用于微創(chuàng)介入的形狀感測的機(jī)器人超聲的制作方法
【專利摘要】一種形狀感測系統(tǒng)，包括多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備(118)，每個具有至少一根光纖(122)。所述系統(tǒng)優(yōu)選地是用于形狀感測的機(jī)器人超聲的系統(tǒng)，包括內(nèi)窺鏡、超聲探頭、醫(yī)學(xué)設(shè)備和機(jī)器人。光學(xué)感測模塊(130)被配置為從至少一根光纖接收光學(xué)信號并解讀所述光學(xué)信號，以提供針對所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的形狀感測數(shù)據(jù)。配準(zhǔn)模塊(134)被配置為使用所述形狀感測數(shù)據(jù)將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。
【專利說明】
用于微創(chuàng)介入的形狀感測的機(jī)器人超聲
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本公開內(nèi)容涉及醫(yī)學(xué)器械，并且更具體地涉及用于微創(chuàng)介入的形狀感測的超聲。
【背景技術(shù)】
[0002]在某些微創(chuàng)流程(例如部分腎切除術(shù)和前列腺切除術(shù))中，超聲(US)被用于識別健康組織與腫瘤組織之間的邊界。US探頭相當(dāng)龐大并典型地安裝在機(jī)械臂上以掃描前方的解剖結(jié)構(gòu)區(qū)域，以便在健康組織與腫瘤組織之間進(jìn)行區(qū)分。然后，將探頭從感興趣區(qū)域移開。外科醫(yī)生將記住通過US探頭識別的感興趣的解剖結(jié)構(gòu)位置，并將靠腦力在內(nèi)窺鏡視圖中定位該點。這允許外科醫(yī)生在內(nèi)窺鏡視圖中對手術(shù)工具進(jìn)行導(dǎo)航并指導(dǎo)去除腫瘤。然而，這種對信息的腦力整合需要長期訓(xùn)練并且容易出錯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)本發(fā)明的原理，一種形狀感測系統(tǒng)包括:多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備，每個具有至少一根光纖。光學(xué)感測模塊被配置為從所述至少一根光纖接收光學(xué)信號并解讀所述光學(xué)信號以提供針對所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的形狀感測數(shù)據(jù)。配準(zhǔn)模塊被配置為使用所述形狀感測數(shù)據(jù)將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。
[0004]—種工作站包括處理器和耦合到所述處理器的存儲器設(shè)備。所述存儲器被配置為儲存光學(xué)感測模塊和配準(zhǔn)模塊，所述光學(xué)感測模塊被配置為從至少一根光纖接收光學(xué)信號并解讀所述光學(xué)信號，以提供針對多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的形狀感測數(shù)據(jù)，所述配準(zhǔn)模塊被配置為使用所述形狀感測數(shù)據(jù)將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。
[0005]—種方法包括為對象提供多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備。計算針對所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的形狀感測數(shù)據(jù)。使用所述形狀感測數(shù)據(jù)將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。
[0006]結(jié)合附圖閱讀對本公開的說明性實施例的以下詳細(xì)說明，本公開的這些和其他目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0007]本公開將參考附圖來詳細(xì)呈現(xiàn)對優(yōu)選實施例的以下說明，在附圖中:
[0008]圖1是示出了根據(jù)一個說明性實施例的形狀感測系統(tǒng)、配置的方框圖/流程圖；
[0009]圖2示出了根據(jù)一個說明性實施例的包括內(nèi)窺鏡視圖和超聲視圖的顯示器；
[0010]圖3示出了根據(jù)一個說明性實施例的安裝有光學(xué)形狀感測套筒的超聲探頭；
[0011]圖4示出了根據(jù)一個說明性實施例的具有使用收縮管緊固的至少一根光纖的超聲探頭;
[0012]圖5示出了根據(jù)一個說明性實施例的具有耦合到頭部的一根或多根光纖的超聲探頭;并且
[0013]圖6是示出了根據(jù)一個說明性實施例的形狀感測流程的方法的方框圖/流程圖。
【具體實施方式】
[0014]根據(jù)本發(fā)明的原理，提供了用于針對微創(chuàng)介入的形狀感測的機(jī)器人超聲的系統(tǒng)和方法。將一個或多個醫(yī)學(xué)設(shè)備(例如超聲探頭和內(nèi)窺鏡)與光學(xué)形狀感測集成?？梢酝ㄟ^使用例如套筒、收縮管、探頭內(nèi)的通道、貼片附接等將至少一根光纖緊固到一個或多個醫(yī)學(xué)設(shè)備來將形狀感測與一個或多個醫(yī)學(xué)設(shè)備集成?；谛螤罡袦y數(shù)據(jù)，在一個或多個醫(yī)學(xué)設(shè)備之間執(zhí)行配準(zhǔn)。配準(zhǔn)可以例如是基于地標(biāo)(landmark)的、基于夾具的、基于圖像的等。在一些實施例中，一個或多個醫(yī)學(xué)設(shè)備被耦合到可配置設(shè)備或機(jī)器人的一個或多個可移動的特征以用于機(jī)器人引導(dǎo)。所述一個或多個可移動的特征也可以與形狀感測集成，使得它們的相對位置是已知的。
[0015]在流程(例如部分腎切除術(shù)、前列腺切除術(shù)等)期間，可以采用形狀感測使能的超聲探頭和內(nèi)窺鏡。所述超聲探頭可以被用于向前偵察以在健康組織與腫瘤組織之間進(jìn)行區(qū)分。一旦識別了腫瘤組織，則將內(nèi)窺鏡導(dǎo)航到該位置?；诔曁筋^和內(nèi)窺鏡的形狀感測的配準(zhǔn)允許知曉它們的位置，為外科醫(yī)生提供到腫瘤位置的路線圖。此外，基于形狀感測的配準(zhǔn)允許至少部分地在內(nèi)窺鏡視圖上重疊或與內(nèi)窺鏡視圖并列地顯示超聲圖像。這引起對感興趣區(qū)域的準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)、操作者容易理解的可視化以及縮短的流程時間，并具有潛在提高的技術(shù)成功和臨床結(jié)果。
[0016]還應(yīng)當(dāng)理解，將關(guān)于醫(yī)學(xué)器械來描述本發(fā)明，然而，本發(fā)明的教導(dǎo)廣泛得多并且適用于任何光纖器械。在一些實施例中，本發(fā)明的原理用于跟蹤或分析復(fù)雜的生物或機(jī)械系統(tǒng)中。具體而言，本發(fā)明的原理適用于生物系統(tǒng)的內(nèi)部跟蹤流程、在諸如肺、胃腸道、排泄器官、血管等的身體的所有區(qū)域中的流程。附圖中描繪的元件可以被以硬件和軟件的各種組合來實現(xiàn)，并且可以提供可以被組合在單個元件或多個元件中的功能。
[0017]可以通過使用專用硬件以及能夠與合適的軟件相關(guān)聯(lián)地執(zhí)行軟件的硬件來提供附圖中示出的各個元件的功能。當(dāng)由處理器來提供功能時，可以由單個專用處理器、由單個共享處理器或由其中一些能夠被共享的多個獨立處理器來提供功能。而且，對術(shù)語“處理器”或“控制器”的明確的使用不應(yīng)被解釋為排他地指代能夠執(zhí)行軟件的硬件，并且能夠暗含地包括但不限于，數(shù)字信號處理器(“DSP”)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器(“ROM”)、隨機(jī)存取存儲器(“RAM” )、非易失性存儲器等。
[0018]而且，本文記載原理、方面和本發(fā)明的實施例及其具體范例的所有陳述旨在包括其結(jié)構(gòu)等價方案和功能等價方案兩者。此外，旨在使這樣的等價方案包括目前已知的等價方案以及將來發(fā)展出的等價方案(即發(fā)展出的執(zhí)行相同的功能的任何元件，而不論其結(jié)構(gòu)如何)兩者。因此，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識到本文提出的方框圖表示說明性系統(tǒng)部件的概念性視圖和/或?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的原理的電路圖。相似地，應(yīng)當(dāng)意識到任何流程圖表、流程圖等表示各個過程，這些過程可以基本在計算機(jī)可讀存儲媒體中表示并且因此由這樣的計算機(jī)或處理器執(zhí)行，不論是否明確示出了計算機(jī)或處理器。
[0019]另外，本發(fā)明的實施例可以采取能夠從計算機(jī)可用或計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)訪問的計算機(jī)程序產(chǎn)品的形式，所述計算機(jī)可用或計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)提供由計算機(jī)或任何指令執(zhí)行系統(tǒng)使用或結(jié)合計算機(jī)或任何指令執(zhí)行系統(tǒng)使用的程序代碼。出于這種說明的目的，計算機(jī)可用或計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)能夠是可以包括、存儲、傳送、傳播或輸送由指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備使用或結(jié)合指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備使用的程序的任何裝置。所述介質(zhì)可以是電子、磁性、光學(xué)、電磁、紅外線或半導(dǎo)體系統(tǒng)(或裝置或設(shè)備)或者傳播介質(zhì)。計算機(jī)可讀介質(zhì)的范例包括半導(dǎo)體或固態(tài)存儲器、磁帶、可移動計算機(jī)磁盤、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、硬磁盤和光盤。光盤的當(dāng)前的范例包括只讀光盤(CD-ROM)、讀/寫光盤((!^/胃穴藍(lán)光盤1^^^)。
[0020]現(xiàn)在參考附圖，在附圖中，類似的附圖標(biāo)記表示類似的或相同的元件，首先參考圖1，根據(jù)一個實施例說明性地示出了用于形狀感測的機(jī)器人超聲的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100可以包括工作站或控制臺102，利用該工作站或控制臺102來監(jiān)督和/或管理流程。工作站102優(yōu)選地包括一個或多個處理器104和用于儲存程序、應(yīng)用和其它數(shù)據(jù)的存儲器110。應(yīng)當(dāng)理解，系統(tǒng)100的功能和部件可以被集成到一個或多個工作站或系統(tǒng)中。
[0021]工作站102可以包括用于查看對象的內(nèi)部圖像的顯示器106。顯示器106還可以允許用戶與工作站102及其部件和功能進(jìn)行交互。這是通過用戶接口 108來進(jìn)一步促進(jìn)的，用戶接口 108可以包括鍵盤、鼠標(biāo)、操縱桿或任何其它周邊或控制，以允許用戶與工作站102進(jìn)行交互。
[0022]形狀感測系統(tǒng)包括光學(xué)感測單元/模塊130，以及安裝在設(shè)備118上或被集成到設(shè)備118中的形狀感測設(shè)備120。光學(xué)感測模塊130被配置為解讀來自形狀感測設(shè)備或系統(tǒng)120的光學(xué)反饋信號，以用于光學(xué)形狀感測(OSS)。光學(xué)感測模塊130被配置為使用所述光學(xué)信號反饋(和任何其它反饋，例如，電磁(EM)跟蹤)來重建變形、偏斜以及與一個或多個醫(yī)學(xué)設(shè)備或器械118和/或其周邊區(qū)域相關(guān)聯(lián)的其它變化。這允許確定應(yīng)變或其它參數(shù)，所述應(yīng)變或其它參數(shù)將被用于解讀設(shè)備118的形狀、取向等。設(shè)備118可以包括一個或多個介入設(shè)備，例如探頭、圖像設(shè)備、內(nèi)窺鏡、導(dǎo)管、導(dǎo)絲、機(jī)器人、電極、過濾設(shè)備、氣囊設(shè)備、或其它醫(yī)學(xué)設(shè)備或部件等。
[0023]形狀感測系統(tǒng)包括提供所選擇的信號并接收光學(xué)響應(yīng)的光學(xué)詢問器112。光源114可以被提供作為所述詢問器112的部分或者作為單獨的單元來向形狀感測設(shè)備120提供光信號。形狀感測設(shè)備120包括以一種或多種設(shè)定樣式耦合到設(shè)備118的一根或多根光纖122。光纖122被配置為利用它們的幾何結(jié)構(gòu)來檢測并校正/校準(zhǔn)設(shè)備118的形狀。光學(xué)感測模塊130與光學(xué)感測模塊115(例如形狀確定程序)一起工作，以允許跟蹤器械或設(shè)備118。光纖122通過線纜124連接到工作站102。根據(jù)需要，線纜124可以包括光纖、電連接、其它器械、等等。
[0024]其上具有光纖的形狀感測系統(tǒng)120可以基于光纖布拉格(Bragg)光柵傳感器。光纖布拉格光柵(FBG)是反射特定波長的光并透射所有其它波長的光的光纖的短節(jié)段。這是通過在纖芯中添加折射率的周期性變化來實現(xiàn)的，其產(chǎn)生波長特異性的介質(zhì)鏡。因此，光纖布拉格光柵可以被用作內(nèi)聯(lián)(inline)光纖以阻擋特定的波長，或者被用作波長特異性的反射器。
[0025]在光纖布拉格光柵的操作背后的基本原理是在折射率改變的界面中的每個界面處的菲涅爾反射。對于一些波長，各周期的反射光是同相的，從而對于反射存在相長干涉，并且因此，對于透射存在相消干涉。布拉格波長對應(yīng)變和溫度敏感。這意味著布拉格光柵可以被用作光纖傳感器中的感測元件。在FBG傳感器中，被測量的對象(例如應(yīng)變)引起布拉格波長的偏移。
[0026]該技術(shù)的一個優(yōu)勢是各傳感器元件可以在光纖的長度上分布。沿著嵌入在結(jié)構(gòu)中的光纖的長度并入具有各傳感器(計量器)的三個或更多個芯允許典型地以高于Imm的準(zhǔn)確度來精確地確定這樣的結(jié)構(gòu)的三維形式。沿著光纖的長度，在各個位置處，可以定位大量的FBG傳感器(例如3根或更多根光纖感測芯)。根據(jù)每個FBG的應(yīng)變測量結(jié)果，能夠在該位置處推測結(jié)構(gòu)的曲率。根據(jù)多個測得的位置確定總的三維形式。
[0027 ]作為光纖布拉格光柵的備選，可以利用常規(guī)光纖中的固有反向散射。一個這樣的方法是使用標(biāo)準(zhǔn)單模式通信光纖中的瑞利(Rayleigh)散射。由于纖芯中的折射率的隨機(jī)波動，因此發(fā)生瑞利散射。這些隨機(jī)波動可以被建模為具有沿光柵長度的幅值和相位的隨機(jī)變化的布拉格光柵。通過使用在多芯光纖的單個長度內(nèi)延伸的三個或更多個芯中的這種效應(yīng)，可以注意感興趣表面的3D形狀和動態(tài)。也可以采用增強(qiáng)瑞利散射。增強(qiáng)瑞利散射與瑞利散射類似，但作為固有反向散射的替代，增加了光纖中的雜質(zhì)的水平，引起了更高的信號。
[0028]—個或多個設(shè)備118優(yōu)選地包括多個設(shè)備118，所述多個設(shè)備118包括成像設(shè)備和手術(shù)設(shè)備。在優(yōu)選的實施例中，成像設(shè)備包括超聲探頭和內(nèi)窺鏡，其可以是一個或多個成像系統(tǒng)126的部分。也可以以各種組合來采用其它設(shè)備118或成像設(shè)備，例如兩個內(nèi)窺鏡、兩個超聲探頭、利用超聲探頭或視頻圖像的形狀(即時的或隨著時間的覆蓋有形狀的體積)等。設(shè)備118可以被用于通過在流程期間收集成像數(shù)據(jù)以創(chuàng)建成像體積132，從而來發(fā)現(xiàn)或觀察對象116中的目標(biāo)。目標(biāo)可以包括任何感興趣區(qū)域，例如對象116之上或其中的損傷、創(chuàng)傷點位、功能器官、等等。可以同時或者在不同的時間得到來自每個成像設(shè)備的圖像132。在一個范例中，超聲探頭可以是二維探頭、三維探頭(例如Philips? S8-3t微型TEE探頭)、或者四維探頭(即三維加上時間)。探頭的選擇可以基于臨床應(yīng)用。
[0029]優(yōu)選地，多個設(shè)備118中的每個都被集成有形狀感測120，使得多個設(shè)備118是OSS使能的。形狀感測120可以通過以下方式而被集成到設(shè)備118中:(I)將OSS套筒固定在設(shè)備118的主體上；(2)將OSS光纖122放置在設(shè)備118里面的通道內(nèi)；(3)使用例如膠帶/補(bǔ)片附接等將OSS光纖122耦合在設(shè)備118的頭部處；以及(4)在設(shè)備118的長度上OSS光纖122部分或全部地在收縮管內(nèi)。在本發(fā)明的背景內(nèi)還可以采用將形狀感測系統(tǒng)120與設(shè)備118集成的其它方法，以提供OSS使能的設(shè)備。
[0030]配準(zhǔn)模塊134可以被用于使用形狀感測數(shù)據(jù)來使多個設(shè)備118彼此配準(zhǔn)。在優(yōu)選實施例中，多個設(shè)備118包括OSS使能的超聲探頭、OSS使能的內(nèi)窺鏡、以及OSS使能的流程設(shè)備，并且配準(zhǔn)模塊134可以被配置為將超聲、內(nèi)窺鏡以及配準(zhǔn)模塊134，所述配置模塊134可以被配置為將超聲信息、內(nèi)窺鏡信息而手術(shù)信息配準(zhǔn)到一起。這為用戶(例如外科醫(yī)生)創(chuàng)建了路線圖，允許經(jīng)改進(jìn)的工作流。配準(zhǔn)可以是基于地標(biāo)的、基于夾具的以及基于圖像的。在本發(fā)明的原理的背景下也可以采用其它配準(zhǔn)方法。在特別有用的實施例中，連續(xù)地(例如實時地、以固定間隔等)更新OSS使能的成像設(shè)備到OSS使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備的配準(zhǔn)，以由此在執(zhí)行流程時為外科醫(yī)生提供動態(tài)更新的路線圖。
[0031 ] 在一個實施例中，配準(zhǔn)模塊134執(zhí)行基于地標(biāo)的配準(zhǔn)。地標(biāo)(例如對象116中的基準(zhǔn)標(biāo)記、解剖參考點等)的已知位置被用作為參考位置。第一 OSS使能的設(shè)備118被移動到其它OSS使能的設(shè)備的視場中的三個或更多個參考位置(對于二維，2個或更多個參考位置是可能的)。例如，OSS使能的超聲探頭可以被移動到內(nèi)窺鏡的視場中的3個參考位置，或者OSS使能的內(nèi)窺鏡可以被移動到超聲視場中的3個參考位置。在特別有用的實施例中，OSS使能的設(shè)備118中的每個都被移動到其它OSS使能的設(shè)備的視場中的3個或更多個參考位置，這提供了內(nèi)置的冗余以用于優(yōu)化。
[0032]在另一實施例中，配準(zhǔn)模塊134執(zhí)行基于夾具的配準(zhǔn)。每個OSS使能的設(shè)備118被放置在夾具內(nèi)。隨后以已知的方式來移動所述夾具。在一個實施例中，對于每個設(shè)備118，在不同的時間(例如一個接一個地)將設(shè)備118放置在同一夾具中。在另一實施例中，設(shè)備118 (在相同的時間或在不同的時間)被放置在不同的夾具中。每個夾具的移動是已知的，例如具有已知的路徑或者具有已知的速度或加速度?；诼窂街g的關(guān)系，設(shè)備118相對于彼此的位置是已知的。
[0033]在又一實施例中，配準(zhǔn)模塊134執(zhí)行基于圖像的配準(zhǔn)。成像設(shè)備(例如X射線)可以捕捉OSS使能的設(shè)備118并且OSS可以與在X射線中設(shè)備118的位置相匹配。類似地，超聲探頭可以與X射線相匹配并且內(nèi)窺鏡可以與X射線相匹配，以確定設(shè)備的相對姿態(tài)或取向以進(jìn)行基于圖像的配準(zhǔn)。這種成像信息可以被用于校正設(shè)備118的感知到的位置和取向。
[0034]在一個特別有用的實施例中，工作站102任選地可以包括機(jī)器人128。機(jī)器人128可以包括可配置的設(shè)備或者具有(一個或多個)可移動特征的機(jī)器人。(一個或多個)可移動特征可以包括具有聯(lián)動裝置、附屬裝置、關(guān)節(jié)等的臂。機(jī)器人128的臂可以與一個或多個設(shè)備118耦合，這允許機(jī)器人128以受控的方式來對設(shè)備118進(jìn)行致動。理論上，能根據(jù)(一個或多個)移動特征的運動學(xué)移動來判讀機(jī)器人128的相對姿態(tài)和取向。然而，由于在端部處的機(jī)械公差和控制，這是非常困難的(例如在近端區(qū)域處的2_位移本身不需要像在遠(yuǎn)端部分處的2mm位移那樣明顯)。有些時候，基于所施加的電壓或近端力控制來準(zhǔn)確地知道機(jī)器人設(shè)備的遠(yuǎn)端端部在哪里是不可能的。
[0035]優(yōu)選地，設(shè)備118和/或機(jī)器人128的臂被集成有形狀感測120，使得基于機(jī)器人的位置和移動兩者，每個臂的相對位置是已知的。采用OSS將允許在單個坐標(biāo)系(0SS的坐標(biāo)系)中記錄所有設(shè)備的運動。因此，可以記錄多個設(shè)備118(例如超聲探頭、內(nèi)窺鏡、流程設(shè)備等)中的每個的動態(tài)運動。機(jī)器人128可以是使用來自O(shè)SS的反饋的開環(huán)機(jī)器人和閉環(huán)機(jī)器人。
[0036]在流程(人工的或機(jī)器人的)期間，針對OSS使能的設(shè)備118(例如超聲探頭和內(nèi)窺鏡)收集來自形狀感測設(shè)備120的形狀感測數(shù)據(jù)以用于配準(zhǔn)。由于外科醫(yī)生跟蹤OSS使能的設(shè)備118的運動，因此知道腫瘤的準(zhǔn)確位置以進(jìn)行移除。可以采用顯示器106和/或用戶接口108來顯示來自內(nèi)窺鏡視圖的感興趣位置的超聲圖像。這可以包括在諸如地標(biāo)、感興趣區(qū)域等處的內(nèi)窺鏡視圖上重疊超聲圖像的至少一部分?？梢詧?zhí)行流程期間校正和運動補(bǔ)償(例如來自心跳、呼吸等的運動)，以考慮圖像中的運動(例如可以使用形狀感測來測量由于呼吸造成的變形)。
[0037]在一個實施例中，OSS使能的成像設(shè)備可以在對象116中四處移動，并且通過利用OSS來跟蹤其位置，可以將較大的視場縫合在一起，這允許目標(biāo)區(qū)域的較好的可視化。在另一個實施例中，操作者可以將在第一成像設(shè)備(例如超聲成像)中識別出的地標(biāo)或其它感興趣點或有用的信息片段置于第二成像設(shè)備(例如內(nèi)窺鏡視圖)中，以用于操作者進(jìn)行時的實時可視化。例如，在超聲中，操作者可以觀察到良性組織與惡性組織之間的邊界?？梢赃x擇若干地標(biāo)或線條，并且可以在內(nèi)窺鏡視圖中示出(例如重疊或并排)這些點/線條。在另一個范例中，機(jī)器人128可以被用于基于所選擇的線條來執(zhí)行流程(例如剪刀或燒灼器)。緊接著該流程，OSS使能的超聲探頭118可以被用于確定該流程是成功的(例如已經(jīng)移除了目標(biāo)腫瘤)。通過采用形狀感測系統(tǒng)120，外科醫(yī)生可以快速并容易地導(dǎo)航到目標(biāo)位置，并且如果需要的話能夠重復(fù)該流程。
[0038]在一些實施例中，術(shù)前的信息可以與成像設(shè)備118的可視化(例如內(nèi)窺鏡可視化)配準(zhǔn)?？梢栽谌魏瘟鞒糖?、在另一個設(shè)施、位置等處執(zhí)行術(shù)前成像。可以采用OSS來創(chuàng)建虛擬的內(nèi)窺鏡視圖，從而允許外科醫(yī)生更安全和更快速地執(zhí)行流程。虛擬圖像可以是基于先前采集到的數(shù)據(jù)(例如計算機(jī)斷層掃描(CT掃描)、錐形束CT、磁共振成像(MRI)、超聲等)對(例如來自內(nèi)窺鏡的)真實圖像可能看上去什么樣的繪制。
[0039]現(xiàn)在參考圖2，根據(jù)一個說明性實施例的，顯示器200示出了在流程(例如部分腎切除術(shù))期間的內(nèi)窺鏡視圖202和超聲視圖204。超聲視圖204掃描前方的解剖區(qū)域以在健康組織與腫瘤組織之間進(jìn)行區(qū)分。在超聲視圖204中識別腫瘤208。內(nèi)窺鏡設(shè)備和超聲設(shè)備是OSS使能的，以允許設(shè)備之間的配準(zhǔn)。這允許人工地或機(jī)械地將流程設(shè)備206引導(dǎo)至內(nèi)窺鏡視圖202中的腫瘤208的位置。通過將OSS使能的設(shè)備配準(zhǔn)，可以為外科醫(yī)生創(chuàng)建至目標(biāo)區(qū)域的路線圖，以改進(jìn)工作流。在一些實施例中，內(nèi)窺鏡視圖202可以包括超聲視圖204的至少部分的重疊(例如腫瘤208)。
[0040]現(xiàn)在參考圖3，根據(jù)一個說明性實施例示出了OSS使能的超聲探頭300。通過將OSS套筒304安裝在探頭302的長度上，超聲探頭302被集成有光學(xué)形狀感測。套筒304將光纖沿著探頭302緊固以用于形狀感測。應(yīng)當(dāng)理解，套筒304可以包括被配置為圍繞光纖和探頭302的長度固定以使得光纖被緊固到探頭302的任何結(jié)構(gòu)。
[0041]現(xiàn)在參考圖4，根據(jù)一個說明性實施例示出了OSS使能的超聲探頭400。使用收縮管404來使超聲探頭402被集成有光學(xué)形狀感測。光纖可以沿著探頭402的長度的至少部分被放置在小管道中。一旦被定位在管道中，就應(yīng)用收縮管404來將管道緊固到探頭402，以用于形狀感測?？梢韵蚴湛s管404施加熱，以使得其圍繞光纖和探頭402緊固地被固定。
[0042]現(xiàn)在參考圖5，根據(jù)一個說明性實施例示出了OSS使能的超聲探頭500。通過使用膠帶/補(bǔ)片附接504將光纖耦合到探頭502的頭部，使超聲探頭502被集成有光學(xué)形狀感測。在一個實施例中，膠帶/補(bǔ)片附接504被用于將光纖緊固到探頭502的頭部(其可以是一個點或者幾毫米)。光纖的剩余部分保持未被緊固到探頭502，這允許光纖考慮路徑長度變化。在另一實施例中，膠帶/補(bǔ)片附接504被緊固到探頭502的頭部以及探頭502的長度的近端段。在該實施例中，可以提供緩沖環(huán)來補(bǔ)償路徑長度變化。也可以采用將光纖耦合到探頭502的頭部的其它方法，例如膠帶、粘合劑等。
[0043]現(xiàn)在參考圖6，根據(jù)一個說明性實施例描繪了示出用于形狀感測的機(jī)器人超聲的方法的方框圖/流程圖。在方框602中，圍繞對象提供多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備。優(yōu)選地，多個醫(yī)學(xué)設(shè)備包括形狀感測使能的超聲探頭、內(nèi)窺鏡和介入性醫(yī)學(xué)設(shè)備?？梢酝ㄟ^將一根或多根光纖緊固到多個醫(yī)學(xué)設(shè)備中來將形狀感測集成到醫(yī)學(xué)設(shè)備，所述緊固是通過以下來進(jìn)行的:使用例如OSS套筒、收縮管等、將一根或多根光纖放置在醫(yī)學(xué)設(shè)備的通道中；將一根或多根光纖耦合(膠帶或補(bǔ)片附接)到醫(yī)學(xué)設(shè)備的頭部等。也可以采用集成形狀感測的其它方法。在一個實施例中，多個醫(yī)學(xué)設(shè)備可以被耦合到具有一個或多個可移動特征(例如聯(lián)動裝置、附屬裝置、關(guān)節(jié))的可配置的設(shè)備(例如機(jī)器人)?？梢詫⒁粋€或多個可移動特征與形狀感測集成。
[0044]在方框604中，計算來自多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的形狀感測數(shù)據(jù)。在方框606中，基于來自多個醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的形狀感測數(shù)據(jù)來將多個醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起，使得多個醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的相對位置是已知的。在方框608中，配準(zhǔn)可以包括基于地標(biāo)的配準(zhǔn)、基于夾具的配準(zhǔn)和基于圖像的配準(zhǔn)中的至少一個?；诘貥?biāo)的配準(zhǔn)包括將醫(yī)學(xué)設(shè)備定位到利用其他醫(yī)學(xué)設(shè)備的視場內(nèi)的3個或更多個已知位置?；趭A具的配準(zhǔn)包括將多個醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個放置在夾具中。可以在不同的時間采用同一夾具或者可以采用不同的夾具。以已知的方式(即以已知的路徑或具有已知的速度或加速度)移動所述夾具?；诼窂街g的關(guān)系，醫(yī)學(xué)設(shè)備的相對位置是已知的。基于圖像的配準(zhǔn)包括將來自多個醫(yī)學(xué)設(shè)備的成像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定醫(yī)學(xué)設(shè)備的相對位置和取向。
[0045]在方框610中，對目標(biāo)執(zhí)行流程。在方框612中，執(zhí)行流程包括基于配準(zhǔn)將第一醫(yī)學(xué)設(shè)備導(dǎo)航到第二醫(yī)學(xué)設(shè)備的位置。所述位置可以是目標(biāo)上的位置。在方框614中，可以基于多個醫(yī)學(xué)設(shè)備的已知相對位置來將多個醫(yī)學(xué)設(shè)備的圖像可視化?？梢暬梢园▽碜缘谝会t(yī)學(xué)設(shè)備的圖像至少部分地重疊到第二醫(yī)學(xué)設(shè)備的圖像上或與其并列?？梢暬€可以包括將醫(yī)學(xué)設(shè)備的多個視場縫合起來以提供較大的視場?？梢暬€可以包括在可視化中補(bǔ)償來自對象的運動(例如由于呼吸的運動)。在方框616中，可以在流程期間動態(tài)地更新配準(zhǔn)。在方框618中，在完成流程之后，可以講醫(yī)學(xué)設(shè)備導(dǎo)航到位置以確認(rèn)成功地執(zhí)行了流程。
[0046]在解釋所附權(quán)利要求時，應(yīng)當(dāng)理解:
[0047]a)詞語“包括”不排除給定的權(quán)利要求中列出的那些之外的其他元件或動作的存在；
[0048]b)元件前面的詞語“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件；
[0049]c)權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記均不限制它們的范圍；
[0050]d)可以由同一項目或硬件或軟件實施的結(jié)構(gòu)或功能來表示若干“單元”；以及
[0051]e)除非明確地指出，否則不特意要求動作的具體順序。
[0052]已經(jīng)描述了用于微創(chuàng)介入的形狀感測的機(jī)器人超聲的優(yōu)選實施例(所述優(yōu)選實施例旨在是說明性的而不是限制性的)，注意到，本領(lǐng)域技術(shù)人員鑒于以上教導(dǎo)可以做出修改和變型。因此應(yīng)當(dāng)理解，可以在本文中如權(quán)利要求書概括的那樣公開的實施例的范圍內(nèi)，對所公開的公開內(nèi)容的特定實施例中做出變化。因此已經(jīng)描述了專利法所要求的細(xì)節(jié)和特性，在權(quán)利要求書中闡述了由專利證書要求并且期望被保護(hù)的內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1.一種形狀感測系統(tǒng)，包括: 多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備(118)，每個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備具有至少一根光纖(122); 光學(xué)感測模塊(130)，其被配置為從所述至少一根光纖接收光學(xué)信號并解讀所述光學(xué)信號，以提供針對所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的形狀感測數(shù)據(jù)；以及 配準(zhǔn)模塊(134)，其被配置為使用所述形狀感測數(shù)據(jù)來將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述配準(zhǔn)模塊(134)被配置為通過將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的至少一個定位到剩余的多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備的視場內(nèi)的已知位置來將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述配準(zhǔn)模塊(134)被配置為通過將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個放置在夾具中并且以已知的方式移動所述夾具，來將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述配準(zhǔn)模塊(134)被配置為通過將來自所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的圖像進(jìn)行比較，來將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備(118)包括通過以下中的至少一項而被緊固到醫(yī)學(xué)設(shè)備的至少一根光纖:將包括所述至少一根光纖的形狀感測套筒圍繞所述醫(yī)學(xué)設(shè)備固定；將所述至少一根光纖放置在所述醫(yī)學(xué)設(shè)備中的通道內(nèi)；將所述至少一根光纖耦合到所述醫(yī)學(xué)設(shè)備的頭部；以及通過收縮管將所述至少一根光纖緊固到所述醫(yī)學(xué)設(shè)備。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括:可配置的設(shè)備(128)，其具有被耦合到所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備的一個或多個可移動特征。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述可配置的設(shè)備(128)包括使用所述形狀感測數(shù)據(jù)作為反饋的閉環(huán)機(jī)器人。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多個可移動特征包括一個或多個形狀感測使能的可移動特征。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述配準(zhǔn)模塊(134)被配置為以預(yù)定義的間隔更新配準(zhǔn)。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備包括內(nèi)窺鏡、超聲探頭和醫(yī)學(xué)設(shè)備，并且其中，機(jī)器人被配置為基于來自所述超聲探頭的經(jīng)配準(zhǔn)的輸入將所述醫(yī)學(xué)設(shè)備導(dǎo)航到所述內(nèi)窺鏡的成像視圖的位置，以執(zhí)行流程。11.一種工作站，包括: 處理器(104); 存儲器設(shè)備(110)，其被耦合到所述處理器并且被配置為儲存: 光學(xué)感測模塊(130)，其被配置為從至少一根光纖(122)接收光學(xué)信號并解讀所述光學(xué)信號，以提供針對多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備(118)中的每個的形狀感測數(shù)據(jù)；以及 配準(zhǔn)模塊(134)，其被配置為使用所述形狀感測數(shù)據(jù)來將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工作站，其中，所述配準(zhǔn)模塊(134)被配置為通過將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的至少一個定位到剩余的多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備的視場內(nèi)的已知位置，來將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工作站，其中，所述配準(zhǔn)模塊(134)被配置為通過將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個放置在夾具中并且以已知的方式移動所述夾具，來將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工作站，其中，所述配準(zhǔn)模塊(134)被配置為通過將來自所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的圖像進(jìn)行比較，來將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)到一起。15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工作站，其中，所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備(118)包括通過以下中的至少一項而被緊固到醫(yī)學(xué)設(shè)備的至少一根光纖:將包括所述至少一根光纖的形狀感測套筒圍繞所述醫(yī)學(xué)設(shè)備固定;將所述至少一根光纖放置在所述醫(yī)學(xué)設(shè)備的通道內(nèi)；將所述至少一根光纖耦合到所述醫(yī)學(xué)設(shè)備的頭部；以及通過收縮管將所述至少一根光纖緊固到所述醫(yī)學(xué)設(shè)備。16.一種方法，包括: 為對象提供(602)多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備； 計算(604)針對所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的形狀感測數(shù)據(jù);并且 使用所述形狀感測數(shù)據(jù)將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備配準(zhǔn)(606)到一起。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，配準(zhǔn)包括將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的至少一個定位(608)到剩余的多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備的視場內(nèi)的已知位置。18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，配準(zhǔn)包括將所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個放置(608)在夾具中并且以已知的方式移動所述夾具。19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，配準(zhǔn)包括將來自所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備中的每個的圖像進(jìn)行比較(608)。20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備包括通過以下中的至少一項而被緊固到醫(yī)學(xué)設(shè)備的至少一根光纖:將包括所述至少一根光纖的形狀感測套筒圍繞所述醫(yī)學(xué)設(shè)備固定;將所述至少一根光纖放置在所述醫(yī)學(xué)設(shè)備的通道內(nèi)；將所述至少一根光纖耦合到所述醫(yī)學(xué)設(shè)備的頭部；以及通過收縮管將所述至少一根光纖緊固到所述醫(yī)學(xué)設(shè)備。21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，提供(602)包括提供可配置的設(shè)備，所述可配置的設(shè)備具有被耦合到所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備的一個或多個可移動特征。22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述可配置的設(shè)備包括使用所述形狀感測數(shù)據(jù)作為反饋的閉環(huán)機(jī)器人。23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述一個或多個可移動特征包括一個或多個形狀感測使能的可移動特征。24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，配準(zhǔn)(606)包括以預(yù)定義的間隔更新配準(zhǔn)。25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述多個形狀感測使能的醫(yī)學(xué)設(shè)備包括內(nèi)窺鏡、超聲探頭和醫(yī)學(xué)設(shè)備，所述方法還包括:基于來自所述超聲探頭的經(jīng)配準(zhǔn)的輸入使用機(jī)器人將所述醫(yī)學(xué)設(shè)備導(dǎo)航到所述內(nèi)窺鏡的成像視圖的位置，以執(zhí)行流程。
【文檔編號】A61B8/00GK105828721SQ201480069123
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年11月27日
【發(fā)明人】B·拉馬錢德蘭, N·N·卡亞
【申請人】皇家飛利浦有限公司