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CN106999732A - 针对介入过程引导跟踪形状重建 - Google Patents

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CN106999732A CN201580067103.2A CN201580067103A CN106999732A CN 106999732 A CN106999732 A CN 106999732A CN 201580067103 A CN201580067103 A CN 201580067103A CN 106999732 A CN106999732 A CN 106999732A
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Abstract

一种介入系统，采用：介入设备(10)以及能够在管腔(11)内手动平移的传感器线(20)。所述介入系统还采用重建控制器(44)，所述重建控制器用于响应于感测到所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的手动平移而重建介入工具(10)的形状(例如，附接到/嵌入在导丝内的EM传感器)，并且用于确定所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的平移速度的重建准确度，以由此方便重建控制器介入工具(10)的所述形状的准确重建。所述重建准确度可以由所述重建控制器(44)确定为：小于可接受阈值的可接受平移速度，大于不可接受阈值的不可接受平移速度，和/或大于可接受阈值并小于不可接受阈值的边界平移速度。所述重建控制器(44)生成经由用户接口(48)视觉地或听觉地传送的可接受性指示符。

Description

针对介入过程引导跟踪形状重建
技术领域
本发明总体涉及用于介入过程(例如，高剂量率短距离放射治疗)的介入工具(例如，导管)的形状重建。本发明具体而言涉及提供介入工具的形状重建的可接受性指示的用户接口。
背景技术
高剂量率(HDR)短距离放射治疗是一种形式的癌症疗法，其利用在短时间段内(例如，分钟级别)经由中空的治疗通道或导管直接在解剖目标处或在解剖目标(例如，前列腺)附近递送的高剂量的电离辐射。作为治疗计划过程的一部分，识别相对解剖目标的导管位置，并且剂量优化算法为放射源指定停留位置和停留时间，由此在目标内实现舒适的三维(3D)剂量分布。停留位置和停留时间然后传送到治疗递送设备(例如，HDR后装机)。
在电磁(EM)跟踪HDR短距离放射治疗中，通过在管腔或导管的中空通道内部手动滑动柔性EM跟踪线来确定导管形状和姿势。更具体地，EM数据被记录，同时从导管撤回线，由此用作导管形状重建的基础。在导管形状重建期间，如果EM线被用户手动撤回太快，则重建的导管形状可能出于多种原因而不准确。一个原因是EM采集帧率受限(例如，～40Hz)，这设定了重建导管形状的分辨率。第二个原因是治疗递送系统(例如，HDR后装机)以停留增量(例如，2.5mm增量)为辐射源指定停留位置，这设定了增量递送系统的分辨率。
为了准确的导管形状重建，重建的导管形状的分辨率必须至少与治疗递送系统的分辨率一样高。因此，EM跟踪应该理想地包含具有小于停留增量的跟踪增量数据，尤其具有一定程度的空间冗余以确保准确的导管形状重建(例如，～1mm的跟踪增量对2.5mm的停留增量)。这可以通过减慢手动EM线撤回速度来实现。
发明内容
为了便于手动撤回工具的操作者在从导管管腔手动撤回EM线时坚持可接受“速度限制”，本发明提供了在管腔内传感器线的平移速度的准确确定，以确保重建导管形状的高质量和准确度。可以经由用户接口将准确确定结果传送给操作者，指示可接受、不可接受和/或边界平移速度。
本发明的一个形式是一种介入系统，其采用：具有管腔的介入工具(例如导管)；以及能够在管腔内平移的传感器线(例如，基于EM的导丝)。所述介入系统还采用重建控制器，所述重建控制器用于响应于感测到所述传感器线在所述管腔内的手动平移而重建所述介入工具的形状，并且用于确定所述传感器线在所述管腔内的平移速度的重建准确度，以由此方便所述介入工具的所述形状的准确重建。
所述重建准确度可以由重建控制器确定为：小于可接受阈值的可接受平移速度，大于不可接受阈值的不可接受平移速度，和/或大于可接受阈值并小于不可接受阈值的边界平移速度。所述重建控制器生成经由用户接口视觉地或听觉地传送的可接受性指示符。
出于本发明的目的，术语“介入工具”广义地涵盖在本发明之前和之后已知的所有工具、仪器等，其在结构上配置有在对介入工具的形状重建的任何介入过程中使用的管腔(亦即，通道、通路等)。介入工具的例子包括但不限于导管(塑料的/金属的)、中空针和套管。
出于本发明的目的，术语“传感器线”广义地涵盖在本发明之前和之后已知的所有线，其具有包括任意类型的传感器的结构配置，所述传感器附接到/嵌入到其中用于在线用于介入工具的形状重建时感测所述线。传感器线的例子包括但不限于医疗导线，其具有附接到/介入到医疗导线的远端端部的电磁传感器。
出于本发明的目的，术语“重建控制器”广义地涵盖容纳于或连接到计算机的专用主板或专用集成电路的所有结构配置，用于控制如后文描述的本发明的各种发明原理的实现方式。重建控制器的结构配置可以包括但不限于：(一个或多个)处理器、(一个或多个)计算机可用/计算机可读存储介质、操作系统、(一个或多个)应用模块、(一个或多个)外围设备控制器、(一个或多个)插槽和(一个或多个)端口。计算机的例子包括但不限于：服务器计算机、客户端计算机、工作站和平板计算机。
出于本发明的目的，术语“应用模块”广义地涵盖用于执行特定应用的重建控制器的电子电路/硬件和/或可执行程序(例如，软件和/或固件)的结构配置。
本发明的第二形式是一种重建控制器，其包括：形状重建模块，其用于响应于感测到传感器线在管腔内手动平移，而重建介入工具的形状；以及重建准确度模块，其用于确定所述传感器线在所述管腔内的平移速度的重建准确度，以由此方便通过形状重建模块对所述介入工具的所述形状的准确重建。
本发明的第三形式是一种介入方法，包括：(1)传感器线在介入工具的管腔内被手动地平移；(2)重建控制器响应于感测到所述传感器线在所述管腔内的手动平移而重建所述介入工具的形状；并且(3)所述重建控制器确定所述传感器线在所述管腔内的平移速度的重建准确度，以由此方便所述介入工具的所述形状的准确重建。
附图说明
通过下文结合附图对本发明的各实施例的详细描述，本发明的上述形式及其它形式以及本发明的各种特征和优点将变得更加明显。详细描述和附图仅出于图示本发明的目的而非限制，本发明的范围由权利要求和其等价方案限定。
图1图示了根据本发明的介入系统的示例性实施例。
图2图示了表示根据本发明的重建准确度确定方法的示例性实施例的流程图。
具体实施方式
为了方便对本发明的理解，将在本文中提供本发明的示例性实施例，旨在当经由附接到/嵌入到导丝20的远端端部内的EM传感器31感测到导丝20的手动撤回时，通过手动撤回导丝20通过导管10的管腔11来完成的导管10的形状重建。根据本发明的示例性实施例的描述，本领域的普通技术人员将理解如何制造和利用本发明用于任何类型的介入过程(例如，活组织检查和短距离放射治疗)，其涉及通过感测传感器线平移(即，延伸或撤回)通过介入工具的管腔完成任何介入工具的形状重建。
出于本发明的目的，本领域的术语包括但不限于“形状重建”、“电磁场生成器”、“手动撤回工具”、“重建间隔”和“电磁感测点”将被考虑为在本领域的领域内是已知的。
参考图1，导管10的形状重建是根据以下来导出的：(1)利用具有本领域已知的各种结构配置的手动撤回工具21，用于将导丝20从导管10的管腔11手动撤回；以及(2)利用具有本领域已知的各种结构配置的电磁场生成器30，用于生成由EM传感器31相对于参考坐标系32感测到的电磁场(未示出)。
为此，用于重建导管10的形状的介入机器40采用监视器41、接口平台42、工作站43和安装在工作站43内的重建控制器44。
重建控制器44包括本领域已知的操作系统(未示出)和/或可通过该操作系统访问，用于控制监视器41上的各种图形用户接口、数据和图像，如由工作站操作者(例如，医生、技师等)经由接口平台42的键盘、按钮、转盘、操纵杆等所指示，并且用于如由接口平台42的工作站操作者所编程和/或指示地来存储/读取数据。
如本领域已知的，工作站43连接/耦合到EM传感器31，以接收要由重建控制器44处理的感测数据，用于根据本发明执行导管10的准确形状重建。一般而言，感测数据表示经由EM传感器31感测导丝20在管腔11内的手动撤回。响应于此，当导管10的形状由重建控制器44重建时，重建控制器44确定导丝20在管腔11内平移速度的重建准确度。
在如图1中所示的一个实施例中，重建控制器44包括：形状重建模块45，其用于经由本领域已知的感测数据来重建导管10的形状；以及重建准确度模块46，其用于根据本发明的重建准确度确定方法来确定导丝20在管腔11内平移速度的重建准确度。在实践中，模块45和46可以如图1所示被分离，或者被部分地集成，用于确定导丝20在管腔11内的平移速度的重建准确度。
一般而言，本发明的重建准确度确定方法基于如本领域已知地识别介入工具的形状重建，其包括根据传感器线的特定固定感测频率来顺序映射重建工具分段，并且必须维持传感器线在介入工具的管腔内的合理的平移速度，以便实现每个重建工具分段的期望重建空间用于准确的形状重建。
例如，作为标准的HDR导管的导管10可以具有24cm的长度，其15cm的有效长度可以插入到患者内。如本领域已知的，导管10的有效长度的形状重建可以包括根据40Hz的特定固定感测频率在3.75秒顺序映射重建的导管分段。因此，必须维持将从管腔11手动撤回导丝20的近似平移速度4cm/s，以便实现针对每个导管分段的1mm的期望重建间隔。
在本发明的重建准确度确定方法的一个实施例中，重建准确度模块46执行如图2所示的流程图50。
参考图2，流程图50的阶段S52包括重建准确度模块46测量从导管10的管腔11撤回导丝20的平移速度V，并且流程图50的阶段S54包括重建模块46生成从测得的平移速度V相对于可接受阈值TA和不可接受阈值TU形式的准确度阈值导出的可接受性指示符。
更具体地，设置EM传感器31的感测频率。因此，监视在EM感测点之间的重建间隔表示针对每个导管分段的平移速度V的测量。因此，在从时间t0延伸到时间tf的时间帧53上，将由模块46监视在时间帧53内符号化的EM感测点之间导管10的有效长度的多个重建间隔。
如果监测的在EM感测点之间的重建间隔RS小于可接受阈值TA(例如，1mm)(或者替代地，小于或等于可接受阈值TA)，则测得的平移速度V被模块46认为是可接受的，并且生成和显示可接受的指示符。在一个实施例中，可接受的指示符可以是绿色编码的可接受指示符54G。
如果监测的在EM感测点之间的重建间隔RS等于或大于可接受阈值TA(例如，1mm)并且小于或等于不可接受阈值TU(例如，2mm)(或者替代地，大于可接受阈值TA和/或小于不可接受阈值TU)，则测得的平移速度V被模块46认为是边界的，并且生成和显示边界的指示符。在一个实施例中，边界的指示符可以是黄色编码的可接受指示符54Y。
如果在EM感测点之间监视的重建间隔RS大于大于不可接受的阈值TU(例如，2mm)(或者替代地，等于或大于不可接受阈值TU)，则测得的平移速度V被模块46认为是不可接受的，并且生成和显示不可接受的指示符。在一个实施例中，不可接受的指示符可以是红色编码的可接受指示符54R。
在实践中，对平移速度V的测量可以基于每个连续的EM采样点。替代地，对平移速度V的测量可以基于过滤和平滑原始EM数据，以避免在EM传感器31感测时引入“错误的警告”。例如，对平移速度V的测量可以基于对N(例如，N<＝10)个样本取平均，以便提供对瞬间平移速度V的更鲁棒的估计。
另外在实践中，重建模块46可以生成从测得的平移速度V相对于仅可接受阈值TA或仅不可接受阈值TU而导出的可接受性指示符。
模块46返回通过阶段S52和S54，直到完成导管10的有效长度的形状重建。
返回参考图1，重建控制器44生成并在监视器44上显示用户接口48，用于视觉和/或听觉地通过模块46将生成的可接受性指示符49传送给工作站操作者。
在一个实施例中，用户接口48提供按钮来激活/停用EM数据记录。当被激活时，实时反馈条49变为活跃的，且由模块46利用当前生成的可接受性指示符即时进行颜色编码，以传送导丝20从管腔10撤回速度的可接受性。
在另一实施例中，用户接口48替代地呈现导管10(未示出)的实时颜色图，其每当测得的平移速度V在可接受的、边界的和/或不可接受的之间转变时，改变图上的颜色。这将向工作站操作者显示重建的导管10的哪部分可能具有较低的重建准确度。
在另一实施例中，重建导管10的显示器47可以被颜色编码，以示出哪部分的重建导管10可能具有较低重建准确度。
在实践中，为了考虑不同工作站操作者的变化性，用户接口可以配置为即使只超过一次速度限制也标记重建的导管10，由此确保遍及导管10的足够的准确度。例如，工作站操作者可以以不均匀的速度撤回导丝20。在该情况下，在跟踪同一导管10的同时，在特定时间可以满足速度标准，并且在其它时间可能违反该标准。
参考图1-2，根据本发明的示例性实施例的描述，本领域普通技术人员可以理解本发明的介入系统和方法的多个益处，包括但不限于：(1)通过确保在介入工具(例如，导管)的形状重建期间记录跟踪数据(尤其是电磁跟踪数据)的质量，而方便了准确的治疗递送；以及(2)可应用于使用跟踪(尤其是电磁跟踪)来映射出介入设备形状的任何介入过程。
此外，如本领域普通技术人员可以理解的，鉴于本文提供的教导，在本文公开/说明书中描述的和/或在图1和图2中描绘的特征、元件、部件等可以实现于电子部件/电路、硬件、可执行软件和可执行固件(尤其是本文描述的控制器的应用模块)的各种组合中，并提供可以在单个元件或多个元件中组合的功能。例如，可以通过使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，来提供在图1和图2中示出/图示/描绘的各种特征、元件、部件的功能。当由处理器提供时，所述功能能够由单个专用处理器、由单个共享处理器，或由多个个体处理器(它们中的一些能够是共享的和/或多路复用的)来提供。此外，对术语“处理器”的明确使用不应当被考虑为排他性地指代能够运行软件的硬件，而是能够暗含地包括，但不限于，数字信号处理器(“DSP”)硬件、存储器(例如用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、非易失性存储装置等)以及能够(和/或可配置为)执行和/或控制过程的任何虚拟单元和/或机器(包括硬件、软件、固件、电路及其组合等)。
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旨在涵盖其结构上和功能上的等价方案。另外，旨在使这样的等价方案既包括当前已知的等价方案，又包括将来开发的等价方案(例如，所开发出的执行相同或本质类似功能的任何元件，而不管其结构如何)。因此，例如，本领域普通技术人员鉴于本文中提供的教导将认识到，本文中呈现的任何框图能够表示实现本发明的原理的说明性系统部件和/或电路的概念图。类似地，本领域普通技术人员鉴于本文中提供的教导应当认识到，任意流程图示、流程图等能够表示能够基本上被表示在计算机可读存储介质中并且由计算机、处理器或具有处理能力的其他设备如此运行的各种过程，而无论是否明确示出这样的计算机或处理器。
此外，本发明的示例性实施例可以采取能够从计算机可用和/或计算机可读存储介质访问的计算机程序产品或应用模块的形式，所述存储介质提供程序代码和/指令，供例如计算机或任何指令执行系统使用或结合其使用。根据本公开，计算机可用或计算机可读存储介质可以是能够例如包括、存储、传送、传播或传输程序的任何装置，所述程序供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用。这种示例性介质可以是例如电子、磁、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的示例包括例如半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存(驱动器)、硬磁盘以及光盘。当前的光盘的示例包括光盘-只读存储器(CD-ROM)、光盘-读/写(CD-R/W)以及DVD。此外，应该理解的是，将在之后开发的任何新的计算机可读介质也应该认为是根据本发明和公开的示例性实施例使用或参考的计算机可读介质。
在描述了用于介入工具的形状重建的新颖的和创新的系统和方法的优选和示例性实施例之后(所述实施例旨在说明性的而非限制性的)，应当指出，本领域普通技术人员根据本文(包括附图)提供的教导，可以进行修改和变型。因此，可以理解的是，可以对本公开的优选和示例性实施例做出修改，其落入本文公开的实施例的范围内。
此外，预期并入和/或实现了设备之类的对应的和/或相关的系统可以用于/实现于根据本公开的设备中，并且也预期和考虑其落入到本发明的范围内。此外，也预期和考虑根据本公开的用于制造和/或使用设备和/或系统的对应和/或相关方法落入本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种介入系统，包括：
介入设备(10)，其具有管腔(11)；
传感器线(20)，其能被手动地在所述管腔(11)内平移；以及
重建控制器(44)；
其中，所述重建控制器(44)能与所述传感器线(20)通信，以响应于感测到所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的手动平移而重建所述介入工具(10)的形状；并且
其中，所述重建控制器(44)还能确定所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的平移速度的重建准确度，以由此方便所述介入工具(10)的所述形状的准确重建。
2.根据权利要求1所述的介入系统，其中，所述介入设备(10)是导管。
3.根据权利要求1所述的介入系统，其中，所述传感器线(20)包括至少一个电磁传感器，所述至少一个电磁传感器与所述重建控制器(44)通信。
4.根据权利要求1所述的介入系统，其中，所述重建控制器(44)包括重建准确度模块(46)，所述重建准确度模块能根据所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述手动平移的感测频率来测量所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度。
5.根据权利要求4所述的介入系统，其中，所述重建准确度模块(46)还能响应于相对于至少一个准确度阈值的测得的平移速度而生成所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度的可接受性指示符(49)。
6.根据权利要求1所述的介入系统，其中，所述重建控制器(44)包括重建准确度模块(46)，所述重建准确度模块能测量所述介入工具(10)在所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述手动平移的至少两个感测点之间的重建间隔，作为所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度的代表性测量结果。
7.根据权利要求6所述的介入系统，其中，所述重建准确度模块(46)还能响应于所述介入工具(10)在所述至少两个感测点之间的所述重建间隔小于指示所述介入工具(10)在所述至少两个感测点之间的最大可接受重建间隔的可接受阈值，而生成所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度的可接受指示符。
8.根据权利要求7所述的介入系统，其中，所述重建控制器(44)还能生成传送所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度的所述可接受指示符的用户接口(48)。
9.根据权利要求6所述的介入系统，
其中，所述重建准确度模块(46)还能响应于所述介入工具(10)在所述至少两个感测点之间的所述重建间隔大于可接受阈值并小于不可接受阈值，而生成所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度的边界指示符；
其中，所述可接受阈值指示所述介入工具(10)在所述至少两个感测点之间的最大可接受重建间隔；并且
其中，所述不可接受阈值指示所述介入工具(10)在所述至少两个感测点之间的最小不可接受重建间隔。
10.根据权利要求9所述的介入系统，其中，所述重建控制器(44)还能生成传送所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度的所述边界指示符的用户接口(48)。
11.根据权利要求6所述的介入系统，其中，所述重建准确度模块(46)还能响应于所述介入工具(10)在所述至少两个感测点之间的所述重建间隔至少大于指示所述介入工具(10)在所述至少两个感测点之间的最小不可接受重建间隔的不可接受阈值，而生成所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度的不可接受指示符。
12.根据权利要求11所述的介入系统，其中，所述重建控制器(44)还能生成传送所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度的所述不可接受指示符的用户接口(48)。
13.一种用于介入流程的重建控制器(44)，所述介入流程采用介入设备(10)和能在管腔(11)内手动平移的传感器线(20)，所述重建控制器(44)包括：
形状重建模块(45)，其能响应于感测到所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的手动平移而重建所述介入工具(20)的形状；以及
重建准确度模块(46)，其能与所述形状重建模块(45)通信来确定所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的平移速度的重建准确度，以由此方便由所述形状重建模块(45)对所述介入工具(10)的所述形状的准确重建。
14.根据权利要求13所述的重建控制器(44)，其中，所述重建准确度模块(46)能根据所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述手动平移的感测频率来测量平移速度。
15.根据权利要求14所述的重建控制器(44)，其中，所述重建准确度模块(46)还能响应于相对于至少一个准确度阈值的测得的平移速度而生成所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度的可接受性指示符。
16.一种介入方法，包括：
传感器线(20)在介入设备(10)内被手动地平移；
重建控制器(44)响应于感测到所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的手动平移而重建所述介入工具(10)的形状；并且
所述重建控制器(44)确定所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的平移速度的重建准确度，以由此方便所述介入工具(10)的所述形状的准确重建。
17.根据权利要求16所述的介入方法，其中，所述重建控制器(44)根据对所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述手动平移的感测频率来测量所述平移速度。
18.根据权利要求17所述的介入方法，其中，所述重建控制器(44)响应于相对于至少一个准确度阈值的测得的平移速度而生成所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度的可接受性指示符。
19.根据权利要求16所述的介入方法，其中，所述重建控制器(44)生成传送所述传感器线(20)在所述管腔(11)内的所述平移速度的所述可接受指示符的用户接口(48)。
20.根据权利要求16所述的介入方法，还包括：
附接到传感器线(20)的至少一个电磁传感器，所述至少一个电磁传感器感测所述传感器线(20)通过所述管腔(11)的所述手动平移。
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