[发明专利]利用显微镜的用于外科手术导航及可视化的方法及设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2005年3月11日提交的同此申请共同转让的美国临时专利申请No.60/660,845的优先权，该申请通过引用结合于此。本申请还要求名为Systems and Methods For Mapping A Virtual Model Of AnObject To The Object(“Multipoint Registration”)、于2005年7月20日提交的PCT/SG2005/00244的利益，该申请也通过引用包括在这里。本申请通过引用包括在这里的还有：于2004年4月27日提交、公布为美国公布专利申请公布No.20050015005的美国专利申请No.10,832,902、(“the Camera-probe Application”)。

技术领域

本发明涉及基于图像的外科手术导航及可视化系统。

背景技术

神经外科手术通常采用两种操作方式完成：宏观模式和微观模式。前一种方式通常利用裸眼来观察外科手术区，而后一种方式是利用显微镜来观察外科手术区。在每一种操作模式中，基于图像的导航及可视化系统已经被成功应用于辅助医师完成各种精细的外科手术程序。

在基于图像的导航及可视化中，通常在外科手术之前或期间，由磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)、以及多种其他技术产生描述病人的内部解剖结构的图像。根据图像产生病人的三维(3D)表示。该表示可采用多种形式，从容积图像和由图像重建的病人的各种解剖结构的3D模型，到为说明外科手术规划而增加的制图、注释和测量，以及它们的组合。在外科手术中，通过图像配准，将3D表示与病人匹配。通过将内部解剖的图像与实际的外科手术区结合，导航系统能够改进外科医生在手术中定位病人体内的不同的解剖特征的能力。

在宏观导航中，用户(外科医生)持有探测器，由跟踪设备跟踪该探测器。当这种探测器被引入外科手术区中时，表示为图标的探测器末端的位置被绘制在病人的3D表示的视图上。导航帮助外科医生来决定手术的进入点、理解朝着目标的解剖结构以及沿着外科手术路径避开关键结构。

美国已公布的No.20050015005专利申请描述了改良的导航系统，其中，探测器包括微型摄像机。该系统通过观察覆盖在病人的3D表示上的由微型摄像机获得的实时图像，来支持在给定手术区内的增强现实的增强的导航。

在显微外科手术中，手术显微镜通常被用来提供对外科医生正在其中操作的外科手术区的放大。为了导航目的可跟踪显微镜，并且其焦点通常可以被显示在3D表示中来代替探测器末端。

为了避免将视线从手术现场转移到监视器，“图像注入(imageinjection)”显微镜已被开发，其中，由计算机工作站产生的导航图像被叠加到显微镜的光学图像上。这种叠加要求通过显微镜看到的图像与叠加的图像数据在几何上一致。

在基于显微镜的导航系统中叠放的图像由叠加到光学图像平面上的二维轮廓组成。为了得到三维的效果，外科医生必须在不同的图像平面间滚屏并且在头脑中将注入的轮廓合并为三维模型。

这种传统技术允许外科医生在宏观外科手术以及显微外科手术中在外科手术区内进行导航。然后，它们还有如下显著的缺点。

首先，在显微外科手术中，通常外科医生希望能够在基于显微镜的导航和可视化及基于探测器的导航和可视化之间进行切换。为了实现该目标，外科医生通常必须将显微镜移高并且/或者移开外科手术区，然后将导航探测器移入外科手术区中，严重妨碍了正常的外科手术流程。

其次，为使得外科医生能够在微结构例如神经和血管上完成精密的程序，在手术中，通常将显微镜的放大倍率设置在较高水平。

尽管这种高放大倍率确实允许对这种微结构的可视化，但它也经常局限了视场。由于此后被叠加的虚拟图像具有相同的放大比率，因此虚拟对象的显示也受到限制。这可导致外科医生不能明确的识别出他正通过显微镜观察的区域在病人身体上的实际位置的状况。简单地说，他能够观察到的区域太小。另外，覆盖图像也可能不提供大量有用的信息，因为手术区周围的解剖结构在视场之外，并因此不可见。此外，在这种环境下，外科医生不能从不同的视点观察其关心的3D解剖结构。