CN110269679A - 用于非侵入式追踪物体的医疗技术系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于非侵入式追踪物体的医疗技术系统和方法。非侵入式获知位于病人身体部分内且从外部看不到的物体的位置的医疗技术系统包括：构建身体部分表面照片的导航系统；数据处理单元，其被构造和编程成使其借助照片来提供身体部分的包括有关身体部分表面的空间信息的测量数据组；存储单元，其内存储有配属于或能配属于身体部分的样本数据组，其包括有关身体部分的表面的、有关物体的和有关表面与物体的关系的空间信息，数据处理单元还被构造和编程成使其将样本数据组和测量数据组通过计算相匹配，从而使各自表面在预定或能预定的容差内相一致，以便考虑到身体部分在空间内运动时对物体的非侵入式追踪而在测量数据组内确定物体相对表面的位置。

Description

用于非侵入式追踪物体的医疗技术系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于非侵入式获知布置在病人身体内的并且从外部看不到的物体的位置的医疗技术系统。
此外，本发明还涉及一种相应的方法。
背景技术
在医疗技术导航领域中公知的是，有待追踪的物体配设有医用的标记装置，该医用标记装置在空间内的位置变化可以由导航系统识别。若有待追踪的物体涉及骨头，例如在人工膝关节或人工髋关节的范畴内，那么在此通常借助至少一个骨钉将用于标记装置的容纳部与骨拧接。带有被动的或主动的标记元件的标记装置可以与容纳部连接。通过使用骨钉虽然可以达到对标记装置的稳定的固定并且由此达到了可靠有效的参考。但侵入性地安设标记装置具有这样的缺陷，即，不期望地产生额外的创伤并且因此使病人和手术医生对使用骨钉持保留态度。在骨头质量很糟糕时，骨钉可能脱落，这导致参考的丢失，由此无法利用医疗技术导航的优点。在使用骨钉时就已经造成了骨头的变弱并且在最糟糕的情况下可能之后会导致骨头的断裂。
此外，公知有少量用于固定标记装置的侵入式技术，例如克氏针固定(Kirschner-Draht-Fixierung)。但在此存在着如下风险：用于标记装置的容纳部松动并且参照件丢失。
在标记装置中通常存在如下困难：该标记装置出于可见性的原因而必须处在身体部分的原本令人感兴趣的区域之外。此外，考虑到系统的准确度而需要标记装置的一定的尺寸大小。两种特性都对例如在骨头上的锚固不利，因为基于尺寸大小会存在额外的杆并且基于所需的更为牢固的锚固而对骨头存在力作用。
例如在DE 10 2013 112 375 A1、DE 10 2014 104 800 A1和DE 10 2014 104 802A1中说明了一种用于在使用导航系统的情况下追踪身体部分在空间内的位置的非侵入式的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于非侵入式获知物体的位置的医疗技术系统和方法，用其能以足够的准确度追踪物体。
该技术问题通过按本发明的用于非侵入式获知布置在病人的身体部分内的并且从外部看不到的物体的位置的医疗技术系统来解决，该系统包括：
-用于构建身体部分的表面的照片的导航系统；
-数据处理单元，该数据处理单元被构造和编程成使其借助照片来提供身体部分的测量数据组，测量数据组包括有关身体部分的表面的空间信息；
-存储单元，在该存储单元内存储有配属于或能配属于身体部分的样本数据组，其中，样本数据组包括有关身体部分的表面的、有关物体的和有关表面与物体的关系的空间信息；
-其中，数据处理单元被进一步构造和编程成使其将样本数据组和测量数据组通过计算相互匹配，从而使各自的表面在预定的或能预定的容差内相一致，以便考虑到身体部分在空间内运动时对物体的非侵入式追踪而在测量数据组中确定物体相对表面的位置。
按本发明的用于非侵入式获知布置在病人的身体部分内的并且从外部看不到的物体的位置的方法通过如下方式来解决上述技术问题：
-利用医疗技术的导航系统构建身体部分的表面的照片；
-利用数据处理单元借助照片来提供身体部分的测量数据，测量数据包括有关身体部分的表面的空间信息；
-提供配属于或能配属于身体部分的样本数据组，该样本数据组包括有关身体部分的表面的、有关物体的以及有关表面和物体的空间关系的空间信息；
-利用数据处理单元将样本数据组和测量数据组通过计算相互匹配，从而使各自的表面在预定的或能预定的容差内相一致，并且在测量数据组中确定物体相对表面的位置；以及
-在身体部分在空间内运动时非侵入式追踪物体。
能用按本发明的系统达到的优点同样可以在实施方法时被达到，因而接下来主要仅探讨系统。
按本发明的方法的有利的实施例由按本发明的系统的有利的实施方式得出。与此相关的下列表述因此以相同的方式涉及系统并且涉及方法。
在按本发明的系统中，用例如包括立体相机或单目相机的导航系统非侵入式构建一系列病人的身体部分的照片。侵入式安设的标记装置可以被省去并且不是必需的。数据处理单元借助摄影测量学的算法从相片构建测量数据组。该测量数据组例如以所谓的“点云”、即大量定义了表面的空间特性的测量值的形式存在。因为本身令人有兴趣的物体在照片内看不到(在此例如涉及骨头，例如股骨或胫骨)，所以数据处理单元额外利用包含在样本数据组中的信息。样本数据组包括有关在其类型上对应病人的身体部分并且配属于或者能配属于该病人的身体部分的表面的空间信息。样本数据组尤其包括关于物体和表面的空间联系的信息。样本数据组和测量数据组可以借助数据处理单元通过计算相互匹配，从而能在测量数据组中确定病人的看不到的物体在其与表面的空间关系中的位置。可以通过样本数据组生成一个身体本身的坐标系统。在身体部分在空间内运动时，数据处理单元可以非侵入式追踪看不到的物体。
例如，数据处理单元被构造和编程成使其将样本数据组匹配于测量数据组。
有利的是，数据处理单元被构造和编程成使其为了使测量数据组和样本数据组相互匹配而执行下列至少一项：
-对数据组中的至少一个数据组的空间信息进行比例缩放或者匹配比例缩放。至少一个数据组可以进行比例缩放，使得包含在该数据组中的信息与包含在相应另外的数据组中的信息相一致，这例如涉及身体部分的尺寸测定。
-平移和/或旋转其中至少一个数据组的空间信息。样本数据组的信息例如被移动和/或旋转，使得包含在数据组中的方向信息(例如主轴线)通过计算被叠加。
-在考虑到相一致的图像点的情况下分析数据组。例如由数据处理单元鉴定均匀的图像点并且在数据组相互匹配时考虑到这些均匀的图像点。在数据组中可以例如识别或标注身体部分的表征性特征的图像点，图像点能由数据处理单元在分析数据组时以简单的方式找出并鉴定。
-使其中至少一个数据组中的空间信息失真，以与相应另外的数据组相称。例如这样来迭代地改变数据组的信息或使之失真，直至在预定的或能预定的容差内存数据组之间、例如测量数据组和通过计算处理的样本数据组之间的表面信息相一致。
数据处理单元例如可以借助能参数化的算法来执行上述的分析，算法是技术人员公知的。
有利的是，数据处理单元被构造和编程成使数据组的相互匹配和物体的位置的确定基本上都能实时执行。这被证实对系统的使用是有利的，其中，手术医生想要在无可识别的延迟的情况下获得关于物体在空间内的位置的即时反馈。
可以规定，样本数据组是一般的不包括病人个人的有关病人的身体部分的信息的数据组。对此在当前可以尤其被理解为，样本数据组不是通过分析病人本身的身体部分获得的。可以例如规定，在存储单元中储存有多个样本数据组，它们不配属于特定的、能个体化的病人。
在存储单元中有利地存储有多个样本数据组，其中，能为了匹配于测量数据组而依赖于下列至少一项来为病人配属样本数据组：
-病人的性别；
-病人的年龄；
-病人的民族；
-有关于病人既往病史的信息的既往病例；
-有例如关于居民迁居频度、保健、生活方式等的信息的病人的社会文化背景。
非病人个人的样本数据组可以由数据处理单元例如自动地选择。备选或补充性地可以存在如下可能性：手术医生选出合适的样本数据组。
在系统的一种有利实施方式中有利的是，数据组是病人个人的样本数据组，其例如在病人的更早的检查中建立，特别是在用于计划手术的术前检查时建立。
可以规定，样本数据组基于由下列至少一项构成的信息或包括下列至少一项：
-CT图像数据；
-MR图像数据；
-包括物体在内的身体部分的分层图像示图；以及
-身体部分的软组织与骨头的比例。
这些信息可以例如是有利的，以便在测量数据组中获知软组织和骨头的比例。因为病人可能已服用了肌肉松弛剂并且软组织在术中在身体部分上可能不同于在正常状态下那样分布，所以可以例如通过样本数据组消除对软组织的重力影响并且基于表面追踪来推导出骨头的位置。
按本发明的系统有利地构造用于追踪形态为病人的骨头或器官的物体。
被证实有利的是，系统包括挤压装置，该挤压装置能特别是以能脱下的方式安设到身体部分上，用于挤压身体部分。导航系统的照片可以优选在施加挤压装置时构建。这例如提供这样的优点，即，在术中挤压软组织，以便由此来减少或避免软组织和物体(例如骨头)的可能的移动，移动例如可能在服用肌肉松弛剂时强烈出现。
挤压装置例如被设计成套筒状并且构造用于沿周向方向包围身体部分。
挤压装置例如被设置和设计成用于挤压病人的大腿。
有利的是，挤压装置能匹配于身体部分，用以调整挤压度。挤压装置尤其适合多个病人使用并且能个体化地匹配于每个病人。
可以规定，挤压装置是或者包括绷带、软管体、长筒袜或膜(例如粘合膜)。
在系统的一种有利实施方式中可以规定，数据处理单元可以被构造和编程成仅借助身体部分的照片来构建测量数据组。可以不需要可能附加的部件或特征。
在系统的一种有利实施方式中有利的是，系统包括标记装置或者被构造成用于提供至少一个布置在身体部分的表面上的、或者直接或间接地固定安置或能固定安置在身体部分的表面上的标记。数据处理单元被有利地构造和编程成使其利用标记来构建测量数据组。标记例如给出了如下可能性：打破身体部分的表面的同质性，以便以这种方式产生更高质量的测量数据。在此不仅存在这样的可能性，即，身体部分基于标记能更好地被导航系统识别，而且也有利地存在这样的可能性，即，通过数据处理单元简化了对照片的分析。数据处理单元的标记例如方便了检测身体部分的位置的和/或形状的改变。
可以规定，标记被直接布置在或者特别是涂敷到身体部分的表面上，特别是皮肤上。
在系统的一种有利实施方式中有利的是，标记布置在挤压装置上或者挤压装置包括标记。挤压装置以这种方式除了已经在之前说明的效果外还具有标记装置的功能。
标记可以是或者包括下列至少一项：
-颜色或颜色变化，包含以何种方式来描绘颜色或颜色变化的信息；
-图案；
-纹理；
-规则的设计部或不规则的设计部。
条纹、点、着色部、斑痕或类似物可以例如用于形成标记。
有利的是，数据处理单元被构造和编程成识别照片中标记的改变，以便检测身体部分的软组织运动，并且在构建测量数据组时考虑到软组织运动。以这种方式能提供更高质量的测量数据并且改良追踪结果。
附图说明
对本发明的优选的实施方式的下列说明用于结合附图详细阐释本发明。按本发明的系统的所说明的有利的实施方式可以被用于执行按本发明的方法的有利的实施方式。在附图中：
图1在示意图中示出了按本发明的系统和定位在病床上的病人；
图2是包含在测量数据组(阴影线)和样本数据组(实线)中的信息的图形描绘；
图3是在使样本数据组与测量数据组计算匹配的第一个步骤之后对应图2的描绘；
图4是在使样本数据组与测量数据组计算匹配的第二个步骤之后对应图3的图示；
图5示出了病人的腿作为身体部分的一个示例；
图6示出了带有形态为软管绷带的挤压装置的腿；
图7示出了带有形态为长筒袜的挤压装置的腿和测量数据组的图形描绘；以及
图8是带有涂敷在腿部的皮肤上的标记的腿以及测量数据的图形描绘。
具体实施方式
图1在示意图中示出了按本发明的医疗技术系统，其总体上用附图标记10标注。系统10包括导航系统12，该导航系统具有用于检测手术室内的场景的检测装置。检测装置例如具有立体相机14，该立体相机的视野16对准有待检查的病人18。
系统10还包括数据处理单元20。数据处理单元20例如具有计算单元22，该计算单元包括微型处理器或者被构造成微型处理器。在数据处理单元20中存储有能由计算单元22实施的计算机程序，用计算机程序尤其能处理导航系统12的信息。
计算机程序例如被储存在系统10的存储单元24中，存储单元优选布置在数据处理单元20中或者由这个数据处理单元包含。
系统10用于非侵入式获知布置在病人18的身体部分26内的物体28的位置(姿态和/或定向)。身体部分26在当前情况下例如是病人18的腿30。物体28可以例如是股骨32或胫骨34。
利用导航系统12能构建身体部分26的表面的图像。但表面对能被导航系统12探测到的射线来说不是透明的，因而仅借助立体相机14的照片无法获得有关物体28的位置的信息。
不过值得期望的是：非侵入式确定物体28的姿态，而不必为了该目的而如传统的方式那样侵入式地在物体28上安设标记装置。用按本发明的系统存在追踪物体28的可能性，而物体例如在通过手术医生手术期间由于身体部分26在空间内的运动而运动。
导航系统12例如利用可见光来构建身体部分26的照片。
用导航系统12构建身体部分26的照片并且将与此相关的信息转达给数据处理单元20。数据处理单元20由照片构建测量数据组，该测量数据组包括身体部分的表面的空间信息。这优选实时发生。
系统和方法提供了如下可能性：考虑到对物体28的非侵入式追踪而在测量数据组中确定物体28相对这个表面的位置。
为了这个目的，在存储单元24中存储有至少一个样本数据组，其中，可以设有多个样本数据组。例如设有病人个人的样本数据组，该样本数据组在术前在病人18上获得。为此可以例如使用CT图像数据、MR图像数据、包括物体28在内的身体部分26的分层图像示图或类似物或者样本数据组的组成部分。例如软组织与身体部分26的骨头的比例也可以是样本数据组的组成部分并且例如借助分层图像示图获知。
备选可以规定，将一般的非病人个人的样本数据组存储在存储单元24中。手术医生或数据处理单元20可以使用合适的样本数据组，该样本数据组例如在考虑到病人18的性别、年龄、民族、既往病史信息和/或关于病人的社会文化背景的情况下选出。
样本数据组包括有关身体部分26的表面、物体28的空间信息以及表面与物体28的空间关系。
接下来参考图2至4阐释由系统10执行的方法的流程。参考测量数据组的附图标记，通过单引号(′)来标注，参考样本数据组的附图标记，则通过两个单引号(″)来标注。
图2在阴影图中示出了对包含在测量数据组中的信息的描绘。在此涉及腿部30的表面的图像。因为导航系统12既不能看到股骨32也不能看到胫骨34，所以测量数据组不具有关于这些骨头的信息。
用实线的图示对应样本数据组的图形描绘。该样本数据组包含了有关物体28的表面的信息和所搜索的物体28的、特别是股骨32和胫骨34的信息。在测量数据组中也存储有表面和这些骨头之间的空间的关系。
数据处理单元20被构造和编程成使其优选实时将样本数据组通过计算匹配于测量数据组。
参看图3，在此例如先是使样本数据组的空间信息在其缩放比例中与测量数据组的空间信息相匹配。额外还在需要时完成样本数据组的空间信息的平移和/或旋转。点划线示出的主轴线在此例如在数据组中彼此被对准和叠加(参看图3)。
紧接着迭代地完成样本数据组的用于匹配的空间信息与测量数据组的进一步的匹配。在此，两个数据组例如在考虑一致的(均匀的)图像点的情况下被分析并且它们的相对位置被用于使数据组相互匹配。
当身体部分26的由在测量数据组(26′)和样本数据组(26″)中的空间信息定义的相应的表面在预定的或能预定的容差内一致时，数据处理单元20就知道实现了样本数据组与测量数据组的足够精确的匹配(图4)。
因此，数据处理单元20在考虑到包含在测量数据组中的信息的情况下能在测量数据组中确定物体28相对表面的位置。尽管这个测量数据组最初不包含有关股骨32和胫骨34的位置的信息，但能由数据处理单元20确定这些骨头和表面的相对位置。数据处理单元20能借助该信息在身体部分26在空间内运动时非侵入式追踪物体28。
数据处理单元20可以被构造成使其仅借助身体部分26的照片构建测量数据组。图5例如示出了完全裸露的腿30作为有待检测的身体部分26。
在具有软组织与骨头的较大的比例的身体部分26中，例如由此来改良测量数据组的质量，即，使用系统10的挤压装置36。这种在图6中设计成软管绷带38的挤压装置36可以例如用于挤压病人18的大腿。通过软管绷带38明显减小了或甚至在很大程度上避免了软组织相对股骨32的相对运动。这种软组织运动也可以例如在由术前或手术期间给病人18服用的肌肉松弛剂的影响下引起。
通过避免软组织与股骨32的相对运动确保样本数据组与测量数据组的匹配导致确定了股骨32相对大腿的表面的相对位置，该相对位置与实际情况在很大程度上相一致。
图7示出了另一个设计成挤压长筒袜40的挤压装置36，该挤压长筒袜覆盖整条腿30。除了之前描述的效果外，挤压长筒袜40此外还提供了这样的优点，即，形成了带有针对身体部分26的标记44的标记装置42。
在当前情况下，标记44由环绕腿30的并且彼此间隔布置的环状物形成。标记44方便了数据处理单元20构建测量数据组，因为在中断腿30的表面的同质性的情况下改善了身体部分26的可见性。此外还存在这样的可能性，即，借助标记44由数据处理单元20更为简单地识别可能的软组织移动并且在确定了测量数据和/或追踪物体28时能考虑到可能的软组织移动。
图7此外还示意性示出了针对腿30的测量数据组的图形描绘。
图8中所示的标记装置42的情况类似，该标记装置具有在腿30上的标记46，其中，在这种情况下也示出了测量数据组的图形描绘。
标记46在图8的例子中被直接涂敷到身体部分26的表面上并且由条带形成。胶带例如被粘到皮肤上。
当然，可以使用不同类型的标记，它们中的一个由挤压装置36形成或者布置在该挤压装置上以及另一个直接被涂敷到皮肤上。
附图标记列表
10 系统
12 导航系统
14 立体相机
16 视野
18 病人
20 数据处理单元
22 计算单元
24 存储单元
26 身体部分
28 物体
30 腿
32 股骨
34 胫骨
36 挤压装置
38 软管绷带
40 挤压长筒袜
42 标记装置
44 标记
46 标记

Claims (19)

1.用于非侵入式获知布置在病人(18)的身体部分(26)内的并且从外部看不到的物体的位置的医疗技术系统，所述医疗技术系统包括：
-用于构建所述身体部分(26)的表面的照片的导航系统(12)；
-数据处理单元(20)，所述数据处理单元被构造和编程成使其借助所述照片来提供所述身体部分(26)的测量数据组，所述测量数据组包括有关所述身体部分(26)的表面的空间信息；
-存储单元(24)，在所述存储单元内存储有配属于或能配属于所述身体部分(26)的样本数据组，其中，所述样本数据组包括有关所述身体部分(26)的表面的、有关所述物体(28)的和有关所述表面与所述物体(28)的关系的空间信息；
-其中，所述数据处理单元(20)被进一步构造和编程成使其将所述样本数据组和所述测量数据组通过计算相互匹配，从而使得各自的表面在预定的或能预定的容差内相一致，以便考虑到所述身体部分(26)在空间内运动时对所述物体(28)的非侵入式追踪而在所述测量数据组中确定所述物体(28)相对所述表面的位置。
2.按照权利要求1所述的医疗技术系统，其特征在于，所述数据处理单元(20)被构造和编程成使其将所述样本数据组匹配于所述测量数据组。
3.按照权利要求1或2所述的医疗技术系统，其特征在于，所述数据处理单元(20)被构造和编程成使其为了将所述测量数据组和所述样本数据组相互匹配而执行下列至少一项：
-对数据组中的至少一个数据组的空间信息进行比例缩放或者匹配比例缩放；
-平移和/或旋转数据组中的至少一个数据组的空间信息；
-在考虑到相一致的图像点的情况下来分析数据组；
-使在数据组中的至少一个数据组中的空间信息失真，以与相应另外的数据组相称。
4.按照前述权利要求中任一项所述的医疗技术系统，其特征在于，所述数据处理单元(20)被构造和编程成使数据组的相互匹配和所述物体(28)的位置的确定基本上都能实时执行。
5.按照前述权利要求中任一项所述的医疗技术系统，其特征在于，所述样本数据组是一般的不包括病人个人的有关病人(18)的身体部分(26)的信息的数据组。
6.按照权利要求5所述的医疗技术系统，其特征在于，在所述存储单元(24)中存储有多个样本数据组，其中，能为了匹配于所述测量数据组而依赖于下列至少一项来为病人(18)配属样本数据组：
-性别；
-年龄；
-民族；
-既往病史；
-社会文化背景。
7.按照权利要求1至4中任一项所述的医疗技术系统，其特征在于，所述样本数据组是病人个人的样本数据组。
8.按照前述权利要求中任一项所述的医疗技术系统，其特征在于，所述样本数据组基于由下列至少一项构成的信息或包括下列至少一项：
-CT图像数据；
-MR图像数据；
-包括所述物体在内的身体部分的分层图像示图；
-所述身体部分的软组织与骨头的比例。
9.按照前述权利要求中任一项所述的医疗技术系统，其特征在于，所述系统(10)被构造成用于追踪形态为病人(18)的骨头(32、34)或器官的物体(28)。
10.按照前述权利要求中任一项所述的医疗技术系统，其特征在于，所述系统(10)包括挤压装置(36)，所述挤压装置能特别是以能脱下的方式安设到所述身体部分(26)上，用以挤压所述身体部分(26)。
11.按照权利要求10所述的医疗技术系统，其特征在于，所述挤压装置被设计成套筒状并且被构造成用于沿周向方向包围所述身体部分。
12.按照权利要求10或11所述的医疗技术系统，其特征在于，所述挤压装置(36)能匹配于所述身体部分(26)，用以调整挤压度。
13.按照权利要求10至12中任一项所述的医疗技术系统，其特征在于，所述挤压装置(36)是或者包括：绷带(38)、软管体、长筒袜(40)或膜。
14.按照前述权利要求中任一项所述的医疗技术系统，其特征在于，所述数据处理单元(20)被构造和编程成仅借助所述身体部分(26)的照片来构建所述测量数据组。
15.按照前述权利要求中任一项所述的医疗技术系统，其特征在于，所述系统(10)包括标记装置(42)或者被构造成用于提供至少一个布置在所述身体部分(26)的表面上的、或者直接或间接地固定安置或能固定安置在所述身体部分(26)的表面上的标记(44、46)，并且所述数据处理单元(20)被构造和编程成使其利用所述标记(44、46)来构建所述测量数据组。
16.按照权利要求15并结合权利要求10至14中任一项所述的医疗技术系统，其特征在于，所述标记(44、46)布置在所述挤压装置(36)上，或者所述挤压装置(36)包括所述标记(44、46)。
17.按照权利要求15或16所述的医疗技术系统，其特征在于，所述标记(44、46)是或者包括下列至少一项：
-颜色或颜色变化；
-图案；
-纹理；
-规则的设计部或不规则的设计部。
18.按照权利要求14至17中任一项所述的医疗技术系统，其特征在于，所述数据处理单元(20)被构造和编程成使其识别照片中所述标记(44、46)的改变，以便检测到所述身体部分(26)的软组织运动，并且在构建所述测量数据组时考虑到所述软组织运动。
19.用于非侵入式获知布置在病人的身体部分内的并且从外部看不到的物体的位置的方法，在所述方法中：
-利用导航系统构建所述身体部分的表面的照片；
-利用数据处理单元借助所述照片来提供所述身体部分的测量数据，所述测量数据包括有关所述身体部分的表面的空间信息；
-提供配属于或能配属于所述身体部分的样本数据组，所述样本数据组包括有关所述身体部分的表面的、有关所述物体的和有关所述表面与所述物体的空间关系的空间信息；
-利用所述数据处理单元将所述样本数据组和所述测量数据组通过计算相互匹配，从而使各自的表面在预定的或能预定的容差内相一致，并且在所述测量数据组中确定所述物体相对所述表面的位置；以及
-在所述身体部分在空间内运动时非侵入式追踪所述物体。
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