图像引导外科系统的制作方法

专利名称：图像引导外科系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及一种包括有利的位置检测系统的图像引导外科系统。
背景技术：
从美国专利第5,389,101已知了一种图像引导外科系统。
图像引导外科系统通常用于辅助外科医生在手术过程中决定手术器械 的位置。在复杂的外科手术期间，对于外科医生来说常常很难或甚至不可 能直接看到他/她在病人体内移动手术器械。在显示设备上，图像引导外科 系统为外科医生显示了手术器械相对于正在进行外科手术区域的位置。这 样，图像引导外科系统能使外科医生超越直接视觉在病人体内移动手术器 械，而不会有损伤要害部位的风险。
已知的图像引导外科系统的位置检测系统包括两个摄像机，这两个摄 象机从不同方向获取手术器械的图像。该图像引导外科系统包括用于从两 个摄像机的图像信号得到手术器械的空间位置的数据处理器。在手术期间， 将较早收集的图像显示给外科医生。例如，可以将手术前形成的计算机断 层扫描(CT)图像或磁共振(MRI)图像显示到监视器上。数据处理器计算图像 中手术器械的相应位置。在所显示的图像中，手术器械的实际位置与手术 器械使用区域的图像一起显示。
优选地将这种图像引导外科系统用于神经外科，为外科医生示出正在 动手术的病人大脑中的手术器械位置。
已知的图像引导外科系统的缺点是难以知道何时手术器械移出测量区 域。 一旦该器械移到测量区域的外部，则位置检测系统将不再能够检测到该手术器械的位置。
为了克服该问题，美国专利5,954,648公开了一种改进的图像引导外科 系统，该系统并入了一种能够(诸如由半导体激光器)产生光源的指示系统。
然而，问题仍然存在。通常对光学跟踪或位置检测系统的多个摄像机 进行预配置，使得这些摄象机的光轴会聚于距摄像机标称距离的位置。该 会聚点近似定义了光学跟踪系统的视野中心("最佳位置")。因为在手术环 境中难以确定该光学跟踪系统的视野中心位置，所以难以确定摄像机系统 的最优位置。
实际上，首先将光学跟踪系统手工放置在近似位置处，初始方向朝向 期望的工作空间(即，手术区域)。然后，用户(例如，外科医生)尝试跟踪期 望工作空间中的对象，以测试该工作空间是否包含在该光学跟踪系统的视 野(即，测量区域)中。如果该工作空间没有包含在该视野中，该用户对跟踪 系统的位置和/或方向作出调整，并进行另一个测试。不断进行以上重复， 直到找到满意的该光学跟踪系统的方向和位置。
同样，2005年1月20日出版的美国专利申请号2005/0015099 Al公开
了一种包括用于确定手术工具位置的至少两个激光束的手术位置测量装 置。然而，没有公开如何克服在手术期间快速确保摄像机视野与手术区域 基本一致的问题。

发明内容
本公开的目标是提供一种图像引导外科系统，其尤其包括能够精确指 向手术区域的位置检测系统。
通过本公开的图像引导外科系统达到该目标，其特征是为该位置检测 系统提供具有多个半导体激光器(例如，两个半导体激光器)的指示系统，用 于标记位置检测系统的敏感区域。
手术区域是在手术治疗期间手术器械在其中移动的空间。指示系统相对于手术区域示出了该位置检测系统敏感的空间部分，即该位置检测系统 的测量区域。该测量区域是摄像机单元从中获取图像的空间部分。通过相 对于彼此安排摄像机单元和手术区域，来定位该位置检测系统。
优选地，将摄像机单元指向该手术区域，但是也可以移动被进行手术 的病人，以在位置检测系统的测量区域内移动手术区域。指示系统示出了 该测量区域是否充分地与手术区域相对应。很容易地精确地定位位置检测 系统的摄像机单元，也就是令位置检测系统敏感的区域(即该测量区域) 与手术区域基本对应。因此，可以轻易地避免由于手术器械离开该测量区 域所出现的复杂情况。这就减轻了外科医生进行复杂手术的压力。此外， 本公开的图像引导外科系统不需要在实际外科手术开始前为精确定位摄像 机单元而进行复杂精细的测试。本公开的图像引导外科系统不仅为病人大 脑或脊髓的外科手术提供了这些优点，而且为在有关其它解剖区域和/或器 官的外科手术中提供了这些优点。
本公开的图像引导外科系统的优选实施例的特征至少部分地在于，指 示系统标记所述区域的中心。
在这种优选的/示例性的实施例中，指示系统示出了该测量区域的中心， 它是基本上处于测量区域中间的位置。当指示系统所示的中心与手术区域 的中心基本落在一起时，将该位置检测系统精确地指向了手术区域。作为 选择，该指示系统可以示出该测量区域的边界。在示出边界情况下，当该 测量区域的边界显示包围手术区域时，将位置检测系统精确地指向了手术 区域。
本公开的图像引导外科系统的另一个优选实施例的特征至少部分地在 于，该指示系统在显示设备上提供所述区域的再现。
例如，在显示设备上所述区域的再现是示出该测量区域周界的轮廓线， 或者是指示测量区域中心的符号。通常将测量区域的再现与手术区域一起 显示在显示设备上。因此，很容易地准确定位位置检测系统使得测量区域与手术区域相对应。也就是，当定位位置检测系统时，将实际的测量区域 与手术区域一起显示。因此，显示设备示出了如何使测量区域与手术区域 取得一致。
本公幵的图像引导外科系统的另一个优选实施例的特征至少部分地在 于，该指示系统测量手术区域。
在这种优选的/示例性的实施例中，该指示系统检测放置在手术区域中 的光源，手术器械将在该手术区域中移动。在这种(这些)实施例中，通常也 将位置检测系统的摄像机单元用于检测光源。取代了使用分离光源，可以 检测被进行手术的病人。在这种情况下，优选采用红外摄像机，其也可以 是位置检测系统的摄像机。指示系统还可以在显示设备上显示光源或者病 人自己的图像。当测量区域不与手术区域充分对应时，则指示系统将不能 检测到光源或者病人。当测量区域与手术区域只有很少的重叠时，那么将 在该测量区域的外围区域中检测到光源和病人。
本公开的图像引导外科系统的另一个优选实施例的特征至少部分地在 于，指示系统在感兴趣区域中产生可见标记(即，两个激光束的交叉点)。
该可见标记示出了测量区域在什么地方。特别是，该可见标记示出了 测量区域的中心。这样，示出了测量区域的位置。
本公开的图像引导外科系统的另一个优选实施例的特征至少部分地在 于，该指示系统包括两个半导体激光器，这两个半导体激光器发射分离的 激光束，该分离的激光束在测量区域中交叉并产生可见标记，将每个半导 体激光器安装在摄像机单元上，使得每个激光束基本上跟踪每个摄像机的 光轴。
交叉的激光束落在手术区域中并产生光点，该光点形成了可见标记。 优选地，该激光束的交叉点位于测量区域的中心。该光点示出了手术区域 中测量区域的中心。例如，当在大脑外科手术中采用该图像引导外科系统 时，当光点落在病人头部适当位置处时，则精确地定位了位置检测系统。例如，这种适当位置包括病人头部的中间，或者中间轻微往上的位置。选 择光点应落位置的外科医生或助手考虑了要进行手术的区域。此外，避免 了摄像机单元的测量区域受到邻近于图像引导外科系统放置的任何器材的 遮挡。
半导体激光器发射出窄光束。此外，通常半导体激光器相对便宜并且
JV有低功耗。优选地，可以采用类型i的半导体激光器，其发射出可见光并
对病人和医护人员无害。 附图
简要说明
参考下面各实施例并且参考附图可以更详细地解释本公开的这些和其 它方面。
为了帮助本领域普通技术人员制造和使用所公开的系统中，请参考附图。
附图包括了一个图，其示出了根据本发明的图像引导外科系统的示意图。
具体实施例方式
附图示出了根据本公开的示例性图像引导外科系统的示意图。该图像 引导外科系统包括位置检测系统，该位置检测系统包括具有至少两个摄像
机10的摄像机单元1和数据处理器2。摄像机从不同方向获取手术器械11 的图像。例如，摄像机单元1包括两个安装在刚性框架上的CCD图像传感 器。该框架是可移动的，这样可以将CCD传感器指引向手术区域。将各个 摄像机获取的图像信号或者各个摄像机在相继的摄像机位置获取的后续图 像信号提供给数据处理器2。为此，通过电缆17将摄像机单元1与数据处 理器2相连。数据处理器2包括计算机21，该计算机基于图像信号计算手 术器械相对于正在进行外科手术的病人12的位置。图像处理器22包括在数据处理器2中。该手术器械装有光或红外线发射二极管13(LED或IRED)， 该二极管13发射出摄像机10敏感的辐射线。计算机21还计算了手术器械 11在诸如CT图像或MRI图像的较早产生图像中的对应位置。将CT数据 和/或MRI数据存在存储单元23中。
在图像数据中，对放置在病人上特定位置处的基准标记进行成像。例 如，将铅或MR敏感的标记放置在病人的耳朵、鼻子和前额上。在手术开 始吋，用装有LED或IRED的手术器械表示基准标记，并且由位置检测系 统测量它们在空间中的位置。计算机21计算变换矩阵，该变换矩阵将基准 标记在空间中的位置与较早产生图像中这些标记的相应图像位置关联起 来。随后，可以将该变换矩阵用于计算实际手术区域中的任何空间位置在 图像中的相应位置。
将来自存储单元23的数据提供给图像处理器22。也将计算机21计算 的位置数据提供给图像处理器22。可替换地，可以对计算机21进行编程以 计算手术器械相对于固定参考系统的位置坐标，然后图像处理器22将这些 坐标转换为图像中的相应位置。图像处理器还基于手术器械位置选择一组 合适的图像数据。例如，这组合适的图像数据代表穿过手术区域的特定切 片(slice)的CT或MRI图像数据。图像处理器22产生了将该手术器械的 相应位置与较早产生的图像数据合并在一起的图像信号。在较早产生的图 像信息的再现中，也显示了手术器械的相应位置。
这样，操作手术器械11的外科医生7可以从显示设备5上看到手术器 械11在手术区域中的实际位置。例如，在显示设备5上，将CT图像和该 CT图像中相应位置处的手术器械图像8—起显示。这样，在显示设备5上 显示了手术区域中的手术器械的位置。例如，该显示设备是包括阴极射线 管的监视器，也可以采用LCD显示屏。
例如，摄像机单元1包括指示系统，该指示器系统包括两个半导体激光 器3。将每个半导体激光器3安装在摄像机单元上邻近摄像机10的位置，
9并确定其位置和方向，以使得所发射的激光束接近并跟踪每个摄像机的光 轴，并且会发生交叉，从而在交叉点处产生测量区域内的可见标记。每个 半导体激光器发射穿过摄像机单元测量区域的窄光束。这样，本公开的系 统简化了医疗/外科环境中位置检测系统的配置。用户/外科医生可快速地观 察到激光朿的交叉点，并对位置检测系统(即，光学跟踪系统)的摄像机单元
进行位置调整，使得交叉点6位于病人身体上的手术区域中，以确保摄像 机的测量区域与手术区域基本重叠。为了精确地定位摄像机单元使得该摄 像机单元的测量区域覆盖手术区域，将光点6置于手术区域的中心。
通过这种方式，可以获得测量区域从手术区域中心在所有方向上延 伸了相同的量。因此，显著减小和/或完全消除了手术器械移出摄像机单元 测量区域的风险。此外，可以避免邻近于图像引导外科系统放置的任何设 备遮挡摄像机单元的测量区域。也就是说，如果在摄像机单元和手术区域 之间放置了某些设备，则交叉激光束会在处于遮挡的设备上而不是在病人 上产生光点。因此，定位摄像机单元的人会立即发觉该设备阻挡了摄像机 的测量区域，应该在开始手术之前重新安排该设备。
另外，指示系统可以包括放置在手术区域的辐射源4。通过摄像机10 可以观察辐射源4。通过计算机21和图像处理器22来处理摄像机的图像信 号。将辐射源的图像4显示到显示设备5上。优选地，安排图像处理器22 和监视器5，使得摄像机单元1的测量区域的中心显示在监视器5的显示屏 幕中心上。那么，当辐射源4成像到显示屏中心时，则己经精确定位了摄 像机单元l。优选地，将红外线发射二极管(IRED)作为辐射源使用，摄像机 10对于这种IRED发射的红外辐射线很敏感。也可以用病人本身替代单独 的IRED，在这种情况下，摄像机10获取了显示到监视器上的病人的红外 图像。
位置检测系统或光学跟踪系统用于在空间中定位对象。两个或多个摄 像机观察目标对象，并且对目标对象在3D空间中的位置进行三角测量。商业产品包括安大略省滑铁卢市的Northern Digital公司制造的Polaris and Certus系统。这些系统具有有限的视野。实际上，必须对跟踪系统进行配置， 使其视野覆盖住要工作的环境。例如，假设在外科手术室中，需要跟踪正 插入病人腹部的腹腔镜和/或内窥镜的位置。必须将光学跟踪系统置于使其 视野能覆盖病人腹部周围区域的位置处。这样，可以依据这里所公开的发 明，克服该定位问题。
考虑将此处本发明的图像引导系统用于人体肝脏中的肿瘤活组织检 査。将位置检测系统用于跟踪病人和活检针的位置。用户打开激光器并寻 找激光束交叉的点。然后用户调整位置检测系统的方向和位置，使得该交 叉点与病人肝脏的位置一致。这样，可以将病人的肝脏快速地定位到位置 检测系统的视野中心处。
本公开的图像引导系统的另一个使用示例包括对于医疗针或导管的 使用进行方向和/或位置确定，以及对便携和可转动的x-射线成像系统以及 手持超声换能器的使用进行方向和/或位置确定。
虽然，利用了包括摄像机单元的光学系统作为一个从被进行位置跟踪 的对象接收信号的接收器的实施例，至此已经说明了位置检测系统，但预 期在本公开的框架内也可以采用本领域内众所周知的其它接收器装置。例 如，除了接收视觉或光学信号的摄像机外，这种用于成像的接收器装置还 可以接收超声信号(例如，见美国专利5,563,346和5,511,423);接收磁或电 磁信号(例如，见美国专利7,003,342、 6,990,417和6,856,823)以及接收射频 (RF)信号(例如，见美国专利6,762,600)。
虽然参考了具体实施例对本发明进行了说明，本领域技术人员将会认 识到在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以完成很多修改、增强和/ 或改变。因此，要清楚地认识到本发明仅受权利要求及其等价物范围的限 制。
权利要求
1、一种图像引导系统，包括位置检测系统，用于检测在被进行手术的病人的手术区域中手术器械的位置，所述位置检测系统包括用于获取信号的接收器装置、用于存储病人图像的存储单元以及数据处理器装置，该数据处理器装置处理来自所述接收器装置的信号以检测所述手术器械的位置，并将所检测的所述手术器械的位置叠加在所存储的病人图像上；指示系统，用于标记所述手术区域的测量区域，所述位置检测系统在所述测量区域中是敏感的；其中，所述指示系统包括两个半导体激光器，这两个半导体激光器发射分开的激光束，所述分开的激光束在所述测量区域内交叉并产生可见标记，将每个所述半导体激光器安装在所述接收器装置的附近，使得每条所述激光束基本上跟踪所述接收器装置的信号接收轴；以及显示器，用于显示叠加有所检测的所述手术器械的位置的所存储的病人图像。
2、 如权利要求l所述的图像引导系统，还包括位置检测系统，用于检测在被进行手术的病人的手术区域中手术器械 的位置，所述位置检测系统包括具有至少两个用于获取图像信号的摄像 机的摄像机单元、用于存储病人图像的存储单元以及数据处理器装置，该 数据处理器装置处理来自所述摄像机单元的图像信号以检测所述手术器械 的位置，并将所检测的所述手术器械的位置叠加在所存储的病人图像上；指示系统，用于标记所述手术区域的测量区域，所述位置检测系统在 所述测量区域中是敏感的；其中，所述指示系统包括两个半导体激光器， 这两个半导体激光器发射分开的激光束，所述分开的激光束在所述测量区域内交叉并产生可见标记，将每个所述半导体激光器安装在所述摄像机单元上，使得每条所述激光束基本上跟踪每个摄像机的光轴；以及显示器，用于显示叠加有所检测的所述手术器械的位置的所存储的病 人图像。
3、 如权利要求l所述的图像引导系统，其中，在所述测量区域的中心 处产生所述可见标记。
4、 如权利要求l所述的图像引导系统，其中，所述数据处理器装置还 将用于指示所述测量区域中心的符号叠加在所存储的病人图像上。
5、 如权利要求l所述的图像引导系统，其中，所述数据处理器装置还 将用于指示所述测量区域周界的轮廓线叠加到所存储的病人图像上。
6、 如权利要求l所述的图像引导系统，其中，所述指示系统还包括用 于检测病人当前图像的装置，并且其中，所述数据处理器装置还将所述病 人当前图像叠加到所存储的病人图像上。
全文摘要
公开了一种图像引导外科系统，其包括了对手术器械(11)位置进行测量并将该手术器械显示在CT图像或MRI图像中相应位置处的位置检测系统。该位置检测系统具有指示系统，该指示系统示出了位置检测系统的敏感区域。优选地，该位置检测系统的摄像机单元(1)包括至少两个摄像机(10)和两个半导体激光器(3)，这两个激光器发射在该测量区域内交叉并产生可见标记(6)的分离激光束，将每个半导体激光器安装在摄像机单元上，使得每条激光束基本上跟踪每个摄像机的光轴。
文档编号A61B19/00GK101410070SQ200780011467
公开日2009年4月15日 申请日期2007年3月19日 优先权日2006年3月31日
发明者D·斯坦顿, G·谢克特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司