CN113194813A - 外科装置的可视化 - Google Patents

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CN113194813A
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C·J·谢伊布
P·G·里特奇
S·A·穆尔
J·S·斯韦兹
J·D·塔尔伯特
J·D·扬
V·C·莫雷诺
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    • A61B17/11—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets for performing anastomosis; Buttons for anastomosis
    • A61B17/1114—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets for performing anastomosis; Buttons for anastomosis of the digestive tract, e.g. bowels or oesophagus
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/11—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets for performing anastomosis; Buttons for anastomosis
    • A61B17/115—Staplers for performing anastomosis in a single operation
    • A61B17/1155—Circular staplers comprising a plurality of staples
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/34—Trocars; Puncturing needles
    • A61B17/3417—Details of tips or shafts, e.g. grooves, expandable, bendable; Multiple coaxial sliding cannulas, e.g. for dilating
    • A61B17/3421—Cannulas
    • A61B17/3423—Access ports, e.g. toroid shape introducers for instruments or hands
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/32—Surgical robots operating autonomously
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/73—Manipulators for magnetic surgery
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0033—Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room
    • A61B5/0036—Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room including treatment, e.g., using an implantable medical device, ablating, ventilating
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0062—Arrangements for scanning
    • A61B5/0064—Body surface scanning
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0075—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by spectroscopy, i.e. measuring spectra, e.g. Raman spectroscopy, infrared absorption spectroscopy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0077—Devices for viewing the surface of the body, e.g. camera, magnifying lens
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0082—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes
    • A61B5/0084—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes for introduction into the body, e.g. by catheters
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0082—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes
    • A61B5/0084—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes for introduction into the body, e.g. by catheters
    • A61B5/0086—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes for introduction into the body, e.g. by catheters using infrared radiation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/107—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof
    • A61B5/1072—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof measuring distances on the body, e.g. measuring length, height or thickness
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/107—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof
    • A61B5/1076—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof for measuring dimensions inside body cavities, e.g. using catheters
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/107—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof
    • A61B5/1079—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof using optical or photographic means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6844—Monitoring or controlling distance between sensor and tissue
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6846—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive
    • A61B5/6886—Monitoring or controlling distance between sensor and tissue
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/03—Automatic limiting or abutting means, e.g. for safety
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/10—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges for stereotaxic surgery, e.g. frame-based stereotaxis
    • A61B90/11—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges for stereotaxic surgery, e.g. frame-based stereotaxis with guides for needles or instruments, e.g. arcuate slides or ball joints
    • A61B90/13—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges for stereotaxic surgery, e.g. frame-based stereotaxis with guides for needles or instruments, e.g. arcuate slides or ball joints guided by light, e.g. laser pointers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/30—Devices for illuminating a surgical field, the devices having an interrelation with other surgical devices or with a surgical procedure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/30—Devices for illuminating a surgical field, the devices having an interrelation with other surgical devices or with a surgical procedure
    • A61B90/35—Supports therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/361—Image-producing devices, e.g. surgical cameras
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2513—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object with several lines being projected in more than one direction, e.g. grids, patterns
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0229—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using masks, aperture plates, spatial light modulators or spatial filters, e.g. reflective filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/027—Control of working procedures of a spectrometer; Failure detection; Bandwidth calculation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0278—Control or determination of height or angle information for sensors or receivers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2823—Imaging spectrometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4865—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/1326—Liquid crystal optical waveguides or liquid crystal cells specially adapted for gating or modulating between optical waveguides
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T1/00—General purpose image data processing
    • G06T1/0007—Image acquisition
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
    • G16H20/00—ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance
    • G16H20/40—ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance relating to mechanical, radiation or invasive therapies, e.g. surgery, laser therapy, dialysis or acupuncture
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
    • G16H40/00—ICT specially adapted for the management or administration of healthcare resources or facilities; ICT specially adapted for the management or operation of medical equipment or devices
    • G16H40/60—ICT specially adapted for the management or administration of healthcare resources or facilities; ICT specially adapted for the management or operation of medical equipment or devices for the operation of medical equipment or devices
    • G16H40/63—ICT specially adapted for the management or administration of healthcare resources or facilities; ICT specially adapted for the management or operation of medical equipment or devices for the operation of medical equipment or devices for local operation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00002—Operational features of endoscopes
    • A61B1/00004—Operational features of endoscopes characterised by electronic signal processing
    • A61B1/00009—Operational features of endoscopes characterised by electronic signal processing of image signals during a use of endoscope
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00017—Electrical control of surgical instruments
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00017—Electrical control of surgical instruments
    • A61B2017/00022—Sensing or detecting at the treatment site
    • A61B2017/00057—Light
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00017—Electrical control of surgical instruments
    • A61B2017/00022—Sensing or detecting at the treatment site
    • A61B2017/00057—Light
    • A61B2017/00061—Light spectrum
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00017—Electrical control of surgical instruments
    • A61B2017/00115—Electrical control of surgical instruments with audible or visual output
    • A61B2017/00119—Electrical control of surgical instruments with audible or visual output alarm; indicating an abnormal situation
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    • A61B5/7264—Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems
    • A61B5/7267—Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems involving training the classification device
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    • A61B5/742—Details of notification to user or communication with user or patient ; user input means using visual displays
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
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    • G01J2003/102—Plural sources
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N2021/3129—Determining multicomponents by multiwavelength light
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium
    • G01N2021/4797—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium time resolved, e.g. analysis of ballistic photons
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Abstract

本发明公开了一种外科可视化系统。外科可视化系统被配置成能够识别一个或多个结构以及/或者确定相对于遮蔽组织和/或所识别的结构的一个或多个距离。外科可视化系统可有利于外科装置避开所识别的结构。外科可视化系统可包括被配置成能够发射多个组织穿透光波的第一发射器以及被配置成能够将结构化光发射到组织的表面上的第二发射器。外科可视化系统还可包括被配置成能够检测反射的可见光、组织穿透光和/或结构化光的图像传感器。外科可视化系统可向一个或多个临床医生传达关于一个或多个隐藏识别结构的方位的信息和/或提供一个或多个接近度指示标识。

Description

外科装置的可视化
相关申请的交叉引用
此申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2018年7月16日提交的名称为“DIGITALSURGERY IMAGING/VISUALIZATION SYSTEM”的美国临时专利申请序列号62/698,625的优先权，该临时专利申请全文以引用方式并入本文。
背景技术
外科系统通常结合有成像系统，该成像系统可允许临床医生例如在一个或多个显示器(诸如监视器)上观看外科部位和/或其一个或多个部分。显示器可以是手术室本地的和/或远程的。成像系统可包括具有相机的观察镜，该观察镜观看外科部位并将视图传输到临床医生可观看的显示器。观察镜包括但不限于关节镜、血管镜、支气管镜、胆道镜、结肠镜、膀胱镜、十二指肠镜、肠镜、食管胃-十二指肠镜(胃镜)、内窥镜、喉镜、鼻咽-肾镜、乙状结肠镜、胸腔镜、输尿管镜和外镜。成像系统可受到它们能够识别和/或传达给临床医生的信息的限制。例如，某些成像系统可能无法在术中识别三维空间内的某些隐蔽结构、物理轮廓和/或尺寸。另外，某些成像系统可能无法在术中将某些信息传送和/或传达给临床医生。
发明内容
一种外科可视化系统可以包括：显示屏；外科装置，该外科装置被配置成能够将结构化光图案发射到表面上；图像传感器，该图像传感器被配置成能够识别嵌入在表面下方的结构；以及控制电路，该控制电路与图像传感器信号通信，其中控制电路被配置成能够：接收指示表面上的结构化光图案的成像数据；基于成像数据生成表面的三维数字表示；从图像传感器获得结构和外科装置的图像；在显示屏上将结构和外科装置的图像与表面的三维数字表示叠加；并且根据图像确定从外科装置到结构的距离。
外科可视化系统可以包括处理器和通信地联接到处理器的存储器，其中存储器存储指令，该指令能够由处理器执行以：接收指示表面上的结构化光图案的成像数据；基于成像数据生成表面的三维数字表示；从图像传感器获得嵌入结构和外科装置的图像；在显示屏上将嵌入结构和外科装置的图像与表面的三维数字表示叠加；并且确定从外科装置到一部分表面的距离，该一部分表面覆盖嵌入结构。
一种非暂态计算机可读介质可以存储计算机可读指令，该计算机可读指令在被执行时致使机器：接收指示表面上的结构化光图案的成像数据；基于该成像数据生成该表面的三维数字表示；从图像传感器获得嵌入结构和外科装置的三维图像；在显示屏上将嵌入结构和外科装置的图像与表面的三维数字表示叠加；并且根据三维图像确定从外科装置到嵌入结构的距离。
外科可视化系统可以包括显示器、具有三维相机的第一机器人工具，其中三维相机包括图像传感器。外科可视化系统还可以包括第二机器人工具，该第二机器人工具包括光谱光发射器，该光谱光发射器被配置成能够发射能够穿透表面并到达表面下方的结构的多个波长的光谱光，其中图像传感器被配置成能够检测反射的可见光和多个波长的反射的光谱光。外科可视化系统还可以包括控制电路，该控制电路与图像传感器和显示器信号通信，其中控制电路被配置成能够：从图像传感器获得结构和第二机器人工具的三维图像；根据三维图像确定从第二机器人工具到结构的距离；并且向显示器提供指示该距离的信号。
一种外科可视化系统可以包括：发射器，该发射器被配置成能够发射多个组织穿透波形；接收器，该接收器被配置成能够检测多个组织穿透波形；成像系统，该成像系统包括显示器；以及控制电路，该控制电路与接收器信号通信。控制电路可以被配置成能够从接收器接收表示外科装置的隐藏部分的图像的数据，并且将外科装置的隐藏部分的图像提供给显示器。
外科可视化系统可以包括高光谱相机，该高光谱相机包括被配置成能够发射多个组织穿透波形的发射器，以及被配置成能够检测所述多个组织穿透波形的图像传感器。外科可视化系统还可以包括控制电路，该控制电路与高光谱相机信号通信，其中控制电路被配置成能够：从由图像传感器检测的多个组织穿透波形中接收表示第一关键结构的方位的数据；从由图像传感器检测到的多个组织穿透波形中接收表示第二关键结构的方位的数据；并且确定第一关键结构和第二关键结构之间的距离。
一种非暂态计算机可读介质可以存储计算机可读指令，该计算机可读指令在被执行时致使机器：从图像传感器接收表示第一隐藏结构的第一图像的数据；向显示器提供第一隐藏结构的第一图像；从图像传感器接收表示第二隐藏结构的第二图像的数据；向显示器提供第二隐藏结构的第二图像；并且确定第一隐藏结构和第二隐藏结构之间的距离。
一种外科可视化系统可以包括：第一投射仪，该第一投射仪被配置成能够将结构化光图案发射到解剖结构的表面上；第二投射仪，该第二投射仪被配置成能够发射能够穿透解剖结构并到达钉线的多个波长的光谱光；以及控制电路，该控制电路与图像传感器信号通信，其中控制电路被配置成能够：从图像传感器接收指示解剖结构的表面上的结构化光图案的结构化光数据；根据结构化光数据计算解剖结构的三维表示；从图像传感器接收指示钉线的光谱图像的光谱光数据；根据光谱光数据生成钉线的光谱图像；以及确定相对于钉线的距离。
一种外科可视化系统可以包括处理器和通信地联接到处理器的存储器，其中存储器存储指令，该指令在被处理器执行时：从图像传感器接收指示解剖结构的表面上的结构化光图案的结构化光数据；根据结构化光数据计算解剖结构的三维表示；从图像传感器接收指示钉线的光谱图像的光谱光数据；根据光谱光数据生成钉线的光谱图像；并且确定相对于钉线的距离。
一种非暂态计算机可读介质可以存储计算机可读指令，该计算机可读指令在被执行时致使机器：从图像传感器接收指示解剖结构的表面上的结构化光图案的结构化光数据；根据结构化光数据计算解剖结构的三维表示；从图像传感器接收指示钉线的光谱图像的光谱光数据；根据光谱光数据生成钉线的光谱图像；并且确定相对于钉线的距离。
附图说明
各种方面的新型特征在随附权利要求书中具体阐述。然而，关于组织和操作方法两者的所述方面可通过结合附图参照以下描述最好地理解，其中：
图1是根据本公开的至少一个方面的包括成像装置和外科装置的外科可视化系统的示意图，该外科可视化系统被配置成能够识别组织表面下方的关键结构。
图2是根据本公开的至少一个方面的用于外科可视化系统的控制系统的示意图。
图2A示出了根据本公开的至少一个方面的被配置成能够控制外科可视化系统的各方面的控制电路。
图2B示出了根据本公开的至少一个方面的被配置成能够控制外科可视化系统的各方面的组合逻辑电路。
图2C示出了根据本公开的至少一个方面的被配置成能够控制外科可视化系统的各方面的时序逻辑电路。
图3是根据本公开的至少一个方面的描绘在图1的外科装置、成像装置与关键结构之间进行三角测量以确定关键结构在组织表面下方的深度dA的示意图。
图4是根据本公开的至少一个方面的被配置成能够识别组织表面下方的关键结构的外科可视化系统的示意图，其中该外科可视化系统包括用于确定关键结构在组织表面下方的深度dA的脉冲光源。
图5是根据本公开的至少一个方面的包括成像装置和外科装置的外科可视化系统的示意图，该外科可视化系统被配置成能够识别组织表面下方的关键结构。
图6是根据本公开的至少一个方面的包括三维相机的外科可视化系统的示意图，其中该外科可视化系统被配置成能够识别嵌入组织内的关键结构。
图7A和图7B是根据本公开的至少一个方面的由图6的三维相机拍摄的关键结构的视图，其中图7A是来自三维相机的左侧透镜的视图，并且图7B是来自三维相机的右侧透镜的视图。
图8是根据本公开的至少一个方面的图6的外科可视化系统的示意图，其中可确定从三维相机到关键结构的相机-关键结构距离dw。
图9是根据本公开的至少一个方面的利用两个相机来确定嵌入关键结构的方位的外科可视化系统的示意图。
图10A是根据本公开的至少一个方面的利用相机的外科可视化系统的示意图，该相机在多个已知方位之间轴向移动以确定嵌入关键结构的方位。
图10B是根据本公开的至少一个方面的图10A的外科可视化系统的示意图，其中相机在多个已知方位之间轴向且旋转移动以确定嵌入关键结构的方位。
图11是根据本公开的至少一个方面的用于外科可视化系统的控制系统的示意图。
图12是根据本公开的至少一个方面的用于外科可视化系统的结构化光源的示意图。
图13是根据本公开的至少一个方面的用于对陆地特征或物体进行成像的高光谱可视化系统的示意图。
图14是根据本公开的至少一个方面的各种陆地特征或物体的高光谱特征的图形表示。
图15A至图15C示出了根据本公开的至少一个方面的用于对煎蛋进行成像的高光谱可视化系统的示例，其中图15A是煎蛋的照片，图15B是煎蛋的蛋黄部分和蛋白部分的高光谱特征的图形表示，并且图15C是煎蛋的高光谱图像(以黑白示出)，其中增强图像基于高光谱特征数据来区分蛋黄部分和蛋白部分。
图16至图18描绘了根据本公开的至少一个方面的用于区分解剖结构与遮蔽物的例示性高光谱识别特征，其中图16是输尿管特征与遮蔽物的图形表示，图17是动脉特征与遮蔽物的图形表示，并且图18是神经特征与遮蔽物的图形表示。
图19是根据本公开的至少一个方面的被配置成能够感测关键解剖结构的距离的近红外(NIR)飞行时间测量系统的示意图，该飞行时间测量系统包括定位在公共装置上的传输器(发射器)和接收器(传感器)。
图20是根据本公开的至少一个方面的图19的NIR飞行时间测量系统的发射波、接收波以及发射波与接收波之间的延迟的示意图。
图21示出了根据本公开的一个方面的被配置成能够感测不同结构的距离的NIR飞行时间测量系统，该飞行时间测量系统包括单独装置上的传输器(发射器)和接收器(传感器)。
图22是根据本公开的至少一个方面的外科可视化系统的示意图，该外科可视化系统包括三维相机和具有发射器的外科装置，该外科可视化系统被配置成能够确定从外科装置到组织表面下方的关键结构的距离。
图23示出了根据本公开的至少一个方面的利用图22的三维相机的二维左侧透镜和二维右侧透镜获得的外科部位的视图，这些视图被组合以在显示屏上产生三维视图，其中显示屏还指示从图22的外科装置到关键结构的距离，其中在关键结构的视图上用颜色编码增强。
图24是根据本公开的至少一个方面的图23的显示屏的示意图，其描绘了由图22的三维相机获得的三维视图，并且指示从图22的外科装置到关键结构的距离，其中在关键结构的视图上用交叉影线增强。
图25是根据本公开的至少一个方面的外科可视化系统的示意图，该外科可视化系统包括三维相机和三个外科装置，该外科可视化系统被配置成能够确定从每个外科装置到组织表面下方的关键结构的距离。
图26是根据本公开的至少一个方面的屏幕的示意图，其描绘了从图25的三维相机获得的三维视图，并且用接近度光谱指示标识指示从图25的外科装置到关键结构的距离。
图27是根据本公开的至少一个方面的外科可视化系统的示意图，该外科可视化系统包括相机和具有发射器的外科装置，该外科可视化系统被配置成能够确定从外科装置的远侧端部到组织表面的装置-表面距离、从外科装置的远侧端部到组织表面下方的血管的装置-血管距离，以及表面-血管距离(组织表面下方的关键结构的深度)。
图28是根据本公开的至少一个方面的用于选择对应于图27的外科可视化系统的装置-表面距离、装置-血管距离或表面-血管距离的显示设置的转盘(dial)的示意图。
图29是根据本公开的至少一个方面的图27的外科可视化系统的屏幕的示意图，其显示图28的转盘处于其中选择表面-血管距离的第一方位，并且其中屏幕显示包括与表面-血管距离相关的数据的第一聚合的视图。
图30是根据本公开的至少一个方面的图29的屏幕的示意图，其显示图28的转盘处于其中选择装置-表面距离的第二方位，并且其中显示器显示包括与装置-表面距离相关的数据的第二聚合的视图。
图31是根据本公开的至少一个方面的图29的屏幕的示意图，其描绘了图28的转盘处于其中选择装置-血管距离的第三方位，并且其中屏幕显示包括与装置-血管距离相关的数据的第三聚合的视图。
图32是根据本公开的至少一个方面的外科可视化系统的示意图，该外科可视化系统包括光谱成像相机，该光谱成像相机被配置成能够识别隐藏解剖结构和外科装置。
图33是根据本公开的至少一个方面的图32的外科可视化系统的屏幕的示意图，其中屏幕显示包括隐藏解剖结构和隐藏外科装置的外科部位的增强视图，并且其中屏幕进一步描绘了传达隐藏外科装置相对于解剖结构的接近度的接近度光谱指示标识。
图34是根据本公开的至少一个方面的外科可视化系统的示意图，该外科可视化系统包括光谱成像相机，该光谱成像相机被配置成能够识别相对于嵌入肿瘤处于第一方位的活检针。
图35是根据本公开的至少一个方面的图34的外科可视化系统的屏幕的示意图，其中该屏幕显示外科部位的增强视图，该外科部位包括肿瘤和处于第一方位的活检针，并且其中该屏幕进一步描绘了传达活检针与肿瘤和处于第一方位的阻挡组织的表面的接近度的接近度光谱指示标识。
图36是根据本公开的至少一个方面的图34的外科可视化系统的示意图，其描绘了相对于嵌入肿瘤处于第二方位的活检针。
图37是根据本公开的至少一个方面的图35的屏幕的示意图，其显示外科部位的增强视图，该外科部位包括肿瘤和处于第二方位的活检针，并且其中该屏幕进一步描绘了传达活检针与肿瘤以及与处于第二方位的阻挡组织的表面的接近度的接近度光谱指示标识。
图38是根据本公开的至少一个方面的活检规程的示意图，其中超声装置用于识别甲状腺中的肿瘤。
图39至图41描绘了根据本公开的至少一个方面的在结肠的低位前切除(LAR)手术期间的吻合步骤的示例，其中图39描绘了分离的圆形缝合器和砧座，图40描绘了联接在一起以用于击发的圆形缝合器和砧座，并且图41描绘了在击发之后缝合在一起的结肠的部分。
图42是根据本公开的至少一个方面的外科可视化系统的示意图，该外科可视化系统包括光谱成像相机，该光谱成像相机被配置成能够识别隐藏外科装置和钉线。
图43是根据本公开的至少一个方面的图42的外科可视化系统的屏幕的示意图，其中屏幕显示包括隐藏钉线和外科装置的外科部位的增强视图，并且其中屏幕进一步描绘了传达外科装置相对于钉线的接近度的接近度光谱指示标识。
图44是根据本公开的至少一个方面的图42的外科可视化系统的示意图，其中光谱成像相机被配置成能够识别圆形缝合器和砧座。
图45是根据本公开的至少一个方面的图43的屏幕的示意图，其中该屏幕显示包括隐藏钉线、圆形缝合器和砧座的外科部位的增强视图，并且其中该屏幕进一步描绘了圆形缝合器和砧座之间的距离以及砧座和钉线中的一条钉线之间的距离。
图46是根据本公开的至少一个方面的在袖状胃切除术期间具有定位在其中的探条的胃的示意图。
图47描绘了根据本公开的至少一个方面的袖状胃切除术期间的缝合步骤。
图48是根据本公开的至少一个方面的包括光谱成像相机的外科可视化系统的示意图，其中光谱成像相机在袖状胃切除术期间观察胃的一部分，并且探条被胃隐藏，然而，为了说明的目的，胃被部分切除以暴露探条。
图49是根据本公开的至少一个方面的图48的外科可视化系统的屏幕的示意图，其中该屏幕显示外科部位的增强视图，该外科部位包括胃和其中的探条以及外科缝合器，并且其中该屏幕进一步描绘了外科缝合器和探条之间的距离。
图50是根据本公开的至少一个方面的包括光谱成像相机的外科可视化系统的示意图，其中光谱成像相机被配置成能够识别隐藏在组织内的外科装置和夹具。
图51是根据本公开的至少一个方面的图50的外科可视化系统的屏幕的示意图，其中屏幕显示包括外科装置和夹具的外科部位的增强视图，其中屏幕还基于外科装置和夹具的相对方位提供警告。
图52描绘了根据本公开的至少一个方面的疝修复操作期间的步骤，其中夹具和网片安装在外科部位处。
具体实施方式
本申请的申请人还拥有2018年9月11日提交的以下美国专利申请，这些专利申请中的每一项全文以引用方式并入本文：
·标题为“SURGICAL VISUALIZATION PLATFORM”的美国专利申请16/128,179；
·标题为“SURGICAL VISUALIZATION CONTROLS”的美国专利申请16/128,191；
·标题为“CONTROLLING AN EMITTER ASSEMBLY PULSE SEQUENCE”的美国专利申请16/128,180；
·标题为“SINGULAR EMR SOURCE WITH DUAL OUTPUT EMITTER ASSEMBLY”的美国专利申请16/128,198；
·标题为“COMBINATION EMITTER AND CAMERA ASSEMBLY”的美国专利申请16/128,207；
·标题为“SURGICAL VISUALIZATION WITH PROXIMITY TRACKING FEATURES”的美国专利申请16/128,176；
·标题为“SURGICAL VISUALIZATION OF MULTIPLE TARGETS”的美国专利申请16/128,187；
·标题为“VISUALIZATION OF SURGICAL DEVICES”的美国专利申请16/128,192；
·标题为“OPERATIVE COMMUNICATION OF LIGHT”的美国专利申请16/128,163；
·标题为“ROBOTIC LIGHT PROJECTION TOOLS”的美国专利申请16/128,197；
·标题为“SURGICAL VISUALIZATION FEEDBACK SYSTEM”的美国专利申请16/128,164；
·标题为“SURGICAL VISUALIZATION AND MONITORING”的美国专利申请16/128,193；
·标题为“INTEGRATION OF IMAGING DATA”的美国专利申请16/128,195；
·标题为“ROBOTICALLY-ASSISTED SURGICAL SUTURING SYSTEMS”的美国专利申请16/128,170；
·标题为“SAFETY LOGIC FOR SURGICAL SUTURING SYSTEMS”的美国专利申请16/128,183；
·标题为“Robotic system with separate photoacoustic receiver”的美国专利申请16/128,172；以及
·标题为“FORCE SENSOR THROUGH STRUCTURED LIGHT DEFLECTION”的美国专利申请16/128,185。
本申请的申请人还拥有2015年7月7日公布的名称为“SURGICAL STAPLINGINSTRUMENTS WITH ROTATABLE STAPLE DEPLOYMENT ARRANGEMENTS”的美国专利9,072,535，该专利全文以引用方式并入本文。
本申请的申请人还拥有2017年12月28日提交的名称为“ROBOT ASSISTEDSURGICAL PLATFORM”的美国临时专利申请62/611,339，该专利申请全文以引用方式并入本文。
本申请的申请人还拥有2018年3月29日提交的以下美国专利申请，这些专利申请中的每一项全文以引用方式并入本文：
·标题为“DRIVE ARRANGEMENTS FOR ROBOT-ASSISTED SURGICAL PLATFORMS”的美国专利申请15/940,627；
·标题为“AUTOMATIC TOOL ADJUSTMENTS FOR ROBOT-ASSISTED SURGICALPLATFORMS”的美国专利申请15/940,676；
·标题为“SENSING ARRANGEMENTS FOR ROBOT-ASSISTED SURGICAL PLATFORMS”的美国专利申请15/940,711；以及
·2018年3月29日提交的标题为“CHARACTERIZATION OF TISSUE IRREGULARITIESTHROUGH THE USE OF MONO-
CHROMATIC LIGHT REFRACTIVITY”的美国专利申请15/940,722，该专利申请全文以引用方式并入本文。
在详细说明外科可视化平台的各个方面之前，应当指出，例示性示例在应用或使用上不限于附图和说明书中所示出的部件的构造和布置的细节。例示性示例可在其他方面、变型和修改中实现或并入，并且可以各种方式实践或执行。此外，除非另外指明，否则本文所用的术语和表达是为了方便读者而对例示性示例进行描述而所选的，并非为了限制性的目的。而且，应当理解，以下描述的方面、方面的表达和/或示例中的一者或多者可与其他以下描述的方面、方面的表达和/或示例中的任何一者或多者组合。
本公开涉及一种外科可视化平台，该外科可视化平台利用“数字外科”来获得关于患者的解剖结构和/或外科手术的附加信息。该外科可视化平台被进一步配置成能够以有帮助的方式将数据和/或信息传达给一个或多个临床医生。例如，本公开的各个方面提供了患者的解剖结构和/或外科手术的改善的可视化。
“数字外科”可涵盖机器人系统、高级成像、高级仪器、人工智能、机器学习、用于性能跟踪和基准测试的数据分析、手术室(OR)内部和外部两者的连接性以及更多。尽管本文所述的各种外科可视化平台可与机器人外科系统结合使用，但是外科可视化平台不限于与机器人外科系统一起使用。在某些情况下，高级外科可视化可在没有机器人以及/或者具有有限的和/或任选的机器人辅助的情况下进行。类似地，数字外科可在没有机器人以及/或者具有有限的和/或任选的机器人辅助的情况下进行。
在某些情况下，结合有外科可视化平台的外科系统可实现智能解剖以便识别和避开关键结构。关键结构包括解剖结构诸如输尿管、动脉诸如肠系膜上动脉、静脉诸如门静脉、神经诸如膈神经和/或肿瘤等解剖结构。在其他情况下，关键结构可以是例如解剖场中的外来结构，诸如外科装置、外科紧固件、夹具、大头钉、探条、带和/或板。关键结构可基于不同患者和/或不同手术来确定。本文还描述了示例性关键结构。例如，智能解剖技术可提供用于解剖的改善的术中指导，并且/或者可利用关键解剖结构检测和避开技术来实现智能决策。
结合有外科可视化平台的外科系统还可实现智能吻合技术，该智能吻合技术利用改善的工作流程在最佳位置处提供更一致的吻合。也可利用本文所述的各种外科可视化平台和手术来改善癌症定位技术。例如，癌症定位技术可识别和跟踪癌症位置、取向及其边界。在某些情况下，癌症定位技术可在外科手术期间补偿工具、患者和/或患者的解剖结构的移动，以便为临床医生提供回到感兴趣的点的指导。
在本公开的某些方面，外科可视化平台可提供改善的组织表征和/或淋巴结诊断和标测。例如，组织表征技术可在不需要物理触觉的情况下表征组织类型和健康，特别是当在组织内解剖和/或放置缝合装置时。本文所述的某些组织表征技术可在没有电离辐射和/或造影剂的情况下使用。关于淋巴结诊断和标测，外科可视化平台可在术前定位、标测和理想地诊断涉及例如癌性诊断和分期的淋巴系统和/或淋巴结。
这些和其他相关主题在本文和/或前述同时提交的美国专利申请中有所描述，这些专利申请全文以引用方式并入本文。
在外科手术期间，临床医生可经由“肉眼”和/或成像系统获得的信息可提供外科部位的不完整视图。例如，某些结构(诸如嵌入或掩埋在器官内的结构)可至少部分地被隐蔽或隐藏起来使其不被看见。另外，某些尺寸和/或相对距离可能难以利用现有的传感器系统探知和/或难以让“肉眼”感知。此外，某些结构可在术前(例如，在外科手术之前但在术前扫描之后)和/或术中移动。在此类情况下，临床医生可能无法在术中准确地确定关键结构的位置。
当关键结构的方位不确定时和/或当关键结构与外科工具之间的接近度未知时，临床医生的决策过程可能受到阻碍。例如，临床医生可避开某些区域，以便避免意外解剖关键结构；然而，所避开的区域可能不必要地较大和/或至少部分地错位。由于不确定性和/或过于/过度谨慎操作，临床医生可能无法进入某些期望的区域。例如，过度谨慎可能导致临床医生留下肿瘤和/或其他不期望的组织的一部分，以企图避开关键结构，即使关键结构不在该特定区域中和/或不会受到在该特定区域中工作的临床医生的负面影响。在某些情况下，可通过增加知识和/或确定性来改善外科结果，这可使得外科医生在特定解剖区域方面更加准确，并且在某些情况下，使得外科医生不那么保守/更有进取性。
在各个方面，本公开提供了用于术中识别和避开关键结构的外科可视化系统。在一个方面，本公开提供了一种外科可视化系统，该外科可视化系统实现了加强的术中决策和改善的外科结果。在各个方面，所公开的外科可视化系统提供了高级可视化能力，超出临床医生用“肉眼”所见的内容以及/或者超出成像系统可识别和/或传达给临床医生的内容。各种外科可视化系统可增强和加强临床医生在组织治疗(例如，解剖)之前能够知道的内容，并且因此可在各种情况下改善结果。
例如，可视化系统可包括被配置成能够发射多个光谱波的第一光发射器、被配置成能够发射光图案的第二光发射器以及被配置成能够检测可见光、对光谱波的分子响应(光谱成像)和/或光图案的一个或多个接收器或传感器。外科可视化系统还可包括成像系统以及与接收器和成像系统信号通信的控制电路。基于来自接收器的输出，控制电路可确定外科部位处可见表面的几何表面标测图(即三维表面形貌)以及相对于外科部位的一个或多个距离。在某些情况下，控制电路可确定到至少部分隐蔽的结构的一个或多个距离。此外，成像系统可将几何表面标测图和一个或多个距离传达给临床医生。在此类情况下，提供给临床医生的外科部位的增强视图可提供外科部位的相关环境内的隐蔽结构的表示。例如，成像系统可在隐蔽和/或阻挡组织的几何表面标测图上虚拟地增强隐蔽结构，类似于在地面上绘制的线以指示表面下方的实用线。另外或另选地，成像系统可传达一个或多个外科工具与可见的阻挡组织和/或与至少部分隐蔽的结构的接近度以及/或者隐蔽结构在阻挡组织的可见表面下方的深度。例如，可视化系统可确定相对于可见组织的表面上的增强线的距离，并且将该距离传达到成像系统。
在本公开的各个方面，公开了用于术中识别和避开关键结构的外科可视化系统。此类外科可视化系统可在外科手术期间向临床医生提供有价值的信息。因此，例如，临床医生知道外科可视化系统正在跟踪例如可在解剖期间接近的关键结构(诸如输尿管、特定神经和/或关键血管)，可在整个外科手术过程中确信地保持动力。在一个方面，外科可视化系统可在足够长的时间内向临床医生提供指示，以使临床医生暂停和/或减慢外科手术并且评估与关键结构的接近度，以防止对其造成意外损坏。外科可视化系统可向临床医生提供理想的、优化的和/或可定制的信息量，以允许临床医生确信地和/或快速地移动穿过组织，同时避免对健康组织和/或关键结构造成意外损坏，并且因此最小化由外科手术引起的伤害风险。
图1是根据本公开的至少一个方面的外科可视化系统100的示意图。外科可视化系统100可在解剖场内创建关键结构101的视觉表示。外科可视化系统100可用于例如临床分析和/或医疗干预。在某些情况下，外科可视化系统100可在术中使用，以在外科手术期间向临床医生提供关于接近度数据、尺寸和/或距离的实时或接近实时的信息。外科可视化系统100被配置用于在术中识别关键结构和/或有利于外科装置避开关键结构101。例如，通过识别关键结构101，临床医生可避免在外科手术期间在关键结构101和/或关键结构101的预定接近度中的区域周围操纵外科装置。例如，临床医生可避免对例如被识别为关键结构101的静脉、动脉、神经和/或血管进行解剖和/或避免在这些关键结构附近进行解剖。在各种情况下，关键结构101可基于不同患者和/或不同手术来确定。
外科可视化系统100结合距离传感器系统104结合有组织识别和几何表面标测。结合起来，外科可视化系统100的这些特征可确定关键结构101在解剖场内的方位以及/或者外科装置102与可见组织的表面105和/或与关键结构101的接近度。此外，外科可视化系统100包括成像系统，该成像系统包括例如被配置成能够提供外科部位的实时视图的成像装置120，诸如相机。在各种情况下，成像装置120是光谱相机(例如，高光谱相机、多光谱相机或选择性光谱相机)，该光谱相机被配置成能够检测反射的光谱波形并且基于对不同波长的分子响应来生成图像的光谱立方体。来自成像装置120的视图可被提供给临床医生，并且在本公开的各个方面，可基于组织识别、地形标测和距离传感器系统104用附加信息来增强这些视图。在此类情况下，外科可视化系统100包括多个子系统，即成像子系统、表面标测子系统、组织识别子系统和/或距离确定子系统。这些子系统可配合以在术中向临床医生提供高级数据合成和集成信息。
成像装置可包括相机或成像传感器，该相机或成像传感器被配置成能够检测例如可见光、光谱光波(可见光或不可见光)和结构化光图案(可见光或不可见光)。在本公开的各个方面，成像系统可包括例如成像装置，诸如内窥镜。另外或另选地，成像系统可包括例如成像装置，诸如关节镜、血管镜、支气管镜、胆道镜、结肠镜、膀胱镜、十二指肠镜、肠镜、食管胃-十二指肠镜(胃镜)、喉镜、鼻咽-肾镜、乙状结肠镜、胸腔镜、输尿管镜或外镜。在其他情况下，诸如在开放外科手术应用中，成像系统可不包括观察镜。
在本公开的各个方面，组织识别子系统可用光谱成像系统来实现。光谱成像系统可依赖于例如高光谱成像、多光谱成像或选择性光谱成像。组织的高光谱成像进一步在2016年3月1日公布的名称为“SYSTEM AND METHOD FOR GROSS ANATOMIC PATHOLOGY USINGHYPERSPECTRAL IMAGING”的美国专利9,274,047中描述，该专利全文以引用方式并入本文。
在本公开的各个方面，表面标测子系统可用光图案系统来实现，如本文进一步所述。光图案(或结构化光)用于表面标测是已知的。已知的表面标测技术可用于本文所述的外科可视化系统中。
结构化光是将已知图案(通常为网格或水平条)投射到表面上的过程。2017年3月2日公布的名称为“SET COMPRISING A SURGICAL INSTRUMENT”的美国专利申请公布2017/0055819以及2017年9月7日公布的名称为“DEPICTION SYSTEM”的美国专利申请公布2017/0251900公开了一种外科系统，该外科系统包括光源以及用于投射光图案的投射仪。2017年3月2日公布的名称为“SET COMPRISING A SURGICAL INSTRUMENT”的美国专利申请公布2017/0055819以及2017年9月7日公布的名称为“DEPICTION SYSTEM”的美国专利申请公布2017/0251900全文以引用方式并入本文。
在本公开的各个方面，距离确定系统可结合到表面标测系统中。例如，可利用结构化光来生成可见表面的三维虚拟模型并且确定相对于可见表面的各种距离。另外或另选地，距离确定系统可依赖于飞行时间测量来确定到外科部位处所识别的组织(或其他结构)的一个或多个距离。
图2是可与外科可视化系统100一起使用的控制系统133的示意图。控制系统133包括与存储器134信号通信的控制电路132。存储器134存储可由控制电路132执行的指令，以确定和/或识别关键结构(例如，图1中的关键结构101)，确定和/或计算一个或多个距离和/或三维数字表示，并将某些信息传送给一个或多个临床医生。例如，存储器134存储表面标测逻辑部件136、成像逻辑部件138、组织识别逻辑部件140或距离确定逻辑部件141或者逻辑部件136、138、140和141的任何组合。控制系统133还包括成像系统142，该成像系统具有一个或多个相机144(如图1中的成像装置120)、一个或多个显示器146或者一个或多个控件148或者这些元件的任何组合。相机144可包括一个或多个图像传感器135，以接收来自发射各种可见光谱和不可见光谱下的光的各种光源(例如，可见光、光谱成像器、三维透镜等)的信号。显示器146可包括一个或多个屏幕或监视器，用于向一个或多个临床医生描绘真实、虚拟和/或虚拟增强的图像和/或信息。
在各个方面，相机144的心脏是图像传感器135。一般来讲，现代图像传感器135是包含高达数百万个离散光电探测器位点(称为像素)的固态电子装置。图像传感器135技术属于以下两类中的一类：电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)成像器，并且近来，短波红外(SWIR)是一种新兴的成像技术。另一种类型的图像传感器135采用混合CCD/CMOS架构(以名称“sCMOS”出售)，并且由凸块粘结到CCD成像基板的CMOS读出集成电路(ROIC)组成。CCD和CMOS图像传感器135对大约350nm至1050nm的波长敏感，但该范围通常被给出为400nm至1000nm。一般来讲，CMOS传感器比CCD传感器对IR波长更敏感。固态图像传感器135基于光电效应，并且因此不能区分颜色。因此，存在两种类型的彩色CCD相机：单芯片和三芯片。单芯片彩色CCD相机提供常见的低成本成像解决方案，并且使用马赛克(例如，拜耳)光学滤光器将入射光分成一系列颜色，并且采用内插算法来解析全色图像。然后，每种颜色指向不同的像素集。三芯片彩色CCD相机通过采用棱镜将入射光谱的每个部分引导到不同的芯片来提供更高的分辨率。更准确的颜色再现是可能的，因为物体的空间中的每个点具有单独的RGB强度值，而不是使用算法来确定颜色。三芯片相机提供极高的分辨率。
控制系统133还包括光谱光源150和结构化光源152。在某些情况下，单个源可以是脉冲式的，以发射光谱光源150范围内的光的波长和结构化光源152范围内的光的波长。另选地，单个光源可以是脉冲式的，以提供不可见光谱中的光(例如红外光谱光)和可见光谱上的光的波长。光谱光源150可以是例如高光谱光源、多光谱光源和/或选择性光谱光源。在各种情况下，组织识别逻辑部件140可经由由相机144的图像传感器135部分接收的来自光谱光源150的数据来识别关键结构。表面标测逻辑部件136可基于反射的结构化光来确定可见组织的表面轮廓。利用飞行时间测量结果，距离确定逻辑部件141可确定到可见组织和/或关键结构101的一个或多个距离。来自表面标测逻辑部件136、组织识别逻辑部件140和距离确定逻辑部件141的一个或多个输出可被提供给成像逻辑部件138，并且可被组合、共混和/或重叠以经由成像系统142的显示器146传达给临床医生。
说明书现在简要转到图2A至图2C，以描述用于控制外科可视化系统100的各个方面的控制电路132的各个方面。转到图2A，示出了根据本公开的至少一个方面的被配置成能够控制外科可视化系统100的各方面的控制电路400。控制电路400可被配置成能够实现本文所述的各种过程。控制电路400可包括微控制器，该微控制器包括联接到至少一个存储器电路404的一个或多个处理器402(例如，微处理器、微控制器)。存储器电路404存储机器可执行指令，这些机器可执行指令在由处理器402执行时致使处理器402执行机器指令以实现本文所述的各种过程。处理器402可以是本领域中已知的多种单核或多核处理器中的任一种。存储器电路404可包括易失性存储介质和非易失性存储介质。处理器402可包括指令处理单元406和运算单元408。指令处理单元可被配置成能够从本公开的存储器电路404接收指令。
图2B示出了根据本公开的至少一个方面的被配置成能够控制外科可视化系统100的各方面的组合逻辑电路410。组合逻辑电路410可被配置成能够实现本文所述的各种过程。组合逻辑电路410可包括有限状态机，该有限状态机包括组合逻辑部件412，该组合逻辑部件被配置成能够在输入414处接收与外科器械或工具相关联的数据，通过组合逻辑部件412处理数据并提供输出416。
图2C示出了根据本公开的至少一个方面的被配置成能够控制外科可视化系统100的各方面的时序逻辑电路420。时序逻辑电路420或组合逻辑部件422可被配置成能够实现本文所述的各种过程。时序逻辑电路420可包括有限状态机。时序逻辑电路420可包括例如组合逻辑部件422、至少一个存储器电路424和时钟429。至少一个存储器电路424可存储有限状态机的当前状态。在某些情况下，时序逻辑电路420可以是同步的或异步的。组合逻辑部件422被配置成能够从输入426接收与外科装置或系统相关联的数据，通过组合逻辑部件422处理数据并提供输出428。在其他方面，电路可包括处理器(例如，图2A中的处理器402)和有限状态机的组合以实现本文的各种过程。在其他方面，有限状态机可包括组合逻辑电路(例如，组合逻辑电路410，图2B)和时序逻辑电路420的组合。
再次参见图1中的外科可视化系统100，关键结构101可以是感兴趣的解剖结构。例如，关键结构101可以是输尿管、动脉诸如肠系膜上动脉、静脉诸如门静脉、神经诸如膈神经和/或肿瘤等解剖结构。在其他情况下，关键结构101可以是例如解剖场中的外来结构，诸如外科装置、外科紧固件、夹具、大头钉、探条、带和/或板。示例性关键结构在本文和前述同时提交的美国专利申请中进一步描述，这些专利申请全文以引用方式并入本文。
在一个方面，关键结构101可嵌入组织103中。换句话说，关键结构101可定位在组织103的表面105下方。在此类情况下，组织103隐蔽关键结构101使其不被临床医生看见。从成像装置120的视角来看，关键结构101也被组织103遮蔽。组织103可以是例如脂肪、结缔组织、粘连和/或器官。在其他情况下，关键结构101可被部分地遮蔽使其不被看见。
图1还描绘了外科装置102。外科装置102包括端部执行器，该端部执行器具有从外科装置102的轴的远侧端部延伸的相对钳口。外科装置102可以是任何合适的外科装置，诸如例如解剖器、缝合器、抓紧器、施夹器和/或能量装置(包括单极探针、双极探针、消融探针和/或超声端部执行器)。另外或另选地，外科装置102可包括例如另一个成像或诊断模态，诸如超声装置。在本公开的一个方面，外科可视化系统100可被配置成能够实现识别一个或多个关键结构101以及外科装置102与关键结构101的接近度。
外科可视化系统100的成像装置120被配置成能够检测各种波长的光，诸如例如可见光、光谱光波(可见光或不可见光)和结构化光图案(可见光或不可见光)。成像装置120可包括用于检测不同信号的多个透镜、传感器和/或接收器。例如，成像装置120可以是高光谱、多光谱或选择性光谱相机，如本文进一步所述。成像装置120还可包括波形传感器122(诸如光谱图像传感器、检测器和/或三维相机透镜)。例如，成像装置120可包括一起使用以同时记录两个二维图像的右侧透镜和左侧透镜，并且因此生成外科部位的三维图像，渲染外科部位的三维图像，以及/或者确定外科部位处的一个或多个距离。另外或另选地，成像装置120可被配置成能够接收指示可见组织的形貌以及隐藏关键结构的识别和方位的图像，如本文进一步所述。例如，成像装置120的视场可与组织的表面105上的光(结构化光)的图案重叠，如图1所示。
在一个方面，外科可视化系统100可结合到机器人系统110中。例如，机器人系统110可包括第一机器人臂112和第二机器人臂114。机器人臂112、114包括刚性结构构件116和接头118，这些接头可包括伺服马达控件。第一机器人臂112被配置成能够操纵外科装置102，并且第二机器人臂114被配置成能够操纵成像装置120。机器人控制单元可被配置成能够向机器人臂112、114发出控制运动，这些控制运动可影响例如外科装置102和成像装置120。
外科可视化系统100还包括发射器106，该发射器被配置成能够发射光的图案，诸如条纹、网格线和/或点，以使得能够确定表面105的形貌或地形。例如，投射光阵列130可用于表面105上的三维扫描和配准。投射光阵列130可从位于例如外科装置102和/或机器人臂112、114中的一者和/或成像装置120上的发射器106发射。在一个方面，投射光阵列130用于确定由组织103的表面105和/或表面105在术中的运动限定的形状。成像装置120被配置成能够检测从表面105反射的投射光阵列130，以确定表面105的形貌以及相对于表面105的各种距离。
在一个方面，成像装置120还可包括光学波形发射器123，该光学波形发射器被配置成能够发射可穿透组织103的表面105并到达关键结构101的电磁辐射124(NIR光子)。成像装置120及其上的光学波形发射器123可能够由机器人臂114定位。成像装置120上的对应波形传感器122(例如，图像传感器、光谱仪或振动传感器)被配置成能够检测由波形传感器122接收的电磁辐射的影响。由光学波形发射器123发射的电磁辐射124的波长可被配置成能够使得能够识别解剖结构和/或物理结构(诸如关键结构101)的类型。关键结构101的识别可通过例如光谱分析、光声学和/或超声来实现。在一个方面，电磁辐射124的波长可以是可变的。波形传感器122和光学波形发射器123可包括例如多光谱成像系统和/或选择性光谱成像系统。在其他情况下，波形传感器122和光学波形发射器123可包括例如光声学成像系统。在其他情况下，光学波形发射器123可定位在与成像装置120分开的外科装置上。
外科可视化系统100还可包括距离传感器系统104，该距离传感器系统被配置成能够确定外科部位处的一个或多个距离。在一个方面，飞行时间距离传感器系统104可以是包括发射器(诸如发射器106)以及可定位在外科装置102上的接收器108的飞行时间距离传感器系统。在其他情况下，飞行时间发射器可与结构化光发射器分开。在一个一般方面，飞行时间距离传感器系统104的发射器106部分可包括非常微小的激光源，并且飞行时间距离传感器系统104的接收器108部分可包括匹配传感器。飞行时间距离传感器系统104可检测“飞行时间”或由发射器106发射的激光反弹回到接收器108的传感器部分所花费的时间。在发射器106中使用非常窄的光源使得距离传感器系统104能够确定到距离传感器系统104正前方的组织103的表面105的距离。仍然参见图1，de是从发射器106到组织103的表面105的发射器-组织距离，并且dt是从外科装置102的远侧端部到组织的表面105的装置-组织距离。距离传感器系统104可用于确定发射器-组织距离de。装置-组织距离dt可根据发射器106在外科装置102的轴上相对于外科装置102的远侧端部的已知方位获得。换句话讲，当发射器106与外科装置102的远侧端部之间的距离已知时，装置-组织距离dt可根据发射器-组织距离de确定。在某些情况下，外科装置102的轴可包括一个或多个关节运动接头，并且可能够相对于发射器106和钳口进行关节运动。关节运动构型可包括例如多接头椎骨状结构。在某些情况下，三维相机可用于对到表面105的一个或多个距离进行三角测量。
在各种情况下，飞行时间距离传感器系统104的接收器108可安装在单独的外科装置上而不是外科装置102上。例如，接收器108可安装在插管或套管针上，外科装置102延伸穿过该插管或套管针以到达外科部位。在其他情况下，飞行时间距离传感器系统104的接收器108可安装在单独的机器人控制的臂(例如，机器人臂114)上，安装在由另一个机器人操作的可移动臂上和/或安装到手术室(OR)工作台或固定装置。在某些情况下，成像装置120包括飞行时间接收器108，以使用外科装置102上的发射器106与成像装置120之间的线来确定从发射器106到组织103的表面105的距离。例如，可基于飞行时间距离传感器系统104的发射器106(在外科装置102上)和接收器108(在成像装置120上)的已知方位来对距离de进行三角测量。接收器108的三维方位可以是已知的和/或在术中与机器人坐标平面配准。
在某些情况下，飞行时间距离传感器系统104的发射器106的方位可由第一机器人臂112控制，并且飞行时间距离传感器系统104的接收器108的方位可由第二机器人臂114控制。在其他情况下，外科可视化系统100可与机器人系统分开使用。在此类情况下，距离传感器系统104可独立于机器人系统。
在某些情况下，机器人臂112、114中的一者或多者可与外科手术中使用的主机器人系统分开。机器人臂112、114中的至少一者可在没有伺服马达控件的情况下定位并与特定坐标系配准。例如，用于机器人臂110的闭环控制系统和/或多个传感器可控制和/或配准机器人臂112、114相对于特定坐标系的方位。类似地，外科装置102和成像装置120的方位可相对于特定坐标系配准。
仍然参见图1，dw是从位于成像装置120上的光学波形发射器123到关键结构101的表面的相机-关键结构距离，并且dA是关键结构101在组织103的表面105下方的深度(即，表面105的最靠近外科装置102的部分与关键结构101之间的距离)。在各个方面，从位于成像装置120上的光学波形发射器123发射的光学波形的飞行时间可被配置成能够确定相机-关键结构距离dw。光谱成像结合飞行时间传感器的使用在本文中进一步描述。此外，现在参见图3，在本公开的各个方面，关键结构101相对于组织103的表面105的深度dA可通过以下方法来确定：根据距离dw以及发射器106在外科装置102上和光学波形发射器123在成像装置120上的已知方位(以及因此它们之间的已知距离dx)进行三角测量，以确定距离dy(其为距离de和dA之和)。
另外或另选地，来自光学波形发射器123的飞行时间可被配置成能够确定从光学波形发射器123到组织103的表面105的距离。例如，第一波形(或波形范围)可用于确定相机-关键结构距离dw，并且第二波形(或波形范围)可用于确定到组织103的表面105的距离。在此类情况下，不同波形可用于确定关键结构101在组织103的表面105下方的深度。
另外或另选地，在某些情况下，距离dA可由超声、配准磁共振成像(MRI)或计算机断层摄影(CT)扫描来确定。在其他情况下，距离dA可用光谱成像来确定，因为由成像装置接收的检测信号可基于材料的类型而变化。例如，脂肪可以第一方式或第一量降低检测信号，并且胶原可以不同的第二方式或第二量降低检测信号。
现在参见图4中的外科可视化系统160，其中外科装置162包括光学波形发射器123以及被配置成能够检测反射的波形的波形传感器122。光学波形发射器123可被配置成能够发射波形，以用于确定与公共装置(诸如外科装置162)的距离dt和dw，如本文进一步所述。在此类情况下，从组织103的表面105到关键结构101的表面的距离dA可如下确定：
dA＝dw-dt。
如本文所公开，关于可见组织、嵌入的关键结构和外科装置的各种信息可通过利用组合方法来确定，该组合方法结合被配置成能够检测光谱波长和结构化光阵列的图像传感器结合有一个或多个飞行时间距离传感器、光谱成像和/或结构化光阵列。此外，图像传感器可被配置成能够接收可见光，并且因此将外科部位的图像提供给成像系统。采用逻辑或算法来识别从飞行时间传感器接收的信息、光谱波长、结构化光和可见光，并且渲染表面组织和下面的解剖结构的三维图像。在各种情况下，成像装置120可包括多个图像传感器。
相机-关键结构距离dw也可以一种或多种替代方式进行检测。在一个方面，可利用例如荧光透视可视化技术(诸如荧光吲哚菁绿(ICG))来照亮关键结构201，如图6至图8所示。相机220可包括两个光学波形传感器222、224，这两个光学波形传感器同时拍摄关键结构201的左侧图像和右侧图像(图7A和图7B)。在此类情况下，相机220可描绘关键结构201在组织203的表面205下方的辉光，并且距离dw可由传感器222与224之间的已知距离来确定。在某些情况下，可通过利用多于一个相机或通过在多个位置之间移动相机来更准确地确定距离。在某些方面，一个相机可由第一机器人臂控制，并且第二相机可由另一个机器人臂控制。在此类机器人系统中，一个相机可以是例如从动件臂上的从动件相机。从动件臂及其上的相机可被编程为跟踪另一个相机并保持例如特定的距离和/或透镜角度。
在其他方面，外科可视化系统100可采用两个单独的波形接收器(即，相机/图像传感器)来确定dw。现在参见图9，如果关键结构301或其内容物(例如，血管或血管内容物)可诸如利用荧光透视发射信号302，则可根据已知位置处的两个单独的相机320a、320b对实际位置进行三角测量。
在另一方面，现在参见图10A和图10B，外科可视化系统可采用抖动或移动相机440来确定距离dw。相机440是机器人控制的，使得相机440在不同方位处的三维坐标是已知的。在各种情况下，相机440可在插管或患者接口处枢转。例如，如果关键结构401或其内容物(例如，血管或血管内容物)可诸如利用荧光透视发射信号，则可根据在两个或更多个已知位置之间快速移动的相机440对实际位置进行三角测量。在图10A中，相机440沿轴线A轴向移动。更具体地，相机440沿轴线A更靠近关键结构401平移距离d1，以平移到被指示为位置440'的位置，诸如通过在机器人臂上移入和移出。当相机440移动距离d1并且视图的尺寸关于关键结构401改变时，可计算到关键结构401的距离。例如，4.28mm的轴向平移(距离d1)可对应于6.28度的角度θ1和8.19度的角度θ2。另外或另选地，相机440可沿不同方位之间的弧线旋转或扫掠。现在参见图10B，相机440沿轴线A轴向移动并且围绕轴线A旋转角度θ3。用于相机440的旋转的枢转点442定位在插管/患者接口处。在图10B中，相机440平移并旋转到位置440”。当相机440移动并且视图边缘关于关键结构401改变时，可计算到关键结构401的距离。在图10B中，距离d2可为例如9.01mm，并且角度θ3可为例如0.9度。
图5描绘了外科可视化系统500，其在许多方面类似于外科可视化系统100。在各种情况下，外科可视化系统500可以是外科可视化系统100的另一个范例。类似于外科可视化系统100，外科可视化系统500包括外科装置502和成像装置520。成像装置520包括光谱光发射器523，该光谱光发射器被配置成能够发射多个波长的光谱光，以获得例如隐藏结构的光谱图像。在各种情况下，成像装置520还可包括三维相机和相关联的电子处理电路。外科可视化系统500被示出为在术中用于识别和有利于避开在表面上不可见的某些关键结构，诸如器官503(在该示例中为子宫)中的输尿管501a和血管501b。
外科可视化系统500被配置成能够经由结构化光确定从外科装置502上的发射器506到子宫503的表面505的发射器-组织距离de。外科可视化系统500被配置成能够基于发射器-组织距离de来外推从外科装置502到子宫503的表面505的装置-组织距离dt。外科可视化系统500还被配置成能够确定从输尿管501a到表面505的组织-输尿管距离dA以及从成像装置520到输尿管501a的相机-输尿管距离dw。如本文关于图1所述，例如，外科可视化系统500可利用例如光谱成像和飞行时间传感器来确定距离dw。在各种情况下，外科可视化系统500可基于本文所述的其他距离和/或表面标测逻辑部件来确定(例如，三角测量)组织-输尿管距离dA(或深度)。
现在参见图11，其中描绘了用于例如外科可视化系统(诸如外科可视化系统100)的控制系统600的示意图。例如，控制系统600是转换系统，该转换系统整合光谱特征组织识别和结构化光组织定位以识别关键结构，特别是当这些结构被其他组织(诸如脂肪、结缔组织、血液和/或其他器官)遮蔽时。此类技术也可用于检测组织可变性，诸如区分器官内的肿瘤和/或不健康组织与健康组织。
控制系统600被配置用于实现高光谱成像和可视化系统，其中利用分子响应来检测和识别外科视场中的解剖结构。控制系统600包括转换逻辑电路648以将组织数据转换成外科医生可用的信息。例如，可利用基于相对于遮蔽材料的波长的可变反射率来识别解剖结构中的关键结构。此外，控制系统600将所识别的光谱特征和结构光数据组合在图像中。例如，控制系统600可用于创建三维数据集，以在具有增强图像叠加的系统中用于外科用途。可在术中和术前两者使用附加视觉信息来使用技术。在各种情况下，控制系统600被配置成能够在接近一个或多个关键结构时向临床医生提供警告。可采用各种算法来基于外科手术和与关键结构的接近度引导机器人自动化和半自动化方法。
采用投射光阵列在术中确定组织形状和运动。另选地，闪光激光雷达可用于组织的表面标测。
控制系统600被配置成能够检测关键结构并提供关键结构的图像叠加，并且测量到可见组织的表面的距离和到嵌入/掩埋关键结构的距离。在其他情况下，控制系统600可测量到可见组织的表面的距离或检测关键结构，并且提供关键结构的图像叠加。
控制系统600包括光谱控制电路602。例如，光谱控制电路602可以是现场可编程门阵列(FPGA)或如本文结合图2A至图2C所述的另一种合适的电路配置。光谱控制电路602包括处理器604以从视频输入处理器606接收视频输入信号。例如，处理器604可被配置用于高光谱处理并且可利用C/C++代码。例如，视频输入处理器606接收控制(元数据)数据的视频输入，诸如快门时间、波长和传感器分析。处理器604被配置成能够处理来自视频输入处理器606的视频输入信号并将视频输出信号提供给视频输出处理器608，该视频输出处理器包括例如接口控制(元数据)数据的高光谱视频输出。视频输出处理器608将视频输出信号提供给图像叠加控制器610。
视频输入处理器606经由患者隔离电路614联接到患者侧处的相机612。如前所述，相机612包括固态图像传感器634。患者隔离电路可包括多个变压器，使得患者与系统中的其他电路隔离。相机612通过光学器件632和图像传感器634接收术中图像。图像传感器634可包括例如CMOS图像传感器，或者可包括例如本文结合图2所述的任何图像传感器技术。在一个方面，相机612以14位/像素信号输出图像。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可采用更高或更低的像素分辨率。隔离的相机输出信号613被提供给彩色RGB融合电路616，该融合电路利用硬件寄存器618和Nios2协处理器620来处理相机输出信号613。彩色RGB融合输出信号被提供给视频输入处理器606和激光脉冲控制电路622。
激光脉冲控制电路622控制激光引擎624。激光引擎624输出包括近红外(NIR)在内的多个波长(λ1、λ2、λ3、......、λn)的光。激光引擎624可在多种模式下操作。在一个方面，激光引擎624可在例如两种模式下操作。在第一模式(例如正常操作模式)下，激光引擎624输出照明信号。在第二模式(例如，识别模式)下，激光引擎624输出RGBG和NIR光。在各种情况下，激光引擎624可在偏振模式下操作。
来自激光引擎624的光输出626照亮术中外科部位627中的目标解剖结构。激光脉冲控制电路622还控制用于激光图案投射仪630的激光脉冲控制器628，该激光图案投射仪将预先确定的波长(λ2)的激光图案631(诸如线和/或点的网格或图案)投射在外科部位627处的手术组织或器官上。相机612接收图案化光以及通过相机光学器件632输出的反射的光。图像传感器634将所接收的光转换成数字信号。
彩色RGB融合电路616还将信号输出到图像叠加控制器610和视频输入模块636，以用于读取由激光图案投射仪630投射到外科部位627处的目标解剖结构上的激光图案631。处理模块638处理激光图案631并且输出表示到外科部位627处的可见组织的距离的第一视频输出信号640。数据被提供给图像叠加控制器610。处理模块638还输出表示外科部位处的目标解剖结构的组织或器官的三维渲染形状的第二视频信号642。
第一视频输出信号640和第二视频输出信号642包括表示关键结构在三维表面模型上的方位的数据，该数据被提供给整合模块643。结合来自光谱控制电路602的视频输出处理器608的数据，整合模块643可确定到掩埋关键结构的距离dA(图1)(例如，经由三角测量算法644)，并且距离dA可经由视频输出处理器646提供给图像叠加控制器610。上述转换逻辑部件可涵盖转换逻辑电路648、中间视频监视器652以及定位在外科部位627处的相机624/激光图案投射仪630。
在各种情况下，可采用来自CT或MRI扫描的术前数据650来配准或匹配某些三维可变形组织。此类术前数据650可被提供给整合模块643并最终提供给图像叠加控制器610，使得此类信息可与来自相机612的视图叠加并被提供给视频监视器652。术前数据的配准在本文和前述同时提交的美国专利申请(包括例如名称为“INTEGRATION OF IMAGING DATA”的美国专利申请16/128,195)中进一步描述，这些专利申请全文以引用方式并入本文。
视频监视器652可从图像叠加控制器610输出整合/增强视图。临床医生可在一个或多个监视器上在不同视图之间选择和/或切换。在第一监视器652a上，临床医生可在(A)其中描绘可见组织的三维渲染的视图与(B)其中在可见组织的三维渲染上描绘一个或多个隐藏关键结构的增强视图之间切换。在第二监视器652b上，临床医生可例如将距离测量切换到一个或多个隐藏关键结构和/或可见组织的表面。
控制系统600和/或其各种控制电路可结合到本文所公开的各种外科可视化系统中。
图12示出了根据本公开的至少一个方面的结构化(或图案化)光系统700。如本文所述，条纹或线形式的结构化光例如可从光源和/或投射仪706被投射到目标解剖结构的表面705上，以识别表面705的形状和轮廓。在各个方面可类似于成像装置120(图1)的相机720例如可被配置成能够检测光在表面705上的投射图案。投射图案在撞击表面705时变形的方式允许视觉系统计算目标解剖结构的深度和表面信息。
在某些情况下，可利用不可见的(或察觉不到的)结构化光，其中在不干扰投射图案可能混淆的其他计算机视觉任务的情况下使用该结构化光。例如，可利用在两个完全相反的图案之间交替的红外光或极快的可见光帧速率来防止干扰。结构化光在en.wikipedia.org/wiki/Structured_light处进一步描述。
现在参见图13，以举例的方式示出了高光谱成像的概念，示出了陆地高光谱成像系统800。例如，陆地高光谱成像系统800被配置成能够对陆地特征或物体(诸如土壤、水和/或植被)进行成像。陆地高光谱成像系统700包括航天器820上的星载高光谱传感器822，以对地球的表面805的一部分进行高光谱成像。光谱维度包括若干层。图像的每个像素包含采样光谱，该采样光谱用于通过像素中存在的材料的反射率来识别这些材料。数据可被转换成例如分别作为土壤、水和植被的波长的函数的反射率的图形表示850、852、854。陆地高光谱成像在www.markelowitz.com/Hyperspectral.html处进一步描述。
还以举例的方式示出了高光谱成像的概念，图14是根据本公开的至少一个方面的各种陆地特征或物体的高光谱特征的图形表示850。反射率百分比沿竖直轴线示出，而波长(nm)沿水平轴线示出。如图所示，每个物体(松林、草地、红沙坑和泥水)都具有独特的高光谱特征，该高光谱特征可用于识别该物体。
根据本公开的至少一个方面，结合图13和图14所述的高光谱成像概念可用于具有不同吸收波长和波段的不同材料。下表示出了各种材料的吸收波长和波段。介于400nm与700nm之间的第一波长范围表示可见光光谱。介于700nm与1400nm之间的第二波长范围表示近红外(NIR)光谱。介于1400nm与3000nm之间的第三波长范围表示短波红外(SWIR)光谱。以1250nm为中心的第一波段表示铁吸收和叶片含水量。介于1500nm与1750nm之间的第二波段表示塑料、玻璃纤维和石油。介于200nm与2400nm之间的第三波段表示矿物ID。
表1指定了各种材料的吸收波长和波段。
Figure BDA0002977307040000281
表1
现在参见图15A至图15C，作为高光谱成像概念的进一步说明，进行了其中将光谱成像应用于煎蛋952的测试。具有黄色蛋黄954以及围绕蛋黄954的蛋白956的煎蛋952的图像在图15A中示出。煎蛋952的光谱特征的图形表示950在图15B中示出。具体地，图形表示950示出了煎蛋952的蛋黄954和蛋白956的吸收单位与波长(nm)的关系。在图15C中，示出了煎蛋952的光谱图像(以黑白示出)，其中该图像被增强以基于高光谱特征数据区分蛋黄部分和蛋白部分。
在各种情况下，可采用如本文关于陆地特征和物体以及煎蛋出于例示性目的所述的高光谱成像技术来识别解剖结构中的特征，以便区分关键结构与遮蔽物。例如，高光谱成像技术可提供可视化系统，该可视化系统可提供识别关键结构诸如输尿管和/或血管的方式，特别是当那些结构被例如脂肪、结缔组织、血液或其他器官遮蔽时。可使用红外(IR)光谱中不同波长的反射率差异来确定关键结构与遮蔽物的存在。现在参见图16至图18，描绘了例如输尿管、动脉和神经组织相对于遮蔽物诸如脂肪、肺组织和血液的例示性高光谱特征。
图16是例示性输尿管特征相对于遮蔽物的图形表示1050。该曲线图表示脂肪、肺组织、血液和输尿管对于各波长的反射率与波长(nm)的关系。图17是例示性动脉特征相对于遮蔽物的图形表示1052。该曲线图表示脂肪、肺组织、血液和血管的反射率与波长(nm)的关系。图18是例示性神经特征相对于遮蔽物的图形表示1054。该曲线图表示脂肪、肺组织、血液和神经的反射率与波长(nm)的关系。
在各种情况下，可基于外科部位处的预期关键结构和/或遮蔽物来识别和利用用于光谱成像的选定波长(即，“选择性光谱”成像)。通过利用选择性光谱成像，可最小化获得光谱图像所需的时间量，使得可实时或接近实时地获得信息，并在术中加以利用。在各种情况下，波长可由临床医生选择或由控制电路基于临床医生的输入来选择。在某些情况下，波长可基于例如机器学习和/或控制电路可经由云访问的大数据来选择。
光谱成像到组织的前述应用可在术中用于测量波形发射器与被组织遮蔽的关键结构之间的距离。在本公开的一个方面，现在参见图19和图20，示出了利用波形1124、1125的飞行时间传感器系统1104。在某些情况下，飞行时间传感器系统1104可结合到外科可视化系统100(图1)中。飞行时间传感器系统1104包括相同外科装置1102上的波形发射器1106和波形接收器1108。发射波1124从发射器1106延伸到关键结构1101，并且接收波1125被接收器1108从关键结构1101反射回去。外科装置1102穿过延伸到患者的腔1107中的套管针1110定位。
波形1124、1125被配置成能够穿透遮蔽组织1103。例如，波形1124、1125的波长可在NIR或SWIR波长光谱中。在一个方面，光谱信号(例如，高光谱、多光谱或选择性光谱)或光声学信号可从发射器1106发射并且可穿透其中隐蔽有关键结构1101的组织1103。所发射的波形1124可被关键结构1101反射。所接收的波形1125可由于外科装置1102的远侧端部与关键结构1101之间的距离d而被延迟。在各种情况下，可基于关键结构1101的光谱特征来选择波形1124、1125以靶向组织1103内的关键结构1101，如本文进一步所述。在各种情况下，发射器1106被配置成能够提供二进制信号开和关，如图20所示，例如该二进制信号可由接收器1108测量。
基于发射波1124与接收波1125之间的延迟，飞行时间传感器系统1104被配置成能够确定距离d(图19)。图19的发射器1106和接收器1108的飞行时间时序图1130在图20中示出。延迟是距离d的函数，并且距离d由下式给出：
Figure BDA0002977307040000301
其中：
c＝光的速度；
t＝脉冲的长度；
q1＝发射光时累积的电荷；并且
q2＝不发射光时累积的电荷。
如本文所提供，波形1124、1125的飞行时间对应于图19中的距离d。在各种情况下，附加发射器/接收器和/或来自发射器1106的脉冲信号可被配置成能够发射非穿透信号。非穿透组织可被配置成能够确定从发射器到遮蔽组织1103的表面1105的距离。在各种情况下，关键结构1101的深度可由下式确定：
dA＝dw-dt。
其中：
dA＝关键结构1101的深度；
dw＝从发射器1106到关键结构1101的距离(图19中的d)；并且
dt,＝从发射器1106(在外科装置1102的远侧端部上)到遮蔽组织1103的表面1105的距离。
在本公开的一个方面，现在参见图21，示出了利用波1224a、1224b、1224c、1225a、1225b、1225c的飞行时间传感器系统1204。在某些情况下，飞行时间传感器系统1204可结合到外科可视化系统100(图1)中。飞行时间传感器系统1204包括波形发射器1206和波形接收器1208。波形发射器1206定位在第一外科装置1202a上，并且波形接收器1208定位在第二外科装置1202b上。外科装置1202a、1202b分别穿过其相应的套管针1210a、1210b定位，这两个套管针延伸到患者的腔1207中。发射波1224a、1224b、1224c从发射器1206朝向外科部位延伸，并且接收波1225a、1225b、1225c从外科部位处的各种结构和/或表面反射回接收器1208。
不同的发射波1224a、1224b、1224c被配置成能够靶向外科部位处的不同类型的材料。例如，波1224a靶向遮蔽组织1203，波1224b靶向第一关键结构1201a(例如，血管)，并且波1224c靶向第二关键结构1201b(例如，癌性肿瘤)。波1224a、1224b、1224c的波长可在可见光、NIR或SWIR波长光谱中。例如，可见光可从组织1203的表面1205反射，并且NIR和/或SWIR波形可被配置成能够穿透组织1203的表面1205。在各个方面，如本文所述，光谱信号(例如，高光谱、多光谱或选择性光谱)或光声学信号可从发射器1206发射。在各种情况下，可基于关键结构1201a、1201b的光谱特征来选择波1224b、1224c以靶向组织1203内的关键结构1201a、1201b，如本文进一步所述。光声学成像在本文和前述同时提交的美国专利申请中进一步描述，这些专利申请全文以引用方式并入本文。
发射波1224a、1224b、1224c可从目标材料(即，分别为表面1205、第一关键结构1201a和第二结构1201b)反射。所接收的波形1225a、1225b、1225c可由于图21所示的距离d1a、d2a、d3a、d1b、d2b、d2c而被延迟。
在其中发射器1206和接收器1208可独立定位(例如，定位在单独的外科装置1202a、1202b上和/或由单独的机器人臂控制)的飞行时间传感器系统1204中，可根据发射器1206和接收器1208的已知方位计算各种距离d1a、d2a、d3a、d1b、d2b、d2c。例如，当外科装置1202a、1202b由机器人控制时，这些方位可以是已知的。关于发射器1206和接收器1208的方位以及光子流靶向某一组织的时间的知识以及由接收器1208接收的该特定响应的信息可允许确定距离d1a、d2a、d3a、d1b、d2b、d2c。在一个方面，可使用穿透波长对到被遮蔽的关键结构1201a、1201b的距离进行三角测量。由于光的速度对于任何波长的可见光或不可见光是恒定的，因此飞行时间传感器系统1204可确定各种距离。
仍然参见图21，在各种情况下，在提供给临床医生的视图中，接收器1208可被旋转成使得所得图像中的目标结构的质心保持恒定，即在垂直于所选目标结构1203、1201a或1201b的轴线的平面中。此类取向可快速传送关于关键结构的一个或多个相关距离和/或视角。例如，如图21所示，从关键结构1201a垂直于视平面(即，血管在页面内/页面外取向)的视角显示外科部位。在各种情况下，此类取向可以是默认设置；然而，该视图可由临床医生旋转或以其他方式调整。在某些情况下，临床医生可在限定由成像系统提供的外科部位的视角的不同表面和/或目标结构之间切换。
在各种情况下，接收器1208可安装在套管针或插管(诸如套管针1210b)上，例如外科装置1202b通过该套管针或插管定位。在其他情况下，接收器1208可安装在三维方位已知的单独机器人臂上。在各种情况下，接收器1208可安装在与控制外科装置1202a的机器人分开的可移动臂上，或者可安装到可在术中与机器人坐标平面配准的手术室(OR)工作台。在此类情况下，发射器1206和接收器1208的方位可能够与同一坐标平面配准，使得可根据来自飞行时间传感器系统1204的输出对距离进行三角测量。
将飞行时间传感器系统和近红外光谱(NIRS)(称为TOF-NIRS，其能够测量具有纳秒分辨率的NIR光的时间分辨特征图)组合可见于名称为“TIME-OF-FLIGHT NEAR-INFRAREDSPECTROSCOPY FOR NONDESTRUCTIVE MEASUREMENT OF INTERNAL QUALITY INGRAPEFRUIT”(美国园艺科学学会杂志(Journal of the American Society forHorticultural Science)，2013年5月，第138卷，第3期，第225-228页)的文章(该文章全文以引用方式并入本文)中，并且可在journal.ashspublications.org/content/138/3/225.full处获取。
在各种情况下，飞行时间光谱波形被配置成能够确定关键结构的深度和/或外科装置与关键结构的接近度。此外，本文所公开的各种外科可视化系统包括表面标测逻辑部件，该表面标测逻辑部件被配置成能够创建可见组织的表面的三维渲染。在此类情况下，即使当可见组织阻挡关键结构时，临床医生也可知道外科装置与关键结构的接近度(或缺乏接近度)。在一种情况下，外科部位的形貌由表面标测逻辑部件提供在监视器上。如果关键结构靠近组织的表面，则光谱成像可将关键结构的方位传达给临床医生。例如，光谱成像可检测表面的5mm或10mm内的结构。在其他情况下，光谱成像可检测组织的表面下方10mm或20mm的结构。基于光谱成像系统的已知限值，系统被配置成能够在光谱成像系统根本无法检测到关键结构的情况下传达该关键结构在范围外。因此，临床医生可继续移动外科装置和/或操纵组织。当关键结构移动到光谱成像系统范围内时，系统可识别该结构，并且因此传送该结构在范围内。在此类情况下，当初始识别结构和/或在预定义接近度区域内进一步移动结构时，可提供警示。在此类情况下，即使光谱成像系统利用已知边界/范围未识别关键结构，也可向临床医生提供接近度信息(即，缺乏接近度)。
本文所公开的各种外科可视化系统可被配置成能够在术中识别关键结构的存在和/或关键结构的接近度，并且在通过意外解剖和/或横切损坏关键结构之前警示临床医生。在各个方面，外科可视化系统被配置成能够识别例如以下关键结构中的一种或多种关键结构：输尿管、肠、直肠、神经(包括膈神经、喉返神经[RLN]、骶岬面部神经、迷走神经以及它们的分支)、血管(包括肺动脉和大叶动脉以及肺静脉和大叶静脉、肠系膜下动脉[IMA]及其分支、直肠上动脉、乙状动脉和左结肠动脉)、肠系膜上动脉(SMA)及其分支(包括中结肠动脉、右结肠动脉、回肠动脉)、肝动脉及其分支、门静脉及其分支、脾动脉/静脉及其分支、外部和内部(下腹部)回肠血管、短胃动脉、子宫动脉、骶中血管和淋巴结。此外，外科可视化系统被配置成能够指示外科装置与关键结构的接近度和/或在外科装置靠近关键结构时警告临床医生。
本公开的各个方面提供了术中关键结构识别(例如，输尿管、神经和/或血管的识别)和器械接近度监视。例如，本文所公开的各种外科可视化系统可包括光谱成像和外科器械跟踪，这使得能够可视化例如组织的表面下方(诸如组织的表面下方1.0cm至1.5cm)的关键结构。在其他情况下，外科可视化系统可识别组织的表面下方小于1.0cm或大于1.5cm的结构。例如，如果结构由于深度原本不能被看到，则即使例如可识别仅在表面0.2mm内的结构的外科可视化系统也可以是有价值的。在各个方面，外科可视化系统可例如利用关键结构的虚拟描绘作为叠加在可见组织的表面上的可见白光图像来增强临床医生的视图。外科可视化系统可提供外科器械的远侧末端的实时三维空间跟踪，并且可例如在外科器械的远侧末端在关键结构的特定范围内(诸如在关键结构的1.0cm内)移动时提供接近度警示。
本文所公开的各种外科可视化系统可识别解剖何时太靠近关键结构。基于温度(即，在可能有损坏/加热/熔融关键结构的风险的关键结构附近太热)和/或基于张力(即，在可能有损坏/撕裂/牵拉关键结构的风险的关键结构附近张力太大)，解剖可能“太靠近”关键结构。例如，当在结扎之前使血管骨架化时，此类外科可视化系统可有利于在血管周围进行解剖。在各种情况下，可利用热成像相机来读取外科部位处的热量并向临床医生提供基于所检测到的热量和从工具到结构的距离的警告。例如，如果工具的温度高于预定义阈值(诸如例如120°F)，则可在第一距离(诸如例如10mm)处向临床医生提供警示，并且如果工具的温度小于或等于预定义阈值，则可在第二距离(诸如例如5mm)处向临床医生提供警示。预定义阈值和/或警告距离可以是默认设置和/或可临床医生编程。另外或另选地，接近度警示可与由工具本身(诸如测量例如单极或双极解剖器或血管密封器的远侧钳口中的热量的热电偶)进行的热测量关联。
本文所公开的各种外科可视化系统可提供关于关键结构和特异性的足够的灵敏度，以使得临床医生能够基于护理和/或装置安全性数据的标准对快速但安全的解剖有信心地进行。系统可在外科手术期间在术中实时地起作用，而对患者或临床医生的电离辐射风险最小，并且在各种情况下，对患者或临床医生没有电离辐射风险。相反地，在荧光透视过程中，患者和临床医生可经由例如用于实时观察解剖结构的X射线束暴露于电离辐射。
诸如当外科装置的路径由机器人控制时，本文所公开的各种外科可视化系统可被配置成能够例如检测和识别外科装置的向前路径中的一种或多种期望类型的关键结构。另外或另选地，外科可视化系统可被配置成能够检测和识别例如外科装置的周围区域中和/或多个平面/维度中的一种或多种类型的关键结构。
本文所公开的各种外科可视化系统可易于操作和/或解释。此外，各种外科可视化系统可结合允许临床医生覆写默认设置和/或操作的“覆写”特征。例如，诸如当关键结构的风险小于避开该区域的风险(例如，当摘除关键结构周围的癌症时，留下癌性组织的风险可能大于对关键结构造成损坏的风险)时，临床医生可选择性地关闭来自外科可视化系统的警示和/或比外科可视化系统所建议的更靠近关键结构。
本文所公开的各种外科可视化系统可结合到外科系统中和/或在对工作流程具有有限影响的情况下在外科手术期间使用。换句话讲，外科可视化系统的具体实施可能不会改变实施外科手术的方式。此外，与意外横切的成本相比，外科可视化系统可能更经济。数据表明，对关键结构的意外损坏减少可驱动增量补偿。
本文所公开的各种外科可视化系统可实时或接近实时地并且提前足够远地操作，以使得临床医生能够预期关键结构。例如，外科可视化系统可提供足够的时间以“减慢、评估和避开”，以便使外科手术的效率最大化。
本文所公开的各种外科可视化系统可能不需要注射到组织中的造影剂或染料。例如，光谱成像被配置成能够在不使用造影剂或染料的情况下在术中可视化隐藏结构。在其他情况下，造影剂可比其他可视化系统更容易注射到适当的组织层中。例如，造影剂的注射与关键结构的可视化之间的时间可少于两小时。
本文所公开的各种外科可视化系统可与临床数据和/或装置数据关联。例如，数据可提供关于能量启用的外科装置(或其他潜在损坏装置)应与外科医生不想损坏的组织相距多近的边界。与本文所公开的外科可视化系统交互的任何数据模块可与机器人整体地或分开地提供，以使得能够与独立的外科装置一起用于例如开放式或腹腔镜式手术中。在各种情况下，外科可视化系统可与机器人外科系统兼容。例如，可视化图像/信息可显示在机器人控制台中。
在各种情况下，临床医生可能不知道关键结构相对于外科工具的位置。例如，当关键结构嵌入组织中时，临床医生可能无法确定关键结构的位置。在某些情况下，临床医生可能想要将外科装置保持在围绕关键结构的方位范围之外和/或远离覆盖隐藏关键结构的可见组织。当隐蔽关键结构的方位未知时，临床医生可能有移动得太靠近关键结构的风险，这可能导致关键结构的无意创伤和/或解剖和/或关键结构附近的过多能量、热量和/或张力。另选地，临床医生可能保持与关键结构的可疑位置相距过远，并且有在较不理想的位置影响组织以试图避开关键结构的风险。
本发明提供了一种外科可视化系统，该外科可视化系统呈现相对于一个或多个关键结构的外科装置跟踪。例如，外科可视化系统可跟踪外科装置相对于关键结构的接近度。此类跟踪可在术中、实时和/或近实时地发生。在各种情况下，跟踪数据可经由成像系统的显示屏(例如，监视器)提供给临床医生。
在本公开的一个方面，外科可视化系统包括：外科装置，该外科装置包括发射器，该发射器被配置成能够将结构化光图案发射到可见表面上；成像系统，该成像系统包括相机，该相机被配置成能够检测嵌入结构和可见表面上的结构化光图案；以及控制电路，该控制电路与相机和成像系统信号通信，其中控制电路被配置成能够确定从外科装置到嵌入结构的距离，并且向成像系统提供指示该距离的信号。例如，该距离可通过计算从相机到用荧光透视技术照亮的关键结构的距离并且基于由来自相机的多个透镜(例如，左侧透镜和右侧透镜)的图像提供的所照亮的结构的三维视图来确定。例如，从外科装置到关键结构的距离可基于外科装置和相机的已知方位来进行三角测量。本文进一步描述了用于确定到嵌入关键结构的距离的替代装置。例如，可采用NIR飞行时间距离传感器。另外或另选地，外科可视化系统可确定到叠加/覆盖嵌入关键结构的可见组织的距离。例如，外科可视化系统可通过在可见结构上描绘隐藏关键结构的示意图(诸如可见组织的表面上的线)来识别隐藏关键结构并增强隐藏关键结构的视图。外科可视化系统还可确定到可见组织上的增强线的距离。
通过向临床医生提供如本文所公开的各种外科可视化系统所提供的关于外科装置到隐蔽关键结构和/或可见结构的接近度的最新信息，临床医生可以做出关于外科装置相对于隐蔽关键结构的放置的更知情的决定。例如，临床医生可实时地/在术中查看外科装置与关键结构之间的距离，并且在某些情况下，当外科装置移动到关键结构的预定义接近度和/或区域内时，可由成像系统提供警示和/或警告。在某些情况下，当外科装置的轨迹指示与关键结构附近(例如，在关键结构的1mm、2mm、5mm、10mm、20mm或更多内)的“禁飞”区的可能碰撞时，可以提供警示和/或警告。在此类情况下，临床医生可在整个外科手术期间保持动量，而无需临床医生监测关键结构的可疑位置和外科装置与其的接近度。因此，某些外科手术可以更快地执行，具有更少的暂停/中断，以及/或者具有改进的准确性和/或确定性。在一个方面，外科可视化系统可用于检测组织可变性，诸如器官内组织的可变性，以区分肿瘤/癌组织/不健康组织与健康组织。此类外科可视化系统可使不健康组织的移除最大化，同时使健康组织的移除最小化。
现在参见图22至图24，示出了包括三维相机1420和外科装置1402的外科可视化系统1400。相机1420包括图像传感器，如本文进一步所述。在各个方面，外科可视化系统1400可类似于外科可视化系统100(图1)。例如，外科可视化系统1400可被配置成能够识别嵌入在组织1403的表面1405下方的一个或多个关键结构1401，并且确定相对于表面1405和/或关键结构1401的一个或多个距离。
外科装置1402包括被配置成能够发射结构化光的图案的发射器1406。图案被配置成能够从表面反射，并且反射的光可由相机或传感器(诸如相机1420)检测。基于反射的图案，控制电路被配置成能够确定表面1405的轮廓和相对于表面1405的一个或多个距离。例如，控制电路可生成表面的三维模型。本文进一步描述了各种控制电路(例如，参见图2和图11)。
相机1420是三维相机。例如，相机1420包括二维左侧透镜或传感器1408a以及二维右侧透镜或传感器1408b。透镜1408a、1408b被配置成能够检测嵌入组织1403内的一个或多个关键结构(诸如关键结构1401)。在各种情况下，关键结构1401可用造影剂诸如ICG照亮，并且经由例如荧光透视技术成像。此外，左侧透镜1408a被配置成能够检测所照亮的关键结构1401的二维视图(如图23所示)，并且右侧透镜1408b被配置成能够检测所照亮的关键结构1401的另一个二维视图(也如图23所示)。
来自透镜1408a、1408b的二维视图可被整合或组合以生成嵌入在解剖目标组织中的照亮的关键结构1401的三维视图。在各种情况下，从外科装置1402到关键结构1401的距离可由相机1420获得的图像确定。例如，该距离可通过将算法应用于由透镜1408a、1408b获得的两个图像来确定。例如，左手图像(图23)中的距离dl和右手图像(图23)中的距离dr可被平均以获得从外科装置1402到关键结构1401的距离d(图22)，如下所述：
Figure BDA0002977307040000371
在各种情况下，由于相机1420和外科装置1402的相对方位是已知的(即在配准的坐标系诸如相同的机器人坐标系中)，例如，当从关键结构1401到相机1420的距离是已知的时，可以对从外科装置1402到关键结构1401的距离进行三角测量。机器人具有臂(例如，外科装置1402和相机1420)的坐标方位知识，并且因此可进行三角测量以确定交叉距离。本文进一步描述了用于确定外科装置与关键结构之间的距离d的另选装置(例如，超声、飞行时间测量系统、高光谱信号分析等)。
主要参见图23，可将三维图像提供给显示屏1450，诸如成像系统的视频监视器。例如，显示屏1450可选择性地描绘由相机1420获得的三维实时图像/视频馈送。在各种情况下，显示屏1450还可基于表面标测逻辑部件和从发射器1406发射并由相机1420检测到的结构化光图案来选择性地描绘外科部位(例如，可见组织)的三维渲染。在某些情况下，外科部位处的可见组织的三维渲染可例如与嵌入关键结构1401叠加。另外或另选地，从外科装置1402到关键结构1401的距离d(图22)可显示在显示屏1450上。
在一种情况下，仍然参见图23，显示屏1450可被配置成能够显示关键结构1401的增强颜色示意图1452a，该增强颜色示意图具有颜色图例或键1454a以指示到关键结构1401和/或其部分的距离d(图22)。例如，键1454a提供对应于直线距离或区域的颜色光谱，诸如绿色，其中外科装置1402距离关键结构1401为15mm至20mm；黄色，其中外科装置1402距离关键结构1401为15mm至10mm；橙色，其中外科装置1402距离关键结构1401为5mm至10mm；以及红色，其中外科装置1402距离关键结构1401为0mm至5mm。不同颜色可对应于与临床医生的不同通信类型。例如，绿色可意指“继续”或“继续进行”，黄色可意指“减慢”或“小心继续”，橙色可意指“格外小心地进行”，红色可意指“停止”。在此类情况下，可以用对应于计算距离的一种或多种颜色和键1454a上的取决于外科装置1402到关键结构1401的部分的接近度的相关颜色来描绘该关键结构。
在各种情况下，当该距离沿着键1454a的光谱从一个接近度区域移动到另一个接近度区域时，可警示临床医生。例如，当距离从绿色区域移动到黄色区域时可提供第一警示，当距离从黄色区域移动到橙色区域时可提供第二警示，并且当距离从橙色区域移动到红色区域时可提供第三警示。警示的类型可根据外科装置1402的接近度和/或临床医生所选择的预编程设置而变化。类似地，在各个方面，当外科装置1402移动远离关键结构1401时，诸如当关键结构1401是外科装置1402的目标时，成像系统可警示临床医生。
在另一种情况下，参见图24，显示屏1450可被配置成能够显示关键结构1401的黑白交叉影线增强示意图1452b，其具有交叉影线图例或键1454b以指示到关键结构1401和/或其部分的距离d(图22)。
在某些情况下，从外科装置1402到关键结构1401的距离d可沿接近度光谱指示标识显示，该接近度光谱指示标识包括对应于不同距离的多个范围和/或区域。不同类型的交叉影线可对应于不同的接近度区域，并且键1454b可解释不同类型的交叉影线相对于距离或接近度区域的重要性。例如，接近度光谱可由颜色光谱、一系列数值和/或指示接近度的其他区分符号来定义。
在各种情况下，本文所公开的外科可视化系统(诸如外科可视化系统1400)可用于靶向特定关键结构或其部分。例如，再次参见图22，关键结构1401可为外科装置1402所靶向的结构。在一种情况下，关键结构1401可以是临床医生想要解剖以便移除一块组织而不损害流向其他组织的血流的血管上的位置。例如，关键结构1401可以是血管上在向健康组织供应血液的分支下游的位置。在此类情况下，血管上的下游位置可由外科可视化系统标记和靶向。结构的标记在同时提交的标题为“SURGICAL VISUALIZATION AND MONITORING”的美国专利申请16/128,193中进一步描述，该专利申请全文据此以引用方式并入本文。接近度光谱指示标识可被配置成能够跟踪/监测外科装置1402到目标关键结构1401的接近。
现在参见图25和图26，示出了包括相机1520和外科装置1502a、1502b、1502c的外科可视化系统1500。相机1520包括图像传感器，如本文进一步所述。外科可视化系统1500在各个方面可以类似于外科可视化系统100(图1)和外科可视化系统1400(图22至图24)。例如，外科可视化系统1500可被配置成能够识别嵌入在组织1503的表面1505下方的一个或多个关键结构1501，并且确定相对于关键结构1501的一个或多个距离。
类似于外科装置1402(图22)，外科装置1502a、1502b、1502c中的一个或多个可包括被配置成能够发射光波的发射器。例如，发射器可被配置成能够发射结构化光的图案。图案被配置成能够从表面反射，并且反射的光可由相机或传感器(诸如相机1520)检测。基于反射的图案，控制电路被配置成能够确定表面1505的轮廓和相对于表面1505的各种距离。例如，控制电路可生成表面1505的三维模型。本文进一步描述了各种控制电路(例如，参见图2和图11)。
类似于相机1420(图22)，相机1520是三维相机，其包括二维左侧透镜或传感器1508a和二维右侧透镜或传感器1508b。透镜1508a、1508b被配置成能够检测嵌入关键结构1501。例如，左侧透镜1508a被配置成能够检测关键结构1501的二维视图，并且右侧透镜1508b被配置成能够检测关键结构1501的另一个二维视图。由透镜1508a、1508b获得的二维视图可组合以在成像系统的显示屏1550(图26)上产生外科部位的三维视图1552。显示屏1550可以是视频监视器，该视频监视器在术中向临床医生提供外科部位的视频馈送和/或各种附加数据/信息。例如，显示屏1550上的三维视图1552可描绘关键结构1501和外科装置1502a、1502b、1502c的相对方位，叠加来自结构化光和表面标测逻辑部件的组织1503的形貌表面标测图。
此外，在各种情况下，分别从外科装置1502a、1502b、1502c到关键结构1501的距离d1、d2和d3可根据外科部位的三维成像来确定和/或估计，如本文进一步所述。例如，从每个外科装置1502a、1502b、1502c到关键结构1501的距离可在两个维度上测量并求平均值，或者以其他方式从已知方位和/或距离计算/三角测量。
距离d1、d2和d3被传送到显示屏1550(例如，视频监视器)，该显示屏被配置成能够显示距离d1、d2和d3。例如，距离d1、d2和d3可以颜色编码格式显示，如图26所示。更具体地，距离d1、d2和d3可分别沿着指示距离的接近度光谱指示标识1554a、1554b、1554c显示。接近度光谱指示标识1554a、1554b、1554c包括沿条布置的颜色的光谱，该光谱可对应于关键结构周围的区域。在图26中，绿色区域对应于15mm至20mm的距离，黄色区域对应于15mm至10mm的距离，橙色区域对应于5mm至10mm的距离，并且红色区域对应于0mm至5mm的距离。可以分别通过记号(诸如箭头1556a、1556b、1556c)沿着接近度光谱指示标识1554a、1554b、1554c指示接近度区域，该记号分别标识每个外科装置1502a、1502b、1502c的区域。
另外或另选地，接近度光谱指示标识1554a、1554b、1554c可包括指示接近度区域/距离的一系列数值和/或其他符号。在某些情况下，接近度区域可针对不同的关键结构和/或不同的外科装置进行配置或选择。例如，对于能量装置和缝合器，血管周围的接近度区域可以是不同的。另外，能量装置的接近度区域对于静脉和动脉可以是不同的。
在各种情况下，外科可视化系统1500被配置成能够在外科装置1502a、1502b、1502c中的一者接近关键结构1501周围的预定义方位范围/最小距离限制/接近度区域时向临床医生提供警示、警告或其他指示。警示可基于外科装置1502a、1502b、1502c的类型和关键结构1501的类型在不同临界距离提供。
在各种情况下，外科装置1502a、1502b、1502c中的一者或多者可为机器人工具。例如，机器人系统可控制外科装置1502a、1502b、1502c。在某些情况下，关键结构周围的接近度区域可形成“阻进区域”，并且机器人系统可自动控制外科装置1502a、1502b、1502c，使得它们保持在“阻进区域”之外。如果临床医生提供输入命令以将外科装置1502a、1502b、1502c移动到“阻进区域”中，则自动化工具控制运动可防止外科装置1502a、1502b、1502c进入限定的“阻进区域”。在某些情况下，此类自动化工具控制可例如被打开/关闭、可以为默认设置、以及/或者可被临床医生的覆写输入克服。
现在参见图27至图31，示出了外科可视化系统1600。在各个方面，外科可视化系统1600可类似于外科可视化系统100(图1)。例如，外科可视化系统1600可被配置成能够识别嵌入在组织1603的表面1605下方的一个或多个关键结构1601，并且确定相对于表面1605和/或关键结构1601的一个或多个距离。外科可视化系统1600包括检测器或相机1620和外科装置1602。相机1620包括图像传感器，如本文进一步所述。外科可视化系统1600被配置成能够以三维格式提供外科视野的可见光再现。例如，发射器可被配置成能够发射结构化光，该结构化光可被转换成形貌表面标测图。外科视野的三维图像可与隐藏结构(即关键结构)的叠加和/或到关键结构的距离组合。警示系统可在关键结构位于外科装置的临界距离限制内时向临床医生提供反馈，如本文进一步所述。
外科装置1602包括被配置成能够发射光波的发射器1606。例如，发射器1606可被配置成能够发射组织穿透红外波长，该组织穿透红外波长被配置成能够穿透组织1603并到达关键结构1601。发射器1606可包括例如光谱光源，该光谱光源可被配置成能够发射例如高光谱、多光谱和/或选择性光谱波形。发射器1606可以进一步发射结构化光图案，该结构化光图案由相机1620检测以生成表面1605的形貌表面标测图。
相机1620还包括图像传感器或接收器1608，该图像传感器或接收器被配置成能够检测从发射器1606发射并由关键结构1601反射的光波。光谱成像逻辑部件可基于由图像传感器1608接收的反射的光波来识别关键结构，如本文进一步所述。在各种情况下，检测到的关键结构1601可示意性地描绘为可见组织1603的表面1605的三维渲染上的线或其他符号。例如，关键结构1601的大致方位可作为表面1605的三维表面标测图上的线传达给临床医生。在某些情况下，图像传感器1608还被配置成能够检测可见光，并且可选择性地记录外科部位的实时图像和/或视频馈送，并且将图像/视频传达给成像系统和/或其显示屏/监视器。
外科可视化系统1600被配置成能够根据本文所述的一个或多个距离确定方法和/或系统，确定从外科装置1602的远侧端部1612到组织表面的装置-表面距离d2，从外科装置1602的远侧端部1612到组织表面下方的血管的装置-血管距离d3，以及组织表面下方的关键结构的表面-血管距离/深度d4。例如，装置-表面距离d2可由表面标测逻辑部件和从结构化光图案生成的所得表面标测图来确定。另外或另选地，装置-表面距离d2可以由飞行时间距离感测系统确定，该飞行时间距离感测系统被配置成能够检测发射波与靶向组织1603的表面1605的接收波之间的延迟。在各种情况下，装置-表面距离d2可以是到一部分表面1605的距离，该一部分表面叠加所识别的关键结构(诸如关键结构1601)。例如，装置-表面距离d2可以是从外科装置1602的远侧端部1612到表面1605的三维渲染上的最靠近外科装置1602的增强线的距离。装置-血管距离d3可由相机1620和/或一个或多个图像传感器1608接收的光谱波的NIR飞行时间感测来确定。在其他情况下，装置-血管距离d3可由三角测量、三维相机和荧光透视照明来确定。在各种情况下，表面-血管深度d1可以由通过光谱成像、三维成像获得的实时距离和/或尺寸、以及/或者通过超声确定的表面标测数据和/或在术前扫描中获得的尺寸来计算和/或进行三角测量。本文还公开了另选的距离确定系统。
外科可视化系统1600还包括成像系统，该成像系统可包括相机1620和显示屏1650(图29至图30)。成像系统可选择性地在屏幕1650上显示不同的信息。例如，成像系统可包括输入控件，该输入控件可允许临床医生选择显示屏上的一个或多个视图、尺寸和/或其他信息。图28中示出了示例性输入控件，即转盘1660。转盘1660允许临床医生选择装置-表面距离d2、装置-血管距离d3或表面-血管距离d1。例如，临床医生可在不同方位之间旋转转盘1660以选择不同距离。在其他情况下，输入控件可包括例如一个或多个输入、按钮、切换件、开关和/或触摸屏。在某些情况下，可同时选择两个或更多个距离以及/或者显示屏1650可在经过预设时间量之后在不同距离和/或视图之间切换。
现在参见图29至图31，显示屏1650被配置成能够基于临床医生的输入显示外科部位的不同视图1652a、1652b、1652c。例如，取决于转盘1660的方位，显示屏1650可显示不同的视图和/或信息。还可以在显示屏1650上提供转盘1660及其方位。在图29中，显示屏1650描绘了第一视图1652a，其中可显示和/或监测表面-血管距离d1。例如，在图29中，转盘1660处于其中选择了表面-血管距离d1的第一方位。在此类情况下，监测距离d1并且在屏幕1650上显示相关信息。例如，距离d1可以数字地显示和/或沿着第一接近度光谱1656a显示，该第一接近度光谱在距离d1减小到预定义阈值以下时指示警告(诸如出于热和/或力相关的考虑)。例如，可在屏幕1650上和/或经由附加的视觉、听觉和/或触觉信号提供警告。另外，经由增强的第一视图1652a示意性地描绘了对肉眼隐蔽的关键结构1601。
在图30中，显示屏1650描绘了第二视图1652b，其中可以显示和/或监测装置-表面距离d2。例如，在图30中，转盘1660处于其中选择了装置-表面距离d2的第二方位。在此类情况下，监测距离d2并且在屏幕1650上显示相关信息。例如，距离d2可以数字地显示和/或沿着第二接近度光谱1656b显示，该第二接近度光谱在距离d2减小到预定义阈值以下时指示警告(诸如出于热和/或力相关的考虑)。例如，可在屏幕1650上和/或经由附加的视觉、听觉和/或触觉信号提供警告。当选择到外科装置1602的末端的距离时，该距离可以是从工具的投射点到组织表面的距离，其可以由来自机器人控制臂的三维笛卡尔坐标系确定。
利用光谱成像识别对肉眼隐蔽的关键结构1601，并且经由增强的第二视图1652b示意性地描绘该关键结构。在各种情况下，关键结构1601的增强示意图可被切换打开和关闭和/或如图30所示被示出为阴影/虚线背景形状。例如，由于图30中的所选距离d2不是直接到关键结构1601，因此可能期望将关键结构1601显示为阴影或隐藏以避免分散临床医生的注意力和/或以将临床医生的注意力集中在其他所选信息上。在各种情况下，如本文所述，距离d2可以是到表面1605上表示隐藏关键结构1601的增强线的距离，并且隐藏关键结构1601可示意性地描绘为针对上下文的阴影和/或背景图像。
在图31中，显示屏1650描绘了第三视图1652c，其中可以显示和/或监测装置-血管距离d3。例如，在图31中，转盘1660处于其中选择了装置-血管距离d3的第三方位。在此类情况下，监测距离d3并且在屏幕1650上显示相关信息。例如，距离d3可以数字地显示和/或沿着第三接近度光谱1656c显示，该第三接近度光谱在距离d3减小到预定义阈值以下时指示警告(诸如出于热和/或力相关的考虑)。例如，可在屏幕1650上和/或经由附加的视觉、听觉和/或触觉信号提供警告。
经由增强的第三视图1652c示意性地描绘了对肉眼隐蔽的关键结构1601。在各种情况下，组织1603的表面1605的增强示意图可被切换打开和关闭和/或如图31所示被示出为阴影/虚线形状。例如，由于所选距离d3与表面1605的方位无关，因此可能期望将表面1605显示为阴影或隐藏以避免分散临床医生的注意力和/或以将临床医生的注意力集中在其他信息上。在某些情况下，三维表面标测图可由结构化光和表面标测逻辑部件生成，其可用于在显示屏1650上选择性地示出组织1603的表面1605，如本文进一步所述。
图29至图31中的视图和/或其部分可以被切换打开或关闭。在各种情况下，外科可视化系统1600可在不向任何结构添加造影剂的情况下操作。选择性光谱成像可以允许特定目标的选择性，其可以与基于关键结构(例如，作为神经、器官、输尿管、静脉、动脉或淋巴结)和例如肿瘤的边界或机械边缘的识别的特定距离和接近度警告配对。
当围绕外科部位操纵外科装置时，临床医生可能想要知道外科装置的方位和/或“看到”外科装置相对于一个或多其他结构(例如，表面组织、隐藏关键结构、其他外科装置等)的方位。然而，外科装置或其部分在外科手术期间可被遮挡而不可见。例如，可将组织或另一个解剖结构定位在临床医生的观察点(例如，相机)与外科装置或外科装置的一部分(诸如关节运动接头和/或钳口)之间，这可阻挡临床医生的视野。在此类情况下，临床医生可能无法使外科装置或其一部分可视化，并且可能有移动外科装置太靠近关键结构的风险。例如，临床医生可能无意地操纵外科缝合器、解剖器、能量设备和/或针太靠近关键结构并且有解剖或以其他方式伤害关键结构的风险。
在各种情况下，外科可视化系统可允许临床医生相对于关键结构使遮挡/部分遮挡的外科装置可视化。例如，外科可视化系统可被配置成能够识别外科装置。在各种情况下，可利用光谱成像(诸如高光谱、多光谱或选择性光谱成像)来识别外科装置。其他检测模态包括：
例如，超声、配准磁共振成像(MRI)和计算机断层摄影(CT)扫描。外科可视化系统还可包括成像系统，该成像系统包括显示器，该显示器被可操作地配置成能够相对于解剖结构和/或其他外科装置描绘所识别的外科装置。
在此类情况下，即使当外科装置和/或关键结构被遮挡(或部分遮挡)而不可见时，临床医生也可跟踪外科装置相对于关键结构的方位。相对于关键结构的隐藏外科装置的可视化可以允许临床医生在关键结构的期望接近度内小心且快速地操纵外科装置。例如，临床医生可确保解剖器与关键结构(例如，与动脉)保持足够的距离。在另一个示例中，临床医生可确保活检针到达关键结构内(例如，肿瘤内)的一个或多个合适的方位。
现在参见图32和图33，示出了外科可视化系统1800。外科可视化系统1800可以在许多方面类似于外科可视化系统100(图1)。例如，外科可视化系统1800可被配置成能够识别嵌入组织中或以其他方式隐藏不可见的一个或多个关键结构，并且确定相对于可见组织和/或关键结构的一个或多个距离。外科可视化系统1800包括高光谱相机1820，该高光谱相机包括图像传感器，如本文进一步所述。例如，高光谱相机1820包括发射器1806和接收器1808。发射器1806被配置成能够发射多个组织穿透波长。在各种情况下，发射器1806可被配置成能够发射多个高光谱波形、多光谱波形或选择性光谱波形，这些波形被配置成能够穿透组织并且到达一个或多个关键结构，诸如外科装置或另一个解剖结构。例如，发射器1806被配置成能够发射穿透组织1803a和1803b的波形。
本文进一步描述了隐藏解剖结构(诸如神经、血管或输尿管)的识别。此外，除了识别隐藏解剖结构之外，光谱成像可被配置成能够检测金属，诸如端部执行器的金属部分、金属轴、钉和/或金属带或板。在此类情况下，外科可视化系统可进一步检测隐藏外科装置。例如，高光谱相机1820上的接收器1808被配置成能够识别关键结构包括外科装置，诸如穿过第一套管针1810a定位的第一装置1802a和穿过第二套管针1810b定位的第二装置1802b。第一装置1802a是包括端部执行器1812a的机器人抓紧器工具，该端部执行器被组织1803a完全隐藏而不被临床医生看到，在该示例中，该组织是结肠的端部执行器1812a定位在其下方的一部分。第二装置1802b是包括端部执行器1812b的机器人缝合工具，该端部执行器被组织1803a部分地隐藏而不被临床医生看到。例如，端部执行器1812b被定位成夹持组织1803a，并且因此第一钳口定位在组织1803a上方，并且第二钳口定位在组织1803a下方。
在某些情况下，接收器1808可分别识别装置1802a、1802b的轴和/或装置1802a、1802b的端部执行器1812a、1812b。在一个方面，临床医生可选择或标记在外科手术期间要跟踪的轴或端部执行器1812a、1812b或装置1802a、1802b的另一部分。例如，临床医生可以选择跟踪装置1802a、1802b中的一者的轴，以获得工具的侧面相对于其他相邻解剖结构的位置信息。另外或另选地，接收器1808可识别一个或多个解剖结构，诸如嵌入组织1803b中的动脉1801。结构的标记在同时提交的标题为“SURGICAL VISUALIZATION ANDMONITORING”的美国专利申请16/128,193中进一步描述，该专利申请全文据此以引用方式并入本文。
接收器1808被配置成能够在术中跟踪关键结构(例如，端部执行器1812a、1812b和动脉1801)的方位。在各种情况下，外科可视化系统1800被配置用于在微创外科手术(诸如图32所描绘的微创结肠直肠手术)期间使用。外科可视化系统1800还包括成像系统，该成像系统包括相机1820和显示器1850(图33)。关键结构的方位可经由成像系统的显示器1850传达给临床医生。
现在参见图33，显示器1850是监视器，该监视器被配置成能够实时显示外科部位的视频馈送。例如，可在术中将来自相机1820的图像传送到显示器1850，以向临床医生提供外科部位的实时视图。此外，外科部位的视图可利用包括隐藏关键结构和/或距离的附加信息来增强。显示器1850示出了嵌入动脉1801和外科装置1802a、1802b，其包括增强到外科部位的视图中的其隐藏部分。
在各种情况下，显示器1850还可描绘外科部位处的某些解剖结构的三维渲染。例如，组织1803a(结肠的部分)可在显示器1850上描绘。结肠的渲染可经由结构化光和表面标测逻辑部件来获得，如本文进一步所述。例如，高光谱相机1820还可包括例如可将结构化光图案发射到组织1803a和/或组织1803b上的结构化光源。此外，高光谱相机1820还可包括被配置成能够检测结构化光图案的接收器。参见图33中的视图，结肠被示出为阴影/背景图像，其从结构化光和表面标测逻辑部件获得，并且用光谱成像系统(例如，高光谱相机1820和光谱成像识别逻辑部件)识别的关键结构(例如，端部执行器1812a、1812b和动脉1801)叠加显示器1850上的结肠。
显示器1850还包括接近度光谱指示标识1856，该接近度光谱指示标识传送外科装置1802a、1802b中的一者或两者与动脉1801的接近度。在某些情况下，接近度光谱指示标识1856可显示最近的外科装置1802a、1802b的接近度。在其他情况下，最近的外科装置1802a、1802b的接近度可为默认模式；然而，临床医生可选择性地选取另一个外科装置和/或解剖结构。在其他情况下，接近度光谱指示标识1856可在不同外科装置1802a、1802b之间交替和/或切换，或者可包括用于不同外科装置1802a、1802b的不同光谱指示标识1856。
接近度光谱指示标识1856可利用颜色(例如，红色、黄色、绿色)、尺寸和/或其他符号来传送外科装置1802a、1802b与动脉1801的接近度。例如，可围绕动脉1801限定接近度区域，该接近度区域可被分配颜色或一系列颜色。当距离在术中改变时，记号1854可沿着接近度光谱指示标识1856移动以实时传达接近度区域。仍然参见图33，例如，随着最近的外科装置和动脉1801的接近度减小，记号1854可从绿色区域移动到黄色区域、移动到红色区域。
在各种情况下，外科可视化系统1800被配置成能够在外科装置1802a、1802b中的一者接近关键结构(诸如动脉1801)周围的预定义方位范围/最小距离限制/接近度区域时向临床医生提供警示、警告或其他指示。警示可基于外科装置1802a、1802b的类型和关键结构的类型在不同临界距离提供。在一种情况下，当记号1854移动到红色区域中时，外科可视化系统1800可提供警告。
外科可视化系统1800被配置成能够确定分别距端部执行器1812a和1812b的一个或多个距离da和db。例如，外科可视化系统1800可利用飞行时间距离测量结果来确定距相机1820的各种距离(例如，利用到外科装置1802a、1802b和动脉1801的目标组织穿透波长，如本文进一步所述)。三角测量算法然后可确定结构之间的相对距离，诸如距离da和db。
在活检期间可利用外科可视化系统。超声辅助的活检规程在图38中示出，其中超声装置1920被配置成能够发射指向外科部位的超声波1924。在该示例中，超声波1924被导向甲状腺1903，以便识别甲状腺1903内的结节1901或肿瘤的方位，使得临床医生可朝向结节1901引导活检针1902。在各种情况下，可期望在结节1901内采集多个样本并从结节1901内的不同位置活检组织。超声辅助活检在文章“THYROID FINE NEEDLE ASPIRATION(FNA)BIOPSY”中进一步描述，该文章见于www.fairview.org/patient-education/90246。
在一个方面，包括光谱成像技术的外科可视化系统可在活检规程期间利用。现在参见图34至图37，示出了外科可视化系统2000。外科可视化系统2000可以在许多方面类似于外科可视化系统100(图1)。例如，外科可视化系统2000可被配置成能够识别嵌入组织中或以其他方式隐藏不可见的一个或多个关键结构，并且确定相对于可见组织和/或关键结构的一个或多个距离。
外科可视化系统2000包括高光谱相机2020，该高光谱相机包括图像传感器，如本文进一步所述。例如，相机2020包括发射器2006和接收器2008。发射器2006被配置成能够发射多个组织穿透波。在各种情况下，发射器2006可被配置成能够发射多个高光谱波形、多光谱波形或选择性光谱波形，这些波形被配置成能够穿透组织并且到达一个或多个关键结构，诸如针2002和肿瘤2001。例如，发射器2006被配置成能够发射穿透组织2003诸如甲状腺的表面2005的波形。考虑到针2002(其通常由金属和/或塑料组成)与组织的不同分子组成，光谱成像可以将嵌入针2002与组织2003和肿瘤2001区分开，因为这些材料的光谱特征将是不同的。此外，如本文进一步所述，光谱成像可区分不同类型的组织(即，甲状腺2003和嵌入其中的肿瘤2001)。外科可视化系统2000被配置成能够传达和/或确定抽吸针2002与组织(例如，甲状腺2003的组织)和/或关键结构(例如，肿瘤2001)的接近度。例如，外科可视化系统2000可使用抽吸针2002、组织2003和目标肿瘤2001之间的光谱特征差异来确定抽吸针2002相对于组织2003和目标关键结构(即，肿瘤2001)的深度。因此，可以利用外科可视化系统2000来代替超声装置1920(图38)。
外科可视化系统2000还包括结构化光源和表面标测逻辑部件，如本文进一步所述。在一个方面，相机2020包括结构化光源。例如，发射器2006可被配置成能够在光谱成像波形和结构化光图案之间选择性地脉动。在某些方面，相机2020还被配置成能够检测组织2003的表面2005上的结构化光的图案。表面标测逻辑部件被配置成能够生成组织表面2005的三维模型或渲染，该三维模型或渲染可提供给成像系统并且与来自光谱成像系统的数据叠加，如本文进一步所述。
在图34中，针2002的尖端2012位于距解剖目标即组织2003的表面2005距离d1处，并且距嵌入肿瘤2001的表面距离d2处。在图36中，针2002的尖端2012被推进到肿瘤2001中至距肿瘤2001的表面距离d2。针2002相对于组织2003和肿瘤2001的方位被传送到成像系统。例如，外科可视化系统2000可包括成像系统，该成像系统包括相机2020和显示器2050(图35和图37)。相机2020包括图像传感器，如本文进一步所述。所识别的结构(例如，肿瘤2001和针2002)的方位可经由显示器2050传达给临床医生。
显示器2050是被配置成能够实时显示外科部位的视频馈送的监视器。例如，可在术中将来自相机2020的图像传送到显示器2050，以向临床医生提供外科部位的实时视图。外科部位的视图可利用包括隐藏关键结构和/或距离的附加信息来增强。例如，显示器2050示出嵌入肿瘤2001和针2002，包括针2002的被组织隐藏而不被临床医生看到的部分。
在各种情况下，显示器2050还描绘外科部位处的某些解剖结构的三维渲染。例如，组织2003在显示器2050上示出。解剖目标组织2003的渲染可经由结构化光和表面标测逻辑部件获得，如本文进一步所述。例如，高光谱相机2020还可包括例如可将结构化光图案发射到组织2003上的结构化光源。此外，高光谱相机2020可包括被配置成能够检测结构化光图案的接收器。参见图35和图37中的视图，组织2003和嵌入关键结构(例如，针2002和肿瘤2001)在显示器2050上的视图中重叠。
显示器2050还包括接近度光谱指示标识2056a、2056b，该接近度光谱指示标识传送针2002到组织2003的表面2005的接近度(距离d1)和到嵌入肿瘤2001的表面的接近度(距离d2)。例如，接近度光谱指示标识2056a、2056b可以正值和负值限定距表面的距离。在图34中，针2002在组织2003内侧并且在肿瘤2001外侧，因此，在图35中，接近度光谱指示标识2056a指示距离d1是负值，并且接近度光谱指示标识2056b指示距离d2是正值。在图36中，针2002在组织2003内侧并且在肿瘤2001内侧，因此，在图37中，接近度光谱指示标识2056a指示距离d1是负值，并且接近度光谱指示标识2056b指示距离d2也是负值。
在各个方面，接近度光谱指示标识2056a、2056b可包括颜色、数值或范围和/或其他符号以检测接近度。在某些情况下，单个接近度光谱指示标识可以在不同距离d1和d2之间交替和/或切换，并且/或者临床医生可以选择要显示的一个或多个距离。
在各种情况下，外科可视化系统2000被配置成能够在针2002接近肿瘤2001周围的预定义方位范围、最小距离限制和/或接近度区域和/或组织2003内的深度时向临床医生提供警示、警告或其他指示。
外科可视化系统2000被配置成能够利用飞行时间传感器系统(例如，利用到表面2005、针2002和肿瘤2001的目标波长，如本文进一步所述)确定一个或多个距离。此外，三角测量算法可确定结构之间的相对距离，诸如距离d1和d2。
在某些情况下，图34至图37所示的活检规程可以用基于接触的超声引导来增强，例如，如图38所示。
本文所公开的各种外科可视化系统被配置成能够识别嵌入组织中或以其他方式隐藏不可见的一个或多个关键结构，并且确定相对于可见组织和/或关键结构的一个或多个距离。在某些情况下，关键结构可为外科装置，诸如抓紧器、解剖器、缝合器、钉、钉排/线、圆形缝合器、圆形缝合器砧座、胃探条或疝大头钉/夹具。在外科手术期间，可能期望跟踪这些关键结构的方位。例如，外科手术中的后续步骤可取决于在较早步骤期间植入和/或移动的关键结构的方位。
作为一个示例，在结肠的低位前切除(LAR)期间，临床医生可能想要在实现端部的吻合之前沿着结肠的端部识别和跟踪钉线。参见图39至图41中的示例性LAR手术，结肠2270可以被横切成两个部分，第一结肠部分2272和第二结肠部分2274，以移除中间部分，诸如癌性肿瘤。钉排可在切除之前密封第一结肠部分2272和/或第二结肠部分2274的终止端部。
可以利用圆形缝合器2202切除第一结肠部分2272和第二结肠部分2274。如图39所示，圆形缝合器2202定位在第一结肠部分2272中，并且砧座2204定位在第二结肠部分2274中。例如，圆形缝合器2202可经肛门插入，并且砧座2204可穿过切口定位。砧座2204和圆形缝合器2202对准，并且砧座2204可固定到圆形缝合器2202，如图40所示。例如，圆形缝合器2202的套管针2206(图39)可定位在砧座2204的轴2208(图39)内。然后，参见图41，圆形缝合器2202抵靠砧座2204击发刀和钉，以在第一结肠部分2272与第二结肠部分2274之间形成密封路径。LAR手术在“OPEN TECHNIQUE FOR LOW ANTERIOR RESECTION”中进一步描述，该文章见于abdominalkey.com/open-technique-for-low-anterior-resection。
圆形缝合器2202和砧座2204的适当对准对于密封第一结肠部分2272和第二结肠部分2274是重要的。因此，在手术期间可视化圆形缝合器2202和/或砧座2204可能是有帮助的。可视化钉线的方位并确定相对于钉线的一个或多个距离也可以是有帮助的。例如，临床医生可能想要在手术期间跟踪圆形缝合器2202、砧座2204和一条或多条钉线(以及因此结肠2270的切断的端部)的接近度，以有利于装置的对准和/或定位。例如，可以利用如本文所公开的外科可视化系统对圆形缝合器2202、套管针2206和砧座2204的方位以及套管针2206相对于结肠2270的期望出口点的方位进行成像、可视化和跟踪。
现在参见图42至图45，描绘了外科可视化系统2300。外科可视化系统2300可以在许多方面类似于外科可视化系统100(图1)。例如，外科可视化系统2300可被配置成能够识别嵌入组织中或以其他方式隐藏不可见的一个或多个关键结构，并且确定相对于可见组织和/或关键结构的一个或多个距离。外科可视化系统2300包括高光谱相机2320，高光谱相机包括图像传感器，如本文进一步所述。例如，相机2320包括发射器2306和接收器2308。发射器2306被配置成能够发射多个组织穿透波。在各种情况下，发射器2306可被配置成能够发射多个高光谱波形、多光谱波形或选择性光谱波形，这些波形被配置成能够穿透组织并且到达一个或多个关键结构，诸如外科装置或另一个解剖结构。例如，发射器2306被配置成能够发射穿透结肠2303的波形。外科可视化系统2300还包括结构化光源。
本文进一步描述了隐藏解剖结构(诸如神经、血管或输尿管)和外科装置(诸如外科端部执行器、轴或钉)的识别。例如，高光谱相机2320上的接收器2308被配置成能够识别关键结构包括外科装置，诸如第一装置2302a和第二装置2302b。第一装置2302a是机器人抓紧器工具，并且第二装置2302b是机器人缝合工具。在其他情况下，装置2302a、2302b可为手持式外科器械，并且可用于例如腹腔镜式手术中。在某些情况下，接收器2308可识别装置2302a、2302b的轴和/或端部执行器。另外，高光谱相机2320上的接收器2308被配置成能够识别结肠2303中的钉线2380a、2380b。在一个方面，临床医生可选择或标记关键结构(例如，外科装置2302a、2302b和/或钉线2380a、2380b)的一部分以在外科手术期间跟踪。结构的标记在同时提交的标题为“SURGICAL VISUALIZATION AND MONITORING”的美国专利申请16/128,193中进一步描述，该专利申请全文据此以引用方式并入本文。
接收器2308被配置成能够在术中跟踪关键结构(例如，外科装置2302a、2302b和钉线2380a、2380b)的方位。在各种情况下，外科可视化系统2300被构配置成能够在LAR手术期间使用，如图39至图41所示。在此类手术中，相对于也可被遮挡或部分遮挡的钉线2380a、2380b可视化被遮挡或部分遮挡的外科装置2302a、2302b可以是有帮助的。例如，一个或多个关键结构可被脂肪或肠系膜遮挡。外科可视化系统2300还包括成像系统，该成像系统包括相机2320和显示器2350(图43和图45)。外科装置2302a、2302b和钉线2380a、2380b的相对方位可经由成像系统的显示器2350传达给临床医生。
现在参见图43，显示器2350是监视器，该监视器被配置成能够实时显示外科部位的视频馈送。例如，可在术中将来自相机2320的图像传送到显示器2350，以向临床医生提供外科部位的实时视图。此外，外科部位的视图可利用包括隐藏关键结构和/或距离的附加信息来增强。显示器2350示出被遮挡的钉线2380a、2380b和外科装置2302a、2302b，该外科装置包括增强到外科部位的视图中的其隐藏部分。
在各种情况下，显示器2350还描绘外科部位处的某些解剖结构的三维渲染。例如，可以在显示器2350上描绘结肠2303。结肠2303及其移动的渲染可经由结构化光和表面标测逻辑部件来获得，如本文进一步所述。例如，高光谱相机2320还可包括例如可将结构化光图案发射到结肠2303上的结构化光源。此外，高光谱相机2320还可包括被配置成能够检测结构化光图案的接收器。在其他情况下，单独的装置可发射和/或检测结构化光图案。参见图43和图45中的视图，结肠2303被示出为阴影/背景图像，其从结构化光和表面标测逻辑部件获得，并且用光谱成像识别的关键结构(例如，外科装置2302a、2302b和钉线2380a、2380b)叠加显示器2350上结肠2303的三维渲染。
显示器2350还包括接近度光谱指示标识2356，该接近度光谱指示标识传送外科装置2302a、2302b中的一者或两者与钉线2380a、2380b中的一者或两者的接近度。在各种情况下，临床医生可选择性地选取钉线2380a、2380b和外科装置2302a、2302b以在接近度光谱指示标识2356上进行跟踪和监测和/或在显示器2350上显示。在其他情况下，接近度光谱指示标识2356可在不同外科装置2302a、2302b和/或钉线2380a、2380b之间交替和/或切换，或者可包括用于不同外科装置2302a、2302b和钉线2380a、2380b的不同光谱指示标识2356。在某些情况下，标记的钉线2380a、2380b可例如被相机2320跟踪并且在显示器2350上保持可见。
接近度光谱指示标识2356可利用颜色(例如，红色、黄色、绿色)、尺寸和/或其他符号来传送外科装置2302a、2302b与钉线2380a、2380b的接近度。例如，可围绕钉线2380a、2380b限定接近度区域，该接近度区域可被分配颜色或一系列颜色。当距离在术中改变时，记号2354可沿着接近度光谱指示标识2356移动以实时传达接近度区域。仍然参见图43和图45，例如，随着接近度减小，记号2354可从绿色区域移动到黄色区域、移动到红色区域。
在各种情况下，外科可视化系统2300被配置成能够在外科装置2302a、2302b中的一者接近钉线2380a、2380b周围的预定义方位范围、最小距离限制和/或接近度区域时向临床医生提供警示、警告或其他指示。警示可基于外科装置2302a、2302b的类型在不同临界距离提供。在一种情况下，当记号2354移动到红色区域中时，外科可视化系统2300可提供警告。
外科可视化系统2300被配置成能够确定分别距外科装置2302a和2302b的一个或多个距离。例如，外科可视化系统2300可以利用飞行时间距离测量结果来确定距相机2320的各种距离(例如，利用到外科装置2302a、2302b和钉线2380a、2380b的目标波长，如本文进一步所述)。例如，三角测量算法然后可确定结构之间的相对距离。
在某些情况下，机器人系统可被配置成能够自主地跟踪标记的钉线2380a、2380b，就好像抓紧该钉线并且定位结肠以用于后续外科步骤(诸如吻合)。例如，机器人系统可自动移动到远离钉线2380a、2380b和/或在钉线2380a、2380b上方的预设距离的方位。在自动移动到钉线2380a、2380b附近时，机器人控制台处的临床医生还可经由命令站/控制台处的控件来定位外科工具。
例如，结肠2303的吻合在图44和图45中示出。图44中示出了包括用于结肠2303的吻合的圆形缝合器2302c和砧座2302d的外科装置2302。例如，机器人系统可控制外科装置2302a以抓取钉线2380a并牵拉钉线2380a，其中外科装置2302的砧座2302d朝向圆形缝合器2302c。在此类情况下，高光谱相机2320被配置成能够检测隐藏在结肠2303的下部部分内的圆形缝合器2302c和隐藏在结肠2303的上部部分内的砧座2302d。在某些情况下，砧座2302d和圆形缝合器2302c的可视化可有利于砧座2302d与圆形缝合器2302c的套管针2312对准。
现在参见图45，示出了外科可视化系统2300的显示器2350。显示器2350示出了叠加在结肠2303的可见组织的表面标测图上的被遮挡的钉线2380a、2380b、外科装置2302a、圆形缝合器2302c、砧座2302d和另一个抓紧器装置2302e(包括其隐藏部分)。利用从砧座2302d到第一钉线2380a的距离d1和从砧座2302d到圆形缝合器2302c的套管针2312的距离d2进一步增强显示器2350。
当从腹腔镜观察时，可以采用外科可视化系统2300观察结肠2303内的外科装置2302(即，圆形缝合器2302c和砧座2302d)。在各种情况下，临床医生可切换打开或关闭外科装置2302或其他外科装置的可视性。当外科装置2302被可视化时，临床医生能够看到圆形缝合器2302c、套管针2312和砧座2302d的方位。另外，临床医生可以使套管针2312相对于结肠2303的期望出口点的方位可视化。
现在参见图46，示出了胃2403，其中定位有外科装置，更具体地，定位有探条2402。探条2402是外科装置，其通常由柔性或顺应性主体2412构成。探条2402还可包括一个或多个带2414a、2414b、2414c、2414d、2414e、2414f、2414g，这些带可由刚性塑料或金属构成。在袖状胃切除术期间，探条2402可沿着胃2403的小弯(lesser curvature)定位在胃2403中，并且可移除胃的相邻部分，通常为胃底2405。例如，钉线2416可解剖胃2403并从胃2403的剩余部分移除胃底2405。
现在参见图47，示出了袖状胃切除术的缝合步骤。在缝合步骤中，线性缝合器2502a和抓紧器2502b影响胃的组织2503。缝合器2502a和抓紧器2502b可例如为机器人外科手术期间的机器人工具。关键结构2501(诸如幽门)至少部分地被组织2503隐藏。此外，探条2512定位在胃的组织2503中。在各种情况下，外科医生可能想要知道线性缝合器2502a、抓紧器2502b和/或探条2512相对于关键结构2501的方位。例如，可能重要的是，将探条2512与关键结构2501隔开最小距离α，诸如与幽门隔开至少5cm。在此类情况下，关键结构2501构成用于定位探条2512的解剖标志。在各种情况下，可检测的关键结构(诸如关键结构2501和/或探条2512)可充当用于定位其他外科装置的解剖标志。还可以监测和/或可视化其他距离，以确保探条2512相对于各种解剖结构的适当定位。例如，可能重要的是，将线性缝合器2502a定位成与探条2512相距适当的距离，以用于适当地设定胃套的尺寸，同时防止钉上的过度应变。胃套手术在以下文章中进一步描述：“Sleeve Gastrectomy SurgicalAssistive Instrument for Accurate Remnant Stomach Volume”，ASME，J.Med.Devices，2010；第4卷，第2期，该文章全文以引用方式并入本文，其见于medicaldevices.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx？articleid＝1474028。胃套手术在aischannel.com/society/main-steps-to-perform-a-sleeve-gastrectomy/中进一步描述。
现在参见图48和图49，描绘了外科可视化系统2600。外科可视化系统2600可以在许多方面类似于外科可视化系统100(图1)。例如，外科可视化系统2600可被配置成能够识别嵌入组织中或以其他方式隐藏不可见的一个或多个关键结构，并且确定相对于可见组织和/或关键结构的一个或多个距离。具体地讲，外科可视化系统2600被配置成能够允许在胃套手术期间使位于胃2603内的隐藏探条2612可视化。探条2612包括柔性可充气主体或套管2614和带2616。在其他情况下，探条2612可具有多于或少于图48所示的五个带2616。带2616由与主体2614不同的材料构成。如本文进一步所述，即使当探条2612隐藏在胃2603内时，光谱成像也可以被配置成能够识别不同的材料并且因此识别探条2612的方位。例如，探条2612由关键区段处的光学不同材料构成，这可以用光谱成像来检测。
外科可视化系统2600包括高光谱相机2620，高光谱相机包括图像传感器，如本文进一步所述。例如，相机2620可包括发射器2606和接收器2608。可在腹腔镜式手术期间利用相机2620以对外科部位进行成像。发射器2606被配置成能够发射多个组织穿透波。在各种情况下，发射器2606可被配置成能够发射多个高光谱波形、多光谱波形或选择性光谱波形，这些波形被配置成能够穿透组织并且到达一个或多个关键结构，诸如外科装置或另一个解剖结构。例如，发射器2606被配置成能够发射穿透胃2603的波形。外科可视化系统2600还可以包括结构化光源和接收器/图像传感器2068，该结构化光源和接收器/图像传感器可以被配置成能够确定胃2603的形貌。
本文进一步描述了隐藏解剖结构(诸如神经、血管或输尿管)和外科装置(诸如外科端部执行器、轴或钉)的识别。例如，高光谱相机2620上的接收器2608被配置成能够识别和跟踪关键结构，包括外科装置诸如探条2612、主体2614和带2616，以及外科工具诸如线性缝合器2602。
外科可视化系统2600还包括成像系统，该成像系统包括相机2620和显示器2650(图49)。线性缝合器2602和探条2612的相对方位可以经由成像系统的显示器2650传达给临床医生。
现在参见图49，显示器2650是监视器，该监视器被配置成能够实时显示外科部位的视频馈送。例如，可在术中将来自相机2620的图像传送到显示器2650，以向临床医生提供外科部位的实时视图。此外，外科部位的视图可利用包括隐藏关键结构和/或距离的附加信息来增强。显示器2650示出了增强到外科部位的视图中的被遮挡的探条2612。在各种情况下，被遮挡的关键结构(诸如探条2612)的可视化可由临床医生切换打开和关闭。例如，探条2612在默认视图中可以被描绘为阴影，并且可以通过特定用户输入从显示器2650选择性地移除。
在各种情况下，显示器2650还描绘外科部位处的某些解剖结构的三维渲染。例如，可以在显示器2650上描绘胃2603。胃2603的渲染可经由结构化光和表面标测逻辑部件来获得，如本文进一步所述。参见图49中的视图，胃2603被示出为阴影/背景图像，其从结构化光和表面标测逻辑部件获得，并且关键结构(例如，探条2612以及线性缝合器2602)叠加背景。换句话讲，隐藏结构的光谱图像与胃2603的三维表示整合。
外科可视化系统2600被配置成能够确定从线性缝合器2602和/或探条2612到关键结构(诸如幽门，即从胃2603进入小肠的开口)的一个或多个距离。外科可视化系统2600可利用飞行时间距离测量结果来确定从相机2620的各种距离(例如，利用到外科装置和/或解剖结构的目标波长，如本文进一步所述)。例如，三角测量算法然后可确定结构之间的相对距离。在各种情况下，当距离满足阈值和/或范围时，可提供警示，如本文进一步所述。
在各种情况下，探条2612的不同材料可有助于线性缝合器2602的定位。例如，在某些胃套手术中，触觉件可向临床医生提供关于线性缝合器2602的放置的反馈。例如，临床医生可以触按胃2603以确定探条2612的方位。然而，在机器人应用中，临床医生可能无法基于触觉件/感触反馈充分评估探条6212的方位。探条2612的可视化可以为触觉件提供替换和/或补充。例如，外科可视化系统2600被配置成能够确定从线性缝合器2602的远侧端部到探条2612的距离，这可以帮助机器人系统定位各种医疗装置。此外，可通过成像系统将距离和/或方位传达给临床医生，如本文进一步所述。
在各个方面，外科可视化系统可被配置成能够识别例如金属紧固件，诸如夹具。例如，外科夹具可在外科手术期间嵌入组织中(例如，放置在静脉或动脉上以闭塞组织)。抵靠外科夹具击发钉可影响所产生的击发运动。例如，端部执行器的钳口之间的外科夹具可防止端部执行器均匀地夹紧组织和/或可堵塞闭合梁、击发构件和/或切割元件。另外，如果钉抵靠外科夹具被击发，则钉可能被误击发和/或变形。在此类情况下，钉线可导致不完美的密封。本文所公开的各种外科可视化系统可识别外科夹具，并且在各种情况下，当外科夹具被定位成太靠近外科装置时(例如，在横切位置内或附近)通知临床医生。
现在参见图50和图51，示出了外科可视化系统2700。外科可视化系统2700可以在许多方面类似于外科可视化系统100(图1)。例如，外科可视化系统2700可被配置成能够识别嵌入组织中或以其他方式隐藏不可见的一个或多个关键结构，并且确定相对于可见组织和/或关键结构的一个或多个距离。具体地讲，外科可视化系统2700被配置成允许在外科手术期间组织2703内的隐藏夹具2712的可视化。如本文进一步所述，光谱成像可以被配置成能够识别夹具2712的材料，并且因此识别夹具2712的方位，即使当夹具2712被隐藏而不可见时。
外科可视化系统2700包括高光谱相机2720，高光谱相机包括图像传感器，如本文进一步所述。例如，相机2720包括发射器2706和接收器2708。可在腹腔镜式手术期间利用相机2720以对外科部位进行成像。发射器2706被配置成能够发射多个组织穿透波。在各种情况下，发射器2706可被配置成能够发射多个高光谱波形、多光谱波形或选择性光谱波形，这些波形被配置成能够穿透组织并且到达一个或多个关键结构，诸如外科装置或另一个解剖结构。例如，发射器2706被配置成能够发射穿透组织2703的波形。外科可视化系统2700还包括可被配置成能够确定组织2703的表面形貌的结构化光源。
本文进一步描述了隐藏解剖结构(诸如神经、血管或输尿管)和外科装置(诸如外科端部执行器、轴或钉)的识别。例如，高光谱相机2720上的接收器2708被配置成能够识别和跟踪关键结构，包括解剖结构(诸如血管2701)、外科装置(诸如夹具2712)以及外科工具(诸如线性缝合器2702a和抓紧器2702b)。
外科可视化系统2700还包括成像系统，该成像系统包括相机2720和显示器2750(图51)。外科装置2702a、2702b、夹具2712和血管2701的相对方位可经由成像系统的显示器2750传达给临床医生。
现在参见图51，显示器2750是监视器，该监视器被配置成能够实时显示外科部位的视频馈送。例如，可在术中将来自相机2720的图像传送到显示器2750，以向临床医生提供外科部位的实时视图。此外，外科部位的视图可利用包括隐藏关键结构和/或距离的附加信息来增强。显示器2750示出了增强到外科部位的视图中的被遮挡的夹具2712。在各种情况下，被遮挡的关键结构(诸如夹具2712)的可视化可由临床医生切换打开和关闭。例如，夹具2712在默认视图中可以被描绘为阴影，并且可以通过特定用户输入从显示器2750上的视图选择性地移除。
在各种情况下，显示器2750还描绘外科部位处的某些解剖结构的三维渲染。例如，可以在显示器2750上描绘组织2703。组织2703的渲染可经由结构化光和表面标测逻辑部件来获得，如本文进一步所述。参见图51中的显示器2750上的视图，组织2703被示出为阴影/背景图像，其从结构化光和表面标测逻辑部件获得，并且利用光谱成像识别的关键结构(例如，夹具2712、血管2701和外科装置2702a、2702b)叠加背景。换句话讲，隐藏结构的光谱图像与组织2703的三维表示整合。
外科可视化系统2600被配置成能够确定与关键结构的一个或多个距离。例如，可跟踪外科装置2702a、2702b相对于夹具2712的接近度。外科可视化系统2700可利用飞行时间距离测量结果来确定从相机2720的各种距离(例如，利用到外科装置和/或解剖结构的目标波长，如本文进一步所述)。例如，三角测量算法然后可确定结构之间的相对距离。
如图50所示，夹具2712被定位在线性缝合器2702a的相对钳口之间。在这种情况下，夹具2712可位于线性缝合器2702a的接近度区域内，该接近度区域可由线性缝合器2702a与夹具2712之间的最小距离限定。在各种情况下，接近度区域可取决于外科装置和/或外科手术的步骤。由于夹具2712在线性缝合器2702a的接近度区域内，显示器2750被配置成能够向临床医生提供警示或警告。例如，警示可以作为屏幕上的感叹号或其他符号和/或利用闪光、灯和/或声音来传送。在某些情况下，警示可例如沿着接近度光谱指示标识2756传送。
类似地，外科可视化系统2700可被配置成能够检测另外的紧固件，诸如另一个夹具、大头钉或钉，并且相对于外科装置或其部分(诸如外科装置的端部执行器或轴)跟踪紧固件。现在参见图52，示出了腹腔镜式疝修复手术。在此类手术期间，外科大头钉2812可用于将外科网片2814固定到组织2803，诸如腹壁。例如，外科网片2814可固定到腹壁以防止肠突出到腹壁中。
在各种情况下，外科可视化系统可被配置成能够识别外科大头钉2812以确保大头钉2812不损坏关键结构和/或不相对于关键结构定位在临界接近度区域内。再次参见图52，外科可视化系统可被配置成能够识别外科大头钉2812、网片2814、外科装置以及一个或多个解剖结构，诸如肠上的疝2801。如本文所述，外科可视化系统可利用光谱成像来识别与结构化光结合的一个或多个结构，以生成组织(诸如腹腔内的肠)的三维表示。在某些情况下，系统可经由大头钉2812、组织2803、疝2801和网片2814的高光谱特征差异来提供大头钉2812的深度确认。在某些情况下，外科可视化系统可提供例如隐藏网片2814的可视性，以用于经由大头钉2812与组织2803接合。本文所公开的各种外科可视化系统可识别疝大头钉，并且在各种情况下，当外科大头钉定位成太靠近外科装置和/或关键结构时通知临床医生。
示例性临床应用
本文所公开的各种外科可视化系统可用于以下临床应用中的一种或多种临床应用中。以下临床应用是用于本文所公开的各种外科可视化系统中的一个或多个外科可视化系统的非穷举性和仅例示性应用。
如本文所公开的外科可视化系统可用于多种不同类型的手术中，以用于例如不同的医学专业，诸如泌尿科、妇科、肿瘤科、结肠直肠科、胸科、肥胖科/胃科和肝胰胆管科(HPB)。例如，在泌尿手术(诸如前列腺切除术)中，例如可在脂肪中检测输尿管，或者可在脂肪中检测结缔组织和/或神经。例如，在妇科肿瘤手术(诸如例如子宫切除术)中，以及在结肠直肠手术(诸如例如低位前切除(LAR)手术)中，可在脂肪和/或结缔组织中检测到输尿管。例如，在胸部手术(诸如叶切除术)中，可在肺或结缔组织中检测到血管，并且/或者可在结缔组织中检测到神经(例如，食管造口术)。在肥胖手术中，可在脂肪中检测到血管。例如，在HPB手术(诸如肝切除术或胰切除术)中，可在脂肪(肝外)、结缔组织(肝外)中检测到血管，并且可在薄壁(肝脏或胰腺)组织中检测到胆管。
在一个示例中，临床医生可能想要摘除子宫内膜肌瘤。根据术前磁共振成像(MRI)扫描，临床医生可知道子宫内膜肌瘤位于肠的表面上。因此，临床医生可能想要在术中知道哪些组织构成肠的一部分以及哪些组织构成直肠的一部分。在此类情况下，如本文所公开的外科可视化系统可指示不同类型的组织(肠与直肠)，并且经由成像系统将该信息传达给临床医生。此外，成像系统可确定外科装置与所选组织的接近度并传送该接近度。在此类情况下，外科可视化系统可提供增加的手术效率而没有严重的并发症。
在另一个示例中，临床医生(例如，妇科医生)可保持远离某些解剖区域以避免太靠近关键结构，并且因此临床医生可能无法摘除例如所有子宫内膜异位。如本文所公开的外科可视化系统可使得妇科医生能够降低太靠近关键结构的风险，使得妇科医生可用外科装置足够靠近以摘除所有子宫内膜异位，这可改善患者结果(使外科手术大众化)。此类系统可使得外科医生能够在外科手术期间“保持移动”而不是反复停止和重新开始，以便识别要避开的区域，例如特别是在施加治疗能量诸如超声或电外科能量期间。在妇科应用中，子宫动脉和输尿管是重要的关键结构，并且考虑到所涉及组织的呈现和/或厚度，系统对于子宫切除术和子宫内膜异位手术可能特别有用。
在另一个示例中，临床医生可能有在太近的位置处解剖血管的风险，并且因此这可能影响到除了目标叶之外的叶的血液供应。此外，患者与患者之间的解剖学差异可能导致解剖基于特定患者影响不同叶的血管(例如分支)。如本文所公开的外科可视化系统可使得能够识别期望位置处的正确血管，这使得临床医生能够以适当的解剖确定性进行解剖。例如，系统可确认正确的血管在正确的位置，并且然后临床医生可安全地将血管分开。
在另一个示例中，由于血管的解剖结构的不确定性，临床医生可能会在最佳位置处进行解剖之前进行多次解剖。然而，希望在第一种情况下在最佳位置进行解剖，因为更多解剖可增加出血的风险。如本文所公开的外科可视化系统可通过指示正确的血管和用于解剖的最佳位置来最小化解剖数量。例如，输尿管和主韧带很密集，并且在解剖期间会带来独特的挑战。在此类情况下，可能特别希望最小化解剖数量。
在另一个示例中，临床医生(例如，摘除癌性组织的外科肿瘤医生)可能希望知道关键结构的识别、癌症的定位、癌症的分期和/或组织健康的评估。此类信息超出临床医生用“肉眼”所见的内容。如本文所公开的外科可视化系统可在术中确定此类信息和/或将此类信息传达给临床医生，以加强术中决策并改善外科结果。在某些情况下，外科可视化系统可与例如使用内窥镜或外镜的微创外科手术(MIS)、开放式外科手术和/或机器人方法兼容。
在另一个示例中，临床医生(例如，外科肿瘤医生)可能想要关闭关于外科工具与一个或多个关键结构的接近度的一个或多个警示，以避免在外科手术期间过于保守。在其他情况下，临床医生可能想要接收某些类型的警示诸如触觉反馈(例如，振动/蜂鸣)以指示接近度和/或“禁飞区”，从而保持充分远离一个或多个关键结构。例如，如本文所公开的外科可视化系统可基于临床医生的经验和/或手术的期望进取性来提供灵活性。在此类情况下，系统提供“知道太多”和“知道足够多”之间的平衡以预期和避开关键结构。外科可视化系统可有助于在外科手术期间规划接下来的步骤。
实施例
本文所述主题的各个方面在以下编号的实施例中陈述。
实施例1-一种外科可视化系统，包括：显示屏；外科装置，所述外科装置被配置成能够将结构化光图案发射到表面上；图像传感器，所述图像传感器被配置成能够识别嵌入在所述表面下方的结构；以及控制电路，所述控制电路与所述图像传感器信号通信。所述控制电路被配置成能够：接收指示所述表面上的所述结构化光图案的成像数据；基于所述成像数据生成所述表面的三维数字表示，从所述图像传感器获得所述结构和所述外科装置的图像；在所述显示屏上将所述结构和所述外科装置的所述图像与所述表面的所述三维数字表示叠加；并且根据所述图像确定从所述外科装置到所述结构的距离。
实施例2-根据实施例1所述的外科可视化系统，还包括发射器，所述发射器被配置成能够发射能够穿透所述表面并到达所述结构的多个波长的光谱光，其中所述图像传感器被配置成能够检测反射的光谱光，并且其中所述控制电路被进一步配置成能够基于所述反射的光谱光来识别所述结构在所述表面下方的方位。
实施例3-根据实施例1或2所述的外科可视化系统，还包括具有所述图像传感器的三维相机，并且其中所述图像包括三维图像。
实施例4-根据实施例1、2或3所述的外科可视化系统，其中，所述显示屏包括数字接近度光谱，并且其中所述控制电路被进一步配置成能够在所述数字接近度光谱上显示从所述外科装置到所述结构的所述距离。
实施例5-根据实施例4所述的外科可视化系统，其中，所述数字接近度光谱包括多种颜色。
实施例6-根据实施例4所述的外科可视化系统，其中，所述数字接近度光谱包括一系列数值。
实施例7-根据实施例4所述的外科可视化系统，其中，所述数字接近度光谱包括对应于一系列距离的多个交叉影线图案。
实施例8-根据实施例1、2、3、4、5、6或7所述的外科可视化系统，其中，所述表面的所述三维数字表示和所述结构的方位在所述显示屏上实时地更新。
实施例9-根据实施例1、2、3、4、5、6、7或8所述的外科可视化系统，还包括与所述控制电路信号通信的机器人控制单元，其中所述外科装置由所述机器人控制单元可操作地控制，并且其中所述机器人控制单元被配置成能够在从所述外科装置到所述结构的距离减小到小于最小距离时调节所述外科装置的操作。
实施例10-根据实施例1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的外科可视化系统，还包括所述结构中的造影剂，其中所述造影剂被配置能够照亮所述结构，并且其中所述图像传感器被配置成能够检测从所照亮的结构反射的可见光。
实施例11-根据实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9或10所述的外科可视化系统，还包括第二外科装置。所述控制电路被进一步配置成能够根据所述图像确定从所述第二外科装置到所述结构的第二距离，并且将所述第二距离提供给所述图像系统。
实施例12-根据实施例11所述的外科可视化系统，其中，所述显示屏被进一步配置成能够在第二接近度光谱指示标识上显示所述第二外科装置和所述第二距离。
实施例13-根据实施例11或12所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够在从所述外科装置到所述结构的所述距离减小到小于第一最小距离时显示第一警示，并且在从所述第二外科装置到所述结构的所述第二距离减小到小于第二最小距离时显示第二警示。所述第二最小距离不同于所述第一最小距离。
实施例14-根据实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或13所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被配置成能够根据所述外科装置和所述图像传感器的已知方位来对所述距离进行三角测量。
实施例15-一种外科可视化系统，包括处理器和通信地联接到所述处理器的存储器。所述存储器存储指令，所述指令能够由所述处理器执行以：接收指示表面上的结构化光图案的成像数据；基于所述成像数据生成所述表面的三维数字表示；以及从图像传感器获得嵌入结构和外科装置的图像；在显示屏上将所述嵌入结构和所述外科装置的所述图像与所述表面的所述三维数字表示叠加；并且确定从所述外科装置到一部分所述表面的距离，所述一部分所述表面覆盖所述嵌入结构。
实施例16-根据实施例15所述的外科可视化系统，其中，所述嵌入结构的方位用能够穿透所述表面并到达所述嵌入结构的反射的光谱光来识别。
实施例17-一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计算机可读指令，所述计算机可读指令在被执行时致使机器：接收指示表面上的结构化光图案的成像数据；基于所述成像数据生成所述表面的三维数字表示；从图像传感器获得嵌入结构和外科装置的三维图像；在显示屏上将所述嵌入结构和所述外科装置的所述图像与所述表面的所述三维数字表示叠加；并且根据所述三维图像确定从所述外科装置到所述嵌入结构的距离。
实施例18-根据实施例17所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述计算机可读指令在被执行时进一步致使所述机器向所述显示屏提供指示所述距离的信号，并且在所述距离满足预定义阈值距离时发出警告信号。
实施例19-一种外科可视化系统，包括显示器和具有三维相机的第一机器人工具。所述三维相机包括图像传感器。所述外科可视化系统还包括第二机器人工具，所述第二机器人工具包括光谱光发射器，所述光谱光发射器被配置成能够发射能够穿透表面并到达所述表面下方的结构的多个波长的光谱光。所述图像传感器被配置成能够检测反射的可见光和所述多个波长的反射的光谱光。所述外科可视化系统还包括控制电路，所述控制电路与所述图像传感器和所述显示器信号通信。所述控制电路被配置成能够：从所述图像传感器获得所述结构和所述第二机器人工具的三维图像；根据所述三维图像确定从所述第二机器人工具到所述结构的距离；并且向所述显示器提供指示所述距离的信号。
实施例20-根据实施例19所述的外科可视化系统，其中，所述第二机器人工具还包括结构化光发射器。所述控制电路被进一步配置成能够：接收指示表面上的结构化光图案的成像数据；基于所述成像数据生成所述表面的三维数字表示；并且向所述显示器提供视频信号，其中所述结构的所述三维图像与所述表面的所述三维数字表示整合。
实施例21-一种外科可视化系统，包括：发射器，所述发射器被配置成能够发射多个组织穿透波形；接收器，所述接收器被配置成能够检测所述多个组织穿透波形；成像系统，所述成像系统包括显示器；以及控制电路，所述控制电路与所述接收器信号通信。所述控制电路被配置成能够从所述接收器接收表示外科装置的隐藏部分的图像的数据，并且将所述外科装置的所述隐藏部分的所述图像提供给所述显示器。
实施例22-根据实施例21所述的外科可视化系统，还包括高光谱相机，所述高光谱相机包括所述发射器和所述接收器。
实施例23-根据实施例21或22所述的外科可视化系统，还包括具有结构化光源的组织表面标测系统。所述控制电路被进一步配置成能够：从所述组织表面标测系统接收表示组织表面的三维表示的数据；将所述组织表面的所述三维表示提供给所述显示器；并且在所述显示器上将所述外科装置的所述隐藏部分的所述图像叠加在所述组织表面的所述三维表示上。
实施例24-根据实施例21、22或23所述的外科可视化系统，其中，所述外科装置包括机器人外科工具。
实施例25-根据实施例21、22或23所述的外科可视化系统，其中，所述外科装置包括抽吸针。
实施例26-根据实施例21、22、23、24或25所述的外科可视化系统，其中，所述多个组织穿透波形包括：第一波形，所述第一波形被配置成能够靶向所述外科装置的所述隐藏部分；以及第二波形，所述第二波形被配置成能够靶向解剖结构。
实施例27-根据实施例26所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够识别对应于所述外科装置的所述隐藏部分的第一光谱特征和对应于所述解剖结构的第二光谱特征。
实施例28-根据实施例26或27所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够确定所述外科装置的所述隐藏部分与所述解剖结构之间的距离。
实施例29-根据实施例28所述的外科可视化系统，其中，所述显示器被配置成能够传达所述外科装置的所述隐藏部分与所述解剖结构之间的所述距离。
实施例30-根据实施例28或29所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够在所述外科装置的所述隐藏部分与所述解剖结构之间的所述距离达到阈值最小距离时发出警示。
实施例31-根据实施例21、22、23、24、25、26、27、28、29或30所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路包括处理器和通信地联接到所述处理器的存储器。所述存储器存储指令，所述指令能够由所述处理器执行以：从所述接收器接收表示所述外科装置的所述隐藏部分的所述图像的数据；并且将所述外科装置的所述隐藏部分的所述图像提供给所述显示器。
实施例32-一种外科可视化系统，包括高光谱相机和与所述高光谱相机信号通信的控制电路。所述高光谱相机包括发射器和图像传感器。所述发射器被配置成能够发射多个组织穿透波形。所述图像传感器被配置成能够检测所述多个组织穿透波形。所述控制电路被配置成能够：从由所述图像传感器检测到的所述多个组织穿透波形中接收表示第一关键结构的方位的数据；从由所述图像传感器检测到的所述多个组织穿透波形中接收表示第二关键结构的方位的数据；并且确定所述第一关键结构和所述第二关键结构之间的距离。
实施例33-根据实施例32所述的外科可视化系统，其中，所述第一关键结构包括外科装置和解剖结构中的一者。
实施例34-根据实施例32或33所述的外科可视化系统，其中，所述第二关键结构包括外科装置和解剖结构中的一者。
实施例35-根据实施例32、33或34所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路包括处理器和通信地联接到所述处理器的存储器。所述存储器存储指令，所述指令能够由所述处理器执行以：从由所述图像传感器检测到的所述多个组织穿透波形中识别所述第一关键结构；从由所述图像传感器检测到的所述多个组织穿透波形中识别所述第二关键结构；并且确定所述第一关键结构与所述第二关键结构之间的所述距离。
实施例36-根据实施例32、33、34或35所述的外科可视化系统，还包括视频监视器，其中所述控制电路被进一步配置成能够在所述视频监视器上实时地示意性地描绘所述第一关键结构和所述第二关键结构。
实施例37-根据实施例32、33、34、35或36所述的外科可视化系统，其中，所述发射器被进一步配置成能够发射被配置能够到达表面的结构化光图案。所述图像传感器被进一步配置成能够检测所述结构化光图案。所述控制电路被进一步配置成能够从由所述图像传感器检测到的所述结构化光图案中接收表示所述表面的三维表示的数据。
实施例38-根据实施例37所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够基于所述表面的所述三维表示生成图像，并且将所述第一关键结构和所述第二关键结构的所述示意性描绘叠加在所述图像上。
实施例39-一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计算机可读指令，所述计算机可读指令在被执行时致使机器：从图像传感器接收表示第一隐藏结构的第一图像的数据；向显示器提供所述第一隐藏结构的所述第一图像；从所述图像传感器接收表示第二隐藏结构的第二图像的数据；向所述显示器提供所述第二隐藏结构的所述第二图像；并且确定所述第一隐藏结构和所述第二隐藏结构之间的距离。
实施例40-根据实施例39所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述计算机可读指令在被执行时进一步致使所述机器：从接收器接收数据，所述接收器被配置成能够检测表面上的结构化光图案；根据所述数据生成所述表面的三维渲染；将所述表面的所述三维渲染提供给所述显示器；并且在所述显示器上将所述第一隐藏结构的所述第一图像和所述第二隐藏结构的所述第二图像叠加在所述表面的所述三维渲染上。
实施例41-一种外科可视化系统，所述外科可视化系统包括第一投射仪、第二投射仪和控制电路。所述第一投射仪被配置成能够将结构化光图案发射到解剖结构的表面上。所述第二投射仪被配置成能够发射能够穿透所述解剖结构并到达钉线的多个波长的光谱光。所述控制电路与图像传感器信号通信。所述控制电路被配置成能够：从所述图像传感器接收指示所述解剖结构的所述表面上的所述结构化光图案的结构化光数据；根据所述结构化光数据计算所述解剖结构的三维表示；从所述图像传感器接收指示所述钉线的光谱图像的光谱光数据；根据所述光谱光数据生成所述钉线的所述光谱图像；并且确定相对于所述钉线的距离。
实施例42-根据实施例41所述的外科可视化系统，还包括视频监视器，其中所述控制电路与所述视频监视器信号通信。所述控制电路被进一步配置成能够选择性地向所述视频监视器提供第一视频信号，所述第一视频信号实时地指示所述解剖结构的所述三维表示。所述控制电路被进一步配置成能够选择性地向所述视频监视器提供第二视频信号，所述第二视频信号实时地指示所述钉线的所述方位。
实施例43-根据实施例42所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够选择性地整合所述第一视频信号和所述第二视频信号以生成视频，所述视频描绘叠加在所述解剖结构的所述三维表示上的所述钉线的所述方位。
实施例44-根据实施例42或43所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够选择性地向所述视频监视器提供指示相对于所述钉线的所述距离的第一信号。
实施例45-根据实施例41、42、43或44所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够从所述图像传感器接收指示机器人工具的外科端部执行器的光谱图像的光谱光数据。所述控制电路被进一步配置成能够从所述光谱光数据生成所述外科端部执行器的所述光谱图像。
实施例46-根据实施例45所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够根据所述图像传感器和所述机器人工具的坐标来对所述外科端部执行器和所述钉线之间的所述距离进行三角测量。
实施例47-根据实施例41、42、43或44所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够从所述图像传感器接收指示圆形缝合器的套管针的光谱图像的光谱光数据。所述控制电路被进一步配置成能够根据所述光谱光数据生成所述套管针的所述光谱图像。
实施例48-根据实施例47所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够从所述图像传感器接收指示圆形缝合器砧座的光谱图像的光谱光数据。所述控制电路被进一步配置成能够根据所述光谱光数据生成所述圆形缝合器砧座的所述光谱图像。
实施例49-根据实施例48所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够确定所述套管针和所述圆形缝合器砧座之间的距离。
实施例50-根据实施例49所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够向所述视频监视器提供指示所述圆形缝合器砧座和所述钉线之间的所述距离的第一信号。所述控制电路被进一步配置成能够向所述视频监视器提供指示所述套管针和所述圆形缝合器砧座之间的所述距离的第二信号。
实施例51-根据实施例42或43所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够基于用户选择输入向所述视频监视器提供所述第二视频信号以跟踪所述钉线。
实施例52-根据实施例41、42、43、44、45、46、47、48、49、50或51所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路与机器人控制单元信号通信，所述机器人控制单元被可操作地配置成能够控制支撑外科装置的机器人臂，并且其中所述机器人控制单元被可操作地配置成能够提供控制信号以使所述机器人臂朝向一部分所述解剖结构移动，所述一部分所述解剖结构遮挡所述钉线使其不可见。
实施例53-根据实施例41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51或52所述的外科可视化系统，还包括高光谱相机，所述高光谱相机包括所述第一投射仪、所述第二投射仪和所述图像传感器。
实施例54-一种外科可视化系统，包括处理器和通信地联接到所述处理器的存储器。所述存储器存储指令，所述指令在被所述处理器执行时：从图像传感器接收指示解剖结构的表面上的结构化光图案的结构化光数据；根据所述结构化光数据计算所述解剖结构的三维表示；从所述图像传感器接收指示钉线的光谱图像的光谱光数据；根据所述光谱光数据生成所述钉线的光谱图像；并且确定相对于所述钉线的距离。
实施例55-根据实施例54所述的外科可视化系统，其中，所述存储器存储指令，所述指令在被所述处理器执行时：选择性地向视频监视器提供实时地指示所述解剖结构的所述三维表示的第一视频信号；并且选择性地向所述视频监视器提供实时地指示所述钉线的所述方位的第二视频信号。
实施例56-根据实施例55所述的外科可视化系统，其中，所述存储器存储指令，所述指令在被所述处理器执行时选择性地整合所述第一视频信号和所述第二视频信号以生成视频，所述视频描绘叠加在所述解剖结构的所述三维表示上的所述钉线的所述方位。
实施例57-根据实施例55或56所述的外科可视化系统，其中，所述存储器存储指令，所述指令在被所述处理器执行时选择性地向所述视频监视器提供指示相对于所述钉线的所述距离的第一信号。
实施例58-一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计算机可读指令，所述计算机可读指令在被执行时致使机器：从图像传感器接收指示解剖结构的表面上的结构化光图案的结构化光数据；根据所述结构化光数据计算所述解剖结构的三维表示；从所述图像传感器接收指示钉线的光谱图像的光谱光数据；根据所述光谱光数据生成所述钉线的光谱图像；并且确定相对于所述钉线的距离。
实施例59-根据实施例58所述的存储计算机可读指令的非暂态计算机可读介质，所述计算机可读指令在被执行时，进一步致使所述机器：选择性地向视频监视器提供实时地指示所述解剖结构的所述三维表示的第一视频信号；并且选择性地向所述视频监视器提供实时地指示所述钉线的所述方位的第二视频信号。
实施例60-根据实施例59所述的存储计算机可读指令的非暂态计算机可读介质，所述计算机可读指令在被执行时进一步致使所述机器选择性地整合所述第一视频信号和所述第二视频信号以生成视频，所述视频描绘叠加在所述解剖结构的所述三维表示上的所述钉线的所述方位。
尽管已举例说明和描述了多个形式，但是申请人的意图并非将所附权利要求的范围约束或限制在此类细节中。在不脱离本公开的范围的情况下，可实现对这些形式的许多修改、变型、改变、替换、组合和等同物，并且本领域技术人员将想到这些形式的许多修改、变型、改变、替换、组合和等同物。此外，另选地，可将与所描述的形式相关联的每个元件的结构描述为用于提供由所述元件执行的功能的器件。另外，在公开了用于某些部件的材料的情况下，也可使用其他材料。因此，应当理解，上述具体实施方式和所附权利要求旨在涵盖属于本发明所公开的形式范围内的所有此类修改、组合和变型。所附权利要求旨在涵盖所有此类修改、变型、改变、替换、修改和等同物。
上述具体实施方式已经由使用框图、流程图和/或示例阐述了装置和/或方法的各种形式。只要此类框图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作，本领域的技术人员就要将其理解为此类框图、流程图和/或示例中的每个功能和/或操作都可以单独和/或共同地通过多种硬件、软件、固件或实际上它们的任何组合来实施。本领域的技术人员将会认识到，本文公开的形式中的一些方面可作为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，作为在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序)，作为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，作为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，作为固件，或作为实际上它们的任何组合全部或部分地在集成电路中等效地实现，并且根据本公开，设计电路系统和/或编写软件和/或硬件的代码将在本领域技术人员的技术范围内。另外，本领域的技术人员将会认识到，本文所述主题的机制能够作为多种形式的一个或多个程序产品进行分布，并且本文所述主题的例示性形式适用，而不管用于实际进行分布的信号承载介质的具体类型是什么。
用于编程逻辑以执行各种所公开的方面的指令可存储在系统中的存储器内，诸如动态随机存取存储器(DRAM)、高速缓存、闪存存储器或其他存储器。此外，指令可经由网络或通过其他计算机可读介质来分发。因此，机器可读介质可包括用于存储或传输以机器(例如，计算机)可读形式的信息的任何机构，但不限于软盘、光学盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、和磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、磁卡或光卡、闪存存储器、或经由电信号、光学信号、声学信号或其他形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)在因特网上传输信息时使用的有形的、机器可读存储装置。因此，非暂态计算机可读介质包括适于以机器(例如，计算机)可读的形式存储或传输电子指令或信息的任何类型的有形机器可读介质。
如本文任一方面所用，术语“控制电路”可指例如硬连线电路系统、可编程电路系统(例如，计算机处理器，该计算机处理器包括一个或多个单独指令处理内核、处理单元，处理器、微控制器、微控制器单元、控制器、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑装置(PLD)、可编程逻辑阵列(PLA)、场可编程门阵列(FPGA))、状态机电路系统、存储由可编程电路系统执行的指令的固件、以及它们的任何组合。控制电路可以集体地或单独地实现为形成更大系统的一部分的电路系统，例如集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、片上系统(SoC)、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、服务器、智能电话等。因此，如本文所用，“控制电路”包括但不限于具有至少一个离散电路的电子电路、具有至少一个集成电路的电子电路、具有至少一个专用集成电路的电子电路、形成由计算机程序配置的通用计算设备的电子电路(如，至少部分地实施本文所述的方法和/或设备的由计算机程序配置的通用计算机，或至少部分地实施本文所述的方法和/或设备的由计算机程序配置的微处理器)、形成存储器设备(如，形成随机存取存储器)的电子电路，和/或形成通信设备(如，调节解调器、通信开关或光电设备)的电子电路。本领域的技术人员将会认识到，可以模拟或数字方式或它们的一些组合实施本文所述的主题。
如本文的任何方面所用，术语“逻辑”可指被配置成能够执行前述操作中的任一者的应用程序、软件、固件和/或电路系统。软件可体现为记录在非暂态计算机可读存储介质上的软件包、代码、指令、指令集和/或数据。固件可体现为在存储器装置中硬编码(例如，非易失性)的代码、指令或指令集和/或数据。
如本文任一方面所用，术语“部件”、“系统”、“模块”等可指计算机相关实体、硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件。
如本文任一方面中所用，“算法”是指导致所期望结果的有条理的步骤序列，其中“步骤”是指物理量和/或逻辑状态的操纵，物理量和/或逻辑状态可(但不一定)采用能被存储、转移、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。常用于指这些信号，如位、值、元素、符号、字符、术语、数字等。这些和类似的术语可与适当的物理量相关联并且仅仅是应用于这些量和/或状态的方便的标签。
网络可包括分组交换网络。通信装置可能够使用所选择的分组交换网络通信协议来彼此通信。一个示例性通信协议可包括可能够允许使用传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)进行通信的以太网通信协议。以太网协议可符合或兼容电气和电子工程师学会(IEEE)于2008年12月发布的标题为“IEEE 802.3Standard”的以太网标准和/或本标准的更高版本。另选地或附加地，通信装置可能够使用X.25通信协议彼此通信。X.25通信协议可符合或兼容由国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)发布的标准。另选地或附加地，通信装置可能够使用帧中继通信协议彼此通信。帧中继通信协议可符合或兼容由国际电报电话咨询委员会(CCITT)和/或美国国家标准学会(ANSI)发布的标准。另选地或附加地，收发器可能够使用异步传输模式(ATM)通信协议彼此通信。ATM通信协议可符合或兼容ATM论坛于2001年8月发布的名为“ATM-MPLS Network Interworking 2.0”的ATM标准和/或该标准的更高版本。当然，本文同样设想了不同的和/或之后开发的连接取向的网络通信协议。
除非上述公开中另外明确指明，否则可以理解的是，在上述公开中，使用术语如“处理”、“估算”、“计算”、“确定”、“显示”的讨论是指计算机系统或类似的电子计算装置的动作和进程，其操纵表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据并将其转换成相似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其他此类信息存储、传输或显示装置内的物理量的其他数据。
一个或多个部件在本文中可被称为“被配置成能够”、“可配置成能够”、“可操作/可操作地”、“适于/可适于”、“能够”、“可适形/适形于”等。本领域的技术人员将会认识到，除非上下文另有所指，否则“被配置成能够”通常可涵盖活动状态的部件和/或未活动状态的部件和/或待机状态的部件。
术语“近侧”和“远侧”在本文中是相对于操纵外科器械的柄部部分的临床医生来使用的。术语“近侧”是指最靠近临床医生的部分，术语“远侧”是指远离临床医生定位的部分。还应当理解，为简洁和清楚起见，本文可结合附图使用诸如“竖直”、“水平”、“上”和“下”等空间术语。然而，外科器械在许多取向和方位中使用，并且这些术语并非是限制性的和/或绝对的。
本领域的技术人员将认识到，一般而言，本文、以及特别是所附权利要求(例如，所附权利要求的正文)中所使用的术语通常旨在为“开放”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包含”应解释为“包含但不限于”等)。本领域的技术人员还应当理解，如果所引入权利要求表述的具体数目为预期的，则此类意图将在权利要求中明确表述，并且在不存在此类叙述的情况下，不存在此类意图。例如，为有助于理解，下述所附权利要求可含有对介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求。然而，对此类短语的使用不应视为暗示通过不定冠词“一个”或“一种”引入权利要求表述将含有此类引入权利要求表述的任何特定权利要求限制在含有仅一个这样的表述的权利要求中，甚至当同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”和诸如“一个”或“一种”(例如，“一个”和/或“一种”通常应解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)的不定冠词时；这也适用于对用于引入权利要求表述的定冠词的使用。
另外，即使明确叙述引入权利要求叙述的特定数目，本领域的技术人员应当认识到，此种叙述通常应解释为意指至少所叙述的数目(例如，在没有其他修饰语的情况下，对“两个叙述”的裸叙述通常意指至少两个叙述、或两个或更多个叙述)。此外，在其中使用类似于“A、B和C中的至少一者等”的惯例的那些情况下，一般而言，此类构造意在具有本领域的技术人员将理解所述惯例的意义(例如，“具有A、B和C中的至少一者的系统”将包括但不限于具有仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起和/或A、B和C一起等的系统)。在其中使用类似于“A、B或C中的至少一者等”的惯例的那些情况下，一般而言，此类构造意在具有本领域的技术人员将理解所述惯例的意义(例如，“具有A、B或C中的至少一者的系统”应当包括但不限于具有仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起和/或A、B和C一起等的系统)。本领域的技术人员还应当理解，通常，除非上下文另有指示，否则无论在具体实施方式、权利要求或附图中呈现两个或更多个替代术语的转折性词语和/或短语应理解为涵盖包括所述术语中的一者、所述术语中的任一个或这两个术语的可能性。例如，短语“A或B”通常将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
对于所附的权利要求，本领域的技术人员将会理解，其中表述的操作通常可以任何顺序进行。另外，尽管以一个或多个序列出了各种操作流程图，但应当理解，可以不同于所示顺序的其他顺序执行各种操作，或者可同时执行所述各种操作。除非上下文另有规定，否则此类替代排序的示例可包括重叠、交错、中断、重新排序、增量、预备、补充、同时、反向，或其他改变的排序。此外，除非上下文另有规定，否则像“响应于”、“相关”这样的术语或其他过去式的形容词通常不旨在排除此类变体。
值得一提的是，任何对“一个方面”、“一方面”、“一范例”、“一个范例”的提及均意指结合所述方面所述的具体特征部、结构或特征包括在至少一个方面中。因此，在整个说明书的各种位置出现的短语“在一个方面”、“在一方面”、“在一范例中”、“在一个范例中”不一定都指同一方面。此外，具体特征部、结构或特征可在一个或多个方面中以任何合适的方式组合。
本说明书提及和/或在任何申请数据表中列出的任何专利申请，专利，非专利公布或其他公开材料均以引用方式并入本文，只要所并入的材料在此不一致。因此，并且在必要的程度下，本文明确列出的公开内容代替以引用方式并入本文的任何冲突材料。据称以引用方式并入本文但与本文列出的现有定义、陈述或其他公开材料相冲突的任何材料或其部分，将仅在所并入的材料和现有的公开材料之间不产生冲突的程度下并入。
概括地说，已经描述了由采用本文所述的概念产生的许多有益效果。为了举例说明和描述的目的，已经提供了一个或多个形式的上述具体实施方式。这些具体实施方式并非意图为详尽的或限定到本发明所公开的精确形式。可以按照上述教导内容对本发明进行修改或变型。选择和描述的一个或多个形式是为了说明原理和实际应用，从而使本领域的普通技术人员能够利用适用于预期的特定用途的各种形式和各种修改。与此一同提交的权利要求书旨在限定完整范围。

Claims (58)

1.一种外科可视化系统，包括：
显示屏；
外科装置，所述外科装置被配置成能够将结构化光图案发射到表面上；
图像传感器，所述图像传感器被配置成能够识别嵌入在所述表面下方的结构；以及
控制电路，所述控制电路与所述图像传感器信号通信，其中所述控制电路被配置成能够：
接收指示所述表面上的所述结构化光图案的成像数据；
基于所述成像数据生成所述表面的三维数字表示；
从所述图像传感器获得所述结构和所述外科装置的图像；
在所述显示屏上将所述结构和所述外科装置的所述图像与所述表面的所述三维数字表示叠加；并且
根据所述图像确定从所述外科装置到所述结构的距离。
2.根据权利要求1所述的外科可视化系统，还包括发射器，所述发射器被配置成能够发射能够穿透所述表面并到达所述结构的多个波长的光谱光，其中所述图像传感器被配置成能够检测反射的光谱光，并且其中所述控制电路被进一步配置成能够基于所述反射的光谱光来识别所述结构在所述表面下方的方位。
3.根据权利要求2所述的外科可视化系统，还包括具有所述图像传感器的三维相机，并且其中所述图像包括三维图像。
4.根据权利要求3所述的外科可视化系统，其中，所述显示屏包括数字接近度光谱，并且其中所述控制电路被进一步配置成能够在所述数字接近度光谱上显示从所述外科装置到所述结构的所述距离。
5.根据权利要求4所述的外科可视化系统，其中，所述数字接近度光谱包括多种颜色。
6.根据权利要求4所述的外科可视化系统，其中，所述数字接近度光谱包括一系列数值。
7.根据权利要求4所述的外科可视化系统，其中，所述数字接近度光谱包括对应于一系列距离的多个交叉影线图案。
8.根据权利要求1所述的外科可视化系统，其中，所述表面的所述三维数字表示和所述结构的方位在所述显示屏上实时地更新。
9.根据权利要求1所述的外科可视化系统，还包括与所述控制电路信号通信的机器人控制单元，其中所述外科装置由所述机器人控制单元可操作地控制，并且其中所述机器人控制单元被配置成能够在从所述外科装置到所述结构的所述距离减小到小于最小距离时调节所述外科装置的操作。
10.根据权利要求1所述的外科可视化系统，还包括所述结构中的造影剂，其中所述造影剂被配置能够照亮所述结构，并且其中所述图像传感器被配置成能够检测从所照亮的结构反射的可见光。
11.根据权利要求1所述的外科可视化系统，还包括第二外科装置，其中所述控制电路被进一步配置成能够：
根据所述图像确定从所述第二外科装置到所述结构的第二距离；并且
将所述第二距离提供给所述图像系统。
12.根据权利要求11所述的外科可视化系统，其中，所述显示屏被进一步配置成能够在第二接近度光谱指示标识上显示所述第二外科装置和所述第二距离。
13.根据权利要求11所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够：
在从所述外科装置到所述结构的所述距离减小到小于第一最小距离时显示第一警示；并且
在从所述第二外科装置到所述结构的所述第二距离减小到小于第二最小距离时显示第二警示，并且其中所述第二最小距离不同于所述第一最小距离。
14.根据权利要求1所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被配置成能够根据所述外科装置和所述图像传感器的已知方位来对所述距离进行三角测量。
15.一种外科可视化系统，包括：
处理器；以及
存储器，所述存储器通信地联接到所述处理器，其中所述存储器存储指令，所述指令能够由所述处理器执行以：
接收指示表面上的结构化光图案的成像数据；
基于所述成像数据生成所述表面的三维数字表示；
从图像传感器获得嵌入结构和外科装置的图像；
在显示屏上将所述嵌入结构和所述外科装置的所述图像与所述表面的所述三维数字表示叠加；并且
确定从所述外科装置到一部分所述表面的距离，所述一部分所述表面覆盖所述嵌入结构。
16.根据权利要求15所述的外科可视化系统，其中，所述嵌入结构的方位用能够穿透所述表面并到达所述嵌入结构的反射的光谱光来识别。
17.一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计算机可读指令，所述计算机可读指令在被执行时致使机器：
接收指示表面上的结构化光图案的成像数据；
基于所述成像数据生成所述表面的三维数字表示；
从图像传感器获得嵌入结构和外科装置的三维图像；
在显示屏上将所述嵌入结构和所述外科装置的所述图像与所述表面的所述三维数字表示叠加；并且
根据所述三维图像确定从所述外科装置到所述嵌入结构的距离。
18.根据权利要求17所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述计算机可读指令在被执行时，进一步致使所述机器：
向所述显示屏提供指示所述距离的信号；并且
在所述距离满足预定义阈值距离时发出警告信号。
19.一种外科可视化系统，包括：
发射器，所述发射器被配置成能够发射多个组织穿透波形；
接收器，所述接收器被配置成能够检测所述多个组织穿透波形；
成像系统，所述成像系统包括显示器；以及
控制电路，所述控制电路与所述接收器信号通信，其中所述控制电路被配置成能够：
从所述接收器接收表示外科装置的隐藏部分的图像的数据；并且
将所述外科装置的所述隐藏部分的所述图像提供给所述显示器。
20.根据权利要求19所述的外科可视化系统，还包括高光谱相机，所述高光谱相机包括所述发射器和所述接收器。
21.根据权利要求19所述的外科可视化系统，还包括具有结构化光源的组织表面标测系统，其中所述控制电路被进一步配置成能够：
从所述组织表面标测系统接收表示组织表面的三维表示的数据；
将所述组织表面的所述三维表示提供给所述显示器；并且
在所述显示器上将所述外科装置的所述隐藏部分的所述图像叠加在所述组织表面的所述三维表示上。
22.根据权利要求19所述的外科可视化系统，其中，所述外科装置包括机器人外科工具。
23.根据权利要求19所述的外科可视化系统，其中，所述外科装置包括抽吸针。
24.根据权利要求19所述的外科可视化系统，其中，所述多个组织穿透波形包括：
第一波形，所述第一波形被配置成能够靶向所述外科装置的所述隐藏部分；以及
第二波形，所述第二波形被配置成能够靶向解剖结构。
25.根据权利要求24所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够识别对应于所述外科装置的所述隐藏部分的第一光谱特征和对应于所述解剖结构的第二光谱特征。
26.根据权利要求25所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够确定所述外科装置的所述隐藏部分与所述解剖结构之间的距离。
27.根据权利要求26所述的外科可视化系统，其中，所述显示器被配置成能够传达所述外科装置的所述隐藏部分与所述解剖结构之间的所述距离。
28.根据权利要求27所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够在所述外科装置的所述隐藏部分与所述解剖结构之间的所述距离达到阈值最小距离时发出警示。
29.根据权利要求19所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路包括处理器和通信地联接到所述处理器的存储器，并且其中所述存储器存储指令，所述指令能够由所述处理器执行以：
从所述接收器接收表示所述外科装置的所述隐藏部分的所述图像的数据；并且
将所述外科装置的所述隐藏部分的所述图像提供给所述显示器。
30.一种外科可视化系统，包括：
高光谱相机，所述高光谱相机包括：
发射器，所述发射器被配置成能够发射多个组织穿透波形；以及
图像传感器，所述图像传感器被配置成能够检测所述多个组织穿透波形；以及
控制电路，所述控制电路与所述高光谱相机信号通信，其中所述控制电路被配置成能够：
从由所述图像传感器检测到的所述多个组织穿透波形中接收表示第一关键结构的方位的数据；
从由所述图像传感器检测到的所述多个组织穿透波形中接收表示第二关键结构的方位的数据；并且
确定所述第一关键结构和所述第二关键结构之间的距离。
31.根据权利要求30所述的外科可视化系统，其中，所述第一关键结构包括外科装置和解剖结构中的一者。
32.根据权利要求31所述的外科可视化系统，其中，所述第二关键结构包括外科装置和解剖结构中的一者。
33.根据权利要求30所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路包括处理器和通信地联接到所述处理器的存储器，并且其中所述存储器存储指令，所述指令能够由所述处理器执行以：
从由所述图像传感器检测到的所述多个组织穿透波形中识别所述第一关键结构；
从由所述图像传感器检测到的所述多个组织穿透波形中识别所述第二关键结构；并且
确定所述第一关键结构与所述第二关键结构之间的所述距离。
34.根据权利要求30所述的外科可视化系统，还包括视频监视器，其中所述控制电路被进一步配置成能够在所述视频监视器上实时地示意性地描绘所述第一关键结构和所述第二关键结构。
35.根据权利要求34所述的外科可视化系统，其中，所述发射器被进一步配置成能够发射结构化光图案，所述结构化光图案被配置成能够到达表面，其中所述图像传感器被进一步配置成能够检测所述结构化光图案，其中所述控制电路被进一步配置成能够：
从由所述图像传感器检测到的所述结构化光图案接收表示所述表面的三维表示的数据。
36.根据权利要求35所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够：
基于所述表面的所述三维表示生成图像；并且
将所述第一关键结构和所述第二关键结构的所述示意性描绘叠加在所述图像上。
37.一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计算机可读指令，所述计算机可读指令在被执行时致使机器：
从图像传感器接收表示第一隐藏结构的第一图像的数据；
向显示器提供所述第一隐藏结构的所述第一图像；
从所述图像传感器接收表示第二隐藏结构的第二图像的数据；
向所述显示器提供所述第二隐藏结构的所述第二图像；并且
确定所述第一隐藏结构和所述第二隐藏结构之间的距离。
38.根据权利要求37所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述计算机可读指令在被执行时，进一步致使所述机器：
从接收器接收数据，所述接收器被配置成能够检测表面上的结构化光图案；
从所述数据生成所述表面的三维渲染；
将所述表面的所述三维渲染提供给所述显示器；并且
在所述显示器上将所述第一隐藏结构的所述第一图像和所述第二隐藏结构的所述第二图像叠加在所述表面的所述三维渲染上。
39.一种外科可视化系统，包括：
第一投射仪，所述第一投射仪被配置成能够将结构化光图案发射到解剖结构的表面上；
第二投射仪，所述第二投射仪被配置成能够发射能够穿透所述解剖结构并到达钉线的多个波长的光谱光；以及
控制电路，所述控制电路与图像传感器信号通信，其中所述控制电路被配置成能够：
从所述图像传感器接收指示所述解剖结构的所述表面上的所述结构化光图案的结构化光数据；
根据所述结构化光数据计算所述解剖结构的三维表示；
从所述图像传感器接收指示所述钉线的光谱图像的光谱光数据；
根据所述光谱光数据生成所述钉线的所述光谱图像；并且
确定相对于所述钉线的距离。
40.根据权利要求39所述的外科可视化系统，还包括视频监视器，其中所述控制电路与所述视频监视器信号通信，并且其中所述控制电路被进一步配置成能够：
选择性地向所述视频监视器提供实时地指示所述解剖结构的所述三维表示的第一视频信号；并且
选择性地向所述视频监视器提供实时地指示所述钉线的所述方位的第二视频信号。
41.根据权利要求40所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够选择性地整合所述第一视频信号和所述第二视频信号以生成视频，所述视频描绘叠加在所述解剖结构的所述三维表示上的所述钉线的所述方位。
42.根据权利要求41所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够选择性地向所述视频监视器提供指示相对于所述钉线的所述距离的第一信号。
43.根据权利要求41所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够：
从所述图像传感器接收指示机器人工具的外科端部执行器的光谱图像的光谱光数据；并且
根据所述光谱光数据生成所述外科端部执行器的所述光谱图像。
44.根据权利要求43所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够根据所述图像传感器和所述机器人工具的坐标来对所述外科端部执行器和所述钉线之间的所述距离进行三角测量。
45.根据权利要求41所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够：
从所述图像传感器接收指示圆形缝合器的套管针的光谱图像的光谱光数据；并且
根据所述光谱光数据生成所述套管针的所述光谱图像。
46.根据权利要求45所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够：
从所述图像传感器接收指示圆形缝合器砧座的光谱图像的光谱光数据；并且
根据所述光谱光数据生成所述圆形缝合器砧座的所述光谱图像。
47.根据权利要求46所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够确定所述套管针和所述圆形缝合器砧座之间的距离。
48.根据权利要求47所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够：
向所述视频监视器提供指示所述圆形缝合器砧座和所述钉线之间的所述距离的第一信号；并且
向所述视频监视器提供指示所述套管针和所述圆形缝合器砧座之间的所述距离的第二信号。
49.根据权利要求41所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路被进一步配置成能够基于用户选择输入向所述视频监视器提供所述第二视频信号以跟踪所述钉线。
50.根据权利要求41所述的外科可视化系统，其中，所述控制电路与机器人控制单元信号通信，所述机器人控制单元被可操作地配置成能够控制支撑外科装置的机器人臂，并且其中所述机器人控制单元被可操作地配置成能够提供控制信号以使所述机器人臂朝向一部分所述解剖结构移动，所述一部分所述解剖结构遮挡所述钉线使其不可见。
51.根据权利要求39所述的外科可视化系统，还包括高光谱相机，所述高光谱相机包括所述第一投射仪、所述第二投射仪和所述图像传感器。
52.一种外科可视化系统，包括：
处理器；以及
存储器，所述存储器通信地联接到所述处理器，其中所述存储器存储指令，所述指令在被所述处理器执行时：
从图像传感器接收指示解剖结构的表面上的结构化光图案的结构化光数据；
根据所述结构化光数据计算所述解剖结构的三维表示；
从所述图像传感器接收指示钉线的光谱图像的光谱光数据；
根据所述光谱光数据生成所述钉线的光谱图像；并且
确定相对于所述钉线的距离。
53.根据权利要求52所述的外科可视化系统，其中，所述存储器存储指令，所述指令在被所述处理器执行时：
选择性地向视频监视器提供实时地指示所述解剖结构的所述三维表示的第一视频信号；并且
选择性地向所述视频监视器提供实时地指示所述钉线的所述方位的第二视频信号。
54.根据权利要求53所述的外科可视化系统，其中，所述存储器存储指令，所述指令在被所述处理器执行时选择性地整合所述第一视频信号和所述第二视频信号以生成视频，所述视频描绘叠加在所述解剖结构的所述三维表示上的所述钉线的所述方位。
55.根据权利要求54所述的外科可视化系统，其中，所述存储器存储指令，所述指令在被所述处理器执行时，选择性地向所述视频监视器提供指示相对于所述钉线的所述距离的第一信号。
56.一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计算机可读指令，所述计算机可读指令在被执行时致使机器：
从图像传感器接收指示解剖结构的表面上的结构化光图案的结构化光数据；
根据所述结构化光数据计算所述解剖结构的三维表示；
从所述图像传感器接收指示钉线的光谱图像的光谱光数据；
根据所述光谱光数据生成所述钉线的光谱图像；并且
确定相对于所述钉线的距离。
57.根据权利要求56所述的存储计算机可读指令的非暂态计算机可读介质，所述计算机可读指令在被执行时进一步致使所述机器：
选择性地向视频监视器提供实时地指示所述解剖结构的所述三维表示的第一视频信号；并且
选择性地向所述视频监视器提供实时地指示所述钉线的所述方位的第二视频信号。
58.根据权利要求57所述的存储计算机可读指令的非暂态计算机可读介质，所述计算机可读指令在被执行时进一步致使所述机器选择性地整合所述第一视频信号和所述第二视频信号以生成视频，所述视频描绘叠加在所述解剖结构的所述三维表示上的所述钉线的所述方位。
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