CN117425447A - 用于超声引导置针的医疗机器人 - Google Patents

Abstract

一种医疗机器人(10)，其包括机械臂(13)，该机械臂配备有用于沿着由患者皮肤的进入点和患者的目标解剖结构中待治疗病变处的目标点所限定的轨迹引导医疗器械(15)。该医疗机器人与超声探头(40)和用于确定机器人的位置、超声探头的位置和患者标记物(22)的位置的导航系统(30)协作。该机器人被配置为基于在患者的至少一个呼吸周期期间由超声探头获取的超声图像，根据患者标记物的位置生成目标点的位置和进入点的位置的模型。由此生成的模型可以允许根据患者标记物的位置实时控制所述机械臂，从而精确地引导所述医疗器械。

Description

用于超声引导置针的医疗机器人

技术领域

本申请中公开的方法和设备属于机器人设备领域，用于在微创医疗干预期间协助从业者，包括将一个或多个医疗器械插入患者的目标解剖结构中。具体地，本发明涉及一种医疗机器人，其被配置为用于跟踪患者的目标解剖结构内病变中的目标点的运动，并实时调整机器人的关节臂的位置，以便最佳地将医疗器械引导到目标点。具体地，目标点的移动可由患者的呼吸或由医疗器械的插入产生。

背景技术

为了准备微创干预以使用医疗器械到达患者的目标解剖结构中的目标解剖区域，从业者通常根据术前医学图像(在干预前几天或几周获取)或干预前医学图像(在干预前，当患者躺在干预台上时获取)进行干预规划。具体地，微创医疗干预可针对对器官中的肿瘤进行活组织检查或消融，进行椎体成形术或骨质成形术，甚至刺激特定解剖区域。例如，目标解剖结构可以是肺、肾、肝、脑、胫骨、膝盖、椎骨等。医疗器械可以是针、探头、导管等。

在这个规划步骤中，从业者在待治疗的目标解剖结构的区域中限定一个目标点。从业者还在患者皮肤上限定了医疗器械的进入点。然后，这两点限定了医疗器械必须遵循的轨迹，以便进行医疗干预。在位于胸部、腹部或骨盆区域的软器官的特殊情况下，与患者呼吸有关的运动和/或由于医疗器械的插入而导致的器官局部变形，会在干预期间引起目标点的位移。术前或干预前的医学规划图像不能预测干预期间目标点这样的位移。因此，在获取医学规划图像期间和在干预期间，目标点的位置(即在目标解剖结构中待治疗区域的位置)通常是不同的。因此，当根据医疗规划图像规划医疗器械的插入时，存在医疗器械不能精确到达目标点的风险。

此外，如果没有相应地调整医疗器械要遵循的规划轨迹，则存在医疗器械在插入过程中弯曲而无法到达目标点的风险。

为了限制由患者呼吸产生的目标点的位移，可以设想，在插入医疗器械时，在与获取医疗规划图像相对应的呼吸周期阶段阻断患者的呼吸。如果在局部麻醉下进行医疗干预，患者可以自愿地阻断呼吸；如果在全身麻醉下进行医疗干预(中断机械通气)，则由从业者以控制的方式阻断呼吸。然而，这种解决方案并不总是非常准确，因为很难达到获取医疗规划图像时的呼吸周期阶段与干预期间患者呼吸阻断时的呼吸周期阶段之间的精确对应关系。此外，这种解决方案的先决条件是相对快速地插入医疗器械，因为这必须在患者呼吸被阻断的情况下进行。

还可以设想在患者的呼吸周期期间拍摄若干医疗规划图像，并确定受呼吸产生的目标解剖结构的变形和位移影响最小的轨迹。然而，还是存在医疗器械无法精确到达目标点的风险。

还可以通过定期获取干预内医学图像(当医疗器械插入患者体内时获取的图像)在整个干预过程中跟踪目标点的位置。这些医学图像通常是通过计算机断层扫描、x射线或磁共振获取的。然而，在计算机断层扫描或x射线的情况下，这种解决方案的缺点是在干预期间对患者和从业者有明显的辐射。在磁共振成像的情况下，有必要使用特定的非磁性材料，特别是麻醉材料，这尤其是限制性的。该解决方案还需要在整个干预过程中使用笨重的成像设备。

还已知在超声图像的帮助下跟踪目标解剖结构中病变的位置。然而，病变并不总是在超声图像上可见，现有的解决方案通常缺乏精度。

因此，仍然有必要找到一种解决方案，特别是在干预期间，当与患者呼吸相关的运动和/或由于医疗器械的插入而引起的目标解剖结构的局部变形导致目标点发生位移时，将医疗器械准确地插入患者目标解剖结构内待治疗区域的目标点。

发明内容

本申请公开的方法和设备的目的是弥补现有技术的全部或部分缺陷，特别是上述缺陷。

为此，并根据第一方面，具体地，提出了一种医疗机器人，用于在医疗干预期间协助从业者治疗患者目标解剖结构中的病变。该医疗机器人包括机械臂，其远端包括旨在引导医疗器械的工具引导件。医疗机器人还包括被配置为控制机械臂的控制单元。医疗机器人被配置为与导航系统和待从业者在患者目标解剖结构处定位的超声探头协作。控制单元被配置为能够根据由导航系统传达的信息随时确定旨在固定在医疗机器人上的机器人标记物的位置，旨在定位在患者的目标解剖结构附近的患者标记物的位置，以及待固定在超声探头上的探头标记物的位置。在建模阶段，控制单元被配置为接收在患者的至少一个呼吸周期期间由超声探头获取的多个超声图像，并根据所述患者标记物的位置，从所述超声图像生成用于评估所述病变处目标点的位置和所述患者皮肤处进入点的位置的模型，无关患者的呼吸周期中考虑的时刻。在引导阶段，控制单元被配置为基于患者标记物的位置实时控制机械臂，以沿着由与模型中患者标记物的位置相关联的目标点的位置和进入点的位置所限定的轨迹引导医疗器械。

在本申请中，术语“位置”必须从广义上理解为描述物体在三维参照系中的位置和方向(有时在英语文献中使用术语“姿势”)。标记物位置(患者标记物、机器人标记物和探头标记物)以及目标点的位置和进入点的位置，可以在机器人参照系或导航系统参照系中限定。应注意，机器人的参照系可以相对于导航系统的参照系而限定，因为机器人标记物的位置在导航系统的参照系和机器人的参照系二者中是已知的(例如，机械臂的每个关节包括，例如，编码器，从而能够知道机械臂的每个铰接的元件在机器人的参照系的位置，并且控制单元先验地知道机器人标记物在机器人上的位置)。

建模阶段发生在干预开始时，在将机械臂靠近目标解剖结构之前，和在将医疗器械插入患者体内之前。建模阶段用于将呼吸周期期间相对于患者标记物的目标点的运动和进入点的运动建模。在建模阶段，目标点的位置和进入点的位置与患者标记物的位置相关，因此可以根据患者标记物的位置限定目标点的位置和进入点的位置。因此，所获取的模型可以在呼吸周期的任何时刻限定目标点的位置和进入点的位置，这些位置与医疗器械必须遵循的轨迹相对应，以便精确地到达目标点。

一旦根据患者标记物的位置将目标点的位置和进入点的位置建模，就可以通过利用导航系统实时跟踪患者标记物的位置，实时限定机械臂要采取的位置，以便沿着与患者标记物位置相关联的目标点的位置和进入点的位置所限定的轨迹引导医疗器械。具体地，这种实时跟踪可以在插入医疗器械之前进行。

采用这样的安排，就可以在呼吸周期的任何时刻阻断患者的呼吸，以便继续插入医疗器械。事实上，无关与患者呼吸受阻的时刻，机械臂都将被正确地定位，以允许医疗器械沿着预期的轨迹插入。

此外，在干预期间不再需要阻断患者的呼吸。事实上，机械臂是实时移动的，因此机械臂的位置会不断调整，以沿着预期的轨迹引导医疗器械。

本发明还可以使插入医疗器械后轨迹的侧向调整最小化(轨迹的这种侧向调整，通常对医疗器械所穿越的器官是创伤性的)。

因此，医疗器械可以非常精确地插入待治疗区域，无关在呼吸周期期间插入医疗器械的时刻。医疗器械的插入一般由从业者进行，医疗机器人的目标是引导从业者插入医疗器械。然而，没有什么能阻止医疗器械的插入被控制单元自动化和控制。

此外，由于在呼吸周期期间目标点的位置和进入点的位置的建模是在超声图像的基础上进行的，因此在干预期间患者和从业者不会暴露于电离辐射。

在具体的实施方案中，本发明还可以包括下列特征中的一个或多个，这些特征可以单独地或根据所有技术上可能的组合来采用。

在具体的实施方案中，在建模阶段，针对接收的每个超声图像，控制单元被配置为：

-在由超声探头获取超声图像时确定患者标记物的位置和探头标记物的位置；

-从可于其上看见病变的超声图像中获取分析图像；

-在分析图像上确定病变处的目标点和患者皮肤处的进入点，从而所述目标点和进入点限定医疗器械要遵循的轨迹；

-根据探头标记物的位置确定所述目标点的位置和进入点的位置；

-在由此针对超声图像确定的患者标记物的位置、所述目标点的位置和进入点位置之间建立关联。

此外，所述控制单元被配置为根据由此针对多个超声图像所获取的信息，将目标点的位置和进入点的位置作为患者标记物位置的函数建模，无关患者呼吸周期中考虑的时刻。

在具体的实施方案中，在引导阶段，在插入医疗器械时，控制单元被配置为定期接收由超声探头获取的新超声图像。控制单元进一步被配置为基于新超声图像更新模型。

一旦从业者开始将医疗器械插入患者体内，患者皮肤上进入点的位置就固定了，并成为机械臂运动的旋转支点。然而，仍然可以实时跟踪在医疗器械插入阶段实时获取的具有新超声图像的目标点的位置、进入点的位置和患者标记物的位置。这样的安排使得可以考虑由于插入医疗器械而引起的目标点的任何移动。目标点实际上可以在医疗器械插入期间其遵循的轨迹的方向上移动(特别是以下情况，当要到达的目标点位于病变中，例如软组织内的肿瘤中)。借助超声图像实时确定目标点的位置，使得可以实时更新医疗器械要遵循的轨迹，也可以实时更新机械臂的位置，以便沿着该轨迹引导医疗器械。

在具体的实施方案中，在引导阶段，在插入医疗器械时，控制单元被进一步配置为针对所接收的每个新超声图像来确定医疗器械的位置，并根据所述医疗器械的位置调整机械臂的实时控制。

这样的安排使得可以考虑到医疗器械在插入期间弯曲的风险，并相应地调整机械臂的实时控制(那么，医疗器械要遵循的轨迹不再是进入点和目标点之间的直线)。

在具体的实施方案中，分析图像直接对应于超声图像。当病变在超声图像上可见时尤其如此。

在具体的实施方案中，控制单元配置为通过将超声图像与可于其上看见病变的术前或干预前参考图像合并来获取分析图像。

事实上，当病变在超声图像上不可见时(等回声病变)，在超声图像上就无法直接确定目标点的位置。然后，超声图像应与可于其上看见病变的不同模态的参考图像进行配准。具体地，可以是通过计算机断层扫描、正电子发射断层扫描或磁共振成像获取的术前或干预前图像。超声图像与参考图像的合并，然后给出一个可于其上看见病变的分析图像。配准可以是全局的(在整个目标解剖结构上配准)或局部的(在目标解剖结构的特定区域上优化配准)。可以进行刚性(通过平移和/或旋转)或非刚性(具有变形)的配准。具体地，可以通过基于对待合并的图像上的特定解剖结构的识别的自动学习算法来实现该配准。

在具体的实施方案中，患者标记物的不透射线元件在参考图像上可见，并且控制单元被配置为当超声探头获取超声图像时，通过基于患者标记物相对于探头标记物的位置进行配准，将超声图像与参考图像合并。

在具体的实施方案中，参考图像是计算机断层扫描图像、正电子发射断层扫描图像或磁共振成像图像。

在具体的实施方案中，从超声探头接收的超声图像是B型超声图像。

在具体的实施方案中，控制单元被配置为以每秒至少15个图像的速率接收并处理由探头获取的超声图像。

这样的安排可以保证实时跟踪目标点的位置，因而实时调整机械臂的位置，从而在整个干预过程中沿着预期的轨迹引导医疗器械。

在具体的实施方案中，医疗机器人还包括用户界面，该用户界面包括使从业者能够查看分析图像的显示屏。

在具体的实施方案中，用户界面包括输入装置，其使从业者能够在显示在显示屏上的分析图像上识别目标点和/或进入点，和/或不被医疗器械穿过的解剖区域。

因此，从业者可以使用用户界面，在与由超声探头获取的第一超声图像相关联的分析图像相对应的干预前图像上规划干预(如果在超声图像上病变可见，则可以直接是超声图像，或者是通过超声图像与可于其上看见病变的不同模态的术前图像进行配准而产生的融合图像)。由从业者在该第一图像上限定的目标点和进入点，然后由控制单元在下面的分析图像上自动确定。具体地，目标点的跟踪可以通过跟踪几个连续超声图像中的运动的方法，通过“散斑”变形分析或人工智能算法来实现(“散斑”表示一组快速波动的小斑点，其出现在图像的即时纹理中，并使图像具有颗粒状外观)。当病变在超声图像上不可见时，为了辅助跟踪分析图像上的目标点，跟踪在超声图像上可见的病变附近的解剖结构(例如血管)的运动是有利的。

在具体的实施方案中，用户界面包括增强现实设备，其用于将分析图像与显示屏上的患者身体的实际图像叠加。

增强现实设备使得可以在患者身体上叠加移动的三维病变，以及医疗器械在其插入过程中的进展。例如，它可以是放置在患者上方干预台上的屏幕，或者是面具、头盔或增强现实眼镜。这种显示的类型有助于从业者对患者目标解剖结构进行空间表示。

在具体的实施方案中，控制单元被配置为将超声图像与可于其上看见病变的参考图像进行比较，并向从业者指示超声探头应移动的方向，以便由超声探头获取的超声图像包括病变所在的解剖区域。

例如，参考图像是通过计算机断层扫描、正电子发射断层扫描或磁共振成像获取的术前或干预前图像。例如，在用户界面的显示屏上，向从业者指示超声探头应移动的方向。根据其他实例，通过光信号或通过超声探头的触觉反馈(振动)或增强现实显示器，可向从业者指示超声探头应移动的方向。

根据第二方面，具体地，提出了一种医疗设备，其包括根据上述实施方案中任一个的医疗机器人，以及旨在与所述医疗机器人协作的导航系统和超声探头。

附图说明

阅读以下描述将更好地理解本发明，这些描述通过非限制性示例给出，并参考图1至图15给出，其中：

[图1]根据本发明的医疗设备的示意图，所述医疗设备包括医疗机器人、导航系统和探头；

[图2]医疗机器人的机械臂示意图，

[图3]旨在待连接在机械臂末端的工具引导件示意图，

[图4]工具引导件的示意图，在所述工具引导件的末端显示有用于持有医疗器械的设备，

[图5]工具引导件的示意图，显示医疗器械在所述工具引导件上的定位，以及由形成“机器人标记物”的导航系统可检测到的元件；

[图6]“患者标记物”的示意图，其旨在定位在患者的目标解剖结构附近，

[图7]“探头标记物”的示意图，其旨在待连接在超声探头上，

[图8]在建模阶段(在超声图像上病变可见的情况下)由控制单元实施的方法的主要步骤示意图，然后在插入医疗器械之前对机械臂进行实时控制的阶段，

[图9]用户界面的示意图，所述用户界面使从业者能够在图像上识别目标点和/或进入点和/或处于危险中的区域，以及治疗参数，

[图10]术前或干预前图像(图中a部分)、超声图像(图中b部分)和术前或干预前图像与超声图像(图中c部分)配准后的融合图像的示意图。

[图11]在基于术前或干预前图像的规划阶段由控制单元实施的方法的主要步骤示意图，然后在建模阶段(在超声图像上病变不可见的情况下)，

[图12]患者呼吸周期期间患者标记物的评估运动的示意图，

[图13]患者标记物的位置追踪随时间变化的示意图，

[图14]根据患者标记物位置对目标点位置进行建模，实时调整机械臂位置的示意图，

[图15]在医疗器械插入阶段由控制单元实施的方法的主要步骤的示意图。

在这些图中，从一个图到另一个图的相同附图标记表示相同或相似的元件。为了清楚起见，除非另有说明，否则所代表的元件不一定具有相同的比例尺。

本发明至少一个实施方式的详细描述

图1示出了根据本发明的医疗机器人10。该医疗机器人10用于在对位于干预台21上的患者20的目标解剖结构进行医疗干预期间协助从业者。

例如，考虑以微创或经皮方式进行医疗干预，以治疗患者目标解剖结构内的病变。这种类型的干预通常需要从业者将一种或多种医疗器械(例如针头、探头、导管等)插入患者体内一定深度，以到达目标解剖结构(例如肝脏、肺、肾脏等)中的目标解剖区域(病变，例如肿瘤)。

所述医疗机器人10包括基座11。在所考虑的实例中，所述医疗机器人10的基座11配备有机动轮，其允许医疗机器人10通过平移和/或旋转运动向不同方向移动。

所述医疗机器人10还包括铰接式机械臂13，其一端与基座11相连。在机械臂13的另一端固定有工具引导件14，其旨在引导医疗器械15，例如针、探头、导管、电极等。在医疗干预过程中，医疗机器人10可以用来帮助从业者定位、握住或引导医疗器械15。然后，医疗机器人10充当从业者的第三只手。

医疗机器人10包括控制单元12，该控制单元12被配置为控制机械臂13的运动。控制单元12包括，例如，一个或多个处理器122和存储器121(磁性硬盘、电子存储器、光盘等)，其中计算机程序产品以要进行的一组程序代码指令的形式存储于存储器121，以实现用于定位机械臂13的方法的各种步骤。存储器121还可以记录用于实现该方法的图像和其它信息(特别是导航信息)。

医疗机器人10还可以包括用户界面19，该用户界面19包括使从业者能够查看由超声探头40获取的超声图像或其他医学图像(例如，目标解剖结构的术前或干预前参考图像，或通过将超声图像与参考图像配准获取的融合图像)的显示屏。用户界面还可以包括输入装置(键盘、鼠标、触摸屏等)，使从业者能够在显示在显示屏上的图像上识别目标点和/或进入点和/或不被医疗器械15穿越的解剖区域。

在具体的实施方案中，用户界面可包括用于将超声图像(或融合图像)与显示屏上患者身体的实际图像叠加的增强现实设备。这样的设备有助于从业者对患者目标解剖结构进行空间表示。

医疗机器人10被配置为与导航系统30和超声探头40协作，所述超声探头40将由从业者在患者的目标解剖结构处定位。医疗机器人10包括连接到控制单元12的通信模块，用于与导航系统30和超声探头40交换数据。导航系统30和超声探头40还各包括用于与医疗机器人10的控制单元12交换数据的通信模块。在控制单元12、导航系统30和超声探头之间建立的通信，可以是有线通信或无线通信。为简化起见，通信模块不在图1中示出。

在所考虑的实例中，导航系统30是光学导航系统。导航系统30包括两个光学传感器31，其对应于在红外辐射范围内工作的立体摄像机的两个传感器。在所考虑的实例中，导航系统30还包括在可见光范围内工作的照相机32。

控制单元12被配置为能够随时根据由导航系统30传达的信息确定旨在被固定在医疗机器人10上的机器人标记物18的位置，旨在被固定在患者的目标解剖结构附近的患者标记物22的位置，以及旨在被固定在超声探头40上的探头标记物41的位置。

在本申请中，术语“位置”对应于给定参照系中物体的位置和方向的组合，该参照系通常是三维坐标系。在英语文献中，术语“姿势”用来表示物体在空间中的位置和方向的组合。

控制单元12被配置为从超声探头40接收由超声探头40获取的超声图像。

控制单元12及时同步从超声探头40接收到的超声图像和从导航系统30接收到的信息，以便能够在给定时刻将病变的位置与患者标记物22的位置相关联。

传统上，超声波探头40包括一个或多个声波发射器-接收器元件(压电材料、电容式电子换能器)。超声波探头通过间接压电效应产生超声波。每当波遇到解剖结构时，一部分波就会以回声的形式通过反射或散射(“散斑”)返回。这种回声通过直接压电效应转化为电流，然后重建为图像。超声图像的重建主要取决于探头的发射器-接收器元件的数量、大小和位置(横向和纵向分辨率)、发射脉冲的持续时间和回声时间(轴向和/或深度分辨率)。然后，将接收到的回声的能量编码成灰度级。能量越高，相应的图像部分(像素)越白。这种灰度编码被称为“亮度”，而相关联的超声模式被称为“B型”。超声探头40产生的图像可以是二维图像或三维图像。优选地，超声探头40能够以每秒至少15个图像的频率产生图像。

当目标解剖结构是肝脏时，B型特别适用。然而，应注意，本发明也可以与其他超声模式例如弹性成像一起使用。

在所考虑的实例中，如图2所示，机械臂13包括赋予六个自由度的六个旋转体(rotoid)关节131-136，使得可以在三维空间中的任何位置定位和/或移动医疗器械15。有利地，机械臂13的关节131-135不对齐并且相对于彼此偏移，这允许机械臂13有更多数量的可能构型。每个关节包括至少一个编码器，使得能够实时地知道其角度位置。然后，机械臂13的构型对应于关节131-136所取的一组参数值(例如，每个关节的旋转角度的值)。旋转体关节136对应于围绕工具引导件14的主轴的旋转。然而，应注意，没有必要围绕医疗器械的对称轴进行旋转(实际上，五个自由度足以引导和释放医疗器械)。这种额外的自由度使得它有可能处于冗余的情况下，并且对于工具引导件14的给定位置，有无限数量的机械臂13的可能构型。这种冗余情况对于适应与患者体位或手术室配置相关的限制特别有用。这种冗余的情况使得它可以特别适应患者的外部包膜和标记物的位置；例如，如果机械臂的一种构型隐藏了标记物之一，则可以采用机械臂13的另一种构型，同时为医疗器械15保持相同的轨迹。

在所考虑的实例中，如图3所示，工具引导件14通过法兰17固定在机械臂13上。所述工具引导件包括在图3中用虚线表示的主轴145。工具引导件14与力传感器16联接，以使控制单元12能够确定施加在工具引导件14上的力。当从业者手动移动机械臂13时，可特别施加该力。所述力也可以对应于由患者的身体通过所述医疗器械15施加在工具引导件14上的力。

在所考虑的实例中，如图4和图5所示，工具引导件14包括具有旨在通过螺钉143固定到法兰17的基座142的主体141，以及包含可相对于彼此移动的两个部件的保持系统146。保持系统146旨在将医疗器械15保持在与基座142相对的工具引导件14的主体141的末端。所述保持系统146的两个可移动部件可由诸如齿轮、凸轮、带反向螺纹的螺钉和/或线性致动器的驱动系统驱动，以锁定或释放所述医疗器械15。所述线性致动器可以是可逆的(然后可根据控制单元12的命令，手动或自动打开工具引导件14的保持系统146)，或不可逆的(只能根据控制单元的命令自动打开工具引导件14的保持系统146)。例如，工具引导件14可用于引导不同直径的医疗器械。例如，这种引导件可以引导直径在11和21Ga.(量规)之间的医疗器械。量规(Ga.)是一种常用的测量单位，用于确定针、探头或导管等医疗器械的外径(11Ga.对应的外径为2.946mm；21Ga.对应的外径为0.812mm)。

如图4和图5所示，工具引导件14包括旨在接收光学标记物181的螺柱144。有利地，工具引导件14包括至少三个光学标记物181，使得可以在导航系统30的参照系的三个空间维度中确定工具引导件14的位置。工具引导件14的光学标记物181彼此相对的各自位置，由导航设备30和/或控制单元12先验地知道。有利地，还可以先验地知道每个光学标记物181的几何形状。在图5所示的实例中，光学标记物181为球形。

工具引导件14上的一组光学标记物181对应于机器人标记物18。

至少三个光学标记物181的使用使得可以限定一个平面，因此可以限定一个具有与该平面垂直的z轴和平面内的x轴和y轴的直接正交三维参照系，从而使参照系是直接的。因此，这使得可以确定由表示工具引导件14的光学标记物181形成的参照系的位置和取向。三个轴x、y、z可以限定六个自由度，也就是沿x、y、z三个轴的平移和围绕这些轴中每个轴的旋转。

光学标记物181可以是无源的或有源的。无源光学标记物反射由另一元件(例如导航系统30)发射的光学辐射。例如，无源光学标记物可以对应于红外立体相机可检测到的反射球(例如，在Northern Digital股份有限公司制造的导航系统中使用)，或者对应于立体相机可见的黑白图案(例如，在ClaroNav的/>导航系统中使用)。有源光学标记物本身发射可由导航系统30检测的光学辐射，例如红外辐射。

然而，应注意，可以使用具有三维特征几何形状的单个光学标记物代替所述一组球形光学标记物181。

图6图示了旨在定位于患者20上靠近目标解剖结构的患者标记物22。在所考虑的实例中，患者标记物22包括四个光学标记物23，从而可以确定患者标记物22在导航系统30的参照系的三个空间维度中的位置。患者标记物22的光学标记物23彼此相对的各自位置，由导航系统30和/或控制单元12先验地已知。有利的是，还可以先验地知道每个光学标记物23的几何形状。在图6所示的实例中，光学标记物23为球形。球形使得优化光辐射的反射成为可能。上述关于工具引导件14的光学标记物181的有源或无源类型的内容，也适用于患者参考22的光学标记物23。在此，同样可以设想使用具有三维特征几何形状的单个光学标记物代替四个球形光学标记物23。

任选地，如图6所示，患者标记物22还可以包括不透射线标记物24，其在通过医学成像设备(例如通过计算机断层扫描、磁共振、超声、断层扫描、正电子发射等)获取的医学图像上是可见的。通过导航设备30和/或控制单元12，先验地知道不透射线标记物24彼此相对的各自位置。有利的是，不透射线标记物24的几何形状也可以先验地知道。在所考虑的实例中，患者标记物22包括四个不透射线标记物24。例如，不透射线标记物24可以是陶瓷珠。然而，应注意，可以使用具有三维特征几何形状的单个不透射线标记物代替四个球形不透射线标记物24。

图7图示了旨在被固定在超声探头40上的探头标记物41，以使导航系统30能够确定超声探头40的位置。在所考虑的实例中，探头标记物40包括三个光学标记物42，从而可以在导航系统30的参照系的三个空间维度中确定探头标记物40的位置。通过导航系统30和/或控制单元12，先验地知道探头标记物40的光学标记物42彼此相对的各自位置。有利地，还可以先验地知道每个光学标记物42的几何形状。在图7所示的实例中，光学标记物42是球形。球形使得优化光辐射的反射成为可能。上述对于工具引导件14的光学标记物181的有源或无源类型所述的内容，也适用于探头参考40的光学标记物42。在此，可以设想使用具有三维特征几何形状的单个光学标记物代替三个球形光学标记物42。

在说明书的其余部分中，通过非限制性实例认为，导航系统30的光学传感器31和各种光学标记物181、23、42被设计为使用红外型光辐射操作。还认为，光学标记物181、23、42是无源标记物。光学传感器31被配置为发射红外辐射。该红外辐射由各种光学标记物181、23、42向光学传感器31反射。光学传感器31被配置为接收反射的红外辐射。然后，导航系统30可以通过测量红外线在光学传感器31和光学标记物181、23、42之间进行往返所花费的时间来确定光学标记物181、23、42与光学传感器31之间的距离。知道每个光学标记物181、23、42与每个光学传感器31之间的距离，并且先验地知道光学标记物181、23、42彼此相对在机器人标记物18、患者标记物22和探针标记物41上的布置，就可以确定机器人标记18、患者标记物22以及探测标记物41在导航系统30的参照系中的位置。应注意，在医疗机器人辅助的外科手术干预领域中，通过红外的光学导航是众所周知的方法。

应注意，本发明是使用光学导航系统来描述的。然而，在一种变体中，没有什么可以阻止使用电磁导航系统来代替光学导航系统。在这种情况下，导航系统可检测到的各种“标记物”(患者标记物22、机器人标记物18和探头标记物41)对应于电磁传感器，其位置可由导航系统在生成的电磁场中确定。

在所考虑的实例中，医疗机器人10的控制单元12被配置为从导航系统30接收关于在导航系统30的参照系中机器人标记物18的当前位置的信息。现在，医疗机器人10的控制单元12知道在医疗机器人10的参照系中机器人标记物18的当前位置(通过关节131-136的编码器)。因此，控制单元12可以确定要进行的转换，以便从导航设备30的参照系中的位置限定医疗机器人10的参照系中的位置。

控制单元12还被配置为从导航系统30接收关于在导航系统30的参照系中患者标记物22和探头标记物41的位置的信息。然后，控制单元10可以在医疗机器人10的参照系中限定患者标记物22的位置和探头标记物41的位置。

当在给定时间已知探头标记物41的位置时，可以确定在该时间由超声探头40所获取的超声图像上可见元件的位置。具体地，该可见元件可以是在待治疗的病变处要到达的目标点，或医疗器械在患者皮肤处的进入点。目标点和进入点限定了医疗器械15要遵循的轨迹。当目标点的位置和进入点的位置已知时，即当医疗器械15要遵循的轨迹被限定时，控制单元可以自动地将机械臂13移动到允许工具引导件14沿着限定的轨迹引导医疗器械15的构型中。

然而，如上所述，与患者呼吸相关的运动可导致目标点的位移。因此，医疗器械在患者呼吸周期的某一给定时刻必须遵循的轨迹，在呼吸周期的另一时刻是不相同的。

为了解决这一问题，控制单元12被配置为在外科手术之前的建模阶段，对患者20至少一个呼吸周期内的患者标记物22运动进行建模。在建模阶段，目标点的位置和进入点的位置与患者标记物22的位置相关。因此，可以根据患者标记物的位置来限定目标点的位置和进入点的位置。因此，所获取的建模使得可以在呼吸周期的任何时刻从患者标记物22的位置限定目标点的位置和进入点的位置，这些位置与医疗器械15要遵循的轨迹相对应，以便准确地到达目标点。

一旦将目标点的位置和进入点的位置作为患者标记物22位置的函数建模，就可以通过借助导航系统30实时跟踪患者标记物22的位置，实时限定机械臂13必须采取的位置，以便沿着由与患者标记物22的位置相关的目标点的位置和进入点的位置所限定的轨迹引导医疗器械15。具体地，这种实时跟踪可以在插入医疗器械15之前的引导阶段进行。实时移动机械臂13，以便不断调整机械臂的位置，以沿着所需的轨迹引导医疗器械。

图8图示了在建模阶段、然后在插入医疗器械15之前对机械臂进行实时控制阶段，由控制单元12实施的方法的主要步骤。

在建模阶段，控制单元12被配置为接收在患者20的至少一个呼吸周期期间，由超声探头40获取的多个超声图像。因此，在整个建模阶段要重复以下步骤：

-获取超声图像201(超声图像对应于可于其上看见病变的分析图像)；

-在超声探头40获取超声图像的时刻，确定患者标记物22的位置和探头标记物41的位置202；

-在分析图像上确定病变处的目标点和在患者20皮肤处的进入点204(目标点和进入点限定医疗器械15要遵循的轨迹)；

-从探头标记物41的位置确定目标点的位置和进入点的位置205；

-由此针对所述超声图像确定患者标记物22的位置、目标点的位置和进入点的位置之间的关联206。

在建模阶段结束时，控制单元12被配置为根据由此获取的各种超声图像的信息，将目标点的位置和进入点的位置作为患者标记物22位置的函数进行建模207，无关患者呼吸周期中考虑的时刻。

然后，在引导阶段，控制单元12被配置为实时控制机械臂13。为此目的，在每个时刻，由控制单元12进行下列步骤：

-确定患者标记物位置301；

-使用模型确定与患者标记物22的位置相关联的目标点的位置和进入点的位置302；

-机械臂13的位移303，以调整工具引导件14的位置，使工具引导件14根据由目标点的位置和由此确定的进入点的位置所限定的轨迹引导医疗器械15。

病变处的目标点和患者皮肤处的进入点的第一次确定，例如最初是在第一分析图像上进行的。然后，随后可以实现用于跟踪几个连续分析图像中的运动的算法，例如借助散斑(由于波散射而在图像上产生的一组波动点)的变形分析或通过人工智能算法，以确定每个新的分析图像上的目标点和进入点。

目标点和进入点的第一次确定，可以由从业者使用图形界面19来进行。图9举例说明了一个用户界面，该用户界面使从业者能够在分析图像上识别待治疗区域50的目标点51，和/或患者皮肤上的进入点52，和/或要避免的危险区域(例如骨骼或血管)，以及治疗参数。可以通过机器学习算法对某些解剖区域(目标解剖结构、待治疗的病变、危险区域等)进行分割来促进该步骤。

或者，目标点和进入点的第一次确定，可以通过人工智能算法自动实现。

然而，待治疗的病变可能在超声图像上不可见，例如，因为病变的性质意味着它在超声图像上不可见(或仅勉强可见)。在这种情况下，应该使用可于其上看见病变的干预前的参考图像(即在干预之前或干预开始时获取的图像)或术前图像(即在干预前几天或几周获取的图像)。具体地，这可以是计算机断层扫描图像、正电子发射断层扫描图像或磁共振成像图像。该参考图像可以是二维图像或三维图像。然后可以在参考图像上而不是在第一超声图像上进行目标点和进入点的第一次确定。在此，目标点和进入点的第一次确定又可以由从业者进行(例如，通过图9中所示的图形界面19)，或者由人工智能算法自动进行。然后，可将由超声探头40获取的超声图像与参考图像进行配准，以形成与所述参考图像和所述超声图像的合并相对应的分析图像。然后，在分析图像上可以看到目标点和进入点。

或者，目标点和进入点的第一次确定可以在第一分析图像上而不是在参考图像上进行。

图10示意性地说明了使用术前或干预前参考图像(图10的a部分)来配准超声图像(图10的b部分)，以便形成由参考图像与超声图像的配准和合并产生的分析图像(图10的c部分)。在参考图像上可见待治疗的病变50和目标点51。在考虑的实例中，参考图像是通过计算机断层扫描获取的。另一方面，待治疗的病变在超声图像上几乎看不见。在参考图像与超声图像的配准产生的分析图像上可见待治疗的病变50和目标点51。

例如，该配准由控制单元12借助自动学习算法来实现，该算法被训练成以刚性方式(平移和旋转)或非刚性方式(变形)对目标解剖结构的计算机断层扫描图像与超声图像进行全局(在整个解剖结构上的配准)或局部(在目标区域上的优化)配准。通过该配准得到的图像称为分析图像或融合图像。

如果在参考图像上可见患者标记物22的不透射线元件，则还可以基于在由超声探头40获取超声图像的时刻相对于探头标记物41位置的患者标记物22位置进行刚性配准。

图11示意性地表示在基于术前或干预前参考图像的规划阶段，以及在超声图像上病变不可见的建模阶段实施的主要步骤。

具体地，规划阶段包括术前或干预前参考图像的获取步骤101，然后包括确定参考图像上的目标点51和进入点52的步骤102。

建模阶段包含与图8中描述的步骤基本相同的步骤。对于在建模阶段接收的每个超声图像，控制单元12被进一步配置为通过将超声图像与参考图像配准来实现生成分析图像的步骤203。然后在超声图像与参考图像的配准所产生的分析图像上确定目标点和进入点204(而在图8的情况下，分析图像直接对应于超声图像)。

当病变在超声图像上不可见时，为了协助跟踪分析图像上的目标点，跟踪靠近病变且在超声图像上可见的解剖结构(例如血管)的运动是有利的。

应注意，如果在第一分析图像上而不是在参考图像上进行目标点和进入点的第一次确定，则步骤102是可选的。

一旦在分析图像上确定了目标点51和进入点52，则可以通过在导航系统30的参照系中或在医疗机器人10的参照系中，借助相对于超声探头40的发射器-接收器元件位置的已知探头标记物41位置，通过刚性配准来确定它们各自的位置。

图12-14示出将目标点51和进入点52的位置作为患者标记物22的位置的函数建模的步骤207。

作为实例，图12显示了在记录与患者的几个呼吸周期相对应的预定持续时间期间，患者标记物22所跟随的运动的记录。每个点对应于在导航系统30的坐标系的XY平面上的时程中，患者标记物22所取的位置(患者标记物22的运动，也可以在医疗机器人10的参照系中表示)。在本实例中，可以看到患者标记物22的移动主要沿着轴54进行。

患者标记物22的运动代表了患者呼吸引起的患者胸腔的运动。为了更好地解释标记物的运动，并通过类比患者的呼吸周期，最好获取一个一维曲线以说明标记物随时间的振荡运动。得到这种一维曲线有不同的方法。例如，可以设想标记物的移动主要是垂直的，因此只考虑Y轴。然而，在这种情况下，标记物的部分运动幅度丢失。根据另一个实例，可以设想对标记物的位置进行关键成分分析。具体地，所述标记物的位置可沿着与所述标记物的移动的主轴54相对应的关键部件显示。

图13显示了曲线55，其描述了记录期间患者标记物22沿着主轴54随时间的移动。患者标记物22沿坐标轴54的位置(M_P)显示在纵坐标上；时间(t)在横坐标上表示。记录周期包括患者20的几个呼吸周期。

如图13所示，患者20胸腔的高位对应于呼吸周期吸气的结束。这也对应于描述患者标记物22随时间变化位置的曲线55的最大值。患者20胸腔的低位对应于呼吸周期中呼气的结束。这也对应于描述患者标记物22随时间变化位置的曲线55的最小值。

在建模阶段，控制单元12针对每个分析图像确定目标点的位置、进入点的位置和患者标记物的位置。然后，这些位置可以相互关联，以便将目标点的位置和进入点的位置随时间变化作为患者标记物位置的函数建模。

图14举例说明了在呼吸周期的吸气期，目标点(C)的位置作为患者标记物(M_P)位置的函数的模型56。

通过基于患者标记物的位置将目标点位置和进入点位置随时间的变化建模，就可以实时确定机械臂13必须采取的构型，从而工具引导件14被不断地定位，以使得工具引导件14沿由目标点的位置和进入点的位置限定的轨迹引导医疗器械15。机械臂13位置这种实时调整303，可以简单地通过实时跟踪患者标记物22的位置，以及通过使用所述模型来评估作为患者标记物位置的函数的目标点位置和进入点位置来进行。这样就不再需要获取超声图像，以便在引导阶段实时调整机械臂13的位置。

因此，可以在呼吸周期的任何时间阻断患者的呼吸，以便继续插入医疗器械。事实上，无关患者呼吸被阻断的时刻，机械臂都将被正确地定位，以允许医疗器械沿着所需的轨迹插入。

在干预过程中，不再需要阻断患者的呼吸。实际上，在医疗器械插入过程中，借助模型引导机械臂的阶段可以继续进行。然后实时控制机械臂，使机械臂的位置不断调整，以沿着所需的轨迹引导医疗器械。但是，应注意，在医疗器械插入过程中，在患者皮肤处的进入点位置是固定的，并成为机械臂运动的旋转支点。

引导阶段可以完全基于建模阶段生成的模型进行。因此，在引导阶段没有必要获取超声图像。

然而，考虑由于医疗器械的插入而导致的目标点的任何位移是有利的。在医疗器械插入期间，实际上目标点可以沿着医疗器械遵循的轨迹的方向移动(当要到达的目标点位于病变例如软组织内的肿瘤时，尤其如此)。然后可以设想实时更新模型，从而可以评估目标点的位置，以便调整医疗器械要遵循的轨迹，也可以评估机械臂的位置，以便沿着该轨迹引导医疗器械。

图15图示了在插入医疗器械15期间的引导阶段由控制单元12实施的方法的主要步骤。控制单元12被配置为接收由超声探头40获取的新超声图像。因此，对每个新图像重复以下步骤：

-获取超声图像401；

-在由超声探头40获取所述超声图像的时刻，确定患者标记物22的位置和探头标记物41的位置402；

-从超声图像和参考图像生成分析图像403(注意，如果病变在超声图像上直接可见，则任选此步骤为任选的)；

-根据分析图像和探头标记物41的位置，确定目标点的位置、进入点的位置和医疗器械15的位置404；

-更新建模阶段最初生成的模型405，

-根据更新后的模型，调整机械臂13的位置406。

针对接收到的每个新超声图像确定医疗器械的位置，也使得可以在插入期间检测医疗器械的任何曲率，并在必要时相应地调整机械臂的实时控制。

如果超声探头40定位不正确，病变可能不在超声探头的视野范围内。那么有利的是，能够向从业者提供超声探头必须移动的方向上的信息，以便病变在超声探头的视野范围内。

为此，控制单元12可以被配置为将超声图像与可于其上看见病变的参考图像进行比较，并向从业者指示超声探头40应移动的方向，以便由超声探头40获取的超声图像包含病变所在的解剖区域。例如，该指示可由光指示器提供，或超声探头的触觉反馈模块提供。或者，该指示可以通过图形界面19提供给从业者。

上述描述清楚地说明，所提出的设备和方法凭借其各种特点和优点，实现了所设定的目标。

具体地，医疗机器人10使用呼吸信息来定位工具引导件14，以便精确和实时地跟踪病变的位置，而无需从业者进行特定的操作。

在插入医疗器械15期间，病变(特别是软组织中的病变)可以沿着轨迹的方向移动。通过实时确定超声图像中病变的位置，并将其与患者标记物22的位置相关联，可以实时更新机械臂插入的医疗器械15的轨迹。侧轨迹重新调整(通常对目标解剖结构造成创伤性影响)被最小化。通过在其插入期间跟踪医疗器械的位置，可以补偿医疗器械的任何曲率。

通过超声图像对机械臂13的位置进行实时控制。因此，在干预期间，患者和医务人员不会暴露在电离辐射中。

在超声图像上几乎不可见或不可见的病变，可以通过使用提供最佳可见性的成像方式进行配准来检测。

Claims (15)

1.一种医疗机器人(10)，其用于在医疗干预期间协助从业者治疗患者(20)的目标解剖结构中的病变，所述医疗机器人(10)包括机械臂(13)和控制单元(12)，所述机械臂(13)的远端包括旨在引导医疗器械(15)的工具引导件(14)，且所述控制单元(12)被配置为控制所述机械臂(13)，所述医疗机器人(10)被配置为与导航系统(30)和待从业者在患者的目标解剖结构处定位的超声探头(40)协作，所述控制单元(12)被配置为能够根据由所述导航系统(30)传达的信息随时确定待连接在所述医疗机器人(10)上的机器人标记物(18)的位置，待定位在所述患者(20)的目标解剖结构附近的患者标记物(22)的位置，和待连接在所述超声探头(40)上的探头标记物(41)的位置，所述医疗机器人(10)的特征在于：

-在建模阶段，所述控制单元(12)被配置为接收在所述患者的至少一个呼吸周期期间由所述超声探头(40)获取的多个超声图像，并根据所述患者标记物(22)的位置从所述超声图像生成用于评估所述病变处目标点的位置和所述患者(20)皮肤处进入点的位置的模型，无关患者的呼吸周期中考虑的时刻，

-在引导阶段，所述控制单元(12)被配置为基于所述患者标记物(22)的位置实时控制所述机械臂(13)，使得所述工具引导件(14)可以沿着由与所述模型中所述患者标记物(22)的位置相关联的所述目标点的位置和所述进入点的位置所限定的轨迹引导所述医疗器械(15)。

2.根据权利要求1所述的医疗机器人(10)，其中在所述建模阶段，所述控制单元(12)被配置为：

-针对接收的每个超声图像，

O在由所述超声探头(40)获取所述超声图像时确定所述患者标记物(22)的位置和所述探头标记物(41)的位置；

O从可于其上看见病变的所述超声图像中获取分析图像；

O在所述分析图像上确定所述病变处的目标点和所述患者(20)皮肤处的进入点，从而所述目标点和所述进入点限定所述医疗器械(15)要遵循的轨迹；

O根据所述探头标记物(41)的位置确定所述目标点的位置和所述进入点的位置；

O在由此针对所述超声图像确定的所述患者标记物(22)的位置、所述目标点的位置和所述进入点的位置之间建立关联；

-根据由此针对多个超声图像获取的信息，将所述目标点的位置和所述进入点的位置作为所述患者标记物(22)位置的函数建模，无关患者呼吸周期中考虑的时刻。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的医疗机器人(10)，其中在所述引导阶段，在插入所述医疗器械(15)时，所述控制单元(12)被配置为定期接收由所述超声探头(40)获取的新超声图像并基于所述新超声图像更新所述模型。

4.根据权利要求3所述的医疗机器人(10)，其中在所述引导阶段，在插入所述医疗器械(15)时，所述控制单元(12)被进一步配置为针对接收的每个新超声图像确定所述医疗器械(15)的位置，并根据所述医疗器械(15)的位置调整对所述机械臂(13)的实时控制。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的医疗机器人(10)，其中所述分析图像为超声图像，所述病变在所述超声图像上可见。

6.根据权利要求2-4中任一项所述的医疗机器人(10)，其中所述控制单元被配置为通过将所述超声图像与可于其上看见病变的术前或干预前参考图像合并来获取所述分析图像。

7.根据权利要求6所述的医疗机器人(10)，其中所述患者标记物(22)的不透射线元件(24)在所述参考图像上可见，并且所述控制单元(12)被配置为在由所述超声探头(40)获取所述超声图像时，基于所述患者标记物(22)相对于所述探头标记物(41)的位置，通过配准将所述超声图像与所述参考图像合并。

8.根据权利要求6-7中任一项所述的医疗机器人(10)，其中所述参考图像为计算机断层扫描图像、正电子发射断层扫描图像或磁共振成像图像。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的医疗机器人(10)，其中从所述超声探头(40)接收的所述超声图像为B型超声图像。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的医疗机器人(10)，其中所述控制单元(12)被配置为以每秒至少15个图像的速率接收并处理由所述超声探头(40)获取的超声图像。

11.根据权利要求2-10中任一项所述的医疗机器人(10)，还包括用户界面(19)，所述用户界面(19)包括使从业者能够查看所述分析图像的显示屏。

12.根据权利要求11所述的医疗机器人(10)，其中所述用户界面(19)包括使从业者能够在显示在所述显示屏的分析图像上识别目标点和/或进入点和/或不被所述医疗器械(15)穿过的解剖区域的输入装置。

13.根据权利要求11-12中任一项所述的医疗机器人(10)，其中所述用户界面包括用于将所述分析图像与所述显示屏上所述患者身体的实际图像叠加的增强现实设备。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的医疗机器人(10)，其中所述控制单元(12)被配置为将超声图像与可于其上看见病变的参考图像进行比较，并向从业者指示所述超声探头(40)应移动的方向，使得由所述超声探头(40)获取的超声图像包括病变所在的解剖区域。

15.一种医疗设备，其包括权利要求1-14中任一项所述的医疗机器人(10)，以及用于与所述医疗机器人(10)协作的导航系统(30)和超声探头(40)。