[发明专利]使用由真实图像得到的虚拟平面来确定摄像机角度的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2012年3月21日、序列号为61/613,623的美国临时专利申请的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及内窥镜图像输出系统。更具体地，本公开涉及用于将真实图像与由真实图像得到的虚拟图像组合以用来为外科医生提供改进的内窥镜定向能力的系统和方法。

背景技术

内窥镜检查是指用于检查或观察内腔或中空构造的技术。内窥镜检查手术，也称作微入路手术（minimal access surgery），因为明确的优点（如术后发病率降低、疼痛减轻以及住院期间缩短）而已经被广泛地接受。然而，由于几个原因（如较小的器械、较小的进入口的限制以及被手术的区域有限的可见度），内窥镜检查手术比“传统的开放式手术”在技术上有更高的要求。内窥镜检查手术的学习曲线（learning curve）要比十年前预期的长得多。

而且，内窥镜检查包括图像引导的手术导航，图像引导的手术导航是在借助如超声波、磁共振以及各种放射照相技术的技术获得的解剖成像信息的帮助下设计微创手术方案并向患者身体内的目标引导手术工具的过程。因为在微创操作期间外科医生不能够直接看见手术工具和皮下解剖构造，因此这样的解剖成像信息是很有用的。对于早期的图像引导手术技术，为了在手术区域内安全地引导工具，外科医生要依靠他的能力将二维切片平面数据与患者的三维数据准确地关联起来。使用该方法的主要缺陷是：当尝试显现内部解剖构造的准确的想象图时，该方法要求外科医生有抽象的想象力，并且在手术操作期间该方法并不会将手术器械的位置反馈给外科医生。尽管如此，内窥镜检查与图像引导手术的组合仍然是受关注的，因为该组合使内窥镜的内部视图与图像引导手术系统的外部视角结合起来。

使用结合了观察方向可变式内窥镜检查的图像引导系统的价值可能要比使用标准的固定角度式内窥镜检查的价值大得多。首先，这种结合将允许真实图像和虚拟图像在更大的观察范围内相关联，这意味着改进了手术方案的设计，改进了引导能力、并且全面改进了手术操作。其次，这种结合为观察方向可变式内窥镜提供了观察导航的显著改善。然而，由观察方向可变式内窥镜引起的问题是：因为在使用期间器械的末端被遮蔽，所以外科医生很难估计出与轴的轴线有可变的关系的内窥镜瞄准线的变化。在手术操作期间，当外科医生试图将解剖构造的先前知识与观察过程相整合时获得对内窥镜正在“窥视”的位置的外部估算是重要的。

因此，应当变得明显的是，存在对至少提供以下能力的方法的需要：改进的内窥镜的定向能力、内窥镜的位置和观察方向的全局监控、以及改进的手术方案和操作设计。

发明内容

因此，提供了一种图像输出系统。所述图像输出系统包括：多个手术器械，其中，所述多个手术器械中的每个手术器械相对于患者身体的目标对象的位置关系和方位关系被确定。至少一个视频图像捕获单元被安置在所述多个手术器械中的每个器械上并且被配置为选择性地捕获真实图像。另外，提供了图像生成器，其用于相对于所述患者身体的所述目标对象选择性地限定、生成和分配与所述真实图像相关联的虚拟图像，所述虚拟图像是从所述多个手术器械中的每个手术器械获得的。所述图像输出系统还包括：图像处理器，其用于处理捕获的真实图像和生成的虚拟图像；以及图像输出设备，其用于显示所述捕获的真实图像和所述生成的虚拟图像以多种配置的组合。

在另一些实施例中，所述真实图像被叠加在所述虚拟图像上。所述真实图像是对应于关注区域的真实视图的并且被实时捕获的图像。

所述多个器械是用于所述穿过患者身体进行导航而配备的内窥镜。所述视频图像捕获单元可以是摄像机。

在另一实施例中，所述捕获的真实图像和所述生成的虚拟图像的组合用于连续地并且实时地记录和更新虚拟图像数据。

所述虚拟图像是从平面型虚拟表面提取的并且是以对应于所述真实图像的方式来排布的，使得所述平面型虚拟表面垂直于所述多个手术器械的至少一个视频图像捕获单元的观察方向。另外说明，虚拟观察点是以对应于由安置在所述多个手术器械中的每个手术器械上的至少一个视频图像捕获单元提供的真实观察点的方式来排布的。

所述系统是使由安置在所述多个手术器械中的每个手术器械上的至少一个视频图像捕获单元提供的真实视图与所述患者身体的所述目标对象相关联的固定参考系统。