在图像引导外科手术中确定手术工具插入的最佳时间的方法和系统

摘要

本发明涉及外科手术辅助。在一个实施例中，通过在手术前采集的图像获得多个传感器的第一位置组。所述多个传感器与病人的身体相连。基于与所述多个传感器相关联的追踪设备的信息获取所述多个传感器的一个或多个第二位置组。所述一个或多个第二位置组随着病人身体的移动改变。在所述多个传感器的第一位置组和一个或多个第二位置组中的每个第二位置组之间计算一个或多个相似度测量值。基于所述一个或多个相似度测量值确定手术开始的时间。

说明书

交叉引用的相关申请

本申请要求2014年1月31日提交的，申请号为61/934,291，发明名称为“在图像引导介入手术中确定针头插入的最佳时间”的美国临时专利申请，以及2015年1月29日提交的，申请号为14/608,267，发明名称为“在图像引导外科手术中确定手术工具插入的最佳时间的方法和系统”的美国非临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

背景

1.技术领域

本发明涉及外科手术辅助。更具体地，本发明涉及在图像引导外科手术中确定手术工具插入的最佳时间的方法、系统和程序。

2.技术背景

在图像引导介入过程中，如探针活检或肿瘤消融中，介入放射医生基于在手术前实时获取的病人的图像放置针头或消融探针。为了安全，探针不能在进入目标后立即全部插入。而探针可以逐步向目标前进，并且在每个探针通过之后，获取新的图像，用于以一个探针推进中探针位置和方向的验证和/或调整。重复这一过程直至到达目标。对于靠近如大血管、心脏等重要器官的病灶，这是尤为正确的。探针引导所用的成像形式可以包括但不限于计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、或超声(US)。

介入放射科医生基于所述图像进行探针插入或探针推进。在获取所述图像到放射科医生进行探针插入或探针推进的时间中，对患者而言，有很多可能出现的变数。首先，图像采集时患者的呼吸状态与针插入时不同。病人可能移动，例如弯腰。所以这些都可能影响到目标位置的变化。例如，当病灶接近肺隔膜时，呼吸可能导致病灶移动超过一厘米。探针插入或探针推进时是如此重要，病灶的位置与获取的图像中的病灶位置接近，从而使图像提供最接近的真实情况。亟需找到一个病人的情况与获取图像时的情况最接近的时刻。

目前已经出现了能够检测患者呼吸状况的感知设备，例如，申请号为2009/0099472，Gregor Remmert和Gernot Echner提交的，发明名称为“呼吸带系统”的美国专利申请。介入放射科医生监视患者的呼吸状态以挑选出呼吸状态与图像采集时极度相似的时刻于探针插入和推进。然而，由于这种感知设备不与图像采集设备同步，很难获得与所述图像采集对应的确切呼吸信号。另一种处理呼吸的方法为让病人在图像采集和探针推进时都屏住呼吸。然而由于自身的健康状况，很多病人无法在图像采集时屏住呼吸。因此，需要提出一种解决上述问题的技术方案。

发明内容

本发明涉及外科手术辅助。更具体地，本发明涉及在图像引导外科手术中确定手术工具插入的最佳时间的方法、系统和程序。

在一个实施例中，公开了一种用于具有至少一个处理器、存储器和连接到外科手术辅助网络的通信平台的计算机设备上的方法。多个传感器的第一位置组通过在手术前采集的图像获得。所述多个传感器与病人的身体相连。基于与所述多个传感器相关联的追踪设备的信息获取所述多个传感器的一个或多个第二位置组。所述一个或多个第二位置组随着病人身体的移动改变。在所述多个传感器的第一位置组和一个或多个第二位置组中的每个第二位置组之间计算一个或多个相似度测量值。基于所述一个或多个相似度测量值确定手术开始的时间。

在另一个实施例中，公开了一种用于包含至少一个处理器、存储器和连接到外科手术辅助网络的通信平台的计算机设备上的方法。多个传感器的第一位置组通过在对目标操作前采集的图像获得。所述多个传感器与所述目标相连。基于与所述多个传感器相关联的追踪设备的信息获取所述多个传感器的一个或多个第二位置组。所述一个或多个第二位置组随着所述目标的移动改变。在所述多个传感器的第一位置组和一个或多个第二位置组中的每个第二位置组之间计算一个或多个相似度测量值。基于所述一个或多个相似度测量值确定操作开始的时间。

在不同的实施例中，公开了一种用于外科手术辅助的系统。所述系统包括传感器位置提取单元、传感器位置追踪单元、测量单元、以及时间确定单元。所述传感器位置提取单元被配置用于在手术前采集的图像中获取一个或多个传感器的第一位置组。所述多个传感器与病人的身体相连。所述传感器位置追踪单元与所述多个传感器相连，被配置用于获取所述多个传感器的第二位置组。所述一个或多个第二位置组随着病人身体的移动改变。所述测量单元被配置用于在所述多个传感器的第一位置组和一个或多个第二位置组中的每个第二位置组之间计算一个或多个相似度测量值。所述时间确定单元被配置用于基于所述一个或多个相似度测量值确定手术开始的时间。

与用于实施本发明外科手术辅助的软件相关的其他概念。一种与所述概念一致的软件产品，包括至少一个非易失性机器可读媒介和该媒介所携带的信息。该媒介所携带的信息可以是可执行的代码数据、与所述可执行的代码数据相关的参数、和/或与用户、请求、内容或相关社团相关联的信息。

在一个实施例中，公开了一种记录了用于外科手术辅助信息的非易失性机器可读媒介。所述记录的信息在被机器读取时，使该机器执行一系列程序。多个传感器的第一位置组通过在手术前采集的图像获得。所述多个传感器与病人的身体相连。基于与所述多个传感器相关联的追踪设备的信息获取所述多个传感器的一个或多个第二位置组。所述一个或多个第二位置组随着病人身体的移动改变。在所述多个传感器的第一位置组和一个或多个第二位置组中的每个第二位置组之间计算一个或多个相似度测量值。基于所述一个或多个相似度测量值确定手术开始的时间。

附加特征将在下文的说明中被阐述，结合下文的解释和附图，部分附件特征将变得显而易见，本领域的技术人员能够结合对所述实施例的使用和操作进一步理解本发明。本发明公开的特征能够联系或使用通过下文中讨论的详细实施例中提出的方法、手段及其组合的各个方面来实现。

附图说明

下面将结合具体实施例对所述方法、系统和或程序进行进一步说明。参照附图对所述示例性实施例进行详细说明。所述实施例为非限制性示例性实施例中不同视角的附图，相同的数字代表类似的结构，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例中的在图像引导外科手术中的手术工具插入时间确定系统的示例性系统图；

图2示出了根据本发明的一个实施例中的确定探针插入的最佳时间的程序的示例性流程图；

图3示出了根据本发明的一个实施例中的基于刚性变换的残余误差的传感器位置的相对性之间的相似性的计算程序的示例性流程图；

图4示出了根据本发明的另一个实施例中的基于位置测量和角度测量计算传感器位置之间的位置-角度加权值的计算程序的示例性流程图；

图5示出了根据本发明的一个实施例中的计算传感器位置之间的位置-角度加权值计算程序的示例性流程图；

图6示出了根据本发明的能够用于实现本发明的特定系统的计算机结构。

具体实施方式

在下面的详细描述中，许多具体的细节将在实施例中进行说明，以便提供一个关于本发明的全面理解。然而，本领域技术人员可以显而易见的在没有这些细节的情况下实施本发明。在其他情况下，公知的方法、程序、系统、组件和/或电路将以相对高的级别没有细节的进行描述，以便避免不必要的模糊。

本发明提供了一种在图像引导外科手术中基于传感器的位置确定外科设备(例如，探针)插入或推进的最佳时间的方法、系统、及程序。传感器与病人的身体相连。提供了一种量化病人呼吸情况的新方法。通过在病人呼吸时分析这些传感器的位置变化，寻找出极度接近图像采集时病人呼吸状况最佳时间以进行探针插入或探针推进。该系统可通过使用一个或多个计算机设备(例如移动电话、个人电脑等)和网络通信设备的专用联网系统实现。在下文中，CT图像模式将被用作图像模式的一个例子。然而，本发明的保护范围不限于上述CT成像模式，并可用于任何已知的图像模式，例如MRI影像学检查方法和超声成像方法。

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于确定外科设备插入时间的示例性系统100。所述系统100包括传感器位置提取单元106、传感器位置追踪单元108、相关性测量单元110、探针插入时间确定单元112以及电子探针(e-探针)定位单元120。可以理解的是，虽然在本发明中讨论的是“探针”，该外科设备插入时间确定系统和方法可以适用于任何其它使用活体检查和介入程序的合适的仪器中，例如不限于：针、刀、导管等。

在被图像获取装置101，例如本实施例中的CT扫描仪扫描之前中，在病人身上放置了一个或多个传感器104。在一个实施例中，至少三个传感器被放置在病人身上，并在手术中被使用。所述传感器104可以具有任何合适的追踪机制，其姿态(位置和或方向)可被探测到，例如但不限于磁传感器或光传感器。之后病人被CT扫描仪扫描。所述传感器位置提取单元106从扫描的图像102，例如CT图像中提取传感器位置。在一些实施例中，所述传感器104被封装在容器中。如果不易从图像中直接切分所述传感器的准确的中心，可从所述CT图像中切分触整个容器。之后可基于传感器制造商提供的传感器规格从切分的容器确定确切的传感器位置。CT图像中的传感器的位置由CT图像坐标测量。

在本实施例中，传感器位置追踪单元108提供连接到患者身体的实际传感器104的实时位置。传感器的位置读数在传感器坐标系中，与CT图像坐标系不同。由于坐标系不同，CT图像中的绝对传感器位置和传感器位置追踪单元108获取的位置不能直接比较。相对性测量值单元110的相似度测量值在CT图像中的传感器的位置和由所述传感器位置追踪单元108获得的位置是如何在“相对位置”(相对性)方面彼此类似的。这种测量可以在病人呼吸期间的每一时刻由实际传感器104读取的传感器位置进行(例如，以每秒50个样本的速度)。根据相似度测量值，探针插入时间确定单元112中找到了最佳探针插入时间。所述相似度测量值单元也可以与虚拟针114、(一个或多个)病灶对象116、以及(一个或多个)器官对象118一起显示为在电子探针定位单元120中的时间信号。在电子探针定位单元120产生的可视环境中，所述虚拟探针114可根据对应的附加了一个或多个传感器的实际探针(物理探针)的移动而移动，例如，申请号为2012/0029387，发明人为Guo-Qing Wei，Jian-Zhong Qian，Cheng-Chung Liang，Xiaolan Zeng，Li Fan，Feng Ma，发明名称为“用于使用电子器官地图的实时外科手术辅助的方法和系统”的美国专利申请公开，其全部内容通过引用结合在本申请中。

图2示出了根据本发明的一个实施例的确定最佳探针插入时间的示例性流程图；在步骤202中，放置于病人身上的传感器，例如，将所述传感器夹在病人的皮肤上。在一个实施例中，所述传感器广泛分布与病人身上以捕捉病人的呼吸或移动。在步骤204中，对病人进行CT扫描以获取CT图像。根据所述CT图像，在步骤206中提取出传感器位置。在步骤208中，通过追踪设备读取实时传感器位置。这与CT图像采集中使用的传感器相同，该传感器在手术过程中一直位于病人身上。值得注意的是，患者在CT图像采集之后已经移动。例如，病人躺着的床沿着轨道将病人送入CT扫描机器的入口中。因此，绝对传感器位置会由于这些移动发生改变。在步骤210中，CT传感器位置和实时传感器位置之间的相对性的相似度被计算。实时相似度测量值可在实际传感器提供位置测量的每一刻计算。在步骤212中，实时最佳探针插入时间通过搜索实时相似度最高的值确定。可选地，相似度测量的阈值是如此确定的，以便于当相似度超过所述阈值时，允许进行所述探针插入或探针推进。在步骤214中，所述相似度测量是探针插入时间的函数，并被显示为曲线，用于用户的检测。

图3示出了本发明的一个实施例中在步骤210计算所述相似度测量的示例性流程图。在步骤302中，计算在CT图像中的传感器位置和追踪设备实时读取的传感器位置之间的刚性变换。所述刚性变换不仅补偿CT坐标系和传感器装置坐标系之间的坐标差，也补偿病人的任何移位或旋转运动。在步骤304中，计算所述变换的残余误差。所述残余误差被用于标示病人的其他运动，例如呼吸。所述残余误差在每一时刻被测量时，存在一个在呼吸周期内的时间点，在该点上所述残余误差为最小值。该时间点上病人的呼吸状况最接近于CT图像采集时病人的呼吸状况。由于同一病人和不同病人间的呼吸周期之间存在差异，可在步骤306中使用数个呼吸周期的时间帧找出最小剩余误差。在本发明中，关于所述最小剩余误差的传感器位置被称为“参考传感器位置”。由于CT图像中的传感器位置和参考传感器位置之间除了呼吸还可能存在其他运动，所获得的最小残余误差中还包含有非呼吸运动的成分。为了减小所述最小残余误差中的非呼吸运动的成分，在步骤310中，计算所述参考传感器位置和实时传感器位置之间的刚性变换。在步骤312中，所述变换的残余误差被计算和补偿以提供相似度测量值。应注意的是的，由于手术过程中随着时间的推移可能出现呼吸模式的改变，所述参考传感器位置的计算在一定的时间间隔之后被重置。

图4示出了本发明的另一个实施例中的在步骤210中相似度测量值单元的示例性流程图。在步骤402中，距离-角度加权值被用于计算CT图像中的传感器位置。两点之间的距离和两条线之间的角度在坐标系变换时保持不变。也就是说，在该点处发生平移和旋转时，上述测量值时不发生改变，能够提供各点之间的相对性测量值。在步骤404中，可以为实际传感器的传感器位置计算相同的距离-角度加权值。在步骤406中，计算在步骤402和404中计算的加权值之间的差值。在步骤408中，所述差值被补偿以得到相似度测量值。

图5示出了用于计算距离-角度加权值的示例性流程图。在步骤502中，获取所述CT图像中的传感器位置和真实传感器读取的实时传感器位置。在本实施例中，所述距离-角度加权值的计算与CT图像中的传感器位置和真实传感器读取的实时传感器位置相同。在步骤504中，计算每两个传感器位置之间的距离和值。在步骤506中，计算每两个传感器位置之间的角度和值。在步骤506中，计算所述距离和和所述角度和的加权值。所述加权值可以根据经验确定，使得相似的点之间距离和角度对测量值的影响相同。

为了实现各种模块、单元、以及它们在本发明中所描述的功能，计算机硬件平台可以用于一个或多个本说明书中描述的实施例中使用的硬件平台(例如，图1-5中描述的系统100。所述硬件单元、操作系统和计算机的编程语言在本质上是常规的，且本领域技术人员能够充分了解本文所述的用于外科手术辅助的技术。具有用户接口单元的计算机可以用于实现个人计算机(PC)或其它类型的工作站或终端装置的，即使如果使用得当，计算机还可以充当服务器。本领域中的技术人员非常熟悉的该结构、程序和所述计算机设备的一般操作，因此附图应是不言自明的。

图6示出了一个可实现专用系统的用于实施本发明的一个计算机设备。这种结合本发明的专业系统具有如图所示的包含用户接口元件的硬件平台的功能模块框图。该计算机可以是通用计算机或专用计算机。都可以用于实现本发明中的专用系统。计算机600被用于实现探针引导技术的任何组件，如本文所述。例如，系统100可以在计算机如计算机600上通过其硬件、软件程序、固件、或它们的组合实现。虽然仅示出一个这样的计算机，为方便起见，在此描述的有关探针引导的计算机功能可通过分布式方式实现在多个类似的平台上实现，以分配处理负载。

所述计算机600，例如，包括连接到并从网络COM端口602向其中以促进数据通信连接。计算机600还包括一个或多个处理器的形式的中央处理单元(CPU)604，用于执行程序指令。示例性的计算机平台包括内部通信总线606、程序存储和不同形式的数据存储，例如，磁盘608、只读存储器(ROM)610、或随机存取存储器(RAM)612，用于由计算机完成各种数据文件的处理和/或通信，以及由CPU604来执行可能的程序指令。计算机600还包括一个I/O组件614，用于支持在其中计算机和其他组件，例如用户界面元素616，之间的输入/输出流。计算机600还可以经由网络通信接收程序和数据。

因此，如上所述，探针的引导和/或其他过程的方法的各方面可通过编程实施。该技术方案的某些程序形式，特别是被携带或嵌入在机器可读媒介中的可执行代码和/或相关联的数据的形式，被认为是“产品”或“制造品”。有形非易失性“存储”型媒介包括任何或所有的存储器或其它存储单元，用于计算机、程序、或其类似物、或其相关模块中，随时为软件编程提供存储单元，所述存储单元可以是存储器或其类似物，或与其相关联的模块，例如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等。

该软件的全部或部分可以通过网络，例如因特网或各种其它电信网络，进行通信。这种通信，例如，可以使软件从一台计算机或处理器上加载到另一个上，例如，从管理服务器或搜索引擎操作者的主机上加载到具有计算环境或其他具有计算环境的系统或与用户的兴趣目标相关的类似功能的硬件平台上。因此，另一种类可能负载软件单元的媒介包括光、电、电磁波，例如用于本地设备之间的物理接口、通过有线和光纤地面网络以及通过各种空气桥接。携带这些波的物理元件，例如有线或无线链路、光学链路或其类似物，也被认为是负载所述软件的媒介。如本文所述，除非限于有形的“存储”媒介，诸如计算机或机器“可读媒介”是指参与为处理器提供指令以用于执行任何媒介

因此，机器可读媒介可以采用多种形式，包括但不限于：有形存储媒介、载波媒介或物理传输媒介。非易失性存储媒介包括，例如，光盘或磁盘、例如可以被用来实现如附图所示的系统或其任意组成部分的计算机或其类似物中的存储设备中的任意一种。易失性存储媒介包括动态存储器，例如所述计算机平台的主存储器。有形传输媒介包括同轴电缆、铜线和光纤，包括构成计算机系统总线的导线。载波传输媒介可采用电或电磁信号，或例如射频(RF)和红外(IR)数据通信期间产生的声波或光波。机器可读媒介的常见形式包括例如：软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其它磁媒介、光盘、DVD或DVD只读存储器、任何其它光学媒介、穿孔卡片纸带、具有孔的任何其他物理存储媒介、随机存取存储器、可编程只读存储器和可擦除可编程只读存储器、闪存可擦除可编程只读存储器、其他存储器芯片或卡盒、传输数据或指令的载波、传送这种载波的电缆或链路、或计算机可以读取的程序代码和/或数据的任何其它媒介格式。许多这些形式的机器可读媒介涉及将一个或多个指令的一个或多个序列传送给用于执行的物理处理器。

本领域的技术人员将了解，本发明适用于多种修改和/或改进。例如，虽然以上描述的各种组件的实施方式可以在硬件设备上实施，但也作为软件唯一的解决方案，----例如，在现有的服务器上安装。另外，如本文所公开的所述探针引导系统可以被实现为固件、固件/软件的组合、固件/硬件的组合、或硬件/固件/软件的组合。

尽管前面已经描述了被认为构成本发明和/或其他实施例，应当理解的是，可以对其进行各种修改，本发明所公开的主题可以以各种形式和实施例来实现，本发明可适用于多种应用场景，说明书中仅描述了其中一部分。下面的权利要求旨在声明落入本发明的保护范围内的任何和所有应用、修改和变化。