本公開涉及手術(shù)用機(jī)器人系統(tǒng)中的自動(dòng)手術(shù)計(jì)劃方法以及系統(tǒng)，更詳細(xì)地，涉及一種自動(dòng)手術(shù)計(jì)劃方法以及系統(tǒng)，其能夠用于在三維圖像空間中生成手術(shù)計(jì)劃路徑。

背景技術(shù)：

1、在使用手術(shù)用機(jī)器人系統(tǒng)的椎弓根(pedicle)螺釘固定手術(shù)等的脊椎手術(shù)過程中，需要可以實(shí)現(xiàn)軸向觀看(axial?view)的三維圖像。因此，不使用二維圖像，而使用能夠?qū)崿F(xiàn)軸向觀看的三維圖像，例如計(jì)算機(jī)斷層(computed?tomography，ct)圖像，作為所述軸向觀看圖像(axial?view?image)。通常，在手術(shù)中(intra-operation)使用諸如所謂c-臂的二維(2d)圖像獲得裝置實(shí)時(shí)驗(yàn)證是否在按照手術(shù)前建立的計(jì)劃(planning)進(jìn)行手術(shù)。為了使用如此獲得的2d圖像按照預(yù)先建立的計(jì)劃對手術(shù)工具進(jìn)行導(dǎo)航，需要對手術(shù)前獲得的三維圖像與手術(shù)中獲得的二維圖像進(jìn)行配準(zhǔn)(registration)。然而，在對3d圖像與2d圖像進(jìn)行配準(zhǔn)的過程中，可能發(fā)生手術(shù)時(shí)間拖延和配準(zhǔn)的不完全性導(dǎo)致發(fā)生配準(zhǔn)誤差的問題。

2、對于在手術(shù)中沒有2d圖像幫助的情況下僅基于手術(shù)前獲得的3d圖像的手術(shù)計(jì)劃而言，獲得例如ct圖像的3d圖像時(shí)發(fā)生的對射線的暴露和由于手術(shù)前患者狀態(tài)與手術(shù)中患者狀態(tài)的區(qū)別而發(fā)生的問題是不可避免的。

3、然而，若基于手術(shù)中獲得的二維x射線圖像建立手術(shù)計(jì)劃，不需要與手術(shù)前獲得的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，且可以期待即使在手術(shù)中也可以根據(jù)需要改變手術(shù)計(jì)劃的靈活性。然而，在這種過程中，應(yīng)當(dāng)由主刀醫(yī)生(operating?surgeon)觀看2d圖像的同時(shí)在3d空間上估計(jì)代手術(shù)的3d空間上的位置。結(jié)果，這種手術(shù)計(jì)劃向主刀醫(yī)生要求對高難度手術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。即使實(shí)現(xiàn)這種手術(shù)計(jì)劃，二維圖像相對于三維ct圖像缺乏清晰度和根據(jù)三維空間信息的圖像信息，因此，除非由經(jīng)驗(yàn)豐富的主刀醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)，難以期待成功的手術(shù)。

4、鑒于這些，對基于圖像系統(tǒng)的、基于圖像的手術(shù)計(jì)劃方法和系統(tǒng)的研發(fā)，而不是依賴于主刀醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的主觀手術(shù)計(jì)劃，在各種方面優(yōu)選。

5、<現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)>

6、us8,335,553

7、cn107157579

8、us?7,787,932b2

9、kr101264198b1

10、us0659599b2

11、us6226548b1

12、us20070270866a1

13、us20050192575a1

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、技術(shù)問題

2、本公開提示方法和系統(tǒng)，其用于自動(dòng)建立基于在不同方向上的復(fù)數(shù)個(gè)圖像的、基于圖像的三維(3d)手術(shù)計(jì)劃，并基于所建立的計(jì)劃進(jìn)行手術(shù)。

3、本公開提示方法和系統(tǒng)，其使用在手術(shù)前和/或手術(shù)中獲得的在不同方向上的三個(gè)或更多圖像來自動(dòng)建立3d手術(shù)計(jì)劃，且能夠所建立的計(jì)劃進(jìn)行手術(shù)。

4、技術(shù)方案

5、根據(jù)本公開的基于圖像的三維(3d)手術(shù)計(jì)劃方法包括：

6、由一個(gè)或更多圖像獲得裝置對患者的脊椎手術(shù)部位獲得包括復(fù)數(shù)方向圖像信息的一個(gè)或更多手術(shù)部位圖像的步驟，其中，所述復(fù)數(shù)方向包括彼此不同的第一方向、第二方向、以及第三方向；

7、由圖像處理單元從手術(shù)部位圖像提取在第一方向上的第一圖像和在第二方向上的第二圖像的步驟；

8、由客體分離單元從所述第一圖像中提取第一脊椎體區(qū)域和第一椎弓根區(qū)域，并從所述第二圖像中提取第二脊椎體區(qū)域和第二脊椎體區(qū)域內(nèi)的左右第二椎弓根區(qū)域的步驟；

9、由基線設(shè)定單元設(shè)定第一基線和第二基線，所述第一基線通過設(shè)定于第一椎弓根區(qū)域中央?yún)^(qū)域的第一坐標(biāo)和設(shè)定于第一脊椎體區(qū)域內(nèi)的第二坐標(biāo)，所述第二基線通過在所述第二圖像中設(shè)定于左右椎弓根區(qū)域中央?yún)^(qū)域的第三座標(biāo)和第四座標(biāo)；

10、由圖像處理單元基于所述第一基線和第二基線從手術(shù)部位圖像提取在所述第三方向上的第三圖像；

11、由客體分離單元從所述第三圖像提取第三脊椎體區(qū)域和左右的第三椎弓根區(qū)域；以及

12、由路徑設(shè)定單元設(shè)定通過所述左右第三椎弓根中至少一個(gè)的中央?yún)^(qū)域和所述第三脊椎體區(qū)域的螺釘路徑(screw?path)，在第二椎弓根上設(shè)定近端設(shè)定坐標(biāo)(proximalsetting?coordinates)，且在通過所述左右第三椎弓根區(qū)域之間的神經(jīng)管區(qū)域和所述脊椎體中央?yún)^(qū)域的第三基線上設(shè)定所述螺釘路徑的基線所通過的遠(yuǎn)端設(shè)定坐標(biāo)(distalsetting?coordinates)的步驟。

13、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

14、所述客體提取單元可以應(yīng)用通過機(jī)器學(xué)習(xí)生成的模型來提取脊椎體區(qū)域和椎弓根區(qū)域。

15、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

16、所述第一基線可以設(shè)定為以正交或任意角度橫跨通過第一椎弓根區(qū)域與第一脊椎體區(qū)域之間的區(qū)域的中間線，而通過所述第一椎弓根區(qū)域的中心區(qū)域，或隔著任意設(shè)定的距離平行于所述第一椎弓根區(qū)域的中心區(qū)域。

17、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

18、所述中心區(qū)域可以包括對應(yīng)的脊椎體區(qū)域和/或椎弓根區(qū)域的中心和/或中心附近。

19、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

20、所述第三圖像是可以基于所述第一基線的坐標(biāo)和所述第二基線的傾斜從所述手術(shù)部位圖像獲得的。

21、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

22、所述第三圖像是基于第一圖像中的所述第一基線和第二圖像中的所述第二基線的坐標(biāo)從所述手術(shù)部位圖像獲得的，在此，所述第二基線可以在所述第二圖像中通過左右椎弓根的各中心區(qū)域。

23、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

24、所述第二基線可以設(shè)定為并列于任意直線，所述任意直線連接在所述左右椎弓根區(qū)域中一側(cè)椎弓根區(qū)域的中心、接近所述中心的所述第三圖像一側(cè)棱角的坐標(biāo)之間的中間點(diǎn)、另一側(cè)椎弓根區(qū)域的中心、以及接近所述中心的第三圖像另一側(cè)棱角的坐標(biāo)之間的中間點(diǎn)。

25、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

26、所述客體分離單元從所述第三圖像提取左右第三椎弓根區(qū)域之間的神經(jīng)管(neural?foramen)區(qū)域，并且，

27、所述路徑設(shè)定單元

28、在第三圖像中設(shè)定第三基線，所述第三基線通過所述第三脊椎體區(qū)域和神經(jīng)管區(qū)域各自的中心或中心附近的坐標(biāo)，并且，

29、可以在所述第三基線與離所述神經(jīng)管區(qū)域最遠(yuǎn)的脊椎體區(qū)域的境界線相交的點(diǎn)或所述點(diǎn)附近的位置或所述第三基線與所述螺釘路徑基線在所述脊椎體外側(cè)相交的交點(diǎn)設(shè)定所述遠(yuǎn)端設(shè)定坐標(biāo)。

30、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

31、所述路徑設(shè)定單元可以將放置所述螺釘路徑的螺釘路徑基線設(shè)定為通過所述遠(yuǎn)端設(shè)定坐標(biāo)。

32、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

33、在所述第一基線上設(shè)定對椎弓根的螺釘起點(diǎn)和脊椎體內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)，且可以將螺釘起點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離設(shè)定為用于手術(shù)的螺釘?shù)拈L度。

34、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

35、所述第一椎弓根區(qū)域具有與所述第一脊椎體區(qū)域相對的內(nèi)側(cè)邊緣和所述內(nèi)側(cè)邊緣對面的外側(cè)邊緣，所述起點(diǎn)位于第一椎弓根區(qū)域的外側(cè)邊緣上或外側(cè)邊緣附近，所述目標(biāo)點(diǎn)可以位于所述第一脊椎體區(qū)域內(nèi)。

36、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

37、所述起點(diǎn)布置為位于面向所述第二脊椎體區(qū)域外側(cè)的第二椎弓根區(qū)域的一側(cè)邊緣上或在所述第二椎弓根區(qū)域內(nèi)靠近邊緣，所述目標(biāo)點(diǎn)可以布置為位于與所述一側(cè)邊緣相對的另一側(cè)邊緣上或在所述另一側(cè)的內(nèi)側(cè)靠近邊緣。

38、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，

39、所述包括復(fù)數(shù)方向上的圖像信息的手術(shù)部位圖像是可以通過3d圖像獲得裝置獲得的。

40、根據(jù)本公開的基于圖像的3d手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)包括：

41、一個(gè)或更多圖像獲得裝置，其對獲得脊椎手術(shù)部位獲得一個(gè)或更多患部圖像，所述一個(gè)或更多患部圖像具有各種方向上的圖像成分；

42、圖像處理單元，其負(fù)責(zé)與手術(shù)有關(guān)的圖像處理，所述圖像處理包括從所述一個(gè)或更多手術(shù)患部圖像提取在第一方向上的第一圖像、第二方向上的第二圖像、第三方向上的第三圖像，其中，所述第二方向不同于第一方向，所述第三方向不同于第一方向和第二方向；

43、客體分離單元，其從所述第一圖像提取與脊椎骨和椎弓根對應(yīng)的第一脊椎體區(qū)域和第一椎弓根圖像，從所述第二圖像提取第二脊椎體區(qū)域和第二脊椎體區(qū)域內(nèi)的第二椎弓根區(qū)域，并從所述第三圖像提取第三脊椎體區(qū)域和椎弓根區(qū)域；基線設(shè)定單元，其設(shè)定第一基線和第二基線，其中，所述第一基線通過設(shè)定于第一椎弓根區(qū)域中央?yún)^(qū)域中的第一坐標(biāo)和設(shè)定于第一脊椎體區(qū)域內(nèi)的第二坐標(biāo)，所述第二基線通過在第二圖像中設(shè)定于左右椎弓根區(qū)域的中央?yún)^(qū)域中的第三坐標(biāo)和第四坐標(biāo)；以及

44、螺釘路徑設(shè)定單元，其設(shè)定通過所述左右第三椎弓根中至少一個(gè)中央?yún)^(qū)域和所述第三脊椎體區(qū)域的螺釘路徑(screw?path)，在所述第二椎弓根設(shè)定近端設(shè)定坐標(biāo)，且在通過所述左右第三椎弓根區(qū)域之間的神經(jīng)管區(qū)域和所述脊椎體中央?yún)^(qū)域的第三基線上設(shè)定所述螺釘路徑的基線通過的遠(yuǎn)端設(shè)定坐標(biāo)來確定3d螺釘路徑。

45、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，在基于圖像的3d手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)中，所述基線設(shè)定單元可以將第一基線以正交方式橫跨通過第一椎弓根區(qū)域與第一脊椎體區(qū)域之間的區(qū)域的中間線。

46、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，在基于圖像的3d手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)中，所述圖像處理單元可以基于所述第一基線的坐標(biāo)和所述第二基線的傾斜來從所述手術(shù)部位圖像獲得第三圖像。

47、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，在基于圖像的3d手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)中，所述圖像處理單元基于第一圖像的所述第一基線和第二圖像的所述第二基線的坐標(biāo)從所述手術(shù)部位圖像獲得第三圖像，在此，所述第二基線可以通過所述第二圖像中左右椎弓根各自的中心區(qū)域。

48、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，在基于圖像的3d手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)中，所述第二基線可以設(shè)定為并列于任意直線，所述任意直線在所述左右椎弓根區(qū)域中連接一側(cè)椎弓根區(qū)域的中心、接近所述中心的所述第三圖像一側(cè)棱角的坐標(biāo)之間的中間點(diǎn)、另一側(cè)椎弓根區(qū)域的中心、以及接近所述中心的所述第三圖像另一側(cè)棱角的坐標(biāo)之間的中間點(diǎn)。

49、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，在基于圖像的3d手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)中，所述客體分離單元從所述第三圖像中提取左右第三椎弓根區(qū)域之間的神經(jīng)管區(qū)域，并且，所述路徑設(shè)定單元

50、在第三圖像中設(shè)定第三基線，所述第三基線通過所述第三脊椎體區(qū)域和神經(jīng)管區(qū)域各自的中心或中心附近的坐標(biāo)，并且，

51、可以在所述第三基線與離所述神經(jīng)管區(qū)域最遠(yuǎn)的脊椎體區(qū)域的境界線相交的點(diǎn)或所述點(diǎn)附近的位置、或在所述第三基線與所述螺釘路徑基線在所述脊椎體外部相交的交點(diǎn)設(shè)定所述遠(yuǎn)端設(shè)定坐標(biāo)。

52、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，在基于圖像的三維手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)中，所述路徑設(shè)定單元可以將放置所述螺釘路徑的螺釘路徑基線設(shè)定為通過所述遠(yuǎn)端設(shè)定坐標(biāo)。

53、根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，在基于圖像的3d手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)中，可以在所述第一基線上設(shè)定對椎弓根的螺釘起點(diǎn)和脊椎體內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)，且可以將所述螺釘起點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)(或終端點(diǎn))之間的距離設(shè)定為用于手術(shù)的螺釘?shù)拈L度。

54、有益效果

55、本發(fā)明提示方法和系統(tǒng)，其能夠用于使用復(fù)數(shù)的圖像信息來自動(dòng)建立三維(3d)手術(shù)計(jì)劃。根據(jù)本發(fā)明，能夠解決在現(xiàn)有手術(shù)方法中手術(shù)結(jié)果受限于手術(shù)方法上的限制性，例如主刀醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)，從而能夠有效地建立并執(zhí)行手術(shù)計(jì)劃。根據(jù)本發(fā)明，可以通過自動(dòng)生成手術(shù)計(jì)劃來縮短整體上的手術(shù)時(shí)間，且可以保持手術(shù)結(jié)果的高水平。