專利名稱：采用受到跟蹤的支氣管鏡檢查進(jìn)行腫瘤運動模擬和運動補償?shù)南到y(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及一種成像系統(tǒng)，更具體而言，涉及用于在醫(yī)學(xué)過程中跟蹤內(nèi)部對象的運動的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
內(nèi)窺鏡檢查是一種微創(chuàng)實時成像模態(tài)，其中，將照相機插入到體內(nèi)，從而對諸如肺氣道或胃腸系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行目視檢查。在肺部應(yīng)用領(lǐng)域，將內(nèi)窺鏡檢查也被稱為支氣
管鏡檢查。
受到跟蹤的內(nèi)窺鏡檢查涉及采用位置傳感器或跟蹤裝置，例如，采用電磁(EM)跟蹤器，來跟蹤內(nèi)窺鏡的頂端，從而將內(nèi)窺鏡的位置與手術(shù)前計算機斷層攝影(CT)圖像相關(guān)，并將融合圖像顯示給臨床醫(yī)生。為了實現(xiàn)CT空間和跟蹤器空間之間的數(shù)據(jù)整合，通常在導(dǎo)航之前執(zhí)行基于界標(biāo)的配準(zhǔn)過程。在CT圖像中識別這些界標(biāo)(外部基準(zhǔn)標(biāo)記或者內(nèi)部解剖學(xué)界標(biāo))，并由經(jīng)校準(zhǔn)的跟蹤探頭觸碰這些界標(biāo)。之后，執(zhí)行基于點的配準(zhǔn)，以找到CT空間和跟蹤器空間之間的變換矩陣。由其將得到配準(zhǔn)矩陣，其使內(nèi)窺鏡與手術(shù)前CT圖像對準(zhǔn)，從而能夠使來自CT掃描的全局信息，諸如，使導(dǎo)航提示和介入目標(biāo)的位置與來自內(nèi)窺鏡的局部信息相關(guān)。為簡單起見，在下文的語境當(dāng)中，將描述EM跟蹤傳感器，使之代表能夠用于跟蹤內(nèi)窺鏡的位置和取向的微型位置傳感器。然而，通過基于界標(biāo)的配準(zhǔn)獲得的跟蹤器空間和CT空間之間的空間對準(zhǔn)是在導(dǎo)航之前執(zhí)行的，并且是一次性過程。所述手術(shù)前CT圖像是在患者屏住呼吸的條件下采集到的。因此，這一配準(zhǔn)矩陣僅是有效地反映了呼吸周期的一個階段內(nèi)的EM-CT關(guān)系。這一不準(zhǔn)確的映射可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確的EM引導(dǎo)的支氣管鏡介入，諸如可疑病灶的組織活檢。由于肺呼吸運動的動態(tài)變化的原因，手術(shù)前采集到的變換矩陣無法擬合到肺運動的每一階段內(nèi)。由吸氣末CT圖像獲得的配準(zhǔn)矩陣與呼氣末CT圖像的配準(zhǔn)矩陣不同。固定的EM-CT配準(zhǔn)矩陣無法將EM跟蹤范圍正確地映射到CT空間內(nèi)。這是因為，EM跟蹤范圍隨肺部的呼吸運動一起移動；而所述CT圖像僅是在呼吸運動的一個階段內(nèi)采集的。可以采用四維計算機斷層攝影(4D CT)圖像數(shù)據(jù)獲取整個呼吸周期的患者的CT圖像。4D CT提供了肺部運動的詳細(xì)信息。通常采用4D CT評估高精確度放射治療過程中腫瘤和風(fēng)險器官受到的輻射劑量。一般的統(tǒng)計學(xué)運動模型都已經(jīng)得到了采集和研究。采用經(jīng)訓(xùn)練的4D模型來預(yù)測一項新的研究的運動可能無法得到足夠的準(zhǔn)確度，因為患者之間存在大的變異性。4D CT成本高昂，并且具有公知的使患者暴露于高輻射之下的缺陷。并非每所醫(yī)院都具有足夠的獲取整個呼吸周期的4D CT圖像的資源。輻射劑量不合乎要求，而償付又帶來了另一挑戰(zhàn)。諸如4D CT的EM引導(dǎo)的內(nèi)窺鏡檢查也能夠提供時域動態(tài)信息。EM引導(dǎo)的內(nèi)窺鏡檢查通過氣道檢查提供大量的關(guān)于呼吸當(dāng)中的肺部的運動信息。這一信息并未得到充分利用，而且往往在一個內(nèi)窺鏡流程之后，所有的實時信息都被丟棄了，而沒有針對將來的診斷或治療規(guī)劃對其做最大化的充分利用。有利的做法是，在不使患者暴露于風(fēng)險之下的流程內(nèi)，在內(nèi)部組織和器官的跟蹤過程中計入呼吸運動。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本原理，考慮將這一通過一個EM引導(dǎo)過程獲得的實時信息用于運動參數(shù)計算和未來介入(諸如放射治療)的規(guī)劃。本方案還考慮了在不對患者采用4D CT的情況下采用靜態(tài)CT圖像對持續(xù)不斷地運動的肺部組織進(jìn)行導(dǎo)航的問題。在具備了具有患者特異性的病灶或其他感興趣點的運動模型的情況下，本原理克服了(僅在呼吸周期的一個階段內(nèi)實施的)EM-CT配準(zhǔn)的限制。本原理實現(xiàn)了對“呼吸中”的病灶的更加實際的目標(biāo)鎖定，因而將在以后的放射治療規(guī)劃中得到更高的準(zhǔn)確度。
根據(jù)尤為有用的實施例，一種系統(tǒng)和方法在不采用4D CT圖像的情況下跟蹤腫瘤或其他組織的運動軌跡。一種自適應(yīng)方案采用位置檢測器測量局部運動，并利用所述數(shù)據(jù)采用受到跟蹤的內(nèi)窺鏡檢查預(yù)測腫瘤運動。采集病灶的患者特異性的運動模式，并且能夠?qū)⑵溆糜谕粌?nèi)窺鏡檢查過程，也可能將其用于以后的內(nèi)窺鏡介入以及放射治療規(guī)劃。將肺部的局部移動看作是剛性物體形變。通過估算局部4D數(shù)據(jù)以及預(yù)測通過EM跟蹤發(fā)現(xiàn)的腫瘤運動軌跡提供模擬的實時CT引導(dǎo)。所述系統(tǒng)和方法包括受到跟蹤的內(nèi)窺鏡例如，將EM跟蹤器固定到內(nèi)窺鏡的頂端，或者將光學(xué)跟蹤器或者光纖布拉格光柵(FBG)跟蹤裝置插入或者構(gòu)建到內(nèi)窺鏡內(nèi)。提供手術(shù)前3D CT圖像，在所述圖像上對放大的淋巴結(jié)或者可疑的癌變組織突出顯示，并將其勾勒出來。呼吸運動傳感器提供肺當(dāng)前處于呼吸周期的哪一階段。這一呼吸運動傳感器可以包括附著至胸部的EM跟蹤傳感器或光學(xué)跟蹤傳感器、圍繞胸部的呼吸風(fēng)箱(bellow)、測量從口進(jìn)/出的空氣的流量傳感器、來自呼吸機的SpO2的記錄圖(trace)等。軟件記錄受到跟蹤的內(nèi)窺鏡的運動，并使這一運動與呼吸運動傳感器檢測到的呼吸運動同步。軟件還重畫病灶的更新位置，并將所述病灶圖像疊加到所述CT圖像或者虛擬腔內(nèi)繪圖上。一種用于在醫(yī)學(xué)過程中計入目標(biāo)的運動的系統(tǒng)和方法包括內(nèi)窺鏡，所述內(nèi)窺鏡包括用于跟蹤內(nèi)窺鏡的位置和取向的跟蹤機構(gòu)。將記憶存儲器配置成記錄內(nèi)窺鏡在處于移動目標(biāo)組織處或附近時的位置。將運動傳感器配置成跟蹤器官的周期運動，從而能夠?qū)⑵鞴俚闹芷谶\動與所記錄的內(nèi)窺鏡和目標(biāo)組織的位置相關(guān)。用于在醫(yī)學(xué)過程中計入目標(biāo)的運動的另一系統(tǒng)包括內(nèi)窺鏡，所述內(nèi)窺鏡包括用于跟蹤內(nèi)窺鏡的位置的跟蹤機構(gòu)，所述內(nèi)窺鏡位于移動目標(biāo)組織處或附近，以采集關(guān)于目標(biāo)組織的位置和取向變化的數(shù)據(jù)。將運動傳感器配置成相對于參照物跟蹤移動目標(biāo)組織的周期運動。將計算機處理裝置配置成收集所述跟蹤機構(gòu)和運動傳感器的位置的時間和空間信息，所述計算機處理裝置包括被配置成基于所述跟蹤機構(gòu)和所述運動傳感器的位置確定目標(biāo)組織在整個周期運動內(nèi)的位置的程序。一種用于在醫(yī)學(xué)過程中計入目標(biāo)的運動的方法包括跟蹤處于移動目標(biāo)組織處或附近的內(nèi)窺鏡位置，從而在存在周期運動的情況下收集有關(guān)于標(biāo)組織的位置變化的數(shù)據(jù)；相對于參照物跟蹤對象的周期運動；以及通過將內(nèi)窺鏡和運動傳感器的位置的時間和空間信息相關(guān)聯(lián)來確定目標(biāo)組織在整個周期運動中位置。


通過下文結(jié)合附圖閱讀的對本公開的示范性實施例的詳細(xì)描述，本公開的這些以及其他目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。本公開將結(jié)合下面的附圖詳細(xì)介紹下述對優(yōu)選實施例的描述，在附圖中圖I是用于演示本原理的具有接近病灶的受到跟蹤的內(nèi)窺鏡的腔的截面圖；圖2是示出了根據(jù)一個示范性實施例的用于計入目標(biāo)組織的運動的方法的流程圖；圖3是示出了根據(jù)本原理的受到跟蹤的內(nèi)窺鏡的放置的支氣管透視圖；
圖4A是由胸腔壁上的運動傳感器確定的一個呼吸周期內(nèi)的肺活量的圖表；圖4B是示出了肺以及由于肺的擴張而導(dǎo)致的病灶的移動的示意圖；以及圖5是根據(jù)一個示范性實施例的用于計入目標(biāo)組織的運動的系統(tǒng)的方框/流程圖。
具體實施例方式本原理提供了一種自適應(yīng)引導(dǎo)的內(nèi)窺鏡檢查方案，其模擬局部4D CT數(shù)據(jù)，并由靜態(tài)3D CT數(shù)據(jù)預(yù)測組織運動。所采集到的組織的運動模式是患者特異性的，并且以后能夠?qū)⑵溆糜诜派渲委熞?guī)劃或者用于其他用途。已知圖像引導(dǎo)的支氣管鏡檢查(或者其他形式的內(nèi)窺鏡檢查)和放射治療的最大障礙之一在于內(nèi)部組織(例如，肺)一直在持續(xù)不斷地運動(例如，按照呼吸周期)，因而提供了一種創(chuàng)新型解決方案，其在無需4D CT圖像(其具有包括成本和高輻射量在內(nèi)的已知缺陷)的情況下跟蹤組織(例如，腫瘤)的運動軌跡。本實施例提供了一種自適應(yīng)方案來模擬局部4D CT數(shù)據(jù)，并采用受到跟蹤的內(nèi)窺鏡檢查來預(yù)測組織運動。所采集到的組織的運動模式是患者特異性的，并且能夠?qū)⑵溆糜谕粌?nèi)窺鏡檢查過程，也可能將其用于以后的內(nèi)窺鏡介入以及放射治療規(guī)劃。采用自適應(yīng)EM引導(dǎo)內(nèi)窺鏡檢查方案模擬局部4D CT數(shù)據(jù)，并從靜態(tài)的3D CT數(shù)據(jù)預(yù)測腫瘤運動。所采集到的病灶的運動模式是患者特異性的，并且以后能夠?qū)⑵溆糜诜派渲委熞?guī)劃。假設(shè)可以將肺的局部運動看作是剛性的物體形變，基于這種假設(shè)，本方案提供了一種模擬的實時CT引導(dǎo)，其方式是估算局部4D CT，并預(yù)測由EM跟蹤發(fā)現(xiàn)的腫瘤運動軌跡。在一個實施例中，將具有例如EM跟蹤器的受到跟蹤的內(nèi)窺鏡固定到內(nèi)窺鏡的頂端上，或?qū)⒕哂泄饫w布拉格光柵的光纖插入或者構(gòu)建到內(nèi)窺鏡內(nèi)。也可以設(shè)想其他跟蹤裝置。獲得了手術(shù)前3D CT圖像。所述圖像可以包括組織內(nèi)的感興趣點，例如，放大的淋巴結(jié)或者可疑的癌變組織，可以在圖像內(nèi)對其做突出顯示，并將其勾勒出來。采用呼吸運動傳感器描述組織當(dāng)前處于呼吸周期的哪一階段。其可以包括附著至胸部的EM跟蹤傳感器或光學(xué)跟蹤傳感器、圍繞胸部的呼吸風(fēng)箱、測量從口進(jìn)/出的空氣的流量傳感器、來自呼吸機的SpO2的記錄圖等。將軟件程序配置成記錄受到跟蹤的內(nèi)窺鏡的運動，并使這一運動與呼吸運動傳感器檢測到的呼吸運動同步。將所述軟件程序配置成重畫諸如病灶的組織的更新位置，并將所述組織圖像疊加到CT圖像或者虛擬腔內(nèi)繪圖上。應(yīng)當(dāng)理解，將利用與支氣管鏡檢查結(jié)合使用的EM跟蹤描述本發(fā)明；然而，本發(fā)明的教導(dǎo)要寬泛得多，并且其適用于任何有關(guān)或者用于存在動態(tài)運動的過程的跟蹤方法。還應(yīng)當(dāng)理解，將就內(nèi)窺鏡過程對本發(fā)明進(jìn)行描述；然而，本發(fā)明的教導(dǎo)要寬泛得多，其適用于任何涉及動態(tài)運動的過程或醫(yī)學(xué)裝置。文中描述的實施例優(yōu)選用于對肺或者接近肺的組織進(jìn)行定位，然而所述組織也可以處于其他位置，諸如心臟、消化器官、血管、腎臟等。應(yīng)當(dāng)理解，將就醫(yī)學(xué)儀器描述本發(fā)明；然而，本發(fā)明的教導(dǎo)要寬泛得多，其適用于在跟蹤或分析復(fù)合生物或機械系統(tǒng)中采用的任何儀器。具體而言，本原理適用于生物系統(tǒng)的內(nèi)部跟蹤過程，諸如肺、胃腸道、排泄器官、血管的所有身體部位中的過程等?？梢酝ㄟ^各種硬件和軟件的組合實現(xiàn)在附圖中描繪的元件，可以將其提供的功能合并到單個元件內(nèi)，也可以分配到多個元件內(nèi)。可以利用專用硬件以及與適當(dāng)?shù)能浖Y(jié)合的能夠執(zhí)行軟件的硬件提 供附圖所示的各種元件的功能。在通過處理器提供功能時，可以通過單個專用處理器、單個共享處理器或者多個個體處理器提供所述功能，其中所述多個處理器中的一些處理器可以共享。此夕卜，不應(yīng)將詞語“處理器”或“控制器”的明確使用解釋為排他性地指代能夠執(zhí)行軟件的硬件，其能夠隱含地包括但不限于數(shù)字信號處理器(“DSP”)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器(“ROM”)、隨機存取存儲器(“RAM”)和非易失性存儲器。此外，文中所有詳述本發(fā)明的原理、方面和實施例的陳述及其具體實例都旨在既包含其結(jié)構(gòu)等同要件，又包含其功能等同要件。此外，旨在使這樣的等同要件既包括當(dāng)前已知的等同要件，又包括未來開發(fā)的等同要件(即，所開發(fā)出的執(zhí)行相同的功能的元件，而不管其結(jié)構(gòu)如何)。因而，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，文中呈現(xiàn)的方框圖表示體現(xiàn)本發(fā)明的原理的示范性系統(tǒng)部件和/或電路的概念圖。類似地，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，流程圖、程序框圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、偽碼等均表示實質(zhì)上可以在計算機可讀存儲介質(zhì)內(nèi)表示，因而可由計算機或處理器執(zhí)行的各種過程，而不管是否明確示出了這樣的計算機或處理器。此外，本發(fā)明的實施例可以采取計算機程序產(chǎn)品的形式，可由提供程序代碼的計算機可用或計算機可讀介質(zhì)訪問所述計算機程序產(chǎn)品，以供計算機或者任何指令執(zhí)行系統(tǒng)使用或者與之結(jié)合使用。就本說明書的目的而言，計算機可用或計算機可讀介質(zhì)可以是任何可以包括、存儲、交換、傳播或發(fā)送程序的設(shè)備，所述程序供指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備或裝置使用或者與之結(jié)合使用。所述介質(zhì)可以是電子、磁、光、電磁、紅外或半導(dǎo)體系統(tǒng)(或者設(shè)備或裝置)或傳播介質(zhì)。計算機可讀介質(zhì)的例子包括半導(dǎo)體或固態(tài)存儲器、磁帶、可拆卸計算機軟盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、剛性磁盤和光盤。當(dāng)前的光盤的例子包括緊致磁盤-只讀存儲器(CD-ROM)、緊致磁盤-讀/寫(CD-R/W)和DVD?，F(xiàn)在參考附圖，其中，采用類似的附圖標(biāo)記表示相同或類似的元件，首先參考圖1，其示范性地描繪了諸如肺的氣道的內(nèi)臟器官或腔10的截面圖像。病灶12被示為接近氣道10的壁14。在沒有運動補償?shù)那闆r下，在受到跟蹤的內(nèi)窺鏡16和分段病灶12之間存在不匹配。在醫(yī)生或者技術(shù)人員嘗試采用未結(jié)合運動的靜態(tài)CT路線圖將針插入到病灶內(nèi)時，其將導(dǎo)致空間混亂。根據(jù)本原理，為了解決這一問題，采用受到跟蹤的窺鏡16感測局部運動。繼續(xù)參考圖I并參考圖2，其示出了一種用于計入目標(biāo)組織的運動的方法。在塊102中，受到跟蹤的窺鏡處于目標(biāo)組織(例如，病灶)區(qū)域附近。可以借助處于受到跟蹤的窺鏡(例如，內(nèi)窺鏡)的頂端的位置跟蹤器(例如，EM跟蹤器、具有FBG傳感器的光纖等)使手術(shù)前CT數(shù)據(jù)與手術(shù)中視頻數(shù)據(jù)相結(jié)合，由此實現(xiàn)圖像引導(dǎo)。EM引導(dǎo)或者其他位置跟蹤提供了定位工具，從而使內(nèi)窺鏡準(zhǔn)確地抵達(dá)計劃進(jìn)行例如貫穿支氣管的活檢或其他過程的目標(biāo)區(qū)域。之后，在塊104中，采用內(nèi)窺鏡的頂端附著到最近的目標(biāo)組織點(例如，規(guī)劃了組織活檢的入口的氣道壁的入口點等)上。優(yōu)選在若干呼吸周期內(nèi)將所述窺鏡固定到所述氣道的同一區(qū)域上。假設(shè)平均呼吸頻率為20次/分，那么10秒鐘的記錄大約為3個呼吸周期。可以按照需要采集更多或者更少的數(shù)據(jù)。在塊106中，記錄若干呼吸周期的跟蹤器(EM)讀數(shù)。由于將所述窺鏡固定到了氣道的同一位置上，因而所記錄的EM變化將只反映呼吸運動。(應(yīng)當(dāng)丟棄由于咳嗽或者其他不規(guī)律的呼吸模式導(dǎo)致的局部氣道收縮或松弛的相關(guān)信號，并且應(yīng)當(dāng)考慮新的記錄。)
在塊108中，假設(shè)局部運動是剛性的，并且病灶的移動與最近的氣道的相似，并且與內(nèi)窺鏡的頂端的移動相似，那么我們將得到三維空間內(nèi)的病灶移動向量。在塊110中，應(yīng)當(dāng)使內(nèi)窺鏡的移動軌跡與運動傳感器同步，例如，將參考跟蹤器附著到患者的胸部(接近橫隔膜)或者其他參考點/位置。使所述參考跟蹤器能夠感測呼吸運動，并判斷肺當(dāng)前處于呼吸周期的哪一階段。這一同步(病灶的運動向量與參考傳感器之間的)規(guī)定了，在肺容量擴展到其最大值時，病灶接近運動向量的遠(yuǎn)端(如圖4B中的點E所示)。在肺容量(圖4B)降至其最小值時，病灶接近運動向量的原點(圖4B中的點O)。其同樣適用于其他運動和器官。在塊112中，根據(jù)說明該呼吸周期的軌跡引導(dǎo)內(nèi)窺鏡或其他醫(yī)學(xué)儀器(例如，針、輻射源、套管針等)?？梢圆捎密浖绦騺泶_定所述周期內(nèi)執(zhí)行操作(例如，采集活檢樣本)的最佳時間。例如，執(zhí)行活檢的最佳時間可以是病灶最接近內(nèi)窺鏡的時候，然而也可以采用其他時間/位置。外科醫(yī)生將采用這一信息對所述裝置在所述呼吸周期的具體排定部分執(zhí)行的操作或程序定時?？梢詫㈥P(guān)于目標(biāo)運動的信息用于當(dāng)前過程，也可以將其用于(一個或多個)以后時間的后續(xù)過程。例如，針對肺癌放射治療的運動補償可以利用目標(biāo)區(qū)域的運動來引導(dǎo)當(dāng)前劑量的放射治療或者將來的放射劑量的放射治療。在塊114中，可以采用任選步驟運行對作為時間的函數(shù)的三維目標(biāo)移動的模擬。其可以包括在CT或者其他掃描圖像內(nèi)采用軌跡或輪廓線對目標(biāo)組織做出標(biāo)記。也可以在虛像內(nèi)對目標(biāo)組織做出標(biāo)記?？梢詫⒕€或其他符號放置到圖像內(nèi)，其有助于相對于時間(人工或自動地)確定目標(biāo)組織的位置?？梢源_定在醫(yī)學(xué)過程中執(zhí)行具體操作的最佳時間和位置，例如，所述操作為活檢、消融、燒灼、吻合(Stapling)等。本原理能夠有助于確定執(zhí)行諸如活檢等的操作的最佳時間(所述周期的哪一階段)。參考圖3，將受到跟蹤的內(nèi)窺鏡16放置為鄰近或者接觸規(guī)劃的過程所處的區(qū)域(例如，規(guī)劃了貫穿支氣管的活檢的最近的壁)。采用受到跟蹤的內(nèi)窺鏡16測量諸如病灶12的目標(biāo)區(qū)域在三維空間內(nèi)的移動。如果采用EM跟蹤，那么在將窺鏡的頂端固定到氣道10的相同位置上的情況下記錄若干呼吸階段內(nèi)的EM讀數(shù)。采用所記錄的數(shù)據(jù)估算病灶12的運動。參考圖4A和4B，采用示范性曲線圖說明常規(guī)周期內(nèi)的肺活量/位移。根據(jù)圖4A，圖4B示范性示出了肺的呼吸周期內(nèi)的病灶移動。在CT空間中示出了肺15的靜態(tài)圖像。在最低肺活量上，病灶12處于點O (x,y,z)處。在最大肺活量上,病灶12處于點E (x,y,z)處。整個運動提供了病灶12在所述周期的任意時間上的軌跡。可以對其進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)建模，從而提供給定時間上的概率統(tǒng)計位置，或者可以針對多個周期執(zhí)行空間內(nèi)插，以預(yù)測腫瘤位置。由處于胸腔壁或者其他位置上的參考跟蹤器130監(jiān)測呼吸運動，并使之與采用受到EM跟蹤的內(nèi)窺鏡16感測到的腫瘤或病灶12的3D運動軌跡同步。可以將所述運動映射至CT空間132或者其他手術(shù)前圖像掃描。例如，可以在每一對應(yīng)的位置(例如，點O和/或點E)采用靜態(tài)CT掃描來映射病灶12的運動。參考圖5，其示范性示出了用于為醫(yī)學(xué)過程計入目標(biāo)30 1的運動的系統(tǒng)300。系統(tǒng)300在不采用4D CT圖像的情況下跟蹤患者101體內(nèi)的腫瘤或其他組織301的運動軌跡。系統(tǒng)300包括受到跟蹤的內(nèi)窺鏡302。內(nèi)窺鏡302包括跟蹤機構(gòu)304，其可以包括采用電磁(EM)跟蹤技術(shù)、光學(xué)跟蹤技術(shù)、FBG跟蹤技術(shù)或其他跟蹤技術(shù)?？梢詫⒖刂婆_306和/或外部標(biāo)記308與跟蹤機構(gòu)304儀器使用。一種自適應(yīng)方案采用所述跟蹤機構(gòu)(例如，位置檢測器)測量局部運動，并利用所述受到跟蹤的內(nèi)窺鏡檢查采用所述數(shù)據(jù)預(yù)測腫瘤運動。采集病灶的具有患者特異性的運動模式，并且能夠?qū)⑵溆糜谕粌?nèi)窺鏡檢查過程，也可能將其用于以后的內(nèi)窺鏡介入以及放射治療規(guī)劃?？梢栽趦?nèi)窺鏡上(或者獨立地)提供醫(yī)學(xué)儀器或裝置307，其用以執(zhí)行使用系統(tǒng)300的過程，該過程計入了目標(biāo)301的移動。將目標(biāo)組織的局部移動看作是剛性物體形變。通過估算局部4D數(shù)據(jù)以及預(yù)測通過EM跟蹤發(fā)現(xiàn)的腫瘤運動軌跡來提供模擬的實時CT引導(dǎo)。優(yōu)選預(yù)先(在手術(shù)前)取得CT或其他圖像，并將其存儲在存儲器310中。優(yōu)選將跟蹤器機構(gòu)304固定在內(nèi)窺鏡302的頂端，或者將具有光纖布拉格光柵的光纖插入或構(gòu)建到內(nèi)窺鏡302內(nèi)。存儲在存儲器310內(nèi)的手術(shù)前3D CT圖像可以包括目標(biāo)區(qū)域(例如，放大的淋巴結(jié)或可疑的癌變組織)，優(yōu)選在所述圖像中對所述目標(biāo)區(qū)域突出顯示并將其勾勒出來。運動傳感器312提供了目標(biāo)組織所處的階段，例如，肺的呼吸周期。運動傳感器312可以包括附著至胸部的EM跟蹤傳感器或光學(xué)跟蹤傳感器、圍繞胸部的呼吸風(fēng)箱、測量從口進(jìn)/出的空氣的流量傳感器、來自呼吸機的SpO2的記錄圖等?？刂婆_306可以包括解釋患者體內(nèi)或者患者周圍的電磁場的變化的EM位置感測控制臺或者向光纖的光傳感器(FBG)輸送光并接收來自它們的光的光學(xué)控制臺(例如，光收發(fā)器)。控制臺306可以連接至計算機系統(tǒng)320或者可以是其部分，計算機系統(tǒng)320包括存儲器310和具有對應(yīng)的程序324的操作系統(tǒng)322，所述程序確定并比較與目標(biāo)區(qū)域的運動相關(guān)的參數(shù)。程序324記錄受到跟蹤的內(nèi)窺鏡302的運動，并使這一運動與呼吸運動傳感器312檢測到的呼吸運動同步。還將程序324配置成重畫病灶的更新位置，并將所述病灶圖像疊加到CT圖像或者虛擬腔內(nèi)繪圖上。其能夠提供對過程的實時顯示。程序324還可以適于對所述移動數(shù)據(jù)執(zhí)行統(tǒng)計分析或內(nèi)插，從而預(yù)測目標(biāo)在任何指定時間上的運動或者找到目標(biāo)在任何指定時間上的平均位置。計算機系統(tǒng)320可以包括控制臺306，或者可以是獨立系統(tǒng)。計算機320包括處理器330，其實施程序324，并提供程序選項和應(yīng)用，例如，使過程步驟與目標(biāo)區(qū)域的運動同步，在多個周期內(nèi)對目標(biāo)區(qū)域的運動統(tǒng)計建模等。輸入/輸出(I/O)裝置或接口 332提供與計算機320、內(nèi)窺鏡302和空間局部化成像的視覺顯示器326的實時交互?？梢燥@示目標(biāo)組織的取向、形狀和/或位置。計算機系統(tǒng)320可以包括用于與控制臺306和/或內(nèi)窺鏡302交互的用戶接口 332。接口 332可以包括鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏系統(tǒng)等。所采集到的目標(biāo)組織的運動模式是患者特異性的，可以將其用于同一內(nèi)窺鏡檢查過程，也可能將其用于以后的內(nèi)窺鏡介入以及放射治療規(guī)劃。所述同步運動軌跡具有多種用途。例如，可以在手術(shù)前CT空間內(nèi)的腔內(nèi)視圖(例如，內(nèi)部氣道的虛擬繪圖)上疊加目標(biāo)的3D軌跡，其指示病灶由于肺的運動而處于的實際位置。其將在顯示器326上提供移動當(dāng)中的病灶的實時可視化，因而介入肺病專家能夠以更大的把握執(zhí)行組織活檢以及其他介入。可以使虛擬現(xiàn)實與實際視頻圖像結(jié)合。例如，可以使虛擬CT圖像與病灶疊加。注意，病灶正在與肺部組織一起“呼吸”，因而疊加病灶或模擬目標(biāo)333的位置將受到動態(tài)更新。其為貫穿支氣管的組織活檢以及其他介入提供了實時運動補償和精確定位?？梢栽趻呙杩臻g或虛擬空間內(nèi)提供模擬目標(biāo)333。4D CT成本高昂，并且產(chǎn)生高輻射。最常規(guī)的放射療法治療規(guī)劃的臨床實踐仍然是以3D CT成像為基礎(chǔ)的；然而并未給出解剖學(xué)和病理學(xué)結(jié) 構(gòu)的移動。 當(dāng)前的實施例通過重新使用由EM引導(dǎo)內(nèi)窺鏡檢查過程記錄的數(shù)據(jù)模擬了 4D CT信息，所述實施例適用于放射療法治療規(guī)劃和對治療提供的評估。目標(biāo)(病灶/腫瘤)的估算運動信息還限制了冷點(向腫瘤區(qū)域的輻射輸送不足)和熱點(對周圍健康區(qū)域的輻射輸送過度)的變化。在解釋權(quán)利要求時，應(yīng)當(dāng)理解a) “包括” 一詞不排除給定權(quán)利要求中列舉的元件或操作以外的其他元件或操作的存在；b)元件前的單數(shù)冠詞“一”或“一個”不排除存在復(fù)數(shù)個這樣的元件；c)權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記均不對權(quán)利要求的范圍做出限制；d)可以通過同一項目或者硬件或軟件實施的結(jié)構(gòu)或功能表現(xiàn)若干個“模塊”;并且e)除非特別指出，否則沒有要求具體的操作順序的意圖。已經(jīng)描述了采用受到跟蹤的支氣管鏡檢查進(jìn)行腫瘤運動模擬和運動補償?shù)南到y(tǒng)和方法的優(yōu)選實施例(其目的在于舉例說明而不是構(gòu)成限制)，應(yīng)當(dāng)指出，本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮上述教導(dǎo)的情況下能夠做出修改和變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解可以對所公開的公開內(nèi)容的具體實施例做出改變，所述改變處于所附權(quán)利要求概括的文中公開的實施例的范圍內(nèi)。因而，已經(jīng)描述了專利法要求的細(xì)節(jié)和特異性，在所附權(quán)利要求中闡述了所主張的以及希望由專利證書保護(hù)的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于在醫(yī)學(xué)過程中計入目標(biāo)的運動的系統(tǒng)，包括 內(nèi)窺鏡(302 ),其包括用于跟蹤所述內(nèi)窺鏡的位置和取向的跟蹤機構(gòu)(304 ); 記憶存儲器(310)，其被配置成記錄所述內(nèi)窺鏡在處于移動目標(biāo)組織處或附近時的位置；以及 運動傳感器(312)，其被配置成跟蹤器官的周期運動，從而能夠使所述器官的所述周期運動與所記錄的所述內(nèi)窺鏡和所述目標(biāo)組織的位置相關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述跟蹤機構(gòu)(304)包括電磁跟蹤裝置、光學(xué)跟蹤裝置和光纖光柵跟蹤裝置之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括能夠根據(jù)所述目標(biāo)組織的所述運動進(jìn)行引導(dǎo)的醫(yī)學(xué)儀器(307)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括被配置成通過圖像顯示所述目標(biāo)組織的模擬的移動的顯示裝置(326)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述圖像包括含有所述目標(biāo)組織的目標(biāo)區(qū)域的手術(shù)前掃描。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述周期運動包括肺的呼吸周期的各個階段。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述運動傳感器(312)包括連接至胸部的傳感器、圍繞所述胸部的呼吸風(fēng)箱、測量氣流的流量傳感器和呼吸機記錄圖中的至少一個。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括程序(324)，其被配置成記錄所述內(nèi)窺鏡在處于移動目標(biāo)組織處或附近時的位置，并且更新手術(shù)前圖像中的目標(biāo)組織模擬疊加的位置。
9.一種用于在醫(yī)學(xué)過程中計入目標(biāo)的運動的系統(tǒng)，包括 內(nèi)窺鏡(302)，其包括用于跟蹤所述內(nèi)窺鏡的位置的跟蹤機構(gòu)(304)，所述內(nèi)窺鏡位于移動目標(biāo)組織處或附近，以收集關(guān)于所述目標(biāo)組織的位置和取向變化的數(shù)據(jù)； 運動傳感器(312)，其被配置成相對于參照物跟蹤移動器官的周期運動；以及 計算機處理裝置(330)，其被配置成收集所述跟蹤機構(gòu)和所述運動傳感器的位置的時間和空間信息，所述計算機處理裝置包括被配置成基于所述跟蹤機構(gòu)和所述運動傳感器的所述位置來確定所述目標(biāo)組織在整個所述周期運動中的位置的程序。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括由所述計算機處理裝置生成的要疊加在圖像中的所述目標(biāo)組織上的目標(biāo)組織模擬圖像(333 )。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述圖像包括對象的手術(shù)前圖像，并且所述目標(biāo)組織模擬包括動態(tài)更新的位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述跟蹤機構(gòu)(304)包括電磁跟蹤裝置、光學(xué)跟蹤裝置和光纖光柵跟蹤裝置之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括能夠根據(jù)所述目標(biāo)組織的運動進(jìn)行引導(dǎo)的醫(yī)學(xué)儀器(307)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括被配置成通過圖像顯示所述目標(biāo)組織模擬的顯示裝置(326)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述圖像包括含有所述目標(biāo)組織的目標(biāo)區(qū)域的手術(shù)前掃描。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述周期運動包括肺的呼吸周期的各個階段。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述運動傳感器(312)包括連接至胸部的傳感器、圍繞所述胸部的呼吸風(fēng)箱、測量氣流的流量傳感器和呼吸機記錄圖中的至少一個。
18.一種用于在醫(yī)學(xué)過程中計入目標(biāo)的運動的方法，包括 跟蹤(102)處于移動目標(biāo)組織處或附近的內(nèi)窺鏡位置，從而在存在周期運動的情況下收集關(guān)于所述目標(biāo)組織的位置變化的數(shù)據(jù)； 相對于參照物跟蹤(106)對象的所述周期運動；以及 通過將所述內(nèi)窺鏡和運動傳感器的位置的時間和空間信息相關(guān)來確定(108)所述目標(biāo)組織在整個所述周期運動中的位置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括將目標(biāo)組織模擬圖像疊加(114)在圖像中，從而通過所述模擬圖像描繪所述目標(biāo)組織的運動。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括根據(jù)所述目標(biāo)組織的運動顯示(114)所述疊加的運動。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括根據(jù)所述目標(biāo)組織的運動引導(dǎo)(112)醫(yī)學(xué)儀器。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括在至少一個以后的過程中采用(112)針對所述目標(biāo)組織的運動收集的數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種用于在醫(yī)學(xué)過程中計入目標(biāo)的運動的系統(tǒng)和方法包括內(nèi)窺鏡(302)，所述內(nèi)窺鏡包括用于跟蹤內(nèi)窺鏡的位置和取向的跟蹤機構(gòu)(304)。記憶存儲器(310)被配置成記錄內(nèi)窺鏡在處于移動目標(biāo)組織處或附近時的位置。將運動傳感器(312)配置成跟蹤器官的周期運動，從而能夠?qū)⑵鞴俚闹芷谶\動與所記錄的內(nèi)窺鏡和目標(biāo)組織的位置相關(guān)。
文檔編號A61B5/113GK102858229SQ201180019545
公開日2013年1月2日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月18日
發(fā)明者X·劉, L·F·古鐵雷斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司