CN115426938A - 临床诊断和治疗计划系统及使用方法 - Google Patents

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CN115426938A CN202180029961.3A CN202180029961A CN115426938A CN 115426938 A CN115426938 A CN 115426938A CN 202180029961 A CN202180029961 A CN 202180029961A CN 115426938 A CN115426938 A CN 115426938A
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T·卡尔斯
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Abstract

提供了一种脊椎病症诊断和治疗计划系统。该诊断和治疗计划系统包括混合现实全息显示器，该混合现实全息显示器包括至少一个处理器、至少一个相机、至少一个传感器，并且被配置成采集对应于与椎骨组织相邻的身体的表面的数据点。计算机数据库被配置成将包括该椎骨组织的该身体的成像传输到该混合现实全息显示器。该混合现实全息显示器被配置成显示叠加有包括该表面的身体图像的该椎骨组织的第一全息图像。还公开了方法。

Description

临床诊断和治疗计划系统及使用方法
技术领域
本发明整体涉及用于肌与骨骼病症的诊断和治疗的医疗系统，并且更具体地涉及一种用于脊椎病症诊断和治疗计划的系统和方法。
背景技术
诸如退行性椎间盘疾病、椎间盘突出、骨质疏松、脊椎前移、狭窄、脊柱侧凸和其他弯曲异常、脊柱后凸、肿瘤和骨折的脊椎病症可能由包括创伤、疾病以及由损伤和衰老引起的退行性病状的因素引起。脊椎病症通常会导致包括疼痛、神经损伤和部分或完全丧失活动能力的症状。
脊椎病症的临床评估和诊断可基于对患者的身体检查和医学成像。身体检查可包括评估身体活动范围的限制、不稳定的证据、可观察到的畸形和患者疼痛反应。此类身体检查和医学成像经采用以为患者制定临床诊断和治疗计划。治疗计划可包括脊椎病症的非外科手术治疗和/或外科手术治疗。非外科手术治疗可包括药物、康复和锻炼，这些可能有效，但可能无法缓解与这些病症相关联的症状。这些脊椎病症的外科手术治疗包括矫正、融合、固定、椎间盘切除术、椎板切除术以及可植入式假体。作为这些外科手术治疗的一部分，体内装置可以应用包括诸如骨紧固件和椎骨棒体的植入物的脊椎构建物以向被治疗区域提供稳定性。本公开描述了对这些现有技术的改进。
发明内容
在一个实施方案中，提供了一种脊椎病症诊断和治疗计划系统。该诊断和治疗计划系统包括混合现实全息显示器，该混合现实全息显示器包括至少一个处理器、至少一个相机和至少一个传感器。该混合现实全息显示器被配置成采集对应于与椎骨组织相邻的身体的表面的数据点。计算机数据库被配置成将包括椎骨组织的身体的成像传输到混合现实全息显示器。混合现实全息显示器被配置成显示叠加有包括表面的身体图像的椎骨组织的第一全息图像。在一些实施方案中，公开了方法。
在一个实施方案中，该脊椎病症诊断和治疗计划系统包括有形存储装置，该有形存储装置包括计算机可读指令。混合现实全息头戴送受话器(headset)包括中央处理器和全息处理器以及一个或多个相机和传感器。一个或多个处理器执行系统的操作中的指令以：在非外科手术环境中对包括椎骨组织的身体进行成像；使用混合现实全息头戴送受话器实时扫描与椎骨组织相邻的身体的表面；在公共坐标系中将椎骨组织的第一全息图像与所扫描的表面的身体图像配准；以及使用混合现实全息头戴送受话器实时显示公共坐标系中的第一全息图像和身体图像。
在一个实施方案中，该脊椎病症诊断和治疗计划系统包括有形存储装置，该有形存储装置包括计算机可读指令。混合现实全息头戴送受话器包括中央处理器和全息处理器以及一个或多个相机和传感器。该一个或多个处理器执行系统的操作中的指令以：在非外科手术环境中对包括椎骨组织的身体进行成像；使用混合现实全息头戴送受话器实时扫描与椎骨组织相邻的身体的表面；确定针对椎骨组织的外科手术治疗配置；在公共坐标系中将椎骨组织的第一全息图像和/或外科手术治疗配置的第二全息图像与所扫描的表面的身体图像配准；以及使用混合现实全息头戴送受话器实时显示公共坐标系中的第一全息图像和/或第二全息图像与身体图像。
附图说明
通过以下附图的具体描述，本公开将变得更加显而易见，其中：
图1是根据本公开的原理的诊断和治疗计划系统的一个实施方案的部件的透视图；
图2是根据本公开的原理的诊断和治疗计划系统的一个实施方案的部件的平视图；
图3是根据本公开的原理的包括椎骨的成像的表示的诊断和治疗计划系统的一个实施方案的部件的透视图；
图4是示出根据本公开的原理的包括成像的表示和方法的一个或多个实施方案的步骤的诊断和治疗计划系统的一个实施方案的部件的示意图；
图5是示出根据本公开的原理的方法以及诊断和治疗计划系统的一个或多个实施方案的代表性步骤的流程图；
图6是示出根据本公开的原理的方法以及诊断和治疗计划系统的一个或多个实施方案的代表性步骤的流程图；
图7是示出根据本公开的原理的包括成像的表示和方法的一个或多个实施方案的步骤的诊断和治疗计划系统的一个实施方案的部件的示意图；
图8是示出根据本公开的原理的包括成像的表示的诊断和治疗计划系统的一个实施方案的部件的示意图；
图9是示出根据本公开的原理的包括成像的表示的诊断和治疗计划系统的一个实施方案的部件的示意图；
图10是示出根据本公开的原理的包括成像的表示和方法的一个或多个实施方案的步骤的诊断和治疗计划系统的一个实施方案的部件的示意图；
图11是示出根据本公开的原理的方法以及诊断和治疗计划系统的一个或多个实施方案的代表性步骤的流程图；
图12是示出根据本公开的原理的方法以及诊断和治疗计划系统的一个或多个实施方案的代表性步骤的流程图；并且
图13是示出根据本公开的原理的方法以及诊断和治疗计划系统的一个或多个实施方案的代表性步骤的流程图。
具体实施方式
根据用于肌与骨骼病症的治疗的医疗装置，并且更具体地，根据用于脊椎病症诊断和治疗计划的系统和方法来讨论脊椎病症诊断和治疗计划系统的示例性实施方案。在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统包括混合现实全息显示器或增强现实全息显示器，并且与用于脊椎病症诊断和治疗计划的方法一起采用，该方法包括：将患者的椎骨组织的全息图像与包括患者的表面的身体图像叠加在一起，以及使图像相关以使脊椎定向和对准实时可视化。
在一些实施方案中，本外科手术系统包括显示器，该显示器包括全息显示装置。在一些实施方案中，本公开的系统和方法包括混合现实显示器或增强现实显示器，该混合现实显示器或增强现实显示器与如本文所述的例如用于脊椎的颈椎、胸椎、腰椎和/或骶骨区域的诊断和治疗计划一起采用。
在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统以及方法包括：例如通过二维(2D)成像对患者的椎骨进行成像，该二维(2D)成像从包括例如X射线或双平面X射线长胶片的射线照相术生成。在一些实施方案中，成像在包括例如屈曲和/或伸展的患者移动期间生成。在一些实施方案中，计算机将成像转换成数字数据并将数字数据传送到例如全息头戴送受话器的混合现实头戴送受话器。在一些实施方案中，计算机利用软件来通过对椎骨的分割和/或三维(3D)重建来确定针对椎骨组织的外科手术治疗配置。在一些实施方案中，外科手术治疗配置的图像被传输到头戴送受话器以从头戴送受话器显示。在一些实施方案中，将椎骨的图像与身体图像和/或外科手术治疗配置一起全息覆盖在包括例如患者的身体的表面的实际患者上。在一些实施方案中，实现全息覆盖图以查看椎骨定位，包括例如在患者上的定向和对准。在一些实施方案中，头戴送受话器包括用于患者的椎骨的测量和对准的自动化图像处理。
在一些实施方案中，头戴送受话器包括相机，例如一个或多个深度感测相机。在一些实施方案中，一个或多个深度感测相机被配置成在环境中在空间上对患者的表面标测以定位和显示内容。在一些实施方案中，识别标记物定位在例如可由头戴送受话器上的相机识别的患者的背部表面的对象上以显示内容。在一些实施方案中，所显示的内容是患者的背部的标测图。在一些实施方案中，一个或多个深度感测相机在患者的身体检查期间提供3D椎骨模型的实时更新。
在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统包括全息显示系统，该全息显示系统在包括例如用于外科手术的身体检查的初始评估期间实现，使得椎骨的图像与身体图像和/或外科手术治疗配置一起全息覆盖在实际患者上以使患者解剖结构动态地可视化而优化诊断和治疗计划。在一些实施方案中，图像通过全息覆盖图与患者结合。在一些实施方案中，全息覆盖图包括椎骨的图像与身体图像和/或特定于患者的外科手术治疗配置。在一些实施方案中，椎骨的图像与身体图像和/或外科手术治疗配置利用特定于患者的解剖数据，该解剖数据从例如包括例如X射线或双平面X射线长胶片的射线照相术的图像生成。在一些实施方案中，在外科手术之前，在诊所中将全息覆盖图叠加在患者的表面上以用于临床诊断和治疗计划。在一些实施方案中，当需要外科手术时，可从上传到包括例如由在科罗拉多州路易斯维尔设有营业场所的美敦力导航公司(Medtronic Navigation,Inc.)出售的Mazor XTM和/或StealthstationTM的导航和/或机器人系统中的椎骨的图像与身体图像和/或外科手术治疗配置生成外科手术计划。
在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统包括相对于患者定位以对患者的表面标测的识别标记物。在一些实施方案中，实现扫描仪来对患者的表面标测。在一些实施方案中，全息覆盖图结合深度感测相机和/或传感器来实现以使椎骨定向和对准实时可视化。
在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统以及方法包括空间定位的3D全息图，例如用于显示图像引导信息的全息覆盖图。在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统以及方法包括相机，例如深度感测相机。在一些实施方案中，深度感测相机包括红外相机、激光相机和/或红/绿/蓝(RGB)相机。在一些实施方案中，采用深度感测相机以及同时定位和标测来使患者、脊椎解剖结构和/或诊室数字化以在空间上定位全息图，并且然后将数字信息全息显示到患者上，并使图像数据与当前患者解剖结构相关以使脊椎对准实时可视化。在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统以及方法包括软件算法，例如，被实现为在空间上定位全息图并显示与患者解剖结构有关的数字信息的对象识别软件算法。在一些实施方案中，采用识别患者图像中的患者解剖结构以用于图像分割和3D模型生成以及识别患者外部解剖结构以在空间上放置全息图像的机器学习算法。在一些实施方案中，机器学习算法生成患者图像中的脊椎对准参数的自动化测量，例如包括科布角(cobb angle)、骨盆倾斜角、骨盆入射角、骶骨倾斜角、腰椎前凸角、胸椎后凸角、颈椎前凸角和/或矢状竖直轴线。在一些实施方案中，软件算法在用于外科手术治疗配置的3D图像处理软件中实现，包括例如用于导入、阈值化、掩蔽、分割、裁剪、剪裁、平移、缩放、旋转、测量和/或配准的软件算法。
在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统以及方法包括：深度感测相机，例如红外相机、激光相机和/或RGB相机；空间换能器，例如电磁、低能量
Figure BDA0003900285830000051
和/或惯性测量单元；光学标记物，例如反射球、QR码/图案和/或基准；和/或对象识别软件算法，该对象识别软件算法用以跟踪患者的空间位置(例如，患者的椎体)并实时更新数字表示。在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统以及方法包括实现为实时渲染和显示解剖位置的改变的3D成像软件算法。在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统以及方法包括例如光波导的全息显示技术以实时显示全息图、图像引导和/或其他数字信息。
在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统以及方法包括在身体检查期间实时地和/或实时地标记(例如，注释)患者解剖结构的3D数据和/或医学成像以例如识别感兴趣区域和/或患者正经历疼痛的位置。在一些实施方案中，在身体检查和/或成像期间，当患者正移动(例如，屈曲和/或伸展)时，医师能够标记感兴趣区域和/或患者正经历疼痛的位置。在一些实施方案中，标签在外科手术期间辅助医师。
在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统以及方法包括软件程序，该软件程序用于处理例如包括例如双平面X射线长胶片图像的射线照相术的2D图像以将这些图像重建为3D解剖结构，使得医师可从任何角度/定向自由地查看患者图像并看到准确定位在患者上的解剖结构数据。
在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统以及方法包括在使用屈曲、伸展和/或侧向弯曲动作检查患者时对患者的背部曲率实时标测以更新患者的椎骨的成像。在一些实施方案中，在成像期间，当医师检查患者时，患者解剖结构在适当位置处屈曲并随着患者的位置而被跟踪。
在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统与用于脊椎病症诊断和治疗计划的方法一起采用。在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统与包括以下步骤的方法一起采用：对包括椎骨组织的身体进行成像。在一些实施方案中，通过2D成像生成成像，该2D成像从包括例如X射线或双平面X射线长胶片的射线照相术生成。在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统与包括以下步骤的方法一起采用：使用混合现实全息显示器采集对应于与椎骨组织相邻的身体的表面的数据点。在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统与包括以下步骤的方法一起采用：将成像传输到计算机数据库。在一些实施方案中，计算机利用软件来通过对椎骨的分割和/或3D重建来确定针对椎骨组织的外科手术治疗配置。在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统与包括以下步骤的方法一起采用：将椎骨组织的全息图像与包括表面的身体图像叠加在一起。在一些实施方案中，本诊断和治疗计划系统与包括以下步骤的方法一起采用：使用混合现实全息显示器显示全息图像和身体图像。在一些实施方案中，混合现实全息显示系统包括处理器、相机和传感器。
在一些实施方案中，本公开的系统可用于针对诸如例如以下各项的脊椎病症的诊断和治疗计划：退行性椎间盘疾病、椎间盘突出、骨质疏松、脊椎前移、狭窄、脊柱侧凸和其他弯曲异常、脊柱后凸、肿瘤以及骨折。在一些实施方案中，本公开的系统可以与其他骨骼和骨相关应用一起采用，该应用包括与诊断和治疗相关联的那些应用。在一些实施方案中，所公开的系统可替代地用于针对处于俯卧或仰卧位置的患者的诊断和治疗计划，和/或对脊椎采用各种入路(approach)，包括前侧、后侧、后侧中线、直接外侧、后外侧和/或前外侧入路，以及在其他身体区域中。本公开的系统还可以替代地与用于治疗脊柱的腰椎、颈椎、胸椎、骶椎和骨盆区域的手术一起采用。本公开的系统还可以用于动物、骨模型和其他非生物基质，例如在训练、测试和演示时。
通过参考结合形成本公开的一部分的附图所采取的实施方案的以下详细描述，可以更容易理解本公开的系统。应当理解，本申请不限于本文描述和/或示出的具体装置、方法、条件或参数，并且本文所使用的术语仅仅是为了通过示例的方式描述特定实施方案，而不是为了进行限制。在一些实施方案中，如说明书中所用，并且包含所附权利要求书，单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”包括复数，并且对特定数值的引用至少包括所述特定值，除非上下文另外明确规定。范围在本文中可以表示为“约”或“大约”一个特定值和/或“约”或“大约”另一特定值。当表达这种范围时，另一个实施方案包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应当理解，特定值形成了另一个实施方案。还应理解，所有空间引用(诸如例如，水平、竖直、顶部、上部、下部、底部、左和右)仅用于说明目的，并且可在本发明的范围内变化。例如，参考“上部”和“下部”是相对的并且仅在上下文中用于另一情况，并且不一定是“上”和“下”。
如说明书且包括所附权利要求书中所使用，疾病或病状的“治疗(treating/treatment)”是指执行手术，该手术可包括向患者(正常的或非正常人类或其他哺乳动物)施用一种或多种药物、采用植入式装置，和/或采用治疗疾病的器械(诸如例如，用于去除凸出部分或突出的椎间盘和/或骨刺的显微椎间盘切除术器械)，以致力于缓解疾病或病状的病征或症状。缓解可以发生在疾病或病症的体征或症状出现之前，也可以发生在它们出现之后。因此，治疗(treating)或治疗(treatment)包括预防疾病或不良状况(例如，预防可能易患该疾病但尚未被诊断为患有该疾病的患者发生该疾病)。此外，治疗(treating)或治疗(treatment)不需要完全缓解体征或症状，不需要治愈，并且具体包括对患者作用甚微的手术。治疗可以包括抑制疾病，例如阻止其发展或缓解疾病，例如使疾病消退。例如，治疗可以包括减少急性或慢性炎症；减轻并缓解疼痛和促进新韧带、骨和其他组织的再生长；作为外科手术的辅助装置；和/或任何修复手术。此外，如说明书和所附权利要求书中所用，术语“组织”包括软组织、韧带、腱、软骨和/或骨，除非另有具体说明。
以下讨论包括对根据本公开的原理的诊断和治疗计划系统的描述，该诊断和治疗计划系统包括混合现实和/或增强现实技术、全息覆盖图、相关部件以及采用诊断和治疗计划系统的方法。还公开了替代实施方案。详细参考在附图中示出的本发明的示例性实施方案。转到图1至图10，示出了诊断和治疗计划系统10的部件。
诊断和治疗计划系统10的部件可由适用于医学应用的生物学上可接受的材料制成，包括金属、合成聚合物、陶瓷和骨材料和/或它们的复合材料。例如，诊断和治疗计划系统10的部件可单独地或共同地由诸如以下各项的材料制成：不锈钢合金、铝、工业纯钛、钛合金、5级钛、超弹性钛合金、钴-铬合金、超弹性金属合金(例如，镍钛诺(Nitinol)、超级弹塑性金属，诸如GUM
Figure BDA0003900285830000081
)、陶瓷和其复合物(诸如磷酸钙(例如，SKELITETM)、热塑性塑料(诸如聚芳醚酮(PAEK)，包含聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)和聚醚酮(PEK)、碳-PEEK复合物、PEEK-BaSO4聚合橡胶、聚对苯二甲酸乙二酯(PET))、织物、硅酮、聚氨基甲酸酯、硅酮-聚氨基甲酸酯共聚物、聚合橡胶、聚烯烃橡胶、水凝胶、半刚性和刚性材料、弹性体、橡胶、热塑性弹性体、热固性弹性体、弹性体复合物、刚性聚合物(包含聚亚苯基、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚乙烯、环氧树脂)、骨材料(包含自体移植、同种异体移植、异种移植或转基因皮质骨和/或皮质海绵骨以及组织生长或分化因子)、可部分吸收的材料(诸如例如，金属与钙基陶瓷的复合物、PEEK与钙基陶瓷的复合物、PEEK与可吸收聚合物的复合物)、可完全吸收的材料(诸如例如，钙基陶瓷，如磷酸钙、磷酸三钙(TCP)、羟基磷灰石(HA)-TCP、硫酸钙或其他可吸收聚合物，如聚交酯、聚乙交酯、聚酪氨酸碳酸酯、聚己内酯)以及它们的组合。
诊断和治疗计划系统10的部件还可单独地或共同地由诸如上述材料中的两者或更多者的组合的异质材料制成。诊断和治疗计划系统10的部件可一体形成、整体连接或包括紧固元件和/或器械，如本文所述。
诊断和治疗计划系统10可例如在微创手术之前采用，该微创手术包括经皮技术、微型开口和开口外科手术技术，以在患者的身体内的外科手术部位(例如，脊椎的区段)处操纵组织、递送和引入脊椎构建物的器械和/或部件。
在包括例如用于外科手术的身体检查期间的初始评估期间，实现诊断和治疗计划系统10使得患者椎骨的成像与身体图像和/或外科手术治疗配置一起全息覆盖在实际患者上以使患者解剖结构动态地可视化而优化诊断和治疗计划。诊断和治疗计划系统10利用混合现实和/或增强现实显示器来例如将患者椎骨的成像与身体图像和/或特定于患者的外科手术治疗配置一起全息覆盖到患者的表面上以辅助针对患者的诊断和治疗计划。
诊断和治疗计划系统10包括混合现实全息显示器，例如，如图2中所示的光学透视头戴送受话器12。头戴送受话器12被配置成采集对应于与椎骨组织相邻的患者的身体的表面的数据点。数据点包括例如身体的表面的3D标测。头戴送受话器12被配置成与装载在计算机42上的数据库14通信，该计算机将包括椎骨组织的身体的成像16传输到头戴送受话器12。头戴送受话器12被配置成实时显示叠加有包括身体的表面的身体图像20的椎骨组织的全息图像18。头戴送受话器12被配置成如本文所述的在外科手术之前在例如诊所、医师办公室、检查室、医院和/或医学评估和诊断机构的非外科手术环境中实时动态地显示椎骨组织的定向和对准。
头戴送受话器12被配置成显示叠加有身体图像20的外科手术治疗配置全息图像23。对应于与椎骨组织相邻的患者的身体的表面的数据点从头戴送受话器12传输到数据库14，使得数据库14可确定针对椎骨组织的外科手术治疗配置22。外科手术治疗配置数据然后被传送到头戴送受话器12，以作为外科手术治疗配置图像23显示。外科手术治疗配置22包括对椎骨组织的分割和/或对椎骨组织的外科手术重建，如本文所述并且在图4中示出。
头戴送受话器12包括处理器24，例如中央处理单元(CPU)。处理器24被配置成执行一个或多个指令，例如如本文所述的头戴送受话器12的操作中的软件指令。处理器24用作头戴送受话器12的主要协调部件，并且被配置成当由头戴送受话器12的操作系统(OS)调用时从随机存取存储器(RAM)访问程序、数据和/或其他功能。处理器24解释与排序的任务相关的指令，然后经由头戴送受话器12的总线以正确的执行顺序将其发送回到RAM以供执行。
头戴送受话器12包括渲染处理器，例如图形处理器25。图形处理器25包括图形处理单元(GPU)。图形处理器25被配置成渲染图像、动画和/或视频以在头戴送受话器12上显示。在一些实施方案中，处理器24指示图形处理器25渲染图像、动画和/或视频。被渲染的图像包括例如椎骨组织的图像18、身体图像20和/或外科手术治疗配置图像23。图形处理器25被配置成与头戴送受话器12的相机26通信，该相机捕获真实世界的数字视频图像并将数字视频图像实时传送到图形处理器25。图形处理器25组合视频图像馈送与计算机生成的图像(例如，虚拟内容)，例如椎骨组织的图像18、身体图像20和/或外科手术治疗配置图像23，并且在头戴送受话器12上显示图像。在一些实施方案中，替代地或除了图形处理器25之外，头戴送受话器12还可包括全息处理器27。例如全息处理单元(HPU)的全息处理器27被配置成进行整合真实世界的数字视频图像数据、用于增强现实的数据和/或用户输入的处理(参见例如由在美国华盛顿州雷蒙德市设有营业场所的微软公司(Microsoft Corporation)出售的全息处理单元)。
头戴送受话器12包括相机26，例如深度感测相机。相机26设置在头戴送受话器12的前侧29上，如图2中所示。相机26被配置成捕获例如椎骨组织的患者的实时数字视频图像和/或包括例如患者的背部的患者的一部分的标测图以在检查期间实时更新3D椎骨模型，如图8和图9中所示，和/或检查期间的例如诊所或检查室的真实世界的外部环境的实时图像。通过相机26捕获的实时图像被输出到头戴送受话器12并且显示在头戴送受话器12的透镜30上。由相机26捕获的实时图像、从图形处理器25渲染的椎骨组织的图像18、身体图像20和/或外科手术治疗配置图像23被同时显示。在一些实施方案中，相机26包括环境相机。在一些实施方案中，深度感测相机可与环境相机协同工作。在一些实施方案中，深度感测相机包括红外相机、激光相机和/或RGB相机。在一些实施方案中，相机26包括立体相机，例如一对相机。
头戴送受话器12包括传感器28。传感器28设置在头戴送受话器12的前侧29上并且是相机26的部件，如图2中所示。传感器28包括3D扫描仪32，该3D扫描仪被配置成确定和捕获身体的表面的3D标测，使得可显示例如患者的3D椎骨模型的实时更新，如图8和图9中所示。3D扫描仪32被配置成确定和捕获身体的表面的3D标测，使得椎骨组织的图像18、身体图像20、外科手术治疗配置图像23和/或其他图像可通过头戴送受话器12全息覆盖到患者上。在一些实施方案中，相机26以及由3D扫描仪32实现的同时定位和标测使患者、脊柱解剖结构和/或诊所或检查室数字化以在空间上定位全息图，并且然后经由头戴送受话器12的透镜30显示数字信息。与由3D扫描仪32确定的身体的表面的3D标测相结合的数字视频(例如，立体视频)通过图形处理器25与椎骨组织的图像18、身体图像20和/或外科手术治疗配置图像23相结合以用于显示。
在一些实施方案中，3D扫描仪32实现同时定位和标测(SLAM)技术以确定身体的表面的3D标测。SLAM技术同时定位(参考对象/传感器的周围环境找到对象/传感器的位置)头戴送受话器12的环境的布局和框架，并对该布局和框架标测。这可使用同时定位对象并且对对象标测的一系列算法来完成。
在一些实施方案中，身体的表面的3D标测可通过使用3D扫描仪32、相机26和相对于患者定位和/或在患者的表面上的识别标记物(未示出)来确定以对患者的表面标测。在一些实施方案中，识别标记物可附接到患者以在3D扫描过程期间提供患者的解剖标志。识别标记物可单独地或与诸如惯性测量单元(IMU)的其他跟踪装置组合地附接到3D扫描仪32、相机26和/或外科医生(例如，通过头戴送受话器12)。
在一些实施方案中，身体的表面的3D标测可通过使用以下各项来确定：3D扫描仪32、相机26和/或例如空间换能器，例如电磁、低能量
Figure BDA0003900285830000111
Figure BDA0003900285830000112
和/或惯性测量单元；光学标记物，例如反射球、QR码/图案和/或基准；和/或对象识别软件算法，该对象识别软件算法用以跟踪患者的空间位置，例如患者的例如椎体的椎骨组织和/或患者的背部，并实时更新数字表示。
在一些实施方案中，头戴送受话器12包括传感器28、运动传感器、声学/音频传感器(其中音频被传输到头戴送受话器12上的扬声器(未示出))、激光测距仪和/或视觉传感器。在一些实施方案中，头戴送受话器12包括传感器28和附加的传感器，该附加的传感器包括测量头戴送受话器12在空间中的运动和方向并且使得头戴送受话器12能够在增强环境中平移移动的加速度计、磁力计和/或陀螺仪。
身体的表面的3D标测和/或椎骨组织的图像18经由用作配准处理器的处理器24来配准。在一些实施方案中，处理器24将身体的表面的3D标测和/或椎骨组织的图像18以及外科手术治疗配置图像23配准。在一些实施方案中，配准的图像可上传到如本文所述的头戴送受话器12外部的计算机42。配准的身体的表面的3D标测和/或椎骨组织的图像18将与身体图像20自动混合。配准的图像可显示在头戴送受话器12上和/或可作为全息覆盖图投影在患者上方。
透镜30包括采用全息显示技术的屏幕，例如，实时显示全息图、图像引导和/或其他数字信息的光波导。在一些实施方案中，头戴送受话器12经由透镜30显示通过患者的椎骨组织的图像18、身体图像20和/或外科手术治疗配置图像23的360°视图。在一些实施方案中，头戴送受话器12包括例如护目镜或眼镜(参见例如
Figure BDA0003900285830000121
或
Figure BDA0003900285830000122
2(美国华盛顿州雷蒙德市的微软公司(Microsoft Corporation,Redmond,Washington,USA)的类似护目镜或眼镜)；或Magic
Figure BDA0003900285830000123
(美国佛罗里达州的魔法飞跃公司(Magic Leap,Inc,Florida,USA))和/或
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(美国加利福尼亚州的梦幻世界(Dreamworld,California,USA))。
在一些实施方案中，头戴送受话器12采用全息显示技术，其中光粒子(例如，光子)围绕装置内的光引擎弹开。光粒子通过头戴送受话器12的两个透镜30进入，其中光粒子在到达外科医生的眼睛后部之前在蓝色、绿色和红色玻璃层之间反弹。当光处于特定角度时形成全息图像。在一些实施方案中，头戴送受话器12包括隐形眼镜和/或眼环。在一些实施方案中，头戴送受话器12包括手持式装置，包括例如平板电脑或智能手机。在一些实施方案中，系统10包括投影仪技术，该投影仪技术包括作为头戴送受话器12的替代形式或除了头戴送受话器12之外的显示板。
成像16由如图3中所示的成像装置36生成。成像装置36被配置成生成患者的解剖结构的例如椎骨组织的所选择部分的图像。成像装置36被配置成生成2D图像。在一些实施方案中，成像装置36包括例如射线照相术，该射线照相术包括例如X射线或双平面X射线长胶片。成像16被转换成图像数据以存储在数据库14内。在一些实施方案中，成像16由软件程序转换成图像数据。在一些实施方案中，成像16的数据点可无线地传输或上传到头戴送受话器12中。在一些实施方案中，实现软件程序来处理成像16(例如，2D图像，例如，双平面X射线长胶片图像)以将成像16重建成3D解剖结构，使得医师可从任何角度/定向自由地查看患者图像并看到准确地定位在患者上的解剖数据。在一些实施方案中，软件程序可包括EOS软件程序(参见例如由在明尼苏达州圣保罗设有营业场所的EOS成像公司(EOS Imaging,Inc.)出售的软件程序)。
在一些实施方案中，当使用屈曲、伸展和/或侧向弯曲动作检查患者时，可出现患者的背部曲率的实时标测以更新患者的椎骨的成像。在一些实施方案中，在成像16期间，当医师检查患者时，患者解剖结构在适当位置处屈曲并随着患者的位置而被跟踪。
在一些实施方案中，成像装置36被配置成生成3D图像。在一些实施方案中，成像装置包括CT扫描、MR扫描、超声波、正电子发射断层扫描(PET)和/或C型臂锥形束计算机断层扫描。
数据库14存储在包括计算机可读指令的有形存储装置38上。在一些实施方案中，存储装置38包括计算机42的硬盘驱动器。在一些实施方案中，存储装置38是外部硬盘驱动器单元。在一些实施方案中，存储装置38包括磁性存储装置，例如，软盘、磁力条、超级磁盘、盒式磁带或压缩磁盘。光学存储装置，例如蓝光光盘、CD-ROM光盘、CD-R、CD-RW光盘、DVD-R、DVD+R、DVD-RW或DVD+RW光盘；和/或闪存存储器装置，例如USB闪存驱动器、跳跃驱动器或拇指驱动器、压缩闪存(CF)、M.2、存储卡、MMC、NVMe、SDHC卡、智能媒体卡、索尼记忆棒、SD卡、SSD或xD-图卡。在一些实施方案中，存储装置38包括在线存储装置、云存储装置和/或网络媒体存储装置。在一些实施方案中，头戴送受话器12可无线地访问数据库14/存储装置38。
如图5中所示，处理器24和/或处理器44(例如，计算机42的CPU)执行系统10的操作中的指令。处理器24和/或处理器44在非外科手术环境中执行用于成像16的指令，使用头戴送受话器12实时扫描与椎骨组织相邻的身体的表面；在公共坐标系中将椎骨组织的图像18与身体图像20配准；以及使用头戴送受话器12实时显示公共坐标系中的椎骨组织的图像18和身体图像20。在一些实施方案中，处理器24和/或处理器44进一步确定针对椎骨组织的外科手术治疗配置22。
如图6中所示，处理器24和/或处理器44在非外科手术环境中执行用于成像16的指令；使用头戴送受话器12实时扫描与椎骨组织相邻的身体的表面；确定针对椎骨组织的外科手术治疗配置22；在公共坐标系中将椎骨组织的图像18和/或外科手术治疗配置图像23与所扫描的表面的身体图像20配准；以及使用头戴送受话器12实时显示公共坐标系中的椎骨组织的图像18和/或外科手术治疗配置图像23与身体图像20。
计算机42经由软件程序生成如图7中所示的外科手术治疗配置22。在一些实施方案中，软件程序包括例如由在科罗拉多州路易斯维尔设有营业场所的美敦力导航公司出售的Mazor XTM、Mazor XTM对准和/或StealthstationTM。在一些实施方案中，软件程序是包括用于手术规划的软件算法的3D图像处理软件，该软件算法包括例如用于导入、阈值化、掩蔽、分割、裁剪、剪裁、平移、缩放、旋转、测量和/或配准的软件算法。软件程序被预装载到计算机42上，外科手术治疗配置22由软件程序生成，并且外科手术治疗配置22被上传到头戴送受话器12上，其中图形处理器25渲染外科手术治疗配置图像23，使得该外科手术治疗配置图像从透镜30输出以用于显示。在一些实施方案中，替代地，软件程序被预装载到头戴送受话器12上，外科手术治疗配置22从软件生成，并且头戴送受话器12从透镜30显示外科手术治疗配置图像23。
在一些实施方案中，头戴送受话器12实现软件算法，例如被实现为在空间上定位全息图(例如，椎骨组织的图像18和/或外科手术治疗配置图像23)并显示与患者解剖结构有关的数字信息的对象识别软件算法。在一些实施方案中，采用识别患者图像(例如，成像16)中的患者解剖结构以用于图像分割和3D模型生成以及识别患者外部解剖结构以在空间上放置全息图像的机器学习算法。在一些实施方案中，机器学习算法生成患者图像中的脊椎对准参数的自动化测量，例如包括科布角、骨盆倾斜角、骨盆入射角、骶骨倾斜角、腰椎前凸角、胸椎后凸角、颈椎前凸角和/或矢状竖直轴线。
在一些实施方案中，在身体检查和/或成像16期间，当患者正移动(例如，屈曲和/或伸展)时，医师能够将感兴趣区域和/或患者正经历疼痛的位置直接标记(包括例如注释)在成像16上。在一些实施方案中，标签在外科手术期间辅助医师。
在组装、操作和使用中，诊断和治疗计划系统10，类似于本文所述的系统和方法，与用于脊椎病症诊断和治疗计划的方法一起采用。诊断和治疗计划系统10也可在诸如例如以下各项的外科手术之前采用：椎间盘切除术、椎板切除术、融合术、椎板切开术、椎板切除术、神经根回缩术、孔切开术、面部切除术、减压术、脊柱核或椎间盘置换术以及骨移植术和包括板、杆和骨接合紧固件的植入式假体。
在一个实施方案中，诊断和治疗计划系统10，类似于本文所述的系统和方法的部件，与一个或多个脊椎病症诊断和治疗计划结合地采用。参见例如以下专利申请中所示和所述的用于脊椎病症诊断和治疗计划的系统和方法的实施方案和公开内容：于2020年--提交(档案号A0002981US01)并且于-------，----公开为美国专利申请公开第-----------号的共同拥有和转让的美国专利申请序列号--/---，该专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
在一些实施方案中，系统10包括如图11中所示的用于脊椎病症诊断和治疗计划的方法100。在步骤102中，对包括椎骨组织的患者的身体进行成像以生成成像16。身体经由成像装置36进行成像。在一些实施方案中，成像装置36包括射线照相术，该射线照相术包括例如X射线或双平面X射线长胶片。在一些实施方案中，成像包括如本文所述的在非外科手术环境中对身体进行成像。
在步骤104中，使用混合现实全息显示器采集对应于与椎骨组织相邻的身体的表面的数据点。混合现实显示器包括头戴送受话器12。头戴送受话器包括处理器24、相机26和传感器28。相机26是如本文所述的深度感测相机。在一些实施方案中，混合现实显示器包括手持式装置。在步骤106中，将成像16传输到计算机数据库14。在一些实施方案中，成像16由软件程序转换成数据点，如上所述。计算机数据库14位于计算机42上。在步骤108中，将椎骨组织的全息图像18与包括患者的表面的身体图像20叠加，如本文所述。在步骤110中，在头戴送受话器12上显示椎骨组织的全息图像18和身体图像20。在一些实施方案中，在头戴送受话器12上实时显示叠加有身体图像20的椎骨组织的全息图像18。在一些实施方案中，步骤110进一步包括在非外科手术环境中实时动态地显示椎骨组织的定向和对准。
在可选步骤112中，确定针对椎骨组织的外科手术治疗配置22。在一些实施方案中，外科手术治疗配置22包括对椎骨组织的分割和/或对椎骨组织的外科手术重建。在一些实施方案中，外科手术治疗配置22从如上所述包括例如以下各项的软件程序确定和/或生成：Mazor XTM、Mazor XTM对准和/或StealthstationTM。在可选步骤114中，将外科手术治疗配置全息图像23与身体图像20叠加。在可选步骤116中，从头戴送受话器12显示外科手术治疗配置图像23和身体图像20。在可选步骤118中，将外科手术治疗配置图像23与椎骨组织的图像18叠加。在可选步骤120中，从头戴送受话器12显示椎骨组织的图像18、外科手术治疗配置图像23和身体图像20。
在一些实施方案中，系统10包括如图12中所示的用于脊椎病症诊断和治疗计划的方法200，类似于如图11中所示的方法200。在步骤202中，在非外科手术环境中对包括椎骨组织的身体进行成像以生成成像16。在步骤204中，使用头戴送受话器12实时扫描与椎骨组织相邻的身体的表面。头戴送受话器12包括相机26，该相机包括例如如本文所述的深度感测相机。在步骤206中，在公共坐标系中将椎骨组织的全息图像18与所扫描的表面的身体图像20配准。在步骤208中，使用头戴送受话器12实时显示公共坐标系中的椎骨组织的全息图像18和身体图像20。在可选步骤210中，确定针对椎骨组织的外科手术治疗配置22。在一些实施方案中，外科手术治疗配置22包括对椎骨组织的分割和/或对椎骨组织的外科手术重建。
在可选步骤212中，在公共坐标系中将外科手术治疗配置图像23与身体图像20配准。在可选步骤214中，使用头戴送受话器12显示公共坐标系中的外科手术治疗配置图像23和身体图像20。在可选步骤216中，在公共坐标系中将外科手术治疗配置图像23与椎骨组织的图像18和身体图像20配准。在可选步骤218中，使用头戴送受话器12显示公共坐标系中的椎骨组织的图像18、外科手术治疗配置图像23和身体图像20。
在一些实施方案中，系统10包括如图13中所示的用于脊椎病症诊断和治疗计划的方法300，类似于如图11中所示的方法100和如图12中所示的方法200所示。在步骤302中，在非外科手术环境中对包括椎骨组织的身体进行成像以生成成像16。在步骤304中，使用头戴送受话器12实时扫描与椎骨组织相邻的身体的表面。在步骤306中，确定针对椎骨组织的外科手术治疗配置22。在步骤308中，在公共坐标系中将椎骨组织的图像18和/或外科手术治疗配置图像23与所扫描的表面的身体图像20配准。在步骤310中，使用头戴送受话器12实时显示公共坐标系中的椎骨组织的图像18和/或外科手术治疗配置图像23与身体图像20。
在一些实施方案中，如果在诊断和治疗计划之后期望外科手术，则将图像引导系统、导航系统和/或机器人引导系统与系统10、方法100、方法200和/或方法300一起采用。参见例如如第6,021,343号、第6,725,080号、第6,796,988号美国专利中描述的类似外科手术导航部件及其用途，这些参考文献中的每一篇的全部内容都以引用方式并入本文。参见例如由在科罗拉多州路易斯维尔设有营业场所的美敦力导航公司(Medtronic Navigation,Inc.)出售的
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AXIEMTM导航系统。美国专利第8,057,407号、第5,913,820号、第5,592,939号中也公开了示例性跟踪系统，这些参考文献中的每一篇的全部内容均以引用方式并入本文。
应当理解，可对本发明所公开的实施方案作出各种修改。因此，以上说明不应理解为限制性的，而是仅作为各种实施方案的例示。本领域的技术人员能够设想在本文所附权利要求书的范围和实质内的其他修改。

Claims (15)

1.一种脊椎病症诊断和治疗计划系统，所述脊椎病症诊断和治疗计划系统包括：
混合现实全息显示器，所述混合现实全息显示器包括至少一个处理器、至少一个相机、至少一个传感器，并且被配置成采集对应于与椎骨组织相邻的身体的表面的数据点；和
计算机数据库，所述计算机数据库被配置成将包括所述椎骨组织的所述身体的成像传输到所述混合现实全息显示器，
所述混合现实全息显示器被配置成显示叠加有包括所述表面的身体图像的所述椎骨组织的第一全息图像。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述混合现实全息显示器被配置成实时显示叠加有所述身体图像的所述第一全息图像。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述混合现实全息显示器被配置成在非外科手术环境中实时动态地显示所述椎骨组织的定向和对准。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述混合现实全息显示器被配置成将所述数据点传输到所述计算机数据库，并且所述计算机数据库被配置成确定针对所述椎骨组织的外科手术治疗配置。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述外科手术治疗配置包括对所述椎骨组织的分割和/或对所述椎骨组织的外科手术重建。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述混合现实全息显示器被配置成显示叠加有所述身体图像的所述外科手术治疗配置的第二全息图像。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述混合现实全息显示器被配置成显示所述第一全息图像、所述第二全息图像和所述身体图像。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据点包括所述表面的三维标测。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述混合现实全息显示器具有包括用于采集所述数据点的三维扫描仪的至少一个传感器，和包括用于将所述第一全息图像与所述身体图像叠加的配准处理器的至少一个处理器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述成像包括射线照相术。
11.根据权利要求9所述的系统，其中识别标记物相对于所述表面定位以为所述三维扫描仪提供解剖标志。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述混合现实全息显示器包括至少一个深度感测相机。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述混合现实显示器包括光学透视头戴送受话器。
14.一种脊椎病症诊断和治疗计划系统，所述脊椎病症诊断和治疗计划系统包括：
有形存储装置，所述有形存储装置包括计算机可读指令；
混合现实全息头戴送受话器，所述混合现实全息头戴送受话器包括中央处理器和全息处理器以及一个或多个相机和传感器；和
一个或多个处理器，所述一个或多个处理器执行所述系统的操作中的所述指令以：
在非外科手术环境中对包括椎骨组织的身体进行成像；
使用所述混合现实全息头戴送受话器实时扫描与所述椎骨组织相邻的所述身体的表面；
在公共坐标系中将所述椎骨组织的第一全息图像与所扫描的表面的身体图像配准；以及
使用所述混合现实全息头戴送受话器实时显示所述公共坐标系中的所述第一全息图像和所述身体图像。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述一个或多个处理器进一步确定针对所述椎骨组织的外科手术治疗配置。
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