CN117045318A - 一种穿刺手术引导系统、方法及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例提供一种穿刺手术引导系统、方法及手术机器人，该系统包括：控制系统，控制系统包括一个或多个处理器和存储器，存储器包括适于致使一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作的编程指令：在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；将第一图像、第二图像进行配准，得到第四图像，第四图像包含配准后的穿刺规划信息；将第四图像映射至第三图像，以引导穿刺手术。

Description

一种穿刺手术引导系统、方法及手术机器人

技术领域

本说明书涉及医疗技术领域，特别涉及一种穿刺手术引导系统、方法及手术机器人。

背景技术

CT(Computed Tomography，计算机断层扫描)引导经皮穿刺手术是目前临床上进行癌症诊断和治疗的最常用方法，在实时CT扫描下，医生主从控制机器人进行穿刺，大大提高了穿刺效率和精度，降低了患者的射线照射剂量。但是受辐射剂量，成像时间等限制，实时CT扫描的范围较小，影响实时穿刺视野。如果病灶较大或入针点与靶点相距较远或用户希望完整观察实时穿刺时整个靶器官的状态，就需要扩大扫描范围。如果扩大实时CT扫描范围，会导致CT图像的层厚过大，无法识别靶器官内部的细节信息，特别当病灶较小时，可能实时扫描的图像中无法显示病灶的详细信息。

因此，亟需一种可以实时显示穿刺状态，又具有较大的视野和详细的细节信息的穿刺手术引导方法。

发明内容

本说明书实施例之一提供一种穿刺手术引导系统，包括：控制系统，所述控制系统包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器包括适于致使所述一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作的编程指令：在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；将所述第一图像、所述第二图像进行配准，得到第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；将所述第四图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。

本说明书实施例之一提供一种穿刺手术引导系统，包括：控制系统，所述控制系统包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器包括适于致使所述一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作的编程指令：在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；将所述第一图像、所述第二图像进行第一次配准，得到第一形变信息和第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；将所述第二图像、所述第三图像进行第二次配准，得到第二形变信息；将所述第二形变信息作用于所述第四图像，得到第五图像，所述第五图像中包含经过所述第二次配准后的穿刺规划信息；将所述第五图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。

本说明书实施例之一提供一种穿刺手术引导方法，所述方法包括：在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；将所述第一图像、所述第二图像进行配准，得到第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；所述第四图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。

本说明书实施例之一提供一种穿刺手术引导方法，所述方法包括：在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；将所述第一图像、所述第二图像进行第一次配准，得到第一形变信息和第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；将所述第二图像、所述第三图像进行第二次配准，得到第二形变信息；将所述第二形变信息作用于所述第四图像，得到第五图像，所述第五图像中包含经过所述第二次配准后的穿刺规划信息；将所述第五图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。

本说明书实施例之一提供一种手术机器人，包括：机械臂，执行穿刺手术；以及控制系统，所述控制系统包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器包括适于致使所述一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作的编程指令：在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；将所述第一图像、所述第二图像进行配准，得到第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；将所述第四图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。

本说明书实施例之一提供一种手术机器人，包括：机械臂，执行穿刺手术；以及控制系统，所述控制系统包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器包括适于致使所述一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作的编程指令：在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；将所述第一图像、所述第二图像进行第一次配准，得到第一形变信息和第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；将所述第二图像、所述第三图像进行第二次配准，得到第二形变信息；将所述第二形变信息作用于所述第四图像，得到第五图像，所述第五图像中包含经过所述第二次配准后的穿刺规划信息；将所述第五图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。

现有技术在术中导航时，术中没有穿刺路径引导及靶点(病灶)的显示。现有技术中的实时仿真规划，计算过于复杂，耗时长，应用于临床场景难度较大。

基于此，本说明书实施例提出了高效准确的穿刺手术引导方法和系统，将穿刺手术前扫描的大视野薄层图像的规划结果与术中实时影像相结合，即利用了实时影像实时显示病人穿刺部位的状态，又引入了穿刺手术前详细规划结果及细节信息，规避高风险区域，降低手术风险。并将术中实时穿刺过程以穿刺针针尖位置在视野中央为依据，穿刺针沿着穿刺规划路径穿刺向病灶，CT移床或移动探测器更新扫描范围，获取实时扫描图像，为穿刺过程进行穿刺引导，提高了手术效率，降低手术风险。

附图说明

本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：

图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性穿刺手术引导系统的应用场景示意图；

图2是根据本说明书一些实施例所示的示例性穿刺手术引导方法的流程图；

图3是根据本说明书一些实施例所示的示例性穿刺手术引导方法的示意图；

图4是根据本说明书另一些实施例所示的示例性穿刺手术引导方法的另一示意图；

图5是根据本说明书一些实施例所示的示例性穿刺手术引导用户界面的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本说明书应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

应当理解，本文使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。

如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。

本说明书中使用了流程图用来说明根据本说明书的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性穿刺手术引导系统的应用场景示意图。在一些实施例中，如图1所示，穿刺手术引导系统100可以至少包括医疗设备110、处理设备120、终端设备130、机械臂140、存储设备150和网络160。

医疗设备110可以对检测区域或扫描区域内的目标对象进行扫描，得到该目标对象的扫描数据。在一些实施例中，目标对象可以包括生物对象和/或非生物对象。例如，目标对象可以是有生命或无生命的有机和/或无机物质。

在一些实施例中，医疗设备110可以包括单模态扫描仪和/或多模态扫描仪。单模态扫描仪可以包括例如超声波扫描仪、X射线扫描仪、计算机断层扫描(CT)扫描仪、核磁共振成像(MRI)扫描仪、超声检查仪、正电子发射计算机断层扫描(PET)扫描仪、光学相干断层扫描(OCT)扫描仪、超声(US)扫描仪、血管内超声(IVUS)扫描仪、近红外光谱(NIRS)扫描仪、远红外(FIR)扫描仪等或其任意组合。多模态扫描仪可以包括例如X射线成像-核磁共振成像(X射线-MRI)扫描仪、正电子发射断层扫描-X射线成像(PET-X射线)扫描仪、单光子发射计算机断层扫描-核磁共振成像(SPECT-MRI)扫描仪、正电子发射断层扫描-计算机断层摄影(PET-CT)扫描仪、数字减影血管造影-核磁共振成像(DSA-MRI)扫描仪等或其任意组合。上述医疗设备的相关描述仅用于说明目的，而无意限制本说明书的范围。

处理设备120可以处理从医疗设备110、终端设备130、机械臂140、存储设备150和/或穿刺手术引导系统100的其他组件获取的数据和/或信息。例如，处理设备120可以从医疗设备110中获取目标对象在不同的时间(例如，穿刺手术前、穿刺手术中穿刺执行之前、穿刺执行过程中等)的图像(例如，CT扫描图像、PET扫描图像等)，并对其进行分析处理。又例如，处理设备120可以将目标对象在不同的时间的图像进行配准，得到配准后的穿刺规划信息，以引导穿刺手术。

在一些实施例中，处理设备120可以是单一服务器或服务器组。服务器组可以是集中式的或分布式的。在一些实施例中，处理设备120可以是本地或远程的。例如，处理设备120可以通过网络160从医疗设备110、终端设备130、机械臂140和/或存储设备150访问信息和/或数据。又例如，处理设备120可以直接连接到医疗设备110、终端设备130、机械臂140和/或存储设备150以访问信息和/或数据。在一些实施例中，处理设备120可以在云平台上实现。例如，云平台可以包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布式云、云间云、多云等或其任意组合。

在一些实施例中，处理设备120和医疗设备110可以集成为一体。在一些实施例中，处理设备120和医疗设备110可以直接或间接相连接，联合作用实现本说明书所述的方法和/或功能。

在一些实施例中，处理设备120可以包括输入装置和/或输出装置。通过输入装置和/或输出装置，可以实现与用户的交互(例如，显示穿刺的规划路径等)。在一些实施例中，输入装置和/或输出装置可以包括显示屏、键盘、鼠标、麦克风等或其任意组合。

终端设备130可以与医疗设备110、处理设备120、机械臂140和/或存储设备150通信和/或连接。在一些实施例中，可以通过终端设备130实现与用户的交互。在一些实施例中，终端设备130可以包括移动设备131、平板电脑132、笔记本电脑133等或其任意组合。在一些实施例中，终端设备130(或其全部或部分功能)可以集成在处理设备120中。

机械臂140可以模仿人类手臂的功能，并实现自动控制。在一些实施例中，机械臂140可以包括彼此连接的多关节结构，能够在平面或三维空间运动。在一些实施例中，机械臂140可以包括控制器、机械主体、感应器等。在一些实施例中，控制器可以设置机械主体的动作参数(例如，轨迹、方向、角度、速度、力度等)；机械主体可以精确地执行上述动作参数；感应器可以探测或感受外界的信号、物理条件(例如，光、热、湿度)或化学组成(例如，烟雾)，并将探知的信息传递给控制器。在一些实施例中，机械臂140可以包括刚性机械臂、柔性机械臂、气动助力机械臂、软索助力机械臂、线性机械臂、水平多关节机械臂、关节多轴机械臂等或其任意组合。上述机械臂的相关描述仅用于说明目的，而无意限制本说明书的范围。

在一些实施例中，穿刺器械(例如，手术针、光纤针、静脉留置针、注射针、穿刺针、活检针等)可以安装在机械臂140上，并通过机械臂执行穿刺手术过程。

在一些实施例中，处理设备120和机械臂140可以集成为一体。在一些实施例中，处理设备120和机械臂140可以直接或间接相连接，联合作用实现本说明书所述的方法和/或功能。在一些实施例中，医疗设备110、处理设备120和机械臂140可以集成为一体。在一些实施例中，医疗设备110、处理设备120和机械臂140可以直接或间接相连接，联合作用实现本说明书所述的方法和/或功能。

存储设备150可以存储数据、指令和/或任何其他信息。在一些实施例中，存储设备150可以存储从医疗设备110、处理设备120、终端设备130和/或机械臂140获取的数据(例如，图像、穿刺规划信息、用户指令等)。在一些实施例中，存储设备150可以存储处理设备120用来执行或使用以完成本说明书中描述的示例性方法的数据和/或指令。

在一些实施例中，存储设备150可以包括一个或多个存储组件，每个存储组件可以是一个独立的设备，也可以是其他设备的一部分。在一些实施例中，存储设备150可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、大容量存储器、可移动存储器、易失性读写存储器等或其任意组合。在一些实施例中，存储设备150可在云平台上实现。在一些实施例中，存储设备150可以是医疗设备110、处理设备120和/或终端设备130的一部分。

网络160可以包括能够促进信息和/或数据交换的任何合适的网络。在一些实施例中，穿刺手术引导系统100的至少一个组件(例如，医疗设备110、处理设备120、终端设备130、机械臂140、存储设备150)可以通过网络160与穿刺手术引导系统100中至少一个其他组件交换信息和/或数据。例如，处理设备120可以通过网络160从医疗设备110获取目标对象的图像。

应当注意，上述关于穿刺手术引导系统100的描述仅仅是为了说明的目的而提供，并不意图限制本说明书的范围。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本说明书的描述，做出多种修改或变化。例如，穿刺手术引导系统100可以在其它设备上实现类似或不同的功能。然而，这些变化和修改不会背离本说明书的范围。应当理解，穿刺手术引导系统100可以利用各种方式来实现。例如，通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。本说明书的系统及其模块不仅可以有诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用例如由各种类型的处理器所执行的软件实现，还可以由上述硬件电路和软件的结合(例如，固件)来实现。

图2是根据本说明书一些实施例所示的示例性穿刺手术引导方法的流程图。在一些实施例中，流程200可以由处理设备120执行。例如，流程200可以以程序或指令的形式存储在存储设备(例如，存储设备150、处理设备120的存储单元)中，当处理器执行程序或指令时，可以实现流程200。在一些实施例中，流程200可以利用以下未描述的一个或以上附加操作，和/或不通过以下所讨论的一个或以上操作完成。

步骤210，在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像。在一些实施例中，步骤210可以由处理设备120执行。

目标对象可以包括扫描过程中涉及的生物对象和/或非生物对象的整体或部位。例如，目标对象可以是有生命或无生命的有机和/或无机物质，如头部、耳鼻、口腔、颈部、胸部、腹部、肝胆胰脾、肾脏、脊柱等。

在一些实施例中，处理设备120可以通过医疗设备110在不同的时间采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像。在一些实施例中，处理设备120可以从医疗设备110、存储设备150、处理设备120的存储单元等获取目标对象的第一图像、第二图像、第三图像。

在一些实施例中，第一图像、第二图像、第三图像由计算机断层扫描(CT)设备采集。

第一图像可以是术前增强图像或术前平扫图像。在一些实施例中，第一图像可以在穿刺手术前采集。穿刺手术前可以是穿刺手术进行前一定时间段内，例如，前1小时、前两小时、前5小时、前一天、前两天、前一周等。在一些实施例中，第一图像可以在目标对象首诊时、常规体检时、前次穿刺手术结束后采集。

第二图像可以是术中实时影像。在一些实施例中，第二图像在穿刺手术中且穿刺执行之前采集。穿刺手术中且穿刺执行之前可以是入针前的准备时间。例如，可以在定位时间、消毒时间、局部麻醉时间等采集第二图像。又例如，第二图像可以是手术中的第一帧实时图像。

第三图像可以是术中实时影像。在一些实施例中，第三图像在穿刺执行过程中采集。穿刺执行过程是指从皮肤进针，按照穿刺路径进入靶区，在靶区完成操作以及出针的过程。

在一些实施例中，第一图像、第二图像、第三图像可以通过不同的成像设备采集。例如，第一图像可以通过影像室的成像设备采集，第二图像、第三图像可以通过手术室的成像设备采集。在一些实施例中，第一图像、第二图像、第三图像的图像参数(例如，图像范围、精度、对比度、灰度、梯度等)可以相同或不同。例如，第一图像的扫描范围可以大于第二图像、第三图像的扫描范围，或者，第二图像、第三图像的精度可以高于第一图像。

在一些实施例中，第一图像、第二图像、第三图像在目标对象处于相同的呼吸幅度点或不影响穿刺准确性的相近呼吸幅度点下采集。在一些实施例中，第一图像在目标对象处于第一呼吸幅度点下采集，第二图像在目标对象处于第二呼吸幅度点下采集、第三图像在目标对象处于第三呼吸幅度点下采集，第二呼吸幅度点与第一呼吸幅度点的偏差小于预设值，第三呼吸幅度点与第一呼吸幅度点和/或第二呼吸幅度点的偏差小于预设值。在一些实施例中，预设值可以根据需求和/或经验设定，例如，将预设值设为1％、5％、7％、10％等。如图3所示，第一图像在第一呼吸幅度点A采集、第二图像在与第一呼吸幅度点A的偏差小于预设值的第二呼吸幅度点A’采集、第三图像在与第一呼吸幅度点A和/或第二呼吸幅度点A’的偏差小于预设值的第三呼吸幅度点A”点采集。

呼吸幅度是反映呼吸过程中气量变化的物理量。呼吸幅度点是指处于某呼吸幅度的时间点，例如，吸气末、呼气末、吸气的某个中间状态、呼气的某个中间状态等。在一些实施例中，采集图像(例如，第一图像、第二图像、第三图像)的呼吸幅度点可以根据需求、经验和/或用户习惯确定。例如，做肺部穿刺时，吸气状态对病灶的挤压较少，可以在吸气末采集图像。

在一些实施例中，在穿刺手术前、穿刺手术中穿刺执行之前、在穿刺执行过程中，目标对象可以自行调整(或在技师指导下调整)到某一呼吸幅度点(例如，吸气末)，医疗设备110可以在该呼吸幅度点分别采集第一图像、第二图像、第三图像。

在一些实施例中，处理器120可以通过呼吸门控装置使第一图像、第二图像、第三图像在目标对象处于相同或近似相同的呼吸幅度点下采集。例如，如图3所示，采集第一图像时，呼吸门控装置可以获取目标对象所处的呼吸幅度点A；穿刺手术中、穿刺执行之前，呼吸门控装置可以监控目标对象的呼吸，并且使医疗设备110在目标对象处于呼吸幅度点A’时采集第二图像；穿刺执行过程中，呼吸门控装置可以监控目标对象的呼吸幅度，在目标对象调整呼吸至呼吸幅度点A”时，使医疗设备110采集第三图像，并在目标对象屏气(即保持呼吸幅度在A”点附近)过程中，监控目标对象的呼吸幅度，在目标对象呼吸幅度偏离A”较大时，对用户发出提示。

在相同或近似相同的呼吸幅度点下采集第一图像、第二图像、第三图像，可以使呼吸运动造成的图像之间的器官组织的移动较小，有利于提高术前规划的准确度。

步骤220，将第一图像、第二图像进行配准，得到第四图像，第四图像包含配准后的穿刺规划信息。在一些实施例中，步骤220可以由处理设备120执行。

配准是指将不同时间或不同条件下获取的不同图像进行匹配、叠加的过程，通过配准可以综合体现不同图像包括的多维度信息。

在一些实施例中，处理设备120可以采用基于特征、灰度等的非刚体配准算法，如基于Demons的非刚体配准算法，将第一图像、第二图像进行配准。在一些实施例中，处理设备120还可以采用基于深度学习的非刚体配准算法，将第一图像、第二图像进行配准，以提高配准的实时性。

在一些实施例中，第一图像在穿刺手术前采集，采集和图像处理的时间相对充裕，第一图像扫描范围较大、片层较厚，例如，包括涵盖所有相关组织和/或器官的大量片层。在信息更全面的第一图像上规划穿刺路径有利于提高后续穿刺手术引导的准确性。

在一些实施例中，第二图像在穿刺手术中、穿刺执行之前采集，采集和图像处理的时间相对紧迫，第二图像扫描范围较小、片层较薄，例如，仅包括涵盖针尖周围的4到10个片层。可以理解，将第一图像、第二图像进行配准得到的第四图像包含配准后的穿刺规划信息。

在一些实施例中，首先，处理设备120可以基于第一图像得到穿刺规划信息图像。

穿刺规划信息图像是指包含穿刺规划信息的图像。在一些实施例中，穿刺规划信息可以包括高危险组织信息、穿刺的规划路径、病灶位置信息中的至少一个。高危险组织是指被穿刺会对目标对象和/或手术进程造成不利影响的器官和/或组织，例如，大血管、骨骼等。在一些实施例中，可以根据不同患者的个体情况，设置不同的高危险组织。例如，将肝功能低下患者的肝脏作为危险区、将目标对象体内的其他病灶作为危险区。穿刺的规划路径是指规划好的穿刺器械行进的路线。穿刺的规划路径信息可以包括入针点、靶点、穿刺角度、穿刺深度、路径长度、路径途经组织和/或器官等。病灶位置信息可以包括病灶(或病灶中心)在人体坐标系的坐标、深度、体积、边缘等。

在一些实施例中，处理设备120或相关人员(例如，医生)可以对第一图像进行处理获得穿刺规划信息。例如，可以分割出各项组织或器官，如，血管、皮肤、骨骼、脏器、待穿刺组织等。又例如，可以对分割出的各项组织或器官进行分类，分为病灶区、可穿区、高危险组织等。再例如，可以根据病灶区、可穿区、高危险组织等确定穿刺的规划路径。在一些实施例中，处理设备120或相关人员(例如，医生)可以在第一图像上对穿刺规划信息进行标注，获得穿刺规划信息图像。

其次，处理设备120可以将第一图像、第二图像进行第一次配准，得到第一形变信息。第一形变信息是指第二图像中的图像元素(例如，像素或体素)相对于第一图像中的对应图像元素的形态变化信息。例如，几何变化信息、投影变化信息等。第一形变信息可以用第一形变矩阵表示，示例的，第一形变矩阵可以包括x方向上的形变矩阵、y方向上的形变矩阵和z方向上的形变矩阵，各个形变矩阵中的元素对应第二图像的单位区域(例如，1个像素点、1mm×1mm的图像区域、1个体素点、1mm×1mm×1mm的图像区域等)，元素的值为该单位区域的在x轴、y轴或z轴方向的形变信息。在一些实施例中，处理设备120可以通过基于Demons的非刚体配准算法、几何纠正法、基于深度学习的非刚体配准算法等将第一图像、第二图像进行第一次配准，得到第一形变信息。

最后，处理设备120可以将第一形变信息作用于穿刺规划信息图像，得到第四图像，其中，第四图像中的穿刺规划信息为经过第一次配准后的穿刺规划信息。示例的，处理设备120可以将第一形变矩阵作用于穿刺规划信息图像，即，使穿刺规划信息图像以及其中穿刺规划信息(高危险组织信息、穿刺的规划路径、病灶位置信息等)产生与第一形变信息对应的形态变化，从而得到第四图像。

由于实现高精度的配准的时间一般较长，需要几秒到十几秒左右。通过在穿刺手术中、穿刺执行之前预先将第一图像与第二图像进行高精度配准，可以避免或减少穿刺执行开始之后的计算压力，使实际穿刺手术能够在获取实时图像后立即执行或较短的时间内执行，减少穿刺执行的时长。

步骤230，将第四图像映射至第三图像，以引导穿刺手术。在一些实施例中，步骤230可以由处理设备120执行。

在一些实施例中，处理设备120可以通过单应性变换、仿射变换、阿尔法通道变换等方法，将第四图像映射至第三图像，以引导穿刺手术。例如，用户可以以映射后的第三图像为引导，执行映射后的穿刺路径，并避开血管等高风险区域，逐步向映射的病灶进行穿刺。

在一些实施例中，如果不通过呼吸门控装置监控目标对象的呼吸，第二图像和第三图像可能在目标对象处于不同呼吸幅度点时采集，图像中器官和/或组织可能发生移动，处理设备120可以对第二图像和第三图像进行第二次配准。如图4所示，在一些实施例中，处理设备120可以将第二图像、第三图像进行第二次配准，得到第二形变信息。

第二形变信息是指第三图像中的图像元素相对于第二图像中的对应图像元素的形态变化信息。例如，几何变化信息、投影变化信息等。第二形变信息可以用第二形变矩阵表示，示例的，第二形变矩阵可以包括x方向上的形变矩阵、y方向上的形变矩阵和z方向上的形变矩阵，各个形变矩阵中的元素对应第三图像的单位区域(例如，1个像素点、1mm×1mm的图像区域、1个体素点、1mm×1mm×1mm的图像区域等)，元素的值为该单位区域的在x轴、y轴或z轴方向的形变信息。在一些实施例中，处理设备120可以通过基于Demons的非刚体配准算法、几何纠正法、基于深度学习的非刚体配准算法等将第二图像、第三图像进行第二次配准，得到第二形变信息。

在一些实施例中，处理设备120可以将第二形变信息作用于第四图像，得到第五图像，第五图像中包含经过第二次配准后的穿刺规划信息。例如，处理设备120可以将第二形变矩阵作用于第四图像，使第四图像包含的经过第一次配准的穿刺规划信息(高危险组织信息、穿刺的规划路径、病灶位置信息等)产生与第二形变信息对应的形态变化，从而得到第五图像。

在一些实施例中，处理设备120可以将第五图像映射至第三图像。例如，通过单应性变换、仿射变换、阿尔法通道变换等方法将第五图像映射至第三图像。

由于第二图像与第三图像都是少片层的数据，快速配准的计算量小，可在执行手术过程中获取第三图像后较短的时间内实现配准，降低手术风险。

在一些实施例中，穿刺执行时，处理设备120可以在第三图像的显示范围之外，显示第四图像或第五图像中位于第三图像的显示范围之外的图像信息。例如，显示第四图像或第五图像中的其他组织和/或器官等。又例如，如图5所示，T₁时刻显示第三图像的显示范围之外的病灶。

在一些实施例中，处理设备120可以在第三图像的显示范围之外，显示对应的穿刺的规划路径信息。例如，如图5所示，病灶在扫描范围外，显示C点到病灶的规划路径。

在一些实施例中，处理设备120可以对第三图像的显示范围内和外的图像信息进行区别显示。例如，为显示范围内和显示范围外设置不同的底色，显示范围内以RGB图像显示、显示范围外以灰度图像显示，显示范围内的线条(例如，规划路径)以实线显示，显示范围外的线条(例如，规划路径)以虚线(或不同颜色的实线)显示等。

由于受辐射剂量，成像时间等限制，第三图像扫描的范围较小，影响实时穿刺视野。通过呈现显示范围之外的信息，可以将映射到第三图像扫描范围外的穿刺规划信息补全到穿刺过程实时图像中，以增大穿刺过程用户可以看到的规划信息的视野，获取更多穿刺过程的有用信息。特别的当开始时穿刺病灶不在穿刺过程实时图像(例如第三图像)扫描范围内时，显示在扫描范围外的病灶能够给医生穿刺提供明确的目标，使手术更容易成功。

在一些实施例中，处理设备120可以根据第三图像，识别穿刺针尖位置。处理设备120可以通过半自动阈值分割算法或全自动的深度学习算法提取得到第三图像中的穿刺针，进而可以获取针尖位置。例如，如图5所示，处理设备120可以识别出T₁时刻针尖的位置B₁点。

其次，处理设备120可以根据针尖位置，移动目标对象、承载目标对象的床板，或用于采集第三图像的探测器，使得针尖位置位于第三图像的显示范围的居中区域。例如，如图5所示，在T₁时刻，针尖沿着规划路径穿刺向病灶，处理设备120可以预估T₂时刻针尖的位置B₂点，在T₁-T₂时间段内根据针尖位置变化移床，使第三图像的扫描范围向下移动，使得针尖位置位于第三图像的显示范围的居中区域。

通过移动目标对象、承载目标对象的床板，或用于采集第三图像的探测器，实时更新扫描范围，保持针尖位置位于第三图像的显示范围的居中区域，可以突出显示针尖周围的信息，更精准的跟踪针尖行进过程，有利于提高手术效率，降低手术风险。

应当注意的是，上述有关流程200的描述仅仅是为了示例和说明，而不限定本说明书的适用范围。对于本领域技术人员来说，在本说明书的指导下可以对流程200进行各种修正和改变。然而，这些修正和改变仍在本说明书的范围之内。

图3是根据本说明书一些实施例所示的示例性穿刺手术引导方法的示意图。

在一些实施例中，处理设备120通过呼吸门控装置监控目标对象的呼吸。如图3所示，采集第一图像时，呼吸门控装置可以获取目标对象所处的呼吸幅度点A。穿刺手术中、穿刺执行之前，呼吸门控装置可以监控目标对象的呼吸，并且使医疗设备110在目标对象处于呼吸幅度点A’时采集第二图像。处理设备120通过对第一图像进行处理，得到穿刺规划信息图像，通过第一次配准，得到第一形变信息。处理设备120将第一形变信息作用于穿刺规划信息图像，得到第四图像，第四图像包含第一次配准后的穿刺规划信息。

穿刺执行过程中，目标对象可以自行控制(例如，屏气)呼吸幅度至相同或相近呼吸幅度。或者，处理设备120可以通过呼吸门控装置监控目标对象的呼吸幅度。在目标对象调整呼吸至第三呼吸幅度点A”时，医疗设备110采集第三图像，处理设备120将第四图像映射至第三图像，以引导穿刺手术。如果呼吸门控装置检测到呼吸幅度出现明显的偏差，处理设备120可以给出提示和/或中断穿刺；待目标对象调整至相同或相近呼吸幅度时，继续穿刺过程。

通过利用呼吸门控装置，在相同或近似相同的呼吸幅度点下采集第一图像、第二图像、第三图像，可以使呼吸运动造成的图像之间的器官组织的移动较小，有利于提高术前规划的准确度。

图4是根据本说明书另一些实施例所示的示例性穿刺手术引导方法的另一示意图。

在一些实施例中，处理设备120不借助呼吸门控装置监控目标对象的呼吸。如图4所示，处理设备120在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像。处理设备120通过对第一图像进行处理，得到穿刺规划信息图像，通过第一次配准，得到第一形变信息。处理设备120将第一形变信息作用于穿刺规划信息图像，得到第四图像，第四图像包含第一次配准后的穿刺规划信息。

处理设备120将第二图像和第三图像进行第二次配准，得到第二形变信息，并将第二形变信息作用于第四图像，得到第五图像，第五图像中包含经过第二次配准后的穿刺规划信息。处理设备120将第五图像映射至第三图像以引导穿刺手术。

由于第二图像与第三图像都是少片层的数据，第二次配准的计算量小，可在执行手术过程中获取第三图像后较短的时间内实现配准，降低手术风险。

本说明书实施例还提供一种手术机器人，包括：机械臂，执行穿刺手术；以及控制系统，所述控制系统包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器包括适于致使所述一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作的编程指令：在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；将所述第一图像、所述第二图像进行配准，得到第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；将所述第四图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。

本说明书实施例还提供一种手术机器人，包括：机械臂，执行穿刺手术；以及控制系统，所述控制系统包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器包括适于致使所述一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作的编程指令：在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；将所述第一图像、所述第二图像进行第一次配准，得到第一形变信息和第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；将所述第二图像、所述第三图像进行第二次配准，得到第二形变信息；将所述第二形变信息作用于所述第四图像，得到第五图像，所述第五图像中包含经过所述第二次配准后的穿刺规划信息；将所述第五图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。

本说明书一些实施例中，(1)在相同或相近的呼吸幅度点下采集各个图像，可以使呼吸运动造成的图像之间的器官组织的移动较小，有利于提高术前规划的准确度；(2)在穿刺执行之前预先进行高精度配准，避免或减少穿刺执行开始之后的计算压力，减少穿刺执行的时长；(3)同时避免病人屏气时间过长，提高病人体验；(4)显示大视野引导图像，区别显示实时图像和规划图像，更明确的引导穿刺手术。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。

同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

此外，除非权利要求中明确说明，本说明书所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本说明书一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

针对本说明书引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本说明书作为参考。与本说明书内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本说明书权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本说明书中的)也除外。需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。

最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。

Claims (13)

1.一种穿刺手术引导系统，其特征在于，所述系统包括：

控制系统，所述控制系统包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器包括适于致使所述一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作的编程指令：

在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；

将所述第一图像、所述第二图像进行配准，得到第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；

将所述第四图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中：

所述第一图像在所述穿刺手术前采集，所述第二图像在所述穿刺手术中、穿刺执行之前采集，所述第三图像在所述穿刺执行过程中采集，所述第一图像、所述第二图像、所述第三图像由计算机断层扫描设备采集。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述第一图像在所述目标对象处于第一呼吸幅度点下采集，所述第二图像在所述目标对象处于第二呼吸幅度点下采集、所述第三图像在所述目标对象处于第三呼吸幅度点下采集，所述第二呼吸幅度点与所述第一呼吸幅度点的偏差小于预设值，所述第三呼吸幅度点与所述第一呼吸幅度点和/或所述第二呼吸幅度点的偏差小于预设值。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述将所述第一图像、所述第二图像进行配准，得到第四图像，包括：

基于所述第一图像得到穿刺规划信息图像；

将所述第一图像、所述第二图像进行第一次配准，得到第一形变信息；

将所述第一形变信息作用于所述穿刺规划信息图像，得到所述第四图像，其中，所述第四图像中的穿刺规划信息为经过所述第一次配准后的穿刺规划信息。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述编程指令还包括以下中的至少一项：

在所述第三图像的显示范围之外，显示所述第四图像中位于所述第三图像的显示范围之外的图像信息；

在所述第三图像的显示范围之外，显示对应的穿刺的规划路径信息；

对所述第三图像的显示范围内和外的图像信息进行区别显示。

6.一种穿刺手术引导系统，其特征在于，所述系统包括：

控制系统，所述控制系统包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器包括适于致使所述一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作的编程指令：

在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；

将所述第一图像、所述第二图像进行第一次配准，得到第一形变信息和第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；将所述第二图像、所述第三图像进行第二次配准，得到第二形变信息；

将所述第二形变信息作用于所述第四图像，得到第五图像，所述第五图像中包含经过所述第二次配准后的穿刺规划信息；

将所述第五图像映射至所述第三图像。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述编程指令还包括以下中的至少一项：

在所述第三图像的显示范围之外，显示所述第五图像中位于所述第三图像的显示范围之外的图像信息；

在所述第三图像的显示范围之外，显示对应的穿刺的规划路径信息；

对所述第三图像的显示范围内和外的图像信息进行区别显示。

8.如权利要求1或6所述的系统，其特征在于，所述穿刺规划信息包括高危险组织信息、穿刺的规划路径、病灶位置信息中的至少一个。

9.如权利要求1或6所述的系统，其特征在于，所述编程指令还包括：

根据所述第三图像，识别穿刺针尖位置；

根据所述针尖位置，移动所述目标对象、承载所述目标对象的床板或用于采集所述第三图像的探测器，使得所述针尖位置位于所述第三图像的显示范围的居中区域。

10.一种穿刺手术引导方法，其特征在于，所述方法包括：

在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；

将所述第一图像、所述第二图像进行配准，得到第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；

将所述第四图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。

11.一种穿刺手术引导方法，其特征在于，所述方法包括：

在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；

将所述第一图像、所述第二图像进行第一次配准，得到第一形变信息和第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；

将所述第二图像、所述第三图像进行第二次配准，得到第二形变信息；

将所述第二形变信息作用于所述第四图像，得到第五图像，所述第五图像中包含经过所述第二次配准后的穿刺规划信息；

将所述第五图像映射至所述第三图像。

12.一种手术机器人，包括：

机械臂，执行穿刺手术；以及

控制系统，所述控制系统包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器包括适于致使所述一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作的编程指令：

在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；

将所述第一图像、所述第二图像进行配准，得到第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；

将所述第四图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。

13.一种手术机器人，包括：

机械臂，执行穿刺手术；以及

控制系统，所述控制系统包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器包括适于致使所述一个或多个处理器执行包括以下步骤的操作的编程指令：

在不同的时间分别采集目标对象的第一图像、第二图像、第三图像；

将所述第一图像、所述第二图像进行第一次配准，得到第一形变信息和第四图像，所述第四图像包含配准后的穿刺规划信息；

将所述第二图像、所述第三图像进行第二次配准，得到第二形变信息；

将所述第二形变信息作用于所述第四图像，得到第五图像，所述第五图像中包含经过所述第二次配准后的穿刺规划信息；

将所述第五图像映射至所述第三图像，以引导穿刺手术。