专利名称:用于微创外科手术的虚拟测量工具的制作方法微创外科手术技术的目的在于减少在诊断或外科手术期间被损伤的无关组织的量,因而减少病人的康复时间、不适感以及旁边组织的损伤。因此,利用微创外科手术技术可以明显缩短标准手术的平均住院时间。而且,利用微创外科手术也可以减少病人的康复时间、病人的不适感、手术副作用以及停工时间。内窥镜检查术是熟知的微创外科手术的形式,并且内窥镜检查术的常见形式是腹腔镜检查术,这种腹腔镜检查术是腹腔内的微创检查和微创外科手术。在标准的腹腔镜 (laparoscopic)外科手术中,病人的腹部被吹入气体,并且套管套筒穿过小(大约1/2英寸或更小)切口以提供用于腹腔镜器械的进入端口。腹腔镜外科手术器械一般包括腹腔镜或内窥镜(用于观察外科手术部位)和工作工具。该工作工具类似于常规开放性外科手术中所用的工作工具,除了每个工具的工作端或端部执行器用细长杆与其柄部分开之外。外科手术器械的端部执行器或工作部分能够操纵或处理组织,并且可以(例如)包括夹子、抓紧器、剪刀、吻合器、图像捕获透镜或针夹具。为了进行外科手术过程,外科医生使工作工具或器械穿过套管套筒到内部外科手术部位并且从腹部外面操纵该工具或器械。外科医生通过显示从腹腔镜拍摄的外科手术部位的图像的监视器来观察手术过程。类似的内窥镜技术可用在下述的检查中,例如关节镜检查、腹膜后镜检查、骨盆镜检查、肾盂镜检查、膀胱镜检查、脑池镜检查、窦镜检查、宫腔镜检查、尿道镜检查等。研发微创远程外科手术机器人系统来增加当在内部外科手术部位内工作时外科医生的灵活性,并且可选地允许外科医生能够从远程位置对病人进行手术。在远程外科手术系统中,通常在控制台上为外科医生提供外科手术部位的图像。在合适的观察器或显示器上观察外科手术部位的3-D图像的同时,外科医生通过操纵控制台的主动输入或控制装置对病人进行外科手术过程。每个主动输入装置均控制伺服机构操作的外科手术器械的运动。在外科手术过程期间,远程外科手术系统能够提供具有端部执行器的各种外科手术器械或工具的机械致动和控制,该外科手术器械或工具响应主动输入装置的操纵为外科医生执行各种功能,例如固定或驱动针、抓取血管或切割组织等。虽然新的远程外科手术机器人系统对于扩大外科医生在对病人造成更小创伤以及其他许多成功性的情况下进行治疗的能力具有极大的前景,但是仍然需要进一步改进。 例如,已知的机器人系统通常依赖于来自与机器人连杆的每个接头有关的传感器的接头定位信息来计算端部执行器的运动要求、位置等。虽然这种基于接头的信息提供用于大多数远程外科手术目的的端部执行器的足够准确度的相对运动,但是利用这种基于接头的数据所确定的外科手术工具的绝对位置可能不是对于所有目的都足够准确。具体说,当利用机器人外科手术系统获得组织测量信息通常有利的,并且由基于接头的数据所提供的一些准确度改进对于这种测量可能是有利的。根据上面所述,希望提供用于外科手术和其他应用的改进的机器人和/或测量系统。如果这些改进允许医师能够与组织交互作用并测量该组织,那将是特别有利的,理想地这种测量包括三维测量,且其准确度超过仅利用基于接头的数据所容易提供的准确度。
本发明的各方面大体提供改进的机器人和/或测量装置、系统和方法。本发明的实施例可以用于通过诸如内窥镜套管套筒、自然孔口等的微创口的远程外科手术治疗。这样的实施例可以利用可操作地连接于外科手术工具的远程外科手术输入装置,以便允许系统使用者操纵被测量的组织或者以其他方式与被测量的组织交互作用。不同于仅依赖基于接头的数据,该系统可以利用从立体图像获得的三维(3-D)定位信息,其中图像也可以被呈现给系统使用者。除了组织上的两个或两个以上离散点之间的3-D位置偏移之外,该系统也可以允许使用者沿着感兴趣的组织识别出位置的有效连续曲线。之后,该系统能够确定3-D线段的长度测量值、沿着直线或弯曲组织的累积长度的多线测量值、组织结构内的面积测量值、组织体积测量值、纵横比测量值等。离散点可以用单个外科手术工具识别,或通过两个或两个以上外科手术工具之间的间隔识别,其中使用者可选地在使组织结构变直或拉伸的同时可选地通过使一对工具沿着该组织结构双手交替(hand over hand)移动来测量组织结构的长度(甚至该结构比立体图像捕获装置的视场更长或局部不清楚)。通过在识别将被测量的组织位置的同时允许系统使用者与组织交互作用,并且通过利用成像数据(可选地与基于接头的数据相结合的成像数据)确定测量值,能够明显增强测量准确度和组织测量的简便性,特别是当工作于至少局部不清楚的组织时。第一方面,本发明提供一种用于测量结构的方法。该方法包括用第一机器人工具夹爪来抓取第一结构位置。用第二机器人工具夹爪来抓取第二结构位置。释放第一工具的夹爪,并且从第一位置移开第一工具从而抓取第三结构位置。将位置之间的三维偏移相加以便沿着该结构测量双手交替的长度。被测量的结构通常包括在微创外科手术部位内的组织结构,其中该结构可选地是细长的和/或柔性的组织结构,例如肠胃道的一部分或类似结构。能够通过交替地用第一和第二机器人工具夹爪来抓取该结构,来表示多个额外的组织结构位置。然后组织结构能够被测量为顺序的一系列偏移,其中每个偏移均由一对位置限定一一个用第一夹爪确定且另一个由第二夹爪确定。沿着每个夹爪的测量位置可以被叠加在手术部位的显示上,以便指示出该偏移是在夹爪末端、夹爪中间、夹爪的枢点处还是在类似处被测量。同样,第一和第二夹爪之间的拉伸线、第一和第二夹爪之间递增偏移测量和/或累积测量(包括先前相加的偏移)可以被叠加。虽然可以用可替代的输入机构,不过组织位置通常通过致动夹爪来标定。优选地, 在第二工具继续抓取该组织的同时释放第一工具的夹爪会标定正被第二工具的夹爪所抓取的组织位置(并且测量该偏移),并且这还开启了第一和第二位置之间的递增偏移的测7量。这种通过释放第一工具来标定第二位置允许第二工具抓取并释放多个候选组织位置而不改变相加的偏移。这种或其他技术也能够被用来有助于使用夹爪来操纵组织结构,以便在第一和第二夹爪之间的相关位移被确定之前弄直或拉伸该组织结构的测量长度。换句话说,对于任意给定测量,一个工具可以保持抓取,且另一个工具能够被允许抓取并释放多次,直到达到期望的组织位置。此时,可以释放另一个工具来进行测量。之后,工具之间的位置标定职责可以交换。在许多实施例中,使用者将观察图像捕获装置视场内的组织结构。在确定第一位置和第二位置之间的偏移时一些组织结构在视场中可能不可见。该组织结构可以由夹爪操纵,以便将先前被遮挡的部分成像到视场中。可替代地,可以移动视场以便对沿着该结构先前看不见的位置成像并且允许测量包括有关抓取位置之间的偏移。优选地,获得组织结构的左和右立体图像是通过生成图像数据的图像捕获装置而获得的。然后,能够通过利用该图像数据来确定位置之间的三维偏移,从而测量偏移。另一方面,本发明提供一种用于测量组织的方法。该方法包括用第一机器人工具指示第一组织位置。还自动地指示多个额外的组织位置。确定由组织位置限定的测量。在许多实施例中,测量包括在成对的组织位置之间的累积长度和/或面积测量。 再一种选择包括由位置限定的纵横比测量,等。在一些实施例中,能够识别出该面积内的中心位置以及在该中心和组织位置之间限定的三角形的面积,以便计算面积。位置之间的线段可以被叠加在组织的图像上,其中线段通常表示该面积的边界。系统使用者通常参考图像来自动地弓I导第一工具的移动。图像可以通过生成图像数据的图像捕获装置而获得,并且可以响应该图像数据来确定组织位置。组织位置通常包括界定所述面积的离散标定位置,其中按照来自系统使用者的相关输入来标定每个位置。在一些实施例中,响应第一机器人工具和前一位置之间的临时的或空间的间隔来标定位置,其中位置可选地紧密地间隔以便作为对该工具的运动的连续曲线跟踪而呈现给使用者。在每个位置处,图形指示符可以被叠加在组织的图像内。在第一工具已经从由该第一工具标定的第一位置移开之后图形指示符可以被保留。直线可以叠加在该图像内的顺序的位置之间,图形指示符可以在该图像内被叠加在第一机器人工具的工具测量位置上(例如在工具的末端,在沿着一对夹爪的中点,等),并且/或者拉伸线可以在该图像内被叠加在前一位置和工具之间。在前一位置和工具之间的递增偏移可以被叠加在该图像内,偏移的累积总和、面积、体积和/或类似测量值可以被叠加在该图像上,其中这些测量值通常是从所述位置和/或连接它们的任何直线偏移开。在一些实施例中,位置可以由两个或两个以上的机器人工具指示。利用两个以上工具的测量可以可选地按照多个系统使用者的输入。例如,第二机器人工具可以指示至少第二组织位置,并且第三机器人工具可以指示至少第三组织位置。第一机器人工具可以与由第一外科医生或其他系统使用者操作的第一主/从三维输入装置操作地相关联,并且第二机器人工具可以与由第二外科医生或其他系统使用者操作的第二主/从三维输入装置操作地相关联。另一方面,本发明提供一种用于测量结构的系统。该系统包括用于抓取第一结构位置的第一机器人工具夹爪。第二工具夹爪抓取第二结构位置。处理器将所述机器人工具连接到输出,以使得来自操作者的输入命令导致该处理器将所述位置之间的3-D偏移相加,从而测量沿着该结构的双手交替长度。另一方面,本发明提供一种用于测量组织的系统。该系统包括用于接合第一组织位置的第一机器人工具。处理器连接于该第一工具,以使得该处理器确定由第一组织位置和多个额外的自动接合位置所限定的测量值。图1是根据本发明实施例用于进行外科手术的微创机器人外科手术系统的俯视图。图2是机器人外科手术系统的外科医生控制台的前视图。图3是机器人外科手术系统观测推车的前视图。图4示意地示出图1的机器人外科手术系统的数据处理结构。图5A是机器人外科手术系统的病人侧推车(外科手术机器人)的正视图。图5B和图5C分别是8mm杆机器人外科手术工具和5mm杆机器人外科手术工具的前视图。图6示意地示出利用图1的系统测量组织的方法中所包括的步骤。图7是用于轮廓测量且具体是用于标定多个组织或其他结构位置的流程图。图8是利用组织或其他结构位置的轮廓测量工具的分类图。图9是按照本发明的可选实施例用于有效连续采样模式以产生规则间隔的位置或样品的流程图。图IOA和图IOB是面积或容器计算和显示的分类图。图11是示出为了测量用于双手交替(hand over hand)组织或其他位置标定的软件的流程图。图12是叠加了标定位置和拉伸线的机器人外科手术工具图像的屏幕快照 (screenshot)0图13是单个机器人外科手术工具的简化示意图,其标定轮廓或组织位置之间的连续的一系列线段以用于累积长度测量。图14是用于测量组织结构的周长和面积的工具的屏幕快照。图15A是两个机器人外科手术工具的简化示意图,其被用于用双手交替的(hand over hand)方法来测量柔性组织结构的长度。图15B是获得双手交替的(hand over hand)测量的两个机器人外科手术工具的屏幕快照。
作为一个例子,感兴趣的点应当参考组织的右图像的像素位置而被识别。图像匹配的输出一般可以包括在左图像中看见的该组织表面的对应像素位置。每一个像素位置有效地提供用于该眼睛的关联X-Y位置,其中坐标系统之间的视差偏移通常允许按照摄像机校准数据而确定深度。当工具在识别位置时(或如果工具从组织表面位置和摄像机之间移开后挡道的情况下)可以发生匹配,并且位置标记可以从工具传到(snap)组织表面。也可以利用可替代位置识别技术和系统,例如确定在围绕该工具的区域或窗口中的匹配组织表面位置的阵列,确定该工具上的测量位置的位置,并且该标记传到最靠近该工具的组织表面。在第一组织位置被标定之后,继续如图6所示的示范性测量方法100,之后在步骤 122系统使用者可以操纵主控制器以将工具移动到下一个期望的组织位置。当工具在呈现给系统使用者的立体图像中运动时,在步骤1 在该部位的图像上从先前标定的组织位置到该运动测量工具叠加了拉伸线,更具体地说,是到仍然叠加在测量工具上的标记。在步骤 126在主控制器移动期间可以显示递增数据,包括拉伸线长度等,可选地,总长度(包括在成对的标定组织位置之间的先前的偏移)也可以被叠加在图像上。当标记等被叠加在组织上、在机器人结构上(例如工具)或该图像中所示的其他结构上时,通常有利的是,在呈现给系统使用者的立体图像中标记出现在与下层结构所在相同的相同深度处。虽然各种方法可以用来匹配左和右图像中的位置,以使得标记出现在与下层组织或其他结构相同的深度处,但是公开在共同未决美国专利申请No. 61/204,082 中的特别有效且可靠的图像匹配技术具有明显的优点,该申请先前结合于此供参考。一旦测量工具已经被接合并且(根据希望)被操纵到下一个组织位置,则在步骤 1 使用者能够致动输入,以便标定该组织位置。基于从图像中提取的数据(可选地,也利用基于接头的数据或运动学机器人数据来验证基于图像的位置信息),在步骤130偏移数据能够被更新,并且在步骤132另一个标记被叠加在标定的组织位置上。在一些实施例中, 拉伸线可以仅仅出现在前一个标定位置和运动工具之间,而可替代实施例可以固定拉伸线线段,以便使用者能够看见已经由多个标定的组织位置所限定的整体轮廓。正如在上面所提到的,标定的组织位置可以从通过对呈现给系统使用者的立体图像的图像处理而获得的工具跟踪数据中提取,并且该数据通常包括组织位置之间的3-D偏移。该数据可以限定包括连接标定的组织位置以便形成轮廓的一系列直线段的3-D多线。可替代实施例可以利用标定的点之间的样条(spline)或其他曲线,或者它们可以使直线伸出到如图像匹配技术所识别的下层组织或最近的组织表面上。如果在步骤134系统使用者指出这是最后的位置 (和/或,例如通过有效地包围一个面积、达到预先识别的感兴趣的线段数目等,该系统确定它是最后的位置),则在步骤136可以显示最终测量,其中该显示通常被再次叠加在该外科手术部位。可替代实施例可以利用分离于组织图像的显示数据,或者是显示在组织图像窗口之外的显示数据、或者是显示在单独的显示器上的显示数据、或者是显示在组织图像显示器内的单独的窗口上的显示数据或者是显示在其他类似处的显示数据。使用者可以通过双击主控制器柄、按压脚踏板、致动可替代手柄(或两个柄)或其他类似动作来指示这是最后的位置。如果该位置不被识别为最后的位置,则在步骤122系统可以允许使用者再次操纵主控制器并且标定另外的组织位置,等等。系统50和方法110 (包括其变型)可以在微创外科手术过程期间获得在体内的准
14确3-D测量。这些系统和方法能够综合利用已经研发的机器人外科手术系统(包括从加利福尼亚州的htuitive Surgical, Inc.可商业获得的da Vinci 外科手术系统)。可替代实施例可以基于或增加到现在正在研发或将来研发的机器人外科手术系统。这里描述的系统和技术可以包括利用图像数据跟踪工具和用图形信息加强外科手术范围(特别是,用示出在测量工具上的或者独立于测量工具的测量指针或标记的3-D叠层图像来加强)。测量位置和工具指示符、拉伸线和其他测量标记以及输出图形(例如,交互的3-D数字化读数) 可以出现在图像视场内、图像视场之外但在外科医生的显示器上和/或其他辅助显示系统上的组织或其他结构上。在示范性的实施例中,可以利用与外科医生的立体内窥镜解剖景象一致的被校准立体摄像机模型来产生3-D叠层画面,以使得3-D指示符画面(包括点、线和/或数字化读数)被产生从而在三维中与视场中解剖或其他结构一致地出现。通过以足够的速率更新叠层画面,外科医生可以通过用外科医生控制台16上的主控制输入装置36有效地操作标记来交互地定位3-D标记(见图幻。在进行测量时,移动具有标记的工具使外科医生能够与组织交互作用,这可以避免将标记放在与组织表面不一致的空间位置处,或者避免在该组织表面上方的空间中向着立体图像捕获装置浮动,或者避免在3D空间中在该组织位置之外的组织表面内的有效位置处远离图像捕获装置浮动。优选,足够准确地确定器械末端(或其他测量位置)的笛卡尔位置以便操纵3-D 标记进行期望测量。笛卡尔位置通常在摄像机坐标系统中被确定,并且由机器人系统提供的对工具的控制将有助于以预定方式相对于器械末端、背景组织和其他结构等移动标记。 为了提供标记位置和运动的期望准确度,可以利用在摄像机景象中跟踪工具位置的基于图像的工具跟踪系统。在可替代实施例中,支撑器械的机器人操纵器(可选地支撑摄像机或其他图像捕获装置的操纵器)可以被校准(通常在外科手术开始之前)以便使得在摄像机坐标系统中的器械末端位置的误差最小化。通过使得3-D叠层画面与关于器械的准确信息相结合,能够实现各种的测量交互。许多这样的测量交互涉及利用按照由系统使用者输入到机器人外科手术系统的运动命令而进行的器械的主-从跟踪。除了影响工具的运动之外,被叠加在外科手术部位的显示上的并且特别是在工具末端上的3-D标记或指针的运动,使得标记紧紧跟随器械末端。当器械末端或工具的远端接触解剖组织时,3-D标记将与解剖组织充分一致,以便允许准确的位置标定。利用按钮或脚踏开关,系统使用者采样标记和器械末端的当前位置。器械和按钮的额外运动也可以被用来采样顺序的点。这些采样点之间的累积的欧几里德距离能够被交互地计算并显示给使用者。通常利用这种基本的器械测量交互,可以支持许多测量模式。 因此,外科医生可以测量一系列点中的两个或两个以上点之间的距离。这些点形成开放的或封闭的轮廓。其他量可以从这些点推导出,诸如点的封闭轮廓的表面面积或凸状外壳的体积。可以通过以规则的距离或时间间隔等来自动采样点,从而加快测量长轮廓的交互。除了多边形或多线表征之外,样条或类似的模型由于其天然的平滑度趋势而能够拟合数据以较好地近似组织的结构。当规定点时,拟合过程能够潜在地去掉手运动的一些抖动。3-D点的协方差矩阵能够从观察几何形状而得出,以用于计算出点的误差的非齐次性 (通常导致沿着观察方向的较大误差),并且可以有助于拟合过程。在一些模式中,点也可以被用来有效地限定二维或三维参数化几何形状,例如椭圆形、椭球形、软对象(如在计算机图形所用的)等等,这仅仅可选地利用很少几个点位置。 例如通过计算二维形状的周长和面积、三维形状的体积等,可以推导出或确定几何形状的性质。通常可以通过增加额外的软件模块到适当装备的机器人外科手术系统中,特别是已经具有基于图像的工具跟踪能力的那些系统中,来实现这里描述的方法和系统。这里描述的虚拟测量软件工具可以支持系统和使用者之间的各种交互模式,以及用于测量计算的不同模式。系统使用者和计算模块之间的一类这样的交互可以包括单手测量,其中(例如) 单个工具被用来测量3-D轮廓的长度、封闭轮廓的表面面积和/或其它类似特征。系统使用者和测量计算模块之间的另一类交互可以包括使用两只手和两个关联的工具,其中测量期间工具可选地进行抓取和操纵。这些测量工具通常可以依赖于远程外科手术系统的能力, 以准确地确定工具末端执行器或器械末端的位置,以及在系统的显示器上的叠层画面上准确地强化或画出该位置,以使得它与3-D立体视图中的器械末端一致地出现。现在参考图7,示范性数据采样或标定方法150可以被用来采样轮廓或标定位置。 系统使用者通常利用其支配手来控制测量器械末端位置,并且他们可以用他们非支配手抓取或致动手柄以便添加或去掉样本。例如右撇子系统使用者通常利用其右手操作工具,用其左手标定和/或去标定位置。对于方法150,假定右手是支配手并且假定左手是非支配手。这可以通过利用设定菜单、下拉菜单等而被改变。在采样或标定方法150整个过程期间,右手可以保持紧紧抓取,以使得器械抓紧器或夹爪保持闭合。这可以在有利结构构造中构造具有夹爪的工具以用于接触组织并标定感兴趣的点,并且也可以可选地向系统识别出测量工具。工具夹爪通常通过闭合主控制器的柄的间板而被闭合。当右手在步骤152抓取柄时,在步骤IM工具能够添加点,这是通过在步骤156用左手简单地抓取以便这个柄同样处于闭合。利用非支配手来添加和去掉点会防止支配手的意外运动,否则这将不利地影响工具定位的准确度。在可替代实施例中,在外科医生控制台上可以设置脚踏板或额外的按钮,优选使得输入致动与工具的可控移位不会相互干扰。当右手在步骤158张开时,通过在步骤162用左手抓取而在步骤160工具能够去掉点。系统与使用者的交互使得在测量模式中总是存在交互地跟踪器械末端的点。系统使用者控制器械以将这个点定位成与被测量的解剖组织一致。当固定在位置上时,可以通过用左手抓取来放置该点,这有效地将点或点标记放在当前位置上,并且增加了将被交互移动的新点。为了进一步改进用户界面的感受,多线形式的视觉化会显示顺序的每对点之间的连线直到并包括器械末端的最后一个点。对于相对于要被测量的解剖组织来对齐轮廓的方向而言,这提供了额外的视觉证实。注意到,采样方法150的流程图假定测量的多线的 3-D视觉化在该多线已经改变的任何时刻均针对该操作者被重绘。现在参考图8,图8示出与轮廓相关的测量工具以及这些工具之间的行为的继承关系的分类示意图。这些工具响应按钮按压事件和运动事件,从而处理测量点的位移。这些工具支持图7所示的相同点位移交互模式,但是它们在处理一系列点以产生用于显示的测量文本时在方式上可以是不同的。支持的交互模式包括用于测量两点之间的距离的点对点位移,用于测量任意轮廓的多线点位移,以及用于产生空间上规律化采样的测量的连续点位移。
16
轮廓测量工具也支持连续采样模式或位置标定方法180,如图9所示。方法180产生规律化间隔的样本。操作者可以可选地规定期望的采样容限。该采样容限确定两个样本点之间的最小间隔。可以用在0. 1毫米和20毫米之间的容限,其中1毫米容限通常是可行的,以使得1毫米容限可以用作缺省值。以大致类似上面所述的方式来使用左和右抓取从而添加或去掉点,其中距离测量步骤182被用来确定什么时候工具已经被移动到足够远从而使得添加新样本是正确的。可替代的采样方法可以取决于基于时间的周期采样,微分空间量的改变(例如,用响应于工具路径的连续性和/或曲率而得到的样本),或基于空间的和临时的量的一些组合矩阵(例如,用响应工具的速度和/或加速度而获得的样本)等。现在参考图IOA和图10B,轮廓工具一般可以依赖于多线3-D对象。这可以被用来储存用来计算长度和面积测量的一系列3-D采样点。利用下面的公式,用多线3-D对象的计算长度方法,能够产生开放轮廓工具的测量值 ^ ξ U ρ,+ 一 pnl^Sl利用等式1产生封闭轮廓工具的测量,并且然后增加连接于该系列的最后一点到该系列的第一点的线段的长度。封闭轮廓面积通过近似封闭表面面积来计算,可选地利用三角形的棋盘形布置(tessellation)。然后该面积可以通过积分每个三角形的面积而得至IJ。用于棋盘形布置该表面的一种手段是利用在3-D轮廓的质心处具有固定点的三角形扇面。这对于凸状或接近凸状的输入是特别奏效的,这种输入代表要被测量的大多数轮廓。本发明的实施例也可以允许叫做双手交替测量的双手器械交互。这能够被实现以便使得系统使用者能够在用两个抓紧器械操纵组织的同时测量组织长度,其中一些或全部操纵发生在图像捕获装置的景象中。对于这种测量,可以用被用来测量当前被抓取的组织的长度的那些点之间的欧几里德距离来跟踪沿着每个工具的抓紧器的点。交互也允许系统使用者能够顺序地累积被抓取在工具之间的组织的长度。工具之间的距离基于工具抓紧器的铰接处被自动采样且累积。由于使用机器人外科手术系统双手交替的交互作用的性质, 一只手能够被假定为抓取(且因此标定)新的位置。一旦新的位置被抓取并且另一只手释放组织,则系统自动采样并累积器械之间的距离。这种采样条件是方便的,因而允许使用者在进行累积测量之前抓取和再抓取,以便当组织被从右手工具释放并且外科医生到达左手工具之外时,在通过释放左手工具标定新的抓取位置之前,外科医生可以在周围移动整个组织或移动其他的组织来让道。此外,系统使用者可以有机会弄直或甚至稍微拉伸被测量的组织以便最佳地近似期望被采样的线性线段的长度。现在参考图11,双手交替数据采样方法200在累积总的测量长度的同时,允许使用者在图像捕获装置的视场内和/或通过图像捕获装置的视场来抓取、操纵和移动组织。 交互提供了直觉的双手测量范例,近似于交替使用每只手来沿着长绳拉。交互不限制测量方向和长度。操作者通过进行一系列分段式线性测量,可以测量任意长的或弯曲的样品。 利用这种测量交互的一个例子是在胃肠手术过程中测量出肠的长度。在双手交替采样方法 200中,系统使用者和该系统之间的交互已经被设计成使得允许系统使用者利用用一手抓紧且用另一只手测量的交替方式。该测量开始于,操作者用一只手或另一只手抓取被测量的样品。未抓取的手成为测量手。系统连续地计算并显示与左和右手及主控制输入装置相关联的工具之间的计算距离以及先前测量的运算合计。在步骤202释放抓取手之前,不抓取的手是空着的且在决定期望的抓取以提交测量的长度之前多次释放。在步骤202释放抓取手时,测量被进行并且两只手之间的关系被转换。进行测量包括在步骤204将两个工具之间的计算距离增加到运算合计。在步骤206,由于角色转换,前一次的测量手之后是抓取样本,并且前一次的抓取手现在是空闲以标定新的位置的测量工具。图12是图形地示出利用图像数据的点对点的单线线段测量的屏幕快照。显示的图像220示出已经在其上叠加了标记224的工具222。标记2 被示出在一个先前的标定位置上,并且拉伸线2 在该先前的标定位置和工具上的标记之间延伸。示出拉伸线的长度的数字图形230被提供成从该拉伸线偏移开且在成像装置的视场内。各种颜色可以用于显示的拉伸线228,以使得它在背景组织上能够被看见。在图12所示的实施例中,拉伸线 2 是亮绿色。同样,各种颜色可以用于显示的标记。现在参考图13,图13示意地示出多线测量。工具MO已经被预先用于标定两个组织位置M2J44,并且显示的标记在工具已经继续移动之后被留在这两个位置。线段M6 仍然被固定在先前的标定位置之间。拉伸线248随工具240运动,并且具体在前一标定位置244和工具上的测量位置250之间延伸。标记252在工具的测量位置250被叠加在工具上,以便在测量期间表现为随工具运动。注意到,被标记的位置不需要(并且通常不)位于一条直线上、在一个平面内等。一旦组织位置被标定之后,当摄像机移动以便观察被测量组织的另一个部分时显示的标记可以随组织被保留。参考图14,图14是能够看见的封闭的多线测量的一个示范性的实施例。注意到, 感兴趣的组织结构的周长和/或面积可以被显示,其中在这里的组织结构包括二尖瓣环。 不同的颜色可以用于不同的显示标记或线。例如,面积边界线2M可以用黄色示出,从该面积的中心258延伸到每个显示标记226的棋盘形布置线256可以用白色示出。棋盘形布置线可以用来计算边界线254内的面积。示范性的双手交替测量方法可以参考图15A和图15B来理解。测量工具260沿着柔性组织或其他结构FT (在这里是测量皮尺)运动,生成示出测量工具260和抓取工具沈2 之间的测量距离的输出。一旦沿着柔性组织FT的期望位置已经被识别并且组织已经被适当地变直和/或拉伸,则测量工具260可以保持为闭合抓取模式,而抓取工具262被释放, 该动作更新累积的距离测量以便包括工具之间的最后一个间隔。间隔距离可以再次通过两个工具的角色转换被示出,其中先前的测量工具260现在是抓取工具,如此等等。图15B的图示出利用皮尺测量的双手交替测量交互的验证。线段以三维方式被叠加在器械抓紧器之间,以便呈现被测量的长度。文本信息被交互地显示在线段的中点,以便指示中间和累积的测量长度。其他的实施例可以使得上面描述的许多技术和系统与静止的立体图像结合,以便有助于测量偏移、面积、体积、纵横比等。例如,希望获得运动组织的测量,特别是用于在封闭胸腔心跳过程期间测量心脏的组织结构。为了有助于在这种生理运动期间的准确测量, 处理器能够冻结呈现给系统使用者的立体视频图像(例如在外科医生控制台中呈现给一个或更多个外科医生的立体图像,或在关联显示器中呈现给助手或代理人的二维图像)。在标定组织位置的准备期间根据来自系统使用者的输入可以冻结图像,或者响应指示出机器人工具被置于第一组织位置处或其附近的输入可以冻结图像。无论如何,之后,相同的(或不同的)系统使用者可以识别在冻结图像中的一个或更多个组织位置。可选地,能够通过利用外科医生控制台的主动输入装置来操纵3D指针到组织图像的期望位置,从而识别组
18织位置。可替代地,系统使用者可以简单地标定在两个冻结立体图像之一中的位置。在任何一种情况下,当组织标定命令被处理器接收时,指针可以基于立体图像之一中的指针位置被传到组织表面。当该期望组织位置已经被输入到该冻结图像中时,可以如上面描述的通过三维图像数据来确定三维偏移和测量。虽然所有的组织位置均可以用指针等被可选地指示出,但是使用机器人工具对至少第一位置的指示可以帮助稳定局部组织。为了测量跳动的心脏和/或其他循环地运动的组织,可以捕获时间序列图像并将其用于生成组织运动循环的不同阶段的一系列测量。因此,这样的系统和方法能够(例如)捕获心脏的一系列循环泵送状态并且进行对这些状态的测量,以加强对各种心脏状况的诊断和治疗。
虽然为了清楚理解并且以举例的方式在一些细节中已经描述了示范性的实施例, 但是对于本领域的普通技术人员而言各种修改、修正和变化将是很显然的。因此,本发明的范围仅仅由权利要求限定。
本发明公开一种用于远程外科手术和其他应用的机器人和/或测量装置(10)、系统和方法。该装置、系统和方法利用操作地连接于工具(26)的输入装置(16)从
用于微创外科手术的虚拟测量工具制作方法
- 专利详情
- 全文pdf
- 权力要求
- 说明书
- 法律状态
查看更多专利详情
下载专利文献
下载专利
同类推荐
-
A·弗罗里普S·R·库达维利, E·J·迈耶朴淳五朴淳五
您可能感兴趣的专利
-
朴淳五朴淳五朴淳五H.J.佩德森, J.A.汉森L·米兹拉夫, R·克劳斯鹿清杰, 刘付文M.菲尼
专利相关信息
-
康斯坦丁诺斯·尼蔻刘祖德, 钟贵彬刘祖德, 钟贵彬严晓华真锅宏幸