专利名称：促进手术的方法和系统的制作方法
联邦赞助的研究或开发[不适用]缩微胶片/版权引用[不适用]技术领域本申请的实施例一般涉及促进手术过程。具体地，某些实施例涉及提供用于遵循术前手术计划来有效进行手术的系统和方法。
背景技术：
手术具有与之相关的风险。因此，对临床医生和患者而言，均希望减少任何这类手术风险的大小和概率。降低风险的一个途径是改进术前计划。例如，改进后的术前计划能缩短手术时间和减少执行的侵入行为数目。此外，改进后的术前计划能减少干扰手术器械的可能路径上的健康的、敏感组织和/或器官(如血管或神经)的风险。而且，在手术中可能不会采用用于提高放射图像质量的相关技术(如将造影剂施用于患者)。因此，外科医生或其它临床医生可以在计划阶段采用这类技术来更好地确定患者的解剖学特征。
然而，术前计划可能要花费很多时间。而且，临床医生缺少为术前计划提供易于得到的信息的工具。尽管临床医生可以看到患者的放射图像，但该图像也需要医生对其进行大量分析。放射图像的人工分析是耗时的，而且成本高昂。此外，人工分析不能得到可在手术过程中进行实时交互的电子形式的计划。在手术过程中，也不能以电子方式监视人工计划。而且，人工分析通常是困难的，因为通常在仅为二维的显示器上向临床医生显示三维信息。
一种需要为其改进术前计划的具体手术可称为切除(如热烧蚀或冷冻消融)。切除(如热烧蚀或冷冻消融)可以是对组织(如肿瘤或肿瘤的一部分)进行的任何手术切除。切除(如热烧蚀或冷冻消融)的一种形式是将切除工具插入要切除的组织。然后，在特定时间内，切除工具尖端温度可达到很高的温度，从而导致相关组织被杀死。在热烧蚀过程中，实际上是将组织进行高温煮沸，而在冷冻消融过程中，则将组织进行冷冻并致死。存在各种工具尖端，各种尖端可以在不同情况下切除不同数量的组织。对临床医生而言，难以在术前计划期间计算各种切除工具的体积效应(volumetric effect)。
因此，需要能降低与手术相关的风险的方法和系统，需要自动提供在之后的手术环境中使用的术前方案的方法和系统。此外，还需要协助医生在手术过程中遵循术前计划的方法和系统。
发明内容
本发明的某些实施例提供了一种促进手术的方法，该方法包括追踪手术器械的至少一部分在被关注部分中的位置；识别与被关注部分的至少一部分对应的手术计划；以及根据手术器械的至少一部分的位置与手术计划的对应性来提供反馈信息。在一个实施例中，该反馈是实时提供的。在一个实施例中，该反馈包括触觉反馈、热反馈、视觉反馈和听觉反馈中的至少其中之一。在一个实施例中，手术计划包括之前生成的放射图像。在一个实施例中，手术计划包括手术器械的至少一部分的至少一条轨迹。在一个实施例中，手术计划包括至少一项切除。在一个实施例中，该方法还包括显示被关注部分的至少一部分的实时放射图像，其中，该放射图像与手术计划相对应。在一个实施例中，实时放射图像包括超声波图像。在一个实施例中，将反馈提供给临床医生。
本发明的特定实施例提供了一种用于促进手术的系统，该系统包括追踪子系统，用于追踪手术器械的至少一部分在患者中的位置；反馈子系统，该系统能提供反馈响应；以及可至少部分地在处理器上执行的应用程序，该应用程序能将手术器械的上述至少一部分的上述位置和手术计划进行比较，该应用程序能响应手术器械的上述至少一部分的上述位置与手术计划之间的关联来控制反馈子系统。在一个实施例中，手术计划包括至少一条轨迹和和至少一个位置。在一个实施例中，反馈响应包括触觉反馈、热反馈、视觉反馈和听觉反馈的至少其中之一。在一个实施例中，该反馈响应是实时提供的。在一个实施例中，系统还包括应用程序生成的可显示输出，其中，该可显示输出包含患者的至少一部分的实时放射图像，且该实时放射图像与手术计划相对应。在一个实施例中，上述可显示输出还包括与实时放射图像结合在一起的以前生成的放射图像。在一个实施例中，上述可显示输出还包含手术器械的至少一部分的位置。在一个实施例中，上述手术计划还包括分割(segmentation)。在一个实施例中，手术器械包括切除工具。在一个实施例中，将反馈响应提供给临床医生。
本发明的某些实施例提供了包含用于计算机的一组指令的计算机可读存储介质，这组指令包括用于追踪手术器械的至少一部分在被关注部分中的位置的追踪例程；用于识别与被关注部分的至少一部分对应的手术计划的识别例程；以及用于根据上述手术器械的至少一部分的位置和手术计划之间的对应性来提供反馈的反馈例程。在一个实施例中，反馈是实时提供的。在一个实施例中，反馈包括触觉反馈、热反馈、视觉反馈和听觉反馈中的至少其中之一。在一个实施例中，手术计划包含之前产生的放射图像。在一个实施例中，该手术计划包括手术器械的至少一部分的至少一条轨迹。在一个实施例中，手术计划包括至少一项切除。在一个实施例中，该组指令还包括用于显示被关注部分的至少一部分的实时放射图像的显示例程，其中，该实时放射图像与手术计划相对应。在一个实施例中，该实时放射图像包括超声波图像。在一个实施例中，将该反馈提供给临床医生。
图1示出了一种根据本发明的实施例的、用于进行手术计划的系统。
图2示出了一种根据本发明的实施例的、用于进行手术计划的方法。
图3示出了一个根据本发明的实施例的分割实例。
图4示出了根据本发明的实施例的显示数据和交互工具的应用程序显示的实例。
图5示出了根据本发明的实施例的预测形成的实例。
图6示出了一种根据本发明的实施例的进行自动的手术计划的方法。
图7示出了一种根据本发明的实施例的用于促进手术的系统。
图8示出了一种根据本发明的实施例的用于促进手术的方法的流程图。
图9示出了一个根据本发明的实施例的、包含手术计划和被关注部分的三维实时图像的组合显示的实例。
结合附图来阅读之前的发明内容和以下的具体实施方式
能更好地理解这些部分。为了说明本发明，在附图中示出了一些实施例。然而，应当理解，本发明不限于附图中示出的配置和器械。而且，某些附图示出了与根据一个或多个实施例的本发明的方法和系统有关的显示和/或输出。
具体实施例方式
图1示出了一种根据本发明的实施例的用于进行手术计划的系统100。系统100包括图像生成子系统102，该系统通过一个或多个通信链路104以通信方式连接到图像处理子系统116和/或存储器114。可以在系统100中省略存储器114之类的一个或多个部件。可以以各种形式将一个或多个部件进行集成，或是将这些部件以各种形式在多个部件之间进行分配。
图像生成子系统102可以是任何能生成与患者的被关注部分对应的二维，三维和/或四维数据的放射系统。患者的被关注部分可包含与组织、器官、流体、病状(如肿瘤、脓肿、囊肿等)有关的情形和/或之类的情况。某些图像处理子系统102包含计算机断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、X射线、正电子发射断层扫描(PET)、断层合成和/或之类的技术。通过施用给患者的造影剂，可以改善某一成像形态(如CT)。图像生成子系统102可以生成一个或多个与图像对应的、通过通信链路104传送到存储器114和/或图像处理子系统116的数据组。
存储器114能存储由图像生成子系统102生成的成组数据。例如，存储器114可以是数字存储器(如PACS存储器、光介质存储器、磁介质存储器、固态存储器、长期存储器、短期存储器和/或类似的器件)。例如，存储器114可以与图像生成子系统102或图像处理子系统116进行集成。存储器114可以位于本地，也可以位于远方。存储器114可以是持久型的，也可以是临时型的。
图像处理子系统116还可包括存储器106、处理器108、用户接口110和/或显示器112；可以以通信方式连接图像处理子系统116的各部件。可以将某些部件(如处理器108和存储器106)进行集成。图像处理子系统116可以接收与患者的被关注部分对应的数据。可以将数据存储在内存106中。图像处理子系统116可以包括计算机、PACS工作站、Advantage工作站和/或类似设备。
存储器106可以是计算机可读存储器，如硬盘、软盘、CD、CD-ROM、DVD、紧凑型(compact)存储器、闪存、随机存取存储器、只读存储器、电可擦除可编程只读存储器和/或其它存储器。存储器106可包括超过一种存储器。存储器106能临时地或永久地存储数据。存储器106能存储可以由处理器108进行读取的指令组。存储器106也能存储由图像生成子系统102生成的数据。存储器106也能存储由处理器108生成的数据。
处理器108可以是中央处理单元、微处理器、微控制器和/或之类的器件。例如，处理器108可包括一个以上的处理器。处理器108可以是集成式部件，或可被在各个位置之间进行分配。处理器108能执行应用程序。处理器108能执行方法(如根据本发明的方法200)。处理器108能从用户接口110接收输入信息，并生成可由显示器112显示的输出。
用户接口110可包括任何能将信息传送到图像处理子系统116的器件。用户接口110可以包括鼠标、键盘和/或任何其它能接收用户指令的器件。例如，用户接口110可包含语音识别、动作追踪和/或眼追踪特征。可以将用户接口110集成到其它部件(如显示器112)之中。例如，用户接口110可以包括触摸感应显示器112。通过用户接口110，用户能与在处理器108上执行的应用程序进行交互。通过用户接口110，用户能与可存储在存储器106中的数据组进行交互。通过用户接口110，用户能与可在显示器112上显示的图形进行交互。
显示器112可以是任何能将视觉信息传送给用户的器件。例如，显示器112可包括阴极射线管、液晶二极管显示器、发光二极管显示器、投影仪和/或类似的器件。显示器112能显示放射图像和图像处理子系统116生成的数据。显示可以是二维的，但是，通过阴影、上色和/或类似方法，该显示也可以指示三维信息。
图2示出了一种根据本发明的实施例的、进行手术计划的方法200的流程图。可以以异于图示顺序的顺序来执行方法200的各个步骤。例如，可以同时或基本同时地执行方法200中的至少某些步骤。而且，可以省略方法200的某些步骤。可以由计算机和/或其它执行计算机可读介质上的指令组的处理器(如图1中的处理器108)来执行方法200的步骤。而且，可以用以下描述的方法600中的类似步骤置换方法200中的某些步骤，反之亦然。
在步骤202中，提供了包含患者的被关注部分的图示的数据，以供进行显示。例如，提供了数据，以供在显示器(如显示器112)上进行显示。例如，数据可以由放射图像(如图像生成子系统102)生成，并可包含表示患者的被关注部分的信息。数据可包含二维、三维和/或四维信息。数据可包括被关注部分的一种或多种视图(如轴向图、冠状图、弧矢图和/或斜视图)。例如，数据可能有助于临床医生以二维、三维和/或四维方式计划和/或可视化手术进程。例如，数据可能有助于介入临床医生(如介入放射学家)来计划介入手术。
现在来看图3，其中示出了根据本发明的实施例的包含分割的图像300的实例。数据可包括来自放射成像系统的数据和其他数据。在一个实施例中，数据包括放射图像300中表示的生物结构的分割304。分割304可包括指明各种生物结构的各种形状或形式。例如，分割304可包括病状(如肿瘤)的外形。分割304可包括指明器官和其它组织(如血管和/或神经)的各种形式。
放射图像数据300可包含患者的解剖结构(包括适合分割304的部分)。而且，在被关注部分302的内部示出了分割304。例如，可通过在处理器(如图1所示的处理器108)上运行的应用程序生成分割304。分割304可表示各种形式的生物结构(如器官、组织和/或病状(如肿瘤，囊肿等))。在生成图像的过程中，通过向患者施用图像增强剂(如造影剂)，可以促进分割304的过程。
例如，可以根据像素和/或体素的各种亮度特性来形成分割304。可以根据像素和/或体素的亮度特性来辨识各种组织、流体和/或器官。例如，骨骼之类的组织将引起像素和/或体素的亮度特性处于与骨骼相关的范围内。而神经之类的组织将引起像素和/或体素的亮度特性处于与神经相关的范围内。可以用各种技术来改变与各种解剖结构相关的亮度特性(如在成像前将造影剂施用给患者)。造影剂对改变亮度特性是有用的，这样，便更容易区分各种解剖结构的亮度属性。换言之，基于相关的亮度特性，与未使用造影剂的患者图像相比，更容易区分使用了造影剂的患者图像中的各种解剖结构。
基于与像素和/或体素相关的预期亮度性能，可以对图像的各个部分进行过滤。比如，如果不准备分割某些解剖部分，则可以过滤这些部分。例如，可以过滤肌肉系统、骨骼、血管和/或类似部分，这样，便留下了病状(如肿瘤)。或者，可以根据相关的亮度特性来选择解剖部分。例如，可根据相关的亮度特性来选择用于分割的血管。
一旦选好解剖部分，便可以对解剖部分进行分割。可使用各种技术(如边缘检测)来形成分割304。例如，可以以二维、三维和/或四维的形式进行分割304。分割304可以是二维、三维和/或四维的。可以用分割304进行进一步的处理和交互。可以将分割304作为独立的数据组(或将其与放射图像数据进行集成和/或关联)存储在存储器(如存储器106)中。
回到图2，在步骤204中，提供了与数据组(如放射图像数据302和分割304)一起使用的交互工具。交互工具可以是与用户进行交互的一个或多个工具。例如，用户通过用户接口(如用户接口110)可选择交互工具。
现在参看图4，其中示出了根据本发明的实施例的、显示数据和交互工具406的应用程序显示400的实例。可通过图标、菜单、浮动菜单、上下文菜单和/或类似的途径来选择交互工具406。交互工具406可以包括多种工具。例如，交互工具406可包括可以由用户选择的一种或多种工具。交互工具406可具有一个或多个供选择的工具尖端。工具尖端可具有多种大小、形状、直径和/或之类的属性。工具尖端可以以某种具体的方式影响三维体积。交互工具406也包括其它可编辑参数，如工具温度、工具吸力、启动持续时间和/或类似的参数。在一个实施例中，交互工具406是具有多种工具尖端的切除工具。各工具尖端以不同方式影响其周围的解剖结构。
回到图2，在步骤206中，允许操纵交互工具(如工具406)的用户和数据组(如放射图像数据302或402和/或分割304或404)之间的交互。用户可以以二维、三维和/或四维方式与交互工具和数据组进行交互。例如，用户能定位交互工具和/或启动交互工具。如果交互工具是切除工具，则用户能在放射图像数据(如302/402)和/或分割(如304/404)内定位工具尖端。一旦将其定位于满意的位置，用户便能启动切除工具，从而引起了对通过工具尖端提供热量这一过程的模拟。
应用程序可以记录用户的交互，并将其作为手术计划分析或手术计划的一部分存储在存储器中。用户能通过添加、删除或变更交互来编辑手术计划分析或手术计划。例如，可以将手术计划分析或手术计划作为独立的数据组(或将其与基础的放射图像和/或分割进行集成，或是将其与上述图像和/或分割进行关联)存储在存储器中，以供今后使用。
例如，可以将交互作为基于矢量的轨迹进行存储。轨迹有助于介入放射学家之类的用户将用于插入交互工具(如切除工具)的有效路径可视化，同时避开主要的解剖结构。可以将该轨迹实时地或以其他方式向用户显示。
在步骤208中，形成了基于用户交互的预测。例如，预测可以基于交互工具类型(如切除工具)、交互工具尖端类型、交互的性质、交互工具和/或工具尖端的热量、工具相对于解剖结构区域的位置、工具相对于解剖结构区域的角度、工具动作的持续时间、交互区域内的解剖结构类型和/或类似的一些方面。例如，切除工具烧穿某些种类的解剖结构比其烧穿其他类型的解剖结构更快和更有效。例如，切除工具的尖端越大，它能烧穿的解剖结构区域也就越大。应用程序能识别某些或所有这些因素，并能相应地预测患者的解剖结构将如何对提出的交互进行响应。而且，应用程序能将预测存储在存储器中。此外，可以向用户显示预测。例如，可以实时地向用户显示预测反馈。应用程序能将预测作为手术计划分析或手术计划的一部分或将其作为独立的数据组进行记录和存储。用户能通过添加、删除或其他方式更改预测来编辑手术计划分析或手术计划。
暂时转到图5，其中示出了一个根据本发明的实施例形成预测的实例500。图中示出了分割502。分割502可以是肿瘤的分割。此外，还示出了基于用户交互的若干个不同的预测504。可通过用户使用交互工具(如切除工具)进行的交互来形成各个预测504。交互工具可具有多个刀尖，从而导致了多个预测504。可以向用户显示预测504，并可进一步将该预测作为手术计划分析或手术计划的一部分进行存储。
回到图2，作为说明性实例，方法200可以按以下方式执行。某位患者具有需要通过手术切除(如热烧蚀或冷冻消融)的肿瘤。在步骤202中，应用程序显示了包括肿瘤在内的患者解剖结构的数据和该肿瘤的相应分割。之前，在向患者使用造影剂后，以三维方式生成了患者的CT图像。将图像转移到存储器(如存储器114)，并通过执行应用程序的处理器(如处理器108)来取得该图像。应用程序能通过成像协议来分割上述肿瘤，其中，该协议根据体素的相应亮度特性来过滤非肿瘤解剖结构部分。然后，使用边缘检测算法来为肿瘤确定一个形状。并通过应用程序向用户显示了分割。
在步骤204中，通过交互菜单向用户提供了具有多种工具尖端的交互切除工具。存在一系列大小和形状的工具尖端。用户一次可选择一种工具尖端。用户通过用户接口(如用户接口110)来选择工具尖端。
在步骤206中，用户使用切除工具和选择的工具尖端与肿瘤的放射图像数据和分割进行交互。用户通过用户接口(如用户接口110)与上述图像和分割进行交互。随着用户与应用程序中的数据进行交互，这些交互被作为手术计划分析或手术计划的一部分记录下来。随着切除工具穿过非肿瘤区域到达肿瘤，这一交互过程被记录下来。一旦切除工具尖端进入肿瘤区，则用户通过指明切除工具尖端将被加热来与上述数据进行进一步交互。例如，用户可通过点击鼠标来指明工具尖端的加热。
在步骤208中，根据步骤206中的交互形成了预测。在这个具体实例中，应用程序被设计成向与数据进行交互的用户提供尽可能实时的反馈。因此，在每次交互之后，均会形成预测，并实时地向用户显示该预测。从而，每当切除工具穿过非肿瘤组织而其尖端未加热时，便会计算(根据工具尖端的大小和形状和周围的解剖结构)关于该交互将如何影响非肿瘤组织的预测，并向用户显示该预测。每当在肿瘤区域内加热切除工具时，便计算(根据工具尖端的大小、形状、温度、加热持续时间和肿瘤的类型)预测，并实时地向用户显示该预测。然后，根据临床目标，在记录预测时，用户可通过添加、删除和/或变更预测来编辑这些预测。可以将这组基于交互的预测作为手术计划分析或手术计划进行存储，可以在今后的某个时点(如手术过程中，或正好在手术之前)取用该分析或计划。
图6示出了一种根据本发明的实施例的、用于进行自动的手术计划的方法600。可以以异于图示顺序的顺序来执行方法600的各个步骤。例如，可以同时进行方法600的至少某些步骤。此外，可以省略方法600的某些步骤。可通过计算机和/或执行计算机可读介质上的指令组的其它处理器(如图1中的处理器108)来执行该方法的各步骤。此外，可以用方法600中的类似步骤置换方法200中的某些步骤，反之亦然。
在步骤602中，提供了包含患者的被关注部分的图示的数据组，以供进行显示。步骤602可以类似于步骤202。
在步骤604中，自动选择了与数据组进行交互的工具。步骤604在许多方面与步骤204类似。然而，可根据多个因素来通过应用程序自动选择工具。例如，如果将通过切除(如热烧蚀或冷冻消融)来除去肿瘤，则选择切除工具尖端的大小和形状来使基本上切除肿瘤的切除次数为最小。又如，可以根据对沿进入肿瘤组织的计划进入路径的非肿瘤组织的潜在影响来自动选择工具尖端大小和形状。用户可以忽略对交互工具的自动选择，或者，可以调整用于自动选择交互工具的规则。
在步骤606中，选择的工具自动与上述数据组进行交互。步骤606在许多方面与步骤206类似。然而，根据多个因素，工具可通过应用程序与数据自动进行交互。例如，如果将通过切除(如热烧蚀或冷冻消融)来除去肿瘤，则将引导切除工具沿有效路径穿过非组织解剖结构到达肿瘤的具体区域。一旦工具到达目标位置，便可以在某一持续时间(根据效率自动计算出)内自动启动该工具。用户可以忽略对交互工具的自动选择，或者，可以调整用于自动选择交互工具的规则。例如，用户能限制某些特定参数(如工具尖端大小和/或工具尖端温度)，同时让自动算法确定其他因素。可以将这些交互存储在存储器中，和/或将其作为手术计划分析或手术计划的一部分进行保存。通过添加、删除和/或变更交互，用户和/或自动计划算法可以进一步编辑这些交互。
在步骤608中，基于交互形成了预测。步骤608可以类似于步骤208。方法600可以自动返回到步骤604和/或606并继续进行，直到某一具体的自动计划和预测过程完成为止。可以将预测存储在存储器中，和/或将其作为手术计划分析或手术计划的一部分进行保存。用户和/或自动计划算法可通过添加、删除和/或变更预测来进一步编辑这些预测。
作为说明性实例，方法600可以按以下方式进行。某患者具有需要通过切除(如热烧蚀或冷冻消融)除去的肿瘤。在步骤602中，应用程序显示了包括肿瘤在内的患者的解剖结构数据和该肿瘤的相应分割。之前，在向患者使用造影剂后，以三维方式生成了患者的CT图像。将图像转移到存储器(如存储器114)，并通过执行应用程序的处理器(如处理器108)来取得该图像。应用程序能通过成像协议来分割上述肿瘤，其中，该协议根据体素的相应亮度特性来过滤非肿瘤解剖结构部分。然后，使用边缘检测算法来为肿瘤确定一个形状。并通过应用程序向用户显示了分割。
在步骤604中，根据感知的肿瘤大小(如分割)，系统自动选择能有效切除肿瘤的切除工具尖端。然后，系统请求用户确认对工具尖端的选择，且用户确认对交互工具的自动选择。在这个实例中，将为所有的切除工具交互使用相同大小和形状的工具尖端。
在步骤606中，应用程序使用上述切除工具和选择的工具尖端与肿瘤的放射图像数据和分割自动进行交互。随着用户与上述数据进行交互，这些交互被作为手术计划分析或手术计划的一部分记录下来。随着切除工具穿过非肿瘤区域到达肿瘤，这一自动交互过程被记录下来。一旦切除工具尖端进入肿瘤区，则应用程序通过指明切除工具尖端将在具体的持续时间内被加热到具体的温度来与上述数据进行进一步交互。
在步骤608中，根据步骤606中进行的自动交互形成了预测。例如，每当工具穿过图像数据时，以及每当在肿瘤的区域内加热切除工具时，便计算(根据工具尖端的大小、形状、温度、加热持续时间和肿瘤的类型)预测。在该实例中，直到肿瘤被实质上切除才更新显示。因此，方法600返回步骤606来执行另外的迭代过程，直到肿瘤部位(如分割)被切除为止。在进行所有迭代后，更新了显示，以指明所有计算和记录的预测。然后，根据临床目标，在记录预测后，用户可通过添加、删除和/或变更预测来编辑这些预测。可以将这组基于交互的预测作为手术计划分析或手术计划进行存储，可以在今后的某个时点(如手术过程中，或正好在手术之前)取用该分析或计划。
在一个实施例中，图像处理子系统116包括计算机可读介质，如硬盘、软盘、CD、CD-ROM、DVD、紧凑型存储器、闪存和/或其它存储器(如存储器106)。该介质可存在于存储器106、处理器108、存储器114和/或独立的系统中。该介质可以包括能由计算机或其它处理器执行的指令组。可以以该计算机可读介质上的指令的形式来实施上述的提供、显示、交互、选择、自动化和预测功能。例如，该组指令可包含为显示包含患者的被关注部分的图示的数据组作准备的供应例程。此外，该组指令可包含提供与数据组一起使用的交互工具的供应例程。另外，该组指令还可包含允许交互工具与上述数据组的一部分进行交互的允许例程。在一个实施例中，通过用户来允许进行交互。在另一个实施例中，允许自动地进行交互。此外，该组指令可以包含形成例程，该例程用于至少部分地根据交互来形成关于对上述数据组的一部分的影响的预测。在一个实施例中，该组指令可包含从多种工具中选择交互工具的选择例程。在一个实施例中，可以自动选择上述工具。
一旦完成计划过程，临床医生便可拥有包含一条或多条轨迹和/或其它手术动作(如切除)的手术计划。可以在手术中使用该手术计划，以在进行手术时协助临床医生。例如，在手术过程中，可以在手术室显示该手术计划，以供医生观看。
图7示出了一种根据本发明的实施例的、用于促进手术的系统700。系统700可包含被关注部分702。手术工具704可处于该被关注部分内。可通过追踪子系统706追踪该手术工具的位置。可通过放射成像子系统714生成被关注部分702的放射图像(包括工具704)。追踪子系统706和放射子系统714可以向处理子系统710输出数据，且该处理子系统还控制了反馈子系统712。在系统700中，可以省略放射成像系统714之类的一个或多个部分。可以以各种形式来集成一个或多个部分，或者，可以以各种形式将它们在多个部件之间进行分配。
被关注部分702可以包括患者的被关注部分。例如，被关注部分702包含作为手术目标的解剖结构。外科医生和/或介入放射学家可以使用系统700进行手术。被关注部分702还可以包括其它解剖结构。该被关注部分至少部分地对应于手术计划(如方法200和/或600)过程中使用的被关注部分。为改善对手术器械704的追踪或为其他目的，可以以相对于其他部分(如追踪子系统706和放射成像系统714)的某一具体方式来设置被关注部分。
手术器械704可以是手术过程中在被关注部分中使用的任何器械。例如，手术器械704可包括切除工具。可以将手术器械704定位在被关注部分702内。可通过临床医生(如外科医生或介入放射学家)或自动装置(如自动观测仪器、机器人，等等)来定位手术器械704。手术器械704可包括尖端部分。该尖端部分具有在被关注部分702内执行手术动作(如切除(热烧蚀或冷冻消融))的尖端。可以置换该尖端部分。手术器械704可包括交互部分。该交互部分可以是手术器械704的任何部分，且临床医生通过该交互部分与手术器械704进行交互。交互部分可包括手术器械704的把手，或包括观测仪器的控制部分。如以下所述，可以将手术器械704与反馈子系统712进行集成，和/或使其与该反馈子系统进行通信。可通过追踪子系统706来追踪手术器械704的至少一部分(如尖端部分)。引入促进追踪的工具尖端材料和/或设备(如特定的金属和/或无线/有线发射器)是有益的。可以追踪整个手术器械704，或是仅追踪它的一部分(如尖端)。手术器械704或它的一部分基本上对应于方法200和600中讨论的交互工具。
追踪子系统706可包括任何能追踪手术器械704的位置的子系统。追踪子系统706可包括电磁追踪子系统、光学追踪系统、无线接收器、有线接收器，等等。追踪子系统706能以二维、三维和/或四维方式追踪手术器械704的位置。追踪子系统706能实时地追踪手术器械704的位置。追踪子系统706能提供用于其它系统(如处理子系统710和/或显示器)的输出。可以将追踪子系统706与其它系统(如放射成像子系统714)进行集成。追踪子系统706可采用基准和/或标志来促进追踪和促进追踪数据与其它数据之间的配合。
放射成像子系统714可以生成和/或提供被关注部分702的至少一部分的放射图像。该放射成像子系统714也可以生成和/或提供器械704的图像。可以将放射成像子系统714整体地或部分地与追踪子系统706进行集成。例如，可通过分割或其它识别算法来追踪(如以二维、三维或四维方式)器械704在放射图像中的位置。放射成像子系统714可包括CT或超声波。比如，放射成像子系统714可包括能在手术中产生被关注部分的实时图像的四维超声波图像系统。放射成像子系统706可采用基准和/或标志来促进成像以及促进成像数据与其它数据的配合。
处理子系统710可包括图像处理子系统(如图1所示的图像处理子系统116)。图像处理子系统710可包括计算机、处理器，工作站和/或类似设备(如PACS或Advantage工作站)。处理子系统710包括处理器(如处理器108)，该处理器能执行来自计算机可读介质上的指令组的应用程序。处理子系统710可以从追踪子系统706和/或放射成像子系统714接收数据。而且，处理子系统710可以识别手术计划(如方法200和600中生成的手术计划)。处理子系统710能上传和/或接收之前生成的手术计划，并将其存储在存储器(如存储器106)中。处理子系统710可以包含应用程序，该程序能识别手术计划，并能根据该计划执行其他的处理任务。可以将处理子系统整体地或部分地与系统700中的其他部分(如放射成像子系统714和/或追踪子系统706)进行集成。
处理子系统710可以接收和/或处理至少4种类型的数据追踪子系统706的数据、放射成像子系统714的数据、之前的放射数据和/或手术计划数据。可以将之前的放射数据与手术计划结合在一起。具体地，可以自动地和/或通过用户的干预来配合追踪数据和手术计划数据。可以映射追踪数据和手术计划数据，以使得可以用手术计划中的位置来映射和/或关联手术器械704的位置。而且，在手术过程中，可以用各种其他数据组来进一步映射和/或关联放射成像数据，以改进被关注部位的实时成像。
可通过处理子系统710以可显示形式提供各种数据(如追踪数据、手术计划数据、实时放射图像数据)。这些数据类型可以是重复的，或者，可以指明它们是相互关联或对应的。可以集成这些数据类型，或是以独立的各个帧的形式来显示这些数据类型。可以合并这些数据类型，或者，这些数据类型在概念上是相互独立的。
处理子系统710能将器械704的位置与手术计划中的位置进行比较，并确定器械704是否处于合适的位置。根据器械704的被追踪位置与手术计划过程中基本类似的器械704的计划位置和/或轨迹之间的对应性，处理子系统710能控制反馈子系统712。也可以进行其它的比较，如手术计划数据与放射成像子系统714的数据之间的比较，追踪子系统706的数据与放射成像子系统714的数据之间的比较，等等。任何指明器械704相对于其预期位置的位置的比较均导致了处理子系统710对反馈子系统712的控制。可以配置处理子系统710控制反馈子系统的方式和规则(如反馈类型、反馈的持续时间、误差界限，等等)。
反馈子系统712可包括任何能将感觉信息传送给进行手术的临床医生和/或设备(如机器人)的设备。可以将反馈子系统712整体地或部分地集成到系统700的其它部分(如器械704和/或处理子系统710)之中。反馈子系统712可包括能将感觉信息传送给临床医生的触觉反馈或力反馈。触觉反馈可以引起振动或以其他方式产生运动，以便让医生得知存在反馈。可以将某一类反馈与未经计划的运动进行关联。可根据器械704是否位于计划的轨迹和/或位置之上来传送振动、听觉信号、视觉信号，等等。可以将触觉反馈装置集成到器械704的一部分(如把手和/或控制部分)之中。临床医生(如执行手术的医生)可通过耳、眼和身体的任何部分(如脚)来接收反馈。反馈子系统712可通过导线、光学连接、红外线连接或无线连接来传送信息。可根据临床医生和/或设计的偏好来配置反馈类型。可以在有利、不利和/或中性情况下提供各种反馈。没有信号也可以是一种形式的反馈。例如，临床医生可能倾向于这样的设计(如“没有消息就是好消息”的设计)。而且，反馈可包括启用和/或停用手术工具(如手术器械)。仅在处于正确位置时，手术器械可能才会发挥作用。
图8示出了一种根据本发明的实施例的用于促进手术的方法800的流程图。可以以异于图示顺序的顺序来执行方法800的各个步骤。可以同时或基本同时地执行方法800的至少某些步骤。
此外，可以省略方法800中的某些步骤(如步骤808)。可通过计算机和/或其它执行计算机可读介质上的指令组的处理器(如图1中的处理器108)来执行方法的各个步骤。
在步骤802中，可以跟踪手术器械(如图7所示的704)在被关注部分(如702)中的位置。例如，可以用追踪子系统(如706)来追踪手术器械。又如，放射成像子系统(如714)可提供器械的位置信息。而且，可以用多个系统(如追踪子系统和放射成像子系统)的组合来一起提供手术器械的位置信息。该位置可以对应整个手术器械，或是仅与其一部分(如尖端)相对应。可以以二维、三维和/或四维的方式追踪该位置。追踪可以用基准和/或标志来促进数据的配置和/或映射。基准可以指明参考位置，这样，便可以将追踪数据置于具体环境设定中进行分析。追踪可采用无线、有线、光学、超声波和/或其它技术。例如，追踪可通过对来自器械的电磁信号的接收来测量器械的位置。可以实时地生成追踪数据，并可将它们作为分立的各组数据进行存储，和/或将它们与其他数据进行集成。
在步骤804中，识别了与被关注部分(如702)的至少一部分对应的手术计划。例如，可通过能下载和/或上传手术计划的至少一部分的处理子系统(如710)来识别手术计划。已根据方法(如方法200和/或方法600)生成了手术计划。该手术计划可包含手术器械和/或其它动作的轨迹信息(如计划的切除(如热烧蚀或冷冻消融)位置)。该手术计划也可包括病状信息(如肿瘤的分割)。该手术计划可以包括放射图像数据(如手术之前生成的图像数据)。可通过在被关注部分中施用造影剂生成该图像数据。上述计划可以是二维，三维和/或四维的。可以使用其他与方法800结合使用的数据类型来配置和/或映射该计划。可以用在步骤802中追踪的位置数据来配置该计划。
在步骤806中，可根据器械位置与手术计划之间的对应性来提供反馈。例如，该器械位置可能不符合其计划的轨迹。例如，该器械的位置可能不符合该器械的计划位置。而且，该器械的类型也可能不符合计划的相关部分中所使用的器械。可以根据上述位置与计划之间的对应性来提供反馈。可以通过反馈子系统712来提供反馈。可以通过处理子系统710来控制反馈。没有信号可以是某种形式的反馈。例如，临床医生可能更倾向于这样一种设计(即“没有消息就是好消息”的设计)。另外，反馈还涉及启动和/或停用手术工具(如手术器械)。手术器械可能仅在处于正确位置时才发挥作用。
反馈可向临床医生和/或自动设备(如机器人)指明位置信息。反馈可以是触觉、听觉、视觉、感觉等形式的反馈。例如，反馈可包括传送给正在操纵手术器械的临床医生的振动。当手术计划与器械的行为和/或位置之间存在正相关时，可以指明是正反馈(如任何与行动和/或对应于手术计划的位置相关的反馈信息)。当手术计划与器械的行为和/或位置之间存在负相关时，可以指明是负反馈。临床医生和/或自动设备(如机器人)能响应反馈信息来采取纠正措施。在接收到正反馈后，不采用纠正措施，临床医生和/或自动装置便能继续某一具体的交互。可以实时地向用户提供反馈。
在步骤808中，可以显示被关注部分的实时放射图像，该图像包含追踪和/或手术计划数据。可通过CT或超声波生成实时放射图像。可以将实时图像(如四维超声波图像)与之前的放射图像(如三维再现图像)结合在一起。在手术过程中，可以不使用造影剂，从而，使用造影剂的之前图像与不使用造影剂的实时图像的结合可以增强显示的某些特性(如识别病状和其它解剖结构的能力)。可以将各种数据类型集成到单个图像之中，或者，以彼此独立的面板来显示这些数据，或者，以各种形式将它们集成在一起。用户可以与图像进行交互(如进行旋转、像素调整等等)。手术计划数据可包含轨迹和定位数据，并且，可以以被关注部分的实时图像为背景显示手术计划数据。为进行显示，可以用基准(fiducial)和/或标志来关联各种数据类型。用户能选择显示数据的各种视图(如轴向图、冠状图、弧矢图、斜视图，等等)。可以将反馈信息包含在显示中。根据器械是否符合手术计划，可以改变被追踪器械的色彩。
图9示出了根据本发明的实施例的、包含手术计划和被关注部分的三维实时图像的组合显示实例900。被关注部分902可包含与之前的三维CT扫描图像(用患者中的造影剂生成)结合的实时超声波数据。之前的三维CT扫描图像可以是三维的再现扫描图像。在被关注部分902中，可以引入被分割的结构904(如被分割的肿瘤)。根据方法200和/或600，可以在之前的成像和/或处理中进行分割。可以将包含轨迹906和位置908的手术计划映射到实时图像。可通过布尔合并(Boolean union)来将手术计划映射到上述图像。位置908包括尖端位置(当启动工具时(此时其尖端处于该尖端位置)，该尖端位置可以是较小的环(smaller ring)和切除的预测结果)。显示也包含了手术器械910(如切除工具的尖端)。
作为说明性实例，方法800可以按以下方式进行。某一介入放射学家在患者的被关注部分中进行肿瘤的手术切除(热烧蚀或冷冻消融)。该放射学家操纵切除工具来进行切除。在步骤802中，当放射学家在患者的被关注部分中操纵切除工具时，电磁追踪子系统对该工具的位置进行追踪。系统以四维方式追踪工具尖端的位置(空间三维加上时间)。而且，系统基本上实时地追踪工具。在步骤804中，处理子系统识别了之前根据方法200和600生成的手术计划。该计划包含若干条轨迹，且假定切除工具将遵循这些轨迹。而且，该计划包含若干位置，在这些位置处，应当启动切除工具，以烧毁和/或冷冻肿瘤组织。该计划也包含了患者的被关注部分的之前生成的三维放射图像。该之前生成的图像是借助于被关注部分中的造影剂通过CT扫描生成的。该处理子系统被设计成识别所述手术计划，并根据该计划来进行处理。
在步骤806中，处理子系统将器械的位置与计划进行比较，如果切除工具的位置和轨迹符合手术计划，则表明工具运行良好，且未提供信号。对临床医生而言，没有信号表明工具得到了正确的定位，且正在按计划运行。然而，如果放射学家偏离了手术计划，则向该放射学家提供某一振动，该振动表明，没有遵循手术计划。该振动是放射学家的手与切除工具的接触点处的轻微振动。该振动足以向放射学家发出警示，但还不足以移动切除工具。根据实际情况(如紧急情况)，放射学家可选择忽略手术方案，或是根据反馈选择采取一些纠正措施(如重新定位该工具，以更符合手术方案)。
在步骤808中，向外科医生显示实时超声波四维图像。已将该超声波图像与术前用CT扫描生成的同一部分的三维图像结合在一起。上述之前的图像是使用造影剂生成的。这两个图像的结合提高了显示器中的解剖结构的可见性。而且，显示了包括轨迹和切除工具位置的手术计划。此外，也显示了切除工具的当前位置。在该具体实例中，实时地在单个三维图像中一起显示了所有数据。然而，应用程序也允许同时显示各种二维视图(包括轴向图、冠状图、弧矢图和/或斜视图)。
转到图7，在一个实施例中，处理子系统710和/或追踪子系统706包含计算机可读介质(如硬盘、软盘、CD、CD-ROM、DVD、紧凑型存储器、闪存和/或其它存储器(如存储器106))。该介质可位于存储器106、处理器108、存储器114之中，和/或位于独立系统之中。该介质可包含能由计算机或其它处理器执行的一组指令。可通过计算机可读介质中的指令来实施上述的追踪、反馈和处理功能。例如，该组指令可包含用于追踪手术器械的至少一部分在被关注部分中的位置的追踪例程。此外，该组指令可包含用于识别与被关注部分的至少一部分对应的手术计划的识别例程。此外，该指令组可包含用于根据所述手术器械的所述至少一部分的所述位置与所述手术计划之间的对应性来提供反馈的反馈例程。在一个实施例中，反馈是实时提供的。此外，在另一个实施例中，该组指令还可包含显示例程，该例程用于显示被关注部分的至少一部分的实时放射图像，其中，该实时放射图像与手术计划对应。
从而，本申请的实施例提供了降低与手术相关的风险的方法和系统。此外，本申请的实施例给出了自动提供在之后的手术环境中使用的术前计划的方法和系统。而且，本申请的实施例提供了协助临床医生在手术时遵循术前计划的方法和系统。
尽管结合某些实施例描述了本发明，但是，本领域技术人员将懂得，在不背离本发明的范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变更，并可以用它们的等价物来代替这些实施例。此外，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改，以便使具体的情形或材料符合本发明的教导，而不至于背离其范围。例如，可以用软件、硬件或它们的组合来实现各种特征。因此，本发明不应限于已公开的具体实施例，而是应包括落入附录的权利要求的范围之内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于促进手术的方法(800)，包括追踪手术器械(704，910)的至少一部分在被关注部分(702)中的位置；识别与所述被关注部分(702)的至少一部分对应的手术计划(906，908)；根据所述手术器械(704，910)的所述至少一部分的所述位置和所述手术计划(906，908)之间的对应性来提供反馈。
2.如权利要求1所述的方法(800)，其中，所述反馈是实时提供的。
3.如权利要求1所述的方法(800)，其中，所述反馈包括触觉反馈、热反馈、视觉反馈和听觉反馈的至少其中之一。
4.如权利要求1所述的方法(800)，其中，所述手术计划(906，908)包含所述手术器械(704，910)的所述至少一部分的至少一条轨迹(906)。
5.如权利要求1所述的方法(800)，其中，所述手术计划(906，908)包括至少一项切除。
6.一种用于促进手术的系统(100，700)，包括追踪子系统(706)(100，700)，用于追踪手术器械(704，910)的至少一部分在患者中的位置；反馈子系统(712)(100，700)，该子系统能提供反馈响应；以及至少能部分地在处理器(108，710)上执行的应用程序，所述应用程序能将所述手术器械(704，910)的所述至少一部分的所述位置与手术计划(906，908)进行比较，所述应用程序能响应所述手术器械(704，910)的所述至少一部分的所述位置和手术计划(906，908)之间的关联来控制所述反馈子系统(712)(100，700)。
7.如权利要求6所述的系统(100，700)，其中，所述手术计划(906，908)包括至少一条轨迹(906)和至少一个位置。
8.如权利要求6所述的系统(100，700)，其中，所述反馈响应包括触觉反馈、热反馈、视觉反馈和听觉反馈的至少其中之一。
9.如权利要求6所述的系统(100，700)，其中，所述反馈响应是实时提供的。
10.如权利要求6所述的系统(100，700)，还包括由所述应用程序生成的可显示输出，其中，所述可显示输出包含所述患者的至少一部分的实时放射图像(902)，其中，所述实时放射图像(902)与所述手术计划(906，908)相对应。
全文摘要
本发明的某些实施例提供了一种用于促进手术的方法(800)，该方法包括追踪手术器械(704，910)的至少一部分在被关注部分(702)中的位置；识别与被关注部分(702)的至少一部分对应的手术计划(906，908)；根据手术器械(704，910)的上述至少一部分的位置与手术计划(906，908)的对应性来提供反馈。在一个实施例中，实时提供该反馈。在一个实施例中，反馈至少包括触觉反馈、热反馈、视觉反馈和听觉反馈的其中之一。在一个实施例中，手术计划(906，908)包含以前生成的放射图像。在一个实施例中，手术计划(906，908)包括器械(704，910)的上述至少一部分的至少一条轨迹(906)。
文档编号A61B19/00GK1973780SQ20061006474
公开日2007年6月6日 申请日期2006年11月23日 优先权日2005年11月23日
发明者P·马赫施, M·M·莫里塔 申请人:通用电气公司