СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЕРЕДНЕЙ КРЕСТООБРАЗНОЙ СВЯЗКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
SYSTEM FOR IMAGING LOCALISATION OF ANTERIOR CRUCIAL LIGAMENT

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая международная заявка, поданная в соответствии с Договором о патентной кооперации, испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США 61/327416, поданной 23 апреля 2010 г. под названием «Компьютерная визуализация и установка маркеров локализации при проведении медицинских операций», и по предварительной заявке на патент США 61/286170, поданной 14 декабря 2009 г. под названием «Система для осуществления локализации передней крестообразной связки с применением визуализации», причем полное содержание каждой из этих заявок включено в настоящее описание посредством ссылки.
Область применения изобретения
Изобретение относится к области компьютерного обеспечения и визуализации, применяемых при определении места установки маркеров локализации, используемых в ходе хирургических вмешательств.
Уровень техники
Значительный прогресс в области артроскопии был достигнут благодаря различным современным технологиям, включая методы компьютеризированного формирования изображений и компьютеризированной эндоскопии. Так, в частности, в ходе артроскопических хирургических операций используют традиционные компьютеризированные устройства, обеспечивающие возможность получения в реальном времени рентгенограмм оперируемых анатомических структур. В качестве одного из примеров распространенных медицинских операций можно назвать восстановление мягких тканей, например передней крестообразной связки (ПКС) коленного сустава человека. Поврежденную ПКС часто заменяют тканевым трансплантатом, применяя артроскопические методы. Такой тканевый трансплантат можно взять из части надколенного сухожилия, имеющей на каждом конце так называемые «костные блоки», либо из полусухожильной и тонкой мышц. Другой подход предусматривает формирование тканевого трансплантата из комбинации синтетических и природных материалов. Имплантацию тканевого заменителя производят путем закрепления одного из концов трансплантата в туннеле, образуемом в канале бедренной кости, и пропускания его второго конца через туннель, образуемый в большеберцовой кости. Как правило, крепление каждого конца тканевого трансплантата к специальному фиксатору (например, интерферентному винту или штифту), который прикрепляют затем к кости, осуществляют с помощью швов. Определение конкретных мест для размещения туннелей в бедренном и большеберцовом компонентах коленного сустава может оказаться довольно трудной задачей, учитывая, что коленный сустав представляет собой плотную зону, при этом разные пациенты, которым делается операция восстановления ПКС, имеют разный размер костей.
Один из примеров выполнения механического устройства, предназначенного для облегчения правильного определения мест внедрения трансплантата ПКС, описан в патенте США 5968050 (далее «патент '050»), принадлежащем заявителю настоящей заявки. Содержание патента "050 полностью включено в настоящее описание посредством ссылки. В указанном документе раскрыт чисто механический направитель (инструмент) для определения местоположения позиционирования большеберцового туннеля при проведении операции реконструкции ПКС. Альтернативой применению описанного механического инструмента, является другая традиционная технология, применяемая при реконструкции ПКС, в соответствии с которой в реальном времени получают рентгеновское и компьютеризированное графическое изображение и компьютеризированное графическое изображение для облегчения проведения операций восстановления ПКС. Эта технология описана в патенте США 7319897 (ниже по тексту «патент '897»), полное содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки.
Однако известные методики, обеспечивающие компьютерную поддержку хирургических операций, подобные описанной в патенте '897, имеют ряд недостатков. Поэтому необходима разработка компьютеризированной системы, способов и устройства, обеспечивающих работу локализационных программных средств, позволяющих медицинскому специалисту, например, хирургу, увидеть на экране графического пользовательского интерфейса как статические, так и видеоизображения соответствующей анатомической структуры.
Краткое изложение сущности изобретения
Ниже рассмотрены различные варианты осуществления изобретения, предусматривающие использование компьютеризированной системы, способов и устройства, обеспечивающих работу упомянутых выше программных средств локализации. Изображения может быть получено от аппаратуры, производящей радиографические (например, рентгеновские) снимки, снимки полученные методом магнитно-резонансной или компьютерной томографии, флюороскопические и другие подобные снимки. Это могут быть прямые изображения в реальном масштабе времени, полученные во время операции, либо предварительно записанные изображения, которые используют в послеоперационный период (в частности, для целей контроля качества). Программные средства позволяют выполнить обозначение на графическом пользовательском интерфейсе совокупности ориентиров, с помощью которых идентифицируют соответствующие анатомические позиции на отображаемом изображении анатомической структуры. Возможны два варианта действий: либо хирург вручную обозначает такие ориентиры посредством взаимодействия с графическим пользовательским интерфейсом, либо программа использует функцию автоматического обнаружения с целью определения места или идентификации ориентиров на анатомической структуре. Так, если анатомической структурой является коленный сустав, то система может отображать изображение (например, рентгеновское) этого сустава, что позволит хирургу выбрать на рентгенограмме в качестве ориентиров конкретные известные костные ориентиры, относящиеся к бедренной или большеберцовой кости.
После того как выбраны ориентиры, система готова к отображению накладного графического элемента в виде сетки или линии, накладываемого поверх изображения анатомической структуры. При размещении такого накладного графического элемента руководствуются указанной совокупностью ориентиров. Хирург может выбрать какой-нибудь один из набора созданных системой накладных графических элементов, при этом такой накладной графический элемент может включать в себя ряд направляющих индикаторов, обеспечивающих индикацию связанных с анатомической структурой позиций для выполнения хирургической операции на этой структуре. Такие направляющие индикаторы могут указывать, например, позиции в процентах, дающие возможность определить расстояние или масштаб между ориентирами кости. Далее система может отображать по меньшей мере один маркер локализации внутри накладного графического элемента. Такой(ие) маркер(ы) локализации указывает(ют) оптимальное местоположение для проведения хирургической операции на анатомической структуре. Система может размещать маркер(ы) локализации, используя для этого известные из медицинских знаний позиции применительно к данной анатомической структуре (на основе ориентиров), что обеспечит максимальный успех медицинского вмешательства, в частности, реконструкции ПКС.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, в соответствии с которым определяют место крепления передней крестообразной связки, система может отображать изображение, на котором представлен вид бедренного и большеберцового компонентов коленного сустава человека. В соответствии с данным вариантом отображают вид сбоку бедренной кости. Система принимает выбор известных костных ориентиров. В соответствии с данным вариантом система принимает в качестве первого известного костного ориентира выбор переднего края вида бедренной кости, отображенной на изображении, а в качестве второго известного костного ориентира, выбор заднего края вида бедренной кости, отображенной на изображении. Линия, проведенная между первым известным костным ориентиром и вторым известным костным ориентиром, определяет плоскость, которая находится практически на одной линии с надколенной поверхностью бедренной кости. В систему поступает также третий известный костный ориентир, который соответствует отображению на изображении на виде сбоку поверхности дистального мыщелка бедренной кости. При отображении накладного графического элемента поверх изображения анатомической структуры, система отображает накладную сетку, наложенную на вид дистального конца бедренной кости на графическом пользовательском интерфейсе. Указанная накладная сетка имеет ширину, отображаемую между выбранными первыми и вторым известными костными ориентирами и высоту, доходящую до выбранного третьего известного костного ориентира. После этого система может отображать на накладной сетке по меньшей мере один бедренный маркера локализации. Этот маркер указывает некоторый базовый ориентир для места внедрения тканевого трансплантата в бедренную кость, отображенную на графическом изображении.
В соответствии с другими вариантами осуществления, при отображении маркера локализации система может автоматически вычислить по меньшей мере одну предпочтительную с медицинской точки зрения позицию внутри накладной сетки для установки маркера локализации, исходя из геометрии этой сетки, и отобразить соответствующий маркер локализации в каждой автоматически вычисленной предпочтительной с медицинской точки зрения позиции на накладной сетке. После того как автоматически установлен(ы) маркер(ы) локализации, система предоставляет медицинскому специалисту возможность отрегулировать автоматически вычисленное место соответствующего локализационного маркера на накладной сетке.
В соответствии с вариантами осуществления, относящимися к коленному суставу (применительно к большеберцовой кости), система может отображать вид сбоку большеберцового компонента коленного сустава человека и принимать, в качестве первого известного костного ориентира, выбор переднего края вида большеберцовой кости, отображаемой на изображении. Также система принимает в качестве второго известного костного ориентира выбор заднего края вида большеберцовой кости, отображаемой на изображении на виде сбоку. В данном случае линия, образуемая между первым и вторым известными костными ориентирами, определяет плоскость, на которой может быть отображен по меньшей мере один маркер локализации для восстановления связки, связанной с большеберцовой костью. После выбора ориентиров, относящихся к большеберцовой кости, система отображает накладную линию поверх вида проксимального конца большеберцовой кости на графическом пользовательском интерфейсе между двумя ориентирами большеберцовой кости. После того как воспроизведена накладная линия, система может начинать отображение по меньшей мере одного маркера локализации большеберцовой кости на этой линии. Маркер(ы) локализации большеберцовой кости указывает(ют) по меньшей мере одно анатомическое место крепления передней крестообразной связки на большеберцовой кости, отображенной на графическом пользовательском интерфейсе.
Таким образом, при использовании описанных выше вариантов осуществления обеспечивается более надежное проведение хирургических или иных медицинских операций, поскольку воспроизведение накладных графических элементов поверх анатомических структур позволяет добиться более точного размещения маркеров локализации, которые дают возможность точного решения таких медицинских задач, как определение места тканевого трансплантата. Имеющиеся на накладных сетках направляющие индикаторы предоставляют медицински приемлемые ориентиры для размещения маркеров локализации и не позволяют врачу совершить ошибку при установке маркера.
В соответствии с другими рассматриваемыми здесь вариантами осуществления, используются самые разнообразные компьютеризированные устройства, рабочие места, карманные или переносные компьютеры и подобные устройства, конфигурация которых предусматривает наличие программных средств и/или схем (например, процессора), предназначенных для проведения какой-либо или всех рассматриваемых здесь технологических операций. Другими словами, какое-либо компьютеризированное устройство типа компьютера, или устройства передачи данных, или процессора любого типа, которые запрограммированы или выполнены с возможностью функционировать таким образом, как описано в данной заявке, следует считать одним из рассматриваемых в настоящей заявке вариантов осуществления изобретения.
В соответствии с другими рассматриваемыми вариантами осуществления, предусматриваются программные средства, предназначенные для выполнения этапов и операций, которые кратко изложены выше и более подробно раскрыты далее по тексту. В соответствии с одним из этих вариантов, используется компьютерный программный продукт, содержащий машиночитаемый носитель, содержащий программный код, который в случае его выполнения в автоматизированном устройстве, где применены связанные друг с другом ЗУ и процессор, программирует процессор таким образом, чтобы он выполнял рассматриваемые здесь операции. Подобные системы поставляются, как правило, в виде программных средств, кода и/или иных данных (например, структур данных), которые размещаются или кодируются на машиночитаемом носителе типа оптического (например, CD-ROM), на гибком или жестком диске либо ином носителе наподобие прошивки или микропрограммы на одной или большем количестве микросхем ROM, RAM или PROM, или же в виде специализированной интегральной схемы (ASIC). Программные или программно-аппаратные средства, либо другие подобные конфигурации могут инсталлироваться на автоматизированном устройстве, давая ему возможность выполнять рассматриваемые ниже процедуры, которые предлагаются здесь как варианты осуществления изобретения.
Следует понимать, что описываемая здесь система может быть реализована в виде программного средства, в виде программных и аппаратных средств или только аппаратных средств и ее можно использовать либо автономно, либо в сочетании с другими системами, такими как медицинские установки для получения прямых видеоизображений рентгенограмм анатомической структуры в реальном времени.
Краткое описание чертежей
Вышеизложенные и другие задачи, признаки и преимущества изобретения станут более понятными из нижеследующего описания отдельных вариантов его осуществления, иллюстрируемых на приложенных чертежах, на которых одни и те же элементы обозначены одинаковыми номерами позиций. Чертежи не всегда выполнены в надлежащем масштабе, поскольку основное внимание уделяется иллюстрации положенных в основу изобретения принципов.
На фиг.1 показана высокоуровневая структурная схема совокупности медицинских компьютерных средств, выполненной в соответствии с одним из рассматриваемых здесь вариантов осуществления.
На фиг.2-4 показаны блок-схемы, иллюстрирующие этапы обработки, выполняемые в соответствии с рассматриваемыми здесь типовыми вариантами осуществления.
На фиг.5-17 - проиллюстрированы варианты осуществления графического пользовательского интерфейса, на которых представлены конкретные этапы и операции обработки, указанные на блок-схемах по фиг.2-4.
Подробное описание изобретения
Рассматриваемая в настоящей заявке система работает в целом как программное средство с локализационной главной компьютерной системой, управляющей локализационной программой (например, осуществляющей программу), например, приложением и/или процессом, которое способно отображать видеоизображения анатомической структуры (например, рентгенограммы в реальном времени) и позволяет медицинскому специалисту (в частности хирургу) точно определить надлежащее место для решения хирургической задачи по проведению медицинской операции на отображаемой анатомической структуре. Такой процесс может осуществляться как в ходе операции, облетая определение места выполнения некоторых этапов текущей хирургической операции, так и после операции, например, для целей контроля качества. Локализационная прикладная программа, действуя совместно с графическим пользовательским интерфейсом, обеспечивает возможность выбора конкретных ориентиров на анатомической структуре (например, отдельных костных ориентиров, видимых на отображаемом изображении). В ответ на это локализационное программное средство на основе размещения выбранных ориентиров отображает накладной графический элемент.
Накладной графический элемент может представлять собой, например, накладную сетку, снабженную видимыми графическими индикаторами типа шкал, линеек, сегментов, количественных показателей и подобных элементов, предназначенных для того, чтобы помочь медицинскому специалисту определить на изображении надлежащее место размещения (относительно сетки) маркеров локализации. После установки накладного графического элемента медицинский специалист получает возможность дальнейшего взаимодействия с графическим пользовательским интерфейсом с целью позиционирования и отображения одного или большего количества маркеров локализации, которые определяют местоположение выполнения хирургической операции на данной анатомической структуре. В соответствии с одним из вариантов осуществления, локализационное программное средство производит вышеописанную обработку для отображения внутри накладной сетки по меньшей мере одного бедренного и/или большеберцового маркера. Такие бедренные и/или большеберцовые маркеры определяют базовое(ые) местоположение(я) для внедрения тканевого трансплантата в бедренную или большеберцовую кость, отображенную на графическом изображении.
На фиг.1 показана совокупность 100 медицинских средств, подходящая для пояснения функционирования изобретения. Эта совокупность средств включает медицинское устройство 101 отображения, которое может представлять собой систему магнитно-резонансной томографии (МРТ), систему компьютерной томографии (КГ), флюороскопическую систему, радиографическую (например, рентгеновскую) систему или другую подобную систему, генерирующую видеоданные 103, включающие в себя двухмерное (2D) латеральное видеоизображение анатомической структуры. В рассматриваемом примере, медицинское устройство 101 отображения выдает двухмерное латеральное изображение коленного сустава человека. В соответствии с другим вариантом, совокупность 100 медицинских средств может включать в себя эндоскопическую систему 102, генерирующую внутренние изображения анатомической структуры, а также видеоданные 103. Предусмотрена локализационная главная компьютерная система 110, на вход которой поступают видеоданные 103 (например, через устройство захвата видеосигнала/кадра) и которая может воспроизводить видеоданные 103 в графическом пользовательском интерфейсе 160 на дисплее 130.
В качестве локализационной главной компьютерной системы 110 можно использовать любое компьютеризированное устройство типа персонального компьютера, рабочей станции, переносного вычислительного устройства, консоли, переносного компьютера, сетевого терминала и подобных устройств. В рассматриваемом примере компьютерная система 110 включает в себя средство 111 связи типа информационной шины или другой схемы, которое обеспечивает связь запоминающей системы 112, процессора 113, интерфейса 114 ввода-вывода и связного интерфейса 115. Имеются также одно или более устройств 116 ввода данных (например, управляемые пользователем устройства типа мыши, клавиатуры, сенсорного экрана, сенсорного планшета и подобных устройств), которые соединены с процессором 113 через интерфейс 114 ввода-вывода и дают пользователю 108, то есть медицинскому специалисту (например, врачу, хирургу или другому специалисту), возможность вводить команды и в целом управлять работой графического пользовательского интерфейса 160 с видеоданными 103 на дисплее 130, как пояснено ниже. Связной интерфейс 115 обеспечивает связь компьютерной системы 110 с другими устройствами (то есть другими компьютерами) в сети (не показаны).
В качестве запоминающей системы 112 можно использовать любой машиночитаемый носитель. В рассматриваемом случае на этой системе размещен код локализационного приложения 150-1, которое обеспечивает обработку и функциональные операции через посредство графического пользовательского интерфейса 160, как пояснено ниже. Указанное приложение 150-1 может быть выполнено в виде программного кода в виде данных и/или логических команд (например, исходного или объектного кода, хранящегося в памяти или на другом машиночитаемом носителе типа съемного диска), которые обеспечивают поддержку функциональных возможностей обработки в соответствии с различными описываемыми здесь вариантами осуществления. В процессе работы локализационной компьютерной системы 110 процессор 113 подключается к запоминающей системе 112 через средство 111 связи с целью дальнейшего запуска, осуществления, выполнения, интерпретации или иных действий с логическими командами, поступающими от локализационного приложения 150-1. Такое выполнение локализационного приложения обеспечивает функцию обработки в процессе 150-2 локализации. Другими словами, процесс 150-2 локализации представляет собой один и более участков или экземпляров выполнения локализационного приложения 150-1 (или всего приложения 150-1), выполняемых процессором 113 в компьютеризированном устройстве во время прогона приложения.
Локализационное приложение 150-1 может храниться на машиночитаемом носителе, например, гибком или жестком диске, а также на электронных, магнитных, оптических или иных машиночитаемых носителях. Его можно также хранить в запоминающей системе 112, например, в виде встроенной программы, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), либо, как в данном примере, в виде исполняемого кода, например, в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Следует заметить, что под локализационном программным средством 150 в общем понимается либо находящееся в запоминающее системе 112 локализационное приложение 150-1 и/или выполняющийся локализационный процесс 150-2, выполняемый процессором 113. Специалисту также понятно, что локализационная главная компьютерная система 110 может включать в себя другие процессы и/или программные и аппаратные компоненты, например, не иллюстрируемую в данном примере операционную систему. Необходимость в прямом подключении дисплея 130 к компьютерной системе 110 отсутствует. Локализационное программное средство 150 может быть выполнено, например, на удаленном компьютерном устройстве через посредство связного сетевого интерфейса 115. В данном случае графический пользовательский интерфейс 160 можно локально отобразить для пользователя удаленного компьютера, а выполнение операций обработки может быть построено на клиент-серверной основе. Ниже приводится более подробное разъяснение работы локализационного программного средства 150 со ссылками на остальные фигуры, на которых представлены блок-схемы этапов обработки, которые пояснены с помощью скриншотов графического пользовательского интерфейса, предоставляемых локализационным программным средством 150.
На фиг.2-4 приведены блок-схемы этапов обработки, выполняемых локализационным программным средством 150 в соответствии с описываемыми вариантами осуществления. Применительно к данной конкретной ситуации рассмотрена работа системы, направленная на определение места установки маркеров локализации, которые указывают базовые ориентиры для мест внедрения тканевого трансплантата в бедренную и большеберцовую кости. Следует понимать, что данная медицинская процедура рассматривается здесь лишь в качестве примера, так что изобретение не ограничивается этим частным случаем, относящимся к коленному суставу. Напротив, некоторые варианты его осуществления задуманы как имеющие общий характер и применимые для оказания содействия в определении ориентиров при проведении медицинских операций на многих различных анатомических структурах. Указанные блок-схемы рассматриваются ниже со ссылками на графический пользовательский интерфейс 160, показанный на остальных иллюстрациях.
Вначале обратимся к фиг.5, на которой видно, что графический пользовательский интерфейс 160 включает в себя зону 500 изображения, обеспечивающую отображение таких изображений, как видео- и/или статические кадры радиографических или других снимков, вырабатываемых в медицинском устройстве 101 отображения или в эндоскопической системе 102, показанных на фиг.1. Кроме того, интерфейс 160 содержит зону 501 управления, в которой размещены различные средства управления, более подробно рассмотренные ниже. Следует иметь в виду, что те этапы, которые показаны на блок-схемах внутри других этапов, представляют собой подэтапы, выполняемые согласно различным рассматриваемым ниже вариантам осуществления.
Вернемся к рассмотрению блок-схемы, показанной на фиг.2, где видно, что на этапе 200 локализационное программное средство отображает на графическом пользовательском интерфейсе 160 (то есть в зоне 500 изображения) изображение анатомической структуры. Это изображение может представлять собой, например, снимок, сделанный в реальном времени, полученный в ходе проведения медицинской операции, или может быть предварительно записано, и тогда описываемая в данной заявке обработка будет производиться после окончания операции.
На подэтапе 201 локализационное программное средство 150 отображает изображение анатомической структуры, включая изображение по меньшей мере одной кости. В данном конкретном примере в зоне 500 изображения отображается вид сбоку коленного сустава, включая графический вид бедренной кости 507 и большеберцовой кости 509.
На этапе 202 локализационное программное средство 150 обозначает, через посредство устройства ввода данных типа графического указателя на графическом пользовательском интерфейсе, совокупность ориентиров 510, 511, идентифицирующих соответствующие анатомические позиции на отображенном изображении анатомической структуры. Как видно в примере, показанном на фиг.5, в локализационное программное средство 150 поступает выбранный вариант 502 конкретной анатомической структуры, для которой необходимо создать ориентиры. В рассматриваемом примере, хирург выбрал структуру 502-1 «Femoral-ACL» (бедренная кость-ПКС), в результате чего локализационное программное средство конфигурируется таким образом, чтобы принять выбор трех известных костных ориентиров для бедренной кости 507, отображенной в зоне 500 изображения.
Подэтапы обработки 203-205 относятся к ориентирам, выбираемым для бедренной кости 507.
На подэтапе 203 при определении базового ориентира, относящегося к бедренной кости, локализационное программное средство 150 принимает, в качестве первого известного костного ориентира 510-А выбранный передний край (на ориентире 510А) вида бедренной кости 507, отображенной на изображении. Этот ориентир показан на фиг.5 в виде ориентира 510-А. Как уже говорилось, хирург может воспользоваться мышью или иным устройством 116 ввода данных для управления указателем на графическом пользовательском интерфейсе 160 с целью выбора первого ориентира 510-А. Выбор первого ориентира в зоне 500 изображения хирург может осуществить на основе своих знаний в области анатомии.
На подэтапе 204 локализационное программное средство 150 принимает, в качестве второго известного костного ориентира 511-А, выбор заднего края вида сбоку бедренной кости, отображенной на изображении. Линия 513, образуемая между первым известным костным ориентиром 510-А и вторым известным костным ориентиром 511-А, прочерчивается, когда хирург перемещает указатель от первого ориентира ко второму. Эта линия 513 проходит (например, в виде вектора) от первого установленного ориентира 510-А и графически следует за указателем в ходе его перемещения по зоне 500 изображения перед окончательным выбором второго ориентира 511-А. Она позволяет хирургу визуально определить, где будет находиться верхний край накладного графического элемента после того, как с помощью системы будет сделан окончательный выбор ориентира.
На подэтапе 205 локализационное программное средство 150 принимает выбор третьего известного костного ориентира 512-А. Как видно на фиг.6, если говорить о бедренной кости 507, то после выбора первого и второго ориентиров 510-А и 511-А на подэтапе 205 в локализационное программное средство 150 поступает выбранный третий известный костный ориентир 512-А, соответствующий показанному на изображении отображению на виде сбоку поверхности дистального мыщелка бедренной кости 507. Следует заметить, что по мере того, как хирург перемещает указатель в направлении каждого последующего ориентира 510-А, 511-А, 512А, перед выбором самого этого следующего ориентира, локализационное программное средство 150 непрерывно воспроизводит изображение линии от предыдущего ориентира. Если говорить о линии 514, относящейся к третьему ориентиру для бедренной кости 507, то эта линия проходит перпендикулярно в сторону от линии 513, по мере того как хирург перемещает указатель к дистальному концу бедренной кости 507 (то есть под графической линией 513, которая зафиксирована теперь в положении между двумя ранее выбранными ориентирами 510-А и 511-А). Эта перпендикулярная линия 514 предоставляет хирургу на графическом пользовательском интерфейсе 160 (то есть в зоне 500 изображения) визуализацию геометрии накладного графического элемента, который будет создан по завершении выбора последнего (третьего) ориентира 512-А для отображенной бедренной кости 507. Говоря другими словами, после выбора второй анатомической точки в качестве второго ориентира 511-А появляется вторая линия, которая проходит (в виде пунктирной линии) перпендикулярно к линии, имеющейся теперь между двумя ориентирами 510-А и 511-А. Эта линия 514 используется для выравнивания первой линии таким образом, чтобы она была перпендикулярна к продольной оси большеберцовой кости. После выбора третьего ориентира выполняется отображение накладного графического элемента. Таким образом, в системе показаны индикаторы (линии 513 и 514), демонстрирующие, где будет находиться накладной графический элемент.
На этапе 206 локализационное программное средство 150 отображает на графическом пользовательском интерфейсе 160 несколько накладных графических элементов, подлежащих выбору. На фиг.6 эти выбираемые накладные графические элементы обозначены цифрами 520-1, 520-2 и 520-3 (вся совокупность этих элементов обозначена номером 520). Каждый накладной графический элемент 520 предоставляет соответствующую группу направляющих индикаторов (в данном примере это разнесенные на разные интервалы линии координатной сетки), которые обеспечивают индикацию относящихся к анатомической структуре масштабированных позиций для выполнения соответствующей части хирургической операции на этой анатомической структуре.
На этапе 207 локализационное программное средство 150 принимает выбранный накладной графический элемент (например, 520-1) из ряда имеющихся накладных графических элементов 520. Хирург может выбрать какой-либо накладной графический элемент в любой момент по своему усмотрению. Выбор конкретного накладного графического элемента 520 основывается на том, какой конкретно базовый ориентир определяется в данное время для восстановления ПКС (в рассматриваемом здесь примере). Так, в частности, при проведении процедуры реконструкции ПКС с использованием техники двойного пучка накладной графический элемент 520-1, снабженный направляющими индикаторами разнесенными на интервалы с 25%-ными инкрементами, обеспечивает возможность установки первого маркера в некоторой известной позиции (то есть на 25% вверх и 25% вниз от верхнего правого угла отображенной накладной сетки 530) для позиционирования антеромедиального (AM) пучка, руководствуясь медицинской литературой по этой тематике. Накладной графический элемент 520-2 может быть выбран таким образом, чтобы обеспечить надлежащее размещение маркера локализации постеролатерального (ПЛ) пучка, в отношении которого у специалистов в этой области принято считать, что он должен находиться на 33% вверх и 50% вниз от верхнего правого угла накладной сетки. Следует понимать, что можно с таким же успехом использовать накладные графические элементы 520-1 и 520-2 для правильного позиционирования маркера в случае использования однопучковой техники. Отметим также, что рассмотренные выше этапы 206 и 207 для выбора конкретного накладного графического элемента 520 можно выполнить перед выбором ориентиров на этапах 203-205, однако перед их выбором отображение накладного графического элемента 520 производиться не будет.
На этапе 208, по завершении выбора ориентиров, локализационное программное средство 150 производит отображение (воспроизведение) накладного графического элемента поверх изображения анатомической структуры и размещение накладного графического элемента на основе совокупности ориентиров и выбранного накладного графического элемента 520. Вообще говоря, в данном примере накладной графический элемент 530 отображается и обеспечивает удобство определения по меньшей мере одного базового ориентира, подлежащего маркировке, по меньшей мере одним маркером локализации для выполнения хирургической операции по реконструкции связки коленного сустава человека.
На фиг.7 приведен пример использования графического пользовательского интерфейса 160 после того, как пользователь (хирург) выбрал накладной графический элемент 520-1 (показаны направляющие индикаторы с 25%-ными инкрементами между ориентирами), и после выбора ориентиров. В данном примере, локализационное программное средство 150 отображает накладную сетку 520-1 поверх вида сбоку бедренной кости 507 на графическом пользовательском интерфейсе. Ширина накладной сетки 520 определяется расстоянием между выбранными первым и вторым известными костными ориентирами 510-А, 511-А, а ее высота доходит до выбранного третьего известного костного ориентира 512-А.
Как видно на фиг.8, локализационное программное средство 150 отображает накладной графический элемент 530 между выбранным первым известным костным ориентиром 510-А и вторым выбранным известным костным ориентиром 511-А (и использует для бедренной кости третий ориентир 512-А). Как показано на чертеже, по всей своей ширине и в направлении вверх-вниз по высоте этот накладной графический элемент снабжен направляющими индикаторами 533 (в данном примере это линии координатной сетки), которые обеспечивают индикацию позиций (с 25%-ными инкрементами для накладного графического элемента 520-1), относящихся к анатомической структуре, для выполнения хирургической операции на этой структуре. Направляющие индикаторы 533 для первой накладной сетки разнесены с 25%-ными инкрементами по ширине и высоте накладного графического элемента. Эту 25%-ную накладную сетку можно использовать для точной установки требуемого маркера с целью маркировки отдельной конкретной позиции на бедренной кости в ходе реконструкции ПКС. Что касается других накладных графических элементов (например, элемента 520-2), то их можно использовать для размещения других маркеров, применяемых при тех же самых хирургических вмешательствах, как вкратце разъяснено ниже.
После отображения в зоне 500 изображения накладной сетки, программное средство 150 обеспечивает возможность размещения на накладном графическом элементе маркеров локализации с целью индикации конкретных позиций, относящихся к хирургической или медицинской операции на анатомической структуре. Как показано ниже, такое размещение может быть произведено вручную, с использованием указателя и с выбором позиции в накладном графическом элементе, либо может быть автоматизировано на основе известных точек для конкретных хирургических процедур и анатомических структур, как это обусловлено анатомической структурой, выбранной в точке 502 в графическом пользовательском интерфейсе 160.
На этапе 209 локализационное программное средство 150 отображает по меньшей мере один маркер 535-1 локализации на накладном графическом элементе 530. Маркер 535-1 локализации идентифицирует местоположение для выполнения хирургической операции на анатомической структуре (в данном примере это бедренная кость 507).
На подэтапе 210 локализационное программное средство 150 принимает данные, вводимые вручную медицинским специалистом (например, хирургом) через посредство устройства ввода-вывода в графическом пользовательском интерфейсе, что позволяет произвести индикацию позиции (например, на 25% вверх и вниз от верхнего правого угла) на накладной сетке 530 для установки маркера локализации, исходя из геометрии этой накладной сетки. Благодаря этому хирург сможет вручную выбрать место, где следует поместить маркер 535-1 локализации.
На подэтапе 211 локализационное программное средство 150 отображает, в ответ на ввод, произведенный медицинским специалистом (например, отпускание или нажатие кнопки мыши), соответствующий маркер 535-1 локализации в каждой индицированной позиции на накладной сетке 530.
На подэтапе 212, при автоматической установке маркеров локализации, локализационное программное средство 150 автоматически вычисляет по меньшей мере одну предпочтительную с медицинской точки зрения позицию (например, на 25% вверх и вниз от ориентира 511-А) на накладной сетке 530 для размещения маркера локализации на основе геометрии накладной сетки (и на основе выбранной анатомической структуры, на которой размещены ориентир и накладная сетка 530).
На подэтапе 213 локализационное программное средство 150 отображает соответствующий маркер 535-1 локализации в каждой автоматически вычисленной предпочтительной с медицинской точки зрения позиции на накладной сетке 530.
На подэтапе 214 локализационное программное средство 150 обеспечивает для медицинского специалиста возможность регулировки, в случае необходимости, местоположения соответствующего автоматически вычисленного маркера локализации внутри накладной сетки.
Как видно на фиг.9, после того как хирург выбрал конкретную позицию для маркера локализации внутри накладной сетки 530, этот маркер выделяется жирным шрифтом, для индикации его точного положения относительно находящегося под ним изображения бедренной кости 507. В результате локализационное программное средство 150 отображает по меньшей мере один бедренный маркер локализации внутри накладной сетке, который идентифицирует базовый ориентир для внедрения тканевого трансплантата в бедренную кость, отображенную на графическом изображении. Обычно для внедрения трансплантата хирургу необходимо указать второй маркер локализации применительно к бедренной кости. Для этого он может использовать вторую накладную сетку 520-2, которая имеет несколько иные визуализационные направляющие элементы, или направляющие индикаторы 533, которые разнесены на другие интервалы (например, с 33%-ными инкрементами в направлении поперек и с 50%-ными инкрементами в направлении вниз, в отличие от 25%-ных инкрементов на сетке 520-1). Иначе говоря, система использует или предоставляет соответствующую накладную сетку 520 с целью позиционирования каждого соответствующего маркера локализации для внедрения тканевого трансплантата, а хирург может выбрать конкретную сетку 520 в зависимости от того, какой маркер локализации устанавливается в данный момент (например, для двухпучковой техники, однопучковой техники и тому подобное). Каждая соответствующая накладная сетка (например, сетки 520-1 и 520-2) включает в себя некоторую совокупность визуализационных направляющих индикаторов 533, которые разбивают эту соответствующую накладную сетку на отдельные участки в целях надлежащего позиционирования указанного соответствующего маркера локализации. Следует отметить, что для того чтобы можно было перейти от одной накладной сетки 520 к другой, хирург может выбрать какую-нибудь другую сетку, и при этом в зоне 500 изображения снова отображается вновь выбранная сетка с выбранными ориентирами 510-А, 511-А и 512-А.
На этапе 215 и как показано на фиг.10, локализационное программное средство 150 принимает выбранный второй накладной графический элемент 520-2 из ряда имеющихся накладных графических элементов 520. Как уже упоминалось ранее, этот второй накладной графический элемент 520-2 снабжен направляющими индикаторами, разнесенными на другие интервалы (например, с разбиением высоты и ширины накладного графического элемента на три части), нежели в накладном графическом элементе 520-1. Локализационное программное средство 150 отображает выбранный второй накладной графический элемент 520-2 в виде накладной сетки 531.
На этапе 216, и как показано на фиг.11, локализационное программное средство 150 принимает данные, вводимые медицинским специалистом с помощью устройства ввода-вывода в графическом пользовательском интерфейсе, которые позволяют произвести индикацию позиции 535-2 на втором выбранном накладном графическом элементе 531 для установки второго маркера 535-2 локализации на основе группы направляющих индикаторов 533, предоставленных вторым накладным графическим элементом 531. Оператор (то есть хирург) может, в частности, выбрать функцию 555 добавления маркера (а также, факультативно, цвет 556 для нового маркера) с целью уведомления программного средства о том, что в зону 500 изображения необходимо ввести другой маркер 535 локализации. После этого, когда хирург перемещает устройство ввода-вывода (например, курсор мыши) по накладному графическому элементу 531, рядом с курсором мыши отображается относительное положение курсора внутри накладного графического элемента. В качестве примера можно указать, что после выбора функции 555 добавления маркера первый маркер 535-1 локализации фиксируется в занимаемом положении (в данном примере оно отображается цветной точкой 535-1), и по мере того как мышь перемещается вокруг сетки 531 на фиг.11 (или в какой-либо другой из любых выбранных накладных сеток 520-1, 520-2 и тому подобных, которые можно выбирать), локализационное программное средство 150 отображает координаты курсора мыши с целью точного позиционирования второго маркера 535-2. В примере, представленном на фиг.11, локализационное программное средство 150 может отображать пунктирную линию, или сетку 547 (прямоугольная рамка, которая следует за курсором мыши и размеры которой рассчитаны в соответствии с движением мыши внутри накладной сетки 531) с целью индикации положения мыши на отображаемой накладной сетке 531. При конкретной позиции самого курсора мыши программное средство 150 может отображать в направлении поперек и вниз процентные значения координат, отображаемые в скобках, например, в виде (36%, 27%), с целью индикации точного положения курсора мыши на сетке 531. В процессе перемещения мыши эти значения изменяются, следуя положению курсора. После того как курсор мыши установлен надлежащим образом (например, в позиции 33%, 50% для оптимальной установки маркера постеролатерального (ПЛ) пучка), хирург может щелкнуть кнопкой мыши, при этом отобразится второй маркер. Таким образом, программное средство 150 позволяет хирургу разместить в зоне 500 изображения целый ряд маркеров 535. При установке нового маркера можно использовать тот же самый или другой накладной графический элемент 520.
На этапе 217, и как показано на фиг.12, локализационное программное средство 150 отображает, в ответ на второй ввод медицинского специалиста (например, установку курсора мыши в нужной позиции и нажатие кнопки мыши, как описано выше), соответствующий второй маркер 535-2 локализации в индицированном положении на второй накладной сетке 531. В результате хирург получает возможность разместить целый ряд маркеров 535-1 и 535-2 локализации в конкретных позициях применительно к бедренной кости с целью отображения мест внедрения тканевого трансплантата.
Как показано на фиг.13, после того как хирург завершил маркировку позиций для бедренной кости, как описано выше, он может выбрать стирающий накладной графический элемент 520-3 для удаления накладной сетки 531 из зоны 500 изображения с целью достижения свободного обзора двух маркированных позиций 535-1 и 535-2.
С этого момента, используя эндоскопический вид (в этом примере не показан), хирург может физически отрегулировать положение радиографического изображения с целью позиционирования участка шила (например, наконечника) ближе к маркеру(ам) 535-1, 535-2 локализации, который(е) был(и) установлен(ы) с помощью накладных графических элементов 520 по описанной выше методике. После получения изображения шила в зоне 500 изображения хирург может продолжить позиционирование наконечника таким образом, чтобы он находился рядом с установленными маркерами 535.
После завершения описанной выше операции маркировки бедренной кости хирург может воспользоваться программным средством 150 для такого же получения базовых ориентиров применительно к большеберцовой кости, как разъясняется ниже. Как правило, этот процесс аналогичен тому, что рассмотрен выше применительно к бедренной кости, с тем исключением, что в случае с большеберцовой костью необходим выбор лишь двух известных большеберцовых костных точек. Исходя из этих двух ориентиров или известных большеберцовых костных ориентиров, можно выполнить размещение большеберцовых маркеров локализации на накладном графическом элементе, который расположен между двумя этими ориентирами.
На этапе 218, и как показано на фиг.14, локализационное программное средство 150 принимает выбранный вариант 502 большеберцовой анатомической структуры (на фиг.14 это 502-2), для которой необходимо предоставить один или большее количество ориентиров. Как видно в этом примере, хирург использовал ниспадающее меню для выбора структуры 502-2 «TIBIAL» (большеберцовая кость), и в этой ситуации локализационное программное средство конфигурируется таким образом, чтобы принять выбранные варианты двух костных ориентиров для большеберцовой кости, отображаемой в зоне 500 изображения. Следует отметить, что после выбора структуры 502-2 «TIBIAL» варианты стирающих накладных графических элементов 520 не появляются, поскольку здесь требуются только два ориентира, так что накладной графический элемент для большеберцовой кости, в отличие от сетки, используемой для бедренной кости, представляет собой накладную линию между двумя ориентирами.
На этапе 219, и как показано на фиг.15, локализационное программное средство 150 принимает, в качестве первого известного костного ориентира 510-В, выбор переднего края вида большеберцовой кости, отображаемой в зоне 500 изображения. Так же, как это выполнялось ранее в случае с бедренной костью, хирург может воспользоваться каким-либо указательным приспособлением (например, курсором мыши с нажатием мыши в графическом пользовательском интерфейсе 160) с целью такого выбора первого ориентира 51 О-В для большеберцовой кости. После того как этот выбор сделан, появляется накладной графический элемент, который сопровождает указатель до следующего ориентира.
На этапе 220 (см. также фиг.16) на вход локализационного программного средства 150 поступает, в качестве второго известного костного ориентира 511-В, выбор заднего края вида большеберцовой кости, отображаемой на изображении на виде сбоку. Этот выбранный хирургом второй известный костный ориентир представляет собой второй ориентир 511-В.
На этапе 221, и как показано на фиг.17, локализационное программное средство 150 отображает накладной графический элемент в виде накладной линии 532, расположенной поверх вида проксимального конца большеберцовой кости в графическом пользовательском интерфейсе. Накладная линия 532 проходит между выбранными первым и вторым известными костными ориентирами (то есть ориентирами 510-В и 511-В) большеберцовой кости. Накладной графический элемент, показанный в виде накладной линии 532, проходящей между первым известным костным ориентиром, или ориентиром 51 О-В и вторым известным костным ориентиром, или ориентиром 511-В, определяет плоскость, на которой может быть отображен по меньшей мере один маркер локализации (на фиг.17 это маркеры 535-3 и 535-4) для восстановления связки (например, ПКС), относящейся к большеберцовой кости 509.
Наконец, на этапе 222 локализационное программное средство 150 отображает по меньшей мере один большеберцовый маркер 535-3, 535-4 локализации, находящийся на накладной линии 532. Маркеры 535-3 и 535-4 локализации для большеберцовой кости идентифицируют по меньшей мере одно анатомическое место внедрения тканевого трансплантата на большеберцовой кости, отображаемой на графическом пользовательском интерфейсе 160. Следует заметить, что конкретное размещение большеберцовых маркеров 535-3 и 535-4 локализации может быть выполнено автоматически, исходя из медицински приемлемых позиций (например, процентных значений расстояния) между ориентирами 510-В и 511-В, или же, в соответствии с другим вариантом, хирург может вручную разместить такие маркеры 535-3 и 535-4 локализации на накладной линии 532. Если эти маркеры размещаются программным средством 150, то хирург может при необходимости использовать интерфейс для выбора и перемещения конкретного маркера 535 (это относится и к бедренным маркерам 535-1 и 535-2). На этой стадии маркеры 535-3, 535-4 локализации можно использовать с целью проверки надлежащего размещения проволочного направителя 560, используемого в ходе операции реконструкции ПКС, и для подтверждения выравнивания мест сверления. После этого можно продолжать восстановление ПКС с соблюдением стандартных медицинских правил.
В соответствии с одной из альтернативных конфигураций, размещение ориентиров 510 и/или соответствующих маркеров 535 локализации для анатомической структуры (например, какой-либо кости типа большеберцовой) может быть основано на более раннем определении ориентиров и/или маркеров локализации для соответствующей анатомической структуры, такой как другая кость (например, бедренная). Это означает, что, в соответствии с одной из альтернативных конфигураций, после того как хирург воспользовался описанной выше системой для размещения маркеров локализации, относящихся к бедренной кости (что является исключительно частным примером), можно автоматически устанавливать большеберцовый маркер. Эта функциональная возможность может быть реализована, например, путем предварительного программирования программного средства 150 на нормализованные смещения, местоположения или расстояния от известных костных точек. В соответствии с другими альтернативными вариантами осуществления, в программном средстве 150 может быть применена технология выделения краев с целью автоматической идентификации ориентиров как для бедренной, так и для большеберцовой кости, и после того как эти ориентиры будут локализованы, программное средство 150 сможет использовать известные смещения для местоположений маркера 535. Так, например, в соответствии с рассматриваемыми вариантами осуществления, локализационное программное средство 150 получает возможность вычисления местоположения по меньшей мере одного большеберцового локализационного маркера на основе местоположения бедренного(ых) маркера(ов) локализации, ранее позиционированного(ых) на бедренной накладной сетке. В соответствии с другими альтернативными вариантами осуществления, хирург может выбирать накладные сетки в процессе их отображения в зоне 500 изображения, а также поворачивать их, приводить в поступательное движение или изменять их размеры. Для этого он может воспользоваться указательным устройством (например, курсором мыши) с целью выбора отображаемой сетки (например, 530, 531), а после того как этот выбор сделан, взяться за угол сетки и вращать ее, приводить ее в поступательное движение или изменять ее размеры.
В соответствии с альтернативными вариантами осуществления, можно предусмотреть использование в системе какой-либо эндоскопической аппаратуры, в частности, путем передачи и отображения позиций маркеров локализации на эндоскопическом изображении с целью локализации во время операции мест внедрения с помощью специального блока управления камерой (БУК) эндоскопической системы, используемой при проведении операций реконструкции ПКС. Для этого можно с помощью БУК спроектировать на изображение, видимое в поле зрения камеры эндоскопа, накладные сетки 530 и/или 531, а также позиции маркеров 535. Вычисление положений накладного графического элемента и маркеров можно произвести, например, на основе информации об относительных углах между эндоскопической камерой и положениями проволочного направителя. В соответствии с другими альтернативными вариантами осуществления, начальное размещение накладных графических элементов может быть вычислено на основе автоматического определения признаков анатомической структуры с использованием таких методов, как выделение краев или рентгеноконтрастные маркеры места.
Хотя различные компьютерные системы, программные средства, графические пользовательские интерфейсы и методы обработки данных были выше описаны и проиллюстрированы применительно к их отдельным конфигурациям, для специалистов в данной области должно быть совершенно очевидно, что в них могут быть внесены самые разнообразные модификации в отношении формы и деталей при условии сохранения заявленного объема изобретения. Соответственно, рассмотренные здесь варианты осуществления изобретения не следует понимать как ограничивающиеся только приведенными выше примерными конфигурациями.