CN118891018A - 基于mri的导航 - Google Patents

Abstract

一种用于导管的管腔导航的系统和方法，该系统和方法包括传感器和计算装置。该计算装置执行以下步骤：从磁共振图像（MRI）扫描仪接收磁共振信号并生成MRI图像数据集；从该MRI图像数据集生成三维（3D）模型；生成通过该3D模型到达目标的路径；确定该传感器在患者体内的位置；在该3D模型中显示导管的部分的位置；更新该导管的该部分的所显示的位置；接收第二磁共振信号并生成第二MRI图像数据集；接收该第二MRI图像数据集中该导管的远侧端部的指示；以及在该3D模型中更新该导管的该远侧端部和该目标的相对位置。

Description

基于MRI的导航

技术领域

本公开涉及外科手术成像系统，并且更具体地涉及用于辅助临床医生将导管和其他工具导航到患者体内的特定位置以进行活检和治疗同时减少患者和外科手术团队的电离辐射暴露的系统和方法。

背景技术

存在若干通常应用的医学方法诸如内窥镜手术或微创手术用于诊断或治疗各种影响器官（包括肝、脑、心脏、肺、胆囊、肾和骨骼）的疾病。通常，临床医生采用诸如计算机断层扫描（CT）、荧光透视和其他基于x射线辐射的成像技术的一种或多种成像模态来识别并导航到患者体内的关注区域以及最终导航到特定位置（例如，用于活检或治疗的目标）。

例如，已经证明内窥镜方法在导航到患者体内的关注区域时是有用的，并且特别地对于身体的管腔网络内的区域（诸如肺部）也是如此。为了使内窥镜方式成为可能，并且更特别地为了使支气管镜方式在肺中成为可能，已经开发了支气管内导航系统，其使用手术前的或者预先获取的CT图像数据来生成特定身体部分的三维（3D）渲染或模型。另外的发展已经使得能够使用荧光透视图像，其可以在手术中并且以低得多的成本生成。无论是使用CT图像数据还是荧光透视图像数据，然后利用由图像数据生成的所得3D模型或渲染来创建或修改导航规划，以促进导航导管（或其他适合的医疗装置）单独或穿过支气管镜或引导鞘和管腔网络例如患者的肺的气道前进到被识别的目标或关注区域。

为了有用地导航到患者的肺内的目标或关注区域，必须使从手术前的图像中得出的肺的3D模型或渲染配准到患者的肺。在初始配准和随后导航到先前识别的目标的导航附近之后，通常需要捕获额外的手术中图像数据（例如，CT图像数据、锥形束CT图像数据或荧光透视图像数据）以便校正CT到身体的发散（即，进行局部配准）。局部配准的目的是确定导航导管和目标的原位相对位置，并且更新它们在从手术前成像形成的3D模型中的相对位置。在活检或治疗工具在目标中的进一步导航和放置之后，还可以获取进一步的手术中成像以确认在目标中的放置。

所获取的患者的所有这些图像数据集增加了由患者接收的总电离辐射剂量。类似地，由于这些图像数据集中的多个图像数据集是在手术中获取的，因此医疗团队（肺科医生、外科医生、护士等）每个手术接收多剂量的电离辐射，并且因此当他们在他们的职业生涯中检查和治疗许多患者时可能接收显著的和破坏性的暴露。

因此，虽然当前系统对于它们的预期目的是非常有用的并且已经用于诊断和治疗许多人，但是该系统总是可以使用改进。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种用于管腔导航的系统。该系统包括：导管，该导管被配置用于在患者的管腔网络内导航，该导管包括传感器；计算装置，该计算装置包括处理器和计算机可读存储器，该计算机可读存储器上存储有指令，这些指令在由处理器执行时：从磁共振图像（MRI）扫描仪接收磁共振信号并生成MRI图像数据集；由MRI图像数据集生成三维（3D）模型；生成穿过3D模型到达目标的路径；确定传感器在患者体内的位置；使得在3D模型中显示导管的部分的位置；以及更新导管的该部分的所显示的位置；接收第二磁共振信号并生成第二MRI图像数据集；接收第二MRI图像数据集中导管的远侧端部的指示；以及在3D模型中更新导管的远侧端部和目标的相对位置。该方面的其他实施方案包括各自被配置为执行本文描述的方法和系统的动作的对应的计算机系统、设备和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序。

本公开的该方面的具体实施可包括以下特征中的一个或多个特征。该系统其中指令在由处理器执行时使得在3D模型中显示导管的远侧端部和目标的更新的相对位置。指令在由处理器执行时接收第三磁共振信号以形成第三MRI图像以确认导管、活检工具或治疗工具在目标中的放置。指令在由处理器执行时确定在3D模型中是否存在更多目标。指令在由处理器执行时使得显示3D模型和到达第二目标的路径。该系统还包括生成磁共振信号的磁共振扫描仪。指令在由处理器执行时引起电磁场的生成，并且传感器是电磁传感器。该系统还包括生成电磁场的发射器垫。MRI扫描仪的磁线圈生成电磁场。传感器是惯性测量单元。所描述的技术的具体实施可包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在系统上的软件、固件、硬件、或它们的组合，该软件、固件、硬件或它们的组合在操作中使系统执行动作。一个或多个计算机程序可被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当被数据处理设备执行时，该指令使得设备执行动作。

本公开的另一个方面涉及一种将导管导航到患者体内的目标的方法。导航方法还包括：从磁共振图像（MRI）扫描仪接收磁共振信号并生成MRI图像数据集；由MRI图像数据集生成三维（3D）模型；生成穿过3D模型到达目标的路径；确定传感器在患者体内的位置；基于所确定的传感器的位置使得在3D模型中显示导管的部分的位置；以及更新导管的该部分的显示位置；接收第二磁共振信号并且生成第二MRI图像数据集；接收第二MRI图像数据集中导管的远侧端部的指示；以及在3D模型中更新导管的远侧端部和目标的相对位置。该方面的其他实施方案包括各自被配置为执行本文描述的方法和系统的动作的对应的计算机系统、设备和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序。

本公开的该方面的具体实施可包括以下特征中的一个或多个特征。该方法还包括使得在3D模型中显示导管的远侧端部和目标的更新的相对位置。该方法还包括接收第三磁共振信号以形成第三MRI图像以确认导管、活检工具或治疗工具在目标中的放置。该方法还包括生成电磁场和确定传感器在电磁场中的位置。电磁场由发射器垫生成。MRI扫描仪的磁线圈生成电磁场。所描述的技术的具体实施可包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在系统上的软件、固件、硬件、或它们的组合，该软件、固件、硬件或它们的组合在操作中使系统执行动作。一个或多个计算机程序可被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当被数据处理设备执行时，该指令使得设备执行动作。

本公开的又另外的方面涉及一种将导管导航到患者体内的目标的方法。导航方法还包括：从磁共振图像（MRI）扫描仪接收磁共振信号并生成MRI图像数据集；由MRI图像数据集生成三维（3D）模型；生成穿过3D模型到达目标的路径；确定导管的远侧部分在3D模型内的位置；使得在3D模型中显示导管的至少远侧部分的位置；以及接收来自并入到导管中的传感器的信号；基于接收到的信号更新导管的至少部分的显示位置；接收第二磁共振信号并生成第二MRI图像数据集，其中第二MRI图像数据集被聚焦到靠近传感器的区域；以及基于第二MRI图像数据集更新3D模型中导管的远侧部分的显示位置。该方面的其他实施方案包括各自被配置为执行本文描述的方法和系统的动作的对应的计算机系统、设备和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序。

本公开的该方面的具体实施可包括以下特征中的一个或多个特征。在该方法中，传感器是惯性测量单元（IMU）。在该方法中，导管的远侧部分的更新的显示位置被用来消除IMU的漂移。该方法其中将额外的MRI图像数据集聚焦到靠近传感器的区域；以及基于第二MRI图像数据集来更新3D模型中导管的远侧部分的显示位置，以及采用导管的更新的显示位置来消除IMU的漂移。所描述的技术的具体实施可包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在系统上的软件、固件、硬件、或它们的组合，该软件、固件、硬件或它们的组合在操作中使系统执行动作。一个或多个计算机程序可被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当被数据处理设备执行时，该指令使得设备执行动作。

附图说明

下文中参考附图描述了本发明的各个方面和特征，其中：

图1描绘了根据本公开的成像和管腔网络导航系统的示意图；

图2是根据本公开的成像和管腔网络导航系统的透视图；

图3是根据本公开的床边磁共振成像装置的透视图；并且

图4是根据本公开的方法的流程图。

具体实施方式

本公开涉及外科手术成像系统，并且更具体地，涉及用于辅助临床医生将导管和工具导航到患者体内的目标以进行活检和治疗同时减少患者和外科手术团队的电离辐射暴露的系统和方法。为了显著减少患者和医务人员的电离辐射暴露，不是采用手术中荧光透视、CT或锥形束CT图像数据，而是采用诸如磁共振成像（MRI）的非辐射成像模态。通过不采用手术前成像，而是利用手术中MRI图像数据集来识别目标以导航到并生成3D模型，可以进一步减少患者的电离辐射暴露。

现在参考图1，其是被配置为与本公开的方法（包括图4的方法）一起使用的系统1000的示意图。系统1000可以包括工作站1001，并且任选地包括成像装置，诸如床边成像装置1015（例如，MRI扫描仪和/或荧光镜1015和/或锥形束CT扫描仪）。在一些实施方案中，工作站1001可以直接或间接地（例如，通过无线通信）与成像装置1015联接。工作站1001可包括存储器1002、处理器1004、显示器1006和输入装置1010。处理器或硬件处理器1004可包括一个或多个硬件处理器。工作站1001可任选地包括输出模块1012和网络接口1008。存储器1002可存储应用程序1018和图像数据1014。应用程序1018可包括可由处理器1004执行以用于执行本公开的方法（包括图4的方法）的指令。如将理解的，存储器1002和处理器1004可被体现在云中以减轻本地数据存储和处理要求的负载。

应用程序1018可进一步包括用户界面1016。图像数据1014可以包括MRI数据扫描和从MRI数据扫描得出的3D模型和/或在手术前或手术中（例如，利用未示出的荧光镜）获取的患者的任何其他图像数据（例如，来自CT、荧光镜或超声）。处理器1004可以与存储器1002、显示器1006、输入装置1010、输出模块1012、网络接口1008和成像装置1015联接。工作站1001可以是固定计算装置诸如个人计算机，或便携式计算装置诸如平板计算机。工作站1001可嵌入多个计算机装置。

存储器1002可以包括用于存储数据和/或软件的任何非暂态计算机可读存储介质，该数据和/或软件包括可由处理器1004执行并且控制工作站1001的操作并且在一些实施方案中也可以控制成像装置1015的操作的指令。成像装置1015可用于捕获图像的序列，基于该序列生成3D模型。在一个实施方案中，存储器1002可包括一个或多个存储装置，诸如固态存储装置，例如闪存存储器芯片。另选地或除一个或多个固态存储装置之外，存储器1002还可包括通过大容量存储控制器或云或边缘存储系统（未示出）和通信总线（未示出）而连接到处理器1004的一个或多个大容量存储装置。

尽管本文所含的对计算机可读介质的描述是指固态存储装置，但是本领域技术人员应当理解，计算机可读存储介质可以是处理器1004可访问的任何可用介质。即，计算机可读存储介质可包括以用于存储信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的任何方法或技术实现的非暂态、易失性和非易失性、可移动和不可移动的介质。例如，计算机可读存储介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存存储器或其他固态存储器技术、CD-ROM、DVD、蓝光或其他光学存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可用于存储期望信息并且可以由工作站1001访问的任何其他介质。

应用程序1018可在由处理器1004执行时使得显示器1006呈现用户界面1016。如将理解的，可以采用任何显示器，包括监测器或屏幕，但也包括增强现实、虚拟现实或扩展现实耳机。用户界面1016可以被配置为向用户呈现屏幕，该屏幕包括从医疗装置的尖端的视角观察的目标的3D模型的三维（3D）视图。还可以显示另外的视图，包括从导管102的远侧端部进一步向后一段距离的透视图以示出远侧尖端和目标，气道外部视图以示出导管102、气道和目标。用户界面1016可被进一步配置为根据医疗装置尖端是否在三个维度上与目标对准而以不同的颜色显示目标标记。这可以通过显示一个或多个X、Y、Z矢量来增强，以示出任何未对准的方向和未对准的幅度。在采用荧光镜的情况下，用户界面1016可以显示示出导航导管和目标的实况二维（2D）荧光透视视图。此外，还可以启用图像数据集的叠加和融合，而不管何时获取或模态如何（例如，目标的3D模型与实况2D荧光透视图像的叠加或融合/在实况2D荧光透视图像上的叠加或融合）。如将理解的，可以采用或需要在捕获荧光透视图像时旋转荧光镜以使用荧光镜生成层析X射线照相组合和3D视图。

网络接口1008可被配置为连接到网络，诸如由有线网络和/或无线网络组成的局域网（LAN）、广域网（WAN）、无线移动网络、蓝牙网络和/或互联网。因此，系统的任何硬件部件可采用与系统的其它部件的有线或无线通信。网络接口1008可以用于在工作站1001与成像装置1015之间进行连接。网络接口1008也可用于接收图像数据1014。输入装置1010可以是用户可通过其与工作站1001交互的任何装置，诸如，例如鼠标、键盘、脚踏板、触摸屏和/或语音界面。输出模块1012可包括任何连接端口或总线，诸如，例如并行端口、串行端口、通用串行总线（USB）或本领域技术人员已知的任何其他类似连接端口。

图2描绘了用于促进经由肺部的气道将医疗装置（例如，导管）导航到软组织目标的示例性系统的透视图。系统100可被进一步配置为由2D荧光透视图像构造目标区域的基于荧光透视的三维体积数据，以确认到期望位置的导航。系统100可被进一步配置为促进通过使用电磁导航（EMN）使医疗装置接近目标区域并且被配置用于确定医疗装置相对于目标的位置。一种这样的EMN系统是目前美敦力公司（Medtronic PLC）销售的ILLUMISITE系统，尽管用于管腔内导航的其它系统被认为在本公开的范围内，包括检测导管远侧部分的形状并将该形状与3D模型中的管腔网络的形状相匹配的形状感测技术。

系统100的一个方面是用于检查手术前图像扫描数据的软件部件。传统上，图像扫描数据是与系统100分开获取的计算机断层扫描（CT）图像扫描数据。然而，根据本公开的一个方面，图像扫描数据可以是MRI扫描数据，诸如可以从如图3中所描绘的床边MRI装置200接收到的。对图像数据的检查允许用户识别一个或多个目标、规划到达所识别的目标的路径（规划阶段）、使用计算装置122上的用户界面将导管102导航到目标（导航阶段）以及确认传感器104相对于目标的放置。该目标可以是通过在规划阶段期间检查图像扫描数据而识别的关注组织。在导航之后，诸如活检工具或治疗工具（例如，微波消融工具、RF消融工具、冷冻消融工具、在递送工具期间或另一相关工具）等医疗装置可以被插入到导管102中，以从位于目标处或接近目标的组织获得组织样本。

如图2所示，导管102是导管引导组件106的一部分。在一个实施方案中，导管102被插入到支气管镜108中，用于进入患者P的管腔网络。具体地，导管引导组合件106的导管102可以插入支气管镜108的工作通道中，用于通过患者的管腔网络导航。导管102本身可以包括成像能力，并且支气管镜108不是严格要求的。包括传感器104的可定位引导件（LG）110（第二导管）可以插入导管102中并锁定在适当位置，使得传感器104延伸超过导管102的远侧尖端所需的距离。可得到电磁场内传感器104相对于参考坐标系的位置和取向，以及因此导管102的远侧部分的位置和取向，如下文进一步详细描述的。导管引导组件106目前由美敦力公司以商品名SUPERDIMENSION^®手术套件或EDGE^™手术套件进行市场销售和出售，并且被认为可与本公开一起使用。

系统100一般包括：操作台112，该操作台被配置为支撑患者P；支气管镜108，该支气管镜被配置为通过患者P的口插入患者P的气道；监测设备114，该监测设备联接到支气管镜108或导管102（例如，视频显示器，用于显示从支气管镜108的视频成像系统或导管102接收的视频图像）；定位或跟踪系统114，该定位或跟踪系统包括定位模块116、多个参考传感器18和发射器垫120，该发射器垫包括多个并入的标记物；和计算装置122，该计算装置包括软件和/或硬件，该软件和/或硬件用于促进对目标的识别、到目标的路径规划、医疗装置到目标的导航，和/或对导管102或穿过其的合适装置相对于目标的放置的确认和/或确定。

根据本公开的各方面，医疗装置（例如，活检工具）朝目标（例如，病变）的体内导航的可视化可以是导航系统的更大工作流程的一部分。传统上，系统100的该特定方面中还包括能够获取患者P的荧光透视或X射线图像或视频的荧光透视成像装置124。由荧光透视成像装置124所捕获的图像、图像序列或视频可存储在荧光透视成像装置124内，或传输到计算装置122以用于存储、处理和显示。另外地，荧光透视成像装置124可相对于患者P移动，使得可从相对于患者P的不同角度或视角获取图像，以创建荧光透视图像的序列（诸如荧光透视视频）。当捕获图像时，荧光透视成像装置124相对于患者P的姿态可以经由与发射器垫120结合的标记物来估计。标记物定位在患者P之下、患者P与操作台112之间以及患者P与荧光透视成像装置124的辐射源或感测单元之间。与发射器垫120一起并入的标记物可以是可以固定的方式耦接或另选地可被制造为单个单元的两个单独元件。荧光透视成像装置124可包括单个成像装置或多于一个成像装置。

虽然荧光透视成像装置124传统上已经用于手术中成像并且仍然可以结合本公开的各方面来采用，但是在不脱离本公开的范围的情况下，也可以或者另选地采用另选成像装置，诸如图3中描绘的便携式MRI扫描仪200。因为荧光透视成像装置124和MRI扫描仪200通常都是便携式的，所以它们可以在不脱离本公开的范围的情况下另选地或彼此结合地使用。

计算装置122可以是包括处理器和存储介质的任何合适的计算装置，其中处理器能够执行存储在存储介质上的指令。计算装置122还可以包括数据库，该数据库被配置为存储患者数据、包括CT图像数据集（如果有的话）的图像数据集、MRI图像数据集、包括从图像数据集得出的3D模型的荧光透视图像数据集、体积重建、导航规划以及任何其他这样的数据。尽管未明确示出，但是计算装置122可以包括输入，或者可以以其它方式被配置为接收本文描述的图像数据集。另外地，计算装置122包括被配置为显示图形用户界面的显示器。计算装置122可以连接到一个或多个网络，通过该一个或多个网络可以访问一个或多个数据库。

关于规划阶段，计算装置122配置有一个或多个应用程序，这些应用程序利用图像数据集来生成和允许查看患者P的气道的三维模型或渲染，使得能够标识三维模型上的目标（自动、半自动或手动），并且允许确定通过患者P的气道到位于目标处和目标周围的组织的路径。更具体地，图像数据集可以被处理并组装成三维体积，随后利用该三维体积来生成患者P的气道的三维模型。该三维模型可以在与计算装置122相关联的显示器上显示，或者以任何其他合适的方式显示。使用计算装置122，呈现了三维模型或由三维模型生成的增强的二维图像的各个视图。增强的二维图像可以具有某些三维能力，因为它们是由三维数据生成的。可操纵三维模型以促进对三维模型或二维图像上的目标的识别，并且可进行对通过患者P的气道进入位于目标处的组织的合适的路径的选择。如将理解的，二维荧光透视图像是将整个体积压缩到单个平面中。因此，对于所描绘的每个二维图像，可以显示3D体积中的平面的取向以提供关于荧光透视成像装置相对于3D体积的取向的信息。一旦进行选择，就可以保存路径规划、三维模型以及由其得到的图像并且将其导出到导航系统中（如果需要）以用于在导航阶段期间使用。

关于导航阶段，确定导管102的位置的一种传统方法采用六自由度电磁定位或跟踪系统114，或用于确定导管102的远侧部分的位置和取向的其他合适系统。跟踪系统114可以例如用于执行图像和路径的配准以进行导航。跟踪系统114包括跟踪模块116、多个参考传感器118和发射器垫120（包括标记物）。跟踪系统114被配置为用于与可定位引导件110特别是传感器104一起使用。如以上所描述的，可定位引导件110和传感器104被配置用于穿过导管102插入到患者P的气道中（利用或不利用支气管镜108），并且可经由锁定机构相对于彼此选择性地锁定。

发射器垫120定位在患者P下方。发射器垫120在患者P的至少一部分周围生成一个或多个电场或电磁场，在该电场或电磁场内，多个参考传感器118和传感器104的定位可使用跟踪模块116来确定。一个或多个另外的电磁传感器126也可以并入到导管102的端部中。第二电磁传感器126可以是五自由度传感器或六自由度传感器。参考电极118中的一个或多个参考电极附接到患者P的胸部。需要执行配准来协调来自规划阶段的三维模型和二维图像与如通过支气管镜108所观察到的患者P的气道的位置，并允许在知道传感器104的位置的情况下进行导航阶段。然而，如下面进一步详细讨论的，在由便携式MRI装置200获取手术前成像并且患者P不从获取图像并且将进行手术的操作台112移动的实施方案中，可以不需要配准，或者可以仅在导航到目标组织附近之后的手术的稍后阶段需要配准。

在需要配准的情况下，患者P在发射器垫120上的位置的配准可以通过移动传感器104通过患者P的气道来执行。更具体地，涉及当可定位引导件110移动通过气道时传感器104的位置的数据使用发射器垫120、参考传感器118和跟踪系统114记录。将由此位置数据产生的形状与在规划阶段中生成的三维模型的传递的内部几何形状进行比较，并且例如利用计算装置122上的软件确定基于比较的形状与三维模型之间的位置相关性。除此之外，软件识别三维模型中的非组织空间（例如，填满空气的腔）。软件将表示传感器104的位置的图像与三维模型和/或由三维模型生成的二维图像对准或配准，这是基于记录的位置数据和可定位引导件110仍定位在患者P的气道中的非组织空间中的假设。另选地，手动配准技术可通过以下来采用：将具有传感器104的支气管镜108导航到患者P的肺部中的位置处，并将来自支气管镜的图像与三维模型的模型数据手动关联。另外地或另选地，可以在3D体积中识别导管的远侧尖端，并且将3D体积手动地与手术前图像对准。

尽管在本文中关于使用EM传感器的EMN系统进行了描述，但本公开不限于此，并且可以与柔性传感器、超声传感器、惯性测量单元（传感器）结合使用或在没有传感器的情况下使用。另外地，本文描述的方法可以与机器人系统结合使用，以使得机器人致动器驱动导管102或支气管镜108接近目标。这些机器人系统可以是自主的、半自主的或非自主的系统，它们是马达驱动的，但是被外科医生控制或监督。

在本公开的一个方面，患者可以被放置在操作台112上以使用便携式MRI扫描仪200进行成像。患者P被放置成使得他们的胸部位于MRI扫描仪200的电磁体206的上磁线圈202和下磁线圈204之间。将合适的射频脉冲信号施加到上磁线圈202和下磁线圈204生成足够强度和均匀性的磁场，使得MR信号从放置在磁场中的任何物体（例如，患者P的至少一部分，诸如胸部）发射。根据方法400，所发射的MR信号被捕获并编译以形成MRI图像数据集，该MRI图像数据集在步骤402处被存储在计算装置122中。如将理解的，本文描述的所有MRI图像数据集可以在有或没有造影剂的情况下被捕获。在本公开的一个方面中，由MRI扫描仪200获取的图像数据集是针对手术获取的第一图像数据集，并且是在手术时获取的。根据该方面，在获取MRI图像数据集之后，在步骤404，经由驻留在计算装置122上的一个或多个应用程序生成3D模型，并将其呈现在与计算装置122相关联的显示器上。如上所述，可以分析和检查3D模型或所获取的MRI图像数据集以识别目标组织和到目标组织的路径。

尽管一般在仅MRI成像的上下文中进行描述，但是本申请不限于此，并且本领域技术人员将理解，即使在步骤404生成的3D模型实际上是从CT扫描生成的3D模型，也可以类似地采用方法400。然后，该3D模型可能需要配准步骤以将3D模型配准到患者，并且使得能够进行准确的管腔导航以及导管102和（多个）目标的相对位置的融合、叠加或更新，如本文中别处所述。一旦目标和路径在MRI图像数据集中被识别和规划，导管102可以被插入到患者P中并且可以进行到目标的导航。如同其他导航系统一样，在步骤406处，可在计算装置122的显示器上显示通过气道到目标的路径。

如上所述，导管102可以包括一个或多个传感器104、126。根据本公开，上磁线圈202或下磁线圈204中的一者可用于在步骤408处生成电磁场（例如，代替发射器垫120）。传感器104、126检测电磁场，该电磁场先前已经被映射到MRI扫描仪200和其被放置在的外科手术室。在步骤410，电磁场的映射使得能够分析由传感器104、126接收的信号以确定传感器104、126在电磁场内的位置。

然后，在步骤412，可以使用与计算装置122相关联的显示器，在由MRI扫描仪200获取的3D模型和/或2D图像中显示传感器104、126在电磁场中的检测位置。因此，在步骤414，当导管102沿着路径前进时，传感器104、126的位置和导管102的远侧部分的位置可以被更新并且在显示器上的3D模型中显示。如上所述，因为采用MRI扫描仪200来生成3D模型，所以MRI扫描仪200的坐标系以及特别是由上磁线圈202和/或下磁线圈204生成的电磁场与3D模型必然地且自动地彼此配准，因此不需要进行任何额外的配准步骤，该额外的配准步骤在利用使用位于手术室外部的位置处的单独成像装置（例如，CT图像扫描仪）获取的手术前图像时可能是需要的。

如上所述，一旦导管的远侧部分被导航到例如目标的约3cm内，则先前已经采用局部配准来更新导管102的远侧部分和目标的相对位置。在不脱离本公开的范围的情况下，荧光镜124仍可用于此目的。然而，作为采用X射线并因此使患者P和外科手术团队经受电离辐射的荧光镜124的使用的另选方案，可以使用MRI扫描仪200，尽管如上所述，当使用相同的MRI扫描仪200而不在手术期间移动患者P时，不需要图像数据集之间的配准。

结合MRI扫描仪200的使用，可以在步骤416获取第二MRI图像数据集。该第二MRI图像数据集对于在导管102导航到目标附近之后评估导管102和目标的相对位置是有用的。如已知的，肺的组织具有弹性和柔性性质，并且因此由于导管102、支气管镜108或其他工具通过患者的气道的位置和取向的导航，所以气道自身与它们在导航之前的位置相比可能变形。结果，为了确保活检或治疗工具（例如，微波消融导管）能够被准确地放置在目标组织中，第二MRI图像数据集描绘了肺和处于它们潜在变形位置的气道。

为了帮助分辨导管102，导管102可以包括一个或多个MRI可见标记物，这些标记物可以被并入到导管102中。MRI可见标记物的使用可以是对电磁传感器104、126的补充或替代。在导管102的远侧部分处或沿着导管的长度的MRI可见标记物使得能够在第二MRI图像数据集中清楚地识别导管102。

在获取第二MRI图像数据集之后，在步骤418，可以再次识别导管102的远侧端部和目标，并且通过计算装置122上的一个或多个应用程序计算它们相对于彼此的位置和取向。该相对位置和取向可用于生成并更新从当前位置到目标的路径。此外，还可以从第二MRI图像数据生成第二3D模型，可以在计算装置的显示器上显示第二3D模型，并且可以将导管102导航到距离目标最后几厘米。如果需要，在步骤420，可以在计算装置122的显示器中获取和检查第三MRI图像数据集，以确保导管102或活检或治疗工具已经被适当地插入到目标中。在第一MRI图像数据集展示多个目标的情况下，在活检或治疗工具的放置的确认和目标的活检或治疗的获取之后，并且至少一个目标保持在步骤422处被导航到，第一3D模型可以再次从计算装置122的存储器中被选择并且在步骤424处与到其他目标的路径一起被显示在相关联的显示器上，并且该方法返回到步骤410并且该过程继续直到所有目标都被导航到并且应用活检或治疗。

如将理解的，在活检的获取或治疗工具到病变或目标中的插入期间，可能期望MRI扫描仪200连续地捕获MRI图像数据集（例如，步骤418和420的组合）并且连续地显示导管102和目标的更新的相对位置，直到活检或治疗被准确地放置在病变或目标内。这可以伴随着在步骤418处对导管102的远侧端部（确定或不确定导管的轨迹）和目标的识别，或者可以省略步骤418。

另外地或另选地，本文预期导管102的初始导航可以在没有任何成像（例如，如支气管镜那样）的情况下发生，直到到达目标附近。例如，该目标可能已经在一些手术前成像中被检测到。在该导航之后，可以获取初始MRI图像数据集以确定导管102和目标的相对位置和取向。在确定之后，MRI图像获取可以是连续的，直到诊断或治疗工具被插入到目标组织中。

如上所述，导管102可以包括在MRI成像下可见的标记物。这些标记物使得能够在不需要电磁传感器104、126的情况下对导管进行导航。这在不需要导航到肺内的极外周部位的情况下可能是特别有用的。代替利用电磁传感器104、126和光学传感器（例如，如通常在内窥镜或支气管镜上采用的）。在步骤404获取第一MRI图像数据集并且在步骤406生成第一3D模型之后，生成一组逐向指示。这些逐向指示使得肺科医生或外科医生能够使用光学传感器将导管102导航到目标。当通过导管102的导航到达时，在气道中的每个分叉处，逐向指示提供了进入哪个气道的指示。再次，当导管102接近目标时，或者在肺科医生或外科医生不确定进入哪个分叉的任何时候，可以利用MRI扫描仪200捕获另一MRI图像数据集。根据在导管102上采用的标记物的数量，在MRI中可见的标记物提供了对导管102的远侧部分或导管102的整个长度的位置的手术中检查。每个MRI图像数据集可以输出修订的逐向指示集以引导肺科医生或外科医生到达目的地，并且这些步骤可以根据需要重复多次，直到导管102到达目标。此外，每个随后的MRI数据集也可以代替显示的先前3D模型或者可以用于校正显示的当前3D模型的配准。

如将理解的，利用上述方法，患者P和外科手术人员所暴露于的电离辐射的量被大大减少，并且潜在地被完全消除。然而，MRI扫描仪并非没有它们的问题。如已知的，当铁质材料存在于所生成的场中时，高场强装置（例如，1.5特斯拉（T）-3T）可能对患者P造成伤害。然而，相信一些低场强MRI扫描仪（例如，0.2T）和极低场强MRI扫描仪（例如，0.1T、50mT和20mT）可以在没有潜在破坏性加热效应的情况下操作。

MRI扫描仪的另一方面是捕获MRI图像数据集所通常需要的时间。完整的MRI图像数据集通常需要30分钟至甚至1小时以捕获期望的图像。为了解决该问题的至少一部分，根据本公开，第二和随后的MRI图像数据集的扫描体积可以被减小到仅在导管102的远侧部分周围的体积。将扫描数据聚焦到足够小以允许在导管102的远侧部分周围进行实时扫描的区域减少了扫描花费的时间量。这具有额外的益处，即由于较短的扫描时间，其应当较少地受患者运动影响。根据上述实施方案，在不使用电磁导航的情况下，在诸如导管102的远侧部分、靠近病变的区域以及可能由肺科医生或外科医生沿着规划路径选择的其他位置等位置处使用多个连续的、潜在的空间相邻的或叠加的小体积扫描。这些可以以规则间隔进行，或者例如在一定数量的逐向导航步骤之后进行。通过以规则间隔进行多次扫描，当导管102穿过患者的肺直到到达目标时，可以在MRI图像中视觉地跟踪该导管。

作为进一步的另选或另外选项，MRI扫描数据的质量可以根据扫描的期望输出而变化。在需要大图像体积但是总体质量不太重要的情况下（例如，对于初始扫描，或者对于快速确认遵循气道的哪个分支），可以在整个体积的切片中的切片之间以更宽距离来执行扫描。这使得扫描能够更快地完成。随后，根据需要，也可以相对快速地获取较高质量但较小体积的高分辨率扫描，并且将其与较低质量的MRI数据集叠加或融合。由于速度，这样的小体积扫描可以被定时以最小化患者的移动（例如，在心动周期期间或通气周期的部分期间移动到特定点）。

MRI数据集的质量和扫描时间的差异的另一方面可以通过使用初始的非常高扫描质量的MRI数据集来实现。如将理解的，这种高质量扫描可能花费大量时间，并且可以在手术前或者甚至在与可以进行手术的外科手术室的位置不同的位置处获取。该高质量MRI数据集和从该MRI数据集得出的图像是患者的所有未来导航的基线。然而，在手术期间，MRI扫描仪可以被设置为使得仅获取接近导管102的远侧部分的窄视场。该较窄视场MRI数据集可以具有比原始MRI图像数据集更低的质量，并且被采用并且周期性地或者甚至连续地更新导管102的远侧部分在患者体内的位置。来自较窄视场MRI图像数据集的数据可以或可以不与原始MRI数据集融合。在一个方面中，导管102的位置被确定并用于更新从初始MRI图像数据集生成的3D模型中的所显示的位置。

尽管上文结合生成电磁场的上磁线圈202和/或下磁线圈204进行描述，但本发明不限于此。相反，根据本公开的一个方面，发射器垫120被放置在上磁线圈202和下磁线圈204之间，例如在患者下方，并且被用来生成电磁场，使得传感器104、126检测电磁场中的位置。发射器垫可以在导航期间通电，然后在捕获MRI图像数据扫描的任何时候被断电。以这种方式，电磁场不会彼此干扰。这可以以软件互锁的形式实现，其中如果发射器垫120通电则MRI扫描仪200不能通电，反之亦然。

另选地，不是发射器垫120经由多个天线生成和发射多个电磁场，而是天线可以是接收天线。如上所述，MRI扫描仪200生成电磁场。电磁场可被接收天线检测到。当导管102被放置到由MRI扫描仪200生成的电磁场中时，磁场的干扰也被检测到，并且基于干扰的位置和幅度，导管的位置能够被检测到。导管102可以形成有铁质尖端，使得由铁质尖端引起的干扰大于导管的其他部件，使得远侧尖端的位置更明显。

在本发明的又一方面中，代替发射器垫120使用通过发射器垫120的天线发射的可听范围中的离散频率，可采用所有发射天线上的公共载波频率。每个发射天线可以用特定的数字信号寻址。对于9天线系统，数字信号可以是简单的3位二进制信号（例如，001、010、011……110、111）。如本领域的技术人员将理解，在具有较多天线的阵列中可能需要较大数目的位地址。发射信号可能很复杂，无论是否加密，以防止逆向工程。

公共载波频率的使用允许在分布式网状网络中使用更多天线元件。每个元件被唯一地寻址并且允许更大的电磁场分辨率。传感器104、126从特定天线配对连同相邻天线接收信号。从特定天线和相邻天线两者接收的信号的组合提供了导管元件在电磁场中的特定位置的更大分辨率。为了确保信号的适当分辨率，可以采用奇偶校验位或校验和来确认从特定天线接收到信号，以努力减小来自外部磁场的任何诱发误差的影响。

如上所述，本公开的一个方面涉及传感器在导管102内的使用。以上简要标识的一种传感器类型是惯性测量单元（IMU）。IMU是一种电子设备，它使用一个或多个加速度计来检测线性加速度、使用一个或多个陀螺仪来检测旋转速率、并使用一个或多个磁力计作为航向参考。通常每个轴有一个加速度计、一个陀螺仪和一个磁力计。来自IMU的这些测量结果可由一个或多个软件应用程序使用以计算相对于全局参考的高度、角速率、线性速度及位置。然而，IMU并不完美，且已知遭受导致漂移的误差累积（即，软件应用程序认为IMU所处的位置与实际位置之间的不断增加的误差）。

在用于该应用的上下文中，利用IMU的导管102可用于遵循路径规划。参考图4中描述的工作流程，使用IMU的过程包括在步骤402获取第一MRI图像数据集之前将导管102放置在MRI扫描仪200的视场内。导管102可以在MRI图像数据集中被识别并且提供IMU在患者体内的初始位置。与方法400一样，生成3D模型，并且通过3D模型到所识别的目标的路径形成（步骤404）并且显示（步骤406）。在该过程中的此时，该过程跳至步骤412，在该步骤中，当来自所包括的加速度计、陀螺仪、以及磁力计的数据被计算装置122上的一个或多个应用程序接收并分析时，在计算装置122的显示器上更新导管102并且特别是IMU的所检测的位置和取向。来自IMU的该数据由应用程序转换，以确定IMU的位置和取向与获取MRI图像数据集（从MRI图像数据集生成3D模型）时的位置的变化。然后可以在3D模型中显示这种取向和位置的变化，以提供在导航通过患者期间检测到的导管102的移动的指示。如上所述，IMU随着时间的推移而遭受漂移。因此，以周期性间隔（例如，每几分钟）或在某些决策步骤（例如，分叉）处或一旦在目标附近，可以获取第二MRI图像数据集（步骤416）。如上所述，这可以是仅聚焦在导管102的远侧部分（即，IMU）周围的区域上的非常窄范围的图像数据集。利用第二MRI图像数据集，可以在3D模型中更新导管102的远侧部分的位置。此外，生成IMU的新参考位置，从而消除累积的漂移。与方法400一样，该过程可以重复多次，直到导管被放置在（多个）目标中并且应用活检和治疗。

如将理解的，MRI图像数据集需要与心脏或呼吸循环相联系。因此，新的MRI图像可以用于定位导管102，但总体而言，由于吸气与呼气时胸部扩张等原因，3D MRI图像可能无法完全替代之前的3D MRI图像。尽管如此，识别导管102的位置和目标的相对位置对于用户保持非常有用的。

另选地，导管102可以包括与IMU结合使用的一个或多个光声或超声传感器。这些额外的传感器可以靠近导管102的远侧端部放置。当导管102被推进到患者P的气道中时，光声或超声传感器可以提供来自患者的气道内的图像数据。该数据可以由计算装置122上的一个或多个应用程序进行分析，以确定导管102的位置并且特别是IMU在患者的气道内的位置。由光声或超声成像所确定的位置可用于更新来自IMU的数据以消除漂移。然后可以组合地使用数据来更新从第一MRI图像数据扫描生成的3D模型中的导管102的远侧部分的所描绘的位置。

上面描述了图像融合的概念。在图像融合中，利用来自一个图像数据集的数据来更新第二图像数据集的一部分。在一个示例中，由计算装置122从光声传感器或超声传感器接收的图像数据集（如上所述）由计算装置上的一个或多个应用程序处理，并且相关部分与第一MRI图像数据集融合以更新图像数据集，并且被提供用于更好地区分组织，允许组织类型的识别和区分，或者找到仅能够由更局部的或更聚焦的图像模态确定的患者P的气道的隐藏细节。尽管参考超声和光声图像传感器进行描述，但是本公开不限于此，并且几乎任何图像数据集都可以全部或部分地与第二图像数据集融合。这包括先前的术前CT图像数据集、荧光透视图像数据集、MRI图像数据集以及不脱离本公开的范围的其他数据集。

如将理解的，图像数据集的融合、特别是在不同时间或在不同位置拍摄的那些图像数据集的融合将需要图像数据集的配准。这可以通过识别两个图像数据集中的类似结构来实现，使得两个图像数据集的坐标系可以被定向和对准。

相关地，关于成像，本公开的又一方面采用荧光镜124用于确认目的。荧光镜124长期以来用于确认诸如活检和治疗工具等工具在目标组织中的放置。另外，因为荧光镜124提供“实况图像”，所以在方法400内使用荧光镜124，例如用于最终导航和将导管102或活检或治疗工具插入到目标组织中。更进一步地，在涉及治疗工具的情况下，实况成像允许观察当能量被施加到插入到目标中的治疗工具（例如，RF或微波消融导管）时消融区的生长。虽然使用荧光镜124的确导致患者和外科手术人员受到一定剂量的电离辐射，但是根据本公开，通过与荧光镜124组合使用MRI扫描仪200，净电离剂量仍然比当前的导航、活检和治疗方法显著减少。如将理解的，MRI扫描仪200和荧光镜124可以集成到操作台112中并且根据需要交替地部署。另选地，两种成像模态可以是便携式的，使得它们可以根据需要被部署并且从操作台112移除。在一些实施方案中，MRI扫描仪实际上嵌入在操作台112中，并且荧光镜124由连接到操作台的机械臂支撑。

尽管本文结合消融治疗（例如，RF或微波消融）进行描述，但是本公开不限于此，并且在不脱离本公开的范围的情况下可以应用多种治疗。显然，在可以执行RF或微波消融的位置，也可以通过将低温消融导管放置在目标内并且将低温物质释放在导管内使得能量被低温物质吸收以使目标过冷并且杀死目标的细胞来执行低温消融。另选地，还开发了多种化学消融疗法。这些化学消融疗法中的许多是基于乙醇的，并且当注射到目标细胞中时变性并杀死细胞以实现治疗。

如上所述，当能量被施加到目标时，可以使用荧光镜124实时监测治疗的进展。为了实现类似的效果，化学消融产品可以用造影剂增强，该造影剂在MRI或荧光图像数据集中可见。造影剂的使用确保了治疗被应用于目标并且进一步确保了治疗保留在目标中（例如，在肿瘤的囊内）而不是经由例如淋巴系统从目标排走。

造影剂通常不仅用于增强如上所述的经注射肿瘤的分辨率，而且用于改善由成像模态捕获的图像以识别不同的组织。根据本公开的另一个方面，因为本文所述的成像主要是肺部的成像，因此使用冷空气作为造影剂。在获取期间，冷空气与呼吸机一起循环通过患者的肺。基于MRI扫描仪200在确定组织边界时的机制，肺组织与在肺中循环的空气之间存在显著温差。该冷空气造影剂使得能够确定冷空气在其中循环的气道的边界，并且提高由MRI扫描仪200生成的3D模型的准确度。

回到可与本公开的系统一起使用的疗法，本公开的另一方面涉及导管102的修改。上面描述了通过在导管102的远侧部分上或沿着导管102的长度使用标记物而使导管102在MRI扫描下更可见的修改。类似地，导管102的磁特性。在本公开的一个方面，可以修改（增加或减少）导管本身的磁性或导管的磁性极性。磁性的这些修改可以使得能够使用由MRI扫描仪200本身生成的磁场来操纵导管本身。由MRI扫描仪200生成的磁场可以被调节和操纵以沿着路径将导管推拉至目标，而不必需要手动或机器人操纵导管。

类似于操纵导管102的磁性，导管102的尖端可形成为包括铁质材料。在将导管102放置到目标中之后，可以给MRI扫描仪200通电。如已知的，铁质制品放置在磁场中导致铁质制品发热。通过调节由MRI扫描仪200生成的磁场，可以控制由导管的金属尖端产生的热量以向目标递送足够的热量，使得目标组织变性并且目标（例如，肿瘤）的细胞被杀死并且实现治疗。

虽然已在附图中示出本公开的多个方面，但不意图将本公开限于这些方面，因为本公开意图与本领域所允许的范围一样宽广且应以同样的方式解读本说明书。因此，以上描述不应被解释为限制性的，而仅仅是作为特定方面的例证。

Claims (20)

1.一种用于管腔导航的系统：

导管，所述导管被配置用于在患者的管腔网络内导航，所述导管包括传感器；和

计算装置，所述计算装置包括处理器和计算机可读存储器，所述计算机可读存储器上存储有指令，所述指令在由所述处理器执行时：

从磁共振图像（MRI）扫描仪接收磁共振信号并生成MRI图像数据集；

由所述MRI图像数据集生成三维（3D）模型；

生成穿过所述3D模型到达目标的路径；

确定所述传感器在所述患者体内的位置；

使得在所述3D模型中显示所述导管的部分的位置；以及

更新所述导管的所述部分的所显示的位置；

接收第二磁共振信号并生成第二MRI图像数据集；

接收第二MRI图像数据集中的所述导管的远侧端部的指示；以及

在所述3D模型中更新所述导管的远侧端部和所述目标的相对位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时使得在所述3D模型中显示所述导管的所述远侧端部和所述目标的所更新的相对位置。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时接收第三磁共振信号以形成第三MRI图像，从而确认所述导管、活检工具或治疗工具在所述目标中的放置。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时确定在所述3D模型中是否存在更多目标。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时使得显示所述3D模型和到达第二目标的路径。

6.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括生成所述磁共振信号的磁共振扫描仪。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述指令在由所述处理器执行时引起电磁场的生成并且所述传感器是电磁传感器。

8.根据权利要求7所述的系统，所述系统还包括生成所述电磁场的发射器垫。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述MRI扫描仪的磁线圈生成所述电磁场。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器是惯性测量单元。

11.一种将导管导航到患者体内的目标的方法，所述方法包括：

从磁共振图像（MRI）扫描仪接收磁共振信号并生成MRI图像数据集；

由所述MRI图像数据集生成三维（3D）模型；

生成穿过所述3D模型到达目标的路径；

确定传感器在所述患者体内的位置；

基于所确定的所述传感器的位置，使得在所述3D模型中显示导管的部分的位置；以及

更新所述导管的所述部分的显示位置；

接收第二磁共振信号并生成第二MRI图像数据集；

接收所述第二MRI图像数据集中所述导管的远侧端部的指示；以及

在所述3D模型中更新所述导管的所述远侧端部和所述目标的相对位置。

12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括使得在所述3D模型中显示所述导管的所述远侧端部和所述目标的所更新的相对位置。

13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括接收第三磁共振信号以形成第三MRI图像，从而确认所述导管、活检工具或治疗工具在所述目标中的放置。

14.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括生成电磁场以及确定所述传感器在所述电磁场中的位置。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述电磁场由发射器垫生成。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述MRI扫描仪的磁线圈产生所述电磁场。

17.一种将导管导航到患者体内的目标的方法，所述方法包括：

从磁共振图像（MRI）扫描仪接收磁共振信号并生成MRI图像数据集；

由所述MRI图像数据集生成三维（3D）模型；

生成穿过所述3D模型到达目标的路径；

确定导管的远侧部分在所述3D模型内的位置；

使得在所述3D模型中显示所述导管的至少所述远侧部分的所述位置；以及

接收来自并入到所述导管中的传感器的信号；

基于所接收的信号更新所述导管的至少部分的显示位置；

接收第二磁共振信号并生成第二MRI图像数据集，其中所述第二MRI图像数据集被聚焦到靠近所述传感器的区域；以及

基于所述第二MRI图像数据集更新所述3D模型中所述导管的所述远侧部分的显示位置。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述传感器是惯性测量单元（IMU）。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述导管的所述远侧部分的所更新的显示位置被用来消除所述IMU的漂移。

20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括接收后续磁共振信号并生成另外的MRI图像数据集，其中所述另外的MRI图像数据集被聚焦到靠近所述传感器的所述区域；以及

基于所述第二MRI图像数据集更新所述3D模型中所述导管的所述远侧部分的所显示的位置，以及

采用所述导管的所更新的显示位置来消除所述IMU的漂移。