專利名稱：用于交互式經(jīng)皮術(shù)前手術(shù)規(guī)劃的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于醫(yī)學(xué)影像處理的方法和系統(tǒng)，以及結(jié)合本發(fā)明的方法和系統(tǒng)。更 具體地講，本發(fā)明涉及用于交互式醫(yī)學(xué)影像處理的方法和系統(tǒng)，以及結(jié)合本發(fā)明的方法和 系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域取得的進(jìn)步，使得用于消融肝腫瘤的微創(chuàng)技術(shù)成為可能。在 所述微創(chuàng)技術(shù)中，經(jīng)皮熱消融有不同的方式。目前，經(jīng)皮射頻消融是用于治療肝癌的最有希 望替代開放手術(shù)的一種方案。該手術(shù)是微創(chuàng)手術(shù)，其中針刺入被熱能破壞的目標(biāo)組織。該 模式被引入用于治療不可手術(shù)切除的肝轉(zhuǎn)移患者。所述手術(shù)的成功很大程度上取決于針刺 的準(zhǔn)確性，因?yàn)楫?dāng)針刺準(zhǔn)確時(shí)，破壞整個(gè)腫瘤而不損害鄰近器官是可能的，從而使局部復(fù)發(fā) 的風(fēng)險(xiǎn)減到最小。為了確保準(zhǔn)確性，通常進(jìn)行術(shù)前治療規(guī)劃，這是避免并發(fā)癥乃至死亡的關(guān) 鍵因素之一。傳統(tǒng)上，進(jìn)行術(shù)前治療規(guī)劃的放射科醫(yī)師依靠2D掃描切片的影像來(lái)確定針的定 位。遺憾的是，當(dāng)僅依靠2D掃描切片時(shí)，這使得規(guī)劃所述治療方案相當(dāng)困難。因此，需要一 種解決方案，可用于輔助醫(yī)務(wù)人員以更可靠和準(zhǔn)確的方式進(jìn)行術(shù)前治療規(guī)劃。


本文所要求和/或描述的發(fā)明以示例性實(shí)施例的形式進(jìn)一步進(jìn)行說(shuō)明。這些示例 性實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。這些實(shí)施例是非限定性的示例實(shí)施例，其中類似的附圖 標(biāo)記在附圖的若干視圖中表示類似的結(jié)構(gòu)，并且其中圖1 (a)示出了其中包含有3D對(duì)象的三維(3D)體；圖1 (b)示出了在3D坐標(biāo)系中顯示的包含3D對(duì)象的3D體；圖1(c)示出了在3D坐標(biāo)系中以不透明模式顯示的3D體；圖2 (a)示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一 3D場(chǎng)景，所述3D場(chǎng)景中顯示有3D對(duì) 象，并且3D場(chǎng)景中指定有用于設(shè)置虛擬探針的3D點(diǎn)；圖2 (b)示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一 3D場(chǎng)景，所述3D場(chǎng)景中顯示有多個(gè)3D 對(duì)象，并且在鄰近一對(duì)象的指定3D點(diǎn)處設(shè)置可移動(dòng)和可調(diào)節(jié)探針；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的可移動(dòng)和可調(diào)節(jié)探針的示例性結(jié)構(gòu)；圖4(a)_4(c)示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，與虛擬探針的可移動(dòng)和可調(diào)節(jié)特征相關(guān)的不同變化形式；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，設(shè)置在3D體中的多個(gè)探針；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，設(shè)置在3D對(duì)象附近的探針，其中3D對(duì)象的 2D截面視圖位于探針的特定位置以示出探針附近的解剖體結(jié)構(gòu)；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，用戶可以通過(guò)沿探針滑動(dòng)截面視圖來(lái)動(dòng)態(tài) 調(diào)節(jié)解剖體結(jié)構(gòu)的視圖的場(chǎng)景；圖8(a)示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，檢測(cè)探針遇到的障礙物的構(gòu)思；圖8(b)示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，生成檢測(cè)到障礙物的警告的示例方式；圖9示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，顯示用于設(shè)置探針的不同區(qū)域的示例方式；圖10是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例程序的流程圖，其中根據(jù)由用戶指定的可 選條件設(shè)置、操縱和顯示虛擬探針；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，經(jīng)皮術(shù)前規(guī)劃中手術(shù)控制的示例類型；圖12示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例系統(tǒng)構(gòu)造，所述系統(tǒng)便于在3D環(huán)境中 實(shí)現(xiàn)虛擬探針的3D設(shè)置和操縱。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種方法和系統(tǒng)，便于交互式地將針或探針設(shè)置在三維(3D)體(對(duì) 象)內(nèi)的目標(biāo)位置處，可能與附近支撐解剖體結(jié)構(gòu)一起顯示在電腦屏幕上的3D空間中。所 述的方法和系統(tǒng)可以應(yīng)用于經(jīng)皮手術(shù)(例如射頻消融)的術(shù)前規(guī)劃，以輔助醫(yī)務(wù)人員更好 地準(zhǔn)備準(zhǔn)確的進(jìn)針點(diǎn)或行進(jìn)路徑，以使醫(yī)務(wù)人員能夠觀察與進(jìn)針點(diǎn)或沿路徑相關(guān)的任何潛 在可能的并發(fā)癥或難點(diǎn)。三維影像重建允許更直觀的3D顯示患者的解剖體結(jié)構(gòu)，并且使術(shù) 前治療規(guī)劃更切實(shí)和更準(zhǔn)確。本文還描述了不同的輔助裝置，用于增強(qiáng)顯示器官、探針和周 圍解剖體結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系。圖1(a)示出了三維場(chǎng)景，其中3D體100中顯示有三維對(duì) 象。如圖所示，3D體100已被分割成若干個(gè)對(duì)象101-a、101-b、...、101-c和102。這些對(duì) 象可對(duì)應(yīng)于肝臟、病灶、骨骼、動(dòng)脈、重要器官或皮膚(如，102)。每個(gè)3D對(duì)象可對(duì)應(yīng)于3D 體100中的子3D體。3D體100可以在2D顯示屏如電腦顯示屏上顯示。所述顯示可以在明 確定義的3D坐標(biāo)系中進(jìn)行。這在圖1(b)中示出，其中3D體100在由具有三個(gè)坐標(biāo)軸X、Y 和Z的坐標(biāo)系120定義的3D空間中顯示。3D體100可以在2D顯示屏上相對(duì)于3D坐標(biāo)系 120呈一特定3D姿態(tài)顯示，所述姿態(tài)包括其幾何位置和定向。在一些實(shí)施例中，3D體100可以沿某個(gè)3D方向被切成多個(gè)2D切片，以使每個(gè)切片 提供3D體100沿某個(gè)方向的2D影像。為了便于有效地3D顯示，這些2D切片可以設(shè)置在 該3D場(chǎng)景中，以使得觀察者能夠觀察在平面表面上有可能存在的不同對(duì)象的組合。通過(guò)這 種方式，能夠觀察不同分割的3D對(duì)象間的空間關(guān)系。該構(gòu)思披露于美國(guó)專利號(hào)7，315，304， 名稱為 “Multiple Volume ExplorationSystem and Method (多體探查系統(tǒng)和方法)，，。用戶可以通過(guò)不同的方式操縱3D體100的顯示。例如，整個(gè)3D體可以相對(duì)于3D 坐標(biāo)系120進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和平移。這有利于用戶從不同角度觀察不同對(duì)象間的空間關(guān)系。此 外，可以單獨(dú)操縱每個(gè)分割對(duì)象的顯示，例如，可以使3D對(duì)象可見或不可見，以便用戶可以 看到被選定的3D對(duì)象遮蔽的3D體的區(qū)域。這可以通過(guò)調(diào)節(jié)所述選定3D對(duì)象的透明度來(lái) 實(shí)現(xiàn)。當(dāng)選定的3D對(duì)象變得完全透明或高度半透明，可使被選定的3D對(duì)象遮蔽的對(duì)象變得更明顯可見。在一些實(shí)施例中，3D對(duì)象目標(biāo)可以是不透明的，并且當(dāng)該對(duì)象的其它2D切 片也顯示時(shí)，可以更清楚地觀察到3D對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)3D對(duì)象對(duì)應(yīng)人體皮膚，當(dāng) 用戶選擇在透明模式顯示皮膚時(shí)，可以看到皮膚結(jié)構(gòu)內(nèi)的所有對(duì)象。另一方面，如果用戶選 擇在不透明模式顯示皮膚，則不會(huì)看到包裹在皮膚內(nèi)的3D對(duì)象。這在圖1(c)中示出，其中 皮膚對(duì)象102以不透明模式103顯示，并且皮膚內(nèi)部的對(duì)象是不可見的。在一些實(shí)施例中， 透明度可以逐步和交互式地調(diào)節(jié)，以滿足用戶的需要。圖2(a)示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三維場(chǎng)景300，所述三維場(chǎng)景300中顯示 有三維對(duì)象和指定的3D位置。為執(zhí)行經(jīng)皮術(shù)前手術(shù)規(guī)劃，用戶可以交互式地與按照本發(fā)明 開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行交互，以指定要設(shè)置虛擬探針的3D位置。這在圖2(a)中示出，其中3D位 置201根據(jù)，例如，顯示屏上指定的2D位置進(jìn)行確定。所述指定可以通過(guò)各種已知技術(shù)實(shí) 現(xiàn)，例如在顯示屏上進(jìn)行鼠標(biāo)點(diǎn)擊。通過(guò)，例如，鼠標(biāo)點(diǎn)擊而確定的屏幕點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于根據(jù)當(dāng) 前顯示屏定義的2D坐標(biāo)系的2D坐標(biāo)。所述2D坐標(biāo)需要轉(zhuǎn)換成3D場(chǎng)景300中的3D坐標(biāo) 點(diǎn)，這可以通過(guò)經(jīng)由轉(zhuǎn)換將2D坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成3D坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述2D坐標(biāo)可以相對(duì)于3D場(chǎng) 景中的3D對(duì)象(例如，皮膚102)進(jìn)行選擇，并且轉(zhuǎn)換的3D位置可對(duì)應(yīng)于3D對(duì)象上的3D 位置，在該3D位置處要虛擬設(shè)置虛擬探針或針，以便在經(jīng)皮術(shù)前手術(shù)規(guī)劃程序中模擬經(jīng)皮 手術(shù)的效果。圖2(b)示出了一旦確定了對(duì)應(yīng)于顯示屏上選定2D點(diǎn)的3D坐標(biāo)，虛擬探針或針 204可以虛擬設(shè)置在3D空間300中的3D坐標(biāo)位置。虛擬探針或針204可以是直形或需要 的任何其它形狀，如圖3所示。在一些實(shí)施例中，虛擬探針可以構(gòu)造為具有頂端301、主體 302和柄303。頂端301是虛擬探針204放置在3D對(duì)象(如，圖2 (b)中的對(duì)象102)上的 地方。通過(guò)適當(dāng)?shù)慕缑婧凸ぞ?見下文結(jié)合圖8的說(shuō)明)，用戶可以通過(guò)探針的特定部位， 如主體302或柄303，操縱虛擬探針的運(yùn)動(dòng)。例如，在肝病的經(jīng)皮術(shù)前手術(shù)規(guī)劃中，病灶可被 選定為3D對(duì)象，所述3D對(duì)象處要設(shè)置虛擬探針(例如，對(duì)象101-a)，并且虛擬探針和人體 皮膚相交的點(diǎn)是實(shí)際手術(shù)中可能需要設(shè)置針的位置。一旦插入，可以對(duì)虛擬探針進(jìn)行調(diào)節(jié)。這可以通過(guò)允許用戶使用工具(如，在圖形 用戶界面GUI中，利用拖拉動(dòng)作)根據(jù)需要移動(dòng)虛擬探針的不同部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，用戶可 被允許拖曳探針的頂端301并拉至希望的3D位置。用戶還可被允許抓住探針的主體302 并拖曳它以便探針的頂端保持不變。類似地，用戶可被允許拖曳探針的柄303并四處移動(dòng)。 在其它實(shí)施例中，用戶可被允許通過(guò)拖曳主體302或柄303來(lái)移動(dòng)頂端。當(dāng)創(chuàng)建了虛擬探針，它可能具有某個(gè)長(zhǎng)度并且所述長(zhǎng)度可以隨探針顯示(見圖 4(a))。探針長(zhǎng)度可以是動(dòng)態(tài)的或固定的。固定長(zhǎng)度的探針可用于模擬商用針電極系統(tǒng)，所 述針電極系統(tǒng)通常的長(zhǎng)度為10cm、15cm和20cm?？梢垣@得不同的長(zhǎng)度，并且用戶可選擇任 一可用的長(zhǎng)度。就在術(shù)前規(guī)劃中具有更逼真的模擬而言，使用固定長(zhǎng)度探針的設(shè)置可能是有幫助 的。當(dāng)探針被設(shè)置成具有固定長(zhǎng)度時(shí)，探針的移動(dòng)可以相應(yīng)地確定。例如，當(dāng)探針的長(zhǎng)度固 定時(shí)，探針的運(yùn)動(dòng)可局限于皮膚102，或者局限于探針頂端的半球。這在圖4(c)中示出。不 過(guò)，當(dāng)用戶為探針選擇不同的長(zhǎng)度時(shí)，探針?biāo)试S移動(dòng)的范圍可相應(yīng)或自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)。在一些實(shí)施例中，探針的長(zhǎng)度可以是動(dòng)態(tài)的。用戶可以使用具有如圖4(b)所示動(dòng) 態(tài)長(zhǎng)度的探針。具有動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度的探針的運(yùn)動(dòng)范圍可以相對(duì)于探針頂端進(jìn)行限定。在這種情況，探針的移動(dòng)可被限制在，例如皮膚表面上。當(dāng)操縱探針時(shí)，相對(duì)于坐標(biāo)系(例如患者坐 標(biāo)系)的探針角度可實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。在一些實(shí)施例中，可以設(shè)置多于一個(gè)探針。圖5示出了兩個(gè)探針510和520被設(shè) 置在選定對(duì)象的相同3D位置上。這有助于向用戶提供同時(shí)用多于一個(gè)探針進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的能 力，并且使得對(duì)在相同治療方案上使用多個(gè)探針的可能性及其效果進(jìn)行評(píng)估成為可能。本發(fā)明的系統(tǒng)還可提供允許用戶沿著已設(shè)置的探針來(lái)觀察3D對(duì)象的解剖結(jié)構(gòu)的 方法。在圖6中，提供了正交探針視圖620，它對(duì)應(yīng)于3D對(duì)象601的2D切片影像。該2D 切片影像可以是居中于探針并正交于探針的視圖。通過(guò)該視圖，用戶可以看到在二維影像 視圖中什么結(jié)構(gòu)被探針穿過(guò)。還可允許用戶通過(guò)沿探針主體拖曳來(lái)沿著探針上下移動(dòng)視平 面，如圖7所示。用戶還可以激活自動(dòng)移動(dòng)功能，以便探針視圖可以根據(jù)特定時(shí)間間隔沿探 針自動(dòng)上下移動(dòng)。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，檢測(cè)探針遇到障礙物的構(gòu)思。在一些醫(yī)學(xué) 應(yīng)用中，實(shí)際或物理探針不能穿過(guò)人體的某些部分，例如骨骼、重要器官或主動(dòng)脈。人體的 所述部分可被歸類定義為障礙物或禁止部分。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)探針與人體的所述部分相交 時(shí)，提供了機(jī)制和方法來(lái)自動(dòng)檢測(cè)碰撞。本發(fā)明的系統(tǒng)可定義默認(rèn)障礙物或禁止部分。在 一些實(shí)施例中，它還可以提供靈活的方法，使用戶可以根據(jù)特定應(yīng)用的需要?jiǎng)討B(tài)定義所述 障礙物。例如，在一些應(yīng)用中，骨骼可以是障礙物。不過(guò)，在其它應(yīng)用中，骨骼可以是需要設(shè) 置探針的目標(biāo)區(qū)域。當(dāng)定義了障礙物，系統(tǒng)在探針設(shè)置于3D場(chǎng)景中時(shí)可提供自動(dòng)碰撞檢測(cè)能力。在圖 8(a)中，示出了無(wú)論何時(shí)設(shè)置探針，可以自動(dòng)應(yīng)用碰撞檢測(cè)。當(dāng)用戶四處移動(dòng)探針時(shí)，無(wú)論 何時(shí)探針撞到任何定義的障礙物，系統(tǒng)可以警示用戶。警示用戶的示例方式是形成警示視 覺效果，例如利用可視刺激色，或產(chǎn)生音頻聲響。這在圖8(b)中示出。所述反饋是要產(chǎn)生 警告效果，以引起用戶的注意。對(duì)于不同的障礙物，可使用不同的顏色或聲響，以便用戶可 以通過(guò)各個(gè)不同的警告來(lái)識(shí)別障礙物的類型。也可以設(shè)計(jì)音頻反饋，以便口頭表示所遇到 障礙物的類型。在一些實(shí)施例中，可以單獨(dú)開啟或關(guān)閉障礙物，以便用戶在移動(dòng)和插入探針時(shí)可 以對(duì)不同的場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和探查。一旦有禁止探針進(jìn)入的障礙物或區(qū)域，還可在3D場(chǎng)景中標(biāo)識(shí)所述區(qū)域?yàn)樘结槻?能進(jìn)入的區(qū)域。例如，在一些程序中，骨骼可被視為是障礙物。此外，主動(dòng)脈也可能被認(rèn)為 是限制或禁止的區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，可提供自動(dòng)識(shí)別這些限制區(qū)域并對(duì)應(yīng)所述禁止區(qū)域就 此在皮膚表面上進(jìn)行標(biāo)記的方法。這在圖9中示出，其中皮膚表面標(biāo)記為兩個(gè)區(qū)域。一個(gè) 對(duì)應(yīng)于探針903可以進(jìn)入的區(qū)域901，而另一個(gè)區(qū)域902是探針903不允許進(jìn)入的區(qū)域。所 述區(qū)域相對(duì)于特定目標(biāo)位置進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)于皮膚內(nèi)的目標(biāo)對(duì)象，在該處通過(guò)實(shí)際針傳遞 治療。由此，區(qū)域901是有效的插入?yún)^(qū)域，該區(qū)域是探針903可以到達(dá)目標(biāo)對(duì)象的目標(biāo)位置 而不會(huì)遇到任何障礙物或限制的區(qū)域。另一區(qū)域902是探針受到一些障礙物或限制阻擋的 區(qū)域。不同的區(qū)域可以利用不同的視覺效果顯示，例如利用不同的顏色或通過(guò)不同的外觀， 如透明度。圖10是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性進(jìn)程的高級(jí)流程，其中執(zhí)行了經(jīng)皮術(shù)前 規(guī)劃程序。在步驟1010，體數(shù)據(jù)首先被載入系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，所述載入的體數(shù)據(jù)在步驟1010可以進(jìn)一步被處理，以提取不同的分割3D對(duì)象。在一些實(shí)施例中，載入的數(shù)據(jù)可 能已在先前被分割，因此一個(gè)或多個(gè)3D對(duì)象可能已經(jīng)存在。一旦載入，在步驟1015，3D體 和其中包含的3D對(duì)象顯示在3D場(chǎng)景中。在3D體和3D對(duì)象在顯示屏上顯示后，用戶可以 輸入指令以便在經(jīng)皮術(shù)前規(guī)劃過(guò)程中與系統(tǒng)進(jìn)行交互。用戶的輸入可以通過(guò)不同的方式發(fā) 出。例如，輸入可以與動(dòng)作相關(guān)，例如鼠標(biāo)點(diǎn)擊在某些控制按鈕上或?qū)Χ鄠€(gè)可用選項(xiàng)進(jìn)行選 擇。所述用戶輸入可以根據(jù)輸入的特性或一些預(yù)設(shè)系統(tǒng)設(shè)置被發(fā)送至相關(guān)的動(dòng)作模 塊。當(dāng)系統(tǒng)收到輸入時(shí)，在步驟1020解釋所述輸入?？梢杂胁煌愋偷妮斎?。一種示例類 型的輸入與定義相關(guān)，例如3D體中的目標(biāo)對(duì)象、障礙物或禁止區(qū)域的定義。另一示例類型 的輸入是在經(jīng)皮術(shù)前規(guī)劃的過(guò)程中與插入、操縱和顯示不同的3D對(duì)象相關(guān)的指令。關(guān)于定義不同類型的對(duì)象，根據(jù)特定程序的性質(zhì)，可以定義不同的目標(biāo)對(duì)象。例 如，對(duì)于治療肝腫瘤的程序，肝臟中的病灶可被識(shí)別為目標(biāo)對(duì)象。對(duì)于每個(gè)程序，還可以定 義不同類型的障礙物。障礙物可被定義為探針不能穿過(guò)的對(duì)象。所述障礙物的一個(gè)示例是 骨骼。不過(guò)，如果不同的程序要求探針進(jìn)入骨骼結(jié)構(gòu)，骨骼可被定義為目標(biāo)而非障礙物。另 一示例類型的對(duì)象是禁止區(qū)域，它可被定義為如果探針進(jìn)入可能造成傷害的區(qū)域。例如，用 戶可選定肝臟周圍的一個(gè)或多個(gè)主動(dòng)脈作為禁止探針進(jìn)入的禁止區(qū)域。在本例中，為了允 許探針進(jìn)入肝臟內(nèi)的病灶，探針必須采用避開骨骼和主動(dòng)脈的路徑?？梢愿鶕?jù)多個(gè)選項(xiàng)對(duì)目標(biāo)對(duì)象、障礙物或禁止區(qū)域進(jìn)行選擇，所述選項(xiàng)可對(duì)應(yīng)于 所有的分割3D對(duì)象。例如，表示人體的3D體中的分割對(duì)象可以包括皮膚、肝臟、胰臟、腎 臟、某些器官內(nèi)部或附近的病灶、周圍組織、骨骼、血管等。根據(jù)要執(zhí)行的程序，與例如肝臟 相關(guān)的病灶可被選定為目標(biāo)對(duì)象。根據(jù)要執(zhí)行的特定治療方案，可以選定不同的障礙物或 禁止區(qū)域。例如，對(duì)于經(jīng)皮治療法，骨骼可被選定為障礙物，而主要血管可被選定為禁止區(qū) 域。一旦所述選擇被解釋，系統(tǒng)將所述定義發(fā)送至在1055的碰撞檢測(cè)操作，它利用所述信 息自動(dòng)檢測(cè)探針何時(shí)遇到或進(jìn)入所述對(duì)象。如上所述，另一類型的輸入對(duì)應(yīng)與插入、操縱和顯示不同的3D對(duì)象相關(guān)的指令。 不同類型的指令可被進(jìn)一步識(shí)別。如果在步驟1025確定輸入指令與虛擬探針的插入有關(guān)， 在步驟1030系統(tǒng)進(jìn)一步接收2D坐標(biāo)，所述2D坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于由用戶指定探針要到達(dá)的屏幕位 置。為了將2D屏幕位置轉(zhuǎn)換成探針要到達(dá)位置的3D坐標(biāo)，在步驟1035執(zhí)行2D坐標(biāo)和3D 坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換。由于所收到的2D坐標(biāo)可對(duì)應(yīng)于用戶想要插入新探針或?qū)σ巡迦氲奶结樳M(jìn) 行調(diào)整，在步驟1040進(jìn)一步確定，所請(qǐng)求的操作是對(duì)應(yīng)于創(chuàng)建新探針還是調(diào)整現(xiàn)有探針。如果用戶的請(qǐng)求是插入新探針，在步驟1045，系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換后的3D坐標(biāo)顯示新探 針。程序隨后進(jìn)行到步驟1055，檢測(cè)探針和被定義為障礙物或禁止區(qū)域的任意其它對(duì)象之 間的潛在碰撞。如果用戶的請(qǐng)求是對(duì)現(xiàn)有的探針進(jìn)行調(diào)整，在步驟1050，系統(tǒng)將現(xiàn)有的探 針調(diào)整到轉(zhuǎn)換后的3D坐標(biāo)并隨后進(jìn)行到步驟1055的碰撞檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到碰撞時(shí)，在步驟 1060，系統(tǒng)可以生成警告信息，以便警告用戶探針可能遇到某些障礙物或進(jìn)入禁止區(qū)域。生 成和呈現(xiàn)警告信息的方式可取決于系統(tǒng)設(shè)置。例如，系統(tǒng)可默認(rèn)為在檢測(cè)到碰撞的位置上 進(jìn)行閃爍(見圖8(b))。當(dāng)存在多個(gè)現(xiàn)有探針時(shí)，可以執(zhí)行另一步驟(未示出)，其中用戶和系統(tǒng)可交互 式地確定要調(diào)整哪個(gè)探針。此外，從用戶接收到的2D坐標(biāo)可對(duì)應(yīng)于有關(guān)探針的頂端、主體或柄的操縱，這取決于，例如，什么是最接近的部位和系統(tǒng)被設(shè)置在何種操作模式下(未示 出)。例如，如果系統(tǒng)設(shè)置在利用探針柄操縱探針的模式，則由接收自用戶的2D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的 3D坐標(biāo)是探針柄要重新定位的位置。如果選擇探針具有固定長(zhǎng)度，則3D坐標(biāo)還需要根據(jù) 探針柄必須位于圍繞探針頂端居中的球體上這一事實(shí)進(jìn)行確定。用戶也可以在不同操作模 式間進(jìn)行切換。例如，用戶可以通過(guò)操縱探針的頂端首先選擇將探針頂端調(diào)整到最佳位置。 一旦頂端位置滿足程序的需要，用戶可以隨后切換至通過(guò)探針柄來(lái)操縱探針的模式。通過(guò) 所述經(jīng)由探針柄的操縱，用戶可以調(diào)節(jié)探針在皮膚上的進(jìn)入點(diǎn)，而不會(huì)影響頂端位置，以避 開任何障礙物或禁止區(qū)域。如果在步驟1025確定輸入指令與3D場(chǎng)景操縱相關(guān)，系統(tǒng)運(yùn)行至步驟1065，以處理 3D場(chǎng)景操縱。3D場(chǎng)景操縱可以包括面向?qū)ο蟮膱?chǎng)景轉(zhuǎn)動(dòng)、縮放、顯示模式等。在一些實(shí)施例 中，當(dāng)四處移動(dòng)3D場(chǎng)景時(shí)，已插入3D場(chǎng)景的探針可以相應(yīng)地四處移動(dòng)。通過(guò)這種方式，用 戶能夠從不同角度觀察探針和周圍對(duì)象之間的空間關(guān)系。在一些實(shí)施例中，通過(guò)3D操縱， 用戶可以通過(guò)，例如使對(duì)象透明、不透明或半透明，來(lái)操縱單獨(dú)對(duì)象的可見性。在一些情況， 用戶還可以控制沿探針觀察對(duì)象的2D截面視圖，并且可以任意改變2D截面視圖產(chǎn)生和顯 示的位置。在另一個(gè)實(shí)施例中，用戶還能夠經(jīng)由探針通過(guò)，例如，拖曳探針柄以轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)3D 場(chǎng)景，來(lái)操縱3D場(chǎng)景。在一些實(shí)施例中，還可以設(shè)置對(duì)3D場(chǎng)景的操縱不影響探針的3D姿態(tài)。這在有時(shí) 是有用的，因?yàn)橛脩艨梢哉{(diào)整3D體，例如，以便避免碰撞或直到避免碰撞。在這種情況，無(wú) 論何時(shí)改變3D場(chǎng)景(例如，轉(zhuǎn)動(dòng)或平移)，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行至步驟1055，以檢測(cè)碰撞，并且如 果檢測(cè)到碰撞，隨后在步驟1060報(bào)告碰撞。如果在步驟1025確定輸入指令與操作控制相關(guān)，系統(tǒng)運(yùn)行至步驟1070，以執(zhí)行所 指令的控制。可以有不同類型的操作控制。圖11示出了一些示例類型。例如，用戶可以控 制開啟或關(guān)閉虛擬探針的視圖(1120)。用戶還可以控制開啟或關(guān)閉可以視覺區(qū)分與特定限 制相關(guān)的不同區(qū)域的視圖(1130)。用戶還可以控制如何可以，例如在視覺上和聽覺上呈現(xiàn) 碰撞情形。另外，如前所述，用戶還可以控制如何顯示3D對(duì)象，例如，不透明或透明。這包 括控制每個(gè)單獨(dú)對(duì)象或整個(gè)3D場(chǎng)景的顯示。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性系統(tǒng)1200的構(gòu)造，所述系統(tǒng)有利于 在3D環(huán)境中設(shè)置和操縱虛擬探針，用于經(jīng)皮術(shù)前手術(shù)規(guī)劃。系統(tǒng)1200包括顯示設(shè)備1210、 圖形用戶界面1215、2D/3D轉(zhuǎn)換機(jī)制1220、控制面板輔助器1225、探針處理模塊1230、碰撞 檢測(cè)模塊1235、多個(gè)顯示機(jī)制，包括探針視圖顯示機(jī)制1240、限制區(qū)域顯示機(jī)制1245、探針 顯示機(jī)制1250，和3D場(chǎng)景顯示機(jī)制1255，3D對(duì)象管理模塊1260、探針視圖操縱模塊1265、 限制區(qū)域計(jì)算模塊1270，和3D場(chǎng)景操縱機(jī)制1275。用戶1205可以通過(guò)顯示在顯示設(shè)備1210上的用戶界面與系統(tǒng)1200進(jìn)行交互。 ⑶I控制器1215可以控制系統(tǒng)1200和用戶1205之間的交互。在設(shè)置3D場(chǎng)景后如果用戶 1205希望使用與虛擬探針相關(guān)的工具，用戶可以請(qǐng)求系統(tǒng)從3D對(duì)象管理模塊1260取回3D 對(duì)象信息，并且通過(guò)3D場(chǎng)景顯示機(jī)制1255顯示所述對(duì)象。當(dāng)通過(guò)用戶界面輸入所述用戶 請(qǐng)求時(shí)，GUI控制器1215可以隨后解釋所述請(qǐng)求，并因此激活適當(dāng)?shù)墓δ苣K以執(zhí)行所請(qǐng) 求的操作。例如，如果請(qǐng)求是改變3D場(chǎng)景的方向，系統(tǒng)可以激活3D場(chǎng)景操縱模塊1275，以便
9根據(jù)來(lái)自用戶的指定來(lái)改變3D場(chǎng)景的方向。在該過(guò)程中，用戶和GUI控制器可持續(xù)交互， 例如，用戶可以點(diǎn)擊3D場(chǎng)景中的一點(diǎn)并沿某個(gè)方向拖曳，以便整個(gè)3D場(chǎng)景沿相同的方向移 動(dòng)。類似地，用戶可以對(duì)特定的3D對(duì)象，例如虛擬探針，運(yùn)用相同的控制。用戶還可以與系統(tǒng)進(jìn)行交互，以對(duì)探針進(jìn)行不同的控制。當(dāng)用戶通過(guò)2D顯示屏手 動(dòng)控制探針時(shí)，2D/3D轉(zhuǎn)換機(jī)制1220動(dòng)態(tài)地將2D屏幕點(diǎn)轉(zhuǎn)換成3D場(chǎng)景中的3D點(diǎn)，并隨后 將3D點(diǎn)傳到探針處理模塊1230，所述探針處理模塊1230確定這是新探針創(chuàng)建操作還是對(duì) 現(xiàn)有探針進(jìn)行調(diào)整操作。所希望的探針隨后通過(guò)探針顯示機(jī)制1250顯示在3D屏幕中。在 移動(dòng)現(xiàn)有探針的過(guò)程中，可以操作碰撞檢測(cè)模塊1235，以檢測(cè)適用探針和已被定義為障礙 物或禁止區(qū)域的任何3D對(duì)象之間的相交。碰撞檢測(cè)模塊1235還可以在檢測(cè)到碰撞時(shí)生成警告信息。 如本文所述，系統(tǒng)還提供用戶運(yùn)用有關(guān)系統(tǒng)操作的各種控制的裝置。例如，通過(guò)控 制面板輔助器1225，用戶可以激活或退出由探針視圖操縱模塊1265控制的探針視圖。用 戶還可控制其它顯示參數(shù)，例如通過(guò)探針視圖顯示機(jī)制1240控制透明度。用戶還可以設(shè)定 希望的顯示模式，所述顯示模式還可以被個(gè)性化，并且所述設(shè)定在用戶通過(guò)系統(tǒng)注冊(cè)時(shí)可 以自動(dòng)適用。例如，用戶可能希望總是使皮膚(3D對(duì)象)以透明模式顯示。另一用戶可能 希望無(wú)論何時(shí)檢測(cè)到碰撞都以特定的聲響作為警告。用戶還可以通過(guò)與限制區(qū)域計(jì)算模塊 1270進(jìn)行交互來(lái)控制對(duì)限制區(qū)域的計(jì)算的激活或退出，或通過(guò)與限制區(qū)域顯示機(jī)制1245 進(jìn)行交互來(lái)控制對(duì)檢測(cè)到的限制區(qū)域的顯示。盡管本發(fā)明結(jié)合特定示出實(shí)施例進(jìn)行描述，本文所用的詞語(yǔ)是描述性詞語(yǔ)，而非 限定性詞語(yǔ)。在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)可以進(jìn)行改動(dòng)，而不偏離本發(fā)明各方面的范圍和 精神。盡管本發(fā)明結(jié)合特定結(jié)構(gòu)、動(dòng)作和材料進(jìn)行描述，本發(fā)明并不局限于本文所披露的內(nèi) 容，而是能夠以各種形式進(jìn)行體現(xiàn)，其中的一些形式可能與所公開的實(shí)施例由很大差異，并 且本發(fā)明延伸到所有等同的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作和材料，如落入所附權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
一種用于交互式經(jīng)皮術(shù)前手術(shù)規(guī)劃的方法，包括在顯示屏的3D場(chǎng)景中顯示三維(3D)體和包含在3D體中的至少一種對(duì)象類型的一個(gè)或多個(gè)3D對(duì)象；接收對(duì)與3D場(chǎng)景中至少一個(gè)3D對(duì)象相關(guān)的對(duì)象類型的選擇；接收與3D位置相關(guān)的信息，所述3D位置相對(duì)于在3D場(chǎng)景中所顯示的對(duì)象類型的3D對(duì)象而指定，并且在所述3D位置處要設(shè)置3D虛擬探針；在3D位置處設(shè)置3D虛擬探針；和生成關(guān)于3D虛擬探針的3D姿態(tài)的信息，其中3D虛擬探針的3D姿態(tài)可以根據(jù)所述信息進(jìn)行調(diào)節(jié)，和3D對(duì)象中的一個(gè)包圍3D場(chǎng)景中的其它3D對(duì)象。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中3D虛擬探針包括頂端、探針主體和探針柄。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中設(shè)置3D虛擬探針，使得虛擬探針的頂端置于3D位置處。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中3D虛擬探針的3D姿態(tài)包括3D虛擬探針的頂端和 3D虛擬探針的3D定向的坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中一個(gè)或多個(gè)3D對(duì)象包括腫瘤、器官、骨骼和組織；和3D體的邊界對(duì)應(yīng)皮膚。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中一種對(duì)象類型的3D對(duì)象包括預(yù)定類型的腫瘤。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所生成的信息描述3D虛擬探針和選定對(duì)象類型的 3D對(duì)象之間的第一類型的空間關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中第一類型的空間關(guān)系包括在內(nèi)部、在外部或接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所生成的信息描述3D虛擬探針、一種對(duì)象類型的 3D對(duì)象和非所述對(duì)象類型的對(duì)象之間的第二類型的空間關(guān)系。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中第二類型的空間關(guān)系包括3D虛擬探針與非所述 對(duì)象類型的對(duì)象相碰撞的碰撞關(guān)系。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中3D體以不透明模式顯示，以便包含在3D體中的 一個(gè)或多個(gè)對(duì)象不可見。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中3D體以透明模式顯示，以便使包含在3D體中的 一個(gè)或多個(gè)對(duì)象可見。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中3D虛擬探針的3D姿態(tài)可以通過(guò)3D虛擬探針的 柄和主體中的至少一個(gè)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所生成的信息包括由于將3D虛擬探針插入3D對(duì) 象對(duì)所述對(duì)象類型的3D對(duì)象所造成的估計(jì)效果。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中3D虛擬探針還可以在長(zhǎng)度上進(jìn)行調(diào)節(jié)。
16.一種用于交互式經(jīng)皮術(shù)前手術(shù)規(guī)劃的系統(tǒng)，包括3D顯示機(jī)制，它被設(shè)置用于在顯示屏的3D場(chǎng)景中顯示三維(3D)體和包含在3D體中的 至少一種對(duì)象類型的一個(gè)或多個(gè)3D對(duì)象；用戶界面控制器，它被設(shè)置用于從用戶接收與3D位置相關(guān)的信息，所述3D位置與3D場(chǎng)景中所顯示的一種對(duì)象類型的3D對(duì)象相關(guān)，并且在所述3D位置要設(shè)置3D虛擬探針； 探針操縱機(jī)制，它被設(shè)置用于在3D場(chǎng)景的3D位置處插入3D虛擬探針；和 信息生成機(jī)制，它被設(shè)置用于生成有關(guān)3D虛擬探針的3D姿態(tài)的信息，其中3D虛擬探 針的3D姿態(tài)可以根據(jù)所述信息進(jìn)行調(diào)節(jié)，和3D對(duì)象中的一個(gè)包圍3D場(chǎng)景中的其它3D對(duì)象。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，還包括控制面板輔助器，它被設(shè)置用于使用戶能夠 指示對(duì)3D虛擬探針的3D姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中探針操縱機(jī)制包括2D到3D轉(zhuǎn)換機(jī)制，它被設(shè)置用于將從用戶接收到的關(guān)于3D對(duì)象的3D位置的信息轉(zhuǎn)換 成3D虛擬探針要插入的3D位置；和探針顯示機(jī)制，它被設(shè)置用于在3D場(chǎng)景中在3D位置處顯示3D虛擬探針。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括探針視圖操縱機(jī)制，它被設(shè)置用于處理對(duì)3D虛擬探針要進(jìn)行的調(diào)節(jié)；和 探針視圖顯示機(jī)制，它被設(shè)置用于顯示對(duì)3D虛擬探針要進(jìn)行的調(diào)節(jié)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中信息生成機(jī)制包括碰撞檢測(cè)模塊，所述碰撞檢 測(cè)模塊被設(shè)置用于檢測(cè)3D虛擬探針和3D場(chǎng)景中一個(gè)或多個(gè)3D對(duì)象的任意一個(gè)之間的碰撞。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中信息生成機(jī)制包括限制計(jì)算模塊，所述限制計(jì) 算模塊被設(shè)置用于根據(jù)3D虛擬探針的3D姿態(tài)來(lái)識(shí)別3D場(chǎng)景中的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)區(qū)域包括表示阻擋3D虛擬探針進(jìn)入 的障礙物的區(qū)域。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中障礙物包括對(duì)應(yīng)于骨骼的對(duì)象。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)區(qū)域包括表示不允許3D虛擬探針進(jìn) 入的禁止區(qū)域的區(qū)域。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中禁止區(qū)域包括對(duì)應(yīng)于動(dòng)脈的3D對(duì)象。
全文摘要
經(jīng)皮射頻消融的成功主要取決于進(jìn)針的準(zhǔn)確度，使得破壞整個(gè)腫瘤成為可能，同時(shí)避免損害其它器官并使得局部復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)減到最小。本發(fā)明呈現(xiàn)了一種模擬3D環(huán)境，以便用戶可交互式地將治療探針放置到目標(biāo)位置。
文檔編號(hào)A61B5/05GK101877996SQ200880117045
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2008年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日
發(fā)明者曾小蘭, 梁正中, 范黎, 錢建中, 陳洪, 馬峰, 魏國(guó)慶 申請(qǐng)人:美國(guó)醫(yī)軟科技公司