CN114340539B - 补偿跟踪不准确 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及补偿跟踪不准确，其计算机实施的方法包括基于跟踪系统所提供的跟踪数据将诸如医疗设备或器械等对象移动至期望空间位置。一旦根据跟踪数据确定对象已经到达期望空间位置，则生成投影图像，该投影图像与期望空间位置配准并显示该对象。基于该图像数据，可以验证对象是否已经实际到达期望位置，或对象的实际位置是否因误差或不精确而偏离期望位置，从而采取措施来补偿这些误差或不精确。

Description

补偿跟踪不准确
技术领域
本发明涉及一种补偿跟踪不准确的计算机实施的方法、相应计算机程序、存储该程序的计算机可读存储介质、执行该程序的计算机以及包括电子数据存储设备和该计算机的医疗系统。
背景技术
在计算机辅助外科(CAS)、放射外科及类似的医学领域，确定解剖结构、设备及器械相互之间的空间方位(空间定位和/或空间定向)通常由所谓的跟踪系统来实现，例如光学跟踪系统、电磁(EM)跟踪系统或超声跟踪系统。这类跟踪系统适于识别与对象紧密附接的跟踪标记，而这些跟踪标记的空间位置随时间确定或跟踪。在基于附接的跟踪标记检测到的空间位置来计算实际对象的空间位置之前，大多数情况下需要所谓的配准过程，该配准过程用于确定实际对象相对于附接于其上的跟踪标记的空间位置。
正如任何技术器材，由于技术能力有限和/或环境条件不足，跟踪过程可能会因测量不精确而产生误差。
而在跟踪过程中，即在基于跟踪标记检测随时间观察对象空间位置期间，标记检测不良和其他有害环境条件等潜在误差来源随着时间推移基本保持不变，因此这些跟踪误差通常破坏性变小。而实际跟踪过程前的初始对象定位期间的误差(如标记检测不良)可能会对医疗程序的整体结果造成严重影响，最终可能导致错误计算被跟踪对象的空间位置。
本发明的目的是提供一种补偿尤其可能发生在初始对象定位期间的误差或不精确的方法。
本发明可用于任何类型的计算机辅助外科(CAS)程序，例如与(BrainlabAG的产品)等成像设备相结合。
下文公开了本发明各个方面、实例和示例性步骤及其实施例。只要技术上适宜且可行，便能根据本发明组合本发明的不同示例性特征。
在下文中，给出对本发明具体特征的简要描述，不应理解为将本发明仅限于本部分中描述的特征或特征组合。
本公开的方法包括基于跟踪系统所提供的跟踪数据将诸如医疗设备或器械等对象移动至期望空间位置。一旦根据跟踪数据确定对象已经到达期望空间位置，则生成投影图像，该投影图像与期望空间位置配准并显示该对象。基于该图像数据，可以验证对象是否已经实际到达期望位置，或对象的实际位置是否因误差或不精确而偏离期望位置，从而采取措施来补偿这些误差或不精确。
发明内容
在本发明内容中，例如通过参照本发明的可行实施例对本发明的一般特征予以描述。
总而言之，为了达成上述目的，本发明第一方面提供了一种补偿跟踪不准确的计算机实施的医学方法。所述方法包括在至少一个计算机(例如，至少一个计算机是导航系统的一部分)的至少一个处理器上执行以下由至少一个处理器执行的示例性步骤。
在一示例性步骤(例如第一步骤)，获取空间图像数据以描述解剖身体部位的三维表示。三维表示可以获自解剖图谱，即解剖身体部位的统计模型。三维表示还可以从解剖身体部位的三维图像中导出，例如分别通过CT成像装置或MRI装置从CT图像数据集或MRI数据集中获得。此外，解剖身体部位可以为包括软组织和/或骨结构的任何身体部位。在有关脊椎手术的具体例中，解剖身体部位可以表示为一个或多个椎骨。
在一示例性步骤(例如第二步骤)，获取目标位置数据以描述可跟踪设备相对于身体部位的三维表示的期望空间位置。换而言之，可跟踪设备的期望空间位置相对于解剖身体部位来定义，使得可跟踪设备静止于期望空间位置时按需要与解剖身体部位对准。例如，该可跟踪设备可为任意医疗或外科物件、设备或器械。在脊椎手术的具体例中，可跟踪设备可表示为椎弓根螺钉或用于处理椎弓根螺钉的相应工具。具体而言，期望空间位置可表示为椎弓根螺钉必须相对于椎骨前进达到期望医疗结果的轨迹。
在一示例性步骤(例如第三步骤)，获取空间配准数据，以描述身体部位的三维表示的空间配准以及可跟踪设备和实际身体部位的期望空间位置。换而言之，身体部位的三维表示以及相对于该三维表示定义的期望空间位置转移到与实际/真实解剖身体部位相同的坐标系中。因此，随后在相对于实际解剖身体部位的真实空间中获知可跟踪设备的期望空间位置。
在一示例性步骤(例如第四步骤)，获取跟踪位置数据以描述可跟踪设备的当前空间位置，该跟踪位置数据是通过跟踪系统获取。
在一示例性步骤(例如第五步骤)，基于所获取的空间配准数据和所获取的跟踪位置数据，确定控制数据以描述用于使可跟踪设备相对于身体部位定位于期望位置的指令。换而言之，从跟踪系统所获取的跟踪数据随后用于将可跟踪设备或器械定位于期望位置。例如，该设备或器械可以借助通过从控制数据导出的至少一个控制信号指令的机动载体或支撑结构而自动移动，或者也可以由从业者基于例如在图形用户界面(GUI)上输出的指令而人工移动。一旦该设备或器械移动到期望位置，跟踪系统最终指示该设备或器械已到达期望空间位置。
在一示例性步骤(例如第六步骤)，获取成像设置数据以描述投影成像设备的位置设置，用于获取基于控制数据已定位于期望空间位置处的可跟踪设备的主体的二维投影图像。本方法的目的是通过二维投影图像核查可跟踪设备的正确定位，因此该图像的几何对准必须至少相对于可跟踪设备的期望空间位置为已知。描述投影成像设备的组件的空间位置的必要数据可通过上述跟踪系统或另一跟踪系统获取，这将需要跟踪标记附接至相应的组件，或通过一个或多个传感器获取，例如集成到成像设备中的定位传感器，其适于提供指示这些组件在坐标系中的空间位置的数据。另外，该成像设备的已知几何特性(例如成像设备的发射器和检测器之间的预定义距离)可以交付成像设置数据也可用作基础的信息。此外，可以考虑检测器上像素的大小和形状。
在一示例性步骤(例如第七步骤)，获取投影图像数据以描述二维投影图像。在该步骤中，控制投影成像设备以生成显示可跟踪设备和解剖身体部位的至少一个投影图像。因此，该图像在跟踪系统视为期望空间位置的空间位置上显示可跟踪设备。
在一示例性步骤(例如第八步骤)，基于成像设置数据、投影图像数据和空间配准数据来确定位置验证数据，以描述如二维投影图像中所示的可跟踪设备的空间位置与可跟踪设备的期望空间位置的偏差。换而言之，该步骤的目的是将经由跟踪系统获得的可跟踪设备的期望空间位置与投影图像拍摄之前可跟踪设备已基于经由跟踪系统所获取的数据移动到的实际空间位置进行比较。如果可跟踪系统正确识别可跟踪对象的空间位置，即初始定位无任何(跟踪)误差，则可跟踪对象的实际空间位置与期望空间位置相符。否则，图像显示出实际空间位置与期望空间位置之间的偏差。
在一示例性步骤(例如第九步骤)，基于位置验证数据来确定位置校正数据，以描述可跟踪设备的空间位置中偏差的位置补偿。倘若已在上述步骤中计算出偏差，则可采取适当措施来补偿该偏差。例如，可以基于所确定的偏差来计算变换矩阵。然后可以将该矩阵应用于跟踪数据，使得后续的跟踪过程是基于可跟踪对象的正确空间位置。在替代方案中，该矩阵也可应用于设备的实际位置，即，真实的可跟踪设备可以移动至正确位置，从而补偿偏差。
根据一具体例，可跟踪设备的期望空间位置包括以下至少一项：
-可跟踪设备的单个位置或多个空间位置；
-可跟踪设备的空间位置范围；
-可跟踪设备的轨迹。
例如，如果可跟踪设备或器械、特别是其功能部段呈旋转对称，则期望空间位置可包括该设备或器械绕其对称轴的多个空间位置。然而，如果可跟踪设备或器械具有更复杂的结构，则期望空间位置可由单个空间位置表示。另外，根据可跟踪设备的需要可以定义空间位置的整体范围，例如，这会足以使该设备在预定平面内对齐或平行于该预定平面。此外，可以将直线或轨迹定义为期望位置，这会足以使可跟踪设备或器械与该直线或轨迹对齐。这可适用于细长的器械或设备，例如探针、导管、指针仪器，甚至是钉和螺丝。
在另一具体例中，获取投影图像数据包括获取成像方向大致相同的至少两个投影图像，特别是分别针对身体部位和可跟踪设备获取单独的投影图像，具体而言，这些投影图像分别限于身体部位和可跟踪设备的投影。
单投影图像可能不足以覆盖可跟踪设备和解剖身体部位，因此该图像可能由两个或更多个单投影图像组成。然而，就此应当重点注意，这些图像需要具有大致相同的成像方向。虽然各个成像方向之间的微小偏差相对于图像的预期目的为可接受，但更大的偏差将破坏预期结果，即精确地确定可跟踪设备的预期空间位置与实际空间位置之间的可能偏差。
此外，例如可以通过使用成像设备的准直器，将投影图像限定为解剖身体部位和/或可跟踪设备的投影，以使对患者的辐射尽量保持最低。然后，可将这些限定或“准直”图像中的两个或更多个合并为单个投影图像，特别是发射器和检测器保持其相对于所获取图像的位置，但针对不同图像的准直器配置不同，即，准直器配置仅限于各图像中包含的解剖结构或可跟踪设备的投影。另外，在某些情况下较为理想的是，省略例如可能会导致图像伪影的患者解剖结构的辐射敏感部位以及医疗器械。
在另一示例中，获取投影图像数据涉及获取成像方向不同的至少两个投影图像，其中在所获取的投影图像的不同图像平面中确定位置校正数据。虽然单个二维投影图像足以确定图像平面内可跟踪设备的可能偏差，即应充分反映可能偏差的两个平移自由度和一个旋转自由度，但在另一空间方向上拍摄的另一图像会有助于揭示可能偏差的大部分其余自由度。然而，在生成x射线图像的情况下，患者会经受额外的辐照，这在某些情况下并不理想。
一旦生成投影图像，可跟踪设备的期望空间位置与实际空间位置之间的可能偏差仅显示在投影图像中，而不可供跟踪系统或导航系统进行处理。为此，需要将显露的偏差从图像平面变换到三维坐标系，例如跟踪系统的坐标系。
因此，在另一具体例中，确定位置验证数据包括：
-将投影图像中身体部位的投影与从空间图像数据重建的身体部位的二维表示相匹配；和/或
-将投影图像中可跟踪设备的投影与从描述可跟踪设备的三维形状的数据重建的可跟踪设备的二维表示相匹配。
通过匹配身体部位的投影，在图像平面内确定该期望空间方位，例如可跟踪设备的规划轨迹，而图像平面的空间定向可在空间图像数据的坐标系内确定。因此，随后还可以将期望空间位置变换到实际解剖身体部位的真实世界三维坐标系和/或跟踪系统的三维坐标系。这同样适用于可跟踪设备的投影。因此，可以计算图像平面内可跟踪设备的期望空间位置与实际空间位置之间的偏差，图像平面的定向在分配给实际解剖结构或跟踪系统的三维坐标系内为已知，或在与实际解剖结构或跟踪系统配准的任意其他三维坐标系内为已知。
为了确定图像平面在解剖结构和/或跟踪系统的三维坐标系内的完整空间位置，其附加地包括“深度信息”，即图像平面在三维坐标系内沿成像方向的位置，确定位置验证数据可涉及将位置数据从投影图像的二维图像空间变化到身体部位的三维空间。特别地，该变换分别基于从空间配准数据和跟踪位置数据分别导出的身体部位三维空间中可跟踪设备的期望空间位置和/或当前空间位置。
可跟踪设备的期望空间位置和实际空间位置在三维坐标系内为已知，因此该信息可用于确定图像平面沿成像方向的空间位置。可能的位置误差在此可忽略不计。
在另一示例中，基于空间配准数据和/或跟踪位置数据获取成像设置数据，特别地，投影成像设备的位置设置选自预期会提供关于可跟踪设备与期望空间位置的可能空间偏差的有价值信息的多个可能位置设置，具体地，投影成像设备的位置设置选择为提供图像平面大致平行于可跟踪设备的期望空间方向的投影图像和/或可跟踪设备的预期空间偏差。
换而言之，投影成像设备相对于可跟踪设备的实际空间位置和/或期望空间位置进行定位，使得所获取的单个投影图像交付关于可能偏差的最佳信息。例如，如果在某个特定空间方向上存在或预期存在平移偏差，则投影成像设备应定位成使得成像方向至多垂直于该偏差的方向。如果出现或预期出现旋转偏差，则成像方向应至多平行于旋转轴。
另外，获取成像设置数据的步骤还可以基于投影图像的投影路径需要避免的至少一个对象和/或至少一个体积的空间位置。例如，投影成像设备可以定位成使得患者解剖结构的辐射敏感部分不受投影成像设备发射的辐射的影响。这同样适用于定位于临近可跟踪设备和解剖身体部位的任何医疗器械，这可能导致所获取的图像中出现伪影。
在通过上述方法揭示了可跟踪设备的期望空间位置与实际空间位置之间的不理想偏差之后，可以将可跟踪设备的空间位置的偏差的位置补偿：
-应用于可跟踪设备在三维空间中的空间位置，特别是通过相应地控制保持可跟踪设备的机动支撑结构；或
-应用于由医疗跟踪系统检测到的可跟踪器械的空间位置，尤其是如医疗导航系统的图形用户界面上所示的可跟踪设备的表示的空间位置。
因此，特别是如果可跟踪设备或器械通过机械支撑结构(如机动铰接支撑臂)得以保持，则可跟踪设备的实际空间位置可以校正成与期望空间位置相符。另一方面，特别是如果可跟踪设备由从业者保持，如显示器上所示的器械表示的空间位置可校正为实际空间位置，以使从业者随后可进行必要的调整，以最终将可跟踪设备置于期望空间位置。
例如，上述至少一个投影图像可以通过荧光透视和/或射线摄影获取。
另外，可通过选自下组的医疗跟踪系统获取跟踪位置数据：
-光学跟踪系统，尤其是红外跟踪系统；
-电磁(EM)跟踪系统；
-超声跟踪系统；
这些系统适于确定耦合至可跟踪设备的一个或多个跟踪标记的空间位置，特别是该跟踪系统或附加跟踪系统还适于确定至少以下各项的空间位置：
-解剖身体部位；
-投影成像设备，尤其是其发射器和/或其检测器。
在第二方面，本发明涉及一种计算机程序，其包括指令，当由至少一个计算机执行程序时，所述指令促使至少一个计算机执行根据第一方面的方法。替选地或附加地，本发明可以涉及携带表示程序、例如上述程序的信息的(例如以技术手段生成的物理性、例如电)信号波，例如数字信号波，诸如电磁载波，所述程序例如包括适于执行根据第一方面的方法的任意或全部步骤的代码机构。在一实例中，信号波是携带上述计算机程序的数据载波信号。存储在盘上的计算机程序是数据文件，当读取并传输文件时，该文件变成例如(例如以技术手段生成的物理性、例如电)信号形式的数据流。该信号可实施为信号波，例如本文描述的电磁载波。例如，信号(例如信号波)构建为经由计算机网络、例如LAN、WLAN、WAN、移动网络(例如因特网)来传输。例如，信号(例如信号波)构建为通过光学或声学数据传输来传输。故替选地或附加地，本发明根据第二方面可以涉及代表上述程序(即，包括该程序)的数据流。
在第三方面，本发明涉及一种存储有根据第二方面的程序的计算机可读存储介质。所述程序存储介质例如为非暂时性。
在第四方面，本发明涉及至少一个计算机(例如，计算机)，其包括至少一个处理器(例如，处理器)和至少一个存储器(例如，存储器)，其中，由处理器执行根据第二方面的程序，或其中，该至少一个计算机包括根据第三方面的计算机可读存储介质。
在第五方面，本发明涉及一种医疗系统，包括：
a)根据第四方面的至少一个计算机；
b)至少存储空间图像数据的至少一个电子数据存储设备；及
c)用于至少获取跟踪位置数据的跟踪系统，包括用于传输控制数据的接口，尤其是包括连接至投影成像设备以获取成像设置数据的接口。
替选地或附加地，本发明根据第五方面涉及一种例如非暂时性计算机可读程序存储介质，该介质存储用于促使根据第四方面的计算机执行根据第一方面的方法的数据处理步骤的程序。
例如，本发明不涉及或尤其不包括或包含侵入性步骤，该侵入性步骤代表对身体的实质性物理干扰，需要对身体采取专业医疗措施，而即使采取了所要求的专业护理或措施，身体仍可能承受重大健康风险。
例如，本发明不包括定位医用植入物或跟踪标记以将其固定到解剖结构的步骤，或将医用植入物或跟踪标记固定到解剖结构的步骤，或将解剖结构就绪以备医用植入物或跟踪标记固定到其上的步骤。更具体地，本发明不涉及或尤其不包括或包含任何外科手术或治疗活动。
设备或系统的用途
本发明还涉及设备/系统或其任何实施例在实施医疗程序中的用途。
定义
本部分中提供了本公开中使用的特定术语的定义，它们也构成本公开的一部分。
计算机实施的方法
根据本发明的方法例如是一种计算机实施的方法。例如，根据本发明的方法的全部步骤或仅一些步骤(即，少于步骤总数)可以由计算机(例如，至少一个计算机)执行。由计算机实施的方法的实施例是计算机用来执行数据处理方法的用途。由计算机实施的方法的实施例是涉及计算机操作的方法，使得计算机被操作为执行该方法的一个、多个或全部步骤。
计算机例如包括至少一个处理器和例如至少一个存储器，以便(技术上)处理数据，例如电子地和/或光学地处理数据。处理器例如由半导体的物质或组合物制成，例如至少部分n型和/或p型掺杂半导体，例如II型、III型、IV型、V型、VI型半导体材料中的至少一种，例如(掺杂)砷化硅和/或砷化镓。所描述的计算步骤或确定步骤例如由计算机执行。确定步骤或计算步骤例如是在技术方法的框架内(例如在程序的框架内)确定数据的步骤。计算机例如是任何类型的数据处理设备，例如电子数据处理设备。计算机可以是通常视为计算机的设备，例如台式个人电脑、笔记本电脑、上网本等，但也可以是任何可编程装置，例如移动电话或嵌入式处理器。计算机可以例如包括“子计算机”系统(网络)，其中每个子计算机代表其本身的计算机。术语“计算机”包括云计算机，例如云服务器。术语“计算机”包括服务器资源。术语“云计算机”包括云计算机系统，其例如包括至少一个云计算机的系统，例如包括多个可操作性互连的云计算机，诸如服务器群。这种云计算机优选地连接到诸如万维网(WWW)的广域网，并位于全部连接到万维网的计算机的所谓的云中。这种基础设施用于“云计算”，其描述了不要求终端用户知道提供特定服务的计算机的物理位置和/或配置的那些计算、软件、数据访问和存储服务。例如，术语“云”就此用来隐喻因特网(万维网)。例如，云提供作为服务(IaaS)的计算基础设施。云计算机可以用作用于执行本发明方法的操作系统和/或数据处理应用的虚拟主机。云计算机例如是由亚马逊网络服务(Amazon WebServicesTM)提供的弹性计算云(EC2)。计算机例如包括接口，以便接收或输出数据和/或执行模数转换。该数据例如是表示物理属性和/或从技术信号生成的数据。技术信号例如通过(技术)检测设备(例如用于检测标记器的设备)和/或(技术)分析设备(例如用于执行(医学)成像方法的设备)来生成，其中技术信号是例如电信号或光信号。技术信号例如表示由计算机接收或输出的数据。计算机优选可操作性耦合到显示设备，该显示设备允许将由计算机输出的信息显示给例如用户。显示设备的一个实例是虚拟现实设备或增强现实设备(又称为虚拟现实眼镜或增强现实眼镜)，其可以用作用于导航的“护目镜”。这种增强现实眼镜的具体实例是谷歌眼镜(Google Glass，Google,Inc.旗下的商标品牌)。增强现实设备或虚拟现实设备既可用于通过用户交互将信息输入到计算机中，又可用于显示由计算机输出的信息。显示设备的另一实例是例如包括液晶显示器的标准计算机监视器，该液晶显示器可操作性连接到用于从用于生成信号的计算机接收显示控制数据的计算机，该信号用于在显示设备上显示图像信息内容。这种计算机监视器的具体实施例是数字灯箱。这种数字灯箱的实例是Brainlab AG的产品监视器也可以是例如手持式的便携式设备，诸如智能电话或个人数字助理或数字媒体播放器。
本发明还涉及一种包括指令的计算机程序，当由计算机执行程序时，这些指令促使计算机执行本文所述的一个或多个方法，例如一个或多个方法的步骤；和/或本发明涉及一种存储有所述程序的计算机可读存储介质(例如非暂时性计算机可读存储介质)；和/或本发明涉及一种包括所述程序存储介质的计算机；和/或本发明涉及一种携带表示程序(例如上述程序)的信息的(例如以技术手段生成的物理性、例如电)信号波，例如数字信号波，诸如电磁载波，所述程序例如包括适于执行本文所述的任意或全部方法步骤的代码机构。在一实例中，信号波是携带上述计算机程序的数据载波信号。本发明还涉及一种计算机，该计算机包括至少一个处理器和/或上述计算机可读存储介质以及例如存储器，其中该程序由处理器来执行。
在本发明的框架内，计算机程序单元可以通过硬件和/或软件(这包括固件、驻留软件、微代码等)来体现。在本发明的框架内，计算机程序单元可以采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可以通过计算机可用、例如计算机可读的数据存储介质来实现，该数据存储介质包括计算机可用、例如计算机可读的程序指令，在所述数据存储介质中体现的“代码”或“计算机程序”用于在指令执行系统上或与指令执行系统结合使用。这种系统可以是计算机；计算机可以是包括用于执行根据本发明的计算机程序单元和/或程序的机构的数据处理设备，例如包括执行计算机程序单元的数字处理器(中央处理单元或CPU)的数据处理设备，以及可选地包括用于存储用于执行计算机程序单元和/或通过执行计算机程序单元生成的数据的易失性存储器(例如随机存取存储器或RAM)的数据处理设备。在本发明的框架内，计算机可用、例如计算机可读的数据存储介质可以是任何数据存储介质，其可以包含、存储、通信、传播或传输那些指令执行系统、装置或设备上使用或与之结合使用的程序。计算机可用、例如计算机可读的数据存储介质例如可以是但不限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，或者是诸如因特网的传播介质。计算机可用或计算机可读的数据存储介质甚至可以是例如可打印所述程序的纸张或其他合适介质，因为程序可以通过电子方式捕获，例如通过光学扫描该纸张或其他合适介质，然后再编译、解码或以适当方式另行处理。数据存储介质优选为非易失性数据存储介质。本文所述的计算机程序产品和任何软件和/或硬件形成用于在示例实施例中执行本发明的功能的各种机构。计算机和/或数据处理设备可以例如包括指导信息设备，该指导信息设备包括用于输出指导信息的机构。指导信息可以例如在视觉上通过视觉指示机构(例如，监视器和/或灯)和/或在听觉上通过听觉指示机构(例如，扬声器和/或数字语音输出设备)和/或在触觉上通过触觉指示机构(例如，振动元件或并入器械中的振动元件)输出给用户。出于本文件的目的，计算机是技术计算机，该技术计算机例如包括诸如有形组件、例如机械组件和/或电子组件的技术组件。本文件中提及的任何设备都是技术设备并例如是有形设备。
获取数据
表述“获取数据”例如包含(在所述计算机实施的方法的框架内)由计算机实施的方法或程序确定数据的场景。确定数据例如包含测量物理量并将所测得的值变换成数据，例如数字数据，和/或借助于计算机并例如在根据本发明的方法的框架内计算(例如输出)该数据。如本文所述的“确定”步骤例如包括发出执行本文所述的确定的命令或由其组成。例如，该步骤包括发出促使计算机(例如远程计算机、例如远程服务器、例如云中)执行确定的命令或由其组成。替选地或附加地，本文所述的“确定”步骤例如包括以下步骤或由其组成：接收由本文所述的确定的结果数据，例如从远程计算机(例如从促使其执行确定的远程计算机)接收结果数据。“获取数据”的含义还例如包含以下场景：通过(例如输入)由计算机实施的方法或程序例如从另一程序、先前的方法步骤或数据存储介质接收或检索数据，例如用于通过由计算机实施的方法或程序进行进一步处理。待获取数据的生成可以但不必是根据本发明的方法的一部分。因此，表述“获取数据”还可以例如表示等待接收数据和/或接收数据。所接收的数据可以例如经由接口来输入。表述“获取数据”还可以表示由计算机实施的方法或程序执行一些步骤以便(主动地)从譬如数据存储介质(例如ROM、RAM、数据库、硬盘驱动器等)的数据源或经由接口(譬如从另一个计算机或网络)接收或检索数据。分别通过本公开的方法或设备获取的数据可从位于数据存储设备中的数据库获取，该数据存储设备可操作性连接到计算机以便进行数据库与计算机之间的数据传输，例如从数据库到计算机的数据传输。计算机获取数据以用作“确定数据”步骤的输入。所确定的数据可以再输出到相同的或另一个数据库以便存储以供后续使用。该数据库或用于实施本公开方法的数据库可以位于网络数据存储设备或网络服务器(例如，云数据存储设备或云服务器)或本地数据存储设备(例如可操作性连接到至少一个执行本公开方法的计算机的大容量存储设备)。数据可以通过在获取步骤之前执行附加步骤的方式来实现“就绪”状态。根据这个附加步骤，生成数据以供获取。例如，检测或捕获数据(例如，通过分析设备)。替选地或附加地，根据附加步骤，譬如经由接口，输入数据。例如可以输入所生成的数据(譬如，输入到计算机中)。根据附加步骤(其在获取步骤之前进行)，也可以通过执行将数据存储于数据存储介质(例如ROM、RAM、CD和/或硬盘驱动器)的附加步骤来提供数据，从而在根据本发明的方法或程序的框架内，使数据就绪。因此，“获取数据”的步骤还可以涉及命令设备获取和/或提供待获取的数据。特别地，获取步骤不涉及侵入性步骤，该侵入性步骤代表对身体的实质性物理干扰，要求采取专业医疗措施，即使执行时采取了所要求的专业护理和措施，身体也可能承受重大健康风险。特别地，获取数据的步骤，例如确定数据，不涉及外科手术步骤，特别是不涉及利用外科手术或疗法来治疗人体或动物躯体的步骤。为了区分本方法使用的不同数据，将数据表示为(即称为)“XY数据”等，并根据它们描述的信息来定义，然后优选地将其称为“XY信息”等。
配准
当空间内的实际对象(例如，手术室中的身体部位)的每个点的空间位置均分配有存储在导航系统中的图像(CT、MR等)的图像数据点时，配准身体的n维图像。
图像配准
图像配准是将不同数据集变换到一个坐标系的过程。数据可以是来自不同传感器、不同时间或不同视点的多个照片和/或数据。它用于计算机视觉、医学成像以及编译和分析来自卫星的图像和数据。为了能够比较或整合从这些不同测量获得的数据，配准是必要的。
标记
标记的功能是由标记检测设备(例如，相机或超声接收器，或诸如CT或MRI设备的分析设备)以能够确定该标记的空间位置(即其空间位置和/或对准)方式来检测。该检测设备例如是基于计算机的导航系统的一部分。标记可以是有源标记。有源标记可以例如发射电磁辐射和/或处于红外、可见和/或紫外光谱范围内的波。然而，标记也可以是无源标记，即例如可以反射处于红外、可见和/或紫外光谱范围内的电磁辐射，或者可以阻挡X射线辐射。为此，标记可以设置有具有相应反射特性的表面，或者可以由金属制成以便阻挡X射线辐射。标记还可以反射和/或发射电磁辐射和/或处于射频范围内或在超声波波长处的波。标记优选具有球形和/或球状体形状，并且因此可以称为标记球体；然而，标记也可以呈现有角的(例如立方体的)形状。
标记器
标记器可以例如是基准星或指针或者单个标记或多个(单独)标记，这多个标记则优选地处于预定的空间关系。标记器包括一个、两个、三个或更多个标记，其中两个或更多个这样的标记处于预定的空间关系。这种预定空间关系例如对于导航系统为已知，并且例如存储在导航系统的计算机中。
在另一实施例中，标记器包括例如在二维表面上的光学图案。光学图案可以包括多个几何形状，如圆形、矩形和/或三角形。光学图案可以在由相机捕获的图像中被识别出，并且标记设备相对于相机的位置可以根据图像中的图案的大小、图像中的图案的取向和图像中的图案的失真来确定。这允许根据单一的二维图像来确定在多达三个旋转维度和多达三个平移维度中的相对位置。
可以例如通过医学导航系统来确定标记器的位置。如果标记器附着到诸如骨或医疗器械的对象上，则可以根据标记器的位置以及标记器与对象之间的相对位置来确定对象的位置。确定这个相对位置也称为配准标记器与对象。标记器或对象可以被跟踪，这意味着标记器或对象的位置随着时间被确定两次或更多次。
标记保持器
标记保持器理解为各个标记的附接设备，用于将标记附接至器械、一部分身体和/或基准星的保持元件，其中该标记保持器可以附接成使其静止不动，又可有利地使其可拆离。标记保持器可以例如呈杆状和/或圆柱状。标记器的紧固设备(例如闩锁机构)可设置于标记保持器面向标记的一端，并协助将标记器以力配合和/或形配合方式置于标记保持器上。
指针
指针为包括一个或多个(有利地，两个)紧固于其上的标记的杆，可用于区分一部分身体上的各个坐标，例如空间坐标(即三维坐标)，其中用户将指针(例如，一部分指针，其相对于附接至指针的至少一个标记具有已定义且有利固定的位置)引导至对应于坐标的位置，从而可以通过使用手术导航系统来确定指针的位置，以检测指针上的标记。指针的标记与用于测量坐标的指针部分(例如，指针尖端)之间的相对位置例如为已知。然后，手术导航系统能够将(三维坐标系的)位置分配给预定的身体结构，其中可以自动或通过用户干预进行分配。
基准星
“基准星”是指具有数个附接于其上的标记(优选地，三个标记)的设备，这些标记(例如，可拆离地)附接至基准星，以使它们静止不动，从而提供标记彼此相对的位置(有利地固定位置)。针对外科导航方法构架内使用的每个基准星，标记彼此相对的位置各不相同，以使外科导航系统能够基于其标记彼此相对的位置来标识相应的基准星。因而，也可以相应地标识和/或区分基准星所附接到的对象(例如，器械和/或身体部位)。在外科导航方法中，基准星用于将多个标记附接至对象(例如，骨骼或医疗器械)，以便能够检测该对象的位置(即，其空间定位和/或对准)。这种基准星例如表征一种附接至对象(例如，夹具和/或螺纹)和/或保持元件的方式，这可确保标记与对象(例如，为了辅助标记对标记检测设备的可见性)和/或标记保持器(其机械连接至保持元件且标记可附接于其上)之间的距离。
导航系统
本发明还涉及一种计算机辅助手术的导航系统。该导航系统优选地包括计算机，用于处理根据如本文任一实施例中所述的计算机实施的方法所提供的数据。导航系统优选地包括检测设备，用于检测代表主点和辅点的检测点的位置，以生成检测信号并将所生成的检测信号提供给计算机，使得计算机可以根据接收到的检测信号来确定绝对主点数据和绝对辅点数据。检测点例如为由指针检测到的解剖结构表面上的点。这样就可以将绝对点数据提供给计算机。导航系统还优选地包括用户界面，用于从计算机接收计算结果(例如，主平面的位置、辅平面的位置和/或标准平面的位置)。用户界面将接收到的数据作为信息提供给用户。用户界面的示例包括监视器或扬声器等显示设备。用户界面可以使用任何类型的指示信号(例如，视觉信号、音频信号和/或振动信号)。显示设备的一个实例为增强现实设备(又称增强现实眼镜)，其可用作用于导航的“护目镜”。这种增强现实眼镜的具体实例是谷歌眼镜(Google Glass，Google,Inc.旗下的商标品牌)。增强现实设备既可用于通过用户交互向导航系统的计算机输入信息，也可用于显示计算机输出的信息。
本发明还涉及一种用于计算机辅助手术的导航系统，包括：
计算机，用于处理绝对点数据和相对点数据；
检测设备，用于检测主点和辅点的位置，以生成绝对点数据并将绝对点数据提供给计算机；
数据接口，用于接收相对点数据并将相对点数据提供给计算机；及
用户界面，用于从计算机接收数据以向用户提供信息，其中所接收的数据是由计算机基于计算机执行处理的结果生成。
外科导航系统
导航系统(例如外科导航系统)应理解为这样一个系统，即可以包括：至少一个标记器；发射电磁波和/或辐射和/或超声波的发射器；接收电磁波和/或辐射和/或超声波的接收器；以及连接至接收器和/或发射器的电子数据处理设备，其中数据处理设备(例如，计算机)例如包括处理器(CPU)和工作存储器并且有利地包括用于下发指示信号的指示设备(例如，监视器等视觉指示设备和/或扬声器等音频指示设备和/或振动器等触觉指示设备)以及永久性数据存储器，其中数据处理设备处理由接收器转发给它的导航数据，并可以有利地经由指示设备向用户输出指导信息。导航数据可以存储在永久性数据存储器中，例如与预先存储在所述存储器中的数据进行比较。
成像几何结构
给定成像几何结构分析装置与x射线辐射将要分析的分析对象(解剖身体部位)之间的已知相对位置，如果待分析的分析对象为已知，则关于成像几何结构的信息优选地包括允许计算分析图像(x射线图像)的信息，其中“已知”是指分析对象的空间几何结构(尺寸和形状)为已知。这意味着例如关于分析对象(解剖身体部位)与分析辐射(x射线辐射)之间相互作用的三维“空间分辨”信息为已知，其中“相互作用”是指例如分析辐射被分析对象阻挡或部分或完全允许穿过分析对象。成像几何结构的定位、尤其是定向例如由x射线设备的方位限定，例如由x射线源和x射线检测器的方位和/或例如由穿过分析对象并被x射线检测器检测到的多道(多种)x射线束的方位限定。成像几何结构例如描述所述多道(多种)x射线束的方位(即定位，尤其是定向)和形状(例如，呈现特定倾斜角的圆锥形状)。该方位可以例如由所述多道x射线束中穿过中心的x射线束的方位来表示，或由表示所述多道(多种)x射线束的几何对象(诸如截头圆锥)的方位来表示。关于上述相互作用的信息优选地是在三维中获知的，例如从三维CT中获知，并且以空间分辨的方式描述分析对象的点和/或区域的相互作用，例如分析对象的所有点和/或区域的相互作用。获知成像几何结构例如允许相对于平面(例如，x射线检测器的平面)计算辐射源(例如，x射线源)的位置。关于成像几何结构所定义的三维分析对象与二维分析图像之间的连接，例如可参考以下出版物：
1.《An Efficient and Accurate Camera Calibration Technique for3DMachine Vision》Roger Y.Tsai著，Proceedings of the IEEE Conference onComputer Vision and Pattern Recognition，佛罗里达州迈阿密海滩，1986年版第364-374页；
2.《A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy3DMachine Vision Metrology Using Off-the Cameras and Lenses》Roger Y.Tsai著，IEEE Journal of Robotics and Automation，第RA-3卷第四期1987年8月版第323-344页；
3.《Fluoroscopic image processing for computer-aided orthopaedicsurgery》Yaniv Z.,Joskowicz L.,Simkin A.,Garza-Jinich M.,Milgrom C著(1998)Fluoroscopic image processing for computer-aided orthopaedic surgery；In:WellsW.M.,Colchester A.,Delp S.(eds)Medical Image Computing and Computer-AssistedIntervention—MICCAI’98.MICCAI 1998.Lecture Notes in Computer Science第1496卷，斯普林格/柏林/海德堡；
4.专利文献EP 08156293.6；
5.专利文献US 61/054,187。
成像方法
在医学领域，使用成像方法(又称为成像模态和/或医学成像模态)来生成人体解剖结构(诸如软组织、骨骼、器官等)的图像数据(例如二维或三维图像数据)。术语“医学成像方法”应理解为意指(有利地基于装置的)成像方法(例如所谓的医学成像模态和/或放射成像方法)，譬如计算机断层扫描(CT)和锥形束计算机断层扫描(Cone Beam ComputedTomography，简称CBCT，诸如体积CBCT)、x射线断层扫描、磁共振断层扫描(MRT或MRI)、常规x射线、超声波扫描术和/或超声波核查以及正电子放射断层扫描。例如，医学成像方法由分析设备来执行。通过医学成像方法应用的医学成像模态的实例为：X射线放射摄影术、磁共振成像、医学超声或超声、内窥镜检查、弹性成像、触觉成像、热成像、医学摄影和核医学功能成像技术，诸如参阅Wikipedia提及的正电子发射断层摄影(Positron EmissionTomography，简称PET)和单光子发射计算机断层摄影(Single-Photon Emission ComputedTomography，简称SPECT)。
由此生成的图像数据又称为“医学成像数据”。分析设备例如用于在基于装置的成像方法中生成图像数据。成像方法例如用于分析身体解剖结构的医学诊断，以生成由图像数据描述的图像。成像方法还例如用于检测人体中的病理变化。然而，解剖结构中的一些变化，例如结构(组织)中的病理变化，可能无法检测到，并例如在通过成像方法生成的图像中可能是不可见。肿瘤表示解剖结构中变化的实例。如果肿瘤生长，则可认为其表示扩张的解剖结构。这种扩张的解剖结构可能无法检测到，例如，只有扩张解剖结构的一部分才能被检测到。例如，当使用造影剂渗入肿瘤时，早期/晚期脑部肿瘤通常在MRI扫描中可见。MRI扫描表示成像方法的一种实例。在对这类脑肿瘤进行MRI扫描的情形下，认为MRI图像中的信号增强(因造影剂渗入肿瘤而导致)代表了固体肿瘤块。因此，肿瘤可检测到，并例如在通过成像方法生成的图像中可辨别出。除了称为“增强”肿瘤的这些肿瘤之外，认为大约10％的脑肿瘤在扫描中无法辨别，并例如对于观察通过成像方法生成的图像的用户不可见。
附图说明
在下文中，参照附图对本发明予以描述，这些附图给予本发明的背景说明并表示本发明的具体实施例。但本发明的范围不限于在附图的上下文中公开的具体特征，图中：
图1示出了可由根据本发明第四方面的计算机执行的根据本发明第一方面的基本方法步骤的流程图；
图2示出了根据本发明第五方面的系统的示意图；
图3示出了投影成像设备相对于解剖身体部位和可跟踪设备的示例性设置；
图4示出了说明图3的位置设置的显示。
具体实施方式
图1示出了根据本发明第一方面的方法的基本步骤，该方法在上文已予详述。
图2示出根据第五方面的医疗系统1的示意图。该系统整体标有附图标记1，包括计算机2、用于至少存储空间图像数据的电子数据存储设备3(例如硬盘)以及跟踪系统4(例如，光学IR跟踪系统)。医疗系统1的组件具有上述功能和特性。
图3示出了具有发射器17和检测器18的投影成像设备11的示例性位置设置，该投影成像设备11生成椎骨8和器械6的x射线图像12(参见图4)。
上述成像采集过程提供椎骨8的三维图像数据集，例如CT数据集或MR数据集。从业者根据椎骨8的三维表示定义期望轨迹9，并借助器械工具6将椎弓根螺钉(未示出)推进到椎骨8的右侧椎弓根。
为了确定空间位置，工具6配备有光学标记阵列15，光学跟踪系统4可在空间中检测到该光学标记阵列15(参见图2)。在工具6沿期望轨迹9的初始定位不准确的情况下，跟踪系统4会交付关于工具6空间位置的不准确结果。在图3所示的说明性示例中，即使工具6实际上与轨迹10对准，跟踪系统4仍将工具6定位为沿期望轨迹9对准。在不应用本发明方法的情况下，跟踪系统4通过挡位13将工具6定位在偏离其实际位置的位置上。
为了补偿这种可能的不准确，本发明方法的具体例执行如下：
基于目前所获的信息，包括通过跟踪系统4保留的跟踪信息，控制机动支撑结构5移动工具6沿期望轨迹9对准。
跟踪系统4指示工具6沿期望轨迹9对准之后，控制投影成像装置11获取椎骨与工具6的投影图像。为了获得关于可能存在但尚未可知的偏差13的有意义图像，控制发射器17和检测器18在成像方向上对准，该成像方向尽可能垂直于期望轨迹9。发射器17和检测器18的空间位置皆由跟踪系统4通过跟踪标记19来识别。
所生成的图像包括椎骨8的二维表示，然后需要将工具6变换到跟踪系统4的三维坐标系，以根据期望轨迹9来评估工具6的实际轨迹10的可能偏差。这里需要重点注意，相较于发射器17与椎骨8/工具6之间的距离以及检测器与椎骨8/工具6之间的距离，实际轨迹10与期望轨迹9之间的可能偏差相当小。本文使用的术语“图像平面”用于定义发射器17与检测器18之间的图像平面，该图像平面垂直于成像轨迹，并包含可跟踪设备7(例如工具6)和/或身体部位8(例如椎骨8)的空间位置，尤其是可跟踪设备7和/或身体部位8的预定义部段，诸如器械顶点或椎骨8的界标。图像平面沿成像轨迹的空间位置即可基于工具6或椎骨8的空间位置来计算。由于基本比例定理，可能的跟踪不准确即使存在影响也只会很小。
随着基于基本比例定理将图像12及其内容变换为三维坐标系，则可在三维坐标系中计算图像平面内的可能偏差13。
基于此信息，可通过工具6的平移来控制机动支撑臂5，以补偿剩余跟踪过程中检测到的偏差，直到机动支撑臂5与期望轨迹9对准。于是，进一步的跟踪过程可以是基于经校正的跟踪信息。

Claims (16)

1.一种补偿跟踪不准确的计算机实施的方法，所述方法包括以下步骤：
a）获取（S11）空间图像数据，以描述解剖的身体部位（8）的三维表示；
b）获取（S12）目标位置数据，以描述可跟踪设备（7）相对于所述身体部位（8）的三维表示的期望空间位置（9）；
c）获取（S13）空间配准数据，以描述所述身体部位（8）的三维表示以及所述可跟踪设备（7）和所述身体部位（8）的期望空间位置（9）；
d）获取（S14）跟踪位置数据，以描述所述可跟踪设备（7）的当前空间位置（10）；
e）基于所述空间配准数据和所述跟踪位置数据来确定（S15）控制数据，以描述用于将所述可跟踪设备（7）定位在相对于所述身体部位（8）的所述期望空间位置（9）的指令；
f）获取（S16）成像设置数据，以描述基于所述期望空间位置（9）处的控制数据来获取所述身体部位（8）以及所定位的可跟踪设备（7）的二维投影图像（12）的投影成像设备（11）的位置设置；
g）获取（S17）投影图像数据，以描述所述二维投影图像（12）；
h）基于所述成像设置数据、所述投影图像数据和所述空间配准数据来确定（S18）位置验证数据，以描述所述二维投影图像（12）所示的可跟踪设备（7）的所述当前空间位置（10）与所述可跟踪设备（7）的所述期望空间位置（9）的偏差（13）；
i）基于所述位置验证数据来确定（S19）位置校正数据，以描述所述可跟踪设备（7）的空间位置的所述偏差（13）的位置补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望空间位置（9）包括以下至少一项：
- 所述可跟踪设备（7）的单个空间位置或多个空间位置；
- 所述可跟踪设备（7）的空间位置范围；
- 所述可跟踪设备（7）的轨迹。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，获取投影图像数据包括获取成像方向大致相同的至少两个投影图像（12）。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，获取投影图像数据涉及获取成像方向不同的至少两个投影图像（12），其中，在所获取的投影图像（12）的不同图像平面中确定位置校正数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定位置验证数据包括：
- 将所述身体部位（8）在所述投影图像（12）中的投影与从所述空间图像数据重建的所述身体部位（8）的二维表示相匹配；和/或
- 将所述可跟踪设备（7）在所述投影图像（12）中的投影与从描述所述可跟踪设备（7）的三维形状的数据重建的所述可跟踪设备（7）的二维表示相匹配。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定位置验证数据涉及将位置数据从所述投影图像（12）的二维图像空间变换为所述身体部位（8）的三维空间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，获取成像设置数据是基于所述空间配准数据和/或所述跟踪位置数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，选择所述投影成像设备（11）的位置设置还基于所述投影图像（12）的投影路径需要避免的至少一个对象和/或至少一个体积的空间位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可跟踪设备的空间位置（10）的偏差（13）的位置补偿：
- 应用于所述可跟踪设备（7）在三维空间中的空间位置（10）；或
- 应用于由医疗跟踪系统（4）检测到的所述可跟踪设备（7）的空间位置。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述投影图像（12）是通过荧光透视和/或射线摄影获取的X射线图像。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述跟踪位置数据是通过选自下组的医疗跟踪系统（4）获取：
- 光学跟踪系统；
- 电磁（EM）跟踪系统；
- 超声跟踪系统；
上述系统适于确定耦合至所述可跟踪设备的一个或多个跟踪标记（15）的空间位置。
12.一种计算机程序产品，包括指令，当计算机（2）执行程序时，所述指令促使所述计算机（2）实行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
13.一种医疗系统（1），包括：
a）至少一个计算机（2），包括至少一个处理器，其中，根据权利要求12所述的计算机程序产品存储在所述计算机（2）的程序存储介质中或由所述计算机（2）的至少一个处理器执行；
b）至少存储所述空间图像数据的至少一个电子数据存储设备（3）；
c）用于至少获取跟踪位置数据的跟踪系统（4），包括用于传输控制数据的接口。
14.根据权利要求13所述的医疗系统，还包括用于对患者实行医疗程序的可跟踪设备（7），其中，所述至少一个计算机（2）可操作性耦合至：
- 所述至少一个电子数据存储设备（3），以从所述至少一个电子数据存储设备（3）中获取至少所述空间图像数据；及
- 所述可跟踪设备（7），以向所述可跟踪设备（7）下发控制信号以基于所述控制数据来控制所述可跟踪设备（7）的操作。
15.根据权利要求13或14所述的医疗系统，其中，所述可跟踪设备（7）包括适于保持用于进行医疗程序的医疗器械（6）的机动支撑结构（5），其中，所述至少一个计算机（2）可操作性耦合至所述机动支撑结构（5），以向所述机动支撑结构（5）下发控制信号以基于所述控制数据来控制所述机动支撑结构（5）的操作。
16.一种根据权利要求13至15中任一项所述的医疗系统进行医疗程序的用途，其中，所述用途包括执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法的步骤以补偿跟踪不准确。
CN202080060040.9A 2020-02-14 2020-02-14 补偿跟踪不准确 Active CN114340539B (zh)

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