CN114246685A - 指导在患者身体上再获取一个配准点的技术 - Google Patents

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Abstract

一种计算机实施的方法，用于指导外科医生在患者身上获取一个或多个配准点。该方法包括将非患者特定的虚拟掩体匹配到患者的图像数据，并获取在图像数据中限定皮肤表面的多个图像表面点。该方法还包括基于经匹配的所述虚拟掩体，为所述图像表面点中的至少一个图像表面点确定优先值，所述优先值表示在相对于所述身体的位置处获取配准点的优先性，所述相对于所述身体的位置对应于所述至少一个图像表面点相对于在所述图像数据中限定的皮肤表面的位置。该方法还包括触发(30；98)对优先值(从所述优先值中导出的信息)的可视化的显示，或对从所述优先值中导出的信息的可视化的显示。

Description

指导在患者身体上再获取一个配准点的技术
技术领域
本公开大体涉及计算机实施的方法、数据处理设备和计算机程序产品，它们中的每个都用于指导外科医生在患者身体上获取一个或更多个配准点(registration point)。
背景技术
在外科导航中，可能会向用户(例如外科医生)提供与外科器械(如凿子、钻头或探针)与患者身体之间的相对姿势(即，位置和方向中的至少一个)有关的信息。通常，此类信息是通过相对于患者身体的医疗图像可视化地显示外科器械来提供的，所述医疗图像例如是X射线图像、计算机断层扫描(CT)图像或磁共振(MR)图像。这在微创手术中特别有用，因为外科医生可能看不到神经或动脉等关键的解剖结构，或者要以外科器械到达的感兴趣的区域可能隐藏在患者身体组织下面。
在外科导航领域，公知的定位技术(localization techniques)被用来来确定患者身体的当前姿势和外科器械的当前姿势。这些定位技术例如使用光学跟踪系统(opticaltracking system)，所述光学跟踪系统包括一个相机，所述相机用于跟踪连接到患者身体的光学跟踪器(optical tracker)的姿势，以及连接到外科器械的光学跟踪器。使用电磁、超声波或其他跟踪系统的其他定位技术也已经被描述了。
已经知道如何能够根据被跟踪的光学跟踪器的姿势来确定被跟踪的外科器械与被跟踪的患者身体之间的相对姿势。为了确定外科器械相对于患者身体的医疗图像的可视化，需要确定患者身体的医疗图像与被跟踪的患者身体之间的相对姿势。医疗图像和患者身体之间的相对姿势可以通过所谓的配准来描述，该配准可用于将姿势从跟踪系统的坐标系统转换为医疗图像的坐标系统，且反之亦然。
在这一领域，通常采用基于点的方法来确定此类配准。这种方法涉及通过使用被跟踪的配准探头来获取患者身体的配准点，并将这些配准点的位置(例如，在跟踪系统的坐标系统中描述)匹配到被医疗图像描述的患者身体(例如，匹配到在所述医疗图像的坐标系统中描述的身体)。
使用这种基于点的方法确定的配准准确性在很大程度上取决于在患者身体上的何处获取配准点。医疗图像与患者身体之间的不准确配准反过来又导致外科器械相对于患者身体的医疗图像的与实际不相符的/不切实际的可视化。在某些情况下，外科医生在进行手术时必须非常依赖上述可视化。如果出现与实际不相符的/不切实际的可视化，手术结果可能会受到负面影响。因此，手术的结果取决于配准点被在患者身体上的何处获取。因此，外科医生可能会不确定，为了确保与实际相符的可视化并改善临床结果，应该在患者身体的何处获取配准点。
发明内容
需要一种技术来指导外科医生在患者身体上获取一个或更多个配准点。
根据第一方面，提供一种计算机实施的用于指导外科医生在患者的身体上获取一个或更多个配准点的方法。该方法包括获得几何信息，该几何信息限定非患者特定的虚拟掩体(virtual mask)和多个锚点之间的相对位置，所述锚点中的每个锚点都与非患者特定的解剖标志相关联。该方法还包括为所述锚点中的每个锚点获得所关联的解剖标志在所述患者的图像数据中的位置，并所述虚拟掩体匹配到所述图像数据(例如，通过给所述锚点中的每个锚点分配所关联的解剖标志在图像数据中的位置)。该方法还包括获得多个图像表面点，所述图像表面点在所述图像数据中限定皮肤表面。该方法包括基于经匹配的所述虚拟掩体，为所述图像表面点中的至少一个图像表面点确定优先值，所述优先值表示在相对于所述身体的位置处获取配准点的优先性，所述相对于所述身体的位置对应于所述至少一个图像表面点相对于在所述图像数据中限定的皮肤表面的位置。所述配准点可以是(例如被配置成)能够被用于在图像数据中限定的皮肤表面和患者的身体之间的配准，所述配准基于所述至少一个图像表面点和所述配准点。第一方面的方法还包括触发对所述至少一个表面点的优先值的可视化的显示，或对从所述优先值中导出的信息的可视化的显示。
虚拟掩体可以形成为多维的网体，所述网体包括多个网体节点，其中，所述锚点中的每个锚点相对于所述多个网体节点中的一个或更多个网体节点具有已知的位置。在一个示例中，每个锚点与与所述多个网体节点中的一个网体节点重合。
″图像表面点″和″表面点″等词在此用作同义词。确定优先值可以包括：如果所述至少一个表面点位于配准区域之外，则将预先限定的较低的优先值分配给所述至少一个表面点：以及，如果所述至少一个表面点位于配准区域之内，则将预先限定的较高的优先值分配给所述至少一个表面点，其中，所述配准区域是由经匹配的虚拟掩体指定的皮肤表面的区域。例如，配准区域由由经匹配的虚拟掩体到皮肤表面上的投影来限定。
所述预先限定的较低的优先值可以被选择性地分配给位于配准区域外的所述至少一个表面点，如果该至少一个表面点距离配准区域比预先限定的最大距离更远。
在一个示例中确定优先值包括：如果所述至少一个表面点位于配准区域之外，并且比预先限定的最大距离更接近配准区域，则将中间优先值分配给所述至少一个表面点，中间优先值小于预先限定的较高的优先值，并大于预先限定的较低的优先值。
确定优先值可以包括以下之一：使用被分配的优先值作为优先值，和用一个或更多个权重因子对被分配的优先值进行加权以确定优先值。
该方法可能进一步包括：获得患者身体的骨骼表面；确定所述至少一个表面点和骨骼表面之间的最短距离；和基于所确定出的最短距离来确定所述一个或更多个权重因子中的第一权重因子，从而，如果所述最短距离较大，则所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于如果最短距离较小的情况。
在一个例子中，该方法包括基于患者身体上的身体点下方的身体组织的弹性来确定所述一个或更多个权重因子中的第二权重因子，这样，如果身体点下方身体组织的弹性具有较高的弹性，则所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于如果身体点下方的身体组织的弹性具有较低的弹性的情况，其中，所述身体点的相对于身体的位置对应于所述至少一个表面点相对于皮肤表面的位置。
该方法可以包括基于所述至少一个表面点相对于皮肤表面的位置与所获得的配准点被确定出的相对于皮肤表面的位置之间的第二距离来确定所述一个或更多个权重因子中的第三权重因子，从而，如果所述第二距离较小，则所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于如果第二距离较大的情况。
在一个变形中，该方法进一步包括：基于第一方向和第二方向之间的角度差来确定所述一个或多个权重因子中的第四权重因子，从而，如果角度差较小，则所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于如果角度差较大的情况，其中，所述第一方向由所述至少一个表面点相对于皮肤表面的位置处的皮肤表面的形状限定，所述第二方向由所获得的配准点的被确定出的相对于皮肤表面的位置处的皮肤表面的形状限定。
可以为所获得的配准点的被确定出的位置中的每个位置确定所述第三权重因子和第四权重因子，可以为所获得的配准点的被确定出的位置中的每个位置计算第三权重因子和第四权重因子的积，并且所述被分配的优先值可以仅用所计算出的积中最大的积进行加权。
例如，该方法还包括：基于第一方向和多个第二方向来确定所述一个或更多个权重因子中的第五权重因子，从而，如果第一方向和所述多个第二方向中的每个第二方向之间的多个角度差中的较多的角度差在预先限定的角度范围内，则所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于如果所述多个角度差中的较少的角度差在预先限定的角度范围内的情况，其中，所述第一方向由所述至少一个表面点相对于皮肤表面的位置处的皮肤表面的形状限定，并且其中，每个第二方向由位于多个所获得的配准点中的一个配准点的被确定出的相对于皮肤表面的位置处的皮肤表面的形状限定。
第五权重因子可以被进一步基于第三距离确定，所述第三距离是所述至少一个表面点与多个所获得的配准点中的一个配准点之间的距离，在所述多个所获得的配准点中，所述一个配准点的第二方向与所述第一方向最相似，因此，如果第三距离较短，则所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于如果第三距离较大的情况。
在第一方向与多个第二方向中的每个方向之间的角度差中，与所述第一方向最相似的所述第二方向可以具有最小的角度差。
根据第二方面，提供用于指导外科医生在患者身上获取一个或更多个配准点的数据处理设备。该仪器包括处理器，所述处理器被配置为：获取几何信息，该几何信息限定非患者特定的虚拟掩体和多个锚点之间的相对位置，所述锚点中的每个锚点都与非患者特定的解剖标志相关联；为所述锚点中的每个锚点获得所关联的解剖标志在所述患者的图像数据中的位置；将所述虚拟掩体匹配到所述图像数据(例如，通过给所述锚点中的每个锚点分配所关联的解剖标志在图像数据中的位置)；获得多个图像表面点，所述图像表面点在所述图像数据中限定皮肤表面；基于经匹配的所述虚拟掩体，为所述图像表面点中的至少一个图像表面点确定优先值，所述优先值表示在相对于所述身体的位置处获取配准点的优先性，所述相对于所述身体的位置对应于所述至少一个图像表面点相对于在所述图像数据中限定的皮肤表面的位置，其中，可选地，所述配准点能够被用于在图像数据中限定的皮肤表面和患者的身体之间的配准，所述配准基于所述至少一个图像表面点和所述配准点；并触发触发对所述至少一个表面点的优先值的可视化的显示，或对从所述优先值中导出的信息的可视化的显示。数据处理设备中所包含的处理器可以被配置为执行第一方面的方法。
根据第三方面，提供外科导航系统。外科导航系统包括第二方面的数据处理设备、用于显示可视化的显示器和跟踪系统，所述跟踪系统被配置成相对于患者的身体跟踪配准探头，以获得配准点的相对于身体表面的位置。
根据第四方面，提供计算机程序产品。计算机程序产品包括指令，当程序由处理器(例如第二方面的数据处理设备的处理器)执行时，所述指令导致处理器：获取几何信息，该几何信息限定非患者特定的虚拟掩体和多个锚点之间的相对位置，所述锚点中的每个锚点都与非患者特定的解剖标志相关联；为所述锚点中的每个锚点获得所关联的解剖标志在所述患者的图像数据中的位置；将所述虚拟掩体匹配到所述图像数据(例如，通过给所述锚点中的每个锚点分配所关联的解剖标志在图像数据中的位置)；获得多个图像表面点，所述图像表面点在所述图像数据中限定皮肤表面；基于经匹配的所述虚拟掩体，为所述图像表面点中的至少一个图像表面点确定优先值，所述优先值表示在相对于所述身体的位置处获取配准点的优先性，所述相对于所述身体的位置对应于所述至少一个图像表面点相对于在所述图像数据中限定的皮肤表面的位置，其中，可选地，所述配准点能够被用于在图像数据中限定的皮肤表面和患者的身体之间的配准，所述配准基于所述至少一个图像表面点和所述配准点；并触发对所述至少一个表面点的优先值的可视化的显示，或对从所述优先值中导出的信息的可视化的显示。计算机程序产品可以包含指令，当程序由处理器执行时，所述指令使得处理器执行第一方面的方法。
根据第五方面，提供包含指令的计算机程序，当程序由处理器执行时，所述指令会导致处理器执行第一方面的方法。
根据第六方面，提供了承载第五方面的计算机程序的载体介质。载体介质可以是存储所述计算机程序的(例如暂时性的)计算机存储介质、承载所述计算机程序(例如，代表所述计算机程序的信息)的数据流或承载所述计算机程序(例如，代表所述计算机程序的信息)的信号波。
附图说明
本公开的进一步细节、优势和方面将从下面结合附图的实施例中变得显而易见，其中：
图1示出了根据本公开的手术导航系统的第一示例性实施例；
图2示出了根据本公开的方法的第一示例性实施例。
图3示出了根据本公开的患者身体和虚拟掩体的示例性图示；
图4示出了示例性步骤，所述示例性步骤可以是根据本公开的方法的一部分；
图5示出了流程图，该流程图展示了根据本公开的方法步骤的示例性序列；
图6示出了流程图，该流程图展示了根据本公开的方法步骤的示例性序列；
图7示出了根据本公开的非患者特定的虚拟掩体的两个示例性图示；
图8示出了根据本公开的经匹配的虚拟掩模的示例性图示；
图9示例性地示出了根据本公开的不同的表面点的优先值的可视化；
图10示例性地示出了根据本公开的不同的表面点的优先值的可视化；和
图11示例性地示出了根据本公开的不同的表面点的优先值的可视化。
具体实施方式
在以下描述中，将参考附图解释外科导航系统和外科导航方法的示例性实施例。相同的附图标记表示相同或相似的结构特征、方法步骤或被确定的结果。
图1示出了根据本公开的外科导航系统2的第一示例性实施例。外科导航系统2包括数据处理设备4、显示器6和跟踪系统8。
跟踪系统8可以是光学跟踪系统并包括诸如(例如立体)相机的定位器，可以是包括电磁场发生器的电磁跟踪系统，或者可以是包括超声波声音发生器的超声波跟踪系统。配准探头10可以被附接到至少一个跟踪器(未显示)，所述跟踪器可由跟踪系统8检测到。例如，所述跟踪器(tracker)是可被相机检测到的光学跟踪器、用于检测电磁场发生器提供的电磁场的电磁传感器、或用于检测超声波声音发生器提供的超声波声音信号的超声波传感器。类似地，患者的身体12可以附接到至少一个光学标记、电磁传感器或超声波传感器。上述传感器可以是与跟踪系统8相连且是跟踪系统的一部分的传感器中的至少一个。
跟踪系统8可被配置成，通过跟踪附着到患者身体12的跟踪器来确定患者身体12的姿势(即，位置和方向中的至少一个)。类似的，跟踪系统8可被配置成，通过跟踪附着到配准探头10的跟踪器来确定配准探头10的姿势。跟踪系统8，或使用从跟踪系统8获得的数据的设备4，可以被配置成用于在″真实世界″坐标系统中确定患者的身体12和配准探头10的姿势，所述″真实世界″坐标系统例如是跟踪系统8、相机，电磁场发生器或超声波声音发生器的坐标系统。通过确定患者身体12和配准探头10的姿势，跟踪系统8或使用从跟踪系统8获得的数据的设备4可以被配置为获得配准点的位置，所述配准点的位置在″真实世界″坐标系统中由配准探头10相对于患者身体12限定。
数据处理设备4包括处理器14、存储器(memory)16和(例如输入/输出或收发器)接口18。处理器14耦接到存储器16和接口18。接口耦接dao跟踪系统8和显示器6。请注意，接口18可能包括两个单独的接口单元(未显示)，第一接口单元仅连接到显示单元6，第二接口单元仅连接到跟踪系统8。处理器14被配置为执行此处描述的方法。例如，存储器16存储指令，当处理器14执行该指令时，会导致处理器14执行此处描述的方法。
图2显示了根据本公开的方法的第一示例性实施例。此方法可由处理器14执行。
在步骤20中，几何信息被获得(例如，以计算机可读的几何信息数据的形式)，其限定非患者特定的(non-patient-specific)虚拟掩体(virtual mask)和多个锚点之间的相对位置。例如，非患者特定的掩体可以由限定了虚拟掩体的多个掩体点的坐标(例如，在不同于″真实世界″坐标系统的″虚拟世界″坐标系统中，例如在所述非患者特定的掩体的坐标系统中)来描述。然后，所述几何信息可以为所述多个锚点的每个锚点限定相对所述多个掩体点的一个或更多个掩体点的坐标的相对位置。在一个变形中，每个锚点与所述多个掩体点中的一个掩体点重合。锚点的数量可以等于掩蔽点的数量。所述几何信息可以根据用户的输入获得，例如选择所述多个虚拟掩体中的一个虚拟掩体。或者，虚拟掩体可以根据患者的图像数据的属性从多个虚拟掩体中选择。
虚拟掩体可以形成为包括或由多个网体节点组成的多维(例如，二维或三维)网体，其中，每个锚点具有已知的相对于一个或更多个网体节点的位置。在这种情况下，网体节点可能对应上述掩体点。虚拟掩体可以表示或限定虚拟拓扑表面或三维几何体。
虚拟掩体是非患者特定的，因为它适合多个不同的患者。所述锚点中的每个锚点都与(例如，至少一个或正好一个)非患者特定的解剖标志相关联。所述非患者特定的解剖标志可以是在人体的体表面的、并在患者身体的图像数据中可检测到的点。所述非患者特定的标志可以包括鼻尖、鼻中隔下点(subnasale)、鼻根(nasion)、内眦(endocanthion)、外眦(exocanthion)和(例如，点限定的(point defining))对称平面中的一个或多个。
在步骤22中，对于所述锚点中的每个锚点，所关联的解剖标志在患者的图像数据中的位置被获得(例如，在所述图像数据的坐标系统中)。例如，第一锚点可能与鼻尖这一非患者特定的标志相关联，并且可以在所述患者的图像数据中获得所述鼻尖的位置。
步骤22可以包括基于图像数据确定关联的解剖标志的位置，例如，通过基于与关联的解剖标志相关的预定属性确定如图像数据所描述的患者身体上的点。例如，身体表面的某个曲率范围可以与鼻尖相关，然后通过分析如图像数据所描述的身体表面的曲率，可以在图像数据中检测到相应的位置。此处使用的″基于″在一个变形中表示″仅基于″，而在另一个变形中表示″至少基于″。
或者，步骤22可以包括获取预先确定的位置(例如，描述或限定预先确定的位置的位置数据)来作为关联的解剖标志在图像数据中的位置。所述预先确定的位置可以由外科医生预先确定，也可以基于图像数据提前确定。
患者的图像数据可以是患者身体12的医学图像数据，如X射线、计算机断层扫描(CT)或磁共振(MR)图像数据。患者的图像数据可以包括至少一张患者身体12的医疗图像，例如至少一张X射线图像、CT图像和MR图像。
在步骤24中，非患者特定的虚拟掩体被匹配到所述图像数据，例如，通过将关联的解剖标志在图像数据中的位置分配给每个锚点。此匹配步骤可以包括以下内容的至少一个：使虚拟掩体变形和将虚拟掩体转换到图像数据的坐标系统中或反过来。可以说，在步骤24中，(例如变形的或刚性的)配准被在所述非患者特定的虚拟掩体和所述图像数据之间确定。例如，每个锚点都被分配以关联的解剖标志在图像数据坐标系统中的位置。这种分配可以导致锚点之间的相对位置发生变化，从而通过将非患者特定的虚拟掩体匹配到图像数据来使非患者特定的虚拟掩体变形。虽然匹配步骤前的虚拟掩体是非患者特定的，但经匹配的掩体是患者特定的。这是因为经匹配的掩体是被修改的以符合患者图像数据中的解剖标志。然后，该方法可以继续步骤26。
在一个不是当前申请权利要求的一部分的示例性实施方式中，非患者特定的虚拟掩体通过将锚点的位置转换到图像数据的坐标系统中而被匹配到图像数据中，所述转换例如使用已获得的虚拟掩体的坐标系统与图像数据的坐标系统之间的(例如，预先确定的、刚性或非刚性的)配准，与图像数据匹配。在这种情况下，锚点不一定需要与解剖标志相关联，并且可以避免步骤22到24。换句话说，在这种情况下，该方法可以包括：获得限定了非患者特定的虚拟掩体和多个锚点之间的相对位置的几何信息的步骤、获取患者图像数据的步骤、获取图像数据(例如图像数据的坐标系统)和虚拟掩体(例如虚拟掩体的坐标系统)之间的配准的步骤、以及使用获得的配准将虚拟掩体匹配到图像数据的步骤，例如通过给每个锚点分配在图像数据的坐标系统中的位置。该示例性实施方式可包括步骤26或继续执行步骤26。
在步骤26中，在图像数据中(例如，在包含于图像数据中的图像中)对皮肤表面进行限定的多个图像表面点(在此处也称为″表面点″)被获得。此步骤可以包括基于图像数据确定所述多个图像表面点，或获取多个预先确定的患者特定的点(例如，包含或限定了所述点的表面数据)作为图像表面点。图像表面点是患者特定的(patient-specific)，因为它们限定了患者身体图像数据中的皮肤表面。图像表面点可在图像数据的坐标系统中定义。可以使用一个或多个阈值在图像数据中识别皮肤表面，所述阈值例如是二维医学图像中像素的最低Hounsfield值或三维医学图像中体素(voxels)的最低Hounsfield值。替代地或者附加地，一个或多个计算机视觉算法可用于识别图像数据中的皮肤表面。
在步骤28中，基于经匹配的虚拟掩体，为多个图像表面点中的至少一个图像表面点，确定优先值。优先值表示在与所述至少一个图像表面点相对在所述图像数据中限定的所述皮肤表面的(例如，在诸如图像数据的坐标系统的″虚拟世界″坐标系统中的)位置相对应的相对身体12的(例如，在诸如跟踪系统8的坐标系统的″真实世界″坐标系统中的)位置处获取(例如相应的)配准点的优先性。
例如，所述优先性表明，在患者身体12的鼻尖的位置使用配准探头10获取相应的配准点是高优先性的，该位置对应于图像数据中鼻尖的位置。作为另一个例子，优先性可以表明，在患者身体的右下脸颊上的位置处获取相应的配准点是低优先性的，该位置对应于如图像数据所描述的所述身体的右下脸颊上的位置。相应的配准点可使用配准探头10获取。
所述配准点可被用于(例如，确定)所述图像数据中限定的皮肤表面与患者身体之间的基于所述至少一个图像表面点和所述配准点的配准。该方法可包括：将所述配准点用于(例如，确定)所述图像数据中限定的皮肤表面与患者身体12之间的基于所述至少一个图像表面点和所述配准点的配准。较高的优先值可以表示配准点对配准的高适合度，而较低的优先值可以表示较低的适合度。
例如，图像数据中限定的皮肤表面与身体表面12之间的配准可以通过，一旦配准点被确定，就将所述至少一个图像表面点的位置(例如，在图像数据的坐标系统中描述)，通过使用所谓的点到点匹配，匹配到相应的配准点的位置(例如，在跟踪系统8的坐标系统中描述)，来确定。或者，相应的配准点的位置可以，通过使用所谓的点到表面的匹配，被匹配到皮肤表面。换句话说，从″真实世界″坐标系统到″虚拟世界″坐标系统(例如图像数据的坐标系统)的转换或反过来的转换，可以通过使用所述相应的配准点和所述图像数据(例如，通过应用点到点的匹配或点到表面的匹配算法)来确定。
替代地或附加地，通过将所述至少一个图像表面点的位置或皮肤表面匹配到所获取的相应的配准点的位置，上述两个坐标系统之间的现有的配准可以被更新、丰富或改进。例如，现有的配准可以是通过使用少量的所获取的相应的配准点来确定的。然后，使用附加的相应的配准点，可以通过不仅使用少量的所获取的相应的配准点而且使用附加的相应的配准点再次确定所述现有的配准。
当将所获取的配准点用于(例如，确定、更新或改进)所述配准时，不同的所获取的配准点可以被给予不同的权重。所述至少一个图像表面点的优先值与要被用于配准的所获取的相应的配准点的权重的关系可以是以下至少之一：与所述权重相关，与所述权重成正比，和等于所述权重。
在步骤30中，对所述至少一个表面点的优先值的可视化的显示、或对从所述优先值导出的信息的可视化的显示被触发。如果对多个表面点执行步骤28，可以触发多个表面点的优先值的可视化。处理器14可向显示器6发送触发信号，以触发对可视化的显示。
请注意，步骤22和24的顺序可以相反。步骤26可在步骤20、22和24中的一个或更多个步骤之前执行。
简言之，此处描述的方法为用户(如外科医生)提供了图像表面点的优先值的可视化，该图像表面点在患者身体12上具有相应的配准点。例如，患者身体12的虚拟表示(例如图像)和所述至少一个图像表面点的位置的指示将被触发以显示在显示器6上。此外，所述至少一个图像表面点的优先值(例如，从该优先值获取的信息)的可视化可以被触发以被显示为例如数字、颜色、文本、符号、闪烁模式或其他。步骤28和步骤30可以为多个图像表面点执行。在这种情况下，所述多个表面点的表示以及它们优先值的可视化可以被触发以被显示。这种显示的典型实施将在下面参照图8、10和11来描述。根据所触发的显示，用户可以决定是否获取患者身体12上的相应的配准点。这有助于用户选择适合被获取的配准点。如果所获取的配准点被用于确定或改进″虚拟世界″坐标系统和″真实世界″坐标系统之间的配准，则可以提高配准的准确性。
图3示出了患者身体12和带有网体节点40和连接网体节点42的网体线42的非患者特定的虚拟掩体38的示例的示例性图示。患者的身体12在坐标系统32(例如″真实世界″坐标系统或跟踪系统8的坐标系统)中具有已知的姿势。描述患者身体12的图像数据与图像数据的坐标系统34相关联或在图像数据的坐标系统34中被限定，并且在所示的示例中包括患者身体12的图像35。图像35在坐标系统34中具有已知的姿势。虚拟掩体38与第三(例如″虚拟世界″)坐标系统36关联或在第三(例如″虚拟世界″)坐标系统36中被描述。每个网体节点40在第三坐标系统36中相对于锚点44具有已知位置。
在将非患者特定的虚拟掩体38匹配到图像35(例如步骤24)之前，坐标系统34和36之间的转换或位置关系可能不是已知的。或者，坐标系统34和36之间的相对姿势可能是已知的。在一个示例中，坐标系统的34和36彼此重合或相等。
在通过为每个锚点44分配所关联的解剖标志在图像35中的位置而将非患者特定的虚拟掩体38匹配到图像35后，网体节点40的位置和网体线42的姿势可以在坐标系统34中确定。
经匹配的虚拟掩体可以代表配准区域。例如，所述配准区域可以由经匹配的虚拟掩体到图像数据中的皮肤表面上的投影(例如覆盖区域)限定。在一个示例中，经匹配的虚拟掩体的多个点中的每个点(例如，网体节点40和/或网体线42上的多个点中的每个点)都被投影到图像数据中的皮肤表面上的最近的点上。即，经匹配的虚拟掩体的多个点中的每个点的投影方向可以正交(normal)于皮肤表面。配准区域可以具有由投影到皮肤表面上的经匹配的掩体的外部边界所限定的轮廓。如下面所描述的，这种配准区域可用于确定所述至少一个图像表面点的优先值。
图4示出了可以是此处描述的方法的一部分的示例性步骤。例如，图2中显示的方法包含图4的一个或更多个步骤。数据处理设备4，特别是处理器14，可以被配置为执行图4中示出的一个或更多个步骤。
可能被确定出的是，所述至少一个表面点位于配准区域之外(步骤46)。在这种情况下，该方法可以将(例如，初步的)预先限定的较低的优先值分配到所述至少一个表面点(步骤48)。另一方面，如果确定出所述至少有一个表面点位于配准区域内(步骤48)，则该方法可以将(例如，初步的)预先限定的较高的优先值分配给所述至少一个表面点(步骤50)。
可能被确定出的是，所述至少一个表面点位于配准区域之外，且距配准区域比预先限定的最大距离更远(步骤54)。在这种情况下，该方法可以选择性地将所述预先限定的(例如，初步的)较低的优先值分配到所述至少一个表面点(步骤54)。另一方面，可能被确定出的是，所述至少一个表面点位于配准区域之外，且距配准区域比预先限定的最大距离更近(步骤56)。在这种情况下，该方法可以将(例如，初步的)比所述预先限定的较高的优先值小且比所述预先限定的较低的优先值大的中间优先值分配给所述至少一个表面点。步骤46和54可以合并到单个的步骤中。类似地，步骤46和56可以合并到另一个单个的步骤中。如果认为适当，还可合并所示步骤中的其他步骤。
确定优先值的步骤28可以包括使用所分配的(例如，初步的)优先值作为(例如，最终的)优先值。
或者，步骤28可以包括用一个或更多个权重因子对所分配的(例如初步的)优先值进行加权，以确定(例如，最终的)优先值。在以下几个例子中，将给出此类权重因子的例子。
可以确定所述一个或更多个权重因子中的第一权重因子。如果皮肤表面和骨骼表面之间的距离较小，则第一权重因子产生较高的优先值。这是因为，一般来说，获取的配准点应该相对于患者的身体具有固定的位置。大多数外科过程往往发生在体内。因此，相对于身体的内部部分，特别是相对于骨骼，获取的配准点应具有固定的位置。另一方面，当在患者身体的表面获取配准点时，这些点可能没有相对于骨骼固定的位置，因为身体表面下方的身体组织可能会相对于骨骼移动。在骨骼和身体表面之间的组织厚度较小的情况下，这种运动较低。
因此，所述方法可以包括获得患者身体的骨骼表面(例如在图像数据中)。骨骼表面可以基于图像数据被预先确定或被确定，例如使用模式识别算法或一个或更多个强度阈值(例如，Hounsfield值阈值)。所述方法可以包括确定所述至少一个表面点和骨骼表面之间的最短距离(例如，在图像数据的坐标系统中)。然后，可以根据所确定的最短距离确定第一权重因子，使得，如果最短距离较大，对分配给所述至少一个表面点的优先值的加权小于如果最短距离较小时的加权。
在一个示例中，第一权重因子根据以下的公式1确定。
Figure BDA0003277124020000161
在这个公式中，W1表示第一权重因子，d表示所确定出的所述至少一个表面点和骨骼表明之间的最小距离，而dmax是一个数值。例如，dmax对应于7.5mm。根据此公式，第一权重因子的值在0到1之间。
在另一个示例中，第一权重因子根据以下的公式2确定。
Figure BDA0003277124020000162
在这个公式中，W1表示第一权重因子，d表示所确定出的所述至少一个表面点和骨骼表明之间的最小距离，而dmax和dOpt表示数值。例如，dmax对应于7.5mm，dOpt对应于5mm。根据此公式，第一权重因子的值在0到1之间。
可以确定出所述一个或多个权重因子中的第二权重因子。如果相应的配准点下方的身体组织具有低弹性，则第二权重因子可能会产生较高的优先值。与第一权重因子一样，下方的身体组织的低弹性可改善配准点位置与身体中心之间的位置刚度或连续性。
因此，该方法可能包括，基于患者身体上的(例如患者身体的表面上的)身体点的下方的身体组织的弹性来确定第二权重因子，从而，如果身体点下方的身体组织的弹性具有较高的弹性，则对所述至少一个表面点的所分配的优先值的加权小于如果身体点下方的身体组织的弹性具有较低的弹性时的加权，其中，所述身体点的相对于身体表面(例如，在″真实世界″坐标系统中)的位置对应于所述至少一个表面点相对于皮肤表面(例如，在图像数据的坐标系统中)的位置。所述身体点可以等于所述至少一个图像表面点的相应的配准点。
可以确定出所述一个或多个权重因子中的第三权重因子。如果已经在所述至少一个表面点的相应的配准点附附近的位置上获得了配准点，则第三权重因子可能产生较低的优先性。这是因为为了使配准准确，所获取的配准点应相互间隔开，以避免模糊不清并允许改进的点匹配结果。
因此，该方法可以包括，基于所述至少一个表面点相对于皮肤表面的位置与已获得的配准点相对于皮肤表面的已确定出的位置之间的第二距离来确定第三权重因子，从而，如果所述第二距离较小，则对所述至少一个表面点的被分配的优先值的加权小于如果第二距离较大时的加权。
已获得的配准点相对于皮肤表面的位置可以通过以下方式确定，即，获取或确定已获得的配准点在″真实世界″坐标系统中的位置并使用已知的(例如，预先确定的或″粗糙的″)配准将该位置转换到图像数据的坐标系统中。如果已获得的配准点的已获的位置和经转换的位置不位于皮肤表面，则可以将其投影到皮肤表面(例如，投射到皮肤表面上最近的点上)。请注意，根据本公开，″获得的″配准点可以对应于″获取的″配准点。
可以确定出所述一个或多个权重因子中的第四权重因子。第四权重因子可能会产生所述至少一个表面点的较低的优先值，如果患者身体12在相应的配准点处的表面的形状与患者身体12在已获得的配准点的位置处的表面的形状非常相似。这是因为为了使配准准确，用于确定或更新配准的被获取的配准点应被置于具有不同的倾向(inclinations)的身体部位，以避免模糊并改进点匹配的结果。
因此，该方法可以包括，基于第一方向和第二方向之间的角度差来确定第四权重因子，从而，如果角度差较小，则对所述至少一个表面点的被分配的优先值的加权小于如果角度差较大时的加权，其中，所述第一方向由所述至少一个表面点相对皮肤表面(例如，在图像数据的坐标系统中)的位置处的皮肤表面的形状(例如梯度、曲率或法线(normal))限定，所述第二方向由已获得的配准点的已确定出的(例如，已获得的和已转换的)相对皮肤表面的位置处的皮肤表面的形状(例如梯度、曲率或法线)限定。已获得的配准点的已获得的和已转换的(并可能是被投影的)位置处的皮肤表面的法线可与所述至少一个图像表面点的位置处的皮肤表面的法线进行比较。两个法线之间的角度偏差越小，第四权重因子可能越小。
在一个示例中，针对多个已获得的配准点中的每个配准点确定出所述第三权重因子和第四权重因子，针对多个已获得的配准点的被确定出的(例如，已获得的、已转换的且可能是已投影的)位置中的每个位置计算所述第三权重因子和第四权重因子的积，并且被分配的优先值仅以所算出的积中的最大的积进行加权。
例如，所述积根据公式3被如下地确定。
P＝dist(S，Robt)*sin(angle(nS，nR)) (公式3)
在此公式中，P表示第三权重因子和第四权重因子之间的积。第三权重因子由被乘数(multiplicand)表示，第四权重因子由乘数(multiplicator)表示。可见，第三权重因子对应于所述至少一个表面点S与已获得的配准点Robt被确定出的在图像数据的坐标系统中的位置之间的距离。第四权重因子对应于法线nS和法线nR之间的角度的正弦值，法线nS是所述至少一个表面点的位置处的皮肤表面的法线，法线nR是已获得的配准点被确定出的在图像数据的坐标系统中的位置处的皮肤表面的法线。值得注意的是，可以使用一个或多个规范化函数(normalization functions)使所述第三权重因子、第四权重因子或所述积P被规范化，从而使所述第三权重因子、第四权重因子和/或所述积P的值在0至1之间。
可以确定出所述一个或多个权重因子中的第五权重因子。第五权重因子可能会产生较低的优先性，如果所述至少一个表面点的位置处的皮肤表面的形状所限定的方向落在已获得的配准点的被确定出的位置处的皮肤表面的形状所限定的几个方向所覆盖的被预先限定的方向范围内。此方法走向的方向与第四权重因子的相同。同样，为了使配准准确，用于确定所述配准的被获取的配准点应被置于具有不同的倾向的身体部位，以避免模糊并改进点匹配的结果。
因此，该方法可以包括，基于第一方向和多个第二方向来确定第五权重因子，从而，如果第一方向和所述多个第二方向中的每个第二方向之间的多个角度差中的更多的角度差在预先限定的角度范围内，则对所述至少一个表面点的被分配的优先值的加权小于如果所述多个角度差中更少的角度差在所述预先限定的角度范围内时的加权，其中，所偶是第一方向由所述至少一个表面点相对于皮肤表面(例如，在图像数据的坐标系统中)的位置处的皮肤表面的形状限定，并且其中，每个所述第二方向由多个已获得的配准点中的一个配准点的被确定出的相对于皮肤表面(例如，在图像数据的坐标系统中)的位置处的皮肤表面的形状限定。已获得的配准点的位置可以在图像数据的坐标系统中如上所述地确定(例如，通过获取、转换和可能地投影配准点的位置)。
根据本公开，由给定位置处的皮肤表面的形状限定的方向可能对应于围绕该给定位置(例如，所述至少一个表面点的位置或已获得的配准点的被确定出的位置)的皮肤表面的预先确定的区域的平均法线。所述预先确定的区域可能包括到给定位置的距离低于预定的距离阈值(例如低于2mm)的表面点。平均法线可以被确定为描述皮肤表面法线的三维向量的算术平均值。例如，皮肤表面由网体定义，所述网体包括所述(图像)表面点作为网体结点，其中，网体平面通过将网体节点作为角部而被限定。然后，皮肤表面的网体节点的位置处的方向可以通过对所述网体节点形成了其角部的网体平面的法线进行加权来确定。所述网体平面的法线可以用所述网体节点形成了其角部的网体平面的面积大小来加权，并且，被加权的法线的算术平均值可以作为所述方向。不与网体点对应的表面点的法线可以通过对为网体节点确定出的法线进行插值(例如，使用Phong阴影(shading))来确定。
再次说明，具有相同的倾向的表面部分上的配准点至少应彼此相距较远，以改善后续的点匹配、减少模糊性并在被用于配准时改进配准准确性。
因此，第五权重因子可以进一步基于所述至少一个表面点与多个已获得的配准点中的一个配准点之间的第三距离来确定，在多个第二方向中所述一个配准点具有与第一方向最相似的第二方向，从而，如果第三距离较短，则对所述至少一个表面点的所分配的优先值的加权小于如果第三距离更大时的加权。在第一方向与所述多个第二方向中的每个第二方向之间的之间的角度差中，所述与第一方向最相似的第二方向的角度差可以最小。
或者，第五权重因子可以进一步基于所述至少一个表面点与多个已获得的配准点中的一个配准点之间的第四距离来确定，在所有已获得的配准点中，所述一个配准点具有落入预定的角度范围的(例如，该第二方向相对第一方向的角度差低于给定的阈值)、最接近所述至少一个表面点的第二方向，从而，如果第四距离较短，则对所述至少一个表面点的被分配的优先值的加权小于如果第四距离较大时的加权。
在一个示例中，第一权重因子根据以下的公式4确定。
Figure BDA0003277124020000201
在这个公式中，W4表示第四权重因子。D表示图像数据坐标系统中所述至少一个表面点S与已获得的配准点Robt中最近的配准点(Robt，close)的位置之间的距离dist(S，Robt，close)，其中，已获得的配准点中最近的配准点可选地具有落入预先限定的角度范围内的第二方向。N对应于具有这样的第二方向的已获得的配准点的数量，即，所述第二方向所限定的相对第一方向的角度差落入预先限定的角度范围内。A和B对应于可能不同的数字值。例如，B表示用于确定或更新所述配准的配准点的第二方向的预期密度。参数B可能对应于要被用于所述配准的配准点的总数除以要覆盖的总角度区域(例如，480(要使用的配准点)除以90°*120°的角度区域，得到的A的值为A＝480/(90*120)＝0.444)。B的示例性的值为0.02。参数A可能表示图像数据坐标系统中所述至少一个表面点与已获得的配准点中最近的配准点的位置之间的距离的最大值，其中，已获得的配准点中最近的配准点可选地具有落入预先限定的角度范围内的第二方向。A的示例性的值为30mm。
图5展示了一个示意性的流程图，其展示了根据本公开的方法步骤的示例性序列。该方法可由处理器14执行。图5中显示的方法可以与上面描述的方法相结合。
该方法包括获得非患者特定的虚拟掩体的步骤60。特别是，如在上面为步骤20描述的，可以在步骤60获得限定非患者特定的虚拟掩体和多个锚点之间的相对位置的几何信息，所述锚点的每个每个都与非患者特定的解剖标志中的一个相关联。
在步骤62中，非患者特定的虚拟掩体被转移到患者的图像数据中。此步骤可能包括或对应于上述步骤22和24。因此，作为步骤62的结果64，获得了患者特定的经匹配的虚拟掩体。
该方法还包括获得(例如，确定)图像数据中的皮肤表面(步骤66)，即由多个表面点限定的皮肤表面。在步骤68中，患者特定的经匹配的虚拟掩体用于提取所述皮肤表面的部分。例如，经匹配的掩体被投影到如上所述的皮肤表面上以提取皮肤表面的部分。因此，作为步骤68的结果70，患者特定的配准区被获得。
配准区可用于确定，作为结果72，所述至少一个表面点或所有表面点的初步优先值。例如，上述被分配的(例如，较低、较高或中间)优先值可用作初步优先值。即，所述至少一个表面点的初步优先值可能只能基于皮肤表面、配准区和所述至少一个表面点的位置来确定。初步优先值可以如上面参照图4描述的那样基于配准区确定。
在可选的步骤74中，图像数据中的骨骼表面被获得。该骨骼表面被用在可选的步骤76中，以应用基于骨骼距离的权重来确定初步优先值。请注意，步骤76可以对应于使用上面描述的第一或第二权重因子对分配的优先值进行加权。
如图5所示，骨骼表面可用于获取非患者特定的虚拟掩体。即，基于骨骼表面是否至少是从图像数据中获取的、已知的或可确定的、这三种情况的至少之一，可以调整非患者特定的虚拟掩体或从多个非患者特定虚拟面罩中选择出非患者特定的虚拟掩体。
在一个示例中，方法的结果72以步骤30继续。在这种情况下，初步优先值可被用作优先值。在另一个示例中，可使用初步优先值来确定优先值。现在将参照图6来描述这样的例子。
图6显示了一个示意性的流程图，其展示了根据公开公开的方法步骤的示例性序列。该方法可由处理器14执行。如可见的，使用了结果72，即根据图5中显示的方法确定的初步优先值。
在步骤78中，患者身体12(例如跟踪系统8的坐标系统)和图像数据(例如图像数据的坐标系统)之间当前的(例如已确定出的)配准被获得。在第80步中，在配准点处的配准探头10(例如，在跟踪系统8的坐标系统中)的(例如，远侧末端的)位置被获得。在第82步中，配准点的位置转换到图像数据种。例如，使用当前的配准将在跟踪系统8的坐标系统中描述的配准探头10的远侧末端的位置转换为在图像数据的坐标系统中描述的位置。作为结果84，步骤82产生配准点的在图像数据的坐标系统中的被确定出的位置。如上文所述，在步骤28种，配准点的被转换的位置可以可选地投影到图像数据的皮肤表面上。
在步骤86中，结果84与一个或更多个初步优先值一起用于计算位置覆盖权重。在步骤88中，梯度或表面法线覆盖权重通过使用结果72和84以及可选的在步骤86中计算出的位置覆盖权重而被计算出。步骤86和88中的一个或其组合会产生权重因子。例如，步骤86和88中的一个或其组合产生上述的第三权重因子、第四权重因子和第五权重因子这种的一个或多个。
在步骤90中，使用被确定出的权重因子中的一个或更多个权重因子对一个或更多个初步优先值进行加权。此加权产生所述至少一个表面点的(例如最终)优先值。根据该优先值，所述至少一个表面点可以被分类到三个不同的组中的一个组中。例如，第一组92包含被已获得的配准点所覆盖的所有表面点(例如，优先值为0)，第二组94包含仍待通过获取配准点覆盖的、且具有低优先值(例如，低于某阈值但高于0)的所有表面点，而第三组96包括仍待通过获取配准点覆盖的、且具有高优先值(例如等于或高于某阈值)的所有表面点。
在步骤98中，所述至少一个表面点的优先值的指示的可视化被触发以被显示。因此，此步骤可以与参照图2描述的步骤30相对应。可视化可以包括为用户提供的三维可视化，例如，皮肤表面的表示，其中带有对所述至少一个表面点的优先值的指示。可视化可能包括对包含在图像数据中的患者图像的可视化。在图像数据中对皮肤表面进行限定的表面点中的每个表面点的优先值的指示可以被可视化。所述至少一个表面点可以依据显示属性显示，所述显示属性与所述至少一个表面点被分类到的组相关。替代得或附加地，每个表面点可以依据仅基于所述至少一个表面点的优先值(例如，不理会所述组)确定的显示属性来呈现。
在以下，将参照图7到图11来描述非患者特定的虚拟掩体38、包含在图像数据中的图像34、经匹配的虚拟掩体以及所述至少一个表面点的优先性的指示的可视化的示例。
图7示出了根据本公开的非患者特定的虚拟掩体38的两个示例性图示。这两个图示都是由包括网体节点40的网体形成的非患者特定的虚拟掩体38的示例。背景中示出的脸代表一般性的(generic)人脸，且其不是基于患者的图像数据确定出的或被患者的图像数据描述的。虚拟掩体38的几何形状(例如区域和轮廓)可能由预先确定的覆盖区域41限定，该覆盖区域例如至少由网体节点40中的一些网体节点和连接网体节点40线42中的某些线限定。在一个示例中，虚拟掩体形成为网体，其中每个网体线42具有关联的、限定所述覆盖区域41的厚度/宽度(thickness)。在另一个例子中，虚拟掩体形成为网体，其中网体线42上的任何点都限定了虚拟掩体的区域，该区域是圆形的并且具有预设的半径，并且所有区域的总和构成所述覆盖区域41。
左图是非患者特定的虚拟掩体38的示例，该虚拟掩体是在骨骼表面已知和/或可以基于图像数据确定出来的情况下选出的。右图是非患者特定的虚拟掩体38的示例，该虚拟掩体是在不知道骨骼表面和/或无法根据图像数据确定出骨骼表面的情况下选出的。
如可以看出的，左图中的网体节点40中的一个是与鼻尖相关联作为解剖标志的锚点。右图中的相应的网体节点40没有与鼻尖相关联作为解剖标志。两个示例中的其他网体节点40是与内眦或外眦相关联的锚点。在左边的示例中，形成该非患者特定的虚拟掩体38的网体包括连接与内眦或外眦相关联的锚点的线42，而右边的示例中不是这样的。
图8根据本公开的经匹配的虚拟掩体的示例性图示。在此示例中，图7左图所示的非患者特定的虚拟掩体38已被匹配到患者的图像数据。经匹配的虚拟掩体在此示例中覆盖在患者图像35上。可以看出，与锚点对应的网体节点40的位置已基于图像数据中的标志进行了调整。当比较图7和图8之间的连接与内眦和外眦相关联的锚点的网体线42的取向时，这一点变得尤为明显。图8的图示中也注明了对称平面100。此示例中的对称平面100是矢平面(sagittal plane)。可以看出，经匹配的虚拟掩体的四个锚点40位于对称平面100内。对于这四个锚点40，相关联的解剖标志可能对应于该矢平面。
图9示出了根据本公开的不同表面点的优先值的可视化的示例性图示。优先值可以基于图8中示出的虚拟掩体确定。图9中显示的视图可以在步骤30或98中被触发以显示在显示器6上。即，被触发以被显示的可视化可以包含对包括皮肤表面的患者图像35的展示，以及不同(例如所有)表面点的优先值的可视化。
可以通过将所述至少一个表面点的位置处的皮肤表面的部分以某种颜色进行显示来可视化所述至少一个表面点的优先值。在所示的示例中，以(例如白色)颜色和更高的不透明度表示较高的优先值。另一方面，以(相同或不同的)颜色和较低的不透明度表示较低的优先值。
在图9的示例中，第一区域101中的表面点的优先值最低。在这种情况下，第一区域101中的表面点的优先值通过不突出显示或不以其他方式更改患者图像35第一区域101中的外观来表示。换句话说，一个或更多个第一区域101可以通知用户在患者体的哪里上不需要附加的配准点。
与此不同的是，第二区域103中的表面点的优先值高于第一区域101中的表面点的优先值。在所示的示例中，通过以第一光学属性突出显示患者图像35中的第二区域103(例如，将第一颜色覆盖到患者图像35上并具有第一不透明性)来指示第二区域103中的表面点的优先值。第二区域103的表面点可能属于类型94。换句话说，第二区域103可以通知用户在在患者身上哪里去获取有一定用处的配准点。
此外，第三区域105中的表面点的优先值高于第二区域103中的表面点的优先值。在所示的示例中，通过以与第一光学属性不同的第二光学属性突出显示患者图像35中的第三区域105(例如，将第一颜色覆盖在患者图像35上，并且具有高于第一不透明性的第二不透明性)来指示第三区域105中的表面点的优先值。第三区域105中的表面点可能属于类型96。换句话说，第三区域105可以通知用户在患者体上的哪里的附加配准点是被迫切需要的。
如本所述，不同区域101、103和105中的单个表面点具有不同的优先性，因为优先值可以通过用第一权重因子(例如，基于皮肤表面和骨骼表面之间的距离)和第二权重因子(例如，基于皮肤或身体表面下方身体组织的弹性)中的至少一个对所述分配的或初步的优先值进行加权而被确定出。此外，与靠近配准区域或位于配准区域内(例如，在外眦旁边)的表面点的优先值相比，远离配准区域(例如，在脸颊上)的表面点的优先值较低。这可能是因为优先值是依赖表面点相对配准区的位置来确定的，例如，如上文参照步骤70或图4所述的那样。表面点的优先值可能受已获得的配准点的被确定出的位置的影响。例如，如上所述，在获得配准点时，第三或第四权重因子可被用于确定优先值。
被已获得的配准点显著影响的表面点的优先值，即，在确定已获得的配准点在图像数据的坐标系统中的位置并更新优先值时被减少得超过预先限定的量的优先值(例如，使用第三到第五权重因子中的一个或更多个)，可以表示得与其他优先值不同。在所示的示例中，第四区域107中的这种被显著影响的表面点的优先值通过用与第一和第二光学属性中的至少一个不同的第三光学属性突出显示患者图像35中的第四区域107(例如，用与第一颜色不同的第二颜色覆盖在患者图像35上，且具有高于第一和第二不透明度中至少之一的第三不透明度)来表示。第四区域107中的表面点可能属于类型92。换句话说，第四区域107可以通知用户患者身体的哪些区域已经被已获得的配准点充足地覆盖。
如图9所示，已获得的配准点的被确定出的位置102的指示102也可显示。在此示例中，已获得的配准点的被确定出的位置中的每个位置都被表示为图像35中的点。在图9的示例性图示中，还显示了配准探头10中的虚拟表示104。特别是，配准探头10的远侧末端相对于患者身体12的位置的指示可能会触发以被显示，例如，作为覆盖到患者的图像35上的一对交叉线。配准探头10相对于患者身体12的姿势可以被触发以进行显示，例如，作为代表配准探头10的轴线的投影的线106，所述投影是到查看方向中的投影，在所述查看方向中图像35被显示。
皮肤表面的某些区比其他区更适合获取配准点。可视化相应地通知用户，从而指导他在患者身体12上的哪里去获取被用于患者身体12和图像数据之间的配准的配准点。对已获取的配准点和配准探头10的当前位置或姿势的指示进一步帮助用户识别出要将配准探头10移动到何处以获取附加的配准点。
图10示出了根据本公开的不同表面点的优先值的可视化的示例性图示。在这种情况下，与图9相比，更多的配准点已经被获取(例如，已获得)。这由于使用第三到第五权重因子(它们考虑了已获取的配准点对皮肤表面的覆盖)中的一个或更多个对优先值进行确定而导致了表面点的优先值的更新。接下来，所述表面点，在更新了优先值后，可能位于所述第一、第二、第三或第四区域101、103、105和107中的另一个区域中。可以说，第一、第二、第三或第四区域101、103、105和107的几何形状在配准点获取过程中被不断地更新。
一般来说，在皮肤表面的给定区域内获取的配准点越多，该区域内剩余的表面点的优先值可能越低。在具有均匀表面形状的区域(例如，患者的视角中的左额头)中的表面点的优先值随着在形状相似的表面区域(例如，患者的视角中的右额头)获取的配准点越多而变得越低。被已获取的配准点充分地覆盖的区域(例如，包含属于类型92的表面点)被以与表面的其他区域(例如，包含属于类型94或96的表面点)不同的方式可视化。相较于在弯曲的表面部分获取的配准点，在平坦的表面部分获取的配准点覆盖皮肤表面的更大的区域。这是因为，与在弯曲的表面部分挨着已获得的配准点获取附加的配准点的用处相比，在平坦的表面部分挨着已获得的配准点获取附加的配准点的用处较低。
图11显示了根据本公开的不同表面点的优先值的可视化的示例性图示。在该情况下，与图10相比，更多的配准点已被获取。可以看出，皮肤表面的在图9中被突出显示以用于点获取的某些区域不再是让人感兴趣的，因为它们的表面点具有更低的优先值(例如，优先值为0，从而这些区域在图像35中不再被突出显示)。皮肤表面的在图9中被突出显示以用于点获取的某些区域仍然被突出显示，因为它们的表面点仍然或者现在具有高优先值。同样，可以说，表面点，在基于一个或更多个已获得的附加的配准点更新了优先值后，可能位于所述第一、第二、第三或第四区域101、103、105和107中的另一个区域中。换句话说，第一、第二、第三或第四区域101、103、105和107的几何形状在每个获得的配准点后可以被更新。
如果优先值高于给定阈值的表面点的数量低于预设的量，则可以通过使用与以前用于高优先性的指示不同的指示来突出显示这些表面点。在给出的示例中，这意味着一旦第三区域105的总面积降到预设的阈值以下，则第三区域105中的表面点就被以与以前不同的方式突出显示。举例来说，第三区域105的总面积降到预设的阈值以下后，第三区域105中的表面点的优先值通过用与第二光学属性不同的第四光学属性突出显示患者图像35中的第三区域105(例如，将与第一和第二颜色不同的第三颜色覆盖在患者图像35上)而被指示。换句话说，第三区域105中的这些剩余的表面点可能会用另一种颜色或不透明性(相较之前用于指示高优先性所用的)、或应用闪烁模式而被特别地突出显示，以使用户注意到该要通过获取附加配准点来覆盖的潜在的较小的剩余表面区域。
要指出的是，图9至图11中示出的例子仅用于说明的目的。并不需要将表面点聚类到多个类型或区域中，也不需要均匀地突出显示患者图像35的特定区域。例如，某给定表面点的优先值的指示可以通过选择覆盖到该给定表面点上的预设颜色的不透明性而被可视化，其中，所述不透明性与给定表面点的优先值相关(例如，成比例)。换言之，优先值可以被梯度式地(gradual)可视化。在一个示例中，落入第一、第二、第三或第四区域101、103、105、107中的相同区域的表面点的优先值被用相同的颜色可视化，但也使用与各个优先值成比例的不同的不透明性。
总之，本公开是针对在外科导航中为用户提供指导的有利技术。非患者特定的虚拟掩体和可选的权重因子被用于对在患者图像数据中限定皮肤表面的多个表面点中的至少一个表面点的优先值进行确定。优先值的指示被触发以被显示，其通知用户在患者身体的相应位置获取配准点的优先性。这帮助用户决定在患者身体12的何处去使用被跟踪系统8跟踪的配准探头10获取一个或更多个附加的配准点。然后，根据所显示的指示获得的配准点可用于确定或更新患者身体12与患者图像数据之间的配准，从而允许在随后的外科操作中准确导航外科工具。
此处公开的方法可以不包括外科步骤。该方法尤其可以通过计算机实现，仅包括获取数据、根据获得的数据确定次级数据、以及通过输出触发信号或输出数据而触发可视化的显示的步骤。对患者的身体12的跟踪可能不需要与人的身体进行实质性的互动。例如，使用胶水或连接到跟踪器的非侵入性附接夹，跟踪器可以被暂时地连接到患者身体的皮肤上。配准点的获得可能也不需要与人体进行实质性的互动。例如，配准探头可以被放置到患者身体12的皮肤上以用于获取配准点。

Claims (20)

1.一种计算机实施的用于指导外科医生在患者的身体(12)上获取一个或更多个配准点的方法，该方法包括：
获得(20；60)几何信息，该几何信息限定非患者特定的虚拟掩体(38)和多个锚点(44)之间的相对位置，所述多个锚点(44)中的每个锚点都与非患者特定的解剖标志相关联；
针对所述多个锚点(44)中的每个锚点获得(22)相关联的解剖标志在所述患者的图像数据中的位置；
将所述虚拟掩体(38)匹配(24；62)到所述图像数据；
获得(26；66)在所述图像数据中限定皮肤表面的多个图像表面点；
基于经匹配的所述虚拟掩体，为所述图像表面点中的至少一个图像表面点确定(28)优先值，所述优先值表示在相对于所述身体(12)的一位置处获取配准点的优先性，所述位置对应于所述至少一个图像表面点相对于在所述图像数据中限定的皮肤表面的位置：以及
触发(30；98)对所述至少一个表面点的优先值的可视化的显示，或对从所述优先值中导出的信息的可视化的显示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
通过给所述锚点(44)中的每个锚点分配相关联的解剖标志在所述图像数据中的位置，所述虚拟掩体被匹配到所述图像数据，和/或其中，所述配准点能够被用于在图像数据中限定的皮肤表面和患者的身体(12)之间的配准，所述配准基于所述至少一个图像表面点和所述配准点。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述虚拟掩体(38)被形成为多维的网体，所述网体包括多个网体节点，其中，所述锚点中的每个锚点相对于所述多个网体节点中的一个或更多个网体节点具有已知的位置。
4.根据权利要求2所述的方法，其中
每个锚点(44)与所述多个网体节点中的一个网体节点重合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定优先值包括：
如果所述至少一个表面点位于配准区域之外，则将预先限定的较低的优先值分配(48)给所述至少一个表面点：以及
如果所述至少一个表面点位于配准区域之内，则将预先限定的较高的优先值分配(52)给所述至少一个表面点，
其中，所述配准区域是所述皮肤表面的由经匹配的虚拟掩体指定的区域。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，
所述配准区域由经匹配的虚拟掩体到所述皮肤表面上的投影来限定。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，
如果位于配准区域外的所述至少一个表面点距离配准区域的距离比预先限定的最大距离更远，则将所述预先限定的较低的优先值选择性地分配(48)给位于配准区域外的所述至少一个表面点。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，确定优先值包括：
如果所述至少一个表面点位于配准区域之外，并且比所述预先限定的最大距离更接近配准区域，则将中间优先值分配(58)给所述至少一个表面点，中间优先值小于所述预先限定的较高的优先值并大于所述预先限定的较低的优先值。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，
确定优先值包括以下之一：使用被分配的优先值作为优先值，和用一个或更多个权重因子对被分配的优先值进行加权以确定优先值。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
获得(74)患者的身体的骨骼表面；
确定所述至少一个表面点和骨骼表面之间的最短距离；和
基于所确定出的最短距离来确定所述一个或更多个权重因子中的第一权重因子，使得当所述最短距离较大时，所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于当最短距离较小时的情况。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
基于位于患者的身体(12)上的身体点下方的身体组织的弹性来确定所述一个或更多个权重因子中的第二权重因子，使得当身体点(12)下方身体组织的弹性具有较高的弹性时，所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于当身体点下方的身体组织的弹性具有较低的弹性时的情况，其中，所述身体点(12)的相对于身体(12)的位置对应于所述至少一个表面点相对于皮肤表面的位置。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
基于所述至少一个表面点相对于皮肤表面的位置与所获得的配准点被确定出的相对于皮肤表面的位置之间的第二距离来确定所述一个或更多个权重因子中的第三权重因子，使得当所述第二距离较小时，所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于当所述第二距离较大时的情况。
13.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
基于第一方向和第二方向之间的角度差来确定所述一个或多个权重因子中的第四权重因子，使得当所述角度差较小时，所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于当所述角度差较大时的情况，其中，所述第一方向由位于所述至少一个表面点相对于皮肤表面的位置处的皮肤表面的形状限定，所述第二方向由位于所获得的配准点的被确定出的相对于皮肤表面的位置处的皮肤表面的形状限定。
14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
基于所述至少一个表面点相对于皮肤表面的位置与所获得的配准点被确定出的相对于皮肤表面的位置之间的第二距离来确定所述一个或更多个权重因子中的第三权重因子，使得当所述第二距离较小时，所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于当所述第二距离较大时的情况：和
基于第一方向和第二方向之间的角度差来确定所述一个或多个权重因子中的第四权重因子，使得当所述角度差较小时，所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于当所述角度差较大时的情况，其中，所述第一方向由位于所述至少一个表面点相对于皮肤表面的位置处的皮肤表面的形状限定，所述第二方向由位于所获得的配准点的被确定出的相对于皮肤表面的位置处的皮肤表面的形状限定，
其中，针对所获得的配准点的被确定出的位置中的每个位置确定所述第三权重因子和第四权重因子，针对所获得的配准点的被确定出的位置中的每个位置计算第三权重因子和第四权重因子的积，并且仅用所计算出的积中最大的积对所述被分配的优先值进行加权。
15.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
基于第一方向和多个第二方向来确定所述一个或更多个权重因子中的第五权重因子，使得当第一方向和所述多个第二方向中的每个第二方向之间的多个角度差中的较多的角度差在预先限定的角度范围内时，所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于当所述多个角度差中的较少的角度差在所述预先限定的角度范围内时的情况，其中，所述第一方向由位于所述至少一个表面点相对于皮肤表面的位置处的皮肤表面的形状限定，并且其中，每个第二方向由位于多个所获得的配准点中的一个配准点的被确定出的相对于皮肤表面的位置处的皮肤表面的形状限定。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，
所述第五权重因子被进一步基于第三距离确定，使得当所述第三距离较短时，所述至少一个表面点的被分配的优先值被加权成小于当所述第三距离较大时的情况，所述第三距离是所述至少一个表面点与多个所获得的配准点中的一个配准点之间的距离，所述一个配准点具有所述多个第二方向中的、与所述第一方向最相似的第二方向。
17.根据权利要求16所述的方法，其中
在第一方向与所述多个第二方向中的每个方向之间的角度差中，与所述第一方向最相似的所述第二方向具有最小的角度差。
18.一种用于指导外科医生在患者的身体上获取一个或更多个配准点的数据处理设备(4)，该数据处理设备包括处理器(14)，所述处理器被配置为：
获得(20；60)几何信息，该几何信息限定非患者特定的虚拟掩体和多个锚点之间的相对位置，所述多个锚点中的每个锚点都与非患者特定的解剖标志相关联；
针对所述多个锚点中的每个锚点获得(22)相关联的解剖标志在所述患者的图像数据中的位置；
将所述虚拟掩体匹配(24；62)到所述图像数据；
获得(26；66)在所述图像数据中限定皮肤表面的多个图像表面点；
基于经匹配的所述虚拟掩体，为所述图像表面点中的至少一个图像表面点确定(28)优先值，所述优先值表示在相对于所述身体的一位置处获取配准点的优先性，所述位置对应于所述至少一个图像表面点相对于在所述图像数据中限定的皮肤表面的位置：以及
触发(30；98)对所述至少一个表面点的优先值的可视化的显示，或对从所述优先值中导出的信息的可视化的显示。
19.一种外科导航系统，包括：
根据权利要求18所述的数据处理设备(4)：
用于显示所述可视化的显示器(6)；和
跟踪系统，所述跟踪系统被配置成相对于患者的身体(12)跟踪配准探头(10)，以获得配准点的相对于身体(12)的位置。
20.一种包含指令的计算机程序产品，当程序由处理器(14)执行时，所述指令使得处理器(14)：
获得(20；60)几何信息，该几何信息限定非患者特定的虚拟掩体和多个锚点之间的相对位置，所述多个锚点中的每个锚点都与非患者特定的解剖标志相关联；
针对所述多个锚点中的每个锚点获得(22)相关联的解剖标志在所述患者的图像数据中的位置；
将所述虚拟掩体匹配(24；62)到所述图像数据；
获得(26；66)在所述图像数据中限定皮肤表面的多个图像表面点；
基于经匹配的所述虚拟掩体，为所述图像表面点中的至少一个图像表面点确定(28)优先值，所述优先值表示在相对于所述身体的一位置处获取配准点的优先性，所述位置对应于所述至少一个图像表面点相对于在所述图像数据中限定的皮肤表面的位置：以及
触发(30；98)对所述至少一个表面点的优先值的可视化的显示，或对从所述优先值中导出的信息的可视化的显示。
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