CN115697234A

CN115697234A - 基于充气患者躯干模型和归一化外科目标的端口放置引导件

Info

Publication number: CN115697234A
Application number: CN202180040395.6A
Authority: CN
Inventors: D·R·蒙特沃德; D·费尔; A·布佐斯特克
Original assignee: Verb Surgical Inc
Current assignee: Verb Surgical Inc
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2023-02-03
Also published as: WO2021247248A1; US11672602B2; KR20230019948A; EP4161425A1; US20210378746A1

Abstract

本公开的发明名称是“基于充气患者躯干模型和归一化外科目标的端口放置引导件”。一种用于确定微创外科手术的外科端口放置的方法。基于所接收的测量结果，确定参数化躯干模型的实例，该参数化躯干模型限定外表面和内脏表面，该外表面和该内脏表面各自具有考虑到充气效应的穹顶形状。该参数化躯干模型中的归一化外科目标位置响应于外科规程的标识而被确定，并且被映射到未归一化外科目标位置。基于外科工具的特性并且基于该未归一化外科目标位置，计算该参数化躯干模型的该实例上的允许的端口位置。本发明还描述并要求保护其他方面。

Description

基于充气患者躯干模型和归一化外科目标的端口放置引导件

交叉引用

本申请要求于2020年6月5日提交的美国非临时申请16/894,625的早期提交日期的权益，该美国非临时申请全文以引用方式并入。

技术领域

本公开的各个方面在此涉及用于微创外科手术(MIS)和机器人辅助MIS的外科工具的设计。

背景技术

微创外科手术(MIS)诸如腹腔镜手术使用旨在在外科规程期间减少组织损伤的技术。腹腔镜规程通常需要在患者体内(例如，在腹部中)形成多个小切口，然后通过这些小切口将若干外科工具(诸如内窥镜、刀片、抓紧器和针)插入到患者体内。将气体注入到腹部中，其对腹部进行充气，从而在工具的尖端周围提供更多空间，使得外科医生更容易看到(经由内窥镜)和操纵外科手术部位处的组织。可使用外科机器人系统更快地执行MIS且使外科医生疲劳更少，在该外科机器人系统中，外科工具可操作地附接到机器人臂的远侧端部，并且控制系统致动该臂及其附接工具。当外科医生操纵手持用户输入装置(UID)时，工具的尖端将模拟其位置和取向运动。外科机器人系统可以具有多个外科臂，其中一个或多个外科臂具有附接的内窥镜，并且其他外科臂具有附接的用于执行某些外科动作的外科器械。

可能会要求为MIS设计的外科工具的制造商指定参考患者躯干模型中的解剖结构列表，这些解剖结构可以通过给定的外科工具设计到达。这是一个具有挑战性的问题。该问题的主观解决方案是开发解剖结构的虚拟现实模型(在参考患者躯干模型中)，然后执行显示给定外科工具是否能够到达解剖结构的给定部分的虚拟现实模拟。然而，利用该解决方案，外科工具的制造商不能指定使用工具的要求，或者外科工具预期在什么情况下工作(通过)以及工具预期在什么情况下不工作(未通过)。

发明内容

使用MIS工具的要求应当以人体躯干的几何模型的形式来指定，该模型考虑到充气对躯干的效应。本公开的一个方面在此是一组标准，用于对MIS的给定外科工具设计是否能够到达参考患者的解剖结构作出通过/未通过确定。该确定继而提供关于外科端口(其中外科工具将插在参考患者身上)的放置的引导，以执行微创外科手术，诸如内窥镜手术(例如，其中工具是腹腔镜手持式外科器械)和机器人辅助内窥镜手术(例如，其中工具是附接到具有一定数量的连接件和机动接合部的外科机器人臂的腕式外科器械或内窥镜)。

描述了基于椭圆柱的参数化几何患者躯干模型。在一个方面，基于以下参数中的两个或更多个参数，针对模型实例化若干参考患者尺寸：参考患者的身高、腰围、体重指数(BMI)和性别，从而为任意尺寸的患者产生参数化模型。BMI可以基于患者的身高和体重来计算。

针对给定外科规程的指定活动，确定模型中的归一化坐标中的外科目标位置，并且然后将这些位置映射到实例化的参考患者尺寸中的对应(未归一化)位置。

基于给定外科工具的工具到达范围以及基于躯干模型内部的外科目标位置，确定模型的进入表面上的归一化坐标中的外科端口位置。然后将这些外科端口位置映射到实例化的参考患者尺寸中的每个参考患者尺寸中的对应(未归一化)外科端口位置。可针对参考患者尺寸中的每个参考患者尺寸生成可达性映射图，该可达性映射图示出参考患者尺寸的进入表面上允许放置外科端口(特定外科工具可通过该外科端口到达相关外科目标位置)的位置。

参数化几何患者躯干模型的另一个应用是这样的过程，该过程基于躯干模型中的给定外科目标位置作为输入，提供一组允许的外科端口位置和外科工具(该外科工具将在诸如内窥镜或腹腔镜手术以及机器人辅助内窥镜/腹腔镜手术的微创外科手术中使用)的所需可达范围作为其输出。

该模型的另一个应用是输出外科机器人功能的客观评估的过程，诸如外科工具的可达范围以及工具周围或目标外科位置周围的可用间隙。

上述发明内容不包括本公开的所有方面的详尽列表。可以设想的是，本公开包括所有系统和方法，该系统和方法可由上文概述的各个方面的所有合适组合以及下文具体实施方式中公开并且在权利要求部分中特别指出的那些来实施。此类组合可具有未在上述发明内容中具体叙述的特定优点。

附图说明

本公开的若干方面在此以举例方式而非限制性方式在附图的各图中示出，其中类似的附图标号指示类似的元件。应当指出，在本公开中提到“一”或“一个”方面不一定是同一个方面，并且它们是指至少一个。另外，为了简洁和减少附图的总数，可使用给定附图来示出本公开的多于一个方面的特征，并且对于给定方面可能并非需要附图中的所有元件。

图1示出了在参数化几何患者躯干模型中使用的参考解剖轴和平面(或参考坐标系)。

图2示出了建模为具有放大特征部的椭圆柱的人体躯干。

图3是总结椭圆柱的参数化示例性的表格。

图4示出了内脏控制表面和腹壁，该内脏控制表面和该腹壁也可以通过椭圆柱建模，作为参数化几何患者模型的一部分。

图5示出了充气期间腹部横截面的再成形阶段和拉伸阶段。

图6示出了说明充气诱导的腹部膨胀的曲线图。

图7A至图7D是参数化几何患者躯干模型的四个示例性患者参考尺寸。

图8示出了椭圆柱上的归一化坐标的示例。

图9将用于从参考样本导出外科目标位置的过程可视化。

图10A至图10D示出了在四个示例性患者尺寸中包括活动路径的外科目标。

图11示出了与椭圆柱有关的示例性可达性映射图。

具体实施方式

现在参考附图来解释本公开的若干方面。每当未明确限定所述零件的形状、相对位置和其他方面时，本发明的范围并不仅限于所示出的零件，所示出的零件只是出于说明目的。另外，虽然阐述了许多细节，但应当理解，可在没有这些细节的情况下实践本公开的一些方面。在其他情况下，未详细示出熟知的结构和技术，以免模糊对本说明书的理解。

躯干模型

描述了能够根据多个维度或参数缩放的参数化几何患者躯干模型，这些维度或参数例如是身高、腰围、体重指数(BMI)和性别中的两者或更多者的标准人体测量结果。生成表示不同尺寸(参考患者尺寸)的人类躯干的模型的若干实例，旨在覆盖患者群体的显著部分。该模型预测或输出内脏表面和外表面(例如，作为线框)，并且考虑到充气对躯干的效应。

将使用图1中所示的参考解剖轴和平面来说明该模型。在该模型中，如图2的示例所见，将躯干的横截面抽象为椭圆，并且躯干的形状由广义椭圆柱(或简称为椭圆柱)的表面表示，该广义椭圆柱在横向平面(垂直于X轴的平面)中的横截面为若干椭圆。该表面关于正中矢状平面(XZ平面)对称。每个横截面可具有相对于背侧平面(XY平面)的偏移。

在一个方面，椭圆柱表面由如图2所示的四个椭圆横截面——即处于髋部平面、腰部平面、胸部平面和上胸部平面处的横截面——控制或限定。由于这种简化，椭圆柱可以由相对少量的参数描述，诸如如图3所示的五个参数。然而，为了更精细的粒度，椭圆柱表面可以由多于四个椭圆横截面和/或由多于五个参数限定。

在此，在本公开的一个方面，组成椭圆横截面中的一个或多个椭圆横截面由两个半椭圆(接合到背侧或底部半椭圆的腹侧或上部半椭圆)组成，这两个半椭圆可以具有不同的曲率半径。此类横截面也被称为两个半椭圆的“二重奏”。在一个方面，至少一个此类横截面二重奏穿过腰部平面，与规则椭圆相比，该腰部平面更好地建模了充气的效应。躯干端部处的横截面，即端部上胸部平面和髋部平面，可以是规则椭圆。在另一个方面，所有四个横截面都是二重奏。参照图3中的表格作为示例，在这种情况下的每个横截面都是二重奏。二重奏可以由所示的五个参数来表征：沿着中间外侧(Y)方向的径向维度、沿着背腹侧(Z)方向的两个径向维度(一个腹侧和一个背侧)、沿着尾颅侧(X)轴的位置和背侧偏移。背侧偏移可用于说明脊柱曲率(当躯干处于如图所示的仰卧位置时)。结合图3的表格注意以下内容：

-水平定义为相对于模型的原点的尾颅侧(X)位置(髋部水平为零)；

-假设上胸部宽度(侧向，不包括手臂)与胸部的宽度相同；

-侧向半径是宽度的一半，并且背侧半径是深度的一半；

-髋部、胸部和上胸部的腹侧半径与背侧半径相同；以及

-腰部处的腹侧半径用于说明充气(这将在下面详细描述)，但是在非充气状态下，其与背侧半径相同。

椭圆柱不仅可以用于近似躯干的外部形状(在此也称为外表面)，而且可以用于近似更深的解剖结构，诸如内脏腔的表面(在此也称为内脏表面)。换句话说，除了外表面之外，该模型还可以限定内脏表面(也称为内脏控制表面)，如图4所见。可以基于例如如表格图3中所总结的外表面(在非充气状态下)并且基于腹壁厚度来推断内脏控制表面。可以推测后者在整个躯干上是均匀的(基于关于皮下脂肪和肌肉厚度的研究报告)，除了在乳房和“腰间赘肉”附近，其可能是期望的体重指数(BMI)的函数。换句话说，腹壁厚度可以被计算为输入BMI的函数。内脏控制表面的此类抽象化使得能够在不同尺寸和肥胖程度的模型之间映射相应的器官位置(该映射在下面描述)。

腹部的充气

腹腔镜手术的一个要素是通过将气体(例如，二氧化碳)泵送到腹膜腔中来形成腹部工作空间。腹部工作空间的这种形成被称为充气。当腹部被充气时，可以观察到三个阶段：再成形、拉伸和加压——参见图5中的图表。再成形发生在腹内压(IAP)相对较小地增加时，尽管如此，这将腰部平面横截面从相当宽的椭圆形状改变为更圆的横截面形状。充气的第二阶段(拉伸)涉及较高的IAP值和腹部横截面的增加，同时维持接近单一的纵横比(准圆形形状)。在一些拉伸之后，腹壁的硬度转变为显著更高的值，使得腹部体积的小幅增加需要非常大的压力增加。

腹部顺应性在患者群体中是高度可变的(如图5中的两个样本曲线所示)，并且在肥胖患者中特别难以预测。话虽如此，但值得注意的是，在此描述的充气行为包括在外科手术期间名义上不会预期的IAP水平。在正常的腹腔镜检查期间(充气压力被限制在15mm Hg左右)，腹部要么不进入，要么几乎不开始过渡到第三阶段。因此，基于在IAP的感兴趣范围内观察到的一般行为，可以假设腹腔镜手术期间的典型充气处于拉伸阶段(通常不进入加压阶段)。

如图5所见，在再成形阶段期间，腹部横截面的侧向尺寸减小，但随后在拉伸阶段期间增大(变化反转)。同时，背腹侧维度在两个阶段期间都增加。考虑到这种效应，本公开的一个方面在此是配置该模型，使得该模型做出腰部平面横截面的侧向维度的净变化接近零的额外假设，而充气的主要效应趋向于增加其背腹侧维度。这捕获了腹部充气的一般行为，同时最小化了信息内容。

腹部充气不会显著影响髋部水平处或胸部水平处的躯干横截面。这部分是由于骨约束。在尾侧，腹部受到骨盆的约束，而在颅侧则受到胸腔的约束。在背侧，整个躯干受到脊柱的约束。这意味着，充气的体积效应主要表现为腹侧腰部区域中的横截面形状的变化，这与在此描述的模型的行为一致。在此概述的效应可以在经充气的腹部的穹顶状形状中观察到。

更一般地，在本公开的一个方面，在此，在模型中通过增加腰部平面椭圆的腹侧半径来实现对躯干椭圆柱的充气效应，而其他对照椭圆(髋部、胸部和上胸部)相对于非充气状态保持不变。更具体地，确定膨胀因子fdistention，其可用于基于放气时的仰卧腹部高度(SAH)使用以下关系式来计算充气时的SAH：

SAHinsufflated＝fdistention-SAHdeflated

如图6所示，评价若干膨胀因子并对BMI作图(具体地，BMI＝32右侧的点)。此数据的趋势显示，当肥胖患者的BMI增加时，膨胀因子减小。其潜在原因，假设腹壁质量较高，则相对一致的充气压力(约15mm Hg)导致的腹侧相对变形较小。在一个方面，在此公开的模型使用二次曲线来预测作为BMI的函数的膨胀因子，如图6中的红色曲线所示。膨胀因子因此可以作为变量存储在计算机可读介质中，该变量是体重指数(BMI)的函数。

在一个方面，躯干椭圆柱的参数(诸如上文图3的示例中所示的五个参数)可针对预期充分覆盖较大人类群体的相对少量不同尺寸而实例化。基于对给定男性和女性群体的身高和肥胖程度(后者以腰围表示)的人体测量指标的分析，如图7A至图7D所示，选择了四个“患者参考尺寸”。患者参考尺寸是被选择为代表一组统计上重要的实际躯干尺寸的躯干模型。需注意，对于更精细的粒度，可以确定多于四个患者参考尺寸。更一般地，模型可以由两个或更多个患者参考尺寸组成。

归一化圆柱坐标

参数化几何患者模型的一个方面是其如何能够用于将诸如“标称”躯干模型的椭圆柱内的外科目标位置的点映射到参数化几何参考患者尺寸(任意尺寸的躯干模型)中的等效点。这可以通过下面定义的归一化圆柱坐标来实现。

给定具有以下特性的躯干模型表面S：相对于正中矢状平面(XZ平面)对称并且沿着横向平面(平行于YZ平面)的横截面是闭合凸曲线(如椭圆二重奏)，则点P可以相对于坐标为{L,θ,R}的横截面的中心定位如下(也可参见图8)：

L：沿着X轴(躯干模型的纵向方向)的归一化(无量纲)距离，其范围为

并且髋部平面处的关键值L＝0，上胸部平面处的关键值L＝1(胸骨上水平)；

R：从横截面(侧向平面)的中心到点P的归一化(无量纲)距离，其中归一化是关于沿着R到控制表面的距离，其范围为R≥0，并且控制表面内部的关键值0≤R<1，控制表面处的关键值R＝1，控制表面外部的关键值R>1；以及

Theta(θ)：+Z轴与R向量之间的角度(在横截面或侧向平面中)，其中如果P位于患者的右侧则theta(θ)为正，如果P在患者的左侧则为负，并且范围为-180°<theta(θ)≤180°，其中正中矢状平面处的关键值theta(θ)＝0。

归一化外科目标

在本公开的一个方面，此处参数化几何患者模型中的外科目标位置(代表特定外科规程，诸如胃切除术、胃旁路术和胆囊切除术，仅举几个例子)以归一化坐标给出，其中这些坐标然后被处理器映射到特定尺寸患者的躯干模型中的“对应”目标位置的坐标。换句话说，由一组归一化圆柱坐标给出的相同外科目标位置(例如，如上文所定义的)可以被映射到不同尺寸的患者模型中的变化的、对应的和未归一化的目标位置。归一化坐标相对于躯干模型参考坐标系(例如，图1)和躯干模型参考表面(例如，图2)来表达。这种映射过程(归一化到未归一化)依赖于由模型限定并且在上文讨论的患者表面，例如，充气状态外表面和充气状态内脏表面。参照图1，躯干模型的参考坐标系可以被定义如下：

原点，髋部平面、背侧平面和正中矢状平面的交点；

X轴，沿着尾颅侧轴，在颅侧方向上为正；

Z轴，沿着背腹侧轴，在腹侧方向上为正；以及

Y轴，沿着侧向轴，朝向患者的右侧为正，

并且其中图4描绘了非充气状态下的内脏表面。

外科目标位置相对于最佳拟合的内脏表面被归一化(如上所述)。此外，外科目标位置不一定对应于模型中的精确解剖位置，因为外科医生可以应用合理的临床判断来确定“通用”目标位置。图9将用于从参考样本导出外科目标位置的过程可视化，该参考样本相对于来自相同模型的最佳拟合的内脏表面被归一化。下表给出了若干归一化外科目标的示例性数据结构，其中每一行指定了以归一化坐标{L,Theta,R}表示的目标点，该目标点描述了给定外科规程中的感兴趣位置：

使用先前描述的方法，给定的一组归一化外科目标然后被映射到四个参考患者尺寸——参见图10的四个患者尺寸的示例。因此，对于特定类型的微创外科规程和在此类外科手术中需要到达的一组给定的归一化目标位置，计算若干(在此情况下，四个)患者尺寸中的每个患者尺寸中的相应的一组目标位置。然后，对应的该组目标位置(在特定的参考患者尺寸中)可以与该特定的参考患者尺寸上的进入端口的位置和给定的外科工具几何结构一起使用，从而以通过/未通过方式确定给定的外科工具几何结构是否到达目标外科位置。

端口放置

一旦知道在躯干模型中外科工具需要到达何处，如以上使用归一化外科目标位置所计算的，则需要描述一个或多个进入端口，或者更确切地说，需要确定端口在如以上定义的归一化坐标{L,θ,R}方面的位置，这将允许外科工具(当插入该端口中时)到达归一化外科目标位置。需注意，在此R是指端口位置，并且位于进入表面上，该进入表面可以是外表面、内脏表面或它们之间的某处(在腹壁内)。进入表面上的可达区域和不可达区域在此被称为可达性映射图。

还应注意，给定端口位置可适用于若干可用患者参考尺寸中的多于一个的患者参考尺寸。参考端口的示例参见PPG，表5.1。

以下标准使得能够确定与几何约束一致的端口位置，同时考虑到特定的外科规程(及其相关联的外科目标位置)、不同的患者尺寸、当然还有受约束的工具长度。标准与到达能力和碰撞避免有关。描述了参考端口位置(在如上定义的归一化坐标中表示)，该位置可以在为不同尺寸的患者选择端口位置时用作引导件。该标准依赖于躯干模型参考坐标系，诸如上面结合图1和图2描述的那个。端口表面可以被定义为端口位于其上的表面，并且被约束为在躯干模型的腹侧半部上(对于患者被仰卧放置的规程)。通过评估(以网格方式)是否可以从给定的端口位置到达一个或多个适用的外科目标位置(例如，参见上表)中的所有外科目标位置来构造可达性映射图。在这样做时，应用了约束，即工具可达到的最大和最小工具到达距离(在此也称为外科工具的工具到达范围)。可以假设工具实现是在坐标系上滑动的直轴的实现，并且坐标系相对于固定点(端口，例如，处于由外科机器人系统控制器维持的远程运动中心(RCM)处)枢转。可以为两种类型的工具指定工具到达范围：外科器械(诸如针驱动器或抓紧器)和内窥镜。

工具到达范围的极限可以定义如下：对于外科器械，到达的上限是端口(在远程运动中心(RCM)处)与工具轴的对应于近侧工具腕部的端部之间的最大距离)，并且下限是标准插管(套管针)的远侧边缘。对于内窥镜，到达的上限是端口(在RCM处)与工作距离的远侧边缘之间的最大距离。下限是标准插管的远侧边缘加上最小工作距离。

然后计算所选择的工具和所选择的外科规程(具有相关联的外科目标位置)的可达性映射图。可达性映射图包含可达区域和不可达区域。如果端口被放置在可达区域中，则所选择的工具(当插入到该端口中时)能够到达相关联的外科目标位置。换句话说，当工具插入到被放置在可达区域内的端口中时，相关联的外科目标位置在该所选择的工具的指定工具到达范围内。如果端口被放置在不可达区域中，则所选择的工具(当插入到该端口中时)不能到达相关联的外科目标位置。可达性映射图能够实现更客观的端口放置方法。对于在可达范围方面可行的端口，必须将该端口放置在已针对所选择的工具计算的可达区域内。在图11的示例可达性映射图中的三角形内示出了可行端口。

可使用以下示例来描述用于创建可达性映射图的过程。假设给定的外科规程具有若干活动或阶段，并且每个活动可能需要工具到达在参数化几何患者躯干模型中指示的相应的一组外科目标位置。选择候选端口位置。如果候选端口位置不允许工具的尖端到达所有组的外科目标位置(对于外科规程中所需的所有活动)，则该候选端口位置被分类为不可达区域的一部分。换句话说，对于要被分类到可达区域中的候选端口，与给定外科规程相关联的所有活动的外科目标位置需要从该端口可到达。以不同的候选端口位置重复该过程，将每个端口位置分类为在可达区域中或在不可达区域中，而不是两者。在一些情况下，对于给定外科规程的所有活动，可能不存在允许工具到达目标位置的单个端口位置。在这种情况下，在外科规程过程中可能需要改变端口，以便使工具(从至少两个不同的端口位置)到达该规程的所有活动的所有目标位置。

端口放置的另一标准(或用于确定可达性映射图的进一步约束)可以是外科工具尖端需要能够沿着一组目标路径中的每个目标路径行进或移动。目标路径连接两个或更多个外科目标位置。因此，(端口放置)到达区域现在也需要允许外科工具(在其尖端处具有给定工具到达范围)横穿相关外科规程所需的该组目标路径中的所有目标路径。

端口放置的又一标准可以是要求端口之间的最小距离，以帮助避免两个或更多个工具(已经插入到那些端口中的)之间的碰撞。为了允许端口周围的硬件有合理的间隔，需要限制端口之间的最小距离。为了减少端口附近的碰撞的发生，可以选择50mm或更大的最小距离的下限。可将端口放置的附加引导添加到可达性映射图过程中，作为肋缘、骨盆缘和肚脐的简化表示。这些由用于所选患者尺寸的特定人体测量参数(例如，髂嵴高度、第十肋高度、剑突高度和腰部高度)来确定尺寸。

如上所详述并使用示例，本公开的一个方面此处是一种用于提供关于外科端口放置的引导的计算机系统，该系统包括：处理器；和存储器，其中存储有以下数据结构：多个参考患者尺寸，每个参考患者尺寸是不同尺寸的并且限定外表面和内脏表面的躯干模型，外表面和内脏表面各自具有考虑到充气效应的穹顶形状；一组用于给定外科规程的归一化外科目标位置；以及该组归一化外科目标位置到多组对应的或未归一化外科目标位置的映射，其中每组对应的外科目标位置处于多个参考患者尺寸中的相应一个参考患者尺寸中；以及多个可达性映射图，每个映射图示出了多个参考患者尺寸中的相应一个参考患者尺寸上的可达区域和不可达区域，其中i)将外科工具端口定位在可达区域中允许已经通过外科端口插入的外科工具到达该组对应的外科目标位置中的所有外科目标位置，以及ii)将外科工具端口定位在不可达区域中不允许外科工具到达该组对应的外科目标位置中的所有外科目标位置。归一化外科目标位置可以处于归一化圆柱坐标L、theta和R中，其中L是在躯干模型的纵向方向上的距离，theta是在躯干模型的侧向平面中的角度，并且R是在侧向平面中的距离。躯干模型可以包括多个椭圆横截面，其中横截面中的一个横截面由两个半椭圆组成，腹侧或上部半椭圆接合到背侧或下部半椭圆，该两个半椭圆具有不同的曲率半径。特别地，由两个半椭圆组成的横截面中的所述一个横截面可以穿过躯干模型的腰部平面。另外，通过增加穿过腰部平面的椭圆横截面的腹侧半径，同时保持未充气状态躯干模型的其他椭圆横截面不变，可以从非充气状态躯干模型导出躯干模型。甚至更具体地，腹侧半径可能会因膨胀因子而增加，该膨胀因子作为体重指数(BMI)函数由二次曲线给出。

在一个方面，躯干模型限定外表面和内脏表面，并且外科工具端口将位于处于外表面上、内脏表面上或外表面与内脏表面之间的进入表面上。

在一个方面，已针对相同外科规程和相同工具到达范围确定了多个可达性映射图中的每个可达性映射图。

在计算机系统的又一个方面，存储器已经在其中存储了另外的数据结构，该另外的数据结构包括分别在多个参考患者尺寸中的多组目标路径，其中每个目标路径连接两个或更多个外科目标位置，并且其中到达区域被确定为使得将外科工具端口定位在到达区域中允许外科工具到达该组目标路径中的所有目标路径。

同样如上所详述并使用示例的是一种用于提供关于微创外科手术的外科端口放置的引导的计算机系统，该系统包括：处理器；和存储器，其中存储有数据结构，这些数据结构包括：多个参考患者尺寸，每个参考患者尺寸是不同尺寸的并且限定外表面和内脏表面的躯干模型；多组外科目标位置，其中每组外科目标位置在多个参考患者尺寸中的相应一个参考患者尺寸的体积内；和多组允许的端口位置，其中每组允许的端口位置在多个参考患者尺寸中的一个参考患者尺寸上，其中一组允许的端口位置中的每个允许的端口位置已经被选择为使得具有指定到达特性并且被放置在允许的端口位置处的外科工具能够到达参考患者尺寸内的该组外科目标位置中的所有外科目标位置。特别地，由于已经有意考虑的充气效应，躯干模型可以是穹顶形状的。

同样如上所详述并使用示例的是一种用于确定用于微创外科手术的外科端口放置的方法，该方法包括：接收患者的多个测量结果，该多个测量结果包括由身高、腰围、体重指数(BMI)和性别组成的组中的两者或更多者；基于多个测量结果来选择多个参考患者尺寸中的一个参考患者尺寸，其中参考患者尺寸中的每个参考患者尺寸是不同尺寸的并且限定外表面和内脏表面的躯干模型；接收外科规程的标识；接收外科工具的标识或特性；以及基于所选择的参考患者尺寸、外科规程的标识以及外科工具的标识或特性来执行表查找，其中该表查找在所选择的参考患者尺寸上直接产生一组允许的端口位置。允许的端口位置可能已经预先确定并存储在查找表中。多个测量结果可包括身高和腰围。该组允许的端口位置可以在归一化圆柱坐标中给出，并且在这种情况下，该方法还可以包括将该组允许的端口位置从归一化圆柱坐标映射到所选择的参考患者尺寸上的未归一化坐标。

在一个方面，该方法还包括访问与所选择的参考患者尺寸相关联的查找表，其中该查找表将外科规程的标识与所选择的参考患者尺寸内的一组外科目标位置相关联。

同样如上所详述并使用示例的是一种用于确定外科工具模型是否可到达微创外科手术的外科目标位置的方法，该方法包括：接收外科工具的特性；基于外科工具的特性执行表查找，以确定在查找表的多个条目中是否存在包含匹配的外科工具特性的匹配条目，其中查找表的多个条目中的每个条目包括i)参考患者尺寸；ii)外科规程的标识；iii)一组关于所选择的参考患者尺寸的允许的端口位置；和iv)外科工具特性。外科工具的特性可以包括工具到达范围。如果外科工具是外科器械，则工具到达范围包括：上限，该上限是允许的端口位置与对应于近侧工具腕部的工具轴的端部之间的最大距离；和下限，该下限是插管的远侧边缘。如果外科工具是内诊镜，则工具到达范围包括：上限，该上限是允许的端口位置与内窥镜的工作距离的远侧边缘之间的最大距离；和下限，该下限是i)插管的远侧边缘加上ii)内窥镜的最小工作距离。

在该方法的一个方面，在该组允许的端口位置中，i)允许的端口位置和ii)与给定外科活动相关联的一组外科目标位置中的每个外科目标位置之间的距离落入该外科工具的工具到达范围内，该给定外科活动与外科规程的标识相关联。

上述概念的另一应用是验证过程，该验证过程用于证明外科机器人臂及其附接的外科工具的给定设计到达参考患者尺寸中的所选择的一个参考患者尺寸中的外科目标位置并且避免碰撞，其中碰撞可能处于两个或更多个臂之间或臂与患者皮肤之间。当工具的尖端在各种外科目标位置之间横穿给定路径时，避免了碰撞。

本公开的另一个方面是一种用于确定微创外科手术的外科端口放置的计算机实现的方法(由已经根据存储在计算机系统的存储器中的指令配置的一个或多个数字处理器执行的方法)。方法如下。接收患者的多个测量结果，例如包括从对患者执行的医学成像规程或手动测量获得的一个或多个测量结果。基于所接收的测量结果，确定参数化躯干模型的实例，该参数化躯干模型限定外表面和内脏表面，该外表面和该内脏表面各自具有考虑到充气效应的穹顶形状。接收外科规程的标识，并且作为响应，确定参数化躯干模型中的一组归一化外科目标位置。然后，将该组归一化外科目标位置映射到参数化躯干模型的实例中的一组未归一化外科目标位置。还接收了外科工具的特性。基于外科工具的特性并且基于该组未归一化外科目标位置，计算参数化躯干模型的实例上的一组允许的端口位置。这组允许的端口位置然后可以在患者的外科手术期间被呈现给外科医生，基于此，外科医生可以决定在患者腹部上何处放置端口。

如上所述，参数化躯干模型可以包括在髋部平面、腰部平面、胸部平面和上胸部平面处具有至少四个椭圆横截面的椭圆柱。腰部平面椭圆横截面可由具有不同曲率半径的两个半椭圆组成，即接合到背侧或底部半椭圆的腹部或上部半椭圆。

当确定参数化躯干模型的实例时，可以通过将膨胀因子应用于非充气状态外表面来导出充气状态的外表面。膨胀因子可以根据体重指数(BMI)而变化。在其他情况下，当确定参数化躯干模型的实例时，基于所接收的在对患者进行充气时获得的多个测量结果来直接生成外表面。

虽然已经在附图中描述并示出了某些方面，但应当理解，此类方面仅仅是对本发明的说明而非限制，并且本发明不限于所示和所述的特定构造和布置，因为本领域的普通技术人员可以想到各种其他修改。因此，本说明书应被视为例示性的而非限制性的。

Claims

1.一种用于确定微创外科手术的外科端口放置的方法，所述方法包括：

接收患者的多个测量结果；

基于所接收的测量结果，确定具有考虑到充气效应的穹顶形状的参数化躯干模型的实例；

接收外科规程的标识，并且作为响应，确定所述参数化躯干模型中的一组归一化外科目标位置；

将所述一组归一化外科目标位置映射到所述参数化躯干模型的所述实例中的一组未归一化外科目标位置；

接收外科工具的特性；以及

基于所述外科工具的所述特性并且基于所述一组未归一化外科目标位置，计算所述参数化躯干模型的所述实例上的一组允许的端口位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述患者的所述多个测量结果包括从对所述患者执行的医学成像规程获得的一个或多个测量结果。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述参数化躯干模型包括在髋部平面、腰部平面、胸部平面和上胸部平面处具有至少四个椭圆横截面的椭圆柱。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述腰部平面椭圆横截面由具有不同曲率半径的两个半椭圆组成。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述两个半椭圆是接合到背侧或底部半椭圆的腹侧或上部半椭圆。

6.根据权利要求1所述的方法，其中确定参数化躯干模型的实例包括通过将膨胀因子应用于非充气状态外表面来导出充气状态的外表面。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述膨胀因子根据体重指数BMI变化。

8.根据权利要求1所述的方法，其中确定参数化躯干模型的实例包括基于所接收的在对所述患者进行充气时已经获得的多个测量结果来直接生成外表面。

9.一种用于确定微创外科手术的外科端口放置的计算机系统，所述计算机系统包括：

处理器；和

存储器，所述存储器中存储有指令，所述指令将所述处理器配置为：

接收患者的多个测量结果；

基于所接收的测量结果，确定参数化躯干模型的实例，所述参数化躯干模型限定外表面和内脏表面，所述外表面和所述内脏表面各自具有考虑到充气效应的穹顶形状；

接收外科工具的特性；以及

10.根据权利要求9所述的计算机系统，其中所述患者的所述多个测量结果包括从对所述患者执行的医学成像规程获得的一个或多个测量结果。

11.根据权利要求9所述的计算机系统，其中所述参数化躯干模型包括在髋部平面、腰部平面、胸部平面和上胸部平面处具有至少四个椭圆横截面的椭圆柱。

12.根据权利要求11所述的计算机系统，其中所述腰部平面椭圆横截面由具有不同曲率半径的两个半椭圆组成。

13.根据权利要求12所述的计算机系统，其中所述两个半椭圆是接合到背侧或底部半椭圆的腹侧或上部半椭圆。

14.根据权利要求9所述的计算机系统，其中所述处理器通过以下方式来确定参数化躯干模型的实例：

通过将膨胀因子应用于非充气状态外表面来导出充气状态的所述外表面。

15.根据权利要求14所述的计算机系统，其中所述膨胀因子根据体重指数BMI变化。

16.根据权利要求9所述的计算机系统，其中所述处理器通过以下方式来确定参数化躯干模型的实例：

基于所接收的在对所述患者进行充气时已经获得的多个测量结果来直接生成所述外表面。

17.一种包括计算机可读存储介质的制品，所述计算机可读存储介质在其中存储有指令，所述指令通过将处理器配置为执行以下步骤来将所述处理器配置为确定用于微创外科手术的外科端口放置：

接收患者的多个测量结果；

接收外科工具的特性；以及

18.根据权利要求17所述的制品，其中所述患者的所述多个测量结果包括从对所述患者执行的医学成像规程获得的一个或多个测量结果。

19.根据权利要求17所述的制品，其中所述处理器通过以下方式来确定参数化躯干模型的实例：

20.根据权利要求19所述的制品，其中所述计算机可读存储介质在其中存储有作为变量的所述膨胀因子，所述变量是体重指数BMI的函数。