ХИРУРГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, УПРАВЛЯЕМАЯ ПО ИЗОБРАЖЕНИЯМ Российский патент 2011 года по МПК A61B19/00 G01B11/00 

Настоящее изобретение относится к хирургической системе управляемой по изображениям, которая содержит эффективную систему контроля положения.

Система управления хирургическими операциями по изображениям известна из патента США №5389101.

Системы управления хирургическими операциями по изображениям обычно применяются для помощи хирургу при позиционировании хирургического инструмента во время операции. Во время сложной хирургической операции хирургу часто очень сложно или даже невозможно непосредственно наблюдать, где внутри пациента он перемещает хирургический инструмент. На дисплейном устройстве система управления хирургическими операциями по изображениям показывает хирургу положение хирургического инструмента относительно области, в котором выполняется хирургическая операция. Следовательно, система управления хирургическими операциями по изображениям дает хирургу возможность перемещать хирургический инструмент внутри пациента и за пределами прямой видимости, без риска поражения жизненно важных частей.

Система контроля положения известной системы управления хирургическими операциями по изображениям содержит две камеры, которые снимают изображения хирургического инструмента с разных направлений. Система управления хирургическими операциями по изображениям содержит устройство обработки данных для вывода пространственного положения в пространстве хирургического инструмента по сигналам изображения из обеих камер. Во время операции хирургу представляются изображения, которые были собраны раньше. Например, на мониторе могут отображаться компьютерное томографическое (СТ-) изображение или магниторезонансное (MRI-) изображение, которые были сформированы перед операцией. Устройство обработки данных вычисляет соответствующее положение хирургического инструмента на изображении. На демонстрируемом изображении фактическое положение хирургического инструмента отображается вместе с изображением области, в которой применяется хирургический инструмент.

Подобная система управления хирургическими операциями по изображениям предпочтительно применяется в нейрохирургии для представления хирургу положения хирургического инструмента в мозгу пациента, на котором выполняется операция.

Недостаток известной системы управления хирургическими операциями по изображениям состоит в том, что сложно узнать, когда хирургический инструмент вышел за пределы поля измерения. Если инструмент вышел из поля измерения, то системы контроля положения больше не в состоянии контролировать положение хирургического инструмента.

Чтобы справиться с упомянутой проблемой, в патенте США №5954648 предлагается усовершенствованная система управления хирургическими операциями по изображениям, которая содержит индикаторную систему, которая может формировать источник света, например полупроводниковый лазер.

Однако проблема еще остается. Камеры системы оптического слежения или контроля положения обычно предварительно скомпонованы так, чтобы их оптические оси сходились на номинальном расстоянии от камеры. Такая точка сходимости приблизительно задает центр поля зрения («зону наилучшего восприятия») системы оптической слежения. Систему камеры сложно оптимально позиционировать в обстановке хирургической операции, так как сложно определить положение центра поля зрения системы оптического слежения.

На практике систему оптического слежения сначала позиционируют вручную в приблизительном положении, в первоначальной ориентации с обращением в сторону искомой рабочей зоны (операционного поля). Затем пользователь (например, хирург) пробует отследить объекты в искомой рабочей зоне, чтобы проверить, содержится ли рабочая зона в поле зрения системы оптического слежения (т.е. в поле измерения). Если нет, то пользователь вносит поправку в положение и/или ориентацию следящей системы и выполняет еще одну проверку. Такие последовательные приближения продолжают выполняться, пока ориентацию и положение системы оптического слежения не найдут удовлетворительными.

В патентной публикации США №2005/0015099 А1 от 20 января 2005 г. также предложено хирургическое устройство измерения местоположения, содержащее, по меньшей мере, два лазерных пучка для определения положения хирургического инструмента. Однако ранее не предлагалось решения задачи ускоренного обеспечения, по существу, совпадения поля зрения камеры и операционного поля во время оперативного вмешательства.

Целью настоящего изобретения является создание системы управления хирургической операцией по изображению, которая содержит, кроме прочего, систему контроля положения, которую можно точно направлять на операционное поле.

Такая цель достигается посредством системы управления хирургической операцией по изображению в соответствии с настоящим изобретением, которая отличается тем, что система контроля положения оборудована индикаторной системой, содержащей множество полупроводниковых лазеров, например два полупроводниковых лазера, для маркировки зоны, к которой чувствительна система контроля положения.

Операционное поле является пространством, в котором хирургический инструмент перемещают во время оперативного лечения. Индикаторная система показывает, относительно операционного поля, участок пространства, к которому чувствительна система контроля положения, т.е. поле измерения системы контроля положения. Поле измерения является частью пространства, из которого съемочный блок снимает изображения. Систему контроля положения направляют путем взаимно относительного расположения съемочного блока и операционного поля.

В предпочтительном варианте съемочный блок направляют на операционное поле, но можно также перемещать оперируемого пациента, чтобы перемещать операционное поле внутри поля измерения системы контроля положения. Индикаторная система показывает, правильно ли соответствует или нет поле измерения операционному полю. Съемочный блок системы контроля положения легко направляется так, чтобы область, к которой чувствительна система контроля положения, т.е. поле измерения, по существу, совпадала с операционным полем. Следовательно, легко устраняются осложнения, которые возникали бы из-за покидания хирургическим инструментом поля измерения. Это ослабляет напряжение в работе хирурга при выполнении сложной операции. Кроме того, система управления хирургическими операциями по изображениям в соответствии с настоящим изобретением допускает лишние сложные пробные действия для точного направления камеры до того, как фактически можно начинать операцию. Система управления хирургическими операциями по изображениям в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает упомянутые преимущества не только для хирургических операций на головном мозге или спинном мозге пациента, но также для хирургических операций в других анатомических зонах и/или на других органах.

Предпочтительный вариант осуществления системы управления хирургическими операциями по изображениям в соответствии с настоящим изобретением отличается, по меньшей мере, частично тем, что индикаторная система выполнена с возможностью маркировки центра упомянутой зоны.

В таких предпочтительных/примерных вариантах осуществления индикаторная система показывает центр, то есть положение, по существу, в середине, поля измерения. Система контроля положения направлена точно на операционное поле, когда центр, показанный индикаторной системой, по существу, совпадает с центром операционного поля. В качестве альтернативы индикаторная система выполнена с возможностью указания границы поля измерения. В последнем случае система контроля положения направлена точно на операционное поле, когда границы поля измерения показаны в положении, охватывающем операционное поле.

Дополнительный предпочтительный вариант осуществления системы управления хирургическими операциями по изображениям в соответствии с настоящим изобретением отличается, по меньшей мере, частично тем, что индикаторная система выполнена с возможностью обеспечения изображения упомянутого поля на дисплейном устройстве.

Изображение упомянутого поля в поле дисплейного устройства является, например, центром, показывающим окружность поля измерения, или знаком, указывающим центр поля измерения. Изображение поля измерения обычно представляется на дисплейном устройстве вместе с операционным полем. Следовательно, систему контроля положения удобно точно направлять так, чтобы поле измерения соответствовало операционному полю. А именно, в то время как систему контроля положения выставляют, фактическое поле измерения отображается совместно с операционным полем. Следовательно, дисплейное устройство показывает, как поле измерения приводят в соответствие с операционным полем.

Дополнительный предпочтительный вариант осуществления системы управления хирургическими операциями по изображениям в соответствии с настоящим изобретением отличается, по меньшей мере, частично тем, что индикаторная система выполнена с возможностью измерения операционного поля.

В таких предпочтительных/примерных вариантах осуществления индикаторная система выполнена с возможностью обнаружения источника света, который помещают в операционное поле, в котором предполагается перемещать хирургический инструмент. В таких вариантах осуществления съемочный блок системы контроля положения также обычно применяют для обнаружения источника света. Вместо использования отдельного источника света можно следить за пациентом, который должен подвергнуться операции. В данном случае предпочтительно применяют инфракрасную камеру, которая может быть также камерой системы контроля положения. Индикаторная система дополнительно выполнена с возможностью представления изображения источника света или самого пациента на дисплейном устройстве. Когда поле измерения не достаточно согласуется с операционным полем, то индикаторная система не сможет обнаружить источник света или пациента. Когда имеет место лишь небольшое частичное совпадение поля измерения с операционным полем, то источник света или пациент будет обнаруживаться в периферической области поля измерения.

Дополнительный предпочтительный вариант осуществления системы управления хирургическими операциями по изображениям в соответствии с настоящим изобретением отличается, по меньшей мере, частично тем, что индикаторная система выполнена с возможностью формирования видимого маркера (т.е. точки пересечения двух лазерных пучков) в области интереса.

Видимый маркер показывает, где находится поле измерения. В частности, видимый маркер показывает центр поля измерения. Таким образом обозначается местоположение поля измерения.

Дополнительный предпочтительный вариант осуществления системы управления хирургическими операциями по изображениям в соответствии с настоящим изобретением отличается, по меньшей мере, частично тем, что индикаторная система содержит два полупроводниковых лазера для излучения отдельных лазерных пучков, которые пересекаются и генерируют видимый маркер внутри поля измерения, при этом каждый из полупроводниковых лазеров установлен на съемочном блоке так, что каждый из лазерных пучков будет по существу отслеживать оптическую ось каждой камеры.

Пересекающиеся лазерные пучки падают на операционное поле и создают световое пятно, которое формирует видимый маркер. В предпочтительном варианте точка пересечения лазерных пучков расположена в центре поля измерения. Световое пятно указывает центр поля измерения в операционном поле. Например, когда систему управления хирургическими операциями по изображениям применяют для операции на головном мозге, система контроля положения является точно направленной, когда световое пятно попадает в подходящее положение головы пациента. Подобные подходящие положения включают в себя, например, середину головы пациента или положение немного выше данной середины. Хирург или ассистент, который выбирает положение, в которое должно попадать световое пятно, принимает во внимание поле, где предполагается выполнять операцию. Кроме того, тем самым исключается загораживание поля измерения съемочного блока каким-либо оборудованием, которое размещают вблизи системы управления хирургическими операциями по изображениям.

Полупроводниковый лазер излучает узкий пучок света. Кроме того, полупроводниковый лазер обычно сравнительно дешев и потребляет небольшую мощность. В предпочтительном варианте применяют полупроводниковый лазер класса I, который безвреден для пациента и персонала и который излучает видимый свет.

Описанные и другие аспекты настоящего изобретения подробно поясняются со ссылкой на следующие варианты осуществления и со ссылкой на чертеж.

Чтобы помочь специалистам со средним уровнем компетентности в данной области техники изготавливать и применять предлагаемую систему, дается ссылка на прилагаемый чертеж.

Чертеж представляет принципиальную схему системы управления хирургическими операциями по изображениям в соответствии с изобретением.

Система управления хирургическими операциями по изображениям содержит систему контроля положения, которая содержит съемочный блок 1 с, по меньшей мере, двумя камерами 10 и устройством 2 обработки данных. Камеры снимают изображения хирургического инструмента 11 с разных направлений. Например, съемочный блок 1 содержит два датчика изображения на ПЗС (приборе с зарядовой связью), смонтированные на жесткой раме. Рама является подвижной, чтобы направлять датчики на ПЗС на операционное поле. Сигналы изображения из отдельных камер или последующие сигналы изображений из камер, но из последовательных положений камер, подаются в устройство 2 обработки данных. Для этого съемочный блок 1 подсоединен к устройству 2 обработки данных кабелем 17. Устройство 2 обработки данных содержит компьютер 21, который на основе сигналов изображений вычисляет положение хирургического инструмента относительно пациента 12, которому делают хирургическую операцию. Процессор 22 изображений входит в состав устройства 2 обработки данных. Хирургический инструмент оборудован светоизлучающими или инфракрасными светоизлучающими диодами 13 (LED or IRED), которые испускают излучение, к которому чувствительны камеры 10. Компьютер 21 вычисляет также соответствующее положение хирургического инструмента 11 в ранее сформированном изображении, например СТ-изображении или MRI-изображении. СТ-данные и/или MRI-данные сохраняются в блоке 23 памяти.

В составе видеоданных формируются изображения маркеров совмещения, которые помещают в конкретных положениях на пациенте. Например, свинцовые или MR-(магниторезонансно-) чувствительные маркеры помещаются на ушах, носу и лбу пациента. В начале операции маркеры совмещения отражаются с хирургическим инструментом, оборудованным несколькими LED или IRED, и их положения в пространстве измеряются системой контроля положения. Компьютер 21 вычисляет матрицу преобразования, которая привязывает пространственные положения маркеров совмещения к соответствующим положениям изображений маркеров в ранее сформированном изображении. Упомянутая матрица преобразования применяется, в дальнейшем, для вычисления соответствующего положения в изображении для любого произвольного положения в пространстве в фактическом операционном поле.

Данные из блока 23 памяти подаются в процессор 22 изображений. Данные положения, вычисленные компьютером 21, также подаются в процессор 22 изображений. Компьютер 21 можно, в качестве альтернативы, запрограммировать на вычисление координат положения хирургического инструмента относительно неподвижной системы отсчета, тогда процессор 22 изображений выполняют с возможностью преобразования упомянутых координат в соответствующее положение в изображении. Процессор изображений дополнительно выполнен с возможностью выбора соответствующего набора видеоданных на основе положения хирургического инструмента. Такой подходящий набор, например, представляет данные СТ- или MRI-изображения конкретного среза операционного поля. Процессор 22 изображений формирует сигнал изображения, который объединяет данные ранее сформированного изображения с соответствующим положением хирургического инструмента. В визуальном воспроизведении информации о ранее сформированном изображении отображается также соответствующее положение хирургического инструмента.

Таким образом, хирург 7, который манипулирует хирургическим инструментом 11, может наблюдать фактическое положение хирургического инструмента 11 в операционном поле на дисплейном устройстве 5. На дисплейном устройстве 5, например, представляется СТ-изображение с изображением 8 хирургического инструмента с соответствующим контрастом на СТ-изображении. Следовательно, на дисплейном устройстве 5 показано положение хирургического инструмента в операционном поле. Дисплейное устройство является, например, монитором, который содержит электронно-лучевую трубку, но возможно также применение ЖК-дисплея.

Съемочный блок 1 содержит индикаторную систему, которая, например, содержит два полупроводниковых лазера 3. Полупроводниковые лазеры 3 смонтированы, каждый, на съемочном блоке вблизи камер 10 и расположены и ориентированы так, чтобы излучаемые лазерные пучки приблизительно соответствовали и отслеживали оптическую ось каждой камеры и пересекались с созданием тем самым в точке пересечения видимого маркера в поле измерения. Каждый полупроводниковый лазер излучает узкий световой пучок через поле измерения съемочного блока. Следовательно, система согласно настоящему изобретению упрощает выставку системы контроля положения в обстановке медицинского учреждения/хирургического отделения. Пользователь/хирург может быстро обнаружить точку пересечения лазерных пучков и позиционировать съемочный блок системы контроля положения (т.е. систему оптического слежения) так, чтобы точка 6 пересечения помещалась на теле пациента в операционном поле, что обеспечивает, по существу, совмещение поле измерения камер с операционным полем. Для точного направления съемочного блока так, чтобы поле измерения съемочного блока охватывало операционное поле, световую точку 6 позиционируют по центру операционного поля.

Тем самым добиваются, что поле измерения продолжается приблизительно на одинаковое расстояние во всех направлениях от центра операционного поля. Следовательно, существенно снижается или полностью исключается риск того, что хирургический инструмент выйдет за пределы поля измерения съемочного блока. Кроме того, устраняется ситуация, когда поле измерения съемочного блока загораживается любым оборудованием, которое помещают около системы управления хирургическими операциями по изображениям. А именно, если какое-то оборудование размещено между съемочным блоком и операционным полем, то пересекающиеся лазерные пучки создают световое пятно 6 на оборудовании, которое находится на их пути, а не на пациенте. Следовательно, лицу, наводящему съемочный блок, немедленно становится известно, что оборудование блокирует поле измерения съемочного блока и что оборудование следует переустановить до начала операции.

Кроме того, индикаторная система может содержать источник 4 излучения, который расположен в операционном поле. Источник 4 излучения наблюдается камерами 10. Сигналы изображения камер обрабатываются компьютером 21 и процессором 22 изображений. Изображение 4 источника излучения отображается на дисплейном устройстве 5. В предпочтительном варианте процессор 22 изображений и монитор 5 расположены так, что центр поля измерения съемочного блока 1 отображается по центру дисплейного экрана монитора 5. Тогда съемочный блок 1 направлен точно, если источник 4 излучения визуализируется в середине дисплейного экрана. В предпочтительном варианте в качестве источника излучения применяется инфракрасный светоизлучающий диод (IRED), причем данный IRED излучает инфракрасное излучение, к которому, по существу, чувствительны камеры 10. Вместо отдельного IRED можно использовать также самого пациента. В этом случае камеры 10 снимают инфракрасные изображения пациента, которые отображаются на мониторе.

Системы контроля положения или системы оптического слежения применяются для определения местоположения объектов в пространстве. По меньшей мере, две камеры наблюдают заданный объект и триангулируют его положение в 3-мерном пространстве. Коммерчески доступные изделия включают в себя системы Polaris и Certus, производимые компанией Northern Digital Inc., Waterloo, шт. Онтарио. Эти системы характеризуются ограниченным полем зрения. На практике систему слежения требуется выставлять так, чтобы ее поле зрения охватывало планируемую окрестность работ. Например, предположим, что желательно отслеживать положение лапароскопа и/или эндоскопа, вставляемого в брюшную полость пациента в составе хирургического комплекта. Систему оптического слежения потребовалось бы установить в такое положение, чтобы ее поле зрения охватывало участок вокруг брюшной полости пациента. Следовательно, упомянутая проблема позиционирования решена в соответствии с настоящим предлагаемым изобретением.

Ниже рассмотрено применение системы, управляемой по изображениям, в соответствии с настоящим изобретением при биопсии опухоли в печени человека. Система контроля положения будет использована для отслеживания пациента и положения биопсийной иглы. Пользователь включит лазеры и найдет точку, в которой пересекаются лазерные пучки. Затем пользователь выполнит ориентирование и репозиционирование системы контроля положения так, чтобы точка пересечения совпала с положением печени пациента. Следовательно, печень пациента можно быстро поместить в центр поля зрения системы контроля положения.

Другие примеры применения системы управления по изображениям в соответствии с настоящим изобретением включают в себя позиционирование и/или ориентирование медицинских или катетеров при использовании; и применение с портативными или поворотными рентгеновскими визуализирующими системами и ручными ультразвуковыми преобразователями.

Выше система контроля положения описана на примере использования оптической системы, содержащей съемочный блок в качестве одного варианта осуществления приемного средства для приема сигнала от объекта, положение которого отслеживается, однако предполагается, что, в пределах объема настоящего изобретения, возможно также использование других приемных средств, которые широко известны в технике. Например, кроме камер для приема визуальных или оптических сигналов, подобные приемные средства для визуализации могут принимать ультразвуковые сигналы (смотри, например, патенты США 5563346 и 5511423); магнитные или электромагнитные сигналы (смотри, например, патенты США 7003342; 6990417; и 6856823); и радиосигналы (RF-сигналы) (смотри, например, патент США 6762600).

Выше настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные варианты его осуществления, однако специалистам со средним уровнем компетентности в данной области техники будет очевидна возможность создания многочисленных модификаций, усовершенствований и/или изменений, не выходящих за пределы существа и объема изобретения. Поэтому явно предполагается, что изобретение должно ограничиваться только областью притязаний формулы изобретения и ее эквивалентов.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к системам управления хирургической операцией. Система содержит систему контроля положения для определения положения хирургического инструмента в операционном поле пациента, содержащую приемное средство для съема сигналов, блок памяти для хранения изображения пациента и устройство обработки данных для обработки сигналов из приемного средства с целью определения положения хирургического инструмента и наложения найденного положения хирургического инструмента на сохраняемое изображение пациента. Кроме того, имеется индикаторная система для маркировки поля измерения операционного поля, причем система контроля положения обладает чувствительностью в поле измерения. Индикаторная система содержит два полупроводниковых лазера для излучения отдельных лазерных пучков, которые пересекаются и создают видимый маркер в поле измерения. Каждый из полупроводниковых лазеров смонтирован в непосредственной близости от приемного средства так, что каждый из лазерных пучков, по существу, отслеживает оси приема сигналов приемного средства. Дисплей системы отображает сохраняемое изображение пациента вместе с наложенным найденным положением хирургического инструмента. Использование изобретения позволяет наводить систему управления операцией с повышенной точностью. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Хирургическая система, управляемая по изображениям, содержащая:
систему контроля положения для определения положения хирургического инструмента в операционном поле пациента, подлежащего оперированию, при этом система контроля положения содержит приемное средство для съема сигналов, блок памяти для хранения изображения пациента и устройство обработки данных для обработки сигналов из приемного средства с целью определения положения хирургического инструмента и наложения найденного положения хирургического инструмента на сохраняемое изображение пациента;
индикаторную систему для маркировки поля измерения операционного поля, причем система контроля положения обладает чувствительностью в поле измерения; причем индикаторная система содержит два полупроводниковых лазера для излучения отдельных лазерных пучков, которые пересекаются и создают видимый маркер в поле измерения, и каждый из полупроводниковых лазеров смонтирован в непосредственной близости от приемного средства так, что каждый из лазерных пучков, по существу, отслеживает оси приема сигналов приемного средства; и дисплей для отображения сохраняемого изображения пациента вместе с наложенным найденным положением хирургического инструмента.

2. Хирургическая система по п.1, в которой приемное средство для съема сигналов содержит съемочный блок, содержащий, по меньшей мере, две камеры для съема сигналов изображения;
при этом каждый из полупроводниковых лазеров смонтирован на съемочном блоке так, что каждый из лазерных пучков, по существу, отслеживает оптическую ось каждой камеры.

3. Хирургическая система по п.1, в которой видимый маркер создается в центре поля измерения.

4. Хирургическая система по п.1, в которой устройство обработки данных предназначено также для наложения знака, указывающего центр поля измерения на сохраняемое изображение пациента.

5. Хирургическая система по п.1, в которой устройство обработки данных предназначено также для наложения контура, указывающего окружность поля измерения, на сохраняемое изображение пациента.

6. Хирургическая система по п.1, в которой индикаторная система дополнительно содержит средство для получения текущего изображения пациента, и при этом устройство обработки данных предназначено также для наложения текущего изображения пациента на сохраняемое изображение пациента.