KR20210096622A - 이미징 장치를 위한 공간 등록 방법 - Google Patents

이미징 장치를 위한 공간 등록 방법 Download PDF

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KR20210096622A
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image
patient
imaging transducer
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KR1020217017821A
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요아브 팔티엘리
이샤이 페레즈
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트리그 메디컬 리미티드
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Abstract

추적 장치에 대해 실시간으로 환자의 이미지들을 등록하는 방법을 제공한다. 이 방법은 환자에 부착된 내부 또는 외부 기준 마커를 기반으로 하지 않고 환자를 지지하는 테이블에 부착된 안내 시스템의 기준 플레이트에 대해 등록이 이루어진다.

Description

이미징 장치를 위한 공간 등록 방법
본 발명은 일반적으로 이미징 변환기의 이미지 평면에 대한 센서의 위치 및 방향의 등록에 관한 것이다.
위치 센서 및 이미징 프로브를 통해 기기를 안내하는 데 사용되는 의료 시스템이 있다. 예를 들어, 이미징 시스템에 의해 표시되는 평면(이미지 평면)의 절대 위치 및 방향은 이미징 프로브에 배치된 위치 센서에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 바늘의 경로와 위치를 추적하려는 경우, 추적 시스템은 이미징 시스템에 의해 획득된 이미지에 대한 바늘의 위치를 추적할 수 있어야 한다.
바늘을 추적하는 한 가지 방법은 바늘 위치 센서를 바늘의 소정의 지점에 부착하고 바늘 끝의 정확한 위치와 방향을 측정하는 것이다. 그러나, 편리한 임의의 위치에서 이미징 변환기에 부착된 이미징 위치 센서는 변환기 위치 센서를 변환기 이미징 평면에 정확하게 관련시키기 위해 변환기의 이미지 평면에 대해 잘 결정된 공간 위치 및 방향을 갖지 않는다. 바늘을 해부학적 표적으로 이동하는 경우 획득한 이미지를 바늘과 향후 경로를 표시하기 위한 배경으로 사용하기 때문에, 이미징 변환기의 위치 센서에 대한 이미징 평면의 정확한 위치와 방향을 계산하는 것이 중요하다.
융합 이미징은 두 가지 다른 이미징 양식을 융합하는 기술이다. 예를 들어, 간 중재 등의(이에 한정되지 않음) 특정 의료 절차에서, 실시간 초음파는 CT, MR 및 양전자 방출 단층 촬영 PET-CT 등의(이에 한정되지 않음) 다른 이미징 방식과 융합된다. 이미징을 융합하려면 초음파 이미지를 다른 이미징 양식 이미지와 등록해야 한다. 선행 기술의 이미징 등록에서는 기준 마커(환자 내부 또는 외부)에 대한 이미지 등록을 필요로 한다.
본 발명은 이하에서 본원에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 이미징 프로브(비제한적으로, 초음파 프로브일 수 있음)에 장착된 위치 센서의 위치 및 방향의 등록을 위한 개선된 방법을 제공하고자 한다. 용어 "프로브" 및 "변환기"는 전체에 걸쳐 상호 교환적으로 사용된다. 추적 장치라고도 하는 위치 센서는 비제한적으로 자기, 광학, 전자기, RF(무선 주파수), IMU(관성 측정 장치), 가속도계 및/또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
추적 장치는 이미징 변환기에 고정되어, 추적 장치의 위치 및 방향과 이미징 변환기의 이미지 평면의 위치 및 방향 간에 유지되는 일정한 공간 관계를 정의한다.
이 일정한 공간 관계를 구하기 위해 보정 방법을 사용할 수 있다. 비제한적인 적절한 교정 방법 중 하나는 이스라엘의 Trig Medical Ltd.에 양도된 미국 특허 제8887551호의 방법이며, 그 개시 내용은 본원에 참조로 포함된다. 이 일정한 공간 관계를 사용하여 프로세서는 추적 장치의 위치와 방향을 기반으로 이미지의 정확한 위치와 방향을 계산할 수 있다.
이러한 보정 방법을 사용하기 위해서는 부착된 추적 장치에 대한 이미지(예를 들어, 초음파 이미지)를 등록하기 위해 등록 절차를 수행해야 한다.
본 발명은 후술하는 바와 같이 이미지 처리 기술을 사용하여 부착된 추적 장치와 함께 이미징 장치의 이미지(예를 들어, 초음파 변환기의 사진)를 사용하여 이 등록 절차를 수행하는 방법을 제공한다.
이 방법에서는 하나 이상의 각도에서 이미지 변환기의 하나 이상의 이미지를 가져오거나 이미지 변환기가 하나 이상의 각도에서 연속적으로 보이는 비디오 클립을 캡처하기 위해 이미징 장치(예를 들어, 카메라, X-Ray, CT)를 사용해야 한다. 추적 장치는 획득한 이미지 중 하나 이상에 나타난다. 추적 장치의 모양과 크기를 알고 있어야 한다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 추적 장치에 대한 이미지들의 등록 방법으로서, 추적 장치가 부착된 이미징 변환기의 이미지를 획득하는 단계, 상기 이미징 변환기 및 상기 추적 장치의 모양 및 치수를 식별하는 단계, 상기 이미징 변환기 및 상기 추적 장치의 공간적 방향을 계산하는 단계, 상기 이미징 변환기 및 상기 추적 장치의 공간적 방향에 기초하여 변환 행렬을 계산하는 단계, 이미징 변환기의 좌표를 부착된 추적 장치의 좌표로 변환함으로써, 상기 이미징 변환기에 상기 이미지의 등록을 제공하는 단계, 상기 이미징 변환기의 이미지 평면을 계산하는 단계, 상기 이미지 평면이 상기 변환기 본체에 대해 일정하고 잘 알려진 공간적 관계를 갖는다고 가정하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 상기 이미징 변환기의 이미지는 이미징 에너지를 방출하는 상기 이미징 변환기의 부분, 상기 추적 장치, 상기 이미징 변환기의 기준 마커를 포함할 수 있다. 상기 식별하는 단계는 이미징 변환기, 이미징 에너지를 방출하는 부분, 추적 장치, 기준 마커의 윤곽을 발견하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 공간적 방향을 계산하는 단계는 상기 추적 장치의 모양을 기준으로 사용하여 상기 이미지에서 임의의 관심 지점 사이의 거리를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이미지 평면의 공간적 위치를 결정하는 단계는 상기 이미지의 각 픽셀의 공간적 위치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 침습 과정 중에 상기 침습 기구의 위치 데이터를 획득하기 위해 침습 기구에 위치 센서를 부착하는 단계, 및 상기 이미징 변환기의 상기 이미지 평면에 대한 상기 위치 데이터를 등록하기 위해 상기 추적 장치를 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 도면과 함께 주어진 이하의 상세한 설명에서 보다 충분히 이해되고 인식될 것이다.
도 1은 본 발명의 비제한적인 실시형태에 따라 이미징 프로브(변환기)에 장착되고 프로브의 이미지 평면을 보여주는 위치 센서(추적 장치)의 단순화된 그림이다.
도 2는 본 발명의 비제한적인 실시형태에 따른 추적 장치에 대한 이미지 등록 방법의 단순화된 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 비제한적인 실시형태에 따른 기준 플레이트, 이미징 테이블, 위치 센서의 단순화된 예시이다.
이제 이미징 프로브(변환기)(12)에 장착된 위치 센서(추적 장치)(10)를 예시하는 도 1을 참조한다. 도 1은 프로브(12)의 이미지 평면을 도시한다. 프로브(12)는 프로브(12)의 좌측 및/또는 우측에 러그 또는 돌출부와 같은 기준 마크(14)를 갖는다.
다음은 본 발명의 방법에 대한 하나의 비제한적인 설명이며, 도 2를 참조하여 설명이 이어진다.
1단계 - 사진/비디오 클립 획득("이미지"라는 용어에는 사진, 포토, 비디오 클립 등이 포함됨). 추적 장치가 부착된 변환기의 하나 이상의 이미지를 획득한다. 획득한 이미지에서 다음이 표시된다.
a. 초음파 에너지(또는 RF와 같은 다른 이미징 양식 에너지)를 방출하는 변환기의 부분을 포함하는 변환기.
b. 부착된 추적 장치.
c. 변환기의 좌측 또는 우측 노치 또는 마커와 같은 변환기의 기준 마커.
2단계 - 이미지 처리 기술을 사용하여 모양 및 치수 식별
이미지를 획득한 후, 당업계에 잘 알려져 있고 상업적으로 이용 가능한 이미지 처리 기술을 사용하여 변환기 및 부착된 추적 장치의 모양을 식별한다. 이 식별 프로세스에서는 변환기, 이미징 에너지(예를 들어, 초음파)를 방출하는 부분(13)(도 1), 부착된 추적 장치, 기준 마커의 윤곽을 발견한다.
3단계 - 식별된 항목의 3D 치수 및 공간적 방향의 계산
부착된 추적 장치의 치수는 알려져 있다. 이 알려진 형상을 사용하여 프로세서는 추적 장치 형상을 기준으로 사용하여 동일한 그림(이미지)에서 관심 지점 간의 거리를 계산한다. 변환기 및 부착된 추적 장치의 윤곽과 세부 사항이 하나 이상의 이미지에서 식별된 후, 추적 장치를 참조하여 이미징 에너지(13)를 방출하는 부분 및 기준 마커(14)의 3D 위치 및 방향을 얻기 위해 식별된 항목을 해석한다.
4단계 - 변환 행렬 계산
변환기에 대한 부착된 추적 장치의 측정 및 상대적 위치 및 방향을 기반으로 변환 행렬이 계산되며, 이는 이미징 시스템 좌표를 부착된 추적 장치 좌표로 변환하는 데 사용된다. 이 행렬은 변환기에 이미지(예를 들어, 초음파 이미지)를 등록하는 것을 나타낸다.
5단계 - 이미지 평면 계산
이미지 평면이 변환기에 대해 일정하고 잘 알려진 위치에 있기 때문에 추적 장치에 대한 이미지 평면의 공간 위치가 결정된다. 또한, 이미지에 표시되는 스케일을 이용하여 추적 장치에 대한 이미지의 각 픽셀의 공간적 위치가 결정된다. 본 발명의 등록 절차와 함께 사용하기 위한 적용 가능한 포지셔닝 시스템 및 추적 장치 중 일부는 다음을 포함하나 이에 한정되지 않는다.
a. 추적 장치가 모든 유형의 자석 또는 자기 센서 또는 자기장 소스 발생기인 자기 포지셔닝 시스템.
b. 추적 장치가 모든 유형의 전자기 센서 또는 전자기 소스 생성기인 전자기 포지셔닝 시스템.
c. 추적 장치가 모든 유형의 초음파 센서(또는 마이크) 또는 초음파 소스 생성기(송신기 또는 변환기)인 초음파 포지셔닝 시스템.
d. 추적 장치가 할당/방향 마커 또는 모든 유형의 광원으로 사용되는 광학 포지셔닝 시스템.
e. 상기 시스템 이외의 위치 시스템 및 장치 또는 상기 시스템의 임의의 조합으로 구성된 시스템.
추적할 기기(예를 들어, 바늘)의 공간적 위치와 방향은 초음파 이미지에 실시간으로 중첩되어 삽입 전 계획을 가능하게 하고 평면 내 및 평면 외 절차에서 삽입시 바늘의 예상 위치와 방향을 보여준다.
추가 특징에는 환자에 사용되는 검사(이미징) 테이블과 침습 기구 안내 시스템을 고려하는 것이 포함된다. 이미지 평면(CT, MRI, X-ray 등)에 대한 검사(이미징) 테이블의 위치가 알려져 있고 이미지에 기록된다. 이 상대적 위치는 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 프로토콜을 통해 얻을 수 있다.
CT, MR, X-ray 이미징 하의 중재 절차에는 스캔 이미지 등록이 필요하다. 선행 기술의 이미징 등록에서는 환자에 부착된 내부 또는 외부 기준 마커와 관련된 이미지를 등록해야 한다. 대조적으로, 본 발명은 환자에 부착된 내부 또는 외부 기준 마커를 기반으로 하지 않고 광학, 초음파, RF, 전자기, 마그네틱, IMU 등과 같은 유형(이에 한정되지 않음)의 위치 센서 또는 송신기를 포함하는 베이스 플레이트(기준 플레이트)(50)에 대해 등록이 이루어지는 새로운 등록 기술을 제공한다.
침습 기구 안내 시스템에는 기준 플레이트가 있는 것으로 가정한다. 침습 기구 안내 시스템의 위치를 알기 위해 침습 기구 안내 시스템을 검사 테이블에 놓아 기준 테이블이 테이블에 고정되도록 하고 검사 테이블에 있는 플레이트의 이미지를 얻을 수 있다. 시스템은 테이블 구조 또는 테이블의 기준 마크에 따라 이미징 테이블의 위치에 대한 플레이트(또는 플레이트에 고정된 알려진 구조)를 식별한다.
기준 플레이트(50)의 3D 좌표는 이미징 테이블과 같은 다른 이미징 방식의 알려진 구조(54)에 대해 알려져 있고 정의된다. 이미징 테이블의 위치는 각 이미징 슬라이스에서 정의된다. 기준 플레이트(50)의 3D 좌표는 이미징 테이블(알려진 구조 (54))에 대해 정의될 수 있다.
이미징 동안 기준 플레이트 및 이미징 테이블에 대한 환자의 임의의 움직임을 보상하기 위해 적어도 하나의 센서가 환자에 부착될 수 있다. 스캔을 수행할 때까지(검사 테이블 상의 플레이트의 이미지를 획득한 후 CT, MRI, X-ray 등으로 환자를 스캔할 때까지) 플레이트가 움직이지 않는다고 가정한다.
스캐닝 후, 스캐닝 슬라이스의 위치는 스캐닝 테이블에 대한 위치가 알려진 플레이트(50)에 대해 등록된다. 따라서, 환자의 위치가 스캔 중에 플레이트에 대해 설정되기 때문에 플레이트는 임의의 위치에 있을 수 있다.
침습 과정 중에 침습 기구의 위치 데이터를 얻기 위해 위치 센서가 침습 기구(예를 들어, 바늘)에 부착된다.
삽입 도구(예를 들어, 바늘)의 공간적 위치와 방향은 타겟을 포함하는 CT/MR/PETCT/X-ray 시상 이미지에 실시간으로 중첩되어 삽입 전 계획을 가능하게 하고 평면 내 및 평면 외 절차에서 삽입시 바늘의 예상 위치와 방향을 보여준다.
또 다른 옵션은 다중 평면 디스플레이를 실시간으로 생성할 수 있는 스캔된 볼륨의 이미지를 효율적으로 계산하는 다중 평면 재구성(MPR) 알고리즘을 사용하는 것이다. 플레이트와 관련된 MPR 볼륨 및 슬라이스의 모든 섹션의 공간적 위치는 이전에 스캔된 시상 이미지 섹션의 알려진 공간적 위치를 기반으로 계산된다. 이 시스템은 바늘을 통과하는 등록된 볼륨의 하나 이상의 단면을 실시간으로 표시하여, 렌더링된 이미지에서 전체 바늘을 표시하는 이점(평면 내 절차)과 함께 모든 바늘 각도에서 평면 외 절차를 허용한다.
또 다른 옵션은 특정 기하학적 구조(예를 들어, 피라미드, 다면체 등)를 가진 플레이트의 외부 또는 내부 특징의 이미지를 해당 슬라이스(들)에 대한 플레이트 위치의 기준으로 표시하는 적어도 하나의 이미지 슬라이스를 사용하는 것이다. 스캐닝 볼륨에서 모든 슬라이스의 공간적 관계가 알려져 있기 때문에 모든 이미지 슬라이스와 관련된 플레이트의 공간적 위치가 결정된다.
이미징 시스템은 바늘(또는 다른 침습 기구)에 부착된 위치 센서와 침습 기구 상의 다른 두 지점의 이미지를 얻는다. 침습 기구의 길이가 이미징 프로세서에 의해 계산될 수 있도록 두 지점이 선택될 수 있다(침습 기구 길이는 손으로 입력할 수도 있다).
본 발명의 비제한적인 실시형태에 따른 기준 플레이트, 이미징 테이블, 위치 센서를 예시하는 도 3a 및 도 3b를 참조한다.
위에서 언급한 바와 같이, 융합 이미징에서는 초음파 이미지를 다른 이미징 양식 이미지와 등록해야 한다. 선행 기술의 이미징 등록에서는 기준 마커(환자 내부 또는 외부)에 대한 이미지 등록을 필요로 한다. 대조적으로, 본 발명은 내부 또는 외부 기준 마커를 기반으로 하지 않고 광학, 초음파, RF, 전자기, 마그네틱, IMU 등과 같은 유형(이에 한정되지 않음)의 위치 센서 또는 송신기를 포함하는 베이스 플레이트(기준 플레이트)(50)에 대해 등록이 이루어지는 새로운 등록 기술을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 플레이트(50)에 대한 환자의 위치는 위치 센서를 환자에 부착함으로써 설정된다. 환자에서 타겟의 이미지 슬라이스를 획득할 때 위치 센서에 의해 감지된 환자의 위치는 바늘 삽입과 같은 침습 과정 중에 환자의 위치를 계산하는 기준이 된다. 위치 센서는 움직일 수 있는 연조직 대신 뼈에 놓이는 등으로 움직이지 않는다. 그러나 위치 센서가 움직이면, 그것 또는 다른 위치 센서(예를 들어, 호흡 또는 기타 요인의 영향을 제거하기 위해 늑골 위 또는 횡경막 아래 피부에 장착)를 사용하여 이 움직임을 감지하고 고려할 수 있다. 호흡 효과를 감지하는 위치 센서(들)의 정보는 침습 과정 중 또는 이미지 융합 중에 환자에게 언제 숨을 참는지를 지시하는 데 사용될 수 있다. 이 정보는 또한 환자의 현재 호흡 상태와 표시되는 슬라이스의 상태 사이의 유사성 정도를 실시간으로 표시하는 데 사용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 추적 장치에 대해 실시간으로 환자의 획득된 이미지들을 등록하는 방법에 있어서,
    테이블에 환자를 지지하는 단계로서, 안내 시스템의 기준 플레이트가 상기 테이블에 대해 공간적으로 고정된, 단계,
    상기 안내 시스템의 추적 장치로 환자와 관련된 물체를 추적하는 단계,
    이미징 시스템으로 실시간으로 상기 물체의 이미지들을 획득하는 단계로서, 상기 이미지의 각각에서 상기 테이블이 정의된, 단계,
    환자의 임의의 내부 마커를 무시하고 환자에 부착된 임의의 외부 기준 마커를 무시하고 대신 상기 기준 플레이트에 대해 상기 추적 장치로 실시간으로 획득된 상기 이미지들을 등록하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기준 플레이트는 기준 플레이트 위치 센서 또는 기준 플레이트 송신기를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 이미징 동안 테이블에 대한 환자의 임의의 움직임을 보상하기 위해 환자에 적어도 하나의 보상 위치 센서를 부착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 물체의 공간적 위치 및 방향은 관심 타겟을 포함하는 상기 이미지에 실시간으로 중첩되는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 물체는 삽입 도구를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 추적 장치는 자기 포지셔닝 시스템의 일부인, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 추적 장치는 전자기 포지셔닝 시스템의 일부인, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 추적 장치는 초음파 포지셔닝 시스템의 일부인, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 추적 장치는 광학 포지셔닝 시스템의 일부인, 방법.
  10. 추적 장치에 대한 이미지들의 등록 방법으로서, 추적 장치가 부착된 이미징 변환기의 이미지를 획득하는 단계,
    상기 이미징 변환기 및 상기 추적 장치의 모양 및 치수를 식별하는 단계,
    상기 이미징 변환기 및 상기 추적 장치의 공간적 방향을 계산하는 단계,
    상기 이미징 변환기 및 상기 추적 장치의 공간적 방향에 기초하여 변환 행렬을 계산하는 단계,
    상기 변환 행렬을 사용하여 이미징 시스템의 좌표를 부착된 추적 장치의 좌표로 변환함으로써, 상기 이미징 변환기에 상기 이미지의 등록을 제공하는 단계,
    추적 장치에 대한 상기 이미징 변환기의 이미지 평면을 계산하는 단계,
    상기 이미지 평면이 상기 이미징 변환기에 대해 일정하고 잘 알려진 위치에 있다고 가정하고, 상기 이미지 평면의 공간적 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 이미징 변환기의 이미지는 이미징 에너지를 방출하는 상기 이미징 변환기의 부분, 상기 추적 장치, 상기 이미징 변환기의 기준 마커를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 식별하는 단계는 상기 이미징 변환기, 상기 이미징 에너지를 방출하는 부분, 상기 추적 장치, 상기 기준 마커의 윤곽을 발견하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 공간적 방향을 계산하는 단계는 상기 추적 장치를 기준으로 사용하여 상기 이미지에서 임의의 관심 지점 사이의 거리를 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 이미지 평면의 공간적 위치를 결정하는 단계는 상기 이미지의 각 픽셀의 공간적 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제10항에 있어서, 침습 과정 중에 침습 기구의 위치 데이터를 획득하기 위해 상기 침습 기구에 위치 센서를 부착하는 단계, 및 상기 이미징 변환기의 상기 이미지 평면에 대한 상기 위치 데이터를 등록하기 위해 상기 추적 장치를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
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