使用回溯迷宫问题解决方案的自动ENT外科手术预先计划的制作方法

本申请要求于2015年8月26日提交的美国临时专利申请62/209,946的权益，该临时专利申请以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明一般涉及外科手术，并且具体涉及侵入式鼻窦外科手术的预先计划。

背景技术：

鼻旁窦包括邻近于鼻腔的四对单独的三维(3D)填充有空气的空间。例如，在严重的窦炎情况下，使用导管到达窦的所选择区域对该区域进行侵入式外科手术被认为是有必要的。通常目前，在执行此类侵入式外科手术之前，采用了对窦及其周围中一个的所选择的区域的计算机化断层摄影术(CT)扫描。医生分析扫描以便选择待由导管采用的从鼻孔到所选择的区域中的最佳路径，通常是最短路径。

最佳路径的选择是至关重要的操作。窦为3D空间，并且特别是如果在鼻孔和所选择的区域之间存在任何类型的堵塞，那么最佳路径可包括相对复杂的路线。此外，当CT扫描可用于生成3D图像时，因为图像是三维的，所以分析此类图像是困难并且耗时的。

Chang等人的美国专利7,720,521(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种用于执行图像引导的介入与外科手术的系统，所述手术包括治疗窦炎和鼻旁窦的其它疾病的各种手术。

Gielen等人的美国专利8,160,676(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种用于计划外科手术的方法。计划可包括到达所选择的目标的路径或轨线。

Higgins等人的美国专利申请2008/0183073(其公开内容以引用方式并入本文)描述了协助计划通过患者体内中空、分支器官的路径以优化后续的内窥镜手术的方法。

Gattani等人的美国专利8,116,847(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种计算用于使外科器械通过患者体内的最优外科轨线或路径的方法。

以引用方式并入本专利申请的文献将被视为本专利申请的整体部分，不同的是如果在这些并入的文献中限定的任何术语与在本说明书中明确或隐含地给出的限定在某种程度上相冲突，则应只考虑本说明书中的限定。

技术实现要素：

本发明的一个实施方案提供了一种方法，包括：

接收对患者身体的至少一部分的计算机化断层摄影术(CT)扫描；

识别与体内的由插入其中的探头可横贯的区域对应的扫描的体素；

在屏幕上显示扫描并且在其上标记针对探头的所选择的起点和终点；

寻找从起点到终点的包括一组连接的所识别体素的路径；

使用扫描生成身体外表面的表示并且在屏幕上显示该表示；以及

使得围绕路径的外表面区域在所显示的表示中呈现局部透明，以便使邻近路径的身体内部结构在屏幕上可见。

通常，识别扫描的体素包括选择粘液作为可横贯的种类。另选地或除此之外，识别扫描的体素包括识别软组织作为可横贯的种类。另外另选地或除此之外，识别扫描的体素包括限定体素的亨氏(Hounsfield)单位的范围。

在公开的实施方案中，寻找路径包括确保路径中没有一个部分包括小于探头的可能曲率半径的范围的曲率半径。

在另外的所公开的实施方案中，寻找路径包括确保路径直径总是大于探头的直径。

在又一个所公开的实施方案中，寻找路径包括寻找从起点到终点的最短路径。通常地，寻找最短路径包括使用迪杰斯特拉(Dijkstra)算法或其扩展。

在另选的实施方案中，寻找路径包括确保不需要探头横贯路径的一部分，路径的该部分具有小于在该部分处可获得的探头曲率半径的路径曲率半径。

在另外的另选实施方案中，接收CT扫描包括接收X射线CT扫描和磁共振成像CT扫描中的一者。

根据本发明的实施方案，另外提供了设备，所述设备包括：

屏幕，该屏幕被配置成显示对患者身体的至少一部分的计算机化断层摄影术(CT)扫描；和

处理器，该处理器被配置成：

接收该扫描，

识别与体内的由插入其中的探头可横贯的区域对应的扫描的体素；

在屏幕上标记针对探头的所选择的起点和终点，

寻找从起点到终点的包括一组连接的所识别体素的路径，

使用扫描生成身体外表面的表示并且在屏幕上显示该表示，以及

使得围绕路径的外表面区域在所显示的表示中呈现局部透明，以便使邻近路径的身体内部结构在屏幕上可见。

结合附图，根据下文对本公开的实施方案的详细说明，将更全面地理解本公开，其中：

附图说明

图1为根据本发明的实施方案的鼻窦外科手术系统的示意图；

图2为示出根据本发明实施方案的系统的外科手术预先计划组成的步骤的流程图；并且

图3至图8为根据本发明的实施方案的流程图步骤的示意图。

具体实施方式

概述

本发明的实施方案通过在外科预先计划手术中自动选择导管所采用的最佳路径并且通过在患者图像上显示所选择路径，来协助医生。患者图像基于患者的待执行手术的区域。

接收手术区域的计算机化断层摄影术(CT)扫描(通常为X射线CT扫描)，并且识别与由待插入于患者体内的探头可横贯的患者身体区域对应的扫描的体素。通常，识别通过限定用于体素的亨氏单位的范围来进行。

医生在屏幕上显示扫描，并且在针对探头的扫描起点和终点上标记。

处理器使用算法(诸如Dijsbra算法)以寻找从起点到终点的具有一组连接的所识别体素的路径，通常是最短路径。

处理器也生成身体外表面的表示并且该表示显示在屏幕上。处理器然后使围绕路径的外表面区域在所显示的表示中呈现局部透明，以便使邻近路径的身体内部结构在屏幕上可见。

详细的描述

现在参见图1，图1为根据本发明实施方案的鼻窦外科手术系统20的示意图。系统20在侵入式手术期间通常用于患者22的鼻窦上，并且系统包括在下文更详细描述的外科手术预先计划组成。

对于实际手术，一组磁场发生器24可例如通过将该发生器并入到夹持至患者头部的框架26中而固定到患者的头部。场发生器使得插入到患者鼻窦中的探头28的位置能够被跟踪。使用用于跟踪插入到患者体内的实体的磁场发生器(诸如发生器24)的系统在Govari等人的美国专利申请14/792,823中有所描述，该专利申请以引用的方式并入本文。此外，由加利福尼亚州钻石吧的生物传感韦伯斯特公司(Biosense Webster，Diamond Bar，CA)生产的系统使用类似于本文所述的跟踪系统来寻找磁场照射区域中线圈的位置和取向。

包括发生器24的系统20的元件可由系统处理器40控制，所述系统处理器包括与一个或多个存储器连通的处理单元。处理器40可安装于包括操作控制件51的控制台50中，所述操作控制件通常包括小键盘和/或指向装置，诸如鼠标或轨迹球。控制台50也连接到系统20的其它元件，诸如探头28的近侧端部52。医生54使用操作控制件以在执行手术时与处理器进行交互，并且处理器可将由系统20产生的结果呈现在屏幕56上。

处理器40使用存储在所述处理器的存储器中的软件来操作系统20。例如，所述软件可以电子形式通过网络下载到处理器40，或者另选地或除此之外，所述软件可被设置和/或存储在非临时性有形介质(诸如磁存储器、光学存储器、或电子存储器)上。

图2为示出参考上文的外科手术预先计划组成的步骤的流程图，并且图3至图8为根据本发明实施方案的步骤的示意图。流程图所描述的预先计划组成通常在对患者22执行侵入式外科手术之前实施，并且确定在手术中由侵入式探头28沿着的最优路径。假设预先计划由医生54执行。

在流程图的初始步骤100中，对患者22的鼻窦执行计算机化断层摄影术(CT)X射线扫描，并且来自扫描的数据由处理器40采集。如本领域中众所周知的，扫描包括患者的二维X射线“切片”，并且切片的组合生成三维体素，每个体素均具有亨氏单位，即，由CT扫描测定的放射密度的量度。

在图像生成步骤102中，医生54将扫描结果显示在屏幕56上。如本领域中所公知的，结果可显示为一系列二维(2D)切片，通常沿着与患者22的矢状平面、冠状平面和/或横向平面平行的平面，但是其它平面也是可能的。平面的方向可由医生选择。

所显示的结果通常为灰度图像，并且在图3中提供了为平行于患者22冠状平面的切片的实施例。从黑色到白色的灰度值可与对应体素的亨氏单位(HU)相关，使得当应用于图3的图像时，具有HU＝-1000的空气可指定为黑色，并且具有HU＝3000的致密骨可指定为白色。

如本领域中所公知的，除了分别限定为-1000和0的空气值和水值，任何其它物质或种类(诸如致密骨)的亨氏单位值尤其取决于用于产生本文所涉及的CT扫描的照射X射线的光谱。继而，X射线的光谱取决于许多因素，包括施加至X射线发生器的以kV为单位的电势以及发生器阳极的组合物。在本公开中为清楚起见，对于特定物质或种类的亨氏单位的值假设为如以下表I中所给。

表I

然而，对于如表I中所给的特定种类(除了空气和水之外)的HU的数值应被理解为纯粹的示例性，并且本领域的技术人员将能够根据种类和用于生成本文所涉及的CT图像的X射线机修改这些示例性值，而不需要进行过度的实验。

通常，HU值和灰度值之间的转换被编码成DICOM(医学数字成像和通信)文件，所述文件为来自所给CT机的CT扫描输出。为清楚起见，在以下说明书中使用了HU＝-1000与黑色的相关性，和HU＝3000与白色的相关性以及中间HU值与对应的中间灰度级的相关性，但是应理解这种相关性纯粹是任意的。例如，相关性可为“相反的”，即，HU＝-1000可指定为白色，HU＝3000指定为黑色，并且中间HU值指定为对应的中间灰度级。因此，本领域的技术人员将能够调整本文中的说明书以适应亨氏单位和灰度级之间的其它相关性，并且认为所有此类相关性包括在本发明的范围内。

在标记步骤104中，医生标记其中他/她将使探头28插入到患者体内的预期起点，和其中探头的远侧端部终止的预期目标点。这两个点可在同一个2D切片上。另选地，每个点可在不同的切片上。通常，两个点在空气中，即，其中HU＝-1000，并且终点通常但不必须在空气与液体或切片中所示组织的交接处。(其中终点不在此类交界处的实施例为当点可在填充有空气的腔室的中间时。)图4示出由医生标记在同一个2D切片上的起点150和终点152，并且为清楚起见，除非另有说明，否则这些点被假设为在流程图的剩余描述中使用的点。通常，起点和终点以非灰度颜色显示，例如红色。

在可允许路径限定步骤106中，医生限定亨氏单位的范围，以下涉及的路径寻找算法在寻找从起点150到终点152的路径中将该亨氏单位的范围用作可接受体素值。所限定的范围通常包括对应于路径中的空气或空隙的等于-1000的HU；所限定的范围也可包括大于-1000的HU，例如范围可如表达式(1)所给来限定：

{HU|-1000≤HU≤U} (1)

其中U为医生所选择的值。

例如，U可设定为+45，使得所采用路径可包括水、脂肪、血液、软组织以及空气或空隙。

不需要所限定的值范围为连续范围，并且范围可以是不相交的，包括一个或多个子范围。在一些实施方案中，可选择子范围以包括具体类型的材料。不相交范围的实施例由表达式(2)给出：

{HU|HU＝-1000或A≤HU≤B} (2)

其中A、B为由医生所选择的值。

例如，A、B可分别设定为等于-300和-100，使得所采用路径可包括空气或空隙和软组织。

用于HU范围的选择方法可以是本领域中已知的任何方便方法，包括但不限于按数目和/或材料名称和/或灰度来选择。例如，在按灰度选择的情况下，医生54可选择CT图像的一个或多个区域，并且所选择的区域的灰度值的HU等效量包括在用于待由路径寻找算法所确定的路径体素的HU的可接受范围内。

在按名称选择的情况下，可向医生显示命名种类的表。所显示表通常类似于表I，但是没有给出亨氏单位值的列。医生可从表中选择一个或多个命名种类，在此情况下，所选择命名种类的HU等效量包括在用于待由路径寻找算法所确定的路径体素的HU的可接受范围内。

在路径寻找步骤108中，处理器40实施路径寻找算法以寻找待由探头28沿着的在起点150和终点152之间的一个或多个最短路径。算法假设在路径中可横贯的体素包括具有在步骤106中所限定的HU范围内的HU的任何体素，和在寻找的任何路径中充当障碍的具有在这一限定范围之外的HU值的体素。当所用的路径寻找算法可以是能够在三维迷宫内确定最短路径的任何算法时，本发明者已发现漫水填充算法、迪杰斯特拉算法或扩展诸如A*算法，在计算速度和确定最短路径的精确性方面比其它算法(诸如弗洛伊德(Floyd)算法或其变型)给出更佳的结果。

在一些实施方案中，路径寻找步骤包括考虑探头28的机械性能和尺寸。例如，在本发明所公开的实施方案中，当探头28弯曲时，其可受限于可能曲率半径的范围。在确定待由探头沿着的可能路径中，处理器确保路径中没有一个部分限定小于这一半径范围的半径。

在本发明另外所公开的实施方案中，处理器考虑了允许探头的不同部分具有不同的曲率半径范围的探头机械性能。例如，可能路径的端部可具有比探头近侧部分的可能曲率半径更小的曲率半径。然而，探头的远侧端部可比近侧部分更加柔软，并且可足够柔软以适应更小的曲率半径，使得可能的路径是可接受的。

在考虑探头的可能曲率半径和可能路径的不同曲率半径中，当探头的远侧端部从起点150移动到终点152时，处理器考虑路径的哪些部分需要由探头的不同部分横贯并考虑可由探头获得的曲率半径。

在本发明又一所公开的实施方案中，处理器确保路径直径D总是大于探头28的所测量直径d。所述确认可至少部分例如通过处理器使用如本领域已知的腐蚀/膨胀算法来实施，以在步骤106中限定的范围内寻找体素。

在覆盖步骤110中，在步骤108中找到的最短路径覆盖在屏幕56上显示的图像上。图5示出已经覆盖在图4的图像上的在起点150和终点152之间的最短路径154。通常，路径154用非灰度颜色显示，所述非灰度颜色可与起点和终点的颜色相同或不同。在步骤108寻找多于一个最短路径的情况下，所有此类路径可通常用不同的非灰度颜色覆盖在图像上。

在覆盖可通过将找到的路径合并到所有相关的(即，路径横贯通过的)2D切片中的情况下，找到的路径通常横贯多于一个2D切片。另选地或除此之外，至少部分透明的3D图像可从扫描的2D切片中生成，并且找到的路径可覆盖在3D图像上。至少部分透明的3D图像可形成在患者22的外表面的表示上，正如下文更详细描述。

图6为根据本发明实施方案的患者22的外表面180的表示。处理器40使用在步骤100中采集的CT扫描数据，以通过使用空气的HU值为-1000而皮肤的HU值明显与此不同的事实生成外表面的表示。以举例的方式，假设表示180形成在平行于患者冠状平面的平面上，即，平行于由患者限定的参照系184的xy平面，参照系的轴也在以下图6和图7中绘出。

图7示意性地示出根据本发明实施方案的边界平面190和边界区域192。在医生54的指引下，处理器40描绘表示180的区域，所述区域将变得透明并且这些区域将“按原样”保留。为执行该描绘，医生使用用于区域的边界周边194限定边界平面190和边界平面中的边界区域192。

为清楚起见，以下描述假设边界平面平行于参照系184的xy平面，如图7示意性示出，并且其具有如下给出的公式：

z＝z_bp (3)

如以下所述，处理器40使用边界平面和边界区域以确定使表面180的哪些要素呈现局部透明以及不使哪些要素如此呈现局部透明。

当沿着z轴突出、位于区域192内时，处理器40确定具有z≥z_bp值的表面180(图6)的要素。处理器然后使要素呈现透明，因此使得这些要素在表面180中不再可见。例如，图7中患者22的鼻子尖端196具有z≥z_bp值，因此邻近患者鼻子尖端的虚线198示出外表面180的部分，所述外面180的部分在表面的图像呈现在屏幕56上时不再可见。

由于上文限定的要素呈现透明，因此当沿着z轴突出、位于区域192内时，具有z＜z_bp值的表面180的要素现在是可见的，因此显示在图像中。在呈现局部透明之前，因为“现在可见”要素被表面要素遮挡，所以它们是不可见的。现在可见要素包括如图8所示的最短路径154的要素。

图8示意性地示出在使区域170内的表面要素呈现局部透明之后的如屏幕56上显示的表面180。为清楚起见，对应于周边194(图6)的虚线圆194A已经覆盖在图像上，并且参照系184也在附图中绘出。由于圆圈194A内的要素呈现透明，因此圆圈内的区域200现在示出从步骤100中接收的CT断层摄影术数据得到的受治疗者22的内部结构。

最短路径154也已经在图8中绘出。由于圆圈194A内的要素呈现透明，因此现在路径的部分在表面180的图像中是可见的，并且已绘制为实的白线202。由于不可见的路径部分被不呈现透明的表面180的要素隐藏，所以其示为虚的白线204。

应当理解在图6和图8示出的情况下，屏幕56在xy平面中，使得屏幕充当沿着z轴朝向表面180观看的观察者的“虚拟摄像机”。

上文描述提供了应用局部透明性以观察从断层摄影术数据得到的最短路径的一个实施例，在这种情况下局部透明性相对于平行于受治疗者的冠状平面的平面形成。应当理解，由于断层摄影术数据的三维性质，可调控数据使得本发明的实施方案可使用相对于通过患者22的基本上任何平面形成的局部透明性观察最短路径，并且数据可限定在参照系184中。

在形成局部透明性中，可改变边界平面与边界区域的尺寸与位置，使得医生也能够观察最短路径和邻近路径的内部结构。

医生可改变边界平面的方向例如以提高特定内部结构的可见性。尽管边界平面通常平行于呈现在屏幕56上的图像的平面，但这并不是必需的，使得如果例如医生想查看特定结构的更多细节，则她/他可旋转边界平面使得其不再平行于图像平面。

在一些情况下，在步骤106中选择的HU值/灰度的范围包括除了空气之外区域，例如对应于软组织和/或粘液的区域。在步骤108中找到的路径可包括此类区域，并且在这种情况下，对于沿着路径的探头28，这些区域可必须例如通过清除而被清空。在任选的警告步骤112中，例如通过突出显示路径的相关部分和/或通过其它视觉或听觉提示，通知医生不在空气中的路径154的区域的存在。

尽管上文描述已经假设CT扫描为X射线扫描，但应当理解本发明的实施方案包括使用MRT(磁共振成像)断层摄影术图像寻找最短路径。

因此，重新参见流程图，在MRI图像的情况下，其中亨氏值不可以是直接适用的，在步骤106中，医生限定(MRI图像的)灰度值的范围，路径寻找算法在寻找从起点到终点的路径中使用该灰度值的范围作为可接受的体素值。在步骤108中，路径寻找算法假设在路径中的可横贯体素包括具有在步骤106中所限定的灰度范围中的灰度的任何体素，和充当找到的任何路径中的障碍的具有在这一限定范围之外的灰度值的体素。为适应使用MRI图像而不是X射线CT图像，对于上文描述的其它改变对本领域技术人员来说将是显而易见的，并且所有此类改变将被认为包括在本发明的范围内。

因此，应当理解，上文所述的实施方案以举例的方式引用，且本发明不限于上文已具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述说明时将会想到所述变型和修改，并且所述变型和修改并未在现有技术中公开。