用于成像制導和機器人輔助的手術(shù)的機器人裝置和系統(tǒng)軟件、硬件和方法
【專利說明】用于成像制導和機器人輔助的手術(shù)的機器人裝置和系統(tǒng)軟 件、硬件和方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本國際申請按照美國法典35 U. S. C. § 119(e)要求現(xiàn)在已經(jīng)被放棄的美國臨時申 請序列號61/693, 634的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，該申請的全部內(nèi)容通過引用納入此文。
[0003] 聯(lián)邦基金說明
[0004] 本發(fā)明是在得到政府支持的且由國家科學基金會授予的撥款號0932272的資助 下完成的。政府對此發(fā)明保留一定的權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明涉及機器人學、機器人輔助手術(shù)過程和用于實施該過程的軟件的技術(shù)領(lǐng) 域。具體地，本發(fā)明提供一種機器人系統(tǒng)，包括機械臂和致動器以及可應用的軟件和硬件， 包括用于原位、實時成像制導的診斷、手術(shù)和微創(chuàng)醫(yī)療介入的可兼容核磁共振成像（MRI) 的醫(yī)療機器人平臺。
【背景技術(shù)】
[0006] 包括單孔入徑手術(shù)（single port access surgery)和經(jīng)皮介入的微創(chuàng)手術(shù)中的 機器人輔助形成為可替代傳統(tǒng)的開放式手術(shù)或者徒手介入的對病人更友好的，實踐性更強 的并且最終有成本效益的。新技術(shù)實現(xiàn)增加了安全性和功能性的水平并且新一代的醫(yī)生比 他們的前輩更習慣于計算機可啟用工具。該典范轉(zhuǎn)移需要耐用、可擴展和高效的方法，用 于一體化多模式感測例如組織水平圖像和分子水平圖像、諸如機器人和觸覺裝置的控制系 統(tǒng)、以及例如手術(shù)的、放射學的、心臟病學等的介入。通過先驅(qū)團體在開發(fā)創(chuàng)造性的計算方 法、機械臂和觸覺界面方面做出的巨大努力已經(jīng)鋪平了通向該巨大突破的道路。展望成像 制導和機器人輔助（IGRA)手術(shù)，多個因素可以有助于下一代系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括將能夠局部 地評估組織病理和功能的實時成像制導與高效的操作員界面的無縫地成一體。
[0007] 實時成像制導（RTIG)提供用于評估手術(shù)區(qū)域（AoP)的獨特特征，這些特征包括： 1)評估實時組織變形和運動，其次評估例如呼吸或心臟跳動等的過程或自然運動；2)三維 地監(jiān)控工具（多個工具）；以及3)更新靶組織的病理生理信息。在被賦予這些特征的情況 下，RTIG可以有助于典范轉(zhuǎn)移，并且有助于將包括即內(nèi)窺鏡檢查或腹腔鏡檢查等的"鎖孔" 顯示和操作前的成像制導的當前方法到可更全局性地和信息更豐富地對AoP的感知的方 法突破，這能使進行更廣范圍和更高水平的復雜手術(shù)。在該背景下，對徒手手術(shù)或機器人輔 助手術(shù)手術(shù)，已經(jīng)利用包括超聲波（US)和核磁共振成像（MRI)的不同成像設備進行了大量 開創(chuàng)性的工作。
[0008] IGRA手術(shù)是挑戰(zhàn)性的、高度復雜性的并且具有大范圍的臨床典范，并且能使技術(shù) 已經(jīng)或者正被很多團體實施。一些IGRA裝置已經(jīng)被開發(fā)或者正在被開發(fā)?？梢詮氐鬃兏?MRI制導手術(shù)的可兼容MR的神經(jīng)臂是復雜且昂貴的技術(shù)，但是不適用于實時的MR制導。在 國立衛(wèi)生研宄院研發(fā)的另一個系統(tǒng)基于已經(jīng)停止銷售的Innomotion?機器人。
[0009] 因此，在該領(lǐng)域公認地存在對改進的成像制導和機器人輔助手術(shù)的需求，尤其是 對用于機器人控制和HIMI的實時多模式成像的需求，以用于機器人的人在回路自主或手 動控制。更具體地，現(xiàn)有技術(shù)在操作和制導機器人裝置和系統(tǒng)的軟件和執(zhí)行系統(tǒng)方面是不 足的，該系統(tǒng)被設計為用于在成像掃描儀的空間約束內(nèi)操作，用于致動機器人的裝置不能 在核磁共振環(huán)境的極高磁場中執(zhí)行并且不能實時跟蹤組織。本發(fā)明實現(xiàn)了本領(lǐng)域中一直以 來的需求和期望。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明涉及一種在手術(shù)過程期間用于機器人的原位實時成像制導的計算機系統(tǒng)。 該計算機系統(tǒng)在具有存儲器、處理器和至少一個網(wǎng)絡連接器的至少一個計算機中包括：多 個模塊，所述模塊被構(gòu)造為手術(shù)進行時使得成像設備、醫(yī)療機器人和所述成像設備以及醫(yī) 療機器人的操作員經(jīng)由多個與上述成像設備、醫(yī)療機器人和所述操作員相聯(lián)接的界面而聯(lián) 接。本發(fā)明涉及一種相關(guān)的計算機系統(tǒng)，所述計算機系統(tǒng)包括如下的模塊，所述模塊被構(gòu)造 為：1)在手術(shù)過程期間控制所述成像設備；2)跟蹤機器人或與所述機器人共同配準的介入 工具；3)跟蹤感興趣的組織；4)處理從所述成像設備和所述機器人采集的數(shù)據(jù)；5)生成用 于機器人在患者的體外和體內(nèi)安全和精確運動的動態(tài)路徑或通道；6)顯示所述機器人和 根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)生成的手術(shù)區(qū)域；以及7)使用力反饋裝置或觸覺裝置以實現(xiàn)人機界面。 本發(fā)明涉及另一種相關(guān)的計算機系統(tǒng)，所述計算機系統(tǒng)還包括一個模塊，所述模塊被構(gòu)造 為共同配準多個多模式傳感器與所述機器人和所述成像設備。
[0011] 本發(fā)明還涉及一種在手術(shù)過程期間用于機器人的原位實時成像制導的計算機執(zhí) 行方法，該方法包括如下的步驟：在本文所述的計算機系統(tǒng)中，在手術(shù)進行時，處理數(shù)據(jù)以 獲得組織和醫(yī)療機器人的當前狀態(tài)；生成至少一個組織邊界，該組織邊界包括手術(shù)區(qū)域，或 者靠近機器人的訪問路徑的區(qū)域，或者上述兩個區(qū)域；動態(tài)地監(jiān)測整個手術(shù)區(qū)域的組織邊 界的運動。相對于手術(shù)區(qū)域并且基于被設置為靠近所述機器人并且被耦合到所述成像設備 的多個標記的個體顯示，跟蹤機器人或者包括該機器人的介入工具的位置。本發(fā)明涉及一 種相關(guān)的方法，還包括如下的步驟：隨著手術(shù)區(qū)域和機器人被監(jiān)控和跟蹤，生成手術(shù)區(qū)域和 用于系統(tǒng)的操作員的機器人的顯示。本發(fā)明涉及另一種相關(guān)的方法，該方法還包括如下的 步驟：根據(jù)與機器人和成像設備的坐標系共同配準的多個多模式傳感器中的一個或多個而 生成手術(shù)區(qū)域的視圖。
[0012] 本發(fā)明還涉及一種核磁共振成像制導和機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：至少 一個計算機處理器；至少一個計算機存儲器；一個或多個機器人結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng) 可配準機器人或者包括該機器人的介入工具；與所述機器人配準的核磁共振掃描儀；和多 個模塊，所述多個模塊被構(gòu)造為用于與計算機處理器和存儲器一起動態(tài)地操作。多個模塊 啟動處理器可執(zhí)行指令：1)描述與機器人以及患者的感興趣組織相關(guān)的所有MR生成數(shù)據(jù)； 2)在手術(shù)區(qū)域中建立組織邊界；3)經(jīng)由MR掃描儀或者經(jīng)由包括機器人并且被設置在患者 體內(nèi)或體外的一個或多個多模式傳感器而動態(tài)地監(jiān)測組織邊界的運動；4)跟蹤機器人相 對于手術(shù)區(qū)域的位置；5)將生成的數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)的操作員；6)生成指令以用于機器人控 制并且根據(jù)所生成的數(shù)據(jù)進行跟蹤；7)在操作員的手術(shù)過程期間生成手術(shù)區(qū)域和機器人 的視圖；以及8)在機器人、掃描儀、模塊和操作員之間建立多個界面。本發(fā)明涉及一種相關(guān) 的核磁共振成像制導和機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)，其中，多個模塊還被構(gòu)造為啟動處理器可執(zhí) 行指令根據(jù)經(jīng)由多模式傳感器所采集的數(shù)據(jù)而生成且顯示手術(shù)區(qū)域的4D視圖。本發(fā)明涉 及另一相關(guān)的核磁共振成像制導和機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)，其中，多個模塊還被構(gòu)造為啟動 處理器可執(zhí)行指令生成至少一個信號強度投影以監(jiān)控組織到組織的邊界或者組織到機器 人的邊界。本發(fā)明還涉及另一種相關(guān)的核磁共振成像制導和機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)，其中多 個模塊還被構(gòu)造為對包括患者身體的自然管狀結(jié)構(gòu)和包括機器人或者介入工具的人造管 狀結(jié)構(gòu)進行成像。
[0013] 本發(fā)明還涉及一種永久性計算機可讀取數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)和一種計算機程序產(chǎn)品，所 述產(chǎn)品可有形地在在永久性計算機可讀取介質(zhì)中實現(xiàn)，所述存儲介質(zhì)存儲計算機可執(zhí)行指 令，當該計算機可執(zhí)行指令被執(zhí)行時，執(zhí)行計算機系統(tǒng)中的動作以實現(xiàn)本文描述的計算機 實施方法，或者存儲包括本文描述的多個模塊的計算機可執(zhí)行指令。
[0014] 根據(jù)以下的對本發(fā)明的以公開的目的而給出的當前優(yōu)選的實施例的說明，本發(fā)明 的其他和另外的特征、方面和優(yōu)點將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0015] 從而，其中本發(fā)明的上述特征、優(yōu)點和目的以及將變得顯而易見的其他的特征被 獲得并且可以被更加詳細地理解，更具體地，本發(fā)明的如上簡述的說明和特定實施例在附 圖中示出。這些附圖形成了說明書的一部分。然而，應當注意附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實 施例，并且因此不能認為是對本發(fā)明的范圍的限定。
[0016] 圖1是通用的醫(yī)療機器人平臺的示意圖。
[0017] 圖2是單孔入徑（SPA)手術(shù)的示意圖