本申請要求2014年1月31日提交的，申請?zhí)枮?1/934,291，發(fā)明名稱為“在圖像引導介入手術中確定針頭插入的最佳時間”的美國臨時專利申請，以及2015年1月29日提交的，申請?zhí)枮?4/608,267，發(fā)明名稱為“在圖像引導外科手術中確定手術工具插入的最佳時間的方法和系統(tǒng)”的美國非臨時專利申請的優(yōu)先權，其全部內容通過引用結合在本申請中。

背景

1.技術領域

本發(fā)明涉及外科手術輔助。更具體地，本發(fā)明涉及在圖像引導外科手術中確定手術工具插入的最佳時間的方法、系統(tǒng)和程序。

2.技術背景

在圖像引導介入過程中，如探針活檢或腫瘤消融中，介入放射醫(yī)生基于在手術前實時獲取的病人的圖像放置針頭或消融探針。為了安全，探針不能在進入目標后立即全部插入。而探針可以逐步向目標前進，并且在每個探針通過之后，獲取新的圖像，用于以一個探針推進中探針位置和方向的驗證和/或調整。重復這一過程直至到達目標。對于靠近如大血管、心臟等重要器官的病灶，這是尤為正確的。探針引導所用的成像形式可以包括但不限于計算機斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、或超聲(US)。

介入放射科醫(yī)生基于所述圖像進行探針插入或探針推進。在獲取所述圖像到放射科醫(yī)生進行探針插入或探針推進的時間中，對患者而言，有很多可能出現(xiàn)的變數(shù)。首先，圖像采集時患者的呼吸狀態(tài)與針插入時不同。病人可能移動，例如彎腰。所以這些都可能影響到目標位置的變化。例如，當病灶接近肺隔膜時，呼吸可能導致病灶移動超過一厘米。探針插入或探針推進時是如此重要，病灶的位置與獲取的圖像中的病灶位置接近，從而使圖像提供最接近的真實情況。亟需找到一個病人的情況與獲取圖像時的情況最接近的時刻。

目前已經出現(xiàn)了能夠檢測患者呼吸狀況的感知設備，例如，申請?zhí)枮?009/0099472，Gregor Remmert和Gernot Echner提交的，發(fā)明名稱為“呼吸帶系統(tǒng)”的美國專利申請。介入放射科醫(yī)生監(jiān)視患者的呼吸狀態(tài)以挑選出呼吸狀態(tài)與圖像采集時極度相似的時刻于探針插入和推進。然而，由于這種感知設備不與圖像采集設備同步，很難獲得與所述圖像采集對應的確切呼吸信號。另一種處理呼吸的方法為讓病人在圖像采集和探針推進時都屏住呼吸。然而由于自身的健康狀況，很多病人無法在圖像采集時屏住呼吸。因此，需要提出一種解決上述問題的技術方案。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及外科手術輔助。更具體地，本發(fā)明涉及在圖像引導外科手術中確定手術工具插入的最佳時間的方法、系統(tǒng)和程序。

在一個實施例中，公開了一種用于具有至少一個處理器、存儲器和連接到外科手術輔助網(wǎng)絡的通信平臺的計算機設備上的方法。多個傳感器的第一位置組通過在手術前采集的圖像獲得。所述多個傳感器與病人的身體相連?；谂c所述多個傳感器相關聯(lián)的追蹤設備的信息獲取所述多個傳感器的一個或多個第二位置組。所述一個或多個第二位置組隨著病人身體的移動改變。在所述多個傳感器的第一位置組和一個或多個第二位置組中的每個第二位置組之間計算一個或多個相似度測量值?；谒鲆粋€或多個相似度測量值確定手術開始的時間。

在另一個實施例中，公開了一種用于包含至少一個處理器、存儲器和連接到外科手術輔助網(wǎng)絡的通信平臺的計算機設備上的方法。多個傳感器的第一位置組通過在對目標操作前采集的圖像獲得。所述多個傳感器與所述目標相連。基于與所述多個傳感器相關聯(lián)的追蹤設備的信息獲取所述多個傳感器的一個或多個第二位置組。所述一個或多個第二位置組隨著所述目標的移動改變。在所述多個傳感器的第一位置組和一個或多個第二位置組中的每個第二位置組之間計算一個或多個相似度測量值。基于所述一個或多個相似度測量值確定操作開始的時間。

在不同的實施例中，公開了一種用于外科手術輔助的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括傳感器位置提取單元、傳感器位置追蹤單元、測量單元、以及時間確定單元。所述傳感器位置提取單元被配置用于在手術前采集的圖像中獲取一個或多個傳感器的第一位置組。所述多個傳感器與病人的身體相連。所述傳感器位置追蹤單元與所述多個傳感器相連，被配置用于獲取所述多個傳感器的第二位置組。所述一個或多個第二位置組隨著病人身體的移動改變。所述測量單元被配置用于在所述多個傳感器的第一位置組和一個或多個第二位置組中的每個第二位置組之間計算一個或多個相似度測量值。所述時間確定單元被配置用于基于所述一個或多個相似度測量值確定手術開始的時間。

與用于實施本發(fā)明外科手術輔助的軟件相關的其他概念。一種與所述概念一致的軟件產品，包括至少一個非易失性機器可讀媒介和該媒介所攜帶的信息。該媒介所攜帶的信息可以是可執(zhí)行的代碼數(shù)據(jù)、與所述可執(zhí)行的代碼數(shù)據(jù)相關的參數(shù)、和/或與用戶、請求、內容或相關社團相關聯(lián)的信息。

在一個實施例中，公開了一種記錄了用于外科手術輔助信息的非易失性機器可讀媒介。所述記錄的信息在被機器讀取時，使該機器執(zhí)行一系列程序。多個傳感器的第一位置組通過在手術前采集的圖像獲得。所述多個傳感器與病人的身體相連?；谂c所述多個傳感器相關聯(lián)的追蹤設備的信息獲取所述多個傳感器的一個或多個第二位置組。所述一個或多個第二位置組隨著病人身體的移動改變。在所述多個傳感器的第一位置組和一個或多個第二位置組中的每個第二位置組之間計算一個或多個相似度測量值?；谒鲆粋€或多個相似度測量值確定手術開始的時間。

附加特征將在下文的說明中被闡述，結合下文的解釋和附圖，部分附件特征將變得顯而易見，本領域的技術人員能夠結合對所述實施例的使用和操作進一步理解本發(fā)明。本發(fā)明公開的特征能夠聯(lián)系或使用通過下文中討論的詳細實施例中提出的方法、手段及其組合的各個方面來實現(xiàn)。

附圖說明

下面將結合具體實施例對所述方法、系統(tǒng)和\或程序進行進一步說明。參照附圖對所述示例性實施例進行詳細說明。所述實施例為非限制性示例性實施例中不同視角的附圖，相同的數(shù)字代表類似的結構，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中的在圖像引導外科手術中的手術工具插入時間確定系統(tǒng)的示例性系統(tǒng)圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中的確定探針插入的最佳時間的程序的示例性流程圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中的基于剛性變換的殘余誤差的傳感器位置的相對性之間的相似性的計算程序的示例性流程圖；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中的基于位置測量和角度測量計算傳感器位置之間的位置-角度加權值的計算程序的示例性流程圖；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中的計算傳感器位置之間的位置-角度加權值計算程序的示例性流程圖；

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的能夠用于實現(xiàn)本發(fā)明的特定系統(tǒng)的計算機結構。

具體實施方式

在下面的詳細描述中，許多具體的細節(jié)將在實施例中進行說明，以便提供一個關于本發(fā)明的全面理解。然而，本領域技術人員可以顯而易見的在沒有這些細節(jié)的情況下實施本發(fā)明。在其他情況下，公知的方法、程序、系統(tǒng)、組件和/或電路將以相對高的級別沒有細節(jié)的進行描述，以便避免不必要的模糊。

本發(fā)明提供了一種在圖像引導外科手術中基于傳感器的位置確定外科設備(例如，探針)插入或推進的最佳時間的方法、系統(tǒng)、及程序。傳感器與病人的身體相連。提供了一種量化病人呼吸情況的新方法。通過在病人呼吸時分析這些傳感器的位置變化，尋找出極度接近圖像采集時病人呼吸狀況最佳時間以進行探針插入或探針推進。該系統(tǒng)可通過使用一個或多個計算機設備(例如移動電話、個人電腦等)和網(wǎng)絡通信設備的專用聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)。在下文中，CT圖像模式將被用作圖像模式的一個例子。然而，本發(fā)明的保護范圍不限于上述CT成像模式，并可用于任何已知的圖像模式，例如MRI影像學檢查方法和超聲成像方法。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于確定外科設備插入時間的示例性系統(tǒng)100。所述系統(tǒng)100包括傳感器位置提取單元106、傳感器位置追蹤單元108、相關性測量單元110、探針插入時間確定單元112以及電子探針(e-探針)定位單元120?？梢岳斫獾氖?，雖然在本發(fā)明中討論的是“探針”，該外科設備插入時間確定系統(tǒng)和方法可以適用于任何其它使用活體檢查和介入程序的合適的儀器中，例如不限于：針、刀、導管等。

在被圖像獲取裝置101，例如本實施例中的CT掃描儀掃描之前中，在病人身上放置了一個或多個傳感器104。在一個實施例中，至少三個傳感器被放置在病人身上，并在手術中被使用。所述傳感器104可以具有任何合適的追蹤機制，其姿態(tài)(位置和\或方向)可被探測到，例如但不限于磁傳感器或光傳感器。之后病人被CT掃描儀掃描。所述傳感器位置提取單元106從掃描的圖像102，例如CT圖像中提取傳感器位置。在一些實施例中，所述傳感器104被封裝在容器中。如果不易從圖像中直接切分所述傳感器的準確的中心，可從所述CT圖像中切分觸整個容器。之后可基于傳感器制造商提供的傳感器規(guī)格從切分的容器確定確切的傳感器位置。CT圖像中的傳感器的位置由CT圖像坐標測量。

在本實施例中，傳感器位置追蹤單元108提供連接到患者身體的實際傳感器104的實時位置。傳感器的位置讀數(shù)在傳感器坐標系中，與CT圖像坐標系不同。由于坐標系不同，CT圖像中的絕對傳感器位置和傳感器位置追蹤單元108獲取的位置不能直接比較。相對性測量值單元110的相似度測量值在CT圖像中的傳感器的位置和由所述傳感器位置追蹤單元108獲得的位置是如何在“相對位置”(相對性)方面彼此類似的。這種測量可以在病人呼吸期間的每一時刻由實際傳感器104讀取的傳感器位置進行(例如，以每秒50個樣本的速度)。根據(jù)相似度測量值，探針插入時間確定單元112中找到了最佳探針插入時間。所述相似度測量值單元也可以與虛擬針114、(一個或多個)病灶對象116、以及(一個或多個)器官對象118一起顯示為在電子探針定位單元120中的時間信號。在電子探針定位單元120產生的可視環(huán)境中，所述虛擬探針114可根據(jù)對應的附加了一個或多個傳感器的實際探針(物理探針)的移動而移動，例如，申請?zhí)枮?012/0029387，發(fā)明人為Guo-Qing Wei，Jian-Zhong Qian，Cheng-Chung Liang，Xiaolan Zeng，Li Fan，F(xiàn)eng Ma，發(fā)明名稱為“用于使用電子器官地圖的實時外科手術輔助的方法和系統(tǒng)”的美國專利申請公開，其全部內容通過引用結合在本申請中。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的確定最佳探針插入時間的示例性流程圖；在步驟202中，放置于病人身上的傳感器，例如，將所述傳感器夾在病人的皮膚上。在一個實施例中，所述傳感器廣泛分布與病人身上以捕捉病人的呼吸或移動。在步驟204中，對病人進行CT掃描以獲取CT圖像。根據(jù)所述CT圖像，在步驟206中提取出傳感器位置。在步驟208中，通過追蹤設備讀取實時傳感器位置。這與CT圖像采集中使用的傳感器相同，該傳感器在手術過程中一直位于病人身上。值得注意的是，患者在CT圖像采集之后已經移動。例如，病人躺著的床沿著軌道將病人送入CT掃描機器的入口中。因此，絕對傳感器位置會由于這些移動發(fā)生改變。在步驟210中，CT傳感器位置和實時傳感器位置之間的相對性的相似度被計算。實時相似度測量值可在實際傳感器提供位置測量的每一刻計算。在步驟212中，實時最佳探針插入時間通過搜索實時相似度最高的值確定?？蛇x地，相似度測量的閾值是如此確定的，以便于當相似度超過所述閾值時，允許進行所述探針插入或探針推進。在步驟214中，所述相似度測量是探針插入時間的函數(shù)，并被顯示為曲線，用于用戶的檢測。

圖3示出了本發(fā)明的一個實施例中在步驟210計算所述相似度測量的示例性流程圖。在步驟302中，計算在CT圖像中的傳感器位置和追蹤設備實時讀取的傳感器位置之間的剛性變換。所述剛性變換不僅補償CT坐標系和傳感器裝置坐標系之間的坐標差，也補償病人的任何移位或旋轉運動。在步驟304中，計算所述變換的殘余誤差。所述殘余誤差被用于標示病人的其他運動，例如呼吸。所述殘余誤差在每一時刻被測量時，存在一個在呼吸周期內的時間點，在該點上所述殘余誤差為最小值。該時間點上病人的呼吸狀況最接近于CT圖像采集時病人的呼吸狀況。由于同一病人和不同病人間的呼吸周期之間存在差異，可在步驟306中使用數(shù)個呼吸周期的時間幀找出最小剩余誤差。在本發(fā)明中，關于所述最小剩余誤差的傳感器位置被稱為“參考傳感器位置”。由于CT圖像中的傳感器位置和參考傳感器位置之間除了呼吸還可能存在其他運動，所獲得的最小殘余誤差中還包含有非呼吸運動的成分。為了減小所述最小殘余誤差中的非呼吸運動的成分，在步驟310中，計算所述參考傳感器位置和實時傳感器位置之間的剛性變換。在步驟312中，所述變換的殘余誤差被計算和補償以提供相似度測量值。應注意的是的，由于手術過程中隨著時間的推移可能出現(xiàn)呼吸模式的改變，所述參考傳感器位置的計算在一定的時間間隔之后被重置。

圖4示出了本發(fā)明的另一個實施例中的在步驟210中相似度測量值單元的示例性流程圖。在步驟402中，距離-角度加權值被用于計算CT圖像中的傳感器位置。兩點之間的距離和兩條線之間的角度在坐標系變換時保持不變。也就是說，在該點處發(fā)生平移和旋轉時，上述測量值時不發(fā)生改變，能夠提供各點之間的相對性測量值。在步驟404中，可以為實際傳感器的傳感器位置計算相同的距離-角度加權值。在步驟406中，計算在步驟402和404中計算的加權值之間的差值。在步驟408中，所述差值被補償以得到相似度測量值。

圖5示出了用于計算距離-角度加權值的示例性流程圖。在步驟502中，獲取所述CT圖像中的傳感器位置和真實傳感器讀取的實時傳感器位置。在本實施例中，所述距離-角度加權值的計算與CT圖像中的傳感器位置和真實傳感器讀取的實時傳感器位置相同。在步驟504中，計算每兩個傳感器位置之間的距離和值。在步驟506中，計算每兩個傳感器位置之間的角度和值。在步驟506中，計算所述距離和和所述角度和的加權值。所述加權值可以根據(jù)經驗確定，使得相似的點之間距離和角度對測量值的影響相同。

為了實現(xiàn)各種模塊、單元、以及它們在本發(fā)明中所描述的功能，計算機硬件平臺可以用于一個或多個本說明書中描述的實施例中使用的硬件平臺(例如，圖1-5中描述的系統(tǒng)100。所述硬件單元、操作系統(tǒng)和計算機的編程語言在本質上是常規(guī)的，且本領域技術人員能夠充分了解本文所述的用于外科手術輔助的技術。具有用戶接口單元的計算機可以用于實現(xiàn)個人計算機(PC)或其它類型的工作站或終端裝置的，即使如果使用得當，計算機還可以充當服務器。本領域中的技術人員非常熟悉的該結構、程序和所述計算機設備的一般操作，因此附圖應是不言自明的。

圖6示出了一個可實現(xiàn)專用系統(tǒng)的用于實施本發(fā)明的一個計算機設備。這種結合本發(fā)明的專業(yè)系統(tǒng)具有如圖所示的包含用戶接口元件的硬件平臺的功能模塊框圖。該計算機可以是通用計算機或專用計算機。都可以用于實現(xiàn)本發(fā)明中的專用系統(tǒng)。計算機600被用于實現(xiàn)探針引導技術的任何組件，如本文所述。例如，系統(tǒng)100可以在計算機如計算機600上通過其硬件、軟件程序、固件、或它們的組合實現(xiàn)。雖然僅示出一個這樣的計算機，為方便起見，在此描述的有關探針引導的計算機功能可通過分布式方式實現(xiàn)在多個類似的平臺上實現(xiàn)，以分配處理負載。

所述計算機600，例如，包括連接到并從網(wǎng)絡COM端口602向其中以促進數(shù)據(jù)通信連接。計算機600還包括一個或多個處理器的形式的中央處理單元(CPU)604，用于執(zhí)行程序指令。示例性的計算機平臺包括內部通信總線606、程序存儲和不同形式的數(shù)據(jù)存儲，例如，磁盤608、只讀存儲器(ROM)610、或隨機存取存儲器(RAM)612，用于由計算機完成各種數(shù)據(jù)文件的處理和/或通信，以及由CPU604來執(zhí)行可能的程序指令。計算機600還包括一個I/O組件614，用于支持在其中計算機和其他組件，例如用戶界面元素616，之間的輸入/輸出流。計算機600還可以經由網(wǎng)絡通信接收程序和數(shù)據(jù)。

因此，如上所述，探針的引導和/或其他過程的方法的各方面可通過編程實施。該技術方案的某些程序形式，特別是被攜帶或嵌入在機器可讀媒介中的可執(zhí)行代碼和/或相關聯(lián)的數(shù)據(jù)的形式，被認為是“產品”或“制造品”。有形非易失性“存儲”型媒介包括任何或所有的存儲器或其它存儲單元，用于計算機、程序、或其類似物、或其相關模塊中，隨時為軟件編程提供存儲單元，所述存儲單元可以是存儲器或其類似物，或與其相關聯(lián)的模塊，例如各種半導體存儲器、磁帶驅動器、磁盤驅動器等。

該軟件的全部或部分可以通過網(wǎng)絡，例如因特網(wǎng)或各種其它電信網(wǎng)絡，進行通信。這種通信，例如，可以使軟件從一臺計算機或處理器上加載到另一個上，例如，從管理服務器或搜索引擎操作者的主機上加載到具有計算環(huán)境或其他具有計算環(huán)境的系統(tǒng)或與用戶的興趣目標相關的類似功能的硬件平臺上。因此，另一種類可能負載軟件單元的媒介包括光、電、電磁波，例如用于本地設備之間的物理接口、通過有線和光纖地面網(wǎng)絡以及通過各種空氣橋接。攜帶這些波的物理元件，例如有線或無線鏈路、光學鏈路或其類似物，也被認為是負載所述軟件的媒介。如本文所述，除非限于有形的“存儲”媒介，諸如計算機或機器“可讀媒介”是指參與為處理器提供指令以用于執(zhí)行任何媒介

因此，機器可讀媒介可以采用多種形式，包括但不限于：有形存儲媒介、載波媒介或物理傳輸媒介。非易失性存儲媒介包括，例如，光盤或磁盤、例如可以被用來實現(xiàn)如附圖所示的系統(tǒng)或其任意組成部分的計算機或其類似物中的存儲設備中的任意一種。易失性存儲媒介包括動態(tài)存儲器，例如所述計算機平臺的主存儲器。有形傳輸媒介包括同軸電纜、銅線和光纖，包括構成計算機系統(tǒng)總線的導線。載波傳輸媒介可采用電或電磁信號，或例如射頻(RF)和紅外(IR)數(shù)據(jù)通信期間產生的聲波或光波。機器可讀媒介的常見形式包括例如：軟盤、柔性盤、硬盤、磁帶、任何其它磁媒介、光盤、DVD或DVD只讀存儲器、任何其它光學媒介、穿孔卡片紙帶、具有孔的任何其他物理存儲媒介、隨機存取存儲器、可編程只讀存儲器和可擦除可編程只讀存儲器、閃存可擦除可編程只讀存儲器、其他存儲器芯片或卡盒、傳輸數(shù)據(jù)或指令的載波、傳送這種載波的電纜或鏈路、或計算機可以讀取的程序代碼和/或數(shù)據(jù)的任何其它媒介格式。許多這些形式的機器可讀媒介涉及將一個或多個指令的一個或多個序列傳送給用于執(zhí)行的物理處理器。

本領域的技術人員將了解，本發(fā)明適用于多種修改和/或改進。例如，雖然以上描述的各種組件的實施方式可以在硬件設備上實施，但也作為軟件唯一的解決方案，----例如，在現(xiàn)有的服務器上安裝。另外，如本文所公開的所述探針引導系統(tǒng)可以被實現(xiàn)為固件、固件/軟件的組合、固件/硬件的組合、或硬件/固件/軟件的組合。

盡管前面已經描述了被認為構成本發(fā)明和/或其他實施例，應當理解的是，可以對其進行各種修改，本發(fā)明所公開的主題可以以各種形式和實施例來實現(xiàn)，本發(fā)明可適用于多種應用場景，說明書中僅描述了其中一部分。下面的權利要求旨在聲明落入本發(fā)明的保護范圍內的任何和所有應用、修改和變化。