用于內(nèi)窺鏡手術(shù)期間的引導注射的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種引導系統(tǒng)及方法，包括實時成像裝置（121），其被配置為在術(shù)中收集靶區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，以提供實時圖像。靶確定模塊（108）被配置為生成被配準到所述實時圖像的疊加圖（111），以將形態(tài)特征信息投影在所述靶區(qū)域的所述實時圖像中的對應(yīng)特征上。提供醫(yī)療器械（122），以在所述靶區(qū)域上執(zhí)行過程，從而基于所述疊加圖，將所述至少一個醫(yī)療器械引導到適合用于執(zhí)行手術(shù)任務(wù)的區(qū)域。
【專利說明】用于內(nèi)窺鏡手術(shù)期間的引導注射的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及醫(yī)療過程及系統(tǒng)，并且更具體地，涉及引導注射系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]冠狀動脈旁路移植術(shù)(CABG)期間的心肌內(nèi)干細胞注射對心臟再生具有積極效果。對于許多否則將不得不經(jīng)歷開胸手術(shù)患者來說，微創(chuàng)內(nèi)窺鏡CABG (M1-CABG)是具有前景且處于發(fā)展中的替代途徑。在M1-CABG期間，干細胞或其他試劑的心肌內(nèi)注射可以是治療的部分，但對于成功執(zhí)行而言，在技術(shù)上是有問題的。 [0003]由于缺乏關(guān)于瘢痕、局部缺血或其他病理區(qū)域的程度和位置的信息，以及其他缺失數(shù)據(jù)，諸如，心臟壁厚，在M1-CABG期間試劑的手動心肌內(nèi)注射是富有挑戰(zhàn)性的。信息的缺乏部分由于M1-CABG期間可用的術(shù)中成像模態(tài)僅為內(nèi)窺鏡這一事實。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本原理，一種引導系統(tǒng)和方法包括實時成像裝置，其被配置為在術(shù)中收集靶區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，以提供實時圖像。靶確定模塊被配置為生成被配準到所述實時圖像的疊加圖，以將形態(tài)特征信息投影在所述靶區(qū)域的所述實時圖像的對應(yīng)特征上。提供一種醫(yī)療器械，在所述靶區(qū)域上執(zhí)行過程，從而基于所述疊加圖，將所述至少一個醫(yī)療器械引導到適合用于執(zhí)行手術(shù)任務(wù)的區(qū)域。
[0005]一種工作站包括處理器和被耦合到所述處理器的存儲器。實時成像裝置被配置為在術(shù)中收集靶區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，以提供實時圖像。靶確定模塊被存儲在所述存儲器中，并且被配置為在顯示器上生成被配準到所述實時圖像的疊加圖，以將形態(tài)特征信息投影在所述靶區(qū)域的所述實時圖像中的對應(yīng)特征上。手動或自動地控制醫(yī)療器械，以在所述靶區(qū)域上執(zhí)行過程，從而基于所述疊加圖，將所述至少一個醫(yī)療器械引導到適合用于執(zhí)行手術(shù)任務(wù)的區(qū)域。
[0006]一種方法，包括確定針對患者的靶區(qū)域的感興趣特性；對靶區(qū)域進行實時成像，以提供實時圖像；在顯示器上生成被配準到所述實時圖像的疊加圖，以將形態(tài)特征信息投影到所述靶區(qū)域的所述實時圖像中的對應(yīng)特征上；以及在所述靶區(qū)域上執(zhí)行過程，從而基于所述疊加圖，將至少一個醫(yī)療器械引導到適合用于執(zhí)行手術(shù)任務(wù)的區(qū)域。
[0007]根據(jù)聯(lián)系附圖閱讀的下文對說明性實施例的詳細描述，本公開的這些和其他目標、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]本公開將參考以下附圖，詳細地提出對優(yōu)選實施例的以下描述，其中:
[0009]圖1為示出根據(jù)一個說明性實施例用于根據(jù)組織特性的疊加圖進行引導的系統(tǒng)/方法的框圖/流程圖；
[0010]圖2為根據(jù)一個說明性實施例由內(nèi)窺鏡收集的示出疊加圖的實時圖像；[0011]圖3為根據(jù)另一說明性實施例示出引導系統(tǒng)/方法的框圖/流程圖；
[0012]圖4為根據(jù)另一說明性實施例說明性地示出使用多個器械在胸腔中執(zhí)行的過程的不意圖；
[0013]圖5為根據(jù)另一說明性實施例示出相對于疊加圖的十字線的實時圖像；
[0014]圖6為根據(jù)另一說明性實施例示例性地示出使用機器人在胸腔中執(zhí)行的過程的示意圖；
[0015]圖7為根據(jù)另一說明性實施例示出相對于疊加圖的靶符號的實時圖像；
[0016]圖8為根據(jù)另一說明性實施例示例性地示出使用機器人和用于同時確定靶組織的特性的超聲成像系統(tǒng)在胸腔中執(zhí)行的過程的示意圖；
[0017]圖9為根據(jù)另一說明性實施例示出具有對于部署醫(yī)學裝置而言不可接受部位的疊加圖的實時圖像；以及
[0018]圖10為示出根據(jù)另一說明性實施例用于根據(jù)組織特性的疊加圖進行引導的系統(tǒng)/方法的框圖/流程圖。
【具體實施方式】
[0019]本原理提供一種注射裝置、用于將所述裝置引導到患者中的正確位置的系統(tǒng)及方法、以及用于對窺鏡圖像中的解剖學信息進行檢索和可視化的系統(tǒng)及方法。在一個實施例中，采用注射針，其能夠根據(jù)局部心臟壁厚或其他病理的受控深度被延伸或部署，以避免填塞或其他嚴重并發(fā)癥。將使用到介入科醫(yī)師的充分反饋引導并且延伸/部署所述注射裝置，以避免災(zāi)難性的并發(fā)癥。
[0020]提供一種內(nèi)窺鏡圖像引導系統(tǒng)，其在微創(chuàng)冠狀動脈旁路移植術(shù)(M1-CABG)以及其他過程期間對關(guān)于瘢痕位置和組織厚度的經(jīng)配準的數(shù)據(jù)進行投影。能夠手動地或通過機器人操縱所述注射裝置到靶區(qū)域?；谠谒霭袇^(qū)域的組織厚度的知識及其可視化，延伸所述注射針。M1-CABG期間的閉環(huán)試劑遞送利用針和注射器的半自動或全自動驅(qū)動均是可能的。試劑可以包括干細胞、藥物等。
[0021]也應(yīng)當理解，本發(fā)明將在醫(yī)療器械方面進行描述；然而，本發(fā)明的教導要寬泛的多，并且可應(yīng)用于在跟蹤或分析復雜生物或機械系統(tǒng)中采用的任何器械。尤其，本原理可應(yīng)用于生物系統(tǒng)的內(nèi)部跟蹤過程，在諸如肺、心臟、胃腸道、排泄器官、血管等的身體的所有區(qū)域中的過程。附圖中描繪的元件可以在硬件與軟件的各種組合中得以實施，并且提供可以被組合在單個元件或多個元件中的功能。
[0022]通過使用專用硬件以及能夠運行與合適的軟件相關(guān)聯(lián)的軟件的硬件，能夠提供附圖中所示的各種元件的功能。在由處理器提供時，能夠由單個專用處理器、由單個共享處理器，或由多個獨立的處理器(它們中的一些能夠是共享的)提供所述功能。此外，術(shù)語“處理器”或“控制器”的明確使用不應(yīng)被解讀為唯一地指代能夠運行軟件的硬件，并且能夠暗含地包括而不限于數(shù)字信號處理器(“DSP”)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器(“ROM”)、隨機存取存儲器(“RAM”)、非易失性存儲器等。
[0023]此外，本文中記載本發(fā)明的原理、方面和實施例的所有陳述，以及其具體范例，意在涵蓋其結(jié)構(gòu)及功能的等同方案。額外地，這樣的等同方案意在包括目前已知的等同方案以及未來發(fā)展的等同方案(即，無論其結(jié)構(gòu)執(zhí)行相同功能的所發(fā)展的任何元件)。因此，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，本文提出的框圖表示體現(xiàn)發(fā)明原理的說明性系統(tǒng)部件和/或電路的概念視圖。類似地，將認識到，無論這樣的計算機或處理器是否被明確示出，任何流程表、流程圖等表示各個過程，所示各個過程基本上可以被表示在計算機可讀存儲介質(zhì)中并因此由計算機或處理器運行。
[0024]此外，本發(fā)明的實施例能夠采取計算機程序產(chǎn)品的形式，所述計算機程序產(chǎn)品可從提供由計算機或任何指令運行系統(tǒng)使用或與計算機或任何指令運行系統(tǒng)相連的程序代碼的計算機可用或計算機可讀存儲介質(zhì)訪問。出于該描述目的，計算機可用或計算機可讀存儲介質(zhì)能夠是任何這樣的設(shè)備，所述設(shè)備可以包括、存儲、通信、傳播或傳送用于由指令運行系統(tǒng)、設(shè)備或裝置使用或與執(zhí)行運行系統(tǒng)、設(shè)備或裝置相連的程序。所述介質(zhì)能夠是電子、磁性、光學、電磁、紅外或半導體系統(tǒng)(或設(shè)備或裝置)或傳播介質(zhì)。計算機可讀介質(zhì)的范例包括半導體或固態(tài)存儲器、磁帶、可移除計算機軟盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、硬磁盤和光盤。光盤的當前范例包括壓縮盤-只讀存儲器(⑶-ROM)、壓縮盤-讀/ 寫(CD-R/W)和 DVD。
[0025]現(xiàn)在參考附圖，其中類似的附圖標記表示相同或相似的元件，并且首先參考圖1，說明性地描繪了根據(jù)本原理用于執(zhí)行醫(yī)療過程的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100可以包括工作站或控制臺112，從所述工作站或控制臺112監(jiān)督并管理過程。工作站112優(yōu)選地包括一個或多個處理器114以及用于存儲程序和應(yīng)用的存儲器116。存儲器116可以存儲用于引導醫(yī)療器械、病理圖及相關(guān)數(shù)據(jù)、成像信息等的程序/應(yīng)用/數(shù)據(jù)。
[0026]系統(tǒng)100可以包括用于聚集圖像數(shù)據(jù)的內(nèi)窺鏡或其他裝置120。裝置120可以包括提供實時圖像數(shù)據(jù)的成像系統(tǒng)121 (例如，照相機)。內(nèi)窺鏡120可以包括光源，以在過程期間提供光。在過程(例如，M1-CABG過程期間)期間，針對靶組織或器官140，可以采用成像系統(tǒng)110，以在術(shù)前或術(shù)中對靶病理位置(或其他特性，例如組織厚度等等)的經(jīng)配準數(shù)據(jù)進行投影。成像系統(tǒng)110可以包括但不限于，計算機斷層攝影、磁共振成像、X射線、X射線血管造影等
[0027]所述經(jīng)配準的數(shù)據(jù)優(yōu)選地被與所述實時圖像配準，并且經(jīng)配準的數(shù)據(jù)和所述實時圖像被一起顯示。經(jīng)配準的數(shù)據(jù)可以`包括圖。
[0028]用于執(zhí)行所述過程的醫(yī)療裝置122可以包括針、導管、電極、內(nèi)窺鏡等。在一個實施例中，裝置122包括可以由內(nèi)窺鏡120部署或可以獨立于內(nèi)窺鏡120部署的注射裝置。注射裝置122優(yōu)選地通過機器人或手動可操縱到靶區(qū)域140。注射裝置122包括注射針124或類似裝置，并且具有受控的延伸機構(gòu)126?；诎袇^(qū)域140中的形態(tài)、構(gòu)成、生理功能以及包括組織厚度、剛度特性的動力學(其能夠根據(jù)脂肪浸潤、腫瘤、纖維瘢痕等的存在而變化)，延伸注射針124。這種信息被存儲在數(shù)據(jù)庫130或存儲器116中。
[0029](例如針對M1-CABG)也可以包括閉環(huán)試劑遞送系統(tǒng)或機器人132。遞送系統(tǒng)132可以包括機構(gòu)126、注射裝置122和針124。也預期其他配置。遞送系統(tǒng)132可以采用視覺顯示、聲音反饋或其他觸覺線索，用于由醫(yī)師手動操作和/或用于(半)自動或自動控制的選項?？梢耘c內(nèi)窺鏡120—起(例如，使用內(nèi)窺鏡120中的工作通道)或獨立于內(nèi)窺鏡120 (例如，通過獨立的器械端口)，采用遞送系統(tǒng)132。
[0030]根據(jù)一個實施例，靶區(qū)域140 (諸如，心臟)可以是病理/形態(tài)/生理繪圖的對象。所述繪圖可以包括一個或多個醫(yī)學成像裝置或系統(tǒng)110的使用。成像系統(tǒng)110可以包括，例如，磁共振成像(MRI)系統(tǒng)、熒光檢查系統(tǒng)、計算機斷層攝影(CT)系統(tǒng)等?？梢韵闰灥鼗蛟谛g(shù)中獲得所述繪圖，以發(fā)現(xiàn)并存儲針對靶區(qū)域140的信息。該信息可以包括所述靶區(qū)域中的形態(tài)、構(gòu)成、生理及包括組織厚度、剛度特性的動力學(其能夠根據(jù)脂肪浸潤、腫瘤、纖維瘢痕等的存在而變化)。所述繪圖被存儲在存儲器116和/或數(shù)據(jù)庫130中。
[0031]注射裝置122可以包括，例如，導管、導絲、內(nèi)窺鏡、探頭、機器人、電極、過濾裝置、氣囊裝置或其他醫(yī)學部件等。注射裝置122可以包括針124，其可以被部署為根據(jù)所述繪圖信息而延伸。如所指出的，注射裝置122和內(nèi)窺鏡120可以作為一個單元或作為獨立的單元被采用。除所描述的那些以外或者作為替代，可以采用其他器械和工具。
[0032]工作站112可以包括用于查看對象的內(nèi)部圖像的顯示器118，并且顯示器118也可以允許用戶與工作站112及其部件和功能進行交互。通過接口 115進一步便于所述交互，接口 115可以包括鍵盤、鼠標、操縱桿或任何其他外圍設(shè)備或控件，以允許用戶與工作站112進行交互。
[0033]可以提供成像系統(tǒng)110用于收集術(shù)前成像數(shù)據(jù)和/或?qū)崟r術(shù)中成像數(shù)據(jù)。可以在任何過程之前，在另一設(shè)施、位置等處執(zhí)行術(shù)前成像。這些3D圖像可以被轉(zhuǎn)換為形態(tài)圖111，并被存儲在存儲器116和/或數(shù)據(jù)庫130中。
[0034]在尤其有用的實施例中，可以采用裝置120來觀察靶區(qū)域140，例如心臟。靶區(qū)域140可以包括病變、創(chuàng)傷部位、目標或其他靶特征。在過程期間，采用先前或同時收集的信息來生成虛擬形態(tài)圖像，所述虛擬形態(tài)圖像能被疊加在由成像裝置121收集的實時圖像上，并被繪制在顯示器118上。將所述虛擬圖像與術(shù)中成像數(shù)據(jù)進行配準，以向用戶提供執(zhí)行手術(shù)所需的信息。例如，將通過采用紋理或顏色在所述虛擬圖像中指示所述組織厚度、瘢痕組織位置、組織密度等，以根據(jù)通過所述用戶選擇或編程地顯示特定特性。
[0035]存儲器116包括靶確定模塊108。靶確定模塊108基于被存儲在存儲器116或數(shù)據(jù)庫130中的所述繪圖信息來計算可以執(zhí)行手術(shù)過程的一個或多個位置。來自先前病例的專家知識能夠被編碼在數(shù)據(jù)庫130中，以使過程優(yōu)化。例如，如果裝置122包括消融電極，則可以在所述虛擬圖像中生成靶，所述靶可以被靶向用于手動地或通過機器人對齊為過程處置部位，例如，基于所述形態(tài)數(shù)據(jù)將要消融組織的部位?？梢圆捎蔑@示器118來顯示所述虛擬圖像和所述實時圖像，從而所述虛擬圖像充當用于推進所述過程的引導工具。
[0036]本系統(tǒng)100的另一方面包括提供對危險區(qū)144的虛擬描繪，其對應(yīng)于在過程期間應(yīng)當或必須被裝置122 (例如，在部署注射針124時)避開的存在關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)的高風險區(qū)。能夠基于來自過程前成像或來自患者特異性信息(其能夠被繪圖到通過內(nèi)窺鏡可視化的患者特異性坐標空間)的解剖庫的所述患者特異性信息來識別這些結(jié)構(gòu)?？梢宰詣拥鼗蚴褂媒涌?115手動地執(zhí)行所述繪圖。例如，醫(yī)師或其他用戶可以訪問圖像，并且可以將圖像或像素圖疊加在需要被避開的敏感或關(guān)鍵范圍上。
[0037]危險區(qū)信息144可以被并入過程置信/復合空間圖中，其被用作對計算機輔助路徑規(guī)劃和過程優(yōu)化的輸入。在一個實 施例中，當十字線或其他靶符號與這些危險區(qū)區(qū)域重合時，可以觸發(fā)報警燈、聲音或其他報警機構(gòu)141，以警告所述醫(yī)師不應(yīng)在該(一個或多個)位置激發(fā)所述裝置(例如針)。
[0038]在尤其有用的實施例中，可以基于任何或所有裝置(例如，所述注射器、所述針、所述內(nèi)窺鏡、輔助感測探頭等)的機器人驅(qū)動的閉環(huán)控制，以半自動或自動的方式執(zhí)行路徑規(guī)劃。在一個實施例中，手動或自動地控制機器人132，以將帶有針124的裝置122等定位在適當位置。機器人132可以采用被存儲在存儲器116中的圖111來確定執(zhí)行所述過程的最佳范圍。靶確定模塊108使用自動確定的或由用戶手動創(chuàng)建的危險區(qū)圖144(以及其他圖)來計算最佳范圍。機器人132可以用于將注射裝置122引導到位置，并且根據(jù)深度或力反饋來部署針124?？梢钥刂茩C器人132，以使用延伸機構(gòu)126和來自圖111 (包括用于確定用于由模塊108執(zhí)行過程的可接受位置的組織數(shù)據(jù))的信息，定位注射裝置122。機器人132將注射裝置122引導到合適位置，并且激發(fā)針124。應(yīng)當理解，可以在用戶的手動輔助下，采用所述引導和激發(fā)任務(wù)。例如，用戶可以執(zhí)行所述引導，但進行所述激發(fā)，或者反之亦然。 [0039]機器人或閉環(huán)系統(tǒng)132可以測量深度和力信息，并且將其用作與用于控制針124的注射深度的反饋相同。所述力可以由傳感器124測量，并且所述深度可以通過其他部件的注射裝置122中的電機/服務(wù)器125的平移來測量。所述力、深度或其他參數(shù)可以被實時地顯示在顯示器118上，以在所述過程期間輔助所述用戶。
[0040]本系統(tǒng)100延伸到心臟介入以外，并且可以被應(yīng)用于其他過程。例如，本原理應(yīng)用于內(nèi)窺鏡引導的結(jié)構(gòu)心臟過程(例如，瓣膜修復、卵圓孔未閉封堵等)、用于心臟再同步化治療的內(nèi)窺鏡引導的心外膜電極導聯(lián)放置、內(nèi)窺鏡引導的心外膜消融過程、內(nèi)窺鏡引導的腹部介入、經(jīng)自然腔道內(nèi)窺鏡外科手術(shù)(NOTES)過程、介入腫瘤學、介入性神經(jīng)放射學、介入性疼痛過程等。
[0041]參考圖2，內(nèi)部靶圖像200示出如由配備照相機的內(nèi)窺鏡進行成像的心臟202的透視圖。該實施例描述一種系統(tǒng)/方法，以提供在心臟202或心臟202的一部分上的數(shù)字疊加204。在一個范例中，置加204指不關(guān)于選定區(qū)域的心臟壁厚、癒痕/局部缺血或其他病理信息?？梢酝ㄟ^紋理、顏色、陰影或其他視覺效果(閃光、閃爍、顏色改變、動畫等)指示所述壁厚或其他特性。有利地，虛擬圖像204被配準到心臟202，以確保虛擬圖像204中的信息直接與心臟202的位置相對應(yīng)。虛擬圖像204優(yōu)選地被示為疊加在術(shù)中實時內(nèi)窺鏡圖像上，如在圖2中所描繪的。以此方式，對臨床醫(yī)師/醫(yī)師來說，可獲得直接引導數(shù)據(jù)，以做出有關(guān)所述過程的實時決策。優(yōu)選地，針對實時數(shù)據(jù)的每一幀，更新虛擬圖像204。
[0042]通過采用配準方法(例如，使用參考標記、限定原點等)，建立內(nèi)窺鏡坐標系與術(shù)前3D圖像之間的變換。所述術(shù)前3D圖像可以包括，例如計算機斷層攝影(CO、磁共振(MR)、正電子發(fā)射斷層攝影(PET)或其他成像技術(shù)。用例如由疊加204指示的壁厚信息，增強如在內(nèi)窺鏡圖像中看到的心臟202的表面。可以確定可接受的針深度，并且能夠選擇能夠適應(yīng)所述針深度的位置，用于注射。能夠通過關(guān)聯(lián)顏色和顏色的陰影指示所述厚度，以示出隨著位置改變的壁厚。以類似方式，也可以使有關(guān)要處理的所述介入的其他形態(tài)測定/構(gòu)成/功能信息可視化。注意，可以在虛擬圖像204中出現(xiàn)多于一個特性。例如，可以通過交叉線區(qū)域指示瘢痕組織，同時所述壁厚可以依賴于色譜，以示出變化。
[0043]參考圖3，說明性地示出一種根據(jù)本原理用于利用視覺成像益處的方法。在方框302中，從重建自3D醫(yī)學成像研究(CT、MR1、超聲(US)等)的3D心臟表面來測量感興趣特性，例如心臟壁厚。這可以在過程之前完成，或者在一些情況中可以同時執(zhí)行。這取決于正被收集的信息的類型以及可用的成像或其他工具的類型。在方框304中，從收集到的信息中探測來自所述成像研究的瘢痕/局部缺血/病理區(qū)域。這些特征將變?yōu)閷Π袇^(qū)域的表面的繪圖的一部分，但也是用于重新配準這些特征(如將被描述的)的有用引導標準。[0044]在方框306中，將內(nèi)窺鏡或其他成像裝置引入患者中，用于實時地對所述靶區(qū)域進行成像。收集所述靶區(qū)域的圖像。在方框308中，通過將圖像圖(虛擬圖像)與所述靶區(qū)域的實際圖像進行配準，建立內(nèi)窺鏡/靶表面變換。這可以使用一種或多種不同的配準技術(shù)得以執(zhí)行。這些技術(shù)可以采用在與視覺圖像相關(guān)的圖數(shù)據(jù)中收集到的物理特征等。
[0045]在方框310中，提供配準，并且可以做出與所述視覺圖像中的每個像素的特征關(guān)聯(lián)。例如，可以使用經(jīng)測量的特性和所述變換，在所述內(nèi)窺鏡圖像的每個像素中，建立心臟的壁厚。在方框312中，可以使用經(jīng)測量的特性和所述變換，在內(nèi)窺鏡圖像中建立瘢痕區(qū)域位置或其他特征。在方框314中，通過將所述虛擬圖像或圖信息疊加在所述內(nèi)窺鏡圖像上，使經(jīng)配準的虛擬圖像/內(nèi)窺鏡圖像可視化。
[0046]參考圖4，示意圖說明性地示出了用于通過器械端口部署的針注射的過程。該實施例是對參考圖2和圖3描述的實施例的延伸。內(nèi)窺鏡402被插入到患者404中。此外，可以采用其他器械406、408。可以通過不同進入點或除針對內(nèi)窺鏡402的器械端口 411以外的器械端口 410，將額外的器械406、408插入到患者的胸腔中。
[0047]參考圖5并繼續(xù)參考圖4，假定已知器械端口 410或411相對于內(nèi)窺鏡402的位置(例如側(cè)面、同心、具有固定的已知機械耦合等)，則交叉線412或其他標記能夠被疊加在圖像420上，指示器械端口 410、411的軸到內(nèi)窺鏡圖像420中的解剖結(jié)構(gòu)416上的投影。如果通過內(nèi)窺鏡402或通過任何其他器械端口 410將器械(例如針等等)插入通道中，這將指示所述器械的預期軌跡。 [0048]圖像420也包括如參考圖2所描述的圖204?？梢酝瑫r顯示圖204和十字線412，從而可以采用疊加204中的所述疊加數(shù)據(jù)來選擇手術(shù)部位并且使用所述十字線412來瞄準器械。
[0049]參考圖6,另一實施例針對由機器人504把持內(nèi)窺鏡502的情況是尤其有用的。如果感興趣范圍506在當前內(nèi)窺鏡視圖中是不可見的，則可以由機器人504使用在所述圖中或術(shù)前圖像中提供的表面信息以及從前文描述的配準中得出的心臟表面與所述機器人之間的已知幾何關(guān)系，操縱內(nèi)窺鏡502。另外，能夠使用視覺服務(wù)方法操縱機器人504，其中，能夠在術(shù)前圖像上并通過配準識別壁厚或局部缺血/瘢痕/病理組織的區(qū)域，并且就將其用于將機器人504調(diào)遣到期望位置。
[0050]另一實施例包括通過器械端口進行部署的注射針508?？梢酝ㄟ^機器人引導的內(nèi)窺鏡502的工作通道部署注射針508，或者可以利用剛性機械耦合將其與機械內(nèi)窺鏡502進行空間校準?？梢允褂脙?nèi)窺鏡圖像引導注射針508，并且可以通過機器人504部署注射針508。由于機器人504能夠精確地控制針508或其他器械的插入深度，該方法可以顯著地改善針放置的準確度。
[0051]參考圖7并繼續(xù)參考圖6，內(nèi)窺鏡圖像600描繪具有被疊加在其上的虛擬圖像204的靶區(qū)域416，例如心臟。器械端口位置提供十字線或其他標記602作為注射部位。靶602被以數(shù)字方式繪制在圖像600上，以提供應(yīng)當在哪里發(fā)生所述針的手動或通過機器人控制前進的視覺指示。所述用戶選擇插入的點602以及插入的深度，并且可以采用機器人504來部署針508或其他工具。然后由所述用戶執(zhí)行所述注射。
[0052]在另一實施例中，機器人504能夠定位并定向針508，并且由外科醫(yī)師執(zhí)行插入/部署。隨著針508被插入，所述機器人或機器人系統(tǒng)504能夠感測插入的深度，[0053]n，例如從電機編碼器，其能夠由工作站(圖1中的112)來處理，并在顯示器(118)中被疊加在內(nèi)窺鏡圖像600上。顯示器(118)可以包括針508與外部心臟表面、內(nèi)部心臟表面的距離，或與規(guī)劃深度的距離。
[0054]在又一實施例中，機器人504能夠為所述外科醫(yī)師將針508插入或能夠定向針508，以將所述器械驅(qū)動到心臟表面內(nèi)。在一種情況中，采用傳感器512 (諸如，測量組織偏轉(zhuǎn)的力傳感器或張力/形狀傳感器)來探測針508何時穿過不同組織的層。當組織剛度增大或減小時，該信息可以由工作站(112)進行處理并被疊加或顯示在內(nèi)窺鏡圖像600上或顯示器的其他范圍上。該力信息也可以用作閉環(huán)系統(tǒng)的一部分，其中，所述機器人驅(qū)動所述針直到達到某種轉(zhuǎn)變或阻力的值。
[0055]參考圖8，在另一實施例中，可以在術(shù)中獲得組織特性或圖。例如，使用超聲測量，可以在術(shù)中獲得心臟壁701厚度。通過引入超聲探頭702以收集超聲圖像，能夠獲得所述超聲測量結(jié)果。[0056]應(yīng)當理解，也可以采用其他成像技術(shù)。例如，代替超聲技術(shù)或除超聲技術(shù)以外，用于形態(tài)測定/功能探查的裝置702可以基于利用光譜學或成像(諸如散射光學斷層攝影、光學相干斷層攝影、光聲學、輻射計數(shù)探測(例如，微型伽馬照相機))等的詢問。
[0057]在本范例中，可以將所述超聲圖像與經(jīng)由(例如所述內(nèi)窺鏡內(nèi)攜帶的)第二成像裝置704 (諸如，探頭、照相機、換能器元件等)同時獲得的內(nèi)窺鏡圖像進行匹配。校準所述成像裝置圖像，以確定它們相對于彼此和所述內(nèi)窺鏡照相機投影的空間關(guān)系。針對厚度等的超聲測量的方法在本領(lǐng)域是已知的。例如，使用最簡單的A-模式US，能夠探測心臟的外表面的反射，其能夠被用作壁厚的指示。
[0058]為了便于裝置(例如針)放置，從超聲測量獲得的厚度信息應(yīng)當被顯示在所述內(nèi)窺鏡圖像上。隨著超聲裝置702在心臟表面701上移動，能夠使用本領(lǐng)域已知的攝影測量方法在內(nèi)窺鏡圖像上跟蹤超聲裝置702。因此，裝置702相對于所述圖像的位置是已知的，并且測量數(shù)據(jù)能夠例如在圖2中所示地進行疊加。
[0059]參考圖9，描繪了說明性內(nèi)窺鏡圖像802。圖像802包括心臟804以及對應(yīng)于高風險區(qū)的危險區(qū)806和808的視覺描繪，在所述高風險區(qū)中存在需要由注射針等避開的關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)。能夠基于來自術(shù)前成像或來自這種信息的解剖庫的患者特異性信息，識別這些結(jié)構(gòu)或區(qū)域806、808，所述信息能夠被繪制到通過內(nèi)窺鏡可視化的患者特異性坐標空間中。區(qū)域806和808可以以數(shù)字方式被繪制到將在顯示器(例如，圖1的顯示器118 )上顯示的心臟表面804 (或其他器官或組織表面)上，以允許由醫(yī)師或其他用戶進行可視化。在過程置信/復合空間圖中可以采用針對危險區(qū)806、808的所述信息，可以采用過程置信/復合空間圖作為計算機輔助路徑規(guī)劃和過程優(yōu)化的輸入?？梢曰趯υ谶^程中采用的工具的(一個或多個)機器人致動機構(gòu)的控制，在(半)自動過程中執(zhí)行所述路徑規(guī)劃。
[0060]參考圖10，根據(jù)另一實施例描繪了一種用于裝置引導的方法。在方框902中，針對患者的靶區(qū)域，確定或測量感興趣特性。所述特性可以是任何特征，并且可以包括例如組織厚度、瘢痕組織位置、組織密度等。在方框904中，執(zhí)行對所述靶區(qū)域的實時成像，以提供實時圖像。如將被描述的，所述實時圖像將充當用于疊加的背景或基本圖像。
[0061 ] 在方框906中，生成疊加圖，并在顯示器或其他繪制上將其配準到所述實時圖像，以將形態(tài)特征信息投影在所述靶區(qū)域的所述實時圖像中的對應(yīng)特征上?？梢允褂贸上裣到y(tǒng)在術(shù)前或術(shù)中從所述靶區(qū)域收集形態(tài)特征信息。所述疊加圖包括指示關(guān)于正被成像的對應(yīng)組織的信息的像素值。以此方式，所述疊加圖指示經(jīng)測量的特征值，從而醫(yī)師、其他用戶或計算機裝置能夠確定用于執(zhí)行過程的一個或多個最佳位置。在方框908中，所述疊加圖可以包括顏色或紋理變化、動畫等，以指示形態(tài)特征信息中的變化。在方框910中，所述疊加圖可以包括顯示可接受的注射部位和/或靶或十字線，以輔助對裝置進行瞄準。在方框912中，所述疊加圖可以顯示不應(yīng)當發(fā)生注射的危險區(qū)。
[0062]在方框914中，在所述靶區(qū)域上執(zhí)行過程，從而基于所述疊加圖將至少一個醫(yī)療器械引導到適合用于執(zhí)行手術(shù)任務(wù)的區(qū)域。所述靶區(qū)域可以包括心臟，并且所述形態(tài)特征信息可以包括所述心臟上的壁厚和瘢痕組織中的至少一個，并且執(zhí)行過程的所述步驟可以包括在方框916中操縱針到所述靶區(qū)域以及根據(jù)方框918中的所述疊加圖將所述針部署到所述靶區(qū)域中。
[0063]在方框920中，所述過程可以包括使用所述疊加圖使醫(yī)療器械到所述靶區(qū)域的機器人引導，以控制到可手術(shù)部位的引導。也可以采用所述機器人來根據(jù)所述疊加圖部署所述器械。在一個實施例中，用戶可以規(guī)劃所述至少一個醫(yī)療器械的取向和深度，并且所述機器人將所述至少一個醫(yī)療器械插入到器官中。在另一實施例中，用戶可以規(guī)劃所述醫(yī)療器械的取向和深度，所述機器人對所述器械進行定向，所述用戶插入所述器械(例如，針)，所述機器人系統(tǒng)測量所述深度，并且所述成像裝置/可視化系統(tǒng)實時地示出當前深度。在又一實施例中，所述用戶規(guī)劃所述器械的取向和深度，所述機器人對所述器械進行定向，所述用戶插入所述器械(例如針)，所述機器人系統(tǒng)經(jīng)由力傳感器測量所述力，并且所述可視化系統(tǒng)實時地示出當前插入力。在另一實施例中，所述用戶規(guī)劃所述器械的取向和深度，所述機器人對所述器械進行取向并將其插入，所述機器人系統(tǒng)經(jīng)由力傳感器測量所述力，并且所述力信息用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，以使用實時力信息來控制深度。也預期機器人與手動協(xié)作的其他組合。
[0064]在方框922中，可以在所述實時圖像中生成十字線或其他符號，用于瞄準所述至少一個醫(yī)療器械，并且當所述十字線被瞄準在如由所述疊加圖指示的風險區(qū)時，可以觸發(fā)
警報。`
[0065]在解釋所附權(quán)利要求書時，應(yīng)當理解:
[0066]a) “包括” 一詞不排除存在除給定權(quán)利要求中所列舉的那些以外的其他元件或操作；
[0067]b)元件前面的詞語“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件；
[0068]c)權(quán)利要求中的任何附圖標記不限制其范圍；
[0069]d)可以由相同項或硬件或軟件實施的結(jié)構(gòu)或功能來表示若干“模塊”；以及
[0070]e)操作的特定順序不意為必須的，除非具體指明。
[0071]已描述了用于在內(nèi)窺鏡外科手術(shù)期間引導注射的系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實施例(其意為說明性并且非限制性的)，應(yīng)當注意，本領(lǐng)域技術(shù)人員在上述教導的啟示下能夠做出多種修改和變型。因此應(yīng)當理解，可以在所公開的公開內(nèi)容的特定實施例中進行多種改變，所述改變在如由所附權(quán)利要求書概括的本文所公開的實施例的范圍內(nèi)。已因此描述的細節(jié)以及專利法規(guī)所要求的特殊性，所要求保護并且期望受專利證書保護的內(nèi)容在所附權(quán)利要求書中得以闡述。
【權(quán)利要求】
1.一種引導系統(tǒng)，包括: 實時成像裝置(121)，其被配置為在術(shù)中收集靶區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，以提供實時圖像； 靶確定模塊(108)，其被配置為生成被配準到所述實時圖像的疊加圖(111)，以將形態(tài)特征信息投影到所述靶區(qū)域的所述實時圖像中的對應(yīng)特征上；以及 至少一個醫(yī)療器械(122)，其用于在所述靶區(qū)域上執(zhí)行過程，從而基于所述疊加圖，將所述至少一個醫(yī)療器械引導到適合用于執(zhí)行手術(shù)任務(wù)的區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述實時成像裝置包括配備照相機的內(nèi)窺鏡(120)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述靶區(qū)域(140)包括心臟，并且所述形態(tài)特征信息包括所述心臟上的壁厚和瘢痕組織中的至少一個。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述疊加圖(111)包括顏色變化和紋理變化之一，以指示所述心臟上的所述壁厚和瘢痕組織中的至少一個的變化。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個醫(yī)療器械(122)包括針(124)，并且所述疊加圖(111)示出能夠接受的注射部位。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個醫(yī)療器械(122)包括針(124)，并且所述疊加圖(111)示出不應(yīng)當發(fā)生注射的危險區(qū)(144)。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，使用機器人(132)引導所述至少一個醫(yī)療器械(122)，并且基于所述疊加圖控制所述機器人。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述機器人(132)將所述至少一個醫(yī)療器械插入器官中。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述機器人(132)測量所述至少一個醫(yī)療器械(122)的針(124)的插入深度，并且顯示器(118)實時地指示當前插入深度。
10.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述機器人(132)使用力傳感器(123)測量所述至少一個醫(yī)療器械(122)的 針(124)的插入力，并且顯示器(118)實時地指示當前插入力。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中采用有關(guān)所述插入力的信息，以控制插入深度。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，使用成像系統(tǒng)(110)在術(shù)前或術(shù)中從所述靶區(qū)域收集所述形態(tài)特征信息。
13.一種工作站，包括: 處理器(114); 存儲器(116)，其被耦合到所述處理器； 實時成像裝置(121)，其被配置為在術(shù)中收集靶區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，以提供實時圖像； 靶確定模塊(108)，其被存儲在所述存儲器中，并且被配置為在顯示器上生成被配準到所述實時圖像的疊加圖(111)，以將形態(tài)特征信息投影到所述靶區(qū)域的所述實時圖像中的對應(yīng)特征上；以及 至少一個醫(yī)療器械(122)，其被手動地或自動地控制為在所述靶區(qū)域上執(zhí)行過程，從而基于所述疊加圖，將所述至少一個醫(yī)療器械引導到適合用于執(zhí)行手術(shù)任務(wù)的區(qū)域。
14.如權(quán)利要求13所述的工作站，其中，所述實時成像裝置(121)包括配備照相機的內(nèi)窺鏡(120)。
15.如權(quán)利要求13所述的工作站，其中，所述靶區(qū)域(140)包括心臟，并且所述形態(tài)特征信息包括所述心臟上的壁厚和瘢痕組織中的至少一個。
16.如權(quán)利要求15所述的工作站，其中，所述疊加圖(111)包括顏色變化和紋理變化之一，以指示所述心臟上的壁厚和瘢痕組織中的所述至少一個的變化。
17.如權(quán)利要求13所述的工作站，其中，所述至少一個醫(yī)療器械(122)包括針(124)，并且所述疊加圖(111)示出能夠接受的注射部位。
18.如權(quán)利要求13所述的工作站，其中，所述至少一個醫(yī)療器械(122)包括針(124)，并且所述疊加圖(111)示出不應(yīng)當發(fā)生注射的危險區(qū)(144)。
19.如權(quán)利要求13所述的工作站，其中，使用機器人(132)引導所述至少一個醫(yī)療器械(122),并且基于所述疊加圖(111)控制所述機器人。
20.如權(quán)利要求19所述的工作站，其中，所述機器人(132)將所述至少一個醫(yī)療器械(122)的針(124)插入到器官中，并且測量所述針的插入深度和插入力中的至少一個。
21.如權(quán)利要求20所述的工作站，其中，顯示器(118)實時地指示所述插入深度和插入力中的至少一個。
22.如權(quán)利要求20所述的工作站，其中，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中采用關(guān)于所述插入力的信息，以控制插入深度。
23.如權(quán)利要求13所述的工作站，其中，使用成像系統(tǒng)(110)在術(shù)前或術(shù)中從所述靶區(qū)域收集所述形態(tài)特征信息。
24.如權(quán)利要求13所述的工作站，其中，所述靶確定模塊(108)在所述實時圖像中生成十字線，用于瞄準所述至少一個醫(yī)療器械(122)。`
25.如權(quán)利要求24所述的工作站，還包括報警機構(gòu)(141)，其被配置為當所述十字線被瞄準在如由所述疊加圖指示的風險區(qū)時，提供警報。
26.—種方法,包括: 確定(902)針對患者的靶區(qū)域的感興趣特性； 對所述靶區(qū)域進行實時成像(904)，以提供實時圖像； 在顯示器上生成(906)被配準到所述實時圖像的疊加圖，以將形態(tài)特征信息投影到所述靶區(qū)域的所述實時圖像中的對應(yīng)特征上；以及 在所述靶區(qū)域上執(zhí)行(914)過程，從而基于所述疊加圖將至少一個醫(yī)療器械引導到適合用于執(zhí)行手術(shù)任務(wù)的區(qū)域。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述靶區(qū)域包括心臟，并且所述形態(tài)特征信息包括所述心臟上的壁厚和瘢痕組織中的至少一個，并且執(zhí)行過程的步驟包括: 操縱(916)針到所述靶區(qū)域；以及 根據(jù)所述疊加圖，將所述針部署(918)到所述靶區(qū)域中。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，生成(906)疊加圖包括生成(908)所述疊加圖，以包括顏色變化和紋理變化之一，以指示形態(tài)特征信息中的變化。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，生成(906)疊加圖包括顯示(910)能夠接受的注射部位。
30.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，生成疊加圖包括顯示(912)不應(yīng)當發(fā)生注射的危險區(qū)。
31. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中，執(zhí)行(914)過程包括使用所述疊加圖通過機器人將所述至少一個醫(yī)療器械引導(920)到所述靶區(qū)域，以控制通往能夠手術(shù)部位的引導。
32.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，使用成像系統(tǒng)在術(shù)前或術(shù)中從所述靶區(qū)域收集所述形態(tài)特征信息。
33.如權(quán)利要求26所述的方法，還包括在所述實時圖像中生成(922)十字線，用于瞄準所述至少一個醫(yī)療器械，以及當所述十字線被瞄準在如由所述疊加圖所指示的風險區(qū)時，提供警報。
34.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，實時成像包括對所述至少一個醫(yī)療器械實現(xiàn)的插入深度和插入力中的至少一個進行成像。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中采用關(guān)于所述插入力的信息，以控制插入深度。
【文檔編號】A61B1/00GK103619278SQ201280029752
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月17日
【發(fā)明者】R·曼茨克, R·陳, H·埃爾哈瓦林, A·波波維奇 申請人:皇家飛利浦有限公司