CN111727008B - 在规程期间监测到所选择的解剖结构的距离 - Google Patents

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Abstract

执行侵入式规程的医师利用插入人体内的器械来执行该规程。此类规程通常涉及待在特定目标解剖结构上执行的动作。在该规程期间，通常应避免与该规程无关的附近解剖结构。本文提供了一种用于监测此类无关的附近解剖结构相对于一个或多个外科器械的位置的系统和技术。如果器械中的一个器械太靠近所监测的解剖结构，则系统向人类操作者诸如外科医生发出警告。

Description

在规程期间监测到所选择的解剖结构的距离
背景技术
医师在执行外科规程时利用各种外科器械。当外科器械无意地到达解剖结构的某些关键区域(诸如神经、血管、脑等)时，存在正在使用的该器械对解剖结构造成损伤的可能性。当外科器械靠近此类关键解剖结构时，存在自动警示用户的值。在规程期间，如果可能的话，应当避免与规程无关的附近解剖结构。
发明内容
本发明提供了一种用于监测器械与对象的所监测的解剖结构的接近度的方法。该方法包括确定器械的位置，确定器械到所监测的解剖结构的距离，以及确定器械到所监测的解剖结构的距离是否低于阈值。如果该距离低于阈值，则生成并输出警告。如果距离不低于阈值，则不生成警告。
本发明提供了一种用于监测器械与对象的所监测的解剖结构的接近度的系统。该系统包括输出装置、器械和工作站。工作站被配置成确定器械的位置，确定器械到所监测的解剖结构的距离，以及确定距离是否低于阈值。如果距离低于阈值，则工作站经由输出装置生成并输出警告，并且如果距离不低于阈值，则工作站不生成警告。
还提供了一种非暂态计算机可读介质。所述非暂态计算机可读介质存储指令，所述指令当由处理器执行时，使得所述处理器通过以下方式监测器械与对象的所监测的解剖结构的接近度：确定器械的位置，确定所述器械到所监测的解剖结构的距离，以及确定所述器械到所监测的解剖结构的距离是否低于阈值。如果该距离低于阈值，则生成并输出警告。如果距离不低于阈值，则不生成警告。
附图说明
结合附图以举例的方式给出的以下描述可得到更详细的理解，其中：
图1是根据一个示例的器械位置跟踪系统的示意性概览；
图2是示出根据一个示例的该系统的各方面的示意图，包括与监测器械相对于示例性所监测的解剖结构的位置相关的各方面。
图3示出了监测与所监测的结构的接近度的使用的示例；
图4A至图7B示出了根据一个示例的用于帮助确定从器械到所监测的解剖结构的距离的四个不同几何基元；并且
图8是根据一个示例的用于监测器械到所监测的结构的距离的方法的流程图。
具体实施方式
执行侵入式规程的医师利用插入人体内的器械来执行该规程。此类规程通常涉及待在特定目标解剖结构上执行的动作。在该规程期间，通常应避免与该规程无关的附近解剖结构。
本文提供了用于监测此类无关的附近解剖结构(在本文中也称为“所监测的解剖结构”)相对于一个或多个外科器械的位置的系统和技术。如果器械中的一个器械太靠近所监测的解剖结构，则系统向人类操作者诸如外科医生发出警告。
该系统包括若干部件：器械上的传感器、用于发射信号以确定传感器的位置的定位垫、以及与定位垫和传感器交接的工作站，并且该系统还具有表示已“配准”到定位垫的对象的三维模型的数据。所述定位垫包括多个场发生器，所述多个场发生器生成和发射待由所述外科器械上的传感器感测的场。传感器接收这些信号并将信号传输到工作站以用于处理。工作站分析信号以确定传感器相对于定位垫的场发生器的位置。规程前配准过程将相对于定位垫的场发生器表示的对象的位置与对象的3D模型相关联，该3D模型可使用医学成像技术诸如计算机化断层摄影(CT)扫描或磁共振成像(MRI)扫描来获得。该配准过程通过以下方式来执行：在对象附近移动包括传感器的配准器械，同时指示对象的3D模型内的对应位置。因此，配准过程将相对于定位垫的空间中的点(即，现实中的点)与3D模型中的点相关联，从而将物理对象上的点与该对象的3D模型中的点相关联。这种相关性允许传感器(以及因此器械)与3D模型之间的相关性，所述传感器的位置相对于定位垫来确定。利用限定在3D模型的空间中的器械的位置，工作站能够计算器械到在该3D模型内表示的所监测的解剖结构的距离，并且如果发现器械太靠近所监测的解剖结构，则能够提供警告。
与本公开有关的一种现有技术是由Biosense Webster,Inc.(加利福尼亚州钻石吧(Diamond Bar,California))生产的CARTOTM系统。CARTOTM系统和其它相关技术的方面可在美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089中，在PCT专利公布WO 96/05768中以及在美国专利申请公布2002/0065455 A1、2003/0120150 A1和2004/0068178 A1中找到，它们的公开内容全部以引用方式并入本文。
图1是根据本发明实施方案的器械位置跟踪系统100的示意性概览。如图1所示，该系统包括一个或多个医疗器械10(例如，导管、导丝、内窥镜等)、至少包括工作站12(该工作站至少包括处理器14)和一个或多个显示装置16(诸如监测器)的控制台38、器械集线器18、定位垫30、位置配准器械40以及定位垫驱动器(“LP驱动器”)20。
工作站12被配置成经由链路50与LP驱动器20通信，以使得LP驱动器20驱动定位垫30内的场发生器。场发生器发射由传感器32检测到的场信号(例如，电磁场或其它类型的场诸如声场)。传感器32响应于场信号生成响应信号。响应信号由器械集线器18接收。器械集线器18经由通信链路42与一个或多个器械10和位置配准器械40上的传感器32通信。通信链路42可为有线或无线链路。器械集线器18经由链路52(可以是有线或无线链路)向工作站12传输响应信号或经处理版本的响应信号。
工作站12基于响应信号的特性来确定传感器32的位置和取向，并且因此确定传感器32结合在(例如，一个或多个器械10)内或附接到(例如，一个或多个器械10)的物体的位置和取向。在一个示例中，定位垫30中的场发生器各自具有已知的位置。传感器32接收来自定位垫30的多个场发生器的信号。可以基于时间(例如，在不同的时间驱动不同的场发生器，使得传感器32接收信号的时间可与不同的场发生器相关联)、频率(例如，不同的场发生器用不同频率的信号来驱动，使得由传感器32接收的信号的频率识别单独场发生器)，或者基于由场发生器生成的信号的其它特性来区分从不同的场发生器接收的信号。
如上所述，器械集线器18将从传感器32接收的信号(或经处理版本的信号)传输到工作站12以用于处理。工作站12处理信号以确定传感器32相对于定位垫30的场发生器的位置。确定传感器32的位置所进行的处理取决于由场发生器发射的信号的类型。在一些示例中，处理确定响应于场发生器中的每一个而接收的信号的振幅。较大的振幅指示到场发生器的距离较小，而较低的振幅指示到场发生器的距离较大。利用每个传感器32(例如，3)的多个场发生器的距离确定，可以通过三角测量确定相对于场发生器的位置。另选地，可以使用基于对信号的响应来确定位置的任何技术上可行的技术。
如上所述，系统100还包括位置配准器械40，其可以体现为手持式细棒或以任何其它技术上可行的方式。位置配准器械40用于将存储在模型数据48中的三维模型与在配准过程中的定位垫中的场发生器的位置相关联。在一个示例中，模型数据48的3D模型是操作对象(例如，患者的头部22)的计算机数据表示。这种3D模型可以通过医学成像技术诸如计算机断层(“CT”)扫描或磁共振成像(“MRI”)，或者通过任何其它产生可转换为3D模型的数据的成像技术来获得。
为了执行配准过程，将位置配准器械40放置(例如，由人类操作者诸如外科医生或由自动化机器自动地)在对象(例如，头部22)附近的特定位置处。然后，工作站12将该位置与存储在模型数据48中的3D模型内的位置相关联，从而将3D模型中的点与现实中的点相关联(如相对于定位垫30的场发生器定义的)。这种关联可以响应于由操作者诸如外科医生的特定指示而做出。在此类情况下，工作站12在显示器16上显示来自模型数据48的3D模型。操作者将位置配准器械40移动到特定位置，并且然后经由输入装置36向工作站12指示3D模型中的对应位置。
在替代方案中，工作站12自动将真实空间中的位置与3D模型中的位置相关联。在一个示例中，此自动关联按如下完成。位置配准器械40在操作对象(例如，头部22)的附近周围移动。工作站12处理从位置配准器械40接收的数据，以识别3D模型中的对应位置。在一个示例中，位置配准器械40包括相机，并且工作站12对用位置配准器械40接收的图像执行图像处理，以识别位置配准器械40在3D模型中的位置。在一些示例中，获得并存储真实空间(例如，相对于定位垫30的场发生器定义的)与3D模型之间的多个相关点，以改善配准的准确度并实现旋转配准以及位置配准。更具体地，使位置配准器械40移动到对象(例如，头部22)附近的多个位置，并且对于每个此类位置，工作站12将位置配准器械40的位置(如由附接到位置配准器械40的一个或多个传感器32指示的)与头部的3D模型中的特定位置相关联。虽然位置配准器械40被描述为用于实现真实空间与3D模型之间的位置配准的器械，但是可以另选地使用任何其它器械，包括用于其它目的的器械。
利用配准到对象(例如，头部22)的头部的3D模型，工作站12能够监测器械10相对于对象(例如，头部22)的解剖结构的位置。此类监测可用于多种目的，诸如防止与被认为不涉及特定规程或被认为易被器械10损坏或对被器械10损坏敏感的解剖结构接触。图2是示出系统100的各方面的示意图，包括与监测器械10相对于示例性所监测的解剖结构202(也简称为“所监测的结构202”)的位置相关的各方面。
所示的器械10包括附接到其上的传感器32。工作站12监测器械10的位置(经由如相对于图1所述的定位垫30)。示出了若干所监测的结构202。工作站12确定从器械到所监测的结构202的距离。如果到任何特定器械10的距离低于阈值，则工作站12触发待通过扬声器17、显示器16和/或另一个输出装置19输出的警告。特定器械10到所监测的结构202的距离低于阈值在本文中可称为特定器械10太靠近所监测的结构202。
该警告的一个或多个方面可取决于器械10到特定所监测的结构202的距离。在一个示例中，响应于使器械10移动得太靠近所监测的结构202，工作站12使得扬声器17重复地发出哔哔声。在这样的示例中，当使器械10移动得更靠近所监测的结构202时，工作站12使哔哔声适时地更响亮或更靠近在一起或两者皆有，并且当使器械10移动得更远离所监测的结构202时，工作站12使哔哔声更柔和或间隔开更远或两者皆有。
在另一个示例中，响应于使器械10移动得太靠近所监测的结构202，工作站12使得视觉指示器被显示在显示器16上。当使器械10更靠近所监测的结构202时，修改视觉指示器的一个方面。在一个示例中，当使器械10更靠近所监测的结构202时，使视觉指示器更亮、更大和/或使其具有更高的特定颜色强度，并且当使器械10更远离所监测的结构202时，使视觉指示器亮度更小、更小和/或使其具有更低的特定颜色强度。尽管描述了一些类型的警告，但应当理解，可使用任何警告，并且该警告的任何类型的变型均可用于指示器械10与所监测的结构202之间的距离。
所监测的结构202可由人类操作者包括在模型数据48中的3D模型中。为此，人类操作者将在计算机系统诸如工作站12上查看3D模型，并且将用输入装置指示待监测的结构。然后，计算机系统将此类指示添加到3D模型中以用于在规程期间监测距离。如上所述，在规程期间，工作站12跟踪器械10相对于所监测的结构202的位置，并且当此类器械被认为太靠近所监测的结构202时生成警告。
虽然描述为执行位置跟踪和监测的系统被描述为执行配准的系统，但两个系统也可以是不同的系统。可使用除系统100之外的系统来执行配准。另外，虽然头部被示出和描述为规程中涉及的解剖结构，但可以将本文所述的技术用于人体解剖结构的任何部分。
显示器16可为传统显示器或可为虚拟现实眼镜。如果规程涉及适用于此类屏蔽的成像，则虚拟现实眼镜可以具有适当的屏蔽诸如由铅提供的X射线屏蔽。显示器16也可以是远程显示器(即位于患者远侧的显示器)，其可以与远程控制器械10一起为远程外科手术提供便利。
图3示出了监测与所监测的结构202的接近度的使用的示例。内窥镜304用于在鼻腔306内部观察。内窥镜304具有带有传感器32的探针207。使用定位垫30，工作站12监测探针207相对于所监测的结构202的位置。器械10用于在操作结构302上操作，在一个示例中，该操作结构可以是鼻息肉。所监测的非操作结构202包括不应被器械10显著接触的靠近操作结构302的组织。
在规程期间，工作站12监测器械10与所监测的结构202之间的距离(“距离2”)以及探针207与所监测的结构202之间的距离，并且如果器械10或探针207(或两者)太靠近所监测的结构202，则发出警告。工作站12可基于器械10或探针207与所监测的结构202的接近度来改变警告的各方面(频率、强度或其它方面)。虽然示出了特定数量和特定类型的器械，但可相对于所监测的结构202监测任何器械的位置。
现在描述用于计算从传感器32到所监测的结构202的距离的一组技术。在该组技术中，传感器32被认为是一个点。所监测的结构202被认为是一个或多个几何基元的集合。在一个示例中，所监测的结构202被认为包括一个或多个几何基元的集合，该一个或多个几何基元选自圆柱体、线扫描球体、圆锥体和圆锥球体的组。为了应用其中监测一个或多个传感器32与一个或多个所监测的结构202之间的距离的监测技术，工作站12(或另一个系统)将3D模型从基于特定医学扫描生成的格式修改为其中至少一些解剖特征结构被表示为几何基元的组合的格式。
在一个示例中，只有被监测的结构被转换为这样的格式。在其它示例中，除所监测的结构202之外的其它解剖特征结构被转换成此类格式。在另外其它示例中，3D模型的所有结构被转换成此类格式。在一个示例中，该转换经由工作站12或另一个系统自动地完成。在另一个示例中，该转换是手动完成的，其中操作者创建并合成一个或多个此类几何基元以形成3D模型的待以这种方式表示的部分。在一个示例中，创建并合成几何基元以完全包围几何基元正在替换的3D模型中的原始结构。换句话讲，3D模型中的原始结构的任何部分都不延伸到替换该原始结构的几何基元之外，这提供了从此类几何基元到器械的该距离中的“保守”距离测量，确保了到与该几何基元相关联的实际结构的距离至少一样大。
现在参考图4A至图7B提供用于确定传感器32与几何基元之间的距离的一些示例性技术。图4A至图7B示出了四种不同的几何基元：圆柱体(图4A至图4B)、线扫描球体(图5A至图5B)、圆锥体(图6A至图6B)和圆锥球体(图7A至图7B)。这些几何基元中的每个是围绕中心轴线的特定二维形状的旋转。图4A、图5A、图6A和图7A示出了三维几何基元，并且图4B、图5B、图6B和图7B示出了围绕轴线旋转以获得三维几何基元的对应二维形状。本文所述的用以确定距离的技术可由工作站12响应于器械10被检测为移动而执行，或者可周期性地执行。
图4A示出了示例性圆柱形几何基元400。圆柱形几何基元400包括两个圆形面402和圆柱形侧面404。还示出了圆柱体400的半径409。如上所述，圆柱形几何基元400包括围绕中心轴线406旋转的矩形形状。图4B示出了根据一个示例的该矩形形状410的各方面，包括与计算从点“p”到圆柱体400的距离相关的各方面。
在图4B中，矩形410围绕其旋转的轴线406被定义为点a和b之间的线段(称为“线段ab”或仅称为“ab”)。示出了半径r(对应于图4A中的半径409)。点c为线段ab的中心点。确定到圆柱体的距离取决于识别该点在圆柱体的哪个区域。/>区域为平面中的如下区域，所述区域的几何形状和位置基于到所述平面的特定部分中的点的距离。在图4B中，三个/>区域包括盘形区域、圆形区域和侧面区域。盘形区域中的点最靠近圆柱体400的盘402。圆形区域中的点最靠近画出圆柱体400中的盘402轮廓的圆。侧面区域中的点最靠近圆柱体400的侧面404。内部区域是其中点在圆柱体400的边界内的区域。需注意，尽管点p被示出在位于侧面区域中的特定位置中，但如果点p落入不同区域中(例如，n2＝(c-p)2，而不管点p落入哪个区域中)，则下面的技术以及所示的向量和距离以相同的方式计算，除非本文明确指出。
根据基于点的坐标和圆柱体400的坐标计算的某些向量来执行特定点在哪个区域中的确定。下面提供的这些向量和表达式被定义在与点a、b和p重合的平面内。沿轴线的该符号距离x被定义为：
x＝(c-p)·u
其中u为沿着轴线406的单位向量，定义为：
u＝(b-a)/||b-a||
其中双竖线括号指示量值。如图所示，点h为p在轴线406上的正交投影。l，其等于||b-a||，为轴线406的长度。从顶点p到顶点c的平方距离为n2＝(c-p)2。y为从点p到点h的距离，其等于||p-h||。平方距离y2＝||p-h||2，也等于n2-x2。
其中点p所在的区域的识别如下进行。如果x的量值|x|小于l/2，则该点在圆柱体400的内部区域中或在图4B所示的侧面区域中。如果y2<r2，则p在圆柱体内部，因为其在轴线406上的正交投影小于l/2，并且到轴线的距离小于圆柱体的半径。如果y2≥r2，则点p在侧面区域中，并且到圆柱体的平方距离为(y-r)2，并且到圆柱体的距离为y-r。
如果x的量值|x|大于l/2，则点p在圆形区域或盘形区域中。如果y2<r2，则点p在盘形区域中，并且平方距离为(|x|-l/2)2。如果|x|小于或等于l/2，则点p在圆形区域中，并且平方距离为：(y-r)2+(|x|-l/2)2。显然，如果需要的话，可以通过对该平方距离执行平方根运算来获得该距离。在一些示例中，为了有效操作，如果y2<r2，则在测试之前在x坐标上执行测试更好。
图5A示出了示例性线扫描球体几何基元500。线扫描球体几何基元500包括两个半球形面502和圆柱形侧面504。还示出了线扫描球体500的半径509。该半径是圆柱形侧面504以及半球形面502的半径。线扫描球体500包括围绕中心轴线506旋转的与两个四分之一圆接合的矩形形状510。图5B示出了根据一个示例的该形状510的各方面，包括与计算从点p到线扫描球体500的距离相关的各方面。
在图5B中，点a和b限定轴线506。点a为左半圆形球体的中心，并且点b为右半圆形球体的中心。还示出了半径r。所示的点和距离类似于关于图4B所述的那些。点c为线段ab的中心。点h是p在ab上的正交投影。x是从c到h的距离，并且y是从h到p的距离。以下表达式定义图5B内的各种关系：
x＝(c-p)·u
u＝(b-a)/||b-a||
l＝||b-a||
从p到c的平方距离为：n2＝(c-p)2
y2＝||p-h||2＝n2-x2
如果投影点位于a和b之间(即，|x|＜1/2)，则该点位于侧面区域或内部区域内。如果y2＜r2，则点p在内部区域内，并且从p到线扫球体500的距离被认为是0。如果y2≥r2，则点p在侧面区域内，并且从p到线扫球体500的距离被计算为y-r，其中平方距离被计算为(y-r)2。
如果投影点超出a或b(即，|x|≥1/2)，则p在球体区域或内部区域中。到圆柱体的末端顶点(即，a或b，也是半球形面502的中心点)的平方距离，m2＝y2+(|x|-1/2)2。如果m2＜r2，则点p在形状500内并且距离为0。否则，p在球体区域中，并且从点p到形状500的平方距离为(m-r)2(即，从半球形面的中心到点的距离减去半球形面的半径的平方)。
图6A示出了示例性圆锥形几何基元600。圆锥形几何基元600包括两个圆形面602和圆锥形侧面604。还示出了两个半径ra和rb，它们是两个不同的圆形面602的半径。圆锥形几何基元600包括围绕轴线606旋转的直角梯形形状。图6B示出了根据一个示例的该直角梯形形状610的各方面，包括与计算从点p到圆锥形几何基元600的距离相关的各方面。
在图6B中，直角梯形围绕其旋转的轴线606被定义为线段ab。与上述形状一样，确定点p到圆锥体的距离取决于识别该点位于圆锥体的哪个区域内。这些区域包括盘形区域、圆形区域、侧面区域和内部区域，如图6B所示。本文使用若干值和表达式来计算p距圆锥体的距离。一个此类值为δ，其为两个半径之间的差值并且等于ra-rb。另一个值为s，其为圆锥体的边的长度，并且表示为：
(l2+δ2)1/2
其中l为轴线606的长度，等于||b-a||。
沿轴线606的符号距离表示为：
x＝a-p·u
其中u为沿着轴线406的单位向量，定义为：
u＝(b-a)/||b-a||
从点p到点a的平方距离为：
n2＝(a-p)2
从点p到点h的平方距离为：
y2＝||p-h||2＝n2-x2
分类为区域如下进行。如果x＜0，则点p在半径ra左侧的盘形区域中或者在梯形上方和左侧的圆形区域中。更具体地讲，如果y2＜ra 2，则p在盘形区域中，并且从p到圆锥体600的平方距离为x2。如果y2≥ra 2，则从p到圆锥体600的平方距离计算为到画出最左侧盘形轮廓的圆的平方距离，其等于(y-ra)2+x2。
如果x大于或等于零，则点p在侧面区域、内部区域或右侧圆形或盘形区域中。如果y2<rb 2，则点p在内部区域中或在最右侧盘形区域中。如果x>l，则p在盘形区域中，并且从点p到圆锥体600的平方距离为(x-l)2。如果x≤l，则p在内部区域中，并且p与圆锥体之间的距离被认为是0。
如果x大于或等于零并且y2大于或等于rb 2，则距离计算在一定程度上更复杂并且依赖于所示的附加值，诸如i、j、x'和y'。这些值表示不同坐标系中的值，其中圆锥体的边(由线段cd表示)表示水平轴线，并且点c表示原点。该坐标系的正交向量i和j计算如下：
在该新坐标系中计算坐标x'和y'的一种方式是通过分别计算p与限定新坐标系的y轴的线(即，延伸穿过j的线)之间的距离以及p与限定新坐标系的x轴的线(即，延伸穿过i的线)之间的距离。这些距离可以任何技术上可行的方式计算。
如果x’<0，则p在左圆形区域中，并且从p到圆锥体的平方距离等于(y-ra)2+x2。如果s<x’，则p在右圆形区域中，并且从p到圆锥体的平方距离等于y’2+(x’–s)2。如果s>x>0，则p在侧面区域中，并且从p到圆锥体的平方距离等于y’2。
上述测试的顺序可影响性能。例如，在一些实施方案中，通过在计算y'和x'坐标之前首先检查x坐标的测试来提高性能。圆锥体可以仅具有一个圆形面，在这种情况下rb将为0。上文提供的表达式也在这种情况下有效。
图7A示出了示例性圆锥球体基元700。圆锥球体700包括两个球形面702和锥形侧面704。第一半径ra被示出为从左球形面702的中心ca延伸到该球形面702的表面，并且第二半径rb被示出为从右球形面702的中心cb延伸到该球形面702的表面。圆锥球体基元700包括围绕轴线706旋转的与两个圆形部分组合的直角梯形的形状。该组合形状在图7B中示出，其示出了计算从点p到圆锥球体700的距离的各方面。
在图7B中，示出了形状710围绕其旋转以形成圆锥球体700的轴线706。此外，图7B分别示出了左球体的半径ra、右球体的半径rb、左球体和右球体的中心a和b、点a′和b’(其为圆锥体的端点，并且从线段ab垂直地延伸到球体与圆锥体的侧面相交的点)，以及x′、y′、i和j(它们类似于图6B的圆锥体并且将在下文更详细地描述)。此外，还示出了四个区域：左球体区域和右球体区域、侧面区域和内部区域。本文使用若干值和表达式来计算p距圆锥球体的距离。一个此类值为δ，其为两个半径之间的差值并且等于ra-rb。另一个值是l，其表示距球体的两个中心的距离，等于||b-a||。如果l＞δ，则圆锥体平滑地接合两个球体。在那种情况下，s，其为圆锥形侧面的长度，表示为：
(l2-δ2)1/2
圆锥体的半径被示出为ra’和rb’。ha和hb分别表示顶点a和a′以及b和b′之间的距离。因此：
从p到圆锥球体的距离计算依赖于具有在点c处的原点和正交向量i和j的旋转坐标系：
x′和y′为该新坐标系中p的坐标，并且可以任何技术上可行的方式计算。如果x′＜0，则p在左球体区域中。为了确定距离，n2为p到a的平方距离并且等于(p-a)2。如果n2＞ra 2，则平方距离为(n-ra)2。否则，p在内部区域中，并且p到圆锥球体的距离为0。
如果x’＞s，则p在右球体区域中。在这种情况下，n2为p到b的平方距离，其等于(p-rb)2。如果n2＞rb 2，则从p到圆锥球体的平方距离为(n-rb)2。否则，p在内部区域中并且距离为0。
如果s>x’>0，则p在内部区域或侧面区域中。如果y’<0，则p在内部区域中并且距离为0。如果y'>0，则p在侧面区域中，并且从p到圆锥球体的距离为y’2。
在上述任一实施方案中，距离可通过不需要平方根运算而表示为与速度的平方距离计算。对于传感器32与所监测的结构202之间的距离检查，待检查的距离可表示为平方距离，然后所确定的距离将不需要被平方根。另选地，如果待检查的距离表示为距离而不是平方距离，则所确定的距离可以被平方根。
以上呈现了几何基元的示例，该几何基元可用于对模型数据48的3D模型的解剖结构进行建模和/或包围，以用于监测传感器32到所监测的结构202的距离的目的。然而，应当理解，另选地或除此之外，可使用其它类型的几何基元来对解剖结构进行建模和/或包围，以用于监测到所监测的结构202的距离。任何技术上可行的基元和用于确定到此类基元的距离的任何技术上可行的技术可用于监测传感器32到所监测的结构202的距离。
图8是根据一个示例的用于监测器械10到所监测的结构202的距离的方法800的流程图。尽管关于结合图1至图7B描述的系统进行了描述，但是本领域技术人员将理解，被配置成以任何技术上可行的步骤顺序执行该方法的任何系统都落入本公开的范围内。
如图所示，方法800在步骤802处开始，在该步骤中工作站12检测器械10的运动。如上所述，工作站12驱动定位垫30中的场发生器，该场发生器发射由器械10上的传感器32感测的信号。由工作站12接收信号，该工作站处理该信号以确定定位垫30中的场发生器与传感器32之间的距离，并且基于那些距离导出传感器32的位置。
还如上所述，经由本文所述的配准过程将对象(例如，头部22)的位置配准到定位垫30的场发生器的位置。该配准将如相对于场发生器的位置和对象(即，头部22)附近定义的现实中的点与该对象的3D模型相关联。由于可以确定传感器32在现实中的位置，因此可以将传感器32的位置关联到对象的3D模型内的位置。
在步骤804处，工作站12确定从器械10到在对象的3D模型中限定的一个或多个所监测的结构202的距离。如上所述，所监测的结构202中的每个可与一个或多个几何基元相关联，以用于确定到所监测的结构202的距离。该几何基元可被自动地或手动地(即，响应于用户输入)与一个或多个所监测的结构202相关联。几何基元可近似于基于医学扫描生成的原始3D模型中的对应结构，或者可被成形和设定尺寸以完全包围对应结构，使得对应结构的任何部分都不延伸经过对应结构的外部。将所监测的结构202表达为一个或多个几何基元允许快速且有效的距离计算。如果模型中存在多个几何基元，则在一些实施方案中，工作站12计算到这些几何基元中的每个几何基元的距离。为了效率，工作站12可以识别传感器32周围的边界体积，并且仅检查边界体积内的3D模型的几何基元的距离，从而限制检查特定传感器32的几何基元的数量。在其它实施方案或情况下，工作站12在不使用如本文所述的几何基元的情况下确定到所监测的结构的距离。此类距离计算可能比本文所述的距离计算更耗时。
在步骤806处，工作站12确定任何特定距离是否低于被认为太靠近的阈值。该阈值可以是全局阈值，可以根据所监测的结构202来定义，或者可以根据几何基元来定义。如果到任何特定所监测的结构202的距离低于阈值，则方法800前进至步骤808，并且如果该距离不低于阈值，则方法800返回至步骤802。在步骤808处，工作站12生成并输出警告。该警告可以是可通知人类操作者(诸如外科医生)接近度检测的任何输出类型。在一些示例中，该警告包括视觉输出，诸如闪烁点、颜色变化或人类操作者可见的屏幕上的任何其它视觉输出。在其它示例中，该警告包括音频输出，诸如哔哔声或其它噪声。该警告可包括多于一种类型的警告，例如显示警告和发出音频警告这两者。该警告的一个或多个方面可以基于传感器与所监测的结构202之间的距离而变化。
所提供的方法包括在通用计算机、处理器或处理器核心中的具体实施。以举例的方式，合适的处理器包括通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP)、多个微处理器、与DSP核相关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)电路、任何其它类型的集成电路(IC)和/或状态机。可通过使用处理的硬件描述语言(HDL)指令和包括网络表的其它中间数据的结果(此类指令能够被存储在计算机可读介质上)配置制造过程来制造此类处理器。此类处理的结果可为掩码作品(maskwork)，该掩码作品然后在半导体制造过程中用于制造实施本文所述的方法的处理器。
本文提供的方法或流程图可在并入非暂态计算机可读存储介质中的计算机程序、软件或固件中实施以用于由通用计算机或处理器执行。非暂态计算机可读存储介质的示例包括ROM、随机存取存储器(RAM)、寄存器、高速缓冲存储器、半导体存储器设备、诸如内部硬盘和可移动盘的磁介质、磁光介质和诸如CD-ROM盘的光学介质，以及数字通用光盘(DVD)。

Claims (20)

1.一种用于监测器械与对象的所监测的解剖结构的接近度的方法，其中所监测的解剖结构表示为包括所监测的解剖结构的三维模型内的一个或多个几何基元，所述一个或多个几何基元能够表示为能够围绕轴线旋转的二维形状，所述方法包括：
确定所述器械的位置；
通过以下动作来确定所述器械到所监测的解剖结构的距离：
识别所述三维模型的一个或多个部分；以及
通过在与所述一个或多个几何基元的所述二维形状对准的二维平面图中分析与联接到所述器械的传感器相关联的点来确定从所确定的位置到所述一个或多个几何基元的距离以便来确定所述传感器的所确定的位置到所述三维模型的所述一个或多个部分的距离；
确定所述器械相对于所监测的解剖结构的所述距离是否低于一个或多个阈值；以及
输出指示所述距离是低于还是高于所述一个或多个阈值的用户界面指示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述器械的位置包括：
检测由联接到所述器械的一个或多个传感器检测到的信号的各方面。
3.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述器械的位置包括：
基于由所述一个或多个传感器检测到的信号来确定所述一个或多个传感器的一个或多个位置。
4.根据权利要求2所述的方法，其中检测信号的各方面包括：
使得定位垫的一个或多个场发生器发射所述信号以用于由联接到所述器械的所述一个或多个传感器检测。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述器械的位置包括：
检测由彼此处于已知相对位置的一个或多个传感器检测到的信号的各方面，所述传感器被配置成感测由联接到所述器械的一个或多个发射器传送的一个或多个信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述器械的位置还包括：
基于由所述传感器检测到的信号来确定所述一个或多个发射器的一个或多个位置。
7.根据权利要求1所述的方法，其中：
将所述三维模型配准到相对于定位垫的场发生器限定的位置并且因此配准到所述对象。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个几何基元包括选自包括圆柱体、圆锥体、圆锥球体和线扫描球体的群组。
9.根据权利要求1所述的方法，其中：
生成所述用户界面指示包括基于所述器械到所监测的解剖结构的所确定的距离来改变所述用户界面指示的一个或多个方面。
10.一种用于监测器械与对象的所监测的解剖结构的接近度的系统，其中所监测的解剖结构表示为包括所监测的解剖结构的三维模型内的一个或多个几何基元，所述一个或多个几何基元能够表示为能够围绕轴线旋转的二维形状，所述系统包括：
输出装置；
器械；和
工作站，所述工作站被配置成：
确定所述器械的位置；
通过以下动作来确定所述器械到所监测的解剖结构的距离：
识别所述三维模型的一个或多个部分；以及
通过在与所述一个或多个几何基元的所述二维形状对准的二维平面图中分析与联接到所述器械的传感器相关联的点来确定从所确定的位置到所述一个或多个几何基元的距离以便来确定所述传感器的所确定的位置到所述三维模型的所述一个或多个部分的距离；
确定所述器械相对于所监测的解剖结构的所述距离是否低于一个或多个阈值；以及
提供指示所述距离是低于还是高于所述一个或多个阈值的用户界面指示。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述工作站被配置成通过以下方式来确定所述器械的位置：
检测由联接到所述器械的一个或多个传感器检测到的信号的各方面。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述工作站被配置成通过以下方式来确定所述器械的位置：
基于由所述一个或多个传感器检测到的信号来确定所述一个或多个传感器的一个或多个位置。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述工作站被配置成通过以下方式来检测信号的各方面：
使得定位垫的一个或多个场发生器发射所述信号以用于由联接到所述器械的所述一个或多个传感器检测。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述工作站被配置成通过以下方式来确定所述器械的位置：
检测由彼此处于已知相对位置的一个或多个传感器检测到的信号的各方面，所述传感器被配置成感测由联接到所述器械的一个或多个发射器传送的一个或多个信号。
15.根据权利要求10所述的系统，其中：
将所述三维模型配准到相对于定位垫的场发生器限定的位置并且因此配准到所述对象。
16.根据权利要求10所述的系统，其中所述一个或多个几何基元选自包括圆柱体、圆锥体、圆锥球体和线扫描球体的群组。
17.根据权利要求10所述的系统，其中：
所述工作站被配置成基于所述器械到所监测的解剖结构的所确定的距离来改变所述用户界面指示的一个或多个方面。
18.一种非暂态计算机可读介质，所述非暂态计算机可读介质存储指令，所述指令当由处理器执行时，使得所述处理器通过以下方式监测器械与对象的所监测的解剖结构的接近度，其中所监测的解剖结构表示为包括所监测的解剖结构的三维模型内的一个或多个几何基元，所述一个或多个几何基元能够表示为能够围绕轴线旋转的二维形状：
确定所述器械的位置；
通过以下动作来确定所述器械到所监测的解剖结构的距离：
识别所述三维模型的一个或多个部分；以及
通过在与所述一个或多个几何基元的所述二维形状对准的二维平面图中分析与联接到所述器械的传感器相关联的点来确定从所确定的位置到所述一个或多个几何基元的距离以便来确定所述传感器的所确定的位置到所述三维模型的所述一个或多个部分的距离；
确定所述器械到所监测的解剖结构的所述距离是否低于一个或多个阈值；以及
输出指示所述距离是低于还是高于所述一个或多个阈值的用户界面指示。
19.根据权利要求18所述的非暂态计算机可读介质，其中确定所述器械的位置包括：
检测由联接到所述器械的一个或多个传感器检测到的信号的各方面。
20.根据权利要求18所述的非暂态计算机可读介质，其中确定所述器械的位置包括：
检测由处于已知相对位置的一个或多个传感器从联接到所述器械的一个发射器或多个发射器检测到的信号的各方面。
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