是所述对象的所述多个呼吸状态之一。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括：
与介入工具相关联的第三跟踪器，其中，所述介入工具与在所述对象上执行的介入流程相关联，并且其中，所述第三跟踪器包括用于测量所述磁场的第二接收器；以及
其中，所述逻辑单元基于由所述第二接收器测量的所述磁场来确定所述第三跟踪器相对于所述基准标记的位置。
9.根据权利要求7所述的系统，还包括：
通用设备，其中，所述通用设备包括所述基准标记以及以下中的至少一个：所述第一跟踪器和所述第二跟踪器。
10.一种用于在介入流程期间指示介入工具推进时机的电磁跟踪系统，所述电磁跟踪系统，其用于监测对象的呼吸并且产生指示所述对象的多个呼吸状态的呼吸信号；所述电磁跟踪系统包括：
附接到对象的第一跟踪器，其中，所述第一跟踪器包括用于发射磁场的发射器；
附接到所述对象的第二跟踪器，其中，所述第二跟踪器包括用于测量所述磁场的接收器；以及
逻辑单元，其用于基于由所述接收器测量的所述磁场来确定所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的位置，并且用于基于所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置来生成所述呼吸信号；
其中，所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置在所述对象的所述多个呼吸状态期间变化；
成像设备，其用于扫描所述对象并生成成像数据集，其中，所述成像数据集与所述对象的第一呼吸状态相关联；以及
推进指示器，其用于基于所述呼吸信号来指示何时推进介入工具，使得在所述对象的所述第一呼吸状态期间进行对所述介入工具的推进。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括：
基准标记，其中，所述基准标记能够在所述成像数据集中观察到，并且其中，所述对象的所述第一呼吸状态是所述对象的所述多个呼吸状态之一。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括：
与所述介入工具相关联的第三跟踪器，其中，所述第三跟踪器包括用于测量所述磁场的第二接收器；以及
其中，所述逻辑单元基于由所述第二接收器测量的所述磁场来确定所述第三跟踪器相对于所述基准标记的位置。
13.根据权利要求11所述的系统，还包括：
通用设备，其中，所述通用设备包括所述基准标记以及以下中的至少一个：所述第一跟踪器和所述第二跟踪器。
14.一种电磁跟踪方法，包括：
由第一跟踪器发射磁场，其中，所述第一跟踪器附接到对象并包括用于发射所述磁场的发射器；
利用第二跟踪器来测量所述磁场，其中，所述第二跟踪器附接到所述对象并包括用于测量所述磁场的第一接收器；
基于由所述第一接收器测量的所述磁场来确定所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的位置；并且
基于所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置来生成呼吸信号；
其中，所述第二跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置在所述对象的多个呼吸状态期间变化。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
利用第三跟踪器来测量所述磁场，其中，所述第三跟踪器附接到所述对象并包括用于测量所述磁场的第二接收器；并且
基于由所述第二接收器测量的所述磁场来确定所述第三跟踪器相对于所述第一跟踪器的位置；并且
基于所述第三跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置来生成所述呼吸信号；
其中，所述第三跟踪器相对于所述第一跟踪器的所述位置在所述对象的多个呼吸状态期间变化。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
根据利用成像设备对所述对象的扫描来生成成像数据集，其中，所述成像数据集与所述对象的第一呼吸状态相关联，并且其中，所述对象的所述第一呼吸状态是所述对象的所述多个呼吸状态之一。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
提供基准标记，其中，所述基准标记能够在所述成像数据集中观察到。
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