CN111714204A - 用于将手术对象的图像数据的配准转移的技术 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于将手术对象的三维图像数据的配准从第一手术导航系统向第二手术导航系统转移的方法、控制器和手术混合导航系统。能够被第一手术导航系统的第一检测器检测到的第一跟踪器与手术对象以固定的空间关系布置，且能够被第二手术导航系统的第二检测器检测到的第二跟踪器与手术对象以固定的空间关系布置。该方法包括：在第一手术导航系统的第一坐标系中配准该手术对象的三维图像数据，并确定第一跟踪器在第一坐标系中的第一位置和定向，以及第二跟踪器在第二手术导航系统的第二坐标系中的第二位置和定向。该方法还包括：确定第二坐标系在第一坐标系中的第三位置和定向，并且基于所确定的第一位置和定向、第二位置和定向以及第三位置和定向，在第二坐标系中配准手术对象的三维图像数据。

Description

用于将手术对象的图像数据的配准转移的技术
技术领域
本公开大体上涉及手术导航。具体地，提出了一种用于将手术对象的图像数据的配准从第一手术导航系统向第二手术导航系统转移的方法、计算机程序产品、控制器和系统。
背景技术
许多手术过程都受益于确定手术对象(例如，手术器械和患者)的位置和定向，作为向外科医生提供导航指令的基础。手术导航最初通常需要在手术导航系统(SNS)的坐标系(CS)中配准手术对象的三维图像数据。在配准期间，相对于与手术对象相关联的跟踪器，在CS中对三维图像数据进行布置和定向，随后允许通过跟踪跟踪器的移动来确定三维图像数据在CS中的位置和定向的改变。
在SNS的示例性应用中，手术器械和患者各自与跟踪器相关联，其中，先前通过例如计算机断层扫描(CT)扫描获得的三维图像数据与患者跟踪器配准，且手术器械的三维图像数据与器械跟踪器配准。通过跟踪患者和手术器械的跟踪器，SNS可以确定两个手术对象的位置和定向，并计算手术器械的三维图像数据和患者的三维图像数据之间的空间关系。所确定的空间关系可以例如显示在屏幕上，帮助外科医生相对于患者引导手术器械。
在手术期间，可以并行或一个接一个地使用多个SNS。在这种情况下，外科医生可以选择最适合手头任务的SNS。基于光学跟踪原理的SNS倾向于为三维图像数据的配准提供高精度，而基于电磁原理的SNS一般在跟踪方面表现良好。配备有光学SNS和电磁SNS的外科医生可以使用光学SNS进行配准，然后继续使用电磁SNS进行跟踪。因此，可以通过部署多个SNS来改善手术导航。
为了在两个SNS之间分离配准和跟踪步骤，在第一SNS的第一CS
为了在两个SNS之间分离配准和跟踪步骤，在第一SNS的第一CS内执行的配准可能需要向随后用于跟踪步骤的第二SNS的第二CS转移。为此，可以使用混合跟踪器，其包括可由第一SNS检测到的第一跟踪器和可由第二SNS检测到的第二跟踪器。混合跟踪器可以附接到手术对象(例如，患者或手术器械)，用于与第一SNS配准。第一跟踪器相对于第二跟踪器的位置和定向是已知的，这允许对用于将在第一CS中执行的配准向第二CS转移的变换进行计算。然而，由于必须知道第一跟踪器相对于第二跟踪器的位置和定向才能进行变换，因此外科医生在不执行附加校准步骤的情况下无法改变混合跟踪器的几何特性。因此，外科医生自由选择两个跟踪器的位置的能力受到限制。
现有技术根据WO 2016/066287已知。该文献公开了一种用于相对于患者对手术器械进行导航的系统，其包括：第一跟踪系统，用于测量第一类型跟踪器中的至少一个的位置；以及第二跟踪系统，用于测量第二类型跟踪器中的至少一个的位置。系统包括至少一个属于第一类型跟踪器的患者跟踪器，用于测量患者的位置；以及手术器械，包括属于第二类型跟踪器的跟踪器。系统还包括连接器，该连接器用于将第一类型跟踪器中的至少一个与第二类型跟踪器中的至少一个刚性地但可拆卸地连接，以将手术器械的坐标配准和/或变换为患者的图像数据的坐标，反之亦然。
发明内容
需要一种解决上述或其他问题中的一个或多个的配准转移。
根据一个方面，提供了一种用于将手术对象的三维图像数据的配准从第一手术导航系统向第二手术导航系统转移的方法。能够被第一手术导航系统的第一检测器检测到的第一跟踪器与手术对象以固定的空间关系布置，且能够被第二手术导航系统的第二检测器检测到的第二跟踪器与手术对象以固定的空间关系布置。该方法包括：在第一手术导航系统的第一坐标系中配准该手术对象的三维图像数据，并确定第一跟踪器在第一坐标系中的第一位置和定向，以及第二跟踪器在第二手术导航系统的第二坐标系中的第二位置和定向。该方法还包括：确定第二坐标系在第一坐标系中的第三位置和定向，并且基于所确定的第一位置和定向、第二位置和定向以及第三位置和定向，在第二坐标系中配准手术对象的三维图像数据。
在第二坐标系中配准手术对象的三维图像数据可以包括：基于所确定的第一位置和定向、第二位置和定向以及第三位置和定向，确定第一跟踪器相对于第二跟踪器的空间关系。第一跟踪器相对于第二跟踪器的空间关系可以通过变换来定义。
第一跟踪器可以基于光学跟踪原理，并且第二跟踪器可以基于电磁跟踪原理。备选地，两个跟踪器可以基于相同的跟踪原理(例如，电磁或光学原理)。
确定第三位置和定向的步骤可以包括：确定能够被第一手术导航系统的第一检测器检测到的第三跟踪器的位置和定向，其中，第三跟踪器以已知的位置和定向布置在第二坐标系中。备选地或附加地，该步骤可以包括：确定能够被第二手术导航系统的第二检测器检测到的第四跟踪器的位置和定向，其中，第四跟踪器以已知的位置和定向布置在第一坐标系中。
第三跟踪器可以附接到第二手术导航系统的组件(例如，第二手术导航系统的场发生器)。第四跟踪器可以附接到第一手术导航系统的组件(例如，第一手术导航系统的照相机)。
第一跟踪器和第二跟踪器中的至少一个可以包括平面柔性贴片，该平面柔性贴片被配置为布置在(例如，粘附至)患者的皮肤表面上。柔性贴片可以被配置为布置在患者的头部表面上。平面柔性贴片可以包括一个或多个可在三维图像数据中识别和/或可由第一检测器识别的光源。附加地或备选地，平面柔性贴片可以包括一个或多个可在三维图像数据中识别和/或可由第一检测器识别的特征。平面柔性贴片可以包括多个光源。三维图像数据中可识别的特征可以是光源的一部分，或者是平面柔性贴片支持的附加基准标记。
手术对象可以包括患者或手术器械。手术器械可以被配置为将分流器布置到患者体内。这样，手术器械可以是分流探针。
该方法还可以包括：一旦手术对象的三维图像数据已经在第二坐标系中配准，则执行以下至少一项：移除第一跟踪器、和停用第一跟踪器。
可以同时执行确定第一跟踪器在第一坐标系中的第一位置和定向与确定第二跟踪器在第二坐标系中的第二位置和定向。备选地或附加地，该步骤可以在第一跟踪器和第二跟踪器静止时在不同的时间点执行。所确定的第一跟踪器的第一位置和定向以及第二跟踪器的第二位置和定向可以以分配的时间戳连续存储。
能够被第一手术导航系统的第一检测器检测到的第五跟踪器可以与手术对象以固定的空间关系布置。在这种情况下，在第一坐标系中配准手术对象的三维图像数据的步骤可以包括：利用第五跟踪器在第一坐标系中配准手术对象的三维图像数据；确定第五跟踪器在第一坐标系中的第五位置和定向，以及第一跟踪器在第一坐标系中的第六位置和定向；并且根据所确定的第五位置和定向以及第六位置和定向，利用第一跟踪器配准手术对象在第一坐标系中的三维图像数据。第五跟踪器可以包括布置在手术对象的表面上的至少一个基准标记。基准标记也可以存在于要配准的三维图像数据中。例如，三维图像数据可能已经被安装在手术对象上的第五跟踪器记录了。
第一跟踪器和第二跟踪器可以以固定的空间关系相互连接。第一跟踪器和第二跟踪器可以以这样的方式连接：在第一跟踪器与手术对象以固定的空间关系布置之后，通过将第二跟踪器与第一跟踪器连接，将第二跟踪器与手术对象以固定的空间关系布置。备选地，第一跟踪器和第二跟踪器可以分开设置。
根据第二方面，提供了一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括指令，当在至少一个处理器上执行该指令时，该指令使至少一个处理器执行本文所述的方法。该计算机程序产品可以存储在计算机可读记录介质上。
根据第三方面，提供了一种用于将手术对象的三维图像数据的配准从第一手术导航系统向第二手术导航系统转移的控制器。能够被第一手术导航系统的第一检测器检测到的第一跟踪器与手术对象以固定的空间关系布置，且能够被第二手术导航系统的第二检测器检测到的第二跟踪器与手术对象以固定的空间关系布置。控制器可与第一手术导航系统和第二手术导航系统通信地耦接。控制器被配置为：在第一手术导航系统的第一坐标系中配准手术对象的三维图像数据。控制器还被配置为：确定第一跟踪器在第一坐标系中的第一位置和定向，以及第二跟踪器在第二手术导航系统的第二坐标系中的第二位置和定向。控制器被配置为：确定第二坐标系在第一坐标系中的第三位置和定向。控制器还被配置为：基于所确定的第一位置和定向、第二位置和定向以及第三位置和定向，在第二坐标系中配准手术对象的三维图像数据。
控制器可以包括多个控制器设备。控制器设备中的至少两个可以通信地耦接。方法步骤的至少一部分可以由不同的控制器设备执行。
根据第四方面，提供了一种手术混合导航系统。该混合导航系统包括本文所述的控制器、第一手术导航系统和第二手术导航系统。控制器与第一手术导航系统和第二手术导航系统通信耦接。
附图说明
通过以下结合附图的实施例，本发明的其他细节、优点和方面将变得显而易见，其中：
图1示出了手术混合导航系统的实施例的透视图；
图2示出了图1所示的混合导航系统的实施例的组件之间的变换的透视图；
图3示出了用于将手术对象的三维图像数据的配准从第一手术导航系统的第一坐标系向第二手术导航系统的第二坐标系转移的方法的流程图；
图4示出了第一跟踪器的示例，第一跟踪器包括被配置为布置在患者的皮肤表面上的平面柔性贴片；以及
图5示出了被配置为将分流器布置到患者体内的手术器械。
具体实施方式
在下文的描述中，将参照附图说明用于转移手术对象的配准的手术混合导航系统、控制器和方法的示例性实施例。相同的附图标记将用于表示相同或相似的结构特征。
图1示出了手术混合导航系统10的实施例的透视图。手术混合导航系统10包括第一手术导航系统(SNS)12。第一SNS 12包括光学相机16。相机16被配置为检测由光学跟踪器34、38发射和/或反射的光。因此，第一SNS 12允许基于光学跟踪原理的跟踪。相机16被配置为检测红外光、可见光和紫外光中的至少一种。第一SNS 12与第一坐标系(CS)20相关联。例如，第一CN 20以与相机16的图像平面特定的关系布置。备选地，第一CN 20可以相对于相机16的组件(例如，相机16的图像平面或物镜)以已知的距离和定向布置在不同位置。
手术混合导航系统10还包括第二SNS 14。第二SNS 14包括场发生器22，场发生器22被配置为创建电磁场。电磁场被配置为感应暴露于电磁场的每个电磁跟踪器36、40的线圈(未示出)中的电流。基于该感应电流，可以确定这种电磁跟踪器36、40的位置和定向。因此，第二SNS 14允许基于电磁跟踪原理的跟踪。第二SNS 14与第二CS 24相关联。第二CS 24被布置在场发生器22的场产生区中。备选地，第二CN 24可以相对于场发生器22的组件以已知的位置和定向布置在不同位置。
手术混合导航系统10还包括控制器26。控制器26与第一SNS 12和第二SNS 14的组件通信地连接。图1所示的控制器26是与第一SNS 12和第二SNS 14通信地连接的单个控制器设备(例如，计算机)。备选地，控制器26可以包括多个控制器设备。控制器26可以例如包括相互通信地连接的第一和第二控制器设备(未示出)，其中，第一控制器设备与第一SNS12通信地连接，并且第二控制器设备与第二SNS 14通信地连接。进一步备选地，控制器26可以包括第一和第二控制器设备(未示出)以及与第一和第二控制器设备通信地连接的第三控制器设备(未示出)。在这种情况下，第三控制器设备可以被配置为指示第一和第二控制器设备执行本文描述的方法，这允许对已经存在的SNS进行改造。
控制器26通过第一SNS 12与相机16直接或间接地通信耦接，并且因此被配置为从相机16接收信号。控制器26可以被配置为控制相机16，例如，激活/停用相机16并使相机记录图像数据。
控制器26通过第二SNS 14与场发生器22直接或间接地通信耦接，并且因此被配置为从场发生器22接收信号。控制器26被配置为控制场发生器22，例如，激活/停用场发生器16并使场发生器22产生电磁场。
在图1的中央以患者32的形式示出了手术对象30。手术对象30的其他示例是手术器械，如将在下文进一步描述的。在患者32的头顶部附接有第一跟踪器34和第二跟踪器36。
第一跟踪器34是光学跟踪器。图1所示的第一跟踪器34包括三个反射器，该三个反射器被配置为反射可由相机16检测的光。备选地，第一跟踪器34可以包括光源(例如，发光二极管)，该光源发射可由相机16检测的光。第一跟踪器34可以包括任何其他数量的反射器，例如，四个或五个。光源相对于彼此的距离和定向是已知的，从而可以基于由相机16捕获的光源的图像数据，来确定第一跟踪器34相对于相机16并因此相对于第一CS 20的位置和定向。第一位置和定向的确定由控制器26执行。
第二跟踪器36是电磁跟踪器。图1所示的第二跟踪器36包括线圈(未示出)，其中，电流由场发生器22产生的电磁场感应。第二跟踪器36与接收器23电连接，其中，从第二跟踪器36接收感应电流或指示该感应电流的信号。
备选地，第二跟踪器36可以与控制器26电连接。图1所示的第二跟踪器36通过电线与接收器23电连接。备选地，第二跟踪器36可以被配置为向接收器23或控制器26无线地发送指示感应电流的信号。
基于电流或指示感应电流的信号，控制器26可以确定第二跟踪器36相对于第二CS24的第二位置和定向。该确定可以备选地由接收器23执行，其中，结果由接收器23向控制器26发送。
手术混合导航系统10还包括第三跟踪器38。第三跟踪器38是光学跟踪器，该光学跟踪器可由第一SNS 12的相机16检测。第三跟踪器38与第二SNS 14以固定的空间关系布置，并且因此与第二CS 24以固定的空间关系布置。第三跟踪器38在第二CS 24中的位置和定向是已知的(例如，预先确定并存储在控制器26中)。图1所示的第三跟踪器38附接到场发生器22。备选地，第三跟踪器38可以附接到第二SNS 14的任何其他组件或房间中的任何其他固定组件，只要第三跟踪器38在第二CS 24中的位置和定向是已知的或可以推导的即可(例如，通过在手术混合导航系统10的安装过程中手动测量第三跟踪器38的位置和定向，并将测量值输入到控制器26中)。
手术混合导航系统10还包括第四跟踪器40。第四跟踪器40是可由第二SNS 14跟踪的电磁跟踪器。为此，第四跟踪器40具有线圈，其中，电磁场感应电流，并且被配置为经由电线(未示出)向控制器26发送感应电流或指示该感应电流的信号。备选地，向控制器26无线地发送指示该感应电流的信号。第四跟踪器40与第一SNS 12以固定的空间关系布置，并且因此与第一CS 20以固定的空间关系布置。第四跟踪器40在第一CS 20中的位置和定向是已知的(例如，已经预先确定并存储在控制器26中)。图1所示的第四跟踪器40附接到相机16。备选地，第四跟踪器40可以附接到与第一SNS 12的任何其他组件或房间中的任何其他固定组件，只要第四跟踪器40在第一CS 20中的位置和定向是已知的或可以推导的即可(例如，通过在手术混合导航系统10的安装过程中手动测量第四跟踪器40的位置和定向，并将测量值输入到控制器26中)。
与患者32附接的是包括基准标记的第五跟踪器42。基准标记可由医学成像设备检测，该医学成像设备生成手术对象30的三维图像数据(例如，由于该基准标记的材料类型或密度)。因此，稍后可以在三维图像数据中识别该基准标记。
第五跟踪器42包括附接到患者32的表面的四个基准标记。第五跟踪器42备选地包括任何其他数量的基准标记。第五跟踪器42可由第一SNS 12的相机16检测。图1所示的基准标记重量轻，并且不限制患者32的移动。因此，在生成患者32的三维图像数据43时，患者32可以容易地佩戴第五跟踪器42。由于基准标记在三维图像数据43中是可识别的，因此它们允许用第一SNS 12配准三维图像数据43。备选地或附加地，第五跟踪器42可以由患者32的面部特征(例如，鼻尖、下巴、耳垂、颊骨等)组成。
可以通过任何医学成像设备(例如，CT扫描、磁共振成像、正电子发射断层摄影、超声或单光子发射计算机断层摄影)获得患者32的三维图像数据43。
图1所示的手术混合导航系统10包括两个CS 20、24，其中布置了五个跟踪器34、36、38、40、42。跟踪器34、36、38、40、42和CS 20、24之间以及跟踪器34、36、38、40、42自身之间的一些空间关系将在下文定义，以便描述用于之后在两个SNS 12、14之间转移配准的方法。
相关的空间关系在图2中示出。为了不使图2中的图负担过多，已经删除了图1中引入的附图标记。图1和图2的附图仅在所表示的空间关系上不同。为了识别图2中的各个元素，参考图1的附图标记。从数学上讲，两个元素之间的位置和定向可以通过变换(例如，矩阵)来描述。因此，在下文中，术语“变换”和缩写“T”通常涉及两个元素之间的位置和定向。当表示两个特定元素之间的变换时，这些元素被表示为索引，并用逗号分隔。例如，可以将第一跟踪器34在第一CS 20中的位置和定向称为第一CS 20到第一跟踪器34的变换，或简称为“TCS1,t1”，其中，CS1代表第一CS 20，并且t1代表第一跟踪器34。
因此，图2示出了以下变换
-第一CS 20和第一跟踪器34之间的TCS1,t1，
-第一CS 20和第三跟踪器38之间的TCS1,t3，
-第一CS 20和第四跟踪器40之间的TCS1,t4，
-第一CS 20和第五跟踪器42之间的TCS1,t5，
-第一CS 20和第二CS 24之间的TCS2,t2，
-第二CS 24和第二跟踪器36之间的TCS2,t2，
-第二CS 24和第三跟踪器38之间的TCS2,t3，
-第二CS 24和第四跟踪器40之间的TCS2,t4，
-第一跟踪器34和第二跟踪器36之间的Tt1,t2，以及
-第一跟踪器34和第五跟踪器42之间的Tt1,t5，
其中，索引缩写
-CS1表示第一CS 20，
-CS2表示第二CS 24，
-t1表示第一跟踪器34，
-t2表示第二跟踪器36，
-t3表示第三跟踪器38，
-t4表示第四跟踪器40，以及
-t5表示第五跟踪器42。
根据以上定义的相关空间关系，下文将描述用于转移手术对象30的配准的方法。
图3示出了用于在第一SNS 12的第一CS 20和第二SNS 14的第二CS 24之间转移手术对象30的配准的方法100的流程图。
该方法包括：在步骤102中，在第一SNS 12的第一CS 20中配准手术对象30的三维图像数据43。三维图像数据43是通过任何医学成像设备(例如，CT扫描、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)、超声检查或单光子发射计算机断层扫描)获得的。
为了将该三维图像与第一SNS 12可检测的任何跟踪器配准，该跟踪器需要两个不同的可识别特征：医学成像设备可检测的基准标记(其允许在三维图像数据中识别跟踪器)，以及第一SNS 12可检测的几何特征，例如，反射器或光源。
从图1中可以看出，第一跟踪器34包括反射器，并且因此包括第一SNS 12可检测的几何特征。跟踪器34还可以包括可由医学成像设备检测的基准标记。这样的基准标记可以例如布置在反射器内部。
在这种情况下，三维图像数据可以直接与第一跟踪器34配准。为此，第一跟踪器34附接到手术对象30，同时获得三维图像数据43。然后在三维图像数据43中(例如，手动或通过软件)识别第一跟踪器34的基准标记。然后，第一SNS 12的相机16捕获手术对象30和附接到手术对象30的第一跟踪器34的图像。如上所述，第一跟踪器包括具有已知几何特性的几何特征(例如，光源、光反射器、几何形状等)。由于该已知的几何特性，可以确定第一跟踪器34在第一CS 20中的位置和定向(即，变换TCS1,t1)。由控制器26确定变换TCS1,t1。
为了在第一CS 20中配准三维图像数据43，确定如下变换：该变换通过相机16将在三维图像数据43中识别的第一跟踪器34的基准标记与在第一CS 20中识别的第一跟踪器34对齐。执行该对齐的一种方式是：在第一CS 20中定义跟踪器对齐点和跟踪器34的跟踪器对齐矢量(例如，在第一跟踪器34的几何中心)以及分配给三维数据图像的对齐点和图像对齐矢量。然后，以这样的方式在第一CS 20中转换三维图像数据43：将跟踪器对齐点与图像对齐点对齐。此外，在第一CS 20中旋转三维图像数据43，使得跟踪器对齐矢量与图像对齐矢量对齐。
图1和图2所示的第一跟踪器34是外部跟踪器(即，不是手术对象30、32的一部分)，其远离手术对象30延伸并且因此提供了较大的可见角。备选地，第一跟踪器34可以是不远离手术对象30延伸的外部跟踪器，例如，更紧凑的平面标记。进一步备选地，第一跟踪器34可以在固有跟踪器中，该固有跟踪器由患者32的解剖特征(例如，鼻尖、下巴、耳垂、颊骨等)限定，不需要将外部跟踪器附接到患者32。上文描述的配准是直接使用第一跟踪器34执行的。备选地，在可选的中间步骤中，三维图像数据43可以首先与不同的跟踪器配准。例如，如果第一跟踪器34不包括在三维图像数据中可识别的标记，则可能需要这样做。三维图像数据43可以首先与中间跟踪器(例如，包括基准标记)配准，随后向第一跟踪器34转移该配准。这种中间跟踪器的一个示例是第五跟踪器42。
为此，在将第五跟踪器42附接到患者32时首先获得三维图像数据43。在获得三维图像数据43时，不需要患者32佩戴第一跟踪器34。之后，如上所述，针对第一跟踪器34，经由第五跟踪器42将三维图像数据43与第一CS 20配准。
接下来，向第一跟踪器34转移与第五跟踪器42的配准。因此，确定第五跟踪器42在第一CS 20中的第五位置和定向，以及第一跟踪器34在第一CS 20中的第六位置和定向。第一跟踪器34的第一位置和定向与第六位置和定向之间的区别仅考虑本文所述的不同配准过程。在图1和图2中，第一跟踪器34的第一位置和定向与第六位置和定向是相同的(即，变换TCS1,t1)。
为了从第五跟踪器42向第一跟踪器34转移三维图像数据43的配准，需要在第一跟踪器34和第五跟踪器42之间进行转换Tt1,t5。从图2中可以看出，变换Tt1,t5是变换TCS1,t1和TCS1,t5之差：
Tt1,t5＝TCS1,t5-TCS1,t1。
可以基于由第一SNS 12的相机16捕获的图像数据来确定变换TCS1,t1和TCS1,t5。然后，基于与第五跟踪器42的配准和变换Tt1,t5，第一跟踪器34可以与三维图像数据43配准。为此，使用从第五跟踪器42的跟踪器对齐点到第一跟踪器34的跟踪器对齐点的变换Tt1,t5(或更具体地说是-Tt1,t5)来变换三维图像数据43与跟踪器对齐的图像对齐点。
第一跟踪器34和第五跟踪器42之间的配准转移不那么复杂，因为两个跟踪器34、42都由相同的SNS 12跟踪，并且因此在相同的第一CS 20中。然而，在不同SNS的不同CS中进行跟踪的两个跟踪器之间转移配准需要附加步骤。
概括地说，三维图像数据43已经在第一CS 20中与第一跟踪器34配准。可以直接与第一跟踪器34执行配准(例如，因为第一跟踪器34包括基准标记)。可选地，与第一跟踪器34进行三维配准可以包括中间步骤，其中，三维图像数据43首先与第五跟踪器42配准(例如，因为通过第五跟踪器42更易获得三维图像数据43)。之后，从第五跟踪器42向第一跟踪器34转移该配准。在两种情况下，三维图像数据43最终都与第一跟踪器34配准。如下所述，然后向第二CS 24中的第二跟踪器36转移该配准。
方法100包括：在步骤104中，确定第一跟踪器34在第一CS 20中的第一位置和定向(即，变换TCS1,t1)，以及第二跟踪器24在第二SNS 14的第二CS 24中的第二位置和定向(即，变换TCS2,t2)。基于由相机16捕获的第一跟踪器34的图像数据确定变换TCS1,t1。基于第二跟踪器36中的感应电流或指示在接收器23或控制器26处接收的第二跟踪器36中的感应电流的信号来确定变换TCS2,t2。
变换TCS1,t1、TCS2,t2的确定是同时执行的，并且是在第一跟踪器34和第二跟踪器36静止时。因此，变换TCS1,t1、TCS2,t2和Tt1,t2是恒定的。备选地，当第一跟踪器34和第二跟踪器36静止时，可以在具有时间偏移的情况下(即，在两个不同的时间点)执行变换TCS1,t1、TCS2,t2的确定。由于第一跟踪器34和第二跟踪器36是静止的，时间偏移不会影响所确定的变换TCS1,t1、TCS2,t2。此外，可以连续记录所确定的变换TCS1,t1、TCS2,t2，其中，为连续时隙分配各自确定的变换TCS1,t1、TCS1,t1。这样记录的变换时间线为配准转移提供了数据库，该数据库具有在第一跟踪器34和第二跟踪器36移动期间执行转移的选项。例如，要用于配准转移的变换TCS1,t1、TCS2,t2可以在第一时间点t1确定，而该配准转移的计算稍后在第二时间点t2完成(例如，由于计算所需的处理时间)。然后，可以将该配准转移应用于时间点t1的变换TCS1,t1、TCS2,t2，然后考虑变换TCS1,t1、TCS2,t2的时间线来进行追溯更新，TCS1,t1、TCS2,t2发生在两个时间点t1和t2之间。因此，所记录的变换的时间线允许在不中断第一跟踪器34和第二跟踪器36的移动的情况下进行配准转移。
方法100还包括：在步骤106中，确定第二CS 24在第一CS 20中的第三位置和定向(即，变换TCS1,CS2)。为此，第二SNS 14设置有第三跟踪器38，第三跟踪器38可由第一SNS 12检测。第三跟踪器38相对于第二CS 24的位置和定向(即，变换TCS2,t3)是已知的，并且存储或手动输入到控制器26中。此外，第三跟踪器38的几何特性(例如，光源和/或反射器的空间关系或第三跟踪器38的几何形状)是已知的。因此，基于由第一SNS 12的相机16获得的图像数据，可以确定第三跟踪器38在第一CS 20中的定向和位置(即，变换TC1,t3)。
从图2中可以看出，变换TCS1,CS2是变换TCS1,t3和TCS2,t3之差：
TCS1,CS2＝TCS1,t3-TCS2,t3。
因此，由于TCS2,t3是已知的且TC1,t3经由第一SNS 12确定，所以可以确定变换TCS1,CS2。
备选地，可以通过经由SNS 14确定第四跟踪器40(即，变换TCS2,t4)的位置和定向以及第四跟踪器40相对于第一CS的已知位置和定向(即，变换TCS1,t4)来获得变换TCS1,CS2。
从图2中可以看出，变换TCS1,CS2是变换TCS2,t4和TCS1,t4之差：
TCS1,CS2＝TCS1,t4-TCS2,t4。
总而言之，可以通过使用SNS 12、14中的一个确定跟踪器的位置和定向来获得变换TCS1,CS2，该跟踪器以已知的空间关系布置在其他SNS14、12的CS 20、24中。图1和图2示出了每个计算路径的两个跟踪器38、40。然而，为了确定变换TCS1,CS2，跟踪器38、40中仅一个是必需的。出于冗余考虑，仍可以设置两个跟踪器38、40。
在图1和图2中，第三跟踪器38和第四跟踪器40被示为附接到SNS 14、12的组件。这样的附接允许在不改变已知变换TCS2,t4和TCS2,t3的情况下移动这些组件。然而，第三跟踪器38和/或第四跟踪器40可以附接到布置在SNS 12、14的检测附近的任何其他结构。
然后，方法100包括：在步骤108中，基于所确定的第一、第二和第三位置和定向(即，TCS1,t1、TCS2,t2和TCS1,CS2)，在第二CS 24中配准手术对象30的三维图像数据43。为了从第一跟踪器34向第二跟踪器36转移三维图像数据43的配准，需要第二跟踪器36相对于第一跟踪器34的位置和定向(即，变换Tt1,t2)。变换Tt1,t2可以是未知的(例如，因为外科医生自由放置跟踪器34、36)，或者可以是已知的，但是有待确认。从图2中可以看出，可以根据变换TCS1,CS2与TCS2,t2和TCS1,t1之差来计算变换Tt1,t2：
Tt1,t2＝TCS1,CS2+TCS2,t2-TCS1,t1。
变换TCS1,CS2、TCS2,t2和TCS1,t1已经在上述步骤中确定，这允许确定Tt1,t2。使用变换Tt1,t2以便从第一跟踪器34向第二跟踪器36转移手术对象30的三维图像数据43的配准。
对于该配准转移，可以使用变换Tt1,t2定位两个跟踪器34、36中的一个，这基于两个跟踪器36、34中的另一个的位置和定向。由于变换Tt1,t2可以在CS 20和CS 24中使用，因此有两种方法。然而，可以使用任何方法，因为这两种方法是等效的。
在第一种方法中，将变换Tt1,t2应用于第一跟踪器34在第一CS 20中的位置和定向，这导致第二跟踪器36在第一CS 20中的位置和定向。根据现在已知的第二跟踪器36和三维图像数据43在第一CS 20中的位置和定向，可以确定第二跟踪器36和三维图像数据43之间的空间关系。该空间关系在第二CS 24中是相同的。因此，通过向第二跟踪器36在第二CS 24中的已知位置和定向转移具有这种空间关系的三维图像数据43，三维图像数据43在第二CS24中配准。
在第二种方法中，将变换Tt1,t2(或更具体地为-Tt1,t2)应用于第二CS 24中的第二跟踪器36，这导致第一跟踪器34在第二CS 24中的位置和定向。由于三维图像数据43在第一CS 20中配准，因此第一跟踪器34和三维图像数据43之间的空间关系是已知的。该空间关系在第二CS 24中是相同的。因此，通过向在第二CS 24中(经由变换Tt1,t2)确定的第一跟踪器34的位置和定向转移具有这种空间关系的三维图像数据43，三维图像数据43在第二CS 24中配准。
结果，配准被转移到第二跟踪器36，该第二跟踪器36现在可用于跟踪手术对象30。
方法100可以可选地包括：在步骤110中，一旦手术对象30的三维图像数据43已经在第二CS 24中配准，则移除和/或停用第一跟踪器34。由于现在仅可以经由第二SNS 14跟踪手术对象30，因此可以取消经由第一SNS 12的跟踪过程。为此，可以停用第一跟踪器34和/或第一SNS 12以减少功耗。附加地或备选地，可以将第一跟踪器34从手术对象30移除，这减少了由第一跟踪器34在手术部位处引起的可能的阻塞。备选地，第一SNS 12和第一跟踪器34的操作可以继续，以便提供冗余或为了在稍后的时间点将三维图像数据43的配准切换回第一跟踪器34。
图1和图2示出了外部跟踪器形式的第一跟踪器34，该第一跟踪器34具有远离手术对象30的表面延伸的反射器。如上文已经解释的，第一跟踪器34可以备选地包括平面标记或由固有特征(例如，鼻尖)组成。图4示出了第一跟踪器34的另一示例，第一跟踪器34包括被配置为粘贴在患者32的皮肤表面上的平面柔性贴片44。贴片44包括多个光源45(例如，发光二极管)和将光源45与跟踪器控制器46连接的电线(未示出)。备选地，贴片44可以不包括任何光源45，并且由于贴片44的形状或该贴片44上的几何图案而由第一SNS 12跟踪。跟踪器控制器46包括电源(例如，电池)或(例如，电线或无线电力传输)到与第一跟踪器34分离的电源的电源接口。贴片44具有平坦的形状，从而导致紧凑的跟踪器几何形状，使其可以容易地佩戴在用于捕获三维图像数据43的狭窄空间中(例如，CT扫描仪)。
与平面标记不同，贴片44被配置为发射光，这允许第一SNS 12进行精确跟踪。
为了将三维图像数据43与柔性贴片44配准，两种不同的方法是可行的，这取决于在获得三维图像数据43时患者32是否佩戴柔性贴片44。
在获得三维图像数据43时患者32没有佩戴柔性贴片44的情况下，在所获得的三维图像数据43中确定患者32的表面。可以手动地或通过软件(例如，基于三维图像数据43中的浓度梯度)来确定表面。然后，将柔性贴片44附接到患者32的表面，且相机16生成柔性贴片44的图像数据，随后基于光源45或其他几何特征在图像数据中识别出柔性贴片44。之后，基于相机16的图像数据，将在三维图像数据43中确定的患者32的表面与在第一CS 20中识别的柔性贴片44对齐。
在获得三维图像数据时患者32确实佩戴了柔性贴片44的情况下，在所获得的三维图像数据43中确定柔性贴片44的特征。所确定的特征可以是由柔性贴片44支撑的电气组件(例如，光源45或其电线的一部分)和/或附加的基准标记(未示出)。然后，相机16生成柔性贴片44的图像数据，随后基于在图像数据中识别的光源45或其他几何特征在第一CS 20中识别柔性贴片44。然后，将在三维图像数据43中确定的柔性贴片44的特征与在图像数据中识别的柔性贴片44的特征对齐。
一旦三维图像数据43与第一跟踪器34的柔性贴片44配准，则如上所述，可以向第二跟踪器36转移该配准。为此，确定第一跟踪器34的第一位置和定向以及第二跟踪器36的第二位置和定向。基于为第三跟踪器38确定的位置和定向来确定第二CS 24在第一CS 20中的第三位置和定向。基于第一、第二和第三位置和定向，患者32的三维图像数据在第二CS24中(例如，经由变换Tt1,t2)配准。
由于本文所述的方法允许独立于第一跟踪器34和第二跟踪器36之间的空间关系确定变换Tt1,t2，因此外科医生可以相对于第一跟踪器34自由布置第二跟踪器36。如图4所示，第一跟踪器34和第二跟踪器36分开布置，并且因此相互独立。这允许外科医生以第二跟踪器36不阻塞手术部位的方式定位第二跟踪器36。
然而，不需要将第一跟踪器34和第二跟踪器36相互分开布置。第一跟踪器34和第二跟踪器36也可以相对于彼此以已知的预定空间关系布置。然后，例如可以使用本文所述的方法，以确认第一和第二跟踪器34、36之间的预定空间关系。控制器26可以被配置为确定该预定空间关系与通过本文所述的方法确定的变换Tt1,t2之间的差是否超过预定阈值。在超过预定阈值的情况下，控制器26可以输出警告。附加地或备选地，控制器26可以被配置为执行校准或输出用于对预定空间关系进行重新校准的指令。
第一跟踪器34和第二跟踪器36之间的预定空间关系可以通过第一和第二跟踪器34、36之间的固定连接来实现。该固定连接可以由刚性连接器(未示出)提供。第一跟踪器34和第二跟踪器36可以固定地附接到连接器。备选地，第一跟踪器34和第二跟踪器36中的至少一个可以可释放地附接到连接器。
例如，在图4中，第二跟踪器36可以替代地固定地或可释放地附接到第一跟踪器34的组件，例如，跟踪器控制器46或平面柔性贴片44。
图1至图3所示的手术对象30是患者32。备选地，手术对象30可以是手术器械。手术器械可以是活检针、钻、锯、指示器、切割器、显微镜或测量设备。手术器械可以是被配置为用于与耳、鼻和喉(ENT)有关的手术的器械。手术器械可以是被配置为用于神经外科手术(例如，颅骨手术)的器械。手术器械可以是可以手动移动的器械，或者是由机器(例如，C型臂)移动的器械。
图5示出了示例性手术器械50，其被配置为将分流器52布置在患者(未示出)体内，即，所谓的分流探针。第一跟踪器54固定地或可移除地附接到手术器械50，其中，第一跟踪器54可由第一SNS 12检测(见图1)。图5所示的第一跟踪器54包括光源。备选地，第一跟踪器54可以包括允许确定其位置和定向的任何其他特征(例如，反射器和/或几何形状)。
手术器械50还包括第二跟踪器56，其包括两个线圈58a、58b。线圈58a集成在探针棒59中，分流器52可以被拉过探针棒59。在图5所示的手术器械50中，第二跟踪器56是手术器械56的一部分。备选地，第二跟踪器56可以是手术器械50不包括的单独的组件，该组件被配置为附接到手术器械50。
线圈58a、58b被配置为产生电流或指示由电磁场感应的电流的信号，该电磁场由第二SNS 14的场发生器22产生(见图1)。经由杆线62a、62b向电接口64发送该电流或信号。电接口64经由跟踪器电缆62向控制器26或接收器23发送该电流或信号(见图1)。备选地，电接口64包括发送器，该发送器被配置为向控制器26无线地发送信号(未示出)。为此，手术器械52可以包括电池(例如，由电接口64包括)。
当被拉过探针棒59和集成在其中的线圈58a时，分流器52与手术器械50机械连接，并且因此可由第一和第二跟踪器54、56中的至少一个跟踪。
可以以抽象仪器轴、技术三维模型或由外部扫描过程生成的数据集的形式提供手术器械50的三维图像数据。如上所述，首先将该三维图像数据在第一SNS 12的第一CS 20中配准(见图1)。之后，如上所述，向第二SNS 14的第二CS 24转移该三维图像数据的配准。
请注意，第一和第二跟踪器34、36、54、56中的任何一个都可以与手术对象30以固定的空间关系永久地布置。这尤其适用于可以具有固定附接接口的手术器械或其中集成有第一和/或第二跟踪器54、56的手术器械。图5所示的手术器械50是这样的手术对象30，因为第二跟踪器56以固定的空间关系部分地集成在手术探针棒59中。该空间关系可以存储在控制器26中。然后，可以基于为第二跟踪器56确定的位置和定向以及存储在控制器26中的第二跟踪器56和手术器械50之间的空间关系，确定手术器械54(或其组件，例如，探针棒59和/或分流器52)的位置和定向。然后，不需要与第一追踪器54进行配准以及向第二跟踪器56连续地转移该配准，但是仍然可以执行该配准，以便确认存储在控制器26中的所存储的第二跟踪器56和手术器械50之间的空间关系。
本文描述的三维图像数据的配准从第一SNS 12的第一CS 20向第二SNS 14的第二CS 24转移。这种转移顺序的一个优点是，光学SNS通常提供精确的配准，而电磁SNS倾向于提供精确的跟踪而不会经受光学SNS的视线问题。然而，可以类似地使用本文所述的方法以便从第二CS 24向第一CS 20转移该配准。本文所述的技术也不限于光学和电气跟踪原理，并且可以被执行以从使用任何技术跟踪原理的SNS转移配准。该方法也不限于单次转移，而是可以在具有单独的CS的任意数量的SNS之间执行任意多次。
从以上实施例的描述中显而易见的是，可以通过确定一个CS相对于另一CS的位置和定向，在具有单独的CS的两个SNS之间转移三维图像数据的配准。为此，提供了与CS具有已知空间关系的第三跟踪器38和/或第四跟踪器40。配准转移不需要了解第一跟踪器34、54相对于第二跟踪器36、56的定向，这允许自由地布置或确认两个跟踪器相对于彼此的预定位置和定向。
关于附图中示出的示例性实施例描述的特征可以容易地组合以产生不同的实施例。因此，很明显，本公开可以以多种方式变化。这样的变化不应被视为背离所附权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于将手术对象的三维图像数据的配准从第一手术导航系统向第二手术导航系统转移的方法，其中，能够被第一手术导航系统的第一检测器检测到的第一跟踪器与手术对象以固定的空间关系布置，且能够被第二手术导航系统的第二检测器检测到的第二跟踪器与手术对象以固定的空间关系布置，所述方法包括：
在所述第一手术导航系统的第一坐标系中配准所述手术对象的三维图像数据；
确定所述第一跟踪器在第一坐标系中的第一位置和定向以及所述第二跟踪器在第二手术导航系统的第二坐标系中的第二位置和定向；
确定所述第二坐标系在所述第一坐标系中的第三位置和定向；以及
基于所确定的第一位置和定向、第二位置和定向以及第三位置和定向，在所述第二坐标系中配准所述手术对象的三维图像数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
在所述第二坐标系中配准手术对象的三维图像数据包括：基于所确定的第一位置和定向、第二位置和定向以及第三位置和定向，确定所述第一跟踪器相对于所述第二跟踪器的空间关系。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述第一跟踪器基于光学跟踪原理，并且所述第二跟踪器基于电磁跟踪原理。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述第三位置和定向包括以下至少之一：
确定能够被第一手术导航系统的第一检测器检测到的第三跟踪器的位置和定向，其中，所述第三跟踪器以已知的位置和定向布置在所述第二坐标系中；以及
确定能够被第二手术导航系统的第二检测器检测到的第四跟踪器的位置和定向，其中，所述第四跟踪器以已知的位置和定向布置在所述第一坐标系中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述第一跟踪器和所述第二跟踪器中的至少一个包括平面柔性贴片，所述平面柔性贴片被配置为布置在患者的皮肤表面上。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，
所述平面柔性贴片包括一个或多个光源和/或一个或多个能够在三维图像数据中识别和/或能够由第一检测器识别的特征。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述手术对象包括患者或手术器械。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
一旦所述手术对象的三维图像数据已经在所述第二坐标系中配准，则进行以下至少一项：移除所述第一跟踪器和停用所述第一跟踪器。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述第一跟踪器在第一坐标系中的第一位置和定向与确定所述第二跟踪器在第二坐标系中的第二位置和定向同时执行，或者在第一跟踪器和第二跟踪器静止时在不同的时间点执行。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，
能够被第一手术导航系统的第一检测器检测到的第五跟踪器与手术对象以固定的空间关系布置，并且其中，在第一坐标系中配准所述手术对象的三维图像数据包括：
-利用所述第五跟踪器在第一坐标系中配准所述手术对象的三维图像数据；
-确定所述第五跟踪器在第一坐标系中的第五位置和定向，以及所述第一跟踪器在第一坐标系中的第六位置和定向；
-基于所确定的第五位置和定向以及第六位置和定向，利用所述第一跟踪器在第一坐标系中配准所述手术对象的三维图像数据。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述第一跟踪器和所述第二跟踪器以固定的空间关系相互连接。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述第一跟踪器和所述第二跟踪器能够以如下方式连接：在将所述第一跟踪器与所述手术对象以固定的空间关系布置之后，通过将所述第二跟踪器与所述第一跟踪器连接，将所述第二跟踪器与所述手术对象以固定的空间关系布置。
13.一种计算机程序产品，包括指令，所述指令在至少一个处理器上执行时使所述至少一个处理器执行根据权利要求1所述的方法。
14.一种用于将手术对象的三维图像数据的配准从第一手术导航系统向第二手术导航系统转移的控制器，其中，能够被第一手术导航系统的第一检测器检测到的第一跟踪器与所述手术对象以固定的空间关系布置，并且能够被第二手术导航系统的第二检测器检测到的第二跟踪器与所述手术对象以固定的空间关系布置，其中，所述控制器能够与所述第一手术导航系统和第二手术导航系统通信耦接，并且被配置为：
在所述第一手术导航系统的第一坐标系中配准所述手术对象的三维图像数据；
确定所述第一跟踪器在第一坐标系中的第一位置和定向以及所述第二跟踪器在第二手术导航系统的第二坐标系中的第二位置和定向；
确定所述第二坐标系在所述第一坐标系中的第三位置和定向；以及
基于所确定的第一位置和定向、第二位置和定向以及第三位置和定向，在所述第二坐标系中配准所述手术对象的三维图像数据。
15.一种手术混合导航系统，包括：
根据权利要求14所述的控制器；
第一手术导航系统；以及
第二手术导航系统，
其中，所述控制器与所述第一手术导航系统和所述第二手术导航系统通信耦接。
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