坐標系配準的製作方法

2023-08-04 06:39:36 4

專利名稱：坐標系配準的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及對物理坐標系與圖像空間坐標系進行配準。儘管其 在介入放射學中得到具體應用，但其也涉及其它醫學和非醫學成像應用。
背景技術：
介入醫學過程，例如包括射頻切除的最小侵入式外科手術，要求沿著 到預定目標位置或目的地的預定路徑有充分可靠且準確的導航，因為一旦 將介入器械插入皮膚下面就不能再看見它了。為了有利於在患者體內定位 目標並為介入器械確定到目標的適當路徑，使用從諸如X射線、計算機斷
層攝影(CT)、超聲(US)核磁共振(MRI)之類的形式而來的一幅或多幅過程前 圖像，來設計許多介入過程。這種圖像允許臨床醫師不侵入式地見到患者 體內的目標。
通常，臨床醫師直觀地將來自過程前圖像的患者體內的解剖結構與患 者體內不可見的解剖結構相關聯，以確定目標的位置及從皮膚到目標的適
當路徑。然而，這個技術沒有提供諸如針、導管或導絲(guide wire)之類的 介入器械在患者體內到目標的可靠且準確的導航。其一個原因是在圖像中 所示的解剖結構與患者體內的解剖結構之間的空間關係對於介入治療者是 不可知的。
可以通過隨著介入器械沿患者體內的設計的路徑漸進式地前進而觀察 介入器械的位置，來提高這個方案的位置精度。在一個實例中，通過在介 入器械每一次漸進式前進之後掃描患者並產生表明介入器械位置狀態的中 間圖像來實現該目的。不幸的是，在圖像中的解剖結構與實際患者解剖結 構之間的空間關係仍是不可知的。結果，介入器械的位置精度仍然達不到 期望值。
為了提高位置精度，將過程前圖像的坐標系與介入器械的坐標系進行 配準。這就定義了在圖像中的解剖結構與患者體內的解剖結構之間的關係。這個關係允許將一個坐標系中的特徵空間映射到另一個坐標系。 一個適合 的配準技術包括將基準標誌貼附到患者，用該標誌使坐標系相互關聯。對 於圖像空間坐標系，在掃描前將標誌貼附到患者。於是標誌就位於在結果 生成的圖像數據中。對於介入空間坐標系，用位置追蹤設備在患者身上空 間識別標誌的坐標。於是產生了在圖像與介入空間坐標系之間的變換。
假設在患者與介入系統之間具有固定空間關係，用過程前圖像來設計 用於介入器械的到目標的路徑。在將標誌置於皮膚上的實例中，參考點(標 志)與目標之間的距離會導致位置的不準確性。將標誌置於皮膚下則需要侵 入性步驟。使用該技術的另一個缺點在於，患者運動會損害坐標系配準。
在另一個方案中，結合過程前圖像來使用了介入器械追蹤傳感器，隨 著介入器械在患者體內移動來驗證介入器械的位置。使用這種方案，將追 蹤傳感器附著到插入患者的介入器械的一部分上，通過電磁、磁、光、超 聲或其它位置測量設備來讀取傳感器的位置。臨床醫師將介入器械位置測 量值用作嚮導，沿著設計的路徑向前移動介入器械。不幸的是，由於位置 測量設備的固有測量誤差，以及在該設備與環境之間的電磁、磁、聲學或 其它幹擾，介入器械的位置精度會受到損害。

發明內容
本申請的各個方面解決了上述及其它問題。
根據一個方面， 一種系統包括用於基於介入器械在患者體內的位置信 息來更新在圖像空間坐標系與介入空間坐標系之間的配準的組件，所述位 置信息由表示介入器械位置的中間圖像數據和位於介入器械上及患者體內 的位置傳感器獲得。
根據另一個方面， 一種系統包括第一組件，其基於在相應圖像數據中 識別的至少三個基準標誌的空間位置和以位置測量設備在患者身上空間識 別的所述至少三個基準標誌的空間坐標，將圖像空間坐標系與介入空間坐 標系進行配準。該系統還包括第二組件，其使用從中間圖像獲得的介入器 械位置信息更新由位置測量設備執行的位置測量，所述中間圖像是根據在 介入器械進入到患者體內之後獲得的圖像數據而生成的。
在另一個方面， 一種方法包括基於多個基準標誌的基準標誌位置信息，將圖像空間坐標系與介入系統坐標系進行配準。該方法還包括基於從中間 圖像獲得的介入器械位置信息、從位於介入器械上的位置追蹤傳感器獲得 的介入器械位置信息、以及用於更新配準的至少三個基準標誌的空間位置， 來更新配準。在介入器械沿著患者體內的路徑前進後，從中間圖像和位置 追蹤傳感器獲得介入器械位置信息。
在再另一個方面， 一種系統/組件包括計算機可讀存儲介質，其包含指 令，當由計算機執行所述指令時，使得計算機執行步驟基於多個基準標 志的基準標誌位置信息，將圖像空間坐標系與介入系統坐標系進行配準； 基於從中間圖像獲得的介入器械位置信息、從位於介入器械尖端附近的位 置追蹤傳感器獲得的介入器械位置信息、以及用於更新配準的至少三個基 準標誌的空間位置來更新配準。在介入器械沿著患者體內的設計路徑前進 後，從中間圖像和位置追蹤傳感器獲得介入器械位置信息。
在另一個方面， 一種系統包括用於基於多個基準標誌的基準標誌位 置信息來將圖像空間坐標系與介入系統坐標系進行配準的模塊；以及用於 基於從中間圖像獲得的介入器械位置信息、從位於介入器械上的位置追蹤 傳感器獲得的介入器械位置信息以及所述多個基準標誌的空間位置來更新 配準的模塊。
本領域普通技術人員在閱讀並理解了以下詳細說明後，會意識到本發 明的更多方面。
本發明可以具體化為不同組件和組件配置，以及不同步驟及步驟排列。 附圖僅是為了說明優選實施例的，不應解釋為限制本發明。


圖l示出了示範性成像系統。
圖2示出了第一示範性方法。 圖3示出了第二示範性方法。
具體實施例方式
參考圖l，計算機斷層攝影成像(CT)掃描器100包括旋轉掃描架部104， 其圍繞縱軸或z軸在檢查區108周圍旋轉。x射線源112，例如x射線管，懸掛到旋轉掃描架部104上，並與其一 起旋轉。x射線源112產生並發出輻射，輻射穿過檢查區108和布置在其中 的對象。
旋轉掃描架部104還支撐x射線檢測器116，其相對於檢査區108位於 x射線源112的對面。X射線源116包括通常的檢測器元件二維陣列，其檢 測穿過檢查區108的輻射。
x射線檢測器116隨旋轉掃描架部104與x射線源112 —起在檢査區 108周圍旋轉，以便在數據採集期間從多個不同角度位置採集來自x射線源 112的x射線投影。數據採集的角度範圍使得在至少180度加扇形角度上獲 得x射線投影。X射線檢測器116產生表示檢測到的輻射的投影數據。
對象支撐臺120，例如床，支撐在檢査區108中的對象，例如患者124。 對象支撐臺120是可移動的，以便在成像過程中相對於檢査區108來移動 患者124。
重構器128重構來自x射線檢測器116的投影數據，以產生體積圖像 數據，其表示檢查區108和患者124在檢査區108中的身體部分。根據體 積圖像數據產生一個或多個圖像。
通用計算機用作操作員控制臺132。控制臺132包括例如人可讀取輸 出設備，諸如監視器或顯示器；以及輸入設備，諸如鍵盤和滑鼠。駐留在 控制臺132上的軟體例如通過圖形用戶接口(GUI)來使操作員控制掃描器 100，並與其交互。
在所示實施例中，有利的是，將多個基準標誌，例如三個基準標誌136 放置在患者124的被掃描的身體部分上。以通常不共線的方向，相對於患 者124體內的感興趣區域148將這些標誌136放置在患者皮膚上，以便在 坐標系內提供參考。
標誌136包括的材料所具有衰減係數使得能夠將它們繪製為可以在體 積圖像數據或一個或多個圖像中與生物組織相區分。使用己知技術在體積 圖像數據或圖像中定位或識別這些標誌136。例如一種技術可以使用 Hounsfidd單位或CT值在標誌136與生物組織之間加以區分。
結合掃描器100來使用介入系統152執行介入過程。
介入系統152包括探頭156和場發生器164。探頭156是介入器械，例
9如針、導管或導絲，其被插入到患者124體內，並且相對於感興趣區域148(或 一些其它目的地或目標)對其進行正確定位，以執行介入過程。
傳感器160耦接到探頭156，提供與探頭156有關的位置反饋或信息。 傳感器160包括電磁線圈或標誌，其感測由場發生器164產生的感生電磁 場，並產生相應的位置信號。
在所示實施例中，有利的是，將傳感器160放置在插入到患者體內的 探頭156遠端(distal end)的附近，以便提供與充分靠近探頭156在患者體 內的末端的位置有關的位置信息。這種定位還允許傳感器160追蹤探頭156 末端的彎曲或其它變形。
位置測量組件168根據來自傳感器160的信號，產生與探頭156有關 的位置信息。例如，組件168使用傳感器信號來在三維空間中確定探頭156 的位置。該位置信息用於隨著探頭156插入並相對於所關注區域148在皮 膚下移動來引導探頭156。
控制組件172控制場發生器164、傳感器160和位置測量組件168。
介入工作站176包括配準組件188，其使得圖像與介入空間坐標系相互 關聯。根據圖像數據，用已知技術獲得基準標誌的空間信息或坐標。例如， 在一個實施中，成像處理軟體允許用戶人工地、半自動地或自動地在空間 上在圖像數據內識別非共線放置的基準標誌136。
對於介入空間坐標系，從位置測量設備168獲得基準標誌位置信息。 例如，在一個實施中，通過在標誌136附近感生電磁場，並且藉助於用探 頭156或其它位置指示器設備接觸標誌來識別每一個標誌，從而獲得標誌 136的相對空間方向。根據此信息，配準組件188將介入空間坐標系與圖像 空間坐標系相互關聯。
變換組件192產生這些坐標系之間的變換。根據具體應用，變換組件 192可配置為產生剛性、彈性或仿射變換。所述變換用於在坐標系之間的映 射坐標，以便通過映射坐標將一個坐標系中的對象定位在另一個坐標系中。
顯示組件196顯示圖像數據和傳感器位置數據。該數據用於在介入過 程時指導介入治療者。
在所示實施例中，執行中間掃描以隨著探頭156沿著到目標的路徑移 動，獲取表示探頭156不斷前進時的位置的圖像數據和/或圖像。在這些掃描之前，期間或之後，從傳感器160讀出探頭位置測量值。使用中間圖像
數據與相應位置數據的組合來更新所述配準，並且對位置測量值誤差進行
調整，如下詳述的，這個誤差是由位置測量設備168的誤差和來自環境的 幹擾所造成的。
圖2說明了用於更新在坐標系之間的配準的一種示範性方法。
在204，將圖像空間坐標系和介入空間坐標系配準。
在208，用已知的設計技術，使用過程前圖像和坐標系的配準來為探頭 156設計在介入空間中從皮膚到目標的路徑。
在212，使用由顯示組件192顯示的傳感器位置反饋作為嚮導，使探頭 156沿著路徑前進到第一位置。
在216，由掃描器100執行中間掃描，並由介入系統152獲取傳感器位 置讀數。如上所述，可以在掃描之前，期間或之後獲得該位置讀數。通常， 大約與掃描同時地執行位置讀取，以便圖像數據和位置數據基本上反應同 一運動狀態。
在220，在中間圖像數據內定位傳感器160。
在224，使用從過程前圖像獲得的基準標誌坐標和來自中間圖像數據的 傳感器160的坐標，以及從傳感器160獲得的原始的和新近獲得的標誌及 傳感器位置信息，來重新配準坐標系。結果，重新計算的配準是基於四個 數據點的，而不是如初始配準一樣基於三個數據點。
在228，顯示組件192顯示更新的位置數據和一個或兩個圖像。
在232，隨著探頭156前進，重複步驟212-228。
通常，連續配準改進了在坐標系之間的配準。在一個實例中，這種改 進起因於額外的數據點。在另一個實例中，這種改進是使用相對更接近於 目標的數據點的結果，這可以減小由基準標誌與目標之間的距離所造成的 誤差。在再另一個實例中，這種改進是獲取更能反應當前運動狀態的數據 點的結果，這是因為在稍後能夠及時獲得稍後的位置測量值。
圖3說明了用於針對位置誤差來調整系統的一種示範性方法。對於這 個實例，假設如上所述配準了介入系統和圖像空間坐標系，並且在中間掃 描時的解剖結構的位置狀態基本上與過程前掃描時的位置狀態相同。
在304，探頭156沿著對象內的路徑前進到第一位置。在308，經由掃描器100和系統152分別獲取傳感器160的中間掃描和 傳感器160讀數的位置讀數。
在312，在中間圖像中定位傳感器160。
在316，使用從中間圖像獲得的位置信息來調整或重新校準位置測量設 備168，以使得其位置測量值能夠反映傳感器160的實際位置。注意，從中 間圖像獲得的位置信息基本上表示傳感器160的實際位置，而從位置測量 設備168獲得的傳感器位置信息包含由設備168的測量限度和與掃描器100 的鐵磁體組件的幹擾所造成的誤差。
在320，顯示組件192顯示更新的位置數據和圖像。
在324，在探頭156沿著介入路徑的每一次前進後，重複步驟304-320， 以調整位置測量設備168的位置讀數。
繼續沿著路徑逐步移動探頭156並更新位置測量設備的校準，直至探 測器160沿著路逕到達了預期的位置為止。與不解決誤差的配置相比，周 期性的調整位置測量系統的誤差改進了探頭156到目標的行進。
以下說明其它方面。
在所示實例中，每一個後續配準都使用從圖像數據和位置測量設備168 新獲取的傳感器位置數據和以前獲取的基準標誌位置數據。在一種可替換 實施中，還可以隨著探頭156的每一次前進來獲取更新的基準標誌位置數 據，並使用新獲取的傳感器和基準標誌位置數據來更新配準。這個方案的 一個優點在於，其減輕了改變標誌136之間的空間關係的運動失真。由於 將探頭156插入到患者體內，因此使用不同的探測器或追蹤設備來識別介 入空間中的標誌坐標。
會意識到，對於每一次後續配準，使用全部以前獲取的傳感器位置測 量值之中的一個或多個測量值來對坐標系進行配置。在另一個可替換方案 中，對位置測量值進行加權，從而使更有可能表示當前運動狀態的稍後獲 取的位置測量值對配準產生更大程度的影響。
可以使用新的配準來相對於過程前圖像或中間圖像而顯示傳感器160。 在另一個實施例中，控制臺132和工作站176是同一系統。 可以藉助計算機可讀指令來實現配準組件184和變換組件188，當由一 個或多個計算機處理器執行所述指令時，其使得所述一個或多個處理器執
12行所述的技術。在此情況下，將指令存儲在與相關計算機相關聯或可由相 關計算機訪問的計算機可讀存儲介質中。
在所示實施例中，CT掃描器用於採集過程前和中間圖像的數據。附加 地或者可替換地，可以使用磁共振(MRI)、超聲(US)、三維(3D)x射線或其 它技術來採集過程前和/或中間圖像的數據。
此外，在所示的實施例中，位置測量設備是基於電磁技術的。附加地 或者可替換地，可以使用將磁、光、超聲或其它技術用於空間追蹤的位置 測量設備。在此情況下，由光、磁、超聲或其它源或發生器來代替電磁場 發生器164。
參考優選實施例說明了本發明。在閱讀並理解了前述詳細說明後，其 他人會想到修改和變化。其意圖是本發明應解釋為包括全部這種修改和變 化，只要它們在所附權利要求或其等價物的範圍內。
權利要求
1、一種介入系統，其使用醫學成像數據作為推進介入器械的嚮導，其包括配準組件，其基於從中間圖像數據和位置傳感器(160)獲得的患者體內的介入器械位置信息，來更新在圖像空間坐標系與介入空間坐標系之間的配準，其中，所述中間圖像數據表示所述介入器械位置，所述位置傳感器(160)位於所述患者體內的介入器械(156)上。
2、 如權利要求l所述的系統，其中，從由電磁傳感器、磁性傳感器、 光學傳感器和超聲傳感器組成的組中選擇所述位置傳感器。
3、 如權利要求l所述的系統，其中，所述位置傳感器位於所述介入器 械在所述患者體內的末端附近。
4、 如權利要求l所述的系統，其中，在所述中間圖像數據中定位所述 位置傳感器。
5、 如權利要求l所述的系統，其中，所述配準組件最初藉助於在圖像 數據內識別的至少三個基準標誌的第一組空間坐標和在所述患者身上空間 識別的所述至少三個基準標誌的第二組空間坐標，來將所述圖像空間坐標 系與所述介入空間坐標系配準。
6、 如權利要求5所述的系統，還包括變換組件(192)，其產生在所述坐 標系中的坐標之間的映射。
7、 如權利要求l所述的系統，其中，在所述介入器械在所述患者體內 的多次連續漸進式前進的每一次之後，所述配準組件更新所述配準。
8、 如權利要求l所述的系統，其中，所述組件使用與所述多次連續漸進式前進中的至少兩次相對應的介入器械位置信息和所述基準標誌信息， 來更新所述配準。
9、 如權利要求8所述的系統，其中，將所述介入設備位置信息加權為 採集時間的函數。
10、 如權利要求1所述的系統，其中，所述介入器械是針、導管和導 絲中的一種。
11、 如權利要求1所述的系統，還包括計算機斷層攝影掃描器，其產 生所述圖像數據。
12、 一種系統，包括第一組件，其基於在圖像數據內識別的至少三個基準標誌的空間位置和用位置測量設備(168)在患者身上空間識別的所述至少三個基準標誌的空 間坐標，將圖像空間坐標系與介入空間坐標系配準；以及第二組件，其使用從中間圖像獲得的介入器械位置信息來更新由所述 位置測量設備執行的位置測量，其中，所述中間圖像根據在所述介入器械 進入到所述患者體內之後獲取的圖像數據產生。
13、 如權利要求12所述的系統，其中，由經校準的位置測量設備所提 供的所述位置信息在每一次前進之前定位所述介入器械。
14、 如權利要求12所述的系統，其中，用在所述介入器械的每一次漸 進式前進之後獲取的相應位置信息，在所述介入器械的每一次前迸之後校 準所述位置測量設備。
15、 如權利要求12所述的系統，其中，所述校準調整所述位置測量設 備，以校正所述位置測量設備的誤差。
16、 如權利要求12所述的系統，其中，所述傳感器是用於感測電磁場 的線圈。
17、 如權利要求12所述的系統，其中，所述介入器械包括具有電磁傳 感器的最小侵入式外科手術工具。
18、 如權利要求12所述的系統，其中，所述第一組件使用從所述中間 圖像獲得的所述介入器械位置信息和來自所述介入器械上的傳感器線圈的 介入器械位置信息以及至少三個基準標誌的所述空間位置，來更新所述配 準。
19、 一種方法，包括基於多個基準標誌的基準標誌位置信息，將圖像空間坐標系與介入系 統坐標系進行配準；以及基於從中間圖像獲得的介入器械位置信息、從位於所述介入器械上的 電磁傳感器獲得的介入器械位置信息以及所述至少三個基準標誌的空間位 置來更新所述配準，其中，在沿著所述患者體內的路徑推進所述介入器械 之後，獲取由所述中間圖像和所述電磁傳感器獲得的所述介入器械位置信 息。
20、 如權利要求19所述的方法，其中，所述電磁傳感器位於所述介入 器械的遠端。
21、 如權利要求19所述的方法，還包括用從所述中間圖像獲得的所述 介入器械位置信息來校準所述位置測量設備。
22、 如權利要求19所述的方法，還包括以通常不共線的方向來定位放 置在感興趣區域附近的患者皮膚上的三個基準標誌。
23、 如權利要求19所述的方法，還包括在所述介入器械沿著所設計的路徑的第二次前進之後，執行至少一次後續配準更新。
24、 如權利要求19所述的方法，還包括使用與多次連續漸進式前進中 的至少兩次相對應的介入器械位置信息和所述基準標誌信息來更新所述配 準，以便更新所述配準。
25、 如權利要求19所述的方法，還包括獲取基準標誌位置信息以及所 述介入器械位置信息，並使用所述新獲取的基準標誌位置信息和所述介入 器械位置信息來更新所述配準。
26、 一種計算機可讀存儲介質，其包含指令，所述指令當由計算機執 行時，使得所述計算機執行如權利要求19所述的方法。
27、 一種系統，包括用於基於多個基準標誌的基準標誌位置信息，將圖像空間坐標系與介 入系統坐標系進行配準的模塊；以及用於基於從中間圖像獲得的介入器械位置信息、從位於所述介入器械 上的電磁傳感器獲得的介入器械位置信息、以及所述多個基準標誌的空間 位置來更新所述配準的模塊。
全文摘要
一種系統包括配準組件，其基於從中間圖像數據和位置傳感器(160)獲得的患者體內的介入器械位置信息，更新在圖像空間坐標系與介入空間坐標系之間的配準，所述中間圖像數據表示介入器械位置，所述位置傳感器位於患者體內的介入器械(156)上。
文檔編號G06T7/00GK101449292SQ200780018689
公開日2009年6月3日 申請日期2007年5月11日 優先權日2006年5月24日
發明者J·克呂爾克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司