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CN102316799A - 在医学程序中跟踪和绘图的方法和系统 - Google Patents

在医学程序中跟踪和绘图的方法和系统 Download PDF

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CN102316799A CN2010800072688A CN201080007268A CN102316799A CN 102316799 A CN102316799 A CN 102316799A CN 2010800072688 A CN2010800072688 A CN 2010800072688A CN 201080007268 A CN201080007268 A CN 201080007268A CN 102316799 A CN102316799 A CN 102316799A
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Abstract

一种用于患者的靶标解剖体的跟踪系统可包括:医学装置,其具有整体连接于其上并能定位在靶标解剖体内的磁源(299);多个光学原子磁力计(OAM)传感器(210),其用于探测来自磁源的磁场;以及处理器(120),其用于基于与所探测磁场相关联的一个或多个参数确定医学装置的位置。其他实施例可以包括连接磁源与医学装置并且使得OAM传感器可定位在靶标解剖体附近。

Description

在医学程序中跟踪和绘图的方法和系统
本申请涉及治疗领域,尤其涉及用于医学程序的跟踪和绘图(mapping)并且将具体参考其加以描述。
已经提出了各种技术和系统来提高基于来自3D成像形式的测量将器械放置(例如,导管放置)到组织内的精度。这些成像形式试图相对于治疗靶标组织(诸如MRI探测的靶标组织)来定位针体进入装置。这些成像形式生成成像数据,成像数据被用于在治疗期间确定针体的适当定位,其中,针体通常被放置在引导装置中并且被移动到组织内。
在许多情况下,仅基于这一成像数据信息来递送医学装置,而确认最终医学装置相对于靶标的位置则需要获取第二组图像。在组织硬度变化非常大的情况下,医学装置可能偏离预期的路径。类似地,医学装置可能使组织本身变形并由此将靶标组织移动到新位置,从而原始定靶坐标变得不再准确。
因此,需要一种用于在医学程序期间将手术装置精确地放置到靶标解剖体中的技术和系统。还需要一种用于准确地绘制靶标解剖体的技术和系统。
提供这一概要以满足美国法规37C.F.R.§1.73的规定,该法条要求简要指出发明的特性和主旨的发明概要。虽然提交这一概要,但应理解它并不被用于解释或限制权利要求的范围或含义。
根据示范性实施例的一个方面,一种在医学程序中进行跟踪的方法可以包括:提供医学装置,其具有整体连接于其上的至少一个光学原子磁力计(OAM)传感器;将所述医学装置定位在患者的靶标解剖体内;将磁场施加到所述靶标解剖体;利用OAM传感器探测所述磁场;以及基于与所探测的磁场相关联的一个或多个参数确定所述医学装置的位置。
根据示范性实施例的另一方面,一种计算机可读存储介质可以包括:存储于其中的计算机可执行代码,其中,所述计算机可执行代码被配置成令设置有所述计算机可读存储介质的计算装置基于与施加到靶标解剖体并且利用光学原子磁力计(OAM)传感器探测的磁场相关联的一个或多个参数确定医学装置在患者的靶标解剖体内的位置。
根据示范性实施例的另一方面,一种用于患者的靶标解剖体的跟踪系统可以包括:医学装置,其具有整体连接于其上并且可定位在所述靶标解剖体内的磁源;多个光学原子磁力计(OAM)传感器,其用于探测来自所述磁源的磁场;以及处理器,其用于基于与所探测的磁场相关的一个或多个参数确定所述医学装置的位置。
根据示范性实施例的另一方面,提供了一种绘图方法,其包括:将磁性粒子引入患者体内;提供医学装置,所述医学装置具有整体连接于其上的至少一个光学原子磁力计(OAM)传感器;将所述医学装置定位在所述患者的靶标解剖体(105)附近;利用所述OAM传感器探测所述磁性粒子的磁场;以及基于与所探测的磁场相关联的一个或多个参数对所述靶标解剖体绘图。
本文描述的这些示范性实施例相比同等现有系统和方法具有许多优点,包括手术装置放置的精确性。另外,可以通过翻新现有手术装置而利用本文描述的这些系统和方法。通过阅读和理解以下详细描述,更多的优点和好处对于本领域技术人员来说将变得显而易见。
本领域技术人员通过说明书、附图和权利要求书将认识到并理解本公开的上述及其他特征和优点。
图1是根据一个示范性实施例用在医学成像中的跟踪系统的示意图;
图2是根据另一示范性实施例的另一跟踪系统的示意图;
图3是用于图1和图2中的跟踪系统的手术装置的示意图;
图4是用于图1和图2中的跟踪系统的另一手术装置的示意图;以及
图5是能够由图1-4中的系统和装置使用以在医学程序过程中执行跟踪和/或绘图的方法。
本公开的示范性实施例是针对将在人体手术过程中使用的用于手术或其他医学装置的光学原子磁力计(OAM)跟踪系统进行描述的。本领域技术人员应该理解,本公开的示范性实施例能够被应用于并且结合使用各种类型的医学或手术装置、各种类型的程序和人类或动物身体的各个部分。该示范性实施例还可以被用于利用手术装置,诸如插入到靶标解剖体内或其附近的导管或针体,来对靶标解剖体中或周围的电磁活化进行绘图。该示范性实施例在此被描述为结合成像利用OAM跟踪,但是本公开预期在没有成像模态的情况下使用手术装置的OAM跟踪。本公开的示范性实施例的方法和系统的用途可以被调适为应用于靶标解剖体中的其他类型的跟踪和/或绘图。
参考图1,其示出跟踪系统100,其能够具有诸如导管和针的手术装置198,并且其上连接有光学原子磁力计(OAM)传感器199。OAM传感器199可以沿着手术装置198的各个部分定位,诸如定位在手术装置的尖端处。虽然示范性实施例显示了单个OAM传感器199,但本公开预期使用任意数量的OAM传感器,这些OAM传感器可以沿着手术装置198呈各种结构。手术装置198可以被用在靶标解剖体105中。
OAM传感器199可以是能够探测磁场145(诸如由磁场发生器140生成的磁场)的高灵敏度磁力计。传感器199可以利用对自旋极化原子在磁场中的Larmor进动的测量,以便实现对包括极低强度的磁场的磁场探测。例如,碱金属原子在它们的外壳中具有不成对的电子,该电子的自旋在外磁场中快速进动。共振或泵送激光束可以通过原子蒸汽室来施加以确定原子自旋的方向,并且探测激光束可以被施加并穿过该蒸汽以探测自旋如何与磁场相互作用(例如探测它们的极化,其随着磁场而变化)。在一个实施例中,OAM传感器199可以利用极化的碱金属蒸汽(例如钾、铷和/或铯)。
OAM传感器199可以可操作地连接到OAM控制器111。OAM控制器111可以包括激光源和/或测量单元。例如,控制器111可以通过光纤线或其他连接向OAM传感器198提供第一激光能量(共振或泵送激光)和第二激光能量(探头激光)。控制器111可以与诸如计算机工作站的处理器120通信,并且可以传送磁场数据如强度和方向给处理器。在一个实施例中,控制器111可以处理强度和方向数据,并且可以提供测量信息给处理器120。在另一实施例中,控制器111可以发送原始数据给处理器120,然后该处理器分析原始数据以确定OAM传感器199相对于靶标解剖体105的位置。
在一个实施例中,场发生器140可以产生施加到靶标解剖体105的空间依赖静磁场或动磁场。场发生器140可以被定位在靶标解剖体105附近,诸如床170或用于患者的其他支撑结构之下,但是本发明也预期场发生器的各种位置。由于靶标解剖体内的磁场被空间编码,由OAM传感器199对场强度和场方向的探测允许传感器和手术装置198的空间确定。
在一个实施例中,跟踪系统100可以结合使用或可以包括成像模态150,诸如高分辨率成像模态,其包括x射线扫描器155。例如,靶标解剖体105(包括手术装置198和周围区域(例如组织、器官、脉管等))的高分辨率图像可以由扫描器155生成并且被存储在图像存储器中。该图像存储器可以被合并到工作站120中和/或可以是独立的存储器和/或处理装置。为了图示说明的目的,图1中示出C形臂x射线扫描装置155,但是本公开预期使用各种成像装置,包括封闭装置、开放MRI等。本公开预期单独地或组合地使用各种成像模态,包括MRI、超声装置、X射线装置、CT等。本公开还预期成像模态150是被依赖用于收集图像的独立系统,该图像包括术前图像和/或术中图像。计算机工作站120可以利用来自传感器199的OAM数据以便配准成像模态150的磁空间和成像空间。
然后磁空间与成像空间的最终配准可以在手术中用于跟踪包括(一个或多个)OAM传感器199的手术装置198。该配准可以被用于将手术装置传感器199的OAM测量从磁性参照系转换到图像参照系,这可以由显示装置130显示。在一个实施例中,通过使用OAM跟踪和成像来显示手术装置198可以是实时的。在另一实施例中,系统100可以在用户不介入的情况下将传感器199的OAM测量配准到图像参考系。在另一实施例中,系统100能够诸如通过使用显示器130以绘图形式显示定位成覆盖或叠加到图像上的被测量OAM。在一个实施例中,用户可以接收、拒绝或将位置的被配准OAM测量编辑成精确配准,然后用手术程序进行处理。
本公开预期在手术装置198的OAM跟踪之外使用其他技术。例如,示范性实施例可以使用用于定位的图像相关或处理算法。例如,图像相关算法可以利用出现在图像中并且具有已知位置的一个或多个特征,诸如手术装置198的一些部分。
在一个实施例中,跟踪系统100还可以包括一个或多个基准标记,其可以被安装或定位在靶标解剖体105附近,诸如在患者身体之外。每个标记可以包括传感器单元,诸如OAM传感器199,其与处理器120通信。在一个实施例中,基准标记可以包括在成像期间可见的材料。手术装置198的OAM传感器199和基准标记可以基于磁场145的探测向处理器120提供位置和方向信息,并且可以便于手术装置198的配准和跟踪处理。
参考图2,其示出了跟踪系统的另一示范性实施例并且总体由参考数字200表示。跟踪系统200可以包括关于跟踪系统100描述的一个或多个组件,其包括处理器120。跟踪系统200可以包括在其上具有磁源或场发生器299的手术装置298。类似于上述的手术装置198,手术装置198可以在医学成像期间被定位在靶标解剖体105中并且利用OAM技术进行跟踪。
OAM传感器210可以被放置在患者身体上靠近靶标解剖体105。OAM传感器210的具体数目和构型可以改变。OAM传感器210能够可操作地连接到用于接收第一激光能量(共振或泵送激光)和第二激光能量(探头激光)的OAM控制器111,以便探测由手术装置298的磁源299生成的磁场的强度和方向。在一个实施例中,磁源299能够可操作地连接到磁场驱动器211,但是本公开预期利用各种技术来生成磁场,包括设置在手术装置298上的永磁体、沿着手术装置设置的馈电线圈等。类似于跟踪系统100,可以利用成像模态150以方便跟踪程序,包括配准磁空间和成像空间,但是本公开预期仅利用OAM空间来跟踪手术装置298。
参考图3,其示出一种手术装置398,其可以结合跟踪系统100和200中的任一个来使用。手术装置398包括感测组件399,该感测组件在手术装置结合跟踪系统100使用时可以是OAM传感器,或者在手术装置结合跟踪系统200使用时可以是磁源。感测组件399的具体定位可以变化,包括靠近手术装置398的尖端。诸如光纤的传输线可以被连接到感测组件399以便在手术装置结合跟踪系统100使用时使感测组件与OAM控制器通信或者在手术装置结合跟踪系统200使用时使感测组件与磁场驱动器通信。手术装置398的具体类型可以变化,包括导管、针等,并且不限于此。
参考图4,其示出第一和第二手术装置400和498,其能够结合跟踪系统100和200中的任一个来使用。手术装置400和498包括感测组件401和499,这些感测组件在手术装置结合跟踪系统100使用时可以是OAM传感器,或者在手术装置结合跟踪系统200使用时可以是磁源。感测组件401和499的具体定位可以变化,包括靠近手术装置400和498的尖端。
诸如光纤的传输线410和495可以被连接到感测组件401和499以便在手术装置结合跟踪系统100使用时使感测组件与OAM控制器通信或者在手术装置结合跟踪系统200使用时使感测组件与磁场驱动器通信。在一个实施例中,第一手术装置400可以是导管,其允许穿过其中定位第二手术装置498(诸如针)。跟踪系统100和/或200可以允许用户在手术期间跟踪手术装置400和498的定位,包括相对于彼此的定位。
在一个实施例中,诸如导管400的手术装置可以具有成像带405或其他识别区域。该带405可以由允许它在靶标解剖体的成像过程中可见的材料制成,并且具有一定尺寸和形状。该特定类型的材料以及其尺寸和形状可以基于多个因素,包括将被使用的成像类型以及被成像的靶标解剖体。例如,该带405可以包括掺杂钆的材料,其中成像模态是磁共振成像。作为另一范例,该带405可以包括具有足够密度的塑料或骨类物质以提供X射线衰减,其中成像模态是计算机断层摄影或X射线成像。在一个实施例中,该带405可以被定位在OAM传感器或磁源附近。该带405在成像过程中可以是可见的,其有利于磁空间和成像空间之间的各种配准技术,包括点对点配准。
参考图5,其示出了在医学程序中进行OAM跟踪的方法500。方法500可以被各种类型的医学治疗采用,其中定位医学装置是该程序的期望的标准。在步骤502中,来自诸如外部场发生器或内部磁源的空间编码磁场可以被施加到靶标解剖体。在步骤504中,可以利用一个或多个OAM传感器来探测生成的磁场并且确定生成的磁场的强度和方向。
在步骤506中,可以基于由(一个或多个)OAM传感器获得的强度/方向数据来确定手术装置的位置。例如,OAM传感器可以加接到手术装置上并且其位置可以基于磁场在该位置处的一个或多个参数来探测。作为另一个范例,OAM传感器可以被定位在患者体外并且可以基于位于手术装置上的磁源生成的磁场确定手术装置的位置。在步骤508中,可以利用OAM数据来执行医学成像,分析该OAM数据以确定手术装置的位置和/或方向并因此在整个医学程序过程中跟踪手术装置。
在一个实施例中,在步骤510中,可以获得关于靶标解剖体的成像数据,并且OAM空间可以与成像空间配准。可以利用各种配准技术,包括点对点配准。可以利用基准标记、手术装置的可见部分等来方便配准处理。在步骤512中,源自OAM技术的手术装置的位置信息可以被叠加到图像上以提供手术装置相对于靶标解剖体的视觉表示。
在一个实施例中,一个或多个其他OAM传感器可以以梯度测量配置被定位距离磁源的一定距离处以探测任何干扰磁场。然后所探测的干扰场可以与在靶标解剖体105中探测的磁场作对比以消除干扰并提供对场强度和场方向的更准确确定。在另一实施例中,手术装置及与其连接的OAM传感器可以利用局部磁场(地磁场)作为磁源,而不需要场发生器。在一个实施例中,可以将金属场失真校正或补偿应用于OAM数据。
在一个实施例中,手术装置和连接其上的OAM传感器可以对在靶标解剖体内生成的磁场进行绘图。例如,可以利用具有OAM传感器的手术装置进入神经中枢的或心脏的靶标解剖体,并且可以测量其中的磁场和梯度。
OAM传感器的灵敏度可能变化并且可能在皮特斯拉(picotesla)或更低的范围内。在一个实施例中,可以结合具有低噪声的区域(例如EM静测量室)使用探测在皮特斯拉范围内的磁场的传感器。
在另一实施例中,可以利用OAM传感器来跟踪身体内的磁性物质。例如,磁性纳米粒子可以被引入到身体内,这些粒子能够附连到靶标区域,例如特定的细胞或身体部位。然后OAM传感器可以被用于确定磁性纳米粒子的位置并对靶标区域进行绘图。
在一个实施例中,温控机构可以具有OAM传感器以保持光敏蒸汽处于蒸汽状态。例如,可以利用大约100℃的温度,但是该温度可以根据所使用的蒸汽而变化。在升高的温度下,如果被加热的蒸汽舱与组织接触,则靶标组织可以被切除。在一个实施例中,温控装置(如图4中的绝缘层402)能够可操作地耦接到OAM传感器以使蒸汽舱与周围器官热隔离,从而保护组织免受热伤害。
本发明,包括上述方法步骤,能够以硬件、软件或硬件和软件的组合形式来实现。本发明可以以集中方式在一个计算机系统中实现,或者以不同元件分散在若干互连计算机系统中的分布方式实现。适于实施本文所述的方法的任何种类的计算机系统或其他装置都是合适的。硬件和软件的典型组合形式可能是具有计算机软件的通用计算机系统,该计算机程序在被装载和执行时控制计算机系统以使其实施本文描述的方法。
本发明(包括上述方法步骤)可以被嵌入在计算机程序产品中。该计算机程序产品可以包括其中嵌入了计算机程序的计算机可读存储介质,该计算机程序包括计算机可执行代码,该计算机代码用于引导计算装置或基于计算机的系统来执行本文描述的各种程序、步骤和方法。在当前背景下的计算机程序意味着一组指令的任何表达方式(以任何语言、编码或符号),这些指令意欲令一系统具有信息处理能力以便直接地或经由至少一种以下操作后执行特定的功能:a)、转换成另一种语言、编码或符号;b)、以不同的材料形式再现。
在此描述的实施例的图示说明意欲提供各种实施例的结构的一般理解,并且不希望将它们视为可使用在此描述的结构的装置和系统的所有元件和特征的完备描述。在阅读以上说明书之后,对于本领域技术人员来说很多其他实施例将是显而易见的。其他实施例可以被利用并且由此推导出,从而在不偏离本公开的范围的情况下可以做出结构的和逻辑的替换和变化。附图也仅是示意性的并且可能不是按比例绘制的。某些比例可能被放大,而其他可能被缩小。因此,应从示意性的角度而非限制性的角度来理解说明书和附图。
因此,虽然在此已经图示说明并描述了具体的实施例,但应认识到实现相同目的的任何计算出的排列可以替换这些示出的具体实施例。本公开意欲覆盖各种实施例的任何及所有调整或变体。在阅读以上说明书之后,对于本领域技术人员来说上述实施例的组合以及此处未具体公开的其他实施例将是显而易见的。因此,希望本公开不被局限于被公开作为实施本发明所能想到的最佳模式的(一个或多个)特定实施例,相反本发明将包括处于权利要求书的范围内的所有实施例。
提供本公开的摘要以符合美国法规37C.F.R.§1.72(b)的规定,该法条要求提供摘要以使读者快速确定该技术公开的实质。应该理解它并不应被用于解释或限制权利要求的范围或含义。

Claims (22)

1.一种在医学程序中进行跟踪的方法,所述方法包括:
提供医学装置(198),其具有整体连接于所述医学装置上的至少一个光学原子磁力计(OAM)传感器(199);
将所述医学装置定位在患者的靶标解剖体(105)内;
将磁场(145)施加到所述靶标解剖体;
利用所述OAM传感器探测所述磁场;以及
基于与所探测的磁场相关联的一个或多个参数确定所述医学装置的位置。
2.如权利要求1所述的方法,还包括利用位于所述患者体外的场发生器(140)生成所述磁场(145),其中,所述磁场被空间编码。
3.如权利要求1所述的方法,还包括:
执行所述靶标解剖体的成像;
配准所述靶标解剖体的OAM空间与所述靶标解剖体的成像空间;以及
将所述医学装置(198)的所确定的位置叠加到所述靶标解剖体的图像上。
4.如权利要求3所述的方法,还包括实时显示所叠加的图像。
5.如权利要求3所述的方法,还包括利用计算机断层摄影、磁共振成像以及超声成像中的至少一种执行所述成像。
6.如权利要求1所述的方法,其中,所述磁场(145)的所述一个或多个参数是所述磁场的强度和方向。
7.如权利要求1所述的方法,还包括通过从所述医学装置(198)中延伸出的传输线提供代表所述一个或多个参数的信号到处理器(120),所述处理器确定所述医学装置的位置。
8.如权利要求1所述的方法,还包括利用位于距离所述磁场预定距离处的一个或多个其他OAM传感器滤除干扰场。
9.如权利要求1所述的方法,还包括在所述医学装置上提供能成像区域(405)。
10.一种计算机可读存储介质,在所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行代码,所述计算机可执行代码被配置成令设置有所述计算机可读存储介质的计算装置执行以下动作:
基于与施加到患者的靶标解剖体(105)并且利用光学原子磁力计(OAM)传感器(199)探测的磁场(145)相关联的一个或多个参数确定医学装置(198)在所述靶标解剖体内的位置。
11.如权利要求10所述的计算机可读存储介质,其还包括用于令所述计算装置执行以下动作的计算机可执行代码:
利用位于所述靶标解剖体(105)附近且在所述患者体外的所述OAM传感器(210)探测所述磁场(145)。
12.如权利要求10所述的计算机可读存储介质,其还包括用于令所述计算装置对所确定的所述医学装置(198)的位置执行金属变形补偿的计算机可执行代码。
13.如权利要求11所述的计算机可读存储介质,其还包括用于令所述计算装置执行以下动作的计算机可执行代码:
将所述靶标解剖体(105)的OAM空间与所述靶标解剖体的成像空间进行配准;以及
将所确定的所述医学装置(198)的位置叠加到所述靶标解剖体的成像上。
14.如权利要求13所述的计算机可读存储介质,其还包括用于令所述计算装置实时显示叠加图像的计算机可执行代码。
15.如权利要求13所述的计算机可读存储介质,其中,所述成像是计算机断层摄影、磁共振成像以及超声成像中的至少一种。
16.一种用于患者的靶标解剖体的跟踪系统,所述系统包括:
医学装置(298),其具有整体连接于所述医学装置上并且能定位在所述靶标解剖体(105)内的磁源(299);
多个光学原子磁力计(OAM)传感器(210),其用于探测来自所述磁源的磁场(145);以及
处理器(120),其用于基于与所探测的磁场相关联的一个或多个参数确定所述医学装置的位置。
17.如权利要求16所述的系统,其中,所述磁源(299)是永磁材料。
18.如权利要求16所述的系统,其中,所述磁源(299)被定位在所述医学装置(298)的末端处,并且其中,所述OAM传感器(210)能定位在所述患者上。
19.如权利要求16所述的系统,其还包括用于获取所述靶标解剖体(105)的图像的成像模态(150),其中,所述处理器(120)将成像空间与OAM空间进行配准。
20.如权利要求19所述的系统,其还包括显示装置(130),其中,所述图像被实时显示在所述显示装置上。
21.如权利要求16所述的系统,其中,所述OAM传感器具有温控装置,其用于将所述患者与所述OAM传感器热隔离。
22.一种绘图方法,该方法包括:
将磁性粒子引入患者体内;
提供医学装置(198),其具有整体连接于所述医学装置上的至少一个光原子磁力计(OAM)传感器(199);
将所述医学装置定位在所述患者的靶标解剖体(105)附近;
利用所述OAM传感器探测所述磁性粒子的磁场(145);以及
基于与所探测的磁场相关联的一个或多个参数对所述靶标解剖体绘图。
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