用于医学成像的定点设备.pdf

本发明涉及一种用于将标记(2)的空间位置指示给定位系统(10)的定点设备(40)。定点设备(40)包括检测是否发生与标记(2)的确定相互作用的传感器(42)。传感器(42)可以例如为压力传感器(42)，其判断接触力是否超过可能会导致标记(2)的非预期的位移的阈值。定点设备(40)用于确定标记(2)的空间坐标，之后将所述标记的空间坐标与例如CT图像的所存储图像中的标记(2)的图像坐标进行配准。

1、  一种定点设备(40)，其用于将标记(2)的空间位置指示给跟踪设备(10)，包括：
a)尖端(41)，其可由所述跟踪设备(10)来定位；
b)传感器(42)，其用于检测所述尖端和所述标记(2)之间的确定的相互作用的发生。

2、  一种用于确定标记(2)的空间坐标(x、y、z)的定位系统，包括：
a)跟踪设备(10)
b)根据权利要求1的定点设备(40)，其用于将所述标记(2)的所述空间位置指示给所述跟踪设备(10)。

3、  一种研究器械，包括：
a)成像系统(20)，其用于生成包括至少一个标记(2)的感兴趣区域的图像(I)；
b)根据权利要求2的定位系统(10)，其用于确定所述标记(2)的所述空间坐标(x、y、z)；
c)数据处理系统(30)，其用于确定所述标记(2)在所述图像(I)中的图像坐标(x_I、y_I、z_I)，并且用于将它们与由所述定位系统所确定的所述空间坐标(x、y、z)配准。

4、  根据权利要求3所述的研究器械，其特征在于：
所述成像系统包括X射线设备，优选地为CT扫描仪(20)、PET、SPECT、MRI或者超声设备。

5、  根据权利要求2所述的定位系统或者根据权利要求3所述的研究系统，其特征在于：
所述跟踪设备(10)基于磁性、电磁性、光学或者声学测量而操作。

6、  根据权利要求1所述的定点设备(40)、根据权利要求2所述的定位系统(10)或者根据权利要求3所述的研究器械，其特征在于：
所述确定的相互作用包括采用标记(2)和所述定点设备(40)的尖端(41)之间的预先确定的相对定位。

7、  根据权利要求1所述的定点设备(40)、根据权利要求2所述的定位系统(10)或者根据权利要求3所述的研究器械，其特征在于：
所述定点设备(40)包括接近度传感器和/或接触传感器。

8、  根据权利要求1所述的定点设备(40)、根据权利要求2所述的定位系统(10)或者根据权利要求3所述的研究器械，其特征在于：
所述确定的相互作用包括在所述标记(2)上施加预先确定的力或者压力。

9、  根据权利要求1所述的定点设备(40)、根据权利要求2所述的定位系统(10)或者根据权利要求3所述的研究器械，其特征在于：
所述定点设备(40)包括力传感器(42)，优选地为压电力传感器。

10、  根据权利要求1所述的定点设备(40)、根据权利要求2所述的定位系统(10)或者根据权利要求3所述的研究器械，其特征在于：
所述定点设备(40)包括指示器(44)，其用于指示发生了所述确定的相互作用，优选地为光学或者声学指示器。

11、  根据权利要求1所述的定点设备(40)、根据权利要求2所述的定位系统(10)或者根据权利要求3所述的研究器械，其特征在于：
其包括读出单元，当所述定点设备(40)检测到所述确定的相互作用发生时，所述读出单元触发对所述定点设备(40)的所述空间坐标(x、y、z)的确定。

用于医学成像的定点设备
技术领域
本发明涉及一种用于将标记的空间位置指示给跟踪设备的定点设备。此外，其涉及包括了这种定点设备的定位系统和研究器械。
背景技术
对于动物实验而言，在文献(cf.J.C.Li、I.Iordachita、E.Balogh、G.Fichtinger和P.Kazanzides：“Validation of an Image-Guided Robot System forMeasurement，Biopsy and Injection in Rodents”，Bioengineering Conference，2005，Proceeding ofthe IEEE 31^st Annual Northeast，pp.131-133)中已经描述了一种配置，其利用手术前生成的鼠类的图像以及机器人系统来将针头引入至图像上所识别的肿瘤的目标区域。通过手动地将机器人导引至动物体中的基准标记来实现图像坐标与机器人坐标之间的配准。
发明内容
基于这一背景，本发明的目的在于提供一种用于确定可以容易地用于不同的医学过程中的标记的空间位置的装置，并且提供一种高精度的定位。
这一目的通过根据权利要求1的定点设备、根据权利要求2的定位系统以及根据权利要求3的研究器械而实现。在从属权利要求中公开了优选实施例。
根据第一个方面，本发明涉及一种用于将至少一个标记的空间位置指示给相关联的跟踪设备的定点设备。所述定点设备通常是比较轻、手握式的、类似铅笔的物体。其配备有一种装置，需要利用跟踪设备对其进行定位，所述装置例如为磁性跟踪环境中的线圈或者磁铁，或者一般地用于一些诸如光照或声音的物理量的源、反射器或传感器。所述定点设备包括以下部件：
a)一种尖端，其可由跟踪设备来定位，并且可引起其所述尖端与标记的确定的相互作用。在此背景下，将“尖端”一词广义地理解为仅是一个对于定点设备的一些专用区域而言的名字；但是，所述名字表明所述区域通常(但非必须)是定点设备的暴露的、锥形部分。可以直接地或者间接地来实现由跟踪设备对所述尖端的定位；在后者的情况下，跟踪设备实际上确定定点设备上的一个或多个不同点的位置，从所述位置中可以推断尖端的位置(例如，由于两者均位于相同的固体上)
如将在下文中更详细地解释地，“确定的相互作用”可以例如为尖端与标记之间的物理接触。此外，其可包括在测量期间应普遍存在的预期状态和/或在测量期间应避免的非预期状态。
b)一种传感器，其用于检测上述的尖端与标记之间的确定的相互作用是否发生。在继续给出的例子中，传感器可以例如判断尖端与标记是否处于物理接触。
应该注意的是，传感器不是必须与定点设备的尖端耦合。它可以甚至与携带尖端的机体完全分离，而(例如)固定到标记上(则利用一个定点设备来定位多个标记将需要多个传感器或者将传感器在标记与标记之间转移)。但是，优选地，尖端和传感器两者彼此之间机械耦合。
所描述的具有传感器的定点设备的装备所具有的优势为用户具有对定点设备是否在其相对于标记的指定的位置上的客观控制，以用于正确地将标记的空间位置指示给相关联的跟踪设备。如果不存在这种传感器，则需要用户通过视觉检查或者触觉上地判断是否将定点设备正确地相对于所考虑的标记而定位。在压力过大的接触的情况下可能会使标记发生位移，因此导致错误的位置测量，从而必须重复位置测量，否则将会影响整个过程的精度。与之相比，所提出的定点设备的传感器可以客观地指示“好的”和/或“差的”测量定位。此外，“好的”定位的检测可用于自动地测量并且存储定点设备和/或标记的相应的位置。
根据第二方面，本发明涉及用于确定至少一个标记的空间坐标的定位系统，其包括以下部件：
a)跟踪设备，即，可在空间定位一些目标单元的设备。
b)上述类型的定点设备，其用于将标记的空间位置指示给跟踪设备。因此，所述定点设备包括尖端和传感器，所述尖端可由跟踪设备来定位，并且可引起所述尖端与标记的确定的相互作用；所述传感器用于检测所述确定的相互作用是否发生。通常，跟踪设备实际上所定位的目标单元是尖端本身或者至少在与尖端相同的固体上的位置。
根据第三方面，本发明涉及研究器械，具体而言，医学研究器械，其包括以下部件：
a)用于生成包括至少一个标记的感兴趣区域的(通常是二维或者三维的)图像的成像系统。所述感兴趣区域可以例如为多个标记附着于其皮肤的患者的身体。
b)上述类型的定位系统，其用于确定至少一个标记的空间坐标。因此，所述定位系统包括跟踪设备以及具有尖端和传感器的定点设备，所述尖端可由跟踪设备来定位，并且可引起所述尖端与标记的确定的相互作用；所述传感器用于检测所述确定的相互作用是否发生。
c)数据处理系统，例如，微机，用于确定由成像系统生成的图像中的标记的图像坐标，以及用于将这些图像坐标与由定位系统确定的空间坐标进行配准。通常，在此背景下，“配准”一词将表示对将图像坐标映射到空间坐标和/或将空间坐标映射到图像坐标的几何变换的确定。例如，在医学干预期间需要这种配准，以找到在手术前生成的图像中那些与由定位系统实际上测量的器具(例如，导管尖端)的位置相对应的位置。
根据本发明的第二和第三方面的定位系统和研究器械均包括作为重要部分的、根据本发明的第一个方面的定点设备。因此，更详细地在定位系统和研究器械上参考对该定点设备的描述。
作为研究器械的一部分的成像系统可优选地包括诸如X射线投影器械或者CT(计算机断层摄影)扫描仪的X射线设备。此外，成像系统可包括PET(正电子发射断层成像)或者SPECT(单光子发射计算机断层成像)设备、磁共振成像(MRI)设备、或者超声(US)设备。
与定点设备结合使用的定位系统可基于任何合适的用于这一目的的原理来操作，例如，基于磁性、电磁性、光学或者声学测量。其可使用“被动”或者“主动”目标单元，其中，后者主动地生成数据或者信号以允许确定其空间位置和/或取向。定位系统可例如生成外部(空间或者时间上非均匀)的磁场，其中对应的(主动)目标单元为磁场传感器，其可测量这一场的幅度和取向，并且其中，所述测量允许推断目标单元相对于磁场生成器的空间位置。在另一个实施例中，目标单元可以是例如近红外(NIR)或者超声的电磁和/或声学辐射源，其中，通过立体方法由定位系统根据至少两条独立视线的交叉确定这一源的位置。
由传感器所检测到的、定点设备的尖端与标记之间的确定的相互作用可包括采用预先确定的标记和尖端之间相对定位。这种预先确定的定位可能特别地对应于标记和尖端之间(或者，更准确地，标记上的专用点和尖端之间)的确定的距离。在此背景下的零距离将对应于标记和尖端之间的接触，而大于零的距离将对应于无接触测量。
在一个特别适合于上述情况的定点设备的实施例中，所述定点设备包括接近度传感器和/或接触传感器。这些传感器可确定标记和尖端之间的某一相对定位是否普遍存在。
在本发明的另一变形中，“确定的相互作用”包括由定点设备的尖端将预先确定的力或者压力施加到标记上(其中，“力”和“压力”的量在这里实际上彼此相等，这是因为力和压力通过相关联的力应用面积而彼此相关)。在这种情况下，可以保证在尖端和标记之间有足够的接触，但是所述接触并不超过给定的阈值，从而避免标记的意外位移。
在一个与上述方法特别一致的实施例中，定点设备包括力传感器，例如，压电力传感器(如前所述，这里使用的“力传感器”一词与“压力传感器”同义)。
在本发明的进一步发展中，定点设备包括用于指示发生尖端与标记之间的确定的相互作用的指示器。所述指示器可以具体而言是例如LED的光学指示器，或者诸如蜂鸣器的声学指示器。因此，可以将直接反馈给予用户以指示定位设备正确和/或错误的定位。
本发明另一个变形的特点是读出单元，当所述设备检测到其尖端与标记发生确定的相互作用时，所述读出单元触发定点设备的空间坐标的自动确定(并且通常还存储)。读出单元可能位于定点设备、跟踪设备、数据处理系统中或者分布在若干部件上。例如，它可包括定点设备中一些上述类型的指示器，当尖端与标记之间所需的相对相互作用普通存在时所述定点设备(例如，电学地)发出信号。此外，“定点设备的空间坐标”将表示最终允许确定实际所感兴趣的标记的空间坐标的(例如尖端的)坐标。
附图说明
参考以下描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些和其他方面将会显而易见并且得以阐明。将会在附图的帮助下通过示例的方式来描述这些实施例：
图1示意性地示出了根据本发明的研究器械；
图2示意性地示出了与标记第一次接触之后的根据本发明的定点设备；
图3示出了当图2的定点设备在标记上施加了大于预先确定的压力时的图2的定点设备。
图示中相似的附图标记表示相同或者相似的部件。
具体实施方式
以下将会根据医学应用描述本发明，尽管如此，本发明不仅限于这些领域，而是可以有利地应用于许多不同环境中。
图1示意性地示出了一种诸如微创手术的医学干预的配置。将一组标记2附着到靠近诸如患者的胸部的感兴趣区域的患者1的皮肤上。标记2可例如包括通常具有几毫米直径的无线不透明机体。
根据本发明的研究器械100的第一部件是成像系统，在本情况下其由具有X射线源21和旋转地安装在扫描架上的X射线探测器22的CT扫描仪20来实现。所述CT扫描仪20耦合到控制扫描仪并且接收和处理所生成的图像的数据处理设备30上，所述数据处理设备例如为具有监测器32的工作站31。CT扫描仪20通常从不同方向生成二维X射线投影，可以利用所述二维X射线投影本身或者进一步对其进行处理以重建患者的层图像或者三维图像。手术前，生成感兴趣区域的至少一幅这种二维或者三维图像I，并且存储在工作站31中，用于之后的医学干预期间使用。可以在图像坐标x_I、y_I、z_I中自动地或者半自动地确定标记2的位置。
检查器械100还包括跟踪单元10用于确定相关联目标单元的空间坐标x、y、z。在图示中用包括了至少两个相机11、12的光学系统说明了跟踪设备10，所述两个相机可用于根据体视原理，即通过计算两条不同视线的交叉，来确定物体在空间中的位置。将跟踪设备10的测量结果(原始数据或者处理后数据)传送到工作站31。
其他合适的跟踪设备例如可使用磁场以确定目标单元在空间中的位置。它们可能包括用于生成区域内的非均匀磁场的场线圈，以及用于在特定的感兴趣点处感测该场的幅度和/或取向的(小)探头式线圈，从所述幅度和/或取向可推断出该点的坐标。
最后，研究器械100包括用于手动地将标记2的位置指示给跟踪设备10的定点设备40。具体而言，定点设备40携带一些可由跟踪设备10定位的目标单元，例如，可在所记录的视频图像上检测到的一组LED(未示出)。因此，将这些目标单元带入标记20允许确定标记的空间坐标x、y、z。
当已知了所有标记2的空间坐标x、y、z时，工作站31可将它们与相应的图像坐标x_I、y_I、z_I配准。一旦完成这种配准，可以利用其来确定由跟踪设备10在x、y、z坐标中定位的任何物体的x_I、y_I、z_I图像坐标。例如，一个典型的物体为诸如导管、针头或者相似器械的尖端的介入式设备。
在手术前所获取的图像上的介入式设备的位置的连续可视是一种强大的技术，在过程期间，其提供给医生有价值的信息，预防了诸如利用电离辐射暴露的连续成像的必要性。替代地，由诸如光学或者电磁跟踪设备10来测量介入式设备的位置和取向，并且连续地叠加到感兴趣区域的配准后医学图像I。当从患者空间到图像空间的转化已知时则配准可以完成。如上所述，可以通过将基准标记2放置在患者1的皮肤上、使用任意成像模式(MR、X射线、CT、...)获取诊断图像I、在图像I中确定标记2的位置x_I、y_I、z_I、使用适当的探头40结合跟踪设备10测量患者空间中标记的相应位置x、y、z、以及推导转化(例如仿射转化)来确定这种转化。
图像I中的介入式设备的将得到的可视精度强烈取决于所确定的转化的精度。但是，由于携带基准标记2的皮肤是有弹性的，因此标记位置的测量取决于由探头40推向标记的力。通常的笨拙探头使用户难于估计所施加的力的强度，特别是在标记被部分地隐藏或者难于接近的地方。所得到的皮肤的变形可以是若干毫米量级的，显著地限制了所确定的转化的精度。
为了解决上述问题，这里提出了定点设备40，其包括指示了标记和定点设备之间是否发生了确定的、预先确定的相互作用的一些传感器。这种确定的相互作用可以既是“好的”、所预期的那些，也可以是应当避免的“差的”那些。可选择地，传感器可检测“好的”和“坏的”相互作用两者。
图2和3示出了这种定点设备40的具体的实施例。这种通常的铅笔状定点设备40包括可由用户握住的手柄43以及需引入与标记2接触的尖端41。可直接地或者间接地(通过将目标单元定位在定点设备40上的一些其他点上)由跟踪设备10确定尖端41的位置以及，可选择地，取向。
定点设备40还具有的特征是力传感器，例如，压电电阻42，对其加以定位从而使得其检测施加到器械的尖端41的力，并且其相对于器械的手柄43而作用。在沿设备的主轴的力超过指定值的情况下，开启光学或者声学指示器，例如，光发射二极管(LED)44。图3示出了这种情况，其还(夸张地)说明了由施加的力所引起的患者皮肤的变形的开始。如果触发LED44的激活的预先确定的阈值足够的低，则力传感器42可实际上作为接触传感器，当其尖端一碰到标记则所述接触传感器立刻给出警告。可选择地，传感器可在位于可允许范围(例如，F_min≤F≤F_max)的“好的”力F与位于禁止范围(例如，F＞F_max)的“差的”力之间进行区分，并且将此指示给用户(例如，通过激活绿或者红LED，通过连续或者间歇信号等)。可选择地，可以利用“好的”力的指示来启动对测量结果的自动读出以及存储所测量位置用于配准。图示中的虚线指示了用于此意图的定点设备40与工作站31中的读出单元之间的有线耦合(无线耦合当然也是可能的)。
在通过将定点设备指向固定在患者1的皮肤上的基准标记2而确定从患者-空间到图像-空间的转化期间使用定点设备40。操作者一旦施加过大的压力时，即皮肤一旦开始变形时，光学或者声学信号就指示配准失败并且必须重复测量。这允许明显更快和更精确的确定坐标转化。因此，随后执行的将介入式设备的位置和取向叠加到患者的图像上的精度更高。此外，可以通过确保在没有使包括了标记位置的皮肤发生变形的情况下靠近所有标记而防止转化确定的耗时重复。
所提出的定点设备可特别地应用于所有需要从患者到图像坐标空间的精确配准且利用光学或者电磁跟踪系统和基准标记。
最后，需要指出的是在本申请中“包括”一词不排除其他元件或者步骤，单数冠词“一”或“一个”不排除复多个，单个处理器或其他单元可实现若干装置的功能。本发明存在于每一个新特点特征中，以及特点特征的每个组合中。此外，不应将权利要求中的附图标记解释为限制其范围。