专利名称：工具定位系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及医疗诊断成像系统，且更具体地，涉及一种适于与医疗成像系统一起使用的工具定位系统。
背景技术：
为了准确地执行各种过程，通常需要相对于对象的解剖结构而适当地定位工具。在准确地定位工具时，内科医生可以将工具插入到对象中，以获得例如组织、骨骼、流体等的样本。特别地，在对潜在恶性肿瘤、癌变前状况和其他疾病或失调的诊断和治疗中使用该样本组织。典型地，在肿瘤的情况下，当内科医生怀疑存在癌症或其他疾病状况时，执行活组织检查以确定来自肿瘤的细胞事实上是否是恶性的或另外是患病的。许多活组织检查(例如经皮活组织检查)是利用用于采集组织以供分析的针状仪器来执行的。 近年来，已经使用多种成像技术(例如，X射线成像、CT扫描、连续CT (CCT)、磁共振成像(MRI)、荧光透视法、单光子发射CT (SPECT)、正电子发射断层摄像(PET)等)来增强介入医疗过程(例如针穿刺活组织检查)的性能。成像设备允许放射科医生、外科医生、内科医生或其他医疗人员在诊断和/或治疗过程期间计划和跟踪介入设备(例如活组织检查穿刺针)到对象中的经皮插入。提出了多种外科仪器导引设备，以结合成像系统使用，以便允许用户准确地将介入工具置于患者体内。例如，美国专利No. 4，583，538提出了一种适于以各种可选择的计算角夹持(hold)针或探针的独立式活组织检查导引装置。在使用本专利中提出的设备时，找到与CT扫描上的点精确相关的患者身体上的参考点。这是利用置于在CT扫描上的横截面中可标识的患者皮肤上的本地化(localization)设备来实现的。然后，将在CT扫描上对本地化设备的测量与患者身上的设备进行相关。然后，根据这些计算来调整独立式活组织检查导引装置。本专利所教导的设备的一个劣势在于将患者身体参考点与CT扫描上所选的点进行相关所需的时间。此外，可能在点相关步骤期间以及在调整独立式导引设备的同时引入特定的不准确性。因此，将期望提供一种相对于CT扫描器设备附着在已知位置处的活组织检查或其他外科仪器导引装置，从而自动建立导引设备、患者检查台和患者图像容积(image volume)的坐标系之间的精确和自动相关。美国专利No. 6，853，856描述了一种用于对对象进行图像导引医疗过程的医疗成像系统，该系统包括医疗成像设备，用于获得对象的容积图像；用于使用容积图像对对象上的介入过程进行计划的装置；机械臂组件，被布置为与医疗成像设备邻近，该机械臂组件包括基座、远端、多个臂段、以及用于执行介入过程的臂段之间的多个接合部；以及末端执行器，布置在机械臂组件的远端处，该末端执行器包括用于利用夹紧力(grippingforce)在介入过程期间选择性地夹紧外科仪器的夹紧装置，该夹紧力从零至防止夹紧装置与外科仪器之间的相对移动的力的范围内变化，其中，该末端执行器还包括第一指状部分(finger portion),具有第一夹紧表面；第二指状部分,具有第二夹紧表面,第一和第二夹紧表面彼此相对，以对外科仪器施加夹紧力；第一外科仪器导引装置，布置在第一指状部分上并向第二指状部分延伸；以及第二外科仪器导引装置，布置在第二指状部分上并向第一指状部分延伸。美国专利申请No. 20060149147描述了一种与关联的成像设备一起使用的导引设备，用于引导关联的介入器具相对于布置在成像设备上的患者的移动。导引设备包括连接器部分，该连接器部分将导引设备与关联的成像设备相耦合。连接器部分相对于关联的成像设备支承设备的主体部分。在主体部分的第一端处形成夹紧区域，该夹紧区域适于用于由关联的操作者手动夹紧的导引设备。在主体部分的第二端处形成夹持区域。夹持区域适于将关联的介入器具夹持在以下定向中该定向适于沿所选择的线性路径相对于所述患者移动，还用于响应于由关联的操作人在所述夹紧区域处施加的手动力沿所述所选择的线性路径(P)平移关联的介入器具。机器人臂对设备进行定位，以基于虚拟计划的轨迹来相对于患者夹持活组织检查穿刺针。线性滑动接合部(slider joint)将针的移动限于路径(P)，并允许针的手动插入以及伴随的触觉反馈。
上述技术具有多个缺点。例如，‘856专利中描述的技术需要在荧光透视法模式中操作该设备，以定位患者身上的入口点。此外，跟踪设备跟踪患者相对于介入工具的位置。需要修改成像设备以操作导引设备。在上述一些技术中，需要将机器人系统永久固定到地板上或固定到CT系统上。这可能妨碍针对其他非介入过程正常使用成像系统。此外，上述技术并不补偿由于呼吸和患者移动而引起的目标移动，这影响定位的准确度。本发明提供一种克服上述问题和其他问题的新型工具定位系统。
发明内容
简言之，根据本发明的一个实施例，提供了一种用于对对象进行图像导引过程的医疗成像系统。所述医疗成像系统包括成像设备，被配置为生成所述对象内的感兴趣的区的容积图像，其中，所述医疗成像设备包括可移动患者摇篮床(cradle)。所述医疗成像系统还包括工具定位系统，被配置为沿成像系统的可移动患者摇篮床移动至期望位置，且还被配置为参考成像系统。所述工具定位系统包括独立设备；机器人定位器，耦合至所述独立设备，并被配置为夹紧介入工具导引装置并将工具导引装置移动至期望位置；以及移动感测模块，耦合至所述独立设备并被配置为计算患者的移动。在另一实施例中，提供了一种适于与成像系统一起使用的工具定位系统。所述工具定位系统被配置为准确地定位导引装置，所述导引装置适于将介入工具从插入点插入到患者内的目标点。所述工具定位系统被配置为沿成像系统的可移动患者摇篮床对接在预定义对接位置处。所述工具定位系统包括独立设备；以及机器人定位器，耦合至所述独立设备，并被配置为夹紧所述导引装置并将所述导引装置移动至期望位置。该系统还包括移动感测模块，耦合至所述独立设备，并被配置为计算患者由于呼吸而引起的移动；以及处理电路，被配置为确定所述预定义对接位置和所述期望位置。
在参照附图阅读以下详细说明时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中贯穿整个附图，相似的标记表示相似的部分，其中
图I是根据本发明技术的示例实施例的被设计为实现增强图像数据存储方案的示例成像系统的示意图，在这种情况下，该示例成像系统是计算机断层摄像(“CT”)成像系统；
图2和图3是结合根据本发明技术的方面实现的成像系统使用的工具定位系统的图解视 图4是根据本发明技术的方面实现的工具定位系统的图解视 图5A是处于非锁定位置的工具定位系统的一个实施例的图解视 图5B是处于锁定位置的工具定位系统的一个实施例的图解视图；以及 图6是示出了根据本发明技术的方面的用于执行介入过程的方法的流程图。
具体实施方式
现在转至附图，且首先参照图1，本发明将被描述为其可结合示例成像系统而应用，在这种情况下，示例成像系统是计算机断层摄像(CT)成像系统。然而，总体上，应当牢记，可以将本发明技术与通过任何合适成像医疗器械而产生的图像数据一起使用。CT成像系统20的示意实施例具有框架22、门架24和孔径(成像容积或CT钻孔容积)26。患者检查台28位于框架22和门架24的孔径26中。适配患者检查台28使得患者30可以在检查过程期间舒服地躺卧。CT成像系统20的示意实施例具有X射线源32，X射线源32被定位为与准直器34相邻，准直器34定义了从X射线源32出现的X射线束36的大小和形状。在典型操作中，X射线源32向在门架24的相对侧上安装的检测器阵列38投射辐射流(X射线束)36。所有或部分X射线束36在碰撞检测器阵列38之前经过对象(例如患者30)。应当注意，所有或部分X射线束36可以穿越患者30的特定区(例如，肝、胰、心等)，以允许对要获取的区的扫描。检测器阵列38可以是单片检测器或多片检测器，并且一般由多个检测器元件形成。当X射线束36撞击检测器阵列38时，每个检测器元件产生表示检测器元件处入射的X射线束36的强度的电信号。获取并处理这些信号，以在患者30内重构特征的图像。门架24可以绕患者30旋转，使得可以沿通过X射线源32相对于患者30的移动而描述的成像轨迹采集多个放射照相视图。具体地，随着X射线源32和检测器阵列38与门架24 —起旋转，检测器阵列38以相对于患者30的各种视角采集由于X射线束衰减而引起的光子，并产生表示入射光子的信号或数据。然后，从检测器阵列38采集的数据经历预处理和滤波，以使数据适于表示所扫描的患者30的衰减系数的线积分。然后，滤波并投射回处理后的数据(通常称为投射(projection)),以制定出(formulate)所扫描的区域的图像。因此，获取图像或切片(slice)，该图像或切片可以在特定模式中结合小于或大于360度的投射数据以制定出图像。门架24的旋转和X射线源32的操作由系统控制器40控制，系统控制器40针对CT检查序列供给功率和控制信号。此外，检测器阵列38耦合至系统控制器40，系统控制器40命令获取在检测器阵列38中生成的信号。系统控制器40还可以执行各种信号处理和滤波功能，例如对动态范围的初始调整、对数字图像数据的交织等等。一般地，系统控制器40命令操作成像系统20，以执行检查协议并处理所获取的数据。在本上下文中，系统控制器40还包括信号处理电路，典型地基于通用或专用数字计算机；关联的存储电路，用于存储由计算机执行的程序和例程以及配置参数和图像数据；接口电路；等等。系统控制器40包括门架电动机控制器42，其控制门架24的旋转速度和位置；以及检查台电动机控制器44，其控制患者检查台28在孔径26内的线性位移。这样，门架电动机控制器42旋转门架24，从而绕患者30旋转X射线源32、准直器34和检测器阵列38 —圈或多圈。类似地，检查台电动机控制器44对患者检查台28进行位移，且从而将患者30在孔径26内线性位移。此外，X射线源32可以由在系统控制器40内布置的X射线控制器46控制。具体地，X射线控制器46可以被配置为将功率和定时信号提供给X射线源32。在示意实施例中，系统控制器40还包括数据获取系统48。在该示例实施例中，检测器阵列38耦合至系统控制器40，且更具体地，耦合至数据获取系统48。典型地，数据获取系统48从检测器阵列38接收采样模拟信号，并将数据转换为数字信号以供后续处理。与计算机52耦合的图像重构器50可以从数据获取系统48接收采样和数字化数据，并执行高速图像重构。可替换地，图像的重构可以由计算机52进行。一旦重构，由成像系统10产生的图像揭示患者30的内部特征。 可以将由数据获取系统48采集的数据或者重构后的图像传输至计算机52和存储器54。应当理解，这种示例成像系统10可以利用用于存储大量数据的任何类型的存储器。此外，计算机52可以被配置为经由典型地配备有键盘和其他输入设备的操作者工作站56从操作者接收命令和扫描参数。操作者可以经由操作者工作站56来控制CT成像系统20。因此，操作者可以从计算机52观察与该系统相关的重构图像和其他数据，发起成像等等。CT成像系统20还具有显示器58，显示器58耦合至操作者工作站56和计算机52，并可以由用户利用以观察重构图像以及提供用于控制CT成像系统20的操作的接口。在该实施例中，存在打印机60，以使得能够打印医疗图像的硬拷贝。在示意实施例中，CT成像系统20经由操作者工作站56耦合至图片存档和通信系统(PACS)62，以用于长期存储图像数据。应当注意，PACS 62可以耦合至远程系统64 (例如，放射科信息系统(RIS)、医院信息系统(HIS)或者内部或外部网络)，使得不同位置处的其他系统可以得到对图像和图像数据的访问。然而，还可以通过PACS 62来远程地获得对图像数据的访问。还应当注意，计算机52和操作者工作站56可以耦合至其他输出设备(例如，标准或专用计算机监视器和关联处理电路)。还可以在CT成像系统20中链接一个或多个操作者工作站56，以输出系统参数、请求检查、查看图像等等。一般地，显示器、打印机、工作站、以及在CT成像系统20内供给的类似设备可以是数据获取组件本地的，或者可以远离这些组件，例如处于机构或医院内的其他地方或者处于完全不同的位置处，经由一个或多个可配置网络(例如互联网、虚拟专用网、无线网络等)链接至成像系统CT。如上所述，应当牢记，这里提及的CT系统仅是可根据本发明技术而处理的图像数据的一个示例源。大多数这种系统将包括操作者界面和以下软件，该软件具体适于获取图像数据并根据成像医疗器械的具体物理性质来至少部分地处理该数据。实际上，CT系统的其他装置、其他重构技术等等可以产生可如这里所述管理的图像数据。结合工具定位系统使用上述CT系统，以使内科医生、放射科医生和其他经训练的医疗人员能够准确地定位设备(例如工具导引装置)。工具导引装置适于将介入工具(例如针)从插入点插入到患者内的目标点。插入点和目标点是可以使用利用成像系统(例如，图I中描述的CT系统)而生成的图像来导出的。图2和图3是根据本发明的方面的适于在成像系统中使用的工具定位系统的两个视图。工具定位系统66包括独立设备68、机器人定位器70、患者呼吸监视模块72和患者移动约束床78。以下更详细地描述每个组件。工具定位系统66被配置为沿CT系统20的可移动患者摇篮床28对接在预定义对接位置74 (如图3所示)处。工具定位系统包括独立设备68，独立设备68锁定在与可移动患者摇篮床28相邻的点74处。机器人定位器70耦合至独立设备68，并被配置为夹紧介入工具导引装置76并将介入工具导引装置76移动至期望位置。期望位置由集成处理系统90 (未示出)计算。集成处理系统可以包括处理电路、控制电路、显示装置等。将在图4、图5A和图5B中更详细地描述独立设备和机器人定位器。在一个实施例中，基于插入点和目标点、预定义对接位置、从独立设备相对于患者摇篮床的位置导出的坐标来计算期望位置。在另一实施例中，通过考虑患者的包括由于呼吸的移动来计算期望位置。
集成处理系统90还被配置为确定移动成像系统的可移动患者摇篮床的距离，使得在计算针导引装置的位置时，患者处于成像系统的成像空间外，如图2中可见。移动感测模块72耦合至独立设备，并被配置为计算患者由于呼吸而引起的移动。所计算出的移动用于确定导引装置的位置的准确度。此外，所计算出的移动有助于确定患者和感兴趣的区是否处于与在扫描期间相同的位置处。处理电路90被配置为确定患者在扫描期间的呼吸位置并在介入过程期间监视呼吸位置。将所监视到的呼吸位置显示给执行该过程的内科医生。在一个实施例中，移动感测模块72是屏气(breath hold)监视器。在示意实施例中，屏气监视器布置在患者的躯干上。屏气监视器被配置为感测患者由于呼吸而引起的移动。将该移动转换为对应的数字信号，该对应的数字信号被处理以确定所感测到的移动是否处于预定义界限内。在一个实施例中，可以将所感测到的移动显示在显示单元(未示出)上。在一个实施例中，患者移动约束床78可以用于约束患者的移动。当感测到的移动处于预定义界限内时，内科医生如所计划的那样继续介入过程。然而，当感测到的移动处于预定义界限外时，内科医生可以选择在继续介入过程之前等待直到感测到的移动处于可接受界限内为止。在其他实施例中，工具定位系统还包括与处理电路耦合的控制电路(未示出)，其被配置为基于由成像系统创建的图像和/或由于患者的呼吸而引起的移动来控制机器人定位器的移动。图4是根据本发明技术的方面而实现的工具定位系统的图解视图。以下更详细地描述工具定位系统的各个组件。工具定位系统包括两个主要组件，即，独立设备68和机器人定位器。独立设备安装在平台80上。在一个实施例中，轮子82附着至底板，从而使工具定位系统能够从一个位置移动至另一个位置。在一个实施例中，轮子82是脚轮类型的，这意味着轮子安装有偏移转向枢轴(offset steering pivot),使得轮子将自动旋转，以沿其被推动的方向对准其自身。轮子82允许容易地移动工具定位系统66。可以移动机器人定位器70以将介入工具78定位在期望位置处。在一个实施例中，末端执行器86被配置为使用夹具来夹紧介入工具78。集成计算机90被配置为计算期望位置。在一个实施例中，用户(例如内科医生)在计算机90上显示的图像上标记目标点和入口点。这些点用于计算介入工具的线性轨迹。使用线性轨迹，计算用于定位机器人定位器的期望坐标。
工具定位系统能够沿三个线性方向移动，这三个线性方向允许机器人定位器70将介入工具导引装置88定位至期望点。此外，机器人定位器提供了沿三个相互垂直的轴的线性移动，且末端执行器提供了两个角自由度。因此，工具定位系统66被配置为使用沿这五个轴的移动来相对于患者身体准确地定位介入工具。工具定位系统可以被定位为邻近成像系统20，并可以锁定在期望位置处。在一个实施例中，工具定位系统可以锁定至以下更详细地描述的固定对接板。图5A和图5B是分别处于非锁定位置和锁定位置的工具定位系统的图解视图。如图中可见，对接板98固定至房间的底板。在一个实施例中，将对接板98用螺丝固定至地板上的预定对接位置。沿方向99向对接板98移动工具定位系统。机器人定位系统66的底部上的舌形板84滑入对接板98，从而锁定至如图5B所示的位置。 图7是示意了可使用机器人定位器将工具导引装置定位在期望位置处的一种方法的流程图。工具定位系统被对接得与成像系统(例如，计算机断层摄像系统)的患者摇篮床相邻。以下更详细地描述每个系统。在步骤102处，将患者定位在CT系统的患者摇篮床上。在个实施例中，患者摇篮床还包括患者移动约束床，以便在执行各种功能(诸如，例如，成像、消融等)时限制患者的任何移动。在步骤104处，CT系统扫描感兴趣的区。在步骤106处，在扫描时记录患者的参考呼吸位置。在步骤108处，将所扫描的图像传送至工具定位系统。在一个实施例中。将图像显示在与工具定位系统集成的显示单元上。在步骤110处，操作者(例如放射科医生或内科医生)在工具定位系统上显示的图像上标记入口点和目标点。在步骤112处，基于入口点和目标点来计算期望位置。将这些期望位置转换为对应的接合部坐标和摇篮床移动值。在另一实施例中，显示单元被配置为显示机器人定位器相对于图像的位置以及所计划的轨迹周围的轨迹线。在步骤114处，将工具导引装置和患者摇篮床移动至所计算出的空间坐标。在一个实施例中，自动移动机器人臂和患者摇篮床。在步骤116处，确定患者的屏气位置。在一个实施例中，使用呼吸监视器来确定呼吸位置。如果屏气位置处于阈值外，则指示患者屏气直到达到阈值为止。当呼吸位置处于期望阈值内时，操作者将工具插入到患者中。上述技术提供了多个优势，包括当患者处于成像设备的成像空间外时执行插入工具的操作的能力，这降低了暴露于不必要的辐射的风险。此外，可以将工具定位系统与任何现有成像系统进行对准。尽管这里已示意和描述了本发明的仅特定特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解，所附权利要求意在覆盖落在本发明真实精神内的所有这些修改和改变。
权利要求
1.一种用于对对象进行图像导引过程的医疗成像系统，所述医疗成像系统包括 成像设备，被配置为生成所述对象内的感兴趣的区的图像，其中，所述医疗成像设备包括可移动患者摇篮床； 工具定位系统，被配置为沿成像系统的可移动患者摇篮床移动至期望位置，且还被配置为参考成像系统，所述工具定位系统包括 独立设 备； 机器人定位器，耦合至所述独立设备，并被配置为夹紧介入工具并将工具移动至期望位置；以及 移动感测模块，耦合至所述独立设备并被配置为计算患者的移动。
2.根据权利要求I所述的医疗成像系统，其中，所述工具定位系统被布置为在预定义对接位置处与可移动患者摇篮床相邻。
3.根据权利要求I所述的医疗成像系统，其中，所述移动感测模块包括呼吸传感器。
4.根据权利要求3所述的医疗成像系统，其中，所述呼吸传感器布置在患者的躯干上。
5.根据权利要求I所述的医疗成像系统，还包括处理电路，被配置为基于多个参数来确定所述期望位置。
6.根据权利要求5所述的医疗成像系统，其中，所述多个参数包括所述工具定位系统相对于所述可移动患者摇篮床的位置、所述介入工具的长度以及所述预定义对接位置。
7.根据权利要求6所述的医疗成像系统，其中，所述预定义对接位置是基于所述成像设备的成像空间的中心来计算的。
8.根据权利要求7所述的医疗成像系统，其中，所述预定义对接位置是在所述独立设备的安装操作期间计算的。
9.根据权利要求5所述的医疗成像系统，还包括控制电路，耦合至所述处理电路并被配置为控制机器人定位器向所述期望位置的移动。
10.根据权利要求5所述的医疗成像系统，其中，所述处理电路被配置为确定移动所述可移动患者摇篮床的距离，使得在确定所述期望位置时，患者处于成像系统的成像空间外。
11.根据权利要求I所述的医疗成像系统，还包括显示设备，耦合至所述独立设备并被配置为显示与过程相关的数据。
12.根据权利要求I所述的医疗成像系统，其中，所述机器人定位器具有五个移动轴。
13.根据权利要求I所述的医疗成像系统，其中，所述成像设备包括计算机断层摄像(CT)系统。
14.一种适于与成像系统一起使用且适于准确地定位导引装置的工具定位系统，所述导引装置适于将介入工具从插入点插入到患者内的目标点，所述系统包括 独立设备； 机器人定位器，耦合至所述独立设备，并被配置为夹紧所述导引装置并将所述导引装置移动至期望位置； 移动感测模块，耦合至所述独立设备，并被配置为计算患者由于呼吸而引起的移动；以及处理电路，被配置为确定预定义对接位置和所述期望位置，其中，所述工具定位系统被配置为沿成像系统的可移动患者摇篮床对接在预定义对接位置处；其中，所述独立设备被锁定为与所述可移动患者摇篮床相邻。
15.根据权利要求14所述的工具定位系统，其中，所述期望位置是基于插入点和目标点、预定义对接位置、从所述独立设备相对于患者摇篮床的位置导出的坐标以及所述介入工具的长度来计算的。
16.根据权利要求14所述的工具定位系统，其中，所述处理电路被配置为确定移动成像系统的可移动患者摇篮床的距离，使得在计算针导引装置的位置时，患者处于成像系统的成像空间外。
17.根据权利要求14所述的工具定位系统，还包括控制电路，耦合至所述处理电路，并被配置为基于由成像系统创建的图像来控制所述机器人定位器的移动。
18.根据权利要求14所述的工具定位系统，其中，所述移动感测模块包括屏气监视 器。
19.根据权利要求18所述的工具定位系统，其中，所述屏气监视器布置在患者的躯干上。
20.根据权利要求14所述的工具定位系统，其中，所述预定义对接位置是基于成像设备的成像空间的中心来计算的。
全文摘要
提供了一种适于与成像系统一起使用的工具定位系统。所述工具定位系统被配置为准确地定位导引装置，所述导引装置适于将介入工具从插入点插入到患者内的目标点。所述工具定位系统被配置为沿成像系统的可移动患者摇篮床对接在预定义对接位置处。所述工具定位系统包括独立设备以及机器人定位器。所述机器人定位器耦合至所述独立设备，并被配置为夹紧所述导引装置并将所述导引装置移动至期望位置。该系统还包括移动感测模块，耦合至所述独立设备，并被配置为计算患者由于呼吸而引起的移动；以及处理电路，被配置为确定所述预定义对接位置和所述期望位置。
文档编号A61B6/08GK102949242SQ201210217278
公开日2013年3月6日 申请日期2012年6月28日 优先权日2011年8月25日
发明者G.韦鲁萨米 申请人:帕芬特保健私人有限公司