CN107334509B - 一种用于将细长工具与闭塞目标相对齐的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开了用于将细长工具与闭塞目标相对齐、以及用于使用细长工具来瞄准闭塞目标的系统和方法。该用于将细长工具与闭塞目标相对齐的系统包括：调整机构，配置为调整所述细长工具相对于由所述目标隔开的枢轴点的角度取向；三维（3D）成像设备，配置为捕获所述细长工具和所述闭塞目标的三维图像；以及处理器，与所述调整机构和所述三维成像设备通信地耦合。所述处理器配置为：处理从所述三维成像设备接收的三维图像，以获得所述目标和所述枢轴点的位置数据；并且基于所述目标和所述枢轴点的位置数据，来控制所述调整机构以调整所述细长工具相对于所述枢轴点的所述角度取向，以便将所述细长工具的纵向轴线与所述目标和所述枢轴点相对齐。

Description

一种用于将细长工具与闭塞目标相对齐的系统和方法
技术领域
本发明宽泛地涉及一种用于将细长工具与闭塞目标相对齐的系统和方法。
背景技术
许多临床实践包括通过将针的尖端安全地并准确地放置在病变、器官或血管中，而经皮插入针用于活组织检查和药物递送。要求针插入的治疗的示例包括接种疫苗、血液/流体取样、局部麻醉、组织活检、导管插入、冷冻消融、电解消融、短距离放射治疗、神经外科、深部脑刺激、以及各种微创外科。传统地，这些外科手术操作通过手中持有套管针的外科医生来实施，其中套管针的一端停留在患者的皮肤上。套管针的另一端被倾斜若干次以建立套管针和目标区域之间的准确对齐。套管针的对齐通常借助于医学成像系统（诸如X射线放射线照相术、磁共振成像（MRI）、医学超声波检查法或超声波、计算机断层成像（CT）等）来确定。一旦确信准确对齐，则外科医生必须通过使其手稳定来维持套管针的对齐。套管针随后被推入到患者身体中，以到达目标区域。目标的准确度是重要的，这是因为在活组织检查期间套管针放置较差会导致假阴性。短距离放射治疗期间的不准确的种子放置会毁坏健康的组织，而不是癌症组织，有时候会有灾难性的结果。
这些外科手术操作的示例是经皮肾脏外科手术。经皮肾脏外科手术是微创性的程序用于建立经皮肾镜取石术（PCNL）中的锁孔进入（keyhole access）以移除肾脏结石。在该程序中，套管针穿过患者的皮肤通过身体层进入到肾脏中以达到结石目标。外科手术仪器（诸如导丝、超声探头和真空装置）随后会穿过套管针中的孔以实施结石移除过程。
套管针插入程序的持续时间通常范围在10分钟到1.5小时，并且贯穿该程序，C臂荧光检查仪必须在运行中。因此，患者和外科手术工作者都会受到X射线的长期暴露，并且这会在长期来看是潜在的健康威胁。此外，由于该精心的程序，可能会存在套管针必须撤回以及整个程序需要被重复的实例。这会加重患者的病情，因为对肾脏的多次穿刺可能会增加对患者的风险（诸如严重流血、形成血肿、以及感染）。该程序可能必须取消或重新安排，因此导致对患者的很多苦恼以及损失医疗保健专业人员的宝贵时间。
为了解决以上问题，机械臂被用来执行套管针插入程序。例如，当前的途径利用机械臂外科手术系统，其会模仿标准的手动程序。换言之，这些系统被外科医生手动控制，例如使用操纵器（诸如操纵杆）来将套管针与目前区域对齐。还有，这些传统的系统是笨重的，并且在处理中很慢。而且，制作这些系统以及使用这些系统来实施套管针插入程序会很昂贵。
备选地，外科手术程序可以使用机械系统来实施，该机械系统控制柔性针，其具有在图像反馈以到达患者的身体中的目标下的在表面下组织中的转向能力。各种机构可以用于转向柔性针，例如基于尖端的转向、针基部的横向操纵、以及随着针被插入的组织操纵。柔性针可以用于在硬的或敏感的组织（诸如血管和骨头）周围转向，以允许通过针到达由直线路径可以接近的目标。表面下针转向还可以允许针的轨迹被操纵，因此避免需要重复整个外科手术程序。然而，该技术仍然是耗时的，并且需要迭代地获得和处理图像。
因此，存在这样的需求：提供一种试图解决至少一些以上问题的用于对齐外科手术工具的系统。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于将细长工具与闭塞目标相对齐的系统，所述系统包括：调整机构，配置为调整所述细长工具相对于由所述目标隔开的枢轴点的角度取向；三维（3D）成像设备，配置为捕获所述细长工具和所述闭塞目标的三维图像；以及处理器，与所述调整机构和所述三维成像设备通信地耦合，其中所述处理器配置为：处理从所述三维成像设备接收的三维图像以获得所述目标和所述枢轴点的位置数据；以及基于所述目标和所述枢轴点的所述位置数据，控制所述调整机构以调整所述细长工具相对于所述枢轴点的所述角度取向，以便将所述细长工具的纵向轴线与所述目标和所述枢轴点相对齐。
所述处理器还可以配置为：处理所述三维图像以生成截面视图，其中所述截面视图包括通过所述目标的至少一个截面平面；以及基于所述截面视图的图像数据来提取所述目标的所述位置数据。
所述至少一个截面平面可以包括x轴截面平面和垂直于所述x轴截面平面的y轴截面平面，并且其中所述x轴截面平面和所述y轴截面平面两者都通过所述目标。
所述位置数据可以包括三维欧氏空间中的目标坐标，并且其中所述处理器配置为基于所述截面视图上的目标位置来提取所述目标坐标。
所述处理器还可以配置为：基于所述三维图像来提取枢轴点坐标；计算通过所述目标坐标和所述枢轴点坐标的直线；以及控制所述调整机构来调整所述细长工具的所述角度取向，以将所述外科手术工具的纵向轴线与所述直线相对齐。
所述处理器还可以配置为：基于所述目标坐标和所述枢轴点坐标来计算所述枢轴点和所述目标之间的距离。
所述处理器还可以配置为：使用所述距离和所述细长工具的被调整的角度取向，来模拟所述细长工具朝向所述目标的轨迹。
所述三维图像可以是实时三维图像，并且其中所述三维成像设备包括选自由以下各项组成的组中的至少一项：磁共振成像（MRI）机，计算机断层成像（CT）扫描仪，以及荧光检查仪。
所述调整机构可以包括基部和平台，其中所述平台配置为与所述基部相平行。
所述调整机构还可以包括将所述基部与所述平台链接的多个臂，所述多个臂配置为沿着平行于所述基部的平面来移动所述平台，以相对于所述枢轴点来调整所述细长工具的所述角度取向。
所述平台可以包括用于支撑所述细长工具的球接头连接（compliance），所述球接头连接包括配置为允许所述细长工具在其中滑动移动的孔。
所述调整机构还可以包括工具保持件，所述工具保持件能够从所述平台拆卸。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用细长工具来瞄准（strike）闭塞目标的系统，所述系统包括：根据所述第一方面所限定的用于将细长工具与闭塞目标相对齐的系统；以及致动器，被耦合到所述细长工具，其中所述处理器还配置为确定所述枢轴点和所述目标之间的瞄准距离；以及其中所述致动器配置为：基于处于对齐的所述细长工具的所述角度取向和所述瞄准距离，来朝向所述目标驱动所述细长工具。
所述系统还可以包括耦合到所述处理器的显示设备，其中所述处理器还配置为：基于用于显示在显示设备上的处于对齐的所述细长工具的所述角度取向和所述瞄准距离，来模拟所述细长工具的轨迹。
所述系统还可以包括限位器件（stopper），所述限位器件配置为被安装到所述细长工具，并且防止所述细长工具进一步移动超过所述瞄准距离。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于将细长工具与闭塞目标相对齐的方法，所述方法包括以下步骤：捕获所述细长工具和所述闭塞目标的三维（3D）图像；处理所述三维图像以获得所述目标和由所述目标隔开的枢轴点的位置数据；以及基于所述目标和所述枢轴点的所述位置数据，调整所述细长工具相对于所述枢轴点的角度取向，以便将所述细长工具的纵向轴线与所述目标和所述枢轴点相对齐。
处理所述三维图像以获得所述目标的位置数据可以包括以下步骤：生成截面视图，其中所述截面视图包括通过所述目标的至少一个截面平面；以及基于所述截面视图的图像数据来提取所述目标的所述位置数据。
所述至少一个截面平面可以包括x轴截面平面和垂直于所述x轴截面平面的y轴截面平面，并且其中所述x轴截面平面和所述y轴截面平面两者都通过所述目标。
提取所述目标的所述位置数据可以包括：基于所述截面视图上的所述目标位置来提取三维欧氏空间中的目标坐标。
所述方法还可以包括以下步骤：基于所述三维图像来提取枢轴点坐标；计算通过所述目标坐标和所述枢轴点坐标的直线；以及控制所述调整机构来调整所述细长工具的所述角度取向，以将所述外科手术工具的纵向轴线与所述直线相对齐。
根据本发明的第四方面，提供了一种使用细长工具来瞄准闭塞目标的方法，所述方法包括以下步骤：使用根据所述第三方面所限定的用于将细长工具与闭塞目标相对齐的方法，来将所述细长工具的纵向轴线与所述目标相对齐；基于所述枢轴点和所述尖端的位置数据，来计算所述枢轴点和所述目标之间的瞄准距离；以及根据所计算的距离，将所述细长工具朝向所述目标推进。
在将所述细长工具朝向所述目标推进的步骤之前，所述方法可以包括以下步骤：根据处于对齐的所述细长工具的所述角度取向和所述瞄准距离，来模拟所述细长工具朝向所述目标的轨迹。
所述方法还可以包括阻挡所述细长工具进一步移动超过所述瞄准距离。
附图说明
仅通过示例并结合附图，从以下描述中，本发明的实施例将更好地被本领域技术人员理解并更容易清楚。附图中：
图1示出了图示根据示例实施例的一种用于将细长工具与闭塞目标相对齐的系统的示意图。
图2A示出了根据示例实施例的在图1中的系统中使用的调整机构的透视图。
图2B示出了图2A的调整机构的前视图。
图2C示出了两个透视图，其图示了使用根据示例实施例的图2的调整机构的工具保持件。
图3示出了根据示例实施例的由三维（3D）成像设备捕获的患者身体的截面视图。
图4示出了根据示例实施例的外科手术工具被调整为与肾结石相对齐的示意图。
图5示出了适于用在示例实施例中的示例性计算设备。
具体实施方式
图1示出根据示例实施例的图示用于将细长工具（例如外科手术工具102，诸如空心针）与闭塞目标104相对齐的系统100的示意图。在下面的描述中，闭塞目标是肾结石104，并且系统100参照外科手术应用描述用于移除肾结石104。然而，应理解的是，系统100可以用于各种其它应用中，诸如活组织检查、消融和椎体成形术。另外，其它非外科手术应用（诸如在实验室或工业中执行的那些）也可以是预想的。
该系统100包括调整机构106。调整机构106配置为调整外科手术工具102相对于枢轴点108的角度取向。该系统100还包括以三维（3D）成像设备110形式的成像设备，配置为捕获外科手术工具102和包含肾结石104的患者身体112的三维图像。由三维成像设备110捕获的三维图像包括患者身体112的内部的图像。
该系统100还包括处理器114，该处理器114通信地与调整机构106和三维成像设备110相耦合。该处理器114配置为处理从三维成像设备110接收的三维图像以获得肾结石104的位置数据。基于肾结石104的位置数据，处理器114可以控制调整机构106以调整外科手术工具102相对于枢轴点108的角度取向，以便将外科手术工具102的纵向轴线与肾结石104和枢轴点108相对齐。
在该实施例中，调整机构106被安装在躺在外科手术台116上的患者身体112上，例如使用胶带或胶体。换言之，调整机构106并未连接到固定结构，而是可以针对需要类型的外科手术而位于相对于患者身体112的期望位置。安装在患者身体112上的调整机构106可以与患者腹部的呼吸运动协力运动。这可以使得当外科手术工具102在患者身体112中时，在手术期间的皮肤和器官破坏最小化。在其它实施例中，调整机构106可以安装到患者身体112上方的刚性结构以及外科手术台116以固定调整机构106的位置。调整机构106包括至少一个致动器（未示出），其配置为当致动器经由无线连接从处理器114接收信号时，操作调整机构106。在又一实施例中，来自处理器114的信号还可以经由有线连接传送到致动器。
三维成像设备110可以捕获外科手术工具102和包含肾结石104的患者身体112的实时三维图像。与肾结石104相邻的在患者身体112的皮肤上的位置通常被标记“X”标记作为外科手术工具102的插入点。在实施例中，“X”标记是枢轴点108，当外科手术工具102的角度取向由调整机构106调整时，在枢轴点108处外科手术工具102的尖端被放置。三维成像设备110的一些实例包括磁共振成像（MRI）机，计算机断层成像（CT）扫描、以及荧光检查仪。
处理器114与三维成像设备110通信地耦合以接收三维图像数据，该三维图像数据例如经由有线/无线连接或数据存储设备（USB闪存驱动）来传递。根据该三维图像数据，处理器114可以提取信息，诸如肾结石104和枢轴点108的位置数据。在该示例实施例中的位置数据是三维欧氏空间中的肾结石104和枢轴点108的欧氏坐标。具体地，来自三维成像设备110的三维图像在三维平面截面软件中被打开。在三维图像上，临床医生选择通过肾结石104的至少一个截面平面（例如x轴或y轴截面平面）。患者身体112的截面视图基于由临床医生通过以下而选择的截面平面来生成：移除闭塞肾结石104的身体部位的图像，使得肾结石104在三维图像上的截面表面上是可见的。
临床医生然后选择在截面视图上的肾结石104。处理器114配置为基于由临床医生在截面视图上选择的肾结石104的位置来确定肾结石104的坐标。根据三维图像数据，临床医生还可以选择枢轴点108的位置，外科手术工具102的尖端在枢轴点108处被放置，并且处理器114配置为确定枢轴点108的坐标。基于肾结石104和枢轴点108的坐标，处理器可以确定走形通过目标坐标和枢轴点坐标的直线。在确定直线之后，处理器可以控制调整机构106以调整外科手术工具102相对于枢轴点108的角度取向，以便将外科手术工具102的纵向轴线与直线相对齐。
基于肾结石104和枢轴点108的坐标，处理器114可以计算枢轴点108处的外科手术工具102的尖端与肾结石104之间的距离。在计算该距离之后，处理器114可以根据所计算的距离使用三维图像来模拟外科手术工具102朝向肾结石104的轨迹。如果模拟结果是满意的，则外科手术工具102根据所计算的距离被插入到患者身体112中。
还当理解，处理器114可以配置为扫描从三维成像设备110接收的三维图像，并且在没有来自临床医生的任何输入的情况下，自动地处理三维图像以创建截面视图。另外，处理器114在没有来自临床医生的任何输入的情况下自动地获得肾结石104在截面视图上的位置，以确定肾结石104和枢轴点108的坐标，并且计算肾结石104和枢轴点108之间的距离。此外，当外科手术工具102的角度取向被调整但相对于枢轴点108移动时，在外科手术工具102的尖端没有放置在枢轴点108的情况下，处理器可以配置为提取该尖端的以点坐标形式的位置数据。相应地，替代使用枢轴点108的坐标，处理器可以使用尖端和肾结石104的坐标来确定或更新直线、以及外科手术工具102的尖端和肾结石104之间的距离。
图2A和图2B分别示出根据示例实施例的调整机构200的透视图和前视图，适于用在图1的系统100中。调整机构200包括基部202（形式为环孔）以及多个臂（表示为第一臂204a、第二臂204b和第三臂204c）。臂204a、204b和204c以基本上彼此均匀的角度距离连接到基部202。调整机构200还包括提升平台206。提升平台206被分别连接到臂204a、204b和204c的末梢执行器208a、208b、208c。平台206是环孔的形式并且包括球接头连接（balljoint compliance）210，处于平台206的中心。球接头连接210包括握住外科手术工具212的孔，并且允许外科手术工具212的滑动运动。球接头连接210还包括驱动机构（形式为活塞，未示出），用于握住外科手术工具212并且将外科手术工具212插入到患者身体112中（图1）。
在手术期间，基部202被附接到患者身体114。臂204a、204b和204c被至少一个致动器（未示出）致动以彼此协调来调整平台206的位置以及因此的外科手术工具212相对于枢轴点214的取向。在每次手术期间，平台206通常在相同的平面处以相对于基部202预定的恒定高度来运动，并且平台206相对于基部202的运动通过箭头216a、216b、216c示出在图2A中。该高度通常在手术之前基于诸如针间距和患者的生理情况等因素在校准阶段来确定。当平台206的位置由臂204a、204b和204c来调整时，外科手术工具212松弛地被活塞和球接头连接210握住，允许外科手术工具212自由地围绕枢轴点214枢转或旋转。该配置允许当平台206在相同平面处运动时外科手术工具212的倾斜，并且外科手术工具212的倾斜由图2A中的箭头218来示出。
外科手术工具212在示例实施例中包括可调整的限位器件220，该限位器件被安装为与外科手术工具212的与枢轴点214相对的端222相邻。在确信外科手术工具212的取向和插入的深度之后，球接头连接210的位置被锁定并且限位器件220被粘附到外科手术工具，使得限位器件220和球接头连接210之间的距离近似等于插入深度。接下来，活塞被致动器致动，以握住外科手术工具212，并且将外科手术工具212插入到患者身体112中。通常，外科手术工具212的插入深度被球接头连接210和限位器件220之间的距离来限制。该配置可以限制外科手术工具212过度插入到患者身体112中。
调整机构200的结构通常由轻的并且刚性的材料来制成。在一些实施例中，调整机构200由透射线材料制成，使得由三维成像设备110（图1）提供的三维图像不捕获调整机构200的图像。在优选实施例中，调整机构200的不同部分是由不同的射线透射性的材料制成。作为示例，调整机构200 的平台206的部分可以由不透射线材料（例如不锈钢）制成，而调整机构200的其它部分由透射线材料制成。在该实例中，平台206的图像由三维成像设备110被捕获在三维图像上，并且平台206的位置数据可以从三维图像中提取。这可以辅助调整外科手术工具212的角度取向，并且辅助确定由平台206和其它平面（诸如肾结石104的目标平面，图1）形成的平面之间几何关系。特别地，平台206包括球接头连接210，其握住处于平台206的中心处的外科手术工具212。平台206的位置数据可以运行容易确定球接头连接的坐标，并且因此的外科手术工具212的角度取向。将外科手术工具212对齐的过程因此会更容易。
由于调整机构200具有简单的结构，并且在尺寸上相对较小，因此，其可以运动并且快速响应于来自处理器114（图1）的信号。调整机构200的配置还限制过度的运动。这会减少在手术中的皮肤撕裂。此外，调整机构200的大多数部分还由生物兼容的材料制成，使得在外科手术中使用调整机构200不会对患者引起任何不期望的影响。例如，合适的材料可以是钛或聚醚醚酮树脂（Polyether Ether Ketone，PEEK）。但是，应理解的是调整机构200的结构可以由其它材料来制成。
在实施例中，外科手术工具212可以包括与处理器114通信地耦合的触觉传感器（未示出），以检测外科手术工具212上的压力改变。这会增强处理器114在检测外科手术工具212在患者身体112中的深度以及检测肾结石104（图1）的准确度。
图2C示出了两个透视图，其图示了使用根据示例实施例的的图2A的调整结构的保持件224。这里，工具保持件224可从平台206拆卸。工具保持件224的结构包括球接头连接210和从球接头连接210径向向外眼神的多个支撑结构226，其将球接头连接210与平台206的环形环相链接。接合机构（表示为捕获件228）被用于可拆卸地将工具保持件224紧固到平台206。
如在第一布置中示出的（图2C上的左侧示图），当平台206移动为倾斜外科手术工具212时，工具保持件224被附接到平台206。外科手术工具212的倾斜由箭头218示出。如在第二布置中示出的（图2C上的右侧示图），如果需要进一步插入超过由限位器件220所允许的插入深度，则工具保持件224从平台206拆卸（例如通过顺时针方向或逆时针方向转动工具保持件224），并且被降低到患者身体112上（如箭头230所示）。工具保持件224可以被安装在患者身体112上（图1），例如使用胶带或胶体。在工具保持件224被安装在患者身体112上之后，活塞被致动器致动以保持并进一步插入外科手术工具212到患者身体112中（如箭头232所示）。在该点上，外科手术工具的取向已经被确认为与肾结石相对齐。工具保持件224因此允许外科手术工具212被插入到患者身体112中更大的深度，提供所需要实施的工作类型的柔性。
图3示出了根据示例实施例的由三维成像设备110（图1）捕获的患者身体112（图1）的截面视图300。这里，患者身体112的三维图像被两个截面平面所截断，即x轴平面302和y轴平面304，其通过肾结石104（图1）。截面平面302，304的位置可以由临床医生手动调整，用于标识肾结石104的位置。如图中所示，肾结石104在作为三维图像的截面的结果的截面视图300中清楚可见。这可以允许临床医生从截面视图300准确地选择肾结石104，以及甚至肾结石104的优选位置。处理器114（图1）随后基于由临床医生选择的肾结石104的位置来确定肾结石104的坐标，并且根据肾结石104的坐标来控制调整机构106（图1）以调整外科手术工具102（图1），以便将外科手术工具102的纵向轴线与肾结石104相对齐。
图4示出根据示例实施例的外科手术工具102（图1）被调整为与肾结石104（图1）相对齐的示意图。如图4所示，在调整外科手术工具102从第一角度取向400a到第二角度取向400b（即目标平面402）中涉及三个平面，即目标平面402,、枢轴点平面404、以及调整机构平面406。
如以上关于图1所描述的，肾结石104在三维欧氏空间中的坐标（由图4中的S0表示）、以及枢轴点108的坐标（图1，由P0表示）可以由处理器114从三维成像设备110（图1）接收的三维图像中提取。使用坐标S0和P0，处理器114（图1）可以计算平面406上的对齐坐标（由P1表示），其将肾结石104与枢轴点108相对齐。例如，坐标P1与通过坐标S0和P0的直线与平面406之间的交点相对应。换言之，对齐坐标P1形成具有坐标S0和P0的基本上的直线。基于对齐坐标P1，处理器114控制调整结构106（图1）以调整在调整机构平面406处的外科手术工具102从第一角度取向400a到第二角度取向400b，使得外科手术工具102的纵向轴线经过第二角度取向400b中的对齐坐标P1。这可以通过例如横向地移动平台206来实现，使得球接头连接210处于坐标P1。在第二角度取向400b中，外科手术工具102的纵向轴线与肾结石104和枢轴点108相对齐。确定坐标S0和P0、计算对齐坐标P1、以及将外科手术工具102调整为与对齐坐标P1对齐的步骤可以自动地重复，以校正任何误差，直到外科手术工具102的纵向轴线基本上与肾结石104相对齐。
本发明的实施例提供了一种自动地将外科手术工具与肾结石相对齐的系统。如参照附图所描述的，该系统根据成像设备的三维图像来确定肾结石和枢轴点的位置数据。根据这些数据，该系统可以进行计算来调整外科手术工具的角度取向以与肾结石相对齐。该系统还可以进行计算来确定尖端和肾结石之间的距离，并且在根据所计算的距离朝向肾结石插入外科手术工具之前来模拟外科手术工具的轨迹。
由三维成像设备捕获的三维图像可以被处理来生成患者身体的截面视图。由系统确定的肾结石位置的准确度可以被增强，因为肾结石在截面视图中清晰可见。另外，相对于使用传统的成像设备，外科手术操作的过程还可以被简化，因为三维图像提供了三维欧氏空间中的位置数据，使得系统计算准确的角度取向、以及在插入外科手术工具之前外科手术工具相对于肾结石的距离。这可以消除传统方法中需要从不同角度来捕获多个图像。结果，本发明的实施例可以增强外科手术工具的轨迹的准确度，并且减少外科手术操作时间，因此改善了成功手术率。
图5示出了示例计算设备500，后文可互换地被称为计算机系统500，其中一个或多个这样的计算设备500包括处理器（诸如图1中的114用于实施示例实施例的方法和系统。计算设备500的以下描述仅通过示例来提供，并且不旨在限制。
如图5所示，示例计算设备500包括处理器504用于执行软件例程。尽管为了清楚示出了单个处理器，但是计算设备500还可以包括多处理器系统。处理器504连接到用于与计算设备500的其它部件通信的通信基础结构506。通信基础结构506可以例如包括通信总线、交叉（cross-bar）或网络。
计算设备500还包括主存储器508（诸如随机访问存储器（RAM））和次级存储器510。次级存储器510可以包括例如硬盘驱动器512和/或可移除存储驱动器514，其可以包括软盘驱动器、磁盘驱动器和光盘驱动器等。可移除存储驱动器514以已知方式从可移除存储单元518读取或写到可移除存储单元518。可移除存储单元518可以包括软盘、磁带和光盘等，其由可移除存储驱动器514读取或写到可移除存储驱动器514。本领域技术人员应当理解的是可移除存储单元518包括计算机可读存储介质，在计算机可读存储介质上存储有计算机可执行程序代码指令和/或数据。
在其它实施例中，次级存储器510可以附加地或备选地包括其它相似的用于允许计算机程序或其它指令加载到计算设备500中的器件。这样的器件可以包括例如可移除存储单元522和接口520。可移除存储单元522和接口520的示例包括程序盒式存储器（cartridge）和盒式接口（诸如在视频游戏控制设备中找到的）、可移除存储器芯片（诸如EPROM或者PROM）和相关联的插口、以及允许软件和数据从可移除存储单元522传递到计算机系统500的其它可移除存储单元522和接口520。
计算设备500还包括至少一个通信接口524。通信接口524允许软件和数据在计算设备500和外部设备之间经由通信路径526来传递。在本发明的各种实施例中，通信接口524允许数据在计算设备500和数据通信网络（诸如公共数据通信网络或私有数据通信网络）之间被传递。通信接口524可以用来在不同的计算设备500之间交换数据，其中这样的计算设备500形成内部连接的计算机网络的部分。通信接口524的示例可以包括调制解调器、网络接口（诸如以太网卡）、通信端口、具有相关联的电路的天线等。通信接口524可以是有线的或者可以是无线的。经由通信接口524传递的软件和数据可以是电子信号、电磁信号、光信号、或者能够由通信接口524接收的其它信号形式。这些信号经由通信路径526提供给通信接口。
如图5所示，计算设备500还可以包括显示接口502和音频接口532，显示接口502用于执行将图像渲染到相关联的显示器530的操作，音频接口532用于执行经由相关联的扬声器534来播放音频内容的操作。
如本文中所使用的，术语“计算机程序产品”可以部分是指可移除存储单元518、可移除存储单元522、硬盘驱动器512中安装的硬盘、或者经由通信路径526将软件携带到通信接口524的载波。计算机可读存储介质是指任意非暂态有形存储介质，其将所记录的指令和/或数据提供给用于执行和/或处理的计算设备500。这样的存储介质的示例包括软盘、磁盘、CD-ROM、DVD、Blu-rayTM盘、硬盘驱动、ROM或者集成电路、USB存储器、光磁盘、或者计算机可读卡（诸如SD卡等），无论这些设备在计算设备500的内部或外部。暂态的或非有形的计算机可读传输介质的示例（其还可以参与到向计算设备500提供软件、应用程序、指令和/或数据）包括无线电或者红外传输信道以及到另一计算机或联网设备的网络连接、以及因特网或内联网（包括email传输和记录在网站上的信息等）。
计算机程序（还被称为计算机程序代码）被存储在主存储器508和/或次级存储器510中。计算机程序还可以经由通信接口524来接收。这样的计算机程序当执行时会使得计算设备500执行本文讨论的实施例中的一个或多个特征。在各种实施例中，计算机程序当被执行时会使得处理器504执行上文描述的实施例的特征。相应地，这样的计算机程序表示计算机系统500的控制器。
软件可以存储在计算机程序产品中并且被加载到使用可移除存储驱动器514、硬盘驱动器512或接口520的计算设备500中。备选地，计算机程序产品可经由通信路径526被下载到计算机系统500。软件当被处理器504执行时会使得计算设备500执行本文描述的实施例的功能。
应理解的是图5的实施例仅作为示例来呈现。因此，在一些实施例中，可以省略计算设备500的一个或多个特征。还有，在一些实施例中，可以将计算设备500的一个或多个特征组合在一起。附加地，在一些实施例中，计算设备500的一个或多个特征可以被分开成一个或多个零部件。
应理解的是，图5中图示的元件用于提供用来执行如以上实施例中描述的服务器的各种功能和操作的器件。在一种实施方式中，服务器可以通常被描述为包括至少一个处理器和至少一个存储器（包括计算机程序代码）的物理设备。至少一个处理器和计算机程序代码配置为与至少一个处理器一起使得物理设备执行必须的操作。
本公开的第一方面可以被实现为一种用于将细长工具与闭塞目标相对齐的系统，所述系统包括：
调整机构，配置为调整所述细长工具相对于由所述目标隔开的枢轴点的角度取向；
三维（3D）成像设备，配置为捕获所述细长工具和所述闭塞目标的三维图像；以及
处理器，与所述调整机构和所述三维成像设备通信地耦合，其中所述处理器配置为：
处理从所述三维成像设备接收的三维图像以获得所述目标和所述枢轴点的位置数据；以及
基于所述目标和所述枢轴点的所述位置数据，控制所述调整机构以调整所述细长工具相对于所述枢轴点的所述角度取向，以便将所述细长工具的纵向轴线与所述目标和所述枢轴点相对齐。
在一些实施例中，其中，所述处理器还配置为：
处理所述三维图像以生成截面视图，其中所述截面视图包括通过所述目标的至少一个截面平面；以及
基于所述截面视图的图像数据来提取所述目标的所述位置数据。
在一些实施例中，其中所述至少一个截面平面包括x轴截面平面和垂直于所述x轴截面平面的y轴截面平面，并且其中所述x轴截面平面和所述y轴截面平面两者都通过所述目标。
在一些实施例中，其中所述位置数据包括三维欧氏空间中的目标坐标，并且其中所述处理器配置为基于所述截面视图上的目标位置来提取所述目标坐标。
在一些实施例中，其中所述处理器还配置为：
基于所述三维图像来提取枢轴点坐标；
计算通过所述目标坐标和所述枢轴点坐标的直线；以及
控制所述调整机构来调整所述细长工具的所述角度取向，以将所述外科手术工具的纵向轴线与所述直线相对齐。
在一些实施例中，其中所述处理器还配置为：基于所述目标坐标和所述枢轴点坐标来计算所述枢轴点和所述目标之间的距离。
在一些实施例中，其中所述处理器还配置为：使用所述距离和所述细长工具的被调整的角度取向，来模拟所述细长工具朝向所述目标的轨迹。
在一些实施例中，其中所述三维图像是实时三维图像，并且其中所述三维成像设备包括选自由以下各项组成的组中的至少一项：磁共振成像（MRI）机，计算机断层成像（CT）扫描仪，以及荧光检查仪。
在一些实施例中，其中所述调整机构包括基部和平台，其中所述平台配置为与所述基部相平行。
在一些实施例中，其中所述调整机构还包括将所述基部与所述平台链接的多个臂，所述多个臂配置为沿着平行于所述基部的平面来移动所述平台，以相对于所述枢轴点来调整所述细长工具的所述角度取向
在一些实施例中，其中所述平台包括用于支撑所述细长工具的球接头连接，所述球接头连接包括配置为允许所述细长工具在其中滑动移动的孔。
在一些实施例中，其中所述调整机构还包括工具保持件，所述工具保持件能够从所述平台拆卸。
本公开的第二方面可以被实现为一种使用细长工具来瞄准闭塞目标的系统，所述系统包括：
根据以上第一方面中所述的用于将细长工具与闭塞目标相对齐的系统；以及
致动器，被耦合到所述细长工具，
其中所述处理器还配置为确定所述枢轴点和所述目标之间的瞄准距离；以及
其中所述致动器配置为：基于处于对齐的所述细长工具的所述角度取向和所述瞄准距离，来朝向所述目标驱动所述细长工具。
在一些实施例中，所述系统还包括耦合到所述处理器的显示设备，其中所述处理器还配置为：基于处于对齐的所述细长工具的所述角度取向和所述瞄准距离，来模拟所述细长工具的轨迹用于显示在所述显示设备上。
在一些实施例中，所述系统还包括限位器件，所述限位器件配置为被安装到所述细长工具，并且防止所述细长工具进一步移动超过所述瞄准距离。
本公开的第三方面可以被实现为一种用于将细长工具与闭塞目标相对齐的方法，所述方法包括以下步骤：
捕获所述细长工具和所述闭塞目标的三维（3D）图像；
处理所述三维图像以获得所述目标和由所述目标隔开的枢轴点的位置数据；以及
基于所述目标和所述枢轴点的所述位置数据，调整所述细长工具相对于所述枢轴点的角度取向，以便将所述细长工具的纵向轴线与所述目标和所述枢轴点相对齐。
在一些实施例中，其中，处理所述三维图像以获得所述目标的位置数据包括以下步骤：
生成截面视图，其中所述截面视图包括通过所述目标的至少一个截面平面；以及
基于所述截面视图的图像数据来提取所述目标的所述位置数据。
在一些实施例中，其中所述至少一个截面平面包括x轴截面平面和垂直于所述x轴截面平面的y轴截面平面，并且其中所述x轴截面平面和所述y轴截面平面两者都通过所述目标。
在一些实施例中，其中提取所述目标的所述位置数据包括：基于所述截面视图上的所述目标位置来提取三维欧氏空间中的目标坐标。
在一些实施例中，所述方法还包括以下步骤：
基于所述三维图像来提取枢轴点坐标；
计算通过所述目标坐标和所述枢轴点坐标的直线；以及
控制所述调整机构来调整所述细长工具的所述角度取向，以将所述外科手术工具的纵向轴线与所述直线相对齐。
本公开的第四方面可以被实现为一种使用细长工具来瞄准闭塞目标的方法，所述方法包括以下步骤：
使用根据以上第三方面中所述的用于将细长工具与闭塞目标相对齐的方法，来将所述细长工具的纵向轴线与所述目标相对齐；
基于所述枢轴点和所述尖端的位置数据，来计算所述枢轴点和所述目标之间的瞄准距离；以及
根据所计算的距离，将所述细长工具朝向所述目标推进。
在一些实施例中，其中，在将所述细长工具朝向所述目标推进的步骤之前，所述方法包括以下步骤：根据处于对齐的所述细长工具的所述角度取向和所述瞄准距离，来模拟所述细长工具朝向所述目标的轨迹。
在一些实施例中，所述方法还包括阻挡所述细长工具进一步移动超过所述瞄准距离。
本领域技术人员应理解的是，在不偏离本发明广泛描述的精神和范围的情况下，可以对特定实施例中示出的本发明进行很多变化和/或修改。本发明的实施例因此应在所有方面被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (23)

1.一种用于将细长工具与闭塞目标相对齐的系统，所述系统包括：
调整机构，配置为调整所述细长工具相对于与所述目标隔开的枢轴点的角度取向；
三维(3D)成像设备，配置为捕获所述细长工具和所述闭塞目标的三维图像；以及
处理器，与所述调整机构和所述三维成像设备通信地耦合，其中所述处理器配置为：
处理从所述三维成像设备接收的三维图像以获得所述目标和所述枢轴点的位置数据；以及
基于所述目标和所述枢轴点的所述位置数据，控制所述调整机构以调整所述细长工具相对于所述枢轴点的所述角度取向，以便将所述细长工具的纵向轴线与所述目标和所述枢轴点相对齐。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还配置为：
处理所述三维图像以生成截面视图，其中所述截面视图包括通过所述目标的至少一个截面平面；以及
基于所述截面视图的图像数据来提取所述目标的位置数据。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少一个截面平面包括x轴截面平面和垂直于所述x轴截面平面的y轴截面平面，并且其中所述x轴截面平面和所述y轴截面平面两者都通过所述目标。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其中所述位置数据包括三维欧氏空间中的目标坐标，并且其中所述处理器配置为基于所述截面视图上的目标位置来提取所述目标坐标。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述处理器还配置为：
基于所述三维图像来提取枢轴点坐标；
计算通过所述目标坐标和所述枢轴点坐标的直线；以及
控制所述调整机构来调整所述细长工具的所述角度取向，以将所述细长工具的纵向轴线与所述直线相对齐。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述处理器还配置为：基于所述目标坐标和所述枢轴点坐标来计算所述枢轴点和所述目标之间的距离。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述处理器还配置为：使用所述距离和所述细长工具的被调整的角度取向，来模拟所述细长工具朝向所述目标的轨迹。
8.根据权利要求1-3、5-7中任一项所述的系统，其中所述三维图像是实时三维图像，并且其中所述三维成像设备包括选自由以下各项组成的组中的至少一项：磁共振成像(MRI)机，计算机断层成像(CT)扫描仪，以及荧光检查仪。
9.根据权利要求1-3、5-7中任一项所述的系统，其中所述调整机构包括基部和平台，其中所述平台配置为与所述基部相平行。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述调整机构还包括将所述基部与所述平台链接的多个臂，所述多个臂配置为沿着平行于所述基部的平面来移动所述平台，以相对于所述枢轴点来调整所述细长工具的所述角度取向。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述平台包括用于支撑所述细长工具的球接头连接，所述球接头连接包括配置为允许所述细长工具在其中滑动移动的孔。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述调整机构还包括工具保持件，所述工具保持件能够从所述平台拆卸。
13.一种使用细长工具来瞄准闭塞目标的系统，所述系统包括：
根据权利要求1中所述的用于将细长工具与闭塞目标相对齐的系统；以及
致动器，被耦合到所述细长工具，
其中所述处理器还配置为确定所述枢轴点和所述目标之间的瞄准距离；以及
其中所述致动器配置为：基于处于对齐的所述细长工具的所述角度取向和所述瞄准距离，来朝向所述目标驱动所述细长工具。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括耦合到所述处理器的显示设备，其中所述处理器还配置为：基于处于对齐的所述细长工具的所述角度取向和所述瞄准距离，来模拟所述细长工具的轨迹用于显示在所述显示设备上。
15.根据权利要求13或14所述的系统，还包括限位器件，所述限位器件配置为被安装到所述细长工具，并且防止所述细长工具进一步移动超过所述瞄准距离。
16.一种用于将细长工具与闭塞目标相对齐的方法，所述方法包括以下步骤：
捕获所述细长工具和所述闭塞目标的三维(3D)图像；
处理所述三维图像以获得所述目标和与所述目标隔开的枢轴点的位置数据；以及
基于所述目标和所述枢轴点的所述位置数据，调整所述细长工具相对于所述枢轴点的角度取向，以便将所述细长工具的纵向轴线与所述目标和所述枢轴点相对齐。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，处理所述三维图像以获得所述目标的位置数据包括以下步骤：
生成截面视图，其中所述截面视图包括通过所述目标的至少一个截面平面；以及
基于所述截面视图的图像数据来提取所述目标的位置数据。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述至少一个截面平面包括x轴截面平面和垂直于所述x轴截面平面的y轴截面平面，并且其中所述x轴截面平面和所述y轴截面平面两者都通过所述目标。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中提取所述目标的位置数据包括：基于所述截面视图上的所述目标位置来提取三维欧氏空间中的目标坐标。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤：
基于所述三维图像来提取枢轴点坐标；
计算通过所述目标坐标和所述枢轴点坐标的直线；以及
控制所述调整机构来调整所述细长工具的所述角度取向，以将所述细长工具的纵向轴线与所述直线相对齐。
21.一种使用细长工具来瞄准闭塞目标的方法，所述方法包括以下步骤：
使用根据权利要求16中所述的用于将细长工具与闭塞目标相对齐的方法，来将所述细长工具的纵向轴线与所述目标相对齐；
基于所述枢轴点和所述细长工具的尖端的位置数据，来计算所述枢轴点和所述目标之间的瞄准距离；以及
根据所计算的距离，将所述细长工具朝向所述目标推进。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，在将所述细长工具朝向所述目标推进的步骤之前，所述方法包括以下步骤：根据处于对齐的所述细长工具的所述角度取向和所述瞄准距离，来模拟所述细长工具朝向所述目标的轨迹。
23.根据权利要求21或22所述的方法，还包括阻挡所述细长工具进一步移动超过所述瞄准距离。
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Application publication date: 20171110

Assignee: Shanghai Shuhang robot Co.,Ltd.

Assignor: NDR MEDICAL TECHNOLOGY Pte. Ltd.

Contract record no.: X2021990000469

Denomination of invention: A system and method for aligning a slender tool with an occluded target

Granted publication date: 20190827

License type: Exclusive License

Record date: 20210809

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