CN107106242A - 介入放射学用医疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于与导航系统偶联的介入放射学用医疗系统，包括：针(1)，该针朝向靶标插入患者体内，所述针包括远端尖端(10)和近端止动件(110)；针导向件(2)，该针(1)能够在所述针导向件(2)内沿其纵轴线滑动，所述针导向件(2)包括跟踪器，该跟踪器用于相对于患者的3D医学图像对该针导向件(2)进行导航；处理器，该处理器配置成检测该针导向件(2)与该近端止动件(110)之间的接触，并且配置成由所述针导向件(2)与该针的近端止动件(110)接触时的该针导向件的导航数据并由所述针的长度来确定该针的远端尖端(10)相对于所述3D医学图像的位置；以及，用户界面，该用户界面与所述处理器偶联并且配置成在该患者的至少一个图像(I)上显示该针的表象和在该针的所述表象上的点，以表示在所确定的位置中的针尖(10)。

Description

介入放射学用医疗系统

技术领域

本发明涉及一种介入放射学用医疗系统，使得能够在经导航的手术介入期间确定部分插入患者体内的针尖的位置。

背景技术

在介入放射学中，介入放射学中进行的手术介入在于将手术器械(诸如针或等效的器械)引入患者体内。

介入放射科医师使用成像系统，最可能的是计算机断层扫描(螺旋CT或锥束CT(CBCT))或磁共振成像系统(MRI)，来查看患者的器官，并且选择尖端的靶标和针触及此靶标所遵循的轨迹。

为了帮助介入放射科医师触及靶标，导航系统是必要的。这种导航系统使用基于光学技术、电磁技术、射频技术、惯性技术、超声技术或机械技术的跟踪系统。

跟踪系统的目标是提供一个或多个跟踪器实时的空间位置和取向。

文件WO 2010/086374描述了一种用于在患者的3D医学图像中对外科器械(诸如针)进行导航的方法。为此，该针被滑动地布置在手术导向件中，而跟踪器刚性地附接到该手术导向件上，并且参照标记附接到患者身体并通过跟踪系统定位。所述参照标记可以刚性地附接到该跟踪系统。由于能够在3D医用图像中检测出参照标记，所以可以实时地确定手术导向件相对于3D医学图像的位置和取向。针是线性器械，其轴线应与导向件的轴线重合。因此，即使针本身没有被跟踪，该系统也能够确定针轴线在3D医学图像中的位置和取向。

然而，该系统不能够确定针尖的位置。当针滑入针导向件中时，仅针轴线在3D医学图像中的位置和取向是已知的，而针尖的位置是未知的。因此，放射科医师无法估计针尖距靶标有多远。

传感器能够放置在针尖处，但是这种布置需要非常小的传感器，而非常小的传感器比普通尺寸的传感器昂贵且有时不太精确。

发明内容

本发明的目的是确定针尖在3D医学图像中的位置。代替将传感器放置在针尖处，在本发明中提出使用针导向件，及以下事实：该针能够滑动到此针导向件中，以计算针尖的位置。

为此，本发明的目的是一种适于与导航系统偶联的介入放射学用医疗系统，包括：

-针，所述针朝向靶标插入患者体内，所述针包括远端尖端和近端止动件；

-针导向件，所述针能够在所述导向件内沿所述导向件的纵轴线滑动，所述针导向件包括跟踪器，所述跟踪器用于相对于患者的3D医学图像对所述针导向件进行导航；

-处理器，所述处理器配置成检测所述针导向件与所述近端止动件之间的接触，并且配置成由所述针导向件与所述针的近端止动件接触时的所述针导向件的导航数据并由所述针的长度确定所述针的远端尖端相对于所述3D医学图像的位置；以及

-用户界面，所述用户界面与所述处理器偶联并且配置成在所述患者的至少一个图像上显示所述针的表象和在所述针的表象上的点，以表示所确定的位置中的针尖。

根据实施方式，所述系统进一步包括信息介质，所述信息介质用于仅在所述针导向件与所述针的近端止动件接触时，告知用户所显示的点是所述针尖的真实表象。

根据实施方式，所述用户界面进一步配置成能使用户输入所述针的长度。

根据实施方式，所述处理器配置成在所述导向件靠近所述患者的皮肤时记忆所述针的取向和位置，并且所述用户界面配置成在所述患者的身体的图像上显示在处于所记忆的取向和位置的针的表象上表示所述针尖的点。

在这种情况下，记忆所述针的取向和位置的时间能够为：

(i)由用户与所述用户界面交互所给出的时间，或者

(ii)通过自动检测所述针导向件沿所述针的方向朝向所述针的近端止动件滑动，由所述处理器计算的时间，或者

(iii)使用放置在所述针的近端部分中的传感器，以便自动检测所述针导向件与所述针的近端止动件接触的时间，然后自动检索必须记忆所述针的取向和位置的时间，由所述处理器计算的时间。

根据实施方式，所述处理器配置成计算从与所述近端止动件接触的针导向件的位置到所记忆的所述针的取向和位置的距离，并且配置成将所述距离与给定阈值进行比较。

如果所述距离大于所述阈值，则所述处理器可以配置成发射标志、声音或消息以告知用户所显示的针尖位置不精确。或者，所述处理器可以配置成能使所显示的针尖从图像中消失。

根据实施方式，所述处理器配置成使用圆弧模型，计算从靠近所述患者的皮肤的针导向件的位置到与所述针的止动件接触的针导向件的位置的曲线距离，并且配置成检测在连接上述皮肤位置和上述止动件位置的曲线上的至少一个拐点。

如果检测到至少一个拐点，则所述处理器可以配置成发出标志、声音或消息以告知用户所显示的针尖的位置不精确。或者，所述处理器可以配置成能使所显示的针尖从图像中消失。

根据实施方式，所述处理器配置成使用以下方法之一经线校准计算所述针的总长度：

-使用尺子；

-使用指针来确定该针尖和止动件的位置并计算该针的长度；或者

-确定在导向件尖端处于所述针尖的水平时和在所述导向件的后表面接触所述针的近端止动件时，所述针导向件的相应的虚拟位置。

有利地，所述用户界面可以与含有多根针的长度数据的数据库偶联，并且配置成能使用户从所述多根针中选择针。

根据实施方式，所述处理器配置成通过识别所述针导向件的运动模式，来检测所述针导向件与所述近端止动件之间的接触。

根据实施方式，所述系统进一步包括传感器，所述传感器与所述处理器偶联并且布置在所述针的近端区域中，用于感测所述针导向件与所述近端止动件之间的接触。

上述系统能够执行以下步骤，以确定在将针插入患者体内期间针尖在3D医疗图像中的位置。

提供了一种针，所述针包括远端尖端和近端止动件，所述远端尖端与所述近端止动件之间的针的长度是已知的。

提供了一种包括跟踪器的针导向件，所述针导向件能够在3D医学图像中对跟踪器进行导航。所述针能够在针导向件内滑动。

一旦针已经至少部分地插入患者体内，则用户能够通过以下方式确定远端尖端的位置：

-通过定位所述针导向件来确定所述针的插入方向；

-使所述针导向件沿所述针朝近端方向滑动，直到与所述针止动件接触；

-基于已知的针长度，确定所述远端尖端在插入方向上的位置，

-在所述患者的至少一个图像上显示所述针的表象和在所述针的表象上的点，以便表示处于所确定的位置上的针尖。

附图说明

通过以下描述并结合附图，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了本发明的一般原理；

图2示出了根据实施方式的本发明的连续步骤，其中，在确定针尖位置的过程中记忆针的位置；

图3A和图3B示出了两种情况，其中，用户被告知没有精确地显示针尖的位置；

图4示意性地示出了多根针的全局数据库(左)和仅含有与用户使用的针有关的数据的个性化数据库(右)；

图5示出了校准针长度的不同实施方式。

具体实施方式

本发明通过包括计算机和与该计算机偶联的屏幕的手术系统，来实现向用户显示导航数据。该计算机与导航系统偶联以接收导航数据。该计算机包括处理器，该处理器配置成运行软件以执行上述方法。该系统包括用户界面，该用户界面可以是计算机和任何类型的显示监视器(例如常规监视器、附接到导向件的小屏幕、虚拟现实或增强现实眼镜)。

图1示出了本发明的一般原理。

该图的左侧部分示出了由皮肤S界定的且包括在介入期间将触及的靶标T的患者身体的体积V。

例如通过CT、CBCT或MR成像，提供该体积的3D医学图像。

在介入期间，用户(例如介入放射科医师)使用针1，该针被滑动地布置在针导向件2中。

该针导向件配备有跟踪器5，该跟踪器通过跟踪系统定位位置和取向。该跟踪系统能够使用任何合适的手术导航技术，诸如电磁技术、光学技术、超声技术、机械技术或惯性技术。

参照标记(未示出)附接到患者身体并且配置成在3D医学图像上可见。通过该跟踪系统也知晓该参照标记的位置和取向，能够相对于3D医学图像对该针导向件进行导航。

因此，没有直接对针1进行导航，而是通过针导向件2进行导航。由于针只能沿一个方向在针导向件中滑动，所以针导向件的导航能够知晓插入点(即，在导向件靠近或者触及针插入的患者皮肤时，导向件尖端21的点)和针相对于3D医学图像的插入方向。

导向件2有利地呈现了用于接触患者皮肤或靠近皮肤的尖端21。在导向件2尽可能地靠近患者时，即，在尖端21靠近或接触皮肤S时，获得精度最大的导航。导向件2还呈现了在针的插入方向上与尖端21相反的后表面22。导向件2具有在设计和制造过程中或通过校准能够获得的已知几何形状，使得在附接到导向件上的跟踪器5的坐标系中，尖端21和后表面22具有已知坐标。后表面22能够非常小并且近似为一点。

导向件可以由用户或远程操作的机器人操纵。

针1包括：远端尖端10，用于触及靶标以递送预期治疗；和增大的近端部分11。特别地，该近端部分11包括止动件110，该止动件限制了针导向件2相对于针1朝近端方向的滑动。在本文中，“针的长度”是指远端尖端10与近端止动件110之间的距离。在本文中，术语“近端”指定了针的距离针尖最远的一部分，而术语“远端”指定了针的距离针尖最近的一部分。

在图1的左侧部分中，表示在两个不同位置的针导向件2：

-第一位置(以实线表示)，其中，针导向件2的尖端21靠近皮肤S，此位置(也称为“皮肤位置”)被认为是提供精度最佳的导航；

-第二位置(也称为“止动位置”)(以虚线表示)，其中，针导向件2在其后表面22处接触针的止动件110。

在本文中，“靠近皮肤”是指针导向件与皮肤之间的距离小于针导向件与针的近端止动件之间的距离。为了提供精度最佳的导航，此距离应尽可能小，即，针导向件与皮肤接触或者在距离患者皮肤小于10mm处。

双箭头示出了针导向件2相对于针1的滑动方向。

当针导向件2处于第一位置时，针尖10的位置是未知的，因为导航仅能够确定针在皮肤上的插入点的位置和针的插入方向，而针的插入方向对应于针导向件的轴线。

在已将针部分地插入患者体内之后，用户想知道针尖到靶标的距离。为了确定针尖的位置，用户在近端方向上滑动针导向件2而不移动针1，直到接触止动件110。这样，通过跟踪系统对与针导向件2接触的止动件110进行定位。

如果针长度已知，则能确定针尖10为到止动件110的距离等于所述长度的点。

为此，在有利实施方式中，该系统可以包括用户界面，该用户界面配置成能使用户输入针的长度。

例如，该系统能够与数据库偶联，该数据库含有多根市售针的数据。所述数据可以特别包括每根针的长度、直径、参考值(reference)、制造商等。

图4(左侧)示出了这种全局数据库的实施方式。

可选地，如图4的右侧部分所示，该系统能够与个性化数据库偶联，该个性化数据库仅含有与用户使用的针有关的数据。此数据库能被用户创建作为在上述全局数据库内的选择。因此，用户界面仅显示了可由用户选择的有限的针的列表。

用户界面还被配置成向用户提供信息。

此信息包括患者身体的至少一个图像I，该至少一个图像是3D医学图像的切片，在其上显示出针1的表象(在图1的右侧部分中以虚线表示)以及识别其位置已经如上所述确定的针尖10的点(图示为深色圆点)。另外，该图像也能够是3D医学图像本身或在3D图像上分割后的结构的任何表象。针尖能由许多可能的图标表示，诸如深色圆点、圆圈、十字线或部分十字线。

该系统还能够向用户提供关于以下事实的信息：

(i)在针导向件尽可能靠近患者皮肤时，获得精度最佳的导航；

(ii)仅在针导向件与针尖接触时，告知用户所显示的点对应于针尖的真实表象，否则此表象不正确。

此信息能够使用各种介质向用户进行提供。例如，介质信息能够是用户手册，或者具有消息、标志、颜色(例如，绿色意味着正确，红色意味着不正确)，或任何特定图标的上述用户界面。

有利地，该系统能够在确定针尖位置的过程中记忆针导向件的位置和取向。必须记忆针导向件的位置和取向的时间能够通过用户与用户界面交互进行确定。通常，用户需要按下虚拟或实际的按钮或脚踏开关来触发任意事件，诸如记忆针导向件的位置和取向。

此时间也能够由处理器，通过自动检测针导向件沿针的方向朝向针的近端止动件滑动、分析针导向件的运动进行确定。实际上，用户已将针尖的一部分插入患者体内并保持针导向件靠近皮肤。当他想要看到针尖的位置时，他沿针轴线滑动针导向件，直到触及近端部分中的止动件，使得针导向件的直线运动停止。处理器通过使用针导向件的某些过去位置和取向的缓存，来自动检测用户想要查看针尖的位置。处理器在缓存中记录的位置和取向的组中，识别与线段及随后的静止点相对应的运动模式，并且这种运动没有显著的旋转分量，该线段表示针导向件尖端点和轴线沿针轴线的滑动，而该静止点表示在针导向件与针止动件接触时的步骤。如果处理器检测到这种模式，则缓存能够回溯计算在针导向件靠近患者皮肤时针导向件的位置和取向(即，待记忆的第一位置和取向)，由于线段的第一点对应于此位置。检测这种运动模式的算法可以如下所示。在任何时间t，记录位置P-t，并且分析例如含有二十秒测量的过去缓存。然后，应用以下步骤：

(a)检查位置P-t在给定阈值内是否稳定。如果没有，则迭代到下一个点，否则继续。

(b)分析P-t的过去缓存。检查它是否含有原点的线性运动。线性运动被定义为一组点，这一组点构成平均的线段，而所有点在任意阈值(诸如两毫米或五毫米)内都靠近平均线，并且在高于另一任意阈值(诸如两厘米或三厘米)时具有最小伸长率。如果没有，迭代到下一个点，否则继续。

(c)检查针导向件的位置沿所检测的线段的旋转分量的幅度是否低于任意阈值，诸如五度或十度。如果没有，迭代到下一个点，否则继续。

(d)计算第一位置POS1和第二位置POS2，第一位置对应于线段的起点，而第二位置对应于线段的终点，这些位置按时间排序。

(e)使用POS1来显示针轴线在图像上的取向。

(f)使用POS2来计算针长度，并使用POS1的方向并用通过POS1原点的线在所述图像上显示相应的针尖。

最后，传感器也可以放置在针的近端部分中，以便自动检测针导向件与针的近端止动件接触的时间，然后自动检索必须记忆针的取向和位置的时间。这种传感器例如能够是接触传感器、力传感器或压力传感器。传感器与处理器偶联，以向处理器传送由传感器获取的数据。

也可将接触传感器替换成能够触发事件的针导向件的特定运动模式。在优选实施方式中，用户应用特定运动模式，以向处理器指示针导向件与针止动件接触。在优选实施方式中，运动模式是针导向件绕着针轴线的顺时针和逆时针的小幅旋转。在另一优选实施方式中，运动模式是针导向件沿轴线向前和向后运动一次或多次。因为这些运动模式是独特的且在标准过程中是非常不可能存在的，所以能够安全地使用这些运动模式，以通过使用本发明中提出的算法和方法来触发针尖的显示。请注意，从皮肤到针止动件完整地向前和向后运动一次或多次也能够用于指示轨迹的起点和终点。

参照图2(左侧部分)，在导向件2的尖端21靠近皮肤S时，所述系统记忆针1的取向。在此阶段，针尖10相对于靶标T的位置是未知的。

然后，如图2的中间部分所示，导向件2沿针1朝近端方向滑动。在此操作期间，针1与虚线所示的所记忆的取向1M相比可以是弯曲的。

然而，如图2的右侧部分所示，处理器计算针1在所记忆的针的位置和取向1M上的投影，并且使用此投影来计算针尖21沿此所记忆的取向1M的位置。然后，与针的止动件110对应的点能被投影到所记忆的取向1M上，并且针的总长度用于由投影点计算针尖21的位置。

处理器也能够计算曲线，该曲线连接该针在针导向件2靠近皮肤S时的位置与该针1在针导向件2与针的顶部110接触时的位置。处理器例如通过使用众所周知的样条模型，使用这些位置的取向来计算所述曲线。然后，计算从第一位置到第二位置的曲线距离，并用该曲线距离与总的针长度相减。所得的长度用于由第一位置计算针尖在所记忆的取向1M上的位置。

处理器与用户界面偶联，使得在图像I中显示在所记忆的针的取向1M上的针尖10。

当针的曲率受到限制时，即，当针的所记忆的取向和位置与在针导向件接触针止动件时针的取向和位置之间的距离小于给定阈值时，能够完成曲线距离的这种投影或计算。所述阈值能够是固定值，诸如五毫米或十毫米；或者，考虑到未插入的且经受弯曲的针长度，所述阈值能够是可变值。

考虑到针导向件在它靠近患者皮肤时和在它与针止动件接触时的定位数据，能够由处理器计算此距离。

图3A示出了所记忆的针的位置和取向M1与针的实际取向之间的距离d高于所述给定阈值的情况。在这种情况下，该系统例如通过使显示的针尖消失或通过向用户发送标志、声音或消息，告知用户所显示的代表针尖的点不精确。

图3B示出了针具有拐点f的情况。在这种情况下，实际针在所记忆的位置和取向上的投影不够精确。因此，该系统例如通过使显示的针尖消失或通过向用户发送标志、声音或消息，告知用户所显示的代表针尖的点不精确。

根据用户的选择和能力，上述方法能够以许多不同的方式进行使用。例如，一旦针已经足以插入患者体内，通过使用上述方法，用户可能想不断地对针尖可视化，而不仅仅对固定插入可视化。因此，用户能够滑动导向件直到它触及针的止动件，然后相对于针将导向件保持在这个位置，然后用户能够推动针并实时查看在图像上行进的针尖。为了在精确位置处停止针的穿透，该过程在针接近靶标时可能是有用的。

在另一实施例中，用户能够使用如上所述的方法：首先，使导向件靠近皮肤，以对导向件进行导航并且获得靶标方向的最佳精度，从而部分地插入针；其次，沿针滑动导向件直到触及止动件，以使针尖所在的位置可视化，脑中记忆或使用计算机的存储器和显示器记忆这个尖端的位置，或者简单地记录他还有几毫米插入该针，然后用户能够滑动回针导向件以靠近皮肤，进一步推动导向件中的针以便从导航在方向上的最佳精度中受益，然后他能够再次向后推动导向件以接触针止动件，检查针尖位置，并根据需要迭代多次。

为了确保显示的针尖位置精确，在进行本发明之前校准针长度。

图5示出了离线地或在线地校准针长度的不同方式。

在该图的上侧部分中，导航后的针导向件2用于校准针长度：为此，针导向件2被连续地定位到：

-导向件尖端21处于与针尖10相同水平的位置，和

-导向件的后表面22与止动件110接触的位置。

通过使用导向件的已知几何形状，在所述两个位置处获得的定位数据能够分别确定第一点和第二点，该第一点是在第一位置中的导向件的尖端，而该第二点是处于第二位置中的导向件的后表面的水平。因此，针等于第一点与第二点之间的距离。在这个校准过程中，针必须相对于跟踪系统保持静止。

在该图的中间部分中，针长度被标尺3测量为尖端10与止动件110之间的距离。

在该图的下侧部分中，通过用跟踪系统跟踪的指针4连续指示尖端10和止动件110来确定针长度。在指针的上述两个位置处获得的定位数据能够确定尖端10与止动件110之间的长度。

当然，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用校准针长度的任何其它方式。

一旦针长度已被校准，则它能够与它的其它特征和首选名称一起存储在数据库中，该首选名称是由用户给出的或者仅报告制造商名称和参考值。

Claims (15)

1.一种适于与导航系统偶联的介入放射学用医疗系统，包括：

针(1)，所述针朝向靶标插入患者体内，所述针包括远端尖端(10)和近端止动件(110)；

针导向件(2)，所述针(1)能够在所述针导向件(2)内沿所述导向件的纵轴线滑动，所述针导向件(2)包括跟踪器，所述跟踪器用于相对于患者的3D医学图像对所述针导向件(2)进行导航；

处理器，所述处理器配置成检测所述针导向件(2)与所述近端止动件(110)之间的接触，并且配置成由所述针导向件(2)与所述针的近端止动件(110)接触时的所述针导向件的导航数据并由所述针的长度确定所述针的远端尖端(10)相对于所述3D医学图像的位置；以及

用户界面，所述用户界面与所述处理器偶联，并且配置成在所述患者的至少一个图像(I)上显示所述针的表象和在所述针的表象上的点，以表示在所确定的位置中的针尖(10)。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括信息介质，所述信息介质用于仅在所述针导向件与所述针的近端止动件接触时告知用户所显示的点是所述针尖的真实表象。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述用户界面进一步配置成能使用户输入所述针(1)的长度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述处理器配置成在所述针导向件(2)靠近所述患者的皮肤时记忆所述针(1)的取向和位置，并且所述用户界面配置成在所述患者的身体的图像上显示在处于所记忆的取向和位置的针的表象上表示所述针尖(10)的点。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，记忆所述针(1)的取向和位置的时间为：

(i)由用户与所述用户界面交互所给出的时间，或者

(ii)通过自动检测所述针导向件沿所述针的方向朝向所述针的近端止动件滑动，由所述处理器计算的时间，或者

(iii)使用放置在所述针的近端部分中的传感器，以便自动检测所述针导向件与所述针的近端止动件接触的时间，然后自动检索必须记忆所述针的取向和位置的时间，由所述处理器计算的时间。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的系统，其中，所述处理器配置成计算从与所述近端止动件接触的所述针导向件的位置到所记忆的所述针的取向和位置的距离，并且配置成将所述距离与给定阈值进行比较。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，如果所述距离大于所述阈值，则所述处理器配置成发射标志、声音或消息以告知用户所显示的所述针尖的位置不精确。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，如果所述距离大于所述阈值，则所述处理器配置成使所显示的针尖从图像中消失。

9.根据权利要求4或5所述的系统，其中，所述处理器配置成使用圆弧模型计算从靠近所述患者的皮肤的所述针导向件(2)的位置到与所述针的止动件(110)接触的所述针导向件(2)的位置的曲线距离，并且配置成检测在连接上述皮肤位置和上述止动件位置的曲线上的至少一个拐点。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，如果检测到至少一个拐点，则所述处理器配置成发射标志、声音或消息以告知用户所显示的所述针尖的位置不精确。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，如果检测到至少一个拐点，则所述处理器配置成使所显示的针尖从图像中消失。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其中，所述处理器配置成使用以下方法之一经在线校准计算所述针的总长度：

使用尺子；

使用指针确定所述针尖(10)和止动件(110)的位置并计算所述针的长度；或者

确定在导向件尖端(21)处于所述针尖(10)的水平时和在所述导向件的后表面(22)接触所述针的近端止动件(110)时，所述针导向件的相应的虚拟位置。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，其中，所述用户界面与含有多根针的长度数据的数据库偶联，并且配置成能使用户从所述多根针中选择针。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的系统，其中，所述处理器配置成通过识别所述针导向件的运动模式来检测所述针导向件与所述近端止动件之间的接触。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的系统，进一步包括传感器，所述传感器与所述处理器偶联并且布置在所述针的近端区域中，用于感测所述针导向件与所述近端止动件之间的接触。