外科手術(shù)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種外科手術(shù)控制系統(tǒng)，包括至少一個外科手術(shù)工具，適于被插入至人體的外科手術(shù)環(huán)境中以輔助外科手術(shù)過程；至少一個位置估計裝置，適于在任意給定的時間t實時地定位至少一個外科手術(shù)工具的三維空間位置；至少一個移動檢測裝置，能夠與移動數(shù)據(jù)庫及位置估計裝置通信；移動數(shù)據(jù)庫適于存儲時間tf和時間t0時外科手術(shù)工具的三維空間位置，其中，tf>t0；在外科手術(shù)工具在時間tf時與在時間t0時的三維空間位置不同的情況下，移動檢測裝置適于檢測其移動；以及控制器，具有與控制器數(shù)據(jù)庫可通信的處理裝置，控制器適于控制至少一個外科手術(shù)工具的空間位置；控制器數(shù)據(jù)庫與移動檢測裝置通信。
【專利說明】外科手術(shù)控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型總體上涉及用于改進(jìn)外科醫(yī)生與手術(shù)醫(yī)療助理之間或者外科醫(yī)生與用于腹腔鏡外科手術(shù)的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)之間的交互的裝置和方法。并且，本實用新型公開了一種對于在外科手術(shù)期間將內(nèi)窺鏡在空間上重新定位于人體中的特定區(qū)域有用的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]在腹腔鏡外科手術(shù)中，外科醫(yī)生使用長的器械經(jīng)由小孔進(jìn)行手術(shù)并且利用內(nèi)窺鏡攝像頭觀察內(nèi)部身體。由于外科醫(yī)生必需使用雙手進(jìn)行手術(shù)，因此通常由攝像頭助理員(即，手術(shù)醫(yī)療助理)握住內(nèi)窺鏡。外科醫(yī)生的行為極大地依賴于攝像頭相對于器械的位置以及通過監(jiān)視器顯示的穩(wěn)定的圖像。主要問題在于，手術(shù)醫(yī)療助理難以保持內(nèi)窺鏡平穩(wěn)，從而保持場景豎直。
[0003]因此，對于改進(jìn)外科醫(yī)生與內(nèi)窺鏡系統(tǒng)、腹腔鏡外科手術(shù)的外科手術(shù)同事或助理員之間的交互仍然存在長期的需求。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的一個目的是提供一種外科手術(shù)控制系統(tǒng)，包括:
[0005]a.至少一個外科手術(shù)工具，適于被插入至人體的外科手術(shù)環(huán)境中以輔助外科手術(shù)過程；
[0006]b.至少一個位置估計裝置,適于在任意給定的時間t實時地定位至少一個外科手術(shù)工具的三維空間位置；
[0007]c.至少一個移動檢測裝置，該至少一個移動檢測裝置能夠與移動數(shù)據(jù)庫以及位置估計裝置通信；移動數(shù)據(jù)庫適于存儲時間tf和時間h時至少一個外科手術(shù)工具的三維空間位置，其中，IfHtl ;在至少一個外科手術(shù)工具在時間tf時的三維空間位置與至少一個外科手術(shù)工具在時間h時的三維空間位置不同的情況下，移動檢測裝置適于檢測至少一個外科手術(shù)工具的移動；以及
[0008]d.具有能夠與控制器數(shù)據(jù)庫通信的處理裝置的控制器，控制器適于控制至少一個外科手術(shù)工具的空間位置；控制器數(shù)據(jù)庫與移動檢測裝置通信；
[0009]其中，控制器數(shù)據(jù)庫適于存儲預(yù)定規(guī)則集，根據(jù)預(yù)定規(guī)則集確定至少一個外科手術(shù)工具的允許的移動和受限制的移動的，使得根據(jù)預(yù)定規(guī)則集確定至少一個外科手術(shù)工具的由移動檢測裝置檢測出的每個移動是允許的移動還是受限制的移動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]為了理解本實用新型并且清楚其在實踐中可以如何實現(xiàn)，僅通過非限制示例的方式，參考附圖對本實用新型進(jìn)行了說明。在附圖中:
[0011]圖1-2示出了本實用新型的一個實施例；
[0012]圖2a示出了在腹部腹腔鏡外科手術(shù)中使用定位系統(tǒng)的示例；
[0013]圖2b示出了在膝蓋內(nèi)窺鏡外科手術(shù)中使用定位系統(tǒng)的示例；以及
[0014]圖2c示出了在肩部內(nèi)窺鏡外科手術(shù)中使用定位系統(tǒng)的示例；
[0015]圖3a_3d示意性示出了具有碰撞避免系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)的實施例的操作；
[0016]圖4a_4d示意性示出了具有禁止穿行規(guī)則/函數(shù)(no fly zone rule/funct1n)的跟蹤系統(tǒng)的實施例的操作；
[0017]圖5a_5d示意性示出了具有優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則/函數(shù)(volume zone rule/funct1n)的跟蹤系統(tǒng)的實施例的操作；
[0018]圖6示意性示出了器官檢測函數(shù)/規(guī)則的實施例的操作；
[0019]圖7示意性示出了工具檢測函數(shù)/規(guī)則的實施例的操作；
[0020]圖8a_8b示意性示出了移動檢測函數(shù)/規(guī)則的實施例的操作；
[0021]圖9a_9d示意性示出了預(yù)測函數(shù)/規(guī)則的實施例的操作；
[0022]圖10示意性示出了右側(cè)工具函數(shù)/規(guī)則的實施例的操作；
[0023]圖1la-1lb示意性示出了視場(field)函數(shù)/規(guī)則的實施例的操作；
[0024]圖12示意性示出了標(biāo)記的工具函數(shù)/規(guī)則的實施例的操作；
[0025]圖13a_13c示意性示出了鄰近函數(shù)/規(guī)則的實施例的操作；
[0026]圖14a_14b示意性示出了操作員輸入函數(shù)/規(guī)則的實施例的操作；
[0027]圖15A-D示意性示出了具有恒定視場規(guī)則/函數(shù)的跟蹤系統(tǒng)的實施例；
[0028]圖16示意性示出了具有速度變化規(guī)則/函數(shù)的跟蹤系統(tǒng)的實施例。

【具體實施方式】
[0029]在詳細(xì)說明本實用新型的至少一個實施例之前，應(yīng)當(dāng)理解本實用新型不限于應(yīng)用于以下說明書中闡述的或附圖中示出的具體結(jié)構(gòu)和部件布置。本實用新型可應(yīng)用于其它實施例或可以以各種方式實現(xiàn)或執(zhí)行。另外，應(yīng)當(dāng)理解，本文中所采用的措辭和術(shù)語是為了說明的目的而不應(yīng)被視為限制。
[0030]在下文中，術(shù)語“切換(toggle)”是指從一個標(biāo)記的外科手術(shù)工具切換至另一個。
[0031]在下文中，術(shù)語“外科手術(shù)環(huán)境”是指人體內(nèi)的任何身體構(gòu)造部分，其可能圍繞外科手術(shù)器械。該環(huán)境可以包括:器官、身體部分、器官壁、動脈、靜脈、神經(jīng)、關(guān)注的區(qū)域或人體的任何其它身體構(gòu)造部分。
[0032]在下文中，術(shù)語“內(nèi)窺鏡”是指用于為了醫(yī)療原因而向身體內(nèi)部觀察的任何裝置。內(nèi)窺鏡可以是用于檢查中空的器官或體腔內(nèi)部的任何器械。內(nèi)窺鏡也可以指任何類型的腹腔鏡。應(yīng)當(dāng)指出，以下說明可能將內(nèi)窺鏡稱為外科手術(shù)工具。
[0033]在下文中，術(shù)語“關(guān)注的區(qū)域”是指人體內(nèi)的任何區(qū)域，其可以是本實用新型的系統(tǒng)的操作員所關(guān)注的區(qū)域。例如，關(guān)注的區(qū)域可以是例如要進(jìn)行外科手術(shù)的器官、限制外科手術(shù)器械接近的限制區(qū)域、外科手術(shù)器械或人體內(nèi)的任何其它區(qū)域。
[0034]在下文中，術(shù)語“空間位置”是指目標(biāo)的預(yù)定空間位置和/或方位(例如，內(nèi)窺鏡的空間位置、內(nèi)窺鏡的角方位以及其任意組合)。
[0035]在下文中，術(shù)語“禁止范圍”是指禁止將外科手術(shù)工具(例如，內(nèi)窺鏡)在空間上放置于其內(nèi)的預(yù)定范圍。
[0036]在下文中，術(shù)語“優(yōu)選范圍”是指允許外科手術(shù)工具(例如，內(nèi)窺鏡)在空間上放置于其內(nèi)和/或優(yōu)選外科手術(shù)工具在空間上放置于其內(nèi)的預(yù)定范圍。
[0037]在下文中，術(shù)語“自動化助理”是指能夠操縱和控制外科手術(shù)或內(nèi)窺鏡器械的位置以及還能用于接收來自遠(yuǎn)程資源的命令的任何機械裝置(包括但不限于機器人裝置)。
[0038]在下文中，術(shù)語“工具”或“外科手術(shù)器械”是指能夠入侵到人體中的任何器械或裝置。該術(shù)語可以指工具上的任何位置。例如，該術(shù)語可以指工具的末端、工具的主體以及其任意組合。還應(yīng)當(dāng)指出，以下說明書可能將外科手術(shù)工具/器械稱為內(nèi)窺鏡。
[0039]在下文中，術(shù)語“提供”是指如下的任何處理(視覺的、觸覺的或聽覺的):通過該處理，器械、計算機、控制器或任何其它機械的或電子的裝置可以向操作員報告計算或其它操作的結(jié)果。
[0040]術(shù)語“自動化”或“自動地”是指無需人對部件的直接干涉或操作而進(jìn)行的任何處理。
[0041]在下文中，術(shù)語“允許的移動”是指根據(jù)預(yù)定的規(guī)則集許可的外科手術(shù)工具的任何移動。
[0042]在下文中，術(shù)語“受限制的移動”是指根據(jù)預(yù)定的規(guī)則集禁止的外科手術(shù)工具的任何移動。例如，根據(jù)本實用新型，一個規(guī)則提供了優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則，該優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則限定外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的有利區(qū)。因此，根據(jù)本實用新型，外科手術(shù)工具或內(nèi)窺鏡的允許的移動是將外科手術(shù)工具保持在有利區(qū)內(nèi)的移動；并且外科手術(shù)工具的受限制的移動是將外科手術(shù)工具抽出(或移動)至有利區(qū)外部的移動。
[0043]在下文中，術(shù)語“時間步長”是指系統(tǒng)的工作時間。在每個時間步長處，系統(tǒng)接收來自傳感器的數(shù)據(jù)和來自操作員的命令，并且對該數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行處理并執(zhí)行動作。時間步長大小是時間步長之間經(jīng)過的時間。
[0044]腹腔鏡外科手術(shù)(也稱為微創(chuàng)外科手術(shù)(MIS))是現(xiàn)代外科手術(shù)技術(shù)，與傳統(tǒng)外科手術(shù)過程中所需要的較大的切口相比，在腹腔鏡外科手術(shù)中通過小的切口(通常
0.5-1.5cm)執(zhí)行腹腔中的操作。腹腔鏡外科手術(shù)的關(guān)鍵要素是使用腹腔鏡，腹腔鏡是用于在腹腔鏡的遠(yuǎn)端處查看體內(nèi)的場景的裝置?；蛘邔⒊上裱b置放置于腹腔鏡的端部，或者使用柱狀透鏡系統(tǒng)或光纖束將該圖像引導(dǎo)至腹腔鏡的近端。還附接有用于照亮外科手術(shù)現(xiàn)場的光源，通過5_或10_的插管或套管針插入該光源以觀察操作現(xiàn)場。
[0045]通常向腹部注入二氧化碳?xì)怏w，以建立工作和觀看空間。腹部必須被充氣得像個氣球(被吹入氣)，提起內(nèi)臟上方的腹部壁像個圓頂。在這個空間內(nèi)，可以進(jìn)行各種醫(yī)療過程。
[0046]在許多情況下，腹腔鏡不能觀看人體內(nèi)的整個工作空間，因此腹腔鏡被重新定位，以允許外科醫(yī)生觀看該空間中關(guān)注的區(qū)域。
[0047]本實用新型公開了一種外科手術(shù)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)適于在人體的外科手術(shù)期間控制至少一個外科手術(shù)工具的位置。該系統(tǒng)可以通過識別外科手術(shù)工具的位置來執(zhí)行控制，并且將指令提供給操作員:該外科手術(shù)工具可以或應(yīng)當(dāng)被引導(dǎo)到哪個方向，以及該外科手術(shù)工具被限制移動向哪個方向。
[0048]根據(jù)本實用新型的不同實施例，外科手術(shù)控制系統(tǒng)包括以下部件:
[0049]a.至少一個外科手術(shù)工具，其適于被插入到人體的外科手術(shù)環(huán)境中，以輔助外科手術(shù)過程；
[0050]b.至少一個位置估計裝置，其適于在任何給定時間t實時估計/定位該至少一個外科手術(shù)工具的位置(即，三維空間位置);
[0051]c.與移動數(shù)據(jù)庫和所述位置估計裝置能夠通信的至少一個移動檢測裝置；所述移動數(shù)據(jù)庫適于存儲在時間tf和時間h所述至少一個外科手術(shù)工具的所述三維空間位置；其中IfHtl ;如果所述至少一個外科手術(shù)工具在時間tf的三維空間位置與所述至少一個外科手術(shù)工具在時間h的所述三維空間位置不同，則所述移動檢測裝置適于檢測所述至少一個外科手術(shù)工具的移動；以及
[0052]d.控制器，其具有與數(shù)據(jù)庫能夠通信的處理裝置，所述控制器適于控制所述至少一個外科手術(shù)工具的空間位置。
[0053]數(shù)據(jù)庫適于存儲預(yù)定規(guī)則集，根據(jù)該預(yù)定規(guī)則集來確定至少一個外科手術(shù)工具的允許的移動以及受限制的移動，使得根據(jù)該允許的移動和受限制的移動，由控制器來控制至少一個外科手術(shù)工具的空間位置，這在本實用新型的范圍之內(nèi)。換言之，根據(jù)所述預(yù)定規(guī)則集，由所述至少一個外科手術(shù)工具的所述移動檢測裝置檢測的每個移動被確定為允許的移動或受限制的移動。
[0054]因此，本實用新型存儲在時間tf和時間h當(dāng)前每個所述外科手術(shù)工具的三維空間位置，其中IfHtlt5如果在時間tf所述至少一個外科手術(shù)工具的三維空間位置與在時間tQ所述至少一個外科手術(shù)工具的所述三維空間位置不同，則檢測到工具的移動。接下來系統(tǒng)根據(jù)所述規(guī)則集來分析所述移動，并且處理所述移動是允許的移動還是受限制的移動。
[0055]根據(jù)本實用新型的一個實施例，如果所述移動是受限制的移動，則系統(tǒng)防止所述移動。通過控制操縱系統(tǒng)來獲得所述移動防止，所述操縱系統(tǒng)防止所述外科手術(shù)工具的移動。
[0056]根據(jù)本實用新型的一個實施例，系統(tǒng)不防止所述移動(如果所述移動是受限制的移動)，而是僅僅以信號告知/警告用戶(即，醫(yī)生)所述受限制的移動。
[0057]根據(jù)本實用新型的另一實施例，所述外科手術(shù)工具是內(nèi)窺鏡。
[0058]根據(jù)本實用新型的不同實施例，控制器可以就外科手術(shù)工具必須移動或可以移動向哪個方向而對操作員提供建議。
[0059]因此，根據(jù)本實用新型的優(yōu)選實施例，本實用新型提供了預(yù)定規(guī)則集，該預(yù)定規(guī)則集定義了什么是在外科手術(shù)環(huán)境中任何外科手術(shù)工具的“允許的移動”，以及什么是在外科手術(shù)環(huán)境中任何外科手術(shù)工具的“受限制的移動”。
[0060]根據(jù)一些實施例，本實用新型的系統(tǒng)包括與控制器能夠通信的操縱子系統(tǒng)，該操縱子系統(tǒng)適于根據(jù)該預(yù)定規(guī)則集在外科手術(shù)期間在空間上重新定位至少一個外科手術(shù)工具。
[0061]根據(jù)一些實施例，控制器可以向操縱子系統(tǒng)提供指令，以用于在空間上重新定位外科手術(shù)工具的位置。根據(jù)這些指令，將僅執(zhí)行外科手術(shù)工具的允許的移動。通過以下步驟執(zhí)行防止受限制的移動:檢測外科手術(shù)工具的位置；處理所有當(dāng)前規(guī)則；分析外科手術(shù)工具的移動；以及如果該工具的移動是受限制的移動，則防止該移動。
[0062]根據(jù)一些實施例，系統(tǒng)僅警告醫(yī)生至少一個外科手術(shù)工具的受限制的移動(而不是防止所述受限制的移動。)
[0063]通過以下步驟來執(zhí)行警告醫(yī)生受限制的移動(或者，替代地防止受限制的移動):檢測外科手術(shù)工具的位置；處理所有當(dāng)前規(guī)則；分析外科手術(shù)工具的移動；以及如果該工具的移動是允許的移動或者受限制的移動，則通知外科醫(yī)生(系統(tǒng)的用戶)。
[0064]因此，根據(jù)本實用新型的優(yōu)選實施例，如果受限制的移動被防止，接下來是相同的處理(檢測外科手術(shù)工具的位置；處理所有當(dāng)前規(guī)則以及分析外科手術(shù)工具的移動)，除了最后的動作，這里，如果該工具的移動是受限制的移動，則防止該移動。也可以通知外科醫(yī)生該移動正在被防止。
[0065]根據(jù)另一實施例，通過檢測外科手術(shù)工具的位置以及分析外科手術(shù)工具的外科手術(shù)環(huán)境來執(zhí)行以上過程(警告醫(yī)生和/或防止移動)。在分析外科手術(shù)環(huán)境和檢測外科手術(shù)工具的位置之后，系統(tǒng)可以評估外科手術(shù)工具在預(yù)定方向上的移動之后可能出現(xiàn)的所有風(fēng)險。因此，必須分析外科手術(shù)環(huán)境中的每個位置，使得外科手術(shù)工具的任何可能移動被分類為允許的移動或受限制的移動。
[0066]根據(jù)本實用新型的一個實施例，通過使用圖像處理裝置并且實時確定每個工具的三維空間位置是什么，來確定每個工具的位置。應(yīng)當(dāng)理解的是，上述“工具”可以指代該工具上的任何位置。例如，其可以指代該工具的尖端，該工具的主體或者它們的任意組合。
[0067]實用新型作為本實用新型的實質(zhì)的預(yù)定規(guī)則集適于考慮到在外科手術(shù)過程期間可能重要的所有可能因素。該預(yù)定規(guī)則集可以包括以下規(guī)則或其任意組合:
[0068]a.路線規(guī)則；
[0069]b.環(huán)境規(guī)則；
[0070]c.操作員輸入規(guī)則；
[0071]d.鄰近規(guī)則；
[0072]e.防碰撞規(guī)則；
[0073]f.基于歷史的規(guī)則；
[0074]g.根據(jù)工具的允許的移動以及受限制的移動的規(guī)則；
[0075]h.最常使用的工具規(guī)則；
[0076]1.右側(cè)工具規(guī)則；
[0077]j.左側(cè)工具規(guī)則；
[0078]k.視場規(guī)則；
[0079]1.禁止穿行區(qū)規(guī)則；
[0080]m.操作員輸入規(guī)則；
[0081]η.優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則；
[0082]ο.優(yōu)選工具規(guī)則；
[0083]p.移動檢測規(guī)則。
[0084]因此，例如，防碰撞規(guī)則定義了最小距離，兩個或多個工具不應(yīng)低于該最小距離被放在一起(即，在兩個或多個工具之間存在應(yīng)保持的最小距離)。如果一個工具的移動使得其危險地靠近另一工具(即，在移動之后，它們之間的距離小于防碰撞規(guī)則所定義的最小距離)，則控制器警告用戶該移動是受限制的移動，或者不允許該移動。
[0085]應(yīng)該強調(diào)的是，通過持續(xù)地監(jiān)視外科手術(shù)環(huán)境，并且識別和定位在外科手術(shù)環(huán)境中每個元素/工具的三維空間位置，使得所有以上公開內(nèi)容(以及以下公開內(nèi)容)成為可能。
[0086]通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的傳統(tǒng)裝置(例如，圖像處理，光學(xué)裝置等)來提供識別。
[0087]以下提供對于每個上述規(guī)則及其函數(shù)的說明:
[0088]根據(jù)一些實施例，路線規(guī)則包括預(yù)定路線，至少一個外科手術(shù)工具適于在外科手術(shù)環(huán)境中在該預(yù)定路線中移動；允許的移動是至少一個外科手術(shù)工具位于該預(yù)定路線的邊界之內(nèi)的移動，并且受限制的移動是至少一個外科手術(shù)工具位于該預(yù)定路線的邊界之外的移動。因此，根據(jù)這個實施例，路線規(guī)則包括用于存儲至少一個預(yù)定路線的能夠通信的數(shù)據(jù)庫，至少一個外科手術(shù)工具適于在外科手術(shù)環(huán)境中在該至少一個預(yù)定路線中移動；該預(yù)定路線包括在該路線中該至少一個外科手術(shù)工具的η個三維空間位置；η是大于或等于2的整數(shù)；允許的移動是該至少一個外科手術(shù)工具基本上定位在該預(yù)定路線的η個三維空間位置中的至少一個三維空間位置處的移動，并且受限制的移動是該至少一個外科手術(shù)工具的位置基本上不同于該預(yù)定路線的η個三維空間位置的移動。
[0089]換言之，根據(jù)路線規(guī)則，每個外科手術(shù)工具的進(jìn)程(以及在任何外科手術(shù)過程中的路徑)被存儲在能夠通信的數(shù)據(jù)庫中。允許的移動被定義為該至少一個外科手術(shù)工具基本上位于所存儲的路線中的至少一個路線中的移動；并且受限制的移動是該至少一個外科手術(shù)工具處于與任何所存儲的路線中的任何位置基本上不同的位置的移動。
[0090]根據(jù)一些實施例，環(huán)境規(guī)則適于根據(jù)從內(nèi)窺鏡或其它感測裝置接收到的外科手術(shù)環(huán)境中的危險或障礙來確定允許的移動和受限制的移動。因此，根據(jù)這個實施例，環(huán)境規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫；該能夠通信的數(shù)據(jù)庫適于接收外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像，并且適于對其執(zhí)行實時圖像處理，以及確定在外科手術(shù)環(huán)境中危險或障礙的三維空間位置；環(huán)境規(guī)則適于根據(jù)外科手術(shù)環(huán)境中的危險或障礙來確定允許的移動和受限制的移動，使得受限制的移動是該至少一個外科手術(shù)工具基本上位于該三維空間位置中的至少一個三維空間位置處的移動，并且允許的移動是該至少一個外科手術(shù)工具的位置基本上不同于該三維空間位置的移動。
[0091]換言之，根據(jù)環(huán)境規(guī)則，識別外科手術(shù)環(huán)境中的每個元素，以便確立哪個是危險或障礙(以及在任何外科手術(shù)過程中的路徑)，并且每個危險和障礙(以及路徑)被存儲在能夠通信的數(shù)據(jù)庫中。受限制的移動被定義為該至少一個外科手術(shù)工具基本上位于與該危險或障礙的位置相同位置處的移動，并且允許的移動是該至少一個外科手術(shù)工具的位置基本上不同于所有危險或障礙的位置的移動。
[0092]根據(jù)其它實施例，從以下組成的組中選擇外科手術(shù)環(huán)境中的危險和障礙:組織、夕卜科手術(shù)工具、器官、內(nèi)窺鏡及其任意組合。
[0093]根據(jù)一些實施例，操作員輸入規(guī)則適于接收與該至少一個外科手術(shù)工具的允許的移動和受限制的移動有關(guān)的來自系統(tǒng)操作員的輸入。因此，根據(jù)這個實施例，操作員輸入規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫；該能夠通信的數(shù)據(jù)庫適于接收與該至少一個外科手術(shù)工具的允許的移動和受限制的移動有關(guān)的來自系統(tǒng)操作員的輸入。
[0094]根據(jù)其它實施例，輸入包括η個三維空間位置；η是大于或等于2的整數(shù)；其中該η個三維空間位置中的至少一個三維空間位置被定義為允許的位置，并且該η個三維空間位置中的至少一個三維空間位置被定義為受限制的位置，使得允許的移動是該至少一個外科手術(shù)工具基本上位于η個允許的三維空間位置中的至少一個位置處的移動，并且受限制的移動是該至少一個外科手術(shù)工具的位置基本上不同于η個允許的三維空間位置的移動。
[0095]根據(jù)其它實施例，輸入包括至少一個規(guī)則，根據(jù)該至少一個規(guī)則來確定該至少一個外科手術(shù)工具的允許的移動和受限制的移動，使得由控制器根據(jù)允許的移動和受限制的移動來控制該至少一個外科手術(shù)工具的空間位置。
[0096]根據(jù)其它實施例，操作員輸入規(guī)則能夠?qū)⒃试S的移動轉(zhuǎn)換為受限制的移動，以及將受限制的移動轉(zhuǎn)換為允許的移動。
[0097]根據(jù)一些實施例，鄰近規(guī)則適于定義至少一個外科手術(shù)工具和至少一個其它外科手術(shù)工具之間的預(yù)定距離；允許的移動是在預(yù)定距離的范圍之內(nèi)或之外的移動，并且受限制的移動是在預(yù)定距離的范圍之外或之內(nèi)的移動；根據(jù)不同的范圍來定義允許的移動和受限制的移動。因此，根據(jù)這個實施例，鄰近規(guī)則適于定義至少兩個外科手術(shù)工具之間的預(yù)定距離。在優(yōu)選實施例中，允許的移動是在預(yù)定距離的范圍之內(nèi)的移動，而受限制的移動在預(yù)定距離的范圍之外。在另一優(yōu)選實施例中，允許的移動是在預(yù)定距離范圍之外的移動，而受限制的移動在預(yù)定距離的范圍之內(nèi)。
[0098]應(yīng)當(dāng)指出的是，可以從以下中選擇上述距離:
[0099](a)第一工具的尖端和第二工具的尖端之間的距離；
[0100](b)第一工具的主體和第二工具的尖端之間的距離；
[0101](C)第一工具的主體和第二工具的主體之間的距離；
[0102](d)第一工具的尖端和第二工具的主體之間的距離；
[0103]以及上述的任意組合。
[0104]根據(jù)另一實施例，鄰近規(guī)則適于定義至少三個外科手術(shù)工具之間的預(yù)定角度；允許的移動是在預(yù)定角度的范圍之內(nèi)或之外的移動，并且受限制的移動是在預(yù)定角度的范圍之外或之內(nèi)的移動。
[0105]根據(jù)一些實施例，防碰撞規(guī)則適于定義外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的至少一個外科手術(shù)工具和解剖元素(例如，組織、器官、另一外科手術(shù)工具或其任意組合)之間的預(yù)定距離；允許的移動是在比該預(yù)定距離大的范圍中的移動，并且受限制的移動是在比該預(yù)定距離小的范圍中的移動。
[0106]根據(jù)另一實施例，從以下組成的組中選擇解剖元素:組織、器官、另一外科手術(shù)工具或其任意組合。
[0107]根據(jù)一些實施例，夕卜科手術(shù)工具是內(nèi)窺鏡。該內(nèi)窺鏡適于提供外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像。
[0108]根據(jù)一些實施例，右側(cè)工具規(guī)則適于根據(jù)在與內(nèi)窺鏡有關(guān)的指定位置處的，優(yōu)選地定位在內(nèi)窺鏡右邊的外科手術(shù)工具的移動來確定內(nèi)窺鏡的允許的移動。根據(jù)這個規(guī)則，由內(nèi)窺鏡持續(xù)地跟蹤被定義為右側(cè)工具的工具。根據(jù)一些實施例，右側(cè)工具被定義為定位在內(nèi)窺鏡的右邊的工具；根據(jù)其它實施例，任何工具都能被定義為右側(cè)工具。根據(jù)右側(cè)工具規(guī)則，允許的移動是內(nèi)窺鏡視場移動到與右側(cè)工具的位置基本上相同的位置，從而跟蹤右側(cè)工具的移動。根據(jù)右側(cè)工具規(guī)則，受限制的移動是內(nèi)窺鏡視場移動到與右側(cè)工具的位置基本上不同的位置的移動。
[0109]根據(jù)一些實施例，左側(cè)工具規(guī)則適于根據(jù)在與內(nèi)窺鏡有關(guān)的指定位置處的，優(yōu)選地定位在內(nèi)窺鏡左邊的外科手術(shù)工具的移動來確定內(nèi)窺鏡的允許的移動。根據(jù)這個規(guī)則，由內(nèi)窺鏡持續(xù)地跟蹤被定義為左側(cè)工具的工具。根據(jù)一些實施例，左側(cè)工具被定義為定位在內(nèi)窺鏡的左邊的工具；根據(jù)其它實施例，任何工具都能被定義為左側(cè)工具。根據(jù)左側(cè)工具規(guī)則，允許的移動是內(nèi)窺鏡視場移動到與左側(cè)工具的位置基本上相同的位置的移動。根據(jù)左側(cè)工具規(guī)則，受限制的移動是內(nèi)窺鏡視場移動到與左側(cè)工具的位置基本上不同的位置的移動。
[0110]根據(jù)一些實施例，視場規(guī)則適于定義視場并且保持該視場。定義視場規(guī)則使得如果內(nèi)窺鏡適于在期望的視場中跟蹤預(yù)定的工具組，當(dāng)那些工具中的一個工具不再處于視場中時，該規(guī)則指示該內(nèi)窺鏡進(jìn)行縮小，以便將該工具再引入該視場中。因此，根據(jù)這個實施例，視場規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)；所有η個三維空間位置的組合提供了預(yù)定的視場；該視場規(guī)則適于在該η個三維空間位置內(nèi)確定內(nèi)窺鏡的允許的移動，以便保持不變的視場，從而使得允許的移動是內(nèi)窺鏡基本上位于該η個三維空間位置中的至少一個空間位置處的移動，并且受限制的移動是內(nèi)窺鏡的位置基本上不同于該η個三維空間位置的移動。
[0111]因此，根據(jù)視場規(guī)則的另一實施例，視場規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)；所有η個三維空間位置的組合提供了預(yù)定的視場。視場規(guī)則進(jìn)一步包括有m個工具及其三維空間位置的能夠通信的數(shù)據(jù)庫，其中m是大于或等于I的整數(shù)，并且其中工具可以是外科手術(shù)工具，解剖元素及其任意組合。所有η個三維空間位置的組合提供了預(yù)定的視場。該視場規(guī)則適于確定內(nèi)窺鏡的允許的移動，使得工具的m個三維空間位置包括視場的η個三維空間位置中的至少一個空間位置，并且受限制的移動是至少一個工具的三維空間位置與視場的η個三維空間位置基本上不同的移動。
[0112]根據(jù)另一實施例，優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)；該11個三維空間位置提供了優(yōu)選容積區(qū)；優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則適于在η個三維空間位置之內(nèi)確定內(nèi)窺鏡的允許的移動，以及在η個三維空間位置之外確定內(nèi)窺鏡的受限制的移動，使得允許的移動是內(nèi)窺鏡基本上位于該η個三維空間位置中的至少一個空間位置處的移動，并且受限制的移動是內(nèi)窺鏡的位置基本上不同于該η個三維空間位置的移動。換言之，優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則定義關(guān)注的容積(期望的感興趣容積)，使得根據(jù)優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則，允許的移動是內(nèi)窺鏡(或任何外科手術(shù)工具)移動到所定義的優(yōu)選容積內(nèi)的位置處的移動。根據(jù)優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則，受限制的移動是內(nèi)窺鏡(或任何外科手術(shù)工具)移動到所定義的優(yōu)選容積外的位置處的移動。
[0113]根據(jù)另一實施例，優(yōu)選工具規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫存儲優(yōu)選工具；該優(yōu)選工具規(guī)則適于根據(jù)優(yōu)選工具的移動確定內(nèi)窺鏡的允許的移動。換言之，優(yōu)選工具規(guī)則定義系統(tǒng)用戶想要跟蹤的優(yōu)選工具(即，感興趣工具)。根據(jù)優(yōu)選工具規(guī)則，允許的移動是內(nèi)窺鏡移動到與優(yōu)選工具的位置基本上相同的位置處的移動。受限制的移動是內(nèi)窺鏡移動到與優(yōu)選工具的位置基本上不同的位置處的移動。因此，根據(jù)優(yōu)選工具規(guī)則，內(nèi)窺鏡持續(xù)地跟蹤優(yōu)選工具，使得從內(nèi)窺鏡看到的視場持續(xù)地是優(yōu)選工具。應(yīng)注意的是，用戶可以在所述優(yōu)選工具規(guī)則中定義持續(xù)地跟蹤所述優(yōu)選工具的尖端，或者替代地，用戶可以在所述優(yōu)選工具規(guī)則中定義持續(xù)地跟蹤所述優(yōu)選工具的主體或任何位置。
[0114]根據(jù)一些實施例，禁止穿行區(qū)規(guī)則適于定義不允許工具(或替代地，預(yù)定義的工具)進(jìn)入的受限區(qū)域。因此，根據(jù)這個實施例，禁止穿行區(qū)規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)；該η個三維空間位置在外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)定義了預(yù)定的容積；如果移動在禁止穿行區(qū)內(nèi)，該禁止穿行區(qū)規(guī)則適于確定受限制的移動，并且如果移動在禁止穿行區(qū)外，該禁止穿行區(qū)規(guī)則適于確定允許的移動，使得受限制的移動是至少一個外科手術(shù)工具基本上位于該η個三維空間位置中的至少一個空間位置處的移動，并且允許的移動是至少一個外科手術(shù)工具的位置基本上不同于該η個三維空間位置的移動。
[0115]根據(jù)另一實施例，最常使用的工具函數(shù)適于(實時地，在過程期間，或在過程之前)定義哪個工具是最常使用的工具(即，在過程期間最多移動的工具)，并且指示操縱子系統(tǒng)持續(xù)地定位內(nèi)窺鏡，以跟蹤這個工具的移動。因此，根據(jù)這個實施例，最常使用的工具規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫對每個外科手術(shù)工具的移動次數(shù)進(jìn)行計數(shù)；最常使用的工具規(guī)則適于持續(xù)地定位內(nèi)窺鏡，以跟蹤具有最大移動次數(shù)的外科手術(shù)工具的移動。在最常使用的工具函數(shù)的另一實施例中，能夠通信的數(shù)據(jù)庫測量每個外科手術(shù)工具的移動次數(shù)；最常使用的工具規(guī)則適于持續(xù)地定位內(nèi)窺鏡，以跟蹤具有最大移動次數(shù)的外科手術(shù)工具的移動。
[0116]根據(jù)另一實施例，系統(tǒng)適于警告外科醫(yī)生至少一個外科手術(shù)工具的受限制的移動。該警告可以是音頻信令、語音信令、燈光信令、閃光信令及其任意組合。
[0117]根據(jù)另一實施例，允許的移動是被控制器允許的移動，并且受限制的移動是被控制器拒絕的移動。
[0118]根據(jù)另一實施例，操作員輸入規(guī)則函數(shù)適于接收與至少一個外科手術(shù)工具的允許的移動和受限制的移動有關(guān)的來自于系統(tǒng)操作員的輸入。換言之，操作員輸入規(guī)則函數(shù)接收有關(guān)什么被視為允許的移動以及什么是受限制的移動的來自醫(yī)生的指令。根據(jù)另一實施例，操作員輸入規(guī)則適于將允許的移動轉(zhuǎn)換為受限制的移動，以及將受限制的移動轉(zhuǎn)換為允許的移動。
[0119]根據(jù)一些實施例，基于歷史的規(guī)則適于根據(jù)在至少一個先前的外科手術(shù)中至少一個外科手術(shù)工具的歷史移動來確定允許的移動和受限制的移動。因此，根據(jù)這個實施例，基于歷史的規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫存儲每個外科手術(shù)工具的每個三維空間位置，使得存儲每個外科手術(shù)工具的每個移動；基于歷史的規(guī)則適于根據(jù)至少一個外科手術(shù)工具的歷史移動來確定允許的移動和受限制的移動，使得允許的移動是至少一個外科手術(shù)工具基本上位于三維空間位置中的至少一個空間位置處的移動，并且受限制的移動是至少一個外科手術(shù)工具的位置基本上不同于η個三維空間位置的移動。
[0120]根據(jù)一些實施例，根據(jù)工具的允許的移動以及受限制的移動的規(guī)則適于根據(jù)外科手術(shù)工具的預(yù)定特性來確定允許的移動和受限制的移動，其中外科手術(shù)工具的預(yù)定特性是從以下組成的組中選擇的:物理尺寸、結(jié)構(gòu)、重量、銳度及其任意組合。因此，根據(jù)這個實施例，基于工具的允許的移動和受限制的移動的規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫；該能夠通信的數(shù)據(jù)庫適于存儲至少一個外科手術(shù)工具的預(yù)定特性；基于工具的允許的移動和受限制的移動的規(guī)則適于根據(jù)外科手術(shù)工具的預(yù)定特性確定允許的移動和受限制的移動。
[0121]根據(jù)另一實施例，外科手術(shù)工具的預(yù)定特性是從以下組成的組中選擇的:物理尺寸、結(jié)構(gòu)、重量、銳度及其任意組合。
[0122]根據(jù)這個實施例，用戶可以定義例如他想要內(nèi)窺鏡去跟蹤的外科手術(shù)工具的結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)該基于工具的允許的移動以及受限制的移動的規(guī)則，內(nèi)窺鏡持續(xù)地跟蹤具有用戶所定義的所述預(yù)定特性的外科手術(shù)工具。
[0123]根據(jù)本實用新型的另一實施例，移動檢測規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括每個外科手術(shù)工具的實時三維空間位置；所述移動檢測規(guī)則適于檢測至少一個外科手術(shù)工具的移動。當(dāng)接收到該外科手術(shù)工具的三維空間位置的改變時，允許的移動是重定向內(nèi)窺鏡以集中于移動的外科手術(shù)工具的移動。
[0124]根據(jù)本實用新型的另一實施例，系統(tǒng)進(jìn)一步包括與控制器能夠通信的操縱子系統(tǒng)。操縱子系統(tǒng)適于根據(jù)預(yù)定規(guī)則集在外科手術(shù)期間在空間上將至少一個外科手術(shù)工具重新定位。
[0125]根據(jù)一些實施例，至少一個位置估計裝置是至少一個內(nèi)窺鏡，該至少一個內(nèi)窺鏡適于在人體內(nèi)獲取外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像，以用于估計至少一個外科手術(shù)工具的位置。
[0126]根據(jù)另一實施例，位置估計裝置包括從以下組成的組中選擇的至少一個:光學(xué)成像裝置、射頻發(fā)送和接收裝置、在至少一個外科手術(shù)工具上的至少一個標(biāo)記及其任意組合。
[0127]根據(jù)另一實施例，至少一個位置估計裝置是外科醫(yī)生和至少一個外科手術(shù)工具之間的接口子系統(tǒng)，該接口子系統(tǒng)包括:(a)包括N個規(guī)則光源或N個圖案光源的至少一個陣列，其中N是正整數(shù)；(b)包括M個相機的至少一個陣列，其中M是正整數(shù)；(c)可選的光學(xué)標(biāo)記器以及用于將光學(xué)標(biāo)記器附接到至少一個外科手術(shù)工具的裝置；以及(d)經(jīng)由控制器可操作的計算機化算法，該計算機化算法適于記錄由M個相機中的每個相機接收的圖像，以及根據(jù)其來計算每個工具的位置，并且進(jìn)一步適于向接口的人類操作員自動地提供計算結(jié)果。
[0128]眾所周知，外科手術(shù)是高動態(tài)的過程，具有取決于許多變量而不斷變化的環(huán)境。這些變量的非限制性列表包括:例如，外科手術(shù)的類型，工作空間(例如，具有異物，動態(tài)非相關(guān)的移動等)，在外科手術(shù)期間使用的工具的類型、變化的背景、相對移動、動態(tài)過程、來自操作員的動態(tài)輸入、以及患者的病史。因此，需要能夠通過加權(quán)所有變量的重要性并且決定內(nèi)窺鏡應(yīng)被重新定位到哪個空間位置，來集成所有變量的系統(tǒng)。
[0129]也能夠利用本實用新型以改善操作員(例如，外科醫(yī)生、操作醫(yī)療助理、外科醫(yī)生的同事等)之間的接口。此外，也能夠利用本實用新型以控制和/或指導(dǎo)自動操縱子系統(tǒng)，以將內(nèi)窺鏡集中于由外科醫(yī)生選擇的儀器上，或者任何其它關(guān)注的區(qū)域上?？梢詧?zhí)行這個以便于在外科手術(shù)過程期間估計至少一個外科手術(shù)工具的位置。
[0130]本實用新型還公開了一種外科手術(shù)跟蹤系統(tǒng)，其適于以自動和/或半自動的方式將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)并重新定位到預(yù)定的感興趣區(qū)域。由圖像處理算法來輔助這個操作，該圖像處理算法適于實時分析從內(nèi)窺鏡接收的數(shù)據(jù)，并且評估內(nèi)窺鏡的外科手術(shù)環(huán)境。
[0131]根據(jù)一個實施例，系統(tǒng)包括“智能”跟蹤子系統(tǒng)，該“智能”跟蹤子系統(tǒng)關(guān)于將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)到何處從操縱函數(shù)f(t) (t是時間)接收指令，并且指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡重新定位到所需要的區(qū)域。
[0132]操縱函數(shù)f(t)接收來自至少兩個指令函數(shù)gi(t)的輸出來作為輸入，分析它們的輸出并且提供指令給“智能”跟蹤系統(tǒng)(其最終對內(nèi)窺鏡進(jìn)行重新引導(dǎo))。
[0133]根據(jù)一些實施例，每個指令函數(shù)gi (t)還被給予加權(quán)函數(shù)a i (t)。
[0134]本實用新型的指令函數(shù)gi(t)是被配置為評估外科手術(shù)和內(nèi)窺鏡的環(huán)境，并且被配置為輸出數(shù)據(jù)的函數(shù)，該數(shù)據(jù)引導(dǎo)跟蹤子系統(tǒng)以用于控制操縱子系統(tǒng)和內(nèi)窺鏡的空間位置。指令函數(shù)gi(t)可以從以下組成的組中選擇:
[0135]a.工具檢測函數(shù)gl(t)；
[0136]b.移動檢測函數(shù)g2(t);
[0137]c.器官檢測函數(shù)g3(t)；
[0138]d.碰撞檢測函數(shù)g4(t)；
[0139]e.操作員輸入函數(shù)&(0 ;
[0140]f.預(yù)測函數(shù) g6(t);
[0141]g.過去統(tǒng)計分析函數(shù)g7(t)；
[0142]h.最常使用的工具函數(shù)g8(t);
[0143]1.右側(cè)工具函數(shù)g9(t);
[0144]g.左側(cè)工具函數(shù)glO(t);
[0145]k.視場函數(shù) gll(t);
[0146]1.優(yōu)選容積區(qū)函數(shù)gl2(t);
[0147]m.禁止穿行區(qū)函數(shù)gl3(t)；
[0148]η.鄰近函數(shù) gl4(t)；
[0149]ο.標(biāo)記工具函數(shù)g15(t)；
[0150]p.優(yōu)選工具函數(shù)g16(t)。
[0151]因此，例如，操縱函數(shù)f(t)從兩個指令函數(shù)接收輸入:碰撞檢測函數(shù)g4(t)(用于提供兩個元素之間的距離是否小于預(yù)定距離的信息的函數(shù))，以及最常使用的工具函數(shù)g8(t)(對外科手術(shù)過程期間每個工具移動的次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，并且提供與最多移動的工具或最常使用的工具當(dāng)前是否正在移動有關(guān)的信息的函數(shù))。從碰撞檢測函數(shù)&(0給出的輸出是在外科手術(shù)環(huán)境中外科手術(shù)工具危險地接近器官。從最常使用的工具函數(shù)&(0給出的輸出是在統(tǒng)計上被識別為最多移動的工具的工具當(dāng)前正在移動。
[0152]然后操縱函數(shù)f (t)對每個指令函數(shù)分配加權(quán)函數(shù)a i (t)。例如，向最常使用的工具函數(shù)g8(t)分配比分配給碰撞檢測函數(shù)g4(t)的權(quán)值更大的權(quán)值。
[0153]在操縱函數(shù)f (t)分析從每個的指令函數(shù)gi (t)和加權(quán)函數(shù)a j (t)接收的信息之后，相同的輸出指令到操縱子系統(tǒng)，以對內(nèi)窺鏡進(jìn)行重新引導(dǎo)(或者集中于移動的工具，或者集中于危險地接近靠近器官的工具)。
[0154]應(yīng)強調(diào)的是，通過在外科手術(shù)環(huán)境中持續(xù)地監(jiān)視并且定位/識別每個元素/工具的三維空間位置，使得所有以上公開內(nèi)容(以及以下公開內(nèi)容)成為可能。
[0155]通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的傳統(tǒng)手段(例如，圖像處理，光學(xué)裝置等)來提供識別。
[0156]根據(jù)一些實施例，外科手術(shù)跟蹤子系統(tǒng)包括:
[0157]適于在人體內(nèi)獲取外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像的至少一個內(nèi)窺鏡；
[0158]適于在腹腔鏡外科手術(shù)期間控制內(nèi)窺鏡的空間位置的操縱子系統(tǒng)；以及
[0159]與操縱子系統(tǒng)通信的跟蹤子系統(tǒng)，該跟蹤子系統(tǒng)適于控制該操縱子系統(tǒng)，以便將內(nèi)窺鏡的空間位置引導(dǎo)和修改到關(guān)注的區(qū)域。
[0160]根據(jù)這個實施例，跟蹤子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理器。該數(shù)據(jù)處理器適于執(zhí)行外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像處理，以及根據(jù)從操縱函數(shù)f(t)接收的輸入來指示該操縱子系統(tǒng)修改內(nèi)窺鏡的空間位置；該操縱函數(shù)f (t)適于:(a)從至少兩個指令函數(shù)gi(t)接收輸入，其中i是1，…，η并且η彡2，并且其中t是時間；i和η是整數(shù)；以及(b)基于來自至少兩個指令函數(shù)gi(t)的輸入將指令輸出到操縱子系統(tǒng)，以便在空間上將內(nèi)窺鏡定位到關(guān)注的區(qū)域。
[0161]根據(jù)一個實施例，工具檢測函數(shù)&(0適于檢測外科手術(shù)環(huán)境中的工具。根據(jù)這個實施例，工具檢測函數(shù)適于檢測外科手術(shù)環(huán)境中的外科手術(shù)工具，并且將指令輸出到跟蹤子系統(tǒng)，以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)到所檢測的外科手術(shù)工具。
[0162]根據(jù)一些實施例，函數(shù)gi (t)可以根據(jù)分級標(biāo)度(ranking scale)(例如，從I到10)對外科手術(shù)環(huán)境中不同的檢測到的區(qū)域進(jìn)行分級，其中禁止區(qū)域(S卩，被定義為外科手術(shù)工具禁止進(jìn)入的區(qū)域的區(qū)域)收到最低分(例如1)，并且優(yōu)選區(qū)域(即，被定義為其中應(yīng)當(dāng)保持外科手術(shù)工具的區(qū)域的區(qū)域)收到最高分(例如10)。
[0163]根據(jù)優(yōu)選實施例，一個函數(shù)gl (t)適于檢測外科手術(shù)環(huán)境中的工具，并且通知操縱函數(shù)f(t)它們是在優(yōu)選區(qū)域中還是在禁止區(qū)域中。
[0164]根據(jù)一些實施例，移動檢測函數(shù)&(0包括:能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括外科手術(shù)環(huán)境中的每個外科手術(shù)工具的實時三維空間位置；當(dāng)接收到三維空間位置的改變時檢測至少一個外科手術(shù)工具的移動的裝置；以及向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令，以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)到移動的外科手術(shù)工具的裝置。
[0165]根據(jù)一些實施例，器官檢測函數(shù)g3(t)適于在外科手術(shù)環(huán)境中檢測生理器官并且將檢測到的器官分類為禁止范圍或優(yōu)選范圍。例如，如果操作員指示系統(tǒng)具體的手術(shù)是腎臟手術(shù)，器官檢測函數(shù)g3(t)會將兩個腎臟(或者一個腎臟，如果指定手術(shù)是在單個腎臟上)分類為優(yōu)選范圍，而其他器官將被分類為禁止范圍。根據(jù)另一個實施例，器官檢測函數(shù)適于在外科手術(shù)環(huán)境中檢測器官并且向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至檢測到的器官。根據(jù)一些實施例，右側(cè)工具函數(shù)適于檢測定位于內(nèi)窺鏡右側(cè)的外科手術(shù)工具并且向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱系統(tǒng)持續(xù)地將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至右側(cè)工具上并且跟蹤右側(cè)工具。
[0166]根據(jù)另一個實施例，左側(cè)工具函數(shù)適于檢測定位于內(nèi)窺鏡左側(cè)的外科手術(shù)工具并且向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱系統(tǒng)持續(xù)地將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至左側(cè)工具上并且跟蹤左側(cè)工具。
[0167]根據(jù)一些實施例，碰撞檢測函數(shù)^⑴適于在外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)檢測禁止范圍以便防止內(nèi)窺鏡和禁止范圍之間的碰撞。例如，如果內(nèi)窺鏡位于其中內(nèi)窺鏡的精確移動是優(yōu)選的狹窄范圍中，則碰撞檢測函數(shù)g4(t)將檢測不同的范圍(例如，神經(jīng)、靜脈、器官的壁)并將其分類為禁止范圍。這樣，根據(jù)該實施例，防碰撞函數(shù)適于限定外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的至少一個外科手術(shù)工具與解剖元素之間的預(yù)定距離；并且適于在至少一個外科手術(shù)工具與解剖元素之間的距離小于預(yù)定距離的情況下向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令，以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的外科手術(shù)工具和解剖元素。根據(jù)本實用新型的一個實施例，從由組織、器官、另一個外科手術(shù)工具以及其任意組合構(gòu)成的組中選擇解剖元素。
[0168]根據(jù)一些實施例，操作員輸入函數(shù)g5(t)適于從操作員接收輸入。例如，輸入可以是:關(guān)于外科手術(shù)環(huán)境中的禁止范圍的輸入、關(guān)于外科手術(shù)環(huán)境中的允許范圍的輸入、或者關(guān)于關(guān)注的區(qū)域的輸入及其任意組合。操作員輸入函數(shù)&(0可以在外科手術(shù)之前或外科手術(shù)期間從操作員接收指令，并且相應(yīng)地進(jìn)行響應(yīng)。根據(jù)一些實施例，操作員輸入函數(shù)還可以包括用于在從由禁止范圍、允許范圍、關(guān)注的區(qū)域及其任意組合構(gòu)成的組中選擇的范圍中進(jìn)行選擇的選擇算法?？梢越?jīng)由輸入裝置執(zhí)行選擇(例如，觸摸屏)。
[0169]根據(jù)一些實施例，操作員輸入函數(shù)g5(t)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫；該能夠通信的數(shù)據(jù)庫適于從系統(tǒng)的操作員接收輸入；輸入包括η個三維空間位置；η是大于或等于2的整數(shù)；并且適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至所接收的至少一個三維空間位置。
[0170]根據(jù)一些實施例，預(yù)測函數(shù)g6(t)適于提供在時間IfHtl時關(guān)于外科手術(shù)環(huán)境的數(shù)據(jù)，其中h是當(dāng)前時間，而tf是將來時間。預(yù)測函數(shù)&(0可以與存儲關(guān)于外科手術(shù)的環(huán)境(例如，環(huán)境中的器官)的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫通信。該數(shù)據(jù)可以由預(yù)測函數(shù)^⑴使用，用于預(yù)測在操作期間期望的或不期望的事件或者期望的或不期望的目標(biāo)。這樣，根據(jù)該實施例，預(yù)測函數(shù)g6(t)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫存儲外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的每個外科手術(shù)工具的各三維空間位置，使得每個外科手術(shù)工具的每個移動被存儲；預(yù)測函數(shù)適于Ca)預(yù)測每個外科手術(shù)工具(或每個目標(biāo))的將來的三維空間位置；以及(b)向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至將來的三維空間位置。
[0171]根據(jù)一些實施例，過去統(tǒng)計分析函數(shù)g7(t)適于基于存儲在數(shù)據(jù)庫中的過去統(tǒng)計數(shù)據(jù)來提供關(guān)于外科手術(shù)環(huán)境或腹腔鏡外科手術(shù)的數(shù)據(jù)。關(guān)于外科手術(shù)環(huán)境的數(shù)據(jù)可以例如是:關(guān)于禁止范圍的數(shù)據(jù)、關(guān)于允許范圍的數(shù)據(jù)、關(guān)于關(guān)注的區(qū)域的數(shù)據(jù)、及其任意組合。這樣，根據(jù)該實施例，過去統(tǒng)計分析函數(shù)g7 (t)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫存儲外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的每個外科手術(shù)工具的各三維空間位置，使得每個外科手術(shù)工具的每個移動被存儲；過去統(tǒng)計分析函數(shù)g7(t)適于(a)對每個外科手術(shù)工具的過去的三維空間位置執(zhí)行統(tǒng)計分析；以及(b)預(yù)測每個外科手術(shù)工具的將來的三維空間位置；以及(C)向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至將來的三維空間位置。這樣，根據(jù)過去統(tǒng)計分析函數(shù)g7 (t)，分析了每個工具的過去的移動，并且根據(jù)該分析，提供了對工具的下一次移動的預(yù)測。
[0172]根據(jù)另一實施例，最常使用的工具函數(shù)&(0包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，能夠通信的數(shù)據(jù)庫計算位于外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的每個外科手術(shù)工具的移動量；最常使用的工具函數(shù)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)引導(dǎo)內(nèi)窺鏡，從而持續(xù)地將內(nèi)窺鏡定位于跟蹤最多移動的外科手術(shù)工具的移動。工具的移動量可以定義為該工具的移動的總數(shù)或工具已經(jīng)移動的總距離。
[0173]根據(jù)一些實施例，右側(cè)工具函數(shù)g9(t)適于檢測處于與內(nèi)窺鏡有關(guān)的指定位置的至少一個外科手術(shù)工具，其中，指定位置優(yōu)選地定位于內(nèi)窺鏡的右側(cè)，并且右側(cè)工具函數(shù)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)持續(xù)地將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至右側(cè)工具并且跟蹤右側(cè)工具。根據(jù)優(yōu)選實施例，右側(cè)工具定義為定位于內(nèi)窺鏡的右側(cè)的工具；根據(jù)其他實施例，可以將任意工具定義為右側(cè)工具。
[0174]根據(jù)另一實施例，左側(cè)工具函數(shù)g1(l(t)適于檢測處于與內(nèi)窺鏡有關(guān)的指定位置的至少一個外科手術(shù)工具，其中，指定位置優(yōu)選地定位于內(nèi)窺鏡的左側(cè)，并且左側(cè)工具函數(shù)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)持續(xù)地將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至左側(cè)工具并且跟蹤左側(cè)工具。根據(jù)優(yōu)選實施例，左側(cè)工具定義為定位于內(nèi)窺鏡的左側(cè)的工具；根據(jù)其他實施例，可以將任意工具定義為左側(cè)工具。
[0175]根據(jù)另一實施例，視場函數(shù)gn(t)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置；η是大于或等于2的整數(shù)；所有的η個三維空間位置的組合提供預(yù)定的視場；視場函數(shù)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)到基本上在η個三維空間位置內(nèi)的至少一個三維空間位置。
[0176]根據(jù)另一實施例,優(yōu)選容積區(qū)(volume zone)函數(shù)g12 (t)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置；η是大于或等于2的整數(shù)；η個三維空間位置提供優(yōu)選的容積區(qū)；優(yōu)選容積區(qū)函數(shù)g12(t)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至基本上在優(yōu)選容積區(qū)內(nèi)的至少一個三維空間位置。
[0177]根據(jù)另一實施例，禁止穿行區(qū)(no fly zone)函數(shù)g13 (t)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置；η是大于或等于2的整數(shù)；η個三維空間位置定義外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的預(yù)定容積；禁止穿行區(qū)函數(shù)g13(t)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至與所有η個三維空間位置基本上不同的至少一個三維空間位置。
[0178]根據(jù)一些實施例，鄰近函數(shù)g14(t)適于定義至少兩個外科手術(shù)工具之間的預(yù)定距離；并且如果兩個外科手術(shù)工具之間的距離小于或者大于預(yù)定距離，則向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至該兩個外科手術(shù)工具。
[0179]根據(jù)另一實施例，鄰近函數(shù)g14(t)適于定義至少三個外科手術(shù)工具之間的預(yù)定角度；并且如果兩個外科手術(shù)工具之間的角度小于或者大于預(yù)定角度，則向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至該三個外科手術(shù)工具。
[0180]根據(jù)另一實施例，優(yōu)選容積區(qū)函數(shù)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置；η是大于或等于2的整數(shù)；η個三維空間位置提供優(yōu)選的容積區(qū)；優(yōu)選容積區(qū)函數(shù)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至優(yōu)選的容積區(qū)。
[0181]根據(jù)另一實施例，視場函數(shù)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置；η是大于或等于2的整數(shù)；所有η個三維空間位置的組合提供預(yù)定的視場；視場函數(shù)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)到基本上在η個三維空間位置內(nèi)的至少一個三維空間位置，以便維持恒定的視場。
[0182]根據(jù)另一實施例，禁止穿行區(qū)函數(shù)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置；η是大于或等于2的整數(shù)；η個三維空間位置定義外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的預(yù)定容積；禁止穿行區(qū)函數(shù)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至與所有η個三維空間位置基本上不同的至少一個三維空間位置。
[0183]根據(jù)另一實施例，最常使用的工具函數(shù)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，能夠通信的數(shù)據(jù)庫計算位于外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的每個外科手術(shù)工具的移動量；最常使用的工具函數(shù)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)引導(dǎo)內(nèi)窺鏡來持續(xù)地將內(nèi)窺鏡定位成跟蹤最多移動的外科手術(shù)工具的移動。
[0184]根據(jù)一些實施例，預(yù)測函數(shù)g6(t)適于提供在時間tf>t時關(guān)于外科手術(shù)環(huán)境的數(shù)據(jù)，其中t是當(dāng)前時間，而tf是將來時間。預(yù)測函數(shù)&(0可以與存儲關(guān)于手術(shù)的環(huán)境(例如，環(huán)境中的器官)的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫通信。該數(shù)據(jù)可以由預(yù)測函數(shù)&(0使用，用于預(yù)測在操作期間期望的或不期望的事件或者目標(biāo)。這樣，根據(jù)該實施例，預(yù)測函數(shù)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫存儲外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的每個外科手術(shù)工具的各三維空間位置，使得每個外科手術(shù)工具的每個移動被存儲；預(yù)測函數(shù)適于(a)預(yù)測每個外科手術(shù)工具的將來的三維空間位置；以及(b)向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至將來的三維空間位置。
[0185]根據(jù)一些實施例，過去統(tǒng)計分析函數(shù)g7(t)適于基于存儲在數(shù)據(jù)庫中的過去統(tǒng)計數(shù)據(jù)來提供關(guān)于外科手術(shù)環(huán)境或腹腔鏡手術(shù)的數(shù)據(jù)。關(guān)于外科手術(shù)環(huán)境的數(shù)據(jù)可以例如是:關(guān)于禁止范圍的數(shù)據(jù)、關(guān)于允許范圍的數(shù)據(jù)、關(guān)于關(guān)注的區(qū)域的數(shù)據(jù)。這樣，根據(jù)該實施例，過去統(tǒng)計分析函數(shù)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫存儲外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的每個外科手術(shù)工具的各三維空間位置，使得每個外科手術(shù)工具的每個移動被存儲；過去統(tǒng)計分析函數(shù)適于(a)對每個外科手術(shù)工具的過去的三維空間位置進(jìn)行統(tǒng)計分析；以及(b)預(yù)測每個外科手術(shù)工具的將來的三維空間位置；以及(C)向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至將來的三維空間位置。這樣，根據(jù)過去統(tǒng)計分析函數(shù)g7(t)，分析了每個工具的過去的移動，并且根據(jù)該分析，提供了對工具的下一次移動的將來預(yù)測。
[0186]根據(jù)一些實施例，優(yōu)選工具函數(shù)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫存儲優(yōu)選的工具；優(yōu)選工具函數(shù)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)持續(xù)地將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至優(yōu)選的工具，使得所述內(nèi)窺鏡持續(xù)地跟蹤所述優(yōu)選的工具。
[0187]這樣，根據(jù)優(yōu)選工具函數(shù)，內(nèi)窺鏡持續(xù)地跟蹤優(yōu)選的工具，使得當(dāng)從內(nèi)窺鏡觀看時，視場持續(xù)地保持在所述優(yōu)選的工具上。應(yīng)當(dāng)指出，用戶可以在所述優(yōu)選工具函數(shù)中定義:持續(xù)地跟蹤所述優(yōu)選的工具的尖端，或者可替換地，用戶可以在所述優(yōu)選工具函數(shù)中定義:持續(xù)地跟蹤優(yōu)選的工具的主體或者優(yōu)選的工具上的任何位置。
[0188]根據(jù)一些實施例，標(biāo)記工具函數(shù)g15(t)包括以下裝置，該裝置適于在外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)標(biāo)記至少一個外科手術(shù)工具并且向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)持續(xù)地將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至所標(biāo)記的外科手術(shù)工具。這樣，根據(jù)標(biāo)記工具函數(shù)，內(nèi)窺鏡持續(xù)地跟蹤優(yōu)選的(即標(biāo)記的)工具，使得當(dāng)從內(nèi)窺鏡觀看時，視場持續(xù)地保持在所述優(yōu)選的(標(biāo)記的)工具上。應(yīng)當(dāng)指出的是，用戶可以在所述標(biāo)記工具函數(shù)中定義:持續(xù)地跟蹤所述優(yōu)選的(標(biāo)記的)工具的尖端，或者可替換地，用戶可以在所述標(biāo)記工具函數(shù)中定義:持續(xù)地跟蹤優(yōu)選的(標(biāo)記的)工具的主體或者優(yōu)選的(標(biāo)記的)工具上的任何位置。
[0189]根據(jù)一些實施例，裝置適于在外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)持續(xù)地標(biāo)記至少一個外科手術(shù)工具。
[0190]根據(jù)一些實施例，優(yōu)選工具函數(shù)g16(t)包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫存儲優(yōu)選的工具；并且優(yōu)選工具函數(shù)適于向跟蹤子系統(tǒng)輸出指令以指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡引導(dǎo)至優(yōu)選的工具。
[0191]根據(jù)一些實施例，系統(tǒng)還包括如下裝置:該裝置適于在選擇了期望的工具之前重標(biāo)記至少一個外科手術(shù)工具。
[0192]根據(jù)一些實施例，系統(tǒng)還包括適于切換(toggle)外科手術(shù)工具的裝置。根據(jù)一些實施例，人工地或自動地執(zhí)行切換。
[0193]根據(jù)本實用新型的不同實施例，加權(quán)函數(shù)ai(t)是時變函數(shù)(或常數(shù))，它的值由操作員或指示函數(shù)gi(t)的輸出確定。例如，如果一個特定函數(shù)gi(t)檢測到重要的事件或目標(biāo)，可以對它的加權(quán)函數(shù)Qi(t)進(jìn)行調(diào)整以便提升操縱函數(shù)f(t)將會指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡朝向該重要事件或目標(biāo)移動的可能性。
[0194]根據(jù)本實用新型的不同實施例，跟蹤子系統(tǒng)可以實現(xiàn)各種圖像處理算法，圖像處理算法也可以是本領(lǐng)域眾所周知的算法。圖像處理算法可以例如是:圖像穩(wěn)定性算法、圖像改進(jìn)算法、圖像編輯算法、圖像增強算法、圖像檢測算法、圖像分類算法、人體的心動周期或呼吸周期的圖像相關(guān)性、煙霧減少算法、水汽減少算法、蒸汽減少算法及其任意組合。因為已知在特定條件下，可從由內(nèi)窺鏡或從內(nèi)窺鏡發(fā)射出煙霧、水汽或蒸汽，因此需要煙霧、水汽、蒸汽減少算法。也可以實現(xiàn)圖像處理算法，并將其用于分析2D或3D表示，2D或3D表示可以由外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像來呈現(xiàn)。
[0195]根據(jù)不同的實施例，內(nèi)窺鏡可以包括從由以下裝置構(gòu)成的組中選擇的圖像獲取裝置:攝像頭、攝影機、電磁傳感器、計算機斷層攝影術(shù)圖像裝置、熒光成像裝置、超聲成像裝置、及其任意組合。
[0196]根據(jù)一些實施例，系統(tǒng)還可以包括適于向操作員提供關(guān)于系統(tǒng)的操作的輸入或輸出的顯示器。顯示器可以用于以增強的現(xiàn)實元素輸出所獲取的外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像。顯示器還可以用于操作員關(guān)注的區(qū)域的清晰度。
[0197]根據(jù)一些實施例，內(nèi)窺鏡可以由內(nèi)窺鏡控制器來控制，用于執(zhí)行諸如如下操作:獲取實時圖像并且放大至預(yù)定范圍。例如，內(nèi)窺鏡控制器可以使得內(nèi)窺鏡獲取與人體的心動周期或呼吸周期的相關(guān)的實時圖像。
[0198]根據(jù)不同實施例，本實用新型的數(shù)據(jù)處理器可以操作模式識別算法，用于幫助指示函數(shù)gi(t)的操作。模式識別算法可以用作圖像處理算法的一部分。
[0199]應(yīng)當(dāng)強調(diào)的是，所有以上所述(以及下面的公開)是通過持續(xù)地監(jiān)視和定位/標(biāo)識外科手術(shù)環(huán)境中的每個元素/工具的三維空間位置來實現(xiàn)的。
[0200]通過本領(lǐng)域任何技術(shù)人員已知的傳統(tǒng)手段(例如，圖像處理、光學(xué)裝置等)來提供識別。
[0201]應(yīng)當(dāng)強調(diào)的是，所有以上所述(以及下面的公開)是通過持續(xù)地監(jiān)視和定位/標(biāo)識外科手術(shù)環(huán)境中的每個元素/工具的三維空間位置來實現(xiàn)的。
[0202]通過本領(lǐng)域任何技術(shù)人員已知的傳統(tǒng)手段(例如，圖像處理、光學(xué)裝置等)來提供識別。
[0203]本實用新型還公開了一種外科手術(shù)控制系統(tǒng)，包括:
[0204]a.至少一個內(nèi)窺鏡，適于提供人體的外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像；
[0205]b.至少一個處理裝置，適于實時定義人體的外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像內(nèi)的η個元素；每個元素由預(yù)定特征來表征；
[0206]c.與內(nèi)窺鏡進(jìn)行通信的圖像處理裝置，該圖像處理裝置適于對實時圖像進(jìn)行圖像處理以及提供預(yù)定特征的實時更新；
[0207]d.能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫與處理裝置和圖像處理裝置進(jìn)行通信，適于存儲預(yù)定特征和更新的特征。
[0208]在更新的特征基本上與預(yù)定特征不同的情況下，該系統(tǒng)適于通知操作員。
[0209]這樣，根據(jù)該實施例，外科手術(shù)環(huán)境中的每個元素被表征。特征被持續(xù)地監(jiān)視。如果特征實質(zhì)上改變，則系統(tǒng)通知用戶。
[0210]例如，被監(jiān)視的元素可以是器官，而被監(jiān)視的特征是器官的輪廓。一旦輪廓顯著地改變(這可能意味著器官已經(jīng)被切開)，系統(tǒng)向用戶發(fā)出警報。
[0211]應(yīng)當(dāng)強調(diào)的是，所有以上所述是通過持續(xù)地監(jiān)視和定位/標(biāo)識外科手術(shù)環(huán)境中的每個元素/工具的三維空間位置來實現(xiàn)的。
[0212]通過本領(lǐng)域任何技術(shù)人員已知的傳統(tǒng)手段(例如，圖像處理、光學(xué)裝置等)來提供識別。
[0213]根據(jù)另一實施例，預(yù)定特征從以下構(gòu)成的組中選擇:元素的顏色、元素的三維空間位置、元素的輪廓、及其而任意組合。
[0214]根據(jù)另一實施例，系統(tǒng)附加地包括至少一個外科手術(shù)工具，該外科手術(shù)工具適于被插入人體的外科手術(shù)環(huán)境以用于輔助外科手術(shù)過程。
[0215]根據(jù)另一實施例，系統(tǒng)附加地包括至少一個位置估計裝置，該位置估計裝置適于估計至少一個外科手術(shù)工具的位置。
[0216]根據(jù)另一實施例，系統(tǒng)附加地包括控制器，該控制器械有與數(shù)據(jù)庫可通信的處理裝置，控制器適于控制至少一個外科手術(shù)工具的空間位置。
[0217]本申請還提供了一種用于控制手術(shù)的方法，包括以下步驟:
[0218]a.獲得系統(tǒng),該系統(tǒng)包括:
[0219]1.至少一個內(nèi)窺鏡，適于提供人體中的外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像；
[0220]i1.至少一個處理裝置，適于實時定義人體的外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像內(nèi)的η個元素，η是大于O的整數(shù)；每個元素由預(yù)定特征來表征；
[0221]ii1.與內(nèi)窺鏡進(jìn)行通信的圖像處理裝置，該圖像處理裝置適于處理實時圖像以及提供預(yù)定特征的實時更新；
[0222]iv.能夠通信的數(shù)據(jù)庫，該能夠通信的數(shù)據(jù)庫與處理裝置和圖像處理裝置進(jìn)行通信，適于存儲預(yù)定特征和更新的特征。
[0223]b.提供人體中的外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像；
[0224]c.定義η個元素；
[0225]d.由預(yù)定特征表征每個元素；
[0226]e.提供預(yù)定特征的實時更新；
[0227]f.如果更新的特征基本上與預(yù)定特征不同，則通知用戶。
[0228]根據(jù)另一個實施例，預(yù)定特征從以下構(gòu)成的組中選擇:元素的顏色、元素的三維空間位置、元素的輪廓、及其而任意組合。
[0229]根據(jù)另一實施例，方法附加地包括以下步驟:提供至少一個外科手術(shù)工具，外科手術(shù)工具適于被插入人體的外科手術(shù)環(huán)境以用于輔助外科手術(shù)過程。
[0230]根據(jù)另一實施例，方法附加地包括以下步驟:提供至少一個位置估計裝置，位置估計裝置適于估計至少一個外科手術(shù)工具的位置。
[0231]根據(jù)另一實施例，方法附加地包括以下步驟:提供控制器，控制器械有與數(shù)據(jù)庫能夠通信的處理裝置，控制器適于控制至少一個外科手術(shù)工具的空間位置。
[0232]根據(jù)另一實施例，本實用新型的系統(tǒng)附加的包括圖像處理單元。根據(jù)另一實施例，圖像處理單元適于通過減小由例如凝結(jié)引起的煙霧的圖像中的可見度來減小來自所接收的圖像的“噪音”。根據(jù)另一實施例，圖像處理單元適于通過減小積聚在內(nèi)窺鏡上的水汽或蒸汽的圖像中的可見度來減小來自所接收的圖像的“噪音”。
[0233]根據(jù)另一實施例，右側(cè)工具函數(shù)適于指示操縱子系統(tǒng)持續(xù)地定位內(nèi)窺鏡以跟蹤右側(cè)工具的移動(即，定位于內(nèi)窺鏡右側(cè)的工具)。
[0234]根據(jù)另一實施例，左側(cè)工具函數(shù)適于指示操縱子系統(tǒng)持續(xù)地定位內(nèi)窺鏡以跟蹤左側(cè)工具的移動(即，定位于內(nèi)窺鏡左側(cè)的工具)。
[0235]根據(jù)另一實施例，視場函數(shù)適于指示操縱子系統(tǒng)持續(xù)地定位內(nèi)窺鏡以便保持恒定的視場。
[0236]根據(jù)另一實施例，禁止穿行區(qū)函數(shù)適于(在過程期間實時地或者在過程之前)定義禁止穿行區(qū)并且指示操縱子系統(tǒng)限制內(nèi)窺鏡進(jìn)入禁止穿行區(qū)。
[0237]根據(jù)另一實施例，最常使用的工具函數(shù)適于(在過程期間實時地或者在過程之前)定義作為最常使用的工具的工具(即，在過程期間移動最多的工具)，并且指示操縱子系統(tǒng)持續(xù)地定位內(nèi)窺鏡以跟蹤最常使用的工具的移動。
[0238]下面的圖提供了上述規(guī)則和函數(shù)的中的幾個的示例。
[0239]現(xiàn)在參照圖1，圖1是外科手術(shù)跟蹤系統(tǒng)100的具體實施例的一般示例圖。在該圖中示出了外科手術(shù)器械17b和17c以及內(nèi)窺鏡21，內(nèi)窺鏡21可以通過操縱子系統(tǒng)19根據(jù)從通過計算機可操作的跟蹤子系統(tǒng)接收的指令來操縱。
[0240]如上定義的根據(jù)本實用新型的一個實施例，用戶可以將視場函數(shù)定義為持續(xù)地監(jiān)視至少一個外科手術(shù)器械17b和17c。
[0241]根據(jù)該實施例，外科手術(shù)跟蹤系統(tǒng)100還可以包括一個或多個按鈕操作的無線發(fā)送器12a，該按鈕操作的無線發(fā)送器12a當(dāng)激活時通過天線13向連接的接收器11發(fā)送單個代碼波14，該連接的接收器11產(chǎn)生通過計算機15處理的信號，由此將內(nèi)窺鏡21的空間位置引導(dǎo)和修改至關(guān)注的區(qū)域，如由視場函數(shù)所定義的。
[0242]可替換地，根據(jù)鄰近規(guī)則，如果外科手術(shù)器械17b和17c之間的距離小于預(yù)定距離(如由防碰撞規(guī)則所定義的)，系統(tǒng)警告用戶:外科手術(shù)器械17b和17c中的任一個的將會減小該距離的任何移動是受限制的移動。
[0243]現(xiàn)在參考圖2，圖2示意性的示出了本實用新型的操作。根據(jù)該附圖，本實用新型的系統(tǒng)包括顯示器30，在顯示器30中，向操作員呈現(xiàn)了整個過程。在該圖中，內(nèi)窺鏡朝向關(guān)注的區(qū)域38自動地空間重新定位。
[0244]內(nèi)窺鏡朝向其重新定位的關(guān)注的區(qū)域包括工具37b和37c，通過計算機15的跟蹤子系統(tǒng)(未示出)自動地檢測工具37b和37c。根據(jù)不同實施例，內(nèi)窺鏡的重新定位可以是自動地或半自動地。例如，根據(jù)圖2，對于通用代碼發(fā)射無線發(fā)送器12a上的按鈕的輕微按壓使得通過連接的接收器11通信的接收天線13所接收的代碼發(fā)送到計算機15。該操作使得本實用新型的內(nèi)窺鏡空間上重新定位至關(guān)注的預(yù)定區(qū)域(例如，工作工具所位于的位置)。根據(jù)本實用新型的該實施例，操作員可以將關(guān)注的區(qū)域定義為發(fā)現(xiàn)工具37b的尖端35b的區(qū)域。
[0245]根據(jù)另一實施例，操作員可以將外科手術(shù)器械17b和17c中的一個定義為優(yōu)選的工具。這樣，根據(jù)優(yōu)選工具規(guī)則，內(nèi)窺鏡將持續(xù)地監(jiān)視和跟蹤所選工具的主題。根據(jù)另一實施例，用戶可以定義優(yōu)選工具規(guī)則以持續(xù)地將內(nèi)窺鏡重新定位在優(yōu)選工具的尖端(參見圖2中的尖端35b)。
[0246]根據(jù)圖2所示的實施例，通過向要被激活的系統(tǒng)發(fā)信號來提供系統(tǒng)的激活。
[0247]根據(jù)本實用新型的另一實施例，按鈕可以耦接至要被監(jiān)視的期望的工具，使得內(nèi)窺鏡將會監(jiān)視按鈕與其耦接的工具(并且從該工具發(fā)射信號12a)。
[0248]再次參照圖2，一旦已經(jīng)定義關(guān)注的區(qū)域，跟蹤子系統(tǒng)使用通過執(zhí)行圖像處理在關(guān)注的區(qū)域內(nèi)尋找尖端35b。當(dāng)跟蹤子系統(tǒng)沒有檢測到尖端35b，系統(tǒng)可以沿著預(yù)定的軌跡在向前的方向上移動內(nèi)窺鏡。當(dāng)跟蹤子系統(tǒng)檢測到尖端35b，內(nèi)窺鏡自動地聚焦在關(guān)注的區(qū)域。
[0249]當(dāng)執(zhí)行外科手術(shù)時，外科醫(yī)生經(jīng)常改變他的工具的位置以及甚至工具的插入點。為了實現(xiàn)位置和范圍系統(tǒng)，可以使用很多已知的技術(shù)。例如，工具可以配備有開關(guān)。如果開關(guān)發(fā)射無線信號，則可以使用天線陣列來比較在每個天線處接收到的信號的功率，以便將開關(guān)的角度以及其近似的范圍確定為照相機持有者機制。如果開關(guān)發(fā)射超聲波，則可以使用超聲敏感麥克風(fēng)來三角測量開關(guān)的位置。對于發(fā)光開關(guān)也是同樣情況。在本實用新型的優(yōu)選實施例中，利用單個無線發(fā)射代碼并且通過傳統(tǒng)的觀看屏幕上的可視圖形表示來實現(xiàn)選擇。
[0250]在另一個優(yōu)選實施例中，每個器械與唯一的代碼無線發(fā)送器一致，并且通過按壓它的按鈕來實現(xiàn)選擇。
[0251]根據(jù)不同的實施例，本實用新型的跟蹤子系統(tǒng)可以用在任何傳統(tǒng)的照相機輔助的包括內(nèi)窺鏡的腹腔鏡外科手術(shù)系統(tǒng)。當(dāng)按下發(fā)送器上的至少一個按鈕用于激活跟蹤子系統(tǒng)時，向連接至計算機的接收裝置發(fā)送通用的或唯一的代碼，該代碼指示操縱子系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡重新定位至關(guān)注的區(qū)域。
[0252]例如，本實用新型的系統(tǒng)可以用于允許操作員(例如，外科醫(yī)生)將外科手術(shù)器械呈獻(xiàn)給外科手術(shù)同事和職員。通過經(jīng)由跟蹤子系統(tǒng)識別外科手術(shù)器械，內(nèi)窺鏡將視線引導(dǎo)至預(yù)定的關(guān)注區(qū)域。
[0253]根據(jù)一些實施例，跟蹤子系統(tǒng)可以在外科手術(shù)之前、對外科手術(shù)工具的特性描述之后標(biāo)識外科手術(shù)工具。外科手術(shù)工具的特征可以存儲在數(shù)據(jù)庫中用于進(jìn)一步在圖像處理算法中使用。當(dāng)按下至少一個按鈕時，跟蹤子系統(tǒng)可以指示操縱子系統(tǒng)移動內(nèi)窺鏡以便實現(xiàn)期望的聚焦于具體的關(guān)注區(qū)域。
[0254]本實用新型的裝置具有許多技術(shù)優(yōu)勢，其中:
[0255]?簡化了外科醫(yī)生和醫(yī)療助手之間的通信接口。
[0256].與傳統(tǒng)的計算機化的自動化內(nèi)窺鏡系統(tǒng)無縫交互。
[0257]?簡單的構(gòu)造和可靠性。
[0258]?用戶友好性。
[0259]本實用新型的附加特征和優(yōu)勢將通過以下附圖和描述變得明顯。
[0260]為了改進(jìn)內(nèi)窺鏡的控制，本實用新型的系統(tǒng)包括操縱子系統(tǒng)。在本領(lǐng)域中已知很多操縱子系統(tǒng)，其中很多操縱子系統(tǒng)具有若干自由度。
[0261](a) 一個自由度使得系統(tǒng)能夠?qū)?nèi)窺鏡或腹腔鏡向前和向后移動；
[0262](b)另一個自由度使得系統(tǒng)能夠在變焦移動中移動內(nèi)窺鏡或腹腔鏡，即通過穿透點進(jìn)入和離開患者的身體；
[0263](C)另一個自由度使得系統(tǒng)能夠?qū)?nèi)窺鏡或腹腔鏡向右和向左移動；
[0264](d)另一個自由度使得系統(tǒng)能夠?qū)?nèi)窺鏡或腹腔鏡移動向右和向左微調(diào)；
[0265](e)另一個自由度使得系統(tǒng)能夠?qū)?nèi)窺鏡或腹腔鏡移動向前和向后微調(diào)；
[0266](f)另一個自由度使得系統(tǒng)能夠相對于內(nèi)窺鏡的長軸旋轉(zhuǎn)照相機。當(dāng)使用具有“成角度的邊沿”的內(nèi)窺鏡時，該自由度對于保持圖像的水平不變是必要的。
[0267]本實用新型利用這樣的操縱系統(tǒng)以便將內(nèi)窺鏡重新定位至期望的位置。
[0268]利用本實用新型，通過傳達(dá)外科醫(yī)生當(dāng)前選擇的器械、向圖像處理計算軟件提供位置數(shù)據(jù)、由此引導(dǎo)內(nèi)窺鏡聚焦于該選擇，來改進(jìn)外科醫(yī)生和自動化助手之間的接口。技術(shù)依賴于將傳統(tǒng)的腹腔鏡系統(tǒng)與從例如附接至外科手術(shù)工具的小RF發(fā)送器獲得的數(shù)據(jù)，或者可替換地從附接至外科手術(shù)工具的發(fā)光器(例如二極管燈泡)獲得的數(shù)據(jù)相結(jié)合。
[0269]本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白，在不影響其本質(zhì)的情況下，本實用新型具有在構(gòu)造的細(xì)節(jié)方面不同的若干實施例，因此，本實用新型不限制于在圖中示出的和說明書中描述的內(nèi)容，而僅僅如所附權(quán)利要求中所指明的，具有僅通過最廣義的解釋權(quán)利要求所確定的適當(dāng)范圍。
[0270]圖2a示出了在腹部的腹腔鏡外科手術(shù)中使用本實用新型的系統(tǒng)的示例。
[0271]圖2b示出了在膝蓋內(nèi)窺鏡外科手術(shù)中使用本實用新型的系統(tǒng)的示例。
[0272]最后，圖2c示出了在肩部內(nèi)窺鏡外科手術(shù)中使用本實用新型的系統(tǒng)的示例。
[0273]例子
[0274]給出例子以證明本實用新型要求保護(hù)的實施例。作為臨床試驗給出的例子描述了本實用新型的方式和處理并且闡述了發(fā)明人為實施本實用新型而構(gòu)想的最佳模式，但不應(yīng)被理解為限制實用新型。
[0275]在以下例子中，在全部附圖中相同的標(biāo)號表示相似的部件。
[0276]例子1-具有防碰撞系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)
[0277]該基于規(guī)則的系統(tǒng)的一個實施例包括以下命令集合:
[0278]檢測(由Gd標(biāo)示):
[0279]Gdl工具位置檢測函數(shù)
[0280]Gd2器官(例如肝)檢測函數(shù)
[0281]Gd3移動(矢量)計算和估計函數(shù)
[0282]Gd4碰撞可能性檢測函數(shù)
[0283]工具指令(標(biāo)示為Gt):
[0284]Gtl根據(jù)手動命令移動
[0285]Gt2停止移動
[0286]場景_外科醫(yī)生的手動移動命令:
[0287](根據(jù)圖像或位置標(biāo)記器)在每個時間步驟實時地計算位置Gdl(t)和Gd2 (t)。
[0288]根據(jù)Gdl (t)計算工具移動矢量Gd3 (t)作為當(dāng)前位置和至少一個先前位置之間的差別(可能也考慮先前的移動矢量)。
[0289]例如根據(jù)位置Gdl和位置Gd2之間的差別(差別越小，鄰近度越接近，且碰撞可能性越高)，根據(jù)指示碰撞的移動矢量Gd3 (t)等計算碰撞可能性Gd4 (t)。
[0290]工具指令Gtl如果Gtl (t)〈預(yù)定閾值則加權(quán)函數(shù)a i(t)=l，否則為O。
[0291]工具指令Gt2如果Gt2 (t) >預(yù)定閾值則加權(quán)函數(shù)a 2 (t) =1，否則為O。
[0292]工具指令=αJthGtl+aJthGt〗(t)；
[0293]參照圖3，圖3以非限制性方式示出了跟蹤系統(tǒng)和防碰撞系統(tǒng)的實施例。系統(tǒng)跟蹤工具310和肝320，以在下一個時間步驟確定工具310和肝320之間的碰撞是否可能。圖3a和3b示出了系統(tǒng)的行為如何取決于工具310和肝320之間的距離330，而圖3c和3d示出了工具310的移動如何影響該行為。在圖3a中，工具310和肝320之間的距離330足夠大，使得在該時間步驟不可能出現(xiàn)碰撞。由于不可能碰撞，不會命令工具移動。在圖3b中，工具310和肝320之間的距離330足夠小，使得可能發(fā)生碰撞。在所示的實施例中，移動340被命令以將工具310移動遠(yuǎn)離肝320。在其他實施例中，系統(tǒng)防止移動350，但是不命令移動340 ;在這樣的實施例中，工具310將保持靠近肝320。在另一個實施例中，系統(tǒng)警告/發(fā)信號通知操作員該移動被限制，但是不限制移動350或命令移動340遠(yuǎn)離肝。使用任何現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法，這樣的警告/信號通知可以是視覺的或聽覺的。
[0294]圖3c和3d示意性示出了工具310的移動對防碰撞系統(tǒng)的影響。在圖3c和3d中，工具310足夠靠近肝320，從而二者之間的碰撞是有可能的。如果系統(tǒng)僅跟蹤工具310和肝320的位置，則將命令工具310遠(yuǎn)離肝320的運動。圖3c示出了將增加工具310和肝320之間距離的移動350的效果。由于移動350遠(yuǎn)離肝320，因此在該時間步驟中不可能碰撞，且不會命令工具310的移動。
[0295]在圖3d中，工具310與肝320之間的距離和圖3c中相同。然而，在圖3d中，工具310的移動350是朝向肝320，使得工具310和肝320之間的碰撞有可能。在一些實施例中，移動340被命令，以將工具310移動遠(yuǎn)離肝320。在其他實施例中，系統(tǒng)防止移動350，但是不命令移動340 ;在該實施例中，工具310將保持靠近肝320。在又一實施例中，系統(tǒng)警告操作員移動被限制，但是不限制移動350或命令移動340遠(yuǎn)離肝。使用任何現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法，這樣的警告可以是視覺的或聽覺的。
[0296]作為非限制性例子，在肝上的操作中，碰撞檢測函數(shù)可以警告操作員工具和肝之間的碰撞是可能的，然而不防止碰撞。在膽囊上的操作中，通過防止移動或者通過命令將工具重新引導(dǎo)遠(yuǎn)離肝的移動，碰撞檢測函數(shù)可以防止工具和肝之間的碰撞。
[0297]例子2-具有軟控制的跟蹤系統(tǒng)-沒有物體在附近時快速移動，有物體靠近時慢速移動
[0298]該基于規(guī)則的系統(tǒng)的一個實施例包括以下命令集合:
[0299]檢測(由Gd標(biāo)示):
[0300]主要工具位置檢測函數(shù)(由GdM標(biāo)示)；
[0301]Gd-工具1-K-工具位置檢測函數(shù)；
[0302]Gd-器官2-L-器官(例如肝)檢測函數(shù)；
[0303]Gd3主要工具移動(矢量)計算和估計函數(shù)；
[0304]Gd4鄰近可能性檢測函數(shù)；
[0305]工具指令(標(biāo)示為Gt):
[0306]Gtl根據(jù)手動命令的移動矢量(方向和速度)
[0307]場景_外科醫(yī)生的手動移動命令:
[0308](根據(jù)圖像或位置標(biāo)記器)在每個時間步驟實時地計算位置GdM(t)，Gd_工具1-K(t)和 Gd-器官 2-L (t)。
[0309]按GdM (t)計算主要工具移動矢量Gd3 (t)，作為當(dāng)前位置和至少一個先前位置之間的差別(可能也考慮先前的移動矢量)。
[0310]計算主要工具和其他工具的鄰近度Gd4(t)，例如作為主要工具位置和其他工具位置之間的差別的最小者。
[0311]工具指令Gtl加權(quán)函數(shù)ajt)與工具鄰近度函數(shù)Gd4 (t)成比例，工具越靠近則移動越慢，使得例如:
[0312]a 2(t)=Gd4/最大(Gd4)
[0313]a2(t)=log (Gd4/最大(Gd4))，其中最大(Gd4)是給定距離、工具速度和移動矢量的情況下可能導(dǎo)致碰撞的最大距離。
[0314]工具指令=aJthGtl。
[0315]例子3-具有禁止穿行規(guī)則/函數(shù)的跟蹤系統(tǒng)
[0316]參考圖4，圖4以非限制性方式示出了具有禁止穿行規(guī)則的跟蹤系統(tǒng)的實施例。系統(tǒng)相對于禁止穿行區(qū)(460)跟蹤工具310，以在下一個時間步驟內(nèi)確定工具是否將進(jìn)入禁止穿行區(qū)(460)。在該例子中，禁止穿行區(qū)460圍繞肝。
[0317]圖4a和4b示出了系統(tǒng)的行為如何取決于工具尖端相對于禁止穿行區(qū)的位置，而圖4c和4d示出了工具的移動如何影響該行為。
[0318]在圖4a中，工具310在禁止穿行區(qū)規(guī)則/函數(shù)460外，并且沒有命令工具的移動。在圖4b中，工具310在禁止穿行區(qū)460內(nèi)。
[0319]禁止穿行區(qū)規(guī)則/函數(shù)執(zhí)行以下操作:
[0320]在所示的實施例中，移動350被命令以將工具310移動遠(yuǎn)離禁止穿行區(qū)460。在其他實施例中，系統(tǒng)防止進(jìn)一步進(jìn)入禁止穿行區(qū)的移動(稱為移動340，見圖4c)，但是不命令移動340 ;在該實施例中，工具310將保持靠近禁止穿行區(qū)460。
[0321]在又一實施例中，系統(tǒng)警告/發(fā)信號通知操作員移動被限制，然而不限制進(jìn)一步進(jìn)入禁止穿行區(qū)的移動或命令移動340遠(yuǎn)離禁止穿行區(qū)460。采用任何現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法，該警告/信號通知可以是視覺或聽覺的。
[0322]圖4c和4c示意性示出了工具的移動對禁止穿行區(qū)規(guī)則/函數(shù)的操作的影響。在圖4c和4d中，工具310足夠靠近禁止穿行區(qū)460 (距離330足夠小),使得工具有可能在下一時間步驟期間進(jìn)入禁止穿行區(qū)。圖4c示出了將增加工具310和禁止穿行區(qū)460之間距離的移動340的效果。由于移動340遠(yuǎn)離禁止穿行區(qū)460，在該時間步驟中不可能出現(xiàn)碰撞，并且不命令工具310的移動。
[0323]在圖4d中，工具310與禁止穿行區(qū)460的距離與圖4c中相同。然而，在圖4d中，工具的移動340朝向禁止穿行區(qū)460，使得工具310有可能進(jìn)入禁止穿行區(qū)460。在所示實施例中，移動350被命令，以將工具310移動遠(yuǎn)離禁止穿行區(qū)460。在其他實施例中，系統(tǒng)防止移動340，但是不命令移動350 ;在該實施例中，工具310將保持靠近禁止穿行區(qū)460。在又一實施例中，系統(tǒng)警告/信號通知操作員移動被限制，但是不限制移動340或命令遠(yuǎn)離禁止穿行區(qū)規(guī)則/函數(shù)460的移動350。使用任何現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法，該警告/信號通知可以是視覺的或聽覺的。
[0324]例子4-具有優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則/函數(shù)的跟蹤系統(tǒng)
[0325]參照圖5，圖5以非限制性方式示出了具有優(yōu)選容積區(qū)函數(shù)/規(guī)則的跟蹤系統(tǒng)的實施例。
[0326]該系統(tǒng)相對于優(yōu)選的容積區(qū)(570)跟蹤工具310，以確定在下一時間步驟內(nèi)工具是否將離開優(yōu)選的容積(570)。
[0327]在該例子中，優(yōu)選的容積區(qū)570在肝的右葉上延伸。圖5a和5b示出了系統(tǒng)的行為如何取決于工具尖端相對于優(yōu)選容積區(qū)570的位置，而圖5c和圖5d示出了工具的移動如何影響該行為(即，優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則/函數(shù))。
[0328]在圖5a中，工具310在優(yōu)選容積區(qū)570內(nèi)部，并且沒有命令工具的移動。在圖5b中，工具310在優(yōu)選容積區(qū)570的外部。
[0329]在所示的實施例中，移動340被命令，以將工具310移動遠(yuǎn)離優(yōu)選容積區(qū)570。在其他實施例中，系統(tǒng)防止移動340 ;在這樣的實施例中，工具310將保持靠近優(yōu)選的容積區(qū)570。在又一實施例中，系統(tǒng)警告/信號通知操作員移動340被限制。使用任何現(xiàn)有技術(shù)已知的方法，這樣的警告/信號通知可以是視覺的或聽覺的。
[0330]圖5c和圖5d示意性示出了工具移動對優(yōu)選容積規(guī)則/函數(shù)的操作的影響。在圖5c和圖5d中，工具310足夠靠近優(yōu)選容積區(qū)570的邊緣，使得工具有可能在下一時間步驟期間離開優(yōu)選容積區(qū)。
[0331]圖5c示出了將使工具310更深入優(yōu)選容積區(qū)570的移動350的效果。由于移動350進(jìn)入優(yōu)選容積570，所述移動是允許的移動。
[0332]在圖5d中，工具的移動350在優(yōu)選容積570外，使得工具310有可能離開優(yōu)選容積 570。
[0333]根據(jù)所示的一個實施例，移動340被命令，以將工具310移動進(jìn)優(yōu)選容積區(qū)570中。在其他實施例中，系統(tǒng)防止移動350，但是不命令移動340 ;在這樣的實施例中，工具310將保持靠近優(yōu)選容積區(qū)570。在又一實施例中，系統(tǒng)警告/信號通知操作員移動被限制，但是不限制移動350或命令遠(yuǎn)離優(yōu)選容積區(qū)570的移動340。采用現(xiàn)有技術(shù)已知的方式，這樣的警告/信號通知可以是視覺的或聽覺的。
[0334]例子5-器官/工具檢測函數(shù)
[0335]參考圖6，圖6以非限制性方式示出了器官檢測系統(tǒng)的實施例(然而應(yīng)注意，替代于器官，也為工具的檢測而提供該實施例)。
[0336]對于每個器官，在數(shù)據(jù)庫中存儲器官的3D空間位置。在圖6中，標(biāo)記每個器官的周界，以指示存儲在數(shù)據(jù)庫中的3D空間位置的容積的邊緣。
[0337]在圖6中，肝610被標(biāo)以虛線。胃620被標(biāo)以長虛線，腸630被標(biāo)以實線，而膽囊640被標(biāo)以點線。
[0338]在一些實施例中，還呈現(xiàn)了對操作員可見的標(biāo)簽或標(biāo)記?？梢允褂矛F(xiàn)有技術(shù)中已知的任何顯示識別標(biāo)記器的方法。舉一個非限制性例子，在增強顯示中，彩色或圖案化的標(biāo)記器可以指示器官的位置，其中標(biāo)記器指示器官的周界或者指示其所出現(xiàn)的顯示的區(qū)域。
[0339]例子6-工具檢測函數(shù)
[0340]參考圖7，圖7以非限制性方式示出了工具檢測函數(shù)的實施例。對于每個工具，在數(shù)據(jù)庫中存儲工具的3D空間位置。在圖7中，標(biāo)記每個工具的周界，以指示存儲在數(shù)據(jù)庫中的3D空間位置的容積的邊緣。在圖7中，左側(cè)工具被標(biāo)以虛線，而右側(cè)工具被標(biāo)以點線。
[0341]在一些實施例中，也呈示了對操作員可見的標(biāo)簽或標(biāo)記。可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何顯示識別標(biāo)記器的方法。舉一個非限制性例子，在增強顯示中，彩色或圖案化的標(biāo)記器可以指示工具的位置，其中標(biāo)記器指示工具的周界或者指示其所出現(xiàn)的顯示的區(qū)域。
[0342]例子7-移動檢測函數(shù)/規(guī)則
[0343]參考圖8，圖8以非限制性方式示出了移動檢測函數(shù)/規(guī)則的實施例。圖8a示意性示出了在時間t處的肝810、左側(cè)工具820和右側(cè)工具830。圖8b示意性示出了在稍后的時間t+At處的肝810、左側(cè)工具820和右側(cè)工具830，其中At是小的時間間隔。在該例子中，左側(cè)工具820在時間間隔At中向下移動(朝向肝820的方向)。
[0344]系統(tǒng)已檢測到左側(cè)工具820的移動并標(biāo)記了該移動。這在圖8b中通過圍繞左側(cè)工具820的虛線示意性示出。
[0345]例子8-預(yù)測函數(shù)
[0346]參考圖9，圖9以非限制性方式示出了上述預(yù)測函數(shù)的實施例。
[0347]圖9a示出了在時間t處的左側(cè)工具920和右側(cè)工具930。
[0348]圖9b示出了在稍后的時間t+At處的相同工具，其中At是小的時間間隔。左側(cè)工具920正在向右和向下移動，而右側(cè)工具930正在向左和向上移動。如果移動繼續(xù)(如圖9c中的虛線所示)，則在下一時間間隔的末尾，換言之，在時間t+At和時間t+2At之間的某時間處，工具將碰撞，如圖9c中在點圈950內(nèi)的工具尖端所示。
[0349]在該實施例中，系統(tǒng)自動防止所預(yù)測的碰撞，并且在該例子中，系統(tǒng)應(yīng)用運動940，以重新引導(dǎo)左側(cè)工具920，從而防止碰撞。
[0350]在其他實施例中，系統(tǒng)警告/信號通知操作員碰撞可能發(fā)生，但是不改變?nèi)魏喂ぞ叩囊苿印Ｊ褂矛F(xiàn)有技術(shù)中已知的任何方法，這樣的警告/信號通知可以是視覺的或聽覺的。
[0351]在其他實施例中，作為非限制性例子，可以啟用預(yù)測函數(shù)，以改變視場以跟隨所預(yù)測的工具或器官的移動，警告(或防止)進(jìn)入禁止穿行區(qū)的所預(yù)測的運動，警告(或防止)在優(yōu)選區(qū)域之外的所預(yù)測的運動。
[0352]例子9-右側(cè)工具函數(shù)/規(guī)則
[0353]參考圖10，圖10以非限制性方式示出了右側(cè)工具函數(shù)的實施例。圖10示意性示出了肝1010、左側(cè)工具1020和右側(cè)工具1030。由虛線1040示意性示出的右側(cè)工具被標(biāo)記，且其3D空間位置被持續(xù)和實時地存儲在數(shù)據(jù)庫中?，F(xiàn)在，根據(jù)右側(cè)工具函數(shù)/規(guī)則，內(nèi)窺鏡持續(xù)地跟蹤右側(cè)工具。
[0354]應(yīng)指出，對于左側(cè)工具應(yīng)用相同的規(guī)則/函數(shù)(左側(cè)工具函數(shù)/規(guī)則)。
[0355]例子10-視場函數(shù)/規(guī)則
[0356]參考圖11，圖11以非限制性方式示出了視場函數(shù)/規(guī)則的實施例。
[0357]圖1la示意性示出了時間t處的腹部的視場。在該視場中的是肝1110、胃1120、腸1130和膽囊1140。
[0358]在視場的左部膽囊?guī)缀跬耆梢?。兩個工具也在視場內(nèi)，其尖端在肝附近。這些是左側(cè)工具1150和右側(cè)工具1160。在該例子中，視場函數(shù)/規(guī)則跟蹤左側(cè)工具1150。在該例子中，左側(cè)工具1150正向右移動，如箭頭1170所示。
[0359]圖1lb示出了在時間t+At處的視場。視場已向右移動，從而左側(cè)工具1150的尖端仍然幾乎在視場的中心?？煽吹侥懩?140的很少部分是可見的，而右側(cè)工具1160的更多部分已經(jīng)進(jìn)入了視場。
[0360]視場函數(shù)/規(guī)則可以被設(shè)置為跟隨所選擇的工具，如在該例子中那樣，或被設(shè)置為將所選擇的器官保持在視場的中心。其還可被設(shè)置為將特定工具集合保持在視場中，在必要時放大或縮小，以防止任何所選擇的工具處于視場外部。
[0361]可替代地，視場函數(shù)/規(guī)則限定η個3D空間位置；η是大于或等于2的整數(shù)；所有所述η個3D空間位置的組合提供了預(yù)定的視場。
[0362]內(nèi)窺鏡或外科手術(shù)工具在所述η個3D空間位置內(nèi)的每個移動是允許的移動，且內(nèi)窺鏡或外科手術(shù)工具在所述η個3D空間位置之外的任何移動是受限制的移動。
[0363]可替換地，所述視場函數(shù)/規(guī)則限定了 η個3D空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)；所有所述η個3D空間位置的組合提供了預(yù)定的視場。
[0364]根據(jù)視場函數(shù)/規(guī)則，如果通過所述檢測裝置檢測到移動，則重定位內(nèi)窺鏡，使得保持所述視場。
[0365]例子11-標(biāo)記工具函數(shù)/規(guī)則(或替代地優(yōu)選工具規(guī)則)
[0366]參考圖12，圖12以非限制性方式示出了標(biāo)記工具函數(shù)/規(guī)則的實施例。
[0367]圖12示出了在關(guān)注的器官附近的三個工具(1220、1230和1240)，關(guān)注的器官在該例子中是肝1210。
[0368]在操作期間在該點處對外科醫(yī)生來說最關(guān)注的工具是工具1240。工具1240已被標(biāo)記(點線1250);在數(shù)據(jù)庫中持續(xù)地存儲工具1240的3D空間位置，且該空間位置已被標(biāo)記為所關(guān)注的一個。
[0369]系統(tǒng)可以針對許多目的使用標(biāo)記，包括但不限于，將工具1240保持在視場中心，預(yù)測其未來運動，保持其不與其他工具碰撞，或保持其他工具不與其碰撞，指令內(nèi)窺鏡持續(xù)監(jiān)視并跟蹤所述標(biāo)記工具1250等。
[0370]應(yīng)注意，在優(yōu)選工具規(guī)則中，系統(tǒng)給工具之一標(biāo)記，并如在標(biāo)記工具規(guī)則/函數(shù)中那樣執(zhí)行操作。
[0371]例子12-鄰近函數(shù)/規(guī)則
[0372]參考圖13，圖13以非限制性方式示出了鄰近函數(shù)/規(guī)則的實施例。
[0373]圖13a示意性示出了相隔距離1330的兩個工具(1310和1320)，該距離1330大于預(yù)定的鄰近距離。由于工具1310不在工具1320的鄰近區(qū)內(nèi)，視場(1380)不移動。
[0374]圖13b示意性示出了相隔距離1330的兩個工具(1310和1320)，該距離1330小于預(yù)定的鄰近距離。
[0375]由于工具1310在工具1320的鄰近區(qū)內(nèi)，視場1380向上移動，如箭頭1340示意性所示，直到工具1310和工具1320的尖端在視場1380的中心(圖13c)。
[0376]可替代地，一旦兩個工具1320和1310之間的距離1330小于預(yù)定距離，系統(tǒng)向用戶警告所述鄰近(這可能導(dǎo)致兩個工具之間的碰撞)?？商娲兀到y(tǒng)將工具中的一個移動遠(yuǎn)離另一個。
[0377]例子13-操作員輸入函數(shù)/規(guī)則
[0378]參考圖14，圖14以非限制性方式示出了操作員輸入函數(shù)/規(guī)則的實施例。根據(jù)該實施例，從操作員接收輸入。
[0379]在以下例子中，從操作員接收的輸入是跟蹤哪個工具。
[0380]圖14a示意性示出了內(nèi)窺鏡，其中視場1480示出了肝1410和兩個工具1420和1430。啟用無線發(fā)送器1460以通過接收器1470發(fā)送編碼的指令。操作員1450首先選擇左側(cè)工具的尖端作為關(guān)注區(qū)域，使得系統(tǒng)對左側(cè)工具的尖端標(biāo)記(1440)。
[0381]如圖14b所示，系統(tǒng)然后引導(dǎo)并修改內(nèi)窺鏡的空間位置，使得標(biāo)記工具尖端1440在視場1480的中心。
[0382]操作員輸入函數(shù)/規(guī)則的另一例子如下:
[0383]如果在外科手術(shù)環(huán)境中工具已經(jīng)移動靠近器官，根據(jù)鄰近規(guī)則或防碰撞規(guī)則，根據(jù)一個實施例系統(tǒng)將防止外科手術(shù)工具的移動。
[0384]根據(jù)本實用新型一個實施例，一旦停止了外科手術(shù)工具，所述工具在方向上的任何移動被理解為來自操作員的用以繼續(xù)所述外科手術(shù)工具在所述方向上的移動的輸入。
[0385]因而，根據(jù)該實施例，操作員輸入函數(shù)/規(guī)則從操作員(例如醫(yī)師)接收輸入，以繼續(xù)所述外科手術(shù)工具的移動(即使其“違反”防碰撞規(guī)則)。所述輸入僅是以下形式:在系統(tǒng)的警報之后或在系統(tǒng)的移動防止之后外科手術(shù)工具的繼續(xù)移動。
[0386]例子14-恒定視場規(guī)則/函數(shù)
[0387]參考圖15A-D，其以非限制性方式示出了具有恒定視場規(guī)則/函數(shù)的跟蹤系統(tǒng)的實施例。
[0388]在許多內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，照相機光學(xué)系統(tǒng)中的尖端透鏡不與內(nèi)窺鏡的側(cè)面成直角。傳統(tǒng)上，相對于直角來描述尖端透鏡角度，使得與內(nèi)窺鏡的側(cè)面成直角的尖端透鏡被描述為具有角度O。典型地，成角度的內(nèi)窺鏡尖端透鏡具有30°或45°的角。該尖端透鏡角度影響在縮放期間看到的圖像。圖15以不按比例的方式示出了，針對傳統(tǒng)系統(tǒng)，在具有直立設(shè)置在末端的尖端透鏡的內(nèi)窺鏡中在視場中縮放的效果(圖15A和15B)對照在具有成角度的尖端透鏡的內(nèi)窺鏡中在視場中縮放的效果(圖15C和15D)。
[0389]圖15A和15C示出了內(nèi)窺鏡(100)，其正在觀看的目標(biāo)(200)和在縮放之前通過內(nèi)窺鏡相機(130)看到的圖像。實箭頭(160)示出FOV的界限，虛箭頭(170)示出了視場的中心(F0V);由于目標(biāo)在FOV的中心，目標(biāo)的圖像(210)在相機圖像(130)的中心。圖3B和圖3D示出了內(nèi)窺鏡(100)，其正在觀看的目標(biāo)(200)和在縮放之后通過內(nèi)窺鏡相機(130)看到的圖像。實箭頭(160)示出了 FOV的界限，虛箭頭(170)示出了視場的中心。
[0390]如果在內(nèi)窺鏡的末端直立地設(shè)置尖端透鏡(圖15A和15B)，則視場的中心處的目標(biāo)(200)在縮放之前(圖15A)和縮放之后(圖15B)都將在視場(FOV)(以及相機圖像)的中心(130)。然而，如果在內(nèi)窺鏡的末端成角度地設(shè)置尖端透鏡(圖15C和15D)，則在縮放之前(圖15C)處于FOV (和相機圖像)的中心的目標(biāo)在縮放之后(圖15D)將不再處于FOV (或相機圖像)的中心，因為內(nèi)窺鏡的運動方向不是視場(170)的中心指向的方向。
[0391]在本實用新型的系統(tǒng)的實施例中，與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，控制裝置保持縮放期間的視場的中心(FOV)與尖端透鏡角度無關(guān)。經(jīng)由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制內(nèi)窺鏡的縮放的優(yōu)點在于尖端透鏡角度不需要被輸入到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這避免了可能的錯誤來源。
[0392]根據(jù)本實用新型一個實施例，調(diào)整內(nèi)窺鏡的移動從而保持恒定的視場。
[0393]例子15-失準(zhǔn)規(guī)則/函數(shù)
[0394]根據(jù)本實用新型另一實施例，系統(tǒng)可以通知用戶同一系統(tǒng)的任何失準(zhǔn)。
[0395]系統(tǒng)的失準(zhǔn)會導(dǎo)致內(nèi)窺鏡尖端的寄生移動，其中內(nèi)窺鏡尖端不是正好在所期望的方向上移動。根據(jù)系統(tǒng)的一個實施例，系統(tǒng)包括實時計算/估計樞軸點的位置的傳感器(例如陀螺儀、加速計及其任何組合)，從而(a)通知用戶失準(zhǔn)；或(b)計算失準(zhǔn)，使得系統(tǒng)可以調(diào)整其移動以防止寄生移動。
[0396]例子16-速度變化規(guī)則/函數(shù)
[0397]參考圖16，圖16以非限制性方式示出了具有速度變化規(guī)則/函數(shù)的跟蹤系統(tǒng)的實施例。
[0398]在傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡控制系統(tǒng)中，內(nèi)窺鏡的運動以單個速度出現(xiàn)。該速度相當(dāng)快，使得內(nèi)窺鏡可以在充分分開的位置之間快速移動。然而，這意味著進(jìn)行精細(xì)調(diào)整非常困難以使得通常不進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。在本實用新型的實施例中，內(nèi)窺鏡的尖端的速度自動變化，以使得內(nèi)窺鏡尖端越靠近目標(biāo)，不管它是工具、障礙物還是關(guān)注的目標(biāo)，內(nèi)窺鏡尖端移動得越慢。在該實施例中，如圖7所示，測量從內(nèi)窺鏡(100)的尖端(195)到內(nèi)窺鏡(190)的樞軸點的距離X(150)，其中所述樞軸點在患者(1000)的皮膚(1100)表面處或附近。也測量從內(nèi)窺鏡(195)的尖端到視場中心處的目標(biāo)(200)的距離Y (250)。根據(jù)預(yù)定的速度Vp，根據(jù)以下等式計算在給定時間處內(nèi)窺鏡的尖端的實際速度Vac;t:
[0399]Vact cc -Vp
[0400]因此，在視場的中心越靠近目標(biāo)，內(nèi)窺鏡移動越慢，使得有可能使用甚至精細(xì)調(diào)節(jié)的自動控制，并降低內(nèi)窺鏡與組織或儀器相接觸的可能性。
[0401]在系統(tǒng)的實施例中，越用力地按下控制單元，內(nèi)窺鏡尖端移動越快。在這些實施例中，如果速度高于預(yù)定最大值，則系統(tǒng)提供警報。警報的方法的例子包括但不限于恒定音量音調(diào)、恒定音高音調(diào)、變化音量音調(diào)、變化音高音調(diào)、語音信號、恒定顏色視覺信號、恒定亮度視覺信號、變化顏色視覺信號、變化亮度視覺信號、在內(nèi)窺鏡圖像的至少一些部分上可見的信號、在患者的至少一些部分上可見的信號、在患者周圍的至少一些部分上可見的信號、控制單元中的振動、控制單元中的溫度變化以及上述的任意組合。
[0402]根據(jù)本實用新型的一個實施例，將根據(jù)內(nèi)窺鏡的尖端距器官/組織的距離而調(diào)整內(nèi)窺鏡移動的速度。
[0403]在以上說明中，出于示例和描述的目的呈現(xiàn)了包括優(yōu)選實施例的本實用新型的實施例。其不旨在窮舉或者將本實用新型限制為所公開的精確形式?？紤]到以上教導(dǎo)，明顯的修改或變化是可能的。選擇并描述實施例，以提供對本實用新型的原理及其實際應(yīng)用的最佳說明，并且使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在各種實施例中利用本實用新型，以及以適于所構(gòu)思的特定用途的各種修改來利用本實用新型。所有這樣的修改和變型在根據(jù)公平、合法、公正給予其的寬度來理解時都在所附權(quán)利要求所確定的本實用新型的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種外科手術(shù)控制系統(tǒng)，包括: a.至少一個外科手術(shù)工具，適于被插入至人體的外科手術(shù)環(huán)境中以輔助外科手術(shù)過程; b.至少一個位置估計裝置，適于在任意給定的時間t實時地定位所述至少一個外科手術(shù)工具的三維空間位置； c.至少一個移動檢測裝置，所述至少一個移動檢測裝置能夠與移動數(shù)據(jù)庫以及所述位置估計裝置通信；所述移動數(shù)據(jù)庫適于存儲時間tf和時間h時所述至少一個外科手術(shù)工具的所述三維空間位置，其中，IfHtl ;在所述至少一個外科手術(shù)工具在時間tf時的三維空間位置與所述至少一個外科手術(shù)工具在時間h時的所述三維空間位置不同的情況下，所述移動檢測裝置適于檢測所述至少一個外科手術(shù)工具的移動；以及 d.控制器，所述控制器具有與控制器數(shù)據(jù)庫能夠通信的處理裝置，所述控制器適于控制所述至少一個外科手術(shù)工具的空間位置；所述控制器數(shù)據(jù)庫與所述移動檢測裝置通信； 其中，所述控制器數(shù)據(jù)庫適于存儲預(yù)定規(guī)則集，根據(jù)所述預(yù)定規(guī)則集確定所述至少一個外科手術(shù)工具的允許的移動和受限制的移動，使得根據(jù)所述預(yù)定規(guī)則集確定所述至少一個外科手術(shù)工具的由所述移動檢測裝置檢測出的每個移動是允許的移動還是受限制的移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述預(yù)定規(guī)則集包括從由以下規(guī)則構(gòu)成的組中選擇的至少一個規(guī)則:最常用的工具規(guī)則、右側(cè)工具規(guī)則、左側(cè)工具規(guī)則、視場規(guī)則、禁止穿行區(qū)規(guī)則、路線規(guī)則、環(huán)境規(guī)則、操作員輸入規(guī)則、鄰近規(guī)則、防碰撞規(guī)則、基于歷史的規(guī)則、依據(jù)工具允許的和受限制的移動規(guī)則、優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則、優(yōu)選工具規(guī)則、移動檢測規(guī)則、標(biāo)記的工具規(guī)則、速度變化規(guī)則及其任意組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述路線規(guī)則包括存儲有預(yù)定路線的能夠通信的數(shù)據(jù)庫，所述至少一個外科手術(shù)工具適于在所述外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)按照所述預(yù)定路線移動；所述預(yù)定路線包括所述至少一個外科手術(shù)工具的η個三維空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)；所述允許的移動是所述至少一個外科手術(shù)工具基本上位于所述預(yù)定路線的所述η個三維空間位置的至少一個中的移動，并且所述受限制的移動是所述至少一個外科手術(shù)工具的所述位置基本上與所述預(yù)定路線的所述η個三維空間位置不同的移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述環(huán)境規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫；所述能夠通信的數(shù)據(jù)庫適于接收所述外科手術(shù)環(huán)境的至少一個實時圖像并適于對該實時圖像執(zhí)行實時圖像處理，以及確定所述外科手術(shù)環(huán)境中的危害物或障礙物的三維空間位置；所述環(huán)境規(guī)則適于根據(jù)所述外科手術(shù)環(huán)境中的所述危害物或所述障礙物確定所述允許的移動和所述受限制的移動，使得所述受限制的移動是所述至少一個外科手術(shù)工具基本上位于所述三維空間位置的至少一個中的移動，并且所述允許的移動是所述至少一個外科手術(shù)工具的位置基本上與所述三維空間位置不同的移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述外科手術(shù)環(huán)境中的所述危害物或所述障礙物是從由組織、外科手術(shù)工具、器官、內(nèi)窺鏡及其任意組合構(gòu)成的組中所選擇的。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述操作員輸入規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫；所述能夠通信的數(shù)據(jù)庫適于接收來自所述系統(tǒng)的操作員的關(guān)于所述至少一個外科手術(shù)工具的所述允許的移動和所述受限制的移動的輸入。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述輸入包括η個三維空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)；其中，所述η個三維空間位置中的至少一個被定義為允許的位置并且所述η個三維空間位置中的至少一個被定義為受限制的位置，使得所述允許的移動是所述至少一個外科手術(shù)工具基本上位于所述η個三維空間位置的至少一個中的移動，并且所述受限制的移動是所述至少一個外科手術(shù)工具的位置基本上與所述η個三維空間位置不同的移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述輸入包括至少一個規(guī)則，根據(jù)所述至少一個規(guī)則確定所述至少一個外科手術(shù)工具的允許的移動和受限制的移動，使得根據(jù)所述允許的移動和所述受限制的移動通過所述控制器來控制所述至少一個外科手術(shù)工具的空間位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述預(yù)定規(guī)則集包括從由以下規(guī)則構(gòu)成的組中選擇的至少一個規(guī)則:最常用的工具規(guī)則、右側(cè)工具規(guī)則、左側(cè)工具規(guī)則、視場規(guī)則、禁止穿行區(qū)規(guī)則、路線規(guī)則、環(huán)境規(guī)則、操作員輸入規(guī)則、鄰近規(guī)則、防碰撞規(guī)則、優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則、優(yōu)選工具規(guī)則、移動檢測規(guī)則、基于歷史的規(guī)則、依據(jù)工具允許的和受限制的移動規(guī)則及其任意組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9中任意一項所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述操作員輸入規(guī)則將允許的移動轉(zhuǎn)換為受限制的移動并將受限制的移動轉(zhuǎn)換為允許的移動。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述鄰近規(guī)則適于定義至少兩個外科手術(shù)工具之間的預(yù)定距離；所述允許的移動是在所述預(yù)定距離的范圍之內(nèi)或所述預(yù)定距離的范圍之外的移動，并且所述受限制的移動是在所述預(yù)定距離的范圍之外或所述預(yù)定距離的范圍之內(nèi)的移動。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述鄰近規(guī)則適于定義至少三個外科手術(shù)工具之間的預(yù)定角度；所述允許的移動是在所述預(yù)定角度的范圍之內(nèi)或所述預(yù)定角度的范圍之外的移動，并且所述受限制的移動是在所述預(yù)定角度的范圍之外或所述預(yù)定角度的范圍之內(nèi)的移動。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述防碰撞規(guī)則適于定義所述至少一個外科手術(shù)工具與所述外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的解剖元素之間的預(yù)定距離；所述允許的移動在大于所述預(yù)定距離的范圍之內(nèi)的移動，并且所述受限制的移動是在小于所述預(yù)定距離的范圍之內(nèi)的移動。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述解剖元素是從由組織、器官、另一外科手術(shù)工具及其任意組合構(gòu)成的組中所選擇的。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，下述至少之一為真:(a)所述系統(tǒng)還包括內(nèi)窺鏡，所述內(nèi)窺鏡適于提供所述外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像；(b)所述外科手術(shù)工具中的至少一個為適于提供所述外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像的內(nèi)窺鏡。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述右側(cè)工具規(guī)則適于根據(jù)位于所述內(nèi)窺鏡右側(cè)的外科手術(shù)工具的移動來確定所述內(nèi)窺鏡的所述允許的移動；并且其中，所述左側(cè)工具規(guī)則適于根據(jù)位于所述內(nèi)窺鏡左側(cè)的外科手術(shù)工具的移動來確定所述內(nèi)窺鏡的所述允許的移動。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述標(biāo)記的工具規(guī)則包括如下裝置:該裝置適于標(biāo)記所述外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的至少一個外科手術(shù)工具以及確定所述內(nèi)窺鏡的所述允許的移動，從而持續(xù)地跟蹤所述標(biāo)記的外科手術(shù)工具的移動。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述視場規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，所述能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)；所述η個三維空間位置的組合提供預(yù)定的視場；所述視場規(guī)則適于確定在所述η個三維空間位置內(nèi)的所述內(nèi)窺鏡的所述允許的移動以便保持恒定的視場，使得所述允許的移動是所述內(nèi)窺鏡基本上位于所述η個三維空間位置的至少一個中的移動，并且所述受限制的移動是所述內(nèi)窺鏡的位置基本上與所述η個三維空間位置不同的移動。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，所述能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)；所述η個三維空間位置提供所述優(yōu)選容積區(qū)；所述優(yōu)選容積區(qū)規(guī)則適于確定在所述η個三維空間位置內(nèi)的所述內(nèi)窺鏡的所述允許的移動以及在所述η個三維空間位置之外的所述內(nèi)窺鏡的所述受限制的移動，使得所述允許的移動是所述內(nèi)窺鏡基本上位于所述η個三維空間位置的至少一個中的移動，并且所述受限制的移動是所述內(nèi)窺鏡的位置基本上與所述η個三維空間位置不同的移動。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述優(yōu)選工具規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，所述數(shù)據(jù)庫存儲優(yōu)選的工具；所述優(yōu)選工具規(guī)則適于確定所述內(nèi)窺鏡的所述允許的移動以持續(xù)地跟蹤所述優(yōu)選的工具的移動。
21.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述禁止穿行區(qū)規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，所述能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)，所述η個三維空間位置定義所述外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的預(yù)定容積；所述禁止穿行區(qū)規(guī)則適于在所述移動在所述禁止穿行區(qū)之內(nèi)的情況下確定所述受限制的移動，并且在所述移動在所述禁止穿行區(qū)之外的情況下確定所述允許的移動，使得所述受限制的移動是所述外科手術(shù)工具中的至少一個基本上位于所述η個三維空間位置的至少一個中的移動，并且所述允許的移動是所述至少一個外科手術(shù)工具的位置基本上與所述η個三維空間位置不同的移動。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述最常用的工具規(guī)則包括計算每個所述外科手術(shù)工具的移動量的能夠通信的數(shù)據(jù)庫；所述最常使用的工具規(guī)則適于持續(xù)地定位所述內(nèi)窺鏡以跟蹤最常移動的外科手術(shù)工具的移動。
23.根據(jù)權(quán)利要求1-9、11-20之一所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括能夠與所述控制器通信的操縱子系統(tǒng)，所述操縱子系統(tǒng)適于根據(jù)所述預(yù)定規(guī)則集在外科手術(shù)期間在空間上重新定位所述至少一個外科手術(shù)工具；其中，所述系統(tǒng)還適于向醫(yī)生發(fā)出所述至少一個外科手術(shù)工具的所述受限制的移動的警報。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述警報是從由音頻信號、聲音信號、光信號、閃光信號及其任意組合構(gòu)成的組中所選擇的。
25.根據(jù)權(quán)利要求1-9、11-20之一所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述允許的移動是被所述控制器所許可的，并且所述受限制的移動是被所述控制器所拒絕的。
26.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述基于歷史的規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，所述能夠通信的數(shù)據(jù)庫存儲所述外科手術(shù)工具中每一個的各個三維空間位置，使得每個外科手術(shù)工具的每個移動被存儲；所述基于歷史的規(guī)則適于根據(jù)所述至少一個外科手術(shù)工具的歷史移動來確定所述允許的移動和所述受限制的移動，使得所述允許的移動是所述至少一個外科手術(shù)工具基本上位于所述三維空間位置的至少一個中的移動，并且所述受限制的移動是所述至少一個外科手術(shù)工具的位置基本上與η個三維空間位置不同的移動，η是大于或等于2的整數(shù)。
27.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述依據(jù)工具允許的和受限制的移動規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫；所述能夠通信的數(shù)據(jù)庫適于存儲所述外科手術(shù)工具的至少一個的預(yù)定特征；所述依據(jù)工具允許的和受限制的移動規(guī)則適于根據(jù)所述外科手術(shù)工具的所述預(yù)定特征來確定所述允許的移動和所述受限制的移動，使得所述允許的移動為跟蹤具有所述預(yù)定特征的所述外科手術(shù)工具的內(nèi)窺鏡的移動。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述外科手術(shù)工具的所述預(yù)定特征是從由物理尺寸、結(jié)構(gòu)、重量、銳度及其任意組合構(gòu)成的組中所選擇的。
29.根據(jù)權(quán)利要求15所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述移動檢測規(guī)則包括能夠通信的數(shù)據(jù)庫，所述能夠通信的數(shù)據(jù)庫包括所述外科手術(shù)工具中的每一個的實時三維空間位置；所述移動檢測規(guī)則適于在接收到所述三維空間位置中的變化時檢測所述至少一個外科手術(shù)工具的移動，使得所述允許的移動是所述內(nèi)窺鏡被重新定向為聚焦在移動的外科手術(shù)工具上的移動。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，還包括能夠與所述控制器通信的操縱子系統(tǒng)，所述操縱子系統(tǒng)適于根據(jù)所述預(yù)定規(guī)則集在外科手術(shù)期間空間上重新定位所述至少一個外科手術(shù)工具，使得在所述至少一個外科手術(shù)工具的所述移動為受限制的移動的情況下，所述操縱子系統(tǒng)防止所述移動。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述至少一個位置估計裝置包括:至少一個內(nèi)窺鏡，適于在所述人體內(nèi)獲取所述外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像；以及至少一個外科手術(shù)器械空間定位軟件，適于接收所述外科手術(shù)環(huán)境的所述實時圖像并且估計所述至少一個外科手術(shù)工具的所述三維空間位置。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述至少一個位置估計裝置包括:(a)從由光學(xué)成像裝置、射頻發(fā)送和接收裝置、所述至少一個外科手術(shù)工具上的至少一個標(biāo)志及其任意組合構(gòu)成的組中所選擇的至少一個元素；以及(b)至少一個外科手術(shù)器械空間定位軟件，適于通過所述元素估計所述至少一個外科手術(shù)工具的所述三維空間位置。
33.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述至少一個位置估計裝置為外科醫(yī)生與所述至少一個外科手術(shù)工具之間的接口子系統(tǒng)，所述接口子系統(tǒng)包括: a.至少一個包含N個規(guī)則的或圖案化的光源的陣列，其中N為正整數(shù)； b.至少一個包含M個攝像頭的陣列，每個具有M個攝像頭，其中M為正整數(shù)； c.可選的光學(xué)標(biāo)志及用于將所述光學(xué)標(biāo)志附接至所述至少一個外科手術(shù)工具的裝置；以及 d.能夠經(jīng)由控制器操作的計算機算法，所述計算機算法適于記錄由各M個攝像頭中的每個攝像頭所接收的圖像并且根據(jù)其計算每個工具的位置，并且還適于自動地將計算的結(jié)果提供給所述接口的操作員。
34.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，在所述速度變化規(guī)則中，所述系統(tǒng)持續(xù)地監(jiān)視所述外科手術(shù)工具的尖端與所述外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的至少一個目標(biāo)之間的距離，使得所述外科手術(shù)工具的速度根據(jù)所述距離而變化。
35.根據(jù)權(quán)利要求15所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，在所述速度變化規(guī)則中，所述系統(tǒng)持續(xù)地監(jiān)視所述內(nèi)窺鏡的尖端與所述外科手術(shù)環(huán)境內(nèi)的至少一個目標(biāo)之間的距離，使得所述內(nèi)窺鏡的速度根據(jù)所述距離而變化。
36.一種外科手術(shù)控制系統(tǒng),包括: a.至少一個外科手術(shù)工具，適于被插入至人體的外科手術(shù)環(huán)境中以輔助外科手術(shù)過程; b.至少一個內(nèi)窺鏡，適于提供所述外科手術(shù)環(huán)境的實時圖像； c.至少一個位置估計裝置，適于在任意給定的時間t實時地定位所述至少一個外科手術(shù)工具的三維空間位置； d.至少一個移動檢測裝置，所述至少一個移動檢測裝置能夠與移動數(shù)據(jù)庫以及所述位置估計裝置通信；所述移動數(shù)據(jù)庫適于存儲時間tf和時間h時所述至少一個外科手術(shù)工具的所述三維空間位置，其中，IfHtl ;在所述至少一個外科手術(shù)工具在時間tf時的三維空間位置與所述至少一個外科手術(shù)工具在時間h時的三維空間位置不同的情況下，所述移動檢測裝置適于檢測所述至少一個外科手術(shù)工具的移動；以及 e.具有能夠與控制器數(shù)據(jù)庫通信的處理裝置的控制器，所述控制器適于控制所述至少一個外科手術(shù)工具的空間位置；所述控制器數(shù)據(jù)庫與所述移動檢測裝置通信； 其中，所述控制器數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)；所有的所述η個三維空間位置的組合提供預(yù)定的視場；所述控制器適于在所述檢測裝置檢測到移動的情況下對所述內(nèi)窺鏡的三維空間位置進(jìn)行重新定位，使得保持所述視場。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的外科手術(shù)控制系統(tǒng)，其中，所述控制器數(shù)據(jù)庫包括η個三維空間位置，η是大于或等于2的整數(shù)；所有的所述η個三維空間位置的組合提供預(yù)定的視場；所述視場規(guī)則適于在所述檢測裝置檢測到所述外科手術(shù)工具中的至少一個的移動的情況下對所述內(nèi)窺鏡進(jìn)行重新定位，使得保持所述視場。
【文檔編號】A61B19/00GK203970548SQ201420016217
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月10日
【發(fā)明者】莫蒂·弗里梅, 莫爾德艾·肖爾維, 耶胡達(dá)·普費弗 申請人:M.S.T.醫(yī)學(xué)外科技術(shù)有限公司