用于提高层析图像和跟踪系统之间的配准准确度的探头的制作方法

1.本发明整体涉及医学成像和映射，并且具体地涉及使用位置跟踪系统对医疗图像进行配准。


背景技术：

2.在图像引导的外科手术中，执业医生使用实时跟踪的器械，使得在外科程序中可将器械的位置和/或取向呈现在患者的解剖结构的图像上。在一些情况下，对患者的解剖结构的跟踪和成像都可以通过一种模式来实现，例如荧光镜透视检查。然而，由于荧光镜透视检查使用的是电离辐射，应尽量减少其使用。因此，在许多情况下，以一种模式(例如，磁共振成像(mri)或计算机断层摄影(ct)荧光透视检查)准备患者的图像，并且器械跟踪使用的是不同的模式，例如磁跟踪。
3.为了结合器械跟踪准确利用成像，这两种模式应该准确地相互配准。为此，例如，美国专利申请公开2019/0046272(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种方法，该方法包括接收受检者的头部的体素的ct图像，以及分析该图像以识别图像中受检者的眼睛的相应位置，从而限定接合这些相应位置的第一线段。该方法包括识别覆盖头部的骨部分、位于平行于第一线段的第二线段上以及位于正交于第一线段的第三线段上的体素子集。激活被配置成测量受检者的头部上的位置的磁跟踪系统，并且将在系统中操作的探头定位成靠近骨部分，以测量头部的覆盖骨部分的表面的位置。形成位置与体素子集之间的对应，以及响应于该对应生成在ct图像与磁跟踪系统之间的配准。
4.作为另一示例，美国专利10,265,137描述了一种模板，该模板可以与患者对准，并且器械穿过引导元件并进入各种目标中。可以使用例如位置感测系统或实时成像模式中的一者或多者来对准模板，以将患者配准到模板。
5.美国专利申请公开2019/0282301描述了图像引导软件，该图像引导软件包含算法，该算法用于自动将虚拟装置模型配准到图像空间，接近在实际装置被放置在患者上之前装置在皮肤表面上的最可能配置。装置的虚拟模型及其可达区域覆盖在计划的图像数据上，以便可视化和量化目标的可达性。
6.美国专利申请公开2006/0116576描述了用于相对于解剖体(诸如心脏)导航医疗探头(诸如导管)的系统和方法。在解剖体的表示上显示表示感兴趣的解剖区域(诸如针对治疗的组织或未针对治疗的组织)的标记(诸如点或线)。确定医疗探头和标记在三维坐标系内的位置，并且基于这些位置确定医疗探头和标记之间的接近度。然后可将该接近度指示给用户(例如，使用图形、文本或可听声音)。
7.美国专利8,657,809描述了一种外科导航系统，其包括固定地附接到患者的相机。相机空间与患者空间合并，并由此消除了对单独的患者跟踪器的需要。外科导航系统根据相机计算具有跟踪装置的外科工具的位置，并且在显示装置上显示与患者的扫描图像叠加并相关的外科工具相对于患者的位置。
8.美国专利申请公开2014/0343408描述了一种与成像装置一起使用的设备和方法，
该成像装置采集受检者体内的多腔结构的外部图像。具有与其耦接的位置传感器的工具沿着结构的分支移动。多腔结构与外部图像配准，使得多腔结构和多腔结构的外部图像通过在工具沿着多腔结构内的多个分支线移动时感测工具的位置坐标而具有共同的坐标系，分支线限定多腔结构内的多个路径。识别图像内的分支线，并且确定工具的所感测的位置坐标与图像内的多个分支线之间的对应关系。


技术实现要素：

9.下文所述的本发明的实施方案提供用于图像与跟踪系统的配准的改进的设备和方法。
10.因此，根据本发明的实施方案，提供了医疗设备，这些医疗设备包括探头，该探头包括具有纵向轴线的柄部、设置在纵向轴线上的远侧末端以及位置传感器，该位置传感器以距远侧末端一预定距离在纵向轴线上设置在柄部中并且被配置成输出指示探头的位置的信号。对准夹具包括连接器和三个突起部，该连接器被配置成被可移除地固定到探头的远侧末端，该三个突起部从连接器延伸并且被配置成在相应的点处接触患者的身体的表面，当连接器固定到探头的远侧末端时，这些相应的点设置在垂直于纵向轴线的平面中。
11.在所公开的实施方案中，连接器包括承窝，该承窝装配在远侧末端上。另外地或另选地，突起部包括辊，这些辊被配置成接触身体的表面并在身体的表面上滚动。
12.根据本发明的实施方案，还提供了医疗设备，该医疗设备包括配准探头，该配准探头具有纵向轴线和设置在纵向轴线上的远侧末端，并且该配准探头包括对准夹具，该对准夹具包括从远侧末端延伸的三个突起部并且被配置成在相应的点处接触患者的身体的一部分的表面，这些相应的点设置在垂直于纵向轴线的平面中。位置传感器以距远侧末端一预定距离设置在纵向轴线上。位置跟踪系统被配置成采集位置传感器在第一参照系中的位置坐标，该第一参照系由位置跟踪系统在患者的身体的一部分附近限定。处理单元被配置成接收在第二参照系中关于患者的身体的至少一部分的三维(3d)图像数据，接收在配准探头的远侧末端接触患者的身体的一部分的表面上的位置时由位置跟踪系统采集的位置坐标，以及通过将位置坐标与三维图像数据中的对应位置进行比较来配准第一参照系和第二参照系。
13.在所公开的实施方案中，位置跟踪系统包括磁位置跟踪系统。另外地或另选地，三维图像数据包括来自计算机断层摄影(ct)系统或来自磁共振成像(mri)系统的数据。在一个实施方案中，患者的身体的一部分包括患者的头部，并且2d图像示出患者的面部。
14.在一些实施方案中，配准该第一参照系和该第二参照系包括在第一参照系与第二参照系之间应用相对缩放、旋转和平移，以便使位置坐标与三维图像数据中的对应位置之间的相关性最大化。
15.另外地或另选地，处理单元从操作配准探头的从业者接收界标位置以在2d图像上标记这些位置。
16.根据本发明的实施方案，还提供了一种用于配准医疗图像的方法。该方法包括提供探头，该探头包括具有纵向轴线的柄部、设置在纵向轴线上的远侧末端以及位置传感器，该位置传感器以距远侧末端一预定距离在纵向轴线上设置在柄部中并且被配置成输出指示探头的位置的信号。将对准夹具装配在探头的远侧末端上，其中该对准夹具包括三个突
起部，该三个突起部从连接器延伸并且被配置成在相应的点处接触患者的身体的表面，当连接器固定到探头的远侧末端时，这些相应的点设置在垂直于纵向轴线的平面中。在配准位置跟踪系统中施加探头，该位置跟踪系统被配置成利用关于患者的身体的至少一部分的三维(3d)图像数据的参照系采集位置传感器的位置坐标。
17.在所公开的实施方案中，对准夹具可移除地装配在远侧末端上。
18.另外地或另选地，患者的身体的一部分包括患者的头部，并且施加探头包括使对准夹具与患者的面部接触。
19.结合附图，通过以下对本发明的实施方案的详细描述，将更全面地理解本发明，其中：
附图说明
20.图1是根据本发明的实施方案的医疗设备的示意性图示；
21.图2是根据本发明的实施方案的具有接触患者的对准夹具的配准探头的示意性图示；
22.图3a和图3b是根据本发明的实施方案的图2的配准探头和对准夹具分别彼此分开和彼此固定的示意性细部图；并且
23.图4a和图4b分别是根据本发明的实施方案的图2的探头和对准夹具的示意性侧视图和示意性正视图。
具体实施方式
24.磁跟踪系统用于在侵入式诊断和治疗程序，例如使用经历程序的患者身体的一部分的预采集图像(如ct图像)的图像引导的外科手术中跟踪器械。为了使跟踪有效，图像和跟踪系统参照系必须相互配准。在例如ct图像和磁跟踪系统之间的典型配准程序中，在ct图像中标记多个不同解剖点(称为界标)的坐标，并且由跟踪系统采集相同界标的坐标。一旦采集了成对的此类坐标点，就应用拟合过程来估计变换，包括缩放、旋转和平移，这最佳对准(即配准)两组点。可以例如使用本领域已知的算法，诸如累积距离度量或迭代最近点(icp)算法来计算拟合。
25.作为示例，我们将考虑需要跟踪用于患者的头部的器械的程序，例如耳鼻喉(ent)手术。在这种程序中，将患者的头部与跟踪系统的参照系配准。2019年12月5日提交的美国专利申请16/704,042中描述了这种配准程序的示例，该专利的公开内容以引用方式并入本文。在所描述的程序中，磁跟踪系统的处理单元接收患者的头部的3d图像数据，并且基于该3d图像数据生成头部的一部分的表面的2d图像。处理单元进一步将2d图像渲染到显示屏，并且在执业医生(例如医师)的指导下将2d图像叠加到所显示的2d图像图标上，这些图标指示头部的表面上的各个界标的位置。医师在2d图像上的这些图标的引导下，用包括磁位置传感器的配准探头的远侧端部触摸患者的头部上的相应点，并向处理单元指示他/她触摸了哪个点。处理单元接收位置追踪系统从这些点采集的位置传感器的对应3d位置坐标。最后，处理单元将位置跟踪系统的参照系与3d图像数据的参照系通过两个参照系的相对平移和旋转而配准，直到由位置跟踪系统采集的3d坐标与对应于图标的3d图像数据的坐标之间的相关性最大化。
26.然而，可能将误差引入到患者头部的记录的3d坐标中，并且在图像的参照系与跟踪系统的参照系之间的配准中引起伴随误差。一种类型的误差是由配准探头被保持造成的，使得其纵向轴线(连接远侧端部和位置传感器的轴线)不垂直于患者的皮肤。即使当位置传感器测量探头的角取向时，除了传感器的3d位置坐标之外，在保持探头相对于患者的头部(即，皮肤)的表面的期望垂直取向时仍然可能出现有效位误差。该误差又导致在配准探头的远侧端部的估计位置中的不准确。
27.另一个误差可能是由于从业者施加的压力使配准探头的远侧端部压入皮肤造成的。这种压痕在头部的柔软区域(例如脸颊)和皮肤肿胀的患者(例如由于药物引起的肿胀)尤其显著。另一个误差可能是由配准探头向侧面拖曳皮肤造成的，这可能在皮肤松弛的老年患者中发生。
28.本文所描述的本发明的实施方案通过在配准探头的远侧端部提供对准夹具来解决这个问题，以确保探头被保持垂直于皮肤表面并且仅在最小程度上压入皮肤。为了增强无菌性，夹具可以有利地被生产为一次性塑料部件，该一次性塑料部件装配在配准探头的远侧末端上；尽管另选地，夹具可以是探头的固定的整体部分。夹具包括三个突起部，该三个突起部从探头朝远侧延伸并且在相应的点处接触患者的身体的表面，这些相应的点位于垂直于探头的纵向轴线的平面中。突起部将从业人员施加的压力分开，从而帮助从业人员将探头保持垂直于身体表面，而不使皮肤被压入得太深。当探头用于将跟踪系统与患者面部的图像配准时，使夹具足够窄以可靠地接触面部的所有区域，如鼻子。另外地或另选地，突起部包括辊，该辊有助于使探头跨患者的皮肤平稳地移位。
29.在所公开的实施方案中，医疗设备包括配准探头，该配准探头包括具有纵向轴线的柄部，以及位于纵向轴线上的远侧末端。位置传感器在距远侧末端的一定预定距离处安装在位于纵向轴线上的配准探头的柄部中。位置传感器输出指示配准探头的位置的信号。对准夹具包括连接器，该连接器可移除地固定到配准探头的末端。三个突起部从连接器延伸并且在相应的点处接触患者的身体的表面。如前所述，当连接器固定到配准探头的末端时，这些点设置在垂直于柄部的纵向轴线的平面中。
30.夹具的三点接触建立了配准探头相对于皮肤的角取向，比单点配准探头更准确、更容易完成。因此，该夹具确保了探头相对于皮肤的准确和可重复的垂直取向，同时减少探头的远侧端部可能对皮肤造成的压痕。对准夹具的这些特征提高了配准探头的远侧末端在患者皮肤上的记录位置的准确性和可重复性，从而改善图像的参照系与跟踪系统的参照系之间的配准。
31.系统描述
32.图1是根据本发明的实施方案的医疗设备10的示意性图示。如上文参考的美国专利申请16/704,042中所描述的，设备10用于将磁位置跟踪系统12与患者14的图像配准，在本示例中假设该图像包括ct图像48。本示例中的位置跟踪系统12包括磁跟踪系统。由acclarent,inc.(irvine,california)生产的导航系统使用与本文所述类似的跟踪系统，来跟踪插入或带入患者附近的探头的远侧末端的位置和取向。
33.位置跟踪系统12用于跟踪在对患者执行的医疗程序期间插入患者14中的一个或多个器械(诸如导管或导丝)的位置和取向。如下所述，位置跟踪系统12还能够跟踪患者体外的配准探头16的位置，并且可能还跟踪取向。探头16包括柄部18，该柄部可以在系统10的
使用期间由执业医生20(通常是医师)保持，用于将探头定位在期望的位置和取向中。探头16还包括具有对准夹具100和位置传感器22的远侧末端，该远侧末端的位置和取向由位置跟踪系统12进行跟踪。
34.为了在以下描述中清楚和简单起见，假设上文提到的医疗程序包括对患者14的鼻窦上的侵入性程序，使得假设医疗设备10和磁位置跟踪系统12被配置成在鼻窦区域内和周围操作。然而，系统10和12可以另选地被配置成在患者的其它区域中和周围操作，例如胸腔、肾脏或腹部，并且本领域的普通技术人员将能够调整本文所述的系统的元件以用于在此类其它区域中操作。此外，本发明的原理可以与其它类型的跟踪系统(不一定是磁性的)以及其它类型的3d成像模式(如mri)结合应用。
35.跟踪系统12由系统处理器24操作，该系统处理器包括与探头跟踪模块28通信的处理单元26。模块28的功能在下文中描述。系统处理器24可安装于控制台30中，该控制台包括操作控件32，该操作控件通常包括指向装置，诸如鼠标或轨迹球。医师20使用操作控件32将命令传输到系统处理器24，如下所述，该系统处理器进一步用于在显示屏34上向医生呈现数据和引导图像。
36.系统处理器24通常包括可编程处理器，其使用存储在处理单元26的存储器中的软件来操作设备10。该软件可例如通过网络以电子形式下载到系统处理器24，或者另选地或除此之外，该软件可被提供和/或存储在非临时性有形介质诸如磁存储器、光学存储器或电子存储器上。系统处理器24进一步存储患者14的头部38的数字化3d ct图像48，其中该ct图像可能在不同的时间点由单独的ct系统(未示出)采集。例如，ct图像48包括图像中每个点的3d坐标，以及图像在每个点处的射线照相密度，其中密度以hounsfield单位给出。
37.为了在患者14内跟踪上文提及的器械以及为了跟踪探头16，处理单元26使用探头跟踪模块28来通过缆线35操作多个磁场发生器36，例如线圈。在一个实施方案中，通常适用于患者14被麻醉并且头部38在床40上平卧不动的情况，如图1所示，发生器36固定到放置在床上、患者头部旁边的框架42上。在另选的实施方案(未示出)中，适用于患者14没有被麻醉的情况，发生器36相对于彼此固定并且固定到附接到头部38的框架上。三轴参考线线圈41固定到头部38上，并且通过缆线43连接到处理单元26。
38.发生器36将交变磁场辐射到患者14的头部38中和周围，并且这些场在器械中的磁检测器和探头16的位置传感器22中产生信号。信号通过将探头16连接到控制台30的缆线44被传送回处理单元26和探头跟踪模块28。处理单元和模块一起分析信号以导出器械和探头16相对于发生器36的位置和取向坐标。磁场发生器36因此限定了磁跟踪系统12的参考坐标系46。
39.在配准过程期间，如以上引用的美国专利申请16/704,042中所详述，处理单元26访问3d ct图像48并且将其渲染到显示屏34上的2d图像50中。处理单元26进一步将图标54叠加到2d图像50上的选定点上，通常对应于患者面部上的解剖界标。医师20使配准探头16的对准夹具100在对应于图标54的每个点处依次与患者14的表面52(即，与患者的皮肤)接触，并且处理单元26在这些点中的每个点处记录探头的3d坐标。
40.使用这些记录的坐标和ct图像48的参照系中的对应点的坐标，处理单元26通过计算包括两个参照系的相对缩放、旋转和平移的变换来将位置跟踪系统12的参照系与3d ct图像48的参照系配准。通常，通过拟合过程找到变换，该拟合过程使探头的配准3d坐标与对
应于图标54的ct图像48的3d坐标之间的相关性最大化。为了使相关性最大化，处理单元26可以使用诸如累积距离度量或迭代最近点(icp)算法的算法。在使用图标54的初始配准之后，可以通过在图像50上叠加要由医师20使用配准探针16接触并由处理单元26记录的额外的图标来增加配准的准确性。
41.建立医师20与处理单元26之间的通信以便指示表面52上的哪个点被触摸。例如，处理单元26可以使图标54在显示屏34上闪烁，从而向医师20指示他/她预计触摸的点。一旦医师20已经触摸了这个点，他/她就通过控件32(例如，通过按键盘中的键或点击鼠标)来指示该点已被触摸。另选地，可以使用数字序列对每个图标54进行编号，并且医师20通过控件32指示他/她已经触摸了哪个图标。
42.配准探头和夹具
43.图2是根据本发明的实施方案的具有接触患者14的对准夹具100的配准探头16的示意性图示。
44.夹具100在位置102处触摸患者14的表面52(即，患者的皮肤)。线104示意性地指示平面p，其在位置102处与表面52相切。柄部18的纵向轴线106相对于线104形成角度α(平面p)。柄部18中的位置传感器22从远侧末端23偏移距离d，例如4厘米。为了减少由于该偏移引起的配准误差，期望保持探头16垂直于表面52，即，以维持角度α为90
°
。在图示的实施方案中，对准夹具100(在图3a和图3b中详细示出并在下文中有所描述)确保配准探头16(特别是纵向轴线106)与表面52，即与患者14的皮肤垂直。
45.对准夹具100也可用于减少由于在垂直于皮肤(垂直于平面p)的方向上使患者14的皮肤压缩或移位以及由于探头16沿皮肤的横向移动而引起的配准误差。
46.现在参考图3a、图3b、图4a和图4b，其示意性地示出了根据本发明的实施方案的配准探头16和对准夹具100的细部。图3a和图3b是分别彼此分离和彼此固定的配准探头16和对准夹具100的示意性侧视图。图4a和图4b分别是探头16和对准夹具100的示意性侧视图和示意性正视图。
47.如图3a所示，对准夹具100包括承窝110，该承窝牢固地装配在探头16的圆锥形前端112上，并且因此使对准夹具和探头相互对准，使得探头的纵向轴线106和对准夹具的轴线116重合。承窝110中的中心开口允许远侧末端23凸穿对准夹具100一小的预定距离。
48.三个突起部114从对准夹具100的主体111朝远侧延伸并限定垂直于对准夹具的轴线116的平面。图4b中示出了突起部114的三角形布置。在图示的实施方案中，突起部114包括辊，这些辊可以是球形或圆柱形；但是，另选地，其它类型的突起部也可以形成在主体111上，带有或不带有辊。
49.如图3b所示，当对准夹具100固定到配准探头16时，轴线106和116重合。因此，探头16的纵向轴线106也垂直于由突起部114限定的平面。因此，当突起部114接触患者14的表面52(即，患者的皮肤)时，探头16的轴线106垂直于患者的皮肤(α＝90
°
)。柄部18内的位置传感器22(在图4a中的剖面120中看到)位于距远侧端部末端23距离d处。因为突起部114仅在比单独的远侧末端23大得多的区域上触碰皮肤，所以远侧末端在垂直于皮肤的方向上以最小的压缩和最小的位移触碰患者的皮肤。此外，突起部114的辊使探头16能够以最小的摩擦侧向移动，从而减少松弛皮肤的侧向移动和伴随的配准误差。
50.在图示的实施方案中，对准夹具100是独立于探头16的实体。它可以例如由模制塑
料生产，成本低廉，然后在使用后丢弃，从而避免了清洁和消毒的需要。
51.应当理解，上述实施方案以举例的方式被引用，并且本发明不限于上文具体显示和描述的内容。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述说明时应当想到所述变型和修改，并且所述变型和修改并未在现有技术中公开。