用於介入流程的網格校準系統的製作方法
2023-11-02 06:37:17 1
本發明總體上涉及被併入在介入流程(例如，前列腺近距離治療流程)內的網格校準系統。本發明具體地涉及用於在介入流程期間相對於超聲探頭的成像平面在感興趣解剖區域內支撐和引導介入工具(例如，導管、針等)的網格(也被已知為模板)的校準。
背景技術：
前列腺癌是最常見的非皮膚相關的癌症，是美國男性中因癌症死亡的第二大原因。影響六(6)分之一的男性，在2013年將診斷出估計238000例新的前列腺癌病例，其中30000例將是致命的。利用高劑量率(「HDR」)和低劑量率(「LDR」)流程的近距離治療是用於處置前列腺癌的常見放射治療。通常，HDR前列腺近距離治療涉及將十(10)-二十(20)個導管經會陰插入前列腺，然後使用遠程後置裝置(afterloader)將放射源臨時序列地插入到這些導管中的每個中。相比之下，LDR前列腺近距離治療涉及通過插入在前列腺中的多個針遞送的近似100個放射性粒源在前列腺內的永久植入。對於HDR和LDR兩者，前列腺近距離治療流程以及其他前列腺流程(例如，經會陰前列腺活檢)，導管或針通常通過對著會陰定位的網格/模板來插入，以一旦導管或針被插入到前列腺中就提供用於對導管或針的均勻分布和固定的支撐和引導。
例如，圖1圖示了涉及導管/針23的典型前列腺近距離治療裝置設置20。具體地，示範性前列腺近距離治療流程在使用經直腸超聲(「TRUS」)探頭24的超聲引導下來實施，所述經直腸超聲探頭與網格/模板22一起被定位在步進器21上，以用於在網格/模板22被保持就位並且TRUS探頭24被允許在大致垂直於網格/模板22的軸向方向上和關於所述方向平移和旋轉時提供針對整個設置20的穩定性。導管/針23根據預定計劃來定位，或者在超聲圖像中與前列腺10和周圍器官的分割一起回溯地識別，由此，導管/針23與器官分割之間的相對幾何結構被用於確定(一個或多個)放射性粒源(例如，放射性粒源11)的劑量分布和具體處置計劃。
經由超聲圖像中的回聲閃爍對導管/針23的手動識別由於諸如差的圖像質量、模糊結構和操作者經驗的因素而傾於出錯。最近已經提出了用於HDR和LDR前列腺近距離治療流程的跟蹤系統30(例如，電磁(「EM」)跟蹤系統或光學跟蹤系統)來克服這些限制並改進整體準確性。更具體地，當與EM跟蹤系統有關時，EM傳感器(未示出)被集成到導管/針23和TRUS探頭24兩者中，以用於導管/針23和TRUS探頭24關於前列腺10和周圍感興趣解剖區域在EM坐標系內的準確空間定位。儘管網格/模板22也可以與跟蹤傳感器集成，但是在其中網格/模板22未與跟蹤傳感器集成的情況下，在EM坐標系內定位網格/模板22的備選方法可以涉及被執行的EM網格校準，其中，所跟蹤的導管/針23被插入到孔矩陣的各個位置中，以創建整個網格/模板22的映射。網格/模板22的孔矩陣在EM坐標系內的這種定位被已知為「EM網格」。
在前列腺近距離治療流程期間，超聲掃描器的特定模型被裝備有將「虛擬網格」交疊在來自TRUS探頭24的超聲圖像上的特徵以提供用於網格/模板22的孔矩陣的對準的視覺幫助，例如，在如圖2所示的超聲圖像25上的白點的虛擬網格的交疊。這意味著用作網格/模板22的孔矩陣在TRUS探頭24的圖像平面(未示出)上的投影。如在圖2中示範性示出的，虛擬網格簡單地是到等於或等價於網格/模板22的孔矩陣的MxN個孔和間距的具有選定的間距(通常為5mm或10mm)的M×N個網格點的超聲圖像25上的交疊。為了準確跟蹤的目的，孔矩陣網格/模板22到虛擬網格的對準由操作者手動執行。針對設置20的該校準通常將通過將導管/針通過網格/模板22的孔矩陣插入水箱中並根據需要調節網格/模板22的物理位置來偶爾(例如，每天/每周/每月)完成，使得虛擬網格交疊最高可能程度地符合網格/模板22的孔矩陣，如由TRUS探頭24的圖像平面內的工具的回聲閃爍表示的。圖3示出了對應於表示網格/模板22的孔矩陣到虛擬網格的真實對準的超聲圖像26中的C3和E5位置的兩個(2)超聲回聲。然而，在實踐中，這種真實對準在許多前列腺近距離治療流程的過程中很少實現和/或維持。
當前，對準網格/模板22的孔矩陣與超聲虛擬網格的網格校準的過程是手動完成的並且涉及由操作者對對準的主觀視覺確認。更具體地，網格/模板22在垂直方向和/或水平方向上的平移以及TRUS探頭24的旋轉在「試錯法」的基礎上被調節，這能夠是耗時的並且受操作者間可變性影響。因此，本領域中的問題是在以下中的困難：確定網格/模板22和TRUS探頭24相對於步進器21的準確定位所需的(一個或多個)網格平移和/或探頭旋轉的最佳組合，從而將網格模板22的孔矩陣與虛擬網格交疊對準，如圖3所示。
技術實現要素：
本發明提出一種自動化質量保證方法，以幫助網格/模板(例如，圖1所示的網格/模板22)的校準，並且還提供(一個或多個)對準誤差的量化。本發明涉及圖像識別方法的使用，以經由虛擬網格自動探測工具閃爍和投影超聲網格點的位置。根據該信息，網格/模板到虛擬網格的準確對準所需的精確平移和/或旋轉參數能夠被計算並顯示給操作者。還可以利用本發明來確定網格/模板與虛擬網格，或任何其他類型的外部網格參考(例如，圖1所示的跟蹤系統30)之間的擬合誤差。
本發明的一種形式是採用介入裝置的網格校準系統，所述介入裝置包括一個或多個介入工具(例如，(一個或多個)導管或針)、用於支撐和引導校準區內的介入工具的具有孔矩陣的網格、以及相對於網格定位的超聲探頭，所述超聲探頭用於生成工具圖像，所述工具圖像圖示校準區內的(一個或多個)介入工具。
網格校準系統還採用網格校準工作站，所述網格校準工作站用於顯示對所述網格與超聲探頭的相對定位的任何對準調節，所述相對定位是從所述工具圖像與具有表示所述網格的孔矩陣的點矩陣的虛擬網格的圖像配準導出的。所述對準調節可以包括網格相對於超聲探頭的水平平移調節、網格相對於超聲探頭的垂直平移調節和/或探頭相對於網格的旋轉調節。
僅對於平移調節，優選地利用兩(2)個或更多個介入工具來生成工具圖像。
對於旋轉調節，優選地利用三(3)個或更多個介入工具來生成工具圖像。
網格校準工作站可以額外地顯示工具圖像到虛擬網格的對準擬合誤差(例如，最小二乘)。可以對著以下閾值應用對準擬合誤差：指示對準擬合誤差對於對應的介入流程(例如，HDR或LDR前列腺近距離治療流程)是否為可接受的或者不可接受的。
介入設備還可以包括跟蹤系統(例如，EM跟蹤系統)，所述跟蹤系統相對於網格定位並且具有與(一個或多個)介入工具和/或網格集成的傳感器，以用於生成表示網格的孔矩陣的跟蹤網格。利用跟蹤網格的生成，網格校準工作站可以額外地顯示跟蹤網格到虛擬網格的虛擬跟蹤擬合誤差(例如，最小二乘)和/或跟蹤網格到工具圖像的圖像跟蹤擬合誤差(例如，最小二乘)。可以對著以下(一個或多個)閾值應用跟蹤擬合誤差：指示EM跟蹤系統的跟蹤準確性對於對應的介入流程是否為可接受的或者不可接受的。
通過結合附圖閱讀本發明的各個實施例的以下詳細描述，本發明的上述形式和其他形式以及本發明的各種特徵和優點將變得更加顯而易見。詳細描述和圖僅僅是對本發明的圖示而非限制，本發明的範圍由權利要求及其等價方案來限定。
附圖說明
圖1圖示了本領域已知的示範性前列腺近距離治療流程。
圖2和3圖示了本領域已知的具有虛擬網格交疊的示範性超聲圖像。
圖4圖示了根據本發明的網格校準系統的示範性實施例。
圖5圖示了表示根據本發明的網格校準方法的示範性實施例的流程圖。
圖6圖示了通過由圖4所示的系統對圖5中所示的流程圖的示範性運行所生成的示範性網格校準圖像。
圖7圖示了通過由圖4所示的系統對圖5中所示的流程圖的示範性運行所生成的示範性變換矩陣計算。
圖8圖示了通過由圖4所示的系統對圖5中所示的流程圖的示範性運行所生成的示範性圖形使用接口。
具體實施方式
為了便於理解本發明，將在本文中提供在如由EM跟蹤系統跟蹤的介入工具的超聲成像的背景下的如圖4和5中分別示出的本發明的網格校準系統和方法的示範性實施例。根據示範性實施例的描述，本領域普通技術人員將意識到如何將本發明的操作原理應用於網格校準系統/方法的實施方式，其用於(1)不包括跟蹤網格的基本校準方法，(2)包括跟蹤網格的跟蹤校準方法，(3)用於任一校準方法的各種類型的介入工具和網格，(4)用於任一校準方法的備選成像設備以及(5)用於跟蹤校準方法的備選跟蹤系統。
參考圖4，圖1的介入裝置20還採用被定位在如本領域中已知的步進器21的支撐物29上的水箱/體模28，所述步進器用於促進水箱/體模28的超聲圖像27。EM跟蹤系統採用EM場生成器31、與介入工具23集成的EM傳感器32、與TRUS探頭24集成的EM傳感器(未示出)、與網格/模板22集成的任選EM傳感器、以及如本領域中已知的工具跟蹤器33。
通常在操作中，一(1)個或多個介入工具23通過網格/模板22的孔矩陣的各個孔插入，由此，(一個或多個)介入工具23可見為超聲圖像27中的(一個或多個)回聲閃爍。根據優選地兩(2)個或更多個介入工具23的成像，網格校準平移調節依據以下來顯示：(1)用於網格/模板22相對於TRUS探頭24的高度調節的網格/模板22在垂直方向上的平移，以及(2)用於網格/模板22相對於TRUS探頭24的橫向調節的網格/模板22在水平方向上的平移。根據優選地三(3)個或更多個介入工具23的成像，網格校準旋轉調節依據用於超聲圖像27相對於網格/模板22的角度調節的TRUS探頭24在順時針或逆時針方向上的旋轉來顯示。為此，網格校準工作站40採用在結構上被配置為工作站40的硬體、軟體、固件和/或電路的模塊化網絡41。
具體地，模塊化網絡41包括網格校準圖像(「GCI」)生成器42，所述網格校準圖像生成器用於生成具有當介入工具23通過網格/模板22的孔矩陣插入時在介入工具23的超聲圖像27(以下稱為「工具圖像27」)上的虛擬網格交疊的網格校準圖像，例如，在圖3中所示的GCI 26。
在實踐中，虛擬網格交疊是任何形式的網格點的M×N矩陣，優選地M≥2且N≥2。在一個實施例中，GCI生成器42提供針對工作站40的用戶的接口，以在多個預先設置的網格之中進行選擇，或者指定具體的虛擬網格，尤其是在預先設置的虛擬網格的點數和間距與網格/模板22的孔矩陣不相等或等價時。
模塊化網絡41還包括網格對準計算器43，所述網格對準計算器用於計算網格/模板22和TRUS探頭24的(一個或多個)上述平移和/或旋轉網格校準調節，以實現虛擬網格交疊與工具圖像27之間的「最佳擬合」。此外，網格對準計算器43可以計算(1)虛擬網格交疊與工具圖像27之間的「調節擬合誤差」、(2)虛擬網格交疊與表示如本領域已知的網格/模板22的孔矩陣的EM定位的EM網格之間的「虛擬跟蹤擬合誤差」和/或(3)工具圖像與表示如本領域已知的網格/模板22的孔矩陣的EM定位的EM網格之間的「圖像跟蹤擬合誤差」。
模塊化網絡41還包括網格調節顯示生成器44，所述網格調節顯示生成器用於在網格/模板22被平移和/或TRUS探頭24被旋轉以實現網格/模板22的孔矩陣與虛擬網格交疊的對準時生成(一個或多個)平移和/或旋轉網格校準調節的實時顯示。此外，如果被計算，則網格調節顯示生成器44還生成以下的實時顯示：虛擬網格交疊與工具圖像27之間的調節擬合誤差、虛擬網格交疊與EM網格之間的虛擬跟蹤擬合誤差和/或工具圖像與EM網格之間的圖像跟蹤擬合誤差。
為了進一步促進對本發明的理解，現在本文中將描述表示如由流程圖40運行的本發明的網格校準方法的流程圖50。儘管流程圖50的描述將是在利用用於網格校準目的的六(6)個介入工具的背景下，但是本領域普通技術人員將意識到，可以將任何數量的介入工具用於這樣的網格校準目的，優選地在三(3)與七(7)個介入工具之間。
參考圖5，流程圖50的階段S52涵蓋由工作站40對具有在工具圖像上的虛擬網格交疊的網格校準圖像的生成。
在如圖6示範性示出的一個實施例中，操作TRUS探頭24來生成工具圖像60，所述工具圖像具有來自在位置A6、B2、D4、F3、G5和H1處插入網格/模板22的六(6)行x八(8)列孔矩陣內的六(6)個介入工具23的六(6)個回聲閃爍(「EF」)點。在階段S52的相位P52a期間，生成器42將虛擬網格61交疊到工具圖像60上，以顯示網格校準圖像62。任選地基於六個(6)介入工具23和/或網格/模板22的EM跟蹤，在階段S52的相位P52b期間，生成器42將EM點的六(6)行x八(8)列EM網格63交疊到網格校準圖像62上，以形成網格校準圖像64。該實施例在工具圖像60和虛擬網格61的對準可以偏離多於一個(1)行間距和/或多於一個(1)列間距，由此六個(6)介入工具的EM坐標可以用於檢測偏移時是有益的。
返回參考圖5，流程圖50的階段S54涵蓋(一個或多個)網格校準調節的計算，以將工具圖像60和虛擬網格61對準到最大可能的程度。
在如圖7示範性示出的一個實施例中，計算器43(圖4)運行如本領域已知的GCI 62或GCI 64的圖像識別/分割算法，以生成閃爍圖像65和點矩陣圖像67。隨後，計算器43計算與閃爍圖像65相關聯的2D坐標系66到與點矩陣圖像67相關聯的2D坐標系68的二維(「2D」)變換矩陣69。變換矩陣69提供從當前平移/旋轉位置到用於對準工具圖像60與虛擬網格61的「最佳擬合」調節網格/模板22和/或TRUS探頭24所需的任何平移/旋轉值。此外，一旦實現了「最佳擬合」，變換矩陣69便於計算工具圖像60與虛擬網格61之間的調節擬合誤差(例如，最小二乘)和EM網格63與虛擬網格61之間的虛擬跟蹤擬合誤差，以及任選地工具圖像60與EM網格63之間的工具跟蹤擬合誤差。如本文先前陳述的，在網格/模板22的當前位置處的(一個或多個)跟蹤擬合誤差將指示EM網格63的保真度，並因此指示是否需要在當前網格位置處執行新的EM網格校準。
返回參考圖5，流程圖50的階段S56涵蓋當網格/模板22和/或TRUS探頭24被調節以實現「最佳擬合」時，實時地顯示所需的計算的網格調節。
在如圖8中示範性示出的一個實施例中，用戶接口70顯示動態網格校準圖像71、網格/探頭調節讀出72和網格校準誤差73。
動態網格校準圖像71將突出顯示網格/模板22和/或TRUS探頭24的任何調節，例如，被示為在調節後時段期間被對準的在調節前時段期間的圖像71的未對準。
為了幫助實現對準，在調節前時段期間的讀出72提供TRUS探頭24在順時針(「CW」)方向或逆時針(「CCW」)方向上所需的任何計算的旋轉，以及網格/模板22在X方向和/或Y方向上所需的任何計算的平移。同時地，讀出73提供工具圖像60與虛擬網格61之間的當前擬合誤差FE1(「TGI對VGI」)和/或EM網格63與虛擬網格61之間的當前擬合誤差FE2(「EGI對VGI」)。
當網格/模板22和/或探頭24被調節時，讀出72和73被實時更新，以幫助實現工具圖像60和虛擬網格61的對準達到最高可能的程度。在實踐中，讀出72和73可以以顏色編碼，以指示大的調節/擬合誤差(例如，紅色)和小的調節/擬合誤差(例如，綠色)。
同樣在實踐中，工作站40可以提供調節/擬合誤差超過特定閾值的警告，並且可以保存工具圖像60與虛擬網格61之間的(一個或多個)任何偏移，以用於額外的誤差計算或校正(例如，網格/模板22相對於TRUS探頭24的任何旋轉，然後能夠根據需要校正跟蹤參考框架)。
參考圖4-8，本領域普通技術人員將認識到本發明的許多益處，包括但不限於最優的網格校準，尤其地用於近距離治療流程的最優的網格校準。
另外，在實踐中，本發明的工作站的實施例可以是獨立的工作站或作為軟體解決方案被集成到用於執行介入流程(例如，前列腺近距離治療)的已知工作站中。
儘管已經圖示並且描述了本發明的各個實施例，但是本領域技術人員將理解，如本文描述的本發明的實施例是說明性的，並且可以進行各種改變和修改，並且等價方案可以替換其元件，而不脫離本發明的真實範圍。此外，可以進行許多修改，以適應本發明的教導，而不脫離其中心範圍。因此，本發明旨在不限於被公開為預期用於執行本發明的最好模式的特定實施例，而是本發明包括落在權利要求的範圍內的所有實施例。