CN111417352A - 用于设定图像引导式外科手术的轨迹和目标位置的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于执行图像引导式外科手术的系统包含仪器，其具有经配置以限定进入患者体内的轨迹的第一部分、标记装置和用户界面组件。感测装置接收从所述标记装置反射或发出的电磁信号，且耦合到所述感测装置的处理系统包含至少一个处理器，所述处理器经配置有处理器可执行指令，以执行包含以下各项的操作：基于在所述感测装置处接收到的所述信号跟踪所述仪器相对于所述患者的位置和定向；从所述仪器的所述用户界面组件接收指示用户输入事件的信号；以及响应于接收所述信号而保存由所述仪器的所述第一部分限定的进入所述患者体内的所述轨迹。

Description

用于设定图像引导式外科手术的轨迹和目标位置的方法和 系统
相关申请
本申请要求2016年10月21日提交的第62/411,055号美国临时申请的优先权益，所述美国临时申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
背景技术
近年来，可包含图像引导式外科手术和机器人外科手术的计算机辅助的外科手术程序引起了越来越多的关注。这些程序包含将通常使用术前或术中医学成像(例如，x射线计算机断层扫描(CT)或磁共振(MR)成像)获得的患者解剖结构的“虚拟”三维数据集集成到外科手术区域中的患者和/或其它对象(例如，外科手术仪器、机器人操纵器或末端执行器)的实际位置。这些程序可以用于帮助外科医生规划外科手术，并且还可以在外科手术过程期间为外科医生提供相关的反馈。存在改进计算机辅助的外科手术系统的安全性和易用性的持续的需要。
发明内容
各种实施例包含用于执行计算机辅助的图像引导式外科手术，包含机械地辅助的外科手术的方法和系统。
实施例包含一种用于执行图像引导式外科手术的系统，其包含仪器，所述仪器具有经配置以限定进入患者体内的轨迹的第一部分、标记装置和用户界面组件，所述系统进一步包含：感测装置，其经配置以接收从标记装置反射或发出的电磁信号；以及处理系统，其耦合到感测装置，具有至少一个处理器，所述处理器经配置有处理器可执行指令，以执行包含以下各项的操作：基于在感测装置处接收到的信号跟踪仪器相对于患者的位置和定向，从仪器的用户界面组件接收指示用户输入事件的信号，以及响应于接收信号而保存由仪器的第一部分限定的进入患者体内的轨迹。
另外实施例包含一种执行图像引导式外科手术的方法，其包含使用运动跟踪系统跟踪仪器摆放，基于跟踪的仪器摆放确定在患者体内延伸的轨迹，使用运动跟踪系统跟踪仪器的运动，以及基于仪器的跟踪运动确定在患者体内且沿着轨迹的目标位置。
另外实施例包含一种图像引导式外科手术系统，其包含：运动跟踪系统，其用于跟踪仪器相对于患者的身体的运动；以及处理系统，其耦合到运动跟踪系统，且具有至少一个处理器，所述处理器经配置有处理器可执行指令，以执行包含以下各项的操作：基于仪器的摆放确定在患者体内延伸的轨迹，使用运动跟踪系统跟踪仪器的运动，以及基于仪器的跟踪运动确定在患者体内且沿着轨迹的目标位置。
另外实施例包含一种用于执行图像引导式外科手术的方法，其包含使用基于光学的运动跟踪来跟踪外科手术仪器，当基于光学的运动跟踪不可用时使用惯性导航来跟踪外科手术仪器，以及当不满足惯性导航的精度标准时通知用户。
另外实施例包含一种用于执行图像引导式外科手术的系统，其包含：外科手术仪器，其具有至少一个惯性传感器和固定到所述惯性传感器上的光学标记装置以及用于发射来自外科手术仪器的数据的发射器；感测装置，其经配置以接收从光学标记装置反射或发出的电磁信号；接收器，其用于接收从外科手术仪器发射的数据；以及处理系统，其耦合到感测装置和接收器，且包含至少一个处理器，所述处理器经配置有处理器可执行指令，以执行包含以下各项的操作：使用基于光学的运动跟踪来跟踪外科手术仪器，当基于光学的运动跟踪不可用时使用惯性导航来跟踪外科手术仪器，以及当不满足惯性导航的精度标准时通知用户。
另外实施例包含一种标记装置，其包含：刚性框架，其具有安置在所述框架上的多个光学标记；惯性测量单元，其安装到标记装置；电源；电子电路，其耦合到电源和惯性测量单元，所述电子电路包含无线发射器，所述无线发射器用于将测量数据从惯性测量单元发射到外部装置；以及刚性附接部件，其在第一端处附接到刚性框架且具有第二端，所述第二端附接到外科手术仪器、患者的解剖结构的部分和机器人臂中的至少一个。
另外实施例包含一种用于执行图像引导式外科手术的方法，其包含在患者的解剖结构的图像数据集中识别患者体内的一或多个特征；在患者坐标系内配准包含经识别的一或多个解剖特征的图像数据集；跟踪患者坐标系内的外科手术仪器；以及基于仪器相对于患者体内的经识别特征的跟踪的位置和/或定向来致动外科手术仪器上的触觉反馈机构。
另外实施例包含一种用于执行图像引导式外科手术的系统，其包含：外科手术仪器，其具有触觉反馈机构；运动跟踪系统，其用于跟踪患者坐标系内的外科手术仪器；处理系统，其耦合到外科手术仪器和运动跟踪系统，且包含至少一个处理器，所述处理器经配置有处理器可执行指令，以执行包含以下各项的操作：在患者的解剖结构的图像数据集中识别患者体内的一或多个特征，在患者坐标系内配准患者的内部解剖结构的图像数据集，以及基于仪器相对于患者体内的经识别特征的跟踪的位置和/或定向来致动触觉反馈机构。
附图说明
从以下结合附图进行的本发明的详细描述中本发明的其它特征和优点将是显而易见的，在附图中：
图1是根据实施例的用于执行机械地辅助的图像引导式外科手术的系统的透视图。
图2A到2C示意性地说明用于使用跟踪的仪器设定患者内的轨迹和目标位置的基于手势的方法。
图3是说明用于设定和保存图像引导式外科手术的患者体内的轨迹和目标位置的方法的过程流程图。
图4说明具有惯性测量单元的跟踪的仪器。
图5说明光学跟踪标记阵列，其具有位于光学跟踪标记阵列上的无线收发器和惯性测量单元。
图6示意性地说明基于在患者的解剖结构上的位置提供触觉反馈的跟踪仪器。
图7是说明用于基于跟踪仪器相对于患者的位置而向用户提供触觉反馈的方法的过程流程图。
图8示意性地说明可用于执行各种实施例的计算装置。
具体实施方式
将参看附图详细描述各种实施例。在可能的情况下，将在整个图式中使用相同参考编号来指代相同或相似部分。对特定实例和实施方案进行的参考是用于说明性目的，且不希望限制本发明或权利要求书的范围。
图1说明根据各种实施例的用于执行计算机辅助的图像引导式外科手术的系统100。在此实施例中，系统100包含成像装置103、运动跟踪系统105和用于执行机械地辅助的外科手术程序的机器人臂101。机器人臂101可包括多接头臂，其包含由具有致动器和任选的编码器的接头连接的多个连杆，以使连杆能够响应于来自机器人控制系统的控制信号而相对于彼此旋转、弯曲和/或平移。机器人臂101可以在一端处固定到支撑结构并且可在机器人臂101的另一端处具有末端执行器102。
成像装置103可用于获得患者的诊断图像(在图1中未展示)，患者可以是人类或动物患者。在实施例中，成像装置103可以是x射线计算机断层扫描(CT)成像装置。患者可以定位在成像装置103的中心孔107内并且x射线源和检测器可以围绕孔107旋转以获得患者的x射线图像数据(例如，原始x射线投影数据)。可使用合适的处理器(例如，计算机)处理收集到的图像数据，以执行对象的三维重构。在其它实施例中，成像装置103可以包括x射线荧光检查成像装置、磁共振(MR)成像装置、正电子发射断层扫描(PET)成像装置、单个光子发射计算机断层扫描(SPECT)或超声成像装置中的一或多个。在实施例中，可通过将患者定位在成像装置103的孔107内来在术前(即，在执行外科手术程序之前)、术中(即，在外科手术程序期间)或术后(即，在外科手术程序之后)获得图像数据。在图1的系统100中，这可以通过在患者可保持静止的同时在患者上移动成像装置103以执行扫描而实现。
举例来说，在第8,118,488号美国专利、第2014/0139215号美国专利申请公开、第2014/0003572号美国专利申请公开、第2014/0265182号美国专利申请公开和第2014/0275953号美国专利申请公开中描述可根据各种实施例使用的x射线CT成像装置的实例，所述所有专利的全部内容以引入的方式并入本文中。在图1中所示的实施例中，患者可位于其上的患者支座60(例如，手术台)例如经由安装到成像装置103的底座20的立柱50而紧固到成像装置103。包含至少一个成像组件的成像装置103的一部分(例如，O形成像台架40)可在轨道23上沿底座20的长度平移以执行患者的成像扫描，并且可离开患者平移到旁边位置以用于在患者上进行外科手术程序。
可用于各种实施例中的实例成像装置103是由Mobius Imaging,LLC制造且由Brainlab,AG分销的
Figure BDA0002094603920000041
手术中CT系统。也可以利用其它成像装置。举例来说，成像装置103可以是并不附接到患者支座60且可以是带轮的或以其它方式在患者和支座60上移动以执行扫描的移动CT装置。移动CT装置的实例包含来自Samsung Electronics Co.,Ltd.的
Figure BDA0002094603920000042
CT扫描仪和来自Medtronic,plc的
Figure BDA0002094603920000043
手术成像系统。成像装置103也可以是C形臂x射线荧光检查装置。在其它实施例中，成像装置103可以是固定孔成像装置，并且患者可以移动到装置的孔中，在如图1中所示的外科手术支座60上或在经配置以滑动进出孔的单独的患者检查台上。另外，尽管图1中所示的成像装置103位于外科手术室内的患者附近，但成像装置103可远离外科手术室，例如在另一房间或建筑物中(例如，在医院放射成像科中)。
图1中所示的运动跟踪系统105包含多个标记装置120、202和光学传感器装置111。存在各种系统和技术用于在对象在三维空间内移动时跟踪对象的位置(包含位置和/或定向)。此类系统可包含固定到待跟踪的对象的多个有源或无源标记，以及检测由标记发射或从标记反射的辐射的感测装置。可以基于由感测装置检测到的信号在软件中构建空间的3D模型。
在图1的实施例中，运动跟踪系统105包含多个标记装置120、202，和包含两个或多于两个相机207(例如，IR相机)的立体光学传感器装置111。光学传感器装置111可包含将辐射(例如，IR辐射)导引到外科手术区域中的一或多个辐射源(例如，二极管环)，其中辐射可由标记装置120、202反射且由相机接收。标记装置120、202可各自包含三个或多于三个(例如，四个)反射球体，运动跟踪系统105可使用所述反射球体构建标记装置120、202中的每一个的坐标系。计算机113可耦合到传感器装置111且可使用例如三角测量技术确定标记装置120、202中的每一个与相机之间的变换。可在公共坐标系中生成外科手术空间的3D模型并使用由计算机113实施的运动跟踪软件进行持续更新。在实施例中，计算机113也可从成像装置103接收图像数据并且可使用如所属领域中已知的图像配准技术将图像数据配准到作为运动跟踪系统105的公共坐标系。在实施例中，至少一个参考标记装置115可附接到患者200，如图2A到2C中所示。参考标记装置115可刚性地附接到解剖关注区中的标志点(例如，夹持或以其它方式附接到患者的解剖结构的骨骼部分)，以使运动跟踪系统105能够持续地跟踪解剖关注区。额外标记装置120可附接到外科手术工具或仪器104，以能够在公共坐标系中跟踪工具/仪器104。另一标记装置202可以刚性地附接到机器人臂101，例如在机器人臂101的末端执行器102上，以使得能够使用运动跟踪系统105跟踪机器人臂101和末端执行器102的位置。计算机113还可包含经配置以执行机器人臂101的接头坐标与运动跟踪系统105的公共坐标系之间的变换的软件，其可使得能够相对于患者200控制机器人臂101的末端执行器102的位置和定向。
除了上文所描述的无源标记装置之外，运动跟踪系统105可替代地利用可包含辐射发射器(例如，LED)的有源标记装置，所述辐射发射器可发射通过光学传感器装置111检测到的辐射。附接到特定对象的每一有源标记装置或数组有源标记装置可以预定脉冲图案(例如，具有调制脉冲宽度、脉冲速率、时隙和/或幅值)和/或波长发射辐射，这可以使运动跟踪系统105能够唯一地识别和跟踪的不同对象。一或多个有源标记装置可相对于患者固定，例如经由粘合剂膜或掩模紧固到患者的皮肤，或经由夹持器或其它附接机构紧固到骨骼解剖结构。额外的有源标记装置可以固定到外科手术工具104和/或固定到机器人臂101的末端执行器102以允许相对于患者跟踪这些对象。
在另外的实施例中，标记装置可以是包含摩尔纹图案的可使得能够使用单个相机使用摩尔纹相位跟踪(MPT)技术在三维空间中跟踪它们的位置和定向的无源制造机装置。每一摩尔纹图案标记还可包含可使得能够唯一地识别和跟踪相机的视场内的不同对象的唯一标识符或代码。基于MPT的跟踪系统的实例购自威斯康星州密尔沃基的MetriaInnovation Inc.。也可以利用其它跟踪技术，例如，计算机视觉系统和/或基于磁性的跟踪系统。
如图1中所展示，光学传感器装置111可包含多个相机207，所述多个相机附接到刚性支座235，所述刚性支座安装到在患者外科手术区域上方延伸的臂209。光学传感器装置111可包含至少两个相机207，且在实施例中，包含附接到刚性支座235的三个或多于三个(例如，四个)相机207。臂209可安装到成像装置103或所述成像装置上方。臂209可使传感器装置111能够相对于臂209和/或成像装置103(例如，经由一或多个球接头213)枢转。臂209可使用户能够调整传感器装置111的位置和/或定向以为相机207提供外科手术区域中的清晰视图，同时避免阻挡。臂209可使得能够调整传感器装置111的位置和/或定向且接着在成像扫描或外科手术程序期间将传感器装置锁定在适当位置。
系统100还可包含至少一个显示装置121，如图1中所说明。显示装置121可显示通过成像装置103获得的患者的解剖结构的图像数据。在CT图像数据的状况下，例如显示装置121可显示患者的解剖结构的部分的三维体渲染和/或可通过3D CT重构数据集显示二维切片(例如，轴向、矢状和/或冠状切片)。显示装置121可以促进外科手术程序的规划，例如通过使外科医生能够在患者体内限定一或多个目标位置和/或进入患者体内的路径或轨迹，以便插入外科手术工具以达到目标位置，同时最小化对患者的其它组织或器官的损害。由运动跟踪系统105跟踪的一或多个对象的位置和/或定向可以展示在显示器121上，并且可以展示为覆盖图像数据。结合患者的解剖结构的术前或术中图像使用跟踪的外科手术仪器或工具以引导外科手术程序可被称为“图像引导式外科手术”。
在实施例中，显示装置121可以是手持型计算装置。如本文中所使用，“手持型计算装置”和“手持型显示装置”互换地用于指以下各项中的任一个或全部：平板计算机、智能手机、悬吊控制器、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、上网本、电子读取器、笔记本电脑、掌上型计算机、可穿戴式计算机以及类似便携式电子装置，其包含耦合到显示屏的可编程处理器和存储器且可包含能够在显示屏上显示包含患者信息和/或图像的信息的硬件和/或软件。手持型计算装置通常还包含天线，其耦合到电路(例如，收发器)以实现在网络上的无线通信。手持型计算装置或显示装置的特征可在于足够紧凑和轻量结构以使用户能够使用一个手或两个手轻易地抓握、操纵和操作装置。
一或多个手持型显示装置121可安装到在患者外科手术区域上方延伸的臂209，如图1中所展示。臂209还可支撑用于运动跟踪系统105的光学感测装置111，如上文所描述。一或多个显示装置121可从臂209悬吊下来，且可沿着臂209的长度调整显示装置121的位置。显示装置121可以位于例如2017年9月11日提交的第15/701,063号美国申请中所描述的无菌盒或支架内，所述美国申请以引用的方式并入本文中。在其它实施例中，手持型显示装置121可安装到患者支座60或立柱50，或安装到成像系统103的任何部分，或安装到手术室中的壁、天花板或地板中的任一个，或安装到单独的推车。替代地或此外，至少一个显示装置121可以是监视器显示器，其可位于移动推车上或安装到外科手术室内的另一结构(例如，壁)。
如图1中所展示，机器人臂101可固定到成像装置103，例如固定在支撑元件215(例如，弯曲轨道)上，所述支撑元件可在成像装置103的O形台架40的外表面上同心地延伸。在实施例中，光学感测装置111安装到其上的臂209可安装到与机器人臂101相同或类似支撑元件215(例如，弯曲轨道)。可沿着支撑元件215的长度调整机器人臂101和/或臂209的位置。在其它实施例中，机器人臂101可紧固到成像装置103的任何其它部分，例如直接安装到台架40。替代地，机器人臂101可安装到患者支座60或立柱50，安装到手术室中的壁、天花板或地板中的任一个，或安装到单独推车。在另外的实施例中，机器人臂101和/或光学感测装置111可以是安装到单独移动梭动件，如2017年9月15日提交的第15/706,210号美国申请中所描述，所述美国申请以引用的方式并入本文中。尽管在图1中展示单个机器人臂101，但应理解，可利用两个或多于两个机器人臂101。此外，计算机辅助的外科手术方法或系统的各种实施例可包含图像引导式或导航支持的外科手术而不使用机器人臂101。
机器人臂101可辅助外科手术程序的表现，例如，微创脊髓外科手术程序或各种其它类型的整形外科、神经科、心胸外科和普通外科手术程序。在实施例中，运动跟踪系统105可在患者坐标系内跟踪机器人臂101的位置(例如，经由如图1中所示的末端执行器102上的标记装置202)。控制回路可以连续地读取机器人臂101的跟踪数据和当前参数(例如，接头参数)，并且可以向机器人控制器发送指令以使机器人臂101移动到患者坐标系内的期望位置和定向。
在实施例中，外科医生可使用图像引导式外科手术系统作为外科手术程序的规划工具，例如通过设定患者体内的轨迹来插入外科手术工具，以及通过在患者身体内选择用于手术治疗的一或多个目标位置。可(例如，在例如图1中所示的计算机装置113等计算机装置的存储器中)保存由外科医生设定的轨迹和/或目标位置，以供随后在外科手术期间使用。在实施例中，外科医生可以能够使用图像引导式外科手术系统选择存储的轨迹和/或目标位置，且机器人臂101可经控制以基于选定轨迹和/或目标位置执行特定移动。举例来说，机器人臂101可经移动以将机器人臂101的末端执行器102定位成与预定轨迹对准和/或在预定目标位置上对准。末端执行器102可包含中空管或套管，其可用于沿预定轨迹和/或预定目标位置将仪器104引导到患者体内。替代地，末端执行器102自身可以是或可包含可插入到患者身体中且沿着预定轨迹引导和/或引导到预定目标位置的仪器。
各种实施例包含用于设定图像引导式外科手术的患者体内的轨迹的方法和系统。图2A示意性地说明用于执行图像引导式外科手术的系统201，其包含用以限定和设定患者200体内的轨迹的跟踪仪器204。在实施例中，仪器204可以是手持型仪器，其可被用户(例如，外科医生)抓握且容易地操纵，且可包含限定纵轴α的细长部分206(例如，轴)。细长部分206可以缩窄到仪器204的尖端208处的点。
仪器204可进一步包含至少一个标记装置120以使得能够使用运动跟踪系统105跟踪仪器204，如上文所描述。在此实施例中，至少一个标记装置120包含刚性地固定到仪器204的反射球体阵列，但可利用其它类型的有源标记或无源标记。标记装置120可以与仪器204处于已知的固定几何关系，使得通过跟踪标记装置120，运动跟踪系统105可以确定仪器204的位置和/或定向。在实施例中，可以预校准仪器204和标记装置120，使得可以精确地知道仪器204的一或多个特征(例如，仪器的尖端)关于标记装置120的几何关系。
仪器204可进一步包含用户界面组件，例如至少一个按钮210，以使用户能够输入用户命令。在图1的实施例中，仪器204可包含电路212，其经配置以检测用户界面组件处的输入事件(例如，按钮按下)并将用户命令信号发射到单独实体，例如计算机113。在一些实施例中，电路212可包含无线收发器电路，其经配置以使用合适的无线通信协议或标准(例如，IEEE 802.15x
Figure BDA0002094603920000081
连接或IEEE 802.11(WiFi)连接)无线地发射用户命令信号。仪器204可包含电源214(例如，电池源)以向仪器204的电子组件提供电力。计算机113还可包含收发器电路216以接收从仪器204发射的用户命令信号。替代地，仪器204可经由有线链路连接到计算机113，所述有线链路可用于交换数据信号和/或向仪器204提供电力。
在一些实施例中，仪器204可以是手持型指示器或触控笔装置，其可由外科医生操纵以指向或触摸患者200的皮肤表面上的各个位置。替代地，仪器204可以是可插入到患者体内的侵入性外科手术仪器(例如，扩张器、套管、针、解剖刀、钻子、螺丝刀等)。在一些实施例中，仪器204可包括机器人臂101的末端执行器102的部分，其可由外科医生操纵，例如通过以手引导的模式操作机器人臂101。
在实施例中，仪器204可以是无菌组件，其可在外科手术区域内使用，且有或无外科手术挂帘，且可以是单次使用式可弃式组件。在其它实施例中，仪器204可以是可再次灭菌的(例如，可高压处理)，可以是可再用组件。
如图2A中所展示，仪器204可位于运动跟踪系统105的感测设备111的范围(例如，视场)内。在基于光学的运动跟踪系统105的状况下，感测设备111可包括光学感测装置111，所述光学感测装置可以是相机207的阵列。感测设备111可检测从标记装置120发射(例如，反射或发出)的电磁辐射(例如，IR光辐射)。运动跟踪系统105可使用从标记装置120检测到的辐射以例如使用三角测量技术来确定仪器204的当前位置和/或定向(即，摆放)。运动跟踪系统105还可经由可刚性地附接到患者200(例如，夹持或以其它方式附接到患者的解剖结构的骨骼部分)的单独标记装置115跟踪患者200的当前位置和定向。运动跟踪系统105可由此持续跟踪仪器204相对于患者的位置和/或定向(即，公共坐标系、以患者为中心的坐标系内)。
可使用图像配准技术将成像装置103先前可能已获得的患者图像218配准到以患者为中心的公共坐标系，如上文所描述。可在显示装置121的显示屏上展示一或多个患者图像218，如图2A中所展示。可结合指示以患者为中心的坐标系内仪器204的当前位置/定向的一或多个图形元素显示患者图像218。举例来说，如图2A中所展示，叠加在患者图像218上的虚线220可指示由假想射线222限定，所述假想射线沿着轴α从仪器204的尖端208延伸并进入患者200。当仪器204相对于患者200移动时，可更新图形元素220在显示屏上的位置以反映仪器204相对于患者的当前摆放。
在一些实施例中，检测到的仪器204的移动可使一或多个不同患者图像218显示在显示装置121上。举例来说，沿着患者的长度移动仪器204可使对应于仪器204的当前位置显示3D患者图像数据集的不同轴向切片(例如，CT重构)。类似地，检测到的仪器204的运动可使显示装置121显示矢状和/或冠状切片中或三维体渲染中的对应改变。在实施例中，外科医生可通过将仪器204相对于患者200移动成各种摆放来移动通过在显示装置121上展示的患者图像体积的各种切片/视图。这可使外科医生能够观察从患者的皮肤表面延伸通过患者到达特定解剖关注特征的多个轨迹或路径。显示装置121上展示的切片/视图中的每一个可包含说明由仪器204限定的进入患者200体内的轨迹的一或多个图形元素220。替代地显示装置121上展示的切片/视图可保持静态且显示装置121可展示覆盖患者图像的跟踪仪器204的图形描绘。
在实施例中，用户(例如，外科医生)可通过使用仪器204的用户界面组件配准输入事件来设定由仪器204限定的特定轨迹。举例来说，用户可操控仪器摆放，直到仪器204限定进入患者的期望轨迹为止，如可由覆盖显示装置121上显示的患者图像218的图形元素220所指示。用户可接着例如通过按下如2A图中所展示的按钮210来致动仪器204上的用户界面组件。仪器204内的电路212可检测由用户作出的输入事件(例如，按钮按下)且作为响应可向计算机113发射用户命令信号。用户命令信号可以是无线(例如，
Figure BDA0002094603920000101
或WiFi)信号。
计算机113可从仪器204接收用户命令信号并作为响应可将由仪器204限定的当前轨迹保存在存储器中。可以与唯一标识符(例如，文件名)相关联地保存轨迹。计算机113还可更新显示装置121的显示屏以指示特定轨迹已由用户设定。举例来说，在设定轨迹之后，指示由仪器204限定的当前轨迹的图形指示符(例如，图2A中的虚线220)可改变成不同颜色、亮度和/或线密度(例如，可从虚线改变成实线)和/或可包含标签或其它指示符以指示轨迹已设定且保存以用于图像引导式外科手术程序。即使当仪器204相对于患者200移动到其它位置和/或定向时，也可以在显示装置121上继续描绘特定设定轨迹的视觉指示器。
在一些实施例中，计算机113可响应于从仪器204(例如，按钮按下)接收用户命令信号而暂时地存储由仪器204限定的当前轨迹且可能在将轨迹作为设定轨迹保存在外科手术导航系统中之前需要来自用户的另一输入。举例来说，响应于检测到的按钮按下事件，计算机113可使提示(例如，来自扬声器的音频提示和/或显示装置121上的视觉提示)提供给用户以确认或拒绝暂时存储的轨迹。用户可响应于提示，例如经由语音命令和/或用户界面上的输入事件，来确认或拒绝暂时存储的轨迹。显示装置121上的图形指示符，例如颜色代码，可指示轨迹是等待来自用户的确认的暂时存储的轨迹。
用户(例如，外科医生)可以如上文所描述的方式设定多个轨迹，且可与唯一标识符(文件名)相关联地保存每一轨迹。轨迹中的每一个可限定和保存在以患者为中心的公共坐标系内，其如上文所提及，可相对于刚性地紧固到附近解剖特征(例如，骨骼结构)的标记装置115而固定。因此，外科医生可随后返回到关于患者的解剖结构的同一预设轨迹，即使随后已从初始位置移动患者200。
另外实施例还可包含用于在患者中设定一或多个目标位置以用于图像引导式外科手术的方法和系统。在一些实施例中，目标位置可限定为沿着延伸到患者200体内的轨迹的特定深度处的点。图2B到2C示意性地说明使用跟踪仪器204来限定和设定患者200体内的目标位置的系统201。系统201和跟踪仪器204可大体上等同于上文参看图2A所描述的系统201和仪器204。如图2B中所展示，仪器204可用于限定到患者体内的轨迹，其中轨迹可沿着从仪器204的尖端208前向突出的假想射线222延伸。由仪器204限定的轨迹可以由通过显示装置121上的患者图像218显示的一或多个图形元素(例如，虚线220)表示。
在图2B到2C的实施例中，用户可基于由运动跟踪系统105跟踪的仪器204的运动来限定目标位置。在实施例中，仪器204的运动可以是仪器远离患者200的位移。仪器204远离患者200的位移可以在基本上平行于通过患者200的预定轨迹的方向上。举例来说，用户可使用仪器204来设定如上文参看图2A所描述的轨迹。在设定轨迹之后，用户可接着移动仪器204远离如图2B中所展示的患者200。运动跟踪系统105可跟踪仪器204远离患者的位移，由图2B中的箭头d指示。位移可以是从患者200的绝对位移(即，距患者200的皮肤表面的距离)或从仪器204的初始位置的相对位移，其中初始位置可能或可能不与患者200的皮肤表面一致。位移可以在基本上平行于通过患者的预定轨迹的方向上。如本文中所使用，“基本上平行”意指偏离真正平行45°内的方向。
显示装置121可结合指示患者身体内的深度d'的至少一个图形元素224显示患者图像218，其中深度d'可基于由运动跟踪系统105跟踪的仪器204远离患者200的位移。深度d'可对应于距患者200的皮肤表面且沿着到患者200体内的预定轨迹的距离。深度的量值d'可与仪器204的位移的量值d成比例，且在一些实施例中可等于位移的量值。在一些实施例中，深度的量值d'可随仪器204的位移的量值d非线性地变化。举例来说，当仪器204最初远离患者200移动时，深度的量值d'可以相对较快的速率增加，并且当仪器204继续远离患者200移动时，深度d'的增加速率可能会减慢，以便能够更精确地控制目标位置的选择。在图2B的实施例中，深度d'在显示装置121上表示为覆盖轨迹的图形表示的线段224(即，虚线220)，其中线段224的长度可随仪器204的位移而变化。当仪器204更远离患者200移动时，在显示装置121上展示的线段224的长度可增大，如图2C中所展示。深度d'可以任何可感知的方式在显示装置121上表示，例如通过基于测得的仪器204的位移在患者图像218上移动的点或其它图标。
用户可调整仪器204的位移，直到在显示装置121上展示的患者图像218上的深度d'的标识符对应于患者身体内的期望目标位置为止。如图2C中所展示，举例来说，深度d'的标识符(即，线段224)展示为延伸到患者图像218中所描绘的解剖结构。用户可接着例如通过按压按钮210来致动仪器204上的用户界面组件。按钮210可以是与用于设定如上文所描述的轨迹相同或不同的按钮。仪器204内的电路212可检测由用户作出的输入事件(例如，按钮按下)且作为响应可向计算机113发射用户命令信号。用户命令信号可以是无线(例如，
Figure BDA0002094603920000111
或WiFi)信号。
计算机113可从仪器204接收用户命令信号且作为响应可将目标位置TL保存在存储器中。目标位置TL可对应于患者200体内沿着预定轨迹且在预期深度d'处的点。可以与唯一标识符(例如，文件名)相关联地保存目标位置TL。计算机113还可更新显示装置121的显示屏以指示特定目标位置已由用户设定。举例来说，在设定目标位置之后，图形指示符(例如，图2C中的点P)可指示叠加在患者图像218上的设定目标位置。
在一些实施例中，计算机113可响应于从仪器204接收用户命令信号而暂时地存储由仪器104限定的当前点且可在将所述点保存为目标位置TL之前需要来自用户的另一输入。举例来说，响应于检测到的按钮按下事件，计算机113可使提示(例如，来自扬声器的音频提示和/或显示装置121上的视觉提示)提供给用户以确认或拒绝暂时存储的点。用户可响应于提示，例如经由语音命令和/或用户界面上的输入事件，而确认或拒绝暂时存储的点。显示装置121上的图形指示符，例如颜色代码，可指示点是等待用户确认为限定目标位置TL的暂时存储的点。
用户(例如，外科医生)可以如上文所描述方式设定多个目标位置，且可与唯一标识符(文件名)相关联地保存每一目标位置。目标位置中的每一个可限定和保存在以患者为中心的公共坐标系内，其如上文所提及，可相对于刚性地紧固到附近解剖特征(例如，骨骼结构)的标记装置115而固定。因此，外科医生可随后返回到关于患者的解剖结构的同一预设目标位置，即使已随后从初始位置移动患者200。
除设定轨迹和/或目标位置之外，在一些实施例中，仪器204还可以更一般地用作图像引导式外科手术系统中的用户界面装置。在实施例中，仪器204可使用户能够经由手势辨识和/或指向与显示屏上的项目交互并操控所述项目。举例来说，用户可将仪器204保持在光学感测装置111的视场内，以实现仪器204的运动跟踪。用户可移动或以其它方式操控仪器204以操控显示装置121上的对象，例如通过移动光标/图标，滚动、平移、改变屏幕上展示的图像数据集，显示图像数据集内的不同切片和/或不同3D渲染，缩放图像，显示不同菜单选项，返回到主界面等。在一个非限制性实例中，使跟踪仪器204朝向或远离光学感测装置111移动可以使显示装置121滚动通过患者图像数据集的不同切片(例如，轴向、矢状和/或冠状切片)。仪器204的旋转可使显示装置121进行图像数据的三维渲染的相应旋转。在一些实施例中，用户可经由仪器204上的界面组件(例如，按钮210)或经由另一装置，例如通过可被运动跟踪系统辨识的语音辨识或命令手势来输入选择。
图3是说明用于设定用于图像引导式外科手术的轨迹和目标位置的实施例方法300的过程流程图。如上文参看图2A到2C所描述，可使用系统201实施方法300。然而，应了解，在各种实施例中，其它图像引导式外科手术系统可用于实践方法300。
在方法300的框301中，可使用运动跟踪系统跟踪仪器摆放。仪器可以是指示器或触控笔装置，其具有附接到其上的标记装置，所述标记装置可以使仪器能够被运动跟踪系统跟踪。替代地，仪器可以是侵入性外科手术仪器和/或机器人臂的末端执行器的部分。运动跟踪系统可通过确定仪器相对于患者的位置和/或定向来跟踪仪器的摆放。
在方法300的框303中，可基于跟踪仪器摆放来确定延伸到患者体内的轨迹。在实施例中，仪器的位置和/或定向可限定到患者体内的唯一轨迹。举例来说，如上文参看图2A所论述，唯一轨迹可由从仪器的尖端前向突出到患者体内且平行于仪器的主轴延伸的射线限定。可以由运动跟踪系统基于检测到的标记装置的位置和仪器的已知几何形状来确定三维空间中的轨迹的位置。可以在显示装置上显示患者体内轨迹的图形指示符。
在确定框305中，可以确定是否检测到用户输入事件。响应于确定没有检测到用户输入事件(即，确定框305＝“否”)，接着可在框301中继续使用运动跟踪系统跟踪仪器摆放且可在框303中确定基于跟踪仪器摆放的轨迹。
响应于确定检测到用户输入事件(即，确定框305＝“是”)，可在框307中将轨迹保存在图像引导式外科手术系统中。用户输入事件可包含例如语音命令、触摸屏界面上(例如，显示装置121上)的触摸事件，和/或用户接口装置上的输入(例如，键盘输入、鼠标点击、按钮按下等)。在一些实施例中，用户输入事件可经由跟踪仪器进行，所述跟踪仪器可包含用户界面组件(例如，按钮)和电路(例如，
Figure BDA0002094603920000131
和/或WiFi收发器)，以用于向单独计算装置发送用户命令信号。
在框309中，可由运动跟踪系统跟踪仪器的运动。运动可以是仪器远离患者的位移。仪器的跟踪可包含确定仪器位移的距离。在框310中，可基于仪器的跟踪运动来确定患者体内且沿着轨迹的目标位置。在实施例中，目标位置可对应于患者体内且沿着轨迹的深度。可以在显示装置上显示患者体内目标位置的图形指示符。
在确定框311中，可以确定是否检测到用户输入事件。响应于确定没有检测到用户输入事件(即，确定框311＝“否”)，可继续在框309中由运动跟踪系统跟踪仪器的运动且可在框310中确定基于仪器的跟踪移动的目标位置。
响应于确定检测到用户输入事件(即，确定框311＝“是”)，可在框313中将目标位置保存在图像引导式外科手术系统中。用户输入事件可包含例如语音命令、触摸屏界面上(例如，显示装置121上)的触摸事件，和/或用户接口装置上的输入(例如，键盘输入、鼠标点击、按钮按下等)。在一些实施例中，用户输入事件可经由跟踪仪器进行，所述跟踪仪器可包含用户界面组件(例如，按钮)和电路(例如，
Figure BDA0002094603920000132
和/或WiFi收发器)，以用于向单独计算装置发送用户命令信号。
图4说明用于执行图像引导式外科手术的系统201的另一实施例，所述图像引导式外科手术包含具有惯性测量单元401的跟踪仪器204。惯性测量单元401可以是用于基于光学的运动跟踪系统105的标记装置120的补充，如上文所描述。在实施例中，惯性测量单元401可实现对仪器204的冗余运动跟踪。具体地说，当基于光学的运动跟踪系统105的跟踪丢失时，例如当暂时地遮挡标记装置120与光学感测装置111之间的视线时，可继续跟踪仪器204的位置和/或定向。
惯性测量单元401可实现对跟踪仪器204的惯性导航。在实施例中，惯性测量单元401可包含三轴加速度计403和三轴陀螺仪405。可利用MEMS技术制造加速度计403和陀螺仪405。加速度计403和陀螺仪405可以是定位于仪器204中的单独组件(例如，芯片)或可集成在单个装置(例如，集成电路)上。仪器204还可包含耦合到加速度计403和陀螺仪405的电路212，所述陀螺仪可用于从这些组件403、405读取输出信号。加速度计403可输出测量仪器204的线性加速度的信号，优选地在三维空间中。陀螺仪405可输出测量仪器204的角速度的信号，同样优选地在三维空间中。可使用合适的处理器，例如计算机113来处理来自加速度计403和陀螺仪405的信号，以经由航位推算技术来确定仪器204相对于初始惯性参考系的位置和定向。具体地说，集成来自陀螺仪304的角速度测量值可使得相对于已知起始定向确定仪器204的当前定向。集成来自加速度计403的线性加速度测量值可使得相对于已知起始速度确定仪器204的当前速度。另一集成可使得相对于已知起始位置确定仪器204的当前位置。
在实施例中，可经由有线或无线链路将来自惯性测量单元401的测量数据从跟踪仪器204发射到单独计算装置(例如，计算机113)。在实施例中，可使用合适的无线通信协议或标准(例如，IEEE 802.15x
Figure BDA0002094603920000141
或IEEE 802.11(WiFi)连接)无线地发射数据，如上文所描述。计算机113可执行惯性导航计算以在三维空间中且优选地在以患者为中心的公共坐标系内确定仪器204的位置和定向。可利用仪器204的已知初始位置、定向和/或速度来初始化惯性导航计算，所述已知初始位置、定向和/或速度可以是来自运动跟踪系统105的最近跟踪数据或可从所述最近跟踪数据中推导出。
替代地，可在仪器204上，例如定位于仪器204中的处理器(例如，微处理器)上执行惯性导航计算的至少部分。可使用来自外部源(例如，计算机113或运动跟踪系统105)的运动跟踪数据来初始化惯性导航，所述运动跟踪数据可由仪器204在有线或无线链路上接收。
在实施例中，可以使用基于光学的运动跟踪系统105与运动跟踪并行地执行仪器204的惯性导航。在实施例中，例如可使用卡尔曼(Kalman)滤波器在图像引导式外科手术系统中融合基于光学的运动跟踪数据和惯性导航数据。
替代地，可仅间歇地执行惯性导航，例如响应于可经由有线或无线(例如，
Figure BDA0002094603920000151
或WiFi)通信链路从计算机113发射到仪器204的触发信号。在实施例中，可响应于基于光学的运动跟踪系统105的跟踪故障而触发惯性导航，所述跟踪故障可能由相机207或标记装置120的临时阻断导致。通过在准确光学跟踪数据不可用时使用惯性导航跟踪仪器204，可使得能够持续地跟踪仪器204。当光学跟踪系统105恢复对仪器204的跟踪时，可向仪器204发射信号以中断惯性导航。
当通过惯性导航跟踪仪器204时，跟踪的准确度在特定时间范围内可以是可接受的，这可以是已知的或凭经验确定的。惯性导航受到漂移的影响，漂移可能会随着时间的推移而累积，从而产生跟踪精度误差，所述误差可能随时间而增大。因此，在预定时间段之后，惯性导航数据可能不够精确以支持在没有使用来自另一来源(例如，光学运动跟踪系统105)的数据的位置状态更新的情况下继续跟踪仪器204。在实施例中，图像引导式外科手术系统可经配置以确定惯性导航数据是否满足用于跟踪仪器204的位置和/或定向的一或多个导航准确性标准。在实施例中，导航准确性标准可包含仅使用惯性导航跟踪的时间限制。图像引导式外科手术系统可响应于确定未满足导航准确性标准而通知用户(例如，经由听觉和/或视觉警示)。可在显示装置121的显示屏上向用户提供通知。在实施例中，图像引导式外科手术系统可中断仪器204的导航，直到获取来自运动跟踪系统105的新运动跟踪数据为止。
在一些实施例中，多个惯性测量单元401可位于跟踪仪器204上或内，每一单元包含三轴加速度计403和三轴陀螺仪405。可基于由每一单元401测得的数据执行仪器204的惯性导航，其中仪器204的位置和定向可基于来自每一单元的结果的平均数。与使用单个惯性测量单元相比，这可以在更长的时间段内实现精确的惯性导航。图像引导式外科手术系统可以响应于确定惯性导航不再被认为是准确的而通知用户(例如，经由听觉和/或视觉警示)，其可以在预定时间段之后和/或在来自多个惯性测量单元的仪器的计算出的位置和/或定向的变化超过阈值时。
图5说明包含刚性框架501上的多个光学标记503(例如，反射球体)的标记阵列120。光学标记503可以独特的图案布置在框架501上，以使标记阵列120能够被运动跟踪系统105识别和跟踪。框架501还可包含电源214(例如，电池)，包含无线收发器电路的电子电路212，以及可包含三轴加速度计和三轴陀螺仪的惯性测量单元401，如上文所描述。标记阵列120可经由刚性细长附接部件507附接到外科手术仪器505，所述刚性细长附接部件可以是弯折或弯曲的杆。外科手术仪器505可以是如上文所描述的手持型指示器或触控笔装置，或可以是可在外科手术程序期间插入到患者体内的侵入性手术工具。此类工具的实例包含但不限于针、套管、锥子、钻子、螺丝刀、用于抓握或切割的工具、电极、辐射源和内窥镜。标记阵列120可一体地形成在仪器505上，或者可以经由合适的附接机构附接(例如，改装)到现有仪器505上。仪器505可以在图像引导式外科手术系统中与标记阵列120相关联地配准，使得仪器505的位置和/或定向可以在3D空间中被跟踪且且任选地在显示器121上说明。在一些实施例中，标记阵列120的框架501还可包含用户界面组件，例如至少一个按钮210，以使用户能够输入用户命令。命令可无线地发射到外部装置(例如，图2A到2C和图4中所展示的计算机113)。在实施例中，仪器505可用于设定目标轨迹和/或位置，如上文所描述，且可用于执行图像引导式外科手术系统中的其它用户界面功能。惯性测量单元401可执行仪器505的惯性导航，如上文参看图4所论述。这可以使得能够使用基于光学的运动跟踪以及惯性导航来跟踪仪器505，例如当光学跟踪数据不可用时。
在一些实施例中，标记阵列可以是患者参考阵列115，如上文所描述。举例来说，并非附接到外科手术仪器505，附接部件507可包含骨骼夹持器或能够使参考阵列刚性地附接到患者的解剖结构的部分(例如，髋部的棘突或髂嵴)的类似固定机构。这可以使得能够使用基于光学的运动跟踪以及惯性导航来跟踪患者，例如当相机阵列的视线被阻挡时或者其它情况下光学跟踪数据不可用时。在另外的实施例中，例如图5中说明的标记阵列120可以附接到机器人臂101的部分，例如末端执行器102，如图1中所展示，以使得能够使用光学运动跟踪、惯性导航或两者来在患者坐标系中跟踪臂101。
在另外的实施例中，多个光学标记503(例如，反射球体)可附接到机器人臂101的部分，例如刚性框架501上，如图5中所展示，且如上文所描述的惯性测量单元401可单独地安装在机器人臂101上或内。惯性测量单元401可以是高性能(即，低漂移)IMU，其可位于机器人臂101的远侧末端处或接近于机器人臂的远侧末端(例如，超出机器人臂101的最远侧接头)。惯性测量单元401的电力和/或数据连接可通过机器人臂101提供。替代地或此外，惯性测量单元401可耦合到无线收发器电路，以使得能够利用外部装置，例如计算机113进行无线通信。可使用光学运动跟踪、惯性导航或两者在患者坐标系中跟踪末端执行器102的位置和/或定向。在实施例中，惯性测量单元401可以最小的滞后时间实现对末端执行器102的基于惯性的跟踪。可以使用来自运动跟踪系统105的光学跟踪数据来初始化惯性跟踪，并且可以使用高速率(例如，>60Hz，例如100Hz或更高，包含250Hz)的光学跟踪数据来获得位置状态更新，以最小化积分漂移的不准确性。
图6说明用于执行图像引导式外科手术的系统201的另一实施例，所述图像引导式外科手术包含具有触觉反馈机构的跟踪仪器204。触觉反馈机构可经配置以基于仪器204的位置和/或定向而向用户提供触觉反馈(例如，振动)。跟踪仪器204可类似于上文参看图2A到2C所描述的仪器，且可包含用于运动跟踪系统105的标记阵列120、电源214(例如，电池)、包含无线收发器电路的电子电路212，以及触觉致动器601，其可以是振动电动机(例如，偏心旋转质量电动机或线性谐振致动器)。替代地，跟踪仪器204可包含有线连接，以提供电力和信号/数据通信。跟踪仪器204还可包含用户界面组件，例如至少一个按钮210，以使用户能够输入用户命令。在一些实施例中，跟踪仪器204还可包含用于执行惯性导航的惯性测量单元，如上文参看图4和5所描述。
图7是说明用于基于跟踪手持型仪器204的位置而向图像引导式外科手术系统中的用户提供触觉反馈的方法700的过程流程图。图7的方法700可使用例如图6中展示的使用实施。更具体地说，方法700的各个方面可在软件中实施，所述软件可在一或多个计算装置，例如图6中展示的计算机113上执行。在方法700的框701中，可在患者的解剖结构的图像数据集中识别患者体内的一或多个解剖特征。患者的解剖结构的图像数据集可使用成像装置，例如图1中所展示的成像装置103获得。图像数据集可以是表示患者的解剖结构的至少部分的三维数据集(例如，3D CT断层重构、3D MRI数据集等)，所述患者的解剖结构的至少部分包含内部解剖结构和/或待进行操作的结构(即，患者的解剖结构的手术相关部分)。图像数据集可从多个来源，例如CT和MRI数据的融合数据集产生。图像数据集可以电子方式存储在存储器中。图像数据集可呈任何合适的格式，例如符合医学数字成像和通信(DICOM)标准的文件格式。
在实施例中，患者体内的解剖特征可包括离散的解剖结构和/或组织类型。在实施例中，解剖特征可以是骨骼或骨架特征，例如患者的脊柱的至少部分。在其它实施例中，解剖特征可以是内部器官或组织部分，包含组织的异常部分，例如肿瘤。可通过对图像数据集应用图像分段处理来识别解剖特征。在x射线图像数据的状况下，例如这可包含校准与不同组织类型(例如，骨骼与软组织)相关联的辐射密度值(例如，洪斯费尔德(Hounsfield)单位)并且将阈值算法应用于图像数据集，以识别不同组织类型之间的一或多个转换。可在图像数据集内识别对应于关注解剖特征的三维体积。
在框703中，可在患者坐标系内配准包含经识别解剖特征的图像数据集。具体地说，包含经识别解剖特征的图像数据集可与患者位置相关，所述患者位置可使用如上文所描述的运动跟踪系统105确定。
在框705中，可在患者坐标系内跟踪手持型仪器204的位置和/或定向。可使用如上文所描述的运动跟踪系统105跟踪仪器204。
在框707中，可基于仪器相对于经识别解剖特征的位置和/或定向来致动手持型仪器204上的触觉反馈机构。在实施例中，当由仪器204限定的轨迹与经识别解剖特征相交时可致动触觉反馈机构。举例来说，如图6中所展示，经识别解剖特征可以是患者200的脊柱603的骨骼部分。当从仪器204的尖端前向突出且平行于仪器204的主轴延伸的射线222与患者200的脊柱603的骨骼部分相交时可致动触觉反馈机构(例如，触觉致动器601)。这可以向持有仪器204的用户提供易于察觉的触觉反馈，即仪器204处于限定到关注解剖特征中的轨迹的位置和定向，所述关注解剖特征例如需要外科手术治疗的特征和/或在外科手术期间应避免的特征。
在实施例中，触觉反馈的一或多个特性可基于仪器204与患者200的一或多个经识别解剖特征的关系而变化。举例来说，仪器204的量值和/或振动图案可基于组织沿着由仪器204限定的轨迹的轮廓而变化。在一个实例中，第一振动量值/图案可指示骨骼，第二振动量值/图案可指示纤维软骨组织(例如，椎间盘)，第三振动量值/图案可指示神经组织(例如，脊髓和/或周围神经)，第四振动量值/图案可指示循环结构(例如，动脉或静脉)等。系统可经配置以使得组织或结构的某些类型可能产生触觉反馈且其它可能不产生触觉反馈。在一些实施例中，可基于来自仪器204的尖端的偏移距离提供触觉反馈。举例来说，当沿着从仪器204的尖端偏移预定距离的轨迹的点定位在第一类型组织或结构(例如，骨骼)中时可以提供预定触觉反馈(例如，振动)信号。当点移动到患者内不同类型的组织或结构时，触觉反馈可停止或改变成不同类型的触觉反馈信号。在一些实施例中，触觉反馈信号可能随由仪器204限定的轨迹穿过的特定组织或解剖结构的量而变。举例来说，由触觉反馈机构产生的振动的量值可随轨迹穿过的特定组织类型(例如，骨骼)的厚度变化而增大。
可通过向仪器204发送控制信号来选择性地致动仪器204上的触觉反馈机构。在实施例中，可例如经由
Figure BDA0002094603920000181
或WiFi连接无线地发送控制信号。
替代地或此外，可基于仪器相对于患者内的预设目标位置和/或目标轨迹的位置和/或定向来致动手持型仪器204上的触觉反馈机构。举例来说，当由仪器204限定的轨迹与预设目标位置相交或与预设目标轨迹对准时可致动触觉反馈机构。举例来说，可如上文参看图2A到3所描述，在先前设定目标位置和/或目标轨迹。这可以向持有仪器204的用户提供易于察觉的触觉反馈，即仪器204位于关注解剖特征上方。举例来说，当仪器204是推入到患者体内的侵入性仪器时，这可能是有用的。在一些实施例中，可当仪器204与目标位置或沿目标轨迹正确对准时致动第一类型的触觉反馈信号(或无触觉反馈信号)，且可当仪器204与目标位置或轨迹未对准预定阈值量时致动与第一类型的触觉反馈信号不同的第二类型的触觉反馈信号。
在一个非限制性实施例中，可当仪器204与目标位置或目标轨迹正确对准时不产生触觉反馈信号，且可当仪器204变得与目标位置或目标轨迹未对准时产生触觉反馈信号。触觉反馈信号的特性可随仪器204未对准的距离的变化而改变(例如，振动的量值可增大)。替代地，当仪器204与目标位置或目标轨迹正确对准时可仅产生触觉反馈信号。
图8是可用于执行和实施上文所描述的各种实施例的计算装置1300的系统框图。计算装置1300可用于执行例如图像引导式外科手术。当将计算装置1300说明为笔记本电脑时，提供计算机装置1300的功能性能力的计算装置可实施为工作站计算机、嵌入式计算机、台式计算机、服务器计算机或手持型计算机(例如，平板电脑、智能手机等)。典型计算装置1300可包含耦合到电子显示器1304的处理器1301、扬声器1306和存储器1302，所述存储器可以是易失性存储器以及非易失性存储器(例如，磁盘驱动器)。当实施为笔记本电脑或台式计算机时，计算装置1300还可包含软盘驱动器、耦合到处理器1301的压缩光盘(CD)或DVD盘驱动器。计算装置1300可包含天线1310、多媒体接收器1312、收发器1318和/或耦合到处理器1301的通信电路，以用于发送和接收电磁辐射、连接到无线数据链路和接收数据。另外，计算装置1300可包含耦合到处理器1301的网络接入端口1324，以建立与网络的数据连接(例如，耦合到服务提供商网络的LAN等)。笔记本电脑或台式计算机1300通常还包含键盘1314和鼠标垫1316，以用于接收用户输入。
前述方法描述仅作为说明性实例提供且并不意图需要或暗示各种实施例的步骤必须按所呈现的次序来执行。如所属领域的技术人员将了解，可以任何次序执行前述实施例中的步骤的次序。例如“之后”、“随后”、“接下来”等词语未必意图限制步骤的次序；这些词语可用于贯通方法的描述引导读者。另外，举例来说，使用冠词“一”、“一个”或“所述”对单数形式的权利要求要素的任何参考不应被解释为将所述要素限制为单数。
结合本文中所公开的实施例所描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件，或两者的组合。为了清楚地说明硬件与软件的这个互换性，上文已大体上关于其功能性而描述了各种说明性组件、块、模块、电路和步骤。此类功能性被实施为硬件还是软件取决于特定应用和施加于整个系统上的设计约束。所属领域的技术人员可针对每一特定应用以不同方式来实施所描述的功能性，但这样的实施决策不应被解释为会引起脱离本发明的范围。
用以实施结合本文中所公开的方面而描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可用以下各项来实施或执行：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或经设计以执行本文中所描述的功能的其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件，或其任何组合。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器的组合、一或多个微处理器与DSP核心结合，或任何其它此类配置。替代地，可通过特定地针对给定功能的电路来执行一些步骤或方法。
在一或多个示范性方面中，所描述的功能可以用硬件、软件、固件或其任何组合实施。如果实施于软件中，则可将功能作为一或多个指令或代码存储在非暂时性计算机可读媒体上。本文中所公开的方法或算法的步骤可以体现于可以驻留在非暂时计算机可读媒体上的所执行的处理器可执行软件模块中。非暂时性计算机可读媒体包含促使计算机程序从一处转移到另一处的计算机存储媒体。存储媒体可为可通过计算机存取的任何可用媒体。借助于实例而非限制，此类非暂时性计算机可读媒体可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于以指令或数据结构形式携载或存储所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。如本文所使用的磁盘和光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常是以磁性方式再现数据，而光盘是用激光以光学方式再现数据。以上的组合还应包含于非暂时性计算机可读存储媒体的范围内。另外，一种方法或算法的操作可作为代码和/或指令的一个或任何组合或集合而驻留在机器可读媒体和/或计算机可读媒体上，所述媒体可并入到计算机程序产品中。
提供对所公开的方面的前述描述以使得所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将显而易见对这些方面的各种修改，且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中所定义的一般原理可应用于其它方面。因此，本发明并不既定限于本文中所示的方面，而应符合与本文中所公开的原理和新颖特征相一致的最广泛范围。

Claims (36)

1.一种用于执行图像引导式外科手术的系统，其包括：
仪器，其具有经配置以限定进入患者体内的轨迹的第一部分、标记装置和用户界面组件；
感测装置，其经配置以接收从所述标记装置反射或发出的电磁信号；
处理系统，其耦合到所述感测装置，且包含至少一个处理器，所述处理器经配置有处理器可执行指令以执行包括以下各项的操作：
基于在所述感测装置处接收到的所述信号跟踪所述仪器相对于所述患者的位置和定向；
从所述仪器的所述用户界面组件接收指示用户输入事件的信号；以及
响应于接收所述信号而保存由所述仪器的所述第一部分限定的进入所述患者体内的所述轨迹。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述仪器包括手持型仪器且所述第一部分包括限定纵轴且具有尖端的细长部分，且进入所述身体的所述轨迹由从所述尖端向前突出到所述身体中且平行于所述纵轴延伸的射线限定。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述仪器的所述用户界面组件包括按钮，所述按钮耦合到无线发射器，所述无线发射器响应于按钮按下而向所述处理系统发射用户命令信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括显示装置，其中所述处理系统的所述处理器经配置有处理器可执行指令，以执行进一步包括以下各项的操作：
在所述显示装置上显示指示由所述仪器限定的进入所述患者体内的所述轨迹的图形元素。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述图形元素与使用成像装置获得的所述患者的图像数据一起显示。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器经配置有处理器可执行指令，以执行进一步包括以下各项的操作：
基于在所述感测装置处接收到的所述信号跟踪所述仪器的运动；
从所述仪器的所述用户界面组件接收指示第二用户输入事件的第二信号；以及
响应于接收所述第二信号而基于所述仪器的所述运动保存所述患者体内的目标位置。
7.根据权利要求6所述的系统，其进一步包括显示装置，其中所述处理系统的所述处理器经配置有处理器可执行指令，以执行进一步包括以下各项的操作：
在所述显示装置上显示指示所述患者体内的所述目标位置的图形元素。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述仪器进一步包括惯性测量单元，且所述处理系统的所述至少一个处理器经配置有处理器可执行指令，以执行进一步包括以下各项的操作：
从所述惯性测量单元接收测量数据；以及
基于来自所述惯性测量单元的所述测量数据确定所述仪器相对于所述患者的所述位置和定向。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述仪器进一步包括触觉反馈机构，所述触觉反馈机构经配置以基于所述仪器相对于所述患者的所述位置和/或定向而向用户提供触觉反馈。
10.一种执行图像引导式外科手术的方法，其包括：
使用运动跟踪系统跟踪仪器摆放；
基于所述跟踪仪器摆放确定在患者体内延伸的轨迹；
使用所述运动跟踪系统跟踪所述仪器的运动；以及
基于所述仪器的所述跟踪运动确定在所述患者体内且沿着所述轨迹的目标位置。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
将所述目标位置保存在图像引导式外科手术系统中。
12.根据权利要求10所述的方法，其中跟踪所述仪器的运动包括确定所述仪器位移的距离，且确定目标位置包括根据位移距离确定目标位置在所述患者体内的深度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述仪器的所述位移包括远离所述患者的位移。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述仪器的所述位移在基本上平行于所述轨迹的方向上。
15.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
利用所述患者体内的所述轨迹的图形指示符在显示装置上显示所述患者的解剖结构的图像；
基于所述仪器的所述跟踪运动在所述显示装置上显示沿着所述轨迹的深度的图形指示符。
16.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
在跟踪所述仪器摆放的同时检测第一用户输入事件；以及
响应于检测所述第一用户输入事件而保存由所述跟踪的仪器摆放限定的所述患者体内的所述轨迹。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：
检测第二用户输入事件；以及
响应于检测所述第二用户输入事件而保存所述目标位置。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一用户输入事件和所述第二用户输入事件中的至少一个包括在所述仪器上按下按钮。
19.根据权利要求18所述的方法，其中检测所述第一用户输入事件和所述第二用户输入事件中的至少一个包括响应于所述按钮按下而检测从所述仪器无线地发射的信号。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一用户输入事件和所述第二用户输入事件中的至少一个包括语音命令。
21.一种图像引导式外科手术系统，其包括：
运动跟踪系统，其用于跟踪仪器相对于患者的身体的运动；以及
处理系统，其耦合到所述运动跟踪系统，且包含至少一个处理器，所述处理器经配置有处理器可执行指令，以执行包括以下各项的操作：
基于所述仪器的摆放确定在患者体内延伸的轨迹；
使用所述运动跟踪系统跟踪所述仪器的运动；以及
基于所述仪器的所述跟踪运动确定在所述患者体内且沿着所述轨迹的目标位置。
22.根据权利要求21所述的图像引导式外科手术系统，其中所述仪器包括触控笔。
23.根据权利要求21所述的图像引导式外科手术系统，其中所述仪器包括机器人臂的末端执行器。
24.根据权利要求21所述的图像引导式外科手术系统，其中所述仪器包括按钮和无线发射器，所述无线发射器响应于按钮按下而发射用户命令。
25.一种用于执行图像引导式外科手术的方法，其包括：
使用基于光学的运动跟踪来跟踪外科手术仪器；
当所述基于光学的运动跟踪不可用时使用惯性导航来跟踪所述外科手术仪器；以及
当不满足所述惯性导航的精度标准时通知用户。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述精度标准包括以下两项中的至少一个：使用惯性导航进行跟踪而没有来自外部源的位置状态更新的时间段和使用位于所述外科手术仪器上的多个惯性传感器获得的跟踪测量值当中的变化。
27.根据权利要求25所述的方法，其中使用惯性导航跟踪所述外科手术仪器包括在计算装置处在无线通信链路上接收来自位于所述外科手术仪器上的一或多个惯性传感器的测量数据。
28.一种用于执行图像引导式外科手术的系统，其包括：
外科手术仪器，其具有至少一个惯性传感器和固定到所述惯性传感器上的光学标记装置以及用于发射来自所述外科手术仪器的数据的发射器；感测装置，其经配置以接收从所述光学标记装置反射或发出的电磁信号；
接收器，其用于接收从所述外科手术仪器发射的数据；
处理系统，其耦合到所述感测装置和所述接收器，且包含至少一个处理器，所述处理器经配置有处理器可执行指令，以执行包括以下各项的操作：
使用基于光学的运动跟踪来跟踪外科手术仪器；
当所述基于光学的运动跟踪不可用时使用惯性导航来跟踪所述外科手术仪器；以及
当不满足所述惯性导航的精度标准时通知用户。
29.一种标记装置，其包括：
刚性框架，其具有安置在所述框架上的多个光学标记；
惯性测量单元，其安装到所述标记装置；
电源；
电子电路，其耦合到所述电源和所述惯性测量单元，所述电子电路包含无线发射器，所述无线发射器用于将测量数据从所述惯性测量单元发射到外部装置；以及
刚性附接部件，其在第一端处附接到所述刚性框架且具有第二端，所述第二端附接到外科手术仪器、患者的解剖结构的部分和机器人臂中的至少一个。
30.根据权利要求29所述的标记装置，其中所述附接部件的所述第二端附接到外科手术仪器，所述外科手术仪器包括手持型触控笔装置、针、套管、锥子、钻子、螺丝刀、用于抓握或切割的工具、电极、辐射源以及内窥镜中的至少一个。
31.根据权利要求29所述的标记装置，其中所述附接部件的所述第二端附接到患者。
32.根据权利要求29所述的标记装置，其中所述附接部件的所述第二端附接到机器人臂。
33.一种用于执行图像引导式外科手术的方法，其包括：
在患者的解剖结构的图像数据集中识别所述患者体内的一或多个特征；
在患者坐标系内配准包含所述经识别的一或多个解剖特征的所述图像数据集；
在所述患者坐标系内跟踪外科手术仪器；以及
基于所述仪器相对于所述患者体内的所述经识别特征的跟踪的位置和/或定向来致动所述外科手术仪器上的触觉反馈机构。
34.一种用于执行图像引导式外科手术的系统，其包括：
外科手术仪器，其具有触觉反馈机构；
运动跟踪系统，其用于在患者坐标系内跟踪所述外科手术仪器；
处理系统，其耦合到所述外科手术仪器和所述运动跟踪系统，且包含至少一个处理器，所述处理器经配置有处理器可执行指令，以执行包括以下各项的操作：
在患者的解剖结构的图像数据集中识别所述患者体内的一或多个特征；
在所述患者坐标系内配准患者的内部解剖结构的图像数据集；以及
基于所述仪器相对于所述患者体内的所述经识别特征的跟踪的位置和/或定向来致动所述触觉反馈机构。
35.根据权利要求34所述的系统，其中当由所述仪器限定的轨迹与至少一个经识别解剖特征相交时致动所述触觉反馈机构。
36.根据权利要求34所述的系统，其中所述外科手术仪器进一步包括耦合到所述触觉反馈机构的无线接收器，且致动所述触觉反馈机构包括在无线通信链路上将至少一个控制信号发射到所述外科手术仪器。
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