预测手术设备的弯曲穿透路径
1.相关申请的交叉引用本技术要求2020年3月30日提交的名称为“predicting curved penetration path of a surgical device”的美国临时专利申请no. 63/001,808根据35 u.s.c.
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119(e)的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
2.本公开涉及用于规划在受试者身体内的手术路径的设备和方法，并且更具体地但不排他地涉及用于估计和/或预测手术设备(例如，包括弯曲针的设备)的弯曲穿透路径的位置和/或取向的设备和方法，诸如用于避免对手术设备的相邻器官或其它组织的伤害的设备和方法。
背景技术：
3.微创手术中的一些操作需要在非直线或弯曲的路径中穿透内脏器官。例如，缝合器官包括使针横跨形成器官的组织，向前并且然后向后，相对于微创进入端口从入口点到位于器官表面的相同侧的出口点。微创手术通常使用内窥镜在视觉下进行，该内窥镜经由专用端口朝向被处理区域伸入到身体内。
4.在通过手术设备(尤其是包括大曲率针的手术设备)进行的需要弯曲穿透路径的微创手术中的挑战之一是避免对与手术程序无关的其它组织或器官造成伤害。例如，子宫位于膀胱附近，因此涉及子宫的穿刺的操作(诸如在缝合子宫的组织的过程中)可能潜在地导致膀胱的无意中刺穿。
5.因此，需要向外科医生提供用于估计和/或预测手术设备穿过身体内的器官或其它组织的一个或多个弯曲穿透路径和/或沿着这样的路径的特定点的设备和方法。
技术实现要素：
6.本公开涉及用于规划在受试者身体内的手术路径的设备和方法，并且更具体地但不排他地涉及用于估计和/或预测手术设备(例如，包括弯曲针的设备)的弯曲穿透路径的位置和/或取向的设备和方法，诸如用于避免对手术设备的相邻器官或其它组织的伤害的设备和方法。
7.在某些实施例中，提供了一种手术设备，该手术设备可以包括：(a)细长主体，其包括纵向轴线，被构造成穿过受试者身体内的开口并以其远端到达受试者身体内的器官的表面；(b)组织穿透装置，其被构造成沿着限制在选定的穿透平面(“平面”在本文中指二维平坦表面)的弯曲穿透路径从细长主体远端延伸穿过器官的组织层；和(c)光投射器，其靠近细长主体远端连接到细长主体，被构造成产生可投射在器官的表面上的指示穿透平面与器官的表面的交叉部的成形照明。
8.在一些实施例中，手术设备被构造成使得成形照明表示穿透平面与器官的表面的交叉部的位置和取向。
9.在一些实施例中，手术设备被构造成使得成形照明表示代表穿透平面与器官的表面的交叉部的交叉线的一个或多个部分。
10.在一些实施例中，手术设备被构造成使得光投射器投射被限制为基本上沿着穿透平面行进的至少一个光束。
11.在一些实施例中，该至少一个光束是线形光束，该线形光束具有构造成与穿透平面基本上重合的基本上线形的横截面。
12.在一些实施例中，光投射器被构造成在与纵向轴线成角度的大体上远侧方向上投射该至少一个光束。
13.在一些实施例中，手术设备被构造成使得成形照明由彼此间隔开和/或部分合并的一系列斑点形成。
14.在一些实施例中，斑点相对于纵向轴线基本上成直线地布置。
15.在一些实施例中，大部分或全部斑点沿着包括纵向轴线的横截面平面布置。
16.在一些实施例中，横截面平面是穿透平面。
17.在一些实施例中，每个斑点是线形光束的单独光线的足迹，每个光线与纵向轴线形成不同的投射角。
18.在一些实施例中，光投射器包括激光源。
19.在一些实施例中，激光源包括诸如单模光纤的光纤。
20.在一些实施例中，激光源位于中空投射器主体内，该中空投射器主体包括位于其侧向壁部分处的开口或光学窗口，该开口或光学窗口被构造成以选定的扇角传输线形光束。
21.在一些实施例中，扇角与纵向轴线成角度。
22.在一些实施例中，光投射器还包括构造成从投射自激光源的预准直激光束产生准直光束的准直透镜，并且还包括构造成从准直光束产生线形光束的光束线透镜。
23.在一些实施例中，光投射器还包括相对于纵向轴线倾斜的反射表面，该反射表面被构造成沿着穿透平面以选定的扇角反射和引导线形光束穿过投影器主体的开口或光学窗口。
24.在一些实施例中，细长主体的远端包括尖锐的顶端，该尖锐的顶端被构造成当穿透器官时在器官的表面上形成进入开口。
25.在一些实施例中，组织穿透装置包括弯曲针，该弯曲针被构造成在由纵向主体封闭的第一管腔中沿着纵向轴线直线穿过，并且当其针伸出部分从第一管腔相对于细长主体的远端远侧地伸出时自动地变形到弹性应力较小的弯曲形状。
26.在一些实施例中，手术设备被构造成使得当针伸出部分平行于穿透平面在器官内前进时弯曲针形成弯曲穿透路径。
27.在一些实施例中，组织穿透装置还包括管心针，该管心针被构造成穿过由弯曲针封闭的第二管腔，直到该该管心针的管心针伸出部分的选定长度从第二管腔相对于弯曲针的远端远侧地伸出。
28.在一些实施例中，手术设备还包括在细长主体上的可见标记，该可见标记指示相对于大体上指向可见标记的视觉视线在穿透平面上的弯曲穿透路径的空间取向。
29.在一些实施例中，可见标记包括垂直于纵向轴线围绕圆柱形部分的远侧圆形标记
和近侧圆形标记。
30.在一些实施例中，可见标记包括离散标记。
31.在一些实施例中，离散标记设置在远侧圆形标记和近侧圆形标记之间。
32.在某些实施例中，提供了一种系统，该系统包括用于处理数字图像的至少一个处理器，该数字图像相对于视线捕获在受试者身体中的细长主体的一部分。在一些实施例中，该至少一个处理器被构造成：定位可见标记和细长主体的至少一条轮廓线，计算可见标记和该至少一条轮廓线之间的相对位置和/或距离，并且外推空间取向。
33.在一些实施例中，该至少一个处理器被构造成产生穿透路径图，用于在组织穿透装置从细长主体的远端完全延伸时基于外推的空间取向和组织穿透装置的预定形状和尺寸值来预测器官中的穿透路径位置和取向。
34.在一些实施例中，该系统包括屏幕或可连接到屏幕，并被构造成在屏幕上示出数字图像上的穿透路径图的图形表示。
35.在某些实施例中，存在一种手术设备，该手术设备可以包括：(a)细长主体，其包括纵向轴线，被构造成穿过受试者身体内的开口并以其远端到达受试者身体内的器官的表面；(b)组织穿透装置，其被构造成沿着限制在选定的穿透平面的弯曲穿透路径从细长主体远端延伸穿过器官的组织层；和(c)光投射器，其靠近细长主体远端连接到细长主体，被构造成投射具有与穿透平面基本上重合的线形横截面的激光线形光束。
36.在一些实施例中，光投射器被构造成在与纵向轴线成角度的大体上远侧方向上投射线形光束。
37.在一些实施例中，光投射器被构造成以选定的扇角投射线形光束。
38.在一些实施例中，扇角与纵向轴线成角度。
39.在某些实施例中，提供了一种手术设备，该手术设备可以包括：(a)细长主体，其被构造成穿过开口进入受试者身体内的内部体积并以其远端到达大体上位于开口的前面的受试者身体内的器官的表面；(b)组织穿透装置，其被构造成经由细长主体远端从在器官的表面处的入口点到与入口点间隔开的出口点沿着弯曲穿透路径延伸穿过器官的组织层；和(c)光投射器，其靠近细长主体远端连接到细长主体，被构造成投射至少一个光束，用于在器官的表面上产生指示出口点的预测位置的成形照明。
40.在一些实施例中，弯曲穿透路径被限制到选定的穿透平面并且包括入口点和出口点。
41.在一些实施例中，成形照明指示穿透平面与器官的表面的交叉部。
42.在一些实施例中，该至少一个光束包括具有与穿透平面基本上重合的线形横截面的激光线形光束。
43.在一些实施例中，光投射器被构造成在与纵向轴线成角度的大体上远侧方向上投射该至少一个光束。
44.在某些实施例中，提供了一种手术设备，该手术设备可以包括：(a)细长主体，其具有圆柱形部分和与纵向轴线重合的中心线；(b)组织穿透装置，其被构造用于沿着限制在选定的穿透平面的弯曲穿透路径从细长主体远端延伸；和(c)可见标记，其在细长主体的圆柱形部分上，指示相对于大体上指向可见标记的视觉视线在穿透平面上的弯曲穿透路径的空间取向。
45.在一些实施例中，可见标记包括垂直于纵向轴线围绕圆柱形部分的远侧圆形标记和近侧圆形标记。
46.在一些实施例中，可见标记包括离散标记。
47.在一些实施例中，离散标记设置在远侧圆形标记和近侧圆形标记之间。
48.在某些实施例中，提供了一种系统，该系统包括用于处理数字图像的至少一个处理器，该数字图像相对于视线在捕获受试者身体内的细长主体的一部分。在一些实施例中，该至少一个处理器被构造成：定位由远侧圆形标记、近侧圆形标记和细长主体的至少一条轮廓线的交叉部形成的拐角，以确定纵向轴线的取向；计算离散标记与拐角之间的相对位置和/或距离，以确定穿透平面相对于纵向轴线的取向；并且外推在穿透平面上的弯曲穿透路径的空间取向。
49.在一些实施例中，该至少一个处理器被构造成产生穿透路径图，用于在组织穿透装置从细长主体的远端完全延伸时基于外推空间取向和组织穿透装置的预定形状和尺寸值来预测器官中的穿透路径位置和取向。
50.在一些实施例中，该系统包括屏幕或可连接到屏幕，并被构造成在屏幕上示出数字图像上的穿透路径图的图形表示。
51.在某些实施例中，提供了一种方法，该方法可以包括以下步骤中的至少一个(不必以相同的顺序)：将根据权利要求35所述的手术设备定位在受试者身体中，使得细长主体的远端与器官的表面接合；记录从视觉视线捕获器官的表面和可见标记的数字图像；处理该图像以确定在穿透平面上的弯曲穿透路径相对于视觉视线的空间取向；在组织穿透装置从细长主体的远端完全延伸时，基于外推空间取向和组织穿透装置的预定形状和尺寸值产生在器官中的预测穿透路径位置和取向的穿透路径图；以及在屏幕上图示数字图像上的穿透路径图的图形表示。
52.在一些实施例中，可见标记包括垂直于纵向轴线围绕圆柱形部分的远侧圆形标记和近侧圆形标记，以及设置在远侧圆形标记和近侧圆形标记附近和/或之间的离散标记。在一些这样的实施例中，处理包括：定位由远侧圆形标记、近侧圆形标记和细长主体的至少一条轮廓线的交叉部形成的拐角，以确定纵向轴线的取向；计算离散标记与拐角之间的相对位置和/或距离，以确定穿透平面相对于纵向轴线的取向；以及外推在穿透平面上的弯曲穿透路径的空间取向。
53.在一些实施例中，该方法还包括通过识别图形表示与数字图像中所示的器官的表面上的成形照明的交叉部来预测组织穿透装置从器官的出口点，该成形照明指示穿透平面与器官的表面的交叉部。
54.在一些实施例中，手术设备还包括靠近细长主体远端连接到细长主体的光投射器，该光投射器被构造用于投射激光线形光束，该激光线形光束具有与穿透平面基本上重合的线形横截面。在一些这样的实施例中，该方法包括投射激光线形光束以在器官的表面上产生成形照明。
55.在某些实施例中，提供了一种方法，该方法可以包括以下步骤中的至少一个(不必以相同的顺序)：提供手术设备，该手术设备包括细长主体、构造成从细长主体的远端沿着弯曲穿透路径延伸的组织穿透装置、以及靠近细长主体远端定位的光投射器；将细长主体远端与受试者身体中的目标器官的表面接合；使用光投射器在目标器官的表面上产生成形
照明；基于成形照明相对于邻近目标器官的非目标组织的位置和/或取向，选择用于弯曲穿透路径的穿透平面，以避免组织穿透装置穿过非目标组织；以及沿着限制到选定的穿透平面的弯曲穿透路径在目标器官中推进组织穿透装置。
56.在一些实施例中，该方法包括将细长主体远端固定到目标器官的表面，以便阻止在器官的表面上的成形照明相对于细长主体的纵向轴线的旋转。
57.在一些实施例中，所述产生包括在与纵向轴线成角度的大体上远侧方向上朝向器官的表面投射限制为基本上沿着穿透平面行进的至少一个光束。
58.在一些实施例中，该方法包括使可植入构件或缝线沿着弯曲穿透路径通过。
59.本文使用的所有技术或/和科学词语、术语或/和短语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同或相似的含义，除非本文另外具体地定义或陈述。本文说明性地描述的方法(步骤、程序)、装置(设备、系统、其部件)、装备和材料的说明性实施例仅是示例性和说明性的，并且不旨在必须是限制性的。尽管与本文所述的方法、设备、装备和材料等同或相似的方法、设备、装备和材料可用于实践或/和测试本发明的实施例，但是示例性的方法、设备、装备和材料在下文中被说明性地描述。在冲突的情况下，将以专利说明书(包括定义)为准。
附图说明
60.这里参照附图仅通过示例的方式描述一些实施例。现在具体详细地参照附图，强调所示的细节是作为示例的，并且用于一些实施例的说明性描述的目的。在这点上，与附图结合在一起的描述使得如何可以实践一些实施例对于本领域技术人员来说变得显而易见。
61.在附图中：图1示出了包括根据一些实施例的用于预测手术设备在受试者身体中的器官中的弯曲穿透路径的示例性系统的框图；图2a至图2b分别示意性地图示了根据一些实施例的显示正在用于处理器官的图1的系统的示例性变型的等轴视图和剖视图；图3a至图3f示意性地图示了根据一些实施例的表示用于使用图1的系统处理身体中的器官的示例性方法中的步骤的示例性场景；图4a至图4c图示了根据一些实施例的包括组织穿透装置和光投射器的示例性手术设备的视图；图4d图示了根据一些实施例的设置有图4a中所示的手术设备的示例性光投射器的等轴视图；图4e图示了根据一些实施例的图4a中所示的手术设备的示例性变型；图5a至图5c示意性地图示了根据一些实施例的图4c中所示的光投射器的示例性部件；图6a至图6b图示了根据一些实施例的包括示例性可见标记的图4a的手术设备的部分；和图7图示了根据一些实施例的表示与手术设备的可见标记的捕获图像相关的变量之间的可能关系的示例性图。
具体实施方式
62.某些实施例涉及用于规划在受试者身体中的手术路径的系统、设备和方法，并且更具体地但不排他地涉及用于估计和/或预测手术设备(例如，包括弯曲针的设备)的弯曲穿透路径的位置和/或取向的系统、设备和方法，诸如用于避免手术设备对相邻器官或其它组织的伤害的设备和方法。
63.图1示出了包括投入使用以用于预测手术设备20在受试者身体中的器官中的弯曲穿透路径的示例性系统10的框图。系统10被构造用于捕获和/或分析手术设备在身体内的图像，用于评估手术设备的取向和/或用于预测器官中的弯曲穿透路径。该系统可以包括用于处理数字图像的至少一个处理器12，该数字图像相对于视线捕获在受试者身体中的细长主体的一部分。处理器12可以被构造(例如，编程)成定位细长主体的可见标记和/或至少一条轮廓线，计算可见标记和至少一条轮廓线之间的相对位置和/或距离，并且外推弯曲穿透路径的空间取向。
64.系统10包括或可操作地连接到用于显示图像和/或数据的系统屏幕11，以有利于在系统10和用户之间的通信。系统10可以包括或可操作地与诸如内窥镜30的体内图像捕获设备连接，该设备任选地呈腹腔镜的形式，被构造用于经由专用腹腔镜端口突出到受试者身体内。装备用于微创手术的现代手术室通常将包括可连接到内窥镜30的图像观看装备，诸如腹腔镜塔40，其可以诸如经由腹腔镜屏幕41产生、显示或投射图像。为了利用腹腔镜塔40(任选地同时)接收图像，系统10可以经由信号分离器31连接到内窥镜30。为了在由内窥镜30捕获的原始图像上添加预测的弯曲穿透路径、其上的点、误差范围和/或其它信息的视觉表示，系统10还可以连接到腹腔镜塔40并被允许处理或编辑所捕获和/或处理的图像，和/或在腹腔镜屏幕41中显示的图像上叠加视觉对象。
65.图2a至图2b分别示意性地图示了显示正在用于处理受试者身体内的器官的系统10的示例性实施方式的等轴视图和剖视图。手术设备20包括细长主体21、可经由细长主体21延伸的组织穿透装置22和光投射器23。细长主体21被构造用于穿过受试者身体中的开口并以其远端24接合器官的表面os。组织穿透装置22被构造用于沿着限制到选定的穿透平面cpp(即，二维平坦表面)的弯曲穿透路径从细长主体远端24延伸穿过形成器官的组织块。选定的穿透平面cpp相对于与细长主体21的中心线重合的纵向轴线la固定。
66.光投射器23靠近细长主体远端24连接到细长主体21，并且可选择性地操作用于投射至少一个光束25，该光束被限制为基本上沿着穿透平面cpp行进。因此，光投射器23被构造成在器官表面os上产生(例如，投射)成形照明26，该成形照明26指示当细长主体远端24接合器官表面os时穿透平面cpp与器官表面os的交叉部27。
67.手术设备20还可以包括在细长主体21的一个或多个部分上的可见标记28，其可以指示相对于大体上指向可见标记28的内窥镜30的视觉视线在穿透平面cpp上的弯曲穿透路径的空间取向。
68.图3a至图3f示意性地图示了表示用于根据图2中所示的部署方案使用系统10处理身体中的器官og的示例性方法中的步骤的示例性场景。每个图在两个并发视图中示出了单独的场景：第一视图(i)，它是在手术程序期间在系统屏幕11和/或腹腔镜屏幕41中示出的图像的示意性等轴图示，其中视觉对象由系统10创建并叠加在由内窥镜30捕获的原始图像上；和第二视图(ii)，它是在受试者身体内部的手术程序的示意性横截面图示。出于演示目
的，第二视图(ii)中的横截面根据图中所示的手术设备20取向与穿透平面cpp重合。
69.图3a示出了第一场景，其中内窥镜30正突出到受试者身体中，并且可以可视化器官og的目标处理区域，以及在用手术设备20在器官og中穿刺和前进期间要避免或最大限度减少对其的穿刺或伤害的相邻组织ts。图3b示出了第二场景，其中手术设备20被引入受试者身体内，其中细长主体21的远侧部分经由开口或腹腔镜端口突出到体腔(例如，腹腔)中。手术设备20向远侧推进和/或操纵，直到细长主体远端24接合(例如，接触、压靠和/或固定到)器官og的器官外表面os。
70.图3c示出了第三场景，其中光投射器23被操作和应用于投射的一个或多个光束25，光束25在器官表面os上形成至少一个照明26(例如，类似于线)，该照明26在视觉上和/或几何上指示穿透平面cpp与器官表面os的交叉部。如图3d中所示，系统10还可以被应用于分析可见标记28的相对定位和/或其部分或相互作用，用于计算器官og中组织穿透装置22的估计或预测的弯曲穿透路径，并且用于任选地将预测的弯曲穿透路径的图形表示29叠加在原始内窥镜图像上，如屏幕(系统屏幕11和/或腹腔镜屏幕41)上出现的。
71.如屏幕上出现的，照明26与图形表示29的交叉部可以用于计算、估计或预测可由组织穿透装置22形成的出口点(如果组织穿透装置22被应用以穿透器官og到足以经由预测的出口点穿过器官表面os向后(例如，大体上朝向内窥镜30)突出的程度的话)。手术设备20可以相对于器官表面os操纵(例如，手动地、自动地或通过机器人)，以达到手术设备20的选定的空间取向，以用于确定器官表面os上的照明26的位置和/或取向和器官og中的弯曲穿透路径的位置和/或取向。当应用组织穿透装置22时，可以选择空间取向以避免对相邻组织ts不必要的潜在伤害。在一些实施例中，手术设备20用于利用组织穿透装置20围绕(例如，环绕)器官og内的目标组织块，并且可以选择空间取向以便到达优选的围绕路径，可能是多个不同取向的弯曲路径中的一个。这样的目标组织块可以包括肿瘤的一部分，并且其周围部分可以被应用以使张力构件至少部分地绕过它，如例如美国专利申请号16/539,800中所述。
72.图3e示出了第五场景，其中组织穿透装置22被应用以穿透器官og，并且任选地基本上沿着预定的选定弯曲穿透路径在器官og中前进。图3f示出了任选场景，如果组织穿透装置22被用于任选地基本上穿过预测的出口点或邻近该出口点从内到外横穿器官表面os，则可能出现这种场景。组织穿透装置22通过器官og和/或表面os的推进可以在无创成像下或者可以不在无创成像(例如，通过射线照相或超声)下执行。
73.图4a至图4c图示了示例性手术设备100，其在至少一个结构和/或功能特征上任选地与手术设备20相似或相同；并且，因此可以被构造用于部署(诸如在图2中所示的示例性部署中)和/或应用在可以包括图3中所示场景中的一个或多个的示例性方法中。图4a图示了手术设备100的完整等轴视图，并且图4b图示了手术设备100远侧部分的部分放大视图。手术设备100包括具有与其中心线重合的纵向轴线la的细长主体101。细长主体101被构造用于穿过受试者身体中的开口，并且以其远端102接合受试者身体内的器官的表面(例如类似于图2中所示)。
74.手术设备100还包括组织穿透装置103，该组织穿透装置103被构造用于沿着限制到选定的穿透平面cpp(例如，图7中所示)的弯曲穿透路径从细长主体远端102延伸穿过形成器官的组织块。穿透平面cpp包括纵向轴线la，并且相对于纵向轴线la固定，使得轴线la
与穿透平面cpp重合并沿着穿透平面cpp延伸，因此通过相对于器官重新定位手术设备100，纵向轴线la、穿透平面cpp和弯曲穿透路径中的每一个将相应地改变，同时保持相对于彼此固定地定位。
75.手术设备100包括锋利顶端104，锋利顶端104被构造用于在器官的表面上形成用于穿透到器官中的进入开口。锋利顶端104可以固定到细长主体101的远端102，或者设置在组织穿透装置103的构件的远端处，该构件可以呈相对于细长主体远端102可滑动的针或套管的形式。组织穿透装置103包括相对于锋利顶端104可滑动的弯曲针105。弯曲针105被构造用于在由细长主体101封闭的第一管腔中沿着纵向轴线la直线穿过，并且当其一部分从第一管腔106相对于细长主体远端102远侧地伸出时自动地变形为弹性应力较小的弯曲形状。这允许手术设备100通过使弯曲针105的再弯曲的伸出部分在器官内平行于穿透平面前进而利用弯曲针105形成弯曲穿透路径。
76.如图4c中所示，管心针106可以被包括为组织穿透装置103的一部分，并且可以被构造用于穿过由弯曲针105封闭的第二管腔，使得其选定长度(管心针伸出部分)从第二管腔相对于弯曲针105的远端向远侧地伸出。管心针106可以是任选地具有构造用于刺穿器官组织的锋利顶端的柔性棒状构件。管心针106可以配备有捕获装置，例如用于有利于线(例如，缝合线)和/或组织的选择性物理捕获；这样的捕获装置可以包括沿着管心针106的远侧部分上的两个连接点之间延伸的线构件107。在使缝线穿过线构件107和管心针106之间之后，通过用管心针106拉动缝线并使其持续地抵靠弯曲针105的远端固连，可以将缝线固连到组织穿透装置103。一旦固连，缝线就可以利用组织穿透装置103沿着器官中的弯曲穿透路径被拉动或推动。
77.手术设备100可以包括组织锚固机构，其可以包括抓取器或把持钩108，用于在用组织穿透装置穿透器官和/或推进通过其组织时保持器官的一部分。手术设备100可以包括设置在其近侧部分处的至少一个致动器109，该致动器被构造用于有利于组织穿透装置103、锋利顶端104、弯曲针105、管心针106和抓取器或把持钩108中的至少一个的选择性施加(例如，以足够的力推进或撤回)。
78.手术设备100还包括靠近其远端102连接到细长主体101的光投射器110。图4d图示了作为独立部件的光投射器110，尽管光投射器110通常设置成固定到细长主体101的外部边界，如图4b中所示。图4e示出了备选实施例，尽管在一些或所有其它结构和/或功能特征上类似，其中光投射器110或类似装置(未示出)位于细长主体101的内部，并被构造成经由与细长主体101的壁合并的开口或光学窗口114投射光。图5a至图5c示意性地图示了光投射器110在使用时的示例性部件。光投射器110可选择性地操作用于投射至少一个线形光束lb，该光束lb任选地包括多个光线中的一个，具有构造用于与穿透平面基本上重合的基本上线形的横截面。光束lb被限制为在与纵向轴线la成角度的大体上远侧方向上基本上沿着穿透平面cpp行进。
79.类似于先前关于图2和图3所描述的，当细长主体远端102接合器官表面并任选地固定到器官表面时，由光投射器110投射的光束lb在器官的表面上产生指示穿透平面与器官的表面的交叉部的成形照明。成形照明可以是线的形式和/或作为彼此间隔开和/或部分地合并的一系列斑点，这些斑点相对于纵向轴线la基本上成直线地布置。每个斑点可以是线形光束lb的单独光线的足迹，每个光线与纵向轴线la形成不同的投射角，并且大部分或
全部斑点沿着穿透平面布置。成形照明表示代表穿透平面与器官的表面的交叉部的交叉线的一个或多个部分，其指示穿透平面与器官的表面的交叉部的位置和取向。
80.光投射器110包括激光源111，该激光源111包括光纤112(任选地单模光纤)或与光纤112联接。光投射器110包括中空投射器主体113，该中空投射器主体113包括位于投射器主体113的侧向壁部分处的开口或光学窗口114，开口或光学窗口114被构造成以选定的扇角fa传输线形光束，扇角fa是激光束的角展度，可以确定在特定距离处的投影(诸如线或十字)的大小。扇角fa(例如，扇角fa的中线)与纵向轴线la成角度an。光投射器110包括准直透镜115以及光束线透镜118，准直透镜115被构造用于从投射自激光源111的预准直激光束117产生准直光束116，光束线透镜118被构造用于从准直光束116产生线形光束lb。光反射表面(例如，反射镜)119任选地设置在投射器主体113中并相对于纵向轴线la倾斜，并且被构造成沿着穿透平面以选定的扇角fa反射和引导线形光束lb穿过开口或光学窗口114。
81.手术设备100包括在细长主体101上的可见标记，该可见标记指示相对于大体上指向可见标记的视觉视线在穿透平面上的弯曲穿透路径的空间取向。图6a至图6b图示了包括可见标记的细长主体101的圆柱形部分121。可见标记包括远侧圆形标记122和近侧圆形标记123，每个可见标记都围绕(环绕)垂直于纵向轴线la的圆柱形部分121。可见标记还包括两个沿直径相对的离散标记
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第一离散标记124和第二离散标记125，它们至少通过形状和/或尺寸彼此视觉上不同，并且在圆柱形部分121的相对侧处都设置在远侧圆形标记122和近侧圆形标记123之间。任选地并且如图所示，第一离散标记124被构造为普通圆，并且第二离散标记125被构造为两个同心圆。
82.在一些实施例中，系统10被构造成分析手术设备100的可见标记的体内捕获图像(类似于关于手术设备20的可见标记所描述的)。参照图7，其图示了代表与手术设备100的可见标记的示例性捕获图像(例如类似于图3c中的第一视图(i)中所示的图像)相关的变量之间的可能关系的示例性图130。系统10可以绘制这样的图，或者它可以计算或产生与可从图130导出或类似于图130的方程显著相关的一系列数字。重新参考图1，系统10包括至少一个处理器12，该处理器被构造用于处理数字图像，该数字图像捕获(相对于选定的视线)在受试者身体中的包括至少圆柱形部分121的细长主体101的一部分。
83.在一些实施例中，处理器12被构造(例如，被编程为应用或执行专用算法)成定位由远侧圆形标记122、近侧圆形标记123、细长主体101的第一轮廓线l1(沿着圆柱形部分121在远侧圆形标记122和近侧圆形标记123之间延伸)和细长主体101的第二轮廓线l2(在远侧圆形标记122和近侧圆形标记123之间与第一轮廓线l1相对地延伸)的视觉表示形成的矩形131的至少两个拐角p1和p2(例如，检测或评估其位置)。第一拐角p1由远侧圆形标记122与第一轮廓线l1的交叉部形成，并且第二拐角p2由近侧圆形标记123与第二轮廓线l2的交叉部形成。任选地并且如图所示，第一拐角p1和第二拐角p2表示矩形131的对角线的相对端部。处理器12还被构造成根据捕获的图像中所示的离散标记的位置来定位中间点p3(例如，检测或评估其位置)。任选地并且如图所示，中间点p3表示如在捕获的图像中可视地表示的第一离散标记124的中心。
84.在一些实施例中，处理器12被构造成通过计算拐角p1和p2之间的相对位置和/或距离来确定捕获的图像中纵向轴线la的取向。处理器12任选地被构造成通过计算拐角p1和p2与中间点p3的相对位置和/或距离来确定穿透平面cpp任选地相对于纵向轴线la(例如，
围绕其旋转)的取向。在一些实施例中，处理器12被构造成外推在穿透平面cpp上的预定穿透路径图132的空间取向。穿透路径图132的形状和尺寸可以与在基本上松弛(非应力)状态下提供的弯曲针远侧顶端和锋利顶端104之间的弯曲针105的预定突出长度的测量形状和尺寸相关联地计算或从系统10的存储器中检索得到。
85.然后，处理器12可以外推穿透路径图132的初始部分133的空间取向，因为路径图132的整个长度先验地与已经确定的穿透平面cpp重合，并且其初始部分133基本上是直的，并且从平行于纵向轴线la的锋利顶端104延伸。通过将中间点p3链接到第一离散标记124或第二离散标记125中的任一个，可以由处理器12确定穿透路径图132在其初始部分133之后的取向，穿透路径图132是否大体上朝向第一拐角p1弯曲，或者是否在相反的方向上弯曲。例如，在系统10将中间点p3与第一离散标记124链接的情况下(例如，如图7中所示)，处理器12被构造成确定穿透路径图132大体上朝向第一拐角p1弯曲，而如果系统10将中间点p3与第二离散标记125链接，则处理器被构造成确定穿透路径图132大体上朝向由远侧圆形标记122与第二轮廓线l2形成的另一拐角弯曲。如图3d中所示，系统10被构造成在屏幕上图示在数字图像上的穿透路径图132的图形表示29。
86.如本文所用，以单数语法形式书写的以下术语中的每一个都表示“至少一个”或“一个或多个”：“一”、“一个”和“该”。短语“一个或多个”在本文中的使用不会改变“一”、“一个”或“该”的这种预期含义。因此，如本文所用，术语“一”、“一个”和“该”也可指并包含多个所陈述的实体或对象，除非本文另外具体限定或陈述，或者除非上下文清楚地另外指明。例如，如本文所用，短语“一个单元”、“一个设备”、“一个组件”、“一个机构”、“一个部件”、“一个元件”和“一个步骤或程序”也可分别指并包含多个单元、多个设备、多个组件、多个机构、多个部件、多个元件和多个步骤或程序。
87.如本文所用，术语“包含”、“包含”、“具有”、“有”、“由
…
构成”和“由
…
组成”中的每一个以及它们的语言/语法变体、派生词、或/和词形变化意指“包括但不限于”，并且应被视为指定所陈述的(多个)部件、(多个)特征、(多个)特性、(多个)参数、(多个)整数或(多个)步骤，并且不排除添加一个或多个附加部件、特征、特性、参数、整数、步骤或其组合。这些术语中的每一个都被认为在含义上等同于短语“基本上由
……
组成”。
88.如本文所用，术语“方法”是指用于完成给定任务的步骤、程序、方式、手段或/和技术，包括但不限于由所公开的发明的相关领域的从业者已知的或者容易从已知的步骤、程序、方式、手段或/和技术发展而来的那些步骤、程序、方式、手段或/和技术。
89.贯穿本公开，参数、特征、特性、对象或尺寸的数值可以数值范围格式的形式来陈述或描述。如本文所用，这样的数值范围格式说明了本发明的一些示例性实施例的实现，并且不硬性地限制本发明的示例性实施例的范围。因此，所陈述或描述的数值范围也指并包含所陈述或描述的数值范围内的所有可能的子范围和各个数值(其中数值可表示为整体、整数或分数)。例如，所陈述或描述的数字范围“从1至6”也指并包括在所陈述或描述的“1至6”的数值范围内的所有可能的子范围(诸如“从1至3”、“从1至4”、“从1至5”、“从2至4”、“从2至6”、“从3至6”等)和各个数值(诸如“1”、“1.3”、“2”、“2.8”、“3”、“3.5”、“4”、“4.6”、“5”、“5.2”和“6”)。不论所陈述或描述的数值范围的数值宽度、范围或大小如何，这都适用。
90.此外，为了陈述或描述数值范围，短语“在约第一数值和约第二数值之间的范围内”被认为等同于短语“在从约第一数值到约第二数值的范围内”，并且含义与该短语相同，
并且因此，这两个等同含义的短语可能够互换地使用。例如，为了陈述或描述室温的数值范围，短语“室温是指在约20℃和约25℃之间的范围内的温度”被认为等同于短语“室温是指在从约20℃至约25℃的范围内的温度”，并且含义与该短语相同。
91.如本文所用，术语“约”是指所陈述数值的
±
10%。
92.应当完全理解，为了清楚起见，在多个单独实施例的上下文或格式中说明性地描述和呈现的本发明的某些方面、特性和特征也可在单个实施例的上下文或格式中以任何合适的组合或子组合来说明性地描述和呈现。相反，在单个实施例的上下文或格式中以组合或子组合说明性地描述和呈现的本发明的各个方面、特性和特征也可在多个单独实施例的上下文或格式中说明性地描述和呈现。
93.尽管已经通过具体的示例性实施例及其示例的方式说明性地描述和呈现了本发明，但是很明显，本发明的许多备选方案、修改和/或变型对于本领域的技术人员将显而易见。因此，意图是，所有这些备选方案、修改和/或变型都落在所附权利要求书的精神内，并且被所附权利要求书的广泛范围所包含。
94.本公开中引用或提及的所有出版物、专利和/或专利申请都在此以引用方式全文并入本说明书中，其并入程度如同每个单独的出版物、专利或/和专利申请被具体地和单独地指出为以引用方式并入本文中一样。此外，在本说明书中任何参考文献的引用或标识不应被解释或理解为承认这样的参考文献代表或对应于本发明的现有技术。就使用章节标题而言，它们不应被解释为必然是限制性的。
1.相关申请的交叉引用本技术要求2020年3月30日提交的名称为“predicting curved penetration path of a surgical device”的美国临时专利申请no. 63/001,808根据35 u.s.c.
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119(e)的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
2.本公开涉及用于规划在受试者身体内的手术路径的设备和方法，并且更具体地但不排他地涉及用于估计和/或预测手术设备(例如，包括弯曲针的设备)的弯曲穿透路径的位置和/或取向的设备和方法，诸如用于避免对手术设备的相邻器官或其它组织的伤害的设备和方法。
背景技术：
3.微创手术中的一些操作需要在非直线或弯曲的路径中穿透内脏器官。例如，缝合器官包括使针横跨形成器官的组织，向前并且然后向后，相对于微创进入端口从入口点到位于器官表面的相同侧的出口点。微创手术通常使用内窥镜在视觉下进行，该内窥镜经由专用端口朝向被处理区域伸入到身体内。
4.在通过手术设备(尤其是包括大曲率针的手术设备)进行的需要弯曲穿透路径的微创手术中的挑战之一是避免对与手术程序无关的其它组织或器官造成伤害。例如，子宫位于膀胱附近，因此涉及子宫的穿刺的操作(诸如在缝合子宫的组织的过程中)可能潜在地导致膀胱的无意中刺穿。
5.因此，需要向外科医生提供用于估计和/或预测手术设备穿过身体内的器官或其它组织的一个或多个弯曲穿透路径和/或沿着这样的路径的特定点的设备和方法。
技术实现要素：
6.本公开涉及用于规划在受试者身体内的手术路径的设备和方法，并且更具体地但不排他地涉及用于估计和/或预测手术设备(例如，包括弯曲针的设备)的弯曲穿透路径的位置和/或取向的设备和方法，诸如用于避免对手术设备的相邻器官或其它组织的伤害的设备和方法。
7.在某些实施例中，提供了一种手术设备，该手术设备可以包括：(a)细长主体，其包括纵向轴线，被构造成穿过受试者身体内的开口并以其远端到达受试者身体内的器官的表面；(b)组织穿透装置，其被构造成沿着限制在选定的穿透平面(“平面”在本文中指二维平坦表面)的弯曲穿透路径从细长主体远端延伸穿过器官的组织层；和(c)光投射器，其靠近细长主体远端连接到细长主体，被构造成产生可投射在器官的表面上的指示穿透平面与器官的表面的交叉部的成形照明。
8.在一些实施例中，手术设备被构造成使得成形照明表示穿透平面与器官的表面的交叉部的位置和取向。
9.在一些实施例中，手术设备被构造成使得成形照明表示代表穿透平面与器官的表面的交叉部的交叉线的一个或多个部分。
10.在一些实施例中，手术设备被构造成使得光投射器投射被限制为基本上沿着穿透平面行进的至少一个光束。
11.在一些实施例中，该至少一个光束是线形光束，该线形光束具有构造成与穿透平面基本上重合的基本上线形的横截面。
12.在一些实施例中，光投射器被构造成在与纵向轴线成角度的大体上远侧方向上投射该至少一个光束。
13.在一些实施例中，手术设备被构造成使得成形照明由彼此间隔开和/或部分合并的一系列斑点形成。
14.在一些实施例中，斑点相对于纵向轴线基本上成直线地布置。
15.在一些实施例中，大部分或全部斑点沿着包括纵向轴线的横截面平面布置。
16.在一些实施例中，横截面平面是穿透平面。
17.在一些实施例中，每个斑点是线形光束的单独光线的足迹，每个光线与纵向轴线形成不同的投射角。
18.在一些实施例中，光投射器包括激光源。
19.在一些实施例中，激光源包括诸如单模光纤的光纤。
20.在一些实施例中，激光源位于中空投射器主体内，该中空投射器主体包括位于其侧向壁部分处的开口或光学窗口，该开口或光学窗口被构造成以选定的扇角传输线形光束。
21.在一些实施例中，扇角与纵向轴线成角度。
22.在一些实施例中，光投射器还包括构造成从投射自激光源的预准直激光束产生准直光束的准直透镜，并且还包括构造成从准直光束产生线形光束的光束线透镜。
23.在一些实施例中，光投射器还包括相对于纵向轴线倾斜的反射表面，该反射表面被构造成沿着穿透平面以选定的扇角反射和引导线形光束穿过投影器主体的开口或光学窗口。
24.在一些实施例中，细长主体的远端包括尖锐的顶端，该尖锐的顶端被构造成当穿透器官时在器官的表面上形成进入开口。
25.在一些实施例中，组织穿透装置包括弯曲针，该弯曲针被构造成在由纵向主体封闭的第一管腔中沿着纵向轴线直线穿过，并且当其针伸出部分从第一管腔相对于细长主体的远端远侧地伸出时自动地变形到弹性应力较小的弯曲形状。
26.在一些实施例中，手术设备被构造成使得当针伸出部分平行于穿透平面在器官内前进时弯曲针形成弯曲穿透路径。
27.在一些实施例中，组织穿透装置还包括管心针，该管心针被构造成穿过由弯曲针封闭的第二管腔，直到该该管心针的管心针伸出部分的选定长度从第二管腔相对于弯曲针的远端远侧地伸出。
28.在一些实施例中，手术设备还包括在细长主体上的可见标记，该可见标记指示相对于大体上指向可见标记的视觉视线在穿透平面上的弯曲穿透路径的空间取向。
29.在一些实施例中，可见标记包括垂直于纵向轴线围绕圆柱形部分的远侧圆形标记
和近侧圆形标记。
30.在一些实施例中，可见标记包括离散标记。
31.在一些实施例中，离散标记设置在远侧圆形标记和近侧圆形标记之间。
32.在某些实施例中，提供了一种系统，该系统包括用于处理数字图像的至少一个处理器，该数字图像相对于视线捕获在受试者身体中的细长主体的一部分。在一些实施例中，该至少一个处理器被构造成：定位可见标记和细长主体的至少一条轮廓线，计算可见标记和该至少一条轮廓线之间的相对位置和/或距离，并且外推空间取向。
33.在一些实施例中，该至少一个处理器被构造成产生穿透路径图，用于在组织穿透装置从细长主体的远端完全延伸时基于外推的空间取向和组织穿透装置的预定形状和尺寸值来预测器官中的穿透路径位置和取向。
34.在一些实施例中，该系统包括屏幕或可连接到屏幕，并被构造成在屏幕上示出数字图像上的穿透路径图的图形表示。
35.在某些实施例中，存在一种手术设备，该手术设备可以包括：(a)细长主体，其包括纵向轴线，被构造成穿过受试者身体内的开口并以其远端到达受试者身体内的器官的表面；(b)组织穿透装置，其被构造成沿着限制在选定的穿透平面的弯曲穿透路径从细长主体远端延伸穿过器官的组织层；和(c)光投射器，其靠近细长主体远端连接到细长主体，被构造成投射具有与穿透平面基本上重合的线形横截面的激光线形光束。
36.在一些实施例中，光投射器被构造成在与纵向轴线成角度的大体上远侧方向上投射线形光束。
37.在一些实施例中，光投射器被构造成以选定的扇角投射线形光束。
38.在一些实施例中，扇角与纵向轴线成角度。
39.在某些实施例中，提供了一种手术设备，该手术设备可以包括：(a)细长主体，其被构造成穿过开口进入受试者身体内的内部体积并以其远端到达大体上位于开口的前面的受试者身体内的器官的表面；(b)组织穿透装置，其被构造成经由细长主体远端从在器官的表面处的入口点到与入口点间隔开的出口点沿着弯曲穿透路径延伸穿过器官的组织层；和(c)光投射器，其靠近细长主体远端连接到细长主体，被构造成投射至少一个光束，用于在器官的表面上产生指示出口点的预测位置的成形照明。
40.在一些实施例中，弯曲穿透路径被限制到选定的穿透平面并且包括入口点和出口点。
41.在一些实施例中，成形照明指示穿透平面与器官的表面的交叉部。
42.在一些实施例中，该至少一个光束包括具有与穿透平面基本上重合的线形横截面的激光线形光束。
43.在一些实施例中，光投射器被构造成在与纵向轴线成角度的大体上远侧方向上投射该至少一个光束。
44.在某些实施例中，提供了一种手术设备，该手术设备可以包括：(a)细长主体，其具有圆柱形部分和与纵向轴线重合的中心线；(b)组织穿透装置，其被构造用于沿着限制在选定的穿透平面的弯曲穿透路径从细长主体远端延伸；和(c)可见标记，其在细长主体的圆柱形部分上，指示相对于大体上指向可见标记的视觉视线在穿透平面上的弯曲穿透路径的空间取向。
45.在一些实施例中，可见标记包括垂直于纵向轴线围绕圆柱形部分的远侧圆形标记和近侧圆形标记。
46.在一些实施例中，可见标记包括离散标记。
47.在一些实施例中，离散标记设置在远侧圆形标记和近侧圆形标记之间。
48.在某些实施例中，提供了一种系统，该系统包括用于处理数字图像的至少一个处理器，该数字图像相对于视线在捕获受试者身体内的细长主体的一部分。在一些实施例中，该至少一个处理器被构造成：定位由远侧圆形标记、近侧圆形标记和细长主体的至少一条轮廓线的交叉部形成的拐角，以确定纵向轴线的取向；计算离散标记与拐角之间的相对位置和/或距离，以确定穿透平面相对于纵向轴线的取向；并且外推在穿透平面上的弯曲穿透路径的空间取向。
49.在一些实施例中，该至少一个处理器被构造成产生穿透路径图，用于在组织穿透装置从细长主体的远端完全延伸时基于外推空间取向和组织穿透装置的预定形状和尺寸值来预测器官中的穿透路径位置和取向。
50.在一些实施例中，该系统包括屏幕或可连接到屏幕，并被构造成在屏幕上示出数字图像上的穿透路径图的图形表示。
51.在某些实施例中，提供了一种方法，该方法可以包括以下步骤中的至少一个(不必以相同的顺序)：将根据权利要求35所述的手术设备定位在受试者身体中，使得细长主体的远端与器官的表面接合；记录从视觉视线捕获器官的表面和可见标记的数字图像；处理该图像以确定在穿透平面上的弯曲穿透路径相对于视觉视线的空间取向；在组织穿透装置从细长主体的远端完全延伸时，基于外推空间取向和组织穿透装置的预定形状和尺寸值产生在器官中的预测穿透路径位置和取向的穿透路径图；以及在屏幕上图示数字图像上的穿透路径图的图形表示。
52.在一些实施例中，可见标记包括垂直于纵向轴线围绕圆柱形部分的远侧圆形标记和近侧圆形标记，以及设置在远侧圆形标记和近侧圆形标记附近和/或之间的离散标记。在一些这样的实施例中，处理包括：定位由远侧圆形标记、近侧圆形标记和细长主体的至少一条轮廓线的交叉部形成的拐角，以确定纵向轴线的取向；计算离散标记与拐角之间的相对位置和/或距离，以确定穿透平面相对于纵向轴线的取向；以及外推在穿透平面上的弯曲穿透路径的空间取向。
53.在一些实施例中，该方法还包括通过识别图形表示与数字图像中所示的器官的表面上的成形照明的交叉部来预测组织穿透装置从器官的出口点，该成形照明指示穿透平面与器官的表面的交叉部。
54.在一些实施例中，手术设备还包括靠近细长主体远端连接到细长主体的光投射器，该光投射器被构造用于投射激光线形光束，该激光线形光束具有与穿透平面基本上重合的线形横截面。在一些这样的实施例中，该方法包括投射激光线形光束以在器官的表面上产生成形照明。
55.在某些实施例中，提供了一种方法，该方法可以包括以下步骤中的至少一个(不必以相同的顺序)：提供手术设备，该手术设备包括细长主体、构造成从细长主体的远端沿着弯曲穿透路径延伸的组织穿透装置、以及靠近细长主体远端定位的光投射器；将细长主体远端与受试者身体中的目标器官的表面接合；使用光投射器在目标器官的表面上产生成形
照明；基于成形照明相对于邻近目标器官的非目标组织的位置和/或取向，选择用于弯曲穿透路径的穿透平面，以避免组织穿透装置穿过非目标组织；以及沿着限制到选定的穿透平面的弯曲穿透路径在目标器官中推进组织穿透装置。
56.在一些实施例中，该方法包括将细长主体远端固定到目标器官的表面，以便阻止在器官的表面上的成形照明相对于细长主体的纵向轴线的旋转。
57.在一些实施例中，所述产生包括在与纵向轴线成角度的大体上远侧方向上朝向器官的表面投射限制为基本上沿着穿透平面行进的至少一个光束。
58.在一些实施例中，该方法包括使可植入构件或缝线沿着弯曲穿透路径通过。
59.本文使用的所有技术或/和科学词语、术语或/和短语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同或相似的含义，除非本文另外具体地定义或陈述。本文说明性地描述的方法(步骤、程序)、装置(设备、系统、其部件)、装备和材料的说明性实施例仅是示例性和说明性的，并且不旨在必须是限制性的。尽管与本文所述的方法、设备、装备和材料等同或相似的方法、设备、装备和材料可用于实践或/和测试本发明的实施例，但是示例性的方法、设备、装备和材料在下文中被说明性地描述。在冲突的情况下，将以专利说明书(包括定义)为准。
附图说明
60.这里参照附图仅通过示例的方式描述一些实施例。现在具体详细地参照附图，强调所示的细节是作为示例的，并且用于一些实施例的说明性描述的目的。在这点上，与附图结合在一起的描述使得如何可以实践一些实施例对于本领域技术人员来说变得显而易见。
61.在附图中：图1示出了包括根据一些实施例的用于预测手术设备在受试者身体中的器官中的弯曲穿透路径的示例性系统的框图；图2a至图2b分别示意性地图示了根据一些实施例的显示正在用于处理器官的图1的系统的示例性变型的等轴视图和剖视图；图3a至图3f示意性地图示了根据一些实施例的表示用于使用图1的系统处理身体中的器官的示例性方法中的步骤的示例性场景；图4a至图4c图示了根据一些实施例的包括组织穿透装置和光投射器的示例性手术设备的视图；图4d图示了根据一些实施例的设置有图4a中所示的手术设备的示例性光投射器的等轴视图；图4e图示了根据一些实施例的图4a中所示的手术设备的示例性变型；图5a至图5c示意性地图示了根据一些实施例的图4c中所示的光投射器的示例性部件；图6a至图6b图示了根据一些实施例的包括示例性可见标记的图4a的手术设备的部分；和图7图示了根据一些实施例的表示与手术设备的可见标记的捕获图像相关的变量之间的可能关系的示例性图。
具体实施方式
62.某些实施例涉及用于规划在受试者身体中的手术路径的系统、设备和方法，并且更具体地但不排他地涉及用于估计和/或预测手术设备(例如，包括弯曲针的设备)的弯曲穿透路径的位置和/或取向的系统、设备和方法，诸如用于避免手术设备对相邻器官或其它组织的伤害的设备和方法。
63.图1示出了包括投入使用以用于预测手术设备20在受试者身体中的器官中的弯曲穿透路径的示例性系统10的框图。系统10被构造用于捕获和/或分析手术设备在身体内的图像，用于评估手术设备的取向和/或用于预测器官中的弯曲穿透路径。该系统可以包括用于处理数字图像的至少一个处理器12，该数字图像相对于视线捕获在受试者身体中的细长主体的一部分。处理器12可以被构造(例如，编程)成定位细长主体的可见标记和/或至少一条轮廓线，计算可见标记和至少一条轮廓线之间的相对位置和/或距离，并且外推弯曲穿透路径的空间取向。
64.系统10包括或可操作地连接到用于显示图像和/或数据的系统屏幕11，以有利于在系统10和用户之间的通信。系统10可以包括或可操作地与诸如内窥镜30的体内图像捕获设备连接，该设备任选地呈腹腔镜的形式，被构造用于经由专用腹腔镜端口突出到受试者身体内。装备用于微创手术的现代手术室通常将包括可连接到内窥镜30的图像观看装备，诸如腹腔镜塔40，其可以诸如经由腹腔镜屏幕41产生、显示或投射图像。为了利用腹腔镜塔40(任选地同时)接收图像，系统10可以经由信号分离器31连接到内窥镜30。为了在由内窥镜30捕获的原始图像上添加预测的弯曲穿透路径、其上的点、误差范围和/或其它信息的视觉表示，系统10还可以连接到腹腔镜塔40并被允许处理或编辑所捕获和/或处理的图像，和/或在腹腔镜屏幕41中显示的图像上叠加视觉对象。
65.图2a至图2b分别示意性地图示了显示正在用于处理受试者身体内的器官的系统10的示例性实施方式的等轴视图和剖视图。手术设备20包括细长主体21、可经由细长主体21延伸的组织穿透装置22和光投射器23。细长主体21被构造用于穿过受试者身体中的开口并以其远端24接合器官的表面os。组织穿透装置22被构造用于沿着限制到选定的穿透平面cpp(即，二维平坦表面)的弯曲穿透路径从细长主体远端24延伸穿过形成器官的组织块。选定的穿透平面cpp相对于与细长主体21的中心线重合的纵向轴线la固定。
66.光投射器23靠近细长主体远端24连接到细长主体21，并且可选择性地操作用于投射至少一个光束25，该光束被限制为基本上沿着穿透平面cpp行进。因此，光投射器23被构造成在器官表面os上产生(例如，投射)成形照明26，该成形照明26指示当细长主体远端24接合器官表面os时穿透平面cpp与器官表面os的交叉部27。
67.手术设备20还可以包括在细长主体21的一个或多个部分上的可见标记28，其可以指示相对于大体上指向可见标记28的内窥镜30的视觉视线在穿透平面cpp上的弯曲穿透路径的空间取向。
68.图3a至图3f示意性地图示了表示用于根据图2中所示的部署方案使用系统10处理身体中的器官og的示例性方法中的步骤的示例性场景。每个图在两个并发视图中示出了单独的场景：第一视图(i)，它是在手术程序期间在系统屏幕11和/或腹腔镜屏幕41中示出的图像的示意性等轴图示，其中视觉对象由系统10创建并叠加在由内窥镜30捕获的原始图像上；和第二视图(ii)，它是在受试者身体内部的手术程序的示意性横截面图示。出于演示目
的，第二视图(ii)中的横截面根据图中所示的手术设备20取向与穿透平面cpp重合。
69.图3a示出了第一场景，其中内窥镜30正突出到受试者身体中，并且可以可视化器官og的目标处理区域，以及在用手术设备20在器官og中穿刺和前进期间要避免或最大限度减少对其的穿刺或伤害的相邻组织ts。图3b示出了第二场景，其中手术设备20被引入受试者身体内，其中细长主体21的远侧部分经由开口或腹腔镜端口突出到体腔(例如，腹腔)中。手术设备20向远侧推进和/或操纵，直到细长主体远端24接合(例如，接触、压靠和/或固定到)器官og的器官外表面os。
70.图3c示出了第三场景，其中光投射器23被操作和应用于投射的一个或多个光束25，光束25在器官表面os上形成至少一个照明26(例如，类似于线)，该照明26在视觉上和/或几何上指示穿透平面cpp与器官表面os的交叉部。如图3d中所示，系统10还可以被应用于分析可见标记28的相对定位和/或其部分或相互作用，用于计算器官og中组织穿透装置22的估计或预测的弯曲穿透路径，并且用于任选地将预测的弯曲穿透路径的图形表示29叠加在原始内窥镜图像上，如屏幕(系统屏幕11和/或腹腔镜屏幕41)上出现的。
71.如屏幕上出现的，照明26与图形表示29的交叉部可以用于计算、估计或预测可由组织穿透装置22形成的出口点(如果组织穿透装置22被应用以穿透器官og到足以经由预测的出口点穿过器官表面os向后(例如，大体上朝向内窥镜30)突出的程度的话)。手术设备20可以相对于器官表面os操纵(例如，手动地、自动地或通过机器人)，以达到手术设备20的选定的空间取向，以用于确定器官表面os上的照明26的位置和/或取向和器官og中的弯曲穿透路径的位置和/或取向。当应用组织穿透装置22时，可以选择空间取向以避免对相邻组织ts不必要的潜在伤害。在一些实施例中，手术设备20用于利用组织穿透装置20围绕(例如，环绕)器官og内的目标组织块，并且可以选择空间取向以便到达优选的围绕路径，可能是多个不同取向的弯曲路径中的一个。这样的目标组织块可以包括肿瘤的一部分，并且其周围部分可以被应用以使张力构件至少部分地绕过它，如例如美国专利申请号16/539,800中所述。
72.图3e示出了第五场景，其中组织穿透装置22被应用以穿透器官og，并且任选地基本上沿着预定的选定弯曲穿透路径在器官og中前进。图3f示出了任选场景，如果组织穿透装置22被用于任选地基本上穿过预测的出口点或邻近该出口点从内到外横穿器官表面os，则可能出现这种场景。组织穿透装置22通过器官og和/或表面os的推进可以在无创成像下或者可以不在无创成像(例如，通过射线照相或超声)下执行。
73.图4a至图4c图示了示例性手术设备100，其在至少一个结构和/或功能特征上任选地与手术设备20相似或相同；并且，因此可以被构造用于部署(诸如在图2中所示的示例性部署中)和/或应用在可以包括图3中所示场景中的一个或多个的示例性方法中。图4a图示了手术设备100的完整等轴视图，并且图4b图示了手术设备100远侧部分的部分放大视图。手术设备100包括具有与其中心线重合的纵向轴线la的细长主体101。细长主体101被构造用于穿过受试者身体中的开口，并且以其远端102接合受试者身体内的器官的表面(例如类似于图2中所示)。
74.手术设备100还包括组织穿透装置103，该组织穿透装置103被构造用于沿着限制到选定的穿透平面cpp(例如，图7中所示)的弯曲穿透路径从细长主体远端102延伸穿过形成器官的组织块。穿透平面cpp包括纵向轴线la，并且相对于纵向轴线la固定，使得轴线la
与穿透平面cpp重合并沿着穿透平面cpp延伸，因此通过相对于器官重新定位手术设备100，纵向轴线la、穿透平面cpp和弯曲穿透路径中的每一个将相应地改变，同时保持相对于彼此固定地定位。
75.手术设备100包括锋利顶端104，锋利顶端104被构造用于在器官的表面上形成用于穿透到器官中的进入开口。锋利顶端104可以固定到细长主体101的远端102，或者设置在组织穿透装置103的构件的远端处，该构件可以呈相对于细长主体远端102可滑动的针或套管的形式。组织穿透装置103包括相对于锋利顶端104可滑动的弯曲针105。弯曲针105被构造用于在由细长主体101封闭的第一管腔中沿着纵向轴线la直线穿过，并且当其一部分从第一管腔106相对于细长主体远端102远侧地伸出时自动地变形为弹性应力较小的弯曲形状。这允许手术设备100通过使弯曲针105的再弯曲的伸出部分在器官内平行于穿透平面前进而利用弯曲针105形成弯曲穿透路径。
76.如图4c中所示，管心针106可以被包括为组织穿透装置103的一部分，并且可以被构造用于穿过由弯曲针105封闭的第二管腔，使得其选定长度(管心针伸出部分)从第二管腔相对于弯曲针105的远端向远侧地伸出。管心针106可以是任选地具有构造用于刺穿器官组织的锋利顶端的柔性棒状构件。管心针106可以配备有捕获装置，例如用于有利于线(例如，缝合线)和/或组织的选择性物理捕获；这样的捕获装置可以包括沿着管心针106的远侧部分上的两个连接点之间延伸的线构件107。在使缝线穿过线构件107和管心针106之间之后，通过用管心针106拉动缝线并使其持续地抵靠弯曲针105的远端固连，可以将缝线固连到组织穿透装置103。一旦固连，缝线就可以利用组织穿透装置103沿着器官中的弯曲穿透路径被拉动或推动。
77.手术设备100可以包括组织锚固机构，其可以包括抓取器或把持钩108，用于在用组织穿透装置穿透器官和/或推进通过其组织时保持器官的一部分。手术设备100可以包括设置在其近侧部分处的至少一个致动器109，该致动器被构造用于有利于组织穿透装置103、锋利顶端104、弯曲针105、管心针106和抓取器或把持钩108中的至少一个的选择性施加(例如，以足够的力推进或撤回)。
78.手术设备100还包括靠近其远端102连接到细长主体101的光投射器110。图4d图示了作为独立部件的光投射器110，尽管光投射器110通常设置成固定到细长主体101的外部边界，如图4b中所示。图4e示出了备选实施例，尽管在一些或所有其它结构和/或功能特征上类似，其中光投射器110或类似装置(未示出)位于细长主体101的内部，并被构造成经由与细长主体101的壁合并的开口或光学窗口114投射光。图5a至图5c示意性地图示了光投射器110在使用时的示例性部件。光投射器110可选择性地操作用于投射至少一个线形光束lb，该光束lb任选地包括多个光线中的一个，具有构造用于与穿透平面基本上重合的基本上线形的横截面。光束lb被限制为在与纵向轴线la成角度的大体上远侧方向上基本上沿着穿透平面cpp行进。
79.类似于先前关于图2和图3所描述的，当细长主体远端102接合器官表面并任选地固定到器官表面时，由光投射器110投射的光束lb在器官的表面上产生指示穿透平面与器官的表面的交叉部的成形照明。成形照明可以是线的形式和/或作为彼此间隔开和/或部分地合并的一系列斑点，这些斑点相对于纵向轴线la基本上成直线地布置。每个斑点可以是线形光束lb的单独光线的足迹，每个光线与纵向轴线la形成不同的投射角，并且大部分或
全部斑点沿着穿透平面布置。成形照明表示代表穿透平面与器官的表面的交叉部的交叉线的一个或多个部分，其指示穿透平面与器官的表面的交叉部的位置和取向。
80.光投射器110包括激光源111，该激光源111包括光纤112(任选地单模光纤)或与光纤112联接。光投射器110包括中空投射器主体113，该中空投射器主体113包括位于投射器主体113的侧向壁部分处的开口或光学窗口114，开口或光学窗口114被构造成以选定的扇角fa传输线形光束，扇角fa是激光束的角展度，可以确定在特定距离处的投影(诸如线或十字)的大小。扇角fa(例如，扇角fa的中线)与纵向轴线la成角度an。光投射器110包括准直透镜115以及光束线透镜118，准直透镜115被构造用于从投射自激光源111的预准直激光束117产生准直光束116，光束线透镜118被构造用于从准直光束116产生线形光束lb。光反射表面(例如，反射镜)119任选地设置在投射器主体113中并相对于纵向轴线la倾斜，并且被构造成沿着穿透平面以选定的扇角fa反射和引导线形光束lb穿过开口或光学窗口114。
81.手术设备100包括在细长主体101上的可见标记，该可见标记指示相对于大体上指向可见标记的视觉视线在穿透平面上的弯曲穿透路径的空间取向。图6a至图6b图示了包括可见标记的细长主体101的圆柱形部分121。可见标记包括远侧圆形标记122和近侧圆形标记123，每个可见标记都围绕(环绕)垂直于纵向轴线la的圆柱形部分121。可见标记还包括两个沿直径相对的离散标记
‑‑
第一离散标记124和第二离散标记125，它们至少通过形状和/或尺寸彼此视觉上不同，并且在圆柱形部分121的相对侧处都设置在远侧圆形标记122和近侧圆形标记123之间。任选地并且如图所示，第一离散标记124被构造为普通圆，并且第二离散标记125被构造为两个同心圆。
82.在一些实施例中，系统10被构造成分析手术设备100的可见标记的体内捕获图像(类似于关于手术设备20的可见标记所描述的)。参照图7，其图示了代表与手术设备100的可见标记的示例性捕获图像(例如类似于图3c中的第一视图(i)中所示的图像)相关的变量之间的可能关系的示例性图130。系统10可以绘制这样的图，或者它可以计算或产生与可从图130导出或类似于图130的方程显著相关的一系列数字。重新参考图1，系统10包括至少一个处理器12，该处理器被构造用于处理数字图像，该数字图像捕获(相对于选定的视线)在受试者身体中的包括至少圆柱形部分121的细长主体101的一部分。
83.在一些实施例中，处理器12被构造(例如，被编程为应用或执行专用算法)成定位由远侧圆形标记122、近侧圆形标记123、细长主体101的第一轮廓线l1(沿着圆柱形部分121在远侧圆形标记122和近侧圆形标记123之间延伸)和细长主体101的第二轮廓线l2(在远侧圆形标记122和近侧圆形标记123之间与第一轮廓线l1相对地延伸)的视觉表示形成的矩形131的至少两个拐角p1和p2(例如，检测或评估其位置)。第一拐角p1由远侧圆形标记122与第一轮廓线l1的交叉部形成，并且第二拐角p2由近侧圆形标记123与第二轮廓线l2的交叉部形成。任选地并且如图所示，第一拐角p1和第二拐角p2表示矩形131的对角线的相对端部。处理器12还被构造成根据捕获的图像中所示的离散标记的位置来定位中间点p3(例如，检测或评估其位置)。任选地并且如图所示，中间点p3表示如在捕获的图像中可视地表示的第一离散标记124的中心。
84.在一些实施例中，处理器12被构造成通过计算拐角p1和p2之间的相对位置和/或距离来确定捕获的图像中纵向轴线la的取向。处理器12任选地被构造成通过计算拐角p1和p2与中间点p3的相对位置和/或距离来确定穿透平面cpp任选地相对于纵向轴线la(例如，
围绕其旋转)的取向。在一些实施例中，处理器12被构造成外推在穿透平面cpp上的预定穿透路径图132的空间取向。穿透路径图132的形状和尺寸可以与在基本上松弛(非应力)状态下提供的弯曲针远侧顶端和锋利顶端104之间的弯曲针105的预定突出长度的测量形状和尺寸相关联地计算或从系统10的存储器中检索得到。
85.然后，处理器12可以外推穿透路径图132的初始部分133的空间取向，因为路径图132的整个长度先验地与已经确定的穿透平面cpp重合，并且其初始部分133基本上是直的，并且从平行于纵向轴线la的锋利顶端104延伸。通过将中间点p3链接到第一离散标记124或第二离散标记125中的任一个，可以由处理器12确定穿透路径图132在其初始部分133之后的取向，穿透路径图132是否大体上朝向第一拐角p1弯曲，或者是否在相反的方向上弯曲。例如，在系统10将中间点p3与第一离散标记124链接的情况下(例如，如图7中所示)，处理器12被构造成确定穿透路径图132大体上朝向第一拐角p1弯曲，而如果系统10将中间点p3与第二离散标记125链接，则处理器被构造成确定穿透路径图132大体上朝向由远侧圆形标记122与第二轮廓线l2形成的另一拐角弯曲。如图3d中所示，系统10被构造成在屏幕上图示在数字图像上的穿透路径图132的图形表示29。
86.如本文所用，以单数语法形式书写的以下术语中的每一个都表示“至少一个”或“一个或多个”：“一”、“一个”和“该”。短语“一个或多个”在本文中的使用不会改变“一”、“一个”或“该”的这种预期含义。因此，如本文所用，术语“一”、“一个”和“该”也可指并包含多个所陈述的实体或对象，除非本文另外具体限定或陈述，或者除非上下文清楚地另外指明。例如，如本文所用，短语“一个单元”、“一个设备”、“一个组件”、“一个机构”、“一个部件”、“一个元件”和“一个步骤或程序”也可分别指并包含多个单元、多个设备、多个组件、多个机构、多个部件、多个元件和多个步骤或程序。
87.如本文所用，术语“包含”、“包含”、“具有”、“有”、“由
…
构成”和“由
…
组成”中的每一个以及它们的语言/语法变体、派生词、或/和词形变化意指“包括但不限于”，并且应被视为指定所陈述的(多个)部件、(多个)特征、(多个)特性、(多个)参数、(多个)整数或(多个)步骤，并且不排除添加一个或多个附加部件、特征、特性、参数、整数、步骤或其组合。这些术语中的每一个都被认为在含义上等同于短语“基本上由
……
组成”。
88.如本文所用，术语“方法”是指用于完成给定任务的步骤、程序、方式、手段或/和技术，包括但不限于由所公开的发明的相关领域的从业者已知的或者容易从已知的步骤、程序、方式、手段或/和技术发展而来的那些步骤、程序、方式、手段或/和技术。
89.贯穿本公开，参数、特征、特性、对象或尺寸的数值可以数值范围格式的形式来陈述或描述。如本文所用，这样的数值范围格式说明了本发明的一些示例性实施例的实现，并且不硬性地限制本发明的示例性实施例的范围。因此，所陈述或描述的数值范围也指并包含所陈述或描述的数值范围内的所有可能的子范围和各个数值(其中数值可表示为整体、整数或分数)。例如，所陈述或描述的数字范围“从1至6”也指并包括在所陈述或描述的“1至6”的数值范围内的所有可能的子范围(诸如“从1至3”、“从1至4”、“从1至5”、“从2至4”、“从2至6”、“从3至6”等)和各个数值(诸如“1”、“1.3”、“2”、“2.8”、“3”、“3.5”、“4”、“4.6”、“5”、“5.2”和“6”)。不论所陈述或描述的数值范围的数值宽度、范围或大小如何，这都适用。
90.此外，为了陈述或描述数值范围，短语“在约第一数值和约第二数值之间的范围内”被认为等同于短语“在从约第一数值到约第二数值的范围内”，并且含义与该短语相同，
并且因此，这两个等同含义的短语可能够互换地使用。例如，为了陈述或描述室温的数值范围，短语“室温是指在约20℃和约25℃之间的范围内的温度”被认为等同于短语“室温是指在从约20℃至约25℃的范围内的温度”，并且含义与该短语相同。
91.如本文所用，术语“约”是指所陈述数值的
±
10%。
92.应当完全理解，为了清楚起见，在多个单独实施例的上下文或格式中说明性地描述和呈现的本发明的某些方面、特性和特征也可在单个实施例的上下文或格式中以任何合适的组合或子组合来说明性地描述和呈现。相反，在单个实施例的上下文或格式中以组合或子组合说明性地描述和呈现的本发明的各个方面、特性和特征也可在多个单独实施例的上下文或格式中说明性地描述和呈现。
93.尽管已经通过具体的示例性实施例及其示例的方式说明性地描述和呈现了本发明，但是很明显，本发明的许多备选方案、修改和/或变型对于本领域的技术人员将显而易见。因此，意图是，所有这些备选方案、修改和/或变型都落在所附权利要求书的精神内，并且被所附权利要求书的广泛范围所包含。
94.本公开中引用或提及的所有出版物、专利和/或专利申请都在此以引用方式全文并入本说明书中，其并入程度如同每个单独的出版物、专利或/和专利申请被具体地和单独地指出为以引用方式并入本文中一样。此外，在本说明书中任何参考文献的引用或标识不应被解释或理解为承认这样的参考文献代表或对应于本发明的现有技术。就使用章节标题而言，它们不应被解释为必然是限制性的。
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