用于外科手术器械的具有位置和方向校准的引导和追踪方法和系统与流程

本申请要求2014年1月27日提交的，申请号为61/931,960，发明名称为“在经皮介入中通过针刺和病灶部位的增量重置的探针引导和追踪”的美国专利申请以及2015年1月23日提交的，申请号为14/603,959，发明名称为“采用位置和方向修正的外科手术器械引导和追踪的方法和系统”的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术背景

1.技术领域

本发明涉及外科手术辅助更具体地，本发明涉及用于外科手术器械的引导和追踪的方法、系统和程序。

2.本发明的技术背景

对于肿瘤的切片检查和癌症的微创治疗而言，例如射频消融，将探针和消融探针放置到目标区域是上述过程中的一个步骤。本领域的现有技术是使用成像设备逐步引导放置过程。首先，患者被计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)设备扫描。然后，根据所获取的图像，决定皮肤上合适的探针切入点和每个探针的目标点，从而计划出一个或多个探针路径。然后一个或多个探针通过逐步移动被放入病人体内。在每一步中，所述探针仅能移动一段很小的距离。这是出于安全的考虑，也由于缺少引导系统。在探针推进的每一个步骤之后，病人被成像设备再次扫描，用于检查是否形成计划路径。如果发现实际的探针路径在保持目前的探针方向的条件下无法达到目标时，探针的方向将被调整。在探针方向调整之后，探针被推进用于另一个步骤。之后所示成像设备被再次使用用于检查探针方向是否需要其他调整。重复这一步骤，直至探针的尖端到达目标位置。

上述图像引导方法能够确保探针达到期望的位置。然而，它是一个耗时的过程。对于处于不同位置的病灶，例如位于器官深处的病灶，或邻近重要器官的病灶，例如主要分支血管、心脏、或肺叶裂隙，朝着目标病灶推进哪怕一小步也需要更为仔细的检查每个探针路径中的探针位置。在这种情况下，需要的探针路径比通常数量更多。需要十个或更多的探针路径。如果使用CT成像设备，将使病人承受额外的辐射剂量。为了解决上述问题，提出了图像引导探针追踪系统，例如，申请号为2012/0029387，发明人为Guo-Qing Wei，Jian-Zhong Qian，Cheng-Chung Liang，Xiaolan Zeng，Li Fan，Feng Ma，标题为“采用电子器官地图的实时手术辅助的方法和系统”的美国专利申请。在该系统中，探针上安装了一个电磁传感器。经过适当的校准和登记之后，探针的位置和方向被实时显示在CT图像空间中，并叠加在CT图像上。探针与目标之间的对准和探针的推进能够被实时显示，并且能够在探针推进前即刻看到探针是否保持正确的方向以及探针是否能够命中目标。该技术减小了到达目标所需要的路径数量。由于能够避免试验性错误，所述系统也能使医生在执行该过程时充满信心。

即使能够进行实时探针追踪，为了达到目标，仍然需要一个或多个探针路径，特别是处于危险位置的病灶。由于呼吸或探针造成的组织损伤可能导致病灶移位，仍然需要再次调整探针的位置和方向。每个探针调整所需的图像目前不被追踪系统用于进一步提高探针推进的下一个步骤中的引导的准确性。目前亟需利用新图像中的信息更新追踪系统，以便实现更加准确的引导。

技术实现要素：

本发明涉及外科手术辅助，更具体地，本发明涉及用于外科手术器械的引导和追踪的方法、系统和程序设计。

在本发明的一个实施例中公开了一种在具有至少一个处理器、存储器和连接到互联网的通信平台的计算机设备上实现外科手术辅助的方法。在外科手术之前获取具有病灶的器官的第一图像。通过耦合于该外科手术器械上的传感器接收关于在相对于病灶的第一位置上的外科手术器械的姿态。基于手术第一图像和传感器接收的信息生成展现病灶和该外科手术器械的可视环境。在手术中当外科手术器械移动到相对于所述病灶的第二位置时获取所述器官的第二图像，所述第二图像捕获所述病灶和外科手术器械。至少部分基于所述第二图像调整在所述可视环境中展现的所述外科手术器械和病灶的姿态。

在另一个实施例中公开了一种在具有至少一个处理器、存储器和连接到互联网的通信平台的计算机设备上实现器械追踪和引导的方法。在外科手术之前获取具有病灶的器官的第一图像。通过耦合于该外科手术器械上的传感器接收关于在相对于病灶的第一位置上的外科手术器械的姿态。基于手术第一图像和传感器接收的信息生成展现病灶和该外科手术器械的可视环境。在手术中当外科手术器械移动到相对于所述病灶的第二位置时获取所述器官的第二图像，所述第二图像捕获所述病灶和外科手术器械。至少部分基于所述第二图像调整在所述可视环境中展现的所述外科手术器械和病灶的姿态。

在另一个实施例中，公开了一种用于外壳手术辅助的系统。该系统包括追踪单元、定位单元、以及一个或多个补偿单元。该追踪单元被配置用于通过外科手术器械相耦合的传感器接收关于在相对于病灶的第一位置上的所述外科手术器械的姿态。定位单元被配置用于在外科手术之前获取具有病灶的器官的第一图像；基于所述第一图像和传感器接收的信息产生展现病灶和该外科手术器械的可视环境。该定位单元还被配置为在手术中当外科手术器械移动到相对于所述病灶的第二位置时获取所述器官的第二图像，其中所述第二图像捕获所述病灶和外科手术器械。所述一个或多个补偿单元，其被配置用于至少部分基于所述第二图像调节所述在所述可视环境中展现的外科手术器械和病灶的姿态。

其他方面涉及关于在外科手术的引导和追踪中执行本发明的软件。一种软件产品，如前所述，包括至少一个非易失性的机器可读介质和该介质携带的信息。该介质携带的信息可以是可执行的程序代码数据和与所述可执行的程序代码相关的参数，和\或与关于社团中的用户、请求、内容、或信息相关的信息，等。

在一个实施例中，公开了一种记录了用于外科手术辅助的信息的非易失性的机器可读的介质。所述记录的信息在被机器读取时使机器执行一系列程序。在外科手术之前获取具有病灶的器官的第一图像。通过耦合于该外科手术器械上的传感器接收关于在相对于病灶的第一位置上的外科手术器械的姿态。基于手术第一图像和传感器接收的信息生成展现病灶和该外科手术器械的可视环境。在手术中当外科手术器械移动到相对于所述病灶的第二位置时获取所述器官的第二图像，所述第二图像捕获所述病灶和外科手术器械。至少部分基于所述第二图像调整在所述可视环境中展现的所述外科手术器械和病灶的姿态。

附加特征将在下文的说明中被阐述，结合下文的解释和附图，部分附件特征将变得显而易见，本领域的技术人员能够结合对所述实施例的使用和操作进一步理解本发明。本发明公开的特征能够联系或使用通过下文中讨论的详细实施例中提出的方法、手段及其组合的各个方面来实现。

附图说明

下面将结合具体实施例对所述方法、系统和\或程序进行进一步说明。参照附图对所述示例性实施例进行详细说明。所述实施例为非限制性示例性实施例，不同视角的附图中，相同的数字代表类似的结构，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例中的关于病灶增量、探针复位、实时追踪的探针引导系统的示例性系统图；

图2示出了根据本发明的一个实施例中的通过局部扫描重置病灶位置、探针位置和方向的探针引导和追踪的示例性流程图；

图3示出了根据本发明的一个实施例中的探针位置和方向重置的示例性流程图。

图4示出了根据本发明的一个实施例中的患者身体、分割病灶、映射病灶、分割探针和映射探针在CT空间剖面图中的空间关系；

图5示出了根据本发明的一个实施例中探针位置和方向重置的示例性流程图；

图6示出了根据本发明的一个实施例中如何计算用于探针位置和方向重置的病灶和探针之间的角度计算和距离测量；以及

图7示出了根据本发明的一个实施例中可用于运行特定系统的计算机结构。

具体实施方式

在下面的详细描述中，许多具体的细节将在实施例中进行说明，以便提供一个关于本发明的全面理解。然而，本领域技术人员可以显而易见的在没有这些细节的情况下实施本发明。在其他情况下，公知的方法、程序、系统、组件和/或电路将以相对高的级别没有细节的进行描述，以便避免不必要的模糊。

本发明涉及用于基于外科手术器械的增量复位的软器官操作的交互式三维引导系统，例如介入手术中的探针和病灶位置。该系统可以通过利用一个或多个计算设备(例如，移动电话、个人电脑等)和网络通信设备(有线或无线)被实现为专用的网络系统。

图1示出了根据本发明的一个实施例中的系统100的示例性系统框图，所述系统100用于根据使用最新获取的图像进行病灶的增量复位和虚拟探针的姿态(位置和方向)的增量复位进行追踪来实现探针引导。可以理解的是，虽然在本发明中讨论的是“探针”，该引导和追踪系统和方法可以适用于任何其它使用活体检查和介入程序的器械中，例如不限于：针、刀、导管等。所述系统100包括电子探针(e-探针)定位单元102，探针追踪单元110、探针位置映射单元112、病灶分割单元114、病灶投影单元116、探针分割单元118、探针投影单元120、病灶位置补偿单元122和探针位置补偿单元124。

首先，在手术前获得患者的术前扫描。扫描可以是CT、磁共振成像、或任何其它图像模式。该图像在本发明中被称为“术前图像”。根据所述术前图像，所述目标病灶可以被分割并由电子探针定位单元102作为三维病灶对象104显示。电子探针定位单元102可以产生一个3D可视化环境，其中所有的对象可以被3D显示。电子探针定位单元102还可以显示目标的对象的二维叠加图像。目标器官，例如但不限于、肝、肺、肾和血管结构，也可以分割并由电子探针定位单元102作为三维器官对象106显示。物理探针也可以被电子探针定位单元102模拟以及被作为虚拟探针108显示。可模拟一个以上的探针。电子探针定位单元102在本发明中也被称为“导航空间”。

在本实施例中的探针追踪单元110通过连接到所述探针的磁传感器或光学传感器，或任何其它合适的追踪机制，追踪探针的姿态(位置和方向)。通过探针位置映射单元112，在传感器空间中的探针位置和方向被映射到电子探针定位单元102的坐标空间，即导航空间中。电子探针定位单元102的坐标空间可以与术前图像的坐标空间相同。该映射可以使用已知的方法进行预先计算，例如，公开号为2012/0029387，发明人为Guo-Qing Wei，Jian-Zhong Qian，Cheng-Chung Liang，Xiaolan Zeng，Li Fan，Feng Ma，标题为“使用电子器官地图的实时外科手术辅助方法和系统”的美国专利申请中讨论的方法，其全部内容通过引用结合在本申请中。映射的探针位置和方向可以被用于实时可视化虚拟探针位置和方向，因此，当物理探针移动时，虚拟探针同时移动。

通过物理探针的定位和定向，使得虚拟探针能够在电子探针定位单元102中瞄准目标三维病灶对象104，物理探针被认为已经瞄准了患者身体的真实病灶。当所述瞄准完成后，将探针插入患者体内一段确定的长度。并在插入探针插入身体的情况下完成患者的一次新的扫描。该扫描通常仅覆盖身体的一部分，即病灶和探针所位于的部分。在本发明中，这样的扫描被称为CT成像设备的“局部扫描”，或“局部CT”。根据所述局部扫描图像，所述病灶可通过病灶分割单元114被分割，所述探针可以通过探针分割单元118被分割。所述分割可以自动或手动执行。术前图像中的病灶可通过病灶投影单元116被映射到局部扫描空间中，以获得预测病灶。该映射可以通过公知的图像配准技术通过用局部扫描图像配准术前图像实现。该分割病灶和预测病灶之间的位置差可以随后由病灶位置补偿单元122计算，以调整系统100中的病灶位置。病灶的位置变化可以是呼吸或探针导致的组织损伤造成的，从而导致病灶位移。在本发明的另一实施例中，病灶是不可分割的。病灶位置补偿单元122可以采用人工输入来计算病灶位置补偿量，例如，鼠标拖动映射病灶至实际病灶位置。这种病灶位置补偿用于将局部扫描中发现的最新病灶位置反映到电子探针定位单元102中。

根据局部扫描图像，探针可被探针分割单元118自动或手动分割。手动分割可以通过例如，鼠标点击在探针尖端或探针的任何点进行。探针投影单元120可基于局部图像空间中到术前图像空间的几何变换将虚拟探针投射至局部扫描图像中。分割探针和投影探针之间的位置和方向的差值可被用于重置探针位置补偿单元124中虚拟探针的位置。探针位置可通过改变探针的结束位置被更新，而探针方向可通过旋转所述虚拟探针进行复位，从而将映射探针与所述分割探针对齐。虚拟探针的新位置和方向表示探针位置与在局部扫描中探针的位置相一致。它也将是下个步骤中探针追踪和探针引导的起始位置。在病灶位置和探针位置被电子探针定位单元102调整之后，可以基于探针追踪的新位置进行所述3D可视化处理。

图2示出了根据本发明的一个实施例中系统100的示例性工作流程。在步骤202中，获取患者的术前图像。在步骤204中，分割目标病灶。可分割一个或多个病灶。其他解剖结构，如肝、肺、肾或血管结构，可以在步骤206进行分割。目标病灶和分割的器官可在导航空间被可视化，从而检查病灶和解剖结构之间的空间关系。本发明的另一个实施例中，目标解剖结构可像术前扫描一样出于诊断的目的以相同或不同的成像模式提前在扫描中被分割。在本发明中所述扫描被称为“诊断扫描”。分割解剖结构可通过诊断扫描和术前扫描之间的图像配准映射到术前扫描图象空间。在步骤208中，在传感器空间中的探针移动可被转换成在导航空间中的运动。此运动被用来更新虚拟探针步骤210中的导航空间中的位置和方向。基于所述探针、目标病灶、和其他器官的显示，用户可以进行探针插入、或在步骤212中调整探针方向以瞄准目标病灶。探针向前移动的距离由用户决定。在步骤213中，患者的局部扫描可以确认探针的位置。根据局部扫描图像，目标病灶可在步骤214中被分割。在术前图像中被分割的病灶可在步骤216中被映射到局部扫描图象空间。该映射可以通过将术前图像与局部图像进行配准的任何合适的图像配准技术进行。从该映射中，可以获得一个映射病灶。映射的病灶可以叠加到截面图像上，所以，其在截面图像分割病灶的空间关系可以被目视观察。所述分割病灶和映射病灶之间的位置差可以反映由呼吸或组织损伤引起的病灶位置偏移。在步骤218中，所述病灶位置差可被用于调整导航空间中的病灶位置。

根据所述局部图像，探针可在步骤220中被分割。在病灶消融的情况下，一个以上的探针可被分割。导航空间中的探针可在步骤222中被映射到局部图像空间中。分割探针和映射探针之间的位置和方向差可被用于在步骤224中为导航空间中的虚拟探针重置探针位置和方向。调整的探针位置可被用于接下来的探针推进中的探针追踪。重复步骤208至224直至到达目标病灶。

图3示出了步骤224的探针位置更新步骤的示意性工作流程。在步骤302中，导航空间中的病灶被映射到局部图像空间中。映射病灶的中心之间的移位在步骤304中被计算。在步骤306中，导航空间中的病灶位置根据所述计算出的移位被更新。在步骤308中，所述导航空间中的虚拟探针被映射到局部图像空间中。在步骤310中，计算虚拟探针和分割探针之间的移位和旋转。所述移位和旋转被用于补偿虚拟探针的位置和方向。

图4是病灶和探针位置补偿方法的示范性图示。在图4中，402是分割的器官，404是分割的病灶，405是分割的病灶的中心。403是映射的病灶，而407是映射的病灶的中心。407和405之间的移位被用于重置导航空间中的病灶位置。408是分割探针，而410是所述分割探针的尖端。412是映射探针，而414是所述映射探针的尖端。分割探针尖和被映射的探针尖端之间的移位可以通过从414和410的箭头来表示，而一个旋转可通过由分割探针408和映射探针412之间的角度旋转映射探针来表示。上述导航空间中的探针和病灶之间的相对位置和方向的操作可在局部图像的空间同样地进行。

图5示出了探针位置更新步骤224的另一个示例性的工作流程。在步骤502中，分割病灶的中心可以被计算。在步骤504中，病灶和分割探针之间的角度的测量可以被计算为探针和皮肤上连接病灶中心和探针入口点之间的角度。在步骤506中，距离测量被作为体内的探针长度和从病灶中心到皮肤入口点的距离之间的差。在步骤508中，虚拟探针可以被重新定位，以具有相同的测量角度和测量距离。

图6示出了图5中的测量角度和测量距离的计算过程。604是病灶，602是病灶中心，608是分割探针，606是皮肤上的探针入口点。610是角度，由A表示，为探针608和连接病灶中心和探针上皮肤入口点之间的角度。假设L是病灶中心和皮肤入口点之间的距离，N是体内的探针的长度，即探针的尖端与所述皮肤入口点之间的距离。然后测量距离D，表示为612，可被计算为D＝L-N。

角度测量A和距离测量值D反映了病灶与探针之间的相对位置。这两个测量值唯一地定义探针如何移动到达到目标：转动具有角度A的探针，以距离D向前运动。在导航空间中，虚拟探针可以被重新定位，以便相对于病灶具有相同的角测量和相同的距离测量值D。所述病灶保持相同的位置。探针复位为所述新的位置和方向后，在导航空间中的探针运动将开始跟随实际探针上的传感器的移动进行运动。

为了实现各种模块、单元、以及它们在本发明中所描述的功能，计算机硬件平台可以用作用于一个或多个本文所述的硬件平台(例如，图1-6中描述的系统100)。硬件单元、操作系统和这样的计算机的编程语言在本质上是常规的，并且据推测，本领域技术人员能够充分的理解并调整得到本文所述的探针引导技术。具有用户接口单元的计算机可以用于实现个人计算机(PC)或其它类型的工作站或终端装置的，即使如果使用得当，计算机还可以充当服务器。本领域中的技术人员非常熟悉的该结构、程序和所述计算机设备的一般操作，因此附图应是不言自明的。

图7示出了一个可实现专用系统的用于实施本发明的一个计算机设备。这种结合本发明的专业系统具有图示的功能模块框图，包括用户接口元件的硬件平台，其功能框图。该计算机可以是通用计算机或专用计算机。都可以用于实现本发明中的专用系统。计算机700被用于实现探针引导技术的任何组件，如本文所述。例如，系统100可以在计算机如计算机700上通过其硬件、软件程序、固件、或它们的组合实现。虽然仅示出一个这样的计算机，为方便起见，在此描述的有关探针引导的计算机功能可通过分布式方式实现在多个类似的平台上实现，以分配处理负载。

所述计算机700，例如，包括连接到并从网络COM端口702向其中以促进数据通信连接。计算机700还包括一个或多个处理器的形式的中央处理单元(CPU)704，用于执行程序指令。示例性的计算机平台包括内部通信总线706、程序存储和不同形式的数据存储，例如，磁盘708、只读存储器(ROM)710、或随机存取存储器(RAM)712，用于由计算机完成各种数据文件的处理和/或通信，以及由CPU704来执行可能的程序指令。计算机700还包括一个I/O组件714，用于支持在其中计算机和其他组件，例如用户界面元素716，之间的输入/输出流。计算机700还可以经由网络通信接收程序和数据。

因此，如上所述，探针的引导和/或其他过程的方法的各方面可通过编程实施。该技术方案的某些程序形式，特别是被携带或嵌入在机器可读介质中的可执行代码和/或相关联的数据的形式，被认为是“产品”或“制造品”。有形非临时性“存储”型介质包括任何或所有的存储器或其它存储单元，用于计算机、程序、或其类似物、或其相关模块中，随时为软件编程提供存储单元，所述存储单元可以是存储器或其类似物，或与其相关联的模块，例如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等。

该软件的全部或部分可以通过网络，例如因特网或各种其它电信网络，进行通信。这种通信，例如，可以使软件从一台计算机或处理器上加载到另一个上，例如，从管理服务器或搜索引擎操作者的主机上加载到具有计算环境或其他具有计算环境的系统或与用户的兴趣目标相关的类似功能的硬件平台上。因此，另一种类可能负载软件单元的介质包括光、电、电磁波，例如用于本地设备之间的物理接口、通过有线和光纤地面网络以及通过各种空气桥接。携带这些波的物理元件，例如有线或无线链路、光学链路或其类似物，也被认为是负载所述软件的介质。如本文所述，除非限于有形的“存储”介质，诸如计算机或机器“可读介质”是指参与为处理器提供指令以用于执行任何介质。

因此，机器可读介质可以采用多种形式，包括但不限于：有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括，例如，光盘或磁盘、例如可以被用来实现如附图所示的系统或其任意组成部分的计算机或其类似物中的存储设备中的任意一种。易失性存储介质包括动态存储器，例如所述计算机平台的主存储器。有形传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括构成计算机系统总线的导线。载波传输介质可采用电或电磁信号，或例如射频(RF)和红外(IR)数据通信期间产生的声波或光波。计算机可读介质的常见形式包括例如：软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其它磁介质、光盘、DVD或DVD只读存储器、任何其它光学介质、穿孔卡片纸带、具有孔的任何其他物理存储介质、随机存取存储器、可编程只读存储器和可擦除可编程只读存储器、闪存可擦除可编程只读存储器、其他存储器芯片或卡盒、传输数据或指令的载波、传送这种载波的电缆或链路、或计算机可以读取的程序代码和/或数据的任何其它介质格式。许多这些形式的计算机可读介质涉及将一个或多个指令的一个或多个序列传送给用于执行的物理处理器。

本领域的技术人员将了解，本发明适用于多种修改和/或改进。例如，虽然以上描述的各种组件的实施方式可以在硬件设备上实施，但也作为软件唯一的解决方案，----例如，在现有的服务器上安装。另外，如本文所公开的所述探针引导系统可以被实现为固件、固件/软件的组合、固件/硬件的组合、或硬件/固件/软件的组合。

尽管前面已经描述了被认为构成本发明和/或其他实施例，应当理解的是，可以对其进行各种修改，本发明所公开的主题可以以各种形式和实施例来实现，本发明可适用于多种应用场景，说明书中仅描述了其中一部分。下面的权利要求旨在声明落入本发明的保护范围内的任何和所有应用、修改和变化。