描绘系统技术方案

描述了用于产生手术工具的移动的实时相关描绘以用于微创手术的描绘系统。在一个实施方式中，系统包括计算机系统、3D表面数据产生装置和用于获得手术工具的至少一部分的实时空间位置数据的位置数据产生装置。所述3D表面数据产生装置和所述位置数据产生装置中的至少一个包括用于提供至少所述目标区域的表面位置数据的表面位置数据产生装置。计算机系统被编程为：·使用所述3D数据来确定所述微创手术腔的所述表面片段的所述目标区域的至少一部分的3D表面轮廓，·使用所述空间位置数据和所述表面位置数据来确定所述手术工具相对于所述至少一个表面片段的所述目标区域的至少一部分的实时空间位置，·计算表示所述手术工具的所述实时相对空间位置到所述微创手术腔的所述表面片段的所述表面轮廓的至少一部分上的描绘的描绘数据，以及·将所述描绘数据传输到所述显示单元用于所述手术工具的移动的实时相关描绘。

Portrayed system

A real-time correlation description for mobile surgical tools is described for use in minimally invasive surgery. In one embodiment, the system includes a computer system, a 3D surface data generating device, and a position data generating device for obtaining at least part of the operation tool's real-time spatial location data. At least one of the 3D surface data generating devices and the position data generating device includes a surface location data generating device for providing at least the surface position data of the target area. The computer system is programmed to use the 3D data to determine the 3D surface profile of at least part of the target area described by the described surface fragment of the minimally invasive surgical cavity, and the use of the spatial location data and the surface position data to determine the description of the operating tool relative to the at least one surface fragment. The real time space position of at least part of the standard area is calculated to describe the depicted data depicted on at least part of the surface contour of the surface segment of the minimally invasive surgical cavity, and to transfer the depicted data to the display unit for the description of the operating tool. The real-time related depiction of the movement of the surgical tools.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】描绘系统
本专利技术涉及用于在微创手术期间产生手术工具的移动的实时描绘以从而视觉地和实时地给外科医生提供关于手术工具的位置的信息的描绘系统。
技术介绍
微创手术由于与常规开放手术相比的益处而在近年来越来越多地被使用，因为它减小对患者组织的创伤，留下较小的伤疤，最小化手术后疼痛并使患者的较快恢复成为可能。例如，在腹腔镜手术(其为微创手术的一种典型形式)中，外科医生通过一系列小切口进入体腔，例如腹腔或骨盆腔。腹腔镜通过切口插入并照惯例地连接到监视器，从而使外科医生能够看到腹腔或骨盆腔的内部。为了执行手术过程，手术仪器通过其它切口插入。此外，在手术部位周围的体腔充满流体，优选地为气体，例如二氧化碳，以便产生在腔内的“空气”空间以为外科医生腾出空间来观看手术部位并移动腹腔镜仪器。通常通过在患者的皮肤中的开口——常常是相对小的开口——执行有创手术过程，且通过将摄像机例如内窥镜插入到体腔内并在屏幕上显示图像来使外科医生看得见手术部位。为了提高外科医生的视力，特别是为了使外科医生确定各种器官、组织和在手术部位中的其它结构的尺寸变得更容易，在现有技术中提供了几种原位手术计量方法。已经将不同类型的光学系统应用于提供手术部位的改善的视觉，其接近3D视觉。US2013/0296712描述了用于确定内窥镜尺寸测量的装置，包括用于将光图案投影到包括具有实际尺寸测量和基准的形状的外科手术瞄准器上的光源，以及用于通过比较所投影的光图案的实际尺寸测量与手术部位来分析在手术部位上的投影光图案的装置。WO2013/163391描述了一种用于产生图像的系统，外科医生可使用该系统来通过使用用于将图案标记到手术野的不可见光来测量在手术野中的结构的尺寸或在手术野中的结构之间的距离。系统包括：第一摄像机；第二摄像机；产生在人眼不可见的频率处的光的光源；从不可见光源投影光的预定图案的色散单元；将不可见光的预定图案投影到目标区域上的仪器；将可见光引导到第一摄像机并将不可见光的预定图案引导到第二摄像机的带通滤波器；其中第二摄像机对目标区域和不可见光的预定图案成像并计算三维图像。US2008071140公开了内窥镜手术导航系统，其包括跟踪子系统以在内窥镜检查过程期间捕获表示柔性内窥镜的位置和定向的数据，以允许当前的内窥镜检查视频与手术中和/或手术前扫描图像的配准。使用布置在内窥镜上的一个或多个传感器和/或其它信号产生元件来检测内窥镜的位置和定向。US2010268067公开了用于图像引导的手术的方法、系统、设备和计算机可读介质，其用于允许内科医生使用多个用于手术的仪器并为那些仪器同时提供图像引导数据。US2011069159公开了用于仪器的定向辅助和显示的系统，仪器插入或存在于自然或人造产生的中空腔(人、动物、物体)中，且配备有一个或多个传感器单元。通过定位测量系统来执行配备有一个或多个传感器单元的仪器的3D位置的多个测量，以便可计算在身体中的仪器的精确定向和定位。3D位置数据用于同步地计算仪器的虚拟图像。虚拟图像然后在确切的位置上直接投影到人的身体表面上或在身体表面图像(患者的真实视频摄像机图像)中组合到监视器上或被重叠(虚拟或增强现实)。还建议产生手术腔的增强现实视觉，其用于提供患者器官的内部结构的改善的观察以确定到患者的腔表面或器官的最小距离。在StephaneNicolau等人的文章“Augmentedrealityinlaparoscopicsurgicaloncology”(SurgicalOncology20(2011)189-201)和ChoiHyunseok等人的“Aneffectivevisualizationtechniquefordepthperceptioninaugmentedreality-basedsurgicalnavigation”(Theinternationaljournalofmedicalroboticsandcomputerassistedsurgery,2015May5.doi:10.1002/rcs.l657)中描述了这样的系统。US2014163359公开了用于帮助手术医生执行人体的腹腔镜手术的手术跟踪系统。手术跟踪系统包括：a)适合于获取在所述人体内的手术环境的实时图像的至少一个内窥镜；b)适合于在所述腹腔镜手术期间控制所述内窥镜的空间位置的操纵子系统；以及c)与所述操纵子系统通信的跟踪子系统，其适合于控制操纵系统以便将所述内窥镜的空间位置引导并修改到感兴趣区域。系统产生手术工具的移动的实景相关图像。
技术实现思路
本公开的目的是提供用于在微创手术期间提供体腔的至少一部分的良好可见性、特别是关于向外科医生提供关于手术仪器相对于手术部位的位置的良好视觉信息的可选系统。这个和其它目的由如在权利要求中限定的和如下面在本文所述的本专利技术或其实施方式解决。已发现，本专利技术或其实施方式具有多个额外的优点，其从下面的描述中将对技术人员清楚。本专利技术的描绘系统被示为能够向用户(例如手术医生或为执行手术而培训的人)提供惊人地好的可见性。在一个实施方式中，本专利技术的系统目的在于提供包括手术工具的位置的投影而不是对手术工具成像的描绘。因而可以在单个描绘中给用户提供大量信息。虽然单个描绘可以给用户提供大量信息，但本专利技术还包括产生两个或更多个描绘或图像的系统，如下面进一步描述的。本专利技术的描绘系统适合于产生手术工具的移动的实时相关描绘。系统包括：计算机系统，其配置成与显示单元进行数据通信，3D表面数据产生装置，其用于给计算机系统提供表示在微创手术腔的3D空间中的至少一个表面片段的三维(3D)数据，其中表面片段包括目标区域，以及位置数据产生装置，其用于获得手术工具的至少一部分的实时空间位置数据并用于将所获得的空间位置数据传输到计算机系统。3D表面数据产生装置和位置数据产生装置中的至少一个包括用于提供至少目标区域的表面位置数据的表面位置数据产生装置。计算机系统被编程为：·使用3D数据来确定微创手术腔的表面片段的目标区域的至少一部分的3D表面轮廓，·使用空间位置数据和表面位置数据来确定手术工具相对于至少一个表面片段的目标区域的至少一部分的实时空间位置，·计算表示手术工具的实时相对空间位置到微创手术腔的表面片段的表面轮廓的至少一部分上的描绘的描绘数据，以及将描绘数据传输到显示单元用于手术工具的移动的实时相关描绘。计算机系统可包括单个计算机或无线地、通过电线和/或经由互联网进行数据连接的多个计算机。微创手术腔可以是患者或人造腔。通常，人造腔在培训过程中是有用的。在其它过程中以及在相对无经验的外科医生的被监督的过程中，微创手术腔有利地是患者例如人或动物的微创手术腔。微创手术腔原则上可以是任何类型的体腔，包括天然地出现的腔以及由身体的非内腔部分的膨胀而形成的腔(伪腔)。适当的微创手术腔的例子包括腹腔(在横膈膜和骨盆的边缘之间的区域)、胸腔、腹腔骨盆腔(包含腹腔和骨盆腔)、颅腔(包含脑)、横膈膜(分离胸腔和腹部骨盆腔的肌肉)、纵隔膜(在胸腔内的中心区域)、骨盆腔(包含生殖器官和膀胱)、围心腔(包含心脏)、胸膜腔(包含肺)、胸廓腔(由肋骨、胸骨和脊柱围绕)、椎体腔(包含脊髓)等。通常，微创手术过程包括外科医生通过切口进入手术部位并应用插管(有时也被本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于产生手术工具的移动的实时相关描绘的描绘系统，所述系统包括：·计算机系统，其配置成与显示单元进行数据通信，·3D表面数据产生装置，其用于给所述计算机系统提供表示在微创手术腔的3D空间中的至少一个表面片段的三维(3D)数据，其中所述表面片段包括目标区域，以及·位置数据产生装置，其用于获得所述手术工具的至少一部分的实时空间位置数据并用于将所获得的空间位置数据传输到所述计算机系统。其中所述3D表面数据产生装置和所述位置数据产生装置中的至少一个包括用于提供至少所述目标区域的表面位置数据的表面位置数据产生装置，所述计算机系统被编程为：·使用所述3D数据来确定所述微创手术腔的所述表面片段的所述目标区域的至少一部分的3D表面轮廓，·使用所述空间位置数据和所述表面位置数据来确定所述手术工具相对于所述至少一个表面片段的所述目标区域的至少一部分的实时空间位置，·计算表示所述手术工具的所述实时相对空间位置到所述微创手术腔的所述表面片段的所述表面轮廓的至少一部分上的描绘的描绘数据，以及·将所述描绘数据传输到所述显示单元用于所述手术工具的移动的实时相关描绘，优选地所述表面轮廓的所述部分具有依赖于所述相对位置数据而动态地改变的尺寸，更优选地所述表面轮廓的所述部分具有大到足以反映所述部分的所述表面轮廓的尺寸。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.09 DK PA2015706421.一种用于产生手术工具的移动的实时相关描绘的描绘系统，所述系统包括：·计算机系统，其配置成与显示单元进行数据通信，·3D表面数据产生装置，其用于给所述计算机系统提供表示在微创手术腔的3D空间中的至少一个表面片段的三维(3D)数据，其中所述表面片段包括目标区域，以及·位置数据产生装置，其用于获得所述手术工具的至少一部分的实时空间位置数据并用于将所获得的空间位置数据传输到所述计算机系统。其中所述3D表面数据产生装置和所述位置数据产生装置中的至少一个包括用于提供至少所述目标区域的表面位置数据的表面位置数据产生装置，所述计算机系统被编程为：·使用所述3D数据来确定所述微创手术腔的所述表面片段的所述目标区域的至少一部分的3D表面轮廓，·使用所述空间位置数据和所述表面位置数据来确定所述手术工具相对于所述至少一个表面片段的所述目标区域的至少一部分的实时空间位置，·计算表示所述手术工具的所述实时相对空间位置到所述微创手术腔的所述表面片段的所述表面轮廓的至少一部分上的描绘的描绘数据，以及·将所述描绘数据传输到所述显示单元用于所述手术工具的移动的实时相关描绘，优选地所述表面轮廓的所述部分具有依赖于所述相对位置数据而动态地改变的尺寸，更优选地所述表面轮廓的所述部分具有大到足以反映所述部分的所述表面轮廓的尺寸。2.如权利要求1所述的描绘系统，其中所述3D表面数据产生装置包括3D数据库系统，所述3D数据库系统包括多个已分类微创手术腔中的每个的至少一个表面片段的至少一个3D数据集，其中每个3D数据集与所述已分类微创手术腔中的至少一个的所述相应表面片段相关联，优选地，所述计算机配置成获取已分类微创手术腔的至少一个表面片段的3D数据集。3.如权利要求2所述的描绘系统，其中所述数据库系统被加载到与所述计算机系统进行数据通信或作为所述计算机系统的一部分的存储器上。4.如权利要求2或3所述的描绘系统，其中所述3D数据集中的一个或多个包括所估计的3D数据、所计算的3D数据、所测量的3D数据或它们的任何组合，优选地，所述3D数据集每个与患者特征相关联，该患者特征例如是包括年龄、性别、体重、升高、身体圆周尺寸或包括上述项的任何组合的患者特征。5.如前述权利要求中的任一项所述的描绘系统，其中所述3D表面数据产生装置包括用于将选定患者的3D数据馈送到所述计算机上的用户输入数据连接，以及其中所述计算机配置成接收这样的用户输入3D数据，所述用户输入3D数据可优选地作为3D数据集被添加到所述数据库系统。6.如前述权利要求中的任一项所述的描绘系统，其中所述3D表面数据产生装置包括用于确定所述微创手术腔的至少所述表面片段的所述3D数据的至少一部分的3D表面传感器系统和用于将所确定的3D数据传输到所述计算机的传输装置，可选地，描绘系统配置成将所确定的3D数据作为3D数据集添加到所述数据库系统，优选地，所述计算机系统配置成将从所述3D表面传感器系统接收的所确定的3D数据作为3D数据集添加到所述数据库系统。7.如权利要求6所述的描绘系统，其中所述3D表面传感器系统包括优选地用于空间参考的至少一个本地参考传感器，所述至少一个本地参考传感器优选地适合于位于患者身上和/或患者的支持架(手术桌)上。8.如权利要求7所述的描绘系统，其中所述3D表面数据产生装置包括用于提供所述目标区域的表面位置数据的所述表面位置数据产生装置，所述表面位置数据产生装置包括所述至少一个本地参考传感器。9.如权利要求6-8中的任一项所述的描绘系统，其中所述3D表面传感器系统包括3D光学传感器、声传感器、磁性传感器、电传感器、电磁传感器或它们的任何组合。10.如权利要求9所述的描绘系统，其中所述3D表面传感器系统包括3D光学传感器系统，所述3D光学传感器系统包括至少一个光源和至少一个光学读取器，该光学读取器例如包括检测器的2D阵列的图像记录器，例如摄像机，所述3D光学传感器系统优选地是双目传感器系统或多目传感器系统。11.如权利要求9或10所述的描绘系统，其中所述至少一个光源配置成发射光学跟踪光图案，所述光学跟踪光图案当射到所述表面上并从所述表面反射和/或散射时揭示所述表面的轮廓从而提供要由所述光学读取器记录的3D数据。12.如权利要求9或权利要求10所述的描绘系统，其中所述光源适合于将基本上静止的光图案发射到所述表面片段的至少一部分上，所述光图案发射源可选地位于内窥镜上，例如在也包括所述记录器的内窥镜上，所述内窥镜适合于在所述微创手术过程期间保持基本上静止。13.如权利要求9-11中的任一项所述的描绘系统，其中所述光源适合于将动态光图案发射到所述表面片段的至少一部分上，所述动态光图案优选地通过安装到手术工具上而是动态的，使得可由所述记录器记录的所反射和/或散射的图案(从所述表面片段反射和/或散射的图案)关于所述手术工具的移动而改变，优选地，所反射和/或散射的图案的变化与所述手术工具的移动相关。14.如权利要求13所述的描绘系统，其中所述光源暂时或永久地固定到所述手术工具，且所述光源还形成所述位置数据产生装置的一部分。15.如权利要求6-14中的任一项所述的描绘系统，其中所述3D表面传感器系统包括声传感器系统，所述声传感器系统包括至少一个声波发射器和至少一个声波接收器，优选地，所述声传感器系统包括两个或更多个声波接收器，例如声波接收器的2D阵列，该声波接收器例如是压电声波接收器。16.如权利要求15所述的描绘系统，其中所述声传感器系统包括超声传感器。17.如权利要求6-16中的任一项所述的描绘系统，其中所述3D表面传感器系统包括磁性传感器系统，例如磁感应断层摄影传感器系统和/或磁共振断层摄影传感器。18.如权利要求6-17中的任一项所述的描绘系统，其中所述3D表面传感器系统包括电传感器系统，例如微机械传感器系统。19.如权利要求5-18中的任一项所述的描绘系统，其中所述3D表面传感器系统包括X射线计算断层摄影传感器(CT扫描传感器)。20.如前述权利要求中的任一项所述的描绘系统，其中用于获得所述手术工具的至少一部分的实时空间位置数据的所述位置数据产生装置包括位置传感器系统，所述位置传感器系统优选地包括3D光学传感器、声传感器、磁性传感器、电传感器、加速度计、陀螺仪、重力仪、惯性导航系统、本地定位系统或它们的任何组合。21.如权利要求20所述的描绘系统，其中所述位置传感器系统包括适合于或正物理地连接到所述手术工具或与所述手术工具集成在一起的传感器元件。22.如权利要求20或权利要求21所述的描绘系统，其中所述位置传感器系统包括优选地用于空间参考的至少一个本地参考传感器，所述至少一个本地参考传感器优选地适合于位于患者身上和/或在患者的支持架(例如手术桌)上。23.如权利要求22所述的描绘系统，其中所述至少一个参考传感器提供所述本地定位系统，优选地，所述位置传感器系统包括多个本地参考传感器。24.如权利要求20-23中的任一项所述的描绘系统，其中所述位置传感器系统配置成获得所述手术工具的实时空间位置数据并将所获得的空间位置数据传输到所述计算机系统，其中所述实时空间位置数据是以X-Y-Z维空间中的实时空间位置数据的形式的。25.如权利要求20-24中的任一项所述的描绘系统，其中所述位置传感器系统包括至少一个距离传感器，例如基于短距离激光的传感器，例如由德国的SICKAG提供的。26.如权利要求20-25中的任一项所述的描绘系统，其中所述实时空间位置数据包括与表示在3D空间中的至少一个表面片段的3D数据相关的位置数据，优选地，所述实时空间位置数据包括确定从所述手术工具或所述手术工具的至少一部分到所述表面片段、优选地到所述表面片段的所述目标区域、更优选地到所述表面片段的与所述工具的定向方向相关的点的距离，其中从所述微创手术腔的通路开口和所述腔内的所述工具的最远延伸部分来确定所述工具的定向方向，所述工具穿过所述通路开口被插入。27.如权利要求20-26中的任一项所述的描绘系统，其中所述3D表面传感器系统和所述位置传感器系统至少部分地集成以形成组合的3D表面和位置传感器系统。28.如前述权利要求中的任一项所述的描绘系统，其中所述计算机系统与所述3D表面数据产生装置处于数据连接中，并配置成从所述3D表面数据产生装置获取表示在微创手术腔的3D空间中的至少一个表面片段的3D数据，优选地，所述计算机系统配置成经由用户界面接收获取所述3D数据的指令，并在接收到这样的指令时获取所述3D数据。29.如权利要求28所述的描绘系统，其中所述计算机系统对于一个用户过程配置成获取在单个时间数据封装中的表示在微创手术腔的3D空间中的至少一个表面片段的所述3D数据。30.如权利要求28所述的描绘系统，其中所述计算机系统对于一个用户过程配置成通过连续地获取表示在微创手术的3D空间中的至少一个表面片段的3D数据封装来获取所述3D数据，其中连续地获取的3D数据封装对于每个所述连续地获取的3D数据封装优选地包括及时更新的3D数据和/或表示在3D空间中的至少一个额外表面片段的3D数据。31.如前述权利要求中的任一项所述的描绘系统，其中所述计算机系统与所述位置数据产生装置进行数据通信并配置成实时地获取所述手术工具的至少一部分的所获得的实时空间位置数据，优选地，所述计算机系统配置成经由用户界面接收获取所述空间位置数据的指令，并在接收到这样的指令时获取所述空间位置数据。32.如前述权利要求中的任一项所述的描绘系统，其中所述计算机系统配置成控制所述3D表面数据产生装置和所述位置数据产生装置，优选地，所述计算机配置成经由用户界面接收指令以进行用户过程，并基于所述指令从所述3D表面数据产生装置和所述位置数据产生装置获取所需的数据，并进行所述用户过程直到终止信号传输到所述计算机为止。33.如前述权利要求中的任一项所述的描绘系统，其中所述系统还包括用于获得所述手术工具的至少一部分的实时空间定向数据并用于将所获得的空间定向数据传输到所述计算机系统的定向数据产生装置，所述计算机系统被编程为：·使用所述空间定向数据来确定所述手术工具的实时空间定向，·计算表示所述手术工具的所述实时空间定向到所述微创手术腔的所述表面片段的所述表面轮廓的至少一部分上的描绘的描绘数据，以及·将所述描绘数据传输到所述显示单元用于所述手术工具的移动的实时相关描绘。34.如权利要求33所述的描绘系统，其中表示所述手术工具的所述实时相对空间位置和所述实时空间定向到所述微创手术腔的所述表面片段的所述表面轮廓的至少一部分上的描绘的描绘数据包括表示所述手术工具的所述实时相对空间位置和所述实时空间定向到所述表面轮廓的至少一部分上的相关描绘的描绘数据。35.如权利要求34所述的描绘系统，其中所述手术工具的所述实时相对空间位置和所述实时空间定向到所述表面轮廓的至少一部分上的所述相关描绘包括在与所述手术工具的所述实时空间定向协调的方向上所述实时相对空间位置到所述表面轮廓上的描绘。36.如权利要求33-35中的任一项所述的描绘系统，其中所述定向数据产生装置包括连接到所述手术工具或与所述手术工具集成在一起的定向传感器，所述定向传感器优选地包括至少一个距离传感器，例如由德国的SICKAG提供的基于短距离激光的传感器，所述至...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·M·汉森，H·S·基尔克高，
申请(专利权)人：三D集成公司，
类型：发明
国别省市：丹麦,DK