用于引导医疗工具的插入的系统和方法技术方案

一种用于基于与工具和身体组织之间的相互作用相关联的相互作用参数的测量值(例如在插入过程中被施加在工具上的力)控制诸如针之类的医疗工具到受试者体内的)的系统和方法。该系统包括：插入装置；至少一个传感器，其被配置成测量该相互作用参数；以及至少一个处理器，其被配置成接收传感器测量值，在传感器测量值中感测一个或多个预定义模式，并且一旦感测到预定义模式，就控制插入装置和成像装置中的至少一个的操作。处理器可被配置成将传感器测量值和诸如插入深度之类的插入参数之间的实际相关性与预期相关性相比较，并基于该比较的结果确定医疗工具是否沿其预先规划轨迹而行。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于引导医疗工具的插入的系统和方法
本专利技术涉及出于诊断和/或治疗目的自动经皮插入医疗工具的领域，并且特别地涉及用于感测与工具-组织相互作用相关联的参数以及利用传感器测量值来监视和/或引导医疗工具的插入的系统和方法。
技术介绍
在现代临床实践中采用的许多常规治疗包括用于活体检查和药物输送以及其它诊断和治疗过程的针和导管的经皮插入。针插入过程的目的是将合适针的针头安全且准确地放置在目标区域中，该目标区域可以是损伤、器官或脉管。需要针插入的治疗示例包括接种疫苗、血液/流体取样、区域麻醉、组织活体检查、导管插入、低温消融、电解消融、近距放射疗法、神经外科、深度脑刺激以及多种微创手术。在软组织中引导和操纵针是复杂的任务，该任务需要良好的三维坐标、患者解剖学知识和高水平的经验。因此，已经提议了用于实施这些功能的机器人系统。在授予WebsterIII等人的标题为“远侧斜面末端针控制装置和算法(Distalbevel-tipneedlecontroldeviceandalgorithm)”的美国专利No.7,822,458、授予Glozman等人的标题为“柔性针的受控操纵(Controlledsteeringofaflexibleneedle)”的美国专利No.8,348,861以及授予Neubach等人的标题为“用于柔性针操纵的超声引导机器人(UltrasoundguidedRobotforFlexibleNeedleSteering)”的美国专利No.8,663,130中描述了这种系统。然而，机器人系统的明显缺点是缺乏触觉反馈。在手持式插入装置中，医师/临床医生依赖于他们在他们将针插入到患者体内时所感觉到的阻力，以便探测到达组织边界(即，皮肤、脂肪组织、肌肉等)，并且相应地确定患者体内的针的位置。通常，一旦医师/临床医生探测到已经到达了组织边界，则暂停该插入过程，并且获取图像(CT、X射线等)以验证针的位置。自动插入系统中的触觉反馈的缺乏因此在该过程的整个持续时间期间可能需要频繁乃至持续的成像(例如，CT荧光检查)，这导致大量辐射暴露于患者和医务人员。医生/临床医生进一步依赖于他们在他们将针插入到患者体内时所感觉到的阻力，以便例如探测到与骨骼或血管的不期望发生的接触。因此，触觉反馈对于维持患者安全而言同样是至关重要的。针-组织相互作用已被广泛地进行了研究，并且已知的是，当针接触组织边界直到该组织边界被突破(“刺穿现象”)时，力开始增加。如果使用锥形针，则从针的锥形尖端到针轴的过渡也可导致轴向力的增加。根据多种情况(插入速度、针型等)，峰值力可在刺穿现象时或在末端于膜的另一侧突出的时刻出现，并且存在从末端到轴的过渡，例如在D.Gerwen等人的标题为“针-组织相互作用力-对于实验数据的调查(Needle-tissueinteractionforces-Asurveyofexperimentaldata)”，医学工程及物理学(MedicalEngineering&Physics)34(2012)pp.665–680中所总结的那样。力传感器先前已被结合到例如授予Furst等人的标题为“针刺活体检查系统(NeedleBiopsySystem)”的美国专利No.6,245,028、授予Glozman等人的标题为“柔性针的受控操纵(ControlledSteeringofaFlexibleneedle)”的美国专利No.8,348,861、授予Neubach等人的标题为“用于柔性针操纵的超声引导机器人(UltrasoundGuidedRobotforFlexibleNeedleSteering)”的美国专利No.8,663,130以及Fischer等人的“用于MRI兼容的触觉接口的设备和方法(ApparatusandMethodforMRI-CompatibleHapticInterface)”的美国专利申请No.2012/0265051中的自动针插入装置中。然而，在这些示例中，来自力传感器的信息均未被用于在监视和引导针刺导航中代替成像，以便能够在针插入过程期间明显地减少对于患者和医务人员的辐射照射。在本专利说明书的本章节和其它章节中所提及的每篇公开文献的公开内容在此被各自通过引用全部结合到本文中。
技术实现思路
本公开描述了用于使用与工具-组织相互作用相关联的一个或多个参数的实时测量值，出于诊断和/或治疗的目的将诸如针之类的医疗工具以图像引导的方式插入到受试者体内的新型示例性自动化系统和方法。这种系统和方法可被用于监视、提供反馈和协助引导该插入过程，同时在插入过程期间使受试者和医护人员受到的辐射照射最小化。与工具-组织相互作用相关联的参数可包括例如工具插入力和组织相容性。在一些实施方案中，实时测量值提供了门控(gating)功能。这意味着与工具-组织相互作用和/或组织相容性相关联的参数(例如包括插入力和侧向力的被施加在该工具上的力)的测量值用于帮助限定用于开始对感兴趣区域进行成像的最佳时间/阶段，从而导致在整个插入过程中获取较少的图像。例如，仅当传感器测量值表明该医疗工具已经到达组织边界或目标(例如肿瘤、损伤)时，才可以获取图像。成像可通过该系统自动地进行，或者该系统可提示用户开始成像。术语“组织”也可包括将会到达的目标，并且术语“组织边界”也可以指该目标的边界。在其它实施方案中，实时测量值提供了一种监视和引导功能，这是因为与工具-组织相互作用相关联的参数的测量值被用于监视插入过程的进程并且验证该医疗工具沿其预定轨迹而行。这种实时监视避免需要在整个插入过程中连续或频繁地成像，以便追踪该工具的实际位置。在其它实施方案中，实时测量值提供了一种安全功能，即，与工具-组织相互作用相关联的参数的测量值被用于对临床医生发出警告，并且一旦感测到该医疗工具已经撞击/进入禁区(例如骨骼、血管等)，优选地也自动地停止该插入过程。可以理解的是，在一些实施方案中，实时测量值可提供所有上文中提到的功能(门控、监视、引导和安全)或其任何两种功能的组合。在一些实施方案中，力传感器被用于测量在插入过程中被施加在该工具上的力。在插入过程中遇到的力图表(forceprofile)可被与通过预先计划的插入过程预料到的力图表相比较。后者从在规划插入路径的执行过程中预料到该工具所遇到的组织和其它身体部分的布置结构和类型中获知。当该工具进入新组织层时，会遇到不同的力水平，并且它们也取决于该工具是否进入患者的皮肤、脂肪组织、肌肉或任何其它这种特征组织。预期力图表可包括诸如力水平本身、局部峰值、测量到的力的空间坡度等之类的这种特征以及这些特征的组合和顺序。力图表可方便地是一种空间力图表，但如果插入过程的速度是预定的，则可作为选择使用一种时间力图表。相对于该预期力图表的偏离可表示工具相对于预先规划的插入路径的偏离。可因此在无需对受试者成像的情况下表示相对于预先规划的插入路径的这种偏离，从而降低了受试者和医疗人员的任何伴随辐射照射程度。此外，只要在插入过程中遇到的力图表与预期力图表相匹配，就可执行该插入过程，而无需在整个手术过程中对受试者连续或频繁地成像。所要采取的随后行动取决于相对于预期力图表的偏离程度。在一些实施方案中，根据相对于预期力图表的偏离程度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制医疗工具到受试者体内的插入的系统，所述系统包括：插入装置，所述插入装置被配置成将所述医疗工具插入到所述受试者的体内；至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置成测量与所述医疗工具和所述受试者的身体组织之间的相互作用相关联的相互作用参数；以及至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成：从所述至少一个传感器接收测量值；在接收到的测量值中感测一个或多个预定义模式；以及一旦在所述测量值中感测到所述一个或多个预定义模式中的至少一个，就控制(i)所述插入装置和(ii)成像装置中的至少一个的操作。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.10 US 62/283,7341.一种用于控制医疗工具到受试者体内的插入的系统，所述系统包括：插入装置，所述插入装置被配置成将所述医疗工具插入到所述受试者的体内；至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置成测量与所述医疗工具和所述受试者的身体组织之间的相互作用相关联的相互作用参数；以及至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成：从所述至少一个传感器接收测量值；在接收到的测量值中感测一个或多个预定义模式；以及一旦在所述测量值中感测到所述一个或多个预定义模式中的至少一个，就控制(i)所述插入装置和(ii)成像装置中的至少一个的操作。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成确定任何传感器测量值是否超过预定阈值。3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成产生作为插入参数的函数的所述传感器测量值的一个或多个图表。4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成确定插入参数和所述传感器测量值之间的实际相关性。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成将所述插入参数和所述传感器测量值之间的预期相关性与所述实际相关性比较。6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成确定所述预期相关性。7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，一旦在所述至少一个传感器的所述测量值中感测到所述一个或多个预定义模式，就控制(i)所述插入装置和(ii)成像装置中的至少一个的操作，包括下列中的一个或多个：(a)开始对所述受试者的体内的感兴趣区域成像；(b)暂停对所述感兴趣区域的连续成像；(c)根据预先规划轨迹或调节后轨迹中的任一者继续将所述医疗工具插入到所述受试者的体内；以及(d)停止插入所述医疗工具。8.根据权利要求3到7中的任一项所述的系统，其中，所述插入参数是插入深度。9.根据权利要求3到7中的任一项所述的系统，其中，所述插入参数是插入时间。10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述传感器测量值中的所述一个或多个预定义模式包括下列中的至少一个：测量参数的水平、坡度、峰值或其组合。11.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述至少一个传感器中的任一个或多个被设置在所述插入装置和所述医疗工具中的一者或两者上。12.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述至少一个传感器包括力传感器和声学传感器中的一个或多个。13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成产生视觉反馈、听觉反馈和触觉反馈中的一个或多个。14.一种用于控制医疗工具到受试者体内的插入的系统，所述系统包括：插入装置，所述插入装置被配置成将所述医疗工具插入到所述受试者的体内；力传感器，所述力传感器被配置成测量在插入到所述受试者的体内的过程中被施加在所述医疗工具上的力；以及至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成：从所述力传感器接收力测量值；确定插入参数和力传感器测量值之间的实际相关性；将所述插入参数和所述力传感器测量值之间的预期相关性与所述实际相关性相比较；以及基于所述比较的结果控制所述插入装置的操作。15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成确定所述预期相关性。16.根据权利要求14和15中的任一项所述的系统，其中，所述预期相关性被基于所述受试者的体内的感兴趣区域的一个或多个图像和预先规划的工具插入轨迹进行确定。17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成计算所述预先规划的工具插入轨迹。18.根据权利要求14到17中的任一项所述的系统，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成开始对所述感兴趣区域进行成像。19.根据权利要求14到18中的任一项所述的系统，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成暂停或停止对所述感兴趣区域的连续成像。20.根据权利要求14到19中的任一项所述的系统，其中，由所述力传感器测量到的力是轴向力和侧向力中的一种或多种。21.根据权利要求14到20中的任一项所述的系统，其中，所述插入参数是插入深度或插入时间。22.一种用于控制医疗工具到受试者体内的插入的方法，所述方法包括：将所述医疗工具插入到所述受试者的体内；测量与在所述医疗工具和所述受试者的身体组织之间的相互作用相关联的一个或多个相互作用参数；在所述一个或多个参数的所述测量值中感测一个或多个预定义模式；以及一旦感测到所述一个或多个预定义模式中的至少一个，就控制(i)插入装置和(ii)成像装置中的至少一个的操作。23.根据权利要求22所述的方法，其中，一旦感测到所述一个或多个预定义模式中的至少一个，就控制插入装置和成像装置中的至少一个的操作，包括下列中的一个或多个：(a)开始对所述受试者的体内的感兴趣区域进行成像；(b)暂停对所述感兴趣区域的连续成像；(c)根据预先规划轨迹或调节后轨迹中的任一个继续将所述医疗工具插入到所述受试者的体内；以及(d)停...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·肖查特，O·阿诺德，S·N·戈德堡，
申请(专利权)人：赞克特机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL