用于电磁跟踪系统的质量保证和数据协调的制作方法

本发明总体而言涉及一种被并入在介入流程(例如，前列腺近距离治疗流程)内的电磁(“EM”)跟踪系统。本发明具体而言涉及用于验证和改进EM跟踪系统的性能准确性的质量保证，并且涉及用于介入工具(例如，超声探头、导管、针等)的EM跟踪的患者坐标系的建立。

背景技术：

如图1所示，在具有如现有技术中已知的EM跟踪功能的范例性前列腺近距离治疗流程10中，由EM场生成器20生成的EM场21被定位为靠近患者11的骨盆区域。对于常规平面EM场生成器20(例如，砖形EM场生成器)，跟踪视场(“FOV”)可以是50x 50x 50cm。在前列腺近距离治疗10期间针对EM场生成器20的典型位置将是高于患者11的腹部，这是因为该位置通常导致与现有临床设置的最小物理干扰。通常使用被附接到处置台(未示出)的装置臂(未示出)将EM场生成器20保持在适当位置。根据患者特异性几何结构和设置，EM场生成器20可以平行于台或以角度朝向前列腺。

更重要地，在前列腺近距离治疗10期间，EM场生成器20关于患者11的被跟踪的骨盆区域的位置在以下中扮演重要角色：如由网格模板12引导的关于患者11的前列腺15的导管/针13的介入的可实现的跟踪准确性和如由网格模板12引导的由超声探头14对前列腺15的成像的可实现的跟踪准确性。换言之，来自被耦合到导管/针13并且被耦合到超声探头14的每个EM传感器(未示出)的EM测量结果的准确性取决于每个EM传感器相对于EM场生成器20的位置。这是由于由EM场生成器20产生的EM场21不是完美均匀的这一事实。更具体而言，可以存在EM场21的其中跟踪准确性鉴于测量结果中的增加的绝对位置误差和/或噪声而可能折中的部分。因此，在EM跟踪的前列腺近距离治疗流程10之前，有必要验证临床环境中的EM系统的准确性。

此外，基于来自超声探头14的经直肠超声(“TRUS”)图像的处置规划可以指示通过每个导管/针13的网格12的孔的距离，以实现针对前列腺15的期望的剂量递送。在EM场生成器20和超声探头14的融合近距离治疗系统中，网格12也用于确定针对EM数据和TRUS数据的公共数据坐标系。为了在前列腺近距离治疗流程10之前在EM空间中建立该坐标系，EM跟踪工具(未示出)被定位在网格12的不同孔处，并且记录的EM数据拟合到已知的网格孔模式。

更具体而言，为了实现坐标系的准确定义，EM跟踪工具必须被定位为完美垂直于每个网格孔并且处于相同深度。否则，如果EM跟踪工具不垂直于网格控和/或被插入到不同孔中的不同深度，得到的估计网格平面将不会准确地表示实际网格12。与导管/针13关于网格12的实际位置相比，这将导致导管/针13关于网格12的估计位置中的误差。其还将导致网格坐标系(即，患者坐标系)中的解剖结构的畸变/不准确的三维(“3D”)图像重建。因此，在EM跟踪前列腺近距离治疗流程10之前，也有必要便于网格平面的准确并且可重复的定义，从而确保流程10期间的高EM跟踪准确性。

技术实现要素：

本发明提出提供一种用于在验证和改进EM跟踪系统的性能准确性中的质量保证的系统，以及一种用于建立针对介入工具(例如，超声探头、导管、针等)的EM跟踪的患者坐标系的易用系统。

本发明的一个形式是EM质量保证(“EMQA”)系统，其采用EM场生成器、EM传感器模块(sensor block)以及EMQA工作站。EM传感器模块包括一个或多个EM传感器，所述一个或多个EM传感器被定位并且取向为表示对通过电磁传感器模块(40)被插入到解剖区域中的一个或多个介入工具的模拟电磁跟踪。当EM场生成器生成围绕(一个或多个)EM传感器的EM场时，EMQA工作站测试(一个或多个)介入工具通过电磁传感器模块到解剖区域中的插入的电磁跟踪准确性。

本发明的第二形式是EM数据协调(“DC”)系统，其采用EM场生成器、一个或多个EM校准工具以及EMDC工作站。每个EM校准工具具有一个或多个EM传感器。当EM场生成器生成围绕与网格机械交互以将一个或多个介入工具引导到解剖区域中的(一个或多个)EM校准工具的EM场时，EMDC工作站建立用于电磁跟踪(一个或多个)介入工具通过网格到解剖区域中的插入的坐标系。

本发明的第三形式是EM跟踪配置系统，其在相同或者不同平台上采用前述EMQA系统和EMDC系统两者。

通过结合附图阅读本发明的各个实施例的以下详细描述，本发明的上述形式和其他形式以及本发明的各种特征和优点将变得更加显而易见。详细描述和图示仅仅是对本发明的图示而非限制，本发明的范围由所附权利要求及其等价方案来限定。

附图说明

图1图示了如本领域已知的范例性前列腺近距离治疗流程。

图2图示了根据本发明的EM跟踪配置系统的范例性实施例。

图3图示了根据本发明的EM质量保证系统的范例性实施例。

图4图示了根据本发明的范例性EM质量保证设置。

图5图示了表示根据本发明的EM质量保证方法的范例性实施例的流程图。

图6图示了根据本发明的范例性畸变校正。

图7图示了根据本发明的EM数据协调系统的范例性实施例。

图8图示了表示根据本发明的EM数据协调方法的范例性实施例的流程图。

图9A-9C图示了根据本发明的EM校准设备的范例性实施例。

图10图示了如本领域中已知的网格模板。

图11A和11B图示了根据本发明的网格校准框架的范例性实施例。

图12图示了根据本发明的EM校准框架的范例性实施例。

具体实施方式

为了便于对本发明的理解，本文中将提供如图1所示的本发明的EM跟踪配置系统的范例性实施例。根据EM跟踪配置系统的范例性实施例的描述，本领域技术人员将认识到如何将本发明的操作原理应用于：(1)实施作为用于介入工具的EM跟踪的质量保证和数据协调的独立系统的EM跟踪配置系统，以及(2)将ME跟踪配置系统并入到如本领域中已知的各种类型的标准和创新性规划/引导/导航EM跟踪平台。

参考图1，本发明的EM跟踪配置系统采用EM质量保证(“EMQA”)系统30和EM数据协调系统(“EMDC”)系统，这两者利用如本领域中已知的任何类型的EM场生成器20和如本领域中已知的任何类型的一个或多个EM传感器22。EM跟踪配置系统被用于定性地在特异于特定介入流程的患者装备几何结构的跟踪布置中配置EM场生成器20和EM传感器22。

为此，针对在验证和改进EM场生成器在跟踪EM传感器22中的性能准确性中的质量保证，EMQA系统30采用：(1)包含关于彼此的位置和取向布置的EM传感器模块40；以及(2)EM质量保证(“EMQA”)工作站50，其运行基于类似于介入流程期间的EM场生成器20相对于如被耦合到介入工具(例如，超声探头、导管、针等)的EM传感器22的定位的EM场生成器20相对于EM传感器模块40的定位的如包含在EM传感器模块40内的EM传感器22的一个或多个多验证测试。在实践中，EM传感器22可以被可移动或永久地包含在EM传感器模块40的通道内，并且由EMQA工作站50运行的(一个或多个)验证测试可以并入额外的EM传感器22作为被附接到EM场生成器20的FOV内的EM传感器模块40或根据EM传感器模块40被空间地定位的参考EM传感器。

在逐个患者的基础上，EMDC系统70采用(1)采取与EM传感器22具有已知工作关系的一个或多个EM校准工具80以及(2)EM数据协调(“EMDC”)系统90，以建立用于对介入工具(例如，超声探头、导管、针等)的EM跟踪的患者坐标系。在实践中，EM校准工具80可以包括一个或多个介入工具以在介入流程期间利用，并且要在介入流程期间用于引导介入工具期间的一件或多件装备可以用作用于建立患者坐标系的基础。

同样，在实践中，(1)EM传感器模块40可以用作EM校准工具80，并且(2)EMQA工作站50和EMDC工作站90可以是个体物理工作站或是被安装在单个物理平台(例如，EM规划/引导/导航平台)内的逻辑工作站。

为了便于对本发明的理解，本文将在前列腺近距离治疗流程的背景下针对如图3-6中示出的EMQA系统30和如图7-12中示出的EMDC系统提供本发明的范例性实施例。根据范例性实施例的描述，本领域普通技术人员将认识到如何将本发明的操作原理应用到任何类型的介入流程。

参考图3，对于EMQA系统30(图2)的范例性实施例，透明非磁性EM传感器模块41包含EM传感器组42和EM传感器组43。在第一实施例中，组42和43的EM传感器是被永久地嵌入在延伸通过EM传感器模块41的通道中的EM线圈。在第二实施例中，组42和43的EM传感器是被可移动地插入通道内(例如，经由导丝)的EM线圈。

如图3中示出的，EM传感器模块41上的EM传感器组42和43的传感器间距离和传感器取向被选择，从而表示典型前列腺近距离治疗情景。具体而言，前列腺和直肠距处置台44的平均高度是先前已知的。因此，EM传感器组42相对于处置台44保持距离，由此，EM传感器组42的子集表示覆盖患者前列腺区的通道，以将导管或者针引导到由围绕EM传感器组42的子集的灰圈突出显示的患者前列腺区中。类似地，EM传感器组43相对于处置台44保持距离，由此，EM传感器组43表示覆盖患者直肠区的通道，以将经直肠超声(“TRUS”)探头引导到由围绕EM传感器组43的灰圈突出显示的患者直肠区中。例如，如在图4中的EM传感器模块41的侧视图中所示，EM传感器组42的EM传感器22A和22B表示覆盖患者前列腺区18的通道，以将导管16引导到患者前列腺18中，并且EM传感器组43的EM传感器22C表示覆盖患者直肠区19的通道，以将经直肠超声(“TRUS”)探头17引导到患者直肠区19中。

返回参考图3，针对EMQA系统30的范例性实施例，EMQA工作站51采用模块53-55的网络和用于实施如由图5的流程图60表示的EM质量保证方法的EM参考传感器22R。在实践中，模块53-55在结构上被配置为工作站51的硬件、软件、固件和/或电路，并且EM参考传感器22R是适于被耦合到EM场生成器20的FOV内的处置台44或其他固定对象的任何类型。

现在本文将在图4的背景下描述流程图60，由此，EM场生成器20被耦合到底座23，并且以角度朝向EM传感器模块41，并且EM传感器模块41的EM传感器22A-22C被用作跟踪位置。然而，在实践中，EM场生成器20可以具有朝向EM传感器模块41的任何取向，并且或多或少EM传感器22可以被用作跟踪位置。

参考图5，流程图60的阶段S62涵盖如由用户指定的EM用户接口53(图3)，采集从围绕EM传感器22A-22C和22R的EM场生成器20的EM场21导出的EM数据。在实践中，如果遭受较低准确性的EM场21的特定区域是已知的，则EM用户接口53可以向用户提供指示EM参考传感器22R是否关于EM场生成器20的位置在“可接受”位置中的反馈。如果不是，则EM场生成器20和/或EM参考传感器22R可以被重新定位以将EM参考传感器22R定位在关于EM场生成器20的位置的“可接受”位置中。

流程图60的阶段S64涵盖计算指示在EM传感器22A-22C的跟踪位置中的EM场生成器20的质量的一个或多个度量的EM测试器(图3).

在第一度量实施例(i)中，EM测试器54计算在EM传感器22A-22C的位置估计中的时间测量噪声。

在第二度量实施例(ii)中，EM测试器54计算EM传感器22A-22C的EM估计传感器间距离，并且将计算结果与EM传感器模块41的已知几何结构进行比较。

在第三度量实施例(iii)中，EM测试器54计算EM参考传感器22R关于EM场生成器20的绝对位置。

在第四度量实施例(iv)中，EM测试器54计算度量实施例(i)-(iii)中的两个(2)或更多个，并且将累积的“质量评分”分配到EM传感器模块41和EM场生成器20的整体配置。

阶段S64还涵盖EM测试器54(图3)在跟踪EM传感器22A-22C的位置中提供表示EM场生成器20的计算的质量的任何合适类型的用户反馈。

在第一反馈实施例中，绿色光可以指示EM传感器模块41和EM场生成器20的可接受配置，并且红色光可以指示EM传感器模块41和EM场生成器20的不可接受配置。

在第二反馈实施例中，如图3中范例性示出的，针对EM场生成器20的二维(“2D”)或三维(“3D”)准确性图56被生成并且显示以指示在跟踪EM传感器22A-22C的位置中的准确性。

如可应用于在跟踪EM传感器22A-22C的位置中的任何不可接受的不准确性，流程图60的任选阶段S66涵盖EM畸变校正器55(图6)估计函数f以校正EM场21内的任何畸变。在一个实施例中，如图6中范例性示出的，鉴于EM参考传感器22R被包含在EM传感器模块41内或被配准到EM参考传感器模块41，根据EM传感器模块41的精确设计，从EM传感器22A-22C(C_EMi，i∈{1、2、3})中的每个到与EM参考传感器22R相关联的参考坐标系(C_Ref)的变换(T_EMi，i∈{1、2、3})是已知的。因此T_EMi→Ref是已知变换。

此外，对应的变换矩阵T’_EMi→Ref是由EM畸变校正器55依据EM传感器22A-22C到EM参考传感器22R的测量的姿势的测量的相对位置/姿势而测量得到的，从而，由于EM场生成器20的任何不准确性和EM传感器模块41内部的EM场20的畸变，测量的变换矩阵T’_EMi→Ref可以不同于已知变换矩阵T_EMi→Ref。因此，校正函数f可以由EM畸变校正器55根据以下方程[1]来估计：

T_EMi→Ref＝f(T’_EMi→Ref) [1]

在实践中，校正函数f的以上估计通常在前列腺近距离治疗流程之前被执行，由此，在流程期间，各种EM-EM变换被利用(例如，EM针->参考,EM TRUS->参考等)。例如，TRUS探头的位置的EM测量结果可以根据以下方程式[2]被校正：

T_P→Ref＝f(T’_P→Ref) [2]

其中，T’_P→Ref是通过EM跟踪系统的测量处的探头到参考变换矩阵，并且T_P→Ref是校正的探头到参考变换矩阵。该新的探头位置更准确，并且考虑到EM场21内的任何畸变。

在实践中，EM畸变校正器55也可以包括针对传感器22A-22C和22R的多个位置。因此，针对位置的每个这样的集合‘x’，可以计算校正函数‘f_x’。在流程期间，根据哪个EM变换需要被校正，函数‘f_x’中的一个被使用。基于针对要被校正的变换的传感器位置而选择适当的函数‘f_x’。

返回参考图3和4，QA流程旨在仅在前列腺近距离治疗流程之前在临床环境中的EM传感器模块41上被执行。额外地，EM参考传感器22R在处置台44上的定位可以在流程之前被重新验证，其中，患者已经在处置台44上。这可以表示在前列腺近距离治疗流程之前针对EM系统准确性的最终QA检查。

参考图7，针对EMCD系统70(图2)的范例性实施例，EM校准工具81的集合采用(1)EM校准设备82，其在结构上被配置为可由手或机器人控制；(2)网格校准框架83，其在结构上被配置为附接到如本领域已知的前列腺近距离治疗网格(aka模板)(例如，如图10所示的网格120)并且便于EM校准设备82的使用；以及(3)EM校准设备84，其在结构上被配置为与前列腺近距离治疗网格配对。EM校准工具81被提供用于便于EMDC工作站91采用模块93和94的网络92，以实施如由图8的流程图100表示的患者坐标系建立方法。在实践中，模块93和94在结构上被配置为工作站91的硬件、软件、固件和/或电路。

通常，参考图7和8，流程图100的阶段S102涵盖经由EM校准工具81中的一个或多个的人工或机器人控制来采集EM数据，并且流程图100的阶段S104涵盖EM数据协调器94根据EM数据建立患者坐标系。在实践中，EM数据协调器94可以在根据EM数据建立坐标系中实施标准实践或者其自适应版本。例如，本发明的标准版本涉及通过将采集的EM数据点拟合到“真实网格”的在EM空间中的网格平面的定义，所述“真实网格”是根据针对网格的已知孔间距离获得的。额外地，在自适应版本中，在拟合流程期间，更大的权重可以被分配到用于针/导管/探头插入的特定网格孔，从而确保针对这样的网格孔的最高准确性。以下是对在阶段S104的范例性自适应版本的背景下每个EM校准工具81的范例性实施例的描述。

参考图9，EM校准工具82包括从初级圆柱形本体82B延伸的圆柱形突起82A，以保持EM跟踪工具，例如EM导丝110。如图9B中最佳示出的，EM导丝110的远端11d通过本体82B被插入到突起82A，并且盖82C被拧在本体82B上，以将EM导丝110的远端110d安全地固定在突起82A内。如图9C中最佳示出的，突起82A尺寸定制为紧密地贴合在网格120的孔内。如与阶段S104的自适应模式(图8)相关的，EM校准工具82可以被插入到用于针/导管插入的网格120的特定孔中，从而确保针对这样的网格孔的最高准确性。

参考图11，网格校准框架83包括具有被定尺寸为紧密地贴合EM校准工具82的突起82A的连续通道83B的阵列的框架83A。如图11B中最佳示出的，框架83A被设计为被附接到网格120，并且由于工具82人工地或通过机器人穿过通道83B，EM校准工具82可以被插入到网格120的一个或多个孔中以采集EM数据。具体而言，如与阶段S104的自适应模式(图8)相关的，EM校准工具82可以被插入到用于针/导管/探头插入的网格120的特定孔中，从而确保针对这样的网格孔的最高准确性。

备选地，通道阵列83A可以忽略图11A中示出的孔，由此，当框架83被附接到网格120时，通道阵列83A的交叉在网格120的孔的顶部上。这样一来，EM校准工具82被移动到通道内部而不被插入到任何网格孔中，并且EM校准工具82的EM位置被连续记录以在EM坐标系中重建通道位置。使用该数据，表示网格孔的记录的交叉点被定位在EM坐标系中以校准网格。

参考图12，EM校准框架84具有被附接到框架84A的一个或若干EM位置传感器84B(例如，五个或六个自由度DOF)，具有框架84A的坐标系与EM位置传感器84B之间的已知校准。框架84A短暂地被放置到网格120中，并且获得来自EM位置传感器84B的EM记录，其允许EM网格校准的直接计算，而无需单个跟踪工具的任何人工定位。在一个实施例中，EM位置传感器84B是在相对于框架84的已知位置中并且垂直于框架表面取向的传感器线圈，由此，这些传感器线圈的取向与针对可以在临床流程期间被推送通过网格120的孔的针的取向相同。传感器线圈的该相同对齐确保最佳EM跟踪准确性。

返回参考图7，在实践中，当利用EM校准工具82时，EM数据采集器93可以自动记录每个网格孔处的EM数据。具体而言，针对EM校准工具82的人工控制，EM数据采集器93评价进入EM数据流，并且当EM校准工具82针对预定时间段固定时探测为EM校准工具82已经被定位在适当网格孔中的指示。用于探测用户是否意图将当前EM数据保存为对应于网格孔的期望坐标的时间阈值可以根据用户的偏好被设置。备选地，针对工具82的机器人控制，EM数据采集器93可以将数据的记录与机器人的操作同步。

同样在实践中，EM数据采集器93可以通知用户实现校准的预期准确性，同时达到更多网格孔。在运行中计算校准拟合误差，同时记录更多网格孔坐标，并且一旦实现预期预选择的误差，则通知用户停止到达多个网格孔。通知可以采取报告误差值或示出颜色表示(例如，红色用于比预期更低的准确性，并且绿色用于一旦到达预期准确性)的形式。这通过知晓网格的物理几何结构并且以特定顺序选择网格孔来实现。

参考图7和8，通过EMDC工作站91对网格平面的准确定义是重要的，以确保使用的数据坐标系与网格和前列腺的物理位置同步。这继而确保在针/导管/探头位置估计和3D图像重建中的准确性，并且也允许EM系统的进一步QA。

参考图10，网格120被图示，以便于对本发明的EMDC系统的理解。在实践中，网格/模板可以具有取决于利用本发明的EMDC系统的特定介入流程的孔/通道的任何布置。

参考图1-9，本领域技术人员将认识到本发明的多个益处，包括但不限于，用于验证和改进EM跟踪系统的性能准确性的质量保证，以及用于介入工具(例如，超声探头、导管、针等)的EM跟踪的患者坐标系的建立。

尽管已经图示并且描述了本发明的各个实施例，本领域技术人员将理解，如本文描述的本发明的实施例是说明性的，并且可以进行各种改变和修改，并且等价方案可以替换其元件，而不脱离本发明的真实范围。此外，可以进行许多修改，以适应本发明的教导，而不脱离其中心范围。因此，本发明旨在不限于被公开为预期用于执行本发明的最好模式的特定实施例，而是本发明包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。