专利名称：规划和执行穿刺程序的系统及方法
规划和执行穿刺程序的系统及方法发明领域和背景
本发明涉及穿刺程序，特别地，涉及规划和执行这种程序的系统和方法。众所周知，执行一系列程序，采用针穿过皮肤(即皮)到达体内的某一位置。所有这些程序被称为“穿刺程序”。这些程序可能是治疗或诊断，并且可能采用携带一些工具或有效载荷的针。介入放射学(IR)采用一个或以上的成像方式以方便规划和/或执行穿刺程序的针的导航。在规划阶段具有特别重要意义的是容积成像技术，如计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)，他们提供了一个三维容积成像数据集，其中每个值与身体的“像素”(立体像素)相关。这些图像可以被医生使用，以确定身体内的目标位置，并且选择一个切入点，这个切入点使他或她在对身体损伤最小并且没有被如骨骼等机械障碍物阻挡的情况下到达目标位置。在技术领域中有许多熟知的计算机指导系统，这些系统可能被用于引导针在预先获得的立体图像如CT图像的基础上到达体内目标。一个首选的例子描述在吉尔博亚的国际专利申请W02007/113815中，它完全纳入本参考。在这个系统中，容积成像数据集在DICOM格式导入系统，并显示在屏幕上。通过记录图像空间到物理空间，并通过跟踪在这个空间的针，医生可以瞄准和引导针指向显示在屏幕上的目标。规划针到达体内靶标的路线的方法和系统描述在国际专利申请W02008/107874中，吉尔博亚的题为“规划图像引导下穿刺程序的方法和设备”，它完全纳入本参考。在一些程序中，目标是确定其解剖形状，针尖必须定向到目标。这种程序的一个例子是细针穿刺(FNA)，长针直接指向病变并抽取样品细胞。对于这样的程序，上述规划系统联合上述在执行程序中的计算机辅助弓I导通常是非常有效的。但是有其他的一些程序，医疗行为发生在相对针的位置定义的有效治疗体积，并且通常在偏移针尖位置的地方。在这种情况下，针的最佳位置与可识别解剖特征并不吻合，所以在实践中针应该被引导到空间的任意点。这种程序的一个例子是热消融肿瘤，消融区应该包围肿瘤，所以针应该被放置在一个有病灶的确切的点，病灶不可能仅凭观察病变的交叉部分就轻易估计出来。更复杂的是肿瘤的消融使用两个或更多的针(或单针按序放置在多个点)，在这种情况下，针可能需要被放置在肿瘤附近而不是肿瘤的中心。还有一个好处是联合使用W02008/107874所述的规划方案和W02007/113815所述的引导方案。然而，每一个都需要自己独立的三维图像。此外，临床过程需要同时引导多个针，每个针需要自身的标签，将用过的针头数量乘以所需的扫描数量。因此，提供一个新的设备和方法用于引导一个或多个针而仅需单一的扫描时联合W02008/107874所需的三维扫描和W02007/113815所需的数据是可取的。这将节省时间并且在使用电离辐射的情况下减少有害辐射。因此，有需要系统规划和执行穿刺程序，这将有利于容积治疗中正确定位一个或多个针的最佳位置与可识别解剖特征不配合的情况。更有利的一点是，提供规划和执行穿刺程序的系统和方法使得人体重复扫描的总数保持在最低限度，从而减少人体所需的辐射暴露。发明概要本发明涉及穿刺程序，特别地，涉及规划和执行这种程序的系统和方法。根据本发明提供的实施例，规划容积治疗的方法包括以下步骤(a)获得对象的容积图像数据集，包括一个需要治疗的可识别区域；(b)定义针对至少一针携带治疗涂药的有效治疗体积，有效治疗体积相对针的位置定义；(c)定义一个或多个建议插入针的位置，这样相对一个或多个建议插入针位置的有效治疗体积提供了所述需要治疗的区域范围；和(d)根据导航中使用的容积图像数据集的参考框架定义一个或多个插入点和相应的虚拟目标，导航中至少有一根针对应相应的建议插入针的位置。根据本发明实施例进一步的特点，还包括在多个图像代表来自容积图像数据集的数据的背景下，图形展示代表有效治疗体积的范围，使得用户核查相对于一个或多个建议插入针位置的有效治疗体积提供的需要治疗区域覆盖范围。根据本发明实施例进一步的特点，其中所述图形代表有效治疗体积的范围至少部分通过改变位于所述有效治疗体积的所述图像区域的视觉特性来提供。根据本发明实施例进一步的特点，一个或多个建议插入针的位置由用户通过在图形用户界面调整建议插入针的位置来定义，包括(a)显示一幅代表来自容积图像数据集的数据的图像，从而呈现需要治疗的区域；和(b) —幅代表针的有效治疗体积的图像，图像在建议插入针位置显示的图像的背景下显示。根据本发明实施例进一步的特点，一个或多个建议插入针的位置通过自动化程序定义，包括(a)从三维角度划定需要治疗的限定区域；以及(b)根据一组预定义的标准优化定位一针或多个针的有效治疗体积。根据本发明实施例进一步的特点，有效治疗体积由偏移至少一个针的针尖中心的几何表面划定，其中还应带上对应于针尖位置的虚拟目标。根据本发明实施例进一步的特点，需要治疗的区域至少有一个尺寸大于有效治疗体积，其中插入点和相应的虚拟目标由至少两个建议插入针位置定义，这样联合至少两个建议插入针位置的有效治疗体积提供需要治疗区域的覆盖范围。根据本发明实施例进一步的特点，从插入点延伸到相应虚拟目标的插入路径是不平行的。依据本发明的实施例，还公开了在人体表面确定一套光学导航标记位置的方法，所述方法包括以下步骤(a)在人体表面部署一套至少四个注册基准标记；(b)在人体表面部署一套至少四个导航基准标记，导航基准标记集不同于注册基准标记集；(c)采用一个成像系统，包括至少一个二维成像设备用来获得来自不同观察途径的至少两个图像，上述至少两个图像分别包括注册基准标记和导航基准标记；(d)在每一个相应位置图像和与注册标记相关的成像系统的方向推导注册基准标记集的位置；以及(e)在一个与注册基准标记相关的参考框架内，在至少两个导航基准标记位置图像基础上推导导航基准标记集的位置。根据本发明实施例进一步的特点，所述至少一个成像设备是视频摄像头。根据本发明实施例进一步的特点，本发明还公开了以下步骤(a)获取至少身体部分的容积图像，包括目标，随后部署的注册基准标记以及预先部署的导航基准标记；(b)推导出与容积图像相关的注册基准标记的位置；和(C)推导出与导航基准标记相关的目标位置。根据本发明实施例进一步的特点，注册基准标记包括容积图像中容易辨别的标记，从而利于推导出注册基准标记的位置。根据本发明实施例进一步的特点，推导注册基准标记的位置包括来自两个光学图像传感器的注册基准标记的采样图像，所述光学传感器部署在已知的与用于获得容积图像的容积成像系统相对应的空间。根据本发明实施例进一步的特点，本发明还公开了以下步骤(a)提供一个工具，所述工具有一个摄像头安装并部署在固定的相应区域，以便于获取包括导航基准标记的图像；和(b)提供一个导航显示装置，指示工具和目标间相对应位置关系，所述目标由图像中导航基准标记的位置推导而得。依据本发明的实施例，还公开了一套实现体内目标和一组一个或多个光学基准标记间的注册的系统，所述系统包括(a) —个用于生成人体图像的容积成像装置；(b)两个部署在与容积成像装置相对应的已知空间的光学图像传感器；和(c)容积成像设备和光学图像传感器处理系统，所述处理系统的配置为(i)处理来自两个光学图像传感器的图像用于推导至少一个与光学图像传感器相关的光学基准标记的位置；和(ii)在一个容积成像装置的坐标系统内定义至少一个光学基准标记的位置。依据本发明的实施例，还公开了一个实现体内目标和一组一个或多个光学基准标记间的注册的方法，所述方法包括以下步骤(a)提供一个由以下组成的图像系统(i)生成人体图像的容积成像装置；和(ii)两个部署在与已知容积成像装置相对应空间的光学图像传感器；(b)处理来自两个光学图像传感器的图像用于推导至少一个与光学图像传感器相关的光学基准标记的位置；和(C)在一个容积成像装置的坐标系统内定义光学基准标记的位置。根据本发明实施例进一步的特点，所述容积成像系统是一个C-臂荧光显微镜，并且所述两个光学图像传感器安装在C-臂上。根据本发明实施例进一步的特点，本发明还公开了以下步骤(a)使用部署在至少两个不同角度位置的C-臂荧光显微镜获取图像；(b)在两个荧光图像中识别体内目标；以及(c)推导体内目标和至少一个光学基准标记间的空间关系。根据本发明实施例进一步的特点，所述容积成像系统是含有一个龙门的测定体积的成像系统，所述两个光学图像传感器安装在龙门上。
参照附图，仅用于举例此处所描述的本发明，其中
图1为依据本发明规划穿刺程序中容积治疗的实施例的方法的流程图；图2为图1中506组块的详细流程图，依据方法中用户操作实现；图3为图1中506组块的详细流程图，依据方法中至少半自动化实现；图4为依据本发明实施例实现图1方法的系统示意图5和图6为依据图1的方法产生的图像，分别说明单针和双针程序中CT断层图像背景下的有效治疗体积；
图7到图15为使用图2中用户操作实现方法的序列图像；
图16为依据本发明另一方面实施例的方法的流程图，在穿刺程序中使用导航实现光学标记的注册；
图17为载有一套使用图16所述方法的注册基准标记框图的示意图；图18为结合载有图17的框图和导航基准标记的标签的示意图，同样适用于有体内标签的人体(未画出)；
图19为图16方法中图像采集步骤的示意图；图20为依据本发明实施例修改后的C-臂荧光显微镜示意图；图21为依据本发明实施例修改后的容积成像设备龙门。优选实施例说明
本发明涉及穿刺程序，特别地，涉及规划和执行这种程序的系统和方法。参照附图和所附的说明可以更好地了解基于本发明系统和方法的原理和操作。通过介绍，将会陈述本发明一系列不同方面，其中每一方面被认为在专利意义上拥有其独立的权利，但为了特定优势可以协同使用。因此，本发明的第一方面，通过一个或多个非限制实施例，结合参照附图1一15，涉及一个通过穿刺程序规划容积治疗的系统和方法。本发明的第二个方面，通过一个或多个非限制实施例，结合参照附图16—21，涉及实现体内特征光学标记注册的系统和方法，可用于，例如，用于改善执行依据本发明第一方面规划的程序。定义
在具体描述本发明实施例之前，定义说明书和权利要求书中使用的某些术语是很有用的。首先，提到了各类成像系统。对于本文的目的，需要指出图像数据指示体内组织特征的“容积成像”和图像仅涉及人体外表面的“光学图像”中的区别。根据这种细分，透视属于“容积成像”技术类别。还有一个区别需要指出，三维(3D)图像，此处也被称为“容积成像”，其中每一个图像数据值涉及一个单位体积或身体“像素”，而二维(2D)图像是由二维网格中的像素值构成。根据这种细分，透视，生成人体内部容积的二维投影属于二维图像技术类别。此处所述“治疗涂药”一词指任何涂药器或者工具，其充当针周围的组织量以获得药学相关的效应。例子包括，但不限于，电极或提供任何合适频率电磁能量的触角，冷冻喷头和机械工具。此处所述“虚拟目标”术语用于指目标位置，通常相对于三维图像坐标，它定义了一个理想的位置其中针尖被用来执行程序。此处所述目标作为“虚拟”目标，在这个意义上，它通常并不对应任何可识别解剖特征，但比较选择以达到理想的整理效果。因此，根据情况，针对一个给定的针的虚拟目标可能会偏离治疗区域中心，或者如下面进一步讨论的，可能会在治疗区域之外。容积治疗规划
依据附图，图1说明了一个方法，本文指定为500，依据本发明第一方面的实施例，通过穿刺程序规划容积治疗。方法500包括获取主体的一个容积图像数据集，所述主体包括一个可识别需要治疗区域(步骤502)。有效治疗体积被定义为至少一针携带治疗涂药(步骤504)。有效治疗体积的定义相对于针的位置，通常对应于一个三维的几何表面，比如椭球，中心偏移至少一针的针尖。例如，在针携带射频消融电极的情况下，有效治疗体积通常是一个在或者接近电极中心的椭球中心。有效治疗体积的几何性质通常由工具制造商提供，并且可能根据使用的操作参数有一个值的范围。步骤504的目的，有效治疗体积可以自动定义，比如，响应用户选择针的类型和/或使用的操作参数，或者其他实现方式，可由使用者定义。一个或多个建议插入针的位置被定义，这样相对于一个或多个建议插入针位置的有效治疗体积提供了需要治疗区域的覆盖范围(步骤506)。这个过程可能是“手动”进行(即使用者通过图形用户界面操纵)，这将会在下面参照附图2进行详细描述，这个过程也可能是自动或半自动的方式，这将会在下面参照附图3进行详细描述。作为一个可选方案，步骤508，有效治疗体积的整体程度用三维图像的多个切片显示，以便用户确认需要治疗的整个区域已经有效地被计划治疗体积覆盖。在步骤506完全自动化实现的情况下，这个确认步骤尤为重要。然后将最终的计划插入针位置翻译成相应的插入点和虚拟目标点(步骤510)。由于每一针的插入路径被认为是从插入点到虚拟目标点的直线，并且当针尖到达虚拟目标点时停止，这两个点充分说明每一个针的计划插入路径。这些数据在执行穿刺程序中(步骤512)通过任何合适的导航技术用于导航辅助，这并不属于规划方法的部分。如前所述，步骤506可以通过多个方法实现。比如，图2揭示的步骤506的实现方式，其中建议插入针位置通过用户在图形用户界面调整建议插入针位置定义。具体来说，如图2中所述，插入针位置的最初近似值首先被定义，通常以目标区域和一个插入点的使用者指定的近似值为基础。系统然后生成图像，这些图像代表来自容积图像数据集的数据，从而使需要治疗的区域可视(步骤516)，并且在每幅图像中显示一幅代表针的有效治疗体积的图解，所述有效治疗体积取决于建议插入针的位置，因为这会与当前图像的切面相交(步骤518)。接着系统接受来自用户的输入，这样允许用户调整建议插入针的位置，从而调整需要治疗的3D区域的覆盖范围。因此，用户可以更好地通过滚动一系列三维图像数据的切片，并依次回顾每个切片的有效治疗体积的相交，因此可以清楚的看到，目前计划插入针位置是否完全覆盖了需要治疗的3D区域，并且在需要的时候做出调整。如果使用者发现目前计划使用的针的数量并不能实现完全覆盖，他或她可以选择增加一个额外的针(步骤522)，并且对这个额外的针重复如上所述的定位程序。当计划针的位置做出了调整，使用者还必须确认插入路径满足避免硬障碍物和精致的内部器官的其他要求。这类潜在问题通常通过调整每个针的插入点来解决。这可以被视为步骤520调整程序中的部分，或者作为一个独立的后续步骤(图示未画)。依据步骤518和/或图1中步骤508的一个优选方案，通过改变位于有效治疗体积的图像区域的视觉特性，有效治疗体积的范围至少部分是可视的。比如，位于已经定位好的针的有效治疗体积内的病灶可以一目了然，从而清楚直观的显示哪些病灶区域仍然在目前计划插入针位置的治疗区域的外面。现在看图3，表示步骤506中自动化，或者至少半自动化过程的另一种实现。这个过程首先在三维中划定需要治疗的区域限定(步骤524)。这可能通过接收手动输入使用者选择的边界点，直接自动根据适用于图像数据的执行标准，或者通过其他合适的的技术。这个例子说明，自动系统决定需要实现全覆盖的针的数量，计算出初始的每个针的部署建议(步骤528)，并且执行一个自动调整的优化以确认对需要治疗区域连续和完整的覆盖，最好与预定义边界重叠(步骤530)。必须指出，为了清楚的表述，对步骤526—530做出了随机的细分。事实上，对一个自动程序，把这些功能组合成一个单一的程序是有利的，其中针的数量的参数和每个针的最佳位置通过直接计算或迭代技术并行解决。此外，自动过程可能与如上所述手动过程的一个例子并行，其中每个针的位置先后确定，并且下一个针的位置依靠在已计划针对应的治疗体积之外的需要治疗区域的剩余部分的参数确定。最后，如前所述，针的插入点可能需要作出调整以确保插入路径并不触碰任何坚硬的障碍物或细腻的内部器官(步骤532)。这个调整通常通过图形用户界面手动完成。顺带说一下，应该指出的是，根据本发明的这一方面，一个规划的多针程序可能经常需要插入针沿非平行路径，特别是在身体的肺部和上肝部区域，其中肋骨可能会阻碍获取某些虚拟目标点。本发明的这一方面可用于大大改善任何提供所需准确度的导航技术。但是，如下所述参照附图16-21的本发明的第二个方面提供了特别的协同作用，使得导航从不同输入点到体内特定虚拟目标的多个非平行针变得可靠，依据下面的描述会变得更加清晰。图4说明了一个实现上述方法的示范系统，相对应于依据本发明一个实施例的系统阳0，依据穿刺程序规划容积治疗，其中至少一个针需要从插入点插入到主体身体内的目标。此处说明并非限制性的，作为CT系统一部分的系统550包括一台扫描仪551，CT床552和一个控制单元553。投影仪的光线路560通常在病人身体上投射一个路线。投影的路线是一个对病人身体的投影图，CT断层面的位置，所述位置的坐标显示在显示器5M上。计算机570通过连接线572连接到CT系统。计算机570用于规划病人身体内针的路线。计算机570优选个人电脑，尽管其他能实现本发明目的的处理系统也落入本发明保护范围。在本发明的一个优选实施例中，连接线572是USB通讯线。在本发明另一个优选实施例中，连接线572是PACS网络。电脑之间其他类型的通信同样适用于本发明。在某些情况下，计算机570可结合CT控制单元553。计算机570通常包含一个处理系统，所述处理系统包括至少一个处理器，用于存储CT扫描数据的电子存储器，计算针路线的软件，用于计算并显示三维(3D)图像的图形卡以及用于显示由此产生的图像的显示器。或者，一套基准标记580，优选规定在一个共同框架内，能连接到患者的皮肤以辅助在随后的针的导航过程，这些将在下面分别讨论。患者躺在CT床上，标记580优选在一个预测接近目标的地方连接到他或者她的皮肤。如果需要，可以给患者注射造影剂以增强CT图像中病灶和血管的影像。完成一个扫描，并且生成的图像传输到计算机570，相应的步骤如上述步骤502。计算机570处理系统的配置，通常是在一个合适的操作系统下的适合的软件模块，以及用户输入和显示，以执行如上所述的步骤504— 512。现在讨论图5—15，上述系统和方法的重要意义参照基于实际的3D图像数据的一系列例子将会更好的理解。这些例子涉及到热消融，其中针的远端部分发射(或吸收)热量并且形成一个消融区。关键是定位针的位置使得消融区包裹肿瘤。只有当针被放置在偏移已显示的肿瘤中心的位置时才能实现。在图5所示的例子中，为了覆盖肿瘤50，所需消融区的中心51 (即有效治疗体积)位于偏移肿瘤中心52的地方。此外，如图6所示，当定位两个或多个针覆盖更大的消融区时，每一个针定位在偏移肿瘤中心的位置。再次参考图5，应该指出的是，根据本实施例，如果不生成一个虚拟目标作为显示给用户的目标点，几乎不可能引导针尖指向点51。从图5和图6的例子显然可以知道，根据图像不知道消融区的边界落在什么地方，是很难正确定位目标的位置的。引导针指向目标也是非常困难的，因为没有像相关的解剖标志一样确切的点作为目标。图7—15图形化的说明了一系列典型的非限制性操作，依据图2手动调整部分。扫描身体需要治疗的部分产生一系列横截面图像。图像传输到系统，最好在DICOM格式。如图7所示，肿瘤应该被确定，以及到肿瘤边界等距离的中心点71应该被标记。中心点使用一个由多个具有已知半径的同心圆组成的特殊测量光标72定位。例如，内环半径10毫米，接下来每个圆环的半径依次增加10毫米。为了精确定位中心点，横截面图像的轴向，矢状面和冠状面图像按序用于定位点，直到中心被准确定位在各个图像上。中心点被选定后，系统显示有效治疗体积的边界，在这种情况下，单针的消融区81如图8所示。如果像这里所显示的，消融区不能完全覆盖肿瘤，应使用不止一个针。当使用多个针的时候，需要调整针彼此间的距离和方位以实现联合消融区最大的覆盖范围。这可以手动或者依据已知的探头参数预定义。参照图9，围绕肿瘤中心91旋转点92和93是可能的，直到消融区完全覆盖肿瘤。现在看图10，身体三维体绘制和目标点的执行是为了选择通畅的路径。空心圆圈代表消融点。在图10中，先前定义的消融中心92在这里的三维图像中显示为圈101，此外，根据路径和皮肤的交叉点计算的针的插入点由“X” 102表示，代表到点92的路径。作为这个例子中的其他路径，通向消融中心93的路径被肋骨105阻断，所以仅仅可以看见插入点103，而圈104隐藏在肋骨后面。为了给两针找到清楚障碍物的路径，需要重新定位插入点。本系统优选通过两种技术中的任何一个来实现。第一种实现方法，如他11所示，整个身体的3D容积绘制图像围绕肿瘤中心71旋转，直到所有的治疗体积圆圈没有任何障碍的显现。第二种实现方法，显示沿着路径的身体横截面图像。参照图12，第二条路径120显示为一条虚线，连接消融中心93和插入点103。消融区124也被显示。如图13所示，通过沿着消融中心93旋转路径120，插入点的位置也被调整到一个更适合的位置133。也可以通过把持将要改变的路径来单独的改变每一个路径，所以它的插入点与消融中心吻合，结合使用输入集旋转其它路径用于寻找一条通畅的路径。图14和15展示了单独的插入点为两条路径重新定位的例子。光学注册
现在讨论本发明的第二个方面，涉及到一套身体表面光学导航标记位置的确定的系统和方法。具体来说，参照图16，表示一个方法，指定为600，依据本发明一个实施例，确定一组身体表面光学导航标记的位置。在一个概念层面，本发明的这个实施例允许第一组光学基准标记集和第二组光学基准标记集间的光学相关性。这依次允许第二组注册标记反对第一组注册标记的其它坐标系统，从而提供了一个更优的功能范围，下面将进一步讨论。因此，本方法包括在身体表面部署一组至少四个注册基准标记(步骤602)。在一套特别优选，但并非限制性的应用程序中，第一组标记注册在身体3D容积图像的坐标系中。根据这个优选，第一组标记预先定位以获得容积图像数据集(步骤604)，根据相应的容积图像推导出注册基准标记的位置(步骤606 )。在第一个优选的例子中，标记通过下述形式或者与下述形式结合的方式实现，标记在以容积图像系统为形式的图像中容易识别，从而使他们直接在三维图像中定位。此外，登记容积图像可通过综合安排光学图像传感器和容积图像系统，将参考图21对之描述。执行穿刺程序，程序的规划最好在这个点(步骤608)上执行以定义将要插入的每个针(或者针的位置)插入点和相应的虚拟目标。规划可以由任何适合的技术实现，但是优选依据此处参照附图1一15描述的规划序列实现。准备执行程序中，一组导航基准标记部署在人体表面，优选在指定的插入点(步骤610)或其附近。提供在插入点或其附近的导航标记便于针的光学导航，正如上述国际专利申请W02007/113815公开的技术一样。然而，由于在步骤604执行图象和步骤608规划程序之前并不知道插入点，导航基准标记在原始图象之时并不呈现，因此也不会登记在容积图像数据中。按照常规方法，为了实现新标记注册到容积图象中，需要对身体重复成像。相反，本发明的这一方面提供了一套纯粹的光学基准的方法，从第一组标记中转移注册到第二组标记中。因此，在步骤612中，包括至少一个摄像头的成像系统，成像系统用于获取至少两个沿不同拍摄方向的光学图像，每一个所述至少两个光学图像包括注册基本标记和导航基准标记。所述两个图像可以由一个摄像头在不同地方按序采样，或者使用两台独立的摄像头采样。对于每一幅图像，下面将会详细描述，可以使用四个注册基准标记的位置推导对应于注册基准标记的摄像头的位置和方向，因此也对应3D图像数据(步骤614)。一旦两个图像的摄像头位置解决了，图像可以通过立体视觉加工来处理，以决定相对于注册基准标记和3D图像数据的每一个导航基准标记的位置(步骤618)。显然，一旦导航基准标记注册到3D图像数据中，他们可被用于如前所述的，便于导航一个针指向在3D图像数据坐标系中定义的体内目标。现在讨论图17 —19，这些图说明图16所述方法实施的不同阶段，同样对应依据本发明实施例的部分系统。具体来说，图17代表标签701，构建一个框架703至少部分定义一个通道704。标签设置至少四个嵌入的基准点721到724。由于标签是活动的，基准的位置(相互的或绝对的)可能不会被预先知道。在本发明第一首选的一个实施例中，基准点设计为能够被视频摄像头和容积成像的方式识别。正如国际专利申请W02007/113815中所述的，通过联合使用对照材料的彩色印刷，可以实现基准点在视频图像和三维图像中的明确识别。在标签上打印这些基准点的技术解释可以在上述专利申请中找到，同样在公开号US2009/(^90174的美国专利申请中找到，所述专利申请完全纳入本发明参考。此外，网格的标志705也优选打印在标签701上。标签可以由薄柔性材料制造，并在背面覆盖一层粘结层，这样易于黏贴在身体上。比如说，可以为一张纸，一面打印另一面覆盖双面胶。如图18所示，标签701贴在身上，通道704覆盖在医生希望插入针的大致区域。一个适合于临床适应症的使用图像形式的身体3D容积扫描被执行，图像用于选择针需要被指向的目标。基于3D容积图像数据，规划软件用于决定程序所需的一个路径(或多个路径)，每一个路径由皮肤插入点和相应的体内目标定义。W02008/107874描述了一个适合的软件，并且依据如上所述本发明第一个方面的启示进行延伸。待插入点在3D容积图像坐标系统中确定后，软件把它转化成由标签定义的2D坐标。优选相应的网格705打印在表面。打印的网格可以，比如说，一系列在“X”方向的线和另外，垂直与第一个的，在“Y”方向的线，线与线之间有例如5毫米的间距。该软件还从3D图像中确定基准点702的空间坐标以及目标720的位置。插入点确定后，医生依照执行上述程序的标准所定义的方法准备插入位置，医生准备的插入位置位于软件建议和标签表面的网格定义的位置。按照上述W02007/113815所述的导航系统，至少有四个参考点的标签是需要的。如TO2007/113815所述，可以沿着针的整个路径，通过连接在针上的微型摄像头观察参考点。为了让摄像头看到所有四个参考点，甚至到插入路径的终点，参考点(导航基准标记)应该被定位在接近插入点的位置。依据本发明的一个实施例，参考点打印在第二个标签710上，此后通过第一个标签701定位在皮肤上的导航标签和/或在通道704作为指定预先确定的插入点。为了使用W02007/113815所述的方法和装置，有必要知道用于容积图像坐标系中导航的参照点坐标。根据W02007/113815，执行一个额外的导航标签的3D图像以找到嵌入在标签的参考点的位置是必要的(这种情况下结合对照材料)，所以它们的位置可能由三维容积图像确定。依据本发明此处所述的优选方面，导航标签710上参考点的坐标由与标签网格的基准点702相关的光学性决定，无需3D图像或导航标签上的对照工具。如上所述，网格标签的基准点即为从预先3 D容积扫描获知的信息本身。因此，医生能够标记一个插入点，或为了连续插入标记多个插入点，都基于一个单一的初始3D扫描，在导航标签重新定位时无需每次重复扫描。图18描述了按照本发明第一个优选实施例，引导一个针所需的设置的例子。有一个指定为预期插入点的洞711的导航标签710，黏附在皮肤上覆盖网格标签701，所述位置由两个相互垂直的“X”和“Y”坐标网格705定义。标签710也使用至少四个参考标记712用于跟踪针，参照W02007/113815。依据本发明，目标720的3D位置和基准标记721到7M在图像数据集定义。为了实现针指向目标的导航，也有必要知道标记712的3D位置。基于已知的标记721—724的坐标，通过同时从两个不同的方向拍摄标签701和710的视频图像，在两个图像中确定基准标记721—7M和参考标记712的坐标。图19图表式的显示了所需的配置。基于3D图像
中标记721—7M的已知位置l·.,分
别代表摄像头a和b的视频图像相应的坐标系的)和)，以及光学变换常数C，摄像头的方向，Ta和Tb通过求解下面的线性方程组确定
对于 ，3D容积图像中参考点712的坐标，摄像头a和摄像头b的视频图像中分别的坐标fyy)和.^(作满足以下方程:
调整方程(3)和(4)产生一组线性方程组在两个视频图像中两个摄像头的方向(Ta和Tb)可以通过从方程(1)和(2)中代入已知的3D图像坐标(i )和基准标记721-724的视频坐标(Ia( f )和Ib( i ))求解。空间的三维成像方式参考点坐标的坐标手可以通过代入计算获得的摄像头方向(Ta和Tb)和参考点的视频图像坐标(糊，vb)之后求解方程(5)和(6)获得。根据本发明这一方面的第一个优选实施例的一个实施方式，一个活动的网格标签701，在表面印有一个参考坐标705的二维网格和四个识别基准标记721-724，粘附在患者需要治疗的身体部位，身体部位的三维容积图像包括所附的标签，确定的所述四个基准标记的坐标，以及一个目标720，插入点711的最佳位置由注册标签上的网格的两个坐标定义，有四个参考标记712的导航标签710黏贴在标签网格上方，与所述两个坐标系一致，获取来自两个标签的位置a和位置b的视频图像，以及在两个视频图像中的参考点和基准点的坐标，结合方程(1) (2) (5)和(6)确定3D图像空间中参考标记的坐标。根据本发明第一个优选实施例的另一个实施方式，网格标签701由多个独立的注册基准标记组成，每一个有自己独立的、并不依附其它的标签。在本发明这一方面的第二优选实施例中，打印在标签网格上的基准标记不一定包含对照材料，也并不需要在医疗成像设备的图像上确认。相反，为了确定所需基准标记的坐标，两个视频摄像头需要连接在图像设备的固定空间位置，从两个方向覆盖标签网格的位置。依据一组来自这些摄像头的图像重组基准标记的位置。一个C-臂荧光图像设备工作的例子是图20。荧光成像设备1001配备了两个视频摄像头1002和1003。三个图像的相关位置(两个视频摄像头和荧光图像设备)相互预先设定为摄像头Ra和Rb，荧光镜I 。。连接在患者身体上的网格标签1004有四个光学注册基准点1005。快照图像是由网格标签的视频
摄像头1002和1003获取。摄像头1002和1003中基准点1005的图像位置糊和.h(f).被确定。对于Γ ,注册基准1005的坐标Ra和Rb，代表摄像头a和b的位置，满足以下方程
调整方程(7)和(8)产生一组线性方程组
求解方程(9)和(10)，由视频摄像头1002和1003获取的快照中的基准点1005的图像得到他们的空间坐标。 一旦r确定，配备一个跟踪摄像头1007的工具可以根据网格标签的基准点引导，或者如上所述，通过光学技术注册一个额外的有基准标记的导航标签到基准网格标签。此外，摄像头1002和摄像头1003结合预先确定的Rc的方向，用于确定对应于网格标签的荧光镜的方向，因此在由荧光镜获取的图像上展示一个工具的投影。
在CT成像设备背景下相同原则的另一个实施方式如图21所示。两个视频摄像头1011和1012连接在与CT成像设备1010相关的固定空间。视频摄像头和CT的相互位置预先确定。有四个注册基准点的标签1013粘附在患者身上。CT床带来一个已知的切片位置，然后获取标签的一对视频图像快照。确定打印在标签上的在CT坐标中的注册基准点的位置。另外，一对图像在开始扫描时同时获取。由于每个CT图像切片还包含了它的切片位置作为DICOM格式标准的一部分，由图像确定的基准点的位置可以通过增加那个开始的切片位置注册到CT床(因此注册到DICOM图像)。同步本身能够通过使用一个由CT硬件提供的触发器，或者设置一个对CT光束路径中X射线辐射敏感的传感器来实现。一个针配置在如上所述的摄像头中，然后可以被引导到相关的注册基准点。由于有多个基准点的同样的网格标签可能在不同图像方式中做工精细，连接所述的标签到病人的皮肤，然后用不止一种成像设备的方式扫描，在两种方式间允许简单的合并。作为一个例子，通常在通过荧光镜实施的程序中提供来自其它来源的额外的图像数据。一个网格标签连接到病人，然后病人通过CT或MRI扫描，在荧光镜执行程序之前把数据转化成DICOM格式。在荧光镜程序中，工具除了被叠加显示在荧光镜图像中，还能够被叠加显示在DICOM图像中。这给医生提供了与内部器官相关的额外3D信息，否则这些信息不会在这样的程序中可用。除了衔接显示信息的不同图像形式之外，本发明可提供输出图像系统的操作指导。比如，为了执行这个程序，在荧光镜下执行这个程序之前，甚至在荧光镜辐射被激活之前，用连接在他或/她皮肤上的标签扫描的患者的CT数据是可获得的，软件可以确定沿着针的方向(计划的或依当前的测量)拍摄身体，或者拍摄针尖和周围组织，和/或目标，的荧光镜的建议位置和方向，以及提供基于正确定位与身体相关的荧光镜的光学传感器的反馈信息。预计这将大大降低病人和医生暴露的辐射量。当实施病人身体部分的实时扫描的情况下可以采取类似的做法，采用光学注册，以确保相对于病人身体的CT设备的正确线路。应当指出的是，图20和图21的系统在他们自己的权利里具有高度的意义，提供了一套在不需要容积成像形式可视光学标记情况下，实现体内目标和一组光学基准标记间的注册的系统和方法。因此，总体而言，依据本发明这一方面的系统包括一个生成身体图像的容积成像设备，和两个设置在相对于容积成像设备的已知空间的光学图像传感器。配置容积成像设备和光学图像传感器的处理系统，用于处理来自两个光学图像传感器的图像以推导相对于光学图像传感器的光学基准标记的位置，以及在光学成像设备坐标系统内定义光学基准标记的位置。在图20的情况下，容积成像系统是一个C-臂荧光显微镜1001，两个光学图像传感器1002和1003安装在C-臂上。在图21的情况下，容积成像系统是一个测量体积的成像系统，比如设置龙门1010的CT系统，以及两个光学图像传感器1011和1012设置在龙门上。本发明的这一方面还促进了一系列有利的方法。比如，尤其在图20荧光镜的实施，两个荧光镜图像通过设置在至少两个不同角度位置的荧光镜获得。然后，通过在所有两幅荧光镜图像中定义体内目标，它可以推导出体内目标和光学基准标记间的空间关系。不甚感激的是，以上说明仅作为对本发明的举例，其他许多实施例也可能落入所附权利要求书定义的本发明的范围。
权利要求
1.一种规划容积治疗的方法，包括以下步骤(a)获得对象的容积图像数据集，包括一个需要治疗的可识别的区域；(b)定义针对至少一针携带治疗涂药的有效治疗体积，有效治疗体积相对针的位置定义；(c)定义一个或多个建议插入针的位置，这样相对一个或多个建议插入针位置的有效治疗体积提供了所述需要治疗的区域范围；和(d)根据导航中使用的容积图像数据集的参考框架定义一个或多个插入点和相应的虚拟目标，导航中至少有一根针对应相应的建议插入针的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在多个图像代表来自容积图像数据集的数据的背景下，图形展示代表有效治疗体积的范围，使得用户核查相对于一个或多个建议插入针位置的有效治疗体积提供的需要治疗的区域范围。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述图形代表有效治疗体积的范围至少部分通过改变位于所述有效治疗体积的所述图像区域的视觉特性来提供。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个建议插入针位置由使用者通过在图形用户界面调整建议插入针位置来定义，包括(a)显示代表来自容积图像数据集的数据的图像，从而呈现需要治疗的区域；和(b)一幅代表针的有效治疗体积的图像，图像在建议插入针位置显示的图像的背景下显不。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个建议插入针位置通过自动化程序定义，包括(a)从三维角度划定需要治疗的限定区域；以及(b)根据一组预定义的标准优化定位一针或多个针的有效治疗体积。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述有效治疗体积由偏移至少一个针的针尖中心的几何表面划定，其中还应带上对应于针尖位置的所述虚拟目标。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述需要治疗的区域至少有一个尺寸大于所述有效治疗体积，其中插入点和相应的虚拟目标由至少两个建议插入针位置定义，这样联合所述至少两个建议插入针位置的有效治疗体积提供所述需要治疗区域的覆盖范围。
8.根据权利要求7所述的方法，其中从插入点延伸到相应虚拟目标的插入路径是不平行的。
9.一种在人体表面确定一套光学导航标记位置的方法，所述方法包括以下步骤(a)在人体表面部署一套至少四个注册基准标记；(b)在人体表面部署一套至少四个导航基准标记，所述导航基准标记集不同于所述注册基准标记集；(c)采用一个成像系统，包括至少一个二维成像设备用来获得来自不同观察途径的至少两个图像，上述至少两个图像分别包括所述注册基准标记和所述导航基准标记；(d)在每一个所述的相应位置图像和与所述注册标记相关的所述成像系统的方向推导所述注册基准标记集的位置；以及(e)在一个与所述注册基准标记相关的参考框架内，在所述至少两个导航基准标记位置图像基础上推导所述导航基准标记集的位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一个成像设备是视频摄像头。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步以下步骤(a)获取至少身体部分的容积图像，包括目标，随后部署的所述注册基准标记以及预先部署的所述导航基准标记；(b)推导出与所述容积图像相关的所述注册基准标记的位置；和(c)推导出与所述导航基准标记相关的所述目标位置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述注册基准标记包括容积图像中容易辨别的标记，从而利于所述推导所述注册基准标记的位置。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述推导所述注册基准标记的位置包括来自两个光学图像传感器的所述注册基准标记的采样图像，所述光学传感器部署在已知的与用于获得所述容积图像的容积成像系统相对应的空间。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤(a)提供一个工具，所述工具有一个摄像头安装并部署在固定的相应区域，以便于获取包括所述导航基准标记的图像；和(b)提供一个导航显示装置，指示工具和目标间相对应位置关系，所述目标由所述图像中所述导航基准标记的位置推导而得。
15.一套实现体内目标和一组一个或多个光学基准标记间的注册的系统，所述系统包括(a)一个用于生成人体图像的容积成像装置；(b)两个部署在与所述容积成像装置相对应的已知空间的光学图像传感器；和(c)所述容积成像设备和所述光学图像传感器处理系统，所述处理系统的配置为(i)处理来自所述两个光学图像传感器的图像用于推导至少一个与所述光学图像传感器相关的光学基准标记的位置；和( )在一个所述容积成像装置的坐标系统内定义至少一个光学基准标记的位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述容积成像系统是一个C-臂荧光显微镜，并且所述两个光学图像传感器安装在所述C-臂上。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述容积成像系统是含有一个龙门的测定体积的成像系统，其中所述两个光学图像传感器安装在龙门上。
18.一种实现体内目标和一组一个或多个光学基准标记间的注册的方法，所述方法包括(a)提供一个由以下组成的图像系统(i)生成人体图像的容积成像装置；和( )两个部署在与已知所述容积成像装置相对应空间的光学图像传感器；(b)处理来自所述两个光学图像传感器的图像用于推导至少一个与所述光学图像传感器相关的光学基准标记的位置；和(c)在一个所述容积成像装置的坐标系统内定义光学基准标记的位置。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述容积成像系统是一个C-臂荧光显微镜，并且所述两个光学图像传感器安装在所述C-臂上。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括(a)使用部署在至少两个不同角度位置的所述C-臂荧光显微镜获取图像；(b)在所述两个荧光图像中识别体内目标；以及(c)推导体内目标和至少一个光学基准标记间的空间关系。
21.根据权利要求18所述的方法，所述容积成像系统是含有一个龙门的测定体积的成像系统，所述两个光学图像传感器安装在龙门上。
全文摘要
通过穿刺程序规划容积治疗的系统和方法获得对象的容积图像数据集，包括一个需要治疗的可识别区域。定义针对至少一针携带治疗涂药的有效治疗体积，有效治疗体积相对针的位置定义。定义一个或多个建议插入针的位置，这样相对一个或多个建议插入针位置的有效治疗体积提供了所述需要治疗的区域范围。一个或多个针的有效治疗体积在3D图像数据切片背景下可视。根据导航中使用的容积图像数据集的参考框架定义一个或多个插入点和相应的虚拟目标，导航中至少有一根针对应相应的建议插入针的位置。
文档编号G09B23/28GK102598088SQ201080050541
公开日2012年7月18日 申请日期2010年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者平哈斯·吉尔博亚 申请人:艾克提维尤斯有限公司