专利名称:可视化外科手术轨迹的制作方法这样的方法是例如从Guo等人的"Development and Application of Functional Databases for Planning Deep-Brain Neurosurgical Procedures,,中已知。根据 Guo 等人,已知的是将单个病人手术前的MR图像与数字化解剖图谱(anatomical atlas)相结合。仅仅根据MR图像,很难或者甚至不可能可视地区分小的不同神经结构,例如,底丘脑核 (STN),其通常在深部脑刺激过程中被确定为目标。当使用来自解剖图谱的附加信息和/或概率性的功能图谱,可以增强用于根据该操作的外科手术计划定位外科手术目标的准确性和精确度。在Guo等人中,基于可以在外科手术之前得到的附加标准电生理学信息的概率性功能图谱被用于帮助外科手术目标确定以及向3D图像数据提供解剖标记。结合的图像和标准的电生理学信息一起用作实现探针沿着实际的或者仿真的外科手术轨迹的位置的显示。探针的位置显示在3D图像容积中以及病人的2D切片中。然而,由于任何配准方法固有的配准误差,图谱与手术前MR图像的配准具有有限的精确度。例如分割的图像处理可以用来进一步地改进解剖标记。然而,该技术还具有固有的有限准确性。此外,在外科手术中,植入的探针可以无意地偏离计划的轨迹(例如,由于诸如探针轻微弯曲的缺点)或者解剖可以由于外科手术过程本身而轻微移位(例如,在组织中植入探针生成将组织推向一边的小力场;在外科手术时脑脊液的损失可以引起组织中的压力改变,其导致也称为“脑移位”的较大变形)。在小目标中精确地植入探针因此通常要求术中测量(intra-operative measurement)(例如,电生理学测量),以确切地定位目标并且校正误差,这是由于手术前计划的不准确或者由于外科手术时的解剖移位或者由于探针对于计划轨迹的(无意的)偏离。正确的解释这种术中测量(intra-operative measurement) 对于准确的目标定位是关键的,但是由于当执行该分析时数据的复杂以及需由专家处理的信息量,可以是执行非常困难的分析。Guo等人所描述的方法的问题是所得到的数据不给外科医生提供足够清楚和明确的信息,该信息能够帮助医生识别期望的精神结构的类型以及沿着计划且横过的外科手术路径来定位外科手术目标。发明目的本发明的目的是为外科医生提供更清楚地显示足够清楚信息的方法,以便于知道希望什么类型的神经结构沿着计划且横过的(traversed)外科手术路径。
根据本发明的第一方面,该目的是通过提供使外科手术轨迹可视化的方法来实现的,该方法包括接收进行外科手术的区域中的3D成像信息,使所接收的3D成像信息与来自解剖模型库(例如,数字化解剖图谱)的数据相结合以得到进行外科手术的区域的组合地图(该组合地图包括进行外科手术的区域中的解剖结构的希望位置),接收用于外科手术的外科手术轨迹,确定外科手术轨迹与解剖结构的交叉(intersection)的位置,以及提供在与外科手术轨迹对准的坐标系统中交叉的位置。由于该方法,用户接收什么解剖结构被希望沿着外科手术轨迹在什么位置处的清楚概观。实际上,根据本发明的方法在外科手术路径上绘制3D的解剖信息。利用根据本发明的方法,用户知道什么结构被希望沿着计划的或者导航的外科手术路径在什么位置处。 因此,更容易的是,躲避关键结构,在特殊的解剖结构处定位外科手术目标或者例如释放某种药物。根据本发明的方法结合(i)3D医学成像信息,与(ii)在3D医学成像信息中用于分割解剖结构的解剖模型库,以及(iii)指示在外科手术介入期间从外科手术探针所得到的解剖或者组织类型的局部测量。模型库与3D成像信息相结合,以提供成像信息的3D解剖标记(例如,通过将数字解剖图谱与MRI配准)。朝向至少一个外科手术目标的至少一个计划的外科手术轨迹与解剖标记的3D图像相结合,并且具有解剖标记的3D成像信息的轨迹横截面(cross-section)在外科手术轨迹上投影为解剖标记。可选地,医学成像数据和相关联的解剖标记可以通过围术期成像(perioperative imaging)(例如,使用平面3D χ射线系统、介入的MRI或者3D超声波)在术中更新。使用至少一个外科手术探针的局部测量可以使得沿着计划的外科手术轨迹在术中支持识别探针的测量定位处的解剖类型。从局部测量所提取的数据是与标记的外科手术轨迹共同可视, 以帮助它们的解释以及支持外科手术目标的术中准确定位。从局部测量所提取的数据可以进一步地与标记的外科手术轨迹相结合,用于计算机处理(例如,使用特征聚类分析算法), 以提取指示某种解剖的典型特征,其可以呈现给用户以便于支持目标定位。在优选的实施例中,组合地图包括进行手术的区域中的统计地图,该统计地图包括在区域中的位置处存在解剖结构的可能性。在这个统计地图中,从一个解剖结构向另一解剖结构的转变不是突变的,而是逐渐地过渡。交叉(intersection)因而不代表在其中一个结构位于另一个结构附近的单个点。代替的,交叉是外科手术路径的部分,其中,第一结构的可能性逐步减少而至少一个其它结构的可能性逐渐增加。例如,在沿着外科手术路径的某一位置处,可能存在30%的可能性是在第一结构,并且70%的可能性是在第二结构。在某些位置处,甚至超过两个不同的解剖结构可以具有明显的可能性。要指出的是,使用突变交叉的方法仅仅使用0%和100%的可能性。为了清楚地指出哪些结构将被希望在外科手术轨迹中的哪个位置处,交叉的位置可以提供为交叉和外科手术轨迹中目标之间的距离。这使得用户可以看出特定的解剖结构将希望离目标区多近。外科手术轨迹可以是计划的或者导航轨迹。当计划轨迹时,该方法有助于找到比较安全并且容易进入目标的路线。当使用外科手术工具来导航轨迹时,根据本发明的方法可以帮助用户来看出他当前正工作于何种类型的解剖结构,并且,可能地,当沿着路径进一步朝向目标结构时可以希望何种类型的结构。在根据本发明的方法的实际实施例中,外科手术工具是电生理学探针,并且该方法进一步地包括接收来自探针的电生理学信号的步骤,从所接收的电生理学信号提取特征的步骤,使所提取的特征与坐标系统中的位置相关的步骤,以及使与坐标系统中相关位置结合的所提取特征可视化的步骤。在实施例中,使用脊柱周围的区域中的CT或者类似CT的3D图像数据。通过使用分割和解剖模型,3D图像被解剖地标记,并且外科手术轨迹被计划。具有用于光反射测量的集成光纤的外科手术探针用于在探针尖端(“光针”)处的局部解剖绘图。3D图像信息和相关联的解剖标记通过使用平面旋转χ射线系统由手术期间的3D χ射线来更新。在不同的探针位置处得到光谱。光谱和一个地图(map)—起被可视化,该地图基于3D (自动标记的)图像中外科手术探针尖端的导航轨迹使得某些解剖标记相对于外科手术探针的尖端的接近度和方向性可视化。参考以下所描述的实施例,本发明的这些和其它方面是显而易见的且将被阐述。在图中
图1示出了包括来自MRI的数据、图谱和外科手术轨迹的图像, 图2示出了电生理学记录的输出的实例; 图3示出了根据本发明的系统的框图; 图4示出了解剖部分和外科手术轨迹的交叉的位置的计算; 图5、6和7示出了由根据本发明的系统所提供的外科手术轨迹的典型可视化; 图8a和8b示出了与关于外科手术路径的解剖信息相结合的神经-EP参数值的另一个可视化;
图9示出了噪声等级对应发放率(firing rate),以及图10示出了根据本发明的方法的流程图。
9分编译的形式)的形式,或者以适于在实现根据本发明的方法中使用的任何其它形式。还要理解的是,这个程序可以具有许多不同的构造设计。例如,实现根据本发明的方法或者系统的功能的程序代码可以可以被细分为一个或者多个子程序。在这些子程序中分配功能的许多不同的方法对于本领域技术人员是显而易见的。子程序可以一起存储在一个可执行文件中,以形成自含式程序。这个可执行文件可以包括计算机可执行指令,例如,处理器指令和/ 或编译器指令(例如,JAVA编译器指令)。可替代地,一个或者多个或者全部的子程序可以存储在至少一个外部库文件中,并且例如在运行时静态地或者动态地与主程序相关联。主程序含有对至少一个子程序的至少一个调用。同样,子程序可以包括彼此的功能调用。与计算机程序产品相关的实施例包括计算机可执行指令,其对应于所提到的方法中至少一个的处理步骤中每一个。这些指令可以细分为子程序,和/或存储在可以静态或者动态地关联的一个或者多个文件中。与计算机程序产品相关的另一个实施例包括计算机可执行指令, 其对应于所提到的系统和/或产品中至少一个的装置中的每一个。这些指令可以细分为子程序,和/或存储在可以静态或者动态地关联的一个或者多个文件中。计算机程序的载体可以是能够携带程序的任何实体或者设备。例如,载体可以包括存储介质,例如,ROM (例如,CD ROM或者半导体ROM)或者磁性记录介质(例如,软盘或者硬盘)。此外,载体可以是可传送的载体,例如,电或者光信号,其可以经由电缆或光缆或者由无线电或其它方式来传送。当程序体现在这个信号中时,载体可以由这种电缆或者其它设备或装置来构成。可替代地,载体可以是在其中嵌入程序的集成电路,集成电路适于执行相关方法或者在执行相关方法时使用。要指出的是,上述实施例说明而不是限制本发明,并且本领域技术人员将能够设计许多可替代地实施例,而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中,括号之间的任何附图标记将不解释为限制权利要求。使用动词“包括”和其结合将不排除存在不同于权利要求中所陈述那些的元件或者步骤。元件之前的冠词“一”不排除存在多个这种元件。本发明通过可以借助于包括许多独立元件的硬件以及借助于合适地编程计算机来执行。在列举了许多装置的设备权利要求中,这些装置中的几个可以由一个或者相同项的硬件来体现。在不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实不表示这些措施的结合不能使用以受益。
本发明提供一种用于使外科手术轨迹(32、101、42、46、47)可视化的方法。该方法包括接收(71)进行外科手术的区域的3D成像信息(31),以及使所接收的3D成像信息(31)与来自数字化解剖图谱的数据相结合(72)。因此,得到进行外科手术的区域的组合地图。该组合地图包括在进行外科手术的区域中的解剖结构(102、103、104)的希望位置。该方法进一步地包括以下步骤:接收(73)用于外科手术的外科手术轨迹(32、101、42、46、47);确定(74)外科手术轨迹(32、101、42、46、47)与解剖结构(102、103、104)的交叉(43、44)的位置;并且在与外科手术轨迹(32、101、42、46、47)对准的坐标系统中提供(75)交叉(43、44)的位置。
可视化外科手术轨迹制作方法
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