CN111183487A - 使用定位平面的医疗引导系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种引导针状医疗仪器进行经皮干预的引导系统和方法。所述系统和方法包括方位定位器，所述方位定位器包括至少一个基准标记，并且具有定位平面。所述方位定位器可安装在患者上的皮肤进入点处。计算机接收包括患者的解剖结构的至少一个轴向图像。所述计算机通过使用所述至少一个轴向图像的坐标和所述至少一个基准标记的坐标将方位定位器的位置和方位与患者的解剖结构配准。所述计算机确定垂直于定位平面的插入平面，并且将定位平面上和/或插入平面上的至少一个截面图像输出到显示设备。

Description

使用定位平面的医疗引导系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年10月9日提交的美国申请15/727978的优先权，该申请的公开内容整个地通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及医疗装置，所述医疗装置包括实现使用定位平面规划和/或执行经皮干预的医疗引导系统和方法的医疗引导装置。
背景技术
在医疗领域中，医疗仪器的准确且精确的定位是关键的。就诸如经皮干预的外科手术来说，针状医疗工具和仪器的准确放置能够意味着手术的成功和失败之间的差异。为了帮助定位和实现医疗工具的准确且直观的定向，使用不同的引导式方法跟踪诸如针的医疗工具已经变为普遍做法。
国际申请WO2010/096419A2公开了通过在针状医疗工具上以及在患者上使用跟踪装置来提供针状医疗工具的跟踪信息的针引导装置。然而，当医生在将针引到患者之前规划插入时，所描述的装置没有提供关于插入平面上的截面图像的信息。因此，医生经历规划插入的困难，尤其是当插入在医疗成像装置的轴向成像平面以外时。而且，WO2010/096419A2中的装置在所述系统中需要多个跟踪传感器以实现期望的任务。因此，所述系统需要对多个跟踪传感器进行校准，从而增加了操作的增大复杂度水平。
另外，美国专利No.9,222,996公开了具有图像引导系统、针放置操纵器和操纵器控制器的针定位系统。针放置操纵器需要具有致动器、位置传感器和基准标记的两个可旋转环结构，并且将持针器引导到目标位置。这里，图像引导系统获取医疗图像，并且可以基于在医疗图像中可见的标记来计算医疗图像中的针位置和方位，并且可以将针位置和方位发送给操纵器控制器。然后，操纵器控制器平移针位置和方位以命令致动器引导持针器。对于具有两个具有致动器的结构的要求导致实现适当的医疗装置放置的更复杂且更大型的系统。
美国专利6487431公开了用于监视推力针的路径的射线照相设备和方法。根据该专利，活检针或药物注射针可以被准确地且快速地插入到患者中。为此，患者的身体表面上的针进入点和患者中的目标点被指定并且被输入在显示监视器的屏幕上。射线照相设备在显示监视器上自动地显示链接所述两个点的引导线、指示引导线和CT图像的交点的交点标记、以及用作用于确定运行针的方向和深度的参考的角度和长度。该专利公开了在针轨迹的点A和B位于不同的切片平面中的情况下，成像的每个切片平面和轨迹仅在一个点处相交，并且成像的不同的切片平面与轨迹具有不同的交点。因此有必要在针的另一个后续移动之后计算一个交点位置。然而，当用户检查与多组轴向图像的平面外交点时，难以使用户理解图像相对于患者的解剖结构(例如，肿瘤)的翻转方向以使针插入方向可视。
发明内容
本医疗引导系统和方法的各种实施例提出了解决相关领域的一个或更多个缺陷的几个新颖的特征。在不限制所提出的实施例的范围的情况下，新颖的特征中的一些将被简要地讨论以告知公众(尤其是对本发明涉及的特定领域感兴趣的那些人)本公开的性质和范围。在考虑本讨论之后，特别是在阅读标题为“具体实施方式”的章节之后，将理解所提出的实施例的特征如何提供本文中所描述的优点。
在第一实施例中，一种医疗引导系统包括：方位定位器，所述方位定位器包括至少一个基准标记，并且具有定位平面，其中，所述方位定位器可安装在患者上的皮肤进入点处；计算机，所述计算机被配置为：接收定位平面上的至少一个医疗图像，使用所述至少一个基准标记将方位定位器的位置和方位与所述至少一个医疗图像配准，基于定位平面上的至少一个医疗图像确定至少一个截面图像，并且确定垂直于定位平面的插入平面；以及连接到所述计算机的图像显示器，其中，所述图像显示器显示定位平面上和/或插入平面上的至少一个截面图像。
在另一个实施例中，一种医疗引导系统包括：方位定位器，所述方位定位器包括至少一个基准标记，并且具有定位平面，其中，所述方位定位器可安装在患者上的皮肤进入点处；计算机，所述计算机被配置为：接收定位平面上的至少一个医疗图像，使用所述至少一个基准标记将方位定位器的位置和方位与所述至少一个医疗图像配准，其中，所述位置是通过变换本地坐标以满足以下方程而被配准的：
Figure BDA0002438663370000031
其中，
Figure BDA0002438663370000032
是基于所述至少一个医疗图像中的坐标到用于引导医疗工具的坐标的变换，其中，
Figure BDA0002438663370000033
是从医疗图像的坐标到所述至少一个基准标记的坐标的变换，其中，
Figure BDA0002438663370000034
是所述至少一个医疗图像的坐标上的所有基准标记的位置矢量集合，其中，
Figure BDA0002438663370000035
是可移动环的坐标的变换，其中，
Figure BDA0002438663370000036
是基于所述至少一个基准标记的坐标的可旋转环的角度位置，其中，
Figure BDA0002438663370000037
是从可移动环的坐标到用于引导医疗工具的坐标的变换，其中，
Figure BDA0002438663370000038
是基于可移动环的坐标的插入平面指示器上的插入角度，并且基于定位平面上的至少一个医疗图像确定至少一个截面图像，并且确定垂直于定位平面的插入平面；以及连接到所述计算机的图像显示器，其中，所述图像显示器显示定位平面上和/或插入平面上的至少一个截面图像。
在又一个实施例中，一种医疗引导系统包括：引导装置，所述引导装置被配置为将针状医疗工具引导到预期轨迹；以及计算机，所述计算机被配置为：检索医疗图像，并且用医疗图像显示预期轨迹，其中，所述引导装置包括：基板，所述基板包括基板开口和底表面，所述底表面被配置为被安装到患者；可移动环，所述可移动环附连到基板，包括可移动环开口，所述可移动环开口与基板开口对齐以形成提供对于患者的进入的主开口；引导零件，所述引导零件安装在可移动环上以引导针状医疗工具；以及旋转编码器，所述旋转编码器包括安装在可移动环上的旋转刻度、安装在基板上的传感器头、传感器电路板、基准标记，所述传感器电路板连接到传感器头，并且被配置为通过对来自传感器头的感测信号进行处理来计算旋转刻度的角度位置，所述基准标记被安装在基板上，并且被配置为在医疗图像中是可见的；以及电路盒，所述电路盒包括存储器单元、微控制器，所述存储器单元具有限定旋转编码器的坐标和基准标记的坐标之间的几何关系的装置信息，所述微控制器连接到存储器单元和传感器电路板，并且被配置为与所述计算机通信，其中，所述计算机在医疗图像的坐标下计算医疗图像中的基准标记的几何结构，并且其中，所述计算机或微控制器通过使用存储器单元中的装置信息以及所述计算机计算的基准标记的几何结构来在医疗图像的坐标下计算引导装置的坐标。
附图说明
图1是例示说明根据本公开的示例性实施例的医疗引导系统的功能框图。
图2A是根据本公开的第一实施例的医疗引导装置中的方位定位器的顶视图。
图2B是根据本公开的第一实施例的医疗引导装置中的方位定位器的底视图。
图3是例示说明根据本公开的第一实施例的与使用医疗引导系统引导针相关的处理的流程图。
图4是根据本公开的第二实施例的方位定位器的平面图。
图5描绘根据本公开的第二示例性实施例的医疗装置引导系统的系统。
图6A和6B示出根据本公开的示例性实施例的捕获的轴向医疗图像。
图7是本公开的又一个实施例的方位定位器的平面图。
图8是示出根据本公开的示例性实施例的插入平面和定位平面的透视图。
图9是例示说明根据本公开的另一个实施例的医疗引导系统的功能框图。
图10A和10B是根据如本公开的图9中所描述的实施例的方位定位器的平面图。
图11A和11B是根据本公开的附加实施例的方位定位器集中于电路盒上的示意图。
图12是例示说明根据本公开的示例性实施例的使用医疗引导系统引导针的处理的流程图。
图13是根据本公开的实施例的装置对图像配准中的本地坐标变换的示意图。
图14是图12的提取的流程图，该流程图详述用于根据本公开的实施例的装置设置的子步骤。
图15和图16示出用于交互式地显示并且评估针状仪器的规划的和/或实际的插入轨迹的示例性实施例。
具体实施方式
本文中描述了示例医疗装置、方法和系统。本文中所描述的任何示例实施例或特征不一定被构造为较于其他实施例或特征是优选的或有利的。本文中所描述的示例实施例并不意味着是限制。将容易理解，所公开的系统和方法的某些方面可以被按多种不同的配置布置和组合，所有这些配置都在本文中被设想。
此外，附图中所示的特定布置不应被视为限制。应理解，其他实施例可以包括给定图中所示的每个元件中的或多或少。此外，例示说明的元件中的一些可以被组合或者被省略。更进一步，示例实施例可以包括附图中没有例示说明的元件。
本公开的示例性实施例提供将医疗针准确地引导并插入到医疗患者中。按照这些示例性实施例，行医者可以在向医疗患者递送医疗针之前利用交互式导航指示器和医疗患者的插入平面上的截面图像来规划安全且准确的插入轨迹。
<引导系统和方位定位器>
根据第一实施例，一种医疗引导装置包括：方位定位器，所述方位定位器包括至少一个基准标记和定位平面；计算机，所述计算机接收患者的轴向医疗图像；以及图像显示器，所述图像显示器连接到所述计算机。方位定位器是围绕患者上的皮肤进入点安装的环形装置。所述计算机通过使用轴向医疗图像将方位定位器的位置和方位与患者的解剖结构和(一个或更多个)基准标记配准(registers)。所述计算机计算解剖结构在定位平面和垂直于定位平面的插入平面上的截面图像。图像显示器显示插入平面上的轴向图像和/或定位平面上的解剖结构的截面图像中的至少一个。
所述医疗引导装置进一步包括排列在方位定位器上并且指示插入平面在定位平面上的角度位置的角度刻度(scales)。所述计算机计算与显示在图像显示器上的插入平面相对应的目标角度刻度，并且将反馈信息(目标角度刻度)提供给操作者。
在一个实施例中，方位定位器包括具有基准标记的固定基体、以及具有插入平面指示器和旋转编码器的可旋转体。方位定位器连接到所述计算机，并且被配置为将插入平面指示器的角度位置的编码器数据提供给所述计算机。所述计算机计算与插入平面指示器的角度位置相对应的插入平面上的解剖结构的截面图像。
在一个实施例中，所述计算机计算在插入平面上从定位平面插入医疗工具的规划的插入角度，并且将该信息反馈给操作者。操作者可以交互式地修改和/或确认规划的插入角度。
图1描绘根据本公开的示例性实施例的医疗装置引导系统100的系统。医疗引导装置系统100包括方位定位器1、计算机15、图像服务器16和图像显示器14。计算机15和图像显示器14经由总线或局域网(LAN)通信地耦合以在彼此之间发送/接收数据。方位定位器1和计算机15可以配备有无线设备以经由无线保真(WiFi)通信在彼此之间发送/接收数据。而且，计算机15使用广域网(WAN)来与在医疗引导装置系统100外部的图像服务器16连接和通信。具体地说，医疗装置引导系统100可以被安置在诸如手术室(OR)的无菌环境中，图像服务器16可以被安置在是非无菌环境的远程地点中。图像服务器16包括，但不限于，使用DICOM(医学中的数字成像和通信)协议连接到医疗成像装置的PACS(图片归档和通信系统)服务器。医疗成像装置可以是计算机断层摄影(CT)模态、磁共振成像(MRI)模态、正电子发射断层摄影(PET)模态、单光子发射计算断层摄影(SPECT)模态、荧光模态或它们的任何组合。计算机15对方位定位器1提供的数据和通过存储在图像服务器16上的图像提供的数据进行处理以便在图像显示器14中显示图像。图2A和2B详细地描述并且示出了方位定位器1，方位定位器1可以是，但不限于，具有其上具有标记的不干胶贴纸的盘形或环形引导装置。
图2A和2B分别示出根据本公开的实施例的医疗装置引导系统100中所包括的方位定位器1的顶视图和底视图。方位定位器1是环形制造品，诸如具有能够粘附到患者的皮肤的粘附零件(例如，贴纸或贴片)的针引导装置。方位定位器1包括主角度刻度2、辅角度刻度3、模板4(包括模板4A和4B)、开口5、多个基准标记6和参考标记7。主角度刻度2和辅角度刻度3是围绕中心M彼此同心排列的环形刻度。第一模板4A和第二模板4B在角度辅刻度3的相邻部段上被打印有视觉上可识别的记号(例如，数字1-9)。主角度刻度2和辅角度刻度3是彼此的映象，并且如模板4A和模板4B那样是对称的。在角度主刻度2的背面上，基准标记6围绕中心M按圆形布局排列。基准标记6不对称地分布在围绕中心M的旋转圆中。方位定位器1是医疗仪器引导装置(诸如美国专利No.9,222,996中所描述的针引导装置)的一部分，或者与该医疗仪器引导装置一起使用。
<引导处理>
图3是例示说明根据本公开的示例性实施例的用于引导针的处理的流程图。一开始，在步骤S001中，使用医疗成像模态捕获医疗图像，例如，CT扫描图像。
然后，在步骤S002中，将医疗图像发送到通信地耦合到医疗成像装置的图像服务器16，医疗图像被存储在图像服务器16中。这里，医疗图像被捕获和存储的定时是无关的。步骤S001和S002可以在正在进行中的需要针插入的医疗干预期间发生。可替代地，成像和存储步骤可以在需要针插入的医疗干预之前发生，并且图像可以由计算机15在针插入过程期间从图像服务器16获得。
使用存储在医疗成像服务器16中的医疗图像，在步骤S003中，医生确定患者上的、针将被插入其中的进入点。该进入点是方位定位器1将被安装到患者的皮肤的地方。
在安装时，在步骤S004中，将方位定位器1定位为使得方位定位器的中心M在标记患者上的针进入点的位置O处。
接着，在步骤S005中，医生使用医疗成像装置来执行图像配准以获得医疗图像集合(侦察扫描)。图6A和6B示出示例性的捕获的和/或重构的医疗图像。在图像配准处理中，如图6A所示，医疗成像装置沿着轴向方向D捕获轴向医疗图像17。轴向方向D在患者的床的纵向方向上。在方位定位器1被安装在患者上的情况下，在捕获轴向医疗图像集合期间，如图6A中所见，方位定位器1出现在捕获的轴向医疗图像17中。图6A还示出了包括方位定位器1中的基准标记(点)的医疗图像集合。
在步骤S006中，计算机15通过使用适当的图像处理算法(例如，Hough变换)来自动地识别基准标记6以检测圆形形状。
接着，在步骤S007中，计算机15通过将已知的基准布局与计算机15从轴向医疗图像17识别的基准布局进行匹配来识别方位定位器1的位置和方位。在该实施例中，因为基准标记6沿着基准标记6的圆形阵列的圆周是不对称的，所以计算机15可以确定沿着基准布局的圆周的方位，而识别的基准布局的圆周的中心被认为是中心M。
在步骤S008中，在计算机15确定方位定位器1的位置和方位之后，计算机15自动地确定如图6B所示的、患者的解剖结构在定位平面18上的截面医疗图像。
定位平面18被定义为垂直于Z轴，并且具有原点O，在原点O，Z轴与X轴和Y轴在三维空间中相交。图8是示出根据本公开的示例性实施例的插入平面19和定位平面18的三维空间的透视图。方位定位器1的原点O的本地坐标是垂直于定位平面18的矢量F。定位平面18上的截面医疗图像可以被定义在平行于本地坐标O的X-Y平面的任何平面上。例如，在图6B中，定位平面18被示为在示出方位定位器1和基准标记6的图像的平面处。因为零位置或参考标记(图4中的13)可以与X轴对齐，所以计算机15然后同时地确定如图8所示的、患者的解剖结构在插入平面19上的医疗图像。插入平面19垂直于定位平面18，并且包括方位定位器1的本地坐标的原点O。插入平面19可以被定义在沿着围绕方位定位器1的本地坐标O的Z轴的旋转方向G的任何点处。例如，插入平面19的角度位置被定义为角度φ，该角度φ是插入平面19和本地坐标O的X轴之间的角度。
在步骤S009中，计算机15在图像显示器14上显示患者的解剖结构在定位平面18上和/或插入平面19上的截面图像。计算机15还可以显示与插入平面19的角度位置(即，角度φ)相对应的模板4的角度部分。在图2中，图像显示器14将B-6示为模板4的角度位置。
在步骤S010中，医生可以视觉地确认定位平面18上或插入平面19上的截面图像，并且可以通过定义医疗工具的尖端的目标位置来做出插入规划。
当确认时，在步骤S011中，医生可以确定适当的插入平面19，并且用选择的插入平面19来标记模板4，例如，模板4A和4B在图2A中被示出。此外，医生可以确认线连接的模板4A和4B相对于参考标记7(零位置)的方位。参考标记7朝向本地坐标O的X轴。因此，医生可以通过使用模板位置(图1中的B-6)和角度φ(图1中的35度)这二者，容易地找到模板4A。
在模板4A和4B上标记之后，医生可以使用被标记的模板4A和4B作为医生规划插入医疗工具的插入平面19的地标。因为方位定位器1被安装在患者上，所以即使当患者偶然移动时，方位定位器1也可以提供插入地标。
在所述过程期间，医疗引导系统100可以通过执行自动图像重新配准来在每一次图像获取时更新方位定位器1的图像配准。
图4是根据本公开的另一个实施例的方位定位器1的平面图。这里，方位定位器1包括可旋转体9和稳定体10。可旋转体9是可以与稳定体10反向旋转并且具有插入平面指示器8的环。稳定体10包括多个基准标记6、连接插座11和通信电缆12。而且，插座11具有零位置标记13。
在方位定位器1中，旋转编码器(未示出)被安置在稳定体10中。此外，旋转编码器刻度被安置在可旋转体9中。旋转编码器测量从零位置标记13起的旋转角度。通信电缆2给旋转编码器供电，并且使得可以进行双向通信以将旋转编码器信号发送给计算机15并且从计算机15接收旋转编码器信号。
图5描绘根据本公开的又一个实施例的医疗装置引导系统的系统，并且将被参照图4和图8描述。计算机15确定插入平面19上的截面图像。因为插入平面19对应于可旋转体9的旋转，所以计算机15通过使用经由通信电缆12接收的旋转编码器信号来确定插入平面19上的截面图像。计算机15还在与可旋转体9的移动同步的同时实时地更新截面图像。这使得医生可以通过旋转可旋转体9来确认不同的图像，而不必在图像显示器14和患者之间来回参考。一旦医生找到最佳的插入平面19，医生就可以使用插入平面指示器8作为用于最佳的插入平面19的地标。
当确定最佳的插入平面19时，医生然后确定医疗工具的尖端在插入平面19上的目标位置。因为皮肤进入点已经被确定，所以通过连接皮肤进入点和医疗工具的尖端的目标位置来限定针轨迹20。此后，计算机15确定如图8所示的、针轨迹20和本地坐标的Z轴之间的插入角度θ。这使得计算机15可以在显示器14上显示插入角度θ和插入平面相对于X轴方向的角度φ。如本申请中其他地方所讨论的，零位置与X轴对齐。
医生然后可以通过使用方位定位器1来使用这些角度(插入角度θ和插入平面的角度φ)沿着规划的针轨迹20引导医疗工具。以这种方式，安装在患者上的方位定位器1用作用于插入角度θ和插入平面19的角度φ这二者的地标。作为选项，插入角度θ可以被替换为插入角度θ的不同记号。例如，计算机15可以基于医疗工具在可旋转体9的圆周上的高度来提供计算。
图7是本公开的又一个实施例的方位定位器1的平面图。这里，方位定位器1集成在可旋转体9内，并且方位定位器1具有触摸屏21(用于触觉输入)，触摸屏21具有沿着可旋转体9的圆周排列的LED(发光二极管)。具有LED的触摸屏21可以检测用户的触摸(触觉输入)，并且响应于触摸，计算机15将改变插入平面的位置，并且将改变发光的LED(例如，21A和21B)以指示插入平面19的方位。
因为图7的可旋转体9具有覆盖可旋转零件的触摸屏21，所以方位定位器1能够被用无菌盖子包装，而不将包装夹在旋转零件和稳定零件之间，从而减少零件之间的窄间隙的存在。因此，该实施例的方位定位器1可以降低灭菌的难度，并且使灭菌的管理更容易。
根据第二实施例，引导针状医疗工具的医疗引导系统包括：引导装置，所述引导装置被配置为将针状医疗工具引导到预期轨迹；以及计算机，所述计算机检索CT图像、MRI图像和荧光图像之中的医疗图像中的至少一个，并且用所述医疗图像显示预期轨迹。引导装置包括：基板，所述基板包括基板开口和底表面，所述底表面被配置为被安装到患者；可移动环，所述可移动环附连到基板，并且与基板开口对齐；可旋转环包括与基板开口对齐以形成用于进入到患者的主开口的可移动环开口；以及引导零件，所述引导零件安装在可移动环上以沿着预期轨迹引导针状医疗工具。
引导装置进一步包括旋转编码器。所述旋转编码器包括：安装在可移动环上的旋转刻度；安装在基板上的传感器头；传感器电路板，所述传感器电路板连接到传感器头，并且被配置为通过对来自传感器头的感测信号进行处理来计算旋转刻度的角度位置。
引导装置进一步包括基准标记，所述基准标记被安装在基板上，并且被配置为在医疗图像中是可见的。引导装置进一步包括电路盒，所述电路盒包括：存储器单元，所述存储器单元具有限定旋转编码器的坐标和基准标记的坐标之间的几何关系的引导装置信息；以及微控制器，所述微控制器连接到存储器单元和传感器电路板，并且被配置为与计算机通信。
所述计算机被配置为与医疗图像的坐标有关地计算医疗图像中的基准标记的几何结构。
在医疗引导系统中，要么是所述计算机要么是所述微控制器被配置为通过使用存储器单元中的装置信息以及所述计算机计算的基准标记的几何结构来计算引导装置的坐标与医疗图像的坐标的关系。
在根据一个实施例的医疗引导装置中，旋转编码器被配置为测量旋转刻度的绝对角度位置。
在医疗引导装置中，所述微控制器被配置为将装置信息发送给所述计算机，所述计算机通过使用存储器单元中的装置信息和基准标记的几何结构来计算引导装置的坐标与医疗图像的坐标的关系。
在医疗引导装置中，电路盒包括无线通信单元和给引导装置供电的蓄电池。电路盒通过使用无线通信单元与所述计算机进行无线通信。
图9是例示说明根据本公开的另一个实施例的医疗引导系统100的功能框图。在该实施例中，医疗引导系统100将数据发送给图像服务器113并且从图像服务器113接收数据，图像服务器113从医疗成像装置114接收图像信息。医疗引导系统100包括经由总线117通信地耦合的计算机15和方位定位器1。图像服务器113包括，但不限于，从医疗成像装置114接收并且存储图像信息的PACS和/或DICOM服务器或其等同物。医疗成像装置114包括，但不限于，计算断层摄影(CT)扫描仪、磁共振成像(MRI)扫描仪、正电子发射断层摄影(PET)扫描仪、单光子发射计算断层摄影(SPECT)扫描仪和/或荧光扫描仪。
医疗引导系统100的计算机15包括用户界面115和导航软件116，用户界面115使得用户可以访问和控制计算机15，导航软件116用于基于从医疗成像装置114接收并且存储在图像服务器113中的图像数据确定将针状医疗仪器插入到患者中的适当的插入角度。另外，导航软件116为医务专业人员提供包括但不限于以下的信息：涉及方位定位器1的使用的协议、以及方位定位器1的视觉方位和位置信息。
方位定位器1包括引导零件109、可旋转环9、稳定(非旋转)环10和电路盒103。可旋转环9包括旋转刻度106。稳定环10具有传感器头105和传感器电路板107。电路盒103包括微控制器110和存储器单元111。可旋转环9和稳定环10的部分构成旋转编码器4。旋转编码器4包括可旋转环9的旋转刻度106以及稳定环10的传感器头105和传感器电路板107。
在本公开的又一个实施例中，医疗引导系统100与方位定位器1非常类似地操作，方位定位器1代替地被引导装置替换。引导装置包括方位定位器1的元件，小的差别是稳定环被基板替换，可旋转环9被可移动环替换。所述系统的所有的其他的元件保持与图9所示的那些元件相同。
图10A和10B是根据如本公开的图9中所描述的实施例的方位定位器1的两个视图。图10A是方位定位器1的顶视图，图10B是如图10A所示的、在箭头方向A上看到的A-A线处的截面视图。A-A线在点C处以直角弯曲以在图10B所示的一个图中看见两个截面视图。在本实施例中，图10A和10B中公开的所有的特征都类似于且对应于分别被引导装置、基板和可移动环替换的方位定位器1、稳定环10和可旋转环9(在图4和图7中示出)。
在图10B中，稳定环10具有坐置于底部上的安装表面120。安装表面120被安装在患者的皮肤表面上，并且稳定环10经由安装表面120粘附到患者的皮肤。
在图10A中，稳定环10在四个拐角处包括基准标记121A、121B、121C和121D。基准标记121A、121B、121C和121D通过利用无线电不透明的材料，在光学上以及在CT图像和X射线图像中是可见的。无线电不透明的材料可以是，但不限于，包括硫酸钡、碳酸铋、氯氧化铋、钨的填料的塑料。
在每个拐角处，基准标记形成具有数量彼此不同的基准标记的标记聚类。因此，稳定环10的位置和方位可以通过使用CT图像和X射线图像中的基准标记121A、121B、121C和121D中的仅一个或多个而在几何上区分开。
而且，如图9所示，稳定环10包括旋转编码器4的部分，其包含传感器头105和传感器电路板107。传感器头105面对旋转刻度106，旋转刻度106被安装在可旋转环9上，并且电连接到传感器电路板107。传感器电路板107对传感器头105对旋转刻度106的角度位置的测量信号进行处理，并且将角度位置输出到微控制器110。
稳定环10是环形的，并且与可旋转环9啮合。参照图10B，通过稳定环10上的轨道，可旋转环9可围绕轴线E旋转。轴线E穿过安装表面120上的点C。此外，稳定环10和可旋转环9具有保护传感器头105和旋转刻度106在外部环境中不被污染的密封结构。
可旋转环9具有旋转刻度106，其中，旋转刻度106被固定到可旋转环9上，并且可以与可旋转环9一起旋转。传感器头105、旋转刻度106和传感器电路板107形成旋转编码器4。旋转编码器4测量可旋转环9相对于稳定环10的零位置的角度位置。
如图9A所示，可旋转环9机械地连接到引导零件109。通过可旋转环9和引导零件109之间的机械耦合，引导零件109可从可旋转环9拆卸。如图10B所示，引导零件109包括环形框架1091和弧形引导件1092。环形框架1091与弧形引导件1092整体制成；环形框架1091包括开槽的部分(空间)18以松脱针状医疗工具(未示出)。弧形引导件1092通过主开口119桥接在环形框架1091上。弧形引导件1092还包括插入平面指示器8和角度参考标记30。插入平面指示器8包括轴线E并且具有厚度D以创建如图8和图10A所示的引导区域朝向箭头G。
角度参考标记30是表示围绕插入平面指示器8上的点C的角度的线标记。通过围绕轴线E旋转可旋转环9，角度参考标记30还与插入平面指示器8一起围绕轴线E旋转。通过使用角度参考标记30和可旋转环9，方位定位器1定位插入平面，并且进一步通过点C定位远程运动中心的精细网格。所述网格是通过发生器B沿着点C作为枢轴的锥形网格。
远程运动中心对医生对针状医疗工具的操纵进行建模。因此，点C与医疗工具的皮肤进入点对齐，所述皮肤进入点是通过考虑靠近患者的皮肤的障碍物而被限定的。通过固定的点C，医生可以通过使用角度参考标记30和可旋转环9的适当位置来选择到目标的预期轨迹。
在确定角度参考标记30和可旋转环9的位置之后，医生可以在目标角度参考标记30下从插入平面指示器8通过引导插入针状医疗工具。
图11A是根据本公开的又一个实施例的方位定位器1的示意图。更具体地说，更详细地描述具有引导系统100(在图9中示出)的其余部分的电路盒103的配置。在图11A中，如图9中所描述的电路盒103包括微控制器110、存储器单元111、蓄电池(未示出)和有线或无线通信单元(未示出)。
微控制器110对来自计算机15和传感器电路板107的信息进行处理，并且微控制器110与计算机15和传感器电路板107进行通信以在它们之间交换命令和目标信息。具体地说，根据需要，微控制器110发起并发送旋转编码器4测量的可旋转环9的角度位置到计算机15。
微控制器110还电连接到存储器单元111。存储器单元111至少存储按照设计确定的、基于方位定位器1的本地坐标的方位定位器1的变换矩阵。当导航软件116需要这些变换矩阵时，微控制器110于是在存储器单元111中检索这些变换矩阵并且将这些变换矩阵发送给计算机115。
具体地说，图11A中的电路盒103经由电缆122，在稳定环10中的传感器电路板107处电连接到旋转编码器104，作为与稳定环10分离的零件。因此，图11A中的电路盒103可以被放置在床边或靠近干预区域的患者的附近，但是在与稳定环10分开的地方。通过图11A中的电路盒103，稳定环10可以缩小占用面积，并且缩小干预所需的区域。此外，图11A中的电路盒103包括指示器123(诸如LCD或LED显示器)。指示器123用数字指示器显示可旋转环9的实时角度位置。而且，指示器123显示关于方位定位器1的不同信息，例如，可旋转环9的目标角度位置、目标角度参考标记(零位置)、可旋转环9的目标角度位置和当前角度位置之间的比较、以及剩余的蓄电池电力。通过如图9A和图11A所示的电路盒103上的指示器123，医生可以当场确认关于方位定位器1的信息，而不必离开患者和干预区域。
图11B示出根据本公开的另一个实施例的方位定位器1的示意图。更具体地说，图11B示出具有引导系统100中的组件中的其余部分的电路盒103的替代配置。在图11B中，电路盒103包括微控制器110、存储器单元111、蓄电池(未示出)和无线通信单元(未示出)。这类似于图11A中所描述的实施例，不过，图11B中的电路盒103被整体地固定在稳定环10上。因此，使电缆与手术视野中的其他物体缠结的风险降低。尽管如此，在这种情况下，电路盒103也包括指示器123。
图12是例示说明使用本公开的医疗引导系统100引导针的处理的流程图。在步骤S1201中，医生使用医疗成像装置114获取医疗图像(医疗成像模态)。在该特定实施例中，医疗装置114是CT扫描仪。医疗装置114经由图像服务器113将CT图像发送给计算机15中的导航软件116。可替代地，计算机15主动地从CT扫描仪或图像服务器113获得CT图像。
在步骤S1202，通过CT图像，医生限定使用针状医疗工具进行经皮干预的目标和皮肤进入点。同时，通过在所述图像中虚拟地将目标连接到皮肤进入点，医生可以使用导航软件116来确定针状医疗工具的插入轨迹的平面。此外，在该步骤中，医生使用例如患者上的网格可见标记，在患者上标记皮肤进入点，这是标准做法。
在步骤S1203中，医生设置针引导装置以对它进行校准，并且设置方位定位器1的适当的初始状态。更具体地说，S1203处的装置设置包括设置旋转编码器104以适当地建立最初的零位置；将在图14中对此进行更详细的说明。
在设置所述装置之后，在步骤S1204中，医生将方位定位器1安装到患者上，并且将图10A和10B中的点C与皮肤进入点对齐，然后用胶带等将方位定位器1附到患者上。
在步骤S1205中，在装置安装之后，医生获取包括方位定位器1的CT图像，并且将CT图像发送给导航软件116。通过使用具有方位定位器1显示的CT图像，在步骤S1206中，医生进行装置对图像配准。在该步骤S1206中，导航软件116通过使用如图10A和10B中所描述的基准标记121A、121B、121C和121D，在CT图像中(即，在CT图像的坐标中)识别患者上的方位定位器1的位置和方位。该基准标记检测可以使用用户界面115通过医生指令手动执行，或者，可以通过使用计算机算法完全自动执行。导航软件116还可以在该步骤处，用两个装置参数反映轨迹的规划，所述两个装置参数是可旋转环9的角度位置
Figure BDA0002438663370000171
和关于插入平面指示器8的插入角度
Figure BDA0002438663370000172
将关于图13来进一步讨论装置对图像配准。
在步骤S1207中，通过执行导航软件116，医生可以被计算机15提示以确认装置对图像配准是否是适当的。如果装置对图像配准不是适当的，则达到对于重新配准的需要(在步骤S1207中为是)。在需要重新配准的情况下，医生可以再次进行步骤S1206的装置对图像配准。
如果装置对图像配准是适当的，不需要重新配置(在步骤S1207中为否)，则流程继续进行到步骤S1208，在步骤S1208中，医生可以将目标装置参数
Figure BDA0002438663370000173
发送给微控制器110。
此后在步骤S1209中，医生手动地旋转可旋转环9，同时导航软件通过使用来自微控制器110的可旋转环9的实时角度位置，交互式地更新引导表面上的截面图像。此外，微控制器110将可旋转环9的实时角度位置与在S1208从计算机15接收的目标角度位置进行比较。一旦可旋转环9到达目标角度位置(参数
Figure BDA0002438663370000181
)，微控制器就向导航软件116和指示器123通知可旋转环9的瞄准结束。然后，导航软件116和/或指示器123向医生通知瞄准结束。
当建立可旋转环9的目标角度位置时，在步骤S1210中，医生挑选插入平面指示器8上的目标插入角度所指示的特定的角度参考标记30，并且通过该特定的角度参考标记30，医生使用引导系统100将针状医疗工具从皮肤进入点插入到目标。
在步骤1211中，在第一次尝试插入之后，医生获取方位定位器1、插入的针状医疗工具的CT图像，并且将所述CT图像发送给导航软件116。通过插入的针状医疗工具的CT图像，医生评估插入的针状医疗工具的位置和方位。
在步骤S1212中，插入的针状医疗工具的位置被评估。具体地说，如果医生确定所述位置是次优的，则所述位置被确定为是不适当的(在步骤S1212中为否)，流程返回到步骤S1207，在步骤S1207中，决定是否应执行重新配准。如果配准不是必要的，则在步骤S1208，医生可以用导航软件116更新轨迹以改进针状医疗工具的位置。同时(实时地)，通过最新的CT图像，医生找到方位定位器1、皮肤进入点和目标的错位或位移，并且更新方位定位器1的配准的位置和方位。因此，医生可以使用最新的CT图像来进行装置对图像配准。通过更新装置对图像配准，医生可以减小方位定位器1和目标之间的实际几何关系的差异。具体地说，因为方位定位器1被安装在患者上，并且可以与患者身体一起移动，所以装置对图像配准的更新可以有效地补偿患者与较旧的(初始的)CT图像的刚性错位。
通过更新的轨迹的平面和装置对图像配准，医生可以用与第一次尝试时相同的步骤S1208-S1211l来执行插入的另一次尝试。
在步骤S1212中，如果插入的针状医疗工具的位置被检查并且医生满意结果(在步骤S1212中为是)，则流程继续进行到步骤S1213。在步骤S1213中，确定是否需要插入另一个针状医疗工具。如果需要插入另一个针状医疗工具(在步骤S1213中为是)，则流程返回到步骤S1208。在步骤S1208，所述处理如上所述那样继续进行，以使得附加的针被插入。可选地，在需要高准确度或者患者意外移动的一些情况下，所述流程返回到步骤S1205，以使得执行新的CT图像和新的装置对图像配准。如果不需要插入另一个针状医疗工具(在步骤S1213中为否)，则流程完成，因此结束。
<装置对图像配准数学模型>
图13是用于说明如图12的步骤S1206中所描述的装置对图像配准的本地坐标变换的示意图。获得用于装置对图像配准的相对变换矩阵的计算处理可以通过图13所示的变换处理来计算。为此，导航软件16被编程为用两个装置参数反映轨迹的规划，所述两个装置参数是移动环9的角度位置
Figure BDA0002438663370000191
和插入平面19上的插入角度
Figure BDA0002438663370000192
SigmaΣ表示根据下标中的每个的所有本地坐标的总体考虑。在装置对图像配准中，每个元素(基准、可移动环、引导件、获得的图像)的本地坐标需要考虑到总体变换而被单个地处理。要考虑的第一个方面是当获取医疗图像Σimage时、世界空间中的患者的本地坐标。这是在用导航软件116计算变换时表达仪器的轨迹的平面、目标的位置(例如，患者中的解剖结构的中心位置)和皮肤进入点的基本坐标。具体地说，医生将患者的坐标与物理世界相关。要考虑的第二个方面是基准标记121的坐标，例如，当使用图10A-10B所示的引导装置时，稳定环10的坐标被考虑。要考虑的第三个方面是可旋转环9的坐标，其与可旋转环9一起相对于稳定环10旋转可旋转环9的角度位置
Figure BDA0002438663370000193
要考虑的第四个方面是用于引导针状医疗工具的坐标。在本公开的示例性实施例中，坐标系的一个轴线(第一轴线)沿着目标轨迹穿过。其他轴线中的一个(第二轴线)在插入平面指示器8上(参见图10A)。第三轴线垂直于第二轴线，并且平行于定位平面18。因此，该插入平面可以根据插入平面指示器8上的目标插入角度
Figure BDA0002438663370000194
沿着角度参考标记30旋转。
T表示坐标变换，其是4×4齐次变换矩阵。T上的上标表示基本坐标，T上的下标表示用于变换的目标(或目的地)坐标。也就是说，变换T将T的上标所定义的基本坐标与T的下标所定义的目的地或目标坐标相关。所述坐标变换可以通过用于三维空间的齐次变换矩阵来表达，其包括限定两个坐标系之间的几何关系的4×4矩阵(例如，从笛卡尔坐标系到角度或极坐标系的变换)。
四个变换126、127、128和129可以在四个本地坐标之间限定。装置对图像配准的目标是在四个变换126、127、128和129之间建立以下方程(1)。
Figure BDA0002438663370000201
其中，变换126
Figure BDA0002438663370000202
是基于获取的患者的医疗图像(IM)的坐标(位置和方位)关联针状医疗工具的引导(下标G)的坐标(位置和方位)的变换。该变换126
Figure BDA0002438663370000203
由变换127
Figure BDA0002438663370000204
变换128
Figure BDA0002438663370000205
和变换129
Figure BDA0002438663370000206
的组合或相关的结果给出，或者等于该结果，变换127
Figure BDA0002438663370000207
是从医疗图像(IM)的坐标到基准标记(F)的坐标的变换，其中，
Figure BDA0002438663370000208
是医疗图像的坐标上的所有基准标记的位置矢量集合，变换128
Figure BDA0002438663370000209
是从基准标记(F)的坐标到可移动环(MR)的坐标的变换，其中，
Figure BDA00024386633700002010
是基于基准标记的坐标的、可旋转环9的角度位置，变换129
Figure BDA00024386633700002011
是从可移动环(MR)的坐标到针状医疗工具的引导(G)的坐标的变换，其中，
Figure BDA00024386633700002012
是基于可移动环(MR)的坐标的、插入平面指示器8(P)上的插入角度。
在方程1中，导航软件116可以从目标轨迹，对于基板的特定位置确定可旋转环9的角度位置
Figure BDA00024386633700002013
和插入平面指示器8上的插入角度
Figure BDA00024386633700002014
的装置参数的目标值，即，第i图像的实际位置处的基准标记的位置矢量
Figure BDA00024386633700002015
方程1的变换126
Figure BDA00024386633700002016
的基于医疗图像(IM)的坐标到针状医疗工具的引导(G)的坐标的变换由导航软件116使用两个位置矢量确定；第一矢量是皮肤进入点的矢量，第二矢量是基于实时医疗图像的坐标的目标的矢量。在图12的步骤S1202中，当医生在CT图像中限定皮肤进入点和目标时，导航软件116可以用CT图像中的最初限定的位置来计算该变换。然而，随着图12的处理流程进展，在步骤S1206，导航软件116使用实时图像(在S1205获取的图像)来进行装置对图像配准。
具体地说，当导航软件116在步骤S1205获取的CT图像中得到基准标记121A、121B、121C和121D的位置时，参数
Figure BDA0002438663370000211
被确定。因此，如果导航软件116知道
Figure BDA0002438663370000212
的矩阵形式，则导航软件116可以从轨迹的规划推导参数
Figure BDA0002438663370000213
和
Figure BDA0002438663370000214
用于坐标变换127
Figure BDA0002438663370000215
变换128
Figure BDA0002438663370000216
和变换129
Figure BDA0002438663370000217
的矩阵形式由方位定位器(其包括基准标记、可移动环和引导零件)的几何设计、以及实际的组装误差和/或制造公差限定。变换127
Figure BDA0002438663370000218
的矩阵形式取决于基准标记121的设计和配置。矩阵形式
Figure BDA0002438663370000219
由几何(机械)设计(例如，每个组件的大小)、以及基板上的可移动环或稳定环的位置等限定。矩阵形式
Figure BDA00024386633700002110
由引导零件109的设计限定。当方位定位器1经受设计改变时，变换矩阵的形式也需要被更新。因此，导航软件116总是需要应用与医生正在用来进行给定干预的方位定位器的实际设计参数相对应的这些变换的矩阵形式。
为了保持和保证变换127、128、129的形式和医生正在使用的方位定位器的实际设计之间的对应，方位定位器1包括关于存储在存储器单元111中的变换127、128、129的形式的装置信息。以这种方式，在干预过程期间，执行导航软件116的计算机15向微控制器110索要关于变换127、128、129的形式的装置信息，并且用所述参数建立方程1。
因为变换127、128、129和实际的方位定位器之间的对应仅在方位定位器侧被建立，所以导航软件116不需要被更新，并且为每一个可能的方位定位器准备专用的装置表。导航软件116可以向微控制器110索要所述装置信息，作为对于方位定位器的不同设计和单个的参数的一个广泛适用的动作。
此外，通过方程1，导航软件116可以显示插入平面指示器8的实时位置上的截面图像。导航软件116可以将通过旋转编码器104测量的可旋转环9的实时角度位置应用于变换128中的
Figure BDA0002438663370000221
并且合成插入平面指示器8上的截面图像。实时截面图像可以帮助医生直观地确认围绕目标的关键解剖结构是否存在、或者目标本身和围绕目标的处置区域(例如，消融区域)是否在规划的插入轨迹中。
图14是图12的提取的流程图，该流程图针对其中旋转编码器4分别测量递增的角度位置和绝对角度位置的实施例详述步骤S1203中描述的装置设置的子步骤。
如图14所示，图12的步骤S1203中的装置设置包括以下子步骤：在子步骤S1401，装置上电，在子步骤S1402，装置校准，在子步骤S1403，确认校准。首先，在图14的子步骤S1401中，医生使方位定位器1上电。当使所述装置上电时，具有递增的角度测量的旋转编码器104还未限定零的正确角度位置。照此，在子步骤S1402中，医生需要执行装置校准以建立零的正确角度位置。也就是说，装置校准子步骤S1402包括将方位定位器1校准到零位置。零位置可以是预定的或预定义的位置，诸如由图7所示的零位置标记13给出的位置，或者零位置可以被限定在沿着可旋转环9的旋转圆周的任何位置(例如，其由绝对编码器位置给出)处，相对于该位置，可以测量角度位移。这可以通过将可旋转环9手动或电子对齐到用于正确零位置的机械参考来完成。在零位置被建立的情况下，医生可以向医疗引导系统100教导正确的零的角度位置。
在装置校准之后，在子步骤S1403中，医生确认是否需要重新校准，并且在图12的步骤S1204中，决定是否继续将所述装置安装在患者上。如果重新校准是必要的(在子步骤S1403中为是)，则所述流程返回到子步骤S1402以进行校准。如果不需要重新校准(在子步骤S1403中为否)，则所述流程继续进行到步骤S1204，并且所述装置被安装在患者上。
图14的装置设置步骤对于每一个装置、对于每一次干预都是必需的。另外，如果医生由于一些原因需要关闭引导装置，然后重新启动医疗引导系统，则这些步骤也是必需的。例如，在干预过程被停止并且医疗引导系统被重启的情况下，这些装置设置步骤是确保方位定位器保持对齐到正确零位置所必需的。在这种情况下，因为所述装置已经被安装在患者上，并且如果对于重新校准的确定是非必需的(在步骤S1403中为否)，则干预的持续时间可以缩短。此外，如果导航软件116确定重新配准不是必需的，则具有测量绝对角度的旋转编码器104的医疗引导系统可以有利地降低人为因素误差的风险，并且降低操作者使用所述系统的心理负担。
如上所述，在步骤S1212中，需要评估插入的针状医疗工具的位置以进行适当的定位。然后，如果医生确定所述位置是次优的，则所述位置被确定为是不适当的，并且决定是否应执行重新配准。为了评估针位置，计算机15被编程为执行导航软件116并且显示规划的轨迹和/或插入的仪器的一个或多个图像。
<通过互锁装置平面的重构图像和轴向图像的显示来交互式显示和评估医疗引导>
当用户需要用轴向图像集合评估平面外针插入时，难以使用户理解将轴向图像相对于患者的解剖结构(例如，肿瘤)翻转的方向以确认针插入方向。因为医疗仪器(针或探头)是根据装置参数
Figure BDA0002438663370000231
插入的，所以通过观察沿着装置平面的重构图像来评估针插入轨迹将更加容易。然而，重构图像(沿着装置平面)由于与轴向图像的不清楚的关系以及其与患者相反的切片方位，也是难以理解的。
图15和图16示出用于交互式地显示并且评估插入的仪器的规划轨迹和/或实际轨迹的示例性实施例。根据该实施例，有利的是，通过互锁装置平面的重构图像和轴向图像的显示来交互式地显示并且评估医疗引导有效性。图15和图16均示出了轴向图像集合17、插入平面图像190和方位定位器1的图像。在该实施例中，导航软件116在图像显示器14上显示轴向扫描图像17、插入平面图像190和(可选地)方位定位器1的图像。这些图像可以同时并排地显示在单个或多个显示屏幕上，或者所述图像可以根据需要交替地显示。如从图12所理解的，方位定位器1已经被映射到CT图像坐标，其位置和方位是在装置对图像配准期间建立的。
导航软件116已经基于插入平面指示器8重构了插入平面图像190。因此，当用户(医生)需要评估适当的定位时，用户沿着围绕旋转轴线E的旋转方向G旋转插入平面指示器8，插入平面图像190将被一致地更新。插入平面指示器8的旋转和插入平面图像190的更新实时地彼此同步。
当CT图像包括患者解剖结构1002和针轨迹1006时，针轨迹1006可以是规划的针轨迹和/或插入的针的轨迹。然而，在轴向扫描图像17中，如果插入方位不垂直于轴向扫描方向，则针轨迹1006仅被部分地划定在观察的轴向图像17中。针轨迹1006的部分图像的这个观察将使医生理解真实的三维空间中的针方位。然而，为了观察针轨迹1006的整个长度，多个轴向扫描图像17是必要的。因此，医生将检查多个轴向扫描图像，并且用来自不同的轴向扫描图像的针轨迹1006的多个部分图像来重构针方位。
在该实施例中，为了促进用户的理解并且加快评估处理，轴向扫描图像17被链接(互锁)到插入平面图像190上的轴向平面指示器1005。轴向平面指示器1005表示轴向扫描图像17和插入平面图像190之间的交叉线处的至少一个轴向扫描图像17。以这种方式，当用户将轴向扫描图像17移动到D方向上的方位时，轴向平面指示器1005将在插入平面图像190上同时移动(平移)到方位B。用户还可以在B方向上移动轴向平面指示器1005以在D方向上移动轴向扫描图像17。
就该实施例而言，医生可以通过在旋转方向G上围绕轴线E旋转插入平面指示器8，在插入平面图像190上直观地找到期望的针轨迹1006。因为旋转方向G也与轴向平面指示器1005互锁，所以用户可以用轴向扫描指示器1005容易地将轴向扫描图像17映射到插入平面图像190。尤其是，因为轴向扫描指示器1005与轴向扫描图像17和插入平面指示器8的旋转方向G同步，所以医生可以直观地理解轴向扫描图像17上的部分针轨迹1006源于哪里。以这种方式，当医生正在通过翻转多个轴向扫描图像17来检查轴向扫描图像17上的部分针轨迹1006时，医生可以容易地领会沿着针轨迹1006的轴向扫描图像17的翻转方向。
图15的实施例对于缩短操作的持续时间和最小化当医生规划或执行多个针轨迹1006时的人为因素误差是特别有益的。
图16说明基于图15的前述实施例的进一步的特征。在根据图16的实施例中，轨迹指示器或限制器1008和1007显示在插入平面图像190上。这里，沿着插入平面图像190的重构图像中的两个指针用于选择这些指针之间的轴向图像集合。
用户可以通过触摸或点击操作在插入平面图像190上直观地限定这些限制器1008和1007。图像限制器1008和1007可以是沿着针轨迹1006可滑动的，并且限定轴向扫描图像17的集合的范围1010。
通过图像限制器1008和1007，用户可以容易地使轴向扫描图像17的范围1010限于调查针轨迹1006的集合。在一个实施例中，导航软件116可以被配置为自动地基于针轨迹的皮肤插入点和规划的或实际的针轨迹的目标来设置图像限制器1008和1007。在其他实施例中，轨迹指示器或图像限制器1008和1007也可以由患者的解剖结构(器官或肿瘤)的大小和形状限定。当图像限制器1008和1007由解剖结构的大小和形状限定时，用户可以更严密地评估插入轨迹对于避免对关键器官的不期望损害是否是有效的。
有利地，通过互锁装置平面的重构图像和轴向图像的显示，响应于实际的装置运动，装置平面上的重构图像被实时地更新。一个或多个轴向图像可以显示在与装置平面上的重构图像相同的屏幕上，并且所有的图像都可以被实时地交互式更新。重构图像与在轴向图像与重构图像相交的位置上的线符号叠加。当用户改变轴向图像的显示时，线符号与轴向图像互锁。
使用如本文中所描述的方位定位器的医疗引导装置提供围绕医疗工具被规划插入的患者上的皮肤进入点的图像的切向平面作为定位平面。因此，医生可以通过使用与垂直于医疗针的平面靠近的平面来容易地规划病灶中的目标插入点，并且即使当多个医疗工具被规划插入时，也可以通过使用所述定位平面作为代表性平面来确认医生需要从医疗工具的轨迹排除的关键解剖结构。而且，因为该定位平面在计算机中的图像和紧靠患者的方位定位器之间是一致的，所以医生可以使用方位定位器作为医疗工具的插入角度的地标。
本文中所公开的医疗引导装置还提供了垂直于定位平面的插入平面。有利地，医生可以规划医疗成像装置的轴向成像外的医疗工具的插入轨迹，而无需在3D图像中限定插入平面和插入轨迹的复杂操纵。
本文中所描述的医疗引导装置进一步提供了指示医生在显示器中确认为图像的插入平面的物理角度刻度。因此，当医生需要不在医疗成像装置的轴向成像规划上的医疗工具的插入轨迹时，医生可以容易地确定轴向成像平面外的插入平面，并且可以减少插入参数和降低插入操纵的复杂度。而且，在一些实施例中，方位定位器包括不需要电子器件以保持插入平面的角度位置的一致性的角度刻度。因此，医疗引导装置可以用数量减少的零件来开发，并且可以提高操作的可靠性。此外，方位定位器可以通过各种材料选项而被容易地灭菌，和/或可以以合理的成本一次性使用。
在一些实施例中，所述医疗引导装置包括可旋转体(可旋转环)和编码器。可旋转体和编码器使得医生可以通过旋转安装在患者上的方位定位器的可旋转体来在显示器中旋转插入平面。因此，医生可以容易地确定插入平面，而不在图像的操作和方位定位器的操作之间改变他们的注意力。此外，可旋转体和编码器提供与插入平面指示器的角度位置相对应的显示器中的插入平面的实时更新。因此，当改变规划的轨迹的需要出现时，医生可以容易地更新插入平面。
所述医疗引导装置提供在医生确定的插入平面上从定位平面插入的插入角度的信息。因此，医生可以通过使用定位平面和插入平面作为地标，使用所述信息来用所述医疗装置准确且快速地瞄准医疗工具。
根据一些实施例的医疗引导系统包括在方位定位器的电路盒(控制器)中的存储器单元。因为方位定位器将装置信息保存在它自己中、而不是计算机中，所以可以在制造侧、而不是在用户侧，使装置信息与引导装置一致。因此，装置对图像配准可以用正确的装置信息来进行，同时避免由用户侧的维护引起的错误信息或缺失信息。此外，因为计算机不需要维护或更新方位定位器信息，所以引导系统可以在干预过程期间缩短装置对图像配准的处理时间。引导系统还可以减少由用户引起的人为因素误差，并且降低使用错误的装置信息进行装置对图像配准的风险。
而且，在不改变用户侧的计算机配置的情况下，并且在不需要将装置信息列表保存在计算机中的情况下，装置信息可以包括单个的装置之间的差异、制造批次和设计代次。因此，所述系统可以用最小的处理时间，在实际的装置配置和用于装置对图像配准的装置信息之间始终提供高准确度。具体地说，当所述计算机可重复使用并且引导装置是一次性的时，所述系统使得用户和制造商可以在对所述系统的改变最小的情况下合并各种引导装置。
在一些实施例中，方位定位器包括测量绝对角度位置的旋转刻度和旋转编码器。通过用旋转编码器测量旋转刻度的绝对角度位置，所述系统不需要让用户执行校准步骤以建立旋转编码器的零位置。因此，所述系统可以减少关于进行装置对图像配准的校准步骤的人为因素误差。此外，使用绝对角度位置，所述系统可以在没有校准步骤的情况下减少开始使用引导装置的设置步骤，并且可以缩短干预的持续时间。
在一些实施例中，所述计算机获得方位定位器中的微控制器的设计参数，并且计算引导装置的坐标。通过将引导装置的坐标的计算分配给所述计算机，所述系统可以使微控制器中的计算最小化。因此，所述系统可以减少靠近患者安装的引导装置中的发热。此外，所述系统可以用较少的计算能力，减小微控制器的成本和占用面积。当使引导装置是一次性的时，低成本也是有利的因素。而且，当引导装置由蓄电池供电时，所述系统通过在微控制器中进行低计算任务并且在所述计算机中进行高计算任务而节省蓄电池电力来高效地增加装置操作时间。
在一些实施例中，方位定位器包括无线通信。通过在引导装置和所述计算机之间进行无线通信，所述计算机可以安置在与具有引导装置的房间(即，具有患者的房间)不同的房间中，即使在它们之间没有物理电连接端口。因此，通过在具有患者的房间外使用所述计算机，医生可以在没有患者的情况下规划和讨论干预。此外，医生在具有医疗成像装置(比如CT和MRI)的房间外频繁地对于干预确认医疗图像以使图像降级最小化或者避免对于医生的不必要的游离。因此，通过使得可以在具有医疗图像装置的房间外使用所述计算机，所述系统可以使当前工作流程的改变最小化，并且使增加到房间内部的额外行进最小化。尤其是，具有CT成像装置的房间不频繁地配备物理电连接端口和到馈电电缆的物理端口。因此，所述系统可以在房间侧没有任何修改的情况下变为兼容范围更广泛的具有CT成像装置的房间。此外，所述系统可以降低电缆缠结的风险，并且可以使电缆管理容易，特别是在手术视野中。
<软件实现>
本公开的(一个或多个)实施例可以通过系统或设备的计算机来实现，该计算机读出并且执行记录在存储介质(也可以被更确切地称为“非暂时性计算机可读存储介质”)上的执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个的功能的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)、和/或包括用于执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个的功能的一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))，并且本公开的(一个或多个)实施例可以通过所述系统或设备的所述计算机通过例如从所述存储介质读出执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个的功能的计算机可执行指令并且执行这些计算机可执行指令和/或控制所述一个或多个电路执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个的功能而执行的方法来实现。所述计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)、微型处理单元(MPU))，并且可以包括读出并且执行所述计算机可执行指令的独立计算机或独立处理器的网络。所述计算机可执行指令可以例如从网络或所述存储介质提供给所述计算机。所述存储介质可以包括例如以下中的一个或多个：硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的储存器、光学盘(比如紧凑盘(CD)、数字多功能盘(DVD)或蓝光盘(BD)TM)、闪存器件、内存卡等。I/O接口可以用于提供与输入和输出装置的通信接口，所述输入和输出装置可以包括键盘、显示器、鼠标、触摸屏、无触摸接口(例如，手势辨识装置)、打印装置、光笔、光学存储装置、扫描仪、麦克风、相机、驱动器、通信电缆和网络(要么是有线的，要么是无线的)。
<定义>
在查阅本描述时，为了提供所公开的例子的透彻理解，阐述了特定细节。在其他情况下，众所周知的方法、过程、组件和电路没有被详细地描述，以便不会不必要地使本公开变长。除非本文中另有定义，否则本文中所使用的所有的技术术语和科学术语都具有与本发明所属的领域中的普通技术人员通常理解的意义相同的意义。本发明的广度不受主观说明书的限制，而是仅受所采用的权利要求术语的明显的意义的限制。
术语“医疗装置”是可以包括外科装置和非外科装置的术语，这些术语意图涵盖它们的明显的且普通的意义，包括，而非限制，消融探头、活检针、手术刀、内窥镜、超声波棒等。术语“针”或“针状医疗工具”是指任何刚性的或非刚性的针状物体，诸如消融探头、活检针、套管、导管、电烧灼装置、电烧灼器、支架引导装置等。所述引导系统和方法不限于与针状仪器一起使用。只要医疗仪器可以根据本公开中所描述的原理被进行图像引导，所述引导系统和方法就也可以与非针装置(诸如手术刀、钳子、切割工具、剪刀、甚至激光器或激光波导)一起使用。
应理解，如果元件或零件在本文中被称为“在另一个元件或零件上”、“与另一个元件或零件反向”、“连接到另一个元件或零件”或“耦合到另一个元件或零件”，则它可以直接在该另一个元件或零件上、与该另一个元件或零件反向、连接到或耦合到该另一个元件或零件，或者介于中间的元件或零件可以存在。相反，如果元件被称为“直接在另一个元件或零件上”、“直接连接到另一个元件或零件”或“直接耦合到另一个元件或零件”，则不存在介于中间的元件或零件。当被使用时，术语“和/或”可以被缩写为“/”，并且它包括相关联的列出的各项中的一个或多个的任何和所有组合，如果被如此提供的话。
空间上相对的术语，诸如“在……下面”、“在……下方”、“在……以下”、“下方的”、“在……以上”、“上方的”、“邻近的”、“远端的”等在本文中被使用是为了使描述一个元件或特征与如各种图中例示说明的另一个(其他)元件或特征的关系的说明简单。然而，应理解，空间上相对的术语意图除了图中所描绘的方位之外，还包含所述装置在使用或操作中的不同的方位。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为“在其他元件或特征以下”或“在其他元件或特征下方”的元件于是将被定向在所述其他元件或特征“上方”。因此，诸如“在……以下”的相对空间术语既可以包含上方的方位，又可以包含下方的方位。所述装置可以被以其他方式定向(旋转90度或者被定向在其他方位)，并且本文中所使用的空间相对描述符要被相应地解释。类似地，在适用的情况下，相对空间术语“邻近的”和“远端的”也可以是可互换的。
如本文中所使用的术语“大约”或“大致”意指例如在10％内、在5％内、或在更小范围内。在一些实施例中，术语“大约”可以意指在测量误差内。就这一点而言，在被描述或要求保护的地方，所有的数字都可以被读成好像是以单词“大约”或“大致”开始，即使该术语没有明确地出现。措辞“大约”或“大致”在描述幅值和/或位置时被用来指示所描述的值和/或位置在值和/或位置的合理的预期范围内。例如，数值可以具有所陈述的值(或值范围)的+/-0.1％、所陈述的值(或值范围)的+/-1％、所陈述的值(或值范围)的+/-2％、所陈述的值(或值范围)的+/-5％、所陈述的值(或值范围)的+/-10％等等的值。任何数值范围，如果在本文中被记载，都意图包括其中纳入的所有子范围。
术语第一、第二、第三等在本文中可以被用来描述各种元件、组件、区域、零件和/或部段。应理解，这些元件、组件、区域、零件和/或部段不应受这些术语的限制。这些术语被使用仅仅是为了区分一个元件、组件、区域、零件或部段与另一个区域、零件或部段。因此，在不脱离本文中的教导的情况下，下面所讨论的第一元件、组件、区域、零件或部段可以被称为第二元件、组件、区域、零件或部段。
本文中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而非意图是限制。如本文中所使用的，单数形式“一个”、“一种”、“所述”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。应进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在被用于本说明书中时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除没有被明确地陈述的一个或多个其他的特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的群组的存在或添加。进一步指出，一些权利要求可以被草拟为不包括任何可选的元件；这样的权利要求可以与权利要求元素的记载结合使用如“单独地”、“仅”等的排他的术语，或者它可以使用“否定”限制。
在描述附图中例示说明的示例实施例时，为了清晰起见，采用了特定的术语。然而，本专利说明书的公开内容并非意图限于如此选择的特定术语，并且要理解，每个特定的元件包括以类似的方式操作的所有的技术等同形式。
虽然已经参照示例性实施例描述了本公开，但是要进一步理解本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围要被给予最广泛的合理解释以便包含所有这样的修改、等同的结构和功能。

Claims (51)

1.一种医疗引导系统，包括：
方位定位器，所述方位定位器包括至少一个基准标记并且具有定位平面，其中，所述方位定位器能够安装在患者上；
计算机，所述计算机被配置为：
接收包括患者的解剖结构的至少一个轴向图像，
使用所述至少一个基准标记的坐标和所述至少一个轴向图像的坐标将所述方位定位器的位置和方位与患者的解剖结构配准，
基于所述至少一个轴向图像，确定与定位平面平行的患者的解剖结构的至少一个截面图像，以及
确定与定位平面垂直的插入平面；以及
显示设备，所述显示设备连接到所述计算机，
其中，所述显示设备显示定位平面上和/或插入平面上的至少一个截面图像。
2.根据权利要求1所述的医疗引导系统，进一步包括：
角度刻度，所述角度刻度排列在所述方位定位器上，并且被配置为指示插入平面相对于定位平面上的参考点的角度位置，
其中，所述计算机确定与显示在所述显示设备上的插入平面的角度位置相对应的目标角度刻度，并且在所述显示设备上显示所述目标角度刻度。
3.根据权利要求1所述的医疗引导系统，
其中，所述方位定位器包括具有所述至少一个基准标记的不可旋转基体、以及具有插入平面指示器和旋转编码器的可旋转体，
其中，所述方位定位器连接到所述计算机，并且交换插入平面指示器的角度位置的编码器数据，以及
其中，所述计算机确定与插入平面指示器的角度位置相对应的插入平面上的解剖结构的截面图像。
4.根据权利要求1所述的医疗引导系统，
其中，所述计算机确定沿着插入平面从定位平面插入医疗工具的规划的插入角度，以及
其中，所述计算机将关于规划的插入角度的信息发送给所述显示设备。
5.根据权利要求1所述的医疗引导系统，
其中，所述方位定位器是集成在可旋转体内的环形旋转引导件，所述可旋转体包括被配置为从用户接收触觉输入的触摸屏接口，
其中，所述方位定位器包括沿着所述可旋转体的圆周排列的多个发光单元，以及
其中，响应于用户通过所述触摸屏接口提供触觉输入以改变所述位置并指示所述方位定位器上的插入平面，所述发光单元中的一个或多个发射光以指示插入平面的角度位置。
6.根据权利要求1所述的医疗引导系统，其中，所述方位定位器具有粘合衬垫以粘附到患者。
7.根据权利要求1所述的医疗引导系统，
其中，所述方位定位器能够安装在患者上的皮肤进入点处；以及
其中，所述计算机通过对与皮肤进入点基本上同心排列的多个基准标记的本地坐标进行变换以满足以下方程来将所述方位定位器的位置与所述至少一个轴向图像配准：
Figure FDA0002438663360000021
其中，
Figure FDA0002438663360000022
是基于所述至少一个轴向图像中的坐标到用于引导医疗工具的坐标的变换，
其中，
Figure FDA0002438663360000023
是从所述轴向图像的坐标到所述至少一个基准标记的坐标的变换，
其中，
Figure FDA0002438663360000031
是所有基准标记在所述至少一个轴向图像的坐标上的位置矢量集合，
其中，
Figure FDA0002438663360000032
是可移动环的坐标的变换，
其中，
Figure FDA0002438663360000033
是基于所述至少一个基准标记的坐标的所述方位定位器的可旋转环的角度位置，
其中，
Figure FDA0002438663360000034
是从所述可旋转环的坐标到用于引导医疗工具的坐标的变换，
其中，
Figure FDA0002438663360000035
是基于所述可旋转环的坐标的插入平面指示器上的插入角度。
8.根据权利要求1所述的医疗引导系统，其中，所述方位定位器包括外部显示单元，所述外部显示单元经由外部电缆通信地耦合到旋转编码器以显示关于所述方位定位器的实时信息。
9.根据权利要求1所述的医疗引导系统，其中，所述方位定位器包括固定式显示单元，所述固定式显示单元经由总线通信地耦合到旋转编码器以显示关于所述方位定位器的实时信息。
10.一种医疗引导方法，包括：
通过可安装的方位定位器指示患者上的皮肤进入点，所述方位定位器包括至少一个基准标记并且具有定位平面；
在计算机处接收包括患者的解剖结构的至少一个轴向图像；
通过所述计算机，使用所述至少一个轴向图像的坐标和所述至少一个基准标记的坐标将所述方位定位器的位置和方位与患者的解剖结构配准；
基于所述至少一个轴向图像，确定与定位平面平行的至少一个截面图像；
通过所述计算机，确定与定位平面垂直的插入平面；以及
在显示设备上显示定位平面上和/或插入平面上的至少一个截面图像。
11.根据权利要求10所述的医疗引导方法，进一步包括：
通过所述计算机，使用排列在所述方位定位器上的角度刻度确定插入平面在定位平面上的角度位置；
计算与显示的插入平面相对应的目标角度刻度；以及
在所述显示设备上将所述目标角度刻度与所述角度位置一起显示。
12.根据权利要求10所述的医疗引导方法，进一步包括：
在所述方位定位器和所述计算机之间交换插入平面指示器的角度位置的编码器数据，
其中，所述方位定位器包括具有所述至少一个基准标记的不可旋转基体、以及具有插入平面指示器和旋转编码器的可旋转体；以及
通过所述计算机，确定与插入平面指示器的角度位置相对应的插入平面上的解剖结构的截面图像。
13.根据权利要求10所述的医疗引导方法，进一步包括：
通过所述计算机，确定在插入平面上从定位平面插入医疗工具的规划的插入角度，以及
其中，所述计算机将关于规划的插入角度的信息发送给所述显示设备以供其显示。
14.根据权利要求10所述的医疗引导方法，进一步包括：
提供触摸屏接口，所述触摸屏接口被配置为从用户接收触觉输入以改变所述方位定位器的位置并指示所述方位定位器上的插入平面，
其中，所述方位定位器集成在可旋转体内，所述可旋转体包括所述触摸屏接口，以及
其中，所述方位定位器包括沿着所述可旋转体的圆周排列的多个发光单元，
其中，响应于用户通过所述触摸屏接口提供触觉输入以改变所述方位定位器的位置并指示所述方位定位器上的插入平面，所述发光单元中的一个或多个发射光以指示插入平面的角度位置。
15.根据权利要求10所述的医疗引导方法，进一步包括用医用级粘合材料将所述方位定位器粘附到患者。
16.根据权利要求10所述的医疗引导方法，进一步包括：
将所述方位定位器安装在患者上的皮肤进入点处；以及
利用所述计算机，通过对与皮肤进入点基本上同心排列在所述方位定位器上的多个基准标记的本地坐标进行变换以满足以下方程来将所述方位定位器的位置与所述至少一个轴向图像配准：
Figure FDA0002438663360000051
其中，
Figure FDA0002438663360000052
是基于所述至少一个轴向图像中的坐标到用于引导医疗工具的坐标的变换，
其中，
Figure FDA0002438663360000053
是从所述轴向图像的坐标到至少一个基准标记的坐标的变换，
其中，
Figure FDA0002438663360000054
是所有基准标记在所述至少一个轴向图像的坐标上的位置矢量集合，
其中，
Figure FDA0002438663360000055
是所述方位定位器的可旋转环的坐标的变换，
其中，
Figure FDA0002438663360000056
是基于所述至少一个基准标记的坐标的所述可旋转环的角度位置，
其中，
Figure FDA0002438663360000057
是从所述可旋转环的坐标到用于引导医疗工具的坐标的变换，以及
其中，
Figure FDA0002438663360000058
是基于所述可旋转环的坐标的插入平面指示器上的插入角度。
17.根据权利要求10所述的医疗引导方法，进一步包括：
显示关于所述方位定位器的实时信息，
其中，所述方位定位器包括外部显示单元，所述外部显示单元经由外部电缆通信地耦合到旋转编码器。
18.根据权利要求10所述的医疗引导方法，进一步包括：
显示关于所述方位定位器的实时信息，
其中，所述方位定位器包括固定式显示单元，所述固定式显示单元经由总线通信地耦合到旋转编码器。
19.根据权利要求10所述的医疗引导方法，进一步包括：
通过使用显示在所述显示设备上的轴向图像，限定患者的皮肤表面上的皮肤进入点，并且限定患者的解剖结构中的目标区域，
在限定的皮肤进入点处设置所述方位定位器，以及
通过零位置参考对所述方位定位器进行校准。
20.根据权利要求19所述的医疗引导方法，进一步包括：
通过所述计算机，确定是否有必要通过零位置参考对所述方位定位器进行重新校准。
21.一种医疗引导系统，包括：
引导装置，所述引导装置被配置为将针状医疗工具引导到预期轨迹；以及
计算机，所述计算机被配置为检索包括患者的解剖结构的多个轴向扫描图像，并且基于所述轴向扫描图像产生所述预期轨迹，
其中，所述引导装置包括：
基板，所述基板包括基板开口和底表面，所述底表面限定将被放置成与患者的皮肤表面物理接触的定位平面，
可移动环，所述可移动环附连到所述基板，包括可移动环开口，所述可移动环开口与所述基板开口对齐以形成用于对患者提供进入的主开口，
引导零件，所述引导零件安装在所述可移动环上以沿着所述预期轨迹引导针状医疗工具，以及
旋转编码器，所述旋转编码器包括：
旋转刻度，所述旋转刻度安装在所述可移动环上，
传感器头，所述传感器头安装在所述基板上，
传感器电路板，所述传感器电路板连接到所述传感器头，并且被配置为通过对来自所述传感器头的感测信号进行处理来计算所述旋转刻度的角度位置，
基准标记，所述基准标记安装在所述基板上，并且被配置为在轴向扫描图像中是可见的，以及
电路盒，所述电路盒包括：
存储器单元，所述存储器单元具有限定所述可移动环的坐标和所述基准标记的坐标之间的几何关系的装置信息，
微控制器，所述微控制器连接到所述存储器单元和所述传感器电路板，并且被配置为与所述计算机通信，
其中，所述计算机计算在与定位平面平行的平面处轴向扫描图像中的基准标记的几何分布，以及
其中，所述计算机或所述微控制器通过使用所述存储器单元中的装置信息以及由所述计算机计算的基准标记的几何分布，来在轴向扫描图像的坐标下计算所述引导装置的插入平面，
其中，插入平面垂直于定位平面。
22.根据权利要求21所述的医疗引导系统，其中，所述旋转编码器被配置为测量所述旋转刻度的绝对角度位置。
23.根据权利要求21所述的医疗引导系统，其中，所述微控制器被配置为将所述装置信息发送给所述计算机，以及
其中，所述计算机通过使用所述存储器单元中的装置信息和由所述计算机计算的基准标记的几何结构，来在医疗图像的坐标下计算所述引导装置的坐标。
24.根据权利要求21所述的医疗引导系统，
其中，所述电路盒包括无线通信单元和用于给所述引导装置供电的蓄电池，以及
其中，所述电路盒通过使用所述无线通信单元与所述计算机进行无线通信。
25.根据权利要求21所述的医疗引导系统，其中，所述电路盒被安装在所述基板上。
26.根据权利要求21所述的医疗引导系统，其中，所述可移动环可旋转地附连到所述基板。
27.根据权利要求21所述的医疗引导系统，
其中，所述方位定位器集成在所述可移动环内，所述可移动环包括触摸屏接口，以及
其中，所述方位定位器包括沿着所述可移动环的圆周排列的多个发光单元，
其中，响应于用户通过所述触摸屏接口提供触觉输入以改变所述方位定位器的位置并指示所述方位定位器上的插入平面，所述发光单元中的一个或多个发射光以指示插入平面的角度位置。
28.根据权利要求21所述的医疗引导系统，
其中，所述方位定位器包括外部显示单元，所述外部显示单元经由外部电缆通信地耦合到所述旋转编码器以显示关于插入平面的实时信息。
29.根据权利要求21所述的医疗引导系统，
其中，所述方位定位器包括固定式显示单元，所述固定式显示单元经由总线通信地耦合到所述旋转编码器以显示关于插入平面的实时信息。
30.一种用于图像引导的经皮干预的设备，包括：
方位定位器，所述方位定位器包括多个基准标记，并且具有将被放置成与患者的皮肤表面物理接触的定位平面；
处理器；以及
存储器，所述存储器存储表示用于使所述处理器执行以下操作的指令的程序代码：
获取患者的至少一个轴向图像，所述至少一个轴向图像包括患者的解剖结构；
通过显示屏幕示出所述至少一个轴向图像，从在患者的皮肤表面上选择皮肤进入点并在患者的解剖结构中选择目标区域的用户接收输入；
通过使用至少一个基准标记的本地坐标和轴向图像的坐标来将安装在患者上的所述方位定位器的位置和方位与患者的解剖结构配准；
确定与定位平面垂直的插入平面；
基于所述至少一个轴向图像和插入平面来重构插入平面图像；以及
在所述显示屏幕上显示叠加在插入平面图像上和/或所述至少一个轴向图像上的插入轨迹，
其中，插入轨迹被显示为将皮肤进入点与解剖结构目标区域连接的线段，所述线段包括在插入平面图像和/或所述至少一个轴向图像中。
31.根据权利要求30所述的设备，其中，所述方位定位器包括可旋转引导零件和与所述可旋转引导零件一起旋转的插入平面指示器，
其中，插入平面图像和插入平面指示器的旋转彼此同步，以使得当用户围绕皮肤进入点旋转插入平面指示器时，插入平面图像将被一致地更新。
32.根据权利要求30所述的设备，其中，插入平面图像和所述至少一个轴向图像都包括插入轨迹的至少一部分和患者解剖结构。
33.根据权利要求30所述的设备，其中，插入轨迹是规划的针轨迹和/或插入的针的轨迹。
34.根据权利要求30所述的设备，其中，所述处理器被进一步配置为从患者解剖结构的多个轴向图像重构插入轨迹，并且所述处理器通过组合多个部分轴向图像以覆盖插入轨迹上的整个长度来使所述显示屏幕显示插入轨迹。
35.根据权利要求30所述的设备，
其中，轴向图像被链接到插入平面图像上的轴向平面指示器，以及
其中，轴向平面指示器表示轴向扫描图像和插入平面图像之间的交叉线处的一个轴向扫描图像。
36.根据权利要求30所述的设备，
其中，所述处理器进一步显示与轴向图像同步的轴向扫描指示器，
其中，当用户选择显示不同的轴向图像时，轴向平面指示器将同时移动以旋转可旋转引导零件；以及
其中，当用户移动轴向平面指示器时，响应于轴向平面指示器的移动，同时选择不同的轴向图像。
37.根据权利要求30所述的设备，
其中，所述处理器进一步在插入平面图像上显示图像限制器。
38.根据权利要求37所述的设备，
其中，所述图像限制器能够沿着插入轨迹移位，并且限定轴向图像的集合。
39.根据权利要求37所述的设备，
其中，所述图像限制器被配置为限制将被显示的轴向图像的范围以示出插入轨迹。
40.根据权利要求37所述的设备，
其中，所述图像限制器包括在皮肤插入点处限定的第一图像限制器和在解剖结构目标区域处限定的第二图像限制器。
41.一种用于图像引导的经皮干预的计算机实现方法，包括：
提供方位定位器，所述方位定位器包括多个基准标记，并且具有与患者的皮肤表面物理接触的定位平面；
获取患者的至少一个轴向图像，所述至少一个轴向图像包括患者的解剖结构；
通过显示屏幕示出所述至少一个轴向图像，从在患者的皮肤表面上选择皮肤进入点并在患者的解剖结构中选择目标区域的用户接收输入；
通过使用至少一个基准标记的本地坐标和轴向图像的坐标来将安装在患者上的所述方位定位器的位置和方位与患者的解剖结构配准；
确定与定位平面垂直的插入平面；
基于所述至少一个轴向图像和插入平面重构插入平面图像；以及
在所述显示屏幕上显示叠加在插入平面图像上和/或所述至少一个轴向图像上的插入轨迹，
其中，插入轨迹被显示为将皮肤进入点与解剖结构目标区域连接的线段，所述线段包括在插入平面图像和/或所述至少一个轴向图像中。
42.根据权利要求41所述的方法，
其中，所述方位定位器包括可旋转引导零件和与所述可旋转引导零件一起旋转的插入平面指示器，以及
其中，所述方法进一步包括：使插入平面图像和插入平面指示器的旋转彼此同步，以使得当用户围绕皮肤进入点旋转插入平面指示器时，插入平面图像被一致地更新。
43.根据权利要求41所述的方法，进一步包括：在同一个显示屏幕上同时显示插入平面图像和所述至少一个轴向图像，其中，插入平面图像和至少一个轴向图像都包括插入轨迹的至少一部分和患者解剖结构。
44.根据权利要求41所述的方法，其中，插入轨迹是规划的针轨迹和/或插入的针的轨迹。
45.根据权利要求41所述的方法，进一步包括：
从患者解剖结构的多个轴向图像重构插入轨迹，并且通过组合多个部分轴向图像以覆盖插入轨迹上的整个长度来使所述显示屏幕显示插入轨迹。
46.根据权利要求41所述的方法，进一步包括：将轴向图像链接到轴向平面指示器，
其中，轴向图像被链接到插入平面图像上的轴向平面指示器，以及
其中，轴向平面指示器表示轴向扫描图像和插入平面图像之间的交叉线处的一个轴向扫描图像。
47.根据权利要求41所述的方法，进一步包括：显示与轴向图像同步的轴向扫描指示器，
其中，当用户选择显示不同的轴向图像时，轴向平面指示器将同时移动以旋转可旋转引导零件；以及
其中，当用户移动轴向平面指示器时，响应于轴向平面指示器的移动，同时选择不同的轴向图像。
48.根据权利要求41所述的方法，进一步包括：在插入平面图像上显示图像限制器。
49.根据权利要求48所述的方法，
其中，所述图像限制器能够沿着插入轨迹移位，并且限定轴向图像的集合。
50.根据权利要求48所述的方法，
其中，所述图像限制器被配置为限制将被显示的轴向图像的范围以示出插入轨迹。
51.根据权利要求48所述的方法，
其中，所述图像限制器包括在皮肤插入点处限定的第一图像限制器和在解剖结构目标区域处限定的第二图像限制器。
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