外科手术中为手术器械插入显示计时信号的方法和系统

摘要

本发明涉及外科手术辅助。在一个实施例中，分别确定在第一位置组和多个第二位置组的确定多个相似度测量值。所述第一位置组通过在手术前采集的安装在病人身上的多个传感器的图像获得。所述第二位置组通过多个传感器和由病人的运动引起的变化获得。目标病灶在手术前获取的用于获得病灶显示对象的图像中被分割。所述病灶显示对象被复制以产生多个病灶显示对象。所述多个病灶显示对象被呈现在显示器中，从而多个病灶显示对象之间的距离随着所述多个相似度测量值而改变。

说明书

交叉引用的相关申请

本申请要求2014年2月12日提交的，申请号为61/938,986，发明名称为“在介入手术中为探针插入显示计时信号的图形用户界面”的美国专利申请，以及2015年2月11日提交的，申请号为14/619,576，发明名称为“在外科手术为手术器械插入显示计时信号的方法和系统”的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及外科手术辅助。更具体地，本发明涉及外科手术中为手术器械插入显示计时信号的方法、系统和程序。

技术背景

在图像引导介入过程，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，探针需要逐步向目标推进。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。特别是对于靠近如大血管、心脏等重要器官的病灶尤为重要。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，因此使探针推进时病人的情况尽可能的与图像获取时保持一致是非常重要的。病人的移动或呼吸都可能导致目标位置改变。当通过适当的措施，例如与病人沟通，使病人的移动最小化后，需要采用更加准确的方法对病人的呼吸进行控制和监测。由于无法保证病人在屏息时情况完全相同，屏住呼吸也不是一个可行的方案。此外，由于自身的健康状况，病人也可能无法屏住呼吸。

现有技术公开了一种磁性位置传感器，提出了能够实时追踪探针位置的方法，以便于通过类似GPS的方式实施探针引导。在病人呼吸期间通过图像中的传感器位置和实时传感器位置提取出指示探针插入的最佳时间的计时信号。所述计时信号被显示为一条类似于监视器上的心电图(EKG)信号的曲线。介入放射科医生根据所述显示的计时信号捕捉时机进行探针插入或推进。然而，探针引导期间医生的视觉注意集中在屏幕上显示的目标病灶上。在屏幕的不同位置上显示曲线形的计时信号是不直观的，对于医生来说在操作探针的同时采取行动是很困难的。因此，亟需提供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，本发明涉及外科手术中为手术器械插入显示计时信号的方法、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。分别确定在第一位置组和多个第二位置组之间的多个相似度测量值。所述第一位置组通过在手术前采集的安装在病人身上的多个传感器的图像获得。所述第二位置组通过多个传感器和由病人的运动引起的变化获得。目标病灶在手术前获取的用于获得病灶显示对象的图像中被分割。所述病灶显示对象被复制以产生多个病灶显示对象。所述多个病灶显示对象被呈现在显示器中，从而多个病灶显示对象之间的距离随着所述多个相似度测量值而改变。

在另一个实施例中，公开了一种用于具有至少一个处理器、存储器和连接到网络的通信平台的计算机设备上的方法。分别确定在第一位置组和多个第二位置组之间的多个相似度测量值。所述第一位置组通过在手术前采集的安装在目标上的多个传感器的图像获得。所述第二位置组通过多个传感器和由目标的运动引起的变化获得。目标对象在手术前获取的用于获得目标显示对象的图像中被分割。所述目标显示对象被复制以产生多个目标显示对象。所述多个目标显示对象被呈现在显示器中，从而多个目标显示对象之间的距离随着所述多个相似度测量值而改变。

在不同的实施例中，公开了一种用于外科手术辅助的系统。所述系统包括计时信号提取单元、目标病灶模拟单元、目标病灶复制单元、以及可视化单元。所述计时信号提取单元被配置用于分别确定在第一位置组和多个第二位置组之间的多个相似度测量值。所述第一位置组通过在手术前采集的安装在病人身上的多个传感器的图像获得。所述第二位置组通过多个传感器和由病人的运动引起的变化获得。所述目标病灶模拟单元被配置用于在手术前获取的用于获得目标显示对象的图像中分割目标病灶。所述目标病灶复制单元被配置用于复制所述病灶显示对象以产生多个目标显示对象。所述可视化单元被配置用于在显示器中呈现多个目标显示对象，从而多个目标显示对象之间的距离随着所述多个相似度测量值而改变。

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，包括至少一个非临时性计算机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临时性计算机可读媒介。所述记录的信息在被设备读取时，使该设备执行一系列程序。分别确定在第一位置组和多个第二位置组之间的多个相似度测量值。所述第一位置组通过在手术前采集的安装在病人身上的多个传感器的图像获得。所述第二位置组通过多个传感器和由病人的运动引起的变化获得。目标病灶在手术前获取的用于获得病灶显示对象的图像中被分割。所述病灶显示对象被复制以产生多个病灶显示对象。所述多个病灶显示对象被呈现在显示器中，从而多个病灶显示对象之间的距离随着所述多个相似度测量值而改变。

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显示计时信号的示例性系统图；

图2示出了根据本发明的一个实施例中的在图像引导外科手术中显示计时信号的示例性流程图；

图3示出了根据本发明的一个实施例中的计时信号；

图4a示出了根据本发明中的一个实施例中的示例性病灶模型；

图4b示出了根据本发明中的另一个实施例中的复制的病灶模型；

图5示出了根据本发明中的一个实施例中的多个病灶模型的示例性运动合成；

图6a示出了根据本发明中的一个实施例中的示例性地探针尖端观察口；

图6b示出了根据本发明中的一个实施例中的示例性地探针尖端观察口的颜色变化；

图7示出了根据本发明中的一个实施例中的示例性探针尖端的观察口；以及

图8示出了根据本发明中的一个实施例中的能够用于执行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，对公知的方法、程序、系统、组件和/或电路以相对概括的方式描述，而没有提供具体细节，以便避免不必要的模糊。

本发明涉及一种在图形引导外科手术中显示用于外科器械(例如探针)插入或推进的计时信号的方法、系统、和程序。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。

如图1示出了根据本发明的一个实施例的用于显示外科器械插入的计时信号的示例性系统100。所述系统100包括一个计时信号提取单元102、目标病灶建模单元104、目标病灶复制单元106、目标病灶运动合成单元108、目标病灶渲染单元110、图形颜色控制单元112、图形模糊控制单元114、探针追踪单元116和可视化单元120。可以理解的是，虽然在本发明中讨论的是“探针”，该外科器械插入计时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。

所述计时信号提取单元102可基于医学图像，如CT图像，中的传感器位置以及附着在病人身上的传感器的实时位置提取计时信号。所述计时信号标示出插入例如探针的外科器械的最佳时间。在病人呼吸或移动时，所述计时信号实时产生。所述目标病灶模拟单元104能够生成目标病灶模型。所述目标病灶复制单元106能够根据参数复制一定数目的目标病灶，所述参数例如，3个。所述目标病灶运动合成单元108能够根据所述计时信号合成目标病灶的人为运动。所述人为运动可通过以下方式被合成，当时间在所述外科器械插入的最佳时间上停止时产生模糊效果。所述目标病灶渲染单元110能够在人为运动中产生所述目标病灶的一个或多个视图。所述图形颜色控制单元112可以根据监视器122上的计时信号的控制一个或多个图形对象的显示颜色。所述图形模糊控制单元114可以基于计时信号模糊图形对象的显示。所述颜色变化和模糊行为均可通过以下方式实现，当时间在所述外科器械插入的最佳时间上停止时引入颜色变化和模糊行为。所述探针追踪单元116可以追踪附连到探针上的传感器的位置。传感器的位置可以用于控制虚拟针118或任何其他外科手术器械的运动，从而使它们的运动同步。可视化单元120可以使显示器122上的病灶、图形对象、虚拟针可视化。

图2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显示计时信号的示例性流程图。在步骤202中，计时信号可以基于外科手术开始之前获取的CT图像中的传感器的位置和在获取所述图像之前附着在病人身上的同一传感器的实时位置被提取。如一个示例中，所述计时信号可以使用申请号为14/608267,名称为“在图像引导外科手术中确定用于外科器械插入的最佳时间的方法和系统”，中的方法被提取，其全部内容通过引用结合在本申请中.在病人呼吸或移动时，生成用于测量在CT图像中的传感器位置和追踪设备中的实时传感器位置之间相似度测量值的实时计时信号。在本实施例中，病人的CT图像在手术前获取。多个传感器被附连在病人身上。从而在CT图像中提取出传感器的第一位置组。由于获取CT图像之后病人的任何移动，例如呼吸，都可能导致传感器的位置发生改变，获取追踪设备中的同一实时传感器的第二位置组。所述实时传感器的第二位置组在一段时间中被持续记录以传感器位置改变的完整图示，该段时间与病人的一个或多个呼吸周期相关。基于所述第一组位置(从CT图像拍摄静止位置)和每个所述实时传感器第二的位置组之间的差异确定一系列(计时信号的)相似度测量值。当病人的呼吸情况与CT图像中的呼吸情况相同时产生最大的(计时信号的)相似度测量值。图3示出了计时信号的一个实施例。信号值越大，CT图像中的静态传感器位置和实时传感器位置之间的相似度越高。图3中的峰值302示出了插入外科器械，例如探针的优选时间。可以理解的是，由于呼吸的周期性，所有峰值都是适合外科器械插入。与此相反，谷值304示出了最不适于插入外科器械的时间。

在步骤204中，对目标病灶进行建模。所述目标病灶模型(病灶显示对象)可通过从CT图像中分割所述病灶的分割技术获取。图4a示出了一个示例性的病灶模型402。在本发明的另一实施例，球状显示对象可以被分配作为病灶模型。在步骤206中，目标病灶模型(病灶显示对象)可以按一定的倍数来复制，例如3次。从而病灶模型可被复制以产生一个以上的病灶模型。图4a示出了病灶模型402的示例性的复制品以产生另外两个病灶模型404和406.。复制的病灶可以在与原来的病灶相同或不同的位置，例如图4b所示。在步骤206中，可根据计时信号为原始病灶和复制病灶模型合成人工运动。生产合成运动的目的是用于在插入的最优时间到来时产生将病灶显示为清晰的可视化效果；否则显示为模糊。以这种方式，当医生看病灶显示时，视觉反馈可以即时告知此时是否应当插入探针。图5示出了合成病灶运动产生的示例性显示图。在t1时刻，计时信号是最低的，这表明它是最不适于插入探针的时刻。因此合成运动可以移动至相距最远病灶模型(502)。在本实施例中，原始病灶模型(阴影)保持不动，而复制的病灶可进行移动。在t2和t3时刻，即计时信号上升的时刻，复制的病灶(504和506)可向原始病灶靠拢。在信号值最高的时刻t4，复制的病灶与原始病灶(508)完全重叠。即，多个病灶模型(病灶显示对象)之间的距离根据所述一系列相似度测量值(计时信号)而变化。所述距离随着相似度测量值的增加而减小，并且所述多个病灶显示对象相对于所述一系列相似度测量值中的最大值在时间上彼此重叠。通过上述复制病灶的合成运动，医师可以确切地知道何时是执行探针插入的时间，而无需通过看其他地方的计时信号做出这样的决定。在步骤210中，病灶可被呈现以在显示器122上产生一个或多个视图。在一个实施例中，可产生手术器械的局部视图，例如探针尖端。在该视图中，当病灶位于视图中心时，意味着探针朝向病灶的方向。所以使用局部视图引导探针能够更好的控制所述探针。在另一个实施例中，产生了一个全局视图。当需要查看探针、病灶、和任何其它解剖学结构之间的全局空间关系时，全局视图是优选的。

在步骤212中，计时信号可以被用于控制图形对象的颜色/灰度。图形对象可以是手术器械，例如针尖的局部视图中的环形视口。图6a示出了视口602，其中以病灶604为中心，示出了所述病灶目标已经被探针对准正中心。区域606是探针的局部视图的图像区域。病灶显示对象与所述环状物体(视口)同时呈现，并且位于所述环形物体(视口)的内部。视口的颜色/灰度可以根据计时信号被改变，如图6b所示。光的颜色可以在时刻t1被显示，此时是最不适于探针插入(604)的时刻。在t1和t2时刻，较暗的颜色被用于显示该视口(606和608)。在时刻t4(优选时间)，黑色可被用来显示该视口(610)。因此，视口中的颜色/灰度变化基于计时信号(所述一系列相似度测量值)而变化。所述颜色/灰度变化可与所述复制病灶的合成运动相结合，如图6b所示，或在其它实施例中分别使用。

在步骤214中，所述计时信号可被用于改变图形对象的模糊度。在一个实施例中，如图7所示，视口602的边缘是模糊的。在探针插入的最差的时刻t1，视口的边缘大多是模糊的，从而获得一个模糊的视口702。随着时间的接近时刻t4(优选时间)，边缘越来越清晰(704和706)。在时刻t4(优选时间)，视口(708)中没有模糊区域。图形对象的模糊可以与合成病灶运动的方法和/或颜色/灰度的控制方法相结合或单独使用。虽然在上述实施例中只提到了颜色/灰度和模糊区域的变化，可以理解的是，与图形对象相关联的任何视觉特性均可根据所述多个的相似度测量值(计时信号)而变化。

可选地，所述信号具有阈值，以便于当(与任意一个相似度测量值相关的)信号低于该阈值时，在显示器122上显示警告，例如，图形警告。当(与任意一个相似度测量值相关的)信号高于该阈值时，所述警告被取消。

在步骤216中，虚拟针的形态(位置和取向)可基于附连到实际探针上的传感器的形态(位置和取向)变化更新。所以，当医生操作以瞄准目标病灶时，实际探针的形态(位置和方向)变化可被反映到虚拟针上。到达目标病灶之后，医师可基于所述显示的计时信号执行探针插入或探针推进。

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1-7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，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8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单元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800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800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800，例如，包括连接到并从网络COM端口802向其中以促进数据通信连接。计算机800还包括一个或多个处理器的形式的中央处理单元(CPU)804，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806、程序存储和不同形式的数据存储，例如，磁盘808、只读存储器(ROM)810、或随机存取存储器(RAM)812，用于由计算机完成各种数据文件的处理和/或通信，以及由CPU804来执行可能的程序指令。计算机800还包括一个I/O组件814，用于支持在其中计算机和其他组件，例如用户界面元素818，之间的输入/输出流。计算机800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”。有形非临时性“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的任何媒介。

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。计算机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。许多这些形式的计算机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。