用于在图像引导的活检中检测针部署的系统和方法

摘要

一种用于检测医学设备的系统和方法包括被配置为将手术设备（32）递送到受试者体内的引导系统（38）。手术设备部署检测器（25，40，42，44）被配置为与所述引导系统配合并且被配置为检测所述手术设备在所述受试者体内的部署。协调模块（22）被配置为从所述引导系统和部署检测器接收输入，以确定并记录每次部署的一个或多个位置和时间。

说明书

技术领域

本公开涉及手术程序成像，更具体而言涉及用于在活检程序期间检测 手术仪器的系统和方法。

背景技术

前列腺癌当前是美国人癌症死亡的第二主要原因。在很多状况下，利 用“盲式”经直肠超声（TRUS）引导的系统的活检为患者诊断前列腺癌。 然而，超声成像，仅将针引导到前列腺的不同区域，并且可能无法将前列 腺癌可靠地可视化。多参数磁共振成像（MRI）在检测前列腺癌中具有良好 的灵敏度和特异性。人们已尝试创建可以将实时TRUS与预先采集的MRI 融合的图像引导应用，以将针引导到在MRI中识别的诊断或治疗的靶位。

在MRI/TRUS融合引导的靶向前列腺活检和治疗中，在几种状况中， 了解活检针部署的准确位置是重要的。例如，活检针尖端位置在图像融合 系统的回顾性分析中发挥作用。在前列腺活检中，使用活检枪部署活检针。 用于组织取样的针尖端可能不能准确地击中计划的靶位。对重复的活检而 言，医生可能想对在早期活检中具有可疑发现的区域重新取样，或者可能 想特别避免对具有良性发现的区域重新取样并且在先前的活检之间的靶区 域重新取样。在这两种情况下，需要知道早期活检标本的准确位置。此外， 针对规划聚焦治疗，除影像学发现之外，还需要阳性活检的位置。

发明内容

根据本发明的原理，一种用于检测医学设备的系统和方法包括被配置 为将手术设备递送到受试者体内的引导系统。手术设备部署检测器被被配 置为与所述引导系统配合并且被配置为检测所述手术设备在所述受试者体 内的部署。协调模块被配置为从所述引导系统和部署检测器接收输入，以 确定并记录每次部署的一个或多个位置和时间。

一种用于医学设备检测的活检系统，包括：引导系统，其被配置为将 活检针递送到受试者体内；部署检测器，其被配置为检测活检针和扫描探 头的部署，所述扫描探头用于对活检针成像；以及成像设备，其被配置为 对所述部署成像。协调模块被配置为从所述引导系统、部署检测器和扫描 探头接收输入，以记录每次部署，从而创建对于与每次部署相关联的活检 位置和时间的记录。

一种用于医学设备检测的方法，包括：使用引导系统将手术设备递送 到受试者体内；将手术设备引导与自动部署检测和记录集成，以利用实时 图像、声学指示器、振动检测器和空间跟踪设备中的一种或多种来检测手 术设备部署的发生；以及基于所述手术设备引导和自动部署检测，确定并 记录每次部署的一个或多个位置和时间。

在一个实施例中，发现程序中的实际活检位置，然后将实际活检位置 标定到磁共振（MR）图像。然后能够将多参数MR上识别的靶与病理分析 结果正确地相关。

结合附图阅读例示性实施例的以下详细描述，本公开的这些和其他目 的、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

本公开将参考以下附图详细介绍对优选实施例的以下描述，在附图中：

图1的方框/流程图示出了根据这些原理的、具有集成的手术仪器引导 和部署检测的系统/方法；

图2的方框/流程图示出了根据这些原理的、用于图像引导的活检的协 调模块的工作流程的系统/方法；

图3的方框/流程图示出了根据这些原理的、使用实时图像进行部署检 测的系统/方法；

图4的图示示出了根据一个实施例将实时超声图像和跟踪数据变换成 参考图像；

图5的图示示出了根据一个实施例的、用于在图像中突出显示活检针 的例示性滤镜；

图6的例示性超声图像示出了根据另一实施例的基于运动的针部署检 测；

图7的图示示出了根据另一实施例的活检枪和针，该活检枪和针在针 上具有静止跟踪设备和移动跟踪设备；以及

图8的流程图示出了根据这些原理的、用于手术仪器引导和部署检测 的方法。

具体实施方式

根据这些原理,公开了在手术程序期间检测手术仪器部署的系统和方 法。在一个实施例中,手术仪器可以包括活检针。可以将手术程序集成到用 于跟踪活检位置的图像引导的导航系统中。这些系统和方法利用导航系统 跟踪活检的次数、时间和位置。在一个实施例中,在图像引导的活检程序期 间自动记录针的部署位置，例如，可以在活检程序期间针对活检枪发射来 自动记录发射时间和针位置。提供了基于图像、声音和运动检测针部署的 方法。可以将检测系统作为额外的特征并入图像引导的活检导航系统中。

还应理解，将关于医学仪器来描述本发明；不过，本发明的教导要宽 泛得多，并且可应用于在跟踪或分析复杂生物学或机械系统时采用的任何 仪器。具体而言，本原理适用于生物系统的内部跟踪程序、身体中所有区 域——例如肺、胃肠道、排泄器官、血管等——中的程序。附图中描绘的 元件可以实现于硬件和软件的各种组合中并提供可以在单个元件或多个元 件中进行组合的功能。

可以利用专用硬件以及与适当软件相关联的能够执行软件的硬件来提 供附图中所示的各种元件的功能。在由处理器提供时，所述功能可以由单 个专用处理器、单个共享处理器或由多个独立处理器（其中一些可能是共 享的）提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释 为排他地指代能够执行软件的硬件，并且可能暗含地包括但不限于，数字 信号处理器（“DSP”）硬件、用于存储软件的只读存储器（“ROM”）、随机 存取存储器（“RAM”）、非易失性存储器等。

此外，本文中提到原理、方面和本发明实施例的所有陈述以及其具体 范例都意在涵盖其结构上和功能上的等价方案。此外，这样的等价方案应 包括当前已知的等价方案以及将来发展出的等价方案（即，发展出的执行 相同功能的任何元件，不论结构如何）。于是，例如，本领域的技术人员将 认识到，本文中给出的方框图表示体现本发明原理的例示性系统部件和/或 电路的概念图。类似地，要认识到，任何流程图、作业图等表示各种过程， 所述各种过程基本可以在计算机可读存储介质中表示并由计算机或处理器 如是地执行，无论是否明确示出了这样的计算机或处理器。

此外，本发明的实施例可以采取能够从计算机可用或计算机可读存储 介质访问的计算机程序产品的形式，所述存储介质提供程序代码，供计算 机或任何指令执行系统使用或结合其使用。出于本说明书的目的，计算机 可用或计算机可读存储介质可以是可以包括、存储、传送、传播或传输程 序的任何设备，所述程序供指令执行系统、装置或设备使用或结合其使用。 该介质可以是电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的或半导体系统（或 装置或设备）或传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储 器、磁带、可移除计算机盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、 刚性磁盘和光盘。当前光盘的范例包括光盘–只读存储器（CD-ROM）、光 盘–读/写（CD-R/W）和DVD。

现在参考附图——相同的附图标记表示相同或相似的元件——并且首 先参考图1，根据一个实施例，例示性示出了用于集成针对活检的针引导和 自动的针部署检测和记录的系统10。可以将系统10应用于各种临床程序中， 例如，图像引导的活检中。具体而言，系统10可以帮助自动记录在图像引 导的导航系统下在患者45上执行的活检的数字、时间和位置。系统10包 括使用（例如）显示器14向用户提供规划、导航和反馈信息的工作站12。 工作站12可以包括计算机处理器16、显示器14、用户接口18（例如，鼠 标，键盘等）和用于存储数据和软件的存储器20。

存储器20包括软件，所述软件可以包括协调模块22，所述协调模块 22被配置为将图像信息、声学或振动信息、空间跟踪数据等和医学仪器运 动以及与受试者的治疗相关联的事件相协调。在一个实施例中，同时跟踪 活检针32和超声探头30的位置。采用图像引导确定活检位置并参考一幅 或多幅医学图像记录。在另一实施例中，可以采用空间跟踪系统24和跟踪 设备25关于医学图像确定探头位置。例如，可以将6自由度的电磁（EM） 跟踪传感器作为跟踪设备25放置在探头30上。模块22采集指示部署引导 系统38（诸如针引导，活检枪或其他设备）、针32或任何其他仪器位置的 数据。

将部署引导系统38装备为提供仪器32运动和/或触发（例如，样本的 采集）的部署检测。模块22根据本发明的原理采用被装备的工具和系统协 调自动仪器部署检测、位置确定和记录的集成。该检测可以来自图像，例 如，从成像设备40采集的经直肠超声图像/视频流。在一个实施例中，采用 滤镜47以利用受试者45的图像辅助跟踪仪器。在其他实施例中，该检测 可以来自声学检测器42，或者来自振动检测器和/或来自空间跟踪数据，其 中，空间跟踪数据来自跟踪设备25，例如，来自被跟踪的活检针和/或探头 30。采用这些设备中的一个或多个，至少可以确定受试者中的事件（活检 样本）的时间和位置。仪器32的部署操作的检测可以与参考坐标系相关联， 使得可以记录诸如活检标本的时间和位置以用于将来参考。

在一个实施例中，在程序中找到实际活检位置并且然后将实际活检位 置标定到参考图像（例如，磁共振（MR）图像）将非常有用。然后在多参 数MR上标定的靶可以与病理分析结果正确地相关。

参考图2，方框图/作业图例示性示出了根据一个例示性实施例在图像 引导的活检程序期间协调模块22的工作流程。在方框102，作出关于活检 程序是否已经结束的决定。在第一实例中，协调模块22从方框102开始。 如果完成了该程序，程序路径在方框112终止。如果还未完成该程序，该 路径转向方框104。在方框104，执行具有针部署检测的活检引导。这可以 包括在监测诸如经直肠超声（TRUS）探头的扫描设备探头和/或监测活检针 位置时执行活检程序。在方框106，连续监测传感器和/或算法输出以确定 活检针部署的信号发生。在方框108，如果检测了部署，连同方框110中的 部署时间一起记录探头和/或活检针位置。部署监测继续，直到活检程序在 方框112结束。协调模块22还可能针对针部署提供其他方法。这样的方法 的范例如下所述。

参考图3，基于图像的针部署检测通过集成整合多源信息来检测活检针 部署，所述多源信息例如超声探头的稳定性、TRUS视频背景模型以及针取 向和位置的先验知识。在方框202，采用来自超声探头传感器的EM跟踪信 息来将视频分割成超声探头表现为静止的片段。在方框204，采用专门设计 的滤镜突出显示针以对图像内部的活检针响应。在方框206，关于贯穿每一 视频片段维持的背景模型检测场景变化。通过将这些步骤组合在一起，可 以在方框208中检测活检针的存在。如下呈现了每一步骤的更多细节。

在方框202，TRUS视频分区是基于探头稳定性的。关于针部署的观测 在于，泌尿科医师首先稳定超声探头，然后他们部署针以获得样本，例如， 从前列腺或其他器官或组织获得。通过该观测，将对针部署的搜索缩小到 超声探头静止的视频序列的部分。

参考图4，例示性地示出了用于将实时TRUS图像310和预采集的MR 图像302融合的变换链。获得的患者312的超声图像310包括坐标系C_US。 附着于超声探头306的跟踪传感器308具有其自身的坐标系C_传感器。跟踪 系统304包括其自身的坐标系C_跟踪。从患者312的MR扫描获得的MRI图 像302包括其自身的坐标系C_MR。可以利用变换将这些坐标系变换到参考 坐标系（例如，C_MR）。这些变换包括，例如，T_校准、T_跟踪和T_配准。利用这 些变换，可以在2D TRUS帧（310）中找到像素的三维（3D）世界位置。 通过对比相继的帧中相同组像素的3D坐标，我们可以确定US探头306的 运动。在该方法中，在成像平面（310）上选择N个点。然后，通过探头 306的EM跟踪找到这些点的世界坐标。对于每一点而言，我们计算那一 点的3D世界位置和其在上一帧的世界位置之间的角距。如果这N个点都 没有明显移动，我们将该帧标记为“静止”并且于是该帧是进一步处理的 候选。

再次参考图3，在方框204，突出显示了针。一旦识别出在US探头位 置稳定时捕获的TRUS帧（310），如果可能，就在那些帧中检测针并将其 分割。可以在处理前首先将图像利用滤镜进行卷积。滤镜的特定设计可以 帮助利用针的管状结构而不是仅抑制图像中的噪声。在一个实施例中，可 以采用2阶导数高斯滤镜。图5示出了2阶导数高斯滤镜402的两个例示 性透视图。2阶导数高斯滤镜402利用针的圆柱形以帮助增强超声图像中的 针。

在方框206，执行针对变化检测的背景建模。在采用针检测滤镜对US 图像进行过滤之后，通过找到突然的帧外观变化检测针部署。在超声探头 稳定时，发生在场景中的唯一变化是针部署，因为呼吸运动是可以忽略的。 为检测这一显著变化，可以采用在小的呼吸运动下也不会变化的滤镜响应 直方图。

在方框208，进行针分割。方框206所述的变化检测不仅可以标记具有 针部署的帧，也可以标记没有针出现的伪真帧。为消除伪真，可以在图像 内部对针进行分割以验证针的存在。在方框210，采用滤镜响应将图像分割 成针件和背景。可以使用用于分割的切图（Graph-cut），不过，可能会有超 过一个片段被输出为针。在方框212，基于针引导的位置和取向的先验知识 聚集这些片段。构成管状结构的件的聚集是有利的。为此，也可以采用切 图。

一旦获得了针的分割，就可以基于关于针引导的形状、取向和位置消 除很多伪真结果。这种方法有助于可靠地消除绝大多数没有针部署的帧。 然后可以检测发射的针。

注意，根据图3的针位置检测使用用于活检程序的超声探头或活检引 导的空间跟踪。无需（采用附加跟踪传感器）活检针自身的空间跟踪。不 过，如果将此方法用作部署检测的唯一方式，可能无法获得精确的活检针 尖端或活检核心位置（即沿针路径插入针深度）的记录。

参考图6，在另一实施例中，提供了基于运动的针部署检测。在活检枪 48发射时，用于引导针54的超声探头52经历一些运动和振动。在例如， 超声图像56中，该部署检测的方法通过将振动/运动检测器44附着到活检 枪48上并连续监测来自振动/运动检测器44的信号来利用此振动和突然运 动。此方法简单且易于使用，并允许记录针部署次数。在与TRUS探头52 （或针引导）的空间跟踪（25）的组合中，此方法也允许记录活检针部署 路径的位置，例如，在活检时，在器官50中。根据图6的部署检测方法可 能不允许记录精确的活检针尖端或活检核心位置（即沿针路径插入的针深 度）。

在其他实施例中，可以采用组合的检测方法。例如，组合的方法可以 包括一起使用振动、声学和图像，或可以包括其他组合。可以通过不同方 式将所述实施例组合在一起以实现鲁棒而可靠的针部署检测。相比于使用 任何单一方法或技术，这可以提高检测性能。协调多种方法也可以允许更 精确地跟踪和记录部署的数目和时间，以及实际活检针位置。

在另一实施例中,采用了具有活检针空间跟踪的部署检测。可以作为独 立的方法提供所述空间跟踪或可以与任何其他所述方法相组合来采用所述 空间跟踪。

参考图7，可以自动检测针部署，并可以由活检针502的空间跟踪确定 活检核心510的位置。为此，在活检枪506上提供一个或多个跟踪传感器 504或505并可以将其附着到活检针502“静止”（505）或“移动”（504） 参考点上。在活检枪506发射时，静止的参考点相对于针轴不移动。静止 参考点可以定位于针502的外核512上。在活检枪506发射时，移动参考 点沿具有针部署机构的针轴前移。移动参考点可以位于针502的内针514 上。

制造静止参考点上的跟踪传感器505更容易/更便宜，但来自“静止” 传感器505的空间位置跟踪并不直接反映部署期间针尖端的运动。于是， 针对部署检测，优选与所描述的方法相组合来采用该传感器505，例如，在 图3、4、5、6等中。具体而言，可以将来自跟踪传感器504的信号用于充 当振动/运动传感器（44）。可以将针502“移动”点上的跟踪传感器504 直接用于检测针502（传感器504将沿针轴快速移动固定距离）的部署，并 用于记录其位置。

参考图8，根据一个实施例描述了用于医学设备检测的方法。在方框 602，采用引导系统将手术设备递送到受试者体内。手术设备可以包括活检 针。

在方框606中，将手术设备引导与自动部署检测和记录集成，以利用 实时图像、声学指示器、振动检测器和空间跟踪设备中的一种或多种来检 测手术设备部署的发生。部署可以意味着将设备插入受试者体内或者，更 优选地，触发该设备以采集活检样本等。优选的是，所检测的事件是触发 事件以获得活检样本，以便由系统更准确地确定活检标本的位置和时间。

利用实时图像检测手术设备的部署可以包括在方框608中将视频分割 为超声探头静止的片段；在方框609中采用滤镜突出视频片段中的手术设 备；并且在方框610中关于贯穿视频片段维持的背景模型来检测场景变化 以确定活检针的存在。

在方框612，利用超声扫描实时图像以使得跟踪系统跟踪超声扫描探头 和引导系统的至少一个的位置。可以在方框613中将实时图像变换成参考 医学图像。

在方框614，利用振动检测器检测手术设备的部署包括检测手术设备中 的振动以表示部署。在方框616，利用声学指示器检测手术设备的部署包括 以声学方式指示引导系统（例如，音频声音随针深度或在射出针时增大） 的位置。

在方框618，利用空间跟踪设备检测手术设备的部署包括采用安装在活 检针上的空间跟踪设备以电磁方式跟踪引导系统的位置。在方框619中， 采用安装在活检针上的空间跟踪设备跟踪引导系统的位置包括静止和移动 的空间跟踪设备中的一种。应该理解，可以组合地采用方框606的检测方 法中的一种或多种。

在方框620，基于手术设备引导和自动部署检测确定并记录每一部署的 位置和时间中的一个或多个。在方框622，确定和记录包括，获得活检样本 并记录活检数目和每一活检的位置和时间。在方框624，协调引导系统和自 动部署检测以在检测部署后记录部署数目、每一部署的位置和每一部署的 时间。在方框626，可以将活检样本与所记录的位置和时间相匹配（参考）。

在解释所附的权利要求时，应当理解：

a）“包括”一词不排除还可以存在权利要求中没有述及的其他元件 或动作；

b）元件前的词语“一”不排除存在多个这样的元件；

c）权利要求中的任何附图标记都不构成对权利要求保护范围的限 制；

d）可以由同一项目或硬件或软件实现的结构或功能来表现几个“模 块”；并且

e）除非特别指出，并不旨在要求动作有特定的顺序。

在已经描述了用于在图像引导的活检中检测针部署的系统和方法的优 选实施例（意在是例示性的而非限制性的）之后，要指出的是，本领域的 技术人员受以上教导的启发能够做出修改和变型。因此要理解，可以在所 披露的公开的特定实施例中做出改变，这些改变处于所公开的实施例的由 所附权利要求界定的范围之内。这样描述完专利法要求的细节和特性之后， 在所附权利要求中阐述了专利证书主张并希望保护的范围。