CN104053412A - 记录方法、位置检测系统和扫描仪器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将借助位置检测系统所测得的位置数据分配给物体或躯体部分的形貌图的方法，其中，所述方法包括以下步骤：制备物体或躯体部分的形貌模型；利用扫描仪器扫描物体或躯体部分的表面，所述扫描仪器具有带有球缺状外表面的扫描探针；在扫描过程中检测位置数据；并且-将所测得的位置数据分配给形貌图中的相应位置，其中，所述测得的位置数据被分配给形貌模型的虚拟表面，所述虚拟表面相对于所述模型表面保持一定距离，所述距离等于扫描仪器的球缺状扫描探针的半径，通过所述扫描探针分别扫描物体或躯体部分的表面。

Description

记录方法、位置检测系统和扫描仪器
本发明涉及一种用于将通过位置检测系统所测得的位置数据分配给物体或躯体部分的形貌图的方法。此外，本发明还涉及一种带有可移动的扫描仪器的位置检测系统以及这种扫描仪器本身。
例如在医学领域为仪器(例如外科诊疗仪器)的导航提供支持的位置检测系统基本上是已知的。这种位置检测系统可以是光学的、利用超声波的或电磁的位置检测系统。因此，例如已知电磁位置检测系统，其中，场发生器产生电磁交变场，并设有带有线圈的位置传感器。通过场发生器的电磁交变场在所述线圈中产生感应电流，所述感应电流与相应线圈相对于电磁交变场的定向有关。当带有这种传感器线圈形式的位置传感器的可移动仪器被定向时，可以确定所述仪器相对于参照传感器(该参照传感器例如可能也同样具有线圈)的地点和位置。在此优选地，所述参照传感器作为患者定位装置与患者的躯体部分(或其他物体)固定连接。
为了进行在患者躯体部分内的导航，通常利用这种位置检测系统检测仪器的位置，并在通过X光断层摄影术所得的躯体部分的截面图中示出所述仪器的位置。要实现这种功能，由仪器的位置传感器提供的位置数据必须转换为患者的X光断层图的坐标。对此例如已知的是，由患者的X光断层图生成躯体部分表面的形貌图，为了将所述形貌图表面(以下也被称为模型表面)上的点分配给真实躯体表面上的那些分别与显示或扫描仪器接触的点，可以在记录方法的范畴内建立用于将借助位置检测系统测得的位置数据转换为模型坐标的转换规则。为此可以在真实的躯体部分表面上扫描大量的点，并将所属的代表真实表面上那些点的位置数据在保持其彼此间相对位置的情况下分配给模型表面上的点，使得误差尽可能小。由此得到转换规则，所述转换规则规定了测得的位置数据如何换算成形貌图(在此也被称为形貌模型)的坐标，并进而换算成X光断面图或模型的坐标。
本发明所要解决的技术问题在于，改进这种已知的方法、位置检测系统和扫描仪器。
根据本发明，所述技术问题是通过前述类型的方法解决的，所述方法包括以下步骤：
制备物体或躯体部分的形貌模型；
扫描物体或躯体部分的表面；
在扫描过程中测量位置数据；并
将测得的位置数据分配给在所述形貌模型中的对应位置，其中，所述测得的位置数据被分配给形貌模型的虚拟表面上的点，所述虚拟表面与模型表面保持一定距离，该距离等于扫描仪器的球缺状扫描探针的半径，通过所述扫描探针分别对物体或躯体部分的表面进行扫描。
优选地，带有可移动扫描仪器的位置检测系统被用作所述位置检测系统，所述扫描仪器具有带有球面状外表面和作为位置参照点的球心的扫描探针。为了将借助扫描仪器所测得的位置数据与所述点相匹配对应或分配给所述点，通过由形貌模型定义的模型表面确定虚拟模型表面，所述虚拟模型表面相对于模型表面保持一定距离，该距离等于扫描探针的球心距扫描探针的球面外表面的距离。例如，与和物体或躯体部分相对固定的位置传感器不同，带有可移动的扫描仪器的设备适合相对于待扫描的躯体部分或物体进行移动。
这种方法允许使用这种扫描仪器，该扫描仪器的扫描探针并非真正意义上的“针”，而是具有球面状的表面、也即相当于球缺的表面。在此，所述球缺状扫描探针的直径可以选择得相对较大，例如大于与带手柄的扫描探针相连接的扫描仪器的杆部(Schaft)。这种带有具有相对较大直径的扫描探针的扫描仪器，可以轻柔地和平缓地在柔软的表面上行进、例如处于患者的脸部区域。
这种带有球状扫描探针的扫描仪器的缺点在于，所述位置检测系统不能检测到相应表面正好与扫描仪器的球面的哪个点接触。例如当所述扫描仪器恰好垂直放置在所述表面上时，所述点可以处于带有与手柄相连接的杆部的扫描探针的纵轴的精确延长线上。然而当所述扫描仪器倾斜放置在表面上时，球状探针的其他点与躯体部分的表面接触，并出现仅仅数毫米且不能修复的位置误差。为了消除所述误差，根据本发明，由X光断面模型的表面或形貌模型的表面测算出虚拟表面，该虚拟表面相对于真实的模型表面保持一定距离，该距离恰好等于所述扫描仪器的球缺状扫描探针的半径。因此可以将所述扫描仪器的球缺状探针的中心用作扫描仪器的位置参照点，该中心不论相对于模型表面的相对位置还是相对于虚拟模型表面的相对位置都与仪器放置在躯体部分或物体的相应表面上的角度无关。
在根据本发明的记录方法的范畴中，基于将球缺状扫描探针的球心作为位置参照点而测得的位置数据被这样分配给虚拟的模型表面上的位置，使得在保持所测得的位置数据彼此间相对位置并且使用统一的用于所有位置数据的转换规则的情况下，使测得的位置数据与虚拟模型表面上的位置实现尽可能精确的匹配。
根据本发明，所述技术问题是通过带有可移动扫描仪器的位置检测系统解决的，其中，所述可移动扫描仪器具有带有球面状、也即球缺状外表面的扫描探针，其中，所述球面状扫描探针的球心被用作位置参照点。所述位置检测系统还具有用于物体或躯体部分的形貌模型的存储装置，并且根据本发明被设计用于将由可移动仪器测得的位置数据按照转换规则转换为基于形貌模型的模型坐标系统。所述位置检测系统还被设计用于，将借助带有球缺状扫描探针的扫描仪器测得的位置数据分配给通过形貌模型定义的模型表面上的点或位置，其实现方式为，所述位置检测系统将相对于或基于扫描探针球心(在此作为位置参照点)的位置数据分配给虚拟表面，所述虚拟表面相对于通过形貌模型定义的模型表面保持一定距离，该距离恰好等于球缺状扫描探针的球形半径。
为了进行记录，所述位置检测系统还被设计用于确定用来将测得的位置数据转换成模型坐标的转换规则，其中，所述转换规则具有这样的性质，在记录的范畴内将所测得的位置数据分配给虚拟模型表面上的点或位置的过程中，所测得的位置数据相对于所配属的虚拟模型表面上的点的误差要尽可能的小。
根据本发明，本发明所要解决的技术问题还通过扫描仪器解决，所述扫描仪器具有球缺状扫描探针，所述扫描探针优选具有大于3mm的直径。根据本发明的优选实施方式，所述球缺状扫描探针由像圆珠笔笔尖那样可转动的球体构成。所述扫描探针还可以被设计为能释放出润滑凝胶或类似材料，从而使所述扫描探针能在待扫描的表面上轻松滑动。
现在结合附图根据实施例对本发明进行更详尽的阐述。在附图中：
图1示出了根据本发明的位置检测系统，其带有用于电磁交变场的场发生器、与患者固定连接的位置传感器(患者定位装置)和可移动扫描仪器；
图2示出了根据本发明的扫描仪器的远端的视图，所述远端具有球缺状扫描探针，并且为了阐述本发明所依据的原理而示出了表示虚拟表面的视图。
图1示意性地示出了患者头部10的侧视图。在头部10后方设有场发生器12，用以产生可在患者头部区域内进行检测的电磁交变场。在患者头部10上固定有与患者固定连接的作为参照位置传感器14或者说患者定位装置的位置传感器。可移动的扫描仪器16具有带有手柄18的近端和带有球缺状扫描探针20的远端。在所述扫描仪器16上或扫描仪器16中固定有仪器位置传感器22。所述参照位置传感器14和仪器位置传感器22分别具有一个或多个导电线圈。在工作时由所述场发生器12产生的电磁交变场分别在线圈中产生感应电流，所述电流的幅值(和相位？)与各传感器线圈相对于场发生器12的相对位置和定向有关。由此可以通过已知的方式，确定仪器位置传感器相对于参照位置传感器的相对位置和定向。
为了将借助位置检测系统所测得的仪器的位置数据合乎规定地用于仪器导航装置，从而使仪器的每个当前位置例如在通过断层X光摄影术所得的躯体部分的截面图中示出，则必须将由仪器的位置传感器提供的位置数据转换为基于形貌图的模型坐标系。为此所需的转换规则通过已知方式借助记录方法来实现。为此，例如利用显示或扫描仪器扫描躯体部分的表面，并且将由此得到的位置数据以尽可能小的误差转换到由X光断层图或形貌图推算出的模型表面上。为这种尽可能准确的转换所需的成比例缩放、旋转和/或平移或类似转化都由所述转换规则给出。
图2示出了扫描仪器16的远端，该远端带有球缺状扫描探针20。所述扫描仪器16的远端在图2中被示出两次，即一次以实线示出，一次以虚线示出。借助虚线所示的图示表明，当所述扫描仪器16以其他角度放置在物体或躯体部分的表面24上时，球缺状扫描探针的其他点与所述表面24接触。因为通常不知道扫描仪器放置在相应表面上的角度，所以不能相对于或基于作为参照点的接触点对带有球缺状扫描探针的扫描仪器进行准确定位。由此，根据本发明将球缺状扫描探针20的球心26用作扫描仪器16的位置参照点。然而，所述球心26相对于躯体部分或物体的表面24保持一定距离。由此例如可以在躯体褶皱处进行扫描操作，其中，所述球心可以不再特定地属于躯体表面上的某一点。
出于这一点，借助所述扫描仪器16相对于或基于作为位置参照点的扫描探针20的球心所测得的位置数据不再分配给模型表面上的点、例如由各躯体部分或物体的形貌图或X光断层图得出的模型表面上的点。更确切地说，由所述模型表面计算出的虚拟模型表面28，所述虚拟模型表面相对于所述模型表面保持一定距离，所述距离恰好等于球缺状扫描探针的半径。所述虚拟模型表面28在图2中以虚线示出。所述虚拟模型表面由在模型表面上的曲面法线的端点确定，其中，所述曲面法线的长度相当于所述扫描探针的半径。这在图2中通过若干代表曲面法线的箭头示出。相对于或基于作为位置参照点的扫描探针的球心的位置数据可以被明确且与扫描仪器16放置在躯体部分或物体的表面上的角度无关地分配给虚拟模型表面28。
由此，即使利用与现有技术相比具有更大半径的扫描探针的扫描仪器也能进行准确的位置检测。此外，带有大半径的扫描探针还提供了这样的优点，这种扫描探针不会那么轻易地卡在躯体褶皱或类似部位中。
附图标记清单
10   头部
12   场发生器
14   参照位置传感器
16   扫描仪器
18   手柄
20   扫描探针
22   仪器位置传感器
24   表面
26   球心
28   模型表面

Claims (9)

1.一种用于将借助位置检测系统所测得的位置数据分配给物体或躯体部分的形貌图的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-制备物体或躯体部分的形貌模型；
-利用扫描仪器扫描所述物体或躯体部分的表面，所述扫描仪器具有带有球缺状外表面的扫描探针；
-在扫描过程中检测位置数据；并且
-将所测得的位置数据分配给形貌图中的对应位置，其中，所述测得的位置数据被分配给形貌模型的虚拟表面，所述虚拟表面相对于所述模型表面保持一定距离，所述距离等于扫描仪器的球缺状扫描探针的半径，通过所述扫描仪器相应地扫描所述物体或躯体部分的表面。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于以下步骤：
建立转换规则，所述转换规则用于将所述位置检测系统的位置数据和/或坐标转换为形貌模型的模型位置数据和/或模型坐标，或反向的转换，也即将形貌模型的模型位置数据和/或模型坐标转换为位置检测系统的位置数据和/或坐标。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，具有用于产生电磁交变场的场发生器和至少两个位置传感器的位置检测系统被用作所述位置检测系统，所述位置传感器分别具有至少一个导电线圈，所述位置传感器中的一个这样与物体或躯体部分相连接，即，该位置传感器相对于所述物体或躯体部分保持固定的相对位置，而其他位置传感器被固定在扫描仪器上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述形貌模型是借助X光断层摄影技术得到的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在将所测得的位置数据分配给形貌模型中的相应位置时，多个在物体或躯体部分的不同位置处采集的位置数据被这样分配给虚拟模型表面上的点，使得在线性成比例缩放和旋转时产生尽可能小的误差。
6.一种带有可移动的扫描仪器的位置检测系统，其中，所述可移动的扫描仪器具有带有球缺状外表面的扫描探针，并且球面状扫描探针的球心被用作位置参照点，并且所述位置检测系统还具有用于物体或躯体部分的形貌模型的储存装置，并且所述位置检测系统为此被设计用于将由可移动的扫描仪器测得的位置数据按照转换规则这样转换为基于形貌模型的模型坐标系，从而将借助带有球缺状扫描探针的扫描仪器所测得的位置数据分配给通过形貌模型定义的模型表面上的点或位置，其实现方式为，所述位置检测系统将相对于作为位置参照点的扫描探针球心的位置数据分配给虚拟表面，所述虚拟表面相对于通过形貌模型定义的模型表面保持一定距离，该距离恰好等于所述球缺状扫描探针的球形半径。
7.根据权利要求6所述的位置检测系统，其特征在于，所述位置检测系统还被设计用于建立转换规则，所述转换规则用以将借助所述扫描仪器所测得的位置数据分配给通过所述形貌模型定义的模型表面上的点，其实现方式为，所述位置检测系统确定虚拟模型表面，所述虚拟模型表面相对于所述模型表面保持一定距离，所述距离等于所述扫描探针的球心相对于扫描探针的球面状外表面的距离，并且将借助所述扫描仪器所测得的位置数据在保持其彼此间相对位置的情况下尽可能准确地分配给所述虚拟模型表面。
8.根据权利要求6或7所述的位置检测系统，其特征在于，所述位置检测系统是具有用于产生电磁交变场的场发生器和至少两个位置传感器的位置检测系统，所述位置传感器分别具有至少一个导电线圈，所述位置传感器中的一个这样与物体或躯体部分相连接，即，该位置传感器相对于物体或躯体部分保持固定的相对位置，而其他位置传感器被固定在扫描仪器上。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的位置检测系统，其特征在于，所述扫描仪器具有带有手柄的近端和带有球缺状扫描探针的远端，所述扫描探针通过杆部与所述手柄相连接，并且所述扫描仪器的位置传感器被设计用于提供位置数据，所述位置数据提供所述扫描仪器相对于参照传感器的位置和方位，其中，所述位置传感器具有已知的、相对于球缺状扫描探针球心的固定位置，并且所述位置检测系统被设计用于，为了将位置数据分配给通过形貌模型确定的模型表面上的点，由所述扫描仪器的位置传感器的位置数据推导出作为所述扫描仪器的位置参照值的球缺状扫描探针球心的位置数据。
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