CN103220975B - 用于为了诊断、外科或介入医学目的而在医学应用中映射三维空间的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于为了诊断、外科或介入医学目的而在医学应用中映射三维空间的装置与方法。根据本发明的装置与方法使用能够至少从第一记录位置和从第二记录位置记录所述三维空间的二维图像的采集工具及包括多个参考元件并且可以在所述三维空间的第一目标点和第二目标点之间移动的参考目标。适于接收指示所述三维空间的第一图像和第二图像的数据的处理单元包括计算机化工具，该计算机化工具适于计算配准用于表达所述第一图像和所述第二图像的点的坐标的二维参考系统与由所述参考目标的标记元件定义的三维参考系统的配准数据。

Description

用于为了诊断、外科或介入医学目的而在医学应用中映射三 维空间的装置与方法

技术领域

本发明涉及用于在医学程序的执行过程中向医学操作人员提供支持的装置与方法的领域。

更具体地说，本发明涉及为了诊断、外科或介入医学目的而在医学应用中映射三维空间的装置与方法。

背景技术

在医学程序的执行过程中，能够提供病人身体部位或内部器官的实时图像的设备常常如何使用是众所周知的。

例如，这些设备用来允许医学操作人员确定在所执行的医学程序中要使用的医学仪器(例如，导管、针、切割仪器等)的最佳操作定位。

荧光检查器是最常用来获得病人内部解剖结构的实时图像的设备，其中假定它们的特征是相对有限的尺度，这允许它们很容易在医学操作人员的操作区附近使用。

一种常见的荧光检查器在图1中示意性地说明。

设备(标记50)包括主体51和C形臂52，该臂52可关于主体以六个自由度移动。X射线源54和荧光屏53固定到臂52相对的端。

为了记录内部器官或身体部位的图像，臂52是以使病人身体位于源和屏之间的空间中这样一种方式定位的。一般来说，屏53与摄像机操作关联，从而允许所采集的图像很容易地在监视器上再现。

用于病人解剖结构的实时图像采集的、不使用电离辐射的其他类型的装置在现有技术中是可以获得的。这些装置的一个例子是由常见的超声探头来代表的。

由荧光检查器或者由超声探头提供的图像通常是二维的而且没有绝对参考。

因此，为了让这些图像在医学程序中成为有效的帮助，有必要映射病人身体位于其中的三维空间，以便获知其点相对于绝对参考系统的坐标(并因此获知病人内部器官与身体部位的位置)。

有些映射方法，例如在专利申请EP1942662中所描述的方法，包括记录病人身体的立体图像并且建立与在预操作阶段记录并具有预定义绝对参考的病人身体的图像的相关性。适当的图像识别算法用于建立这种相关性。

这种类型的映射方法通常漫长(需要超过30分钟)而且必须由专业技术人员执行，这些人通常不是医学队伍的一部分。

而且，假定病人内部器官的位置在预操作阶段中和医学程序执行过程中经常不相同，这些方法的可靠性是有限的。

其他的映射方法，例如在专利US6167292中所描述的方法，包括使用与病人身体刚性关联的标记元件，标记元件定义感兴趣的三维空间的参考系统。在医学程序开始的时候，标记元件被操作人员利用操作连接到计算机化设备的指针“触摸”，其中计算机化设备执行配准由标记元件定义的三维参考系统与已知参考系统的匹配算法。

尽管确保了高精度，但是这些映射方法对于在本领域中的使用是相对费力的。

而且，假定这些标记元件实际上可能由于病人的突然或轻率移动而经受偏移，把标记元件整体固定到病人身体也是不方便的。而且，这些异物是让在相对长的时间段内被迫忍受它们的存在的病人感到不适的显著来源。

专利EP1910040B1和US6349245B1描述了用于映射三维空间的装置，其中具有摄像机的机械臂用于自动检测与病人身体一体化的标记元件的位置。计算机化工具计算标记元件相对于已知参考系统的坐标。

尽管操作连接到病人身体的标记元件的使用具有缺点，但是这些装置允许减少执行映射操作所需的时间。

但是，它们的特征是相对低的精度，其中假定每个标记元件的位置是从非立体的检测开始计算的。

进一步的映射方法包括把标记元件放在固定位置的目标上而不是与病人的身体操作关联。

这些方法包括记录来自不同位置的目标，识别出可在不同视图中识别的同源点并且基于所识别出的同源点之间所存在的几何关系映射感兴趣的三维空间。

为了正确地执行，这些映射技术需要利用其记录目标的图像完美地等中心而且需要目标在记录过程中在空间中保持固定。

由于上述约束，难以使用常见的荧光检查器来记录感兴趣的三维空间的图像。

事实上，为了获得等中心的图像，荧光检查器必须被沿至少五个运动轴锁定，这导致其操作灵活性的显著下降。

因此，就算不是不可能，记录相对大的三维空间的图像也是极端困难的。

在现有技术中，计算机辅助的导航设备是可用的，这些设备旨在增加医学程序执行过程中医学操作人员的视觉感知。

这些设备能够提供病人身体部位的三维重建，这通常是通过整合在现场采集的图像与计算机生成的视觉结构获得的。

由于这些导航系统通常与摄像机立体系统操作关联，因此它们可以用于相对于适当的绝对参考系统映射三维空间。

专利US7561733描述了一种映射方法，该方法包括使用具有标记元件的一对摄像机来记录感兴趣的三维空间。这些摄像机的绝对位置是通过导航系统获得的。由使用只允许采集来自病人身体外部的图像的摄像机造成的限制是很明显的。

专利US7251522描述了一种映射方法，该方法包括以在三维空间的记录过程中被框定(frame)这样一种方式使用整体固定到荧光检查器的C形臂末端的标记元件。C形臂在空间中的绝对位置是通过导航系统获得的。

这种技术的显著限制包括荧光检查器记录本身遭受非线性变形的事实，这些变形常常是由于外部电磁场造成的。这些变形会造成映射操作中的误差发生。

除了以上提到的缺陷，假定它们需要导航系统存在，上述方法还具有在实践实现中太费力的缺点。事实上，导航系统的使用通常构成复杂的活动，这需要高级培训而且常常必须由专业技术人员来操作。

发明内容

本发明的主要目的是提供用于为了诊断、外科或介入医学目的而在医学应用中映射三维空间的装置与方法，所述装置与方法允许解决以上所述的问题。

在这个目的中，本发明的另一个目标是提供用于映射三维空间的装置与方法，所述装置与方法具有容易的且快速的实践使用。

本发明的另一个目标是提供用于映射三维空间的装置与方法，所述装置与方法具有高水平的精度与可靠性。

本发明的另一个目标是提供用于映射三维空间的装置，所述装置具有相对有限的尺度而且可以容易地现场安装。

本发明的另一个目标是提供用于映射三维空间的装置，所述装置容易以具有竞争力的成本在工业水平生产。

根据本发明，这个目的与这些目标是由根据以下权利要求1所述的装置和根据以下权利要求7所述的方法实现的。

根据本发明的装置与方法允许用于执行医学程序的三维空间的高精度与可靠映射。

医学操作人员可以从感兴趣的操作空间的二维图像开始相对于预定义的参考系统实时地获知病人内部器官或身体部位的绝对位置，其中二维图像是例如通过荧光检查器获得的。

这例如允许精确地建立沿其移动或定位要使用的任何医学仪器的轨迹。

根据本发明的装置与方法是相当多用途的而且很容易使用，特别适于映射难以访问以定位参考目标的三维空间。

根据本发明的装置对于工业水平的生产很容易而且不昂贵。它可以容易地现场安装而且可以根据需求以简单而多用途的方式物理配置。

附图说明

通过参考以下给出的描述并参考附图，本发明的更多特性与优点将变得更加明显，附图仅仅是为了解释而不是限制而提供的，其中：

-图1示意性地示出了可以在根据本发明的装置与方法中使用的荧光检查器；

-图2示意性地示出了根据本发明的装置的结构；

-图3示出了根据本发明的方法的一些步骤；

-图4示意性地示出了可以在根据本发明的装置与方法中使用的参考目标的结构；

-图5-12示意性地示出了根据本发明的装置与方法的操作与实践实现；及

-图13-15示出了用于确定使用根据本发明的方法或装置的医学仪器的操作定位的方法的一些步骤。

具体实施方式

现在将参考前述附图详细地描述根据本发明的装置与方法。

但是，在继续描述之前，搞清楚反复用于描述本发明的一些术语的意义是合适的。

在本发明的范围内，术语“三维空间”是指医学操作人员感兴趣的任何操作空间。这种操作空间通常包括将经受程序的病人的身体部位所位于其中的区域。

在这种背景下，表述“映射三维空间”是指为了相对于某个参考系统建立所述三维空间的坐标的操作(类型R2xR2→R3的变换)，从几何学的角度看，该操作是以它是赋范的且可测量的矢量空间这样一种方式进行的。

在这种背景下，表述“配准参考系统与另一参考系统”是指确定链接所讨论的两个参考系统的几何关系的操作。

在这种背景下，术语“计算机化工具”是指可以被存储在处理单元上并由处理单元执行的一个或多个软件程序、代码、模块和/或例程。

术语“介入医学”是指那些医学程序，根据它们，预见对病人身体的介入，而不一定涉及外科医生。

在其第一方面，本发明涉及用于为了诊断、外科或介入医学目的而在医学应用中映射三维空间100的装置1。

根据本发明，装置1包括能够记录三维空间100的二维图像的采集工具10。

采集工具10可以有利地包括图1中所述类型的荧光检查器。

替代地，采集工具10可以包括超声探头或者有利地适于提供病人内部器官或身体部位的图像的其他设备。

假定所采集的图像会经受变形，例如由于外部电磁场的存在而造成，则在使用之前，采集工具10优选地经受校准程序。

在使用荧光检查器的情况下，上述校准程序基本上包括记录不透辐射(radio-opaque)网格，所述网格包括相互之间以预定义距离定位的孔的阵列。

变形的图像是以确定类型R2→R2(像素到像素)的矩阵变换这样一种方式处理的，这使得有可能获得其中网格以其原始形式出现的图像。因此，这种矩阵变换用于以校正其变形这样一种方式处理由荧光检查器记录的每个图像。

如图5-8中所示，采集工具10能够至少从第一记录位置P1和第二记录位置P2记录三维空间100，其中从第一记录位置P1例如进行病人身体的AP(前面-后面)记录，而从第二记录位置P2例如进行病人身体的LL(侧面-侧面)记录。

记录位置P1-P2的坐标最初是未知的而且有时可以根据需求改变。

根据本发明，装置1还包括参考目标11(图4)，该参考目标11包括以可被采集工具10观察到并且优选地安装在对采集工具10透明的支撑物上这样一种方式产生的多个标记元件M₁、M₂、M₃、M₄。

例如，在其中荧光检查器用于记录三维空间100的情况下，目标11可以有利地包括由辐射透明材料制成的支撑物以及由不透辐射材料制成的球体构成的标记元件。

根据预定义的几何结构，标记元件M₁、M₂、M₃、M₄在空间中以这样一种方式相互定位，从而在目标11位于第一目标点B1中时定义三维参考系统B_Rif。

例如，如图4中所示，标记元件可以以形成具有预定义长度与取向的侧面的不规则四面体这样一种方式布置。沿该四面体的边的直接矢量的组合定义具有轴V₁、V₂、V₃的三维笛卡尔参考系统。

显然，标记元件的布置与个数可以与图中所示出的那些不同。

根据本发明，参考目标11是可移动的，尤其是至少在第一目标点B1和第二目标点B2之间，其中第二目标点B2在相对于第一目标点B1的已知位置。

应当指出，总的来说，装置1因此不需要知道目标点B1和B2的位置，而只需要知道目标点B2关于B1的相对位置。

当然，在装置知道目标点B1和B2的位置的情况下，这后一个条件是满足的。

优选地，装置1包括适于检测目标11在目标点B1和B2之间的偏移的检测工具14。

检测工具14可以例如由机械臂15(图2)的位置/运动传感器、由导航系统的立体摄像机的系统或者由跟踪系统的激光检测设备构成。

替代地，目标11在空间中的移动可以在预定义的目标点B1和B2之间发生或者可以利用从目标点B1开始的预定义移动执行。

优选地，目标11的移动是由具有用于安装目标11的适当凸缘的机械臂15执行的。

但是，有可能使用不同类型的移动设备，例如没有具有无源运动学链的电机的操纵器。

装置1包括适于接收指示由采集工具10记录的三维空间100的图像的数据的处理单元12，优选地是微处理器。

特别地，处理单元12能够接收指示利用位于第一记录位置P1的采集工具10采集到的第一图像I1的数据。

图像I1是在参考目标11以被位于第一记录位置P1的采集工具10框定这样一种方式被定位在第一目标点B1中的情况下记录的。

类似地，处理单元12能够接收指示利用位于第二记录位置P2的采集工具10采集到的第二图像I2的数据。

图像I2是在目标11以被位于第二记录位置P2的采集工具10框定这样一种方式被定位在第二目标点B2中的情况下记录的。

仅仅是作为例子，图7-8示出了其中定位脊柱管道的三维操作空间的图像I1和I2。

图像I1和I2分别是由位于位置AP和位置LL的图1所示类型的荧光检查器记录的。

分别位于感兴趣三维空间的两个不同目标点中的参考目标11的标记元件M₁、M₂、M₃、M₄的轮廓可以在叠加到脊柱管道上的相对投影点处看到。

根据本发明，处理单元12包括计算机化工具120，以计算配准分别用于表达图像I1和图像I2的坐标的二维参考系统C_Rif和G’_Rif与由参考目标11的标记元件M₁、M₂、M₃、M₄定义的三维参考系统B_Rif的配准数据。

例如，参考系统G_Rif和G’_Rif可以是在装置1的适当图形界面13中使用的参考系统，通过该参考系统，使得图像I1和I2对医学操作人员可用(图2、7-8)。

从原理上讲，相同的参考系统可以用于表达图像I1和I2的坐标。

图9示出了由计算机化工具120执行以计算配准参考系统G_Rif、G’_Rif与B_Rif的配准数据的优选处理程序300。

程序300包括步骤301，这个步骤相对于第一参考点R1计算第一图像I1中参考目标11的标记元件M₁、M₂、M₃、M₄的投影点M₁₁、M₂₁、M₃₁、M₄₁的坐标(图7和11)。

参考点R1可以是图像I1的中心，即，位于第一记录点P1中的采集工具10的焦点中心F1的投影。

类似地，处理程序300包括步骤302，这个步骤相对于第二参考点R2计算第二图像I2中参考目标11的标记元件的投影点M₁₂、M₂₂、M₃₂、M₄₂的坐标(图8和11)。

参考点R2又可以是图像I2的中心，即，位于第二记录点P2中的采集工具10的焦点中心F2的投影。

然后，处理程序300包括步骤303，这个步骤相对于以第一参考点R1为原点的三维参考系统R_Rif计算以第二参考点R2为原点的三维参考系统R’_Rif的坐标。

换句话说，步骤303包括使矢量的随机笛卡尔三元组的中心在R1和R2，并且相对于由中心在R1的矢量三元组定义的三维参考系统R_Rif计算中心在R2的矢量三元组的坐标。

根据本发明的优选实施例，步骤303包括执行参考系统R’_Rif的位置的递归估计过程(图10的步骤303A-303F)，而不考虑目标11在目标点B1和B2之间的移动。

对于这种递归过程的实践实现，有可能使用用于多维优化的递归算法。

为了建立链接参考系统R’_Rif和R_Rif的几何关系，有利地使用确保高精度计算的反三角算法。

更具体地说，上述递归估计过程包括以下详细描述的步骤序列。

步骤303A包括相对于三维参考系统R_Rif执行参考系统R’_Rif的位置的初始估计。例如，可以假设参考系统R’_Rif的位置通过空间中的旋转平移(roto-translation)的预定义关系而链接到参考系统R’_Rif的位置。

接下来是步骤303B，这个步骤包括计算连接第一图像I1中标记元件M₁、M₂、M₃、M₄的投影点M₁₁、M₂₁、M₃₁、M₄₁与位于第一记录位置P1的采集工具10的焦点中心F1的直线r₁₁、r₂₁、r₃₁、r₄₁的方程(图11)。

类似地，步骤303C包括计算连接第二图像I2中标记元件M₁、M₂、M₃、M₄的投影点M₁₂、M₂₂、M₃₂、M₄₂与位于第二记录位置P2的采集工具10的焦点中心F2的直线r₁₂、r₂₂、r₃₂、r₄₂的方程(图11)。

在图11-12中，可以观察到，对于每个标记元件M_i(i＝1，2，3，4)，如何有可能识别一对投影线(r_i1，r_i2)，在这里为了方便定义为“同源线”。

如果参考系统R’_Rif的坐标的初始估计是精确的，则每个标记元件M_i(i＝1，2，3，4)的同源线(r_i1，r_i2)将彼此相交。

假定这个初始估计通常是粗略的，则每个标记元件的同源线不彼此相交(图12)。

上述递归过程包括步骤303D，这个步骤为每一对同源线计算指示中间点T₁、T₂、T₃、T₄的坐标及线段d₁、d₂、d₃、d₄的长度的数据，其中线段d₁、d₂、d₃、d₄表达以上提到的同源线之间的最小距离。

必须注意线段d₁、d₂、d₃、d₄的长度如何指示参考系统R’_Rif的位置的估计误差，而这些线段的中间点T₁、T₂、T₃、T₄(例如中点)可以被认为是同源线对的实际相交点。

通过连接这些点，有可能在标记元件M₁、M₂、M₃、M₄的空间中重建假定的几何结构并且以估计重建误差这样一种方式来比较假定的几何结构与其实际几何结构。

基于在前一步骤303D中计算出的数据，随后计算参考系统R’_Rif的坐标的估计误差(步骤303E)。

如果估计误差高于预定义的阈值，则上述递归过程考虑前一计算循环中确定的估计误差来执行对参考系统R’_Rif的坐标的新估计，并且重复上述步骤303B-303E。

如果估计误差低于预定义的阈值，则步骤303的计算程序就以考虑参考目标11在目标点B1和B2之间的偏移这样一种方式校正这样执行的估计(步骤303G)。

一旦完成了步骤303，处理程序300包括计算第一配准数据以执行用于表达图像I1和I2的点的坐标的二维参考系统G_Rif与G’_Rif与以第一参考点R1为原点的三维参考系统R_Rif的配准。

通过类型R2xR2→R3的矩阵变换，在步骤303中执行的相对于三维参考系统R_Rif对参考系统R’_Rif的坐标的计算允许图像I1和I2的所有点相对于参考系统R_Rif的映射。

另一方面，把图像I1和I2的点分别链接到参考点R1和R2的关系是在处理程序300的步骤301和302中计算的。

然后，处理程序300包括步骤305，这个步骤计算第二配准数据以执行参考系统R_Rif与由参考目标11的标记元件M₁、M₂、M₃和M₄定义的参考系统B_Rif的配准。

而且，在步骤303中执行的相对于三维参考系统R_Rif对参考系统R’_Rif的坐标的计算允许相对于三维参考系统R_Rif计算标记元件M₁、M₂、M₃和M₄在空间中的位置并且因此确定将参考系统R_Rif与B_Rif彼此几何链接的R3→R3类型的矩阵变换。

通过合成在步骤304和305中计算的矩阵变换，有可能建立链接参考系统G_Rif、G’_Rif和B_Rif的R2xR2→R3类型的矩阵变换。

因此，上述第一和第二配准数据允许配准二维参考系统G_Rif和G’_Rif与三维参考系统B_Rif。

因而，三维空间100是赋范的和可测量的矢量空间，其点与图像I1和I2的点是一对一的关系。

因此，三维空间100的点的坐标可以从图像I1和I2开始获知。

为了表达参考空间100的坐标，可以选择与参考系统B_Rif不同的参考系统，假定这个参考系统与参考系统B_Rif具有已知关系。

例如，在其中参考目标11被机械臂移动的情况下，三维空间100的点可以参考由机械臂的控制单元使用的参考系统K_Rif(图2)。

在这种情况下，处理程序300还包括计算配准数据以配准参考系统B_Rif与机械臂的参考系统K_Rif的进一步的步骤。这些计算的执行是相当容易的，因为目标参考11被刚性限制到机械臂。

根据优选实施例，装置1可以配准用于表达点I1和I2的坐标的二维参考系统G_Rif和G’_Rif与用于表达利用断层扫描装置16采集的图像的点的坐标的三维参考系统H_Rif，其中断层扫描装置16例如是计算机化的轴向断层或磁共振装置(图2)。

在这种情况下，处理单元12接收利用断层扫描程序采集到的、指示三维空间100的图像的数据。

第二计算机化工具(未示出)有利地存储在计算机化单元12中，执行进一步的处理程序，以计算配准数据以执行二维参考系统G_Rif和G’_Rif与用于表达利用断层扫描采集到的图像点的坐标的三维参考系统H_Rif的配准。

优选地，这个处理程序包括识别图像I1和I2中及利用断层扫描采集到的图像中的至少三个同源点，并且包括基于上述同源点的布置计算使参考系统G_Rif、G’_Rif与H_Rif相关的矩阵变换。

如所陈述的，在其另一方面，本发明还涉及用于为了诊断、外科或介入医学目的而在医学应用中映射三维空间的方法400(图3)。

映射方法400包括步骤401，这个步骤提供能够至少从第一记录位置P1和从第二记录位置P2记录三维空间100的二维图像的采集工具10，所述位置P1和P2的坐标最初是未知的。

该方法还包括步骤402，这个步骤提供包括可由采集工具10观察到的多个标记元件M₁、M₂、M₃和M₄的参考目标11，所述标记元件以在目标11被定位在目标点B1时定义三维参考系统B_Rif这样一种方式根据预定义的几何结构在空间中相互定位。

根据本发明，目标11在三维空间100的目标点B1和B2之间是可移动的。目标点B2位于相对于目标点B1的已知位置。

然后，方法400包括步骤403，这个步骤以目标11被位于第一记录位置P1的采集工具10框定这样一种方式在目标点B1中定位目标11；方法400还包括后续步骤404，这个步骤通过位于第一记录位置P1的采集工具10采集三维空间100的第一图像I1。

一旦完成了步骤404，方法400还包括步骤405，这个步骤以目标11被位于第二记录位置P2的采集工具10框定这样一种方式将目标11偏移到目标点B2。

如所陈述的，目标11的定位/移动可以有利地由机械臂或者由无源机械设备执行。但是，原理上，目标11还可以被手动地操作定位在目标点B1和B2中。

一旦目标11定位在目标点B2中，方法400还包括步骤406，这个步骤利用处于第二记录位置P2的采集工具10采集三维空间100的第二图像I2。

最后，映射方法400包括步骤407，这个步骤计算配准数据以配准用于表达所述第一图像I1和第二图像I2的点的坐标的二维参考系统G_Rif和G’_Rif与由标记元件M₁、M₂、M₃、M₄定义的三维参考系统B_Rif。

根据优选实施例，上述计算配准数据的步骤407包括与上述针对处理程序300所说明的类似的步骤序列(图9)。

因此，步骤407包括以下步骤：

-相对于图像I1的参考点R1，计算第一图像I1中标记元件M₁、M₂、M₃、M₄的投影点M₁₁、M₂₁、M₃₁、M₄₁的坐标；及

-相对于图像I2的参考点R2，计算第二图像I2中标记元件M₁、M₂、M₃、M₄的投影点M₁₂、M₂₂、M₃₂、M₄₂的坐标；及

-相对于以第一参考点R1为原点的三维参考系统R_Rif，计算以第二参考点R2为原点的三维参考系统R’_Rif的坐标；及

-计算第一配准数据以执行二维参考系统G_Rif和G’_Rif与三维参考系统R_Rif的配准；及

-计算第二配准数据以执行三维参考系统R_Rif与三维参考系统B_Rif的配准。

优选地，以上相对于参考系统R_Rif计算参考系统R’_Rif的坐标的步骤包括与上述处理程序300的步骤303中所包括的那些类似的步骤序列(图9-12)。

因此，这种步骤序列包括：

-执行对参考系统R’_Rif的坐标的初始估计；及

-计算连接图像I1中的投影点M₁₁、M₂₁、M₃₁、M₄₁与位于第一记录位置P1的采集工具10的焦点中心F1的直线r₁₁、r₂₁、r₃₁、r₄₁的方程；及

-计算连接图像I2中的投影点M₁₂、M₂₂、M₃₂、M₄₂与位于第二记录位置P2的采集工具10的焦点中心F2的直线r₁₂、r₂₂、r₃₂、r₄₂的方程；及

-对于参考相同标记元件的每一对直线(同源线)，计算指示中间点T₁、T₂、T₃、T₄的坐标及表达所述同源线之间的最小距离的线段d₁、d₂、d₃、d₄的长度的数据；及

-计算参考系统R’_Rif的坐标的估计误差；及

-如果估计误差高于预定义的阈值，则执行参考系统R’_Rif的坐标的新估计并且重复上述步骤；及

-根据参考目标11在目标点B1和B2之间的偏移，校正在前面步骤中执行的参考系统R’_Rif的坐标的估计。

优选地，方法400包括步骤408，这个步骤执行采集工具10的初步校准。

而且，优选地，在参考目标11在目标点B1和B2之间偏移之后，方法400包括步骤409，这个步骤例如通过机械臂15的位置/运动传感器检测目标11的这一偏移。

在进一步优选的变体中，方法400还包括通过断层扫描程序采集三维空间100的第三图像I3的步骤(在图3中未示出)，及处理配准数据以执行用于表达图像I1和I2的点的坐标的二维参考系统G_Rif和G’_Rif与用于表达所述第三图像的点的坐标的三维参考系统H_Rif的配准的步骤。

如以上所说明的，根据本发明的用于映射的装置与方法允许利用与医学程序中由医学操作人员通常使用的那些类似类型的图像I1和I2执行三维空间100的一种校准。

因此，装置1适于容易地集成到用于为了诊断、外科或介入医学目的而确定或执行医学仪器的操作定位的装置中。

在映射感兴趣的三维空间之后，在图像I1和I2上例如借助图形界面13被示踪(tFace)的任何跟踪矢量，可以被实时地变换成三维空间100的跟踪矢量。

以下描述为了诊断、外科或介入医学目的而在三维空间中确定医学仪器的定位的方法500。

方法500包括初始步骤501，这个步骤通过根据本发明的装置1或者方法400映射感兴趣的三维空间。

然后是步骤502，这个步骤例如利用图形界面13或者专门为此目的而提供的另一图形界面选择第一图像I1中的第一点Z1和第二点Z2。

注意这个操作如何等效于在第一图像I1中示踪用于要定位的医学仪器的跟踪矢量的操作。

然后，方法500包括步骤503，这个步骤计算分别连接点Z1和Z2与位于第一记录位置P1的采集工具10的焦点中心的第一直线X1和第二直线X2的方程。

以与以上相同的方式，方法500包括步骤504，这个步骤选择第二图像I2中的第三点Z3和第四点Z4，由此示踪图像I2中的跟踪矢量。

之后是步骤505，这个步骤计算分别连接在图像I2中选定的第三点Z3和第四点Z4与位于第二记录位置P2的采集工具10的焦点中心F2的第三直线X3和第四直线X4的方程。

最后，方法500包括步骤506，这个步骤计算直线X1和X3之间的第一交点N1与直线X2和直线X4之间的第二交点N2。

交点N1和N2构成感兴趣的三维空间100中的跟踪矢量Q的端点。跟踪矢量Z的坐标可以用于执行医学仪器的跟踪，例如通过机械臂。

使用直接三角算法的步骤503、505和506可以有利地由例如适当地存储在处理单元12中的第三计算机化工具(未示出)自动执行。

已经看到在实践当中如何利用根据本发明的装置与方法实现所述目标。

根据本发明的装置与方法是相当简单而且实用的。学习如何使用它们所需的时间是相对短的而且它们不需要由专业技术人员操作。

根据本发明的装置与方法允许映射医学操作人员的操作区，而不需要在目标11与病人身体之间建立接触而且不需要对记录点P1和P2的坐标有事先的了解。

这些特征使得根据本发明的装置与方法在使用中相当多用途而且灵活。

三维空间的映射是以不依赖空间的类型与配置而且不依赖要执行的医学程序的类型的方式执行的。

假定参考目标不需要整体固定到病人身体，病人不会经受更多的不适。

参考目标是可移动的而且可以根据要执行的医学程序的需求适当定位。这允许对采集工具的操作灵活性有最佳的利用，尤其是在其中使用荧光检查器并且因此在其中映射相对大的操作空间的情况下。

已经看到，为了计算参考系统的配准数据，根据本发明的装置与方法有利地使用立体三角类型的计算过程。这允许在三维空间的映射中实现高水平的精度与可靠性。

根据本发明的装置本身构成了病人内部器官与身体部位的实时查看系统。通过图形界面，医学操作人员事实上可以实时地查看病人的解剖结构，而不是其虚拟重建。

而且，根据本发明的装置可以容易地集成到断层扫描装置/与断层扫描装置接口，从而允许医学操作人员采集关于病人解剖结构的更详细信息。

根据本发明的装置还很容易集成到在医学程序的执行中提供操作支持的装置中，例如，集成到确定或执行医学仪器的跟踪的装置中。

为了诊断、外科或介入医学目的，医学操作人员可以直接使用根据本发明的装置的图形界面来研究病人内部器官或身体部位的位置，示踪跟踪矢量并且定义医学仪器的操作轨迹。

根据本发明的装置的特征在于相对有限的尺度和容易在医学操作人员的操作区附近安装。它可以根据需求以简单而多用途的方式配置。

最后，已经示出了根据本发明的装置如何可以容易地在工业水平以具有竞争力的成本生产。

Claims (10)

1.一种用于映射三维空间(100)的装置(1)，其特征在于，其包括：

-采集工具(10)，能够至少从第一记录位置(P1)和第二记录位置(P2)记录所述三维空间的二维图像，所述第一记录位置和所述第二记录位置的坐标能够根据需求改变；及

-参考目标(11)，能在所述三维空间的第一目标点(B1)与第二目标点(B2)之间移动，所述第二目标点(B2)位于相对于所述第一目标点(B1)的已知位置，所述参考目标包括能被所述采集工具观察到的多个标记元件(M₁、M₂、M₃、M₄)，当所述参考目标被定位在所述第一目标点(B1)中时，所述标记元件是以定义三维参考系统(B_Rif)这样一种方式根据预定义的几何结构相互定位的；及

-处理单元(12)，适于接收指示所述三维空间的第一图像(I1)和第二图像(I2)的数据，所述第一图像是由在所述第一记录位置(P1)的所述采集工具采集的，其中所述参考目标以被在所述第一记录位置的所述采集工具框定这样一种方式在所述第一目标点(B1)中定位，所述第二图像是由在所述第二记录位置(P2)的所述采集工具采集的，其中所述参考目标以被在所述第二记录位置的所述采集工具框定这样一种方式在所述第二目标点(B2)中偏移，所述处理单元包括用于计算配准数据以配准用于表达所述第一图像和所述第二图像的点的坐标的二维参考系统(G_Rif、G’_Rif)与在所述参考目标定位在所述第一目标点(B1)时由所述参考目标的标记元件定义的三维参考系统(B_Rif)的单元。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其包括检测所述参考目标(11)从所述第一目标点(B1)到所述第二目标点(B2)的偏移的检测工具(14)。

3.如前述权利要求中的任意一项所述的装置，其特征在于，其包括在空间中定位并移动所述参考目标的机械臂(15)。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采集工具(10)包括能在所述第一记录位置(P1)和所述第二记录位置(P2)之间移动的采集设备。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理单元还包括：

-用于相对于所述第一图像的第一参考点(R1)，计算所述第一图像(11)中所述参考目标的标记元件的投影点(M₁₁、M₂₁、M₃₁、M₄₁)的坐标的单元；及

-用于相对于所述第二图像的第二参考点(R2)，计算所述第二图像(I2)中所述参考目标的标记元件的投影点(M₁₂、M₂₂、M₃₂、M₄₂)的坐标的单元；及

-用于相对于以所述第一参考点(R1)为原点的三维参考系统(R_Rif)，计算以所述第二参考点(R2)为原点的三维参考系统(R’_Rif)的坐标的单元；及

-用于计算第一配准数据以执行用于表达所述第一图像和所述第二图像的点的坐标的二维参考系统(G_Rif、G’_Rif)与以所述第一参考点(R1)为原点的三维参考系统(R_Rif)的配准的单元；及

-用于计算第二配准数据以执行以所述第一参考点(R1)为原点的三维参考系统(R_Rif)与由所述参考目标的标记元件定义的三维参考系统(B_Rif)的配准的单元。

6.一种用于确定或执行医学仪器的操作定位的装置，其特征在于，其包括如前述权利要求中的任意一项所述的用于映射三维空间的装置(1)。

7.一种用于映射三维空间(100)的方法(400)，其特征在于，其包括以下步骤：

-提供采集工具(10)，该采集工具能够至少从第一记录位置(P1)和第二记录位置(P2)记录所述三维空间的二维图像，所述第一记录位置和所述第二记录位置的坐标能够根据需求改变；及

-提供参考目标(11)，该参考目标能在所述三维空间的第一目标点(B1)和第二目标点(B2)之间移动，所述第二目标点(B2)位于相对于所述第一目标点(B1)的已知位置，所述参考目标包括能被所述采集工具观察到的多个标记元件(M₁、M₂、M₃、M₄)，当所述参考目标定位在所述第一目标点(B1)时，所述标记元件是以定义三维参考系统(B_Rif)这样一种方式根据预定义的几何结构相互定位的；及

-以所述参考目标被在所述第一记录位置中的所述采集工具框定这样一种方式在所述第一目标点(B1)中定位所述参考目标；及

-利用在所述第一记录位置的所述采集工具采集所述三维空间的第一图像(I1)；及

-以所述参考目标被在所述第二记录位置的所述采集工具框定这样一种方式在所述第二目标点(B2)中偏移所述参考目标；及

-利用在所述第二记录位置的所述采集工具采集所述三维空间的第二图像(12)；

-计算配准数据以配准用于表达所述第一图像和所述第二图像的点的坐标的二维参考系统(G_Rif、G’_Rif)与在所述参考目标定位在所述第一目标点(B1)时由所述参考目标的标记元件定义的三维参考系统(B_Rif)。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，其包括检测所述参考目标从所述第一目标点(B1)到所述第二目标点(B2)的偏移的步骤。

9.如权利要求7至8中的任意一项所述的方法，其特征在于，其包括执行所述采集工具的初步校准的步骤。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，计算配准数据以配准二维参考系统(G_Rif、G’_Rif)与三维参考系统(B_Rif)的所述步骤包括以下步骤：

-相对于所述第一图像的第一参考点(R1)，计算所述第一图像中所述参考目标的标记元件的投影点(M₁₁、M₂₁、M₃₁、M₄₁)的坐标；及

-相对于所述第二图像的第二参考点(R2)，计算所述第二图像中所述参考目标的标记元件的投影点(M₁₂、M₂₂、M₃₂、M₄₂)的坐标；及

-相对于以所述第一参考点(R1)为原点的三维参考系统(R_Rif)，计算以所述第二参考点(R2)为原点的三维参考系统(R’_Rif)的坐标；及

-计算第一配准数据以执行用于表达所述第一图像和所述第二图像的点的坐标的二维参考系统(G_Rif、G’_Rif)与以所述第一参考点(R1)为原点的三维参考系统(R_Rif)的配准；及

-计算第二配准数据以执行以所述第一参考点(R1)为原点的三维参考系统(R_Rif)与由至少一个所述参考目标的标记元件定义的三维参考系统(B_Rif)的配准。