根据解剖特征对内窥镜的机器人控制的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及在微创手术(例如微创冠状动脉旁路移植手术)期间对内窥镜的机器人控制。本发明尤其涉及基于对解剖区域内的内窥镜位姿的确定的机器人控制以对在内窥镜图像内的解剖特征进行可视化。
【背景技术】
[0002]微创手术是使用通过小的端口被插入患者身体中的细长器械来执行的。针对涉及内窥镜的手术，内窥镜相机被插入端口以提供对手术位点的可视化。例如，外科医生可以在手术期间持握并手动控制两个(2)腹腔镜器械，同时医师助理控制内窥镜并从外科医生接收在手术期间将内窥镜移动到特定位置的指令。
[0003]外科医生对医师助理关于内窥镜的确切期望位置的交流可能是困难的，尤其是考虑到要绕在到身体的入口处的枢轴点移动内窥镜和器械所要求的具有挑战性的手眼协调能力，以及考虑到外科医师、医师助理以及视频图像对手术位点的不同位置和参照系。例如，视频图像上的“左”在医师助理的手里可能意味着“右下”。为了克服这些困难，现有技术已提出了使用自动设备或机器人控制内窥镜，尤其在手术期间将医师助理从该任务解除。然而，考虑到外科医生两手控制两个(2)腹腔镜器械，医师能够控制机器人内窥镜的方法是重要的，并且许多命题已在现有技术中得到解决。
[0004]总体而言，用于引导机器人系统的现有技术的方法的前提是(I)使用不同的输入设备(例如头部运动传感器、操纵杆或语音控制)来引导机器人，(2)通过确定解剖特征关于内窥镜的三维位置使用实况内窥镜图像引导机械，并向该解剖特征移动内窥镜或手术器械，或者(3)根据使用实况图像和记录的术中图像的其他类型的图像来引导机器人。
[0005]更具体而言，现有技术中已知的人-机器人交互方法使用专用硬件或者实况和/或记录的术中图像将机器人移动到期望位置。这些方法假设用户知晓感兴趣解剖特征相对于内窥镜的位置，并且特定解剖特征在内窥镜视图中是可见的。由于解剖特征在内窥镜视图中可能被遮挡(例如冠状动脉可能被脂肪覆盖)或者可能在内窥镜视图之外，因此并不总是这样。
【发明内容】
[0006]本发明提供用于描绘解剖特征在解剖区域的术前图像内的体积坐标位置以方便在解剖区域的内窥镜图像内对解剖特征进行术中可视化的方法，特别是针对在内窥镜图像中部分或整体不可见的解剖特征(例如在内窥镜视图内被遮挡或在内窥镜视图以外)。
[0007]本文中使用的术语“可视化”或其任意变型被宽泛地定义为描述在解剖区域内对内窥镜的机器人控制，其中感兴趣的解剖特征或其(一个或多个)片段在内窥镜图像内部分或整体上可见，或者在内窥镜图像内被遮挡而不可见但对外科医生而言容易形成对解剖特征或其(一个或多个)片段的轮廓线部分或整体上在内窥镜图像内的心理图片。
[0008]本发明的一种形式为采用机器人单元和控制单元的机器人控制系统。所述机器人单元包括用于生成内窥镜图像的内窥镜，以及用于在解剖区域内移动所述内窥镜的机器人。所述控制单元包括内窥镜控制器，用于确定所述解剖区域内的内窥镜位姿以对解剖特征在所述内窥镜图像内进行术中可视化，其中，所述内窥镜位姿是根据在所述解剖区域的术前图像内对所述解剖特征的体积坐标位置的描绘来导出的。所述控制单元还包括机器人控制器，用于命令所述机器人将所述内窥镜移动到所述解剖区域内的所述内窥镜位姿以对所述内窥镜图像内的所述解剖特征进行可视化。
[0009]本发明的第二种形式为针对用于生成内窥镜图像的内窥镜以及用于在解剖区域内移动所述内窥镜的机器人的机器人控制方法。所述机器人控制方法包括确定所述解剖区域内的内窥镜位姿以对解剖特征在所述内窥镜图像内进行术中可视化，其中，所述内窥镜位姿是根据在所述解剖区域的术前图像内对所述解剖特征的体积坐标位置的描绘来导出的。所述机器人控制方法还包括命令所述机器人将所述内窥镜移动到所述解剖区域内的所述内窥镜位姿以对在所述内窥镜图像内所述解剖特征进行可视化。
[0010]本文中使用的术语“术前”被宽泛地定义为描述在出于采集解剖区域的三维(“3D”)图像的目的而对所述解剖区域的内窥镜成像之前、期间或之后执行的任意活动。对所述解剖区域的术前成像的范例包括，但不限于，在对解剖区域的内窥镜成像之前、期间或之后的计算机断层摄影(“CT”)成像、磁共振(“MR”)成像、X射线成像以及3D超声(“3DUS”)成像。
[0011]本文中使用的术语“术中”被宽泛地定义为描述在对解剖区域的内窥镜成像期间由机器人单元和/或控制单元执行的任意活动。对解剖区域的内窥镜成像的范例包括，但不限于，冠状动脉旁路移植、支气管镜检查、结肠镜检查、腹腔镜检查以及脑部内窥镜检查。
[0012]本领域普通技术人员将认识到“解剖区域”和“解剖特征”在本领域已知的意义。但是，解剖区域的范例包括，但不限于，头部、颈部、胸部、腹部、背部、骨盆以及会阴。同样，解剖特征的范例包括，但不限于，器官/器官系统的组成部分和区(例如，心脏的血管、呼吸系统的气管、脑部的小脑、胆囊的底部、乙状结肠的区)。
【附图说明】
[0013]本发明的前述形式和其他形式以及本发明的各种特征和优点将从以下对结合附图来阅读的本发明的各个实施例的详细描述而变得进一步明显。附图和详细描述仅是对本发明的说明而非对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附权利要求及其等价方案限定。
[0014]图1图示根据本发明的机器人控制系统的示范性实施例。
[0015]图2图示表示根据本发明的机器人控制方法的示范性实施例的流程图。
[0016]图3图示图2中所示的流程图的示范性手术实施方式。
[0017]图4图示根据本发明的解剖特征描绘模型的示范性实施例。
[0018]图5和图6图不根据图2中所不的流程图的内窥镜移动的不范性实施方式。
【具体实施方式】
[0019]如图1中所示，机器人引导系统采用机器人单元10和控制单元20用于涉及对解剖区域的一个或多个解剖特征的内窥镜成像的任意内窥镜流程。这样的内窥镜流程的范例包括，但不限于，微创心脏手术、微创诊断介入(例如关节镜检查)、腹腔镜手术、自然开口经腔手术、单切口腹腔镜手术，以及肺部/支气管镜手术。
[0020]在实践中，内窥镜成像可以是对任意解剖特征或其(一个或多个)片段的因此在任意解剖区域内。然而，为了方便对本发明的理解，示范性实施例将在患者的胸部区域内对心脏的左前降支的内窥镜成像的场景中进行描述。
[0021]机器人单元10包括机器人11、被刚性附接到机器人11的内窥镜12以及被附接到内窥镜12的视频捕捉设备13。
[0022]机器人11在本文中被宽泛地定义为在结构上被配置有对一个或多个关节的电动控制的任意机器人设备，其用于根据特定内窥镜流程的期望操纵末端执行器。在实践中，机器人11可以具有四个⑷自由度，例如具有用刚性节段串联的关节的串联