用于自適應(yīng)圖像引導(dǎo)的介入的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提供了一種用于在醫(yī)學(xué)介入期間生成成像數(shù)據(jù)的方法和系統(tǒng)。外部光學(xué)傳感器被附接在所述患者的身體上，并且包括至少一個(gè)外部取向纖維芯，所述至少一個(gè)外部取向纖維芯被配置為測量所述外部光學(xué)傳感器相對于參考點(diǎn)的取向。所述外部光學(xué)傳感器在所述醫(yī)學(xué)介入期間被詢問，以生成外部傳感器取向信息。所述信息用于在所述醫(yī)學(xué)介入期間估計(jì)所述外部光學(xué)傳感器的取向，所述外部光學(xué)傳感器的取向然后被顯示。
【專利說明】用于自適應(yīng)圖像引導(dǎo)的介入的方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請總體上涉及用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的方法和系統(tǒng)，并且具體涉及自適應(yīng)圖像引導(dǎo)的醫(yī)學(xué)介入。該上下文中的“介入”是為了執(zhí)行醫(yī)學(xué)流程的一個(gè)或多個(gè)醫(yī)學(xué)器械到患者中的插入。醫(yī)學(xué)器械可以是諸如針、機(jī)械手術(shù)刀(柳葉刀)、激光手術(shù)刀、內(nèi)窺鏡、顯微成像探針、外科縫合器、牽開器、(電或光的)燒灼設(shè)備、導(dǎo)管、鑿子、夾具、探針、套管針、剪刀等。在許多介入流程中，醫(yī)生將使用多于一個(gè)的醫(yī)學(xué)器械。

【背景技術(shù)】
[0002]這樣的醫(yī)學(xué)介入常常與患者的術(shù)前和/或術(shù)中的成像掃描一起執(zhí)行，以在流程期間引導(dǎo)器械操縱。利用諸如計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)、磁共振成像(MRI)、超聲、熒光透視等模態(tài)執(zhí)行的術(shù)前或偵察體積測定成像能夠用于在介入之前識(shí)別組織靶的位置。術(shù)前成像掃描還能夠用于識(shí)別靶周圍的敏感組織，以使由附屬組織損傷造成的并發(fā)癥最少。相反，術(shù)中成像體積被實(shí)時(shí)采集，以監(jiān)測流程正在進(jìn)行時(shí)的介入。術(shù)中成像掃描可以采用相同或不同的成像模態(tài)作為術(shù)前成像掃描。在一個(gè)范例中，CT成像可以用于術(shù)前成像，并且超聲成像可以用于實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)。
[0003]在另一范例中，CT成像可以用于術(shù)前成像，并且CT成像還可以用于術(shù)中圖像引導(dǎo)。針對許多不同種類的介入流程，諸如肝臟腫瘤的射頻消融、腹腔引流以及活檢執(zhí)行這樣的成像。術(shù)前CT成像數(shù)據(jù)可以用于規(guī)劃介入流程。術(shù)中CT成像數(shù)據(jù)可以用于核查醫(yī)學(xué)器械在其從患者的身體表面到患者的身體之內(nèi)的靶部位的路線上的位置。術(shù)中CT成像也可以用于評(píng)估在流程期間歸因于器械插入和操縱的患者運(yùn)動(dòng)和(一個(gè)或多個(gè))器官變形。然而，介入流程期間的重復(fù)成像掃描不期望地增加了遞送給患者和/或執(zhí)行介入的醫(yī)學(xué)專業(yè)人員的輻射劑量，并且也減慢了介入的進(jìn)度。因此，在本領(lǐng)域中需要在維持導(dǎo)航準(zhǔn)確度的同時(shí)降低成像掃描次數(shù)的術(shù)中成像流程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本公開提出了一種用于執(zhí)行術(shù)中成像流程的基于光學(xué)形狀感測的方法。在成像流程期間，在插入位點(diǎn)處和/或接近感興趣靶解剖結(jié)構(gòu)處將面片附接到患者的身體。所述面片具有與所述面片交織或嵌入到所述面片中的光學(xué)形狀感測纖維。光纖形狀感測和定位(FOSSL)跟蹤技術(shù)跟蹤光學(xué)導(dǎo)線的空間取向。如本文中所特別定義的，光學(xué)導(dǎo)線的“取向”對應(yīng)于識(shí)別光學(xué)導(dǎo)線相對于指定參考點(diǎn)的形狀和位置。這是例如經(jīng)由多個(gè)沿著光纖的長度放置的多個(gè)傳感器來測量光纖的偏轉(zhuǎn)和彎曲來達(dá)到的。例如，在以下三個(gè)專利申請中總體上描述了這樣的FOSSL跟蹤技術(shù):
[0005]WO 2011/098926，發(fā)明人為R.Chan、G.Shechter、A.E.Desjardins、，G.‘T Hooft 以及C.S.Hall，標(biāo)題為“Apparatus, System and Method for Imaging and Treatment UsingOptical Posit1n Sensing”，申請日為2011年I月14日，并且指定美國，要求序列號(hào)為61/302571、申請日為2010年2月9日的美國臨時(shí)專利申請的優(yōu)先權(quán)；
[0006]WO 2011/138691，發(fā)明人為 J.Wang、R.Chan、G.‘T Hooft, A.Ε.Desjardins 以及C.S.Hall，標(biāo)題為“Mot1n Compensat1n and Patient Feedback in Medical ImagingSystems，，，申請日為2011年3月29日，并且指定美國，要求序列號(hào)為61/332212、申請日為2010年5月7日的美國臨時(shí)專利申請的優(yōu)選權(quán)；以及
[0007]序列號(hào)為61/514585，發(fā)明人為 R.Manzke、G.‘T Hooft、R.Chan 以及A.E.Desjardins，標(biāo)題為 “Dynamic Constraining with Optical Shape Sensing，，，申請日為2011年8月3日的美國臨時(shí)專利申請。
[0008]本申請?jiān)诖送ㄟ^引用它們的對FOSSL跟蹤技術(shù)和方法的相應(yīng)公開合并這三個(gè)在先申請。因此，光學(xué)形狀感測利用一根或多根光纖，所述一根或多根光纖被集成到面片中并且也許還具有被插入的醫(yī)學(xué)器械，并且被連接到患者的身體外部的分析單元。(一根或多根)光纖芯的位置和形狀使用對從光纖芯中的每個(gè)返回的關(guān)于外部分析單元的光學(xué)信號(hào)的建模和分析來進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。
[0009]所述方法包括在對患者執(zhí)行的醫(yī)學(xué)介入期間生成成像數(shù)據(jù)。外部光學(xué)傳感器被附接在患者的身體上，并且包括被配置為測量外部光學(xué)傳感器相對于參考點(diǎn)的取向的至少一個(gè)外部取向纖維芯。在醫(yī)學(xué)介入期間對外部光學(xué)傳感器進(jìn)行詢問，以生成的外部傳感器取向信息。該信息用于在醫(yī)學(xué)介入期間估計(jì)外部光學(xué)傳感器的取向，所述外部光學(xué)傳感器的取向然后被顯示。還提供了對應(yīng)的成像系統(tǒng)。
[0010]在閱讀以下若干實(shí)施例的詳細(xì)描述的基礎(chǔ)上，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的許多優(yōu)點(diǎn)和益處將變得明顯。本發(fā)明可以采取各種部件和部件的布置、以及各種處理操作和處理操作的安排的形式。附圖僅用于圖示許多實(shí)施例的目的，而不應(yīng)被解釋為對本發(fā)明的限制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1示意性地圖示了光學(xué)感測系統(tǒng)100，所述光學(xué)感測系統(tǒng)100監(jiān)測光學(xué)傳感器設(shè)備的取向；
[0012]圖2示意性地圖示了光學(xué)傅立葉域反射計(jì)系統(tǒng)200，所述光學(xué)傅立葉域反射計(jì)系統(tǒng)200可以與光學(xué)感測系統(tǒng)100結(jié)合使用；
[0013]圖3示意性地圖示了以面片300的形式的光學(xué)傳感器設(shè)備；
[0014]圖4A和圖4B示意性地圖示了包括光學(xué)感測系統(tǒng)100的CT成像系統(tǒng)400 ;并且
[0015]圖5圖示了用于在醫(yī)學(xué)介入流程期間使用光學(xué)感測系統(tǒng)的方法的步驟。

【具體實(shí)施方式】
[0016]本公開描述了用于自適應(yīng)的圖像引導(dǎo)的醫(yī)學(xué)介入的方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)使用在介入插入位點(diǎn)處和/或接近感興趣靶解剖結(jié)構(gòu)處被附接到患者的身體的面片的光學(xué)形狀感測。所述方法和系統(tǒng)可以與一種或多種成像模態(tài)結(jié)合使用，例如計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)、磁共振成像(MRI)、超聲、熒光透視等。
[0017]圖1示意性地圖示了光學(xué)感測系統(tǒng)100。光學(xué)感測系統(tǒng)100具有光學(xué)詢問控制臺(tái)101，所述光學(xué)詢問控制臺(tái)101被光學(xué)連接到至少一個(gè)光學(xué)傳感器設(shè)備102并且被電連接到三維取向重建器103。光學(xué)詢問控制臺(tái)101向光學(xué)導(dǎo)線104發(fā)送光學(xué)詢問信號(hào)，所述光學(xué)導(dǎo)線被嵌入在基板材料105之內(nèi)或在基板材料105上，以形成光學(xué)傳感器設(shè)備102。光學(xué)信號(hào)向外行進(jìn)到光學(xué)傳感器設(shè)備102，并且然后以下文進(jìn)一步描述的方式通過導(dǎo)線104被反射回控制臺(tái)101。經(jīng)反射的光學(xué)信號(hào)承載指示光學(xué)傳感器設(shè)備102的某些屬性的信息。該信息可以包括例如光學(xué)傳感器設(shè)備102的取向。光學(xué)詢問控制臺(tái)101測量反射光，并且以電的方式將測量結(jié)果傳給三維取向重建器103以用于分析。
[0018]三維取向重建器103包括用于執(zhí)行合適的計(jì)算的處理器和存儲(chǔ)器。因此，本文中描述的功能能夠作為軟件邏輯來執(zhí)行。如本文中所使用的，“邏輯”包括但不限于硬件、固件、軟件和/或每個(gè)的組合，以執(zhí)行(一個(gè)或多個(gè))功能或(一個(gè)或多個(gè))動(dòng)作，和/或引起來自其他部件的功能或動(dòng)作。例如，基于期望的應(yīng)用或需要，邏輯可以包括軟件控制的微處理器、諸如專用集成電路(ASIC)的離散邏輯、或其他被編程的邏輯設(shè)備。邏輯還可以被完全實(shí)施為軟件。
[0019]如本文所使用的，“軟件”包括但不限于一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀指令和/或計(jì)算機(jī)可運(yùn)行指令，所述一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀指令和/或計(jì)算機(jī)可運(yùn)行指令令計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備以期望的方式執(zhí)行功能、動(dòng)作和/或行為。指令可以以各種形式來實(shí)施，例如，例程、算法、模塊或包括單獨(dú)的應(yīng)用程序或來自動(dòng)態(tài)鏈接的庫的代碼的程序。軟件還可以以各種形式來實(shí)施，例如，單機(jī)程序、函數(shù)調(diào)用、小服務(wù)程序、小應(yīng)用程序、被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的指令、操作系統(tǒng)的部分或其他類型的可運(yùn)行指令。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，軟件的形式取決于例如期望的應(yīng)用程序的要求、所述期望的應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境、和/或設(shè)計(jì)者/程序員的期望等。取向重建器103的邏輯可以最容易地被實(shí)施為醫(yī)學(xué)介入規(guī)劃和運(yùn)行軟件包的部分。
[0020]本文中所描述的方法和系統(tǒng)能夠在各種平臺(tái)上實(shí)施，所述各種平臺(tái)包括例如，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和單機(jī)控制系統(tǒng)。額外地，本文中所示出和描述的邏輯優(yōu)選駐存在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中或在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上。不同的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的范例包括閃速存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)、電可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)、磁盤或磁帶、包括CD-ROM和DVD-ROM的光學(xué)可讀介質(zhì)等。更進(jìn)一步地，本文中描述的處理和邏輯能夠被合并成一個(gè)大的處理流程或被劃分成許多子處理流程。本文中已經(jīng)描述的處理流程中的順序不是關(guān)鍵的，并且能夠在被重新布置時(shí)仍然達(dá)到相同的結(jié)果。實(shí)際上，本文中描述的處理流程可以在被批準(zhǔn)或期望時(shí)在其實(shí)現(xiàn)方式中被重新布置、聯(lián)合和/或重新組織。
[0021]光學(xué)詢問控制臺(tái)101可以是在結(jié)構(gòu)上被配置為用于向光學(xué)導(dǎo)線104發(fā)射光線，并且接收和測量從光學(xué)導(dǎo)線104返回的反射光的任何設(shè)備或系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)詢問控制臺(tái)101采用至少一個(gè)光學(xué)傅立葉頻率域反射計(jì)和其他適當(dāng)?shù)碾娮釉O(shè)備或本領(lǐng)域已知的設(shè)備。這樣的反射計(jì)200的原理被圖示在圖2中。其他合適的光學(xué)詢問控制臺(tái)101設(shè)置是已知的，并且能夠在光學(xué)感測系統(tǒng)100中使用。
[0022]反射計(jì)系統(tǒng)200具有可調(diào)諧的光源201，所述可調(diào)諧的光源201具有相干光輸出202，可以被調(diào)諧以具有期望的波長。光源201的光輸出202行進(jìn)通過分光器203，所述分光器203將光信號(hào)202分開為參考通道204和樣本通道205。進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ?04的光行進(jìn)到鏡子206，以沿著參考通道204反射回到分光器203，其具有已知和恒定的光路長度。進(jìn)入樣本通道205的光行進(jìn)到外部光學(xué)導(dǎo)線104，在那里所述光與光學(xué)傳感器設(shè)備102進(jìn)行交互，并且沿著相同的路徑104和205被反射回到分光器203。樣本通道205和外部光學(xué)導(dǎo)線104的組合的光路長度是已知的常數(shù)。
[0023]兩個(gè)被反射回到分光器203的光學(xué)信號(hào)然后由分光器203組合成測量光學(xué)信號(hào)207并且被指向光電檢測器208。光電檢測器208記錄測量光學(xué)信號(hào)207。通過以公知的和被控制的方式改變光輸出202的屬性并且當(dāng)光輸出202被改變時(shí)記錄所得到的測量光學(xué)信號(hào)207，反射計(jì)系統(tǒng)200創(chuàng)建干涉圖案。所述干涉圖案指示光學(xué)傳感器設(shè)備102的至少一個(gè)取向。光學(xué)詢問控制臺(tái)101測量干涉圖案，并且以電的方式將所記錄的信息發(fā)送到三維取向重建器103以用于分析。
[0024]再次參考圖1，光學(xué)導(dǎo)線104可以是適合于承載到光學(xué)傳感器裝置102和來自光學(xué)傳感器裝置102的光學(xué)信號(hào)的任何類型的柔性材料。合適的材料包括，例如，柔性和光學(xué)透明的玻璃或塑料材料?？梢允褂闷渌线m的材料。光學(xué)導(dǎo)線104可以包含單根光纖芯或多根光纖芯。
[0025]基板105可以是適合于嵌入、承載或以其他方式支撐光學(xué)導(dǎo)線104的任何類型的材料。適當(dāng)?shù)幕?05的合適的范例包括但不限于面片、諸如直腸氣囊的可展開的氣囊、導(dǎo)絲、針、導(dǎo)管、過濾器、籃子、螺旋結(jié)構(gòu)、內(nèi)窺鏡等。基板105和/或由基板105支撐的光學(xué)導(dǎo)線104可以形成一種形狀，所述形狀包括細(xì)長直線形狀、曲線形狀、螺旋形狀、環(huán)形形狀，回路形狀、耳輪形狀、或任何其他形狀中的一種或多種?；?05的材料和形狀可以被改變，以提供取決于臨床應(yīng)用的不同結(jié)果，例如，通過與身體之內(nèi)的特定的身體部分或組織更好地相配。特定的基板105還可以基于組織存在的類型被選擇，在所述組織存在處，光學(xué)傳感器設(shè)備102要被插在患者上或被插入到患者中。以這種方式，光學(xué)導(dǎo)線104和基板105 —起形成柔性和可配置的體積，以從光學(xué)傳感器設(shè)備102獲得取向信息。然而，在一些實(shí)施例中，光學(xué)傳感器設(shè)備102可以只包括光學(xué)導(dǎo)線104而沒有任何基板105。
[0026]如以上所討論的，光學(xué)導(dǎo)線104能夠用于使用光纖跟蹤技術(shù)獲得關(guān)于光學(xué)傳感器設(shè)備102的取向信息。這是通過光學(xué)地詢問在光學(xué)導(dǎo)線104之內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)取向纖維芯來完成的。在第一實(shí)施例中，例如，每部分(一根或多根)取向纖維芯包括如本領(lǐng)域所公知的沿著光學(xué)導(dǎo)線104的長度集成的布拉格光柵的陣列。在第二實(shí)施例中，作為另一范例，每部分(一根或多根)取向纖維芯具有如本領(lǐng)域所公知的沿著導(dǎo)線的長度發(fā)生的光學(xué)折射率的自然變化，例如，基于瑞利散射的光纖芯?？梢詡溥x地或額外地使用其他光纖取向跟蹤設(shè)備或結(jié)構(gòu)。
[0027]由從光學(xué)導(dǎo)線104的(一根或多根)取向纖維芯中的這樣的結(jié)構(gòu)反射的光所創(chuàng)建的干涉圖案由光學(xué)詢問控制臺(tái)101記錄并且被傳給三維取向重建器103。三維取向重建器103在本文中被廣義地定義為在結(jié)構(gòu)上被配置為用于將從光學(xué)導(dǎo)線104的(一根或多根)取向纖維芯接收的測量的反射光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成光學(xué)傳感器設(shè)備102的三維取向的任何設(shè)備或系統(tǒng)。例如，光學(xué)傳感器設(shè)備102的軸向反射率曲線(A線)可以通過采樣信號(hào)的離散傅立葉變換(DFT)來獲得。另外，在一些實(shí)施例中，采樣信號(hào)可以與一種或多種生物物理模型相結(jié)合以得出所估計(jì)的取向信息。
[0028]在CT引導(dǎo)的介入中，光學(xué)感測系統(tǒng)100能夠被集成在CT成像系統(tǒng)的機(jī)架之內(nèi)。以這種方式，(一根或多根)光纖芯104的形狀和相對于CT成像掃描平面的位置能夠被監(jiān)測。即，光學(xué)形狀感測坐標(biāo)系相對于CT成像系統(tǒng)的參考坐標(biāo)框架是已知的。對于連接到醫(yī)學(xué)器械(例如，活檢針或射頻消融針)的光纖104，其相對于CT數(shù)據(jù)集的位置因此是已知的。因此，基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)學(xué)器械的導(dǎo)航是可行的。
[0029]圖3圖示了代表性的以面片300的形式的光學(xué)傳感器設(shè)備102。面片300包括柔性基板302，所述柔性基板302承載光學(xué)感測系統(tǒng)100的光學(xué)導(dǎo)線104?；?02可以由任何以下的材料形成:即，足夠有彈性以符合患者的身體的外部輪廓并且不會(huì)對患者造成任何材料的健康危害的材料。基板302可以以任何對于特定的應(yīng)用方便的形狀來創(chuàng)建，包括圓形、正方形、矩形等?；撞牧?02可以是，例如，X射線或超聲透射棉或纖維性材料。面片300的底側(cè)304可以被附接到患者的在介入流程期間醫(yī)學(xué)器械要被插入處和/或在接近感興趣的靶解剖結(jié)構(gòu)處的皮膚。
[0030]患者的身體上的面片300的附接可以以許多方式來完成。在一個(gè)實(shí)施例中，將黏合的黏結(jié)材料應(yīng)用于面片300的底側(cè)304，以便創(chuàng)建與患者的皮膚的可釋放的黏合的黏結(jié)。通常用于附接ECG探針的黏合劑可以用于該目的。在第二潛在的附接中，基板材料302可以例如通過鉤和環(huán)結(jié)構(gòu)、磁性鎖定部件、或機(jī)械扣緊緊地纏繞在患者的身體周圍并且被固定在適當(dāng)位置。在又另一潛在的實(shí)施例中，面片300可以由抽吸構(gòu)件附接到患者的身體。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)知道將面片300附接到患者的身體上的許多其他方式。
[0031]面片300還可以由多個(gè)單獨(dú)的部件(未示出)形成。例如，面片300的基板材料能夠包括直接黏合到患者表面的矩陣。這樣的矩陣基板可以是一次性的，使得其能夠在使用一次后被丟棄。在那種情況下，包含光纖104的可重復(fù)使用的部件能夠被可逆地附接到一次性的矩陣以形成面片300。這允許一組(一根或多根)光纖104用于多個(gè)流程，如果需要，在使用之后進(jìn)行殺菌，這降低了系統(tǒng)的使用成本。
[0032]在面片300之內(nèi)的光纖304的布置能夠提供面片300中的指定的無纖維區(qū)或端口(未示出)。這些區(qū)識(shí)別基板302的區(qū)域，通過所述基板302的區(qū)域，針或其他醫(yī)學(xué)器械能夠在沒有損壞風(fēng)險(xiǎn)的情況下穿透光纖304。
[0033]單個(gè)面片300能夠與其他面片300進(jìn)行組合，和/或與其他光學(xué)形狀傳感器設(shè)備102進(jìn)行組合。例如，一個(gè)或多個(gè)外部面片300可以與在介入流程期間與醫(yī)學(xué)器械一起被插入到患者中的內(nèi)部傳感器設(shè)備102進(jìn)行組合。
[0034]面片300能夠準(zhǔn)確地測量在醫(yī)學(xué)器械插入期間患者的身體的外表面的變形。因此，面片300能夠用于在醫(yī)學(xué)器械正在向在患者之內(nèi)的靶前進(jìn)時(shí)生成變形的CT路標(biāo)圖像。例如，有限元模型或表示組織和后續(xù)變形的其他數(shù)字模型能夠利用來自面片表面304、醫(yī)學(xué)器械以及其被測量的相互作用的變形觀察結(jié)果來驅(qū)動(dòng)。以這種方式，使用較低的成像輻射劑量水平進(jìn)行更加準(zhǔn)確的術(shù)中導(dǎo)航是可行的。
[0035]面片300可以在第一、術(shù)前CT掃描期間被附接到患者的身體。在那種情況下，面片300還能夠用于在介入流程期間測量靶部位中的呼吸狀態(tài)。例如，如果在屏氣期間采集術(shù)前CT掃描，則所確定的面片300的形狀和位置能夠在介入流程期間用于驗(yàn)證患者在醫(yī)學(xué)器械插入期間處于可比較的呼吸狀態(tài)。如果采集呼吸打開的術(shù)前CT掃描，則面片300可以使得能夠進(jìn)行自適應(yīng)地四維通路映射，以改善后續(xù)的介入流程。
[0036]圖4A和4B示意性地圖示了包括光學(xué)感測系統(tǒng)100的CT成像系統(tǒng)400。因此，CT成像系統(tǒng)400包括機(jī)架402、患者支撐臺(tái)404以及相關(guān)聯(lián)的顯示器406。CT成像系統(tǒng)400還包括諸如以上所述的系統(tǒng)100的光學(xué)感測系統(tǒng)，所述光學(xué)感測系統(tǒng)包括兩個(gè)光學(xué)傳感器設(shè)備。因此，第一光學(xué)導(dǎo)線104a的一端在408處被連接到被容納在機(jī)架402內(nèi)部的光學(xué)詢問控制臺(tái)101。第一光學(xué)導(dǎo)線104a的另一、遠(yuǎn)端在針410插入點(diǎn)處被連接到被設(shè)置在患者的身體上的面片300。這被示意性地反映在圖4A和圖4B中，所述圖4A和圖4B示出了從機(jī)架402導(dǎo)向顯示器406上的患者的圖像的導(dǎo)線104a。
[0037]第二光學(xué)導(dǎo)線104b也在408處被連接到被容納在機(jī)架402內(nèi)部的光學(xué)詢問控制臺(tái)101。第二光學(xué)導(dǎo)線104b在針410在介入流程期間被插入到患者的身體中時(shí)跟隨針410。這被示意性地反映在圖4A和圖4B中，所述圖4A和圖4B示出了從機(jī)架402導(dǎo)向顯示器406上的患者的圖像的導(dǎo)線104b。第二光學(xué)導(dǎo)線104b因此在針410被插入到患者的身體中時(shí)監(jiān)測針410的取向。顯示器406可以在介入流程期間顯示光纖104a和104b中的一根或兩根的取向。因此，在圖4A中的顯示器406示出了面片300和針410在針410被插入到患者的身體中的時(shí)刻的取向。在圖4B中的顯示器示出了面片300和針410在插入期間的中間點(diǎn)的取向。
[0038]以這種方式，提供了一種用于在醫(yī)學(xué)介入流程期間使用光學(xué)感測系統(tǒng)100的方法。示例性的這樣的方法500被圖示在圖5中。在第一步驟502中，至少一個(gè)外部光學(xué)傳感器面片300在醫(yī)學(xué)器械的插入位點(diǎn)處和/或接近感興趣靶組織處被附接到患者的身體。其他光學(xué)傳感器設(shè)備102還可以在介入期間被嵌入在患者的身體上或在患者的身體之內(nèi)?；颊呷缓蟊环胖迷诔上裣到y(tǒng)(例如，以上討論的示例性的CT成像系統(tǒng)400)之內(nèi)。成像系統(tǒng)400然后開始生成患者的身體的圖像504，并且醫(yī)學(xué)介入開始504。
[0039]在介入流程期間，光學(xué)感測系統(tǒng)100用于監(jiān)測506患者的身體上的面片300上的取向。更具體地，光學(xué)導(dǎo)線104中的(一根或多根)取向纖維由光學(xué)詢問控制臺(tái)101詢問506，以獲得在介入流程期間的面片取向信息508。面片取向信息508包括根據(jù)詢問光屬性測量從面片300返回的光信號(hào)。如果光學(xué)導(dǎo)線104包含多個(gè)取向纖維芯，則該信息508可以針對每個(gè)芯被單獨(dú)地記錄。在面片300的光學(xué)導(dǎo)線104之內(nèi)的光反射可以例如由在光學(xué)導(dǎo)線104之內(nèi)的嵌入的周期性的結(jié)構(gòu)(例如，纖維布拉格光柵)調(diào)用，或者由在光學(xué)導(dǎo)線104中的折射率的非周期性的、隨機(jī)的變化(例如，瑞利散射)調(diào)用。
[0040]取向信息被提供給三維取向重建器103，所述三維取向重建器103使用取向信息來估計(jì)510患者的身體的外表面上的面片300的取向512。三維形狀重建器103可以，例如，處理反射光譜508，以生成沿著光學(xué)導(dǎo)線104的(一根或多根)取向纖維芯的多個(gè)位置處的應(yīng)變值。應(yīng)變傳感器可以包括纖維布拉格光柵(FBG)和瑞利散射詢問中的至少一種。
[0041]任選地，光學(xué)感測系統(tǒng)100還可以在介入期間被利用以監(jiān)測514與醫(yī)學(xué)器械一起被插入到患者中的內(nèi)部光學(xué)傳感器設(shè)備的取向。更具體地，導(dǎo)向內(nèi)部光學(xué)傳感器設(shè)備的光學(xué)導(dǎo)線中的(一根或多根)取向纖維由光學(xué)詢問控制臺(tái)101詢問514，以獲得在介入流程期間的醫(yī)學(xué)器械取向信息516。醫(yī)學(xué)器械取向信息516包括根據(jù)詢問光屬性測量從內(nèi)部光學(xué)傳感器返回的光信號(hào)。醫(yī)學(xué)器械取向信息516被提供給三維取向重建器103，所述三維取向重建器103使用取向信息來估計(jì)518在患者之內(nèi)的醫(yī)學(xué)器械的取向520。
[0042]光學(xué)導(dǎo)線可以在一些實(shí)施例中有利地通過包括具有較高數(shù)目的具有光學(xué)應(yīng)變傳感器的光纖的區(qū)域來包括較高靈敏度的區(qū)域。例如，光學(xué)導(dǎo)線可以具有存在具有光學(xué)應(yīng)變傳感器的第一數(shù)目的光纖的第一區(qū)域和存在具有光學(xué)應(yīng)變傳感器的第二數(shù)目的光纖的第二區(qū)域。以這種方式，第二區(qū)域?qū)⒕哂斜鹊谝粎^(qū)域更高的靈敏度。較高的靈敏度可以有助于實(shí)現(xiàn)關(guān)于光學(xué)導(dǎo)線的取向的更好的分辨率。作為一個(gè)范例，第一區(qū)域可以具有一根光纖和第一靈敏度，并且第二區(qū)域可以具有四根光纖和比第一靈敏度更高的第二靈敏度。三維形狀重建器103將應(yīng)變值進(jìn)行組合，以生成光學(xué)導(dǎo)線的形狀和位置的三維重建。例如，應(yīng)變測量結(jié)果可以被轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)角度，并且相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)矩陣可以用于更新正切向量、法向向量和副法向向量(即，雅可比矩陣的列)。
[0043]外部傳感器估計(jì)的取向512和內(nèi)部傳感器估計(jì)的取向520 (如果已測量的話)在介入流程期間被發(fā)送到CT成像系統(tǒng)400處理器。CT成像系統(tǒng)400向CT成像系統(tǒng)400的坐標(biāo)系登記估計(jì)結(jié)果512和520的坐標(biāo)系。然后，在介入流程期間，CT成像系統(tǒng)400使用所估計(jì)的信息512和520將患者的身體上或在患者的身體之內(nèi)的外部傳感器和內(nèi)部傳感器的取向顯示522在CT成像系統(tǒng)400的顯示器406上。在一些實(shí)施例中，傳感器可以本身可以不被示出在顯示器406上。作為替代，顯示器406可以簡單地示出(基于外部傳感器信息的)患者的皮膚表面的取向和(基于內(nèi)部傳感器信息的)在患者的身體之內(nèi)的醫(yī)學(xué)器械。
[0044]在又一額外的實(shí)施例中，CT成像系統(tǒng)400可以使用面片取向信息510來向所述系統(tǒng)的用戶提供通知。用戶通知可以采取多種形式。在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)可以簡單地通知用戶面片變形已超過預(yù)設(shè)的閾值，從而指示在介入期間某些事情可能已經(jīng)出錯(cuò)。在另一實(shí)施例中，所述系統(tǒng)400可以額外地向用戶呈現(xiàn)對介入流程所提出的修改，以便考慮環(huán)境變化。
[0045]如以上已經(jīng)描述的，CT成像系統(tǒng)400可以重建所搜集的成像數(shù)據(jù)，以便形成用于在系統(tǒng)的顯示器406上示出的三維圖像體積。CT成像系統(tǒng)400可以額外地包括一個(gè)或多個(gè)用戶輸入設(shè)備(未示出)，所述一個(gè)或多個(gè)用戶輸入設(shè)備允許用戶與系統(tǒng)400交互并且控制系統(tǒng)400的操作。例如，用戶可以配置圖像數(shù)據(jù)的適當(dāng)?shù)囊晥D以用于在顯示器406上顯示，例如，包含醫(yī)學(xué)器械插入路徑的二維圖像切片(例如，圖4A和圖4B)，或醫(yī)學(xué)器械插入路徑的靶心視圖。
[0046]已經(jīng)參考若干實(shí)施例描述了本發(fā)明。顯然，他人在閱讀和理解前述詳細(xì)的說明書的情況下將做出修改和替代。例如，可以提供用于在介入期間操控醫(yī)學(xué)器械的視覺反饋。旨在將本發(fā)明解釋為包括所有這樣的修改和替代，只要它們落入權(quán)利要求書及其等價(jià)方案的范圍之內(nèi)。本發(fā)明可以采取各種組成、部件和布置、所公開的實(shí)施例的元件的組合和子組合的形式。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在對患者執(zhí)行的醫(yī)學(xué)介入期間生成成像數(shù)據(jù)的方法(500)，所述方法包括: 將外部光學(xué)傳感器(300)附接(502)在所述患者的身體上，所述外部光學(xué)傳感器包括至少一個(gè)外部取向纖維芯，所述至少一個(gè)外部取向纖維芯被配置為測量所述外部光學(xué)傳感器相對于參考點(diǎn)的取向； 在所述醫(yī)學(xué)介入期間光學(xué)地詢問(506)所述外部光學(xué)傳感器，以生成關(guān)于所述外部光學(xué)傳感器的外部傳感器取向信息(508)，并且在所述醫(yī)學(xué)介入期間使用所述外部傳感器取向信息來估計(jì)(510)所述外部光學(xué)傳感器的取向(512);并且 使用至少部分所述外部傳感器取向估計(jì)結(jié)果來顯示(522)所述患者的身體的取向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用光學(xué)傅立葉頻率域反射計(jì)(200)來執(zhí)行所述光學(xué)詢問步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外部光學(xué)傳感器包括面片(300)，所述面片(300)包括支撐所述至少一個(gè)外部取向纖維芯的基板(302)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述基板具有底側(cè)(304)，并且黏合的黏結(jié)材料被應(yīng)用于所述底側(cè)，以創(chuàng)建與所述患者的皮膚的可釋放的黏合的黏結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述基板包括一次性矩陣，所述一次性矩陣黏合到所述患者的皮膚，并且所述外部取向纖維芯被包含在附接到所述矩陣的可重復(fù)使用的部件之內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述基板包括至少一個(gè)不包含任何纖維芯的區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 將內(nèi)部光學(xué)傳感器插入到所述患者的身體中，所述內(nèi)部光學(xué)傳感器包括至少一個(gè)內(nèi)部取向纖維芯，所述至少一個(gè)內(nèi)部取向纖維芯被配置為測量所述內(nèi)部光學(xué)傳感器相對于參考點(diǎn)的取向； 在所述醫(yī)學(xué)介入期間光學(xué)地詢問(514)所述內(nèi)部光學(xué)傳感器，以生成關(guān)于所述內(nèi)部光學(xué)傳感器的內(nèi)部傳感器取向信息(516)，并且在所述醫(yī)學(xué)介入期間使用所述內(nèi)部傳感器取向信息來估計(jì)(518)所述內(nèi)部光學(xué)傳感器的取向(520);并且 使用至少部分所述內(nèi)部傳感器取向估計(jì)結(jié)果來顯示(522)醫(yī)學(xué)介入器械的取向。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述至少一個(gè)外部取向纖維芯包括布拉格光柵的陣列和瑞利散射結(jié)構(gòu)中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在執(zhí)行術(shù)前成像掃描之前將所述外部光學(xué)傳感器附接在所述患者的身體上； 在所述術(shù)前成像掃描期間光學(xué)地詢問所述外部光學(xué)傳感器來測量所述患者的第一呼吸狀態(tài)； 在所述醫(yī)學(xué)介入期間光學(xué)地詢問所述外部光學(xué)傳感器來測量所述患者的第二呼吸狀態(tài)；并且 比較所述第一呼吸狀態(tài)與所述第二呼吸狀態(tài)。
10.—種用于在對患者執(zhí)行的醫(yī)學(xué)介入程序期間生成成像數(shù)據(jù)中使用的成像系統(tǒng)(400)，所述成像系統(tǒng)包括: 外部光學(xué)傳感器(300)，其用于在所述醫(yī)學(xué)介入期間被附接到所述患者的身體，并且包括至少一個(gè)外部取向纖維芯，所述至少一個(gè)外部取向纖維芯被配置為測量所述外部光學(xué)傳感器相對于參考點(diǎn)的取向； 光學(xué)詢問控制臺(tái)(101)，其用于在所述醫(yī)學(xué)介入期間光學(xué)地詢問(506)所述外部光學(xué)傳感器，以生成關(guān)于所述外部光學(xué)傳感器的外部傳感器取向信息(508); 取向重建器(103)，其用于在所述醫(yī)學(xué)介入期間基于所述外部傳感器取向信息估計(jì)(510)所述外部光學(xué)傳感器的取向(512);以及 顯示器(406)，其用于使用至少部分所述外部傳感器取向估計(jì)結(jié)果來顯示(522)所述患者的身體的取向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括光學(xué)傅立葉頻率域反射計(jì)(200)，以光學(xué)地詢問所述外部光學(xué)傳感器。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述外部光學(xué)傳感器包括面片(300)，所述面片(300)包括支撐所述至少一個(gè)外部取向纖維芯的基板(302)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述基板具有底側(cè)(304)，并且所述外部光學(xué)傳感器還包括黏合的黏結(jié)材料，所述黏結(jié)材料被應(yīng)用于所述底側(cè)以創(chuàng)建與所述患者的皮膚的可釋放的黏合的黏結(jié)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述基板包括一次性矩陣，所述一次性矩陣黏合到所述患者的皮膚，并且所述外部取向纖維芯被包含在附接到所述矩陣的可重復(fù)使用的部件之內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述基板包括至少一個(gè)不包含任何纖維芯的區(qū)。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括: 內(nèi)部光學(xué)傳感器，其用于在所述醫(yī)學(xué)介入期間被插入到所述患者的身體中，并且包括至少一個(gè)內(nèi)部取向纖維芯，所述至少一個(gè)內(nèi)部取向纖維芯被配置為測量所述內(nèi)部光學(xué)傳感器相對于參考點(diǎn)的取向； 其中，所述光學(xué)詢問控制臺(tái)(101)在所述醫(yī)學(xué)介入期間光學(xué)地詢問(514)所述內(nèi)部光學(xué)傳感器，以生成關(guān)于所述內(nèi)部光學(xué)傳感器的內(nèi)部傳感器取向信息(516); 其中，所述取向重建器(103)在所述醫(yī)學(xué)介入期間估計(jì)(518)所述內(nèi)部光學(xué)傳感器的取向(520);以及 顯示器(406)，其使用至少部分所述內(nèi)部傳感器取向信息來顯示(522)醫(yī)學(xué)介入器械的取向。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)外部取向纖維芯包括布拉格光柵的陣列和瑞利散射結(jié)構(gòu)中的至少一種。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)重建器(103)使用所述取向信息來生成針對沿著所述至少一個(gè)取向纖維芯的多個(gè)位置的局部應(yīng)變數(shù)據(jù)，并且根據(jù)沿著所述取向纖維芯的每個(gè)局部應(yīng)變生成局部彎曲和扭曲角度數(shù)據(jù)，并且根據(jù)每個(gè)局部彎曲和扭曲角度重建所述取向纖維芯的三維形狀。
19.一種用于在對患者執(zhí)行的醫(yī)學(xué)介入期間生成成像數(shù)據(jù)的裝置，所述裝置包括: 被設(shè)置在所述患者的身體上的外部光學(xué)傳感器(300)，所述外部光學(xué)傳感器包括至少一個(gè)外部取向纖維芯，所述至少一個(gè)外部取向纖維芯被配置為測量所述外部光學(xué)傳感器相對于參考點(diǎn)的取向； 顯示器；以及 計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其包括邏輯，以: 在所述醫(yī)學(xué)介入期間光學(xué)地詢問(506)所述外部光學(xué)傳感器，以生成關(guān)于所述外部光學(xué)傳感器的外部傳感器取向信息(508)，并且在所述醫(yī)學(xué)介入期間使用所述外部傳感器取向信息來估計(jì)(510)所述外部光學(xué)傳感器的取向(512);并且 使用至少部分所述外部傳感器取向估計(jì)結(jié)果來顯示(522)所述患者的身體的取向。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述外部光學(xué)傳感器包括面片(300)，所述面片(300)包括支撐所述至少一個(gè)外部取向纖維芯的基板(302)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述基板具有底側(cè)(304)，并且黏合的黏結(jié)材料被應(yīng)用于所述底側(cè)，以創(chuàng)建與所述患者的皮膚的可釋放的黏合的黏結(jié)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述基板包括一次性矩陣，所述一次性陣列黏合到所述患者的皮膚，并且所述外部取向纖維芯被包含在附接到所述矩陣的可重復(fù)使用的部件之內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述基板包括至少一個(gè)不包含任何纖維芯的區(qū)。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，還包括: 內(nèi)部光學(xué)傳感器，其用于插入到所述患者的身體中，所述內(nèi)部光學(xué)傳感器包括至少一個(gè)內(nèi)部取向纖維芯，所述至少一個(gè)內(nèi)部取向纖維芯被配置為測量所述內(nèi)部光學(xué)傳感器相對于參考點(diǎn)的取向；并且 所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)還包括邏輯，以: 在所述醫(yī)學(xué)介入期間光學(xué)地詢問(514)所述內(nèi)部光學(xué)傳感器，以生成關(guān)于所述內(nèi)部光學(xué)傳感器的內(nèi)部傳感器取向信息(516)，并且在所述醫(yī)學(xué)介入期間使用所述內(nèi)部傳感器取向信息來估計(jì)(518)所述內(nèi)部光學(xué)傳感器的取向(520);并且 使用至少部分所述內(nèi)部傳感器取向估計(jì)來顯示(522)醫(yī)學(xué)介入器械的取向。
【文檔編號(hào)】A61B5/113GK104470419SQ201380036787
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月9日
【發(fā)明者】M·格拉斯, R·陳, R·曼茨克 申請人:皇家飛利浦有限公司