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用于定位的超聲CT配準.pdf

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用于 定位 超聲 CT 配準
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摘要
申請專利號:

CN201280030752.1

申請日:

20120614

公開號:

CN103607972B

公開日:

20160817

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61B6/03 主分類號: A61B6/03
申請人: 新特斯有限責任公司
發明人: A.鮑姆加特納
地址: 瑞士奧伯多夫
優先權: 61/499838,61/499849
專利代理機構: 中國專利代理(香港)有限公司 代理人: 姜甜;劉春元
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201280030752.1

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明公開了一種骨配準系統。所述骨配準系統可以具有包括掃描儀和第一通信組件的裝置,所述掃描儀布置用于掃描骨的目標表面區域以獲得掃描數據。所述配準系統還可以具有可定位在骨的第一部分上的第一標記。所述第一標記可以包括第二通信組件,所述第二通信組件布置用于傳輸用于表明所述第一標記在多個維度中相對于所述裝置的定位的位置信號。所述系統還可以具有配準單元,所述配準單元比較所述掃描數據與所述骨的表面數據以生成識別所述掃描數據相對于所述表面數據的重疊元素的定位數據,從所述位置信號確定位置數據并且使用所述定位數據和所述位置數據確定所述第一標記在所述骨的表面上的位置。

權利要求書

1.一種骨配準系統,包括:包括掃描儀和第一通信組件的裝置,所述掃描儀布置用于掃描骨的目標表面區域以獲得掃描數據;可定位在骨的第一部分上的第一標記,所述第一標記包括第二通信組件,所述第二通信組件布置用于傳輸用于表明所述第一標記在多個維度中相對于所述裝置的定位的位置信號;配準單元,所述配準單元布置用于比較所述掃描數據與所述骨的表面數據以生成識別所述掃描數據相對于所述表面數據的重疊元素的定位數據,以從所述位置信號確定位置數據并且使用所述定位數據和所述位置數據確定所述第一標記在所述骨的表面上的位置;以及定位在骨的第二部分上的第二標記,所述第一標記和第二標記彼此通信以確定包括所述第一標記相對于所述第二標記的定位的相對標記數據,其中所述配準單元處理所述相對標記數據以確定所述第二標記在所述骨的所述表面上的位置。2.根據權利要求1所述的系統,其中所述掃描數據是超聲數據,并且所述表面數據是CT數據。3.根據權利要求1所述的系統,還包括配置成生成基準信號的信號發生器;其中所述第一通信組件和第二通信組件是第一傳感器和第二傳感器,每個傳感器配置成感測所述基準信號并將相應的位置信號傳輸至表明相應的通信組件在多個維度中相對于所述信號發生器的定位的所述配準單元;并且其中所述配準單元從所述位置信號確定所述位置數據,以表明所述第一標記相對于所述裝置在多個維度中的所述定位。4.根據權利要求3所述的系統,其中所述基準信號是電磁信號。5.根據權利要求1所述的系統,其中所述第一通信組件是配置成生成基準信號的信號發生器;并且所述第二通信組件是第一傳感器,所述第一傳感器配置成感測所述基準信號并將位置信號傳輸至用于表明所述第一標記相對于所述裝置在多個維度中的定位的所述配準單元。6.根據權利要求5所述的系統,其中所述信號發生器和第一傳感器是電磁和光學中的一種。7.根據權利要求1所述的系統,其中所述位置數據表明所述第一標記相對于所述裝置在六個維度中的定位。8.根據權利要求1所述的系統,其中所述第一標記和第二標記在所述骨的表面上的相應位置是使用所述裝置可識別的。9.根據權利要求1所述的系統,其中所述配準單元處理所述相對標記數據以確定所述第二標記在所述骨的所述表面上的位置。10.根據權利要求1所述的系統,還包括顯示所述第一標記在所述骨的所述表面上的所述位置的顯示器。11.根據權利要求1所述的系統,其中所述第二標記包括與所述第一通信組件通信的第三通信組件以確定表明所述第一通信組件相對于所述第三通信組件在多個維度中的定位的位置數據。12.根據權利要求1所述的系統,其中所述裝置包括電磁場發生器和光場發生器中的一個。

說明書

優先權聲明

本專利申請要求提交于2011年6月22日的名稱為“Ultrasound CTRegistration for Positioning(用于定位的超聲CT配準)”的美國臨時申請序列號61/499,838和提交于2011年6月22日的名稱為“Ultrasound CTRegistration for Positioning(用于定位的超聲CT配準)”的美國臨時申請序列號61/499,849的優先權,所述臨時申請的全部公開內容以引用的方式并入本文。

背景技術

CT(計算機斷層掃描)通常用于對骨成像,因為其允許高清晰度三維圖像的構造。這些高清晰度圖像有利于對骨折、韌帶損傷和錯位的了解,并有助于治療策略的制定。然而CT掃描儀是大體積裝置,其不便于在治療程序期間使用。雖然超聲成像裝置體積較小,并且更便于在治療程序期間使用,但是由這些裝置產生的圖像不如由CT掃描儀產生的圖像精確和全面。

發明內容

本發明涉及骨配準系統。骨配準系統可以具有包括掃描儀和第一通信組件的裝置,所述掃描儀布置用于掃描骨的目標表面區域以獲得掃描數據。配準系統還可以具有可定位在骨的第一部分上的第一標記。第一標記可以包括第二通信組件,所述第二通信組件布置用于傳輸用于表明第一標記在多個維度中相對于裝置的定位的位置信號。所述系統還可以具有配準單元,所述配準單元比較掃描數據與骨的表面數據以生成識別掃描數據相對于表面數據的重疊元素的定位數據,從位置信號確定位置數據并且使用定位數據和位置數據確定第一標記在骨的表面上的位置。

附圖說明

圖1示出了根據本發明的第一示例性實施例的系統的示意圖;

圖2示出了根據本發明的第一示例性實施例的系統的透視圖;

圖3示出了根據本發明的第二示例性實施例的系統的透視圖;

圖4示出了根據本發明的第二示例性實施例的系統的示意圖;

圖5示出了根據本發明的第三示例性實施例的系統的透視圖;并且

圖6示出了根據本發明的第三示例性實施例的系統的示意圖。

具體實施方式

結合以下說明和附圖可以進一步理解本發明,在附圖中,相似的元件由相同的附圖標號標示。本發明涉及用于配準骨標記在骨上的位置以用于骨的后續治療的系統和方法。具體地,本發明涉及用骨的CT數據確定手持裝置和一個或多個標記的相對位置以配準標記在骨上的位置的系統和方法。一旦配準一個或多個標記在骨上的定位,在治療程序期間可以跟蹤標記的運動,并且利用跟蹤信息調控之前獲得的CT圖像數據,以在程序期間準確地跟蹤和顯示骨的一個或多個部分的定位。

如將在下文中更詳細地描述,本發明涉及用CT圖像數據配準定位在骨上的一個或多個標記的位置以有助于醫療程序(如骨固定程序等)的進行的系統和方法。根據本發明的示例性系統和方法允許通過術內程序迅速且簡單地配準一個或多個標記的位置。本發明的示例性實施例描述了利用便攜式裝置獲得數據的系統和方法,該數據被配準以在CT圖像上確定骨的第一和第二部分上第一和第二標記的位置,使得在治療程序期間調控骨的第一部分時,可以使用運動數據來調控CT圖像以顯示骨的運動。本領域的技術人員應當理解,盡管示例性實施例描述了第一和第二標記分別定位在骨的第一和第二部分上,第一和第二標記還可以定位在彼此相鄰的第一和第二骨或任何其他基本上剛性的身體結構上,使得可以調控之前獲得的結構的CT圖像以在程序期間顯示結構的運動。

如圖1所示,根據本發明示例性實施例的系統100包括手持裝置102,其配置成獲得和傳輸超聲數據120(例如超聲圖像數據)至跟蹤系統104。跟蹤系統104將超聲數據120與在收集超聲數據120之前獲得的CT數據122(例如CT圖像)進行配準以確定與CT數據122相關的手持裝置102相對于由CT數據122表示的CT圖像(如骨)的位置。如本領域的技術人員可以理解的,手持裝置102可以使用任何已知的便攜式超聲成像裝置,包括(例如)用于獲得超聲圖像的超聲掃描儀110。手持裝置102還具有電磁傳感器112以用于感應由場發生器200的信號發射器114發射的電磁場。電磁信號發射器114產生也可以由第一標記106的第一標記電磁傳感器124感應的電磁場。手持裝置102的電磁傳感器112和第一標記傳感器124響應于接收由信號發射器114發射的信號通過分別向其發送裝置數據126和標記數據128與跟蹤系統104通信。裝置數據126和標記數據128提供有關裝置102和標記106分別相對于場發生器200的位置的信息。跟蹤系統104使用裝置數據126和標記數據128來確定第一標記106相對于手持裝置102的定位。

跟蹤系統104使用收集到的信息配準(如關聯)超聲數據120至CT數據122以識別手持裝置102相對于(例如)骨的位置;配準手持裝置102相對于第一標記106的位置,以及確定第一標記106在由CT數據122表示的圖像上的位置,其可以顯示在顯示器118上。在另一個實施例中,電磁信號發射器114與第二標記132的第二標記電磁傳感器125通信以確定第二標記132相對于手持裝置102的位置,從而確定第二標記132相對于(例如)由CT數據122表示的骨108的圖像的位置。因此,在其中第一標記106和第二標記132位于碎片骨的第一和第二部分上的實施例中,可以在處理碎片之前配準第一標記106和第二標記132在骨上的位置。此類配準可以通過調控CT數據122使第一標記106和第二標記132用于跟蹤骨的第一和第二部分相對于彼此的運動,從而通過相對于由對應于骨108的第一和第二部分的CT數據122表示的圖像的相互部分運動來顯示該運動。例如,可以調控CT數據122以基于第一標記106和第二標記132的運動在顯示器118上顯示骨108的第一和第二部分之間的相對運動。

手持裝置102的掃描儀110可以拍攝2D超聲圖像以獲得超聲數據120。然后系統100瀏覽超聲數據120以找尋與由CT數據122表示的圖像的部分保持輪廓的相似性的部分,從而識別對應于骨108的相同部分的超聲數據120和CT數據122的部分。然而,超聲數據120和CT數據122可以具有需要手持裝置102在不連續的一段時間內拍攝多個2D超聲圖像的多個相似點,從而確保在這些表示骨108的相同部分的數據的識別部分之間正確配準。所需的2D超聲圖像的數目可以取決于例如骨輪廓的均勻性以及超聲數據120和CT數據122各自地詳細程度。例如,對于具有大的基本上均勻區域的長骨,可能需要更多超聲掃描以分別獲得超聲數據120和CT數據122之間的配準。因此,可以識別CT數據122的多個候選位置,并且可以收集附加的超聲數據120(例如超聲圖像)直到多個候選位置中的一個被確認為正確地對應于由CT數據122表示的圖像的選擇部分。

圖2示出了用骨108的CT圖像配準第一標記106和第二標記132在骨108上的位置的系統100的應用。電磁傳感器112提供包括手持裝置102相對于場發生器200的定位和/或方向的裝置數據126。具體地,本領域的技術人員可以理解,已知的傳感器可以用作傳感器112以提供有關手持裝置102在六個維度中的角定向的數據,所述六個維度包括表明手持裝置102和場發生器200之間在X、Y、和Z軸上的距離的第一、第二、和第三維度以及涉及手持裝置102相對于場發生器200的角旋轉(即,橫滾-上下振動-左右搖擺)的三個維度。該裝置數據126相似地被傳輸至跟蹤站104。

場發生器200的電磁信號發射器114與第一電磁傳感器124和跟蹤站104通信,以提供包括第一標記106相對于信號發射器114的定位和/或方向的標記數據128。具體地,信號發射器114將信號發射至第一標記電磁傳感器124,其感應第一標記106相對于場發生器200在六個維度中的定位和/或方向。所述六個維度包括涉及信號發射器114沿著X、Y、和Z軸相距第一標記電磁傳感器124的距離的三個維度以及涉及信號發射器114相對于第一標記電磁傳感器124的角旋轉(即,橫滾-上下振動-左右搖擺)的三個維度。然后該標記數據128被傳輸至跟蹤站104。

跟蹤站104可以是計算機或其他處理裝置,包括處理器116和顯示器118。超聲數據120、CT數據122、裝置數據126以及標記數據128可以(例如)保存到跟蹤站104的存儲器130中,并且可以用于將第一標記106與CT數據122配準。處理器116使超聲數據120和CT數據122相關聯,以確定手持裝置102相對于CT數據122中骨108的圖像的定位。然后處理器116可以利用裝置數據126和標記數據128來確定第一標記106相對于CT數據122的位置。第一標記106的位置還可以顯示在顯示器118上。處理器106可以分別實時配準超聲數據120和CT數據122,并且確定第一標記106在由CT數據122表示的圖像上的位置,使得可以為系統使用者提供關于完成配準程序的實時信息。

在配準第一標記106之后,第二標記132可以定位在骨108的第二部分。因此,當完成第一標記106的配準時,上述配準程序可以重復用于第二標記132以配準第二標記的位置。一旦分別確定了第一標記106和第二標記132兩者相對于CT數據122的位置,可以連續地跟蹤和監控第一標記106和第二標記132之間的相對運動,使得顯示骨108的第一和第二部分的相對運動的調控過的CT圖像可以顯示在顯示器118上,從而外科醫生或其他使用者可以通過顯示器觀察調控過的CT圖像以顯示斷裂的還原。

由圖1和2示出的實施例描述了其中定位有第一標記106和第二標記132的骨108是斷裂的情況。斷裂可以引起兩個、三個、四個等骨碎片,在每個骨碎片中定位有標記并且其位置基本上被配準,使得在某一時刻延遲標記的相對運動,并因此可以在骨碎片運動的同時在CT圖像上跟蹤與標記相關的骨碎片。當骨是完整的,但通過截骨術將其分成兩塊或更多塊時,產生配準系統100的交替使用。在這種情況下,第一標記106的配準位置可以與CT數據一起使用以通過結合第一標記106的配準位置確定第二和后續標記相對于第一標記的位置來識別和配準第二和每個后續標記的位置。

再次參見圖2,示出了利用系統100的第一示例性技術。電磁場發生器200發射的電磁場能夠在前述六個維度中被感應。電磁場發生器200包括至少兩個線圖(未示出)。應當注意,盡管圖2的實施例僅示出了包括第一傳感器124的第一標記106,但在不脫離本發明范圍的前提下,可以使用第二標記132或任何多個附加的標記。手持裝置102通過(例如)有線或無線連接連接至跟蹤站104。第一標記106也可以通過有線連接連接至跟蹤站104,但也可以設想無線連接。圖2的實施例以基本上類似于上述操作模式的方式運行。具體地,進行骨108的CT掃描并將CT數據122提供給跟蹤系統104。第一標記106定位在骨108的第一部分上,并且使用超聲掃描儀110來掃描骨108的第一部分。應當注意,示出的第一標記106的定位僅是示例性的,并且在不脫離本發明范圍的前提下,第一標記106可以定位在骨108上的任何定位。超聲數據120和裝置數據126分別與用于第一標記106的標記數據128一起被傳輸至跟蹤站104并存儲在(例如)存儲器130中,并根據需要通過處理器116存取。處理器116比較并關聯超聲數據120和CT數據122以配準數據,即確定超聲數據120和CT數據122中的重疊元素。然后,處理器116使用表明手持裝置102相對于場發生器200的定位的裝置數據126和表明第一標記106相對于場發生器200的位置的標記數據128確定第一標記106相對于CT數據122的位置。具體地,處理器116識別相對于第一標記106的場發生器200在3D空間中的定位和方向以確定標記數據128,以及識別相對于手持裝置102的第一傳感器112在3D空間中的定位和方向以確定裝置數據126。處理器116使用標記數據128和裝置數據126以確定第一標記106至手持裝置102的相對位置。處理器116還使用超聲數據120以鏈接手持裝置102的位置至CT數據122,從而確定手持裝置102至CT圖像中骨108的相對位置。知道第一標記106相對于手持裝置102的位置和手持裝置102相對于骨108的CT圖像的位置,處理器確定第一標記106相對于骨108的CT圖像的位置,從而配準第一標記106在CT數據122上的位置,并且因此配準第一標記在骨108上的位置。第一標記106與CT數據122的相對位置可以顯示在顯示器118上。

一旦相對于CT數據122配準第一標記106,使用針對配準第一標記106所描述的相同過程,配準過程可以重復用于許多附加的標記(未示出)。對于每個附加的標記,使用超聲掃描儀110掃描其中定位有待配準的骨標記的骨部分。這樣,可以補償配準程序期間骨碎片的運動。在骨108是完整的情況下,可以檢測第二標記132相對于第一標記106的定位,以確定第二標記132相對于CT數據122的位置。第二標記132的相對位置也可以顯示在顯示器118上。本領域的技術人員應當理解,這種相對配準過程可以用于例如截骨術程序,在截骨術程序中骨108是完整的并且第一標記與第二標記通信以配準其位置。然而,應當注意,對于截骨術程序,使用者還可以用跟蹤站104分別配準第一和第二標記。

在本發明的另一個實施例中,配準過程可以用于脊柱側凸的治療,其中第一和第二標記定位在兩個不同的骨(例如脊柱的椎骨)上。在此類實施例中,用跟蹤站104分別配準第一和第二標記,同樣如之前更詳細地描述。因此,一旦確定了第一標記106和第二標記132兩者的位置,使用者可以使第一和第二骨相對于彼此運動,并因此使第一標記106和第二標記132相對于彼此運動。第一標記106和第二標記132之間的運動用于調控由CT數據122表示的圖像,因此由標記106、132的運動表示的第一和第二骨之間的運動在顯示器118上示出,使得使用者可以在治療期間監控骨的運動。由于相對于場發生器200并非相對于其在身體中的定位獲得第一標記106和第二標記132的位置,根據本發明的示例性系統和方法補償骨或碎片的偶然運動。在另一個脊柱側凸固定程序中,本領域的技術人員應當理解,可以使用3D超聲以避免使用2D超聲圖像片段建立3D圖像的需要。用于斷裂骨的固定程序可以使用基本上類似于用于脊柱側凸固定程序的配準過程,其中第一和第二標記定位在斷裂骨的分開部分上。

在示例性實施例中,手持裝置102超聲掃描儀可以包括用于超聲掃描的西門子X150(Siemens X150)和VF10-5矢量換能器。處理器116可以使用由普林斯頓西門子研究院(Princeton SCR)開發的實時MMGIFusion軟件進行數據采集和可視化,并且使用由慕尼黑工業大學計算機輔助醫療程序(CAMP,Technical University of Munich)和普林斯頓西門子研究院(SCR,Princeton)開發的IVUS(介入性超聲)軟件原型進行自動CT超聲配準。c然而本領域的技術人員應當理解,這僅是示例性實施例,并且只要有利于系統100的使用就可以使用其他系統,如上所述。

圖3-4示出根據本發明的另一個示例性標記配準系統和方法。圖3-4的系統和方法包括第一標記106,其可定位在包括第一標記電磁傳感器124的骨108上。在該實施例中,場發生器200位于手持裝置102上。手持裝置102和第一標記電磁傳感器124通過有線或無線連接連接至跟蹤站104。類似于上述結合圖1和2所描述的運行圖3的系統和方法。然而,由于場發生器200位于手持裝置102上,第一標記106相對于場發生器200在六個維度中的定位和方向為處理器116提供了標記數據128。對于圖3-4的系統,處理器116在沒有與手持裝置102和裝置數據126相關聯的第一傳感器的情況下可以配準一個或多個標記的位置。具體地,第一標記電磁傳感器124提供包括第一標記106相對于手持裝置102的定位和/或方向的標記數據128,比較超聲數據120與CT數據122,并配準手持裝置102相對于骨108的CT圖像的定位和/或方向。然后標記數據128和手持裝置102的配準位置用于通過使標記數據與手持裝置102相對于骨108的CT圖像的配準位置關聯來配準第一標記106在由CT數據122表示的圖像上的位置。

圖5-6示出了根據本發明的另一個實施例的系統和方法。該系統和方法基本上與圖3-4所描述的相同,不同的是用光場發生器400(例如發光陣列)代替場發生器200。具體地,手持裝置102可以與連接至第一標記106的光學跟蹤器械300通信。根據相對于圖3-4所示的實施例描述的方法,光學跟蹤器械300用跟蹤站104幫助第一標記106的定位和配準。

對于本領域的技術人員將顯而易見的是,可以在不脫離本發明的實質或范圍的前提下對本發明的結構和方法作出多種修改和變型。因此,本發明旨在落入所附權利要求及其等同物的范圍內。

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