[发明专利]通过联合传感器和/或照相机导出数据实现3-D刀具跟踪的方法与系统

说明书

在机械微创外科手术中实现刀具跟踪的方法和系统。使用三角测量技术或贝叶斯滤波器，从非内窥镜导出刀具状态信息和内窥镜导出刀具状态信息中的两者或任意一个或者从非视觉导出刀具状态信息和视觉导出刀具状态信息中的两者或任意一个，来确定刀具状态。所述非内窥镜导出刀具状态信息从传感器数据中导出，所述传感器数据由与用来操纵刀具的机构有关的传感器提供，或由能够检测从刀具发射或反射并指示其位置的可识别信号的传感器提供，或由用来观测从身体延伸出的刀具的末端的外部照相机提供。所述内窥镜导出刀具状态信息从图像数据中导出，所述图像数据由插入在身体中以观测刀具的内窥镜提供。

本申请是于2013年2月20日提交的名称为“通过机械微创外科手术过程中联合传感器和/或照相机导出数据实现3-D刀具跟踪的方法与系统”的中国专利申请201310054782.2的分案申请，且前述专利申请是于2006年5月8日提交的名称为“通过机械微创外科手术过程中联合传感器和/或照相机导出数据实现3-D刀具跟踪的方法与系统”的中国专利申请200680025913.2的分案申请。

本发明是在美国政府的支持下根据由美国国家标准与技术研究所(NIST)授予的70NANB1H3048号合作协议进行的。美国政府对本发明拥有一定权力。

技术领域

本发明主要涉及微创外科手术，且具体地说涉及利用机械微创外科手术过程中传感器和/或照相机导出数据(例如刀具位置、速度)的联合实现3-D刀具跟踪的方法与系统。

背景技术

微创外科手术技术旨在减少在诊断或手术过程中破坏的外源组织的数量，从而缩短患者康复时间，减轻不适感，降低毒副作用。因此，使用微创外科手术技术，可以使标准外科手术的医院驻留平均时长显著缩短。同样地，微创外科手术也可以降低患者康复时间和离开工作的时间，减轻患者不适，降低手术副作用。

微创外科手术的常见形式是内窥镜检查，内窥镜的常见形式是腹腔镜检查，其为对腹腔内部的微创检查和外科手术。在标准腹腔镜检查手术中，向患者的腹部注入气体，通过小(大约1/2英寸或更小)切口传递套袖来提供腹腔镜手术器械的入口。

腹腔镜检查手术器械主要包含腹腔镜或内窥镜(用于观测手术区域)以及工作刀具。所述工作刀具与用于传统(开腹)手术的刀具相似，区别是，每个刀具的工作端或末端执行器与其把手用延长管分离开。在这里使用的术语“末端执行器”是指手术器械的实际工作部分且可以包含例如夹子、抓紧器、剪刀、订书机、图像采集透镜以及测针夹持器。

要完成手术，外科医生将这些工作刀具或器械通过套袖传递到内部手术部位并从腹部外操纵它们。外科医生利用监视器来观测过手术，所述监视器显示腹腔镜所拍摄的手术部位的图像。相似的内窥镜检查技术应用于例如关节镜检查、后腹膜腔镜检查、骨盆镜检查、肾镜检查、膀胱镜检查、脑镜检查(cistemoscopy)、鼻内窥镜检查(sinoscopy)、子宫镜检查、尿道镜检查等类似检查技术。

微创远程外科机械系统正被开发以提高外科医生在内部手术部位工作的灵活性，也允许外科医生在较远的地方对患者进行手术。在远程外科系统中，经常在计算机工作站将手术部位的图像提供给外科医生。当在观察器或显示器观测手术部位的三维图像时，外科医生通过控制主输入或工作站控制设备来完成对患者的手术。每个主输入设备都控制自动控制装置运行的手术器械的运动。在手术过程中，远程外科系统可以提供含有末端执行器的各种手术器械或刀具的机械驱动和控制，所述末端执行器为手术执行各种功能，例如把持或推动针、抓紧血管或解剖组织或者类似功能以响应主输入设备的控制。

然而，在手术过程中，外科医生可以操纵刀具以使得其末端执行器移到内窥镜的视野之外，或者所述末端执行器可能因为流体或其他干涉物的阻塞而变得不易看到。在这些情况下，能够在定位和/或识别工作站的显示屏上的末端执行器方面给外科医生提供帮助，将是有用的。