專利名稱：用于微創(chuàng)外科手術的虛擬測量工具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及改進的機器人和/或測量裝置、系統和方法。示范性的實施例提供機器人外科手術系統，該機器人外科手術系統利用機器人工具的遠程操縱與立體圖像處理一起的組合，以輸入并標定沿著組織(或其他結構)的離散三維(3-D)點位置、連續(xù)3-D 輪廓以及其他3-D結構信息，以便獲得長度測量、面積測量、體積測量等。
背景技術：
微創(chuàng)外科手術技術的目的在于減少在診斷或外科手術期間被損傷的無關組織的量，因而減少病人的康復時間、不適感以及旁邊組織的損傷。因此，利用微創(chuàng)外科手術技術可以明顯縮短標準手術的平均住院時間。而且，利用微創(chuàng)外科手術也可以減少病人的康復時間、病人的不適感、手術副作用以及停工時間。內窺鏡檢查術是熟知的微創(chuàng)外科手術的形式，并且內窺鏡檢查術的常見形式是腹腔鏡檢查術，這種腹腔鏡檢查術是腹腔內的微創(chuàng)檢查和微創(chuàng)外科手術。在標準的腹腔鏡 (laparoscopic)外科手術中，病人的腹部被吹入氣體，并且套管套筒穿過小(大約1/2英寸或更小)切口以提供用于腹腔鏡器械的進入端口。腹腔鏡外科手術器械一般包括腹腔鏡或內窺鏡(用于觀察外科手術部位)和工作工具。該工作工具類似于常規(guī)開放性外科手術中所用的工作工具，除了每個工具的工作端或端部執(zhí)行器用細長桿與其柄部分開之外。外科手術器械的端部執(zhí)行器或工作部分能夠操縱或處理組織，并且可以(例如)包括夾子、抓緊器、剪刀、吻合器、圖像捕獲透鏡或針夾具。為了進行外科手術過程，外科醫(yī)生使工作工具或器械穿過套管套筒到內部外科手術部位并且從腹部外面操縱該工具或器械。外科醫(yī)生通過顯示從腹腔鏡拍攝的外科手術部位的圖像的監(jiān)視器來觀察手術過程。類似的內窺鏡技術可用在下述的檢查中，例如關節(jié)鏡檢查、腹膜后鏡檢查、骨盆鏡檢查、腎盂鏡檢查、膀胱鏡檢查、腦池鏡檢查、竇鏡檢查、宮腔鏡檢查、尿道鏡檢查等。研發(fā)微創(chuàng)遠程外科手術機器人系統來增加當在內部外科手術部位內工作時外科醫(yī)生的靈活性，并且可選地允許外科醫(yī)生能夠從遠程位置對病人進行手術。在遠程外科手術系統中，通常在控制臺上為外科醫(yī)生提供外科手術部位的圖像。在合適的觀察器或顯示器上觀察外科手術部位的3-D圖像的同時，外科醫(yī)生通過操縱控制臺的主動輸入或控制裝置對病人進行外科手術過程。每個主動輸入裝置均控制伺服機構操作的外科手術器械的運動。在外科手術過程期間，遠程外科手術系統能夠提供具有端部執(zhí)行器的各種外科手術器械或工具的機械致動和控制，該外科手術器械或工具響應主動輸入裝置的操縱為外科醫(yī)生執(zhí)行各種功能，例如固定或驅動針、抓取血管或切割組織等。雖然新的遠程外科手術機器人系統對于擴大外科醫(yī)生在對病人造成更小創(chuàng)傷以及其他許多成功性的情況下進行治療的能力具有極大的前景，但是仍然需要進一步改進。 例如，已知的機器人系統通常依賴于來自與機器人連桿的每個接頭有關的傳感器的接頭定位信息來計算端部執(zhí)行器的運動要求、位置等。雖然這種基于接頭的信息提供用于大多數遠程外科手術目的的端部執(zhí)行器的足夠準確度的相對運動，但是利用這種基于接頭的數據所確定的外科手術工具的絕對位置可能不是對于所有目的都足夠準確。具體說，當利用機器人外科手術系統獲得組織測量信息通常有利的，并且由基于接頭的數據所提供的一些準確度改進對于這種測量可能是有利的。根據上面所述，希望提供用于外科手術和其他應用的改進的機器人和/或測量系統。如果這些改進允許醫(yī)師能夠與組織交互作用并測量該組織，那將是特別有利的，理想地這種測量包括三維測量，且其準確度超過僅利用基于接頭的數據所容易提供的準確度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的各方面大體提供改進的機器人和/或測量裝置、系統和方法。本發(fā)明的實施例可以用于通過諸如內窺鏡套管套筒、自然孔口等的微創(chuàng)口的遠程外科手術治療。這樣的實施例可以利用可操作地連接于外科手術工具的遠程外科手術輸入裝置，以便允許系統使用者操縱被測量的組織或者以其他方式與被測量的組織交互作用。不同于僅依賴基于接頭的數據，該系統可以利用從立體圖像獲得的三維(3-D)定位信息，其中圖像也可以被呈現給系統使用者。除了組織上的兩個或兩個以上離散點之間的3-D位置偏移之外，該系統也可以允許使用者沿著感興趣的組織識別出位置的有效連續(xù)曲線。之后，該系統能夠確定3-D線段的長度測量值、沿著直線或彎曲組織的累積長度的多線測量值、組織結構內的面積測量值、組織體積測量值、縱橫比測量值等。離散點可以用單個外科手術工具識別，或通過兩個或兩個以上外科手術工具之間的間隔識別，其中使用者可選地在使組織結構變直或拉伸的同時可選地通過使一對工具沿著該組織結構雙手交替(hand over hand)移動來測量組織結構的長度(甚至該結構比立體圖像捕獲裝置的視場更長或局部不清楚)。通過在識別將被測量的組織位置的同時允許系統使用者與組織交互作用，并且通過利用成像數據(可選地與基于接頭的數據相結合的成像數據)確定測量值，能夠明顯增強測量準確度和組織測量的簡便性，特別是當工作于至少局部不清楚的組織時。第一方面，本發(fā)明提供一種用于測量結構的方法。該方法包括用第一機器人工具夾爪來抓取第一結構位置。用第二機器人工具夾爪來抓取第二結構位置。釋放第一工具的夾爪，并且從第一位置移開第一工具從而抓取第三結構位置。將位置之間的三維偏移相加以便沿著該結構測量雙手交替的長度。被測量的結構通常包括在微創(chuàng)外科手術部位內的組織結構，其中該結構可選地是細長的和/或柔性的組織結構，例如腸胃道的一部分或類似結構。能夠通過交替地用第一和第二機器人工具夾爪來抓取該結構，來表示多個額外的組織結構位置。然后組織結構能夠被測量為順序的一系列偏移，其中每個偏移均由一對位置限定一一個用第一夾爪確定且另一個由第二夾爪確定。沿著每個夾爪的測量位置可以被疊加在手術部位的顯示上，以便指示出該偏移是在夾爪末端、夾爪中間、夾爪的樞點處還是在類似處被測量。同樣，第一和第二夾爪之間的拉伸線、第一和第二夾爪之間遞增偏移測量和/或累積測量(包括先前相加的偏移)可以被疊加。雖然可以用可替代的輸入機構，不過組織位置通常通過致動夾爪來標定。優(yōu)選地， 在第二工具繼續(xù)抓取該組織的同時釋放第一工具的夾爪會標定正被第二工具的夾爪所抓取的組織位置(并且測量該偏移)，并且這還開啟了第一和第二位置之間的遞增偏移的測
7量。這種通過釋放第一工具來標定第二位置允許第二工具抓取并釋放多個候選組織位置而不改變相加的偏移。這種或其他技術也能夠被用來有助于使用夾爪來操縱組織結構，以便在第一和第二夾爪之間的相關位移被確定之前弄直或拉伸該組織結構的測量長度。換句話說，對于任意給定測量，一個工具可以保持抓取，且另一個工具能夠被允許抓取并釋放多次，直到達到期望的組織位置。此時，可以釋放另一個工具來進行測量。之后，工具之間的位置標定職責可以交換。在許多實施例中，使用者將觀察圖像捕獲裝置視場內的組織結構。在確定第一位置和第二位置之間的偏移時一些組織結構在視場中可能不可見。該組織結構可以由夾爪操縱，以便將先前被遮擋的部分成像到視場中。可替代地，可以移動視場以便對沿著該結構先前看不見的位置成像并且允許測量包括有關抓取位置之間的偏移。優(yōu)選地，獲得組織結構的左和右立體圖像是通過生成圖像數據的圖像捕獲裝置而獲得的。然后，能夠通過利用該圖像數據來確定位置之間的三維偏移，從而測量偏移。另一方面，本發(fā)明提供一種用于測量組織的方法。該方法包括用第一機器人工具指示第一組織位置。還自動地指示多個額外的組織位置。確定由組織位置限定的測量。在許多實施例中，測量包括在成對的組織位置之間的累積長度和/或面積測量。 再一種選擇包括由位置限定的縱橫比測量，等。在一些實施例中，能夠識別出該面積內的中心位置以及在該中心和組織位置之間限定的三角形的面積，以便計算面積。位置之間的線段可以被疊加在組織的圖像上，其中線段通常表示該面積的邊界。系統使用者通常參考圖像來自動地弓I導第一工具的移動。圖像可以通過生成圖像數據的圖像捕獲裝置而獲得，并且可以響應該圖像數據來確定組織位置。組織位置通常包括界定所述面積的離散標定位置，其中按照來自系統使用者的相關輸入來標定每個位置。在一些實施例中，響應第一機器人工具和前一位置之間的臨時的或空間的間隔來標定位置，其中位置可選地緊密地間隔以便作為對該工具的運動的連續(xù)曲線跟蹤而呈現給使用者。在每個位置處，圖形指示符可以被疊加在組織的圖像內。在第一工具已經從由該第一工具標定的第一位置移開之后圖形指示符可以被保留。直線可以疊加在該圖像內的順序的位置之間，圖形指示符可以在該圖像內被疊加在第一機器人工具的工具測量位置上(例如在工具的末端，在沿著一對夾爪的中點，等)，并且/或者拉伸線可以在該圖像內被疊加在前一位置和工具之間。在前一位置和工具之間的遞增偏移可以被疊加在該圖像內，偏移的累積總和、面積、體積和/或類似測量值可以被疊加在該圖像上，其中這些測量值通常是從所述位置和/或連接它們的任何直線偏移開。在一些實施例中，位置可以由兩個或兩個以上的機器人工具指示。利用兩個以上工具的測量可以可選地按照多個系統使用者的輸入。例如，第二機器人工具可以指示至少第二組織位置，并且第三機器人工具可以指示至少第三組織位置。第一機器人工具可以與由第一外科醫(yī)生或其他系統使用者操作的第一主/從三維輸入裝置操作地相關聯，并且第二機器人工具可以與由第二外科醫(yī)生或其他系統使用者操作的第二主/從三維輸入裝置操作地相關聯。另一方面，本發(fā)明提供一種用于測量結構的系統。該系統包括用于抓取第一結構位置的第一機器人工具夾爪。第二工具夾爪抓取第二結構位置。處理器將所述機器人工具連接到輸出，以使得來自操作者的輸入命令導致該處理器將所述位置之間的3-D偏移相加，從而測量沿著該結構的雙手交替長度。另一方面，本發(fā)明提供一種用于測量組織的系統。該系統包括用于接合第一組織位置的第一機器人工具。處理器連接于該第一工具，以使得該處理器確定由第一組織位置和多個額外的自動接合位置所限定的測量值。


圖1是根據本發(fā)明實施例用于進行外科手術的微創(chuàng)機器人外科手術系統的俯視圖。圖2是機器人外科手術系統的外科醫(yī)生控制臺的前視圖。圖3是機器人外科手術系統觀測推車的前視圖。圖4示意地示出圖1的機器人外科手術系統的數據處理結構。圖5A是機器人外科手術系統的病人側推車(外科手術機器人)的正視圖。圖5B和圖5C分別是8mm桿機器人外科手術工具和5mm桿機器人外科手術工具的前視圖。圖6示意地示出利用圖1的系統測量組織的方法中所包括的步驟。圖7是用于輪廓測量且具體是用于標定多個組織或其他結構位置的流程圖。圖8是利用組織或其他結構位置的輪廓測量工具的分類圖。圖9是按照本發(fā)明的可選實施例用于有效連續(xù)采樣模式以產生規(guī)則間隔的位置或樣品的流程圖。圖IOA和圖IOB是面積或容器計算和顯示的分類圖。圖11是示出為了測量用于雙手交替(hand over hand)組織或其他位置標定的軟件的流程圖。圖12是疊加了標定位置和拉伸線的機器人外科手術工具圖像的屏幕快照 (screenshot)0圖13是單個機器人外科手術工具的簡化示意圖，其標定輪廓或組織位置之間的連續(xù)的一系列線段以用于累積長度測量。圖14是用于測量組織結構的周長和面積的工具的屏幕快照。圖15A是兩個機器人外科手術工具的簡化示意圖，其被用于用雙手交替的(hand over hand)方法來測量柔性組織結構的長度。圖15B是獲得雙手交替的(hand over hand)測量的兩個機器人外科手術工具的
屏幕快照。
具體實施例方式本發(fā)明的各方面大體提供改進的機器人和/或測量裝置、系統和方法，特別是用于遠程外科手術和其他醫(yī)療機器人應用的改進的機器人和/或測量裝置、系統和方法。本發(fā)明的實施例能夠找到其最直接的用途以用于測量位于通過一個或更多個微創(chuàng)口(例如套管或自然孔口)進入的內部外科手術部位的組織和其他結構。與本發(fā)明有關的工作已經表明在這種部位的測量可以通過利用機器人外科手術工具接合和/或操縱要被測量的組織而被改進。雖然機器人操縱能夠利用來自機器人連桿的基于接頭的數據而被非常準確地進行，以計算運動命令，但是可以通過利用立體成像數據的圖像處理以幫助確定在內部外科手術部位內的組織和/或機器人外科手術工具的位置，從而提高在內部外科手術部位的測量準確度。通過將合適的標識疊加在對系統使用者顯示的立體圖像上，使用者能夠準確地標定組織或其他結構位置并測量三維(3-D)空間中的輪廓(包括平滑曲線輪廓和/或一系列線段)，以便確定長度、面積、體積等。圖1是微創(chuàng)機器人外科手術(IORS)系統10的平面圖，通常用于對躺在手術臺14 上的病人12進行微創(chuàng)診斷或外科手術過程。該系統能夠包括在手術過程期間由外科醫(yī)生 18使用的外科醫(yī)生控制臺16。一個或更多個助手20也可以參與該手術過程。該MIRS系統10還能夠包括病人側推車22 (外科手術機器人)和觀察推車M。病人側推車22包括操縱器23，該操縱器23能夠操縱通過病人12身體中的微創(chuàng)切口的至少一個可拆卸地連接的器械或工具組件26 (在下文中簡稱為“工具”)，且同時外科醫(yī)生18通過控制臺16觀察手術部位。通過諸如立體內窺鏡的內窺鏡觀能夠獲得外科手術部位的圖像，該內窺鏡觀能夠由病人側推車22的另一個操縱器23操縱，以便定位和定向內窺鏡觀。觀察推車M能夠用來處理來自內窺鏡觀的外科手術部位的圖像，以便通過外科醫(yī)生控制臺16隨后顯示給外科醫(yī)生18。一次使用的外科手術工具沈的數目除其他因素外一般還取決于診斷或外科手術過程以及手術室內的空間限制。可選地，可以提供一個以上的外科醫(yī)生控制臺，特別是當使用三個或三個以上工具時，從而允許兩個外科醫(yī)生能夠合作、傳輸對器械的控制等， 更詳細的說明公開在(1999年11月3日提交的)美國專利No. 6，659，939中，其內容結合于此供參考。如果需要在手術過程期間可以更換一個或多個正被使用的工具26，則助手20 可以在從病人側推車22取下此時不再使用的工具沈并且用手術室里的手術盤30中的另一個工具沈替換它。圖2是外科醫(yī)生控制臺16的前視圖。該外科醫(yī)生控制臺16包括左眼顯示器32 和右眼顯示器34，以便向外科醫(yī)生18呈現能夠加深理解的外科手術部位的協同立體視圖。 控制臺16還包括一個或更多個控制裝置36 (主動件)，其又導致病人側推車22 (示于圖1) 操縱一個或更多個工具(從動件)。優(yōu)選地，控制裝置36將提供和其關聯的工具沈(示于圖1)同樣的自由度，以便為外科醫(yī)生提供遠程顯示——控制裝置36與工具沈是一體的感覺，以便外科醫(yī)生強烈地感覺到直接控制工具26。為此，可選地使用位置、力和觸覺反饋傳感器(未示出)，以通過控制裝置36從工具沈往回向外科醫(yī)生的手傳輸位置、力和觸覺感覺。外科醫(yī)生控制臺16通常設置在和病人相同的房間內以便外科醫(yī)生可以直接監(jiān)控手術過程，必要時親自出席，并且對助手直接說話而不是通過電話或其他通信媒介。但是， 應當理解，外科醫(yī)生能夠置身于和病人不同的房間、不同的建筑物或其他遙遠的位置，從而允許遠程外科手術過程。圖3是觀察推車M的前視圖。該觀察推車M能夠連接于內窺鏡28并且能夠包括處理器以便處理捕獲的圖像從而用于隨后顯示，例如在外科醫(yī)生控制臺上向外科醫(yī)生顯示，或在本地或遠程設置的任何其他合適的顯示器上顯示。例如，在使用立體內窺鏡的情況下，觀察推車M能夠處理捕獲的圖像以便向外科醫(yī)生呈現外科手術部位的協同立體圖像。這種協同能夠包括相對的圖像之間的對齊并且能夠包括調節(jié)立體內窺鏡的立體工作距離。作為另一個例子，圖像處理能夠包括利用先前確定的攝像機校準參數，以便補償圖像捕獲裝置的成像誤差，諸如光學偏差。能夠利用的一些可能的圖像處理的示范性細節(jié)被描述在轉讓給htuitive Surgical, Inc.的許多專利和專利申請中，例如，包括美國專利 No. 7，277，120 (2004年3月7日提交)，其整個內容結合于此供參考。圖4示意地示出機器人外科手術系統50 (例如圖1的MIRS系統10)，示出部件之間的通信路徑。正如上面所討論的，外科醫(yī)生控制臺52(例如圖1的外科醫(yī)生控制臺16) 在微創(chuàng)外科手術過程期間能夠被外科醫(yī)生用來控制病人側推車(外科手術機器人)54 (例如圖1的病人側推車2 。病人側推車M能夠利用諸如立體內窺鏡的成像裝置，來捕獲手術部位的圖像并且向觀察推車56 (例如圖1的觀察推車24)輸出捕獲的圖像。觀察推車56 在任意隨后顯示之前能夠以各種方式處理捕獲的圖像?？商娲兀∪藗韧栖嘙能夠輸出捕獲的圖像以用于在觀察推車56外部處理。例如，病人側推車M能夠將捕獲的圖像輸出到處理器58，處理器58能夠用來處理捕獲的圖像。圖像也能夠通過觀察推車56和處理器 58的組合而被處理，觀察推車56和處理器58能夠連接在一起以便共同地、順序地和/或其組合地處理捕獲的圖像。一個或更多個單獨的顯示器60也能夠連接于處理器58和/或觀察推車56，以用于本地和/或遠程顯示圖像，例如手術部位的圖像或任意其他有關的圖像。這里描述的每個處理器通常包括有形介質(例如，一個或更多個位置和/或儲存類型介質)59，其包含用于執(zhí)行這里描述的一些或全部方法步驟的計算機可讀指令或軟件。 有形介質59可以包括諸如壓縮光盤或數字視頻光盤的光學記錄介質；諸如硬盤驅動器、軟盤、備份磁帶等的磁記錄介質；諸如只讀存儲器、隨機存取存儲器、非易失性存儲器、內存條的存儲器，等。儲存在有形介質59中的軟件或代碼可以經由有形記錄介質、互聯網或其他網絡系統、無線信號傳輸等被傳輸給處理器。雖然在圖4中示意地示為與處理器58相關聯的有形介質，但是軟件還可以被保存在許多不同的處理器中，包括外科醫(yī)生控制臺52、病人推車M、觀察推車56的處理器和/或處理器58。因此，軟件可以在一個或更多個處理器電路或處理器電路板上運行，這些處理器電路或處理器電路板以各種集中的或分布式的數據處理系統結構中的任何一種結構被物理地安裝在機器人外科手術系統50的一個或更多個部件上。類似地，軟件可以被寫成單個的單片碼，但是它經常被分成具有在不同處理器電路板上可選地運行的不同代碼部分的一系列子例程。這里描述的模塊所實現的功能通常作為軟件(包括包含在有形介質59中的軟件代碼)、硬件(包括處理器58的處理器電路或機器人外科手術系統50的其他處理器電路板中的一個)和/或適合于規(guī)定的數據處理任務的軟件和硬件的組合來實現。圖5A、圖5B和圖5C分別示出病人側推車22、8mm桿外科手術工具62和5mm桿外科手術工具64。外科手術工具62和64是外科手術工具沈的例子。所示的病人側推車22 提供三個外科手術工具26和成像裝置觀的操縱，該成像裝置觀諸如用于捕獲外科手術部位的圖像的立體內窺鏡。操縱由具有許多機器人接頭的機器人機構提供。成像裝置觀和外科手術工具26 (例如，端部執(zhí)行器66)能夠通過病人身上的切口被定位并操縱，從而使得運動學樞轉中心25(見圖1)保持在切口處，以便使所需切口的尺寸最小。當被定位在成像裝置觀的視場內時，外科手術部位的圖像可以包括外科手術工具沈的遠端的圖像。正如參考圖1和圖5A能夠理解的，每個工具沈通常由操縱器23支撐。在外科手術期間操縱器在外科醫(yī)生控制臺16的處理器的引導下運動，以便按照輸入的運動命令在內部外科手術部位內移動工具的端部執(zhí)行器。操縱器23 —般由無源支撐連桿27支撐以便允許操縱器和工具在外科手術準備期間能夠被手動定位。支撐連桿27有時被稱為設定 (set up)臂(包括一個或更多個無動力的、可鎖定的設定接頭)，而且在手術過程期間允許改變工具的位置和取向，其中助手20通常撤回工具、釋放設定接頭從而從固定構形變化到手動可動構形，移動操縱器23到新的期望位置，并且再一次固定該設定接頭。從操縱器23 和支撐連桿27兩者向外科醫(yī)生推車16的處理器提供基于接頭的數據，以便用于響應來自外科醫(yī)生18的輸入來計算運動命令。參考圖5B和圖5C，工具62、64通常包括由操縱器23可支撐的近端65和從該近端 65延伸到遠端69的細長桿67。端部執(zhí)行器71由連桿73連接于桿67的遠端69，其中端部執(zhí)行器和連桿通常由連桿23的電機驅動。在可替代實施例中，設定接頭的至少一些自由度可以是有動力的，且/或操縱器的一些自由度可以是無源的。樞轉中心可以由操縱器23的平行連桿結構(被涵蓋在所謂遠程中心連桿內)限定，或操縱器的無源接頭可以允許圍繞進入病人身體中的孔口自然地或環(huán)境驅使地樞轉工具。還有一些可替代方案是可能的，包括冗余接頭的從動連桿，其允許提供樞轉運動的計算遠程中心。參考圖6，能夠理解用于利用機器人系統50測量的方法110。測量開始于步驟112， 其中通過利用腳踏板、下拉菜單、輔助輸入裝置(例如鍵盤、鼠標等)、對機器人系統或助手的語音命令或者任意各種可替代方式來選擇測量模式(mode)。在步驟114，測量標記或其他標識可以被疊加在測量工具上。在只有一個工具用于進行測量的情況下，系統使用者具有關于哪個工具是測量工具的可視標識是有用的。同樣，可能有用的是，具有指示來指示出兩個工具將用于測量和/或用于被識別的工具上的測量位置(以便使用者不從夾爪的樞點進行測量，例如，當系統將計算距夾爪之間的接合表面的遠末端的偏移時)。使用者可以選擇或改變哪個工具被用作測量工具，以便標定由支配手(例如，右撇子外科醫(yī)生的右手)控制的工具，正如在下面更詳細地說明的。雖然通常關于來自控制一個或兩個器械的單個使用者的輸入來描述測量，但是將可選地使用兩個以上的器械的協同運動，特別是，當標定三個或三個以上的位置時，當在三個或三個以上位置同時構造組織以測量時等。這里描述的利用三個或三個以上工具的系統和方法的實施例的優(yōu)點可以在于適應同時來自多個系統使用者的三維輸入的輸入裝置。例如，在他們一次控制三個或三個以上的器械時復式外科醫(yī)生控制臺的設置能夠被用來有助于兩個外科醫(yī)生的合作。為了進行實際測量，系統使用者通常操縱主控制器116(例如，圖2中的控制裝置 36)，以便用測量工具指示組織位置。系統使用者可以可選地在該位置接合組織，例如使工具輕觸組織、觸診組織或者甚至抓取并重新構造該組織?？商娲兀褂谜呖梢詫⒐ぞ叻旁陔x被準確的點標定的組織足夠近的位置而不實際接觸該組織。工具的使用能夠允許使用者確信即便沒有接觸該組織，該點標定也是有效的，并且確認被定位在該標記上的位置標記能夠進一步增強標記準確度、可重復性和可信度。盡管如此，與組織接觸能夠提供有用的視覺記號，以證實器械的末端處在想要的深度。一旦工具的測量標記處在期望位置，則使用者之后可以致動輸入(例如，通過壓下腳踏板等打開和/或關閉主控制器的柄，可選地是與測量工具有關聯的一個主控制器或一個不同的主控制器)，以便向該系統標定組織位置118。之后，系統能夠疊加被標定的組織位置120的標記。被錯誤標定的位置可選地可以通過替代性輸入被去除，例如通過致動與非支配手相關聯的主控制器的柄。應當注意，將標記疊加在立體顯示器的圖像上并且確定該工具位置數據可以利用如圖4所示的處理器58來實現，如通過觀察推車56的處理器、 通過外科手術機器人M的處理器或通過可替代處理器結構。組織位置信息可以包括和/ 或利用來自從病人側推車M輸出的機器人數據所提供的信息，其中該機器人數據通常包括來自外科醫(yī)生控制臺52和來自病人側推車M的基于接頭的數據。對應于被標定的組織位置的三維位置數據通常至少部分地基于立體的或其他圖像捕獲裝置。在一些實施例中， 可以通過處理對系統使用者顯示的作為工具和外科手術部位的圖像的數據來提供關于在外科手術部位內的工具位置的至少一些信息(更充分的描述公開在共同未決美國專利申請No. 12/428,691中(2009年4月23日提交)，先前結合于此供參考，且/或來自任何各種可替代的基于圖像的工具跟蹤系統。)正如上面所指出的，在用機器人工具指示組織位置期間在組織和工具之間的交互作用可以在從靠近(但不接觸)組織到主動地抓取并重構該組織的范圍內。例如，工具可以重新定位將被測量的組織結構，可選地抓取該組織、使該組織結構變直，使該結構從介入的組織或其他對象后面被取出并顯示在攝像機的視場中，等。在一些實施例中，工具將觸診該組織，以便可選地指示軟組織表面下方的位置，增強對(多個)測量位置的標定的準確度和可重復性，以及/或者其他類似目的。在工具與組織表面稍微分開的實施例中，各種圖像匹配技術可以與來自校準的立體攝像機的數據結合(例如，一個校準的立體攝像機利用與美國專利申請No. 12/415，377 (2009年3月21日提交)中公開的結構和技術，其整個內容結合于此供參考)，以便確定該組織表面和/或結構的3-D位置。一般而言，在左和右圖像中的表面、特征或結構的位置與校準信息一起，能夠被用來確定結構相對于攝像機的水平位置(X-Y)以及在該攝像機和該表面、特征或結構之間的距離(Z)。正如在美國專利申請No. 61/204，082 (2008年12月31日提交)中所公開的(其整個內容結合于此供參考)，左和右立體圖像之間的選擇性的可靠圖像匹配可以有效地并且可靠地識別在外科手術范圍中的組織表面上的一個或更多個選定點的相應左和右圖像。正如美國專利申請 No. 61/203，975 (2008年12月31日提交，也結合于此供參考)中更詳細地公開的，相關技術可選地在適當的工具標記的幫助下能夠被用于確定工具的位置。在示范性的稀疏圖像匹配技術中，識別來自第一圖像的感興趣的點以用于匹配到第二圖像。這些感興趣的點可以通過將工具末端或類似件置于組織表面上的期望位置或點來被識別，可選地使得該末端被置于系統使用者的支配眼睛中所看見的點上，盡管工具與組織表面保持稍微分開(更具體說，在組織表面和攝像機之間)。被選擇性識別的感興趣的點能夠用選擇性匹配來匹配第二圖像(可選地如非支配眼睛所見)。選擇性匹配能夠用適合于該圖像的局部特性的匹配來匹配被選擇性識別的點，可以包括區(qū)域匹配、特征匹配、特征插值和/或先前匹配的點的插值。例如，能夠響應選擇的感興趣的點而識別區(qū)域， 并且區(qū)域可以用于匹配被選擇性識別的感性趣的點。當區(qū)域匹配時能夠確定區(qū)域匹配分值(score)，并且對于未充分匹配的區(qū)域，未充分匹配區(qū)域的特征能夠被確定并且被匹配到第二圖像，以使得這些特征被用于將感興趣的點匹配到第二圖像。響應未充分區(qū)域匹配的這種特征匹配的利用提供了更可靠的匹配且同時仍然提供良好的匹配速度。軟核線約束 (epi-polar constraint)和/或焦點約束能夠被用于評價匹配的感興趣點，特別是當外科手術范圍包括在距組織不同深度處的干擾對象時。當用于特征匹配的置信度分值在門限值以下或約束排出了壞點時可以用插值法。
作為一個例子，感興趣的點應當參考組織的右圖像的像素位置而被識別。圖像匹配的輸出一般可以包括在左圖像中看見的該組織表面的對應像素位置。每一個像素位置有效地提供用于該眼睛的關聯X-Y位置，其中坐標系統之間的視差偏移通常允許按照攝像機校準數據而確定深度。當工具在識別位置時(或如果工具從組織表面位置和攝像機之間移開后擋道的情況下)可以發(fā)生匹配，并且位置標記可以從工具傳到(snap)組織表面。也可以利用可替代位置識別技術和系統，例如確定在圍繞該工具的區(qū)域或窗口中的匹配組織表面位置的陣列，確定該工具上的測量位置的位置，并且該標記傳到最靠近該工具的組織表面。在第一組織位置被標定之后，繼續(xù)如圖6所示的示范性測量方法100，之后在步驟 122系統使用者可以操縱主控制器以將工具移動到下一個期望的組織位置。當工具在呈現給系統使用者的立體圖像中運動時，在步驟1 在該部位的圖像上從先前標定的組織位置到該運動測量工具疊加了拉伸線，更具體地說，是到仍然疊加在測量工具上的標記。在步驟 126在主控制器移動期間可以顯示遞增數據，包括拉伸線長度等，可選地，總長度(包括在成對的標定組織位置之間的先前的偏移)也可以被疊加在圖像上。當標記等被疊加在組織上、在機器人結構上(例如工具)或該圖像中所示的其他結構上時，通常有利的是，在呈現給系統使用者的立體圖像中標記出現在與下層結構所在相同的相同深度處。雖然各種方法可以用來匹配左和右圖像中的位置，以使得標記出現在與下層組織或其他結構相同的深度處，但是公開在共同未決美國專利申請No. 61/204，082 中的特別有效且可靠的圖像匹配技術具有明顯的優(yōu)點，該申請先前結合于此供參考。一旦測量工具已經被接合并且(根據希望)被操縱到下一個組織位置，則在步驟 1 使用者能夠致動輸入，以便標定該組織位置?；趶膱D像中提取的數據(可選地，也利用基于接頭的數據或運動學機器人數據來驗證基于圖像的位置信息)，在步驟130偏移數據能夠被更新，并且在步驟132另一個標記被疊加在標定的組織位置上。在一些實施例中， 拉伸線可以僅僅出現在前一個標定位置和運動工具之間，而可替代實施例可以固定拉伸線線段，以便使用者能夠看見已經由多個標定的組織位置所限定的整體輪廓。正如在上面所提到的，標定的組織位置可以從通過對呈現給系統使用者的立體圖像的圖像處理而獲得的工具跟蹤數據中提取，并且該數據通常包括組織位置之間的3-D偏移。該數據可以限定包括連接標定的組織位置以便形成輪廓的一系列直線段的3-D多線?？商娲鷮嵤├梢岳脴硕ǖ狞c之間的樣條(spline)或其他曲線，或者它們可以使直線伸出到如圖像匹配技術所識別的下層組織或最近的組織表面上。如果在步驟134系統使用者指出這是最后的位置 (和/或，例如通過有效地包圍一個面積、達到預先識別的感興趣的線段數目等，該系統確定它是最后的位置)，則在步驟136可以顯示最終測量，其中該顯示通常被再次疊加在該外科手術部位?？商娲鷮嵤├梢岳梅蛛x于組織圖像的顯示數據，或者是顯示在組織圖像窗口之外的顯示數據、或者是顯示在單獨的顯示器上的顯示數據、或者是顯示在組織圖像顯示器內的單獨的窗口上的顯示數據或者是顯示在其他類似處的顯示數據。使用者可以通過雙擊主控制器柄、按壓腳踏板、致動可替代手柄(或兩個柄)或其他類似動作來指示這是最后的位置。如果該位置不被識別為最后的位置，則在步驟122系統可以允許使用者再次操縱主控制器并且標定另外的組織位置，等等。系統50和方法110 (包括其變型)可以在微創(chuàng)外科手術過程期間獲得在體內的準
14確3-D測量。這些系統和方法能夠綜合利用已經研發(fā)的機器人外科手術系統(包括從加利福尼亞州的htuitive Surgical, Inc.可商業(yè)獲得的da Vinci 外科手術系統)?？商娲鷮嵤├梢曰诨蛟黾拥浆F在正在研發(fā)或將來研發(fā)的機器人外科手術系統。這里描述的系統和技術可以包括利用圖像數據跟蹤工具和用圖形信息加強外科手術范圍(特別是，用示出在測量工具上的或者獨立于測量工具的測量指針或標記的3-D疊層圖像來加強)。測量位置和工具指示符、拉伸線和其他測量標記以及輸出圖形(例如，交互的3-D數字化讀數) 可以出現在圖像視場內、圖像視場之外但在外科醫(yī)生的顯示器上和/或其他輔助顯示系統上的組織或其他結構上。在示范性的實施例中，可以利用與外科醫(yī)生的立體內窺鏡解剖景象一致的被校準立體攝像機模型來產生3-D疊層畫面，以使得3-D指示符畫面(包括點、線和/或數字化讀數)被產生從而在三維中與視場中解剖或其他結構一致地出現。通過以足夠的速率更新疊層畫面，外科醫(yī)生可以通過用外科醫(yī)生控制臺16上的主控制輸入裝置36有效地操作標記來交互地定位3-D標記(見圖幻。在進行測量時，移動具有標記的工具使外科醫(yī)生能夠與組織交互作用，這可以避免將標記放在與組織表面不一致的空間位置處，或者避免在該組織表面上方的空間中向著立體圖像捕獲裝置浮動，或者避免在3D空間中在該組織位置之外的組織表面內的有效位置處遠離圖像捕獲裝置浮動。優(yōu)選，足夠準確地確定器械末端(或其他測量位置)的笛卡爾位置以便操縱3-D 標記進行期望測量。笛卡爾位置通常在攝像機坐標系統中被確定，并且由機器人系統提供的對工具的控制將有助于以預定方式相對于器械末端、背景組織和其他結構等移動標記。 為了提供標記位置和運動的期望準確度，可以利用在攝像機景象中跟蹤工具位置的基于圖像的工具跟蹤系統。在可替代實施例中，支撐器械的機器人操縱器(可選地支撐攝像機或其他圖像捕獲裝置的操縱器)可以被校準(通常在外科手術開始之前)以便使得在攝像機坐標系統中的器械末端位置的誤差最小化。通過使得3-D疊層畫面與關于器械的準確信息相結合，能夠實現各種的測量交互。許多這樣的測量交互涉及利用按照由系統使用者輸入到機器人外科手術系統的運動命令而進行的器械的主-從跟蹤。除了影響工具的運動之外，被疊加在外科手術部位的顯示上的并且特別是在工具末端上的3-D標記或指針的運動，使得標記緊緊跟隨器械末端。當器械末端或工具的遠端接觸解剖組織時，3-D標記將與解剖組織充分一致，以便允許準確的位置標定。利用按鈕或腳踏開關，系統使用者采樣標記和器械末端的當前位置。器械和按鈕的額外運動也可以被用來采樣順序的點。這些采樣點之間的累積的歐幾里德距離能夠被交互地計算并顯示給使用者。通常利用這種基本的器械測量交互，可以支持許多測量模式。 因此，外科醫(yī)生可以測量一系列點中的兩個或兩個以上點之間的距離。這些點形成開放的或封閉的輪廓。其他量可以從這些點推導出，諸如點的封閉輪廓的表面面積或凸狀外殼的體積?？梢酝ㄟ^以規(guī)則的距離或時間間隔等來自動采樣點，從而加快測量長輪廓的交互。除了多邊形或多線表征之外，樣條或類似的模型由于其天然的平滑度趨勢而能夠擬合數據以較好地近似組織的結構。當規(guī)定點時，擬合過程能夠潛在地去掉手運動的一些抖動。3-D點的協方差矩陣能夠從觀察幾何形狀而得出，以用于計算出點的誤差的非齊次性 (通常導致沿著觀察方向的較大誤差)，并且可以有助于擬合過程。在一些模式中，點也可以被用來有效地限定二維或三維參數化幾何形狀，例如橢圓形、橢球形、軟對象(如在計算機圖形所用的)等等，這僅僅可選地利用很少幾個點位置。 例如通過計算二維形狀的周長和面積、三維形狀的體積等，可以推導出或確定幾何形狀的性質。通?？梢酝ㄟ^增加額外的軟件模塊到適當裝備的機器人外科手術系統中，特別是已經具有基于圖像的工具跟蹤能力的那些系統中，來實現這里描述的方法和系統。這里描述的虛擬測量軟件工具可以支持系統和使用者之間的各種交互模式，以及用于測量計算的不同模式。系統使用者和計算模塊之間的一類這樣的交互可以包括單手測量，其中(例如) 單個工具被用來測量3-D輪廓的長度、封閉輪廓的表面面積和/或其它類似特征。系統使用者和測量計算模塊之間的另一類交互可以包括使用兩只手和兩個關聯的工具，其中測量期間工具可選地進行抓取和操縱。這些測量工具通?？梢砸蕾囉谶h程外科手術系統的能力， 以準確地確定工具末端執(zhí)行器或器械末端的位置，以及在系統的顯示器上的疊層畫面上準確地強化或畫出該位置，以使得它與3-D立體視圖中的器械末端一致地出現。現在參考圖7，示范性數據采樣或標定方法150可以被用來采樣輪廓或標定位置。 系統使用者通常利用其支配手來控制測量器械末端位置，并且他們可以用他們非支配手抓取或致動手柄以便添加或去掉樣本。例如右撇子系統使用者通常利用其右手操作工具，用其左手標定和/或去標定位置。對于方法150，假定右手是支配手并且假定左手是非支配手。這可以通過利用設定菜單、下拉菜單等而被改變。在采樣或標定方法150整個過程期間，右手可以保持緊緊抓取，以使得器械抓緊器或夾爪保持閉合。這可以在有利結構構造中構造具有夾爪的工具以用于接觸組織并標定感興趣的點，并且也可以可選地向系統識別出測量工具。工具夾爪通常通過閉合主控制器的柄的間板而被閉合。當右手在步驟152抓取柄時，在步驟IM工具能夠添加點，這是通過在步驟156用左手簡單地抓取以便這個柄同樣處于閉合。利用非支配手來添加和去掉點會防止支配手的意外運動，否則這將不利地影響工具定位的準確度。在可替代實施例中，在外科醫(yī)生控制臺上可以設置腳踏板或額外的按鈕，優(yōu)選使得輸入致動與工具的可控移位不會相互干擾。當右手在步驟158張開時，通過在步驟162用左手抓取而在步驟160工具能夠去掉點。系統與使用者的交互使得在測量模式中總是存在交互地跟蹤器械末端的點。系統使用者控制器械以將這個點定位成與被測量的解剖組織一致。當固定在位置上時，可以通過用左手抓取來放置該點，這有效地將點或點標記放在當前位置上，并且增加了將被交互移動的新點。為了進一步改進用戶界面的感受，多線形式的視覺化會顯示順序的每對點之間的連線直到并包括器械末端的最后一個點。對于相對于要被測量的解剖組織來對齊輪廓的方向而言，這提供了額外的視覺證實。注意到，采樣方法150的流程圖假定測量的多線的 3-D視覺化在該多線已經改變的任何時刻均針對該操作者被重繪?，F在參考圖8，圖8示出與輪廓相關的測量工具以及這些工具之間的行為的繼承關系的分類示意圖。這些工具響應按鈕按壓事件和運動事件，從而處理測量點的位移。這些工具支持圖7所示的相同點位移交互模式，但是它們在處理一系列點以產生用于顯示的測量文本時在方式上可以是不同的。支持的交互模式包括用于測量兩點之間的距離的點對點位移，用于測量任意輪廓的多線點位移，以及用于產生空間上規(guī)律化采樣的測量的連續(xù)點位移。
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輪廓測量工具也支持連續(xù)采樣模式或位置標定方法180，如圖9所示。方法180產生規(guī)律化間隔的樣本。操作者可以可選地規(guī)定期望的采樣容限。該采樣容限確定兩個樣本點之間的最小間隔?？梢杂迷?. 1毫米和20毫米之間的容限，其中1毫米容限通常是可行的，以使得1毫米容限可以用作缺省值。以大致類似上面所述的方式來使用左和右抓取從而添加或去掉點，其中距離測量步驟182被用來確定什么時候工具已經被移動到足夠遠從而使得添加新樣本是正確的?？商娲牟蓸臃椒梢匀Q于基于時間的周期采樣，微分空間量的改變(例如，用響應于工具路徑的連續(xù)性和/或曲率而得到的樣本)，或基于空間的和臨時的量的一些組合矩陣(例如，用響應工具的速度和/或加速度而獲得的樣本)等?，F在參考圖IOA和圖10B，輪廓工具一般可以依賴于多線3-D對象。這可以被用來儲存用來計算長度和面積測量的一系列3-D采樣點。利用下面的公式，用多線3-D對象的計算長度方法，能夠產生開放輪廓工具的測量值 ^ ξ U ρ,+ 一 pnl^Sl利用等式1產生封閉輪廓工具的測量，并且然后增加連接于該系列的最后一點到該系列的第一點的線段的長度。封閉輪廓面積通過近似封閉表面面積來計算，可選地利用三角形的棋盤形布置(tessellation)。然后該面積可以通過積分每個三角形的面積而得至IJ。用于棋盤形布置該表面的一種手段是利用在3-D輪廓的質心處具有固定點的三角形扇面。這對于凸狀或接近凸狀的輸入是特別奏效的，這種輸入代表要被測量的大多數輪廓。本發(fā)明的實施例也可以允許叫做雙手交替測量的雙手器械交互。這能夠被實現以便使得系統使用者能夠在用兩個抓緊器械操縱組織的同時測量組織長度，其中一些或全部操縱發(fā)生在圖像捕獲裝置的景象中。對于這種測量，可以用被用來測量當前被抓取的組織的長度的那些點之間的歐幾里德距離來跟蹤沿著每個工具的抓緊器的點。交互也允許系統使用者能夠順序地累積被抓取在工具之間的組織的長度。工具之間的距離基于工具抓緊器的鉸接處被自動采樣且累積。由于使用機器人外科手術系統雙手交替的交互作用的性質， 一只手能夠被假定為抓取(且因此標定)新的位置。一旦新的位置被抓取并且另一只手釋放組織，則系統自動采樣并累積器械之間的距離。這種采樣條件是方便的，因而允許使用者在進行累積測量之前抓取和再抓取，以便當組織被從右手工具釋放并且外科醫(yī)生到達左手工具之外時，在通過釋放左手工具標定新的抓取位置之前，外科醫(yī)生可以在周圍移動整個組織或移動其他的組織來讓道。此外，系統使用者可以有機會弄直或甚至稍微拉伸被測量的組織以便最佳地近似期望被采樣的線性線段的長度。現在參考圖11，雙手交替數據采樣方法200在累積總的測量長度的同時，允許使用者在圖像捕獲裝置的視場內和/或通過圖像捕獲裝置的視場來抓取、操縱和移動組織。 交互提供了直覺的雙手測量范例，近似于交替使用每只手來沿著長繩拉。交互不限制測量方向和長度。操作者通過進行一系列分段式線性測量，可以測量任意長的或彎曲的樣品。 利用這種測量交互的一個例子是在胃腸手術過程中測量出腸的長度。在雙手交替采樣方法 200中，系統使用者和該系統之間的交互已經被設計成使得允許系統使用者利用用一手抓緊且用另一只手測量的交替方式。該測量開始于，操作者用一只手或另一只手抓取被測量的樣品。未抓取的手成為測量手。系統連續(xù)地計算并顯示與左和右手及主控制輸入裝置相關聯的工具之間的計算距離以及先前測量的運算合計。在步驟202釋放抓取手之前，不抓取的手是空著的且在決定期望的抓取以提交測量的長度之前多次釋放。在步驟202釋放抓取手時，測量被進行并且兩只手之間的關系被轉換。進行測量包括在步驟204將兩個工具之間的計算距離增加到運算合計。在步驟206，由于角色轉換，前一次的測量手之后是抓取樣本，并且前一次的抓取手現在是空閑以標定新的位置的測量工具。圖12是圖形地示出利用圖像數據的點對點的單線線段測量的屏幕快照。顯示的圖像220示出已經在其上疊加了標記224的工具222。標記2 被示出在一個先前的標定位置上，并且拉伸線2 在該先前的標定位置和工具上的標記之間延伸。示出拉伸線的長度的數字圖形230被提供成從該拉伸線偏移開且在成像裝置的視場內。各種顏色可以用于顯示的拉伸線228，以使得它在背景組織上能夠被看見。在圖12所示的實施例中，拉伸線 2 是亮綠色。同樣，各種顏色可以用于顯示的標記?，F在參考圖13，圖13示意地示出多線測量。工具MO已經被預先用于標定兩個組織位置M2J44，并且顯示的標記在工具已經繼續(xù)移動之后被留在這兩個位置。線段M6 仍然被固定在先前的標定位置之間。拉伸線248隨工具240運動，并且具體在前一標定位置244和工具上的測量位置250之間延伸。標記252在工具的測量位置250被疊加在工具上，以便在測量期間表現為隨工具運動。注意到，被標記的位置不需要(并且通常不)位于一條直線上、在一個平面內等。一旦組織位置被標定之后，當攝像機移動以便觀察被測量組織的另一個部分時顯示的標記可以隨組織被保留。參考圖14，圖14是能夠看見的封閉的多線測量的一個示范性的實施例。注意到， 感興趣的組織結構的周長和/或面積可以被顯示，其中在這里的組織結構包括二尖瓣環(huán)。 不同的顏色可以用于不同的顯示標記或線。例如，面積邊界線2M可以用黃色示出，從該面積的中心258延伸到每個顯示標記226的棋盤形布置線256可以用白色示出。棋盤形布置線可以用來計算邊界線254內的面積。示范性的雙手交替測量方法可以參考圖15A和圖15B來理解。測量工具260沿著柔性組織或其他結構FT (在這里是測量皮尺)運動，生成示出測量工具260和抓取工具沈2 之間的測量距離的輸出。一旦沿著柔性組織FT的期望位置已經被識別并且組織已經被適當地變直和/或拉伸，則測量工具260可以保持為閉合抓取模式，而抓取工具262被釋放， 該動作更新累積的距離測量以便包括工具之間的最后一個間隔。間隔距離可以再次通過兩個工具的角色轉換被示出，其中先前的測量工具260現在是抓取工具，如此等等。圖15B的圖示出利用皮尺測量的雙手交替測量交互的驗證。線段以三維方式被疊加在器械抓緊器之間，以便呈現被測量的長度。文本信息被交互地顯示在線段的中點，以便指示中間和累積的測量長度。其他的實施例可以使得上面描述的許多技術和系統與靜止的立體圖像結合，以便有助于測量偏移、面積、體積、縱橫比等。例如，希望獲得運動組織的測量，特別是用于在封閉胸腔心跳過程期間測量心臟的組織結構。為了有助于在這種生理運動期間的準確測量， 處理器能夠凍結呈現給系統使用者的立體視頻圖像(例如在外科醫(yī)生控制臺中呈現給一個或更多個外科醫(yī)生的立體圖像，或在關聯顯示器中呈現給助手或代理人的二維圖像)。在標定組織位置的準備期間根據來自系統使用者的輸入可以凍結圖像，或者響應指示出機器人工具被置于第一組織位置處或其附近的輸入可以凍結圖像。無論如何，之后，相同的(或不同的)系統使用者可以識別在凍結圖像中的一個或更多個組織位置?？蛇x地，能夠通過利用外科醫(yī)生控制臺的主動輸入裝置來操縱3D指針到組織圖像的期望位置，從而識別組
18織位置。可替代地，系統使用者可以簡單地標定在兩個凍結立體圖像之一中的位置。在任何一種情況下，當組織標定命令被處理器接收時，指針可以基于立體圖像之一中的指針位置被傳到組織表面。當該期望組織位置已經被輸入到該凍結圖像中時，可以如上面描述的通過三維圖像數據來確定三維偏移和測量。雖然所有的組織位置均可以用指針等被可選地指示出，但是使用機器人工具對至少第一位置的指示可以幫助穩(wěn)定局部組織。為了測量跳動的心臟和/或其他循環(huán)地運動的組織，可以捕獲時間序列圖像并將其用于生成組織運動循環(huán)的不同階段的一系列測量。因此，這樣的系統和方法能夠(例如)捕獲心臟的一系列循環(huán)泵送狀態(tài)并且進行對這些狀態(tài)的測量，以加強對各種心臟狀況的診斷和治療。
雖然為了清楚理解并且以舉例的方式在一些細節(jié)中已經描述了示范性的實施例， 但是對于本領域的普通技術人員而言各種修改、修正和變化將是很顯然的。因此，本發(fā)明的范圍僅僅由權利要求限定。
權利要求
1.一種用于測量結構的方法，該方法包括用第一機器人工具夾爪抓取第一結構位置；用第二機器人工具夾爪抓取第二結構位置；釋放該第一工具的夾爪并且從所述第一位置移開該第一工具以便抓取第三結構位置；將這些位置之間的三維偏移相加以便測量沿著該結構的雙手交替長度。
2.根據權利要求1的方法，其中該結構包括在微創(chuàng)外科手術部位內的組織結構，并且該方法還包括通過用所述第一和第二機器人工具夾爪交替地抓取該結構來標定多個額外的組織結構位置。
3.根據權利要求2的方法，其中每個偏移均由一對所述位置限定，并且該方法還包括將所述第一和第二夾爪之間的拉伸線、所述第一和第二夾爪之間的遞增的偏移測量以及包括成對位置的相加的偏移的累積測量顯示成疊加在沿著每個夾爪的測量位置的圖形指示符的圖像上。
4.根據權利要求2的方法，還包括通過致動所述夾爪來標定所述組織位置。
5.根據權利要求4的方法，還包括在所述第二工具抓取該第二組織位置的同時從所述第一位置釋放該第一工具的夾爪，來標定所述第二組織位置并且開啟該第一位置和該第二位置之間的遞增的偏移測量，使得該第二工具可以抓取并釋放多個候選的第二組織位置而不改變相加的偏移。
6.根據權利要求5的方法，其中，在所述第一工具抓取所述第三組織位置的同時，從所述第二位置釋放所述第二工具的夾爪，來標定所述第三組織位置并開啟該第二位置和該第三位置之間的遞增的偏移測量，使得該第一工具可以抓取并釋放多個候選的第三組織位置而不改變相加的偏移。
7.根據權利要求4的方法，其中在所述工具中的一個工具保持抓取的同時，另一個工具被允許抓取并釋放多次直到達到期望的組織位置，其中所述額外的位置之間的偏移通過當達到所述期望的組織位置時釋放所述一個工具而被測量，并且其中當所述一個工具被釋放時所述一個工具和所述另一個工具之間的位置標定職責被轉換。
8.根據權利要求2的方法，還包括當該第一和第二夾爪之間的相關偏移被確定時，用所述夾爪操縱所述組織結構以便弄直或拉伸該組織結構的測量長度。
9.根據權利要求2的方法，還包括觀察圖像捕獲裝置的視場內的所述組織結構，其中在確定該第一位置和該第二位置之間的偏移時該第三位置在該視場中不可見，并且該方法還包括用所述夾爪操縱該組織結構和/或移動該視場，以便在確定所述第二位置和所述第三位置之間的偏移時使所述第三位置成像。
10.根據權利要求2的方法，還包括用生成圖像數據的圖像捕獲裝置來獲取所述組織結構的左和右立體圖像，其中通過利用該圖像數據確定所述位置之間的三維偏移來測量所述偏移。
11.一種用于測量組織的方法，該方法包括用第一機器人工具指示第一組織位置；自動地指示多個額外的組織位置；和確定由所述組織位置限定的測量。
12.根據權利要求11的方法，其中，該測量包括成對組織位置之間的累積長度。
13.根據權利要求11的方法，其中，該測量包括面積測量。
14.根據權利要求13的方法，其中，該測量包括由所述位置限定的縱橫比。
15.根據權利要求13的方法，還包括識別所述面積的中心并且將在該中心和所述組織位置之間限定的三角形的面積相加以便計算所述面積。
16.根據權利要求13的方法，還包括在由系統使用者參考該組織的圖像引導所述第一工具的運動的同時，將所述面積的邊界疊加在所述組織的圖像上。
17.根據權利要求11的方法，還包括用生成圖像數據的圖像捕獲裝置獲得該圖像，并且從該圖像數據來確定所述組織位置。
18.根據權利要求11的方法，其中所述組織位置包括界定所述面積的被離散標定的位置，其中每個位置均按照來自系統使用者的相關輸入而被標定。
19.根據權利要求11的方法，其中響應所述第一機器人工具和一個先前位置之間臨時的或空間的間隔來標定所述多個位置。
20.根據權利要求11的方法，還包括在每個所述位置處在該組織的圖像內疊加圖形指示符，在所述第一工具已經從由該第一工具標定的位置移開之后該圖形指示符仍被保留， 在所述圖像中的順序的位置之間疊加直線，在所述圖像內在所述第一機器人工具的工具測量位置上疊加圖形指示符，并且在所述圖像內在前一個位置和該測量位置之間疊加拉伸線。
21.根據權利要求20的方法，還包括在所述圖像內在所述前一個位置和該工具測量位置之間疊加遞增的偏移，并且在所述圖像內在所述順序的位置之間疊加偏移的累積和。
22.根據權利要求11的方法，其中自動地指示所述多個額外的組織位置是通過利用第二機器人工具來指示至少第二組織位置且利用第三機器人工具來指示至少第三組織位置從而實現的。
23.根據權利要求22的方法，其中該第一機器人工具與由第一使用者操作的第一主/ 從三維輸入裝置操作地相關聯，并且該第二機器人工具與由第二使用者操作的第二主/從三維輸入裝置操作地相關聯。
24.一種用于測量結構的系統，該系統包括用于抓取第一結構位置的第一機器人工具夾爪；用于抓取第二結構位置的第二機器人工具夾爪；處理器，該處理器將所述機器人工具連接于輸出，以使得來自使用者的輸入命令導致該處理器將所述位置之間的三維偏移相加，以便測量沿著該結構的雙手交替長度。
25.根據權利要求M的系統，其中該系統包括機器人外科手術系統，并且該結構包括微創(chuàng)外科手術部位內的組織結構，其中該處理器響應用于所述第一和第二機器人工具夾爪的多個交替的夾爪致動命令，識別沿著該長度的相關聯的多個額外的組織結構位置。
26.根據權利要求25的系統，其中該處理器將由相關聯的多個成對位置所限定的多個偏移相加，并且該系統還包括顯示器，該顯示器在使用中顯示所述組織結構的圖像，且還將沿著每個夾爪的測量位置的圖形指示符、所述第一和第二夾爪之間的拉伸線、所述第一和第二夾爪之間的遞增偏移測量以及包括所述成對位置的相加偏移的累積測量顯示成疊加在所述組織結構的圖像上。
27.根據權利要求25的系統，其中從所述第一位置釋放該第一工具的夾爪標定所述第二組織位置并且將該第一位置和該第二位置之間的遞增三維偏移測量添加到所述雙手交替長度，以使得該第二工具可以抓取并釋放多個候選的第二組織位置而不改變該雙手交替長度。
28.根據權利要求25的系統，其中該處理器延遲三維偏移的相加直到按照來自所述系統使用者的命令來指示位置，以便有助于在所述雙手交替長度測量期間用所述夾爪操縱所述組織結構，以及當所述第一和第二夾爪之間的相關偏移被確定時允許所述夾爪弄直或拉伸該組織結構的測量的遞增長度。
29.根據權利要求M的系統，還包括具有視場的圖像捕獲裝置，其中該處理器被構造成用于所述夾爪的鉸接，以便操縱該組織，從而在確定該第二位置和該第三位置之間的偏移之前將所述第三位置帶到該圖像中。
30.根據權利要求M的系統，還包括具有視場的圖像捕獲裝置，其中該處理器被構造成用于該視場的重新定位，以便在確定該第二位置和該第三位置之間的偏移之前將該第三位置帶到該圖像中。
31.根據權利要求M的系統，還包括立體圖像捕獲裝置，其用于捕獲該結構的左和右立體圖像并生成與其對應的圖像數據，其中該處理器通過利用所述圖像數據確定所述位置之間的三維偏移來測量偏移。
32.根據權利要求M的系統，其中該處理器被構造成使得在所述工具中的一個工具保持抓取的同時允許另一個工具抓取并釋放多次直到達到期望的組織位置，其中所述額外的位置之間的偏移通過當達到所述期望的組織位置時釋放所述一個工具而被測量，并且其中當所述一個工具被釋放時所述一個工具和所述另一個工具之間的位置標定職責被轉換。
33.一種用于測量結構的系統。該系統包括用于接合第一位置的第一機器人工具；處理器，其被連接于該第一工具，以使得該處理器確定由所述第一位置和多個額外的自動接合位置所限定的測量。
34.根據權利要求33的系統，其中該測量包括面積測量。
35.根據權利要求33的系統，其中該測量包括由所述位置限定的縱橫比。
36.根據權利要求33的系統，其中該處理器被構造成識別所述面積的中心并且將在該中心和所述組織位置之間限定的三角形的面積相加以便計算面積。
37.根據權利要求34的系統，其中該處理器被構造成在由系統使用者參考該圖像引導所述第一工具的運動的同時，將該面積的邊界疊加在該結構的圖像上。
38.根據權利要求33的系統，還包括用于獲得所述圖像并且生成與其對應的圖像數據的圖像捕獲裝置，并且該處理器從該圖像數據確定所述位置。
39.根據權利要求33的系統，其中所述組織位置包括界定所述面積的被離散標定的位置，該處理器按照來自系統使用者的有關輸入來確定每個位置。
40.根據權利要求33的系統，其中該處理器被構造成響應在所述第一機器人工具和一個先前位置之間的臨時的或空間的間隔來確定所述多個位置。
41.根據權利要求33的系統，其中該處理器被構造成在每個所述位置在所述組織的圖像中疊加圖形指示符，在所述第一工具已經從由所述第一工具標定的位置移開之后該圖形指示符仍被保留，在所述圖像內將順序的位置之間疊加直線，在所述圖像內在該第一機器人工具的測量位置上疊加圖形指示符，并且在所述圖像內在前一位置和該測量位置之間疊加拉伸線。
42.根據權利要求33的系統，其中該處理器被構造成在所述圖像內在該前一位置和該工具測量位置之間疊加遞增的偏移，以及在所述圖像內在所述順序的位置之間疊加偏移的累積和。
43.根據權利要求33的系統，還包括第二機器人工具和第三機器人工具，其中所述機器人工具連接于所述處理器，以便通過利用所述第二機器人工具指示至少第二組織位置并且利用所述第三機器人工具指示至少第三組織位置從而自動指示所述多個額外的組織位置。
44.根據權利要求43的系統，還包括被定位成用于由第一使用者使用的且與所述第一機器人工具操作地相關聯的第一主/從三維輸入裝置，以及被定位成用于由第二使用者使用的且與所述第二機器人工具操作地相關聯的第二主/從三維輸入裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于遠程外科手術和其他應用的機器人和/或測量裝置(10)、系統和方法。該裝置、系統和方法利用操作地連接于工具(26)的輸入裝置(16)從而允許系統使用者(18)操縱被測量的組織和其他結構。該系統(10)可以利用來自立體圖像的三維位置信息。兩個或兩個以上的離散點(242，244)能夠用三維方式被標定，以便提供沿著直的或彎曲的組織的累積長度、面積測量、體積測量等。離散點可以通過單個外科手術工具(240)或通過分開兩個或兩個以上的外科手術工具的距離來被識別，其中使用者可選地通過沿著該結構雙手交替地移動一對工具來測量比立體圖像捕獲裝置的視場更長的結構。通過在標定組織位置的同時允許系統使用者與組織交互，并且通過利用成像數據來確定所述測量，能夠增強測量的準確度和測量的簡便性。
文檔編號A61B19/00GK102458293SQ201080027164
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月3日 優(yōu)先權日2009年6月16日
發(fā)明者B·D·伊特科維茲, C·J·哈瑟, C·J·莫爾, H·斯坦因, M·J·科瑞特, S·蒂邁歐, 趙文毅, 趙濤 申請人:直觀外科手術操作公司