本專利申請要求于2015年7月23日提交的美國臨時專利申請62/195,905的權益，該專利以引用的方式并入本文中。

技術領域

本發明整體涉及醫療過程中使用的不同模態的配準，并且具體地涉及受檢者的圖像與被配置成跟蹤受檢者體內的器械的系統的配準。

背景技術：

為了進行磁跟蹤系統與受檢者圖像的配準，在現有技術的系統中，將由磁跟蹤系統跟蹤的探針定位在受檢者的預先確定的特征結構處。通過跟蹤系統所確定的探針的特征結構位置與由受檢者的圖像(通常為計算機斷層攝影術(CT)圖像)確定的特征結構位置相關，并且該相關性用于配準圖像與跟蹤系統。然而，探針在預先確定的特征結構處的定位通常是不準確的，并且可能與正確位置相差不止1mm。例如，在給定特征結構處，可抵靠受檢者推動探針，在該位置處按壓皮膚，從而導致不準確的配準。作為另外一種選擇，在另一個位置處，探針甚至可能不接觸特征結構，從而再次導致不準確的配準。

授予Yagel的PCT申請WO2002/000093A2描述了用于將目標受檢者圖像配準到存儲的圖像數據的系統，該申請的公開內容以引用方式并入本文。二維圖像與參考坐標系和目標的先前采集的三維圖像兩者配準以提供從參考坐標系到目標的坐標變換。

授予Shahidi的美國專利申請2007/0276234描述了宣稱有助于使用者將醫療器械引導至患者體內的皮下目標部位的方法，該申請的公開內容以引用方式并入本文。闡述了該方法生成至少一個術中超聲圖像并且指示超聲圖像上的目標部位。

授予Schwartz等人的美國專利8,636,519描述了具有適于由操作人員握持的遠側端部和近側端部的探針實體模型，該專利的公開內容以引用方式并入本文。模擬真實患者的患者實體模型具有孔，該孔允許探針實體模型的遠側端部穿透到患者實體模型內。力發生器聯接到探針實體模型以便將力施加到操作人員可感知的所述近側端部，并且控制器被配置成跟蹤遠側端部。

授予Galloway，打.等人的美國專利7,072,707描述了用于收集和處理在執行圖像引導的外科手術時使用的物理空間數據的方法，該專利的公開內容以引用方式并入本文。闡述了物理空間數據通過探測經外科手術暴露的組織的物理表面點而收集。物理空間數據為物理表面點中的每個提供了3D坐標?；谒占奈锢砜臻g數據，確定了用于指示圖像空間和物理空間兩者中的外科手術位置的基于點的配準。

授予Ma等人的美國專利9,019,262描述了用于轉化與成像探針的視野的位置和取向相對應的顯示的三維圖像的方法，該專利的公開內容以引用方式并入本文?？娠@示第一坐標空間中的組織的三維圖像。第二坐標空間中的成像探針的視野可被配置，并且第一坐標空間和第二坐標空間可共同配準。

授予Nelson等人的美國專利申請2009/0299174描述了用于跟蹤人類患者體內的器械的方法，該專利的公開內容以引用方式并入本文。該器械具有細長主體，諸如細長柔性構件，其具有被配置成通過人體內的血管或其他通道的遠側節段。該器械還可包括通過遠側節段的管腔和在遠側節段處具有轉發器的磁性標記物。

以引用方式并入本專利申請的文獻將被視為本專利申請的整體部分，不同的是如果在這些并入的文獻中定義的任何術語與在本說明書中明確或隱含地給出的定義相沖突，則應只考慮本說明書中的定義。

技術實現要素：

本發明的實施方案提供設備，該設備包括：

磁跟蹤系統，該磁跟蹤系統被配置成在活體受檢者的身體附近生成磁場；

探針，該探針具有被配置成與身體表面上的一個或多個配準點接觸的遠側端部，并且包括：

接觸傳感器，該接觸傳感器位于遠側端部內并且被配置成輸出表示遠側端部與一個或多個配準點之間的接觸的質量的第一信號；和

磁性檢測器，該磁性檢測器位于遠側端部內并且被配置成響應于磁場而輸出表示磁跟蹤系統的坐標系中的一個或多個相應配準點的相應位置的第二信號；以及

處理器，該處理器被配置成接收受檢者的層析圖像，并且基于由第一信號指示的接觸的質量而證實一個或多個配準點是有效的，并且使用被證實為有效的一個或多個配準點的位置來將層析圖像配準在所述磁跟蹤系統的所述坐標系中。

在一個實施方案中，接觸傳感器由電極組成，并且證實一個或多個配準點是有效的包括證實由與配準點中的每個接觸的電極測量的阻抗處于預先確定的范圍內。當在20kHz下測量阻抗時，預先確定的范圍可為20kΩ-40kΩ。作為另外一種選擇或除此之外，可響應于身體表面上的接地單元的位置，以及響應于接地單元與表面的接觸程度來評估預先確定的范圍。

在所公開的實施方案中，設備包括連接到探針的柄部以便形成剛性探針組件。

在另一個所公開的實施方案中，一個或多個配準點被選擇為對于探針的使用者的肉眼為可見的。

在另一個所公開的實施方案中，一個或多個配準點被選擇為固定在身體表面上。

作為另外一種選擇，接觸傳感器由力傳感器組成，并且證實一個或多個配準點是有效的包括證實由與每個配準點接觸的力傳感器測量的力處于預先確定的范圍內。預先確定的范圍可為2gm-8gm。作為另外一種選擇或除此之外，響應于接觸身體表面上的預選點的探針的使用者來評估預先確定的范圍。

根據本發明的實施方案，還提供了一種方法，該方法包括：

用磁跟蹤系統在活體受檢者的身體附近生成磁場；

使探針的遠側端部與身體表面上的一個或多個配準點接觸，該探針包括：

接觸傳感器，該接觸傳感器位于遠側端部內并且被配置成輸出表示遠側端部與一個或多個配準點之間的接觸的質量的第一信號，和

磁性檢測器，該磁性檢測器位于遠側端部內并且被配置成響應于磁場而輸出表示磁跟蹤系統的坐標系中的一個或多個相應配準點的相應位置的第二信號；

接收受檢者的層析圖像；

基于由第一信號指示的接觸的質量而證實一個或多個配準點是有效的；以及

使用被證實為有效的一個或多個配準點的位置來將層析圖像配準在所述磁跟蹤系統的所述坐標系中。

結合附圖，根據下文對本公開的實施方案的詳細說明，將更全面地理解本公開，其中：

附圖說明

圖1為根據本發明的實施方案的表面配準系統的示意圖；

圖2A和圖2B為根據本發明的實施方案的用于系統中的探針的示意圖；并且

圖3為根據本發明的實施方案的操作該系統所執行的步驟的流程圖。

具體實施方式

概述

本發明的實施方案使得將磁跟蹤系統與受檢者的圖像配準的過程比現有技術的配準系統更準確。將接觸傳感器結合到由磁跟蹤系統跟蹤的探針中，并且傳感器提供在受檢者的用于與圖像配準的特征結構處探針與受檢者皮膚的接觸的“程度”或質量的讀數。(特征結構的位置也在圖像中確定。)在一個實施方案中，傳感器包括電極，并且由電極測得的阻抗用于量化接觸程度，并且給出接觸為有效的指示。在另選的實施方案中，傳感器包括力傳感器，并且所測得的力的值用于指示接觸是有效的。

在所公開的實施方案中，配準設備包括磁跟蹤系統，該磁跟蹤系統被配置成在活體受檢者(通常為人類受檢者)的身體附近生成磁場。該設備的使用者使探針的遠側端部與身體表面上的一個或多個配準點接觸。接觸傳感器位于遠側端部中，并且輸出表示遠側端部與一個或多個配準點之間的接觸的質量的第一信號。磁性檢測器也位于遠側端部內，并且響應于磁場而輸出表示磁跟蹤系統的坐標系中的一個或多個相應配準點的相應位置的第二信號。

所公開的實施方案還包括接收受檢者的層析圖像的處理器。基于由第一信號指示的接觸的質量，處理器證實一個或多個配準點是有效的。處理器隨后使用被證實為有效的一個或多個配準點的位置來將層析圖像配準在所述磁跟蹤系統的所述坐標系中。

具體實施方式

圖1為根據本發明的實施方案的表面配準系統10的示意圖。圖2A和圖2B為根據本發明的實施方案的探針的示意圖。圖3為根據本發明的實施方案的操作系統10所執行的步驟的流程圖。系統10用于配準磁跟蹤系統12與圖像，該圖像在本文中以舉例的方式假定為包括受檢者14的計算機斷層掃描(CT)圖像。跟蹤系統12用于跟蹤一個或多個器械的位置和取向，所述器械諸如導管或導絲，其在受檢者上執行醫療過程期間被插入到受檢者14體內。如下所述，跟蹤系統12也能夠跟蹤在受檢者外部的配準探針28的位置和取向。探針28固定地連接到可在系統10的使用期間由專業人員30握持的柄部32(在圖中僅示出專業人員的手)。探針28和柄部32的組合形成剛性探針組件31，該剛性探針組件有利于通過專業人員30將探針定位到所需位置。

為清楚和簡單起見，在以下描述中，假定上文提到的醫療過程包括受檢者14的鼻竇上的侵入性過程，使得表面配準系統10和磁跟蹤系統12假定為被配置成在鼻竇區域中以及周圍操作。然而，應當理解，系統10和系統12可被配置成在受檢者的其他區域中以及周圍操作，所述其他區域諸如腎臟或腹部，并且本領域的普通技術人員將能夠對本文的描述進行調整以用于此類其他區域。

跟蹤系統12由系統處理器16操作，該系統處理器包括與探針跟蹤模塊20連通的處理單元18。模塊20的功能在下文中描述。處理器16可安裝于控制臺22中，該控制臺包括操作控制件24，該操作控制件通常包括指向裝置，諸如鼠標或軌跡球。如圖中所指示的，控制臺22是接地的。專業人員30使用操作控制件來與處理器進行交互，該處理器如下文所述可用于在屏幕34上向專業人員呈現由系統10和系統12產生的結果。

處理器16使用存儲在所述處理器的存儲器中的軟件來操作系統10。例如，軟件可以電子形式通過網絡下載到處理器16，或者作為另外一種選擇或除此之外，該軟件可被提供和/或存儲在非臨時性有形介質(諸如磁存儲器、光學存儲器、或電子存儲器)上。

為了跟蹤上文提到的在受檢者14體內的器械，以及跟蹤探針28，處理單元18使用探針跟蹤模塊20來操作多個磁場發生器40。在一個實施方案中，如果受檢者14未被麻醉，則通常適用的是，將發生器40(通常為線圈)固定到框架44，該框架繼而夾緊到受檢者14的頭部26，如圖1所示，并且該框架為接地的。在另選的實施方案中，如果受檢者14被麻醉并且將頭斜靠固定在床上，則適用的是，發生器通常通過放置在床上(除了受檢者的頭部以外)而相對于彼此并且相對于頭部固定，而無需使用框架44。在這種情況下，接地補片43可附接到受檢者14的皮膚。

發生器將交變磁場輻射到受檢者的頭部中以及外部，并且該場生成器械中以及探針28中的磁性檢測器中的信號。通常就探針28而言，信號經由將探針連接到控制臺22的纜線50而傳送回到處理單元18和模塊20，其分析信號以提供器械和探針28相對于發生器40的位置和取向。應當理解，磁場發生器40限定磁跟蹤系統12的坐標參照系41。

由加利福尼亞州鉆石吧的韋伯斯特生物傳感公司(Biosense Webster，Diamond Bar，CA)生產的系統使用類似于本文所述的跟蹤系統來跟蹤插入到受檢者體內的探針的遠側末端的位置和取向。

如下文所詳述，系統處理器16存儲受檢者14的頭部26的數字化CT圖像54。數字化CT圖像可由處理單元18處理以便用于配準系統10中，以及特別是生成受檢者的頭部在屏幕34上的圖像58。在配準的過程期間，使探針28與受檢者14的表面36接觸，即，與受檢者的皮膚接觸，使得表面36在本文中也稱為皮膚36。

圖2A為根據本發明的實施方案的探針28的橫截面的示意圖。探針28包括磁性檢測器60，該磁性檢測器在本文中假定為包括一個或多個線圈，其位于探針的遠側末端64處并且響應于由發生器40發射的磁場而生成信號。該信號通常通過可能包括導電纜線或者另選地包括光纖電纜的信號傳送纜線68傳送到控制臺22的處理單元和探針跟蹤模塊。如果纜線68包括光纖電纜，則檢測器60中產生的電信號可使用光電換能器(在圖中未示出)轉化成光信號以便在光纖電纜中傳輸。作為另外一種選擇，由檢測器60產生的信號可無線地傳送到處理單元42和模塊46。如上所述，處理單元使用探針跟蹤模塊來由信號確定探針28的位置和取向。

除了具有位于遠側末端64處的檢測器60之外，遠側末端還包括電極72，該電極從探針的外表面76略微突出或者與探針的外表面76齊平。如果電極72被配置成從表面76突出，則突起通常為大約100微米。導電纜線80將電極72連接到系統控制臺22。電極72和纜線80與控制臺22的接地電隔離，并且如下所述，在這種情況下，電極充當探針28的接觸傳感器并且在本文中也稱為接觸傳感器72。

圖2B為根據本發明的替代實施方案的探針28A的橫截面的示意圖。除了以下描述的差別之外，探針28A的操作大體類似于探針28(圖2A)的操作，并且在探針28和探針28A中由相同附圖標號指示的元件通常在構造和操作方面相似。與探針28相比，探針28A在其遠側末端處不包括電極。相反，力傳感器90安裝在探針中，使得力傳感器能夠測量遠側末端64上的力。力傳感器可為本領域中已知的任何方便的力傳感器，并且可為例如與上文提到的系統中提供的傳感器類似的傳感器。通常，力傳感器90被配置成測量遠側末端上的力的量值和方向。

來自力傳感器90的信號可基本上如上文對于來自檢測器60的信號所述無線地或通過纜線96傳送到處理單元18。處理單元被配置成分析信號以提供施加在探針28A的遠側末端上的力的定量值。

圖3為根據本發明的實施方案的操作表面配準系統10所執行的步驟的流程圖。除非另外指明，否則以下描述假定探針28用于由系統生成的配準，并且還假定框架44附接到受檢者14。對于其中使用探針28A以及/或者在不使用框架44時的情況而言，本領域的普通技術人員將能夠根據需要對描述進行調整。

在圖像采集步驟150中，系統處理器16采集層析圖像，該層析圖像在本文中假定為包括受檢者14的頭部的CT圖像。CT圖像通常在CT機中生成，然后通過系統處理器存儲為數字化CT圖像54。步驟150在流程圖的以下步驟之前執行，并且通常可在這些步驟之前若干天執行。

在安裝步驟152中，框架44及其附接的發生器40夾緊到受檢者14的頭部。發生器連接到控制臺22，并且由處理單元18使用模塊20啟動。受檢者14的一部分連接到地。在一個實施方案中，框架44是導電的并且是接地的，使得將框架夾緊到受檢者使受檢者接地。

在定位步驟154中，專業人員30握持柄部32并且使探針28與受檢者14的表面(即，皮膚)上的多個預先確定的配準點中的一個接觸。通常在流程圖步驟的具體實施之前，通常存在由專業人員30選擇的大約3-4個配準點，并且這些配準點中的一個在步驟154中選擇。預先確定的點通常為在皮膚上的在幾何形狀上明確定義的點，諸如受檢者鼻部的頂端，或者在眼睛之間在受檢者眉毛上的點。預先確定的點被選擇為對于專業人員30的肉眼而言為可見的，以及在幾何形狀上明確定義的，并且選擇為在受檢者皮膚的固定部分上。

在使探針28接近受檢者的皮膚時，檢測器60響應于來自橫貫檢測器的發生器40的磁場而生成信號。

在信號采集步驟156中，來自檢測器60的信號由處理器16接收。此外，處理器通過將交流電流注入到電極中來測量電極72(在本文中也稱為接觸傳感器72)與接地之間的阻抗。接觸傳感器72及其連接纜線80與接地隔離，使得在傳感器72不接觸受檢者14的皮膚時，測得的阻抗較大，通常為大約10MΩ或更大。在與受檢者的皮膚接觸時，阻抗顯著降低。

接觸傳感器72與接地之間的實際阻抗取決于傳感器與皮膚的接觸的“程度”或質量，以及取決于框架44或接地補片43的接觸的位置和程度。例如，如果接觸是極輕的，則阻抗可為大約100kΩ。在另一方面，如果接觸非常強，使得接觸傳感器72推動到受檢者的皮膚中，則阻抗可降至大約10kΩ或更小。

本發明的實施方案對于接觸傳感器72與接地之間的阻抗分配可接受的范圍。在一個實施方案中，在使用20kHz頻率的情況下，可接受的范圍為20kΩ-40kΩ。在20kΩ以下，探針可過度按壓皮膚，將皮膚向內按壓1mm或甚至更多。在40kΩ以上，可能不存在或者幾乎不存在接觸。在另選的實施方案中，可接受的范圍由專業人員30確定，而無需過多的實驗，并且取決于框架44和/或補片43的接觸的定位和/或程度。

就探針28A而言，本發明的實施方案使用力傳感器90作為接觸傳感器，使得力傳感器90在本文中也稱為接觸傳感器90。在步驟156中，處理器記錄由接觸傳感器90測得的力。如果傳感器90不接觸受檢者14的皮膚，則由傳感器測得的力為零。如果接觸是強的，使得傳感器90推動到皮膚中，則由傳感器測得的力通常為10gm或更大。

類似于接觸傳感器72(電極)，將力的可接受范圍分配給由傳感器90測得的力。在一個實施方案中，可接受的范圍為2gm-8gm。在2gm以下，可能不存在或者幾乎不存在接觸；在8gm以上，探針可多度按壓皮膚。在另選的實施方案中，力的可接受范圍由專業人員30通過以下方式確定，而無需過多的實驗：專業人員使探針28與受檢者皮膚上的所選擇點接觸。

在決定步驟158中，處理器16檢查來自接觸傳感器、電極72或力傳感器90的讀數是否在其可接受的范圍內，從而指示探針28或探針28A是否形成與受檢者14的皮膚的有效接觸。

如果步驟158返回肯定的回答，則在記錄信號步驟160中，處理器將步驟156的來自檢測器60的信號記錄為有效信號。處理器也可向專業人員30提供探針的接觸為有效接觸的信號，諸如聽覺信號或視覺信號。在這種情況下，視覺信號的示例為將綠色符號定位在屏幕34上的圖像58中的對應位置處(圖1)。

如果步驟158返回否定的回答，則在拒絕步驟162中，處理器不記錄步驟156的信號，并且通常向專業人員30發出可接受接觸尚未實現的聽覺警告和/或視覺警告。在這種情況下，視覺警告的示例為將紅色符號定位在圖像58中。此外，警告可向專業人員提供如何調整探針遠側端部以便實現可接受接觸的指示。例如，如果接觸傳感器指示即使一些接觸已形成，但所述接觸過輕，則可能建議專業人員增加接觸的強度。如果傳感器指示接觸過強，則可能建議專業人員減小接觸強度。

在調節步驟164中，專業人員調節探針以試圖實現可接受的接觸，并且流程圖返回到步驟154。

如線166所指示，在每個磁信號被記錄為有效時，流程圖返回到步驟154。

一旦所有配準點在步驟154中已被處理并且其對應的磁信號在步驟160中被記錄為有效的，則在轉換步驟168中，處理器16將記錄的磁信號轉換為由磁跟蹤系統，即，由附接到框架44的發生器40限定的參照系中的位置。

在最終步驟170中，處理器將步驟168中測定的位置的值與CT圖像的對應位置值配準。

應當理解，通過遵循流程圖的過程，處理器16僅僅在存在與受檢者14的皮膚的有效接觸時才將磁信號記錄為有效的。如果不存在有效接觸，則處理器不記錄磁信號值。

應當理解，上述實施方案均以舉例的方式引用，并且本發明不受上文具體示出和描述的內容限制。相反，本發明的范圍包括上文所述各種特征的組合與子組合，以及本領域技術人員在閱讀上述說明時會想到且未在現有技術中公開的其變型和修改。