CN111511281A - 用于外科导航系统的配准面部标志的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传感器阵列，该传感器阵列可用于在ENT规程之前执行患者面部的标志的无接触配准，以便使这些标志与术前图像在三维空间中相关联，这为图像引导外科手术特征结构(诸如导航)所必需的。无接触或轻接触配准可通过避免显著地压靠患者皮肤来提高准确性，而显著地压靠患者皮肤可使皮肤变形并且从而引入错误的配准数据。也可以阵列之外的形式(诸如具有单个传感器而非阵列的手持式探针)来实施传感器。
Description
背景技术
在一些情况下，可期望扩张患者体内的解剖通道。这可包括鼻旁窦口扩张(例如，以治疗鼻窦炎)、喉扩张、欧氏管扩张、耳、鼻或喉内其它通道的扩张等。扩张解剖通道的一种方法包括使用导丝和导管将可充胀球囊定位在解剖通道内，然后用流体(例如，盐水)使球囊充胀以扩张解剖通道。例如，可膨胀球囊可定位在鼻旁窦处的口内，并且然后充胀，以由此通过重塑与该口相邻的骨来扩张口，而不需要切开粘膜或移除任何骨。然后扩张的口可允许改善从受影响的鼻旁窦的引流和通风。可用于执行此类过程的系统可根据2011年1月6日公布的名称为“Systems and Methods for Transnasal Dilation of Passagewaysin the Ear,Nose or Throat”的美国公布2011/0004057的教导内容来提供，该公布的公开内容以引用方式并入本文。此类系统的示例是加利福尼亚州欧文市(Irvine,California)的Acclarent公司提供的
Spin Balloon SinuplastyTM系统。
图像引导外科手术(IGS)为一种这样的技术：其中使用计算机来获得已经插入患者体内的器械的位置与手术前获得的图像集合(例如，CT或MRI扫描、3-D标测图等)的实时相关性，使得计算机系统可在手术前获得的图像上叠加器械的当前位置。在一些IGS规程中，在外科手术之前获得手术区的数字断层扫描(例如，CT或MRI、3-D标测图等)。然后使用专门编程的计算机将数字断层扫描数据转化成数字地图。在外科手术过程中，具有安装在其上的传感器(例如，发出电磁场和/或响应于外部产生电磁场的电磁线圈)的特殊器械用于执行手术，同时传感器向计算机发送数据从而指示每个外科器械的当前位置。该计算机将从安装在器械上的传感器接收的数据与由手术前断层扫描生成的数字地图相关联。断层扫描图像连同指示器(例如，十字准线或照亮点等)一起示于视频监视器上，从而示出每个外科器械相对于扫描图像中所示解剖结构的实时位置。这样，即使外科医生不能直接在体内的器械当前位置处目视查看其本身，外科医生也能够通过查看视频监视器而了解每个配备传感器的器械的确切位置。
可用于ENT和鼻窦手术中的电磁IGS系统的示例为由加利福尼亚州欧文市(Irvine,California)的Biosense-Webster,Inc.提供的
3系统。当施用到功能性鼻窦内窥镜手术(FESS)、鼻窦球囊扩张术和/或其它ENT规程时，相比于只通过内窥镜观察所能实现的，IGS系统的使用使外科医生能够更精确移动和定位外科器械。因此，IGS系统在执行FESS、鼻窦球囊扩张术和/或其它ENT规程的过程中，在不存在或很难从内窥镜目视查看解剖标志的情况下可能特别有用。
可由IGS系统执行的一个功能是获得参考点，该参考点可用于在规程期间使各种术前获得的图像与患者的实际位置相关联。该动作可被称为患者配准。患者配准通常通过利用位置跟踪器械(例如，其末端位置可在三维空间中被检测到的导丝)来执行，以描记将受规程影响的患者的区域。例如，就鼻窦球囊扩张术或其它ENT规程而言，位置跟踪导丝或其它工具可用于描记或接触患者面部上的一个或多个位置。在每个接触点处，位置跟踪系统将在三维空间中配准该点，并且利用多个已配准的点来确定受影响区域在三维空间中的位置。一旦完全标测或配准受影响区域，就可使其与术前图像相关联，以便在规程的执行期间在不同类型的术前图像上提供无缝IGS体验。以这种方式执行患者配准既耗时又容易出错，这归因于一些规程所需的接触点的数量以及将柔性导丝末端压靠在患者面部的非刚性表面上的相对不准确性。
期望提供进一步有利于在ENT规程和其他医疗规程中使用IGS导航系统和相关联的部件的特征。尽管已研制出若干系统和方法并用于IGS和ENT手术，但是据信，在本发明人之前尚未有人研制出或使用所附权利要求书中所描述的发明。
附图说明
以下附图和具体实施方式旨在仅为示例性的，而不旨在限制本发明人所设想的本发明的范围。
图1示出了在坐在示例性医疗规程椅中的患者上使用的示例性鼻窦手术导航系统的示意图；
图2为具有位置感测末端的示例性配准探针的前透视图；
图3为使用图2的配准探针的配准规程期间的患者的前正视图；
图4为示例性传感器阵列的前正视图；
图5为图4的传感器阵列的前透视图；
图6为传感器阵列的检测区的激活和可视化期间的图4的传感器阵列的前透视图；
图7为使用图4的传感器阵列的配准规程期间的患者的前正视图；
图8示出了使用图4的传感器阵列的外科规程区域的前透视图；
图9示出了示例性图像引导外科手术系统的系统图；
图10示出了可利用图像引导外科系统来执行以配准患者的示例性高级步骤集合；
图11示出了可利用图像引导外科系统来执行以生成和处理来自图4的传感器阵列的数据的示例性步骤集合；
图12为可用于配准患者的示例性无接触传感器探针的示意图；并且
图13为示例性无接触传感器探针的末端的示意图。
具体实施方式
本发明人已设想了为了举例说明目的而在图像引导外科手术的上下文中应用的本文所公开的新型技术。虽然本发明人的技术所公开的应用满足了图像引导外科手术领域中的长期但尚未满足的需要，但应当理解，本发明人的技术并不限于以本文所述的精确方式来实施，而是可以其它方式来实施，而不需要本领域的普通技术人员根据本公开进行过多的实验。因此，本文所阐述的示例应当理解为仅为示例性的，并且不应被视为限制性的。
还应当理解，本文所述的教导内容、表达、型式、示例等中的任何一者或多者可与本文所述的其它教导内容、表达、型式、示例等中的任何一者或多者相结合。因此下述教导内容、表达、型式、示例等不应被视为彼此分离。参考本文的教导内容，本文的教导内容可进行组合的各种合适方式对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。此类修改和变型旨在包括在权利要求书的范围内。
I.示例性图像引导外科手术导航系统
图1示出了能够利用图像引导执行ENT规程的示例性IGS导航系统(100)。在一些情况下，在其中扩张器械组件(10)用于扩张鼻旁窦口或用于扩张一些其它解剖通道(例如，在耳、鼻或喉内等)的规程期间使用IGS导航系统(100)。除了具有本文所述的部件和可操作性之外或代替本文所述的部件和可操作性，IGS导航系统(100)可根据以下专利的教导内容中的至少一些教导内容来构造和操作：2014年4月22日公布的名称为“Guidewires forPerforming Image Guided Procedures”的美国专利8,702,626，其公开内容以引用方式并入本文；2012年11月27日公布的名称为“Anatomical Modeling from a 3-D Image and aSurface Mapping”的美国专利8,320,711，其公开内容以引用方式并入本文；2010年5月18日公布的标题为“Methods and Devices for Performing Procedures within the Ear,Nose,Throat and Paranasal Sinuses”的美国专利7,720,521，其公开内容以引用方式并入本文；2014年12月11日公布的名称为“Systems and Methods for Performing ImageGuided Procedures within the Ear,Nose,Throat and Paranasal Sinuses”的美国专利公布2014/0364725，其公开内容以引用方式并入本文；2016年10月27日公布的标题为“System and Method to Map Structures of Nasal Cavity”的美国公布2016/0310042；以及2011年3月10日公布的名称为“Systems and Methods for Performing Image GuidedProcedures within the Ear,Nose,Throat and Paranasal Sinuses”的美国专利公布2011/0060214，其公开内容以引用方式并入本文。
本示例的IGS导航系统(100)包括场发生器组件(101)，该场发生器组件包括集成到马蹄形框架(104)内的磁场发生器(106)集合。场发生器(106)可操作以在患者头部周围产生不同频率的交变磁场。场发生器(106)由此能够跟踪插入患者头部中的导航导丝(130)的位置。参考本文的教导内容，可用于形成并驱动场发生器(106)的各种合适的部件对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。
在本示例中，将框架(104)安装到座椅(118)，其中患者(P)坐在座椅(118)中，使得框架(104)位于患者(P)的头部(H)附近。仅以举例的方式，座椅(118)和/或场发生器组件(101)可根据2017年9月8日提交的名称为“Apparatus to Secure Field GeneratingDevice to Chair”的美国专利申请62/555,824的教导内容中的至少一些教导内容来构造和操作，其公开内容以引用方式并入本文。
本示例的IGS导航系统(100)还包括处理器(110)，该处理器控制场发生器(106)和IGS导航系统(100)的其它元件。例如，处理器(110)可操作以驱动场发生器(106)产生电磁场；并且处理来自导航导丝(130)的信号，以确定传感器在患者(P)的头部(H)内的导航导丝(130)中的位置。处理器(110)包括与一个或多个存储器通信的处理单元。本示例的处理器(110)安装在控制台(116)中，该控制台包括操作控件(112)，该操作控件包括键盘和/或指向装置诸如鼠标或轨迹球。在执行外科规程时，医师使用操作控件(112)与处理器(110)进行交互。
联接单元(132)被固定到导航导丝(130)的近侧端部。该示例的联接单元(132)被配置成在控制台(116)和导航导丝(130)之间提供数据和其它信号的无线通信。尽管本示例的联接单元(132)与控制台(116)无线地联接，但一些其它型式可提供联接单元(132)与控制台(116)之间的有线联接。参考本文的教导内容，可结合到联接单元(132)中的各种其它合适的特征和功能对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。
导航导丝(130)可用作上述扩张器械(20)中的导丝(30)的替代物。导航导丝(130)包括响应于在场发生器(106)所产生的场内的移动的传感器(未示出)。在本示例中，导航导丝(130)的传感器包括位于导航导丝(130)的远侧端部处的至少一个线圈。当此类线圈被定位在由场发生器(106)产生的电磁场内时，线圈在该磁场内的移动可在线圈中产生电流，并且该电流可在导航导丝(130)中沿着电导体传输并经由联接单元(132)进一步地传输到处理器(110)。该现象可以使IGS导航系统(100)能够确定导航导丝(130)的远端在三维空间内(即，在患者(P)的头部(H)内)的位置。为了实现这一点，处理器(110)执行算法以根据导航导丝(130)中线圈的位置相关信号计算导航导丝(130)的远侧端部的位置坐标。
处理器(110)使用存储在处理器(110)的存储器中的软件来校准并操作系统(100)。此类操作包括驱动场发生器(106)、处理来自导航导丝(130)的数据、处理来自操作控件(112)的数据、以及驱动显示屏(114)。处理器(110)还可操作以经由显示屏(114)实时提供视频，该显示屏示出导航导丝(130)的远侧端部相对于患者头部(H)的摄像机图像的位置、患者头部(H)的CT扫描图像、和/或患者鼻腔内及患者鼻腔附近解剖结构的计算机生成的三维模型。显示屏(114)可在外科规程期间同时地和/或彼此叠加地显示此类图像。此类显示图像还可包括插入患者头部(H)中的器械(诸如导航导丝(130))的图形表示，使得操作者可实时查看器械在其实际位置的虚拟绘制。仅以举例的方式，显示屏(114)可根据2016年1月14日公布的名称为“Guidewire Navigation for Sinuplasty”的美国公布2016/0008083的教导内容中的至少一些教导内容来提供图像，该公布的公开内容以引用方式并入本文。在操作者还使用内窥镜的情况下，也可在显示屏(114)上提供内窥镜图像。
通过显示屏(114)提供的图像可帮助引导操作者在患者的头部内调转并以其它方式操纵器械。当用作扩张器械组件(10)中的导丝(30)的替代物时，导航导丝130可在执行扩张鼻旁窦口或扩张某一其它解剖通道(例如，在耳、鼻或喉内等)的规程期间有利于扩张器械组件(10)在患者体内的器械导航。还应当理解，扩张器械组件(10)的其它部件可结合传感器，如导航导丝(130)的传感器，包括但不限于扩张导管(40)。
II.用于配准和校准图像引导外科手术系统的示例性接触器械
如上所述，通过利用位置跟踪导丝末端接触患者面部上的各个点，多种导丝可用于执行IGS导航系统(100)中的配准和校准。此类导丝在其本质上可为相当脆弱或柔性的。这种柔性可使得操作者难以单独抓握导丝并且操纵导丝的远侧末端以接触患者头部上的配准点。例如，导丝的远侧末端可往往会响应于与患者头部的接合而挠曲，这可损害配准的准确性。因此，可期望在IGS导航系统(100)中的配准和校准过程期间至少暂时地为导丝提供刚性。此类增加的刚性可使得操作者更易于处理导丝，可防止导丝的远侧末端响应于与患者头部的接合而挠曲，并且可最终提供较准确的配准。
图2示出了示例性的基于接触的配准和校准器械(134)，其可用于暂时地为原本脆弱的导丝提供刚性，以便配准和校准IGS导航系统，诸如上述IGS导航系统(100)。本示例的校准器械(134)包括具有远侧端部(136)和近侧端部(137)的刚性细长主体(138)。在一些型式中，细长主体(138)由透明聚碳酸酯材料形成。远侧端部(136)包括通向减小直径部分的渐缩部，该减小直径部分最终终止于倒圆远侧末端(135)。
导丝(140)可被插入到刚性细长主体(138)中，使得导丝(140)的端部压贴倒圆远侧末端(135)的内部。由于导丝(140)的端部在位置上被跟踪，因此倒圆远侧末端(135)可用于接触患者面部上的配准点，这将使位置跟踪末端被布置成紧邻配准点，且这两者仅间隔开刚性细长主体(138)的壁的已知宽度。在该构型中，器械(134)可用于通过以下方式执行与IGS导航系统(100)相关联的配准和校准过程：使倒圆远侧末端(135)接触每个配准点，同时向系统提供另一输入诸如与脚踏板或按钮进行交互、说出语音命令或另一类似输入，以使得配准接触被记录。在一些型式中，校准器械(134)包括接触传感器(未示出)，该接触传感器感测远侧末端(135)何时接触患者的面部。在一些此类型式中，操作者必须抵靠患者的面部利用足够的力按压远侧末端(135)，以克服接触传感器的阈值，由此配准远侧末端(135)与患者面部之间的接触。
还应当理解，尽管远侧末端(135)将接触患者头部或面部上的配准点，而非导丝(140)的位置跟踪末端接触这些配准点，但鉴于刚性细长主体(138)的壁的宽度为固定且已知的事实，系统可易于在配准和校准算法中作出必要的调整。
图2的校准器械(134)或探针可在配准过程期间为柔性导丝(140)提供刚性，这可解决一个不准确源(例如，位置跟踪导丝在接触期间的挠曲)。然而，其未解决其它不准确源，例如，当远侧末端(135)在配准过程期间压靠患者头部或面部上的肉时因肉的弹性或柔性而引入的不准确源。患者面部上的各个点可在校准器械(134)的力的作用下压下若干毫米，这可在ENT或其它外科规程的环境中提供显著的不准确性。
图3示出了患者的前正视图，该视图示出了使用校准器械(134)的患者配准规程。图3的视图可在规程期间被绘制在IGS系统(100)的显示器上，并且可示出必须使用校准器械(134)进行校准或配准的一个或多个配准点(142)。配准点可例如在它们利用校准器械(134)的接触进行配准之前以一种颜色示出，并且可在校准器械(134)的接触之后改变为不同颜色或以其它方式指示校准。在一些型式中，利用一个或多个激光器将配准点(142)投影在患者的面部上，使得操作者必须在由激光器照射的每个点处使患者的面部与远侧末端(135)接合。
除了上述内容以外，校准器械(134)可根据2017年5月4日公布的名称为“Systemand Method for Navigation of Surgical Instruments”的美国公布2017/0119473的教导内容中的至少一些教导内容来构造和操作，该公布的公开内容以引用方式并入本文。
如从图3的示例可以看出，这种配准可需要校准器械(134)在患者面部的不同点处的五次接触才能完成。在实际应用中，配准点的数量可为数十个或甚至数百个。在这种情况下，显而易见的是，识别、定位和接触每个所需点可为非常耗时的过程。
III.用于配准和校准图像引导外科系统的示例性传感器阵列
图4-6示出了可用于代替或辅助基于接触的校准器械(134)来执行患者配准的示例性传感器阵列(200)。示例性传感器阵列(200)包括壳体(202)、多个传感器(204)和位置传感器(206)。该多个传感器(204)可包括例如光学传感器、超声波传感器或其它接近度传感器的集合，该传感器发射探针信号(例如，投射光、超声波、电磁波等)并且随后接收对应的响应信号(例如，反射光、反射声音、反射电磁波等)。然后可使用探针信号发射与响应接收之间的时间段、或者响应信号的强度或其它特征来确定传感器的信号发射器与探针信号所入射到的目标之间的距离。根据本文的教导内容，传感器(204)可采取的其它合适形式对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。
位置传感器(206)可包括可用于确定传感器阵列(200)在三维空间内的位置和取向的加速度计、磁传感器或无线信标传感器中的一者或多者。基于加速度计的传感器可能够确定传感器阵列(200)从中性点的移动和旋转，这可用于确定其在任何时间的实时位置。磁传感器或其它无线传感器可以类似于关于导航导丝所述的方式操作，并且可需要位于传感器阵列(200)中的跟踪元件或接收元件，以及位于规程区域中的其它位置并且被配置成识别跟踪元件在任何时间的位置的跟踪装置或发射装置。参考本文的教导内容，可用于形成位置传感器(206)的其它合适部件对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。
如上所述，患者配准可用于识别患者面部或其它外科部位的标志在三维空间内的位置，使得术前获得的图像集合可利用现实规程设置进行校准或以其它方式进行同步。为了实现这一点，必须知道传感器阵列(200)在三维空间内的位置，并且必须知道传感器阵列(200)与患者面部或其它外科部位之间的距离。然后可使用这些变量来确定患者面部或其它外科部位上的标志或其它位置在三维空间内的位置。例如，就激光传感器而言，激光束可由源传感器(204)产生，并且激光束可横跨x毫米的距离入射到目标。激光束的一部分将从目标反射，其中此类反射或散射光被源传感器(204)检测到。然后可利用激光投射与反射检测之间的时间段来确定源传感器(204)与目标间隔的x毫米距离。如果源传感器(204)沿z轴的位置由位置传感器(206)确定为“Z”，则目标沿z轴的位置可被确定为(Z+/-x毫米)。
如在图5中可见，该多个传感器(204)被定位在沿壳体(202)的z轴(220)的同一点处。尽管该构型可为足够的，但还应当理解，传感器(204)可被放置在沿z轴(220)的不同点处(例如，以允许不同形状的壳体(202))，因为传感器(204)的初始位置可被补偿，前提条件是其相对于位置传感器(206)保持基本上静止。为了有助于这一点，壳体(202)可由任何基本上刚性的材料(诸如塑料或金属)制成，使得其上放置有多个传感器(204)的壳体(202)的正面将不会在其自身重量下或在使用期间挠曲。此类挠曲将导致由位置传感器(206)报告的传感器(204)沿z轴(220)的初始位置发生变化，这可扭曲目标在三维空间内的位置的确定。
除了能够提供传感器阵列(200)在三维空间内的位置之外，位置传感器(206)还可确定其在三维空间内的取向。这在传感器阵列(200)不能被取向成使其正面完全平行于目标表面的情况下可为有用的。这可因规程区域内的空间限制以允许临床医生进入传感器阵列(200)周围的区域的空间、人为误差或其它原因而产生。鉴于壳体(202)沿z轴的挠曲的相同原因，相对于目标的非平行取向如果不被考虑的话则可引入不准确性。例如，参见图5，并且假定目标完全平行于如图5所取向的传感器阵列(200)，如果传感器阵列(200)将围绕x轴(222)甚至稍微地旋转，则传感器阵列(200)的上部传感器(226)相比于同一列中的下部传感器(228)可偏移到更靠近目标若干毫米。如果该取向未知或未被考虑，则由上部传感器(226)检测到的外科部位的点的位置可在三维空间内被不准确地配准和校准。
位置传感器(206)的取向确定能力可检测到传感器阵列(200)并非完全平行于目标，并且提示操作者传感器阵列(200)需要被重新取向。另选地，传感器阵列(200)(和/或一些其它系统部件)可调整由多个传感器(204)中的每个单独传感器(204)提供的数据以考虑非平行取向。这可包括例如确定因其取向而使上部传感器(226)相比于下部传感器(228)更靠近目标x毫米，并且在校准和配准期间相应地调整计算。
图8示出了示例性场景，其中传感器阵列(200)未被定位和取向成使其基本上平行于目标。可以看出，传感器阵列(200)从臂(216)悬挂并且位于目标区域(211)上方，但未取向在臂(216)上以使其基本上平行于目标区域(211)，如通过平行于传感器阵列(200)和目标区域(211)绘制的相交线(218,220)可以看出。在一些具体实施中，臂(216)可提供宽范围的手动或自动运动，以支持所附接的传感器阵列(200)相对于目标区域(211)的宽范围的位置和取向。一些具体实施还可包括取向指示器，该取向指示器可包括例如发光指示器、听觉指示器或触觉指示器，该指示器被配置成当传感器阵列基本上平行于目标区域(211)时通知用户，这可有助于传感器阵列(200)的手动定位和取向。在包括具有自动化特征结构的臂(216)的具体实施中，臂(216)可在传感器阵列(200)被用户激活或手动移动时自动调整其相对于目标区域(211)的位置和取向，以便保持基本平行取向。
图6示出了激活期间的传感器阵列(200)，其具有位于多个传感器(204)的感测或检测范围内的区域(208)的模拟可视化。图7示出了可由示例性传感器阵列(200)同时检测和配准的患者面部上的多个配准点的模拟可视化。可以看出，多个配准点(210)可由传感器阵列(200)的大检测区域(208)同时配准。由于患者头部的尺寸与传感器阵列(200)之间的差异，由一些传感器发射的探针信号可完全错过患者头部(212)。在此类情况下，响应信号可不被源传感器接收(例如，其中距意外目标的距离过大，或者其中患者的头部躺在不产生响应信号的表面上)，或者响应信号可被接收并且距目标的计算距离确定超出患者面部的点已被测量。在此类情况下，由传感器产生的未入射到患者面部的数据可被过滤或以其它方式丢弃以用于配准目的，同时有效配准点(210)可被配准以便在三维空间中定位患者的面部标志。
相比于接触校准仪器(134)，示例性传感器阵列(200)的使用可提供若干优点。如在图6-7中可见，传感器阵列(200)可同时配准多个点(210)，并且可通过改变传感器阵列(200)的尺寸和/或多个传感器(204)的数量和布置来缩放到任何期望的数量或受影响区域。相比于接触校准器械(134)提供的潜在耗时的点对点配准，传感器阵列(200)可通过以下方式完成配准：将其简单地定位和取向成基本上平行于目标(例如，通过移动臂、万向支架、或其它设备诸如图8所示的用于将传感器阵列(200)悬挂在患者上方的臂(216))，并且激活传感器阵列(200)以捕获传感器与目标之间的距离，该距离随后可用于计算目标在三维空间中的位置。缩短配准所需的时间可改善规程期间的患者体验，并且更有效地利用手术室、设备和人员。另外，如已经讨论的，使用无接触配准系统诸如示例性传感器阵列(200)可导致目标在三维空间内的更准确定位，因为这降低或消除了接触校准器械(134)的柔性或患者皮肤的变形以将不准确的配准数据引入到过程内的可能性。
IV.利用传感器阵列来配准和校准图像引导外科系统的示例性方法
图10-11示出了可由诸如图9所示的系统执行的图像引导外科系统的无接触面部配准的方法。图9的示例性系统包括图像引导外科手术或IGS系统(300)、图像服务器(302)、规程区域定位系统(306)和配准传感器(304)。应当理解，示例性系统的部件及其所述的功能仅为示例，并且可以多种方式实现。例如，在一些具体实施中，一些特征结构可由IGS系统(300)、配准传感器(304)或这两者来执行。类似地，一些部件可被组合或分成另外的部件。例如，由IGS系统(300)执行的功能可通过若干部件(例如，IGS系统(300)、云计算系统、手持式IGS装置或其它部件)来执行，或者IGS系统(300)和图像服务器(302)的功能可被组合并且由单个部件或装置来执行。参考本公开，此类变型对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。
IGS系统(300)可包括计算机，该计算机具有部件诸如处理器和存储器、存储装置、显示器以及各种用户和通信接口。IGS系统(300)可被配置成从区域定位系统(306)、配准传感器(304)、图像服务器(302)和/或其它数据源中的一者或多者接收信息。由IGS系统接收的信息可用于准备和显示或以其它方式提供信息，诸如图像、声音、视频和软件工具，以有助于外科规程的执行。所接收的信息可包括例如来自图像服务器(302)或另一系统的术前图像、视频和数据，来自配准传感器(304)的面部标志配准、来自区域定位系统(306)的规程区域内的工具和其它对象的规程区域定位和取向数据、以及其它类似数据。使用该数据，IGS系统(300)可例如跟踪三维空间内的多个位置跟踪装置，并且标测该三维空间内的被配准患者，使得术前图像可与规程期间所产生的图像准确地相关联。
图像服务器(302)可为一个或多个远程或本地定位的服务器，该服务器可存储规程前信息、规程信息和规程后信息，这可包括术前图像，器械、装置和其它被跟踪对象在规程期间的位置和取向，以及可有助于评估规程性能的规程后分析或其它度量。
配准传感器(304)可包括例如传感器阵列(200)或另一配准器械诸如图12的示例性传感器探针(500)。配准传感器(304)被配置成提供在三维空间内定位目标区域(211)(例如，患者的面部标志)所需的一些或全部信息，如相对于传感器阵列(200)所述。这可包括例如确定源传感器(204)与目标之间的距离。区域定位系统(306)(其可为例如如相对于位置传感器(206)所述的三轴传感器)可提供在三维空间内定位目标区域(211)所需的任何另外的信息，这可包括例如确定源传感器(204)的位置。图9的系统的部件可与IGS系统(300)通信，并且在一些具体实施中，经由各种形式的有线和无线通信而彼此通信。
图11示出了可利用图9的系统执行以便利用配准传感器(304)在三维空间中配准患者的高级步骤集合，这将允许IGS导航特征结构被提供在IGS系统(300)处。示例性步骤包括接收术前图像(框400)、接收患者配准(框402)、利用患者配准关联术前图像(框404)以及提供IGS导航(框406)。接收术前图像可包括例如从图像服务器(302)、本地存储装置或另一类似装置请求和/或接收一个或多个数据集合。所接收的信息可随后被本地存储到IGS系统(300)并保持易得，使得其可在IGS导航期间被快速访问。
执行患者配准(框402)可包括激活配准传感器(304)，以便以一个或多个配准点的形式产生指示配准传感器(304)与目标区域(211)之间的距离的数据集合，该一个或多个配准点可用于定位患者面部的标志或其它物理特征结构或其它目标区域(211)特征结构；并且还可包括利用区域定位系统(306)来确定配准传感器(304)的位置，使得患者的面部可被定位在相对于区域定位系统(306)的三维空间内。利用配准数据关联术前图像可包括选择术前图像中的一个或多个术前图像并且相对于目标区域(211)在三维空间内标测这些图像。然后可通过利用术前图像相对于目标区域(211)的准确三维标测来执行提供IGS导航(框406)。这允许IGS系统(300)在使用IGS导航的规程期间在术前图像的环境中准确地显示当前跟踪对象(例如，导丝或其它位置跟踪器械)的位置。
图11示出了可在利用配准传感器(304)执行患者配准(框402)时执行的示例性步骤集合。这些步骤可由IGS系统(300)、配准传感器(304)和/或具有适当处理、记忆和存储能力的另一装置来执行，并且在一些实施方式中可以不同顺序或并行地执行，除非特定步骤具有需要仅在先前步骤完成时才可用的数据作为输入的性质。IGS系统(300)可基于与配准传感器(304)和目标区域(211)相关联的取向数据来确定取向偏移(框408)，以便确定它们是否基本上平行。这可包括使用由定位传感器(306)提供的数据来确定配准传感器(304)的当前取向，使用由患者佩戴或者附接到患者或患者手术台或患者座椅的设备部件中的定位传感器来确定目标区域(211)的当前取向，或者使用可已在先前时间自动或手动确定的配准传感器(304)和/或目标区域(211)(例如，通过将患者座椅静态地定位成已知取向)并配置在IGS系统(300)内的已配置静态取向值。
一旦取向偏移已被确定(框408)，如果配准传感器(304)和目标区域(211)并非基本上平行的，则IGS系统(300)可调整一个或多个变量以考虑该偏移(框410)。这可包括例如增大或减小源传感器与目标之间的测量距离以考虑非平行取向，如前所述。IGS系统(300)还可确定配准传感器(304)的源位置(框412)。如同确定取向一样，这可包括使用来自位置传感器(206,506)或其它区域定位系统(306)的信息，或者使用预先确定的静态值(其中配准传感器(304)可静态地固定在适当位置)来确定当前位置。
IGS系统(300)还可通过激活配准传感器(304)的一个或多个传感器来发送探针信号(框414)，并且接收从目标区域(211)反射、发出回波或以其它方式返回并且由光眼、麦克风或其它接收器捕获的响应信号(框416)。在接收到响应信号(框416)之后，IGS系统(300)可确定信号行进时间和距离(框418)。当确定信号行进距离(框418)时，IGS系统可考虑可先前已确定的特定传感器的任何取向偏移(框410)。在信号行进距离(框418)和信号源位置(框412)已被确定并且可用于IGS系统(300)之后，系统可确定(框420)并且存储目标区域(211)位置。一旦已知目标位置(框420)，IGS系统就可使用该位置将术前图像与目标区域(211)相关联(框404)并且提供IGS导航(框406)。
V.用于配准和校准图像引导外科系统的示例性另选传感器探针
图12-13示出了示例性另选传感器探针，该传感器探针可用于以类似于先前讨论的接触探针诸如校准器械(134)的方式来一次一个点地配准患者。图12所示的探针(500)包括探针发射器(502)、探针接收器(504)、位置传感器(506)和接近度触发器(508)。尽管探针发射器(502)和探针接收器(504)被示出为单独部件，但在一些变型中，探针发射器(502)和探针接收器(504)实际上可被集成到单个部件中。探针(500)可以多种形式来实施，例如，类似于校准器械(134)的细长主体(138)的外壳，并且可包含或附接到图12的一个或多个部件。外壳或主体(诸如校准器械(134)的外壳或主体)可为探针(500)的理想形式，因为触笔状形状对于用户而言可为舒适和熟悉的(例如，利用握笔器抓握探针(500))。
当配准目标区域(211)上的点时，探针(500)以类似于传感器阵列(200)的方式来操作。探针发射器(502)和探针接收器(504)可朝向探针的末端进行定位(例如，如果探针(500)以类似于图2的形式实施，则位于倒圆远侧末端处)，并且在被激活时，具有类似于如上所述的传感器阵列(200)的传感器(204)的功能。具体地讲，可包括光学发射器、超声波发射器或其它无线发射器的探针发射器(502)将朝目标区域(211)发射探针信号(512)，如图13所示。探测信号将从目标区域(211)反射、发出回波或以其它方式返回，并且作为响应信号(514)被探测接收器(504)接收。IGS系统(300)或另一处理装置可利用探针信号发射与响应信号的接收之间的行进时间来确定探针(500)与目标区域(211)之间的距离。然后可将该距离与由位置传感器(506)供应的探针(500)的位置和取向结合来确定目标区域(211)在三维空间中的已配准的点。位置传感器(506)可包括三轴传感器、基于加速度计的定位传感器、磁定位传感器、或其它定位传感器，这些传感器可充当区域定位系统(306)或结合区域定位系统(306)来起作用以便提供探针(500)的位置和取向。
探针(500)的接近度触发器(508)本身可包括传感器，或者可为探针发射器(502)和探针接收器(504)的特征结构或构型，该特征结构或构型被配置成确定相对于目标区域(211)的实时接近度，并且当其在目标的特定接近度内时，捕获并且配准目标区域(211)的点。这允许探针(500)在靠近目标区域(211)定位时自动地激活并且配准点，从而避免用户利用高于特定阈值的力来点击按钮、脚踏板、或与目标区域(211)接触以便捕获配准点数据。这样，用户可围绕接近度内的目标区域(211)移动探针(500)，使得接近度触发器(508)配准目标区域(211)的点以便完成配准过程。实际上，这将允许探针(500)快速地配准整个目标区域(211)上的多个点，而基本上无需压靠目标区域(211)的任何点或采取其它动作来触发可降低配准的准确性的配准。
在一些变型中，探针(500)包括电容传感器或电阻传感器，该电容传感器或电阻传感器中的任一者可用于有效地形成探针发射器(502)和探针接收器(504)的组合(或用作其替代物)。在此类变型中，电容传感器或电阻传感器可能够检测与患者面部的接触，并且从而以患者面部上相对轻的接触来配准位置。换句话讲，操作者无需利用相当大的力来将探针(500)压靠在患者的面部上，以便通过与患者面部的接触来激活电容传感器或电阻传感器。因此，在探针(500)的正常使用期间，几乎不存在使患者的面部变形到位置数据将不准确的程度的风险。
如上所述，在校准器械(134)的上下文中，探针(500)可与用于将配准点(142)投影在患者面部上的一个或多个激光器一起使用，使得操作者必须利用探针(500)来配准由激光器照射到患者面部上的每个点的位置。尽管探针(500)的使用可慢于传感器阵列(200)，但其也可快于探针诸如校准器械(134)的使用。探针(500)可提供附加有益特征，例如易用性、降低的复杂性(例如，一个传感器而非传感器阵列)、降低的功耗、增加的移动性(例如，手持式而非臂或天花板安装的)、降低的成本、以及其它类似有益效果，这参考本公开对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。
如图可见，配准传感器可以除了传感器阵列(200)或探针(500)之外的多种形式来实施。这可包括例如沿着可穿过目标区域的纵向构件设置的单排传感器、沿着可围绕目标区域旋转的弯曲构件设置的一排或多排传感器、或其它类似构型。
尽管本文所述的可用于传感器阵列(200)和探针(500)的各种类型的传感器(例如，光学传感器、超声波传感器、接近度传感器、电容传感器、电阻传感器等等)在工业/制造环境中为已知的，但应当理解，本发明的上下文为显著不同的。在工业/制造环境中，被跟踪对象可更有可能具有一致的表面几何形状(例如，被感测表面为平坦的)、一致的表面着色、和/或其它一致的特性。然而，在涉及人类受检者的医学规程的本发明的上下文中，传感器可经历被感测表面之间的显著较大的变化范围。此类变化可包括各种表面轮廓、颜色、色斑、和/或人脸特性的其它变化。在一些情况下，可修改传感器和/或传感器的操作方式以适应被感测表面之间的此类变化。例如，光学传感器可被配置成在不同的光频率下(例如，扫过多个频率)操作以更容易地考虑各种患者之间的肤色变化。参考本文的教导内容，可修改传感器和/或传感器的操作方式以考虑人脸特性之间的变化的其它方式对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。
VI.示例性组合
以下实施例涉及本文的教导内容可被组合或应用的各种非穷尽性方式。应当理解，以下实施例并非旨在限制可在本专利申请或本专利申请的后续提交文件中的任何时间提供的任何权利要求的覆盖范围。不旨在进行免责声明。提供以下实施例仅仅是出于例示性目的。预期本文的各种教导内容可按多种其他方式进行布置和应用。还设想到，一些变型可省略在以下实施例中所提及的某些特征。因此，下文提及的方面或特征中的任一者均不应被视为决定性的，除非另外由发明人或关注发明人的继承者在稍后日期明确指明如此。如果本专利申请或与本专利申请相关的后续提交文件中提出的任何权利要求包括下文提及的那些特征之外的附加特征，则这些附加特征不应被假定为因与专利性相关的任何原因而被添加。
实施例1
一种用于目标区域的配准的系统，所述系统包括：(a)传感器阵列主体；(b)多个距离传感器，手术多个距离传感器附接到所述传感器阵列主体，其中所述距离传感器中的每个距离传感器被定位成指向所述目标区域并且可操作以确定所述目标区域的配准点与所述传感器之间的距离；(c)位置传感器，所述位置传感器附接到所述传感器阵列主体并且可操作以提供所述传感器阵列主体的位置和取向；以及(d)至少一个处理器，其中所述至少一个处理器被配置成基于所述距离传感器中的每个距离传感器的所述距离、所述取向和所述位置来确定所述目标区域的多个已配准的点在所述规程空间内的所述三维位置。
实施例2
根据实施例1所述的系统，其中所述距离传感器被布置成选自由矩形、正方形、圆形、三角形和椭圆形构成的组的形状。
实施例3
根据实施例1至2中任一项或多项所述的系统，其中所述传感器阵列主体的面为基本上平坦的，并且其中所述至少一个处理器包含在所述传感器阵列主体内。
实施例4
根据实施例1至3中任一项或多项所述的系统，其中所述距离传感器包括选自由光学传感器、超声波传感器和磁传感器构成的组的类型。
实施例5
根据实施例1至4中任一项或多项所述的系统，其中所述至少一个处理器被配置成针对所述多个距离传感器中的每个传感器通过以下方式确定所述多个已配准的点的所述三维位置：(i)确定由所述传感器发射的探针信号的原始位置，其中所述原始位置基于所述传感器阵列主体的所述位置和所述取向来指示所述传感器在所述规程空间内的位置，以及(ii)基于所述原始位置和所述探针信号在入射到所述目标区域的所述已配准的点之前行进的距离来确定所述传感器的已配准的点。
实施例6
根据实施例5所述的系统，其中所述至少一个处理器还被配置成：确定所述目标区域相对于所述传感器阵列主体的取向；在所述目标区域和所述传感器阵列主体不是基本上平行的情况下，针对所述多个距离传感器中的每个传感器确定偏移值；以及基于所述原始位置、所述探针信号行进的所述距离和所述偏移值来确定所述传感器的所述已配准的点。
实施例7
根据实施例6所述的系统，还包括目标区域取向传感器，所述目标区域取向传感器被配置成向所述至少一个处理器提供所述目标区域的取向。
实施例8
根据实施例1至7中任一项或多项所述的系统，其中所述至少一个处理器中的导航处理器被配置成：使所述多个已配准的点与所述目标区域的术前图像集合相关联；以及基于所述多个已配准的点、所述术前图像集合和由在所述规程期间使用的外科器械的位置传感器提供的器械数据集合的所述关联，提供规程期间的图像引导外科导航界面。
实施例9
根据实施例1至8中任一项或多项所述的系统，其中所述距离传感器被配置成当所述多个已配准的点的所述位置被确定时在距所述目标位置约4英寸和20英寸之间的距离处进行定位和操作。
实施例10
根据实施例1至9中任一项或多项所述的系统，还包括取向指示器，其中所述取向指示器被配置成当所述传感器阵列主体不是基本上平行于所述目标区域时向用户提供指示。
实施例11
根据实施例1至10中任一项或多项所述的系统，还包括自动化臂，其中所述自动化臂可操作以取向所述传感器阵列主体，使得其基本上平行于所述目标区域。
实施例12
根据实施例1至11中任一项或多项所述的系统，其中所述多个距离传感器包括至少30个单独传感器，并且其中所述多个距离传感器被定位在所述传感器阵列主体上，使得所发射的探针信号基本上入射到全部所述目标区域。
实施例13
根据实施例1至12中任一项或多项所述的系统，其中所述至少一个处理器还被配置成对于其探针信号在使用期间落在所述目标区域之外的所述多个距离传感器中的任何传感器，丢弃来自所述传感器的接近度数据。
实施例14
根据实施例1至13中任一项或多项所述的系统，其中所述多个距离传感器被配置成被一次激活，以便采集用于确定所述多个已配准的点的所述三维位置的所述数据。
实施例15
一种配准探针，包括：(a)细长主体，所述细长主体适于由用户握持，所述细长主体包括远侧末端；(b)目标传感器，所述目标传感器位于所述远侧末端处，其中所述目标传感器可操作以检测所述远侧末端前面的患者面部的存在，而无需将所述远侧末端按压到所述患者面部中；(c)位置传感器，所述位置传感器可操作以提供所述无接触配准探针的位置和取向；以及(d)至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成：(i)激活所述目标传感器，(ii)基于来自所述目标传感器的信号将所述目标在规程空间内的所述三维位置确定为已配准的点，以及(iii)在从所述目标传感器接收到所述信号时确定所述配准探针的所述位置和取向。
实施例16
根据实施例15所述的配准探针，还包括接近度触发器，所述接近度触发器被配置成当所述远侧末端位于所述目标的捕获距离内时致使所述目标传感器激活并且确定所述已配准的点。
实施例17
根据实施例15至16中任一项或多项所述的配准探针，其中所述目标传感器包括电容传感器或电阻传感器。
实施例18
根据实施例15至17中任一项或多项所述的配准探针，其中所述目标传感器包括光学传感器。
实施例19
根据实施例15至18中任一项或多项所述的配准探针，其中所述位置传感器包括选自由基于加速度计的传感器；基于磁的传感器；基于无线信标的传感器构成的组的类型。
实施例20
一种用于图像引导外科手术导航的配准面部标志的方法，包括以下步骤：(a)定位传感器阵列，使得所述传感器阵列的多个距离传感器指向并且基本上平行于目标区域，其中所述目标区域为患者的面部区域；(b)激活所述传感器阵列以捕获距离集合，所述距离集合指示源自所述多个距离传感器中的每个距离传感器的探针信号在入射到所述目标区域内的目标点之前行进的所述距离；(c)确定所述传感器阵列在三维空间内的位置和取向；(d)对于所述目标区域内的每个目标点，通过基于所述传感器阵列的所述位置和所述取向以及所述探针信号行进的所述距离确定所述目标点的所述三维位置来产生已配准的点集合；(e)通过使所述已配准的点集合与术前图像集合相关联来产生导航数据集合；以及(f)基于所述导航数据集合提供图像引导外科手术导航。
VII.杂项
应当理解，本文所述的任何示例还可包括除上述那些之外或代替上述那些的各种其他特征。仅以举例的方式，本文所述的任何示例还可包括以引用方式并入本文的各种参考文献中任何一者中公开的各种特征中的一种或多种。
应当理解，本文所述的教导内容、表达、实施方案、示例等中的任何一者或多者可与本文所述的其他教导内容、表达、实施方案、示例等中的任何一者或多者进行组合。因此，上述教导内容、表达、实施方案、示例等不应视为彼此孤立。参考本文的教导内容，本文的教导内容可进行组合的各种合适方式对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。此类修改和变型旨在包括在权利要求书的范围内。
应当理解，据称以引用方式并入本文的任何专利、专利公布或其他公开材料，无论是全文或部分，仅在所并入的材料与本公开中所述的现有定义、陈述或者其他公开材料不冲突的范围内并入本文。因此，并且在必要的程度下，本文明确列出的公开内容代替以引用方式并入本文的任何冲突材料。据称以引用方式并入本文但与本文列出的现有定义、陈述或其他公开材料相冲突的任何材料或其部分，将仅在所并入的材料与现有的公开材料之间不产生冲突的程度下并入。
本文所公开的装置的型式可设计为使用一次后丢弃，也可设计为供多次使用。在任一种情况下或两种情况下，可对这些型式进行修复以在至少一次使用之后重复使用。修复可包括以下步骤的任意组合：拆卸装置，然后清洁或替换特定零件以及随后进行重新组装。具体地，可拆卸所述装置的型式，并且可选择性地以任何组合形式来更换或拆除所述装置的任意数量的特定部件或零件。在清洁和/或更换特定零件时，所述装置的型式可在修复设施中进行重新组装以供随后使用，或者在即将进行外科手术前由外科团队进行重新组装。本领域的技术人员将会了解，装置的修复可利用多种技术进行拆卸、清洁/替换、以及重新组装。此类技术的使用以及所得的修复装置均在本申请的范围内。
仅以举例的方式，本文所述的型式可在外科手术之前进行处理。首先，可以获取新的或用过的器械，并且根据需要进行清洁。然后，可对器械进行消毒。在一种灭菌技术中，将器械放置在密闭且密封的容器(诸如，塑料或TYVEK袋)中。然后可将容器和器械置于可穿透所述容器的辐射场，诸如γ辐射、x射线或高能电子。辐射可杀死器械上和容器中的细菌。经消毒的器械随后可被储存在无菌容器中。密封的容器可使器械保持无菌，直到在外科设施中打开所述容器。还可使用本领域已知的任何其他技术对装置进行消毒，所述技术包括但不限于β辐射或γ辐射、环氧乙烷或蒸汽。
在已经示出并描述了本发明的各种型式的情况下，通过本领域的普通技术人员在不脱离本发明范围的前提下进行适当修改来实现对本文所述方法和系统的进一步改进。已经提及了若干此类可能的修改，并且其他修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。例如，上文所讨论的示例、型式、几何形状、材料、尺寸、比率、步骤等等均是示例性的而非必需的。因此，本发明的范围应根据以下权利要求书来考虑，并且应理解为不限于说明书和附图中示出和描述的结构和操作的细节。
Claims (20)
1.一种用于目标区域的配准的系统，所述系统包括：
(a)传感器阵列主体；
(b)多个距离传感器，所述多个距离传感器附接到所述传感器阵列主体，其中所述距离传感器中的每个距离传感器被定位成指向所述目标区域并且可操作以确定所述目标区域的配准点与所述传感器之间的距离；
(c)位置传感器，所述位置传感器附接到所述传感器阵列主体并且可操作以提供所述传感器阵列主体的位置和取向；和
(d)至少一个处理器，其中所述至少一个处理器被配置成基于所述距离传感器中的每个距离传感器的所述距离、所述取向和所述位置来确定所述目标区域的多个已配准的点在规程空间内的三维位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述距离传感器被布置成选自由矩形、正方形、圆形、三角形和椭圆形构成的组的形状。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器阵列主体的面为基本上平坦的，并且其中所述至少一个处理器包含在所述传感器阵列主体内。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述距离传感器包括选自由光学传感器、超声波传感器和磁传感器构成的组的类型。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个处理器被配置成针对所述多个距离传感器中的每个传感器通过以下方式确定所述多个已配准的点的所述三维位置：
(i)确定由所述传感器发射的探针信号的原始位置，其中所述原始位置基于所述传感器阵列主体的所述位置和所述取向来指示所述传感器在所述规程空间内的位置，以及
(ii)基于所述原始位置和所述探针信号在入射到所述目标区域的所述配准点之前行进的距离来确定所述传感器的已配准的点。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述至少一个处理器还被配置成：
(i)确定所述目标区域相对于所述传感器阵列主体的取向，
(ii)在所述目标区域和所述传感器阵列主体不是基本上平行的情况下，针对所述多个距离传感器中的每个传感器确定偏移值；以及
(iii)基于所述原始位置、所述探针信号行进的所述距离和所述偏移值来确定所述传感器的所述已配准的点。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括目标区域取向传感器，所述目标区域取向传感器被配置成向所述至少一个处理器提供所述目标区域的取向。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个处理器的导航处理器被配置成：
(i)使所述多个已配准的点与所述目标区域的术前图像集合相关联；以及
(ii)基于所述多个已配准的点、所述术前图像集合和由在所述规程期间使用的外科器械的位置传感器提供的器械数据集合的所述关联，提供规程期间的图像引导外科导航界面。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述距离传感器被配置成当所述多个已配准的点的所述位置被确定时在距所述目标位置约4英寸和20英寸之间的距离处进行定位和操作。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括取向指示器，其中所述取向指示器被配置成当所述传感器阵列主体不是基本上平行于所述目标区域时向用户提供指示。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括自动化臂，其中所述自动化臂可操作以取向所述传感器阵列主体，使得其基本上平行于所述目标区域。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个距离传感器包括至少30个单独传感器，并且其中所述多个距离传感器被定位在所述传感器阵列主体上，使得所发射的探针信号基本上入射到全部所述目标区域。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个处理器还被配置成对于其探针信号在使用期间落在所述目标区域之外的所述多个距离传感器中的任何传感器，丢弃来自所述传感器的接近度数据。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个距离传感器被配置成被一次激活，以便采集用于确定所述多个已配准的点的所述三维位置的所述数据。
15.一种配准探针，包括：
(a)细长主体，所述细长主体适于由用户握持，所述细长主体包括远侧末端；
(b)目标传感器，所述目标传感器位于所述远侧末端处，其中所述目标传感器可操作以检测所述远侧末端前面的患者面部的存在，而无需将所述远侧末端按压到所述患者面部中；
(c)位置传感器，所述位置传感器可操作以提供所述无接触配准探针的位置和取向；和
(d)至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成：
(i)激活所述目标传感器，
(ii)基于来自所述目标传感器的信号将所述目标在规程空间内的所述三维位置确定为已配准的点，以及
(iii)在从所述目标传感器接收到所述信号时确定所述配准探针的所述位置和取向。
16.根据权利要求15所述的配准探针，还包括接近度触发器，所述接近度触发器被配置成当所述远侧末端位于所述目标的捕获距离内时致使所述目标传感器激活并且确定所述已配准的点。
17.根据权利要求15所述的配准探针，其中所述目标传感器包括电容传感器或电阻传感器。
18.根据权利要求15所述的配准探针，其中所述目标传感器包括光学传感器。
19.根据权利要求15所述的配准探针，其中所述位置传感器包括选自由基于加速度计的传感器、基于磁的传感器和基于无线信标的传感器构成的组的类型。
20.一种用于图像引导外科手术导航的配准面部标志的方法，包括以下步骤：
(a)定位传感器阵列，使得所述传感器阵列的多个距离传感器指向并且基本上平行于目标区域，其中所述目标区域为患者的面部区域；
(b)激活所述传感器阵列以捕获距离集合，所述距离集合指示源自所述多个距离传感器中的每个距离传感器的探针信号在入射到所述目标区域内的目标点之前行进的所述距离；
(c)确定所述传感器阵列在三维空间内的位置和取向；
(d)对于所述目标区域内的每个目标点，通过基于所述传感器阵列的所述位置和所述取向以及所述探针信号行进的所述距离确定所述目标点的所述三维位置来产生已配准的点集合；
(e)通过使所述已配准的点集合与术前图像集合相关联来产生导航数据集合；以及
(f)基于所述导航数据集合提供图像引导外科手术导航。
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