用于计算机辅助外科手术的系统方法以及计算机程序产品技术方案

一种帮助一外科医生终端用户的计算机化方法，包括：提供一投光器配置为将至少一个图案投射到脊柱上，提供3D摄像机，当所述脊柱在他们的视野中时工作以捕获所述脊柱和图案的3D视频影像；提供一工具跟踪器包括一INS工作以重复计算脊柱外科手术中使用的工具的一当前方向和位置的一输出工具状态指示，以及一无线通信模块提供子系统和一处理器间的数据通信包括发送所述输出工具状态指示至所述处理器；所述处理器包括逻辑器配置为接收由所述工具跟踪器和所述3D视频影像产生的所述输出工具状态指示，以及用所述处理器已知的所述图案追踪脊椎骨，并且相应地给所述外科医生提供反馈。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于计算机辅助外科手术的系统方法以及计算机程序产品相关申请的交互引用本申请要求于2018年7月12日提交的标题为“用于计算机辅助外科手术的系统和方法”申请号为62/696882的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
本专利技术总体上是有关于外科手术，特别是有关于计算机辅助外科手术。
技术介绍
现有技术包括“计算机辅助外科手术器械-U.S.Pat.No.5,251,127”；“图像导向螺丝刀-US6021343B2；U.S.2001/0036245”,该专利导向一外科手术工具，以及“外科手术导航追踪器，系统和方法US7771436B2”，校准一外科手术工具及其适配器的方法和系统-US7166114B2。说明书中提到的所有出版物和专利文献，以及其中直接或间接引用的出版物和专利文献的公开内容，本专利技术通过引用并入，除了主体免责声明或否认外。如果并入内容与本专利技术表达公开内容不一致，解释为本专利技术表达公开内容描述了一些实施例，然而并入内容描述了另一些实施例。并入内容里的定义可以被认为是所讨论术语的一种可能定义。
技术实现思路
本专利技术的一些实施例试图提供电路，所述电路通常包括至少一个与至少一存储器通信的处理器，所述处理器执行存储在所述存储器中的指令以提供本专利技术具体描述的功能。本专利技术所描述的任何功能可以适当地由软件实现或处理器实现。一些实施例试图提供辅助一外科医生终端用户的一计算机化系统，所述系统包括以下所有或任意子集：一光投影仪通常配置为将至少一个图案投射到至少一脊柱上，多个3D摄像机，当所述脊柱在它们的视野内时，通常可运行以捕获所述脊柱和图案的3D视频影像；一工具跟踪器，又称工具适配器；以及一计算机，又称处理器，通常包括逻辑器，所述逻辑器配置为接收由所述工具跟踪器和所述3D视频影像产生的所述输出工具状态指示，和/或例如使用所述处理器已知的所述图案来追踪所述脊柱的至少一脊椎骨，和/或，在所述外科手术过程中相应地给所述外科医生提供反馈，从而提供对脊椎骨的直接追踪，而不是对附着在所述脊柱上的标记的追踪。所述工具追踪器可能包括:一惯性导航子系统(INS)，用以重复计算在脊柱上的一外科手术过程中使用的至少一工具(又称外科手术器械)的一当前方向(又称角度，又称角定向)和一当前位置的一输出工具状态指示，从而提供对所述工具的位置和角度的惯性追踪；和/或一无线通信模块，可运行以提供所述子系统和所述处理器间的数据通信，所述数据通信包括发送所述输出工具状态指示至所述处理器。本专利技术描述的任何模块、子系统、器械、单元可能包括一合适的逻辑器或处理器配置为执行所述功能。一些实施例尤其具有优势，因为在所述外科医生的视野中提供反馈当他/她进行外科手术并且注视所述术野时。一些实施例尤其具有优势，因为将工具和/或螺丝相对一脊柱或所述人体的其他部位的所述位置和/或角定向呈递例如展示给所述外科医生终端用户。一些实施例试图连续确定每个工具的位置，例如通过派生，例如从标记追踪数据，每个工具当前的3d位置和方向。一些实施例试图提供一工具适配器可运行以辅助外科医生计划和进行脊柱外科手术。一些实施例试图提供一系统和方法可能与常规的术前方案共同使用，包括：给一患者的脊柱或其中部分做一CT影像，以及分析一CT影像来确定在哪个脊椎骨上进行手术，以及用何种方式，以及生成一外科手术方案。所述系统可以执行，或指导一外科医生执行，以下操作的所有或任意子集：手术前：激活CT扫描分析功能，所述功能将所述骨骼表面从所述CT“分离”并且提供一所述脊柱脊椎骨的3D模型。激活软件，所述软件在CT影像中识别最可用于追踪的骨骼特征，例如棘突和外侧突，例如如图10所示。当外科手术开始时：将手术方案展示给外科医生。假设外科医生在所述外科手术所需的每个工具上安装一追踪器，所述系统利用安装在工具上的追踪器，给每个工具初始配准，例如对外科医生在相机视野中“展示”每个工具作出响应。如果追踪因为某些原因丢失，通常重复配准，并且继续连续的工具追踪。脊椎骨的CT到3D影像配准例如本文所示和所述，每个外科手术只进行一次。通常，接收一数字CT扫描或其它影像并且所述系统在例如对外科医生可见的一屏幕上生成输出，所述输出将所述CT扫描的骨骼和非骨骼部分分开并且将每个脊椎骨作为一3D对象分开显示。从术前CT中提取骨骼特征。应当理解的是，要追踪的骨骼特征通常在此时被外科医生暴露出来。当外科医生完成她/他的手术方案，在外科手术中连续地：追踪每个工具的3d位置和方向；反馈给外科医生手术工具的位置和方向相对预先计划的位置和方向；实时追踪脊椎骨骨骼特征-连续的单个脊椎骨级别的追踪。如果因为某些原因追踪丢失，通常会重复配准并且继续连续的追踪。可以调用骨骼移除程序，所述程序通过比较所述脊椎骨在其连续照片中的图像，提供移除骨骼的数量以及移除体积的形态的持续估计。外科手术方案通常需要人体的精确测量、各种临床数据、基于之前的外科手术给外科医生的建议以及一模拟过程。使用计算机辅助外科手术(CAS)系统在外科手术中辅助外科医生在本领域中是众所周知的。这种CAS系统在外科手术中被外科医生广泛用于精确定位和外科器械追踪。现有的CAS系统使用术前影像例如接受外科手术患者的不做改变的磁共振成像(MRI)扫描，和/或计算机断层摄影(CT)扫描成像。然而，当一患者在所述外科手术中移动，由于呼吸或在手术中所述外科医生的操作，所述术前CT扫描成像可能无法很好地用作精确定位和外科器械追踪的参考。另外，现有的CAS系统使用标记作登记和校准。所述标记可以是多个光发射器，所述光发射器能够被导航工具检测到来确定一外科器械的位置和方向。然而现有的CAS系统使用标记假设标记和一患者相关的解剖结构的距离是固定的，然而因为患者身体的移动，所述标记和相关的解剖结构之间的距离可能改变，从而使用于追踪外科器械的基于固定标记的计算不精确。另外，现有CAS系统配置的导航工具不能完全避免外科手术中由于手指、手、头和手臂以及外科医生身体其他部位导致的阻塞。例如，如果所述外科医生的身体一部分干扰了成像，那么追踪失败，并且导航停止。因此，所述手术将会减慢或所述手术可能必须在次佳的或是非有利位置进行。另外，在外科手术中，现有CAS系统不能给所述外科医生提供实时和精确的反馈来在外科手术中到达期望的解剖部位。现有外科手术导航系统的另一挑战是恰当运用和校准所述追踪设备以与常规的外科手术器械一起工作所需的时间。例如，提供下述现有技术用作支持性教导，并且通过引用并入。一些实施例试图提供一种用于CAS的系统和方法，在脊柱外科手术期间提供所述脊柱的每个脊椎骨的实时三维追踪，用于指导外科器械导航的动态优化标记，以及在外科手术中用于到达期望解剖部位而给外科医生的实时而精确的反馈。相应地，公开了另一种辅助一外科医生进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种帮助一外科医生终端用户的计算机化系统，所述系统包括：/n一光投影仪配置为将至少一个图案投射到至少一脊柱上，/n多个3D摄像机，当所述脊柱在它们的视野内时，可运行以捕获所述脊柱和图案的3D视频影像；/n一工具跟踪器，又称工具适配器；以及/n一计算机，又称处理器，包括逻辑器，所述逻辑器配置为接收由所述工具跟踪器和所述3D视频影像产生的所述输出工具状态指示，以及使用所述处理器已知的所述图案来追踪所述脊柱的至少一脊椎骨，并且在一外科手术过程中相应地给所述外科医生提供反馈，从而提供对脊椎骨的直接追踪，而不是对附着在所述脊柱上的标记的追踪，/n所述工具追踪器包括:/n一惯性导航子系统(INS)，用以重复计算在脊柱上的一外科手术过程中使用的至少一工具(又称外科手术器械)的一当前方向(又称角度，又称角定向)和一当前位置的一输出工具状态指示，从而提供对所述工具的位置和角度的惯性追踪；以及/n一无线通信模块，可运行以提供所述子系统和所述处理器间的数据通信，所述数据通信包括发送所述输出工具状态指示至所述处理器。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180712 US 62/696,8821.一种帮助一外科医生终端用户的计算机化系统，所述系统包括：
一光投影仪配置为将至少一个图案投射到至少一脊柱上，
多个3D摄像机，当所述脊柱在它们的视野内时，可运行以捕获所述脊柱和图案的3D视频影像；
一工具跟踪器，又称工具适配器；以及
一计算机，又称处理器，包括逻辑器，所述逻辑器配置为接收由所述工具跟踪器和所述3D视频影像产生的所述输出工具状态指示，以及使用所述处理器已知的所述图案来追踪所述脊柱的至少一脊椎骨，并且在一外科手术过程中相应地给所述外科医生提供反馈，从而提供对脊椎骨的直接追踪，而不是对附着在所述脊柱上的标记的追踪，
所述工具追踪器包括:
一惯性导航子系统(INS)，用以重复计算在脊柱上的一外科手术过程中使用的至少一工具(又称外科手术器械)的一当前方向(又称角度，又称角定向)和一当前位置的一输出工具状态指示，从而提供对所述工具的位置和角度的惯性追踪；以及
一无线通信模块，可运行以提供所述子系统和所述处理器间的数据通信，所述数据通信包括发送所述输出工具状态指示至所述处理器。


2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述反馈包括在至少近乎实时地，对关于所述脊柱的至少一部分的至少一所述工具的一当前相对位置和角度的一指示。


3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述反馈包括在一显示屏上呈现给所述外科医生终端用户的视觉反馈，所述显示屏和所述逻辑器进行数据通信。


4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述工具追踪器安装在所述工具上。


5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：提供多个工具追踪器并且安装在多个工具上，从而能够实时追踪多个工具。


6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：用于追踪所述工具的标记是固定在所述工具和/或工具追踪器上的。


7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统还包括一用户界面，通过在所述用户界面上所述外科医生终端用户能够在脊柱上标记至少一要追踪的骨特征，并且其中所标记的所述骨特征用来追踪所述脊柱的至少一部分。


8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述处理器能够访问以数字方式存储的脊椎骨形状的和邻近脊椎骨之间的几何学关系的先验知识，并且其中所述处理器配置为将所述脊柱分割为单独的脊椎骨从而便于追踪所述脊柱的每个单独的脊椎骨。


9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述工具追踪器向所述外科医生终端用户呈现由所述处理器产生的且通过所述通信模块发送到所述工具追踪器的视觉反馈，所述视觉反馈指示如何改变所述工具的当前角定向，具有包括至少一所述工具的位置，角定位和深度的反馈，从而提供所述反馈给所述外科医生终端用户，而不需要所述外科医生终端用户从外科手术区中转移目光去看一个远离所述外科手术区的屏幕。


10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：至少一LED安装在所述工具...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃雷兹·兰佩特，欧弗·金洛特，
申请(专利权)人：深度健康有限责任公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL