使用超声波探针来配准的系统和方法
【专利说明】使用超声波探针来配准的系统和方法
[0001]相关专利申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年12月31日提交的美国临时申请号61/747，784的优先权益，该申请以引用方式全部并入本文。
[0003]本申请涉及2012年12月 11 日提交的标题为“Registrat1n Using Phased ArrayUltrasound”的美国申请号13/710，955，该申请以引用方式全部并入本文。
[0004]背景
[0005]当执行计算机辅助手术(CAS)和/或机器人辅助手术(RAS)时，经常需要执行配准步骤来将计算机骨骼模型与实际患者骨骼对准。现有系统通过用校准探针测量实体骨骼表面上的点位置并且将点位置馈给至CAS/RAS系统来实现此目标。此方法的缺点包括需要使用锋利探针来穿透骨骼周围的软组织以及需要收集许多切口内点。
[0006]概述
[0007]本发明的一个实施方案涉及用于配准骨骼结构的系统。用于配准骨骼结构的系统包括配准探针和处理电路。配准探针包括耦合至探针的圆形尖端的多个超声波换能器的二维阵列，其中超声波换能器被配置来提供超声波数据。处理电路被配置来接收来自超声波换能器的超声波数据，确定哪些超声波换能器与患者的解剖结构接触，基于超声波数据和哪些超声波换能器与患者的解剖结构接触的确定来产生配准点，并且使用配准点将患者的解剖结构与骨骼模型配准。
[0008]本发明的另一个实施方案涉及配准骨骼结构的方法。该方法包括接收来自配准探针的患者解剖结构的超声波数据，该配准探针包括耦合至配准探针的圆形尖端的多个超声波换能器的二维阵列，其中超声波换能器被配置来提供患者解剖结构的超声波数据，确定哪些超声波换能器接触患者解剖结构，基于患者解剖结构的超声波数据和接触患者解剖结构的超声波换能器来产生配准点，并且使用配准点将患者解剖结构与骨骼模型配准。
[0009]本发明的另一个实施方案涉及非暂时性计算机可读介质，其具有存储在其上的由处理电路执行的指令。该指令包括接收来自配准探针的患者解剖结构的超声波数据的指令，该配准探针包括耦合至探针的圆形尖端的多个超声波换能器的阵列，其中超声波换能器被配置来提供患者解剖结构的超声波数据，确定哪些超声波换能器接触患者解剖结构的指令，基于患者解剖结构的超声波数据和接触患者解剖结构的超声波换能器来产生配准点的指令，以及使用配准点将患者解剖结构与骨骼模型配准的指令。
[0010]替代示例性实施方案涉及可总体上在权利要求书中列举的其它特征和特征的组入口 O
[0011]附图简述
[0012]从结合附图进行的以下详述，本公开变得更完全理解，其中相同参考数字涉及相同元件:
[0013]图1是根据示例性实施方案的配准系统的图。
[0014]图2是根据示例性实施方案的配准探针的示意图。
[0015]图3是包括根据示例性实施方案的超声波换能器阵列的配准探针尖端的示意图。
[0016]图4是包括根据示例性实施方案的超声波换能器阵列的配准探针尖端的示意图。
[0017]图5是根据示例性实施方案的配准过程的流程图。
[0018]图6是根据示例性实施方案的配准过程的流程图。
[0019]图7是根据示例性实施方案的配准过程的流程图。
[0020]图8是根据示例性实施方案的配准过程的流程图。
[0021]详述
[0022]在转而参看详细地示出示例性实施方案的图之前，应理解，本申请不限于说明书中所阐述的或在图中所示的细节或方法论。还应理解，术语仅出于描述的目的而不应被视为限制。
[0023]参看图1，示出根据示例性实施方案的骨骼结构配准系统100。配准系统100包括描绘为计算设备106的处理电路，和具有圆形尖端的超声波探针108。探针的圆形尖端包括超声波换能器110的二维阵列。虽然任何合适超声波换能器技术(如压电换能器)可用于实施在本文中描述的系统和方法，但是在示例性实施方案中，超声波换能器110包括电容式微机械超声波换能器(CMUT)。CMUT包括DC偏压的两个板电极。一个板用额外AC信号来驱动。除了基质以外，每个CMUT的主体包括空腔、膜和电极。其它层可根据需要包含在内，例如，还可包含隔离层以防止两个电极接触。单一换能器可由平行的多个CMUT组成，然后将换能器元件布置以形成所需阵列。超声波换能器的示例性二维阵列详细描述于美国申请号13/710,955中，该申请通过引用方式并入上文。超声波换能器使关于患者解剖结构的超声波数据提供至计算设备106，该计算设备处理所接收的超声波数据。超声波数据从超声波探针108传输至计算设备106可根据本领域技术人员已知的任何协议经由有线或无线通信来实施。计算设备106基于所接收的超声波数据来产生配准点，确定哪些超声波换能器提供可接受信号(例如，哪些换能器与骨骼、软骨或其它软组织接触)，并且将患者的解剖结构与骨骼模型配准。
[0024]在图1中表示为计算设备106的骨骼结构配准系统100的处理电路包括处理器和存储设备。处理器可实施为通用处理器、专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、处理部件组或其它合适电子处理部件。存储设备(例如，存储器、存储单元、存储设备等)是一种或多种设备(例如，RAM、ROM、闪速存储器、硬盘存储器、光存储器等)，其用于存储供完成或促进在本申请中描述的各种过程和功能的数据和/或计算机代码。存储设备可为或包括易失性存储器或非易失性存储器。存储设备可包括数据库部件、目标代码部件、脚本部件，或支持在本申请中描述的各种活动和信息结构的任何其它类型信息结构。根据示例性实施方案，存储设备经由处理电路可通信地连接至处理器并且包括用于(例如，通过处理电路和/或处理器)来执行本文描述的一个或多个过程的计算机代码。
[0025]在示例性实施方案中，计算设备106被配置来与超声波探针108通信。此外，计算设备106可接收与手术程序相关的信息并且可执行与执行手术程序相关的各种功能。举例来说，计算设备106可具有执行与(例如，探针或其它手术元件的)图像分析、手术计划、配准和导航相关的功能所需要的软件模块。作为另一个实例，计算设备106可具有控制超声波探针108的操作所需要的软件模块。这包括控制超声波探针108的超声波换能器110的二维阵列的操作所需要的命令集和协议。命令集包括启用和停用超声波换能器110的二维阵列的具体超声波换能器，启用和停用超声波换能器110的二维阵列的子集，以及操纵和聚焦由超声波换能器产生的射束的命令。
[0026]在示例性实施方案中，计算设备106包括确定超声波换能器110的二维阵列的哪些特定超声波换能器与患者的解剖结构(例如，骨骼、软骨、其它软组织等)接触(或充分接近)以提供足够超声波信号的软件。计算设备106可利用滤波算法基于强度将来自二维阵列的信号滤波。当超声波探针108接触患者的解剖结构时，二维阵列的一些部分接触患者的解剖结构并且二维阵列的其它部分不接触患者的解剖结构。不接触患者的解剖结构的部分不与患者直接声学接触。在没有直接声学接触的情况下，由超声波换能器产生的超声波信号不产生高质量返回信号。示例性滤波算法可将阈值或高通滤波器应用于所接收的信号以便滤出由不接触患者解剖结构的换能器提供的较低强度信号。以此方式，计算设备106可确定哪些换能器提供较高质量信号并且因此接触患者解剖结构。在选择换能器的子集以接收来自其中的数据、产生配准点，并且将患者的解剖结构与骨骼模型配准中，计算设备106可利用或另外优先考虑此信息。应当指出的是本申请范围不限于具体滤波方法。另夕卜，声学耦合介质可安置于超声波换能器110之二维阵列与患者皮肤之间以促进超声波信号的可靠传输和接收。
[0027]在示例性实施方案中，计算设备106包括将患者的解剖结构与骨骼模型配准的软件。配准基于从超声波探针108接收的超声波数据。在一些实施方案中，除了位置和跟踪数据以外，配准还可由压力数据来补充。计算设备106可使用来自超声波探针108的任何接收数据来产生配准点(例如，通过分析所收集的延迟和振幅数据以识别潜在骨骼结构的表面)。配准点可对应于患者的与骨骼模型对映(或另外相关联或配准)的某些位置或所识别表面。然后，配准点可例如经由最佳配合或以其它方式对映至基于以前成像扫描，如CT,MRI或本领域技术人员已知其它扫描类型的患者特异性模型。或者，配准点可对映至使用本领域技术人员已知的无图像系统获得的模型，如使用统计成形模型和骨骼变形方法的系统。在另一个实施方案中，配准点可对映至一般骨骼模型。
[0028]跟踪系统(如光电跟踪系统)可用于跟踪骨骼结构和超声波探针108的位置。跟踪系统可包括可跟踪标记物，如光学阵列，该可跟踪标记物固定至患者的骨骼结构、超声波探针108，和配准系统100内的任何其它跟踪对象。与跟踪对象的位置相关的数据由计算设备106