[发明专利]基于充气患者躯干模型和归一化外科目标的端口放置引导件

说明书

本公开的发明名称是“基于充气患者躯干模型和归一化外科目标的端口放置引导件”。一种用于确定微创外科手术的外科端口放置的方法。基于所接收的测量结果，确定参数化躯干模型的实例，该参数化躯干模型限定外表面和内脏表面，该外表面和该内脏表面各自具有考虑到充气效应的穹顶形状。该参数化躯干模型中的归一化外科目标位置响应于外科规程的标识而被确定，并且被映射到未归一化外科目标位置。基于外科工具的特性并且基于该未归一化外科目标位置，计算该参数化躯干模型的该实例上的允许的端口位置。本发明还描述并要求保护其他方面。

交叉引用

本申请要求于2020年6月5日提交的美国非临时申请16/894,625的早期提交日期的权益，该美国非临时申请全文以引用方式并入。

技术领域

本公开的各个方面在此涉及用于微创外科手术(MIS)和机器人辅助MIS的外科工具的设计。

背景技术

微创外科手术(MIS)诸如腹腔镜手术使用旨在在外科规程期间减少组织损伤的技术。腹腔镜规程通常需要在患者体内(例如，在腹部中)形成多个小切口，然后通过这些小切口将若干外科工具(诸如内窥镜、刀片、抓紧器和针)插入到患者体内。将气体注入到腹部中，其对腹部进行充气，从而在工具的尖端周围提供更多空间，使得外科医生更容易看到(经由内窥镜)和操纵外科手术部位处的组织。可使用外科机器人系统更快地执行MIS且使外科医生疲劳更少，在该外科机器人系统中，外科工具可操作地附接到机器人臂的远侧端部，并且控制系统致动该臂及其附接工具。当外科医生操纵手持用户输入装置(UID)时，工具的尖端将模拟其位置和取向运动。外科机器人系统可以具有多个外科臂，其中一个或多个外科臂具有附接的内窥镜，并且其他外科臂具有附接的用于执行某些外科动作的外科器械。

可能会要求为MIS设计的外科工具的制造商指定参考患者躯干模型中的解剖结构列表，这些解剖结构可以通过给定的外科工具设计到达。这是一个具有挑战性的问题。该问题的主观解决方案是开发解剖结构的虚拟现实模型(在参考患者躯干模型中)，然后执行显示给定外科工具是否能够到达解剖结构的给定部分的虚拟现实模拟。然而，利用该解决方案，外科工具的制造商不能指定使用工具的要求，或者外科工具预期在什么情况下工作(通过)以及工具预期在什么情况下不工作(未通过)。

发明内容

使用MIS工具的要求应当以人体躯干的几何模型的形式来指定，该模型考虑到充气对躯干的效应。本公开的一个方面在此是一组标准，用于对MIS的给定外科工具设计是否能够到达参考患者的解剖结构作出通过/未通过确定。该确定继而提供关于外科端口(其中外科工具将插在参考患者身上)的放置的引导，以执行微创外科手术，诸如内窥镜手术(例如，其中工具是腹腔镜手持式外科器械)和机器人辅助内窥镜手术(例如，其中工具是附接到具有一定数量的连接件和机动接合部的外科机器人臂的腕式外科器械或内窥镜)。

描述了基于椭圆柱的参数化几何患者躯干模型。在一个方面，基于以下参数中的两个或更多个参数，针对模型实例化若干参考患者尺寸：参考患者的身高、腰围、体重指数(BMI)和性别，从而为任意尺寸的患者产生参数化模型。BMI可以基于患者的身高和体重来计算。

针对给定外科规程的指定活动，确定模型中的归一化坐标中的外科目标位置，并且然后将这些位置映射到实例化的参考患者尺寸中的对应(未归一化)位置。

基于给定外科工具的工具到达范围以及基于躯干模型内部的外科目标位置，确定模型的进入表面上的归一化坐标中的外科端口位置。然后将这些外科端口位置映射到实例化的参考患者尺寸中的每个参考患者尺寸中的对应(未归一化)外科端口位置。可针对参考患者尺寸中的每个参考患者尺寸生成可达性映射图，该可达性映射图示出参考患者尺寸的进入表面上允许放置外科端口(特定外科工具可通过该外科端口到达相关外科目标位置)的位置。