用于跟蹤介入器械的形狀傳感器系統(tǒng)以及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及用于導(dǎo)航患者解剖結(jié)構(gòu)以進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)的系統(tǒng)和方法，并且更具體地涉及使用形狀傳感器系統(tǒng)來(lái)跟蹤介入器械的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)意圖在介入手術(shù)期間減少被損害的組織量，從而減少患者的康復(fù)時(shí)間、不適感和有害的副作用。通過患者解剖結(jié)構(gòu)中的天然孔口或通過一個(gè)或多個(gè)手術(shù)切口可執(zhí)行此類微創(chuàng)技術(shù)。通過這些天然孔口或切口，臨床醫(yī)生可插入介入器械(包括外科手術(shù)器械、診斷器械、治療器械或組織檢查器械)，以到達(dá)目標(biāo)組織位置。為到達(dá)目標(biāo)組織位置，微創(chuàng)介入器械可在解剖系統(tǒng)(諸如肺、結(jié)腸、腸、腎、心臟、循環(huán)系統(tǒng)等)中導(dǎo)航天然或外科手術(shù)形成的管道。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，電磁(EM)導(dǎo)航可用于跟蹤介入器械穿過患者解剖結(jié)構(gòu)的移動(dòng)。雖然EM導(dǎo)航系統(tǒng)可用于許多手術(shù)，但它們可受到來(lái)自手術(shù)部位中的其他器材的磁場(chǎng)干擾。例如，熒光鏡成像系統(tǒng)的C臂或金屬器械可對(duì)EM導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，從而在跟蹤介入器械中引起不可接受的誤差。需要改進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)和方法用于跟蹤手術(shù)環(huán)境中的介入器械，包括在EM導(dǎo)航不適合或可受到損壞的環(huán)境中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的實(shí)施例由隨附說明的權(quán)利要求書概括。
[0004]在一個(gè)實(shí)施例中，醫(yī)療跟蹤系統(tǒng)包括一種基準(zhǔn)設(shè)備，該基準(zhǔn)設(shè)備包括經(jīng)配置與傳感器裝置的配合部分配合的傳感器對(duì)接特征部。傳感器對(duì)接特征部將配合部分保持為已知配置?；鶞?zhǔn)設(shè)備也包括至少一個(gè)可成像的基準(zhǔn)標(biāo)記和經(jīng)配置用于附接到患者的解剖結(jié)構(gòu)的表面。
[0005]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于醫(yī)療器械跟蹤的方法包括接收解剖結(jié)構(gòu)的模型。該模型限定圖像參考幀并且包括至少一個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記的圖像。該方法還包括當(dāng)包括至少一個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記的基準(zhǔn)設(shè)備聯(lián)接到第一形狀傳感器裝置時(shí)，將第一形狀傳感器裝置的參考部分配準(zhǔn)到多個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記。第一形狀傳感器裝置的參考部分相對(duì)于至少一個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記保持為已知配置。該方法還包括從第一形狀傳感器裝置的第一形狀傳感接收在第一傳感器參考幀中的第一形狀傳感器信息，以及基于圖像參考幀和第一傳感器參考幀之間的相關(guān)性確定第一形狀傳感器在圖像參考幀中的姿勢(shì)。
[0006]一種用于醫(yī)療器械跟蹤的方法包括接收解剖結(jié)構(gòu)的模型。該模型限定圖像參考幀并且包括至少一個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記的模型。該方法還包括從包括參考部分的第一形狀傳感器接收在第一參考幀中的第一形狀傳感器信息，所述參考部分相對(duì)于至少一個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記保持為已知配置。該方法還包括從定位在解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的第二形狀傳感器接收在第二參考幀中的第二形狀傳感器信息。該方法還包括基于第一參考幀、第二參考幀和圖像參考幀之間的相關(guān)性確定第二形狀傳感器在圖像參考幀中的姿勢(shì)。
[0007]本公開的附加方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下【具體實(shí)施方式】中變得顯而易見。
【附圖說明】
[0008]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，根據(jù)下面的【具體實(shí)施方式】，將最好地理解本公開的各方面。強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)本行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，各種特征部未按比例繪制。實(shí)際上，為了討論清楚起見，可以任意地增大或減小各種特征部的尺寸。此外，本公開在各種示例中可重復(fù)附圖標(biāo)號(hào)和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚起見，而其本身并不表示所討論的各種實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系。
[0009]圖1是根據(jù)本公開的實(shí)施例的機(jī)器人介入系統(tǒng)。
[0010]圖2示出利用本公開的各方面的介入器械系統(tǒng)。
[0011]圖3示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的具有跟蹤系統(tǒng)的介入器械系統(tǒng)。
[0012]圖4示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的傳感器裝置。
[0013]圖5示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的介入器械跟蹤系統(tǒng)的使用方法。
[0014]圖6示出根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的具有跟蹤系統(tǒng)的介入器械系統(tǒng)。
[0015]圖7示出根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的介入器械跟蹤系統(tǒng)的使用方法。
[0016]圖8示出根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的具有跟蹤系統(tǒng)的介入器械系統(tǒng)。
[0017]圖9示出根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的介入器械跟蹤系統(tǒng)的使用方法。
[0018]圖10示出根據(jù)本公開的另一些實(shí)施例的具有跟蹤系統(tǒng)的介入器械系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]在本發(fā)明的各方面的以下詳細(xì)描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)以便提供對(duì)所公開的實(shí)施例的全面理解。然而，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將顯而易見的是，本公開的實(shí)施例可在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐。在其他情況下，并未詳細(xì)描述已知的方法、程序、部件和電路，以免不必要地混淆本發(fā)明的實(shí)施例的各方面。而且，為避免不必要的描述性重復(fù)，根據(jù)一個(gè)例示性實(shí)施例描述的一個(gè)或多個(gè)部件或動(dòng)作能夠被使用或如果可適用從其他例示性實(shí)施例省略。
[0020]下面的實(shí)施例將依據(jù)器械在三維空間內(nèi)的狀態(tài)描述各種器械和器械的各部分。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“位置”是指三維空間內(nèi)對(duì)象或?qū)ο蟮囊徊糠值奈恢?例如，沿笛卡爾X、Y、Z坐標(biāo)的三個(gè)平移自由度)。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“定向”是指對(duì)象或?qū)ο蟮囊徊糠值男D(zhuǎn)放置(三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度一例如，橫滾、俯仰和偏航)。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“姿勢(shì)”是指在至少一個(gè)平移自由度內(nèi)的對(duì)象或?qū)ο蟮囊徊糠值奈恢靡约霸谥辽僖粋€(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(多至總共六個(gè)自由度)內(nèi)的對(duì)象或?qū)ο蟮囊徊糠值亩ㄏ颉Ｈ绫疚乃?，術(shù)語(yǔ)“形狀”是指沿細(xì)長(zhǎng)對(duì)象測(cè)量的一組姿勢(shì)、位置或定向。
[0021]參照附圖中的圖1，用在例如外科手術(shù)、診斷、治療或活組織檢查程序中的機(jī)器人介入系統(tǒng)一般由附圖標(biāo)號(hào)100表示。如圖1所示，機(jī)器人介入系統(tǒng)100—般包括安裝到其上定位有患者P的手術(shù)臺(tái)O或安裝在該手術(shù)臺(tái)O附近的機(jī)器人組件102。介入器械系統(tǒng)104可操作地聯(lián)接到機(jī)器人組件102。操作者輸入系統(tǒng)106允許外科醫(yī)生或臨床醫(yī)生S觀看手術(shù)部位并且控制介入器械系統(tǒng)104的操作。
[0022]操作者輸入系統(tǒng)106可位于通常與手術(shù)臺(tái)O位于相同房間內(nèi)的臨床醫(yī)生的操縱臺(tái)處。然而，應(yīng)當(dāng)理解，外科醫(yī)生或臨床醫(yī)生S能夠位于與患者P不同的房間或完全不同的建筑物內(nèi)。操作者輸入系統(tǒng)106 —般包括用于控制介入器械系統(tǒng)104的一個(gè)或多個(gè)控制裝置。(一個(gè)或多個(gè))控制裝置可包括任何數(shù)量的各種各樣的輸入裝置，諸如手柄、操縱桿、跟蹤球、數(shù)據(jù)手套、觸發(fā)槍、手動(dòng)操作的控制器、聲音識(shí)別裝置、觸摸屏、身體運(yùn)動(dòng)或存在傳感器等。在一些實(shí)施例中，(一個(gè)或多個(gè))控制裝置將與機(jī)器人組件的介入器械設(shè)有相同的自由度，以為臨床醫(yī)生提供遠(yuǎn)程呈現(xiàn)或(一個(gè)或多個(gè))控制裝置與器械整合的感知度，使得臨床醫(yī)生具有直接控制器械的強(qiáng)烈感覺。在另一些實(shí)施例中，(一個(gè)或多個(gè))控制裝置也可具有比相關(guān)聯(lián)的介入器械更多或更少的自由度，并且仍為臨床醫(yī)生提供遠(yuǎn)程呈現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，(一個(gè)或多個(gè))控制裝置是手動(dòng)輸入裝置，該手動(dòng)輸入裝置以六個(gè)自由度移動(dòng)，并且也可包括用于致動(dòng)器械(例如，用于閉合抓持夾鉗、向電極施加電勢(shì)、實(shí)施藥物療法等)的可致動(dòng)把手。
[0023]機(jī)器人組件102支持介入器械系統(tǒng)104并且可包括一個(gè)或多個(gè)非伺服控制鏈路的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)(例如，可手動(dòng)定位并鎖定在適當(dāng)位置的一個(gè)或多個(gè)鏈路，一般被稱為調(diào)定結(jié)構(gòu))和機(jī)器人操縱器。機(jī)器人組件102包括驅(qū)動(dòng)介入器械104上的輸入的多個(gè)致動(dòng)器(例如，馬達(dá))。這些馬達(dá)響應(yīng)于來(lái)自控制系統(tǒng)(例如，控制系統(tǒng)112)的命令主動(dòng)地移動(dòng)。馬達(dá)包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在聯(lián)接到介入器械104時(shí)可將介入器械推進(jìn)到天然或外科手術(shù)形成的解剖孔口中，并且/或者可以以多個(gè)自由度移動(dòng)介入器械的遠(yuǎn)端，所述多個(gè)自由度可包括三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)(例如，沿X、Y、Z笛卡爾坐標(biāo)軸的直線運(yùn)動(dòng))自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(例如，圍繞X、Y、Z笛卡爾坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn))自由度。此外，馬達(dá)能夠用于致動(dòng)器械的可鉸接的末端執(zhí)行器，用于抓持活組織檢查裝置的夾鉗等中的組織。
[0024]機(jī)器人介入系統(tǒng)100也包括傳感器系統(tǒng)108，該傳感器系統(tǒng)108具有用于接收關(guān)于機(jī)器人組件的器械的信息的一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)。此類子系統(tǒng)可包括位置傳感器系統(tǒng)(例如，電磁(EM)傳感器系統(tǒng))；形狀傳感器系統(tǒng)，其用于沿器械104的柔性主體確定導(dǎo)管尖端和/或一個(gè)或多個(gè)節(jié)段的位置、定向、速度、姿勢(shì)和/或形狀；和/或可視化系統(tǒng)，其用于從導(dǎo)管系統(tǒng)的遠(yuǎn)端捕捉圖像。
[0025]機(jī)器人介入系統(tǒng)100也包括顯示系統(tǒng)110，該顯示系統(tǒng)110用于顯示由傳感器系統(tǒng)108的子系統(tǒng)生成的手術(shù)部位和介入器械104的圖像。顯示系統(tǒng)110和操作者輸入系統(tǒng)106可被定向，因而操作者能夠像觀看基本真實(shí)呈現(xiàn)的工作空間那樣控制介入器械系統(tǒng)104和操作者輸入系統(tǒng)106。真實(shí)呈現(xiàn)意指所顯示的組織圖像似乎對(duì)于操作者而言就像操作者物理地存在于圖像位置處并且直接從圖像的視角觀看組織。
[0026]另選地或附加地，顯示系統(tǒng)110可使用成像技術(shù)諸如計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)(CT)、磁共振成像(MRI)、熒光鏡透視檢查、溫度記錄法、超聲波、光學(xué)相干斷層攝影術(shù)(OCT)、熱成像、阻抗成像、激光成像、納米管X射線成像等來(lái)呈現(xiàn)手術(shù)前記錄和/或建模的手術(shù)部位的圖像。所呈現(xiàn)的手術(shù)前圖像可包括二維、三維或四維(包括例如基于時(shí)間或基于速率的信息)圖像和模型。
[0027]在一些實(shí)施例中，顯示系統(tǒng)110可顯示虛擬可視化圖像，其中介入器械的實(shí)際位置可以與手術(shù)前圖像或并發(fā)圖像配準(zhǔn)(例如，動(dòng)態(tài)地參考)，以在外科器械的尖端位置處向臨床醫(yī)生呈現(xiàn)內(nèi)部手術(shù)部位的虛擬圖像。
[0028]在另一些實(shí)施例中，顯示系統(tǒng)110可顯示虛擬可視化圖像，其中介入器械的實(shí)際位置與先前圖像(包括手術(shù)前記錄的圖像)或并發(fā)圖像配準(zhǔn)，以向臨床醫(yī)生呈現(xiàn)在手術(shù)部位處的介入器械的虛擬圖像。介入器械104的一部分的圖像可以疊加在虛擬圖像上，以幫助臨床醫(yī)生控制介入器械。
[0029]機(jī)器人介入系統(tǒng)100也包括控制系統(tǒng)112?？刂葡到y(tǒng)112包括至少一個(gè)處理器(未示出)，并且通常包括多個(gè)處理器，用于實(shí)現(xiàn)介入器械系統(tǒng)104、操作者輸入系統(tǒng)106、傳感器系統(tǒng)108和顯示系統(tǒng)110之間的控制。控制系統(tǒng)112也包括程序化指令(例如，存儲(chǔ)指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì))，以實(shí)現(xiàn)本文所述方法中的一些或全部。雖然控制系統(tǒng)112在圖1簡(jiǎn)化的示意圖中被視為單塊，但該系統(tǒng)可包括多個(gè)數(shù)據(jù)處理電路，其中處理的一部分可選地在機(jī)器人組件102上或鄰近執(zhí)行，一部分在操作者輸入系統(tǒng)106處執(zhí)行等?？梢圆捎萌我舛喾N多樣的集中式或分布式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)。類似地，程序化指令可實(shí)現(xiàn)為多個(gè)單獨(dú)的程序或子程序，或者它們可以整合到本文所述的機(jī)器人系統(tǒng)的多個(gè)其他方面。在一個(gè)實(shí)施例中，控制系統(tǒng)112支持無(wú)線通信協(xié)議，諸如藍(lán)牙、IrD