用于定位身体结构的方法和系统

本申请是申请日为2014年7月9日、发明名称为“用于定位身体结构的方法和系统”的专利申请201480041200.X的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于定位身体结构的方法和系统。

背景技术

前列腺癌是美国男性中最常见的器官恶性肿瘤。已经针对处置前列腺癌提出了若干处置。其中一种是前列腺近距离放射治疗，其指的是利用通过会阴的插入将永久放射性粒子(seed)或临时放射性源(在空心导管内)放置在前列腺里面。通常，处置规划和针或导管的放置依赖于对经直肠超声成像(TRUS)的集中使用。

用于处置前列腺癌的近距离放射治疗的一个主要弊端，在于几乎所有的患者都出现某种程度的泌尿症状。尿道刺激性和尿道梗阻是现代近距离放射治疗技术的经确切记录的短期并发症。这可能主要由于在近距离放射治疗流程中偶然的不期望的剂量被递送到尿道，这是由于对尿道的形状和姿态的不充分和不准确的了解。

因此，识别并保持身体结构(如前列腺尿道)在避免这样的处置后作用中是重要的。为了识别并定位前列腺尿道，已经提出了不同的方法，例如诸如对比计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)的基于图像的方法，或者在尿道的里面使用超声可见导管。然而，这样的方法强加额外的临床工作负担并增加患者经济负担，或者其他的益处可能由于患者运动以及由患者的生理变化引起的图像失真而减少。

因此，在许多临床实践中，尿道可能因难以识别其精确位置而不被列为危及器官，或者可能被假设为在具有估计的统一边界(例如1cm)的标准位置处。

WO 2004/101022 A2公开了一种尿道识别系统，其中，实时地识别患者的尿道解剖结构行为，以将处置元件精确地放置到患者的前列腺中，并且其中，含有外部可充气成像囊的医学工具(即导管)被引入到患者的尿道中，直到成像囊总体与前列腺的处置位点对齐，成像设备的成像探头相对于前列腺的处置位点和尿道的近端部分被可操作地定位，成像设备被激活以便获得前列腺的处置位点的实时图像。

WO 2005/007228 A1公开了一种利用经由冠状窦(CS)到冠状静脉中的起搏电极来对起搏导联(pacing lead)的瞄准和转向进行超声引导的方法。该流程必须包括(优选地通过超声扫描的)对冠状窦的可视化、对起搏导管端部的定位，将端部沿着CS轴进行引导-转向、并且由此将其放置到冠状窦中。标记的压电换能器被安装在可转向的递送导管的端部处或附近，所述可转向的递送导管能够被定位在冠状窦的附近。

US 2011/224538 A1公开了一种用于识别患者的尿道解剖结构行为以将处置元件精确地放置到患者的前列腺中的系统及其方法，其中回波不透明的导管被引入到尿道中，直到其产生回波且无线电不透明的部分总体与前列腺的处置位点对齐。成像探头相对于处置位点和尿道而被定位，并且被激活以获得前列腺和尿道的实时图像。回波不透明的导管可以由细长的柔性导管制成，所述细长的柔性导管被涂覆、合并或包围有增强超声和无线电可视化的材料。

WO 2011/009087 A1公开了一种用于以无线电手术的方式减轻心律失常的心脏处置套件、系统和方法。对心脏组织的无线电手术处置使用利用心脏导管技术而定位在心脏中或附近的植入基准点来缓解心律失常并处置其他肿瘤性或非肿瘤性疾病。可以在已经采集到对目标组织的诊断和规划图像之后植入基准点。可以在安排的无线电手术处置当天进行基准点植入。为了安放规划后基准点植入的技术可以包括将植入的基准点位置与处置计划配准，并且有效的基准点可能在增强跟踪准确度的同时限制间接成像辐射曝光。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于识别并定位诸如前列腺尿道或其他关键身体结构的身体结构的新方法。

该目的是通过根据权利要求1所述的系统、通过根据权利要求13所述的方法以及根据权利要求书14所述的计算机程序产品来实现的。

因此，所提出的定位或跟踪方法基于体现在在超声引导的流程期间使用的医学工具上的至少一个超声传感器(或接收器)。当所述医学工具和所述超声传感器进入超声视场时，所述超声传感器接收当其(一个或多个)波束扫视视场时来自超声探头的超声信号。所述超声传感器的位置接着能够在所述超声探头的参照系(即视场)中被确定并跟踪，并且能够基于所述超声传感器的所确定的位置来描画待定位的所述关键身体结构的迹线(course)。这实现了对所述关键身体结构(例如前列腺尿道)的迹线或形状的精确描绘。

此外，所提出的定位还允许在处置期间连续实时地跟踪所述关键身体结构，由此实现自适应处置规划和剂量递送，以得到更好的临床结果(例如较少的尿道伤害相关的并发症)。

一般地，所提出的解决方案实现对关键身体结构的高度准确的定位和分割，而不强加更多的临床工作负担和成本。

根据第一方面，所述控制器可以适于分割并跟踪所述身体结构的所描画的迹线，并且适于基于所述跟踪和所述分割来计算要被递送到目标组织或器官的辐射剂量。这种分割和跟踪实现了对辐射剂量规划的实时调节，以使对所述人体结构的不利影响最小化。

根据能够与以上的第一方面组合的第二方面，缩回单元可以被提供用于缩回所述医学工具，所述缩回单元由所述控制器控制。由此，能够基于(一个或多个)所述超声传感器的输出信号来控制嵌入的(一个或多个)超声传感器的位置，以将(一个或多个)传感器位置维持在所述超声探头的超声场内。

根据能够与以上第一方面或第二方面组合的第三方面，其中，所述医学工具可以是导管。有利地，导管的柔性形状允许插到细长结构中并适于细长结构，使得能够实现所估计的描画与真实形状的紧密匹配。

在所述第三方面的第一具体范例中，所述导管可以包括在距彼此固定距离处被安装的多个所述超声传感器。该措施允许将所述导管固定到所述身体结构或固定在所述身体结构中，这是因为能够基于等距超声传感器的所述输出信号来对所述身体结构的迹线或形状进行插值。

在所述第三方面的第二具体范例中，所述导管可以包括导丝，所述超声传感器被附接到所述导丝，并且所述导丝能够滑进并滑出所述导管。该措施还允许将所述导管固定到所述身体结构或固定在所述身体结构中，这是因为现在能够通过在基于所述超声传感器的输出信号的闭环控制下将所述超声传感器滑动通过所述导管来确定所述身体结构的迹线或形状。

根据能够与以上第一至第三方面中的任何一方面组合的第四方面，所述控制器可以适于基于所述输出信号的到达时间来确定所述超声传感器距所述超声探头的距离，并且适于基于作为所述超声探头的成像波束转向角度的函数的所述输出信号的幅度来确定所述超声传感器的角方向。由此，能够基于对(一个或多个)所述超声传感器的(一个或多个)所述输出信号的分析来容易地确定(一个或多个)所述超声传感器的位置以及由此的所述身体结构的位置。

根据能够与以上第一至第四方面中的任何一方面组合的第五方面，所述控制器可以适于通过执行在所述视场中跟踪到的所述至少一个超声传感器的所记录的位置之间的内插值来描画所述身体结构的迹线。这提供了用于基于在所述超声探头的扫视操作期间确定并记录的传感器位置来描画所述身体结构的迹线或形状的直接解决方案。

根据能够与以上第一至第五方面中的任何一方面组合的第六方面，所述超声探头可以被安装在编码器上以访问第三维度。由此，具有二维超声场的超声探头能够被用于获得所述超声传感器的三维位置。

根据能够与以上第一至第六方面中的任何一方面组合的第七方面，所述超声探头可以适于在对所述视场的所述扫视期间缩回、前进或旋转。该措施实现对传感器输出信号的灵活且自适应的检测。

根据能够与以上第一至第七方面中的任何一方面组合的第八方面，所述超声探头可以是经直肠超声探头，目标器官可以是前列腺腺体，并且所述身体结构可以是前列腺尿道。因此，能够实现对所述前列腺尿道的迹线的较精确的描绘。

应当指出，可以基于具有离散硬件部件、集成芯片或芯片模块的布置的离散硬件电子电路，或者基于由存储在存储器中、写在计算机可读介质上或从网络(例如互联网)下载的软件例程或程序控制的信号处理设备、计算机设备或芯片，来实施所述控制器。

应当理解，根据权利要求1所述的系统、根据权利要求13所述的方法以及根据权利要求14所述的计算机程序产品具有相似和/或相同的优选实施例，具体而言是与从属权利要求中所限定的相似和/或相同的优选实施例。

应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求或以上实施例与各自的独立权利要求的任意组合。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。

附图说明

在以下附图中：

图1示出了正常的前列腺腺体和前列腺尿道的解剖结构的示意性视图，

图2示出了患者的部分的横截面视图，对所述部分应用了具有根据第一实施例的对前列腺尿道的实时定位的近距离放射治疗，

图3示出了根据第二实施例的具有导管的定位系统的示意性架构，所述导管具有多个传感器，

图4示出了根据第三实施例的具有单传感器导管的定位系统的示意性架构，所述单传感器导管具有缩回器，

图5示出了根据第五实施例的具有导管的定位系统的示意性架构，所述导管具有朝向前列腺腺体的后侧定位的传感器，

图6示出了根据第六实施例的具有导管的定位系统的示意性架构，所述导管具有以圆环布置的超声传感器，并且

图7示出了在各个实施例中使用的定位流程的流程图。

具体实施方式

现在基于用于使用作为基于超声的定位或跟踪技术的范例的基于US的跟踪来对作为关键身体结构的范例的前列腺尿道的识别和定位的智能感测系统和方法，描述了本发明的实施例。

图1示出了前列腺尿道30的示意性解剖结构，所述前列腺尿道30大约3.5cm长并且经过前列腺腺体10到达膀胱20。放射治疗后的尿道并发症包括尿道炎、尿道狭窄和尿道瘘。已经报告了在针对前列腺癌的近距离放射治疗后的患者的1％中发生前列腺尿道直肠瘘。通过(如通过本实施例实现的)对前列腺尿道30的形状和位置的准确了解，能够基本减少尿道并发症并且能够大大避免对前列腺尿道的不利影响。

图2示出了利用具有集成的US传感器72的弗利导管70的近距离放射治疗流程的示意性布置。弗利导管是通常通过尿道30进入到膀胱中的柔性管。该管可以具有沿着其长度延伸的两个分开的通道或腔。一个腔在两端处是打开的，并允许尿液排出到收集袋中。另一个腔的外面的端上可以具有阀，并且可以连接到在顶端处的球囊。当球囊处在膀胱里面时，利用无菌水使其膨胀，以便阻止其滑出。弗利导管通常由硅橡胶或天然橡胶制造。

在该实施例中，对具有嵌入的US传感器72的这样的弗利导管70的使用实现了对前列腺尿道30的实时定位，在近距离放射治疗流程中这对于避免到前列腺尿道30的不必要或过量的辐射剂量是至关重要的。在第一实施例中，弗利导管70装备有被以彼此间的固定距离安装的一个或多个US传感器72。

在下文中，词语“导管”被用作用来指代装备有传感器的导管或装备有导管里面的传感器的导丝的通用术语。

在近距离放射治疗流程期间，经直肠US(TRUS)探头40被用作传感器跟踪所需要的超声信号源。弗利导管70上的US传感器72接收由TRUS探头40发射的超声波。具体而言，当TRUS探头40的波束扫视视场时从TRUS探头40的(一条或多条)适当的A线接收到的超声信号能够被分析以基于接收到的超声信号的到达时间来确定US传感器72距TRUS探头40的距离。能够基于作为TRUS探头40的成像波束转向角度的函数的接收到的超声信号的幅度来确定角维度。US传感器72的输出被馈送到控制模块以使用根据第一实施例的所提出的跟踪技术来读取或接收来自单独的US传感器72的位置和取向，所述控制模块可以是基于软件或软件控制的。使用来自所有US传感器72的位置和取向信息实时地计算导管70的轨迹。

在近距离放射治疗流程开始时，所跟踪的导管70经过前列腺尿道30。所述跟踪技术是使用沿着导管70的US传感器72以及TRUS探头40来实现的。在将导管70植入并释放粒子80之后，基于粒子80或源与规划的位置相比较的实际位置，(重新)计算到前列腺腺体10的所递送的剂量的映射。能够如图2的上部所示由针50通过网格60来植入并释放粒子80。

为了避免对前列腺尿道30的过量辐射，将前列腺尿道30的所确定的实时轨迹反馈到规划控制功能(例如规划软件)，以为待插入的针50重新计算并更新粒子/源插入路径。随着粒子80被投放，重新计算根据根据对前列腺尿道30的实时定位数据的到前列腺尿道30的递送剂量，并且在必要时相应地更新粒子投放计划。

本发明的实施例在导管70上的传感器72的数量以及对二维(2D)或三维(3D)TRUS探头40的使用方面有变化。

在本发明的第一实施例中，使用了3D TRUS探头40。导管70可以被装备有一个或多个US传感器72。

如果导管70具有一个嵌入的传感器72，则导管70可以被逐步插入到前列腺尿道30中或从前列腺尿道30缩回。当导管70被插入到前列腺尿道30中或从前列腺尿道30缩回时，US传感器72的估算的位置被储存，并且表示导管70的3D形状和位置。能够在由导管70的已知机械特性所强加的约束下进一步对这些估算的位置进行拟合。

如果导管70具有两个或三个嵌入的传感器，则可以在插入或缩回导管70的同时记录所有传感器72的估算的位置，并且可以对多形状的估计进行求平均或以其他方式进行组合，以提供导管70的3D形状和位置。

如果导管70具有四个或更多个传感器72，则能够将这些传感器72沿着导管70的被定位在前列腺尿道30内的部分的长度分布，其中，能够利用导管跟踪容易地实现正确的导管定位。

估计US传感器72的单独的位置，并且计算到离散点的多项式拟合或其它拟合，来作为导管70的3D形状和位置。

一般地，如果存在许多US传感器72，则为了在缩回导管70的同时记录传感器位置的需要被最小化(传感器的数量越多，静态导管位置估计的准确性就越高)。如果在导管70上存在四个或更多个传感器72，则导管70能够被固定在前列腺尿道30的里面。

图3示出了根据第二实施例的具有导管70和多个US传感器72的定位系统的示意性架构。能够结合2D TRUS探头40来使用第二实施例。具有用来映射导管的形状的四个或更多个US传感器72的导管70被结合仅能够2D成像的TRUS探头40来使用。由于2D限制，第二实施例需要TRUS探头40被安装在编码器(未示出)上或连接到编码器，以提供到第三维度的访问。所述编码器用作以电子方式或以机械方式控制TRUS探头40的超声束或图像平面110来实现在视场上的3D扫描或扫视功能。

US传感器72沿着期望被定位在前列腺尿道30中的导管长度被分布。经编码的TRUS探头40接着被用来检测US传感器72的位置。为了实现这点，TRUS探头40能够被例如缩回或旋转(取决于使用哪个计划)，并且由每个US传感器72接收到的信号被用来检测US传感器72是否在实际的TRUS 2D图像计划110中。在图3的范例中，示出了这样的情况，即TRUS探头40被缩回(如由箭头指示的)。

作为备选，TRUS探头40能够在弧矢模式中，并且被装备有旋转编码器。在这种情况下，能够使用相似的方法通过围绕TRUS探头40的轴对其进行旋转来定位US传感器72。

当US传感器72中的一个在TRUS探头40的2D图像计划内时，其在2D图像中的位置被与探头的位置组合，以揭示US传感器72的3D位置。

在图3的上部中，示出了具有不同的US传感器72的不同输出信号101、102的两幅时间图，其中，在水平轴上的时间差能够被用来确定各自的US传感器72相对于TRUS探头40的2D图像平面110的位置。

图4示出了根据第三个实施例的具有在闭环控制中的单传感器导管70的定位系统的示意性布置，所述布置能够被用于2D TRUS探头40。

在第三实施例中，导管70具有单个US传感器72，其中，单个US传感器72的输出信号720被输入到计算机或控制器200，所述计算机或控制器200控制将导管70缩回的缩回器或缩回设备300。控制器200可以由被实现为软件例程的控制流程来控制。类似地，经编码的TRUS探头40可以被人工地或自动地缩回。

在具有闭环控制的自动系统中，缩回器300能够以如下方式基于传感器输出信号720和从TRUS探头40接收到的探头位置信号420由控制器200来控制，在所述方式中US传感器72总是被保持在移动的TRUS探头40的2D图像计划中。接着，能够将TRUS图像中的US传感器72的2D位置与所跟踪的TRUS探头40的位置组合，来揭示US传感器72的3D位置。

根据第四实施例，控制器200可以控制机器人(未示出)，所述机器人使TRUS探头40前进或缩回。此外，如图4所示，装备有传感器的导管70由缩回设备300缩回或前进。持有探头的机器人被以如下方式控制，在所述方式中US传感器72总是被保持在移动的TRUS探头40的2D图像中。再者，能够将TRUS图像中的US传感器72的2D位置与TRUS探头的位置组合，以揭示US传感器72的3D位置。

图5示出了根据第五实施例的定位系统的示意性架构，所述定位系统适于即使在前列腺尿道30中存在气穴的情况下也确保信号接收。

为了考虑到导管70中可能妨碍或阻碍在导管70的靠近前列腺腺体的后侧或后部分14的表面处的超声传播的可能的气穴，可以将所有US传感器72沿导管70的长度以同一取向附接到导管70。在导管70的靠外的末端上的可见标记可以指示多个US传感器72被沿着导管70的圆周被定位在哪里。如图5所示，在插入导管70期间，能够确保该标记总是指向患者的后侧，即靠近前列腺腺体10的后部分14。

因为导管70通常不弯曲或扭曲，所以该外部标记是针对US传感器72的位置的适合的替代。图5还示出了TRUS探头的2D图像110，所述2D图像110可以在不对TRUS探头40进行任何缩回或前进的情况下被以电子方式扫视。

在导管70上方，示出了前列腺30的内部分或内侧12。

图6示出了根据第六实施例的定位系统的布置，所述第六实施例与图5的第五实施例相似，除了US传感器72被配置为圆环，以即使在尿道30中存在气穴的情况下也确保信号接收。

第六实施例的导管70提供了这样的优势，即导管70的弯曲或扭曲是无害的，这是因为能够获得能被量化的US传感器72输出信号，而不论导管70的取向。

备选地，可以以这样的方式来构建小的装备有传感器的导丝，即所述导丝能够滑进并滑出导管70的空心通道。导丝可以是小的或空心的，以便不阻塞尿液通过导管70的流动。而且，如果导管70被装备有导丝，则圆环形状能够被用于将传感器附接到导丝。接着能够实现类似于图4的第三实施例的闭环控制，其中，缩回设备300现在可以控制导丝的移动。

3D导管形状和位置以及尿道30的估计的直径能够被用于分割前列腺尿道30。为了实现这点，假设在前列腺尿道30内对导管70的滑动配合，导管70的外径能够被用作对尿道30的直径的估计。因此，前列腺尿道30的直径能够被添加到US传感器72的估计的位置(其表示前列腺尿道30的近端边缘或后边缘)，以获得前列腺尿道30的远端边缘或前边缘。接着，通过将具有与前列腺尿道30的直径相对应的直径的多个圆圈粘贴在每个测量点处并且对这些圆圈进行内插值，能够获得对尿道30的3D分割。

此外，所估计的3D导管形状和位置能够被用于估计前列腺腺体10的位点和位置。在近距离治疗流程开始时，前列腺腺体10能够在TRUS探头40的视场或参照系中被定位。然而，在近距离治疗流程期间，前列腺腺体10可以移动。为了使近距离治疗流程适于这样的移动，尿道30的估计的位置和形状能够被用于自动更新前列腺腺体10在TRUS探头40的参照系中的位置，并且将它用于自适应处置规划和递送。

规划软件或规划控制功能能够适于在用户接口(例如屏幕)上显示前列腺尿道30或前列腺腺体10的所跟踪的位置的交叠，使得能由用户容易地检测跟踪位置。考虑到内部剂量不均匀性，在植入之前的规划过程确保源放置能够被优化，以在使到危及器官的剂量最小化的同时使目标覆盖最大化。这还允许精确的粒子顺序。根据所限定的参数的规划确保在不同的中心与操作者之间的再现性。

图7示出了实时定位和剂量适配流程的流程图，能够以以上实施例中的至少一些来实现所述实时定位和剂量适配流程。

在步骤701中，基于跟踪数据来执行如以上描述的实时尿道分割和跟踪，所述跟踪数据可以由图4的控制器200存储。接着在步骤702中使用前列腺尿道30的实际估计的3D位置来计算恰好在粒子沉积前的辐射剂量。

在步骤703中，考虑到前列腺尿道的估计的实时位置，接着核对步骤702中计算出的辐射剂量是否适当。如果是这样，则投放具有计算出的辐射剂量的粒子，并且流程跳转回到步骤701。否则，如果在步骤703中确定计算出的辐射剂量对于前列腺尿道30是危险的，则流程跳转至步骤705，并且调节递送计划以减少输入到前列腺尿道30的剂量。

因此图7的流程允许基于对前列腺尿道的实时定位和跟踪的对前列腺近距离辐射治疗的自适应重新规划。

总之，已经描述了定位系统和方法，其中，装备有(一个或多个)US传感器的弗利导管或其他医学工具被插入到前列腺尿道中。基于对在来自TRUS探头或其他超声探头的US波束扫视视场时由这些US传感器接收到的US信号的分析，可能在与TRUS图像相同的参照系中精确地检测并跟踪这些US传感器，由此精确地描画弗利导管和前列腺尿道的迹线。在该流程期间，在每个粒子被投放前，能够基于对前列腺尿道的实时跟踪和分割来计算到前列腺尿道的递送的剂量，并且基于先前投放的粒子来计算剂量辐射，如果需要，则能够自动地重新规划该流程。

尽管已经在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述被视为说明性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的具有导管、US传感器和TRUS探头的实施例。其还能够结合其他医学工具和/或成像换能器来实现，能够基于所述其他医学工具和/或成像换能器来确定关键身体结构的位置。更具体地，本发明能够被用于与任何放射治疗或成像流程相结合的对其他关键身体结构的实时跟踪和分割。本发明能够被容易地扩展到对其他组织或器官的治疗性或成像辐射。例如，根据以上实施例的定位概念能够被扩展到肝脏，以便避免使用装备有超声传感器的设备或医学工具时到关键结构(如血管、肝内胆管)的过量剂量。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。单个处理器或其他单元可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

上述说明详细说明了本发明的某些实施例。然而，将意识到，无论本文前面如何详述，都可以以许多方式来实践本发明，并且本发明因此不限于所公开的实施例。应当注意到，当描述本发明的某些特征和方面时对特定术语的使用不应该被认为是暗示术语在本文中被重新定义以被约束为包括本发明的特征或方面的与所述术语相关联的任何特定特性。

单个单元或设备可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

根据各个实施例的系统的功能部件的所描述的操作(例如结合图7所描述的)能够被实现为计算机程序和/或专用硬件的程序代码单元。所述代码单元被布置用于当在计算设备上运行时产生所描述的功能性步骤中的至少一些。计算机程序可以被存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统。