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坐标系配准

阅读：507发布：2020-05-11

IPRDB可以提供坐标系配准专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种系统包括配准组件，其基于从中间图像数据和位置传感器(160)获得的患者体内的介入器械位置信息，更新在图像空间坐标系与介入空间坐标系之间的配准，所述中间图像数据表示介入器械位置，所述位置传感器位于患者体内的介入器械(156)上。，下面是坐标系配准专利的具体信息内容。

权利要求

1、一种介入系统，其使用医学成像数据作为推进介入器械的向导，其包括：配准组件，其基于从中间图像数据和位置传感器(160)获得的患者体内的介入器械位置信息，来更新在图像空间坐标系与介入空间坐标系之间的配准，其中，所述中间图像数据表示所述介入器械位置，所述位置传感器(160) 位于所述患者体内的介入器械(156)上。

2、如权利要求1所述的系统，其中，从由电磁传感器、磁性传感器、光学传感器和超声传感器组成的组中选择所述位置传感器。

3、如权利要求1所述的系统，其中，所述位置传感器位于所述介入器械在所述患者体内的末端附近。

4、如权利要求1所述的系统，其中，在所述中间图像数据中定位所述位置传感器。

5、如权利要求1所述的系统，其中，所述配准组件最初借助于在图像数据内识别的至少三个基准标志的第一组空间坐标和在所述患者身上空间识别的所述至少三个基准标志的第二组空间坐标，来将所述图像空间坐标系与所述介入空间坐标系配准。

6、如权利要求5所述的系统，还包括变换组件(192)，其产生在所述坐标系中的坐标之间的映射。

7、如权利要求1所述的系统，其中，在所述介入器械在所述患者体内的多次连续渐进式前进的每一次之后，所述配准组件更新所述配准。

8、如权利要求1所述的系统，其中，所述组件使用与所述多次连续渐进式前进中的至少两次相对应的介入器械位置信息和所述基准标志信息，来更新所述配准。

9、如权利要求8所述的系统，其中，将所述介入设备位置信息加权为采集时间的函数。

10、如权利要求1所述的系统，其中，所述介入器械是针、导管和导丝中的一种。

11、如权利要求1所述的系统，还包括计算机断层摄影扫描器，其产生所述图像数据。

12、一种系统，包括：

第一组件，其基于在图像数据内识别的至少三个基准标志的空间位置和用位置测量设备(168)在患者身上空间识别的所述至少三个基准标志的空间坐标，将图像空间坐标系与介入空间坐标系配准；以及第二组件，其使用从中间图像获得的介入器械位置信息来更新由所述位置测量设备执行的位置测量，其中，所述中间图像根据在所述介入器械进入到所述患者体内之后获取的图像数据产生。

13、如权利要求12所述的系统，其中，由经校准的位置测量设备所提供的所述位置信息在每一次前进之前定位所述介入器械。

14、如权利要求12所述的系统，其中，用在所述介入器械的每一次渐进式前进之后获取的相应位置信息，在所述介入器械的每一次前进之后校准所述位置测量设备。

15、如权利要求12所述的系统，其中，所述校准调整所述位置测量设备，以校正所述位置测量设备的误差。

16、如权利要求12所述的系统，其中，所述传感器是用于感测电磁场的线圈。

17、如权利要求12所述的系统，其中，所述介入器械包括具有电磁传感器的最小侵入式外科手术工具。

18、如权利要求12所述的系统，其中，所述第一组件使用从所述中间图像获得的所述介入器械位置信息和来自所述介入器械上的传感器线圈的介入器械位置信息以及至少三个基准标志的所述空间位置，来更新所述配准。

19、一种方法，包括：

基于多个基准标志的基准标志位置信息，将图像空间坐标系与介入系统坐标系进行配准；以及基于从中间图像获得的介入器械位置信息、从位于所述介入器械上的电磁传感器获得的介入器械位置信息以及所述至少三个基准标志的空间位置来更新所述配准，其中，在沿着所述患者体内的路径推进所述介入器械之后，获取由所述中间图像和所述电磁传感器获得的所述介入器械位置信息。

20、如权利要求19所述的方法，其中，所述电磁传感器位于所述介入器械的远端。

21、如权利要求19所述的方法，还包括用从所述中间图像获得的所述介入器械位置信息来校准所述位置测量设备。

22、如权利要求19所述的方法，还包括以通常不共线的方向来定位放置在感兴趣区域附近的患者皮肤上的三个基准标志。

23、如权利要求19所述的方法，还包括在所述介入器械沿着所设计的路径的第二次前进之后，执行至少一次后续配准更新。

24、如权利要求19所述的方法，还包括使用与多次连续渐进式前进中的至少两次相对应的介入器械位置信息和所述基准标志信息来更新所述配准，以便更新所述配准。

25、如权利要求19所述的方法，还包括获取基准标志位置信息以及所述介入器械位置信息，并使用所述新获取的基准标志位置信息和所述介入器械位置信息来更新所述配准。

26、一种计算机可读存储介质，其包含指令，所述指令当由计算机执行时，使得所述计算机执行如权利要求19所述的方法。

27、一种系统，包括：

用于基于多个基准标志的基准标志位置信息，将图像空间坐标系与介入系统坐标系进行配准的模块；以及用于基于从中间图像获得的介入器械位置信息、从位于所述介入器械上的电磁传感器获得的介入器械位置信息、以及所述多个基准标志的空间位置来更新所述配准的模块。

说明书全文

技术领域

本发明总体上涉及对物理坐标系与图像空间坐标系进行配准。尽管其在介入放射学中得到具体应用，但其也涉及其它医学和非医学成像应用。

背景技术

介入医学过程，例如包括射频切除的最小侵入式外科手术，要求沿着到预定目标位置或目的地的预定路径有充分可靠且准确的导航，因为一旦将介入器械插入皮肤下面就不能再看见它了。为了有利于在患者体内定位目标并为介入器械确定到目标的适当路径，使用从诸如x射线、计算机断层摄影(CT)、超声(US)核磁共振(MRI)之类的形式而来的一幅或多幅过程前图像，来设计许多介入过程。这种图像允许临床医师不侵入式地见到患者体内的目标。
通常，临床医师直观地将来自过程前图像的患者体内的解剖结构与患者体内不可见的解剖结构相关联，以确定目标的位置及从皮肤到目标的适当路径。然而，这个技术没有提供诸如针、导管或导丝(guide wire)之类的介入器械在患者体内到目标的可靠且准确的导航。其一个原因是在图像中所示的解剖结构与患者体内的解剖结构之间的空间关系对于介入治疗者是不可知的。
可以通过随着介入器械沿患者体内的设计的路径渐进式地前进而观察介入器械的位置，来提高这个方案的位置精度。在一个实例中，通过在介入器械每一次渐进式前进之后扫描患者并产生表明介入器械位置状态的中间图像来实现该目的。不幸的是，在图像中的解剖结构与实际患者解剖结构之间的空间关系仍是不可知的。结果，介入器械的位置精度仍然达不到期望值。
为了提高位置精度，将过程前图像的坐标系与介入器械的坐标系进行配准。这就定义了在图像中的解剖结构与患者体内的解剖结构之间的关系。这个关系允许将一个坐标系中的特征空间映射到另一个坐标系。一个适合的配准技术包括将基准标志贴附到患者，用该标志使坐标系相互关联。对于图像空间坐标系，在扫描前将标志贴附到患者。于是标志就位于在结果生成的图像数据中。对于介入空间坐标系，用位置追踪设备在患者身上空间识别标志的坐标。于是产生了在图像与介入空间坐标系之间的变换。
假设在患者与介入系统之间具有固定空间关系，用过程前图像来设计用于介入器械的到目标的路径。在将标志置于皮肤上的实例中，参考点(标志)与目标之间的距离会导致位置的不准确性。将标志置于皮肤下则需要侵入性步骤。使用该技术的另一个缺点在于，患者运动会损害坐标系配准。
在另一个方案中，结合过程前图像来使用了介入器械追踪传感器，随着介入器械在患者体内移动来验证介入器械的位置。使用这种方案，将追踪传感器附着到插入患者的介入器械的一部分上，通过电磁、磁、光、超声或其它位置测量设备来读取传感器的位置。临床医师将介入器械位置测量值用作向导，沿着设计的路径向前移动介入器械。不幸的是，由于位置测量设备的固有测量误差，以及在该设备与环境之间的电磁、磁、声学或其它干扰，介入器械的位置精度会受到损害。

发明内容

本申请的各个方面解决了上述及其它问题。
根据一个方面，一种系统包括用于基于介入器械在患者体内的位置信息来更新在图像空间坐标系与介入空间坐标系之间的配准的组件，所述位置信息由表示介入器械位置的中间图像数据和位于介入器械上及患者体内的位置传感器获得。
根据另一个方面，一种系统包括第一组件，其基于在相应图像数据中识别的至少三个基准标志的空间位置和以位置测量设备在患者身上空间识别的所述至少三个基准标志的空间坐标，将图像空间坐标系与介入空间坐标系进行配准。该系统还包括第二组件，其使用从中间图像获得的介入器械位置信息更新由位置测量设备执行的位置测量，所述中间图像是根据在介入器械进入到患者体内之后获得的图像数据而生成的。
在另一个方面，一种方法包括基于多个基准标志的基准标志位置信息，将图像空间坐标系与介入系统坐标系进行配准。该方法还包括基于从中间图像获得的介入器械位置信息、从位于介入器械上的位置追踪传感器获得的介入器械位置信息、以及用于更新配准的至少三个基准标志的空间位置，来更新配准。在介入器械沿着患者体内的路径前进后，从中间图像和位置追踪传感器获得介入器械位置信息。
在再另一个方面，一种系统/组件包括计算机可读存储介质，其包含指令，当由计算机执行所述指令时，使得计算机执行步骤：基于多个基准标志的基准标志位置信息，将图像空间坐标系与介入系统坐标系进行配准；基于从中间图像获得的介入器械位置信息、从位于介入器械尖端附近的位置追踪传感器获得的介入器械位置信息、以及用于更新配准的至少三个基准标志的空间位置来更新配准。在介入器械沿着患者体内的设计路径前进后，从中间图像和位置追踪传感器获得介入器械位置信息。
在另一个方面，一种系统包括：用于基于多个基准标志的基准标志位置信息来将图像空间坐标系与介入系统坐标系进行配准的模块；以及用于基于从中间图像获得的介入器械位置信息、从位于介入器械上的位置追踪传感器获得的介入器械位置信息以及所述多个基准标志的空间位置来更新配准的模块。
本领域普通技术人员在阅读并理解了以下详细说明后，会意识到本发明的更多方面。
本发明可以具体化为不同组件和组件配置，以及不同步骤及步骤排列。附图仅是为了说明优选实施例的，不应解释为限制本发明。

附图说明

图1示出了示范性成像系统。
图2示出了第一示范性方法。
图3示出了第二示范性方法。

具体实施方式

参考图1，计算机断层摄影成像(CT)扫描器100包括旋转扫描架部104，其围绕纵轴或z轴在检查区108周围旋转。
x射线源112，例如x射线管，悬挂到旋转扫描架部104上，并与其一起旋转。x射线源112产生并发出辐射，辐射穿过检查区108和布置在其中的对象。
旋转扫描架部104还支撑x射线检测器116，其相对于检查区108位于 x射线源112的对面。X射线源116包括通常的检测器元件二维阵列，其检测穿过检查区108的辐射。
x射线检测器116随旋转扫描架部104与x射线源112一起在检查区 108周围旋转，以便在数据采集期间从多个不同角度位置采集来自x射线源 112的x射线投影。数据采集的角度范围使得在至少180度加扇形角度上获得x射线投影。X射线检测器116产生表示检测到的辐射的投影数据。
对象支撑台120，例如床，支撑在检查区108中的对象，例如患者124。对象支撑台120是可移动的，以便在成像过程中相对于检查区108来移动患者124。
重构器128重构来自x射线检测器116的投影数据，以产生体积图像数据，其表示检查区108和患者124在检查区108中的身体部分。根据体积图像数据产生一个或多个图像。
通用计算机用作操作员控制台132。控制台132包括：例如人可读取输出设备，诸如监视器或显示器；以及输入设备，诸如键盘和鼠标。驻留在控制台132上的软件例如通过图形用户接口(GUI)来使操作员控制扫描器 100，并与其交互。
在所示实施例中，有利的是，将多个基准标志，例如三个基准标志136 放置在患者124的被扫描的身体部分上。以通常不共线的方向，相对于患者124体内的感兴趣区域148将这些标志136放置在患者皮肤上，以便在坐标系内提供参考。
标志136包括的材料所具有衰减系数使得能够将它们绘制为可以在体积图像数据或一个或多个图像中与生物组织相区分。使用已知技术在体积图像数据或图像中定位或识别这些标志136。例如一种技术可以使用 Hounsfield单位或CT值在标志136与生物组织之间加以区分。
结合扫描器100来使用介入系统152执行介入过程。
介入系统152包括探头156和场发生器164。探头156是介入器械，例如针、导管或导丝，其被插入到患者124体内，并且相对于感兴趣区域148(或一些其它目的地或目标)对其进行正确定位，以执行介入过程。
传感器160耦接到探头156，提供与探头156有关的位置反馈或信息。传感器160包括电磁线圈或标志，其感测由场发生器164产生的感生电磁场，并产生相应的位置信号。
在所示实施例中，有利的是，将传感器160放置在插入到患者体内的探头156远端(distal end)的附近，以便提供与充分靠近探头156在患者体内的末端的位置有关的位置信息。这种定位还允许传感器160追踪探头156 末端的弯曲或其它变形。
位置测量组件168根据来自传感器160的信号，产生与探头156有关的位置信息。例如，组件168使用传感器信号来在三维空间中确定探头156 的位置。该位置信息用于随着探头156插入并相对于所关注区域148在皮肤下移动来引导探头156。
控制组件172控制场发生器164、传感器160和位置测量组件168。
介入工作站176包括配准组件188，其使得图像与介入空间坐标系相互关联。根据图像数据，用已知技术获得基准标志的空间信息或坐标。例如，在一个实施中，成像处理软件允许用户人工地、半自动地或自动地在空间上在图像数据内识别非共线放置的基准标志136。
对于介入空间坐标系，从位置测量设备168获得基准标志位置信息。例如，在一个实施中，通过在标志136附近感生电磁场，并且借助于用探头156或其它位置指示器设备接触标志来识别每一个标志，从而获得标志 136的相对空间方向。根据此信息，配准组件188将介入空间坐标系与图像空间坐标系相互关联。
变换组件192产生这些坐标系之间的变换。根据具体应用，变换组件 192可配置为产生刚性、弹性或仿射变换。所述变换用于在坐标系之间的映射坐标，以便通过映射坐标将一个坐标系中的对象定位在另一个坐标系中。
显示组件196显示图像数据和传感器位置数据。该数据用于在介入过程时指导介入治疗者。
在所示实施例中，执行中间扫描以随着探头156沿着到目标的路径移动，获取表示探头156不断前进时的位置的图像数据和/或图像。在这些扫描之前，期间或之后，从传感器160读出探头位置测量值。使用中间图像数据与相应位置数据的组合来更新所述配准，并且对位置测量值误差进行调整，如下详述的，这个误差是由位置测量设备168的误差和来自环境的干扰所造成的。
图2说明了用于更新在坐标系之间的配准的一种示范性方法。
在204，将图像空间坐标系和介入空间坐标系配准。
在208，用已知的设计技术，使用过程前图像和坐标系的配准来为探头 156设计在介入空间中从皮肤到目标的路径。
在212，使用由显示组件192显示的传感器位置反馈作为向导，使探头 156沿着路径前进到第一位置。
在216，由扫描器100执行中间扫描，并由介入系统152获取传感器位置读数。如上所述，可以在扫描之前，期间或之后获得该位置读数。通常，大约与扫描同时地执行位置读取，以便图像数据和位置数据基本上反应同一运动状态。
在220，在中间图像数据内定位传感器160。
在224，使用从过程前图像获得的基准标志坐标和来自中间图像数据的传感器160的坐标，以及从传感器160获得的原始的和新近获得的标志及传感器位置信息，来重新配准坐标系。结果，重新计算的配准是基于四个数据点的，而不是如初始配准一样基于三个数据点。
在228，显示组件192显示更新的位置数据和一个或两个图像。
在232，随着探头156前进，重复步骤212-228。
通常，连续配准改进了在坐标系之间的配准。在一个实例中，这种改进起因于额外的数据点。在另一个实例中，这种改进是使用相对更接近于目标的数据点的结果，这可以减小由基准标志与目标之间的距离所造成的误差。在再另一个实例中，这种改进是获取更能反应当前运动状态的数据点的结果，这是因为在稍后能够及时获得稍后的位置测量值。
图3说明了用于针对位置误差来调整系统的一种示范性方法。对于这个实例，假设如上所述配准了介入系统和图像空间坐标系，并且在中间扫描时的解剖结构的位置状态基本上与过程前扫描时的位置状态相同。
在304，探头156沿着对象内的路径前进到第一位置。
在308，经由扫描器100和系统152分别获取传感器160的中间扫描和传感器160读数的位置读数。
在312，在中间图像中定位传感器160。
在316，使用从中间图像获得的位置信息来调整或重新校准位置测量设备168，以使得其位置测量值能够反映传感器160的实际位置。注意，从中间图像获得的位置信息基本上表示传感器160的实际位置，而从位置测量设备168获得的传感器位置信息包含由设备168的测量限度和与扫描器100 的铁磁体组件的干扰所造成的误差。
在320，显示组件192显示更新的位置数据和图像。
在324，在探头156沿着介入路径的每一次前进后，重复步骤304-320，以调整位置测量设备168的位置读数。
继续沿着路径逐步移动探头156并更新位置测量设备的校准，直至探测器160沿着路径到达了预期的位置为止。与不解决误差的配置相比，周期性的调整位置测量系统的误差改进了探头156到目标的行进。
以下说明其它方面。
在所示实例中，每一个后续配准都使用从图像数据和位置测量设备168 新获取的传感器位置数据和以前获取的基准标志位置数据。在一种可替换实施中，还可以随着探头156的每一次前进来获取更新的基准标志位置数据，并使用新获取的传感器和基准标志位置数据来更新配准。这个方案的一个优点在于，其减轻了改变标志136之间的空间关系的运动失真。由于将探头156插入到患者体内，因此使用不同的探测器或追踪设备来识别介入空间中的标志坐标。
会意识到，对于每一次后续配准，使用全部以前获取的传感器位置测量值之中的一个或多个测量值来对坐标系进行配置。在另一个可替换方案中，对位置测量值进行加权，从而使更有可能表示当前运动状态的稍后获取的位置测量值对配准产生更大程度的影响。
可以使用新的配准来相对于过程前图像或中间图像而显示传感器160。
在另一个实施例中，控制台132和工作站176是同一系统。
可以借助计算机可读指令来实现配准组件184和变换组件188，当由一个或多个计算机处理器执行所述指令时，其使得所述一个或多个处理器执行所述的技术。在此情况下，将指令存储在与相关计算机相关联或可由相关计算机访问的计算机可读存储介质中。
在所示实施例中，CT扫描器用于采集过程前和中间图像的数据。附加地或者可替换地，可以使用磁共振(MRI)、超声(US)、三维(3D)x射线或其它技术来采集过程前和/或中间图像的数据。
此外，在所示的实施例中，位置测量设备是基于电磁技术的。附加地或者可替换地，可以使用将磁、光、超声或其它技术用于空间追踪的位置测量设备。在此情况下，由光、磁、超声或其它源或发生器来代替电磁场发生器164。
参考优选实施例说明了本发明。在阅读并理解了前述详细说明后，其他人会想到修改和变化。其意图是本发明应解释为包括全部这种修改和变化，只要它们在所附权利要求或其等价物的范围内。

标题	发布/更新时间	阅读量
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