CN106539623A - 向刚性工具添加跟踪传感器 - Google Patents

Abstract

本发明题为“向刚性工具添加跟踪传感器”。将对患者的计算机断层摄影扫描与配置成跟踪邻近患者的传感器的磁跟踪系统配准。该传感器被安装在探头上。当探头的远侧端部与患者接触时，表示从传感器到远侧端部的平移的矢量被确定，并且该矢量与经配准的图像一起使用以确定远侧端部相对于患者的位置。

Description

向刚性工具添加跟踪传感器

版权声明

本专利文件的公开的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人复制在专利商标局的专利案卷或记录中出现的本专利文件或本专利公开，但在其他情况下，仍保留全部版权。

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时申请号62/221,367的权益，该临时申请以引用方式并入本文。本申请与标题为“Adjustable Tracking Sensor Suitable For Different RigidTools”的共同转让、共同待审的申请序列号14/986,179共享该公开。

背景技术

1.技术领域。

本发明涉及用于执行身体的空腔内部的医学检查的器械。更具体地，本发明涉及在探头上安装传感器以用于确定探头在体内的位置。

2.相关领域的描述。

在外科手术中，在手术中所使用的刚性工具诸如内窥镜的远侧端部可通过将位置传感器固定地并入到工具中而被跟踪。其中使用此类工具的典型外科手术包括探索性ENT(耳朵、鼻部和喉部)手术。传感器可被定位在工具的远侧端部处；另选地，传感器可被定位成远离远侧端部，朝向工具的近侧端部。在后一种情况下，由于传感器在固定方位中，因此对于传感器从远侧端部的位移的补偿可被施加至传感器的测量位置。

然而，在外科手术中使用的许多刚性工具不具有固定地并入到工具中的位置传感器，并且尽管此类工具可通过其他手段诸如荧光镜透视检查而被跟踪，但是这种类型的跟踪通常比使用工具上的位置传感器进行跟踪更不方便。

发明内容

本发明的实施方案通过提供在工具上的任何方便位置处附接到工具的传感器来克服与不具有并入于工具中的传感器的工具相关联的问题。一旦附接，便自动测量所附接的传感器从工具的远侧端部的位移并且将其并入到所附接的传感器的读数中。

根据本发明的实施方案，提供了一种方法，该方法通过以下步骤进行：接收患者的计算机断层摄影扫描，将从扫描导出的患者的图像与配置成跟踪邻近患者的传感器的磁跟踪系统配准，在探头上安装传感器，将探头的远侧端部定位成与患者接触。该方法另外通过以下步骤进行：在远侧端部与患者接触时，使用经配准的图像来确定表示从传感器到远侧端部的平移的矢量，并且在利用磁跟踪系统来跟踪传感器时，将矢量添加至传感器的位置以确定远侧端部的方位。

根据该方法的另外方面，安装传感器包括提供符合探头直径的托架，将传感器放置在托架上，以及将托架附接到探头。

根据该方法的附加方面，安装传感器通过将托架滑动到探头上来执行。

根据该方法的另外方面，托架具有在其中形成的孔，该孔的尺寸被设定成探头的外径，并且将探头滑动穿过孔。

根据该方法的另一方面，将托架固定地安装在探头上。

在该方法的又一方面，校正包括确定与传感器的位置和探头的纵向对称轴上的点之间的第一平移对应的第一矢量，并且确定与该点和探头的远侧端部之间的第二平移对应的第二矢量，并且使第一矢量和第二矢量相加以建立位移矢量。

该方法的另一方面包括通过图像上测量点与另一点之间的位移来确定第二平移的长度，其中该另一点通过检测经配准的图像的数据的预先确定的变化而被确定。

根据该方法的另一方面，经配准的图像的数据包括指示放射密度的体素值。

根据该方法的又一方面，经配准的图像的数据包括亨氏(Hounsfield)单位，并且确定第二平移的长度包括测量亨氏单位的预先确定的变化。

根据该方法的一个方面，配准图像包括设置与患者接触的多个磁场辐射器，从磁场辐射器以相应频率辐射交变磁场，在传感器中检测磁场，以及分析所检测到的磁场，以导出传感器相对于磁场辐射器的位置和取向。

在该方法的另一方面，磁场辐射器被安装在框架上并且框架被放置成与患者接触。

该方法的附加方面包括基于经配准的图像来导出传感器相对于患者的解剖特征的位置和取向。

根据该方法的另外方面，配准图像包括接收患者的计算机化层析图像。

根据本发明的实施方案，另外提供了一种设备，该设备包括托架、位置传感器和处理器，该托架对于圆柱形探头的直径来设定尺寸并且配置成刚性地紧固到探头的轴上，该位置传感器被设置在托架中并且对相应频率下的多个磁场进行响应，该处理器操作以响应于来自位置传感器的信号来计算探头的远侧端部的位置。

该设备的另一方面包括框架，该框架具有用于产生多个磁场的安装在其上的多个磁场辐射器，其中该处理器操作以将患者的图像与磁场辐射器配准。

根据该设备的一个方面，该处理器操作用于计算探头的远侧端部相对于经配准的图像上的坐标的位置。

附图说明

为了更好地理解本发明，以举例的方式引用本发明的详细说明，本发明的详细说明应结合以下附图来阅读，附图中相似的元素被赋予类似的参考编号，并且其中：

图1为根据本发明的实施方案的鼻窦外科手术系统的示意图；

图2为根据本发明的实施方案的用于外科手术系统的磁场辐射组件的示意图；

图3A为探头的示意性横截面侧视图；图3B为探头的示意性横截面前视图；图3C为示出根据本发明的实施方案的与探头有关的矢量的示意图；

图4为根据本发明的实施方案的在外科手术系统的操作中实施的步骤的流程图；以及

图5为根据本发明实施方案的在流程图的实施过程中使用的屏幕的示意图。

具体实施方式

为了全面理解本发明的各种原理，在以下说明中阐述了许多具体细节。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，并非所有这些细节都是实践本发明所必需的。在这种情况下，为了不使一般概念不必要地变得模糊，未详细示出熟知的电路、控制逻辑部件、以及用于常规算法和进程的计算机程序指令的细节。

以引用方式并入本文的文献将被视作本申请的整体部分，不同的是，就任何术语在这些并入文件中以与本说明书中明确或隐含地作出的定义矛盾的方式定义而言，应仅考虑本说明书中的定义。

现在返回到附图，现在参见图1和图2，图1为根据本发明的实施方案的鼻窦外科手术系统20的示意图，图2为根据本发明实施方案的在系统中使用的磁场辐射组件24的示意图。系统20通常在对患者22的鼻窦的侵入式和/或探索性手术过程中使用。

对于手术，组件24可例如通过将组件固定至患者所躺的床25而被定位在患者的头部下面。组件24包括五个磁场辐射器26，以举例的方式，该五个磁场辐射器26被固定在马蹄形框架中，该框架被定位在患者下面使得辐射器围绕患者22的头部。辐射器26配置成将在相应频率下的交变磁场辐射到区域30中，该区域30邻近组件24并且包括患者22的头部。交变磁场在通常由一组三个正交线圈组成的传感器32中感应信号，并且信号可被分析以导出传感器相对于组件24的位置和取向。应当理解，可针对区域30内的传感器32的基本上任何定位来确定该传感器的位置和取向。

如下文更详细描述的，传感器32被附连到刚性探头28，并且传感器的位置和取向的确定使得能够确定有待跟踪的探头的远侧端部34的位置和取向，该探头可插入到患者鼻窦中。用于跟踪插入到患者体内的实体的使用磁场辐射器诸如辐射器26的系统在Govari等人的美国专利申请14/792,823中描述，该专利申请以引用方式并入本文。此外，由加利福尼亚州钻石吧的韦伯斯特生物传感公司(Biosense Webster,Diamond Bar,CA)生产的系统使用类似于本文所述的跟踪系统，以用于寻找磁场照射区域中的线圈的位置和取向。

包括辐射器26的系统20的元件可由系统处理器40控制，该系统处理器40包括与一个或多个存储器进行通信的处理单元。通常，元件可通过缆线连接至处理器，例如辐射器26可通过缆线58连接至处理器40。另选地或除此之外，元件可无线地耦接至处理器。处理器40可被安装在控制台50中，该控制台包括操作控件51，该操作控件通常包括小键盘和/或指向设备，诸如鼠标或轨迹球。控制台50还连接至系统20的其他元件，诸如探头28的近侧端部52。医生54使用操作控件来在执行手术时与处理器进行交互，并且处理器可将由系统20产生的结果呈现在屏幕56上。

处理器40使用被存储在该处理器的存储器中的软件来操作系统20。例如，软件可以电子形式通过网络下载到处理器40，或者另选地或除此之外，软件可被设置和/或存储在非临时性有形介质(诸如磁存储器、光学存储器或电子存储器)上。

图3A为探头28的示意性横截面侧视图；图3B为探头的示意性横截面前视图；并且图3C为示出根据本发明的实施方案的与探头有关的矢量的示意图。在探头28的以下描述中，假设探头包括具有纵向对称轴62的刚性圆柱体60。在图3A和图3B中，探头已被绘制在一组xyz正交轴上，其中纵向对称轴62限定z轴。为清楚起见，在图3A和图3B中，被绘制出的探头的xyz轴与圆柱体60偏移开。

传感器32通过传感器保持件64而被固定到圆柱体60，该传感器保持件64通常由塑料形成以便完全包封该传感器。如本文所解释的，响应于与传感器进行相互作用的磁场生成的来自传感器的信号用于确定传感器的位置和取向。传送来自传感器的信号的导线可连接至探头28的近侧端部52，并从此连接至控制台50。导线未示出在图3A和图3B中。

假设传感器具有传感器方向70，该传感器方向通常但不必需地为传感器内部对称轴的方向，以及本文中提到的取向测量传感器方向相对于由辐射器26限定的参照系的取向。传感器32的传感器方向70在图3A和图3C中示意性地示出为箭头。

传感器保持件64被产生成有孔68，该孔68被形成为具有与圆柱体60的直径基本上相同的直径，但是其充分不同使得在保持件和圆柱体60之间存在滑动配合。当生产保持件64时，孔68的中心被制成距离传感器32一段已知距离A。A的典型值为0.5cm，但是A可比此值更小或更大。一系列传感器保持件可被构造，使孔68的尺寸被设定成与工具具有不同的直径。此外，由于孔68的中心被包括在保持件64中，因此其具有相对于传感器方向70的已知取向θ。因此，存在从传感器32至孔68的中心的已知的位移矢量(A,θ)，在本文中也称为矢量V，如图3C所示。

孔68具有通常正交于矢量V的对称轴69，并且由于在生产保持件64时形成，对称轴69具有相对于矢量V的已知方向φ(图3C)。

如以下另外所述的，在操作系统20中，传感器保持件64的孔68滑动到圆柱体60上，并且当保持件接近于近侧端部52时将保持件固定到圆柱体。应当理解，在滑动圆柱体60中，在孔68内轴线69和轴线62为重合的并且也与方向φ重合。保持件64包括具有头部的固定螺钉72，该头部可由医生54抓紧。使用头部，专业人员能够手动紧固固定螺钉以将保持件64沿着圆柱体60固定在所期望的位置处。假设从传感器32的中心到远侧端部34的距离为B。不同于距离A，当传感器保持件64被固定到圆柱体60时距离B是未知的，但是如下所述，在系统20的操作中，处理器40能够计算距离B。

图4为在系统20的操作中实施的步骤的流程图，并且图5为根据本发明的实施方案的在流程图的实施过程中屏幕56的示意图。流程图的步骤也通过图3A、图3B和图3C示出。

在初始步骤100中，患者22的头部通过计算机断层摄影(CT)进行扫描，在本文中以举例方式假设为荧光镜透视检查CT，并且来自扫描的CT数据由处理器40采集。对患者22的CT扫描可独立于和鼻窦外科手术对应的流程图的剩余步骤的具体实施来执行。通常，在以下手术的外科手术步骤之前，步骤100可执行许多天。

在第一过程步骤102中，辐射组件24被安装在患者22的头部下面。然后操作辐射器26，并且在配准步骤104中，将辐射器的参照系与受治疗者头部的参照系配准。配准通常通过本领域已知的任何手段进行，例如通过将磁场传感器线圈或一组此类线圈相对于患者的外部特征以及保持辐射器的框架放置在一个或多个已知位置和取向中。

在初始显示步骤106中，处理器40使用在步骤100中接收的CT数据生成患者外部特征的表示150(本文中也被称为图像150)。CT数据呈具有亨氏单位(HU)的体素的形式，并且应当理解，患者22的外部特征的图像150可由体素值及其HU值生成。处理器40在屏幕56上显示图像150，并且图5示意性地示出如在屏幕上显示的图像。

在操作步骤108中，医生将传感器保持件64的孔68滑动到探头28的刚性圆柱体60上，并且医生然后使用固定螺钉72来将传感器保持件锁定在靠近探头的近侧端部52的适当的位置。一旦保持件锁定在适当的位置，医生便使探头的远侧端部34与患者外部特征的所选择的区域接触，该所选择的区域例如在患者鼻部侧面处的区域。

定位远侧端部必然地使得传感器保持件64和其包封的传感器32进入到区域30(图1和图2)中，使得处理器40能够计算传感器的位置和取向。一旦处理器经执行此计算，其通常将表示传感器方向70的图标152引入到屏幕56上，接近图像150。在图像150和辐射器26的共同参照系内，根据从传感器信号确定的传感器32的位置和取向，将图标152定位并取向在屏幕56上。

由于医生保持探头28的事实，医生知晓传感器32的实际位置和取向。比较图标152的位置和取向与传感器32的实际位置和取向，向医生提供对系统20的正确操作的确认。

在校正步骤110中，医生通常通过使用控件51通知处理器40该探头的远侧端部与患者的外部特征接触。在接收到通知之后，处理器执行在传感器32的已知位置上的两个平移。第一平移对应于矢量V(A,θ)(图3C)，使得处理器将传感器的位置沿着由θ限定的方向以值A平移到轴线62上的点P(图3A)。将对应于点P的点P'绘制在图5中以示出第一平移的终止。通常，点P'未绘制在屏幕56上。

处理器在与方向φ对应的方向上从点P'执行第二平移。由于轴线69和轴线62重合，因此第二平移在与沿着轴线62的平移对应的方向上。处理器使用用于图像150的数据以通过从图像数据中确定来确定第二平移的实际长度，在该图像数据中在沿着轴线69的方向φ上移动的点P触及患者22的外表面。当至少存在如图像中所测量的辐射密度的预先确定的变化，例如图像数据的亨氏单位的值的变化时，发生触及外表面。变化的合适的值为200亨氏单位至500亨氏单位。假设触及在轴线62上的点Q处。点Q在距点P的距离B(现已知)处，并因此第二平移对应于在本文中也被称为矢量W并示出在图3C中的矢量(B,φ)。

应当理解，即使使用CT图像数据对点Q的位置进行计算，但由于图像与患者22的实际外部特征配准，所以点Q对应于患者的实际外部点。

在校正步骤结束时，处理器从屏幕56上删除图标152，并且将图标154定位在与点Q对应的图像150的位置处。比较图标154的位置和取向与远侧端部34的实际位置和取向，向医生提供对正确完成校正步骤的确认。

校正步骤的两个平移之和(V+W)为由存储器40存储的矢量。

在继续跟踪步骤112中，处理器将在步骤110中存储的矢量添加到传感器的位置，以便确定远侧端部34的位置。远侧端部的取向对应于方向φ，该方向φ也在跟踪传感器中通过处理器来确定。因此，处理器通过确定传感器32的位置和取向能够计算远侧端部34的位置和取向。处理器可将与远侧端部的位置和取向对应的图标定位在屏幕56上。在一些实施方案中，如果远侧端部在患者22体内，则可使图标模糊的图像150的外部特征呈现为至少部分地透明。基于在配准图像上该远侧端部相对于坐标的所计算的位置，可导出远侧端部相对于患者的解剖特征的位置。

本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于上文中特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合与子组合两者，以及不在现有技术范围内的其变型和修改，所属领域的技术人员在阅读上述说明时应当想到这些变型和修改。

Claims (16)

1.一种方法，包括以下步骤：

接收对患者的计算机断层摄影扫描；

将从所述扫描导出的所述患者的图像与配置成跟踪邻近所述患者的传感器的磁跟踪系统配准；

将所述传感器安装在具有远侧端部的探头上；

将所述远侧端部定位成与所述患者接触；

在所述远侧端部与所述患者接触时，使用经配准的图像的数据来确定表示从所述传感器到所述远侧端部的平移的位移矢量；以及

在利用所述磁跟踪系统来跟踪所述传感器时，将所述位移矢量添加到所述传感器的位置以确定所述远侧端部的方位。

2.根据权利要求1所述的方法，其中安装所述传感器包括：

提供符合所述探头的直径的托架；

将所述传感器放置在所述托架上；以及

将所述托架附接到所述探头。

3.根据权利要求2所述的方法，其中安装所述传感器包括将所述托架滑动到所述探头上。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述托架具有在其中形成的孔，所述孔的尺寸被设定成所述探头的外径，并且其中滑动所述托架包括将所述探头滑动穿过所述孔。

5.根据权利要求2所述的方法，其中安装所述传感器包括将所述托架固定地安装到所述探头上。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述探头具有纵向对称轴，所述方法还包括执行校正，所述校正包括：

确定与所述传感器的位置和所述探头的所述纵向对称轴上的点之间的第一平移对应的第一矢量；以及

确定与所述点和所述探头的所述远侧端部之间的第二平移对应的第二矢量；以及

将所述第一矢量和所述第二矢量相加，以建立所述位移矢量。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括通过在所述图像上测量所述点与另一点之间的位移来确定所述第二平移的长度，其中所述另一点通过检测所述经配准的图像的所述数据的预先确定的变化而被确定。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述经配准的图像的所述数据包括指示放射密度的体素值。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述经配准的图像的所述数据包括亨氏单位，并且确定所述第二平移的长度包括测量所述亨氏单位的所述预先确定的变化。

10.根据权利要求1所述的方法，其中配准图像包括：

相对于所述患者来设置多个磁场辐射器；

从所述磁场辐射器以相应频率辐射交变磁场；

在所述传感器中检测所述磁场；以及

分析所检测到的磁场，以导出所述传感器相对于所述磁场辐射器的所述位置和取向。

11.根据权利要求10所述的方法，其中设置多个磁场辐射器包括以下步骤：

将所述磁场辐射器安装在框架上；以及

将所述框架放置成与所述患者接触。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括基于所述经配准的图像来导出所述传感器相对于所述患者的解剖特征的所述位置和所述取向。

13.根据权利要求1所述的方法，其中配准图像包括接收所述患者的计算机断层摄影图像。

14.一种设备，包括：

托架，所述托架对于具有轴和远侧端部的圆柱形探头的直径来设定尺寸，并且配置成刚性地紧固到所述轴上；

位置传感器，所述位置传感器被设置在所述托架中并且对相应频率下的多个磁场进行响应；以及

处理器，所述处理器操作以响应于来自所述位置传感器的信号来计算所述探头的所述远侧端部的位置。

15.根据权利要求14所述的设备，还包括框架，所述框架具有用于产生所述多个磁场的安装在其上的多个磁场辐射器，其中所述处理器操作以将患者的图像与所述磁场辐射器配准。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述处理器操作用于计算所述探头的所述远侧端部相对于所述经配准的图像上的坐标的所述位置。