用于跟踪介入器械的形状传感器系统以及使用方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于导航患者解剖结构以进行微创手术的系统和方法，并且更具体地涉及使用形状传感器系统来跟踪介入器械的系统和方法。
【背景技术】
[0002]微创医疗技术意图在介入手术期间减少被损害的组织量，从而减少患者的康复时间、不适感和有害的副作用。通过患者解剖结构中的天然孔口或通过一个或多个手术切口可执行此类微创技术。通过这些天然孔口或切口，临床医生可插入介入器械(包括外科手术器械、诊断器械、治疗器械或组织检查器械)，以到达目标组织位置。为到达目标组织位置，微创介入器械可在解剖系统(诸如肺、结肠、肠、肾、心脏、循环系统等)中导航天然或外科手术形成的管道。在现有系统中，电磁(EM)导航可用于跟踪介入器械穿过患者解剖结构的移动。虽然EM导航系统可用于许多手术，但它们可受到来自手术部位中的其他器材的磁场干扰。例如，荧光镜成像系统的C臂或金属器械可对EM导航系统产生磁场干扰，从而在跟踪介入器械中引起不可接受的误差。需要改进的导航系统和方法用于跟踪手术环境中的介入器械，包括在EM导航不适合或可受到损坏的环境中。
【发明内容】
[0003]本发明的实施例由随附说明的权利要求书概括。
[0004]在一个实施例中，医疗跟踪系统包括一种基准设备，该基准设备包括经配置与传感器装置的配合部分配合的传感器对接特征部。传感器对接特征部将配合部分保持为已知配置。基准设备也包括至少一个可成像的基准标记和经配置用于附接到患者的解剖结构的表面。
[0005]在另一个实施例中，一种用于医疗器械跟踪的方法包括接收解剖结构的模型。该模型限定图像参考帧并且包括至少一个基准标记的图像。该方法还包括当包括至少一个基准标记的基准设备联接到第一形状传感器装置时，将第一形状传感器装置的参考部分配准到多个基准标记。第一形状传感器装置的参考部分相对于至少一个基准标记保持为已知配置。该方法还包括从第一形状传感器装置的第一形状传感接收在第一传感器参考帧中的第一形状传感器信息，以及基于图像参考帧和第一传感器参考帧之间的相关性确定第一形状传感器在图像参考帧中的姿势。
[0006]一种用于医疗器械跟踪的方法包括接收解剖结构的模型。该模型限定图像参考帧并且包括至少一个基准标记的模型。该方法还包括从包括参考部分的第一形状传感器接收在第一参考帧中的第一形状传感器信息，所述参考部分相对于至少一个基准标记保持为已知配置。该方法还包括从定位在解剖结构内的第二形状传感器接收在第二参考帧中的第二形状传感器信息。该方法还包括基于第一参考帧、第二参考帧和图像参考帧之间的相关性确定第二形状传感器在图像参考帧中的姿势。
[0007]本公开的附加方面、特征和优点将从以下【具体实施方式】中变得显而易见。
【附图说明】
[0008]当结合附图阅读时，根据下面的【具体实施方式】，将最好地理解本公开的各方面。强调的是，根据本行业的标准实践，各种特征部未按比例绘制。实际上，为了讨论清楚起见，可以任意地增大或减小各种特征部的尺寸。此外，本公开在各种示例中可重复附图标号和/或字母。这种重复是为了简化和清楚起见，而其本身并不表示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
[0009]图1是根据本公开的实施例的机器人介入系统。
[0010]图2示出利用本公开的各方面的介入器械系统。
[0011]图3示出根据本公开的实施例的具有跟踪系统的介入器械系统。
[0012]图4示出根据本公开的实施例的传感器装置。
[0013]图5示出根据本公开的实施例的介入器械跟踪系统的使用方法。
[0014]图6示出根据本公开的另一个实施例的具有跟踪系统的介入器械系统。
[0015]图7示出根据本公开的另一个实施例的介入器械跟踪系统的使用方法。
[0016]图8示出根据本公开的另一个实施例的具有跟踪系统的介入器械系统。
[0017]图9示出根据本公开的另一个实施例的介入器械跟踪系统的使用方法。
[0018]图10示出根据本公开的另一些实施例的具有跟踪系统的介入器械系统。
【具体实施方式】
[0019]在本发明的各方面的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所公开的实施例的全面理解。然而，对本领域的技术人员而言将显而易见的是，本公开的实施例可在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，并未详细描述已知的方法、程序、部件和电路，以免不必要地混淆本发明的实施例的各方面。而且，为避免不必要的描述性重复，根据一个例示性实施例描述的一个或多个部件或动作能够被使用或如果可适用从其他例示性实施例省略。
[0020]下面的实施例将依据器械在三维空间内的状态描述各种器械和器械的各部分。如本文所用，术语“位置”是指三维空间内对象或对象的一部分的位置(例如，沿笛卡尔X、Y、Z坐标的三个平移自由度)。如本文所用，术语“定向”是指对象或对象的一部分的旋转放置(三个旋转自由度一例如，横滚、俯仰和偏航)。如本文所用，术语“姿势”是指在至少一个平移自由度内的对象或对象的一部分的位置以及在至少一个旋转自由度(多至总共六个自由度)内的对象或对象的一部分的定向。如本文所用，术语“形状”是指沿细长对象测量的一组姿势、位置或定向。
[0021]参照附图中的图1，用在例如外科手术、诊断、治疗或活组织检查程序中的机器人介入系统一般由附图标号100表示。如图1所示，机器人介入系统100—般包括安装到其上定位有患者P的手术台O或安装在该手术台O附近的机器人组件102。介入器械系统104可操作地联接到机器人组件102。操作者输入系统106允许外科医生或临床医生S观看手术部位并且控制介入器械系统104的操作。
[0022]操作者输入系统106可位于通常与手术台O位于相同房间内的临床医生的操纵台处。然而，应当理解，外科医生或临床医生S能够位于与患者P不同的房间或完全不同的建筑物内。操作者输入系统106 —般包括用于控制介入器械系统104的一个或多个控制装置。(一个或多个)控制装置可包括任何数量的各种各样的输入装置，诸如手柄、操纵杆、跟踪球、数据手套、触发枪、手动操作的控制器、声音识别装置、触摸屏、身体运动或存在传感器等。在一些实施例中，(一个或多个)控制装置将与机器人组件的介入器械设有相同的自由度，以为临床医生提供远程呈现或(一个或多个)控制装置与器械整合的感知度，使得临床医生具有直接控制器械的强烈感觉。在另一些实施例中，(一个或多个)控制装置也可具有比相关联的介入器械更多或更少的自由度，并且仍为临床医生提供远程呈现。在一些实施例中，(一个或多个)控制装置是手动输入装置，该手动输入装置以六个自由度移动，并且也可包括用于致动器械(例如，用于闭合抓持夹钳、向电极施加电势、实施药物疗法等)的可致动把手。
[0023]机器人组件102支持介入器械系统104并且可包括一个或多个非伺服控制链路的运动结构(例如，可手动定位并锁定在适当位置的一个或多个链路，一般被称为调定结构)和机器人操纵器。机器人组件102包括驱动介入器械104上的输入的多个致动器(例如，马达)。这些马达响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的命令主动地移动。马达包括驱动系统，该驱动系统在联接到介入器械104时可将介入器械推进到天然或外科手术形成的解剖孔口中，并且/或者可以以多个自由度移动介入器械的远端，所述多个自由度可包括三个直线运动(例如，沿X、Y、Z笛卡尔坐标轴的直线运动)自由度和三个旋转运动(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔坐标轴的旋转)自由度。此外，马达能够用于致动器械的可铰接的末端执行器，用于抓持活组织检查装置的夹钳等中的组织。
[0024]机器人介入系统100也包括传感器系统108，该传感器系统108具有用于接收关于机器人组件的器械的信息的一个或多个子系统。此类子系统可包括位置传感器系统(例如，电磁(EM)传感器系统)；形状传感器系统，其用于沿器械104的柔性主体确定导管尖端和/或一个或多个节段的位置、定向、速度、姿势和/或形状；和/或可视化系统，其用于从导管系统的远端捕捉图像。
[0025]机器人介入系统100也包括显示系统110，该显示系统110用于显示由传感器系统108的子系统生成的手术部位和介入器械104的图像。显示系统110和操作者输入系统106可被定向，因而操作者能够像观看基本真实呈现的工作空间那样控制介入器械系统104和操作者输入系统106。真实呈现意指所显示的组织图像似乎对于操作者而言就像操作者物理地存在于图像位置处并且直接从图像的视角观看组织。
[0026]另选地或附加地，显示系统110可使用成像技术诸如计算机断层摄影术(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光镜透视检查、温度记录法、超声波、光学相干断层摄影术(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像等来呈现手术前记录和/或建模的手术部位的图像。所呈现的手术前图像可包括二维、三维或四维(包括例如基于时间或基于速率的信息)图像和模型。
[0027]在一些实施例中，显示系统110可显示虚拟可视化图像，其中介入器械的实际位置可以与手术前图像或并发图像配准(例如，动态地参考)，以在外科器械的尖端位置处向临床医生呈现内部手术部位的虚拟图像。
[0028]在另一些实施例中，显示系统110可显示虚拟可视化图像，其中介入器械的实际位置与先前图像(包括手术前记录的图像)或并发图像配准，以向临床医生呈现在手术部位处的介入器械的虚拟图像。介入器械104的一部分的图像可以叠加在虚拟图像上，以帮助临床医生控制介入器械。
[0029]机器人介入系统100也包括控制系统112。控制系统112包括至少一个处理器(未示出)，并且通常包括多个处理器，用于实现介入器械系统104、操作者输入系统106、传感器系统108和显示系统110之间的控制。控制系统112也包括程序化指令(例如，存储指令的计算机可读介质)，以实现本文所述方法中的一些或全部。虽然控制系统112在图1简化的示意图中被视为单块，但该系统可包括多个数据处理电路，其中处理的一部分可选地在机器人组件102上或邻近执行，一部分在操作者输入系统106处执行等。可以采用任意多种多样的集中式或分布式数据处理架构。类似地，程序化指令可实现为多个单独的程序或子程序，或者它们可以整合到本文所述的机器人系统的多个其他方面。在一个实施例中，控制系统112支持无线通信协议，诸如蓝牙、IrD