具有用于旋转图像的图像控制系统的套管和近端安装的摄像机

摘要

具有近端安装的摄像机组件、传感器或一个或多个传感器对部件的套管系统，其径向固定到摄像机组件，并且图像控制系统可操作，以旋转在在显示屏上显示的从摄像机获得的图像数据，以维持图像在外科医生优选的方位中，即使当摄像机组件绕套管的轴线径向旋转时。

说明书

技术领域

下面描述的发明涉及微创手术领域。

背景技术

题为Cannula with Proximally Mounted Camera(2016年8月17日提交)的美国专利申请15/239,632公开了一种具有近端安装的摄像机的套管系统，其利用完全靠近地位于套管导管的近端边缘的摄像机可操作以获取套管导管的远端处的图像。该摄像机(或摄像机组件的部件)略微延伸进入由套管导管限定的圆柱形空间并且从该套管导管向近端延伸，以悬垂在套管导管的腔体上方，使得使用系统摄像机的外科医生可需要旋转摄像机、或整个摄像机和套管组件，以为手术导管腾出空间，否则会受到悬垂的摄像机的阻碍。该系统能够用于脊柱手术、脑部手术或其他手术。

发明内容

下面描述的设备和方法提供在微创手术(包括脊柱手术和脑部手术)期间用于改进的身体组织可视化。该设备包括具有安装在套管的近端上的摄像机、或摄像机部件的套管，其带有进入套管腔体和在腔体内和下方的组织的视图。定向在摄像机和套管的腔体之间的棱镜、反射器或其他合适的光学元件可被包含，以在使腔体的阻挡最小化的同时给摄像机提供进入套管的视图。摄像机或光学元件相对于套管导管是小的，使得长的、小直径的手术工具可通过套管插入以将工具的远端尖端定位在套管远端处的手术空间中。该系统包含用于调整显示的图像的装置，以将显示的图像旋转到对于外科医生的初始优选“自然”方位，而不管摄像机的径向位置(如果初始放置不提供优选方位的显示)如何。该系统还包含用于追踪摄像机相对于套管导管或相对于空间中的初始位置的径向位置的装置，以及用于响应于摄像机绕套管导管近端的旋转而旋转图像的图像控制系统，以继续在初始优选方位中呈现手术空间的图像。

该系统，和其实现的进入方法，可用在微创手术中，以在外科医生操纵在套管内的长手术工具时，在外科医生优选的方位中向外科医生提供手术空间的图像，以及在定位靠近患者的大显示屏上观察工作区和工具提示。优选方位将很可能是(对于垂直地站在患者旁的外科医生)这样的方位：从外科医生的角度看，在“自然”上-下方位中呈现手术空间的图像，其中距外科医生最远的手术空间部分在显示的图像顶部处、距外科医生最近的手术空间部分在显示的图像底部处、在外科医生的右侧处的手术空间部分显示在显示图像的右侧处、以及在外科医生的左侧处的手术空间的部分显示在显示图像的左侧处。外科医生可将套管放置在患者体中，其中套管的远端靠近手术空间，以及摄像机处于相对于这种自然的上-下方位的任何径向位置处，并且使用在图像呈现系统中提供的控件调整图像，以旋转显示图像以匹配自然的上-下方位(或任何其他优选方位)。然后，外科医生可在需要时旋转摄像机(或整个套管和摄像机组件)以操纵设置在套管导管内的工具，以及图像显示系统可被操作以感测摄像机(或整个套管和摄像机组件)的旋转，以及“反向旋转”图像以将显示图像维持在自然的上-下方位(或任何其他优选方位)中。

该系统和方法是相关于脊柱手术来说明的。该系统和方法可在脑部手术和其他手术中使用。

附图说明

图1示出了具有需要手术介入的区域的患者，以及套管和摄像机系统，其通过切口安装以将套管导管的远端尖端放置在患者的脊柱附近。

图2示出了具有近端安装的摄像机的套管。

图3A、图3B和图3C示出了具有传感器的套管和摄像机系统，该传感器可操作以生成对应于摄像机的径向位置的信号。

图4、图5和图6描绘了由摄像机获得的示例性图像，其中图像在第一优选方位、不利的旋转方位，和第二优选方位中的图像，其由图像控制系统响应于摄像机的径向位置中变化的确定而创建。

具体实施方式

图1示出了具有需要手术干预的靠近脊柱3的目标组织2的患者1。套管4已经通过手术开口插入，其中套管的远端靠近脊柱上的目标组织。目标组织可以是椎间盘、脊柱骨、或其他组织或异物。摄像机5安装在套管的近端边缘上，其中摄像机的部分悬垂在套管的边缘上方并且设置在套管的腔体上方，并且其可操作以获取在套管的远端处的血块或其他组织的视频或静止图像。套管可包括套管导管6，以及安装结构7可被用于将摄像机紧固到套管的近端6p，以提供通过套管导管的腔体8的视图。

如图1所示，手术工具9设置在套管导管内，以便对手术空间内的目标组织2的一些组织部分10执行一些操作。组织例如可以是要被切除的突出的椎间盘(微型椎间盘切除术)，或是要被切除或紧固到植入物的椎弓根或横突的部分，或是要被消融或切除的肿瘤或其他患病组织等。图像显示系统可被操作以显示由摄像机获取的图像，并且在显示屏上在初始优选方位中示出身体组织的图像。(图像显示系统包括显示屏11和图像控制系统，该图像控制系统可操作以接收来自摄像机的图像信号、接收来自传感器的位置信号，以及将图像数据传送到显示屏，其由用户的指示旋转)。在此示例中，目标组织2的图像出现在套管的内壁的环形图像内，并且组织部分10出现在屏的顶部处，因为它距外科医生最远并且外科医生选择此作为优选初始方位。手术工具9的图像也出现在显示屏上。然而，由于摄像机的位置，外科医生可能无法完全自信地攻击组织部分，并且由于视野区域中工具的近端部分的存在，其阻挡了相关的组织部分10的视野，无法清楚地看到要接近的组织。为了解决这个问题，外科医生可绕套管导管的轴线旋转摄像机(通过旋转整个套管和摄像机组件，或者在不旋转摄像机导管的情况下，绕套管导管旋转摄像机)。该旋转在图2中示出。在不校正的情况下，该旋转将翻转显示的图像，并且组织部分10将出现在显示的图像的底部处(并且图像中的左右将被颠倒)。

虽然有可能在看到上下颠倒的手术空间的同时执行手术过程，但在一致的图像显示的帮助下对脊柱进行操作更自然，并且因此更安全。相应地，图像显示系统可操作以从与摄像机相关联的位置传感器接收对应于径向位置和/或径向运动的信号，基于那些信号确定相对于套管的初始位置或空间中的绝对初始位置，并且然后确定摄像机的、相对于先前确定的相对于套管的初始位置或空间中的绝对初始位置的径向位置，并且生成“反向旋转”图像并且在初始优选方位中、在显示屏上显示反向旋转图像，以便外科医生可基于在整个过程中一致的显示图像进行操作，而不管摄像机位置如何。

图3A、图3B和图3C示出了具有传感器的套管和摄像机系统，其可操作以生成对应于摄像机的径向位置的信号。如图3A、图3B和图3C所示，套管4包含图1和图2中示出的部件，包含套管导管6安装结构7，以及该系统还包含具有部件(诸如棱镜、反射器或其他镜像结构或光学元件12)的摄像机组件5，其悬垂在套管导管的腔体上方。几个视图描绘了许多传感器中的几个，其可以与图像控制系统结合使用，以确定相机相对于套管导管的径向位置。

图3A描绘了径向固定到摄像机组件的陀螺仪或加速度计组件13(单个加速度计，或多轴线的轴线加速度计组件)。在此实施方式中的摄像机组件可在安装结构上可旋转，或径向地固定到安装结构和/或套管导管，或其可通过安装环相对于套管导管可旋转，该安装环使用环形卡合接头和在套管导管上的对应的棘爪、螺纹接头、旋转联接头或用于可旋转附接的其他装置安装在套管导管端部上。

传感器可操作以向图像控制系统提供对应于摄像机组件的运动的信号，并且图像控制系统配置成接收来自用户、指示摄像机在第一径向位置(例如对应于初始方位或初始优选方位)中的输入，并且在显示屏上显示在对应于第一径向位置的第一方位中的手术区域的图像，以及然后接收对应于摄像机组件的运动的信号，以及确定相对于第一径向位置的摄像机径向位置，并且，基于此确定，旋转呈现在显示屏上的图像以在初始方位或初始优选方位中呈现图像。

传感器可操作以向图像控制系统提供对应于摄像机组件的运动的信号，并且该图像控制系统配置成接收来自用户、指示摄像机在第一径向位置(例如，对应于初始方位或初始优选方位)中的输入，并且在显示屏上显示在对应于第一径向位置的第一方位中的手术区域的图像，以及然后接收对应于摄像机组件的运动的信号，以及确定摄像机相对于第一径向位置的径向位置，并且，基于此确定，旋转呈现在显示屏上的图像以在初始方位或初始优选方位中呈现图像。

图3B描绘了径向固定到摄像机组件的编码器组件(编码器标尺14A和读取器14B)。在此实施方式中，摄像机组件在安装结构上可旋转，并且安装结构径向固定到套管导管。编码器组件的第一部件(编码器读取器)14A固定到摄像机，并且编码器组件的第二部件(编码器标尺)14B固定到安装结构。

编码器组件可操作以向图像控制系统提供对应于安装结构上的摄像机组件的位置的信号，并且该图像控制系统配置成接收来自用户、指示摄像机在第一径向位置(例如，对应于初始方位或初始优选方位)中的输入，并且在显示屏上显示在对应于第一径向位置的第一方位中的手术区域的图像，以及然后接收对应于摄像机组件的第二位置(或摄像机的运动)的信号，以及确定摄像机相对于第一径向位置的径向位置，并且，基于此确定，旋转呈现在显示屏上的图像以在初始方位或初始优选方位中呈现图像。

图3C描绘了径向地固定到摄像机组件的神经导航标记阵列15。在此实施方式中，摄像机组件可在安装结构上可旋转，或径向固定到安装结构和/或套管导管。神经导航标记阵列是固定到摄像机的神经导航系统15A的第一部件，并且神经导航系统的第二部件(可操作以探测标记的一个或多个传感器，诸如摄像机、天线、超声传感器等)15B设置成靠近标记阵列。

神经导航系统可操作以向图像控制系统提供对应于在安装结构上的摄像机组件的位置的信号，并且图像控制系统配置成接收来自用户、指示摄像机在第一径向位置(例如，对应于初始方位或初始优选方位)中的输入，并且在显示屏上显示在对应于第一径向位置的第一方位中手术区域的图像，以及然后接收对应于摄像机组件的第二位置(或摄像机的运动)的信号，以及确定摄像机相对于第一径向位置的径向位置，并且，基于此确定，旋转呈现在显示屏上的图像以在初始方位或初始优选方位中呈现图像。

一般地，图像控制系统配置成接收来自用户、指示摄像机在第一径向位置中的输入，并且在显示屏上显示在对应于第一径向位置的初始方位中的手术区域的图像，以及然后接收来自对应于摄像机组件的径向位置的传感器的信号，以及确定摄像机相对于第一径向位置的径向位置，以及基于此确定，旋转呈现在显示屏上的图像以在初始方位或初始优选方位中呈现的图像。(第一径向位置可以由几何原始位置限定，其中摄像机可仅在初始径向位置中附接到套管，或其可通过图像控制系统软件用户控制设置“原始”或“起始”开始位置启动。)

位置传感器能够以多种形式提供，包含编码器，其可操作以提供信号，其对应于摄像机相对于套管导管、或其他位置计数器(其能够对套管顶部周围的圆形标记进行计数)的径向位置，或围绕套管的颜色阵列，并且基于软件阐释摄像机位置；变阻器，其可操作以提供对应于摄像机相对于导管的径向位置的信号；陀螺仪，其可操作以提供对应于摄像机绕由安装结构或套管导管的近端边缘限定的平面(或垂直于套管导管的长轴线的平面)的运动的信号，该信号可由图像控制系统阐释以确定摄像机从初始位置的径向位移；加速度计组件，其可操作以提供对应于摄像机绕由安装结构或套管导管的近端边缘限定的平面(或垂直于套管导管的长轴线的平面)的径向运动的信号，该信号可由图像控制系统阐释以确定摄像机从初始位置的径向位移；神经导航标记，其与神经导航系统一起可提供对应于摄像机绕套管导管的径向运动的信号；加速度计、陀螺仪和重力传感器的组合，其可操作以提供对应于摄像机的绝对位置和方位的信号，该信号可由图像控制系统阐释以确定摄像机从初始位置的径向位移；以及任何其他装置，其用于感测摄像机位置，或生成对应于摄像机组件相对于套管导管的轴线(相对于先前确定的、相对于套管的初始位置或空间中的绝对初始位置)的径向位置的信号。

图4、图5和图6描绘了由摄像机获得的示例性图像，具有在第一优选方位、不利的旋转方位中的图像，和由图像控制系统响应于在摄像机的径向位置中的改变的确定创建的第二优选方位图像。在图4中，摄像机在初始径向位置中，在这种情况中，其由外科医生通过向图像控制系统提供输入设置为优选方位。摄像机和棱镜的位置相对于图像以虚线示出。此图像可以是(1)通过套管的初始放置获得的图像，包含手动旋转摄像机或套管，或(2)软件旋转图像以呈现在优选旋转中的图像。在图4的此图像中，摄像机定位在屏底部处(系统的默认设置；系统可被配置成提供任何方位的默认视图)，以及包含目标组织2的图像，周围有套管导管6内壁的环形图像，其中组织部分10的图像在图像的左上方处(大约11:00位置)，这是因为组织部分与摄像机的径向位置(其在6:00位置处)相反。工具9出现在从套管的近端朝向组织部分10向下延伸。如果外科医生旋转相机以将摄像机移出其阻挡位置(例如，如果外科医生已经将套管和摄像机系统旋转了大约180°)，第一优选方位的图像将被旋转。这种旋转在图5中示出，其在右下方处示出了组织部分，大约在5:00位置处，其相对于摄像机(其现在位于图像的顶部处，在12:00的位置处)是顺时针的。使用此旋转图像，外科医生可能难以阐释图像。图像控制系统可操作，根据外科医生的选择，以将显示器上的图像旋转返回到初始优选方位，如图6中所示。通过此校正的显示，外科医生可操纵工具攻击组织部分10，使用一显示，在所述显示中，所述显示呈现在自然方位中，其中距外科医生最远的组织示出在显示器顶部处，以及距外科医生最近的组织示出在屏底部处。

在使用中，外科医生将通过手术开口(或自然开口)，将套管导管的远端6d插入患者身体，以将远端靠近目标组织2和组织部分10放置，以进行治疗、检查等。外科医生首先将摄像机放置在相对于开口、患者的位置和外科医生的姿势方便的径向位置处。外科医生将通过输入装置向图像控制系统提供指示该径向位置是第一径向位置的输入，以及图像控制系统将然后在显示屏上显示对应于第一径向位置的初始方位中的手术区域的图像。如果外科医生对该图像满意，则外科医生将通过输入装置向图像控制系统提供指示这是初始优选方位的输入。如果外科医生更喜欢不同的初始优选方位，则外科医生可以向图像控制系统提供输入以将图像旋转(将摄像机维持在其初始径向位置中)到期望的初始优选方位，并向系统提供指示图像的产生的方位是初始优选方位的输入。然后，外科医生可操作图像控制系统以接收来自传感器的输入，其指示摄像机的径向位置(相对于初始位置)，以及当期望工具的容纳通道获得视图却被工具等挡住时，将相机旋转到新位置，并操作图像控制系统以确定摄像机绕套管轴线的物理旋转程度，同时操作图像控制系统以旋转显示的图像以将图像维持在优选初始方位中。在此描述中，初始方位是指在套管的第一次放置时获得的图像。初始优选方位是外科医生更喜欢工作使用的图像，并且使用系统设置期望的上-下方位。它可以通过套管的初始放置(它可以是初始方位)建立，或可以在初始放置之后，通过系统根据用户的期望旋转图像以在显示屏上显示初始优选方位建立。描述的所有用户输入可以通过界面提供，诸如屏界面中的对话框、与键盘一起提供在显示器上的软键、或控制系统上的物理开关或按钮、或其他输入装置。

系统不需要知道初始位置是什么或其绝对位置在哪里：操作员可以向图像控制系统提供输入以在系统中设置初始优选方位，以及因此确定对应于初始优选方位的传感器读数。图像控制系统然后仅需要确定摄像机相对于初始位置的径向运动。例如，使用加速度计，外科医生将向图像控制系统提供输入以设置初始优选方位(在调整套管和摄像机之后，还可能调整图像)。在此处加速度计读数应为零，或作为起点，并且系统不需要确定摄像机的实际位置。摄像机绕套管导管轴线的随后的旋转将导致加速度信号，该加速度信号被图像控制系统使用以确定旋转量。

在实施方式中，其中图像控制系统与神经导航系统合作工作，其提供相对于神经导航系统的传感器的绝对位置，图像控制系统可以相对于绝对位置旋转图像。因此，该系统可操作以确定在系统传感器与患者配准后摄像机所在的位置和指向的位置，以及确定其径向位置，包含确定初始径向位置(当这来自操作员输入的指示)以及追踪摄像机在空间中的径向位置，而不是从初始起始位置确定其旋转。

初始优选方位可通过以下方式获得：(1)初始放置和手动旋转套管和摄像机组件、在将套管和摄像机组件旋转地固定到身体之前旋转套管和摄像机组件或(2)在不考虑摄像机方位的情况下，初始放置摄像机组件以获得在初始方位中的图像(其可以是或不是优选的)以及图像控制系统的随后的操作以旋转图像数据以在显示屏上呈现在初始优选方位中的图像。

图像控制系统、相关联的图像处理软件和相关联的输入装置提供用于调整显示的图像并将图像旋转到如上所述的初始优选方位的装置。结合图3A、图3B和图3C描述的各种传感器系统提供了用于追踪摄像机径向位置的装置。图像控制系统和相关联的图像处理软件提供了用于在显示器上在初始优选方位中呈现从摄像机组件获得的图像的装置，以及用于响应于摄像机组件相对于套管导管的径向旋转而旋转图像，以继续呈现在初始优选方位中的手术空间的图像。

尽管参考装置和方法被开发的环境已经描述了装置和方法的优选实施方式，但它们仅是对本发明原理的说明。装置可用在各种脑内手术中，诸如脑室内出血手术、神经刺激手术和肿瘤切除术，以及各种脊柱手术，诸如减压融合手术和肿瘤切除术。各种实施方式的元件可以被并入到其他种类中的每一个中以获得与这些其他种类组合的那些元件的益处，并且各种有益特征可以在实施方式中单独使用或彼此组合使用。在不脱离本发明的精神和所附权利要求的范围的情况下，可以设计其他实施方式和配置。