用于电磁引导的跟踪质量控制的制作方法

本发明总体上涉及跟踪在介入流程(例如，经直肠活检、经会阴活检、低剂量率近距离治疗和高剂量率近距离治疗)期间被发射用于进行电磁引导的电磁场(“emf”)的质量。本发明具体地涉及基于监测emf的视场(即，emf的校准跟踪区)内的(一个或多个)质量保证电磁传感器来评估电磁场(“emf”)的不均匀度。
背景技术：
：在涉及电磁引导的近距离治疗流程中，由emf生成器生成的电磁场被定位为接近感兴趣解剖区域。典型的emf生成器具有有限的视场(“fov”)(例如，针对典型的砖式emf生成器，50×50×50cm的fov)。emf生成器的跟踪准确度取决于每个被跟踪的设备相对于emf生成器的相对距离和位置，并且还取决于fov中的(一个或多个)任何金属对象的存在。通常，鉴于介入流程之中的在患者的几何结构、操作环境和不同医师的工作流程的偏好方面的变化，emf生成器和(一个或多个)被跟踪的设备不能针对每个介入流程被置于恒定配置中。在前列腺近距离治疗的情况下，emf生成器可以以距(一个或多个)被跟踪的设备的可变距离置于患者上方、旁边或下方。被跟踪的设备通常是附接到近距离治疗步进器的六(6)自由度(“dof”)参考传感器、附接到经直肠超声(“trus”)探头的六(6)dof传感器以及被跟踪针或导丝内部的五(5)dof传感器。由于来自时间噪声的电磁场的不均匀性，即使在无失真的电磁场fov内部，跟踪准确度和精确度是可变的。技术实现要素：由于emf生成器相对于手术室中的(一个或多个)被跟踪的设备的位置是可变的，因此必须要有质量控制以示出跟踪数据是否可靠。此外，可以在手术期间向emf的fov中引入金属对象，这可能导致emf失真并降低跟踪准确度。本发明提供了用于em跟踪数据的跟踪质量控制的方法、系统和设备。通过监测来自质量控制系统的信号，可以通知em引导的操作者是否操作者可以信任em跟踪信息(例如，图形用户界面(“gui”)上的绿色图像/图标表示可靠的跟踪信息，并且gui上红色的图像/图标表示不可靠的跟踪信息)。来自系统/设备的质量保证数据也可以在初始放置emf生成器时辅助操作者，使得获得高质量的测量结果。本发明的一种形式是电磁场质量保证系统，其采用电磁场生成器来发射电磁场，并且采用一个或多个质量保证电磁传感器来感测电磁场的发射。该系统还采用质量保证控制器，以用于评估根据对电磁场的视场内的任何质量保证电磁传感器的感测位置的监测导出的电磁场的跟踪质量。电磁场生成器、超声探头、超声步进器和/或患者台可以被装备有质量保证电磁传感器。出于本发明的目的，术语“电磁传感器”宽泛地涵盖能够被电磁场诱发以为了感测传感器和(一个或多个)任何关联对象(例如，emf生成器、超声探头、超声步进器和/或患者台)相对于参考的位置和/或取向的目的而生成可检测信号(例如，电压)的所有传感器。电磁传感器的范例包括，但不限于市售的作为电磁跟踪系统部件的传感器线圈。出于本发明的目的，术语“质量保证”作为术语“电磁传感器”的修饰语被严格用于指代可与相对于参考电磁传感器跟踪超声探头和额外介入工具的目的区分的评估电磁场的跟踪质量的特定目的。出于本发明的目的，术语“emf生成器”宽泛地涵盖具有本发明之前和之后现有技术已知的结构配置的所有emf生成器，以用于控制电磁场的发射，尤其是用于在介入流程(例如，经直肠和经会阴活检以及低剂量率和高剂量率短距离放射治疗)期间经由电磁传感器跟踪(一个或多个)介入工具(例如，超声探头、导管、针等)。emf生成器的范例包括，但不限于市售的作为电磁跟踪系统部件的emf生成器。出于本发明的目的，术语“跟踪质量”宽泛地涵盖emf生成器发射的电磁场的不均匀和/或失真程度，其方便或禁止准确感测电磁传感器和(一个或多个)任何相关联对象的位置和/或取向。出于本发明的目的，术语“超声探头”宽泛地涵盖现有技术中已知的采用一个或多个超声换能器/发射器/接收器来投射与解剖区域相交的超声平面的任何超声探头。超声探头的范例包括，但不限于具有扇形、曲线或线性几何形状的二维和三维超声探头。出于本发明的目的，术语“超声步进器”宽泛地涵盖具有本发明之前和之后的现有技术已知的结构配置的所有步进器，以用于方便介入流程期间的超声探头的线性定位和/或角定位。超声步进器的范例包括，但不限于，市售作为multi-purposeworkstationtm步进器的超声步进器。出于本发明的目的，术语“质量保证控制器”宽泛地涵盖容纳于或链接到计算机或另一指令执行设备/系统的专用主板或专用集成电路的所有结构配置，以用于控制本发明的各发明原理的应用，如本文接下来描述的。质量保证控制器的结构配置可以包括，但不限于(一个或多个)处理器、(一个或多个)计算机可用/计算机可读存储介质、操作系统、(一个或多个)外围设备控制器、(一个或多个)插槽和(一个或多个)端口。计算机的范例包括，但不限于服务器计算机、客户端计算机、工作站和平板计算机。本发明的第二形式是质量保证控制器，其采用电磁传感器来监测电磁场的视场内的每个质量保证电磁传感器的感测位置，并且采用质量评估模块评估根据对电磁场的视场内的任何质量保证电磁传感器的感测位置的监测导出的电磁场的跟踪质量。出于本发明的目的，术语“模块”宽泛地涵盖包括电子电路或可执行程序(例如，可执行软件和/固件)的质量保证控制器的应用部件。通过结合附图阅读本发明的各实施例的以下详细描述，本发明的以上形式和其他形式，以及本发明的各个特征和优点将变得更加显而易见。详细描述和附图仅仅说明本发明而非为限制，本发明的范围由权利要求书及其等价方案定义。附图说明图1图示了根据本发明的emf质量保证系统的示范性实施例。图2图示了根据本发明的临床设置的示范性实施例。图3图示了表示本发明的emf质量保证方法的流程图的示范性实施例。具体实施方式为了方便理解本发明，将在本文中提供涉及近距离治疗流程期间emf场的跟踪质量的质量保证评估的范例的本发明的示范性实施例。然而，本领域的普通技术人员将理解，如何针对涉及图1和2所示临床设置的偏离或备选的各种介入流程做出和使用本发明。出于本发明的目的，现有技术的术语，包括，但不限于“视场”、“介入”、“校准”、“质量保证”、“跟踪”、“时间”和“配准”，要被解释为在本发明的领域中已知且在本文中示范性描述。参考图1，用于典型近距离治疗流程的临床设置涉及emf生成器10、超声步进器30和患者台40的已知临床设置，其中，超声探头20可以根据需要由超声步进器平移和/或旋转，以生成置于患者台40上的患者(未示出)的超声图像，并且其中，emf生成器10发射emf场，以用于跟踪超声探头20和视场(“fov”)12内的(一个或多个)额外介入工具(例如，针、导管等)相对于参考电磁传感器50的平移和/或旋转。本发明的emf质量保证(“qa”)评估向临床设置中并入了由emf生成器10、超声探头20和超声步进器30和/或患者台40提供的一个或多个qa电磁传感器。在实践中，每个qa电磁传感器可以具有适于qa目的的任意自由度(例如，五(5)个自由度或六(6)个自由度)。具体而言，在实践中，参考电磁传感器50在临床设置内具有固定位置，这将参考电磁传感器50定位于emf场12的发射内，从而充当用于跟踪超声探头20和(一个或多个)额外的介入工具的参考。例如，参考图2，参考电磁传感器50可以可移除地安装或固定到栅格60，如现有技术已知的，以用于在患者(未示出)内引导针和/或导管。在这个位置中，参考电磁传感器50充当现有技术中已知的跟踪参考，并且还可以充当下文接下来描述的qa电磁传感器。返回参考图1，在实践中，emf生成器10可以以这样的任何方式装备有一个或多个qa电磁传感器：使得将(一个或多个)qa电磁传感器定位于emf的视场12内。例如，参考图1和2，emf生成器10装备有qa电磁传感器对11，在传感器对11之间经由塑料(或其他非金属材料)附接件13而具有已知物理距离d1，该附接件在结构上被配置成建立并维持右传感器11r和左传感器11l之间通过清洁环境中的精确设计/制造、独立测量和/或em测量而实现的已知物理距离d1。附接件13可移除地安装或固定到emf生成器10，由此如图所示在emf的fov12内定位传感器11r和11l。返回参考图1，在实践中，超声探头20可以以这样的任何方式被装备有一个或多个qa电磁传感器：使得将(一个或多个)qa电磁传感器定位于emf的fov12内。例如，参考图1和2，超声探头20可以经由覆盖超声探头20的em兼容套管而被装备有具有已知的物理距离d2的qa电磁传感器对21，超声探头20具有以通过清洁环境中的精确设计/制造、独立测量和/或em测量而实现的已知物理距离d2布置在其上的前传感器21f和后传感器21r。返回参考图1，在实践中，超声步进器30可以以这样的任何方式被装备有一个或多个qa电磁传感器：使得将(一个或多个)qa电磁传感器定位于emf的fov12内。例如，参考图1和2，超声步进器30可以沿具有已知物理距离d3的平移轨道32而装备有qa电磁传感器对31，该物理距离d3是通过在清洁环境中的精确设计/制造、独立测量和/或em测量而实现的。此外，可以将编码器61(例如，现有技术中已知的线性编码器或旋转编码器)耦合到超声步进器30或与之集成，以测量超声探头20相对于步进器上的特定固定位置的平移或旋转(即运动)。该测量可以(在清洁环境中)针对探头上的传感器的em读数(关于步进器上的静止传感器)被校准并用于接下来的qa。返回参考图1，在实践中，患者台40可以以这样的任何方式被装备有一个或多个qa电磁传感器：使得将(一个或多个)qa电磁传感器定位于emf的fov12内。例如，参考图1和2，患者台40与超声步进器30相邻的部分可以被装备有带已知物理距离d4的qa电磁传感器对41，该物理距离d4是通过在清洁环境中的精确设计/制造、独立测量和/或em测量而实现的。参考图1和2，本领域的普通技术人员将认识到额外的实施例，以用于向em生成器10、超声探头20、超声步进器30和患者台40装备(一个或多个)qa电磁传感器，包括，但不限于定位于与图2所示的不同的配置中的(一个或多个)qa电磁传感器以及qa电磁传感器三元组。返回参考图1，本发明的qa评估还向临床设置中并入qa机器70，其采用了监测器71、接口平台72、工作站73和安装于工作站73内的qa控制器74。qa控制器74包括现有技术已知的操作系统(未示出)和/或可由所述操作系统访问，以用于控制监测器71上的各种图形用户界面、数据和图像，如由工作站操作者(例如，医生、技术人员等)经由接口平台72的键盘、按钮、拨号盘、操纵杆等引导的，并且用于存储/读取如由接口平台72的工作站操作者编写和/或引导的数据。工作站73可以如现有技术已知地连接/耦合到电磁传感器，以输入要由qa控制器74为了emfqa评估目的处理的传感器数据sd。为此，工作站73：包括em传感器监测模块75，其用于监测emf的fov12内的每个质量保证电磁传感器的感测位置；以及质量评估模块76，其评估从由模块75监测的感测位置导出的emf的跟踪质量。为了方便理解模块75和76，图3图示了表示本发明的emfqa方法的流程图80。参考图3，流程图80的步骤s82涵盖em传感器监测模块75(图1)执行四种感测位置监测模式中的一种或多种。在实践中，通过模块75的针对所有模式的位置监测是相对于与emf的发射相关联的坐标系执行的，所述坐标系包括但不限于图1和2所述的emf生成器10的内部坐标系以及现有技术已知的参考电磁传感器50的参考坐标系。绝对距离模式(阶段s82中示范性示出)。对于这种模式，模块76知晓电磁传感器对qas1和qas2(例如，图1的传感器对11、传感器对21、传感器对31或传感器对41)之间的物理距离pd。在如图所示的示范性操作中，模块75监测emf的fov12内的每个电磁传感器qas1和qas2的感测位置。基于模块75感测的位置，模块76计算电磁传感器qas1和qas2之间的几何距离gd，以用于在流程图80的步骤s84期间的本文接下来描述的质量评估目的。在实践中，可以将几何距离gd计算为电磁传感器qas1和qas2之间延伸的向量的幅度。时间定位模式(阶段s82中示范性示出)。对于这种模式，模块75监测在对应于emf的fov12内固定的电磁传感器qas的两个或更多离散时刻1……n处的单个电磁传感器qas的感测位置。例如，图2的qa电磁传感器11r/11l、21r/21l、31r/31l和50在emf的fov12内固定。在如图所示的示范性操作中，模块75监测emf的fov12内的qa电磁传感器qas在时间t1和时间t2处的感测位置。基于时间位置感测，模块76计算电磁传感器qas的时间位置变化tpv，以用于在流程图80的步骤s84期间的下文接下来所述的质量评估目的。在实践中，可以将时间位置变化tpv计算为电磁传感器qas的感测时间位置之间延伸的向量(如果有的话)的尺寸。编码平移模式(阶段s82中示范性示出)。对于这种模式，在两个或更多离散时刻1……n，模块75监测由超声步进器30(图2)控制的超声探头20(图2)的电磁传感器qas的感测平移移动，而编码器61(图2)同时测量由超声步进器30控制的超声探头20的电磁传感器qas的平移移动。更具体而言，例如，在操作中，在超声探头20由超声步进器30平移时，编码器61测量在开始时间t1和结束时间t2处的电磁传感器qas的平移距离tdm。同时，模块75监测在开始时间t1和结束时间t2处的emf的fov12内的电磁传感器qas的感测定位。基于感测定位，模块76计算emf的fov12内的电磁传感器qas的感测平移距离tds，并且还计算平移距离tdm和感测平移距离tds之间的绝对运动变化，以用于流程图80的步骤s84期间的本文接下来描述的质量评估目的。在实践中，可以将平移距离tds计算为电磁传感器qas的感测平移位置之间延伸的向量(如果有的话)的幅度。编码旋转模式(阶段s82中未示范性示出)。对于这种模式，在两个或更多离散时刻1……n处，模块75监测由超声步进器30控制的超声探头20的电磁传感器qas的感测旋转移动，而编码器61同时测量由超声步进器30控制的超声探头20的电磁传感器qas的旋转移动。更具体而言，例如，在操作中，在超声探头20由超声步进器30旋转时，编码器61测量在开始时间t1和结束时间t2处的电磁传感器qas的旋转距离。同时，模块75监测在开始时间t1和结束时间t2处的emf的fov12内的电磁传感器qas的感测定位。基于感测定位，模块76计算emf的fov12内的电磁传感器qas的感测旋转距离，并且还计算测量的旋转距离和感测旋转距离之间的绝对运动变化，以用于流程图80的步骤s84期间的本文接下来描述的质量评估目的。在实践中，可以将感测旋转距离计算为电磁传感器qas的感测旋转位置之间延伸的向量(如果有的话)的幅度。仍然参考图3，流程图80的步骤s84涵盖质量评估模块76(图1)评估emf场12的质量(图1)，流程图80的步骤s85生成说明emf场12的评估质量的图形用户界面(“gui”)77。下表突出显示了用于前述监测模式的各种评估和gui。模式比较评估gui传感器对│gd-pd│≤qt可靠绿色传感器对│gd-pd│>qt不可靠红色单个传感器tpv≤qt可靠绿色单个传感器tpv>qt不可靠红色平移│tdm-tds│≤qt可靠绿色平移│tdm-tds│>qt不可靠红色旋转│rdm-rds│≤qt可靠绿色旋转│rdm-rds│>qt不可靠红色绝对距离模式。模块76计算所计算的几何距离gd和已知物理距离pd之间的绝对误差差分。如果误差差分小于或等于质量阈值qt，则模块76认为emf场12可靠，可用于跟踪目的。否则，模块76认为emf场12对于跟踪目的是不可靠的。时间定位模式。如果时间位置变化tpv小于或等于质量阈值qt，则模块76认为emf场12对于跟踪目的可靠。否则，模块76认为emf场12对于跟踪目的是不可靠的。编码平移模式，如果测量的平移距离tdm和感测平移距离tds之间的绝对运动变化小于或等于质量阈值qt，则模块76认为emf场12对于跟踪目的可靠。否则，模块76认为emf场12对于跟踪目的是不可靠的。编码旋转模式，如果测量旋转距离rdm和感测旋转距离rds之间的绝对运动变化小于或等于质量阈值qt，则模块76认为emf场12对于跟踪目的可靠。否则，模块76认为emf场12对于跟踪目的是不可靠的。在实践中，用于质量阈值qt的数值是从测试和训练感测数据集导出的，并且因此取决于特定的临床设置布置。模块75和76将在临床设置的校准、质量保证和/或em引导期间根据需要相继重复阶段s82-s86。对于em引导更具体而言，返回参考图1，将结合由超声探头20生成的超声(“us”)图像78来显示gui77，由此实时向操作者传递跟踪超声图像78内的介入工具的可靠性。参考图1-3，根据本发明的安装臂和介入工作站的示范性实施例的描述，本领域的普通技术人员将认识到本发明的众多益处，包括，但不限于方便在任何em引导的介入流程中可靠地定位emf生成器。此外，本领域的普通技术人员将认识到，鉴于本文提供的教导，可以在电子部件/电路、硬件、可执行软件和可执行固件的各种组合中实施本公开/说明书中描述和/或图1-3中描画的特征、元件、部件等，尤其是作为本文所述的质量保证控制器的应用模块，并且提供可以在单个元件或多个元件中组合的功能。例如，可以通过利用专用硬件以及能够执行与适当软件相关联的软件的硬件，提供图1-3中所示/说明/描画的各种特征、元件、部件等的功能。在由处理器提供时，可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个个体处理器(其中一些可以共享和/或复用)来提供功能。此外，明确使用术语“处理器”或“控制器”不应被解释为单独指能够执行软件的硬件，而是可以暗含地包括，但不限于数字信号处理器(“dsp”)硬件、存储器(例如，用于存储软件的只读存储器(“rom”)、随机存取存储器(“ram”)、非易失性存储器等)以及能够(和/或可配置成)执行和/或控制过程的实质上任何模块和/或机器(包括硬件、软件、固件、电路、其组合等)。此外，本文中述及本发明原理、方面和实施例以及其具体范例的所有叙述都旨在涵盖其结构和功能等价物。此外，这样的等价物旨在包括当前已知的等价物以及将来开发的等价物(例如，开发的能够执行相同或基本相似功能的任何元件，不论其结构如何)。因此，例如，本领域的普通技术人员鉴于本文提供的教导将认识到，本文呈现的任何方框图能够表示体现本发明原理的说明性系统部件和/或电路的概念图。类似地，本领域的普通技术人员鉴于本文提供的教导应当认识到，任何流程、流程图等可以表示可以基本在计算机可读存储介质中表示并由计算机、处理器或具有处理能力的其他设备执行的各种过程，无论这样的计算机或处理器是否被明确示出。此外，本发明的示范性实施例可以采取可以从计算机可用和/或计算机可读存储介质访问的计算机程序产品或应用模块的形式，该介质提供用于由例如计算机或任何指令执行系统使用或结合其使用的程序代码和/或指令。根据本公开，计算机可用或计算机可读存储介质可以是能够例如包括、存储、传输、传播或传送程序以用于由或结合指令执行系统、装置或设备使用的任何装置。这样的示范性介质可以是例如电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的或半导体的系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的范例例如包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、闪速(驱动器)、刚性磁盘和光盘。当前光盘的范例包括紧凑盘-只读存储器(cd-rom)、紧凑盘-读/写(cd-r/w)和dvd。此外，应当理解，今后可能开发的任何新计算机可读介质也应当被认为是可以根据本发明和公开的示范性实施例使用或引用的计算机可读介质。已经描述了用于跟踪电磁引导的质量控制的新颖创造性系统和方法的优选和示范性的实施例(实施例旨在为说明而非限制)，应指出，可以由本领域的普通技术人员鉴于本文(包括图1-3)提供的教导，做出修改和变化。因此应理解，可以在本公开的优选和示范性的实施例中做出改变，这些改变在本文公开的实施例的范围内。此外，预期并入和/或实施设备的或例如可以在根据本公开的设备中使用/实施的对应和/或相关系统也可以被预期和被考虑为在本发明的范围内。此外，根据本公开的用于制造和/或使用设备和/或系统的对应和/或相关方法也被预期和考虑为在本发明的范围内。当前第1页12