儀器的輔助操縱的方法和關(guān)聯(lián)的輔助組裝件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明關(guān)于在用于儀器操縱的輔助組裝件中用于儀器的輔助操縱的方法，該輔助組裝件包括：醫(yī)學成像系統(tǒng)（11），其包括用于使意在要由所述系統(tǒng)成像或已經(jīng)成像的患者的至少一個部位固定的支承（18）；用于意在在所述患者中使用的儀器（2）的輔助操縱的輔助裝置（1），所述裝置（1）包括：能由操作者操作的移動機械結(jié)構(gòu)（3），在其上能夠固定至少一個儀器（2），所述方法特征在于，它包括以下步驟：相對于成像系統(tǒng)（11）的位置來校準輔助裝置（1）的位置，由此允許患者部位的位置在與輔助裝置（1）有關(guān)的參考系內(nèi)已知以在操縱患者中的儀器方面輔助操作者。
【專利說明】儀器的輔助操縱的方法和關(guān)聯(lián)的輔助組裝件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明關(guān)于對于意在在患者中使用的儀器的輔助操縱的裝置和組裝件。
【背景技術(shù)】
[0002]外科 手術(shù)規(guī)程(特別是例如活檢等最小侵入規(guī)程)需要由醫(yī)生操縱儀器。這些儀器必須移動并且定位在精確區(qū)中用于正確實施規(guī)程。這些可以是例如要定位在患者中的精確位點處來執(zhí)行活檢的針。
[0003]這些儀器的操縱是細致且復雜的操作。
[0004]由于該目的，已知提供用于輔助儀器操縱的裝置。
[0005]例如，在外科中，已知使用聯(lián)接臂，其預先定位儀器鉸接所在的臂的末端。一旦臂從而被預先定位，用戶可以促使儀器執(zhí)行特定平移或旋轉(zhuǎn)移動同時臂仍保持在它的位置。
[0006]裝置可以是更簡單的裝置，例如機械導向裝置。
[0007]迄今為止用于輔助儀器操縱的裝置具有許多缺點。
[0008]為了限定賦予儀器的軌跡，一些裝置需要要研究的患者區(qū)中的解剖標記的識別。這些解剖標記的識別允許要相對于患者身體校準的裝置的位置參考系。該定位是必要的，以便能夠確定要給予儀器的軌跡。
[0009]有時，裝置相對于患者身體的位置參考系的校準(其也叫作配準)通過使用器官的三維模型(3D)來執(zhí)行。整形外科手術(shù)中的已知導航和輔助操縱系統(tǒng)尤其是這樣的。在該情況下，一個或多個目標器官的3D模型可以在操作前構(gòu)造，并且軌跡可以在外科手術(shù)之前在所謂的外科手術(shù)規(guī)劃階段期間關(guān)于這些模型而確定。在外科手術(shù)規(guī)程時，儀器(例如光學儀器或磁性儀器)用于使操作前3D模型與患者對準并且確定它相對于裝置的位點。
[0010]在所有情況下，配準是復雜的并且有時是不精確的。另外，它并不總是能適用的。最后，它在患者或器官移動的情況下必須再次執(zhí)行。
[0011]具有允許在精確的軌跡上引導儀器的機械導向裝置，這通常也是必要的。這些機械導向裝置例如用于針的定位。
[0012]該技術(shù)方案具有它需要額外部件這一劣勢。為每個患者對該部件消毒，這也是必要的。最后，該部件不適應于所有儀器并且僅允許要限定的有限軌跡集。
[0013]本發(fā)明提出對迄今已知的用于輔助儀器操縱的裝置的改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明提出克服上面提到的劣勢。
[0015]在一個實施例中，描述在用于輔助儀器操縱的組裝件中用于儀器的輔助操縱的方法，該組裝件包括:醫(yī)學成像系統(tǒng)，其包括用于使要由所述系統(tǒng)成像或已經(jīng)成像的患者的至少一個部位固定的支承；用于意在在所述患者中使用的儀器的輔助操縱的裝置，所述裝置包括能由操作者操作的移動機械結(jié)構(gòu)，在其上可以固定至少一個儀器，所述方法特征在于，它包括以下步驟:相對于成像系統(tǒng)的位置來校準輔助裝置的位置，由此允許患者部位的位置在與輔助裝置有關(guān)的參考系內(nèi)已知以在操縱患者中的儀器時輔助操作者。
[0016]在一個實施例中，步驟由對操作者提供表征輔助裝置和/或儀器相對于患者區(qū)或該患者區(qū)的目標的位置的信息組成。
[0017]在一個實施例中，輔助組裝件進一步包括在一個或多個自由度上致動機械結(jié)構(gòu)的機動化件，和能夠驅(qū)動該機動化件來促進對儀器的至少一個運動學約束的滿足的處理器，約束的滿足通過操作者的操縱與機動化件響應于這些操縱的動作之間的協(xié)作來實現(xiàn)，所述校準使處理器能夠?qū)Τ上裣到y(tǒng)的參考系中限定的儀器的運動學約束變換到裝置的參考系以便使用所變換的約束來驅(qū)動機動化件。
[0018]根據(jù)一個實施例，裝置和成像系統(tǒng)組合并且校準被預先編程。
[0019]在一個實施例中，校準由操作者在患者中的規(guī)程之前確定，并且包括在成像系統(tǒng)的點處定位裝置的步驟，成像系統(tǒng)的參考系中的這些點的位置被傳送到系統(tǒng)，其相對于成像系統(tǒng)的位置來校準輔助裝置的位置，并且經(jīng)由校準系統(tǒng)的處理從其處推斷裝置相對于成像系統(tǒng)的校準位置。
[0020]在一個實施例中，處理器配置成驅(qū)動機動化件以便迫使儀器將它自身定位在導向裝置內(nèi)，從而對應于幾何空間區(qū)。
[0021]在一個實施例中，導向裝置關(guān)于儀器的運動學參數(shù)和/或由操作者執(zhí)行的儀器的操縱而動態(tài)限定。
[0022]在一個實施例中，導向裝置關(guān)于儀器所插入的患者區(qū)的變形模型而動態(tài)限定。
[0023]在一個實施例中，導向裝置關(guān)于從患者圖像得到的數(shù)據(jù)(由醫(yī)學成像系統(tǒng)拍攝)而被重新計算。
[0024]在一個實施例中，導向裝置對應于這樣的幾何區(qū)，其使儀器在由操作者移動時能夠避開物理對象或患者的預定區(qū)。
[0025]在一個實施例中，對儀器的運動學約束由操作者經(jīng)由輔助組裝件的接口從由醫(yī)學成像系統(tǒng)提供的圖像限定。
[0026]輔助組裝件還描述成輔助操縱儀器，該輔助組裝件包括:醫(yī)學成像系統(tǒng)，其包括用于使意在要由所述系統(tǒng)成像或已經(jīng)成像的患者的至少一個部位固定的支承；用于意在在所述患者中使用的儀器的輔助操縱的輔助裝置，所述裝置包括能由操作者操作的移動機械結(jié)構(gòu)，在其上可以固定至少一個儀器，所述組裝件特征在于，它包括至少一個校準系統(tǒng)，用于相對于成像系統(tǒng)的位置來校準輔助裝置的位置，由此允許患者部位的位置在與輔助裝置有關(guān)的參考系內(nèi)已知以在操縱患者中的儀器方面輔助操作者，所述組裝件能夠執(zhí)行之前描述的方法的步驟。
[0027]在一個實施例中，組裝件進一步包括在一個或多個自由度上致動機械結(jié)構(gòu)的機動化件，和能夠驅(qū)動該機動化件來促進滿足對儀器的至少一個運動學約束的處理器，約束的滿足通過操作者的操縱與機動化件響應于這些操縱的動作之間的協(xié)作來實現(xiàn)，所述組裝件特征在于，它能夠執(zhí)行之前描述的方法的步驟。
[0028]還描述計算機程序產(chǎn)品，其可以加載到輔助組裝件的輔助裝置的處理器的存儲器內(nèi)，所述程序能夠控制處理器來執(zhí)行之前描述的方法的步驟。
[0029]本發(fā)明的一個優(yōu)勢是提出用于儀器的輔助操縱的裝置，其對操作者提供移動自由度。[0030]本發(fā)明的另一個優(yōu)勢是允許操作者操縱的實時可視化，其改進儀器軌跡的精度和
患者安全。
[0031]本發(fā)明的另外的優(yōu)勢是對儀器的導向提供靈活的輔助，該儀器能夠適應于患者和規(guī)程環(huán)境中物理對象的存在。本發(fā)明允許在多個軌跡(其關(guān)于各種參數(shù)能調(diào)整)上導向。
[0032]本發(fā)明的另外的優(yōu)勢是裝置的定位可以采用簡單、高效的方式確定。
[0033]本發(fā)明的另外的優(yōu)勢是能夠計算軌跡(或約束)并且促使儀器遵循該軌跡。軌跡例如經(jīng)由規(guī)劃算法而有利地選擇，并且允許要打開用于儀器插入和移動的患者身體區(qū)的最小化，這改進患者舒適度并且減少出血。
[0034]本發(fā)明的另外的優(yōu)勢是停止對導向部件和其維護的需要。
[0035]最后，本發(fā)明的另一個優(yōu)勢是允許儀器與目標的對準同時對操作者提供自由度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]本發(fā)明的其他特性、目標和優(yōu)勢將從下面的描述(其純粹是說明性而非限制性的)變得明顯，并且要參考附圖閱讀，其中:
一圖1是根據(jù)本發(fā)明的輔助組裝件的示意圖示；
一圖2是根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟的示意圖示；
一圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟的示意圖示；
一圖4是對指向目標的儀器的指向約束的示意圖示；
一圖5是儀器的軌跡的示意圖示；
一圖6是關(guān)于儀器的插入深度而變化的導向裝置的示意圖示；
一圖7是允許維持儀器插入點的約束的示意圖示。
【具體實施方式】
[0037]圖1示意地圖示用于操縱儀器的輔助組裝件6。
[0038]組裝件6包括醫(yī)學成像系統(tǒng)11，其允許拍攝患者7的圖像。
[0039]這可以例如是乳房攝影單元，其中定位患者用于拍攝乳房攝影圖像。
[0040]醫(yī)學成像系統(tǒng)11包括支承18，用于使要由所述系統(tǒng)11成像或已經(jīng)成像的患者7的至少一個部位16固定。
[0041]該支承18用于使要成像的患者7的部位16相對于醫(yī)學成像系統(tǒng)11維持固定。
[0042]在圖1中，示出乳房攝影單元11，其中患者7的乳房固定地定位在壓縮板18與檢測器19之間。特別地，患者的乳房16在壓縮板18與檢測器19之間壓縮。
[0043]未描述乳房攝影單元的常規(guī)部件(X-射線源等)，并且其為本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員所知。
[0044]操作者可例如對患者7的壓縮乳房執(zhí)行活檢。
[0045]組裝件6進一步包括用于儀器2的輔助操縱的裝置I。 [0046]裝置I和儀器2配置成在可以定位在成像系統(tǒng)11處的患者7中使用。
[0047]儀器2特定地包括醫(yī)生可使用其來執(zhí)行檢查例如以從器官對組織采樣(活檢)或?qū)嵤┩饪剖中g(shù)規(guī)程的任何醫(yī)學裝置(針、探頭，等)。
[0048]裝置I包括移動機械結(jié)構(gòu)3，在其上可以固定至少一個儀器2。該機械結(jié)構(gòu)3可以由操作者操作。它可以是例如聯(lián)接臂。
[0049]機械結(jié)構(gòu)3本身有利地在支承14上鉸接。在它與支承14相對的末端處，機械結(jié)構(gòu)3支撐儀器2。
[0050]在一個實施例中，支承14本身是醫(yī)學成像系統(tǒng)11。
[0051]所述機械結(jié)構(gòu)3例如是多聯(lián)接系統(tǒng)，諸如例如由馬薩諸塞州沃本的SensAbleTechnologies公司配給的PHANToM Omni機器人絞接臂。
[0052]機械結(jié)構(gòu)3賦予儀器2—定數(shù)量的自由度。在圖1中，存在六個自由度。根據(jù)應用可存在不同的數(shù)量，例如五個自由度。[0053]在一些情況下，裝置I包括位置傳感器，其允許在規(guī)程期間確定儀器2的位置。在能適用時，裝置I可包括速度和加速度傳感器(可選)。
[0054]在一個實施例中，在用于儀器操縱的輔助組裝件6中用于儀器的輔助操縱的方法包括以下步驟:相對于成像系統(tǒng)11的位置來校準輔助裝置I的位置，由此允許在與輔助裝置I有關(guān)的參考系內(nèi)確定患者部位16的位置以在操縱患者的該部位中的儀器方面輔助操作者(參見，圖2)。
[0055]在一個實施例中，該校準在患者中的每個操作會話之前只此一次地實行，而不必在規(guī)程過程中重復該校準。這提供關(guān)于輔助裝置I相對于成像系統(tǒng)11并且因此相對于患者部位16 (因為該部位16相對于成像系統(tǒng)是固定的)的位置的信息。
[0056]在一個實施例中，可以只此一次地對該校準預先編程(在組裝件的存儲器或處理器中)。這在裝置和成像系統(tǒng)組合(即，裝置I和成像系統(tǒng)11機械連接)時特別有利。例如當裝置和成像系統(tǒng)捆綁銷售時可是這樣的。有利地，在組裝件制造期間，裝置和成像系統(tǒng)一起在工廠被校準。
[0057]一般，輔助組裝件可包括至少一個校準系統(tǒng)25，用于相對于成像系統(tǒng)11的位置來校準輔助裝置I的位置，由此允許在與輔助裝置I有關(guān)的參考系內(nèi)確定患者部位的位置以在操縱患者中的儀器方面輔助操作者。
[0058]校準系統(tǒng)25可選地包括用于實施描述的任務所需要的任何處理器或處理單元。該系統(tǒng)25可完全集成在裝置I中，或它可部分在裝置I和成像系統(tǒng)中存在。
[0059]在一個實施例中，在患者中的外科手術(shù)規(guī)程之前，操作者將裝置I定位在醫(yī)學成像系統(tǒng)11的多個點處。這些點在成像系統(tǒng)11的參考系內(nèi)的位置被傳送到校準系統(tǒng)25。該傳送由例如操作者執(zhí)行，或如果這些點在成像系統(tǒng)11的參考系內(nèi)的位置已知或被預先記錄(在處理組裝件的存儲器中)則自動執(zhí)行。
[0060]校準系統(tǒng)25執(zhí)行處理(從醫(yī)學成像系統(tǒng)11的已知點開始并且使用用于參考系中的改變的那類處理)，其允許推斷成像系統(tǒng)11的參考系與裝置I的參考系之間的聯(lián)系。
[0061]已知點是例如壓縮板18的點，或定位在檢測器19上的點?？赡苁褂美缛齻€點。
[0062]該校準甚至可以在不需要在成像系統(tǒng)處存在患者的情況下確定?；颊呦鄬τ诔上裣到y(tǒng)的位置由于固定支承的存在而事先已知。
[0063]裝置I的位置因此相對于成像系統(tǒng)11和患者而被校準。
[0064]一般，校準系統(tǒng)25可包括任何定位系統(tǒng)，或允許識別成像系統(tǒng)的特征點的任何地形識別系統(tǒng)。
[0065]這可以是但不限于，使用例如光場的定位系統(tǒng)、超聲定位系統(tǒng)或機械定位系統(tǒng)。[0066]實施例的一個示例包括與一個或多個線圈關(guān)聯(lián)的射頻接收器。這些線圈設(shè)置在例如成像系統(tǒng)中，并且接收器設(shè)置在裝置I中，其允許定位線圈的位置并且因此確定成像系統(tǒng)的位置與裝置I的位置之間的關(guān)系。一旦完成校準，裝置I的部件(例如裝置的支承)在患者中規(guī)程期間保持固定，來維持裝置的參考系與成像系統(tǒng)的參考系之間的關(guān)系。
[0067]在實施例的另一個示例中，校準系統(tǒng)25包括固定在成像系統(tǒng)上的拍攝裝置，其識別輔助裝置I的特定點或反過來。
[0068]裝置I的位置相對于成像系統(tǒng)11本身的位置而非相對于要成像的患者的圖像或器官的校準通過校準來執(zhí)行，這最有利并且避免現(xiàn)有技術(shù)的復雜、幾乎不精確的方法。
[0069]輔助裝置 I的位置相對于成像系統(tǒng)11的位置的校準對于操作者具有許多優(yōu)勢。在一個實施例中，輔助方法包括以下步驟:對操作者提供表征輔助裝置和/或儀器相對于要研究且定位在成像系統(tǒng)處的患者區(qū)或相對于該患者區(qū)中的目標的位置的信息。
[0070]在一個實施例中，輔助組裝件包括位置通知系統(tǒng)36，其允許確定儀器的位置并且允許將儀器的位置通知操作者和/或?qū)x器的當前位置與要達到的目標之間的差通知操作者。該差可采用各種形式表達:距離、角度、時間等。
[0071]在經(jīng)由上面提到的校準知曉裝置的參考系內(nèi)的患者區(qū)或該患者區(qū)中的目標的位置的情況下，位置通知系統(tǒng)36可以對操作者提供指示當前位置與要達到的目標之間的差的反饋。
[0072]該信息提供步驟可以采用各種方式實行。在一個實施例中，位置通知系統(tǒng)36包括顯示屏，其提供關(guān)于輔助裝置或儀器相對于患者中的區(qū)或目標點的位置的視覺信息。該信息還可以是聲信號或任何其他適合的信號。
[0073]位置通知系統(tǒng)36可例如包括超聲位置傳感器和/或光學位置傳感器和/或電磁位置傳感器和/或使用激光的位置傳感器，以便知曉儀器的位置。位置通知系統(tǒng)36將由位置傳感器測量的儀器的位置與要達到的目標的位置比較，并且然后給出關(guān)于這些位置之間的差的反饋信息。目標的位置可以使用如下文解釋的軌跡計算的方法來預先編程或確定。位置通知系統(tǒng)36包括實施前面提到的任務所需要的任何處理器或處理單元。
[0074]在一個實施例中，裝置I進一步包括在一個或多個自由度上致動機械結(jié)構(gòu)3的機動化件4。在圖1 (對于本發(fā)明是非限制性的)中，裝置I包括三個機動化件。
[0075]輔助裝置I進一步包括能夠驅(qū)動機動化件來促進對儀器2的運動學約束的遵守的處理器5。
[0076]運動學尤其包括以下參數(shù)中的一個或多個:儀器2的位置、速度、軌跡、方向、取向。
[0077]術(shù)語處理器要在它的廣義上解釋，并且涉及能夠發(fā)送指令并且接收信息來控制機械結(jié)構(gòu)3的移動的任何處理單元。
[0078]它可以是例如與一個或多個控制程序關(guān)聯(lián)的微型計算機。它可可選地包括存儲單元(存儲器)。
[0079]處理器5直接在裝置I的結(jié)構(gòu)中集成，或它在外部并且經(jīng)由有線或無線通信工具而與機動化件通信。
[0080]處理器5能夠驅(qū)動機動化件4以促進對儀器2的運動學約束的滿足，該約束的遵守通過以下之間的協(xié)作而實現(xiàn):一操作者的操縱，和
一機動化件4響應于這些操縱的動作。
[0081]操作者操縱與機動化件的動作之間的協(xié)作最通常是同步的。
[0082]盡管操作者的操縱傾向于不留意運動學約束，機動化件4的動作傾向于促使聽從該運動學約束。
[0083]它因此是既通過機動化件又通過操作者操縱的同操縱裝置。
[0084]儀器2的運動學約束通過操作者的操縱與裝置的機動化件的動作之間的協(xié)作來滿足。
[0085]操作者在規(guī)程期間操縱儀器2，并且如果這樣的操縱傾向于不遵守運動學約束(例如，它移到預定幾何區(qū)外部)，機動化件防止或傾向于防止未能留意約束的操作者移動。
[0086]有利地，但 不限于此，機械結(jié)構(gòu)3向操作者的移動施加反力。
[0087]機動化件4可包括機械結(jié)構(gòu)上的其他動作，例如振動，其指示操作者的操縱不遵守運動學約束。
[0088]有利地，機動化件4在處理器5的控制下配置成產(chǎn)生阻塞，其的剛性是能調(diào)整的，使得運動學約束可以與操作者的操縱協(xié)作地得到滿足。
[0089]在另一個實施例中，聲信號也由裝置I發(fā)出來向操作者指示對儀器2的運動學約束未被遵守。由于該目的，裝置I包括揚聲器。
[0090]操作者因此提供有用于操縱儀器2和裝置I的自由度，同時保證裝置I將防止不能聽從對儀器的運動學約束。與機動化件4關(guān)聯(lián)的處理器5因此對操作者的操縱提供控制環(huán)(具有反饋環(huán)類型)。
[0091]根據(jù)一個實施例，描述位置校準方法(參見，圖3)，其包括相對于成像系統(tǒng)11的位置來校準輔助裝置I的位置的步驟，所述校準使處理器5能夠?qū)Τ上裣到y(tǒng)的參考系中限定的儀器的運動學約束變換到裝置的參考系。處理器5能夠關(guān)于所變換的約束來驅(qū)動機動化件。
[0092]如將已經(jīng)理解的，裝置I的驅(qū)動必須在所述裝置I自己的參考系9內(nèi)進行。因此，裝置I需要它自己的參考系內(nèi)的運動學設(shè)置點的表達，例如軌跡或位置。
[0093]成像系統(tǒng)11還提供要研究的患者7的區(qū)16的圖像，其在成像系統(tǒng)的參考系內(nèi)限定，在要由儀器2研究并且要成像的患者7的區(qū)16的范圍內(nèi)相對于成像系統(tǒng)11是固定的。
[0094]對儀器2的運動學約束因此由用戶或輔助組裝件6在成像系統(tǒng)11的參考系內(nèi)確定。例如，如下文描述的，輔助組裝件6能夠確定通過在由成像系統(tǒng)11拍攝的圖像中識別不必被儀器2觸碰的那些患者區(qū)(脈管、器官，等)而要避免的軌跡。初始，這些軌跡因此在成像系統(tǒng)11的參考系內(nèi)限定。
[0095]裝置I的位置的校準在這里通過相對于成像系統(tǒng)11本身的位置而非相對于圖像或要成像的患者的器官的校準來執(zhí)行，這是非常有利的，并且避免現(xiàn)有技術(shù)的復雜且?guī)缀醪痪_的方法。
[0096]處理器5能夠?qū)⒃诔上裣到y(tǒng)11的參考系8中表達的儀器2的運動學約束變換到在裝置I的參考系9中表達的約束、允許由輔助組裝件或由輔助裝置的用戶確定的約束在裝置自己的參考系8內(nèi)應用。
[0097]例如，如果朝向患者身體中的目標的軌跡已經(jīng)對儀器確定，所述軌跡允許避開血管，該軌跡憑借前面提到的校準而朝裝置I的參考系變換，這使處理器5能夠控制機動化件4以便促進聽從該軌跡。
[0098]使得從成像系統(tǒng)的參考系變到裝置的參考系成為可能的校準可以經(jīng)由前面提到的校準系統(tǒng)或經(jīng)由所有之前描述的實施例而獲得并且將不進一步描述。
[0099]一個實施例關(guān)于能夠驅(qū)動處理器來執(zhí)行裝置相對于成像系統(tǒng)11的校準步驟并且執(zhí)行之前描述的將在成像系統(tǒng)的參考系中限定的約束變換到裝置本身的參考系的步驟的計算機程序產(chǎn)品。
[0100]輔助組裝件6具有許多優(yōu)勢。在一個實施例中，醫(yī)學成像系統(tǒng)11允許裝置I和/或儀器2由操作者操縱的可視化。當成像系統(tǒng)是實時成像系統(tǒng)時，尤其是這樣的。操作者操縱的實時可視化改進用戶選擇的軌跡的精度和患者安全性。
[0101]備選地，可能使由系統(tǒng)11拍攝并且關(guān)于裝置配準的圖像可視化。在實時知曉儀器的位置的情況下，可能在之前由系統(tǒng)采集的圖像的體積中(例如在其他監(jiān)視屏上)遵照儀器的操縱。操作者因此能夠在之前采集的圖像的體積內(nèi)使儀器的導航可視化。
[0102]組裝件6可避開屏幕21，其可以是專用可視化屏幕或醫(yī)學成像系統(tǒng)I的屏幕?？蛇x地，可視化屏幕21允許顯示由儀器2拍攝的圖像(如果儀器2是探頭或拍攝裝置)，儀器獨立于成像系統(tǒng)11。
[0103]操作者因此能夠?qū)崟r遵照儀器2自己的操縱并且適應于它期望關(guān)于由成像系統(tǒng)I拍攝的圖像而賦予儀器的運動學約束。
[0104]同操縱裝置與成像系統(tǒng)的獨特組合因此是非常有利的。
[0105]在一些實施例中，如果成像系統(tǒng)11使用輻射(例如，X射線)，組裝件6使操作者能夠經(jīng)由裝置I操縱儀器2同時避免操作者暴露于輻射。
[0106]例如，如果采用“導航”模式操縱儀器，即儀器的位置在已經(jīng)采集的圖像的體積中可視化，不必在與操作者操縱相同的時間發(fā)出輻射，這避免操作者暴露于輻射。
[0107] 有利地，組裝件包括選擇接口 20，其使操作者能夠從由成像系統(tǒng)11拍攝的圖像選擇對儀器2的運動學約束。這可涉及例如要在患者中達到的目標或區(qū)的限定。操作者可例如在由成像系統(tǒng)11拍攝的圖像中直接選擇它期望對儀器2限定的目標或軌跡(甚至實時地)。
[0108]一般，組裝件6可包括具有微型計算機類型的處理單元29，其使用戶能夠為儀器2選擇導向裝置(下文描述的)并且控制成像系統(tǒng)11的所有采集參數(shù)和施加于儀器2的運動學約束。在該情況下，監(jiān)視器屏幕21和接口 20屬于該處理單元29。處理單元能夠與成像系統(tǒng)和裝置通信。
[0109]根據(jù)一個實施例(其可與或可不與前面的實施例互補)，處理器5配置成驅(qū)動機動化件4以便迫使儀器2將其自身定位在導向裝置內(nèi)，從而對應于空間中的幾何區(qū)。
[0110]這些導向裝置例如由組裝件6的處理單元29從由成像系統(tǒng)11拍攝的圖像確定。
[0111]如之前提到的，導向裝置在成像系統(tǒng)的參考系內(nèi)限定，并且由處理器憑借裝置相對于成像系統(tǒng)的之前的位置校準而變換到裝置的參考系。
[0112]這可以是任何類型的幾何區(qū):體積、直線、平面等。
[0113]它因此是虛擬導向裝置(如與現(xiàn)有技術(shù)的機械導向裝置相對)
有利地，導向裝置被動態(tài)限定，即它關(guān)于參數(shù)而變化。這因此允許在多個軌跡上的引導，這些多個軌跡關(guān)于各種參數(shù)是能調(diào)整的。在一個實施例中，導向裝置關(guān)于以下而動態(tài)限定:
一儀器2的運動學參數(shù)(位置、速度等)，和/或 一由操作者執(zhí)行的儀器2的操縱。
[0114]例如，導向裝置可因此關(guān)于儀器2與要達到的目標之間的距離而變化。要達到的目標越近，允許儀器移動所在的幾何區(qū)受到的限制越多。
[0115]有利地，導向裝置關(guān)于儀器已經(jīng)插入的患者區(qū)的變形模型而動態(tài)限定。
[0116]對于儀器插入的物理條件取決于選擇的區(qū)(軟組織、密度、器官類型，等)和插入運動學參數(shù)。通過具有區(qū)的變形模型，可能細調(diào)要施加于儀器的運動學約束，并且因此細調(diào)由處理器5朝機動化件4發(fā)出的命令.有利地，導向裝置由處理單元29關(guān)于從成像系統(tǒng)11所拍攝的患者圖像得到的信息而重新計算。
[0117]儀器已經(jīng)插入的患者區(qū)可經(jīng)歷改變(目標的移動、出現(xiàn)新的障礙物)，這確實是可能的。在該情況下，導向裝置由組裝件6在考慮該數(shù)據(jù)的情況下重新計算。
[0118]根據(jù)裝置I的一個特定特性，它配置成在操作者釋放儀器2或不再在其上施加任何力時使儀器2保持就位。這防止儀器2在外科手術(shù)規(guī)程期間下落。
[0119]在一個所謂的自由模式中，裝置I不對儀器2施加任何力。
[0120]一般，裝置I允許在規(guī)程期間提供增加的安全性，同時提供與現(xiàn)有技術(shù)的機械導向裝置等同的效能和舒適度。提供給操作者的自由度的數(shù)量也增加。儀器的輔助導向是靈活的并且適應于患者和規(guī)程的物理環(huán)境(成像系統(tǒng)、連接，等)。
[0121]實施例的第I示例
在實施例的該示例中，對儀器2的運動學約束是迫使儀器2瞄準目標的導向裝置，而不管操作者的操縱如何(參見，圖4)。這允許儀器與目標對齊，同時對操作者提供移動自由。
[0122]目標可例如由用戶經(jīng)由組裝件6的處理單元29而限定。
[0123]該實施例對于允許操作者在患者的器官中選擇插入點并且因此選擇軌跡來達到目標是特別有用的。
[0124]因此，操作者能夠使儀器2在患者器官周圍移動同時處理器5致動機動化件4來驅(qū)使儀器瞄準目標。機動化件4可特別引致傾向于使儀器系統(tǒng)地朝目標偏轉(zhuǎn)的力。目標可以視為儀器旋轉(zhuǎn)的虛擬中心。
[0125]憑借由處理器5在儀器2的運動學上的控制，操作者能夠使儀器2在整個空間內(nèi)移動同時被導向以瞄準目標。它因此不是機器人的機械設(shè)置(其允許朝目標指引)而是由處理器5向機動化件4發(fā)送的控制命令，其實時適應于由操作者進行的操縱。因此，操作者可以使儀器在整個空間中移動同時留意期望的運動學約束。
[0126]有利地，導向裝置允許確保運動學約束迫使儀器2在離器官或目標的安全距離22處定位。這防止器官或目標與儀器2的無意識觸碰。
[0127]另外，操作者保證插入的選擇點將被對準，在操縱僅僅是手動時不是這樣的。
[0128]圖1圖示在乳房攝影單元11 (其中患者的乳房16固定地定位在壓縮板18與檢測器19之間)中定位的患者的情況。在圖4中圖示的儀器2是針(乳房活檢的情況)。
[0129]包括裝置I和成像系統(tǒng)11的組裝件6使操作者能夠使到器官的不同可能進入點可視化，并且特別地避免器官區(qū)與這樣的插入不兼容(脈管、太窄的區(qū)、痣等)。
[0130] 醫(yī)學成像系統(tǒng)11與裝置I的關(guān)聯(lián)因此是最有利的。
[0131]有利地，輔助組裝件6允許對于通向目標的最佳軌跡顯示插入點中的每個。因此，當操作者使儀器朝插入點移動時，組裝件6引致在由成像系統(tǒng)拍攝的通向目標的最佳軌跡的圖像中的顯示。
[0132]另外，操作者能夠鎖定裝置中的插入點和選擇的軌跡。該軌跡的記錄將在儀器插入時允許應用對儀器的運動學約束(允許聽從在該插入點處的插入)以及前面提到的軌跡。
[0133]如將已經(jīng)斷定的，這克服對具有較差精度的機械導向裝置和不允許要達到的目標和/或通向該目標的軌跡的圖像的可視化的系統(tǒng)的需要。
[0134]實施例的第2示例
在實施例的該示例中，運動學約束是對應于要施加于儀器的軌跡的導向裝置。該導向裝置因此允許該軌跡被儀器所遵守。
[0135]這用于例如實行活檢或麻醉。軌跡可以是例如對于活檢的直線。
[0136]有利地，軌跡是由裝置I記錄的軌跡，其對應于之前由儀器遵照的軌跡。這例如對于后跟活檢的麻醉是有用的。在該情況下期望對于活檢所遵照的軌跡應與對于麻醉所遵照的軌跡相同。
[0137]備選地，它可以是規(guī)劃的軌跡，例如來避免物理障礙物或患者的預定區(qū)。儀器必須局限在其內(nèi)的導向裝置因此限定成排除物理障礙物和患者的這些預定區(qū)。
[0138]該規(guī)劃的軌跡可以由組裝件的處理單元從成像系統(tǒng)所拍攝的圖像確定。
[0139]規(guī)劃算法在現(xiàn)代技術(shù)水平是已知的，例如醫(yī)學圖像計算和計算機輔助干預-MICCAI 2007、Baegert 等人的文獻 “Multicriteria trajectory planning forhepatic radiofrequency ablation，，或 2009 年 4 月 IEEE Transactions on Robotics第 25 卷第 2 期、Dehghan 等人的 “Needle Insertion Parameter Optimization forBrachytherapy”文獻或 申請人:的專利申請FR1001897。
[0140]處理器5驅(qū)動機動化件4以在儀器2被操作者操縱時促進聽從它所采取的軌跡。因此，機械結(jié)構(gòu)3在機動化件4的動作下施加允許朝期望軌跡驅(qū)使和導向操作者的操縱的力。當儀器2達到目標但操作者繼續(xù)移動儀器2時，處理器5導致在相反方向施加反作用力，或通過振動或聲信號來警告用戶。
[0141]有利地，輔助組裝件6允許顯示(在處理單元的屏幕21上或在組裝件的另一個屏幕上)并且根據(jù)上面提到的位置通知系統(tǒng)36允許當前軌跡31和期望軌跡23朝目標25的顯示(與圖5相比)。視覺效應(顏色、警報)可以在屏幕上使用來向操作者指示任何偏離。
[0142]在一些緊急情況下，快速從患者的身體移除儀器2，這對于操作者可是必要的。
[0143]為了該目的，處理器5驅(qū)動機動化件4以便首先促進聽從對儀器的運動學約束并且其次如果操作者執(zhí)行給定操縱(例如使用超出閾值的力或大于閾值的速度的操縱)則使儀器不遵照該約束。在該情況下，允許儀器不遵守運動學約束，由此使操作者能夠從患者的身體取回儀器2，特別在緊急情況下。
[0144]實施例的第3示例
如已經(jīng)提到的，迫使儀器將其自身定位在其內(nèi)的導向裝置可動態(tài)限定。特別地，導向裝置可關(guān)于儀器2到器官或患者區(qū)內(nèi)的進入而動態(tài)限定。[0145]例如，對于麻醉，可能限定錐形26，其當儀器2進入要麻醉的器官內(nèi)時減小(參見，圖6)。接近皮膚的區(qū)更敏感，并且更大量的麻醉物質(zhì)是必要的，同時更深的區(qū)需要更小的量。
[0146]也可能對儀器28施加運動學約束，從而促使它仍在給定插入點27上，而不管儀器2在器官中進入。僅圍繞插入點的旋轉(zhuǎn)被批準根據(jù)情況具有更大或更少的頂角。
[0147]有利地，當檢測到儀器2接近器官時，裝置I自動從在第I示例中描述的模式(選擇插入點)變到在第3示例中描述的模式(受控插入并且保持在插入點處)。備選地，操作者經(jīng)由組裝件6的接口 20而手動選擇該模式。
[0148]在一些情況下，儀器必須在規(guī)程期間取回使得它可以被重裝。例如用于麻醉的針是這樣的。在取回儀器2之前，裝置I記錄儀器2移動停止所在的點。在儀器2重新插入后，裝置I朝該停止點導向儀器2來恢復在它終止所在的點處的規(guī)程。
[0149]如可以斷定的，儀器2的導向是虛擬的，并且不基于如在現(xiàn)有技術(shù)的許多情況中的物理導向裝置。
[0150]實施例的其他示例
在一些情況下，要避開的患者區(qū)的三維圖在醫(yī)學成像系統(tǒng)11所拍攝的圖像的基礎(chǔ)上繪制。該圖由例如輔助組裝件6的處理單元29產(chǎn)生，該處理單元29處理成像系統(tǒng)11所拍攝的圖像并且識別要避開的區(qū)。
[0151]導向裝置對應于使儀器能夠避開在患者中識別的區(qū)(脈管等)的幾何區(qū)。
[0152]如果存在操作者可能觸碰要避開的區(qū)的風險，處理器對機動化件起作用來使得插入更困難(結(jié)構(gòu)所展現(xiàn)的阻力同控制操作者例如使得它取決于沿軸的穿透相比)或使插入軌跡偏轉(zhuǎn)或觸發(fā)振動。
[0153]除要避開的患者區(qū)外，導向裝置有利地限定成使儀器能夠避開物理對象，例如成像系統(tǒng)的部件(壓縮板、檢測器等)。
[0154]有利地，組裝件6的裝置和/或處理單元29配置成接收與物理對象和/或預定患者區(qū)的位置有關(guān)的多個數(shù)據(jù)項:壓縮板的位置、檢測器的位置、成像系統(tǒng)的幾何形狀、X射線管的位置、在成像系統(tǒng)所拍攝的圖像中識別的區(qū)、患者高度等。該數(shù)據(jù)通過有線或無線通信工具來傳遞。
[0155]在一個實施例中，組裝件6包括可視化屏幕21，其允許顯示成像系統(tǒng)11所拍攝的圖像和計算的數(shù)據(jù)兩者(儀器的實時位置、要避開的區(qū)、器官的位置、推薦的軌跡等)。
[0156]在一個實施例中，試圖確切知曉儀器的尺寸，諸如例如針的長度。
[0157]操作者使儀器朝預定位置移動，并且在移動中以各種取向來設(shè)置儀器。裝置經(jīng)由在裝置中集成的位置傳感器來記錄儀器的位置和各種取向。處理器5或處理單元29經(jīng)由處理程序可以確定儀器的尺寸，例如它的高度，特別地通過確定儀器2的不同方向的插入。
[0158]在一個實施例(其可與或可不與之前描述的實施例互補)中，裝置I對儀器2施加運動學約束來形成允許儀器維持在插入點處同時批準圍繞該插入點的旋轉(zhuǎn)移動的導向裝置。這避免在由操作者操縱來接近目標地拉動儀器期間放大對于儀器的插入點27(與圖7A相比)。這因此避免患者的額外不適。如果儀器2的平移被批準，插入點將放大，這將是患者不適的源(與圖7B相比)。另外，由儀器插入患者引起的出血減少。 [0159]因為運動學約束允許儀器維持在插入點處同時批準圍繞該點的旋轉(zhuǎn)移動，這在許多情況下可是有用的并且使操作者能夠校正軌跡。
[0160]例如如果要達到的目標已經(jīng)移動，這可是有用的。目標移動的獲悉可以通過用成像系統(tǒng)11拍攝新的圖像而獲得。另一個非限制性應用關(guān)于操作者希望改變軌跡例如來避開障礙物所在的情況。
[0161]在所有情況下，由運動學約束形成的導向裝置允許儀器維持在插入點中，而不管由操作者施加在儀器2上的移動。
[0162]插入點的位置可以憑借成像系統(tǒng)11所拍攝的圖像而確定，從而允許識別儀器插入的器官的表面。備選地，插入點的位置憑借光學系統(tǒng)(例如，具有激光器類型)而可視化。備選地，是操作者經(jīng)由接口 20向組裝件6指示插入點的位置。
[0163]有利地，裝置I能夠收容多個儀器來執(zhí)行規(guī)程的不同階段。儀器在裝置上的固定有利地配置成允許在過程期間從一個儀器變到另一個。
[0164]在一些情況下，裝置包括用于例如通過讀出條形碼或RFID芯片讀出而識別儀器的系統(tǒng)。備選地， 是操作者向裝置手動指示機載儀器的類型。
[0165]備選地，它是由操作者輸入的數(shù)據(jù)和裝置所讀取的數(shù)據(jù)的組合。
[0166]一個有利但非限制性的應用關(guān)于乳房攝影規(guī)程。在該情況下，成像系統(tǒng)是乳房攝影單元，例如層析乳房攝影單元。乳房規(guī)程尤其包括麻醉步驟、活檢步驟和將儀器放置在患者的身體中。儀器最通常是針。
[0167]一個實施例還關(guān)于計算機程序產(chǎn)品，其可以加載在組裝件6的處理單元29的存儲器中，或在裝置的處理器5中并且能夠計算對于儀器2的導向裝置(例如之前描述的)。一般，這些導向裝置從成像系統(tǒng)所拍攝的圖像通過圖像的分析和處理而計算。如之前看到的，這些導向裝置可以關(guān)于各種參數(shù)動態(tài)計算。
[0168]已經(jīng)在本說明中描述的實施例可以使用相同的輔助裝置和/或輔助組裝件或通過獨立裝置/組裝件來實現(xiàn)。
[0169]這些實施例可以獨立實現(xiàn)，或它們可以完全或部分地在任何技術(shù)上可能的組合中
組合在一起。
[0170]裝置I和組裝件6可配置成實現(xiàn)這些實施例中的一個或多個。
【權(quán)利要求】
1.在用于儀器操縱的輔助組裝件中用于儀器的輔助操縱的方法，所述輔助組裝件包括: 一醫(yī)學成像系統(tǒng)(11)，其包括:用于支承意在要由所述系統(tǒng)成像或已經(jīng)成像的患者的至少一個部位的固定支承(18)， 一用于意在在所述患者中使用的儀器(2)的輔助操縱的輔助裝置(1)，所述裝置(I)包括: 〇能由操作者操作的移動機械結(jié)構(gòu)(3)，在其上能夠固定至少一個儀器(2)， 所述方法特征在于，它包括以下步驟:相對于所述成像系統(tǒng)(11)的位置來校準所述輔助裝置(I)的位置，由此允許所述患者的所述部位的位置在與所述輔助裝置(I)有關(guān)的參考系內(nèi)已知以在所述患者中操縱所述儀器時輔助所述操作者。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括對所述操作者提供表征輔助裝置(I)和/或儀器(2)相對于患者的部位或患者的該部位的目標的位置的信息的步驟。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述輔助組裝件進一步包括: 一機動化件(4)，其在一個或多個自由度上致動機械結(jié)構(gòu)(3)，和 一處理器(5 )，其能夠驅(qū)動機動化件(4)來促進對儀器(2 )的至少一個運動學約束的滿足，約束的滿足通過操作者的操縱與機動化件(4)響應于這些操縱的動作之間的協(xié)作來實現(xiàn)， 所述校準使處理器(5 )能夠?qū)Τ上裣到y(tǒng)(11)的參考系中限定的儀器(2 )的運動學約束變換到裝置(I)的參考系以便使用所述變換的約束來驅(qū)動機動化件(4)。
4.如權(quán)利要求1至3中一項所述的方法，其中裝置(I)和成像系統(tǒng)組合并且校準被預先編程。
5.如權(quán)利要求1至3中一項所述的方法，其中校準由操作者在對患者執(zhí)行規(guī)程之前確定，并且包括以下步驟: 一在成像系統(tǒng)(11)的點處定位裝置(I )，成像裝置(11)的參考系中的這些點的位置被傳送到系統(tǒng)，其相對于成像系統(tǒng)(11)的位置來校準輔助裝置(I)的位置，并且 一經(jīng)由校準系統(tǒng)的處理從其處推斷裝置(I)相對于成像系統(tǒng)(11)的校準位置。
6.如權(quán)利要求3至5中一項所述的方法，其中所述處理器(5)配置成驅(qū)動機動化件(4)以便迫使儀器將它自身定位在導向裝置內(nèi)，從而對應于空間中的幾何區(qū)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中導向裝置關(guān)于以下而動態(tài)限定: 一儀器的運動學參數(shù)，和/或 -由操作者執(zhí)行的儀器的操縱。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其中導向裝置關(guān)于儀器(2)所插入的患者區(qū)的變形模型而動態(tài)限定。
9.如權(quán)利要求6至8中一項所述的方法，其中導向裝置關(guān)于從由醫(yī)學成像系統(tǒng)(11)拍攝的患者圖像得到的信息而被重新計算。
10.如權(quán)利要求6至8中一項所述的方法，其中導向裝置對應于這樣的幾何區(qū)，其允許儀器(2)在由操作者移動時避開物理對象或患者的預定區(qū)。
11.如權(quán)利要求3至10中一項所述的方法，其中對儀器(2)的運動學約束由操作者經(jīng)由輔助組裝件的接口使用由醫(yī)學成像系統(tǒng)(11)提供的圖像來限定。
12.一種用于儀器操縱的輔助組裝件，包括: 一醫(yī)學成像系統(tǒng)(11)，其包括:用于使意在要由所述系統(tǒng)成像或已經(jīng)成像的患者(7)的至少一個部位固定的支承， 一用于意在在所述患者(7)中使用的儀器(2)的操縱的輔助裝置(1)，所述裝置(I)包括: O移動機械結(jié)構(gòu)(3)，其能由操作者操作，在其上能夠固定至少一個儀器(2)， 所述組裝件特征在于，它包括至少一個校準系統(tǒng)，用于相對于成像系統(tǒng)(11)的位置來校準輔助裝置(I)的位置，由此允許患者的部位的位置在與輔助裝置(I)有關(guān)的參考系內(nèi)已知以在患者中操縱儀器方面輔助操作者，所述組裝件能夠?qū)崿F(xiàn)如由權(quán)利要求1或2中的一項所述的方法。
13.如權(quán)利要求12所述的組裝件，其特征在于，它進一步包括: 一機動化件(4)，其在一個或多個自由度上致動機械結(jié)構(gòu)(3)，和 一處理器(5 )，其能夠驅(qū)動機動化件(4)來促進對儀器(2 )的至少一個運動學約束的滿足，約束的滿足通過操作者的操縱與機動化件(4)響應于這些操縱的動作之間的協(xié)作來實現(xiàn)， 所述組裝件特征在于， 它能夠?qū)崿F(xiàn)如權(quán)利要求3至11中一項所述的方法。
14.一種計算機程序產(chǎn)品，其能夠加載到輔助組裝件(6)的輔助裝置(I)的處理器(5)的存儲器內(nèi)，所述程序能夠控制處理器(5)來實現(xiàn)如權(quán)利要求1至11中一項所述的方法的步驟。
【文檔編號】A61B6/00GK103957814SQ201280057201
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月21日
【發(fā)明者】S.馬勒, L.范坎伯格, R.約爾達歇, G.莫雷爾, A.薩巴尼 申請人:通用電氣公司