用于针插入的动态规划方法技术

公开了一种规划要对患者执行的图像引导的介入流程的方法，其中在术前图像的序列上确定患者的预期运动，例如呼吸周期的运动，并相应地规划流程的轨迹。该方法考虑道介入性进入、目标区域以及进入点与目标区域之间的任何障碍物或禁止区域，并对术前图像使用图像处理的目标跟踪方法以判断在患者的运动周期期间这三个元素的位置如何相对于彼此变化。该方法可以自动地在运动周期的不同时间点所拍摄的至少一些术前图像中搜索将进入点与目标进行连接并避开障碍物的路径，其给患者的组织提供了最小的横向压力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及规划自动化(例如，通过机器人控制的)针插入流程的系统以及方法，尤其考虑到由于诸如呼吸周期之类的周期性身体运动而导致的插入点、目标点和它们之间的任何区域的应当被避免的移动。
技术介绍
当前的静态针插入规划使用了感兴趣区域的术前图像，包括进入点、目标以及必须要避免的途中的任何障碍物。可以将障碍物理解为表示实际的物理障碍物，例如肋骨，或者它可以表示针的进入可能会导致损伤的敏感区域，例如大的血管或重要的神经。问题在于，这一流程未考虑患者的周期运动(例如，因为呼吸造成的运动)，这可能导致进入点、目标点和途中任何障碍物的位置在某种可再现周期中从它们的初始位置相对于彼此而移动。在现有方法中，在手术中检查针(或过程)的进程，并将图像同步到运动周期，然后在运动周期期间采取适当的校正。这是在瓣膜校正手术期间或者在血管成形术期间随着心脏运动和脉动的动脉时所使用的方法，其中在流程期间心脏跳动一直持续。这种方法具有严重缺点，因为它们在流程的整个持续时间期间需要恒定的成像(一般为荧光成像)，这伴随着对患者和医务人员的显著的辐射照射。在其它公知方法中，例如在J.W.Voegele等人的、名称为“System and Method for Treatment of Tissue using the Tissue as a Fiducial”的美国专利No.7,833,221中所示的方法中，描述了一种超声方法，其中监测呼吸周期，以指示组织目标何时接近驻留位置(每个呼吸周期中在吸气与呼气之间的短暂暂停)，以使得外科医生能够在根据驻留位置处所产生的肿瘤的图像来定位肿瘤时向肿瘤插入其外科手术设备。不过，这些方法将工具的插入点限制到在呼吸周期中重复的固定点处非迭代地成像的单个目标点。此外，在一些现有方法中，例如，如在Stoianovici等人的、名称为“System and method for robot targeting under fluoroscopy based on image servoing”的美国专利No.7,008,373中所公开的，优选在目标选择之前的图像采集期间以及在针插入期间短暂地停止患者的呼吸，从而需要医师仅仅依赖于患者在需要的时间屏住呼吸所需的持续时间的能力。
技术实现思路
本申请试图提供一种方法，通过该方法在规划阶段在术前图像上确定患者的预期运动，并相应地规划轨迹，不仅考虑进入的初始位置、障碍物和目标点，而且还考虑这三个元素在患者的运动周期过程期间预期会相对于彼此如何运动。根据一些实施方式，拍摄感兴趣区域的随着完整的运动周期(例如，呼吸周期)的视频帧序列。或者，可以记录一系列周期，然后可以对其进行平均。视频帧一般是从患者的感兴趣区域的CT扫描获取的。在一些实施方式中，用户/医生/医师(贯穿本公开内容，可互换地使用术语“用户”、“医生”和“医师”)在从感兴趣区域的视频序列获取的初始静态图像上标记目标点、途中的障碍物以及进入的初始点。医生的关于要遵循的最佳轨迹的经验优选地在选择进入点时发挥作用。在一些实施方式中，用户不会定义初始轨迹，因为系统软件适于自动地搜索将进入点与目标进行连接并避开途中的障碍物的路径，该路径给患者的组织提供了最小横向压力(lateral pressure)。据此，该系统还可以选择在所选输入点处的适当的进入角度。在其它实施方式中，该系统可能需要或可以允许医生选择针的进入角度。从该视频序列，可以确定进入点、障碍物和目标点的位置在患者的运动周期过程期间在帧与帧之间如何变化。在一些实施方式中，通过包括完整的身体运动周期的一系列帧来遵循初始的预先规划的轨迹，其是考虑初始静态图像中的进入点、目标点和途中障碍物的位置而计算的。如果在整个周期期间，考虑到所有运动和障碍物周围的安全裕度而指示安全轨迹，那么医生能够针对整个呼吸周期而使用其初始的预先规划的静态轨迹。如果预先规划的轨迹在一个或多个后续帧中存在问题，那么在可能的情况下，医生能够在这些帧(例如，减小障碍物周围的安全裕度)和/或在初始静态图像(例如，选择不同的进入点和/或改变进入角度)中修改其对元素位置的选择以解决该问题，并且然后在整个视频序列中重复路径验证。或者，医生/用户可以选择代表身体运动周期中不同时间点的不同图像(在本公开内容中有时也称为“图像帧”或简称为“帧”)，以用作用于计算轨迹的初始静态图像。在这一方法实施方式中，在所有剩余图像帧上检查基于目标和障碍物在一个初始图像帧中的位置所计算的单个轨迹。由于目标和障碍物的位置在不同图像帧中可能不同，所以可能会计算出不同的轨迹。这一新轨迹与其之前的轨迹不同，对于所有图像帧可以是可接受的。可以迭代地重复这个过程，直到贯穿整个周期指示安全的轨迹。在一些实施方式中，在规划阶段期间，在医生选择了进入点并在第一CT图像中标记出目标和途中障碍物之后，系统算法运行通过包括完整的身体运动周期的一系列帧，并且考虑到进入点、目标和障碍物在每帧如何移动，而利用初始进入点来计算单个轨迹，该轨迹将达到目标但在整个周期中的每一帧避开所有障碍物。在其它实施方式中，该系统算法可以运行通过一系列帧并针对每一帧单独地计算将达到目标但在该特定帧避开所有障碍物的最优轨迹。在这些实施方式中，可以通过该序列中的所有其它帧而遵循所计算的轨迹中的所有轨迹或至少一个轨迹，并可以将轨迹中的被发现适用于整个系列的帧的一个轨迹选择用于针插入流程。这一轨迹可以例如是具有最小曲率和/或从进入点到目标点的最短距离的轨迹。在一些实施方式中，可以计算和选择轨迹中的所有轨迹或至少两个轨迹的平均。根据一些实施方式，该系统能够检查计算的一个或多个轨迹，并且如果在周期中从帧的检查看来，对于特定轨迹，该针在周期的任何部分时从最优轨迹偏离超过预定量，这意味着将会在患者的组织上施加过大的横向压力，那么可以抛弃该进入点并且医生/用户能够利用不同的进入点重复该规划流程，旨在提供更好的轨迹，即，具有较为不严重的弯曲并因此在患者的组织上产生较小横向压力的轨迹。或者，可以维持相同的进入点，但可以改变针在进入点处的初始取向，以便选择可以为整个流程产生较好的总体轨迹的替代初始规划轨迹。在一些实施方式中，可以选择新的进入点和新的进入角度两者。可以任选地向用户(例如，主治医师)显示动态选择的轨迹，以确认它们在手术和安全方面是可接受的。接下来通过在患者的运动周期期间选择一个或多个时间帧并将针插入步骤限制为仅在完整运动周期的该时间帧或这些时间帧期间被执行，从而在医生执行针插入流程时利用上述规划方法，其中该轨迹例如显示了最小曲率。例如，针对呼吸周期的情况，插入可以限于患者已经充分呼出其气息时的该时间帧或这些时间帧。于是该流程使得能够执行插入，而无需修改针的进入角度，由此与现有技术的流程相比，能够执行整个插入流程，而根本不需要为了随着患者的身体运动或出于安全原因，利用选定的最小限度成像进行任何过程中的成像介入。因此，使用本申请中描述的规划方法相对于现有技术方法产生的一个很大的优点在于，能够在减小对患者和医务人员的辐射照射的情况下执行该流程。显然，不能避免实施针引导流程自身所需的任何荧光成像，其与随着身体运动相反。尽管已经关于检查或考虑序列中每个帧描述了一些方法实施方式，但本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种规划对象的感兴趣区域中的图像引导的介入流程的方法，包括：(a)获得所述感兴趣区域的多个时间上间隔开的图像；(b)在所述多个图像中的第一图像上定义进入点、目标点以及禁止所述介入流程进入的一个或多个区域；(c)计算所述进入点与所述目标点之间的用于所述介入流程的轨迹，所述轨迹避免进入所述一个或多个禁止区域中的任何禁止区域；(d)选择所述多个图像中的第二图像，所述多个图像中的所述第二图像与所述多个图像中的所述第一图像在不同的时间产生；(e)确定所述进入点、所述目标点以及禁止所述介入流程进入的任何区域的位置在所述多个图像中的所述第二图像中的变化；以及(f)基于在步骤(e)中所确定的位置变化，针对所述多个图像中的所述第二图像重复步骤(c)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.04 US 61/966,7541.一种规划对象的感兴趣区域中的图像引导的介入流程的方法，包括：(a)获得所述感兴趣区域的多个时间上间隔开的图像；(b)在所述多个图像中的第一图像上定义进入点、目标点以及禁止所述介入流程进入的一个或多个区域；(c)计算所述进入点与所述目标点之间的用于所述介入流程的轨迹，所述轨迹避免进入所述一个或多个禁止区域中的任何禁止区域；(d)选择所述多个图像中的第二图像，所述多个图像中的所述第二图像与所述多个图像中的所述第一图像在不同的时间产生；(e)确定所述进入点、所述目标点以及禁止所述介入流程进入的任何区域的位置在所述多个图像中的所述第二图像中的变化；以及(f)基于在步骤(e)中所确定的位置变化，针对所述多个图像中的所述第二图像重复步骤(c)。2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在所述多个图像中的所述第一图像上选择所述介入流程在所述进入点处的进入角度。3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：判断所计算的轨迹中的至少一个轨迹的一个或多个特性沿着所计算的轨迹中的所述至少一个轨迹的长度的任何部分是否超过预定水平。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述一个或多个特性是曲率。5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述一个或多个特性是距禁止所述介入流程进入的所述一个或多个区域中的任何区域的距离。6.根据权利要求3所述的方法，其中，如果所计算的轨迹中的至少一个轨迹的一个或多个特性沿着所计算的轨迹中的所述至少一个轨迹的长度的一部分超过预定水平，则使用权利要求1的步骤(b)中的替代的进入点来重复所述规划。7.根据权利要求3所述的方法，其中，如果所计算的轨迹中的至少一个轨迹的一个或多个所述特性沿着所计算的轨迹中的所述至少一个轨迹的长度的一部分超过预定水平，则使用权利要求1的步骤(b)中的替代的进入点和替代的进入角度中的至少一个来重复所述规划。8.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：存储所计算的轨迹中的一个或多个轨迹。9.根据权利要求1和3中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：判断所计算的轨迹中的一个或多个轨迹是否适用于所述多个图像中的每个图像；以及如果确定所计算的轨迹中的一个或多个轨迹适用于所述多个图像中的每个图像，则判断所述一个或多个适用轨迹中的哪个轨迹对于所述多个图像中的所有图像是最优的。10.根据权利要求9所述的方法，其中，判断所计算的轨迹中的一个或多个轨迹是否适用于所述多个图像中的每个图像包括：判断所计算的轨迹中的一个或多个轨迹是否终止于所述多个图像中的每个图像中的目标点处，并且避免进入所述多个图像中的每个图像中的一个或多个禁止区域中的任何禁止区域中。11.根据权利要求9所述的方法，其中，判断所述一个或多个适用轨迹中的哪个轨迹对于所述多个图像中的所有图像是最优的包括以下各项中的一个或多个：判断所述一个或多个适用轨迹中的哪个轨迹包括较小曲率；以及判断所述一个或多个适用轨迹中的哪个轨迹包括在所述进入点与所述目标点之间的较小距离。12.根据权利要求7所述的方法，还包括选择产生如下轨迹的规划的步骤：所述轨迹与不同规划所提供的任何轨迹相比沿着所述轨迹的长度的任何部分具有较小曲率。13.一种规划对象的感兴趣区域中的图像引导的介入流程的方法，包括：(a)获得所述感兴趣区域的多个时间上间隔开的图像；(b)在所述多个图像中的第一图像上定义进入点、目标点以及禁止所述介入流程进入的一个或多个区域；(c)计算所述进入点与所述目标点之间的用于所述介入流程的轨迹，所述轨迹避免进入所述禁止区域中的任何禁止区域；(d)选择所述多个图像中的第二图像，所述多个图像中的所述第二图像与所述多个图像中的所述第一图像在不同的时间产生；(e)确定所述进入点、所述目标点以及禁止所述介入流程进入的任何区域的位置在所述多个图像中的所述第二图像中的变化；以及(f)判断在所述多个图像中的所述第二图像中，所计算的轨迹是否连接在所述进入点与所述目标点之间并且避免进入所述禁止区域中的任何区域中。14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：判断所计算的轨迹的一个或多个特性沿着所计算的轨迹的长度的任何部分是否超过预定水平。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述一个或多个特性是曲率。16.一种规划对象的感兴趣区域中的图像引导的介入流程的方法，包括：(a)获得所述感兴趣区域的多个时间上间隔开的图像；(b)在所述多个图像中的第一图像上定义进入点、目标点以及禁止所述介入流程进入的一个或多个区域；(c)选择所述多个图像中的第二图像，所述多个图像中的所述第二图像与所述多个图像中的所述第一图像在不同的时间产生；(d)确定所述进入点、所述目标点以及禁止所述介入流程进入的任何区域的位...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·肖查特，
申请(专利权)人：赞克特机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL