CN110352042A - 用于对3d术中图像进行自动重新校准的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在机器人辅助手术期间采集患者的解剖区域的图像期间使用的重新校准装置(1)，该重新校准装置包括由射线可透过的材料制成的主体(3)，该主体包括由不透射线的材料制成的基准标记(9)，所述主体(3)具有支承表面(7)，该支承表面(7)意在被手动地放置在患者的所述解剖区域的表面上。根据本发明，所述基准标记(9)被呈特定几何图案布置，从而能够确实检测重新校准装置(1)在三维数字模型中的位置和取向，该三维数字模型通过源自采集解剖区域的图像构建而成。

Description

用于对3D术中图像进行自动重新校准的装置和方法

技术领域

本发明属于机器人辅助手术领域，并且更具体地涉及在复杂解剖区域中实施的机器人辅助手术，例如脑脊髓手术，换句话说，神经外科手术和/或脊柱手术。

在该背景下，本发明涉及一种用于在机器人辅助外科手术过程中在通过医学图片获得的三维数字模型的参考系和患者的解剖区域的参考系之间进行重新校准的装置和方法。在本文件的继续中，数据对应于参与重新校准和/或手术过程的元件的特定坐标系。

在该背景下，本发明的重新校准装置和重新校准方法允许将患者的解剖区域的实际位置与通过患者的解剖区域的医学图片获得的三维数字模型相匹配。

背景技术

脑脊液手术集中在中枢神经系统的主要解剖结构，即大脑和脊柱。在人体的这些特别敏感的部位的手术过程中，最轻微的操作错误也会对患者未来的身体和神经自主性产生极其严重的后果。当进行脑脊髓动作时，极其重要的是，外科医生的手势应是极其准确的。机器人辅助手术确实负责在诸如手术辅助机器人臂之类的非凡的精密工具方面来帮助外科医生，该精密工具将机器的位置严谨性与手术实施者的实践知识相结合。

机器人辅助手术的实施通常需要同时操作若干单独的工具或设备，每个工具或设备均包括特定的参考坐标系。外科手术本身通常先于手术区域的术前或术中成像序列，其中，外科医生使用该序列对与该手术相关的动作进行规划。出于空间和顺序的原因，重要的是致使手术所需的工具在共用坐标系中产生影响，由此包括对手术期间涉及的每个元件的多种参考系进行重新校准的步骤，其中，患者的解剖区域、医学成像系统和/或手术监控系统(包括导航装置和导航目标)和/或外科辅助机器人。

这些重新校准步骤对于执行机器人辅助外科手术是至关重要的。因此，外科手术的准确性以及更一般地，外科手术的成功高度取决于解剖工作区域与手术中所涉及的多种元件之间的重新校准步骤的精确度。重新校准步骤必须是尽可能快速且平稳的，以便被完美地集成到针对所需手术实施的手术方案中。此外，精确的且自动的重新校准步骤允许外科医生专注于处于他的实践知识内的手术任务。

另外，从患者的角度以及就最终的术后效果而言，重要的是手术是尽可能少创伤的，使得患者尽快从手术中恢复。微创手术在此背景下得以发展，主要目的是尽可能多得保留位于手术区域附近的解剖组织和结构。为了实现这一目标，至关重要的是，手术过程的每一步(包括重新校准步骤)应该是尽可能少侵入性的。

目前，存在大量用于在患者的所关注的解剖区域的参考系与所关注的该解剖区域的医学图像的参考系之间进行重新校准的技术。当采集所述患者的所关注的解剖区域的图像时，这些重新校准技术中的每一种使用特定的重新校准装置作为患者参考系。

通常，这种重新校准装置包括设置有不透射线的基准标记和光学目标的射线可透过的主体。不透射线的基准标记允许检测重新校准装置在所关注的解剖区域的医学图像的参考系中的位置和取向。

在已知系统中，US 5,799,055中描述了第一类重新校准装置。该第一类重新校准装置包括适于由外科辅助臂承载的射线可透过的主体。为了在患者参考系和医学图像的参考系之间执行重新校准，射线可透过的主体设置有八个不透射线的基准标记。当采集患者的所关注的解剖区域时，这类重新校准装置的使用在医学图像中产生假象。这些假象是由辅助机器人臂所导致的，并且具有使医学图像中的基准标记的识别更为复杂的负面影响，从而降低了后续重新校准的准确性。而且，该装置并不允许进行三维医学图像的采集。

在US 7,139,418中描述了第二类重新校准装置。它包括射线可透过的主体，其即设置有布置于确定位置处的不透射线的基准标记。该射线可透过的主体被定位于所关注的解剖区域的高度处并且位于医学成像采集系统的视野中。射线可透过的主体可以由被刚性连接到手术台的支撑件承载，或者由手术辅助机器人臂的端部承载。因此，在采集关于所关注的解剖区域的成像数据期间，能够将射线可透过的主体保持在由外科医生预定义的适当位置中。该第二类重新校准装置被联接到至少一个光学目标，该光学目标包括可由适用的导航装置检测到的导航标记。应当注意到的是，不透射线的基准标记和导航标记之间的空间关系是已知的。当射线可透过的主体由机器人臂支撑时，医学图像由于机器人臂导致具有伪影，该机器人臂并不是由射线可透过的材料制成的。当射线可透过的主体由被刚性连接到手术台的支撑件承载时，射线可透过的主体与支撑件的附接减慢了手术过程。最后，该重新校准装置与采集所关注的解剖区域的三维医学图像并不兼容。

在US 8,992,580中描述了第三类重新校准装置。它包括设置有不透射线的基准标记的射线可透过的主体，这些基准标记根据两个不同且平行的分布平面布置于预定位置。在采集关于所关注的解剖区域的成像数据期间，该重新校准装置被机械地固定到锚固元件，该锚固元件又被固定在患者的靠近所关注的解剖区域的骨骼结构中。在采集之后，重新校准装置被从锚定元件释放，该锚定元件然后容置用于随后的外科手术的微型外科辅助机器人。因此，该重新校准装置具有被固定到侵入性锚固元件的缺点，并且当锚固元件在拆卸该重新校准装置和组装该手术辅助机器人期间移动时，也可能导致精度降低。

在US 8,104,958中描述的第四类重新校准装置包括射线可透过的主体，该射线可透过的主体设置有被布置于预定的金字塔形组织位置处的不透射线的基准标记。该重新校准装置在医学成像采集系统的视野中由手术实施者手动放置和保持在所关注的解剖区域的上方。这类重新校准装置还包括光学或电磁目标。该目标设置有光学或电磁导航标记，其可由适用的导航设备检测到。由于不透射线的基准标记的金字塔形状，第四类重新校准装置确实具有可与三维医学成像系统一起使用的优点，但是它还具有不可接受的缺点：护理人员暴露于医学成像系统的辐射，这是越来越不被接受的。另外，由于在采集所关注的解剖区域的医学成像期间手动地维持该重新校准装置，因此最轻微的不稳定性也可能在正被产生的医学图像的锐度方面产生问题，并且因此导致随后的重新校准的精确度的损失。

例如在US 8,238,631、US 8,644,570、US 8,503,745和US 8,737,708中描述的第五类重新校准装置包括设置有根据三维空间组织布置于预定位置处的不透射线的基准标记的射线可透过的主体。射线可透过的主体还包括由光学导航标记形成的光学目标，这些光学导航标记可由导航装置检测到。然而，这类装置还具有通过夹持在靠近所关注的解剖区域的骨结构上来使用侵入性紧固技术的缺点。

在US 8,457,719中描述的第六类重新校准装置包括柔性射线可透过的主体。该射线可透过的主体包括上表面和下表面。下表面用作用于被放置在患者的所关注的解剖区域上的支承表面。射线可透过的主体的所述下表面设置有粘合表面，该粘合表面允许通过粘合在处于所关注的解剖区域的高度处的软组织来紧固该射线可透过的主体。射线可透过的主体还包括被布置于预定位置处的主动导航标记。因此，这类重新校准装置允许通过检测主动导航标记来创建数字表面模型，然后使用所关注的解剖区域的三维医学成像重新校准该数字表面模型。该重新校准装置具有能够被用作在将会在该重新校准之后进行的外科手术期间用于监控患者的解剖区域的运动的目标的优点。然而，由于其通过粘合在软组织上的定位，导致这些软组织的任何机械变形在手术程序过程中产生重新校准的不准确性。此外，主动导航标记需要机载能源，这即会引起消毒问题。最后，这类重新校准装置是一次性的，这在每次使用期间表现出高成本，并且从经济观点来看，显然构成了另外的缺点。

发明内容

本发明通过提供一种高精度的可消毒的重新校准装置来应对现有技术的上述缺陷，该装置能够重新校准手术期间涉及的每个元件(即例如：患者的解剖区域、医学成像系统、手术监控系统、手术辅助机器人等)的多个参考系。

为了支持这些目的，本发明的第一方面涉及一种在机器人辅助手术期间采集患者的解剖区域的图像的过程中使用的重新校准装置，其通常包括由射线可透过的材料制成的三维主体，所述主体具有上表面和相对表面，该相对表面形成待被手动地放置在患者的所述解剖区域的表面上的支承表面，所述主体包括由不透射线的材料制成的基准标记。根据本发明，所述基准标记被根据至少一个特定几何图案布置在上表面和支承表面之间，从而允许在三维数字模型中确实检测重新校准装置的位置和取向，该三维数字模型通过源自采集解剖区域而得到的图像构建而成。

在实践中，由不透射线的基准标记形成的特定几何图案是下列几何图案，其中，所述不透射线的基准标记被不对称地组织。在所述三维数字模型内，这种或这些特定几何图案允许以与三维数字模型的视角无关的方式确实识别最小数量的不透射线的基准标记。最小数量的不透射线的基准标记的该确实识别允许确保确实识别重新校准装置的实际位置和取向，从而导致三维模型与实际手术空间中的患者的解剖区域的参考坐标系之间的高度精确的重新校准。

根据另外的可能性，可以共面的方式布置具有同一个几何图案的基准标记。此外，可以不对称地组织同一几何图案内的基准标记。当射线可透过的主体包括多个不同的特定几何图案时，后者随后可被组织在彼此平行的多个平面中。使用在平行平面中组织的特定几何图案允许在减小的空间中提供更多数量的基准标记。这种紧凑现象确保所有基准标记都处于医学成像系统的视野内。

根据一种可能的构型，不透射线的基准标记还可以具有球形形状，例如具有至少等于4mm的直径。

根据另一有利特征，重新校准装置可包括至少一个导航目标，该导航目标设置有至少三个导航标记，该导航标记与基准标记的几何关系是预定的。导航目标实际上允许检测重新校准装置在导航装置的参考坐标系中的实际位置。

为此，可以通过诸如三角测量之类的传统检测方法精确地定位导航标记。导航装置的参考坐标系与外科辅助机器人的参考坐标系之间的特定重新校准确保检测重新校准装置在外科辅助机器人的参考坐标系中的实际位置。

根据第一变型，导航标记可以是被动型的。在第二变型中，所述导航标记可以是主动型的。在这两种变型中，它们可以是光学导航标记或电磁导航标记。

根据附加特征，导航标记可以被放置在支撑件上，该支撑件包括可相对于重新校准装置的主体移除的紧固装置。优选地，支撑件是伸缩臂，其可以占据多个位置。在每个位置中，导航标记和基准标记之间的几何关系优选地是预定的。

根据本发明的重新校准装置的附加特征，后者可以设置有相对于患者的身体的稳定系统，例如该稳定系统由适于解剖区域的表面并且能够在数据采集期间将重新校准装置维持就位的可延展的材料制成。根据本发明的一种可能性，该稳定系统可由两个柔性楔形件形成。然后，每个楔形件可被固定在重新校准装置的侧边缘附近或者被结合在该装置中。利用这种构型，重新校准装置的稳定通过支承在患者的解剖结构上来实现。

该特征是简化手术过程的整体方法的一部分。消除重新校准装置的定位的侵入性质显然是平滑和加速该手术过程的因素。

还应注意到的是，重新校准装置的非侵入性和快速定位因此允许缩短手术室的固定时间，这意味着显著降低了手术成本。

从患者的角度来看，这进一步表现出了一定的优点，这是因为非侵入性特征只能有助于手术效果，因为它实际上代表了他身体中的一个或多个小切口，从而为他节省了相应的创伤。

本发明的第二方面涉及一种图像引导的机器人辅助手术系统，其实现了根据本发明的重新校准装置，如上所限定和所说明的那样。

根据本发明的该第二方面，机器人辅助手术系统包括手术辅助机器人臂和导航系统。

本发明的第三方面涉及一种用于在由本发明的第二方面定义的机器人辅助手术系统中使用根据本发明的第一方面的重新校准装置来采集和检测患者的解剖区域以准备外科手术的方法。

这种采集和检测患者的解剖区域的方法的特征在于它包括：

·准备采集患者的解剖区域的图像的步骤，该步骤包括安置患者、三维导航系统、医学成像系统和手术辅助机器人臂，

·将重新校准装置手动地放置在患者的解剖区域的表面上并且放置在医学成像系统的视野中的步骤，

·通过导航系统采集重新校准装置的位置的步骤，

·通过导航系统采集目标的位置以对患者的解剖区域进行手术监控的步骤，

·使护理人员处于安全状态的步骤，

·采集患者的解剖区域的图像和被定位在患者的解剖区域的表面上的重新校准装置的图像的步骤，

·通过在采集患者的解剖区域的步骤期间获得的医学图像构建三维数字模型的步骤，

·识别被集成在重新校准装置中的不透射线的基准标记的步骤，

·计算该重新校准的步骤，

·显示重新校准的三维数字模型的步骤，以及

·使用重新校准的三维数字模型规划该手术的步骤。

根据本发明的第一方面的重新校准装置的使用是旨在平滑和加速采集和检测患者的解剖区域的方法的方法的一部分。

附图说明

其它特性和优点将在本发明的三个示例性实施例的详细且非限制性的描述中而变得明显，这些示例性实施例如附于此的图1至图9示出，并且在附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的重新校准装置的透视图，该图示出了被设置在射线可透过的主体内的不透射线的基准标记；

图2是图1的重新校准装置的透视图，其中，示意性地示出了用于组织不透射线的基准标记的平面；

图3是图1的装置的横截面的示意图，其中，基准标记被根据两个组织平面进行组织；

图4是设置有导航目标的图1的重新校准装置的透视图；

图5是图1的重新校准装置的透视图，其设置有另一类导航目标；

图6是图1的重新校准装置的透视图，其设置有再一类导航目标；

图7是图1的重新校准装置的透视图，其中，该重新校准装置包括被固定在射线可透过的主体附近的支撑件；

图8是根据本发明的第二实施例的重新校准装置的透视图，其中，射线可透过的主体设置有稳定系统；

图9是图8的重新校准装置的透视图，其中，射线可透过的主体设置有另一导航目标；

图10是图8的重新校准装置的透视图，该重新校准装置被布置于患者的所关注的解剖区域(在本示例中是其脊柱)的高度处；

图11是被布置于所关注的解剖区域的高度处的重新校准装置的横截面的图示；

图12是机器人辅助手术系统的图示，其中，使用了根据本发明的重新校准装置；

图13是根据本发明的用于半自动地检测重新校准装置的不透射线的基准标记的技术的图示；

图14是根据本发明的用于手动地检测重新校准装置的不透射线的基准标记的技术的图示；和

图15是可以在使用根据本发明的重新校准装置实施重新校准方法之后执行的一种外科手术的透视图。

具体实施方式

附图的表示对象示出了几种可能模型的不同方面，所知道的是它们仅作为示例给出，并且本发明也涵盖了其它配型。所有这些表示涉及在采集患者的所关注的解剖区域2的医学图像期间所使用的重新校准装置1。所关注的解剖区域2实际上对应于外科医生在其上进行外科手术的解剖区域2。

应当注意的是，在本文件的继续中，术语参考系用于表示术语“参考坐标系”。

在采集医学图像期间，使用被定位于所关注的解剖区域2的高度处的重新校准装置1允许使用从医学图像获得的三维数字模型的参考系重新校准在未来手术中涉及的元件的所有参考系。换句话说，所述使用允许利用患者的参考系和导航系统的参考系重新校准三维数字模型的参考系，以便定位所关注的解剖区域2在导航系统的参考系中的实际位置。然后，导航系统的参考系和机器人臂的参考系的重新校准允许确定所关注的解剖区域2在机器人臂的参考系中的位置。然后开始进行外科手术的条件就位。

考虑到这一点并且如图1至图12中所示，重新校准装置1包括平行六面体3，在本示例中其为呈板的形式的矩形体。该板包括与下表面5相反的上表面4，下表面5和上表面4形成板的长侧并通过侧边缘6连接。板的下表面5构成重新校准装置1的意在被手动地放置在患者的所关注的解剖区域2上的支承表面7。

重新校准装置的主体3是射线可透过的主体3，其由可消毒的射线可透过的材料制成，该材料为例如通常被称为“PEEK”的聚醚醚酮。

如图1至图11中所示，重新校准装置1的主体3包括不透射线的基准标记9，该不透射线性由制成其的材料(例如金属)的特性产生。在当前情况下，不透射线的基准标记9仅由具有共同直径(例如等于4mm)的球体形成。为了能够进行识别，基准标记9必须具有满足若干约束的尺寸。更具体地，基准标记9的尺寸必须是足够大的，以便在医学图像中是可识别的，而并不影响重新校准装置1的尺寸。后者必须另外保持紧凑，以便保持其实际使用及其可操作性。在这种情况下，每个基准标记9的直径则可介于3mm和5mm之间，并且优选地具有4mm的直径。另外，一旦它们是可在医学图像上检测到的，每个基准标记9就可具有可以是相同的或是不同的形状和尺寸。在当前情况下，这些不透射线的基准标记9被布置在重新校准装置1的主体3内。

在图1至图12中所示的示例性实施例中，基准标记9被呈特定的几何图案布置在同一平面中的预定位置处。优选地，在特定几何图案内，基准标记9被呈不对称的几何图案加以组织。基准标记9在特定几何图案中的构型的不对称性质具有以下优点：无论视角如何，确保在由通过采集解剖区域获得的图像构建的三维数字模型内的最小数量的基准标记3的特定识别。基准标记9的这种特定识别确保了对重新校准装置在由通过采集解剖区域获得的图像建立的三维数字模型中的位置和取向进行的某种检测。

为了进一步增加检测手术图像中的基准标记9的可能性，重新校准装置1包括几个特定的几何图案。有利地，这些特定的几何图案是彼此不同的并且被在平行平面中进行组织，每个几何图案对应于给定平面并且包含预定数量的基准标记9。成根据平行平面定位的不同几何图案的这种组织向本发明提供了若干优点；一方面，它确保更好地识别手术图片中的基准标记9，并且另一方面，它允许保持重新校准装置1的紧凑特性。

更具体地，在图2和图3中所示的构型中，基准标记9被根据分别布置在两个平行平面上的两个特定几何图案进行布置。如图3中所示，每个几何图案以不同的方式组织基准标记9：第一几何图案由其以连续圆圈所示的基准标记9表示，而第二几何图案包括由不连续的圆圈表示的基准标记9。第二几何图案的基准标记9在任何构型中均不与第一几何图案的基准标记9重叠，从而使从医学图像生成的三维数字模型中的所述基准标记9的识别误差最小化。

通常，用于采集三维医学图像的系统实现多个二维图片，以便建立所关注的解剖区域2的三维体积。然后对该三维体积中所包含的数据进行处理，以便生成所关注的解剖区域2的三维数字模型。在这种情况下，三维重建使用从由医学图像采集系统生成的三维体积中获得的相同类型的二维部分。然后根据多个标准来组装这些部分，这些标准例如为每个部分之间的厚度和距离，该厚度和距离必须是连续同质的，以便建立尽可能正确的三维模型。

根据本发明的另一特征，每个基准标记9可以具有预定的特定尺寸。通过添加所述不透射线的基准标记9的附加识别数据，该特性进一步降低了在检测手术图像中的基准标记9期间出现混淆的可能性，这些数据取决于尺寸。

在图4至图10中所示的示例中，重新校准装置1包括位于射线可透的主体3的上表面4附近的导航标记10。在当前情况下，导航标记10是光学类型的导航标记10，即它们可通过光学导航系统检测到。优选地，这些被动的光学导航标记10由反射球体形成。反射球体覆盖有涂层，该涂层有利地是可消毒的并且反射光，并且更具体地反射红外线。为了进一步提高其识别度，每个反射球可具有其自己的尺寸。

根据本发明的变型，还可以选择主动型的光学导航标记10。在这种情况下，它可以由被称为“LED”的发光二极管形成。与由于其外部涂层的性质而可由光学导航系统检测到的被动光学导航标记10不同，主动光学导航标记10仅在其由能量源供电时才可由适当的光学系统见到。

根据本发明的另一变型，导航标记10可被选择为电磁类型，其能够由电磁导航系统检测到。根据可能的示例，它可以是被浸没在磁场中的感应线圈。

最后，由于重新校准装置1的基准标记9和导航标记10之间的已知几何关系，导致可以通过导航系统定位重新校准装置1的位置和取向，并因此定位患者的解剖区域2。

出于与重新校准装置1的实际位置和取向的定位质量有关的原因，后者必须包括以预定空间构型布置的至少三个导航标记10。有利地，如已经提到的那样，每个导航标记10还可具有不同的尺寸，从而允许更为快速而确定地识别它。

导航标记10被固定在重新校准装置1的射线可透过的主体3的一个边缘6的附近。它们可以依赖于与本发明的装置1的主体3不同的支撑件11。优选地，在这种情况下，这些导航标记10的支撑件11由射线可透过的材料制成。

如图4和图9中所示，重新校准装置1包括五个导航标记10，其在空间上被布置成具有斜腿的十字形图案。导航标记10被布置在中心，另外四个导航标记10被布置在主体3的每个角落处。在这些图中所示的构型中，每个光学导航标记10被分别通过杆状支撑件11固定到重新校准装置1的射线可透的主体3。

在图5至图8和图10中所示的变型中，导航标记10包括具有四个腿的支撑件11。在每个腿的每个端部处布置有导航标记10，该导航标记10形成导航目标12，导航目标12可以沿预定方向定向。根据该示例性构型，导航目标12可以呈四腿交叉的形式(如图5、图6、图8和图10中所示)。

根据图5和图6中所示的具体特征，支撑件11由伸缩臂形成，该伸缩臂可通过轴向纵向平移采用多个位置。在每个位置中，导航标记和基准标记9之间的几何关系是已知的。

在图6的特定情况下，支撑件11借助于枢转紧固件13连接于边缘6中的一个处，从而允许导航目标12采取若干已知位置，在这种情况下为三个位置。该特征允许改变目标12的取向并避免任何掩蔽和/或与被锚固在所关注的解剖区域附近的骨中的手术监控目标14(如图10和图12中所示)的导航标记混淆的问题。

支撑件11还包括可移除的紧固装置15，其可以优选地在不使用工具的情况下相对于重新校准装置1的主体3进行操纵。在本示例中，可移除的紧固装置15由夹子16(如图5和图6中所示)形成。然而，可移除的紧固装置15也可以通过任何装置(例如螺钉)形成，从而一方面允许将支撑件11确定地保持在其位置中，另一方面允许随意地手动移除支撑件11。

在图8至图10中所示的示例中，重新校准装置1设置有稳定系统17，其能够适应患者的解剖区域2的形态。稳定系统17在该情况下由两个形成楔形件18的具有弯曲形状的侧翼形成。每个楔形件18被固定在重新校准装置1的侧边缘6附近。优选地，每个楔形件18通过允许楔形件18枢转的铰接机械接合处连接到重新校准装置，并使其自身适应患者的形态。

放置在主体3的两侧上的两个楔形件18通过搁置在患者的解剖结构上而在稳定该重新校准装置1的方面协作。它们的略微弯曲的构型和它们相对于本发明的重新校准装置1的主体3的布置的对称性允许在解剖区域2上施加合力，该合力包括被垂直(即平行)分量和相对的水平分量，这些垂直分量被向下定向，从而有利于通过重力进行稳定，这些水平分量一起起作用以相对于患者的身体保持住该重新校准装置1。

根据本发明的另一种可能性，稳定系统17由可延展的、至少柔性的且可消毒的材料制成，该材料能够适应患者的形态。为了在采集图像期间将重新校准装置1保持在稳定位置中，所使用的可延展材料也具有一定的机械刚性。该稳定系统17允许将重新校准装置1立即手动定位于患者的所关注的解剖区域2的高度处。通过由手术实施者进行简单的手动应用，稳定系统17的形状可以被“成形”以适合患者的形态。

在采集医学图像期间，所述稳定系统17是足够坚固的以使重新校准装置1在适用的位置中且以非侵入的方式保持稳定。因此该稳定系统17极大地简化了安装，从而也有助于提高安装过程的速度和平稳性，同时保持对患者是极其有益的非侵入性。

如图11中所示，重新校准装置1具有校准尺寸，使得其被完全集成到医学成像系统的视野13中。该校准的目的是通过使重新校准装置1适应于它基本上必须与之合作的该成像系统的视野19来促进识别最大数量的基准标记9。在该特定情况下，重新校准装置1搁置在所关注的解剖区域2的表面20上，在该情况下搁置在患者的皮肤上。医学成像系统的视野19包括整个重新校准装置1以及所关注的解剖区域2(在该情况下是患者的脊柱)。

在图12中所示的示例中，重新校准装置1的使用适合于成像引导的机器人辅助手术系统21的更为广阔的范围。

在这种情况下，所述系统21包括用于外科手术辅助的机器人臂22(优选地具有六个运动度的机器人臂)、导航系统23(优选地是光学导航系统)以及传统的三维医学成像采集系统24(其在所示示例中为C形臂类型)。该外科手术系统21允许通过实时显示解剖表面的三维数字模型的图像和相关(轴向、冠状和矢状)横截面的图像来伴随该外科手术，其中，可以在被联接到机器人臂22和导航系统23的屏幕上观察手术工具的位置和/或动作。

在利用图12中所示的该手术系统21进行的外科手术(在本示例中用于脊柱手术)的情况下，患者被置于俯卧位中，即在他的胃上，使得他的脊柱可用于定位该重新校准装置1。

外科手术包括基于导航系统23和手术监控目标的实时手术监控。在图10中所示的示例中，手术监控目标是在患者准备期间被植入在患者的脊柱的骨部分中的目标14。该手术监控目标14允许在整个手术方案期间监控患者的运动。该导航装置适于将光学导航标记定位在三维坐标系中，其导航系统23为原点。结果，导航装置23允许检测和监控被锚固在脊柱中的追踪目标14的运动，这允许控制机器人臂22的轨迹，该轨迹取决于正被检测的运动。正被检测的运动可以是由患者的呼吸或外科医生施加的努力所引起的脊柱的移位。

手术监控目标14还允许检测患者相对于重新校准装置1的位置的位置，并由此定位患者相对于重新校准装置1的实际位置。

导航系统23也可以在采集图像期间使用，以便检查重新校准设备1并未移动。如果检测到运动，则向用户的地址发出警告，从而要求他重新开始采集所关注的解剖区域2的图像的新程序。

使用机器人辅助手术系统21的外科手术还包括通过光学重新校准来重新校准机器人和导航系统23的步骤。为此，光学目标被定位于机器人臂22的端部处。设置有光学目标的机器人臂22然后采用位于手术区域的周围的至少三个预定的位置。在该检测期间，导航系统23将机器人臂22定位在其参考系中。同时，导航系统23检查被固定到机器人的导航目标是否保持不动，这意味着机器人的基座并不移动。在相反的情况下，即在机器人的基座移动的情况下，执行新的机器人/导航系统重新校准。

手术过程的另一步骤显然包括使患者处于麻醉状态，并且在采集医学图像的整个持续时间内也处于呼吸暂停的作用下。该步骤允许限制患者的呼吸运动，从而改善由于采集患者的所关注的解剖区域所导致的图像的锐度。

为了定位患者在手术台上的实际位置，导航系统23在手术监控目标14的参考系中进行重新校准。然后可以将手术监控目标14的坐标通过机器人臂22和导航系统23之间的特定重新校准转换到机械臂22的参考系中。

在此阶段开始采集和检测所关注的解剖区域2：在该阶段期间，本发明的重新校准装置1发现其有用性。该阶段允许在实践中精确地定位所关注的解剖区域1在导航装置23的参考系中并且间接地在机器人臂22的参考系中的位置。

采集阶段包括将重新校准装置1定位于所关注的解剖区域2的高度处的步骤。为此，外科医生或手术实施者将本发明的重新校准装置1手动地放置并定位在患者的背部上。更具体地，重新校准装置1在医学成像系统24的视野19中被放置在所关注的解剖区域2(将对其进行外科手术的解剖区域)的高度处，例如放置在脊椎的高度处。

然后，护理人员处于安全状态，以便在重新校准装置1处于适当位置中时受到保护，以免受在关于所关注的解剖区域2的数据的采集期间发射的电离射线的影响。该采集通过传统的三维医学成像采集系统(例如“O形臂”或“C形臂24型”的三维医学成像采集系统)进行。

该采集阶段之后是根据单一类型的横截面(例如轴向横截面)通过二维医学图像构建所关注的解剖区域2的术中三维数字模型的步骤。该构建步骤包括例如在“多平面重建”的构架中组装二维医学图像。

然后实施检测术中三维数字模型内的不透射线的基准标记9的步骤。它由手术实施者(例如外科医生)在控制屏幕上执行。基准标记9可以因为它们的不透射线的性质以及根据其进行组织的特定几何图案而在医学图像中被识别出。因此，在采集所关注的解剖区域2期间，以生成每个基准标记9的重影图像，该重影图像呈具有特定发光强度的白点的形式。

为了检测三维数字模型中的每个基准标记9，存在三种方法—自动方法、如图13中所示的半自动方法以及图14中所示的手动方法。

在所有三种情况下，特定数据处理软件在第一窗口中显示通过采集所关注的解剖区域2所产生的三维数字模型，在第二窗口26中显示三维数字模型的轴向横截面的图像，在第三窗口27中显示三维数字模型的矢状横截面的图像，以及在第四窗口28中显示所述三维数字模型的冠状横截面的图像。因此，用户可以在观看由软件显示的不同横截面的同时在三维数字模型中进行“导航”。然后，他必须选择其中可见最大数量的基准标记9的横截面，并且优选地选择重新校准装置1的所有基准标记9。

图14中所示的手动识别技术包括借助于光标手动地选择每个基准标记9的中心。基准标记9可以通过其具有一定强度的重影图像在三维数字模型中进行识别。一旦在三维模型的图像中识别出基准标记9，手术实施者就借助于光标对它进行选择，这生成关于图像的所需部分的缩放。然后，手术实施者可以利用光标指向所述基准标记9的中心。然后，软件记录由用户在三维数值模型的参考系中选择的每个基准标记9的中心的位置的坐标。

为了帮助手术实施者尽可能良好地选择每个基准标记9的中心，以可视的方式选择该中心，一旦由手术实施者手动地选择该基准标记9，软件选项就允许通过特定算法来通过计算基准标记9的每个重影图像的加权重心来识别每个基准标记9的中心。

在图13中所示的半自动识别技术的情况下，手术实施者在每个横截面上手动地定义包含尽可能多的可见基准标记9的框。该包围框允许定义包含基准标记9的体积并选择被包含在限定体积中的所有基准标记9。

然后，通过计算基准标记9的明显重影图像的加权重心，特定算法允许在该限定体积中通过使用强度阈值效应在三维数字模型中自动识别基准标记9。

为此，基准标记9的每个重影图像的发光特性被用于将对应于基准标记9的像素与每个医学图像的其余部分的像素区分开。实际上，对于每个医学图像，计算亮度阈值，从而允许区分属于每个基准标记9的像素，并且然后通过这些像素计算加权重心。该亮度阈值对应于该图像的像素数量对应于半径为2mm的盘所包括的像素数量的值。该盘对应于重新校准装置1的基准标记9与穿过其中心的平面的交点。

在自动识别技术的情况下，特定算法允许通过浏览三维数字模型的整个体积来自动识别存在于三维数字模型中的基准标记9，基准标记的每个重影图像被借助于表示医学图片中的基准标记9的强度的亮度阈值识别出。

为了确保重新校准装置1的特定检测，必须检测到最少数量的基准标记9。数量不足的基准标记9(例如小于8个)将意味着用于检测其取向的若干解决方案并且将会导致重新校准的准确性不足。

这种极端情况可以在上述每种识别技术的构架内发生。然后，该软件通知用户下列事实：没有足够的识别出的基准标记9以便以某种方式定位该重新校准装置1，这可能产生检测错误，这些检测误差进而产生不准确的重新校准，这不可避免地导致不准确的后续行动和手术指导。

当在三维数字模型内识别出足够数量的基准标记9时，知道重新校准装置1的导航标记10与基准标记9之间的几何关系的软件能够在导航系统23的参考系、机器人臂22的参考系和患者的参考系中精确地定位所关注的解剖区域2。

因此，外科医生能够在规划手术的步骤期间规划该外科手术。后者使用重新校准的三维数字模型。外科医生可以选择工具或植入物(例如，椎弓根螺钉，其直径和长度可由外科医生参数化)的类型，并且然后参数化最合适的路径以定位工具或植入物。为此，外科医生可以在重新校准的三维模型中选择目标点和入口点。然后可以通过叠加，在重新校准的三维模型的图像上可视化工具和/或植入物的图像，以实时模拟该手术。

如图15中所示，手术方案然后包括准备用于外科手术的机器人臂22的步骤。在该步骤中，外科医生将器械保持器29放置于机器人臂22的自由端30处。然后，设置有该器械保持器的机器人臂22在于规划步骤中先前定义的轨迹上受到引导。

然后，该手术方案包括穿刺步骤，其中，外科医生将刚性套管31插入到器械保持器29中，直到到达脊椎的待刺穿的骨为止。将钻孔件32插入到套管31中并与待钻孔以便在椎弓根中形成孔的区域相接触。钻孔件32被移除并由比刚性套管31更细的第二套管所代替，这允许引导引导销到脊椎体中的插入。

应当注意的是，在整个手术过程中，导航系统23实时监控患者的运动、即与他的呼吸有关的运动。可以考虑患者的这些运动，以限制由外科医生根据患者的运动所施加的努力。

Claims (16)

1.一种重新校准装置(1)，所述重新校准装置在机器人辅助手术期间采集患者的解剖区域(2)的图像的过程中加以使用，所述重新校准装置包括由射线可透过的材料制成的三维主体(3)，所述主体(3)具有上表面(6)和相对表面，所述相对表面形成待被手动地放置在所述患者的所述解剖区域(2)的表面(20)上的支承表面(7)，所述主体(3)包括由不透射线的材料制成的基准标记(9)，其中，所述基准标记(9)被呈至少一种特定的几何图案布置在所述上表面(6)和所述支承表面(7)之间，从而允许确实检测所述重新校准装置(1)在三维数字模型中的位置和取向，所述三维数字模型通过源自采集所述解剖区域(2)而产生的所述图像构建而成。

2.根据权利要求1所述的重新校准装置(1)，其中，具有同一个几何图案的所述基准标记(9)被以共面的方式布置。

3.根据权利要求1和2所述的重新校准装置(1)，其中，处于同一个几何图案内的所述基准标记(9)被不对称地组织。

4.根据权利要求1所述的重新校准装置(CI)，其中，所述重新校准装置包括被根据多个平行平面组织的多个不同的特定几何图案。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的重新校准装置(1)，其中，所述基准标记(9)具有球形形状。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的重新校准装置(1)，其中，所述重新校准装置包括至少一个导航目标(12)，所述导航目标设置有至少三个导航标记(10)，所述导航标记与所述基准标记(9)的几何关系是预定的。

7.根据权利要求6所述的重新校准装置(1)，其中，所述导航标记(10)是被动型的。

8.根据权利要求6所述的重新校准装置(1)，其中，所述导航标记(10)是主动型的。

9.根据权利要求7和8所述的重新校准装置(1)，其中，所述导航标记(10)是光学导航标记。

10.根据权利要求7和8所述的重新校准装置(1)，其中，所述导航标记(10)是电磁导航标记。

11.根据权利要求6至10中的任一项所述的重新校准装置(1)，其中，所述导航标记(10)被放置在包括能够移除的紧固装置(15)的支撑件(11)上。

12.根据权利要求11所述的重新校准装置(1)，其中，所述支撑件(11)是能够采用多个位置的伸缩臂，每个位置中的所述导航标记(10)与所述基准标记(9)之间的几何关系是预定的。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的重新校准装置(1)，其中，所述重新校准装置(1)设置有相对于所述患者的身体的稳定系统(17)。

14.根据权利要求13所述的重新校准装置(1)，其中，所述稳定系统由可延展的材料制成，所述可延展的材料能够适应于所述解剖区域(2)的所述表面(20)并且能够在图像采集期间将所述重新校准装置(1)保持就位。

15.一种图像引导的机器人辅助手术系统(21)，其实现根据权利要求1至14中的任一项所述的重新校准装置(1)，其中，所述手术系统包括手术辅助机器人臂(22)和导航系统(23)。

16.一种用于在根据权利要求15所述的手术系统(21)中使用根据权利要求1至14中的任一项所述的重新校准装置(1)来采集和检测患者的解剖区域以准备外科手术的方法，其中，所述方法包括：

·准备采集所述患者的所述解剖区域的图像的步骤，所述步骤包括安置患者、导航系统(23)、医学成像系统和手术辅助机器人臂(22)，

·将所述重新校准装置(1)手动地放置在所述患者的解剖区域(2)的表面(20)上以及医学成像系统(24)的视野(19)中的步骤，

·通过所述导航系统(23)采集所述重新校准装置(1)的位置的步骤，

·通过所述导航系统(23)采集目标(14)的位置以便对所述患者的所述解剖区域(2)进行手术监控的步骤，

·使护理人员处于安全状态的步骤，

·采集所述患者的所述解剖区域(2)的图像和被定位在所述患者的所述解剖区域(2)的所述表面(20)上的所述重新校准装置(1)的图像的步骤，

·通过在采集所述患者的所述解剖区域(2)的步骤期间获得的医学图像构建三维数字模型的步骤，

·识别被集成到所述重新校准装置(1)中的不透射线的基准标记(9)的步骤，

·计算所述重新校准的步骤，

·显示重新校准的三维数字模型的步骤，以及

·使用所述重新校准的三维数字模型规划所述手术的步骤。