CN113143460A - 控制指示立即改变的推荐入口点的导航视图的显示的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种控制用于手术导航的导航视图的显示的方法。所述方法包括：获得计划入口点和计划目标；获得手术器械的当前定向；确定当前入口点；以及，控制指示至少一个推荐入口点的导航视图的显示。当计划入口点与当前入口点之间的距离满足预定条件时，推荐入口点从计划入口点立即改变为当前入口点。还公开了处理器、计算机可读介质和数据载体信号。

Description

控制指示立即改变的推荐入口点的导航视图的显示的方法

技术领域

本公开总体涉及手术导航，即，涉及用于控制用于手术导航的导航视图的计算机实现的方法。还公开了处理器、计算机可读介质和数据载体信号。

背景技术

在手术导航期间，外科医生可以使用手术导航系统来帮助将手术器械相对于患者进行对准。为此，诸如手术器械和患者的手术对象的位置和定向可以被确定为用于向外科医生提供导航指令的基础。

在手术导航系统的示例性应用中，手术器械和患者均与跟踪标记相关联，其中，以前通过例如计算机断层扫描(CT)获得的患者的三维图像数据可以是用患者跟踪标记注册的，并且手术器械是用器械跟踪标记注册的。通过跟踪患者和手术器械的跟踪标记，可以确定患者和手术器械两者的位置和定向，并且因此可以确定患者的三维图像数据与手术器械的位置和定向之间的空间关系。

在若干手术过程中，外科医生需要自行将手术器械(例如，分流术细探针、钻、锥、旋塞、螺丝刀、活检针等)相对于患者的身体进行对准，以使手术器械与手术前计划的轨迹线对准。手术前计划的轨迹线(即，计划轨迹线)通常由计划入口点和计划目标定义。入口点通常定义应对患者的身体的皮肤进行切割的点或应在患者的颅骨中钻口的点，手术器械将通过这些位置进入患者的身体。入口点可以定义椎骨的骨表面上的应插入植入物(例如，椎弓根螺钉)的点。可以在患者的三维图像数据中定义目标和计划入口点。这样的目标的示例是目标点(即，腔室中的点)、肿瘤、要治疗的解剖器官、希望的椎弓根螺钉的尖端位置等。可以通过在三维图像数据中定义点或描绘几何结构来定义目标。

在确定了描述计划入口点和目标的计划数据之后，可以在将之前确定的空间关系例如以导航视图的形式显示在屏幕上的过程期间执行手术导航，从而帮助外科医生针对患者来引导手术器械。

在一些情况下，外科医生可以在手术导航的过程期间确定，相对于计划入口点，稍微不同的入口点是更可取的。在其他情况下，外科医生可能不能够完美地使手术器械与计划入口点对准。

一些导航视图可以支持两种不同的对准模式。在第一对准模式中，手术器械与计划入口点和计划轨迹线两者对准。如果轨迹线完美地对准，则结果与图3所示的结果一样。然而，实际上，典型的结果与图6中所示的结果相对应。在第二对准模式中，手术器械只与目标对准。那么手术器械的轨迹线可以精确地穿过目标，但是可能错过了计划入口点，如图5所示。

现有技术没有提供用于准确且可靠地到达计划目标的被导航手术器械的快速且准确的对准。

发明内容

存在针对控制导航视图的显示的计算机实现的方法的需求，所述方法解决上述或其他问题中的一个或多个。

根据第一方面，提供了一种控制用于手术导航的导航视图的显示的计算机实现的方法。所述方法包括：获得定义计划入口点和计划目标的计划数据，其中，所述计划入口点和所述计划目标在至少一个解剖物的计算机模型的坐标系中定义；所述方法还包括：获得描述手术器械在所述坐标系中的当前姿态的跟踪数据；以及至少基于所述跟踪数据确定位于与所述手术器械具有固定空间关系的轨迹线上的当前入口点。所述方法还包括：控制使至少一个推荐入口点可视化的导航视图的显示，其中，当所述计划入口点与所述当前入口点之间的距离满足预定条件时，推荐入口点从所述计划入口点立即改变为所述当前入口点。

计划入口点例如满足从以下条件选择的至少一个条件：远离计划目标；未被包括在所述计划目标中；以及与所述计划目标不同。计划入口点可以位于至少一个解剖物的计算机模型的外表面下方预定距离或其上方预定距离，例如，在基于计算机断层扫描(CT)患者图像数据来确定计算机模型的情况下。在一个示例中，计划入口点位于计算机模型的外表面上，而计划目标位于计算机模型的外表面下方。外表面可以与解剖物的骨表面相对应。

至少一个解剖物例如是解剖器官、骨、肢体等。在一个示例中，至少一个解剖物包括：患者的整个身体的截面中或患者的整个身体中的所有身体部分。截面可以是取决于所使用的成像技术而尺寸受限的。换言之，至少一个解剖物可以包括通过患者图像数据描述的所有解剖物。患者图像数据例如通过获取患者的医学图像而获得，并且可以具体是CT患者图像数据或磁共振(MR)患者图像数据。至少一个解剖物可以实质上包括特定的组织类型，例如，骨、肌肉、皮肤或腱。例如，所述至少一个解剖物对于X射线具有预定的透射度，导致X射线或CT图像中的预定范围的Hounsfield值。

计划目标例如等于或包括目标点或扩大的解剖目标的轮廓。计划目标可以是计算机模型中的体积，例如，包括或描述解剖物(例如，解剖器官、肿瘤、感兴趣区域等)的体积。

可以通过获得描述计划入口点的第一数据并获得描述目标的第二数据来获得计划数据。可以通过获得手术器械在跟踪坐标系中的定向并基于跟踪坐标系和所述坐标系之间的已知变换将该定向变换到所述坐标系，来获得手术器械在所述坐标系中的定向。

轨迹线例如(即，实质上)与手术器械的纵轴线平行，(即，实质上)与手术器械的插入方向平行，或(即，实质上)与手术器械的手柄正交。

导航视图例如通过相对于所述推荐入口点对准或定向所述导航视图，来使所述推荐入口点可视化。

所述预定条件例如是计划入口点与当前入口点之间的距离小于阈值。所述阈值可以是预定值，例如，0.5mm、1mm、1.5mm、3mm或4mm，特别是2mm。所述阈值在一个示例中大于0mm，特别是大于1mm或大于2mm。所述阈值可以在先前方法步骤中获得的。所述阈值可以由用户设置。例如，所述阈值是取决于计划入口点与目标之间的空间关系的值。在这种情况下，所述阈值可以与计划入口点与目标之间的距离的特定百分比相对应。所述阈值是例如取决于所述手术器械与所述目标、所述当前入口点和所述计划入口点中的至少一个之间的空间关系的值。所述阈值可以被选择为使得用户仅从导航视图就可以检测推荐入口点的瞬时改变。所述阈值可以大于由导航视图的单个像素所描述的距离。例如，所述阈值大于手术器械的轴的宽度的预定百分比。

导航视图可以使推荐入口点和计划目标可视化。导航视图例如通过在计算机模型的表示上显示推荐入口点和目标和/或通过相对于推荐入口点和目标中的至少一个定向导航视图，来使推荐入口点和计划目标可视化。

一个示例中的导航视图具有与推荐入口点和计划目标之间的直线相对应的观察方向。

导航视图可以是以推荐入口点和计划目标之间的直线为中心的靶心视图。在另一变形中，所述导航视图包括：以推荐入口点和计划目标之间的直线为中心的靶心。靶心或靶心视图可以包括：以推荐入口点和计划目标之间的直线为中心的至少一条同心线。所述至少一条同心线可以是位于平面中的二维线，该平面与推荐入口点和计划目标之间的直线正交。靶心或靶心视图例如将推荐入口点和计划目标之间的直线作为观察方向。此外，或作为备选，对于靶心，导航视图可以包括一条或多条瞄准线，例如，实质上与第二瞄准线正交的第一瞄准线。一条或多条瞄准线可以与推荐入口点和计划目标之间的直线相交。

一个变形中的导航视图包括推荐入口点和计划目标之间的相对空间关系的可视化。推荐入口点和计划目标之间的相对空间关系的可视化例如是数字、文字、条形图、进度条等中的至少一种。

例如，所述导航视图包括对所述手术器械与从所述推荐入口点和所述计划目标中选择的至少一个目的地之间的相对空间关系的可视化。例如，所述导航视图包括对所述轨迹线与所述计划目标之间的最短距离的可视化。手术器械和至少一个目标点之间的相对空间关系的可视化例如是数字、文字、条形图、进度条等中的至少一种。

导航视图可以包括以下关系的可视化：手术器械在坐标系中的位置与推荐入口点之间的距离和所述推荐入口点与目标之间的距离之间的关系。导航视图可以包括第一距离和第二距离之间的关系的可视化，其中，所述第一距离例如是手术器械在坐标系中的位置与推荐入口点和目标中的一个之间的距离，并且所述第二距离例如是所述推荐入口点与目标之间的距离。一个示例中的导航视图包括：通过将第一距离除以第二距离确定的分数的可视化。导航视图可以包括通过将第二距离除以第一距离确定的分数的可视化。在另一示例中，所述导航视图包括：从第一距离和第二距离中选择的至少一个距离的可视化。

相对空间关系的可视化、关系的可视化和/或分数的可视化例如是进度条。进度条可以围绕导航视图中的对准点同心式地形成。一个示例中的对准点位于推荐入口点和计划目标之间的直线上。所述对准点可以是靶心和/或瞄准线的中心。

在一个变型中，当所述计划入口点与所述当前入口点之间的距离满足所述预定条件时，所述推荐入口点从所述计划入口点永久地改变为所述当前入口点。

在一个变型中，当所述计划入口点与所述当前入口点之间的距离不再满足预定标准时，所述推荐入口点从所述当前入口点立即重置为所述计划入口点。所述预定标准例如是所述预定条件。在一个示例中，所述预定标准是计划入口点与当前入口点之间的距离小于限制值。由所述预定标准定义的限制值可以大于由所述预定条件定义的阈值。所述限制值可以是预定值，例如0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm。一个示例中的限制值大于0mm。所述限制值可以在以前的方法步骤中获得的。所述限制值可以由用户设置。例如，所述限制值是取决于计划入口点与目标之间的空间关系的值。在这种情况下，所述限制值可以与计划入口点与目标之间的距离的特定百分比相对应。所述限制值是例如取决于所述手术器械与所述目标、所述当前入口点和所述计划入口点中的至少一个之间的空间关系的值。所述限制值可以被选择为使得用户仅从导航视图就可以检测推荐入口点的瞬时重置。所述限制值可以大于由导航视图的单个像素所描述的距离。例如，所述限制值大于手术器械的轴的宽度的预定百分比。

根据第二方面，提供了一种用于手术导航系统的处理器。所述处理器被配置为：获得定义计划入口点和计划目标的计划数据，其中，所述计划入口点和所述计划目标在至少一个解剖物的计算机模型的坐标系中定义。所述处理器还被配置为：获得描述手术器械在所述坐标系中的当前姿态的跟踪数据；以及至少基于所述跟踪数据确定位于与所述手术器械具有固定空间关系的轨迹线上的当前入口点。所述处理器被配置为：控制使至少一个推荐入口点可视化的导航视图的显示，其中，当所述计划入口点与所述当前入口点之间的距离满足预定条件时，推荐入口点从所述计划入口点立即改变为所述当前入口点。

根据第三方面，提供了一种计算机可读介质。计算机可读介质包括计算机程序，所述计算机程序包括指令，当所述程序由处理器执行时使所述处理器执行根据第一方面的方法。例如，所述计算机程序包括指令，当所述程序由处理器执行时，所述指令使所述处理器：获得定义计划入口点和计划目标的计划数据，其中，所述计划入口点和所述计划目标在至少一个解剖物的计算机模型的坐标系中定义；获得描述手术器械在所述坐标系中的当前姿态的跟踪数据；至少基于所述跟踪数据，确定位于与所述手术器械具有固定空间关系的轨迹线上的当前入口点；以及控制使至少一个推荐入口点可视化的导航视图的显示，其中，当所述计划入口点与所述当前入口点之间的距离满足预定条件时，推荐入口点从所述计划入口点立即改变为所述当前入口点。

根据第四方面，提供了一种数据载体信号。所述数据载体信号承载表示计算机程序的信息，所述计算机程序包括指令，当所述程序由处理器执行时，所述指令使所述处理器执行第一方面的方法。

附图说明

根据结合附图的以下实施例，本公开的另外的细节、优点和方面将变得明显，在附图中：

图1示出手术导航系统；

图2示出用于控制导航视图的显示的方法；

图3示出患者的身体中所包括的至少一个解剖物的计算机模型与计划入口点和计划目标的矢状(侧)视图；

图4示出计算机模型的矢状(侧)视图和处于第一示例性姿态的手术器械的轨迹线；

图5示出计算机模型的矢状(侧)视图和处于第二示例性姿态的手术器械的轨迹线；

图6示出计算机模型的矢状(侧)视图和处于第三示例性姿态的手术器械的轨迹线；

图7示出计算机模型的矢状(侧)视图和处于第四示例性姿态的手术器械的轨迹线；

图8示出计算机模型与处于第五示例性姿态的手术器械的透视图；

图9示出利用处于第五示例性姿态的手术器械的导航视图；

图10示出指示导航视图的观察方向的计算机模型的矢状(侧)视图和处于第六示例性姿态的手术器械的轨迹线；

图11示出利用处于第六示例性姿态的手术器械的导航视图的第一示例；

图12示出指示导航视图的观察方向的计算机模型的矢状(侧)视图和处于第七示例性姿态的手术器械的轨迹线；

图13示出利用处于第七示例性姿态的手术器械的导航视图的第一示例；

图14示出指示导航视图的观察方向的计算机模型的矢状(侧)视图和处于第八示例性姿态的手术器械的轨迹线；

图15示出利用处于第八示例性姿态的手术器械的导航视图的第一示例；

图16示出指示导航视图的观察方向的计算机模型的矢状(侧)视图和处于第九示例性姿态的手术器械的轨迹线；

图17示出利用处于第九示例性姿态的手术器械的导航视图的第一示例；

图18示出利用处于第八示例性姿态的定向的手术器械的导航视图的第二示例；

图19示出利用处于第八示例性姿态的定向的手术器械的导航视图的第二示例；

图20示出利用处于第八示例性姿态的定向的手术器械的导航视图的第二示例；

图21示出利用处于第八示例性姿态的定向的手术器械的导航视图的第二示例；

图22示出利用处于第八示例性姿态的定向的手术器械的导航视图的第二示例；

图23示出手术器械的轨迹线上的不同推荐入口点。

具体实施方式

在以下描述中，将参照附图说明计算机实现的方法、处理器、计算机可读介质和承载数据的信号的示例性实施例。相同的附图标记将被用于表示相同或类似的结构特征或方法步骤。

图1示出手术导航系统100。手术导航系统100包括处理器2和显示器4。手术导航系统100还包括光学跟踪系统6，所述光学跟踪系统6包括光学传感器8且具有第一跟踪坐标系10。光学跟踪系统6被配置为跟踪光学跟踪器，例如，附接到患者14的光学跟踪器12和附接到手术器械18的光学跟踪器16。

手术器械18包括：手柄20；以及轴22，具有与手术器械的插入方向或与要通过手术器械18的轴22插入的工具的插入方向一致的纵轴线24。

手术导航系统100还包括电磁跟踪系统26，其包括场发生器28和位置确定单元30。位置确定单元30被配置为确定电磁传感器在第二跟踪坐标系32中相对于场发生器28的位置。例如，电磁传感器34被附接到患者14，并且另一电磁传感器被附接到手术器械18(未示出)。位置确定单元30可以被包括在处理器2中或通过处理器2实现。要注意的是手术导航系统100可以包括光学跟踪系统6和电磁跟踪系统26两者，或者仅包括其中之一。

图像数据坐标系38中的患者图像数据36可以存储在存储单元(未示出)中和/或由处理器2获得。至少一个解剖物的计算机模型可以由处理器2(例如，图像数据坐标系38中的处理器)基于患者图像数据36确定。可以执行注册，以得出光学跟踪器12的位置和定向与图像数据坐标系38之间的变换。备选地或附加地，可以执行注册，以得出电磁跟踪器34的位置和定向与图像数据坐标系38之间的变换。这使处理器2能够确定患者图像数据36与患者14的当前位置和定向的相关性。也可以跟踪手术器械18，以确定和显示指示手术器械18和患者14之间的相对空间关系的导航视图。

导航视图可以示出相对于患者14注册的计算机模型的表示以及手术器械18的表示。可以由处理器2执行导航视图的确定和对要在显示器4上显示的导航视图的控制。导航视图被配置为在手术导航过程中帮助外科医生。

图2示出用于控制导航视图的显示的方法的流程图。所述方法可以由手术导航系统100的处理器2执行。

所述方法包括：获得计划数据的步骤40。计划数据描述在至少一个解剖物的计算机模型的坐标系中的计划入口点。计划入口点例如位于患者身体的计算机模型的外表面上。患者身体是患者14的身体。至少一个解剖物的计算机模型的外表面可以表示至少一个解剖物的骨表面。计划数据还描述在计算机模型的坐标系中的计划目标。计划目标例如位于计算机模型的外表面之下。计划目标可以是患者身体中所包括的并在患者图像数据36中识别的解剖物。计划目标可以包括或等同于计划目标点。计算机模型的坐标系在一个示例中与图像数据坐标系38等同。

所述方法包括：获得跟踪数据的另一步骤42。所述跟踪数据描述手术器械18在坐标系中的当前姿态。当前姿态包括以下项中的至少一种：手术器械18的当前位置(也被称为对应位置)和当前定向(也被称为对应定向)。当前定向描述手术器械18在坐标系中的对准，例如，轴线24的三维坐标。手术器械18的当前位置可以通过轴线24上的点或通过坐标系中的三维坐标来描述。

在光学跟踪系统6通过在第一跟踪坐标系10中跟踪光学跟踪器16来确定手术器械18的姿态的情况下，可以使用第一跟踪坐标系10和坐标系之间的已知变换以确定手术器械18在该坐标系中的当前姿态。这种已知变换可以通过如上所述地执行注册来获得。

除了跟踪患者14的光学跟踪系统6之外或备选地，电磁跟踪系统26也可以用于这个目的。在电磁跟踪系统26通过在第二跟踪坐标系32中跟踪电磁跟踪器34来确定手术器械18的姿态的情况下，可以使用第二跟踪坐标系32和坐标系之间的已知变换以确定手术器械18在该坐标系中的当前姿态。这种已知变换可以通过如上所述地执行注册来获得。在下文中，所描述的所有(即，相对)位置和定向是指坐标系中的(即，相对)位置和定向。要清楚的是可以备选地在不同坐标系中描述(即，相对)位置和定向，并可以使用变换来将坐标系变换到不同坐标系。

所述方法包括：基于跟踪数据确定当前入口点的步骤44。当前入口点是在从当前姿态开始将手术器械插入到至少一个解剖物的情况下手术器械将从哪里进入所述至少一个解剖物的测算。当前入口点位于与手术器械18具有固定空间关系的轨迹线上。

一个示例中的当前入口点位于手术器械的远(前)端上。在这种情况下，无需确定轨迹线，并且跟踪数据可以只描述处于当前姿态的手术器械18的位置。除此之外或备选地，当前入口点可以位于计算机模型的外表面上。除此之外或备选地，当前入口点可以是手术器械的轨迹线上最靠近计划入口点的点。

在当前入口点远离手术器械的情况下，所述方法可以包括，确定描述手术器械18的轨迹线的轨迹线数据。所述轨迹线例如是基于描述处于当前姿态的手术器械18的至少一种定向的跟踪数据而确定的。所述轨迹线是坐标系中定义的直线，并与手术器械18具有固定空间关系。根据一个示例，轨迹线与手术器械18的纵轴线24平行或与手术器械18的纵轴线24重合。可以考虑另外的数据以确定轨迹线数据，例如，描述固定空间关系的几何数据。

所述方法还包括：控制导航视图的显示的步骤46。导航视图使至少一个推荐入口点可视化。例如，导航视图通过成为相对于推荐入口点对准或定向的视图，使推荐入口点可视化。导航视图的观察方向可以基于推荐入口点确定，使得导航视图使推荐入口点可视化。导航视图还可以使计划目标可视化。在一个示例中，导航视图是以推荐入口点和计划目标之间的直线为中心、且将推荐入口点和目标之间的直线作为观察方向的靶心视图。在不同示例中，导航视图示出患者14的身体中所包括的至少一个解剖物的三维计算机模型的透视视图，在该视图中突出显示了推荐入口点。

当计划入口点与位于轨迹线上的当前入口点之间的距离满足预定条件时，推荐入口点从计划入口点立即改变为当前入口点。所述预定条件例如是计划入口点与当前入口点之间的距离小于阈值。所述阈值可以是0mm以上且5mm以下的预定值，例如，2mm。例如，所述阈值是取决于计划目标点与目标之间的空间关系的值。在这种情况下，所述阈值可以与计划目标点和目标之间的距离的特定百分比相对应。

下文中，参照图3至图23描述可以由处理器2执行的图2的方法的细节。

图3示出患者的颅骨的计算机模型的矢状(侧)视图以及计划入口点48和计划目标50。也示出了目标点52。目标点52可以由用户在计划目标50的过程中选择，或者可以在已经规划目标50(例如，由外科医生在显示器4上勾勒)之后自动地确定。在后一种情况下，目标点52例如被确定为目标50的中心点和/或被确定为目标50内部的离目标50的轮廓或表面最远的点。目标点52可以位于计划目标50的外表面上。也可以基于计划数据确定在计划入口点48和计划目标50之间(在所示出的示例中，在计划入口点48和计划目标点52之间)延伸的计划轨迹线54。计划轨迹线54可以基于计划入口点48和计划目标50自动地确定。图3所示的视图可以仅基于计划数据确定，即，计划数据可以包括患者图像数据36或从患者图像数据36得出。在另一示例中，图3所示的视图是基于患者图像数据36和计划数据确定的。

图4示出计算机模型的矢状(侧)视图和处于第一示例性姿态的手术器械18的实际或当前轨迹线56。轨迹线56可以基于跟踪数据确定并且与手术器械18具有固定的空间关系。轨迹线56因此是手术器械18的当前姿态的指示，其中，图4中的当前姿态是第一示例性姿态。这个示例中的目标点52位于计划目标50上。所示出的视图表示手术器械18相对于患者14的理想的对准。具体地，手术器械18的轨迹线56穿过计划入口点48并到达计划目标点52。在这种情况下，手术器械18的当前姿态完美地适合计划目标点52和计划入口点48。换言之，轨迹线56与计划轨迹线54重合。

图5示出计算机模型的矢状(侧)视图和处于第二示例性姿态的手术器械18的实际或当前轨迹线56。第二姿态定向导致穿过计划入口点48延伸但未穿过计划目标点52的轨迹线56。这个示例中的轨迹线56仍然到达目标50，尽管在目标50很小或进行不同定位的情况下可能不是这种情况。手术器械18相对于患者的这种对准是不利的，因为在外科医生使手术器械18遵循轨迹线56的情况下，手术器械18将错过目标点52。

图6示出计算机模型的矢状(侧)视图和处于第三示例性姿态的手术器械18的轨迹线56。第三示例性姿态导致轨迹线56实质上与计划轨迹线54平行地延伸，虽然未延伸穿过计划入口点48或计划目标点52，但是轨迹线56到达了目标50。手术器械18相对于患者的这种对准是不利的，因为在外科医生使手术器械18遵循轨迹线56的情况下，手术器械18将错过目标点52。

图7示出计算机模型的矢状(侧)视图和处于第四示例性姿态的手术器械18的轨迹线56。第四示例性姿态导致轨迹线56延伸到计划目标点52，但是未延伸穿过计划入口点48。在外科医生使手术器械18遵循轨迹线56的情况下，通过手术器械18将到达目标点52。因为计划目标点52比计划入口点48重要得多，所以手术器械18相对于患者的这种对准在多数情况下是可接受的。例如，可以对计划轨迹线54进行计划，使得计划轨迹线54避开重要的解剖结构。因此，轨迹线56不应该偏离计划轨迹线54太多。出于这个原因，在计划入口点48与位于轨迹线56上的当前入口点之间的距离满足预定条件(例如，落在预定阈值下方)的情况下，图7所示的轨迹线56是可接受的。

图8示出计算机模型的透视视图，在该计算机模型中示出了计划轨迹线54和手术器械18的前端部(也被称为远端部)的表示58。计划入口点48通过计划轨迹线54和与计算机模型的外表面正切的圆形平面59之间的交点来进行可视化。在这种情况下的手术器械18处于第五示例性姿态。处于第五示例性姿态的手术器械18的定向和位置在坐标系中是已知的。这实现了关于计算机模型的表示58的显示。如可以看到的，手术器械18的前端部远离计划轨迹线54，并因此也远离计划目标点48。此外，在轨迹线56和计划轨迹线54之间存在大的角度。这导致轨迹线56和计划目标点52之间的很远的距离(未示出)。

优选地，对图8所示的透视视图进行定向，以使其表示外科医生对患者14的当前观察方向。当前观察方向可以通过使用跟踪系统6和跟踪系统26两者或其中之一来跟踪外科医生相对于患者14的位置进行确定。备选地或附加地，当前观察方向可以基于手术器械18的第五示例性姿态确定。在另一变形中，当前观察方向根据由用户输入的观察方向信息来获得。在一种变形中，图8所示的透视视图与导航视图一起显示或作为导航视图。

图9示出利用正处于第五示例性姿态的手术器械18的导航视图的示例。在这种情况下，由处理器2基于描述手术器械18的第五示例性姿态的跟踪数据确定导航视图，该跟踪数据包括手术器械18在坐标系中的定向和位置。

这个示例中的导航视图是将在计划入口点48和计划目标点52之间延伸的直线作为观察方向的靶心视图。这个示例中的导航视图包括一对瞄准线61和63。第一瞄准线61实质上竖直延伸，而第二瞄准线63实质上水平延伸。要注意，靶心视图还包括围绕对准点同心地形成的两个圆。对准点与两条瞄准线61和63的交点重合。在其他示例中，导航视图不包括这样的圆，而是包括瞄准线61和瞄准线63中的至少一条。

定义导航视图的观察方向64的直线在计划入口点48和计划目标点52之间延伸。靶心视图以该直线为中心。对准点位于该直线上。

此外，示出了手术器械18的端部的表示58。在这种情况下的表示58是手术器械18的端部到与观察方向垂直的平面的二维投影。此外，示出了手术器械18的远端部与目标50(即，目标点52)之间的距离的指示60以及轨迹线56与目标50(即，目标点52)之间的最小距离的指示62。还可以示出推荐入口点(在这个示例中，计划入口点48)和目标50之间的相对空间关系的另一指示。

基于图9清楚的是，处于第五示例性定向的手术器械18的轨迹线56是不利的。位于处于第五示例性定向的手术器械18的轨迹线56上的当前入口点与计划入口点48之间的距离不满足预定条件。因此，在手术器械18处于第五示例性姿态的情况下，由处理器2控制的要被显示的导航视图是以在计划入口点48和计划目标点52之间延伸的直线为中心的靶心视图。

通过连续地跟踪手术器械18，导航视图可以由控制器2接近实时地控制。控制导航视图优选地包括：确定导航视图；并触发显示器4以显示所确定的导航视图。因此，可以为外科医生提供与手术器械的当前姿态相对应的最新的导航视图。

图10、图12、图14和图16示出手术器械18、计划入口点48和计划目标50之间的不同的相对位置。这些附图描述了手术器械18的连续移动，即，从第六示例性姿态经由第七示例性姿态和第八示例性姿态到第九示例性姿态的连续移动。图11、图13、图15和图17示出由处理器2控制的针对图10、图11、图12和图14中所示的相对位置关系在显示器4上可视化的对应的导航视图。换言之，图11、图13、图15和图17示出与手术器械18从第六示例性姿态经由第七示例性姿态和第八示例性姿态到第九示例性姿态的姿态连续改变相对应的导航视图的连续改变。图11、图13、图15和图17中的表示58是手术器械18的远端部到与导航视图的观察方向垂直的平面的二维投影。

图10示出指示导航视图的观察方向64的计算机模型的矢状(侧)视图。还示出了处于第六示例性姿态的手术器械18的远端部的表示58。表示58可以由处理器2基于跟踪数据来确定，跟踪数据通过描述手术器械18在坐标系中的对应位置和定向来描述手术器械18在坐标系中的第六示例性姿态。可以看出，在这个示例中，在计划目标点48和目标50的计划目标点52之间延伸的直线被用作导航视图的观察方向。在这种情况下，根据本文描述的方法，如图11所示的导航视图的第一示例的显示可以由处理器2控制。

图11示出利用正处于第六示例性姿态的手术器械18的导航视图的第一示例。在这种情况下，导航视图可以由处理器2基于跟踪数据来确定，跟踪数据通过描述手术器械18在坐标系中的对应位置和定向来描述手术器械18在坐标系中的第六示例性姿态。如可以基于指示62看到的，处于第六示例性姿态的手术器械18的轨迹线56比处于第五示例性姿态的手术器械18的轨迹线56更靠近目标点52。位于处于第六示例性姿态的手术器械18的轨迹线56上的当前入口点与计划入口点48之间的距离不满足预定条件。因此，在手术器械18处于第六示例性姿态的情况下，在该示例中由处理器2控制的要被显示的导航视图是以在计划入口点48和计划目标点52之间延伸的直线为中心的靶心视图，如图11所示。

图12示出指示导航视图的观察方向64的计算机模型的矢状(侧)视图。还示出了处于第七示例性姿态的手术器械18的远端部的表示58。表示58可以由处理器2基于跟踪数据来确定，跟踪数据通过描述手术器械18在坐标系中的对应位置和定向来描述手术器械18在坐标系中的第七示例性姿态。位于处于第七示例性姿态的手术器械18的轨迹线56上的当前入口点66与计划入口点48之间的距离满足预定条件。在所示出的示例中，当前入口点66位于轨迹线56上、手术器械18的远端部上、以及计算机模型的外表面上。可以看出，在这个示例中，在当前入口点48和目标50的计划目标点52之间延伸的直线被用作导航视图的观察方向。在这种情况下，根据本文描述的方法，如图13所示的导航视图的示例的显示可以由处理器2控制。

图13示出利用正处于第七示例性姿态的手术器械18的导航视图的示例。在这种情况下，导航视图可以由处理器2基于跟踪数据来确定，跟踪数据通过描述手术器械18在坐标系中的对应位置和定向来描述手术器械18在坐标系中的第七示例性姿态。位于处于第七示例性姿态的手术器械18的轨迹线56上的当前入口点66与计划入口点48之间的距离满足预定条件。因此，在手术器械18处于第七示例性姿态的情况下，在该示例中由处理器2控制的要被显示的导航视图是以在当前入口点66和计划目标点52之间延伸的直线为中心的靶心视图，如图13所示。还可以示出推荐入口点(在这个示例中，当前入口点66)和目标50之间的相对空间关系的另一指示。

基于图10至图13将清楚的是，由处理器2控制的要被显示在显示器4上的导航视图基于当前入口点与计划入口点48之间的距离满足预定条件而改变。具体地，在所示出的示例中，导航视图的观察方向64从第一观察方向立即改变为第二观察方向，其中，第一观察方向与在计划入口点48和计划目标点52之间延伸的直线一致，并且第二观察方向与在当前入口点66和计划目标点52之间延伸的直线一致。因此，一旦手术器械定位为足够靠近计划入口点48，导航视图的观察方向64就可以立即改变，从而允许手术器械18的改善的导航。例如，外科医生无需通过将手术器械18定位在患者的身体上来完美地到达计划入口点48。被认为是可接受的较小偏差因此可以被定义为所述预定条件的阈值。

当将图11的导航视图与图13的导航视图进行比较时，可以看出，表示58从远离靶心的中心的位置跳转到靶心的中心。这是因为在导航视图的这个示例中，当前入口点66与计划入口点48之间的距离满足所述预定条件时，观察方向64立即改变。当确定当前入口点66与计划入口点48之间的距离满足所述预定条件时，发生推荐入口点的瞬时(例如，突然、迅速、直接或单步)改变。通过连续地跟踪手术器械18的姿态和患者14并确定其在坐标系中的相应的定向和/或位置，可以连续地计算上述距离。一旦所计算的距离满足所述预定条件，推荐入口点就立即改变。

在将透视视图(例如，参照图8在上文描述的透视视图)用作导航视图或结合导航视图使用的情况下，在当前入口点66与计划入口点48之间的距离满足所述预定条件时，经可视化的推荐入口点也可以从计划入口点48立即改变为当前入口点66。然后可以通过在透视视图中可视地突出显示当前入口点66或通过示出与计算机模型的外表面正切的且与轨迹线56正交的平面相交的轨迹线56，使当前入口点66可视化。

在立即改变推荐入口点之后，当计划入口点48与当前入口点48之间的距离不再满足预定标准(例如，所述预定条件)时，可以将推荐入口点从当前入口点66重置为计划入口点48。备选地，当计划入口点48与当前入口点66之间的距离满足所述预定条件时，推荐入口点可以从计划入口点48永久地改变为当前入口点66。

图12示出指示导航视图的观察方向64的计算机模型的矢状(侧)视图。还示出了处于第八示例性姿态的手术器械18的尖端的表示58。表示58可以由处理器2基于跟踪数据来确定，跟踪数据通过描述手术器械18在坐标系中的对应位置和定向来描述手术器械18在坐标系中的第八示例性姿态。图14的当前入口点66与图12所示的当前入口点66相同。因此，位于处于第八示例性姿态的手术器械18的轨迹线56上的当前入口点66与计划入口点48之间的距离满足预定条件，并且，在手术器械18处于第八示例性姿态的情况下，由处理器2控制的要被显示的导航视图可以是以在当前入口点66和计划目标点52之间延伸的直线为中心的靶心视图。可以看出，轨迹线56与观察方向64对准并且与当前入口点66和目标点52之间的直线重合。

为了引导外科医生移动手术器械18，从而将轨迹线56与在当前入口点66和计划目标点52之间延伸的直线对准，可以控制图13所示的导航视图以进行显示。在对准之后，可以控制图15的导航视图以进行显示。

图15示出利用正处于第八示例性姿态的手术器械18的导航视图的示例。如可以看到的，表示58以靶心视图的中心为中心。换言之，靶心视图的观察方向64与手术器械18的轴22的纵轴线24的定向方向相对应，手术器械18的尖端被示出为表示58。因为轨迹线56在这种情况下到达计划目标点52，所以指示62描述0mm的偏差。指示60在这种情况下仍然示出-38.1mm的值，作为手术器械18的端部与目标点52之间的距离。

图12示出指示导航视图的观察方向64的计算机模型的矢状(侧)视图。还示出了处于第九示例性姿态的手术器械18的尖端的表示58。表示58可以由处理器2基于跟踪数据来确定，跟踪数据通过描述手术器械18在坐标系中的对应位置和定向来描述手术器械18在坐标系中的第九示例性姿态。可以看出，虽然手术器械18的定向与图14和图16中相同，但是手术器械18的尖端的位置在这两个附图之间不同。在图14中，手术器械18的尖端位于计算机模型的外表面上。在图16中，手术器械18的尖端位于计算机模型的外表面之下。

图16所示的当前入口点66与图12和图14所示的相同。因此，位于处于第九示例性姿态的手术器械18的轨迹线56上的当前入口点66与计划入口点48之间的距离满足预定条件，并且，在手术器械18处于第九示例性姿态的情况下，由处理器2控制的要被显示的导航视图是以在当前入口点66和计划目标点52之间延伸的直线为中心的靶心视图。可以看出，轨迹线56与观察方向64对准并且与当前入口点56和目标点52之间延伸。

图17示出利用正处于第九示例性姿态的手术器械18的导航视图的示例。如可以看到的，表示58以靶心视图的中心为中心。换言之，靶心视图的观察方向64与手术器械18的轴22的纵轴线24的方向相对应，手术器械18的尖端被示出为表示58。因为轨迹线56在这种情况下到达计划目标点52，所以指示62指示0mm的偏差。为了引导外科医生移动手术器械18从而到达目标50，示出了指示60。指示60在这种情况下示出-12.1mm的值，作为手术器械18的尖端与目标点52之间的距离。这是因为，与图14和图15相比，在图16和图17中，手术器械18的尖端的位置更靠近目标50。

此外，这个示例中的导航视图包括：进度条68，围绕当前入口点66和目标点52之间的直线同心地形成。进度条指示手术器械18的尖端与计划目标50(即，计划目标点52)之间的距离。具体地，进度条68是手术器械18的尖端与当前入口点66之间的距离和当前入口点66与目标点52之间的距离之间的关系的指示。手术器械18的端部越靠近目标50，进度条越满(即，越完整)。在另一变形中，进度条可以指倒计条。在这种情况下，手术器械18的端部越靠近目标50，进度条越空(即，越不完整)。

图18至图22示出将当前入口点66和目标点52之间的直线作为观察方向的导航视图的第二示例。这些附图示出处于不同状态的进度条68。在导航视图的第二示例中，进度条68是倒计条。

图18示出在手术器械18的尖端位于当前入口点66上的情况下的具有进度条68的导航视图。在这种情况下，手术器械18处于第八示例性姿态。

图19示出具有指示手术器械的插入完成度为25％的进度条68的导航视图。换言之，图19中的进度条68指示，手术器械18的端部与当前入口点66之间的距离是当前入口点66与目标点52之间的距离的25％。在这种情况下，手术器械18是与第八示例性姿态下相同的定向，但是处于与第八示例性姿态下不同的位置。换言之，手术器械18的轨迹线56与图18和图19中相同。

图20示出具有指示手术器械的插入完成度为50％的进度条68的导航视图。换言之，图20中的进度条68指示，手术器械18的端部与当前入口点66之间的距离是当前入口点66与目标点52之间的距离的50％。在这种情况下，手术器械18是与第八示例性姿态下相同的定向，但是处于与图18或图19中不同的位置中。

图21示出具有指示手术器械的插入完成度为75％的进度条68的导航视图。换言之，图20中的进度条68指示，手术器械18的端部与当前入口点66之间的距离是当前入口点66与目标点52之间的距离的50％。在这种情况下，手术器械18是与第八示例性姿态下相同的定向，但是处于与图18至图20中不同的位置中。

图22示出具有指示手术器械的插入完成度为100％的进度条68的导航视图。换言之，图20中的进度条68指示，手术器械18的端部与当前入口点66之间的距离是当前入口点66与目标点52之间的距离的50％。在这种情况下，手术器械18是与第八示例性姿态下相同的定向，但是处于与图18至图21中不同的位置中。

图23示出不同的当前入口点，该不同的当前入口点通过定义全部位于手术器械18的轨迹线56上。第一点70位于计算机模型的外表面上。第二点72是最靠近计划入口点48的点。第三点74是位于延伸通过计划入口点48的平面中的点，该平面将计划入口点48和目标点52之间的直线作为法线。第四点76位于手术器械18的尖端上。当前入口点66满足从以下项选择的至少一项要求：当前入口点66位于手术器械18的(即，前)尖端上；当前入口点66位于计算机模型的外表面上；当前入口点66在位于所述轨迹线56上的任意点中最靠近所述计划入口点48；以及当前入口点66位于平面中，其中，该平面具有由计划入口点48和计划目标50(即，计划目标点52)之间的直线定义的法线，并且其中，计划入口点48位于该平面中。在本实施例中，当前入口点是第二点72，具体地，是轨迹线上最靠近计划入口点48的点。

还提供了包括计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括指令，当所述计算机程序由处理器(即，处理器2)执行时，使处理器执行本文所述的方法。此外，提供了承载表示计算机程序的信息的数据载体信号。

如参照示例性实施例所述，在本文提出的技术在一些变形中实现了显示可视提示，以将外科医生对准手术器械18的任务分解为两个连续的任务。在第一任务中，手术器械18的前端部与计划入口点48对准。之后，在第二任务中，将手术器械18对准，使得轨迹线56穿过计划目标50。

导航视图例如是沿实际的器械轨迹线56查看的靶心视图。靶心视图可以与上述透视视图一起显示，上述透视视图是计算机模型的二维或三维可视化。

透视视图可以定向为使得其最佳地匹配外科医生对位于他前方的患者14的实际透视角。透视视图的定向可以基于来自光学跟踪系统6或电磁跟踪系统26或来自两者的信息确定。透视视图的定向还可以基于至少一种已知的坐标变换和/或外科医生相对于患者14所在的手术台的已知位置确定。通过透视视图的这种可视化使外科医生能够很容易地找到针对患者14的计划入口点48。

示出手术器械18的前端部的表示58的靶心视图还可以示出手术器械的纵轴线24的任意邻近点。如图10和图11中的示例所示，最初时完全沿计划轨迹线54查看靶心视图。例如，当手术器械18的前端部被定位为距计划轨迹线小于应用特定距离(例如，2mm)时，靶心视图进行改变，使得其当前沿穿过当前入口点66朝着目标50的直线观察，如图12和图13所示。在这个示例中，靶心视图的中心由此从计划入口点48跳转到当前入口点66。

外科医生然后可以使用重新定向靶心视图来对准手术器械18的定向，直到轨迹线56如图14和图15所示地穿过目标50为止，然后如图16和图17所示地将手术器械18朝着目标50移动。

在大多数情况下，精确地到达目标点52更加重要，但是与入口点48的几毫米的偏移通常是无关紧要的。这意味着如图7所示的对准相对于图5和图6所示的对准是有利的，其中，轨迹线56可以稍微错过计划入口点48，但是轨迹线56非常接近地到达计划目标点52。因此，本文所述的方法支持外科医生首先实现手术器械18与计划入口点48的“足够好的”对准，然后实现手术器械18的准确对准，使得轨迹线56准确地到达目标点52。

这种有利的连续对准可以通过以下实现：一旦当前入口点66是“足够好的”，就将导航视图将从计划入口点48朝着目标50查看切换到从当前入口点66朝着目标50查看，使得外科医生然后可以完全专注于对手术器械18相对于患者14的对准进行校正，以使轨迹线56到达目标50。

相对于简单地将在手术器械18的前端部处的靶心视图朝向朝着目标50查看的观察方向或与其对准，本文所述的立即改变推荐入口点的方法是有利的，这是因为其避免了在尖端接近目标50时的非常大的方向偏移。相反，当前入口点66可以被考虑为枢轴点，围绕该枢轴点，外科医生可以对手术器械18的定向进行校正，且因此对轨迹线56的方向做出校正。

可以显示作为面向外科医生的二维或三维视图的透视视图和靶心视图的组合。此外，一旦当前入口点66是“足够好的”，就可以将靶心视图从从计划入口点48朝着目标50(图10、图11)查看切换为从当前入口点66朝着目标50查看(图12和图13)，使得外科医生然后可以完全专注于通过在当前入口点66上枢转手术器械18来校正手术器械18的定向，以使轨迹线56到达目标50。

通过将推荐入口点从计划入口点48立即改变为当前入口点66，改善了手术导航。例如，外科医生可能无法确定或可以确定不将手术器械18精确地定位在计划入口点48上。在这种情况下，引导外科医生从当前入口点66至目标50的导航视图可能是有利的。通过仅在当前入口点66与计划入口点48之间的距离满足预定条件时将推荐入口点改变到当前入口点66，可以确保手术器械18的轨迹线56仍然足够靠近计划轨迹线54。

关于附图所示的示例性实施例所描述的特征可以很容易地组合，以产生不同的实施例。因此，本公开可以以许多方式变化是显而易见的。这些变化不被视为背离由随附权利要求所定义的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种计算机实现的对用于手术导航的导航视图的显示进行控制的方法，所述方法包括：

获得定义计划入口点和计划目标的计划数据，其中，所述计划入口点和所述计划目标在至少一个解剖物的计算机模型的坐标系中定义；

获得描述手术器械在所述坐标系中的当前姿态的跟踪数据；

至少基于所述跟踪数据，确定位于与所述手术器械具有固定空间关系的轨迹线上的当前入口点；以及

控制使至少一个推荐入口点可视化的导航视图的显示，其中，当所述计划入口点与所述当前入口点之间的距离满足预定条件时，将推荐入口点从所述计划入口点立即改变为所述当前入口点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定条件是所述计划入口点与所述当前入口点之间的距离小于阈值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述阈值是基于从以下项选择的至少一种空间关系的值：

所述计划入口点与目标之间的空间关系；以及

所述手术器械与所述目标、所述当前入口点和所述计划入口点中的至少一个之间的空间关系。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述当前入口点满足从以下项选择的至少一项要求：

所述当前入口点位于所述手术器械的尖端上；

所述当前入口点位于所述计算机模型的外表面上；

在位于所述轨迹线上的任意点中，所述当前入口点最靠近所述计划入口点；以及

所述当前入口点位于平面中，其中，所述平面具有由所述计划入口点和所述计划目标之间的直线定义的法线，并且其中所述计划入口点位于所述平面中。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轨迹线满足从以下项选择的至少一项要求：

所述轨迹线与所述手术器械的纵轴线实质上平行；

所述轨迹线与所述手术器械的插入方向实质上平行；以及

所述轨迹线与所述手术器械的手柄实质上正交。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过相对于所述推荐入口点对准或定向所述导航视图，所述导航视图使所述推荐入口点可视化。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导航视图使所述推荐入口点和所述计划目标可视化。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述导航视图通过提供从以下项选择的至少一种结果，使所述推荐入口点和所述计划目标可视化：

在所述计算机模型的表示上显示所述推荐入口点和目标；以及

相对于所述推荐入口点和所述目标中的至少一个定向所述导航视图。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导航视图具有与所述推荐入口点和所述计划目标之间的直线相对应的观看方向。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导航视图是以所述推荐入口点和所述计划目标之间的直线为中心的靶心视图。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导航视图包括对所述手术器械与从所述推荐入口点和所述计划目标中选择的至少一个目的地之间的相对空间关系的可视化。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导航视图包括对所述轨迹线与所述计划目标之间的最短距离的可视化。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导航视图包括对通过将第一距离除以第二距离或将所述第二距离除以所述第一距离而确定的分数的可视化，

其中，所述第一距离是所述手术器械在所述坐标系中的位置与所述推荐入口点和目标之一之间的距离，并且

其中，所述第二距离是所述推荐入口点与目标之间的距离。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，对所述分数的可视化是进度条。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述进度条围绕所述导航视图中的对准点同心式地形成。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述对准点位于所述推荐入口点和所述计划目标之间的直线上。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述计划入口点与所述当前入口点之间的距离满足所述预定条件时，将所述推荐入口点从所述计划入口点永久地改变为所述当前入口点。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述计划入口点与所述当前入口点之间的距离不再满足预定标准时，将所述推荐入口点从所述当前入口点立即重置为所述计划入口点。

19.一种用于手术导航系统的处理器，所述处理器被配置为：

获得定义计划入口点和计划目标的计划数据，其中，所述计划入口点和所述计划目标在至少一个解剖物的计算机模型的坐标系中定义；

获得描述手术器械在所述坐标系中的当前姿态的跟踪数据；

至少基于所述跟踪数据，确定位于与所述手术器械具有固定空间关系的轨迹线上的当前入口点；以及

控制使至少一个推荐入口点可视化的导航视图的显示，其中，当所述计划入口点与所述当前入口点之间的距离满足预定条件时，将推荐入口点从所述计划入口点立即改变为所述当前入口点。

20.一种包括计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括指令，当所述计算机程序由处理器执行时使所述处理器：

获得定义计划入口点和计划目标的计划数据，其中，所述计划入口点和所述计划目标在至少一个解剖物的计算机模型的坐标系中定义；

获得描述手术器械在所述坐标系中的当前姿态的跟踪数据；

至少基于所述跟踪数据，确定位于与所述手术器械具有固定空间关系的轨迹线上的当前入口点；以及

控制使至少一个推荐入口点可视化的导航视图的显示，其中，当所述计划入口点与所述当前入口点之间的距离满足预定条件时，将推荐入口点从所述计划入口点立即改变为所述当前入口点。

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