CN104869899A - 显微操纵器控制的局部视图与固定全面视图 - Google Patents

Abstract

一种追踪和基于视点的成像的设备(300)被配置用于根据细长器械(102)的远端部(106)处的位置来推导所述细长器械的定位和方向、被配置用于根据所述定位和所述方向来执行坐标系变换并且被配置用于根据所述位置并基于所述变换的结果来形成随所述端部移动的局部视图(120)。所述设备能够随着所述移动所述局部视图的视场(128)保持固定但是所述局部视图以其他方式与所述定位和所述方向保持同步。根据实时超声成像，能够显示所述局部视图和更全面的视图，所述更全面的视图包括所述端部但所述更全面的视图不随所述端部移动。所述远端部能够是导管的端部并且能够被装备具有显微操纵器，所述显微操纵器用于通过动态局部和全面成像的组合交互式地辅助手术。

Description

显微操纵器控制的局部视图与固定全面视图

技术领域

本发明涉及追踪对象和根据对象的局部成像，并且更具体地，涉及根据对象上的位置的局部成像。

背景技术

使用三维(3D)超声图像的超声辅助手术正在快速发展，伴随着与导管技术的进步并行的换能器技术的进步。

能够使用设置在导管的远端处的各种可能设备来执行微创血管内手术。临床医师通过切口并且向上穿过静脉将导管推进到身体中。控制存在于近端处，如在把手上，以用于操控导管通过弯曲的路径。在目的地处，最接近地操纵设备(或“显微操纵器”)以执行手术流程。借助于导管执行的其他类型的手术流程是腹腔镜检查、胸腔镜检查、胸膜腔镜检查、粥样斑块切除术、激光消融等。

Lockhart等人(下文为“Lockhart”)的美国专利No.6,226,547公开了使用磁场来追踪导管。Lockhart显示导管的头部的位置，但是未提到成像。

Tgavalekos等人(下文为“Tgavalekos”)的美国专利公开No.2009/0118620公开了消融导管以及用于监控消融的成像导管。磁性地追踪两个导管，并且为了显示将各自的表示叠加在进行消融的区域的手术前或手术中成像上。通过电机来驱动所述成像。为了避免干扰追踪的电机噪声，多个追踪设备一起被放置在成像导管上。

Narciso,Jr.(下文为“Narciso”)的美国专利No.5,217,456被配置用于借助于在光纤上承载的光根据导管的远端部成像，所述光通过轴向旋转侧视窗进入和退出。

发明内容

本发明的方面涉及解决以上关于先有技术的指出的缺点中的一个或多个。

以上提及的文献都没有提供关于如何安全地、鲁棒地并且容易地监控基于导管的手术的充分解决方案，通过引用将以上提及的文献中的每个整体并入本文中。

目前，不存在用于在借助于导管执行的手术期间提供图像引导的简单有效的微创器件。

具体而言并且通过举例的方式，由于对多个追踪设备的需要使在Tgavalekos中的成像导管的设计变得复杂。此外，没有根据消融导管端部的视点的局部成像。也没有任何这样的成像，所述成像随端部动态地移动以由此与全面视图协作，减轻手术医生在流程期间操作成像控制的压力。也没有任何这样的成像，所述成像提供超声在差异成像软组织中的优点。

额外地，尽管用于手术的一些导管包括在远端部处的局部成像设备，如在Narciso中，但是在端部处包括需要的所有功能是繁重的，需要的所有功能例如成像设备、显微操纵器、在热消融情况下的冷却机构和操纵线缆连接。

在本发明的方面中，一种追踪和基于视点的成像的设备被配置用于根据细长器械的远端部处的位置来推导所述细长器械的定位和方向。还被配置用于执行根据所推导的定位和所推导的方向来执行坐标系变换，并且被配置用于根据所述位置并基于所述变换的结果来形成随所述端部移动的局部视图。

作为子方面，所述器械用作所述设备的部件。

在另一子方面中，所述器械被装备用于在所述端部处递送医学处置和/或医学装置。

在相关子方面中，所述端部特别地被配置用于操纵身体组织以用于医学目的。

在又一相关子方面中，所述器械包括导管。所述端部被设置在体内。

在另一子方面中，所述设备被配置用于随着所述移动所述局部视图的视场保持固定但是所述局部视图以其他方式与所述定位和所述方向保持同步。

作为备选子方面，所述设备还被配置用于动态地检测所述定位和/或所述方向中的更新并且被配置用于动态地响应于对更新的所述检测、所述推导、所述执行和所述形成而进行重复。

在补充方面中，所述设备还被配置用于实时成像，包括显示。所述设备还被配置用于在显示器上并且根据所述实时成像显示显示局部视图和更全面的视图，所述更全面的视图包括所述端部但所述更全面的视图不随所述端部移动。

作为特定子方面，所述设备还被配置用于作为更新，每秒至少一次地重复所述推导、所述执行和所述形成。

在具体子方面中，所述设备还被配置用于实时超声成像，并且所述形成是基于在所述实时超声成像中采集的数据的。

作为另一子方面，所述形成是基于在所述端部的所述实时成像中采集的数据的。

在再一子方面中，所述推导需要基于所述端部的所述成像的内容来确定所述定位和/或所述方向。

在一个特定子方面中，对方向的所述推导包括根据在所述端部处的结构的所述实时成像来推导所述方向。

子方面还有，所述设备还包括显示器并且被配置用于在所述显示器上显示所述局部视图。

作为另一子方面，所述设备还被配置用于实时成像并且被配置用于在所述局部视图与更全面的视图之间切换，所述更全面的视图根据所述实时成像而形成。

在又一子方面中，所述切换响应于控制的用户致动。

在备选子方面中，所述设备还被配置用于实时成像并且被配置用于同时显示所述局部视图和更全面的视图，所述更全面的视图根据所述实时成像而形成。

作为一个其他子方面，所述设备还包括显示器并且还被配置用于实时成像并且被配置用于根据所述实时成像来显示更全面的视图，所述更全面的视图包括所述端部但所述更全面的视图不随所述端部移动。

在一个示范性子方面中，所述设备包括经食管超声心动图(TEE)探头，所述经食管超声心动图(TEE)探头被配置用于输出信息，根据所述输出信息进行所述形成。

在额外的子方面中，所述位置随所述端部移动但相对于所述端部固定。

在一个其他方面中，所述设备被配置用于通过使关于在所述方向上的轴的取向与来自设施的反馈一致来调节所述变换。

利用这样的系统，手术医生能够在包括操纵器的心脏的“景观”视图(如计算机游戏中的“鸟瞰图”)与在操纵器的前面直接示出心脏的部分的“局部”视图(如计算机游戏中的“化身(avatar)视图”)之间切换。相信，计算机游戏比喻是有意义的，这两种类型的视图已经演化为在动作游戏期间的最值得期望的视图，动作游戏与在心脏介入手术期间的活动具有很多相似点。备选地，我们能够考虑这样的比喻，找到通过山洞的路，山洞的地图(景观)和闪光灯(局部)两者都是有用的，而不是一个或另一个有用。

一般问题是支持在超声辅助心脏介入流程期间手术医生的手眼协调。但是特别地，本文提出的发明解决了提供正在手术的心脏的区域的局部视图和景观视图两者的问题。所述局部视图被用于执行流程。所述景观视图被用于定位显微操纵器导管。因此，良好的系统应当提供两者。

下面借助于以下附图进一步阐明新颖的、追踪和基于视点成像的设备的细节，所述附图不是按比例绘制的。

附图说明

图1是根据本发明的手术器械追踪和基于视点的成像的示意性和概念性图；

图2是根据本发明的可能的显示屏幕截图和配置的概念图；

图3是根据本发明的手术器械追踪和基于视点的成像的设备的结构性和功能性概览图；

图4A、4B、4C是根据本发明的追踪和基于视点的成像的备选流程图；以及

图5是根据本发明的局部视图显示初始化的流程图。

具体实施方式

图1描绘了示范性手术器械追踪和基于视点的成像。

细长手术器械102的主体，例如用于内部使用的导管被示出为设置在血管104或器官腔内。在器械102的远端部106处是例如用于消融或电生理学的电极108。电极108可以是可缩回且可延伸的。在器械102的把手(未示出)处最接近地控制缩回/延伸和操控。在远端部106处还有可用于超声地追踪端部的两个回声结构110、112。结构110、112可以是空心环形且径向对称的。空心保持导管主体的轴向中心空闲，以用于诸如支架推进的功能。对称性有助于识别每个结构110、112的中心。例如，在远端部106处的位置116的定位114是近结构110内的中心，并且从所述位置的局部观察方向118对应于从所述位置到远结构112的中心的线。局部视图120是从位置116并且在局部观察方向118上。如下面更详细地讨论的，根据实况成像来重建局部视图120。与局部视图120相关联的是端部106关于在局部观察方向118上的轴122的取向。如下面还要进一步更详细讨论的，所述取向与导管相关，例如，所述导管具有用于操控的“左”拉线和“右”拉线。在端部106处的结构110、112中的一个或两个可以是圆周非对称的以促进对取向的超声确定。备选地，如在Lockhart和Tgavalekos中，远端部106能够包括用于追踪的一个或多个磁场换能器。尽管在图1中将局部观察方向118示出为从远端部106纵向直着向前，但是其可以备选地在诸如侧视方向的另一方向上。

通过说明性和非限制举例的方式，示出了经食道(TEE)探头124，经食道(TEE)探头124具有前视光学器件，例如通常提供用于血管内超声(IVUS)导管的前视光学器件。然而，作为代替或另外，光学器件可以包括侧视能力。TEE体积数据126采集是实时的。实况成像包括对远端部106和周围解剖结构的成像。

根据数据126的子集，形成局部视图120，在图1中通过示出的角范围来标示其视场(FOV)128。根据实时C-平面成像来形成图1中描绘的局部视图120，尽管数据126的任何子集，厚或薄，可以构成局部视图。形成局部视图120需要局部视图的至少对应TEE体积数据126的坐标系变换130。局部视图120随远端部106移动，同时FOV 128保持固定。在图1中将FOV128示出为约30度，但是能够使用任何角度扇区。如从图1中的正交折线双头直箭头看到的，移动能够是平移的。第三正交方向是另一类型的移动，但在图1中未示出。如从弯曲箭头对136、138看到的，移动也能够是旋转的，尽管在两个其他正交取向中，能够进行在任意方向上的旋转。因此，由于在把手处的导管控制的操作的局部视图120的移动，能够被比喻为在某人的抓握中移动闪光灯。对于临床介入，局部视图120最好结合更全面的视图使用，所述更全面的视图包括导管远端部106和周围解剖结构，例如心脏的实况图像。

在显示器上查看图2中的局部视图120，伴随更全面的或全局视图204。图2中的括号206象征两个视图120、204同时出现。手术医生仅仅需要在执行手术流程中在两个视图120、204之间切换他或她的注视。同时地，手术医生手动操作对导管把手的用户控制来操作位于导管的远端部106处的显微操纵器。优选地实时更新两个视图120、204，即，每秒至少一次或以诸如在20于60Hz之间的另一频率。作为备选，如图2中由扇区扫掠箭头配置208指示的，视图120、204能够在屏幕上交替，任选地每个视图大小被调整为填充可用的屏幕空间。每次交替能够如通过拨动开关由用户致动或没有用户介入自动进行。利用用户致动，在使用脚踏板的情况下，临床医师的手能够保持空闲以用于手术。作为代替，拨动开关能够驻存在导管把手上。开关不管是在导管把手上还是诸如在超声控制台上的其他地方，如果手动进行切换，则这能够在手术期间在方便的时候进行，仍然减轻手术医生仍必须响应于伴随远端部106的移动的成像变化而操作超声控制的压力。

随着时间更新，局部视图210和同时的更全面的视图212示出了局部视图随远端部106移动，然而更全面的视图不随远端部106移动。此处，如从比较两个全面的视图204、212看到的，远端部106移动到血管104的两个分支中的一个，而视图已经不移动。另一方面并且对应地，在局部视图120中在更早时间看到的分支点214不再可视，因为远端部106已经进入左手分支并且现在提供新的局部视图210。

图3提供了特定的、示范性手术器械追踪和基于视点的成像的设备300的概览。其包括主机系统302和细长手术器械304。其还包括用于实时3D成像的具有2D超声换能器和射束形成器的经食道(TEE)探头306。

细长手术器械304由近把手和细长主体构成。细长主体包括导管308和在导管的远端部106处的显微操纵器310，显微操纵器310例如剪刀或钳子对、支架放置机构或任何其他设备。更一般地，远端部106能够被设计用于操纵或变换身体组织。或者，其能够仅仅或另外被设计用于通过特定类型的感测进行监控、用于配发诸如化学药品或药剂的药物的内源性或外源性物质，或者其能够被设计用于任何其他医学用途。

主机系统302包括微控制器312、定位和取向追踪器314、包括坐标系变换模块318的局部视图形成软件316和控制台。控制台的特征在于诸如用于呈现图像的屏幕的用户显示器320和用于成像的用户控制322，用户控制322包括局部视图取向初始化控制324和视图拨动控制326。定位和取向追踪器314使用由TEE探头306实时采集的体积数据以定位在导管308的端部106处的回声结构110、112。备选地，如Tgavalekos中描述的，其他追踪方法可以涉及在导管端部106处的一个或多个磁场换能器和其借助于单独的导管可以被引入到患者中的参考追踪元件。在这种情况下，参考追踪元件将无线或通过有线通信耦合到主机系统302中的追踪器314。在软件、硬件、固件或其任何组合中能够实现主机系统302。

在一些实施例中，例如在下面进一步讨论的设备300的移动相关的实施例中，微控制器312能够被设计以与在导管308的把手中的电子控制交换信号。对于一些实施例，微控制器设备312能够被实施为一个或多个集成电路。

参考图4A、4B、4C，能够根据移动无关的过程400或备选的移动相关的过程404、408来实现追踪和基于视点的成像。通过在主机系统302中的微处理器312来管理过程400、404、408。

对于移动无关的过程400，根据采集到的实况超声射频(RF)数据来形成全面视图204(步骤S412)。全面视图204与构成RF数据的体积集的具体几何配置相关联。所述配置可以限于诸如心脏或心脏的部分的器官。根据全面视图204，检测在导管端部106处的回声结构110、112(步骤S416)。根据结构中的近结构110来推导定位114，并且根据结构110、112两者来推导局部观察方向118(步骤S420)。结构的回声强度使得能自动区分其亮度。在构成全面视图的成像中，通过定位和取向追踪器314来进行所述区分。结构110、112中的每个能够是夹在导管308的壁内的环形的、气体填充的间隙。为了补充定位114和方向118，也可以推导端部106的取向。然而，可能不需要或不期望导管的取向，在这种情况下，出于坐标系变换的目的，能够提供任何任意取向。如上文所指出的，对补充回声结构110、112的备选是电磁追踪。通过主机系统302来推导其结果。借助于来自离散追踪设施的接收进行推导。或者，由于通过定位和取向追踪器314基于来自参考追踪元件的输入而执行的计算进行推导。根据推导的参数，通过局部视图形成软件316的坐标系变换模块318，全面视图204的坐标被变换为局部坐标。这形成局部视图120(步骤S424)。在显示器320上显示局部视图120和全面视图204(步骤S428)。如果成像将要继续(步骤S432)，则处理回到步骤S412。如上所述，过程400能够实时操作，每秒至少一次地迭代。

第一移动相关的过程404是相似的，但是包括在第三步骤S420与第四步骤S424之间的条件分支。如果没有检测远端部106的移动(步骤S422)，则处理跳过坐标变换步骤S424以显示局部视图120和全面视图204(步骤S428)。在定位114、方向118、或取向自前一迭代已经变化时检测到端部移动。

第二移动相关的过程408在最后的步骤S432之后借助于步骤S436有条件地暂停所述过程直到检测到端部移动。借助于在导管308的把手中的用户控制来检测在该过程408中的端部移动。把手控制无线或通过有线通信耦合到主机系统302中的微控制器312。

在图5中例示了任选的局部视图显示初始化过程500。在该实施例中，手术器械追踪和基于视点的成像的设备300的特征在于针对细长手术器械304的操控设施并且被配置用于通过使关于在方向118上的轴的取向与来自设施的反馈一致来调节所述变换。该实施例旨在，当用户需要或期望取向时，例如，使得显示的局部视图120的特征在于当拉动“右”导管操控线缆时向右运动并且当拉动“左”操控线缆时向左运动。在操作时，用户借助于例如屏幕上的滚动条交互式地操纵局部视图取向初始化控制324以旋转局部视图120(步骤S510)。这涉及局部视图形成软件316根据用户感应到的旋转来调节所述变换。然后，用户通过操作导管把手以轻微地操控导管远端部106来测试旋转对齐(步骤S520)。如果用户在屏幕上看到，局部视图120还未与操控对齐(步骤S530)，则返回到S510；否则，完成对齐。

一种追踪和基于视点的成像的设备被配置用于根据细长器械的远端部处的位置来推导所述细长器械的定位和方向、被配置用于根据所述定位和所述方向来执行坐标系变换并且被配置用于根据所述位置并基于所述变换的结果来形成随所述端部移动的局部视图。所述设备能够随着所述移动所述局部视图的视场保持固定但是所述局部视图以其他方式与所述定位和所述方向保持同步。根据实时超声成像，能够显示所述局部视图和更全面的视图，所述更全面的视图包括所述端部但所述更全面的视图不随所述端部移动。所述远端部能够是导管的端部并且能够被装备具有显微操纵器，所述显微操纵器用于通过动态局部和全面成像的组合交互式地辅助手术。

所述追踪和基于视点的成像的设备的应用包括心脏介入和使用显微操纵器的其他超声辅助手术。

尽管在附图和前面的描述中已经详细说明并描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

例如，尽管在说明性实施例中使用固定TEE探头，但是作为代替可以利用固定经胸超声心动图(TTE)探头。此外，尽管诸如心脏导管的导管是在说明性实施例中使用的细长器械，但是诸如腹腔镜、内窥镜、结肠镜或窥器的其他细长器械在上文提出的旨在范围内。上文提出的发明也不限于处置或诊断；例如，可以在尸检中使用追踪和基于视点的成像，其中，显微操纵器移动组织以揭露结构。

通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域技术人员在实践所主张的本发明时，能够理解和实现对所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。在权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

计算机程序能够暂时地、临时地或较长时期地存储在诸如光学存储介质或固态介质的适当的计算机可读介质上。这样的介质仅从不是暂时的传播信号的意义上来说是非暂态的，但是包括其他形式的计算机可读介质，例如寄存器存储器、处理器缓存、RAM和其他易失性存储器。

单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载的特定措施并不表明不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (22)

1.一种追踪和基于视点的成像的设备被配置用于根据细长器械的远端部处的位置来推导所述细长器械的定位和方向、被配置用于根据所推导的定位和所推导的方向来执行坐标系变换并且被配置用于根据所述位置并基于所述变换的结果来形成随所述端部移动的局部视图。

2.根据权利要求1所述的设备，包括所述器械。

3.根据权利要求2所述的设备，所述器械被装备用于在所述端部处递送医学处置和医学装置中的至少一个。

4.根据权利要求2所述的设备，所述端部特别地被配置用于操纵身体组织以用于医学目的。

5.根据权利要求2所述的设备，所述器械包括导管，所述端部被设置在体内。

6.根据权利要求1所述的设备，被配置用于随着所述移动所述局部视图的视场保持固定但是所述局部视图以其他方式与所述定位和所述方向保持同步。

7.根据权利要求1所述的设备，还被配置用于动态地检测所述定位和所述方向中的至少一个的更新并且被配置用于动态地响应于对更新的所述检测、所述推导、所述执行和所述形成而进行重复。

8.根据权利要求1所述的设备，还被配置用于实时成像，所述设备还包括显示器并且被配置用于在所述显示器上并且根据所述实时成像显示所述局部视图和更全面的视图，所述更全面的视图包括所述端部但所述更全面的视图不随所述端部移动。

9.根据权利要求1所述的设备，还被配置用于作为更新，每秒至少一次地重复所述推导、所述执行和所述形成。

10.根据权利要求1所述的设备，还被配置用于实时超声成像，所述形成是基于在所述实时超声成像中采集的数据的。

11.根据权利要求10所述的设备，所述形成是基于在所述端部的所述实时成像中采集的数据的。

12.根据权利要求11所述的设备，所述推导包括基于所述端部的所述成像的内容来确定所述定位和所述方向中的所述至少一个。

13.根据权利要求11所述的设备，对方向的所述推导包括根据在所述端部处的多个结构的所述实时成像来推导所述方向。

14.根据权利要求1所述的设备，还包括显示器并且被配置用于在所述显示器上显示所述局部视图。

15.根据权利要求14所述的设备，还被配置用于实时成像并且被配置用于在所述局部视图与更全面的视图之间切换，所述更全面的视图根据所述实时成像而形成。

16.根据权利要求15所述的设备，所述切换响应于控制的用户致动。

17.根据权利要求14所述的设备，还被配置用于实时成像并且被配置用于同时显示所述局部视图和更全面的视图，所述更全面的视图根据所述实时成像而形成。

18.根据权利要求1所述的设备，还包括显示器并且还被配置用于实时成像并且被配置用于根据所述实时成像来显示更全面的视图，所述更全面的视图包括所述端部但所述更全面的视图不随所述端部移动。

19.根据权利要求1所述的设备，包括经食管超声心动图(TEE)探头，所述经食管超声心动图(TEE)探头被配置用于输出信息，根据所述输出信息中进行所述形成。

20.根据权利要求1所述的设备，所述位置随所述端部移动但相对于所述端部固定。

21.根据权利要求1所述的设备，被配置用于通过使关于在所述方向上的轴的取向与来自设施的反馈一致来调节所述变换。

22.一种用于追踪和基于视点的成像的计算机可读介质，所述介质包括程序，所述程序包括能够由处理器运行以执行多个动作的指令，所述多个包括以下动作：

根据在细长器械的远端部处的位置来推导所述细长器械的定位和方向；

根据所推导的定位和所推导的方向来执行坐标系变换；并且

根据所述位置并基于所述变换的结果来形成随所述端部移动的局部视图。