CN104380040B - 用于位置采集系统的配准方法和配准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于采集对象或身体部位(12)关于位置采集系统(10)的位置和方向的配准方法，其中，所述方法包括以下步骤：在对象或身体部位和/或图像传感器单元上布置参考传感器(14)；借助位置采集系统(10)采集参考传感器(16)的位置；借助图像传感器单元摄影测量地采集对象或身体部位(12)的表面，并且必要时采集参考传感器的表面；基于摄影测量地采集的信息产生对象或身体部位(12)的表面模型；在表面模型中确定参考传感器(16)的位置；以及根据在表面模型中确定的参考传感器(16)的位置和借助位置采集系统采集的参考传感器(16)的位置将表面模型与位置采集系统(10)的坐标系相关联。本发明还涉及一种用于执行这种方法的装置。

Description

用于位置采集系统的配准方法和配准装置
技术领域
本发明涉及一种用于采集对象或身体部位关于位置采集系统的位置和方向的配准方法。本发明还涉及一种用于执行这种方法的装置。
背景技术
例如在医学领域中支持仪器(例如外科仪器)导航的位置采集系统被普遍公知。这样的位置采集系统可以是光学的、支持超声波的或者电磁的位置采集系统。因此，例如已知电磁位置采集系统具有线圈，其中场发生器产生交变电磁场并且设置具有线圈的位置传感器。通过发生器的交变电磁场在线圈中感应出电流，该电流取决于各个线圈相对于交变电磁场的方向。如果运动的仪器与这样的以传感器线圈形式的位置传感器对齐，则可以确定仪器相对于例如同样可以具有线圈的参考传感器的地点和位置。在此，优选将参考传感器作为患者定位器与患者的身体部位(或者其他对象)固定连接。
对于在患者身体部位内的导航，典型地利用这样的位置采集系统来采集仪器的位置，并且在断层造影获得的身体部位的截面图像中显示仪器的位置。为了使其运转，必须在患者的断层图像的坐标中标注仪器的位置传感器提供的位置值。为此，例如已知从患者的断层图像中生成身体部位表面的断层图像，以便将断层图像表面(以下也称为模型表面)上的点与分别由指示仪器或采样仪器接触的真实身体部位表面上的点关联。因此，可以在配准方法范围内，对于借助位置采集系统采集的位置值在模型坐标中建立转换规则。为此，在身体部位的真实表面上采样到多个点，并且将分别代表真实表面上的点的对应位置值与模型表面上的点在保留其真实位置的条件下互相关联，使得尽可能产生更小的误差。由此得到一个转换规则，其给出如何将采集的位置值换算为定位造影图像的坐标(这里也称为定位造影模型)，并由此也换算为断层造影图像或模型的坐标。
患者配准表示转换函数的确定，使得手术中采集的位置数据与手术前例如在断层造影获得的图像数据中的位置信息相一致。为了患者配准，例如如上描述地采集患者模型并且确定转换函数，该转换函数使得在配准方法范围内采集的位置数据和由此得到的患者模型与手术前获得的图像数据的位置信息相一致。
为了确定转换函数，在各自的坐标系中确定模型的相同几何特征和(例如断层造影获得的)图像数据。然后，通过该特征进行两个坐标系的关联。普遍借助指示仪器进行表面配准。在此，使用患者皮肤表面作为对应的特征。手术中利用指示仪器采样皮肤表面，并且使其与从图像数据中提取的皮肤表面一致。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，给出一种能够尽可能简单并快速执行的配准方法。
根据本发明，该技术问题通过一种用于采集对象或身体部位关于位置采集系统的位置和方向的方法来解决，其中，所述方法包括以下步骤：
-在对象或身体部位和/或图像传感器单元上布置参考传感器，
-借助位置采集系统采集参考传感器的位置，
-借助图像传感器单元摄影测量地采集对象或身体部位的表面，并且必要时采集参考传感器的表面，
-基于摄影测量地采集的信息产生对象或身体部位的表面模型，
-确定参考传感器在表面模型中的位置，以及
-根据确定的参考传感器在表面模型中的位置和借助位置采集系统采集的参考传感器的位置将表面模型与位置采集系统的坐标系相关联。
根据本发明的配准方法的优点在于，允许无接触式配准，并且由此避免在借助指示仪器的已知配准方法的情况下例如得到患者的皮肤在通过指示仪器接触时可能变形的问题。因为利用光学配准另外能够同时采集身体部位或对象的较大部分表面，所以也能够更快同时更精确地进行配准。
优选地，借助优选单焦点的光学的图像传感器单元进行对象或身体部位的表面的摄影测量地采集，该图像传感器单元与位置传感器连接或者具有位置传感器，借助位置采集系统能够采集该位置传感器的位置。这允许在配准期间或者之后相对于身体部位或对象以及相对于位置采集系统移动图像传感器单元，以便能够从多个位置或者各个最佳的位置来光学地采集身体部位或者对象。如果图像传感器单元配备有位置传感器，则该位置传感器可以用作参考传感器，并且代替或补充布置在身体部位或对象上的参考传感器。图像传感器单元的位置传感器在该情况下提供关于图像传感器单元的位置(和方向)的信息。
如果图像传感器单元不具有位置传感器，则需要能够被图像传感器单元光学地采集的参考传感器，更具体地，能够从光学采集的信息中确定关于待采集的表面的相对位置。
现在借助单焦点光学图像传感器描述一种用于无接触式患者配准的方法。优选监视图像传感器单元相对于患者的位置(和方向)。这利用测量系统、优选位置采集系统进行。另外优选从一开始就已知光学图像传感器单元的成像性能。
按照配准方法的一种优选实施变化，在配准过程中图像传感器单元持续传输待采集的表面。在此，记录图像传感器单元相对于患者(更具体地：相对于位置采集系统)的相对位置，也就是图像传感器单元的位置，和摄影测量地采集的信息(即，通常光学采集的图像数据)。
优选在使用自然照明的条件下，即在位置处具有的照明的条件下，进行对表面的摄影测量地采集。
优选将位置信息和光学采集的图像数据传输到迭代算法。该算法在光学地采集的图像数据中(例如在单图像中)检测对象(边、线、圆等)，并且也可以将其关于不同的单图像互相关联。由此形成从图像传感器单元的不同观察方向和位置拍摄的对象的列表。
优选随后应用另一个算法，其能够从这些数据中确定对象的空间位置。为此，必须在至少两个不同的观察方向和位置拍摄对象。然后，可以通过三角测量确定对象位置。
如果确定了足够的对象及其位置，则能够执行常规的表面配准。
替代地，也可以在使用人工照明的条件下如下地执行配准方法：
按照一种这样的替代的实施变化，图像传感器单元(优选固定地)与图案投影仪连接。优选从一开始就已知图像传感器单元相对于图案投影仪的相对位置和图案投影仪的成像性能。替代地，图案投影仪也可以与位置传感器连接，从而能够从图案投影仪的位置传感器的位置数据以及图像传感器单元的位置数据中确定在每个时间点图像传感器单元相对于图案投影仪的相对位置。然后，能够有利地独立于图像传感器单元移动图案投影仪，从而使图像传感器单元能够分别拍摄特别有说服力的、具有能很好进行评估的图案失真的单图像。
借助图案投影仪能够在图像传感器单元的拍摄区域中在目标表面上投影其尺寸已知的人工结构(图案，例如条形图案)。在表面上投影的图案被图像传感器单元光学地采集，从而产生单图像，该单图像显示具有由表面形状决定的失真的、在表面上投影的图案。根据图案的失真，能够确定在每个单图像中的三维表面。通过根据重叠区域来拼合单图像的三维子表面，能够确定总表面。然后，可以利用常规的表面配准使用该总表面。
图案投影仪可以被构造为，以红外线或紫外线光来投影图案。在该情况下，图像传感器单元优选配备有对红外线或紫外线敏感的图像传感器。该实施变化的优点在于，投影的图案对于手术者不可见，因此也能够不干扰手术者。
作为图案投影仪的代替或补充，也可以设置自粘性图案薄膜。该薄膜被固定在目标区域。通过在薄膜上的已知图案，能够检测薄膜的形状并由此也检测表面结构。
配准方法的另一种替代方案在于，使用3D照相机作为图像传感器单元，该3D照相机能够从一开始就三维地拍摄待采集的表面。它节省了如其在以上提到的方法变化中需要的从二维图像数据中重建表面形状。已知的3D照相机通过测量红外光线脉冲的运行时间来拍摄三维表面形状。这种拍摄也作为TOF(飞行时间)方法而被公知。
为了在配准方法的所有实施变化中能够确定位置采集系统的电磁交变场的可能的失真，优选在不同位置使用多个位置传感器或使用可移动的位置传感器，后者在摄影测量地采集对象或身体部位的表面时移动并且同样摄影地采集其位置。于是，从分别摄影测量地采集的可移动的位置传感器或位置传感器的位置以及由各个位置传感器自身借助位置采集系统确定的位置中能够确定电磁交变场的失真。于是，能够所谓自身摄影测量地测量电磁交变场。
图像传感器单元可以是小型照相机、内窥镜或显微镜。如果在整个手术期间使用内窥镜，则能够持续执行所描述的表面识别。这样获得的新信息可以一方面被用于修改现有的患者配准(自适应的患者配准)，或者另一方面，必要时也附加地用于在患者模型中更新由于外科介入引起的变化(自适应的患者模型)。
按照有利方式可以执行连续的配准，从而不再需要相对于身体部位或对象位置固定的参考传感器。而是由在各自仪器和/或可移动的图像传感器单元上的位置传感器在各个时间点接管该功能。这样的仪器或图像传感器单元例如可以是具有位置传感器的显微镜。
附图说明
现在结合实施例借助附图详细解释本发明。其中：
图1示出了用于执行用于采集对象或身体部位关于位置采集系统的位置和方向的配准方法的装置的例子，其中，该装置除了位置采集系统外还具有布置在待采集的表面上的位置传感器和以光学照相机形式的图像传感器单元；
图2示出了图1中的装置的一种变化，其中，位置传感器不是布置在待采集的表面上，而是与图像传感器单元连接；
图3示出了图1中的装置的另一种变化，其附加地具有用于在待采集的表面上投影图案的图案投影仪；
图4示出了图1中的装置的另一种变化，其中，图像传感器单元是3D照相机。
具体实施方式
在图1中示出了一种用于执行配准方法的装置，包括：位置采集系统10；在作为待采集的身体部位的患者头部12处安装的位置传感器14，作为参考传感器；以及照相机16，作为图像传感器单元。
为配准目的而由照相机16拍摄的图像从各自视角示出了身体部位，即患者头部12，以及用作参考传感器而固定在身体上的位置传感器14。从对身体部位12的多个拍摄中，能够摄影测量地获得身体部位12的表面模型。在该摄影测量地获得的身体部位12的表面模型中，能够同样摄影测量地确定位置传感器14的位置。位置传感器14的位置另外也由位置采集系统10采集，从而能够将摄影测量地确定的位置传感器14的位置与由位置采集系统10采集的位置传感器14的位置相关联，从而也通过摄影测量地获得的表面模型而相对于位置传感器14并由此在位置采集系统10的坐标中已知身体部位的表面上的所有其它位置。
代替如图1示出的固定在身体部位上的位置传感器14，也可以在图像传感器单元上以照相机16′形式设置位置传感器14′。这在图2中示出。以这种方式，位置采集系统10分别采集图像传感器单元(照相机)16的位置和方向，并且由此获悉由图像传感器单元16记录的拍摄所源自的视角。这也允许从由图像传感器单元16拍摄的图像中生成精确的表面模型。在该情况下，待采集的身体部位(患者头部)12优选尽可能不移动地与位置传感器单元10连接。图2示出了用于患者头部12的相应的支撑装置18，其与位置采集系统10连接。
原则上，由图像传感器单元16(照相机16)进行的拍摄可以在现有的光线下进行。然而在该情况下，在个别情况下难以提取摄影的表面(例如身体部位12的表面)的单独的几何特征和形状特征。为了在这里得到有说服力的拍摄，可以有利地设置图案投影仪20，其在身体部位12的表面上投影图案22，该图案由于身体部位12的表面的三维构造而分别透视地失真。例如为了采集表面的定位片而已知条形投影形式的图案投影。
图3示出了这样的具有图案投影仪20的装置。
已经在图像传感器单元16″′的每次单个拍摄时提供关于身体部位12的三维表面构造的信息的装置能够如图4所示利用以3D照相机形式的图像传感器单元16″′实现。这样的3D照相机16″′原理上公知，并且例如按照飞行时间系统来拍摄三维的表面结构，其中，采集由3D照相机16″′的相应光源发出并由身体部位12的表面反射的照明脉冲的运行时间或相位。因为身体部位12的表面的各个点具有相对于图像传感器单元16″′的光源也相对于其图像传感器的不同距离，所以在光源与图像传感器之间产生不同长度的脉冲运行时间。该脉冲运行时间(或相位移动)包含关于在图像传感器单元16″′与身体部位12的表面上的各自点之间的距离的信息。
在所有情况下，这样构造所述装置，使得该装置提供具有精度为1mm或更精确的表面模型，优选比0.25mm更精确。所述装置的工作范围在所有尺寸中测定为几十厘米，例如在200mm x 200m x 200mm与500mm x 500mmx 500mm之间。

Claims (15)

1.一种用于采集对象关于位置采集系统的位置和方向的配准方法，其中，所述方法包括以下步骤：
在对象上布置参考传感器；
借助所述位置采集系统采集所述参考传感器的位置；
借助图像传感器单元摄影测量地采集对象的表面，并且采集所述参考传感器的表面；
基于摄影测量地采集的信息产生对象的表面模型；
确定所述参考传感器在所述表面模型中的位置；
根据所确定的所述参考传感器在所述表面模型中的位置和借助所述位置采集系统所采集的所述参考传感器的位置将所述表面模型与所述位置采集系统的坐标系相关联。
2.按照权利要求1所述的配准方法，其特征在于，借助单焦点的光学的图像传感器单元进行对象的表面的摄影测量地采集，所述图像传感器单元与用作补充的参考传感器的位置传感器连接或者具有用作补充的参考传感器的位置传感器，所述位置传感器的位置能够借助所述位置采集系统被采集。
3.按照权利要求2所述的配准方法，其特征在于，在摄影测量地采集对象的表面期间移动所述图像传感器单元，并且借助在所述图像传感器单元上的所述用作补充的参考传感器的位置传感器采集所述图像传感器单元的相应的位置和方向。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的配准方法，其特征在于，为了对象的表面的摄影测量地采集，在待采集的表面上投影图案。
5.按照权利要求4所述的配准方法，其特征在于，借助图案投影仪进行图案的投影，所述图案投影仪固定地与所述图像传感器单元连接。
6.按照权利要求4所述的配准方法，其特征在于，借助图案投影仪进行图案的投影，所述图案投影仪固定地与用作补充的参考传感器的位置传感器连接。
7.按照权利要求4所述的配准方法，其特征在于，利用红外线光投影所述图案，并且所述图像传感器单元具有红外线敏感的图像传感器。
8.按照权利要求1至3中任一项所述的配准方法，其特征在于，使用3D照相机作为图像传感器单元。
9.按照权利要求1至3中任一项所述的配准方法，其特征在于，在对象的不同的位置上使用多个用作参考传感器的位置传感器，或者使用能够移动的用作参考传感器的位置传感器，能够移动的位置传感器在摄影测量地采集对象的表面时被移动，并且同样摄影测量地采集位置传感器的位置，以便确定位置采集系统的电磁交变场的失真。
10.根据权利要求1所述的配准方法，其特征在于，所述位置采集系统是电磁的位置采集系统，并且在对象上布置参考传感器，使得参考传感器能够被图像传感器单元光学地采集，其中所述图像传感器单元是单焦点的光学的图像传感器单元。
11.根据权利要求10所述的配准方法，其特征在于，能够从光学采集的信息中确定关于对象的待采集的表面的相对位置。
12.一种用于执行用于采集对象关于位置采集系统的位置和方向的配准方法的装置，其中，所述装置具有：
-位置采集系统；
-至少一个参考传感器，借助所述位置采集系统能够采集所述参考传感器的位置；以及
-至少一个图像传感器单元，用于摄影测量地采集对象的表面，并且采集所述参考传感器的表面；
-其中，所述参考传感器与待采集的表面连接，
-其中所述装置被构造为，基于摄影测量地采集的信息产生对象的表面模型；确定所述参考传感器在所述表面模型中的位置；并且根据所确定的所述参考传感器在所述表面模型中的位置和借助所述位置采集系统所采集的所述参考传感器的位置将所述表面模型与所述位置采集系统的坐标系相关联。
13.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置附加地具有图案投影仪，所述图案投影仪与所述图像传感器单元和/或用作补充的参考传感器的位置传感器连接，和/或具有用作补充的参考传感器的位置传感器。
14.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，所述图像传感器单元是3D照相机。
15.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，所述位置采集系统是电磁的位置采集系统，并且所述图像传感器单元是单焦点的光学的图像传感器单元。
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