CN118252613A - 用于为介入医疗规程提供引导路线的***和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了3D/2D成像***(102,200,230)和方法,分析各个解剖结构(313),诸如所成像的解剖结构(104)内的器官和/或血管结构(313),介入设备(319)可穿过该解剖结构到达目标组织(317)。成像***(102,200,230)可确定血管结构/血管和/或器官(313)的位置、特性和构型。在执行介入规程期间,可采用由成像***(102,200,230)提供的3D立体(312)的信息来最佳定位术中成像设备(102,200,230),以便获得介入设备(319)在患者解剖结构(104)内的位置的所期望的可视化,例如2D视图(322)。该术中2D视图(322)可选地被配准到3D立体(312),并且可由成像***(102,200,230)连同根据代表存在于术中2D图像(322)中的患者解剖结构(104)的3D立体(312)确定的3D模型(327)或图像一起显示。
Description
技术领域
本发明整体涉及在医疗规程中导航医疗器械,且具体地涉及在医疗规程中定位和引导医疗器械在患者解剖结构内移动的***和方法。
背景技术
图像引导手术是一种正在发展的技术,其允许外科医生在由图像引导的同时以微创方式执行介入或手术,所述图像可以是“真实”图像或虚拟图像。例如,在腹腔镜手术中,通过在患者皮肤中形成的小切口***小型摄像机。该摄像机为操作员提供了解剖结构的“真实”图像。在其它类型的图像引导手术中,诸如血管内手术,该手术利用通过导航到患者动脉中的导管***的设备来治疗病变,是“图像引导式”的,因为使用低剂量X射线图像(也称为“荧光镜透视图像”)和/或超声(US)图像来引导导管和设备通过患者解剖结构。荧光镜透视图像/超声(US)图像是“真实”图像,而不是虚拟图像,因为它是使用真实X射线或超声波获得的并且展示了患者的真实解剖结构。然后,还存在使用了“虚拟”图像的情况,这是用于以已知方式形成解剖结构的虚拟图像的真实图像的组合。使用“真实”图像和“虚拟”图像两者进行的图像引导手术的一个示例是微创心脏或脊柱手术,其中使用在该手术期间采集的“真实”荧光镜透视图像和/或超声(US)图像来引导设备***血管结构或椎骨中,同时还使用术前计算机断层摄影(CT)或锥束计算机断层摄影(CBCT)图像结合手术导航***来使设备在患者的3D解剖结构中的位置可视化。由于计算机断层摄影(CT)或锥束计算机断层摄影(CBCT)图像中的设备位置显示并不是在手术期间执行直接图像采集的结果,而是由于预先存在的真实图像和由手术导航***提供的信息的组合引起的,因此将计算机断层摄影(CT)或锥束计算机断层摄影(CBCT)图像中的设备位置的显示描述为“虚拟”图像。
无论在其形成中利用了哪些特定图像,图像引导手术都允许外科医生减小进入患者体内的入口或切口的尺寸,这可以使患者的疼痛和创伤最小化并且导致住院时间更短。图像引导规程的示例包括腹腔镜手术、胸腔镜手术、内窥镜手术等。医学成像***的类型,例如,放射成像***、计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层摄影(PET)、超声(US)、X射线血管造影机等,可用于为医疗规程提供静态图像引导辅助。上述成像***可以提供二维或三维图像,该二维或三维图像可以被显示以向外科医生或临床医生提供说明性地图以引导工具(例如,导管)通过患者身体的感兴趣区域。
在临床实践中,与传统的开放式手术规程相比,微创经皮心脏和血管介入正变得越来越普遍。此类微创经皮心脏和血管介入具有患者恢复时间短以及使规程更快且风险更低的优点。在此类微创心脏和血管介入中,将诸如支架或支架移植物的设备经由导管通过血管递送到患者体内。导管在患者的血管内的导航是具有挑战性的。
最近,已经开发出便于导航导管的解决方案,该解决方案基于将显示患者的介入工具所要导航通过的解剖结构的术前3D计算机断层摄影(CT)图像与荧光镜透视图像和/或超声(US)图像进行融合,以改善介入规程的引导。与没有有效地描绘软结构的x射线图像相比,超声图像包括更多的心脏结构的解剖信息,而与超声图像相比,x射线图像更有效地描绘导管和其它外科器械。在该过程中,如图1所示,最初获得术前计算机断层摄影(CT)图像1000,该术前计算机断层摄影(CT)图像通常采用3D立体形式的患者解剖结构。随后,在规程期间获得患者的术中图像1002,并且将术中图像1002配准到3D立体,以便沿着与术中图像1002相同的图像平面确定3D立体内的2D图像,从而形成术前图像1000。可将术前图像1000和术中图像1002各自显示给执行规程的医生,诸如通过将术中图像1002覆盖到术前图像1000上,或者反过来,以示出融合图像1004,该融合图像示出患者的解剖结构以及例如导丝或导管的介入工具在解剖结构内的当前位置两者。可将荧光图像/X射线图像或超声图像作为术中图像的这些融合图像解决方案可更清楚地示出患者解剖结构内的介入工具位置。
然而,虽然该图像组合为医生提供了解释所显示的解剖结构中的差异的能力,但完全根据医生的经验和判断力来利用所显示的信息来在相应的计算机断层摄影(CT)图像和术中图像中的每一者中识别所显示的患者解剖结构。具体地,融合图像1004仅提供解剖结构以及例如导管等介入设备的2D图示,该2D图示无法提供解剖结构的深度尺寸,使得解剖结构的某些相关部分可能因解剖结构的其它部分覆盖在其上而被遮蔽。
此外,关于所执行的整个规程,在许多规程中,从切口点到患者体内的目标组织的路径延伸通过许多不同的血管结构和/或其它组织。虽然图像组合提供有关介入设备当前定位在其中的血管或结构的信息,但是这是由图像提供的信息扩展。因此,关于血管或其它结构的介入设备沿着路径穿过其到达目标组织的每个分叉,医生必须连续做出有关在其中移动介入设备以跟随路径的合适分支的决定。虽然已经提议准许对待由介入设备采取以到达目标组织的路径进行术前规划和注释,诸如在名称为Systems And Methods ForIntervention Guidance Using Pre-Operative Planning With Ultrasound的美国专利申请公开案No.US2018/0235701中所公开的,该美国专利申请公开案出于所有目的以引用的方式整体明确并入本文,但是有关规划规程的步骤或路线的预规划注释仍然是结合缺少深度的2D图像/图像组合进行显示,该深度使得医生能够易于辨别所要采用的针对2D图像中显示的血管或其它组织和/或血管结构的合适路径。
因此,期望开发一种成像***和方法,该成像***和方法能够改善现有***和方法以提供对患者的增强的可视化,例如,医生在医疗规程期间将介入设备导航通过其的器官和/或血管结构或血管)的可视化。
发明内容
在以下描述中通过本文描述的实施方案解决了上述缺点和需求。
根据本发明的示例性实施方案的一方面,利用成像***获得患者解剖结构的术前图像,以便提供用于将例如导丝或导管等介入工具***并且穿过解剖结构的导航路线图。成像***创建解剖结构的3D立体图像并且分析3D立体以有助于医生规划用于将介入设备***通过患者到达例如肿瘤、栓塞和/或用于进行活检的组织等目标组织的路径,其中,将在该目标组织上执行介入规程。
通过其自身,或者结合由医生对3D立体进行的手动注释查看,成像***能够分析各个解剖结构,诸如所成像的解剖结构内的器官和/或血管结构,介入设备能够通过该器官和/或血管结构到达目标组织。在进行分析时,成像***能够确定血管结构/血管和/或器官的位置和构型,包括器官和/或血管内的通道的角度和/或分叉的位置、器官和/或血管内的通道的直径和迂曲度。利用该信息,成像***能够向医生提供有关到达目标组织的优化路径,以及沿着相对于检测到的血管结构的路径采取的各个步骤的建议。另外,成像***能够基于构成到达目标组织的优化路径的血管结构/血管的构型,提供有关最适合于执行规程的介入设备的类型的建议。
另外,在执行介入规程期间,可采用由成像***提供的关于3D立体的信息来最佳定位术中成像设备,以便获得介入设备在患者解剖结构内的位置的所期望的可视化,例如2D视图。该术中2D视图被配准到3D立体,并且能够由成像***连同根据代表存在于术中2D图像中的患者解剖结构的3D立体确定的3D模型或图像一起显示。利用连同术中2D图像一起呈现的3D模型或图像,向医生呈现示出在术中图像中呈现的血管结构的3D定向的参照,允许医生能够更易于沿着预定途径导航介入设备。另外,对于在介入规程期间获得的每个连续的术中2D视图,该2D视图被配准到3D立体并且将该2D视图连同根据代表存在于当前术中2D图像中的患者解剖结构的3D立体确定的3D图像一起呈现给医生。
根据本公开的一个示例性实施方案的又一方面,一种用于在介入医疗规程期间提供引导介入设备的方法包括以下步骤:利用第一成像***获得患者解剖结构的术前3D图像立体;识别图像立体中的一个或多个结构、该一个或多个结构的特性和至少一个目标组织;规划包括用于将介入设备***通过患者解剖结构到达目标组织的多个步骤的路线;利用第二成像***根据路线的一个步骤获得患者解剖结构和介入设备的术中2D图像;以及将术中2D图像配准到3D图像立体。
根据本公开的一个示例性实施方案的又一方面,一种用于在介入医疗规程中提供引导介入设备的移动的成像***包括:用于获得患者解剖结构的术前3D图像立体的第一成像***;用于获得患者解剖结构的术中2D图像的第二成像***;以及可操作地连接到第一成像***以及连接到第二成像***的计算设备,该计算设备被配置为识别图像立体中的一个或多个结构、该一个或多个结构的特性和至少一个目标组织,以规划包括用于将介入设备***通过患者解剖结构到达目标组织的多个步骤的路线,以及将术中2D图像配准到3D图像立体。
应当理解,提供上面的简要描述来以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的精选概念。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征,该主题的范围由具体实施方式后的权利要求书唯一地限定。此外,所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实现方式。
附图说明
附图示出了目前设想的执行本公开的最佳模式。在附图中:
图1是根据本公开的一个示例性实施方案的成像***的示意图。
图2是示出根据本公开的一个示例性实施方案的操作成像***执行介入医疗规程的方法的流程图。
图3是根据本公开的示例性实施方案的在采用成像***执行介入医疗规程期间呈现的显示屏的图解示意图。
具体实施方式
在以下详细描述中,参考形成其一部分的附图,并且其中通过示出的方式展示了可实践的具体实施方案。足够详细地描述了这些实施方案以使得本领域技术人员能够实践实施方案,并且应当理解,可以利用其他实施方案,并且可以在不脱离实施方案的范围的情况下进行逻辑、机械、电气和其他改变。因此,以下详细描述不应被视为具有限制意义。
以下描述呈现了用于在介入规程和/或外科规程期间对患者解剖结构实时成像的***和方法的实施方案。具体地,某些实施方案描述了用于更新图像的成像过程的***和方法,所述图像示出了在微创介入规程期间的患者解剖结构。例如,介入规程可以包括血管成形术、支架置入、血栓移除、局部溶栓药物给药、灌注研究、球囊隔膜造口术、经导管主动脉瓣植入术(TAVI)、EVAR、肿瘤栓塞和/或电生理学研究。
可以注意到,在本发明的描述中,术语“动态过程”和“瞬态现象”可互换使用,以指代其中要成像的受试者的至少一部分表现出随时间推移的运动或其他动态过程的过程和事件,诸如介入设备移动通过血管结构。作为示例,动态过程可包括通过通道的流体流动、设备振动、造影介质的吸收和冲洗、心脏运动、呼吸运动、蠕动和/或组织灌注参数变化,包括局部血容量、局部平均通过时间和/或局部血流量。
另外,以下描述呈现了诸如放射成像***的成像***以及使造影剂剂量、x射线辐射暴露和扫描持续时间最小化的方法的实施方案。除2D投影图像之外,本发明的***和方法的某些实施方案还可以用于重建高质量的3D横截面图像,以用于允许诊断、治疗递送和/或功效评估。
出于讨论的目的,参考C形臂***的使用描述本发明的***的实施方案,该C形臂***采用常规的和非常规的采集轨迹来对受试者的目标区域进行成像。在某些实施方案中,可以在介入规程或外科规程期间使用本发明的***和方法。另外,本发明的***和方法的实施方案还可以被实现用于在非医学成像环境中对各种瞬态现象成像,诸如制造的零件的安全筛查和/或工业无损评价。在以下部分参考图1描述了适合于实践本发明技术的各种实施方式的示例性***。
图1示出了例如用于介入医疗规程的示例性放射学成像***200,诸如在名称为Combination Of 3D Ultrasound And Computed Tomography For Guidance InInterventional Medical Procedures的美国专利案No.10,524,865中公开的***,该美国专利案出于所有目的以引用的方式明确并入本文。在一个实施方案中,***200可包括C形臂放射线照相***102,该C形臂放射线照相***被配置为从围绕受试者,诸如位于检查工作台105上的患者解剖结构104的一个或多个视角采集投影数据以供进一步分析和/或显示。为此,C形臂放射线照相***102可包括机架106,该机架具有诸如可移动C形臂107的移动支撑件,该移动支撑件包括至少一个诸如X射线管的放射线源108和位于C形臂107的相对端的检测器110。在示例性实施方案中,放射线照相***102可以是x射线***、正电子发射断层显像(PET)***、计算机化层析X射线照相组合(CT)***、血管造影或荧光镜***等等或它们的组合,这些***可操作以生成由静态成像检测器(例如,计算机断层摄影(CT)***、磁共振成像(MRI)***等)在医疗规程之前采集的静态图像,或者使用实时成像检测器(例如,血管成形***、腹腔镜式***、内窥镜式***等)在医疗规程期间采集的实时图像或它们的组合。因此,所采集的图像的类型可为诊断性的或介入性的。
在某些实施方案中,放射线源108可以包括多个发射设备,诸如布置在一维或多维场发射器阵列中的一个或多个可独立寻址的固态发射器,该多个发射设备被配置为朝向检测器110发射x射线束112。此外,检测器110可包括多个用于以所期望的分辨率对患者解剖结构104的目标组织317或其它感兴趣区域(ROI)进行成像的检测器元件,该多个检测器元件在尺寸和/或能量灵敏度上可类似,也可以不相同。
在某些实施方案中,C形臂107可被配置为沿着所期望的扫描路径移动,用于将X射线源108和检测器110围绕患者解剖结构104定向在不同的位置和角度,以用于采集用于动态过程的3D成像的信息。因此,在一个实施方案中,C形臂107可以被配置为围绕第一旋转轴线旋转。另外,C形臂107还可以被配置为围绕第二轴线以相对于参考位置约正或负60度的范围的角移动旋转。在某些实施方案中,C形臂107还可以被配置为沿着第一轴线和/或第二轴线向前和/或向后移动。
因此,在一个实施方案中,C形臂***102可包括配置为基于用于输入和/或基于协议的指令控制C形臂107沿着不同轴线的移动的控制电路***114。为此,在某些实施方案中,C形臂***102可包括可以被配置为使用各种输入机制向控制电路***114提供信号以对成像和/或处理参数进行自适应和/或交互式控制的电路***,诸如工作台侧控件116。例如,成像参数和/或处理参数可以包括显示特性、x射线技术和帧速率、扫描轨迹、工作台运动和/或位置、以及机架运动和/或位置。
在某些实施方案中,检测器110可包括多个检测器元件202,该多个检测器元件例如布置为2D检测器阵列,用于感测所投射的穿过患者解剖结构104的x射线束112。在一个实施方案中,检测器元件206产生代表照射x射线束112的强度的电信号,该电信号继而可用于估计x射线束112在穿过患者解剖结构104时的衰减。在另一个实施方案中,检测器元件202确定x射线束112中的入射光子的计数和/或确定对应的能量。
具体地,在一个实施方案中,检测器元件202可在围绕患者解剖结构104的各个角位置处采集对应于所生成的x射线束112的电信号,以收集多个放射线照相投影视图,用于构建X射线图像,诸如以形成荧光图像。为此,用于***200的控制电路114可以包括控制机构204,该控制机构被配置为控制工作台105、机架106、C形臂107和/或安装在其上的部件的位置、取向和/或它们以某些特定采集轨迹的旋转。
例如,控制机构204可以包括工作台马达控制器206,该工作台马达控制器允许基于基于协议的指令和/或例如经由台侧控件(诸如操纵杆)从医生所接收的输入来控制工作台105的位置和/或取向。例如,在介入期间,医生可通过使用工作台马达控制器206使工作台105移动来在***102的视野内将介入设备319(图3)尽量定位在患者解剖结构104体中。一旦介入设备可以可视化,则医生就可以将介入设备319的位置推进到脉管***内并执行介入诊断规程或治疗规程。
在某些实施方案中,可以使用控制机构204中的x射线控制器207来控制用于介入成像的x射线源108和检测器110,其中x射线控制器207被配置为向放射线源108提供功率信号和定时信号,用于在成像期间控制X射线暴露。此外,控制机构204还可以包括机架马达控制器208,该机架马达控制器可以被配置为控制机架106的旋转速度、倾斜度、视角和/或位置。在某些实施方案中,控制机构204还包括C形臂控制器210,该C形臂控制器与机架马达控制器208配合,可以被配置为移动C形臂107以用于动态过程的实时成像。
在一个实施方案中,控制机构204可以包括:数据采集***(DAS)212,用于对来自检测器元件206的投影数据进行采样并将模拟数据转换为数字信号,以供由2D图像处理器220进行图像重建,实时重建高保真度2D图像以在介入规程期间使用;和/或3D图像处理器/重建器222,用于生成3D横截面图像(或3D立体)并且随后在显示器218上示出图像。此外,在某些实施方案中,可将由DAS212采样和数字化的数据输入到***控制器/处理单元/计算设备214。另选地,在某些实施方案中,计算设备214可以将投影数据存储在存储设备216中,诸如硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘-读/写(CD-R/W)驱动器、数字通用光碟(DVD)驱动器、闪存驱动器,或者固态存储设备中以供进一步评价。存储设备216或另一合适的电子存储设备也可用于以下文描述的方式存储或保留用于操作控制器214的一个或多个功能的指令,包括对控制机构204进行控制。
在一个实施方案中,***200可包括用户界面或操作员控制台224,诸如键盘、鼠标和/或触摸屏界面,其可以被配置为允许用户界面以及与***200进行交互,以向***200输入操作控制,以及选择、显示和/或修改图像扫描模式、FOV、先前检查数据和/或介入路径。操作员控制台224还可以允许例如基于操作员命令和/或***命令即时访问2D和3D扫描参数以及选择感兴趣区域(ROI)以供后续成像。
此外,在某些实施方案中,***200可以经由一个或多个可配置的诸如医院网络和虚拟专用网络的有线和/或无线网络中的通信链路而耦接到例如在机构或医院内或者处于完全不同位置的本地或远程地定位的多个显示器、打印机、工作站、图像存档与通信***(PACS)226和/或类似设备。
除了可用于获得术前投影图像和/或重建的3D立体图像312以及患者解剖结构的术中2D图像323(其随后可被配准到术前3D立体图像312)两者的C形臂***102之外,成像***200还可附加包括补充成像***229,诸如可操作地连接到计算设备214的超声成像***230。超声成像***230包括超声探头232,该超声探头连接到***230并且能够获得用于采集患者解剖结构的3D超声图像的图像。在特定示例性实施方案中,超声***230可利用3D超声探头或通过常规的2D超声探头产生3D超声图像,该3D超声探头可以是外部或内部(血管内)超声探头,该常规的2D超声探头被导航即配备有导航传感器,导航传感器实时提供探头232的位置和取向,以便使得能够将2D图像处理成患者解剖结构的3D超声图像立体,或者配准到患者解剖结构的术前3D立体312。
超声***230还包括***控制器234,该***控制器包括多个模块。***控制器234被配置为控制超声***230的操作。例如,***控制器234可以包括图像处理模块236,该图像处理模块接收超声信号(例如,RF信号数据或IQ数据对)以及处理超声信号以生成超声信息帧(例如,超声图像)以用于显示给操作员。图像处理模块236可以被配置为根据所采集的超声信息上的多个可选超声模态来执行一个或多个处理操作。仅以示例的方式,超声模态可包括彩色流、声学辐射力成像(ARFI)、B模式、A模式、M模式、频谱多普勒、声流、组织多普勒模块、C扫描和弹性成像。所生成的超声图像可以是二维(2D)超声图像、三维(3D)超声图像或四维(4D)超声图像。
当接收成像信号时,可在成像时段(或扫描时段)期间实时处理所采集的术中图像信息,诸如来自C形臂***102的荧光镜透视信息或来自超声***230的超声信息。除此之外或另选地,可在介入规程期间将术中图像信息临时存储在存储器238中,并且在进行实时或离线操作时以不太实时的方式对其进行处理。包括了图像存储器240,用于存储经处理的术中图像信息帧。图像存储器240可包括任何已知的数据存储介质,例如,永久存储介质、可移除存储介质等。
在操作时,超声***230通过各种技术(例如,3D扫描、实时3D成像、立体扫描、利用具有定位传感器的换能器进行的2D扫描、使用voxel相关技术进行的自由扫描、使用2D或矩阵阵列换能器进行的扫描等)采集数据,例如,立体数据集。在显示设备218上向例如超声***230的补充成像***229的操作者或用户显示例如超声图像的术中图像。
已经对***200的一般构造提供了描述,以下描述对***200进行与所成像的患者解剖结构104有关的操作的方法300(参见图2)。尽管下面讨论了方法300的示例性实施方案,但应当理解,可以省略或添加包括方法300的一个或多个动作或步骤。还应当理解,动作中的一个或多个可以同时执行或至少基本上同时执行,并且动作的顺序可以改变。此外,可以体现的是,以下步骤或动作中的至少若干个步骤或动作可以表示为要存储在存储器216,238中的一系列计算机可读程序指令,以用于由控制电路/计算设备114,214针对放射线照相成像***102和/或例如超声成像***的补充成像***230中的一个或多个执行。
在方法300中,在步骤310中,初始获得患者解剖结构104的术前图像/立体312,诸如术前计算机断层摄影(CT)图像/立体。使用***102以任何合适的成像方式获得计算机断层摄影(CT)图像/立体312,诸如通过获得各个角度的患者解剖结构104的多个投影/投影视图,并且将投影视图重建成表示患者解剖结构104的3D立体312,诸如通过采用计算设备214和/或图像重建器222以已知方式根据投影视图执行3D立体重建。
在步骤314中,在显示器218上将3D立体312呈现给医生。通过用户界面224,医生可选择和查看3D立体312及其所选择的切片,以便在显示器218上提供所成像的解剖结构104的所期望的3D视图和/或2D视图。***200可将图像连同图形用户界面(GUI)或其它显示的用户界面一起呈现在关联的显示器/监视器/屏幕218上。该图像可以是可从多个位置诸如通过基于网络的浏览器、局域网等访问的基于软件的显像。在此类实施方案中,可远程访问该图像,从而以与图像呈现在显示器/监视器/屏幕218上的方式相同的方式显示在远程设备(未展示)上。使用用户界面/GUI 224,医生能够在显示器218上对所选择的图像、切片等和/或立体312进行注释,以记录图像内的与医生要在患者解剖结构104上执行的介入规程相关的各个特征部和/或结构,以及规划途径330(图3),该途径在规程中用于使介入设备319通过患者解剖结构104到达目标组织或目标结构317。可根据沿着接近目标组织317的途径330设置的结构313和/或分叉315来规划途径330。
与步骤314中的2D图像和3D图像的手动注释同时或连续进行,在步骤316中,成像***200采用处理器/处理单元/计算设备214来使用已知的针对计算机断层摄影(CT)或其它成像***图像生成的识别过程和/或算法来查明存在于3D立体312内的各个特征部的位置以及有关它们的相关信息321,其中,各个特征部可包括但不限于器官和/或血管结构313以及包含在其中的任何分叉315,该相关信息包括但不限于器官和/或血管结构313和分叉315的直径和/或迂曲度和/或异常或目标结构317。例如,传统图像处理技术,或包括机器学习(ML)和深度学习(DL)等在内的基于人工智能(AI)的方法,或两者的组合可用于识别和定位3D立体312内的这些结构313、分叉315和/或异常317,计算设备214可采用这些传统图像处理技术,或基于AI的方法,或两者的组合来执行方法300的任何一个或多个过程或步骤,诸如通过利用存储在存储设备216内并且可由计算设备214访问的用于操作图像处理技术和/或基于AI的方法的指令。
在步骤314中对图像进行手动注释并且在步骤316中对3D立体进行***分析之后,***100前进到步骤318,在该步骤中,计算设备214将步骤314的输出(即,针对途径330的手动注释)与步骤316的输出(器官和/或血管结构313、分叉315和目标组织317的位置和形式的确定结果以及其相关信息321(图3))进行组合,以形成介入规程路线320。在形成路线320时,使用如前所述的传统图像处理技术或基于人工智能(AI)的方法,计算设备214分析由医生确定的针对介入设备319的建议途径330,与有关形成针对介入设备319的途径330的各部分的结构313和/或分叉315的信息321进行比较。利用该信息321,计算设备/AI 214可确认、更改和/或建议用于介入设备319接近目标组织317的由医生选择的途径330的替代路径。更具体地,取决于由计算设备/AI 214检测到的关于结构313和分叉315的特征部或特性(例如,直径、迂曲度等)的信息321,计算设备214可提供到达目标组织317的替代途径330,其有利于实现更容易或简化的到达目标组织317的途径330。此外,计算设备/AI 214可将路线320分段成各个步骤,其中,每一路线步骤323对应于遍历沿着途径330的单个结构313和/或分叉315。
此外,由计算设备/AI 214检测到的有关结构313和分叉315的信息使得计算设备/AI 214能够提出待采用的介入设备319的替代形式和/或尺寸,以便适应形成介入设备319的途径330的各部分或步骤323的结构313和/或分叉315的例如直径和迂曲度等特征,以进一步提高沿着途径330移动介入设备319的便利性。此外,有关替代介入设备319的提议使得能够制定不同且简化的途径330,以用于执行规程。
在对将用于规程中的替代途径和/或设备319进行和/或选择了任何调节之后,计算设备/AI 214可编写路线320,该路线包括介入设备319沿着途径330在沿着该途径的每个分叉315处的逐步移动。此外,在计算设备315对其进行分析的3D立体312内的结构313和分叉315的定向已知的情况下,计算设备/AI 214还可为路线320的每个路线步骤323提供有关C形臂107的位置的信息,以最佳定位x射线源108和检测器110,从而在执行规程期间获得结构313、分叉315、目标组织317和介入设备319的最佳术中图像。路线320和诸如3D立体312之类的关联的信息、针对规程所选择的介入设备319和/或用于查看在每个分叉315处的介入设备319的C形臂107的位置,以及其它信息可存储在存储设备216中,以供以后在执行规程时使用。
现在参考图2和图3,在执行规程期间,在步骤322中,路线320由用于在规程期间获得术中图像332的成像***200访问或发送到该成像***,该成像***可与用于获得用于形成3D立体312的术前图像的成像***或设备200相同或不同。一旦被访问,在步骤324中,路线320的当前路线步骤323的信息321就结合所获得的分叉315和设备319的术中图像332呈现在显示器218上。路线320的每个路线步骤323的可呈现在显示器218上的信息321可包括但不限于:目标组织317相对于示出在2D图像332中的介入设备319的位置的位置、途径330在示出在2D图像332中的分叉315内的预定路径325、与形成预定路径325的一部分的分叉315或其部分的例如直径、迂曲度和/或路径角度等特性有关的信息,和/或由成像***200/C形臂107使用以获得所显示的2D图像332的最佳可视化角度的参数/位置。此外,信息321可包括与路线320的当前路线步骤323相关的任何警告,诸如与对介入设备319进行的所需改变相关的任何注意事项,诸如由于分叉315的特性从术前图像312改变到术中图像332,和/或由医生提供的有关所显示的分叉315的任何术前注释。
除了在显示器218上呈现信息321之外,在可与步骤324同时或连续执行的步骤326中,成像***200采用当前路线步骤323的信息321来确定在显示器218上展示的分叉315的3D模型327。可将术中2D图像332配准到3D立体312,并且可将图示在2D图像332中的分叉315重新创建成结合2D图像332呈现在显示器218上的3D模型327的形式。3D模型327的图示为医生提供2D图像332中展示的分叉315的所有三个维度的视图,从而简化介入设备319沿着预定路径325通过分叉315的导航。必要时,可移动3D模型327在显示器218上的呈现,例如,沿多条轴线旋转,以便向医生提供模型327的视图,该视图最适合于使得医生能够最易于确定介入设备319在分叉315内的定向以及引导介入设备319沿着所规划的途径330跟随预定路径325通过分叉315所沿着的对应方向。
另外,如图3最佳所示,可在与术中2D图像332关联的显示器218上呈现覆盖层340。覆盖层340可包含与通过图示在术中2D图像332中的结构313和/或分叉315的途径330的路径325的方向以及目标组织317相对于结构313和/或分叉315的位置有关的信息。
当介入设备319已经沿着分叉315移动到达介入设备319的尖端331被定位在例如靠近2D图像332的边缘等指定位置处的点时,计算设备/AI 214可前进到步骤328并且移动到路线320的下一路线步骤323。这样,计算设备/AI 214访问对应于后续路线步骤323的信息321以确定与路线320的下一步骤关联的分叉315的位置。然后,计算设备/AI 214操作成像***200以获得下一分叉315的后续2D术中图像332以供呈现在显示器218上,并且可选地以供与3D立体312配准,以便提供3D模型327以供与后续术中2D图像332对齐呈现和/或一起呈现。计算设备/AI 214可按这种方式前进通过路线320的每个步骤323,直到已经完成所有预定路线步骤323并且介入设备319已经到达目标组织317。
利用该***和方法,对于特定介入医疗规程的路线320的每个预定步骤323,向医生提供每个由成像***200在最佳角度处可选地以连续的方式获得并且示出与路线320的特定步骤323相关的结构313和/或分叉315以及介入设备319在结构313和/或分叉315内的位置的术中2D图像332。此外,与每个术中2D图像332关联,向医生提供有关路线320的特定步骤323的信息321,包括结构313和/或分叉315的特性和结构参数、示出结构313和/或分叉315的可操控3D模型327,以及2D图像323的覆盖层340,该覆盖层指示通过结构313和/或分叉315的途径330的一部分或路径325以及目标组织317相对于被显示的结构313和/或分叉315的位置。这样,向医生提供有关构成路线320的每个步骤的结构313和/或分叉315的特性的详细信息321以及有关介入设备319沿着路径325和途径330通过结构313和/或分叉315以执行介入规程的合适方向的信息。
在本公开的***和方法的替代实施方案中,方法300可由成像***200和合适的机械臂250自动执行,该机械臂能够可操作地连接到C形臂107,也可以形成为独立式结构(未展示)。机械臂250可操作地连接到计算设备/AI 214并且包括设置在其一端上的介入设备319。在方法300中,利用由计算设备/AI 214采用在步骤316中执行的3D立体312的分析结果在步骤318规划的路线320,计算设备/AI 214能够随后控制C形臂***102和机械臂250的移动和操作以执行每个路线步骤323并且完成介入规程。在本实施方案中,2D图像332在显示器218上的呈现是可选的,以使得医生能够通过计算设备/AI 214查看介入规程的路线320的每个步骤323的执行。
最后,还应当理解,***200和/或计算设备/AI 214可包括必要的电子器件、软件、存储器、存储装置、数据库、固件、逻辑/状态机、微处理器、通信链路、显示器或其它视觉或音频用户界面、打印设备以及用于执行本文所述功能和/或实现本文所述结果的任何其它输入/输出接口。例如,如前所述,***可以包括至少一个处理器和***存储器/数据存储结构,这些***存储器/数据存储结构可以包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。***200的至少一个处理器/计算设备/AI 214可包括一个或多个传统微处理器和一个或多个辅助协处理器,诸如数学协处理器等。本文讨论的数据存储结构可包括磁性、光学和/或半导体存储器的适当组合,并且可包括例如RAM、ROM、闪存驱动器、诸如压缩盘的光盘和/或硬盘或驱动器。
另外,使可位于成像***200上或远离成像***200的控制器/计算设备/AI 214适于执行本文所公开的方法的软件应用程序可从计算机可读介质读取到至少一个处理器的主存储器中。如本文所用,术语“计算机可读介质”是指向***10的至少一个处理器(或本文所述的设备的任何其他处理器)提供或参与提供指令以供执行的任何介质。此类介质可采用许多形式,包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质包括例如光学、磁性或光磁盘,诸如存储器。易失性介质包括通常构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。计算机可读介质的常见形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其他光学介质、RAM、PROM、EPROM或EEPROM(电子可擦除可编程只读存储器)、FLASH-EEPROM、任何其他存储器芯片或盒式磁带、或计算机可从中进行读取的任何其他介质。
虽然在实施方案中,执行软件应用程序中的指令序列促使至少一个处理器/计算设备/AI 214执行本文所述的方法/过程,但可使用硬连线电路代替软件指令或与该软件指令结合以用于实现本发明的方法/过程。因此,本发明的实施方案不限于硬件和/或软件的任何特定组合。
应当理解,本公开的前述组合物、装置和方法不限于特定实施方案和方法,因为这些可变化。还应当理解,本文所用的术语仅用于描述特定示例性实施方案的目的,而非旨在限制本公开的范围,本公开的范围将仅由所附权利要求书限制。
Claims (15)
1.一种用于在介入医疗规程期间提供引导介入设备(319)的方法,所述方法包括以下步骤:
-利用第一成像***(102,200,230)获得患者解剖结构(104)的术前3D图像立体(312);
-识别所述图像立体(312)中的一个或多个结构(313)、所述一个或多个结构(313)的特性和至少一个目标组织(317);
-规划路线(320),所述路线包括用于将介入设备(319)***通过所述患者解剖结构(104)到达所述目标组织(317)的多个步骤(323);
-利用第二成像***(100,200,230)根据所述路线的一个步骤获得所述患者解剖结构(104)和所述介入设备(319)的术中2D图像(332);以及
-将所述术中2D图像(332)配准到所述3D图像立体(312)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述第一成像***(102,200,230)选自由以下项构成的组:计算机断层摄影(CT)成像***、锥形束计算机断层摄影(CBCT)成像***和磁共振成像(MRI)成像***。
3.根据权利要求1所述的方法,所述方法还包括基于沿着所述路线(320)的所述结构(313)的构型和所述特性来确定用于执行所述规程的介入设备(319)的类型的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法,其中规划所述路线(320)的步骤包括:
-确定通过所述患者解剖结构(104)沿着所述一个或多个结构(313)到达所述目标组织(317)的途径(330);以及
-确定沿着所述途径(330)定位的所述一个或多个结构(313)中的每个结构的所述特性。
5.根据权利要求4所述的方法,所述方法还包括以下步骤:
-形成路径(325)的覆盖层(340),所述覆盖层形成沿着存在于所述2D图像(332)中的所述一个或多个结构(313)的所述途径(330)的一部分;以及
-在与所述覆盖层(340)关联的显示器(218)上呈现所述2D图像(332)。
6.根据权利要求4所述的方法,其中手动执行确定沿着所述患者解剖结构(140)中的所述一个或多个结构(313)到达所述目标组织(317)的途径(330)的步骤。
7.根据权利要求4所述的方法,其中自动执行确定沿着所述途径(330)定位的所述一个或多个结构(313)中的每个结构的所述特性的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法,所述方法还包括在确定沿着所述途径(330)定位的所述一个或多个结构(313)的特性之后更改所述途径(330)的步骤。
9.根据权利要求7所述的方法,所述方法还包括在确定沿着所述途径(330)定位的所述一个或多个结构(313)的所述特性之后确定待沿着所述途径(330)移动的所述介入设备(319)的形式的步骤。
10.根据权利要求4所述的方法,其中所述一个或多个结构是分叉(315),并且其中确定通过所述患者解剖结构(104)沿着所述一个或多个结构(313)到达所述目标组织(317)的所述途径(330)的步骤包括:
-确定沿着所述途径(320)的所述分叉(315)的位置;以及
-为每个分叉(315)形成单独的路线步骤(323)。
11.根据权利要求10所述的方法,其中确定沿着所述途径(330)定位的所述一个或多个结构(313)中的每个结构的所述特性的步骤包括确定直径、迂曲度、最佳可视化角度、路径角度以及它们的组合中的至少一者。
12.根据权利要求1所述的方法,所述方法还包括以下步骤:
-形成所述2D图像(332)中的所述结构的3D模型(327);以及
-在与所述3D模型(327)关联的显示器(218)上呈现所述2D图像(332)。
13.根据权利要求1所述的方法,其中获得术中2D图像(332)的步骤包括根据所述路线(320)的第一步骤(323)获得所述患者解剖结构(104)和所述介入设备(319)的第一术中2D图像(332),并且其中所述方法还包括以下步骤:
-沿着图示在所述第一术中2D图像(322)中的所述患者解剖结构(104)移动所述介入设备(319);
-根据所述路线(320)的第二步骤(323)获得所述患者解剖结构(104)和所述介入设备(319)的第二术中2D图像(322)。
14.一种用于在介入医疗规程中提供引导介入设备(319)的移动的成像***(102,200,230),所述成像***(100,200,230)包括:
-第一成像***(102,200,230),所述第一成像***用于获得患者解剖结构(104)的术前3D图像立体(312);
-第二成像***(102,200,230),所述第二成像***用于获得所述患者解剖结构(104)的术中2D图像(322);以及
-计算设备(114,204),所述计算设备可操作地连接到所述第一成像***(102,200,230)以及连接到所述第二成像***(102,200,230),所述计算设备(114,204)被配置为识别所述图像立体(312)中的一个或多个结构(313)、所述一个或多个结构(313)的特性和至少一个目标组织(317),以规划包括用于将介入设备(319)***通过所述患者解剖结构(104)到达所述目标组织(312)的多个步骤(323)的路线(320),以及将所述术中2D图像(332)配准到所述3D图像立体(312)。
15.根据权利要求14所述的成像***(102,200,230),其中所述计算设备(104,204)被配置为形成所述术中2D图像(322)中的所述结构(313)的3D模型(327),并且在与所述3D模型(327)关联的显示器(218)上呈现所述术中2D图像(322)。
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