TWI688367B - 手術輔助系統及應用該手術輔助系統獲取表面資訊的方法 - Google Patents

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Abstract

一種手術輔助系統，包括一儀器、一空間感測器系統及一電腦系統，儀器包括一工具及一與工具連接的操縱器，空間感測器系統用於檢測工具的空間資訊，電腦系統用於控制操縱器的運動狀態。還提供一種藉由所述手術輔助系統獲取表面資訊的方法，包括以下步驟：在受術者的一虛擬解剖模型上定義一目標區域及複數參考點；提示使用者使用儀器在受術者身上採集與參考點對應的複數採樣點以生成採樣資訊；及指定採樣資訊作為採樣點的表面資訊。採樣資訊包括採樣點的座標、工具在採樣點的接觸的角度及與接觸相關的參數。

Description

手術輔助系統及應用該手術輔助系統獲取表面資訊的方法
本發明涉及一種手術輔助系統，尤其涉及一種由所述手術輔助系統執行的提高電腦輔助手術的準度及精度的註冊方法。
一般而言，許多手術均需要醫生的高度的手動精確度。舉例而言，施行骨科手術需要醫生在精確的位置以精確的角度銑削、鑽孔或鋸切受術者的骨骼，以便將給定的植入物裝配到骨骼中或使骨骼成形以產生所需的幾何輪廓。這種手術通常是徒手進行的，醫生手持特定的手術儀器並依循解剖學參考標誌的軌跡。因此，手術的準確性取決於醫生使用手持的手術儀器執行手術計畫時的技巧。
利用資訊技術和機器人技術的優勢，電腦輔助手術為提高手術的準確性和精確性提供了可靠的選擇。電腦輔助手術代表了一種利用電腦技術在術前虛擬環境中的視覺化操作以使術前診斷更加準確、手術計畫更加明確的手術概念。在電腦輔助手術中，受術者註冊係一項關鍵的術前流程，它將電腦醫學成像，如電腦斷層掃描(CT)或磁共振成像(MRI)，收集的虛擬三維資料集與受術者的位置相互連結。受術者註冊避免了受術者在術前觀察及手術時被嚴格要求保持在一固定位置的必要性，確保了手術的幾何精度。
傳統的註冊方法主要包括基準點註冊及表面匹配註冊。所述基準點註冊藉由檢測連接於解剖學參考標誌上的複數基準標記來定義解剖區域，從而將一個特定的解剖區域註冊至電腦輔助導航系統中。表面匹配註冊係利用器械或超音波探頭在手術範圍內的解剖表面結構上識別一組座標，從而提供更高的空間識別精度並較基準點註冊方法減少了手術侵入性。
在傳統的表面匹配註冊中，探針可與感測器耦合以檢測探針與解剖表面之間的機械性接觸。例如，沈等人揭露的美國專利No.8615286揭露了一種裝置及方法用於尋找受術者的骨頭表面位置，利用安裝在細長探針基底的力量感測器檢測探針接觸物質所產生的阻力，從而區分探針接觸的是骨頭、軟組織或是不同硬度的其他組織。
然，在實際手術操作中，由於探針在不同組織層間的接觸角度上缺乏精確控制，或者不同組織層間的不同硬度，導致傳統的細長探針在與目標表面接觸時容易滑動，進而顯著地減低註冊的準確性。習知技術無法控制探針在解剖表面的接觸角度或確認探針及解剖表面之間機械性接觸的有效性。
本發明揭露的一個目的係提供一種手術儀器，用於控制及檢測一註冊探針在一解剖表面上的接觸角度。
本發明揭露的另一個目的係提供一種手術儀器的註冊方法，以使所述註冊探針與所述解剖表面之間機械性接觸有效。
本發明揭露一實施例還提供一種手術輔助系統。所述手術輔助系統包括一儀器、一空間感測器系統及一電腦系統。所述儀器包括一工具及一與所述工具連接的操縱器。所述空間感測器系統用於檢測所述工具的空間資訊。所述電 腦系統電性連接所述儀器、所述空間感測器系統及一使用者介面，用於根據空間感測器系統檢測到的所述工具的空間資訊操縱所述操縱器的運動狀態。
在一實施例中，所述手術輔助系統的儀器進一步包括一力感測器，用於檢測所述工具承受的力及/或力矩。
在一實施例中，所述力感測器位於所述工具及所述操縱器之間、或/及位於所述工具中。
在一實施例中，與接觸相關的參數包括所述工具承受的力、所述工具承受的力矩、所述操縱器中的複數致動器的輸出功率、所述工具與一個採樣點之間穩定接觸的持續時間。
本發明揭露另一實施例還提供一種藉由手術輔助系統獲取用於註冊的表面資訊的方法。所述方法包括以下步驟：步驟S1，藉由電腦系統在一受術者的虛擬解剖模型上定義一目標區域，並在所述目標區域中定義複數參考點；步驟S2，藉由使用者介面提示使用者使用儀器在所述受術者身上採集與所述參考點對應的複數採樣點以生成採樣資訊，其中，每一採樣資訊包括採樣點的座標、空間感測器系統檢測到的所述工具在所述採樣點的接觸角度、與所述接觸相關的參數；及步驟S3，藉由電腦系統指定所述採樣資訊作為所述採樣點的表面資訊。
在一較佳實施例中，藉由電腦系統控制所述操縱器的運動狀態，從而控制探針的尖端每次接觸一個所述採樣點進而對所述採樣點採樣。
在一較佳實施例中，在步驟S1之前，所述方法還進一步包括以下步驟：藉由電腦系統在虛擬解剖模型上的目標區域中定義複數粗略參考點；藉由使用者介面提示使用者運用儀器在所述受術者身上採集與所述複數粗略參考點 對應的複數粗略採樣點以生成粗略空間數據；及藉由電腦系統將所述粗略空間數據賦值到所述虛擬解剖模型中。
在一較佳實施例中，藉由電腦系統操縱所述操縱器的運動狀態，從而控制探針的尖端以每次接觸一個所述粗略採樣點的方式對所述粗略採樣點進行採樣。
在一較佳實施例中，在步驟S2之後，所述方法還進一步包括以下步驟S21~S23：步驟S21，驗證當前的採樣資訊；步驟S22，檢查採樣狀態；及步驟S23，篩選所述採樣資訊。
在一較佳實施例中，所述步驟S21包括以下步驟S211~S213：步驟S211，確定當前的採樣資訊中包含的參數是否滿足至少一個採樣標準；步驟S212，當所述參數符合採樣標準時，以第一標註標記當前的採樣資訊，當所述參數不符合採樣標準時，則以第二標註標記當前的採用資訊；及步驟S213，在當前的採樣資訊被標記為第一標註時，繼續進行步驟S22，在當前的採樣資訊被標記為第二標註時，則繼續進行步驟S2。
在一較佳實施例中，所述採樣標準包括所述工具承受的力等於或大於一力的閾值、所述工具承受的力矩等於或小於一力矩的閾值、所述操縱器中的複數致動器的輸出功率等於或大於一功率的閾值、及/或所述工具與一個採樣點之間穩定接觸的持續時間等於或者大於一時間的閾值中的至少一種。
在一較佳實施例中，步驟S22包括以下步驟S221~S222： 步驟S221，確定是否所有的採樣點的採樣資訊被標記為第一標註；及步驟S222，當所有的採樣點的採樣資訊均已被採集時，繼續進行步驟S23，當至少一採樣點的採樣資訊未被採集時，則繼續進行步驟S2。
在一較佳實施例中，步驟S23具體為篩選出標記為第一標註的採樣資訊，去除標記為第二標註的採樣資訊。
在一較佳實施例中，在步驟S3之後，所述方法進一步包括以下步驟S4~S6：步驟S4，將所述表面資訊賦值到所述虛擬解剖模型中，以將所述虛擬解剖模型註冊至一坐標系統；步驟S5，根據所述表面資訊改進所述虛擬解剖模型；及步驟S6，根據所述表面資訊及所述被改進的虛擬解剖模型更新手術計畫。
依據本發明揭露的各個實施例可知，所述手術輔助系統提供一種精確及有效的註冊方法。所述方法在受術者表面定義一目標區域及分散在所述目標區域中的覆蓋所述表面中複數表面特徵的複數參考點，並確定所述手術儀器中的探針與所述解剖表面之間機械性接觸有效，從而有效地提高電腦輔助手術的準度及精度。
1000:手術輔助系統
1100:儀器系統
1500:空間感測器系統
1800:使用者介面
1700:電腦系統
1910:醫學成像儀
1210:操縱器
1200:儀器
1450:支撐臂
1250:工具
1260:工具安裝底座
1280:儀器外殼
1284:手柄
1230:平臺
1265:工具適配件
1270:馬達
1235:力度感測器
1220:基座
1245a、1245b:關節
1240:致動器
1246:萬向關節
1247:球形關節
1282:控制模組
1400:套筒
1550:空間標記結構
1510:空間感測器
1555:標記
1560:適配器
1600:標記貼片
1610:基準標記
2110:虛擬解剖模型
2120:目標區域
2130:參考點
2215a、2215b、2215c、2215d、2215e、2215f:粗略參考點
2255:粗略空間數據
2310:採樣信息
2140:採樣點
α:接觸角度
圖1 為本揭露一實施例的手術輔助系統的方塊圖。
圖2 為本揭露一實施例的手術輔助系統的示意圖。
圖3 為本揭露一實施例的手術輔助系統的手持的儀器的透視圖。
圖4 為本揭露一實施例的手術輔助系統的手持的儀器的側視圖。
圖5 為本揭露一實施例的手術輔助系統的手持的儀器的一操縱器的側視圖。
圖6 為本揭露一實施例的手術輔助系統的手持的儀器的另一操縱器的側視圖。
圖7 為本揭露一實施例的手術輔助系統的使用狀態示意圖。
圖8 為本揭露一實施例的手術輔助系統的空間感測器系統的使用狀態示意圖。
圖9 為本揭露一實施例的手術輔助系統的使用方法的流程圖。
圖10 為本揭露一實施例的手術輔助系統的註冊流程的簡要示意圖。
圖11 係為本揭露一實施例的手術輔助系統的註冊獲取表面資訊的步驟的流程圖。
圖12 為藉由本揭露一實施例的手術輔助系統生成的目標區域及參考點的示意圖。
圖13 為本揭露另一實施例的手術輔助系統的註冊過程的簡要示意圖。
圖14 係為本揭露另一實施例的手術輔助系統的註冊獲取表面資訊的步驟的流程圖。
圖15 係為本揭露一實施例的手術輔助系統的註冊驗證採樣資訊的流程圖。
圖16 係一為本揭露一實施例的手術輔助系統的註冊篩選採樣資訊以獲取表面資訊的流程圖。
下面將結合本發明實施例中的圖式，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅係本發明一部分實施例，而非全部的實施例。
基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，均屬於本發明保護的範圍。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術及科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只為了描述具體的實施例的目的，非旨在於限制本發明。
請參閱圖1及圖2，根據本揭露一實施例，用於手術前及手術中的手術輔助系統1000包括電子模組、處理器的可執行命令、及手術硬體。所述手術輔助系統1000包括一儀器系統1100、一空間感測器系統1500、一個使用者介面1800及一個與所述儀器系統1100、所述空間感測器系統1500及所述使用者介面1800電連接的電腦系統1700。在本實施例中，所述手術輔助系統1000允許使用者(例如醫生)能夠依照所述使用者介面1800，藉由所述儀器系統1100對一受術者(如病人)進行手術。至少一醫學成像儀1910與所述手術輔助系統1000通信連接，用於獲取所述受術者的醫學圖像並將所述醫學圖像傳送至所述手術輔助系統1000。所述空間感測器系統1500用於生成所述受術者及環境的空間資訊。所述電腦系統1700用於根據所述醫學圖像生成一虛擬解剖模型，並根據所述虛擬解剖模型生成一手術計畫，從而根據接收到的來自所述空間感測器系統1500的空間資訊定位手術環境，進而控制操縱器1210的作動或改變所述操縱器1210運動狀態。所述使用者介面1800將所述虛擬解剖模型視覺化，並允許使用者能夠根據手術計畫探索手術區域。
如圖2所示，所述手術輔助系統1000的儀器系統1100包括一用於對受術者進行手術的手持的儀器1200。在本實施例中，所述儀器系統1100進一 步包括與所述儀器1200連接的一支撐臂1450，用於減輕使用者的手的承重量，可在手術時提高操作的穩定性。在另一實施例中，儀器1200連接的所述支撐臂1450具有至少一個致動器，可依電腦系統1700發出的控制指令改變所述支撐臂1450的運動狀態，使所述儀器1200移動至指定位置。
請參照圖3及圖4，根據本揭露一實施例，所述儀器1200包括一工具1250、一工具安裝底座1260、一操縱器1210及一儀器外殼1280。所述工具1250用於接觸或改變受術者身體部分上的一解剖表面。所述工具安裝底座1260用於連接所述工具1250的端部及所述操縱器1210，從而將所述工具1250穩固地連接於所述操縱器1210。所述操縱器1210由所述電腦系統1700所控制，並用以操縱所述工具1250的位置和方向。
所述儀器外殼1280與所述操縱器1210連接，用以容納至少一部分的所述操縱器1210，並提供一個或複數個手柄1284以讓使用者能夠在操作所述手術輔助系統1000時握持並操控所述儀器1200。
在本實施例中，所述工具1250可以是用於接觸受術者的解剖部位的探針或指示器，並可用於探測解剖部位的結構或狀態。此外，所述工具1250還可以是鑽頭、圓頭銼、刮匙、鋸、螺絲刀或其他用於外科手術的常用工具，其通過鑽孔、銑削、切割或刮削來改變或移除解剖部位的一部分組織。在其它實施例中，所述工具1250還可以是進行表面匹配(surface matching)的機械、光學或超聲探頭，並且可以是但不限於剛性探頭、壓力感測器、壓電感測器、彈性體感測器、光學相機、雷射掃描器或超音波掃描器。
在本實施例中，所述工具安裝底座1260連接所述工具1250與所述操縱器1210的機器控制平臺1230的第一端。所述工具安裝底座1260包括一工具適配件1265及一與所述工具適配件1265連接的馬達1270。所述工具適配件1265可係一夾具或者其他緊固結構，用於牢牢地固定所述工具1250的一端，以 避免在操作過程中所述工具1250發生位移。所述馬達1270可係一直流馬達或者一交流馬達，用於將電能轉換成機械能產生直線力或旋轉力以驅動所述工具1250運動。在另一實施例中，所述馬達1270可位於所述儀器1200的後端，以減少在所述儀器1200使用過程中對所述操縱器1210的負載，並重新分配所述儀器1200的重量，如此可以改善使用者人體工學。
此外，如圖5及圖6所述，所述工具安裝底座1260可進一步包括一與所述平臺1230的第一端連接的力度感測器1235，用於在手術時檢測所述工具1250承受的力及/或力矩。在其他實施例中，所述力度感測器1235可位於所述儀器的探針或者工具中；或者，所述儀器1200可進一步包括另一位於所述探頭或者工具中的力度感測器(圖未示)。所述力度感測器可以是但不限於應變儀、力敏電阻器、壓力感測器、壓電感測器、電活性聚合物或光纖彎曲感測器。
在本實施例中，所述操縱器1210包括一基座1220、所述平臺1230、複數關節1245a、1245b，及複數致動器1240。所述平臺1230連接所述工具安裝底座1260，所述關節1245a、1245b安裝於所述平臺1230的第二端，且背離所述工具1250，及安裝於所述基座1220的第一端，且所述基座1220的第一側與所述平臺1230相對。所述複數致動器1240連接至所述基座1220的第二側，且遠離所述平臺1230。如圖4所示，所述基座1220可固定在所述儀器外殼1280上或者容置於所述儀器外殼1280中。所述操縱器1210可為一平行的操作器，例如具有六個自由度(DOFs)的Stewart型操作器，以獲得更高的空間效率及可操縱性。此外，所述操縱器有不銹鋼或者碳纖維製成，並且排列成特定的機械結構，所述機械結構使得所述操縱器1210具有足夠的承受度，以抵抗所述工具1250接觸受術者時所產生的力和/或力矩。
在本實施例中，所述操縱器1210的關節可選自但不僅限於旋轉關節、移動關節、球形關節、萬向關節及圓柱關節等能夠實現所需自由度的關節中 至少一種。如圖5及圖6所示，具有六個自由度的Stewart平臺的所述操縱器1210可包括萬向關節1246及球形關節1247，以使得所述操縱器1210具有寬的運動範圍及各種運動狀態。所述操縱器1210可進一步包括複數連接器，每一連接器連接一關節1245a、1245b，從而拓寬所述工具1250的運動範圍。
在本實施例中，所述操縱器1210的致動器1240連接至所述基座1220與所述關節相對的一側，根據所述電腦系統1700傳輸的控制信號驅動所述關節及可能存在的連接器進行運動。在另一實施例中，所述致動器1240及所述關節可位於所述基座1220的同一側。所述圖6所示，每一致動器1240藉由一萬向關節1246及一球形關節1247連接所述基座1220及平臺1230之間。所述致動器1240可為線性致動器，用於獲得更高的精確度及更強的承受度。
再次參考圖3及圖4，在本實施例中，所述儀器外殼1280除了容置所述操縱器1210及提供手柄外，還可進一步包括一控制模組1282以使得使用者能夠觸發、停止或調整所述工具1250的動作或者執行所述儀器1200的其他功能。
在本實施例中，所述儀器1200還可與一校準裝置(圖未示)一起使用，所述校準裝置用於校準所述操縱器1210相對於所述儀器外殼1280的運動狀態，以確保所述儀器1200的幾何精度。
在本實施例中，所述儀器1200可包括至少一慣性感測器(圖未示)，用於檢測所述儀器1200的加速度、速度、位移、角速度及/或角加速度。
請參閱圖7，所述儀器1200還可與一套筒1400一起使用，特別在微創手術中，所述套筒1400為所述儀器1200的工具1250提供一到目標解剖部位的實值的入口。在另一實施例中，所述套筒1400可拆卸地連接於所述操縱器1210的平臺1230，以實現所述套筒1400及所述工具1250同時進入解剖部位。
請參閱圖8，本揭露的一實施例，所述手術輔助系統1000的空間感測器系統1500用於探測以定位至少一目標物體的空間資訊(例如位置及方向)，其包括至少一空間標記結構1550及具有至少一攝像頭(圖未示)的一空間感測器1510。所述空間標記結構1550可分離地連接所述目標物體，所述空間感測器1510用於接收由所述空間標記結構1550傳輸的信號。
如圖7及圖8所示，所述目標物體可為儀器1200、套筒1400或者目標解剖部位。在本實施例中，所述空間標記結構1550包括多個標記1555及一適配器1560。所述標記1555用於發射電磁信號、聲波、熱量或其他可感知信號。所述適配器1560可拆卸地附接到目標物件，以用於保持所述標記1555與所述目標物件的相對位置，使得目標物件可被所述空間感測器1510定位。在其他實施例中，所述空間感測器系統1500還可進一步包括一位於空間感測器1510上或者一預設位置的信號發生器(圖未示)。故，所述標記1555的信號傳輸可係主動的，亦可係被動的。換句話說，所述標記1555發出的信號可能係由所述標記1555產生的，或者所述標記1555亦可能被反射材料覆蓋，使得信號發生器產生的信號被所述標記1555反射至所述空間感測器1510。
在一實施例中，所述空間感測器1510接收到的信號被傳輸至所述電腦系統1700，並藉由三角測量或其他轉換演算法轉換成被偵測的空間中的一坐標系及目標物件的空間資訊。進一步地，所述標記1555以特定形式設置在所述適配器1560上，如圖8所示，從而使得電腦系統1700能夠相應地生成所述目標物體的方向資訊。所述電腦系統1700可根據所述空間資訊及所述方向資訊生成控制信號，用於控制所述儀器1200的操縱器1210作動或者改變運動狀態，或者生成可在使用者界面1800上顯示指令，用於提示使用者移動所述儀器1200到指定位置或者指定方向。
根據本揭露的一實施例，所述電腦系統1700包括一處理器(未圖示)及一存儲單元(未圖示)。所述處理器可以是通用處理器、專用指令集處理器或對資料來源執行操作的專用積體電路。例如，所述處理器是基於ARM的處理器或8086x處理器。在其他實施例中，所述處理器還包括多個數位或類比輸入/輸出，並且可以是即時操作系統(real-time operating system，RTOS)處理器。所述存儲單元可以存儲由所述處理器賦值的數位資料，以便立即在所述電腦系統1700中使用。所述記憶體可以包括至少一種類型的可讀存儲介質，所述可讀存儲介質可以是揮發性的，包括：快閃記憶體、硬碟、多媒體卡、卡型記憶體(例如，SD或DX記憶體等)、隨機存取記憶體(RAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)、唯讀記憶體(ROM)、電子抹除式可複寫唯讀記憶體(EEPROM)、可程式化唯讀記憶體(PROM)，或非揮發性的，包括：動態隨機存取記憶體(DRAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)。
根據一實施例，所述使用者界面1800所呈現的資訊可以包括但不限於手術計畫、二維(two-dimensional，2D)或三維(three-dimensional，3D)的重建圖像、2D或3D鑽孔狀態(如工具的位置、角度、深度或彎曲程度)、工具的可補償範圍、使用者指引、警告區域、工具偏離手術計畫的通知以及工具的可受力上限的通知。所述輸出設備可以是顯示器、指示燈或其他視覺裝置。或者，所述輸出設備也可為語音合成器或其他音訊裝置。所述輸入裝置能夠將使用者輸入的命令轉換為電信號，所述輸入裝置可以是踏板、鍵盤、滑鼠、觸控板、語音辨識界面或手勢識別界面。
請參閱圖9，根據本揭露一實施例，一種藉由所述手術輔助系統1000執行的電腦輔助手術的方法，包括以下步驟：步驟S110，從醫學成像儀1910接收多個醫學圖像；步驟S120，根據所述醫學圖像生成一個三維虛擬解剖模型； 步驟S130，提示使用者標示虛擬解剖模型上的標的位置；步驟S141，根據虛擬解剖模型、標示的位置以及從醫學圖像獲得的生理和/或病理資訊生成手術計畫；步驟S160，根據手術計畫提示使用者開始手術；步驟S170，在手術期間協助使用者完成手術。
在步驟S110中，所述醫學成像儀1910可為電腦斷層掃描器(CT掃描器)、磁共振成像掃描器(MRI掃描器)或者其他常用的能夠獲取被掃描物件的連續橫截面圖像的醫療成像設備。優選的，如圖10所示，當拍攝醫學圖像時，將一標記貼片1600附著在受術者目標手術部位附近，以便定位手術環境。具體的，所述標記貼片1600可包括可被所述空間感測器系統1500的空間感測器1510檢測到的至少一個標記1555，及複數能在所述醫學成像儀1910拍攝的醫學圖像上形成記號的基準標記1610。所述基準標記1610可由鉛、鐵、鈣或者其他不透射線的材料製成。故，如圖10所示，在拍攝醫學圖像時，所述標記貼片1600附著到目標物件的情況下，得到的虛擬解剖模型2110將包括多個對應於基準標記1610的不透射線的點(圖未示)。
在其他實施例中，所述標記貼片1600上的標記1555與所述基準標記1610可同心設置，以避免由受術者表面輪廓的變化而引起信號不一致的情形。或者，這些材料既可以被所述空間感測器1510光學讀取，其不透射線性質也可使標記1555可呈像於所述醫學成像儀1910所拍攝的圖像上，從而確保獲取的信號之間具有更高的一致性。
請參閱圖9，在步驟S130中，藉由使用者介面1800提示使用者在所述虛擬解剖模型2110上指定一個或複數個目標位置。所述目標位置可包括一目標手術部位或者一特定的解剖學參考標誌或表面特徵。使用者還可在所述虛擬解剖模型2110上標記或定義特定的參考標誌或表面特徵。在步驟S141中， 所述方法生成的所述手術計畫可包括操作細節，如工具1250的進入位置及角度、計畫鑽孔的深度及路徑、建議的工具類型及建議的螺釘類型等。
在步驟S160中，在生成所述手術計畫後，所述電腦系統1700提示使用者根據所述手術計畫開始手術。使用者可在手術開始前調整或修改所述手術計畫。在步驟S170中，所述手術輔助系統1000在所述計畫的手術過程中根據所述空間感測器系統1500檢測到的所述工具1250的空間資訊以調整所述操縱器1210的運動狀態，並藉由使用者介面1800通知使用者，以在計畫的手術期間協助使用者進行手術。此外，在其他實施例中，還可在手術過程中拍攝醫學圖像，以監控所述鑽孔路徑的位置、角度及深度，從而確保遵循所述手術計畫，並用於判斷重新定義新手術計畫或重新校準儀器的必要性。
在步驟S130中使用者在所述虛擬解剖模型上選擇目標位置後，本實施例的所述方法還可進一步包括以下步驟：步驟S151，獲取目標物件的解剖部位上的複數採樣點的表面資訊；及步驟S152，將採集到的表面資訊賦值到虛擬解剖模型中，從而將虛擬解剖模型註冊到由所述空間感測器系統1500獲得的空間資訊所建立的坐標系中。
更具體的，如圖11所示，根據一實施例，獲取採樣點的表面資訊的步驟S151包括以下步驟：步驟S251，生成一採樣樣式；步驟S252，提示使用者生成所述採樣點的採樣資訊；及步驟S2521，指定所述採樣資訊成為所述採樣點的表面資訊。
在本實施例中，所述生成一採樣方式的步驟S251包括步驟S2510，在所述虛擬解剖模型上定義一目標區域及複數參考點。如圖12所示，在使用者 藉由所述使用者介面1800在所述虛擬解剖模型2110上指定感興趣的位置之後，所述電腦系統1700可定義一目標區域2120，並在所述目標區域2120中定義複數參考點2130。優選的，所述目標區域2120係一具有特色的或代表性的表面特徵(如脊柱小平面或棘突)的區域，或者係一套筒可觸及的區域。在其他實施例中，所述參考點2130分佈在所述目標區域2120中以覆蓋所述目標區域2120的複數表面特徵。優選的，所述參考點2130的數量可大於或等於50。所述參考點2130可以矩形、同心圓、螺旋形或其他最好能覆蓋大量的表面特徵的樣式進行排列。在一些實施例中，所述參考點2130的目標精度(意即相鄰二參考點2130間的距離)可設置為所述空間感測器1510解析度的3~4倍，例如，當所述空間感測器1510的解析度為0.25mm時，相鄰二參考點2130的距離可為1mm。優選的，所述目標精度設置為大約0.3mm。此外，所述參考點2130可根據局部的生理特徵，如由所述醫學圖像計算得到的骨密度，進行優化，並定義一採樣路線。使用者亦可藉由所述使用者介面1800手動地定義或調整所述目標區域2120及所述參考點2130的數量與位置。
優選的，在步驟S2510之前進行一個粗略匹配流程，有助於後續步驟中獲取表面資訊。根據本揭露一實施例，所述生成一採樣方式的步驟S251進一步包括以下步驟：步驟S2511，在所述虛擬解剖模型的目標區域中定義複數粗略參考點；步驟S2512，提示使用者藉由在所述受術者身上採集與所述複數粗略參考點相對應的複數粗略採樣點以生成粗略空間數據；及步驟S2513，將所述粗略空間數據賦值到所述虛擬解剖模型中。
在本實施例中的步驟S2511中，舉例而言，所述粗略參考點可由所述電腦系統1700根據一種成像處理演算法來定義。另，所述粗略參考點還可由 使用者藉由所述使用者介面1800手動定義。如圖10所示，優選地，所述粗略參考點2215a-f位於與所述基準標記1610相對應的不透射線的點附近。所述粗略參考點的數量可根據需要設置，優選的，所述粗略參考點的數量為1~10個，更優選的，所述粗略參考點的數量為4~6個。在定義所述粗略參考點後，提示使用者使用所述儀器1200上安裝的探針，在附著於所述受術者的標記貼片1600上或周圍採集複數與所述粗略參考點2215a-f相對應的粗略採樣點。藉由所述電腦系統1700操縱所述操縱器1210的運動狀態使得所述探針的尖端接觸所述粗略採樣點，進而一次採樣一個所述粗略採樣點，或者藉由所述電腦系統1700操縱所述操縱器1210的運動狀態，使得所述探針的尖端接觸所述粗略採樣點並能夠沿一預定的粗略採樣路線滑動，進而連續地對所述粗略採樣點進行採樣，其中，所述粗略採樣路線由所述粗略採樣點構成。在本實施例中，一空間標記結構1550附加於所述儀器1200上，使得在採樣過程中能夠藉由所述空間感測器系統1500追蹤所述探針的座標，從而獲取與所述粗略參考點2215a-f相對應的粗略空間數據2255。然後，在步驟S2512中，所述粗略空間數據被賦值到所述虛擬解剖模型中，從而初步地將所述虛擬解剖模型匹配到所述電腦系統1700記錄的坐標系統中。
或者，所述粗略匹配過程可由所述手術輔助系統1000自動執行。例如，在本揭露一實施例中，可由所述空間感測器1510讀取的並且不透射線的基準標記1610被放置於受術者身上的標記貼片1600上，所述生成採樣方式的步驟S251進一步包括一步驟：將所述受術者身上的基準標記1610的粗略空間數據賦值於所述虛擬解剖模型2110中。
請參閱圖13及圖11，在步驟S251中生成採樣方式的之後，如步驟S252所述，提示使用者運用安裝於所述儀器1200上的配置探針對所述受術者身上與所述參考點2130項對應的複數採樣點2140進行採樣以生成採樣資訊 2310。藉由所述電腦系統1700操縱所述操縱器1210的運動狀態使得所述探針的尖端接觸所述粗略採樣點，進而一次採集一個所述粗略採樣點，或者藉由所述電腦系統1700操縱所述操縱器1210的運動狀態，使得所述探針的尖端接觸所述粗略採樣點並能夠沿一預定的粗略採樣路線滑動，進而連續地對所述粗略採樣點進行採樣，其中，所述粗略採樣路線由所述粗略採樣點構成。在本實施例中，所述採樣資訊可包括所述空間感測器1510檢測的採樣點的座標與所述探針在所述採樣點的接觸角度α，及與所述接觸有關的參數，例如所述探針承受的力、所述工具承受的力矩、所述致動器的輸出功率及穩定接觸的持續時間。
在本實施例中，所述探針承受的力包括可被所述儀器1200上的力度感測器1235檢測到的正向力(即，與所述探針方向平行的力)及側向力(即，與所述探針方向垂直的力)。所述接觸角度α可定義為所述探針相較於水平面的角度。所述穩定接觸的持續時間可定義所述空間標記結構1550在所述儀器1200的平臺1230上的位置保持不變的持續時間，或者被所述儀器1200的慣性感測器檢測到的加速度、速度、位移、角速度及/或角加速度保持為零的持續時間。此外，在表面採樣過程中，一套筒1400可用於引導所述探針。
在步驟S2521中，對所述受術者身上與所述參考點2130相對應的所有採樣點2140採樣後，如步驟S2521中所述，所述電腦系統1700將所述採樣資訊指定為或定義為所述採樣點的表面資訊。請再次參閱圖9，在步驟S151中獲取所述表面資訊之後，在步驟S152中將所述表面資訊賦值於所述虛擬解剖模型中，從而將所述虛擬解剖模型註冊入所述空間感測器系統1500建立的坐標系統中。在本實施例中，藉由一種演算法在所述虛擬解剖模型中識別出一最匹配所述獲取到的表面資訊的表面區域。所述演算法可為疊代最近點演算法(ICP)、一致性點漂移演算法(CPD)或者其他使二個點資料組間的差異最小化並匹配二組資料的演算法。
在一優選的實施例中，在步驟S252中使用者採集了預定數量的採樣點2140後，在用戶繼續採集後續的採樣點時，所述電腦系統1700可將採集到的採樣點2140賦值到所述虛擬解剖模型中。所述賦值結果將顯示於所述使用者介面1800上，此時使用者能夠判斷採樣點是否已經足以將所述虛擬解剖模型註冊入所述坐標系統中，並相應地停止對剩餘的採樣點進行採樣。
在本揭露的一些實施例中，所述獲取到的表面資訊可用於改進或提高根據步驟S110中的醫學圖像生成的所述虛擬解剖模型的解析度，例如，更新所述虛擬解剖模型中已知的表面特徵或者將新的表面特徵添加入所述虛擬解剖模型。所述表面資訊還可被使用者應用於更新步驟S141中生成的手術計畫。另，所述表面資訊及所述改進的虛擬解剖模型可一起被用於更新所述手術計畫，以確保所述手術計畫更精準。
請參閱圖14，根據本揭露的另一實施例，所述獲取所述採樣點的表面資訊的步驟S151包括以下步驟：步驟S251，生成採樣方式；步驟S252，提示使用者生成所述採樣點的採樣資訊；步驟S253，驗證當前的採樣資訊；步驟S254，檢查採樣狀態；步驟S255，篩選所述採樣資訊；及步驟S2521，指定所述採樣資訊為所述採樣點的表面資訊。
具體地，如圖15所示，在步驟S252中生成所述採樣資訊之後，如步驟S253所述，所述電腦系統1700根據至少一預定義的採樣標準檢驗所述參數來驗證所述採樣資訊。所述預定義的採樣標準可包括但不僅限於，所述探針承受的正向力大於或等於一正向力的閾值、所述探針承受的側向力小於或等於一側向力的閾值、所述工具承受的力矩等於或小於一力矩的閾值、所述致動器的輸 出功率大於或等於一功率的閾值、及所述探針與接觸面間穩定接觸的持續時間大於或等於一時間的閾值。在一些實施例中，所述正向力的閾值可為5牛頓，所述側向力的閾值可為0.5牛頓，或者所述力矩的閾值可為0.05毫牛頓‧米。所述功率的閾值可為0.3安培，所述時間的閾值可為1秒。
請參閱圖15，根據本揭露的一實施例，所述驗證當前的採樣資訊的步驟S253具體包括以下步驟：步驟S2531，確定所述當前的採樣資訊中包含的與接觸有關的參數是否滿足至少一個採樣標準；當所述參數符合採樣標準時，則進行步驟S2532將當前採樣資訊標記為第一標註；或者當所述參數不符合採樣標準時，則進行步驟S2533將當前採樣資訊標記為第二標註；及在當前採樣資訊被標記為第二標註時，則再次進行步驟S252生成採樣資訊；在當前採樣資訊被標記為第一標註時，則進行步驟S254檢查採樣狀態。
如圖15所述的實施例中，在步驟S252使用者從一角度接觸與所述虛擬解剖模型2110的參考點2130相對應的受術者身上的採樣點2140以生成一採樣資訊之後，所述電腦系統1700在步驟S2531中確定所述採樣資訊中包含的參數是否符合至少一採樣標準。如果所述參數不符合所述採樣標準，所述電腦系統1700將表示所述採樣資訊無效(參步驟S2532)，並藉由所述使用者介面1800提示使用者從另一角度再次接觸同一採樣點2140(參步驟S252)。在一些實施例中，當對一採樣點在一預設的採樣次數內連續地採樣失敗時(例如，參數不符合所述採樣標準)，所述電腦系統1700可跳過所述採樣點，並提示用戶接觸下一採樣點。
或者，當所述參數符合所述採樣標準時，所述電腦系統1700將所述採樣資訊標記為第一標註(例如：“有效的”或“正確的”，參步驟S2533)，並繼續檢查當前採樣狀態(參步驟S254)。如果與步驟S2511中定義的參考點2130對應的所有採樣點的採樣資訊未全部被採集，所述電腦系統1200將藉由使用者介面1800提示使用者根據一預設的採樣路線接觸受術者身上的下一採樣點。所述電腦系統1700重複驗證過程直到所有的採樣點均被正確採樣。在所有的採樣資訊均被採集後，所述電腦系統1700繼續進行步驟S255，並藉由從所述有效的採樣資訊中篩選出無效的採樣資訊的方式來篩選所獲取的採樣資訊。而後，如圖16所示，步驟S2521中指定所述篩選後的採樣資訊為表面資訊，從而獲得一所述採樣點的表面資訊清單。
在一優選的實施例中，步驟S254可進一步根據與被採集的採樣點相關的關鍵表面特徵確定是否提示使用者採集在預設採樣路線上的下一採樣點。所述關鍵表面特徵可包括但不僅限於：根據在採樣過程中探測到的方向及所述探針承受的力的強度確定的所述表面的峰及谷。如果電腦系統1700確定不按原計畫進行，所述電腦系統1700可藉由，例如根據最後的採樣資訊中的參數判斷可能包括一個或複數關鍵表面特徵的方向，並定義所述方向上的一採樣點作為下一採樣點，進而接續識別此一新的採樣點。或者所述電腦系統1700可重新定義所述參考點或採樣路線，並根據所述新定義的採樣路線接續採樣。
總之，根據本發明各實施例，所述手術輔助系統提供一種精確及有效的註冊方法。所述方法在受術者表面定義一目標區域及分散在所述目標區域中的覆蓋所述表面中複數表面特徵的複數參考點，並確定所述手術儀器中的探針與所述解剖表面之間機械性接觸有效，從而有效地提高電腦輔助手術的準度及精度。
另，對於本領域的普通技術人員來說，可根據本發明的技術構思做出其它各種相應的改變與變形，而所有該等改變與變形均應屬於本發明申請專利範圍的保護範圍。
1000:手術輔助系統
1100:儀器系統
1500:空間感測器系統
1800:使用者介面
1700:電腦系統
1910:醫學成像儀

Claims (27)

  1. 一種藉由一手術輔助系統獲取表面資訊的方法，其中，所述手術輔助系統包括一儀器、一空間感測器系統及一電腦系統，所述儀器包括一工具及一與所述工具連接的操縱器，所述空間感測器系統用於檢測所述工具的空間資訊，所述電腦系統電性連接所述儀器、所述空間感測器系統及一使用者介面，用於根據所述空間感測器系統檢測到的所述工具的空間資訊操縱所述操縱器的運動狀態；所述方法包括以下步驟：步驟S1，藉由電腦系統在受術者的一虛擬解剖模型上定義一目標區域，並在所述目標區域中定義複數參考點；步驟S2，藉由使用者介面提示使用者使用儀器在所述受術者身上採集與所述參考點對應的複數採樣點以生成採樣資訊，其中，每一採樣資訊包括採樣點的座標、空間感測器系統檢測到的所述工具在所述採樣點的接觸角度、及與所述接觸有關的參數；步驟S21，驗證當前的採樣資訊；及步驟S3，藉由電腦系統指定所述採樣資訊作為所述採樣點的表面資訊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，藉由電腦系統控制所述操縱器的運動狀態，從而控制探針的尖端每次一個接觸所述採樣點進而對所述採樣點採樣。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，在步驟S1之前，所述方法還進一步地包括一步驟：藉由電腦系統將所述受術者身上的複數基準標記的粗略空間數據賦值到所述虛擬解剖模型中，其中，所述基準標記能被所述空間感測器系統讀取，並且對於所述手術輔助系統相關的一醫學成像儀而言，所述基準標記是不透射線的。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，在步驟S1之前，所述方法還進一步地包括以下步驟：藉由電腦系統在虛擬解剖模型上的目標區域中定義複數粗略參考點；藉由使用者介面提示使用者使用儀器在所述受術者身上採集與所述參考點對應的複數粗略採樣點以生成粗略空間數據；及藉由電腦系統將所述粗略空間數據賦值到所述虛擬解剖模型中。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中，藉由電腦系統控制所述操縱器的運動狀態，從而控制探針的尖端每次接觸一個所述粗略採樣點以對所述粗略採樣點採樣。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述複數參考點分佈在所述目標區域以使得複數表面特徵被所述參考點覆蓋。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，在步驟S21之後，所述方法還進一步地包括以下步驟：步驟S22，檢查採樣狀態；及步驟S23，篩選所述採樣資訊。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述步驟S21包括：步驟S211，確定當前的採樣資訊中包含的參數是否滿足至少一個採樣標準；步驟S212，當所述參數符合採樣標準時，以第一標註標記當前的採樣資訊，或者當所述參數不符合採樣標準時，以第二標註標記當前的採用資訊；及步驟S213，在當前的採樣資訊被標記為第一標註時，繼續進行步驟S22，或者在當前的採樣資訊被標記為第二標註時，繼續進行步驟S2。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中，所述採樣標準包括所述工具承受的正向力大於或等於一正向力的閾值。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中，所述採樣標準包括所述工具承受的側向力小於或等於一側向力的閾值。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中，所述採樣標準包括所述工具承受的力矩小於或等於一力矩的閾值。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中，所述採樣標準包括所述操縱器中的複數致動器的輸出功率大於或等於一功率的閾值。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中，所述工具與一個採樣點之間穩定接觸的持續時間大於或等於一時間的閾值。
  14. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中，所述步驟S22包括：步驟S221，確定是否所有的採樣點的採樣資訊被標記為第一標註；及步驟S222，當所有的採樣點的採樣資訊均已被採集時，繼續進行步驟S23，或者當至少一採樣點的採樣資訊未被採集時，繼續進行步驟S2。
  15. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中，步驟S23具體為篩選出標記為第一標註的採樣資訊，去除標記為第二標註的採樣資訊。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，在步驟S3之後，所述方法進一步包括步驟S4：將所述表面資訊賦值到所述虛擬解剖模型中，以將所述虛擬解剖模型註冊入一坐標系統中。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中，在步驟S4之後，所述方法進一步包括步驟S5：根據所述表面資訊改進所述虛擬解剖模型。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中，在步驟S4之後，所述方法進一步包括步驟S6：根據所述表面資訊更新一手術計畫。
  19. 一種手術輔助系統，其包括一儀器、一空間感測器系統及一電腦系統，所述儀器包括一工具及一與所述工具連接的操縱器，所述空間感測器系統用於檢測所述工具的空間資訊，所述電腦系統電性連接所述儀器、所述空間感測器 系統及一使用者介面，用於根據所述空間感測器系統檢測到的所述工具的空間資訊操縱所述操縱器的運動狀態，其中，所述電腦系統包括一非暫態的電腦可讀媒介以存儲用於獲取表面資訊的程式，所述程式由所述電腦系統的至少一處理器執行，所述程式包括當所述處理器執行所述程式時引發所述手術輔助系統執行動作的指令，所述指令包括：步驟S1，藉由電腦系統在受術者的一虛擬解剖模型上定義一目標區域，並在所述目標區域中定義複數參考點；步驟S2，藉由使用者介面提示使用者使用儀器在所述受術者身上採集與所述參考點對應的複數採樣點以生成採樣資訊；其中，每一採樣資訊包括採樣點的座標、空間感測器系統檢測到的所述工具在所述採樣點的接觸的角度、及與所述接觸相關的參數；步驟S21，驗證當前的採樣資訊；及步驟S3，藉由電腦系統指定所述採樣資訊作為所述採樣點的表面資訊。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的手術輔助系統，其中，所述儀器包括至少一手柄以使得用戶能夠抓住並操控所述儀器。
  21. 如申請專利範圍第19項所述的手術輔助系統，其中，所述儀器進一步地包括一力度感測器，用於檢測所述工具承受的力及力矩中的至少一種。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的手術輔助系統，其中，所述力度感測器連接於所述工具與所述操縱器之間。
  23. 如申請專利範圍第21項所述的手術輔助系統，其中，所述力度感測器位於所述工具內。
  24. 如申請專利範圍第19項所述的手術輔助系統，其中，與所述接觸相關的參數包括所述工具承受的力。
  25. 如申請專利範圍第19項所述的手術輔助系統，其中，與所述接觸相關的參數包括所述工具承受的力矩。
  26. 如申請專利範圍第19項所述的手術輔助系統，其中，與所述接觸相關的參數包括所述操縱器中的複數致動器的輸出功率。
  27. 如申請專利範圍第19項所述的手術輔助系統，其中，與所述接觸相關的參數包括所述工具與一個採樣點之間穩定接觸的持續時間。
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