专利名称：使用外科手术工具的预定义数据和mri图像数据的实时可视化的mri外科手术系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及可以特别适合于治疗和/或介入医疗器械在身体中的放置/定位的 MRI引导诊断或介入系统。本发明的实施例可以特别适合于放置诸如深部脑刺激(“DBS”) 引线之类的神经调节引线、放置可植入式副交感或交感神经链引线和/或CNS刺激引线以 及/或者适合于将包括心房颤动(AFIB)治疗的治疗递送到身体中的目标内部位置。
背景技术：
深部脑刺激(DBS)正变成遭受慢性疼痛、帕金森病或发作以及其它医疗状况的患 者的神经外科手术治疗的可接受的治疗形态。也已实行或提议了使用交感神经链和/或脊 髓的内部刺激等等的其它电刺激治疗。现有技术的DBS系统的一个实例是来自Medtronic有限公司的Acti va 系统。 该Aetiva 系统包括被定位在患者的胸腔中的可植入式脉冲发生器刺激器；以及具有 轴向间隔开的电极的引线，在所述电极被布置在神经组织中的情况下植入所述引线。引线 从脑到胸腔的表面下穿过，以将电极与脉冲发生器相连接。这些引线的末端处可以具有连 接到导体的多个暴露电极，所述导体沿着引线的长度延伸并且连接到置于所述胸腔中的脉 冲发生器。认为特定医疗过程(特别是使用DBS的那些医疗过程)的临床结果可以取决于与 感兴趣的组织接触的电极的精确位置。例如，为了治疗帕金森颤抖，通常基于预先操作的 MRI和CT图像，在立体定向外科手术期间将DBS刺激引线植入。这些过程的持续时间会很 长，并且具有减小的功效，正如所报道的那样，在大约30%的植入这些器械的患者中，器械 /过程的临床功效要比最佳功效要低。
发明内容
本发明的一些实施例涉及MRI引导系统，该MRI引导系统可以基本上实时地生成 患者以及逻辑空间中的一个或多个外科手术工具的患者特定可视化(visualization)，并 且向临床医生提供反馈以改善体内过程的速度和/或可靠性。该可视化可以(部分)基于(多个)工具的预定义数据，所述预定义数据基于(多 个)工具的预先定义的特性来限定系统(例如软件)的接口点，所述(多个)工具的预先 定义的特性例如是一个或多个外科手术工具的尺寸、形状或配置以及/或者已知的旋转、 平移以及/或者其它功能以及/或者动态行为。该可视化可以包括患者的功能数据(例如在限定的刺激期间脑的活动区域、fMRI数据、电活动、纤维轨迹等等)。该系统可以被配置成询问且分割图像数据以定位基准标记，并且使用MRI图像数 据和(多个)工具的先验数据来生成(多个)工具和患者的解剖结构的连续可视化，从而 提供(基本上实时的)患者的可视化。一些实施例涉及MRI引导外科手术系统。该系统包括(a)至少一个MRI兼容的 外科手术工具；(b)适于与MRI扫描仪通信的电路；以及(c)与所述电路通信的至少一个显 示器。该电路电子地识别所述至少一个工具的预先定义的物理特性以自动分割由所述MRI 扫描仪提供的MR图像数据，由此所述至少一个工具构成与该系统的接口点。该电路被配置 成提供用户界面，所述用户界面定义MRI引导外科手术过程的工作流程进展并且允许用户 选择该工作流程中的步骤，并且其中所述电路被配置成在外科手术过程期间使用来自患者 的MRI图像的数据以及所述至少一个工具的预定义数据来基本上实时地生成多维可视化。其他实施例涉及用于执行MRI引导外科手术过程的方法。该方法包括(a)定义 至少一个MRI兼容的外科手术工具的尺寸和/或功能数据(b)获得患者的MRI图像数据； (c)基于所述定义步骤电子地分割所述MRI图像数据以在所述至少一个工具上标识已知的 基准标记；(d)生成配准到患者解剖结构的所述至少一个工具的可视化；(e)电子地生成对 俯仰(pitch)、滚动(roll)或X-Y致动器的调整方向，以调整轨迹导引的轨迹；以及(f)使 用患者MRI图像数据、所述调整方向以及所述可视化来将所述工具引导到患者中的位置， 从而促进MRI引导外科手术过程。还有其他实施例涉及用于促进MRI引导外科手术过程的计算机程序产品。该计算 机程序产品包括计算机可读存储介质，其具有包括在所述介质中的计算机可读程序代码。 该计算机可读程序代码包括(a)包括多个不同的外科手术工具的预先定义的物理数据的 计算机可读程序代码；(b)与MRI扫描仪通信以获得患者的MRI图像数据的计算机可读程 序代码；以及(c)使用患者的图像数据以及来自所述工具的数据来基本上实时地生成患者 的可视化的计算机可读程序代码。又有其他实施例涉及MRI引导介入深部脑系统。该系统包括(a)MRI扫描仪；(b) 具有电路和显示器的临床工作站，所述工作站与所述MRI扫描仪通信；(c)在其上具有网格 的至少一个柔性补片，其被配置成可释放地贴附到患者的颅骨；以及(d)可贴附到患者的 颅骨的至少一个轨迹导引。该导引具有带孔的基座，所述孔被配置成位于形成在患者的颅 骨中的钻洞上。基座孔为与轨迹导引相关联的枢轴提供旋转的机械中心，基座具有围绕该 基座孔间隔开的多个基准标记。所述电路包括关于所述补片的物理数据，并且被配置成询 问由所述MRI扫描仪提供的患者成像数据且分割所述图像数据以限定使所述补片与期望 的脑内轨迹相交的钻洞位置。所述电路包括轨迹导引的工具特定数据，并且被配置成询问 由所述MRI扫描仪提供的患者成像数据且交互地生成到所述显示器的轨迹导引和患者的 脑的可视化。在一些实施例中，该电路被配置成将延伸通过网格补片的中心位置的轨迹导引的 默认轨迹提供到所述显示器上。本发明的实施例可以为用户提供输出，诸如下述中的一个或多个(a)用于警告 轨迹导引的不适当计划的轨迹的电子生成警报；(b)关于与和MRI开孔(bore)大小和(等 中心)位置(以及可选地，患者的头部大小和外科手术工具的(多个)角度或者配置)相关联的计划的投影轨迹的物理干扰的警报；(C)关于使用什么网格入口位置来获得进入患 者脑的期望的轨迹或入口点的电子指令；(d)计算提议的物理调整并将其提供给致动器以 获得期望的轨迹定向，并且生成关于对与所述轨迹导引相关联的X、Y、俯仰和滚动调整机制 做出什么样的调整(例如可能以多个旋转或增量旋转X按钮或者向左拨或向右拨，等等) 以获得期望的轨迹的指令；以及(e)生成用于脑中的刺激引线的电极偏移值的电子数据， 以限定所述电极定位在哪个解剖位置，由此脉冲发生器编程可以相对于常规技术加速。本发明的一些实施例可以提供可视化以允许治疗的更精确控制、递送和/或反 馈，使得治疗或与其相关联的工具可以被更精确地放置、递送、确认以及可视化。下面将进一步描述这些和其他实施例。
图1是根据本发明的一些实施例的MRI引导外科手术系统的示意图。图2是根据本发明的实施例的具有MRI兼容照相机的MRI引导外科手术系统的示 意图。图3是根据本发明的一些实施例的MRI引导外科手术系统的示意图。图4是根据本发明的一些实施例的用户界面的示例性屏幕截图的示意图。图5是可以用来实施本发明的实施例的示例性一次性使用硬件的示意图。图6A是根据本发明的一些实施例在患者的适当位置上的示例性轨迹导引的示意 图。图6B是根据本发明的一些实施例具有协同操作的细长构件的限深档块(depth Stop)的侧视图。图6C是根据本发明的一些实施例与细长构件和撕脱型护套协同操作的限深档块 的侧视图。图6D是根据本发明的一些实施例与轨迹导引协同操作的限深档块和护套的侧面 透视图。图7是根据本发明的一些实施例的轨迹导引和可选的照相机装置的侧面透视图。图8是根据本发明的一些实施例的具有目标套管的轨迹导引的截面图。图9是根据本发明的一些实施例的带有基准的轨迹导引的基座的顶视图。图10是在图9中示出的基座的侧面透视图。图11是根据本发明的实施例的标记网格补片以及相关联的外科手术入口位点坐 标的屏幕显示的示意图。图12A-12D是根据本发明的实施例的可以用来限定入口位点位置的网格分割和 网格变形的示意图。图13A-13C是根据本发明的实施例的可以用来限定轨迹导引的基座或框架的位 置和定向的基座或框架标记分割的示意图。图14A-14B是根据本发明的实施例的具有示例性工作流程组的用户界面(UI)工 具栏的说明。图14B说明了根据本发明的一些实施例的所选择的工作流程组的UI可选择 的步骤。图15是根据本发明的实施例的用于工作站显示器的示例性(例如DBS)工作站开始窗口的屏幕截图。图16-19以及图22-38是与提供给用户以促进MRI引导过程的用户界面相关联的 不同工作流程组和/或步骤的示例性显示的屏幕截图。图20和图21是根据本发明的一些实施例提供给工作站/显示器的该系统可以自 动生成的操作警报的实例。图39是根据本发明的一些实施例的数据处理系统。
具体实施例方式现在将参考在其中示出本发明的实施例的附图在下文中更完全地描述本发明。然 而，本发明可以以不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文所陈述的实施例；相反， 提供这些实施例以便使本公开成为彻底的且完整的，并且将本发明的范围完全地传达给本 领域技术人员。相同的编号在全篇中指相同元件。将要认识到，尽管关于某个实施例进行 了讨论，但是一个实施例的特征(feature)或操作可以应用于其他实施例。在图中，为了清楚起见，线、层、特征、部件和/或区域的厚度可以放大，并且虚线 (例如在流程图的电路中示出的那些虚线)说明可选的特征或操作，除非另外声明。此外， 操作(或步骤)的序列不限于在权利要求中给出的顺序，除非另有具体声明。本文所使用的术语是为了达到仅描述特定实施例的目的，并且不打算限制本发 明。如本文所使用的那样，单数形式“一”、以及“该”也打算包括复数形式，除非上下文另有 明确声明。还将要理解，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，其指定所陈述 的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、 元件、部件和/或其群体的存在或添加。如本文所述使用的那样，术语“和/或”包括所列 出的相关联项的一个或多个的任何以及所有组合。除非另有限定，本文所述使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明所 属于的技术领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。还将进一步理解，术语(诸如在 通常所使用的词典中限定的那些术语)应当被解释成具有与在说明书和相关领域的背景 中的它们的含义相一致的含义，并且不应当以理想或者过度正式的意义来解释，除非在本 文中明确地这样限定。为了简洁和/或清楚，不详细描述公知的功能或构造。将要理解，当特征(例如层、区域或基片)被称为处于另一个特征或元件的“上面” 时，它可能直接在其他元件的上面或者还可能存在介入元件。相反，当元件被称为直接处于 另一个特征或元件的“上面”时，不存在介入元件。还将要理解，当特征或元件被称为“连 接”或“耦合”到另一个特征或元件时，它可以直接连接到其他软件或者可能存在介入元件。 相反，当特征或元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在介入元件。 尽管参考一个实施例进行了描述或示出，但是这样描述或示出的特征可以应用于其他实施 例。术语“电解剖可视化”或指解剖结构(例如脑或心脏)的可视化或图(通常是体积 的、三维图或四维图)，其说明或示出与解剖和/或坐标空间位置有关的组织的电活动。可 视化可以是带有颜色的并且颜色编码以提供活动的不同度量或梯度处于不同颜色和/或 强度的容易理解的图或图像。术语“颜色编码”意味着以不同颜色和/或强度的限定颜色 示出某些特征的电活动或其他输出以在视觉上突出不同的组织、组织中不同和相似的电活动或电位，以及/或者示出与正常或非病变组织相对的组织中的异常或病变。在一些实施 例中，系统可以被配置成允许临床医生增加或降低强度或者改变某些组织类型或电输出的 颜色，例如以高对比度的颜色和/或强度、较暗的不透明等等。可以在屏幕或显示器上示出实际的可视化，以便图和/或解剖或工具结构处于平 的二维视图以及/或者处于看起来是三维体积图像的二维中，其中表示特征或电输出的数 据具有不同视觉特性(例如具有不同强度、不透明度、颜色、纹理(texture)等等)。四维图 说明了与时间有关的活动，例如电活动或血流运动。该系统被配置成基于一个或多个外科手术工具的公知的物理特性来操作，以便该 硬件成为电路或软件的接口点。该系统可以与限定(多个)工具上的部件的尺寸、配置或 形状和间距的数据库进行通信。可以从工具的CAD模型获得所限定的物理数据。物理特性 可以包括尺寸或其他物理特征或属性，并且还可以包括在工具或其部分的位置的变化后某 些部件或特征的位置的相对变化。所限定的物理特性可以由系统以电子(编程)的方式访 问或者已知先验和以电子的方式被本地或远程地存储，并且被用来自动计算某些信息和/ 或分割图像数据。也就是说，来自该模型的工具数据可以被用来分割图像数据，以及/或者 关联工具的定向和位置，以及/或者提供轨迹调整指引(guideline)或误差估计、不适当轨 迹的警报等等。例如，用于标记钻洞位置的网格和/或调整用于放置诊断或治疗装置等等 的脑内路径的轨迹导引可以被输入、调换和/或叠加在患者结构和工具的可视化中，或者 以其他方式使用，以例如将该信息投影到患者的解剖结构上或者确定某些操作参数，所述 操作参数包括包含目标套管的选择部分的哪个图像体积能获得高分辨率MRI图像数据。所 得到的可视化中的至少一些不仅仅是手术过程中患者的MRI图像。可视化是绘制的(rendered)可视化，其可以组合多个数据源以提供具有解剖结 构的空间编码的工具位置和定向的可视化，并且可以被用来提供位置调整数据输出以便临 时医生可以将控制器移动一定量来获得期望的轨迹路径，从而在不需要关于做什么样的调 整来获得期望轨迹做出不合理“猜测”的情况下提供智能调整系统。术语“动画(animation) ”指例如每秒大概1-50个帧连续(通常相对快速地连续) 示出的一系列或一连串图像。术语“帧”指单个可视化或静态图像。术语“动画帧”指一系 列图像中的不同图像的一个图像帧。术语“ACPC坐标空间”指由前连合和后连合(AC、PC) 以及正中矢状平面点限定的右手坐标系，其中正方向对应于患者的解剖右方向、前方向和 头部方向，原点在中间连合点处。术语“网格”指用作定位点或小空间的参考的交叉线或形状的图案，例如，诸如水 平行和垂直列的一系列行和相交的列(但是也可以使用不同于垂直和水平的定向)。网格 可以包括相关联的视觉标志，例如用于行的字母标记(例如A-Z等等)以及用于列的数字 (例如1-10)或者反过来。还可以使用其它标记标志。网格可以被提供为可以被可释放地 贴附到患者的颅骨的柔性补片。对于合适的网格装置的附加描述，参见共同未决、共同受让 的美国专利申请序列No. 12/236，621。术语“基准标记”指可以使用MRI图像数据的电子询问和/或图像识别来电子标 识的标记。可以以任何合适的方式来提供基准标记，例如但不限于工具的一部分的几何形 状、工具上或工具中的部件、涂层或流体填充的部件或特征(或不同类型的基准标记的组 合)，其使得(多个)基准标记以足够的信号强度(亮度)MRI可见以标识工具和/或其部件在空间中的位置和/或定向信息。术语“RF安全”意味着引线或探针被配置成当暴露于RF信号(特别是与MRI系 统相关联的RF信号)时安全地工作而不会引起非故意地过度加热局部组织或干扰计划治 疗的未计划的电流。术语“MRI可见的”意味着在MRI图像中该装置是直接或间接可见的。 可见性可以由接近该装置的MRI信号的增加的SNR指示。该系统可以包括用于从局部组织收集信号的体内MRI接收成像探针天线。术语 "MRI兼容的”意味着所谓的(多个)部件在MRI环境中使用是安全的，并且因此通常由适 合于驻留在强磁场环境中和/或在其中工作的(多种)非铁磁MRI兼容的材料制成。术语 “强磁场”指场强高于大约0. 5T，通常高于1. 0T，并且更典型地在约1. 5T和IOT之间。MRI 扫描仪是公知的并且包括强场闭合的开孔和开放式开孔(bore)系统。本发明的实施例可以被配置成实行诊断和介入过程，以便将介入装置引导和/或 放置到身体或对象的任何期望的内部区域，并且可能特别适合于神经外科手术。对象可以 是任何对象，并且可能特别适合于动物和/或人类对象。尽管主要关于脑中的刺激引线的 放置进行了描述，但是本发明不限于此。例如，该系统可以用于基于基因和/或干细胞的治 疗递送或其他神经治疗递送，并且允许脑或其它位置中的用户限定的定制目标。此外，该系 统的实施例可以用于消融脑或其它位置中的组织。在一些实施例中，预期该系统可以被配 置成治疗心脏组织中的AFIB，以及/或者在心脏跳动的时候(即不需要患者在心肺机上心 脏停止跳动)经由微创性MRI引导过程将干细胞或其它心脏重建细胞或产品递送到心脏组 织(例如心脏壁)中。在美国专利No. 6，708，064、No. 6，438，423、No. 6，356，786、No. 6，526，318、 No. 6，405，079、No. 6，167，311、No. 6，539，263、No. 6，609，030 以及 No. 6，050，992 中描述了
已知的治疗和/或目标身体区域的实例，通过参考将它们的内容结合于此，就如在本文中
完全陈述一样。本发明的实施例可以采用完全的软件实施例或组合软件和硬件方面的实施例的 形式，在本文中所有这些都被统称为“电路”或“模块”。在一些实施例中，电路包括软件和 硬件二者，并且软件被配置成与具有已知物理属性和/或配置的特定硬件一起工作。此外， 本发明可以采用计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式，所述计算机可用存储介 质具有包括在该介质中的计算机可用程序代码。可以利用任何合适的计算机可读介质，其 包括硬盘、CD-ROM、光存储装置、诸如支持因特网或内联网的那些介质的传输介质、或其它 存储装置。用于实行本发明操作的计算机程序代码可以以面向对象的编程语言(例如 Java 、Smalltalk或C++)编写。然而，用于实行本发明操作的计算机程序代码还可以以 常规的过程化编程语言(例如“C”编程语言)编写。可以完全在用户的计算机上、部分在用 户的计算机上、作为独立的软件包、部分在用户的计算机上并且部分在另一个本地和/或 远程的计算机上、或者完全在其它本地或远程计算机上执行程序代码。在后面的场景中，其 它本地或远程计算机可以通过局域网(LAN)或广域网(WAN)来连接到用户的计算机，或者 可以进行到外部计算机的连接(例如通过使用因特网服务供应商的因特网)。下面部分参考根据本发明的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流 程图和/或框图来描述本发明。将要理解，该流程图和/或框图的每个框、以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机程序指令来实施。可以将这些计算机程序指令提供给通 用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器以产生一种机器(machine)，以 便经由所述计算机或其它可编程数据处理装置的处理器而执行的指令创建用于实施在流 程图和/或框图的一个框或者多个框中所指定的功能/动作的装置。还可以将指导计算机或其它可编程数据处理装置以特定方式运行的这些计算机 程序指令存储在计算机可读存储器中，以便存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括 实施在流程图和/或框图的一个框或者多个框中所指定的功能/动作的指令装置的一件制 ρπ (article ofmanufacure)0计算机程序指令还可以被加载在计算机或其它可编程数据处理装置上，以使得在 计算机或其它可编程装置上执行一系列操作步骤以产生计算机执行过程，以便在计算机或 其它可编程装置上执行的指令提供用于实施在流程图和/或框图的一个框或者多个框中 所指定的功能/动作的步骤。本文的某些附图的流程图和框图说明本发明的实施例的可能实施方式的示例性 体系结构、功能和操作。在这一点上，流程图或框图中的每个框表示代码的部分、模块或段， 其包括用于实施(多个)指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当注意，在一些 可替换实施方式中，框中所指出的功能可能不以附图中所指出的顺序出现。例如，连续示出 的两个框可能实际上基本上同时执行，或者有时可能以相反的顺序来执行框，或者可以根 据所涉及的功能来组合两个或更多个框。一般来说，系统的实施例被配置成提供具有限定的工作流程步骤和交互式可视化 的基本上自动或半自动的且相对容易使用的MRI引导系统。在特定实施例中，系统限定并 且给出工作流程，所述工作流程具有分立的步骤用于找到目标和(多个)入口点、用于将 所述(多个)入口点局部化到物理标识的网格位置、用于将目标套管的对准引导到计划迹 线、用于监控探针的插入、以及用于在放置需要校正的情况下调整X-Y位置。在使用特定MR 扫描的步骤期间，电路或计算机模块可以在控制台显示扫描平面中心以及进入的角度的数 据。工作站/电路可以被动地或主动地与MR扫描仪进行通信。该系统还可以被配置成使 用功能患者数据(例如纤维跟踪、fMRI等等)来帮助计划或改进目标外科手术位点。现在将参考附图进一步详细描述本发明的实施例。图1说明MRI引导介入系统 10，其具有MRI扫描仪20、具有至少一个电路30c的临床医生工作站30、至少一个显示器32 以及至少一个MRI兼容的介入和/或外科手术工具50。MRI扫描仪接口 40可以用来允许 工作站30和扫描仪20之间的通信。接口 40和/或电路30c可以是硬件、软件或它们的组 合。接口 40和/或电路30c可以部分地或完全地驻留于扫描仪20中、部分地或完全地驻 留于工作站30中、或者部分地或完全地驻留于它们之间的分立设备中。系统10可以被配 置成使用MRI图像数据和至少一个外科手术工具的预定义数据来绘制或生成目标解剖空 间的实时可视化，以分割图像数据并且在解剖上配准患者以3D空间中的正确定向和位置 将工具50放置在所绘制的可视化中。工具50可以包括跟踪、监控和/或介入部件或者与 该跟踪、监控和/或介入部件协同操作。系统10可以可选地包括阅读器30r，其可以电子地 读取(例如，光学地(比如经由条形码)或者以其它方式电子地(比如经由RFID标签)读 取)签条或标签或其它标志，以确认该硬件是可信的或者兼容的，从而禁止伪造的硬件和 系统的潜在误用，因为该系统被配置成使得某硬件限定与软件或电路30c的接口点。作为
13替代或者附加地，系统10可以允许用户手动地输入工具/硬件标志。系统的适当操作需要 将该系统使用的具有特定预先定义特性的适当硬件用于外科手术过程。图2和图3是系统10的实施例的示意图，其说明系统10可以包括经由光纤纤维 束电缆115与照相机/成像装置110进行通信的光源100。图2说明系统10可以用于双侧 (bilateral)过程。(具有光纤电缆的)照相机装置110可以具有远端透镜，并且可以被配 置有相对小的局部视场(邻近钻洞或外科手术入口位置)以允许临床医生监控外科手术入 口点。该照相机装置110可以被安装到轨迹导引50。返回的信号被馈送给MRI兼容的视 频照相机120，并且该信号被作为患者的视频传输且可以在工作站30处的显示器或分区屏 幕32中示出。工作站30可以在控制室200中，并且从光纤电缆115c来自照相机的馈送可 以经由RF滤波器123以禁止在显示器32上示出的视频流的信号失真。单独的显示器或监 控器也可以位于外科手术室210中。消过毒的外科手术盖布118可以用于保持外科手术室 210内部的在面向照相机120的磁体的开孔端部上的一侧消过毒。合适的MR兼容的视频照 相机的一个实例是从德国的海德堡的MRC Syetems GmbH可得到的。系统10可以被配置成提供用于单侧或双侧(或甚至三侧或更多)过程的工作流 程。过程类型的选择可以启动所呈现的相关联的工作流程。图4说明显示屏32上的工作 站控制面板30p的实例。面板30p可以说明当前的工作流程步骤并且允许用户(例如经由 下拉式列表或工具栏中的工作流程步骤的选择等等)直接进行一个步骤，并且可以与体内 轨迹和患者解剖结构的不同视图相邻地呈现。具有关于每一侧的步骤的状态的视觉反馈的 标签或其他用户可选的特征可以用于具有偏侧化(laterality)的步骤(例如双侧过程的 左侧或右侧)，以允许用户控制偏侧化的选择(例如左侧30a和右侧30b)，从而独立地完成 每一侧的轨迹计划(或者允许用户在保持对每一侧的控制的同时来回切换)。显示器32可 以包括查看工具，例如缩放、摇摄(pan)、调宽(width)/调高(level)、放大器等等。MRI扫描仪20可以包括控制台，其具有用于允许到工作站30的电路30c的通信 的“发起”应用或入口(portal)。扫描仪控制台可以获取患者的头部或其他解剖结构的体 积的Tl加权(增强扫描(post-contrast scan))数据或其他图像数据(例如特定体积的 高分辨率图像数据)。在一些实施例中，控制台可以将DICOM图像或其他适当的图像数据 推入到工作站30和/或电路30c。工作站30和/或电路30c可以被配置成被动地等待从 MR扫描仪20发送数据，并且电路30c/工作站30不询问扫描仪或者启动到该扫描仪的通 信。在其他实施例中，电路30c/工作站30和扫描仪20之间的动态或主动通信协议可以用 于获取图像数据并且启动或请求特定扫描和/或扫描体积。而且，在一些实施例中，DICOM 之前的(pre-DICOM)但是重建的图像数据可以被发送到电路30c/工作站30以用于处理或 显示。在其他实施例中，重建之前的图像数据(例如基本上“原始的”图像数据)可以被发 送到电路30c/工作站30以用于傅立叶变换和重建。一般来说，对于一些单侧场景，用户将通过一组分立的工作流程步骤进行，以加载 MR图像数据、标识目标点、标识入口点、检验计划轨迹、以及对准目标套管。目标点或区域还 可以基于患者的实时功能图像数据而被计划或精化。功能图像数据可以包括但不限于纤 维路线(track)的图像、在发声(例如阅读、唱歌、讲话)期间脑区域中的活动的图像、或者 以物理或嗅觉或基于感觉的刺激为基础，例如暴露于电(不舒适/冲击输入)、热和/或冷、 亮或暗、视觉图像、图片或电影、化学品、气味、味觉和声音等等)以及/或者使用fMRI或其他成像技术。增强的可视化为神经外科手术给出了患者的脑结构的空间关系的清楚得多的 图片。该可视化可以用作外科手术过程(例如脑瘤移除和癫痫外科手术)的轨迹导引。在 一些实施例中，可以使用根据不同类型的脑成像方法而整理的数据来生成可视化，所述不 同类型的脑成像方法包括常规的磁共振成像(MRI)、功能MRI (fMRI)、扩散张量成像(DTI)、 以及还有超极化惰性气体MRI成像。MRI给出关于解剖结构的细节，fMRI或者其他主动的 基于刺激的成像协议可以提供关于脑的激活区的信息，并且DTI提供连接不同脑区的神经 纤维的网络的图像。一个或所有这些不同图像和工具信息的融合可以用于产生具有外科手 术可以操控的轨迹信息的三维显示。因此，可以部分基于患者的功能信息来计划、确认或精化目标位置和轨迹。可以在 具有用于轨迹路径和目标计划的轨迹导引工具的患者的实时可视化中提供该功能信息，例 如显现患者的纤维路线(track)结构和/或患者脑的功能信息，以便外科医生容易参考。还 可以经由UI选择(例如在图4中示出的“显示纤维路线(Show Fiber Tracks) ” 32Fi和/ 或“显示功能输出(Show Functional Output) ” 32F2 (例如工具栏选项))从视图选择或抑 制(suppress)该信息。要注意，患者的功能信息可以自动示出，而不需要用户选择或者响 应于过程的阶段或者当选择某些步骤时示出该功能信息。此外，可以在本文所描述的任何 适当的显示或步骤中示出或选择这样的信息，尽管没有关于该特定步骤或屏幕显示来具体 描述。知道易感的或敏感的脑区域在哪个位置或者关键的纤维路线在患者脑中的哪个位置 可以允许外科医生计划较好的、风险较低的或者创伤较小的轨迹以及/或者允许外科医生 更精确地到达期望目标位点和/或更精确地放置装置和/或递送计划的治疗，例如植入刺 激引线、消融组织和/或治疗肿瘤位点(site)和/或切除(excise)肿瘤、递送基因和/或 干细胞治疗等等。为了对准目标套管，系统可以基于该套管的已知尺寸(例如套管长度)、该套管上 的近端或远端标记的位置、以及角度和横向(X-Y)枢轴限制来限定扫描体积。在特定实施 例中，然后用户可以逐步地使探针和撕脱型护套(其被配置成沿着限定的轨迹将介入装置 引导到期望位置)前进并且获取图像，以检查出血并且检验轨迹和/或避免功能上敏感的 结构。当探针已前进到目标点时，可以获得高分辨率确认图像来检验相对于计划位置的尖 端位置。如果实际放置是不可接受的，则可以撤回探针。在这个时候，可以适当地调整X-Y 放置(例如通过移动平台或台(Stage) —定量来产生期望的调整)、或者可以再次计划轨迹 角度，并且可以进行再次尝试。对于一些双侧场景，可以对于左侧和右侧来重复上述步骤，其中额外的目标是不 应该将患者移进或移出扫描仪。为了实现该目标，应该在将患者从扫描仪移走之前完成对 这两侧的轨迹计划。同样，应该在将患者移回到扫描仪中之前完成除毛刺(burring)和框 架贴附(将轨迹导引固定到患者头部的构件)以提高该过程的速度。系统10可以被配置成具有提供网络连接(例如通过以太网连接的标准TCP/IP) 的硬件接口(例如DICOM服务器)，以提供对MR扫描仪20的访问。工作站30可以提供 DICOM C-STORE存储类别供应商。扫描仪控制台可以被配置成能够将图像推入到工作站30， 并且该工作站30可以被配置成直接或间接接收从MR扫描仪控制台推入的DICOM MR图像 数据。可替换地，如上面所指出的那样，系统可以被配置成具有允许与扫描仪20的动态和 交互式通信的接口，并且可以获得其他格式和阶段的图像数据(例如DICOM之前重建的或原始图像数据)。如上面所指出的那样，系统10被配置成使得硬件(例如一个或多个特定外科手术 工具)构成与系统(软件或计算机程序)的接口点，因为电路30c被配置成具有识别特定 工具硬件的物理特性的预先定义的工具数据。如图5所示，为了保证适当的操作，系统10可以被配置成需要录入有效标识符和/ 或修正控制的/基于修正的部件编号以验证计划使用的硬件适合于系统10 (或者至少系统 的该版本)使用。因此，与工作站30相关联的阅读器301 可以被配置成读取单个“组”标 识符66，可以将标识符66放在工具箱包装上或者连同工具箱IOk —起提供，以及/或者该 阅读器可以被配置成读取具有预先定义特性的每个工具以确认适当的部件和版本已在工 具箱中。替换地或附加地，系统10可以允许用户手动地将工具/硬件标识符数据(例如硬 件版本和/或部件编号)输入到与电路30c相关联的UI中。工作站30可以包括相关表的 查找图31，其确认正确的硬件在工具箱IOk中或者以其他方式提供以便使用。因此，工作站 30可以被配置有用户界面321 (被示出为工具版本标识符面板)，其需要用户电子地或手动 地录入标识符66和/或确认符合系统10的工具特定操作。设想电路30c可以被配置成具 有对于特定工具的将来受控变化的更新和向后兼容，以及/或者被配置成具有根据那时在 外科手术位点处使用的工具或多个工具的版本来使用该系统的不同模块版本的能力。为了禁止系统10使用伪造的硬件，标识符可以包括由特定授权使用地和/或授权 用户键控的标志。该系统可以被配置成需要用户证明硬件是OEM硬件或者能够接收能够激 活该系统的电子密钥的授权硬件。可能需要用户与OEM或其他授权方联系以获得允许系统 10使用该硬件的电子密钥或标识符。如图5所示，在一些实施例中，以编程的方式将系统配置成识别不同工具的限定 的物理特性。这些工具可以被提供为工具箱IOk(典型为一次使用的硬件)，或者以其他组 或子组或甚至单独地提供，典型地以适合的消过毒的包装提供。这些工具可以包括至少 一个标记网格50g(也被称为网格补片)、具有远端标记60m和该套管的相对近部60p的目 标套管60。目标套管60可以包括空心的腔管或通道61 (图8)。远端标记60m通常包括基 本上球形的流体填充部件65 (图8)。该套管的近部60p可以包括标记，但是通常基于目标 套管60的物理特性(至少部分)基于远端标记60m以及它相对于远端标记60m的已知距 离和定向来在图像数据中标识该近端部分60p。仍参考图5，系统10还可以包括轨迹导引 50t，其具有围绕其基座50b的多个MRI可见框架基准标记50fm。该系统10还可以包括管 心针(stylet)，其可以与撕脱型护套50s和成像探针50a (其提供可以经由目标套管60的 通道滑动引入的体内接收天线)通信。工具箱的某些部件可以根据期望的过程而被代替或 省略。对双侧过程来说，某些部件可以加倍提供。如图5所示，可以可选地提供也具有诸如 签条或标签66之类的标识符的治疗递送装置52。装置52可以被配置成可流动地引入和 /或注入期望的治疗(例如基因治疗或干细胞治疗或其他治疗类型)或者获得活组织检查 (biopsy)等等。图6A-6C以及图7-10说明具有目标套管60和上述各种特征的轨迹导引50t。图 6A说明在患者的适当位置上的轨迹导引50t和目标套管60，其中轨迹导引致动器151和相 应的致动器电缆150a-150d(提供X-Y调整以及俯仰和滚动调整)与轨迹调整控制器400进 行通信。框架150f可以包括控制弧152(图7、10)，其与平台153(图7)协同操作以提供俯
16仰和滚动调整。平台153可以允许轨迹的X-Y调整。对于合适的轨迹导引的附加讨论，见美 国专利申请序列No. 12/134,412,以及共同未决、共同受让的由代理人编号No. 9450-34IP 标识的美国专利申请序列No.—，通过参考将它们的内容结合于此，就如在本文中完全陈
述一样。图6B和图6C说明了与细长构件212协同操作的限深档块210的实例，所述细长 构件212例如刺激或消融引线、诊断和/或成像探针、可移除护套和/或如所说明的插入并 固定到其中的其他治疗或诊断装置。所说明的限深档块210具有大致圆柱形的配置，其具 有相对的近端和远端210a和210b，并且适于可移除地固定在管状轨迹导引构件50t的近端 内(图6A)。限深档块210被配置成当将该限深档块插入到管状构件50t或60中时限制构 件212延伸到患者体内的距离。该构件212可以包括插入深度215的视觉标志以允许用户 在提供期望插入深度的适当位置处在可视地贴附该档块210。如图6C和6D所示，在一些实施例中，限深档块210被贴附到撕脱型护套212s (还 参见图5的探针50s)，并且可以被配置成容纳且引导通过其的细长介入装置，例如管心针 或成像探针。如图6C和6D所示，护套212s可以包括相对的突出部，当该突出部被拉开时 使得护套撕脱以从目标套管60移去。在其他实施例中，限深档块210可以贴附到刺激引线 以允许限定的插入深度(参见例如下面的图38)或贴附到期望控制插入深度的其他装置。如图7所示，目标套管60可以被贴附到轨迹导引50t。该目标套管60可以包括 穿过通道61。该目标套管60的远端具有基准标记60m，其被示出为基本上球形的或圆形的 (横截面)标记形状。近端60p可以被配置成具有与可以限定圆柱形基准标记的通道61同 心的流体填充管道68。沿着套管60的轴线，存在可以前进到脑中的腔管或通道61，通过所 述腔管或通道61可以滑动地引入和/或撤回(withdrawn)另一个装置，所述另一个装置例 如管心针50s、成像探针50a、治疗递送或诊断装置52(图5)以及用于植入的DBS刺激引线。图IlA说明具有预先定义的并且电路30c(例如软件应用)可用或在该电路30c 中可用的物理特性的网格补片50g的实例。图IlB说明网格可以允许MR体积中的逻辑点 与物理患者精确相关。系统10可以被配置成在显示器32上生成三维体积视图，其中叠加 示出网格50g和网格坐标以及入口点(以及可选地，网格边缘)以允许在颅骨的期望计划 入口点处制成钻洞标记。图12A-12E说明可以用于实行网格50g分割的一系列操作。可以在后台(例如实 际上没有被显示)实行一些或所有这些操作。图12A说明直方图的实例。图12B是初始距 离图像的实例。图12C是在初始距离图像中搜索网格的结果的图像。图12D说明以小步长 在最优距离图像中搜索网络的结果。图12E说明在空间上变形网格以适应头部表面并且内 插网格单元以找到顶点(vertices)的结果。参考图12A，可以估计输入图像堆栈中的背景噪声的幅度。为此，可以构造堆栈的 直方图。可以定位该直方图的斜率的第一负最大值。可以定位该最大值左侧的第一峰值 (这可以被称为“噪声峰值”)。噪声峰值和斜率的第一负最大值之间的差值可以近似于该 噪声的标准偏差。可以使用下面的等式(1)来获得噪声阈值。(噪声阈值)=(噪声峰值)+4*(噪声标准偏差) 等式(1)上面的内容可以看作图像数据的网格分割的第一步骤。步骤2-5可以如下面那样 实行以将网格置于适当的位置并且将其变形到颅骨的曲率以用于网格分割。
2.估计网格的“最佳视向”。这被限定为从网格中心到AC-PC线的中点的向量。a.从最佳视向的粗略估计开始构造如图12B所示的初始距离图像i.创建垂直于所估计的视向并且在头部体积的外部的图像平面。ii.对于该图像平面中的每个像素，记录其到该图像体积中的超过噪声阈值的第 一体素的距离。b.找出距离图像中的网格单元i.网格单元是头部表面上的“凸起”，所以它们看起来是该距离图像中的局部最小 点。通过对该距离图像应用拉普拉斯_高斯算子来增强这一特性。ii.对于图像中的每个位置，以一些定向放置虚拟网格(其尺寸与物理网格的尺 寸匹配)。通过为落在图像最小点之一上的每个虚拟网格单元计数1个点来计算得分。最 高的得分对应于该距离图像中的网格的位置和定向。c.这样获得的网格的中心给出了对最佳视向的新的估计。这一估计被用作步骤 2a和2b的新迭代的起点，以便精化该估计。3.找出使用最佳视向的网格a.如步骤2a所述的那样构造距离图像，但是使用在步骤2在中获得的最佳视向。b.如2b所述的那样找出新的距离图像中的网格。c.通过重复2b的搜索过程来精化网格位置和定向，但是仅在围绕已知近似位置 的小区域中以非常细小的步长进行搜索(参见图12D)。4.将网格变形成头部的形状a.到此为止，认为网格是平面状的。b.使用鲁棒的回归算法使距离图像中的网格单元位置适合于立方体表面，并且将 来自步骤3的每个网格单元抓取到该表面。(这样会避免产生因距离图像中的噪声和低分 辨率而造成的非常不规则的网格表面)。注意，一般来说，当将网格单元抓取到任意弯曲的表面时，在这些网格单元之间不 可能保持相等的距离。因此，模拟物理网格补片的行为的算法用于在变形期间最小化伸展和弯曲的量。5.在网格单元之间内插以计算网格顶点。图12E说明变形结果。图13A-13C说明与可以用于实行框架标记分割的一系列操作相关联的图像。图9 和图10说明具有围绕中心“cp”并且围绕钻洞的空间在圆周上间隔开的基准标记50fm的 框架50f的实例，其中两个标记50fmi和50fm2比第三个标记50fm3更靠近在一起(图10)。 可以使用不同布置、配置或数目的基准标记以及在框架50f和/或导引50t上的不同位置， 并且可以相应地改变框架分割。在图13A-C中说明的或者参考图13A-C描述的一些或所有这些操作可以在后台实 行(例如实际上没有显示)。图13A说明具有噪声区域的示例性直方图。图13B说明成像 的框架标记的横截面。图13C说明使圆圈适合于图13B所示的边缘掩模的结果。框架标记 分割可以限定轨迹导引在患者上的定向，其可以与引起轨迹导引50t平移以提供期望的轨 迹的机械输出相关联，例如旋转和/或向左、向右、逆时针或顺时针，或者用于移动致动器 以改变俯仰和/或滚动(或X-Y位置)的其他平移。参考图13A，可以估计输入图像堆栈中的背景噪声的幅度。为此，可以构造堆栈的直方图，可以定位该直方图的斜率的第一负最大值，可以定位该最大值的左侧的第一峰值 (这是噪声峰值)。噪声峰值和斜率的第一负最大值之间的差值可以近似于该噪声的标准 偏差。可以使用上面的等式(1)来获得噪声阈值。此外，这可以看作分割的第一步骤。然 后，可以基于预期的基准几何形状与所观察的基准位置的拟合来关于框架标记分割实行步 骤2-6，这是因为以该体积内的固定几何关系布置基准标记。2.使用区域增长算法来找出超过噪声阈值的像素的所有“块”。3.丢弃其体积远不是已知的框架标记体积的所有块。4.丢弃其边界框尺寸远不是框架标记的已知边界框尺寸的所有块。5.在剩余的块中，寻找其空间布置与轨迹基座50b的框架标记的已知空间布置匹 配的三元组(triplet)(即这些块的质心应该形成已知尺寸的三角形(例如等腰三角形))。这时，如果对于每个框架来说(在使用双侧过程的情况下存在两个框架)找出的 块的数目不是正好为3，则认为分割已失败。6.对于标记的每个三元组，精化标记位置a.通过将堆栈重新安排到由3个标记质心限定的平面上来提取每个标记的二维 图像。b.计算每个二维标记图像的坎尼(Carmy)边缘掩模。c.将圆圈拟合到坎尼边缘掩模。该圆圈直径被设置成等于物理框架标记的直径。 通过移动该圆圈直到其与边缘掩模的重叠达到最大来执行该拟合。将拟合的圆圈的中心作 为框架标记的中心的位置。在一些实施例中，电路30c可以被配置成使得程序应用可以具有不同排序的工作 流程步骤，所述步骤被组织成基于临床工作流程中的主要划分的逻辑组，如表1所示。如果 需要，用户可以返回到之前的工作流程步骤。如果必需的步骤还没有完成，则随后的工作流 程步骤可以是非交互的。主要的工作流程组和步骤可以包括最终导致递送治疗(这里是放 置刺激引线)的普通的工作流程步骤“开始”、“计划入口”、“计划目标”、“导航”以及“精化” 中的下述特征或步骤。表1 示例性临床工作流程组/步骤 表2A-2P提供了可能与根据本发明的一些实施例的示例性工作流程步骤相关联 的一些示例性操作的附加实例。表2A 工作流程组开始步骤描述
开始步骤可以提供用于选择过程偏侧化的UI (用户界面)。
开始步骤可以提供用于选择目标的UI :STN、Gpi或定制。
开始步骤可以提供用于指定限定大小的扫描仪开孔直径或扫描仪类型 的UI。
开始步骤可以提供用于输入来自一次性使用的硬件工具箱的硬件标识 符数据(例如版本代码)的UI。如果该版本与软件支持的版本不匹配， 则可以示出错误，并且应用仍被禁用。表2B 计划入口 -AC-PC步骤
描述
当数据被发送到应用时，可以禁用UI。
给定整个人头部的三维MR序列，应用可以自动标识AC、PC和MSP点
该应用可以显示与当前AC、PC和MSP点对准的重新确定格式的冠状、 矢状以及轴向视图。
在该步骤中可以在任何MPR视图中编辑AC、PC和MSP点。在改变这些 点时，可以更新视图以重新与ACPC坐标系统对准。
如果在该步骤的时候发送新的序列，则它将代替现有的序列并且清除所
有绘注。
当检测到AC、PC和MSP点时，可以禁用UI。
如果发送属于当前三维MR序列的附加数据，则可以自动重新计算AC、 PC 禾口 MSP 点。 可以以任何适合的方式来识别AC、PC和MSP位置。在一些实施例中，AC-PC步骤 可以具有自动的、电子的AC、PC、MSP标识库。AC、PC和MSP解剖界标限定AC-PC坐标系 统，例如可用于外科手术计划的Talairach-Tournoux坐标系。该库可以用来自动标识界 标的位置。它可以被提供为主机应用可以通过一组Microsoft Windows 上的应用编程 接口(API)来对接的动态链接库。该库可以容纳一些MR脑图像，并且完全自动地定位AC、 PC、MSP。成功率和精确性可以被最优化，并且通常需要几秒来处理。输出作为AC和PC以及限定MSP的第三点的三维坐标返回。该库只是计算并且通常是无用户界面的。该库可 以将已知的脑图谱拟合到MR脑数据集。实用程序(utility)可以以主机应用可以通过 MicrosoftWindOWS 上的一组应用编程接口(API)来对接的动态链接库的形式得到。到 该库的输入可以包含MR脑数据集并且可以与包括脑图谱或包括脑图谱(例如具有集成的 脑图谱)的其他服务器或应用通信。设计可以独立于任何特定图谱；但是一个合适的图谱 是脑解剖的Cerefy 图谱(注意通常不包括在该库中)。该库可以被配置成执行脑的分 割并且标识某些界标。然后可以基于分段的仿射变换使图谱以三维的形式拟合到数据集。 输出可以是感兴趣的结构的顶点的列表。在一些实施例中，通过使用一些从输入体积的下部提取的轴向切片(例如大约15 个等间隔的切片)来近似正中矢状平面(MSP)。可以向每个切片应用亮度均衡，并且可以使 用坎尼算法来创建来自每个切片的边缘掩模。可以为每个边缘掩模找出对称轴，并且基于 迭代检查和试验性对称轴的排序或计分来标识实际对称轴。排序/计分可以基于在坎尼掩 模上反射通过对称轴的点是否落在坎尼掩模上(如果是那样的话，该轴为该切片计分)。主 动外观模型(AAM)可以以重新确定格式的输入堆栈的形式应用于脑干，其中限定的MSP标 识AC和PC点。MSP平面估计以及AC和PC点可以被精化。可以使用具有环绕一部分脑室的小区 域的裁切的图像以及使用坎尼算法的边缘掩模来精化MSP平面估计。如果在该边缘掩模上 发现对称轴，则遵循上述过程。如上面指出的那样使用精化的MSP来估计AC和PC点，并且 在该估计值周围的小区域(例如6x6mm)中搜索亮度峰值。最大的峰值是AC点。可以使用 上面的PC估计和精化的MSP来精化PC点。可以计算MSP图像的坎尼边缘图。再次，可以 在小区域(例如大约6mmX6mm)中搜索位于坎尼边缘上的点，并且对于该点来说图像梯度几 乎平行于AC-PC方向。将该点沿着AC-PC方向朝向PC移动大约1mm。取垂直于AC-PC方向 上的最大强度峰值为PC点。表2C 计划入口-目标步骤
描述
该应用可以提供将位置坐标保存为STN和Gpi目标的默认值的能力。最 初这些默认值被设置为0，0，0。所保存的值可以看作使用该目标的后续过 程的默认值。
该应用还可以提供不对其供应默认坐标的定制目标。当选择这一选项 时，用户将能够限定与单个入口点相关联的定制名称的目标集。
该应用可以显示解剖的冠状、矢状以及轴向视图。
可以在该步骤中可以在任何MPR视图中编辑目标点。
22 图2D 计划入口 _轨迹步骤 表2E 计划入口 _网格步骤
23 这时，已在入口点处钻洞并且已经附接轨迹导引50t。注意因为已经移动了患 者，所以在先前图像坐标系中限定的点已不再有效。而且，这时可能发生脑移位。表2F 计划目标-AC-PC步骤 表2G 计划目标-目标步骤 表2H 计划目标-轨迹检查步骤 表21-导航-启动
该步骤可以提供缩略图栏以允许用户选择显示哪个所获取的薄层。表2J:导航-对准
描述
该应用可以提示具有下述属性的对准扫描
扫描平面垂直于计划的轨迹 扫描平面以轨迹为中心
设置扫描平面位置以使得甚至在最大角度和最大偏移下示出近端 套管的横截面 可以获取单个二维图像
该应用可以显示通过当前所选择的目标的解剖轴向视图。
用户可以选择切换显示器以示出轨迹轴向视图。
当接收到套管顶部的二维图像时，该应用可以自动标识套管顶部在三维 空间中的位置。使用该位置、先前确定的枢轴点、以及先前确定的偏移， 该应用可以画出表示当前轨迹和包含计划目标的图像平面的相交的绘 ii (annotation)。
该步骤可以显示从当前投影的目标到计划目标的线，其指示如果独立地 旋转俯仰和滚动轮，所投影的目标将会行进的路线(track)。这些线 可以着色以分别与俯仰和滚动的控制轮上的颜色匹配。(例如弹出式) 工具贴士可以提供文本来描述所建议的动作。 (例如“向左旋转滚动旋钮”)
在重新计算所投影的目标点时，误差值可以指示该所投影的目标点和当 前显示的平面上的计划目标点之间的面内线性距离。
没有正确地定向到所请求的扫描平面的图像可以导致警报。在这种情况 下，可能不会显示绘注和误差测量。
在其中不能标识目标套管的图像可以导致警报。可能不会显示绘注和误
差测量。
当已为入口点限定了多个目标时，该应用可以提供用于选择要显示的当 前轨迹的装置。当画出套管路径的当前投影和目标时，可以画出绘注以与探针直径的物 理大小相匹配。表2K:导航-插入
描述
该应用可以提供在插入之前要在限深档块上设置的深度值。
该应用可以用扫描参数提示与轨迹对准的倾斜冠状和矢状平面。而且用 于与该轨迹垂直的倾斜轴。
在接收到冠状或矢状图像时，该应用可以显示指示计划轨迹的叠加图 形。在1X2显示中可以一起出现最近的冠状和矢状图像。
在接收到垂直于轨迹的轨迹轴向扫描时，该应用可以分割出探针的横截 面以确定该探针正遵循的实际路径。
在接收到垂直于轨迹的轨迹轴向扫描时，该应用可以显示包含下述的两 个视口
具有图形叠加的轴向堆栈，所述图形叠加在每个图像上示出所检 测的探针路径
通过目标的解剖轴向视图，其示出计划目标以及从所检测的探针 路径投影的目标。误差值可以示出当前投影目标和计划目标之间的距
罔ο
如果已为单个入口限定了多个轨迹，则该应用可以显示在插入期间当前 对准的轨迹。
当进入插入步骤时，该应用可以命令用户确保他们是否正使用作为内部 线圈连接到扫描仪的成像探针。不这样做将导致加热该线圈并且伤害患 者。用户必须明确点击按钮以确认他们理解该警报。表2L:精化-目标描述
该步骤可以提示i)使用成像探针获取高分辨率二维图像，或者ii)通过 目标区域的高分辨率薄层。相关联的扫描平面参数可以指定以目标为中 心的轨迹轴向图像。
该应用可以提供用于标识探针(或管心针)的尖端的装置，并且提供轴 向解剖平面中从探针到计划目标点的线性距离的误差值。
该应用可以提供UI来设置已更新的目标点。
用户可以选择进行X-Y调整步骤，返回到对准步骤以对准到另一个目标， 或者前进到管理步骤。
当接受当前位置时，一旦已放置了 MR不兼容的DBS引线(如果它们是 不兼容的或潜在不兼容的)，可以向用户示出警报不进行扫描。对于双 侧情况，用户继续进行以在放置引线之前完成在两侧上的探针插入。该 消息可以指示利用MR不兼容的引线的扫描可以导致严重的伤害或死亡。
如果用户修改目标点，则该步骤可以提示用户确认在进行到下一步骤之
前偏移锁销从目标框架的移除。在放置不可接受的情况下，用户可以选择进行X-Y调整工作流程步骤。表2M 精化-调整X-Y偏移
描述
X-Y调整步骤可以显示当前目标以及投影点，以作为在目标精化步骤期 间获取的图像数据的绘注。
该步骤可以提示用户使用扫描平面参数获取二维图像，以便图像垂直于 轨迹并且通过枢轴点。
在接收到通过枢轴点的二维图像时，该步骤可以计算当前投影目标并且 显示关于来自成像探针的二维图像的绘注。
29该步骤可以显示从当前投影目标到已修改目标的线，所述线指示在独立 旋转X和Y偏移轮的情况下投影目标将会行进的路线。可以为这些线着 色以分别与X和Y偏移的控制轮上的颜色相匹配。(例如弹出式)工具 贴士可以提供文本来描述必需的动作。 (例如“向左旋转X偏移旋钮”)
该步骤可以显示指示原始计划目标的位置的绘注。
当画出套管路径的当前投影和目标时，可以画出与探针直径的物理大小 相匹配的绘注。表2N:精化-插入
描述
在完成X-Y调整之后，该应用可以提供工作流程步骤来引导插入。这基 本上与上面的插入步骤的第一示例相同。表20 精化-引线放置
描述
在已经放置了探针(或者对于双侧情况已放置了两个探针)并且用户已 经接受了位置之后，用户可以进行引线放置步骤。
该步骤可以为用户提供放置引线的深度值。
该步骤可以建议用户一旦已放置了引线就可以不执行扫描，因为引线中 的加热将造成患者的伤害或死亡。表2P:管理步骤
描述
该步骤可以提供用于存档与该过程有关的数据的装置。这包括 轨迹计划数据 具有病例数据的日志文件 图像数据
30该步骤可以提供用于自动生成已执行的过程的报告文件的功能。该报告 可以包括 患者信息
(所检测的，以及在用户修改的情况下用户指定的)MR空间中 的MSP、AC和PC点
在MR和ACPC空间中的计划并且校正的目标 过程的已逝去时间 医生病例注释(可选的) 在过程期间截取的任何屏幕截图
还可以自动生成匿名的报告版本，其中患者姓名以及id已移除。
该步骤可以提供UI，由此用户可以 选择目标
以MR坐标指定表示引线尖端的位置
限定指示电极从引线尖端的偏移的偏移的集合
对于每个偏移值，该步骤可以找出提供ACPC坐标，所述ACPC坐标对
应于沿着引线轨迹返回时从尖端位置偏移的点。这些值对应于ACPC空
间中的电极位置。可以将这些值添加到患者报告。
管理步骤可以包括用于在完成该过程时关闭应用的按钮。可能不允许用 户以其他方式关闭该应用。
该应用可以具有用于在关闭时指定所有的患者数据是否都从系统中清 除的配置值。另外，要注意，可以实时获得功能患者数据，并且可以将其在显示器32上提供给 电路30c/工作站30，其中患者解剖结构可视化帮助精化或计划外科手术过程的轨迹和/或 目标位置。当显示利用成像探针50a(在图5中使用)创建的图像或可视化时，电路30c可以 电子地应用(西格马)校正以校正“火山(volcano)”或“光晕”形状的强度失真。也就是 说，在一些特定实施方式中，成像探针天线或线圈可以在利用其而创建的图像中引入失真， 该失真可以在它在图像中出现的位置处被描述为探针本身周围的亮光晕。因此，当来自成 像探针的图像具有这样的特征时，电路30c可以被配置成电子地自动应用校正以消除光晕 (或至少减少它)。该特征将仅影响经由成像探针自身而创建的小场的高分辨率图像。使 用主头部线圈获得的图像通常不具有这样的失真。参考图14A，电路30c可以被配置成具有在显示器32上显示的单个控制工具栏 30t，所述单个控制工具栏30t允许用户选择要进行哪个组和步骤，并且还示出已完成了哪 些组和步骤。图14B示出具有已选择的“计划入口”组以及被放大为当前步骤的“限定目 标”的工作流程控制工具栏30t的实例。工具栏30t可以包括彩色边框130，其可以被用来
31部分或全部围绕按钮130b以说明步骤的完成。对于双侧过程，当一个侧的任务已完成时， 可以增强该侧边框的颜色，例如当在限定目标步骤中完成左侧目标时可以增强左侧边框的 颜色。当用户进行该过程时，存储某些临床信息以将其合并到可以在该过程结束时检 查的以及/或者被存档为患者记录的过程报告中。电路30c可以被配置成提供用户界面 (UI)30I，其提供诸如一个或多个下述特征的查看工具-绘制测量线-全景视图(panview)-缩放、缩放全部、缩放到区域、缩放到点-放大镜-示出/隐藏绘注-示出/隐藏十字线_在面板之间拖动视图-重新调整视图面板的大小-将视图最大化成1X1显示_保存屏幕捕获(可以被添加到报告中)-将视图设置重新设置成默认图15是开始组的示例性UI 301的屏幕截图，所述UI 301方便地被配置成设置诸 如偏侧化、目标类型和MR扫描仪开孔大小的全部过程参数的单屏输入(认识到也可以使用 开放式开孔MRI扫描仪系统)。作为对开孔大小的代替，可以提供下拉列表，其允许用户选 择所使用MR扫描仪的类型和制造商，其提供相关联的开孔大小。当然，系统10可以被配置 成MR扫描仪特定系统，或者未来的MR扫描仪可以具有标准的开孔大小或者被配置成使得 开孔大小不是约束且可能不需要该信息。如所示出的那样，UI 301还可以包括需要硬件标 识符数据66的录入的输入321，其被示出为一次性使用的工具箱版本输入，如上面参考图5 所述的那样。如果标识符数据66不匹配，则为了保证硬件和软件的兼容和/或适当的操作， 系统10可以被配置成不允许用户继续进行到下一步骤或者可以向用户提示录入其他关键 代码。在步骤计划入口 /轨迹中使用开孔大小。如果用户选择的轨迹因为探针在物理上 不适合在扫描仪开孔内而使得该探针不能被插入到套管60中，则生成警报(在显示器32 上可见和/或可听见的)。见上面的计划入口/轨迹步骤。图16是与具有限定目标步骤(被示出为左侧STN)的计划入口工作流程组的示例 性UI 301相关联的屏幕截图，其说明工具栏30t以及具有有患者图像数据的默认界标的十 字线位置数据。该步骤可以用来建立AC PC坐标系统。当接收到整个头部体积时，该步骤 可以自动找出这些点的候选。如果需要，用户可以检查并且校正这些点。用户可以将十字 线定位在一个点处，并且“点击” “Set (设置)”按钮来设置期望的绘注，或者他们可以在屏 幕上到处拖动现有绘注。一旦限定了这些点，视平面就可以自动重新确定格式以使它们与 ACPC坐标系对准，从而示出解剖平面冠状、矢状和轴向平面。对界标的任何后续编辑可以 使得视平面立即重新对准以匹配。图17说明限定目标步骤的另一个示例性屏幕截图，所述限定目标步骤被用来设置目标点以便可以在下一步骤研究通过潜在入口点的轨迹。用户可以选择将来自标准脑图 谱的轮廓叠加到患者解剖结构上以用于比较目的，所述患者解剖结构可以以彩色提供，其 中不同的颜色用于不同的结构。图17示出了不具有图谱的限定目标步骤的进行(play)入 口。图18说明具有图谱的UI，该图谱在三个正交视图中示出了目标轮廓，且图19说明在 1X1布局中示出结构的图谱。视平面示出在ACPC步骤中限定的解剖平面。用与编辑ACPC 点类似的方式来编辑目标点。对于双侧情况，一旦已为一个侧限定了目标，则当用户为另一 侧选择目标时，十字线将自动跳到镜像位置。如果患者具有对称的解剖结构，这将为找出等 同位置节省了时间。当使用脑图谱时，用户可以选择示出仅目标结构(STN或GPi)或所有 结构。在任何一种情况下，(例如弹出式)工具提示(tooltip)可以帮助用户标识不熟悉的 结构。用户还可以选择相对于患者图像缩放和/或移位脑图谱以实现更好的匹配。为此， 用户可以拖动围绕脑图谱模板的白色轮廓。可以以视觉上突出的方式(例如颜色编码的或 其他视觉表现)来提供患者的脑的功能信息和/或纤维路线结构以便外科医生容易参考。 还可以经由图4中示出的UI选择32F(例如工具栏选项)来从视图中选择或抑制该信息。图20是计划入口工作流程组的轨迹步骤的示例性屏幕显示的屏幕截图。该步骤 用于找出临床上可行的轨迹，其通常经由(例如由网格补片50g(图11)提供的)网格在颅 骨上确定入口点。可以显示视觉警报，例如在两个顶部视图的顶部上的红色警报消息30W， 并且红色轨迹线30R可以被用来指示所选择的轨迹不与网格相交。在操作中，一旦进入该 步骤，工作站30可以自动在图像体积中搜索(多个)标记网格50g。它可以被配置成定位 初始轨迹以便它可以穿过网格50g的中间。如果用户移动该轨迹以使得入口点不在该网格 上，则显示警报30W。图20上面的两个视图示出沿着当前轨迹线对准的冠状和矢状视图。用户拖动轨 迹线并且它围绕目标点自由旋转。左下视图示出在冠状和矢状视图中的绿线水平处垂直于 轨迹的平面。这是“探针的眼睛”的视图。为了使探针的眼睛的视图沿着轨迹前进，除了沿 着轨迹线拖动绿线或者使用鼠标滚轮之外，屏幕上的VCR样式控制可以提供动画的飞越。图21说明当用户选择可能被扫描仪开孔壁阻挡的轨迹时自动生成的(弹出式) 警报30W’。也就是说，如果用户设置的轨迹使得扫描仪开孔将干扰探针的插入，则显示警 报。这一计算基于开孔大小、当前轨迹角度以及为探针50a/50s/52、套管60和框架/轨迹 导引50t(图5)的大小而预先配置的值。在双侧的情况下，与目标步骤类似，一旦已在一个 侧上设置了轨迹，则另一侧的初始默认就可以是镜像轨迹，以使用户开始更接近更可能的 轨迹。在保存该轨迹时，该步骤自动找出沿着所计划/选择的轨迹的颅骨表面、在网格上标 识坐标并且将该位置存储为入口点。图22说明示出为在显示器32上叠加患者颅骨的示例性网格50g(没有绘注线)， 其示出了用于利用左侧STN入口位置来选择入口位置(被示出为列1-6和行A-F)的坐标。 图23示出与图22相同的屏幕视图，但是带有可选的绘注网格线。典型地，用户可以足够清 楚地看到网格坐标，而不需要可选的叠加网格线来标识网格元素。然而，在一些实施例中， 如所示出的那样UI将允许用户显示这些线。图24是选择了 ACPC步骤的计划目标组工作流程的示例性屏幕截图。该工作流程 组用于在已经为单侧过程形成了一个钻洞或者已经为双侧过程形成了两个钻洞(已钻开 外科手术入口并且已附接框架)之后，精确地确定目标点。先前的计划通常因为随着脑髓液压力的减小发生的脑移位而被无效。该步骤基本上类似于上面讨论的计划入口 ACPC步 骤。差异是除了整个头部体积之外，用户还可以可选地发送包含ACPC点的一个或多个高分 辨率薄层。用户可以使用缩略图栏来选择使用哪些数据来显示并且编辑ACPC界标。图25 说明示出薄层数据的计划目标/ACPC步骤的屏幕截图。图26是选择了限定目标步骤的计划目标组工作流程的示例性屏幕截图。脑图像 可以与混和的体积和薄层图像数据一起示出。该步骤类似于计划入口组中的限定目标步 骤，但是与先前的步骤相似它也支持高分辨率薄层以增加可以限定目标的精度。因此，该步 骤具有使用来自体积和高分辨率薄层二者的数据来示出混合图像的能力。UI中的滑动块 30S(如词“blend(混合)”下面的右侧所示)允许用户控制来自任何一个源的图像的比率 是多少。图27是计划目标工作流程组中的轨迹步骤的屏幕截图。该步骤类似于计划入口 / 轨迹步骤，但是在这种情况下该步骤通常仅被用来检查轨迹。因为已经钻了洞并且附接了 框架所以入口点不能改变。同样，与先前的步骤相似，这可以支持使用高分辨率薄层并且可 以在体积和薄层之间混合。在进入到该步骤时，软件可以自动搜索整个头部体积并且找出 框架标记基准。系统10和/或电路30c可以根据这些来确定框架位置和定向，并且使用其 来计算头部上的实际入口点。这可以连同来自先前步骤的目标一起用来确定轨迹。另外， 可以如上面在计划入口/轨迹步骤中所描述的那样来检查轨迹。图28是选择了启动导航步骤的导航工作流程组的屏幕截图。该可视化示出了近 端套管薄层。在进入该组时，用户已经钻开了入口洞、附接了框架并且最终定下来它们的计 划目标。该组将引导用户通过对准套管60(图8)以与所述计划轨迹匹配以及穿过套管将 探针插入到正确深度。该步骤用来确定套管的初始物理位置。用户获取通过套管顶部的扫 描以及通过套管底部的另一个扫描。电路30c (例如软件)自动在每个薄层中找出套管并 且确定其在空间中的位置和定向。图29说明在导航/启动导航步骤中的远端套管薄层。图30是选择了对准套管步骤的导航工作流程组的屏幕截图。该步骤用于物理地 使套管60 (图8)对准计划轨迹。用户经由俯仰和滚动控制旋钮来反复调整套管角度，因为 它们迅速地重新获取通过套管顶部60p的图像。电路30c (例如软件)利用每个更新来计 算套管60的位置并且显示绘注，该绘注示出其在目标平面上当前所指向的位置。图30说 明用户反馈(例如叠加上的提示或工具提示样式的弹出)可以告诉用户旋转哪个控制以及 哪个方向。在一些实施例中，如所示出的那样，绘注可以被绘制为对应于探针直径的圆圈。 具有十字线的圆圈是计划目标，其他圆圈是基于套管轨迹的当前投影的点。在中间的线示 出要应用的俯仰和滚动的相对量，并且文本可以指定旋转哪个旋钮以及以哪个方向(示出 为“向左旋转俯仰轮”)。图31说明来自示例性导航/插入探针步骤的屏幕截图。该屏幕截图说明目标(例 如STN)的冠状和矢状视图，并且可以提供设置的限深档块尺寸(在UI的右上侧示出)。该 步骤允许用户看到在插入探针时探针遵循轨迹的程度。用户可以选择沿着探针扫描冠状和 矢状薄层，以在视觉上确定在这些平面中的探针对准。用户还可以垂直于探针进行扫描。在 这种情况下，电路30c (例如软件)可以自动标识探针在薄层的哪个位置，并且其然后示出 当前路径在目标平面上的投影以指示在继续当前路径的情况下误差的程度和方向。图32 说明在继续当前轨迹的情况下具有投影误差的投影点和轴向薄层(右图像示出的探针偏
34移了 4. 6mm并且还在UI上将该偏移注释为“投影误差”)。用户可以在插入期间多次执行 这些扫描。在目标平面上探针的自动分割以及投影目标的显示将为检验当前路径提供全自 动支持。冠状/矢状视图可以为医生提供不依赖于软件分割的探针路径的视觉确认。图33说明选择了目标修正步骤的精化放置工作流程组的示例性屏幕截图。该步 骤可以说明目标薄层。在完成初始插入之后，用户(例如医生)可能发现放置没有足够接近 或完美地对应于计划或者该计划是不正确的。在使用成像探针(50a)的情况下这是特别有 可能的，因为用户将能够更清楚地可视化通常用外部线圈不清楚的结构，比如STN。该工作 流程组可以支持功能，由此医生可以撤回探针并且使用X和Y偏移调整以获得到修正目标 的平行轨迹。该步骤可以提示用户或者以其他方式获取通过探针远尖端的图像薄层。(可 选地，该步骤可以使用成像探针)。该步骤显示该薄层并且用户可以在其上选择将目标点修 改到新的位置或者将当前位置作为最终结果来接受。图34说明选择了调整X-Y偏移步骤的精化放置工作流程组的示例性屏幕截图。该 步骤与上述导航/对准导管步骤非常相似。主要的差异是不调整导管60的角度，而是用户 调整小的X-Y偏移以将该导管60设置到平行于原始轨迹的轨迹。图34示出该显示，其具 有探针尖端相对于目标的位置的可视化并且具有关于作什么样的物理调整来获得期望的 平行轨迹(被示为“向右旋转Y轮”)以及投影误差(被示为2. 7mm)的指令。图35说明调 整绘注和弹出(被示为“向左旋转X轮”)的细节。在完成X-Y调整之后，选择精化放置工作流程组的插入探针，并且以与上述导航/ 插入探针步骤相同的方式来实行。图36说明选择了“结束过程”步骤的精化放置工作流程组。该步骤发生在所有的 探针都已被插入并且医生已经检验了它们的位置之后。这时，UI可以提示他们(使用限定 轨迹)在要放置可植入刺激引线的位置插入两个引线，并且可以警告他们如果使用MRI不 兼容的或潜在不兼容的引线则不能执行任何附加的扫描。如所示出的那样，系统10可以被 配置成限定(和向用户输出)限深档块以为每个STN或目标位点设置引线或其他治疗或诊 断装置。对于(双侧过程)的左侧和右侧目标上的每个植入位置来说限深挡块可以是不同 的，以便引线的或用于其他装置的其他部件的电极被定位在期望的位置中。图37说明可以用于ADMIN工作流程组的显示的实例。该组具有提供报告和存档 功能的一个步骤。该报告自动为整个过程提供文件，包括绘注、测量和屏幕捕获。电路30c 可以生成该报告的完全版本和匿名版本，并且可以包括关于将所有事情都存档到CD的时 候的日期。电路30c还可以被配置成确定DBS引线上的各个电极位于ACPC坐标中的哪个位 置处。在给定MR坐标中的尖端位置的情况下(电路30c可能在计划位置处不能工作(ill)， 但是用户可以改变它)，用户将提供一组偏移值，这些偏移值表示每个电极到引线尖端的距 离。在其他实施例中，引线类型可以从例如下拉式列表中选择，并且可以基于制造商和引线 类型(例如其设计)来自动输入那些值。电路30c可以被配置成使得UI显示ACPC坐标中 的对应电极位置。图38说明具有可以用于ADMIN工作流程组(被示出为选择了管理页/电极偏移 对话步骤)的UI的显示的实例。该步骤还可以包括在结束过程/步骤中或被提供为单独 的工作流程组。电极偏移值可以显著加速编程脉冲发生器的过程，因为医生知道电极的解剖位置。系统10还可以包括允许系统与MRI扫描仪20和滤波器等等协同操作的去耦 /调协电路。参见例如美国专利No. 6，701，176、No. 6, 904, 307以及美国专利申请公开 No. 2003/0050557，通过参考将它们的内容结合于此，就如在本文中完全陈述一样。如上面 所指出的那样，一个或多个工具可以包括体内MRI天线50a(图5)，其被配置成在MRI过程 期间拾取局部组织中的MRI信号。该MRI天线可以被配置成驻留于探针的远端部分上。在 一些实施例中，该天线具有大约l_5cm的焦距或信号接收长度，并且通常被配置成具有大 约1-2. 5cm的从局部组织接收MRI信号的观看长度。MRI天线可以被形成为包括同轴和/ 或三轴天线。然而，可以使用其他天线配置，例如鞭状天线、环形天线、无回路(loopless) 天线和/或回路天线。参见例如美国专利No. 5，699，801、No. 5，928，145、No. 6，263，229、 No. 6，606，513、No. 6，628，980、No. 6，284，971、No. 6，675，033 以及 No. 6，701，176，通过 参考将它们的内容结合于此，就如在本文中完全陈述一样。还参见美国专利申请公开 No. 2003/0050557、No. 2004/0046557 和 No. 2003/0028095，通过参考将它们的内容结合于 此，就如在本文中完全陈述一样。在一些实施例中，植入式引线和/或体内工具可以被配置成允许安全MRI操作， 以便降低组织中不期望的电流或电压沉积的可能性。引线或工具可以包括RF扼流圈，例 如一系列轴向间隔开的Balim电路或其他合适的电路配置。对于可以禁止RF感应电流的 RF禁止同轴电缆的附加描述，参见例如美国专利No. 6，284，971，通过参考将其内容结合于 此，就如在本文中完全陈述一样。连接电极或工具上或中的其他部件的导体还可以包括一 系列往返段(例如引线可以沿着其长度以纵向方向翻转到其自身上(turn on itself)多 次)和/或包括高阻抗电路。参见美国专利申请序列No. 11/417，594、No. 12/047，602和 No. 12/909，583，通过参考将它们的内容结合于此，就如在本文中完全陈述一样。尽管没有示出，但是在一些实施例中，一个或多个外科手术工具可以被配置成具 有一个或多个管腔和出口，其将期望的细胞、生物和/或药物治疗递送到目标区域，例如 脑。工具还可以结合经间隔穿刺针、活组织检查和/或注入针以及消融装置。在使用的情 况下，管腔可以容纳可伸长的针，其可以从远端或者从侧面、近端、远端或者甚至通过电极 离开探针以便将细胞/生物治疗精确地递送到期望的解剖目标。这样的递送配置可以是治 疗患者的潜在方式，其中细胞/生物治疗可以被递送到期望的解剖结构中以修改它们的细 胞功能。细胞(例如干细胞)可以改进功能。MRI通常可以有效地用来监控治疗的功效和 /或递送。系统10可以包括电路和/模块，其可以包括计算机程序代码，所述计算机程序代 码被用来自动或半自动地实行操作以生成可视化并且将输出提供给用户以促进MRI引导 诊断和治疗过程。图39是可以与系统10 —起使用的电路或数据处理系统的示意图。所述 电路和/或数据处理系统可以被结合到任何合适的装置或多个装置中的一个或多个数字 信号处理器中。如图39所示，处理器410经由地址/数据总线448与MRI扫描仪20并且 与存储器414进行通信。处理器410可以是商业上可获得的或定制的微处理器。存储器 414表示包含被用来实施数据处理系统的功能的数据和软件的存储器装置的总体系。存储 器414可以包括但不限于下述类型的装置高速缓冲存储器、ROM、PROM、EPR0M、EEPR0M、闪 存、SRAM 禾口 DRAM。
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如图39所示，其说明了存储器414可以包括在数据处理系统中使用的一些种类的 数据和软件操作系统452、应用程序454、输入/输出(I/O)装置驱动器458、以及数据456。 数据456还可以包括不同外科手术工具的预先定义的特性和患者图像数据455。图39还说 明应用程序454可以包括可视化模块450、介入工具数据模块451、工具分割模块452 (例如 用于网格补片、目标套管和轨迹导引框架和/或基座的分割模块)以及工作流程组用户界 面模块453 (其促进用户动作并且提供指引以获得期望的轨迹，例如达到期望轨迹的物理 调整)。如本领域技术人员将认识到的那样，操作系统452可以是适合于与数据处理系统 一起使用的任何操作系统，所述操作系统例如来自ArmonkNY的国际商业机器公司的OS/2、 AIX、D0S、0S/390 或 System390 ；来自 RedmoncUWA 的微软公司的 Windows CE,Windows NT、 Windows95、Windows98、Windows2000 或其他 Windows 版本；来自 Palm 有限公司的、Unix 或 Linux或FreeBSD、Palm OS ；来自苹果电脑公司的Mac OS ；LabView或专用的操作系统。I/O 装置驱动器458通常包括应用程序454为与诸如(多个)I/O数据端口、数据存储装置456 和某些存储器414部件的装置通信而通过操作系统452访问的软件例程。应用程序454是 实施数据处理系统的各种特征的程序的说明，并且可以包括至少一个支持根据本发明的实 施例的操作的应用。最后，数据456表示应用程序454、操作系统452、I/O装置驱动器458 和可能驻留于存储器414中的其他软件程序所使用的静态和动态数据。尽管例如已参考作为图39中的应用程序的模块450-453说明了本发明，但是如本 领域技术人员将认识的那样，在仍然得益于本发明的教导的同时还可以利用其他配置。例 如，模块450-453和/或还可以结合到操作系统452、I/O装置驱动器458或数据处理系统 的其他这样的逻辑划分中。因此，本发明不应该被解释成限于图39的配置，其意图包括能 够实行本文所述的操作的任何配置。此外，模块(即模块450-453)中的一个或多个可以 与其他部件通信或者全部或部分结合到该其他部件中，所述其他部件例如工作站、MRI扫描 仪、接口装置。典型地，工作站30将包括模块450-453和MR扫描仪，MR扫描仪包括与工作 站30通信并且可以将图像数据推入到其中的模块。I/O数据端口可以被用来在数据处理系统、电路30c或工作站30、MRI扫描仪20以 及另一个计算机系统或网络(例如因特网)之间传递信息，或者将该信息传递到由处理器 控制或者与该处理器通信的其他装置。这些部件可以是传统部件，例如在许多传统数据处 理系统中使用的那些部件，所述部件可以根据本发明而配置以如本文所述的那样操作。在附图和说明书中，已公开了本发明的实施例，尽管使用了特定术语，但是仅以普 通和描述性的意义使用它们并且不用于限制目标，本发明的范围在下面的权利要求中陈 述。因此，前面的描述是本发明的说明并且不被解释为对其进行限制。更特别地，可以以不 同方式、不同顺序以及/或者与其他工作流程步骤一起来实行工作流程步骤，或者可以省 略某些工作流程步骤或者用其他步骤来代替某些工作流程步骤。尽管已描述了本发明的 一些示例性实施例，但是本领域技术人员将会容易认识到在不实质偏离本发明的创新教导 和优点的情况下有可能在示例性实施例中存在许多修改。因此，所有这样的修改意图被包 括在如权利要求所限定的本发明的范围内。在权利要求中，所使用的装置加功能的条款意 图覆盖本文所描述的执行所列举的功能的结构，并且不仅仅是结构等同物而且还有等同的 结构。因此，应该理解，前面的描述是本发明的说明并且不被解释为限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例的修改以及其他实施例都意图被包括在所附权利要求的范围 内。本发明由下面的权利要求限定，其中这些权利要求的等同物被包括在其中。
权利要求
一种MRI引导外科手术系统，包括至少一个MRI兼容的外科手术工具；适于与MRI扫描仪通信的电路，其中所述电路电子地识别所述至少一个工具的预先定义的物理特性以自动分割由所述MRI扫描仪提供的MR图像数据，由此所述至少一个工具构成与该系统的接口点；以及与所述电路通信的至少一个显示器，其中所述电路被配置成提供用户界面，所述用户界面限定MRI引导外科手术过程的工作流程进展并且允许用户选择所述工作流程中的步骤，并且其中所述电路被配置成在外科手术过程期间基本上实时地使用来自患者的MRI图像的数据以及所述至少一个工具的预先定义的数据来生成多维可视化。
2.根据权利要求1所述的MRI引导外科手术系统，其中所述用户界面被配置成接受与 所述至少一个工具相关联的标识符的输入并且在所述至少一个工具的标识符指示它不是 授权工具或者所述至少一个工具的版本与该系统不兼容的情况下阻止使用该系统。
3.根据权利要求1所述的MRI引导外科手术系统，其中所述至少一个工具是被配置成 收集小场的高分辨率图像数据的具有体内天线的成像探针，并且其中所述电路被配置成电 子地应用校正来降低与从所述成像探针收集的图像数据相关联的强度失真。
4.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述至少一个工具包括具有网格的柔性 补片，并且其中所述电路被配置成具有分割模块，其能够在MR体积中定位所述补片，并且 生成在显示器上呈现的可视化，该可视化将所述补片示出为在患者上的叠加，其中限定的 网格坐标用于外科手术入口位点。
5.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述系统是脑外科手术系统，其中所述 柔性补片是被配置成驻留于患者的颅骨上的脑外科手术补片，并且其中所述电路被配置成 基于所述补片的预先定义的物理特性来标识所述补片在所述患者上的位置和定向，电子地 变形所述补片以适合患者的颅骨的曲率，以及生成并显示所述补片在所述患者的颅骨上的 视觉叠加。
6.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述系统是脑外科手术系统，其中所述 至少一个工具是被配置成驻留于患者的头部上的脑外科手术柔性网格补片，其中所述电路 被配置成在显示器上视觉示出到深脑位置的用户可选择的轨迹线，所述用户可选择的轨迹 线与所述网格相交并且基于期望的轨迹线在所述网络上限定用于标记入口钻洞的位置，并 且其中当用户选择不与所述网格相交的轨迹线时用户界面显示可听和/或可视的警报。
7.根据权利要求6所述的外科手术系统，其中所述电路被配置成显示与所述网格相关 联的位置和/或坐标，其为通过患者的颅骨的轨迹入口路径提供期望的钻洞位置。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个外科手术工具包括具有处于固定的 几何关系的基准标记的轨迹导引，所述轨迹导引被配置成限定患者的表面下脑目标的轨迹 路径，所述轨迹导引具有附到患者的颅骨的基座，所述基座具有与所述患者的颅骨中的钻 洞对准的基本上圆形的开口并且包围用于所述轨迹导引的两个枢轴旋转轴的空间，并且其 中所述电路被配置成分割MR图像数据以定位所述轨迹导引的基准标记并且定向所述轨迹 导引。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述轨迹导引基准标记包括围绕所述基座开口的多个基准标记，并且其中所述电路被配置成分割MR图像数据以定位所述基座的基准标记 并且定向所述轨迹导引。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述基准标记在圆周上间隔开并且相对于彼此 定位以使得至少两个比另一个更靠近在一起，以限定所述轨迹导引的肯定定向。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述基准标记包括三个流体填充的环形基准标记。
12.根据权利要求8所述的系统，所述电路被配置成基于所述基准标记的固定几何关 系对MRI图像数据采用最佳拟合统计分析以使所观察到的基准位置拟合到预期的基准几 何形状。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述电路被配置成使所观察到的信号强度数据 拟合到在圆周上间隔开的基准标记的已知几何圆周关系，由此在提供更鲁棒的图像识别的 同时在一个基准标记具有比其他基准标记小的信号强度的情况下抑制了误差。
14.根据权利要求8所述的系统，其中所述电路包括用于轨迹框架的基座的分割模块， 用于与所述轨迹导引所保持的目标套管相关联的一个或多个标记的分割模块，并且其中所 述电路被配置成在探针被完全插入之前计算沿着所述探针的轴的外推投影并且显示在遵 循当前插入路径的情况下的位置误差。
15.根据权利要求8所述的系统，其中所述电路被配置成计算并且提供所提议的调整 以实行对所述轨迹导引的X-Y和/或俯仰和滚动改变，以将通过所述轨迹导引所保持的目 标套管插入的探针定位在脑中的标识目标位置处。
16.根据权利要求8所述的系统，其中所述轨迹导引包括附接到位于俯仰和滚动控制 弧上的X-Y平移平台的框架、X调整致动器、Y调整致动器、俯仰调整致动器和滚动调整致动 器，每个致动器与所述平台相关联以提供对所述轨迹导引的枢轴的相关联的调整，其中所 述电路包括模块，所述模块具有所述轨迹导引的预先定义的物理特性并且被配置成电子地 确定以哪个方向移动哪个致动器来对准所述轨迹以到达所述目标位置并且经由显示器输 出给用户。
17.根据权利要求8所述的系统，其中所述电路被配置成生成到脑中的目标位点的所 选择的投影轨迹路径的画面，并且显示与所述轨迹导引相关联的致动器的相关X调整、Y调 整、俯仰调整和滚动调整的至少一个以提供所选择的轨迹路径。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述电路具有或者被配置成接收关于所述MRI扫 描仪的开孔大小的数据，并且其中所述电路被配置成基于(a)所述外科手术工具的预先定 义的物理特性；(b)MRI扫描仪开孔大小；以及(c)患者大小来监控外科手术工具的物理限 制或干扰，并且其中所述电路被配置成在所述外科手术工具将被限定所述MRI扫描仪的开 孔大小的至少一部分的壁的物理干扰阻挡时生成可听见的警报和/或可视警报。
19.根据权利要求1所述的系统，还包括具有与所述电路通信的显示器的临床医生工 作站，其中所述至少一个工具包括轨迹导引，所述轨迹导引具有附接到患者的框架，其中所 述电路被配置成分割所述患者的MRI图像数据并且基于对MRI数据基本上实时的询问来限 定滚动轴和俯仰轴以定位至少一个框架标记并且将所述轨迹导引在位置上配准到患者，并 且其中所述电路被配置成使用所述轨迹导引的预先定义的物理特性来计算与所述至少一 个工具相关联的探针的插入深度以到达所选择的体内目标。
20.根据权利要求1所述的系统，其中所述电路被配置成使用下述中的至少一项来基 本上实时地生成目标解剖结构的颜色编码的电解剖可视化(a)从与所述至少一个工具相关联的电极获得的电信号，其与所述电极的位置和时间 有关以绘制示出神经电位和位置的可视化；或者(b)包括显示响应于刺激的电活动的MRI图像数据和/或fMRI数据的患者功能数据。
21.根据权利要求1所述的系统，所述系统与MRI扫描仪相结合，并且还包括与所述 MRI扫描仪和电路通信的临床医生工作站，其中所述电路包括从所述MRI扫描仪接收MRI图 像的DICOM接口，并且其中所述MRI扫描仪包括允许与所述临床医生工作站通信的模块。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述电路和所述临床医生工作站被动地从所述 MRI扫描仪接收数据。
23.根据权利要求1所述的系统，所述系统与MRI扫描仪相结合，并且还包括与所述 MRI扫描仪和电路通信的临床医生工作站，并且其中所述电路接收在DICOM之前重构的MR 图像数据以及/或者接收MR数据并且生成可视化的图像构造。
24.根据权利要求1所述的系统，其中所述电路被配置成基本上实时地在可视化中显 示患者功能信息。
25.根据权利要求1所述的系统，其中所述用户界面被配置成具有允许用户选择是否 基本上实时地在可视化中显示患者功能数据以及/或者在可视化中显示患者的纤维路线 的输入。
26.一种用于实行MRI引导外科手术过程的方法，包括限定至少一个MRI兼容的外科手术工具的尺寸和/或功能数据；获得患者的MRI图像数据；基于所述限定步骤电子地分割所述MRI图像数据以标识在所述至少一个工具上的已 知基准标记；生成配准到患者解剖结构的该至少一个工具的可视化；电子地生成对俯仰、滚动或X-Y致动器的调整的方向，以调整轨迹导引的轨迹；以及使用MRI图像数据、调整的方向以及可视化来将所述工具引导到患者中的位置，从而 促进MRI引导外科手术过程。
27.根据权利要求26所述的方法，其中生成可视化包括显示患者功能。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述患者功能被示出为响应于基本上实时的 fMRI和/或限定的刺激以及/或者在可视化中显示患者的纤维路线的脑的活动区域。
29.一种用于促进MRI引导外科手术过程的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质，具有包括在所述介质中的计算机可读程序代码，所述计算机可 读程序代码包括包括多个不同的外科手术工具的预先定义的物理数据的计算机可读程序代码；与MRI扫描仪通信以获得患者的MRI图像数据的计算机可读程序代码；以及使用患者的图像数据以及来自所述工具的数据来基本上实时地生成患者的可视化的 计算机可读程序代码。
30.根据权利要求29所述的计算机程序产品，还包括获得患者功能的图像数据的计算机可读程序代码，并且其中生成可视化的所述计算机可读程序代码还基于fMRI和/或患者 刺激示出包括脑中的活动区域的患者功能。
31.一种MRI引导介入深脑系统，包括MRI扫描仪；具有电路和显示器的临床医生工作站，所述工作站与所述MRI扫描仪通信；在其上具有网格的柔性补片，被配置成可释放地附接到患者的颅骨；以及可附接到患者的颅骨的至少一个轨迹导引，所述导引具有带孔的基座，所述孔被配置 成位于形成在患者的颅骨中的钻洞上，基座孔为与所述轨迹导引相关联的枢轴提供机械旋 转中心，所述轨迹导弓I具有多个间隔开的基准标记；其中所述电路包括关于所述补片的物理数据，并且被配置成询问由所述MRI扫描仪提 供的患者成像数据且分割所述图像数据以限定使所述补片与期望的脑内轨迹相交的钻洞 位置，并且其中所述电路包括轨迹导引的工具特定数据，并且被配置成询问由所述MRI扫 描仪提供的患者成像数据且交互地生成轨迹导引和患者的脑的可视化到所述显示器。
32.根据权利要求31所述的系统，其中所述电路被配置成获得患者功能数据并且基本 上实时地生成示出患者功能的可视化。
33.根据权利要求31所述的系统，其中所述电路被配置成在显示器上为所述轨迹导引 提供延伸通过所述网格补片的中心位置的默认轨迹。
34.根据权利要求31所述的系统，还包括附接到所述轨迹导引的至少一个光纤装置以 利用局部视场来查看所述钻洞，所述光纤装置与MRI兼容照相机进行通信。
35.根据权利要求31所述的系统，其中所述系统包括用于双侧过程的两个网格补片和 两个轨迹导引，以及两个光纤视频流成像装置，一个被安装到每一个轨迹导引，每一个光纤 视频流成像装置都与接近所述MRI扫描仪的开孔而安装的不同MRI兼容照相机通信，并且 其中所述工作站显示来自照相机之一或这两个照相机的视频流的同时还显示所述可视化。
36.根据权利要求31所述的系统，其中所述系统被配置成确定并显示用户在插入之前 在与体内探针或引线相关联的限深挡块上设置的深度值。
37.根据权利要求31所述的系统，其中所述电路与显示器的用户界面通信，由此用户 能够(a)选择脑内目标，(b)以MR坐标选择或指定表示引线尖端的位置，以及(c)选择或 指定标识符，该标识符选择一组指示电极与所述引线尖端的偏移的偏移，并且其中所述电 路被配置成对于每个偏移值提供对应于沿着所述引线的轨迹往回点与尖端位置的偏移的 AC-PC坐标，由此所述AC-PC坐标对应于AC-PC空间中的电极位置。
38.根据权利要求31所述的系统，其中所述电路与用户界面通信，所述用户界面包括 一系列可选的工作流程组，包括可以用来引导所述外科手术过程的“开始”、“计划入口”、 “计划目标”、“导航”以及“精化”，导致在所述“精化”工作流程组之后递送治疗。
39.根据权利要求38所述的系统，其中所述用户界面允许用户选择是否在所述可视化 中示出患者功能信息。
40.根据权利要求38所述的系统，其中所述用户界面还包括“管理”工作流程组，由此 所述电路电子地生成自动总结关于患者的临床信息和至少包括多个下述各项的特定外科 手术信息的医学报告(a)(所检测的以及在用户修改的情况下，用户指定的)MR空间中的AC、PC和MSP点；(b)在MR和ACPC空间中的经过计划并且校正的目标；(c)过程的已逝去时间；(d)医生病例注释(可选的)；以及(e)在过程期间得到的屏幕截图。
41.根据权利要求31所述的系统，其中所述电路被配置成当用户选择或绘制不与所述 网格补片相交的轨迹时生成警报。
42.根据权利要求31所述的系统，其中所述电路被配置成要求硬件标识符数据，并且 其中如果所述标识符数据没有被识别或者被限定成与所述电路不兼容，则所述系统被配置 成禁止使用所述系统。
43.根据权利要求31所述的系统，还包括被配置成延伸通过所述目标套管并且收集小 场高分辨率图像数据的具有体内天线的成像探针，并且其中所述电路被配置成电子地应用 校正来降低与从所述成像探针收集的图像数据相关联的强度失真。
44.根据权利要求31所述的系统，还包括允许用户选择包括单侧或双侧过程的不同体 内过程和期望的体内目标的用户界面，其中如果选择双侧过程，则所述用户界面提供具有 左侧和右侧工作流程步骤的工具栏。
45.根据权利要求44所述的系统，其中用于双侧过程的用户界面包括在因为脑移位而 进行“计划目标”步骤之前并且在引导患者返回到磁体中的成像位置之前，引导用户完成两 侧的网格入口位置、两侧的钻洞形成以及将轨迹框架附接到两侧的视觉控制中的工作流程 步骤。
46.根据权利要求31所述的系统，其中所述系统包括具有工作流程步骤的用户界面， 并且其中所述用户界面包括在“计划入口”、“计划目标”、“导航”、“精化”或“递送治疗”步 骤的至少一个期间允许用户选择基本上实时地在可视化中示出患者功能信息的控制。
47.根据权利要求31所述的系统，其中所述轨迹导引包括具有中心通道和至少一个基 准标记的目标套管，并且其中所述电路被配置成基于所述目标套管的预先定义的物理特性 从MR扫描仪请求和/或获得包括该至少一个基准标记的薄层的高分辨率图像数据以确定 所述目标套管的实际轨迹。
48.根据权利要求47所述的系统，其中所述至少一个标记包括近端标记和远端标记， 并且其中所述电路被配置成在单个时间点处选择性地请求所述近端标记或远端标记中的 单个标记的薄层。
49.根据权利要求31所述的系统，其中所述轨迹导引包括具有中心通道和间隔开的近 端和远端基准标记的目标套管，所述近端标记具有与所述远端标记不同的形状，并且其中 所述电路被配置成基于所述目标套管的预先定义的物理特性从MR扫描仪请求和/或获得 包括仅近端标记或远端标记之一的薄层的高分辨率图像数据。
全文摘要
MRI外科手术系统。该系统包括(a)至少一个MRI兼容的外科手术工具；(b)适于与MRI扫描仪通信的电路；以及(c)与所述电路通信的至少一个显示器。该电路电子地识别所述至少一个工具的预先定义的物理特性以自动分割由所述MRI扫描仪提供的MR图像数据，由此所述至少一个工具构成与该系统的接口点。该电路被配置成提供用户界面，所述用户界面限定MRI引导外科手术过程的工作流程进展并且允许用户选择该工作流程中的步骤，并且其中所述电路被配置成在外科手术过程期间使用来自患者的MRI图像的数据以及所述至少一个工具的预定义数据来基本上实时地生成多维可视化。
文档编号G01R33/28GK101918855SQ200880117342
公开日2010年12月15日 申请日期2008年9月24日 优先权日2007年9月24日
发明者K·L·詹金斯, P·A·盖格, P·B·霍特, P·法贝洛夫, P·皮费里, T·N·奥尔 申请人:外科视象设备公司