專利名稱：基于解剖圖的用于軟器官的交互式三維手術(shù)引導系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在3D空間中的交互式三維(3D)解剖映射，其在計算機屏幕上顯示并且更特別地具有在軟器官手術(shù)應(yīng)用期間提供額外的引導的目的。相關(guān)技術(shù)的描述軟器官手術(shù)可能是困難的，因為經(jīng)常幾乎沒有界定軟器官解剖的外部標志。另外，許多軟器官包含重要的血管分布。例如，肝臟幾乎沒有界定肝解剖且具有重要的血管分布的外部標志。交互式圖像引導手術(shù)涉及術(shù)中儀器位置在術(shù)前圖像(計算機體層掃描(CT)或磁共振成像(MRI))上的同時實時顯示。當前儀器位置系統(tǒng)中的大部分落入以下兩個類別中:1)光學跟蹤系統(tǒng)以及2)電磁跟蹤系統(tǒng)。兩種類型的系統(tǒng)都可以提供定位和定向信息并且其都有一些局限:光學跟蹤系統(tǒng)需要用跟蹤傳感器來保持視線，而電磁跟蹤系統(tǒng)易于屈服于電磁干擾或鐵磁材料的存在。在大學和一些商業(yè)系統(tǒng)中存在提出或提供實時圖像引導手術(shù)系統(tǒng)的許多研究項目。在圖像引導手術(shù)期間，手術(shù)室中的儀器的當前手術(shù)位置被記錄到術(shù)前獲得的患者的醫(yī)學圖像上。這些圖像被外科醫(yī)生作為用于腫瘤和其它周圍解剖結(jié)構(gòu)的更準確定位的引導件來使用。圖像引導手術(shù)系統(tǒng)通常包括下面的組成部分:用于顯示圖像和相關(guān)信息的計算機系統(tǒng)；以及附接到手術(shù)工具的物理定位設(shè)備；與該計算機系統(tǒng)通訊的物理定位設(shè)備，其中計算機系統(tǒng)輸出圖像內(nèi)的手術(shù)對象和手術(shù)工具的2D圖像，以待在計算機監(jiān)控器上被觀察到。以前系統(tǒng)中的大部分是基于2D成像的。只是直到最近，少數(shù)系統(tǒng)才提供3D監(jiān)控空間。每個系統(tǒng)可使用不同種類的跟蹤設(shè)備和工具，并使用登記真實環(huán)境和虛擬環(huán)境的不同方法。系統(tǒng)之間的主要差異是信息的呈現(xiàn)。許多系統(tǒng)未能以全面且有效的方式呈現(xiàn)信息，使得這些系統(tǒng)在手術(shù)期間的使用是利用率低下的。呈現(xiàn)的信息需要是綜合的并且以用戶可以建設(shè)性且有效地使用信息的方式來呈現(xiàn)，以在進行手術(shù)中給予幫助。發(fā)明概述在實施方案中，公開了用于在涉及軟器官的醫(yī)療手術(shù)期間向用戶提供視覺輔助的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生軟器官的圖像的處理器、用于在醫(yī)療手術(shù)期間跟蹤手術(shù)儀器的手術(shù)儀器跟蹤器，以及與處理器和手術(shù)儀器跟蹤器通訊以用于以三維的方式可視地顯示與軟器官有關(guān)的手術(shù)儀器和軟器官的圖像的顯示器。在另一個實施方案中， 顯示器還在醫(yī)療手術(shù)期間提供定量信息。在另一個實施方案中，定量信息是風險分析信息或軟器官體積信息。在另外的實施方案中，定量信息是下列信息中的至少一種:參考信息、引導信息或報警信息。在另一個實施方案中，軟器官的圖像包括軟器官和其它結(jié)構(gòu)。在另外的實施方案中，其它結(jié)構(gòu)包括相對于軟器官的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或外部結(jié)構(gòu)。在另一個實施方案中，圖像是可旋轉(zhuǎn)且可縮放的。在另外的實施方案中，顯示器至少包含第一圖像和第二圖像。在另一個實施方案中，第一圖像是全局透視圖像并且第二圖像是局部透視圖像。在另一個實施方案中，局部透視圖像是與軟器官有關(guān)的手術(shù)儀器尖端的特寫圖。在另一個實施方案中，第一圖像和第二圖像可被同步地操縱。在另一個實施方案中，軟器官的圖像基于計算機體層掃描(CT)圖像或磁共振成像(MRI)圖像而產(chǎn)生。在還有的另外的實施方案中，處理器將術(shù)前信息疊加在三維圖像上。在另一個實施方案中，圖像與從分開的圖像源獲得的第二圖像結(jié)合。在另一個實施方案中，第二圖像是超聲圖像。在另一個實施方案中，處理器把用戶在醫(yī)療手術(shù)期間的互動與三維圖像進行比較并且響應(yīng)于比較而產(chǎn)生信號。在另一個實施方案中，用戶的互動包括手術(shù)儀器在軟器官中的放置。在另一個實施方案中，該信號是聲音警報或視覺警報。在實施方案中，公開了一種機器可讀的有形且非暫時性的介質(zhì)，該機器可讀的有形且非暫時性的介質(zhì)具有在其上記錄的用于在醫(yī)療手術(shù)期間向用戶提供視覺輔助的信息。其中當所記錄的信息被機器讀取時，該信息引起機器產(chǎn)生軟器官的圖像；在醫(yī)療手術(shù)期間跟蹤手術(shù)儀器；并且通過顯示設(shè)備以三維的方式顯示與軟器官有關(guān)的手術(shù)儀器和軟器官的圖像。在另一個實施方案中，公開了在具有至少一個處理器、存儲器和連接到網(wǎng)絡(luò)的通訊平臺的機器上實施的方法，該方法用于在涉及軟器官的醫(yī)療手術(shù)期間向用戶提供視覺輔助。該方法包括，在與處理器進行通訊的顯示器上產(chǎn)生軟器官的三維圖像。在醫(yī)療手術(shù)期間通過手術(shù)儀器跟蹤器跟蹤手術(shù)儀器。通過處理器結(jié)合被跟蹤的手術(shù)儀器和軟器官的三維圖像，并且以三維的方式在顯示器上 顯示軟器官和與軟器官有關(guān)的手術(shù)儀器的結(jié)合圖像。在實施方案中，術(shù)前手術(shù)計劃可被疊加在電子肝臟(e-liver)或其它電子器官(e-organ)的3D顯示上。例如，對于肝臟移植，系統(tǒng)可以在顯示的電子肝臟上放置預先計劃的分開左肝臟和右肝臟的切割表面。在手術(shù)期間，外科醫(yī)生可以檢查當前的切割位置已經(jīng)偏離預先計劃表面多遠并適當?shù)刈龀稣{(diào)整或替換。例如，在介入消融或穿刺活檢中，預先計劃的針進入點和接近路線可被顯示在電子肝臟內(nèi)部。電子肝臟上的進入點給予醫(yī)生決定真實肝臟中的實際進入點的快捷方法。插入路徑可被監(jiān)控，并且依據(jù)某些預定用戶偏好，可以在儀器離開路線或離開目標時發(fā)布警報或者警告。在實施方案中，3D環(huán)境可以顯示手術(shù)儀器及其軌跡或路徑在電子肝臟中的存在，以用于手術(shù)過程的參考和監(jiān)控。本系統(tǒng)和方法可以提供多個視圖或特殊視圖，比如工具尖端視圖、楔形物視圖、槍點視圖、俯視圖，以便同時觀察具有不同特征例如外形、子結(jié)構(gòu)的可見性、視角和假定效果圖的目標。系統(tǒng)也可以在3D環(huán)境中將記錄的圖像從不同的形式疊加到一個單一的3D空間，使得相對的3D空間信息是清晰的。在實施方案中，電子肝臟引導手術(shù)系統(tǒng)可用于肝臟移植、肝臟切除、介入消融、活組織檢查或栓塞或其它用途。
附圖簡述

圖1描繪了本系統(tǒng)的描繪不同視圖和設(shè)置的圖形用戶界面。圖2描繪了顯示依據(jù)本公開的分割的肝臟和內(nèi)部血管系統(tǒng)的電子肝臟。圖3描繪了依據(jù)本公開的存在于3D環(huán)境中的圖像和MPR。圖4描繪了依據(jù)本公開的電子肝臟的多個對象和視圖。圖5描繪了具有各種術(shù)前手術(shù)切除表面的電子肝臟和依據(jù)本公開的手術(shù)儀器。圖6描繪了依據(jù)本公開的電子肝臟上的術(shù)前進入點、插入路線和介入性肝臟治療的目標。圖7描繪了依據(jù)本公開的電子肝臟上的示例性工作地帶區(qū)域。圖8描繪了依據(jù)本公開的具有在局部視圖中的工具尖端的電子肝臟的全局視圖。圖9描繪了依據(jù)本公開的具有傾斜的工具尖端的局部視圖的電子肝臟的全局視圖。圖10描繪了依據(jù)本公開的具有放大的局部視圖的電子肝臟的全局視圖。圖lla-b描繪了依據(jù)本公開的疊加在3D場景中的超聲圖像。圖12描繪了依據(jù)本公開的具有各種肝葉的電子肝臟。圖13描繪了依 據(jù)本公開的適時功能影響區(qū)域。圖14描繪了依據(jù)本公開的具有體積測量值的電子肝臟顯示。圖15描繪了依據(jù)本公開的具有電子肝臟中的點之間的距離測量值的電子肝臟顯
/Jn ο圖16描繪了依據(jù)本公開的用于實施本公開的系統(tǒng)和方法的計算機系統(tǒng)。詳細描述本公開針對在手術(shù)進程期間基于3D解剖映射的用于軟器官手術(shù)的定量交互式3D引導系統(tǒng)。本公開將肝臟作為軟器官來參考，不意在作為任何種類的限制。然而，應(yīng)理解，在任何器官諸如心臟、肺、腎臟、胃、腸、大腦或其它軟器官上的手術(shù)和程序可使用本公開并受益于本公開。相應(yīng)地，肝臟被用來描述本公開的系統(tǒng)和方法。3D解剖幾何結(jié)構(gòu)顯示了肝臟、其內(nèi)部血管結(jié)構(gòu)和外部的血管結(jié)構(gòu)以及周圍對象，比如腹部區(qū)域中的重要器官或骨骼結(jié)構(gòu)。對于本公開，示例性肝臟的3D圖像將被稱為電子化肝臟(electixmic-liver)或電子肝臟，因為其本質(zhì)上是實際肝臟以電子形式的復制品，然而可代表任何電子化器官(電子器官)。電子肝臟提供了用于在手術(shù)過程期間使用的清晰的3D線路圖?；?D的環(huán)境提供了對全局透視圖和局部透視圖二者的統(tǒng)一掃視，使得外科醫(yī)生或介入放射科醫(yī)生或介入心臟病科醫(yī)生在手術(shù)期間精確地知道手術(shù)儀器關(guān)于電子肝臟的位置。在手術(shù)期間，當醫(yī)生使用各種手術(shù)儀器工作時，該系統(tǒng)仔細地監(jiān)控該醫(yī)生的進程。除了使用和參考手術(shù)儀器本身來決定是否已經(jīng)對足夠的組織進行手術(shù)外，電子肝臟及其對手術(shù)儀器位置的指示將提供給外科醫(yī)生以3D直覺信息和定量信息以及引導，例如關(guān)于其在手術(shù)期間距離必須躲避的關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)有多近的引導，或者關(guān)于內(nèi)科醫(yī)生為了遵循其術(shù)前計劃醫(yī)生而必須做出什么調(diào)整的引導。由于實際的器官是不透明的并且通過觀察正在進行手術(shù)的實際肝臟或其它器官幾乎不能提供空間信息和定量信息，因此能夠看見與電子肝臟有關(guān)的手術(shù)儀器對醫(yī)生來說是重要的。除了監(jiān)控手術(shù)儀器的位置外，本公開的系統(tǒng)還提供了豐富的定量信息，比如風險分析和定量測量/容量測定，用于在手術(shù)期間參考、引導或報警。電子肝臟可提供虛擬的框架結(jié)構(gòu)(infra-structure),比如肝葉或解剖/基準標記(fudicial mark),以用于手術(shù)期間的參考。其可在關(guān)鍵接合點提供效果覺察。另外，因為電子肝臟內(nèi)部的所有幾何對象都被清楚地界定，所以很容易獲得幾何對象相關(guān)的數(shù)字體積測量值。另外，在任何清楚定義的手術(shù)或手術(shù)變化期間，諸如把器官切隔成分開的片，每個單獨片的數(shù)字體積值也是立即可得到的。也可以計算電子肝臟或其它的電子器官中的兩個不同點之間的距離測量值?；诙糠治?，本方法和系統(tǒng)可以提供對肝臟區(qū)域的實時功能影響。例如，當用戶“捏”電子肝臟中的血管分支時，系統(tǒng)可以以互動且實時的方式計算受影響的向下流動區(qū)域，并可向用戶顯示幾何區(qū)域和相關(guān)的定量容量測定以及相關(guān)的風險。以那種方式，用戶可決定如果在程序期間改變手術(shù)計劃是否存在任何風險。用于電子器官的3D環(huán)境如圖1所描繪的，電子肝臟存在于計算機屏幕100內(nèi)的3D環(huán)境中。雖然其被顯示在2D屏幕上，但是其在知覺上是3D場景101。在這個3D場景內(nèi)，如圖2所描繪的，可在屏幕100上看到電子肝臟的分割對象。肝臟表面200、血管系統(tǒng)201和許多分支202和其它的物質(zhì)或?qū)ο?04在3D中顯示。組成電子肝臟的相應(yīng)部件的單獨的3D平面圖103-105可在屏幕或窗口 103a-105a上以3D的方式單獨地顯示。整個電子肝臟場景(通過對象101描繪)可通過計算機鼠標控制或放大和旋轉(zhuǎn)計算機屏幕上的圖像的其它裝置，比如跟蹤球、觸摸屏或控制桿來旋轉(zhuǎn)和放大。當窗口 102中的場景被旋轉(zhuǎn)和放大時，場景內(nèi)的分別的3D對象103a_105a被相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)和放大。在3D場景中，來自于原始掃描圖像或合成的多平面重投(MPR)圖像的2D圖像可以被疊加在場景內(nèi)和分割對象中，如在圖3中看到的。2D圖像和3D對象的整合可以在分割的對象和數(shù)據(jù)量中提供用戶直覺3D空間感。場景內(nèi)的圖像可以被交互地移動至不同位置以揭不特定區(qū)域中的空間關(guān)系。2D圖像和單個的分割對象的可見性也可以被互動地修改，以揭示一些焦點對象或區(qū)域并隱藏其它較不相關(guān)的對象。每個分割`對象可以被交互地改變以顯示為不透明的(如4a中)、透明的或不可見的(如4c-d中)。除了用來形成數(shù)據(jù)量的分割對象外，其它的支撐對象或人造對象可以被放置在3D場景內(nèi)部。例如，人造的基準標記可以被交互地放置在有關(guān)電子肝臟的3D場景內(nèi)部。比如將標記放置在電子肝臟內(nèi)的血管結(jié)構(gòu)的分支點處，或使用跟蹤設(shè)備以在真實的肝臟表面上標記點且相應(yīng)的點可以在電子肝臟表面上顯示。圖5a_b描繪了術(shù)前手術(shù)計劃，比如用于肝臟切除或肝臟移植的切除表面，或進入點、插入路線。手術(shù)計劃可從另一個手術(shù)計劃平臺輸入或者在附接的計劃模塊中完成?；庸ぞ咴谟媱澞K中提供以允許用戶輸入計劃并收到對計劃的實時分析，因此用戶可以相應(yīng)地修改該計劃。圖6描繪了用于像消融和穿刺活檢的介入治療的電子肝臟和目標點601，其可與分割對象一起顯示在3D場景內(nèi)。在手術(shù)期間，虛擬的手術(shù)儀器，包括其定位/位置和定向，可以顯示在3D場景內(nèi)(見圖8a)，以揭示實際儀器相對于手術(shù)對象和其它參考對象的相對空間關(guān)系。對于電磁跟蹤來說，沒有電磁干涉發(fā)射的非鐵磁體儀器可以通過將傳感器附接到儀器的任何部分(如果儀器是剛性的話)或者附接到尖端(如果儀器是剛性的話)而被跟蹤。應(yīng)注意，在現(xiàn)有的光學跟蹤系統(tǒng)中只有剛性的儀器可以被跟蹤。當跟蹤傳感器被附接到除了儀器尖端以外的部分時，需要執(zhí)行附加的校準程序以確定傳感器和儀器尖端之間的相對定位。可以被跟蹤的儀器的實例包括活檢針、消融涂敷器、導管、手術(shù)刀、CUSA(超聲刀)以及超聲換能器。儀器的移動軌跡可以被記錄和顯示在3D環(huán)境內(nèi)部，以顯示手術(shù)的進程和相對于術(shù)前計劃的相對定位以及實際切割表面和預先計劃的表面之間的差異。對于肝臟切除和移植，如在圖7a中所看到的工作地帶701被界定在術(shù)前的切除表面的邊緣內(nèi)。這個工作地帶指明了手術(shù)的關(guān)鍵區(qū)域。這是醫(yī)生大部分時間將進行手術(shù)的區(qū)域。對關(guān)鍵的脈管分支的所有切割將發(fā)生在這個地帶中。邊緣可被用戶預先設(shè)置或者可以由術(shù)前計劃自動地計算。如在圖7b中所看到的，工作地帶701內(nèi)的關(guān)鍵脈管分支702以不同于工作地帶之外的其余分支的外表而突出。使用另外的聚焦3D視圖的3D環(huán)境增強圖8a描繪了 3D環(huán)境和工具的全局視圖?？梢允褂昧硗獾母嗑劢雇敢晥D來增強對特殊區(qū)域的空間關(guān)系的理解。圖Sb描繪了本公開的工具尖端視圖。這個視圖提供給用戶來自于手術(shù)儀器的尖端且直接向前看的視圖。其提供了透視圖使得用戶可以看見環(huán)繞儀器尖端的結(jié)構(gòu)。用戶可將其用作參考以躲避重要的解剖結(jié)構(gòu)或具有對空間關(guān)系和幾何關(guān)系的更清晰理解以便繼續(xù)進行。該視圖的圓形形狀800給用戶放大鏡感的感覺。十字線801給出了直接向前移動的目標中心。圓形視圖802的邊界提供了用于場景內(nèi)控制的空間并且顏色被用作報警通知。在實施方案中，當移動在目標上時，顏色是綠的。當移動離開目標時，顏色依據(jù)離開目標多遠而從綠色變?yōu)槌壬郊t色。圖9使用工具尖端近視圖描繪了另一個實施方案。在圖9中描繪的視圖中，呈現(xiàn)給用戶來自于從工具尖端向后小的距離并且具有從工具的直線傾斜的小的傾斜角度的視圖。在實施方案中，從工具尖 端向后的距離可以進一步與手術(shù)儀器的模型相關(guān)。例如，在射頻消融(RF消融)手術(shù)期間，消融治療區(qū)域的中心經(jīng)常從工具尖端向后一定距離。因此，系統(tǒng)可要求用戶輸入要使用的消融工具的模型并基于制造指令或說明書自動地設(shè)置距離。在另一個實施方案中，系統(tǒng)可要求用戶手動地設(shè)置距離。這個視圖讓用戶看到工具的在視圖中心前方的一部分。該視圖給予用戶工具相對于其周圍結(jié)構(gòu)的更多感覺。在另一個實施方案中，該視圖是具有垂直于工具尖端視圖或靠近工具尖端視圖的預設(shè)視圖角并具有在平面中的整個工具的視圖。該視圖提供了對儀器的位置和定位的概觀并給予用戶關(guān)于儀器是否將碰到目標或其它解剖結(jié)構(gòu)以及碰到目標/解剖結(jié)構(gòu)的距離的直覺信息。在圖10中描繪的另一個實施方案中，另一個聚焦視圖是放大以靠近工具尖端但具有更對準全局視圖的視角的視圖。這個視圖讓用戶更近地看到手術(shù)儀器附近的環(huán)境。局部視圖可以被獨自地旋轉(zhuǎn)，但其也可以是與全局視圖同步的，使得在旋轉(zhuǎn)時兩種視圖有相同的視角。在另一個實施方案中，聚焦或局部視圖是僅僅顯示在工具尖端具有楔形視圖的解剖結(jié)構(gòu)的視圖。在這個實施方案中，系統(tǒng)可基于工具的位置和定向、已經(jīng)進行手術(shù)的區(qū)域的信息以及術(shù)前計劃來確定楔形物的定位。例如，在腫瘤切除或移植例子中，系統(tǒng)記錄工具尖端位置的所有軌跡。軌跡中位置的順序指明用戶是如何沿著切割表面切割的，例如，朝特定方向切割。在實施方案中，系統(tǒng)可以從一定時期內(nèi)記錄的工具尖端位置立即估計當前用戶切割方向。通過將切割方向估計信息與當前工具尖端位置結(jié)合，系統(tǒng)可以確定楔形物的位置和定向，并且進一步顯示楔形物中的解剖結(jié)構(gòu)。楔形物視圖也可以延伸至沿著整個切割表面，而不是局部視圖。在實施方案中，通過點擊按鈕，全局視圖和局部視圖之間或所有視圖模式中的視角可以被同步，即不管用戶如何在一個3D顯示器中旋轉(zhuǎn)，其它的視圖都相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)。可選擇地，用戶可以使視圖不同步，在每個單獨的顯示窗口上做出調(diào)整，并且使視圖再次同步?？梢詫ζ渌娘@示參數(shù)比如放大因數(shù)，做出這樣的同步或非同步調(diào)整。在實施方案中，顯示在局部視圖中的其它解剖結(jié)構(gòu)的定向可自動地對準實際的患者位置。這可以通過將位置傳感器附接到患者來完成，因此患者位置可以通過將電磁場發(fā)生器或光學跟蹤相機固定到已知定向來計算。例如，在實施方案中，如果患者處于仰臥位置，那么局部視圖應(yīng)被計劃為使得向上方向?qū)?yīng)于患者的前面。如果適用的話，則頭、足、左、右、前和后的方向也可以在局部視圖中指明。在實施方案中，定向可以被用戶調(diào)整成適合其特殊的優(yōu)勢點。例如，當患者處于仰臥位置并且醫(yī)生正站在患者的右側(cè)時，患者頭部方向大致在局部視圖的左邊。但假如醫(yī)生正站在患者的左側(cè)，則患者頭部方向在局部視圖的右邊。通過這樣做，用戶可以直觀地確定其應(yīng)該朝哪個方向調(diào)整工具位置或定向，使得其可以碰到目標或更好地遵循以 前確定的計劃。具有其它圖像模態(tài)的3D整合圖1la描繪了其中其它模態(tài)圖像比如超聲圖像(圖1lb)的應(yīng)用并且與原始體積和分割對象一起顯現(xiàn)在3D環(huán)境內(nèi)的實施方案。實時超聲波圖像可從超聲圖像源流到本系統(tǒng)。在完成登記過程后，隨后的超聲圖像可以以適當?shù)亩ㄏ蚝投ㄎ化B加在3D環(huán)境內(nèi)部，因此圖像看起來扇出超聲換能器，超聲換能器也被顯示為3D環(huán)境中的3D模型。另一個選擇是以并排視圖模式或者以疊加模式顯示超聲圖像及其登記的MPR CT圖像，因此用戶可以具有這兩種模態(tài)之間的較好比較。圖像和分割對象的空間關(guān)系可以以3D的方式來感知。這比基于需要在圖像平面上設(shè)計分割對象或手術(shù)儀器且失去3D幾何和空間關(guān)系的直接視覺感的系統(tǒng)的2D圖像中的大部分更直觀。除了超聲圖像外，也可以結(jié)合功能性圖像，比如PET和SPET圖像，以獲得更好的引導。實時定量引導圖12描繪了虛擬的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，比如肝葉，可以與電子肝臟疊加作為手術(shù)的參考的實施方案。肝葉可在術(shù)前手術(shù)計劃期間被建立和分割。肝葉可根據(jù)用戶的經(jīng)驗用平面或曲面或者通過脈管流域分析而被分割。電子肝臟提供了實時功能影響區(qū)域信息。興趣點(POI)可以是用戶想要在手術(shù)期間躲避或通過的關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)，或者可以是如果受到影響就可能產(chǎn)生臨床意義的結(jié)構(gòu)。例如，在肝臟手術(shù)中，POI可以是關(guān)鍵脈管分支(包括肝靜脈、門靜脈、肝動脈、膽管)或其它器官或解剖結(jié)構(gòu)。在一個實施方案中，在術(shù)前檢查期間或在手術(shù)過程期間，用戶可以通過點擊3D電子肝臟或2D原始圖像上的相應(yīng)位置來定義各個POI。在另一個實施方案中，POI也可被系統(tǒng)自動地定義。例如，在消融的例子中，假如治療區(qū)域影響附近的脈管分支，則脈管分支可被自動地添加到POI目錄中。當用戶接近預先定義的POI操縱時，系統(tǒng)將自動地計算流域，包括其形狀和從這個POI開始往下至所有連接的子分支的脈管的體積。該流域是通過該脈管及其子分支排泄或供應(yīng)的肝臟區(qū)域。為了計算基于作為血管結(jié)構(gòu)的表面上的點的POI的流域，系統(tǒng)可計算在該血管結(jié)構(gòu)內(nèi)從起始點到另一側(cè)的直徑。因為存在穿過脈管的變化，所以系統(tǒng)可在POI的小鄰區(qū)中采取中間長度作為直徑。一旦確定了直徑，系統(tǒng)就將尋找包圍直徑線的多個橫截面并且計算具有血管結(jié)構(gòu)的平面的橫截面區(qū)域。具有最圓區(qū)域的面積被選擇作為最佳橫截面。該橫截面然后將血管結(jié)構(gòu)切割成兩個分開的段。不包含血管結(jié)構(gòu)的根部的段用于計算向下流動區(qū)域。如在圖13中所看到的，向下流動區(qū)域基于最小距離原則來計算。為了肝臟內(nèi)部的每個體素，計算離向下流動的血管結(jié)構(gòu)的部分和其它部分的最小距離。體素被稱為屬于距離較小的部分。通過這種方式，向下流動區(qū)域可從較接近于血管結(jié)構(gòu)的向下流動部分的所有體素界定。在實施方案中，產(chǎn)生了從POI流出至影響區(qū)域的邊界的動畫以提供視覺的即時印象。該動畫通過一系列形態(tài)學擴張和布爾和操作來生成。系統(tǒng)使用來自于POI切割點的血管樹的3D 二進制掩碼(V)、計算的向下流動區(qū)域掩碼(T)和切割點(P)。動畫序列如下產(chǎn)生:令AO = P當(體積(Ai+Ι) <體積(V))時執(zhí)行Ai+Ι =擴張(Ai) &V ;記錄 Ai+1
BO = Ai+1當(體積(Ai+Ι) <體積(V))時執(zhí)行Bi+Ι =擴張(Bi)&T ;記錄 Bi+1最后的動畫序列是A0、Al、...、Β0、Β1、...、T。動畫的間隔或幀可通過擴張內(nèi)核的尺寸來控制。較小的內(nèi)核產(chǎn)生更平滑但更長的序列，而較大的內(nèi)核產(chǎn)生稀疏但更短的序列。在另一個實施方案中，在系統(tǒng)記錄了工具尖端位置的所有軌跡后，軌跡中的位置被映射到電子肝臟上。這些位置也可以顯示在3D電子肝臟顯示器中以向用戶指明已經(jīng)進行手術(shù)的路徑。在腫瘤切除或肝臟移植的例子中，軌跡代表來自于手術(shù)的實際切割表面。系統(tǒng)也可以通過將已經(jīng)進行手術(shù)的區(qū)域中的實際切割表面同將要進行手術(shù)的區(qū)域中的預先計劃的表面的部分結(jié)合來建立臨時的切割表面。剩余肝臟和切除肝臟或左肝臟和右肝臟的體積可作為到臨時切割表面一側(cè)的肝臟部分來計算。在一個實施方案中，系統(tǒng)在手術(shù)過程期間實時地進行定量風險分析。該分析基于已被切穿的區(qū)域的記錄和儀器相對于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)(例如，大的脈管、病變安全邊緣等)的當前位置?；谶@些信息，結(jié)合流域分析和肝臟功能分析的能力，系統(tǒng)可以提供從簡單的接近脈管或離開安全邊緣警告到復雜的保持功能性肝臟的體積的信息的警告范圍。在另一個實施方案中，系統(tǒng)為了用戶特別注意而突出關(guān)鍵的解剖結(jié)構(gòu)。例如，當用戶接近于預先定義的POI操縱時，通過將POI的顏色變?yōu)楦梢姷念伾蛘邤U大其尺寸，在3D電子肝臟顯示器上突出該Ρ0Ι。在另一個實施方案中，當用戶在真實患者上進行手術(shù)時，系統(tǒng)在3D電子肝臟顯示器上和/或在2D原始圖像顯示器上自動地突出離工具尖端一定距離內(nèi)的所有解剖結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^改變解剖結(jié)構(gòu)的3D顯色來做出突出以警示用戶。在消融的例子中，消融治療有效區(qū)域的尺寸范圍可以被呈現(xiàn)以突出解剖結(jié)構(gòu)。相同的技術(shù)可以被應(yīng)用于在2D顯示器上的突出。
在一個示例性實施方案中，系統(tǒng)預測用戶在當前操作下是否可以錯過或碰到目標并給予警告或確認。例如，在消融的例子中，當用戶開始針定位時，系統(tǒng)可以計算當前針的位置是否足夠接近于預先定義的進入點。假如不是，則系統(tǒng)可以給予聲音或視覺警告、信號/標志。在實施方案中，基于尖端位置和針的定向，系統(tǒng)可以通過將針沿著其當前定向向前延伸來預測針路徑。系統(tǒng)然后可以估計被預測的針路徑是否將碰到或錯過預設(shè)目標并且在錯過或預期的情況下給予警告標志/信號。當針穿透器官時，如果被預測的針路徑指示用戶可能碰到關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)，則系統(tǒng)也可以突出所述解剖結(jié)構(gòu)并給予聲音或視覺警告。如果針尖碰到預先定義的目標，則系統(tǒng)可給予確認。然而，如果碰到后針經(jīng)過目標，則系統(tǒng)可以再次給予警告。在腫瘤切除或肝臟移植的例子中，系統(tǒng)可實時地確定工具尖端是否在工作地帶內(nèi)。工作地帶被界定為具有從預先計劃的切割平面有限制的偏移的安全手術(shù)區(qū)域。當工具尖端離開工作地帶時，系統(tǒng)也可以給予警告。在另一個實施方案中，不管何時系統(tǒng)確定脈管受到不同于預先計劃的影響，系統(tǒng)都可以自動地進行流域分析、計算相關(guān)體積，并更新肝臟的每部分的體積。如果肝臟的一個部分具有比安全水平小的體積，則系統(tǒng)可以給予警告。體積測量和距離測量每片分割對象由被劃歸為特殊種類的對象的體素組成。每個分割對象的體積的數(shù)值是被劃歸的體素乘以該體素的物理尺寸的總和。在實施方案中，體素的物理尺寸可以從隨同掃描圖像的信息而獲得或計算。體積信息可與每個分割對象一起存儲在電子肝臟中的電子化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。如在圖14中所看到的，不管何時用戶需要看對象的數(shù)字體積值，用戶都可以選擇對象或相關(guān)的對象控制器并且系統(tǒng)將把體積值顯示在可視化顯示器中，例如彈出消息、子窗口、桌面或消息、系統(tǒng)顯示器中的某個地方。相似地，在圖15中描繪的實施方案中，3D場景中的任何兩個點之間的距離對用戶來說是可得到的，因為每個點代表一體素并且其在3D空間中的坐標被界定。用戶可選擇兩個點，并且兩個點之間 的距離然后被基于兩個坐標的3D幾何公式而計算并顯示給用戶。圖16描繪了一般的計算機體系結(jié)構(gòu)，本教義可以在該計算機體系結(jié)構(gòu)上實施并且具有包括用戶界面元件的計算機硬件平臺的功能框示。計算機可以是通用計算機或?qū)Ｓ糜嬎銠C。該計算機1600可以用來實現(xiàn)3D空間中的互動性三維解剖映射的任何組成部分以及如在本文中所描述的手術(shù)輔助。例如，三維映射、圖像顯示、圖像存儲、儀器跟蹤、體積和距離計算都可在諸如計算機1600的計算機上通過其硬件、軟件程序、固件或這些的結(jié)合來完成。雖然為了方便起見僅僅示出了一臺這樣的計算機，但是有關(guān)在本文中描述的公開內(nèi)容的計算機功能可在許多相似的平臺上以分布式方式來實現(xiàn)，以分布處理負荷。例如，計算機1600包括連接到網(wǎng)絡(luò)且從網(wǎng)絡(luò)連接的COM端口 1650，網(wǎng)絡(luò)被連接到此以有助于數(shù)據(jù)通信。計算機1600還包括用于執(zhí)行程序指令的以一個或多個處理器的形式的中心處理單元(CPU) 1620。示例性計算機平臺包括內(nèi)部通信總線1610、用于待被計算機處理和/或通信的各種數(shù)據(jù)文件以及待被CPU執(zhí)行的可能的程序指令的不同形式的程序存儲和數(shù)據(jù)存儲，例如，磁盤1670、只讀存儲器(ROM) 1630、或隨機存儲器(RAM) 1640。計算機1600還包括I/O部件1660，I/O部件1660支持計算機和其中的其它部件比如用戶界面元件1680之間的輸入/輸出流。計算機1600還可通過網(wǎng)絡(luò)通信來接收編程和數(shù)據(jù)。因此，如上所概括的在軟器官手術(shù)、移植和程序期間的顯示和輔助的方面可在編程中體現(xiàn)。技術(shù)的程序方面可被認為是通常以機器可讀介質(zhì)的類型執(zhí)行或?qū)嵤┑目蓤?zhí)行代碼和/或相關(guān)數(shù)據(jù)的形式的“產(chǎn)品”或“制品”。有形的非暫時性“存儲”類型介質(zhì)包括內(nèi)存或用于計算機、處理器或類似物的其它存儲器中的任何或全部，或者其相關(guān)模塊，比如可在任何時間提供用于軟件編程的存儲器的各種半導體內(nèi)存、磁帶驅(qū)動器、磁盤驅(qū)動器及類似物。軟件的全部或部分有時可通過網(wǎng)絡(luò)，例如因特網(wǎng)或各種其它的電信網(wǎng)絡(luò)而被通信。例如，這樣的通信可以使軟件能夠從一個計算機或處理器裝載到另一個計算機或處理器?？蓭в熊浖氐牧硪环N類型的介質(zhì)包括光波、電波和電磁波，比如橫穿當?shù)卦O(shè)備之間的物理界面、穿過有線和光學的陸上線路并越過各種空氣鏈路而使用。承載這樣的波的物理元件，比如有線鏈路或無線鏈路、光學鏈路或類似物也可被看作是帶有軟件的介質(zhì)。如在本文中所使用的，除非被限制于有形的“存儲”介質(zhì)，諸如計算機或機器“可讀的介質(zhì)”的術(shù)語指的是參與為用于執(zhí)行的處理器提供指令的任何介質(zhì)。因此，機器可讀的介質(zhì)可采取任何形式，包括但不限于有形存儲介質(zhì)、載波介質(zhì)或物理傳輸介質(zhì)。非易失性存儲介質(zhì)包括，例如，光盤或磁盤，諸如可被用來實施如在附圖中所示出的系統(tǒng)或其部件中的任何的在任何計算機或類似物中的任何存儲設(shè)備。易失性存儲介質(zhì)包括動態(tài)內(nèi)存，諸如這樣的計算機平臺的主內(nèi)存。有形傳輸介質(zhì)包括包含形成計算機系統(tǒng)內(nèi)的總線的線的同軸 電纜、銅線和光纖。載波傳輸介質(zhì)可采取電信號或電磁信號或者諸如在射頻(RF)通信和紅外線(TR)數(shù)據(jù)通信期間產(chǎn)生的聲波或光波的形式。因此，計算機可讀介質(zhì)的常見形式包括例如:軟盤、軟磁盤、硬盤、磁帶、任何其它磁性介質(zhì)、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其它光學介質(zhì)、穿孔卡片紙帶、具有孔的模式的任何其它物理存儲介質(zhì)，RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPR0M、任何其它內(nèi)存芯片或盒式磁盤(cartridge)、載波輸送數(shù)據(jù)或指令、輸送這樣的載波的纜線或鏈路、或計算機可從其讀編程代碼和/或數(shù)據(jù)的任何其它介質(zhì)。這些形式的計算機可讀介質(zhì)中的許多可涉及承載一種或多種指令的一種或多種序列到用于執(zhí)行處理器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到，本教義經(jīng)得住各種修改和/或增強的考驗。例如，雖然以上描述的各種部件的實施可在硬件設(shè)備中體現(xiàn)，但是其也可作為純軟件解決方案來實施。另外，如在本文中所公開的3D軟件和分析及跟蹤部件可被作為固件、固件/軟件組合、固件/硬件組合或硬件/固件/軟件組合來實施。雖然前述說明書已經(jīng)描述了什么被認為是最佳模式和/或其它例子，但是應(yīng)理解，可在其中做出各種修改，并且在本文中公開的主題可以以各種形式和例子的方式來實施，并且本教義可被應(yīng)用在許多應(yīng)用中，在本文中僅描述了這些應(yīng)用中的一些。所附權(quán)利要求意在要求保護落在本教義的真實范圍內(nèi)的任何和全部的應(yīng)用、修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于在涉及軟器官的醫(yī)療手術(shù)期間向用戶提供視覺輔助的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 處理器，其用于產(chǎn)生所述軟器官的三維圖像； 手術(shù)儀器跟蹤器，其用于在所述醫(yī)療手術(shù)期間在三維空間中跟蹤手術(shù)儀器； 顯示器，其與所述處理器和所述手術(shù)儀器跟蹤器通訊，用于在三維空間中以三維的方式可視地顯示與所述軟器官有關(guān)的所述手術(shù)儀器和所述軟器官的所述三維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述顯示器還在所述醫(yī)療手術(shù)期間提供定量信肩
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述定量信息是風險分析信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述定量信息是軟器官體積信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述定量信息是下列信息中的至少一種:參考信息、引導信息或報警信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中 所述軟器官的所述三維圖像包括所述軟器官和周圍解剖結(jié)構(gòu)；并且 所述三維圖像具有分割的軟器官和分割的周圍解剖結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述周圍解剖結(jié)構(gòu)包括相對于所述軟器官的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或外部結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的系統(tǒng)，其中所述三維圖像是可旋轉(zhuǎn)且可縮放的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述顯示器至少包含第一圖像和第二圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述第一圖像是全局透視圖像并且所述第二圖像是局部透視圖像。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述手術(shù)儀器包括尖端，并且其中所述局部透視圖像是與所述軟器官有關(guān)的所述手術(shù)儀器的尖端的特寫圖。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述第一圖像和所述第二圖像能夠被同步地操縱。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述軟器官的所述圖像基于計算機體層掃描(CT)圖像或磁共振成像(MRI)圖像而產(chǎn)生。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中用于產(chǎn)生所述軟器官的三維圖像的所述處理器將術(shù)前信息疊加在所述三維圖像上。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述軟器官的所述三維圖像與從分開的圖像源獲得的第二圖像結(jié)合。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述第二圖像是超聲圖像。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還把所述用戶在所述醫(yī)療手術(shù)期間的互動與所述三維圖像進行比較并且響應(yīng)于該比較而產(chǎn)生信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述用戶的互動包括所述手術(shù)儀器關(guān)于所述軟器官的放置。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述信號是聲音警報或視覺警報。
20.一種機器可讀的有形且非暫時性的介質(zhì)，所述機器可讀的有形且非暫時性的介質(zhì)具有在其上記錄的用于在醫(yī)療手術(shù)期間向用戶提供視覺輔助的信息，其中所述信息在被所述機器讀取時引起所述機器執(zhí)行以下步驟: 產(chǎn)生所述軟器官的三維圖像； 在所述醫(yī)療手術(shù)期間在三維空間中跟蹤手術(shù)儀器；以及 通過顯示設(shè)備在三維空間中以三維的方式顯示與所述軟器官有關(guān)的所述手術(shù)儀器和所述軟器官的所述三維圖像。
21.一種在具有至少一個處理器、存儲器和連接到網(wǎng)絡(luò)的通訊平臺的機器上實施以在涉及軟器官的醫(yī)療手術(shù)期間向用戶提供視覺輔助的方法，所述方法包括: 在與所述處理器進行通訊的顯示器上產(chǎn)生所述軟器官的三維圖像； 在醫(yī)療手術(shù)期間通過手術(shù)儀器跟蹤器在三維空間中跟蹤手術(shù)儀器； 通過所述處理器在三維空間中結(jié)合被跟蹤的手術(shù)儀器和所述軟器官的所述三維圖像；以及 在三維空間中以三維的方式顯示與所述軟器官有關(guān)的所述手術(shù)儀器和所述軟器官的所述三 維圖像。
全文摘要
一種用于在涉及軟器官的醫(yī)療手術(shù)期間向用戶提供視覺三維輔助的系統(tǒng)。該系統(tǒng)和方法在涉及軟器官的醫(yī)療手術(shù)期間向用戶提供視覺輔助。該系統(tǒng)和方法使用用于產(chǎn)生軟器官的圖像的處理器、用于在醫(yī)療手術(shù)期間跟蹤手術(shù)儀器的手術(shù)儀器跟蹤器、以及用于以三維的方式可視地顯示軟器官的圖像和與軟器官有關(guān)的手術(shù)儀器的與處理器和手術(shù)儀器跟蹤器通訊的顯示器。
文檔編號A61B5/05GK103228210SQ201180056370
公開日2013年7月31日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者正-中·梁, 黎·范, 建-中·錢, 小蘭·曾, 鑫·竇, 長波·楊, 國慶·魏 申請人:美國醫(yī)軟科技公司, 艾達極星醫(yī)療科技(蘇州)有限公司