具有取決於針移位速度的測量結果整合時間的光子針系統的製作方法

2023-09-19 04:18:05

具有取決於針移位速度的測量結果整合時間的光子針系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於在身體(14)內引導儀器(12、100、100A、100B、112)的系統(10)。所述系統(10)記錄圖像，在所述圖像中所述儀器(12、100、100A、100B、112)是能識別的，並且所述儀器(12、100、100A、100B、112)記錄指示所述儀器(12、100、100A、100B、112)處的組織類型的信號。所述系統(10)基於來自所述儀器(12、100、100A、100B、112)的信號來確定所述組織類型。所述系統(10)顯示作為所述身體(14)和所述儀器(12、100、100A、100B、112)的組合圖像的圖像以及在確定組織類型的位置處的所述組織類型的指示。本發明還涉及一種顯示包括身體內的組織類型和儀器位置的圖像的方法。本發明還涉及一種儀器和一種在數字處理器上運行的軟體實施方法。
【專利說明】具有取決於針移位速度的測量結果整合時間的光子針系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於在身體內引導儀器的系統。

【背景技術】
[0002]在執行涉及向身體內引入儀器的流程時，為執行該流程的人提供有關儀器的位置的視覺反饋是有利的。此外，執行該流程的人能夠從有關在儀器處存在何種類型的組織的信息中獲益。
[0003]針是基於流程前圖像被放置到身體內的特定位置中的很多種設備或儀器之一。該圖像是利用各種模態(成像技術)獲得的，例如，磁共振成像、計算機斷層攝影或諸如XperCT(TM)的圖像重建。放置的一個目標在於通過小心地選擇放置期間的針的路徑而將對周圍組織的損害最小化。
[0004]就X射線儀器引導而言，能夠在例如螢光透視下允許對儀器引導的幾乎實時的監視。光學針是被配置為提供組織反饋作為引導和信息的設備的例子之一。光學針向組織發送光學信號並進行接收。通過將這兩種技術相組合，相對於身體的儀器末端位置以及該位置的組織信息的顯示都是可能的。
[0005]為了使用光學信號獲得組織信息，光譜必須被採集，並被處理，以建立組織信息。此外，該信息必須被發送至X射線控制臺或者其他類型的成像設備，被連結至圖像中的儀器位置並最終被顯示。所有的這些步驟都需要時間量，並且可能造成所顯示的數據不再是相對於實際位置的最新數據。尤其是在儀器相對快地推進時，組織信息可能滯後。
[0006]本發明的發明人已經認識到改進的系統和方法將是有益的，因而設計出了本發明。


【發明內容】

[0007]實現針對用戶的改進的圖像反饋將是有利的。還期望能夠實現在移動期間顯示組合的組織信息和儀器位置。總之，本發明優選以單一的方式或者任意組合的方式緩解、減輕或者消除上文提及的缺點中的一個或多個。具體而言，可以將提供解決現有技術的上述問題或者其他問題的方法視為本發明的目的。
[0008]為了解決這些問題中的一個或多個，在本發明的第一方面中提出了一種用於在身體內引導儀器的引導系統，其包括:被配置用於形成所述身體內部的圖像的醫學成像設備；被配置為接收來自儀器的組織信號的組織類型確定設備，所述組織類型確定設備被配置為基於來自所述儀器的所述組織信號來確定指示組織類型的一組參數，所述組織類型確定設備能在兩種模式中工作，即，使用第一準確度執行組織類型確定的第一模式和使用高於所述第一準確度的第二準確度執行組織類型確定的第二模式，所述引導系統被配置用於確定所述儀器的位置並存儲位置的序列，所述引導系統被配置用於建立將所述身體內部的所述圖像與指示在所述儀器的所記錄位置處顯示的組織類型的所述一組參數相組合的顯示圖像；以及被配置用於顯示所述顯示圖像的顯示設備。根據第一方面的系統在一幅圖像中為用戶提供了儀器位置和組織信息的視覺反饋。由於組織類型確定是繁瑣的，通常存在組織類型信息被顯示在距當前位置大距離的位置處的風險。
[0009]當前語境下的儀器可以是介入設備。所述儀器或介入設備可以包括用於將光子從光源引導至介入設備遠端的出口位置的第一引導，所述光子能從所述出口位置發射，並且包括用於將光子從介入設備遠端的入口位置引導至光學探測器的第二引導。
[0010]應當理解在一個具體實施例中，所述第一引導和所述第二引導可以是一個引導，例如，第一引導等同於第二引導。在另一具體實施例中，所述第一引導和所述第二引導是兩個單獨的引導。
[0011]介入設備是本領域公知的，其可以包括以下中的任一個:內窺鏡、導管、活檢針。將光纖集成到介入設備中允許檢查組織樣本的光學特性，並且可以允許將病變組織與正常組織鑑別開。在具體實施例中，提供了一種既適合漫反射譜測定法(DRS)又適合螢光譜測定法的介入設備。應當注意，介入設備應當適於螢光譜測定法的這一約束條件給介入設備帶來了一些額外的限制。例如，用於螢光譜測定法的纖維自身一定不能產生過高的自發螢光，而且分別連接至源和探測器的纖維的纖維末端之間的間隔與DRS的同一距離相比可能更短。
[0012]在根據本發明的另一實施例中，出口位置和入口位置是空間分離的，並且被空間取向使得在將介入設備的遠端放置為與相關聯樣本毗鄰時所述入口位置不會與從所述出口位置發射的彈道光子相交。應當理解，至少從實踐的角度，所述入口位置不與從所述出口位置發射的彈道光子相交。對於所有的實踐目的而言，命中入口位置的彈道光子的數量非零，但可忽略不計。
[0013]所述系統提供了至少兩個計算準確度水平，從而在儀器移動大距離的時段內降低準確度，由此降低計算時間。可以通過不同的方式定義準確度水平。一種方式是確定信號中的噪聲水平，其中，低準確度水平允許高噪聲水平，並且高準確度水平只允許較低的噪聲水平。在高準確度模式中，能夠定義低準確度模式中的噪聲水平的10%到80%的相對閾值，例如，20%到50%的相對閾值，例如，30%至Ij 40%，例如，10%至Ij 20%，例如，20%到30%,例如，30%到40%，例如，40%到50%，例如，50%到60%，例如，60%至Ij 70%，例如，70%到80%或者任何其他適當值。在其他實施例中，能夠根據用於由光學信號的譜確定參數的迭代的數量來定義準確度水平，如在下文的相關實施例中討論的。
[0014]在任何流程期間，準確地知道針末端的位置是很重要的，但是可能無法獲得相對於圖像的正確引導。例如，就CT引導的活檢而言，由於要考慮患者的輻射暴露，限制了所採集的圖像的數量。如果由於缺乏精確信息而瞄準了不正確的組織，那麼將存在發生錯誤診斷或者需要重複流程的風險，這涉及對患者的額外風險以及提高的成本。
[0015]一種相對於流程前圖像跟蹤針末端的位置的方法是將(一個或多個)標記放到所述針的處於患者體外的部分上並藉助各種各樣的傳感器對所述標記進行實時跟蹤；在給定針幾何結構的估計的情況下，之後能夠將計算出的針末端位置實時地映射至流程前圖像。例如，能夠使用兩個或更多成像攝像機利用可視標記執行對針的光學跟蹤。或者，電磁(EM)導航能夠藉助放置到針上的小型EM線圈標記被執行並由處於針外部的一組傳感器進行跟足示O
[0016]儘管所述末端的位置和取向很重要，但是有關儀器前面的組織的實時信息對於操作所述儀器的人而言也重要。
[0017]有利地，所述引導系統還可以包括用於確定儀器的當前速度的儀器速度分析器，如果儀器的當前速度超過速度閾值，那麼所述組織類型確定設備在第一模式中工作，如果儀器的當前速度低於速度閾值，那麼所述組織類型確定設備在第二模式中工作。通過提供移動速度的自動檢測，減輕了用戶必須選擇準確度水平的負擔。例如，在由不希望在流程期間與系統進行交互的人操作所述儀器時，這一點能夠是有用的。
[0018]有利地，所述速度閾值處於0.5mm/s到100mm/s的範圍中，例如，lmm/s到20mm/s，例如，1.5mm/s 到 5mm/s,例如，2mm/s 到 3mm/s,例如，0.5mm/s 到 lmm/s,例如，1mm/s 到
1.5mm/s,例如，1.5mm/s 到 2mm/s,例如，2mm/s 到 3mm/s,例如，3mm/s 到 5mm/s,例如，5mm/s到 10mm/s，例如，10mm/s 到 15mm/s，例如，15mm/s 到 25mm/s，例如，25mm/s 到 50mm/s，例如，大約為lmm/s。操作人員可以在流程之前或者流程期間手動選擇所述閾值。
[0019]有利地，所述引導系統還可以包括用於向組織類型確定設備提供組織類型確定模式信號的輸入設備，所述組織類型確定模式信號指示組織類型確定設備以第一模式或第二模式工作。在用戶希望完全控制所述系統的工作的情況下，提供輸入設備使得用戶能夠隨時手動設置準確度水平將是有利的。
[0020]如所提到的，所述醫學成像設備包括X射線設備。這是提供容易採納的圖像的一種常用的醫學成像設備，並且對這樣的儀器進行操作的人將對這樣的圖像進行解讀。
[0021]有利地，所述組織類型確定設備是光學控制臺，所述光學控制臺獲得光譜並對所述光譜進行處理，以確定指示組織類型的所述一組參數。使用光學信號確定組織參數是一種無創的組織檢查方法。在使用光學信號的情況下還避免了對組織的損害。
[0022]所述引導系統還可以包括用於向用戶傳達所述組織類型確定設備是以第一模式工作還是以第二模式工作的模式指示器。通過向用戶提供有關應用哪一當前模式的信息，增加了用戶的認知基礎，並使其認識到所顯示的信息具有給定質量或確定性。
[0023]在實施例中，所述引導系統可以包括被布置用於接收與指示組織類型的所述一組參數以及儀器的位置的序列相關的信號的處理器，所述處理器被布置用於建立所述顯示圖像。所述處理器可以是適於運行用於執行文中描述的過程的不同部分的計算和確定的方法的軟體實施的數字處理器。
[0024]所述組織類型確定設備可以是光學控制臺，並且所述引導系統可以被布置以從所述光學控制臺獲得漫反射譜和/或螢光譜測定譜和/或拉曼譜。應當將光廣義解釋為電磁輻射，其包括的波長間隔包括可見光、紫外線(UV)、近紅外線(NIR)、紅外線(IR)、X射線。應當將光學一詞理解為與光相關。
[0025]應當將光譜理解為與光的多個波長相關的信息，例如，對於光的多個波長而言的給定強度參數、吸收參數、散射參數或透射參數。連續譜表示譜信息，但是還應當理解，與離散波長處的光相關的信息也可以表不光譜。
[0026]應當將譜儀理解為是本領域常用的。應當理解，譜儀包括用於選擇波長的器件，例如，透射濾波器或光柵。或者，可以使用波長特異性的光源，例如，發光二極體或雷射器，或者可以使用波長特異性的光探測器。譜過濾可以發生在系統中的不同位置，例如，其可以發生在第二光源和介入設備之間，其可以發生在介入設備中，或者其可以發生在介入設備和光探測器之間。
[0027]在實施例中，指示組織類型的所述一組參數的確定包括將數據擬合至數學模型，並且執行諸如PCA或偏最小二乘判別分析的多變量統計分析。多變量分析是本領域公知的，並且應當將其理解為包括主成分分析(PCA)和最小二乘判別分析。
[0028]本發明的第二方面涉及一種顯示包括身體內的組織類型和儀器位置的圖像的方法，所述方法包括以下步驟:每次在時間Ti處記錄所述身體內部的圖像的序列；確定所述身體內部的每幅圖像中的儀器位置；確定在時間Tt處儀器的末端處的組織參數以及基於在接近Tt的時間Ti處的儀器位置來確定估計的儀器位置，其中，在第一工作模式中以第一計算準確度執行儀器的末端處的組織參數的確定，並且在第二工作模式中以第二計算準確度執行儀器的末端處的組織參數的確定，所述第二準確度高於所述第一準確度；以及在顯示單元上顯示作為身體內部的當前圖像與時間Tt處的儀器的末端處的組織參數的表示的組合的圖像。
[0029]通過記錄身體內部的圖像的系列或序列，可以將這些圖像顯示給用戶，使得用戶可以對身體內部的儀器位置進行視覺檢查。這允許用戶識別出儀器在身體內的位置。所述方法確定了每幅圖像中儀器在身體內的位置。在時間Ti處記錄這些圖像。圖像之間的間隔可以是恆定的或者具有變化。用戶通常對顯示最新的圖像最感興趣。使用所述方法確定了組織參數。這一確定所用的時間可能比圖像之間的間隔長。由此，在顯示最新的圖像時，可能無法得到所述組織信息，因而所述方法在適當的位置中顯示最為新近的可用組織信息。所述方法包括利用取決於工作模式的特定準確度來確定所述組織參數。與第二模式中相t匕，在第一模式中將在更短的時間內獲得組織參數，雖然其準確度較低。在特定情況下，這一較低的準確度是可接受的。
[0030]根據第二方面的方法在操作第一方面中定義的系統中是有利的。所述方法提供了一種確保以適當的水平執行組織類型參數的確定，從而在相對快地移動儀器的時段中減少計算時間的方式。
[0031]所述方法可以包括，在使用第一計算準確度的情況下，用於確定組織參數的算法包括迭代的第一數量，並且在使用第二計算準確度時，用於確定組織參數的算法包括迭代的第二數量，其中，迭代的所述第一數量低於迭代的所述第二數量。
[0032]在實施例中，指示組織類型的所述一組參數的確定包括執行諸如PCA或偏最小二乘判別分析的多變量統計分析。
[0033]本發明的第三方面涉及一種在用於在身體內引導儀器的系統中使用的儀器，所述儀器包括光學探頭，
[0034]用於引導儀器的所述系統包括:被配置用於形成身體內部的圖像的醫學成像設備；被配置為接收來自儀器的組織信號的組織類型確定設備，所述組織類型確定設備被配置為基於來自儀器的組織信號來確定指示組織類型的一組參數，所述組織類型確定設備能在兩種模式中工作，即，使用第一準確度執行組織類型確定的第一模式和使用高於第一準確度的第二準確度執行組織類型確定的第二模式，所述引導系統被配置用於確定儀器的位置並存儲位置的序列，所述引導系統被配置為建立將身體內部的圖像與指示在儀器的所記錄位置處顯示的組織類型的所述一組參數相組合的顯示圖像；以及被配置用於顯示所述顯示圖像的顯示設備。所述儀器是有利的，因為其為用戶提供了能探測到並且能在屏幕上看到的設備，同時向相關聯繫統提供了用於組織類型確定的信號，從而為用戶提供了既關於儀器位置又關於組織參數的對於用戶而言重要的信息。
[0035]根據第二方面的方法可以通過軟體實施，並且可以用於控制根據第一方面的系統。可以將其表達為在數字處理器上運行的軟體實施方法，所述軟體實施方法包括顯示包括身體內的組織類型和儀器位置的圖像，所述軟體實施方法包括以下步驟:每次在時間Ti處記錄身體內部的圖像的序列；確定身體內部的每幅圖像中的儀器位置；確定在時間Tt處儀器的末端處的組織參數以及基於在接近Tt的時間Ti處的儀器位置來確定估計的儀器位置，其中，在第一工作模式中以第一計算準確度執行儀器的末端處的組織參數的確定，並且在第二工作模式中以第二計算準確度執行儀器的末端處的組織參數的確定，所述第二準確度高於所述第一準確度；在顯示單元上顯示作為身體內部的當前圖像與時間Tt處的儀器的末端處的組織參數的表示的組合的圖像。可以將所述軟體提供到載體上，載體例如為⑶ROM、DVD、記憶棒、硬碟驅動器，或者所述軟體可供從伺服器等下載。
[0036]總之，可以通過在本發明範圍之內可能的任何方式組合併耦合本發明的各方面。本發明的這些和其他方面、特徵和/或優點將從下文所述實施例變得顯而易見並將參考下文所述實施例得以闡述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]將參考附圖，僅通過舉例的方式描述本發明的實施例，在附圖中:
[0038]圖1示意性地示出了根據本發明的系統，
[0039]圖2和圖3示意性地示出了儀器正在接近組織邊界的狀態，
[0040]圖4是根據本發明的方法的步驟的示意圖，
[0041]圖5和圖6是用於組織的光學檢查的系統的示意圖。

【具體實施方式】
[0042]在圖示了用於在身體14內引導儀器12的引導系統10的圖1中對本發明的實施例給出了圖示。引導系統10包括被配置用於形成身體14內部的圖像的醫學成像設備18。引導系統10包括被配置為接收來自儀器12的組織信號的組織類型確定設備16。組織類型確定設備16被配置為基於來自儀器12的組織信號來確定指示組織類型的一組參數。組織類型確定設備16能在兩個模式中工作，即，使用第一準確度執行組織類型確定的第一模式和使用高於第一準確度的第二準確度執行組織類型確定的第二模式。引導系統10被配置用於確定儀器12的位置並存儲位置的序列。引導系統10被配置用於建立將身體14內部的圖像與指示在儀器的所記錄位置處顯示的組織類型的所述一組參數相組合的顯示圖像。引導系統10包括被配置用於顯示所述顯示圖像的顯示設備22。引導系統10包括適於或者被配置為執行圖像處理步驟的圖像處理設備20。
[0043]所述系統記錄來自不同傳感器和探測器的數據。之後，將這一數據用於兩個目的，即，向用戶的實時顯示和以後的分析。對於實時顯示而言，需要儘可能快地顯示經處理地數據。在儀器12不發生快速移動時，有更多的處理數據的時間，並因此能夠實現更高的準確度。這是可能的，因為使用儀器12的人正在緩慢地移動儀器或者儘可能地保持住儀器。
[0044]儀器12可以是手持的或者是由引導系統支撐的，或者可以是機械手等的部分或附接至機械手等。
[0045]儀器12包括向組織發送光學信號並接收返回信號的光學部件。將返回信號傳輸至組織類型確定設備16。
[0046]本發明提出了使用光學控制臺作為組織類型確定設備，所述光學控制臺對儀器12加以控制並對接收到的測量結果進行處理。所述光學控制臺在至少兩個不同的模式中工作:(1)以降低的準確度提供光學信號的譜分析的快速處理的快速但較不準確的模式，以及(2)速度慢但準確的處理模式。在儀器前進時，在光學控制臺中採用第一工作模式，並在儀器基本上處於同一位置的更為穩定的階段期間，在光學控制臺中採用第二模式。
[0047]可以根據在成像設備20/18的圖像中檢測到的儀器12的移動來確定工作模式。如果移動速度超過特定閾值，那麼選擇第一工作模式，否則選擇第二模式。或者，一直使光學控制臺在第一模式(快速模式)中工作，除非提出了使之切換至第二模式的信號。其可以是由用戶提供的信號。不同的用戶可以具有不同的對自主性水平的偏好。
[0048]所述成像設備優選是能夠記錄身體14內部的圖像的X射線設備。所述針跟蹤設備能夠例如為如 Racad1, J.M.、D.Babic 等人(2007)的 「Live3D Guidance in theIntervent1nal Rad1logy Suite」(Am.J.Roentgenol.189 (6):W357-364)中所述的。所述光學控制臺和介入探頭例如為如R.Nachab6等人的「Estimat1n of b1logicalchromophores using diffuse optical spectroscopy:benefit of extending the UV-VISwavelength range to includelOOOto 1600nm」 (B1medical Optics EXpress 18(2010),第1432頁)中所述的。
[0049]在下文中討論了兩種不同的確定組織參數的方式。可以按照單獨或者組合的方式使用所述方法。也可以聯繫本發明使用對組織進行光學檢查的其他方法。
[0050]圖5示出了一種裝置的示意圖，所述裝置包括譜儀102和介入設備112，譜儀102包括光源104和光探測器106，其中，介入設備112具有一個或多個弓I導，例如，諸如光波導的光學元件，其能夠將來自光源104的光引導至介入設備的遠端，從而在介入設備的遠端發射光，此外其還能夠將光從介入設備的遠端引導回光探測器106。所述光導能夠使光進入相關聯組織樣本116，並且所述光導還能夠使光從相關聯組織樣本射出，從而被收集並且被引至光探測器。因而所述裝置使得能夠獲得表示相關聯組織樣本116的光譜的測量數據。光探測器106可以由處理器110控制，以採集測量數據。所述處理器可以訪問資料庫114。在具體實施例中，所述裝置還被布置為訪問資料庫114，其中，所述資料庫包括表示光譜的預定數據，例如，表示諸如膠原蛋白和/或彈性蛋白的生物分子的光譜，例如，不同生色團的多種光譜。其可以使得處理器能夠更好地確定第一參數、失真參數和第二參數中的任何一個。
[0051]在不出具體實施例中，還有第二光源108。在這一實施例中，第一光源104是適於漫反射譜測定法(DRS)的燈，並且第二光源108是適於螢光譜測定法的雷射器。在備選實施例中，可以只有單個光源，例如，單個燈，可以將所述單個燈與可切換濾波器組合使用，所述可切換濾波器作用在於限制所發射的頻率的範圍，並由此收窄帶寬，並由此獲得執行螢光譜測定法的適當帶寬。
[0052]圖6示出了介入設備112的實施例的透視圖，該介入設備包括第一引導219、第二引導221、第三引導223和第四引導225。該圖示出了處於第一引導的遠端上的出口位置219和處於第二引導的遠端上的入口位置221。類似地，還示出了處於第三引導的遠端上的出口位置223和處於第四引導的遠端上的入口位置225。該圖不是按比例繪製的。可以將第一引導、第二引導、第三引導和第四引導理解為光導，例如，諸如光波導的光纖。此外，還指示了第一引導218上的出口位置219與第二引導220上的入口位置221之間的距離dl。還示出了第三引導222上的出口位置223與第四引導224上的入口位置225之間的距離d2。注意，在具體實施例中，可以對介入設備進行結構設計，從而針對漫反射譜測定法優化dl。在另一具體實施例中，可以對介入設備進行結構設計，從而針對螢光譜測定優化d2。
[0053]在具體的實施例中，提供了諸如介入設備112的光學探頭，其是具有能夠連接至諸如譜儀102的光學控制臺的光纖218、220、222、224的針。所述光學控制臺含有光源104，光源104使得光能夠經由所述光纖之一被提供到所述光學探頭的遠端。散射光由另一纖維收集，並被朝向探測器106引導。所述光學控制臺還含有雷射源108，雷射源108具有低於450nm的波長，以便在組織樣本中誘發自發螢光。由處理器110使用專用算法對諸如第一和/或第二組測量數據的所獲得的數據進行處理。例如，通過起著源的作用的至少一條纖維將光從遠端末端耦出，並使波長在例如500nm-1600nm之間掃掠，或者使用寬帶光源。通過在空間上與所述源相隔例如距離dl的至少一條其他纖維來測量對應的依賴于波長的反射，距離dl至少為0.5mm,例如,至少為Imm,例如,至少為2mm,例如,至少為5mm。「探測」纖維處測得的反射光的量是由所探查的結構(例如，組織樣本)的吸收和散射特性確定的。能夠由這一信號推斷諸如血液、水、脂肪、膠原蛋白、膽汁、β胡蘿蔔素的生色團的濃度，還能夠推斷血液氧合以及散射參數。通過緊密靠近激勵纖維的纖維來測量自發螢光，例如，該纖維處於與激勵纖維的距離d2以內，距離d2小於5mm，例如，小於2mm，例如，小於1mm，例如，小於0.5mm,例如，小於0.25mm。針對散射和吸收對測得的自發螢光進行校正，從而獲得估計的本徵螢光。能夠由此測量諸如NADH、FAD、膠原蛋白和彈性蛋白的螢光團的濃度。
[0054]在具體實施例中，所述裝置包括具有嵌入遮光器的滷素寬帶光源形式的光源104、具有四條引導的介入設備112以及能夠分辨跨過一定波長跨度的光的光探測器106，所述波長跨度例如基本上處于波長譜的可見和紅外區域中，例如，從400nm到1700nm。所述裝置還可以包括排除波長低於465nm的光的濾波器，可以將該濾波器安裝到光探測器106的前面，從而在漫反射譜測定期間排除光探測器處的二階光。介入設備112具有連接至光源的第一引導和連接至光探測器106的第二引導。第一(發射)引導218上的出口位置219與第二(收集)引導220上的出口位置221之間的中心到中心間隔dl可以處於毫米範圍中，例如，至少為Imm,例如,至少為2_，例如，2.48mm?所有的引導都可以是芯直徑處於微米範圍中的低OH纖維，例如，芯直徑為200微米。有時又稱為VIS-NIR纖維的含有低OH的纖維通常適合光譜的可見(VIS)和近紅外(NIR)部分。
[0055]在備選實施例中，應用多個光探測器，例如，能夠分辨不同波長區域中的光的兩個光探測器，例如，不同波長區域中的光基本上分別處于波長譜的可見和紅外區域中，例如，分別為從400nm到IlOOnm以及從800nm到1700nm。
[0056]在具體實施例中，使用漫反射譜測定法獲得表示光譜的第一組測量數據，並使用螢光譜測定法獲得表示光譜的第二組測量數據。能夠設想其他光學方法，例如，螢光譜測定測量、採用多條光纖的漫射光學斷層攝影、差分路徑長度譜測定法或拉曼譜測定法。
[0057]所述光學控制臺優選允許改變螢光激勵波長。能夠利用被切換或被復用(例如，頻率調製)的多個源或者利用可調諧源實現這一目的。在不同的激勵波長處測量不同的螢光發射譜將提供潛在與區分膠原蛋白和彈性蛋白(以及額外的不同類型的膠原蛋白)相關的信息。
[0058]也能夠利用雙光子螢光激勵。相對於單光子激勵而言，其可以具有更深的穿透深度的好處。利用雙光子螢光測量探查的體積與針對紅外中的漫反射測量探查的體積更加類似。
[0059]為了執行對儀器前面的組織的光學分析，必須執行三個步驟。在第一步驟中執行譜測定測量。將光，即光學信號發送至儀器的遠端，在該處光與組織相互作用，並將再次抵達儀器的光導的光引導至譜儀。譜儀將所述信號變換為譜。所有的這些元件在快速測量方式中並且在針對準確的高信噪比水平的Is到2s中佔用大約0.2s的時間量。在第二步驟中，將測得的譜轉換為組織參數。這一步驟根據擬合的準確度能夠從快速模式中的0.2s到準確模式中的Is至3s。在第三步驟中，將光學信息發送至成像設備20，在成像設備20中，所述數據被連結至儀器末端的位置，並被顯示到圖像中。
[0060]作為提取生理參數的替代，也能夠在第一模式中執行特徵提取。這意味著，並不通過物理模型對所述譜進行擬合，而是使算法基於特定波長處的或者若干離散波長帶處的譜中的變化。
[0061]在優選實施例中，對「快速模式」中的光學分析進行優化，從而在儀器快速前進期間實現精細引導，提供有關選定組織參數的主要變化的反饋，為操作人員提供用於決策何時切換至「準確模式」中的固定測量的基礎，參考圖2。例如，在儀器(100)快速前進(110)期間，能夠將在快速模式中獲得的光譜轉換成簡單的二值信號(200)，例如:到達組織邊界，是/否，從而允許將儀器朝向在X射線圖像引導下不可見的組織邊界(120)精細地引導。其可以包括腫瘤/正常組織的邊界、消融/未消融組織的邊界或者血管壁的邊界。
[0062]一旦到達了組織邊界，提供給操作人員的反饋就能夠包括聲學和/或光學信號(200)，其中，可以將光學信號連結到圖像顯示22。
[0063]在另一實施例中，在儀器位於固定位置時能夠使用光學控制臺的，即組織類型確定設備的不同工作模式，由此監測由於身體內的移動導致的儀器末端相對於目標位置的小的位移。例如，參考圖3，在肺或心臟附近的經皮介入期間，由於呼吸或心搏導致的組織移動(310)能夠使儀器(100A)相對於目標(300)發生位移，尤其是在目標尺寸小時，例如，在目標是只有幾毫米大小的病灶時。
[0064]能夠相應地選擇組織類型確定設備的工作模式(「快速」或「準確」或其他模式)，以確保組織鑑別的期望準確度與目標處的移動速度之間的最佳平衡。例如，由光學分析獲得的信號允許基於組織信息來驗證儀器(100A)在目標處的位置。其使得醫師能夠在需要的情況下精細地調整位置(100B)。利用快速光學反饋精細調整儀器位置的可能性對於在身體內的受到運動影響的位置處實施活檢能夠尤為有用。
[0065]一種實現高準確度模式和低準確度模式的方式是使用非常短的測量時間，但是之後對最後的X次測量進行加權平均。所述加權將確保最新近的測量(在最接近當前儀器末端位置處執行的測量)比沿跡線的較遠處實施的測量具有更高的比重。在使用這種方法的情況下，如果更慢地移動所述儀器就自動取得更高的準確度，外加獲得測量結果的幾乎連續的線。因而，高準確度按鈕能夠通過在更多的測量上求平均而改善結果。而且能夠自動採取所述求平均。例如，在血液含量低的組織中，信噪比非常高，因而就不需要在富含血液的組織中所需的那麼多的測量結果上求平均。
[0066]為了針對「較低準確度模式」和「高準確度模式」之間的切換做出決定，能夠使用下述方法:
[0067]-來自成像模態的信息(例如，通過在圖像中對所述儀器進行跟蹤，能夠確定插入速度，並且在其低於特定值時，使用第二模式等)
[0068]-醫生的決策
[0069]-來自光譜的信息
[0070]此外，這一決策能夠基於其他參數，例如，基於來自另一測量模態的信息，另一測量模態例如是電磁跟蹤、基於例如光纖布拉格光柵的光學形狀感測。FBG是一段較長的光纖，其反射特定的相對窄的波長範圍中的光，並透射其他範圍中的光。對特定的窄波長範圍中的光的反射是通過按照特定間隔向纖芯折射率增加周期性變化而實現的，這建立了波長特異性的介質鏡。在FBG的另一實施例中，所述變化可以沿纖維的整個長度推進。使用具有PercuNav的iU22xMATRIX超聲系統是利用電磁跟蹤的系統的例子。
[0071]此外，能夠提供在儀器插入期間通過其對光纖進行引導的小型攝像機。所述攝像機能夠經由纖維的移動來檢測儀器移動，還能夠在纖維上添加小的條紋，從而更易於移動檢測。
[0072]另一實施例是所述儀器配備有加速度計。所述系統根據加速度的預定閾值從一個模式切換至另一模式。
[0073]此外，所述引導系統還能夠包括用於確定儀器的當前速度的儀器速度分析器，如果儀器的當前速度超過速度閾值，那麼所述組織類型確定設備在第一模式中工作，如果儀器的當前速度低於速度閾值，那麼所述組織類型確定設備在第二模式中工作。其可以是從兩幅或更多幅圖像中提取儀器速度的圖像處理設備。就速度閾值而言，當前在位置方面需要Imm到2mm的解析度。在慢速模式中，或者在高準確度模式中，測量時間和分析用時大約I秒。那麼能夠將所述閾值選擇為〈lmm/s，對於這種情況，能夠使用精確模式。所述閾值能夠根據用戶設定的要求處於0.5mm/s到100mm/S的範圍中。最有可能地，當前優選的閾值處於lmm/s到20mm/s的範圍中。所述閾值可以是用戶經由系統的輸入設備設定的，由此允許使用所述系統的人根據個人偏好在更高的程度上控制所述系統的工作。
[0074]而且要考慮到，未來，計算機的速度將提高，並且探測器也將變得更加靈敏，使得在未來,慢速可能從現在的Is下降至0.5s。
[0075]圖4示意性地示出了顯示包括身體內的組織類型和儀器位置的圖像的方法44的步驟。方法44包括每次在時間Ti處記錄身體內部的圖像的序列的步驟。方法44包括確定身體內部的每幅圖像中的儀器位置的步驟。方法44包括確定在時間Tt處儀器的末端處的組織參數以及基於在接近Tt的時間Ti處的儀器位置來確定估計的儀器位置的步驟。方法44包括這樣的步驟，其中，在第一工作模式中以第一計算準確度執行儀器的末端處的組織參數的確定，並且在第二工作模式中以第二計算準確度執行儀器的末端處的組織參數的確定，所述第二計算準確度高於所述第一計算準確度。方法44包括在顯示單元上顯示作為身體內部的當前圖像與時間Tt處的儀器的末端處的組織參數的表示的組合的圖像。
[0076]如已經提到過的，計算準確度的調整允許在移動期間更新組織參數，從而在任何給定時間處為用戶提供最佳的可能信息。
[0077]儘管已在附圖和前文的描述中詳細說明並描述了本發明，但要將這種說明和描述視為說明性或示範性的而非限制性的；本發明不限於所公開的實施例。通過研究附圖、說明書以及權利要求書，本領域技術人員在實踐要求保護的本發明時，能夠理解並實現對所公開實施例的各種變型。在權利要求書中，詞語「包括」不排除其他元件或步驟，並且量詞「一」或「一個」不排除多個。單個處理器或其他單元可以完成權利要求書中記載的若干項目的功能。互不相同的從屬權利要求中記載了特定措施不指示不能有利地使用這些措施的組合。電腦程式可以被儲存/分布在合適的介質上，所述介質例如是與其他硬體一起提供或作為其他硬體的部分提供的光學儲存介質或固態介質，但電腦程式也可以以其他形式分布，例如經由網際網路或是其他有線或無線的遠程通信系統。權利要求書中的任何附圖標記均不得被解釋為對範圍的限制。
【權利要求】
1.一種用於在身體(14)內引導儀器(12、100、100A、100B、112)的引導系統(10)，所述引導系統(10)包括: 醫學成像設備(18)，其被配置用於形成所述身體(14)內部的圖像， 組織類型確定設備(16、102)，其被配置為接收來自儀器(12、100、100A、100B、112)的組織信號，所述組織類型確定設備(16、102)被配置為基於來自所述儀器(12、100、100A、.100BU12)的所述組織信號來確定指示組織類型的一組參數， 所述組織類型確定設備(16、102)能在兩個模式中工作，即，使用第一準確度來執行組織類型確定的第一模式以及使用比所述第一準確度更高的第二準確度來執行組織類型確定的第二模式， 所述引導系統(10)被配置用於確定所述儀器(12、100、100A、100B、112)的位置並存儲位置的序列， 所述引導系統(10)被配置用於建立將所述身體內部的所述圖像與指示在所述儀器(12、100、100A、100B、112)的所記錄位置處顯示的組織類型的所述一組參數相組合的顯示圖像，以及 顯示設備(22)，其被配置用於顯示所述顯示圖像。
2.根據權利要求1所述的引導系統(10)，還包括: 儀器速度分析器，其用於確定所述儀器(12、100、100A、100B、112)的當前速度，如果所述儀器(12、100、100A、100B、112)的所述當前速度超過速度閾值，那麼所述組織類型確定設備在所述第一模式中工作，如果所述儀器的所述當前速度低於速度閾值，那麼所述組織類型確定設備在所述第二模式中工作。
3.根據權利要求2所述的引導系統(10)，其中，所述速度閾值處於0.5mm/s到20mm/s的範圍中，例如，約為lmm/s。
4.根據權利要求1所述的引導系統(10)，還包括: 輸入設備，其用於向所述組織類型確定設備提供組織類型確定模式信號，所述組織類型確定模式信號指示所述組織類型確定設備以所述第一模式或所述第二模式工作。
5.根據權利要求1所述的引導系統(10)，其中，所述醫學成像設備(18)包括X射線設備。
6.根據權利要求1所述的引導系統(10)，其中，所述組織類型確定設備是光學控制臺，所述光學控制臺獲得光譜並對所述光譜進行處理，以確定指示組織類型的所述一組參數。
7.根據權利要求1所述的引導系統(10)，還包括模式指示器(200)，所述模式指示器用於向用戶傳達所述組織類型確定設備(16、102)以所述第一模式工作還是以所述第二模式工作。
8.根據權利要求1所述的引導系統，其中，所述引導系統(10)包括處理器，所述處理器被布置用於接收與指示組織類型的所述一組參數以及所述儀器(12、100、100A、100B、112)的位置的所述序列相關的信號，所述處理器被布置用於建立所述顯示圖像。
9.根據權利要求1所述的引導系統(10)，其中，所述組織類型確定設備(16、102)是光學控制臺，並且其中，所述引導系統(10)被布置以從所述光學控制臺獲得漫反射譜測定譜和/或螢光譜測定譜。
10.根據權利要求1所述的引導系統(10)，其中，指示組織類型的所述一組參數的所述確定包括: 執行諸如PCA或偏最小二乘判別分析的多變量統計分析。
11.一種用於顯示包括身體內的組織類型和儀器位置的圖像的方法，所述方法包括以下步驟: 每次在時間Ti處記錄(46)所述身體內部的圖像的序列， 確定(48)所述身體內部的每幅圖像中的儀器(12、100、100A、100B、112)位置， 確定(50)在時間Tt處所述儀器的末端處的組織參數，並且基於在接近Tt的時間Ti處的儀器(12、100、100A、100B、112)位置來確定(50)估計(52)的儀器(12、100、100A、100B、.112)位置， 其中，在第一工作模式中以第一計算準確度執行所述儀器(12、100、100A、100B、112)的末端處的組織參數的所述確定(50)，並且在第二工作模式中以第二計算準確度執行所述儀器(12、100、100A、100B、112)的末端處的組織參數的所述確定，所述第二計算準確度高於所述第一計算準確度，以及 在顯示單元(22)上顯示(54)作為身體內部的當前圖像與時間Tt處的所述儀器(12、.100、100A、100B、112)的所述末端處的組織參數的表示的組合的圖像。
12.根據權利要求11所述的方法(44)，其中，在使用所述第一計算準確度時，用於確定組織參數的算法包括迭代的第一數量，並且在使用所述第二計算準確度時，用於確定組織參數的算法包括迭代的第二數量，其中，迭代的所述第一數量低於迭代的所述第二數量。
13.根據權利要求11所述的方法(44)，其中，指示組織類型的所述一組參數的所述確定包括: 執行諸如PCA或偏最小二乘判別分析的多變量統計分析。
14.一種儀器(12、100、100A、100B、112)，在用於在身體內引導所述儀器(12、100、.100A、100B、112)的系統(10)中使用， 所述儀器(12、100、100A、100B、112)包括光學探頭， 用於引導所述儀器(12、100、100A、100B、112)的所述系統(10)包括: 醫學成像設備，其被配置用於形成所述身體內部的圖像， 組織類型確定設備(16、102)，其被配置為接收來自所述儀器(12、100、100A、100B、.112)的組織信號，所述組織類型確定設備被配置為基於來自所述儀器(12、100、100A、.100BU12)的所述組織信號來確定指示組織類型的一組參數， 所述組織類型確定設備能在兩個模式中工作，即，使用第一準確度執行組織類型確定的第一模式和使用高於所述第一準確度的第二準確度執行組織類型確定的第二模式， 所述引導系統(10)被配置用於確定所述儀器(12、100、100A、100B、112)的位置並存儲位置的序列， 所述引導系統(10)被配置用於建立將所述身體(14)內部的所述圖像與指示在所述儀器(12、100、100A、100B、112)的所記錄位置處顯示的組織類型的所述一組參數相組合的顯示圖像，以及 顯示設備(22)，其被配置用於顯示所述顯示圖像。
15.一種用於在數字處理器上運行的軟體實施方法(44)，所述軟體實施方法(44)包括顯示包括身體(14)內的組織類型和儀器(12、100、100A、100B、112)位置的圖像，所述軟體實施方法包括以下步驟: 每次在時間Ti處記錄(46)所述身體(14)內部的圖像的序列， 確定(48)所述身體(14)內部的每幅圖像中的儀器(12、100、100A、100B、112)位置，確定(50)在時間Tt處所述儀器(12、100、100A、100B、112)的末端處的組織參數，並且基於在接近Tt的時間Ti處的儀器(12、100、100A、100B、112)位置來確定(50)估計(52)的儀器(12、100、100A、100B、112)位置， 其中，在第一工作模式中以第一計算準確度執行所述儀器(12、100、100A、100B、112)的末端處的組織參數的所述確定，並且在第二工作模式中以第二計算準確度執行所述儀器(12、100、100A、100B、112)的末端處的組織參數的所述確定，所述第二計算準確度高於所述第一計算準確度，以及 在顯示單元(22)上顯示(54)作為身體內部的當前圖像與時間Tt處的所述儀器(12、.100、100A、100B、112)的所述末端處的組織參數的表示的組合的圖像。
【文檔編號】A61B5/00GK104244861SQ201380016077
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年3月11日 優先權日:2012年3月23日
【發明者】B·H·W·亨德裡克斯, C·賴克, R·納沙貝, J·J·L·霍裡克斯, A·T·M·H·范基爾索普, R·J·F·霍曼, N·J·努爾德霍爾克, M·米勒, J·克勒韋爾, M·范德沃爾特 申請人:皇家飛利浦有限公司