CN109938835A - 用于在调整器械定向时进行配准的方法和机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在借助器械(4)处理或加工对象(O)期间在调整器械(4)相对于对象(O)的定向时进行配准的方法。将工作图像与计划图像配准，其中工作图像以视向(BR)拍摄，该视向根据器械(4)的相关自由度这样选择，使得相关自由度是具有更高配准精度的自由度。此外，本发明提供了一种机器人系统(2)，其被设计用于执行该方法。

Description

用于在调整器械定向时进行配准的方法和机器人系统

技术领域

本发明涉及用于在调整器械定向时进行配准的方法和机器人系统。

背景技术

借助器械对个别成型的对象的处理或加工通常需要使器械相对于对象同样个别地定向。因此，在实际的处理或加工之前通常发生计划阶段，在计划阶段中计划个别的行动方式。这在临床环境中在处理患者时特别重要，其中所述对象则是患者，所述处理或加工是手术或其他操作。在图像辅助的处理的情况下，在例如外科手术干预之前创建患者的或至少所涉及的身体区域的三维计划图像。然后根据该计划图像来计划要执行的处理。这通常包括多个工作步骤，例如，将器械放置在某一部位处或沿某一轨迹引导器械。

为了按计划执行处理或加工，必须使计划图像与在处理或加工过程中实际存在的情况相一致，即必须使对象与器械建立一定的关系。这通常在所谓的配准的范围内完成，其中在放置对象之后并且在介入之前，生成一个或多个图像，然后将这些图像与计划图像进行比较并使其重合，即总体配准。然后，通过对器械与补充图像之间的关系的补充了解，可以对器械的定向进行校正，从而实际上还以最初计划的方式——即正如根据计划图像所意图的那样——执行接下来的处理或加工。

发明内容

在此背景下，本发明要解决的技术问题是提供一种改进的用于配准的方法，该方法在器械相对于对象的定向方面导致尽可能高的精度，从而尽可能准确地和按原计划进行对所述对象的处理或加工。此外，应当提供一种机器人系统，其被构造为执行改进的方法。

该技术问题通过根据本申请权利要求1所述的方法和根据本申请权利要求13所述的机器人系统来解决。有利的扩展设计、改进设计和变型是从属权利要求的内容。与该方法相关的解释说明也比照适用于机器人系统，反之亦然。

该方法用于在借助器械处理或加工对象期间在调整器械相对于该对象的定向时进行配准。因此，该方法是一种配准方法。调整器械的定向以及处理或加工对象不属于配准方法，而是属于其他方法的组成部分。然而，配准方法的执行是与这些其他方法相关联、特别是相伴随的。接下来，代替术语组合“处理或加工”，也会没有普遍性限制地仅使用术语“处理”。

该器械是可移动的并具有多个移动自由度。在处理中，预先设定至少一个工作步骤，在该工作步骤中预先设定器械相对于对象的定向。该工作步骤本身不属于配准方法。在该工作步骤中，仅需要关于部分数量的自由度来调整定向。这尤其应理解为，关于部分数量的自由度的定向调节需要比其余自由度有更高的精度。在该方法的范围内，确定那些需要关于其来调整定向的自由度并将其存储为相关自由度。

首先，现在提供对象的三维计划图像。三维计划图像一般是三维图像，并且也称为3d计划图像或者仅简称为计划图像。计划图像优选地在该方法之外在单独的计划过程中生成，并且仅被提供用于该方法，然而在一个变型方案中，计划图像在作为该方法的一部分的计划步骤中生成。在与医学处理或加工有关的范围内，例如在一个手术中，计划图像是所谓的术前图像。

在该方法中，然后借助成像系统生成对象的至少一个二维工作图像。二维工作图像一般是二维图像，并且也称为2d工作图像或者仅简称为工作图像。工作图像尤其是在处理期间生成，因此正好不在单独的计划过程中生成。在与医学操作有关的范围内，例如在一个手术中，工作图像是所谓的术中图像。结果，至少有两张图像。这两张图像具有不同的维数。

二维工作图像具有图像平面并且是在这样的视向中、即采用这样的视角拍摄，所述视向或视角一般不与图像平面平行并且尤其是垂直于图像平面，因而也垂直于工作图像本身。另外，工作图像是在这样的拍摄方向上拍摄的，所述拍摄方向虽然在某些情况下与视向相同，例如在摄像机图像或X射线图像的情况下，然而取决于成像方法、由技术决定地可能与视向不同，例如在超声图像或被拍摄为截面图的特殊X射线图像的情况下。为了能够在某一视向上拍摄工作图像，将成像系统设置在相应的拍摄位置或者移动到这样的拍摄位置。

在该方法的范围内，将工作图像与计划图像配准。这尤其应理解为意味着使这两个图像一致。特别地，由于这两个图像的维数不同，通过对一些自由度的配准获得了比其余自由度更高的配准精度。因此，自由度分别被配属于两组自由度中的一组，其中第一组的自由度具有比属于第二组的其余自由度更高的配准精度。

特别地，现在重要的是，在视向上且相应地从拍摄位置拍摄工作图像，该拍摄位置根据相关自由度进行选择。因此，成像系统被移动到相应的拍摄位置，以便从期望的视向拍摄工作图像。在此这样选择视向和相应的拍摄位置，使得相关自由度是具有较高配准精度的自由度。因此，以特殊取向这样拍摄工作图像，使得正好对于相关自由度获得特别好的配准精度。换句话说，工作图像具有图像平面和相应的取向，该取向根据相关自由度这样选择，使得正好对于相关自由度获得尽可能好的配准精度。因此，最终在该方法中通过巧妙地选择视向并进而选择用于工作图像的图像平面，而改善了关于设定工作步骤中的相关自由度的配准精度，尤其是使其最大化。

如已经指出的那样，器械定向的实际调整本身以及相应地还有该工作步骤不是该方法的组成部分。该工作步骤和任何进一步的工作步骤其实是处理的一部分，所述处理代表另外单独的方法。这里描述的配准方法仅用于通过配准对该定向的实际调整和该工作步骤加以准备。该方法的核心方面则相应地是将计划图像与工作图像配准。因此，在完成配准之后的定向调整对于该方法仅在根据所计划的定向调整来确定从哪一视向拍摄工作图像这方面具有意义。因此，器械的任何移动以及总体上借助器械对该对象的实际处理或加工都不是该方法的组成部分。

“处理”优选是手术，即对作为处理对象的患者的医学干预或在该患者中的医学干预。代替术语“处理”和“加工”，也使用通用术语“操纵”。具体地在临床或医学的上下文中，尽可能高的配准精度是尤其值得期望的。作为替代，该对象也可以是在处理或加工过程中成型或变形并且一般加工的工件。一般地，该对象尤其是实际物体，即真实的对象，而恰好不是仅虚拟的对象。

工作步骤通常是多个依次实施的、即一个接一个地实施的工作步骤中的一个。每个工作步骤因此均对应于一个处理或加工步骤。在各自的工作步骤中，器械因此一般地移动，即例如被引入位置中、置放(angesetzt)、定位、引导、移动或前进等。

该器械通常适用于处理或加工，并且例如是针、钻孔器、切割工具或探针等。在一个变型方案中，器械是应当附接在对象上或插入到对象中的部件或构件。该部件例如是一个螺钉(或螺栓)。备选地，该器械还被称为工具。

在当前情况下首先假设，对象的计划图像要么已经存在要么在第一步骤中生成。在此，计划图像在每种情况下都正好不是在本来的处理期间生成的，而是事先在计划过程中、即在计划阶段生成的。特别地，在计划阶段期间还没有对对象进行实际处理；计划阶段其实是仅用于事先确定该处理的起始情况和个别计划。计划阶段的一个基本特征尤其是对象此后还可以移动或改变其位置。计划阶段通常特别是直接在处理之前并因此在同一位点、但在空间上与后来的处理分开地进行。在临床意义上，将患者首先适当地在手术台上定位，然后生成计划图像。随后，在同一手术台上对患者进行处理或加工。由于在拍摄计划图像之后患者可能的移动而导致的错误通过在手术期间与工作图像的配准而被避免。

计划图像是对象的三维图像，从而能够在多个维度上对处理进行详细计划。在一个合适的设计方式中，计划图像是X射线图像并且例如在CT扫描的范围内生成，即使用计算机断层扫描来生成。然而，相比之下也合适的是，另外的、特别是光学的成像，特别是通过MRI扫描或通过PET扫描生成的图像。

该器械有多个移动自由度，即运动自由度，简称为自由度。在下文中，在没有普遍性限制的前提下假设该器械总共具有六个自由度，即三个平移自由度和三个旋转自由度。换句话说，器械能够分别在x轴方向(即x方向)，y轴方向(即y方向)和z轴方向(即z方向)上移动并且能够分别绕x轴，y轴和z轴旋转。这尤其适用于由机器人臂引导的器械。总体上，器械可以通过一个或多个平移或通过一个或多个旋转或其组合而从第一定向转换为第二定向。因此，“定向的调整”尤其意味着器械从第一定向转移到第二定向，由此特别是改变空间位置或空间取向或两者。在这方面，器械则也是可移动的。

在设定的工作步骤中，器械应以某种方式相对于对象定向。因此，器械的定向是预先计划和已知的，并且因此是在设定的工作步骤中器械的计划的定向。在合适的实施方式中，进行定向的目的是将器械带到对象上的某一部位，例如针的穿刺部位。作为替代方案或补充方案，进行定向的目的是随后将器械沿某一方向移动，例如，将其驶入到对象中。通常，进行定向的目的是将器械定位在对象的某一部位或将器械沿某一轨迹移动。因此，在该工作步骤中，预先设定了对器械相对于对象的某一定向。在具有x轴、y轴和z轴的假想坐标系中，器械的定向通过尤其是六个坐标表征，这六个坐标表明分别沿x，y和z轴的位置以及围绕这些轴的相应旋转。

为了能够按计划进行处理，将对象的工作图像与同一对象的计划图像配准。在合适的实施方式中，工作图像是X射线图像。然而，相比之下，另外的、特别是光学的成像也是合适的。工作图像相对于计划图像具有减少的维数，因此有利地比三维图像更容易和更快地生成，尤其是在处理期间。作为二维图像，工作图像是图像平面中的本身三维的对象的透视投影。然而，由于减少的维数，工作图像具有相应较少的信息内容。

在配准时，现在确定具有特别是六个自由度的转换，该转换将计划图像和工作图像彼此结合。3d计划图像与2d工作图像的配准也简称为2d-3d配准。配准时的精度，也称为配准精度，对调整器械定向时的精度、即对器械精度有直接影响。此外，它尤其是还受到在定位机器人臂和一般地定位机器人系统时的精度、即机器人定位精度的影响。特别是，配准精度对应于器械精度。

优选地，通过成像系统拍摄工作图像。在特别优选的实施方式中，成像系统则这样与器械连接，使得它们彼此的相对位置是已知的。特别合适的是其中成像系统和器械分别是机器人系统的一部分的实施方式。在第一变型方案中，成像系统和器械一起安装在机器人系统的机器人臂上，在一个变型方案中，成像系统和器械分开地安装在机器人系统的两个机器人臂中的各一个上。

基于两个图像的配准来调整器械的定向的前提条件尤其是，其中一个图像以先前已知的方式与器械相结合。在当前情况下，特别地将工作图像与器械相结合，使得工作图像和器械之间的相对空间关系是预先已知的。换句话说，通过成像系统生成工作图像，并且该成像系统与器械配准。通过将计划图像与工作图像配准，则自动地也将器械与计划图像配准。

工作图像与计划图像的不同之处还尤其在于，工作图像是在处理的具体情况下生成的，从而也采集了器械和对象之间的关系。因此，工作图像在处理期间生成。工作图像是在这些工作步骤中的一个工作步骤之前或期间生成的，即在执行所述工作步骤之前或期间，从而通过与计划图像的配准，对该工作步骤进行所谓地准备或监视或者准备和监视二者。由于工作图像通常在处理期间生成，因此相应的工作步骤的准备或监视是以在线的方式、即在处理期间或在处理的过程中并且由此特别是及时地和目标导向地进行。

本发明首先从以下技术问题出发，即由于减少的维数而不利地减少了工作图像中的信息内容。具体地，不可以或者仅可以有限地从二维图像中获取深度信息。例如，从工作图像中虽然能够获取图像平面中的信息，但不能沿着视向获取信息。因而，与计划图像的配准和由此自动地还有器械的定位虽然在图像平面中以高精度进行，但是垂直于图像平面地却以非常有限的精度进行。相应地，对于器械的不同自由度，会导致不同的精度。因此，关于某一自由度的配准精度通常取决于与工作图像的视向和图像平面相关的相对位置。沿着图像平面的平移和围绕垂直于图像平面的轴的旋转(即，图像平面内的自由度)可以以比垂直于图像平面的平移和围绕平行于图像平面的轴的旋转(即，图像平面外的自由度)更高的精度被配准。

信息内容减少的上述问题基本上可以通过从不同视向拍摄多个工作图像并组合使用来规避。然而，这种方法相应地耗费，尤其耗时。特别地，为了从不同的视向拍摄多个工作图像，使用的成像设备如X射线设备相应地必须多次定向并且在此还要求相应大的工作区域。因此，采用多个工作图像的这种方法只是有条件地适合作为在线方法，即在处理或加工期间进行。

在当前情况下，现在已经认识到，在设定的工作步骤中器械的所有自由度不一定都是同等重要的，因此在设定的工作步骤中，对关于个别自由度的精度的要求是不同。这尤其基于以下认识：在处理中，取决于在设定工作步骤中器械的预期的定向、即定位或导向，并非所有自由度都同等重要，而是说根据工作步骤的类型，某些自由度更具相关性，即比其它的更重要。这将通过以下示例阐明：当置放针或备选地置放钻孔器时，首先，在对象表面上的定位是首要的，以便在随后的驶入时也正确地碰到瞄准部位。与此相反，在随后使针驶入对象中时，尤其重要的是它们的侵入角度和它们的向前移动，即侵入深度。如果所述针例如在z方向上指向，则在定位时x方向和y方向是首要的。在驶入时，z方向以及围绕x轴和y轴的旋转则是首要的。

此外，已经认识到，器械的各个自由度的精度首先取决于工作图像相对于器械的定向。参考上面的例子，沿针或钻孔器方向(即z方向)拍摄的图像特别适合于针的横向定位，即在图像平面中的定向，确切地说在x方向和y方向上的定向。相反，侧向地、即从针的侧面拍摄的图像特别适合于针的驶入，因为从侧面可以特别清楚地辨别侵入角度和侵入深度。

本发明的核心思想现在尤其在于，通过针对工作图像特别选择的和尽可能最佳的视向来实现尽可能好的配准，即尽可能高的配准精度和因此还有尽可能高的器械精度。这是通过在选择工作图像的视向时考虑到器械的哪些自由度特别相关来实现的。因此，工作图像尤其以这样的方式拍摄，使得相关自由度尽可能地位于图像平面，或者至少以这样的方式使得工作图像中的相关自由度尽可能清晰可见。

预先已知对于设定工作步骤的定向这一事实现在有利地被用于在配准时对该定向进行后来的调整的目的。为此，首先确定那些自由度需要调整，即哪些自由度对于工作步骤是相关的，也就是说哪些自由度对于该工作步骤是重要的，哪些是不重要的。对于设定的工作步骤，器械也就是说正好不是沿着所有自由度都移动或者关于所有自由度被定位，而是说所述移动或所述定位和进而一般地所述定向被限于部分数量的自由度。在设定工作步骤中使用的这些自由度也被称为相关自由度。

另一类型的2d-3d-配准例如描述于Miao等人的文章“Toward smart utilizationof two X-ray images for 2-D/3-D registration applied to abdominal aorticaneurysminterventions”Computer and Electrical Engeineering 39(2013)，第1485-1498页。在那里所示的具体应用情形中，从脊柱的3d图像获得主动脉的2d图像的深度信息，方式是使用所述3d图像作为主动脉的空间位置的边界条件。

另一种2d-3d配准描述于等人的文章“3-D/2-D Registration of CTand MR to X-Ray Images”，IEEE Transactions on Medical Imaging，Vol.22 No.11,Nov.2003,S.1407ff。如之前提及的文章中那样，这里也使用解剖学条件作为提高精度的附加边界条件，在当前情况下是骨头表面的取向。

在上述两种方法中，使用图像本身的信息内容以便获得尽可能好的配准精度。为此，在图像处理和确定导出的边界条件时引入解剖学基本知识。这在当前情况下并不重要。相反，在当前情况下遵循完全不同的方法，其中如下改善配准精度，即在考虑到要执行的工作步骤并且了解到器械的计划的定向时已经进行了图像生成，具体地工作图像的生成。因此，不是仅在图像处理的范围内实现尽可能高的精度，而是在准备阶段已经在生成工作图像时确保了这在后续处理中导致尽可能高的精度。然而，在一种适宜的变型方案中，这两种方法有利地彼此组合。

因为该工作步骤是已知的，所以成像系统适宜地在相应的工作步骤之前和相关自由度确定之后自动移动到相应的最佳拍摄位置，并然后从相应的视向拍摄工作图像。由此明显加快了处理。

对于当时的工作步骤，优选地仅确定对此必要的工作图像。配准是以工作流程为导向地进行的，并且对于某一自由度只有在由于该工作步骤而对此也需要配准的情况下才进行。

因为通过正好关于相关自由度特殊选择视向来进行配准，所以对于设定的工作步骤也仅需要单个工作图像，以便尽管维数减少但仍达到对于相应工作步骤的最佳精度。为同一工作步骤拍摄进一步的工作图像恰恰是不必要的。因此，在优选的实施方式中，对于当时的工作步骤仅拍摄一个工作图像。

取决于计划的工作步骤进行根据本发明的配准的特别优点尤其在于，在多个工作步骤的情况下，则能够且优选地也执行与处理或加工适配的图像生成。该处理尤其具有多个彼此相继的工作步骤。在优选实施方式中，则在配准方法的范围内分别在一个工作步骤之后并且特别是直接在后续工作步骤之前执行重新配准，方式是为后续工作步骤拍摄另一工作图像，该另一工作图像与计划图像配准。在此，该另一工作图像如上所述地根据后续工作步骤的相关自由度来拍摄，以针对该后续工作步骤使配准精度尽可能地最大化。换句话说，再次确定那些自由度，即需要关于其来调整对于该后续工作步骤的定向的自由度，并将其存储为新的相关自由度。该另一工作图像因此是在新的视向上拍摄的，该新的视向根据新的相关自由度被这样选择，使得新的相关自由度是具有更高配准精度的自由度。后续工作步骤的工作图像的新视向可以是但不一定是与先前工作步骤的工作图像的视向不同的视向。如果两个彼此相继的工作步骤的视向是相同的，则为后来的工作步骤适宜地省去一个工作图像，并且反而重新使用先前工作步骤的工作图像。

对于多个工作步骤中的每一个，则生成与当时的工作步骤适配的工作图像并将其与计划图像配准。由此有利地考虑了，不同的自由度通常也在不同的工作步骤中是相关的，并且对于每个工作步骤都以对于相关自由度的最大配准精度执行最佳的和适配于工作步骤的配准。可能存在的校准误差明显较少地起作用或根本不再起作用，因为对于每个步骤都这样进行配准，使得校准误差完全或主要存在于非相关自由度中，而相关自由度具有明显更好的精度。该适配于工作步骤的配准也被称为重新配准或被称为适配于工作流程的成像。工作图像的生成因此与工作步骤相关地执行，即视向是针对某一工作步骤确定的并且可偏离其它工作步骤的最佳视向。重要的是，工作图像用于针对某一工作步骤的配准，并且这样选择关于该同样工作步骤的视向，使得为该工作步骤中器械的相关自由度获得尽可能高的配准精度。

适宜地，执行初始的粗略配准，方式是在对象处于后来处理的位点、即处于处理位置期间生成计划图像。对象的位置则从计划阶段到处理最多稍微改变。在粗略配准时则认为，计划图像与实际位置一致。因此，粗略配准不是真正意义上的配准，因为正是没有两个不同的图像在空间上彼此相关。随后，初始的粗略配准另外尤其是充当对于通过工作图像实现的接下来的配准的起点。

然而，作为上述粗略配准的替代或补充，也适合的实施方式是，计划图像在处理之前拍摄并且尤其不在后续处理的位点处拍摄。接下来则适宜地执行粗略配准，方式是从两个不同方向拍摄两个工作图像。

适宜地，如后来的工作图像那样通过相同的成像系统生成计划图像。这尤其应理解为，如果在处理的范围内生成多个工作图像，则借助于相同的成像系统拍摄所有工作图像和计划图像。在该实施方式中，优选在计划阶段之后立即进行对象的处理。因此，在很大程度上避免了在完成计划阶段之后对象的可能移动。另外，由此能够以简单的方式和低的设备成本实现如上所述的粗略配准。特别适用于此目的的是X射线设备，特别是计算机断层扫描系统，简称为CT系统，其既可生成3d图像又可生成2d图像。

在优选实施方式中，成像系统是X射线设备。X射线设备适宜地具有C形臂，该C形臂具有X射线源和探测器。然后通过将C形臂在适当位置中朝向物体前进来生成工作图像。在这种情况下，探测器尤其设计为探测器场，该探测器场能够实现二维图像的拍摄，其中图像平面平行于探测器并垂直于从X射线辐射源到探测器的辐射方向。

而且，器械和成像系统尤其是彼此配准或者将要彼此配准，因为为了尽可能精确地执行处理或加工，器械和成像系统之间的空间关系也是重要的。通过尽可能准确地使器械与成像系统配准，允许有利地减少器械和对象之间的相对误差。在基本上合适的实施方式中，器械和成像系统在方法开始时和特别是在处理或加工开始时已经彼此配准。在一个特别有利的实施方式中，器械和成像系统备选地或额外地在处理或加工期间彼此配准，方式是在生成工作图像时使器械在工作图像中一同成像，然后根据工作图像确定器械相对于成像系统的位置。因此，本来拍摄的工作图像除了将对象与器械配准之外，还用于将器械与成像系统配准。由此总体上进一步提高了精度。

该方法原则上适合于在多个不同工作步骤中进行配准。下面描述一些特别优选的情况和特别与之匹配的该方法的扩展方案。由这些扩展方案的组合或与其他扩展方案的组合获得其他合适的实施方式。

在合适的扩展方案中，在工作步骤中，预先设定器械在对象上，特别是在对象表面上的位置，并且仅通过沿两个平移方向的平移来进行位置的调整。在该方法的范围内，现在将这两个平移方向确定并且存储为相关自由度。视向则被选为垂直于平移方向并且特别是沿着器械。因此，计划的工作步骤用于将器械相对于对象并且在由这两个平移方向确定的工作平面内定位。两个平移方向例如是x轴和y轴，器械可沿x轴和y轴移动并且然后也在工作步骤中移动以驶近该位置。在该情况下，该器械的其余四个自由度无关紧要。然后如下实现最佳配准精度：成像系统从在其中视向垂直于工作平面的拍摄位置拍摄工作图像。在此，“垂直”尤其不应理解为仅仅“精确垂直”，其实略微与此偏离的视向也是有利的，尽管原则上，随着不断增加的偏差，精度降低。特别合适的是与工作平面成至少85°角的视向。

在另一个合适的实施方式中，在工作步骤中预先设定器械相对于对象的侵入角度，并且仅通过器械围绕旋转轴的旋转来调整侵入角度。相应地，旋转轴被确定且存储为相关自由度。视向则被选为沿旋转轴。器械在图像平面中的旋转则能够以特别高的精度执行。如已经结合前述实施方式进行说明的那样，对于与在调整侵入角度时的尽可能高的精度有关的配准，视向被选为精确地沿着旋转轴并非是绝对必要的。其实，这里相应地略微偏离的视向仍然适合于实现高配准精度。特别合适的是与旋转轴成至多5°角的视向。

因此，计划的工作步骤用于使器械相对于对象旋转或倾斜。在如上所述、但也在一般情况下的在工作平面内的先前定位中，则允许调整或改变器械在对象中的侵入角度。如果器械已经侵入到对象中，允许改变或校正器械的侵入方向或进给方向。

如果器械处于成像系统的视野内并且那时在工作图像中可见，则在工作图像中特别是在侧视图中示出了器械，即器械那时处于图像平面中。因此，视向在侧向上指向器械。

在另一个合适的实施方式中，在该工作步骤中预先设定器械进入对象中的侵入深度，并且仅通过器械沿进给方向的平移来实现侵入深度的调整。进给方向被确定并存储为相关自由度。视向被选为垂直于进给方向。在该实施方式中，进行配准的目的是在后续工作步骤中能够特别准确地将器械驶入到对象中直至某一侵入深度。因此，应当沿轨迹移动器械直至某一目标点。因此，尤其这样选择视向和图像平面，使得轨迹恰好位于图像平面内。在这里同样适用的是，略微偏离的视向原则上也仍然合适，特别是与进给方向成至少85°角的那些视向。

适宜地，在执行工作步骤期间，通过成像系统尤其是反复地监视对工具定向的调整。该监视(但并非器械的移动)是作为配准方法的一部分执行的。这尤其基于以下考虑：成像系统已经通过先前的配准而被调整在最佳拍摄位置中用于监视器械在后续工作步骤中的移动。任何与计划的定向的偏差都可以以特别高的精度观察。为此，在工作步骤期间相应地拍摄图像，该图像原则上对应于工作图像，但是有利地还示出了器械的继续进行的移动。从这个意义上讲，则是执行工作步骤的在线监视。

如已经指出的，该方法尤其地适用于在临床环境中的应用并且适用于改善对患者的、图像辅助的处理，所述患者即为处理对象。在适宜的应用情形中，所述处理是脊柱手术，其具有至少三个工作步骤。上述一般性的说明也比照适用于脊柱手术期间的具体应用。该器械是：针，例如用于输送麻醉剂；钻孔器，特别是用于在患者的椎骨中形成钻孔；或者螺钉，应当插入椎骨中，例如插入之前形成的钻孔中。通常，器械沿纵轴延伸。

在脊柱外科手术中，器械要从外部在某一侵入部位处驶入对象中，更确切地说以某一侵入角度，从而碰到脊柱的某一部位。这分别适用于所有三种上述器械变型。适宜地，对每个所述器械都实施该过程，使得首先用针进行麻醉，然后用钻孔器进行椎骨准备，最后将螺钉插入椎骨中。关于单个器械，第一工作步骤则是将器械接在患者上，第二工作步骤是调整器械的侵入角度，第三工作步骤是将器械侵入到患者体内。这些工作步骤适宜地按照命名的顺序依次实施。然后再次执行这三个工作步骤，特别是对于每个器械。

在具有所述工作步骤的脊柱外科手术的背景下，对于第一工作步骤，有利地沿纵轴选择视向。对于第二和第三工作步骤，优选地分别垂直于器械的纵轴选择视向。在第三工作步骤期间，适宜地借助成像系统反复监视器械的侵入。通过在各步骤中这种特殊的视向选择实现了对每个工作步骤的最佳配准精度，并以明显提高的精度实施手术。这些工作步骤本身特别地对应于通常在图像辅助的脊柱外科手术的范围内执行的那些步骤。在这方面，该方法有利地可以容易地用于传统的脊柱外科手术中，由此使得处理医师的工作流程没有或只有很小的变化。

该方法还特别适合于机器人辅助处理或加工，其中器械和成像系统分别是机器人系统的组成部分，如上文另外已经指出的。机器人系统则被设计用于处理或加工对象，并且具有用于处理或加工对象的器械，以及用于拍摄至少一个工作图像并且还适宜地用于拍摄计划图像的成像系统。机器人系统还具有控制单元，该控制单元设计用于执行已经描述的配准方法。控制单元也称为控制器。控制单元例如是用于控制机器人系统的各个部件的控制系统的一部分。总体上，机器人系统一方面设计用于执行处理或加工，另一方面，设计用于在此处理或加工的执行期间、亦即伴随所述处理或加工地执行配准方法，以便相应地提高处理或加工的精度。

附图说明

接下来将参考附图更详细地解释本发明的实施例。其中分别示意性地：

图1示出了用于第一工作步骤的配准，

图2示出了用于第二工作步骤的配准，

图3示出了用于第三工作步骤的配准。

具体实施方式

在图1至图3中一般性地示出了对象O的处理或加工，并且具体地示出了脊柱手术作为对此的实例，其中对象O是患者。该患者在上面的附图中以平躺位置示出。示意性地表示出患者的躯干和头部。

所述处理是利用机器人系统2以机器人辅助的方式进行的。该机器人系统一方面具有用于处理对象O的器械4。器械4例如是针、钻孔器、切割工具、探针等或者应当置放在对象O上或嵌入到对象O中的部件或构件，例如螺钉。另外，机器人系统2具有用于拍摄至少一个工作图像的成像系统6，并且在当前情况下还用于拍摄计划图像。因此，所有的工作图像和计划图像都借助同样的成像系统6拍摄。在所示出的实施例中，成像系统6和器械4被分开地安装到机器人系统2的两个机器人臂8中的各一个上。机器人系统2还具有控制单元10，该控制单元被构造用于执行伴随所述处理的特殊配准方法。

器械4是可移动的并且具有多个、在当前情况下具有六个移动自由度，即三个平移自由度和三个旋转自由度。换句话说，器械4可分别在x轴X，y轴Y和z轴Z的方向上移动，并且可分别绕这些轴X，Y，Z旋转。现在，器械4在设定的工作步骤中应当以某一方式相对于对象O定向，其中该定向一般旨在将器械4定位在对象O的某一部位处或者沿着某一轨迹移动。因此，器械4的定向处于具有轴X，Y，Z的假想坐标系中，该假想坐标系用六个坐标表征，这六个坐标表明分别沿着轴X，Y，Z的位置以及绕这些轴的相应旋转。

成像系统6在当前情况下是X射线设备并且具有C形臂，该C形臂具有X射线源12和探测器14。然后通过将C形臂在合适的位置中驶近对象O来生成工作图像。在此，探测器14被构造为探测器场，该探测器场允许拍摄具有图像平面BE的二维图像，该图像平面BE平行于探测器14并垂直于从X射线源12至探测器14的辐射方向S。成像系统6与器械4这样连接，使得它们彼此的相对位置是已知的，因为器械4与成像系统6之间的空间关系对于尽可能精确地实施处理很重要。为此目的，器械4和成像系统6彼此配准。

在准备处理时，首先以未详细示出的方式生成对象O的术前三维计划图像，并且随后将其提供用于该方法。另外，执行初始的粗略配准，其中在对象O处于稍后处理的地方，在当前情况下处于未详细示出的手术台上期间，生成计划图像。在粗略配准时则假定计划图像与对象O的实际位置一致。

在处理期间，为准备相应的工作步骤，借助成像系统6生成工作步骤特定的、对象O的术中二维工作图像。该工作图像具有图像平面BE并且在视向BR上拍摄，该视向BR垂直于图像平面BE并且在当前情况下对应于辐射方向S。

该方法用于在处理期间进行配准，以便更好地调整器械4相对于对象O的定向。为此，现在将工作图像在2d-3d配准的范围内与计划图像进行配准并且由此相结合。配准时的精度，也称为配准精度，对调整器械4的定向的精度、即对器械精度有直接影响。

在处理中，现在为每个工作步骤预先设定器械4相对于对象O的某一定向。在此，在设定的工作步骤中并非所有的器械4的自由度都同等重要，因此在设定的工作步骤中，对关于各个自由度的精度的要求是不同的。

图1至3中现在示出了三种不同的情况，其中分别执行特殊配准，以在随后的工作步骤中达到尽可能高的精度。在当前情况下，对于相应的工作步骤，从一个视向BR拍摄仅一个工作图像，该视向BR根据与各自工作步骤相关的那些自由度进行选择。图1至3分别在关于相应的工作步骤最佳的拍摄位置中示出了成像系统6。

在示例性示出的脊柱手术中，器械4应当从外部、在某一进入部位ES处驶入对象O中，而且是以某一侵入角度EW驶入，从而碰到脊柱的某一部位。第一工作步骤则是驶近进入部位ES，第二工作步骤是调整侵入角度EW，第三工作步骤是器械4侵入直到某一侵入深度ET。这些工作步骤按照上述顺序依次执行。

对于第一工作步骤，视向BR现在如图1所示地被选为沿器械4的纵轴L，也就是说在z轴Z的方向上。一般地，对于第一工作步骤，预先设定器械4在对象O的表面上的位置。位置的调整仅通过沿两个平移方向的平移、即在图1中沿x轴X和y轴Y的平移来实现，这两个平移方向共同撑开垂直于附图的展示平面的工作平面。x轴X和z轴Z处于展示平面中，y轴Y垂直于展示平面。因此，在x方向和y方向上的平移在当前情况下是相关自由度。在该情况下，该器械的其余四个自由度无关紧要。成像系统6从图1所示的拍摄位置拍摄工作图像，其中视向BR垂直于工作平面。

对于第二和第三工作步骤，视向BR如图2和3所示地分别选为垂直于器械4的纵轴L，在当前情况下尤其是在x轴X的方向上并且因此垂直于图1中的拍摄位置。

在第二工作步骤中，预先设定侵入角度EW，该侵入角度仅通过器械4围绕旋转轴X，Y，Z的旋转来调整，即在当前情况下围绕x轴X的旋转，因此从附图的展示平面向外，如图2中由双箭头表示的那样。因此，在当前情况下，x轴X是关于第二工作步骤的相关自由度。视向BR如图2中所示地选为沿x轴X。在工作图像中，器械4则在侧视图中可见。

在第三工作步骤中，侵入深度ET是预先设定的，并且器械4仅沿着进给方向移动，在当前情况下如图3所示地沿着z轴Z移动。因此关于第三工作步骤，z轴Z被确定并存储为相关自由度。如图3中可见，视向BR被选为垂直于z轴并且在当前情况下在x轴X的方向上，因此与图2中的视向相同，从而在第三工作步骤的变型方案中不拍摄工作图像，而是简单地重新使用第二工作步骤的工作图像。

在第三工作步骤期间，借助成像系统6另外反复地监视器械4的侵入深度ET。因而在该意义上则执行在线监视。此外，保持图3的拍摄位置。

因此，总的来说，在该方法的范围内，确定了需要关于其进行调整定向的那些自由度并将其存储为相关自由度。在视向BR上拍摄用于相应工作步骤的工作图像，该视向BR这样选择，使得相关自由度是具有较高配准精度的自由度。此外利用的是，器械4的各个自由度的精度主要取决于工作图像相对于器械4的定向。参照图1，沿z轴Z方向拍摄的工作图像特别适合于对器械的横向定位。与之相反，如图2和3中所示地从器械4的侧面拍摄的工作图像特别适合于驶入，因为从侧面可以特别清楚地辨认侵入角度EW和侵入深度ET。因此，分别以这样的方式拍摄工作图像，使得相关自由度尽可能地位于图像平面BE中。

Claims (13)

1.一种在借助器械(4)处理或加工对象(O)期间调整器械(4)相对于对象(O)的定向时进行配准的方法，

-其中，器械(4)是可移动的并具有多个移动自由度，

-其中，在处理或加工期间，预先设定至少一个工作步骤，在所述工作步骤中预先设定器械(4)相对于对象(O)的定向，并且在所述工作步骤中仅需要关于部分数量的自由度进行定向调整，

-其中，将需要关于其进行定向调整的那些自由度确定并存储为相关自由度，

-其中，提供对象(O)的三维的计划图像，

-其中，通过成像系统(6)生成对象(O)的至少一个二维的工作图像，

-其中，将所述工作图像与所述计划图像配准，从而对于某些自由度比对于其余自由度获得更高的配准精度，

-其中，所述工作图像是在视向(BR)中拍摄的，所述视向根据所述相关自由度这样选择，使得相关自由度是具有更高的配准精度的自由度。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中针对当时的工作步骤拍摄仅一个二维的工作图像。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，

其中，所述处理或加工具有多个彼此相继的工作步骤，

其中，分别在一个工作步骤之后和在后续工作步骤之前执行重新配准，方式是为后续工作步骤拍摄与所述计划图像配准的另一个二维的工作图像。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中，执行初始的粗略配准，方式是当对象(O)处于处理位点期间生成计划图像。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，

其中，所述计划图像如所述工作图像那样借助同样的成像系统(6)生成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，

其中，成像系统(6)是X射线设备。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，

其中，器械(4)和成像系统(6)在处理或加工期间彼此配准，方式是在生成所述工作图像时将器械(4)一同成像，随后根据所述工作图像确定器械(4)相对于成像系统(6)的位置。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，

其中，在所述工作步骤中，预先设定器械(4)在对象(O)上的位置，并且仅通过沿两个平移方向的平移来调整所述位置，

其中，两个平移方向被确定并存储为相关自由度，

其中，视向(BR)被选为垂直于所述平移方向。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，

其中，在所述工作步骤中，预先设定器械(4)相对于对象(O)的侵入角度(EW)，并且仅通过器械(4)绕旋转轴(X，Y，Z)的旋转来进行侵入角度(EW)的调整，

其中，旋转轴(X，Y，Z)被确定并存储为相关自由度，

其中，视向(BR)被选为沿旋转轴(X；Y，Z)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，

其中，在所述工作步骤中，预先设定器械进入对象(O)的侵入深度(ET)，并且仅通过器械(4)沿进给方向(X，Y，Z)的平移来进行侵入深度(ET)的调整，

其中，进给方向(X，Y，Z)被确定并存储为相关自由度，

其中，视向(BR)被选为垂直于进给方向(X，Y，Z)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，

其中，在执行所述工作步骤期间，借助成像系统(6)监视器械(4)的定向的调整。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，

对象(O)是患者，

其中所述处理或所述加工是具有三个工作步骤的脊柱手术，

器械(4)是针、钻孔器或螺钉并且沿纵轴(L)延伸，

其中，第一工作步骤是将器械(4)置放于患者身上，

其中，第二工作步骤是调整器械(4)的侵入角度(EW)，

其中，第三工作步骤是器械(4)侵入患者体内，

其中，对于第一工作步骤，视向(BR)选为沿纵轴(L)，

其中，对于第二和第三工作步骤，视向(BR)分别选为垂直于纵轴(L)，

其中，在第三工作步骤期间，借助成像系统(6)反复地监视器械(4)的侵入。

13.一种机器人系统(2)，

-设计用于处理或加工对象(O)，

-具有用于处理或加工对象(O)的器械(4)，

-具有成像系统(6)，

-具有控制单元(10)，其设计用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法。