CN108289714B - 用于无网格经会阴前列腺介入的系统和工作流程 - Google Patents

用于无网格经会阴前列腺介入的系统和工作流程 Download PDF

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Abstract

一种经会阴前列腺介入设备包括前列腺介入仪器(10)、经直肠超声(TRUS)探头(12)以及被附接到TRUS探头且被配置为跟踪前列腺介入仪器的机械或光学坐标测量机器(CMM)(20)。CMM可以包括具有多个编码关节(24)的铰接臂、被附接到TRUS探头的锚定端(30)以及被附接到前列腺介入仪器的可移动端(32)。例如，前列腺介入仪器可以是活检针、近距离治疗种子递送仪器、组织消融仪器或中空套管。电子处理器(40)使用被附接到TRUS探头的CMM计算前列腺介入仪器在TRUS探头的参考系中的预测轨迹(54)。预测轨迹的表示(56)被叠加在根据由TRUS探头收集的超声数据生成的前列腺超声图像(50)上。

Description

用于无网格经会阴前列腺介入的系统和工作流程
技术领域
以下总体上涉及医学领域、肿瘤学领域、前列腺癌介入领域以及相关领域。
背景技术
局灶性前列腺介入靶向怀疑的或已知的前列腺癌肿瘤或区域，而不是靶向作为整体的前列腺器官。用于局灶性前列腺介入的常规方法是使用被插入到直肠中的经直肠超声(TRUS)探头来对前列腺进行成像。将具有针开口的网格对着会阴(通常在腿、肛门和阴囊之间描绘的外部身体表面)放置，网格在空间上与TRUS图像配准。介入仪器(例如活检针、近距离治疗种子递送针、RF消融或冷冻消融仪器、为此提供管道的中空套管等等)通过网格被对准并且通过会阴插入前列腺中。
该基于网格的方法通常是有效的，但有一些缺点。介入仪器的插入角度由网格固定，并且因此在非平行或任意角度处进行多次插入通常是不可能的。尤其是，耻骨弓或其他解剖学约束的存在能够需要针对特定患者的新颖的角度方法。
以下公开了解决上述问题和其他问题的新的和改进的系统和方法。
发明内容
在一个公开方面中，一种经会阴前列腺介入引导设备，包括：经直肠超声(TRUS)探头，其包括超声换能器或换能器阵列；坐标测量机器(CMM)，其被配置为附接到TRUS探头并且被配置为跟踪前列腺介入仪器在TRUS探头的参考系中的位置和取向；以及电子处理器，其被编程为使用CMM计算前列腺介入仪器在TRUS探头的参考系中的预测轨迹并且根据由TRUS探头收集的超声数据生成前列腺超声图像，前列腺介入仪器的预测轨迹的表示被叠加在前列腺超声图像上。
在另一公开方面中，在如前一段落中所述的经会阴前列腺介入引导设备中，CMM包括包含通过编码关节连接的臂节段的铰接臂，并具有被配置用于附接到TRUS探头的锚定端和被配置用于与前列腺介入仪器附接的可移动端。电子处理器被编程为根据从编码关节的编码值确定的铰接臂的可移动端的位置和取向来计算预测轨迹。
在另一公开方面中，一种经会阴前列腺介入设备包括前列腺介入仪器、包含超声换能器或换能器阵列的经直肠超声(TRUS)探头，以及被附接到TRUS探头并配置为跟踪前列腺介入仪器的机械或光学坐标测量机器(CMM)。机械CMM实施例包括具有多个编码关节(在一些这样的实施例中至少三个编码关节)的铰接臂、被附接到TRUS探头的锚定端以及被附接到前列腺介入仪器的可移动端。例如，前列腺介入仪器可以是活检针、近距离治疗种子递送仪器或组织消融仪器。电子处理器可以被编程为使用附接到TRUS探头的机械或光学CMM计算前列腺介入仪器在TRUS探头的参考系中的预测轨迹。预测轨迹的表示可以叠加在根据由TRUS探头收集的超声数据生成的前列腺超声图像上。
在另一公开方面中，公开了一种经会阴前列腺介入引导方法。显示根据由经直肠超声(TRUS)探头采集的超声数据生成的前列腺的超声图像。在显示期间，使用锚定到TRUS探头的机械或光学坐标测量机器(CMM)在TRUS探头的参考系中计算前列腺介入仪器的预测轨迹。前列腺介入仪器的预测轨迹的表示叠加在前列腺的所显示的超声图像上。计算和叠加操作可以在超声图像的视场中没有前列腺介入仪器的部分的情况下执行。
一个优点在于使用具有灵活的位置和角度方法的介入仪器来提供聚焦前列腺介入。
另一个优点在于为聚焦前列腺介入提供改进的介入仪器轨迹预测。
另一个优点在于在聚焦前列腺介入期间提供介入仪器的多重冗余跟踪。
给定实施例可以不提供前述优点中的任何一个，可以提供前述优点中的一个、两个、更多或全部，和/或可以提供其它优点，对于本领域普通技术人员而言在阅读和理解本公开后这将变得显而易见。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件布置的形式，并且可以采取各种步骤和各步骤安排的形式。附图仅用于说明优选实施例的目的，而不应被解释为对本发明的限制。
图1和图2图解性地示出了说明性经会阴前列腺介入设备。图1示出了在由介入仪器穿透会阴之前的设备。图2显示了在由介入仪器穿透会阴后的设备。
图3示出了由图1和2的设备适当执行的聚焦前列腺介入的流程图。
具体实施方式
参考图1和图2，说明性经会阴前列腺介入设备包括经会阴前列腺介入设备。所述设备包括前列腺介入仪器10和经会阴前列腺介入引导设备，所述经会阴前列腺介入引导设备包括具有超声换能器或换能器阵列14、15的经直肠超声(TRUS)探头12。说明性TRUS探头12包括矢状超声换能器阵列14和轴向超声换能器阵列15。在经会阴前列腺介入流程期间，TRUS探头12部分地插入到经历前列腺介入的患者的直肠Rec中，其中，TRUS探头12的插入端将超声换能器14、15承载在患者的直肠Rec内并且进入置以采集超声数据从而生成具有与患者的前列腺Pr的至少部分相交或包含所述至少部分的视场(FOV)的超声图像。该说明性范例采用矢状超声换能器阵列14来采集FOV中的平面亮度模式(B模式)图像，但是这仅仅是说明性范例，并且任选地利用选择的采集后处理的其他超声成像模式可以用于使用利用TRUS探头12收集的超声数据执行前列腺Pr的超声成像。经会阴前列腺介入流程需要通过介入仪器10(的端部)穿透会阴Per。图1示出了由介入仪器10穿透会阴Per之前的设备。图2示出了由介入仪器10穿透会阴Per后的设备。通过一些非限制性说明性范例，经会阴前列腺介入流程可以是前列腺活检流程，在该情况下，介入仪器10是活检针；或者可以是近距离治疗流程，在这种情况下，介入仪器10是近距离治疗种子递送仪器；或者可以是组织消融流程(例如，冷冻消融、射频消融等)，在这种情况下，介入仪器10是组织消融仪器；等等。介入仪器10也可以是容纳上述介入活检/治疗仪器(即，活检针、近距离治疗针、消融针等)中的一个或多个的中空套管。
经会阴前列腺介入引导设备还包括坐标测量机器(CMM)20，所述坐标测量机器用于测量介入仪器20在TRUS探头12的参考系中的位置和取向。说明性CMM 20是便携式CMM，其包括铰接臂，所述铰接臂由通过编码关节24连接的多个臂节段22(例如棒、梁、管等)构成，所述编码关节例如为具有传感器的旋转关节，所述传感器输出一个或多个当前关节角度。CMM 20具有连接到臂节段或(如图示的)连接到关节24的锚定端30，所述锚定端被配置成由夹具或其他安装件固定到(即“锚定到”)TRUS探头12的延伸出直肠Rec的部分。CMM 20还具有相对的可移动端32，所述可移动端连接到臂节段或(如图示的)连接到关节24，并且被配置成通过颈圈或其它安装件与前列腺介入仪器10附接。铰接臂被设计成在锚端30保持锚定到其系点(在说明性范例中为TRUS探头12)时提供可移动端32的三维移动自由度。通过图示，每个图示的关节24具有两个编码角度调节方向：第一编码角度调节方向R1，通过所述第一编码角度调节方向R1，两个连接的臂节段22之间(或者连接的臂节段22与连接的端部30或端部32之间)的角度被调节；以及第二角度调节方向R2，在所述第二角度调节方向R2上，一个臂节段22或端部32可以关于其轴旋转。这些仅仅是说明性的铰接，并且CMM的铰接臂可以具有其他铰接结构，所述其他铰接结构具有不同数量的关节，和针对每个关节或不同关节的移动的不同的数或类型。例如，除了角度调节R1和R2之外，可以提供第三角度调节R3，通过所述第三角度调节R3链接可以以其图1所示的其形状在垂直于机器人臂平面的方向上移动。(也就是说，R3将提供图1的“进或出页面”的移动。该第三角度调节方向将大致对应于相对于会阴/前列腺的侧向或“L-R”方向上的运动。每个编码移动提供铰接臂的自由度，并且CMM 20优选地具有至少两个关节，并且在说明性范例中具有三个关节24，提供足以提供介入仪器10的灵活三维移动的多个自由度(在图示的CMM 20中的六个自由度-针对三个关节24中的每个关节的R1和R2)。通过非限制性范例，适合用作CMM 20的一些便携式CMM包括
Figure BDA0001683627890000041
系列便携式CMM系统，其可从Revware Systems，Raleigh，North Carolina，USA获得。
经会阴前列腺介入引导设备还包括电子处理器40，所述电子处理器可以例如是包括微处理器或微控制器的超声成像设备。电子处理器40被编程为执行各种引导功能，包括：超声成像42；任选的三维(3D)跟踪44；CMM位置(和取向)解码46；以及轨迹预测48。下面描述这些功能及其交互。
超声成像42操作TRUS探头12以生成前列腺Pr的至少部分的前列腺超声图像50(任选地包括视频)。前列腺超声图像50被显示在显示部件52上，例如，超声成像设备的LCD显示器或其他显示部件。
任选的3D跟踪44在介入仪器10处于图像50的FOV中时跟踪介入仪器10的位置。该部件是任选的，因为根据介入仪器10的类型和材料以及被执行的超声成像42的类型，在一些实施例中，图像50的FOV中的介入仪器10的部分在超声图像中是可见的-在这种情况下，由于外科医师可以直接观察介入仪器延伸到前列腺超声图像50的FOV中的部分，因此不需要执行3D跟踪44。即使介入仪器在图像中不可观察，其位置可由如将要描述的CMM位置解码46确定，使得3D跟踪44可以再次是任选的。另一方面，使用CMM跟踪插入的介入仪器能够是有问题的，因为其在介入仪器在其穿过会阴并进入前列腺中时保持直线的假设下进行操作。基于CMM的跟踪将不检测仪器的任何弯曲，而3D跟踪可以检测图像50的FOV中的这种弯曲。如果提供，3D跟踪44使用响应于由TRUS探头12输出的超声发射而生成的超声信号来确定前列腺超声图像50的FOV中的前列腺介入仪器10的部分的位置和取向。在一种方法中，这些超声信号是前列腺超声图像，其可被分割以确定介入仪器的位置。在其他实施例中，这些信号可以响应于由TRUS探头输出的超声发射而由设置在前列腺介入仪器10上的超声传感器(未示出)生成。例如在Mung等人的“A Non-Disruptive Technology for Robust 3DTool Tracking for Ultrasound-Guided Interventions”(MICCAI 2011，Part I，LNCS6891，第153-160页(2011))中描述了这种3D工具跟踪。
CMM位置解码46根据从关节22的编码角度位置R1、R2确定的CMM 20的可移动端32的位置和取向来确定介入仪器10的位置和取向。如果CMM 20是诸如
Figure BDA0001683627890000051
的商业产品，可移动端32的位置和取向可以由CMM 20的商业控制软件报告；更一般地，可以通过以下操作来计算位置和取向：在锚定端30的已知固定位置处开始并且基于连接关节24的角度位置(或更一般地，编码值)确定下一臂节段22的位置和取向，以这种方式从一个臂节段继续到下一个，直到最后的操作基于最后的连接关节24的编码值来确定可移动端32的位置和取向。该处理提供了CMM 20的可移动端32的位置和取向；然后可以推断介入仪器10的位置和取向，因为其被固定到可移动端32，并且因此具有相对于可移动端32的固定位置和取向。由于所有处理都参考被固定到TRUS探头12的CMM 20的锚定端30，因此所得到的介入仪器10的CMM确定的位置和取向位于TRUS探头12的参考系中。
采用包括臂节段22和编码关节24的铰接臂的说明性CMM 20是说明性范例。备选地可以使用可以固定到TRUS探头12的其他类型的CMM。作为另一说明性范例，CMM可以是光学CMM，其包括相机或布置成从一系列不同角度(通常需要至少三个不同角度)光学地查看介入仪器10的尖端的其他光学传感器组。在这种情况下，CMM位置解码46适当地采用三维三角测量来从不同的有利点确定介入仪器10的位置和取向。光学CMM的优点在于没有臂与介入仪器10物理连接；缺点是如果外科医师操纵仪器10的手阻挡光学CMM的一个或多个光学传感器的视图，则这可以中断CMM位置解码46的操作。
作为不同的预期变型，可以使用包括如图示的铰接臂的CMM 20，但是关节24是电机操作的，使得铰接臂是机器人臂。在这种情况下，外科医师可以使用机器人臂来操纵介入仪器10，例如使用操纵杆来控制其。
在介入仪器10的位置和取向由CMM位置解码46确定之后，轨迹预测48然后操作于预测介入仪器10在前列腺Pr中的轨迹54(参见图1)。通常，被设计为穿过会阴Per并进入前列腺Pr中的介入仪器10的端部是直的，例如，直活检针或定义近距离治疗种子递送仪器的操作端的直中空管，或具有终止于RF消融发射器或冷冻尖端的直针的组织活检仪器等。直端部有助于以最小的损伤插入组织中。因此，轨迹预测48通过计算介入仪器10的直端部的已知位置和取向的线性延伸直到其与包含前列腺Pr的已知空间体积相交为止来进行操作。后者是根据前列腺超声图像50确定的，这利用介入仪器10在TRUS探头12的参考系中的CMM确定的位置和取向，所述参考系也是前列腺超声图像50的参考系。
注意，如图1所示，甚至在介入仪器10穿透会阴Per之前，轨迹预测48操作于计算介入仪器10的预测轨迹54。在优选工作流程中，外科医师将介入仪器10的尖端抵靠会阴Per按压，如图1所示，以便稳定介入仪器的位置。超声成像42接收预测轨迹54并将其作为叠加预测轨迹表示56叠加在前列腺超声图像50上。以此方式，外科医师在视觉上被通知介入仪器10的预测轨迹54-如果轨迹是不可接受，那么他或她可以重新定位介入仪器10并且重复过程，直到由前列腺超声图像50上的其叠加表示56所表示的预测轨迹54对于外科医师而言是令人满意的。
参考图2，在外科医师满意预测轨迹54之后，他或她可以通过以下来进行局灶性前列腺介入：将介入仪器10推入会阴Per中，以便穿透会阴Per并进入前列腺Pr中。该操作的精确机制取决于介入仪器10和CMM 20的可移动端32的构造。例如，在一些类型的介入仪器中，仪器包括同轴的内部和外部管状部件，并且内部管状部件从内部管状部件延伸出以穿透会阴，并且然后进入前列腺Pr中。在这种情况下，CMM 20的可移动端32的套筒或其他安装件可以刚性地固定到介入仪器10的外部管状部件。在其他类型的介入仪器中，仪器的整个直端部作为单元移动-在这些实施例中，CMM 20的可移动端32可以被构造为部分地或全部地围绕介入仪器的直端部固定的套筒，其中，介入仪器能够径向滑动通过套筒以执行介入，其中，介入仪器的尖端穿透会阴Per并进入前列腺Pr中。如图2所示，当发生这种情况时，前列腺介入仪器10的端部进入前列腺超声图像50的FOV中，并且在所图示实施例中，可见为端部图像58。任选地，轨迹预测58可以继续基于CMM位置解码46进行操作以在图像中产生预测轨迹54及其表示56。备选地，预测轨迹可以响应于前列腺介入仪器10的端部进入前列腺超声图像50的FOV中而终止，因为在那时外科医师可以由可见的端部图像58引导。
如果提供了任选的3D跟踪44，那么已经进入前列腺超声图像50的FOV的介入仪器10的部分可以仅由3D跟踪44跟踪，而不是依赖于使用CMM位置解码46确定的预测轨迹56。作为这种情况下的另一种选择，可以将介入仪器的端部和/或轴跟踪为由3D跟踪44所指示的介入仪器的位置和取向和使用CMM位置解码46确定的预测轨迹56的加权组合。这种方法在这些跟踪模态中的一个产生错误结果的情况下提供了有利的冗余。在一些这样的冗余跟踪实施例中，如果两种跟踪方法提供差异大于阈值量的结果，则启用视觉和/或音频警报以警告外科医师跟踪可能不可靠或可能发生造成这种差异的针弯曲。
参考图3，使用参考图1和2描述的说明性设备执行的局灶性前列腺介入开始于操作70，其中，TRUS探头12被插入到患者的直肠Rec中。在操作72中，CMM 20的锚定端30附接到TRUS探头12延伸出直肠Rec的部分。(备选地，在将TRUS探头插入直肠中之前，可以附接CMM)。在操作74中，介入仪器10附接到CMM 20的可移动端32。此时，引导设备被建立，并且(优选地视频)超声成像被启动。在操作80中，介入仪器10与目标(例如，前列腺Pr的怀疑或已知的癌性肿瘤或区域)对准。使用预测轨迹54并且更具体地通过视觉观察叠加在前列腺超声图像50上的该轨迹的表示56来完成该对准80。一旦外科医师满意仪器对准，在操作82中，外科医师将介入仪器插入通过会阴Per并进入前列腺Pr中，同时使用由TRUS探头12提供的超声成像和/或由CMM 20提供的预测轨迹54或者这两者的加权组合来跟踪插入过程。在操作84中，使用插入的介入仪器10来执行前列腺介入。这可以例如需要采集活检样本，或者沉积放射性近距离治疗种子，或者执行RF消融或冷冻消融等等。任选地，可以重复前述过程以在前列腺的多个目标区上执行介入。在这种情况下，操作70、72通常不需要重复，并且操作74可以或可以不重复，这取决于介入仪器10的可重用性。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解前面的详细描述后，其他人能够想到修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这些修改和变化，只要其落入权利要求或其等价方案的范围内。

Claims (15)

1.一种经会阴前列腺介入引导设备，包括：
经直肠超声探头(12)，其包括超声换能器或超声换能器阵列(14、15)；
坐标测量机器(20)，其被配置用于附接到所述经直肠超声探头并且被配置为跟踪前列腺介入仪器(10)在所述经直肠超声探头的参考系中的位置和取向，所述坐标测量机器(20)包括铰接臂并且具有锚定端(30)和可移动端(32)，所述铰接臂包含由编码关节(24)连接的臂节段(22)，所述锚定端被配置用于附接到所述经直肠超声探头(12)，所述可移动端被配置用于与所述前列腺介入仪器(10)附接；以及
电子处理器(40)，其被编程为：
使用所述坐标测量机器根据所述铰接臂的所述可移动端的位置和取向来计算所述前列腺介入仪器在所述经直肠超声探头的所述参考系中的预测轨迹(54)，所述位置和取向是根据所述编码关节的编码值确定的，并且
根据由所述经直肠超声探头收集的超声数据生成前列腺超声图像(50)，所述前列腺介入仪器的所述预测轨迹的表示(56)被叠加在所述前列腺超声图像上。
2.根据权利要求1所述的经会阴前列腺介入引导设备，其中，所述电子处理器(40)还被编程为：
使用响应于由所述经直肠超声探头(12)输出的超声发射而生成的超声信号来确定所述前列腺介入仪器(10)在所述前列腺超声图像(50)的视场中的部分的位置和取向。
3.根据权利要求2所述的经会阴前列腺介入引导设备，其中，所述电子处理器(40)被编程为使用超声信号来确定所述前列腺介入仪器(10)在所述前列腺超声图像的所述视场中的所述部分的所述位置和取向，所述超声信号包括以下中的一项：(i)所述前列腺超声图像(50)，以及(ii)由被设置在所述前列腺介入仪器上的超声传感器响应于由所述经直肠超声探头(12)输出的超声发射而生成的信号。
4.根据权利要求3所述的经会阴前列腺介入引导设备，其中，所述电子处理器(40)被编程为还使用所述前列腺介入仪器的所述预测轨迹(54)来确定所述前列腺介入仪器(10)在所述前列腺超声图像(50)的所述视场中的所述部分的所述位置和取向。
5.根据权利要求4所述的经会阴前列腺介入引导设备，其中，所述电子处理器(40)被编程为将所述前列腺介入仪器(10)在所述前列腺超声图像(50)的所述视场中的所述部分的所述位置和取向确定为以下项的加权组合：
(1)使用响应于由所述经直肠超声探头(12)输出的所述超声发射而生成的所述超声信号确定的所述前列腺介入仪器在所述前列腺超声图像的所述视场中的所述部分的基于超声的位置和取向；以及
(2)所述前列腺介入仪器的所述预测轨迹(54)。
6.一种经会阴前列腺介入设备，包括：
根据权利要求1-5中的任一项所述的经会阴前列腺介入引导设备；以及
所述前列腺介入仪器，其被配置用于附接到所述坐标测量机器的所述可移动端并且具有被配置用于经由对会阴(Per)的穿透而插入到前列腺(Pr)中的端部。
7.根据权利要求6所述的经会阴前列腺介入设备，其中，所述前列腺介入仪器(10)是活检针、近距离治疗种子递送仪器、组织消融仪器或中空套管。
8.一种经会阴前列腺介入设备，包括：
前列腺介入仪器(10)；
经直肠超声探头(12)，其包括超声换能器或超声换能器阵列(14、15)；以及
坐标测量机器(20)，其被附接到所述经直肠超声探头并且被配置为跟踪所述前列腺介入仪器，其中，所述坐标测量机器包括具有多个编码关节(24)的铰接臂、被附接到所述经直肠超声探头(12)的锚定端(30)，以及被附接到所述前列腺介入仪器(10)的可移动端(32)。
9.根据权利要求8所述的经会阴前列腺介入设备，其中，所述坐标测量机器(20)包括至少三个编码关节(24)。
10.根据权利要求8所述的经会阴前列腺介入设备，其中，所述前列腺介入仪器(10)是活检针、近距离治疗种子递送仪器、组织消融仪器或中空套管。
11.根据权利要求8-10中的任一项所述的经会阴前列腺介入设备，还包括：
电子处理器(40)，其被编程为使用被附接到所述经直肠超声探头的所述坐标测量机器(20)来计算所述前列腺介入仪器(10)在所述经直肠超声探头(12)的参考系中的预测轨迹(54)。
12.根据权利要求11所述的经会阴前列腺介入设备，还包括：
显示部件(52)；
其中，所述电子处理器(40)还被编程为使所述显示部件显示根据由所述经直肠超声探头(12)收集的超声数据生成的前列腺超声图像(50)，所述前列腺介入仪器(10)的所述预测轨迹(54)的表示(56)被叠加在所显示的前列腺超声图像上。
13.根据权利要求12所述的经会阴前列腺介入设备，其中，所述电子处理器(40)还被编程为使用响应于由所述经直肠超声探头(12)输出的超声发射而生成的超声信号来确定所述前列腺介入仪器(10)在所述前列腺超声图像(50)的视场中的部分的位置和取向。
14.根据权利要求13所述的经会阴前列腺介入设备，其中，所述电子处理器(40)被编程为使用超声信号来确定所述前列腺介入仪器(10)在所述前列腺超声图像(50)的所述视场中的所述部分的所述位置和取向，所述超声信号包括以下中的一项：(i)所述前列腺超声图像(50)，以及(ii)由被设置在所述前列腺介入仪器上的超声传感器响应于由所述经直肠超声探头(12)输出的超声发射而生成的信号。
15.根据权利要求13-14中的任一项所述的经会阴前列腺介入设备，其中，所述电子处理器(40)被编程为使用响应于由所述经直肠超声探头(12)输出的所述超声发射而生成的所述超声信号和所述前列腺介入仪器的所述预测轨迹(54)两者来确定所述前列腺介入仪器(10)在所述前列腺超声图像(50)的所述视场中的所述部分的所述位置和取向。
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