具有远程引导、图像转向和多平面成像的图像引导机器人系统的制作方法

本技术涉及医学成像系统领域。相关申请的交叉引用本技术要求于2024年3月14日提交的美国临时申请no.63/565,416的优先权，其通过引用全部并入本文。本技术还依赖于美国专利no.12,011,239，其通过引用全部并入本文。

背景技术：

1、高质量的医疗介入可能需要可靠的临床判断、技术专长以及及时且有效的护理交付。然而，由于当前的医疗保健分配方法，大规模地提供高质量的介入是有挑战性的。具有足够技能来执行介入的医疗保健提供者通常远离介入最适合发生的地点，从而导致机构内的部门和手术地点之间复杂的协调，从业者不得不为多个地理位置分散的设施提供服务，和/或患者获得该介入的机会有限甚至根本无法获得。

2、具体地对于微创图像引导手术，用户必须具有空间推理能力，并且知道如何有效地利用成像和微创设备。尽管有诸如超声之类的价格可承受的不辐射的实时成像，但其使用由于有挑战性的解释而受限。由于手术复杂性，很少的医疗保健提供者以高量执行图像引导的介入。这种复杂性可以与四个基本挑战相关联。

3、图像获取。由于各种因素（包括但不限于不良的动作技能，不良的声学耦合，对如何相对于身体保持、应用、旋转和倾斜探头以建立相关的成像窗口的不良的理解），图像获取对医疗保健提供者来说可能是有挑战的。

4、图像解释。由于各种因素（包括对超声图像如何形成、解剖结构和病理如何出现在超声上、以及如何从一系列2d平面图像创建认知三维（3d）信息的不同理解水平），解释图像（例如，判读超声图像）对提供者来说可能是有挑战的。

5、介入计划。对于提供者来说，由于各种因素（包括不能一致地获取、解释2d图像、以及从该信息得出3d体积），定义器械（例如，针）的一致地击中预定目标的最优轨迹，同时避免解剖约束（例如，避免接触解剖结构的非计划部分）是有挑战的。提供者可能面临的另一个挑战包括无法关于周围解剖结构将2d图像情境化，而使用3d信息进行情境化更加直观。

6、介入执行。即使为器械定义了最优轨迹，对于提供者来说，由于各种因素（包括使用非优势手执行任务、用适当的力引入器械和用单手控制的能力、与在维持相关解剖结构视野的同时获得器械尖端的最优超声视图相关联的挑战、不良的动作技能、陡峭的针插入角度产生不良的声波反射、以及计划的针路径与由于偏转的实际针路径相比），一致地启动并贯彻完成其计划的目标是有挑战的。此外，手动技术要求基于从扫描解剖结构创建的心理地图来在提供者的脑海中创建介入计划。介入执行要求提供者然后使用单个图像作为参考操纵针穿过皮肤到达目标。

7、克服这些挑战需要大量的培训和实践来估计用于介入器械到达由us探头成像的目标的最优进入点、轨迹和深度。这种专业技能难以获得并且阻止许多临床医生成功执行超声引导的经皮介入。

8、在某些有限的用途领域中存在更有效地分配临床判断的解决方案。例如，远程精神病学、远程初级保健和远程放射学允许远程提供者与患者或检查建立连接并做出临床决定。其他现有应用包括手术室中的远程引导，其中医师能够经由双向视频和音频建立连接，用口头或手势指令来督导和/或支持案例。

9、然而，这些现有的虚拟通信和协作解决方案限于没有物理交互的情况。远程部署物理能力或手动技能尚未在医疗保健中被大规模地证实。这很大程度上是由于将使得能够进行这样的远程介入能力的系统的重大技术要求（硬件和软件）。这已经被尝试的一个领域是远程手术，诸如使用达芬奇手术系统的远程腹腔镜手术，其中用户远程操作位于与控制单元不同位置的机器人系统。但是，依赖于视频和遥测数据的连续、非常低延迟的往返通信的这种类型的系统无法用现代互联网基础设施部署。对于任何用户期望感觉好像他们正在实时控制设备的系统，这种限制都将会存在。

10、在打算进行微创图像引导介入的提供者具有解释图像的专长的场景中，在手术期间能够在不直接与探头的长轴或短轴对齐的成像平面中可视化器械和解剖结构通常是很有用的。

11、对此的第一示例是提供者开始插入针并且它偏离超声图像平面的场景。提供者将无法保持器械及其最初识别的解剖目标的视野，因为器械正偏离离开该目标。当这种情况发生时，提供者需要确定器械现在是如何瞄准的，以便他们可以决定是否以及如何进行调整。调整通常涉及缩回器械并再次开始手术，这是临床上不希望的。在没有调整的情况下继续进行通常要求提供者在目标和器械之间来回移动成像仪，并且尝试在脑中跟踪它们的相对3d位置，这既是具有挑战性的机动，又一般地减损了图像引导的价值。

12、第二示例是在手术开始时提供者不能通过超声波束获得目标的最优视图的手术，使得难以或不可能在具有器械和解剖结构的视野下进行手术或计划最优器械轨迹。

13、在超声中，存在非常少的产品允许对超声波束平面进行大量调整。对于具有此能力的那些超声系统，配置超声波束通常如此复杂，以至于它没有被显露给用户作为可控参数。即使它是可控的，正在努力解决上述挑战的用户也不会理解以什么方向操纵该波束，因为他们必然不知道（分别在这两种情况下）器械已去了哪里或最优成像平面是什么。这些问题与使用超声引导手术的其他问题结合，包括（1）选择最优轨迹、（2）在插入期间使器械保持在该轨迹中以及（3）知道针尖在哪里所需的空间意识和手眼协调能力是难以掌握的。

14、在多于一个成像平面中可视化器械和解剖结构也可能有用。第一示例是在超声引导的血管通路期间，有时以“平面内”的方式进行手术，其中针的长轴和血管的长轴两者都在超声成像平面中，使得当针接近血管时针可以完全被可视化，并且当针尖穿透通过血管的顶壁时针尖可以被可视化。然而，这种方法无法看到针如何相对于血管横截面的取向，并且针可能靠近侧壁而操作者没有意识到（即针不在横截面的中心）。一些医疗保健提供者采用“平面外”技术，其中针和血管的横截面在超声成像平面中。该技术具有相反的后果；针相对于血管的居中性容易确定，但针的轨迹和针尖的深度相对较难查明。

15、第二示例是活检，其中提供者将通常使用单一技术（平面内或平面外）将针放置在感兴趣的解剖目标中。有益的是知道提供者将从目标的哪个区域取样，这将需要在平面内和平面外视图两者中都看到针尖的位置。

16、存在非常少的能够在多个成像平面中并发地递送超声图像的产品。使用这些类型的超声产品可以在上面的临床场景中提供帮助，但操作者还必须处理选择和维持轨迹以及在插入期间知道针尖在那里的问题。当多个成像平面被显示时，这些任务中的任何任务的错误都会导致比操作者仅使用一个成像平面时甚至更多的混淆。

17、与第三个问题（在插入期间知道针尖在哪里）相关的是，一些商业上可获得的超声设备具有被设计为增强针在其插入穿过组织期间的回声反射性（echogenicity）的特征。不良的针回声反射性可能是由于多种因素，包括声波从针表面反射并且远离超声换能器。针可视化增强特征通常利用（1）调整超声波的接收和传输使得它们朝向针的预期位置和角度以及（2）使用后处理图像调整以增强和突出结果超声图像中的线性结构（例如针）的组合。两种方法都需要超声系统假设关于针相对于换能器的位置和取向的信息。在商业上可获得的系统中，这通常通过要求用户在用户界面上输入预期的针角度来处理。然而，由于上述问题，当使用徒手技术时，用户难以识别和维持最优接近角度，从而使得难以精确地知道要输入到超声系统中什么接近角度。

18、存在用于帮助提供者克服上述挑战中的一些挑战的设备，诸如帮助用户获取图像、识别解剖结构、计划接近方式并执行手术的机器人系统。这些设备可以具有从仅视觉引导到手术的完全自动化的不同等级的自动化和机器人控制。中间操作模式是反向驱动，其中用户手动且协作地调整针轨迹或以力触觉（haptic）方式与机器人交互。直接反向驱动可以被用于将机器人移动到设定配置或快速建立初始位置，然后用户可以切换到图形用户界面交互以用于各种瞄准模式，诸如在界面上自行点击和拖动、使用自动分割的像素以自动瞄准、或者通过利用远程提供者的引导，所有这些都可以使得能够进行对机器人设备的精细、精确瞄准。

19、在许多情况下，由于更自然的工作流/可用性和/或增强的感觉交互（诸如力触觉/触觉（tactile）反馈），用户可能仍想手动与臂交互以进行精细瞄准。无约束反向驱动可能无法充分服务用户对期望与自动化运动相关联的精细瞄准目标能力的同时保持与反向驱动相关联的直接用户交互的需求。

技术实现思路

1、本文可以描述一种与成像设备配对的介入机器人设备，对于该介入机器人设备，远程用户可以选择远程界面上的目标或“路径点”，并且机器人随后将机动以满足由那些目标或路径点暗示的命令。

2、本文可以描述可调超声成像平面与机器人引导技术的组合。机器人和非机器人超声引导系统主要集中于将器械保持在长成像轴或短成像轴上并且垂直于换能器，而不是使用非主平面或非垂直平面或在手术期间调整成像平面。通过将机器人瞄准设备耦合到能够调整成像平面的超声成像仪，成像平面可以被调整为匹配所测量的器械尖端的位置和取向，和/或平面和机器人设备可以调整为相对于解剖目标被最优地定位和取向。

3、本文可以描述多平面超声成像与机器人引导技术的组合。机器人和非机器人超声引导系统主要集中于将器械保持在单个超声成像平面中，而不是使用多个并发成像平面来可视化预期轨迹和/或建立该轨迹。通过将机器人瞄准设备耦合到能够实现多平面的超声成像仪，可以在超声图像顶部上显示器械在成像平面上/成像平面中的预期轨迹和/或交点。

4、本文可以描述针可视化增强特征与机器人引导技术的组合。现有的针可视化增强特征依赖于超声系统假定针进入身体时针的位置和取向。通过将机器人瞄准设备耦合到具有针可视化增强特征的超声系统，器械的测量的位置和取向可以被用作可视化特征的输入以最有效地增强器械。

5、本文可以描述基于逆运动学（ik）的约束反向驱动，其使用户只关注他们需要控制的部分，并以人在环路中的方式在运动学上辅助其余的运动。鉴于相同的框架，它可以非常灵活且易于实现一系列约束反向驱动模式以满足特定需求，和/或迁移到不同的机器人设计。用户体验主要取决于给定机器人的运动约束和用户触点选择。

6、本文可以描述一种具有软件控制的角度调整的机器人系统。可以使用用户界面来发起移动机器人设备的关节以改变机器人角度的软件命令，同时维持一个或多个固定约束，诸如目标位置或末端效应器高度。