專利名稱：用于在微創(chuàng)手術中減少組織損傷的路徑規(guī)劃的制作方法
用于在微創(chuàng)手術中減少組織損傷的路徑規(guī)劃本發(fā)明涉及一種用于計算路徑從而使微創(chuàng)裝置到達靶標的同時避開關鍵 (critical)結構并使對結構的損傷最小化的系統(tǒng)和方法。這一路徑可以用于控制裝置(例如，氣管鏡或斜面針)，或者可以用于構造裝置(例如，嵌套插管)。這樣的路徑規(guī)劃應用可以使用Karen I. Trovato, A* Planning in Discrete Configuration Spaces of Autonomous System, Amsterdam 大學，1996 提出的架構執(zhí)行。具體而言，路徑規(guī)劃應用必須由一組關鍵參數(shù)表征。每個參數(shù)具有一個或多個有效參數(shù)值范圍，該有效參數(shù)值被離散化以便于計算機計算。所有可能參數(shù)范圍的組合被稱為配置空間，并且該配置空間的每種狀態(tài)為這些參數(shù)中的每個提供唯一的設置。由于配置空間是離散空間，配置空間中的每種狀態(tài)都可以視為N-維圖表(通常N = 2或3，但有時更高)中的‘節(jié)點’。在此‘狀態(tài)’和‘節(jié)點’可以替換使用。鄰域(neighborhood)包含基于系統(tǒng)或裝置的核心能力的一組潛在的變換 (transitions)，其通常在特定的范圍內。從配置空間中的一種狀態(tài)到另一 ‘鄰域’狀態(tài)的變換可以由事件或物理運動引起。‘鄰域’還可以基于物理或‘游戲規(guī)則’確定。因此，鄰域可以包括空棋盤上馬移動一步內的所有位置。針對每次變換分配用于在‘源(home)，狀態(tài)和鄰域狀態(tài)之間轉變所強加的代價 (cost)。因此，在配置空間中的各狀態(tài)與其之間的鄰域變換的組合可以被設想為這樣的圖表，該圖表以狀態(tài)作為節(jié)點，并且以變換作為經(jīng)代價加權的定向邊緣。對于許多路徑規(guī)劃應用而言，常常由于機械限制、與障礙的相互作用或強加的規(guī)則，存在限定非法狀態(tài)的約束。因此，在配置空間中存在各節(jié)點中可識別的(一處或多處) 禁止區(qū)域。這能夠通過多種方式實現(xiàn)。例如，可以移除進入禁止配置節(jié)點的變換，其指示非法移動。備選地，節(jié)點可以被標記為非法的，或者進入該節(jié)點的變換可能具有無窮大的 (infinite)(無法達到的高)代價，由⑴表示。每種技術都令路徑避開障礙。非法狀態(tài)還具有下游效應。例如，汽車運動的鄰域可能是向前行進的四分之一轉中的弧。如果沿該曲線的狀態(tài)被拐角(障礙)阻礙，那么不僅禁止進入拐角的變換，而且還禁止超出該拐角的變換?？梢詫ⅰ繕恕?或靶標)位置映射到離散配置空間中的一個或多個等價‘目標’ 節(jié)點。由于表達系統(tǒng)的參數(shù)的公式可能具有多于一個描述該系統(tǒng)‘目標’的解，可能存在多個“目標”節(jié)點。例如，你的手臂的左手和右手配置二者都能夠到達相同的位置。系統(tǒng)‘開始’簡單地轉換到特定的開始節(jié)點，該開始節(jié)點常常是系統(tǒng)或裝置的當前狀態(tài)(即，情形)。找出從當前系統(tǒng)節(jié)點(開始)導向預期的‘目標’的最期望的事件序列類似于找出從當前節(jié)點到‘目標’節(jié)點的變換的最優(yōu)路徑，該最優(yōu)路徑在避開所有非法節(jié)點的同時引起最小的代價。它還告訴我們，可以根據(jù)開始到目標或者可以根據(jù)從目標到開始計算出所述路徑。在這兩種情況下，變換的連接形成所得到的路徑。路徑規(guī)劃常常具有成功標準，有時稱為空間變量度量、代價度量或目標函數(shù)(例如，最快、最短、最便宜，等等)。因此可以通過使用配置空間節(jié)點、變換的鄰域、代價、禁止區(qū)域和‘目標’規(guī)劃路徑，以及通過限定或設置‘開始節(jié)點’找出期望的事件序列。諸如A*的圖表搜索方法提供了有效的機制以確定最優(yōu)路徑。正如本文將進一步解釋的，本發(fā)明提供了結構損傷量化度量(測量)以及目標節(jié)點幾何擴展，其擴充了對Trovato提出的主題架構的利用。例如，能夠基于針對裝置的最優(yōu)路徑計算運動學上可行的一組嵌套插管，該最優(yōu)路徑使在微創(chuàng)手術期間對關鍵結構的損傷最小化。本發(fā)明的一種形式是整合(incorporating)結構損傷評估技術用以根據(jù)手術應用規(guī)劃路徑的方法。該方法包括在數(shù)據(jù)存儲介質中構造配置空間結構，該配置空間結構表示身體的解剖區(qū)域的離散配置空間，其包括自由空間配置節(jié)點和禁止配置節(jié)點。該方法還包括針對每個自由空間配置節(jié)點生成結構損傷評估，該結構損傷評估指示對解剖區(qū)域的一個或多個解剖區(qū)的潛在損傷的損傷評估，該解剖區(qū)域由具有無窮大的結構評估代價的(一個或多個)禁止配置節(jié)點表示。在本發(fā)明的第二種形式中，規(guī)劃方法整合幾何擴展技術。具體而言，該方法還包括擴增如在數(shù)據(jù)存儲介質中構造的配置空間節(jié)點結構，并以參數(shù)值量化配置空間節(jié)點結構中的每個節(jié)點，其中，擴增配置空間節(jié)點結構包括對靶標節(jié)點的幾何擴展，該靶標節(jié)點包含一個或多個與作為(一個或多個)替代(surrogate)種子節(jié)點的靶標節(jié)點幾何相鄰的自由空間配置節(jié)點。結合對本發(fā)明各種實施例的詳細描述和附圖，本發(fā)明的前述形式和其他的形式以及本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點將變得顯而易見。詳細描述和附圖僅用于說明本發(fā)明，而非限制由權利要求和其等價物限定的本發(fā)明的范圍。

圖1圖示說明了本領域中已知的腦的示范性布羅德曼(Brodmarm)區(qū)。圖2圖示說明了本領域中已知的嵌套插管的示范性非完整鄰域。圖3圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的關鍵結構損傷評估技術和靶標節(jié)點幾何擴展技術的框圖。圖4圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的表示路徑規(guī)劃方法的流程圖。圖5圖示說明了本領域中已知的示范性腦血管和腦室。圖6圖示說明了根據(jù)本發(fā)明對腦中關鍵結構的示范性檢測。圖7圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的表示加權計算方法的流程圖。圖8圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的示范性的加權標尺(scale)。圖9圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的示范性的障礙圖。圖10圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的示范性的擴大的障礙圖。圖11圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的示范性的障礙距離圖。圖12圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的示范性的經(jīng)驗性加權圖。圖13圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的示范性的結構損傷評估圖。圖14圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的表示靶標節(jié)點幾何擴展的流程圖。圖15圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的靶標節(jié)點的示范性的二維幾何擴展。圖16圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的表示利用狀態(tài)參數(shù)確定從‘種子’節(jié)點到‘目標’的最優(yōu)路徑的A*算法的流程圖。圖17圖示說明了本領域中已知的用于腦活檢的示范性的‘安全’的進入點集。圖18圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的框圖。
本發(fā)明以三個(3)主要發(fā)明原理為前提。首先，用于涉及微創(chuàng)手術的路徑規(guī)劃應用的離散配置空間可以通過創(chuàng)建‘結構損傷評估’得以加強，‘結構損傷評估’提供代價估計或通過貫穿特定解剖區(qū)(例如，解剖區(qū)域內的關鍵解剖結構和進入解剖區(qū)域內的脆弱的進入點)產(chǎn)生的損失。這可以存儲在配置空間本身中，或者優(yōu)選被存儲在分立的結構中或作為函數(shù)存儲。結構損傷評估將有利于在解剖區(qū)域內的路徑規(guī)劃，所述路徑規(guī)劃使總損傷最小化。例如，由于涉及到腦手術，不希望沿顱骨(例如，太陽穴)穿過脆弱的進入點，因為這一路徑將需要后續(xù)的重構手術。此外，對腦關鍵結構(例如，血管、腦室、腦下垂體、腦橋以及視神經(jīng))的任何損傷都可能意味著失去生命或關鍵的生活機能。即使它們是非常小的區(qū)，也可能有相當高的代價。利用結構損傷評估通過最小化，如果不是防止，對關鍵結構和脆弱的進入點的任何損傷來輔助微創(chuàng)手術規(guī)劃。正如將進一步解釋的，對于A*算法，結構損傷評估值可以與代價度量和啟發(fā)式(heuristic)參數(shù)值結合使用，從而通過避開障礙的離散配置空間進行搜索，并且同時保持與這樣的障礙的安全距離。第二，優(yōu)選可以高亮顯示進入點或區(qū)，給出靶標和結構損傷評估，諸如，例如，圖1 中所示的腦圖100的布羅德曼區(qū)。在類似針對腦規(guī)劃的情況下，其中，頭顱鉆孔可以在諸多位置中的任一處進行，基于靶標識別合適的開始位置至關重要，使得其使總損傷最小化，并且可以利用現(xiàn)有工具實現(xiàn)。第三，已經(jīng)針對裝置限定了先前的路徑規(guī)劃應用，所述裝置包括嵌套插管、可操縱針和氣管鏡。嵌套插管連續(xù)延伸，從最大的到最小的，并在不同方向上彎曲以到達解剖結構深處。配置這些裝置的方法在Karen I. iTrovato的題為“Active Cannula Configuration for Minimally Invasive Surgery”的國際公開WO 2008/032230中有所描述。由于嵌套插管沿其長度不具有機械化的關節(jié)(joint)，也沒有用于控制的“木偶牽線”，所以它們可以做成非常小，這對于腦應用以及許多其他微創(chuàng)手術都是有用的。諸如氣管鏡和斜面針的其他裝置的操縱在 Karen I. Trovato 等人的題為“3D Tool Path Planning, Simulation and Control System”的國際公開WO 2007/0似986中有所描述。對于一些裝置和應用，可能不能夠容易地識別或選取靶標的接近取向。常見的問題是如何在無需繁瑣的手動錄入的情況下針對靶標，例如腫瘤的中心， 創(chuàng)建多個接近取向，同時保持針對6D規(guī)劃的3D配置空間。在簡單的范例中，可以通過從鄰近的鄰域到種子節(jié)點的方向形成所述接近取向。因此，搜索方向被設置為相反的方向(從種子到鄰近的鄰域)。這一‘幾何擴展’在涵蓋所有周圍方向的同時，提供了簡單的、可實現(xiàn)的各種取向。如果這些鄰域在可接受的精度內以表示靶標，只要它們不處在禁止的或無窮大代價的位置中，它們都可以用作替代‘種子’，其具有零代價和限定的取向以初始化A*搜索。明顯地，可以使用許多形狀和尺寸的幾何鄰域，不僅僅是緊密相鄰的那些鄰域，然而，它們必須限定可行的最終運動或動作。最后，用于設置替代種子的取向的幾何鄰域不一定與 A*搜索期間使用的鄰域匹配。例如，圖2圖示說明了各弧的非完整鄰域101，其可以用于計算一系列嵌套插管以到達如本領域中已知的身體解剖區(qū)域內的靶標位置。鄰域101的搜索通常在基于通向單一靶標節(jié)點的單一取向的A*算法中擴展。然而，本發(fā)明的幾何擴展將有利于在基于單一靶標節(jié)點周圍的多個取向的A*算法中搜索鄰域。結果可以是通過解剖區(qū)域在靶標節(jié)點和最優(yōu)的準許進入點之間穿行的曲線路徑。本領域技術人員應當認識到，這一幾何擴展結合上述結構損傷評估實現(xiàn)了針對裝置(例如，氣管鏡或斜面針)生成運動學上可行的路徑，以及構造運動學上可行的嵌套插管，其使得在微創(chuàng)手術期間對敏感結構或脆弱的進入點的損傷最小化。本領域技術人員應當理解，提供圖3-18的以下描述的目的是總體以具體但易懂的范例圖示說明本發(fā)明的上述發(fā)明原理，而非限制這樣的發(fā)明原理的實踐。具體而言，可以從本文對發(fā)明原理的描述中省略已知功能和操作的不必要細節(jié)，以免使本發(fā)明變得晦澀。 然而，本領域技術人員應當理解如何將本發(fā)明的發(fā)明原理實踐到任何類型的路徑規(guī)劃應用中(即，手術工具路徑規(guī)劃、血管路徑規(guī)劃、經(jīng)濟的系統(tǒng)路徑規(guī)劃，等等)，并且將進一步理解有許多變型落在本發(fā)明的精神和權利要求的范圍內。圖3圖示說明了設置階段110和路徑規(guī)劃階段111，其用于任何類型的路徑規(guī)劃應用，尤其是用于在微創(chuàng)手術期間針對患者體內的器械規(guī)劃手術路徑，或者用于規(guī)劃嵌套插管的構造。一般而言，設置階段110至少可以包括(1)構造表示離散配置空間的配置空間節(jié)點結構，所述離散配置空間包括以一個或多個參數(shù)表征的多種狀態(tài)(節(jié)點)，(2)識別包含所有被允許動作的鄰域，所述動作引起離散配置空間中各狀態(tài)(節(jié)點)之間的轉變或變換，以及C3)度量的公式化，其表示從一種狀態(tài)到由‘鄰域’限定的相鄰狀態(tài)的變換的代價。 此外，一般而言，路徑規(guī)劃階段111至少可以包括(1)識別或限定離散配置空間中的種子節(jié)點，以及(2)利用所述種子節(jié)點基于度量發(fā)起代價波通過配置空間節(jié)點結構的傳播，以找到開始節(jié)點和目標節(jié)點之間最期望的事件序列。本發(fā)明介紹了一種結構損傷評估技術112和幾何擴展技術113，兩者可以獨立地或共同地整合到路徑規(guī)劃應用的設置階段110和路徑規(guī)劃階段111中。一般而言，配置空間節(jié)點結構包括多個節(jié)點，其中每個節(jié)點處于由(一個或多個)參數(shù)表征的離散配置空間中的不同離散方向上，并且技術112實現(xiàn)了使用結構損傷評估值明確量化對身體的解剖區(qū)域的解剖結構的潛在損傷的損傷評估，而技術113實現(xiàn)了在通過離散配置空間的自由空間執(zhí)行搜索期間使用作為替代種子節(jié)點的靶標節(jié)點的一個或多個幾何相鄰的自由空間鄰域?，F(xiàn)在將描述圖4-18中所示的技術112和113的示范性實施例，目的是便于進一步理解本發(fā)明的發(fā)明原理，從而使本領域技術人員了解本發(fā)明的各種益處。A.整合結構風險評估和幾何擴展的路徑規(guī)劃方法圖4圖示說明了表示本發(fā)明的路徑規(guī)劃方法的流程圖120。這一方法的目的是獲取路徑規(guī)劃應用的設置階段110(圖3)期間離散配置空間各狀態(tài)的實際的一組代價值，以有利于在路徑規(guī)劃應用的路徑規(guī)劃階段111(圖幻期間的最優(yōu)搜索。隨后本文在整合本發(fā)明的結構損傷評估技術112和幾何擴展技術113的內容中描述這一目的。因此，僅根據(jù)需要提供了在階段110和階段111期間執(zhí)行的公知的路徑規(guī)劃過程的描述，以便于理解本發(fā)明的技術112和113。參考圖4，設置階段110包括流程圖120的步驟S121和步驟122。步驟121包含對身體解剖區(qū)域內的解剖區(qū)的檢測，這對于最小化或防止對結構的任何損傷至關重要。這些關鍵區(qū)包括，但不限于，進入解剖區(qū)域的脆弱的進入點和解剖區(qū)域內的脆弱的結構，其易于受到來自區(qū)域中微創(chuàng)手術期間所使用的器械的損傷的影響，所述區(qū)域諸如是圖5中所示的腦血管/腦室130。在步驟S121的一個實施例中，可以根據(jù)基于手動或基于圖解集(atlas)的解剖區(qū)域的圖像實現(xiàn)對關鍵區(qū)的檢測。例如，基于手動的檢測可以包括計算機斷層攝影、磁共振等圖像，亦即，根據(jù)容易勾出輪廓的數(shù)量適中的關鍵結構手動分割的或利用已知的半自動算法進行分割的圖像。相反地，對于無法根據(jù)成像檢測的關鍵區(qū)，可以使用分割的患者特異性數(shù)據(jù)與解剖/功能圖解集之間的配準。圖6圖示說明了腦圖像切片的示范性分割和配準。具體而言， 在腦手術中，MRI通常用于診斷和規(guī)劃兩者。自動算法或手動分割能夠檢測主要的組織類型，諸如，例如，白質、灰質、硬膜、血管、腦脊液、顱骨以及皮膚。然而，對于微創(chuàng)路徑，在MRI 中不可見的其他結構，諸如圖1所示的布羅德曼區(qū)100，可以用于限定引起功能障礙的結構損傷。為此，對人腦的截面MRI圖像140內的可見區(qū)的手動或(半)自動分割得到分割的圖像141，分割的圖像141以可變形的方式配準到人腦的已知詳細截面圖解集143，以產(chǎn)生標記的圖像142。一種這樣的已知圖解集是Talairach圖解集(參見Lancaster JL,WoIdorff MG, Parsons LM, Liotti Μ, Freitas CS, Rainey L, Kochunov PV, Nickerson D, Mikiten SA, Fox PT 的"Autonated Talairach Atlas labels for functional brain mapping，，。 Human Brain Mapping 10 :120-131，2000)，一組1004種不同的神經(jīng)標記，標記了腦圖解集中的每個像素。如果執(zhí)行了圖解集143和分割的圖像141之間的配準，則確立了患者的圖像141中的每個體素與圖解集模型143中的每個體素之間的變換。因此，基于其神經(jīng)功能標記患者圖像141中的每個元素。在分割過程中標記非神經(jīng)結構(例如，CSF或血管)。步驟S122包含針對表示每個自由空間配置節(jié)點的結構損傷評估，其表示解剖區(qū)域中的非關鍵區(qū)是安全的或是危險的。一般而言，表示解剖區(qū)域中檢測到的關鍵區(qū)(障礙或脆弱的進入點)的每個禁止配置節(jié)點的代價對應于具有無窮大風險代價的關鍵解剖區(qū)。 相反地，每個安全的自由空間配置節(jié)點的風險代價具有結構損傷的零風險，而每個危險的自由空間配置節(jié)點具有結構損傷的估計的風險，該風險的范圍是從非零、有限的代價到無窮大的代價?？傊古渲霉?jié)點代價為C =⑴，安全的自由空間配置節(jié)點代價為C = 0，而危險的自由空間配置節(jié)點代價為C <⑴。在步驟S122的一個實施例中，與每個自由空間配置節(jié)點關聯(lián)的代價，可以由用戶設置，根據(jù)禁止配置節(jié)點或從單獨設置代價和禁止配置節(jié)點的組合導出，或者可以例如根據(jù)自動的分割過程由計算機程序設置。例如，對于神經(jīng)外科的應用，聯(lián)合代價可以通過組合 (例如加和或平均)以下內容形成a)針對附近關鍵點或區(qū)(例如距關鍵解剖區(qū)的距離) 的代價和b)非禁止的、風險的代價。圖7圖示說明了表示本發(fā)明的代價計算方法的流程圖150，其將被描述為標記的圖像(例如，圖6中所示的標記的圖像142)的簡化的2D范例和圖8所示的顏色(colored) 編碼的代價標尺，該標尺的范圍從零白色編碼的代價到無窮大黑色編碼的代價。流程圖150 的步驟S151包含生成根據(jù)標記圖像的禁止配置節(jié)點導出的基本障礙圖，諸如，例如，圖9中所示具有與禁止區(qū)關聯(lián)的無窮大黑色節(jié)點的障礙圖160。流程圖150的步驟S152包含生成根據(jù)圍繞禁止區(qū)確立的安全范圍(zone)導出的擴大的障礙圖。例如，圖10中所示具有與禁止區(qū)關聯(lián)的無窮大黑色編碼的安全節(jié)點的擴大的障礙圖161具有圍繞原始禁止配置節(jié)點的無窮大代價自由空間配置節(jié)點的附加緩沖。原始禁止配置節(jié)點周圍的白色邊沿僅用于幫助從原始禁止配置節(jié)點可視化地分離出新擴增的無窮大代價自由空間配置節(jié)點。流程圖 150的步驟S153包含生成根據(jù)到最接近的無窮大代價區(qū)的距離導出的障礙距離圖。例如，圖11中所示的障礙距離圖162具有有限灰色節(jié)點，所述灰色節(jié)點的值隨著自由空間配置節(jié)點與任何緩沖的關鍵范圍的距離的增大而遞減。流程圖150的步驟SlM包含根據(jù)標記的圖像和經(jīng)驗數(shù)據(jù)生成經(jīng)驗數(shù)據(jù)圖，所述經(jīng)驗數(shù)據(jù)指示每個關鍵解剖區(qū)(障礙和脆弱的進入點)對外部刺激(手術器械/工具)的物理敏感性。例如，圖12中所示的經(jīng)驗加權圖163具有零或有限灰色的節(jié)點，其在由用戶或自動分割過程憑經(jīng)驗確定時對應于自由空間配置節(jié)點中的每個處的物理敏感性。流程圖150的步驟S155包含組合障礙距離圖和經(jīng)驗數(shù)據(jù)圖，其基于匹配節(jié)點的組合(例如，總和和/或平均)。例如，在圖13中，代價圖164具有顏色編碼區(qū)，其值全部以最大程度避開禁止區(qū)的方式根據(jù)禁止區(qū)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)導出，從而如果不能防止，使對與禁止區(qū)關聯(lián)的解剖結構的任何結構損傷最小化。本領域技術人員應當認識到，所示的流程圖150將有利于得到對禁止點和區(qū)的非常高的安全性，下文是對流程圖150的備選實施例的描述，其可以在實踐中實施。在流程圖150的第一備選實施例中，可以省略擴大障礙繪圖步驟S152，如從基本障礙繪圖步驟S151指向障礙距離繪圖步驟S153的虛線箭頭所指示的。在流程圖150的第二備選實施例中，可以省略障礙距離繪圖步驟S153，如從擴大障礙繪圖步驟S152指向繪圖組合步驟S155的虛線箭頭所指示的。在流程圖150的第三備選實施例中，擴大障礙繪圖步驟S152和障礙距離繪圖步驟 S153兩者都可以省略，如從基本障礙繪圖步驟S151指向繪圖組合步驟S155的虛線箭頭所指示的。在流程圖150的第四備選實施例中，可以省略障礙繪圖步驟S151-S153，從而專門利用經(jīng)驗加權的繪圖步驟SlM進行結構損傷評估代價的計算。在流程圖150的第五備選實施例中，經(jīng)驗加權的繪圖步驟SlM可以單獨省略或與障礙繪圖步驟S151-S153中的一個或多個一起省略，從而將剩下的(一個或多個)障礙繪圖步驟用于結構損傷評估代價的計算。參考圖4，路徑規(guī)劃階段111包括流程圖120的步驟S123-S126。步驟S123包含用戶或計算機識別的靶標點，諸如腫瘤質心，以及用戶或計算機識別的用于適當?shù)氖中g過程的一個或多個可接受的工具插入點/區(qū)的集合。例如，針對肺中的手術器械(例如，嵌套插管)的單一插入?yún)^(qū)可能是在特定CT切片處的管的截面。備選地， 可以選擇一個或多個插入?yún)^(qū)用于從顱骨的任意非脆弱區(qū)的手術器械的入口?？尚械穆窂絻H在可能以可接受的總代價從入口到達目標的情況下存在。權衡風險和益處的醫(yī)師必須確定 ‘可接受性’的限度。步驟SlM包含經(jīng)由k*算法從靶標點到(一個或多個)插入點和/或(一個或多個)插入?yún)^(qū)的傳遞。在步驟SlM的一個實施例中，執(zhí)行圖14中所示的流程圖170和圖16 中所示的流程圖190。參考圖14，流程圖170表示本發(fā)明的幾何擴展方法。流程圖170的步驟S171包含對靶標節(jié)點的識別，所述靶標節(jié)點對應于解剖區(qū)域內選定的靶標點，而流程圖170的步驟 S172包含對靶標節(jié)點的幾何擴展，以識別幾何相鄰的自由空間配置節(jié)點。這些幾何相鄰的自由空間配置節(jié)點中的一個或多個可以作為替代種子節(jié)點，其中在流程圖190的執(zhí)行中由靶標節(jié)點和幾何相鄰的自由空間配置節(jié)點間形成的角度設置取向，隨后本文將解釋流程圖190的執(zhí)行。圖15圖示說明了在簡化的二維(“2D”)空間中中心靶標節(jié)點的標準初始條件 180，所述簡化的二維空間由點和取向(例如，-50°、0°、0° )限定。備選地，靶標節(jié)點可以由一組幾何相鄰的自由空間配置節(jié)點代替，其中每個節(jié)點指向外部以設置搜索方向，所述搜索方向被轉換為中心靶標節(jié)點的擴展初始條件181，該中心靶標節(jié)點具有由點、取向、 線索(thread)和代價限定的每個幾何相鄰的自由空間鄰域。參考圖16，流程圖190表示A*算法，其用于基于圖2中所示的鄰域101采用含蓄或優(yōu)選明確的離散參數(shù)值確定從每個擴展的‘種子’節(jié)點到插入點/區(qū)‘目標’的最優(yōu)路徑。 對于幾何擴展技術，每個‘種子’節(jié)點都是與靶標節(jié)點幾何相鄰的自由空間的替代節(jié)點，所述靶標節(jié)點具有低于無窮大的結構損傷評估代價或小于無窮大的臨界損傷閾值。在執(zhí)行中，第一擴展的‘種子’節(jié)點被放置到堆(heap)中，以便開始代價波傳播， 或A*。所述堆是平衡二叉樹，其在根處保持最低代價值。在流程圖190的步驟S191中，從堆中取得的最低代價的節(jié)點稱為‘源’。在早期的機器人和路徑規(guī)劃應用中，常常使用目標作為種子節(jié)點生成路徑。在那些應用中，節(jié)點(g(n)，稍后描述)的代價稱為‘目標代價’。 在這一應用中，我們將術語修改為更為通用的‘種子代價’，但應該認為它們是等價的。存在用于管理排序結構(包括堆)的公知的算法。步驟S191還包含獲取‘源’節(jié)點的詳細配置空間信息，優(yōu)選獲取源節(jié)點的明確的離散參數(shù)值。這將提供代價波傳播所需的進動(precession)，而無需對執(zhí)行流程圖190的系統(tǒng)的速度和存儲能力造成任何負面影響。流程圖190的步驟S192包含‘停止標準’的測試。存在許多測試，可以執(zhí)行這些測試以確定是否可以停止所述過程?！巴Ｖ箻藴省笨梢园?，但不限于，(1)堆是否為空的測試，以及O)當前(‘源’)節(jié)點是否為所識別的插入點之一或是否屬于插入?yún)^(qū)之一的測試。這一停止標準確保插入和靶標之間可行的連接，并且確保針對該位置的值是最小的。這使得能夠在填充整個空間之前終止搜索，但其仍然給出‘開始’和‘目標’之間的最優(yōu)路徑。 針對本發(fā)明定制的第三停止標準包括呈現(xiàn)由用戶基于代價先前選擇的達到的插入點或插入?yún)^(qū)的顏色編碼的表面，以到達插入點或插入?yún)^(qū)，從而用戶對進入點的選擇被認為是對‘開始’和‘目標’之間的最優(yōu)路徑的選擇。如果滿足‘停止標準’，那么流程圖190終止。否則，如果不滿足‘停止標準’，那么流程圖190的步驟S193包含生成可以允許變換的鄰域。基于‘源’節(jié)點的取向計算‘源’節(jié)點的鄰域，所述‘源’節(jié)點的取向由其α (alpha)、θ (theta)和識(phi)以及其‘源’ x、y、z 位置給出。該鄰域通過α、θ和^旋轉名義上(nominal)的鄰域，然后相對于‘源’節(jié)點的 X、1、ζ位置平移已旋轉的鄰域而得到。對于本領域技術人員而言，用于點的旋轉和平移的方法是公知的。然后將所得的鄰域平移和旋轉到當前擴展節(jié)點的位置。一旦計算得到針對當前‘源’節(jié)點的鄰域，流程圖190進行到步驟S194，如果有的話，在步驟S194中選取鄰域的下一條線索(T)。如果沒有更多的線索，那么流程圖190返回到步驟S191。否則，如果有線索(T)，那么流程圖190進行到步驟S195以選取沿線索(T) (如果有的話)的下一個鄰域(η’)。相對于當前給出的線索的‘源’節(jié)點位置和取向計算鄰域η’的位置和取向。
如果沿這一線索(T)沒有更多鄰域，那么流程圖190返回步驟S194。如果有另一鄰域(η)，那么流程圖190進行到步驟196以測試鄰域的代價值。如果代價是無窮大的，或者有另一跡象表明所述鄰域不可用，那么流程圖190返回步驟S194。另一跡象可以是鄰域具有的代價值高于某一預定閾值，該預定閾值小于無窮大，但過高而無法通過。例如，這一閾值可以是當前行進距離(在‘源’節(jié)點處)的函數(shù)。如果該鄰域不具有無窮大的代價并且是可用的，流程圖190進行到步驟S197從而針對新的鄰域η’計算所提出的新的代價g(n’)。在Α*算法中，計算兩個代價。第一個稱為‘g(n’)’。這是從‘源節(jié)點’或‘父節(jié)點’到達節(jié)點η’的最佳路徑(目前為止)的代價， 通常以η表示，沒有上標(’)。函數(shù)g(n’ )包括到達源節(jié)點的代價，加上從源節(jié)點到η’的變換代價，加上可能從源到η’的變換產(chǎn)生的任何結構損傷。當針對嵌套插管規(guī)劃路徑時， 路徑的長度常常是變換代價。從源行進至η’過程中引起的結構損傷可以計算為每個中間狀態(tài)的結構損傷代價的總和，計數(shù)狀態(tài)超出η(因為η已經(jīng)計算在內)，通過和包括η’。這還可以以備選的方式計算，其中總結構損傷考慮管的尺寸，因為管經(jīng)過(traverses)每個體素(體積元素)，使得由管掃過的完整體積由例如各種結構損傷區(qū)域加權。因此，3mm直徑的管預期可以生成兩倍于1.5mm直徑的管的損傷。當支配性(over-riding)的代價是與距離無關的總結構損傷時，可以出現(xiàn)另一備選。在這種情況下，變換代價可以僅是對結構損傷的估計，而距離不引起代價。A*中計算的第二個值是f (η’)，其以最簡單的術語來說是路徑的‘最佳案例情況’， 路徑首先行進通過‘源’(無論哪條路徑都來自該種子)，然后行進通過η’(包括損傷)，以及最后使用啟發(fā)式函數(shù)h(n’ )最優(yōu)地(直接地)進行到進入點。本領域技術人員已知，有許多可能的啟發(fā)式。啟發(fā)式的最優(yōu)代價可能為零，例如，然而這一信息不足的啟發(fā)式不能為搜索提供引導。另一常用的啟發(fā)式是直線，或‘筆直的’歐幾里德距離，或者換言之，‘還要走的距離’。而另一估計可以是當前尺寸的管在剩余距離上的總結構損傷代價。通過選取最優(yōu)的啟發(fā)式，那么f (n’ )的總代價表示通過η’的路徑的凈期望能力?？傊琯(n，)=g( ‘源，)+變換(‘源，，n，)+c( ‘源，，η，)f(n，)= g(n，)+h(n，)針對g(n’ )和f(n’ )的代價常常與針對節(jié)點η’的其他數(shù)據(jù)一起存儲。之后流程圖190進行到步驟S198以比較新計算的代價F(n’)與η’處預先存在的代價F(n’)。如果新計算的F(n’ )大于預先存在的代價F(η’)，那么經(jīng)由‘源’節(jié)點到達η 比之前確定的代價更高(即，沒有改進)，那么流程圖190返回步驟S195。如果計算的代價 F(n’ )小于預先存在的代價F(n’)，那么這一值在先前的方向上有所改進，從而流程圖190 繼續(xù)從步驟S198進行到步驟S199。步驟S199將鄰域節(jié)點添加到一組可能的節(jié)點以打開 (擴展)下一組(節(jié)點)。這一組例如可以存儲在堆中，并且可以經(jīng)由堆排序進行組排序。 如果鄰域節(jié)點已經(jīng)在堆上，那么節(jié)點的值被更新并且堆被重新排序。具有最低代價f(x)的節(jié)點χ因此識別最期望的節(jié)點以探索(擴展)下一(節(jié)點)。步驟S199還包括為η分配新的種子代價，以及特定位置(例如，x、y、ζ)和取向 (例如，α、θ和識)。在6D空間中，利用3D位置(x、y、z)和3個角度(α、θ、φ)表示位置和取向。如果利用離散角位移(例如圖2)在鄰域結構中獲取一組可以允許的運動，則問題被降為5D，因為通過鄰域獲取了第六維。因此，利用3D位置(x、y、z)和2個角度(θ、識)限定了姿勢。經(jīng)修改的向量將指針分配給‘源’，因為其是引導到‘種子’節(jié)點的最佳路徑。 任選地，但優(yōu)選地，線索的數(shù)目和類型也被排序。這用于確定管的尺寸以避免障礙，以及曲率選項。此外，線索數(shù)目直接映射到控制參數(shù)，該控制參數(shù)用于控制諸如氣管鏡的裝置，或者直接映射到管的選擇和其相對于鄰近嵌套插管的取向。返回參考圖4，步驟S125包含提供一組進入位置，包括對最優(yōu)位置的具體識別， 使得醫(yī)生能夠選擇優(yōu)選的進入點，諸如，例如，圖17所示并由用于腦活檢的一組示范性的 “安全，，進入點指導的進入點 240-250。來源Sekhar，F(xiàn)essler. Atlas of Neurosurgical Techniques,第 33 章Stereotactic Biopsy (Schwartz and Sisti) ,pp. 422-429。例如，可以在靶標和顱骨上的4個等價的最小代價進入點之間提供規(guī)劃的路徑。可能還有10個其他位置與它們各自的較高代價一起被高亮顯示。醫(yī)生可以選擇這些點中的一個，這些點必須在合適的停止位置上或服從停止標準?；谒x擇的點，將提取路徑，該路徑確定一組控制參數(shù)，或者裝置的配置，或者從所選擇的點到靶標的預期路徑。任選地，可以在步驟SU6期間在解剖區(qū)域的3D圖像內呈現(xiàn)這一路徑。B、整合結構風險評估和/或幾何擴展的路徑規(guī)劃方法現(xiàn)在參考圖18，圖示說明了根據(jù)本發(fā)明用于路徑規(guī)劃應用的系統(tǒng)200。系統(tǒng)200 包括數(shù)據(jù)處理裝置210和數(shù)據(jù)存儲介質220。數(shù)據(jù)處理裝置210采用設置單元211和規(guī)劃單元212作為物理獨立或集成的單元，用于實現(xiàn)如本文前面結合圖3-17解釋的本發(fā)明的結構損傷評估技術和/或幾何擴展技術。一般而言，設置單元211執(zhí)行構造適于在任何類型的數(shù)據(jù)存儲介質220(例如，RAM)內規(guī)劃具體路徑應用的配置空間數(shù)據(jù)結構(“CSDS”)和其他結構/功能必需的所有工作，而規(guī)劃單元212傳播代價波，所述代價波是用代價值填充配置空間節(jié)點結構所需要的，所述代價值是根據(jù)本發(fā)明的結構損傷評估和/或幾何擴展特性的參數(shù)值函數(shù)，本發(fā)明的結構損傷評估和/或幾何擴展特性是特定的路徑規(guī)劃應用所需要的。其結果是以適合于特殊路徑規(guī)劃應用的形式表示的最優(yōu)路徑230。該方法或系統(tǒng)用于創(chuàng)建路徑。這一路徑可以幾種方式使用。該路徑也能夠控制諸如支氣管鏡或斜面針的裝置。備選地，其可用于構造諸如嵌套插管的裝置。最后，其可在屏幕上顯示，或者疊加在3D圖像中以及在3D護目鏡內顯示。盡管本發(fā)明的實施例已經(jīng)被圖示說明和描述，本領域技術人員會理解本文描述的方法和系統(tǒng)是說明性的，并且在不脫離本發(fā)明真實范圍的情況下可以做各種改變和修改以及可以用等價物代替方法和系統(tǒng)的元素。另外，在不脫離本發(fā)明的中心范圍的情況下，可以做許多修改以使本發(fā)明的指導適應實體路徑規(guī)劃。因此，意圖是本發(fā)明不是限制公開的具體實施例為實施本發(fā)明的預期的最佳模式，而是本發(fā)明包括所有屬于附屬權利要求范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種用于根據(jù)手術應用規(guī)劃路徑的方法(120)，所述方法包括(110)在數(shù)據(jù)存儲介質O20)內構造配置空間節(jié)點結構，所述配置空間節(jié)點結構包括表示身體的解剖區(qū)域(100)的離散配置空間的自由空間配置節(jié)點和禁止配置節(jié)點；以及(S122)針對每個自由空間配置節(jié)點生成結構損傷評估，所述結構損傷評估指示對由所述禁止配置節(jié)點表示的所述解剖區(qū)域(100)中的至少一個關鍵解剖區(qū)的潛在損傷的評估， 每個禁止配置節(jié)點具有無窮大的結構損傷評估代價。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述自由空間配置節(jié)點包括以下中的至少一個 具有零結構損傷評估代價的安全的自由空間配置節(jié)點；具有有限結構損傷評估代價的危險的自由空間配置節(jié)點；以及具有無窮大的結構損傷評估代價的危險的自由空間配置節(jié)點。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述至少一個關鍵解剖區(qū)包括以下中的至少一個所述解剖區(qū)域(100)內的關鍵解剖結構；以及進入所述解剖區(qū)域(100)的脆弱的進入點。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，針對每個自由空間配置節(jié)點生成結構損傷評估包括生成所述解剖區(qū)域(100)的標記的圖像(142)，所述標記的圖像包含所述解剖區(qū)域 (100)中的至少一個禁止區(qū)；以及針對與所述標記的圖像(142)關聯(lián)的每個自由空間配置節(jié)點計算結構損傷評估代價。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，生成所述解剖區(qū)域(100)的所述標記的圖像 (142)包括將所述解剖區(qū)域(100)的至少一幅患者圖像與所述解剖區(qū)域(100)的圖解集(143)配準。
6.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，針對與所述標記的圖像(14 關聯(lián)的每個自由空間配置節(jié)點計算結構損傷評估代價包括生成根據(jù)與所述標記的圖像(142)關聯(lián)的所述解剖區(qū)域(100)中的每個禁止區(qū)導出的基本障礙圖(160)，所述基本障礙圖(160)中的每個自由空間配置節(jié)點具有小于無窮大的結構損傷評估代價。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，針對與所述標記的圖像(14 關聯(lián)的每個自由空間配置節(jié)點計算結構損傷評估代價還包括生成根據(jù)圍繞所述解剖區(qū)域(100)中的每個禁止區(qū)確立的至少一個安全范圍導出的擴大的基本障礙圖(161)，所述至少一個安全范圍之一內的所述擴大的基本障礙圖(161) 中的每個自由空間配置節(jié)點具有無窮大的結構損傷評估代價。
8.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，針對與所述標記的圖像(14 關聯(lián)的每個自由空間配置節(jié)點計算結構損傷評估代價還包括生成根據(jù)到所述解剖區(qū)域(100)的最接近的禁止區(qū)的距離導出的障礙距離圖(162)。
9.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，針對與所述標記的圖像(14 關聯(lián)的每個自由空間配置節(jié)點計算結構損傷評估代價還包括生成根據(jù)與所述標記的圖像(14 關聯(lián)的所述解剖區(qū)域(100)中的每個禁止區(qū)的經(jīng)驗物理敏感性導出的經(jīng)驗加權圖(163)。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括利用量化所述配置空間節(jié)點結構中的每個節(jié)點的結構損傷評估值擴增在所述數(shù)據(jù)存儲介質O20)內構造的所述配置空間節(jié)點結構。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，擴增所述配置空間節(jié)點結構包括沿所述路徑的各節(jié)點之間累計變換的總距離的代價函數(shù)。
12.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，擴增所述配置空間節(jié)點結構包括與手術應用關聯(lián)的器械的代價函數(shù)，所述手術應用涉及所述器械的至少一個維度。
13.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，擴增所述配置空間節(jié)點結構包括靶標節(jié)點的幾何擴展，所述靶標節(jié)點的幾何擴展包括與作為替代種子節(jié)點的所述靶標節(jié)點幾何相鄰的至少一個自由空間配置節(jié)點。
14.一種用于根據(jù)手術應用規(guī)劃路徑的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲介質O20)；以及數(shù)據(jù)處理裝置010)，其與所述數(shù)據(jù)存儲介質Q20)電通信，從而在所述數(shù)據(jù)存儲介質 (220)內構造配置空間節(jié)點結構，所述配置空間節(jié)點結構包括表示身體的解剖區(qū)域(100) 的離散配置空間的自由空間配置節(jié)點和禁止配置節(jié)點，其中，能操作所述數(shù)據(jù)處理裝置O10)以針對每個自由空間配置節(jié)點生成結構損傷評估，所述結構損傷評估指示對由所述禁止配置節(jié)點表示的至少一個關鍵解剖區(qū)的潛在損傷的評估，每個禁止配置節(jié)點具有無窮大的結構損傷評估代價。
15.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其中，能夠進一步操作所述數(shù)據(jù)處理裝置010)，從而根據(jù)所述解剖區(qū)域(100)的靶標節(jié)點和進入?yún)^(qū)利用量化所述配置空間節(jié)點結構中的每個節(jié)點的參數(shù)值擴增在所述數(shù)據(jù)存儲介質O20)內構造的所述配置空間節(jié)點結構，其中，擴增所述配置空間節(jié)點結構包括所述靶標節(jié)點的幾何擴展，所述靶標節(jié)點的幾何擴展包括與作為替代種子節(jié)點的所述靶標節(jié)點幾何相鄰的至少一個自由空間配置節(jié)點。
全文摘要
一種用于根據(jù)手術應用規(guī)劃路徑的方法，該方法整合了表示解剖區(qū)域(100)的離散配置空間的配置空間節(jié)點結構的結構損傷評估技術(112)和/或幾何擴展技術(113)。所述結構損傷評估技術(112)包括生成結構損傷評估，該結構損傷評估指示對所述解剖區(qū)域(100)中的一個或多個關鍵解剖區(qū)的潛在損傷的評估。所述幾何擴展技術(113)包括擴增所述配置空間節(jié)點結構，所述靶標節(jié)點的幾何擴展包括與作為替代種子節(jié)點的靶標節(jié)點幾何相鄰的一個或多個自由空間配置節(jié)點。
文檔編號A61B17/34GK102264312SQ200980152965
公開日2011年11月30日 申請日期2009年11月10日 優(yōu)先權日2008年12月29日
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