外科規(guī)劃系統(tǒng)和導航系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種外科規(guī)劃和導航系統(tǒng)。該規(guī)劃系統(tǒng)包括存儲器，其配置為存儲多個圖像；以及控制器，其配置為以三維渲染多個圖像、自動分割多個圖像以將目標區(qū)域劃界、以及基于目標區(qū)域自動地確定治療方案。所述導航系統(tǒng)包括具有基準模式的超聲設(shè)備，其獲得超聲圖像；以及外科設(shè)備，其具有圖像獲取設(shè)備，配置為獲取基準模式的圖像；以及控制器，其接收超聲圖像和基準圖像?？刂破骰诨鶞蕡D像確定外科設(shè)備的位置。所述規(guī)劃和導航系統(tǒng)還包括控制器，其從規(guī)劃和導航系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)；以及顯示器，其配置為顯示所接收的信息。
【專利說明】外科規(guī)劃系統(tǒng)和導航系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種外科手術(shù)。更加具體地，本公開涉及使用規(guī)劃系統(tǒng)以確定治療方案以及使用導航系統(tǒng)以實現(xiàn)治療方案。
【背景技術(shù)】
[0002]電外科設(shè)備已經(jīng)廣泛地使用。電外科涉及在外科手術(shù)期間利用熱能和/或電能來切割、解剖、切除、凝結(jié)、燒灼、密封或以其他方式處理生物組織。通常使用手持件進行電外科，所述手持件包括適于在電外科手術(shù)期間傳輸能量至組織部位的外科設(shè)備(例如，末端執(zhí)行器或切除探頭)、可操作以輸出能量的遠程電外科發(fā)生器、以及可操作地將所述外科設(shè)備連接至遠程發(fā)生器的電纜組件。
[0003]某些疾病的治療需要破壞惡性組織的生長，例如腫瘤。在諸如癌癥的疾病的治療中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些類型的腫瘤細胞在比通常會對健康細胞有害的溫度稍低的高溫下變性。已知的治療方法，諸如高溫療法，通常包括將病變細胞加熱至高于41°C的溫度而保持鄰近健康細胞低于發(fā)生不可逆的細胞破壞的溫度。這些方法可包括施加電磁輻射以加熱、切除和/或凝結(jié)組織。有多種不同類型的電外科設(shè)備能夠用于執(zhí)行切除術(shù)。
[0004]可以使用二維(2D)術(shù)前計算機斷層掃描(CT)圖像和“切除區(qū)圖”來執(zhí)行癌性腫瘤和良性腫瘤的腫瘤微創(chuàng)切除術(shù)，所述“切除區(qū)圖”通常描述在實驗的、離體組織中的切除針在輸入?yún)?shù)(功率、時間)范圍內(nèi)的特征。能量劑量(功率、時間)能夠與切除組織效應(yīng)(體積、形狀)關(guān)聯(lián)以進行具體設(shè)計。能夠通過微波天線設(shè)計控制輸送至組織的能量劑量，例如，可利用天線扼流圈來提供從設(shè)備至組織的已知位置的微波傳輸。在另一示例中，電介質(zhì)緩沖使得能夠從設(shè)備至組織的相對恒定的能量輸送，其獨立于不同的或變化的組織特性。
[0005]在用戶確定應(yīng)該使用哪種切除針來實現(xiàn)目標的治療后，用戶通過超聲引導來進行治療。通常，需要高水平技能來將外科設(shè)備置于由超聲識別的目標中。其中最重要的是選擇將設(shè)備向超聲圖像平面(例如，目標正被成像之處)引導所需的角度和進入點。
[0006]超聲引導介入包括使用實時超聲成像(經(jīng)腹、術(shù)中等)來精確地引導外科設(shè)備至它們的指定目標。這能夠通過經(jīng)皮施加和/或術(shù)中施加來進行。在每種情形中，超聲系統(tǒng)將包括換能器，其對患者組織成像并用于識別目標以及預(yù)期和/或遵循朝向目標的器械的路徑。
[0007]超聲引導介入在目前普遍地用于針吸活檢術(shù)來確定已經(jīng)探測的可疑病變的惡化(乳房、肝臟、腎臟以及其他軟組織)。另外，中心線布置通常用來獲得頸靜脈通路以及允許輸送藥物。最后，新興的用途包括腫瘤切除和器官(肝臟、肺臟、腎臟等)的手術(shù)切除。在腫瘤切除的情形中，在實現(xiàn)超聲引導定位后，可利用活檢式針來輸送能量(RF、微波、低溫等)，旨在殺死腫瘤。在器官切除的情形中，解剖期間表層下解剖結(jié)構(gòu)的熟練知識、以及外科設(shè)備關(guān)于該解剖結(jié)構(gòu)的顯示對于獲得成功的手術(shù)切緣而避開關(guān)鍵結(jié)構(gòu)來說是關(guān)鍵的。
[0008]在這些情形中的每一個中，超聲引導通常提供二維圖像平面，其從患者施加的換能器的遠端獲取。對于用戶來說，成功的設(shè)備定位最重要的是能夠可視化和表征目標、選擇器械角度和進入點以到達目標、以及觀察外科設(shè)備及其朝向目標的運動。目前，用戶對目標成像并使用高水平技能來選擇器械角度和進入點。用戶則必須移動超聲換能器來觀察器械路徑(因此損失目標部位)或假定路徑是準確的直至設(shè)備到達圖像平面。最重要的是選擇將設(shè)備朝向超聲圖像平面(例如，正在成像目標之處)引導所需的角度和進入點的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本說明書可使用短語“在一個實施方式中”、“在各個實施方式中”、“在一些實施方式中”、或“在其他實施方式中”，其中每個指代根據(jù)本發(fā)明的一個或多個相同或不同的實施方式。出于描述目的，以形式“A/B”的短語意指A或B。出于描述目的，以形式“A和/或B”的短語意指“(A)、(B)或(A及B)”。出于描述目的，以形式“A、B、或C中的至少一個”的短語意指 “ (A)、(B)、(C)、(A 和 B)、(A 和 C)、(B 和 C)、或(A、B 和 C) ”。
[0010]如附圖所示的以及整個下文說明書所描述的，在指代外科設(shè)備上的相對定位時，與傳統(tǒng)一樣，術(shù)語“近側(cè)”指代裝置更接近用戶或發(fā)生器的一端，而術(shù)語“遠側(cè)”指代裝置遠離用戶或發(fā)生器的一端。術(shù)語“用戶”指代執(zhí)行包括使用本文所述的本發(fā)明各個方面的醫(yī)療術(shù)的任何醫(yī)務(wù)人員(即，醫(yī)生、護士等)。
[0011]如說明書中所使用的，術(shù)語“外科設(shè)備”通常指代外科手術(shù)工具，其施加電外科能量以治療組織。外科設(shè)備可包括但不限于針、探針、導管、內(nèi)窺鏡器械、腹腔鏡器械、血管密封設(shè)備、外科縫合器等。術(shù)語“電外科能量”通常指代任何形式的電磁、光或聲能。
[0012]電磁(EM)能通常通過頻率的增加或波長的降低分類為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。如本文所使用的，術(shù)語“微波”通常指代處于300兆赫(MHz) (3 * IO8循環(huán)/秒)至300千兆赫(GHz) (3 * IO11循環(huán)/秒)的頻率范圍的電磁波。如本文所使用的，術(shù)語“RF”通常指代具有比微波更低頻率的電磁波。如本文所使用的，術(shù)語“超聲”通常指代具有大于人類聽力上限的頻率的循環(huán)聲壓。
[0013]如本說明書中所使用 的，術(shù)語“切除術(shù)”通常指代任何切除術(shù)，諸如微波切除、射頻(RF)切除或微波切除-輔助的割除。如本說明書所使用的，“能量施加器”通常指代能夠用于從如微波或RF電外科發(fā)生器的能量發(fā)生源傳輸能量至組織的任何設(shè)備。
[0014]如本說明書中所使用的，術(shù)語“能量源”和“電源”指代以適于運轉(zhuǎn)電子線路形式的任何電能量源(例如，電池)。如本說明書中所使用的，“傳輸線路”通常指代能夠用于信號從一點至另一點傳播的任何傳輸介質(zhì)。如本說明書所使用的，術(shù)語“開關(guān)”或“各開關(guān)”通常指代任意電致動器、機械致動器、電磁致動器(可旋轉(zhuǎn)致動器、可樞轉(zhuǎn)致動器、觸發(fā)器類致動器、按鈕等)、光學致動器、或任何合適設(shè)備，其通常實現(xiàn)電子設(shè)備、或其組件、器械、設(shè)備、輸送線路或連接、及其上附件、或軟件的連接和斷開連接目的。
[0015]如本說明書所使用的，“電子設(shè)備”通常指代利用電子或離子在真空、氣體、或半導體中運動的特性的設(shè)備或?qū)ο?。如本文所使用的，“電子電路”通常指代電子或離子運動的路徑、以及由設(shè)備或?qū)ο鬄殡娮踊螂x子提供的方向。如本文所使用的，“電氣線路”或簡單來說“電路”通常指代多個電氣設(shè)備和導體的組合，它們在彼此連接時形成導電路徑以實現(xiàn)期望功能。除了互連，電氣電路的任何組成部件可以稱為“電路元件”，它們可包括模擬和/或數(shù)字組件。[0016]術(shù)語“發(fā)生器”可指代能夠提供能量的設(shè)備。這樣的設(shè)備可包括能量源以及電氣電路，所述電氣電路能夠?qū)⒛芰吭摧敵龅哪芰孔兏鼮榫哂衅谕麖姸?、頻率、和/或波形的輸出能量。
[0017]如本說明書中所使用的，“用戶接口”通常指代提供信息至用戶或其他實體和/或從用戶或其他實體接收信息的任何視覺、圖形、觸覺、聽覺、感官、或其他機構(gòu)。本文所使用的術(shù)語“用戶接口”可指代人類用戶(或操作者)和一個或多個設(shè)備之間的接口，以使得能夠在用戶和設(shè)備之間通信。本發(fā)明中各個實施方式中可利用的用戶接口的示例包括但不限于開關(guān)、電位計、按鈕、撥號盤、滑動器、鼠標、指點設(shè)備、鍵盤、鍵區(qū)、操縱桿、軌跡球、顯示屏、各種類型的圖形用戶界面(GUI)、觸屏、麥克風以及其他類型的傳感器或設(shè)備，它們可接收人類發(fā)出的一些形式的刺激并產(chǎn)生響應(yīng)其的信號。如本文所使用的，“計算機”通常指代有針對性地傳輸信息的任何東西。
[0018]本文所述的系統(tǒng)還可以利用一個或多個控制器來接收各種信息并傳輸所接收的信息以產(chǎn)生輸出。控制器可包括任何類型的計算設(shè)備、計算電路、或任何類型的處理器或處理電路，其能夠執(zhí)行存儲在存儲器中的一系列指令?？刂破骺砂ǘ鄠€處理器和/或多核中央處理單元(CPU)，并可包括任何類型的處理器，諸如微處理器、數(shù)字信號處理器、微控制器等?？刂破鬟€可包括存儲器以存儲數(shù)據(jù)和/或算法從而來執(zhí)行一系列指令。
[0019]本文所述的任何方法、程序、算法、或代碼可以轉(zhuǎn)化為編程語言或計算機程序、或以編程語言或計算機程序來表達?！熬幊陶Z言”和“計算機程序”是用于把指令指定給計算機的任何語言，并包括(但不限于)這些語言和它們的派生:Assembler (匯編語言)、Basic (基本語言)、Batch files (批處理文件)、BCPL> C、C+、C++、Delph1、Fortran、Java、JavaScript、機器代碼、操作系統(tǒng)命令語言、Pascal、Perl、PLl、腳本語言、Visual Basic、自身指定程序的元語言、以及所有的第一、第二、第三、第四及第五代計算機語言。還包括數(shù)據(jù)庫和其他數(shù)據(jù)模式、以及任意其他元語言。出于此定義的目的，沒有在解譯、編譯、或使用編譯和解譯方法的語言之間做出區(qū)別。`出于此定義的目的，沒有在程序的編譯版本和源版本之間做出區(qū)別。因此，參考程序，其中編程語言能夠以多于一種狀態(tài)(諸如源、編譯、對象、或鏈接)存在，可以參考任何的狀態(tài)以及所有這樣的狀態(tài)。該定義還包括實際指令和這些指令的含義。
[0020]本文所述的方法、程序、算法或代碼中的任何一個可以包含在一個或多個機械可讀介質(zhì)或存儲器中。術(shù)語“存儲器”可包括提供(例如，存儲和/或傳輸)諸如處理器、計算機、或數(shù)字處理設(shè)備的機器可讀形式的信息的機構(gòu)。例如，存儲器可包括只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、磁盤存儲介質(zhì)、光存儲介質(zhì)、閃存設(shè)備、或其他任意易失性或非易失性存儲器存儲設(shè)備。包含在它們上的代碼或指令可通過載波信號、紅外信號、數(shù)字信號、和其他類似信號來表達。
[0021]如本說明書中所使用的，短語“治療計劃”指代選定的切除針、能量水平、和/或治療持續(xù)時間以實現(xiàn)目標的治療。術(shù)語“目標”指代將要治療的組織區(qū)域，并且可包括且不限于腫瘤、纖維瘤、和待切除的其他組織。短語“切除區(qū)”指代將切除的組織區(qū)域和/或組織體。
[0022]如本說明書中所使用的，短語“計算機斷層掃描”(CT)或“計算機軸向斷層掃描”(CAT)指代利用計算機處理產(chǎn)生的斷層掃描的醫(yī)療成像方法。數(shù)字幾何處理用于從圍繞單個旋轉(zhuǎn)軸采集的大系列二維X射線圖像來生成對象內(nèi)部的三維圖像。
[0023]如本說明書中所使用的,術(shù)語磁共振成像(MRI)、核磁共振成像(NMRI)、或磁共振斷層掃描(MRT)指代在射線學中使用以可視化詳細的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的醫(yī)療成像技術(shù)。MRI利用核磁共振(NMR)特性來對體內(nèi)原子核成像。MRI機器使用強力磁場來將體內(nèi)的一些原子核的磁性對準，而使用射頻場來系統(tǒng)地改變該磁性的對準。這引起核產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其可由掃描器探測，以及記錄該信息以構(gòu)建所掃描的身體區(qū)域的圖像。
[0024]如本說明書中所使用的，術(shù)語“三維超聲”或“ 3D超聲”指代提供三維圖像的醫(yī)療超聲技術(shù)。
[0025]如本說明書所使用的，術(shù)語“醫(yī)學數(shù)字成像和通信”(DICOM)指代用于處理、存儲、打印、和傳輸涉及醫(yī)療成像的信息的標準。它包括文件格式定義和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。通信協(xié)議是使用TCP/IP以在各系統(tǒng)間通信的應(yīng)用協(xié)議。DICOM文件能夠在可接收DICOM格式的圖像和患者數(shù)據(jù)的兩個實體之間交換。
[0026]本文所述的系統(tǒng)和方法中的任何一個可通過有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、點對點通信協(xié)議、DICOM通信協(xié)議、傳輸線路、可移動存儲介質(zhì)等在其間傳輸數(shù)據(jù)。
[0027]本文所述系統(tǒng)可利用一個或多個傳感器，其配置為檢測組織和/或周圍環(huán)境的一個或多個屬性。所述屬性包括但不限于:組織阻抗、組織類型、組織透明度、組織順應(yīng)性、組織或鉗構(gòu)件的溫度、組織中的水含量、鉗開口角度、組織中的水形態(tài)、能量輸送、以及鉗閉合壓。
[0028]在本發(fā)明的一個方面，提供了一種規(guī)劃和導航系統(tǒng)。該規(guī)劃系統(tǒng)包括存儲器，其配置為存儲多個圖像；以及第一控制器，其配置為以三維渲染多個圖像、自動分割多個圖像以將目標區(qū)域劃界、以及基于目標區(qū)域自動確定治療方案。導航系統(tǒng)包括超聲設(shè)備，具有布置于其上的基準模式并配置為獲得掃描平面中的超聲圖像；以及外科設(shè)備，其具有圖像捕獲設(shè)備，配置為捕獲基準模式的基準圖像；以及第二控制器，其配置為接收超聲圖像和基準圖像，其中所述控制器基于基準圖像確定外科設(shè)備關(guān)于掃描平面的位置。規(guī)劃和導航系統(tǒng)還包括第三控制器，其配置為 接收所渲染的多個圖像、目標區(qū)域、治療方案、超聲圖像、以及外科設(shè)備關(guān)于掃描平面的位置；以及顯示器，其配置為顯示第一顯示，其具有所渲染的多個圖像、目標區(qū)域、以及治療方案，以及配置為顯示第二顯示，其具有超聲圖像、基于外科設(shè)備關(guān)于掃描平面的位置的外科設(shè)備的虛擬圖像、以及治療方案。
[0029]在規(guī)劃和導航系統(tǒng)中，第一顯示和第二顯示被顯示于單個屏幕上，并且可被同時顯示或用戶能夠在第一顯示和第二顯示之間切換?？商娲?，顯示器可具有兩個屏幕，并且第一顯示在第一屏幕上顯示而第二顯示在第二屏幕上顯示。顯示器還提供了圖形用戶界面。
[0030]第一控制器執(zhí)行體分析以確定治療方案，以及可提供輸入裝置以調(diào)節(jié)治療方案。第一控制器還可分割至少一個血管并基于血管與目標的接近度調(diào)節(jié)治療方案，或第一控制器可分割至少一個器官并基于目標關(guān)于器官的位置調(diào)節(jié)治療方案。
[0031]在規(guī)劃和導航系統(tǒng)中，基準模式固定至超聲設(shè)備上的已知位置，以及圖像捕獲設(shè)備固定至外科設(shè)備上的已知位置?；鶞誓Ｊ骄哂卸鄠€已知特征和相對位置的標記，它們保持在已知拓撲結(jié)構(gòu)中。
[0032]第二控制器將基準圖像對應(yīng)至模型圖像，評估照相機姿勢、以及將外科設(shè)備轉(zhuǎn)換至模型坐標系。第二控制器還校正基準圖像的透鏡失真。另外，第二控制器能夠識別基準標記中的拓撲結(jié)構(gòu)，其中拓撲結(jié)構(gòu)參照兩個或更多個獨立的唯一標識符，它們以單模式定位在標記的已知位置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]本發(fā)明的上述和其他方面、特征、和優(yōu)勢將根據(jù)結(jié)合附圖時的下面詳細描述而變得更加清晰，其中:
[0034]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的規(guī)劃和導航系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；
[0035]圖2A和2B是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的切除針的示意圖；
[0036]圖3是圖2A和2B的切除針的輻射模式的示意圖；
[0037]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的規(guī)劃系統(tǒng)的示意圖；
[0038]圖5是描繪根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的規(guī)劃系統(tǒng)的全部操作的流程圖；
[0039]圖6和7是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的用于規(guī)劃系統(tǒng)中的圖形用戶界面的示意圖；
[0040]圖8是描繪根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的圖像分割和逆向規(guī)劃的算法的流程圖；
[0041]圖9是描繪根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的用于分割結(jié)節(jié)的算法的流程圖；
[0042]圖10A-10B是切除區(qū)和能量輸送之間的關(guān)系的圖形表示；
[0043]圖1lA是根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的血管和目標之間的關(guān)系的示意圖；
[0044]圖1lB是根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的可替換劑量曲線的圖形表示；
[0045]圖12A-12C是根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的規(guī)劃方法的示意圖；
[0046]圖13是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的導航系統(tǒng)的示意圖；
[0047]圖14A和14B是用于圖13的導航系統(tǒng)的圖形用戶界面的示意圖；
[0048]圖15是描繪根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的基準跟蹤算法的流程圖；
[0049]圖16A和16B分別描繪由照相機獲得的圖像以及該圖像的校正版本；
[0050]圖17是描繪根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的用于找到白色圓圈的算法的流程圖；
[0051]圖18A-18C描繪了圖17所描繪算法的中間圖像結(jié)果；
[0052]圖19是描繪根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的用于找到黑色圓圈和黑色區(qū)域的算法的流程圖；
[0053]圖20A-20D描繪了圖19所描繪算法的中間圖像結(jié)果；
[0054]圖21A是描繪根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的對應(yīng)算法的流程圖；
[0055]圖21B是描繪根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的用于施加拓撲限制的算法的流程圖；
[0056]圖22A-22D是用于圖21A的算法的基準模型的示意圖；
[0057]圖23是根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的集成規(guī)劃和導航系統(tǒng)的示意圖；
[0058]圖24是根據(jù)本發(fā)明又一實施方式的集成規(guī)劃和導航系統(tǒng)的示意圖；
[0059]圖25A和25B是適于與圖24的系統(tǒng)一起使用的導航系統(tǒng)的示意圖；以及
[0060]圖26-29是根據(jù)本發(fā)明各個實施方式的用于圖24的系統(tǒng)的圖形用戶界面的示意圖。
【具體實施方式】[0061]將在下文中參照附圖對本發(fā)明的特定實施方式進行描述；然而，應(yīng)該理解的是，所公開實施方式僅是本發(fā)明的示例且可以各種形式實現(xiàn)。沒有描述公知的功能或構(gòu)造從而避免以不必要細節(jié)混淆本發(fā)明。因此，本文所述的具體結(jié)構(gòu)和功能細節(jié)不能解釋為限制，而僅僅作為權(quán)利要求書的基礎(chǔ)，以及作為教導本領(lǐng)域技術(shù)人員以實際上任何合適的詳細結(jié)構(gòu)而不同地利用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。在整個附圖描述中相似附圖標記指代相似或相同元件。
[0062]轉(zhuǎn)向附圖，圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明各實施方式的規(guī)劃和導航系統(tǒng)的整體視圖。如圖1所示，患者“P”的術(shù)前圖像15通過圖像捕獲設(shè)備10捕獲。圖像捕獲設(shè)備10可包括但不限于獲得二維(2D)或三維(3D)圖像的MRI設(shè)備、CAT設(shè)備、或超聲設(shè)備。圖像捕獲設(shè)備10存儲傳輸至規(guī)劃系統(tǒng)100的術(shù)前圖像15。術(shù)前圖像15可以通過將圖像15上傳到網(wǎng)絡(luò)、通過無線傳輸裝置發(fā)送圖像15至規(guī)劃系統(tǒng)100、和/或?qū)D像15存儲在插入規(guī)劃系統(tǒng)100的可移動存儲器中來傳輸至規(guī)劃系統(tǒng)100。在本發(fā)明的一個實施方式中，術(shù)前圖像15以DICOM格式存儲。在一些實施方式中，圖像捕獲設(shè)備10和規(guī)劃系統(tǒng)100可合并到單機單元中。
[0063]將在下文更加詳細描述的規(guī)劃系統(tǒng)100接收術(shù)前圖像15并確定目標的尺寸?；谀繕顺叽绾瓦x定的外科設(shè)備，規(guī)劃系統(tǒng)100確定設(shè)置，設(shè)置包括實現(xiàn)目標的治療的能量水平和治療持續(xù)時間。
[0064]在下文將更加詳細描述的導航系統(tǒng)200利用布置于醫(yī)療成像設(shè)備(例如，超聲成像設(shè)備)上的基準模式來確定外科設(shè)備的體內(nèi)位置。外科設(shè)備的體內(nèi)位置關(guān)于由醫(yī)療成像設(shè)備獲得的圖像而顯示在顯示設(shè)備上。一旦外科設(shè)備定位在目標附近，則用戶基于由規(guī)劃系統(tǒng)確定的治療區(qū)設(shè)置來實現(xiàn)目標的治療。
[0065]在一些實施方式中，用戶使用規(guī)劃系統(tǒng)100來確定治療區(qū)設(shè)置，以及使用導航系統(tǒng)200來利用治療區(qū)設(shè)置實現(xiàn)治療。在其他實施方式中，在外科設(shè)備處于目標附近時，規(guī)劃系統(tǒng)100傳輸治療區(qū)設(shè)置至導航系統(tǒng)200`以自動地實現(xiàn)目標的治療。另外，在一些實施方式中，規(guī)劃系統(tǒng)100和導航系統(tǒng)200結(jié)合為單個獨立系統(tǒng)。例如，單個處理器和單個用戶接口可用于規(guī)劃系統(tǒng)100和導航系統(tǒng)200，單個處理器或多個用戶接口可用于規(guī)劃系統(tǒng)100和導航系統(tǒng)200，或者多個處理器和單個用戶接口可用于規(guī)劃系統(tǒng)100和導航系統(tǒng)200。
[0066]圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的外科設(shè)備的一個示例。具體而言，圖2A示出了具有電扼流圈72的切除針60的變體的側(cè)視圖，以及圖2B示出了圖2A的橫截側(cè)圖2B-2B。切除針60示出了輻射部62，其通過饋線(或軸桿)64電連接至近側(cè)定位的耦合器66。輻射部62示出有涂覆在段62上的密封層68。電扼流圈72示出為部分地布置在饋線64的遠側(cè)段上以形成扼流部70，其靠近輻射部62定位。
[0067]為了改善切除針60的能量聚焦，電扼流圈72用于將場傳播或輻射模式包含至切除針60的遠端。通常，扼流圈72布置在切除針60上靠近輻射段。扼流圈72置于介電材料上，所述介電材料布置在切除針60上。扼流圈72是導電層，其可以被管道或涂層覆蓋以迫使該導電層符合底層切除針60，進而形成更加遠離或接近輻射部62的電連接(或短路)。扼流圈72和底層切除針60之間的電連接還可以通過其他連接方法實現(xiàn)，諸如軟焊、焊接、銅焊、壓接、使用導電粘合劑等。切除針60電耦接至發(fā)生器，發(fā)生器為切除針60提供電外科能量。
[0068]圖3是根據(jù)本發(fā)明的切除針60的實施方式的剖面圖，其示出以發(fā)射的輻射模式的圖形表示。
[0069]圖4-12C描述根據(jù)本發(fā)明各個實施方式的規(guī)劃系統(tǒng)100的操作。轉(zhuǎn)向圖4，規(guī)劃系統(tǒng)100包括接收器102、存儲器104、控制器106、輸入設(shè)備108 (例如，鼠標、鍵盤、觸摸板、觸屏等)、以及顯示器110。在規(guī)劃系統(tǒng)100的操作期間，接收器102接收以DICOM格式的術(shù)前圖像15并將這些圖像存儲在存儲器104中?？刂破?06然后處理圖像15，這將在下文詳述，并將已處理圖像顯示在顯示器110上。使用輸入設(shè)備108，用戶可以瀏覽圖像15，從圖像15中選擇一幅圖像，在所選擇圖像上選擇種子點，選擇切除針，調(diào)節(jié)能量水平，以及調(diào)節(jié)治療持續(xù)時間。由輸入設(shè)備108提供的輸入顯示在顯示器110上。
[0070]圖5描繪了由規(guī)劃系統(tǒng)100使用的確定治療方案的算法的概圖。如圖5所示，在步驟120中，通過無線連接、網(wǎng)絡(luò)，或通過從可移動存儲介質(zhì)下載圖像并存儲在存儲器104中，來捕獲以DICOM格式的圖像?？刂破?06然后在步驟122中執(zhí)行圖像15的自動的三維(3D)渲染，以及顯示3D渲染的圖像(如圖6所示)。在步驟124，執(zhí)行圖像分割以將特定感興趣區(qū)域劃界并計算感興趣區(qū)域的體積。如下所述，分割可以是用戶驅(qū)動的或自動的。在步驟126，控制器執(zhí)行逆向規(guī)劃操作，其還將在下文詳述，從而確定治療感興趣區(qū)域的治療算法。該治療算法可包括外科設(shè)備、能量水平、和/或治療持續(xù)時間的選擇?？商娲?，用戶能夠選擇外科設(shè)備、能量水平、和/或治療持續(xù)時間以滿足治療醫(yī)生的目的，其將包括用于治療目標的“邊緣值”以及周圍組織的邊緣。
[0071]圖6和7描繪了可在顯示器110上顯示的圖形用戶界面(GUI)。如圖6和7所示，每個⑶I分割為多個區(qū)域(例如，區(qū)域132、134和136)用于顯示渲染的DICOM圖像。例如，區(qū)域132顯示了患者“P”沿橫剖面的圖像，以及區(qū)域134顯示患者“P”沿冠狀剖面的圖像。區(qū)域136描繪了患者“P”的3D渲染。在其他實施方式中，矢狀剖面也可顯示在⑶I上。⑶I允許用戶在下拉菜單131中選擇不同的切除針。GUI還允許用戶分別在區(qū)域133和135中調(diào)節(jié)功率和時間設(shè)置。另外，GUI在區(qū)域137中具有多個其他工具，其包括但不限于啟動種子點選擇的規(guī)劃工具、對比度工具、縮放工具、拖動工具、用于滾動瀏覽DICOM圖像的滾動工具、以及用于顯示DICOM數(shù)據(jù)集的體渲染的3D渲染工具。
[0072]圖8的流程圖描繪 了用于執(zhí)行圖像分割步驟124和逆向規(guī)劃步驟126的基本算法。如圖8所示，用戶在步驟140中選擇種子點(參見圖6，其中標線集中在在區(qū)域132和134中的目標“T”上)。在手動選擇種子點后，規(guī)劃系統(tǒng)100在步驟142中分割結(jié)節(jié)以將感興趣體劃界。在其他實施方式中，可基于像素的強度值自動檢測種子點。
[0073]圖9描繪了用于分割結(jié)節(jié)的算法的流程圖。如圖9所示，一旦在步驟151中確定了種子點，該算法就在步驟152中產(chǎn)生感興趣區(qū)域(ROI)。例如，ROI可包括4cm3的體積。在步驟153中，連接的閾值濾波器施加閾值并在存儲于存儲器104中的DICOM圖像中找到連接至種子點的所有像素。例如，在分割肺結(jié)節(jié)時，閾值可在-400Hounsfield Unit(HU)處開始并在100HU處終止。
[0074]在步驟154，控制器106利用幾何濾波器來計算對象的尺寸和形狀。幾何濾波器使得能夠測量標記的體積中所有對象的幾何特征。該標記的體積能夠例如表示分割為不同解剖結(jié)構(gòu)的醫(yī)療圖像。這些對象的各個幾何特征的測量能夠提供對圖像的另外的洞察。
[0075]該算法在步驟155中確定是否檢測到預(yù)定形狀。如果未檢測到預(yù)定形狀，則該算法行進至步驟156，其中閾值增加預(yù)定值。該算法重復(fù)步驟153至155直至檢測到預(yù)定的對象。
[0076]一旦檢測到預(yù)定的對象，該算法在步驟157處終止，并且規(guī)劃系統(tǒng)100行進至步驟144以執(zhí)行體分析。在體分析期間，可通過控制器106計算球形對象的下述屬性:最小直徑、最大直徑、平均直徑、體積、球形度、最小密度、最大密度、以及平均密度。所計算的屬性可以在顯示器110上顯示，如圖7的區(qū)域139中示出。體分析可使用幾何濾波器來確定最小直徑、最大直徑、體積、延伸率、表面積、和/或球形度。在步驟144，圖像強度統(tǒng)計濾波器還可與幾何濾波器結(jié)合使用。圖像強度統(tǒng)計濾波器計算最小密度、最大密度以及平均密度。
[0077]在步驟146中，針對劃界的目標計算功率和時間設(shè)置。圖10描繪了給定時間段中堆積至組織中的能量和所產(chǎn)生的切除區(qū)域之間的關(guān)系的各個曲線圖。該關(guān)系通過考慮目標組織(即，腫瘤、纖維瘤等)的維度和特征以及特定切除針的能量劑量/天線設(shè)計而允許逆向規(guī)劃。下表I示出了切除體積、功率、和切除針的時間的關(guān)系圖的示例。
[0078]表I
[0079]
【權(quán)利要求】
1.一種規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其包括: 規(guī)劃系統(tǒng)，其包括: 存儲器，其配置為存儲多個圖像；以及 第一控制器，其配置為以三維渲染多個圖像、分割多個圖像以將目標區(qū)域劃界、以及基于目標區(qū)域自動地確定治療方案；以及導航系統(tǒng)，其包括: 超聲設(shè)備，其配置為獲得掃描平面中的超聲圖像，所述超聲設(shè)備具有布置于其上的基準模式； 外科設(shè)備，其具有圖像獲取設(shè)備，該圖像獲取設(shè)備配置為獲取基準模式的基準圖像；以及 第二控制器，其配置為接收超聲圖像和基準圖像，其中所述控制器基于基準圖像確定外科設(shè)備關(guān)于掃描平面的位置； 第三控制器，其配置為接收所渲染的多個圖像、目標區(qū)域、治療方案、超聲圖像、以及外科設(shè)備關(guān)于掃描平面的位置；以及 顯示器，其配置為顯示具有所渲染的多個圖像、目標區(qū)域、以及治療方案的第一顯示，以及配置為顯示具有超聲圖像、基于外科設(shè)備關(guān)于掃描平面的位置的外科設(shè)備的虛擬圖像、以及治療方案的第二顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述第一顯示和第二顯示在單個屏幕上顯示。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述第一顯示和第二顯示同時顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中用戶能夠在第一顯示和第二顯示之間切換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述顯示器具有兩個屏幕，以及所述第一顯示在第一屏幕上顯示，以及所述第二顯示在第二屏幕上顯示。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述第一控制器執(zhí)行體分析以確定治療方案。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，還包括輸入設(shè)備，其配置為調(diào)節(jié)治療方案。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述顯示器提供圖形用戶界面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述第一控制器分割至少一個血管，并基于所述至少一個血管對目標的接近度來調(diào)節(jié)治療方案。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述第一控制器分割至少一個器官，并基于目標關(guān)于所述至少一個器官的位置來調(diào)節(jié)治療方案。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述基準模式固定至超聲設(shè)備上的已知位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述圖像獲取設(shè)備固定至外科設(shè)備上的已知位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述基準模式具有多個已知特征和相對位置的標記。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述基準模式包括多個已知特征和相對位置的標記，它們保持在已知拓撲結(jié)構(gòu)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述第二控制器將基準圖像對應(yīng)至模型圖像，評估照相機姿勢，以及將外科設(shè)備變換至模型坐標。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述第二控制器校正基準圖像的透鏡失真。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的規(guī)劃和導航系統(tǒng)，其中所述第二控制器能夠識別基準標記內(nèi)的拓撲結(jié)構(gòu)，其中 拓撲結(jié)構(gòu)參照位于標記上的單模式上的已知位置中的兩個或多個獨立的唯一標識符。
【文檔編號】A61B19/00GK103445866SQ201310361572
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月22日
【發(fā)明者】K·弗蘭克, J·A·卡塞, C·M·蘭特考瓦 申請人:科維蒂恩有限合伙公司