CN104540467A - 用于估计物体中工具空间位置的系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于估计工具(2)在物体(1)中，特别是用所述工具加工的人骨中的空间位置(姿态)的系统，该系统包括：被设计为联接至所述工具(2)的传感器(21)，传感器(21)还被设计为在沿实际轨迹(30)加工所述物体(1)时产生传感器输出信号(31)，所述传感器输出信号(31)取决于沿实际轨迹(30)的所述物体的材料特性，被设计为确定在加工所述物体(1)时所述传感器输出信号(31)与多个预设备选输出信号(42)间的相关度的分析装置，利用所述材料特性，在所述物体(1)的模型中沿相关模型轨迹(40)预先生成每个备选输出信号(42)，且其中，例如利用与模型轨迹(40)相关的具有与传感器输出信号(31)最高相关度的备选输出信号(42)，所述分析装置被设计为估计在物体(1)内工具(2)的空间位置。本发明还涉及用于估计工具(2)的姿态的方法，及计算机程序产品。

Description

用于估计物体中工具空间位置的系统与方法
技术领域
本发明涉及一种在物体中，特别是在用所述工具加工的人骨(例如，人类头盖骨的颞骨的乳突)中估计工具空间位置(姿态)的系统。另外，本发明涉及用于在物体中估计工具空间位置的方法。
背景技术
目前，如计算机数控机器、机器人等可用的加工系统利用位置传感器估计相对于被操作物体的坐标系的工具姿态。通常，位置传感通过其中包括数字编码器、立体光学照相机和激光扫描仪的方式实现。
在特定情况下，可获得被操作物体的数字模型并用于定义工具到物体的动作。例如外科手术中，利用对骨的三维扫描确定待加工至骨内的空腔的最优位置。
在物体上实施(基于模型的)方案之前，模型(和加工系统)必须以物理物体为参考，过程通常被作为记录。
所述记录过程依赖于在物体与模型两者中关联可识别的标记。标记位置可在模型中通过图像处理并且在物体上通过使用测量设备利用数字化的方式而被识别。至少需要三个标记以记录物体与其模型。
但是，由于在模型和物体中的任何一个或二者上不适当的标记识别，所述记录可能不正确。这可导致物体坐标系与模型坐标系的错误的叠加而导致对物体的错误操作。例如在外科手术中，在骨模型中设计的空腔将被执行在错误的位置和/或方向上。
由于缺少额外的用于验证的标记(超出用于记录过程本身的标记)，对错误记录的变换的识别可能比较困难或者甚至是不可能的。
WO2009/092164中描述了利用了组织反馈的外科手术系统，沿预设轨迹使用组织特性的估计，并且基于实际组织特性与由外科手术工具测量的组织特性的不同对自动的外科手术任务进行调整。在该设备中所使用的控制器类型是线性控制器，其中，例如力传感器提供输入信号且自动设备(机器人)可基于该信号被控制。在为放置椎弓根螺钉的钻孔应用中给出了说明性示例。在该示例中，期望钻头保持在椎弓的内部通道中，因此如果钻头与此通道的外壁(皮质骨)相连，控制器可调整轨迹以从该边界移走。
US6718196中描述了一种方法，该方法在附着于立体定位架的单自由度执行器的控制下，用于将例如探针的工具推进如大脑的组织中。还描述了数控机构，其被训练用于基于组织特性识别异常组织和血管。传感器可包括例如力、孔隙压力、氧化、血流等模式。使用工具轨迹的起始部分以朝向控制算法的训练方向收集训练数据。该发明使得外科手术探针进步，以在组织的边界处，例如血管处被停止。
US2011/0306985中介绍了一种基于被加工材料硬度的控制加工反馈率的方法。材料(骨)硬度在空间上的不同由医疗影像数据确定。因此研磨设备的反馈率可根据局部硬度而改变，该局部硬度由影像数据导出。力反馈也可用于调节反馈率。
另外，在US2007/0225787中公开了一种可控电极和用来将该可控电极插入到体内的设备。所述插入系统包括设备，其基于对施加在工具顶端上的力的感应以主动控制工具的位置(即插入深度)。
在US2007/0181139中描述了一种系统和一种方法，用于凭借经验确定探针和组织表面的接触。该信息通过使用机械操控器和具有在其远端的附有传感器的探针确定。机械依次将探针移动到不同位置并且记录对应的组织特性。然后，基于探针测量值的变化确定工具相对于表面的位置和方向。
另外，US2011/0112397公开了通过使用三维位置追踪设备和针形探针来确定由软组织围绕的骨结构的位置的技术。实际上，所述设备工作原理与数字化坐标测量仪相似，其中，将探针穿过软组织插入且接触骨，记录一个力的峰值且由此触发记录针头的空间位置。通过从多个方向和位置重复该步骤，生成骨表面的3D图像。类似地，DE102005029002描述了一项发明，其与使用探针测量组织的力和硬度相关，该探针同时在空间上可追踪。因此，可生成机械特性的三维图像。另外，在DE 10 2008 013 429 A1中描述了一项发明，其在体内将在外科手术设备远端的力与3D位置相关联，其中，该申请的关注点为将力横向引导至工具轴。
WO 2010/147972涉及一项发明，其在手术探针可接近椎弓外边界时提供给外科医生反馈并由此阻止破坏。对力的阈值的预测基于手术前医疗影像的数据，其中影像强度值与骨的特性相关联。
在US 2004/0010190中描述了用于在体内将超声影像探针相对于预设目标体对齐的系统和方法。该系统通过机械机构可追踪并跟随移动的目标体，该机械机构可自动调节工具位置以响应来自控制系统的命令。另外，也可利用力传感器保持探针与人体的接触。
总体上，到目前为止的现有技术描述了基于可用工具的传感器信息的对机器的控制或加工参数，但并没有提供在非均质体内估计工具姿态的适当方法。
发明内容
本发明根本的目的在于提供一种简单的系统和方法，其允许相对于模型坐标系统的操控工具和因此相对于被加工物体的自校准。该问题被具有权利要求1中所述的技术特征解决。
相应地，所述系统包括被设计为用与工具联接的传感器，用于沿实际轨迹将空腔加工到物体中，所述传感器还被设计为用于在通过所述工具加工所述物体时产生传感器输出信号，所述传感器输出信号依赖于沿所述实际轨迹的所述物体的材料特性(例如，材料密度)和与传感器连接的分析装置，该分析装置被设计为用于将所述传感器输出信号，特别是在加工所述物体时(即实时的)与至少一个或多个预设备选输出信号相比较，以确定所述信号间的相关度/相似度，其被用于在物体中确定工具的空间位置。确定传感器输出信号与备选输出信号之间的相关度/相似度可包括或可通过确定标量来实现，该标量表示对测量的传感器输出信号与备选(理论的或预测的)输出信号之间的相似度/非相似度或相关度的测量。这样的标量可指非相似度测量或相关度指数，且在求平均值时可被用作权重。然后，工具在物体中的空间位置可至少由模型轨迹确定，与该模型轨迹相关的(预期的)输出信号显示出与根据所确定的测量值(即显示某个相关度指数或(小的)非相关度的测量值)测量的传感器输出信号最好的相关度/相似度。另外，可使用一些或所有模型轨迹，根据由传感器测量的输出信号与备选输出信号之间的相关度/相似度加权平均确定(当前)工具在物体中的空间位置，由传感器测量的输出信号和备选信号中的每一个与模型轨迹以一特定方式相关联。
使用所述材料特性沿相关的模型轨迹在所述物体的材料特性模型中预先生成每个备选输出信号，所述物体可由适当的(特别是3D)物体表现(图像)来表示。
确定工具在物体中的空间位置可包括确定所有六个或少于六个的形成刚性体工具的自由度。根据本发明的一个方面，所述工具在物体中的空间位置(姿态)可通过使用至少模型轨迹来确定，与备选输出信号相关的模型轨迹具有相关指数，其对应传感器输出信号与备选输出信号之间的相关度中最高相关度。由于工具沿其(实际)轨迹加工空腔且与空腔很好地匹配，与备选输出信号相关的模型轨迹具有与传感器输出信号最高的相关度，直接产生了最可能的工具位置。例如，所述模型轨迹的端点(目标点)连同所述模型轨迹的(相对于物体的)方向可被看作工具(的顶端)的空间位置。
根据本发明的一个方面，分析装置可被配置为对至少一部分(或整个序列)的备选输出信号Yi实施线性变换，以将后者与传感器的输出信号X进行匹配，特别是根据Zi＝bYiT+c，其中Zi是变换后的备选输出信号，b是比例系数且c是移位矢量，并且T是可选的正交旋转矩阵，且其中分析装置被设计为优化b、c和可选地优化T，使得被定义为di＝∑j(Xj-Zij)2的不相关度的测量值(相关指数)di最小。这里，分析装置被配置为提取在备选输出信号中具有最小di的备选输出信号Yi为与测量的传感器输出信号相关度最好的那个。所述相关模型轨迹随后可被用于确定工具的空间位置(例如，通过将所述模型轨迹的端点和其方向(T)看作上述的工具的完整空间位置)。
对于统计上更为稳健的方法，根据本发明的另一方面，在确定(当前)工具空间位置时，可考虑所有的模型轨迹，但随后使用各个权重进行加权，权重反映了传感器输出信号和备选输出信号之间的相似度/相关度，传感器输出信号和备选输出信号与它们各自的模型轨迹相关联。对每个模型轨迹，对应的权重特别是在传感器输出信号与备选输出信号之间的差(差距)的函数，其中与该模型轨迹相关，其中特别地各个权重是传感器信号与其对应的备选输出信号的方差的函数。
这样的加权平均可在模型轨迹的某些点上实施，彼此相对应，特别是模型轨迹端点pi和/或它们的方向oi，当单个模型轨迹被表示为pi＝ei+loi时，其中ei是在物体表面上进入物体的进入位置，oi是模型轨迹的方向且l是其长度，其中分析装置可被配置为对端点pi和对应的方向oi取加权平均，作为物体中工具的完整空间位置。
根据本发明的一个方面，系统可成比例调节传感器输出信号的时间(空间)分量(即时间轴或位置轴)以对应基于一个或多个下述元素的备选输出信号：加工工具与物体表面的初始接触、工具反馈速率(根据自动加工设备/持有工具的移动生成设备的编码器数值)、或位置测量值，例如，通过外部观察器(例如立体视觉系统)，其参考坐标框以三角测量的方式返回工具的3D姿态。
根据本发明的另一个方面，为了实时估计姿态，分析装置被设计为将整个当前传感器输出信号序列，即，沿着实际轨迹从实际轨迹的起始到工具当前位置，和/或在所述物体的加工过程中从开始加工物体的时刻到当前已过去的时间，与在加工物体时对应的所述预设备选输出信号部分(区间)序列进行比较(关联)，例如通过为每个预设备选输出信号确定所述相关指数，其中所述分析装置被设计为相对于物体，通过识别模型轨迹估计工具的当前空间位置(姿态)。与备选输出信号相关的模型轨迹具有当前相关指数，其对应于在备选输出信号中最好(当前)相关度，或者通过重复实施上述加权步骤，在加工物体时不间断地确定工具的当前空间位置。
这允许在沿实际轨迹(试图重复之前预定的预设轨迹)的物体加工过程中，预设轨迹实时估计工具的姿态。
根据本发明的另一个方面，所述系统包括用于加工所述物体的所述工具。特别地，工具被形成为钻头，其中特别地，所述钻头包括钻头尖(在工具的尖端)，其被设计用于将钻孔(空腔)沿实际轨迹钻入(例如，加工)物体，当钻头在围绕沿着钻头延伸方向的钻的纵轴方向旋转时，钻头尖挤压物体。
优选地，所述系统还包括用于围绕钻头的所述纵轴旋转的驱动器。特别地，所述驱动器通过钻头夹盘连接到钻头。
尤其是使用形成为(圆柱形的)钻头的工具，实际轨迹基本上是线性轨迹，其对应于钻入到所述物体中的圆柱形的钻孔或空腔。
这种情况下，模型轨迹也被定义为(基本上)是线性轨迹。优选地，所述模型轨迹围绕预定的轨迹分布，物体沿预定的轨迹被加工而形成实际轨迹，其中特别地模型轨迹被成组设置。优选地，一个组中的模型轨迹具有相同的进入到物体中的进入点。另外，每组优选地包括具有预设轨迹方向的轨迹，和具有与预设轨迹有较小角度方向偏离的轨迹，优选地在0.1°至0.3°范围内，更为优选地为1.5°。
根据本发明的另一个方面，所述系统包括建模装置，该装置被设计特别用于安排(成组)模型轨迹，并且使用沿相应的模型轨迹的所述材料特性作为相应的备选输出信号。在这一方面，使用的物体的模型由物体材料特性的层析3D影像表示，该影像包括多个体素(体像素)，每个体素表示所述物体的特定材料特征值(例如，骨密度)，其中所述3D影像特别是CT扫描。优选地，建模装置被设计为通过将其分割成具有预定步长的步(段)将相应的模型轨迹离散化，其中对于沿相关模型轨迹的每一步，在对应于在垂直于对应的模型轨迹的横向平面中的工具半径的半径中的体素被集成形成材料特性值，即，对应的备选输出信号值，其与对应的沿相应的模型轨迹的步(位置)关联。
优选地，建模装置还被设计用于将备选输出信号表示为矢量，其中，特别地，相应的矢量的大小以特定步长为单位对应于相应模型轨迹的长度。同样地，分析装置也优选地被设计为以矢量X，Yi代表传感器输出信号和备选输出信号，i标记备选输出矢量，其中特别地，这些矢量的大小以特定步长为单位对应于相应的(模型)轨迹的当前长度。
分析装置和/或建模装置可由计算机和相应的由计算机执行的软件(可载入计算机RAM中的软件)实现。这种情况下，传感器优选地与计算机通过接口连接。但是，分析装置和/或建模装置也可形成为独立的设备。
根据本发明优选的实施例，所述传感器是具有6个自由度的基于力传感器的半导体应变仪，其被设计为在加工所述物体时感应由物体施加到工具上的力，特别是由待加工物体施加在钻头尖上的沿钻头纵轴方向的力。此外，施加在钻头尖的顶端上的力可被变换到合适的坐标系中(力传感器的坐标系统)，使得力和力矩可被正确地区分。
可选地，或另外，其他量如作用在钻头上的(例如，沿工具/钻头纵轴方向的)力矩也可被相应的传感器所感应，并且被与相应的物体的材料特性相比较，使得一方面具有可由相应传感器测量的输出信号，传感器对应(或相关于)材料特性(或物体的其他特征)，另一方面，所述材料特性(特征)可被用作备选输出信号。当测量的量与理论构建的(备选)输出信号，即材料特性(物理量)本身显著相关时，给出这样的实际测量的特性的配对。其他可被考虑的材料特性包括物体的电学或磁学阻抗、物体的刚度等。
在由所述传感器测量的(钻孔)力的情况下，发现这些力与物体(例如骨乳突)的(骨)密度在工具顶端处的相关性很好，其允许具有围绕空腔/孔直径范围内的准确度的物体内工具(钻头)的位置的估计。这样的准确度水平足够保证观察到距离预设轨迹的偏离，并且保证了在面神经隐窝中(在骨乳突情况下)的关键结构的整体性。
根据本发明的另一个方面，所述系统不仅允许在被加工物体中(或相对于被加工物体)进行工具的位置估计，也允许通过系统的移动生成装置来移动工具，该移动生成装置可与分析装置联接，该移动生成装置被设计为用于沿预定轨道自动移动工具(使得沿实际轨道加工物体)。该移动生成装置可以是或可以构成自动工具引导系统的一部分，自动工具引导系统包括但不限于机械系统、计算机数控加工系统等。特别地，所述移动生成装置形成为机械臂。另外，所述传感器优选地被设置在钻头夹具与移动生成装置之间，其中特别地，所述钻头夹具通过包含接口的联接装置联接到移动生成装置，通过所述接口所述联接装置可被(可释放地)联接到移动生成装置(例如，机械臂)。优选地，在所述联接装置上提供所述传感器。
根据本发明的另一个优选方面，所述系统被设计为产生可被操作该系统的使用者感知到的警告信号和/或当工具(实际轨迹)的当前位置与预设轨迹之间的距离超过预设的阈值时，使得系统的驱动器和/或执行器(移动生成装置)停止的停止信号。
优选地，系统还包括控制装置，其与所述移动生成装置相互作用并最终与驱动器相互作用以控制这些设备。当然，控制装置可形成为单独装置或单独装置的一部分，但也可以由在所述计算机上或甚至在另一台计算机上执行的对应的软件形成。驱动器/移动生成装置随后与这样的计算机通过接口相连。
根据所述系统的一个实施例，所述控制装置被设计为在物体加工时控制移动生成装置，使得工具当前位置(实际轨迹)非对称地趋近工具的预设位置(预设轨迹)。另外，在物体加工时，控制装置可被设计为控制移动生成装置和驱动器，使得工具的当前速度沿实际轨迹趋近于工具的当前预定的(参考)速度。
本发明的根本问题由具有权利要求10中所述特征的方法进一步解决。
此外，本发明中所述方法包括下列步骤：提供至少一个、特别是多个备选输出信号、与在所述物体的模型的材料特性中的沿相关模型轨迹(例如在预设轨迹附近)的物体的材料特性相关、依据沿所述物体中实际轨道的材料特性提供传感器输出信号、自动确定传感器输出信号与至少一个备选输出信号或多个备选(模型)输出信号之间的相关度/相似度，以确定物体内工具的位置(同样见上面)。
所述物体可以是任意(人工或自然)材料，其可被加工，特别是被钻孔。在本发明的一个方面中，该物体可由(人或动物)体的活细胞或组织构成，特别是骨(活着的或死去的)。
根据本发明的另一个方面，物体可以是任意(可加工的)物体，其不是由活着的人或动物体的活细胞或组织构成。此外，根据本发明的一个方面，通过工具实际加工物体并不必须是依据本发明的方法的一部分，即，该工具可预先沿实际轨迹加工物体。然后使用产生的传感器输出信号以确定物体内工具的空间位置，所述工具预先沿实际轨迹加工物体。
根据本发明的方法的一个方面，确定与测量的传感器输出信号最相关/示出了最高的相似度的备选输出信号，并用于估计物体内工具的空间位置，空间位置可被确定为与所述相关性最好的备选输出信号相关的模型轨迹的端点，和/或被确定为(对应的)所述模型轨迹的方向。
另外，为了确定所述相关度/相似度的测量，对每个备选输出信号Yi的至少一部分的线性变换可根据本发明的一个方面计算，以将后者与传感器的传感器输出信号X匹配，特别是根据Zi＝bYiT+c，其中Zi是变换后的备选输出信号，b是比例系数且c是移位矢量，并且T是可选的正交旋转矩阵，且其中选择b，c和可选的T使得被定义为di＝∑j(Xj-Zij)2(在j上相加)的不相关度的测量值di最小，其中特别地与传感器输出信号X相关度最好的备选输出信号Yi被看作备选输出信号(Yi)，其与所有备选输出信号中最小的di相关。
根据另一个方面，对每个模型轨迹，相关度/相似度可被标示成权重wi的形式，其中特别地，每个权重wi是传感器输出信号与相应的备选输出信号之间的差的函数，特别是方差的函数。然后，为了确定物体内工具的空间位置，对对应点，特别是对模型轨迹端点pi和/或模型轨迹的方向oi可自动进行加权平均，其中所述点pi和/或所述方向oi的每个以其相关的权重wi被加权。
优选地，特别是为了实时地在物体内确定工具的当前空间位置，特别地，在用所述工具加工物体时，自动确定整个当前传感器输出序列与至少一个预设备选输出信号的相应部分或每个预设的备选输出信号之间的相关性。
优选地，将传感器输出信号作为沿实际轨迹的工具位置的函数，和/或作为在使用所述工具沿实际轨迹加工物体过程中过去的时间的函数，其中为了简化传感器输出信号与(预测的)备选输出信号之间的比较，所述传感器输出信号和/或至少一个备选输出信号或多个备选输出信号优选地沿时间轴或位置轴成比例地缩放，特别地，使得用对应的至少一个备选输出信号的延伸，或用对应的多个备选输出信号的延伸，与传感器输出信号沿时间或位置轴的延伸相匹配。特别是在将所述信号表示为矢量的情况下，这些矢量具有相同的大小，其简化了上述权重的计算和变换。
优选地，所述工具是钻头，使得模型轨迹是(基本上)线性的轨迹，其中，特别地，所述模型轨迹是(自动的)围绕预设轨迹分布的，沿所述预设轨迹，所述物体将被加工(产生实际轨迹)，其中，特别地，模型轨迹围绕预设轨迹以组分布，其中每个组中的模型轨迹具有进入物体的相同的进入点。优选地，每组包括具有预设轨迹方向的轨迹，和具有与预设轨迹小角度的方向偏离的轨迹，优选地在0.1°至0.3°范围内，更为优选地为1.5°。
根据本发明所述方法的一个方面，沿对应的模型轨迹的所述材料特性被优选地用作相应的备选输出信号。优选地，所述传感器输出信号是力，其中材料特性优选地是密度，特别是与之相关的骨密度(见上文)。
特别地，(自动)生成备选输出信号的模型由物体的材料特性的层析3D图像表示，该图像包括多个体素，每个体素表示材料特性(如骨密度)的特定值。特别地，所述图像由物体的(锥形束)CT扫描而预先形成。
备选输出信号优选地沿相应的模型轨迹通过将其分成具有预设步长的步而被离散化，其中对于沿相关模型轨迹的每一步，在对应于在垂直于对应的模型轨迹的横向平面中的工具半径的半径中的体素被(自动)集成形成材料特性值，(即，沿相应的模型轨迹与相应的步(位置)相关的相应的备选输出信号的值。
优选地，在使用所述工具加工所述物体时，传感器输出信号对应由物体施加在工具上的力。其中，特别地，所述工具被形成为上述钻头。
相应地，材料特性优选物体密度，特别是骨密度。随后传感器输出信号可大体上被表示为力矢量，且备选输出信号可被表示为(轴向)密度矢量。
此外，根据本发明的一个方面，在物体内沿实际轨迹移动工具时，当以上述相关性方式确定的物体中工具当前的空间位置与预设(理论的)轨迹之间的距离超过预设阈值时，产生警告信号。然后根据本发明的另一个方面，所述工具也可自动停止。
根据本发明所述方法的另一个变型，通过移动生成装置，可自动地引导通过工具对物体的加工，其中沿实际轨迹控制工具的移动(加工物体)，使得通过相关性确定的工具在物体中的当前空间位置沿预定的轨迹趋近于工具的当前预定空间位置。此外，用来在加工物体时沿实际轨迹移动工具和用于围绕其纵轴旋转工具(钻头)的驱动器的所述移动生成装置被优选地控制，使得在物体加工时工具的当前速度趋近于工具的当前预定速度。
最后，根据本发明的问题也可通过具有权利要求15中所述特征的计算机程序产品(软件)解决，其特别地存储在计算机的可读介质上或是可下载的(例如，从计算机)，并且其特别地被设计用于下载到计算机的(或当前系统的)存储器，其中计算机程序产品被设计用于—在计算机(或当前系统)上执行该产品时—执行下列步骤：基于物体的材料特性，沿所述物体模型中的模型轨迹产生至少一个备选输出信号，所述模型轨迹与至少一个备选输出信号关联，根据材料特性，沿所述物体中的实际轨迹读取传感器输出信号，将该信号作为计算机程序的输入，并且确定传感器输出信号与至少一个备选输出信号之间的相关性，用于确定物体中工具的空间位置。
另外，当在计算机上(或当前系统上)执行时，根据本发明的计算机程序产品可特别地被设计为实施权利要求10至14之一所述至少一个步骤(在本说明书最后涉及权利要求10至14)。
附图说明
本发明的其他特征和优点将通过详细描述的实施例并参考附图进行描述，其中
图1示出了工具沿预设轨迹加工物体(乳突骨)的示意图，其产生沿实际轨迹的空腔，其中，在加工过程中，传感器输出信号通过与工具联接的传感器生成，该信号对应在工具顶端(钻头尖)处测量到的力；
图2示出了通过考虑材料特性(密度)，沿模型轨迹产生备选(模型)输出信号的示意图，所述材料特性(密度)与根据图1的所述力相关联，且所述备选输出信号与根据图1的传感器输出信号相关联，用于估计物体中工具最可能的位置；
图3示出了在钻入乳突骨时测量到的力与对应的备选输出信号(乳突骨的密度；模型信息)的比较；
图4示出了模型轨迹围绕预设轨迹(实际轨迹)分布的示例；
图5示出了密度(备选输出信号)和力(测量到的传感器输出信号)在实际(钻入)轨迹和最好相关备选输出信号(密度矢量)之间的比较；在图的顶部中，上面的部分代表实际被钻孔的面积，而下面部分代表沿相关的模型轨迹的最好相关的密度；
图6示出了用于移动工具的机械臂形式的移动生成装置；以及
图7示出了图6的细节。
具体实施方式
图1示出了物体1的模型(CT图像)表明了空间中物体的密度(材料特性)，物体1通过工具2将被加工(被钻孔)，工具2是钻头的形式。当沿预设轨迹10钻入物体1时，产生空腔4，空腔4其沿(线性)实际轨迹30延伸，在工具2顶端(钻头尖)20反映了沿实际轨迹30变化的密度的力通过联接到工具的传感器21被测量，传感器21在沿实际轨迹30的位置上和/或钻孔过程的时间上产生传感器输出信号31。传感器输出信号31优选地由矢量表示，其中传感器输出信号31的位置轴/时间轴被离散成段(区间)，且矢量分量对应于传感器输出信号31的相应位置/时间段(步)的值。
在通过工具2钻入物体1之前，根据图2生成多个备选输出信号41，其通过考虑对应的多个模型轨迹40并取沿对应的模型轨迹的密度42为对应的“备选”输出信号42，其中可以在穿过相应的模型轨迹40的侧平面中的一个对应于相关的工具2截面面积上对密度进行积分(平均)。
同样，本文中备选输出信号42根据测量的传感器输出信号31的段(步)长而被离散，且以矢量被表示。这允许容易地将传感器输出信号31与备选输出信号42相关联(一个输入接一个输入)。
详细地，在物体操作过程中，将原始输出(传感器)信号31与对应的所有可用的备选(期待)输出信号42的例子的对应部分相关联。所述系统然后选择与测量的传感器输出信号31相关度最好的备选输出信号42。所述对应的模型轨迹40然后允许估计工具2最可能的位置，因为该位置对应于被操纵物体1中所述(当前)模型轨迹40。可选地，可以如下方式计算平均值。
图3示出了工具传感器数据(代表钻孔力的传感器输出信号31)与对应的模型信息(此处为从计算的层析成像中沿对应的模型轨迹40的物体材料的密度(备选输出信号)42)，以及在物体1本身中对工具2的估计。
图4和图5示出了所述系统和方法的定量测试。本文中，采用术前锥形束CT扫描，其中贯穿人体乳突骨的四条预定轨迹被分析如下。使用机械系统(移动生成装置)钻出每一条轨迹，同时通过上面讨论过的传感器记录力的数据。所述钻孔反馈速率是0.3mm/s，钻孔速度为5000RPM。
钻孔之后，将导线插入每个(实际)轨迹中以帮助分割(离散化成段)且进行术后深静脉血栓形成(DVT)。然后同时记录术前和术后影像并计算实际钻孔轨迹。
围绕预设轨迹p0定义感兴趣的正方形区域(3×3mm)。在每个相距0.3mm，方向为oi并且长度为l的进入位置(ei)，根据式1计算五条备选轨迹。
pi＝ei+l*oi      (1)
沿每个pi，对如图4所示的总共605条备选轨迹计算密度值(对应于备选输出信号)。
对每一条模型轨迹40，其对应的轴向密度矢量Di通过对给定侧面内的所有体素(定义为垂直于钻孔矢量pi和在使用的钻头2的半径内)的积分而计算。沿轴向的步长定义为模型轨迹40的长度除以期望的点数。这种情况下，n′＝100。所得矢量最后对其平均值()归一化。
在钻孔过程中所得的力矢量(F)预先经过处理以从钻孔过程中移除伪影(在供给反向时(调峰)，力为0)且实施在时域的二次采样(等比缩放)以将力矢量的长度(大小)与密度矢量(n′＝100)的长度匹配。所得力矢量对其平均值归一化()，且计算归一化的力与式(2)中的每一个备选密度矢量的(i)之间的方差。
r i = ( F ^ - D ^ i ) 2 - - - ( 2 )
该矢量()的平均值随后对所有试验()被归一化，且权重被定义为:
w i = ( 1 - r ^ i ) q - - - ( 3 )
其中q确定每个结果的相对权重。q＝10的值被确定为合适的，并且在下面部分中加以讨论。
然后，通过从每个定义的轨迹中的目标位置pi计算加权平均位置估计钻头的位置，n作为可选轨迹的总数，且wi作为代表独立力-密度相关性的权重：
p ‾ = Σ i = 1 n w i * p i Σ i = 1 n w i - - - ( 4 )
在式(5)中定义置信度值。该置信度值代表当前结果和最可能结果之间的比较，被定义为具有单独良好匹配的输出且没有其他匹配轨迹。
c = Σ i = 1 n w i 2 Σ i = 1 n w i * d - - - ( 5 )
其中，c是置信度且d是另一个权重指数(6)，其是轨迹延展的函数。这里，s是距离加权指数，lmax是任意轨迹距预定轨迹之间的最大距离，并且所有其余变量如前面的定义。
d = ( ( l max - Σ i = 1 n w i * ( p i - p ‾ ) Σ i = 1 n w i ) * 1 l max ) s - - - ( 6 )
为了计算工具的方向，每个轨迹的总的方向经历上述的同样过程；与真实工具方向最近的方向应是最密切相关的，并且加权平均矢量应该反映这一点。
在表格中描述了上述当前离线分析的结果。
表2：计算的位置的误差与估计值置信度的误差。
图5中示出了沿钻孔路径30的实际密度43的实施例，相关度最好的密度矢量42，和沿钻孔实际轨迹30的力31。(图5的顶部)还示出了物体1(模型)的部分，显示了在所钻空腔(上面部分)中的实际密度和与所测量的力(传感器输出信号)相关性最好的密度。
另外，图6与图7共同示出了根据本发明所述系统的移动生成装置100，通过该移动生成装置，所述工具(钻头)2可被自动地移动(例如，通过前述控制装置而被控制)。为此，所述移动生成装置100可被控制装置控制。根据图6和图7，所述移动生成装置100优选地使用一系列控制系统，即，形成为机械臂，机械臂优选包括至少6个轴(优选转动轴，但也可存在线性轴)，其分别由对应的(转动，或如果存在，平动)关节表示。每个轴(关节)可被对应的执行器执行。因此，通过钻头夹具102附接在机械臂100的钻头2上，钻头2可以任意的方向靠近机械臂100的工作空间中的任意目标点。
为了联接钻头夹具102与机械臂100，提供联接装置110，钻头夹具102与其相连，且联接装置提供接口112，通过该接口将联接装置联接到机械臂100的自由端。
作用在钻头上的用于感应力的传感器120，在加工物体时，优选地被设置在联接装置110中，即，在钻头夹具102和机械臂100之间。
图7示出了用于驱动固定在钻头夹具102的(较细)自由端的钻头的驱动器，其可与另一个(较宽)钻头夹具102的自由端相连。
在下面本发明的其他变型中，其也以从属权利要求的形式参考附在说明书后面的至少一项权利要求。
根据本发明所述系统，所述分析装置优选地被设计用来确定在加工所述物体(2)时整个当前传感器输出信号(31)序列与对应的至少一个预设备选输出信号(42)的一部分，或与每个预设备选输出信号(42)的对应部分之间的相关性，以确定物体(1)中工具的当前空间位置。
在另一个变型中，系统被设计用于通过所述传感器(21)产生所述传感器输出信号(31)，作为沿实际轨迹(30)的工具(2)的位置的函数，和/或作为在加工所述物体(1)过程中的使用过的时间的函数。
在另一个变型中，系统被设计用于沿时间或位置轴等比例缩放传感器输出信号(31)，特别地，使得沿时间或位置轴将传感器输出信号的延伸(31)与对应的至少一个备选输出信号(42)的延伸，或与对应的多个备选输出信号(42)的延伸相匹配。
在另一个变型中，所述实际轨迹(30)是线性轨迹。
在另一个变型中，至少一个模型轨迹(40)或多个模型轨迹(40)是线性轨迹，其中特别地，所述模型轨迹(40)是围绕预设轨迹(10)分布的，沿所述轨迹，所述物体(1)将被加工并形成实际轨迹(30)，其中，特别地，所述模型轨迹(40)形成组，其中组中的模型轨迹具有相同的进入到物体(1)中的进入点(E)，且其中每个组包括具有预设轨迹(10)方向的模型轨迹(40)，和具有与预设轨迹(10)方向不同的模型轨迹(40)。
在另一个变型中，所述系统包括建模装置，其被设计用于生成至少一个备选输出信号或多个备选输出信号(42)，作为沿对应的模型轨迹(40)的所述材料特性，其中特别地，所述物体(1)的模型由所述物体(1)的材料特性的3D影像表示，该影像包括多个体素，每个体素表示材料特性的特定值，且其中，特别地，所述建模装置被设计用于将体素在对应所述工具(2)半径的半径内，在垂直于对应的模型轨迹(40)内的侧平面内进行积分。
在另一个变型中，在加工所述物体(1)时，所述传感器输出信号对应由所述物体(1)施加到所述工具(2)上的力，特别地，由所述物体(2)沿所述钻头(2)的纵轴(L)施加到钻头尖(21)的力。
在另一个变型中，所述驱动器通过钻头夹具(102)联接到所述钻头(2)。
在另一个变型中，所述系统包括移动生成装置(100)，用于沿实际轨迹(30)移动所述工具(2)以加工所述物体(1)，其中，特别地，所述移动生成装置(100)是机械臂(100)的形式。
在另一个变型中，所述钻头夹具(102)与所述移动生成装置(100)特别地通过联接装置(110)联接，所述联接装置包括设计用于与所述机械臂(100)相连的接口(112)。
在另一个变型中，所述传感器(21)被设置在移动生成装置(100)和钻头夹具(102)之间，其中，特别地，所述传感器(21)被设置在所述联接装置(110)内。
在另一个变型中，系统被设计为在所述物体内的所述工具(2)的空间位置与预计的轨迹(10)之间的距离超过预设阈值时，生成警告信号。
在另一个变型中，所述系统被设计用于，在所述物体内的所述工具(2)的空间位置与预计的轨迹(10)之间的距离超过预设阈值时，停止驱动器和/或移动生成装置(100)。
在另一个变型中，所述系统包括用于控制所述工具(2)的控制装置，其中特别地，所述控制装置被设计为用于在加工所述物体(1)的过程中控制移动生成装置(100)，使得确定的所述物体(1)内的当前工具(2)的空间位置沿预设轨迹(10)趋近当前预设的所述工具(2)的空间位置，且其中，特别地，所述控制装置被设计为用于在加工所述物体(1)时，控制移动生成装置(100)和驱动器，使得所述工具(2)的当前速度趋近所述工具(2)的当前预设速度。
关于根据本发明所述方法，为了确定所述物体(1)中所述工具(2)的当前空间位置，特别是用所述工具(2)加工所述物体(2)时，优选地确定整个当前传感器输出信号(31)序列与至少一个预设的备选输出信号(42)对应的一部分，或预设备选输出信号(42)对应的多个部分之间的相关性。
在另一个所述方法的变型中，生成所述传感器输出信号(31)作为沿实际轨迹(30)的工具(2)的位置的函数，和/或作为在使用所述工具(2)沿实际轨迹(30)加工所述物体(1)的过程中经过的时间的函数。
在另一个所述方法的变型中，所述传感器输出信号(31)被沿时间或位置轴等比缩放，特别地，使得将传感器输出信号(31)沿时间或位置轴的延伸与对应的至少一个备选输出信号(42)的延伸，或与对应的多个备选输出信号(42)的延伸相匹配。
在另一个所述方法的变型中，至少一个模型轨迹或多个模型轨迹(40)为线性轨迹，其中特别地，所述模型轨迹(40)围绕预定的轨迹(10)分布，沿预设轨迹，所述物体(1)将被加工，形成实际轨迹(30)，其中特别地，模型轨迹(40)被设置形成组，其中组中的模型轨迹(40)具有相同的进入物体(1)的进入点，且其中每个组包括具有预设轨迹(10)的方向的模型轨迹(40)，和具有与所述预设轨迹(10)的方向不同方向的模型轨迹(40)。
在另一个所述方法的变型中，生成至少一个备选输出信号(42)或多个备选输出信号(42)作为沿对应的模型轨迹(40)的所述材料特性的函数，其中特别地，物体(1)的模型由所述材料特性的3D影像表示，3D影像包括多个体素，每个体素指出所述材料特性的特定值，且其中特别地所述建模装置被设计为用于将体素在对应所述工具半径的半径内，在垂直于对应的模型轨迹(40)内的侧平面内进行积分，以产生对应的备选输出信号(42)。
在另一个所述方法的变型中，传感器输出信号(31)对应于加工所述物体(1)时由物体(1)施加到工具(2)上的力，其中特别地，工具(2)是钻头的形式，其中特别地，钻头包括钻头尖(20)，其被设计为当朝所述物体(1)挤压钻头尖，所述钻头(2)围绕沿着钻头(2)延伸方向的钻头(2)的纵轴(L)旋转时，将钻孔(4)钻入所述物体(1)中，其中，传感器输出信号对应由物体(2)沿钻头的纵轴(L)施加到钻头尖(21)的力。
在另一个所述方法的变型中，所述材料特性是所述物体(1)的密度，特别是骨密度。
在另一个所述方法的变型中，当所述物体(1)中所述工具(2)的预设当前空间位置与预设轨迹(10)之间的距离超过预设阈值时，产生警告信号。
在另一个所述方法的变型中，在当所述物体(1)中所述工具(2)的预设当前空间位置与预设轨迹(10)之间的距离超过预设阈值时，停止所述工具(2)沿实际轨迹的移动。
在另一个所述方法的变型中，控制所述工具(2)沿实际轨迹的移动，使得确定的所述工具(2)在所述物体(1)中的当前空间位置沿预设轨迹(10)趋近于所述工具(2)当前预设的空间位置，且其中特别地，移动生成装置(100)，特别是机械臂，用于在加工物体(1)时沿实际轨迹(30)移动所述工具(2)，且在加工所述物体(1)时，控制用于围绕所述工具(2)纵轴旋转所述工具(2)的驱动器，使得所述工具(2)的当前速度趋近于所述工具(2)的预设速度。

Claims (15)

1.一种用于估计工具在物体内部空间位置的系统，所述物体特别是使用所述工具待加工的人骨形式，所述系统包括：
被设计为联接至所述工具的传感器(21)，传感器(21)进一步被设计为在沿实际轨迹(30)加工所述物体(1)时产生传感器输出信号(31)，传感器输出信号(31)取决于沿所述实际轨迹(30)的所述物体(1)的材料特性，
被设计为确定所述工具(2)在所述物体(1)内部空间位置的分析装置，其中为了确定所述空间位置，所述工具被设计为确定特别在加工所述物体(1)时的所述传感器输出信号(31)与至少一个预设的备选输出信号(42)之间的相关性，所述预设备选输出信号(42)由沿所述物体(1)的模型中的相关模型轨迹(40)的所述材料特性预先生成。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，为了估计所述空间位置，所述分析装置被设计为确定特别在加工所述物体(1)时的所述传感器输出信号(31)与多个预设备选信号(42)之间的相关性，每个所述备选输出信号(42)由沿所述物体(1)的模型中的相关轨迹(40)的所述材料特性预先生成。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，为了确定所述工具(2)在所述物体(1)中的空间位置，所述分析装置被设计为确定至少一个与所述传感器输出信号相关性最好的备选输出信号，其中特别地，所述分析装置被设计为将物体(1)内部的所述工具(2)的空间位置确定为与所述相关性最好备选输出信号相关的模型轨迹的端点和/或所述模型轨迹的方向。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，为了至少确定与所述传感器输出信号(X)相关性最好的备选输出信号(Yi)，所述分析装置被设计为对每个备选输出信号(Yi)的至少部分进行线性变换，以将后者与传感器(21)的传感器输出信号(X)相匹配，特别地根据Zi＝bYiT+c，其中Zi是变换后的备选输出信号，b是比例系数且c是移位矢量，并且T是可选的正交旋转矩阵，且其中所述分析装置被设计为选取b、c和可选的T，使得由di＝∑j(Xj-Zij)2定义的不相关度测量值di最小，其中特别地所述分析装置被设计为将与传感器输出信号(X)相关性最好的备选输出信号(Yi)被确定为与最小di相关的备选输出信号(Yi)。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分析装置被设计为计算与每一个模型轨迹(40)相关的权重(wi)，作为对传感器输出信号(31)和对应的模型轨迹(40)相关的对应的备选输出信号(42)之间的相关性的测量，其中特别地，每个所述权重(wi)是传感器输出信号(31)和与其对应的备选输出信号(42)之间的差，特别是方差的函数，其中特别地，为确定所述物体(1)内所述工具(2)的空间位置，所述分析装置被设计为对所述模型轨迹(40)的对应的点，特别是端点(pi)，和/或在所述模型轨迹(40)的方向(oi)计算加权的平均值，其中每个所述点(pi)和/或每个所述方向以权重(wi)被加权，所述权重(wi)与所述对应点(pi)和/或所述方向(oi)所属的模型轨迹(40)相关。
6.根据前述权利要求中的一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于加工所述物体(1)的工具(2)。
7.根据前述权利要求中的一项所述的系统，其特征在于，所述工具(2)形成为钻头，其中特别地所述钻头包括钻头尖(20)，其被设计为当在所述钻头(2)围绕沿着钻头(2)延伸方向的所述钻头(2)的纵轴(L)旋转，且所述钻头尖(20)被向所述物体(1)挤压时，将钻孔(4)钻入所述物体(1)中。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于围绕所述钻头(2)的所述纵轴(L)旋转所述钻头(2)的驱动器。
9.根据前述权利要求中的一项所述的系统，其特征在于，所述材料特性是所述物体(1)的密度，特别是骨密度。
10.一种用于估计物体内工具的空间位置的方法，所述方法包括如下步骤:
基于所述物体(1)的材料特性，沿所述物体(1)的模型中的模型轨迹(40)生成至少一个备选输出信号(42)，所述模型轨迹(40)与所述至少一个备选输出信号(42)相关，
根据沿所述物体(1)中的实际轨迹(30)的材料特性，提供传感器输出信号(31)，
确定所述传感器输出信号(31)与所述至少一个备选输出信号(42)之间的相关性，以确定所述物体(1)中所述工具(2)的空间位置。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，为了估计所述空间位置，确定特别是在加工所述物体(1)时的所述传感器输出信号(31)与多个预设的备选信号(42)之间的相关性，每个所述备选输出信号(42)使用沿所述物体(1)的模型中的相关模型轨迹(40)的所述材料特性预先生成。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述物体(1)中的所述工具(2)的空间位置定义为备选输出信号(42)，所述备选输出信号与所述传感器输出信号(31)相关性最好，其中特别地，所述物体(1)中的所述工具(2)的空间位置被确定为与所述相关性最好的备选输出信号(42)相关的所述模型轨迹(40)的端点和/或被确定为所述模型轨迹(40)的方向。
13.根据权利要求12所述方法，其特征在于，为了确定与所述传感器输出信号(X)相关性最好的备选输出信号(Yi)，对每个备选输出信号(Yi)的至少一部分进行线性变换，以将后者与所述传感器的传感器输出信号(X)匹配，特别地根据Zi＝bYiT+c，其中是Zi变换后的备选输出信号，b是比例系数且c是移位矢量，并且T是可选的正交旋转矩阵，且其中选取b，c和可选的T，使得由di＝∑j(Xj-Zij)2定义的不相关度的测量值di最小，其中特别地，与所述传感器输出信号(X)相关性最好的备选输出信号(Yi)被确定为与最小di相关的备选输出信号(Yi)。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，为每个模型轨迹(40)计算权重(wi)作为所述传感器输出信号(31)和对应的模型轨迹(40)相关的对应的备选输出信号(42)之间的相关性测量，其中特别地，每个权重(wi)是所述传感器输出信号(31)和对应的所述备选输出信号(42)之间差特别是方差的函数，其中特别地，为确定所述物体(1)中的所述工具(2)的空间位置，对所述模型轨迹(40)的对应的点，特别是端点(pi)，和/或在所述模型轨迹(40)的方向(oi)，计算加权平均，其中每个所述点(pi)和/或方向(oi)以权重(wi)被加权，所述权重与所述对应点(pi)和/或方向(oi)所属的模型轨迹(40)相关。
15.一种计算机程序产品，当在计算机上执行时，其被设计为执行如下步骤：
基于物体(1)的材料特性，沿所述物体(1)的模型中的模型轨迹(40)生成至少一个备选输出信号(42)，所述模型轨迹(40)与至少一个备选输出信号(42)相关，
根据沿所述物体(1)中实际轨迹(30)的所述材料特性，接收传感器输出信号(31)作为输入，
确定所述传感器输出信号(31)与至少一个备选输出信号(42)之间的相关性，以确定所述物体(1)中所述工具(2)的空间位置。
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