[发明专利]用于定位图像中手术器械的基准标记设计和探测

说明书

技术领域

本非临时申请要求美国临时专利申请No.61/204,084(2008年12月31日提交)在35U.S.C§119(e)下的权益，其全部内容包括在此以供参考。

本申请涉及美国非临时专利申请No.12/428,691(同时提交)[代理人案号No.ISRG 01910/US，名称为“Configuration Marker Design and Detection for Instrument Tracking”]，并且涉及美国临时专利申请No.61/203,975(2008年12月31日提交)，两者的全部内容包括在此以供参考。

背景技术

微创手术(surgical)技术目的在于降低诊断或手术程序期间损伤的外部组织的量，从而减少患者的康复时间、不适以及有害副作用。结果，使用微创手术技术，能够显著缩短标准手术的住院时间的平均长度。同样，通过微创手术技术，也可减少患者康复时间、患者不适、手术副作用以及患者休假时间。

微创手术的一种普通形式是内窥镜检法(endoscopy)，而内窥镜检查法的一种普通方式是腹腔镜检法，其为腹腔内的微创检查和手术。在标准的腹腔镜检法手术中，向患者的腹部吹入气体，而插管套管穿过小切口(大约1/2英寸或更小)，从而提供腹腔镜检法器械(instrument)的进入端口(entry port)。

腹腔镜手术器械通常包括腹腔镜或内窥镜(用于观察手术地点(surgical field))以及工作工具。工作工具类似于传统(开放)手术中使用的工具，除了每个工具的工作末端或末端执行器(end effector)都通过伸缩管而与其把手分离。在此使用的术语“末端执行器”意思是手术器械的实际工作部分，并且能够包括例如夹钳、抓紧器、手术剪、吻合器(stapler)以及持针器(needle holder)。

为了执行手术程序，外科医生使这些工作工具或器械穿过插管套管，到达内部手术部位(surgical site)，并且从腹部外部操作这些工具。外科医生通过显示源自腹腔镜的手术部位影像的监控器观察手术过程。类似的内窥镜技术在例如以下领域使用，即关节镜检查、腹腔镜肾脏输尿管切除术、盆腔镜检查、肾镜检查、膀胱镜检查、膀胱镜术、鼻窦内窥镜检查、子宫镜检查、尿道镜检查等等。

为了在内部手术部位中工作，以及为了允许外科医生从远方为患者手术，所以发展微创远程手术机器人系统。在远程手术系统中，通常在控制台向外科医生提供手术部位的影像。外科医生在观察适当的观察器或者显示器上的手术部位的三维(3-D)影像的同时，通过操作控制台主输入或控制装置而对患者实施外科手术。每个主输入装置都控制机械伺服操作的手术器械的运动。在外科过程期间，响应主输入装置的操作，远程手术系统能够机械致动并控制具有为外科医生执行各种功能的末端执行器的多种手术器械或工具，所述功能例如握住或推进手术针、抓住血管、解剖组织等等。

然而在手术过程期间，外科医生可操作工具，从而在内窥镜的视野外移动其末端执行器，或者由于流体或其他干涉物体的阻挡而难以看到末端执行器。在该情况下，能够在工作站的显示屏上向外科医生提供末端执行器的定位和/或标识的帮助将有用。能够使用关于工具的3-D姿态(位置和方向)的准确信息，从而提供该帮助。通常，工具的3-D姿态的准确信息对于许多影像手术定位和用户界面应用都很重要。

已使用的提供准确工具跟踪的方法包括基于动力学的姿态信息和源自影像的姿态信息的结合。该工具跟踪信息的结合能够提供两种数据类型的优点，而排除关联的缺点。虽然可以通过非常高的更新率获得运动学接点数据(kinematics joint data)，但是由于在每个接点的误差累积，而位于远离工具的接点中的误差对于准确度具有更大的影响，运动学评估姿态可不是非常准确。相反，源自影像的工具姿态评估能够高度准确，但是可通过对于许多实时应用有用的较慢更新率运行。通过使用更准确的源自影像的工具姿态评估修正较高更新率的运动学姿态评估，能够获得更准确的较高更新率的工具姿态评估。