專利名稱：使用針設(shè)備在介入期間重新校準(zhǔn)預(yù)先記錄的圖像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括圖像設(shè)備和針設(shè)備的介入系統(tǒng)。此外，本發(fā)明涉及一種將預(yù)先記錄的圖像與感興趣的對(duì)象的實(shí)況圖像進(jìn)行組合的方法。具體而言，本發(fā)明涉及一種用于提供對(duì)預(yù)先記錄的圖像與實(shí)況圖像的疊加進(jìn)行重新校準(zhǔn)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在介入期間，介入醫(yī)師可以使用預(yù)先記錄的圖像和實(shí)況圖像來(lái)將諸如針之類的醫(yī)療設(shè)備導(dǎo)航到預(yù)期的位置。在介入之前，獲取身體的詳細(xì)圖像。這一圖像通常是三維的。這一三維圖像的坐標(biāo)系與在介入期間正使用的手術(shù)臺(tái)和/或醫(yī)療成像儀器的位置相耦合。以這一方式，能夠進(jìn)行在介入期間獲取的實(shí)況圖像與預(yù)先記錄的圖像的疊加。該疊加的精度明顯取決于坐標(biāo)系的精度以及例如手術(shù)臺(tái)和實(shí)況成像儀器的位置的精度。更重要的是，疊加精度還取決于患者的移動(dòng)，例如由于呼吸而引起的移動(dòng)。對(duì)于一些介入，例如一些小尺寸的深層病變的活檢，疊加的精度是不夠的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種對(duì)圖像進(jìn)行組合的介入系統(tǒng)和方法，其中提高了圖像的疊加的精度。總體而言，通過(guò)使用局部組織信息來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這樣的信息可以由所謂的光子針，即包括光纖的針設(shè)備來(lái)提供。該光纖表示一種傳感器，通過(guò)該傳感器，針設(shè)備可以檢測(cè)組織的特征。也可以在要被組合的圖像中檢測(cè)到這樣的特征。因此，本發(fā)明的本質(zhì)特征在于通過(guò)采用針設(shè)備的傳感器檢測(cè)的特征來(lái)重新校準(zhǔn)預(yù)先記錄的圖像的坐標(biāo)系和實(shí)況圖像的坐標(biāo)系，從而將針設(shè)備的傳感器的信息與由實(shí)況圖像和預(yù)先記錄的圖像提供的信息進(jìn)行組合，以提高在預(yù)先記錄的圖像和實(shí)況圖像之間的疊加精度，其中這些特征存在于預(yù)先記錄的圖像中，并且這些特征或多或少地存在于實(shí)況圖像中。為了執(zhí)行疊加配準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)當(dāng)被執(zhí)行疊加的多個(gè)圖像中的每一個(gè)圖像的坐標(biāo)系或地標(biāo)(landmark)進(jìn)行識(shí)別。在一些例子中，實(shí)況圖像將不顯示預(yù)先記錄的圖像的所有細(xì)節(jié)。 這里，針設(shè)備的傳感器提供了與在傳感器位置處的組織有關(guān)的附加信息，其中能夠?qū)λ鲠樤O(shè)備在實(shí)況圖像中的位置進(jìn)行定位。該附加信息將被用來(lái)提供對(duì)在實(shí)況圖像中的坐標(biāo)系或地標(biāo)進(jìn)行更好地識(shí)別，其中該坐標(biāo)系或地標(biāo)在預(yù)先記錄的圖像中也是可識(shí)別的，從而根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以改善疊加的精度。換言之，給定在某一時(shí)刻由針識(shí)別出的特定組織類型，結(jié)合其位置的粗略知識(shí)，可以在預(yù)先記錄(即手術(shù)前)的圖像的坐標(biāo)系中精確地定位被分析的組織體積，這是因?yàn)閺念A(yù)先記錄的圖像中也可以獲得組織信息。給定這一組織體積和針之間的空間關(guān)系，結(jié)合針在實(shí)況圖像中的位置的知識(shí)，也能夠確定該組織體積相對(duì)于實(shí)況圖像的坐標(biāo)系的位置。以這一方式，由于該組織的位置在手術(shù)前的圖像的坐標(biāo)系和實(shí)況圖像的坐標(biāo)系中是已知的，因此能夠完成疊加配準(zhǔn)的重新校準(zhǔn)。相應(yīng)的獨(dú)立權(quán)利要求的主題解決了上述的目標(biāo)。在相應(yīng)的從屬權(quán)利要求中描述了進(jìn)一步的示例性實(shí)施例?？傮w上，根據(jù)本發(fā)明的介入系統(tǒng)包括提供對(duì)象的圖像的成像設(shè)備、針設(shè)備和處理設(shè)備。該針設(shè)備包括用于提供與組織屬性相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的傳感器。處理設(shè)備被配置為利用來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，執(zhí)行對(duì)預(yù)先記錄的圖像和由成像設(shè)備提供的實(shí)況圖像的疊加配準(zhǔn)。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，該介入系統(tǒng)還包括分析設(shè)備，其中分析設(shè)備可以耦合到該傳感器，并且分析設(shè)備被配置為處理來(lái)自該傳感器的數(shù)據(jù)，從而生成關(guān)于組織屬性的信息。針設(shè)備的傳感器可以包括能夠發(fā)射和接收光的光纖。分析設(shè)備可以包括用于光譜的控制臺(tái)(console for spectroscopy)，其中該控制臺(tái)和該光纖可以相互連接。用于光譜的控制臺(tái)可以被配置為提供從由反射率光譜、熒光光譜、自體熒光光譜、 差分路徑長(zhǎng)度光譜、拉曼光譜、光學(xué)相干斷層攝影、光散射光譜和多光子熒光光譜構(gòu)成的組中的一個(gè)而來(lái)的信息。此外，針設(shè)備的傳感器可以包括具有顯微成像能力的元件。這樣的元件可以包括光纖、光纖束、透鏡和驅(qū)動(dòng)模塊。驅(qū)動(dòng)模塊可以同時(shí)移動(dòng)光纖和透鏡二者，或者可以僅移動(dòng)光纖或透鏡。還可以在沒(méi)有驅(qū)動(dòng)模塊的情況下，僅使用光纖束和透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)成像能力。利用這樣的成像能力，可以形成位于針設(shè)備前面的組織的顯微圖像。根據(jù)再一個(gè)實(shí)施例，成像設(shè)備可以是無(wú)創(chuàng)成像模態(tài)(modality)，該無(wú)創(chuàng)成像模態(tài)是由X射線設(shè)備、計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備、磁共振斷層攝影設(shè)備和超聲設(shè)備構(gòu)成的組中的一個(gè)。應(yīng)當(dāng)注意的是，針設(shè)備可以包括能夠由成像設(shè)備可視的結(jié)構(gòu)和材料。換言之，根據(jù)本發(fā)明的集成系統(tǒng)包括無(wú)創(chuàng)成像模態(tài)，其能夠?qū)ι眢w的內(nèi)部進(jìn)行成像；針設(shè)備，其包括傳感器，該傳感器包括至少一個(gè)光纖，該光纖連接到控制臺(tái)，該控制臺(tái)能夠?qū)υ卺樤O(shè)備的尖端的前面或附近的組織進(jìn)行探查。無(wú)創(chuàng)成像模態(tài)能夠?qū)ι眢w內(nèi)部的針設(shè)備進(jìn)行成像，從而允許基于該無(wú)創(chuàng)成像模態(tài)來(lái)粗略引導(dǎo)針設(shè)備。光學(xué)模態(tài)被用于對(duì)針設(shè)備的尖端部分在靶向組織中的位置進(jìn)行精細(xì)定位。優(yōu)選地，光學(xué)信息被配準(zhǔn)到無(wú)創(chuàng)成像模態(tài)的圖像中。優(yōu)選地，在無(wú)創(chuàng)成像模態(tài)允許三維成像的情況下，光學(xué)信息被配準(zhǔn)到圖像的三維坐標(biāo)框架中。應(yīng)當(dāng)注意的是，針設(shè)備一方面可以是活檢針、插管或者套管針，針設(shè)備另一方面可以是適于容納針的導(dǎo)管，例如實(shí)際上通過(guò)該針進(jìn)行活檢。該系統(tǒng)所研究的“組織”可以包括所有類型的活組織或死組織，例如人體組織，特別是上皮組織(例如皮膚的表面和消化道的內(nèi)襯)、結(jié)締組織(例如血液、骨組織)、肌肉組織和神經(jīng)組織(例如腦、脊髓和末梢神經(jīng)系統(tǒng))?！敖M織”還可以包括食物產(chǎn)品、生物材料、 合成材料、流體或粘性物質(zhì)等。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種將預(yù)先記錄的圖像和感興趣的對(duì)象的實(shí)況圖像進(jìn)行組合的方法包括以下步驟進(jìn)行預(yù)先記錄的圖像和實(shí)況圖像的疊加、獲取局部組織信息、利用所獲取的局部組織信息對(duì)圖像的疊加進(jìn)行重新校準(zhǔn)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該方法還可以包括以下步驟接收來(lái)自數(shù)據(jù)庫(kù)的預(yù)先記錄的圖像、以及接收來(lái)自成像設(shè)備的實(shí)況圖像。可以通過(guò)針設(shè)備獲取局部組織信息。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)行疊加的方法步驟可以包括在預(yù)先記錄的圖像中定義坐標(biāo)系以及對(duì)在實(shí)況圖像中的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系進(jìn)行識(shí)別；反之亦然。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，對(duì)疊加進(jìn)行重新校準(zhǔn)的方法步驟可以包括識(shí)別在預(yù)先記錄的圖像中對(duì)應(yīng)于所獲得的信息的結(jié)構(gòu)。可以實(shí)時(shí)處理預(yù)先記錄的圖像、實(shí)況圖像和局部組織信息以計(jì)算疊加中的錯(cuò)誤。本發(fā)明還涉及一種用于處理設(shè)備的計(jì)算機(jī)程序，以使根據(jù)本發(fā)明的方法可以在適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)上執(zhí)行。計(jì)算機(jī)程序優(yōu)選被裝載在數(shù)據(jù)處理器的工作存儲(chǔ)器中。因而，數(shù)據(jù)處理器被配置為執(zhí)行本發(fā)明的方法。此外，本發(fā)明涉及一種諸如CD-Rom之類的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)， 計(jì)算機(jī)程序可以存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中。然而，計(jì)算機(jī)程序還可以存在于類似萬(wàn)維網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)上，并且計(jì)算機(jī)程序能夠從這樣的網(wǎng)絡(luò)下載到數(shù)據(jù)處理器的工作存儲(chǔ)器中。應(yīng)當(dāng)注意的是，已經(jīng)參考不同的主題對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。具體而言，參考了方法類型的權(quán)利要求對(duì)一些實(shí)施例進(jìn)行描述，而參考了裝置類型的權(quán)利要求對(duì)其他實(shí)施例進(jìn)行描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以從上下文的描述中推斷出除非另有說(shuō)明，除了屬于一種類型的主題的特征的任意組合之外，涉及不同主題的特征之間的任意組合也都被認(rèn)為與本申請(qǐng)一起公開(kāi)了。本發(fā)明的上文定義的方面以及其他方面、特征和優(yōu)點(diǎn)也能夠從下文描述的實(shí)施例的示例中得到，并且參考實(shí)施例的示例對(duì)本發(fā)明的上文定義的方面以及其他方面、特征和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了描述。將在下文參考實(shí)施例的示例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例的示例。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的包括傳感器模態(tài)的針設(shè)備。圖2示出了根據(jù)針設(shè)備的示例性實(shí)施例的、包括傳感器的透鏡系統(tǒng)的針設(shè)備的尖端部分的詳細(xì)視圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的介入系統(tǒng)。圖4說(shuō)明了多個(gè)圖像的示例，該多個(gè)圖像的示例示出了對(duì)象中的針設(shè)備，其中該針設(shè)備的尖端與靶向結(jié)構(gòu)具有不同的距離。圖5是對(duì)應(yīng)若干光譜的波長(zhǎng)的第一圖示。圖6是對(duì)應(yīng)若干光譜的波長(zhǎng)的第二圖示。圖7是對(duì)應(yīng)三個(gè)示例性光譜的波長(zhǎng)的圖示。圖8是根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。附圖中的圖示僅僅是示意性的并且不是按照比例的。應(yīng)當(dāng)注意到，在不同的圖中， 類似的元件具有相同的附圖標(biāo)記。
具體實(shí)施例方式如圖1中所說(shuō)明的那樣，針設(shè)備200是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)的一部分，并且該針設(shè)備200包括桿210、位于該桿的尖端部分的斜面、至少一個(gè)光纖230以及保持(holder) 部分四0。例如，桿可以具有150mm的長(zhǎng)度和1. 3mm的直徑。此外，斜面與桿的軸線圍成一個(gè)20°的角。利用所提到的尺寸，旨在為基于光譜學(xué)的組織檢查所用的針提供數(shù)量級(jí)和關(guān)系。在這一實(shí)施例中，光纖230從末端(即斜面的表面)開(kāi)始延伸，穿過(guò)桿210到達(dá)保持部分四0，并且經(jīng)過(guò)保持部分四0的開(kāi)口而穿出針外。此外，在圖1中示意性地說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的元件。該系統(tǒng)包括針設(shè)備 200、光源110、光檢測(cè)器120、處理單元620和監(jiān)視器610。處理單元620能夠控制光源110 以將光發(fā)射到光纖230內(nèi)，使得光經(jīng)過(guò)斜面頂部的光纖230的末端表面發(fā)射到周邊組織內(nèi)。取決于何種類型的組織位于斜面的前面，或多或少的發(fā)射光將在斜面底部的方向上被反射，從而被另一個(gè)光纖接收。經(jīng)過(guò)所述另一個(gè)光纖，光被引導(dǎo)到光檢測(cè)器120，所述光檢測(cè)器被配置為將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這些電信號(hào)將由例如導(dǎo)線發(fā)送到處理單元620。處理單元將處理與電信號(hào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，使得處理過(guò)的數(shù)據(jù)可以顯現(xiàn)在監(jiān)視器610上。基于所述顯現(xiàn)的數(shù)據(jù)，可以診斷出特定類型的組織是否位于針200的尖端部分的前面。應(yīng)當(dāng)注意的是，也可以使用包括多個(gè)光纖的光纖子集來(lái)將光引導(dǎo)到組織中，而使用另一個(gè)光纖子集來(lái)收集從針?biāo)谖恢玫慕M織散發(fā)出的光。入射光與出射光之比被定義為反射率。通過(guò)使用白光照射該組織，并且通過(guò)光譜解析所檢測(cè)的光，能夠獲得該組織的反射率光譜。由于組織的不同分子構(gòu)成，因此不同類型的組織的反射率光譜通常不同。作為測(cè)量這些光譜的結(jié)果，可以識(shí)別彼此不同的組織。事實(shí)上，光學(xué)方法僅具有有限的穿透深度 (成像深度僅為若干毫米到若干厘米)，在沒(méi)有無(wú)創(chuàng)模態(tài)指導(dǎo)的情況下，引導(dǎo)針或插管是困難的，這是因?yàn)闆](méi)有針或插管在空間中的概況(overview)。通過(guò)適當(dāng)?shù)奶卣魈崛?，可以使用關(guān)于組織的這一信息來(lái)將組織分類為不同的組織類型。使用這一信息能夠?qū)⑨樳m當(dāng)?shù)胤胖迷谏眢w內(nèi)的正確位置處。圖2是針設(shè)備的示例性實(shí)施例的示意性橫截面圖，根據(jù)這一實(shí)施例，使用具有透鏡250和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沈0、270的透鏡系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器220。為了具有緊湊的透鏡系統(tǒng)，應(yīng)用了非球面表面的透鏡250。通過(guò)使用適當(dāng)?shù)木酆衔镏谱魍哥R250，緊湊的透鏡系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)為適合批量生產(chǎn)。優(yōu)選地，聚合物應(yīng)當(dāng)為低密度的聚合物，以便提供容易進(jìn)行位移的透鏡系統(tǒng)。透鏡系統(tǒng)被放置在與光纖230的光學(xué)出口相距的距離為L(zhǎng)的位置處，所述距離L 由底座(mount) 240來(lái)限定。該距離(L)明顯大于光纖230的芯直徑。透鏡系統(tǒng)可以與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一起被部分安裝在針設(shè)備的桿210中，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括具有與磁體260協(xié)同操作的線圈270的機(jī)電電機(jī)系統(tǒng)，該磁體機(jī)械附著到光纖230，從而在光纖230和透鏡250隨著電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)執(zhí)行掃描，其中可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)光纖或者同時(shí)驅(qū)動(dòng)光纖和透鏡二者。在這一示例性實(shí)施例中，如圖2中清楚所示，透鏡250是在平薄的出射窗玻璃板 280前面的單個(gè)平板非球面透鏡。該非球面透鏡由PMMA制成，并且具有0. 82mm的入射光瞳直徑。數(shù)值孔徑(NA)為0.67，并且焦距(在空氣中測(cè)量的)為0.678mm。透鏡系統(tǒng)對(duì)于 780nm的波長(zhǎng)是最優(yōu)化的。出射窗280是平坦的并且不具有光功率。應(yīng)當(dāng)注意，物鏡250的自由工作距離必須大于出射窗280的厚度。物鏡250將在出射窗的前面被掃描。出射窗必須具有一定的厚度以變得堅(jiān)固。通常，這一厚度大于0.1mm。該實(shí)施例是特別(但非唯一地)有利于獲得改進(jìn)的光學(xué)傳感器，特別適合微型應(yīng)用，例如適于活體內(nèi)的醫(yī)療應(yīng)用。通過(guò)將透鏡系統(tǒng)穩(wěn)固地附著或安裝在光纖上，光學(xué)傳感器的視場(chǎng)可以直接由光纖的橫向行程確定。因此僅需要相對(duì)小的行程。因而，該視場(chǎng)實(shí)際上不再被該行程限制。因?yàn)橥哥R系統(tǒng)本身僅僅被用于靠近光軸進(jìn)行成像(即，小視場(chǎng))，因此它允許更加簡(jiǎn)單(即，不復(fù)雜并且因而較少的透鏡元件)的光學(xué)設(shè)計(jì)，這種光學(xué)設(shè)計(jì)便于生產(chǎn)同時(shí)仍然具有高的圖像分辨率。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提到的是，因?yàn)橥哥R系統(tǒng)可移置地安裝在尾部光纖上，所以該光學(xué)傳感器特別適合相對(duì)簡(jiǎn)單并且大規(guī)模的生產(chǎn)。從實(shí)用的角度來(lái)看，這可以減小在生產(chǎn)期間所需的精度，這反過(guò)來(lái)又降低了每個(gè)探針的單價(jià)。這尤其重要，這是因?yàn)橛捎谛l(wèi)生要求，具有嵌入式光學(xué)傳感器的內(nèi)窺鏡、導(dǎo)管或針通常在單次使用之后被處理掉。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的介入系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括細(xì)長(zhǎng)的針設(shè)備200、 位于針設(shè)備的尖端部分的傳感器220、用于輔助粗略引導(dǎo)的成像設(shè)備500、用于輔助精細(xì)引導(dǎo)的分析設(shè)備100、以及計(jì)算設(shè)備600。分析設(shè)備包括光源110和作為光檢測(cè)器120的光譜儀。成像設(shè)備500包括輻射源510和檢測(cè)器陣列520。計(jì)算設(shè)備包括用于處理來(lái)自成像設(shè)備500和來(lái)自分析設(shè)備100的信號(hào)的處理單元620，并且還包括監(jiān)視器610，該監(jiān)視器610 對(duì)用于輔助引導(dǎo)身體內(nèi)的活檢設(shè)備的信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如在圖3中說(shuō)明的，介入系統(tǒng)包括圖像引導(dǎo)的基于X射線的針引導(dǎo)系統(tǒng)500和包括傳感器(即光纖)的針設(shè)備200，其中傳感器與分析設(shè)備100連接。圖像引導(dǎo)的針導(dǎo)航系統(tǒng)提供了集成的2D/3D病變成像以及交互式的圖像引導(dǎo)的針前進(jìn)監(jiān)測(cè)，所有這些被耦合到由針獲得的光學(xué)信息中，其中X射線系統(tǒng)500提供了粗略引導(dǎo)，而從分析設(shè)備100接收的光學(xué)信息提供了去往設(shè)備位置的最終精細(xì)引導(dǎo)。通過(guò)將2D熒光鏡圖像重疊在3D組織重建上，系統(tǒng)能夠交互地從切口開(kāi)始跟蹤針設(shè)備直到靶向點(diǎn)，并且系統(tǒng)提供在沿著被配準(zhǔn)到患者體內(nèi)位置上的針軌跡的每個(gè)點(diǎn)上的分子組織信息?？梢詫?duì)沿著針軌跡的區(qū)域進(jìn)行掃描(前向掃描和邊掃描)，以便以分子級(jí)別提供關(guān)于病變存在的指示。優(yōu)選地，在對(duì)針前面的組織進(jìn)行重建時(shí)，主動(dòng)地將X射線數(shù)據(jù)和針的位置信息用于對(duì)針前面的組織的光學(xué)重建中。例如，將從針掃描推斷出的腫瘤邊界與從X射線推斷出的腫瘤邊界進(jìn)行比較。X射線信息給出了腫瘤形狀的估計(jì)，但是無(wú)法確定準(zhǔn)確的邊界。光子針給出了腫瘤邊界的詳細(xì)信息，但是這一信息是僅沿著針軌跡獲得的。將腫瘤的X射線形狀與針的一維信息進(jìn)行組合，可以計(jì)算出3D腫瘤尺寸的新估計(jì)。新推斷的放大的邊界將是腫瘤邊界的更好估計(jì)。X 射線和光子針信息還被耦合到相同區(qū)域的MRI圖像(MR數(shù)據(jù)集可以與X光機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集配準(zhǔn))。例如，還可以使用配備有光纖的針設(shè)備來(lái)確定定位導(dǎo)絲的位置。該定位導(dǎo)絲包括固定模塊并且還可以配備有光纖。使來(lái)自針設(shè)備處的傳感器的信息可用于本發(fā)明的另一個(gè)方面在于當(dāng)關(guān)于周邊形態(tài)的信息都未知時(shí)，將所測(cè)量的光學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為組織類型是困難的。因此，進(jìn)行組織定征的決定對(duì)將來(lái)自無(wú)創(chuàng)成像系統(tǒng)的形態(tài)信息作為輸入進(jìn)行了改善。因此優(yōu)選地，首先將光學(xué)數(shù)據(jù)與無(wú)創(chuàng)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，然后光學(xué)信息與來(lái)自無(wú)創(chuàng)成像形態(tài)的針周?chē)男螒B(tài)信息一起被用于將所測(cè)量的光學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為該針前面或附近的組織類型。例如，當(dāng)針處于軟組織中時(shí)，骨結(jié)構(gòu)是否在附近都可以影響光學(xué)信息?？紤]這一點(diǎn)，更可靠的組織定征是可能的。為了證明本發(fā)明，將描述一種實(shí)驗(yàn)性的針介入。人體模型(即進(jìn)行活檢的對(duì)象)被放置在例如C型臂床上，并且針被安裝在使針沿軸向移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)(最小的步為0. 25 微米)上。使用光纖將針連接到分光儀上。至少一個(gè)光纖檢測(cè)從組織上反射的光，因此該至少一個(gè)光纖是光學(xué)元件。針介入包括獲取X射線和熒光鏡X射線圖像，并且此外，光反射率光譜由包含光纖的針來(lái)測(cè)量，其中該光纖耦合到與X射線系統(tǒng)連接的控制臺(tái)。在C型臂圍繞對(duì)象旋轉(zhuǎn)一周之后，可以利用包括針的位置的X射線信息來(lái)生成對(duì)象的3D重建。此外，針的前進(jìn)可以在熒光鏡X射線成像下進(jìn)行。并行地，針獲取組織信息。圖4示出了在監(jiān)視器上顯示以輔助引導(dǎo)針設(shè)備的三個(gè)圖示。每個(gè)圖示主要是X射線設(shè)備的圖像，該圖像在左上角增加了由分析設(shè)備基于來(lái)自針的組織信息所獲得的光譜的圖示。X射線設(shè)備的熒光鏡圖像允許確定針相對(duì)于人體模型(陰影)的相對(duì)位置(從每個(gè)圖示的中間到右上角的細(xì)長(zhǎng)黑線)，而光譜信息清楚地示出了當(dāng)接近小管(從左上到右下的黑色分辨線)時(shí)的情形。它允許針的定位在100微米的精度之內(nèi)。雖然在一個(gè)組合的圖像中示例性地示出了 X射線圖像的信息和光學(xué)信息，但是還存在多種其它的方式來(lái)呈現(xiàn)組合的信息，例如使用顏色。作為一個(gè)示例，考慮一種需要詳細(xì)的預(yù)先記錄的圖像的結(jié)構(gòu)。相同的結(jié)構(gòu)由成像設(shè)備(例如熒光鏡X射線成像)進(jìn)行實(shí)況成像。這提供了較不詳細(xì)的圖像，并且預(yù)先記錄的圖像與該圖像的對(duì)準(zhǔn)是以有限的精度完成的。通過(guò)使用光學(xué)數(shù)據(jù)(參見(jiàn)圖4中的插入物)， 能夠以更高的精度來(lái)確定針相對(duì)于相關(guān)特征的位置。現(xiàn)在可以基于來(lái)自針設(shè)備的信息，以更高的精度完成將新獲得的圖像與預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)集的配準(zhǔn)。使用來(lái)自針設(shè)備處的傳感器的信息還提供了以下的可能性，即在沒(méi)有實(shí)況引導(dǎo)的情況下僅僅基于預(yù)先記錄的圖像而立即開(kāi)始進(jìn)針。通過(guò)由光子針使用局部組織信息，醫(yī)師可以判斷針在預(yù)先記錄的圖像中的大致位置。圖5到圖7示出了在針介入期間對(duì)應(yīng)于針在組織中的不同位置所獲取的光譜的示例。光譜數(shù)越高，針在組織中越深入。在圖5和圖6中，可以清楚觀察到當(dāng)從一種組織類型到另一種組織類型的過(guò)渡 (transition) 0在圖7中，舉例說(shuō)明了對(duì)應(yīng)于三個(gè)不同位置的光譜。在這一示例中，過(guò)渡是清楚的，并且光譜也足夠不同以辨別該過(guò)渡。這些例如軟組織過(guò)渡在X射線圖像中是不可見(jiàn)的。因此，將X射線圖像與預(yù)先記錄的例如MRI圖像鏈接在一起示出了這些軟組織過(guò)渡， 可以不使用這些地標(biāo)。利用光學(xué)信息，現(xiàn)在這成為可能。圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明將預(yù)先記錄的圖像與感興趣的對(duì)象的實(shí)況圖像進(jìn)行組合的方法的步驟的流程圖。應(yīng)當(dāng)理解的是，關(guān)于該方法所描述的步驟是主要步驟，其中這些主要步驟可能被分化或分為多個(gè)子步驟。此外，還可能在這些主要步驟之間存在子步驟。因此，僅如果子步驟對(duì)于理解根據(jù)本發(fā)明的方法的原理是重要的，則將提及該子步驟。在根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟Sl中，對(duì)患者的感興趣區(qū)域的預(yù)先記錄的圖像進(jìn)行測(cè)量，并且記錄坐標(biāo)系。在步驟S2中，執(zhí)行使用實(shí)況成像的介入。在步驟S3中，進(jìn)行預(yù)先記錄的圖像與實(shí)況圖像的疊加。進(jìn)行疊加可以包括以下子步驟特征檢測(cè)步驟，在該步驟中，手動(dòng)檢測(cè)或優(yōu)選自動(dòng)檢測(cè)顯著并且獨(dú)特的對(duì)象(邊界閉合的區(qū)域、邊緣、輪廓、線交叉點(diǎn)、角落等)。為了進(jìn)一步的處理，這些特征由它們的代表點(diǎn)(重心、線端點(diǎn)、特殊點(diǎn))來(lái)表示，所述代表點(diǎn)被稱為控制點(diǎn)。特征匹配步驟，在該步驟中，建立在實(shí)況圖像中檢測(cè)的特征與在預(yù)先記錄的圖像中檢測(cè)的特征之間的對(duì)應(yīng)性。出于該目的，使用了各種特征描述符以及特征之間的相似性測(cè)度和空間關(guān)系。轉(zhuǎn)換模型估計(jì)步驟，在該步驟中，估計(jì)所謂的映射函數(shù)的類型和參數(shù)，所謂的映射函數(shù)將實(shí)況圖像和預(yù)先記錄的圖像進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。映射函數(shù)的參數(shù)通過(guò)建立的特征對(duì)應(yīng)性來(lái)計(jì)
笪弁。圖像再采樣和轉(zhuǎn)換步驟，在該步驟中，通過(guò)映射函數(shù)來(lái)轉(zhuǎn)換實(shí)況圖像。利用適當(dāng)?shù)牟逯导夹g(shù)來(lái)計(jì)算在非整數(shù)的坐標(biāo)中的圖像值。在根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟S4中，從光子針獲取作為獨(dú)特特征的局部組織信息。在步驟S5，在預(yù)先記錄的圖像中由疊加精度定義的范圍(sphere)內(nèi)將實(shí)況圖像中與由光子針提供的信息對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)識(shí)別為組織類型之間的邊界或血管或其他結(jié)構(gòu)。在步驟S6，以在預(yù)先記錄的圖像中光子針?biāo)鶛z測(cè)的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確地位于針的尖端的方式(顯然，針的尖端在實(shí)況圖像中是可見(jiàn)的)，對(duì)預(yù)先記錄的圖像相對(duì)于實(shí)況圖像的坐標(biāo)系進(jìn)行重新校準(zhǔn)。盡管在附圖和前面的說(shuō)明書(shū)中已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明和描述了本發(fā)明，但是這樣的說(shuō)明和描述應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是說(shuō)明性或示例性的，而不是限制性的；本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的實(shí)施例。在通過(guò)對(duì)附圖、公開(kāi)內(nèi)容和所附權(quán)利要求的研究而實(shí)踐所要求保護(hù)的發(fā)明時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解和實(shí)現(xiàn)已公開(kāi)實(shí)施例的其他變型。在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”并不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一個(gè)”或“一種”并不排除多個(gè)或多種。單個(gè)處理器或其他單元可以實(shí)現(xiàn)在權(quán)利要求中記載的多項(xiàng)功能。在相互不同的從屬權(quán)利要求中記載了某些手段這一事實(shí)并不表示這些手段的組合不可以被使用以便獲得優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)程序可以被存儲(chǔ)/分布在諸如光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì)等適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)(該適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)與其他硬件一起被供應(yīng)或者該適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)作為其他硬件的一部分而供應(yīng))上，但是計(jì)算機(jī)程序也可以以諸如經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)或者其他有線或無(wú)線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)等其他形式而分布。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被理解為對(duì)保護(hù)范圍的限制。附圖標(biāo)記列表
100分析設(shè)備
110光源
120光檢測(cè)器
200針設(shè)備
210桿
220傳感器
230光纖
240底座
250透鏡
260磁體
270線圈
280窗
290保持部分
500成像設(shè)備
510輻射源
520檢測(cè)器陣列
600處理設(shè)備
610監(jiān)視器
620處理單元
權(quán)利要求
1.一種介入系統(tǒng)，包括成像設(shè)備(500)，其提供對(duì)象的實(shí)況圖像；針設(shè)備Q00)；處理設(shè)備(600)，其中所述針設(shè)備(200)包括用于提供與組織屬性相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的傳感器020)，其中所述處理設(shè)備(600)被配置為利用來(lái)自所述傳感器O20)的所述數(shù)據(jù)，執(zhí)行預(yù)先記錄的圖像與所述實(shí)況圖像的疊加配準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介入系統(tǒng)，還包括 分析設(shè)備(100)，其中所述分析設(shè)備耦合到所述傳感器020)，并且被配置為處理來(lái)自所述傳感器的所述數(shù)據(jù)，從而生成關(guān)于組織屬性的信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介入系統(tǒng)，其中，所述針設(shè)備(200)的所述傳感器(220)包括能夠發(fā)射和接收光的光纖030)，并且其中，所述分析設(shè)備(100)包括用于光譜的控制臺(tái)， 其中所述控制臺(tái)和所述光纖相互連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介入系統(tǒng)，其中，所述用于光譜的控制臺(tái)(100)被配置為提供從由反射率光譜、熒光光譜、自體熒光光譜、差分路徑長(zhǎng)度光譜、拉曼光< 譜、光學(xué)相干斷層攝影、光散射光譜和多光子熒光光譜構(gòu)成的組中的一個(gè)而來(lái)的信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介入系統(tǒng)，其中，所述針設(shè)備(200)的所述傳感器(220)包括具有顯微成像能力的元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介入系統(tǒng)，其中，所述成像設(shè)備(500)是無(wú)創(chuàng)成像模態(tài)，所述無(wú)創(chuàng)成像模態(tài)是由X射線設(shè)備、計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備、磁共振斷層攝影設(shè)備和超聲設(shè)備構(gòu)成的組中的一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介入系統(tǒng)，其中，所述針設(shè)備(200)包括能夠由所述成像設(shè)備 (500)可視的結(jié)構(gòu)和材料。
8.一種將預(yù)先記錄的圖像與感興趣的對(duì)象的實(shí)況圖像進(jìn)行組合的方法，所述方法包括以下步驟進(jìn)行所述預(yù)先記錄的圖像與所述實(shí)況圖像的疊加；獲取局部組織信息；利用所獲取的局部組織信息來(lái)對(duì)圖像的疊加進(jìn)行重新校準(zhǔn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括以下步驟接收來(lái)自數(shù)據(jù)庫(kù)的所述預(yù)先記錄的圖像，以及接收來(lái)自成像設(shè)備的所述實(shí)況圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，通過(guò)針設(shè)備來(lái)獲取所述局部組織信息。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，進(jìn)行疊加的步驟包括在所述預(yù)先記錄的圖像中定義坐標(biāo)系，并且在所述實(shí)況圖像中定義對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，對(duì)所述疊加進(jìn)行重新校準(zhǔn)的步驟包括識(shí)別在所述實(shí)況圖像中的對(duì)應(yīng)于所獲取的組織信息的特征。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述預(yù)先記錄的圖像、所述實(shí)況圖像和所述局部組織信息被實(shí)時(shí)處理以計(jì)算所述疊加中的錯(cuò)誤。
14.一種將將預(yù)先記錄的圖像與感興趣的對(duì)象的實(shí)況圖像進(jìn)行組合的計(jì)算機(jī)程序，其中，當(dāng)在處理設(shè)備的處理器上執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)，所述計(jì)算機(jī)程序使所述處理設(shè)備執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法的步驟。
全文摘要
提出了在介入期間利用介入系統(tǒng)重新校準(zhǔn)預(yù)先記錄的圖像，所述介入系統(tǒng)包括提供對(duì)象的圖像的成像設(shè)備、針設(shè)備和處理設(shè)備。該針設(shè)備包括用于提供與組織屬性相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的傳感器。處理設(shè)備被配置為利用來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，執(zhí)行對(duì)預(yù)先記錄圖像和由成像設(shè)備提供的實(shí)況圖像的疊加配準(zhǔn)。因而，提高了圖像的疊加的精度。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102448366SQ201080022939
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月28日
發(fā)明者A·E·德雅爾丹, B·H·W·亨德里克斯, L·P·巴克 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司