СОВМЕЩЕНИЕ СИСТЕМ КООРДИНАТ
SUPERPOSITION OF COORDINATE SYSTEMS

Настоящая заявка, в основном, относится к совмещению систем координат физического пространства и пространства изображения. В то время как она находит конкретное применение в интервенционной радиологии, она также относится к другим медицинским и немедицинским применениям визуализации.
Интервенционные медицинские операции, такие как минимально инвазивная хирургия, в том числе радиочастотная абляция, требуют в значительной степени надежной и точной навигации по предопределенным траекториям в предопределенные целевые местоположения или места назначения, поскольку интервенционное устройство не может наблюдаться, как только оно введено под кожу. Для облегчения определения местоположения цели внутри пациента и определения подходящей траектории до цели для интервенционного устройства многие интервенционные операции планируются с использованием предоперационного изображения(ий) из способа воздействия, такого как рентгенография, компьютерная томография (СТ), ультразвук (US), или магнитно-резонансная томография (MRI). Такое изображение предоставляет практикующему врачу возможность бесконтактно наблюдать цель внутри пациента.
Традиционно, практикующий врач визуально соотносит анатомию пациента из предоперационного изображения с невидимой анатомией пациента, чтобы определять местоположение цели и подходящую траекторию от кожи до цели. Однако эта методика не обеспечивает надежной и точной навигации интервенционного устройства, такого как игла, катетер или поисковый пружинный направитель, до цели внутри пациента. Одна причин этого состоит в том, что пространственное соотношение между анатомией, показанной на изображении, и анатомией пациента, неизвестно выполняющему интервенционное вмешательство.
Точность позиционирования этого подхода может быть улучшена наблюдением положения интервенционного устройства по мере того, как оно с определенным шагом продвигается по запланированной траектории внутри пациента. В одном случае, это достигается сканированием пациента после каждого пошагового продвижения интервенционного устройства и формированием промежуточного изображения, указывающего на позиционное состояние интервенционного устройства. К сожалению, пространственное соотношение между анатомией на изображении и реально существующей анатомией человека по-прежнему неизвестно. Как результат, точность позиционирования интервенционного устройства по-прежнему является меньшей, чем требуемая.
Для того чтобы улучшить точность позиционирования, система координат предоперационного изображения совмещается с системой координат интервенционного устройства. Это определяет взаимосвязь между анатомией на изображении и анатомией пациента. Эта взаимосвязь предоставляет признаку в одной из систем координат пространственно отображаться в другую систему координат. Одна из пригодных технологий совмещения включает в себя присоединение координатных меток к пациенту и использование меток для соотнесения систем координат. Для системы координат изображения метки крепятся к пациенту перед сканированием.
Метки затем локализуются в результирующих данных изображения. Для системы координат пространства интервенции координаты меток пространственно идентифицируются на пациенте с помощью устройства позиционного слежения. Затем, формируется преобразование между системами координат пространства изображения и пространства интервенции.
При условии постоянного пространственного соотношения между системой пациента и интервенционной системой траектория до цели для интервенционного устройства планируется с использованием предоперационного изображения. В случаях, в которых метки размещены на коже, расстояние между опорными точками (метками) и целью может приводить к позиционным погрешностям. Размещение меток под кожей требует инвазивного этапа. Еще один недостаток при этой технологии состоит в том, что совмещение систем координат может быть нарушено движением пациента.
В другом подходе, датчик слежения интервенционного устройства используется в соединении с предоперационным изображением для контроля положения интервенционного устройства, по мере того как оно подвергается маневрированию внутри пациента. При этом подходе, датчик слежения прикреплен к части интервенционного устройства, которая вводится в пациента, и положение датчика считывается электромагнитным, магнитным, оптическим, ультразвуковым, или другим устройством определения местоположения. Практикующий врач продвигает интервенционное устройство по запланированной траектории с использованием определения местоположения интервенционного устройства в качестве направляющей. К сожалению, точность позиционирования интервенционного устройства может быть нарушена вследствие погрешностей измерений, присущих устройству определения местоположения, и электромагнитных, магнитных, акустических или других помех между устройством и окружающей средой.
Аспекты настоящей заявки направлены на решения вышеупомянутых и других вопросов.
Согласно одному из аспектов система включает в себя компонент, который обновляет совмещение между системой координат пространства изображения и системой координат пространства интервенции на основании информации о положении интервенционного устройства внутри пациента, полученной из данных промежуточного изображения, указывающих на местоположение интервенционного устройства, и датчика положения, который расположен на интервенционном устройстве и внутри пациента.
Согласно еще одному аспекту система включает в себя первый компонент, который совмещает систему координат пространства изображения и систему координат пространства интервенции на основании пространственного расположения по меньшей мере трех координатных меток, идентифицированных в пределах соответствующих данных изображения, и пространственных координат по меньшей мере трех координатных меток, пространственно идентифицированных на пациенте с помощью устройства определения местоположения. Система дополнительно включает в себя второй компонент, который использует информацию о положении интервенционного устройства, полученную из промежуточного изображения, сформированного из данных изображения, полученных после того, как интервенционное устройство введено в пациента, для обновления измерения положения, выполненного устройством определения местоположения.
В еще одном аспекте способ включает в себя совмещение системы координат пространства изображения с системой координат интервенционной системы на основании информации о положении координатных меток для множества координатных меток. Способ дополнительно включает в себя обновление совмещения на основании информации о положении интервенционного устройства, полученной из промежуточного изображения, информации о положении интервенционного устройства, полученной с датчика отслеживания положения, расположенного на интервенционном устройстве, и пространственного расположения по меньшей мере трех координатных меток для обновления совмещения. Информацию о положении интервенционного устройства получают из промежуточного изображения и датчика отслеживания положения после продвижения интервенционного устройства по траектории внутри пациента.
В еще одном другом аспекте система/компонент включает в себя машинно-читаемый запоминающий носитель, содержащий команды, которые, когда выполняются компьютером, побуждают компьютер выполнять этапы: совмещения системы координат пространства изображения с системой координат интервенционной системы на основании информации о положении координатных меток для множества координатных меток и обновления совмещения на основании информации о положении интервенционного устройства, полученной из промежуточного изображения, информации о положении интервенционного устройства, полученной от датчика отслеживания положения, расположенного вблизи наконечника интервенционного устройства, и пространственного расположения по меньшей мере трех координатных меток для обновления совмещения. Информацию о положении интервенционного устройства получают из промежуточного изображения и датчика отслеживания положения после продвижения интервенционного устройства вдоль запланированной траектории внутри пациента.
И, кроме того, еще в одном другом аспекте система включает в себя средство для совмещения системы координат пространства изображения с системой координат интервенционной системы на основании информации о положении координатных меток для множества координатных меток и средство для обновления совмещения на основании информации о положении интервенционного устройства, полученной из промежуточного изображения, и информации о положении интервенционного устройства, полученной от датчика отслеживания положения на интервенционном устройстве, и пространственного расположения множества координатных меток.
Кроме того, дополнительные аспекты настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники по прочтению и осмыслению последующего подробного описания.
Изобретение может обретать форму различных компонентов и компоновок компонентов и различных этапов и компоновок этапов. Чертежи предназначены только для целей иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны истолковываться в качестве ограничивающих изобретение.
Фиг.1 иллюстрирует примерную систему формирования изображений.
Фиг.2 иллюстрирует первый примерный способ.
Фиг.3 иллюстрирует второй примерный способ.
Со ссылкой на фиг.1, сканер 100 компьютерной томографии (СТ) включает в себя поворотную кольцевую часть (гентри) 104, которая поворачивается около области 108 исследования вокруг продольной оси, или оси аппликат.
Рентгеновский источник 112, такой как рентгеновская трубка, подвешен на и поворачивается с поворотной кольцевой частью 104. Рентгеновский источник 112 вырабатывает и испускает излучение, которое проходит область 108 исследования и объекты, расположенные в ней.
Поворотная кольцевая часть 104 также поддерживает детектор 116 рентгеновского излучения, который расположен напротив рентгеновского источника 112 по отношению к области 108 исследования. Детектор 116 рентгеновского излучения включает в себя, в большинстве случаев, двухмерную матрицу детекторных элементов, которые детектируют излучение, которое проходит область 108 исследования.
Детектор 116 рентгеновского излучения поворачивается с поворотной кольцевой частью 104 в согласовании с рентгеновским источником 112 около области 108 исследования, так что рентгеновские проекции от рентгеновского источника 112 получаются с множества разных угловых положений во время сбора данных. Угловой фактор сбора данных является таким, что рентгеновские проекции получаются на по меньшей мере ста восьмидесяти (180) градусах плюс веерный угол. Детектор рентгеновского излучения формирует данные проекции, показывающие детектированное излучение.
Опора 120 объекта, такая как кушеточные опоры, поддерживает объект, такой как пациент 124, в области 108 исследования. Опора 120 объекта является подвижной, с тем чтобы передвигать пациента 124 относительно области 108 исследования для процедуры формирования изображения.
Реконструирующее устройство 128 реконструирует данные проекции из детектора 116 рентгеновского излучения, чтобы формировать данные объемного изображения области 108 исследования и части пациента 124 в ней. Одно или более изображений формируются из объемных данных изображения.
Компьютер общего применения служит в качестве консоли 132 оператора. Консоль 132, например, включает в себя считываемое человеком устройство вывода, такое как монитор или дисплей, и устройство ввода, такое как клавиатура и мышь. Программное обеспечение, резидентно находящееся в консоли 132, предоставляет оператору возможность управлять и взаимодействовать со сканером 100, например, через графический интерфейс пользователя (GUI).
В проиллюстрированном варианте осуществления множество координатных меток, таких как три эталонные метки 136, преимущественно помещается на часть пациента 124, которая подвергается сканированию. Метки 136 расположены в основном в неколлинеарной ориентации на коже пациента по отношению к интересующей области 148 в пределах пациента 124, с тем чтобы обеспечивать опорные точки в системе координат.
Метки 136 включают в себя материал(ы) с коэффициентом ослабления, который делает их отличимыми от биологической ткани в данных объемного изображения или одном или более изображений.
Метки 136 локализуются или идентифицируются в данных объемного изображения или изображениях с использованием известных технологий. Например, одна из технологий может проводить различие между метками 136 и биологической тканью с использованием элементов Хаунсфильда или индексов СТ.
Интервенционная система 152 используется в связи со сканером 100 для выполнения интервенционной операции.
Интервенционная система 152 включает в себя зонд 156 и генератор 164 сигналов частоты полей. Зонд 156, который является интервенционным устройством, таким как, например, игла, катетер, или поисковый пружинный направитель, вводится в пациента 124, надлежащим образом позиционируется относительно интересующей области 148 (или некоторого другого места назначения или цели) для выполнения интервенционной операции.
Датчик 160 присоединен к зонду 156 и обеспечивает позиционную обратную связь или информацию о зонде 156. Датчик 160 включает в себя электромагнитную катушку или метку, которая воспринимает наведенное электромагнитное поле, формируемое генератором 164 поля, и формирует соответствующий позиционный сигнал.
В проиллюстрированном варианте осуществления датчик 160 преимущественно расположен возле дистального конца зонда 156, который вводится в пациента с тем, чтобы выдавать позиционную информацию о местоположении, по существу близком к концу зонда 156, в пациенте. Такое расположение также предоставляет датчику 160 возможность отслеживать изгиб или другие искривления конца зонда 156.
Компонент 168 определения местоположения формирует информацию о положении касательно зонда 156 по сигналу с датчика 160. Например, компонент 168 использует сигнал датчика для определения положения зонда 156 в трехмерном пространстве. Информация о положении используется, чтобы направлять зонд 156 по мере того, как он вводится и подвергается маневрированию под кожей относительно интересующей области 148.
Компонент 172 управления управляет генератором 164 поля, датчиком 160 и компонентом 168 позиционных измерений.
Интервенционная рабочая станция 176 включает в себя компонент 188 совмещения, который соотносит системы координат пространства изображения и пространства интервенции. Из данных изображения, пространственная информация или координаты эталонной метки получают с использованием известных технологий. Например, в одном из вариантов осуществления программное обеспечение обработки изображений предоставляет пользователю возможность вручную, полуавтоматически или автоматически пространственно идентифицировать неколлинеарно расположенные эталонные метки 136 в пределах данных изображения.
Для системы координат пространства интервенции информацию о положении эталонных меток получают из устройства 168 определения местоположения. Например, в одном из вариантов осуществления относительную пространственную ориентацию меток 136 получают индуцированием электромагнитного поля в окрестности меток 136 и идентификацией каждой метки посредством касания метки зондом 156 или другим устройством указателя местоположения. По этой информации компонент 188 совмещения соотносит систему координат пространства интервенции с системой координат пространства изображения.
Компонент 192 преобразования формирует преобразование между системами координат. Компонент 192 преобразования является конфигурируемым, чтобы формировать жесткое, гибкое или аффинное преобразование, в зависимости от конкретного применения. Преобразование используется для отображения координат между системами координат, так что объект в одной из систем координат может быть локализован в другой системе координат посредством отображения координат.
Компонент 196 представления представляет данные изображения и данные о положении датчика. Эти данные используются для руководства, осуществляющего интервенционное вмешательство при выполнении интервенционной операции.
В проиллюстрированном варианте осуществления промежуточные сканирования выполняются, чтобы получать данные изображения и/или изображения, указывающие на положение зонда 156 при пошаговых продвижениях, по мере того, как он продвигается по траектории к цели. До, во время или после этих сканирований позиционные измерения зонда считываются с датчика 160. Сочетание промежуточных данных и соответствующих данных о положении используется для обновления совмещения и корректировки погрешностей позиционных измерений, обусловленных погрешностями устройства 168 позиционных измерений и помехами из окружающей среды, как более подробно описано ниже.
Фиг.2 описывает примерный способ для обновления совмещения между системами координат.
На 204 совмещаются системы пространства изображения и пространства интервенции.
На 208 предоперационное изображение и совмещение систем координат используются, чтобы планировать траекторию для зонда 156 в пространства интервенции от кожи до цели, с использованием известных технологий планирования.
На 212 зонд 156 продвигается по траектории в первое положение с использованием позиционной обратной связи датчика, отображаемой компонентом 192 представления, в качестве направляющей.
На 216 промежуточное сканирование выполняется сканером 100 и показание положения датчика собирают интервенционной системой 152. Как отмечено выше, показание положения могут получать до, во время или после сканирования. Вообще, считывание положения выполняется приблизительно в тот же момент, что и сканирование, так что данные изображения и данные позиционирования по существу являются отражающими одно и то же состояние движения.
На 220 датчик 160 локализуется в пределах данных промежуточного изображения.
На 224 системы координат повторно совмещаются с использованием координат координатных меток, полученных из предоперационного изображения, и координат датчика 160 из данных промежуточного изображения, а также исходной и вновь полученной информации о положении метки и датчика, полученной с датчика 160. Как результат, повторно вычисленное совмещение основано на четырех измерительных точках вместо трех, подобно начальному совмещению.
На 228 компонент 192 представления отображает обновленные данные позиционирования и одно или оба из изображений.
На 232 этапы 212-228 повторяются по мере того, как зонд 156 продвигается.
Вообще, последующее совмещение улучшает совмещение между системами координат. В одном случае, улучшение обусловлено дополнительными измерительными точками. В другом случае, улучшение является следствием использования измерительных точек, которые являются относительно более близкими к цели, каковое может уменьшать ошибку, вызванную расстоянием между опорными метками и целью. В еще одном другом случае улучшение является результатом приобретения измерительных точек, в большей степени отражающих текущее состояние движения, поскольку более поздние позиционные измерения получены позже во времени.
Фиг.3 описывает примерный способ для внесения поправок в систему на погрешности позиционирования. Для этого примера допустим, что системы координат интервенционной системы и пространства изображения совмещены, как описано выше, и что позиционное состояние анатомии во время промежуточного сканирования, по существу, является таким же, как позиционное состояние в момент времени предоперационного сканирования.
На 304 зонд 156 продвигается в первое положение вдоль траектории внутри субъекта.
На 308 промежуточное сканирование датчика 160 и показание положения из показания датчика 160 соответственно получают через сканер 100 и систему 152.
На 312 датчик 160 локализуется в пределах промежуточного изображения.
На 316 информация о положении, полученная из промежуточного изображения, используется для настройки или повторной калибровки устройства 168 определения местоположения, так что определение местоположения отражает реальное местоположение датчика 160. Отмечено, что информация о положении, полученная из промежуточного изображения, по существу представляет реальное положение датчика 160, тогда как информация о положении датчика из устройства 168 определения местоположения включает в себя погрешности, обусловленные пределами измерения устройства 168 и помехами с ферромагнитными компонентами сканера 100.
На 320 компонент 192 представления отображает обновленные данные позиционирования и изображения.
На 324 этапы 304-320 повторяются, чтобы скорректировать цифровую индикацию координат или положений устройства 168 определения местоположения после каждого продвижения зонда 156 вдоль интервенционной траектории.
Пошаговое перемещение зонда 156 по траектории и обновление калибровки устройства позиционных измерений продолжается до тех пор, пока зонд 160 не располагается в требуемом местоположении вдоль траектории. Периодическая корректировка погрешностей системы определения местоположения улучшает навигацию зонда 156 до цели относительно конфигурации, в которой не принимаются во внимание погрешности.
Ниже описаны другие аспекты.
В проиллюстрированном примере каждое последующее совмещение использует вновь полученные данные позиционирования датчика из данных изображения и устройства 168 определения местоположения и собранные ранее данные позиционирования эталонных меток. В альтернативном варианте осуществления обновленные данные позиционирования эталонных меток также собирают с каждым продвижением зонда 156, и вновь полученные данные позиционирования датчика и координатных меток используют для обновления совмещения. Одно из преимуществ этого подхода состоит в том, что он уменьшает искажение движения, которое изменяет пространственное соотношение между метками 136. Другой зонд или устройство отслеживания используется для идентификации координат меток в пространства интервенции, после того, как зонд 156 введен во внутрь пациента.
Должно приниматься во внимание, что, для каждого последующего совмещения, одно или более включающих в себя все из ранее собранных измерений используются для совмещения систем координат. В другом альтернативном варианте измерения местоположения взвешиваются так, что измерения местоположения, полученные позже во времени, которые более вероятно должны представлять текущее состояние движения, вносят вклад в совмещение в большей степени.
Новое совмещение может использоваться для отображения датчика 160 относительно предоперационного или промежуточного изображения.
В другом варианте осуществления консоль 132 и рабочая станция 176 являются одной и той же системой.
Компонент 184 совмещения и компонент 188 преобразования могут быть реализованы посредством машинно-читаемых команд, которые, когда выполняются процессором(ами) компьютера, побуждают процессор(ы) выполнять описанные технологии. В таком случае, команды хранятся на машинно-читаемом запоминающем носителе, ассоциативно связанном с или иным образом доступном соответствующему компьютеру.
В проиллюстрированном варианте осуществления сканер СТ используется для сбора данных для предоперационных и промежуточных изображений. Дополнительно или в качестве альтернативы, отображение магнитного резонанса (MRI), ультразвук (US), трехмерная (3D) рентгенография или другие технологии могут использоваться, чтобы получать данные для предоперационных и/или промежуточных изображений.
К тому же, в проиллюстрированном варианте осуществления устройство определения местоположения основано на электромагнитной технологии. Дополнительно или в качестве альтернативы, могут использоваться устройства определения местоположения, использующие оптическую, ультразвуковую или другие технологии для пространственного слежения. В этом случае, генератор 164 магнитного поля заменяется оптическим, магнитным, ультразвуковым или другим источником или генератором.
Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. Модификации и изменения могут иметь место после прочтения и осмысления предшествующего подробного описания. Предполагается, что изобретение будет строиться в качестве включающего в себя все такие модификации и изменения, насколько они подпадают под объем прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.