CN112638305A - 用于确定细长工具轨迹的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了用于确定细长工具轨迹并使用细长工具来击打目标的系统和方法。一种用于确定细长工具轨迹的系统包括存储器模块，所述存储器模块被配置为从3D成像设备接收主体的初步三维(3D)图像的成像数据，所述主体包括不透明主体表面，目标和在所述主体表面与所述目标之间的至少一个遮挡，以及与所述存储器模块通信地耦合的处理器。处理器被配置为处理来自3D成像设备的身体的初步3D图像以获得目标，身体表面和至少一个遮挡的位置数据；以及基于目标相对于身体表面和至少一个遮挡的位置，确定用于细长工具撞击目标的至少一个轨迹。
Description
技术领域
本发明广义上涉及一种用于确定细长工具轨迹的系统和方法。
背景技术
在外科手术中有几种将针插入患者体内的方法。例如，外科医生可以通过将针的一端放置在患者的皮肤上，并且基于实时成像数据重复地倾斜针的另一端以在针和靶之间建立对准来手动执行手术。使用该方法，患者和手术人员可暴露于过量的辐射，这可能造成潜在的健康危害。
以使外科手术自动化，已引入诸如机械臂和柔性针的医疗器械。然而，这些器械中的大多数仅模拟与临床医生的远程控制的手动过程。因此，使用这些器械执行的外科手术仍然容易产生可能损害手术结果的人为错误。
在外科手术中的人为误差可引起并发症，例如内部出血和气胸。由于这些人为错误，可能必须将针取出以重复整个过程。这会加重患者的状况，因为患者身体的多个穿刺可能增加患者的风险。
因此存在提供一种用于击打闭塞目标的系统和方法，所述闭塞目标寻求解决上述问题中的至少一个或提供有用的替代。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定细长工具的轨迹的系统，所述系统包括：
存储器模块，其经配置以从3D成像装置接收主体的初步三维(3D)图像的成像数据，所述主体包括不透明主体表面，目标及所述主体表面与所述目标之间的至少一个闭塞；
处理器，所述处理器与所述存储器模块通信地耦合，其中所述处理器被配置为：
从所述3D成像装置处理所述身体的所述初步3D图像以获得所述目标，身体表面和至少一个闭塞的位置数据；以及
基于所述目标相对于所述身体表面的位置和至少一个遮挡来确定所述细长工具撞击所述目标的至少一个轨迹。
所述处理器还可以被配置为确定所述身体表面上的至少一个工具插入点，以确定所述细长工具撞击所述目标的所述至少一个轨迹。
所述处理器还可以被配置为确定所述身体表面上的所述插入点，所述插入点具有所述身体表面与所述目标之间的最短距离。
所述处理器可进一步经配置以确定所述主体表面上的所述插入点，使得所述插入点与所述目标之间的线绕过所述至少一个闭塞。
所述处理器可进一步经配置以确定所述目标的质心的坐标以获得所述目标的位置数据。
所述系统可进一步包括耦合到所述处理器的显示装置，其中所述处理器可进一步经配置以基于所确定的所述至少一个轨迹来模拟所述细长工具的轨迹以用于在所述显示装置上显示。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用细长工具击打目标的系统，该系统包括：
3D成像装置；
所述系统被限定在连接到所述3D成像装置的所述第一方面中；
调节机构，所述调节机构被构造成调节所述细长工具相对于所述插入点的角度取向；以及
致动器，所述致动器联接到所述调节机构，用于根据从所述处理器接收的信号移动所述调节机构，
其中，所述3D成像设备还被配置为捕获所述主体和所述细长工具的实时3D图像，
所述处理器还被配置为基于所述实时3D图像来控制所述调整机构以使所述细长工具的纵向轴线与所选择的轨迹对准，所述处理器还被配置为基于所述插入点和所述目标的位置数据来计算所述插入点与所述目标之间的撞击距离；以及
其中所述致动器被配置成基于所述细长工具在对准处的所述角定向和所计算的撞击距离来朝向所述目标驱动所述细长工具。
所述处理器还可以被配置为将所述实时3D图像与所述初步3D图像相关联，以将所述细长工具与所选择的轨迹对准。
所述3D成像设备可以包括选自由磁共振成像(MRI)机器，计算机断层扫描(CT)扫描仪和X射线透视仪组成的组中的至少一个。
所述调节机构可包括底座和平台，其中所述平台被配置成平行于所述底座。
所述调节机构还可包括将所述底座与所述平台连接的多个臂，所述多个臂被配置成沿着平行于所述基座的平面移动所述平台，以调整所述细长工具相对于所述插入点的所述角度定向。
所述平台可包括用于支撑所述细长工具的球关节顺应性，所述球关节顺应性包括被配置成允许所述细长工具通过其滑动移动的孔。
所述调节机构还可包括可从所述平台拆卸的工具夹持器。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于确定细长工具的轨迹的方法，所述方法包括以下步骤：
接收主体的初步三维(3D)图像，所述主体包括不透明主体表面，目标以及所述主体表面与所述目标之间的至少一个闭塞；
从所述3D成像设备处理所述身体的所述初步3D图像以获得所述目标，身体表面和至少一个遮挡的位置数据；以及
基于所述目标相对于所述身体表面的位置和至少一个遮挡来确定所述细长工具撞击所述目标的至少一个轨迹。
确定所述细长工具撞击所述目标的所述至少一个轨迹的步骤可包括确定所述身体表面上的至少一个工具插入点。
确定身体表面上的至少一个工具插入点的步骤可以包括确定在身体表面和目标之间具有最短距离的插入点。
确定所述主体表面上的所述至少一个工具插入点的步骤可包括确定所述主体表面上的所述插入点，使得所述插入点与所述目标之间的线绕过所述至少一个闭塞。
处理身体的初步3D图像以获得目标的位置数据的步骤可包括确定目标的质心的坐标。
该方法还可以包括基于所确定的至少一个轨迹来模拟细长工具的轨迹以在显示设备上显示的步骤。
根据本发明的第四方面，提供了一种使用细长工具撞击靶的方法，该方法包括以下步骤：
使用如第三方面中所定义的方法来确定用于所述细长工具的至少一个轨迹以撞击所述目标；
接收所述主体和所述细长工具的实时3D图像；
基于所述实时3D图像将所述细长工具的纵向轴线与选定轨迹对准；
基于所述插入点和所述目标的位置数据，计算所述插入点与所述目标之间的击打距离；
根据所计算的距离朝向所述目标推进所述细长工具。
将所述细长工具的所述纵向轴线与所述选定轨迹对准的步骤可包括将所述实时3D图像与所述初步3D图像相关联。
附图说明
本发明的实施例仅以示例的方式提供，并且从以下书面描述和附图中将被更好地理解和显而易见，其中：
图1a示出了示出根据示例实施例的用于确定细长工具的轨迹的设置的示意图。
图1b示出了图1a的建立的部件之间的连接。
图2a示出了适于在图1a和图1b的系统中使用的调节机构的透视图。
图2b示出了图2a的调节机构的前视图。
图2c示出了图示使用图2a的调节机构的刀架的两个透视图。
图2d示出了使用图2a的调节机构的手术工具的调节。
图2e示出了在操作期间的图2a的调节机构的另一示例配置。
图3示出了说明使用图1a和图1b的集合的病变的治疗过程的流程图。
图4示出ct扫描上的肺的横向平面视图。
图5示出了使用图1a和图1b的系统的ct扫描的分割过程。
图6示出了图5的分割视图中的病变的质心位置。
图7a示出了根据示例实施例的3D体素网格中的病变的第一图示。
图7b示出了根据示例实施例的3D体素网格中的病变的第二图示。
图8示出了根据示例性实施例的确定手术工具撞击病变的轨迹。
图9示出了说明适于实现示例实施例的系统和方法的计算机的示意图。
具体实施方式
图1a示出根据示例性实施例的用于确定细长工具的轨迹的设置100的示意图。在下面的描述中，设置100用于对患者的身体102执行手术操作。此外，在操作中使用的细长工具被表示为手术工具104，诸如活检或消融针，用于治疗身体102内的器官内的病变。应当理解的是，设置100还可用于除活检和消融治疗之外的应用中，并且具有不同的身体器官，诸如肾结石去除和椎体成形术。
图1a示出了被配置为捕获身体102的初步3D图像的三维(3D)成像设备106。3D成像设备106的一些示例包括磁共振成像(MRI)机器，计算机断层扫描(CT)扫描和X射线透视仪。
设置100包括具有存储器模块(图9中未示出，图1a中未示出)的系统101，用于从3D成像设备接收初步3D图像的成像数据。系统101还包括与存储器模块通信地耦合的处理器(图9中未示出)。处理器包括人工智能(AI)软件以处理来自3D成像装置106的初步3D图像，以获得病变，身体表面和身体102内部的至少一个闭塞(例如，其它器官，骨骼，动脉)的位置数据。在肿瘤逻辑成像中，病变通常具有比正常身体细胞更丰富的血液供应，这导致在3D图像上生成可识别的阴影，从而允许ai软件识别病变的图像。应当理解，代替使用AI，在初步3D图像上的病变也可以由临床医生在显示设备上手动选择。
例如，处理器可以自动地分割初步3D图像以生成一个或多个分割视图，以在分割的视图上识别病变图像。接下来，处理器基于病变图像提取病变的位置数据。在一个实施例中，处理器基于所生成的分段视图来计算3D体素网格中的病变的质心坐标。所述处理器还被配置为确定所述3D体素网格中的所述质心坐标周围的一组或多组坐标，以用于活检治疗或所述病变的消融中的样本集合。
基于相对于身体表面的质心坐标和主体102内部的闭塞，处理器确定外科手术工具104撞击病变的至少一个轨迹。在一个实施例中，处理器确定用于插入手术工具104的主体表面上的至少一个工具插入点，手术工具104的插入点通常在患者的主体102的皮肤上标记为"x"标记。当手术工具104的角定向相对于充当枢转点的标记调整时，外科工具104的尖端可被放置在标记上。
可以基于身体表面与病变之间的距离来确定工具插入点。在一个实施例中，处理器确定在体表和病变之间具有最短距离的身体表面上的插入点。所述处理器还被配置成确定所述主体表面上的所述插入点，使得所述插入点与所述病变之间的线绕过所述至少一个闭塞。例如，手术工具104的轨迹绕过诸如气管，食道和大血管的重要器官，以避免在插入手术工具104期间损伤器官。
系统101还包括耦合到处理器的显示设备(未示出)。所述处理器还被配置为基于所确定的所述显示设备上的轨迹来模拟所述手术工具104朝向所述病变的轨迹。通过检查模拟，临床医生能够可视化由处理器确定的手术工具104的轨迹。如果存在由处理器确定的多于一个轨迹，则可以通过模拟在选择用于外科手术的合适轨迹时引导临床医生。
系统101还包括被表示为机器人110的调节机构，用于调节手术工具104相对于插入点的角度取向。机器人110包括用于基于从处理器接收的信号移动的致动器(未示出)。在确定轨迹之后，使用胶带或凝胶将机器人110连同手术工具104一起安装在患者的身体102上。
有利地，机器人110与主体102的呼吸运动串联地移动，从而在操作期间最小化皮肤和器官破裂。应当理解，代替在患者的身体102上，机器人110的基部可以以向上或倒置的构型被安装到在手术期间患者身体102上方的刚性结构，使得基座是静止的。下面参照图2a至图2e更详细地解释机器人110在外科手术期间的构造。
在一种实现方式中，3D成像设备106然后捕获主体102和手术工具104的实时3D图像。处理器从3D成像设备106接收图像数据，并将实时3D图像与初步3D图像融合，然后校准机器人110以增强处理器基于实时3D图像控制机器人110的准确性。处理器还控制机器人110以调整手术工具104相对于插入点的角度取向，以使手术工具104的纵向轴线与所选择的轨迹对准。
接着，处理器从实时3D图像中提取手术工具104的插入点的位置数据。基于所述枢转点和所述病变的位置数据，计算所述插入点与所述病变之间的撞击距离。在一个实施例中，处理器基于计算的距离来模拟手术工具104朝向病变的轨迹。如果模拟结果是令人满意的，则临床医生通过由处理器控制的自动插入或由临床医生控制的手动插入来确认继续手术工具104朝向病变的插入。处理器将信号发送到致动器以基于手术工具104在对准和所计算的击打距离处的角度取向朝向病变驱动手术工具104。
图1b示出了图1a的装置100的部件之间的连接。如在图1b中可以看到的，设置100是闭环控制设置，该闭环控制设置继续操作，直到完成撞击损伤的过程。所述装置包括电源112，所述电源112经由电源插座114向所述装置100的其它部件供电。
系统101(表示为计算机)使用有线连接(诸如使用允许数字成像和药物(dicom)中的通信的一个或多个插座连接器118连接的以太网电缆116)与3D成像设备106(表示为计算机断层扫描系统)通信地耦合。系统101还经由串行电缆120连接到电动机控制器，以使用机器人110(表示为自动针靶向机器人或ant机器人)向电动机控制器发送信号以用于调整和插入手术工具104。
应当理解，代替有线连接，也可以经由无线连接来连接设置100中的部件。
图2a和2b分别示出了适于在图1a和图1b的系统101中使用的调节机构200的透视图和正视图。调节机构200包括呈环形圈形式的底座202，以及表示为第一臂204a，第二臂204b和第三臂204c的多个臂。臂204a，204b，204c以彼此基本上均匀的角度距离连接到基部202。
调节机构200还包括升高平台206，其分别连接到臂204a，204b，204c的末端执行器208a，208b，208c。平台206是环形圈的形式，并且包括在平台206的中心处的球形接头顺应性210。球形接头顺应性210包括保持手术工具212并且允许手术工具212的滑动移动的孔。球形接头合规210还包括以柱塞(未示出)的形式的驱动机构，用于将手术工具212保持并插入患者体内。
在操作期间，基部202粘附到患者的身体。臂204a，204b，204c由至少一个致动器(未示出)致动以彼此协调以调整平台206的位置，并且因此调整手术工具212相对于枢转点214的取向。平台206通常在每个操作期间相对于基部202以预定的恒定高度移动，并且平台206相对于基部202的移动在图2a中由箭头216a，216b，216c示出。所述高度通常在基于诸如针规，患者生理等因素的操作之前的校准阶段被确定。
当平台206的位置由臂204a，204b，204c调整时，外科工具212被柱塞和球关节顺应性210松散地保持，从而允许外科工具212围绕枢转点214。自由地枢转或旋转该构型允许当平台206在同一平面移动时手术工具212的倾斜，并且外科工具212的倾斜由图2a中的箭头218示出。
在示例性实施例中，外科工具212包括可调节止动件220，该可调节止动件220邻近于手术工具212的与枢转点214。相对的端部222安装在确认手术工具212的定向和插入深度时，球形接头合规210的位置被锁定，并且止动件220被固定到外科工具212，其中止动件220与球接头顺应性210之间的距离大致等于插入深度，使得手术工具212的插入深度受到球接头顺应性210和止动件220之间的距离的限制。接着，通过致动器致动柱塞以将外科工具212保持并插入患者体内。
调节机构200的结构通常由光和刚性材料制成。在一个实施例中，调节机构200由射线可透材料制成，使得由3D成像装置提供的3D图像不捕获调节机构200的图像。例如，调节机构200的平台206由不透射线材料制成，例如不锈钢，而调节机构200的其它部分由射线可透材料制成。在这种情况下，平台206的图像由3D成像设备捕获在3D图像上，并且可以从3D图像提取平台206的位置数据，以便容易地确定球关节顺应性的坐标，并且因此容易地确定手术工具212的角度取向。
由于调节机构200的结构简单，尺寸较小，能够快速响应来自处理器的信号。而且，调节机构200的构造也限制了过度的运动，减少了操作中皮肤的撕裂。此外，调节机构200的大部分也由生物相容性材料制成，使得调节机构200在手术中的使用不会对患者造成任何不期望的影响。例如，合适的材料包括钛和聚醚醚酮(peek)。应当理解，调节机构200的结构可以由其它材料制成。
在一个实施例中，外科工具212可包括可通信地联接到处理器以检测外科工具212上的压力变化的触觉传感器(未示出)。这可以增强处理器在检测患者体内的手术工具212的深度以及检测病变时的准确性。
图2c示出了图示使用图2a的调节机构200的工具保持器224的两个透视图。在此，工具保持器224可从平台206拆卸。工具保持器224的结构包括球形接头顺应性210和从球形接头顺应性210径向向外延伸的多个支撑结构226，将球形接头顺应性210与平台206的环形环连接。接合机构(表示为卡扣228)用于将工具保持器224可拆卸地紧固到平台206。
如图2c的第一配置(图2c的左图)所示，当移动平台206以调整手术工具212的角度取向时，工具夹持器224附接至平台206，手术工具212的倾斜由箭头218示出，如第二布置(图2c的右图)所示。如果需要进一步插入超过由塞子220允许的插入深度，则工具保持器224从平台206分离，例如通过沿顺时针或逆时针方向转动工具保持器224，并降低到患者身体上，如箭头230所示。
工具保持器224然后可安装在患者的身体上，并且柱塞由致动器致动以保持并进一步将外科工具212插入患者体内，如箭头232所示，工具保持器224因此允许外科工具212插入患者体内更大的深度，从而提供可使用调节机构200执行的操作类型的灵活性。
图2d示出了使用图2a的调节机构200对手术工具212的调节。如图2d所示，在手术工具212从第一角度定向234a到第二角度定向234b(即，目标平面236a，枢转点平面236b和调整机构平面236c)的调整中涉及三个平面。
3D体素网格中病变的坐标由s0表示。使用图1a和图1b的系统101确定用于插入手术工具212的枢转点坐标p0。在操作期间，手术工具212的尖端被放置在枢转点上。
手术工具212形成具有坐标s0和p0的基本直线的轨迹也已经由图1a和1b的系统101确定。在一个实施例中，使用坐标s0和p0，处理器计算调整机构平面236c上的对准坐标p1。基于对准坐标p1，处理器控制调整机构200以将调整机构平面236c处的外科工具212从第一角度定向234a调整到第二角度定向234b，使得手术工具212的纵向轴线穿过第二角度定向234b中的对准坐标p1。这可以例如通过横向移动平台206使得球关节顺应性210处于坐标p1来完成。在第二角度取向234b中，手术工具212的纵向轴线与病变和枢转点对准。确定坐标s0和p0，计算对准坐标p1和调整外科工具212以与对准坐标p1对准的步骤可被自动重复以校正任何误差，直到外科工具212的纵向轴线基本上与病变对准为止。
图2e示出了操作期间的图2a的调节机构200的另一示例配置。这里，调节机构200处于患者身体上方的倒置位置，其中基部202通过铰接臂固定装置238保持静止。在该构造中，当外科工具212被柱塞和球形接头顺应性210松弛地保持时，平台206相对于患者的身体升高，并且可被调节为横向移动，从而允许外科工具212围绕身体表面上的插入点242自由地枢转或旋转。手术工具212的倾斜由箭头244示出。在确认角度定向和插入深度时，球关节顺应性210的位置被锁定并且柱塞被致动以将外科工具212保持并插入到身体中。
图3示出了使用图1a和图1b的设置100示出病变的治疗过程的流程图300。
在步骤302，3D成像装置106在不存在机器人110的情况下捕获身体102的CT扫描图像以产生初步3D图像，并且初步3D图像的图像数据通过DICOM传输到处理器。
在步骤304，处理器对初步3D图像执行图像分割处理，以基于初步3D图像上的阴影来识别主体102内的遮挡物和病变的图像。基于病变图像，处理器通过计算3D体素网格中病变的质心坐标来提取病变的位置数据。
在步骤306处，处理器确定用于活检针的至少一个轨迹以收集病变的样本。例如，AI软件识别初步3D图像上的所有重要器官或动脉，并确定用于插入手术工具104的主体表面上的工具插入点。可选地或另外地，工具插入点与病变形成线，该线绕过主体102内的闭塞。
在步骤308处，处理器模拟活检针进入主体102的轨迹。临床医生可由模拟轨迹引导以决定插入手术工具104的解剖学上理想点，使得可减少由于活检针插入而引起的并发症的可能性。
在步骤310处，机器人110连同活检针一起安装在患者的身体102上。
在步骤312，3D成像装置106利用机器人110和活检针捕获身体102的CT扫描图像，以产生实时3D图像。实时3D图像的图像数据通过DICOM传输到处理器。
在步骤314处，ai软件执行初步3D图像和实时3D图像的图像融合以用于机器人110与融合的3D图像的校准，接着使用机器人110调整活检针的角度定向以与所选择的轨迹对准。在该过程期间，ai软件将由于诸如患者定位的变化，呼吸期间的胸部移动等原因而考虑病变位置的变化，这可以有利地允许ai软件获得病变的精确位置并且根据病变位置的变化确定准确的轨迹。
图5示出了使用图1a和图1b的系统101的CT扫描的分割过程。分割过程分为3个步骤，第一图像502示出了图4的肺402在左肺402中的CT扫描；处理器接收来自3D成像装置106的CT扫描，并处理CT扫描以识别具有病变的左肺402的图像。从CT扫描分割左肺402的图像以生成第二图像504。
处理器还识别第三图像506上的暗阴影区域404并从第三图像分割暗阴影区域404以产生第四图像508。分割过程产生由暗阴影区域404表示的分割的病变图像。分割过程产生由暗阴影区域404表示的分割的病变图像。基于提取的位置数据，可以由处理器从病变图像准确地提取病变的位置数据并且将病变设置为活检或消融治疗中的目标。
图6示出了图5的分割视图504中的病变的质心位置602。在实施例中，由处理器使用应用第一体积积分的算法来计算3D体素网格中的病变的质心位置602。下面提供了用于计算每个维度的质心坐标的公式。
在积分计算中，沿着x，y和z坐标的所有体积分别被求和并除以病变的总体积，以获得从一个端到另一端沿着每个轴的体积变化率。在任何点处体积的变化率等同于垂直于轴线的横截面积。该公式能够在确定每个维度的平均坐标时考虑横截面积的变化。
应当理解，质心坐标也可以使用其他数学方法例如复合部件的方法来确定。
图7a和7b示出了根据示例实施例的3D体素网格中的病变702的图示700使用病变702的质心，处理器基于病变702的体积来确定最佳网格大小，并且建议围绕质心的位置(即，位置a1，a2，a3，a4)以在活检处理期间收集病变的样本或执行消融。3D体素网格的使用允许确定准确的细胞到细胞距离，并且使得临床医生能够在准确的位置处执行治疗以递送最佳结果。
图8示出了根据示例实施例的确定手术工具104撞击病变802的轨迹。
处理器计算多个轨迹以撞击病变，表示为直线804，806，808，810，810。然后，处理器根据所确定的轨迹模拟手术工具104朝向病变802的轨迹。基于模拟，处理器应用算法来选择最佳轨迹。在这种情况下，轨迹808被选择为最佳轨迹。所选择的轨迹用于在如上所述的操作中对手术工具104的对准。
本发明的实施例提供了一种用于确定细长工具的轨迹的系统和方法。使用该系统和方法的手术过程可简化为具有最小的人类输入。可以准确地确定身体中的病变和器官的位置，并且系统基于所确定的位置来计算手术工具的最佳轨迹。这可以有利地减少人为误差并且避免在插入手术工具期间损伤器官，从而提高手术的成功率。
图9描绘了示例性计算设备900，在下文中可互换地称为计算机系统900，其中一个或多个这样的计算设备900可以用于确定细长工具的轨迹。示例性计算装置900可用于实施图1a和1b中所示的系统101。计算设备900的以下描述仅以示例的方式提供，并且不旨在进行限制。
如图9所示，示例计算设备900包括用于执行软件例程的处理器907。虽然为了清楚起见示出了单个处理器，但是计算设备900还可以包括多处理器系统。处理器907连接到通信基础设施906，用于与计算设备900的其它组件通信。通信基础设施906可以包括例如通信总线，横杆或网络。
计算设备900还包括主存储器908，诸如随机存取存储器(RAM)，辅助存储器910可以包括例如存储驱动器912，其可以是硬盘驱动器，固态驱动器或混合驱动器，和/或可移除存储驱动器917，其可以包括磁带驱动器，光盘驱动器，固态存储驱动器(诸如USB闪存驱动器，闪存设备，固态驱动器或存储卡)等。可移动存储驱动器917以公知的方式从可移动存储介质977读取和/或向可移动存储介质977写入。可移动存储介质977可以包括磁带，光盘，非易失性存储器存储介质等，所述磁带，光盘，非易失性存储器存储介质等被相关领域的技术人员将会理解，所述可移动存储介质977包括其中存储有计算机可执行程序代码指令和/或数据的计算机可读存储介质。
在替代实施方式中，辅助存储器910可以附加地或替代地包括用于允许计算机程序或其他指令被加载到计算设备900中的其他类似装置。这样的装置可以包括例如可移除存储单元922和接口9504。可移除存储单元922和接口950的示例包括程序盒和盒接口(诸如在视频游戏控制台设备中找到的)，可移除存储器芯片(诸如EPROM或PROM)和相关联的插座，可移除固态存储驱动器(诸如USB闪存驱动器，闪存设备，固态驱动器或存储卡)，以及允许软件和数据从可移除存储单元922传送到计算机系统900的其他可移除存储单元922和接口950。
如本文所使用的，术语"计算机程序产品"可以部分地指代可移除存储介质977，可移除存储单元922，安装在存储驱动器912中的硬盘，或在通信路径926(无线链路或电缆)上携带软件的载波(无线链路或电缆)到通信接口9276。计算机可读存储介质指的是向计算设备900提供记录的指令和/或数据以用于执行和/或处理的任何非暂时性，非易失性有形存储介质。这种存储介质的示例包括磁带，CD-ROM，DVD，蓝光盘，硬盘驱动器，ROM或集成电路，固态存储驱动器(诸如USB闪存驱动器，闪存设备，固态驱动器或存储卡)，混合驱动器，磁光盘，或诸如PCMCIA卡等的计算机可读卡，无论这样的设备是否在计算设备900的内部或外部，也可以参与向计算设备900提供软件，应用程序，指令和/或数据的暂时性或非有形计算机可读传输介质的示例包括无线电或红外传输信道以及到另一计算机或联网设备的网络连接，以及包括电子邮件传输和记录在网站上的信息等的互联网或内联网。
计算机程序(也称为计算机程序代码)被存储在主存储器908和/或辅助存储器910中。计算机程序也可以经由通信接口9276接收。这样的计算机程序在被执行时使得计算设备900能够执行本文所讨论的实施例的一个或多个特征。在各种实施例中，计算机程序在被执行时使得处理器907能够执行上述实施例的特征。因此，这样的计算机程序表示计算机系统900的控制器。
软件可以存储在计算机程序产品中，并且使用可移动存储驱动器917，存储驱动器912或接口9504加载到计算设备900中。计算机程序产品可以是非暂时性计算机可读介质。可替换地，计算机程序产品可以通过通信路径926。下载到计算机系统900。当由处理器907执行时，软件使计算设备900执行本文描述的实施例的功能。
应当理解，图9的实施例仅作为示例呈现。因此，在一些实施例中，可以省略计算设备900的一个或多个特征。此外，在一些实施例中，计算设备900的一个或多个特征可以组合在一起。另外，在一些实施例中，计算设备900的一个或多个特征可被分成一个或多个组件部分。
当计算设备900被配置为确定细长工具的轨迹时，计算系统900将具有其上存储有应用的非暂时性计算机可读介质，所述应用在被执行时使得计算系统900执行包括以下各项的步骤：接收初步三维(3D)主体的图像，所述主体包括不透明主体表面，目标和在所述主体表面与所述目标之间的至少一个遮挡；从所述3D成像设备处理所述主体的所述初步3D图像以获得所述目标，身体表面和至少一个遮挡的位置数据；以及基于所述目标相对于所述主体表面和至少一个遮挡的位置，确定所述细长工具撞击所述目标的至少一个轨迹。
本领域技术人员将理解，在不脱离如广义描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对如在具体实施例中示出的本发明进行许多变化和/或修改。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (21)
1.一种用于确定细长工具的轨迹的系统，所述系统包括：
存储器模块，其经配置以从3D成像装置接收主体的初步三维(3D)图像的成像数据，所述主体包括不透明主体表面，目标及所述主体表面与所述目标之间的至少一个闭塞；处理器，所述处理器与所述存储器模块通信地耦合，其中所述处理器被配置为：
从所述3D成像装置处理所述身体的所述初步3D图像以获得所述目标，身体表面和至少一个闭塞的位置数据；以及
基于所述目标相对于所述身体表面的位置和至少一个遮挡来确定所述细长工具撞击所述目标的至少一个轨迹。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还被配置为确定所述身体表面上的至少一个工具插入点，以确定所述细长工具撞击所述目标的所述至少一个轨迹。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理器还被配置为确定所述体表上具有所述体表与所述目标之间的最短距离的所述插入点。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其中，所述处理器进一步经配置以确定所述主体表面上的所述插入点，使得所述插入点与所述目标之间的线绕过所述至少一个闭塞。
5.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述处理器还被配置为确定所述目标的质心的坐标以获得所述目标的位置数据。
6.根据前述任一项权利要求所述的系统，其进一步包括耦合到所述处理器的显示装置，其中所述处理器进一步经配置以基于所确定的所述至少一个轨迹来模拟所述细长工具的轨迹以用于在所述显示装置上显示。
7.一种用于使用细长工具击打目标的系统，所述系统包括：
3D成像装置；
根据权利要求2至4任一项所述的系统，其中，所述系统与所述3D成像装置连接；
调节机构，所述调节机构被构造成调节所述细长工具相对于所述插入点的角度取向；以及
致动器，所述致动器联接到所述调节机构，用于根据从所述处理器接收的信号移动所述调节机构，
其中，所述3D成像设备还被配置为捕获所述主体和所述细长工具的实时3D图像，
所述处理器还被配置为基于所述实时3D图像来控制所述调整机构以使所述细长工具的纵向轴线与所选择的轨迹对准，所述处理器还被配置为基于所述插入点和所述目标的位置数据来计算所述插入点与所述目标之间的撞击距离；以及
其中所述致动器被配置成基于所述细长工具在对准处的所述角定向和所计算的撞击距离来朝向所述目标驱动所述细长工具。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述处理器进一步经配置以将所述实时3D图像与所述初步3D图像相关联，以将所述细长工具对准到所述选定轨迹。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述3D成像装置包括选自由磁共振成像(MRI)机器，计算机断层扫描(CT)扫描仪和荧光镜组成的组中的至少一个。
10.根据权利要求7至9任一项所述的系统，其中，所述调节机构包括底座和平台，其中所述平台被配置为平行于所述底座。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述调节机构还包括多个臂，所述多个臂将所述基座与所述平台连接，所述多个臂被配置为沿着平行于所述基座的平面移动所述平台，以调整所述细长工具相对于所述插入点的所述角度定向。
12.根据权利要求10或11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关节顺应性，所述球关节顺应性包括被配置成允许所述细长工具通过其滑动移动的孔。
13.根据权利要求10至12任一项所述的系统，其中，所述调节机构还包括可从所述平台拆卸的刀架。
14.一种用于确定细长工具的轨迹的方法，所述方法包括以下步骤：
接收主体的初步三维(3D)图像，所述主体包括不透明主体表面，目标以及所述主体表面与所述目标之间的至少一个闭塞；
从所述3D成像设备处理所述身体的所述初步3D图像以获得所述目标，身体表面和至少一个遮挡的位置数据；以及
基于所述目标相对于所述身体表面的位置和至少一个遮挡来确定所述细长工具撞击所述目标的至少一个轨迹。
15.根据权利要求14所述的方法，其中确定所述细长工具撞击所述目标的所述至少一个轨迹包括确定所述身体表面上的至少一个工具插入点。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，确定所述身体表面上的所述至少一个工具插入点包括确定在所述身体表面和所述目标之间具有最短距离的所述插入点。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，确定所述主体表面上的所述至少一个工具插入点包括确定所述主体表面上的所述插入点，使得所述插入点与所述目标之间的线绕过所述至少一个闭塞。
18.根据权利要求14至17任一项所述的方法，其中，处理所述身体的所述初步3D图像以获得所述目标的位置数据包括确定所述目标的质心的坐标。
19.根据权利要求14至18任一项所述的方法，还包括基于所确定的至少一个轨迹来模拟所述细长工具的轨迹以在显示设备上显示的步骤。
20.一种使用细长工具撞击目标的方法，所述方法包括以下步骤：
使用如权利要求15至17任一项所述的方法确定用于所述细长工具的至少一个轨迹以撞击所述目标；
接收所述主体和所述细长工具的实时3D图像；
基于所述实时3D图像将所述细长工具的纵向轴线与选定轨迹对准；
基于所述插入点和所述目标的位置数据，计算所述插入点与所述目标之间的击打距离；
根据所计算的距离朝向所述目标推进所述细长工具。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，将所述细长工具的所述纵向轴线与所述选定轨迹对准包括将所述实时3D图像与所述初步3D图像相关联。
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Application publication date: 20210409 Assignee: Shanghai Shuhang robot Co.,Ltd. Assignor: NDR Medical Technology Co.,Ltd. Contract record no.: X2021990000502 Denomination of invention: System and method for determining slender tool trajectory License type: Exclusive License Record date: 20210818 |
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