用于与外部成像集成的机器人医疗系统的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年5月16日提交的美国临时申请61/824,298的权益，其通过 引用方式被完全并入本文。该专利文件还涉及并且以引用方式并入都在2011年10月 14日提交的以下共同拥有且共同待决的专利申请：标题为"CatheterwithRemovable VisionProbe(具有可拆卸的视觉探头的导管）"的美国专利申请号13/274, 208 ;标题为 "CatheterswithControlModesforInterchangeableProbes(具有用于可互换探头的 控制模式的导管）"的美国专利申请号13/274, 198;标题为"VisionProbeandCatheter Systems(视觉探头和导管系统）"的美国专利申请号13/274, 229 ;以及标题为"Catheter SensorSystems(导管传感器系统）"的美国专利申请号13/274, 237。
技术领域
[0003] 本公开涉及用于在医疗程序期间跟踪医疗装置在患者解剖结构内的系统和方法， 并且更具体地涉及用于将外部成像与机器人手术系统有效地集成的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 微创医疗技术旨在减少在诊断或手术程序期间受损的组织量，从而缩短患者的恢 复时间、减轻患者的不适并且减少有害的副作用。此类微创技术可以通过在患者解剖结构 中的自然孔口，或通过一个或多个手术切口执行。通过这些自然孔口或切口，临床医生可以 将手术器械插入到达目标组织位置。为了到达目标组织位置，微创手术器械可以在解剖系 统中的自然的或手术创建的通道中导航，其中解剖系统诸如肺、结肠、肠、肾脏、心脏、循环 系统等。导航辅助系统帮助临床医生按路线传送手术器械，并且避免对解剖结构的损伤。这 些系统能够结合使用形状传感器以更准确地描述手术器械在真实空间中的形状、姿态和位 置或手术器械相对于术前图像或者同步图像的形状、姿态和位置。在动态解剖系统中和/ 或在布满许多解剖通道的解剖区域中，将微创器械准确配准到解剖系统中是一项耗时且处 理密集的任务。需要提高将微创器械配准到解剖系统的系统和方法的准确性和效率的改进 的系统和方法。
【发明内容】
[0005] 通过使来自外部成像系统的成像数据与术中的手术系统数据相关，能够实现手术 系统相对于实际的患者解剖结构的更准确的配准和/或控制。
[0006] 一种医疗系统能够包括（一个或多个）机器人可控制的医疗器械，所述机器人可 控制的医疗器械包括传感器系统（例如，位置传感器、形状传感器等），用于提供关于（一个 或多个）器械的姿态和/或解剖结构的术中信息。如在本文中所使用的，术语"姿态"指的 是对象的位置或对象在至少一个平移自由度的部分，并且指的是该对象的取向或对象在至 少一个旋转自由度（多达六个总自由度）的部分。如在本文中所使用的，术语"形状"指的 是沿对象测量的一组姿态、位置或取向。
[0007] 伴随着（一个或多个）医疗器械设置在患者内，外部成像系统（例如，计算机断层 扫描术（CT)扫描仪、正电子发射型计算机断层显像（PET)扫描仪、荧光镜检查扫描仪（例 如，C形臂、0形臂）、磁共振成像（MRI)扫描仪、锥形波束CT扫描仪，和/或超声系统、以及 其他）提供（一个或多个）手术器械被定位在其中的解剖结构的术中图像。在一些实施例 中，外部成像系统还能够被安装在铰接的（例如，机器人可控制的）支持结构上，以提供更 大范围的成像取向。
[0008] -种医疗机器人系统和用于操作该系统的方法能够涉及接收针对患者解剖结构 的至少一部分的术中的外部图像数据，以及基于所述术中的外部图像数据（可选地从在处 理目标位置或医疗机器人系统器械的相关部分（诸如远侧尖端或工具区段）周围的预定区 域获得）至少半自动地（即，在没有用户手动介入的情况下至少部分地）控制所述医疗机 器人系统。
[0009] 该系统能够利用从外部图像数据提取的数据进行控制，然后涉及：至少半自动地 调节物质（例如，治疗剂、镇痛剂、植入物、或标记、以及其他）到目标位置的递送，将处理模 式（例如，消融、辐射、超声、或电泳、以及其他）应用于目标位置，在目标位置处调整器械姿 态，调整病灶性治疗参数（例如，辐射波束焦点或横截面、以及其他），和/或跟踪器械与组 织在目标位置处的交互。
[0010] -种医疗机器人系统和用于该系统的方法能够涉及接收针对患者解剖结构的至 少一部分的术中的外部图像数据，以及基于所述术中的外部图像数据（可选地从在处理目 标位置或医疗机器人系统器械的相关部分（诸如远侧尖端或工具区段）周围的预定区域获 得）至少半自动地将建模调整应用于所述医疗机器人系统的控制系统。
[0011] 利用从外部图像数据提取的数据的建模调整能够涉及：基于术中的外部图像数据 (例如，通过利用图像处理技术从术中的外部图像数据提取解剖结构特征和/或器械姿态 数据）自动地或半自动地更新被用于术中导航的患者解剖结构的解剖结构模型，和/或细 化（refine)患者、器械和/或解剖结构模型之间的配准（例如，通过从术中的外部图像数 据提取对应于基准要素（诸如人造标记或已知的解剖界标/解剖结构）的数据以在适当情 况下为患者、器械和/或解剖结构模型建立共同的参考系）。
【附图说明】
[0012] 当与附图一起阅读时，本公开的各方面从以下【具体实施方式】中更好理解。要强调 的是，依照在行业中的标准惯例，各种特征未按比例画出。实际上，为使讨论清晰，各种特征 的尺寸可以随意增大或减小。此外，在各种示例中，本公开可以重复参考数字和/或字母。 这种重复是为了简单且清晰的目的，本身并不指定所讨论的各种实施例和/或配置之间的 关系。
[0013] 图IA是根据本公开的实施例的机器人医疗系统。
[0014] 图IB图示了利用本公开的方面的医疗器械系统。
[0015] 图2A示出了图IA和/或图IB的与外部成像系统相配合的机器人医疗系统。
[0016] 图2B-2F示出了图2A的机器人医疗系统的各种操作和控制方面。
[0017] 图3A-3D示出了用于涉及诸如在图2A-2F中示出的与外部成像相配合而使用机器 人医疗系统的各种程序性方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018] 在本发明的实施例的下列【具体实施方式】中阐述许多具体细节，以便提供对公开的 实施例的透彻理解。然而，对本领域中的技术人员显而易见的是，本公开的实施例可以在没 有这些具体细节的情况下实践。在其他实例中，未详细描述众所周知的方法、程序、部件和 电路，以便不会不必要地模糊本发明的实施例的各方面。
[0019] 以下实施例就各种器械和器械部分的三维空间下的状态而言对其进行描述。如在 本文中所使用的，术语"位置"涉及对象或对象的一部分在三维空间（例如，沿着笛卡尔X、 Y、Z坐标的三个平移自由度）中的位置。如在本文中所使用的，术语"取向"指的是对象或 对象的一部分的旋转布置（三个旋转自由度一一例如，滚动、俯仰和偏航）。如在本文中所 使用的，术语"姿态"指的是对象或对象的一部分在至少一个平移自由度中的位置，并且指 的是对象或对象的一部分在至少一个旋转自由度中的取向（多达六个总自由度）。如在本 文中所使用的，术语"形状"指的是沿对象测量的一组姿态、位置或取向。
[0020] 参考附图中的图1A，机器人手术系统一般由参考数字100指示。注意，如在本文 中所使用的，"手术"能够指任何对患者执行的医疗程序，包括但不限于操作程序（例如，组 织提取或操纵）、治疗程序（例如，药物递送）和诊断程序（例如，组织检查或活检）。如图 IA所示，机器人系统100 -般包括对患者P执行各种程序时操作手术器械104的手术驱动 器组件102。组件102被安装到操作台0或靠近操作台0。主组件106允许临床医生S(例 如，外科医生或介入医生）查看手术部位并且控制驱动器组件102。
[0021] 在替代性实施例中，机器人系统可以包括不止一个驱动器组件。驱动器组件的确 切数量和配置将取决于手术室内的手术程序和空间限制以及其他因素。
[0022] 主组件106可以位于临床医生的控制台C处，该控制台C通常与操作台0位于同 一个房间中。然而，应该清楚，临床医生S能够位于与患者P不同的房间中或完全不同的建 筑物中。主组件106 -般包括可选的支持物108和用于控制驱动器组件102的一个或多个 控制装置112。（一个或多个）控制装置112可以包括任何数量的各种输入装置，诸如操纵 杆、跟踪球、手套、触发手枪、手动操作的控制器、语音识别装置等。在一些实施例中，（一个 或多个）控制装置112将提供有与相关联的手术器械104 -样的自由度，以提供给临床医 生远程呈现或（一个或多个）控制装置112与器械104成为一体的感知，使得临床医生具 有直接控制器械104的强烈感觉（但是在其他实施例中，（一个或多个）控制装置112可 以具有比相关联的手术器械104更多或更少的自由度）。在一些实施例中，控制装置112为 以六个自由度移动的手动输入装置，并且该手动输入装置也可以包括用于致动器械的可致 动手柄（例如，用于关闭抓取钳、应用电势到电极、输送药物处理等）。
[0023] 可视化系统110可以包括可见范围组件（在下面更详细地进行描述），使得手术部 位的同步图像或实时原位（in-situ)图像（即，在手术部分处获得的图像）被提供给临床 医生控制台C。同步图像可以例如是由设置在手术部位内的内窥镜或类似成像元件捕获的 二维或三维图像。在该实施例中，可视化系统100能够包括可整体耦连到或可拆卸地耦连 到手术器械104的内窥镜部件。然而，在替代性实施例中，附接到单独的驱动器组件的单独 的内窥镜可以和手术器械一起使用，以对手术部位成像。可视化系统110可以作为硬件、固 件、软件或其组合实现，其与一个或多个计算机处理器交互，或以其他方式由一个或多个计 算机处理器执行，其中计算机处理器包括控制系统116(在下面进行描述）的处理器。
[0024] 显示系统111可以显示由可视化系统110捕获的手术部位和手术器械的图像。显 示系统111和主控制装置112可以被取向使得成像装置在范围组件和手术器械中的相对位 置与临床医生的眼睛和手的相对位置类似，因此操作者能够犹如观察在基本真实存在的工 作空间一样来操纵手术器械104和手动控制。通过真实的存在，就意味着图像的呈现是模 拟物理操纵手术器械104的操作者的观察点的真实透视图像。
[0025] 替代地或额外地，显示系统111可以通过外部成像系统160呈现术前和/或术中 记录和/或建模的手术部位的图像，所述外部成像系统160能够使用成像技术，诸如计算机 断层扫描术（CT)、磁共振成像（MRI)、正电子发射型计算机断层显像（PET)、荧光镜检查、热 敏成像、超声、光学相干断层扫描术（OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、或纳米管X射线成 像、以及其他。所呈现的图像可以包括二维图像、三维图像或四维图像。注意，如在本文中 所使用的，相比于从在患者内获得的"原位"图像，不管特定的成像模式如何（例如，超声能 够被用于外部成像和/或原位成像两者），"外部成像"或"外部图像"指从患者外部获得的 目标解剖结构的图像。
[0026] 在一些实施例中，显示系统111可以替代地或额外地显示虚拟导航图像，在该图 像中手