用于跟蹤介入器械的形狀傳感器系統以及使用方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及用于導航患者解剖結構以進行微創手術的系統和方法，并且更具體地涉及使用形狀傳感器系統來跟蹤介入器械的系統和方法。
【背景技術】
[0002]微創醫療技術意圖在介入手術期間減少被損害的組織量，從而減少患者的康復時間、不適感和有害的副作用。通過患者解剖結構中的天然孔口或通過一個或多個手術切口可執行此類微創技術。通過這些天然孔口或切口，臨床醫生可插入介入器械(包括外科手術器械、診斷器械、治療器械或組織檢查器械)，以到達目標組織位置。為到達目標組織位置，微創介入器械可在解剖系統(諸如肺、結腸、腸、腎、心臟、循環系統等)中導航天然或外科手術形成的管道。在現有系統中，電磁(EM)導航可用于跟蹤介入器械穿過患者解剖結構的移動。雖然EM導航系統可用于許多手術，但它們可受到來自手術部位中的其他器材的磁場干擾。例如，熒光鏡成像系統的C臂或金屬器械可對EM導航系統產生磁場干擾，從而在跟蹤介入器械中引起不可接受的誤差。需要改進的導航系統和方法用于跟蹤手術環境中的介入器械，包括在EM導航不適合或可受到損壞的環境中。

【發明內容】

[0003]本發明的實施例由隨附說明的權利要求書概括。
[0004]在一個實施例中，醫療跟蹤系統包括一種基準設備，該基準設備包括經配置與傳感器裝置的配合部分配合的傳感器對接特征部。傳感器對接特征部將配合部分保持為已知配置。基準設備也包括至少一個可成像的基準標記和經配置用于附接到患者的解剖結構的表面。
[0005]在另一個實施例中，一種用于醫療器械跟蹤的方法包括接收解剖結構的模型。該模型限定圖像參考幀并且包括至少一個基準標記的圖像。該方法還包括當包括至少一個基準標記的基準設備聯接到第一形狀傳感器裝置時，將第一形狀傳感器裝置的參考部分配準到多個基準標記。第一形狀傳感器裝置的參考部分相對于至少一個基準標記保持為已知配置。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性確定第一形狀傳感器在圖像參考幀中的姿勢。
[0006]一種用于醫療器械跟蹤的方法包括接收解剖結構的模型。該模型限定圖像參考幀并且包括至少一個基準標記的模型。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，所述參考部分相對于至少一個基準標記保持為已知配置。該方法還包括從定位在解剖結構內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性確定第二形狀傳感器在圖像參考幀中的姿勢。
[0007]本公開的附加方面、特征和優點將從以下【具體實施方式】中變得顯而易見。
【附圖說明】
[0008]當結合附圖閱讀時，根據下面的【具體實施方式】，將最好地理解本公開的各方面。強調的是，根據本行業的標準實踐，各種特征部未按比例繪制。實際上，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附圖標號和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚起見，而其本身并不表示所討論的各種實施例和/或配置之間的關系。
[0009]圖1是根據本公開的實施例的機器人介入系統。
[0010]圖2示出利用本公開的各方面的介入器械系統。
[0011]圖3示出根據本公開的實施例的具有跟蹤系統的介入器械系統。
[0012]圖4示出根據本公開的實施例的傳感器裝置。
[0013]圖5示出根據本公開的實施例的介入器械跟蹤系統的使用方法。
[0014]圖6示出根據本公開的另一個實施例的具有跟蹤系統的介入器械系統。
[0015]圖7示出根據本公開的另一個實施例的介入器械跟蹤系統的使用方法。
[0016]圖8示出根據本公開的另一個實施例的具有跟蹤系統的介入器械系統。
[0017]圖9示出根據本公開的另一個實施例的介入器械跟蹤系統的使用方法。
[0018]圖10示出根據本公開的另一些實施例的具有跟蹤系統的介入器械系統。
【具體實施方式】
[0019]在本發明的各方面的以下詳細描述中，闡述了許多具體細節以便提供對所公開的實施例的全面理解。然而，對本領域的技術人員而言將顯而易見的是，本公開的實施例可在沒有這些具體細節的情況下實踐。在其他情況下，并未詳細描述已知的方法、程序、部件和電路，以免不必要地混淆本發明的實施例的各方面。而且，為避免不必要的描述性重復，根據一個例示性實施例描述的一個或多個部件或動作能夠被使用或如果可適用從其他例示性實施例省略。
[0020]下面的實施例將依據器械在三維空間內的狀態描述各種器械和器械的各部分。如本文所用，術語“位置”是指三維空間內對象或對象的一部分的位置(例如，沿笛卡爾X、Y、Z坐標的三個平移自由度)。如本文所用，術語“定向”是指對象或對象的一部分的旋轉放置(三個旋轉自由度一例如，橫滾、俯仰和偏航)。如本文所用，術語“姿勢”是指在至少一個平移自由度內的對象或對象的一部分的位置以及在至少一個旋轉自由度(多至總共六個自由度)內的對象或對象的一部分的定向。如本文所用，術語“形狀”是指沿細長對象測量的一組姿勢、位置或定向。
[0021]參照附圖中的圖1，用在例如外科手術、診斷、治療或活組織檢查程序中的機器人介入系統一般由附圖標號100表示。如圖1所示，機器人介入系統100—般包括安裝到其上定位有患者P的手術臺O或安裝在該手術臺O附近的機器人組件102。介入器械系統104可操作地聯接到機器人組件102。操作者輸入系統106允許外科醫生或臨床醫生S觀看手術部位并且控制介入器械系統104的操作。
[0022]操作者輸入系統106可位于通常與手術臺O位于相同房間內的臨床醫生的操縱臺處。然而，應當理解，外科醫生或臨床醫生S能夠位于與患者P不同的房間或完全不同的建筑物內。操作者輸入系統106 —般包括用于控制介入器械系統104的一個或多個控制裝置。(一個或多個)控制裝置可包括任何數量的各種各樣的輸入裝置，諸如手柄、操縱桿、跟蹤球、數據手套、觸發槍、手動操作的控制器、聲音識別裝置、觸摸屏、身體運動或存在傳感器等。在一些實施例中，(一個或多個)控制裝置將與機器人組件的介入器械設有相同的自由度，以為臨床醫生提供遠程呈現或(一個或多個)控制裝置與器械整合的感知度，使得臨床醫生具有直接控制器械的強烈感覺。在另一些實施例中，(一個或多個)控制裝置也可具有比相關聯的介入器械更多或更少的自由度，并且仍為臨床醫生提供遠程呈現。在一些實施例中，(一個或多個)控制裝置是手動輸入裝置，該手動輸入裝置以六個自由度移動，并且也可包括用于致動器械(例如，用于閉合抓持夾鉗、向電極施加電勢、實施藥物療法等)的可致動把手。
[0023]機器人組件102支持介入器械系統104并且可包括一個或多個非伺服控制鏈路的運動結構(例如，可手動定位并鎖定在適當位置的一個或多個鏈路，一般被稱為調定結構)和機器人操縱器。機器人組件102包括驅動介入器械104上的輸入的多個致動器(例如，馬達)。這些馬達響應于來自控制系統(例如，控制系統112)的命令主動地移動。馬達包括驅動系統，該驅動系統在聯接到介入器械104時可將介入器械推進到天然或外科手術形成的解剖孔口中，并且/或者可以以多個自由度移動介入器械的遠端，所述多個自由度可包括三個直線運動(例如，沿X、Y、Z笛卡爾坐標軸的直線運動)自由度和三個旋轉運動(例如，圍繞X、Y、Z笛卡爾坐標軸的旋轉)自由度。此外，馬達能夠用于致動器械的可鉸接的末端執行器，用于抓持活組織檢查裝置的夾鉗等中的組織。
[0024]機器人介入系統100也包括傳感器系統108，該傳感器系統108具有用于接收關于機器人組件的器械的信息的一個或多個子系統。此類子系統可包括位置傳感器系統(例如，電磁(EM)傳感器系統)；形狀傳感器系統，其用于沿器械104的柔性主體確定導管尖端和/或一個或多個節段的位置、定向、速度、姿勢和/或形狀；和/或可視化系統，其用于從導管系統的遠端捕捉圖像。
[0025]機器人介入系統100也包括顯示系統110，該顯示系統110用于顯示由傳感器系統108的子系統生成的手術部位和介入器械104的圖像。顯示系統110和操作者輸入系統106可被定向，因而操作者能夠像觀看基本真實呈現的工作空間那樣控制介入器械系統104和操作者輸入系統106。真實呈現意指所顯示的組織圖像似乎對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110可使用成像技術諸如計算機斷層攝影術(CT)、磁共振成像(MRI)、熒光鏡透視檢查、溫度記錄法、超聲波、光學相干斷層攝影術(OCT)、熱成像、阻抗成像、激光成像、納米管X射線成像等來呈現手術前記錄和/或建模的手術部位的圖像。所呈現的手術前圖像可包括二維、三維或四維(包括例如基于時間或基于速率的信息)圖像和模型。
[0027]在一些實施例中，顯示系統110可顯示虛擬可視化圖像，其中介入器械的實際位置可以與手術前圖像或并發圖像配準(例如，動態地參考)，以在外科器械的尖端位置處向臨床醫生呈現內部手術部位的虛擬圖像。
[0028]在另一些實施例中，顯示系統110可顯示虛擬可視化圖像，其中介入器械的實際位置與先前圖像(包括手術前記錄的圖像)或并發圖像配準，以向臨床醫生呈現在手術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，以幫助臨床醫生控制介入器械。
[0029]機器人介入系統100也包括控制系統112。控制系統112包括至少一個處理器(未示出)，并且通常包括多個處理器，用于實現介入器械系統104、操作者輸入系統106、傳感器系統108和顯示系統110之間的控制。控制系統112也包括程序化指令(例如，存儲指令的計算機可讀介質)，以實現本文所述方法中的一些或全部。雖然控制系統112在圖1簡化的示意圖中被視為單塊，但該系統可包括多個數據處理電路，其中處理的一部分可選地在機器人組件102上或鄰近執行，一部分在操作者輸入系統106處執行等。可以采用任意多種多樣的集中式或分布式數據處理架構。類似地，程序化指令可實現為多個單獨的程序或子程序，或者它們可以整合到本文所述的機器人系統的多個其他方面。在一個實施例中，控制系統112支持無線通信協議，諸如藍牙、IrD