本发明专利技术提供了用于对外科手术程序进行自动化路径规划，使得从一系列潜在选择中选择最佳入路的系统和方法。该系统被配置为使用机器人外科手术系统从选择皮肤进入点开始规划和执行到外科手术部位的入径。这些方法选择最佳外科手术入路并规划用于机器人地执行选定的外科手术程序的物理路径。路径寻找方法使用术前MRI或CT图像和计算机视觉或其他图像处理方法来识别特定器官和组织。该方法然后向限定组织可压缩性、穿透性、柔性和其他特性的各种参数分配值。该系统然后规划最佳路径，以便以最小的组织损伤危险和最大的患者安全到达外科手术目标区域，并且编码该信息以供机器人系统执行。执行。执行。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】comparison of interbody fusion options including PLIF,TLIF,MI
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TLIF,OLIF/ATP,LLIF and ALIF)”.RJ Mobbs,K Phan,GMalham,K Seex和PJ Rao.《脊柱外科手术杂志(J Spine Surg.)》2015年12月；1(1):2
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18.doi:10.3978/j.issn.2414
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469X.2015.10.05；
[0008]“基于概率路线图和强化学习的外科手术机器人自动化路径规划(Path Planning for Automation of Surgery Robot based on Probabilistic Roadmap and Reinforcement Learning)”,D Baek,M Hwang,H Kim和DS Kwon,于2018年6月在第15届国际泛在机器人会议(the15th International Conference on Ubiquitous Robots)上发表。
技术实现思路
[0009]本公开的各实施方案总体上涉及规划待植入的外科手术器械或硬件的机器人控制插入的方法。尽管该方法适用于任何外科手术干预区域，但是这些实施方案使用脊柱外科手术的示例来说明所提出的方法和技术，脊柱外科手术由于外科手术部位的入径以及靠近手术部位的器官(诸如脊髓、脊神经和附近的主要血管)的灵敏度的问题而成为特别复杂的领域。
[0010]在过去的几十年里，已经获得了大量关于椎间体融合的各种入路的成功的临床数据。个别外科医生通常选择他们最熟悉的方法。基于多种因素，诸如待融合的椎骨水平、体型、年龄和其他临床因素，一些入路可能更适合于给定类型的患者。对于各种入路，患者需要以仰卧取向定位在手术台上；对于其他入路，患者以侧卧位或俯卧位来定位。一旦选择了特定入路并且手术正在进行，则即使并非不可能，也难以改变程序的类型。因此，术前最佳入路的选择是重要的。因此，使用于选择用于脊柱融合的最佳技术的方法自动化将是有益的，使得选定的特定入路和从起点至目标区域的独特路径将被选择以实现针对给定患者的最佳可能结果，而不管外科医生的个体经验和技能如何。为了做出该确定，人工智能(AI)算法可以应用于多个数据源，包括例如来自先前手术的临床结果、来自患者的临床数据以及其他导出和计算的结果。这些临床数据可以从保险数据库、健康组织或其他来源编译。来自AI分析的经处理的数据可以通过云应用编程接口存储在可用存储装置中，诸如云中，以供系统在分析来自新患者的数据时访问，以便确定最佳外科手术入路和针对程序的规划。
[0011]该系统能够观察工具在其从皮肤上的进入点到椎骨上或椎骨之间的目标点的路径上所穿过的组织，并且识别允许哪些组织移动并且具有多少压力、哪些组织不应该移动或甚至触摸、哪些组织对于切割或甚至移除是安全的以及多少组织是可移除的。这些确定是使用AI算法进行的，如在下文详细描述中进一步详述的。在一个示例性实施方式中，该系统用于规划用于椎间体插入的手术。如在
技术介绍
部分中提及的，存在用于插入人工椎间盘或椎间体的若干解剖学入路。这些方法包括从前路、外侧或后路解剖学入路进入脊柱。这些入路中的一些入路需要移除椎板或椎小面，以便找到插入椎间体的路径。因此，系统需要规划去除多少骨是必要且安全的，以便能够插入椎间体。而且，如果在手术过程期间，椎体的位置相对于彼此或相对于跟踪系统移位，则系统必须考虑此移位，以便确定是否以及如何改变工具和待插入的椎间体的位置。最佳路径不一定是线性的。在机器人学领域中，寻找用于椎间体插入的最佳路径涉及用于规划穿过障碍物或障碍的环境的运动的算法的使用，这将否定简单的直接插入运动的使用。此类算法被称为导航问题或钢琴移动器的问题，用
于找到将机器人末端执行器从身体外部的来源通过具有障碍物的环境移动到其在椎间盘空间中的目的地的一系列有效步骤。在此情况下，要解决的问题是插入由末端执行器或外科手术工具保持和操纵的椎间体。
[0012]在规划外科手术程序时，规划必须考虑待去除的脊柱椎板或椎弓根的量，以便允许椎间体插入在椎体之间。由于去除骨使脊柱弱化，因此除了简化椎间体插入的容易性之外，还必须考虑多种因素来确定可去除骨的数量和位置。
[0013]在规划工具或器械路径的规划阶段期间，需要考虑两个主要因素。第一个因素是脊柱以及在椎间体插入的部位处必须去除多少骨(如果有的话)。第二个因素是要采取的入路。取决于许多因素，诸如待融合的椎骨水平、患者的并发医疗病状、具有粘连的先前腹部外科手术、解剖学畸变或脊椎前移，五种通常已知的腰椎椎间体融合入路中的每种腰椎椎间体融合入路都具有优点和缺点。需要进入椎间盘空间的脊柱外科手术的已知入路可以分为两个主要类别：前路，其通过腹部的软组织进入脊柱并且直接到达椎间空间；和后路，其需要解剖后脊柱旁肌肉并去除椎板和/或棘突以进入椎间盘空间。在本公开中公开的方法和系统的实施方式涉及规划从前路方向进入，而在共同未决的美国临时申请63/106,047号“椎间体插入的3维规划(3
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Dimensional Planning of Interbody Insertion)”中公开了规划从后路方向进入，该美国临时申请与本专利技术申请具有共同的专利技术人并且通过引用并入。
[0014]在前路入路中，外科医生应当进行分割分析以知道哪些组织可以被移动以及哪些组织不能被移动、哪些组织可以被移除或切割以及哪些组织不能被移除或切割。对于每个组织，系统应当学习可以在每个组织上执行的允许的程序以及如何执行该程序。该系统通过术前编程和通过术中探索来学习每个组织。对于术前阶段，用已知参数，诸如密度、脆性、血管分布、对生命的重要性、可移动性和其他因素识别和标记每个组织。该系统计算分数，该分数确定组织是否可以被移动、切割、戳刺、缩回等以及可以被移动、切割、戳刺、收缩等的程度，如在上述共同未决的美国临时申请63/106,047号“椎间体插入的3维规划”中进一步讨论的，该美国临时申请转让给本专利技术申请人。
[0015]本公开的一个或多个方面的细节在以下附图和描述中阐述。应当理解，在本公开中揭示的方法的范围适用于许多类型的外科手术路径规划，包括至少腹腔和胸腔的手术，以及需要深层组织解剖和小心避免通过直接和开放观察或通过内窥镜照相不可见的关键结构(诸如颈部、咽喉和颅底)的程序。因此，详细地描述了一个示例性实施方式，特别是关于规划用于脊柱椎间体融合的最佳外科手术入路，其中简要提出了其他可能性。根据说明书和附图以及权利要求，这些技术的另外的特征、目标和优点将是显而易见的。
[0016]因此，根据本公开中描述的装置的示例性实施方式，提供了一种用于自动规划穿过组织到达受试者的脊柱中的外科手术目标的工具路径的方法，该方法包括：(a)对到达该外科手术目标的可能路径的区域的一组三维医疗图像执行图像分割，以限定位于这些可能路径的该区域中的组织的边界；(b)为从进入点到该外科手术目标的第一所规划本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于规划用于在受试者的脊柱上的外科手术程序的机器人执行的安全路径的系统，所述系统包括：至少一个处理器，所述至少一个处理器执行存储在至少一个非暂时性存储介质上的指令，以使所述至少一个处理器：a)访问含有在参考群体中的患者的脊柱上的外科手术程序的结果的分析的数据库；b)使用在具有与所述受试者的临床概况类似的临床概况的患者的所述数据库中访问的所述结果，选择最有可能产生针对所述受试者的期望结果的所述外科手术程序；c)从一组已知的外科手术入路中选择预期对于执行选定的外科手术程序而言是最佳的外科手术入路；以及d)使用注释有选定的外科手术入路的区域中的组织的预定组织可遍历性的分割的三维图像集，规划用于至少一个外科手术工具到所述脊柱的机器人入径的路径，以执行所述选定的外科手术程序，其中最佳的所规划的路径是使所述至少一个外科手术工具与具有不利的可遍历性数据的组织的交互最小化的路径。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述预定组织可遍历性数据的数据是从包括科学文献、先前外科手术程序中的组织性质的记录和实验数据中的至少一些的来源收集的。3.根据权利要求1中任一项所述的系统，其中所述组织可遍历性数据包括关于已知组织性质的信息，所述已知组织性质包括密度、脆性、血管分布、可移除性、可压缩性、对生命的重要性、可移动性、囊膜或筋膜脆性、或穿透的相对风险中的至少一些。4.根据权利要求1中任一项所述的系统，其中根据所述已知组织性质的组合向所述组织可遍历性分配权重。5.根据权利要求4所述的系统，其中组合在所规划的路径中遇到的所述组织的所述权重以生成所述路径的分数，使得具有最有利分数的路径被选择为所述最佳路径。6.根据权利要求1中任一项所述的系统，其中所规划的路径被选择为实现以下中的至少一者：a)提供进入外科手术部位的足够入径的能力，b)到达所述部位的最短操作时间，或c)所述患者耐受所述外科手术程序的要求的能力。7.根据权利要求1中任一项所述的系统，其中所述数据库数据是根据所使用的外科手术入路和所述患者的所述临床概况来分类的，并且其中所述临床概况包括年龄、性别、BMI、并发骨疾病、共存医疗病状、椎间盘疾病水平或临床风险指数中的至少一些。8.根据权利要求1中任一项所述的系统，其中如果椎间盘移除被指示用于所述选定的外科手术入路，则所述脊柱上的所述外科手术程序包括人工椎间盘置换或具有椎间体插入的脊柱融合中的一者。9.一种用于在受试者上使用预选的外科手术入路以实现对规划的程序路径的机器人执行的系统，所述系统包括：a)至少一个处理器，所述至少一个处理器执行存储在至少一个非暂时性存储介质上的指令，以使所述至少一个处理器在所述受试者上实施对所述规划的程序路径的机器人执行；b)存储器，所述存储器包括所述规划的程序路径和组织可遍历性数据，所述组织可遍历性数据指示与沿着所述规划的路径的每个特定组织交互的风险；和
c)至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为向所述处理器提供输入，以在术中更新所...
【专利技术属性】
技术研发人员：I，
申请(专利权)人：马佐尔机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：
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