CT图像与磁跟踪系统的表面配准的制作方法

本专利申请要求于2015年7月23日提交的美国临时专利申请62/195,905的权益，该专利以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明整体涉及医疗过程中使用的不同模态的配准，并且具体地涉及受检者的图像与被配置成跟踪受检者体内的器械的系统的配准。

背景技术：

为了进行磁跟踪系统与受检者图像的配准，在现有技术的系统中，将由磁跟踪系统跟踪的探针定位在受检者的预先确定的特征结构处。通过跟踪系统所确定的探针的特征结构位置与由受检者的图像(通常为计算机断层摄影术(CT)图像)确定的特征结构位置相关，并且该相关性用于配准图像与跟踪系统。然而，探针在预先确定的特征结构处的定位通常是不准确的，并且可能与正确位置相差不止1mm。例如，在给定特征结构处，可抵靠受检者推动探针，在该位置处按压皮肤，从而导致不准确的配准。作为另外一种选择，在另一个位置处，探针甚至可能不接触特征结构，从而再次导致不准确的配准。

授予Yagel的PCT申请WO2002/000093A2描述了用于将目标受检者图像配准到存储的图像数据的系统，该申请的公开内容以引用方式并入本文。二维图像与参考坐标系和目标的先前采集的三维图像两者配准以提供从参考坐标系到目标的坐标变换。

授予Shahidi的美国专利申请2007/0276234描述了宣称有助于使用者将医疗器械引导至患者体内的皮下目标部位的方法，该申请的公开内容以引用方式并入本文。阐述了该方法生成至少一个术中超声图像并且指示超声图像上的目标部位。

授予Schwartz等人的美国专利8,636,519描述了具有适于由操作人员握持的远侧端部和近侧端部的探针实体模型，该专利的公开内容以引用方式并入本文。模拟真实患者的患者实体模型具有孔，该孔允许探针实体模型的远侧端部穿透到患者实体模型内。力发生器联接到探针实体模型以便将力施加到操作人员可感知的所述近侧端部，并且控制器被配置成跟踪远侧端部。

授予Galloway，打.等人的美国专利7,072,707描述了用于收集和处理在执行图像引导的外科手术时使用的物理空间数据的方法，该专利的公开内容以引用方式并入本文。阐述了物理空间数据通过探测经外科手术暴露的组织的物理表面点而收集。物理空间数据为物理表面点中的每个提供了3D坐标。基于所收集的物理空间数据，确定了用于指示图像空间和物理空间两者中的外科手术位置的基于点的配准。

授予Ma等人的美国专利9,019,262描述了用于转化与成像探针的视野的位置和取向相对应的显示的三维图像的方法，该专利的公开内容以引用方式并入本文。可显示第一坐标空间中的组织的三维图像。第二坐标空间中的成像探针的视野可被配置，并且第一坐标空间和第二坐标空间可共同配准。

授予Nelson等人的美国专利申请2009/0299174描述了用于跟踪人类患者体内的器械的方法，该专利的公开内容以引用方式并入本文。该器械具有细长主体，诸如细长柔性构件，其具有被配置成通过人体内的血管或其他通道的远侧节段。该器械还可包括通过远侧节段的管腔和在远侧节段处具有转发器的磁性标记物。

以引用方式并入本专利申请的文献将被视为本专利申请的整体部分，不同的是如果在这些并入的文献中定义的任何术语与在本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突，则应只考虑本说明书中的定义。

技术实现要素：

本发明的实施方案提供设备，该设备包括：

磁跟踪系统，该磁跟踪系统被配置成在活体受检者的身体附近生成磁场；

探针，该探针具有被配置成与身体表面上的一个或多个配准点接触的远侧端部，并且包括：

接触传感器，该接触传感器位于远侧端部内并且被配置成输出表示远侧端部与一个或多个配准点之间的接触的质量的第一信号；和

磁性检测器，该磁性检测器位于远侧端部内并且被配置成响应于磁场而输出表示磁跟踪系统的坐标系中的一个或多个相应配准点的相应位置的第二信号；以及

处理器，该处理器被配置成接收受检者的层析图像，并且基于由第一信号指示的接触的质量而证实一个或多个配准点是有效的，并且使用被证实为有效的一个或多个配准点的位置来将层析图像配准在所述磁跟踪系统的所述坐标系中。

在一个实施方案中，接触传感器由电极组成，并且证实一个或多个配准点是有效的包括证实由与配准点中的每个接触的电极测量的阻抗处于预先确定的范围内。当在20kHz下测量阻抗时，预先确定的范围可为20kΩ-40kΩ。作为另外一种选择或除此之外，可响应于身体表面上的接地单元的位置，以及响应于接地单元与表面的接触程度来评估预先确定的范围。

在所公开的实施方案中，设备包括连接到探针的柄部以便形成刚性探针组件。

在另一个所公开的实施方案中，一个或多个配准点被选择为对于探针的使用者的肉眼为可见的。

在另一个所公开的实施方案中，一个或多个配准点被选择为固定在身体表面上。

作为另外一种选择，接触传感器由力传感器组成，并且证实一个或多个配准点是有效的包括证实由与每个配准点接触的力传感器测量的力处于预先确定的范围内。预先确定的范围可为2gm-8gm。作为另外一种选择或除此之外，响应于接触身体表面上的预选点的探针的使用者来评估预先确定的范围。

根据本发明的实施方案，还提供了一种方法，该方法包括：

用磁跟踪系统在活体受检者的身体附近生成磁场；

使探针的远侧端部与身体表面上的一个或多个配准点接触，该探针包括：

接触传感器，该接触传感器位于远侧端部内并且被配置成输出表示远侧端部与一个或多个配准点之间的接触的质量的第一信号，和

磁性检测器，该磁性检测器位于远侧端部内并且被配置成响应于磁场而输出表示磁跟踪系统的坐标系中的一个或多个相应配准点的相应位置的第二信号；

接收受检者的层析图像；

基于由第一信号指示的接触的质量而证实一个或多个配准点是有效的；以及

使用被证实为有效的一个或多个配准点的位置来将层析图像配准在所述磁跟踪系统的所述坐标系中。

结合附图，根据下文对本公开的实施方案的详细说明，将更全面地理解本公开，其中：

附图说明

图1为根据本发明的实施方案的表面配准系统的示意图；

图2A和图2B为根据本发明的实施方案的用于系统中的探针的示意图；并且

图3为根据本发明的实施方案的操作该系统所执行的步骤的流程图。

具体实施方式

概述

本发明的实施方案使得将磁跟踪系统与受检者的图像配准的过程比现有技术的配准系统更准确。将接触传感器结合到由磁跟踪系统跟踪的探针中，并且传感器提供在受检者的用于与图像配准的特征结构处探针与受检者皮肤的接触的“程度”或质量的读数。(特征结构的位置也在图像中确定。)在一个实施方案中，传感器包括电极，并且由电极测得的阻抗用于量化接触程度，并且给出接触为有效的指示。在另选的实施方案中，传感器包括力传感器，并且所测得的力的值用于指示接触是有效的。

在所公开的实施方案中，配准设备包括磁跟踪系统，该磁跟踪系统被配置成在活体受检者(通常为人类受检者)的身体附近生成磁场。该设备的使用者使探针的远侧端部与身体表面上的一个或多个配准点接触。接触传感器位于远侧端部中，并且输出表示远侧端部与一个或多个配准点之间的接触的质量的第一信号。磁性检测器也位于远侧端部内，并且响应于磁场而输出表示磁跟踪系统的坐标系中的一个或多个相应配准点的相应位置的第二信号。

所公开的实施方案还包括接收受检者的层析图像的处理器。基于由第一信号指示的接触的质量，处理器证实一个或多个配准点是有效的。处理器随后使用被证实为有效的一个或多个配准点的位置来将层析图像配准在所述磁跟踪系统的所述坐标系中。

具体实施方式

图1为根据本发明的实施方案的表面配准系统10的示意图。图2A和图2B为根据本发明的实施方案的探针的示意图。图3为根据本发明的实施方案的操作系统10所执行的步骤的流程图。系统10用于配准磁跟踪系统12与图像，该图像在本文中以举例的方式假定为包括受检者14的计算机断层扫描(CT)图像。跟踪系统12用于跟踪一个或多个器械的位置和取向，所述器械诸如导管或导丝，其在受检者上执行医疗过程期间被插入到受检者14体内。如下所述，跟踪系统12也能够跟踪在受检者外部的配准探针28的位置和取向。探针28固定地连接到可在系统10的使用期间由专业人员30握持的柄部32(在图中仅示出专业人员的手)。探针28和柄部32的组合形成刚性探针组件31，该刚性探针组件有利于通过专业人员30将探针定位到所需位置。

为清楚和简单起见，在以下描述中，假定上文提到的医疗过程包括受检者14的鼻窦上的侵入性过程，使得表面配准系统10和磁跟踪系统12假定为被配置成在鼻窦区域中以及周围操作。然而，应当理解，系统10和系统12可被配置成在受检者的其他区域中以及周围操作，所述其他区域诸如肾脏或腹部，并且本领域的普通技术人员将能够对本文的描述进行调整以用于此类其他区域。

跟踪系统12由系统处理器16操作，该系统处理器包括与探针跟踪模块20连通的处理单元18。模块20的功能在下文中描述。处理器16可安装于控制台22中，该控制台包括操作控制件24，该操作控制件通常包括指向装置，诸如鼠标或轨迹球。如图中所指示的，控制台22是接地的。专业人员30使用操作控制件来与处理器进行交互，该处理器如下文所述可用于在屏幕34上向专业人员呈现由系统10和系统12产生的结果。

处理器16使用存储在所述处理器的存储器中的软件来操作系统10。例如，软件可以电子形式通过网络下载到处理器16，或者作为另外一种选择或除此之外，该软件可被提供和/或存储在非临时性有形介质(诸如磁存储器、光学存储器、或电子存储器)上。

为了跟踪上文提到的在受检者14体内的器械，以及跟踪探针28，处理单元18使用探针跟踪模块20来操作多个磁场发生器40。在一个实施方案中，如果受检者14未被麻醉，则通常适用的是，将发生器40(通常为线圈)固定到框架44，该框架继而夹紧到受检者14的头部26，如图1所示，并且该框架为接地的。在另选的实施方案中，如果受检者14被麻醉并且将头斜靠固定在床上，则适用的是，发生器通常通过放置在床上(除了受检者的头部以外)而相对于彼此并且相对于头部固定，而无需使用框架44。在这种情况下，接地补片43可附接到受检者14的皮肤。

发生器将交变磁场辐射到受检者的头部中以及外部，并且该场生成器械中以及探针28中的磁性检测器中的信号。通常就探针28而言，信号经由将探针连接到控制台22的缆线50而传送回到处理单元18和模块20，其分析信号以提供器械和探针28相对于发生器40的位置和取向。应当理解，磁场发生器40限定磁跟踪系统12的坐标参照系41。

由加利福尼亚州钻石吧的韦伯斯特生物传感公司(Biosense Webster，Diamond Bar，CA)生产的系统使用类似于本文所述的跟踪系统来跟踪插入到受检者体内的探针的远侧末端的位置和取向。

如下文所详述，系统处理器16存储受检者14的头部26的数字化CT图像54。数字化CT图像可由处理单元18处理以便用于配准系统10中，以及特别是生成受检者的头部在屏幕34上的图像58。在配准的过程期间，使探针28与受检者14的表面36接触，即，与受检者的皮肤接触，使得表面36在本文中也称为皮肤36。

图2A为根据本发明的实施方案的探针28的横截面的示意图。探针28包括磁性检测器60，该磁性检测器在本文中假定为包括一个或多个线圈，其位于探针的远侧末端64处并且响应于由发生器40发射的磁场而生成信号。该信号通常通过可能包括导电缆线或者另选地包括光纤电缆的信号传送缆线68传送到控制台22的处理单元和探针跟踪模块。如果缆线68包括光纤电缆，则检测器60中产生的电信号可使用光电换能器(在图中未示出)转化成光信号以便在光纤电缆中传输。作为另外一种选择，由检测器60产生的信号可无线地传送到处理单元42和模块46。如上所述，处理单元使用探针跟踪模块来由信号确定探针28的位置和取向。

除了具有位于远侧末端64处的检测器60之外，远侧末端还包括电极72，该电极从探针的外表面76略微突出或者与探针的外表面76齐平。如果电极72被配置成从表面76突出，则突起通常为大约100微米。导电缆线80将电极72连接到系统控制台22。电极72和缆线80与控制台22的接地电隔离，并且如下所述，在这种情况下，电极充当探针28的接触传感器并且在本文中也称为接触传感器72。

图2B为根据本发明的替代实施方案的探针28A的横截面的示意图。除了以下描述的差别之外，探针28A的操作大体类似于探针28(图2A)的操作，并且在探针28和探针28A中由相同附图标号指示的元件通常在构造和操作方面相似。与探针28相比，探针28A在其远侧末端处不包括电极。相反，力传感器90安装在探针中，使得力传感器能够测量远侧末端64上的力。力传感器可为本领域中已知的任何方便的力传感器，并且可为例如与上文提到的系统中提供的传感器类似的传感器。通常，力传感器90被配置成测量远侧末端上的力的量值和方向。

来自力传感器90的信号可基本上如上文对于来自检测器60的信号所述无线地或通过缆线96传送到处理单元18。处理单元被配置成分析信号以提供施加在探针28A的远侧末端上的力的定量值。

图3为根据本发明的实施方案的操作表面配准系统10所执行的步骤的流程图。除非另外指明，否则以下描述假定探针28用于由系统生成的配准，并且还假定框架44附接到受检者14。对于其中使用探针28A以及/或者在不使用框架44时的情况而言，本领域的普通技术人员将能够根据需要对描述进行调整。

在图像采集步骤150中，系统处理器16采集层析图像，该层析图像在本文中假定为包括受检者14的头部的CT图像。CT图像通常在CT机中生成，然后通过系统处理器存储为数字化CT图像54。步骤150在流程图的以下步骤之前执行，并且通常可在这些步骤之前若干天执行。

在安装步骤152中，框架44及其附接的发生器40夹紧到受检者14的头部。发生器连接到控制台22，并且由处理单元18使用模块20启动。受检者14的一部分连接到地。在一个实施方案中，框架44是导电的并且是接地的，使得将框架夹紧到受检者使受检者接地。

在定位步骤154中，专业人员30握持柄部32并且使探针28与受检者14的表面(即，皮肤)上的多个预先确定的配准点中的一个接触。通常在流程图步骤的具体实施之前，通常存在由专业人员30选择的大约3-4个配准点，并且这些配准点中的一个在步骤154中选择。预先确定的点通常为在皮肤上的在几何形状上明确定义的点，诸如受检者鼻部的顶端，或者在眼睛之间在受检者眉毛上的点。预先确定的点被选择为对于专业人员30的肉眼而言为可见的，以及在几何形状上明确定义的，并且选择为在受检者皮肤的固定部分上。

在使探针28接近受检者的皮肤时，检测器60响应于来自横贯检测器的发生器40的磁场而生成信号。

在信号采集步骤156中，来自检测器60的信号由处理器16接收。此外，处理器通过将交流电流注入到电极中来测量电极72(在本文中也称为接触传感器72)与接地之间的阻抗。接触传感器72及其连接缆线80与接地隔离，使得在传感器72不接触受检者14的皮肤时，测得的阻抗较大，通常为大约10MΩ或更大。在与受检者的皮肤接触时，阻抗显著降低。

接触传感器72与接地之间的实际阻抗取决于传感器与皮肤的接触的“程度”或质量，以及取决于框架44或接地补片43的接触的位置和程度。例如，如果接触是极轻的，则阻抗可为大约100kΩ。在另一方面，如果接触非常强，使得接触传感器72推动到受检者的皮肤中，则阻抗可降至大约10kΩ或更小。

本发明的实施方案对于接触传感器72与接地之间的阻抗分配可接受的范围。在一个实施方案中，在使用20kHz频率的情况下，可接受的范围为20kΩ-40kΩ。在20kΩ以下，探针可过度按压皮肤，将皮肤向内按压1mm或甚至更多。在40kΩ以上，可能不存在或者几乎不存在接触。在另选的实施方案中，可接受的范围由专业人员30确定，而无需过多的实验，并且取决于框架44和/或补片43的接触的定位和/或程度。

就探针28A而言，本发明的实施方案使用力传感器90作为接触传感器，使得力传感器90在本文中也称为接触传感器90。在步骤156中，处理器记录由接触传感器90测得的力。如果传感器90不接触受检者14的皮肤，则由传感器测得的力为零。如果接触是强的，使得传感器90推动到皮肤中，则由传感器测得的力通常为10gm或更大。

类似于接触传感器72(电极)，将力的可接受范围分配给由传感器90测得的力。在一个实施方案中，可接受的范围为2gm-8gm。在2gm以下，可能不存在或者几乎不存在接触；在8gm以上，探针可多度按压皮肤。在另选的实施方案中，力的可接受范围由专业人员30通过以下方式确定，而无需过多的实验：专业人员使探针28与受检者皮肤上的所选择点接触。

在决定步骤158中，处理器16检查来自接触传感器、电极72或力传感器90的读数是否在其可接受的范围内，从而指示探针28或探针28A是否形成与受检者14的皮肤的有效接触。

如果步骤158返回肯定的回答，则在记录信号步骤160中，处理器将步骤156的来自检测器60的信号记录为有效信号。处理器也可向专业人员30提供探针的接触为有效接触的信号，诸如听觉信号或视觉信号。在这种情况下，视觉信号的示例为将绿色符号定位在屏幕34上的图像58中的对应位置处(图1)。

如果步骤158返回否定的回答，则在拒绝步骤162中，处理器不记录步骤156的信号，并且通常向专业人员30发出可接受接触尚未实现的听觉警告和/或视觉警告。在这种情况下，视觉警告的示例为将红色符号定位在图像58中。此外，警告可向专业人员提供如何调整探针远侧端部以便实现可接受接触的指示。例如，如果接触传感器指示即使一些接触已形成，但所述接触过轻，则可能建议专业人员增加接触的强度。如果传感器指示接触过强，则可能建议专业人员减小接触强度。

在调节步骤164中，专业人员调节探针以试图实现可接受的接触，并且流程图返回到步骤154。

如线166所指示，在每个磁信号被记录为有效时，流程图返回到步骤154。

一旦所有配准点在步骤154中已被处理并且其对应的磁信号在步骤160中被记录为有效的，则在转换步骤168中，处理器16将记录的磁信号转换为由磁跟踪系统，即，由附接到框架44的发生器40限定的参照系中的位置。

在最终步骤170中，处理器将步骤168中测定的位置的值与CT图像的对应位置值配准。

应当理解，通过遵循流程图的过程，处理器16仅仅在存在与受检者14的皮肤的有效接触时才将磁信号记录为有效的。如果不存在有效接触，则处理器不记录磁信号值。

应当理解，上述实施方案均以举例的方式引用，并且本发明不受上文具体示出和描述的内容限制。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合与子组合，以及本领域技术人员在阅读上述说明时会想到且未在现有技术中公开的其变型和修改。