用于檢測組織以及纖維束變形的系統(tǒng)與方法
【專利說明】用于檢測組織以及纖維束變形的系統(tǒng)與方法
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請要求2013年3月15日提交、題為“用于檢測組織以及纖維束變形的系統(tǒng)與方法(SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING TISSUE AND FIBRE TRACT DEFORMAT1N) ”的美國臨時申請?zhí)?1/799，921的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時申請的全部內(nèi)容以引用方式并入本文中。
[0003]本申請要求2013年3月15日提交、題為“偏振光成像裝置(POLARIZED LIGHTIMAGING DEVICE) ”的美國臨時申請?zhí)?1/800，787的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時申請的全部內(nèi)容以引用方式并入本文中。
[0004]本申請要求2013年3月15日提交、題為“用于微創(chuàng)療法的規(guī)劃、導航以及模擬系統(tǒng)與方法(PLANNING, NAVIGAT1N AND SIMULAT1N SYSTEMS AND METHODS FOR MINIMALLYINVASIVE THERAPY) ”的美國臨時申請?zhí)?1/800，155的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時申請的全部內(nèi)容以引用方式并入本文中。
[0005]本申請要求2014年1月8日提交、題為“用于微創(chuàng)療法的規(guī)劃、導航以及模擬系統(tǒng)與方法(PLANNING, NAVIGAT1N AND SIMULAT1N SYSTEMS AND METHODS FOR MINIMALLYINVASIVE THERAPY) ”的美國臨時申請?zhí)?1/924，993的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時申請的全部內(nèi)容以引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0006]本公開涉及用于微創(chuàng)療法和圖像引導醫(yī)療程序的導航系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0007]施加壓力于組織和器官或更改組織和器官的組成的手術(shù)程序可能有產(chǎn)生組織變形的趨向。舉例來說，腦組織的變形可能在以下情況下出現(xiàn):當進行開顱術(shù)且腦中的壓力被釋放時，當例如手術(shù)端口或?qū)Ч艿氖中g(shù)裝置被引入到腦中時，或當組織在手術(shù)期間(例如在腫瘤切除中)被移除時。組織變形以及其對手術(shù)程序的準確度和精確度的影響是一個正在調(diào)查和研究的領(lǐng)域，并且需要有效手段用以檢測此變形以用于手術(shù)規(guī)劃、導航以及分析。盡管以下討論的大部分使用腦中的手術(shù)程序作為實例，但是類似問題出現(xiàn)在對脊柱的手術(shù)和其它矯形應(yīng)用中并且所述技術(shù)通?？蛇m用的。
[0008]與手術(shù)期間出現(xiàn)的組織移位相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性通過目前可用的系統(tǒng)和方法無法得到良好解決。舉例來說，在開顱術(shù)期間，當患者的顱骨的大部分被移除而允許接近腦時，腦由于腦與手術(shù)室之間的壓力差而趨向于腫脹到包住腦的剩余顱骨外。由重力引起的這種腦腫脹和腦下陷可趨向于引起腦組織的顯著移位，經(jīng)常為約1到2cm。另外，當腫瘤自腦切除時，由于減小的體積，剩余組織的位置趨向于相對于術(shù)前圖像移位。腦腫脹、下陷以及移位的這些機制可導致術(shù)前腦位置與術(shù)中腦位置之間的顯著變化。因此需要用以檢測由各種原因(包含組織切除、腫脹以及手術(shù)工具插入)引起的組織變形的有效手段以允許經(jīng)改善的手術(shù)規(guī)劃、導航以及分析。
[0009]腦組織的變形由于物理和生理現(xiàn)象而在手術(shù)過程中出現(xiàn)。由于這種腦移位，術(shù)前獲取的圖像不再對應(yīng)于腦組織的定位。為此，任何基于術(shù)前的神經(jīng)導航規(guī)劃被術(shù)中腦變形削弱。根據(jù)Buick等人的用于補償“腦移位”變形的術(shù)前圖像引導神經(jīng)導航器的腦生物力學模型(B1-Mechanical Model of the Brain for a Per-Operative Image-GuidedNeuronavigator Compensating for “Brain-Shift” Deformat1ns)，數(shù)學計算機模擬模型(例如，連續(xù)機械線性且小變形的模型)可用來以互動方式對手術(shù)交互作用(即，組織切除)創(chuàng)建模型。
[0010]不同的組織類型擁有不同的變形特性，因此檢測組織變形的當前方法常常將身體分割成多種組織類型。舉例來說，針對關(guān)于腦手術(shù)的變形，腦組織趨向于基于組織類型(例如，灰質(zhì)、白質(zhì)以及腦脊髓液)來進行分析。這些方法提供基于每個組織類型的扭曲特性的變形模型。然而，這些當前方法不會基于關(guān)于有向組織結(jié)構(gòu)(例如，神經(jīng)或肌肉纖維方向)或下層結(jié)構(gòu)的連接性的知識來調(diào)整模型。更確切地說，這些系統(tǒng)與方法趨向于同等地看待所有類型組織類型。因此，需要基于關(guān)于有向組織結(jié)構(gòu)或下層結(jié)構(gòu)的連接性的知識(而非簡單的組織類型)來檢測組織變形的系統(tǒng)與方法。此外，如果正引入到組織的裝置與其入口在幾何上具有類似形狀和大小且足夠硬，那么所述裝置將趨向于約束組織的移動并且將維持與已知位置和形狀的組織的接口，且因此對組織的平衡定位有意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本文中描述用于檢測包含神經(jīng)纖維變形的組織的通常變化(例如，組織變形)的系統(tǒng)與方法。本公開中所描述的系統(tǒng)和方法提供基于給定位置的組織定向的特性(例如，給定點處的每個纖維束的局部方向)以及關(guān)于組織的環(huán)境中的已知事件(例如，周圍組織的水腫或移除)的知識，用以模型化且因此來預(yù)測組織變化(例如，組織以及纖維變形)的方式。
[0012]實施方案提供一種用于產(chǎn)生患者的可演變組織模型的方法，其包括以下步驟:
[0013]a)接收患者的組織的至少一組輸入數(shù)據(jù)，所述至少一組輸入數(shù)據(jù)含有可從所述輸入數(shù)據(jù)衍生的所述組織的至少一種組織成分的方向信息；
[0014]b)以預(yù)選格式表示所述至少一種組織成分的所述方向信息且從中產(chǎn)生反映所述至少一種組織成分的方向性的有向組織圖；以及
[0015]c)產(chǎn)生組織模型，其中所述組織模型的至少一個組成部分為所述有向組織圖，以使得所述組織模型反映所述至少一種組織成分的所述方向性，因此當所述組織模型在某一時間段中受到導致組織變化的影響時，所述組織模型在所述時間段中以反映與所述至少一種組織成分的所述方向性交互作用的所述影響的軌跡的方式演變。
[0016]這個組織模型可接著與一個或多個影響交互作用以預(yù)測所述組織之由于影響引起的變化。此涉及
[0017]接收所述組織受到的至少一個影響的至少一組輸入數(shù)據(jù)；
[0018]預(yù)處理所述至少一組輸入數(shù)據(jù)且從中提取所述影響的參數(shù)；
[0019]以預(yù)選格式表示所述影響的所述參數(shù)；以及
[0020]從所述影響的所述經(jīng)表示的參數(shù)產(chǎn)生至少一個影響模型；以及
[0021]使所述影響模型與所述組織模型交互作用且在所述交互作用之后更新所述組織模型，從而示出所述組織模型之由于所述影響引起的變化，所述經(jīng)更新組織模型形成輸出。
[0022]本文中還公開一種用于產(chǎn)生患者的可演變組織模型的系統(tǒng)，其包括:
[0023]a)存儲裝置，其經(jīng)配置以接收患者的組織的術(shù)前和術(shù)中輸入數(shù)據(jù)且將所述輸入數(shù)據(jù)存儲在所述存儲裝置中；
[0024]b)與所述存儲裝置通信的計算機處理器與相關(guān)聯(lián)用戶界面，所述計算機處理器用進行以下操作的指令編程:
[0025]接收患者的組織的至少一組輸入數(shù)據(jù)，所述至少一組輸入數(shù)據(jù)含有可從所述輸入數(shù)據(jù)衍生的所述組織的至少一種組織成分的方向信息；
[0026]以預(yù)選格式表示所述至少一種組織成分的所述方向信息且從中產(chǎn)生反映所述至少一種組織成分的方向性的有向組織圖；以及
[0027]產(chǎn)生組織模型，其中所述組織模型的至少一個組成部分為所述有向組織圖，以使得所述組織模型反映所述至少一種組織成分的所述方向性，因此當所述組織模型在某一時間段中受到導致組織變化的影響時，所述組織模型在所述時間段中以反映與所述至少一種組織成分的所述方向性交互作用的所述影響的軌跡的方式演變；
[0028]存儲所述組織模型；以及
[0029]c)視覺顯示器，用于顯示所述組織模型。
[0030]還公開一種用于預(yù)測或模型化患者的可演變組織模型之由于與影響的交互作用而引起的變化的系統(tǒng)，
[0031]a)存儲裝置；
[0032]b)與所述存儲裝置通信的計算機處理器與相關(guān)聯(lián)用戶界面，所述計算機處理器用進行以下操作的指令編程:
[0033]接收所述組織受到的至少一個影響的至少一組輸入數(shù)據(jù)；
[0034]預(yù)處理所述至少一組輸入數(shù)據(jù)且從中提取所述影響的參數(shù)；
[0035]以預(yù)選格式表示所述影響的所述參數(shù)；以及
[0036]從所述影響的所述經(jīng)表示的參數(shù)產(chǎn)生至少一個影響模型；
[0037]使所述影響模型與組織模型交互作用且在所述交互作用之后更新所述組織模型，以用于示出所述組織模型之由于所述影響引起的變化；以及
[0038]c)視覺顯示器，用于顯示所述組織模型、所述影響模型以及所述已變化的組織模型中的任一者或組合。
[0039]本公開還提供一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其中存儲有用于預(yù)測患者的可演變組織模型之由于與影響的交互作用引起的變化的計算機程序，所述計算機程序用步驟編程，所述計算機程序當在計算機上執(zhí)行時包括:
[0040]接收所述組織受到的至少一個影響的至少一組輸入數(shù)據(jù)；
[0041]預(yù)處理所述至少一組輸入數(shù)據(jù)且從中提取所述影響的參數(shù)；
[0042]以預(yù)選格式表示所述影響的所述參數(shù)；以及
[0043]從所述影響的所述經(jīng)表示的參數(shù)產(chǎn)生至少一個影響模型；
[0044]使所述影響模型與組織模型交互作用且在所述交互作用之后更新所述組織模型，以用于示出所述組織模型之由于所述影響引起的變化；以及
[0045]視覺顯示所述已變化的組織模型。
[0046]還提供一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其中存儲有用于產(chǎn)生患者的可演變組織模型且用于預(yù)測患者的可演變組織模型之由于與影響的交互作用引起的變化的計算機程序，所述計算機程序用步驟編程，所述計算機程序當在計算機上執(zhí)行時包括:
[0047]接收患者的組織的至少一組輸入數(shù)據(jù)，所述至少一組輸入數(shù)據(jù)含有可從所述輸入數(shù)據(jù)衍生的所述組織的至少一種組織成分的方向信息；
[0048]以預(yù)選格式表示所述至少一種組織成分的所述方向信息且從中產(chǎn)生反映所述至少一種組織成分的方向性的有向組織圖；
[0049]產(chǎn)生組織模型，其中所述組織模型的至少一個組成部分為所述有向組織圖，以使得所述組織模型反映所述至少一種組織成分的所述方向性，因此當所述組織模型在某一時間段中受到導致組織變化的影響時，所述組織模型在所述時間段中以反映與所述至少一種組織成分的所述方向性交互作用的所述影響的軌跡的方式演變；
[0050]存儲所述組織模型；
[0051]接收所述組織受到的至少一個影響的至少一組輸入數(shù)據(jù)；